인조 보석의 일반적인 개념

1. 개요

재료과학은 현대문명의 3대 기둥(에너지, 정보, 소재) 중 하나이자 인류 문명의 물질적 기반이다. 결정 성장은 재료 과학 연구의 중요한 부분이며, 다양한 새로운 기능성 결정 소재의 합성과 성장은 21세기 첨단 기술 개발의 최전선 주제입니다. 보석 재료에 대한 사람들의 수요가 급격히 증가함에 따라 인공 보석의 성장은 결정 성장의 중요한 부분이 되었습니다. 의심할 바 없이, 인공 보석의 성장 원리, 방법 및 식별 특성을 이해하고 숙달하는 것은 보석학의 중요한 부분이 되었습니다.

안구내 렌즈는 실험실이나 공장에서 과학적인 방법으로 인공적으로 제작된 결정체입니다. 보석으로 사용할 수 있는 인공 결정체를 인공 보석이라고 합니다. 인공 보석은 크게 두 가지 범주로 나뉘는데, 하나는 합성 보석입니다. 이들 제품은 해당 천연 보석과 동일한 화학적 조성, 결정 구조 및 물리적 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 루비, 합성 루비, 합성 에메랄드. 이러한 보석은 보석 이름 앞에 "synthetic"이라는 접두사가 붙어야 합니다. 다른 유형은 인공 보석으로, 순수하게 인공적으로 개발되어 자연적으로 해당 결정이 없지만 외관이 천연 보석과 매우 유사하여 이름을 지정해야 하며, 이름을 붙여서는 안 됩니다. 이름과 관련된 천연 보석과 유사합니다. 예를 들어, 티탄산스트론튬(SrTiO4)은 다이아몬드와 유사해 보이지만 "인조 다이아몬드" 또는 기타 오해의 소지가 있는 이름으로 불러서는 안 됩니다. 우리나라의 “국가표준”에는 접합된 보석과 인공보석으로 재구성된 보석도 포함됩니다.

인공 결정체 개발의 역사는 합성광물 개발의 역사이기도 하다. 인간은 실험실에서 천연 보석과 동일한 합성 보석을 만들 수 있을 뿐만 아니라, 보석 광물도 만들어 낼 수 있다. 자연에서는 발견되지 않습니다. 1902년 초, 프랑스의 화학자 베르누유(Verneuil)는 루비를 성장시키기 위한 불꽃 융합 방법을 발명했는데, 이는 합성 보석의 최초 결과물이었습니다. 그러나 이후 40년 동안 인공적으로 합성된 결정체의 개발은 더디게 이루어졌다. 1960년대가 되어서야 결정체와 합성 에메랄드의 열수합성이 나타나게 되었고, 이후 전자, 통신, 항공우주산업이 발달하면서 합성결정체도 등장하게 되었다. 다양한 새로운 기능성 결정 물질이 차례로 합성되어 결정 성장 과학 및 기술의 발전이 촉진되었습니다. 일부 첨단 과학 기술의 발전은 결정 재료와 밀접한 관련이 있다는 것이 실험을 통해 입증되었습니다.

안구내 렌즈에 대한 우리나라의 연구는 1950년대 중반에 설립되었습니다. 지난 50년 동안 이 분야의 연구는 산발적인 실험실 연구에서 이제 형태를 갖추기 시작하는 산업으로 처음부터 성장했습니다. , 상당한 진전을 이루었습니다. 현재 우리나라의 합성 결정과 합성 다이아몬드는 큐빅 지르코니아, 합성 강옥 및 기타 보석이 첨단 기술 산업으로 자리 잡았으며 칼륨 티타닐 인산염(KTP)과 같은 비선형 광학 재료가 국제 시장의 경쟁 대열에 진입했습니다. 일부 결정의 개발은 국제 선진 수준에 도달했습니다. 중국 연구자들은 현재 더욱 광범위하고 심층적인 탐사를 진행하고 있습니다. 우주 미세중력 조건에서의 결정 성장에 대한 연구가 시작되었으며, 전통적인 벌크 결정에서 개발된 양자 효과 및 초결정 구조를 갖춘 박막 결정 재료가 점점 더 주목을 받고 있습니다. 요컨대 우리나라의 인공렌즈재료의 성과와 발전은 우리나라의 과학기술과 인공보석의 응용을 촉진시켰다.

2. 결정 성장의 이론적 기초

결정 성장은 매우 포괄적이고 학제적인 과학입니다. 그 개발에는 물리학, 화학, 결정학, 결정 성장 및 엔지니어링 기술 전문가의 협력과 상호 협력이 필요합니다. 따라서 결정 성장을 학습하려면 특정 관련 지식도 있어야 합니다.

