글로벌 세계 대백과사전/기술·통신/재료기술/무기재료기술/인공보석
보석[편집]
寶石
다이아몬드·루비·사파이어·에메랄드 등이 보석으로서 귀중히 여겨지는 조건을 생각해 보자. 우선 보석은 아름다워야 한다. 투명한 경우에는 아름다운 색채를 가졌든가, 무색인 경우라면 빛의 굴절률이 크며, 커트했을 때는 전반사(全反射)에 의해 반짝반짝 빛나야 한다. 불투명한 경우는 아름다운 색의 무늬가 있어야 한다. 또 보석은 경도가 높아야 한다. 장식품 등으로 만들었을 때에는 일상(日常)의 먼지에 의해 상처가 나지 않아야 한다.
보석의 필요성[편집]
寶石－必要性
보석이라 하면 우선 반지나 귀고리 등 장식품을 생각하게 되며, 그러한 물질은 취미를 위해서만 필요한 것이며, 실질적으로는 없어도 별로 지장이 없을 것으로 생각할 수도 있다.
그러나 보석이 가진 뛰어난 성질이 공업상 얼마나 중요한 역할을 하고 있는가를 잊어서는 안 된다. 예를 들면 항공기나 자동차공업·전자공업 등에는 몹시 단단한 초경합금(超硬合金) 재료가 많이 쓰이는데, 이것을 깎거나 연마하는 데는 그것보다 더욱 경도가 높은 공구(工具)가 필요하며, 이러한 근대정밀공업(近代精密工業)에는 보석, 특히 다이아몬드는 없어서는 안 될 물질이다. 아름다운 다이아몬드나 루비 등은 산출이 극히 드물어 몹시 고가이다. 따라서 이러한 물질들을 인공적으로 만들어 내려는 연구가 계속되어 왔고, 그 결과 몇 종류의 보석은 천연품과 거의 동일한 품질의 것이 되었다.
다이아몬드의 합성[편집]
diamond－合成
귀금속인 금과 보석의 대표인 다이아몬드를 인공합성하는 일은 오래 전부터 인류의 꿈이었다. 금에 관해서는 연금술(鍊金術)이라고 하여 오래 전부터 여러 가지로 시도되었으나 모두가 실패로 돌아갔으며, 현재 이론상으로는 거의 불가능이라는 결론이 나와 있다. 만약 가능하다면 수소폭탄·원자핵반응과 같은 원소의 변환(變換)에 의한 방법이 되겠으나, 그 실현은 거의 불가능이라고 생각되고 있다. 그러나 다이아몬드의 경우는 원소가 탄소로서 숯·그을음(煤煙)등과 같은 원소이다. 다이아몬드는 깊은 지층(地層) 속에서 만들어지므로 탄소에 높은 압력을 가하면 다이아몬드가 생성될 가능성이 있다.
고압장치[편집]
高壓裝置
수천도·수만기압 정도의 고온고압을 가할 수 있는 장치를 오랫동안 만들어내지 못했으나, 개량을 거듭한 결과 겨우 다이아몬드를 합성하는 데 성공한 장치가 만들어졌다. 이것이 벨트(belt)라 불리는 초고온고압장치이다. 시료실(試料室)을 가압하면서 전류를 통하여 직접 가열한다. 피스톤의 막대는 특히 고온·고압에 견딜 수 있는 탄화텅스텐을 사용했고 그 바깥쪽을 테를 끼우는 형태로 강철을 사용하여 죄며, 이것을 몇 겹 거듭한다. 이 장치로 미국의 제너럴일렉트릭(G. E.)에서 다이아몬드를 8만 5천∼12만 기압, 1,800∼2,200℃의 조건에서 만들어내는 데 마침내 성공했다(1955년). 그 뒤 각국에서 여러 가지로 연구가 계속되었고 일본의 도시바(東芝)에서는 G.E보다도 낮은 온도, 낮은 압력하에서도 다이아몬드가 만들어진다는 것을 발견했다. 즉 게르마늄·니켈 등을 원료인 탄소에 첨가함으로써 가능하다는 사실을 발견했다.
