진주 패(貝)와 진주층은 어떤 구조인가?

 

 

모든 진주들은 연체 동물인 조개에서 형성된다. 지구상에 알려진 조개의 종류는 10만여종에 이르며, 일본에만 5000여종류의 조개가 서식한다고 한다.

하지만 모든 조개에서 보석으로서의 가치 있는 진주를 얻지는 못한다.

즉, 진주를 생산해 내기 위해서는 몇 가지 조건을 갖추어야 한다.

첫째로 아름다운 진주질을 분비해야하고

둘째로 수술(手術)에 강해야 하며

셋째로 사육(飼育)이나 관리가 용이해야만 한다. 그러므로 실제 양식이 되고 있는 조개의 종류는 그리 많지 않다.

▶진주조개의 종류

양식 산업에 사용되고 있는 조개는 두 가지로 나누어 볼 수 있는데, 첫째로 해수진주를 생성하는 연체 동물로 아코야패(Pinctada fucata), 백접패(Pinctada maxima), 흑접패(Pinctada magaritifera)등이 있으며, 담수 진주를 생성하는 연체 동물은 주름조개(Cristaria plicata), 삼각조개(Hyriopsis cumingi), 빨래판조개(Megalonaias nervosa) 등이 있다.

진주를 생성할 수 있는 이러한 모든 조개들은 하나의 공통점이 있는데, 패(貝)의 내부에 Mother of pearl(母貝)층을 형성하고 있고, 이것은 진주 표면에 쌓여있는 진주층과 본질적인 구성 성분이 동일하게 조성되어 있다.

조개 내부의 무지개 현상이 나타나는 부분을 Mother of pearl이라고 부르며, 진주에서는 진주층(Nacre)이라고 부른다.

다시 말해 불리는 이름만 다를 뿐 쉘(Shell)과 진주(Pearl)의 표층은 아라고나이트(Aragonite)의 판상 결정구조를 지닌 동일한 물질이라 말 할 수 있다.

그러므로 쉘의 구조와 생성과정을 이해한다는 것은 진주의 형성 과정뿐 아니라 진주의 구조에 대해서도 보다 쉽게 이해 할 수 있기 때문에 필자는 쉘에 대한 구조적인 특성과 분석학적인 내용에 관하여 논하고자 한다.

▶패각(貝殼)과 맨틀(외투막)세포

진주조개의 껍데기는 크게 세 겹으로 나눌 수 있다.

<그림 1>에서 보여 지는 것처럼 패(貝)의 제일 바깥쪽 부분은 유기물질(컨키올린)로 이루어진 페리오스트라컴(Peri-ostracum : 殼皮)이 있고 그 다음은 프리즈메틱 층(Prismatic layer : 稜柱層)으로 칼사이트(Calcite) 결정구조로 이루어져 있으며, 마지막으로 패의 내층은 Mother of pearl(Aragonite : 眞珠層)로 되어 있다.

                        그림1. 진주패의 모식도

또한 맨틀세포(외투막 세포)는 조개의 바깥 부분부터 선단부(先端部), 녹막부(綠膜部), 중심부(中心部)로 나눌 수 있으며, 진주층이 형성되는 녹막부와 중심부 중 특히 녹막부에서 아름다운 진주질을 분비한다. 이러한 맨틀세포는 진주의 형성에 매우 중요한 역할을 하며, 양식을 위해 준비된 핵(核)과 함께 조개에 이식되어 진다.

또한 맨틀세포는 조개의 패각(貝殼)를 생성하는데도 중요한 역할을 하는데, 조개가 성장함에 따라 맨틀세포에 의해 먼저 유기질인 컨키올린을 분비하여 패각의 가장 바깥부분인 각피(殼皮)를 형성시키며, 그 다음엔 능주층(칼사이트), Mother of Pearl(아라고나이트)을 형성시키게 된다. 이와 같은 단계는 진주를 양식할 때 핵위에 쌓여지는 순서와 동일하다.

▶쉘(Shell)의 구조

패각 내부의 Mother of Pearl(아라고나이트)층은 맨틀세포의 영향으로 형성되는데, 조개가 성장함에 따라 아라고나이트의 얇은 판상 결정의 두께는 패각의 안쪽과 바깥 부분에 따라서 결정의 두께는 다르게 성장한다.(사진2)

사진1. 해수패(左)와 담수패(右)의 끝부분으로 모패(Mother of Pearl)층과 능주층(칼사이트)을 보여주고 있다. 특히 해수패 사진의 경우 칼사이트층(황갈색부분)의 결정이 육안으로도 쉽게 보여 짐을 알 수 있다.

