야외 청동 조형물 표면 보존을 위한 다중코팅 적용성
Applicability of Multi-coating for Preserving Surfaces of Outdoor Bronze sculptures
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Abstract
야외 청동 조형물 표면 코팅에 사용되는 Wax는 대기오염물질 등 환경변화에 의해 재료의 노화, 표면 갈라짐, 백화현상이 나타나 표면 코팅 처리 주기가 짧아지고 있다. 이러한 재료적 한계를 개선해보고자 Acrylic resin과 Wax를 함께 사용하는 다중코팅 방식에 대해 국내 야외 환경에서의 적용 가능성을 확인해 보았다. 실험 결과 다중코팅 방식은 기존의 Wax 단일코팅 방식과 비교하였을 때 코팅층의 내구성, 외부 열화 인자에 대한 내후성, 부식 방지 능력, 접촉각 등이 크게 향상되었고, 색도 변화율(ROC)이 낮아 안정성이 입증되었다. 특히 Acrylic Urethane과 Bowling Alley WaxⓇ를 사용한 Acrylic resin + Wax 이중코팅 방식은 다중코팅 내에서도 가장 안정적인 코팅 방식으로 확인되었다. 이러한 결과 다중코팅 방식은 Wax 단일코팅의 단점을 보완해 국내 야외 환경에서도 청동 조형물의 장기 보존성을 확보하고 원형을 보존하며, 재처리 주기를 향상시켜 줄 수 있는 새로운 표면코팅 처리법으로 제시할 수 있음을 확인하였다.
Trans Abstract
The wax used for surface coating of outdoor bronze sculptures is prone to material aging, surface cracking, and whitening due to environmental changes and air pollutants, leading to a shortened coating treatment cycle. To improve these material limitations, I explored the possibility of applying a multi-coating method that uses both acrylic resin and wax in an outdoor environment in Korea. The results of the experiment showed that the multi-coating method significantly improved the durability of the coating layer, weather resistance against external degrading factors, corrosion prevention ability, and contact angle, etc. compared to the existing wax-only coating method, and the rate of color change (ROC) was low, proving its stability. Especially, the double-coating method of acrylic resin and wax using acrylic urethane and Bowling Alley Wax® (acrylic resin + wax) was found to be the most stable coating method among the multi-coating methods. According to such results, I found that the multi-coating method can be proposed as a new surface coating treatment method that can secure long-term preservation of bronze sculptures and preserve their original form even in outdoor environments in Korea, by remedying the shortcomings of the wax-only coating.
1. 서 론
야외 청동 조형물은 설치 장소의 특성상 외부 환경적 요인에 대한 노출도가 높아 산화작용으로 인한 표면 부식 및 손상이 쉽게 발생한다. 대기 중의 수분과 산소가 주원인이며, 대기오염물질로 인한 산성비, 산성안개 등도 손상을 일으키는 직⋅간접적 원인이 되고 있다. 이러한 손상이 발생할 경우 재질의 본래 성질을 잃고 질감, 색상, 광택 등이 변화하며 형태의 왜곡, 부식으로 인한 구조적 문제까지 야기할 수 있다(Oh, 2017).
국내에서 야외 청동 조형물의 표면코팅은 일반적으로 Wax를 사용한다. 박막을 균일하게 형성할 수 있고 타 코팅제 대비 색상 변화 및 광택, 이질감을 최소화할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 그러나 낮은 내구성과 내후성을 갖고 있어 재료가 노화될 시 갈라짐과 분말화, 들뜸 및 백화현상 등이 나타나며, 이는 야외 청동 조형물의 미적인 가치를 훼손하고 대상에 대한 왜곡된 정보를 전달할 우려가 있어 주기적인 재처리를 수반케 한다(Molina et al., 2023).
이러한 Wax의 한계점을 보완하기 위해 산성강하물과 부식 가스가 Wax에 미치는 영향성을 연구하여 Wax의 수명을 예측하고자 하였고(Oh and Wi, 2010), Shellac, 들기름 등 천연 재료를 이용하여 재료적 보완을 시도함과 동시에 내구성 및 내후성을 향상하기 위한 연구가 진행되었다(Park, 2015, Oh and Wi, 2017, Oh and Wi, 2018). 또한 Wax의 사용성을 개선하고자 액상형 Wax를 개발하고 이에 대한 적용성을 검증하는 연구가 이루어졌다(Oh and Wi, 2020).
