‘보석’의 과학

과학(Science)/공학 (Engineering)

‘보석’의 과학

SURPRISER - Tistory 2023. 3. 10. 09:11

'보석의 왕'으로 불리는 '다이아몬드'를 비롯해 빨간 '루비(Ruby)', 파란 '사파이어(Sapphire)', 초록 '에메랄드(Emerald)' 등, 아름다운 보석은 예로부터 사람들의 마음을 매료시켰다. 그 밖에 '오팔(Opal)', '아콰마린(Aquamarine)', '자수정(Amethyst)', '석류석(Garnet)', '비취(Jade)', '터키석(Turquoise)', '진주(Pearl)' 등 다양한 보석들이 있다. 한편, 아름다울 뿐 아니라, 그 뛰어난 성질을 살려 최첨단 공업에 이용되는 보석도 있다. '보석(Jewel)'이란 과연 무엇일까? '보석'의 아름다움의 근원인 색과 광채에 대해 과학적으로 살펴보자.

0. 목차

'보석'이란 무엇인가?
'보석'이 만들어지는 과정
'보석'의 색과 광채
'보석'에 나타나는 효과
'보석'을 더욱 빛나게 하는 컷 기술
다이아몬드는 왜 빛나는가?
보석의 다양한 이용
보석 갤러리

1. '보석'이란 무엇인가?

1-1. '광물 종'은 '화학 조성'이나 '결정 구조'를 바탕으로 분류된다.

'보석이란 무엇일까? 사실 보석에 공인된 정의는 없다. 그러나 우리가 보석으로 인식하는 것은 장식품에 사용되는 경제적 가치가 있는 광물 및 암석의 총칭이라고 할 수 있다. 대부분의 보석은 화산 활동 등 '지구의 움직임(지질 작용)'에 의해 생긴 고체, 즉 '광물(Mineral)'의 일종이다. 돌은 크게 '광물(Mineral)'과, 그 광물이 모여 이루어진 '암석(Rock)'으로 나누어진다.

'광물 종(광물의 종류)'는 '화학 조성'이나 '결정 구조'를 바탕으로 분류되며, 각각에 광물 명칭이 있다. 예컨대 초록색 '에메랄드'나 옅은 하늘색의 '아콰마린'은 광물 종으로는 '녹주석(Beryl)'이다. '에메랄드'와 '아콰마린'은 미량으로 포함된 금속의 종류가 달라 색이 다르기 때문에 이름이 다르다.

화학 조성(Chemical Composition): '화학 조성'이란 어떤 원소가 어느 정도의 비율로 포함되어 있는지를 나타내는 것으로, 화학물의 명칭이나 화학식으로 표현된다. 예컨대 수정 등의 광물명인 '석영'은 '규소(Si)'와 '산소(O)'가 1:2의 비율로 포함되어 있으며, 화합물의 명칭은 '이산화규소', 화학식은 SiO₂로 표현된다. 또 다이아몬드는 탄소 한 종류의 원소로만 이루어져 있다.
결정(Crystal): '결정'이란 원자나 분자가 규칙적으로 주기적으로 늘어선 물질로, 그 정렬 방식을 '결정 구조'라고 한다. 예를 들어 '수정(Quartz)'의 결정에는 '규소 원자(Si)'가 정사면체의 중심에, 4개의 '산소 원자(O)'가 그것의 각 꼭짓점에 위치한 원자 배열인 SiO₄의 사면체가 결정 구조의 기본 단위이며, 이것이 규칙적으로 반복된다.

한편, 화학 조성이 같으면서 결정 구조가 다른 경우도 있다. '크리스토발석(Cristobalite)'과 '인규석(Tridymite)' 등은 석영과 화학 조성은 같지만, 각각 SiO₄ 사면체끼리의 결합 방식과 배열이 석영과는 다르다. 또 광섬유 등에 사용되는 '석영유리(Quartz Glass)'는 SiO4 사면체가 불규칙하게 나열되어 있기 때문에 '비결정질(Amorphous)'이라고 한다.

분석 기법이 발달하면서 광물 종의 수는 2020년 기준, 5500종이 넘는다. 해마다 대략 100종 이상의 새로운 광물이 발견되고 있어 앞으로 그 수는 계속 늘어날 것이다.

1-2. 보석이 되기 위한 조건

보석에 요구되는 조건은 일반적으로 '색과 광채가 아름다움', '내구성이 뛰어나 아름다움이 오래 유지됨'이라고 말할 수 있을 것이다. 이 두 가지 조건을 충족하는 돌은 희귀해서 높은 가치를 갖게 된다. 이들 조건에 부합하는 지질 유래의 보석에는 '다이아몬드' 등 약 100종이 있다. 그 밖에 '진주'나 '산호' 등 생물에서 유래하는 10종 정도를 더하면 100종이 넘을 것이다.

보석의 조건의 하나인 '내구성'은 광물의 단단한 정도를 나타내는 '경도'를 사옹해 조사된다. 19세기 초, 독일의 광물학자 '프리드리히 모스(1773~1839)'는 광물의 상대적인 경도를 기준으로, 무른 것에서 단단한 것까지 10종의 광물을 '지표 광물'로 선택했다. '지표 광물'과 '경도'를 조사하려는 광물을 서로 문질러서, 어떤 광물에 문지를 자국이 생기는지에 따라 경도를 판정하는 '모스 경도(Mohs scale of hardness)'는 지금도 널리 사용되는 '경도 척도'이다. '모스 경도'는 1~10의 수치로 나타내며 수치가 클수록 단단하다. 예를 들어 '금록석(Chrysoberyl)'을 경도 8의 '황옥(Topaz)'과 문지르면 황옥에 상처가 생기지만, 경도 9인 '루비(Ruby)'와 문지르면 '금록석'에 상처가 생긴다. 이를 바탕으로 금록석의 '모스 경도'는 8과 9의 중간이라는 의미로 '8과 2분의 1'로 표현된다. 가장 단단한 모스 경도 10인 다이아몬드를 비롯해 대부분의 보석은 높은 경도를 갖는다.