인공다이아몬드의 이용[편집]
人工 diamond－利用
오랫동안의 꿈이었던 다이아몬드를 인공적으로 만들 수 있게 되기는 하였으나, 이렇게 해서 만들어진 다이아몬드는 몹시 알이 작다. 현미경으로 보아야만 결정임을 알 수 있을 정도의 것이다. 이것으로는 도저히 장식용의 보석으로서 쓸모가 없다. 그러나 다이아몬드로서의 경도(硬度)는 지니고 있어서 고급 연마재(硏磨材)로서 사용될 가능성은 있으며, 실제로 천연품인 다이아몬드 연마제와 같은 정도로 사용되고 있다.
고압법에 의한 광물의 합성[편집]
高壓法－鑛物－合成
대단히 높은 압력을 고체물질에 가하면 원자와 원자의 배열이 조밀해져서 딱딱하고 무거운 물질이 된다. 이렇게 해서 얻어진 것으로 다이아몬드와 같은 계열의 결정형인 질화붕소(窒化硼素)가 있다. 이것은 낮은 압력에서는 흑연과 동일한 무른 물질이지만, 흑연이 다이아몬드로 변하는 것과 마찬가지로 고압을 가하면 단단해진다. 이것은 보래존(borazon)이라 불리며, 다이아몬드에 맞먹을 정도로 단단하다. 또 산화규소(SiO2：석영, 수정 등)에 고온·고압을 가하면 코오사이트란 이름의 새로운 광물이 얻어진다. 다른 산화규소가 불소에 의해 침식되는 데 비해 이 광물은 안정하다.
경옥(硬玉)·석류석(石榴石)·녹주석(綠柱石)·전기석(電氣石) 등도 보석이 될 만한 크기의 것은 아니지만 고압장치에 의해 만들어진다.
루비의 합성[편집]
ruby－合成
루비는 산화알루미늄의 결정에 약간의 산화크롬을 녹여 넣은 것이다. 이러한 상태의 결정을 만드는 데 가장 많이 쓰이는 방법이 화염용융법(火焰溶融法：Vernoulli 法)이라 불리는 것으로, 이것은 높은 융점의 결정을 합성하는 데 알맞다. 우선 순도가 높고 입자가 고른 원료 분말을 기계상부에 달린 용기에 넣는다.
미진동기(微振動機)로 진동시키면 용기 속에 있는 원료가 조금씩 흘러내린다. 한편 산소와 수소로 고온의 불꽃을 만든다. 시료(試料) 받침대 위쪽에 씨결정(種結晶)을 놓아 두면 위로부터 흘러내리는 가루는 고온에 닿아 녹는다. 시료대(試料臺)를 천천히 밑으로 움직이면 온도가 내려가므로 녹은 부분이 굳는다. 이렇게 하여 차례차례 가루가 떨어져 녹아, 약간씩 움직이면서 결정이 성장하여 간다.
루비의 이용법[편집]
ruby－利用法
아름다운 빨간빛의 보석, 루비는 보석으로서도 소중한 물질이지만 공업적인 면에서 더욱소중히 이용되고 있다. 일상생활에서 하루도 없어서는 안 될 시계의 축받이나 선박이 항해하는 데 필요한 나침반, 정밀 화학시험용 천칭의 지점(支點) 등에 없어서는 안 될 물질이다.
또 주목되고 있는 것으로 루비레이저가 있다. 결정을 고른 루비막대로 증폭·발진된 광선은 파장과 위상(位相)이 균일한 광속이 되어 튀어나간다(〔그림〕－1). 이것은 보통의 광원으로부터 나오는 빛이, 파장이 다른 몇 개의 파가 섞인 것과는 달리 파장이 균일하여 대단히 높은 에너지를 가졌으며, 이것을 이용하여 원거리송신이나 전자 장치의 미세한 부분을 용접하는 데 응용하는 연구가 진행되고 있다.