이와 같은 선행 연구에서는 현재 사용 중인 Wax의 한계점을 보완하고자 Wax의 재료적 특성을 보완하여 새롭게 제조하고, 사용성을 개선하는 등 유의미한 결과를 도출하였으나 실제 현장에서의 적용은 이루어지지 않고 있다. 이는 연구 개발된 Wax가 내구성 및 내후성 측면에서 성능 향상을 이루었더라도 천연 재료가 가진 고유의 한계를 완전히 극복하지는 못해 장기적인 사용 결과가 불확실하고 야외 조형물 관리에 있어 지속적으로 발생하는 재처리 문제를 해결하지 못했기 때문이다. 사용성 개선방안 역시 실제 현장에서 사용되는 Wax 코팅 방식과는 다른 방법으로써 적용 과정에서 다양한 변수가 발생할 수 있기 때문에, 이를 해결할 추가적인 연구가 필요하다고 여겨진다.
선행 연구의 결과와 천연 재료인 Wax가 가진 재료적 한계를 극복하고자 금속 문화유산의 코팅에 일반적으로 사용되는 Acrylic resin과 Wax를 함께 사용하는 다중코팅 방식에 대한 연구가 진행되고 있다. Acrylic resin은 본래 내마모성, 접착력 등 물리⋅화학적 안정성이 뛰어나지만, 고광택과 탁색의 문제가 있고 자외선의 장기간(3년 이상) 노출에 취약하다 평가되어(Down et al., 1996) 야외 청동 조형물의 코팅에는 사용되지 않는 추세였다. 그러나 야외 환경에서 Acrylic resin의 물성 연구가 지속적으로 진행되어 뛰어난 내후성 및 내식성을 가지고 있음이 밝혀졌고(Park, 2006), 국외에서는 동합금의 코팅제로 자주 선택되어 타 코팅제와의 비교 연구가 활발히 이루어지고 있다(Wolfe et al., 2019). 더욱이 Wax와 함께 다중코팅에 사용되면 광택과 색 변화, 내구성 등의 단점이 보완됨과 동시에 금속 열팽창의 물리적 영향을 완화하고 가역성이 향상되는 것으로 평가되었다(M. Marabelli and G. Napolitano, 1991; B. Salvadori et al., 2017; Molina et al., 2023).
현재 주로 연구된 다중코팅 방식은 이중코팅(Acrylic resin + Wax)과 삼중코팅(Wax + Acrylic resin + Wax) 방식으로 물리⋅화학적 안정성이 높은 Acrylic resin을 내부 코팅층으로 도포하여 대상의 표면을 보호하고, 유지⋅관리가 용이한 Wax를 최외각층에 도포하여 내부 코팅층이 분해되는 것을 선제적으로 보호하는 희생 상도제(Sacrificial topcoats)로써 활용하는 방식이다. 그러나 연구마다 대상물의 합금 비율, 표면 특성, 코팅 방법 등이 모두 다르게 적용되어 연구 간 결과 비교가 간단치 않은 상황이며(Letardi, 2021), Benzotriazole(B.T.A)이 혼합된 코팅제를 주류로 연구하여 국내 야외 청동 조형물 코팅에 사용되는 코팅제의 재료적 성질이 반영되지 않은 상태이다. 또한 가속 내후성 테스트와 인공 자외선 등 인위적으로 조성된 환경에서 주로 연구되어 실제 야외 환경에서 사용된 현장 평가의 데이터가 부족하고, 국내 야외 환경에 대한 일률적인 적용을 예측하기 어려운 바 이를 보완하는 추가적인 연구가 필요하다고 생각된다.
이에 본 연구에서는 국내외에서 야외 청동 조형물 코팅제로 일반적으로 사용되는 Wax 3종과 Acrylic resin 3종을 선정, 각각 단일코팅, 이중코팅, 삼중코팅한 후 야외 폭로 내후성 실험을 진행하였다. 이를 통해 야외 환경에서 다중코팅 재료의 표면 변화 양상과 코팅 유지력, 보존성 등을 비교하여 적용 가능성을 검증해 보고자 하였으며, 박막 두께, 색도, 광택도, 접촉각 물성을 측정하여 야외 청동 조형물 표면 보존을 위한 최적의 코팅법을 제시해 보고자 한다.
2. 재료 및 방법
2.1. 실험재료
2.1.1. 시편
시편은 50 × 150 × 1 mm 크기의 청동판을 사용하였다. 표면의 산화막을 제거하고 일정한 거칠기를 갖게 하여 전체적으로 동일한 코팅 피막을 형성할 수 있도록 sand paper(#220∼2000)를 이용해 순차적으로 시편을 연마하였다. 이후 표면에 남아있는 유지 성분 및 이물질 제거를 위해 Acetone에 침적하여 10분간 초음파 세척한 후 열풍 건조기로 24시간 건조하였다. 시편은 휴대용 X선 형광분석(Bruker社, S1 TITAN 500, USA) 장비를 이용하여 성분 조성을 분석하였다. kV 40, uA 6, 30 sec의 분석 조건으로 수행하였으며, 결과는 Table 1과 같다.
