2014년 1월 13일 월요일

광물의 특성 - 색상

"광물은 아름답고 다채로운 색상을 갖고 있다."

이것이 광물 수집에서 핵심이자 매력이다. 광물의 색상은 흰색, 검은색은 물론 빨, 주, 노, 초, 파, 남, 보의 무지개 색을 포함한 팔렛트의 모든 색상을 카버할 만큼 아주 다양하다. 지면상 다 보여 줄 수 는 없지만, 몇가지 표본을 통해 그 아름다움을 엿보기로 하자.

순수한 석영은 무색투명하지만 (일반적으로 수정이라고 함), 다른 광물질이 내포되면 다양한 색상을 나타내게 된다.

옆의 사진은  석영(SiO2)내에 적철광(hematite, Fe2O3)이 내포되어 이렇게 붉은 빛갈을 띄게 되었다. Hematite라는 이름 자체가 희랍어로 붉다는 것에서 유래된 만큼 선사 이전 부터 붉은 색 안료로 동굴 벽화 등에 사용되었다.

윤기가 흐르는 Hot Red색의 이 광물은 납 광물의 한종류인 wulfenite(PbMoO4)라는 광물이다.
이 wulfenite는 언제나 이 색상을 나타내는 것이 아니라 노란색,오랜지색, 회색등 아주 다양한데, 이는 불순물의 영향과 조성비의 미묘한 차이로 다양한 색상을 보여준다.

우리가 아는 순수 납은 칙칙한 회색이지만, 모리브덴과 산소와 화학 결합하면서 아름다운 빛깔을 띄게 되어 광물 수집가들에게는 아주 인기있는 광물중의 하나다.

이 표본은 러시아에서 채취된 자연 유황(Sulphur, S)의 아름다운 결정이다. 온천이나 화산지대에 가면 유황은 흔히 볼 수 있는데, 대개 노란 파우더 형으로 본 기억이 날 것이다.

이렇게 투명하면서 약간은 연초록 빛이 나는 것은 흔치 않다. 세계 각처에서 쉽게 볼 수 있는 것이지만, 특히 이탈리아의 시실리에서 아주 훌륭한 표본이 채취되었고, 그 가치 역시 거의 보석과 동등한 수준으로 인정 받고 있다.

이 밝은 오렌지색의 광물은 Aragonite(CaCO3)라는 광물이다.
탄산을 함유한 지하수가 조개 껍질층을 통과하면서 만들어낸 종유석의 일종이다.
Aragonite이라고 늘 이런 색상을 보이지 않는다. 이 광물이 생성될 때 환경 조건에 따라 다양한 색상을 나타낼 수 있다.

옆 밝은 하늘색 광물은 Chrysocolla(CuSiO3.2H2O)라는 구리와 실리카, 그리고 물의 화합물이다.

일반적으로 구리가 녹 쓸면 파랗게 변하듯이 구리의 산화물은 초록이나 푸른 빛을 띤다. 이 푸른 색에 산화실리카와 물이 결합되어 그 빛갈을 더 밝은 하늘 빛으로 만들어냈다.

옆 표본은 위의 오렌지색 Aragonite와 같은 Aragonite이지만,전혀 다른 푸른 빛 색상을 보이고 있다.
오렌지색은 산화철이나 카드뮴의 이온의 불순물 덕택이고 이 푸른색은 구리 이온의 영향이다. 이 표본의 하단부에 보라 빛 파우더 코팅은 Veszelyite라는 아주 희귀하고 복잡한 화학 조성(아연, 구리, 인, 비소, 물)을 가진 또 다른 광물이 있어 그 아름다움을 더 한다.

위에 몇가지 표본의 사례를 들어 광물이 색상이 얼마나 다양하고 생성 조건에 따라 전혀 다른 색을 보여 줄 수도 있다는 것을 개략적으로 소개하였다.

특히 아름다운 결정의 내부에서  풍겨져 나오는 아름답고 신비로운 빛깔은 어떤 화가의 붓으로도 표현해낼 수 없는 조물주의 작품이다. 다양한 색상의 광물은 무기 안료의 재료로 현대에서도 많이 사용되지만, 인류가 문명 이전 사회부터 안료로 사용해왔던 아주 친숙한 물질이다.

BC 15,000전에 그려진 스페인의 알타미라 동굴 벽화,고대 이집트의 벽화나 예술품에도 많이 사용되었고 또한, 아이쉐도우 등 화장품으로도 많이  이용되었다.여기에 사용된 붉은 색은 위에서 본 산화철(hematite, Fe2O3) 안료이고, 검은 색은 산화망간으로 된 안료이다.

이처럼 광물이 다양한 색상을 갖게 되는 것은 화학조성, 결정구조, 불순물, 물리적 효과에 기인한다.

