세척법에 따른 석재 표면 변화 양상 비교 연구

2.1. 연구 재료

본 연구에서는 시편을 재질 및 오염 유형에 따라 구분하기 위하여 사암(A), 화강암(B), 섬록암(C)으로 구분하고, 각 시편의 오염 유형에 따라 적색은 1, 흑색은 2로 표기하였다(Fig. 1). 레이저 세척용 시편 6개와 블라스팅 세척용 시편 6개를 포함하여 총 12개의 시편을 제작하였으며, 각 조건별 시편은 1개(n=1)로 구성하였다. 시편은 각 5 × 5 cm 크기로 제작하였으며, 실험 전 표면 상태를 일정하게 유지하도록 전처리하였다. 이후 각 시편 표면에 흑색 및 적색 락카 페인트를 각 3회 도포하여 인위적 오염을 형성하였다. 사용된 페인트는 ㈜일신케미칼(IS-2001 계열) 락카 스프레이로, 경복궁 영추문 담장 및 삼전도비 낙서 사례 등 국내 석조문화유산에 발생한 페인트 낙서 유형을 참고하여 선정하였다. 도포된 페인트는 실온에서 약 2주간 자연 경화시켜 실제 야외 오염 조건과 유사한 상태를 구현하고자 하였다.

Fig. 1.

Stone specimens before and after artificial contamination. (a–c) represent sandstone, granite, and diorite, respectively. (a1–c1) indicate red paint contamination, and (a2–c2) indicate black paint contamination.

2.2. 레이저 세척 및 블라스팅 세척 방법

레이저 세척은 비접촉식 펄스 레이저 장비인 P-Laser사의 ECO-V100C (23.8V)를 사용하였다. 실제 세척 조건은 스캔 속도 5,000 mm/s, 반복률(frequency) 60 kHz로 설정하였으며, 흑색 페인트 오염 시편은 약 80% 출력 조건에서 조사하였다. 또한 펄스 지속 시간 200ns, 최대 허용 길이 5로 설정하여 적색 페인트 오염 시편은 흑색 시편에 비해 제거 효율이 낮게 나타나 최대 100% 출력 조건까지 증가시켜 적용하였다. 세척은 오염 부위 전체 면적을 대상으로 1회 조사 방식으로 수행하였다.

블라스팅 세척은 미세 마모를 이용한 물리적 세척 기법으로, IBIX사 Winblaster 9 모델을 사용하였다. 매질은 돌로마이트(80 mesh)를 사용하였으며, 약 3~5 bar의 압력과 수직으로 30 cm의 투사 거리를 기준으로 예비 실험을 통해 적정 분사 조건을 설정한 후, 오염 부위 전체에 2~3초 분사해 각 1회 적용하였다.

2.3. 측정 방법

디지털현미경 분석은 시편의 암석학적 특징과 세척 전·후 표면 상태 변화를 비교하기 위해 실시하였다. 분석에는 Hirox사의 3D 디지털현미경(KH-8700, U.S.A.)을 사용하였으며, MXG-2500 렌즈를 적용하여 ×50 및 ×150 배율 조건에서 관찰을 수행하였다. 또한 표면 형상 변화를 정량적으로 확인하기 위해 와이어프레임 기반의 3D 형상 분석을 실시하였으며, 촬영 간격(step)은 450.00 μm, 시야 범위는 1440.0 μm, 분해능은 1.0 μm 조건으로 설정하였다. 본 연구에서는 돌출부 높이를 peak(최고 높이 영역), mid-height(중간 높이 영역), valley(최저 높이 영역)로 구분하여 측정하였으며, 세척 전·후 높이값 변화를 비교하여 증감비율(variation%)을 수식 (1)에 따라 산출하였다.

색도 측정은 분광측색계(CM-2600d, Konica Minolta, Japan)를 사용하였으며, 색차(ΔE)는 세척 전·후의 L*, a*, b* 값을 이용하여 수식 (2)에 따라 산출하였다. 시편 표면의 십자선을 기준으로 중앙부를 선정하였으며, 동일 위치에서 3회 반복 측정한 후 평균값으로 세척 전·후 색상 변화를 비교하였다. 색도 변화는 KS A 0063 기준에 따라 CIE L*, a*, b* 표색계와 색차(ΔE*ab)를 활용하여 정량적으로 분석하였으며, 색차 변화의 해석은 미국국립표준기술원(NIST)의 색차 평가 기준을 참고하였다.