Analysis of the results of the bronze coupons
2.1.2. Acrylic resin
실험을 위해 선정된 Acrylic resin은 R社가 개발한 Paraloid B-72™. J社의 Acrylic계 Urethane, Incralac으로 3종이다. R社가 개발한 Paraloid B-72™는 ethyl-methacrylate의 공중합체로 일반적으로는 고체 알갱이 형태이다. 코팅의 보호 기능 및 작업 특성이 우수함과 동시에 다양한 용제에 원하는 농도로 조절하여 사용할 수 있다는 장점이 있으나, 고광택과 탁색의 단점이 있다. 본 실험에서는 Paraloid B-72™ 10%(in Acetone)을 사용하였다. Acrylic Urethane은 야외 전시 작품 코팅의 장기적인 내구성을 위해 주로 선택된다. 유기용제와 레이저 클리닝 등에 쉽게 제거되는 등 가역성이 장점이지만(Simmons, 2021), 이는 내화학성이 취약하다는 것을 의미하기도 한다. 본 실험에서 사용된 Acrylic Urethane은 아크릴 폴리올 계통의 주제, 폴리이소시아네이트 계통의 경화제로 구성된 2액형이다. Incralac은 국제구리연구협회(International Copper Research Association)등에 의해 구리 합금용 코팅제로 개발되었다. B.T.A의 함유로 구리에 대한 부식 억제 기능이 특화된 코팅제이지만, 노화 시 분자구조의 가교가 악화됨에 따라 불용성의 성질이 생겨 제거 시 강력한 용매가 필요하다(D. Watkinson, 2010, Wolfe et al., 2019). 본 실험에서는 아세톤(Acetone)과 톨루엔(Toluene)을 1:5 wt%로 혼합한 용제에 Paraloid B-72™ 14.6 wt%, B.T.A 0.4 wt%를 혼합하여 제조하였다.
2.1.3. Wax
실험을 위해 선정된 Wax는 B社의 Bowling Alley WaxⓇ, T社의 TrewaxⓇ, 혼합왁스로 3종이다. B社의 Bowling Alley WaxⓇ는 Carnauba와 Microcrystalline Wax를 유연제인 미네랄 스피릿과 혼합한 것이다. 접착력이 우수하여 먼지 등의 이물질이 잘 붙지 않고, 테레핀유 등으로 제거가 가능한 가역성을 가지고 있지만 얇은 도막을 형성하여 반복적인 코팅 처리가 필요하다. T社의 TrewaxⓇ는 석유 정제과정에서 얻어지는 고분자 탄화수소 혼합물로 구성되었다. 내구성이 뛰어나고 금속, 나무 등 다양한 재질에 활용할 수 있지만 타 왁스 대비 단단한 제형으로 접착성이 적다. Bowling Alley WaxⓇ와 TrewaxⓇ는 야외 청동 조형물의 보존을 위해 2005년부터 미국 국립공원관리청(National park service)이 사용을 권장한 Wax이기도 하다(Kwon et al., 2017; Kwon et al., 2023). 혼합왁스는 Beeswax와 라벤더오일 등 동⋅식물계 천연 재료를 혼합하여 제조된 Wax이다. 국내에서는 광화문 광장 이순신 동상, 남산공원 동상, 청주 용두사지 철당간, 경의선 장단역 증기기관차 화통 등 야외 금속 조형물 및 문화유산에 적용한 사례 있는 Wax이다(Oh, 2017). 다만 시간 경과에 따라 용융 현상이 반복적으로 일어나 표면과의 들뜸 현상이 발생할 수 있다.
2.1.4. Coating
Acrylic resin은 붓을 이용하여 전체 면적에 코팅제가 고르게 도포될 수 있도록 하는 표면코팅 방법을 사용하였으며, Wax는 Butane gas 토치를 이용해 융점까지 가열한 후 융으로 문지르는 Deep 코팅 방법을 사용하였다. 위와 같은 방법을 통해 Acrylic resin을 하도제로, Wax를 상도제로 한 이중코팅(이하 Acrylic resin + Wax) 시편 9개, Wax를 하도제로, Acrylic resin을 상도제로 한 이중코팅(이하 Wax + Acrylic resin) 시편 9개, Wax를 하도제로, Acrylic resin을 중도제로, Wax를 상도제로 한 삼중코팅(이하 Wax + Acrylic resin + Wax) 시편 9개를 제작하였으며, 비교를 위해 Acrylic resin과 Wax를 각각 단일코팅 한 시편 6개를 제작하여 총 33개의 시편을 제작하였다. 다만 Acrylic resin이 하도제로 먼저 사용된 다중시편의 경우 Wax의 가열 과정은 생략하고 융으로만 문질러 마무리하였다. 본 실험에 사용된 코팅제는 Table 2에 나타낸 바와 같이 표기하였으며, 단일코팅, 이중코팅, 삼중코팅의 시편 명, 사용된 코팅제의 조합, 코팅층의 순서는 Table 3∼6에 나타내었다.
