천연 다이아몬드와 모조석(큐빅)을 구별하기 위한 방법은 무엇인가요?

Question

천연 다이아몬드와 모조석(큐빅)을 구별하기 위해 레이저 빛을 조사했을 때, 탄소 격자의 진동 에너지만큼 빛의 파장이 시프트되어 산란되는 라만 산화 스펙트럼의 고유 패턴 차이를 이용한 분석 원리를 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

천연 다이아몬드와 모조석인 큐빅을 구별하기 위해 레이저를 조사하여 라만 산란 스펙트럼을 분석하는 원리는 물질 고유의 분자 진동 지문을 확인하는 것과 같습니다. 단색광의 레이저 빛을 물질에 쏘면 대부분은 원래 파장 그대로 튕겨 나가지만, 아주 미량의 빛은 물질을 구성하는 원자들의 결합 격자 진동과 상호작용을 일으킵니다. 이때 빛이 에너지를 잃거나 얻으면서 처음 입사된 레이저 파장과 다른 파장으로 변하여 흩어지는 현상을 라만 산란이라고 합니다. 파장이 시프트되는 차이는 정확히 그 물질의 결정 격자가 가진 고유의 진동 에너지 크기와 일치합니다.

​탄소 원자들이 단단한 공유 결합으로 완벽한 정육면체 대칭 구조를 이루고 있는 천연 다이아몬드는 격자 진동 에너지가 매우 독특하고 강력합니다. 이에 따라 다이아몬드에 레이저를 조사하면 일삼삼이 카이저 부근에서 폭이 좁고 대단히 날카로우며 강한 단 하나의 피크가 스펙트럼에 나타납니다. 이 신호는 다이아몬드가 구조적으로 완벽한 탄소 결정체임을 증명하는 고유한 지문입니다.

​반면 큐빅 지르코니아는 탄소가 아닌 지르코늄과 산소로 이루어진 금속 산화물 구조입니다. 결합을 형성하는 원자의 질량과 결합 강도가 다이아몬드와 완전히 다르기 때문에 발생하는 격자 진동 에너지 역시 차이가 납니다. 큐빅은 다이아몬드의 날카로운 신호 대신 전혀 다른 위치에서 여러 개의 뭉툭하고 넓은 피크 패턴들을 보여줍니다. 따라서 레이저 빛을 쏘았을 때 일삼삼이 카이저의 독보적인 단일 피크가 정밀하게 검출되는지 확인하면 보석을 깎거나 손상시키지 않고도 천연 다이아몬드 여부를 완벽하게 판별할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

천연 다이아몬드와 모조석인 큐빅을 구별하는 방법 중 하나는 라만 분광법을 이용하는 것입니다. 이 방법은 물질에 레이저를 비췄을 때, 결정 격자의 진동과 상호작용한 빛이 원래와 다른 에너지로 산란되는 현상을 분석하여 물질의 고유한 구조를 판별하는데요, 레이저가 다이아몬드 표면에 조사되면 대부분의 빛은 원래 에너지 그대로 산란됩니다. 하지만 일부는 결정 내부 원자들의 격자 진동과 에너지를 주고받아 파장이 변한 상태로 산란되고,이를 라만 산란이라고 하는데요, 이때 변화한 파장 또는 파수 이동량은 물질의 화학 결합과 결정 구조에 따라 고유한 값을 가집니다.

천연 다이아몬드는 sp³ 결합을 가진 탄소 원자들이 매우 규칙적인 결정 격자를 이뤄서 라만 스펙트럼에서 약 1332 cm⁻¹ 부근의 뚜렷하고 날카로운 피크가 나타납니다. 이 피크는 다이아몬드 탄소 격자의 특유 진동 모드를 반영한 것인데요, 반면 큐빅 지르코니아는 탄소가 아니라 산화지르코늄 기반 결정이므로 격자 구조와 원자 진동 방식이 완전히 다릅니다. 따라서 라만 스펙트럼에서도 다이아몬드의 1332 cm⁻¹ 피크 대신 여러 개의 다른 위치 피크가 나타나며, 스펙트럼 형태 자체가 달라집니다. 즉, 시료에 레이저를 조사한 뒤 얻은 라만 스펙트럼을 비교하면 다이아몬드는 약 1332 cm⁻¹의 강하고 선명한 단일 피크가 나타나고, 큐빅 지르코니아는 서로 다른 위치의 복수 피크, 다이아몬드 특유 피크가 없습니다. 감사합니다.