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문제 정의
- 또한 오염물 제거를 위한 연구 역시 레이저 세정이나 습포제를 이용한 방법에 대한 연구만 실시되었다2. 따라서 금번 연구는 석탑에서 관찰되는 표면오염물의 성분분석을 실시하고 제거방법에 대한 연구를 실시하였다. 또한 처리현장에서 적용되는 세척 방법을 조사하여 서탑에 손상을 최소화하면서 표면오염물을 제거할 수 있는 방법을 선정하는 것에 목적을 두었다.
- 따라서 금번 연구는 석탑에서 관찰되는 표면오염물의 성분분석을 실시하고 제거방법에 대한 연구를 실시하였다. 또한 처리현장에서 적용되는 세척 방법을 조사하여 서탑에 손상을 최소화하면서 표면오염물을 제거할 수 있는 방법을 선정하는 것에 목적을 두었다.
- 철화합물은 적색변색의 주원인 물질로 추정되며 흑색피각은 시멘트모르타르 풍화산물인 탄산칼슘이 원인이 된 석고(gypsum)에서 그 기원을 추정할 수 있다. 이러한 오염물을 제거하기 서탑을 세척할 때 부재의 손상을 최소화하고, 작업시간을 위하여 일반적으로 적용되는 물리적 세척 방법 중 미소마모법으로 제거하는 것이 적당할 것으로 판단되어 이 세척법을 적용한 사례를 조사하였다. 조사한 내용을 바탕으로 단축시키면서 오염물을 효과적으로 제거할 수 있는지 검토하였다.
- 이러한 오염물을 제거하기 서탑을 세척할 때 부재의 손상을 최소화하고, 작업시간을 위하여 일반적으로 적용되는 물리적 세척 방법 중 미소마모법으로 제거하는 것이 적당할 것으로 판단되어 이 세척법을 적용한 사례를 조사하였다. 조사한 내용을 바탕으로 단축시키면서 오염물을 효과적으로 제거할 수 있는지 검토하였다. 검토 결과, 서탑의 오염물 제거에는 마모법 중 분사범위가 넓고, 세척의 강도 조절이 비교적 용이한 저압와류세척기를 사용하는 것이 적절하다고 판단된다.
제안 방법
- 감은사지서삼층석탑에서 확인된 오염물을 분류하고 과학적 분석을 통해 오염물의 발생원인을 추적해 보았다. 또한 국내․외에서 실시한 세척 사례를 조사한 결과를 바탕으로 세척방법을 선정하였다.
- 특히 서탑과 같이 부재를 조립하여 조성된 석조물은 부재 내부에 스며든 처리제는 제거가 불가능하기 때문에 암석과 오염물의 상태를 충분히 고려 후 처리방법을 결정해야 한다. 따라서 사례 조사는 화학세척과 습식세척을 제외하고 미소마모법, 솔을 이용한 세척, 레이저를 이용한 세척 등을 검토하였다5.
- 따라서 사례조사 및 연구를 통해 저압와류세척방법을 서탑의 표면오염물 제거방법으로 선정, 적용하였다. 서탑을 세척할 때는 표면오염물의 종류와 부재의 상태에 따라서 세척 강도를 조절하며 처리하였다.
- 감은사지서삼층석탑에서 확인된 오염물을 분류하고 과학적 분석을 통해 오염물의 발생원인을 추적해 보았다. 또한 국내․외에서 실시한 세척 사례를 조사한 결과를 바탕으로 세척방법을 선정하였다. 오염물은 원형, 타원형, 침상, 각형 침상형태의 결정이 형성되어 있으며, 철화합물이나 황화합물 같은 화합물형태로 존재하고 있다.
- 모든 표면오염물은 석탑 부재와 완벽한 분리가 불가능하여 일부 혼합된 상태로 분석하였다. 그 결과, 석탑 부재의 주구성광물은 화성암의 주요 조암광물들인 석영(Quartz), 조장석(Albite), 회장석(Anorthite), 정장석(Orthoclase) 등이 동정되었으며 표면오염물도 석탑 부재와 비슷하게 검출되었다.
- 서탑의 표면오염물 제거는 앞의 연구결과를 바탕으로 선정된 저압와류세척 방법을 적용하였다. 세척에 사용된 저압와류세척기는 영국의 Stonehealth 社에서 제작한 TORC system을 사용하였다.
