문화재 밀폐 포장용 고차단성 필름의 보존환경 제어 특성 비교 Comparison of Environmental Control Characteristics of High-barrier Films for Sealed Packaging of Cultural Heritage Objects원문보기
고차단성 필름(Barrier films)은 문화재의 안전한 보존환경을 조성하기 위해 산소와 수분을 차단하는 수단으로 사용되고 있다. 1990년대부터 사용된 고차단성 필름 중 가장 대중적으로 사용해 온 제품은 일본 M 社의 E 필름을 들 수 있다. 그러나 수입품으로서 비교적 고가의 가격대를 형성하며 구성 재질의 특성과 보존환경 제어 체계에 대한 정보가 부족한 실정임에도 관련 연구나 유사 제품군의 비교가 미진했다고 볼 수 있다. 근간 국산 고차단성 필름의 제조 기술력은 첨단산업분야의 발달과 더불어 향상되어 왔기 때문에 제품별 특성을 파악하여 문화재 보존환경 제어에 적합한 필름을 찾고자 하였다. 비교 제품군으로 일본 M 사(社)의 E필름과 함께 국내에서 제작된 전자제품 포장용 필름, 실험을 위해 특수 제조한 필름, Zipper bag 형태의 필름 등 총 5종의 필름을 선정하였다. 실험은 필름의 단면, 재질별 두께, 인장강도 및 연신율, 자외·가시광 흡광도, 황변도, 산소 및 수증기 투과도를 측정하여 물성과 기체 차단력을 비교하였고 이를 바탕으로 온·습도 재현실험을 통해 실사용 시 외부 환경과 사용 기간에 따른 변화를 관찰하였다. 그 결과, 실험에 사용된 국산 고차단성 필름은 문화재 밀폐 포장용으로 적용이 가능하고 Zipper bag 형태의 P 필름은 문화재 보관 용도에 적절하지 않았다. 또한 재현실험을 바탕으로 각 필름의 밀폐 포장 시 적정 사용 기간을 검토하였다.
고차단성 필름(Barrier films)은 문화재의 안전한 보존환경을 조성하기 위해 산소와 수분을 차단하는 수단으로 사용되고 있다. 1990년대부터 사용된 고차단성 필름 중 가장 대중적으로 사용해 온 제품은 일본 M 社의 E 필름을 들 수 있다. 그러나 수입품으로서 비교적 고가의 가격대를 형성하며 구성 재질의 특성과 보존환경 제어 체계에 대한 정보가 부족한 실정임에도 관련 연구나 유사 제품군의 비교가 미진했다고 볼 수 있다. 근간 국산 고차단성 필름의 제조 기술력은 첨단산업분야의 발달과 더불어 향상되어 왔기 때문에 제품별 특성을 파악하여 문화재 보존환경 제어에 적합한 필름을 찾고자 하였다. 비교 제품군으로 일본 M 사(社)의 E필름과 함께 국내에서 제작된 전자제품 포장용 필름, 실험을 위해 특수 제조한 필름, Zipper bag 형태의 필름 등 총 5종의 필름을 선정하였다. 실험은 필름의 단면, 재질별 두께, 인장강도 및 연신율, 자외·가시광 흡광도, 황변도, 산소 및 수증기 투과도를 측정하여 물성과 기체 차단력을 비교하였고 이를 바탕으로 온·습도 재현실험을 통해 실사용 시 외부 환경과 사용 기간에 따른 변화를 관찰하였다. 그 결과, 실험에 사용된 국산 고차단성 필름은 문화재 밀폐 포장용으로 적용이 가능하고 Zipper bag 형태의 P 필름은 문화재 보관 용도에 적절하지 않았다. 또한 재현실험을 바탕으로 각 필름의 밀폐 포장 시 적정 사용 기간을 검토하였다.
High-barrier films are used to store cultural heritage objects in a safe environment sealed from oxygen and moisture. One of the high-barrier films use populary E manufactured by Japanese company M from the 1990's. However, this product has stayed in wide use, due to dearth of research on related su...
