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문제 정의
- 본 연구는 시멘트 모르타르 꽃담에 대해 재료학적 분석을 수행하여 제작기법을 규명하고, 훼손 양상에 따라 보존 처리한 결과이다. 이러한 연구결과는 향후 유사한 근대문화재의 보존 및 보수에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 꽃담의 층위분석 결과, 시멘트 블록으로 만든 벽체(CM1), 시멘트 모르타르로 만든 화면(B-흑색층, W-백색층, R-적색층) 그리고 구조적인 보강을 위해 덧바른 시멘트 모르타르 층(CM2, CM3)과 시멘트 페이스트 층(CM)으로 구분되었다(Figure 2). 이 연구에서는 이들 층의 제작에 주로 쓰인 시멘트 모르타르의 재료학적 특성을 분석하고, 꽃담을 구성하는 여러 색 중 가장 많이 사용된 흑색, 백색, 적색 안료의 성분과 이들의 조합 상태를 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 각 층위별 시멘트의 광물학적인 특성을 알아보기 위해 시멘트 모르타르 분말시료를 슬라이드 글라스에 고착시켜 X선회절분석기(PANanlytic, X'Pert PRO MPD, Netherlands)를 이용하여 구성 광물들을 동정하였다.
- 사용한 시멘트는 보통 포틀랜트 시멘트(OPC)였으며 미장은 문양부분보다 약 5-10㎜정도 낮게 시공하였다(Figure 8A). 꽃담 표면의 시멘트 모르타르 층의 제거는 목공용 소도구 및 핸드 드릴을 이용하여 시행하였으며(Figure 8B) 표면에 부착된 먼지 및 이물질은 부드러운 양모붓으로 제거하였다.
- 꽃담은 풍화가 심한 상태였으므로 표면에 남아있는 시멘트 모르타르 층을 제거하기 전, 화면이 탈락한 부분(훼손부)과 벽체 옆면에 대해 시멘트 모르타르를 이용하여 보강 작업을 시행하였다.
- 꽃담을 구성하는 시멘트 모르타르 및 광물의 상전이, 용융 및 분해 등의 물리적 특성 변화를 측정하기 위해 열분석을 실시하였다. 사용된 분석방법은 열중량분석(TGA) 및 시차 열량분석(DSC)이며, 기준 물질은 α-Al2O3를 사용하였다.
- 꽃담을 구성하는 시멘트 모르타르의 물리화학적 특성변화를 확인하기 위해 시차열중량분석기(TA Instruments, SDT 2960, America)를 이용하여 열분석을 실시하였으며, 분석조건은 Air 분위기에서 1200ºC까지 10ºC/min로 하였다.
- 꽃담의 단면 관찰 및 구성 광물의 특성을 파악하기 위해 시편을 에폭시 수지에 마운팅한 후 연마지 #80, #320, #500, #1000, #2400, #4000을 순서대로 사용하여 단면 층에 스크래치가 없을 때까지 연마하고, 3㎛와 1㎛의 광택천을 이용하여 관찰면을 경면과 같이 가공하였다. 전처리된 각 시편에 대해 광학현미경(Optical Microscope, Carl Zeiss, Axiotech 100HD/Progress 3012, Germany) 및 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, Jeol, JSM-5910LV, Japan)을 사용하였다.
- 꽃담의 화면에 사용된 안료의 성분 분포를 확인하고자 SEM-EDS를 이용한 mapping 분석을 실시하였다. 분석은 꽃담을 구성하는 다양한 색 중 시편을 확보할 수 있었던 흑색, 백색, 적색에 대해 실시하였다.
- 표면의 박리, 박락 부분을 바로 잡기 위해 수성 StyreneAcryl emulsion계 경화제를 10배 희석하여 경화처리하였다. 문양부분의 공극은 경량시멘트로 메웠으며, 꽃담 표면에 생성된 균열은 용제와 바인더를 혼합한 충전제를 이용하여 메움처리하였다(Figure 8C). 농도를 조절하는 용제는 독일의 Remmers사에서 나온 KSE 500 STE를 사용하였으며 바인더는 Remmers사의 KSE Filler A, B를 사용하였다.