'다이아몬드(Diamond)'가 물질 가운데 가장 단단한 이유는 탄소 원자끼리 '공유 결합'이라는 강한 결합으로 연결되어 있기 때문이다. 다만 단단한 것과 깨지지 않는 것은 다르다. 다이아몬드는 다른 광물로 문질러도 상처가 생기지 않지만, 망치 등으로 때리면 특정 방향으로 깨진다. 이처럼 결합력이 약한 방향이나 특정한 면을 따라 광물이 쉽게 쪼개지는 성질을 '벽개(Cleavage)'라고 한다. '단단함'과 '깨지지 않는 것'은 다른 성질이다.

2. 보석이 만들어지는 과정

2-1. '지질 작용'에 의해 만들어지는 보석

'보석'의 대부분은 '광물'에서 유래한다. 광물은 지구 내부의 '맨틀(Mantle, 암석으로 이루어진 층)', '지각(Crust)' 속에서 어떤 작용을 받아 만들어진다.

먼저 지하 몇 km~10km 정도의 범위에서 일어나는 화산 활동과 관련된 보석을 살펴보자. '에메랄드(Emerald)'나 '자수정(Amethyst)' 등은 열로 뜨거워진 고온·고압의 지하수, 즉 '열수(Hydrothermal)'의 작용으로 생긴다. '열수'는 보통의 물보다 주변의 물질을 쉽게 녹이기 때문에, 주변 암석의 미네랄 성분이 녹아들게 된다. 그 물이 지하의 갈라진 틈을 이동해 식으면, 녹아 있던 성분이 석출하면서 광물이 생긴다. 이런 장소를 '열수 광상(Hydrothermal Deposit)'이라고 하며, 생긴 광물은 커다란 결정으로 성장하기 쉬운 특징이 있다.

또 '마그마(Magma, 맨틀 등의 지구 내부의 암석이 녹은 것)'는 지하 깊은 곳에서 식어 굳으면서 화강암 등의 암석이 되는데, 이때 마그마는 일제히 균일하게 굳지 않는다. 고온·고압의 탄산가스나 물을 포함한 마그마는 좀처럼 단단해지지 않고 천천히 시간을 들여 결정화된다. 이렇게 생긴 암석을 '페그마타이트(Pegmatite)'라고 하며 '황옥(Topaz)'이나 '전기석(Tourmaline)'은 그 속에서 만들어진다.

'판(Plate, 지각과 맨틀의 일부를 합친 암반)'의 침강으로 인해 생긴 암석도 적지 않다. 판에는 대륙을 구성하는 '대륙판(Continental Plate)'과 '해양판(Oceanic Plate)'이 있다. '대륙판'과 '해양판'이 충돌하면 밀도가 높은 '해양판'은 '대륙판' 밑으로 가라앉으며 그 깊이에 따라 압력을 받는다. 지하 20~30km가 되면, 그 압력은 100기압에 가까워진다고 생각된다. '해양판'은 원래 바닷물과 접하고 있었기 때문에, 가라앉아도 같은 깊이의 다른 장소와 비교하면 온도가 낮다. '비취(Jade)'는 이러한 비교적 저온이지만, 고압이 걸리는 장소에서 만들어진다. 또 '루비(Ruby)'와 '첨정석(Spinel)'은 '비취'가 생기는 장소보다 더 깊은 곳으로 운반된 '석회암' 등에 고열이 강해져 만들어진다.

한편 '다이아몬드(Diamond)'는 놀랍게도 지하 150~250km의 지구 깊숙한 곳에서 만들어진다. 1000℃ 이상, 수만 기압을 넘는, 녹은 맨틀 물질 안에 있던 탄소가 냉각되는 과정에서 정팔면체 모양을 한 결정으로 성장한다고 생각된다. 그 후, 다이아몬드의 결정은 '마그마'에 의해 지표 부근까지 운반된다. 이 마그마는 '킴벌라이트 마그마(Kimberlite Magma)'라고 하며, '음속(초속 약 340m)'을 넘는 빠르기로 상승한다고 생각된다. 만일 다이아몬드를 운반하는 마그마의 상승 속도가 느려, 온도와 압력이 천천히 낮아지면 결정 구조가 변해 '그래파이트(Graphite)'라는 다른 광물이 된다.

2-2. '생물'에 의해 만들어지는 보석

보석은 '지질 작용'뿐만 아니라 '생물'에 의해서도 만들어진다.

