자시다 선 지음

연마재로 사용하는 다이아몬드 연마재의 종류는 원석이 얼마나 잘 남고 최종 표면의 품질이 얼마나 좋은지를 결정합니다. 보석 연구소와 광학 공학 분야의 연구를 통해 그 이유를 밝히고, 작업장의 여러 관행을 측정 가능한 규칙으로 바꿔놓았습니다.

개요

2015년, 서호주에 위치한 리오 틴토의 아가일 광산에서 9.17캐럿짜리 보라색 원석이 발견되었습니다. 아가일 광산의 숙련된 연마사 리처드 하우 킴 캄은 이 원석을 2.83캐럿짜리 타원형 다이아몬드로 연마했고, GIA는 이 다이아몬드를 팬시 딥 그레이시 블루시 바이올렛으로 감정했습니다. 연마된 다이아몬드는 원석 무게의 30.9%를 유지했으며, 업계 보고서에 따르면 연마 시간은 80시간 이상 소요되었습니다.

매 시간마다 어디에서 재료를 제거하고 어디에 남겨둘지 결정해야 했습니다. 다이아몬드는 극단적인 경우인데, 오직 다이아몬드만이 다이아몬드를 마모시킬 수 있기 때문입니다. 가장 단단한 유색 보석에도 같은 문제가 적용됩니다. 루비, 사파이어, 크리소베릴의 경우, 연마재가 원석이 얼마나 남을지, 면이 얼마나 평평하게 유지될지, 최종 표면이 얼마나 매끄러워질지를 결정합니다.

이 글은 작업 현장의 구전 지식이 아닌 공개된 데이터를 바탕으로 해당 질문을 검토합니다. 핵심 주장은 다이아몬드 연마재의 가장 중요한 특성은 평균 입자 크기가 아니라 가장 큰 입자의 크기라는 것입니다.

경도는 하나의 숫자로 표현되지 않습니다.

모스 경도계는 어떤 광물을 긁었을 때의 경도를 기준으로 광물의 경도를 매깁니다. 하지만 어느 광물이 다른 광물보다 얼마나 더 단단한지는 알려주지 않습니다. 경도 차이는 압입 시험을 통해 알 수 있습니다. 윈첼은 크누프 압입기를 사용하여 커런덤의 경도를 약 2,000, 다이아몬드의 경도를 약 8,000으로 측정했습니다. 이 두 광물 사이의 모스 경도 차이는 대략 네 배에 달하며, 이것이 바로 다이아몬드가 커런덤을 연마하는 데 실용적인 재료인 이유입니다.

경도는 문제의 일부일 뿐입니다. 가공 과정에서 벽개, 결정 구조 및 결정 방향이 더 중요한 경우가 많습니다.

커런덤은 쪼개짐이 없는 돌이라도 연마 속도가 빠른 방향과 느린 방향이 존재함을 보여줍니다. Cao와 그의 동료들은 사파이어의 네 가지 면에 대한 화학적 기계적 연마 연구에서 C면(기저면)에서는 5.93 nm/min, R면에서는 2.47 nm/min의 연마 속도를 측정했는데, 이는 동일한 조건에서 2.4배의 차이입니다. 앞서 럿거스 대학교에서 진행된 연구에서도 사파이어의 C면에서 연마 속도가 가장 빠르다는 결과가 나왔습니다.

두 연구 모두 다이아몬드 연마재가 아닌 실리카 또는 알루미나 슬러리를 사용하는 산업용 웨이퍼 공정을 사용했으므로, 해당 연구 결과의 평면 순위를 실제 실험실 작업에 그대로 적용해서는 안 됩니다. 하지만 일반적인 교훈은 동일합니다. 동일한 연마재라도 한 면을 인접한 면보다 두 배 이상 빠르게 절삭할 수 있다는 것입니다.

마이크론 등급이란 실제로 무엇을 의미하는가

다이아몬드 연마재는 두 가지 등급으로 분류됩니다. 거친 입자는 ANSI B74.16 및 ISO 6106 규격에 따라 체를 사용하여 크기를 나누며, 가장 가는 체인 325/400 메쉬는 약 44~37µm에 해당합니다. 그보다 작은 입자는 더 이상 체를 사용할 수 없습니다. 더 미세한 "미크론" 분말은 ANSI B74.20 규격에 따라 체질 이외의 다른 방법으로 분류됩니다.

