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새로운 빛의 역사, 문화 유산에서의 광현미경의 역할


요약

벨기에 University of Antwerp의 Conservation Studies 부서 소속 연구원 Olivier Schalm 박사는 최신 고해상도 광현미경을 사용하여 문화 유산 내 새로운 탐구 방법을 찾고 있습니다.

분석 기술으로서, 광현미경은 유물의 역사를 발견하는 것부터 그 유물의 보존을 위한 최상의 조치를 이해하는 것까지 다양한 측면에서 역사적 자료에 통찰력을 제공합니다.

산업 샘플과 달리 역사적 유물은 높은 수준의 이질성을 가지고 있으며, 미세구조를 분석하는 것으로 육안으로는 보이지 않는 정보들이 나타납니다. 페인트 레이어가 지지대에서 떨어지는 경우, 광현미경을 사용하여 해당 문제가 하부의 아연판의 피팅 부식에서 야기된 것을 확인할 수 있습니다. 나무의 세포 구조를 분석하는 것으로 가구에 사용된 오크 나무의 종류와 그 나무의 지질학적 원산지에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 이와 같은 경우에서 소재의 종류와 적용된 가공 기술은 현미경 관찰 시 더욱 분명하게 나타납니다.

문화 유산 애플리케이션에 더해 광현미경은 새로운 보존 전략을 발견하는 과정에서도 중요한 역할을 수행합니다. 열화 과정을 이해하는 것만으로 해당 과정을 통제 또는 지연시키는 기술을 개발 및 최적화하거나 대상을 과거 상태로 되돌리는 것도 가능합니다. 후자의 경우가 Department of Conservation Studies 소속 Olivier Schalm 박사가 집중하고 있는 연구 분야입니다.

광현미경은 정보 수집 측면에서 효과적인 수단이 될 수 있지만, 더 높은 해상도의 조사가 요구되는 경우, 연구자들은 스캐닝 전자 현미경(SEM)을 사용하는 경우가 많습니다. 이 기술도 나름의 장점을 가지고 있지만, Olympus DSX510와 같은 최신 광현미경은 과거에는 얻을 수 없었던 높은 해상도를 가지며, 최대 4,000x의 배율도 사용할 수 있습니다. 대다수의 경우에서는 이렇게 높은 수준의 배율이 요구되지 않으며, 광현미경은 트루 컬러 정보를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 최신 디지털 이미징 기술을 사용하기 때문에, SEM을 대체할 수 있는 매력적인 기술이 되기도 합니다. 문화 유산 연구에서 Olympus DSX510 고해상도 광현미경을 도입하는 것으로 Schalm 박사의 연구팀은 유리와 금속의 열화에 대한 이해, 앤티크 사진판의 손상 분석에 대한 이해 확대 등 여러가지 연구를 진행하기 시작했습니다.

문화 유산 분야에서 광현미경

과거에 대한 이해

  • 사회문화적 기준으로 유물이 언제/어디서/어떻게 만들어졌는가?
  • 구성요소 소재의 식별, 분석, 해석
  • 열화 과정에 대한 이해

미래 결정

  • 보관 환경 조작을 통한 열화 방지
  • 보존 또는 복원을 위한 최고의 개입 선택
  • 진행 중인 보호 조치 평가

유리 부식의 재정의

비록 유리는 균일한 투명 물질로서 그 삶을 시작하지만, 시간이 흐름에 따라 더 불투명해지고 불규칙한 특징을 가지기 시작합니다. 19세기 David Brewster경의 연구 이래 관련 프로세스는 완전히 파악된 것으로 여겨졌습니다. 그러나 유리 유물을 통해 확인한 이 공정은 이전까지의 이해와 달리 복잡하며, 그림 1은 독특한 특성을 보여주는 고대 유리 샘플의 모습입니다.
유리 구조에는 라멜라 층이 존재하며, 이 층이 형성되는 방법, 검정색과 희색 링의 차이, 명시야 및 암시야 조명에서 생성된 서로 다른 결과의 이유 등이 확인되지 않았습니다. 넓은 샘플 면적에 대한 상세 분석이 현재 진행되고 있는 연구에서 핵심적인 역할을 수행하고 있으며, DSX510을 통한 이미지 합성은 1.4 mm2의 시야에서 555x의 배율로 유리를 관찰할 수 있게 해줍니다. 이에 더해 대부분의 유물과 마찬가지로, 오래된 유리 창문 샘플의 표면도 완벽하게 평평하지 않기 때문에, 이전까지는 고배율의 선명한 이미지를 광현미경으로 캡처하는 것이 불가능했습니다. DSX510의 확장 초점 이미지(EFI) 기능을 통해 z-스택을 생성하는 것으로 이제는 유물 샘플의 선명한 이미지를 캡처하는 것이 가능하며, 이를 통해 이러한 유물이 가지는 불규칙적인 형태를 이해하는데 도움을 주는 상세 분석이 가능해졌습니다.
다양한 조명 기술을 작용하여 망간 함유물 형성과 같은 다양한 유리 부식 형태의 이미지를 캡처하는 작업에도 유용합니다. 그림 2의 유리 유물은 지난 200년 동안 수지상 구조를 가지는 함유물을 형성했습니다. 명시야 관찰은 높은 반사율로 인해 표면 함유물을 보여주는 반면, 암시야 조명을 사용한 이미지 캡처에서는 표면 아래의 모습이 비춰집니다. 이와 같은 예상치 못한 결과는 복잡한 단층촬영 작업 없이 유기적인 3차원 구조가 형성되었음을 확인할 수 있었습니다. 이러한 형태의 망간은 움직이지 않기 때문에 수용성 형태가 먼저 환원 반응이 발생하는 특정 위치로 이동하는 것으로 예상되었고, 이 과정을 더 자세히 설명하기 위한 연구가 진행되었습니다.


