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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 석조문화재에 발달한 균열대의 산출상태와 물성진단 및 균열 깊이를 산정하고자 초음파 속도를 활용한 정량적 기록화 연구를 수행하였다. 또한 물계서원 원정비의 보존처리 및 장기적인 관리를 위한 사전 연구로써 물성진단 및 손상도 평가를 수행하였다.
제안 방법
- 비의 상부를 구성하는 옥개석은 알칼리장석화강암이며, 비신과 대좌는 각각 반려암과 섬록암으로 구성된다(Figure 1). 구성암석의 암석학적 및 광물학적 특징과 풍화에 의한 변질광물 등을 확인하기 위해 탈락된 미세시편을 대상으로 편광현미경 관찰 및 X-선 회절분석을 실시하였다. 이는 대좌의 섬록암만 가능하였고 시료를 구할 수 없는 알칼리 화강암과 반려암은 육안관찰을 통해 암상을 기재하였다.
- 원정비의 물성파악을 위해 CNS FARNELL사의 PUNDIT-plus를 사용하여 초음파 전달 시간을 측정하고, 각 측정값은 방위별 입면도에 투영하여 전체적인 풍화도를 분석하였다. 또한 균열이 존재하는 부분과 아닌 부분의 비교를 통해 균열의 심도를 추정할 수 있는 To-Tc법을 사용하여 비신에 분포하는 균열을 조사하였으며 이 결과를 도면으로 제시하였다.
- 따라서 이 연구에서는 석조문화재에 발달한 균열대의 산출상태와 물성진단 및 균열 깊이를 산정하고자 초음파 속도를 활용한 정량적 기록화 연구를 수행하였다. 또한 물계서원 원정비의 보존처리 및 장기적인 관리를 위한 사전 연구로써 물성진단 및 손상도 평가를 수행하였다. 이 연구를 통해 획득된 결과는 석조문화재의 균열관리 및 비석 문화유산의 기록화와 보존관리계획 수립을 위한 중요한 자료가 될 것이다.
- 이 연구에서는 석조문화유산의 균열에 대한 연구사례를 검토하고 정량적 기록화 기법을 모색하기 위해 초음파 응용방법을 적용하였다. 또한 물계서원 원정비의 재질특성을 밝힌 후 다양한 비파괴 분석방법을 활용하여 정밀진단을 실시하였다. 사전조사의 일환으로 지역주민을 대상으로 원정비의 과거모습에 대한 인터뷰도 수행하였다.
- 측정대상 균열은 비신에 존재하는 29개 중 건전부와 균열부의 비교측정이 가능하고 미세 균열이 아닌 19개를 선택하였다. 또한 선택된 균열에서 총 132지점(전면 55지점, 좌측면 18지점, 후면 52지점, 우측면 7지점)에서 초음파 전달시간을 측정하였다.
- 이 원정비에 발생한 손상유형, 위치 및 분포를 현장조사와 고해상도 사진맵핑을 통해 파악하였으며, 이를 토대로 손상지도를 작성하였다. 범례는 물리적 손상, 변색 및 이차 오염으로 나누었으며 각 유형별로 손상율을 산출하였다. 원정비에 발생한 손상 중 육안으로 확인이 불가능한 내부결함 탐색에는 타진법 및 적외선 열화상분석을 활용하였다.
- 비신에 발생한 박리는 비문에 직접적인 손상을 줄 수 있으므로 보다 정확한 박리영역 검출을 위해 타진법 및 적외선열화상 분석을 이용해 박리부를 검출하였다. 적외선열화상 분석은 외부에서 근적외선 전기히터를 사용하여 인위적인 미열을 가한 후 열분포의 차이를 파악하는 방법을 사용하였으며, 암석과 내부 결함의 열특성 차이에 의해 발생한 온도의 차별분포를 통해 비신의 한 지점에서 육안으로는 보이지 않는 박리(19.
- 또한 물계서원 원정비의 재질특성을 밝힌 후 다양한 비파괴 분석방법을 활용하여 정밀진단을 실시하였다. 사전조사의 일환으로 지역주민을 대상으로 원정비의 과거모습에 대한 인터뷰도 수행하였다. 재질분석을 위해 원정비에서 탈락된 미세 암편을 수습하였고 이를 대상으로 Nikon사의 Eclipse E600W 편광/반사 겸용 현미경을 사용하여 광물학적 조성 및 조직적 특징을 관찰하였다.
