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사파이어

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사파이어
423 캐럿 (85g)의 파란색 로건 사파이어
분류산화물 광물
화학식산화 알루미늄, Al2O3
물리적 성질
색주로 파란색이지만 다양함
결정상결정, 덩어리 및 알갱이 형태
결정계삼방정계
쌍정성장 쌍정 (다양한 방향) 및 능면체 [1011에서 다결정 활강 쌍정
벽개불량
모스 굳기9.0
광택유리광택
굴절률nω = 1.768–1.772
nε = 1.760–1.763
광학적 속성일축성 (–), 아베수 72.2
복굴절도0.008
다색성강함
조흔색무색
비중3.98–4.06
녹는점2,030–2,050 °C
용융도불융해성
용해도불용성
투명도투명부터 거의 불투명까지
깨짐패각상, 파편상
기타열팽창 계수 (5.0–6.6)×10^−6/K
20°C에서의 비유전율
ε = 8.9–11.1 (비등방성)[1]
주요 사파이어 생산국

사파이어(Sapphire)는 보석으로, 강옥 광물의 일종이다. 청옥(靑玉)이라고도 한다. 산화 알루미늄 (α-Al2O3)으로 구성되며, 철, 타이타늄, 코발트, 납, 크로뮴, 바나듐, 마그네슘, 붕소, 규소와 같은 미량 원소가 포함되어 있다. 사파이어라는 이름은 라틴어 단어 sapphirus에서 유래했으며, 이는 다시 그리스어 단어 sappheiros(σάπφειρος)에서 온 것으로, 청금석을 지칭했다.[2] 일반적으로 파란색이지만, 천연 "팬시" 사파이어는 노란색, 보라색, 주황색, 녹색으로도 나타나며, "파르티 사파이어"는 두 가지 이상의 색상을 보여준다. 붉은색 강옥 돌도 있지만, 사파이어 대신 루비라고 불린다.[3] 분홍색 강옥은 지역에 따라 루비 또는 사파이어로 분류될 수 있다. 일반적으로 천연 사파이어는 보석으로 잘라지고 연마되어 주얼리로 착용된다. 또한 산업용 또는 장식용으로 대형 결정 불 형태로 실험실에서 합성될 수도 있다. 사파이어의 뛰어난 굳기 – 모스 굳기계에서 9 (10인 다이아몬드와 9.5인 모이사나이트 다음으로 세 번째로 단단한 광물) – 로 인해 사파이어는 적외선 광학 부품, 고내구성 창 (건축), 휴대용 시계 크리스털 및 무브먼트 베어링, 그리고 집적회로 및 GaN 기반 파란색 발광 다이오드와 같은 특수 목적 고체 전자공학의 절연체 기판으로 사용되는 매우 얇은 웨이퍼와 같은 비장식 용도로도 사용된다. 이는 루비, 지르콘, 흑운모, 백운모, 방해석, 드라바이트 및 석영과 함께 발견된다.[4]

천연 사파이어

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사파이어는 강옥의 두 가지 보석 품종 중 하나이며, 다른 하나는 루비 (붉은색 계열의 강옥으로 정의됨)이다. 파란색이 가장 잘 알려진 사파이어 색상이지만, 회색과 검은색을 포함한 다른 색상으로도 나타나며 무색일 수도 있다. 분홍빛 주황색 사파이어 품종은 파드파라차라고 불린다.

주요 사파이어 매장지는 오스트레일리아, 아프가니스탄, 캄보디아, 카메룬, 중화인민공화국 (산둥성), 콜롬비아, 에티오피아, 인도 (잠무 카슈미르 (연방 직할지)), 케냐, 라오스, 마다가스카르, 말라위, 모잠비크, 미얀마 (버마), 나이지리아, 르완다, 스리랑카, 탄자니아, 태국, 미국 (몬태나주) 및 베트남에서 발견된다.[5]: 431–707  사파이어와 루비는 종종 같은 지리적 환경에서 발견되지만, 일반적으로 지질학적 형성 방식이 다르다. 예를 들어, 루비와 사파이어는 모두 미얀마의 모곡 스톤 트랙에서 발견되지만, 루비는 대리석에서 형성되는 반면, 사파이어는 화강암 페그마타이트 또는 강옥 섬장암에서 형성된다.[5]: 403–429 

모든 사파이어 광산은 다양한 품질의 사파이어를 생산하며, 원산지가 품질을 보장하지는 않는다. 사파이어의 경우 잠무 카슈미르가 가장 높은 프리미엄을 받지만, 버마, 스리랑카, 마다가스카르도 많은 양의 고급 보석을 생산한다.[3]

천연 사파이어의 가격은 색상, 투명도, 크기, 컷, 전반적인 품질에 따라 달라진다. 완전히 처리되지 않은 사파이어는 처리된 것보다 훨씬 가치가 높다. 지리적 원산지도 가격에 큰 영향을 미친다. 1 캐럿 이상의 대부분의 보석에 대해서는 구매자가 구매하기 전에 GIA, Lotus Gemology, SSEF와 같은 존경받는 독립 연구소의 감정 보고서가 종종 요구된다.[6]

색상

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파란색 이외의 색상을 가진 사파이어는 "팬시" 사파이어라고 불린다. "파르티 사파이어"는 다양한 색상 구역(색조)을 가지지만 다른 음영을 가지지 않는 다색 돌에 사용된다.[7]

팬시 사파이어는 노란색, 주황색, 녹색, 갈색, 보라색, 자색 및 거의 모든 다른 색조로 발견된다.[8]

보석의 색은 색상, 채도, 톤으로 설명될 수 있다. 색상은 일반적으로 보석의 "색깔"로 이해된다. 채도는 색상의 생생함 또는 밝기를 나타내며, 톤은 색상의 밝기에서 어둡기까지를 나타낸다.[5]: 333–401 

블루 사파이어

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물방울 모양의 블루 사파이어

블루 사파이어는 기본색(파란색)과 보조색의 다양한 혼합물, 다양한 톤 수준(음영), 다양한 채도(생생함)로 존재한다.