유리 열화 검사

Fig1a-sample-meting-olympus-x555-darkfield-fast-HDR-stitiching
그림 1.A
 

유리 창문 조각 표면 - 이미지 합성 기능과 확장 초점 이미지 기능을 사용하여 1.4 mm2의 시야에 암시야 조명을 적용한 후 555x 배율로 관찰한 결과 이전까지는 볼 수 없었던 디테일로 라멜라를 캡처할 수 있었습니다.
Fig1b-brightfield-darkfield-MPLAN-FLN20X-wider-texture-enhancement-x1000-EFI
그림 1.B: 명시야(왼쪽) 및 암시야(오른쪽)
샘플 조각의 단면에서는 내부를 따라 형성된 라멜라를 확인할 수 있었으며, 명시야 및 암시야를 적용한 후 1,000x의 배율로 관찰하여 이 구조에 대한 통찰력을 얻을 수 있었습니다.

유리에 포함된 미네랄의 형성을 조사합니다.

지난 200년간 형성된 망간 함유물을 명시야 및 암시야 조명, 100x 배율로 이미지를 캡처했습니다. 확장 초점 이미지 기능을 적용하는 것으로 시야 전체의 초점이 맞춰진 이미지를 생성할 수 있었고, 암시야가 적용된 이미지의 경우, 수지상의 함유물이 얇은 구조를 형성하지 않고 표면 아래로 이어지는 것을 보여줍니다.

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그림 2.A: 명시야
Fig2-darkfield-MPLAN-FLN5X-wider-texture-enhancement-x150-EFI
그림 2.B: 암시야


Olympus DSX510을 사용하여 캡처한 이미지, 이미지 출처 University of Antwerp, Dr Olivier Schalm


사진 촬영의 시작: 다게리로타입 변환

1839년에 처음 발견된 다게레로타입은 최초의 보급형 사진 촬영 기법입니다. 은과 수은의 나노입자를 가진 연마된 은 표면에 의한 빛의 산란으로 이미지가 형성되며, 이는 달리 말해 긁힘과 얼룩으로 인해 이미지가 쉽게 간섭 받는다는 것을 의미합니다. 그림 3은 이러한 경우의 예시입니다. 은 부식 과정에 대한 이해를 통해 세척 처리 과정을 최적화하고 사진판을 보존할 수 있게 되었으나, 발생한 손상을 먼저 조사해야 합니다.

유물의 손상을 분석하는 과정에서 유물 전반의 미세조직이 서로 다르기 때문에 유물 전체의 기준에서 어떤 특징을 이해하는 것은 매우 중요합니다. 대상의 모든 위치는 개성을 가지고 있으며, 이들을 하나로 묶는 연결고리는 중요합니다. 그래서 고배율로 샘플을 조사할 때 이러한 특징을 유지할 필요가 있습니다. 광현미경을 사용하여 더 높은 배율을 설정하면서 물리적으로 광속이 어디에 위치하는지를 실제로 확인할 수 있는 능력은 이와 같은 연결고리를 유지하는데 도움을 줍니다. 눈의 특징을 기준으로 긁힌 부분 찾기 등을 사용하여 특징을 탐색하는 것도 가능합니다. (그림 3B). 555x 배율 명시야 이미지를 기존 2차 전자 SEM 이미지와 비교할 경우, 눈의 이미지는 오직 광현미경에서만 관찰하는 것이 가능합니다. SEM에서 유사한 특징을 관찰하기 위해서는 매우 높은 비용이 소요되는 기술인 후방 산란 전자 이미지(대비가 소재의 원자 번호를 기준으로 함)을 사용해야 합니다.