notation of Coating agent
layer of single coating
layer of double coating (Acrylic resin + Wax)
layer of double coating (Wax + Acrylic resin)
layer of triple coating
2.2. 실험방법
2.2.1. 환경실험
야외 폭로 내후성 실험
야외 폭로 내후성 시험은 실제 야외 청동 조형물이 설치되는 환경에서 온⋅습도, 대기오염물질 등에 대한 코팅제의 성능을 평가할 수 있는 효과적인 방법이다. 사방이 트여 기상⋅기후 현상을 가림없이 받을 수 있는 공간에서 진행하였으며, KS D 0060(옥외 폭로 시험방법 통칙)에 의거하여 시편 거치대를 가능한 태양의 영향을 많이 받을 수 있는 남향으로 수평면과 약 30° 각도로 설치하였다. 또한 기온, 일사량, 일조 시간, 강수량 등의 기상 조건은 부근 측후소의 데이터를 이용하였다. 본 실험은 충청남도 서산시에서 진행하였으며, 해양 기후의 특성으로 연평균기온 12.1℃, 평균습도 73.8%, 연강수량 1253.9 mm의 평년값을 보인다. 코팅층의 변화 양상은 360시간(15일)마다 디지털 카메라를 통해 관찰하였으며, 총 2,880시간 진행하였다.
2.2.2. 물성 실험
박막 두께 측정
코팅 직후 코팅 방식과 코팅제 조합에 따라 달리 형성되는 두께 차이를 측정하고, 야외 폭로 이후 코팅층의 내구성 및 유지력을 알아보기 위해 실시하였다. 박막 두께 측정기(Automation Dr. Nix社, Qnix-7500 M-FN, DEU)의 와전류 측정 방법(동합금과 같이 비철(NFe)금속 표면의 코팅 박막 두께를 측정하는 방법)을 이용하였으며, 본 실험에서는 KS D ISO 2360(피막두께 실험방법-비자성소지 위의 비전도성 피막 : 진폭 민감형 와전류 방법)에 의거하여 진행하였다.
색도 및 광택도 측정
코팅 처리 후 색상 변화 및 광택에 의해 조형물이 가진 미적가치가 훼손되지 않아야 하며, 열화 이후 변색에 의한 이질감은 최소화되어야 한다. 따라서 코팅제 도포 직후와 야외 폭로 이후의 색도 및 광택도의 변화에 대해 측정하였다. 색도 측정은 분광측색계(MINOLTA, CM-26d, JPN)을 사용하였으며, CIE L*, a*, b* 표색법으로 차이를 나타내었다. L*은 명도, a*와 b*는 색상의 채도를 나타낸다. L*은 0에서 100 사이의 숫자로 표시되며, a*와 b*는 양수와 음수로 표기된다. 양수의 a*는 붉은 색의 경향을. 음수의 a*는 초록색의 경향을 나타내며, 양수의 b*는 파란색의 경향, 음수의 b*는 노란색의 경향을 나타낸다.
광택도 실험은 KS M ISO 2813(도료와 바니시 — 20°, 60° 및 85°)에서 규정하는 방법으로 광택계(HORIBA社, IG-320, JPN)을 사용하여 60°에서 측정하였다. 유리 거울의 광택도 기준을 100으로 하여 20°, 60°, 85°의 규정 각도로 표면에 비추고 정반사되는 빛을 측정하였다.
접촉각 및 표면에너지 측정
코팅 처리 및 열화 이후 코팅 표면의 성질과 지속성을 알아보기 위해 접촉각 측정기(Phoenix-MT(T), SEO社, KOR)를 이용하여 접촉각과 표면에너지를 측정하였다. 코팅제 표면의 접촉각이 높을수록 맞닿는 액체가 소수성을 띠게 되어 동그랗게 맺히고 흡수성이 낮아지는 현상이 나타난다. 또한 표면에너지는 코팅 박막과 외부 인자 사이의 인력의 크기로, 표면에너지가 높은 코팅 박막일수록 외부 오염 물질의 흡착력이 높아 코팅 효과가 지속되지 못할 확률이 높다(Oh and Wi, 2017).
