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문제 정의
- 이 결과를 참고하면 강도가 약한 석고와 합성목재를 제외한 출력재료 폴리유산, UV-에폭시, UV-아크릴, UV-우레탄·아크릴은 강도 면에서 도자기 보존처리에 적용하기에 무리가 없다. 그러므로 본인은 백자수주 보존처리를 위한 출력재료로서 평균강도보다 조금 더 강한 UV-아크릴화합물을 선택하여 광범위한 투각 때문에 얇아진 문양의 세부형태 유지에 적합하도록 하였다.
- 그러므로 이런 광범위하고 복잡한 결실부 문양을 수작업으로 복원하려면 너무 많은 노력과 시간이 요구되는 반면 정확한 문양형태를 찾기 어렵다. 그러므로 이번 보존처리에서는 3D 스캐닝과 3D 프린팅 기술을 보존처리에 도입하여 좀 더 효과적이고 정확한 복원이 될 수 있도록 노력하였다.
제안 방법
- 그러므로 본 연구는 이러한 3D 스캐닝으로 얻은 가상 데이터로서의 디지털 원형을 3D 프린팅으로 출력하여 실재 형태로 구현하여 문화재 보존처리 과정에 활용하였다. 3D 스캐닝으로 얻은 문화재 디지털 원형을 바탕으로 결실되어 없는 부분을 역설계 함으로써 실제치수를 부여할 수 있는 모델링소스로 추출하였다. 이 모델링 소스를 3D 프린팅하여 결실부의 복원형을 대신함으로써 어렵고 번거로운 결실부 성형과정을 대신할 수 있었다.
- 광학현미경(Optical Microscope, Leica DMLP, Germany)으로 백자수주의 복원된 수구를 분리하여 관찰하였고 소량의 시료를 채취하여 마운팅한 후 미세조직을 관찰하였다. 또한 주사전자현미경(SEM, Hitachi S-3500N, Japan)으로 미세 조직을 관찰하였고 표면의 금색 부분을 SEM-EDS(Energy Dispersive Spectrometer, X-Max, Horiba)로 성분 분석하였다.
- 그러나 이것은 컴퓨터 화상에서만 볼 수 있는 가상의 데이터로서 실제로 만져볼 수 있는 실물이 아니다. 그러므로 본 연구는 이러한 3D 스캐닝으로 얻은 가상 데이터로서의 디지털 원형을 3D 프린팅으로 출력하여 실재 형태로 구현하여 문화재 보존처리 과정에 활용하였다. 3D 스캐닝으로 얻은 문화재 디지털 원형을 바탕으로 결실되어 없는 부분을 역설계 함으로써 실제치수를 부여할 수 있는 모델링소스로 추출하였다.
- 도10과 같은 수정과정을 거친 폴리곤 형태의 모델링 데이터를 다시 Zbrush S/W로 불러와 문양의 세부 굴곡을 조절하여 양감을 살리고, 필요 없는 부분을 삭제하였으며, 유물과 접합되는 부분의 크기를 조정하였다. 마지막으로 원시데이터와 모델링 데이터의 편차검사를 실시하는데 이것은 생성된 CAD 모델과 원래 측정 데이터인 점군이나 폴리곤 모델과의 치수 차이를 바로잡음으로써 데이터품질, 곡면간의 연속성 등을 조정하기 위한 것이다 [7].
- 광학현미경(Optical Microscope, Leica DMLP, Germany)으로 백자수주의 복원된 수구를 분리하여 관찰하였고 소량의 시료를 채취하여 마운팅한 후 미세조직을 관찰하였다. 또한 주사전자현미경(SEM, Hitachi S-3500N, Japan)으로 미세 조직을 관찰하였고 표면의 금색 부분을 SEM-EDS(Energy Dispersive Spectrometer, X-Max, Horiba)로 성분 분석하였다.
- 백자수주를 과탄산나트륨을 사용하여 세척하고 옻으로 접합된 것으로 추정되는 손잡이를 해체하였으며 해체된 편들의 접합단면을 정리하고 재접합하였다.
- 본 논문은 문화재 보존처리 방법의 새로운 변화로서 3D 스캐닝을 이용한 역설계 방법을 적용하여 백자수주의 반파된 운룡문의 복원형을 3D 프린팅으로 제작하였으며 접합, 정형 및 색맞춤 과정은 수작업하였다. 이 과정에서 디지털 기술을 활용한 백자수주의 복원형 제작방법의 장점을 다음과 같이 정리할 수 있었다.
- 이번 결실부 모델링에서는 역설계용 소프트웨어(Rapideform XOR)와 컴퓨터 그래픽용 소프트웨어(Zbrush)를 사용하였으며 작업 순서를 살펴보면 다음과 같다. 스캔하여 얻은 점군데이터를 정렬・병합・수정한 폴리곤 메시 상태에서 백자수주의 수구를 중심으로 오른쪽 실물부분을 복제하여 왼쪽 결실부가 있던 공간에 위치시켰다. 그 결과 복제된 문양의 곡면이 백자수주의 몸체와 일치하지 않고 들떠있었으며, 몸체와 복제된 문양의 이음새가 맞지 않아 문양전개가 자연스럽지 않았다.
