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문제 정의
- 이 연구에서는 신월동삼층석탑의 훼손상태에 대한 종합 적인 진단을 위해서 물리적 풍화와 화학 및 생물학적 풍화 상태를 정밀하게 조사하였다. 이를 종합하여 훼손지도를 작성하였으며, 훼손유형별 점유율을 산출하였다.
가설 설정
- Biological damage of the Sinwoldong three-storied stone pagoda. (A) Lichen inhabited on the rock surface. (B) Plants growing in the gap of the rock properties.
- (G) Variation of Mn content by P-XRF analysis. (H) Variation of S content by P-XRF analysis. (I) Variation of Fe content by P-XRF analysis.
제안 방법
- 따라서 이 연구에서는 신월동삼층석탑의 재질특성을 밝히고, 적외선 열화상과 휴대용 XRF를 사용하여 손상유형별 훼손지도를 작성하였다. 또한 이 훼손지도의 정량적 분석데이터와 초음파탐사 결과를 통해 석탑의 종합적인 손상도를 평가하고 안정적인 보존을 위한 과학적 방안을 검토하였다.
- 따라서 이 연구에서는 신월동삼층석탑의 재질특성을 밝히고, 적외선 열화상과 휴대용 XRF를 사용하여 손상유형별 훼손지도를 작성하였다. 또한 이 훼손지도의 정량적 분석데이터와 초음파탐사 결과를 통해 석탑의 종합적인 손상도를 평가하고 안정적인 보존을 위한 과학적 방안을 검토하였다. 이 연구 결과는 신월동삼층석탑의 장기적인 보존 관리를 위한 중요한 기초자료가 될 것이며, 이와 유사한 석조문화재의 종합적 보존연구를 위한 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 각 층의 탑신과 옥개석을 하나의 부재로 사용하였으며, 탑신 모서리마다 기둥모양을 조각하였다. 기단 및 탑신에 새겨진 조각은 모두 유기 및 무기오염물이 피복되어 형태를 알아보기 힘들다.
- 신월동삼층석탑 구성재질의 특성을 밝히고 풍화 및 훼손상태를 진단하기 위해 다양한 연구 기법을 적용하였다. 우선 구성재질의 자화강도를 파악하기 위해 전암대자율 측정을 실시하였다.
- 신월동삼층석탑 구성재질의 특성을 밝히고 풍화 및 훼손상태를 진단하기 위해 다양한 연구 기법을 적용하였다. 우선 구성재질의 자화강도를 파악하기 위해 전암대자율 측정을 실시하였다. 측정기기는 ZH Instrument 사의 SM30모델이며, 대자율의 단위는 10-3 SI unit로 표기하였다.
- 측정기기는 ZH Instrument 사의 SM30모델이며, 대자율의 단위는 10-3 SI unit로 표기하였다. 또한 석탑을 구성하는 암석의 광물학적 및 조직적 특징을 관찰하기 위해 편광현미경을 이용하였고, 광물종과 풍화에 따른 생성광물과 오염물의 조직 및 성분분석을 위해 EDS가 장착된 주사전자현미경(SEM)과 휴대용 XRF 분석기를 사용하였다.
- 휴대용 XRF 분석기는 Innov-X System 사의 Portable XRF Analyzer이다. 조암광물의 정밀한 동정을 위해 XRD 분석을 하였다. 분석에는 Rigaku제 D/Max-ⅡB X-선 회절분석기를 이용하였다.
- 이 연구에서는 신월동삼층석탑의 훼손상태에 대한 종합 적인 진단을 위해서 물리적 풍화와 화학 및 생물학적 풍화 상태를 정밀하게 조사하였다. 이를 종합하여 훼손지도를 작성하였으며, 훼손유형별 점유율을 산출하였다. 훼손지도 작성에는 2D 그래픽 응용프로그램인 Auto CAD와 Adobe Illustrator CS2를 이용하였다.
