Zhang Daobiao
저자 소개: Zhang Daobiao, 중국 보석 협회 인공 보석 전문 위원회의 제1 및 제2 부회장, 세 번째 수석 컨설턴트, 전 상하이 규산염 연구 중국과학원 원장이자 결정학 연구소의 연구원.
1. 인공보석 연구개발 역사
인조보석에 대한 연구는 15세기 이집트에서 납유리보석이 생산된 이후 600~700년의 역사를 가지고 있다. . 초기에는 과학기술이 아직 완전히 발달하지 않았기 때문에(19세기 말까지) 상대적으로 발전이 더뎠고, 여전히 무색 및 유색유리 제품이 주요 생산품이었다. 1902년 프랑스의 오귀스트 베르누유(Auguste Verneuil)가 처음으로 화염융합법으로 루비와 사파이어를 합성한 이후 인공보석 개발은 새로운 단계에 접어들었고, 1907년에는 루비를 합성하는 화염융합법으로 연간 500만 캐럿을 생산할 수 있게 되면서 획기적인 발전을 이루었습니다. 성공적으로 연구된 합성보석이 속속 공개되었고, 인공보석의 개발은 비약적인 발전의 단계에 들어섰다.
단결정 결정은 1908년에 처음 합성됐다. 1920년에는 이중 결정이 없는 단결정 결정이 전자산업용으로 대량 생산됐다. 동시에 일부 유색 결정체도 성장하고 산업화되었습니다.
1920년에는 무색, 빨간색, 파란색 스피넬이 합성되었습니다.
루타일 단결정은 1948년에 합성됐다.
티탄산스트론튬 단결정은 1955년에 합성됐다. 같은 해 미국 제너럴일렉트릭(GE)이 최초로 미세한 입자(0.15mm)의 다이아몬드 결정체를 합성했다. 앞으로도 그들은 큰 다이아몬드를 계속 연구했습니다. 1970년에 처음으로 보석 품질의 다이아몬드가 성공적으로 합성되었습니다.
1960년에는 인공 무색 녹색 이트륨 알루미늄 가넷(YAG) 개발에 성공했다. 이후 인공 가돌리늄 갈륨 가넷 결정(GGG)과 합성 크리소베릴이 개발되었습니다.
1960년 이후에는 큰 입자의 에메랄드 결정과 루비 결정을 합성하기 위해 플럭스법과 열수법이 개발됐다.
1976년 소련은 다이아몬드를 대체할 수 있는 대형 큐빅 지르코니아 원석을 합성해 개발에 성공한 뒤 빠르게 생산에 투입돼 급속도로 발전해 산업을 형성했다.
1980년대 후반 미국 칼하그(Calhag)사가 유리모조 크리소베릴 캐츠아이 개발에 성공했다. 그 후 우리나라에서 급속히 발전하여 연간 생산량이 거의 1,200톤에 달하는 유리 묘안 산업을 형성하였습니다.
1980년대에는 세상의 모든 중요한 귀중한 보석을 인공적으로 합성할 수 있게 되었습니다. 이러한 인공 보석 결정의 원료 제조, 결정 성장 방법 및 공정에 대한 지원 생산 조건이 확립되었습니다. 특히 과학 기술, 경제 및 국방과 관련된 합성 보석은 일정한 생산 규모를 가지고 있습니다. 예를 들어 합성 다이아몬드, 합성 사파이어, 합성 크리스탈, 합성 큐빅 지르코니아, 인공 크리스탈 유리 및 그 제품은 다양한 규모의 산업화를 형성하여 국가의 과학 기술 진보와 경제 발전을 촉진했습니다.
인공 YAG, 인공 GGG, 인공 티탄산스트론튬, 합성 니오브산리튬, 탄탈산리튬, 금홍석 등의 보석 결정은 입방 지르코니아 합성 이후 전자 기술과 레이저 기술에 주로 사용됩니다. 대량으로 시장에 출시된 후, 모조 다이아몬드로서의 역할은 점차 감소했습니다. 왜냐하면 이러한 보석 결정은 합성 큐빅 지르코니아보다 비용 효율성이 훨씬 떨어지기 때문에 보석 시장에서 사라졌습니다. 그러나 전자 기술 및 광전자 기술에 대한 응용은 여전히 빠르게 발전하고 있으며 사람들은 끊임없이 많은 새로운 결정을 탐색하고 합성하고 있습니다.
