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문제 정의
- 본 연구는 수원화성의 구 전(塼) 및 보수용 전들의 물리적 및 광물학적 특성을 확인하고 과학적 분석을 통해 전에 발생하는 백화현상 물질을 동정하고 백화현상의 발생 원인을 규명하였다. 또한 석조문화재의 무기오염물 제거방법을 적용하여 수원화성 전(塼)의 백화현상을 제거하기 위한 방안을 모색하고자 한다.
- 본 연구는 수원화성의 구 전(塼) 및 보수용 전들의 물리적 및 광물학적 특성을 확인하고 과학적 분석을 통해 전에 발생하는 백화현상 물질을 동정하고 백화현상의 발생 원인을 규명하였다. 또한 석조문화재의 무기오염물 제거방법을 적용하여 수원화성 전(塼)의 백화현상을 제거하기 위한 방안을 모색하고자 한다.
- 본 연구에서는 석조문화재 무기오염물 제거에 사용되는 5종의 약품 및 증류수를(Tab.7) 이용하여 수원화성 전(塼)에 발생한 비가용성무기염을 제거하는 화학적 방법을 실험하였다.
제안 방법
- 편광현미경 관찰은 먼저 시료의 일부를 에폭시수지에 마운팅 한 후 연마지 #200, #500, #800, #1200, #1500, #2000, #2400, #4000을 사용하여 순서대로 양호한 관찰면이 나올 때까지 연마하고, diamond cutter를 이용하여 연마면으로부터 약 3mm 정도의 두께로 절단한 다음 연마면을 에폭시수지를 이용하여 슬라이드 글라스면에 접착시킨다. 24시간이 경과한 다음 접착된 시료를 다시 연마지 #200, #500, #800, #1200, #1500, #2000, #2400, #4000을 사용하여 0.03mm의 두께가 될 때까지 천천히 연마한 후 편광현미경상에서 시료를 관찰하였다.
- XRD 분석은 Rigaku D-max2200을 이용(Fig.1)하여 분석을 실시하였으며, 분석조건은 40kV/30mA의 Cu Kα선을 이용하여 10°에서 70°까지 분석하였다 .
- 1). 각 시료 및 결정구조별로 60초간 EDS 분석을 실시하였다.
- 각 약품에 대한 전(塼)의 안정성 평가를 실시하기 위해 수원화성 복원용 전(塼)에 구획을 나누어 2회에 걸쳐 약품을 도포 후 24시간 경과 후의 색차 변화를 측정하였으며(Fig.3), 측정결과는 [Tab.8]과 같다.
- 수원화성 전(塼)에 발생한 백화물질에 대한 세척력을 확인하기 위하여 장안문의 전(塼)에 발생한 백화에 6종의 약품을 도포하여 연구를 진행하였다. 도포는 붓을 이용하여 백화물질에 총 2회에 걸쳐 도포하였으며, 도포 후 육안 및 디지털 현미경 관찰을 실시하였다(Fig.4)
- 수원화성 관리사업소 측에서 채취한 표면오염물 시료를 건조한 후, 막자사발에 분말화하고 Pt 코팅을 90초간 실시하여 전처리하였다. 주사전자현미경에 부착된 에너지 분산형 X선 분석기 (JEOL / JSM-7401F, BRUKER / XFash 5030)로 현미경 상에서 관찰되는 부위를 정성 및 반정량 분석하였다(Fig.
- 수원화성 전(塼)에 발생한 백화물질에 대한 세척력을 확인하기 위하여 장안문의 전(塼)에 발생한 백화에 6종의 약품을 도포하여 연구를 진행하였다. 도포는 붓을 이용하여 백화물질에 총 2회에 걸쳐 도포하였으며, 도포 후 육안 및 디지털 현미경 관찰을 실시하였다(Fig.
