[논문]유리제 문화재 복원용 광경화성 수지의 물성 연구 및 적용

이해순; 나아영

doi:10.22790/conservation.2019.21.0001

[국내논문] 유리제 문화재 복원용 광경화성 수지의 물성 연구 및 적용
The Physical Properties of UV-curable Resin for the Restoration of Glass Cultural Properties and Its Application in Conservation Treatment 원문보기

박물관보존과학 = Conservation science in museum, v.21, 2019년, pp.1 - 16

이해순 (국립중앙박물관 보존과학부) , 나아영 (국립중앙박물관 보존과학부)

초록
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본 논문은 유리제 문화재 복원에 안정한 물성을 지닌 복원재료를 선정하기 위한 연구이다. 아크릴계 광경화성수지(FLGPCL04 Clear^®)를 기준으로 우레탄계 광경화성수지(SECURE CP-7321^®)를 10%씩 가감한 혼합 시편 11종을 제작하고 6종의 물성실험을 실시하였다. 실험결과 굴절률, 비중, 접착력, 황변도의 측정값에 대해서는 11종 혼합재료 모두에 대하여 유사하였으나 표면경도 및 압축강도 측정값에서는 우레탄계 광경화성 수지의 혼합 비율이 10~20% 범위일 때 가장 적합하였다. 즉, 유리제 유물을 복원한 이후의 상태 유지에 가장 효과적이다. 이와 같은 연구결과를 바탕으로 아크릴계와 우레탄계 광경화성 수지를 9:1로 혼합한 재료(AU9010)를 경주 황남대총 북분에서 출토된 유리잔 (황북519)의 보존 처리에 적용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the material properties of UV-curable Resin in order to identify stable materials for use in the restoration of glass cultural properties. Tested samples were based on acrylic UV-curable Resin (SECURE CP-7321®), to which urethane UV-curable Resin (FLGPCL04 Clear®) was added in 10% increments to produce eleven samples. The results showed that all eleven samples had similar properties in terms of refractive index, density, adhesive strength, and anti-yellowing. But the surface hardness and compressive strength were optimal and effective for maintaining the shape of artifacts after restoration treatment when the proportion of urethane resin was in the range of 10-20%. Based on these findings, the mixing sample [acrylic UV-curable Resin(9) : urethane UV-curable Resin(1)] was applied in the conservation treatment of a glass cultural propertie (Hwangbuk 519) excavated from the North Mound of Hwangnamdaechong, Tomb in Gyeongju.

주제어

표/그림 (23)

그림 도1. 봉수형 유리병의 황변
그림 도2. 유리제배 접합부 약화
그림 도3. 광경화성 수지의 가역성 실험 결과
그림 도4. 표면경도 및 굴절률 측정 시편
그림 도5. 비중 및 압축강도 측정 시편
그림 도6. 황변도 측정 시편
그림 도7. 부착력 측정
그림 도8. 표면경도 측정 그래프
표 표1. 표면경도 측정결과
그림 도9. 압축강도 측정 그래프
표 표2. 압축강도 측정결과
그림 도10. 굴절률 측정 그래프
표 표3. 굴절률 측정결과
그림 도11. 비중 측정 그래프
표 표4. 비중 측정결과(22℃)
그림 도12. 접착력 측정 그래프
표 표5. 접착력 측정결과
그림 도13. 황변도 측정결과
표 표6. 황변도 측정결과
그림 도14. 유리잔의 최초 접합 상태
그림 도15. 유리잔의 자연 해체 상태
그림 도16. 유리잔의 복원 후 상태
그림 도17. 주석박지를 이용한 틀

AI 본문요약
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문제 정의

광경화성 수지 중에서 내황변성이 있는 아크릴계 (SECURE CP-7321R)와 우레탄계 광경화성 수지 (FLGPCL04 ClearR)를 선택하였고 이들의 혼합 실험을 통해 유리 복원에 적절한 물성을 가진 배합 비율을 찾고자 하였다.
본 논문에서는 아크릴계 수지의 사용상 어려움을 보충하거나 단독으로 쓰일 수 있는 유리 복원 재료를 찾기 위해 우선, 즉시 경화되는 요건을 충족시키는 광경화성 수지의 물성을 측정하였다.
본 논문은 기존에 상업적으로 사용되고 있는 제품을 보존처리 재료로 도입하여 최적화 시키는 작업의 일환으로써 작업성의 한계성 및 기존 복원재료의 문제점을 최소화 시킬 수 있는 계기가 되었다.
이번 복원 재료 실험의 목적은 안정한 재료로 인식되고 있는 Paraloid B-72R의 사용상 어려움을 대신하여 편리하게 사용할 수 있는 재료를 찾는 것이다.
투명하여 유리의 외관과 유사하며 즉시 경화하여 접합 및 고정제로 활용할 수 있고, 강도 및 접합력이 적절하여 복원 후 형태 유지력이 우수할 뿐 만 아니라 내황변성 및 가역성이 보장되는 재료를 찾고자 하였다.

