KR102380016B1

KR102380016B1 - 보석의 발색 방법 및 이에 따라 발색된 보석

Info

Publication number: KR102380016B1
Application number: KR1020200111098A
Authority: KR
Inventors: 석재권; 황용석; 김동석; 김초롱; 여순목; 이재상; 이준식
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2020-09-01
Publication date: 2022-03-29
Also published as: KR20220029136A

Abstract

본 발명은 보석을 발색하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 보석의 발색 방법은 (S1) 원석(原石) 표면에 금속층을 형성하는 단계, (S2) 상기 금속층에 이온빔을 조사하는 단계 및 (S3) 상기 이온빔이 조사된 금속층에 열처리를 가하는 단계를 포함한다.

Description

보석의 발색 방법 및 이에 따라 발색된 보석{A method of coloring gemstones and colored gemstones thereby}

본 발명은 보석을 발색하는 방법에 관한 것이다.

토파즈(Al₂SiO₄(OH, F)₂)는 자연상태에서 보통 투명하거나 약한 갈색을 띠는 보석이다. 천연 토파즈는 그 자체만으로도 가치가 있으나, 유색 토파즈를 선호하는 지역이 다수 존재한다. 구체적으로, 파란색, 노란색이나 분홍색의 토파즈에 대한 수요가 많으며 그 중에서도 분홍색을 나타내는 토파즈는 우즈베키스탄 등의 일부 지역에서 다른 색상의 토파즈 대비 100배 정도의 가치로 책정되고 있다.

토파즈 이외의 보석도 마찬가지로 발색 처리함으로써 그 가치가 증대되어서 보석의 발색 기술이 계속하여 연구되고 있다. 기존에 알려진 보석의 발색 방법으로는 일반적으로 방사선 조사법, 코팅법, 이온조사법 등이 있다.

위 방사선 조사법은 보석에 양성자, 전자 또는 감마선 등의 방사선을 조사하여 색을 내는 방법이다. 이와 같은 방법은 고에너지의 방사선을 조사하는 것이어서 보석이 방사화되는 단점이 있다. 또한, 이와 같은 방법은 보석의 결정에 결함을 만드는 방식이어서 발색할 수 있는 색상에 제한이 있으며, 일반적으로 푸른색 계열의 발색에 용이하다.

위 코팅법은 원하는 색상의 물질을 보석에 코팅하는 방법이다. 원리적으로 제일 간단하며 구현할 수 있는 색상이 다양하다는 장점이 있다. 그러나, 보석과 코팅층 간의 결합력이 약해 코팅층이 쉽게 벗겨지는 치명적인 단점이 있고, 크기가 큰 보석의 경우에는 균일한 코팅을 하는데 고도의 기술력이 필요하다.

위 이온주입법은 전이금속의 이온빔을 보석에 주입하고 후열처리 과정을 통하여 색상을 구현하는 방식이다. 이와 같은 방법은 주입하는 이온의 색상에 따라 구현할 수 있는 색상이 다양하고, 코팅법 대비 표면 색상이 벗겨지는 현상이 없다는 장점이 있다. 다만 보석의 강한 발색을 위해서는 주입해야하는 이온의 조사량이 5 × 10¹⁷ ions/cm² 이상이어야 해서 이온빔의 주입에 소요되는 비용이 제작되는 보석의 가치보다 높아지는 현상이 발생하는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 이온빔의 조사 시간이 길어 생산에 용이하지 않다는 단점이 있다.

이에, 본 발명자들은 기존의 보석의 발색 방법의 단점을 보완하기 위해 예의 연구를 진행하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 단순한 공정을 통해 효과적으로 보석을 발색하는 방법을 제공하고자 한다.

보다 구체적으로, 본 발명은 발색이 가능한 색상에 제한이 없으면서, 색상층이 벗겨지지 않도록 보석을 발색하는 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 공정 시간과 공정 비용을 현저히 줄인 보석의 발색 방법을 제공하고자 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여,

일 측면에서, 본 발명은 (S1) 원석(原石) 표면에 금속층을 형성하는 단계, (S2) 상기 금속층에 이온빔을 조사하는 단계 및 (S3) 상기 이온빔이 조사된 금속층에 열처리를 가하는 단계를 포함하는, 보석의 발색 방법을 제공한다.

