1. 서 론
페인팅 조각작품은 목재, 철, 플라스틱 등의 소재로 형태를 구성한 후, 표면에 페인트로 도막을 형성하여 발색, 부식방지, 오염방지 등을 목적으로 한 조각작품을 의미한다. 합성수지 페인트는 천연수지 도료에 비해 점도와 건조성이 우수하며, 다양한 발색과 우수한 내구성을 제공해 작업성과 경제성 면에서 예술가들에게 매력적인 도장재료로 자리 잡았다. 20세기 초부터 본격화된 페인팅 조각 작품 제작은, 산업혁명과 세계대전을 거치며 합성수지 페인트의 물성 개선과 종류의 다양화가 이루어지며 더욱 확산되었다. 현재는 많은 작가들이 페인트를 도장재료로 조각작품을 제작하고 있다.
이러한 페인팅 조각작품들은 야외에 지속적으로 노출됨에 따라 자외선, 대기오염 등의 영향으로 도막층이 열화되며, 표면 박락과 변색이 발생한다. 도장층의 손상은 모재의 손상뿐만 아니라 미적 가치의 저하와 전시 관람성 저해를 초래하므로, 페인팅 조각작품에 대한 보존처리가 필수적으로 요구된다.
페인팅 조각작품의 보존처리는 손상 형태 확인, 사용재료 분석, 손상층 제거, 메움 및 재도장 순으로 이루어진다. 기존 진행된 선행연구는 주로 원본성을 보존하기 위한 사용재료 분석(
Han et al., 2021;
Oh et al., 2020;
Kwon et al., 2023)에 초점을 맞추었으며, 야외 페인팅 조각작품 보존처리 과정에서 도장면의 표면 상태를 결정하는 도장층 제거 방법에 관한 연구는 여전히 초기 단계에 머물러 있다. 기존 도장층 제거 방식은 주로 그라인더와 블라스팅 등의 물리적 방식, 리무버 같은 화학 용제를 사용하는 화학적 방식이 주를 이루었고, 최근에는 레이저 클리닝을 작품에 적용하기 위한 안정성 연구(
Kwon et al., 2023) 등이 진행되고 있다.
레이저 클리닝 방식은 지향성, 단색성, 가간섭성 등의 특성을 가진 레이저 빛 에너지를 이용해 제거 대상에 광열적, 광화학적, 기계적 효과를 가하여 제거하는 방식이다. 이 방식은 기존의 블라스팅 및 화학 리무버 방식과 비교했을 때(
Table 1), 기기의 정밀 제어를 통해 국소 부위 제거와 비접촉식 공정이 가능하며(
Lee, 2001), 손이나 소도구가 접근하기 어려운 협소한 부위에서도 효과적으로 적용할 수 있다. 또한, 일정한 에너지를 가진 빛을 조사할 수 있어 처리 후 균일한 표면을 얻을 수 있으며, 분진, 마모제, 2차 폐기물이 생성되지 않아 인체와 환경에 무해한 장점이 있다.
이전에도 레이저를 활용한 클리닝 연구가 진행되었으나, 주로 오염 입자(
Lee, 2014)와 부식의 국소적 제거에 초점을 맞추었으며, 페인트 도막층에 대한 연구는 선박용 에폭시 페인트(
Kim et al., 2020;
Kim, 2020)에 국한되어 있다. 페인팅 조각작품의 경우, 다양한 수지의 페인트가 사용되며, 제거 성능 외에도 모재 안정성과 심미성에 영향을 미치는 클리닝 제거표면에 관한 연구는 아직 초기 단계에 머물러있다.
본 연구는 페인트별 레이저 클리닝 공정 변수의 최적화를 통해 과세척(over-cleaning)으로 인한 모재의 2차 손상 및 도막층 잔류를 방지하고, 재도장을 위한 최적의 제거표면을 얻고자 하였다. 제거표면에 대한 정밀 분석과 재도장 후 적합성 평가를 포함하여, 페인트별 최적 클리닝 공정 변수를 도출하고, 손상 도막층의 선택적 제거가 능성을 제시하는 데 중점을 두어 페인팅 조각작품의 보존처리 완성도 및 작업성 향상에 기여하고자 한다.
