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강옥

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강옥 (Corundum)
분류산화 광물 – 적철석군
화학식Al2O3
물리적 성질
색무색, 회색, 금갈색, 갈색; 보라색, 분홍색에서 빨간색, 주황색, 노란색, 초록색, 파란색, 자주색; 색 띠가 있을 수 있으며, 성채 현상은 주로 회색과 갈색에서 나타남
결정상가파른 양추형, 판상, 주상, 마름모꼴 결정, 치밀질 또는 과립상
결정계삼방정계
쌍정반복 쌍정이 흔함
벽개없음 – 3방향으로 쪼개짐(parting)
모스 굳기9 (표준 광물)[1]
광택금강 광택에서 유리 광택
굴절률nω = 1.767–1.772
nε = 1.759–1.763
광학적 속성일축성 (−)
다색성없음
조흔색무색
비중3.95–4.10
녹는점2,044 °C (3,711 °F)
용융도불용성
용해도불용성
투명도투명, 반투명에서 불투명
깨짐패각상에서 불규칙상
기타자외선 아래에서 형광 또는 인광을 발할 수 있음
참고문헌[2][3][4][5]
주요 종류
사파이어빨간색을 제외한 모든 색상
루비빨간색
에머리자철석, 적철석, 또는 허시나이트와 밀접하게 혼합된 검은색 과립상 강옥

강옥(鋼玉, Corundum)은 철, 타이타늄, 바나듐, 크로뮴 등을 미량 포함하는 산화 알루미늄(Al
2O
3)의 결정 형태이다.[2][3] 이는 주요한 조암 광물이다. 원래 자연적으로 투명한 물질이지만, 결정 구조 내에 전이 금속 불순물이 존재함에 따라 다양한 색상을 가질 수 있다.[6] 강옥에는 루비와 사파이어라는 두 가지 주요 보석 변종이 있다. 루비는 크로뮴의 존재로 인해 빨간색을 띠며, 사파이어는 어떤 전이 금속이 존재하느냐에 따라 다양한 색을 나타낸다.[6] 희귀한 종류의 사파이어인 파파라차 사파이어는 분홍빛이 도는 주황색이다.

"강옥"을 뜻하는 영어 명칭 "Corundum"은 타밀어 및 드라비다어족 단어인 'kurundam'(루비-사파이어)에서 유래했다(이 단어는 산스크리트어에서 'kuruvinda'로 나타난다).[7][8]

강옥의 경도 때문에(순수한 강옥은 모스 굳기계에서 9.0으로 정의됨), 거의 모든 다른 광물에 흠집을 낼 수 있다. 보석으로서의 가치가 없는 강옥의 일종인 에머리는 사포나 금속, 플라스틱, 나무를 가공하는 대형 도구의 연마재로 흔히 사용된다. 에머리는 강옥의 검은색 과립 형태로, 자철석, 적철석 또는 허시나이트와 밀접하게 혼합되어 있다.[5]

경도 외에도 강옥의 밀도는 4.02 g/cm3 (251 lb/cu ft)로, 원자 질량이 낮은 원소인 알루미늄과 산소로 구성된 투명 광물치고는 이례적으로 높다.[9]

지질학 및 산출

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브라질산 강옥, 크기는 약 2 cm × 3 cm (0.8 in × 1 in)

강옥은 변성 지체의 결정 결정편암, 편암, 일부 대리암에서 광물로 산출된다. 또한 실리카 함량이 낮은 화성암인 섬장암과 하석 섬장암 관입암에서도 발견된다. 다른 산출 형태로는 초염기성암 관입암에 인접한 덩어리, 암맥과 관련된 형태, 페그마타이트 내의 거대 결정 등이 있다.[5] 강옥은 경도가 높고 풍화에 강하기 때문에 하천이나 해변의 모래에서 쇄설성 광물로 흔히 발견된다.[5] 기록된 가장 큰 단일 강옥 결정은 크기가 약 65 cm × 40 cm × 40 cm (26 in × 16 in × 16 in)였으며, 무게는 152 kg (335 lb)였다.[10] 이 기록은 이후 특정 합성 불에 의해 경신되었다.[11]

연마재용 강옥은 짐바브웨, 파키스탄, 아프가니스탄, 러시아, 스리랑카, 인도 등지에서 채굴된다. 과거에는 미국의 노스캐롤라이나주의 두나이트와 관련된 광상이나 온타리오주 크레이그몬트의 섬장암에서 채굴되었다.[5] 에머리 등급의 강옥은 그리스의 섬인 낙소스섬과 미국 픽스킬 인근에서 발견된다. 연마용 강옥은 보크사이트를 원료로 합성 제조되기도 한다.[5]

