선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 기존에 수작업을 통해 복원하던 결실부 성형을 3D프린팅으로 출력하기 위해 출력 재료로 사용되고 있는 6종류의 재료에 대하여 물성실험을 수행하였다. 그리고 현재 토기·도자기 문화재 복원현장에서 많이 사용되고 있는 액체 경화형 Epoxy(Araldite AY103+HY956Ⓡ) 와 Epoxy Putty(Quick WoodⓇ)를 3D 프린팅 재료의 물성과 비교 분석하였다.
제안 방법
- 3D 스캐닝은 문화재 디지털 원형을 토대로 결실된 부분을 역설계(Reverse Engineering)하였으며, 스캐너로부터 얻어진 형상 정보를 활용하여 모델링 소스로 추출하였다. 이 모델링 소스는 3D 프린팅 기술로 입체 출력하여 보존처리과정의 한 부분인 결실부 성형을 결실부 출력으로 대신하였다.
- 3D 프린팅 결과물을 이용한 보존처리 과정은 3D스캔 - 스켄데이터 정리 - 결실부 모델링 - 결실부 프린팅 - 표면 채색 순으로 이루어졌다.
- 그리고 현재 토기·도자기 문화재 복원현장에서 많이 사용되고 있는 액체 경화형 Epoxy(Araldite AY103+HY956Ⓡ) 와 Epoxy Putty(Quick WoodⓇ)를 3D 프린팅 재료의 물성과 비교 분석하였다. 3D 프린팅으로 문화재의 결실부를 출력하는 것은 수작업으로 성형하는 것과는 전혀 다른 과정이므로 이에 따른 물성 실험으로 출력재료의 연마도, 마모율과 표면경도, 비중 및 흡수율, 황변성을 측정하였다.
- 4. 완성된 결실부 모델링 데이터를 다시 Rapideform XOR S/W로 불러와 위치시켜보고 원시데이터와 편차검사를 검사한다(H).
- 6종의 복원재질 시편을 한 변의 길이가 1cm인 정육면체로 입체출력하였다. 추가로 에폭시퍼티 Quick WoodⓇ와 에폭시 Araldite AY103+HY956Ⓡ시편은 화학적으로 경화시켜 준비하였다.
- 석고는 무게감이 있으면서 광택이 없고 흡수력이 있는 재질로 토기 느낌을 표현에 유리하다. 결구와 바퀴의 결합 방법은 석고 출력물인 결구를 미리 바퀴 중심부 구멍으로 통과 시킨 후 토기에 접합하였으며(Figure 10), 바퀴의 무게를 고려하여 접합제는 순간접착제(Loctite 401Ⓡ)을 사용하였다.
- 001g 단위까지 측정하였다. 공기중 질량을 측정하고, 23℃에서 증류수보다 가벼운 알콜에 침적시켜서 질량을 측정한 후 알콜비중을 이용하여 계산하였다.
- , 2014). 광경화성 수지와 출력물의 접합면끼리 높이를 맞추어 평활하게 다듬고 아크릴물감으로 청자색과 유사한 색이 되도록 혼합하여 바탕색을 칠하였다.
- 도자기의 접합면은 미세한 경우가 대부분이지만 메움을 하지 않은 채 채색을 하면 접합부가 오히려 도드라져 시야에 거슬리는 경우가 많다. 그러므로 경화속도가 5초 이내이고 모세관 접합이 가능한 광경화성수지를 접합선 위에 붓을 이용하여 바르고 자외선을 조사하여 경화시켰다(Hwang et al., 2014). 광경화성 수지와 출력물의 접합면끼리 높이를 맞추어 평활하게 다듬고 아크릴물감으로 청자색과 유사한 색이 되도록 혼합하여 바탕색을 칠하였다.
- 그리고 현재 토기·도자기 문화재 복원현장에서 많이 사용되고 있는 액체 경화형 Epoxy(Araldite AY103+HY956Ⓡ) 와 Epoxy Putty(Quick WoodⓇ)를 3D 프린팅 재료의 물성과 비교 분석하였다.
- 또한 동일한 시편을 사용하여 건조중량과 24시간 동안 증류수에 침적한 후 중량을 측정하였고 다음과 같은 식에 의해 흡수율을 구하였다.
