4.4 광섬유와 보석

Reporting Date: November. 28, 2024

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첨단 세라믹스의 포함되는 광섬유와 인공 다이아몬드에 대해 다루고자 한다.

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목차

01 광섬유 (Optical Fiber)
02 보석 (寶石, Gemstone)
03 다이아몬드
04 합성 다이아몬드
05 다이아몬드의 역사

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01 광섬유 (Optical Fiber)

빛을 이용하여 신호를 전송하는 전송 매체로,
주로 유리로 제작되며, 매우 얇고 유연한 특성을 지닌다.

이러한 특징 덕분에 정보 전송 분야에서 중요한 역할을 한다.

 

 

구조

1. 코어 (Core)

광섬유의 중심 부분으로 빛이 직접 전파되는 경로.
고굴절율 유리로 만들어져 있으며, 정보 전송의 핵심 역할을 한다.

 

2. 클래딩 (Cladding)

코어를 감싸고 있는 외부 유리 층.
저굴절율 유리로 이루어져 있어, 빛이 코어 내부에 머물도록 전반사를 유도한다.

 

3. 코팅 (Coating)

클래딩 바깥을 감싸는 보호층으로 주로 플라스틱 재질.
광섬유를 물리적 손상이나 환경적 요인(습기, 열)으로부터 보호하는 역할을 한다.

이 두 유리층이 내부에서 빛을 가두는 원리로 작동하여, 빛이 고속으로 이동할 수 있다.

광섬유를 통해 디지털 신호를 전송할 때, 빛을 켜고 끄는 방식으로 0과 1의 신호를 전송한다.
빛이 통과하면 '1', 빛이 없으면 '0'으로 해석된다.

 

 

특징

빛의 속도는 매우 빠르기에, 신호 전송도 매우 빠르다.
다만, 스마트 기기나 네트워크 장비의 처리 속도에 따라 신호의 전송 속도가 영향을 받을 수 있다.

광섬유는 신호 손실이 적어, 수백 또는 수천 킬로미터까지 신호를 전달할 수 있다.
이를 이용해 해저 광섬유 케이블이 대양을 가로질러 전 세계를 연결한다.

 

 

해저 광섬유 케이블 설치 방법

① 광섬유 케이블을 선박에 말아 놓는다.

이 선박은 일반적으로 케이블 레이어(Cable Layer)
또는 케이블 설치선(Cable Laying Ship)이라고 하며,
대형 케이블 레이어에 경우, 대형 화물선이나 유조선에 가까운 크기이다.

 

② 설치 지점에 도착한 뒤, 케이블을 조금씩 풀어가며 해저에 놓는다.

각 케이블 마디마다 풍선이나 부력 장치가 부착되어 있어
케이블이 천천히 바다 속으로 내려가도록 돕는다.

이 풍선들은 케이블이 너무 빠르게 가라앉아 손상되는 것을 방지한다.

또한, 광섬유 케이블 외부는 폴리에틸렌(PE)로 감싸져 있어,
물고기나 해저 바닥에서 오는 충격으로부터 광섬유를 보호하는 기능을 한다.

 

③ 선박에 설치된 장비는 케이블을 해저 바닥에 맞춰서 정확히 놓을 수 있도록 조정된다.

필요시 트렌처(Trencher) 또는 ROV(무인 잠수정)와 같은 추가 장비가 사용되어,
케이블을 해저에 묻거나 고정할 수 있도록 돕는다.

 

④ 케이블을 설치하는 동안 실시간 모니터링 시스템이 작동하여
케이블의 상태와 설치 위치를 추적한다.

이 시스템은 케이블이 올바르게 설치되었는지 확인하고,
문제가 발생하면 즉시 조치를 취할 수 있도록 한다.

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02 보석 (寶石, Gemstone)

자연에서 발견되며 높은 압력과 온도에서 형성된 순수한 단결정 물질.

이러한 조건은 지구 내부의 깊은 지층에서 발생하며,
이곳에서 원자들은 가장 안정적인 배열을 이루는 구조로 재배치된다.

주로 화산 활동이나 지각 변동을 통해 지표면 가까이로 이동하여 발견된다.

 

특징

희소성이 뛰어나 특정 지역에서만
형성되고 발견되기 때문에 매우 드물어 높은 가치를 지닌다.

또한 내구성이 강해 높은 경도와 화학적 안정성 덕분에 쉽게 손상되지 않으며,
독특한 색상과 투명도, 그리고 뛰어난 빛 반사 특성 덕분에 귀중하게 여겨진다.

