금속 PLA 3D 프린팅 기법을 활용한 금속 문화유산 복원 기술 적용성 및 소재 특성 평가 = Applicability and Characteristic Evaluation of Metal PLA 3D Printing Method for Metal Cultural Heritage Restoration|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

3D 프린팅을 이용한 문화유산 복원 방법은 기존 수작업 복원 방식 대비 높은 완성도, 유사한 물성, 쉬운 작업성 등 재료·방법론적 타당성을 근거로 문화유산 보존·복원에 활발히 활용되고 있다. 그러나 도·토기 재질을 중심으로 활용·연구되어 금속 문화유산 적용에는 한계가 존재한다. 따라서 금속 문화유산에 적합한 3D 프린팅 재료와 기술에 관한 연구가 필요하다. 금속 PLA를 복원재료로 사용하면 3D 스캐닝과 프린팅을 통한 현상 복제 효과를 지니면서 원소재를 사용하여 원형복원의 의미와 진정성을 확보할 수 있다. 금속 문화유산 복원 분야에 적용하고자 하는 금속 PLA 3D 프린팅 기법의 인공부식, 소결 적용 실험 및 전·후 특성을 비교하여 과학적 근거를 바탕으로 금속 문화유산 복원 기술 적용성에 관한 객관적인 근거를 확보하고자 하였다. 부식형태 관찰결과 Cu-PLA는 청색과 녹색, Fe-PLA는 황색과 흑색의 부식 표면을 확인하였다. 부식층 단면 관찰결과 Cu-PLA는 청록색 계열의 색상들이 적층 형태로 이루어졌으며, Fe-PLA는 황색의 부식층과 흑색의 녹 전환 피막이 확인되었다. 성분분석 결과 Cu-PLA, Fe-PLA 각각 구리(Cu)와 철(Fe)이 주성분으로 검출되었으며, 인공부식 적용 후 황(S)이 검출되어 황 계열 부식 화합물로 형성된 부식층을 확인하였다. 유물 적용성 평가 결과 전통 주조 및 단조 기법보다 금속 PLA 3D 프린팅 기법으로 제작한 시편의 형태와 질감이 원 유물과 유사한 것을 확인하였다. 이를 색차로 평가한 결과 최소 ‘근소한 정도’와 최대 ‘감지할 정도’로 확인되었다. 소결 형태 관찰결과 표준 금속과 유사한 표면 광택이 관찰되었다. 소결 후 치수와 중량은 약 10~25 % 감소하였다. 미세조직 관찰결과 금속 입자 간 경계면이 감소하고, 입자가 일체화된 모습이 관찰되었다. 이를 통해 단 위 면적당 금속 입자 밀도가 증가하였고, 소결 전 관찰되지 않았던 미상의 금속 조직이 관찰되었다. 표면 경도와 비중 및 흡수율 측정 결과 소결 전보 다 비커스 경도와 비중이 증가하였고, 흡수율은 감소하였다. 이를 표준 금 속 데이터와 비교한 결과 비커스 경도는 유사하거나 높았으며, 비중은 표준 금속보다 작게 측정되었다. 이를 통해 금속 PLA 3D 소결로 동일 형상 및 부피의 표준 금속 대비 유사한 표면 경도와 광택을 지니면서 경량화 효과가 확보된 금속 제작이 가능할 것으로 판단된다. 금속 PLA 3D 프린팅 기법을 활용한 금속 문화유산 복원 기술 적용방안은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 첫째, 인공부식을 적용한 기법, 둘째, 소결 과정을 적용한 기법이다. 첫 번째 방안은 구리합금 재질과 철제로 나눌 수 있다. 구리합금 재질은 Cu-PLA 또는 Bronze PLA에 구현하고자 하는 부식층 색상의 부식 화합물로 수용액을 제조·적용하여 인공부식 효과를 나타낼 수 있다. 철제는 Fe-PLA에 NaCl 또는 산화 환경을 조성하여 철제 고유의 부식층을 형성할 수 있다. 또한 녹 전환제의 사용을 통해 부분적인 흑색 표현 및 비활성 녹 피막을 형성하여 복원 및 보존 효과를 나타낼 수 있다. 두 번째 방안은 소결 과정을 적용하여 표준 금속과 유사한 표면 효과와 경도, 작은 비중을 지닌 금속을 제작할 수 있다. 이는 경량화된 금속으로 결 손부 복원 및 기능의 활용을 중점으로 하는 근현대 문화유산에 적용할 수 있다. 금속 PLA 3D 프린팅 기법을 활용한 금속 문화유산 복원 기술 적용 가능성을 제시하였으며, 기초적인 정보와 DB 제공에 이바지하였기를 기대한다.