많은 귀중한 보석이 합성되었음에도 불구하고 보석의 품질 지표는 암석 구조, 성장 줄무늬, 기포 및 천연 보석의 함유물과 여전히 일치하지 않기 때문에 여전히 만족스럽지 않습니다. 인공제품이라는 것을 쉽게 알 수 있고, 천연 보석의 맛이 부족하지 않습니다.
2. 지난 10년간 인공보석에 대한 연구 진행
지난 10년간 인공보석에 대한 연구는 기본적으로 두 가지 범주로 나누어졌다. 하나는 장식용이다. 과학 기술 공학 시리즈에 사용됩니다. 장식용 인공 보석에 대한 연구는 기본적으로 다양한 합성 보석의 품질을 향상시키는 데 중점을 두며 천연 보석에 대한 시뮬레이션 및 접근에 중점을 둡니다. 과학 기술 공학 시리즈에 사용되는 보석에 대한 연구는 순도, 결정 구조 무결성 및 대형 크기 향상에 중점을 둡니다. 보석의 기능적 특성을 강조합니다. 이 두 가지 유형의 연구는 연구 내용과 목표, 기술 경로 및 장비 측면에서 매우 다릅니다. 이 기사에서는 주로 장식용 인공 보석의 연구 진행 상황을 논의합니다.
1. 합성 다이아몬드는 큰 발전을 이루었습니다.
대입자 합성 다이아몬드는 1970년에 영국의 General Electric Company에서 처음으로 합성에 성공했습니다. , 러시아, 남아프리카공화국, 스위스 등 여러 나라에서도 대형 보석급 다이아몬드를 합성했다는 소식이 속속 발표되고 있으나 생산효율이 낮고 가격이 비싸 시장에 진출하지 못하고 있는 실정이다. 실험적인 제품. 20년 넘게 장비와 성장 기술을 개선해 온 미국 회사 Gemesis는 1~2캐럿의 옐로우 다이아몬드와 블루 다이아몬드를 안정적으로 생산할 수 있는 장비와 기술을 개발하는 데 성공했다(그림 1). 생산량은 600캐럿에 이른다. 소비자의 권리와 이익을 보호하기 위해 각 다이아몬드의 허리 부분에 Gemesis 제조 및 번호가 레이저로 새겨져 있습니다. 남아프리카공화국과 러시아 역시 대형 1~4캐럿 옐로우 및 블루 다이아몬드(그림 2)를 생산하여 시장에 출시할 수 있다고 발표했습니다. 이 안정적이고 대량 생산되는 보석 등급 다이아몬드 합성 공정의 성공적인 개발은 합성 보석 등급 다이아몬드의 획기적인 발전을 의미하며, 합성 보석 등급 다이아몬드가 시장에 진입하기에는 너무 비싸다는 기존 개념을 깨뜨린 것입니다. 앞으로는 대형 보석 품질의 합성 다이아몬드가 더 많은 양으로 출시될 것입니다.
그림 1 Gemesis 회사가 대형 옐로우 다이아몬드와 합성 유색 다이아몬드를 합성
그림 2 남아프리카 Debyer 회사가 합성한 대형 다이아몬드
산업용 합성 과정 1등급 다이아몬드 반면에 '다이아몬드가 없으면 도자기 작업도 할 수 없다'는 말처럼 품질과 생산량을 높이기 위해 각국은 많은 노력을 기울여 왔습니다. 도구, 지질 시추 도구는 모두 공업 등급 다이아몬드를 대량으로 사용하며, 합성 공업 등급 다이아몬드는 대량으로 사용됩니다. 다이아몬드 생산은 국가의 산업 수준을 나타내는 지표 중 하나가 되었습니다. 우리나라에서 합성되는 공업등급 다이아몬드의 품질은 여전히 개선되어야 하지만 생산량은 세계 1위로 연간 생산량이 12억 캐럿이 넘습니다.
다이아몬드와 다이아몬드 필름을 성장시키는 CVD 화학기상증착법
지난 10년 동안 미국 아폴로(Apollo)사는 CVD 호모에피택시얼(homoepitaxis)을 사용하여 CVD 화학기상증착법을 활발히 활용해 왔다. 이 기술은 다이아몬드 단결정의 두꺼운 막을 성장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 단결정 다이아몬드도 성장시킬 수 있으며, 0.25캐럿 다이아몬드를 연마해 왔다(그림 3, 그림 4). 후막의 증착 두께가 증가함에 따라 가까운 미래에 대형 단결정 다이아몬드 블록이 현실화될 것이라는 점은 매력적인 신기술입니다.
