5) 속임수 (Skin Game)

2001 년 10 월, 호주의 보석학자 테리 콜드햄(Terry Coldham)은 저자에게 오랜지빛 청옥(sapphire)의 새로운 처리(treatment)에 대하여 알려주었다. 그의 최초의 보고서는 색깔이 좋지 않은 송기아(Songea, Tanzania) 돌들을 질 좋은 오랜지빛에서 적색의 오랜지빛까지로 처리하기 위하여 새로 개발된 태국 찬타부리(chanthaburi)의 버너(burner)에 관한 것이었다. 그 이후 곧, 여러 다른 출처들이 그 사실을 확인했다. 그 돌들은 선셋 사파이어(Sunset sapphire)등과 같은 새로운 이름으로 판매되고 있었다.

지난해 12 월 AGTA연구소의 켄 스카랫(Ken Scarratt) 이사가 뱅콕(Bangkok)을 방문하여 견본들을 얻어왔다. Pala International의 라슨(Larson)도 역시 2001 년 12 월초에 Bangkok에서 이 돌들의 견본들을 구입했다. Scarratt은 New York으로 되돌아와서 그 돌을 검사하고선, 모두 고온(high-temperature)에 의한 열처리(heat treatment)가 행해졌다는 것을 알았다. 그러나, 담금 검사(immersion testing)에서, 분홍색 핵(core)를 감싸고 있는 이상한 오랜지빛의 테두리가 많이 보였는데, 그렇게 만들기 위해서는 단순한 열처리 이상의 것이 행해졌을 것이라는 것을 암시하였다.

2001 년 12 월 28 일에, Scarratt은 저자에게 오랜지빛 테두리에 대해서 언급하면서, 돌들에 대해서 알고 있는 것이 있는지를 물었다. 우리는 Bangkok에서 구입한 Pala의 돌들을 신속하게 검사하고선, 대부분의 것들에 동일한 색의 테두리가 있음을 알았다. 그 이후 곧, AGTA는 연구소 경보를 발하였으며 우리는 분석을 위하여 다수의 돌들을 지아이에이(GIA)에 보냈다. 다음은 2002 년 1 월 8 일의 AGTA 보고서와 2002 년 1 월 28 일과 2002년 2 월 16 일의 GIA 보고서들과 함께, 존 에멋(John Emmett)[1]과 같은 미국의 전문가들 그리고 전세계의 그 밖의 판매업자들 및 보석학자들과 협의했던 것에 의거한다. [주: GIA와 AGTA 에 의한 온라인(on-line) 기록들은 2002 년 4 월 19 일에 발행되었으며 2002 년 5 월 3 일과 2002 년 9 월 5 일에 추가 갱신되었다]

색 범위와 형태

이 물건들의 마무리된 색 범위는 황색에서 황금빛 황색을 걸쳐 오랜지빛(패드퍼러드차(padparadscha, 오랜지빛 분홍색 강옥)에서 볼 수 있는 범위를 포함한)과 심지어 경계를 구분지기 어려운 홍옥(ruby) 색들, 적색의 첨정석(spinel)들을 닮은 일부에 이르기까지 전반에 걸쳐있다. Songea 청옥들을 처리하기 위하여 처음 시작된 것이 마다가스카르(Madagascar) 분홍색 청옥들, 태국/캠보디아(Cambodia)의 홍옥들과 심지어 호주와 그 밖의 곳들의 녹색 청옥들에게까지 빠르게 퍼져 나갔다.

그때까지 우리가 모을 수 있는(그리고, 상황은 빠르게 변해가고 있었다) 것으로부터, 분홍색 Madagascar돌들은 오랜지빛(패드퍼러드차 색들을 포함한)으로, Songea의 것들은 녹색 청옥들, 태국과 호주는 황금빛 색들로 처리되고 있었으며, 색이 좋지 않은 Songea 오랜지빛과 적색을 띤 청옥들과 자주색을 띤 태국/Cambodia의 홍옥들은 더 좋고 적색이 더 짙게 처리되었다.

표면 산란처리(surface diffusion treated)? 아마도.

많은 돌들에서의 이상한 특성은 분홍색 핵을 감싸고 있는 표면에 기초한 오랜지빛 색층 때문이다(아래의 사진을 참조). 외면적으로, 이것은 표면(부피(bulk)) 산란을 닮았지만(아래의 상자를 참조), 앞서의 표면 산란처리(diffusion treatment)된 보석들과는 달리, 패시트(facet) 연결부들과 환상부(girdle)가 밝게 보이지 않았다. 대신, 보이는 것은 연마가공된 돌의 형상과 정확하게 같은 황색-오랜지빛의 층이었다. 이것은 처리의 마지막 단계는 적어도 미가공(rough) 돌보다는 연마가공된 돌에 적용되었음을 암시한다. 또한, 외부로부터 무엇인가가 더해졌다는 것을 암시하는데, 돌 내부의 원소들에 작용하는 단순한 열처리라면, 내부 색의 형태가 연마가공된 돌의 형상과 정확하게 같을 수가 없기 때문이다. 완벽한 삼각원형(trillion)의 미가공 오랜지빛 청옥들을 생산하는 광산이 없다(아래 참조).

