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문제 정의
- 그러나 이전에 사용하였던 표면의 옻칠을 제거하기 위해서는 다양한 물리적인 방법과 화학적인 방법을 사용하고 있으나, 표면 손상 및 약품사용으로 인한 환경오염, 보존과학자의 건강에도 매우 유해하다. 그러므로 본 연구에서는 비접촉식이고 친환경적인 Nd:YAG 레이저를 이용하여 효과적인 옻칠 제거 방법을 알아보고자 실험을 실시하였다.
- 그러므로 본 연구에서는 표면 손상 없이 안정적으로 옻칠만을 제거할 수 있는 효율적인 클리닝 방법을 알아보고자 Nd:YAG 레이저를 적용하여 옻칠 제거 가능성을 알아보았다.
가설 설정
- 이는 레이저가 가진 고유 특징인 단색성에 기인한다. 만일 모재와 오염층의 물성 차이가 크지 않고 레이저 빔의 흡수율(absorptivity)이 모재보다 오염층에서 크다고 가정하면 레이저빔 조사 시 오염층 표면은 효과적인 레이저 에너지의 흡수로 빠른 온도 증가가 발생하며, 오염물질의 증발온도 이상으로 온도가 상승하면 오염층이 제거된다. 표면 오염층 제거 후 다시 인입되는 레이저 빔은 모재가 갖는 작은 흡수율으로 인해 대부분의 레이저 에너지는 단순히 표면으로부터 반사되며, 흡수된 레이저 에너지는 모재 표면에서 미약한 온도의 증가를 가져오게 된다.
제안 방법
- 0 J/cm2의 밀도로 1 Pulse로 조사하였을 때 제거되었고, 30 μm의 두께에서는 옻칠이 제거되지 않음을 알 수 있었다. 532 nm의 경우 1064 nm 파장보다 에너지가 작아 Pulses를 5, 10, 15, 20으로 증가시켜 조사하였다. 조사 횟수를 증가할수록 표면의 옻칠은 제거되지만, SEM관찰 결과 표면용융이 발생함을 확인할 수 있었다.
- Nd:YAG 레이저 조사에 의한 옻칠 제거 후 소지 금속에는 어떠한 영향을 끼치는지 알아보고자 SEM 분석을 통해 표면을 세부 관찰하였다. SEM 분석 결과 레이저 파장이 532 nm보다 1064 nm로 레이저를 조사하였을 때 옻칠 제거가 더 효과적인 것으로 판단된다.
- Nd:YAG 레이저 조사에 의한 옻칠 제거 후 표면 거칠기는 어떠한 영향을 받는지 알아보고자 비접촉 표면 조도 측정기를 이용하여 분석하였다.
- 현미경 관찰을 통해 옻칠이 레이저 조사 후 효과적으로 제거됨을 확인할 수 있었다. 그러나 레이저 조사에 의한 옻칠 제거 후 표면 옻칠 성분의 잔류 여부를 알아보고자 FT-IR 분석을 실시하였다.
- 0 J/cm2의 밀도로 조사하였을 때 옻칠 시편의 두께가 10 μm, 20 μm에서 표면 손상 없이 제거됨을 현미경 관찰을 통해 확인할 수 있었다. 그러므로 옻칠이 제거된 표면을 중심으로 비접촉 표면 조도 측정기를 이용하여 표면 거칠기를 비교 분석하였다.
- 비접촉 표면 조도 측정기는 백색광 간섭계를 이용하여 3차원 표면 형상을 측정하는 장비로 청동시편의 PV(형상정도 : Peek to Valley, 측정된 가장 높은 점과 가장 낮은 점의 높이 단차를 나타낸 값), rms(제곱근 평균 거칠기), Ra(중심선 평균 거칠기: Centerline Average Roughness)를 측정 하였고, 본 실험 측정에 사용된 배율은 ×50이다(Lee, 2012). 그리고 레이저 조사 후 표면 옻칠의 잔류 여부를 알아보기 위하여 FT-IR(SPECTRUM100, Perkinelmer, USA) 분석을 실시하였다.