그림 3 Apollo의 합성 다이아몬드용 CVD 용광로
그림 4 Apollo의 CVD 합성 0.25캐럿 다이아몬드
2. 큰 입자의 합성 모이사나이트(Moissanite)
합성 탄화규소 대형 단결정은 10년 넘게 급속히 발전해 왔으며, 밴드갭이 넓은 3세대 반도체 기판의 핵심 소재이자 고전압, 고온 저항, 기판 제조에 중요한 소재다. 저전력 손실에 필요한 소재와 고출력 소자에 대한 국민적 관심과 지지를 받아왔습니다. 현재 (75~80) mm×50mm 크기의 결정 잉곳이 대량 생산되고 있으며 주로 반도체 산업에 사용됩니다. 일부 결정 잉곳은 IT 수준의 요구 사항을 충족하지 못하여 필연적으로 보석 산업으로 이동하게 됩니다. 합성 큐빅 지르코니아보다 다이아몬드에 더 가깝고 사람들에게 더 인기가 있는 아름다운 합성 모이사나이트 모조 다이아몬드를 연마할 수 있습니다. 이것은 1996년부터 합성 보석의 새로운 구성원입니다. 합성 보석의 새로운 주요 개발입니다. 그러나 결정 성장 기술에 대한 높은 요구 사항과 단일 용광로의 작은 생산량으로 인해 모조 다이아몬드의 비용 성능이 훨씬 떨어집니다. 합성 큐빅 지르코니아는 가까운 미래에 사용되지 않을 것입니다.
3. 루비, 합성 별 보석 및 합성 에메랄드의 열수 합성
루비, 합성 별 보석 및 합성 에메랄드의 열수 합성은 10년 이상 실험실에서 수행되었습니다. 몇 년 동안 Gem에 대한 작업은 계속해서 계속되고 있으며 결코 멈추지 않습니다. 우선 화염용해법과 초크랄스키법으로 합성된 루비에서 명백한 호 모양의 성장 줄무늬와 끈 모양의 기포를 극복하고 더 많은 시뮬레이션을 달성하기 위해 고온 고압 수열법을 사용하여 성장을 연구하라. 열수 방법은 주로 천연 보석 웨이퍼를 씨앗으로 사용하여 천연 보석 광물화 조건을 시뮬레이션합니다(이는 플럭스 방법으로 성장한 루비의 자발적인 핵 생성과 다릅니다). 성장한 커다란 루비 결정은 육각형의 성장 줄무늬와 천연 보석의 암석 구조의 환상을 모두 가지고 있으며 이러한 결정은 연마되어 5~8캐럿 이상의 루비 고리를 생성할 수 있습니다.
러시아, 미국, 인도, 스위스 등 많은 국가에서는 열수법 루비와 옐로우 사파이어를 지속적으로 나열하고 있습니다. 이제 일부 회사에서는 50-60mm 루비를 성장시키기 위해 70-100mm 부식 방지 고압 축을 구축할 계획입니다. , 점차적으로 더 발전하고 있습니다. 천연 루비, 청색 및 황색 사파이어, 별 보석 등에 더 가깝고 시뮬레이션하고 대량 생산 능력을 창출할 전망은 낙관적입니다.
마찬가지로 합성 에메랄드의 열수 성장도 성공적이었습니다. 대형 에메랄드는 미국, 스위스, 러시아, 중국 등에서 재배할 수 있지만, 현재 시장 수요가 강하지 않아 채굴이 어렵기 때문에 에메랄드 결정을 수열로 재배하는 방법은 더디게 진행되고 있어 도입되지 않고 있다. 대량생산에 들어갑니다.
