| 모스 굳기계 Mohs'sche Härteskala | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 활석 | 석고 | 방해석 | 형석 | 인회석 |
| 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 정장석 | 석영 | 황옥 | 강옥 | 금강석 |
1. 개요
Mohs' scale of mineral hardness독일의 광물학자인 프리드리히 모스가 1812년에 제안한 광물 굳기(경도)의 기준표. 소재의 특성 중 하나인 굳기를 측정하는 건 기원전부터 있었지만 처음으로 업계 표준을 제안한 건 모스다. 측정이 간편하기에 현재도 암석학 등에서 자연의 광물을 식별할 때 쓰이고 있다.
모스 굳기계는 사용법이 매우 간편해서 현대 산업에서도 경도의 절댓값을 측정할 필요 없이 단순히 두 물질을 접촉시켰을 때 어느 물질이 긁히는지 여부를 알 필요만 있을 경우에 자주 쓰인다. 다만 경도의 절댓값을 측정하는 방법을 정의하지 않기에 현대 산업의 소재 분석에는 사용되지 않는다. 산업계에서 널리 쓰이는 경도 측정 방법은 압입 경도 (Indentation hardness) 테스트로, 1900년 브리넬 경도 테스트, 1925년 비커스 경도 테스트, 1919년 로크웰 경도 테스트 등 여러 회사에서 제품화했다. 현대적인 경도 테스트에 대한 설명은 경도에서 확인할 수 있다.
2. 굳기표
| 모스 경도 | 광물 | 절대 경도 |
| 1 | 활석 | 1 |
| 2 | 석고 | 2 |
| 3 | 방해석 | 9 |
| 4 | 형석 | 21 |
| 5 | 인회석 | 48 |
| 6 | 정장석 | 72 |
| 7 | 석영 | 100 |
| 8 | 황옥 | 200 |
| 9 | 강옥 | 400 |
| 10 | 금강석 | 1600 |
모스는 주위에서 구할 수 있는 10가지 광물들을 놓고 서로 긁어 보아서 어느 쪽이 흠집이 나는지 보고 '상대적인' 굳기를 매겼다. 여기에 사용된 광물은 활석, 석고, 방해석, 형석, 인회석, 정장석, 석영, 황옥, 강옥, 금강석의 10가지이다. 따라서 모스 굳기계는 굳기의 척도가 아니라 각 물질을 비교 단계로 삼아 굳기를 나열한 순서표라고 보는 것이 더 정확하다.
이 목록 이외의 다른 광물들을 모스 굳기계에 의거하여 굳기를 매길 때, 두 광물 사이의 중간 굳기일 경우 ±0.5를 한다. 예를 들어, 백금은 형석(4)보다 단단하고 인회석(5)보다는 덜 단단하므로 4.5로 매긴다. 좀 더 애매한 경우는 4~4.5 식으로 매긴다. 예를 들어, 유리는 정장석(6)과 석영(7) 사이이지만 애매하므로 6~7로 매긴다. 일반 금강석보다 더 단단한 '하이퍼 다이아몬드'의 경우는 '>10' 로 매긴다. 다이아몬드가 모스 굳기계의 최고 등급인지라 10.5 같이 표기하긴 애매해서 그런 듯.
3. 상세
모스 굳기계는 각 숫자간에 일정한 고정 공식이 없이 상대적 경도로 나열한 순서형 데이터다. 그래서 보다 정밀한 경도 측정 장비로 재측정하면 위와 같이 절대 경도가 크게 널뛴다. 활석이 1이고 금강석이 10이라고 해서 금강석의 굳기가 활석의 10배라인 것은 아니다. 예를 들어 굳기계가 1인 활석과 2인 석고를 비교하면 절대적인 수치로 2배 딱딱하나, 활석(1)과 다이아몬드(10)를 비교해보면 수치로는 무려 1600배나 차이가 난다. 특히 강옥과 금강석의 절대적 굳기 수치 차이가 매우 크게 난다. 위 목록을 보자면 작은 쪽을 기준으로 해서 4배 차이다. 석고(2)와 방해석(3)은 4.5배로 차이가 더 벌어진다.또한, 경도를 나타내는 세가지 주요 유형 중 하나만 측정한다. 모스 경도계는 스크래치 경도를 측정하며, 산업계에서 쓰이는 건 압입 경도다. 또한 반발 경도라는 테스트 방법도 있다. 따라서 Vickers 처럼 압입 경도 측정 방법으로 모스 경도계에 쓰인 광물을 측정하면 모스 경도계에서 약했던 광물이 빅커스 경도계에선 더 단단하게 나오는 경우가 흔하다.
