다이아몬드 유사석

 

 "반짝인다고 해서 모두 금은 아니다" 라는 서양 속담이 있다. 이는 "반짝거리는 무색의 보석이라해서 모두 다이아몬드는 아니다”라는 말로 해석할 수도 있을 것이다. 다이아몬드는 가치가 가장 높은 보석 중 하나이다. 사람들은 이런 값비싼 다이아몬드를 대용하기 위하여 외관적으로 유사하며 값이 싼 물질에 관심을 갖게 된다. 이런 물질은 천연의 물질일 수도 있고, 인위적으로 만들어진 물질일 수도 있다. 이와 같이 어떤 보석을 모방하여 사용하는 물질을 유사석(simulants)이라 하며, 매력적인 유사석은 사람들의 관심을 끌기에 충분하여, 저렴한 가격에 다이아몬드와 같은 느낌의 장신구를 원하는 사람들이 주로 사용한다. 
 18세기에 유리를 소재로 한 다이아몬드의 유사석이 등장한 이래 현재까지 많은 물질들이 다이아몬드를 대용하여 사용되어 오고 있다. 새로이 등장한 유사석은 이전의 것을 대체하여 사용되고 있어, 초기에 사용되었던 많은 유사석들은 현재 더 이상 사용되지 않는 것이 많지만 유사석에 대한 지식이나 감별 능력이 없는 경우에는 큰 곤경에 빠질 수도 있으므로 주의해야 한다. 


< 다이아몬드 유사석의 종류> 

1. 초기의 다이아몬드 유사석 
 무색의 유리(glass)는 고대 이집트 시대부터 만들어지기 시작하여 오랫동안 장신구나 일상용품의 제조에 사용되어 오고 있다. 당시 유리는 일반적으로 브릴리언스나 파이어가 결여되어 있었으나, 18세기 들어 유럽의 유리 제조업자들은 유리에 산화납을 첨가하여 굴절률을 높임으로써 좀 더 많은 브릴리언스와 분산을 얻을 수 있게 되었다. 이런 고굴절의 유리는 다이아몬드의 모조품으로써 훌륭한 역할을 할 수 있었으며, 이러한 종류의 유리를 당시의 유명한 세공업자인 조지 스트라스의 이름에서 '스트라스 글라스(strassglass)'라 부르거나, 유리의 용융 상태가 이탈리아 음식인 '파스타 (pasta)’를 휘저을 때의 모습과 유사하다 하여 '페이스트 글라스(paste glass)' 라 부르기도 하였다. 
 산화납을 다량으로 포함한 유리는 경도가 낮아지는 단점이 있으나, 굴절률과 비중 및 브릴리언스와 분산을 증가시킬 수 있다. 하지만 여전히 다이아몬드 비해 브릴리언스, 경도 및 광택이 훨씬 떨어지기 때문에 쉽게 구분된다. 
 포일백(foil-back)은 유리나 보석의 뒷면에 금속을 덧대거나 도포(칠)한 것을 말한다. 오래전부터 많은 보석들이 색이나 브릴리언스의 변화를 위하여 포일백 되어 왔으며, 다이아몬드도 16세기에 이미 뒷면에 천연수지를 도포하여 일부의 색을 얻었다고 전해지고 있다. 
 다이아몬드 유사석으로서의 포일백 유형을 라인스톤(Rhinestone)이라 부르며, 현대에는 금속질의 부착보다는 수은이나 금속산화물을 이용하여 얇은 막을 입혀 거울과 같은 역할을 할 수 있도록 하여 브릴리언스가 증가되도록 만들어 사용한다. 
 그 외에도 19세기 중반에는 '가닛과 유리의 더블릿' 이 사용하기도 했다. 가닛은 유리보다 경도와 광택이 뛰어나며, 유리의 색으로서 색의 조정이 가능하다. 현대의 장신구에서는 볼 수 없지만 앤티크한 장신구에서는 드물게 보이는 경우가 있다. 
 19세기 말에 프랑스의 화학자 베르뇌유(Auguste Verneuil)가 플레임퓨전법(flamefusion process)에 의한 합성 루비의 성장법을 개발함으로써 이후 무색의 합성 스피넬 및 합성 사파이어를 생산하게 되었고 이 두 종류는 종종 다이아몬드의 유사석으로 사용되었다. 

