큐빅 지르코니아

큐빅 지르코니아
큐빅 지르코니아
	라운드 브릴리언트 컷 큐빅 지르코니아
일반
카테고리	산화광물;
크리스털 시스템	큐빅
식별
색	다양한
모스 눈금 경도	8.0-8.5
비중	5.6-6.0 g/cm3
굴절률	2.15-2.18

큐빅 지르코니아(CZ)는 이산화 지르코늄(ZrO₂)의 큐빅 결정체 형태다.합성된 물질은 단단하고 보통 무색이지만 다양한 색상으로 만들어질 수 있다.규산염(ZrSiO4)인 지르콘과 혼동해서는안 된다.그것은 때때로 잘못해서 큐빅 지르코늄이라고 불린다.

합성 큐빅 지르코니아는 저렴한 가격과 내구성, 다이아몬드와 가까운 시각적 유사성 때문에 1976년 상업 생산이 시작된 이래 다이아몬드의 가장 보석학적으로 그리고 경제적으로 중요한 경쟁자로 남아있다.합성 원석으로서의 그것의 주요 경쟁자는 보다 최근에 경작된 물질인 합성 모이산라이트다.

기술적 측면

큐빅 지르코니아는 결정학적으로 등축성이며, 다이아몬드 시뮬런트의 중요한 속성이다.합성하는 동안 산화지르코늄은 자연적으로 단핵 결정을 형성하는데, 이것은 정상적인 대기 조건에서 안정된 형태다.세제곱 결정(불소 구조물을 취함)이 형성되고 정상 온도에서 안정적으로 유지되기 위해서는 스태빌라이저가 필요하다. 일반적으로 이것은 이트리움 또는 산화칼슘으로, 개별 제조사의 많은 조리법에 따라 사용되는 스태빌라이저 양이다.따라서 합성된 CZ의 물리적 특성과 광학적 특성은 다양하며, 모든 값은 범위가 된다.

이 물질은 밀도가 5.6~6.0g/cm로³ 다이아몬드의 약 1.65배이다.큐빅 지르코니아는 모스 눈금에서 8–8.5로 비교적 단단하며, 대부분의 반정밀 천연 보석보다 약간 더 단단하다.^[1]굴절률이 2.15–2.18로 높고(다이아몬드의 경우 2.42와 비교), 광택이 유리하다.산포도는 0.058–0.066으로 다이아몬드(0.044)보다 매우 높다.큐빅 지르코니아는 갈라짐이 없고 결막골절이 나타난다.경도가 높기 때문에 일반적으로 깨지기 쉬운 것으로 여겨진다.

단파 아래에서 UV 입방체 지르코니아는 일반적으로 노란색, 녹색의 노란색 또는 "베이지"를 형광한다.장파 UV에서는 효과가 크게 감소하고, 때로는 희끗희끗한 빛이 보인다.색깔 있는 돌은 강하고 복잡한 희토류 흡수 스펙트럼을 보여줄 수 있다.

역사

1892년에 발견된 노란색의 단색 광물 배들리이트는 산화물 지르코늄의 자연적인 형태다.^[2]

지르코니아(2750 °C 또는 4976 °F)의 높은 용해점은 단일 결정의 조절된 성장을 방해한다.그러나 1929년 도입된 합성제품의 안정화 지르코니아는 일찍부터 큐빅 지르코늄 산화물 안정화가 실현되었다.입방체였지만, 다결정 세라믹의 형태로, 화학적, 열적 공격(최대 2540 °C 또는 4604 °F)에 강한 내화성 물질로 사용되었다.^[3]

1937년 독일의 광물학자 M. V. Stackelberg와 K.추도바는 변형 지르콘에 포함된 미세한 알갱이의 형태로 자연적으로 발생하는 입방 지르코니아를 발견했다.이것은 변성 과정의 부산물이라고 생각되었지만, 두 과학자들은 광물이 형식적인 이름을 붙일 만큼 중요하다고 생각하지 않았다.이번 발견은 X선 회절(X-ray diffraction)을 통해 확인돼 합성제품의 자연적인 상대성이 존재함을 입증했다.^[4]^[5]

다 자란 대부분의 다이아몬드 대체물과 마찬가지로, 레이저와 다른 광학 용도에 사용할 새롭고 다재다능한 재료를 찾는 과학자들의 마음속에서 단결정 큐빅 지르코니아를 생산하자는 생각이 떠올랐다.생산량은 결국 합성 스트론튬 타이타늄, 합성 루틸레, YAG(yttrium 알루미늄 가넷), GGG(gadolinium galium galium garnet) 등 기존 합성물을 능가했다.