High-barrier films are used to store cultural heritage objects in a safe environment sealed from oxygen and moisture. One of the high-barrier films use populary E manufactured by Japanese company M from the 1990's. However, this product has stayed in wide use, due to dearth of research on related subjects - including studies comparing it with other similar products-, in spite of the fact that high price information about its characteristics and environmental conditions is largely lacking. This study examines the characteristics of a number of high-barrier films with the goal to establish environmental standards for safer conservation of cultural heritage objects. E by the Japanese manufacturer M is compared with four other films; an electronics packaging films by a Korean firm, a film specially produced for the purposes of experiment in this study and a zipper bag-type film. Experiments were performed to compare the properties and gas blocking ability of the films by looking at their cross-section and measuring the thickness, tensile strength, elongation, absorbance of UV and visible light, yellowing and the permeability for oxygen and vapor. Based on these experiments, there are observed changes under different environmental conditions and depending on the length of use through temparature and humidification reproucing test. The results showed that while the high-barrier film by the Korean manufacturer was suitable for use as a packaging material for cultural heritage objects, the zipper bag-type film (P) was ill-adapted for this purpose. Based on the experiments reproducing the real-world environment, the length of useful life was also determined for each.
High-barrier films are used to store cultural heritage objects in a safe environment sealed from oxygen and moisture. One of the high-barrier films use populary E manufactured by Japanese company M from the 1990's. However, this product has stayed in wide use, due to dearth of research on related subjects - including studies comparing it with other similar products-, in spite of the fact that high price information about its characteristics and environmental conditions is largely lacking. This study examines the characteristics of a number of high-barrier films with the goal to establish environmental standards for safer conservation of cultural heritage objects. E by the Japanese manufacturer M is compared with four other films; an electronics packaging films by a Korean firm, a film specially produced for the purposes of experiment in this study and a zipper bag-type film. Experiments were performed to compare the properties and gas blocking ability of the films by looking at their cross-section and measuring the thickness, tensile strength, elongation, absorbance of UV and visible light, yellowing and the permeability for oxygen and vapor. Based on these experiments, there are observed changes under different environmental conditions and depending on the length of use through temparature and humidification reproucing test. The results showed that while the high-barrier film by the Korean manufacturer was suitable for use as a packaging material for cultural heritage objects, the zipper bag-type film (P) was ill-adapted for this purpose. Based on the experiments reproducing the real-world environment, the length of useful life was also determined for each.
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문제 정의
반면에 국내의 고차단성 필름 시장은 고부가가치 산업(전자제품, 반도체, LCD 등)의 포장 기술 발전과 함께 동반성장을 이루었다 [6]. 따라서 E 필름과 국내에서 생산하는 4종의 필름을 대상으로 물성과 기체 차단력을 측정하여 문화재 보존환경제어에 적합한 필름을 알아보고자 하였으며 향후 조습제 및 탈산제와 연계하는 보존환경 제어시스템 구축의 기초 자료로 활용하고자 한다.
본 논문은 문화재 밀폐 포장에 사용되는 수입산 고차단성 E필름과 첨단산업 분야에서 사용하고 있는 국산 고차단성 필름 4종의 보존환경 제어 특성을 비교하였다. 필름의 단면, 재질별 두께, 인장강도 및 연신율, 자외·가시광 흡광도, 황변도, 산소 및 수증기 투과도를 측정하여 물성과 기체 차단력을 비교하였고 온·습도 재현실험을 진행하여 실제 사용 시 외부 환경과 사용 기간에 따른 변화를 관찰하였다.
제안 방법
온·습도 재현 실험에서는 밀봉한 샘플 내부로 수증기가 투과하여 변화하는 상대습도를 기록하고 샘플 내부와 외부 습도를 비교하였다. 또한 샘플 내부에 밀봉한 철 시편의 표면 관찰과 색도 변화를 통해 상대습도로 인한 부식상태를 확인하였다. 데시케이터 내 상대습도를 하절기 최고 상대습도(92%)로 재현한 결과 (도7(a)), P 필름 내부 습도는 7일차부터 92%의 외부 습도와 유사한 값을 보였고 S 필름 내부 습도는 E, L, N 필름에 비해 5〜8% 정도 높은 수치를 보였다.
001mm까지 측정했다. 샘플의 단층은 전계 방출형 주사전자현미경을 사용하여 단면을 촬영한 후 화상 분석으로 재질별 두께를 ㎛단위까지 측정하였다. 인장강도와 연신율은 ASTM D 882-02 기준인 기계식 만능재료시험기를 사용하여 MD(진행 방향), CD(폭 방향)의 인장강도 및 연신율을 측정하였다.
온·습도 재현 실험에서는 밀봉한 샘플 내부로 수증기가 투과하여 변화하는 상대습도를 기록하고 샘플 내부와 외부 습도를 비교하였다.