진주(Pearl): '진주(Pearl)'는 조개에 의해 만들어지는 생물 유래의 보석으로 그 성분은 '탄산칼슘(Calcium Carbonate)'이다. 조개껍데기 같은 성분이 둥글게 층 모양으로 겹치면서 공 모양의 진주가 생긴다. '진주조개'나 '흰나비조개' 등 '진주조개'로 불리는 조개껍질 안에서 만들어진다. 천연에서는 외부에서 들어온 이물질을, 양식에서는 사람이 껍질 안으로 넣은 공 모양의 탄산칼슘을 핵으로 삼고, 거기에 진주조개가 분비하는 탄산칼슘과 접착제 역할을 하는 단백질 '콘키올린(Conchyolin)'이 교대로 층모양으로 쌓이면서 커진다. 회색이나 검정색 계열의 흑진주는 흑나비 조개라는 진주조개가 만드는 진주인데, 이런 색깔이 되는 것은 흑나비조개가 분비하는 '콘키올린'이 까맣기 때문이다.
산호(Coral): 사실 '산호'도 보석이 된다. '산호(Coral)'는 해파리와 멍게 무리로 분류되는 동물로, 탄산칼슘의 골격을 발달시킨다. 보석이 되는 것은 산호초에서 만들어지지 않고 심해에 서식하는 유형의 산호이다. '분홍 산호'나 '빨간 산호' 등이 장신구로 유명하다. '산호 폴립(산호충)'은 집합해 군체를 만들고 연간 1mm에도 미치지 않는 속도로, 수백 년에 걸쳐 치밀한 탄산칼슘을 분비해 골격을 성장시킨다. 그 골격이 나뭇가지 모양으로 성장하면 산호가 된다. 단, 보석이 되는 산호는 '귀중 산호(팔방 산호)'라고 하며, 산호초를 만드는 '조초 산호(육방 산호)'와는 다른 생물이다. '귀중 산호'는 '조초 산호'에 비해 깊은 수심 수십~2000m의 깊은 범위에 서식한다.
암모나이트(Ammonites): 한편, 태고의 생물 화석이나 유기물이 보석이 된 것도 있다. '암모나이트(Ammonites)'는 약 6600만 년 전 공룡과 같은 시기에 멸종한 것으로 알려진, '오징어'와 '문어'와 같은 종류에 해당하는 고생물이다. 그 화석 가운데 껍데기가 무지개색으로 빛나는 것을 '암몰라이트(Amolite)'라고 하며 북미 대륙의 '로키산맥(Rocky Mountains)' 등지에서 발견된다.
호박(Amber): 또 '호박(Amber)'은 희귀한 유기물 보석으로, 소나무 등의 '수지(수액이 덩어리져 굳은 것)'가 화석화된 것이다. 지하에서 오랜 기간에 걸쳐 온도와 압력의 영향을 받으면서, 수액에 포함된 유기물은 중합되어 천연 플라스틱이 된다. 가열하면 부드러워지고 변형된다. 약 6000만 년 전~2000만 년 전의 것이 많다. 당시 빨아들인 공기나 식물, 곤충 등이 지금도 호박 속에 그 형태를 남긴 것도 많다.
흑옥(Jet): '흑옥'은 해저에 퇴적된 수목 등의 태고 식물 유체가 분해되지 않고 화석화한 것이다. 석탄보다 탄화 정도가 낮은 갈탄의 일종으로 물을 많이 함유한다. 선사 시대부터 이용되었으며 인류의 오랜 보석 중 하나로 꼽힌다.
코펄(Copal): '코펄'은 수목의 수액이 화석이 된 수지 화석 가운데, 충분히 숙성되지 않은 것이다. 반 화석 상태로, 호박에 비하면 중합은 불충분하다. 또 호박에 비해 낮은 온도에서 변형되는 한편, 에탄올 같은 유기 용매에 녹는 성질이 있다. 니스의 원료로도 사용된다.

2-3. '운석의 충돌'로 만들어지는 보석

'운석의 충돌'로 인해 생기는 광물도 있다. 약 1500만 년 전, 독일 바이에른주에 지름 약 1.5km의 운석이 충돌했다고 한다. 그 충격으로 인해 지표의 모래가 바위가 녹아 공기 속으로 날아가고 순식간에 식어서 유리화했다고 생각되는 것이 초록색을 띤 '몰다우석(Moldavite, 몰다바이트)'이다.

3. 보석의 색과 광채

3-1. 물질에는 왜 색이 있을까?

보석의 아름다움은 광물의 '광학적 성질(색과 광채)'에서 나온다. 우선 빨강, 파랑, 초록, 노랑, 보라 등 아름다운 색의 비밀을 살펴보자. 태양광은 하얗게 보이기 때문에 '백색광(White Light)'이라고도 불리지만, 실은 약 400~800nm의 다양한 파장의 빛을 포함한 빛의 집합체이다. '파장'은 우리의 눈이 느끼는 색에 대응해, 파장이 긴 것부터 순서대로 나열하면, 빨간색, 주황색, 노란색, 초록색, 파란색, 남색, 보라색이 된다. '백색광'은 유리 등으로 만든 삼각기둥인 '프리즘(Prism)'을 지나면 이런 색으로 나누어진다.

물질의 색의 차이가 생기는 이유는 물질의 특정 파장의 빛을 반사하거나 흡수하기 때문이다. 예컨대 보라색 물질은 대략 말하면, 가시광선 가운데 보라색 빛을 반사하고 그 이외의 색을 흡수하기 때문에 보라색으로 보인다. 반대로 보라색 빛만을 흡수하는 물질은 그 이외의 색을 반사하기 때문에, 보라색의 보색에 해당하는 노란색으로 보인다. 또 가시광선을 모두 반사하는 물질은 하얗게 보이고, 반대로 가시광선을 모두 흡수하는 물질은 까맣게 보인다. 보석이 어떤 생으로 보이는지는 보석에 어떤 원자가 포함되어 있는지에 따라 달라진다.

