A humidity-buffering and visual indication wood substrate for preventive conservation of wooden cultural heritage

기술 요약: 목재 문화유산의 예방적 보존을 위한 습도 완충 및 시각적 지시 기능을 갖춘 목재 기질

문제 제기
밀폐된 박물관 저장고 및 전시 케이스에 보관된 목재 문화유산은 불안정한 고습도 미세환경으로 인해 팽창, 곰팡이, 부후 및 균열 등의 상당한 위험에 직면해 있다. 현재의 습도 조절은 에너지 집약적인 전기 기계 장치에 크게 의존하고 있으며, 이는 반응 속도가 느릴 수 있고 공기 흐름을 통해 취약한 유물을 방해할 수 있다. 또한, 기존의 단일 기능성 재료나 화학적 지시제는 밀폐된 공간에서 수동적인 습도 완충 기능과 안전한 비접촉식 시각적 모니터링을 동시에 제공하지 못한다. 특히 목재의 진정성과 섬유 구조를 보존하면서 습도 조절과 시각적 습도 지시를 통합할 수 있는 친환경적이고 저개입적인 기질이 절실히 부족한 실정이다.

연구 방법
본 연구에서는 목재 기질을 개질하기 위해 온화한 저온 초음파 공동 침투 전략을 채택하였다. 세 가지 상업용 목재 종인 Cunninghamia lanceolata(중국 가문비나무), Paulownia spp.(오동나무), Populus spp.(포플러)를 사용하여 기공 구조, 침투 효율 및 치수 안정성을 바탕으로 최적의 기질을 선별하였다.

• 기질 선택: 균일한 침투 성능과 조절 가능한 팽창 특성을 바탕으로 포플러를 최적의 기질로 선정하였다.
• 개질 시스템: 목재에 두 가지 기능성 첨가제가 포함된 녹색 혼합 용매(무수 에탄올과 탈이온수를 사용하며, 구연산을 통해 pH를 4.5–5.5로 조절함)를 침투시켰다.
  • 글리세롤(Glycerol): 흡습성 및 기공 충전을 통해 습도 반응성과 치수 안정성을 향상시킨다.
  • 자색 고구마 안토시아닌(Purple Sweet Potato Anthocyanin): 습도 변화에 따른 시각적 색상 지시 역할을 하는 pH 민감형 천연 색소이다.
• 실험 설계: 예비 실험, 단일 요인 테스트 및 직교 실험($L_9(3^3)$)을 활용하여 배합비를 최적화하였다. 주요 변수는 글리세롤 질량 분율, 안토시아닌 질량 분율 및 침투 시간이었다.
• 평가 지표: 성능 평가는 중량 증가율(WPG), 평형 함수율(EMC), 치수 변화율, 동적 수분 흡착 역학 및 고습도(80% RH) 조건에서의 총 색차($\Delta E^*_{ab}$)를 사용하여 수행되었다.
• 특성 분석: 미세 구조 변화, 성분 로딩 및 개질 메커니즘을 분석하기 위해 주사 전자 현미경(SEM)과 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 사용하였다. 장기 내구성은 60일간의 건습 반복 노화 시험을 통해 평가되었다.

주요 결과

• 최적 공정: 최적의 개질 파라미터는 글리세롤 22 wt%, 안토시아닌 0.6 wt%, 침투 시간 9시간으로 결정되었다.
• 습도 완충: 최적 조건에서 개질된 포플러는 처리되지 않은 포플러에 비해 24시간 수분 흡수 능력이 51% 더 높았다. 개질된 재료는 수분 평형에 더 빠르게 도달하였으며(미처리 목재 12시간 대비 9시간), 향상된 수분 흡수량(35.0 ± 2.8 g/m²)을 나타냈다.
• 시각적 지시: 개질된 목재는 가역적인 습도 반응형 색상 변화를 보였다. 80% RH에서 총 색차($\Delta E^*_{ab}$)는 약 3.01로 안정화되었으며, 이는 시각적 모니터링에 적합한 명도 저하를 나타낸다. 색상 반응은 신속하게 일어났으며 전체적인 수분 포화 이전에 안정화되었다.
• 치수 안정성: 개질은 치수 안정성을 개선하였다. 22 wt% 글리세롤로 처리된 시편은 미처리 시편보다 접선 방향 치수 변화율이 4.8% 낮아 팽창 변형을 효과적으로 억제하였다.
• 내구성: 60일간의 건습 반복 노화 후에도 재료는 초기 색상 지시 성능의 약 80%를 유지하였으며, 총 색차는 안정적인 범위(2.42–3.05) 내에 머물렀다.
• 메커니럼: SEM 분석 결과, 개질은 세포벽 폴리머(셀룰로오스/헤미셀룰로오스)의 섬유 구조를 손상시키지 않으면서 세포강(cell lumen) 및 세포 간극 내에 연속적인 필름을 형성하고 기공을 채우는 방식으로 진행됨을 확인하였다. FTIR 분석은 글리세롤/안토시아닌의 하이드록실기와 목재 세포벽 폴리머 사이의 광범위한 분자 간 수소 결합을 보여주었으며, 다당류 골격은 온전하게 유지되었다(아세틸 C=O 밴드의 분해 없음).

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 기존의 보존 재료가 가진 한계를 해결하는 환경 친화적인 이중 기능성 기질을 제공한다고 주장한다. 수동적 습도 완충과 시각적 지시 기능을 하나의 목재 기반 재료에 통합함으로써, 본 시스템은 저개입 및 저손상 예방 보존을 위한 솔루션을 제안한다.

본 연구는 온화한 저온 초음파 공정이 목재의 자연스러운 섬유 구조와 진정성을 보존한다는 점을 강조하며, 이는 최소 개입 원칙에 부합한다. 결과물인 재료는 박물박물관 전시 케이스 및 습한 지역의 주거 건축물 및 고건축물의 실내 습도 보호를 위한 수동적 습도 제어 기질로 제안된다. 저자들은 색상 변화가 인지 가능하지만, 원격 탐지보다는 근거리 관찰에 가장 적합하며, 현재 연구는 주로 고습 조건에서의 흡착에 초점을 맞추었음을 언급하였다. 향-탈착 양방향 사이클 및 더 넓은 범위의 노화 요인에 대한 향후 연구가 필요하다.