블루 사파이어는 파란색 색상의 순도에 따라 평가된다. 보라색과 녹색은 블루 사파이어에서 가장 흔하게 발견되는 보조 색상이다.[5]: 333–401  순수한 파란색이며 생생한 채도를 가진 보석이 가장 높은 가격으로 팔린다. 채도가 낮거나 너무 어둡거나 너무 밝은 톤의 보석은 가치가 떨어진다. 그러나 색상 선호도는 개인적인 취향이다.[5]: 333–401 

워싱턴 D.C.의 국립 자연사 박물관에 있는 423-carat (84.6 g) 로건 사파이어는 현존하는 가장 큰 패싯 보석 품질의 블루 사파이어 중 하나이다.

파르티 사파이어

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파르티컬러 사파이어(또는 바이컬러 사파이어)는 단일 보석 내에서 두 가지 이상의 색상을 나타내는 돌이다.[8] 파르티컬러 또는 바이컬러 사파이어의 매력도는 일반적으로 색상 구역 또는 위치, 색상의 채도, 색상의 대비를 기준으로 판단된다.[9] 오스트레일리아는 파르티컬러 사파이어의 가장 큰 공급원이다. 이들은 주류 주얼리에 흔히 사용되지 않으며 비교적 잘 알려져 있지 않다. 파르티컬러 사파이어는 합성될 수 없으며 오직 자연적으로만 발생한다.[9]

핑크 사파이어

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핑크 사파이어는 옅은 분홍색에서 진한 분홍색까지 다양한 색조를 띠며, 크로뮴의 양이 증가함에 따라 색이 깊어진다. 핑크색이 깊을수록 화폐 가치가 높다. 미국에서는 루비라고 불리려면 최소한의 색상 채도를 충족해야 하며, 그렇지 않으면 돌은 핑크 사파이어로 지칭된다.[10]

파드파라차

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파드파라차는 원래 스리랑카에서 발견된 섬세하고 밝은 톤에서 중간 톤의 분홍-주황색에서 주황-분홍색을 띠는 강옥으로,[11] 베트남과 동아프리카 일부 지역의 매장지에서도 발견된다. 파드파라차 사파이어는 희귀하며, 가장 희귀한 것은 인공적인 처리 흔적이 전혀 없는 완전한 천연 품종이다.[12]

이름은 산스크리트어 파드마 랑가(직역: '연꽃색')에서 유래했으며, 연꽃과 비슷한 색상이다.[13]

팬시(비파랑) 사파이어 중에서는 천연 파드파라차가 가장 높은 가격에 팔린다. 2001년 이후 베릴륨의 인공 격자 확산 처리로 인해 이 색상의 사파이어가 시장에 더 많이 나타났다.[14]

스타 사파이어

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193.39캐럿 스리랑카의 별 스타 사파이어

스타 사파이어는 성채로 알려진 별 모양 현상을 보이는 사파이어의 일종이며, 붉은색 돌은 "스타 루비"로 알려져 있다. 스타 사파이어는 하나의 머리 위 광원에서 볼 때 육각 "별" 모양 패턴이 나타나게 하는 기본 결정 구조를 따르는 교차하는 바늘 모양의 내포물을 포함한다. 내포물은 주로 이산화 타이타늄으로 구성된 광물인 금홍석인 경우가 많다.[15] 돌은 일반적으로 돔의 상단 근처에 별의 중심이 오도록 캐보션으로 연마된다. 때때로 12개의 광선을 가진 별이 발견되는데, 이는 일반적으로 미세한 금홍석 바늘과 작은 적철석 판과 같이 두 가지 다른 내포물 세트가 같은 돌 안에 있기 때문이다. 전자는 흰색 별을 생성하고 후자는 금색 별을 생성한다. 결정화 과정에서 두 가지 유형의 내포물은 결정 내에서 다른 방향으로 우선적으로 배열되어, 서로 겹쳐져 12개의 광선을 가진 별을 형성하는 두 개의 6광선 별을 형성한다.[16] 쌍정의 결과로 변형된 별이나 12개의 광선을 가진 별이 형성될 수도 있다. 내포물은 캐보션의 거들면이 결정의 c축에 수직이 아닌 평행하게 정렬되면 묘안 효과를 생성할 수도 있다. 묘안을 얻으려면 용출된 내포물의 평면이 극도로 균일하고 촘촘하게 배열되어야 한다. 돔이 이 두 방향 사이에 정렬되면 돔의 가장 높은 지점에서 벗어난 중심을 벗어난 별이 보일 것이다.[5]: 101 