- 현지 여건상 원암손상정도와 세척효과를 검증하였으며 처리일정을 감안, 세척능력도 함께 고려하였다. 세척 시 스탠다드 규격의 노즐(9mm)과 UNIL, dolomite 파우더를 혼합하여 분사하였다. 분사거리는 25㎝내외였으며 압력은 35p.
- 세척과정에서 부재 상태와 오염물의 집적 정도에 따라 분사재, 노즐의 크기, 분사압력, 투사거리를 변화시켜 강도를 조절하였다. 균열이나 박리가 있는 부위는 세척으로 인한 손상 우려가 있어 승화성강화처리제를 도포하여 보강 처리 후 세척하였다10.
- 표면오염물의 분석은 주사전자현미경(SEM-EDS), X선-회절분석기(XRD)를 이용하여 오염물의 상태와 성분 등을 분석하였다. 세척방법에 대한 사례조사는 물리적 세척방법을 적용한 처리 사례를 조사하였으며, 표면오염물의 제거 가능성을 검토하였다. 세척방법을 선정할 때는 세척 능력뿐만 아니라 세척 중 부재의 손상을 최소화 하면서 작업시간을 단축시킬 수 있는 세척 방법을 선정하였다.
- 세척방법에 대한 사례조사는 물리적 세척방법을 적용한 처리 사례를 조사하였으며, 표면오염물의 제거 가능성을 검토하였다. 세척방법을 선정할 때는 세척 능력뿐만 아니라 세척 중 부재의 손상을 최소화 하면서 작업시간을 단축시킬 수 있는 세척 방법을 선정하였다.
- 연구진행은 표면오염물의 분석과 세척방법의 사례조사로 나누어 진행하였다. 표면오염물의 분석은 주사전자현미경(SEM-EDS), X선-회절분석기(XRD)를 이용하여 오염물의 상태와 성분 등을 분석하였다.
- 오염물 단면 성분분석은 흑색, 갈색, 연녹색, 적색, 황갈색, 백색으로 나누고, 층위의 구분이 뚜렷한 시편을 분석하였다. Mn은 흑색오염물인 시편 1, 2, 9에서 함량이 높게 측정되었으며, Cu는 연녹색오염물인 시편 7에서만 확인되었다.
- 레이저 세척은 레이저가 단색(흑색)에서만 반응하는 특징을 이용하여 흑색오염물을 제거하는 방법이다6. 이 중 작업시간을 단축시킬 수 있고, 세척 중 부재의 손상 상태에 따라 세척 강도 조절이 가능한 미소마모법이 서탑에 발생한 오염물을 세척하는데 적절할 것으로 판단되어 미소마모법을 적용한 사례를 조사하였다.
- 주사전자현미경으로 오염물을 조사하면서 EDS로 반정량분석을 실시하였다. 오염물의 표면을 분석한 결과, 주구성 성분은 Na, Ca, Mg, Al, Si, K, Ti, Mn, Fe, Cl 이며, 모든 시편에서 함유값이 유사하다.
- 표면오염물 분석은 육안관찰을 통해 오염물의 색상에 따라 시편을 선별하여 X-선 회절분석기(XRD. MXP18VA)와 에너지분산형 주사전자현미경(SEM-EDS. JEOL JSM-5900LV)을 이용하여 오염물 동정, 표면과 단면의 조직관찰 및 성분 분석을 실시하였다.
- 연구진행은 표면오염물의 분석과 세척방법의 사례조사로 나누어 진행하였다. 표면오염물의 분석은 주사전자현미경(SEM-EDS), X선-회절분석기(XRD)를 이용하여 오염물의 상태와 성분 등을 분석하였다. 세척방법에 대한 사례조사는 물리적 세척방법을 적용한 처리 사례를 조사하였으며, 표면오염물의 제거 가능성을 검토하였다.
- 세척결과 분사각도(0~15°), 석재표면과의 거리가(15㎝ 이내) 석재표면을 손상시키는 주 요인으로 확인되었다. 하지만 이 결과는 세척능력이나 효율성이 배재된 결과로 실제 적용 시 석재의 물리적 특성 파악 후 세척에 의한 2차적 손상을 예방하는 차원에서 처리를 실시하였다.
