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인공보석은 재료개발 과정에서 얻어진 소재의 단결정이 아름답기 때문에 보석이란 이름이 붙은 것이다. 따라서 인공보석은 보석이라기보다는 소재의 하나로 파악하는 것이 타당하다.

오늘날 인공보석은 하이테크 소재의 하나로 많은 공업분야에서 없어서는 안될 중요한 재료로 자리잡고 있다. 인공보석의 단결정은 규칙적으로 원자가 배열돼 물질 본래의 성질을 충실하게 반영하고 있다. 이같은 성질에 따라 신소재 개발의 토대인 물성 측정 및 재료 응용기술이 가능한 것이다.

인공보석은 단순히 장신구용보다는 값이 싸고 균일한 질의 물질을 양산할 수 있는 성질 때문에 시계나 정밀기계의 축받이, 레코드 플레이어의 바늘, 연마재 등 공업용으로 널리 사용돼 왔다.

반도체 공업, 특히 레이저나 광 메모리 등 광전자공업의 발전은 인공보석의 종류를 다양화했다. 투명하고 경도가 높은 루비나 사파이어는 광전자용으로 사용되는 단결정재료의 한 예다. 야그(YAG, Yttrium Aluminum Garnet)는 녹색의 빛을 내는 고체 레이저용 단결정으로 개발됐다. 고체 레이저는 야그 외에도 크롬 이온을 혼합한 인공루비 등의 결정을 레이저 광선 발생 재료로 한다. 또한 GGG단결정은 버블 메모리용 기판 결정으로 개발된 것이다. 버블 메모리는 석류석 단결정 박막속에 있는 자화를 반전시키는 안정된 원형자구로, 정보처리용 기억소자에 이용된다.

이처럼 인공보석이 여러 분야에 사용도가 확대되면서 보다 뛰어난 기능을 가진 재료로서의 인공보석을 양산하기 위한 기술도 함께 개발되고 있다.

소재물질로 등장한 인공 보석

보석은 일반적으로 색깔이 있는지의 여부와 그 투명도에 따라 무색 투명, 착색 투명, 다색성 투명, 착색 불투명으로 나뉜다. 무색 투명한 인공보석으로는 무색 코란덤, 야그(${Y}_{3}$${Al}_{5}$${O}_{12}$, GGG(${Gd}_{3}$${Ga}_{5}$${O}_{12}$), 니오븀 산리튬(LiNb${O}_{3}$), 루틸(Ti${O}_{2}$), 지르콘(Zr${O}_{2}$), 티탄산스트론튬(SrTi${O}_{3}$), 스피넬(Mg${Al}_{2}$${O}_{4}$), 다이아몬드(C) 등이 있고 루비 사파이어(${Al}_{2}$${O}_{3}$에 Cr, Fe를 입힘)에머랄드, 착색 야그, 수정(자수정 황수정) 등은 착색투명한 인공보석이다. 다색성 투명보석은 알렉산드라이트(Be${Al}_{2}$${O}_{4}$) 등이 있는데 천연에서 산출되는 종류는 매우 적다. 또한 착색불투명 보석으로는 오팔 리피슬라즐리 터키석 비취 등이 있다.

인공보석은 재료 개발과정에서 얻어진 소재의 단결정이 천연석처럼 아름답기 때문에 보석으로 사용된다. 따라서 인공보석은 보석이라기 보다는 소재의 하나로 파악하는 것이 타당하다.

널리 알려진 대로 초고압하에서 만들어진 합성 다아아몬드는 경도(硬度)가 매우 높아 오래 전부터 절삭 공구와 연마제로 사용돼 왔다. 인공 다이아몬드와 천연 다이아몬드는 경도와 굴절률에 차이가 없다.

황색 합성 다이아몬드는 부도체이지만 무색과 청색 합성 다이아몬드는 높은 열 전도율을 갖고 있어 전자제품의 부품에 활용되기도 한다. 즉 절연체의 성질을 가진 다이아몬드에 도핑(이온화된 물질을 첨가) 과정을 거쳐 반도체를 만드는 것이다. 1970년대 옛 소련에서 다이아몬드가 P형 반도체 성질을 갖고 있다는 것이 밝혀졌고, 1985년 일본 스미토모 전공에서는 다이아몬드가 N형 반도체의 소자로 이용될 수 있다는 가능성을 확인한 바 있다. 최근에는 다이아몬드의 기상합성법에 의해 다이아몬드 박막결정을 기능성 재료로 활용하는 연구가 주목되고 있다.