- 이때, CAD모델 생성은 설계 과정 중에 다양한 설계 특징에 따른 형상 변수를 일일이 입력하는 것이 아니라 역설계용 소프트웨어를 사용하여 3차원 스캔 데이터에서 자동으로 추출한다. 또한 실제 치수와 물리 데이터를 기반으로 하는 CAD모델과 원래 측정 데이터인 점군이나 삼각형 면의 집합으로 형상을 나타내는 폴리곤 데이터와의 편차를 검사한다. 이렇게 완성된 문화재의 디지털 형상을 기반으로 결실부를 다시 설계하면 출력을 위한 3D 모델링 소스가 준비되는 것이다.
- 마모율 측정을 위하여 테이버 마모시험기(COAD.101, 오션과학사)을 사용하였으며, 테스트 조건은 속도70rpm, 압력 1000g, 회전수500회, 마모자 Grinding wheel×2를 기준으로 실험을 하였다.
- 마모전·후의 중량을 측정하고 차이를 백분율로 산출하였다.
- 이 정리한 데이터들의 특징 점을 이용하여 정렬(align)한 후 병합(Merge)하였다. 보통 메쉬데이터의 가장자리 부근에서 메쉬가 중복되거나 손상이 발생하기 쉬우므로 중복된 메쉬를 삭제하고 손상된 부분에는 폴리곤을 추가하였으며, 가장자리 등에 스무딩하여 폴리곤을 부드럽게 수정(Edit)하였다. 즉, 삼각화(Triangulation)하였다(Chang and Chen, 2011).
- 본 논문은 문화재의 디지털 원형을 3D 스캐닝으로 획득한 후 이를 바탕으로 결실부를 설계하여 손상된 부분을 완전한 형태의 디지털 원형으로 구현하였고 역설계한 결실 부를 3D 프린팅하여 수작업으로 이루어지는 복원방법을 대체할 수 있는 출력 재료 및 실물보존처리 적용하였다.
- 부피비중은 비중측정 장치가 장착된 저울(PR503/METTER TOLEDO)을 사용하여 0.001g 단위까지 측정하였다. 공기중 질량을 측정하고, 23℃에서 증류수보다 가벼운 알콜에 침적시켜서 질량을 측정한 후 알콜비중을 이용하여 계산하였다.
- ab 값은 일반적으로 xy 좌표계와 같은 평면좌표계로서 ab 값이 0에 가까울수록 채도가 낮고, 값이 커질수록 채도가 높은 색상이다. 색좌표의 값은 선정된 3 종류의 시료에 대해 자외선 조사 실험 중 0시간, 2시간, 4시간, 6시간, 8 시간, 10시간, 12시간, 24시간, 48시간 , 96시간 종료 후 L*, a*, b*, ⊿E*ab 값을 측정하였다(Figure 2).
- 3D 프린팅을 이용한 복원대상은 삼국시대의 차륜식 토기를 재현하여 만든 것으로 창(窓)이 뚫린 굽다리 위에 U 자형의 원통형이 얹혀져 있으며 좌우에 수레바퀴가 붙어있는 형태를 대상으로 하였다. 실재 문화재를 대상으로 새로운 복원기법을 적용하기에는 어려움이 있기 때문에, 이 토기의 한 쪽 바퀴와 결구를 대상으로 위의 물성실험을 거쳐 선택한 석고를 사용하여 3D프린팅 기술을 복원에 적용하였다. 석고는 경화 후 토기의 질감과 유사할 뿐만 아니라 채색이 잘되고 황변도가 낮아 복원 재질로 선택하였다.
- 아크릴물감은 일정 경화시간이 지나면 약간 짙어지는 경향이 있으므로 충분한 시간이 경과한 후 색감을 보고 바탕색에서 부족하다고 여겨지는 색을 적층하여 색감을 조절하였다. 적층은 여러 번 행하였고 너무 여러 가지 색을 무분별하게 혼합하여 색이 탁해지지 않도록 하였으며, 채색층이 경화된 후 Gloss Vanish를 에어브러쉬브로 분사하여 표면광택을 회복함으로서 보존처리 전 과정을 마쳤다.
- 6cm 크기의 원통형 시편을 3D 프린터로 출력하였다. 여기에 추가로 토기재질 복원에 많이 쓰이는 에폭시퍼티 Quick WoodⓇ와 자기류 복원처리에 많이 쓰이는 에폭시 Araldite AY103+HY956Ⓡ2가지 시편을 화학적으로 경화시켜 준비하고 물성을 비교하였다(Wi et ai., 2014).