- 이 석탑을 구성하는 암석의 강도 추정을 통한 정량적 풍화도를 산출하기 위해 비파괴진단법 중 하나인 초음파속도를 측정하였다. 이 측정값을 각각의 입면도에 투영하여 전체적인 풍화도를 파악하였다. 여기에 사용된 기기는 CNS FARNELL사의 Model PUNDIT PLUS이며 측정된 자료는 2D 모델링을 위해 전문 프로그램을 이용하였다.
- 한편 이 석탑의 전면과 기단부에 조각된 팔부중상의 표면이 심각하게 변색되어 있고, 그 주변에는 시멘트몰탈 복원 부위가 많아 암석 표면의 박리 유무와 정확한 훼손면적을 알아보기 위해 적외선열화상분석을 실시하였다. 여기에 사용된 적외선열화상분석기는 FLIR사의 T400 모델이다.
- 구성암석의 자화강도를 파악하기 위해 전암대자율을 측정하였다. 전암대자율은 암석 전체 자화강도를 구분하기 위해 응용된 암석학 연구의 한 수단으로 외부자기장에 대한 자화강도를 의미한다.
- 편광현미경을 통해 관찰한 구성암석의 광물표면과 입간에서 관찰된 풍화된 부분의 광물조성을 정확히 해석하기 위해서 X-선 회절분석을 실시하였다. 분석 시료는 탑신의 모서리 부분에서 탈락된 극미량 암편을 이용하였다.
- 한편 구성암석의 풍화상태에 따라 벽개에 존재하는 광물들의 풍화 정도와 변질 상태를 확인하기 위해 주사전자 현미경 관찰 및 EDS 분석을 실시하였다. 이 결과, 석영의 입간에 있는 장석과 흑운모가 풍화되어 은미정질의 점토광물화 작용을 받았으며, 불규칙한 모양을 보여준다(Figure 4A).
- 한편 이 석탑에서 발생한 기단부의 물리적 손상을 정량적으로 확인하기 위해 적외선열화상분석을 실시하였다. 적외선열화상분석은 적외선 영역의 전자파를 감지하는 소자를 보유하고 있는 카메라를 사용하여 대상물의 온도 분포 화상을 얻어 미세균열과 박리 현상을 정량적으로 도출하는 방법이다.
- 이 석탑 기단부에 조각된 팔부중상은 다양한 오염물로 피복되어 있으며, 탈락된 암편 등을 시멘트로 보수한 흔적이 있다(Figure 5D, 5E, 5F). 따라서 팔부중상의 내부 공극이 벌어져 박리현상이 진행되고 있을 것으로 판단되어, 적외선열화상분석을 실시하였다. 측정은 조도의 간섭이 적은 저녁 시간을 이용하였으며, 미세균열과 박리 및 박락된 부분을 명확히 관찰하기 위해 인공적으로 열을 가한 후 자연 냉각시켜 온도분포 변화를 살펴보았다(Figure 5G, 5H, 5I).
- 따라서 팔부중상의 내부 공극이 벌어져 박리현상이 진행되고 있을 것으로 판단되어, 적외선열화상분석을 실시하였다. 측정은 조도의 간섭이 적은 저녁 시간을 이용하였으며, 미세균열과 박리 및 박락된 부분을 명확히 관찰하기 위해 인공적으로 열을 가한 후 자연 냉각시켜 온도분포 변화를 살펴보았다(Figure 5G, 5H, 5I).
- 그러나 대기오염물질에서 기인된 원소로 볼 수 있는 C와 N은 검출이 되지 않는다는 단점이 있다. 따라서 신월동삼층석탑의 조사에서는 C, N을 제외한 모든 원소의 함량을 분석하였다.
- 신월동삼층석탑에서 나타난 풍화유형을 박리박락, 암편 탈락, 시멘트몰탈/수지, 입상분해, 모서리마모, 철편고임, 균열 등의 물리적 유형과 황갈색 변색, 암흑색 변색(유기오염물), 암흑색 변색(무기오염물), 선태류, 초본식물, 회백색 고착지의류, 회색 엽상지의류, 연녹색 엽상지의류, 주황색 고착지의류 등의 변색 및 생물학적 유형으로 분류하여 훼손도면을 작성하였다(Table 2, Figure 8). 또한 석탑의 훼손도면을 이용하여 유형별 훼손면적을 백분율로 산출하였다.