- 여기에 타겟으로 사용한 X-선은 CuKα이며 양극의 가속 전압 및 필라멘트의 전류는 각각 40kV와 100mA로 설정하였다. 원정비 구성암석의 자화강도를 측정하기 위해 ZH Instruments사의 SM-30 모델을 활용하여 전암대자율을 측정하였으며, 대자율의 세기는 10-3 SI 단위로 표기하였다.
- 원정비 암석의 미세자화 정도를 파악하기 위하여 대자율을 측정하였다. 이 결과, 옥개석의 대자율은 2.
- 원정비의 물성파악을 위해 CNS FARNELL사의 PUNDIT-plus를 사용하여 초음파 전달 시간을 측정하고, 각 측정값은 방위별 입면도에 투영하여 전체적인 풍화도를 분석하였다. 또한 균열이 존재하는 부분과 아닌 부분의 비교를 통해 균열의 심도를 추정할 수 있는 To-Tc법을 사용하여 비신에 분포하는 균열을 조사하였으며 이 결과를 도면으로 제시하였다.
- 원정비의 손상도를 정량적으로 평가하고 향후 보존처리에 이용할 수 있도록 앞서 관찰한 손상 유형별로 범례를 작성하였으며, 이를 토대로 유형별 손상지도를 작성하였다. 문화유산의 손상형태와 범주를 자료화하는 기재방법인 손상지도법은 세계적으로 널리 활용되고 있다(Fitzner et al.
- 이 손상지도를 토대로 원정비의 손상유형, 방위별 손상면적을 백분율로 수치화하였고, 이를 이용하여 원정비의 종합적인 손상도를 정량적으로 평가하였다(Table 1; Figure 4). 원정비에 존재하는 물리적 손상 중 균열은 총 29개로 모두 비신에 집중되어 있었으며, 특히 비신의 여러 방향에 걸쳐 분포하여 복잡한 양상을 보인다.
- 이 연구에서는 석조문화유산의 균열에 대한 연구사례를 검토하고 정량적 기록화 기법을 모색하기 위해 초음파 응용방법을 적용하였다. 또한 물계서원 원정비의 재질특성을 밝힌 후 다양한 비파괴 분석방법을 활용하여 정밀진단을 실시하였다.
- 원정비 비신에는 모든 방위에 걸쳐 다양하게 나타나는 균열이 비신의 물리적인 손상을 초래할 수 있는 중요한 손상인자이다. 이 연구에서는 손상지도에서 작성된 균열 분포를 토대로 초음파를 활용하여 원정비에 나타난 균열의 심도를 측정하였다. 초음파를 이용한 균열심도 측정법은 특정주파수의 변화로 상대적인 균열 깊이를 측정하는 방법으로, 불균질한 매질에서는 측정시점을 판정하는 기준이 모호하므로 상대적인 시간차를 통해 깊이를 추정할 수 있다.
- 이 원정비에 발생한 손상유형, 위치 및 분포를 현장조사와 고해상도 사진맵핑을 통해 파악하였으며, 이를 토대로 손상지도를 작성하였다. 범례는 물리적 손상, 변색 및 이차 오염으로 나누었으며 각 유형별로 손상율을 산출하였다.
- 원정비의 전면 66지점, 좌측면 25지점, 후면 65지점, 우측면 26지점(총 182지점)을 대상으로 초음파 측정을 실시하였다. 이렇게 측정된 값으로 방위별 도면상에 2D모델링을 실시하였다(Figure 6). 이 결과, 반려암으로 구성된 비신은 균열에 의한 손상이 심각함에도 불구하고 균열이 발생하지 않는 영역에서는 5,037∼5,542㎧(평균: 5,366㎧)의 매우 높은 초음파속도를 보였다.
- 사전조사의 일환으로 지역주민을 대상으로 원정비의 과거모습에 대한 인터뷰도 수행하였다. 재질분석을 위해 원정비에서 탈락된 미세 암편을 수습하였고 이를 대상으로 Nikon사의 Eclipse E600W 편광/반사 겸용 현미경을 사용하여 광물학적 조성 및 조직적 특징을 관찰하였다.
- 비신에 발생한 박리는 비문에 직접적인 손상을 줄 수 있으므로 보다 정확한 박리영역 검출을 위해 타진법 및 적외선열화상 분석을 이용해 박리부를 검출하였다. 적외선열화상 분석은 외부에서 근적외선 전기히터를 사용하여 인위적인 미열을 가한 후 열분포의 차이를 파악하는 방법을 사용하였으며, 암석과 내부 결함의 열특성 차이에 의해 발생한 온도의 차별분포를 통해 비신의 한 지점에서 육안으로는 보이지 않는 박리(19.27cm2)가 발생한 것을 확인하였다.