- 3D 스캐닝은 문화재 디지털 원형을 토대로 결실된 부분을 역설계(Reverse Engineering)하였으며, 스캐너로부터 얻어진 형상 정보를 활용하여 모델링 소스로 추출하였다. 이 모델링 소스는 3D 프린팅 기술로 입체 출력하여 보존처리과정의 한 부분인 결실부 성형을 결실부 출력으로 대신하였다.
- 출력재료는 현재 3D 프린팅재료로 상용화된 것 중에서 물성실험을 통해 도자기 재질을 유사하게 표현할 수 있는 재료를 선택하였다. 이들 재료는 형태 유지성, 성형 가능성을 확인하기 위해 표면경도, 마모율, 황변성 측정을 실시하였다.
- 6cm)을 준비하였다. 자외선조사기(CC-80/ Spectroline, Japan)를 사용하여 150시간 동안 조사한 후 분광측색계기(CM-2600d, Minolta, Japan)로 색차를 측정하였다. 이 기기는 국제조명위원회의 규격에 규정되어 있는 특성과 등가인 광원을 내장하고 있어 동일한 조건(CIE standard illuminant D65)로 측정할 수 있다.
- 아크릴물감은 일정 경화시간이 지나면 약간 짙어지는 경향이 있으므로 충분한 시간이 경과한 후 색감을 보고 바탕색에서 부족하다고 여겨지는 색을 적층하여 색감을 조절하였다. 적층은 여러 번 행하였고 너무 여러 가지 색을 무분별하게 혼합하여 색이 탁해지지 않도록 하였으며, 채색층이 경화된 후 Gloss Vanish를 에어브러쉬브로 분사하여 표면광택을 회복함으로서 보존처리 전 과정을 마쳤다.
- 복원대상은 고려청자의 대표적인 명품가운데 하나인 청자투각칠보무늬 향로의 재현품으로 받침과 몸통, 뚜껑을 조합하여 하나로 만들었다. 제작은 음각, 양각, 투각, 퇴화 등 다양한 기법이 조화롭게 적용된 재현품으로 3D프린터 출력물 적용성 연구에 매우 타당하다고 판단되었으므로 이를 인위적으로 파손시켜 3D스캔-3D프린팅-복원과정을 통하여 보존처리하였다.
- UV-아크릴화합물로 출력한 결실부의 표면은 정밀하여서 표면 정리를 거의 하지 않아도 될 정도였지만, 두께나 파손 단면의 세부가 미세하게 차이가 났으므로 출력물을 결실부에 끼워 넣을 때는 약간의 정형이 필요하였다. 출력물의 돌출된 부분은 깍아내고 순간접착제(Loctite401Ⓡ)를 사용하여 향로의 몸체와 접합하였다. 이때 접합면의 틈은 광경화성수지(SECURE CP-7321Ⓡ)로 메움하였다.
- 출력재료의 황변성은 자외선 조사기에 열화시간에 따른 변화값을 CIE L*a*b*표색계 시스템으로 측정하였다. 열화 전과 96시간 열화 후의 ⊿E*ab 변화값을 측정하였으며 결과 값을 Table 5와 Figure 5에 나타내었다.
- 파손된 청자칠보무늬향로 편들을 가접합하고 3D스캔한 후 여러 방향에서 스캐닝한 데이터를 정렬, 병합, 수정 작업을 거쳐 정리하였다(Figure 11).
- 이 스캐너는 비대칭인 두 개의 카메라를 이용하여 세 가지 각도(10도, 20도, 30도)의 데이터를 동시에 취득하였다. 피사체에 격자 형태의 기준 light를 반사시켜 3D정보 값과 객체의 색상을 동시에 스캔하였고 역설계용 소프트웨어(Rapideform XOR)을 사용하여 스캐너를 직접 제어하였다.
대상 데이터
- 3D 프린팅을 이용한 복원대상은 삼국시대의 차륜식 토기를 재현하여 만든 것으로 창(窓)이 뚫린 굽다리 위에 U 자형의 원통형이 얹혀져 있으며 좌우에 수레바퀴가 붙어있는 형태를 대상으로 하였다. 실재 문화재를 대상으로 새로운 복원기법을 적용하기에는 어려움이 있기 때문에, 이 토기의 한 쪽 바퀴와 결구를 대상으로 위의 물성실험을 거쳐 선택한 석고를 사용하여 3D프린팅 기술을 복원에 적용하였다.
- 6종의 출력재료 시편(가로6cm×세로3.5cm×높이0.6cm)을 준비하였다.