- 신월동삼층석탑에서 나타난 풍화유형을 박리박락, 암편 탈락, 시멘트몰탈/수지, 입상분해, 모서리마모, 철편고임, 균열 등의 물리적 유형과 황갈색 변색, 암흑색 변색(유기오염물), 암흑색 변색(무기오염물), 선태류, 초본식물, 회백색 고착지의류, 회색 엽상지의류, 연녹색 엽상지의류, 주황색 고착지의류 등의 변색 및 생물학적 유형으로 분류하여 훼손도면을 작성하였다(Table 2, Figure 8). 또한 석탑의 훼손도면을 이용하여 유형별 훼손면적을 백분율로 산출하였다. 이 훼손지도 작성과 방법론은 이미 국내외 여러 석조문화재에 적용되어 연구된 바 있으며, 이 연구에서도 이를 응용하였다2,5,7,21,22.
- 신월동삼층석탑을 구성하는 암석의 물성을 정량화하기 위하여 초음파 측정을 실시하였다. 측정은 탑의 형태를 고려하여 간접전달방식으로 실시하였으며, 보정계수를 1.
- 50으로 산정하여 속도 보정을 하였다23,24. 또한 측정 거리는 20cm로 설정하였으며 균열 부위가 있거나 부재 거리가 짧은 부분은 10~15cm의 거리를 조건으로 측정하였다.
- 측정된 초음파 속도의 범위를 일반적인 암석의 풍화도 분류기준에 적용시켜보면 신월동삼층석탑의 부재는 상당한 풍화단계(HW; highly weathered)에서 완전풍화단계(CW; completely weathered)에 해당하는 취약한 물성을 가지고 있는 것으로 확인되었다. 따라서 물성이 취약한 부분을 정량화하기 위해 실측도면에 투영하여 풍화상태를 분석하였다.
- 이와 같은 변색 오염물질의 종류와 산출상태를 알아보기 위해 각각의 대표적인 변색현상에 대해 휴대용 XRF를 이용하여 정밀 분석을 실시하였다(Figure 6D, 6E, 6F). 휴대용 XRF는 시료의 전처리 과정없이 현장에서 분석이 가능하고 또한 문화재의 표면을 비파괴적인 방법으로 조사할 수 있는 장점이 있어 석조문화재의 표면오염물과 안료등의 정성 및 정량분석에 활용되고 있다19,20.
대상 데이터
- 연구 지역의 지질은 한반도 남동부에 넓게 분포하는 경상분지의 동부로서 선캠브리아시대와 고생대의 암석은 존재하지 않고, 주로 중생대 이후의 퇴적암과 화성암으로 구성되어 있다. 영천일대에 분포하는 퇴적암류는 모두 경상 누층군에 해당하며, 하양층군에 속하는 점곡층, 사곡층, 춘산층, 진동층과 유천층군에 속하는 안산암 및 안산암질 응회암, 건천리층, 산성화산암 등으로 구성된다12,13.
- 우선 구성재질의 자화강도를 파악하기 위해 전암대자율 측정을 실시하였다. 측정기기는 ZH Instrument 사의 SM30모델이며, 대자율의 단위는 10-3 SI unit로 표기하였다. 또한 석탑을 구성하는 암석의 광물학적 및 조직적 특징을 관찰하기 위해 편광현미경을 이용하였고, 광물종과 풍화에 따른 생성광물과 오염물의 조직 및 성분분석을 위해 EDS가 장착된 주사전자현미경(SEM)과 휴대용 XRF 분석기를 사용하였다.
- 여기에 사용된 편광현미경은 Nikon사의 Eclipse E600W 편광/반사 겸용 현미경이고, 주사전자현미경은 Oxford사의 에너지분산형 성분분석기(EDX Inca M/X)가 장착된 JEOL사의 JSM 6335이다. 휴대용 XRF 분석기는 Innov-X System 사의 Portable XRF Analyzer이다.