- 화면 위에 덧발린 시멘트 모르타르 층을 제거하였으며, 간단한 세척 후 화면의 박락을 막기 위해 경화처리를 실시하였다. 미세균열의 경우, 용제와 바인더를 혼합한 충전제(KSE Filler A, B)를 이용하여 메움처리 하였으며, 모든 보존처리가 끝난 후 스테인레스 프레임을 이용하여 보강처리 하였다. 이상범 가옥 및 화실의 꽃담과 같이 근대 문화유산의 경우 기존의 보존처리 방법을 적용하기에는 많은 어려움이 있으므로 이와 관련된 다양한 연구가 수반되어야 한다고 생각된다.
- 보존처리를 하기 전 임시보강용 구조물을 설치한 다음, 벽체 뒷면에 드라이비트를 설치하여 구조적인 안정성을 증가시켰다. 드라이비트는 기존 구조체 위에 E.
- 꽃담의 각 층별 화학성분 분석결과는 Table 1과 같다. 분석은 각 층별 시편의 광물입자를 제외한 기질 부분의 5지점에 대해 반정량 분석한 후 최저 및 최고 값을 제외한 나머지를 평균하였다. 그 결과, 벽체층(CM1)에서 상위층(CM2, CM3)으로 올라갈수록 탄소의 양은 감소하는 반면, 산소의 양은 증가하였다.
- 꽃담의 화면에 사용된 안료의 성분 분포를 확인하고자 SEM-EDS를 이용한 mapping 분석을 실시하였다. 분석은 꽃담을 구성하는 다양한 색 중 시편을 확보할 수 있었던 흑색, 백색, 적색에 대해 실시하였다. 흑색과 백색 시멘트 모르타르가 혼합된 시편을 이용하여 분석한 결과, 흑색은 백색에 비해 탄소의 함량이 크고, 칼슘의 함량이 적음을 알 수 있었다(Figure 5A).
- 시멘트 모르타르 표면의 미세조직을 확인하기 위해 각 시편을 SEM으로 분석하였다. 그 결과, 벽체층(CM1)은 시멘트 기질 내 석영 및 장석 등의 광물입자들이 일부 응집되어 있었으며, 다른 시편에 비해 시멘트 기질이 거칠었다(Figure 4A).
- 시멘트 모르타르의 성분 및 혼합된 안료에 대한 분석은 주사 전자현미경에 부착된 에너지분산형분광기(Energy Dispersive Spectrometer, Oxford 7324, England)를 이용하였다. 이 때 분석 조건은 20kV, 74㎂, spotsize 38에 100sec였다.
- 꽃담 표면 위의 시멘트 모르타르 층의 두께는 약 55㎜이며 꽃담 표면과 시멘트 블록사이의 공극은 약 45㎜이었다(Figure 1). 시멘트 블록은 풍화로 인해 쉽게 바스러지기 때문에 탈락되고 바스러지는 부분을 제거한 후 미장공사를 시행하였다. 꽃담의 하단에는 수분으로 인해 이끼가 서식하고 있었으며, 문양에 잔 균열이 발생하여 매우 취약한 상태였다.
- . 용제와 바인더를 100:40의 비율로 혼합하여 주사기 및 헤라를 이용, 균열을 충전하였다. 충전은 구조적으로 문제가 있는 부분을 위주로 실시하였으며, 가로로 발생한 균열에는 시행하지 않았다.
- B의 경우, 탄소의 산화로 인해 발생한 이산화탄소가 증발하면서 W보다 큰 중량 감소율을 보였으며, 두 시편 모두 700~800ºC에서 중량이 감소하였다(Figure 7B). 이러한 결과들은 각 층을 구성하는 주성분의 양이나 특성을 확인할 수 있었고, 나아가 사용안료나 추정성분의 물리화학적 거동을 판단하는 부가적인 정보를 제공하였다.