- 따라서 사례조사와 감은사지 인근에서 확보한 동일오염물 샘플시료로 영국 현지에서 테스트 세척을 실시하였다. 현지 여건상 원암손상정도와 세척효과를 검증하였으며 처리일정을 감안, 세척능력도 함께 고려하였다. 세척 시 스탠다드 규격의 노즐(9mm)과 UNIL, dolomite 파우더를 혼합하여 분사하였다.
대상 데이터
- 본 세척장비는 국내 사용실적 및 도입사례가 없기 때문에 충분한 임상실험을 통한 적용에는 어려움이 따른다. 따라서 사례조사와 감은사지 인근에서 확보한 동일오염물 샘플시료로 영국 현지에서 테스트 세척을 실시하였다. 현지 여건상 원암손상정도와 세척효과를 검증하였으며 처리일정을 감안, 세척능력도 함께 고려하였다.
- 08㎜)으로 구분된다. 분사노즐의 크기는 7㎜, 9㎜, 11㎜, 13㎜를 사용하였다. 분사압력은 15~50psi을 적용하였으며, 투사거리는 15~40㎝를 유지하였다(Figure 10).
- 세척에 사용된 저압와류세척기는 영국의 Stonehealth 社에서 제작한 TORC system을 사용하였다. 분사재는 모스경도가 6.5~7인 UNIL 80, 180, 250을 사용하였으며, 입자크기에 따라 Fein(0.1~0.5㎜), Micro-Fein(0.04~0.18㎜), Ultra-Fein(0.04~0.08㎜)으로 구분된다. 분사노즐의 크기는 7㎜, 9㎜, 11㎜, 13㎜를 사용하였다.
- 71㎡가 표면오염물로 확인되어 부재 중 표면오염물이 가장 넓게 분포하고 있다4. 서탑 표면 오염물 분석을 위하여 12곳에서 시편을 채취하였다(Figure 1, Table 1).
- 서탑의 표면오염물 제거는 앞의 연구결과를 바탕으로 선정된 저압와류세척 방법을 적용하였다. 세척에 사용된 저압와류세척기는 영국의 Stonehealth 社에서 제작한 TORC system을 사용하였다. 분사재는 모스경도가 6.
성능/효과
- 오염물 단면 성분분석은 흑색, 갈색, 연녹색, 적색, 황갈색, 백색으로 나누고, 층위의 구분이 뚜렷한 시편을 분석하였다. Mn은 흑색오염물인 시편 1, 2, 9에서 함량이 높게 측정되었으며, Cu는 연녹색오염물인 시편 7에서만 확인되었다. S는 갈색오염물인 시편 4와 시편 8에서 확인되었으며, Fe는 적색오염물인 시편 11에서 함량이 가장 높았다(Table 4).
- Mn은 흑색오염물인 시편 1, 2, 9에서 함량이 높게 측정되었으며, Cu는 연녹색오염물인 시편 7에서만 확인되었다. S는 갈색오염물인 시편 4와 시편 8에서 확인되었으며, Fe는 적색오염물인 시편 11에서 함량이 가장 높았다(Table 4).
- 조사한 내용을 바탕으로 단축시키면서 오염물을 효과적으로 제거할 수 있는지 검토하였다. 검토 결과, 서탑의 오염물 제거에는 마모법 중 분사범위가 넓고, 세척의 강도 조절이 비교적 용이한 저압와류세척기를 사용하는 것이 적절하다고 판단된다.
- 모든 표면오염물은 석탑 부재와 완벽한 분리가 불가능하여 일부 혼합된 상태로 분석하였다. 그 결과, 석탑 부재의 주구성광물은 화성암의 주요 조암광물들인 석영(Quartz), 조장석(Albite), 회장석(Anorthite), 정장석(Orthoclase) 등이 동정되었으며 표면오염물도 석탑 부재와 비슷하게 검출되었다. 그러나 일부 시료에서는 석고(Gypsum, CaSO4․2H2O), 방해석(Calcite), 산화칼슘(CaO, Cacium Oxide), 카미나이트(Carminite, [Mg7(SO4)5․H2O]), 마가라이트(Margarite, [Ca(OH)2Al4Si2O16]) 등이 검출되었다.
- (C)). 또한 시편 내부에 다량의 미세균열을 확인하였으며, 내부 미세균열에도 오염물이 존재하였다.