따라서 마이크론 등급은 크기가 아니라 분포를 나타냅니다. ANSI B74.20은 이를 여러 가지 한계값으로 정의합니다. 2~4 µm 분말의 경우 다음과 같습니다.

• D5 최소 크기 2.0 µm (입자의 95%는 이보다 더 굵음)
• D50 값은 3.0 ± 0.3 µm(중앙값)입니다.
• D95의 최대 입자 크기는 4.0µm입니다(입자의 95%는 이보다 미세합니다).
• D99.9의 최대 크기는 9.0 µm입니다(가장 큰 입자의 상한값).

마지막 줄에 주목할 필요가 있습니다. "3미크론"으로 판매되는 분말이라도 표준 범위 내에서 그보다 세 배 큰 입자를 포함할 수 있습니다. 다음 섹션에서는 그러한 드문 입자가 왜 중간값보다 더 중요한지 설명합니다.

그림 1. ANSI B74.20에 따른 2–4 µm 분말 예시의 백분위수 요구 사항. 이미지 제공 : 자시다 선.

연마용 "입자 크기" 번호가 약 400을 넘는 경우는 체 크기가 아닙니다. 예를 들어, 한 공급업체의 차트에서는 "3000"을 4~8µm, "8000"을 2~4µm로 표기하고 있습니다. 이러한 표기는 표준이 아닌 관례에 불과하므로, 제품 간 비교는 마이크론 범위를 기준으로 해야 합니다.

가장 큰 입자가 가장 중요한 이유는 무엇일까요?

깨지기 쉬운 재료를 깎아내는 모든 입자는 동시에 재료에 균열을 일으킵니다. 눈에 보이는 긁힘 아래에는 표면 아래 손상이라고 알려진 미세 균열층이 존재하며, 광학 엔지니어는 연마 과정에서 이 부분을 제거하는 것을 필수적인 작업으로 여깁니다.

또한 손상 깊이도 측정했습니다. 람브로풀로스는 여러 유리와 연마 공정을 검토한 결과, 손상 깊이가 마이크로미터 단위로 0.3d^0.68에서 2d^0.85 사이라고 제안했습니다. 여기서 d는 연마재의 크기(마이크로미터)입니다. 일반적인 연마재 크기에 적용하면 다음과 같습니다.

이러한 범위는 커런덤이 아닌 광학 유리를 기준으로 도출되었으므로 보석의 특성을 예측하기보다는 크기를 나타내는 지표로 볼 수 있습니다. 하지만 한 가지는 분명합니다. 상한값이 입자 자체의 크기보다 크다는 것입니다.

로렌스 리버모어 국립 연구소의 연구원들은 어떤 입자가 가장 깊은 균열을 일으키는지 알아보았습니다. 분쇄된 용융 실리카의 손상 정도를 측정한 결과, 수라트왈라와 그의 동료들은 표면을 파괴할 만큼 충분한 하중을 견딜 수 있는 입자는 극히 일부에 불과하며, 이러한 입자는 크기가 더 큰 입자라는 사실을 발견했습니다. 실제로 파괴를 일으키는 입자는 평균 입자 크기의 약 10배였습니다. 관련 실험에서, 15µm 입자가 0.1wt%만 혼입된 9µm 슬러리는 순수한 9µm 슬러리보다, 심지어 15µm 입자로만 구성된 슬러리보다도 더 깊은 균열을 보였습니다.

입자가 굵을수록 재료 제거 속도도 빨라집니다. 취성 연마의 경우, 제거 속도는 연마재 크기에 비례하여 선형적으로 증가합니다. 속도와 손상 정도는 입자의 양면과 같습니다.

연마공에게 있어 그 의미는 자명합니다. 연마봉이나 손가락, 혹은 제대로 세척되지 않은 연마판에 묻은 몇몇 굵은 입자가 전체적인 미세 연마 단계를 망칠 수 있습니다. 따라서 좋은 분말을 사용하고 청결한 작업 과정을 통해 입자 크기 분포의 끝부분을 제어하는 ​​것이 중간 입자를 깎는 것보다 훨씬 중요합니다.

단결정인가, 다결정인가?