3-2. 화학 조성이 같아도, 극히 일부 원자가 바뀌어 색이 바뀔 수도 있다.

원래의 화학 조성이 같아도, 보석이 만들어지는 도중에 극히 일부의 원자가 바뀌어 들어가 다른 색의 보석이 되는 경우도 있다. 그 대표적인 예가 '루비(Ruby)'와 '사파이어(Sapphire)'이다. '루비'와 '사파이어'는 '산화알루미늄(Al₂O₃)'의 결정인 '강옥(Corundum)'이라는 광물이다. 이 순수한 '강옥'은 무색이다. 그러나 이 알루미늄의 일부가 '크롬(Cr, 원자번호 24번)'으로 바뀌면 빨간 루비가 된다. 한편 같은 강옥의 알루미늄의 일부가 미량의 '티타늄(Ti, 원자번호 22번)'과 '철(Fe)'로 바뀌면 파란색 사파이어가 된다. 사파이어는 원래 파란색 강옥에 붙여진 이름이었지만, 지금은 보석이 되는 아름다운 강옥 가운데 빨간 것만을 '루비(Ruby)'라고 부르고, 그 이외의 무색을 포함한 다른 색의 것을 '사파이어(Sapphire)'라고 부른다. 예를 들어 '핑크 사파이어(Pink Sapphire)'는 크롬의 양이 너무 미량인 탓에 루비만큼 빨갛지 않은 강옥을 가리킨다.

'에메랄드(Emerald)'의 색은 '에메랄드그린(Emerald Green)'이라고도 하는 아름다운 초록색이다. 이것은 순수하면 무색인 '녹주석(Be₃Al₂Si₆O₁₈)'에 미량의 '크롬(Cr)' 또는 '바나듐(V)'이 섞여 생긴다.

또 다이아몬드는 무색투명한 보석이라는 인상이 강하지만, 분홍색, 초록색, 노란색, 파란색 등 다양한 색을 지닌 것도 인기가 있다. 맨틀 속에서 다이아 결정이 생성될 때, 탄소 원자 10만 개에 대해 몇 개~몇백 개의 미세한 비율로 '질소(N)' 원자가 포함되는 경우가 있고, 그 영향으로 색이 바뀌는 것이다. 포함된 원자의 비율이나 원자 주변의 탄소 원자의 상황에 따라, 무슨 색이 될지 결정되는 경우가 많다. 예컨대 '핑크 다이아몬드(Pink Diamond)'는 포함된 질소 원자 옆의 탄소 원자가 빠져서 생기고, '그린 다이아몬드(Green Diamond)'는 포함된 질소 원자 2개 사이에 끼인 탄소 원자가 빠져서 생긴다. 또 '블루 다이아몬드(Blue Diamond)'는 탄소 원자 1억 개당 '붕소(B, 원자번호5)' 원자 6개가 섞여 생긴다고 한다. 다이아몬드의 발색은 바로 원자 차원의 현상이라고 할 수 있다.

4. '보석'에 나타나는 효과

4-1. 유색 효과

보는 각도를 바꾸면 다양한 색으로 밝게 빛나는 보석도 있다. '다이아몬드'와 같은 '빛의 분산'에 의해 무지개색으로 보이는 것이 아니라, 보석 안의 미세한 구조에 의해 빛의 간섭으로 색이 나타나는 현상을 '유색 효과(Play a Color Effect)'라고 한다. '빛의 간섭(Interference of Light)'이란 복수의 빛이 겹치면서 서로 강해지거나 약해지는 현상이다.

예를 들어 비눗방울에는 색이 있는 것처럼 보인다. 이것도 '빛의 간섭'에 의한 현상으로 '박막 간섭(Thin Film Interference)'이라고 한다. '비눗방울 막의 표면에서 반사한 빛'과 '비눗방울 막을 지나 막 밑면에서 반사한 빛'이 겹치면, '빛의 색(파장)'에 따라 강해지거나 약해진다. 반사광이 강하게 만났을 때는 우리에게는 밝게 빛나 보인다. 비눗방울의 파랗게 보이는 부분에서는 반사광 가운데 파란빛이 강하게 만나는 것이다.

'진주(Pearl)'는 '오리엔트(Orient)'라고도 불리는 독특한 광택을 지니고 있다. 진주는 탄산칼슘의 얇은 막이 수천 겹 겹쳐 있다. 그러면 서로 다른 층에서 반사한 빛끼리 간섭을 일으켜 아름다운 색을 낸다. 이것을 '다층막 간섭(Multilayer Interference)'이라고 한다. 또 '오팔(Opal)'을 전자 현미경으로 보면 '실리카(SiO₂, 이산화규소)'의 공 모양 입자가 규칙적으로 배열되어 있다. 실리카의 공 모양 입자층에 빛이 반사되고 보는 각도에 따라 다양한 색이 나타난다. 그러나 실리카 층끼리의 간격이 너무 크거나 너무 작거나 또는 가지런하지 않으면 '빛의 간섭'은 일어나지 않는다. '진주'와 '오팔' 모두 층과 입자가 규칙적으로 나열되어 있는 점이 '유색 효과'에 중요하다고 할 수 있다.

4-2. 실러 효과

마그마가 식어 굳을 때, 결정 성분이 불안정해져 분리되어 교대로 얇은 막 상태가 되어 층을 만든다. 이렇게 해서 생긴 보석에는 막의 앞쪽과 안쪽에서 반사된 '빛이 간섭해, 특정 파장이 강해져 색깔을 띤 빛이 나타나는 경우가 있다. 이런 효과를 '실러 효과'라고 한다.

