Abstract
Ruby is one of the most favor colored gem, for beautiful red tone, be high in scarcity value. However, rubies with high quality are produced in restricted regions, such as in Thailand, Sri Lanka, Myanmar, and Tanzania etc., and they have been gradually exhausted by mining for a long period. Therefore, improving qualities of low level rubies with various treatments is arising an alternative way to obtain better rubies. Gemological and mineralogical properties of the natural ruby from Tanzanian were studied with heat treatments. Those characteristics were compared between only heat and adding flux materials under heating. Tanzanian raw rubies were applied a heat treatment ($1,600^{\circ}C$ for 6 hours). However, chromameter and UV-Vis analyses found that a simple heat treatment is inappropriated for the Tanzanian ruby. Although $Cr^{3+}$ containing for red color in the ruby increased with heat treatment, the ruby displays dark medium red because of Fe in the ruby as a form of $Fe_2O_3$. The low transparency after heat treatment is attributed to the recrystallization of $SiO_2$ which has a low melting point. Chromameter confirmed adding Pb-containing flux under heating greatly improves the clarity and color of Tanzanian rubies with micro-fractures and cavities on the surface. EMPA results show that Pb as an additive fills the cavities and cracks on raw Tanzanian rubies during the heat treatment. As a rewult of it, the quality of the Tanzanian ruby raw dramatically improved. These results indicate that the heat treatment with an additive (Pb in this study) is an effective way to obtain better quality of the Tanzanian ruby. Consequently, this study suggests a suitable method to improve the properties of the Tanzanina ruby. The result of this study would provide useful information to upgrade the qualities of similar gem stones such as corundum and sapphire.
루비는 유색보석 중에서 가장 선호도가 높은 보석인 동시에 열처리에 의해 부가가치를 높일 수 있어 학문적인 연구 대상으로서도 그 관심이 높다. 세계적으로 많은 지역에서 루비가 산출되고 있음에도 불구하고, 고품질의 천연 루비는 미얀마, 스리랑카, 태국, 탄자니아 등 일부 제한된 국가에서만 산출되며, 오랜 기간 채광으로 인해 고품질의 원석이 고갈되어가고 있는 실정이다. 이 연구에서는 최근 새로운 산지가 확인되어 관심이 높은 탄자니아산 루비 원석을 사용하여 전통적인 단순 열처리방법과 화학적 열처리 방법에 의한 광물학적 및 보석학적 특성을 파악하고, 열처리에 의한 탄자니아산 루비의 품질개선 효과를 검토하였다. 미얀마의 Mogok산과 Mong Hsu산 루비에 효과적인 방법으로 알려진 전통적인 단순 열처리 실험은 T=$1,600^{\circ}C$에서 6시간 동안 실시하였다. 그 결과, 비교적 균일한 암적색을 지닌 탄자니아산 루비의 색상과 투명도는 색채 색차계와 자외선-가시광선 분광분석(UV-Vis Spectrometry) 결과, CIE 1931 color space 상의 적색과 청색의 좌표값(X, Y)이 원시료 (0.365, 0.321) 및 (0.346, 0.363)에서 (0.337, 0.322)로 감소함이 확인되어, 전통적인 단순 열처리 방법이 탄자니아산 루비의 품질개선에 적합하지 않은 것으로 판단되었다. 단순 열처리를 수행한 탄자니아산 루비의 X-선형광분석(XRF) 결과, 루비의 적색을 발현 시키는 $Cr^{3+}$함량이 0.72~1.04 wt.%로 증가 되었으나, 갈색의 보조색상을 발현시키는 Fe의 함량이 함께 증가되어 순수한 적색이 아닌 어두운 적색을 띄는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 단순 열처리에 의해 루비에 함유되어 있는 $Fe_2O_3$의 응집현상으로 어두운 색으로 변한 것이라 판단된다. 또한 열처리에 의해 $SiO_2$의 함량이 특징적으로 높게 나타났는데, 이는 열처리 과정동안 용융되었다가 다시 재결정화 되면서 생기는 현상으로 투명도의 개선에 효과적이지 않음을 알 수 있었다. 탄자니아산 루비 중 표면에 균열이 있는 시료를 선별하여 납(Pb)을 주성분으로 하는 화학적 첨가제를 사용한 열처리 실험 결과, 색상 뿐 만아니라, 투명도가 현저하게 개선되었다. CIE 1931 color space 상의 적색과 청색의 좌표값이 원시료 (0.386, 0.304) 및 (0.395, 0.313)에서 (0.405, 0.308)로 적색영역에 도시되었다. 이는 첨가제가 열처리 과정동안 용융되어 루비의 균열부분을 채워준 것으로 확대경으로도 관찰이 가능하다. 또한 루비의 표면과 균열부분에 대한 전자현미분석(EPMA)의 선분석(line scanning)에 의해서도 확인되었다. 이 첨가제는 균열부분을 충진함으로써 내구성과 투명도가 개선되었다. 첨가제의 용융체는 루비와 굴절률이 매우 비슷하기 때문에 입사된 빛이 루비 내부로 더 쉽게 통과하여 전반적으로 색상이 향상된 것으로 판단된다. 이 연구에서 화학적 열처리가 탄자니아산 루비의 품질향상에 적합한 방법임을 확인할 수 있었으며, 사파이어 등 강옥군 광물의 유색보석에 대한 색과 투명도 개선에 매우 유용할 것으로 생각된다.