1404.49 캐럿의 아담의 별은 알려진 가장 큰 푸른 스타 사파이어이다. 이 보석은 스리랑카 남부 라트나푸라 시에서 채굴되었다.[17] 세계에서 두 번째로 큰 스타 사파이어인 퀸즐랜드의 블랙 스타는 733 캐럿의 무게를 가진다.[18] 스리랑카에서 채굴된 563.4캐럿의 인도의 별은 세 번째로 큰 스타 사파이어로 여겨지며, 현재 뉴욕의 미국 자연사 박물관에 전시되어 있다. 스리랑카에서 채굴되었으며 워싱턴 D.C.의 국립 자연사 박물관 (워싱턴 D.C.)에 보관된 182캐럿의 뭄바이의 별은 큰 푸른 스타 사파이어의 또 다른 예이다. 스타 사파이어의 가치는 돌의 무게뿐만 아니라 몸체 색상, 가시성, 성채의 강도에 따라 달라진다. 돌의 색상이 별의 가시성보다 가치에 더 큰 영향을 미친다. 더 투명한 돌은 색상이 더 좋은 경향이 있기 때문에 가장 비싼 스타 스톤은 생생한 색상을 가진 반투명 "유리 몸체" 돌이다.[5]: 348–350 

2021년 7월 28일, 스리랑카 라트나푸라에서 세계에서 가장 큰 스타 사파이어 덩어리가 510 kg (1,120 lb) 무게로 발굴되었다. 이 스타 사파이어 덩어리는 "세렌디피티 사파이어"로 명명되었다.[19][20]

변색 사파이어

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천연 사파이어의 희귀 품종인 변색 사파이어는 다른 빛에서 다른 색상을 나타낸다. 변색 사파이어는 야외에서는 파란색이고 백열등 실내등에서는 보라색이거나, 주광에서는 녹색에서 회녹색이고 백열등에서는 분홍색에서 적자색을 띤다. 변색 사파이어는 마다가스카르, 미얀마, 스리랑카, 탄자니아를 포함한 다양한 지역에서 발견된다. 두 가지 유형이 존재한다. 첫 번째는 루비의 붉은색을 만드는 크로뮴 발색단과 사파이어의 파란색을 생성하는 철 + 타이타늄 발색단이 결합된 특징을 보인다. 미얀마의 모곡 지역에서 발견되는 더 희귀한 유형은 베르누이 합성 변색 사파이어에 존재하는 것과 동일한 바나듐 발색단을 특징으로 한다.

"알렉산드라이트 효과"(변색 또는 '메타메리즘')를 보이는 거의 모든 보석은 가시 스펙트럼에서 유사한 흡수/투과 특성을 보인다. 이는 노란색(~590nm)의 흡수 띠와 청록색 및 붉은색의 투과 골짜기이다. 따라서 보이는 색상은 광원의 스펙트럼 구성에 따라 달라진다. 주광은 스펙트럼 전력 분포(SPD)가 비교적 균형을 이루며 인간의 눈은 녹색 빛에 가장 민감하기 때문에 균형이 녹색 쪽으로 기울어진다. 그러나 백열등(양초 빛 포함)은 스펙트럼의 붉은색 끝 쪽으로 크게 기울어져 있어 균형이 붉은색 쪽으로 기운다.[21]

Cr + Fe/Ti 발색단에 의해 색상이 나타나는 변색 사파이어는 일반적으로 파란색 또는 보라색-파란색에서 보라색 또는 자주색으로 변한다. V 발색단에 의해 색상이 나타나는 사파이어는 파란색-녹색에서 자주색으로 변하는 더 뚜렷한 변화를 보일 수 있다.

특정 합성 변색 사파이어는 천연 보석인 알렉산드라이트와 유사한 변색을 보이며 때때로 "알렉산드리움" 또는 "합성 알렉산드라이트"로 판매되기도 한다. 그러나 후자의 용어는 오칭이다. 합성 변색 사파이어는 기술적으로 합성 알렉산드라이트가 아니라 알렉산드라이트 유사체이기 때문이다. 이는 진정한 알렉산드라이트는 금록석의 일종이며, 사파이어가 아니라 강옥과는 완전히 다른 광물이기 때문이다.[22]

대형 루비와 사파이어

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투명도가 낮은 대형 루비와 사파이어는 가치를 엄청나게 과대평가하는 의심스러운 감정으로 자주 사용된다. 이는 "삶과 미국의 자부심 스타 사파이어"의 경우였다. 1985년경 로이 웨스트스틴은 투산 보석 전시회에서 1905캐럿 돌을 10달러에 샀다고 주장했지만, 한 기자는 폴브룩의 L.A. 워드가 그 돌을 캐럿당 1200달러로 감정했는데, 이는 웨스트스틴이 그 돌을 찾았다고 주장하기 몇 년 전에 정확히 같은 무게의 다른 돌을 감정한 것이라고 밝혔다.[23]

방콕에 기반을 둔 Lotus Gemology는 루비, 사파이어 및 첨정석의 세계 경매 기록을 최신 상태로 유지한다. 2019년 11월 현재 경매에서 17,295,796달러 이상에 팔린 사파이어는 없다.[24]

색상의 원인

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사파이어의 결정 구조
 1940c. 제작된 사파이어 반지

루비는 주로 붉은색 몸체색을 가진 강옥이다. 이는 일반적으로 강옥 구조에서 알루미늄 이온(Al3+)을 대체하는 미량의 크로뮴(Cr3+)으로 인해 발생한다. 색상은 철과 갇힌 구멍 색상 중심에 의해 수정될 수 있다.[25]

크로뮴 및 바나듐 불순물로 인해 색상을 유발하는 국소적("원자 내") 빛 흡수와 달리, 사파이어의 파란색은 전도대 또는 원자가띠를 통해 하나의 전이 금속 이온에서 다른 이온으로 전자가 이동하는 이원자가 전하 이동에서 비롯된다. 철은 Fe2+ 또는 Fe3+ 형태로 존재할 수 있으며, 타이타늄은 일반적으로 Ti4+ 형태로 존재한다. Fe2+ 및 Ti4+ 이온이 Al3+를 대체하면 국소적인 전하 불균형 영역이 생성된다. Fe2+에서 Ti4+로 전자가 이동하면 둘 모두의 원자가 상태가 변할 수 있다. 원자가 변화로 인해 전자의 특정 에너지 변화가 발생하고 전자기 에너지가 흡수된다. 흡수된 에너지의 파장은 노란색 빛에 해당한다. 이 빛이 입사 백색광에서 제거되면 보색인 파란색이 나타난다. 때때로 원자 간격이 다른 방향으로 다를 때, 결과적으로 청록색 양색성이 나타난다.