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1. 주요 보석

 

① 루비 및 사파이어

(Ruby / Sapphire, Al₂O₃ 산화 알루미늄)

루비는 산화 알루미늄에 크롬(Cr)이 미량 포함되어 붉은색을 띠며,
사파이어는 티타늄(Ti)과 철(Fe) 등의 불순물이 색상을 변형시켜
파란색을 비롯한 다양한 색상을 나타낸다.

 

②  다이아몬드 

(Diamond, C 순수탄소)

탄소 원자들이 3차원 구조로 결합한 매우 견고한 결정체로,
지구에서 가장 단단한 천연 물질로 알려져 있다.

 

③  수정 

(Quartz, SiO₂ 이산화 규소)

다양한 색상으로 존재하며, 맑고 투명한 형태가 보석으로 사용된다.
자수정, 황수정 등 다양한 변종이 있다.

 

④ 에메랄드

(Emerald, Be₃Al₂Si₆O₁₈ 베릴알루미늄실리케이트)

녹색의 색상을 띠며,
이는 결정 구조 내의 크롬(Cr) 또는 바나듐(V) 원소 때문이다.
매우 희귀하며 결함이 많은 경우가 흔해 보석 품질을 유지하기 어렵다.

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2. 형성 과정

 

보석은 지구 깊은 곳에서 형성되며,
이 과정은 주로 고온과 고압 상태에서 이루어진다.

지구의 내부는 여러 층으로 구성되어 있으며,
보석이 형성되는 주요 환경은 맨틀이나 지구 깊은 곳이다.

약 1,000 ~ 2,000°C의 고온과 수백 기압 이상의 고압 환경이므로,
원소들이 결합하거나 결정화가 일어날 수 있는 상태가 된다.

즉, 이 환경에서 원소들이 결합하여 보석이 될 수 있는 단결정 구조를 만든다.

 

보석이 지구 깊은 곳에서 형성된 이후,
화산 활동이나 지각판의 융기 현상에 의해 지표 근처로 이동하게 된다.

화산 폭발의 경우, 고온에서 형성된 보석이 지표로 튕겨 나오고
지각판의 융기 현상에서는 지구 표면 근처에서 보석이 드러나면서 발견된다.

 

결정화 과정

보석은 시간이 지나면서 안정적인 결정 구조를 형성하는 과정을 겪는다.
이 과정에서 특정 원소들이 결합하여 결정체를 이루게 된다.

원자들은 일정한 규칙을 따라 배열되면서 고유의 결정 구조를 형성한다.
이 과정은 천천히 진행되며, 시간이 지나면서 구조가 안정화된다.

이러한 구조들은 보석의 경도, 광택, 색상 등 물리적 특성에 큰 영향을 미친다.
이는 더 높은 경도와 빛 반사 능력을 가질 수 있게 되며, 미적 가치가 크게 증가한다.

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03 다이아몬드

Diamond 또는 금강석(金剛石)
4월의 탄생석

 

18세기,
프랑스의 화학자 앙투안로랑 드 라부아지에

(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743–1794)

그는 다이아몬드, 석탄, 흑연을 태우는 실험을 통해
이들 모두에서 동일한 기체인 이산화탄소(CO₂) 가 발생함을 발견했다.

이 실험은 그 당시 다이아몬드와 흑연이
서로 다른 물질로 여겨졌던 시대에 중요한 의미를 가졌다.

 

질량 보존의 법칙

(Law of Conservation of Mass)

화학 반응에서 반응물의 총 질량은 생성물의 총 질량과 항상 같다는 법칙.
물질은 화학 반응 중 새로운 형태로 변환되더라도 생성되거나 소멸되지 않으며
단지 배열만 바뀌기 때문에 총 질량은 변하지 않는다.

라부아지에는 연소 과정에서 반응한 산소(O₂)의 질량과
생성된 이산화탄소(CO₂) 질량을 정확히 측정했다.

그 결과 반응 전후의 총 질량이 같다는 것을 확인했다.

 

그는 다이아몬드, 석탄, 흑연은
서로 다른 형태의 탄소 동소체임을 입증했다.

모든 연소 과정에서 동일한 산물이 생성되므로
동일한 원소 탄소로 이루어져 있음을 밝혔다.

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04 합성 다이아몬드

 

1955년,
미국의 다국적 기업 GE는
합성 다이아몬드를 최초로 제조하였다.

(General Electric)

이는 흑연을 고온 고압 조건에서 처리하는 방식으로 이루어졌다.