4-3. '캣츠아이 효과'와 '스타 효과'

보석 중에는 표면에 빛줄기가 빛나는 것처럼 보이는 것이 있다. 한 줄기인 경우 '캐츠아이 효과(cat's-eye effect )'라고 하고, 여러 줄기가 교차해 보이는 경우 '스타 효과(Star Effect)'라고 한다.

5. '보석'을 더욱 빛나게 하는 컷 기술

땅속에서 캐낸 원석 가운데는 그대로는 그다지 빛나지 않은 것도 있다. 아름다움을 이끌어내기 위해서는 돌이 지닌 특성과 디자인성을 고려한 '컷(Cut)'이 필요하다. '닦아야 보배'인 셈이다. 모양을 갖춘 원석을 다시 연마함으로써 빛나는 보석이 된다. '컷(Cut)'의 요소에는 '셰이프(Shape)'와 '스타일(Style)'이 있다.

셰이프(Shape): 우선 '셰이프(Shape)'는 돌 전체 모양을 가리킨다. '라운드(원)'와 '오벌(타원)', '하트' 등이 있으며, 원석의 형태를 살리는 경우가 많다.
스타일(Style): '스타일(Style)'은 돌을 빛나게 하기 위해 연마하는 방식을 말한다. 다양한 종류가 있는데, 크게 '패싯 컷(Facet Cut)'과 '카보숑 컷(Cabochon Cut)'으로 나누어진다.

5-1. 패싯 컷

'패싯 컷(Facet Cut)'은 보석의 표면을 각을 주면서 세밀하게 깎아내 많은 '패싯(Facet)'을 만드는 방법이다. '패싯(Facet)'이란 깎여서 세공된 보석의 한 '면(面)'을 가리키는 말이다. '패싯 컷'은 빛의 반사와 굴절을 이용해 보석이 내부에서부터 빛을 내는 효과를 얻을 목적으로 사용된다.

그중에서도 '테이블(Table)'이라고 하는 평탄한 윗면 둘레에 삼각형이나 서양 '연(Kite)' 모양의 면을 많이 배치한 '브릴리언트 컷(Brilliant Cut)'은 보석의 광채를 최대한 이끌어내기 위해 설계되었다. 또 '패싯 컷(Facet Cut)'에는 색의 아름다움을 극대화한 '스텝 컷(Step Cut)'도 있다. 보석의 바깥 둘레를 계단 모양으로 깎는 방법으로, '에메랄드 컷'이 대표적이다. 원래는 귀중한 '에메랄드 원석'의 크기를 최대한 살리는 방법으로 고안되었다.

5-2. 카보숑 컷

이에 비해 '카보숑 컷(Cabochon Cut)'은 보석을 하나의 곡면으로 연마하는 컷이다. '카보숑'은 프랑스어로 손톱을 의미한다. '금록석(Chrysoberyl)', '캐츠아이(Cat's eye)', '오팔(Opal)', '터키석(Turquoise)', '마노(Agate)' 등 반투명한 돌이나 투명한 돌에 적합하다. '카보숑 컷(Cabochon Cut)'을 하면 특수한 광채가 나타나는 경우가 있다. 그 대표적인 것이 '캐츠아이 효과(Cat's-eye Effect)'와 '스타 효과(Star Effect)'이다.

캐츠아이 효과(Cat's-eye Effect): '금록석(Chrysoberyl)'을 제대로 '카보숑 컷(Cabochon Cut)'하면 하나의 광선 띠가 보인다. 보는 각도에 따라 이 빛의 띠의 위치가 변하며 마치 고양이 눈처럼 보인다. 이 현상이 '캐츠아이 효과'이다. '금록석'이나 '수정' 등의 돌에는 '금홍석(루틸)' 등의 미세한 바늘 모양 결정이 돌의 내부에 같은 방향으로 나열되는 경우가 있다. 그러면 금홍석에 의해 반사된 빛의 일부가 띠 모양으로 빛나며 '선조'라고 하는 하얀색 빛의 띠가 되어 나타난다.
스타 효과(Star Effect): 또 '금홍석'의 미세한 바늘 모양 결정이 한 방향이 아니라 복수의 방향으로 생성되는 경우가 있다. 예컨대 '강옥(Corundum)'에서는 결정 구조가 세 방향으로 생성되는 경우가 있다. 이것을 적절하게 '카보숑 컷'하면 *모양의 빛의 띠가 나타난다. 이것이 '스타 효과'이다. '스타 효과'는 '캐츠아이 효과가 세 방향으로 일어나는 것이다.

6. 다이아몬드는 왜 빛나는가?

