베르누일법

Verneuil method
결정화
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기초
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베르누일법
구역 용해

불꽃융합이라고도 불리는 베르누일 공법(또는 베르누일 공법 또는 베르누일 공법)은 1883년 말 프랑스의 화학자 오귀스트 베르누일이 개발한 합성 원석 제조의 첫 상업적으로 성공한 방법이었다.그것은 주로 루비, 사파이어, 패드파라드차 품종뿐만 아니라 다이아몬드 시뮬란트 루틸레, 스트론튬 타이탄산염, 스피넬을 생산하는데 사용된다.이 공정의 원리는 옥시수소 불꽃을 이용해 곱게 가루로 된 물질을 녹이고, 녹인 물방울을 대로로 결정짓는 것이다.이 과정은 현대 산업 결정 성장 기술의 창시 단계로 여겨지며, 오늘날까지 널리 사용되고 있다.[2][3]null

역사

베르누일이 베르누일 공정을 사용하여 루비를 합성하기 위해 사용하는 초기 용광로의 스케치.

연금술 연구가 시작된 이래 귀중한 돌을 합성하여 생산하려는 시도가 있었고, 소중한 추기경 보석 중 하나인 루비가 오랫동안 유력한 후보였다.19세기에는 1817년에 두 개의 작은 루비를 함께 녹여 만든 최초의 루비가 형성되었고, 1837년에는 실험실에서 알루미나(산화알루미늄)로 만든 최초의 미세한 결정체가 만들어지는 등 의미 있는 발전을 이루었다.1877년까지 화학자 에드먼드 프레미는 녹은 알루미나 목욕을 이용하여 상업용 루비 제조에 효과적인 방법을 고안해 냈으며, 최초의 원석 품질의 합성 석재를 생산했다.파리의 화학자 오귀스트 베르누엘은 프레미와 이 방법을 개발하는데 협력했지만, 곧 독립적으로 불꽃 융화 과정을 발전시켰고, 이 과정은 결국 그의 이름을 갖게 될 것이다.null

베르누엘이 자신만의 방법을 개발하는 영감의 원천 중 하나는 1880년 무명의 제네반 상인이 판매한 합성 루비의 출현이었다.이 '제네바 루비'들은 당시 인공적인 것으로 치부되었으나, 현재 버네일 감독의 이 과정에 대한 작업을 20년 앞당긴 채 불꽃 융합을 통해 생산된 최초의 루비로 추정된다.베르누일은 '제네바 루비'를 살펴본 후, 곱게 갈린 산화알루미늄을 큰 원석에 재분석이 가능하다는 결론을 내렸다.이러한 실현은 최근 개발된 옥시수소 토치의 가용성과 함께 합성 루비에 대한 수요 증가와 함께 버뉴일로를 설계하게 되었는데, 버뉴일로는 최소 2,000℃(3,630℃)의 화염에 의해 정교하게 갈린 알루미나 및 크롬 산화물이 녹고, 불꽃 아래의 지지대에 재시뮬레이션되어 대규모의 탄성을 자아냈다.수정의그는 1902년에 그의 작품을 발표하면서 1904년에 그 과정을 설명하는 세부 사항을 출판했다.null

1910년까지 베르누일의 실험실은 30개의 버네이스 생산 시설로 확장되었고, 베르누일 공정에 의한 연간 원석 생산량은 1907년에 1,000 kg(2,200 lb)에 달했다.1912년까지 생산량은 3,200 kg(7,100 lb)에 달했고, 1914년에 설립된 스위스 몬테에 있는 Hrand Djevahirdjian의 공장을 필두로 1980년에는 20만 kg(44,000 lb), 2000년에는 25만 kg(55,000 lb)에 이를 것이다.이 과정에서 가장 두드러진 개선은 1932년 S. K. Popov에 의해 이루어졌는데, 그는 향후 20년 동안 소련에서 고품질의 사파이어를 생산할 수 있는 능력을 확립하는 데 도움을 주었다.2차 세계대전 당시에도 미국에는 대규모 생산 능력이 확립되었는데, 당시 유럽 출처를 구할 수 없었고, 보석은 시계 등 군사용 응용에 대한 수요가 높았다.null

