KR101561269B1 - 보석 색향상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보석 색향상 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 보석 색향상 방법은, (a) 유색의 보석(100)을 캡핑층 내부(210)에 배치하는 단계; 및 (b) 캡핑층(200)을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

보석 색향상 방법 {METHOD OF ENHANCING COLOR OF JEWELRY STONE}

본 발명은 보석 색향상 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 유색의 보석을 캡핑층 내부에 배치한 후 열처리하여, 색을 진하게 하거나 연하게 조절할 수 있는 보석 색향상 방법에 관한 것이다.

보석(jewelry stone)은 희소성, 내구성뿐만 아니라, 빛깔이나 광택이 아름답기 때문에 고가로 취급된다. 보석은 굴절률이 크기 때문에 보석을 투과하는 빛이 휘어서 반사되어 나갈 수 있어 반짝반짝하게 보이는 것이다. 이와 더불어 보석의 고유의 색상이 더해지면, 빛깔이 더욱 아름답게 될 수 있다. 따라서, 보석의 색상을 원하는대로 제어하여 그 가치를 증진시키는 방법이 연구되고 있다.

일반적으로, 보석의 색을 향상시키는 방법으로는 방사선, 전자빔 등 강한 에너지를 조사하거나, 발색 원소를 인위적으로 확산시키는 방법 등이 있다.

방사선, 전자빔 등 강한 에너지를 조사하는 방법은 에너지를 주입하여 보석 내부의 격자구조에 변경을 가하여 발색을 진행하는 방법이다. 하지만, 발색 공정을 마친 보석은, 낮은 열에서 어닐링 처리 또는 햇빛에 장시간 노출될 경우에 색이 옅어지거나 본래의 색으로 돌아가는 문제점이 있었다.

발색 원소를 인위적으로 확산시키는 방법은, 산화베릴륨(BeO), 산화철(Fe₂O₃), 산화크롬(Cr₂O₃) 등을 보석의 표면에 확산시키기 위해 보석과 같이 열처리 로(furnace)에 투입하여 열처리를 진행하는 방법이다. 하지만, 보석의 표면에만 색향상이 되고, 보석의 내부까지 색향상이 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 보석 전체에 색향상이 이루어질 수 있는 보석 색향상 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 보석의 색향상 되는 정도를 용이하게 조절할 수 있는 보석 색향상 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 상기의 목적은, (a) 유색의 보석을 캡핑층 내부에 배치하는 단계; 및 (b) 상기 캡핑층을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보석 색향상 방법에 의해 달성된다.

상기 유색의 보석은 커런덤(鋼玉, corundum), 지르코니아(zirconia), 다이아몬드(diamond), 베릴(綠柱石, beryl), 투어말린(전기석, tourmaline) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 캡핑층은 산화물, 질화물, 흑연 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화칼슘(CaO), 이산화규소(SiO₂), 산화철(Fe₂O₃), 이산화티타늄(TiO₂), 산화아연(ZnO) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 캡핑층은 흑연 발열체를 사용하는 열처리 로(furnace)의 내부에서 상기 열처리가 수행될 수 있다.

상기 열처리 로의 내부는 비활성기체 분위기 또는 진공 분위기 일 수 있다.

상기 열처리 온도는 1200℃ 내지 2200℃ 일 수 있다.

상기 열처리 시간은 1분 내지 100시간일 수 있다.

상기 열처리에 의한 열에너지의 공급으로 상기 유색의 보석의 색이 진해질 수 있다.

상기 산화물에 의해 상기 캡핑층 내부가 산화성 분위기가 될 수 있다.