'보석의 왕'이라고 불리는 '다이아몬드'는 '반사'와 '굴절' 두 가지가 균형을 이루면서 아름다운 광채를 만들어낸다. 공기 속을 나아가는 빛이 다이아몬드 등의 투명한 물체의 표면에 도달하면, 빛은 '반사'와 '굴절'을 일으킨다. 그 가운데 반사를 일으키는 비율은 물체의 '굴절률'이라는 값에 의해 결정된다. 다이아몬드는 공기와 굴절률의 차가 커서 반사가 많이 되기 때문에 빛나 보인다. 또 '굴절률'은 '전반사'라는 현상에도 영향을 미친다. '전반사(Total Reflection)'란 어떤 각도 이상으로 입사한 빛이 투과하지 않고 모두 반사하는 현상을 말한다. 다이아몬드는 '전반사'도 일어나기 쉽다. 그래서 '컷(Cut)' 방법을 모색해, 윗면으로 입사했을 때 반사되지 않고 투과한 빛도 다이아몬드 밑면에서 전반사해 윗면으로 나온다. 그럼으로써 다이아몬드의 반짝거리는 광채가 나타난다. 더 나아가 '굴절률'은 말 그대로 빛의 굴절에도 영향을 미친다. 다이아몬드는 '빛의 파장'별로 굴절률이 크게 다른 성질을 가지고 있다. 따라서 프리즘처럼 백색광을 색깔별로 나누기 때문에 다양한 색으로 보인다. 이 현상을 '빛의 분산'이라고 한다.

'굴절', '반사', '전반사', '빛의 분산'을 최대한 살리도록 컷을 하면 윗면에서 입사한 빛은 다양한 색으로 나뉘면서 밑면에서 전반사해 윗면으로 나온다. 이때 다이아몬드의 독특한 광채가 최대한 나타난다. 그리고 그 이상적인 컷이 '라운드 브릴리언트 컷(Round Brilliant Cut)'이다. '라운드 브릴리언트 컷'은 1919년에 벨기에의 수학자이며 보석 세공사인 '마르셀 톨코우스키(Marcel Tolkowsky, 1899~1991)'가 수학적으로 계산해 고안했다.

다이아몬드의 보석 가치는 '캐럿(Carat)', '컬러(Color: 색)', '클래리티(Clarity: 투명도)', '컷(Cut)'의 '4C'로 결정된다. 1캐럿은 0.2g이다. 무색의 다이아몬드의 경우, 색은 완전 무색을 최고로 치며 엷은 노란색까지 23단계로 구분된다. '투명도'는 10배 '루페(확대경)'로 보았을 때 '상처'나 '내포물의 크기', '수', '위치'에 따라 11단계로 분류된다. '라운드 브릴리언드 컷(Round Brilliant Cut)'에서는 연마의 정확도와 질을 평가해 5단계로 등위가 매겨진다.

물질	굴절률
물	1.33
공기	1.00
다이아몬드	2.42
사파이어	1.76~1.77
가닛	1.72~1.94
황옥(토파즈)	1.62~1.63
에메랄드	1.57~1.58
수정	1.54~1.55

7. 보석의 다양한 이용

보석은 아름다울 뿐 아니라, 생활 주변의 제품부터 공업과 과학의 분야까지 폭넓게 활약한다.

7-1. 공업에 이용되는 보석들

보석에는 아름다움만이 아니라 '공업용 소재'로서 뛰어난 성질을 지닌 것도 있다. 그래서 '장신구로는 품질이 떨어지는 것'이나 '처음부터 인공적으로 합성된 것'이 공업적으로 이용된다.

인공 수정: 인공 보석의 대표격은 '인공 수정'이다. 정확하게 시각을 재는 '쿼츠 시계(Quartz Watch)'나 휴대 전화 내부 등 다양한 장치에 설치되어 있어, 현대 사회에서는 모든 사람의 주변에 있다.
다이아몬드(Diamond): '다이아몬드'는 그 단단한 성질을 이용해 굴착·절단에 널리 사용된다. 예를 들어 '노면'이나 '건물'을 절단하거나, 반도체 실리콘을 미세 가공하는 데 사용하는 커터에도 이용된다. 또 해저 밑을 굴착해서 지진 발생의 메커니즘 등을 밝히는 지구 심층부 탐사선 '지큐(CHIKYU)'에서는 끝에 인공 다이아몬드 입자를 부착한 드릴이 사용된다. '공업용 다이아몬드'의 대부분은 '인공 다이아몬드'이다.
루비(Ruby): 1902년에 인공적으로 처음 합성되어, 보석의 실용화를 시작한 것은 '루비'이다. 현재 인공 루비는 '모스 경도 9'의 단단한 성질을 이용해 연마제 등에 이용된다. 또 미용 용도로 검버섯이나 검정 사마귀 제거에 사용되는 '루비 레이저'는 레이저광의 '광원'이 되는 빛을 만들기 위한 소재로 루비를 사용한다. 이것은 검버섯이나 검정 사마귀에 포함된 '멜라닌(Melanin)' 색소가 루비 레이저가 방출하는 빨간색 빛을 잘 흡수하는 점을 이용한다.

7-2. 사파이어를 이용해 중력파를 포착한다.

한편, '사파이어'는 'LED의 기판', '손목시계의 표면 커버', '휴대폰의 카메라 렌즈' 외에, 중력파 망원경 '카그라(KAGRA)'에도 사용된다. '중력파'는 블랙홀끼리의 충돌 등으로 생긴 공간의 휘어짐이 파동으로 퍼져나가는 현상이다. KAGRA에서는 레이저광에 '센서(Sensor)'의 역할을 맡겨 공간의 휘어짐을 포착한다. 이 레이저광을 반사시키는 거울에 사파이어가 사용된다. '중력파에 의한 공간의 휘어짐'은 너무나도 크기가 작다. 따라서 거울 분자의 '열운동'마저 관측을 방해하는 노이즈가 된다. 사파이어 열을 아주 잘 전달하는 성질이 있어 열운동이 억제되기 때문에 거울의 소재로 선택되었다.