- 등록문화재 제171호인 이상범 가옥 및 화실은 서울특별시 종로구 누하동(樓下洞)에 위치한 것으로 동양화가 청전(靑田) 이상범(1897~1972)이 살았던 가옥 청전화숙(靑田畵塾)과 작품 활동을 하던 화실 청연산방(靑硯山房)을 말한다. 이상범은 우리나라 근대사의 대표적인 한국화가로, 스승이었던 심전(心田) 안중식(安中植)의 영향을 받아 초기에는 남북종(南北宗) 절충화풍을 보였으나 점차 독자적 세계를 개척하여 향토색 짙은 작품들을 제작하였다. 대표 작품으로 <산수(山水)>, <춘경산수(春景山水)>, <설로도(雪路圖)>, <고원귀려도(高原歸旅圖)> 등이 있다2,3.
- 꽃담의 단면 관찰 및 구성 광물의 특성을 파악하기 위해 시편을 에폭시 수지에 마운팅한 후 연마지 #80, #320, #500, #1000, #2400, #4000을 순서대로 사용하여 단면 층에 스크래치가 없을 때까지 연마하고, 3㎛와 1㎛의 광택천을 이용하여 관찰면을 경면과 같이 가공하였다. 전처리된 각 시편에 대해 광학현미경(Optical Microscope, Carl Zeiss, Axiotech 100HD/Progress 3012, Germany) 및 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, Jeol, JSM-5910LV, Japan)을 사용하였다.
- 표면의 박리, 박락 부분을 바로 잡기 위해 수성 StyreneAcryl emulsion계 경화제를 10배 희석하여 경화처리하였다. 문양부분의 공극은 경량시멘트로 메웠으며, 꽃담 표면에 생성된 균열은 용제와 바인더를 혼합한 충전제를 이용하여 메움처리하였다(Figure 8C).
- 꽃담의 보존처리는 벽체 뒷면 및 훼손부를 보강함으로써 구조적인 안정성을 항상시켰으며, 꽃담을 구성하는 재료와 유사한 시멘트를 이용하여 균열부 및 훼손부를 보강하였다. 화면 위에 덧발린 시멘트 모르타르 층을 제거하였으며, 간단한 세척 후 화면의 박락을 막기 위해 경화처리를 실시하였다. 미세균열의 경우, 용제와 바인더를 혼합한 충전제(KSE Filler A, B)를 이용하여 메움처리 하였으며, 모든 보존처리가 끝난 후 스테인레스 프레임을 이용하여 보강처리 하였다.
대상 데이터
- 문양부분의 공극은 경량시멘트로 메웠으며, 꽃담 표면에 생성된 균열은 용제와 바인더를 혼합한 충전제를 이용하여 메움처리하였다(Figure 8C). 농도를 조절하는 용제는 독일의 Remmers사에서 나온 KSE 500 STE를 사용하였으며 바인더는 Remmers사의 KSE Filler A, B를 사용하였다.
- 분석 시 Target은 Cu(1.5406Å)를 사용하였으며, 분석조건은 40kV, 30mA, scanning speed 0.02°/min로 계측하였다.
- 사용된 분석방법은 열중량분석(TGA) 및 시차 열량분석(DSC)이며, 기준 물질은 α-Al2O3를 사용하였다.
- 학문양 우측의 훼손부의 경우 시멘트만으로는 구조적인 안정성을 얻기 힘들 것으로 생각되어 대나무살을 이용하여 구조물을 만든 다음 시멘트를 덧발랐다. 사용한 시멘트는 보통 포틀랜트 시멘트(OPC)였으며 미장은 문양부분보다 약 5-10㎜정도 낮게 시공하였다(Figure 8A). 꽃담 표면의 시멘트 모르타르 층의 제거는 목공용 소도구 및 핸드 드릴을 이용하여 시행하였으며(Figure 8B) 표면에 부착된 먼지 및 이물질은 부드러운 양모붓으로 제거하였다.
- 합성안료로는 납을 이용한 연백(2PbCO3·Pb(OH)2), 산화지당(TiO2) 및 아연화(ZnO)를 사용하였다.
성능/효과
- 1100~1200ºC의 흡열선인 시멘트 모르타르 내 석영 등 물질이 일부 용융되면서 발생한 피크로, Ca의 성분이 융제로 작용하여 낮은 온도에서 석영이 녹았을 것이라 추정되며, CM1이 다른 시편에 비해 상대적으로 유리질 성분이 많음을 확인할 수 있었다(Figure 7A).