현대에도 모스 경도계는 스크래치 경도를 테스트 할 때 쓰인다. 지질학자가 현장에서 광물을 즉석에서 구분할 때 사용하며, 연삭, 파쇄하여 제분하는 교반기에서 소재에 맞는 최적의 분쇄 입자를 선택할 때 쓰인다. 마지막으로 스마트폰 화면의 스크래치 경도를 측정할 때 가장 대중적으로 쓰이는 테스트 방법이다. 유튜브에서 고릴라 글래스 등의 강화유리를 긁어서 화면의 스크래치 내성을 테스트 하는 영상을 쉽게 찾아볼 수 있다. 모스 경도는 액세서리 관리에서도 중요한데, 4대 보석(루비, 사파이어, 다이아몬드, 에메랄드) 중 3개가 모스 굳기계 끝자락에 있기 때문이다. 이 중 에메랄드는 다른 3종류와 비교도 안 될 정도로 경도가 약해서 같은 곳에 모아두면 비벼지다가 마구 상처날 수 있다.
사실 모스 굳기계에서 말한 스크래치는 육안으로 볼 수 있는 스크래치만을 의미한다. 모스 굳기가 낮은 물질이라고 해서 굳기가 높은 물질과 접촉시켰을 때 손상을 주지 못하는 것은 아니다. 접촉했을 경우 굳기가 높은 물질도 표면에 미세한 물질의 이동을 통한 균열이 발생하기 때문이다.[1] 다만 이는 모스가 1812년에 제시한 기준에서 상정하지 않는 현상이기에, 굳기를 비교할 때는 어느 쪽이 더 큰 스크래치가 났는지를 따질 뿐이다.
4. 한계
모스 굳기계는 상대 평가를 바탕으로 한 데이터베이스이므로 현대적인 측정 장비로 경도를 수치화 했을 때 굳기계 숫자처럼 선형적인 분포가 나오지 않는다. 또한, 이후 보다 다양한 소재를 개발하면서 대부분의 연마재가 9와 10 사이에 집중적으로 분포하는 등 변별력의 한계가 있다. 그래서 다이아몬드를 15로, 석류석을 10으로 수정한 제안도 있고, 석영(7)과 강옥(9)를 기준으로 선형적으로 확장하여 남미 갈색 다이아몬드의 경도를 42.4 로 산출한 제안도 있다.모스 굳기계의 기준은 자연적으로 비교적 순수한 물질인 광물(Mineral)을 기준으로 하며, 여러 광물이 복합적으로 결합하여 구성되는 암석(Stone)은 모스 굳기계로 고정된 굳기 단계를 매길 수 없다. 예를 들어 화강암은 토파즈(굳기 8), 석영(굳기 7), 정장석(굳기 6) 등으로 구성된 암석으로, 화강암의 모스 굳기는 6-8 사이로 샘플에 따라 제각각 다르다. 어느 광물의 비율이 높으냐에 따라 확률적으로 해당 광물의 모스 경도에 가까워질 뿐이다. 또한 모스 굳기계 자체로는 광물의 비율에 따른 경도의 변화를 예측하거나 해석할 수 없다.
산업 분야에서의 경도(Hardness)는 한 가지 기준으로 통일된 것이 아니라 특정 응용 분야에 적합한 여러 가지 물리적인 측정 방식에 의해 정의되어있다. 대표적인 것으로는 긁기가 아니라 탐침을 시료에 눌러서 경도를 측정하는 압입 경도(Indentation Hardness)계로, 비커스(Vickers) 경도, 눕 경도(Knoop Hardness), 브리넬 경도(Brinell Hardness) 등이 있다. 자신의 용도에 필요한 경도계가 무엇인지 정확히 파악 후 올바른 측정 방법을 쓰는 것이 좋다. 위의 압입 경도 측정방법은 대체로 재료의 인장 강도와 비례 관계가 있어 경도를 측정하면 인장 강도 역시 간접적으로 측정할 수 있다. (항상 정확히 비례하는 건 아니다.)
