큐빅 지르코니아

큐빅 지르코니아(cubic zirconia)는 이산화지르코늄(ZrO₂)의 입방구조를 가지는 결정(crystal)이다. 보통 무색이며, 모스 경도는 8.0~8.5, 비중은 5.6~6.0 g/㎤, 굴절률은 2.15~2.18이다. 큐빅 지르코니아는 다이아몬드의 대체품으로 많이 사용되며, 1976년 상업생산이 시작되었다.

큐빅 지르코니아를 생산하기 위한 단결정 연구는 1960년대 프랑스 등에서 연구되기 시작했으며 모스크바의 레베 데프 물리 연구소(Lebedev Physical Institute)의 V. V. 오시코(Osiko)등 구 소련 과학자들이 큐빅 지르코니아 단결정 제조기술을 완성하였다. 이들은 큐빅지르코니아를 Fianit이라 명명하였으나 해당 명칭은 구소련 밖에서는 거의 사용되지 않았다. 큐빅 지르코니아는 이트뮴 산화물로 안정화된 결정으로 Ceres Corpration, Taiwan Crystal Company Ltd. Swarovski, ICT inc. 등에서 대량생산되고 있다. 큐빅 지르코니아는 자연 상태에서 거의 존재하지 않으며 유통되는 것은 대부분 인공적으로 합성한 것이다.

 

그림. 큐빅 지르코니아(cubic zirconia)

도핑에 의한 색상 변화

큐빅 지르코니아 결정의 색상 변경을 위해 금속 혹은 전이금속 이물질(dopant)를 결정구조에 삽입할 수 있다(도핑, doping).

큐빅 지르코니아의 도핑하는 전이금속과 이에 따른 색상변화로 대표적인 것들은 다음을 들 수 있다.

세륨(Ce) - 황색/오렌지색/적색, 크롬(Cr) - 녹색, 코발트(Co) - 라일락,보라색,파란색

구리(Cu) - 황색, 어븀(Er) - 분홍색, 유로퓸(Eu) - 분홍색, 철(Fe) - 황색

망간(Mn) - 갈색, 보라색, 니켈(Ni) - 황갈색, 티타늄(Ti) - 골든브라운, 바나듐(V) - 녹색

 

큐빅지르코니아는 장신구로 많이 사용되나 다른 용토로도 상당히 사용된다. 이트륨(Y)가 도핑된 지르코니아(YCZ)는 특유의 광학적 특성으로 창, 렌즈, 프리즘, 필터 및 레이저 부품에 사용된다. 특히 화학 산업에서는 화학적 안정성과 기계적 인성으로 인해 부식성 액체를 모니터링하기 위한 창 재료로 사용되기도 하며, 반도체 및 초전도체 필름을 제조 등을 위한 기판(substrate)로 사용되기도 한다.

부분적으로 안정화 된 지르코니아(PSZ)는 기계적 특성 (높은 경도 및 충격 저항, 낮은 마찰 계수, 높은 내화학성 및 내열성 및 높은 내마모성)으로 인해 생명공학 산업 등에서 초정밀 의료 메스 등을 제작하는데 사용되기도 한다.