본 실험에서 표면에너지는 두 개의 용액을 사용해 이루어지는 Owen-Wendt-geometricmean 방식으로 계산되었으며, 측정 용액은 초순수(Distilled Water, H2O)와 디오도메탄(Diiodomethane, CH2I2)을 사용, 5회 측정 후 최대값과 최소값을 제외한 평균값을 산출하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 환경실험 결과
3.1.1. 야외 폭로 내후성 실험
야외 폭로 내후성 실험 결과 이중코팅 및 삼중코팅은 단일코팅보다 오염 물질의 흡착이 적고 높은 투명성을 유지하였으며, 코팅층의 노화에 따른 갈라짐, 분말화, 백화현상 등이 발생하지 않아 외부 열화 인자에 대한 차단성이 향상된 결과를 보였다(Table 7). 특히 단일코팅은 720시간부터 표면에 먼지와 대기오염물질로 추정되는 검은 물질이 흡착되어 1,440시간 이후 코팅층 면적의 최소 50% 이상 고착되었는데, 이중코팅 및 삼중코팅은 2,880시간 이상 노출이 지속되어도 표면 열화가 발생하지 않아 코팅 효과의 지속 기간이 약 4배 이상 증진된 것을 확인할 수 있었다. 이는 코팅 박막의 두께에 따른 코팅층의 내구성 차이가 영향을 끼쳤을 것으로 보이는데, 표면 열화를 보인 단일코팅(A-1, A-3, W-1, W-2, W-3) 및 이중코팅(AW-1, AW-2, AW-3, WA-7), 삼중코팅(WAW-7, WAW-9)이 0.5 μm 미만의 얇은 박막 두께를 유지하였기 때문이다.
Outdoor exposure experiment results of single coating and Multi-coating
가장 우수한 코팅 방식은 Acrylic resin + Wax 이중코팅이며, 그중에서도 AW-4가 가장 안정적인 물성을 보였다. AW-4는 야외 폭로 이후 7.85 μm의 박막을 유지하여 단일코팅에 비해 약 15배 이상 두꺼운 박막을 유지하였고, 코팅 표면의 접촉각은 90° 이상의 소수성으로, 표면에너지는 38.5로 낮은 편을 유지하였다. 반면 Wax를 하도제로 사용한 이중코팅 및 삼중코팅은 1,440시간 이후 코팅층이 시편의 모서리와 중앙부 모두에서 박리⋅박락되는 현상이 발생(WA-2, WAW-2)하였으며, 삼중코팅은 Deep Coating 방식을 사용하고 최외각에 Wax 코팅층을 한 겹 더 추가하는 등 작업성이 가장 많이 요구되는 코팅 방식임에도 내구성 및 내후성이 이중코팅에 비해 특출나지 않아 작업성, 경제성 등을 복합적으로 고려할 때 적용성이 부족하다고 판단된다.
3.2. 물성 실험 결과
3.2.1. 박막 두께 측정
박막 두께 측정 결과 코팅 직후 이중코팅 및 삼중코팅은 단일코팅보다 더 두꺼운 박막을 형성⋅유지하였으며, 코팅층의 내구성이 향상된 결과를 보였다(Table 8). 단일코팅은 Acrylic Urethane(A-2) 제외 2.73∼2.98 μm로 3 μm 미만의 박막을 형성한 반면, 이중코팅 및 삼중코팅은 도포 직후 3.00∼3.98 μm로 3 μm 이상의 박막을 형성하였다. 또한 야외 폭로 이후 Wax 단일코팅은 가장 약한 내구성을 보여 코팅층이 95.6% 이상 소실된 반면, 이중코팅 및 삼중코팅은 최소 73.3%에서 최대 94.2%의 소실률을 보여 Wax 단일코팅에 비해 최소 1.4%, 최대 22.3% 향상된 내구성을 보였다. 다만 A-2는 단일코팅임에도 5.02 μm의 도막을 형성하여 소실률이 33.8%에 그쳤다. 이러한 결과를 통해 야외 청동 조형물의 표면을 보호할 수 있는 최소 도막 두께는 3 μm 이상이며, 5 μm 이상을 권장할 수 있을 것으로 판단된다. 이중코팅과 삼중코팅은 코팅 직후 ±0.5 μm의 박막 두께 차이를, 야외 폭로 이후 코팅층의 소실률은 5% 이내의 차이를 보여 두 코팅 방식은 박막 두께 형성과 내구성에 대해 근소한 차이를 보였다.
