X선 형광분석법을 활용한 기록물의 원소 분석

2026년 11월 2일 읽는 시간 약 12분

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오래된 문서와 지도, 필사본에는 종이뿐 아니라 잉크, 안료, 충전제 등 다양한 재료가 사용됩니다. 이러한 재료의 원소 구성을 조사하면 기록물의 제작 기술과 현재 상태를 이해하는 데 도움이 됩니다.

X선 형광분석법(X-ray Fluorescence, XRF)은 시료에 X선을 조사하고, 그 결과 발생하는 특성 X선을 측정하여 원소를 분석하는 방법입니다. 적절한 측정 조건에서는 기록물에서 시료를 채취하지 않고도 분석할 수 있어 보존 과학 분야에서 활용됩니다.

다만 XRF가 모든 성분을 식별하거나 기록물의 상태를 완벽하게 진단하는 것은 아닙니다. 이 글에서는 XRF의 작동 원리와 기록물 분석 사례, 측정 결과를 해석할 때 고려해야 할 한계를 살펴봅니다.

1. X선 형광분석법의 기본 원리

XRF 분석에서는 시료에 입사한 X선이 원자 내부 전자에 영향을 주면서 형광 X선이 발생할 수 있습니다.

충분한 에너지를 가진 X선이 원자의 안쪽 전자를 방출시키면 전자껍질에 빈자리가 생깁니다. 이후 바깥쪽 전자가 낮은 에너지 준위로 이동하면서 두 준위의 에너지 차이에 해당하는 특성 X선을 방출할 수 있습니다.

특성 X선의 에너지는 원소마다 다르므로 이를 분석하면 측정 영역에 존재하는 원소를 식별할 수 있습니다.

1단계: X선 조사 — 분석 장비에서 발생한 X선을 기록물의 측정 부위에 조사합니다.
2단계: 형광 X선 발생 — 시료에 포함된 원소에서 특성 X선이 방출됩니다.
3단계: 신호 검출 — 검출기가 방출된 X선의 에너지와 신호 강도를 측정합니다.
4단계: 스펙트럼 해석 — 측정된 에너지 피크를 바탕으로 원소의 존재 여부와 상대적인 분포를 조사합니다.

신호 강도는 원소의 함량과 관련이 있지만, 종이의 두께와 표면 상태, 다른 원소의 영향, 측정 조건 등에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서 신호 강도만으로 정확한 함량을 바로 확정할 수는 없습니다.

2. 기록물 보존에서 XRF 분석이 중요한 이유

시료 채취를 최소화할 수 있는 분석

귀중한 기록물은 분석을 위해 일부를 잘라내거나 떼어내는 것 자체가 손상이 될 수 있습니다.

XRF는 적절한 조건에서 시료 채취 없이 측정할 수 있으므로 이러한 부담을 줄이는 데 유용합니다.

그러나 비파괴 분석이라는 명칭이 모든 상황에서 손상 위험이 전혀 없다는 의미는 아닙니다. X선 조사 조건과 기록물의 재료 특성에 따라 영향을 평가해야 합니다.

여러 원소의 동시 검출

XRF는 측정 조건과 장비 성능이 허용하는 범위에서 여러 원소를 동시에 검출할 수 있습니다.

예를 들어 철(Fe), 구리(Cu), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 납(Pb) 등의 존재 여부를 조사하여 필기 재료와 무기질 첨가제의 특성을 파악하는 데 활용할 수 있습니다.

다만 검출 가능한 원소의 범위와 검출 한계는 장비의 구성, 측정 환경, 시료 특성에 따라 달라집니다.

현장 분석 가능성

휴대용 XRF 장비를 사용하면 기록물을 실험실로 이동하지 않고 보관 장소에서 측정할 수 있습니다.

이러한 방식은 이동에 따른 위험을 줄일 수 있지만, 휴대용 장비가 모든 실험실 장비와 동일한 분석 성능을 제공하는 것은 아닙니다.

3. 잉크에 포함된 금속 원소 분석

기록물에 사용된 일부 잉크에는 철, 구리 등 금속 원소가 포함되어 있습니다. XRF 분석은 이러한 원소의 존재와 분포를 조사하는 데 활용할 수 있습니다.

철갈잉크의 원소 분석

철갈잉크(Iron-gall ink)는 역사적 문서에 널리 사용된 필기 재료 중 하나입니다. 일부 철갈잉크는 시간이 지나면서 종이의 변색과 취약화를 동반하는 부식 문제를 일으킬 수 있습니다.

XRF를 이용하면 필기 부위에서 철이나 구리 등의 원소 신호를 조사할 수 있습니다.

하지만 철이 검출되었다는 사실만으로 해당 잉크가 반드시 철갈잉크라고 확정할 수는 없습니다. 또한 철의 존재만으로 부식의 진행 정도를 판단하기도 어렵습니다.

잉크의 종류와 손상 상태를 평가하려면 필기 형태, 기록물의 역사적 배경, 다른 분석 결과 등을 함께 검토해야 합니다.