큐빅 지르코니아 단결정 성장에 대한 초기 연구 중 일부는 1960년대 프랑스에서 일어났는데 Y에 의해 많은 연구가 이루어졌다.롤린과 R.콜라주.이 기술은 녹은 지르코니아를 여전히 단단한 지르코니아의 얇은 껍질 안에 포함하고 용해로 인한 수정 성장과 함께 포함시켰다.이 과정은 냉도가니라고 명명되었는데, 이는 사용된 수냉 시스템을 암시하는 것이다.이러한 시도는 유망하지만 작은 결정만을 낳았다.

이후 모스크바에 있는 레베데프물리연구소 레이저장비연구소의 V. V. 오치코 휘하의 소련 과학자들은 이 기법을 완성시켰는데, 이때 두개골 도가니(수냉식 용기의 모양이나 때로는 성장한 결정체의 형태에 대한 암시)라는 이름이 붙었다.이들은 이 보석을 연구소의 이름인 FIAN(과학원 물리연구소)을 따서 Fianit이라고 이름 지었지만, 구소련 밖에서는 그 이름이 사용되지 않았다.^{[citation needed]}이것은 당시 러시아 과학 아카데미의 물리학 연구소로 알려져 있었다.^[6]그들의 돌파구는 1973년에 출판되었고, 1976년에 상업 생산이 시작되었다.^[7]1977년 큐빅 지르코니아는 세레스사가 94% yttria로 안정화시킨 크리스탈로 보석시장에서 대량 생산되기 시작했다.1993년 현재 다른 주요 생산업체로는 대만 크리스탈 컴퍼니, 스와로브스키, ICT 등이 있다.^[8]^[5]1980년까지 전세계 연간 생산량은 6천만 캐럿(12톤)에 달했고 1998년에는 연간 생산량이 약 400톤에 달할 정도로 계속 증가했다.^[8]

큐빅 지르코니아의 자연적인 형태는 매우 드물기 때문에, 보석에서 사용되는 모든 큐빅 지르코니아는 합성되었거나, 사람에 의해 생성되었다.

합성

인덕션 가열 "냉간 도가니"에서 산화 지르코늄과 이트리움 산화물을 녹여 입방 지르코니아를 생성하는 작업자 모니터링

현재 생산자들이 고용한 세제곱 지르코니아 합성의 1차적인 방법은 두개골 녹는 방법을 통한 것이어야 한다.이 방법은 Josep F에 의해 특허를 얻었다.1997년 Wenckus와 동료들.이는 대부분 3000도 이상의 온도가 달성될 수 있도록 하는 과정, 도가니와 물질의 접촉 부족, 가스 대기를 선택할 수 있는 자유에 기인한다.이 방법의 일차적인 단점으로는 생산되는 결정체의 크기를 예측할 수 없고 온도 변화를 통해 결정화 과정을 제어할 수 없다는 점이 있다.^[3]^[9]

이 과정에서 사용되는 기구는 무선 주파수(RF) 작동 구리 코일로 둘러싸인 컵 모양의 도가니와 수냉 시스템으로 구성된다.^[3]^[10]

이산화 지르코늄은 스태빌라이저와 완전히 혼합되어 차가운 도가니로 공급된다.지르코늄 또는 스태빌라이저 중 하나의 금속 칩이 분말 혼합물에 콤팩트한 더미 방식으로 유입된다.RF 발생기가 켜지고 금속 칩이 빠르게 가열되기 시작하여 쉽게 더 많은 지르코니아로 산화된다.따라서 주변 분말은 열전도에 의해 가열되고 용융되기 시작하며, 이는 전기 전도성이 되어 RF 발생기를 통해서도 가열되기 시작한다.이것은 제품 전체가 녹을 때까지 계속된다.도가니를 둘러싸고 있는 냉각 시스템 때문에, 얇은 고체 물질의 껍질이 형성된다.이로 인해 녹은 지르코니아는 도가니에서 오염되지 않고 열 손실을 줄이는 자체 분말 내에 남게 된다.용융은 동질성을 보장하고 모든 불순물이 증발되도록 하기 위해 높은 온도에서 몇 시간 동안 방치된다.마지막으로 RF 코일에서 전체 도가니를 서서히 제거하여 난방을 줄이고 (아래에서 위로) 서서히 식혀준다.RF 코일에서 도가니를 제거하는 속도는 위상 전환 다이어그램에 의해 지시되는 결정화의 안정성 함수로 선택된다.이것은 결정화 과정을 시작하게 하고 유용한 결정들이 형성되기 시작한다.도가니가 실온으로 완전히 식으면 그 결과 결정체는 여러 개의 긴 결정 블록이 된다.^[9]^[10]