주제어 : 금속 PLA, 3D 프린팅, 인공부식, 소결, 금속 문화유산 복원재료

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3D 프린팅을 이용한 문화유산 복원 방법은 기존 수작업 복원 방식 대비 높은 완성도, 유사한 물성, 쉬운 작업성 등 재료·방법론적 타당성을 근거로 문화유산 보존·복원에 활발히 활용되고 �...

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The use of 3D printing for the restoration of cultural heritage has been actively employed in conservation and restoration efforts, supported by factors such as high precision, similar material properties, and ease of operation compared to traditional manual restoration methods. However, its application to metallic cultural heritage has faced limitations, particularly in the domain of metal artifacts. Therefore, this study aimed to research suitable 3D printing materials and techniques for the restoration of metallic cultural heritage. The utilization of metal PLA as a restoration material allows for the replication of artifacts through 3D scanning and printing, ensuring authenticity and significance in original restoration.
To assess the applicability of the metal PLA 3D printing technique in the restoration of metallic cultural heritage, experiments were conducted on patination, sintering application, and a comparison of pre- and post-characteristics. Observations of corrosion patterns revealed that Cu-PLA exhibited blue and green corrosion surfaces, while Fe-PLA displayed yellow corrosion layers with a black patina. Cross-sectional analysis indicated layered turquoise corrosion for Cu-PLA and yellow corrosion layers with a black-to-green transition patina for Fe-PLA. Chemical analysis confirmed the presence of copper (Cu) and iron (Fe) as the primary components, with the detection of sulfur (S) post-patination, suggesting the formation of corrosion layers with sulfur-based compounds.
Evaluation of artifact suitability demonstrated that specimens produced through metal PLA 3D printing exhibited forms and textures similar to traditional cast and forged specimens, with minimal color deviation as assessed by color difference measurements. Sintering observations revealed surfaces with a gloss similar to standard metals, accompanied by a reduction in dimensions and weight by approximately 10~25%. Microstructural analysis indicated a decrease in the boundaries between metal particles, achieving a higher metal particle density per unit area, and the presence of previously unseen metallic structures. Surface hardness, density, and absorption measurements post-sintering showed increased Vickers hardness and density, and decreased absorption compared to pre-sintering. The results suggested that metal PLA 3D printing and sintering could achieve surfaces with similar hardness, gloss, and lightweight properties to standard metals.
The application of the metal PLA 3D printing technique for the restoration of metallic cultural heritage can be divided into two main approaches: patination-based methods and sintering-based methods. The former includes the use of copper alloy materials (Cu-PLA or Bronze PLA) with artificially applied corrosion effects, while iron-based materials (Fe-PLA) can produce corrosion layers through the introduction of NaCl or oxidation environments. Additionally, the use of rust converters allows for partial black expression and the formation of inert rust films, contributing to restoration and preservation effects. The latter approach, employing sintering processes, can create metallic surfaces with effects, hardness, and low specific gravity similar to standard metals. This lightweight metal production can be applied to the restoration of missing parts and the functional utilization of modern cultural heritage.
In conclusion, this study presents the potential application of the metal PLA 3D printing technique in the restoration of metallic cultural heritage. The provided foundational information and database contributions are expected to contribute to further advancements in the field.

Keywords: Metal PLA, 3D Printing, Patination, Sintering, Metal Cultural Heritage Restoration Materials

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목차 (Table of Contents)

List of Table ⅲ
List of Figure ⅳ
국 문 초 록 ⅴ
Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 이론적 배경 3

List of Table ⅲ
List of Figure ⅳ
국 문 초 록 ⅴ
Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 이론적 배경 3
1. 금속 3D 프린팅 3
2. 금속 PLA 소결 7
3. 3D 프린팅 복원기법 12
Ⅲ. 연구 방법 18
1. 복원 기술 적용성 평가 18
2. 소재 특성 평가 22
Ⅳ. 연구 결과 26
1. 복원 기술 적용성 평가 26
1) 부식형태 관찰결과 26
(1) 부식층 표면 관찰결과 26
(2) 부식층 단면 관찰결과 29
2) 성분분석 결과 32
3) 유물 적용성 평가 33
(1) 인공부식 및 유물 재현 효과 비교·관찰결과 33
(2) 색도 측정을 통한 재현 효과 평가 36
2. 소재 특성 평가 38
1) 소결 형태 관찰결과 38
2) 미세조직 관찰결과 41
3) 물성 평가 결과 43
(1) 경도 측정 결과 43
(2) 비중 및 흡수율 측정 결과 44
Ⅴ. 고찰 46
1. 금속 PLA 3D 인공부식 결과 분석 46
2. 금속 PLA 소결 전·후 물성 양상 49
3. 금속 PLA 3D 프린팅 복원 기술 적용방안 51
Ⅵ. 결론 54
참고문헌 56
Abstract 58

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