훼손 없이 단청 안료의 원소를 분석하기 위해 방법은 무엇인가요?

Question

훼손 없이 단청 안료의 원소를 분석하기 위해 고에너지 X선을 조사했을 때, 안료 내부 원자의 전자가 전이되면서 방출하는 고유한 원자번호별 특성 X선의 에너지를 디텍터로 감지하여 성분을 알아내는 원리가 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

X선 형광 분석법(XRF)은 외부에서 조사한 고에너지 X선과 물질 내부 전자의 양자역학적 상호작용을 이용한 비파괴 분석 기법입니다.

​원리는 크게 세 단계로 진행됩니다. 먼저 안료 표면에 높은 에너지를 가진 1차 X선을 조사하면, 이 광자가 원자 내부의 가장 안정된 안쪽 전자 껍질(K 또는 L 껍질)의 전자를 타격합니다. 에너지를 흡수하여 튕겨 나간 전자 때문에 원자는 안쪽 껍질이 빈 불안정한 '들뜬 상태'가 됩니다.

​이어 원자는 안정적인 바닥 상태로 돌아가기 위해 바깥쪽 껍질에 있던 전자를 빈 안쪽 껍질로 떨어뜨리는 '전자 전이'를 일으킵니다. 이때 두 전자 껍질 간의 에너지 준위 차이만큼 빛이 방출되는데, 이것이 바로 '특성 X선'입니다. 각 원자는 양성자 수(원자번호)에 따라 전자 껍질의 에너지 준위가 유일하게 고정되어 있으므로, 방출되는 특성 X선의 에너지 크기는 원자 고유의 지문이 됩니다.

​마지막으로 디텍터가 이 X선의 에너지 값을 측정해 성분을 알아냅니다. 예컨대 10.5 keV 부근의 에너지가 감지되면 연백 안료의 납(Pb)을, 8.0 keV가 감지되면 석록 안료의 구리(Cu)를 식별하는 식입니다. 신호의 세기로 함량까지 알 수 있어, 문화재에 물리적 손상 없이 성분을 정밀하게 파악할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀해주신 원리는 X선 형광분석법인데요, 이 방법은 문화재나 단청처럼 훼손이 허용되지 않는 대상의 안료 성분을 비파괴적으로 분석할 때 매우 많이 사용됩니다. 먼저 고에너지 X선을 단청 안료 표면에 조사하면 안료를 구성하는 원자 내부의 전자, 특히 안쪽 궤도에 있는 전자가 튕겨 나가 전자 공석이 생기는데요, 불안정해진 원자는 바깥쪽 에너지 준위의 전자가 안쪽 빈자리를 채우기 위해 이동하게 됩니다. 이 과정에서 두 에너지 준위 차이만큼의 에너지가 특성 X선의 형태로 방출됩니다. 이 특성 X선의 에너지가 원소마다 고유한데요, 예를 들어 철(Fe), 구리(Cu), 수은(Hg), 납(Pb) 같은 원소들은 각각 서로 다른 에너지의 특성 X선을 내기 때문에 분석 장비의 검출기는 방출된 X선의 에너지와 세기를 측정하고, 이를 통해 어떤 원소가 존재하는지 확인합니다. 즉, 특성 X선 에너지로부터 원소 식별, 신호 강도, 상대적 함량 추정이 가능합니다. 단청 분석에서는 이를 이용해 전통 안료 성분을 파악하는데요, 예를 들어 철(Fe) 검출의 경우 적색 또는 황색 계열 산화철 안료 가능성, 구리(Cu) 검출의 경우 녹청 계열 안료 가능성, 수은(Hg) 검출의 경우, 붉은색 안료인 진사 계열 가능성, 납(Pb) 검출의 경우, 황색 납계 안료 가능성이 있습니다. 이 방법의 장점은 시료를 떼어내거나 긁지 않고 현장에서 바로 측정 가능하다는 점이며, 그래서 문화재 보존 과학에서 널리 사용됩니다. 감사합니다.