4. 용융 인장법, 용융 기포 생성법, 용융 열교환법을 이용해 무색 사파이어를 개발
현재 여러 나라에서 무색 사파이어에 대한 연구 개발이 진행되고 있다. 그것은 높은 적외선 투과율, 높은 강도 및 고온 저항 특성을 가지고 있으며 방위 산업에서 좋은 응용 공간을 가지며 창 재료 및 미사일 헤드 커버로 사용할 수 있습니다. ) 광전자 기술에 있어서 기판은 반도체 조명공학에서 중요한 소재로, 품질 요구사항이 IT 수준에 도달해야 하며, 많은 국가에서 관련 기업들이 이를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 현재 Czochralski 방법을 사용하여 직경 120~200mm의 대형 무색 사파이어 단결정을 성장시킬 수 있으며, 버블 방법을 사용하여 직경 200~250mm, 무게 25~30kg의 무색 사파이어를 성장시킬 수 있습니다. (그림 5), 열교환 방식을 사용하여 세계 최대의 무색 사파이어 단결정을 성장시켰습니다. 세계에서 가장 큰 사파이어는 직경이 34cm이고 무게는 68kg입니다(그림 6). 우리나라의 많은 기업들이 대구경 사파이어 크리스탈을 적극적으로 개발하여 큰 진전을 이루었지만 아직 대량 생산 규모가 부족하고 LED용 기판은 기본적으로 수입에 의존하고 있습니다.
5. 합성 장잔광 인공 야광보석
장잔광 인공 야광보석은 1996년 중국 베이징 화룡야양회사에서 성공적으로 개발하여 "청룡 야광보석"이라는 이름을 얻었습니다. 중국, 미국, 한국 및 기타 국가의 발명 특허. 성능이 뛰어나고 방사성이 없으며 잔광 밝기가 높고 지속 효과가 오래 지속되며 천연 "밤 진주"보다 좋습니다. 녹색, 청록색, 유백색, 빨간색, 보라색과 같은 색상의 인공 야광옥이 개발되었습니다. 큰 조각의 인공 야광옥을 사용하여 대규모 공예품을 조각할 수 있습니다. 현재는 대량생산되어 공급이 수요를 초과하고 있어 산업화도 기대된다.
6. 합성 터키석과 공작석
미국과 러시아에서는 합성 터키석과 공작석에 대한 연구 개발이 중단된 적이 없습니다. 현재 합성된 대형 공작석 조각의 무게는 최대 8~10kg에 달하며 조각품과 가구 제작을 위한 특정 시장이 있습니다.
7. 유리 모조 원석
유리 모조 원석은 매우 오래되었지만 시대와 함께 끊임없이 발전하고 발전하는 모조 원석의 일종이기도 합니다. 중저급 모조원석임에도 불구하고 오늘날의 유리 장신구와 수공예품은 10년 전의 유리 장신구와 수공예품에 비해 훨씬 더 아름답습니다. 유리 모조 다이아몬드 "라인석"의 품질과 맛이 크게 향상되었으며 시장 점유율도 적지 않습니다. 특히 오늘날 사람들의 장식 개념이 바뀌면서 패션, 고품질, 저렴한 가격, 주얼리의 빈번한 교체가 요구되면서 오스트리아 스와로브스키 납유리 모조 크리스탈 및 모조 다이아몬드 장식 시리즈 제품, 모조품과 같은 참신한 유리 제품이 첫 번째 선택이 되었습니다. 유색 유리 및 희토류 유리 보석 보석, 모조 고양이 눈 보석, 납 유리 공예품, 상품, 기념품 및 가구는 모두 유행하고 매우 인기가 있습니다. 유리 모조 보석은 사람들의 인지도를 얻었으며 최근 몇 년 동안 빠르게 발전했습니다.
최근 몇 년 동안 유리 모조 다이아몬드의 자동화 생산 라인 개발에 획기적인 발전이 이루어졌습니다. 이는 납 유리 모조 다이아몬드의 산업 생산을 촉진할 뿐만 아니라 다른 가공 산업도 크게 촉진할 것입니다. 인공 보석 효과.
중금속 납은 인체에 독성이 있기 때문에 납 함량이 높은 유리 장신구는 엄격히 제한됩니다. 사람들은 저렴한 무연 고굴절 모조 크리스탈 유리에 대한 연구를 진행하고 있으며 희귀한 제품의 가격을 낮추고 있습니다. 두 가지 모두 대안인 흙유리. 납유리에 대한 주요 조치를 진지하게 취해야 합니다.
3. 산업화된 인공 보석에 대한 심층적인 연구 및 개발
합성 다이아몬드, 합성 결정, 합성 모아사나이트 및 합성 대형 무색 사파이어는 주로 과학 및 공학 기술에 사용됩니다. 보석 산업의 요구 사항은 다르므로 여기서는 논의하지 않습니다.