다른 측면에서, 본 발명은 본 발명에 따른 보석의 발색 방법에 따라 발색된 보석을 제공한다.

본 발명의 보석의 발색 방법을 이용하면, 색상층의 벗겨짐 없이 보석을 다양한 색상으로 발색할 수 있다. 색상층의 벗겨짐이 없기 때문에 보석의 색상 유지 시간을 종래의 발색 방법 대비 증가시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 보석의 발색 방법은, 금속층을 형성한 후에 이온빔을 조사함으로써 기존의 이온조사법 대비 발색 공정의 시간을 1/5 이하로 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 보석의 발색 방법의 각 단계의 공정 내용과 각 단계에 따른 원석의 결정 구조 변화의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 토파즈를 분홍색으로 발색한 사진을 나타낸다. 도 2에는 각 단계 별 토파즈의 색상을 함께 도시하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 토파즈를 발색한 사진을 나타낸다. 발색 방법을 달리하여 발색된 토파즈의 색상을 함께 도시하였다.

본 발명의 보석의 발색 방법은 (S1) 원석(原石) 표면에 금속층을 형성하는 단계, (S2) 상기 금속층에 이온빔을 조사하는 단계 및 (S3) 상기 이온빔이 조사된 금속층에 열처리를 가하는 단계를 포함한다.

상기 원석은 귀금속, 연마석, 석류석, 녹주석, 석영, 옥수, 강옥, 전기석, 유렴석, 정장석, 옥, 사장석 등과 같은 무기계 원석 또는 유기계 원석 등일 수 있으며, 상기 원석의 종류가 특별히 제한되는 것은 아니다.

상기 귀금속은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 금, 은, 백금 등을 들 수 있다. 상기 연마석은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 천연 또는 합성 다이아몬드 등을 들 수 있다. 상기 석류석은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 홍석류석, 망간석류석, 귀석류석, 회크롬 석류석, 녹석류석, 분홍 석류석, 취석류석, 황철석, 섬아연석, 첨정석, 형석, 방조달석, 남방석, 청금석, 회중석, 주석석, 주석, 금홍석, 풍신자석, 버수비언나이트, 터그투파이트 등을 들 수 있다. 상기 녹주석은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 취옥, 남옥, 헬리오더, 고우센나이트, 모거나이트, 레드 베럴, 인회석, 터파이트, 베니토아이트 등을 들 수 있다. 상기 석영은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 수정, 자수정, 황수정, 장미수정, 연수정, 흐수정, 연수정, 사금석, 유백석영, 묘안석, 호안석, 응안석, 침석 등을 들 수 있다. 상기 옥수는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 화이어 애거트, 애겉트, 모스 애거트, 어게이지티드 우드, 오닉스, 사드, 사다닉스, 녹옥수, 녹석영, 벽옥, 홍옥수, 혈석, 녹옥수 등을 들 수 있다. 상기 강옥은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 홍옥, 청옥, 패러퍼러드차, 컬러리스 사파이어, 그린 사파이어, 핑크 사파이어, 옐로우 사파이어, 방해석, 피내카이트, 취동석, 백운석, 능아연석, 능망간석, 적철석 등을 들 수 있다. 상기 전기석은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 루벨라이트, 인디콜라이트, 드러바이트, 아크로아이트, 워터멜론 투어멀린, 쇼를, 그린 앤 옐로우 투어멀린, 아라고나이트, 버라이트, 셀러스틴, 시러사이트, 토파즈, 금록석, 홍주석, 단브라이트, 엔스터타이트, 실리머나이트, 자소휘석, 고동석, 근청석, 코르너루핀, 페리도트, 황산연, 신헐라이트, 햄베르가이트, 포도석 등을 들 수 있다. 상기 유렴석은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 탠저나이트, 듈라이트, 스토롤라이트, 듀머티어라이트 등을 들 수 있다. 상기 정장석은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 컬러리스 오서클레이스, 옐로우 오서클레이스, 문 스톤, 마이크로클라인 등을 들 수 있다. 상기 옥은 경옥, 연옥, 공작석, 규공작석, 남동석, 사문석, 포스포파일라이트, 첨난석, 하우라이트, 석고, 다톨라이트, 페털라이트, 유클레이스 등을 들 수 있다. 상기 사장석은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 앨바이트, 애노타이트, 페리스터라이트, 올리고클레이스, 래브러도라이트, 터퀴즈, 로도나이트, 앰블리고나이트, 액서나이트, 카이언나이트 등을 들 수 있다. 또한, 상기 원석은 오팔, 업시디언, 텍타이트 등의 비정질의 원석을 포함하는 것일 수 있다.

