플라스틱 작품 접착을 위한 광경화성 수지 적용성 연구 = A Study on the Applicability of UV-Curable Resins for the Adhesion of Contemporary Plastic Artworks

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Contemporary plastic materials are widely employed in modern and contemporary art owing to their workability, lightweight nature, and capacity for diverse chromatic expression. However, plastics are inherently vulnerable to environmental factors such as ultraviolet radiation, oxygen, and heat, often exhibiting discoloration, embrittlement, and cracking within approximately 5–25 years. Artworks subjected to repeated transport and installation are particularly prone to breakage and fracture, necessitating prompt conservation treatment. The epoxy adhesive Hxtal NYL-1, previously proposed for conservation purposes, has limitations in practice due to its prolonged curing time, low reversibility, and mismatched mechanical properties relative to plastic substrates.
This study proposes urethane acrylate–based UV-Curable Resins that cure within seconds under UV irradiation as adhesives for contemporary plastic artworks. Their applicability as conservation materials was examined through an evaluation of substrate-specific adhesion suitability, long-term stability, and reversibility.
Based on a survey of plastic holdings in domestic museums, five representative transparent plastic substrates were selected: three thermoplastic resins—polycarbonate (PC), poly(methyl methacrylate) (PMMA), and polyvinyl chloride (PVC)—and two thermosetting resins—epoxy (EP) and polyurethane (PUR). Five urethane acrylate–based UV-Curable Resins were tested (three products from Manufacturer A, one from Manufacturer B, and one from Manufacturer C), while the epoxy resin Hxtal NYL-1 (Manufacturer H) served as a reference material. For reversibility assessments, five solvent systems were employed: three organic solvents (ethanol (E), ethyl acetate (EA), and isopropyl alcohol (IPA)) and two inorganic solvents (sodium hydroxide (NaOH) and nitric acid (NA)).
Curing experiments were conducted to establish optimal adhesion conditions. Combinations of UV irradiance (100, 500, and 1,000 W/cm²), distance between the specimen surface and light source (5, 10, and 15 mm), and exposure time (15, 60, and 120 s) were applied to substrates without adhesive, followed by colorimetric measurement. Using Δb* ≤ 1.0 as the acceptability threshold for yellowing, the condition of 500 W/cm², 15 mm, and 15 s was identified as the most suitable, providing minimal yellowing while maintaining adequate adhesive performance; this was subsequently adopted as the standard curing condition for UV-aging experiments.
Accelerated UV-aging tests were performed to evaluate changes in physical properties under artificial deterioration conditions, focusing on color difference and shear adhesive strength. After a total of 300 hours of UV exposure, colorimetric changes and tensile/compressive lap-shear strengths of the UV-Curable Resins and the reference adhesive were measured. In terms of color stability, A-1 and A-2 exhibited low yellowing comparable to the reference, whereas A-3 showed faster initial discoloration but ultimately converged to the lowest final ΔE*. Resins B and C displayed relatively greater discoloration and loss of lightness. Regarding mechanical performance, A-2, A-3, and B maintained high adhesive strength before and after aging on PC, PMMA, and PVC; on EP, A-1 and A-3 demonstrated stable adhesion. PUR exhibited comparatively lower strength and durability, attributable to substrate surface conditions.
Reversibility was investigated by immersing each of the five substrates and five UV-Curable Resins in the three organic solvents and two inorganic solvents for 24 hours, followed by optical microscopy and measurements of mass change and surface hardness. The overall influence of solvents on the five substrates followed the order: ethanol > ethyl acetate > isopropyl alcohol > nitric acid > sodium hydroxide. Although inorganic solvents reacted more slowly than organic solvents, they promoted softening and separation of the adhesive layer. In particular, NaOH was assessed as potentially useful for localized application in actual artworks to adjust or manipulate adhesive layers.
In the practical application phase, treatment approaches derived from the experimental outcomes were applied to actual plastic artworks to verify rapid adhesion and to propose treatment protocols. Applicability limits were also examined to validate the practical utility of the UV-Curable Resins and to suggest their potential deployment in conservation practice.
This study assessed the applicability of five urethane acrylate–based UV-Curable Resins in combination with five principal plastic substrates relevant to contemporary plastic artworks. The findings provide quantitative evidence to support substrate selection, and they demonstrate the potential of novel resins to complement or replace Hxtal NYL-1 by addressing its limitations. These results are expected to serve as fundamental reference data for future research on conservation treatment of plastic artworks.