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아니요, 이 보석은 삼각원형(trillion)광산에서 산출되지 않았지만, 표면산란에 의해서 창조된 오랜지빛 색을 지닌 Madagascar의 분홍색 청옥이다. 보석은 다이아이오도매테인(di-iodomethane)에 담겨있다.
재연마가공된 그런 돌은 오랜지빛 색의 손실을 나타낼 것이다. Photo: R.W. Hughes

이제는 상식이 된 오랜지빛 청옥에 대한 오랜지빛 껍질들에 더하여, 홍옥들에서도 비슷한 오랜지빛 테두리들이 있다고 출처들이 보고하였다. 실제로, 어떤 사람은 태국에 있는 열처리업자들이 오랜지색 껍질을 더하므로써 색을 향상시키기 위한 색이 좋지 않은 태국/Cambodia 홍옥들을 현재 열심히 찾고 있다고 저자에게 말했다. 마찬가지로, 그 열처리업자들은 황금빛 색으로 처리하기 위한 녹색 청옥들의 묵은 재고들을 찾고 있다는 말을 들었다.

재연마가공? 절대 "안된다".

우리는 한 모깍음 장방형 연마가공(emerald cut)의 오랜지빛 돌을 재연마가공하려고 시도했지만, 심각한 색 손실이 있다는 것을 알고, 0.12 캐럿(carat) 정도의 중량만을 손실을 보고 중단했다. 다른 출처에서 재연마가공하는 동안 비슷한 색 손실을 경험했다고 보고했다. 다른 돌들에서는 색이 완전히 드러났다. 판매업자들은 색이 다소 있거나 손실이 없는 이 색의 껍질이 없는 돌들을 재연마가공하였다고 보고하였다.

아, 이런! 이것들은 무엇이지?

그 질문에 대한 답을 얻기 위하여, 2002 년 2 월 5 일 Tucson에서 회의를 가졌다. 태국의 대표들을 포함한, 전세계로부터의 보석학자들과 판매업자들이 참석하였다. 다음을 포함한 이론들이 논의되었다:

Zap Mama(여성 5 인조 무반주 중창단)?

처음의 보고들은 돌들은 아마도 조사 처리(irradiation)되었기 때문에 색이 불안정하여 빛에 장기간 노출되어서 퇴색되었다고 하였다. 그러나, GIA의 쉐인 맥클루(Shane McClure)는 그런 방사로는 이 새로운 돌들의 대부분에서 나타나고 있는 돌 표면전체에 균일한 색이 나타날 수 없다고 지적했다. 퇴색시험(fading test)들에 대한 보고서들도 색의 손실이 없다는 결론을 내렸다. 그래서, 우리는 방사를 그 가능성에서 안전하게 제거하였다.

게리톨(철분 등이 들어있는 영양제)이 풍부한 보석들(Geritol-rich gems)?

태국에 근거를 둔 온라인(on-line) 보고서들은 오랜지빛 테두리의 잠재적인 원인으로서 Fe²⁺ 에서 Fe³⁺로의 철(Fe)원자가 상태의 변환을 지적했다.

여기 미국에서의 논의들은 그런 경우가 아니라는 것을 제시했다. Lawrence Livermore국립연구소의 레이저(laser) 협회의 전임이사인 존 에멧(John Emmett)과 강옥(corundum)의 화학과 물리학에 있어서 세계최고의 전문가들 중의 한 분에 따르면, 철로 강옥에 오랜지빛 색을 만들기 위해서는, 2-3% 정도의 철 치환이 이루어져야 한다. 우리가 알고 있는 한, 색 테두리를 지닌 분홍색을 띤 오랜지빛 돌들에서는 이것이 발견되고 있지 않았다.

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표면산란처리된 Madagascar산의 오랜지빛 청옥의 분홍색 핵을 둘러싸고 있는 오랜지빛 테두리. 보석을 다이아이오도매테인(di-iodomethane)에 담그면 색 테두리가 보이는데, 연마가공한 후에 처리된 증거이다. 그런 돌들을 재연마가공하면 오랜지빛의 손실을 초래할 수 있으므로 주의한다. Photo: R.W. Hughes

스테이크(steak)처럼 태운다?

또다른 이론은 돌들을 스테이크처럼 태우는 것이다. 짙은 색들을 지닌 보석들은 잘 익힌(well done) 것인 반면에, 옅은 색 테두리들을 지닌 것들은 덜 익게(medium rare) 요리한 것과 같다.

John Emmett이 다시 동의하지 않았는데, 강옥은 근본적으로 등온변화(isothermal)하기 때문에, 잘 가열한다고 하더라도 보석의 껍질과 중심사이에는 큰 온도차이가 없다는 것이다. 대부분의 보석들 중에서, 다이어먼드(diamond)와 탄화규소(silicon carbide)만이 강옥보다 좋은 열전도율을 지닌다.
상부성장된 합성(synthetic overgrowth)?