보라색 사파이어는 미량의 크로뮴과 철 및 타이타늄을 포함하며 다양한 색조로 나타난다. 발색단 수준이 극히 낮은 강옥은 거의 무색이다. 자연적으로 완전히 무색의 강옥은 일반적으로 존재하지 않는다. 미량의 철이 존재하면 매우 옅은 노란색에서 녹색까지의 색상이 보일 수 있다. 그러나 타이타늄과 철 불순물이 함께 존재하고 올바른 원자가 상태에 있다면 그 결과는 파란색이다.[26]

이원자가 전하 이동은 불순물 비율이 낮아도 강렬한 색상을 나타내는 과정이다. 루비의 진한 붉은색이 나타나려면 강옥에 최소 1%의 크로뮴이 존재해야 하는 반면, 사파이어 파란색은 타이타늄과 철이 0.01%만 존재해도 나타난다.

자연에서 드물게 발견되는 무색 사파이어는 한때 보석에서 다이아몬드 대체물로 사용되었으며, 현재는 보조석으로 사용된다.[8]

강옥의 색상 원인에 대한 가장 완전한 설명은 Ruby & Sapphire: A Gemologist's Guide의 4장(존 에밋, 에밀리 두빈스키, 리처드 휴즈 공저)에서 찾을 수 있다.[5]: 107–164 

채굴

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마다가스카르산 사파이어

사파이어는 충적층 퇴적물 또는 지하 광산에서 채굴된다. 사파이어와 루비의 상업적 광업 지역에는 다음 국가들이 포함되지만 이에 국한되지 않는다: 아프가니스탄, 오스트레일리아, 미얀마/버마, 캄보디아, 중화인민공화국, 콜롬비아, 인도, 케냐, 라오스, 마다가스카르, 말라위, 네팔, 나이지리아, 파키스탄, 스리랑카, 타지키스탄, 탄자니아, 태국, 미국, 베트남. 다른 지리적 위치의 사파이어는 다른 외관이나 화학적 불순물 농도를 가질 수 있으며, 다른 유형의 미세 내포물을 포함하는 경향이 있다. 이 때문에 사파이어는 고전적인 변성, 비고전적인 변성 또는 화성, 고전적인 화성 세 가지 광범위한 범주로 나눌 수 있다.[27]

특정 지역이나 특정 범주의 사파이어는 다른 사파이어보다 상업적으로 더 매력적일 수 있으며,[28] 특히 열처리되지 않은 카슈미르, 버마 또는 스리랑카산 고전적인 변성 사파이어가 그렇다.[29][30]

로건 사파이어, 인도의 별, 아담의 별 및 뭄바이의 별은 스리랑카 광산에서 유래한다. 마다가스카르는 특히 일라카카 마을과 그 주변의 매장지에서 세계 사파이어 생산의 선두주자이다(2007년 기준).[31] 일라카카 광산이 개방되기 전에는 오스트레일리아가 사파이어의 가장 큰 생산국이었다(예: 1987년).[32] 1991년 마다가스카르 남부 안드라논담보에서 새로운 사파이어 광원이 발견되었다. 1993년에 채굴이 시작되었지만, 사파이어를 암반에서 회수하는 어려움 때문에 몇 년 후에 거의 포기되었다.[33]

북아메리카에서는 몬태나주의 매장지에서 주로 사파이어가 채굴되었다. 헬레나 (몬태나주) 근처의 미주리강을 따라 있는 지형, 디어 로지 (몬태나주) 근처의 드라이 코튼우드 크릭, 필립스버그 (몬태나주) 근처의 록 크릭 등이 있다. 훌륭한 파란색 요고 사파이어는 루이스 타운 (몬태나주) 서쪽의 요고 걸치에서 발견된다.[34] 몇몇 보석 품질의 사파이어와 루비는 프랭클린 (노스캐롤라이나주) 지역에서도 발견되었다.[35]

카슈미르의 사파이어 매장지는 보석 산업에서 잘 알려져 있지만, 최대 생산량은 19세기 말에서 20세기 초의 비교적 짧은 기간에 이루어졌다.[5]: 463–482  이 매장지는 인도 잠무 카슈미르의 잠무 지방에 있는 파다르 계곡에 위치한다.[36] 이들은 우수한 생생한 파란색 색조와 신비롭고 거의 졸린 듯한 품질을 가지고 있으며, 일부 보석 애호가들은 이를 "블루 벨벳"이라고 묘사한다. 카슈미르산은 사파이어의 가치에 큰 기여를 하며, 카슈미르산 강옥은 대부분 특징적인 비단 같은 외관과 뛰어난 색조로 쉽게 식별할 수 있다.[37][36] 독특한 파란색은 어떤 종류의 빛에서도 빛나지만, 카슈미르산이 아닌 사파이어는 비교하면 보라색 또는 회색으로 보일 수 있다.[38] 소더비는 전 세계 카슈미르 사파이어의 기록적인 판매를 주도해왔다. 2014년 10월, 소더비 홍콩은 카슈미르 사파이어에 대해 연속적으로 캐럿당 최고 가격 기록을 달성했는데, 먼저 12.00캐럿 까르띠에 사파이어 반지가 캐럿당 미화 193,975달러에, 이어서 17.16캐럿 사파이어가 미화 236,404달러에, 그리고 다시 2015년 6월에는 캐럿당 경매 최고 기록이 미화 240,205달러로 설정되었다.[39] 현재 경매에서 사파이어의 세계 최고 캐럿당 가격 기록은 카슈미르산 사파이어가 세운 것으로, 2015년 10월에 캐럿당 약 미화 242,000달러(홍콩 달러 총 52,280,000달러, 구매자 프리미엄 포함, 즉 674만 달러 이상)에 판매되었다.[39]