- 오염물의 결정은 형, 타원형, 침상, 각형 등의 다양한 것으로 확인되었다. 또한 오염물의 성분분석 결과, 철화합물이나 황화합물 등 화합물이 존재하며 함유된 양 또한 상이한 것으로 나타났다. 이러한 분석결과로 미루어 보아 암석의 풍화산물이 빗물 등에 용해되어 표면오염물로 잔존하거나 공기 중 대기오염물질인 SOx, NOx가 보수용 시멘트모르타르 부산물인 탄산칼슘과 반응하여 석고(gypsum)로 산출된 것으로 판단된다.
- 마모법을 적용한 사례를 조사한 결과, 투사체를 와류형태로 분사하여 낮은 압력에도 세척이 가능하도록 고안된 저압와류세척법이 서탑의 오염물 제거에 적당할 것으로 판단된다. 저압와류세척방식은 유럽, 호주를 비롯한 많은 국가에서 적용하여 성능을 입증 받고 있다.
- 특히 하층기단 면석과 3층탑신 상부에는 두꺼운 피각층이 형성되어 있다. 부재에 분포한 표면오염물 범위는 서탑 전체표면적 중 약 25%(58.4㎡)가 확인되었다. 특히 3층탑신은 표면적 4.
- 세척결과 분사각도(0~15°), 석재표면과의 거리가(15㎝ 이내) 석재표면을 손상시키는 주 요인으로 확인되었다.
- 시편의 표면을 육안 관찰한 결과, 오염물은 표면 변질색상에 따라 흑색, 황색, 갈색, 적색으로 나눌 수 있다. 확인된 오염물들은 서로 혼재한 형태도 취하고 있으며, 피복 정도가 모두 다르게 나타났다.
- (a,b)).오염물의 표면을 관찰한 결과, 원형, 타원형, 침상, 각형 등의 입자가 집적된 것으로 오염물들의 모양은 상이하다. 특히 시편 8은 다른 시편에서 관찰되지 않는 침상의 결정체를 가진 오염물임을 확인하였다(Figure 2.
- 주사전자현미경으로 오염물을 조사하면서 EDS로 반정량분석을 실시하였다. 오염물의 표면을 분석한 결과, 주구성 성분은 Na, Ca, Mg, Al, Si, K, Ti, Mn, Fe, Cl 이며, 모든 시편에서 함유값이 유사하다. 그러나 시편 11에서 Fe가 7wt% 정도로 다른 시편의 Fe함량(1wt% 내외)보다 높은 것으로 보아 적색 오염물은 Fe 화합물로 추정된다.
- 또한 오염물의 성분분석 결과, 철화합물이나 황화합물 등 화합물이 존재하며 함유된 양 또한 상이한 것으로 나타났다. 이러한 분석결과로 미루어 보아 암석의 풍화산물이 빗물 등에 용해되어 표면오염물로 잔존하거나 공기 중 대기오염물질인 SOx, NOx가 보수용 시멘트모르타르 부산물인 탄산칼슘과 반응하여 석고(gypsum)로 산출된 것으로 판단된다.
- 전처리하지 않는 오염물을 전자현미경을 통해 관찰한 결과, 오염물의 형태는 다량의 입자가 집적되어 있었으며, 이들 입자의 형태는 현미경 관찰결과와 같이 원형, 타원형, 침상, 각형 등 매우 다양하게 나타났다. 또한 전자현미경상에서 관찰되는 영역이 좁음에도 불구하고 부분적으로 모양과 성분이 상이하다.
- 시편의 표면을 육안 관찰한 결과, 오염물은 표면 변질색상에 따라 흑색, 황색, 갈색, 적색으로 나눌 수 있다. 확인된 오염물들은 서로 혼재한 형태도 취하고 있으며, 피복 정도가 모두 다르게 나타났다. 또한 많은 오염물이 부분적으로 집중화되어 있는 현상을 볼 수 있고 오염물의 상태 또한 다양하게 나타났다.
후속연구
- 즉, 각기 다른 오염이 분포하고 부재의 손상정도가 다른 서탑을 처리하기 적당하다. 또한 분사범위가 넓어 작업시간을 단축할 수 있을 것으로 사료된다.
- 아울러 서탑은 대기환경에 노출되어 있기 때문에 향후 오염물이 다시 형성될 수 있으므로, 세척 후에도 지속적인 모니터링을 실시해야 할 것이다.
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