국문 초록 (Abstract)

현대 미술에서 플라스틱은 가공성, 경량성, 다양한 색채 표현 등으로 인해 널리 활용되고 있다. 그러나, 자외선, 산소, 열 등의 환경 요인에 의해 5∼25년 이내에 변색, 취성, 균열이 발생하는 취약성을 지닌다. 특히 이동과 설치가 반복되는 작품은 파손과 균열이 발생하기 쉬워 신속한 보존처리가 요구된다. 기존에 제안된 에폭시계 접착제 Hxtal NYL-1은 긴 경화 시간, 낮은 가역성, 플라스틱과의 물성 차이로 인해 적용에 한계가 있다.
본 연구는 자외선 조사에 의해 수 초 내 경화되는 우레탄 아크릴레이트계 광경화성 수지를 현대 플라스틱 작품의 접착제로 제시하고, 피착재별 접착 적합성과 장기 안정성, 가역성을 평가하여 보존처리 재료로서의 가능성을 검토하였다.
연구를 위해 국내 미술관 소장 현황 조사 결과를 바탕으로 투명 플라스틱 중 상위 재질 열가소성 수지 3종(Polycarbonate(PC), Poly Methyl Methacrylate(PMMA), Polyvinyl Chloride(PVC))과 열경화성 수지 2종(Epoxy(EP), Polyurethane(PUR))을 피착재로 선정하였다. 접착제는 우레탄 아크릴레이트계 광경화성 수지 A社 3종, B社 1종, C社 1종을 실험군으로, 비교군은 H社의 에폭시 수지 Hxtal NYL-1을 설정하였다. 가역성 실험에 사용한 용액은 유기용매 3종(Ethanol(E), Ethyl Acetate(EA), Isopropyl Alcohol(IPA)), 무기용매 2종(Sodium hydroxide(NaOH), Nitric Acid(NA))이다.
경화 실험은 최적 접착 조건을 설정하기 위해 수행하였다. 자외선 조사기의 강도(100, 500, 1,000 W/cm²), 시편 표면과 광원의 거리(5, 10, 15 mm), 머무름시간(15, 60, 120 s)을 조합하여 피착재에 단독 조사 후 색차를 측정하였다. Δb* ≤ 1.0을 기준으로 황변 허용 조건을 도출한 결과, 500 W/cm², 15 mm, 15 s 조건이 황변 최소화와 접착력 확보에 가장 적합하여 이후 자외선 열화 실험의 표준 경화 조건으로 설정하였다.
자외선 열화 실험은 인공 열화 환경에서 색차와 전단 접착 강도 같은 물리적 성질 변화를 평가하였다. 총 300시간 동안 자외선 노출 후, 광경화성 수지와 비교군의 색차 및 인장·압축 전단 접착 강도를 측정하였다. 색차 측정 결과 광경화성 수지 중 A-1과 A-2가 비교군과 유사한 수준의 저황변성을 나타냈으며, A-3는 초기 변색은 빠르나 최종 ΔE*가 가장 낮게 수렴하였다. B와 C는 변색과 명도 저하가 상대적으로 크게 나타났다. 기계적 특성에서는 PC, PMMA, PVC에서 A-2와 A-3, B가 열화 전·후 높은 접착 강도를 유지하였고, EP는 A-1과 A-3이 안정적인 접착력을 보였다. PUR은 표면 상태로 인해 상대적으로 낮은 강도와 내구성을 나타냈다.
가역성 실험에서는 피착재 5종과 광경화성 수지 5종을 유기용매 3종, 무기용매 2종에 24시간 침지하여 광학현미경 관찰 및 중량·표면 경도 변화를 측정하였다. 그 결과 피착재 5종에 대한 용매의 영향은 Ethanol > Ethyl Acetate > Isopropyl Alcohol > Nitric Acid > Sodium hydroxide 순으로 나타났다. 무기용매는 유기용매에 비해 반응 속도는 느리지만 접착층을 연화·분리하는 작용을 보였다. 특히 NaOH는 실제 작품에서 국소 적용 시 접착층 조정에 활용 가능성이 있는 것으로 평가되었다.
보존처리 적용 단계는 실험에서 도출된 결과를 실제 플라스틱 작품에 적용하여 처리 방법을 제시하고, 빠른 접착 여부를 확인하였다. 적용 한계를 검토하여 광경화성 수지의 실용성을 검증하고 보존처리 현장에서 활용 가능성을 제시하였다.
본 연구는 현대 플라스틱 작품 보존을 위해 우레탄 아크릴레이트계 광경화성 수지 5종과 주요 피착재 5종의 조합하여 적용 가능성을 검토하였다. 이번 연구는 피착재 선정에 필요한 정량적 근거를 마련하고, 기존 재료인 Hxtal NYL-1의 한계를 보완하거나 대체할 수 있는 새로운 수지의 활용 가능성을 확인하였다. 이러한 결과 향후 플라스틱 작품의 보존처리 연구에서 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅲ
• 그림목차 ⅴ
• 국문초록 ⅷ
• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 연구 방법 3
• 3. 기존 연구 사례 5
• II. 이론적 배경 9
• 1. 플라스틱의 특성 9
• 2. 플라스틱 작품 소장 및 보존처리 현황 12
• 3. 광경화성 수지의 특성 16
• III. 실험 재료 및 방법 19
• 1. 실험 재료 19
• 2. 실험 방법 24
• IV. 실험 결과 및 고찰 35
• 1. 경화 실험 35
• 2. 자외선 열화 실험 46
• 3. 가역성 실험 67
• 4. 고찰 87
• Ⅴ. 플라스틱 작품 보존처리 적용 89
• 1. 보존처리 개요 89
• 2. 보존처리 전 조사 94
• 3. 보존처리 100
• 4. 보존처리 후 조사 103
• Ⅵ. 결론 108
• 참고문헌 110
• ABSTRACT 113
• 부록 116