- 수원화성 관리사업소 측에서 채취한 표면오염물 시료를 건조한 후, 막자사발에 분말화하고 Pt 코팅을 90초간 실시하여 전처리하였다. 주사전자현미경에 부착된 에너지 분산형 X선 분석기 (JEOL / JSM-7401F, BRUKER / XFash 5030)로 현미경 상에서 관찰되는 부위를 정성 및 반정량 분석하였다(Fig.1). 각 시료 및 결정구조별로 60초간 EDS 분석을 실시하였다.
- 채취한 표면오염물 시료를 분말화 한 후 XRD로 조성성분을 분석하였다. XRD 분석은 Rigaku D-max2200을 이용(Fig.
- 편광현미경 관찰은 먼저 시료의 일부를 에폭시수지에 마운팅 한 후 연마지 #200, #500, #800, #1200, #1500, #2000, #2400, #4000을 사용하여 순서대로 양호한 관찰면이 나올 때까지 연마하고, diamond cutter를 이용하여 연마면으로부터 약 3mm 정도의 두께로 절단한 다음 연마면을 에폭시수지를 이용하여 슬라이드 글라스면에 접착시킨다. 24시간이 경과한 다음 접착된 시료를 다시 연마지 #200, #500, #800, #1200, #1500, #2000, #2400, #4000을 사용하여 0.
- 현장 조사 시 표면오염물 상태를 조사하기 위하여 육안을 통한 관찰 및 Scalar사(Japan)의 DG3 휴대용디지털현미경을 이용한 전(塼)의 표면 촬영을 실시하였다. 그리고 조사현장에서 메스 등의 소도구를 이용하여 표면의 백화현상 물질과 줄눈 모르타르, 석회 등의 시료를 채취하였다.
대상 데이터
- 현장 조사 시 표면오염물 상태를 조사하기 위하여 육안을 통한 관찰 및 Scalar사(Japan)의 DG3 휴대용디지털현미경을 이용한 전(塼)의 표면 촬영을 실시하였다. 그리고 조사현장에서 메스 등의 소도구를 이용하여 표면의 백화현상 물질과 줄눈 모르타르, 석회 등의 시료를 채취하였다.
- 수원화성 백화현상 추정 물질의 분석을 위하여 수원시 화성사업소에서 2011년 5월에 수원화성 성문 6개소에서 백화현상 물질에 대해 1차 시료를 채취하였으며, 2011년 7월 추가조사를 위하여 2차적으로 추가시료를 채취하였다. 시료 채취 장소는 [Tab.
- 화성 축성의 재료는 흙과 기단부의 화강암, 그리고 전(塼)으로 구성되어있다. 구성 재료 가운데 중요한 특징적 요소인 전(塼)에서 화성 전역에 걸쳐 백화현상이 발생하고 있다.
성능/효과
- 1) 특히, 성곽의 축조에 석재와 전을 병용하였고, 화살과 창검을 방어하는 구조뿐만이 아니라 총포를 방어하는 근대적 성곽구조를 갖추고 있으며, 용재를 규격화하고 거중기 등의 기계장치를 활용한 점 등에서 우리나라 성곽 중에서 가장 발전된 형태라고 할 수 있다.
- EDS 분석결과는 XRD 분석결과와 동일한 원소가 검출되는 결과를 보였다. 그 외 추가적으로 Si, Al, Fe, Mg 등이 검출되는 일부 시료들은 토양 성분으로 확인되며, 이들 원소를 제외한 모든 분석 결과는 XRD 분석결과와 유사하게 나타난다.
- EDS 분석을 이용하여 각 지점별 백화현상 결정구조 관찰 및 조성성분 분석을 실시한 결과 [Tab.4]와 같이 비가용성 무기염과 가용성 무기염이 검출되었다.
- XRD 분석 결과 백화현상 발생 시료는 크게 가용성 무기염과 비가용성무기염으로 분류되어 나타났다. XRD 분석결과로 검출된 성분은 다음 [Tab.