처리

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사파이어는 투명도와 색상을 향상시키기 위해 여러 가지 방법으로 처리할 수 있다.[5]: 197–247  천연 사파이어의 외관을 개선하거나 향상시키기 위해 열처리를 하는 것이 일반적인 관행이다. 이는 사파이어를 800 and 1,800 °C (1,470 and 3,270 °F) 사이의 온도로 수 시간 또는 심지어 수 주 동안 가열하여 이루어진다. 다양한 분위기가 사용될 수 있다. 가열하면 돌은 더 파랗게 변하지만, 일부 금홍석 내포물(실크)을 잃는다. 고온(1400°C 이상)을 사용하면 용출된 금홍석 실크가 용해되어 확대 시 투명하게 보인다. 금홍석의 타이타늄은 고용체로 들어가 철과 함께 파란색을 생성한다.[40] 천연석의 내포물은 주얼러 루페로 쉽게 볼 수 있다. 사파이어 및 기타 보석이 열처리되었다는 증거는 적어도 로마 시대까지 거슬러 올라간다.[41] 비열처리된 천연석은 다소 희귀하며 종종 "열처리 흔적 없음"을 증명하는 독립적인 보석학 연구소의 인증서와 함께 판매된다.

요고 사파이어

요고 사파이어는 콘플라워 블루 색상이 땅속에서부터 매력적이고, 일반적으로 내포물이 없으며, 높은 균일한 투명도를 가지고 있어 열처리할 필요가 없다.[42] 1980년대에 인터젬 리미티드가 요고를 세계 유일의 보장된 비처리 사파이어로 마케팅하기 시작했을 때, 열처리는 일반적으로 공개되지 않았다. 1980년대 후반에 열처리는 주요 쟁점이 되었다.[34] 당시 세계의 거의 모든 사파이어는 천연색을 향상시키기 위해 열처리되고 있었다.[43] 인터젬의 보장된 비처리 요고 마케팅은 보석 산업의 많은 사람들과 대립하게 했다. 이 문제는 1984년 8월 29일 빌 리처드의 기사 "캐럿과 트릭: 사파이어 마케터가 보석 산업을 뒤흔들다"라는 제목으로 월스트리트 저널 1면에 실렸다.[43] 그러나 요고 광산이 직면한 가장 큰 문제는 열처리된 사파이어와의 경쟁이 아니라, 요고 스톤이 패싯 처리 후 1캐럿을 넘는 양을 생산할 수 없다는 사실이었다. 그 결과, 이는 주로 미국에서 시장이 존재하는 틈새 제품으로 남아 있다.[5]: 676–695 

격자('벌크') 확산 처리는 사파이어에 불순물을 추가하여 색상을 향상시키는 데 사용된다. 이 과정은 원래 유니온 카바이드의 린데 에어 사업부에서 개발하고 특허를 받았으며, 티타늄을 합성 사파이어로 확산시켜 파란색을 균일하게 만드는 것을 포함했다.[44] 나중에 천연 사파이어에도 적용되었다. 오늘날 티타늄 확산은 종종 합성 무색 사파이어를 기반으로 사용한다. 티타늄 확산으로 생성된 색상 층은 매우 얇다(0.5mm 미만). 따라서 재연마는 색상 손실을 거의 또는 상당히 유발할 수 있다. 크로뮴 확산도 시도되었지만, 강옥 내 크로뮴의 느린 확산 속도로 인해 포기되었다.

2000년에 베릴륨이 확산된 "파드파라차" 색상의 사파이어가 시장에 출시되었다. 일반적으로 베릴륨은 사파이어의 녹는점 바로 아래의 매우 높은 열에서 사파이어 안으로 확산된다. 처음에는( 2000c.) 주황색 사파이어가 생성되었지만, 이제는 이 과정이 발전하여 많은 색상의 사파이어가 베릴륨으로 처리되는 경우가 많다. 베릴륨 이온의 크기가 작기 때문에 색상 침투가 티타늄 확산보다 훨씬 크다. 어떤 경우에는 전체 돌에 침투할 수도 있다. 베릴륨 확산 주황색 사파이어는 탐지하기 어려울 수 있으며, 보석 감정 연구소(예: Gübelin, SSEF, GIA, American Gemological Laboratories (AGL), Lotus Gemology[6])의 고급 화학 분석이 필요하다.