2. 합성 루틸과 스트론튬 티타네이트 
 루틸은 산화티타늄(TiO2)을 주성분으로 하는 광물로서 천연에서는 주로 침상의 결정으로 발견되며, 불투명하고 짙은 체색을 나타낸다. 
 합성 루틸(Synthetic Rutile)은 산소가 풍부한 환경에서 플레임퓨전법으로 제조되었다. 제조된 합성 루틸은 흑색의 볼(boule)을 형성하나, 이를 약 1,000℃의 열로 어닐링함으로써 옅은 청색이나 황색의 합성석을 얻을 수 있게 되었다. 1948년부터 이 옅은 황색의 합성 루틸은 다이아몬드의 유사석으로 사용되기 시작하여 한때 널리 시장에 보급되었다. 
 합성 루틸은 다이아몬드에는 미치지 못하지만 이전의 다른 유사석에 비하여 뛰어난 브릴리언스를 나타내나, 낮은 경도(6~6호)에 의한 흔적을 쉽게 발견할 수 있다. 또한 다이아몬드보다 훨씬 강한 분산(0.330)을 나타내므로 누구나 쉽게 구분할 수 있다. 다이아몬드와 달리 복굴절의 성질을 지니고 있으므로 테이블을 통하여 관찰되는 퍼빌리언 능선에 더블링 현상이 나타난다. 
 합성 루틸은 이전의 어떠한 유사석보다 뛰어난 브릴리언스를 나타내지만, 아주 강한 분산과 낮은 경도에 의한 흔적 (스크래치 및 어브레이전)으로 인해 다이아몬드와 쉽게 구분된다. 

 

● 편광(polarization) 
 빛은 전자기파의 일종으로서 진행할 때에 파동은 빛의 진로 주변의 모든 방향으로 다수의 파동이 진동하고 있다. 이 진동운동이 단일 방향 또는 단일면으로 한정되는 경우 이빛을 편광이라고 한다. 
● 등방성(isotropic) 또는 단굴절성(single refractive; SR) 
 등축정계 및 비결정질의 보석 내부에서는 어떤 방향에서나 빛의 진행 속도가 동일하여 모든 방향에서 일정한 굴절률을 나타낸다. 이와 같이 모든 방향에서 동일한 광학특성을 나타내는 것을 등방성 또는 단굴절성이라 한다. 등방성의 물질에서는 그 물질의 결정구조가 편광을 일으키지 않는다. 

● 이방성(anisotropic) 또는 복굴절성(double refractive; DR) 
 결정질의 보석 중 등축정계를 제외한 나머지 결정계의 보석들은 결정구조 때문에 내부로 들어온 빛이 다른 속도의 두 개의 광선으로 분리되며, 이 두 줄기의 광선은 각기 다른 굴절률을 갖는다. 또한 이 두 줄기의 광선은 서로 수직 방향으로 진동하는 편광이 된다. 이러한 성질을 이방성 또는 복굴절성이라 한다. 
 티타늄 화합물에 의한 합성 루틸의 제조에 성공한 이후, 1940년대 말부터 1950년대 초에 광학적으로 안정된 재질을 얻기 위하여 알루미늄, 바륨, 칼슘 및 아연 등을 이용한 티탄산 화합물의 제조 실험에 들어갔다. 그 중 가장 뛰어난 것이 스트론튬과의 화합물인 스트론튬 티타네이트(Strontium Titanate; 티탄산스트론튬)였다. 
 1953년 이후 다이아몬드의 유사석으로 등장한 스트론튬 티타네이트는 다이아몬드와 같은 단굴절의 성질을 나타내며, 합성 루틸에 비해 무색에 가깝고 분산도 줄었다. 하지만 여전히 다이아몬드보다 훨씬 강한 분산(0. 190)을 나타내며, 경도(5~6) 역시 낮기 때문에 내구성에 문제를 지니고 있었다. 