마이크론 다이아몬드는 크게 두 가지 구조로 판매됩니다. 하나는 각각 하나의 결정으로 이루어진 단결정 입자이고, 다른 하나는 여러 개의 작은 결정립으로 구성된 다결정 입자입니다. 커런덤과의 직접적인 비교 자료는 드물지만, 한 가지 통제된 시험 결과가 공개되어 있습니다.

미국 특허 8,182,562에 보고된 래핑 시험에서, 2인치 C-평면 사파이어 웨이퍼를 500ml 슬러리당 10캐럿의 4~8µm 다이아몬드를 사용하여 복합 구리/수지 플레이트에서 래핑했습니다. 결과는 다음과 같습니다.

다결정 다이아몬드는 기존 다이아몬드보다 약 3분의 1 더 많은 재료를 제거하고 표면을 약간 더 매끄럽게 만들었습니다. 하지만 이 수치는 신중하게 해석해야 합니다. 이 결과는 단 한 번의 실험에서 나온 것이며, 동료 평가를 거치지 않았고, 해당 특허의 목적은 기존의 두 가지 다이아몬드보다 우수한 성능을 보이는 세 번째 변형 다이아몬드를 홍보하는 것이었기 때문입니다. 따라서 이 수치는 확정적인 순위로 받아들이기보다는 연마 전 단계에서 다결정 분말을 시험해 볼 만한 이유로 보는 것이 가장 적절합니다.

분말, 페이스트 및 랩 필름

동일한 다이아몬드가 세 가지 형태로 스톤에 도달할 수 있습니다. 각각의 형태는 불량 입자 문제를 다르게 처리합니다.

상업용 연마 필름은 3밀(약 76µm) 두께의 폴리에스터 필름에 정밀하게 등급화된 연마 입자가 코팅된 것입니다. 필름 기반 연마재에 대한 연구에서 다음과 같은 결과가 발표되었습니다. CIRP 연보에반스와 그의 동료들은 연마막이 아래쪽 판의 형상을 변경하지 않고 가공물을 연마하거나 광택을 낼 수 있으며, 취성 또는 연성 2체 모드 모두에서 작동할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 보석 세공에 두 가지 중요한 결과를 가져옵니다. 첫째, 면의 ​​평탄도는 연마판에 연마재가 얼마나 고르게 도포되었는지가 아니라 연마판에 의해 결정됩니다. 둘째, 연마 입자가 서로 결합되어 있기 때문에 느슨한 입자처럼 가공 표면을 따라 움직이지 않습니다.

필름에는 한계가 있습니다. 마모되면 교체해야 하고, 평판형 필름은 곡면 카보숑 돔보다는 평평한 면이나 테이블에 더 적합합니다. 구조를 더 자세히 살펴보고 싶은 독자분들을 위해, 이 부분을 참고하세요. 다이아몬드 래핑 필름 개요 본 문서에서는 등급별 다이아몬드가 PET 기판 위의 수지 결합제에 어떻게 고정되는지, 그리고 다이아몬드 필름이 기존 연마 필름과 어떻게 다른지 설명합니다.

증거에 기반한 순서

위의 결과를 종합하면 하나의 계획 규칙이 도출됩니다. 각 단계는 이전 단계에서 발생한 손상 이상을 제거해야 합니다. 손상 표의 상한값을 보수적인 기준으로 삼으면, 패싯 커런덤의 가공 순서는 다음과 같습니다. 이는 논리를 설명하기 위한 예시일 뿐이며, 검증된 방법은 아닙니다. 또한, 유리에서 유래한 깊이는 커런덤에 대한 가정일 뿐입니다.

1. 15µm 두께로 절단했습니다. 각 면을 최종 접합부 바로 직전까지만 가공하십시오. 그렇지 않으면 그 아래에서 최대 약 20µm의 손상이 발생할 수 있습니다.
2. 6µm에서 사전 연마. 등급을 변경하기 전에 20µm 이상을 제거하십시오. 이 단계에서는 최대 약 9µm의 입자가 남습니다.
3. 3µm로 연마한 후 1µm 또는 그보다 더 미세하게 마무리합니다. 각 단계는 이전 단계에서 남은 층을 제거합니다. 첫 번째 단계는 약 9µm, 두 번째 단계는 약 5µm입니다.