미국 연방거래위원회 지침에 따르면, 보석의 가치에 상당한 영향을 미치는 모든 종류의 강화 처리는 공개되어야 한다.[45]

사파이어를 처리하는 몇 가지 방법이 있다. 환원 또는 산화 분위기에서의 열처리(다른 불순물을 첨가하지 않고)는 사파이어의 색상을 개선하는 데 일반적으로 사용되며, 이 과정은 보석 거래에서 때때로 "단순 가열"로 알려져 있다. 그러나 대조적으로, 특정 불순물(예: 베릴륨, 타이타늄, 철, 크롬 또는 니켈 등 사파이어의 결정 구조에 흡수되는 불순물)을 의도적으로 첨가하여 열처리를 하는 것도 일반적으로 수행되며, 이 과정은 보석 거래에서 "확산"으로 알려져 있다. 그러나 "단순 가열"과 "확산"이라는 용어가 시사하는 바와 달리, 이 두 가지 처리 범주는 실제로 확산 과정을 포함한다.[46]

강옥 처리에 대한 가장 완전한 설명은 Ruby & Sapphire: A Gemologist's Guide의 6장(존 에밋, 리처드 휴즈, 트로이 R. 도우티트 공저)에서 찾을 수 있다.[5]: 197–247 

합성 사파이어

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합성 사파이어

1902년 프랑스의 화학자 오귀스트 베르누이는 합성 루비 결정을 생산하는 공정을 발표했다.[47] 화염 용융(베르누이법)에서 미세한 알루미나 분말이 수소-산소 불꽃에 첨가되고, 이것은 세라믹 받침대를 향해 아래로 향한다.[48] 루비 합성의 성공 후 베르누이는 사파이어에 대한 노력을 집중했다. 1909년에 파란색 사파이어 합성이 이루어졌는데, 사파이어의 화학 분석 결과 철과 타이타늄이 파란색의 원인임을 베르누이에게 시사했기 때문이었다. 베르누이는 1911년에 합성 파란색 사파이어 생산 공정에 대한 특허를 받았다.[49][5]: 254–255 

이 공정의 핵심은 알루미나 분말이 불꽃을 통과하면서 녹지 않는다는 것이다. 대신 받침대 위에 소결 콘을 형성한다. 이 콘의 끝이 불꽃의 가장 뜨거운 부분에 도달하면 끝이 녹는다. 따라서 결정 성장이 작은 지점에서 시작되어 최소한의 변형을 보장한다.

다음으로, 불꽃에 더 많은 산소가 첨가되어 약간 더 뜨겁게 연소시킨다. 이는 성장하는 결정을 측면으로 확장시킨다. 동시에, 받침대는 결정이 수직으로 성장하는 속도와 같은 속도로 낮춰진다. 불꽃 안의 알루미나는 천천히 증착되어 눈물 방울 모양의 사파이어 재료 "불레"를 생성한다. 이 단계는 원하는 크기에 도달할 때까지 계속되며, 불꽃은 꺼지고 결정은 냉각된다. 이제 길쭉한 결정은 불꽃과 주변 공기 사이의 높은 온도 기울기로 인해 많은 내부 변형을 포함한다. 이 변형을 해제하기 위해 이제 손가락 모양의 결정은 끌로 두드려 두 개의 절반으로 쪼개진다.[5]: 249–309 

결정의 수직 층상 성장과 구부러진 상부 성장 표면(방울에서 시작됨)으로 인해 결정은 불레의 상부 표면을 따라 구부러진 성장선을 나타낸다. 이는 단일 지점에서 확장되고 평면 결정면을 따르는 각진 성장선을 특징으로 하는 천연 강옥 결정과는 대조적이다.[50]

도펀트

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화학적 도펀트를 첨가하여 루비의 인공 버전, 그리고 모든 다른 천연 사파이어 색상뿐만 아니라 지질학적 샘플에서는 볼 수 없었던 다른 색상도 만들 수 있다. 인공 사파이어 재료는 천연 사파이어와 동일하지만, 천연석에서 발견되는 결함 없이 만들 수 있다는 점이 다르다. 베르누이 공정의 단점은 성장된 결정이 높은 내부 변형을 가지고 있다는 것이다. 오늘날 사파이어를 제조하는 많은 방법은 폴란드 화학자 얀 초크랄스키가 1916년에 발명한 초크랄스키 공정의 변형이다.[51] 이 공정에서는 작은 사파이어 씨앗 결정을 녹은 알루미나가 담긴 이리듐 또는 몰리브데넘으로 만든 도가니에 담근 다음, 시간당 1~100mm의 속도로 천천히 위로 빼낸다.[52] 알루미나는 끝에서 결정화되어 최대 200kg에 달하는 긴 당근 모양의 큰 불레를 생성한다.[53] 초크랄스키 방법의 인기 있는 변형 중 하나는 키로풀로스 방법으로, 알루미늄 산화물과 같은 모든 원료를 사용하여 사파이어를 만들 수 있고 도가니를 교체할 필요가 없다는 장점이 있다. 이는 합성 사파이어의 주요 생산 방법 중 하나이다. 그러나 원래의 초크랄스키 방법도 사용될 수 있다.[54][55]