- 조암광물의 정밀한 동정을 위해 XRD 분석을 하였다. 분석에는 Rigaku제 D/Max-ⅡB X-선 회절분석기를 이용하였다. 타겟으로 사용된 X-선은 CuK 이며 양극의 가속 전압 및 필라멘트의 전류는 각각 40㎸와 40㎃이다.
- 분석에는 Rigaku제 D/Max-ⅡB X-선 회절분석기를 이용하였다. 타겟으로 사용된 X-선은 CuK 이며 양극의 가속 전압 및 필라멘트의 전류는 각각 40㎸와 40㎃이다.
- 한편 이 석탑의 전면과 기단부에 조각된 팔부중상의 표면이 심각하게 변색되어 있고, 그 주변에는 시멘트몰탈 복원 부위가 많아 암석 표면의 박리 유무와 정확한 훼손면적을 알아보기 위해 적외선열화상분석을 실시하였다. 여기에 사용된 적외선열화상분석기는 FLIR사의 T400 모델이다.
- 측정은 옥개석, 탑신, 기단부로 나누어서 모든 부분을 대상으로 실시하였다(Table 1). 그 결과, 옥개석과 탑신은 각각 1.
- 편광현미경을 통해 관찰한 구성암석의 광물표면과 입간에서 관찰된 풍화된 부분의 광물조성을 정확히 해석하기 위해서 X-선 회절분석을 실시하였다. 분석 시료는 탑신의 모서리 부분에서 탈락된 극미량 암편을 이용하였다. 분석 결과, 편광현미경을 통해 관찰된 흑운모, 각섬석, 석영, 미사장석, 사장석, 정장석 등이 동정되었다(Figure 3).
- 측정은 감쇄를 유발할 수 있는 생물피복, 균열 및 요철이 심한 지점을 피하여 총 409 지점에 대해 실시하였다. 전체적인 석탑의 초음파속도는 석탑의 북면에서는 최저속도 756m/s, 최대속도 2,841m/s로 비교적 넓은 범위를 나타냈으며 평균 1,841m/s의 속도를 보였다.
이론/모형
- 이 석탑을 구성하는 암석의 강도 추정을 통한 정량적 풍화도를 산출하기 위해 비파괴진단법 중 하나인 초음파속도를 측정하였다. 이 측정값을 각각의 입면도에 투영하여 전체적인 풍화도를 파악하였다.
- 이 측정값을 각각의 입면도에 투영하여 전체적인 풍화도를 파악하였다. 여기에 사용된 기기는 CNS FARNELL사의 Model PUNDIT PLUS이며 측정된 자료는 2D 모델링을 위해 전문 프로그램을 이용하였다.
성능/효과
- 분석 시료는 탑신의 모서리 부분에서 탈락된 극미량 암편을 이용하였다. 분석 결과, 편광현미경을 통해 관찰된 흑운모, 각섬석, 석영, 미사장석, 사장석, 정장석 등이 동정되었다(Figure 3).
- 또한 암석 표면에서는 미정질 고령석의 집합체가 관찰되어 장석류의 풍화작용이 이미 진행된 것이 확인되었으며(Figure 4B), 장석 입간에는 유기오염물도 관찰된다(Figure 4C). 고령석과 장석에 대한 조성을 알아보기 위해 EDS 분석을 실시한 결과, Al, Si, K 등의 성분이 검출되었으며, 일부 시료에서는 Fe의 함량이 높게 확인되었다(Figure 4B, 4D). 이는 부재 표면의 오염물이라기보다는 기존의 암석에 포함되어 있던 철 화합물인 것으로 판단된다.
- 열화상 촬영 결과, 확실하게 드러나는 미세균열과 박리 및 박락 현상은 보이지 않았다. 재확인을 위해 현장에서 실시한 타진법에서도 팔부중상의 내부는 들뜨거나 박리가 진행된 부분은 없는 것으로 확인되었다.
- 열화상 촬영 결과, 확실하게 드러나는 미세균열과 박리 및 박락 현상은 보이지 않았다. 재확인을 위해 현장에서 실시한 타진법에서도 팔부중상의 내부는 들뜨거나 박리가 진행된 부분은 없는 것으로 확인되었다. 측정된 팔부중상의 표면은 각각 26.