2. 연구내용
2.1. 연구재료
실험 재료로는 KS 규격(KS D 3503)에 따른 SS400 철편(S < 0.05, P < 0.05)을 50 mm x 100 mm x 5 mm 크기로 가공하여 준비하였다. 제작된 철편의 표면을 균일하게 하기 위해 #400에서 #1200까지의 사포를 사용해 표면 정리 작업을 수행하였다. 표면 처리가 완료된 철편에는 모재와 베이스 코트의 접착력 향상 및 도막 차단을 위해 삼화페인트社의 에폭시 프라이머(스피폭시 FD)를 도포하였다. 프라이머 도포 후에는 베이스 코트를 적용하였으며, 베이스 코트에 사용된 페인트는 레이저 클리닝 적용 가능성을 고려해 국립현대미술관 과천 야외조각공원에 설치된 페인팅 작품 중 레이저 클리닝 과정에서 발생하는 순간 최고온도 670℃(
Haichazo, 2019)를 견딜 수 있는 용융점을 가지고 있는 철제조각인 안형남 ‘낮에 나온 별’(
Table 2)의 페인트를 선정하였다. 색상은 레이저광 반응도에 따른 제거 성능 차이를 확인하기 위하여, 광 반응도 차이가 가장 대비적인 흑색과 백색을 선정하였다. 페인트 도포는 스프레이 방식을 사용하였으며, 도막층이 완전히 경화된 후에는 면포와 탈지제로 표면의 이물질을 제거하였다.
2.2. 연구방법
본 연구에선 매질로 이터븀 액티브 파이버(Ytterbium Active Fiber)을 사용하며, 모드잠금(Mode locking) 등 타공진 방식과 비교하여 높은 펄스 에너지 및 긴 펄스 지속 시간의 특성을 가진 음향 광학 큐스위칭(Acousto-Optic Q-Switching) 방식의 Fiber 레이저 장비(IMT100P, IMT社, KR)를 활용하였다. 기기의 출력 빔의 지름은 6∼9 mm로 조정 가능하며, 제거 대상의 형태나 표면 상태에 따라 출력 빔을 선형 또는 원형, 스파이럴 등의 형태 설정할 수 있어, 원하는 제거표면에 대한 정밀한 제어가 가능하다. 레이저의 파장 길이는 1070±5 μm이며, 평균 출력은 100 W, 출력 범위는 10%에서 100%까지 조정 가능하다. 펄스 지속 시간은 100 ns이고, 초점 거리는 385 mm이다(
Table 2). 레이저 출력 렌즈로는 220∼330 G가 사용되었다.
실험은 앞서 제작된 페인트 시편을 대상으로 레이저 기기(IMT100P, IMT社, KR)의 기기 내부 소프트웨어를 이용해 조건을 제어하며 시편에 레이저를 조사(照射)하는 방식으로 진행되었다.
이번 연구에서는 펄스 에너지에 영향을 주는 출력과 중첩률에 영향을 미치는 스캔 속도를 표(
Table 3)와 같이 설정하여, 조건별로 레이저 클리닝을 1회부터 5회까지 증가시키며 시편에 조사하여 각 조건 및 시행 횟수별 제거 성능을 비교하였다. 실험 조건에서 레이저의 파장 길이는 1064 μm, 시편과 레이저 광원 초점거리는 385 mm, 주사율은 100 Khz, 초점 크기는 128 μm로 동일하게 설정하였다. 스캔 속도에 따른 중첩률의 영향을 정량화하기 위해 빔 형태는 선형, 방향은 일방향 조사하였으며, 제거표면의 크기는 10 mm x 10 mm의 사각형 형태로 설정하여 클리닝을 진행하였다.
2.2.1. 표면 상태 분석
레이저 기기 조건별 클리닝 제거표면을 비교하기 위하여 공초점 레이저주사현미경(VK-X3000, Keyence, US)을 이용하여 시료 표면을 x50 배율로 확대 관찰하였으며, 현미경에 부착된 카메라 및 분석프로그램(VK K 3000 Analys, Keyence, US)를 이용한 촬영을 진행하였다.