잉크 성분의 차이 비교

한 문서에서 서로 다른 시기에 작성된 것으로 의심되는 필기 부분이 있다면 원소 신호의 차이를 비교할 수 있습니다.

특정 부분에서 검출되는 원소의 종류나 상대적 신호 강도가 다르면 재료 차이를 조사하는 단서가 될 수 있습니다.

그러나 원소 구성이 비슷하다고 해서 동일한 잉크를 사용했다고 확정할 수는 없으며, 차이가 있다고 해서 작성 시기가 반드시 다르다는 뜻도 아닙니다.

4. 종이의 무기질 첨가제 분석

종이에는 제조 방식에 따라 다양한 무기질 성분이 포함될 수 있습니다.

일부 종이는 불투명도, 표면 특성, 인쇄 적성 등을 조절하기 위해 탄산칼슘이나 점토 계열 충전제를 사용합니다.

XRF는 이러한 무기질 재료와 관련된 원소를 조사하는 데 활용될 수 있습니다.

칼슘(Ca): 탄산칼슘 등 칼슘 함유 재료의 존재 가능성을 조사하는 단서가 됩니다.
규소(Si)와 알루미늄(Al): 점토 계열 광물이나 기타 무기질 성분을 검토하는 데 활용할 수 있습니다.
티타늄(Ti): 일부 종이에 사용되는 이산화티타늄 등 관련 재료의 존재 가능성을 조사할 수 있습니다.

다만 XRF는 원소를 분석하는 기술이므로 칼슘이 검출되었다는 사실만으로 탄산칼슘이라는 특정 화합물을 확정할 수는 없습니다.

화합물의 종류나 결정 구조를 확인하려면 다른 분석법이 필요할 수 있습니다.

5. 채색 기록물과 안료 분석

고지도, 채색 필사본, 삽화가 포함된 기록물에는 다양한 무기 안료가 사용되었을 수 있습니다.

일부 안료는 특정 금속 원소를 포함하므로 XRF 분석 결과가 재료를 식별하는 데 중요한 단서가 됩니다.

예를 들어 납, 구리, 수은 등의 원소 신호는 관련 안료의 존재 가능성을 조사하는 출발점이 될 수 있습니다.

그러나 동일한 원소가 여러 화합물에 포함될 수 있으므로 XRF 결과만으로 안료의 정확한 종류를 확정하기는 어렵습니다.

이러한 경우 라만 분광법 등 다른 분석 기법을 함께 사용하면 재료 식별에 도움이 될 수 있습니다.

6. XRF 분석 결과를 해석할 때 주의할 점

검출 가능한 원소의 한계

XRF는 수소와 같은 매우 가벼운 원소를 일반적인 장비로 검출하기 어렵습니다.

또한 마그네슘, 알루미늄, 규소 등 상대적으로 가벼운 원소의 검출 성능은 장비와 측정 환경에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

종이의 주요 성분인 셀룰로오스는 탄소, 수소, 산소를 중심으로 이루어져 있으므로 일반적인 XRF만으로 셀룰로오스의 분자 구조나 열화 정도를 직접 평가하기는 어렵습니다.

원소와 화합물의 차이

XRF가 제공하는 기본 정보는 원소의 종류와 신호 강도입니다.

예를 들어 철이 검출되더라도 그 철이 어떤 화합물에 포함되어 있는지, 어떤 산화 상태인지까지 일반적인 XRF 결과만으로 직접 확인하기는 어렵습니다.

따라서 원소 분석과 화합물 분석은 구분해서 해석해야 합니다.

측정 영역과 깊이의 영향

XRF 신호는 표면에 있는 물질뿐 아니라 측정 조건에 따라 일정 깊이의 물질에서도 발생할 수 있습니다.

종이의 앞면과 뒷면에 서로 다른 잉크가 존재하거나 여러 재료가 겹쳐 있으면 신호가 혼합될 가능성이 있습니다.

이러한 특성을 고려하지 않으면 특정 원소가 어느 층이나 재료에서 유래했는지 잘못 판단할 수 있습니다.

정량 분석의 불확실성

원소의 정확한 함량을 추정하려면 적절한 보정과 측정 조건이 필요합니다.

특히 종이처럼 두께와 밀도가 균일하지 않을 수 있는 재료에서는 분석값에 영향을 주는 요소를 충분히 검토해야 합니다.

7. XRF와 다른 분석법의 차이

기록물의 재료를 정확하게 이해하려면 분석 목적에 맞는 방법을 선택해야 합니다.

분석 방법	주요 분석 정보	대표적인 한계
XRF	원소의 종류와 분포	유기물의 분자 구조와 화합물 종류를 직접 식별하기 어려움
라만 분광법	분자의 진동 특성과 일부 화합물 식별	형광 간섭이나 레이저 조사에 따른 영향 가능성
적외선 분광법(FTIR)	분자 결합과 작용기 정보	성분이 혼합되면 스펙트럼 해석이 복잡해질 수 있음