대상 데이터
- 물계서원은 경상남도 창녕군 대지면 모사리에 있다. 최초 건립시에는 고려 문하시중 성송국 선생의 효행을 기리는 창효사(彰孝祠)로 불렸다.
- 여기에 타겟으로 사용한 X-선은 CuKα이며 양극의 가속 전압 및 필라멘트의 전류는 각각 40kV와 100mA로 설정하였다.
- 원정비의 전면 66지점, 좌측면 25지점, 후면 65지점, 우측면 26지점(총 182지점)을 대상으로 초음파 측정을 실시하였다. 이렇게 측정된 값으로 방위별 도면상에 2D모델링을 실시하였다(Figure 6).
- 원정비에 발생한 손상 중 육안으로 확인이 불가능한 내부결함 탐색에는 타진법 및 적외선 열화상분석을 활용하였다. 이를 위하여 Flir사의 B200을 사용하였으며, 촬영 결과는 손상지도에 적용하였다.
- 여기서 D는 표면에서 수직방향의 균열깊이(cm), L은 발진자와 수진자 사이의 거리(cm)이다. 측정대상 균열은 비신에 존재하는 29개 중 건전부와 균열부의 비교측정이 가능하고 미세 균열이 아닌 19개를 선택하였다. 또한 선택된 균열에서 총 132지점(전면 55지점, 좌측면 18지점, 후면 52지점, 우측면 7지점)에서 초음파 전달시간을 측정하였다.
이론/모형
- 이 연구에서는 알칼리장석화강암과 섬록암에는 Lee et al.(2009)이 제시한 보정계수를 적용하였으며, 반려암은 직접법 및 간접법의 초음파속도를 측정하여 Figure 5와 같이 보정식을 산출하여 적용하였다.
- 범례는 물리적 손상, 변색 및 이차 오염으로 나누었으며 각 유형별로 손상율을 산출하였다. 원정비에 발생한 손상 중 육안으로 확인이 불가능한 내부결함 탐색에는 타진법 및 적외선 열화상분석을 활용하였다. 이를 위하여 Flir사의 B200을 사용하였으며, 촬영 결과는 손상지도에 적용하였다.
- 이는 대상물의 손상 없이도 조사를 가능하게 하므로 문화유산의 진단에 유용하게 사용할 수 있다. 이 연구에서는 원정비 암석의 물성을 밝히기 위하여 초음파탐상법을 적용하였으며, 끝이 뾰족하여 표면의 요철에 대응하기 유리한 탐촉자인 UTREXTXRX(54㎑)를 사용하였다. 탐촉자의 배열방법은 간접법, 배열거리는 20㎝로 하였으며 접촉매질로는 고무찰흙을 사용하였다.
- 조암광물의 정밀한 동정을 위해 Rigaku사의 D/Max 2000 X-선 회절분석기를 활용하여 분석을 수행하였다. 여기에 타겟으로 사용한 X-선은 CuKα이며 양극의 가속 전압 및 필라멘트의 전류는 각각 40kV와 100mA로 설정하였다.
- 이 연구에서는 원정비 암석의 물성을 밝히기 위하여 초음파탐상법을 적용하였으며, 끝이 뾰족하여 표면의 요철에 대응하기 유리한 탐촉자인 UTREXTXRX(54㎑)를 사용하였다. 탐촉자의 배열방법은 간접법, 배열거리는 20㎝로 하였으며 접촉매질로는 고무찰흙을 사용하였다.
성능/효과
- 1. 물계서원 원정비의 옥개석은 알칼리장석화강암, 비신은 반려암이며 대좌는 섬록암으로 구성되어 있다. 옥개석의 알칼리장석화강암은 담황색의 세립 내지 중립질의 입상조직을 보이며 부분적으로 정동이 관찰된다.
- 2. 손상도 평가 결과, 물리적인 풍화양상 중 균열이 비신 전면에 걸쳐 분포하고 있었으며 표면변색 및 생물학적 손상 또한 뚜렷하게 나타났다. 이중 무기물변색은 후면, 우측면, 전면, 좌측면 순으로 높은 손상율을 보였다.