- 옻칠 시편의 두께가 각각 10 μm, 20 μm에서 1064 nm 레이저 파장을 1 Pulse로 조사하였을 때 표면 용융 없이 제거됨을 확인하였다. 따라서 FT-IR을 이용하여 레이저 조사 후 옻칠의 잔류성 여부를 제거된 시편을 이용하여 알아보았다. FT-IR 분석을 이용하여 옻칠의 대표적인 흡수피크는 3600∼3200 cm-1에서 페놀성수산기의 넓은 흡수대와 3030∼2800 cm-1에서는 옻의 주성분인 우루시올의 불포화된 곁사슬 CH3, CH2 그룹이 형성되어 있다.
- 또한 옻칠 제거 전·후 철제시편의 표면 상태를 비교하기 위해 비접촉 표면 조도 측정기(NV6300, ZYGO, Japan)를 이용하였다.
- 레이저 밀도는 0.5∼2.5 J/cm2의 범위이고 옻칠의 두께 차이에 따라 1064 nm의 경우 약 1∼2회, 532 nm의 경우 10, 15, 20회 레이저를 조사하여 옻칠이 제거될 때까지 실험하였다(Table 1).
- 실체현미경(MZ75, LEICA, Germany)을 이용하여 레이저 조사 전·후 표면을 확대하여 관찰하였고 디지털 카메라(D200, Nikon, Japan)로 촬영하였다. 레이저 조사 후 시편 표면의 미세형태 및 성분변화를 알아보기 위하여 SEM-EDS(MIRA3 TESCAN, Quantax-SDD type, Bruker AXS korea, Germany) 분석을 실시하였다. 또한 옻칠 제거 전·후 철제시편의 표면 상태를 비교하기 위해 비접촉 표면 조도 측정기(NV6300, ZYGO, Japan)를 이용하였다.
- 비접촉 표면 조도 측정기는 백색광 간섭계를 이용하여 3차원 표면 형상을 측정하는 장비로 청동시편의 PV(형상정도 : Peek to Valley, 측정된 가장 높은 점과 가장 낮은 점의 높이 단차를 나타낸 값), rms(제곱근 평균 거칠기), Ra(중심선 평균 거칠기: Centerline Average Roughness)를 측정 하였고, 본 실험 측정에 사용된 배율은 ×50이다(Lee, 2012).
- 실체현미경(MZ75, LEICA, Germany)을 이용하여 레이저 조사 전·후 표면을 확대하여 관찰하였고 디지털 카메라(D200, Nikon, Japan)로 촬영하였다.
- 옻칠 제거를 실시하기 전 연마된 철제 시편의 조성을 형광 X선 성분 분석기(Alpha 2000, Innov-X Systems, Germany)를 이용하여 알아보았다. 실체현미경(MZ75, LEICA, Germany)을 이용하여 레이저 조사 전·후 표면을 확대하여 관찰하였고 디지털 카메라(D200, Nikon, Japan)로 촬영하였다.
- 옻칠제거 실험을 위해 가로·세로가 50 mm, 두께가 2 mm인 철제시편 표면을 400 mesh로 균일하게 연마하여 표면의 거칠기를 일정하도록 한 후 XRF 분석을 통하여 철제표면의 조성(Fe 99.9%)을 확인하였다.
- 표면에 도포된 옻칠은 온도 20~25℃, 상대습도 75~85% 환경의 임시건조장에서 경화시켜 시편을 제작하였고 각 시편의 옻칠 두께는 10 μm, 20 μm, 30 μm이다(Figure 1, 2).
- 9%)을 확인하였다. 표면이 균일하게 연마된 철제시편 표면에 초음파 세척을 실시한 후 붓을 이용하여 원주산 생칠을 균일하게 도포하였다(KS M 5000 도료 및 관련 원료의 시험 방법). 표면에 도포된 옻칠은 온도 20~25℃, 상대습도 75~85% 환경의 임시건조장에서 경화시켜 시편을 제작하였고 각 시편의 옻칠 두께는 10 μm, 20 μm, 30 μm이다(Figure 1, 2).