이 과정은 주로 루비의 합성을 위해 고안되었는데, 루비는 산업 규모로 생산된 최초의 원석이 되었다.그러나 버뉴일 공정은 산화 크롬 대신 철분과 티타늄의 산화물 사용을 필요로 하는 청색 사파이어와 타이타니아(이산화 타이타늄)가 첨가되고 대로가 더 오래 열 속에 보관되어 바늘이 들어갈 수 있는 별 사파이어 등 다른 돌의 생산에도 사용될 수 있었다.그 안에서 결정화되기 위한 발정성의 s.1947년 유니온 카바이드의 린데 에어 제품 부서는 베르누일 공정을 통해 그러한 스타 사파이어를 만들었는데, 1974년 해외 경쟁으로 생산이 중단될 때까지 이 공정을 개척했다.null

방법의 일부 개선에도 불구하고 버뉴일 공정은 합성 고단석과 스피넬 원석 제조에서 선두 자리를 유지하면서 사실상 오늘날까지 변함이 없다.그것의 가장 큰 후퇴는 1917년 얀 쵸크랄스키가 반도체 산업에서 수많은 응용 분야를 찾아낸 Czochralski 공정을 도입했을 때 일어났다. 이 공정은 베르뉴엘 공정이 생산할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 품질의 결정이 필요하다.그 과정에 대한 다른 대안은 1957년 벨 연구소가 열수공정을 도입했을 때, 1958년 캐롤 채텀이 플럭스법을 도입했을 때 나타났다.1989년 ICT, Inc.의 래리 P 켈리도 천연 루비를 '피드' 소재로 사용하는 Czochalski 공정의 변형을 개발했다.null

과정

버네일 공정에 대한 간단한 다이어그램
버뉴일 공정에 의해 생산되는 작은 루비 대로, 여전히 매에 붙어 있다.

인공 원석을 성공적으로 결정하는데 있어 가장 중요한 요소 중 하나는 순도가 99.9995%인 매우 순수한 출발 물질을 얻는 것이다.[4]루비, 사파이어 또는 패드파라드카를 제조하는 경우 이 소재는 알루미나이다.나트륨 불순물의 존재는 결정체를 불투명하게 만들기 때문에 특히 바람직하지 않다.[citation needed]그러나 알루미나가 획득되는 보크사이트는 바이엘(AlO를23 분리하기 위해 가성소다를 도입하는 첫 단계) 과정을 통해 얻을 가능성이 가장 높기 때문에 공급원료에 특히 주의를 기울여야 한다.[5]null

원하는 결정의 착색에 따라 붉은 루비용 크롬산화물, 푸른 사파이어용 철산화물, 타이타니아 등 소량의 다양한 산화물이 첨가된다.다른 시작 재료로는 루틸 생산을 위한 타이타니아나 스트론튬 타이탄산염을 생산하기 위한 이중 옥살레이트 등이 있다.그 대신에, 원하는 제품의 작고 무가치한 결정체를 사용할 수 있다.null