8. 보석 갤러리

8-1. 가닛

영어명: Garnet
성분: Mg₃Al₂(SiO₄)₃, 철(Fe), 크롬(Cr)

공통 구조를 지닌 몇 가지 광물의 총칭으로 다양한 혀애가 있지만 보석으로 다루는 것은 [Mg₃Al₂(SiO₄)₃]라는 '가닛(Garnet)'이다. 불순물로 들어간 '철(Fe)'과 '크롬(Cr)'으로 인해 짙은 빨간색을 띤다.

8-2. 다이아몬드

영어명: Diamond
산지: 아프리카, 오스트레일리아, 러시아, 캐나다 등

보석이 되는 다이아몬드는 아프리카와 오스트레일리아, 러시아, 캐나다 등에서 산출된다. 일반적으로 지하 150km보다 깊은 맨틀의 고온고압 환경에서 만들어진다. 기압에 따라 다르지만, 수만 기압, 1000℃ 전후의 환경이다. 맨틀에서 만들어진 다이아몬드는 초고속으로 분출하는 '킴벌라이트 마그마'라는 특수한 마그마에 의해 지상으로 운반된다. 분출할 때의 속도가 느리면 분해되어 흑연이 된다. 다이아몬드와 연필심의 재료인 흑연은 모두 탄소로 이루어지는데, 둘의 차이는 원자 배열과 결합에 있다. 다이아몬드는 인접하는 탄소 원자와 각각 공유 결합해 3차원 구조를 만든다. 이에 반해 '흑연'은 평면을 이루는 형태로 연결되어 있다. 면과 면 사이에는 거리가 있으며 결합도 약하다.

8-3. 래브라도라이트

영어명: Labradorite
성분: 회장석(CaAl₂Si₂O₈), 조장석(NaAlSi₃O₈)
특징: 실러 효과

'래브라도라이트(Labradorite)'는 '회장석(CaAl₂Si₂O₈)'과 '조장석(NaAlSi₃O₈)' 성분으로 이루어지며, 각각의 비율이 다른 얇은 막이 교대로 층을 이룬다. 파란 계열로 빛나는 것 외에 각도에 따라 무지개색으로 변하는 것도 있다.

8-4. 사파이어, 루빗

영어명: Sapphire
성분: 산화알루미늄(Al₂O₃)
산지: 오스트레일리아, 미얀마, 스리랑카, 마다가스카르, 탄자니아 등

사파이어는 광물로서는 '산화알루미늄(Al₂O₃)'이 결정화한 '강옥(Corundum, 커런덤)'으로 불린다. 다양한 색깔의 '사파이어(Sapphire)'가 있다. 강옥에 속하는 보석으로는 사파이어 이외에 '루비(Ruby)'가 있으며, 모두 변성암이나 현무암에서 산출되는 경우가 많다. '루비(Ruby)'와 사파이어(Sapphire)'의 차이는 '색깔'로, 강옥 가운데 진한 빨간색을 '루비', 옅은 빨간색과 그 이외의 색을 통틀어 '사파이어'라고 한다. 강옥' 자체는 원래 무색의 광물이지만, 결정 속에 불순물이 섞이면서 빨간색이나 파란색, 노란색, 초록색 등 다양한 색깔을 띤다. 예컨대 '블루 사파이어(Blue Spphire)'에는 불순물로 '철(Fe)'과 '티타늄(Ti)'이 들어 있다.

사파이어의 산지로는 '오스트레일리아(Australia)'와 '미얀마(Myanmar)', '스리랑카(Sri Lanka)' 외에 '마다가스카르(Madagascar)', '탄자니아(Tanzania)' 등이 잘 알려져 있다.

8-5. 오팔

영어명: Opal
성분: 함수 이산화규소(SiO₂·nH₂O)
특징: 유색 효과

'함수 이산화규소(SiO₂·nH₂O)'의 입자가 모여 여러 층으로 겹쳐 있다. 입자의 크기는 균일하지 않으며, 그 결과 강해지는 파장이 다르기 때문에 하나의 보석 안에 다양한 색깔이 혼재한다. '비단벌레'와 '모르포 나비(Morpho Butterfly)'의 날개와 원리가 같다. 빛의 회절로 인하여 보는 각도에 따라 여러 색을 볼 수 있는 현상을 '유색 효과(Play of Color)'라고 한다.

8-6. 월장석

영어명: Moonstone(문스톤)
성분: 정장석(SAlSi₃O₈), 조장석(NaAlSi₃O₈)
특징: 실러 효과

'월장석(Moonstone, 문스톤)'은 '정장석(SAlSi₃O₈)'과 '조장석(NaAlSi₃O₈)' 성분으로 이루어져 있다. 정장석 성분이 많은 곳과 적은 곳의 얇은 막이 교대로 겹쳐 층을 만드는데, 층과 평행하게 커트함으로써 간섭에 의해 흰색에서 파란색의 광채를 띤다. 우리말로 월장석이라고 한다.

8-7. 자수정, 황수정

영어명: 자수정(Amethyst), 황수정(Citrine)
성분: 이산화규소(SiO₂), 철
산지: 우랄 산지, 브라질, 우루과이, 미국, 한국, 스리랑카, 인도 등

'자수정(Amethyst)', '황수정(Citrine)'은 광물로서는 수정과 마찬가지로 '이산화규소(SiO₂)'가 결정화한 것이며 색깔은 불순물 때문에 생긴다. 수정은 지하에서 생긴 열수에 녹아 있던 규산이 차츰 냉각되어 결정화하면서 생긴다. '자수정(Amethyst)'은 이산화규소의 결정에 불순물로 철이 들어 있다. 전하의 이동으로 인해 4가가 된 철 이온이 노란색 파장을 흡수하기 때문에 보색 관계에 있는 청자색이 강하게 보인다. 가열하면 퇴색해 노란색의 '황수정(Citrine)'이 된다.