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 레이저 기기는 Nd:YAG 레이저로 ㈜IMT 레이저 그룹의 iMT800MV이다. iMT800MV는 두가지 레이저 파장, 즉 1064 nm와 532 nm를 가지며 1064 nm는 160∼800 mJ, 532 nm는 50∼350 mJ의 에너지를 출력한다.
- 철제를 이용하여 옻칠 제거 용 시편을 제작한 후 Nd:YAG레이저로 제거 실험을 실시하였다. 실험 조건은 레이저 파장이 1064 nm 파장인 경우 0.3 cm2 타원형의 레이저빔으로 설정하였고 532 nm 파장의 경우 0.13 cm2 원형의 레이저 빔으로 각각 사이즈를 적용하였다. 레이저 밀도는 0.
- 철제를 이용하여 옻칠 제거 용 시편을 제작한 후 Nd:YAG레이저로 제거 실험을 실시하였다. 실험 조건은 레이저 파장이 1064 nm 파장인 경우 0.
- 철제인 소지 금속에 붓으로 옻칠을 도포하여 10 μm, 20 μm, 30 μm 두께별로 시편을 제작하여 실험에 이용하였다.
성능/효과
- 5 J/cm2의 밀도로 레이저를 조사하였을 때 옻칠이 제거되기 시작하나 완전히 제거되지 않음을 알 수 있었다. 532 nm 레이저 파장에서는 밀도가 2.0 J/cm2 이상, 15 Pulses 이상으로 레이저를 조사할 때 제거되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 옻칠의 두께가 두꺼울수록 레이저밀도가 1.
- 532 nm 레이저 파장을 이용하여 레이저를 조사한 후 SEM을 분석한 결과 시편 표면의 옻칠은 제거 되었지만 다수의 Pulses로 인하여 부분적으로 시편 표면이 용융되어 균일하지 않은 것을 확인하였다(Figure 7).
- Nd:YAG 레이저 조사에 의한 옻칠 제거 후 소지 금속에는 어떠한 영향을 끼치는지 알아보고자 SEM 분석을 통해 표면을 세부 관찰하였다. SEM 분석 결과 레이저 파장이 532 nm보다 1064 nm로 레이저를 조사하였을 때 옻칠 제거가 더 효과적인 것으로 판단된다. 옻칠시편의 두께가 10 μm, 20 μm일 때 1064 nm 레이저 파장으로 조사한 결과 1.
- 조사 횟수를 증가할수록 표면의 옻칠은 제거되지만, SEM관찰 결과 표면용융이 발생함을 확인할 수 있었다. 또한 비접촉 표면 조도 측정기를 이용하여 표면의 거칠기를 분석한 결과 레이저 조사 후 PV, rms, Ra 값이 레이저 조사 전보다 수치가 감소하였고, 레이저 조사 후 3차원 형상을 통하여 옻칠 시편 표면의 균일한 연마선이 확인됨으로 옻칠이 효과적으로 제거되었음을 알 수 있었다. 마지막으로 현미경 관찰 결과 효과적으로 옻칠이 제거된 1064 nm 파장 1.
- 또한 옻칠 시편의 두께가 20 μm에서도 레이저 조사 전·후 Ra수치가 감소한 것으로 보아 옻칠이 효과적으로 제거됨을 확인할 수 있었다(Table 2).
- 레이저 조사 결과 레이저 파장이 1064 nm의 경우 시편의 두께가 10 μm, 20 μm에서 1.0 J/cm2의 밀도로 1 Pulse로 조사하였을 때 제거되었고, 30 μm의 두께에서는 옻칠이 제거되지 않음을 알 수 있었다.
- 레이저 파장 1064 nm에서 1.0 J/cm2의 밀도로 조사하였을 때 옻칠 시편의 두께가 10 μm, 20 μm에서 표면 손상 없이 제거됨을 현미경 관찰을 통해 확인할 수 있었다.