상기 유기계 원석은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 진주, 흑옥, 산호, 패각, 상아 및 호박 등을 들 수 있다.

일 실시예에서, 상기 원석은 토파즈, 천연 또는 합성 다이아몬드, 사파이어, 수정, 금, 은, 또는 백금일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 원석은 토파즈일 수 있다.

상기 (S1) 단계는 원석의 표면에 금속층을 형성하는 단계이다.

상기 (S1) 단계는 스퍼터링, 열증착, 전자빔 증착 및 전기분해 중 적어도 어느 하나를 수행하여 금속층을 형성하는 것일 수 있으며, 금속층을 형성하는 수단은 특별히 제한되는 것은 아니다.

상기 형성되는 금속층의 두께는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 1 내지 100 nm 일 수 있다.

상기 금속층은 전이금속원소를 포함하는 것일 수 있다. 상기 전이금속원소는 금(Au), 철(Fe), 코발트(Co), 백금(Pt), 구리(Cu), 크롬(Cr), 망간(Mn) 및 티타늄(Ti)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

상기 금속층은 금속층 단독으로 색상을 나타내는 것일 수도 있으나, 상기 금속층은 금속층의 형성 이후 이온빔 조사에 의해 금속층의 금속 원소와 조사되는 이온빔 및/또는 원석에 존재하는 원소가 혼합되어 색상을 나타내기 위한 것으로 상기 금속층의 형성만으로 원석의 색상이 변화하지 않는 것일 수 있다. 또는, 금속층의 색상이 최종적으로 발색된 보석의 색상과 상이하게 나타나는 것일 수 있다.

상기 (S2) 단계는 원석의 표면에 형성된 금속층에 이온빔을 조사하여, 상기 금속층의 금속 원소, 이온빔 및/또는 원석 내 원소와 혼합 금속층을 형성하기 위함일 수 있다.

상기 (S2) 단계는, 이온빔 조사에 의해 원석과 금속층의 계면에서 원석, 금속층 및/또는 이온빔에 포함되는 원소를 혼합하기 위함일 수 있다.

상기 (S2) 단계에서, 상기 이온빔은 전이금속원소의 이온을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 전이금속원소의 이온을 포함한다.

본 발명이 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 (S2) 단계에서 조사되는 이온빔은 상기 금속층과 상이한 원소의 이온빔인 것이 바람직하다.

본 발명에 따라 발색되는 색상은, 상기 (S1) 단계에서 금속층에 포함되는 원소와 상기 (S2) 단계에서 조사되는 이온빔에 포함되는 원소 및/또는 원석에 함유된 원소가 혼합됨으로써, 또는 혼합 후 (S3) 단계에 의해 산화됨으로써 구현되는 색상을 나타내는 것일 수 있다.

따라서, 상기 (S2) 단계에서, 상기 이온빔은 상기 금속층에 포함되는 금속 원소와 혼합될 때 구현되는 색상 조합에 따라 미리 결정된 금속 원소의 이온을 포함하는 것일 수 있다.

