독일 SPECTRO(스펙트로)사의 휴대용 XRF 성분분석기(Handheld XRF Spectrometer) SPECTRO XSORT
1. 작동 원리 (XRF, X선 형광 분석법)
◆ 기기에서 X선(X-ray)을 시편에 照射(조사)하면, 물질 내부의 원자가 여기(excitation)되면서 각 원소 고유의 형광 X선(Fluorescent X-ray)을 방출
◆ 기기 후면의 검출기(Detector)가 이 에너지를 감지하여 시편에 어떤 원소(Fe, Cr, Ni, Cu, Mo, Mn 등)가 얼마만큼 들어있는지 비율(%)로 계산해 화면에 즉시 보여줌
2. 주요 특징
◆ 비파괴 검사 (NDT)
시편을 깎거나 손상시키지 않고 원형 그대로 측정하여 분석할 수 있으므로 국보·보물급 문화재나 가치가 높은 고미술품 분석에 적합
◆ 경원소 및 유기적/무기적 원소 동시 측정
규소, 알루미늄, 칼슘, 칼륨) 등 도자기의 기본 뼈대를 이루는 경원소부터 코발트, 철, 구리, 납 등 발색 안료 원소까지 폭넓게 감지
◆ iCAL 보정 시스템기기 자체의 automatic iCAL(Intelligent Calibration Logic) 기능으로 외부 환경 온도 변화에도 보정 작업을 최소화하며 안정된 정밀도를 유지
◆ 초고속 현장 측정
수 초(2~10초) 내에 주요 원소 성분이 화면에 표시되므로, 박물관 수장고나 가마터 발굴 현장에서 수십~수백 점의 도자기 편을 신속하게 스크리닝
◆ 미세 부위 카메라 및 콜리메이터(Spot Size) 타겟팅
비디오 카메라와 미세 조사 영역(예: 3mm/5mm 스팟) 기능을 지원하여, 도자기 표면의 매우 가느다란 문양 선이나 특정 색상의 안료 부위만 정확히 짚어 측정
3. 주요 활용 분야
1) 금속 성분분석
◆ 스텐레스(SUS), 알루미늄, 동합금, 인코넬 등 금속 소재의 정확한 번호(Grade) 및 합금 비율 확인
◆ 고철 및 리사이클링 분류
폐금속 수거 및 재활용 현장에서의 빠른 소재 선별
◆ 환경 및 유해물질 검사
RoHS 규제 물질(납, 카드뮴, 크롬 등) 검출 및 토양 중금속 분석
◆ 광물 및 귀금속 분석
광산 현장 원석 성분 측정, 금/은/백금 등 귀금속 순도 분석
2) 도자기 성분분석
◆ 안료 및 유약의 화학적 성분 분석
- 청화백자 : 청화 안료의 핵심인 코발트 및 함께 포함된 불순물(철, 망간, 아연 등) 비율을 분석하여 중국산 회회청(회청)인지 조선 토청(토제 코발트)인지 구별하는 데 기여
- 청자/철화/진사 : 청자 유약의 철 함량, 진사 도자기의 구리 함량, 흑유 도자기의 산화철 비율 등을 수치화
- 연유(납유약) : 납 성분이 포함된 유약 도자기의 성분 비율을 측정.
◆ 산지 및 가마터 추정
도자기의 태토(바탕 흙)에 함유된 미량 원소 비율을 분석하여 특정 가마터(예: 광주 분원리, 부안 유천리 등)의 토양 데이터베이스와 비교함으로써 산지를 추적
◆ 진위 감정 및 시대 구별 보조
현대 근현대 합성 안료(예: 티타늄, 아연, 현대 백색 안료 등)나 화학 유약이 사용되었는지 여부를 확인하여 전통 방식으로 제작된 자기인지 후대의 위작·복제품인지 가려내는 핵심 지표로 활용
3) 회화작품 성분분석
◆ 무기 안료(Pigment) 종류 및 색상 식별
회화에 사용된 무기 안료는 함유된 대표 금속 원소(원소 지표, Elemental Fingerprint)를 통해 종류를 유추
- 적색 계열: 수은 ⇨ 주사 / 진사, 철 ⇨ 석간주 / 석영 / 적철광
- 청색 계열: 코발트 ⇨ 코발트 블루, 구리 ⇨ 석청
- 녹색 계열: 구리 ⇨ 공작석 또는 베르디그리
- 백색 계열: 납 ⇨ 연백(Lead White), 아연 ⇨ 아연화(Zinc White), 티타늄 ⇨ 티타늄 화이트
◆ 위작 감정 및 제작 시대 추정 (Datation & Authentication)
특정 합성 안료의 발명 시기를 기준으로 그림의 제작 시대를 과학적으로 검증
- 티타늄 화이트: 1920년대 이후 상용화
- 코발트 블루: 19세기 초(1800년대) 상용화
- 아연화: 19세기 중반(1830~1840년대) 상용화
(예시:17세기 명화로 알려진 작품의 표면에서 SPECTRO xSORT로 티타늄이나 바륨이 다량 검출된다면, 후대에 그려진 위작이거나 대대적인 덧칠(Overpainting)이 들어간 것으로 판정)
◆ 덧칠, 훼손 부위 및 과거 보존처리 이력 파악
세월이 흐르며 과거 보존처리자가 현대 물감으로 덧칠한 부위와 원래 화가가 칠한 원본 부위의 원소 조성이 다르게 나타나므로, 보존처리 영역을 지도화(Mapping)하듯 구분해 낼 수 있음
◆ 바탕칠(Ground layer / Gesso) 성분 분석
캔버스나 나무판 위에 바른 바탕층의 칼슘이나 바륨/황 성분을 분석하여 화가가 사용한 바탕재 준비 과정을 파악
SPECTRO XSORT, a handheld XRF spectrometer from SPECTRO, Germany
1. Operating Principle (XRF, X-ray Fluorescence Analysis)
◆ When X-rays are irradiated onto a specimen from a device, the atoms inside the material are excited and emit the characteristic fluorescent X-rays of each element
◆ A detector on the back of the instrument senses this energy and calculates the percentage (%) of each element (Fe, Cr, Ni, Cu, Mo, Mn, etc.) present in the specimen, displaying the result immediately on the screen.