2.2.2. 표면 거칠기 분석
레이저 클리닝 전후의 표면 형상을 관찰하기 위해 공초점 레이저 주사현미경(VK-X3000, Keyence, US)을 사용하여 표면 거칠기 분석을 진행하였다. 촬영된 광학 절편들을 Z축을 기준으로 재구성하여 얻어진 선명한 3D 입체 영상을 바탕으로, 레이저 클리닝 후 제거된 표면의 3개 부위에 대해 표면 거칠기를 분석하였다. 비교분석에는 중심선 기준 표면 높낮이(Sa, 평균 거칠기), 중심선 기준 단면 최고 골 깊이(Sv, 골 거칠기), 중심선 기준 최고 높이(Sz, 봉우리 거칠기) 파라미터를 사용하였다.
2.2.3. 표면 제거 정량 분석
레이저 클리닝 전⋅후 조건별 제거 성능 및 도막의 제거량을 정량화하기 위하여 도막 두께 측정기(Qnix7500, Automation Dr.Nix, GER)을 이용하여 제거표면의 도막 두께를 측정하였다. 측정 방법은 KS D ISO-2178(자성 소지위 비자성 피막 측정기준)에 따라 진행하였으며, 측정 위치는 클리닝 전 표면, 레이저 클리닝 시행 횟수별 표면 5개소에 대해 접촉식으로 5회 진행하였다. 수집된 데이터 중 최솟값과 최댓값을 제외한 3개의 데이터에 대한 평균값을 기록하였다.
3. 연구결과
3.1. 낮에 나온 별(흑색)
3.1.1. 표면 상태 분석
클리닝 후 낮에 나온 별(흑색) 시편에 대한 현미경 관찰 결과는 다음과 같다(
Table 4).
출력 100 W 조건에서 중첩률 70%와 50%의 경우, Pulse 1회 조사만으로도 베이스 코트층의 대부분이 제거되었으며, Pulse 2회 조사 시 모재층이 노출되는 것이 확인되었다. 특히 70%와 50% 조건에서 모재가 노출된 이후 클리닝을 추가로 진행하면, 입열로 인해 모재 표면에 푸른색의 고온 산화피막이 형성되어 표면 색상이 변화하였다. 반면, 30% 중첩률 조건에서는 Pulse 2회까지 일부 프라이머층이 잔류하였으며, Pulse 3회차에 모든 도막층이 제거되었다. 모재 노출 후 추가 레이저 조사를 통해 표면에 황색 변화가 관찰되었다.
출력 80 W 조건에서는 모든 중첩률에서 Pulse 1회 조사로 베이스 코트의 제거가 확인되었다. 70% 중첩률 조건에서 Pulse 2회 조사 시 베이스 코트와 프라이머가 모두 제거되며 모재층이 노출되었고, Pulse 3회 이후에는 모재의 표면 변색이 발생하였다. 50% 중첩률 조건에서는 Pulse 2회 조사 시 프라이머와 모재가 확인되었으며, Pulse 3회 이후 모든 잔류 도막층이 제거되었다. 30% 중첩률 조건에서는 Pulse 2회 조사 시 모든 베이스 코트층이 제거되어 프라이머층이 노출되었으며, Pulse 4회 조사 시 도막층이 완전히 제거되어 모재가 노출되었다.
출력 50W 조건에서는 중첩률 70%에서 Pulse 1회 조사 시 베이스 코트층이 제거되었고, Pulse 2회 조사 시 모재가 노출되었다. 50% 중첩률 조건에서는 Pulse 1회 조사 시 베이스 코트의 일부가 제거되고 프라이머가 노출되었으며, Pulse 2회 조사 시 모든 베이스 코트가 제거되어 프라이머층이 전면적으로 노출되었다. Pulse 4회 조사 후 모재가 노출되었다. 중첩률 30% 조건에서 Pulse 2회 조사 시 베이스 코트의 대부분이 제거되었고, Pulse 3회 조사 시 프라이머가 노출되며, Pulse 5회 조사 시 모재층과 프라이머층이 혼재된 상태가 확인되었다.
3.1.2. 표면 거칠기 분석
낮에 나온 별(흑색)시편의 도장 전 프라이머 표면(Sa: 4.75, Sz: 54.07, Sv: 12.60)과 모재 표면(Sa: 4.91, Sv: 51.07, Sz: 16.21)을 기준에 대한 표면 거칠기 분석 결과는 다음과 같다(
Table 5,
6).