상기 산화성 분위기에 의해 상기 유색의 보석의 색이 연해질 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 보석 전체에 색향상이 이루어질 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 보석의 색향상 되는 정도를 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 블루사파이어의 안정한 결정 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 블루사파이어의 바닥 상태에서 들뜬 상태로의 에너지 전이를 나타내는 도면이다.
도 3은 블루사파이어의 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보석 색향상 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 보석의 색 변화를 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 보석의 색 변화를 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 보석 색향상 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 보석의 색 변화를 나타내는 사진이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 명세서에서, 색향상이라 함은 보석의 색을 진하게 하거나, 연하게 하거나, 선명하게 하는 등의 모든 색 변화를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 보석은 커런덤(鋼玉, corundum), 지르코니아(zirconia), 다이아몬드(diamond), 베릴(綠柱石, beryl), 투어말린(전기석, tourmaline) 등의 유색의 단결정 보석을 포함하는 개념으로 이해되어야 한다. 다만, 이하에서는 커런덤의 한 종류인 블루사파이어를 상정하여 설명한다.

도 1은 블루사파이어의 안정한 결정 구조를 나타내는 도면, 도 2는 블루사파이어의 바닥 상태에서 들뜬 상태로의 에너지 전이를 나타내는 도면, 도 3은 블루사파이어의 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.

커런덤(또는 사파이어)은 Al₂O₃ 구성체의 6개의 산소 음이온이 약간 왜곡된 팔면체 구조를 가진 결정이 반복되는 단결정으로 구성되어 있으며, 그 중 보석으로 쓰이는 천연의 블루사파이어는 도 1에 도시된 바와 같이, 주로 철과 티타늄의 칼라센터 혼입으로 청색이 발생한다고 보고 되고 있다["Y. K. Ahn, "The Color Change by Beryllium Diffesed and Heat-Treated Corundum from Various Deposits" Ph. D. Thesis, Hanyang University (2013)" 참조].

자연계에서 불순물로 존재하는 철 이온과 티타늄 이온은 사파이어의 알루미늄 양이온과 치환될 수 있다. Fe²⁺ 이온과 Ti⁴⁺ 이온이 사파이어의 Al³⁺ 이온과 치환되면, 두 양이온은 서로 전자를 교환하는 작용을 할 수 있다. 이에 의해 Fe²⁺는 Fe³⁺로, Ti⁴⁺는 Ti³⁺로 변환될 수 있으며, Fe³⁺와 Ti³⁺의 거리는 2.65 Å으로 안정화 될 수 있다.

Fe³⁺와 Ti³⁺ 쌍의 교환 작용에 의한 에너지는 2.11eV로 Fe²⁺와 Ti⁴⁺ 쌍의 에너지를 기준으로 보다 높게 생성되며, 도 2에 도시된 바와 같은 에너지 준위의 변화가 나타난다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같은 2.11eV에 해당하는 노란색 부분의 흡수밴드가 발생하며, 노란색의 보색인 청색이 투과됨에 따라 블루사파이어로 보이게 되는 광학적 특성을 가질 수 있다.

결국, 커런덤은 열에너지를 가하여 Fe²⁺와 Ti⁴⁺ 쌍의 수를 늘려 청색을 강하게 발현시키거나, Fe²⁺와 Ti⁴⁺ 쌍의 수를 줄여 청색을 약하게 발현시킬 수 있다. 이러한 열처리에 의해 칼라센터가 제어된 보석은, 상술한 방사선, 전자빔 등 강한 에너지를 조사하거나, 발색 원소를 인위적으로 확산시키는 방법과 다르게, 천연의 보석과 동등하게 가격저하 없이 유통되는 이점이 있다.

커런덤에 열에너지를 가하기 위해, SiC 또는 Mo계 발열체를 사용하여 열처리를 하는 경우, 1600℃ 이상의 고온을 얻을 수 있으며, 수퍼칸탈(super-kanthal) 발열체를 사용하면 더욱 고온인 1800℃ 이상을 얻을 수 있다. 하지만, 상기 발열체는 1600℃ 이상의 온도를 장시간 유지하기에는 내구성이 약하여, 사파이어를 열처리하기에는 충분한 고온 조건을 유지하지 못하여 수율이 50% 미만으로 낮아지는 문제점이 있다.