- 또한 비접촉 표면 조도 측정기를 이용하여 표면의 거칠기를 분석한 결과 레이저 조사 후 PV, rms, Ra 값이 레이저 조사 전보다 수치가 감소하였고, 레이저 조사 후 3차원 형상을 통하여 옻칠 시편 표면의 균일한 연마선이 확인됨으로 옻칠이 효과적으로 제거되었음을 알 수 있었다. 마지막으로 현미경 관찰 결과 효과적으로 옻칠이 제거된 1064 nm 파장 1.0 J/cm2의 밀도로 조사하여 표면 손상 없이 제거된 10 μm, 20 μm 두께의 시편을 대상으로 옻칠 성분의 잔류 여부를 FT-IR 분석을 통해 알아본 결과 옻칠에서 나타나는 IR 흡수피크가 관찰되지 않아 표면에 옻칠 성분이 잔류하지 않음을 확인할 수 있었다.
- 실체현미경을 통해 옻칠이 제거된 표면을 관찰한 결과 레이저 파장을 1064 nm로 적용하여 1.0 J/cm2의 밀도에서 1 Pulse로 조사하였을 때 10 μm, 20 μm 두께의 시편에서 옻칠이 제거되기 시작하였다.
- 옻칠 시편의 두께가 각각 10 μm, 20 μm에서 1064 nm 레이저 파장을 1 Pulse로 조사하였을 때 표면 용융 없이 제거됨을 확인하였다.
- 이를 바탕으로 레이저 파장 1064 nm로 조사 후 표면에 옻칠의 잔류 여부를 확인한 결과 옻의 주성분인 3030∼2800 cm-1의 흡수피크인 우루시올 성분은 관찰되지 않았다.
- 이와 같은 분석 결과를 통하여 철불 개금 시 잔류하고 있는 옻칠 제거 방법으로 Nd:YAG 레이저가 효율적임을 본 실험을 통해 알 수 있었다. 향후 금속뿐만 아니라 목칠가구 등 다양한 재질의 연구가 이루어지면 표면 손상 없이 옻칠을 제거할 수 있는 다양한 문화재 분야에 활용 가능할 것으로 본다.
- 532 nm의 경우 1064 nm 파장보다 에너지가 작아 Pulses를 5, 10, 15, 20으로 증가시켜 조사하였다. 조사 횟수를 증가할수록 표면의 옻칠은 제거되지만, SEM관찰 결과 표면용융이 발생함을 확인할 수 있었다. 또한 비접촉 표면 조도 측정기를 이용하여 표면의 거칠기를 분석한 결과 레이저 조사 후 PV, rms, Ra 값이 레이저 조사 전보다 수치가 감소하였고, 레이저 조사 후 3차원 형상을 통하여 옻칠 시편 표면의 균일한 연마선이 확인됨으로 옻칠이 효과적으로 제거되었음을 알 수 있었다.
- 또한 옻칠 시편의 두께가 20 μm에서도 레이저 조사 전·후 Ra수치가 감소한 것으로 보아 옻칠이 효과적으로 제거됨을 확인할 수 있었다(Table 2). 특히 시편 표면을 3차원 형상 관찰 결과 레이저 조사 전 표면에 도포된 옻칠에 의해 표면의 연마선이 관찰되지 않지만, 레이저 조사 후 옻칠이 제거되어 균일한 연마선이 관찰되므로 레이저 조사 후 표면의 옻칠이 균일하게 제거됨을 본 분석을 통해 알 수 있었다(Figure 8, 9).
- 현미경 관찰을 통해 옻칠이 레이저 조사 후 효과적으로 제거됨을 확인할 수 있었다. 그러나 레이저 조사에 의한 옻칠 제거 후 표면 옻칠 성분의 잔류 여부를 알아보고자 FT-IR 분석을 실시하였다.
후속연구
- 이와 같은 분석 결과를 통하여 철불 개금 시 잔류하고 있는 옻칠 제거 방법으로 Nd:YAG 레이저가 효율적임을 본 실험을 통해 알 수 있었다. 향후 금속뿐만 아니라 목칠가구 등 다양한 재질의 연구가 이루어지면 표면 손상 없이 옻칠을 제거할 수 있는 다양한 문화재 분야에 활용 가능할 것으로 본다.
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