색차 변화와 표면 형상 변화의 관계를 검토하기 위하여 각 시편의 peak, mid-height 및 valley variation (%)의 평균값(mean height variation)을 산출하고, ΔE와의 상관성을 분석하였다. Pearson 상관분석은 수식 (3)에 따라 상관계수(r)와 결정계수(R²)를 산출하였다.

3.1. 디지털 현미경 관찰 결과

디지털현미경 관찰은 세척 전·후 표면 상태와 잔존 오염물 분포를 시각적으로 확인하기 위한 자료로 활용했으며, 표면 변화 정도에 대한 정량적 평가는 3D 표면 형상 분석 결과를 중심으로 수행하였다. 사암(a), 화강암(b), 섬록암(c) 시편을 대상으로 실시하였으며, 각 시편은 적색 및 흑색 페인트 오염 시편으로 구분하였다. 세척 전 시편은 가오염 및 세척 공정을 거치지 않은 초기 상태의 표면을 의미하며, 세척 후 시편은 각 세척방법 적용 이후의 표면 상태를 관찰하기 위해 디지털현미경 이미지를 비교하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

Digital microscopy images of paint-contaminated samples before and after cleaning.

레이저 세척 후 표면 관찰 결과, 흑색 페인트 오염 시편(a2, b2, c2)은 전반적으로 오염물 제거 양상이 비교적 뚜렷하게 나타났으며, 세척 이후 표면 형상 변화가 상대적으로 균일하게 관찰되었다. 반면 적색 페인트 오염 시편(a1, b1, c1)의 경우 일부 영역에서 잔존 오염물과 국부적인 표면 변화 양상이 함께 확인되었다. 이는 레이저 세척이 오염층의 광학적 흡수율(absorptivity)과 반사율(reflectivity)의 차이에 의해 제거 효율이 결정되는 특성을 가진다(Lee, 2001).

특히, 흑색 오염물은 레이저 에너지를 효과적으로 흡수하여 광열 효과가 크게 발생하는 반면, 적색 오염물은 조사된 레이저 에너지의 일부를 반사하여 에너지 흡수율이 감소하기 때문으로 판단된다(Kim, 2003).

적색 오염 화강암(b1)과 섬록암(c1)에서는 세척 이후 표면 형상의 변화가 보였으며, 이러한 경향은 이후 수행한 3D 표면 형상 분석 결과와도 유사하게 나타났다. 또한 적색 오염 사암(a1)의 경우 잔존 오염물이 함께 관찰되었으며, 국부적인 표면 변화 양상이 부분적으로 확인되었다.

블라스팅 세척 후 표면에서는 시편별로 서로 다른 변화 양상이 보였다. 특히 흑색 페인트 오염 사암(a2)에서는 세척 이후 표면 형상의 변화가 나타났으며, 적색 오염 사암(a1)에서는 저부 영역을 중심으로 일부 잔존 오염물이 확인되었다. 또한 흑색 오염 화강암(b2)의 경우에도 일부 영역에서 국부적인 표면 변화 양상이 확인되었다. 이러한 시편별 표면 상태의 차이는 이후 수행한 3D 표면 형상 분석에서도 높이 변화의 증가와 감소 양상으로 확인되었다. 레이저 세척과 블라스팅 세척 과정에서 발생하는 물리적 영향이 암석 재질 및 오염물 상태에 따라 서로 다른 표면 변화 양상으로 나타날 수 있음을 보여주며, 기존 선행연구와도 유사한 경향이 제시되었다(Lee et al., 2009; Kim and Lee, 2018).