제안 방법

가역성이 있는지 확인하기 위하여 이 두 가지 재료를 유리 판에 3번 겹쳐 칠하여 경화시킨 후 아세톤에 침적하였다.
결실부를 복원하기 위해 유리잔의 내부에 주석박지로 만든 간단한 내 틀을 대고 복원 재료 (AU9010)를 조금씩 굳혀 형태를 만들었다(도17).
굴절계 (DE/AR6, Kruss, Germany)를 사용하여 표면 굴절률을 측정하였다.
굴절률 측정은 접촉액을 굴절계의 프리즘 위에 한 방울 떨어드린 다음 접촉액 위에 시편을 놓고 굴절계의 대안 렌즈로 눈금을 읽어 굴절률을 측정하였다.
대조군이 되는 표준 시편은 순간접착제 (Loctite 401R)를 선택하고 같은 방법으로 유리판 위에 도포하고 접착력을 측정하였다(도7).
색좌표의 값을 측정하기 위하여 11종의 실험 재료에 대하여 자외선 조사 실험을 진행하였고 0시간, 2시간, 4시간, 6시간, 8시간, 10시간, 12시간, 24시간, 48시간, 96시간, 종료 후 L*, a*, b*, E*ab 값을 측정하였다.
시편 제작은 아크릴계 광경화성 수지 FLGPCL04 ClearR 100%인 것을 “A100” 이 라고 하고 우레탄계 광경화성 수지인 SECURE CP-7321R가 100%인 것을 “U100” 이라고 명명한 후 10%씩 가감하여 AU9010 (FLGPCL04 ClearR 90% + SECURE CP-7321R 10%)부터 AU1090 (FLGPCL04 ClearR 10% + SECURE CP-7321R 90%) 까지 총 11개의 시편을 만들었다(도4, 5, 6).
실제 유리편도 같은 방법으로 굴절률을 측정하여 시편의 굴절률과 비교하였다.
실험 재료를 20초 동안 자외선을 조사하여 완전히 굳힌 순간접착제 (Aldeco, EE type)를 사용하여 Dolly를 접착시켰다.
압축강도는 만능 재료 시험기(UTM: Universal testing machine WL2100, WITHLAB, Korea)로 시료 높이의 10% 압축강도 시험을 실시하였으며, 시험 속도는 1.3 ㎜/min이고 로드셀은 3000N이며 시험 환경은 25(±2)℃, 45(±5)% RH이었다
유리잔 표면에 있는 거북등 껍질 무늬를 표현하기 위해 혼합재료가 아직 액상일 때 표면에 투명한 실험용 필름(Parafilm, Menasha, WI, part no. PM-996)을 대고 곡면을 따라 눌러 주면서 경화시켰다.
유리제 유물의 보존처리에 가장 중요한 투명도 및 형태 유지력, 내황변성을 보장하기 위해 아크릴계 광경화성 수지를 기준으로 우레탄계 광경화성 수지를 혼합하여 실험하였다.
이 11종의 시편에 대하여 표면 경도, 압축 강도, 굴절률, 비중, 접착력, 황변도를 측정하였다.
이때 E*ab 값이 미미하여 다시 120시간, 140시간, 160시간, 180시간, 200시간을 측정하여 상대적으로 급격한 황변이 시작되는 시점을 확인하였다.
이후 최근에 접착제가 약화되어 자연적으로 일부 편들의 접착부가 느슨해지면서 해체되어 이번에 재 보존 처리 하였다(도15, 16).
자외선 조사기 (CC-80, Spectroline, Japan)을 사용하여 200시간 동안 자외선에 노출 시킨 후, 분광측색계기 (NF555, Denshoku, Japan)으로 색차를 측정하였다.
총 11개의 혼합 재료에 대한 접착 강도를 측정하기 위하여 접착력 테스트기 PosiTesrt AT-A Automatic (DeFelsko, USA)를 사용하여 측정하였다.
측정 방법은 건조 상태의 질량을 측정(W1)하고, 22℃의 증류수에 넣은 시료를 고리에 매달린 상태에서 질량을 측정 (W2) 후, 증류수의 비중값을 다음 식을 통해 계산하였다.
표면의 신장율과 반발력 측정에 이용되는 표면경도의 측정은 규격화되어진 KS method가 없으므로 Showa 경도기(JISK K 7215, D Type, TECLOCK, Japan)를 사용하여 표면 경도를 측정하였다.

