문화재 속에 숨어 있는 소금은 어떻게 찾아낼까? 염류 분석의 원리

문화재 표면이 깨끗해 보인다고 해서 내부까지 아무 문제가 없다고 말할 수 있을까?

겉으로는 특별한 변화가 없는 석재나 도자기, 벽체 같은 다공성 재료 안에도 물에 녹는 염류가 남아 있을 수 있다. 여기서 다공성 재료란 눈에 잘 보이지 않는 아주 작은 구멍과 통로를 가진 재료를 뜻한다. 수분이 이 통로를 따라 이동하면 물에 녹아 있던 이온도 함께 움직일 수 있다.

문제는 이들이 항상 눈에 보이는 형태로 존재하지 않는다는 점이다.

표면에 결정이 나타나기 전에는 육안 관찰만으로 염류의 존재 여부나 종류를 판단하기 어렵다. 그래서 보존과학에서는 단순히 “하얀 것이 보이는가”를 확인하는 데서 한 걸음 더 나아가, 어떤 이온이 어느 정도 존재하며 어디에서 검출되는지를 분석한다.

그렇다면 눈에 보이지 않는 소금을 어떻게 찾아낼까?

문화재에 소금이 있다면 왜 눈에는 보이지 않을까?

우리가 흔히 생각하는 소금은 하얀 결정이다. 하지만 문화재 내부의 염류가 언제나 결정 상태로 있는 것은 아니다.

수분이 존재하면 염류를 구성하는 성분이 물에 녹아 이온 상태로 존재할 수 있다. 예를 들어 염화나트륨은 물속에서 나트륨 이온과 염화 이온으로 나뉘어 존재한다.

이 상태에서는 표면을 아무리 자세히 관찰해도 소금 결정을 발견하지 못할 수 있다.

또한 문화재는 내부가 균일한 덩어리가 아니다. 미세한 공극의 크기와 연결 상태, 수분 분포가 위치마다 다르기 때문에 염류 역시 특정 깊이나 영역에 집중될 가능성이 있다.

따라서 “표면에 결정이 없다”와 “염류가 없다”는 같은 의미가 아니다.

이 차이가 바로 염류 분석이 필요한 이유다.

그렇다면 문화재를 잘라서 내부를 확인해야 할까?

반드시 그런 것은 아니다.

문화재 분석에서는 원형을 가능한 한 보존하는 것이 중요하기 때문에 조사 목적에 맞춰 최소한의 시료로 정보를 얻는 방법을 검토한다. 경우에 따라 이미 떨어져 나온 미세한 조각이나 가루를 이용할 수도 있고, 표면이나 특정 위치에서 채취한 극소량의 물질을 분석하기도 한다.

수용성 염류를 조사할 때는 시료에서 물에 녹는 성분을 추출해 분석하는 방법도 활용될 수 있다.

쉽게 생각하면 재료 속에 들어 있던 ‘물에 녹는 성분’을 분석 가능한 형태로 꺼내 보는 과정이다.

하지만 여기서 중요한 점이 있다. 문화재에서 시료를 얻었다는 사실만으로 전체 상태를 대표한다고 볼 수 없다는 것이다.

한 지점에서 염류가 검출되지 않았다고 해서 다른 위치에도 없다고 단정하기 어렵다. 반대로 특정 지점에서 높은 농도가 확인되더라도 문화재 전체가 같은 상태라고 볼 수는 없다.

그래서 무엇을 분석하느냐만큼 어디에서 시료를 얻었느냐가 중요하다.

전기전도도를 측정하면 소금이 있는지 알 수 있을까?

염류를 조사하는 비교적 기본적인 방법 가운데 하나가 전기전도도 측정이다.

전기전도도는 말 그대로 용액이 전기를 얼마나 잘 통하게 하는지를 나타내는 값이다.

순수한 물은 전기를 잘 통하지 않지만 물속에 여러 이온이 녹아 있으면 전류가 흐르기 쉬워진다. 따라서 문화재에서 추출한 수용성 성분이 포함된 용액의 전기전도도를 측정하면 이온성 물질이 얼마나 존재하는지를 판단하는 데 참고할 수 있다.

그렇다면 전기전도도가 높으면 어떤 소금이 들어 있는지도 바로 알 수 있을까?

그렇지는 않다.

전기전도도는 용액 속에 이온이 존재한다는 사실과 그 양에 관한 정보를 간접적으로 제공하지만, 그 이온이 염화 이온인지 황산 이온인지 질산 이온인지까지 구별해 주지는 않는다.