100W-70% 조건에서 클리닝을 진행한 결과, Pulse 1회 조사 시 Sa 값이 10 이하인 비교적 평활한 표면이 형성되었으며, Pulse 2회 이상 조사 시 표면 거칠기 값이 더욱 감소하여 평활한 표면이 관찰되었다. 그러나 Pulse 5회 조사 시 표면 거칠기 값이 크게 증가하였다. 50% 조건에서 Pulse 1회 조사 시 Sa 값이 10 이상으로 거친 표면이 형성되었으나, Pulse 2회 조사 시 거칠기 값이 크게 감소하였다. 이후 Pulse를 추가로 조사할 때마다 표면 거칠기는 소폭 증가와 감소를 반복하였다. 30% 조건에서 클리닝을 진행한 경우, Pulse 1회 조사 시 Sa > 10, Sz > 100 이상의 거친 표면이 관찰되었으며, Pulse 2회 조사 시 거칠기 값이 소폭 감소한 후 Pulse 3회 조사 후에는 크게 감소하여 평활한 표면이 관찰되었다.
80W-70% 조건에서는 Pulse 1회 조사 시 표면 거칠기 값이 상승하였으나, Pulse 2회 이후 큰 폭으로 감소하며 평활한 표면이 형성되었다. 이후 추가적인 조사에서 표면 거칠기 값은 소폭 증가와 감소를 반복하였다. 50% 조건에서는 Sa 값이 크게 변하지 않았으나, Pulse 3회 조사 시 Sz 값이 크게 증가하였다. 추가적인 Pulse 조사가 진행되면서 Sz 값이 감소하여 평활한 표면이 형성되었다. 30% 조건에서 Pulse 2회까지 표면 거칠기가 증가하였으나, Pulse 3회 조사 시 거칠기가 크게 감소하여 평활한 표면이 형성되었다.
50W-70% 조건에서 클리닝을 진행한 결과, Pulse 1회 조사 시 Sa 값이 5 근처의 비교적 평활한 표면이 형성되었고, Pulse 2-3회 조사 시 거칠기 값이 크게 증가하였다. Pulse 4회 조사 후 표면 거칠기 값이 크게 감소하였으며, 추가적인 Pulse 조사에서는 표면 거칠기 값이 소폭 증가하였다. 50% 조건에서 Pulse 3회 조사 시까지 Sa와 Sz 값이 높게 측정되었으며, Pulse 4회 조사 시 거칠기 값이 크게 감소하여 평활한 표면이 형성되었다. 30% 조건에서 Pulse 1회 조사 시 표면 거칠기 값이 상승하였으며, Pulse 2-4회 조사 시 표면 거칠기 값이 소폭 감소하였으나, Pulse 5회 조사 시 모든 파라미터 값이 크게 증가하여 거친 표면이 관찰되었다.
표면 거칠기 측정 결과, 최외곽 도장층이 제거되기 시작하는 표면에서 두 개의 층 사이에 발생하는 단차로 인해 Sa, Sv, Sz 값이 크게 나타났으며, 잔류된 도막층이 제거된 후에는 모든 파라미터 값이 크게 감소하며 평활한 표면이 형성되었다. 또한, 모재가 노출된 직후에는 표면 거칠기 값이 감소하였으나, 추가적인 레이저 조사에 따른 입열이 진행될 경우, 레이저에 의한 표면 가공과 용융 및 응고로 인해 표면 거칠기 변화가 관찰되었다.
3.1.3. 표면 제거 정량 분석
낮에 나온 별(흑색)시편에 대한 표면 제거 분석 결과는 아래와 같다(
Table 7). 시편의 기존 표면 두께는 162 μm, 프라이머층의 두께는 114 μm, 모재층의 두께는 39.2 μm 로 측정되었다.