- 3. 초음파 측정결과, 부재의 평균 물성은 비신(평균 5,343㎧), 대좌(평균 3,885㎧), 옥개석(평균 3,169㎧) 순으로 나타났다. 이는 각 암석이 가진 고유의 물성에 따른 차이로 해석된다.
- 4. 초음파를 이용하여 균열의 심도를 산출한 결과, 비신에 발생한 균열은 0.6∼24.1cm의 다양한 심도를 나타냈다.
- 각 방위별 초음파속도를 비교하면 비신의 경우 전면의 초음파속도는 5,431㎧로 다른 측정면 보다 100∼200㎧ 정도 빠르게 나타났다.
- 이를 종합하면, 원정비 구성암석의 상대적인 물성은 비신(반려암), 대좌(섬록암), 옥개석(화강암) 순으로 높게 나타났다. 또한 각 방위별 초음파속도의 분포는 전반적으로 유사한 것으로 확인되었으나 전면이 다른 면보다 상대적으로 높은 물성을 보였다.
- 원정비의 균열은 좌측방향을 중심으로 하여 사방으로 넓게 분포해 있으며, 가로방향의 균열이 세로방향의 것보다 연장성이 우세한 것으로 나타났다. 또한 원정비 우측면에서는 가로방향의 균열만 일부 존재했으며 세로 방향의 균열은 나타나지 않아 각 방위 중 가장 양호한 모습을 보였다. 이러한 심도 깊은 균열들은 외부의 충격 및 물리화학적 작용으로 더욱 진행될 수 있다.
- 이 결과, 조사된 균열은 총 42개로 나누어졌으며 최단균열은 약 44mm이고, 최장균열은 약 1,810mm로 나타났다. 방위별 양상에서는 균열의 대부분이 전면보다는 후면에, 우측면보다는 좌측면에 상대적으로 많이 발달한 것으로 조사되었다.
- 이 손상지도를 토대로 원정비의 손상유형, 방위별 손상면적을 백분율로 수치화하였고, 이를 이용하여 원정비의 종합적인 손상도를 정량적으로 평가하였다(Table 1; Figure 4). 원정비에 존재하는 물리적 손상 중 균열은 총 29개로 모두 비신에 집중되어 있었으며, 특히 비신의 여러 방향에 걸쳐 분포하여 복잡한 양상을 보인다. 따라서 여기서는 방위에 따른 발달양상을 파악하기 위하여 같은 균열이더라도 방위에 따라 세분하였다.
- Figure 10은 Figure 9A에 도시된 균열들의 깊이를 분산 그래프(scatter graph)로 나타낸 것이다. 원정비의 균열은 좌측방향을 중심으로 하여 사방으로 넓게 분포해 있으며, 가로방향의 균열이 세로방향의 것보다 연장성이 우세한 것으로 나타났다. 또한 원정비 우측면에서는 가로방향의 균열만 일부 존재했으며 세로 방향의 균열은 나타나지 않아 각 방위 중 가장 양호한 모습을 보였다.
- 또한 가로 방향으로 나타난 균열의 경우 원정비의 여러 방향에 걸쳐 신장되어 있는 것이 많으므로 비신 내부에서의 위치를 파악하기 용이하도록 위에서 내려다 본 단면도 형태로 나타내어 방향별 균열을 도시하였다(Figure 9B). 이 결과, 4번 균열은 비신의 전면에서 후면까지 관통되었을 가능성이 있으며 3번, 6번, 8번 균열은 비신 두께의 약 반 정도로 깊이 발달해 있는 것으로 나타났다.
- 이 결과, 반려암으로 구성된 비신은 균열에 의한 손상이 심각함에도 불구하고 균열이 발생하지 않는 영역에서는 5,037∼5,542㎧(평균: 5,366㎧)의 매우 높은 초음파속도를 보였다.
- 이 결과, 옥개석의 대자율은 2.77∼5.32(×10-3 SI unit)의 분포를 보이며, 평균 3.87(×10-3 SI unit)로 나타났다.
- 따라서 여기서는 방위에 따른 발달양상을 파악하기 위하여 같은 균열이더라도 방위에 따라 세분하였다. 이 결과, 조사된 균열은 총 42개로 나누어졌으며 최단균열은 약 44mm이고, 최장균열은 약 1,810mm로 나타났다. 방위별 양상에서는 균열의 대부분이 전면보다는 후면에, 우측면보다는 좌측면에 상대적으로 많이 발달한 것으로 조사되었다.
