전문가가 설명하는 보석 성분을 밝히는 방법

다양한 물질 분석을 통해 성분 파악하기

 살면서 이게 무슨 성분일까? 고민해 본 적이 있지 않은가? 필자는 재료 전공자로서 매 순간순간 생각한다. 고로 존재한다. 

간략하게 말해서 순금일 때와 합금일 때. 간단한 분석과 복잡한 분석을 통해 성분을 파악해 볼 수 있다. 순수한 물질일 경우 경도, 전도도, 연성, 밀도, 색 등으로 쉽게 파악할 수 있지만 복합적인 물질이라면 쉽지가 않다. 더군다나 유적에서 나온 아주 오래된 유물이라면 훼손하지 않으면서 분석해야 한다. 그러면 어떤 분석이 있을까?

 

과학적 비파괴 검사의 종류

 비파괴 검사란 물질을 파괴하지 않고 재질, 성능, 상태, 결함의 유무 확인 등의 검사를 할 수 있는 방법이다. 의료계열의 엑스레이, CT, MRI, 인체 초음파 검사 등도 크게 보면 비파괴검사에 속하며, 보통 비파괴 검사라는 용어는 산업군에서 쓰인다. 

• 육안검사: 말 그대로 직접적으로나 간접적으로 관찰하여 관찰 물건의 표면에 결함이 있는지 확인하는 방법. 여러분들이 잘 아는 전자현미경이나 광학현미경 등이 있겠다. 표면 결함에서 더 나아가 표면 구성 성분 파악, 표면 원소의 전기적 및 광학적 특성 파악 등은 육안검사에 해당하지 않는다. 
• 침투비파괴검사: 표면에 이것저것 흩뿌려서 얼마큼 침투하는지 파악하는 검사.
• 자기 비파괴검사: 미세한 철분을 관찰 물건의 표면에 뿌려 자성을 가할 시, 표면과 그 내부 구조로 누설되는 입자가 있는지 확인하여 검사하는 방법.
• 초음파비파괴검사: 초음파를 쏘아 관찰 물건 표면에 반사되어 돌아오는 신호를 분석하여 내부를 검사하는 방법. 육안으로 관찰하기 어려운 크랙이 있는지 확인할 수 있다.
• 방사선비파괴검사: 방사선의 투과량에 따라 그 정도를 파악하여 표면 및 내부를 분석하는 방법. 방사선 노출량에 따라 색이 변하는 필름을 이용해 관찰 물체를 투과하는 방사선의 정도의 차이를 파악하여 시각화하는 방법. 
• 누설비파괴검사: 검사용 액체나 기체 시료를 관찰 물체 표면에 흘려보내 검사하는 방법.
• 와전류비파괴검사: 관찰 물체에 전기적 특성을 보일 수 있는 영역이 있다면, 그 주위에 자기장을 형성시켜 전류를 유도시키고 이때 발생하는 자기장을 관찰해 건전부 및 불건전부를 검사하는 방법.

전문적 미세 파괴 검사

 필자의 메인 주제이자 아직도 어려운 분석법. 비파괴 검사와 반대로 분석 과정에서 물질의 훼손이 이루어질 수 있는 검사이다. 그러나 다행인 건 아주 작은 용량으로도 가능한 분석이 많다. (1mg ~ 5mg)

 

유물의 성분을 분석하는 모식도 예 (출처 :Nature Materials, 22 (2023), 144-145)

 

 위의 그림에서 노란색의 영역과 파란색의 영역은 각각 원하는 물질의 성분을 분석하는 단계(노랑)과 분석결과+역사자료로 토대로 추정한 물질을 재구현해서, 원본과 분석 비교를 하는 과정(파랑)으로 나누어진다. 

 먼저 주사전자현미경(Scanning electron microscopy)은 전자로 물질의 표면을 크게 확대하여 볼 수 있는 현미경이다. 요즘 주사전자현미경은 물질의 정보를 확인할 수 있는 기능(Energy-dispersive X-ray spectroscopy mapping)이 달려있어 1차적으로 어떤 성분들이 포함되어 있는지 확인할 수 있다.

 다음으로는 전자투과현미경(Transmission electron microscopy)은 전자를 강한 전압으로 물질을 꿰뚫어 보는 현미경이다. 이때, 물질들의 원자 배열들이 나타나는데, 원자의 배열 모양과 원자끼리의 간극을 파악해 어떤 원자가 결합해 있는지 확인할 수 있다. 다만 분석하려는 게 너무 두껍거나 자성을 띄는 경우라면 분석하기 어렵다.

 그 이후는 방사선가속기를 이용한 분석으로 보다 정확하게 물질을 이루고 있는 성분들을 추려내고, 함유량의 비율을 확인하고, 결합을 확실시하는 분석이 있다. 실전에서는 이를 비파괴 분석으로 분류하지만, 저거 분석하려면 시료에서 아주 소량을 떼내어 분석장치에 넣어야 하기 때문에 실상은 파괴검사가 아닌가? 

 종류로는 X선형광분석(X-ray fluorescence)과 X선회절패턴분석(X-ray diffraction patterns) 법이 있으며 물질이 갖는 전자 영역대 (K, L shell...)의 전자들이 갖는 고유의 에너지 값이 다름을 이용해 성분을 파악한다. 

 마지막으로 위와 같은 분석 정보와 역사를 토대로 추정으로 물질을 재현하고, 분석해서 원본과 비교한다. 

 이렇게 전자현미경으로 스캔하고, 방사선가속기를 이용한 분석법들로 구조정보 파악하고 역사 정보 곁들여 추론한다면 여러분도 궁금증을 해결할 수 있다!