다른 성장 방법

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합성 사파이어는 또한 산업적으로 덩어리진 산화알루미늄을 불활성 분위기에서 소결 및 용융(예: 열간 등방압 성형)하여 투명하지만 약간 다공성의 다결정 제품을 생산한다.[56] 또 다른 인기 있는 방법은 열교환기 방법(HEM)으로, 산화알루미늄을 몰리브데넘 도가니에 넣고 2200°C에서 녹을 때까지 가열하는 것이다. 이 방법은 너비 30cm 이상의 매우 큰 결정을 생산할 수 있다. 이 과정은 진공 상태에서 진행된다. 사파이어 씨앗 결정은 도가니 바닥에 놓여 있고 헬륨 가스 또는 액체 헬륨과의 열교환(냉각)으로 녹는 것을 방지하며, 이는 진공으로부터 차폐된다. 노는 녹는점 바로 위의 온도로 유지되지만, 열교환기는 녹는점 바로 아래의 온도로 유지된다. 그런 다음 열교환기 온도를 낮춰 결정화를 시작하고, 최소 72시간에서 17일 동안 산화알루미늄을 냉각시켜 사파이어로 결정화시킨다. 도가니는 일회용이며, 이 과정은 브리지만-스톡바거 방법 및 스토버 방법과 유사하며,[57][58] 아이폰 화면에 사용되었다.[59][60][61][62] 결정은 도가니 바닥에서 위로 성장한다.[63] 또 다른 방법은 Edge-defined Film-fed Growth (EFG) 방법으로, 초크랄스키 방법과 매우 유사하지만 재료가 냉각되기 전에 다이를 통과하여 결정을 형성한다. 결정은 회전하지 않는다.[64] 화학 기상 증착(CVD), 경사로[65] 또는 수직 브리지만 공정을 사파이어 결정 성장에 사용할 수 있다.[66]

2003년 세계 합성 사파이어 생산량은 250톤(12억 5천만 캐럿)이었고, 주로 미국과 러시아에서 생산되었다.[67][68] 저렴한 합성 사파이어의 이용 가능성은 이 독특한 재료의 많은 산업적 용도를 가능하게 했다.

응용 분야

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장비 창

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합성 사파이어 시계 유리로 된 손목 시계

합성 사파이어("사파이어 유리"라고도 함)는 작은 창 (건축)에 일반적으로 사용되는데, 이는 150 nm(자외선)와 5500 nm(적외선) 사이의 파장 빛에 대해 매우 투명하고 (가시 스펙트럼은 약 380 nm에서 750 nm까지 확장된다[69]), 긁힘에 매우 강하기 때문이다.[70][71]

사파이어 창의 주요 이점은 다음과 같다:

  • 자외선에서 근적외선까지 매우 넓은 광학 투과 대역 (0.15–5.5 μm)
  • 다른 광학 재료 또는 표준 유리 창보다 훨씬 강함
  • 긁힘 및 마모에 매우 강함 (모스 굳기계에서 9, 모이사나이트와 다이아몬드 다음으로 세 번째로 단단한 천연 물질)[37]
  • 극도로 높은 녹는점 (2030 °C)
키로풀로스 방법으로 성장시킨 단결정 사파이어 불레.[72][73] 직경 약 200 밀리미터 (8 in), 무게 약 30 kg (66 lb). (두 번째 불레는 배경에 보인다.)

일부 사파이어 유리 창은 특정 결정 방향, 일반적으로 광축, 즉 c축을 따라 성장된 순수 사파이어 불레로 만들어져 적용 분야에서 최소한의 복굴절을 제공한다.[74][75]

불레는 원하는 창 두께로 잘라지고 최종적으로 원하는 표면 마감으로 연마된다. 사파이어 광학 창은 결정 구조와 경도 덕분에 광범위한 표면 마감으로 연마될 수 있다. 광학 창의 표면 마감은 일반적으로 전 세계적으로 채택된 MIL-O-13830 사양에 따라 스크래치-디그 사양으로 명시된다.

사파이어 창은 분광학용 고압 및 진공 챔버, 휴대용 시계용 크리스털, 그리고 식료품점 바코드 스캐너의 창에 사용되는데, 이 재료의 뛰어난 경도와 강도 덕분에 긁힘에 매우 강하기 때문이다.[67]

2014년 애플은 "아이폰 카메라 렌즈와 지문 인식기를 덮기 위해 전 세계 사파이어 공급량의 4분의 1"을 소비했다.[76]

스마트폰용 사파이어 화면을 실현하려는 여러 시도가 있었다. 애플은 GT 어드밴스드 테크놀로지스(GTAT)와 아이폰용 사파이어 화면 제조 계약을 맺었으나, 이 사업은 실패하여 GTAT의 파산으로 이어졌다.[77] 교세라 브리지디어는 사파이어 화면을 탑재한 최초의 생산 스마트폰이었다.[78]

사파이어는 일부 고출력 레이저 튜브의 끝 창에 사용되는데, 넓은 대역 투명성과 열전도율 덕분에 적외선 및 자외선 스펙트럼에서 열화 없이 매우 높은 전력 밀도를 처리할 수 있기 때문이다.

"Cermax"라고 불렸고 현재는 일반적으로 "세라믹 바디 제논 램프"라고 알려진 한 종류의 제논 호등 – 은 사파이어 크리스털 출력 창을 사용하는데, 이는 더 높은 열 부하를 견딜 수 있어 기존의 순수 실리카 창이 있는 제논 램프보다 더 높은 출력 전력을 제공할 수 있다.[79][80]

사파이어 창은 높은 강도 덕분에 F-35 라이트닝 II 전자광학 표적 시스템 창에 사용되었다.[81]

이산화 지르코늄 및 질화알루미늄과 함께 합성 사파이어는 복합 재료와 함께 장갑 차량 및 다양한 군용 갑옷에 사용되는 내파성 창에 사용된다.

반도체 회로의 기판으로

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얇은 사파이어 웨이퍼는 실리콘 온 사파이어 또는 "SOS"로 알려진 집적회로를 만들기 위해 실리콘을 증착할 수 있는 절연 기판으로 처음 성공적으로 사용되었다. 이제 다른 기판도 더 일반적으로 실리콘 온 인슐레이터로 알려진 회로 등급에 사용될 수 있다. 사파이어는 우수한 전기 절연 특성 외에도 높은 열전도율을 가지고 있다. 사파이어 위의 CMOS 칩은 휴대 전화, 공공 안전 대역 무전기 및 위성 통신 시스템에서 발견되는 고전력 무선 주파수(RF) 응용 분야에 특히 유용하다. "SOS"는 또한 하나의 IC 칩에 디지털 회로와 아날로그 회로를 모두 모놀리식으로 통합하고 극히 낮은 전력 회로를 구축할 수 있게 한다.