사진2. 백접패(Pinctada maxima)의 SEM(주사전자현미경)사진으로 패(貝)가 성장함에 따라 패각의 끝부분으로 갈수록 아라고나이트의 판상 결정 두께가 얇아짐을 볼 수 있다.(7,000배 확대 사진)

▶진주층(眞珠層)의 구조

위에서 언급하였듯이 쉘(Shell)과 진주의 구조는 본질적으로 같다.

진주층 표면을 일반 보석용 현미경으로 최대 60배 이상 확대하였을 경우 지문상과 같은 형상을 겨우 확인 할 수 있는데

이것은 겹겹이 쌓여있는 아라고나이트결정(結晶)모양으로 결정판의 두께는0.3~0.5미크론(0.0003~0.0005mm)이다.

<사진3>은 SEM(주사전자현미경) 사진으로 주상(柱狀)형태의 칼사이트 결정위에 판상 형태의 아라고나이트 결정구조를 나타내고 있다.

즉, 핵(核)위에 맨틀세포의 세포분열로 인하여 유기질인 콘키올린이 분비되고, 그 위에 능주층(칼사이트 결정), 진주층(아라고나이트 결정)이 형성됨으로서 나타난다.

또한 <그림2>는 진주층을 형성하는 아라고나이트의 판상 결정구조에 대한 모식도로 유기질인 콘키올린은 진주층인 아라고나이트 결정들을 단단하게 결합하여 주는 역할을 하게 된다.

그림2. 진주층의 형성은 그림과 같이 아라고나이트의 결정이 유기질(콘키올린)에 의하여 단단히 결합된 형상을 하고 있다.

 

사진3. SEM(주사전자현미경)으로 확대된 진주의 내부 구조(화살표로 가리키는 부분은 진주층으로 10,000배 확대 사진)

▶AFM(Atomic force microscopic, 초고속 원자 현미경)으로 본 아라고나이트의 구조

사진4는 극도로 정밀함을 요하는 물질의 표면을 나타내기 위한 최첨단 분석 장비인 AFM(Atomic force microscopic)의 사진으로, 우리가 흔히 볼 수 있는 사진2와 사진3의 SEM(Scanning electron microscopy) 사진의 경우는 아라고나이트 결정의 측면만을 나타내는 반면에 AFM은 진주 표면의 극히 미세한 아라고나이트의 판상 결정을 3차원적으로 보여주는 장점을 지니고 있다.

      사진4. AFM(초고속 원자 현미경)에 의한 아라고나이트의 판상 구조

▶Raman 분광기를 이용한 패각의 분석 검사

다음 데이터는 Raman 분광기를 사용하여 본 연구에서 사용된 패각의 칼사이트(calcite)와 아라고나이트(aragonite)를 측정한 것이다.

칼사이트는 715와 1087cm-1에서, 아라고나이트는 703과 1084cm-1에서 전형적인 피크가 나타났다. 따라서 같은 화학조성(CaCO3)을 가지고 있지만, 결정상이 다름으로 인하여 피크의 위치가 약간의 차이가 있음을 알 수 있다.

           그림 3. 라만 분광기를 이용하여 측정된 패각의 칼사이트 스펙트럼

         그림 4. 라만 분광기를 이용하여 측정된 패각의 아라고나이트 스펙트럼

▶독특한 관점의 접근 및 분석 연구의 필요성

진주는 인류와 함께 밀접한 관계를 유지해오면서 많은 사랑을 받아온 보석이다. 또한 진주는 다른 보석 광물(鑛物)과는 다르게 생물(조개)체를 통하여 얻어지는 생체생산물(生體生産物)이라고 할 수 있다.

이러한 점에서 진주는 다른 보석광물과는 다른 독특한 관점의 접근과 논의가 필요하다고 생각한다.

진주의 구조를 이해하기 위해서는 패각의 구조와 성장과정에 대한 이해가 우선시 되어야 하기 때문에 본 연구에서는 진주조개의 구조에 대하여 보다 분석적인 측면에서 다루었다.

즉, SEM(Scanning electron microscopy), AFM(Atomic force microscopic), Raman spectrometry 의 분석 장비를 활용하여 얻어진 분석 자료를 바탕으로 연구하였으며, 이러한 분석학적 연구는 현대 보석의 감정과 감별에 있어서 필수적인 부분이라고 할 수 있다.

⊙ 사진 및 데이터 

(주)한미보석감정원, SSEF, MIKIMOTO PEARL ISLAND

글/ 정영수

(주)한미보석감정원 감별팀장

GG-GIA(미국보석학회 보석감정전문가)

MV(미국 주얼리 가치평가사)

AG-K(국가 공인 보석감정사)

일본 전국보석학협회(GAAJ) 진주과정 수료