이 모양 이면의 이유는 틸러에 따르면 수정 퇴화라고 알려진 개념에 의해 결정된다.입수한 결정체의 크기와 직경은 도가니 단면 면적, 용해 부피, 용해 성분의 함수다.^[3]결정의 직경은 YO₂₃ 스태빌라이저 농도의 영향을 많이 받는다.

지르코니아 고체 용액의 단계 관계

위상도를 관찰할 때 YO의₂₃ 농도에 상관없이 용액이 식으면서 입방 위상이 먼저 결정된다.YO의₂₃ 농도가 충분히 높지 않으면 입방구조가 4각형 상태로 분해되기 시작하여 단조화 단계로 분해된다.YO의₂₃ 농도가 2.5~5%일 경우 결과물은 PSZ(부분적으로 안정화된 지르코니아)가 되고, 단층 입방정정은 약 8~40%에서 형성된다.저성장률에서 14% 이하는 불투명해지는 경향이 있어 고체 용액의 부분 위상 분리를 나타낸다(대개 고온 영역에 장기간 남아 있는 결정의 확산에 기인한다).이 임계치 이상의 결정들은 적절한 성장 속도에서 선명하게 유지되는 경향이 있고 좋은 어닐링 조건을 유지한다.^[9]

도핑

큐빅 지르코니아는 이형성 용량 때문에 여러 원소로 도핑하여 결정의 색을 바꿀 수 있다.이들의 첨가로 생성된 특정 도파제와 색상의 목록은 아래에서 볼 수 있다.

도판트^[9]^[10]	기호	색상
세륨	CE	황갈색의
크롬	CR	푸르른
코발트	Co	라일락보랏빛의 푸른색
구리	CU	황갈색의
에르비움	음.정말	분홍색의
유로피움	Eu	분홍색의
철	Fe	노랑색의
홀뮴	호	샴페인
망간	Mn	갈색 빛이 도는
네오디뮴	ND	자줏빛의
니켈	니	황갈색의
프라세오디뮴	PR	황색의
툴륨	TM	황갈색의
티타늄	티	황금빛 갈색의
바나듐	V	푸르른


색상 범위^[9]^[10]	도판트 사용
황갈색의	${\ce {CeO2}}$ ${\ce {CeO2}}$ $displaystyle {\ce {CeO2},$ ${\ce {Ce2O3}}$ ${\ce {Ce2O3}}$ ${\ce {Ce2O3}}$ $displaystyle {\ce {Ce2O3}}$
황갈색의	${\ce {CuO, Fe2O3, NiO, Pr2O3, TiO2}}$
분홍색의	${\ce {Er2O3, Eu2O3, Ho2O3}$
녹색의	${\ce {Cr2O3, Tm2O3, V2O3}$
라일락광택의	${\ce {Co2O3, MnO2, Nd2O3}$

체커보드 컷이 있는 보라색 큐빅 지르코니아
멀티 컬러 큐빅 지르코니아
3톤 큐빅 지르코니아 보석
황색입방지르코니아

1차 성장 결함

광학 완성도가 높고 굴절률의 그라데이션이 ${\$ 보다 낮은 YCZ(yttrium bearing cubmitical zirconia) 결정의 대부분은 아래에 열거된 가장 특징적이고 일반적인 결점을 포함하고 있다 $5\times 10^{-5}$ ^[9]

성장 스트리테이션:이들은₂₃ 수정의 성장 방향에 수직으로 위치하며 주로 수정 성장률의 변동이나 액체 고체 전환의 비일관적인 특성 때문에 YO가 불균일하게 분포하게 된다.
광 산란 단계 포함: 일반적으로 0.03-10μm 크기의 결정(일차적으로 이티움의 규산염 또는 알루미늄의 침전물)의 오염 물질에 의해 발생한다.
기계적 응력:일반적으로 성장 및 냉각 프로세스의 고온 구배 때문에 결정체가 형성되고 내부 기계적 응력이 작용하여 결정된다.이는 2100°C에서 어닐링한 후 충분한 냉각 과정을 거치면 효과가 감소할 수 있지만 ${\textstyle 8\times 10^{-4}}$ 최대 ${\textstyle 8\times 10^{-4}}$ ${\textstyle 8\times 10^{-4}}$ ${\textstyle 8\times 10^{-4}}$ - ${\textstyle 8\times 10^{-4}}$ ${\$ 의 굴절률 값을 유발한다.
탈구:기계적 응력과 유사하게 탈구는 미늘링에 의해 크게 감소될 수 있다.