이 실험은 다이아몬드가 자연에서 형성되는 것과 유사한 조건에서
합성될 수 있음을 보여준 중요한 사건이었다.

이 실험에서는 주요 원료로 흑연을 사용하였으며, 다이아몬드 형성에
필요한 1,400 ℃ 의 고온과  55,000atm 의 고압 환경을 모방하였다.

이 조건에서 탄소 원자들이 정밀하게 결합하여 다이아몬드 결정 구조가 형성하였다.

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인공 다이아몬드

다이아몬드는 자연적으로 형성되거나 인공적으로 합성될 수 있으며,
다음과 같은 두 가지 주요 특성으로 인해 다양한 산업 분야에서 활용된다.

 

① 최고의 경도

자연에서 발견되는 물질 중 가장 높은 경도를 가진다

모스 경도(Mohs Hardness): 10

이 특성 덕분에 산업용 절단 공구, 연마재, 드릴 비트 표면 코팅 등
고강도 작업이 필요한 도구에 사용된다.

단단한 재료를 절단하거나 천공하는 과정에서도
쉽게 마모되지 않아 효율적이다.

 

② 높은 열 전도율

비금속 물질 중 최고 수준의 열 전도율을 가지며,
구리보다 약 5배 높은 열전도성을 보인다.

이러한 특성은 전자 기기나 고성능 반도체 장치에서
발생하는 열을 빠르게 방출하는 데 유용하다.

이로 인해 CPU, 레이저 다이오드, 고출력 광학 시스템 등에서
열 관리 재료로 사용될 수 있다.

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두 가지 특성의 활용

 

1. 드릴의 표면에 매우 적은 양의
인공 다이아몬드를 덩어리 형태로 뭉쳐서 붙여 사용한다.

이 방식은 다이아몬드의 경도를 활용하여
천공, 절단, 연마, 미세 가공 등 다양한 작업에서 효율적으로 쓰인다.

 

① 천공: 금속, 암석, 콘크리트 등 다양한 소재를 뚫는 데 사용된다.
이는 드릴의 수명이 길어지며, 고속으로 작업을 할 수 있다.

② 절단: 다이아몬드 절단 휠이나 절단기를 이용하여
강철, 콘크리트, 대리석 등을 손쉽게 절단할 수 있다.

③ 연마: 반도체 제조나 고급 광택이 필요한
장비 연마에 다이아몬드를 연마재로 사용한다.

④ 미세 가공: 고정밀 부품 가공이나
미세한 표면 처리가 필요한 작업에서도 사용된다.

 

 

2. 전자 제품의 열 방출을
효율적으로 도와 과열을 방지한다.

전자 제품에서 온도는 매우 중요한 요소이다.

전자 기기나 컴퓨터 칩 등의 고속 작동 장치에서는
전류가 흐를 때 발생하는 열을 효율적으로 방출해야 하며,
그렇지 않으면, 부품이 과열되어 성능 저하나 손상이 발생할 수 있다.

그래서 보통 구리와 같이 열전도율이 높은 물질이 열을 분산시키는 데 사용된다.

다이아몬드는 구리보다 열전도율이 훨씬 높기 때문에,
열을 빠르게 전달하고 기기 내부의 온도를 균등하게 분배하는 데 매우 유용하다.

다이아몬드를 손에 올리면 열을 빠르게 전달받아 따뜻하게 느껴지고,
얼음 위에 놓으면 빠르게 차가워지는 효과를 볼 수 있다.

이러한 빠른 열 전달 특성 덕분에 고성능 전자 기기나 반도체 장치에서
열 관리에 사용되며, CPU, GPU와 같은 장치의 과열을 방지하고
효율적인 쿨링 시스템을 제공한다.

 

① 고성능 전자 제품:
반도체나 컴퓨터 칩에 사용된다.

② 레이저와 광학 장비:
레이저 다이오드나 광학 장비에서 활용된다.

③ 고급 열 방출 장치:
고성능 엔진이나 전력 변환 장치 같은 분야에서도 활용된다.

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05 다이아몬드의 역사

다이아몬드는 고대부터 희귀하고 아름다운 보석으로 여겨졌다.

 

1840년,
영국의 빅토리아 여왕이 앨버트 공과의 결혼식에서
 하얀 드레스를 입은 것이 이후 결혼식 드레스 전통에 큰 영향을 미쳤다.

당시 하얀색 드레스는 순수와 결백을 상징하게 되었으며,
이후 많은 유럽 귀족들이 이를 따르기 시작했다.