결정 성장의 이론적 근거는 결정 성장의 열역학과 동역학이다. 결정 성장은 특정 열역학적 조건에서 물질을 조절하는 상변화 과정이라고 볼 수 있다. 필수 상태 및 속성의 요구 사항. 일반적으로 결정성장이란 물질을 액체상태(용융 또는 용액)에서 고체상태로 변화시켜 단결정으로 결정화시키는 것을 말한다. 이것이 열역학에서의 상평형과 상전이의 문제이다. 상태도(상평형도라고도 함)는 재료 시스템의 각 상의 가능한 상태와 구성 및 온도(또는 압력)에 따라 상태가 어떻게 변하는지를 보여주는 다이어그램입니다. 이는 전체 결정 성장 과정의 일반적인 추세를 보여줄 수 있습니다. 그림 9-1-1은 물의 가장 간단한 단위계 상태도이다. 시스템의 위상이 평형 상태에 있으면 위상 법칙의 규칙을 따릅니다. 위상 법칙은 다상 평형 시스템의 자유도(f), 위상 수(Ф), 성분 수(c), 평형에 영향을 미치는 외부 조건 수 사이의 관계를 표현하는 방정식입니다. 위상(Ф)은 다른 부분과의 경계가 명확한 시스템의 균일한 부분을 나타냅니다. 예를 들어, 1기압에서 얼음은 한 상이고 물은 또 다른 상입니다. 동일한 물질의 고체 상태도 구조가 다르기 때문에 서로 다른 상에 속합니다. 예를 들어 다이아몬드와 흑연은 두 가지 상 Ф=2입니다. 그러나 가스의 조성이 다르더라도 가스 상태는 단일상입니다. 성분(C)는 시스템 내에서 독립적으로 변할 수 있는 원소 및 화합물입니다. 그림 9-1-1에서 물, 얼음, 수증기로 구성된 계는 H2O, c=1이라는 하나의 성분을 갖고 있는데 이를 단위계라고 하며, 이를 소금물은 NaCl의 수용액으로, 성분번호는 다음과 같다. c=2(NaCl 및 물). 자유도(f)는 평형 시스템의 가변 요소(온도, 압력, 구성 등)의 수를 나타냅니다.

그림 9-1-1에서는 수증기나 얼음이 생성되지 않고 수역에서 온도와 압력을 임의로 변경할 수 있으며 자유도 f=2이며, 상태도의 세 선에는 다음과 같이 두 개의 상이 존재합니다. CA 선상에는 수증기와 얼음이 존재합니다. 온도와 압력 사이에는 대응 관계가 있으므로 자유도 f=1입니다. 그림에서 물, 얼음, 수증기의 세 상은 C점에서 평형 상태에 있습니다. 즉, 이 세 상은 C점에서 일정한 온도와 압력에서만 평형 상태로 존재할 수 있습니다. 시스템에는 변수 요소가 없습니다. 불변 시스템(Immutable system)이라 불리는 자유도 f=0이다. 사람들은 상태도의 상 변화에 따라 결정 성장을 위한 온도 및 압력과 같은 조건을 선택할 수 있습니다.

그림 9-1-1 물의 상태도

결정 성장은 상변화 과정이지만 가장 완벽한 결정을 얻기 위해서는 역동적인 과정이기도 합니다. 또한 핵 생성 이론, 인터페이스 역학, 운송 과정 등을 포함한 성장 동역학 요인을 고려합니다. 이는 결정 성장의 중요한 부분이지만 이 교과서 개요의 요구 사항을 벗어나므로 여기서는 자세히 소개하지 않습니다.

3. 결정 성장 방법

결정 성장에는 다양한 방법과 프로세스가 있으며, 성장 환경에 따라 용융물에서 결정 성장하는 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 솔루션에서. 그 밖에도 기상성장(Vapor Phase Growth), 고상성장(Solid Phase Growth) 등의 방법이 있다.

용액에서 결정을 성장시키는 방법은 오랜 연구의 역사를 가지고 있습니다. 이 방법은 플럭스가 없는 원료를 녹는점 이상으로 가열하여 용융액에서 직접 성장 조건을 제어하는 ​​것을 말합니다. 생체 내에서 결정을 성장시키는 방법. 용융 성장은 일반적으로 빠른 성장, 높은 결정 순도 및 우수한 무결성이라는 장점을 가지고 있지만 지나치게 높은 온도가 필요한 경우가 많으며 내화물 및 도가니 재료로 인해 제한되는 경우가 많습니다. 현재 용융성장 공정과 기술은 상당히 성숙해졌습니다. 용융 성장에는 많은 기술과 공정이 있습니다. 인조 보석 성장에 사용되는 주요 방법에는 화염 용융법, 냉각 도가니, 풀법, 도가니 하강법 등이 있습니다. 일부 데이터에는 고온 및 고압 방법 및 영역 용융법도 포함됩니다. 이 카테고리에서는.

용액에서 결정을 성장시키는 것은 오랜 역사를 가지고 있으며, 기본 원리는 원료(용질)를 용매에 용해시키고 이 용액에서 결정이 성장할 수 있도록 용액의 과포화 상태를 만드는 적절한 조치를 취하는 것입니다. 이러한 방법의 결정은 융점보다 훨씬 낮은 온도에서 성장할 수 있으며, 점도가 낮고 결정이 큰 조각으로 성장하기 쉽고 비교적 완전한 형태를 갖기 때문에 이러한 방법은 빠르게 발전합니다. 단점은 성분이 많고, 결정 성장에 영향을 미치는 요소가 복잡하고, 성장 속도가 느리고, 주기가 길다는 점이다. 용액성장법은 크게 상압용액법(수용액법), 고압용액법(수열법), 고온용액법(플럭스법 또는 용융염법)의 3가지가 있다. 상압 용액법은 주로 상압 하에서 용해성 결정의 재결정화에 사용됩니다. 예: 소금, 설탕 및 일부 화학 물질. 일반적으로 보석 성장에는 사용되지 않습니다. 열수 및 플럭스 방법은 인공 보석을 성장시키는 중요한 방법이며 아래에서 자세히 설명합니다.