- 복원 재료는 UV-아크릴화합물을 선택하였다. 그 이유는 자기의 재질감을 유사하게 표현할 수 있고, 출력한 후에 형태수정을 거의하지 않아도 될 만큼 출력품질이 우수하며 강도 등 물성이 복원에 적합하였기 때문이다.
- 복원대상은 고려청자의 대표적인 명품가운데 하나인 청자투각칠보무늬 향로의 재현품으로 받침과 몸통, 뚜껑을 조합하여 하나로 만들었다. 제작은 음각, 양각, 투각, 퇴화 등 다양한 기법이 조화롭게 적용된 재현품으로 3D프린터 출력물 적용성 연구에 매우 타당하다고 판단되었으므로 이를 인위적으로 파손시켜 3D스캔-3D프린팅-복원과정을 통하여 보존처리하였다.
- 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(Dept. of editorial IRS Global, 2015).
- 실재 문화재를 대상으로 새로운 복원기법을 적용하기에는 어려움이 있기 때문에, 이 토기의 한 쪽 바퀴와 결구를 대상으로 위의 물성실험을 거쳐 선택한 석고를 사용하여 3D프린팅 기술을 복원에 적용하였다. 석고는 경화 후 토기의 질감과 유사할 뿐만 아니라 채색이 잘되고 황변도가 낮아 복원 재질로 선택하였다.
- 스캐너(Breeuckmann, Germany)를 사용하여 측정하였다 (Figure 3참고). 이 스캐너는 비대칭인 두 개의 카메라를 이용하여 세 가지 각도(10도, 20도, 30도)의 데이터를 동시에 취득하였다. 피사체에 격자 형태의 기준 light를 반사시켜 3D정보 값과 객체의 색상을 동시에 스캔하였고 역설계용 소프트웨어(Rapideform XOR)을 사용하여 스캐너를 직접 제어하였다.
- 출력재료는 현재 3D 프린팅재료로 상용화된 것 중에서 물성실험을 통해 도자기 재질을 유사하게 표현할 수 있는 재료를 선택하였다. 이들 재료는 형태 유지성, 성형 가능성을 확인하기 위해 표면경도, 마모율, 황변성 측정을 실시하였다.
이론/모형
- 3D스캔 방법은 비접촉식으로 백색광방식인 smartSCAN3D스캐너(Breeuckmann, Germany)를 사용하여 측정하였다 (Figure 3참고). 이 스캐너는 비대칭인 두 개의 카메라를 이용하여 세 가지 각도(10도, 20도, 30도)의 데이터를 동시에 취득하였다.
성능/효과
- 3D 프린터용 출력재료를 도자기 복원재료로 차용하기위한 물성실험에서 폴리유산, UV-아크릴화합물, 합성목재, 석고는 안정적인 물성을 나타냈고, 에폭시계통과 UV-우레탄·아크릴화합물은 황변성이 높은 것을 확인할 수 있었다.
- 측정 결과 시간이 경과함에 따라 폴리유산을 제외한 모든 재료에서 채도(chroma) 값이 증가하여 색조가 밝아지는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 UV-A(아크릴화합물), WD(합성목재), P(석고)등 3종은 변화량을 감지 할 정도로 미약하여도 자기 복원재료로 적용 시 큰문제가 없는 것을 확인할 수 있었다. 이와는 달리 폴리유산(-0.
- 그러나 기존 재료인 Araldite AY103+HY956Ⓡ(0.27%) 과 Quick WoodⓇ(1.02%)와 비교하면 0.02∼0.77% 낮아 6종 모두 비교적 단단한 것으로 확인되었다.
- 흡수율은 채색시 안료의 흡수율과 상관관계 있어 흡수율이 높은 합성목재와 석고는 아크릴 물감을 칠할 때 채색층을 수월하게 올릴 수 있을 것으로 판단된다. 또한 기존 재료인 Araldite AY103+HY956Ⓡ(0.423%), Quick WoodⓇ(0.835%)도 4종의 출력 재료와 유사한 것으로 확인되었다.