출력 100 W 중첩률 70% 조건에서 Pulse 1회 시행 시, 110 μm의 도막이 제거되어 베이스 코트층과 프라이머가 동시에 제거됨을 확인할 수 있었다. Pulse 2회 시행 시에는 약 10 μm의 프라이머층이 추가로 제거되어 모재층이 노출된 것으로 파악된다. 이후 Pulse 횟수를 증가시켜도 도막 두께는 더 이상 감소하지 않았는데, 이는 모재 코팅층의 제거가 진행되지 않았음을 의미한다. 중첩률 50% 조건에서 Pulse 1회 시행 시 약 70 μm의 베이스 코트층 도막이 제거되었으며, Pulse 2회 시행 시 50 μm의 도막층이 추가로 제거되었다. Pulse 3회 시행 시에는 약 10 μm의 도막이 더 제거되어 도막층이 모두 제거된 것으로 판단된다. 중첩률 30% 조건에서 Pulse 2회 시행 시까지 약 60 μm의 도막이 제거되며 프라이머층이 노출되었고, Pulse 3회 시행 시 약 50 μm의 도막이 추가로 제거되어 도막층이 전부 제거된 것으로 확인되었다.
출력 80 W 중첩률 70% 조건에서 Pulse 1회 조사 시 약 60 μm의 도막이 제거되어 베이스 코트층이 제거되고, 프라이머층이 노출된 것으로 파악된다. Pulse 2회 조사 시 약 50 μm의 프라이머 도막 층이 추가로 제거되며, 모재 위의 모든 도막 층이 제거된 것으로 판단된다. 50% 조건에서 Pulse 1회 조사 시 40 μm의 베이스 코트 도막 층이 제거되며 프라이머층이 노출되었고, Pulse 2회 조사 시 80 μm의 프라이머 도막 층이 제거되어 모재가 노출되었다. 중첩률 30% 조건에서 클리닝을 진행한 경우, Pulse 1회 시행 시 약 40 μm의 베이스 코트층이 제거되며 프라이머 층이 노출되었고, 2회 시행 시 도막 두께가 약 40 μm 감소하였다. Pulse 3회 시행 시 추가로 40 μm의 도막이 제거되어 잔류된 모든 도막 층이 제거된 것으로 판단된다.
출력 50 W 중첩률 70% 조건에서 Pulse 1회 시행 시 약 60 μm의 도막 층이 제거되어 베이스 코트층이 제거되었고, Pulse 2회 시행 시 추가로 약 60 μm의 제거가 진행되며 모재층이 노출되었다. 50% 조건에서 클리닝을 진행한 경우, Pulse 1회 시행 시 약 40 μm의 도막 층이 제거되며 베이스 코트층이 제거되고, Pulse 2-3회 조사 시 약 40 μm의 도막이 추가로 제거되어 프라이머층이 노출되었다. 추가적인 Pulse 4회 조사 시 잔류된 도막 층이 모두 제거되어 모재가 노출되었다. 중첩률 30% 조건에서 클리닝을 진행할 경우, Pulse 2회까지는 베이스 코트의 제거가 진행되지 않았으나, Pulse 3회 시행 후 약 80 μm의 도막이 제거되어 프라이머층이 노출되었다. 이후 Pulse 5회 조사 시 약 10 μm의 도막이 추가로 제거되었으며, 약 30 μm의 프라이머층이 잔류한 것으로 판단된다(
Figure 1).
3.2. 낮에 나온 별(백색)
3.2.1. 표면 상태 분석
낮에 나온 별(백색) 시편에 대한 클리닝 후 현미경 관찰 결과는 아래와 같다(
Table 8).
출력 100 W의 중첩률 70% 및 50% 조건에서 Pulse 1회 조사 시 베이스 코트층의 대부분이 제거되었으며, Pulse 2회 진행 시 모재층이 노출되었다. 중첩률 70% 및 50% 조건에서 모재가 노출된 이후 클리닝을 추가로 진행하면, 입열로 인해 모재 표면에 푸른색 고온 산화피막이 형성되며 표면 색상이 변화하는 현상이 관찰되었다. 30% 조건에서 Pulse 2회까지는 일부 프라이머층이 잔류하였으며, Pulse 3회 시행 시 모든 도막층이 제거되었다. 모재가 노출된 후 레이저를 추가로 조사하면, 황색의 표면 변화가 관찰되었다.