중국에서는 량주 문화와 산싱춘 문화(후자는 진탄구에 위치)에서 기원한 기원전 2500년경의 강옥 도끼 4점이 발견되었다.[12][13]

합성 강옥

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베르뇌유법을 통해 자연에서 발견되는 것보다 훨씬 큰 크기의 결함 없는 단결정 사파이어와 루비 보석을 생산할 수 있다. 또한 플럭스 성장법이나 수열 합성을 통해 보석 품질의 합성 강옥을 키우는 것도 가능하다. 강옥 합성 방법의 간편성 덕분에 대량의 결정들이 천연석 가격의 아주 일부만으로 시장에 유통되고 있다.[16]

합성 강옥은 파괴적인 채굴을 피하고 자원을 보존함으로써 천연 강옥보다 환경에 미치는 영향이 적다.[17][18] 그러나 생산 과정에서 에너지가 많이 소모되어 화석 연료를 사용할 경우 탄소 배출의 원인이 되며, 위험을 초래할 수 있는 화학 물질이 포함되기도 한다.[19]

장식용 외에도 합성 강옥은 기계 부품(튜브, 막대, 베어링 및 기타 가공 부품), 긁힘 방지 광학 장치, 긁힘 방지 시계 유리, 인공위성 및 우주선의 계기창(자외선에서 적외선 영역까지의 투명성 덕분), 그리고 레이저 구성 요소 등을 생산하는 데 사용된다. 예를 들어, KAGRA 중력파 검출기의 메인 거울은 23 kg (50 lb) 무게의 사파이어이며,[20] Advanced LIGO는 40 kg (88 lb) 사파이어 거울을 검토한 바 있다.[21] 강옥은 높은 경도 덕분에 세라믹 장갑판 개발에도 사용되었다.[22]

구조 및 물리적 성질

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강옥의 결정 구조
실온에서의 압력 대비 몰 부피

강옥은 표준 조건에서 공간군 R3c의 삼방정계 대칭으로 결정화되며, 격자 매개변수는 a = 4.75 Å 및 c = 12.982 Å이다. 단위 세포는 6개의 화학식 단위를 포함한다.[3][23]

강옥의 인성은 표면 거칠기[24][25]와 결정학적 방향에 민감하다.[26] 합성 결정의 경우 6–7 MPa·m1/2일 수 있으며, 천연 결정은 약 4 MPa·m1/2 정도이다.[27]

강옥의 격자에서 산소 원자는 약간 왜곡된 육방 조밀 충진 구조를 형성하며, 산소 이온 사이의 팔면체 자리 중 3분의 2를 알루미늄 이온이 차지하고 있다.[28] 세 자리 중 하나에 알루미늄 이온이 비어 있음으로써 육방 조밀 충진의 대칭이 깨지며, 공간군 대칭이 R3c로, 결정족이 삼방정계로 낮아진다.[29] 강옥의 구조는 때때로 가육방 구조(pseudohexagonal structure)로 설명되기도 한다.[30]

강옥(사파이어)의 영률은 여러 출처에 따라 300에서 500 GPa 사이로 보고되지만, 계산에 흔히 쓰이는 값은 345 GPa이다.[31] 영률은 온도에 따라 달라지며, [0001] 방향에서 영률은 323 K에서 435 GPa, 1,273 K에서 386 GPa로 보고되었다.[31] 강옥의 전단 탄성 계수는 145 GPa이며,[32] 부피 탄성 계수는 240 GPa이다.[32]

단결정 강옥 섬유는 고온 복합 재료에 응용될 가능성이 있으며, 영률은 섬유 축을 따른 결정학적 방향에 크게 의존한다. 결정의 c-축 [0001]이 섬유 축과 정렬될 때 최대 461 GPa의 탄성률을 나타내며, c-축에서 45° 떨어진 방향이 섬유 축과 정렬될 때 최소 약 373 GPa의 탄성률을 보인다.[33]

1-2 N의 낮은 하중에서 압입법으로 측정한 강옥의 경도는 주요 결정면인 (0001) (기저면), (1010) (마름모면), (1120) (주면), (1012)에서 22-23 GPa로 보고되었다. 경도는 높은 압입 하중 하에서 크게 떨어질 수 있다. 하중에 따른 경도 감소는 방향에 따른 균열 저항 및 전파의 차이로 인해 결정면마다 다르게 나타난다. 한 극단적인 예는 (0001) 면에서 보이는데, 여기서 높은 하중(~1 kN) 하에서의 경도는 낮은 하중(1-2 N) 하에서의 값의 거의 절반 수준이다.[34]

