High Pressure High Temperature (HPHT) treatment can significantly change the color of diamonds. We studied the variation of the optical properties according to the nitrogen arrangement in natural brown diamonds of various types (type IaAB, type IaB, type IaA > B, type IaA< B, IaA = B) after HPHT treatment. The diamonds with different arrangements of nitrogen were annealed at temperatures in the range 1700-1800˚C under a stabilizing pressure of 5 GPa. HPHT treated samples were analyzed using UV-Vis-NIR, FT-IR, and PL spectroscopy. The absorption and luminescence spectra were measured to compare the variations of nitrogen arrangement in the natural brown diamonds before and after HPHT treatment. After HPHT treatment, the brown coloration in all types of diamonds was reduced and a decrease in the peaks related to the A-aggregate of nitrogen was more predominant than the B-aggregate. Furthermore, the peaks related to N3 (415.4 nm), H4 (496.4 nm), and platelet decreased and the peaks related to H3 (503.2 nm) and G-band increased after HPHT treatment. In conclusion, spectroscopic analysis of natural brown diamonds after HPHT treatment showed that a yellow color was produced by absorption in the H3 centers and a green color was generated by interaction between absorptions of the H3 and H2 centers.

투명한 발틱 호박을 300℃에서 10분 동안 열처리할 때 썬 스팽글(sun spangle)을 생성하는 호박과 생성하지 않는 호박의 구분이 뚜렷하여 이러한 변화의 원인을 호박 매질의 성숙도와 내포물 분석을 통하여 밝히고자 하였다. 현미경으로 관찰한 결과, 두 종류의 시료 내에 함유된 내포물의 색상에서 차이를 보였으며 열처리 후 나타난 썬 스팽글에서는 미세한 틈(fissure)과 굴절률 차이를 나타내는 내포물을 확인할 수 있었다. 각 시편의 DR방식의 적외선 분광분석 스펙트럼은 열처리 전과 후에 뚜렷한 변화가 일어나지 않아 열처리 전후 화학 성분에는 변화가 없을 것으로 판단되고 원 시료들의 1000~600 cm-1 영역에서 스펙트라 차이를 나타내고 있어 이로 인한 성분 차이가 있을 것으로 추측된다. 이차이온질량분석(TOF-SIMS)을 통한 표면 분석에서는 썬 스팽글이 생성하지 않는 원 시료(PA)에 탄소 관련된 peak의 세기가 강하고 산소 peak이 약해 성숙 정도가 썬 스팽글을 생성하는 원 시료(SPA)보다 더 클 것으로 판단되었다. 또한 열중량분석-시차주사열용량분석(TG-DSC)의 열적 거동이 달라 두 시편의 화학성분에 차이가 있을 것으로 판단되는데, 이는 두 시료가 산지는 같을지라도 지질 연령이 달라 화학성분에 차이가 나타나는 것으로 보이며 이에 대해서 자세한 조사가 필요하다. 한편, 썬 스팽글을 생성하는 호박에서는 내포물의 열처리에 의한 물리적인 부피 팽창이 일어났으나 썬 스팽글이 생성되지 않은 호박은 상대적으로 미미한 팽창만 보였다. 그 원인을 조사하기 위하여 Attenuated Total Reflectance (ATR) 방식의 FTIR 분석을 수행한 결과, 썬 스팽글을 생성하는 호박은 1019 cm-1의 peak을 나타내고 887 cm-1의 세기가 강하게 나타나는 반면 썬 스팽글을 생성하지 않은 호박에서는 887 cm-1의 세기가 상대적으로 약하고 1019 cm-1의 peak은 존재하지 않았으며 1000~600 cm-1에서 흡수밴드의 차이를 보였다. 열처리 후 썬 스팽글의 생성은 이들 흡수 스펙트럼의 차이를 나타내는 성분과 호박의 성숙도에서 기인된 매질 중합체의 열팽창률의 차이에서 비롯된 것으로 판단된다.