한 공정에서는 단결정 사파이어 불레를 성장시킨 후, 원통형 막대로 코어 드릴링하고, 이 코어에서 웨이퍼를 슬라이스한다.

단결정 사파이어 웨이퍼는 또한 반도체 산업에서 질화 갈륨(GaN) 기반 장치 성장을 위한 기판으로 사용된다. 사파이어를 사용하면 저마늄 비용의 약 7분의 1이므로 비용이 크게 절감된다. 사파이어 위의 질화 갈륨은 일반적으로 파란색 발광 다이오드 (LED)에 사용된다.[82]

레이저에서

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최초의 레이저는 1960년 시어도어 마이먼이 합성 루비 막대로 만들었다. 티타늄-사파이어 레이저는 전자기 스펙트럼의 붉은색 및 근적외선 영역에서 다양한 파장으로 튜닝할 수 있는 비교적 희귀한 능력 때문에 인기가 높다. 또한 쉽게 모드 고정될 수 있다. 이 레이저에서는 크로뮴 또는 타이타늄 불순물이 있는 합성 사파이어 결정이 특수 램프 또는 다른 레이저의 강렬한 빛으로 조사되어 자극 방출을 생성한다.

인공 관절에서

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단결정 사파이어는 생체 적합성이 상당히 높으며, 사파이어-금속 쌍의 탁월하게 낮은 마모는 우크라이나에서 고관절 인공 관절에 사파이어 단결정을 도입하게 했다.[83]

역사적, 문화적 참고 자료

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  • 어원적으로 영어 단어 "sapphire"는 프랑스어 saphir에서 파생되었으며, 이는 라틴어 sapphirus, sappirus에서, 다시 그리스어 σαπφειρος (sappheiros)에서, 그리고 히브리어 סַפִּיר (sapir)에서 유래했다. 이 용어는 아마도 원래 청금석을 지칭했을 것으로 보인다. 사파이어는 로마 시대에 이르러서야 발견되었기 때문이다.[84][85][86]
  • 전통적인 힌두교 신앙에 따르면, 사파이어는 토성(샤니)이 착용자에게 유리하게 작용하도록 한다고 믿어진다.[87]
  • 중세 시대 동안 유럽의 보석 공예가들은 푸른 강옥 결정을 라틴어로 파란색을 의미하는 sapphirus에서 파생된 "사파이어"라고 부르게 되었다.[88]
  • 사파이어는 45번째 결혼기념일의 전통적인 선물이다.[89]
  • 사파이어 희년은 65년 후에 발생한다. 2017년은 엘리자베스 2세 여왕의 즉위 65주년인 사파이어 희년을 기념했다.[90]
  • 사파이어는 9월의 탄생석이다.
  • 이탈리아의 한 미신에 따르면 사파이어는 눈 문제와 멜랑콜리에 대한 주구라고 한다.[91] 스코틀랜드의 메리 여왕은 아픈 눈을 문지르는 데 사용하는 약용 사파이어를 펜던트로 소유했다.[92]
  • 교황 인노첸시오 3세는 주교의 반지는 순금으로 만들고, 새겨지지 않은 사파이어를 박아야 한다고 선언했다. 사파이어는 비밀의 봉인으로서 품위 있는 지위에 필수적인 미덕과 자질을 가지고 있기 때문인데, "사제는 저속하고 덜 지적인 사람들의 감각에서 많은 것을 숨기고, 마치 봉인된 것처럼 보관한다."[93]
  • 사파이어는 1985년 8월부터 인정된 퀸즐랜드주의 공식 주 보석이다.[94]

주목할 만한 사파이어

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주목할 만한 사파이어 개요
사파이어 원산지 크기 컷 색상 위치
비스마르크 사파이어[95] 미얀마 98.56 캐럿 테이블 파란색 국립 자연사 박물관 (워싱턴 D.C.), 워싱턴 D.C.
퀸즐랜드의 블랙 스타[18] 오스트레일리아, 1938년 733 캐럿 스타 검은색 익명의 소유자
아시아의 블루 벨[96] 스리랑카 392.52 캐럿 쿠션 파란색 익명의 소유자
로건 사파이어[97] 스리랑카 422.99 캐럿 쿠션 파란색 국립 자연사 박물관 (워싱턴 D.C.), 워싱턴 D.C.
루마니아의 마리 여왕[98] 스리랑카 478.68 캐럿 쿠션 파란색 익명의 소유자
아담의 별[17] 스리랑카, 2015년 1404.49 캐럿 스타 파란색 익명의 소유자
뭄바이의 별 스리랑카 182 캐럿 스타 청자색 국립 자연사 박물관 (워싱턴 D.C.), 워싱턴 D.C.
인도의 별 스리랑카 563.4 캐럿 스타 청회색 미국 자연사 박물관, 뉴욕
스튜어트 사파이어 스리랑카 104 캐럿 파란색 런던탑

100개 이상의 중요하고 유명한 루비와 사파이어를 나열한 광범위한 표는 Ruby & Sapphire: A Gemologist's Guide의 10장에서 찾을 수 있다.[5]: 380–395 

같이 보기

[편집]

각주

[편집]
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