이러한 색 테두리들에 대한 가장 기괴한 이론은 아마도 Themelis.com의 것인데, 간단하게 발표한 보고서에서 자신들은 분홍색 청옥의 핵들에 합성의 오랜지빛 청옥을 상부성장시켰다고 표현했다. 이에 대한 어떠한 증거도 발견되지 않았다. (주: 처음에 우리가 이에 대한 증거를 발견하지 못하는 동안, 2002 년 4 월 19 일 AGTA의 최신 보고서는 합성강옥의 용제(flux)들과 재증착(redepostion)에 의한 보석표면의 용해가 이 처리의 한 부분일 수도 있을 것이라고 제안한다.

Tucson 목장에서의 대결

X-선(x-ray), 철(iron), 스테이크(steak)와 모조(fake) 의혹은 John Emmett가 설명하기로 하였다. Tucson회의에서, 그는 전공(電空, hole)에 갇혀진 아이언(ion)을 만들어 내는 색 중심 내외의 표면산란을 오랜지빛 색 테두리들의 가장 가능성이 있는 원인으로 설명하였다. 그런 원소는 주기율표의 상부왼쪽 부분에 있는 어떤 작고, 가벼운 타(他)원자가(allovalent)들일 수 있다. 가능성이 있는 후보들로는 매그니지엄(magnesium, Mg²⁺), 버릴리엄(beryllium, Be²⁺), 캘시엄(calcium, Ca²⁺), 리디엄(lithium, Li¹⁺), 소디엄(sodium, Na¹⁺) 또는 포태지엄(potassium, K¹⁺)이 있다. 구리(copper, Cu²⁺)와 은(silver, Ag¹⁺) 같은 것들조차도 포함될 수 있다.

John Emmett에 따르면, 고온에서의 산란과정은 돌의 표면에 존재하는 원소들을 돌로 끌어당긴다. 동시에, 이 과정이 산화성분위기에서 행해지면, 전공(전자가 없는 곳)들이라고 하는 극소결함(point defect)들도 역시 표면에 만들어지며, 그것들은 훨씬 더 빠르게 돌 전체로 퍼진다. 만약에 이런 전공들의 일부가 beryllium, magnesium, 등등에 갇히면, 돌에 퍼져 들어가, "갇힌 전공 색 중심(trapped-hole color center)"라고 하는 것을 만든다. 강옥에서, 갇힌 전공 색 중심들은 강한 황색의 색채를 나타낸다. 분홍색 체색을 지닌 돌에서의 이 황색의 색채는 오랜지빛 색채를 만든다. 그러나, 모든 돌들이 이 처리 과정에 같은 방법으로 반응하지 않을 것이다. 타이테이니엄(titanium) 또는 그 밖의 4 원자가의 불순물들이 존재하면, magnesium 또는 beryllium에 의해서 갇힌 전공 색 중심들의 형성을 막는 방향으로 막힐 수 있다.

따라서, 산란원소의 상대적인 양들과 돌에 자연적으로 들어가 있는 그 밖의 불순물들에 의해서 최종적인 색이 결정될 것이다. 이것이 각각의 돌들이 처리에 대해서 서로 다르게 반응하는 이유를 설명하는 것이다.

갇힌 전공 색 중심의 추가적인 증거는 색의 성질 그 자체이다. Emmett과 Douthit에 따르면 (1993):

이러한 [Mg²⁺] 극소결함에 의해서 만들어지는 강한 오랜지빛 황색의 색채는 철의 의해서 만들어지는 색채의 옅은 순수한 황색과는 아주 다르다.

그런 색 중심들을 발달시키기 위한 양들은 20–30 ppm(parts per million)만큼 적은 극소량이다. 그러나, 이것은 추가적인 문제를 일으킨다. AGTA 또는 GIA와 같이 우수한 장비를 지닌 연구소들조차도 그런 양들을 사실상 탐지할 수 없다. 결국, 실제 착색제는 현재의 기술로는 탐지할 수 없을지도 모른다.

두 번째의 문제는, 다시 우리의 현재 지식에 따르면, 열처리업자들이 이런 돌들을 표면산란처리하는 동안 그들이 알아차리지 못할 아주 적은 타원자가가 이 처리에 필요할지도 모른다는 것이다.

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Tanzania, Songea산으로 믿어지는 오랜지빛 청옥 안에 갇혀진 기포들을 지닌 이 녹은 결정은 고온 열처리의 뚜렷한 증거이다. Photo: R.W. Hughes

구출을 위한 과학

John Emmett와 Intel의 진 미어란(Gene Meieran)의 제안에 따라, Tucson 바로 전에, GIA는 3 개의 서로 다른 단면을 지닌 견본들을 Laser Ablation Inductively Coupled Mass Spectrometry (LA-ICP-MS)와 Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)에 분석을 의뢰했다. GIA의 Shane McClure는 Tucson회의에서 시험결과들을 발표했다.