다게레로타입 손상 프로필 생성

이러한 다게레로타입 은판(A)를 암시야 이미지(포지티브 이미지)로 분석한 결과, 명시야(네거티브 이미지)(B)보다 더 자연스러운 이미지가 생성되었습니다. 555x 배율로 긁힌 손상 부위를 후방 산란 스캐닝 전자 현미경(BS-SEM)로 관찰한 경우와 비교했을 때, Olympus DSX510를 사용한 광현미경 관찰이 탐색 특징인 눈(C)의 이미지를 캡처하는데 필요한 대비를 제공할 수 있었습니다.

Fig3-profiling-silver-plate-daguerreotype-damage
그림 3.A

Fig3b-brightfield-darkfield-profiling-silver-plate-daguerreotype-damage
그림 3.B: 명시야(왼쪽) 및 암시야(오른쪽)

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그림 3.C: DSX510(왼쪽) 및 BS-SEM(오른쪽)

이미지 협찬: University of Antwerp, Dr Olivier Schalm 및 Eva Grieten.


부식 되돌리기

현대 변환 기술을 사용하면 부식을 방지할 뿐만 아니라 경우에 따라서는 산화 상태를 되돌리는 것이 가능합니다. 이는 대기 플라즈마 잔광 처리를 통해 진행되며, Schalm 박사의 연구팀은 유럽 PANNA 프로젝트(Plasma and nano for new-age soft conservation)의 일부로서 이 기술을 개선하고 있습니다. 3년째 진행되고 있는 이 프로젝트는 문화 유산의 세척 및 보호에 사용할 수 있는 새로운 기술에 초점을 맞추고 있습니다.

수소 기반 플라즈마는 반응제를 생성하여 부식으로 인해 발생하는 황화은이 가진 검정색을 감소시켜 광택을 가진 은 표면을 복원합니다. 순은은 몇 초 사이에 환원이 되지만, 구리는 현재 플라즈마 처리의 영향을 받지 않기 때문에 미량의 구리가 존재할 경우 공정이 매우 복잡해집니다. 안타깝게도 유물에서 발견되는 은의 대부분은 소량의 구리를 함유(예: 스털링 실버는 보석류에 자주 사용되는 합금으로, 92.5 w% Ag, 7.5 w% Cu로 구성)하고 있으며, 플라즈마 화학 반응이 가지는 선택성의 근거는 아직 확인되지 않고 있습니다. 더 높은 수준의 이해를 가지는 것은 플라즈마 처리 애플리케이션의 개선 뿐만 아니라 오랜 시간에 걸쳐 진행되는 예상치 못한 손상을 방지하는 데에도 도움이 됩니다.

순수 구리판을 통기 황화나트륨 용액에 30분간 담근 후 고해상도 광현미경으로 황화구리 화합물의 형성 여부를 검사함으로써 구리 부식을 보다 자세하게 분석할 수 있었습니다. SEM은 높은 디테일을 가진 이미지를 생성하지만, 컬러 정보가 결여되어 있습니다. 그에 반해 고해상도 광현미경 관찰은 새로운 통찰을 발견했습니다. 그림 4에서 확인할 수 있듯이 부식 부산물인 입자들이 금속 입자 경계에 형성된 것을 알 수 있습니다. 형태 특성이 아닌 색으로 구분되는 이 녹색 부식 영역은 이전까지 사용한 SEM에서는 발견할 수 없었던 특징이며, 이 특징은 트루 컬러 정보를 통해 확인할 수 있었습니다.

광현미경을 사용하여 황화 나트륨 노출로 인한 스털링 실버의 부식 진행 추적과 광택 측정(표면 매끄러움 정도)을 진행하여 황화 나트륨의 지속적인 영향을 분석했습니다. (그림 5) 2,000x 배율로 1시간 동안 캡처한 이미지 시퀀스(그림 5A)를 통해 구리 함유물 주변에 형성된 아일랜드가 광택 저하와 연관되어 있다는 것이 확인되었습니다. 더 놀라운 점은 이러한 아일랜드가 합쳐짐에 따라 광택이 증가한 것으로, 이는 새로 형성된 평평한 반사 표면에서 비롯된 것으로 예상되고 있습니다. 이 때가 은이 부식하기 시작하는 시점으로, 표면의 구리가 고갈되었을 가능성이 높으며, 60분이 지난 이후, 표면은 완전히 변했습니다. 이는 스털링 실버의 부식 과정에서 구리가 얼마나 큰 비중을 차지하는지 관찰할 수 있었던 새로운 결과입니다.