 

다이아몬드 반지

빅토리아 여왕은 결혼식에서 다이아몬드보다
금과 사파이어 장식이 된 반지를 사용했다.

그러나 다이아몬드가 결혼 반지로 인기를 끌게 된 것은 그보다 후대의 일이다.

다이아몬드가 본격적으로 "사랑과 불멸"의 상징으로 자리 잡게 된 것은
1930년대 미국에서 De Beers 회사의 마케팅 캠페인 때문이다.

"A Diamond is Forever"라는 광고 문구가 대중적으로
다이아몬드를 결혼 반지로 사용하는 문화에 크게 기여했다.

 

다이아몬드의 상징

다이아몬드는 어떤 물질로도 긁히지 않으므로,
"영원성"을 상징하기도 한다.

하지만 깨짐(취성, Brittleness) 성질을 가지므로
큰 충격을 받으면 쉽게 깨질 수 있다.

또한, 수억 ~ 수십억 년의 시간이 지나면 흑연으로 변할 가능성이 있다.

이는 열역학적으로 흑연이 다이아몬드보다
에너지가 낮고 더 안정적인 상태이기 때문이다.

다만, 자연 상태에서는 이러한 변화가 매우 느리게 진행되며,
고온·고압 환경에서는 이 변환이 가속화될 수 있다.

이러한 다이아몬드의 특성은 사랑의 속성과 비유되기도 한다.

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색상의 다양성

 

1.   순수한 다이아몬드는 투명하다. 

① 결정 구조

다이아몬드는 탄소 원자들이 정사면체 구조로 강하게 결합된 결정체이다.
이 구조는 매우 균일하여 빛이 산란되지 않고 내부를 통과할 수 있도록 한다.

 

② 전자 대역 구조

다이아몬드는 전자 대역폭이 매우 넓어
가시광선 영역의 빛을 흡수하지 않기 때문에 빛이 대부분 투과한다.

 

③ 불순물 없음

다른 원소가 거의 포함되지 않아
빛을 방해하거나 색을 띠게 하는 요인이 없다.

 

 

2. 불순물을 첨가하면 색상을 바꿀 수 있다.

① 옐로 다이아몬드
소량의 질소(N)를 첨가하면 노란색을 띈다. 

영화 '티파니에서의 아침'에서 등장하면서 대중에게 더욱 잘 알려졌다.

(Breakfast at Tiffany's, 1961)

대표적인 옐로 다이아몬드는
Sun-Drop(태양의 눈물)로 110.3캐럿의 크기를 가진다.

2011년 11월 소더비(Sotheby's) 제네바 경매에서
약 1억 240만 달러(당시 약 140억 원)에 낙찰되었다.

 

② 블루 다이아몬드
소량의 붕소(B)를 첨가하면 푸른색을 띈다.

일반 무색 다이아몬드보다 10배 이상의 가치를 지닌다고 알려져 있다.

대표적인 블루 다이아몬드는
Blue Hope(블루 호프)로 약 45.52 캐럿의 크기를 가진다.
현재 시세로 추정되는 가치는 약 2억 5천만 달러(약 3,300억 원)이상이다.

이 다이아몬드를 가진 사람들은 불행이나 재앙에 휘말린다는 미신이 있다.
현재 워싱턴 D.C. 국립 자연사 박물관에 전시되어 있다.
(National Museum of Natural History)

 

3. 결정구조를 바꾸면 색상을 바꿀 수 있다.

③ 핑크 다이아몬드
특정한 압력으로 결합 구조가 살짝 뒤틀리면 분홍색을 띈다.

내부의 미세한 압력 변화나 격자 구조의 결함에 의해 발생하는 것으로,
이 결함들이 특정 빛을 흡수하고 반사하는 특성을 만들어낸다.

대표적인 핑크 다이아몬드는
Pink Legacy(분홍빛 유산)는  18.96 캐럿의 크기를 가진다.

2018년 11월 스위스 제네바에서 진행된 크리스티 경매에서
5,037만 5,000스위스프랑(당시 약 574억 원)에 낙찰되었다.

영화 '색, 계'('色·戒', 2007)에 등장한
핑크 다이아몬드 반지는 까르띠에에서 제작된 소장품이다.

 

다이아몬드는 단순히 물리적 특성을 넘어,
사랑과 희귀함을 상징한다.

시대에 따라 다양한 영화나 역사적 사건 속에서
특별한 의미를 부여받으며 그 가치를 지속적으로 인정받고 있다.

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