이 시작 재료는 곱게 분말하여 버네일 용기에 넣어 두는데, 바닥에는 용기가 진동할 때 가루가 빠져나갈 수 있는 구멍이 뚫려 있다.가루가 배출되는 동안 산소는 용광로에 공급되고, 가루를 좁은 튜브 아래로 내려가는 상태로 이동한다.이 관은 수소가 공급되는 더 큰 관 안에 위치한다.좁은 관이 더 큰 관으로 열리는 지점에서 연소가 일어나며, 중심부에서 최소 2,000 °C(3,630 °F)의 불꽃이 발생한다.가루가 불꽃을 통과하면서 작은 물방울로 녹고, 그 물방울은 아래에 놓인 흙 지지대 위에 떨어진다.그 물방울들은 점차적으로 봉에 시너콘을 형성하는데, 그 끝부분은 액체로 남아 있을 정도로 핵에 가까이 있다.종자 결정체가 결국 형성되는 것은 바로 그 끝에 있다.더 많은 물방울이 끝에 떨어지면서 대로라고 불리는 하나의 수정체가 형성되기 시작하고, 지지대가 서서히 아래로 내려가면서 대로의 밑부분이 결정화될 수 있는 반면, 뚜껑은 항상 액체 상태로 남아 있다.대로들은 테이퍼형 원통 모양으로 형성되어 있는데, 지름이 밑부분에서 넓어져 결국 일정하게 남아 있다.분말의 지속적인 공급과 지지대의 철수로 매우 긴 원통형 불알을 얻을 수 있다.일단 용광로에서 분리되어 식게 되면, 대로를 수직축을 따라 쪼개어 내압을 완화시키게 되는데, 그렇지 않으면 수직이탈면으로 인해 줄기가 끊어질 때 수정은 골절되기 쉽다.[6]null

처음에 공정을 설명할 때 베르누일은 좋은 결과를 위해 중요한 여러 조건을 명시했다.여기에는 융해에 필요한 것보다 높지 않은 불꽃 온도, 항상 용해된 제품을 옥시수소 불꽃의 같은 부분에 보관하는 것, 용해된 제품과 지지대 사이의 접촉점을 가능한 한 작은 영역으로 줄이는 것 등이 포함된다.이 공정을 이용해 상업적으로 생산되는 평균 대로의 지름은 13mm(0.51인치), 길이는 25~50mm(0.98~1.97인치)로 약 125캐럿(25.0g)이다.이 과정은 또한 특정한 원하는 결정학적 방향을 달성하기 위해 맞춤식 씨앗 결정으로 수행될 수 있다.null

합성 코룬덤

베르누일 공정에 의해 생산되는 결정체는 화학적으로나 물리적으로 자연적으로 발생하는 결정체와 동등하며, 보통 두 가지를 구별하기 위해서는 강한 확대가 필요하다.버뉴일 크리스탈의 대표적인 특징 중 하나는 원통형 대로가 열경사가 높은 환경에서 위로 올라가면서 형성된 곡선 성장선(곡선 선조립)이며, 자연 크리스탈의 등가선은 직선이다.또 다른 두드러진 특징은 용광로 내 산소 과잉으로 인해 형성되는 미세한 기포가 공통적으로 존재한다는 점이다. 자연 결정의 불완전성은 대개 고체 불순물이다.[6]null

참고 항목

참조

  1. ^ Verneuil, Auguste (20 February 1891). "The Chemical News and Journal of Physical Science" [translated from the French Revue Générale des Sciences Pures et Appliquées vol 2, number 1, 15 January 1891]: 96. {{cite journal}}:Cite 저널은 필요로 한다. journal=(도움말)
  2. ^ Dobrovinskaya, Elena R.; Lytvynov, Leonid A.; Pishchik, Valerian (2009). Sapphire: Material, Manufacturing, Applications. Springer Science & Business Media. ISBN 9780387856957.
  3. ^ Pelleg, Joshua (2016). "Diffusion in Alumina Single Crystals". Diffusion in Ceramics (PDF). Springer Science & Business Media. doi:10.1007/978-3-319-18437-1_11.
  4. ^ Bhat, H.L. (2014). Introduction to Crystal Growth: Principles and Practice. CRC Press. p. 173. ISBN 9781439883303.
  5. ^ Kelly, James Leslie (1962). A Study of the Influences of Bayer Process Impurities on the Crystallization of Alumina Trihydrate. A Dissertation Submitted to the Graduate Facility of the Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College In partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in The Department of Chemical Engineering: Louisiana State University and Agricultural & Mechanical College.
  6. ^ a b "Verneuil / Flame-Fusion Method". Gemstone Buzz. Archived from the original on 21 November 2008.