Measurement results of thickness of single coating and Multi-coating (μm)
코팅 직후 가장 두꺼운 박막을 형성한 것은 WA-5로 19.92 μm의 박막을 형성하였으며, 이는 타 코팅제가 평균적으로 형성한 박막 두께인 3 μm에 비해 약 6배 이상 높은 수치이다. 이 외에도 Acrylic Urethane을 사용한 경우 단일코팅(A-2)에서 5.02 μm, 이중코팅(AW-4, AW-5, AW-6, WA-2, WA-8)에서 14.14∼15.75 μm, 삼중코팅(WAW-2, WAW-5, WAW-8)에서 16.15∼19.58 μm로 두꺼운 박막을 형성하였다. 코팅층의 내구성 또한 Acrylic Urethane이 가장 우수하였는데, 2,880시간의 야외 폭로 이후 WAW-8이 16.3%로 가장 낮은 소실률을 보였고, 이 외 Acrylic Urethane을 사용한 다른 시편에서도 31.4∼51.7%의 소실률을 보여 70∼90%의 소실률을 보인 타 코팅제 대비 30% 이상 우수한 내구성을 보였다.
3.2.2. 색도 및 광택도 측정
코팅 직후의 색도 측정 결과 단일코팅, 이중코팅, 삼중코팅은 모두 명도를 나타내는 L*값이 감소하여 색상이 짙어지고, a*값과 b*값은 상승하여 Red 계열과 Yellow 계열이 증가하는 등 색도 변화에서 서로 유사한 변화 양상 및 전체 변화량(△E*ab)을 보였다(Table 9). 또한 이중코팅 및 삼중코팅의 일부는 코팅제의 조합, 코팅 박막의 두께, 광택 등에 따라 단일코팅 대비 더 높은 색도 변화를 보여 색도 변화에 대한 개선 및 보완점을 확인할 수 없었다.
Measurement results of color changes of single coating and Multi-coating
각 시편의 전체 변화량(△E*ab)은 미국표준국(NBS) 기준 최소 “색채가 미약(Trace)”한 정도인 0.74(A-1)부터 최대 “많이(Much)” 범주에 속하는 6.96(AW-6)까지 불규칙적으로 발생하였으며, 코팅방식, 코팅층의 개수, 코팅제의 조합 등과 색도 변화 양상 간의 뚜렷한 상관관계를 발견하기 어려웠다. 다만 코팅방식별 전체 변화량(△E*ab)의 평균을 산출한 결과 Acrylic resin이 상도제로 사용된 이중코팅(Wax + Acrylic resin)의 색도 차이가 가장 두드러졌는데, 이는 광택과 연관 있을 것으로 추론된다. Acrylic resin은 Wax에 비해 고광택을 발생시키고, 고광택일수록 굴절률이 높아 작품이 가진 본래의 색상이 왜곡될 경향이 높기 때문이다.
야외 폭로 이후 전체 색도 변화율(ROC)은 Acrylic Urethane을 사용한 시편이 가장 적었으며, 장기간 야외에 노출되어도 오염 물질의 흡착, 자외선에 의한 황변 등으로 인한 색상 변화를 최소화하는 효과를 보였다. 이중코팅 및 삼중코팅에 적용될 경우 WA-2(126.7%)를 제외한 AW-4, AW-5, AW-6, WA-5, WA-8, WAW-2, WAW-5, WAW-8 모두 100% 미만의 변화율을 보였는데, 변화율이 100% 미만인 경우 야외 조형물의 심미적 가치를 유지하는데 중요한 외관상 변색이 거의 느껴지지 않는 수준이다. 기존 야외 청동 조형물에 사용되는 Wax 단일코팅은 각각 133.4%, 214.3%, 325.7% 변화되었기에 Acrylic Urethane을 사용한 다중코팅은 최소 30%, 최대 200% 이상 색상 변화를 개선할 수 있었다. 다만 Acrylic Urethane은 도포 직후 이미 미국표준국(NBS) 기준 △E*ab 3.0∼6.0 미만 “감지할 정도(Appreciable)”, 또는 △E*ab 6.0∼12.0 미만 “많이(Much)” 범주에 해당하는 높은 색 변화가 발생하였고, 이로인해 색도 변화율이 적다고 하더라도 최종적으로 타 코팅제와 동일한 범주 내의 색 변화가 발생하여 코팅 대상이 가진 본래의 심미적 요소를 완벽히 보호하기는 어려울 것으로 판단된다.
