강옥
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1. 개요
강옥은 변성암, 화성암 등에서 산출되는 광물로, 결정 구조와 물리적 특성을 가지며, 연마재, 내화물 원료 등으로 사용된다. 강옥은 삼방정계 대칭으로 결정화되며, 경도가 높고 융점이 높다. 19세기 초 합성 강옥이 개발된 이후 다양한 합성법이 개발되었으며, 합성 강옥은 장식용뿐만 아니라 기계 부품, 시계 크리스탈, 레이저 부품 등 다양한 분야에 활용된다. 다결정 강옥은 아크로에서 용융하여 제조되며, 연마재 및 내화물 원료로 사용된다. 천연 강옥은 보석으로 사용되며, 한국에서도 강옥의 다양한 용도에 대한 연구 개발이 활발히 진행 중이다.
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| 강옥 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| 종류 | 산화 광물 – 적철석 그룹 |
| 화학식 | Al₂O₃ |
| IMA 기호 | Crn |
| 화학 성분 | Al₂O₃ |
| 결정학적 특성 | |
| 종류 | 삼방정계 |
| 공간군 | R3c (No. 167) |
| 격자 상수 | a = 4.75 Å, c = 12.982 Å; Z = 6 |
| 물리적 특성 | |
| 색상 | 무색, 회색, 황금색-갈색, 갈색, 자주색, 분홍색-빨간색, 주황색, 노란색, 녹색, 파란색, 보라색; 색깔 띠 모양, 성채 효과 주로 회색과 갈색 |
| 결정형 | 가파른 쌍원뿔, 판상, 기둥 모양, 능면체 결정, 덩어리 또는 과립상 |
| 쌍정 | 다합성 쌍정 흔함 |
| 쪼개짐 | 없음 – 3방향으로 분리됨 |
| 굳기 정도 (모스 척도) | 9 (지표 광물) |
| 쪼개짐 | 부서지기 쉬움 |
| 깨짐 | 조개껍데기 모양 ~ 울퉁불퉁함 |
| 광택 | 금강광택 ~ 유리광택 |
| 굴절률 | nω = 1.767–1.772, nε = 1.759–1.763 |
| 광학적 성질 | 단축성 (-) |
| 다색성 | 없음 |
| 조흔색 | 무색 |
| 투명도 | 투명, 반투명 ~ 불투명 |
| 비중 | 3.95–4.10 |
| 용융점 | 2044 °C |
| 용융성 | 녹지 않음 |
| 용해도 | 녹지 않음 |
| 기타 특징 | 자외선 하에서 형광 또는 인광을 낼 수 있음 |
| 변질 | 표면에서 운모로 변질되어 경도가 감소할 수 있음 |
| 식별 특징 | |
| 종류 | |
| 사파이어 | 빨간색을 제외한 모든 색상 |
| 루비 | 빨간색 |
| 금강사 | 자철석, 적철석, 또는 헤르시나이트와 밀접하게 혼합된 검은색 입상 강옥 |
| 어원 | |
| 단위 부피당 무게 | |
| 단위 부피당 무게 | 4.02 g/cm³ |
2. 지질학적 산출
강옥은 공간군에서 삼방정계 대칭으로 결정화되며, 단위 세포는 6개의 화학식 단위를 포함한다.[4][24] 강옥 격자에서 산소 원자는 약간 왜곡된 육방 조밀 충전을 형성하며, 산소 이온 사이의 팔면체 위치의 3분의 2는 알루미늄 이온이 점유한다.[29] 세 위치 중 하나에서 알루미늄 이온이 없으면 육방 조밀 충전의 대칭이 깨지고, 결정 족은 삼방정계로 감소한다.[30]
강옥은 변성암 지형의 운모 편암, 편마암 및 일부 대리암에서 광물로 발생한다. 저실리카 화성암인 시에나이트 및 네펠린 시에나이트 관입암에서도 발생한다. 초고철질암 관입암 인접부, 람프로피어 암맥과 관련하여, 그리고 페그마타이트 내의 큰 결정으로도 나타난다.[6]
경도와 풍화에 대한 저항성 때문에 일반적으로 하천과 해변 모래에서 쇄설성 광물로 발견된다.[6] 기록된 가장 큰 단일 강옥 결정은 약 크기였으며 무게는 였다.[11]
연마재용 강옥은 짐바브웨, 파키스탄, 아프가니스탄, 러시아, 스리랑카 및 인도에서 채굴된다. 역사적으로는 미국 노스캐롤라이나의 둔암과 관련된 매장지, 그리고 온타리오주 크레이그몬트의 네펠린 시에나이트에서 채굴되었다.[6] 에머리 등급의 강옥은 그리스 낙소스 섬과 미국 뉴욕주 피크스킬 인근에서 발견된다.[6]
량주 문화와 산싱춘 문화(후자는 진탄 구에 위치)에서 기원전 2500년경의 강옥 축 4개가 중국에서 발견되었다.[13][14]
3. 결정 구조 및 물리적 특성
강옥의 인성은 표면 거칠기[25][26] 및 결정학적 배향에 민감하다.[27] 강옥(사파이어)의 영률은 여러 출처에서 보고되었으며, 값은 300~500 GPa 사이에서 다양하지만, 계산에 사용되는 일반적으로 인용되는 값은 345 GPa이다.[32] 강옥의 전단 탄성 계수는 145 GPa이고,[33] 체적 탄성 계수는 240 GPa이다.[33]
결정 격자 내의 이온 반경은 알루미늄이 68pm, 산소가 126pm이다. Al과 O의 위치는 모두 왜곡되어 있다. 3개의 O2-가 만드는 움푹 들어간 곳에 Al3+ 이온이 자리 잡고 (= Al을 중심으로, O를 꼭짓점으로 하는 6배위 팔면체를 형성), 움푹 들어간 곳의 1/3은 규칙적으로 비어 있다.
