천연 에메랄드의 광학적 등급 향상을 위한 수열처리법 연구

Abstract

As a variant of Beryl, Emerald is part of the hexagonal crystal family and its chemical formula constitutes Be3Al2(SiO3)6. Specifically, emerald is a silicate in which the silicon atom resides in the middle of 4 oxygen atoms, creating a tetrahedron figure. In the case that a trace of chromium element is added to the aforementioned structure, a green emerald is formulated. Such natural emeralds are discovered mainly in Colombia, Zambia, Brazil, Pakistan, Zimbabwe, Afghanistan, India, and Pakistan. Further subdivision can be made as emeralds found in Afghanistan, Brazil, Russia, and Zambia represent Schist-type, while those found in Colombia, Russia, and Zambia represent Non-schist-type. The difference between the types can be attributed to the composition of Mg and Na element, as Schist-type emeralds contain relatively larger amounts than the non-schist-type. Representative treatment methods for natural emeralds include oil treatment, epoxy resin treatment, and Yehuda treatment. These treatments are recognized as filling procedures conducted without any use of heat. Heat related treatments may have value-adding potential[by increasing the grade of the emerald], but no proven methods that exhibited significant results have been proposed yet. In particular, existing experiments regarding basic heated treatment of natural emerald through various solvents has shown only enhancements in color. Therefore, discovery of a new heated treatment method and an analysis of before and after impact of the heated treatment through accurate optical data which could also simultaneously fill defects, such as cracks and inclusion, was deemed necessary. This report investigates potential filling effect of internal defects, such as cracks and inclusion, on low-quality Zambian natural emerald through the insertion of natural emerald powder, and if this results in optical grade enhancement through color and quality improvements. Eight low-quality Zambian natural emeralds was selected as samples, and heated treatment conditions consist of solvent of H2O2, filling ratio of 20%, temperature of 270C, insertion of 0.5g of natural emerald powder, treatment period of 12-32 hours. According to the results, absorption rate around 684nm decreased slightly. Therefore, as overall transmission increased, decrease in the absorption rate exhibited slightly clearer green color that signify the color around 684nm. Inflow of OH- was confirmed between the before and after results of the sample H through examination of the FT-IR transmission data. It can be deduced that the sample in which natural emerald power was inserted impacted the absorption band through stretch vibrations after the heated treatment was conducted. By examining the filling effect of the defects such as cracks and inclusion and precipitating effects in the surface from SEM images, we clearly confirmed the enhancement of the quality through the insertion of natural emerald power. Accordingly, we recommend the insertion of natural emerald powder when conducting heated treatments. This report proves the possibility of potential optical grade and monetary value enhancement of low-quality natural emerald by applying heated treatment through the analysis of before and after optical data obtained from this experiment. |베릴(Beryl)의 변종인 에메랄드의 화학식은 Be3Al2(SiO3)6으로, 육방정계에 속한다. 에메랄드는 규산염에 속하며 규소(Silicon) 원자는 4개의 산소(Oxygen) 원자 중앙에 위치하면서 4면체를 형성하고 있으며 크롬(Chromium)의 미량 원소가 함유되면 녹색의 에메랄드를 형성하게 된다. 콜롬비아, 잠비아, 브라질, 마다가스카르, 파키스탄, 짐바브웨, 아프가니스탄, 인도, 파키스탄 등이 천연 에메랄드가 산출되는 대표적인 산지이다. 아프가니스탄, 브라질, 러시아 그리고 잠비아 등에서 산출된 에메랄드는 Schist-type 층에 속하며, 콜롬비아, 중국, 나이지리아 등에서 산출된 에메랄드는 Non-schist-type에 속한다. Schist-type 에메랄드는 Mg와 Na 원소가 Non schist-type 에메랄드보다 비교적 많은 양이 포함되어있다. 천연 에메랄드의 대표적인 처리 방법에는 오일 처리, 에폭시 레진 처리, 예후다 처리 등이 있으며 이러한 처리들은 모두 열과 관련이 없는 충진 처리로 알려져 있다. 열에 의한 에메랄드 처리는 가치 증진이 추론될 수 있지만 현재까지 명확히 증명된 처리법이 제시 되어있지 않는 상황이다. 그 중 천연 에메랄드의 수열처리법은 현재까지 색상 개선만 밝혀졌으며 기본적인 용매에 의한 수열처리법에 대해서만 제시되어 있다. 따라서 수열 처리 전후의 명확한 광학적 데이터 비교 분석과 동시에 내부 결함을 충진 시킬 수 있는 새로운 기술 개발이 필요하다고 판단했다. 본 연구에서는 수열 처리를 통해 저품질의 잠비아산 천연 에메랄드의 광학적 등급 향상을 통해 색상 및 품질 개선을 관찰하며 천연 에메랄드 파우더 투입 여부로 인한 내부 결함 충진 효과를 확인했다. 시료는 저품질의 잠비아산 천연 에메랄드 8개로 선택했으며 수열 처리 조건은 수열 용매 H2O2, 충진율 20%, 온도 270C, 천연 에메랄드 파우더 0.5g 투입, 처리시간은 12~32 시간이다. 실험 결과 UV-vis 에서는 684nm 부근의 흡수율이 소폭 감소한 것을 확인했다. 이는 전체적인 투과도가 향상되면서 684nm 부근의 색인 녹색 컬러가 미세하게 선명해졌다는 점을 알 수 있다. FT-IR 의 Transmittance 측정 결과에서 시료 H의 처리 전후 OH- 의 유입 변화를 확인했다. 이는 에메랄드 파우더를 투입한 시료가 처리 후 신축 진동에 의해 흡수 밴드에 영향을 끼친 것으로 판단된다. SEM image 에서는 결함에 대한 충진 효과와 표면의 석출 효과를 관찰하면서 천연 에메랄드 파우더 투입 여부에 의한 품질 개선을 명확하게 확인할 수 있었다. 따라서 수열 처리 시 에메랄드 파우더 투입을 제안하는 바이다. 따라서 본 실험에서는 위와 같이 저품질 천연 에메랄드의 광학적 등급 향상 및 고부가 가치 증진의 가능성을 수열 처리 전후의 광학적 비교 분석 결과를 통해 실험적으로 증명할 수 있었다.