LA-ICP-MS는 특별히 다른 것이 없다고 한 반면, SIMS 분석은 오랜지빛 색 층에서 beryllium(Be)의 양이 특별히 많다는 것을 밝혔다. 강옥에서는 Be이 일반적으로 발견되지 않고, 껍질에서의 높은 수준의 Be이 시험한 견본들의 분홍색 핵들에서는 발견되지 않았기 때문에, 적어도 일부의 견본들에서 껍질 색은 황색을 나타내는 갇힌 전공 색 중심을 만드는 가벼운 타원자가 아이온(ion)들의 표면산란에 기인하여 나타났다는 증거가 아주 뚜렷해졌다. GIA의 발견은 이곳에 접속하면, 볼 수 있다.

화학을 통한 보다 나은 삶?

색이 완전히 사라지는(일반적으로 황금빛과 풍부한 적색-오랜지빛) 돌들에 대한 판단은 아직도 진행되고 있는 반면에, 황색-오랜지빛 색 테두리들을 지닌 것들은 적어도 표면산란의 형태로 성형한 것으로 보인다.

회의 끝 무렵에, 모였던 사람들은 2 개의 집단들로 나뉘었다:

그런 상품들에 열처리만을 발행했던 보석학자들과 함께, 그런 상품들을 비축하고 있는 판매업자들

기타

체면을 세우기 위한 수단들은 지금도 논의되고 있다. 일부는 돌들을 그것들의 표면에 기초한 색채에 대한 언급과 함께 단순히 처리(treatment)된 것으로 지칭하자고 제안하고 있다. 그러나, AGTA의 전임회장으로서 오웬 보델론(Owen Bordelon)은 회의에서 다음과 같이 말했다: "그런 기술이 있다고 할지라도, 이런 돌들이 판매업자의 선반들을 날아다니고 있을 것이라고 생각하면 사람들은 심한 속임수를 느끼게 된다."

추가적인 문제는 일부 연구소들과 학교들에서 표면산란 처리(surface-diffusion treated)된 청옥들을 단순히 산란처리(diffusion treated)된 것으로 부르는 실수를 하고 있다는 것이다.

이런 돌들을 위한 새로운 명칭이 필요한가? 나는 그렇게 생각하지 않는다. 단지 일부 돌들이 처음에 잘못 판별되었거나 또는 일부가 적절하지 않은 용어를 사용했다고 해서 우리는 왜 새로운 이름을 발명해야만 하는가? 적절하게 사용한다면, 우리의 현재 명칭은 충분할 것이다.

Emmett에 따르면, 이런 새로운 돌들(잘 정의된 표면합치의 색 테두리들을 지닌 것들)은 과거의 청색 표면산란(Ti)의 돌들과 다른 바가 없다. 청색 청옥들에서, 청색은 균일하지 않은 색을 지닌 청색 재료뿐만 아니라 무색에 산란되었다. 청색 표면산란도 역시 청색 색채를 만들기 위하여 내부로 산란하는 titanium과 반응하기 위한 자연적으로 발생하는 철(iron)이 돌의 내부에 존재해야 한다는 것을 상기한다. 오래된 청색 표면산란과 오늘날의 오랜지빛 표면산란사이의 유사성을 본다면, 논리적으로 기술은 대등해야 한다.

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2001 년 12 월 Pala Internal이 Bangkok에서 구입한, 위에 기술한 형태의 부피산란(bulk diffusion) 처리된 오랜지빛 청옥들. Photo: Robert Weldon

보석학자들이 표면산란이라고 하는 용어는 고체 물리학에서 부피산란(bulk diffusion)이라고 하는 것이다. 이것은 수소와 같이 가벼운 원소들의 내외운동과 titanium, chromium과 magnesium과 같은 무거운 원소들의 비슷한 내외운동으로 분리된다. 얼마가 깊게 관통하는가가 문제가 아니고 어떤 것에 들어가는가가 더 문제이다.

보석학적인 명명법에서 표면산란이라는 용어의 사용은 외부로부터 새로운 착색제들을 주입한 것들로부터 보석 안에 이미 존재하고 있는 착색제들에 영향을 주는 처리들을 분리하기 위한 시도이다. 이것은 희소성과 관계가 있는데, 보석 안에 이미 있는 착색제들에 따른 처리들은 그것들이 영향을 주는 변화에 제한이 있다.

반대로, 착색제들의 내외운동(표면 또는 부피산란)을 포함하는 처리들은 그것들이 영향을 줄 수 있는 변화들에서 훨씬 더 여유를 지닌다. 상대적으로 순수하고 밝은 색의 주어진 보석화폭에서 그것들은 뜻대로 이론적으로 칠할 수가 있다. 이것은 논점을 교묘히 피해간다: 인간의 간섭이 명백한 품질을 지닌 보석의 그런 커다란 분야를 차지한다면, 주위가 왜 혼란스러운가? 처리업자들이 완전 합성들을 왜 바쁘게 만들지 않는가?