이중 특히 발색 원소의 영향이 가장 크다. 이들 발색 원소 '티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 니켈, 코발트, 구리'는 원자구조에서 전자 껍질이 불완전하여 복사 에너지를 흡수하게 되어 특정의 색상을 띄게 된다. 우리가 보는 사물의 색상은 가시광선의 스펙트럼에서 흡수되지 않고 통과된 빛이나, 반사된 빛이다. 모든 가시 광선이 흡수되면 검은 색이 되고,모두가 통과 되면 흰색이 된다. 예로서 붉은색은 타 가시 광선은 흡수되고 붉은 빛만  통과하거나, 반사된 색의 결과이다.

Vanadinite, 모로코
Cu 2+: 녹색(공작석 Malachite), 군청색(남동석 Azurite)
Cr 2+: 붉은 색(ruby), 녹색 (emerald)
Fe 2+: 청색(Aquamaline)
Fe 3+: 분홍색에서 붉은 색(방해석 ,석영 등)
Mn2+: 분홍색 (능망간석)
Co2+: 담홍색(erythrite,방해석,백운석)
V2+: 황색 또는 적색(vanadinite)

이 같은 발색원소가  광물의 주 성분으로 된 광물을 자색 광물, 발색 원소가 불순물로 되어 색을 띄는 광물을 타색 광물이라 한다.

에메랄드, 콜럼비아
아쿠아마린, 아프가니스탄
동일한 Beryl이라도 Cr이 불순물로 들어 있으면 초록빛 에메랄드가 되고, Fe이 불순물로 존재하면 하늘색 빛깔의 아쿠아마린이 된다.

강옥(corundum)의 경우도 사실 값비싼 보석인 강옥은 그다지 귀하지 않을것 같은 산화 알미늄이다. 루비는 크롬이 불순물로 내포되었기 때문에 붉은 색을 띈다. 반면, 사파이어는 불순물 때문에 청색을 띈다. 붉은 빛 강옥만이 루비로 불리는 반면에 핑크, 그린, 자주 빛을 띈 강옥도 있지만, 상업적 목적으로 핑크 사파이어, 그린 사파이어 등으로 호칭되고 있다.

일반적인 색상과는 별개로 물리적 효과 즉, 빛의 굴절, 반사, 회절 및 간섭에 의한 몇 가지 독특한
색상 변화가 있다.

라브라도라이트, 캐나다

광물을 회전시킬 때 색채가 대를 이루면서 급히 변하는 것을변채(play of color)라 하고 라브라도라이트가 이 현상을 잘 나타내고 있다. 즉, 정면에서 볼 때와 측면에서 볼 때 전혀 다른 색감을 보인다.

본체에 비해 색채의 변화가 약하고 색채가 넓게 나타나는 것을 천채(change of color)라 하며 tiger's eye에서 잘 나타난다.

단백석의 내부에서 초현미경적인 층상구조나 또는 규칙적으로 배열된 작은 구상체에 의한 빛의 굴절현상에 의해 나타나는 우유 빛 또는 진주 빛의 빛을 단백광(opalescence), 광물 표면의 엷은 피막이나 벽개에 의한 굴절 및 반사에 의해 무지개 색깔이 나타나는 훈색(iridescence) 현상이 있다. 물위에 기름막이 있을 때의 무지개 빛 현상과 동일하다.

섬유상의 광물에서 볼 수 있는 견사와 유사한 느낌을 주는 것을 섬유광(chatoyancy)이라 하고 섬유상 석고에서 잘 나타난다.

여섯 방향으로 빛이 강하게 반사하는 현상, 즉 별 빛 처럼 나타나는 현상이 성채(asterism)현상으로 스타루비, 스타사파이어 등 보석류에 잘 나타난다. 광물의 내부 또는 벽개면에 평행하게 존재하는 미세한 불순물에 빛이 반사하여 나타나는 섬광(Schiller)현상들이 있다. 또 결정구조의 차이에 의해 색이 다르게 나타나는 좋은 예로 검은 흑연과 무색의 다이아몬드는 모두 탄소로 구성 되어 있지만, 탄소 원자의 결합 방식이 다르기 때문이다.

결정 구조의 결함, 구조적 불완전성에 의해서도 색이 나타날 수 있다.

연수정(smoky quartz)은 무색 투명한 수정이 자연상에서 오랫동안 방사선X선 에 노출되면 구조상 결함 격자가 생겨 나타난다.

이 현상을 이용해 투명도가 낮고 상품성이 떨어지는 rock quartz를 의도적으로 X선 처리를 해 상대적으로 값이 비싼 연수정으로 만들기도 한다. 이처럼 다양한 조건에 따라 다양한 색상이 나타나고 물리적 현상에 의해서도 다채로운 색감이 나타나는 데 이게 광물의 매력이다. 그래서 선사 이전 부터 인간의 사랑을 받아왔고 오늘 날 아름다운 보석과 장식품에 엄청난 가치를 부여하고 있는 것이다.

[참고 자료]
- Dana's Text Book of Mineralogy
- Prehistoric Art
- 광물학 원론(김수진)
- 보석광물의 세계(문희수)

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