3. YAG와 GGG 
 이트륨 알루미늄 가닛(Yttrium Aluminum Garnet; YAG)과 가돌리늄 갈륨 가닛(Gadolinium Gallium Garnet; GGG)은 가닛과 같이 등축정계로 이루어져 있으나 화학성분은 어떠한 천연 가닛과도 같지 않은 인조석이다. 
 초기의 인조 가닛은 1960년대 초에 플럭스법에 의하여 제조되었으나, 결정의 성장이 어렵고 또한 높은 온도에서 철분의 변화에 의해 원하는 결정을 얻을 수가 없었다. 이어 1964년 초크랄스키법(Czochralski method)을 이용하여 레이저의 주원료로 사용할 수 있는 철분이 포함되지 않은 높은 순도의 YAG를 얻을 수 있게 되었다. 
 그 결과 무색의 YAG는 1960년대 말부터 스트론튬 티타네이트를 대신하여 다이아몬드 유사석으로서 사용되었다. YAG는 이전의 유사석보다 높은 경도(8)와 브릴리언시를 지녀 인기를 끌었으나, 낮은 분산(0.028)으로 인하여 현재에는 큐빅 지르코니아의 등장과 함께 쇠퇴하였다. 
 인조 가닛으로서 YAG에 이어 1970년대 초반에 초크랄스키법에 의해 제조된 GGG는 처음에 컴퓨터에 사용되는 자기 버블 메모리의 용도로 개발되었으므로, 이 목적을 위해 소성 변성이 없는 플로리스로 제조되어 YAG에 비해 제조단가가 훨씬 비쌌다. 
 GGG는 YAG에 비해 브릴리언스나 분산이 강하며, 특히 분산도(0.045)는 다이아몬드와 거의 같다. 하지만 YAG에 비해 낮은 경도(6)로 쉽게 스크래치가 생기며, 어떤 다이아몬드 유사석보다 비중(7.05)이 높다. 

4. 큐빅 지르코니아 
 현재 우리에게 다이아몬드 유사석으로 가장 널리 알려져 있는 것은 큐빅 지르코니아(Cubic Zirconia; CZ)이다. 일부에서는 큐빅 지르코니아는 천연에 결정구조나 화학조성이 유사한 광물이 존재한다고 하여 합성석이라 하기도 하나, 다수의 학자들은 모든 특성이 같은 광물은 없다하여 인조석이라 표현하고 있다. 
 큐빅 지르코니아는 1970년대 초 옛 소비에트연방(지금의 러시아)의 물리학연구소에서 지금은 스컬 멜팅(skull melting)이라 부르는 독특한 방법으로 제조되었다. 주성분인산화지르코늄(지르코니아)은 융점(2,750℃)이 극히 높아 기존의 결정 육성 도가니로 사용되는 백금이나 이리듐에서는 육성할 수 없기 때문에 이런 독특한 방법으로 제조된다. 
 이 방법은 고주파에서 가열된 원료를 외부에 냉각시켜 그 자체를 도가니로 하여 내부에서 결정을 성장시키는 방법이다. 결정 육성 후 이를 꺼낼 때 벽면 쪽의 원료가 결정화하지 않아, 응고된 흰 표피를 만들고 이것이 두개골처럼 보인다하여 스컬(skull; 해골)이라는 용어를 사용하게 되었다. 
 큐빅 지르코니아는 주원료인 산화지르코늄만으로 결정화하는 경우 높은 융점으로 인해 성장이 곤란하므로 이의 보완을 위해 산화이트륨이나 산화칼슘을 안정제로 사용한다. 따라서 큐빅 지르코니아의 특성은 이 안정제의 농도에 따라 조금씩 다르다. 
 큐빅 지르코니아의 물리적 성질은 보석으로서 높은 요건은 갖추고 있어 브릴리언트 커트된 다이아몬드와 얼핏 보아서는 구분이 어렵다. 굴절률과 분산의 크기는 안정제의 종류와 농도에 따라 다르지만, 브릴리언스와 광택은 다이아몬드와 거의 같으며, 분산도(0.058~0.066)는 약간 더 높다. 경도는 8~8호로 내구성이 좋으며, 비중은 안정제의 농도에 따라 다르지만 약 5.8(5.4~6.0)로 같은 크기의 다이아몬드보다 더 무겁다. 
 큐빅 지르코니아는 1976년 말부터 다이아몬드의 유사석으로 소개되기 시작했으며, 이후 기존의 모든 유사석을 급속히 대체하게 되었고, 현재에는 저렴한 가격에 대량으로 공급되고 있다. 또한 각종의 착색제를 첨가하여 육성한 유색의 큐빅 지르코니아는 유색 다이아몬드의 훌륭한 유사석으로 사용되고 있다. 