- 그 외 석조문화재 보존처리 보고서에서도 백화현상에 대한 처리에 관한 언급이 있으며 이들 백화현상에 대하여 분석한 결과들이 기록되어 있다. 대부분의 석조문화재 및 전으로 이루어진 전탑 문화재의 백화현상은 X선 회절분석 결과 주로 방해석 (Calcite, CaCO3)으로 동정되었으며, Na, K등의 무기염류 등도 나타났다. 이들 백화현상은 보수재료로 사용된 시멘트 및 부재와 부재사이를 연결하기 위한 백색 줄눈 모르타르에서 기인하는 것으로 나타났다.
- 둘째, 강회 및 석회 모르타르, 전(塼)의 풍화로 인한 박리·박락과 주변 환경(고습)에 의한 내부 Na, K 등의 무기염과 대기오염물질(SOx, NOx)에 의하여 발생하는 가용성 무기염류 및 부유토양과 함께 생성되는 백화현상이 발생된다.
- 연구 결과 A, D, E약품이 고착된 백화물질의 제거에 효과를 나타내었으며, 특히 D약품과 E약품을 도포한 부분의 백화물질의 제거가 육안을 통해 확연하게 나타났다. 디지털현미경으로 확인한 결과에서 전(塼) 전체에 걸쳐 피각된 백화물질이 화학적 반응을 통해 제거되었음을 확인할 수 있었다.
- 백화현상의 제거를 위한 5종의 약품에 대한 백화 물질의 세척 및 전(塼)의 안정성 평가 결과 E약품의 경우 처리 후 색 변화에 대한 안정성에 이상이 없었으며, 육안 및 현미경 관찰을 통해 백화현상 물질이 제거되었음을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과를 종합하여 처리제의 성능을 살펴본 결과 수원화성에 발생한 전(塼)의 백화현상 제거에 가장 적합한 약품은 5종의 약품 중 E약품으로 사료된다.
- 백화현상의 제거를 위한 5종의 약품에 대한 백화 물질의 세척 및 전(塼)의 안정성 평가 결과 E약품의 경우 처리 후 색 변화에 대한 안정성에 이상이 없었으며, 육안 및 현미경 관찰을 통해 백화현상 물질이 제거되었음을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과를 종합하여 처리제의 성능을 살펴본 결과 수원화성에 발생한 전(塼)의 백화현상 제거에 가장 적합한 약품은 5종의 약품 중 E약품으로 사료된다.
- 수원화성 성문의 구 전(塼), 1970년대 보수용 전(塼), 2011년 현재 보수용으로 사용되는 전(塼)의 흡수율을 비교해 본 결과, 구 전(塼)과 1970년대 보수용 전(塼)은 약 15% 정도의 흡수율을 나타내었고, 2011년 현재 보수용 전(塼)은 약 1% 정도의 아주 낮은 흡수율을 보이는 것을 확인할 수 있었다(Tab.2)
- 수원화성 성문의 백화현상 분석결과를 종합하여 보면 가용성 무기염류와 비가용성 무기염류의 발생으로 인해 백화현상이 일어남을 알 수 있다. 그 중 가용성 무기염류 발생지역은 주변 사이트 환경이 습도가 높거나 수풀이 우거져 있고, 그늘이 있는 음지에서 백화현상이 발생하였다.
- 수원화성 성벽에서 발생되는 백화현상 분석 결과 가용성 염인 질산염 탄산염은 주변 환경과의 반응으로 생성되었고 탄산칼슘은 줄눈 모르타르 및 지붕부의 강회가 수분의 이동에 따라 발생되었다. 서암문 등에서 가용성 염류로 발생된 백화현상의 경우 2차 조사 결과 우천으로 인해 모두 소멸되었으나, 비가용성 염류인 탄산칼슘은 그대로 남아있어 세척작업이 필요하다.
- 수원화성의 구 전(塼) 및 보수용 전들의 물리적 성질을 확인하기 위해 흡수율 측정을 한 결과 흡수율은 구전(塼) 및 1970년대 보수한 전(塼)이 15%정도의 흡수율을 나타내었으며, 2011년 보수한 전은 약 1%대의 낮은 흡수율 결과를 나타내었다. 이는 전통기와의 제작방법이 태토를 발로 밟는 ‘인발미’ 방식이고, 현대기와는 토련기로 밀도를 높게 교반하는 ‘토련기’ 방식이므로 기와 내부의 기공이 많고 적음의 차이를 보이는 것과 관련이 있다고 할 수 있다3).