15µm에서 바로 1µm로 넘어가지 않는 이유는 무엇일까요? 취성 연마에서 제거 속도는 연마재 크기에 비례합니다. 다른 모든 조건이 동일하다면, 1µm 등급의 연마재는 15µm 등급의 연마재보다 20µm 두께의 손상층을 약 15배 느리게 제거합니다. 중간 등급의 연마재는 선택 사항이 아니라, 완벽한 표면을 얻는 가장 빠른 방법입니다.

뛰어난 품질의 원석은 연마재가 닿기 전에 이미 제약 조건을 갖습니다. 스타 커런덤의 경우, 별 모양을 이루는 세 줄의 바늘 모양 내포물이 밑면과 평행한 평면, 즉 c축에 수직인 평면에 놓여 있습니다. 따라서 별 모양을 중심에 맞추려면 연마공은 돔의 꼭짓점을 c축에 위치시켜야 합니다. 이 단계에서 발생한 오류는 이후의 어떤 연마 단계에서도 수정할 수 없습니다.

처리된 돌은 규칙을 바꿉니다.

충전재가 들어간 보석은 두 가지 재료를 동시에 연마한 것이며, 충전재는 원래 재료와는 다른 특성을 보이는 경우가 드뭅니다.

납유리로 채워진 루비에서 GIA 연구원들은 이 유리가 커런덤보다 훨씬 무르다는 사실을 발견했으며, 따라서 연마 품질의 차이로 충전된 균열을 확인할 수 있습니다. 이 유리는 700°C에서 균열 사이로 스며 나오기 시작했으며, 녹는점은 600~700°C 사이였고, 가성 산세척 용액에 의해 부식되었습니다. 세팅 테스트 중 줄질과 연마 과정에서 충전재에 손상이 발생하지 않았지만, 테스트에 사용된 루비의 수는 소수에 불과했습니다.

충전 처리된 에메랄드는 더욱 섬세합니다. GIA에서 33개의 충전 처리된 에메랄드를 대상으로 실시한 연구에 따르면, 초음파 세척이나 용제에 담그는 과정에서 약 29개의 외관이 변형되었습니다. 삼나무 오일과 경화되지 않은 옵티콘은 초음파 세척 과정에서 확연한 변화를 보였지만, 표면 경화 처리된 충전재와 단단한 충전재는 가장 내구성이 뛰어난 것으로 나타났습니다.

이로 인해 연마 작업장에서 심각한 갈등이 발생합니다. 미세한 연마층을 이물질로부터 보호하기 위한 철저한 세척 과정이 오히려 필러층을 손상시키거나 흐리게 만들 수 있기 때문입니다. 처리된 연마석의 경우, 등급별로 부드러운 수작업 세척을 하는 것이 더 안전한 절충안입니다.

맺음말

아가일 바이올렛 다이아몬드는 2.83캐럿 보석으로 재탄생하는 과정에서 무게가 3분의 2 이상 감소했습니다. 단단한 유색 다이아몬드의 경우, 좋은 결과물과 그렇지 못한 결과물을 가르는 기준은 다이아몬드 자체의 품질보다는 얼마나 정확하게 등급을 매기고 각 단계가 얼마나 매끄럽게 진행되는가에 달려 있습니다.

증거에 따르면 세 가지 습관이 중요합니다. 연마 입자 크기 표시보다는 입자 크기 분포, 특히 상한값을 확인하십시오. 각 단계는 이전 단계의 손상을 제거하는 방향으로 계획하십시오. 연마를 망치는 가장 큰 원인은 미세한 입자 하나일 가능성이 높으며, 동시에 처리된 숫돌은 이러한 입자를 방지하기 위한 세척 과정을 견디지 못할 수도 있다는 점을 기억하십시오.

저자 소개

자시다 선 자신다는 그리쉬(Grish)의 영업 엔지니어로, 정밀 연마 업계에서 5년의 경력을 보유하고 있습니다. 그리쉬의 연마재에 대한 전문 지식을 바탕으로, 자신다는 연마재 선택, 재료 성능 및 적용 요건에 대한 제품 관련 기술 지원을 제공합니다. 이러한 업무에는 해외 고객들이 다양한 정밀 마감 공정에 적합한 재료와 맞춤형 연마 솔루션을 찾을 수 있도록 돕는 것이 포함됩니다.