5. 합성 모아사나이트 
 1990년대 후반 들어 새로운 다이아몬드의 유사석인 합성 모아사나이트(Synthetic Moissanite)가 시장에 등장하였다. 
 천연의 모아사나이트는 암석이나 운석 중에서 입상(粒狀)으로 가끔 발견되며, 드물게는 다이아몬드 속의 내포물로서 발견되기도 한다. 모아사나이트란 명칭은 운석 속에서 이 광물을 처음 발견한 노벨화학상 수상자인 프랑스의 화학자 앙리 무아상(Henri Moissan)의 이름을 따서 명명되었다. 
 이 새로운 유형의 합성 모아사이트는 연마제로 사용되는 '카보런덤(caborundum)' 이란 상품명의 탄화규소(silicon carbide; SiC)를 단결정으로 성장시킨 것이다. 이 합성 모아사나이트가 시장에 처음 나왔을 때 다이아몬드와 유사한 특성으로 인하여 업계의 관심이 모아졌다. 그 중 열전도율을 이용한 다이아몬드 테스터에서 '다이아몬드' 로 표시된다는 점과 사이즈에 대한 중량이 다이아몬드와 비슷하다는 점이었다. 또한 다른 유사석들과는 달리 합성 다이아몬드보다 비중이 낮다(3.22)는 특징이 있다. 
 합성 모아사나이트는 다이아몬드보다 브릴리언스가 약간 약하지만, 분산도(0.104)는다이아몬드나 큐빅 지르코니아보다 높아 더 많은 파이어를 나타낸다. 이러한 브릴리언스와 파이어의 양은 합성 모아사나이트를 더욱 매력적으로 보이게 한다. 
 다이아몬드와 합성 모아사나이트는 표준적인 보석학적 검사에서 구별이 가능하다. 다이아몬드는 단굴절이지만 합성 모아사나이트는 복굴절의 성질을 나타내므로 확대 하에서 테이블을 약간 기울여 페이스업으로 퍼빌리언 능선을 관찰하면 더블링 현상을 관찰할 수 있다. 또한 낮은 비중으로 인하여 다이아몬드와 달리 메틸렌 아이오다이드(비중3.32)에서 뜬다. 


 < 다이아몬드의 특성 > 
 광물들은 나름대로 고유의 물리적, 광학적, 화학적 특성을 지니고 있다. 특히 다이아몬드는다른 광물들보다 독특한 많은 특성을 지니고 있어 이러한 특성을 알고 있으면 유사석과의 구별이 용이해진다. 이런 특성 가운데에는 조금만 알면 쉽게 확인할 수 있는 경우도 있으나, 어떤 경우에는 전문적인 지식과 고도의 장비를 필요로 하는 경우도 있다. 

● 광학적 특성
  광학특성: 단굴절성(SR)
  굴절률 : 2.417분산도 : 0.044
  광택 : 금강광택(adamantine)
  투명도 : 극히 뛰어남 
● 물리적 특성 
  비중 : 3.52 
  경도 : 모스 경도 10 
  클리비지 : 팔면체면에 평행한 4방향
  프 랙 처 : 계단상(패각상의 프랙처에 직선적인 클리비지의 조합)
  내포결정: 전형적인 각진 내포물 
● 연마 상태 
  폴 리 시 : 극히 뛰어남 
  패싯 에지 : 날카로움 
  거들 : 대부분 왁시(waxy)~입상; 자주 연마되거나 패싯팅 됨; 비어딩
  내추럴 : 존재할 수 있다; 독특한 성장흔 
● 기타 
  분광 : 592, 504, 498, 478, 456nm및 415nm에 감별에 유용한 흡수선수분흡착성 : 매우 어렵다 
  열전도율 : 아주 높다 
  계단상 프랙처(다이아몬드) 
  자외선 형광 반응 : 일반적으로 청색(장파)