- 수원화성의 구 전(塼) 및 보수용 전들의 편광현미경 촬영 결과 전들을 구성하는 광물간의 조성은 큰 차이를 보이진 않았지만 구 전(塼)의 경우 보수용 부재에 비해 상대적으로 석영, 사장석 및 정장석 등의 조암광물에서 매끄럽지 못한 쪼개짐이 관찰되어 부재의 풍화가 진행되었음을 확인할 수 있었다.
- 연구 결과 A, D, E약품이 고착된 백화물질의 제거에 효과를 나타내었으며, 특히 D약품과 E약품을 도포한 부분의 백화물질의 제거가 육안을 통해 확연하게 나타났다. 디지털현미경으로 확인한 결과에서 전(塼) 전체에 걸쳐 피각된 백화물질이 화학적 반응을 통해 제거되었음을 확인할 수 있었다.
- 첫째, 수원화성 전(塼)의 축성 및 보수를 위하여 사용된 석회 모르타르 및 시멘트에 의한 비가용성 무기염류인 탄산칼슘(CaCO3)이 생성되는 백화현상이 발생되었다.
- 측정 결과 약품 B와 D를 제외한 나머지 3종의 약품에서는 ΔE 값이 3.0 미만으로 육안으로 판별하기 어려운 정도의 색차 결과를 나타내어 세척 후의 안정성에는 3종의 약품이 이상이 없는 것으로 판별되었다.
후속연구
- 수원화성에 발생하는 백화현상을 제어 및 예방하기 위해서는 아래와 같이 이론적으로 가능하다. 그러나 수원 화성 전(塼)에 바로 적용하기 위해서는 추가적인 임상실험이 필요하고 실험결과에 따라 가장 적정한 처리 방법을 선택하여 사용해야 한다.
- 석회가 있는 한 탄산칼륨에 대한 세척작업을 하여도 다시 백화현상이 발생할 우려가 있다. 그러므로 줄눈 모르타르 및 지붕부에 사용되는 석회에 대한 보수공사, 공사 시공상의 문제, 공사 전후 환경요인에 의한 문제 등 종합적 연구를 통하여 석회의 사용여부에 대한 검토가 선행되어야 하며, 이를 통해 다른 물질로의 대체여부도 심도 있게 논의되어야 할 것이다.
- 또한 석회모르타르가 백화현상의 근본적 문제이므로 대체물질의 개발, 전통 전(塼)과 현재 전(塼)의 물리·지구화학적 특성규명 연구가 필요하다고 판단된다.
- 그러나 본 연구는 선행적 연구이고 전(塼)의 물리적 상황을 배제하여 실험하였고 장기적인 관점에서는 연구가 이루어지지 않았다. 또한 현 시점에서 백화현상을 제거한다고 하여도 이것은 미봉책에 불과하며, 고습한 환경에 노출된다면 다시 백화현상이 발생하는 문제가 있으므로 백화현상의 제거와 더불어 백화현상을 제어할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
- 이 연구를 위해서는 백화현상의 원인물질을 줄일 수 있는 선행 연구가 필요하며, 이와 더불어 백화현상 부분의 효과적 제어를 위한 물질의 테스트를 함께 진행함으로써 수원화성 백화현상 예방 및 제어에 대한 종합적 대책을 마련할 수 있다. 또한 석회모르타르가 백화현상의 근본적 문제이므로 대체물질의 개발, 전통 전(塼)과 현재 전(塼)의 물리·지구화학적 특성규명 연구가 필요하다고 판단된다.
- 이는 전(塼)의 물리적·화학적 성질과 보수시 사용되는 석회 및 줄눈 모르타르 등에 기인한 것으로 추정되어 향후 보수 시 사용될 전(塼)에 대한 종합적 연구가 필요하다.
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