금속 문화재의 표면 오염물은 토양 이물질, 부식화합물 등으로 구성되어 있다. 표면 오염물은 내부 금속에 물리 및 화학적 손상을 주며 유물의 역사적, 미술사적 가치를 하락시키므로 제거해야 한다. 금속유물의 표면 오염물 제거 방법은 물리적, 화학적, 전기화학적 방법 등이 있다. 이러한 방법들은 유물에 직접적인 물리적 충격을 주거나 화학 용제에 노출시키는 방법으로 유물의 형태를 손상, 변형시키거나 부식을 가속화시키는 위험이 있다. 또한 오염물 제거에 사용되는 대부분의 재료나 약품은 작업자에게 유해하고 환경오염의 원인이 된다.
최근에는 유물의 손상과 유해 환경을 고려한 클리닝 방법으로 레이저를 활용하는 연구가 진행되고 있다. 레이저 클리닝은 원재질에 손상을 주지 않고 표면 오염물을 선택적으로 제거하며 인체와 환경에 무해한 건식 클리닝법이다. 본 연구에서는 Nd:YAG 레이저 클리닝을 금속 문화재 중에서 철제, 청동, 금동, 은제유물 등의 표면 오염물 제거에 적용하고 그 효과와 표면 변화를 조사하였다.
철제유물의 표면 오염물은 철제부식물과 토양 성분이 혼합되어 바탕 금속에 단단히 고착되어 있다. Nd:YAG 레이저를 이용하여 표면 오염물을 제거하고 단계별로 표면 변화와 철제부식물의 성분 변화를 분석하였다. 레이저 클리닝 실험 결과 철제유물 표면에 고착 정도가 낮은 철제부식물이 제거되었으며 적정 레이저 조건은 1064nm의 1.59~2.39 J/cm2와 532nm의 0.67~1.00 J/cm2로 약 3~5 pulses이다. 또한 532nm의 경우 제거 보다는 흑화현상이 우세하였다. 이는 1064nm는 파장이 길어 깊이 침투하기 때문에 오염물 내부에 기계적 충격을 주어 제거하였으나 532nm는 깊이 침투하지 못하고 표면에만 높은 에너지를 가하여 흑화현상이 발생한 것이다. 그러나 두 파장 모두 레이저에너지밀도와 펄스가 증가할 경우 표면이 검게 되는 흑화현상이 발생하였다. 철제유물에서 나타나는 흑화현상은 표면 오염물이 탄화(carbonizing)되는 것이 아니라 갈색 및 적갈색인 침철석, 적철석이 검은 부식물인 자철석으로 변화하여 발생함을 성분 분석을 통하여 확인하였다.
청동유물은 토양에 매장된 상태에서 공작석이나 적동석 등 두꺼운 청동부식물이 형성된다. 일반적으로 보존처리 과정에서 청동부식물은 제거하지 않고 그 위에 고착된 토양 이물질만을 제거한다. 이 실험에서는 청동유물에 고착된 토양 이물질을 레이저 클리닝하고 청동부식물의 성분 변화를 조사하였다. 청동부식물이 형성되어 있는 경우 표면의 토양 이물질은 1064nm의 2.39~3.18 J/cm2, 10~20 pulses와 532nm의 1.19~1.59 J/cm2, 5-10 pulses에서 제거되었다. 토양 이물질이 제거되면서 밀도가 낮은 녹색부식물도 일부 제거되었다. 이는 토양 이물질이 레이저 클리닝의 광열적·기계적 효과에 의해 제거되고 밀도가 낮은 청동부식물은 레이저빔에 의한 급격한 온도 상승으로 내부에 잠재한 기체의 열적 팽창으로 제거되는 것이다. 그러나 청동에 토양 이물질만 고착되어 있는 경우 낮은 레이저에너지 조건, 즉 1064nm의 0.50~1.33 J/cm2, 1~5 pulses와 532nm의 0.35~1.00 J/cm2, 1~5 pulses로 제거되었다. 특히 청동부식물은 1064nm의 2.67 J/cm2로 약 10분간(10Hz, 6,000 pulses) 매우 높은 레이저 조건에서 장기간 노출되었을 때 공작석과 흑동석이 적동석으로 변화 가능성을 확인하였지만 일반적인 레이저 클리닝 공정에서는 성분 변화가 발생하지 않았다.
금동유물은 바탕 금속인 동이 부식되면서 도금층 위로 동부식물이 뚫고 나와 외부의 오염물과 결합되어 있는 경우가 많다. 1064nm의 1.59~2.39 J/cm2, 3~5 pulses의 레이저 조건을 금동유물에 적용한 결과 도금층에 고착 정도가 낮은 동부식물이나 토양 이물질이 제거되었다. 그러나 도금층의 두께가 1~3㎛로 매우 얇고 미세한 기공이나 균열이 있는 취약한 도금층은 파손되었으며 레이저의 높은 열적 영향으로 도금층의 용융 현상이 발생하였다. 반면 화학적 클리닝은 동부식물을 제거하였으나 균일하지 않았으며 또한 도금층을 바탕 금속에서 분리시키고 내부금속의 균열을 심화시켰다.
은제유물은 대기 중의 황이나 염화이온 성분과 반응하여 표면이 검게 변색된다. 검은 변색 성분은 황화은(Ag2S)으로 내부 금속과 반응하여 부식층을 형성시키므로 제거할 대상이다. 은은 레이저빔의 흡수도가 낮고(반사도가 높음) 검은 부식물은 레이저빔의 흡수도가 높아 레이저 클리닝의 광열적 효과에 의해 제거된다. 부식 은판에 형성된 황화은 부식층은 1064nm의 1.59~2.39 J/cm2, 1~20 pulses와 532nm의 0.80~2.79 J/cm2, 1~20 pulses로 제거되었으나 은의 낮은 용융점으로 표면 손상이 발생하였다. 그러나 부식층을 완전히 제거하지 않고 은 광택이 나타나는 정도로 레이저 클리닝(1064nm, 2.39 J/cm2, 5~10 pulses · 532nm, 0.8~1.19 J/cm2, 5~10 pulses)을 수행한 경우 용융 현상이 발생하지 않았다. 특히 레이저 클리닝은 물리적·화학적 방법으로 제거하기 어려운 문양 내부나 결합 부위 등에 고착된 오염물을 제거하는데 효과적이었다.
본 연구는 Nd:YAG 레이저 클리닝을 금속 문화재에 적용하여 제거 효과 및 조건을 확인하였다. 또한 표면 형상 및 성분 분석을 통하여 금속 재질별 레이저 클리닝의 메커니즘을 제시하였다. 이는 금속 문화재에 대한 레이저 클리닝 최적화 연구로서 문화재 보존 기술 향상에 기여할 것이라 판단된다.