안으로 깊이 들어가면, 우리 모두 그에 대한 답을 알고 있다.

성가신 열(heat)

지난 20 년동안, 이것과 유사한 수 많은 논쟁들이 거래시에 발생하여 왔다. 1970 년대 후반과 1980 년대 전반에는, 열처리 홍옥(ruby)들과 청옥들의 등장이었다(Hughes, 1995). 생산자들은 원래 완전한 천연으로서 그것들 판매했다. 돌들이 열처리되었다는 것을 알게 되었을 때, 그들은 이 처리들이 발표되는 것을 막기 위하여 필사적으로 싸웠다. 오늘날 발표는 표준이다.

1980 년대 초반에 표면산란처리된 청색 청옥들이 처음으로 등장했다. 생산자들은 그것들을 처음에는 천연으로, 나중에는 간단히 열처리된 것으로 팔았다. 오늘날, 완전 발표는 표준이다.

1980 년대 중반에 유리충전(glass filled)된 표면 중공들을 지닌 태국/Cambodia의 홍옥들이 등장하는 것을 보았다(Hughes, 1984). 다시, 처음에는 천연으로 팔렸다. 오늘날, 발표는 표준이다.

1980 년 후반까지, 표면산란된 돌들의 두 번째 파동이 나타났는데, 이미 색 변화(color zoning)문제를 지닌 청색 돌들에 다소의 색을 더한 것이다(Hughes, 1988, 1991, 1992). 생산자들은 돌들은 표면 열처리만을 받았다고 설명하면서, 처음에는 처리를 부정했다. 세계의 연구소들은 이 설명을 받아들이지 않았다. 오늘날, 발표는 표준이며, 이 특별한 경우에, 시장에서 그런 돌들은 거의 사라져갔다[2].

1990 년대 초반에, Möng Hsu 산의 홍옥들이 등장했다. 본래, 그것들은 단순히 열처리된 것으로 팔렸다. 유리의 잔재물들이 발견되자. 생산자들은 이것은 단지 가열의 부산물이라고 설명했다. 그런 돌들은 어느 정도의 합성홍옥으로 그것들의 파면(fracture)들을 감추기 위하여 전적으로 가열되었다는 것이 후에 밝혀졌다 (Hughes and Galibert, 1998; Emmett, 1999; Hänni, 2001). 오늘날에서조차도, 다른 많은 사람들은 이것에 대해서 완전히 이해하지 못하는 동안, 일부는 이 돌들에 취해진 것을 부정하려고 노력하고 있다. 그러나, 발표가 표준으로 되어가고 있다.

그 년대 후반에, 취옥(emerald) 기름질(oiling)이 논쟁점이 되었다 (Hughes, 1998, 2000). 생산자들과 심지어 일부의 CIBJO 일원들조차도 발표되는 것을 막기 위하여 10 년동안 격렬하게 싸웠다. 오늘날, 발표는 표준이다.

빨리 나아가서. 2002 년. 다시 한번, 우리는 새로운 처리를 맞고 있다. 그리고, 증거들은 다른 것을 표시하고 있는 반면에, 하나를 포함하고 있다는 말을 우리는 듣고 있는 중이다.

기시감(旣視感, Déjà vu)

역사적인 기록과 현재의 증거에 기초하여, 이 돌들과 함께 천천히 나아가는 것만이 현명하게 보인다.

미래의 시합

과거만을 볼 수 있는 남자의 눈은 찢어버려야 한다. Russia의 격언

결국, 천연으로 창조된 보석과 처리된 것을 동등하게 다루려고 하는 것은 실수이다. 유색보석사업에서 우리는 너무 오랫동안 그 차이에 대해서 얼버무려왔다. 이제 그것을 중지하고 천연 돌과 인공적으로 강화(enhanced)된 제품사이에는 엄청난 차이가 있다는 것을 인정할 때이다. 천연제품에 가치를 둔다면 - 시장에서 살아남기를 원한다면 - 모든 처리들을 완전히 발표하는 것만이 남아있을 수 있는 유일한 기회이다.

8 년 전, 나는 다음과 같은 글을 썼다:

보석강화들은 비효과적이지 않을 것이며 탐지도 더 쉽지도 않을 것이다. 보다 좋은 쥐덫을 요구했던 거래와 같은 그런 영리한 고양이는 그러나 지금은 모든 쥐들이 죽어서 더 이상 먹을 것이 없다고 불평하고 있다.

우리는 마술을 믿곤 했다. 암퇘지의 귀들로부터 비단지갑들을 만들어서 모두 부자가 될 수 있을 것으로 우리는 생각했다. 그러나, 우리는 미래를 바라보는 것에 실패했다. 우리가 마술등잔을 문질러서 강화의 요정이 나타났지만, 이제 주인 차례이다. 그리고, 갑자기 우리는 결국 마술을 믿지 않기로 결심하였다.