소결을 통해 형성되고 열간 등압 성형 공정으로 처리된 다결정 강옥은 0.55-0.7 μm 범위의 결정립 크기를 가질 수 있으며, 4점 굽힘 강도는 600~700 MPa, 3점 굽힘 강도는 750~900 MPa 사이로 측정되었다.[35]

구조 유형

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강옥은 그 흔함 때문에 다양한 이성분 화합물 및 삼성분 화합물에서 발견되는 주요 구조 유형(강옥 유형)의 명칭이 되었다.[36]

같이 보기

[편집]

각주

[편집]
  1. ↑ “Mohs' scale of hardness”. 《Collector's corner》. Mineralogical Society of America. 2014년 1월 10일에 확인함.
  2. 1 2 Anthony, John W.; Bideaux, Richard A.; Bladh, Kenneth W.; Nichols, Monte C. 편집 (1997). 〈Corundum〉. 《Handbook of Mineralogy》 (PDF). III Halides, Hydroxides, Oxides. Chantilly, VA, US: Mineralogical Society of America. ISBN 0962209724. 2006년 9월 5일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
  3. 1 2 3 “Corundum”. 《Mindat.org》.
  4. ↑ “Corundum”. 《Webmineral.com》. 25 November 2006에 원본 문서에서 보존된 문서.
  5. 1 2 3 4 5 6 Hurlbut, Cornelius S.; Klein, Cornelis (1985). 《Manual of Mineralogy》 20판. Wiley. 300–302쪽. ISBN 0-471-80580-7.
  6. 1 2 Giuliani, Gaston; Ohnenstetter, Daniel; Fallick, Anthony E.; Groat, Lee; Fagan; Andrew J. (2014). 〈The Geology and Genesis of Gem Corundum Deposits〉. 《Gem Corundum》. Research Gate: Mineralogical Association of Canada. 37–38쪽. ISBN 978-0-921294-54-2.
  7. ↑ 하퍼, 더글러스. “corundum”. 《온라인 어원 사전》.
  8. ↑ Jeršek, Miha; Jovanovski, Gligor; Boev, Blažo; Makreski, Petre (2021). 《Intriguing minerals: corundum in the world of rubies and sapphires with special attention to Macedonian rubies》 (영어). 《ChemTexts》 7. 19쪽. Bibcode:2021ChTxt...7...19J. doi:10.1007/s40828-021-00143-0. ISSN 2199-3793. S2CID 233435945.
  9. ↑ “The Mineral Corundum”. 《galleries.com》.
  10. ↑ Rickwood, P. C. (1981). 《The largest crystals》 (PDF). 《American Mineralogist》 66. 885–907쪽. 2009년 6월 20일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
  11. ↑ “Rubicon Technology grows 200 kg "super boule"”. 《LED Inside》. 21 April 2009.
  12. ↑ “Chinese made first use of diamond”. 《BBC News》. BBC. May 2005.
  13. ↑ Alexandra, Goho (2005년 2월 16일). “In the Buff: Stone Age tools may have derived luster from diamond”. 《Science News》.
  14. ↑ Duroc-Danner, J. M. (2011). 《Untreated yellowish orange sapphire exhibiting its natural colour》 (PDF). 《Journal of Gemmology》 32. 175–178쪽. Bibcode:2011JGem...32..174D. doi:10.15506/jog.2011.32.5.174. 16 May 2013에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
  15. ↑ Bahadur (1943). “A Handbook of Precious Stones”. 《Farlang》. 19 August 2007에 확인함.
  16. ↑ Walsh, Andrew (February 2010). 《The commodification of fetishes: Telling the difference between natural and synthetic sapphires》. 《American Ethnologist》 37. 98–114쪽. doi:10.1111/j.1548-1425.2010.01244.x.
  17. ↑ “Comparing Alumina and Corundum: From Raw Form to Crystal Clarity”. 《Advanced Ceramic Materials》. 2024년 3월 1일. 2024년 10월 7일에 확인함.
  18. ↑ Walsh, Andrew (2010). 《The commodification of fetishes: Telling the difference between natural and synthetic sapphires》. 《American Ethnologist》 37. 98–114쪽. doi:10.1111/j.1548-1425.2010.01244.x.
  19. ↑ Sudiro, Maria; Bertucco, Alberto (2007). 《Synthetic Fuels by a Limited CO2 Emission Process Which Uses Both Fossil and Solar Energy》. 《Energy Fuels》 21. 3668–3675쪽. Bibcode:2007EnFue..21.3668S. doi:10.1021/ef7003255.