대상 데이터

A100부터 U100까지 총 11개의 시편을 가로 5 ㎝ × 세로 3 ㎝ × 높이 0.2 ㎝ 크기로 제작하였다.
본 논문은 아크릴계 광경화성 수지(FLGPCL04 ClearR)와 우레탄계 광경화성 수지 (SECURE CP-732R)가 유리제 문화재 복원에 안전하게 사용될 수 있도록 물성실험을 실시하였고, 이를 바탕으로 선정한 혼합재료 (AU9010)를 황남대총 북분 출토 유리잔의 보존처리 복원재료로 선정하여 적용하였다.
시편은 11 종의 혼합 재료를 한 변의 길이가 1 ㎝인 정육면체 형태로 경화시켜 준비하였다.
실험 대상은 우레탄계 광경화성 수지(SECURE CP-7321R)와 아크릴계 광경화성 수지 (FLGPCL04 ClearR)를 선택하였다.
이번 물성 실험을 통하여 유리 복원 재료로써 안정성이 입증된 아크릴계 광경화성 수지 FLGPCL04 ClearR와 우레탄계 광경화성 수지인 SECURE CP-7321R를 9 : 1 로 혼합한 재료를 선택하여 유리잔(황북519) 보존 처리에 사용하였다.
총 11 개의 혼합 시편을 가로 5 ㎝ × 세로 3 ㎝ × 높이 0.2 ㎝ 크기로 제작하였다.
총 11개의 시편을 가로 10 ㎝ × 세로 6 ㎝ × 높이 0.2 ㎝ 크기로 제작하였다.
총 11개의 혼합 재료에 대한 시편을 가로 5 ㎝ × 세로 3 ㎝ × 높이 0.2 ㎝ 크기로 제작하였다.

데이터처리

경도 측정은 각각 시편의 5지점을 기준으로 측정하였으며 최고값과 최저값을 제외한 3가지 결과 값의 평균을 산출하였다.

성능/효과

200시간 노출 후 두가지 수지의 혼합 비율에 따라서 불규칙한 변화를 보이며 아크릴계 수지가 단독으로 쓰일 때 변화 수치가 1.61로서 가장 황변에 강하고, 우레탄 수지가 단독으로 쓰일 때 4.01로서 가장 변화가 크다(표6, 도13).
Dolly와 표면이 직각이 되도록 위치시킨 후 인장기의 압력을 Dolly에 가해 시험편과 분리될 때의 단위 면적당 압력 (MPa)를 측정하고 접착력이 큰 값을 안정한 것으로 판단하였다.
결국, 이번실험에서는 AU9010, AU8020시편의 강도가 복원된 문화재의 지속적인 형태 유지에 유리하다.
굴절률 측정 결과, 혼합 재료 11 종 모두가 1.5~1.49의 범위에 분포하고 수치상 0.01의 차이에 지나지 않으므로 모두 복원재료로 사용할 시 유리의 투명도와 유사한 외관을 구현할 수 있다(표3, 도10).
그 결과, 우레탄계 광경화성 수지의 혼합 비율이 20% 이하일 때 가장 적합한 물성값을 나타내었다.
넷째, 문화재 보존처리를 위한 재료로써 충족해야할 요건인 내황변성 및 가역성, 접합력이 동시에 충족되므로 기존에 사용되고 있는 아크릴계 접착제인 Paraloid B-72R 등과 같은 다른 종류의 복원재료와 함께 사용할 수 있다.
둘째, 혼합재료 자체가 액상형이므로 흐름을 방지하기 위한 간단한 보조 틀이 필요하지만 복원제로 사용상의 문제점은 발생하지 않는다.
셋째, 혼합재료의 굴절률이 유리의 굴절률과 거의 유사하므로 접착시 유리 파단 면의 시각적인 노출을 최소한으로 줄일 수 있어 복원부분의 이질감을 최소화 시킨다.
이상의 유리제 문화재의 복원 재료로 사용하기 위한 혼합재료의 물성실험 결과를 종합하여 비교하면, 굴절률이나 비중은 혼합 재료 11종 모두가 실제 유리의 굴절률과 유사하여 투명한 유리를 복원하기에 적합하고 실제 유리의 무게보다 가벼워 복원 재료로 적합하다.
접착력 측정 결과, 대조군으로 선택한 순간접착제 (Loctite 401R)의 접착력이 18.33MPa이다.
첫째, 광경화성 수지의 특성 중 하나인 빠른 경화시간 덕분에 수지가 액상형임에도 불구하고 접착제 및 메움제로 사용할 수 있다.

후속연구

차후, 유리 문화재 뿐만 아니라 도자기 문화재의 복원에도 일정부분 응용될 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌 (5)

Stephen P. Koob, The use of paraloid b-72 as an adhesive: Its application for archaeological ceramics and other materials, Studies in Conservation 31, p.7-14, (1986).

상세보기
황현성 외, 국보 제193호 봉수형유리병의 재보존처리에 사용할 복원재료 선정실험, 박물관보존과학 15, p.30-34, (2014).
Sandra Davison, Conservation and Restoration of Glass, p.14, Butterworth-Heinemann, Oxford, (2003).
위광철, 도자기.토기 복원용 저황변.저수축 가역수지 개발 II, 국립문화재연구소 문화유산융복합연구(R&D), p.120-122, (2014).
이인숙, 한국의 고대 유리, p.33-34, 도서출판 창문, 서울, p.34-35, (1993).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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