따라서, 최근에는 대용량의 열처리를 위해 흑연 발열체를 사용하는 것이 일반적이다. 흑연 발열체는 금속합금재 발열체보다 1800℃ 이상의 고온을 장시간 유지할 수 있는 장점이 있으나, 흑연 발열체의 탄소 성분이 산화되는 현상을 방지하기 위해, 비활성기체 분위기 또는 진공 분위기에서 열처리를 수행해야 한다. 하지만, 비활성기체 분위기 또는 진공 분위기에서 열처리를 수행해도, 미량의 탄소 성분이 산화되어 형성되는 일산화탄소가 강한 환원력을 가지므로, 커런덤의 표면에서 Al₂O₃를 Al₂O_3-x로 환원시켜 커런덤의 표면이 흑화(黑化)되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 흑연 발열체의 미량의 탄소 성분이 산화되어 형성되는 일산화탄소가 보석(또는 커런덤)의 표면에서 환원작용을 일으키지 못하도록 캡핑층(200)을 구비하여 보석을 열처리하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 보석 색향상 방법은, 유색의 보석(100)을 캡핑층 내부(210)에 배치하는 단계 및 캡핑층(200)을 열처리 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보석 색향상 방법을 나타내는 도면이다.

먼저, 유색의 보석(100)을 캡핑층(200)의 내부(210)에 배치한다.

유색의 보석(100)은 커런덤(鋼玉, corundum), 지르코니아(zirconia), 다이아몬드(diamond), 베릴(綠柱石, beryl), 투어말린(전기석, tourmaline) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

캡핑층(200)은 열처리 로(10)의 내부 공간(11)에서 흑연 발열체(20)의 미량의 탄소 성분이 산화되어 형성되는 일산화탄소가 캡핑층(200) 내부 공간(210)에 배치된 유색의 보석(100)의 표면과 반응하는 것을 차단하는, 일종의 차폐막이라고 할 수 있다. 유색의 보석(100)이 배치되는 목적의 범위에서 캡핑층 내부(210)의 형상은 제한이 없다. 일산화탄소가 유색의 보석(100)의 표면과 반응하는 것을 차단하는 기능을 발휘하는 범위에서 캡핑층(200)의 형상은 밀폐판 형상, 도가니 형상 등으로 제한이 없다.

이어서, 유색의 보석(100)이 내부(210)에 배치된 캡핑층(200)을 열처리 로(10)의 내부 공간(11)에 배치하고 열처리한다. 흑연 발열체(20)는 열처리 로(10)의 내측면에 배치될 수 있으며, 흑연 발열체(20)의 개수, 크기 등은 조절이 가능하다.

흑연 발열체(20)는 열처리 로(10)의 내부 공간(11)의 온도를 1200℃ 내지 2200℃로 가열할 수 있다. 열처리는 1분 내지 100시간 동안 수행될 수 있다.

열처리를 할 때, 열처리 로(10)의 내부(11)는 흑연 발열체(20)의 탄소 성분이 산화되는 것을 최대한 방지할 수 있도록 비활성기체 분위기 또는 진공 분위기를 유지하는 것이 바람직하다. 비활성기체는 질소(N₂), 아르곤(Ar) 등을 사용할 수 있다.

캡핑층(200)은 산화물, 질화물, 흑연 중 적어도 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.

산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화칼슘(CaO), 이산화규소(SiO₂), 산화철(Fe₂O₃), 이산화티타늄(TiO₂), 산화아연(ZnO) 등인 것이 바람직하다.

질화물은 질화티타늄(TiN), 질화나트륨(Na₃N), 질화마그네슘(Mg₃N₂), 질화바나듐(VN), 질화철(Fe₄N), 질화붕소(BN) 등인 것이 바람직하다.