- 분석 결과, 전체적으로 K, Ca, Mn, Fe, Rb, Sr, Zr, Ba 및 S 등이 검출되었으며, 이 중 오염물의 주성분은 Mn, Fe, S 로 확인되었다. 변색이 발생한 지점은 Fe와 S의 함량이 높았으며, 특히 Fe는 Mn과 S에 비해서 매우 높은 농도를 보였다(Figure 6G, 6H, 6I).
- 이는 Fe가 황갈색 변색을 유발하는 주요한 요인이라는 것을 지시하는 결과로 철편의 Fe와 수분이 결합하여 철산화물을 만들고, 이 산화물이 강수의 이동을 따라 석탑 표면에 흘러내려 황갈색 침전물을 형성한 것으로 판단된다. 오염 부위의 Fe 함량은 1,145~34,831ppm 이며, 평균 농도는 5,599ppm으로 비오염 부위의 5배 정도로 나타났다. 또한 정면과 좌측면의 탑신에 나타난 흑색 오염물의경우 Mn의 함량이 70~58,005ppm으로 비정상적으로 높게 검출되는 것으로 보아 망간침전물에 의한 무기 오염물인 것으로 판단된다.
- 오염 부위의 Fe 함량은 1,145~34,831ppm 이며, 평균 농도는 5,599ppm으로 비오염 부위의 5배 정도로 나타났다. 또한 정면과 좌측면의 탑신에 나타난 흑색 오염물의경우 Mn의 함량이 70~58,005ppm으로 비정상적으로 높게 검출되는 것으로 보아 망간침전물에 의한 무기 오염물인 것으로 판단된다. 이 함량은 정상 부위의 26배에 해당하는 농도이다.
- 물리적 훼손지도 작성 결과, 석탑의 네 면 모두 표면의 입상분해가 가장 심각하였으며, 북면의 점유율이 27.8%로 가장 높았다. 모서리 마모도 높은 손상율을 보였으며, 남면이 12.
- 8%로 가장 높았다. 모서리 마모도 높은 손상율을 보였으며, 남면이 12.8%로 가장 높게 산출되었다. 이는 석탑의 구성 암석이 정동질화강암으로서 분해되기 쉬운 조직을 가지고 있기 때문인 것으로 판단된다.
- 오염물로 인한 변색은 황갈색과 흑색 변색이 우세하며, 흑색 변색은 유기오염물과 무기오염물이 복합적인 원인으로 작용한 것으로 나타났다. 생물학적 훼손이 가장 심각한 면은 북면으로 가장 큰 원인은 조류와 지의류의 고사체이다.
- 측정은 감쇄를 유발할 수 있는 생물피복, 균열 및 요철이 심한 지점을 피하여 총 409 지점에 대해 실시하였다. 전체적인 석탑의 초음파속도는 석탑의 북면에서는 최저속도 756m/s, 최대속도 2,841m/s로 비교적 넓은 범위를 나타냈으며 평균 1,841m/s의 속도를 보였다. 서면에서는 최저속도 789m/s, 최대속도 3,058m/s로 북면보다 더 넓은 속도 범위를 보였으며 평균값은 1,913 m/s였다.
- 2. 이 석탑의 탑신과 옥개석은 각각 평균 4.82×10-3 SI unit와 평균 4.50×10-3 SI unit의 대자율 분포를 보였으며, 기단부 부재는 평균 3.50×10-3 SI unit의 대자율을 갖는다.
- 분석 결과, 서면, 남면 및 북면의 탑신과 상륜부는 비교적 암석 상태가 양호한 것으로 나타났으나 동면은 전면에 걸쳐 저속도대를 보여 암석 자체의 물성이 크게 약화되어 있는 것을 알 수 있다. 이는 훼손지도에서 확인한 결과와 일치하며 박리, 박락 및 입상 분해로 인한 것으로 판단된다.
- 1. 신월동삼층석탑은 사찰의 마당에 있으며, 기록은 없으나 처음 조성된 위치와는 다른 것으로 전해진다. 상륜부의 부재는 결실되었으며, 암편의 결실과 탈락 등이 다수 관찰된다.