'자수정(Amethyst, 애미시스트)'의 주요 산출지는 '우랄 산지(Ural Mountains)', '브라질', '우루과이', '미국', '한국', '스리랑카', '인도' 등이다.

8-8. 천청석

영어명: Celestite
산지: 마다가스카르, 아메리카, 멕시코 등

'천청석(Celestite)'은 '황산스트론튬(SrSO₄)'이 주성분인 광물이다. 1781년에 이탈리아의 '시칠리아 섬(Sicilia Island)'에서 발견되었다. 마다가스카르 외에 아메리카, 멕시코 등에서 산출된다.

8-9. 첨정석

영어명: Spinel(스피넬)
성분: 마그네슘과 알루미늄 산화물(MgAl₂O₄)

'마그네슘과 알루미늄 산화물(MgAl₂O₄)'로 이루어진 광물이다. 붉은 계열은 '크롬(Cr)'이, 푸른 계열은 주로 '철(Fe)'이 착색의 원인이며, 크롬과 철의 비율에 따라 다양한 색깔이 존재한다.

8-10. 크리소베릴 캐츠아이

영어명: Chrysoberyl cat's eye
성분: 크리소베릴(BeAl₂O₄), 산화타이타늄(TiO₂)
산지: 캣츠아이 효과, 스타 효과

'크리소베릴(BeAl₂O₄)'에 '루틸(Rutile)'이라는 '산화타이타늄(TiO₂)'의 바늘 모양 결정이 불순물로 함유된 경우, 들어온 빛이 바늘 모양 결정 층에 반사되어 빛줄기로 나타난다.

8-11. 탄자나이트

영어명: Tanzanite
성분: 조이사이트[Ca₂Al₃(SiO₄)(Si₂O₇)O(OH)], 바나듐
산지: 탄자니아의 멜레라니 광산

'탄자나이트(Tanzanite)' '조이사이트[Ca₂Al₃(SiO₄)(Si₂O₇)O(OH)]'라는 광물이 '바나듐(V, 원자번호 23번)'을 함유해 파란색이 된다. '탄자니아'의 멜레라니 광산에서만 채취된다. 바나듐을 안정시켜 보다 짙은 파란색을 만들기 위해 가열 처리한다.

8-12. 토파즈

영어명: 토파즈(Topaz)
성분: '알루미늄(Al)'과 '플루오린(F)'을 함유한 규산염 광물

'알루미늄(AL)'과 '플루오린(F)'을 함유한 규산염 광물 [Al₂SiO₄(F,OH)₂]로, 노란색, 푸른색, 분홍색 등 색의 변화가 풍부하다. 결정 구조의 왜곡 때문에 다양한 색깔이 나타난다고 생각된다.

8-13. 투르말린

영어명: Tourmaline
성분: 붕소를 함유한 규산염 광물 [Na(Li, Al)₃Al₆(BO₃)₃Si₆O₁₈(OH)₄]

'투르말린(Tourmaline)'은 '붕소(B, 원자번호 5번)'를 함유한 규산염 광물 [Na(Li, Al)₃Al₆(BO₃)₃Si₆O₁₈(OH)₄]의 총칭이다. 가열하면 정전기를 띠는 것으로도 잘 알려져 있다. 이런 성질 때문에 '전기석'이라고도 한다. 한 보석에 두 가지 색상이 존재하는 '바이컬러(Bicolor)'이다. '핑크 투르말린(Pink Tourmaline)'의 착색 원인은 '망가니즈(Mn)'로, 망가니즈의 함유량이 많을수록 짙은 빨간색이 된다.

8-14. 페리도트

영어명: Peridot
성분: 감람석[(Mg,Fe)₂SiO₄]

지하 깊은 곳의 '맨틀(Mantle)을 만드는 '감람석[(Mg,Fe)₂SiO₄]' 중에서 아름다운 것을 '페리도트(Peridot)'라고 한다. 초록색 착색의 원인이 되는 것은 2가의 '철(Fe)'이다. 철 이온 함유량이 많아지면 초록색이 짙어진다. 철 이온의 양이 지나치게 많은 페리도트는 흑록색으로 불투명해진다.

8-15. 형석

영어명: Fluorite
성분: 플루오린화칼슘(CaF₂)
특징: 형광으로 색을 내는 효과

'형석(Fluorite)'은 '플루오린화칼슘(CaF₂)'이 주성분인 광물이다. 영어명 'Fluorite'은 주요 구성 원소인 '플루오린(Fluorine)'에서 기원한 것이다. 화강암 마그마가 식었을 때의 '페그마타이트(결정이 크게 성장한 화강암)' 속에서 산출되는 경우가 많다. 불순물에 따라 다양한 색을 띤다.

형광이지만 형광을 내지 않는 것도 있다. '형광으로 색을 내는 효과'는 자외선처럼 에너지가 높은 빛을 비췄을 때 결정 안에서 원자가 '여기 상태(Exited State, 들뜬 상태)'가 되고, 그것이 '기저 상태(Ground State, 바닥상태)'로 돌아갈 때 형광을 낸다.

현재글‘보석’의 과학