외부 장신구 사용

광학 특성 때문에 창문, 렌즈, 프리즘, 필터, 레이저 소자 등에 YCZ(yttrium cubic zirconia)가 사용됐다.특히 화학 산업에서는 화학적 안정성과 기계적 강도로 인해 부식성 액체를 모니터링하는 창 재료로 사용된다.YCZ는 비슷한 산업에서 반도체와 초전도체 필름의 기판으로도 쓰였다.^[9]

부분적으로 안정화된 지르코니아(고경도와 충격 저항성, 저마찰 계수, 높은 화학 및 열 저항성, 높은 내마모성 및 내마모성)의 기계적 특성 때문에 매우 특별한 건축 재료로 사용할 수 있다.특히 바이오엔지니어링 업계에서는 바이오 조직과 호환성이 있고, 강철로 만든 것보다 훨씬 부드러운 엣지를 가진 의사들을 위해 믿을 수 있는 초샤프 의료용 메스를 만드는 데 사용되어 왔다.^[9]

혁신

최근 몇 년^[when?] 동안 제조업체들은 큐빅 지르코니아를 "개선"하는 것으로 제품을 구별하는 방법을 모색해 왔다.다이아몬드처럼 생긴 탄소(DLC) 필름으로 마감된 큐빅 지르코니아를 코팅하는 것은 그러한 혁신의 하나로서 화학적 증기 증착을 이용한 공정이다.결과물은 전반적으로 더 단단하고, 더 윤기 있고, 다이아몬드 같다고 한다.이 코팅은 입방 지르코니아의 과도한 불을 해소하는 동시에 굴절률을 개선하여 다이아몬드처럼 보이게 하는 것으로 생각된다.또한, 아모르퍼스 다이아몬드 코팅에서 다이아몬드 본드의 비율이 높기 때문에, 완성된 시뮬런트는 라만 스펙트럼에서 양성 다이아몬드 시그니처를 보일 것이다.

쿼츠와 토파즈에도 처음 적용된 또 다른 기술은 큐빅 지르코니아에 적용되었다: 귀금속(일반적으로 금)의 극도로 얇은 층이나 심지어 어떤 금속 산화물과 질화물을 완성된 돌에 진공으로 뿌리는 것은 무지개빛 효과를 일으킨다.^[11]이 재료는 많은 딜러들에 의해 "미스틱"으로 판매되고 있다.다이아몬드처럼 탄소를 비롯한 단단한 합성 세라믹 코팅과 달리 마모가 심한 성질과 함께 기질에 비해 경도가 극히 낮아 장식적인 귀금속 코팅으로 효과가 지속되지 않는다.

큐빅 지르코니아 대 다이아몬드

입방 지르코니아는 다이아몬드와 구별되는 몇 가지 주요 특징이 있다.