화염용융법으로 만들 수 있는 결정[편집]
( 火焰溶融法－結晶)
주성분은 산화알루미늄이며, 여러 가지 금속에 산화물을 녹인 코런덤(corundum)을
만들 수 있다. 또 마그네슘과 알루미늄의 산화물로 스피넬(spinel)이라 불리는 결정도
화염용융법으로 만들 수 있으며 역시 보석으로 쓰인다. 산화티탄(酸化 titanium)의
결정도 또한 이 방법으로 만들어진다. 이 방법으로 만들어지는 결정은 주먹만한 크기로
자라며 투명하고 아름답다.
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수정의 합성[편집]
水晶－合成
열수[편집]
熱水
솥에다 물을 끓이면 보통 100℃에서 끓기 시작하여 그 이상 열을 가하여도 물이 증발될 뿐 온도는 올라가지 않는다. 또 높은 산에서는 100℃ 이하에서 끓는데, 이것은 공기의 압력이 평지보다 낮아지기 때문이다. 반대로 솥에 뚜껑을 꼭 막아 수증기가 도망가지 않도록 해 주면(고압솥), 솥 속은 열을 가함에 따라 수증기가 많이 괴어 압력이 높아진다. 이 솥 속의 물은 압력을 받아 100℃ 이상의 물이 되는데 이 물을 열수(熱水)라 부른다.
열수조건[편집]
熱水條件
땅속 깊이 있는 물은 주위의 높은 압력을 받으며 동시에 지열(地熱)을 받으므로, 100℃ 이상의 물이 된다. 높은 온도, 높은 압력의 이러한 물이 지표(地表) 위로 뿜어 오르는 현상을 온천지대에서 흔히 볼 수 있는데, 대개의 물질은 높은 온도의 물에 잘 녹는다.
예를 들면 설탕도 냉수보다는 더운 물에 잘 녹는다. 그러나 수정(水晶)과 같은 산화규소 등은 물에 거의 녹지 않는다. 이것을 많이 녹이려면 물의 온도를 올리면 되는데, 보통의 경우 100℃ 이상으로는 오르지 않으므로 녹이는 양에도 한도가 있다. 그러나 앞에서 말한 고압솥을 사용하면 물의 온도를 더 올릴 수 있다. 지하 깊은 곳도 이와 같은 조건이며, 이것을 열수조건(熱水條件)이라 한다. 압력이 높은 물, 즉 100℃ 이상의 물을 유지할 수 있는 용기를 오토클레이브(autoclave：고압솥)라고 부른다.
결정의 생성[편집]
結晶－生成
열수조건(熱水條件)하에서는 대개의 물질이 잘 녹으며, 녹는 양은 고온일수록 많고 저온일수록 적어지는 것이 보통이다. 가령 높은 온도 ①로부터 낮은 온도 ②로 변하면, ①에서 A만큼 용해되었던 것이 ②에서는 C만큼밖에 용해시킬 수 없다. 따라서 A－C에 해당하는 분량은 결정이 되어 물로부터 쫓겨난다. 이것을 석출(析出)이라 한다(〔그림〕－3).