  20. ↑ Hirose, Eiichi 외 (2014). 《Sapphire mirror for the KAGRA gravitational wave detector》 (PDF). 《Physical Review D》 89. Bibcode:2014PhRvD..89f2003H. doi:10.1103/PhysRevD.89.062003. 2018년 7월 24일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
  21. ↑ Billingsley, GariLynn (2004). “Advanced Ligo Core Optics Components – Downselect”. LIGO Laboratory. 6 February 2020에 확인함.
  22. ↑ Defense World.Net, Russia’s Armored Steel-Comparable Ceramic Plate Clears Tests, 5 September 2020, Retrieved 29 December 2020
  23. ↑ Newnham, R. E.; de Haan, Y. M. (August 1962). 《Refinement of the α Al2O3, Ti2O3, V2O3 and Cr2O3 structures*》. 《Zeitschrift für Kristallographie》 117. 235–237쪽. Bibcode:1962ZK....117..235N. doi:10.1524/zkri.1962.117.2-3.235.
  24. ↑ Farzin-Nia, Farrokh; Sterrett, Terry; Sirney, Ron (1990). 《Effect of machining on fracture toughness of corundum》. 《Journal of Materials Science》 25. 2527–2531쪽. Bibcode:1990JMatS..25.2527F. doi:10.1007/bf00638054. S2CID 137548763.
  25. ↑ Becker, Paul F. (1976). 《Fracture-Strength Anisotropy of Sapphire》. 《Journal of the American Ceramic Society》 59. 59–61쪽. doi:10.1111/j.1151-2916.1976.tb09390.x.
  26. ↑ Wiederhorn, S. M. (1969). 《Fracture of Sapphire》. 《Journal of the American Ceramic Society》 52. 485–491쪽. doi:10.1111/j.1151-2916.1969.tb09199.x.
  27. ↑ “Corundum, Aluminum Oxide, Alumina, 99.9%, Al2O3”. 《www.matweb.com》.
  28. ↑ Nesse, William D. (2000). 《Introduction to mineralogy》. New York: Oxford University Press. 363–364쪽. ISBN 9780195106916.
  29. ↑ Borchardt-Ott, Walter; Kaiser, E. T. (1995). 《Crystallography》 2판. Berlin: Springer. 230쪽. ISBN 3540594787.
  30. ↑ Gea, Laurence A.; Boatner, L. A.; Rankin, Janet; Budai, J. D. (1995). 《The Formation Al 2 O 3 /V 2 O 3 Multilayer Structures by High-Dose Ion Implantation》. 《MRS Proceedings》 382. doi:10.1557/PROC-382-107.
  31. 1 2 Dobrovinskaya, Elena R.; Lytvynov, Leonid A.; Pishchik, Valerian (2009), Pishchik, Valerian; Lytvynov, Leonid A.; Dobrovinskaya, Elena R. (편집), “Properties of Sapphire” (영어), 《Sapphire: Material, Manufacturing, Applications》 (Boston, MA: Springer US), 55–176쪽, doi:10.1007/978-0-387-85695-7_2, ISBN 978-0-387-85695-7, 2024년 5월 12일에 확인함
  32. 1 2 Ramdas, Roshan L. Aggarwal, Anant K. (2019년 5월 3일). 《Physical Properties of Diamond and Sapphire》. Boca Raton: CRC Press. doi:10.1201/9780429283260. ISBN 978-0-429-28326-0.
  33. ↑ Wadley, Haydn N. G.; Lu, Yichi; Goldman, Jeffrey A. (1995년 3월 1일). 《Ultrasonic determination of single crystal sapphire fiber modulus》 (영어). 《Journal of Nondestructive Evaluation》 14. 31–38쪽. doi:10.1007/BF00735669. ISSN 1573-4862.
  34. ↑ Sinani, A. B.; Dynkin, N. K.; Lytvinov, L. A.; Konevsky, P. V.; Andreev, E. P. (2009년 10월 1일). “Sapphire hardness in different crystallographic directions” (영어). 《Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics》 73 (10): 1380–1382. Bibcode:2009BRASP..73.1380S. doi:10.3103/S1062873809100177. ISSN 1934-9432.
  35. ↑ Krell, Andreas; Blank, Paul; Ma, Hongwei; Hutzler, Thomas; van Bruggen, Michel P. B.; Apetz, Rolf (2003). 《Transparent Sintered Corundum with High Hardness and Strength》 (영어). 《Journal of the American Ceramic Society》 86. 12–18쪽. doi:10.1111/j.1151-2916.2003.tb03270.x. ISSN 0002-7820.
  36. ↑ Muller, Olaf; Roy, Rustum (1974). 《The major ternary structural families》. New York: Springer-Verlag. ISBN 0-387-06430-3. OCLC 1056558.

외부 링크

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