- 압축강도는 만능재료시험기 (UTM: Universal testing machine WL2100, WITHLAB 社, Korea)를 이용하여 시료 높이의 10% 압축강도 시험을 실시하였으며, 시험속도는 1mm/min이고 로드셀은 3000N이며 시험환경은 (25±2)℃, (45±5)% RH이다.
- 이러한 문제점을 해결하기 위하여 결실부를 파라필름(Parafilm)으로 감싸고 투각문양과 몸체사이의 공간을 점토로 메워 고정시킨 후 수구를 중심으로 좌우의 외곽선이 대칭이 되도록 점토를 채워 넣었다. 이것은 가장 자연스러운 외곽선을 찾아 복사된 문양을 위치시키기 위함이었다.
- 또한 이러한 해석은 컴퓨터 모델링 작업자가 할 수 없고 유물을 이해하고 있는 보존과학자의 안목이 필요한 작업이다. 이렇게 얻은 외곽선을 그대로 컴퓨터 화상으로 옮겨놓고 이것에 맞추어 위치시킨 결실부 데이터에서 문양의 전개가 어색한 부분을 정리하고 결실되어 없는 부분은 스케치하여 모델링하였다.
- 이미 상용화되어 있는 개인용 또는 상업용 3D 출력 재료들 중에서 6가지 출력재질을 선정하여 가로6cm×세로3.5cm×두께0.6cm 크기의 시편을 제작하였으며, 기존재료와의 물성 비교를 위해 도자기 복원에 많이 쓰이는 에폭시퍼티 Quick Wood®와 에폭시 Araldite AY103+HY956® 2가지 시편을 추가 제작하였다.
- 3D 프린터를 예열시킨 후 프린팅을 시작하거나 도중에 멈추고 다시 시작하는 등의 구동을 할 수 있고 다소 오차가 있지만 어느 부분을 그려내고 있는지 어느 정도의 원료가 투입되었는지 등의 프린터의 상태를 실시간으로 확인할 수 있다. 이와 같이 호스트웨어가 전달하는 G-Code 정보를 3D 프린터에 내장된 구동 펌웨어가 반응하여 재료를 쌓거나 굳히는 등의 방법으로 잘게 나누어진 얇은 단면들을 적층 출력한다. 완성된 출력물은 여러 가지 3D 프린팅 방식에 따라 다른 재료로 만들어진 서포터를 제거하거나 표면을 덮고 있는 분말을 털어내기도 하고 출력물을 단단하게 굳히는 등의 후처리를 한다 [2].
- 접합단면들 사이의 틈을 메운 광경화성 수지와 출력물의 높이를 맞추어 평활하게 다듬고 아크릴물감으로 백자수주의 유색과 유사한 색이 되도록 바탕색을 칠하였다. 아크릴물감은 일정 경화시간이 지나면 약간 짙어지는 경향이 있으므로 충분한 시간이 경과한 후 색감을 보고 바탕색에서 부족하다고 여겨지는 색을 적층하여 색감을 조절하였다 [8].
- 아크릴물감은 일정 경화시간이 지나면 약간 짙어지는 경향이 있으므로 충분한 시간이 경과한 후 색감을 보고 바탕색에서 부족하다고 여겨지는 색을 적층하여 색감을 조절하였다 [8]. 채색 층이 경화된 후 Gloss Vanish를 붓으로 칠하여 표면광택을 회복함으로서 보존처리 전 과정을 마쳤다.
- 출력물의 돌출된 부분은 깎아내고 순간접착제(Loctite401®)를 사용하여 수주의 몸체와 접합하였다.
대상 데이터
- X-선 투과 조사를 통해 투각된 문양부분의 내부형태와 위치를 확인하였으며 촬영조건은 60kV, 3mA, 2min이다. 백자수주의 투각부분은 이중기(二重器)의 외기와 같은 구조이지만 문양부분은 다른 틀에서 압형하여 제작한 조각을 가져와 붙여 좌·우가 비대칭인 것으로 판단된다.
- 준비된 모델링소스를 프린팅하기 위해서는 모델데이터를 G-Code로 변환시켜 여기에 포함된 조형 명령을 프린터에 전달하여야 한다. 백자수주의 출력재료는 본 논문에서 밝힌 재료실험 결과를 참고하여 UV-아크릴화합물(VeroWhitePlus RGD835)을 선정하였고 프린터는 Objet Eden 500(Stratasys 社, U.S.A.)을 사용하였다.
- 본 논문에서는 이미 상용화되어 있는 개인용 또는 상업용 3D 출력 재료들 중에서 아래 6가지를 복원재질로 선정하였고, 이 재질들의 상태에 따른 출력방식과 출력특성들을 간단히 살펴보면 아래와 같다[3-5].