즉 전기전도도는 “이온성 물질이 어느 정도 존재하는가?“라는 질문에는 유용하지만, “정확히 무엇이 들어 있는가?“라는 질문에는 다른 분석이 필요하다.

염화물인지 황산염인지 어떻게 구별할까?

염류의 종류를 구분하려면 염을 구성하는 이온을 확인해야 한다.

이때 활용될 수 있는 분석법 가운데 하나가 이온 크로마토그래피(Ion Chromatography, IC)다.

이름은 어렵지만 기본적인 개념은 의외로 이해하기 쉽다.

여러 종류의 이온이 섞여 있는 용액을 분석 장치에 넣으면 각각의 이온이 장치 내부를 통과하는 특성에 차이가 생긴다. 그 차이를 이용해 서로 분리하고 검출하는 것이다.

이를 통해 조건에 따라 염화 이온, 질산 이온, 황산 이온 같은 음이온이나 나트륨, 칼륨, 칼슘 같은 양이온을 분석할 수 있다.

이것이 중요한 이유는 ‘염류가 있다’는 사실만 알아서는 보존 상태를 충분히 이해하기 어렵기 때문이다.

어떤 이온들이 함께 검출되는지 파악하면 가능한 염류의 조성이나 유입 경로를 검토하는 데 더 많은 단서를 얻을 수 있다.

다만 분석에서 특정 이온들이 검출되었다고 해서 실제 문화재 내부에서 어떤 결정 형태의 염으로 존재하는지를 언제나 단순하게 확정할 수 있는 것은 아니다. 용액 분석은 주로 녹아 나온 이온을 측정하기 때문이다.

이 차이를 이해하는 것이 중요하다.

XRF로 원소를 확인하면 염류 종류도 바로 알 수 있지 않을까?

사이트에서 앞서 다룬 XRF는 문화재에 포함된 원소를 조사하는 데 활용되는 분석법이다.   그렇다면 원소를 알 수 있으니 염류도 모두 확인할 수 있을 것처럼 생각하기 쉽다.

하지만 원소를 검출하는 것과 화합물의 형태를 확인하는 것은 다른 문제다.

예를 들어 어떤 원소가 검출되었다고 해도 그 원소가 어떤 화합물에 포함되어 있는지, 문화재의 원래 구성 성분인지 외부에서 유입된 물질인지 등을 추가로 검토해야 할 수 있다.

문화재 자체에 원래 포함된 성분과 나중에 들어온 염류 성분이 겹치는 경우에는 해석이 더욱 조심스러워진다.

그래서 보존과학에서는 하나의 분석 결과만 보고 “이 문화재에는 이 소금이 있다”고 단정하기보다 조사 목적과 재료 특성에 따라 여러 정보를 비교한다.

결정이 이미 있다면 어떤 방법으로 확인할 수 있을까?

문화재에서 실제 결정성 물질이 확보된다면 다른 분석법을 검토할 수 있다.

대표적으로 X선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD)이 있다.

결정은 물질마다 원자들이 배열되는 방식이 다르다. X선을 결정에 조사하면 이 배열 구조에 따라 특징적인 회절 패턴이 나타난다. 이를 비교하면 어떤 결정성 물질이 존재하는지 확인하는 데 도움을 받을 수 있다.

여기서 이온 크로마토그래피와의 차이가 드러난다.

이온 크로마토그래피가 용액 속에 녹아 나온 이온을 구분하는 데 유용하다면, X선 회절 분석은 확보한 시료에 존재하는 결정성 물질의 종류를 파악하는 데 활용될 수 있다.

두 분석은 같은 질문을 하는 장비가 아닌 셈이다.

따라서 보존과학자가 먼저 결정해야 하는 것은 “어떤 장비를 사용할까?“가 아니라 “지금 무엇을 알아내야 하는가?”이다.

분석 결과에서 염류가 검출되면 원인까지 알 수 있을까?

여기서 특히 조심해야 한다.

특정 염류 성분이 확인되었다고 해서 그것만으로 유입 원인이 자동으로 밝혀지는 것은 아니다.

염류는 문화재의 재료 자체, 주변 토양이나 지하수, 빗물이나 수분 이동, 과거에 사용된 재료, 주변 환경 등 여러 경로와 관련될 가능성이 있다. 실제 원인을 판단하려면 문화재가 놓인 환경과 재료의 특성, 수분이 이동할 수 있는 경로, 위치별 분석 결과 등을 함께 검토해야 한다.