자연 화학 에칭에 의해 형성된 삼각형(양과 음의 완화)을 보여주는 무첨가 다이아몬드 한 면

경도: 입방 지르코니아는 Mohs 경도 눈금에서 약 8의 등급 대 다이아몬드에 대한 10의 등급을 가진다.^[1]이것은 CZ에서 자른 결정의 날카로운 가장자리를 둔탁하게 하고 둥글게 만드는 반면 다이아몬드와 함께 가장자리는 날카롭게 유지하게 한다.게다가, 다이아몬드는 광택 마크를 거의 보여주지 않고, 보이는 것은 인접한 면에 다른 방향으로 이동하는 반면, CZ는 광택 마크를 같은 방향을 따라 보여줄 것이다.^[10]
비중(상대 밀도): 입방 지르코니아 밀도는 다이아몬드의 약 1.7배이다.이 차이는 숙련된 보석 식별자들이 무게로 둘의 차이를 구별할 수 있게 한다.무거운 액체에 돌을 떨어뜨리고 상대적인 싱크 시간(다이아몬드는 CZ보다 더 천천히 가라앉는다)을 비교함으로써 이 성질도 이용할 수 있다.^[10]
굴절률:입방 지르코니아는 다이아몬드의 2.42에 비해 굴절률이 2.15–2.18이다.이것은 신원 확인을 위한 몰입 기술의 발달로 이어졌다.이러한 방법에서, 굴절 지수가 사용된 액체보다 높은 스톤은 거들 둘레와 밝은 면 가장자리 둘레에 어두운 테두리를 갖는 반면, 액체보다 낮은 지수를 가진 스톤은 거들 둘레와 어두운 면 접합부에 밝은 테두리를 갖게 된다.^[10]
산포도는 0.058–0.066으로 매우 높아 다이아몬드의 0.044를 초과한다.
절단: 입방 지르코니아 원석은 다이아몬드와는 다르게 절단될 수 있다.면 가장자리는 둥글거나 "매끈매끈"할 수 있다.
색: 다이아몬드의 가장 희귀한 것만이 실제로 무색이며, 대부분은 어느 정도 노랑이나 갈색의 색조를 가지고 있다.큐빅 지르코니아는 종종 완전히 무색인 경우가 있는데, 이것은 다이아몬드의 색 등급 척도에서 완벽한 "D"와 같은 것이다.다른 바람직한 색상의 큐빅 지르코니아는 거의 무색, 노란색, 분홍색, 보라색, 녹색 그리고 심지어 다색상을 포함하여 생산될 수 있다.
열전도도:큐빅 지르코니아는 열절연체인 반면 다이아몬드는 가장 강력한 열전도체다.이는 Wenckus의 식별 방법(현재 가장 성공적인 식별 방법)^[9]에 대한 근거를 제공한다.

다이아몬드 시장에 미치는 영향

다이아몬드와 보석 경쟁자인 큐빅 지르코니아는 분쟁 다이아몬드에 대한 수요를 잠재적으로 줄일 수 있고 다이아몬드의 희귀성과 가치를 둘러싼 논란에 영향을 줄 수 있다.^[12]^[13]

가치와 관련해 다이아몬드는 희귀성과 시각적 아름다움 때문에 비용이 많이 든다는 패러다임은 1870년대부터 2000년대 초반까지 시장을 독점했던 드 비어스사의 가격 담합 관행에서 비롯된 인공적^[12]^[13] 희귀성으로 대체됐다.^[12]^[14]그 회사는 2004년 7월 13일 오하이오 법정에서 이러한 혐의에 대해 유죄를 인정했다.^[14]다만 드비어스가 시장 지배력은 떨어지는 반면 인도와 중국 등 신흥시장 수요로 다이아몬드 가격은 계속 오르고 있다.^[12]다이아몬드와 비슷한 광학적 성질을 가진 큐빅 지르코니아와 같은 인공 돌의 출현은 저렴한 가격과 논란의 여지가 없는 이력을 감안할 때 보석 구매자들에게 대안이 될 수 있다.

독점과 밀접한 관련이 있는 문제는 분쟁 다이아몬드의 출현이다.킴벌리 프로세스(KP)는 앙골라와 시에라리온에서 내전을 후원하는 다이아몬드의 불법 거래를 막기 위해 설립되었다.^[15]그러나, KP는 유럽과 미국 시장에 도달하는 분쟁 다이아몬드의 수를 줄이는 데 효과적이지 않다.그것의 정의에는 강제 노동 조건이나 인권 침해는 포함되지 않는다.^[15]^[16]2015년 '충분한 프로젝트'의 한 연구는 중앙아프리카 공화국의 단체들이 분쟁 다이아몬드로부터 매년 3백만 달러에서 6백만 달러 사이의 수익을 올린다는 것을 보여주었다.^[17]유엔 보고서에 따르면 KP 설립 이후 분쟁 다이아몬드의 미화 2400만 달러 이상이 밀수되었다.^[18]다이아몬드 시뮬레이터는 비윤리적인 관행에 대한 자금 지원을 거부하는 대안이 되었다.^[17]"친환경 주얼리"와 같은 용어는 그들을 분쟁 없는 기원이며 환경적으로 지속가능하다고 정의한다.^[19]그러나 콩고민주공화국 등 광산국들의 우려는 다이아몬드 구매 거부가 자칫 자국 경제를 악화시킬 뿐이라는 것이다.콩고 광산부에 따르면 인구의 10%가 다이아몬드 수입에 의존하고 있다.^[15]따라서, 큐빅 지르코니아는 갈등을 줄이기 위한 단기적인 대안이지만 장기적인 해결책은 이 돌들의 기원을 식별하는 보다 엄격한 시스템을 구축하는 것이 될 것이다.

참고 항목

참조

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추가 읽기

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