이처럼 모스 경도계의 한계는 뚜렷한 편이지만 가장 많이 쓰이는 산업계에서는 스크래치 경도가 그다지 필요없으며 어느 물질의 굳기가 더 높은지를 빠르게 판별하는 목적으로 매우 유용하기에 (측정할 필요도 없이 그냥 두 물질의 굳기를 찾아보면 된다.) 여전히 모스 경도계를 가장 많이 사용하고 있다. 브리넬 경도계처럼 경도의 절댓값을 측정하는 새로운 측정 기준은 대개 광물이 아닌 금속, 합금, 세라믹 재료 등의 물성을 측정하는 보다 전문적인 용도로 쓰인다.
5. 암기
주입식 교육에 어울리는 희대의 개드립으로 외워버린 팁을 모아보면 다음과 같다. 왠지 활극(무협지)에서- 활이 석고(썩고) 방패가 형편없어서 인정 많은(없는) 석황이 강금되었다.
- 활석많은 방형이 인정많은(없는) 석황을 강금했다.
- 활석이와 방형이가 인정머리없는 석황이를 강금시켰다.
- 활석방형이(인) 장가(정)가서(성) 화가 급났다(황강금...)
- 활석방형[2] 인적성은[3] 황강금.[4]
- 활 잘쏘는 석방형이 인정없는 석황이를 강금했다
- 활은 석고(썩고) 방은 형편없고 인정없는 석황에게 강금 당했다.
- 활(석)석(고)을 방해하던 형석을 인(회석)정(장석)없는 석영이 황(옥)급히 강(옥)금(강석)했다.
6. 여담
과학에 대한 상식이손톱의 모스 굳기는 2.5이다. 따라서 활석과 석고는 손톱으로도 긁히며, 방해석부터는 긁히지 않는다.
이빨, 정확히는 치아 겉면인 법랑질의 모스 굳기는 5이다.
교내 과학실에 비치된 모스 굳기계의 표본도 있다. 물론 금강석=다이아몬드는 공교육용으로 사용하기엔 너무 고가라서 비슷한 경도의 인공 다이아몬드나 금속 덩어리로 대체하거나 아예 처음부터 10의 자리가 비어있기도 한다.
금속을 갈아내는 용도의 드릴은 가장 경도가 강한 인조 다이아몬드를 붙이기도 하는데, 다이아몬드가 열에 그리 강하지 않기 때문에 발열이 크게 발생하는 장비에서는 강옥과 다이아몬드 사이의 경도를 보이는 보라존이나, 텅스텐계 합금인 초경합금을 쓴다.
주의할 점은 모스 경도는 경도의 기준이며 강도와는 다르다. 경도가 높은 광물은 표면을 긁었을 때 잘 긁히지 않으며, 서로 충돌시켰을 때 깨지거나 변형되지 않는다는 의미는 아니다. 예컨대 다이아몬드는 철보다 경도가 높지만 강도는 낮아서 쇠망치로 내리쳐서 다이아몬드를 깨뜨릴 수 있다. (경도에 비해 강도가 특별히 높은 것은 금속결합의 특성이기도 하다.)
7. 관련 문서
[1] 그래서 굳기가 5.5로 지정된 판유리도 굳기 5 이하의 물질을 비비면 미세한 표면 손상이 나타나며 내구성 악화 및 균열로 이어질 수 있다.[2] "활석방" 형님은 모스굳기계를 보면 굉장히 물러 터졌다.[3] "정석"은 곧이어 보웬의 반응계열에서 또 만나고, 익숙한 광물이 되므로, 쉽게 오류정정이 가능하다.[4] 돈 되는 건 기억에 오래 남는다(...) 황옥(토파즈)는 외모지상주의 갤럭시 S6 블루토파즈 색상으로 널리 알려졌었고 만들기 어려운 색이라 전설로 남을 가능성이 크다는 스토리가 있다. 이를 몰라도 그냥 강철황금 느낌으로 강황금 황강금을 받아들여도 나쁘지 않다.[5] 음의 온도가 가능은 하나, 절대영도 보다 낮다의 개념은 아니다. # 로그값을 기준으로 하는 단위로서 pH50, 겉보기 등급 100등급 이런 것과 비슷한 모순이다. 심지어 이 정도의 오류를 저지를 과학 수준이면 pH50을 초강산으로 아는 경우도 허다하다...