2. Main Features
◆ Non-Destructive Testing (NDT)
Suitable for analyzing National Treasures, Treasure-class cultural assets, or high-value antique art pieces, as it allows for measurement and analysis in their original form without cutting or damaging the specimen.
◆ Simultaneous Measurement of Light Elements and Organic/Inorganic Elements
Detects a wide range of elements, from light elements that form the basic framework of ceramics (such as silicon, aluminum, calcium, and potassium) to color-developing pigment elements like cobalt, iron, copper, and lead.
◆ iCAL Calibration System
The device's built-in automatic iCAL (Intelligent Calibration Logic) function minimizes calibration work even with changes in external environmental temperature, maintaining stable precision.
◆ Ultra-High-Speed On-Site Measurement
Major elemental components are displayed on the screen within seconds (2–10 seconds), enabling rapid screening of dozens to hundreds of ceramic fragments in museum storage or kiln excavation sites.
◆ Micro-Spot Camera and Collimator (Spot Size) Targeting
Supports video camera and micro-inspection area functions (e.g., 3mm/5mm spot), allowing for the detection of very fine details on the ceramic surface Precisely measure only the pattern lines or areas of specific colored pigments
3. Major Application Areas
1) Metal Component Analysis
◆ Verify the exact grade and alloy ratio of metal materials such as stainless steel (SUS), aluminum, copper alloys, and Inconel
◆ Scrap metal and recycling sorting
Fast material sorting at scrap metal collection and recycling sites
◆ Environmental and hazardous substance inspection
Detection of RoHS-regulated substances (lead, cadmium, chromium, etc.) and analysis of heavy metals in soil
◆ Mineral and precious metal analysis
Measurement of raw ore composition at mining sites, and purity analysis of precious metals such as gold, silver, and platinum
2) Analysis of Ceramic Components
◆ Chemical composition analysis of pigments and glazes
- Blue-and-white porcelain
By analyzing the ratios of cobalt, the key pigment in blue-and-white, and the associated impurities (iron, manganese, zinc, etc.), it contributes to distinguishing whether the product is Chinese cobalt blue pigment (blue-and-white) or Korean earth-blue(earthenware cobalt glaze)
- Celadon/Iron-glazed/Cinnabar
Quantifying the iron content of celadon glaze, the copper content of cinnabar ceramics, and the ratio of iron oxide in black-glazed ceramics.
- Condensed milk (lead-glazed)
measures the composition ratio of glazed pottery containing lead.
◆ Estimation of Origin and Kiln Site
Tracking the origin by analyzing the ratio of trace elements contained in the pottery body (base clay) and comparing it with soil databases of specific kiln sites (e.g., Bunwon-ri, Gwangju; Yucheon-ri, Buan; etc.)
◆ Aid for Authenticity Verification and Dating
Served as a key indicator to distinguish between ceramics produced using traditional methods and later forgeries or reproductions by checking whether modern or contemporary synthetic pigments (e.g., titanium, zinc, modern white pigments, etc.) or chemical glazes were used.
3) Component Analysis of Paintings
◆ Identification of Inorganic Pigment Types and Colors
The types of inorganic pigments used in paintings are inferred through the representative metallic elements contained within (Elemental Fingerprint).
- Red hues: Mercury ⇨ Cinnabar / Vermilion, Iron ⇨ Vermilion / Quartz / Hematite
- Blue hues: Cobalt ⇨ Cobalt Blue, Copper ⇨ Azurite
- Green hues: Copper ⇨ Malachite or Verdigris
- White hues: Lead ⇨ Lead White, Zinc ⇨ Zinc White, Titanium ⇨ Titanium White
◆ Forgery authentication and production period estimation (Date & Authentication)
Scientifically verify the era in which the illustration was created based on the invention date of a specific synthetic pigment
- Titanium white: commercialized after the 1920s
- Cobalt blue: commercialization in the early 19th century (1800s)
- Zincization: Commercialized in the mid-19th century (1830s–1840s)
(Example: If a large amount of titanium or barium is detected by SPECTRO xSORT on the surface of a work known as a 17th-century masterpiece, it is judged to be either a forgery painted later or one with extensive overpainting.)
◆ Identify any additional painting, damaged areas, and past conservation treatment history
As time passes, the elemental composition of areas repainted in modern paint by past conservation handlers differs from that of the original areas painted by the original artist, so it is possible to distinguish the conservation treatment areas as if mapping them
◆ Analysis of Ground Layer (Gesso) Components
Analyzing the calcium or barium/sulfur components of the ground layer applied to canvas or wooden boards to identify the preparation process of the base material used by the artist.