- 2. 각 층별 화학성분을 분석한 결과 상위로 올라갈수록 탄소의 양은 감소하는 반면 산소의 양은 증가하였다. 이는 시멘트의 주성분인 석회(CaO)가 대기 중의 수분과 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘로 변하는 풍화현상에 기인한 것으로 추정된다.
- 3. 벽체, 화면층, 시멘트 모르타르 층에 대한 열분석 결과, 화면층을 구성하는 흑색 시멘트 모르타르를 제외한 나머지 시편들에서 비슷한 열적거동 특성을 보였다. 이는 시멘트 모르타르의 주성분과 혼입한 광물의 열적거동 특성에 의한 것이며, 이를 통해 각 구성층별로 혼입한 광물종류와 이물질의 양을 추정할 수 있었다.
- 4. 꽃담의 보존처리는 벽체 뒷면 및 훼손부를 보강함으로써 구조적인 안정성을 항상시켰으며, 꽃담을 구성하는 재료와 유사한 시멘트를 이용하여 균열부 및 훼손부를 보강하였다. 화면 위에 덧발린 시멘트 모르타르 층을 제거하였으며, 간단한 세척 후 화면의 박락을 막기 위해 경화처리를 실시하였다.
- 광학현미경 분석 결과와 비교해 볼 때 벽체층에서 표면으로 갈수록 광물 입자의 크기가 작아지고(0.5㎜→0.3㎜→0.2㎜), 시멘트 기질이 매끈해짐을 알 수 있다.
- 분석은 각 층별 시편의 광물입자를 제외한 기질 부분의 5지점에 대해 반정량 분석한 후 최저 및 최고 값을 제외한 나머지를 평균하였다. 그 결과, 벽체층(CM1)에서 상위층(CM2, CM3)으로 올라갈수록 탄소의 양은 감소하는 반면, 산소의 양은 증가하였다. 이는 시멘트의 풍화 현상에 의한 것으로 판단된다.
- 따라서 꽃담은 시멘트에 석영을 주성분으로 하는 모래와 일부 점토광물이 혼합되어 제작된 것으로 판단되며, 탄산칼슘이 검출되는 것으로 보아 꽃담이 일부 풍화되었을 가능성이 있다. 꽃담을 구성하는 벽체층 및 시멘트 모르타르 층은 상위로 올라갈수록 광물 및 탄산칼슘의 결정화도가 감소하였는데 이는 상위로 올라갈수록 풍화가 적게 되었다는 것으로, 상위층으로 올라갈수록 탄소(C)의 함량이 적어지는 EDS 분석 결과와 동일하다.
- 꽃담의 층위분석 결과, 시멘트 블록으로 만든 벽체(CM1), 시멘트 모르타르로 만든 화면(B-흑색층, W-백색층, R-적색층) 그리고 구조적인 보강을 위해 덧바른 시멘트 모르타르 층(CM2, CM3)과 시멘트 페이스트 층(CM)으로 구분되었다(Figure 2). 이 연구에서는 이들 층의 제작에 주로 쓰인 시멘트 모르타르의 재료학적 특성을 분석하고, 꽃담을 구성하는 여러 색 중 가장 많이 사용된 흑색, 백색, 적색 안료의 성분과 이들의 조합 상태를 파악하고자 하였다.
- 또한 화면층을 구성하는 두 시멘트 모르타르 층에 대한 열분석 결과를 통해 혼입된 안료의 열에 대한 물리·화학적 특성을 확인할 수 있었다.
- 또한 화면층을 구성하는 흑색 시멘트 모르타르(B)와 백색 시멘트 모르타르(W)의 X-선회절분석 결과, 백색 시멘트 모르타르가 흑색 시멘트 모르타르에 비해 광물 및 탄산칼슘의 결정화도가 높음을 알 수 있었다. 이는 백색 시멘트 모르타르에는 색을 내기위한 탄산칼슘이 많이 혼입되어 있음을 간접적으로 추정할 수 있으며, SEM-EDS 분석 결과와도 일치하다.