나는 아직도 마술을 믿고 있다. 나는 처음 가져 온 질 좋은 Burma 홍옥을 붙잡는 마술을 아직도 기억하고 있다. 현재 나의 딸은 5 살이다. 그 아이가 내 나이가 되었을 때, 계속 마술을 믿고 있기를 희망하고 있다. 그 아이가 질 좋은 보석을 붙잡을 때, 암퇘지의 귀가 아닌 비단지갑을 잡기를 희망하고 있다.

아마 다시 그때일지 모른다 - 미래에 붙잡아야 할 것을 재고해야 할 때.

후문

이 기사는 The Guide (2002, Vol. 21, No. 2, Pt. 1, March–April, pp. 3–7)에 처음으로 발표되었다. 이 웹 판에서는 인쇄판에는 없는 자료와 개정들을 포함하고 있다.

주석

표제 삽화는 저자가 Photoshop으로 문체적으로 바꾼 보석이다. 이것은 기사에서 논의되는 처리된 오랜지빛 청옥들의 한 예가 아니다.

강옥에서의 산란에 대한 주석들 (Notes on Diffusion in Corundum)

※ Diffusion은 산란(散亂, scattering) 또는 확산(擴散, diffusing)이라는 뜻을 지니고 있는데, 보석처리를 정의하는 데에 사용되는 diffusion의 의미는, 원자물리학이나 국어사전에서의 정의로 보아서, 확산(擴散)이라기 보다는 산란(散亂)으로 표현하는 것이 옳다.

강옥에서의 산란에 관한 다음의 기술에 대하여, 우리는 Crystal Chemistry(Brush Prairie, WA)의 John Emmett에게 사의를 표한다. 그러나, Emmett씨는 이 글을 직접 작성하지 않았으므로, 예비적인 것으로만 생각해야 한다. 다시 말해서, 모든 실수들은 내 자신에 의한 것이지, Emmett씨에 의한 것이 아니다.

지난 세월동안, 열처리에 관한 수 많은 배상요구들이 있었다. 아마, 가장 일반적인 것은 "열처리 중에 아무 것도 더하지 않았다"것일 것이다. 현재의 과학적인 증거는 단순히 이 생각을 지지하지 않는다.

강옥의 열처리동안, 외부로부터 보석으로 들어가는 원자들을 포함하여, 원소들과 원자구성입자들은 상태와 위치 모두를 바꾼다. 불순원자들의 원자가 상태의 변경은 특히 중요하다. 후자는 돌로 들어가거나 또는 나가는 수소(H) 또는 얼루머넘(aluminum, Al) 공격자점(空格子點, vacancy)들의 산란(운동)을 통하여 이루어진다. 비록 아무 것도 보이지 않지만, 수소는 화학물질이다. Titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni)과 vanadium (V)과 같이, 원소들의 주기율 표에서 그것을 볼 수 있다.

강옥은 Al³⁺원자가 상태의 aluminum이 있는 Al₂O₃로 구성된다. Cr³⁺, Fe³⁺와 V³⁺와 같은 동등한 원자가의 불순 원소들은 강옥구조에 있는 Al³⁺와 쉽게 그리고 적절히 치환할 수 있다. 강옥에서 중요한 색을 만들기 위해서는 이 원소들은 0.1–3%범위의 치환이 요구된다.

다른 형태의 착색은 그러나 중 중심들에 의해서 이루어지며, 훨씬 더 적은 양의 불순물들이 요구된다. 이런 경우들에서는, Mg²⁺와 Ti⁴⁺와 같은 타원자가 아이언들은 포함된다. 타원자가 아이언이 Al³⁺를 치환하면, 조합은 그다지 좋지 않아서, 빛을 흡수하는 결함들을 만든다. 가장 중요한 상황은 (Mg²와 같은) 낮은 타원자가 아이언들이 높은 타원자가 아이언(Ti⁴⁺)들보다 더 많은 양으로 존재하는 경우이다. 이러한 상황이 일어나면, 황색을 만드는 갇힌 전공 색 중심들이 일어날 수 있다.

이제 양호한 부분에 도달했다. 산소의 존재 아래에서 보석을 가열하면 강옥에서의 그런 색 중심들을 활성화시킬 수 있다. 실제로 어떤 밝은 색의 Sri Lanka 청옥은 황색에서 황금빛 색까지를 만들기 위하여 산화성 분위기에서 가열되는데, 이 돌들은 필요한 Mg²⁺를 천연적으로 소유하고 있기 때문이다. Montana 청옥들(Rock Creek, Missouri River)의 경우에, Mg²⁺가 종종 결정의 핵에 더 농축되어 존재하고 있다. 그러므로, 산화성 분위기에서의 가열은 많은 돌들에서 짙은 황색의 핵을 만든다.