오토클레이브[편집]
autoclave
오토클레이브에는 높은 온도의 부분과 낮은 온도의 부분이 마련되어 있으며, 높은 온도의 부분에서 다량의 원료를 용해시켜 대류를 이용, 운반하여 낮은 온도의 부분에서 석출시킨다. 낮은 온도의 부분에 결정의 핵(씨)을 놓아 두면 그 핵을 중심으로 결정이 석출되기 시작하여 크게 성장한다. 이 방법에 의하여 수정(水晶)이 만들어지는데, 수정은 열수조건으로서 고온부가 400℃, 저온부가 350℃ 정도에서 만들어진다(〔그림〕－3). 이 때 물 속에 수산화나트륨·탄산나트륨을 가한다. 이러한 조건에서 1개월 계속하면 약 0.5∼1kg의 커다란 결정이 만들어진다. 이렇게 하여 만들어진 결정은 트랜시버나 수정시계(水晶時計)·초음파발진기(超音波發振器) 등의 진동자(振動子)로서 사용된다. 이것은 수정에 전압을 가하면 규칙적으로 진동하는 성질을 이용한 것인데, 천연수정보다 인공수정이 더욱 효과가 좋다고 한다. 열수조건에 의해 만들어지는 결정에는 수정 이외에도 루비·사파이어·산화아연·황화아연 등이 연구되고 있다. 오토클레이브의 재질(材質)로는 고온에도 녹슬지 않고 압력에도 견딜 수 있는 것이 쓰이는데, 이러한 재질은 대포의 포신(砲身)을 연구하는 과정에서 개발되었다.
보석과 광물의 색채[편집]
寶石－鑛物－色彩
색의 원인[편집]
色－原因
보석이나 광물 등이 색채를 띠는 것은, 그 가운데에 발색(發色)의 원인이 되는 원소가 함유되어 있기 때문이다. 그러한 원소로 Cr(크롬)·Co(코발트)·Fe(철)·Mn(망간)·Ni(니켈)·Cu(구리)·Ti(티탄)·V(바나듐) 등이 있는데, 이들은 보석·광물 속에 녹은 형태로 들어 있으며 금속에서는 나타나지 않는 색채를 낸다. 녹아드는 방법에는 여러 가지가 있으며, 원소가 같아도 들어 있는 결정이 다르면 색이 달라지고, 양(量)이 달라도 차이가 생긴다. 양에 의한 차이로는 루비의 경우 산화알루미늄(코런덤) 속에 2∼3%의 산화크롬이 들어 있으면 붉은색을 나타내지만 산화크롬의 양이 5%를 넘으면 녹색이 된다. 결정이 같고 함유된 원소와 그 양이 같아도 다른 색이 되는 경우가 있다.
산화알루미늄에 산화티탄이 녹아들었을 때 보석을 만드는 조건이, 수소가스가 많으면 보라색, 적으면 백색이 된다.
2종의 성분을 넣으면 보다 많은 색채를 얻을 수 있으며, 3종의 성분이면 더욱 다양한 색채가 나온다. 이와 같이 원래의 결정에 녹아드는 원소의 종류와 그 양, 또는 보석을 만드는 조건에 따라 목적하는 색을 낼 수 있다.
안료[편집]
顔料
진한 색채를 가진 광물은 안료로서 사용할 수있다. 안료의 가루를 기름에 개어 튜브 속에 넣은 것이 유화(油畵)용 그림물감이다. 그림물감의 색은 광물에 의한 것과 유기물에 의한 것이 있는데, 광물성의 것은 그림을 그려 놓은 후 색채의 변화가 적다고 한다.
백색안료로는 산화티탄·산화아연·황화아연·산화납(鉛白) 등이 있다. 옛날에는 화장용 분의 원료로 산화납이 사용되었는데, 이것은 오래 사용하면 피부를 해치므로 사용이 금지되고 있다. 적색 안료로는 철단(鐵丹)이라고 불리는 산화철(Fe2O3)이 가장잘 알려졌다. 갈색 안료로는 청분(金靑粉：철에 생기는 녹으로, 철단과 동일한 산화철이지만 만드는 법에 의해 색을 변화시킬 수 있다)이 있다. 황색 또는 오렌지색의 안료로는 크롬산납·크롬산아연·황화카드뮴·황산화철(수산화철) 등이 있다. 녹색의 안료로는 산화크롬·수산화크롬 등이 있으며, 청색 안료로는 감청(紺靑)·군청(群靑), 보라색 안료에는 망간자(manganese 紫) 등이 있다.