- 물성실험은 기존 수작업용 많이 사용되고 있는 복원처리재료인 Araldite AY103+ HY956Ⓡ과 Quick WoodⓇ를 기준으로 비교하여 표면경도는 70Hs을 기준하여 ±10정도 범위에 있고, 연마율은 약 0.02∼0.77% 정도 적게 연마되어 기본재료보다 단단한 것을 확인할 수 있었으나 전체적으로 큰 차이가 없어 성형 후 절삭력에서는 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 석고(1.62), UV-에폭시(1.21), UV-아크릴화합물(1.19), UV-우레탄·아크릴화합물(1.18), 폴리유산(1.08), 합성목재(0.97) 순으로 측정되었는데, 합성목재를 제외한 5종의 출력 재료는 비중이 1보다 큰 물질로 물에 가라앉는 성질을 지니고 있으며 합성목재 경우 비중이 1보다 작아 Quick WoodⓇ와 마찬가지로 가볍다는 것을 확인할 수 있었다.
- 석고(83.67Hs)와 UV-아크릴화합물(82Hs)이 서로 유사한 경도로 비교적 단단하며 폴리유산(71.33Hs), UV-에폭시(78.67Hs), UV-우레탄·아크릴화합물(78.33Hs)은 기존재료인 Araldite AY103+HY956Ⓡ(77.33Hs), Quick WoodⓇ(70.33Hs)와 유사한 경도임을 확인할 수 있었다.
- 셋째, 현재 3D 프린팅용으로 개발되어진 출력 재료를 문화재 복원재료로 활용할 수 있는 가능성 매우 높다.
- 실험결과 도자기 결실부의 출력은 지금까지 수작업에 의한 성형과정을 대신하기에 충분함을 알 수 있었다. 3D 프린터용 출력재료를 도자기 복원재료로 차용하기위한 물성실험에서 폴리유산, UV-아크릴화합물, 합성목재, 석고는 안정적인 물성을 나타냈고, 에폭시계통과 UV-우레탄·아크릴화합물은 황변성이 높은 것을 확인할 수 있었다.
- 열화 전과 96시간 열화 후의 ⊿E*ab 변화값을 측정하였으며 결과 값을 Table 5와 Figure 5에 나타내었다. 측정 결과 시간이 경과함에 따라 폴리유산을 제외한 모든 재료에서 채도(chroma) 값이 증가하여 색조가 밝아지는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 UV-A(아크릴화합물), WD(합성목재), P(석고)등 3종은 변화량을 감지 할 정도로 미약하여도 자기 복원재료로 적용 시 큰문제가 없는 것을 확인할 수 있었다.
- 표에서 흡수율 측정 결과 값은 합성목재(7.957%), 석고 (3.203%), UV-우레탄·아크릴화합물(1.945%), UV-아크릴 화합물(0.599%), UV-에폭시(0.495%), 폴리유산(0.446%) 순으로 확인되었다.
- 77% 정도 적게 연마되어 기본재료보다 단단한 것을 확인할 수 있었으나 전체적으로 큰 차이가 없어 성형 후 절삭력에서는 우수한 것을 확인할 수 있었다. 흡수율 측정결과 합성목재와 석고의 흡수율이 높게 나타났다. 그 이유는 Figure 6에서 볼 수 있듯이 출력방식의 특성 때문인데 합성목재는 FDM방식으로 적층할 때 각층을 다른 방향으로 진행하며 쌓고, 석고는 접착제로 각 층을 굳혀가며 쌓는 과정에서 생긴 현상임을 파손 부분에서 확인 할 수 있다.
후속연구
- 3D 프린터용 출력재료를 도자기 복원재료로 차용하기위한 물성실험에서 폴리유산, UV-아크릴화합물, 합성목재, 석고는 안정적인 물성을 나타냈고, 에폭시계통과 UV-우레탄·아크릴화합물은 황변성이 높은 것을 확인할 수 있었다. 그러나 현재 출력재료에 대한 많은 연구가 진행되지 못한 실정에서 차후 도자기와 유사한 재질의 출력재료 연구가 진행된다면 안정적이고 활용도가 높을 것으로 판단된다.
- 넷째, 보존처리 기록물자체가 복제 혹은 3D애니메이션, 교육교제, 가상박물관 등의 2차적인 컨텐츠로 개발되어질 수 있는 장점을 지니고 있어 이러한 연구는 문화재 보존에 많이 활용될 것으로 판단한다.
- 둘째, 재 출력 및 데이터의 수정이 가능하므로 향후에 발생할 수 있는 파손에 대한 재복원을 대비할 수 있다.
- 첫째, 도자기가 가지고 있는 구조, 문양, 내부 등의 특징을 아날로그 방식보다 더 정확하게 측정할 수 있어 자료로서의 가치가 높다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.