분홍색 돌을 가열하면, 분홍색에 황색을 만드는 색 중심들을 더하여, 위의 조들만 만족한다면, 패드퍼러드차 (padparadscha, 오랜지빛 분홍색 강옥)와 같은 색을 만들 수도 있다. 보라색 돌을 가열하면, 보라색에 황색을 더하게 되므로 더 짙은 적색, 더 홍옥(ruby)같은 돌을 만들게 된다. 청색 돌을 가열하면, 청색에 황색을 더하게 되는데, 청색을 더럽히게 되므로 일반적으로 하지 않는다.

그러나, 만약에 필요한 타원자가 아이언이 없는 경우에는 어떻게 되겠는가? 외부에서 안으로 산란시킬 수 있다. Cr³⁺, Fe³⁺와 V³⁺에 대한 산란속도들이 고민스러울 정도로 느리면, Mg²⁺와 Ti⁴⁺와 같은 타원자가 원소들이 약 10,000 정도 빠르게 강옥으로 산란되어 들어간다. 그러므로, 외부로부터의 아주 적은 양의 산란을 통하여 강옥에 중요한 색을 더하는 것이 가능하다. 얼마나 많이 필요한가? 거의 수십 ppm정도만큼 적은 양일 것이다. 그런 흔적들은 최신의 장비를 지닌 보석학 연구소들에 있는 기구들조차도 실제로 탐지할 수 없다.

일부의 경우, 열처리업자들은 그러한 사실도 알지도 못한 채 돌들에 타원자가 아이언들을 산란하고 있는지도 모른다. 실제로, 붕사(borax)와 같은 연소에 공통적으로 사용되는 일부 용제들은 극소량의 Mg²⁺를 함유하고 있을지도 모른다. 이러한 효과를 낼 수도 있는 다른 타원작가 아이언들로는 lithium, beryllium과 sodium이 있다.

Emmett씨는 이러한 산란실험들을 자신의 연구소에 재연했었다. 일부의 경우들에서, 일부 착색을 만들기에 충분한 극소량의 Mg²⁺오염이 도가니들에 있는 고순도의 얼루머너(alumina)에서도 발견된다는 것을 알았다. 이전의 눈빛(snow) 백색 alumina 도가니의 연소 후의 황색 또는 크림빛 착색은 그런 오염의 증거일 수도 있다.

청색을 만들기 위하여 Ti⁴⁺가 강옥 안으로 산란되어 들어갈 때, 철 아이언(Fe ion)들과 마주치는 지점까지 빠르게 움직인다. 그 지점에서, 철과의 결합(bond)가 이루어지고 산란을 일반적으로 중지된다. 이것이 표면산란처리된 청색 청옥들에서 산란된 구역과 무색의 핵 사이에 예리한 청색의 경계를 종종 발견하게 되는 원인이다. Emmett씨는 이 효과를 확증하는 여러 가지의 철 함유량을 지닌 청옥들로 Ti 표면산란의 연소를 조절하였다. 청색의 침투는 철 함유량이 낮은 돌들에서 더 산란되어 들어간다. 철 함유량이 높은 돌들에서, 청색 산란껍질과 결정 핵 사이에 더 예리한 경계가 발견된다.

그러나, Mg²⁺에 대해서는 철과의 그런 결합이 생기지 않는다. 그 결과, 강옥 안으로의 Mg²⁺산란은 청색의 Ti⁴⁺에 기초한 산란에서 발견되는 것들과 같은 동일한 갑작스러운 색 전이(transition)들과 더 짙은 패시트(facet) 접합들이 만들어지지 않는다.

이 모든 원리는 우리가 이러한 새로운 오랜지빛 청옥 처리들에 대해서 지난 몇 주 동안 보아왔었던 일들의 형태들을 설명하는 데에 효과가 있다. 열처리업자들은 산소(oxygen) 외에는 어떠한 것이라도 돌들과 함께 연소하여서는 안되며 돌이 적당한 불순물을 천연적으로 충분히 소유하고 있다면, 그 부위는 황색(또는 오랜지빛)으로 변할 것이다. 다른 돌들에서, 연소동안 존재하는 용제 또는 다른 불순물을 통하여 불순물이 내외로 산란될 수도 있을 것이다. 그리고 다른 경우에 있어서, 결정에 이미 존재하는 불순물들의 활동에 의해서 일부 불순물이 내외로 산란되는 곳에서 혼합된 효과를 볼 수도 있다.

산란과정에 대한 보다 자세한 것들은 나의 저서 Ruby & Sapphire의 6 장에서 볼 수 있다. 그 자료의 대부분은 John Emmett과의 토론에 기초한다. 그러므로, 그의 도움에 대해서 다시 한번 감사를 드린다.