강옥의 주요 물리적 특성은 다음과 같다.
4. 합성 강옥
19세기 초, 프랑스의 과학자 마르크 앙투안 고댕이 소량의 크롬을 착색제로 사용하여 고온에서 알루미나를 반응시켜 최초로 합성 루비를 만들었다.[15] 1847년, J. J. 에벨멘은 붕산에서 알루미나를 반응시켜 흰색 합성 사파이어를 만들었다. 1877년에는 프레믹과 프레일이 작은 돌을 잘라낼 수 있는 결정질 강옥을 만들었으며, 프리미와 오귀스트 베르누이는 와 를 소량의 크롬과 함께 이상의 온도에서 용융하여 인공 루비를 제조했다. 1903년, 베르누이는 이 화염 용융 공정(베르누이 공법)을 사용하여 상업적인 규모로 합성 루비를 생산할 수 있다고 발표했다.[16]
베르누이 공법은 자연에서 일반적으로 발견되는 것보다 훨씬 더 큰 크기의 흠 없는 단결정 사파이어와 루비 보석을 생산할 수 있게 한다. 플럭스 성장 및 수열 합성으로도 보석 품질의 합성 강옥을 성장시키는 것이 가능하다. 강옥 합성에 관련된 방법이 간단하기 때문에 이러한 결정체가 대량으로 시장에 나와 천연석보다 훨씬 저렴한 가격에 판매되고 있다.[17]
합성 강옥은 파괴적인 채광을 피하고 자원을 보존함으로써 천연 강옥보다 환경에 미치는 영향이 적다.[18][19] 그러나 생산 과정에서 화석 연료를 사용하면 에너지 집약적이며 탄소 배출에 기여하고 위험을 초래할 수 있는 화학 물질을 사용한다.[20]
합성 강옥은 장식용 외에도 기계 부품(튜브, 막대, 베어링 및 기타 가공 부품), 긁힘 방지 광학, 긁힘 방지 시계 크리스탈, 인공위성 및 우주선의 기기 창(자외선에서 적외선 범위까지의 투명성 때문에) 및 레이저 부품을 생산하는 데에도 사용된다. 예를 들어, KAGRA 중력파 검출기의 주 거울은 약 22.68kg 사파이어이며,[21] Advanced LIGO는 40kg 사파이어 거울을 고려했다.[22] 강옥은 높은 경도로 인해 세라믹 갑옷 개발에도 사용되고 있다.[23]
코런덤(루비, 사파이어)의 단결정은 다음과 같은 방법으로 인조할 수 있다.
| 방법 | 설명 | 특징 | 개발자 및 시기 |
|---|---|---|---|
| 베르누이법 (화염 용융법) | α-알루미나 등의 미세 분말을 수소-산소 불꽃 속에 떨어뜨려 액적으로 만들고, 이것을 받침대의 종자 결정 위에 떨어뜨려 종자 결정과 같은 결정 방위로 재결정화시키며, 받침대를 1시간에 수 mm의 속도로 내려 긴 단결정으로 성장시킨다. | 생성 속도가 빠르고 비용이 저렴, 동심원 모양의 성장선 | 오귀스트 베르누이, 1903년 |
| 플럭스법 (용융법) | 명반을 물에 진하게 녹여 결정 입자를 매달아 단결정으로 성장시키는 방법과 유사. 알루미나는 상압 하에서 물에 녹지 않으므로 용융된 플럭스(플루오린화 납, 산화 납 등)에 녹인다. {{cvt|} | }℃ 이상으로 유지하여 알루미나 등을 녹인 후, 1시간에 수 도의 속도로 냉각하여 과포화 상태로 만들면 약 900°C에서 커런덤 단결정이 석출된다. || 격자 결함이 적은 mm 단위 단결정 제조에 적합, 실용적인 보석 크기로 키우는 데 시간이 걸림, 연기 모양의 내포물로 천연물과 구별 || 1960년대부터 제조