- 꽃담은 시멘트 블록으로 만든 벽체, 시멘트 모르타르에 안료를 혼입한 화면층, 그리고 구조적인 보강을 위해 화면 위에 덧바른 시멘트 모르타르 층, 시멘트 페이스트 층으로 구분되었다. 미세조직 분석 결과, 상부로 갈수록 시멘트 모르타르에 혼입한 광물의 입자와 공극이 작아짐을 확인할 수 있었다. 또한 일부 시편에서 침상형으로 성장한 탄산칼슘을 확인할 수 있었는데 이는 주변 광물 및 시멘트에 존재하는 외부 이온의 영향으로 인해 선택적으로 생성된 것으로 추정되며, 추후 연구를 통해 명확한 해석이 필요할 것이라 사료된다.
- 2㎜), 시멘트 기질이 매끈해짐을 알 수 있다. 시멘트 모르타르 층 사이에 존재하는 시멘트 페이스트 층(CM)은 광물이 거의 혼입해 있지 않아 상대적으로 균질한 표면을 확인할 수 있었다. 이는 각 층의 사용 목적이 다르기 때문이며, 벽체의 강도 유지와도 연관성이 있을 것이다.
- 시멘트 모르타르에 혼입된 광물 및 시멘트의 주요 성분 을 동정하기 위해 X-선 회절분석을 실시한 결과, 각 시편에서 석영, K-장석, 사장석, 운모와 같은 광물 및 탄산칼슘 (CaCO3)이 검출되었다(Figure 6). 따라서 꽃담은 시멘트에 석영을 주성분으로 하는 모래와 일부 점토광물이 혼합되어 제작된 것으로 판단되며, 탄산칼슘이 검출되는 것으로 보아 꽃담이 일부 풍화되었을 가능성이 있다.
- 화면층을 구성하는 흑색 시멘트 모르타르(B), 백색 시멘트 모르타르(W)를 성분 분석한 결과, B는 W에 비해 탄소의 함량이 높은 반면 칼슘의 함량이 낮은 경향을 보였다. 이는 시멘트 모르타르에 혼합한 안료의 성분 때문이라 판단된다.
- 이는 시멘트의 주성분인 석회(CaO)가 대기 중의 수분과 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘로 변하는 풍화현상에 기인한 것으로 추정된다. 화면층을 구성하는 흑색 시멘트 모르타르, 백색 시멘트 모르타르, 적색 안료의 성분을 분석한 결과, 흑색 시멘트 모르타르에 혼입한 안료는 탄소화합물이었으며, 백색은 호분(또는 석회), 적색은 산화철로 확인되었다.
- 분석은 꽃담을 구성하는 다양한 색 중 시편을 확보할 수 있었던 흑색, 백색, 적색에 대해 실시하였다. 흑색과 백색 시멘트 모르타르가 혼합된 시편을 이용하여 분석한 결과, 흑색은 백색에 비해 탄소의 함량이 크고, 칼슘의 함량이 적음을 알 수 있었다(Figure 5A). 또한 적색과 흑색 시멘트 모르타르가 혼합된 시편을 분석한 결과, 적색에서 흑색 시멘트 모르타르에 나타나지 않는 철과 산소가 확인되었다(Figure 5B).
후속연구
- 미세조직 분석 결과, 상부로 갈수록 시멘트 모르타르에 혼입한 광물의 입자와 공극이 작아짐을 확인할 수 있었다. 또한 일부 시편에서 침상형으로 성장한 탄산칼슘을 확인할 수 있었는데 이는 주변 광물 및 시멘트에 존재하는 외부 이온의 영향으로 인해 선택적으로 생성된 것으로 추정되며, 추후 연구를 통해 명확한 해석이 필요할 것이라 사료된다.
- 본 연구는 시멘트 모르타르 꽃담에 대해 재료학적 분석을 수행하여 제작기법을 규명하고, 훼손 양상에 따라 보존 처리한 결과이다. 이러한 연구결과는 향후 유사한 근대문화재의 보존 및 보수에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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