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청색(Ti)와 황색 표면(부피) 산란에 대한 가능성이 있는 각본이다. 분홍색 돌에 발생한 황색 표면산란은 패드퍼러드차 (padparadscha, 오랜지빛 분홍색 강옥)을 만든다. Ti산란과 핵 색 사이의 구분이 예리해지려는 경향이 있는 반면에 황색 산란은 그렇지 않다는 것을 상기한다. 일부의 경우에서, 돌은 처리에 의해서 활성화될 수 있는 불순물들을 천연적으로 소유할 수도 있을 것이다. 그러므로, 불순물들이 내외로 산란할 수 없는 보석 안에 완전한 오랜지빛 부위들을 지니게 될 수도 있다. 혼합효과도 역시 가능하다 (오른쪽의 삽화를 참조). Illustration © R.W. Hughes

산란 작용원리 (Diffusion Mechanism)

열처리(heat treatment)에 의해서 색의 변화를 일으키는 방법들 중의 하나가 산란(diffusion)이다. 산란을 일으키기 위해서는 격자(lattice)결함(defect)이 요구된다. 결함비율은 온도에 따라 증가하기 때문에, 그런 결함을 일으키는 최고의 방법은 열처리를 하는 것이다.

격자결함들은 보석전체를 걸쳐서 불순물 원자들의 이동 또는 산란을 허용한다. 강옥으로의 산화성 결함(oxidizing defect)들의 산란(산화성 분위기, oxidizing atmosphere)는 Fe²⁺를 Fe³⁺로 바꾸는 반면에, 보석으로부터의 산화성 결함의 산란(환원성 분위기, reducing atmosphere)는 Fe³⁺를 Fe²⁺로 바꾼다. 이것이 색에 영향을 줄 수 있다.

그러나, 대부분의 강옥들에 있어서, Fe³⁺에서 Fe²⁺로의 환원은 문제를 지니고 있는데, 철이 풍부한 돌들에서, 철(iron)은 철 첨정석(iron spinel, 허시나이트(hercynite; Fe²⁺Al₂O₄)) 형태로 혼합되지 않다. Ti⁴⁺가 한 쌍의 Al³⁺원자들을 바꾸는 두 개의 Fe²⁺를 결합하여 환원을 돕는 것 같다.

"Fe, Ti, Cr, V, Mg과 Be"과 같은 착색제 자신들도 역시 돌에 들어갈 수도 있지만(표면 또는 부피산란이라는 과정), 대부분의 경우에 있어서, 그런 원소들의 산란속도들은 아주 낮기 때문에 관통은 보석의 표면 부위로만 한정된다. 예외는 버릴리엄(beryllium)으로, 보석을 통하여 완전히 산란될 수 있다.

산란속도들은 관련된 원소들과 그 원자가에 따라 변한다. 타원자가(allovalent)의 titanium (Ti⁴⁺), magnesium (Mg²⁺), lithium (Li¹⁺), calcium (Ca²⁺) 또는 sodium (Na¹⁺)은 타원자가 불순물에 의한 Al³⁺의 치환으로 인해서 결함들의 형성을 자극하므로써 Fe³⁺ 또는 Cr³⁺보다 10,000 배 빠른 속도로 강옥 안으로 산란되어 들어간다 (John Emmett, pers. comm., 27 June, 1994; 15 Jan., 2002). Beryllium (Be²⁺)의 경우에는 더 빠르다.

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위의 삽화는 C축(C-axis)과 평행하게 바라 본 강옥 원자구조의 모습을 보여준다. 산소는 실제로 보석을 관통하지 못한다. 대신, 연쇄반응에 의한 극소결함(point defect)(공격자점, vacancy)들의 이동으로 인해서 자유산소가 대기로부터 심지어 보석 안쪽으로 깊게 이동할 수 있게 된다. 노(furnace)의 분위기를 바꾸므로써 산소의 순 이득 또는 손실을 보게 되는데, 철의 원자가 상태에 영향을 주므로써, 색이 변하게 된다. Illustration © R.W. Hughes

[1] John Emmett는 자화자찬하는 분이 아니므로, 나는 그의 배경에 대하여 다소 부언하고자 한다. 1975–1988 년부터, John은 CA. Livermore에 있는 Lawrence Livermore국립연구소의 레이저(laser) 협회의 전임이사이었다. 이번에 강옥연구를 처음으로 시작했는데, 300 명의 박사들을 포함한 1,500 명 이상의 연구원들이 참여하는 업무들과 1988 년에만 2.5 억불의 자금을 운용한 WA, Brush Prairie에 있는 자신의 회사 Crystal Chemistry에서 현재까지 계속하고 있다. 그는 권위있는 과학잡지들에서 발행한 50 편이상의 논문들을 저술하였다. John은 강옥의 물리학과 화학분야에서 세계 최고의 권위자로 인정받고 있으며 열처리에 수년동안 참여하였다.

[2] 시장에서 색 변화(color zoning)가 없는 표면산란 열처리된 청옥보다 색 변화 문제를 지닌 열처리된 청옥에 대해서 가격을 더 치를 것이라고 정했기 때문에 그런 돌들은 거의 사라졌다.

이 페이지는 <http://www.ruby-sapphire.com/treated_orange_sapphire.htm> v. 1.0.4 이다.
2002 년 8 월 23 일 수정된 페이지