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1. 3D 스캐닝
스캐너는 비접촉식 백색광방식의 stereoSCAN3D 스캐너(Breeuckmann, Germany)를 사용하였다
. 이 스캐너는 광원으로 LED를 쓰며 두 개의 카메라를 이용하여 세 가지 각도(10˚, 20˚, 30˚)의 데이터를 동시에 취득한다. - 시편은 6종의 출력재질을 한 변의 길이가 1cm인 정육면체 형태로 준비하였다. 추가로 에폭시퍼티 Quick Wood®와 에폭시 Araldite AY103+HY956® 시편은 제작하였다.
- 스캐너(Breeuckmann, Germany)를 사용하였다. 이 스캐너는 광원으로 LED를 쓰며 두 개의 카메라를 이용하여 세 가지 각도(10˚, 20˚, 30˚)의 데이터를 동시에 취득한다. 해상도는 3,000×2,208 pixel 이며 측정 영역을 1초 이내에 측정할 수 있는 초고속 스캐너이다.
- 추가로 에폭시퍼티 Quick Wood®와 에폭시 Araldite AY103+HY956® 시편은 제작하였다.
데이터처리
- 1mm으로 두 가지 유형으로 나뉘어 작은 시료에서 큰 시료까지 광범위하게 측정이 가능하며 테스트 범위는 0〜100Hs이다. 경도측정은 각각 시편의 5지점을 기준으로 측정하였으며 최고값과 최저값을 제외한 3가지 결과값의 평균을 산출하였다 [6].
성능/효과
- 스캔하여 얻은 점군데이터를 정렬・병합・수정한 폴리곤 메시 상태에서 백자수주의 수구를 중심으로 오른쪽 실물부분을 복제하여 왼쪽 결실부가 있던 공간에 위치시켰다. 그 결과 복제된 문양의 곡면이 백자수주의 몸체와 일치하지 않고 들떠있었으며, 몸체와 복제된 문양의 이음새가 맞지 않아 문양전개가 자연스럽지 않았다. 또한 원래 문양이 없어 복사되지 못하고 데이터가 비어있는 부분이 있었다.
- 넷째, 디지털 기술을 이용한 복원은 비접촉식 복원이므로 수작업 시 문화재에 직접 가해지는 접촉식 복원의 폐해를 최소화 시킬 수 있다.
- 둘째, 모델링 데이터는 컴퓨터 화상에서 반복적으로 수정 가능하므로 보존처리를 위한 시간과 노력의 절감효과가 크다. 수작업의 경우라면 정밀도를 향상시키기 위한 정형과정에 소비되는 시간이 매우 길고 특히 반복적인 수정이 계속된다면 유물에 가해지는 충격이 크다.
- 조사 결과 복원제는 아주 얇은 상층과 미세 입자로 구성된 중간층 및 불균질한 입자들이 집합체를 이루는 하층으로 구성되어 있다. 성분분석 결과 상층은 밝게 반사되는 층으로 두께가 약 1㎛인 금분임을 확인하였다.
- 셋째, 아크릴 화합물(VeroWhitePlus RGD835/Stratasys 社, U.S.A.)은 Polyjet 방식으로 출력하는데 이것은 광경화 방식과 잉크젯 방식의 혼합형으로 프린터 헤드에 있는 수백 개의 미세노즐에서 재료를 분사함과 동시에 자외선으로 경화시켜 조형한다. 굉장히 얇은 층으로 조형되기 때문에 출력물의 완성도가 아주 높고, 서포트 재료를 워터젯 기술로 녹여서 제거하는 부분이 특징이다.
- 첫째, 백자수주의 전체 형태뿐만 아니라 육안으로 잘 볼 수 없었던 세부문양과 내부형태를 정밀하게 측정하여 출력된 복원형의 정확도를 높였다. 만일 수작업으로 복원하였다면 내부형태를 가늠 할 수 없으므로 주목할 만한 장점이다.
후속연구
- 현재는 디지털기술의 적용이 시험단계에 있어서 번거롭고 해결해야할 과제가 산재하다. 그러나 향후에는 수작업식 보존처리 방법의 단점을 극복하고 새로운 쓰임새를 창출할 수 있는 단초가 될 것으로 확신한다.
- 다섯째, 문화재의 디지털 모델과 출력물이 교육이나 전시, 복제 등을 위한 부차적인 콘텐츠로 활용될 수 있다.
- 그러므로 디지털 기술을 문화재에 도입하는 것은 여러 가지 면에서 타당성이 있다. 비록 본 논문은 도자기 문화재 복원형 프린팅에 국한되어 있지만, 앞으로 문화재분야에 최적화된 소프트웨어를 개발하고 사용 환경을 갖춘다면 각각의 문화재 재질에 따른 특화된 보존처리방법이 발굴되어 광범위하게 사용될 것이다. 현재는 디지털기술의 적용이 시험단계에 있어서 번거롭고 해결해야할 과제가 산재하다.
- 셋째, 이미 산업계에서는 각종 3D 프린터에 최적화된 다양한 출력재료들이 개발 되어 있으므로 이를 취사선택하기 위한 물성연구만 뒷받침된다면 도자기 재질뿐만 아니라 다양한 유·무기질 문화재의 복원에 활용할 수 있다.
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