코팅 직후의 광택도 측정 결과 단일코팅과 이중코팅, 삼중코팅은 모두 15±5 GU 내의 서로 유사한 광택을 보였으며, 가장 낮은 광택을 보인 것은 W-1로 8.6 GU이다. 다만 Acrylic Urethane을 사용한 경우 특히 고광택이 발생하여 단일코팅(A-2)에서 37.0 GU로 약 1.5배 이상, 이중코팅(AW-4, AW-5, AW-6, WA2, WA-5, WA-8)에서 41.2∼76.1 GU, 삼중코팅(WAW-2, WAW-5, WAW-8)에서 41.3∼55.0 GU로 약 2∼3배 이상의 광택을 보였다(Figure 1∼4). 고광택은 굴절률을 증가시켜 높은 색도 변화를 발생시킬 것으로 예상되나, 고광택 시편인 WA-2(△E*ab 3.78)와 WAW-5(△E*ab 3.93) 등의 경우 낮은 광택을 가진 시편과 유사한 색도 변화를 보여 반드시 비례하는 결과를 도출하지는 않았다.
Results of measuring glossiness of single coating (GU).
Results of measuring glossiness of double coating(Acrylic resin + Wax) (GU).
Results of measuring glossiness of double coating(Wax + Acrylic resin) (GU).
Results of measuring glossiness of triple coating (GU).
야외 폭로 이후 오염 물질의 흡착과 표면 열화로 광택도는 지속적인 하락 추세를 보였다. 다만 이중코팅(AW-4, AW-5, AW-7, AW-8)과 삼중코팅(WAW-2, WAW-3, WAW-5, WAW-6)은 최소 1.5 GU(WAW-6)에서 최대 8.3(AW-4) GU 범위 내에서 광택도가 소폭 상승하였다. 이는 야외 폭로가 진행됨에 따라 코팅층이 손상을 입은 채로 유지되는 것이 아니라, 상도제로 사용된 Wax는 사라지고 하도제로 사용된 Acrylic resin이 새롭게 드러났기 때문으로 판단된다.
3.2.3. 접촉각 및 표면에너지 측정
접촉각 및 표면에너지 측정 결과 코팅 직후 이중코팅 및 삼중코팅은 단일코팅에 비해 높은 소수성 표면을 형성하였다. 접촉각 90° 이상의 소수성 표면은 비극성을 나타내는 경향이 있고, 비극성에서 분자 간의 인력은 작아지기 때문에 이는 곧 오염 물질의 침착을 방지하고 표면 세척이 용이해지는 것을 의미한다. 단일코팅의 접촉각 측정 결과 W-1, W-3만이 90° 이상의 소수성을 띠었을 뿐 대부분 90° 미만의 친수성을 띠었는데, 이중코팅 및 삼중코팅은 접촉각이 상승하여 90° 이상의 소수성을 띠게 되었다. 다만 Paraloid B-72™를 최외각 상도제로 사용한 이중코팅(WA-1, WA-4, WA-7)과 TrewaxⓇ를 하도제로 하여 Acrylic Urethane을 상도제로 사용한 이중코팅(WA-5)은 90° 이하의 친수성 표면을 가져 접촉각이 향상되지 않았다(Table 10∼11).
Trend of Contact angle of single coating and Multi-coating (θ)
Trend of Surface energy of single coating and Multi-coating (mNm)
이중코팅 및 삼중코팅은 단일코팅에 비해 접촉각의 유지력 또한 향상되었다. 야외 폭로 이후 단일코팅은 열화가 진행되어 접촉각이 지속적으로 하락하고 표면에너지는 상승하는 흐름을 보였으며, 2,880시간 이후 Acrylic resin 단일코팅은 각각 58.9°, 63.2°, 50.2°의 매우 낮은 접촉각을 보였다. Wax 단일코팅은 70° 이상의 접촉각을 보였지만 이는 내부로 Wax가 침투된 Deep Coating 방식에 의한 것일 뿐, 박막 두께 측정 결과와 연관지어 보았을 때 표면 위의 코팅층은 소실되어 표면 보호 능력을 상실하였다고 판단된다. 이에 반해 이중코팅 및 삼중코팅 방식은 야외 폭로 과정 중 1,440시간에서 1,800시간이 흐른 2024년 5월 8일부터 22일 사이에 4차례, 총 557mm의 비가 내렸음에도 접촉각이 크게 상승하고 표면에너지는 하락하는 결과를 보였다. 이는 상도제로 사용된 코팅층에 손상이 진행되었더라도, 하부에 존재하는 열화되지 않은 새로운 코팅층이 드러나 코팅 대상의 표면을 보호하기 때문으로 판단된다. 이러한 특성 덕분에 다중코팅은 야외 폭로 이후 진행된 표면관찰에서 단일코팅에 비해 적은 표면 열화가 확인되었다. 특히 Bowling Alley WaxⓇ와 Acrylic Urethane이 조합된 이중코팅과 삼중코팅(AW-4, WA-2, WAW-2)은 접촉각의 큰 변동 없이 90° 이상의 소수성 표면을 유지하여 최외각 코팅층의 손상 없이 초기 코팅 효과를 가장 오랫동안 지속한 코팅 조합으로 확인되었다.