출력 80 W의 모든 중첩률 조건에서 Pulse 1회 조사 시 베이스 코트층의 제거가 확인되었다. 70% 조건에서 Pulse 2회 조사 시 베이스 코트와 프라이머층이 모두 제거되고 모재층이 노출되었다. Pulse 3회 이후에는 모재에 입열로 인한 표면 변색이 관찰되었다. 50% 조건에서 Pulse 2회 진행 시 프라이머층이 노출되었으며, 모재도 확인되었다. Pulse 4회 조사 후에는 잔류 도막층이 모두 제거되었다. 30% 조건에서 클리닝을 진행한 경우, Pulse 2회 조사 시 베이스 코트층이 제거되고 프라이머층이 노출되었으며, Pulse 4회 조사 시 도막층이 완전히 제거되어 모재가 노출되었다.
출력 50 W의 중첩률 70% 조건에서 클리닝을 진행할 경우, Pulse 1회 시행 시 베이스 코트층이 제거되었고, Pulse 2회 진행 시 프라이머층이 노출되었다. 50% 조건에서 Pulse 1회 진행 시 베이스 코트층이 일부 제거되었으나, Pulse 2회 진행 시까지도 베이스 코트층이 잔류하였다. Pulse 3회 시행 시 베이스 코트층이 완전히 제거되었고, 전면에 프라이머층이 노출되었다. Pulse 4회 진행 시에는 모재가 노출되었다. 중첩률 30% 조건에서는 Pulse 3회 진행 시 프라이머층이 노출되었고, Pulse 4회 시행 시까지 베이스 코트층이 일부 잔류하였다. Pulse 5회 진행 시에는 베이스 코트층이 완전히 제거되었으며, 전면에 프라이머층이 노출되었다.
3.2.2. 표면 거칠기 분석
낮에 나온 별(백색)시편에 대한 표면 거칠기 분석 결과는 아래와 같다(
Table 9,
10).
100W-70% 조건에서 클리닝을 진행한 결과, Pulse 1회 조사 시 표면 거칠기가 크게 증가하였으며, Pulse 2회 이상 조사 시 표면 거칠기가 감소하여 평활한 표면이 관찰되었다. 그러나 Pulse 5회 조사 시 다시 표면 거칠기가 증가하는 경향이 나타났다. 50% 조건에서의 클리닝에서는 Pulse 1회차에 표면 거칠기가 증가하였으나, Pulse 2회 조사 시 거칠기가 크게 감소하였다. 이후의 Pulse 조사에서는 표면 거칠기가 소폭 증가와 감소를 반복하였다. 30% 조건에서는 Pulse 1회 조사 시 표면 거칠기가 소폭 상승하였고, Pulse 2회차에서는 표면 거칠기가 크게 증가한 후, 추가적인 Pulse 조사 시 점진적으로 감소하여 평활한 표면이 관찰되었다.
80W-70% 조건에서 클리닝을 진행한 결과, Pulse 1회 조사 시 표면 거칠기가 상승하였으나, Pulse 2회 이상 조사 시 큰 폭으로 감소하여 표면이 평활해졌다. 이후 추가적인 조사를 통해 표면 거칠기가 소폭 증가와 감소를 반복하는 양상을 보였다. 50% 조건에서는 Pulse 조사에도 평균 Sa 값이 6 이하로, 비교적 평활한 표면이 유지되었다. 30% 조건에서는 Pulse 4회 조사 시까지 Sa 값이 10 이상으로 타 조건에 비해 거친 표면이 형성되었으나, Pulse 5회 조사 시 표면 거칠기가 크게 감소하여 평활한 표면이 형성되었다.
50W-70% 조건에서 클리닝을 진행할 경우, Pulse 1회 조사 시 평활한 표면이 형성되었으나, Pulse 2회 조사 시 Sa 값이 10 이상으로 증가하였다. Pulse 3회에서는 표면 거칠기가 감소하였고, 추가적인 Pulse 조사에서는 소폭의 거칠기 증가가 관찰되었다. 50% 조건에서는 Pulse 4회까지 다른 조건에 비해 Sa와 Sz 값이 높게 측정되었으며, Pulse 5회 조사 시 거칠기가 소폭 감소하였다. 30% 조건에서는 Pulse 1회 조사 시 표면 거칠기가 상승하였고, Pulse 3회 조사 시 소폭 감소하였으나, Pulse 4회 조사 시 모든 파라미터의 값이 크게 증가하며 거친 표면이 관찰되었다.