캡핑층(200)을 질화물 또는 흑연으로 형성하면, 흑연 발열체(20)에 포함된 탄소 성분이 캡핑층(200)의 표면에서 차폐됨에 따라 캡핑층 내부(210)에 배치된 유색의 보석(100)의 표면이 흑화되는 것을 방지할 수 있다. 유색의 보석(100)은 흑화되지 않으면서, 열처리 로(10)에서 가해지는 열에너지에 의해 색이 진해질 수 있다. 일 예로, 블루 사파이어는 열에너지를 공급받아 Fe²⁺와 Ti⁴⁺ 쌍의 수를 늘려 청색이 강하게 발현될 수 있다.

캡핑층(200)을 산화물로 형성하면, 열처리 공정시에 캡핑층 내부(210)가 산화성 분위기가 될 수 있다. 즉, 산화물에 포함된 O^2- 이온이 유색의 보석(100)에 공급되어 유색의 보석(100)을 산화시킬 수 있다. 일 예로, 산화물에 포함된 O^2- 이온을 공급받아, 블루사파이어의 발색 원소인 FeO가 Fe₂O₃로 안정화 되면서 칼라센터의 역할을 상실하게 되어 청색이 연해질 수 있다.

이처럼 본 발명은 캡핑층(200)의 재질을 변경함에 따라 유색의 보석(100)의 색향상되는 정도를 용이하게 조절할 수 있는 이점이 있다.

이하에서는 여러 실시예를 통하여 유색의 보석(100)의 색향상 방법을 설명한다.

(제1 실시예)

본 발명의 제1 실시예에서는 도가니 형의 흑연 몰드 캡핑층(200)을 사용하였다. 캡핑층 내부(210)에는 색이 연한 블루사파이어(100)를 위치시켰다. 블루사파이어(100)는 40ppm 정도의 FeO를 가진 유색의 보석(100)을 사용하였다. 흑연발열체(20)를 사용하는 열처리 로(10)의 내부 공간(11)은 진공도 80mTorr 이하로 설정하고, 1900℃의 온도에서 5℃/min의 승온 속도로 1시간 동안 열처리를 수행하였다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 보석의 색 변화를 나타내는 사진이다. 도 5의 (a)는 열처리 전의 색이 연한 블루사파이어(100), 도 5의 (b)는 열처리 후의 블루사파이어의 투과조명 사진이다.

도 5의 (b)를 참조하면, 투과조명을 이용하여 블루사파이어를 확인한 결과 중앙부 내부는 열처리 전보다 청색이 더 진해져 있음을 확인할 수 있었다.

(제2 실시예)

본 발명의 제2 실시예에서는 산화마그네슘(MgO)을 소결한 밀폐판 형상의 캡핑층(200)을 사용하였다. 0.3㎛의 직경을 가진 99.99% 순도의 산화마그네슘(MgO) 분말로 성형체를 만들고, 구멍을 뚫어 내부(210)에 블루사파이어(100)를 위치시킨 후, 구멍을 막고, 800℃의 온도에서 2시간동안 소결하여 캡핑층(200)을 완성하였다. 3개의 캡핑층(200) 시편을 위와 같이 만든 후에, 흑연발열체(20)를 사용하는 열처리 로(10)의 내부 공간(11)을 진공도 80mTorr 이하로 설정하고, 각각의 시편을 1650℃, 1750℃, 1900℃의 온도에서 5℃/min의 승온 속도로 1시간 동안 열처리를 수행하였다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 보석의 색 변화를 나타내는 사진이다. 도 6의 (a) 내지 (c)는 각각의 시편의 열처리 전의 사진, 도 6의 (d) 내지 (f)는 각각의 시편의 1650℃, 1750℃, 1900℃의 온도에서 열처리 후의 사진을 나타낸다.

