(51) Int. Cl. C30B 33/02 (2006.01) (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2007 년 03 월 21 일 10-0698610 2007 년 03 월 15 일 (21) 출원번호 10-2004-0085064 (65) 공개번호 10-2006-0035526 (22) 출원일자 2004년10월22일 (43) 공개일자 2006년04월26일 심사청구일자 2004년10월22일 (73) 특허권자서울시립대학교산학협력단서울동대문구전농동 90 민찬홍경기도양주시만송동 114-7 (72) 발명자송오성서울시동작구사당동 105 사당우성아파트 203-103 민찬홍경기도양주시만송동 114-7 (74) 대리인특허법인아주 (56) 선행기술조사문헌 JP08071894 A KR100127862 B1 * 심사관에의하여인용된문헌 JP61186293 A * US5154023 A 심사관 : 김준규 전체청구항수 : 총 4 항 (54) 천연루비의열처리에의한색향상기술 (57) 요약 천연루비는생성시에 500 이상의고온상태에있지않았으므로열처리를하면내부색의원인이되는원자의결합상태와격자배열의안정한위치로가면서색이향상될수있다. 천연을나타내는내포물을유지하면서도색의명도와채도를감소시키는블루이시를효과적으로제거하는열처리공정의발명과열처리시의색변화관찰을용이하게하는원석의윈도우가공과내열재와의반응을방지하기위한적절한고온용확산방지법을발명하였다. 대표도 도 1 특허청구의범위 - 1 -
청구항 1. 천연루비원석을도가니의기판위에장입한후 10-4 Torr 이하의진공상태와 1100 2000 온도범위에서 3-100 시간동안진공로속에서가열하는것을특징으로하는열처리방법 청구항 2. 제 1 항에있어서산소분압만을 10-4 Torr 이하로하고, 그이외에는산소가아닌아르곤, 질소등의불활성기체로채운것을특징으로하는열처리방법 청구항 3. 제 1 항에있어서, 천연루비원석과열원과의격리를위해도가니내부에 Ta, Zr, Nb, Ti, W, Pt 및 Pd 로이루어진군에서선택되는금속기판을사용하는열처리방법. 청구항 4. 제 1 항내지제 3 항중어느한항에있어서, 천연루비를열처리하기전, 천연루비원석을가공하는과정에서깎여나갈부분을평면으로직경 0.1um 급다이아몬드연마제를활용하여연마하여용이하게색변화를관찰할수있도록윈도우를만드는것을특징으로하는열처리방법. 명세서 발명의상세한설명 발명의목적 발명이속하는기술및그분야의종래기술 본발명은천연루비원석를열처리하는방법에관한것이다. 루비는 Cr 이온의혼입으로붉은색이나는커런덤 (Al 2 O 3 ) 단결정의변종으로보석으로가치가있는소재이다. 천연루비원 석은일반적으로보석학에서통칭하는알루미늄산화물단결정인커런덤 (corundum) 을지칭함은물론, 이하커런덤의변종인루비, 사파이어를통칭함을의미한다. 자연에서산출되는천연루비는주로석회암지대에서 Al 성분이농축되어열과압력에의해변성작용을거치면서생성되고최종적으로풍화작용으로노출되지않는루비는대부분 2500 이상의용융액상상태로부터응고하여제조되는합성루비와달리결정학적으로완전하지못하고 Cr 성분이외에 Ga, Mn, V 등의미량원소가혼입되어합성석과차별화되는독특한적색을나타내는특징이있으며, 천연원광석의 1% 미만만이보석으로쓰일수있을정도로블루이쉬등내부격자불완전성에의한불투명한결함부가있어서수율이낮은문제점이있었다. 이때블루이쉬란원석내부에존재하여붉은색의채도와명도를저하시키는격자왜곡을말한다. 자원의고갈과함께산지에서모든유통과정에서천연루비의색향상은경제성의향상과자원의효율적이용을위하여최근그개발의필요성이요청되고있다. - 2 -
일반적인처리는코우크스를열원으로하여마그네시아도가니에장입하고 CO 의환원성분위기에서고온가열하는방법으로열처리가된바, 온도와시간이제어되지않은상태로열처리되어수득률이작고, 내부의블루이쉬의제거와함께천연석임을나타내주는 TiO 2 ( 루타일 ) 실크내포물이확산되어함께제거되는단점이있었다. 또한원석의열처리중에도가니와주변원석이확산에의해반응하여도가니와처리된원석이들러붙어재연마가필요하다는점과, 여러가지색을가진서로다른원석을동시에열처리하여정량적으로색이향상되는지와, 내부의내포물상태에따라정확한색향상여부의판단이어려운문제점이있었다. 또한기존의열처리방법에의하면천연석을표면이처리되지않은원석상태그대로진행하여열처리공정과정중블루이시의제거정도나색이변화하는것이불규칙한표면상태때문에용이하게육안관찰하여재처리를하거나처리를중단하지못하고그대로경험에의해처리하는문제가있었다. 