- 8㎲까지 균열의 심도에 따라 서로 다르게 나타났다. 이를 균열이 없는 부분의 전달시간과 비교하여 균열심도를 계산한 결과, 균열의 깊이는 최대 24.1cm, 최소 0.6cm로 산출되었다. 이 결과를 2D 모델링 기법으로 Figure 8에 제시하였다.
- 특히 균열대를 따라 발생한 변색은 주로 백화현상을 나타내며, 상대적으로 물리적 손상이 양호한 부분은 미세먼지가 피복된 황색 변색층이 관찰 된다. 이를 손상율로 산출하면 변색은 원정비 전체의 20.78%를 차지하여 모든 훼손 유형 중 가장 많은 면적을 나타냈다. 생물학적 손상이 발생한 영역은 전체면적의 10.
- 대좌를 구성하는 섬록암의 방위별 속도에서는 우측면이 3,593㎧로 다른 면에 비해 상대적으로 느린 값을 보였다. 이를 종합하면, 원정비 구성암석의 상대적인 물성은 비신(반려암), 대좌(섬록암), 옥개석(화강암) 순으로 높게 나타났다. 또한 각 방위별 초음파속도의 분포는 전반적으로 유사한 것으로 확인되었으나 전면이 다른 면보다 상대적으로 높은 물성을 보였다.
- 10×10-3 SI unit)이다. 이를 종합하면, 원정비를 이루는 각 암석들은 서로 뚜렷이 구분되는 자화강도를 보였다. 특히 비신을 이루는 반려암의 대자율은 모두 10.
- 초음파로 측정된 균열부위의 초음파 전달시간은 최소 56.2㎲부터 최대 137.8㎲까지 균열의 심도에 따라 서로 다르게 나타났다. 이를 균열이 없는 부분의 전달시간과 비교하여 균열심도를 계산한 결과, 균열의 깊이는 최대 24.
- 특히 비신을 이루는 반려암의 대자율은 모두 10.00(×10-3 SI unit) 이상의 높은 수치로 옥개석 및 비신의 대자율과 확연한 차이를 나타냈는데, 이는 앞서 분류된 각 암석들의 성인적 차별성을 뒷받침하는 결과이다.
후속연구
- 5. 원정비에 발생한 균열은 외부의 충격 및 물리화학적 작용으로 심화되어 더 큰 손상을 야기할 수 있을 것으로 판단되므로 균열부위에 대한 충전 등 보존처리와 사후검토가 필요하며, 정기적인 사진기록과 전문가의 현황조사 등을 통한 지속적인 모니터링이 요구된다. 또한 균열의 발달이 심화될 경우 국보 제47호인 쌍계사 진감선사 대공탑비 등에 적용된 선례가 있는 프레임의 사용을 검토할 필요가 있다.
- 그럼에도 불구하고 이 원정비의 손상에 대한 조사 및 연구가 이루어지지 않아 현황파악 뿐만 아니라 장기적인 보존방안도 없는 상태이다. 따라서 향후 보존과 복원을 위해 손상현황 진단이 반드시 요구되며, 특히 구조안정성을 저해하는 균열에 대해 정밀조사가 필요하다.
- 원정비에 발생한 균열은 외부의 충격 및 물리화학적 작용으로 심화되어 더 큰 손상을 야기할 수 있을 것으로 판단되므로 균열부위에 대한 충전 등 보존처리와 사후검토가 필요하며, 정기적인 사진기록과 전문가의 현황조사 등을 통한 지속적인 모니터링이 요구된다. 또한 균열의 발달이 심화될 경우 국보 제47호인 쌍계사 진감선사 대공탑비 등에 적용된 선례가 있는 프레임의 사용을 검토할 필요가 있다.
- 이는 결과적으로 비신의 구조적 불안정을 초래하여 더욱 큰 손상을 야기할 위험성이 있으므로 균열부위에 대한 보존처리 및 지속적인 모니터링이 필요하다. 또한 석조문화재에 발달한 균열의 심도와 연장성 측정 및 정량적 평가를 위한 지속적인 연구가 진행되어야 할 것이다.
- 또한 물계서원 원정비의 보존처리 및 장기적인 관리를 위한 사전 연구로써 물성진단 및 손상도 평가를 수행하였다. 이 연구를 통해 획득된 결과는 석조문화재의 균열관리 및 비석 문화유산의 기록화와 보존관리계획 수립을 위한 중요한 자료가 될 것이다.
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