1. 화염 융합법에 의한 루비와 사파이어의 합성
현재 화염 융합법에 의한 루비와 사파이어의 생산량은 세계적으로 상당한 규모에 달하고 있습니다. 1,000톤, 중국의 생산량은 300톤 이상으로 전 세계 생산량의 약 1/3을 차지합니다. 그러나 결정의 품질을 개선해야 하며 생산 비용은 여전히 높습니다. 산업을 발전시키려면 관련 화학 공장에서 잉여 수소 및 산소 가스 에너지를 최대한 활용하고 증가시키기 위해 노력해야 합니다. 단일 용광로의 일일 생산량.
화학공장에서 잉여수소를 활용하면 전력소모 문제가 직접적으로 변한다. 과거 수소를 얻기 위해 물을 전기분해한 결과 루비 1kg을 생산하려면 1100kW·h의 전력이 필요했다. 전기 가격에서는 생산 비용이 매우 높습니다. 화학 공장에서 잉여 수소로 전환하면 전력을 상당히 절약할 수 있습니다. 그러나 수소의 정화는 개선되어야 합니다. 그렇지 않으면 보석의 품질과 산출량이 영향을 받게 됩니다.
단일 용광로의 일일 생산량을 늘리기 위한 연구 개발 내용은 장비 구조와 생산 공정을 변경하는 것을 의미합니다. 현재 단일 용광로에서 루비 6개(70-80g)의 일일 생산량을 기준으로 결정의 직경을 약간 늘리고 결정의 길이를 늘려서 개선해야 합니다. 로의 보온 능력, 가스 노즐의 직경을 적절하게 확장하고 가스 공급 특성을 보장하며 화염 온도 분포를 개선하고 원료 순도 및 정밀도를 높이는 등 이는 R&D 작업의 중요한 부분입니다. 체계적인 엔지니어링 R&D로, 결정 품질을 향상시키고 단일 용해로의 일일 생산량을 약 2배 증가시킬 것으로 예상됩니다. 특히, 제품은 시장 요구 사항과 긴밀하게 통합되어야 합니다.
2. 합성 큐빅 지르코니아에 대한 심층적인 연구 개발
합성 큐빅 지르코니아는 우리나라에서 산업을 형성했으며 현재 생산량은 세계 1위입니다. 상대적으로 낮은 시장 가격으로 인해 제조업체는 더 큰 압력을 받고 있습니다.
현재 우리는 부가가치가 높은 신품종의 연구 개발에 큰 중요성을 부여하고 일부 저가 제품의 생산을 줄여야 합니다. 제품의 색상이 중요한데, 에메랄드 그린, 런던 블루, 오션 블루, 카민 레드 합성 큐빅 지르코니아가 모두 인기가 높으며, 가격도 더 높아서 사람들이 좋아하는 새로운 큐빅 지르코니아가 개발되어 화제가 되고 있습니다. 큐빅 지르코니아는 높은 굴절률, 큰 분산, 높은 경도를 가지며 특히 비용 효율적이며 다른 제품과 비교할 수 없기 때문에 합성 큐빅 지르코니아 생산의 지속적인 개발을 안내합니다. 이를 바탕으로 사람들이 좋아하는 색상의 도입은 분명 영원히 지속될 것입니다.
그림 7 에메랄드 YZrO2
합성 큐빅 지르코니아 생산은 전력을 많이 소비하는 분야입니다. 전력 소비 문제는 항상 제조업체를 괴롭혀 왔으며, 생산 공장은 멀리 떨어진 지역으로 이전되었습니다. 산간 지역에서는 저렴한 전기를 사용할 수 있지만 이는 일시적인 해결책일 뿐 장기적인 해결책은 아닙니다. 단위 생산당 소비전력을 낮추는 연구는 무시할 수 없는 문제다. 초기 생산 당시 소비전력은 200kW·h/kg 크리스털 정도였지만, 최근에는 80kW·h/kg 크리스털 정도까지 떨어졌다. 이제 60kW·h/kg 크리스털 미만으로 떨어질 것으로 예상됩니다. 전력 소비를 줄이는 것은 장비 개혁, 특히 트랜지스터 고주파 발생기의 사용이 중요한 역할을 하는 종합적인 결과입니다.
참고문헌
He Xuemei, Shen Caiqing.2005. 베이징: 화학 산업 출판사.
Chandra P.Khattak, Frederick Schmid.2001. 세계에서 가장 큰 사파이어 결정의 성장. 결정 성장 저널.225,572~579.
지질학, 198B, 강의 9: 합성 및 모조품.
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