다이아몬드는 5.47eV(electron voltage)란 높은 밴드갭 (bandgap, 전도계와 비전도계간의 차)을 나타내, 앞으로 높은 온도에서 작동하는 반도체의 제조나 청색 발광소자로서의 사용이 기대되고 있다. 이미 고온에서 작동하는 소자로서 서미스터가 개발돼 있긴 하지만 다이아몬드 반도체는 종래의 고온 서미스터에 비해 2백℃가 높은 6백℃에서도 작동할 만큼 열전도율이 높고 그 속도도 0.77초란 최고치를 나타낸다.

전자 및 광전자의 재료로 루빈 사파이어 다이아몬드 수정 티탄산스트론튬 등도 무시하지 못할 존재. 루비와 사파이어는 반도체 공업의 발전과 함께 컴퓨터 도트 프린터의 카드 기판, IC의 리드선 본딩용 카필러리 카이트에 사용된다. 루비는 이미 20여년 전부터 레이저 발진소자로서 이용된 연륜을 갖고 있다. 요즘에는 야그 등 새로운 소재에 의해 루비 레이저의 수요는 감소하고 있는 추세.

반면 사파이어는 SOS (Silicon On Sapphire)처럼 반도체 집적회로 제조 기판으로 사용되면서 그 수요가 신장되고 있다.

수정은 압전성과 복굴절성의 성질을 갖고 있어 진동자 및 광전자 재료로서 용도가 다양하다. 특히 순도가 높은 수정은 표면 단성파(SAW) 디바이스용으로 사용되고 있다(표참조)

티탄산스트론튬은 높은 굴절률과 함께 이방성이 없기 때문에 고성능 광학렌즈나 프리즘으로 용도가 검토되고 있다. 니오븀산리튬 역시 표면 단성파(SAW) 디바이스용 기초재료로서 매우 우수한 성질을 가지고 있다. 이 물질은 특히 장파 광통신 분야의 급속한 발전에 따라 전기 광학 효과를 이용한 광변조 소자나 비선형 광학소자로 주목되고 있다.

레이저의 핵심부품

야그는 컴퓨터 및 정보 통신의 발달에 따라 레이저 가공에 의한 반도체 산업, 특히 고체 레이저로의 응용분야가 늘어나고 있다. 이는 굴절률이 높은 야그의 성질을 이용한 것으로, 야그를 중심으로 한 고체 레이저 산업은 해마다 20~30%씩 성장하고 있다. 야그와 함께 GGG (Gadolinium Gallium Garnet)와 알렉산드라이트는 슬래브형 레이저 재료로 특히 우수한 성질이 알려지고 있다. 또 GGG 단결정 기판상에 희토류(원자번호 57~71) 자석 석류석(garnet)을 액상에서 성장시키면 자성 가네트막을 제조할 수 있어 이를 광학 기록재료로 쓴다.

루틸 단결정은 가프라 프리즘으로 가공, 광 IC 개발에 이용되고 있다. 루틸가프라프리즘은 굴절률이 높아 티탄(Ti)을 확산시킨 니오븀산리튬의 박막 광 도파로에 빛을 넣거나 꺼낼 수 있다. 이 프리즘에서는 빛이 통과하는 사이에 빠른 속도의 광편향, 변조 등이 가능하다. 또한 굴절률에 이방성이 있어 온도 의존성이 크다는 점에서 열광학 제어 장치로의 응용도 검토되고 있다.

패러데이 회전계수가 크고 흡수계수가 작은 광학적 성질을 가진 루틸은 광아이소레이터의 편광자 소자로 주목받고 있다. 벌크 결정을 사용한 광아이소레이터의 원리는 (그림)에서 보이는 것처럼, 편광자를 통과한 ${P}_{1}$이 직선 편광의 빛을 패러데이 소자에 의해 45도 편광면이 회전하면서 편광자 ${P}_{2}$를 통과한다. 반면 ${P}_{2}$를 통과한 반사광은 진행 방향이 반 평행되기 때문에 입사광과 반대 방향으로 편광면이 직교하게 돼 ${P}_{1}$에서 차단되는 것이다.