예를 들어 한 곳의 시료에서 특정 이온이 많이 검출되었다고 하자.

그 결과만으로 “외부에서 들어왔다”고 결론 내리기보다 주변 여러 위치에서도 같은 성분이 나타나는지, 농도 분포에는 차이가 있는지 등을 살펴보는 편이 더 합리적이다.

분석값은 답 그 자체라기보다 원인을 추적하기 위한 증거 중 하나인 것이다.

다음 82편에서는 「눈에 보이지 않는 수분은 어떻게 측정할까? 문화재 함수율과 수분 진단」이라는 질문으로 이어집니다.

왜 한 곳만 분석하면 위험할까?

문화재 내부의 수분과 염류 분포는 반드시 균일하지 않다.

위쪽과 아래쪽, 외부와 내부, 햇빛을 받는 곳과 그렇지 않은 곳, 수분 공급원과 가까운 곳과 먼 곳에서 서로 다른 결과가 나올 수 있다.

따라서 조사 위치를 정할 때는 단순히 눈에 띄는 한 지점을 선택하는 것이 아니라 손상 부위와 비교 부위, 높이나 방향, 주변 환경 등을 고려할 필요가 있다.

경우에 따라 여러 지점의 결과를 비교하면 단일 측정에서는 보이지 않았던 공간적인 분포가 드러날 수도 있다.

예를 들어 특정 방향이나 높이에서 농도가 상대적으로 높게 나타난다면 수분 이동 경로나 주변 환경과의 관계를 검토할 단서가 된다.

이처럼 보존과학에서 중요한 것은 숫자 하나가 아니라 숫자가 나타난 위치와 맥락이다.

염류가 검출되면 바로 제거해야 할까?

분석에서 염류가 발견됐다는 이유만으로 곧바로 제거 처리를 결정하는 것도 신중해야 한다.

먼저 어떤 종류의 염류가 어느 정도 존재하는지, 현재 실제 손상과 어떤 관련이 있는지, 수분 공급이 계속되고 있는지 등을 살펴볼 필요가 있다.

또한 제거 방법 자체가 문화재 재료에 영향을 줄 가능성도 고려해야 한다.

보존처리는 단순히 유해하다고 생각되는 물질을 없애는 작업이 아니다. 처리를 하지 않았을 때의 위험과 처리 과정에서 발생할 수 있는 위험을 함께 비교하는 판단 과정에 가깝다.

그래서 분석의 목적도 단순히 “소금을 찾아내는 것”에서 끝나지 않는다.

무엇이 존재하는지 확인하고, 어디에 얼마나 분포하는지 파악하며, 그것이 현재 문화재 상태와 어떤 관계가 있는지를 해석해야 실제 보존 판단으로 이어질 수 있다.

눈에 보이지 않는 염류를 찾는 핵심은 무엇일까?

문화재 속에 숨어 있는 소금을 찾는 방법은 하나가 아니다.

전기전도도 측정은 이온성 물질의 존재 정도를 살펴보는 데 활용될 수 있고, 이온 크로마토그래피는 물에 녹아 나온 여러 이온을 구분하고 정량하는 데 유용하다. 실제 결정성 물질을 확보했다면 X선 회절 분석 등을 통해 결정의 종류를 조사할 수도 있다.

하지만 어떤 분석법도 모든 질문에 혼자 답하지는 못한다.

더 중요한 것은 무엇을 알고 싶은지에 따라 분석법과 시료 채취 위치를 정하고, 나온 결과를 문화재의 재료와 환경이라는 맥락 속에서 해석하는 것이다.

문화재 표면이 깨끗하다는 사실은 내부까지 안전하다는 증거가 아니다. 보존과학은 눈에 보이는 현상을 관찰하는 데서 멈추지 않고, 보이지 않는 성분과 그 분포를 측정해 손상의 가능성을 추적한다.

그런데 염류처럼 눈에 보이지 않는 물질만 숨어 있는 것은 아니다.

문화재 내부에는 수분 역시 겉으로 드러나지 않은 채 존재할 수 있다. 손으로 만져서 축축하지 않고 표면이 말라 보여도 재료 내부의 수분 상태는 다를 수 있다.

그렇다면 문화재를 훼손하지 않으면서 눈에 보이지 않는 수분이 얼마나 들어 있는지는 어떻게 측정할까?