발명이이루고자하는기술적과제 본발명은상기한종래기술의문제점을해결하여, 원석내부에존재하는블루이시 (bluish) 를제거하고, 천연루비에존재하는실크, 플럭스의분포를유지하기위한열처리과정중, 천연루비의열처리색향상시수율을증대하고최적의열처리조건을확인하여블루이시의크기에따라최적의열처리공정조건을예측하여시행하고, 또한기존의공정의문제점이었던색변화의구별의비용이성을해결하며, 가공된천연루비가내화재와확산반응에의하여들러붙어재연마를시행해야하는부작용을없애서재연마의필요성을줄이는데그목적이있다. 발명의구성 상기발명의목적을위하여본발명에서는먼저동일한블루이시를가진원석끼리분류한후색상변화를보기위해전체또는임의개수의시료의최종가공형태에영향을미치지않는부위에윈도우를만드는연마를시행해윈도우가만들어진부분에빛의산란을방지하여색의육안분석이가능하도록하였다. 이때윈도우란원석의내부를용이하게육안또는확대경으로관찰하기쉽도록유리창의표면과같이평평하게연마된부위로서, 고경도의천연루비인경우경도가가장큰다이아몬드페이스트를연마제로하여고속회전이가능한구조이거나고정되어있는연마판에수동으로마찰시켜연마시킴으로써윈도우를제작한다. 이때, 특히직경 0.1um 급다이아몬드연마제를활용하는것이효율적이다. 윈도우가만들어진천연루비원석을고온에서확산이일어나지않는탄탈륨기판위에거치시키고이를알루미나내화재에 ( 또는고온용내화재 ) 장입한다.[ 도 1 의 A] 이때, 탄탈륨기판을사용하는것은원석의열처리중에도가니의세라믹내화재와천연루비원석이확산에의해반응하여도가니와처리된원석이들러붙는것을방지하기위한것으로, 종래의도가니보다확산에의한접착을방지하는효과가크다. 이때, Ta, Zr, Nb, Ti, W, Pt, Pd 등의고융점금속을사용하더라도그효과가같다. 윈도우가만들어지면, 준비된알루미나보우트를진공전기로에서장입하고 10-4 Torr 이하의진공에서 1100 2000 온 도범위에서 3-100 시간범위에서가열하는열처리를시행한다. 이때산소분압만을 10-4 Torr 이하로하고, 그이외에는산소가아닌아르곤, 질소등의불활성기체로채우더라도상관없다. 블루이시가 Al +3 이온이확산과정으로제자리를찾아가며제거된다고가정하였을때 800 에서 1500 까지온도범위에서 3-100 시간동안여러원석의블루이시제거현상을확인한결과확산계수 D Al+3 은아래식으로추정된다. 여기서 R 은기체상수이고 T 는 Kelvin 온도로주어지는열처리온도이다. 상기수식에근거하여본발명에서는 3 mm 급블루이시가용이하게제거되는열처리공정조건은 1500 에서 3 6 시간이라고예상되며이러한최적구간은물론초기블루이시의크기에따라가변적으로변화가가능함은물론이다. 즉시간은필요에따라 100 시간이상오랜시간동안가열할수있으며, 온도도 1100 2000 온도범위에서변화가가능하다. - 3 -
상기수식을도출하기위해서 3mm 급미얀마천연루비를활용하여 1000-1550 사이에서시간을 1-30 시간씩변화시키면서이때감소하는블루이시의크기를측정하고이를확산기구에의해감소한다는가정으로일반적인확산계수를도출한것이다. 상세한실험데이터는 [ 도 2] 의그래프와같다. 열처리가완성된후즉시꺼내서윈도우를통하여색향상여부를육안또는확대경, 색차계로정량적으로확인한후, 향상처리가완료되었다고판단되면최종제품으로출하하고, 미흡한경우처음공정으로다시되돌려반복열처리를실시한다. 발명의효과 일단가공전원석에윈도우를만듦으로서색향상여부를육안으로쉽게파악하여열처리의계속여부를쉽게알수있다. 그리고열처리를대기중에서가아닌진공분위기에서시행함으로서기존에는대기중의산소가표면을산화시켜표면부의색이하얗게또는불투명한산화층을형성하여색의변색을용이하게판단하기어려워서재연마를실시하는문제를해결하고재현성있게공정직후에후속표면처리공정없이색이향상된효과를확인할수있고공정을단축시키는효과를달성했다. [ 도 3] 는상기공정을통해열처리를시행한후확연하게블루이시가제거되고색이향상된루비원석의처리전후모습을보여주고있다. 도면의간단한설명 도 1 은천연루비의열처리공정 A. 윈도우가있도록원석연마후 Ta 판위에거치하고알루미나도가니에장입. B. 진공전기로에서적정온도와시간에서열처리 C. 열처리의완료와동시에육안판별시행, 미흡한경우 A 공정부터재시행가능. 도 2 는열처리시간에따른블루이시제거율 도 3 은열처리전후의루비원석차이 A. 전, B. 후. 도면 - 4 -
도면 1 도면 2-5 -
도면 3-6 -