- 3. 이 탑의 주요 물리적 손상유형은 박리, 박락, 균열 및 암편 탈락 등이며, 한차례의 해체복원 시 부주의로 인한 부재의 암편 결실 및 탈락이 발생하였다. 또한 시멘트 몰탈과 합성수지를 이용한 보수로 인해 이차균열과 훼손이 발생하였다.
- 4. 기단과 탑신을 중심으로 발생한 황갈색 및 흑색 오염 물은 강수의 유동흔적을 따라 상단에서 하단까지 생성되어 원암의 색상을 변질시켰다. 황갈색 오염물의 경우 옥개 받침을 중심으로 발달하였으며, 부재 사이를 고정하기 위해 끼워둔 철편을 중심으로 형성되었다.
- 황갈색 오염물의 경우 옥개 받침을 중심으로 발달하였으며, 부재 사이를 고정하기 위해 끼워둔 철편을 중심으로 형성되었다. 이 오염물의 휴대용 XRF 분석 결과, 황갈색 변색에서는 Fe(평균 5,599ppm)와 S(평균 3,270ppm)가 흑색 변색에서는 Mn(평균 2,155ppm)의 함량이 매우 높게 검출되었다. 이는 오염되지 않은 부분에 비해 5~105배 높은 값이다.
- 5. 훼손지도 작성 결과, 물리적 풍화는 입상분해가 가장 심각하였으며, 북면(42.6%)과 남면(40.5%)이 가장 높은 훼손율을 보였다. 오염물로 인한 변색은 흑색 변색이 우세하다.
- 6. 이 탑을 구성하는 암석의 초음파속도는 평균 641m/s ~3,463m/s으로 넓은 범위를 보이나 고속도대를 보이는 곳은 이전에 접합된 시멘트 몰탈 부분으로 직접적인 물성 비교는 불가한 상태이다. 초음파속도 측정값을 암석의 풍화도 기준에 적용한 결과, 상당한 풍화단계(HW)에서 완전풍화단계(CW)에 해당하는 취약한 물성을 가지고 있는 것으로 나타났다.
- 이 탑을 구성하는 암석의 초음파속도는 평균 641m/s ~3,463m/s으로 넓은 범위를 보이나 고속도대를 보이는 곳은 이전에 접합된 시멘트 몰탈 부분으로 직접적인 물성 비교는 불가한 상태이다. 초음파속도 측정값을 암석의 풍화도 기준에 적용한 결과, 상당한 풍화단계(HW)에서 완전풍화단계(CW)에 해당하는 취약한 물성을 가지고 있는 것으로 나타났다.
- 이 결과에 따라 이차원적 모델링을 통해 석탑의 위치에 따른 초음파 속도 분포는 Figure 9와 같다. 측정된 초음파 속도의 범위를 일반적인 암석의 풍화도 분류기준에 적용시켜보면 신월동삼층석탑의 부재는 상당한 풍화단계(HW; highly weathered)에서 완전풍화단계(CW; completely weathered)에 해당하는 취약한 물성을 가지고 있는 것으로 확인되었다. 따라서 물성이 취약한 부분을 정량화하기 위해 실측도면에 투영하여 풍화상태를 분석하였다.
후속연구
- 또한 이 훼손지도의 정량적 분석데이터와 초음파탐사 결과를 통해 석탑의 종합적인 손상도를 평가하고 안정적인 보존을 위한 과학적 방안을 검토하였다. 이 연구 결과는 신월동삼층석탑의 장기적인 보존 관리를 위한 중요한 기초자료가 될 것이며, 이와 유사한 석조문화재의 종합적 보존연구를 위한 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 또한 기단부에 고착된 지의류, 선태류 및 초본식물은 균열이 발생한 곳을 따라 서식하고 있어 이차 물리적 훼손이 우려되는 상황이다. 따라서 무기 및 유기오염물에 대한 세정 작업이 필요하며, 임상실험을 통한 신중한 적용이 병행되어야 할 것으로 판단된다.
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