4. 결 론
본 연구는 국내 야외 환경에서 다중코팅의 표면 변화 양상과 코팅 유지력, 보존성 등을 기존의 단일코팅 방식과 비교한 후 적용 가능성을 검증코자 하였으며, 이를 통해 국내 야외 청동 조형물 보존 분야에서 장기적 보존이 가능하고 기존 코팅법보다 증진된 물성을 가질 수 있는 최적의 코팅 방안에 대해 제언해 보고자 하였다.
첫째, 다중코팅 방식은 기존의 Wax 단일코팅에 비해 코팅층의 내구성, 내후성, 부식 방지 능력, 접촉각 등이 크게 향상되었고, 전체적인 색도 변화율(ROC)이 낮아 조형물의 미학적 안정성까지 확보할 수 있었다. 본 연구의 실험 결과를 통해 다중코팅 방식은 Wax 단일코팅 방식이 가지는 재료적 한계를 극복⋅개선하는 새로운 코팅 처리법으로 제시되기에 충분할 것으로 생각된다.
둘째, 야외 청동 조형물의 코팅 방법에 대한 가이드라인을 제시할 수 있게 되었다. 기존 야외 청동 조형물의 코팅에서는 코팅 방식과 코팅 재료가 명확히 정해지지 않았고, 코팅층의 두께(코팅제의 양)에 대한 기준이 모호하였다. 본 실험을 통해 Acrylic resin + Wax의 이중코팅이 가장 최적화된 코팅 방식인 것으로 확인되었고, 코팅제는 Acrylic Urethane과 Bowling Alley WaxⓇ가 가장 안정적인 물성을 보였다. 또한 표면코팅 시 요구되는 도막 두께는 최소 3 μm, 가능한 5 μm 이상을 권장한다는 결과를 도출할 수 있었고, 이는 야외 청동 조형물의 보존 처리에 대한 기준으로써 발전 가능하다고 생각된다.
셋째, 다중코팅 방식의 적용을 통해 외부 열화 인자에 대한 코팅층의 저항성을 향상함으로써 청동 조형물에 발생할 수 있는 손상을 최소화하고 작품의 원형을 최대한 보존할 수 있게 되었다. 기존의 Wax 단일코팅 방식은 처리 후 최대 30일, 또는 강우가 발생한 직후 표면 열화가 가속되어 코팅층의 잦은 재처리를 요하였는데, 다중코팅 방식의 경우 Wax 단일코팅 방식에 비해 코팅 효과의 지속 기간이 약 4배 이상 증진되어 절대적인 관리 주기가 늘어나게 되었다. 이는 거듭되는 보존 처리 과정에서 작품에 누적될 수 있는 피로도를 현저하게 줄이는 결과로 이어질 수 있다.
넷째, 다중코팅 방식을 통한 야외 청동 조형물의 장기 보존성 확보, 작품에 대한 보수⋅관리 주기의 연장은 경제적 효율성을 높일 수 있는 가능성을 제시한다. 국내 야외 조형물의 경우 그 수에 비해 전문 보존 관리 인원과 예산이 부족하여 작품에 대한 거동을 진단하고 주기적인 보존 처리가 이루어지지 못하는 경우가 많다. 내구성이 향상된 다중코팅 방식을 통해 작품의 재처리 주기가 연장되고 관리 주기를 산정할 수 있기 때문에 보존 관리 비용을 절감하는 등 경제적인 측면을 보완할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 국내 야외 환경에서 다중코팅 방식을 적용한 것으로 야외 청동 조형물의 보존 처리 및 코팅에 대한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 다만 국내에서 야외 청동 조형물을 대상으로 다중코팅을 적용한 실사례가 없기 때문에, 단기적인 환경실험을 넘어 중⋅장기적인 연구⋅관찰을 통해 다중코팅 방식에 관한 추가 데이터베이스를 확보할 필요성이 있다고 판단된다. 또한 청동 조형물이 설치되는 야외 장소는 바닷가, 개활지, 숲, 도시 등 각기 다른 환경적 특성을 가지고 있기 때문에, 설치 환경을 고려하여 특화된 환경실험이 추가적으로 진행되어야 한다고 생각된다.