온·습도 재현실험 방법으로 총 5종의 고차단성 필름 내부에 온·습도 측정기와 KS D ISO 8407 : C.3.2에 따라 화학적으로 세척한 철 시편 3점을 넣어 90℃, 1초로 설정한 가열봉합장치로 밀폐 포장한 뒤 데시케이터 안에 설치하였다.
위의 조사 결과를 바탕으로 문화재가 밀폐 포장된 상태에서 외부 상대습도로 인한 내부 환경 변화를 살펴보기 위하여 온·습도 재현실험을 하였다.
위의 조사 결과를 바탕으로 문화재가 밀폐 포장된 상태에서 외부 상대습도로 인한 내부 환경 변화를 살펴보기 위하여 온·습도 재현실험을 하였다. 이 실험에서는 각 샘플마다 내부로 투과하는 수증기로 인하여 변화하는 상대습도를 기록하고, 내부에 삽입한 철 시편의 표면 관찰과 색도 변화를 통해 상대습도에 따른 부식 상태를 확인하였다.
자외·가시광 흡광도 측정에는 자외·가시광 분광광도계를 사용하여 200〜800nm 파장 범위에서 샘플의 자외·가시광 흡수량을 측정하였다. 자외선으로 인한 샘플의 황변을 측정하기 위하여 인공 열화 시험기로 일반 대기 환경 조건에서 자외선에 노출시키고 시간대별로 분류한 뒤 분광측색계로 표면을 3회씩 측정하였고 CIE L*, a*, b* 표색계 값 중 Yellow index인 b*값의 평균을 산출하여 황변도를 측정하였다.
필름의 단면, 재질별 두께, 인장강도 및 연신율, 자외·가시광 흡광도, 황변도, 산소 및 수증기 투과도를 측정하여 물성과 기체 차단력을 비교하였고 온·습도 재현실험을 진행하여 실제 사용 시 외부 환경과 사용 기간에 따른 변화를 관찰하였다.
대상 데이터
실험 대상은 문화재 밀폐 포장용으로 사용하는 일본 M 社의 E 필름과 국내에서 전자제품 포장용으로 판매되는 L 필름, N 필름 및 비교 실험용으로 제조한 S 필름, 그리고 Zipper bag으로 판매되는 P 필름을 선정하였다. L 필름과 N 필름은 국내 T 社에서 판매하는 제품으로 현재 반도체 및 전자제품의 포장에 사용하는 고 차단성 필름이다.
이론/모형
산소 투과도는 ASTM D 3985 기준에 따라 23℃, 질소가스 10cc/min 조건에서 산소 투과도 측정기를 사용하였으며, 수증기 투과도는 ASTM F 1249 기준에 따라 37.8℃, R.H 90%, 질소가스 10cc/min 조건에서 수증기 투과도 측정기를 사용하였다.
샘플의 단층은 전계 방출형 주사전자현미경을 사용하여 단면을 촬영한 후 화상 분석으로 재질별 두께를 ㎛단위까지 측정하였다. 인장강도와 연신율은 ASTM D 882-02 기준인 기계식 만능재료시험기를 사용하여 MD(진행 방향), CD(폭 방향)의 인장강도 및 연신율을 측정하였다. 자외·가시광 흡광도 측정에는 자외·가시광 분광광도계를 사용하여 200〜800nm 파장 범위에서 샘플의 자외·가시광 흡수량을 측정하였다.
성능/효과
(도11(a)), P 필름 내부 습도는 3일차부터 외부 습도와 유사해졌고 점차 외부 습도 이상으로 상승하는 것을 확인하였다. 다른 4종의 샘플은 E 필름에 비해 최대 0.
또한 샘플 내부에 밀봉한 철 시편의 표면 관찰과 색도 변화를 통해 상대습도로 인한 부식상태를 확인하였다. 데시케이터 내 상대습도를 하절기 최고 상대습도(92%)로 재현한 결과 (도7(a)), P 필름 내부 습도는 7일차부터 92%의 외부 습도와 유사한 값을 보였고 S 필름 내부 습도는 E, L, N 필름에 비해 5〜8% 정도 높은 수치를 보였다. 92%의 외부습도 상태에서 각 샘플의 일별 상대습도 상승량은 E 필름 2.
60의 변화 값을 보인다. 데시케이터 내 상대습도를 국내 실내 평균 상대습도(52%)로 재현한 결과 (도15(a)), P 필름은 외부 습도보다 평균 4.8% 이상의 습도를 유지하고 있으며 다른 4종의 샘플은 E 필름에 비해 최대 0.4% 정도 높은 내부 습도를 유지하였다. 52%의 외부 습도 상태에서 각 샘플의 일별 상대습도 상승량은 E 필름 1.