3.2. 3D 현미경 분석 결과 및 고찰

적색 및 흑색 페인트 오염 시편에 대한 3D 표면 형상 분석 결과(Table 1), 세척 전·후 돌출부 높이 변화 양상은 세척방법 및 암석 재질에 따라 상이하게 나타났다. 돌출부 높이 변화는 단순한 수치 증가 또는 감소만으로 해석하기 어려우며, 크게 두 가지 양상으로 구분할 수 있다. 첫 번째는 세척 과정에서 표면 오염층 및 일부 표면층이 제거되면서 돌출부 높이가 감소하는 경우이며, 두 번째는 오염층 제거 이후 기존에 피복되어 있던 석재 본래의 표면 요철 및 입상 조직이 드러나면서 돌출부 높이가 증가하는 경우이다(Ko, 2024). 따라서 돌출부 높이 변화는 표면 형상 변화와 밀접한 관련이 있으나, 단순 수치 비교만으로 판단하기에는 한계가 있으며, 3D 디지털현미경의 와이어프레임 및 표면 형상 이미지를 함께 종합적으로 해석할 필요가 있다.

Table 1.

3D surface morphology and protrusion height before and after cleaning

레이저 세척의 경우 전반적으로 돌출부 높이가 증가하는 경향이 확인되었다. 특히 적색 페인트 오염 화강암(b1)은 peak 133.7%, mid-height 133.5%, valley 96.8% 증가했으며, 적색 페인트 오염 섬록암(c1) 역시 각각 122.3%, 119.0%, 96.9%의 증가율을 나타냈다. 와이어프레임 기반 3D 표면 형상 분석에서도 이러한 변화 양상이 함께 확인되었다(Fig. 3).

Fig. 3.

Wireframe analysis using a 3D digital microscope.

반면 일부 시편에서는 돌출부 높이 감소 양상도 함께 관찰되었다. 적색 페인트 오염 사암(a1)의 경우 valley 값이 40.5% 감소하였으며, 흑색 페인트 오염 화강암(b2)의 mid-height와 valley는 각각 50.4%, 93.7% 감소하였다. 또한 흑색 페인트 오염 섬록암(c2)의 valley 역시 44.7% 감소하였다. 이러한 높이 증가 및 감소 양상은 세척 과정에서 오염층 제거와 함께 기존 표면 요철이 노출되거나 표면 형상이 변화한 결과가 복합적으로 반영된 것으로 판단된다.

블라스팅 세척에서는 레이저 세척과 달리 증가와 감소 양상이 시편별로 혼재되어 나타났다. 특히 흑색 페인트 오염 사암(a2)은 peak 104.2%, mid-height 99.8%, valley 104.6% 증가하여 전체 시편 중 가장 높은 증가율을 보였다. 반면 감소폭이 가장 크게 나타난 시편은 적색 오염 사암(a1)으로, mid-height와 valley 영역에서 각각 79.6%, 97.3% 감소가 확인되었다. 또한 흑색 오염 화강암(b2)의 valley 영역 역시 81.6% 감소하였다.

이러한 높이 변화는 단순한 수치 변화뿐 아니라 세척 과정에서 발생하는 물리적 에너지 전달 방식과 암석 조직 특성의 영향을 함께 반영하는 것으로 판단된다. 화강암과 섬록암은 마그마가 냉각되어 형성된 치밀한 조직인 반면, 사암은 모래 입자가 퇴적·고결되어 형성된 쇄설성 퇴적암으로 공극이 상대적으로 발달해 있다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2011b). 이러한 암석 조직의 차이는 동일한 세척 조건에서도 재질별로 서로 다른 표면 형상 변화 양상을 나타내는 원인 중 하나로 판단된다.

특히, 레이저 세척의 경우 오염물의 광학적 특성에 따라 에너지 흡수율 차이가 발생할 수 있으며, 특히 적색 계열 오염물은 일부 파장을 반사하여 국부적인 열적 영향이 증가할 가능성이 있다(Kim et al., 2002). 반면 블라스팅 세척은 고압 공기와 함께 분사되는 연마재가 표면 오염물을 물리적으로 제거하는 방식으로, 연마재의 충돌 에너지에 의해 세척 효과가 나타난다(Ko, 2024). 따라서 블라스팅 세척에서 관찰된 재질별 표면 형상 변화는 연마재의 물리적 충돌 특성과 암석의 조직 특성이 복합적으로 작용한 결과로 판단된다.