표면 거칠기 측정 결과, 최외곽 도장층이 제거되기 시작하는 표면에서는 두 개의 층 사이의 단차로 인해 Sa, Sv, Sz 값이 크게 증가하였으며, Pulse를 추가하여 최외곽 도막층이 제거되면 Sa 값이 5 이하로 감소하며 평활한 표면이 형성되었다. 또한, 모재가 노출된 표면에서는 표면 거칠기가 크게 감소하지만, 노출 후 추가적인 레이저 입열이 진행될 시 표면 가공, 용융, 응고로 인한 표면 거칠기 변화가 관찰되었다.
3.2.3. 표면 제거 정량 분석
낮에 나온 별(백색)시편에 대한 표면 제거 정성 분석 결과는 다음과 같다(
Table 11). 낮에 나온 별(백색)시편의 기존 표면 두께는 157 μm, 프라이머층 두께는 115 μm, 모재층 두께는 40.2 μm로 측정되었다.
출력 100 W, 중첩률 70% 조건에서 Pulse 1회 시행 시 약 70 μm의 도막이 제거되었으며, 베이스 코트층과 일부 프라이머층이 제거되었다. Pulse 2회 시행 시 약 40 μm의 프라이머층이 추가 제거되며, 모재층이 노출된 것으로 파악된다. 이후 추가적인 Pulse 시행에도 도막 두께의 감소가 없었으며, 이는 모재 코팅층의 제거가 진행되지 않았음을 의미한다. 중첩률 50% 조건에서 Pulse 1회 시행 시 약 70 μm의 베이스 코트 도막이 제거되었고, Pulse 2회 시행 시 추가적으로 50 μm 도막이 제거되어, 70% 조건과 유사한 제거 양상을 보였다. 30% 조건에서는 Pulse 2회까지 약 40 μm의 베이스 코트층이 제거되며 프라이머층이 노출되었고, Pulse 3회 시행 시 도막이 약 40 μm 추가 제거되어 약 20 μm의 프라이머 도막이 잔류한 것으로 확인되었다. Pulse 4회 시행 시에는 잔류 도막이 모두 제거되었다.
출력 80 W, 중첩률 70% 조건에서 Pulse 1회 조사 시 약 70 μm의 도막이 제거되었고, 베이스 코트층과 일부 프라이머층이 제거된 것으로 파악된다. Pulse 2회 조사 시 약 50 μm의 프라이머 도막이 추가 제거되며, 모재 위의 모든 도막층이 제거된 것으로 판단된다. 50% 조건에서 Pulse 1회 조사 시 약 30 μm의 베이스 코트 도막이 제거되었고, 일부 프라이머층이 노출되었다. Pulse 3회 조사 시 약 80 μm의 도막이 제거되며 모재층이 노출되고 잔류 도막층이 모두 제거된 것으로 확인된다. 30% 조건에서는 Pulse 2회까지 약 20 μm의 베이스 코트층이 제거되었고, Pulse 3회 조사 시 약 60 μm의 도막이 제거되며 프라이머층이 노출되었다. Pulse 4회 시행 시에는 추가적으로 30 μm의 도막이 제거되어 잔류 도막층이 모두 제거된 것으로 판단된다.
출력 50 W, 중첩률 70% 조건에서 Pulse 1회 시행 시 약 30 μm의 도막이 제거되어 베이스 코트층이 제거되었고, Pulse 2회 시행 시 추가적으로 약 50 μm이 제거되며 일부 프라이머층이 제거되었다. Pulse 3회 시행 시 잔류 도막층의 제거가 완료되었다. 50% 조건에서는 Pulse 1회 시행 시 거의 제거가 이루어지지 않았으며, Pulse 2회 조사 시 약 40 μm이 제거되어 프라이머층이 노출되었다. Pulse 5회 진행 시 점진적으로 제거되며 모재가 노출되었다. 30% 조건에서는 Pulse 2회까지 베이스 코트의 제거가 이루어지지 않았으며, Pulse 4회 조사 후 약 40 μm의 도막이 제거되어 프라이머층이 노출되었다. 이후 Pulse 5회 조사 시 추가로 약 40 μm의 도막이 제거되었다.