83%로 측정되었다 (도11(b)). 철 시편의 실험 전, 후 표면 (도12, 13) 관찰 결과 72%에 노출된 철 시편과 P 필름에 밀봉한 철 시편의 표면에서 갈색의 부식물이 관찰되었고 현미경 조사 결과 L 필름에 밀봉한 철 시편 일부에서도 갈색 부식물이 관찰 되었다. 철 시편의 실험 전, 후 평균 색도 변화는 (도14) 상대습도 72%에 노출된 철 시편 4.
5종 필름의 인장강도, 연신율, 두께 측정 결과(표3), 인장강도는 S 필름이 E 필름보다 근소하게 높았으며 N 필름과 L 필름은 절반가량 낮은 수치를 보였다. 또한 P 필름은 연신율이 매우 높으나 강도는 낮게 측정되었다.
87%로 측정되었다 (도7(b)). 철 시편의 실험 전, 후 표면 (도8, 9) 관찰 결과 92%의 상대습도에 노출된 철 시편과 P 필름, S 필름에 밀봉한 철 시편에서 갈색 부식물이 관찰되었고 현미경 조사 결과 N 필름에 밀봉한 철 시편 일부에서도 갈색 부식물이 관찰되었다. 철 시편의 실험 전, 후 평균 색도 변화는 (도10) 상대습도 92%에 노출된 철 시편 24.
둘째, 인장강도와 연신율은 E 필름보다 S 필름이 근소하게 우위를 점했으며, 자외선 차단력은 P 필름을 제외한 4종의 필름이 대부분 비슷한 수치를 보였다. 기체 차단력은 P 필름을 제외한 국산 필름 3종이 E 필름과 유사한 수치를 보였다.
수증기 투과도와 온·습도 재현 실험에서도 근소한 차이가 있지만 오차 범위 내에서 유의차는 없다고 판단하였다. 따라서 실험에 사용된 전자제품 밀폐 포장용 고차단성 필름은 문화재 밀폐 포장용으로 적용하는 것이 가능하다.
또한 산소 및 수증기 차단력이 매우 낮고 온·습도 재현 실험 결과 장시간 보관 시 오히려 내부 상대습도가 외부보다 더 높게 나타나는 경향을 보였다.
샘플의 산소 투과도 측정 결과 (표4)에서 P 필름을 제외한 4종의 필름은 0.001㏄/㎡·day 이하의 값을 보였다.
셋째, 밀폐 포장한 필름의 외부 상대습도에 따라서 상승하는 내부 상대습도의 값을 통해 밀폐 포장의 사용기간인 내·외부 상대습도의 평형 시간을 대략적으로 유추할 수 있다.
반면에 P 필름은 2,873㏄/㎡·day로 산소 투과도가 다른 샘플에 비해 매우 높은 수치를 나타내 산소에 대한 차단력은 거의 없을 것으로 판단된다. 수증기 투과도 측정 결과에서는 L, E, N, S, P 필름 순서로 외부수증기에 대한 차단력이 높다는 것을 확인하였다. 특히 P 필름은 9,880g/㎡·day의 값을 보이며 다른 샘플에 비해 확연히 높게 나타나므로 수증기에 대한 차단력은 거의 없을 것으로 판단된다.
수증기 투과도와 온·습도 재현 실험에서도 근소한 차이가 있지만 오차 범위 내에서 유의차는 없다고 판단하였다.
실험 결과 국내에서 생산한 전자제품 밀폐 포장용 고차단성 필름은 수입산 E 필름에 비해 성능 면에서 큰 차이가 나지 않았다. 또한 E 필름은 비교적 고가의 가격으로 거래되는 반면 전자제품 포장용으로 사용하고 있는 국산 고차단성 필름의 가격은 1/3 ~ 1/2 정도 저렴한 편이다.
47%의 차이가 있었다. 이러한 결과는 밀봉된 내부 상대습도 변화량의 근거로 활용한 철 시편의 표면 관찰 결과 및 색도 변화값과 전반적으로 일치하였으며 큰 유의차는 없을 것으로 판단된다.