고해상도 광현미경의 도입으로 연구원들은 부식 과정을 이전까지는 볼 수 없었던 디테일로 추적하는 것이 가능해 졌으며, 부식 과정과 관련된 화학 반응은 불과 몇년 전까지 인식되었던 것보다 더 복잡하다는 것이 확인되었습니다. 이러한 실험의 요구사항 중 하나는 시료를 각 주기마다 현미경을 사용하여 관찰할 때 SEM의 복잡한 과정 없이 쉽고 빠르게 똑같은 위치를 관찰할 수 있는 능력입니다.


구리 부식의 시각화.

통기 Na2S 용액을 사용하여 구리를 황화 처리한 후 30분 뒤에 구리 표면을 150x (A), 2,000x (B), 4,000x (C)의 배율로 관찰했습니다. 고해상도에서 트루 컬러 정보를 유지할 수 있는 능력을 통해, SEM을 사용한 검사에서는 확인할 수 없었던 금속 입자 경계의 녹색 부식이 확인되었습니다.

Fig4-visualising-copper-corrosion-x150-x2000-x4000
그림 4.A: 150x                 그림 4.B: 2,000x                그림 4.C: 4,000x


스털링 실버 부식 과정의 시각화.

2,000x 배율 광현미경으로 Na2S에 담근 스털링 실버의 동일한 위치를 노출 시간 함수(A)에 따른 서로 다른 주기로 관찰했습니다. 은 매트릭스 내 구리 함유물이 부식되며 초기 함유물보다 큰 아일랜드가 형성됩니다. 7분 후, 황화구리 아일랜드가 뭉치며 은 부식이 시작합니다. (회색) (B) 구리 아일랜드로 인해 표면이 거칠어짐에 따라 광택이 저하되지만, 평평한 반사 표면이 형성됨에 따라 예상과 달리 광택이 다시 증가합니다. 하지만 은의 부식이 진행되며 광택은 다시 감소합니다.

0분Fig5a-visualizing-corrosion-process-of-sterling-silver-1V-000-min-EFI1분Fig5a-visualizing-corrosion-process-of-sterling-silver-1V-001-min-EFI3분Fig5a-visualizing-corrosion-process-of-sterling-silver-1V-003-min-EFI5분Fig5a-visualizing-corrosion-process-of-sterling-silver-1V-005-min-EFI
7분.Fig5a-visualizing-corrosion-process-of-sterling-silver-1V-007-min-EFI15분Fig5a-visualizing-corrosion-process-of-sterling-silver-1V-015-min-EFI30분Fig5a-visualizing-corrosion-process-of-sterling-silver-1V-030-min-EFI60분Fig5a-visualizing-corrosion-process-of-sterling-silver-1V-060-min-EFI
그림 5.A: 시간(분):

Fig5b-gloss-indicates-surface-topography
그림 5.B: 표면 지형을 의미하는 광택

Olympus DSX510를 사용하여 캡처한 이미지, 이미지 출처 University of Antwerp, Dr Olivier Schalm 및 Patrick Storme.


요약

고해상도 광현미경은 문화유산 조사에 통찰력 있는 도구를 제공하여, 연구원들이 손상의 특성을 파악하고 부식 과정에서 발생하는 복잡한 미세 변화를 조사할 수 있도록 합니다. 다양한 장점을 가진 이 접근 방식을 통해 Schalm 박사의 연구팀은 다양한 유물을 통하여 새로운 정보를 쉽게 얻을 수 있었습니다.

연구에서 높은 배율이나 화학 조성 등 보완을 위한 방식을 요구하는 경우가 있지만, 고해상도 광 현미경은 필요에 따라 추가 정보로 보완할 수 있는 빠르고 효율적인 1차적인 분석을 제시합니다.

유리 및 금속 유물에 대한 연구에서 밝혀진 정보는 예상치 못한 내용이 있었으며, 이에 따라 해당 공정의 근거가되는 기구에 대한 추가적인 의문이 제기되었습니다. 소재 부식에 대한 완전한 이해가 완성되기까지는 아직 멀었지만, 미래를 향해 나아가는 고해상도 광현미경은 과거에 대한 지식을 빠르게 발전시키는 과정에서 중요한 역할을 수행하고 있습니다.


저자 정보

Olivier Schalm 박사는 벨기에 University of Antwerp the Department of Conservation Studies에서 강사로 활동하고 있습니다.

Markus Fabich는 독일 함부르크 Olympus SE & CO. KG Materials Science Microscopy 제품 매니저입니다.


Olympus IMS

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더 나은 이미지와 결과. DSX1000 디지털 현미경은 정확도과 반복성을 통해 보다 신속하게 실패 분석을 가능하게 합니다.

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