상기 (S3) 단계는 이온빔이 조사된 금속층을 산화시키기 위함일 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 (S3) 단계는 상기 이온빔 조사에 의해 형성된 혼합 금속층을 산화시키기 위함일 수 있다. 상기 (S3) 단계에서, 상기 이온빔 조사에 의해 형성된 혼합 금속층이 산화되는 온도로 열처리를 수행하는 것일 수 있다.

상기 열처리 온도는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 800 내지 1200℃의 온도일 수 있다.

종래 원석의 표면에 코팅법에 따라 색상층을 형성한 후 열처리하는 경우 색상층이 박리되는 문제가 있었으나, 본 발명에 따라 금속층을 형성한 후 이온빔을 조사하고 열처리하는 경우 색상층의 박리 문제가 해소되는 장점이 있을 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 이온빔 조사는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 10 keV 내지 500 keV의 에너지로 조사하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 이온빔은 100 keV의 에너지로 조사하는 것일 수 있다.

또한, 상기 이온빔 조사는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 1.0 x 10¹⁸ ions/cm² 이하의 조사량, 구체적으로 1.0 x 10¹⁶ 내지 1.0 x 10¹⁷ ions/cm²의 조사량으로 조사하는 것일 수 있다. 종래의 이온조사법에 의해 보석을 발색하는 기술이 약 5.0 Х 10¹⁷ions/cm² 이상을 조사함으로써 공정 소요 시간과 비용을 증대시킨 것에 비해, 본 발명에 따르면 이온 조사량을 1/5 이상 줄일 수 있을 것으로 기대되는 효과가 있다.

일 실시예에서, 토파즈의 발색에 있어서, 토파즈의 표면에 코팅되거나 주입되는 원소에 따른 색상은 하기 표 1과 같을 수 있다.

(토파즈)	원소	색상
1	Fe	노란색
2	Co	파란색
3	Fe+Co	초록색
4	Au	분홍색
5	Pt	임페리얼
6	Mn	무색

위의 표 1과 같이, 원소의 종류에 따라서 노란색, 초록색, 분홍색(붉은 계열)의 색상이 모두 구현 가능하며, 원소의 종류에 따른 RGB 조합에 의해 이론적으로 모든 색상의 구현이 가능한 효과가 있다.

일 실시예에서, 발색하고자 하는 색상의 농도에 따라서 (S2) 단계의 금속층 내 원소와 (S3) 단계의 주입되는 원소를 결정하여 수행하는 것일 수 있다. 예컨대, 보석의 목적하는 색상에 따라서 높은 농도를 내고 싶은 색상은 금속층으로 형성하고(S2), 낮은 농도를 내고 싶은 색상은 이온 주입하여 형성(S3)하는 것일 수 있다. 또한, 상기 금속층 자체를 화합물을 형태로 코팅함으로써 정교한 색상 구현이 가능한 효과가 있다.

일 실시예에서, 토파즈의 발색을 위해 하기 표 2를 참고하여 상기 (S1) 단계, (S2) 단계 및 (S3) 단계를 수행하는 것일 수 있다.

(토파즈)	금속층 원소	이온빔 원소	이온 조사량	열처리 온도	색상
1	Au	Fe	1.0 x 10¹⁷	1000℃	분홍색
2	Pt	Fe	1.0 x 10¹⁷	1000℃	주황색(Imperial Topaz)

이상과 같이, 일 실시예에 따르면, 본 발명은 원석의 표면에 금속층을 형성하고, 금속층에 이온빔을 조사한 후 열처리함으로써 원하는 색상에 따라 보석을 발색하는 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명의 보색은 상기의 방법에 따라 발색된 것일 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 등을 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속한 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

실험예 1. 분홍색 토파즈의 제조

토파즈(원석나라 社)에 전자빔 증착법의 방법으로 Au 금속층을 형성한 후, 1.0 x 10¹⁷의 조사량, 100keV의 에너지로 Fe⁺의 이온빔을 조사한 후, 1000℃에서 열처리하여 무색의 토파즈를 분홍색으로 발색하였다(실시예 1). 도 2에 각 단계 별 토파즈의 색상을 나타내는 사진을 도시하였다.