일별 상대습도 상승률 측정 결과(표5) P 필름을 제외한 국산 필름 3종은 일별 상대습도 상승량이 E 필름에 비해 하절기 최고 상대습도 92%에서 0.19〜1.07%, 야외 평균 상대습도 72%에서 0.40〜0.47%, 실내 평균 상대습도 52%에서 0.08〜0.47%의 차이가 있었다. 이러한 결과는 밀봉된 내부 상대습도 변화량의 근거로 활용한 철 시편의 표면 관찰 결과 및 색도 변화값과 전반적으로 일치하였으며 큰 유의차는 없을 것으로 판단된다.
자외·가시광 흡광도 측정 결과 (도5), E 필름은 UV-A(200〜280nm)에서 차단력이 가장 높고 UV-B(280〜320nm)에서는 S 필름, N 필름, L 필름에 비해 현저히 낮았다.
51%로 측정되었다 (도15(b)). 철시편의 실험 전, 후 표면 (도16, 17)에서는 P 필름에 밀봉한 철 시편에서 갈색, 회색의 부식물이 관찰되었고, 철 시편의 실험 전, 후 평균 색도 변화는 (도18) 상대습도 52%에 노출된 철 시편 0.36, E 필름 0.59, L 필름 1.20, N 필름 0.69, S 필름 0.52, P 필름 3.58의 변화 값을 보인다.
첫째, P 필름은 5종의 고차단성 필름 중 가장 얇고 강도가 낮은 재질이며 자외선을 차단하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 산소 및 수증기 차단력이 매우 낮고 온·습도 재현 실험 결과 장시간 보관 시 오히려 내부 상대습도가 외부보다 더 높게 나타나는 경향을 보였다.
필름별 내·외부 상대습도 차이가 5〜8%, 20%, 40% 발생하는 구간에서 24시간 동안 상승한 상대습도(표6)를 살펴보면 내·외부 상대습도 차가 클수록 내부 상대습도 상승폭이 증가하였다.
후속연구
또한 E 필름은 비교적 고가의 가격으로 거래되는 반면 전자제품 포장용으로 사용하고 있는 국산 고차단성 필름의 가격은 1/3 ~ 1/2 정도 저렴한 편이다. 따라서 문화재 보존환경 기준을 적용하여 적절한 재질을 적층한다면 E 필름 이상의 물성과 기체 차단력을 가지면서도 경제적인 문화재 밀폐 포장 전용 고차단성 필름의 제작이 가능할 것이다.
셋째, 밀폐 포장한 필름의 외부 상대습도에 따라서 상승하는 내부 상대습도의 값을 통해 밀폐 포장의 사용기간인 내·외부 상대습도의 평형 시간을 대략적으로 유추할 수 있다. 향후 이를 바탕으로 실험에 사용된 필름과 조습제를 동봉할 경우 조습제의 상대습도 유지 구간, 흡습량, 보관 일정을 계산한다면 밀폐 포장의 대략적인 사용기간을 예상할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
문화재를 고차단성 필름에 밀폐 포장하는 방법의 장단점은 무엇인가?
문화재를 고차단성 필름에 밀폐 포장하는 방법은 한정된 공간에서 적정 보존환경이 다른 재질의 문화재를 보관할 경우, 문화재의 운반 및 이동을 위한 단기간 포장, 국가귀속 대기 시 단기 보관, 출토 직후 긴급한 응급처치가 필요한 경우에 활용한다. 이 방법은 취약한 문화재를 몇 년간 보호할 수 있고 문화재 관련 종사자가 접근하기 쉽다는 장점이 있으나, 정밀한 환경을 유지하는 것이 어렵다는 단점이 있다 [5].
수장 공간은 어떻게 분류 할 수 있는가?
문화재는 주변 환경과 시간에 따라 수명이 감소하므로 수명에 영향을 미치는 요인을 차단하기 위하여 수장고에 보관한다. 수장 공간은 환경 제어 방법에 따라 공기조화시스템, 밀폐형 항온·항습장, 고차단성 필름 밀폐 포장으로 분류 할 수 있다(도1). 공기조화시스템은 소장품에 대한 최적의 환경을 조성할 수 있으나 설치 및 유지비용이 많이 소모되며 재질별 상대습도 조절에 유연성이 떨어지는 단점이 있다[1].
고차단성 필름 어떻게 사용되고 있는가?
고차단성 필름(Barrier films)은 문화재의 안전한 보존환경을 조성하기 위해 산소와 수분을 차단하는 수단으로 사용되고 있다. 1990년대부터 사용된 고차단성 필름 중 가장 대중적으로 사용해 온 제품은 일본 M 社의 E 필름을 들 수 있다.
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