마다가스카르 산 투어말린의 보석광물학적 특징들을 알기 위해 물리적 특성, 원소분석, 내포물 분석, 그리고 분광분석(UV-VIS 분광기, FTIR 분광기)을 하여 다른 산지와 비교 연구하였다. 물리적 특성은 다른 산지의 것과 큰 차이를 보이지 않았다. 자외선-가시광선 분광분석 결과 녹색과 청색의 시료는 Fe 성분이 많아 Fe3+에 의한 714~743 nm 영역에서 높은 흡수 밴드가 나타났고 분홍색은 Mn3+에 의해 510~530 nm에서 높은 흡수를 보였다. 갈색 시편은 Mn이 많아 Mn2+-Ti4+ 전하전이에 의해서 325 nm의 자외선 영역에서 나타난 높은 흡수에 기인하였다. 또한 무색 시편에서는 Mn2+에 의한 406~413 nm 사이의 밴드가 매우 미약하거나 Mn의 양이 적어 Mn2+의 영향이 거의 없어 발색이 되지 않았다고 본다. 적외선 분광분석에서는 4300~4500 cm-1 영역에서 금속-OH의 스트레칭과 밴딩이 조합된 모드에 의한 여러 개의 흡수 밴드가 나타났다. 내포물에서는 평행한 관상 속에 적철석이 녹아있는 형태가 나타났다. 연구 결과 마다가스카르 산의 투어말린은 Cu는 검출되지 않았으나 Fe과 Mn이 모두 검출되었고 이들의 양에 따라 다양한 색상이 나타남을 확인할 수 있었고 물리적 특성과 적외선 영역의 흡수 밴드, 그리고 내포물들은 다른 산지와 큰 차이를 보이지 않았음을 확인할 수 있었다.

천연 자수정을 열처리 하면 황수정으로 변색하는 것으로 알려져 왔다. 그러나 잠비아산 천연 자수정 시료를 350~380℃에서 1시간 열처리한 결과 총 8개의 시료 중 5개의 시료가 황수정으로 변화하였고 3개는 백수정으로 변화하였다. 이들의 발색의 차이는 열처리 전 본래의 자수정이 가지고 있던 색상에 의해 영향을 받는 것 같다. 열처리 전 황색을 함유한 자수정은 열처리 후에 황수정으로 변하였고, 황색을 함유하지 않은 자수정은 백수정으로 변하였다. 색상 변화의 차이를 분석하여 비교한 결과, 적외선 분광분석에서 3,400 cm-1의 피크의 세기와, 5,200~5,400 cm-1의 영역에서 피크의 존재 유무에 차이점을 나타냈으며, WD-XRF에서 미량원소인 Cr의 양에 차이가 나타났다. 열처리 전과 후의 FT-IR 스펙트라의 동일한 결과는 열처리가 주 구성성분이나 결정구조의 변화를 일으키지 않는 것으로 사료된다.

마다가스카르산 사파이어를 수평 알루미나 튜브의 전기로에서 대기중의 산화분위기 하에 1650℃, 50시간의 조건으로 Be2+의 확산 처리를 하였다. 자외선-가시광선 분광분석 결과는 각 시료 마다 차이는 있으나 전체적으로 Fe2+에서 Fe3+로 산화의 원인으로 청색이 옅어졌고 청자색 사파이어는 Cr3+에 의한 분홍색이 나타났다. Be2+의 확산 처리로 부분적인 갈색이 나타난 청색 사파이어에서는 진한 주황색 부분이 나타났고, 옥화메틸렌에 의한 침적실험 관찰 결과로 시료들의 가장자리에 주황색의 집중현상이 나타났음을 확인하였다. 또한 기존에 있던 내포물도 변화가 나타났다. 그러나 확산 처리 온도의 한계로 더 많은 양의 Be2+의 확산이 이루어 지지는 못했다.

변색 효과를 보이는 6종의 보석들을 대상으로 UV-Vis 분광분석과 Photoluminescence에 의한 발광 및 형광 특성을 조사하였다. 514 nm Ar이온 source로 PL을 측정한 결과 발광 피크의 모양이 다르게 나타났고 같은 천연과 합성 보석에서는 동일한 피크가 나타났다. 이들 발광 및 형광 특성은 보석들의 결정 구조와 관련이 있음을 관찰할 수 있었다. 325 nm He-Cd source에 의한 형광 조사에서는 합성 알렉산드라이트와 합성 칼라체인지 사파이어 그리고 천연 알렉산드라이트에서 강한 형광이 나타났고 이를 PL 피크로 확인하였다.