도 6의 (d) 내지 (f)를 참조하면, 1650℃, 1750℃, 1900℃의 온도에서 열처리를 한 결과 블루사파이어의 전체 색이 거의 없어진 것을 확인할 수 있었다. 이는 상술한 바와 같이, 캡핑층(200)의 산화마그네슘(MgO)에 포함된 O^2- 이온이 블루사파이어에 공급되어, 블루사파이어의 발색 원소인 FeO가 Fe₂O₃로 안정화되면서 칼라센터의 역할을 상실하게 됨에 따라 색이 연해진 것이다.

또한, 3개의 시편 모두가 색이 연해짐에 따라 1650℃~ 1900℃의 광범위한 온도 범위에서 1시간의 열처리 공정으로 색향상이 가능함을 확인할 수 있었다.

(제3 실시예)

본 발명의 제3 실시예에서는 제1 실시예와 제2 실시예를 혼합한 형태의 캡핑층(200)을 사용하였다. 도 7을 참조하면, 내부 캡핑층(201)은 산화마그네슘(MgO), 외부 캡핑층(202)은 흑연 몰드를 포함하는 캡핑층(200)을 사용하였다. 캡핑층 내부(210)에는 색이 연한 블루사파이어(100)를 위치시켰다. 흑연발열체(20)를 사용하는 열처리 로(10)의 내부 공간(11)은 진공도 80mTorr 이하로 설정하고, 1800℃의 온도에서 5분 동안 열처리를 수행하였다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 보석의 색 변화를 나타내는 사진이다. 도 8의 (a)는 열처리 전, 도 8의 (b)는 열처리 후의 블루사파이어를 나타낸다.

도 8의 (b)를 참조하면, 흑연 몰드를 포함하는 외부 캡핑층(202)에 의해 흑연 발열체(20)로부터의 흑연의 확산을 방지하여 흑화가 일어나지 않음과 동시에, 열에너지가 공급에 의한 Fe²⁺와 Ti⁴⁺ 쌍의 수가 증가되어, 적절하게 진해진 청색이 발현된 블루사파이어를 확인할 수 있었다.

이와 같이, 본 발명은 유색의 보석의 전체에 색향상이 이루어질 수 있으며, 유색의 보석의 색향상되는 정도를 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

10: 열처리 로(furnace)
11: 열처리 로의 내부 공간
20: 흑연 발열체
100: 유색의 보석
200: 캡핑층
210: 캡핑층 내부 공간

Claims (12)

1. (a) 유색의 보석을 산화물, 질화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 캡핑층 내부에 배치하는 단계;
   (b) 상기 캡핑층을 흑연 발열체를 사용하는 열처리 로(furnace)의 내부에 배치하는 단계 - 상기 열처리 로의 내부는 비활성기체 분위기 또는 진공 분위기임 -; 및
   (c) 상기 캡핑층을 열처리하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 보석 색향상 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유색의 보석은 커런덤(鋼玉, corundum), 지르코니아(zirconia), 다이아몬드(diamond), 베릴(綠柱石, beryl), 투어말린(전기석, tourmaline) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 보석 색향상 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화칼슘(CaO), 이산화규소(SiO₂), 산화철(Fe₂O₃), 이산화티타늄(TiO₂), 산화아연(ZnO) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 보석 색향상 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 질화물은 질화티타늄(TiN), 질화나트륨(Na₃N), 질화마그네슘(Mg₃N₂), 질화바나듐(VN), 질화철(Fe₄N), 질화붕소(BN) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 보석 색향상 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 열처리 온도는 1200℃ 내지 2200℃인 것을 특징으로 하는 보석 색향상 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 열처리 시간은 1분 내지 100시간인 것을 특징으로 하는 보석 색향상 방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 열처리에 의한 열에너지의 공급으로 상기 유색의 보석의 색이 진해지는 것을 특징으로 하는 보석 색향상 방법.
11. 제1항에 있어서,
    상기 산화물에 의해 상기 캡핑층 내부가 산화성 분위기가 되는 것을 특징으로 하는 보석 색향상 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 산화성 분위기에 의해 상기 유색의 보석의 색이 연해지는 것을 특징으로 하는 보석 색향상 방법.

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