3.3. 색차 분석결과 및 고찰

색차 분석은 시각적으로 인지하기 어려운 표면 색상 변화 정도를 정량적으로 평가할 수 있는 방법으로, 세척 이후 나타나는 표면 변화 특성을 객관적으로 비교하는 데 유효한 분석 방법이다(Lee and Wu, 2025). 색차 분석 결과, 세척 방법 및 재질 특성에 따라 표면 색상 변화와 표면 형상 변화 양상이 서로 다르게 나타나는 경향이 확인되었다(Table 2, Fig. 4). 또한 전반적으로 세척 이후 대부분의 시편에서 L* 값이 증가하는 양상이 나타났는데, 이는 표면에 부착된 페인트 오염물이 제거되면서 명도가 상승한 결과로 해석된다.

Table 2.

Colorimetric analysis of paint-contaminated stone specimens before and after cleaning

Fig. 4.

Changes in L*, a*, b*, and ΔE values after laser and blasting cleaning of paint-contaminated stone specimens.

레이저 세척에서는 적색 페인트 오염 시편에서 상대적으로 높은 ΔE 값이 나타났다. 적색 오염 화강암(b1)은 ΔE 51.2, 적색 오염 섬록암(c1)은 ΔE 36.3으로 전체 시편 중 비교적 높은 색차값을 보였다. 또한 b1과 c1 시편은 앞서 수행된 3D 표면 형상 분석에서도 평균 variation (%)이 크게 나타난 시편으로 확인되었다. 특히 c1 시편의 경우 세척 이후 a* 값이 크게 증가하여 적색 계열 변화가 두드러지게 나타났으며, 이는 표면 변화 과정에서 국부적인 색상 변화가 함께 발생하였을 가능성을 시사한다. 반면 흑색 오염 시편(a2, b2, c2)은 적색 오염 시편에 비해 상대적으로 낮은 ΔE 값을 나타냈다.

레이저 세척 시편을 대상으로 ΔE와 mean height variation 간의 상관분석 결과, 비교적 높은 양의 상관성이 나타났으며(r=0.845, R²=0.714), 이는 ΔE가 증가한 시편에서 표면 높이 변화도 함께 증가하는 경향이 있음을 보여준다. 이러한 결과는 레이저 세척에서 색상 변화와 표면 형상 변화가 동일한 시편에서 함께 나타나는 경향이 있음을 시사한다.

블라스팅 세척은 전반적으로 ΔE 값이 14.9~24.9 범위로 나타나 레이저 세척에 비해 상대적으로 안정적인 색차 변화 양상을 보였다. 특히 적색 오염 사암(a1)은 mid-height와 valley 영역에서 감소가 확인되었음에도 ΔE 값은 14.9로 비교적 낮게 나타났으며, 흑색 오염 화강암(b2) 역시 valley 영역에서 81.6% 감소하였으나 ΔE 값은 19.2 수준으로 확인되었다. 또한 흑색 오염 사암(a2)은 peak, mid-height, valley 영역에서 모두 약 100% 내외의 증가율을 보였으나, ΔE 값은 15.4 수준으로 비교적 안정적인 범위를 유지하였다. 반면 블라스팅 세척 시편에서는 ΔE와 mean height variation 간의 상관성이 낮게 나타났으며(r=-0.257, R²=0.066), 색상 변화와 표면 형상 변화가 반드시 동일한 경향으로 나타나지는 않았다.

종합적으로 색차 분석 결과, 세척 방법 및 재질 특성에 따라 서로 다른 색상 변화 양상이 나타났다. 특히 레이저 세척에서는 적색 오염 시편에서 상대적으로 큰 ΔE 값과 mean height variation이 함께 나타났으며, 상관분석 결과에서도 두 변수 사이에 비교적 높은 양의 상관관계가 확인되었다. 반면 블라스팅 세척에서는 시편별로 높이 변화 양상이 다양하게 나타났으나 ΔE 값은 비교적 안정적인 범위를 유지하였으며, 두 변수 간 뚜렷한 상관성은 확인되지 않았다.