결과적으로, 낮에 나온 별(백색)시편에 대한 클리닝 진행 시, 출력 100W의 모든 중첩률 조건과 80W-70% 조건에서 베이스 코트 제거 성능이 우수하였으며, Pulse 1회만에 대부분의 베이스 코트가 제거되었다. Pulse 2회 진행 시 잔류 프라이머층까지 완전히 제거되었다. 반면, 출력이 낮은 50 W로 클리닝을 진행할 경우 베이스 코트 제거가 원활하지 않았으며, 잔류 프라이머층 제거를 위해 추가적인 Pulse가 필요하였다(
Figure 2).
4. 결론 및 고찰
레이저 클리닝의 제거 성능은 레이저 출력과 중첩률에 따라 차이가 발생함을 확인할 수 있었다. 출력이 증가함에 따라 제거 성능이 향상되었으며, 제거에 필요한 Pulse 시행 횟수가 감소하였다. 그러나 고출력으로 클리닝을 진행할 경우, 제거 성능은 향상되었지만 제거된 표면에서 황색 또는 푸른색의 표면 변색이 발생하는 것이 관찰되었다.
동일한 출력 조건으로 진행 시, 중첩률이 증가할수록 도막 제거 성능이 향상되었는데, 이는 펄스 간 중첩률이 높아짐에 따라 단위면적당 입열 에너지가 증가하고, 그에 따른 에너지 밀도의 상승 결과로 판단된다. 제거된 표면을 분석한 결과, 고 중첩률 조건에서 수행한 표면에서 변색이 더 두드러졌으며, 이는 중첩률 상승으로 인해 스캔 속도 하락이 동반되고, 표면에 대한 레이저 잔류시간이 증가하여 열확산 및 단위면적당 입열량이 증가한 결과로 해석된다.
표면 거칠기 분석 결과, 모든 조건에서 최외곽 도막층이 일부만 제거되어 두 개의 층이 혼재될 때 표면 거칠기 파라미터가 크게 증가됨을 확인할 수 있었으며, 추가적인 펄스 시행을 통해 최외곽 도막층이 제거될 시, 기존 표면과 유사한 평활한 표면이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 표면 3D 분석 시, 일방향 반복 조사에 의한 골과산 형성이 관측되므로 스파이럴, 교차 조사 등을 진행한다면 더욱 평활한 표면을 형성할 수 있을 것으로 생각된다.
도장면 색상에 따른 레이저 클리닝의 성능이 상이함을 확인하였다. 레이저 클리닝 성능에 차이는 색상별 광 반응도 차이에서 기인된 것으로 판단되며, 레이저 광에 대한 반응성이 우수한 흑색 시편에서는 제거 성능이 비교적 우수했으나, 반응성이 낮은 백색 시편에서는 제거 성능이 미흡했다. 광 반응도 차이 외에도 도막이 구성될 시 건조 환경, 모재, 표면 거칠기에 따른 부착력, 열응력 등 복합적인 요소가 레이저 클리닝 제거 성능 차이에 영향을 줄것으로 판단되며, 이러한 도막 구성 인자들이 레이저 클리닝 제거 성능에 미치는 영향을 명확히 규명하기 위해선 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 레이저 기기의 클리닝 조건과 시편의 특성에 따라 제거 성능이 상이함을 확인할 수 있었으며, 모재의 변색 방지와 효과적인 보존처리를 위해 각 작품에 최적화된 레이저 클리닝 조건 설정의 중요성을 입증하였다. 레이저 클리닝 출력 및 중첩률 등 공정변수별 경향성은 확인되나, 도막의 건조상태, 계면 간 부착력, 표면광택도 등 제거 정도에 영향을 주는 인자 및 상관관계가 복합적이므로 정량화되기 어려운 면이 있다. 따라서 처리자는 보존 처리 후 최상의 결과를 도출하기 위해선 작품별 최적 조건에 대한 데이터 구축이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 구축된 데이터가 레이저 클리닝을 이용한 페인팅 조각작품 보존처리 실무에 활용될 수 있기를 기대하며, 향후 추가 연구를 통해 이러한 작품별 정밀데이터가 축적된다면, 미술품 보존처리 작업성 및 작품 보존처리 완성도 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.