Electron beam irradiation 처리에 의한 마다가스카르산 원석 sapphire의 광학적 특성 및 색 변화 연구

Abstract

This study investigates the origin of sapphire from Madagascar and the change of color and spectral characteristics after 10MeV electron beam irradiation. Most important points were physical and chemical characterization of crystal structure, analysis of impurity concentration, properties of absorption spectrum and 10MeV electron beam irradiation experiments for the coloration of sapphire by ionization process on the rough stones which come from Madagascar locality. Microscope observation and UV-VIS spectrum experiments are also carried out to investigate the change of color and inclusions during 10MeV electron beam irradiation. Microscope investigations color zoning, which is associated with healing fissures and needle inclusions and fingerprints. The trace element analysis by ED-XRF method shows that different Fe concentration in Madagascar rough sapphire has a range of 0.5-1.5 wt%. The EDXRF analysis shows that Si, Cr, Ti, Ca, Ni, Ga, Mo Sr, Nb, Ru, Zn, Rh are detected in Madagascar sapphire. The result of photoluminescence spectra furnished also some additional information for the identification of mineral inclusions which intersected at the surface of the sapphire crystal. The R1, R2 and N lines in spectra of ruby appear at 694.5, 693 nm respectively. The sapphire studied shows generally two groups of absorption bands. The band of 376nm are attributed to single Fe3+ ion, band of 388, 450nm. The absorption spectra of these sapphires before and after 10MeV E-beam irradiation show distinctive features. After 10MeV electron beam irradiation the transparency of most Madagascar sapphire was enhanced. And all sapphire shows the yellow color. Our results include the optical properties of Madagascar sapphire using the various analysis tools. Particularly, UV-VIS, colorimeter provided a fitting comparison between Madagascar rough sapphires and 10MeV E-beam irradiated Madagascar sapphires. In addition to the experiments literature review was also performed for the completion of all the characteristics of sapphire which will be useful experimental for the quality enhancement.; Corundum이 자연상태에서 산출될 때는 그 색조가 매우 다양하다. 루비·사파이어를 불문하고 고가로 취급되는 것은 corundum mine에서 10% 내외에 불과하다. 가치가 떨어지는 무색의 사파이어 또는 본연의 색을 가지지 못하는 corundum은 주로 열처리를 통하여 색을 향상시킨다. 본 연구에서는 본연의 색을 가지지 못한 무색 및 엷은 yellow 색조를 띄는 Madagascar 원석 사파이어를 이용하여 Madagascar 지역의 inclusion, 화학성분, 분광학적 특성을 연구하고, 10MeV 전자빔 실험을 실시하여 색을 발색하는 전이원소인 Fe의 원자가를 변화시켜 색을 발색하게 함으로써 전자빔 실험 전과 후의 분광학적 특성 및 색 변화를 비교 연구하였다. 시편은 0.220-0.546ct, 지름 4-8mm, 높이 0.5mm-1.5mm인 Madagascar 원석 사파이어 이며, 화학 성분 분석을 통하여 다른 원소들의 존재는 무시하고 Fe 함량을 0.5wt%, 1wt%, 1.5wt%의 3가지로 분류 하였다. Madagascar 원석 사파이어 및 전자빔 실험 전 광학현미경을 이용한 inclusion 분석에서 healing fissure와 needle inclusions 그리고 fingerprint 존재를 확인하였다. ED-XRF분석을 통한 화학분석에서 Madagascar 원석 사파이어 내에 Si, Cr, Ti, Ca, Fe, Ni, Ga, Mo, Sr, Nb, Ru, Zn, Rh의 성분들이 함유 되어 있는 것을 확인 하였으며, 태국, 아프리카에서는 주로 발견되지 않는 Sr, Nb, Ru, Zn, Rh 의 성분들이 내부에 존재 하고 있는 것을 확인 하였다. 그리고 Madagascar 원석 사파이어의 분광분석을 측정하였다. 사파이어의 미량원소인 철은 Fe2+과 Fe3+의 원자가로 존재할 수 있으며 전자빔 실험을 통하여 Fe2+로 존재하던 철 성분들이 Fe3+로 원자가의 변화를 통해 UV-VIS 분석에서 Fe3+ 흡수 peak을 나타내는 376, 388, 450nm가 모든 사파이어 시편에서 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 색차계 분석에서도 전이원소의 원자가 변화에 의해 투명도 및 컬러의 향상을 가져 왔으며, 육안상으로 yellow컬러를 두드러지게 나타내었다. 철의 함량에 따른 시편의 분류에서도 철의 함량이 증가할수록 yellow 컬러를 나타내는 b*(+)값이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과 전자빔 조사 실험은 열처리와 동일하게 사파이어 내부에 존재하고 있는 전이원소의 원자가를 변화 시켜 줌으로써 광학적 특성 및 색의 변화를 가져오는 결과를 확인하였다.