이온빔을 조사하지 않고 Au 금속층만을 형성한 후 동일한 조건으로 열처리한 경우 토파즈의 색상이 변화하지 않는 것을 확인하였다(비교예 1).

실험예 2. 임페리얼 토파즈의 제조

하기 표 3의 조건으로 토파즈에 발색 처리한 결과를 도 3에 도시하였다.

	금속층 (코팅, 3분)	이온 조사량	열처리	발색
실시예 2	Pt	1.0 × 10¹⁷ions/cm²	O	강함, Imperial
비교예 2	X	3.0 × 10¹⁷ions/cm²	O	약함, yellow
비교예 3	Pt	X	O	안됨

실시예 2는 토파즈 표면에 스퍼터링의 방법으로 2분간 Pt 금속층을 형성한 후 Fe 이온빔을 조사하고 1000℃에서 열처리하여 임페리얼 토파즈를 제조하였다.

비교예 2는 토파즈 표면에 Fe 이온빔을 조사한 후 열처리한 것이며, 하기 표 2 및 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 이온빔의 조사량이 실시예 2 대비 3배 많음에도 불구하고 발색력이 강하지 않은 것으로 확인되었다.

비교예 3은 토파즈 표면에 Pt 금속층을 형성한 후 이온빔 조사 없이 열처리한 것으로, 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 발색되지 않는 것을 확인하였다. 이는 금속층과 토파즈의 열팽창률 차이 등에 의해 금속층이 박리되어 발색되지 않는 것으로 유추되었다.

Claims

(S1) 원석(原石) 표면에 금속층을 형성하는 단계,
(S2) 상기 금속층에 이온빔을 조사하는 단계 및
(S3) 상기 이온빔이 조사된 금속층에 열처리를 가하는 단계를 포함하는, 보석의 발색 방법으로서,
상기 (S2) 단계에서, 상기 이온빔 조사에 의해서 상기 금속층에 포함되는 금속 원소와 상기 이온빔에 포함되는 금속 원소를 포함하는 혼합 금속층이 형성되고,
상기 (S3) 단계에서, 상기 혼합 금속층이 산화되는 온도로 열처리를 수행하는 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (S1) 단계는, 스퍼터링, 열증착, 전자빔 증착 및 전기분해 중 적어도 어느 하나를 수행하는 것을 포함하는 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (S1) 단계에서, 전이금속원소를 포함하는 금속층이 형성되는 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 전이금속원소는 금(Au), 철(Fe), 코발트(Co), 백금(Pt 구리(Cu), 크롬(Cr), 망간(Mn) 및 티타늄(Ti)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (S2) 단계에서, 상기 이온빔은 전이금속원소의 이온을 포함하는 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (S2) 단계에서, 상기 금속층에 조사되는 이온빔은 상기 금속층과 상이한 원소의 이온빔인 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (S2) 단계에서, 상기 이온빔은 상기 금속층에 포함되는 금속 원소와 혼합될 때 구현되는 색상 조합에 따라 미리 결정된 금속 원소의 이온을 포함하는 것인, 보석의 발색 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 열처리는 800 내지 1200℃의 온도에서 수행하는 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 이온빔은 10 keV 내지 500 keV의 에너지로 조사하는 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 이온빔은 100 keV의 에너지로 조사하는 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 이온빔은 1.0 x 10¹⁸ ions/cm² 이하의 조사량으로 조사하는 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 이온빔은 1.0 x 10¹⁶ 내지 1.0 x 10¹⁷ ions/cm²의 조사량으로 조사하는 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 원석은 토파즈, 천연 또는 합성 다이아몬드, 사파이어, 수정, 금, 은, 또는 백금인 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 원석은 토파즈인 것인, 보석의 발색 방법.
청구항 1 내지 청구항 7 및 청구항 9 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 따른 보석의 발색 방법에 따라서, 발색된 보석.