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문제 정의
- 그동안 문화재 재질의 열화와 관련된 연구는 주로 온·습도 등 환경적 요소에 따른 자연열화 및 인공열화를 통한 열화원인 규명, 손상양상 평가 등이 진행되었을 뿐 이를 종합하여 비교, 검증한 연구는 미미하였다. 따라서 본 연구에서는 옥외폭로 및 인공열화를 병행하여 재질의 실제 열화상태를 비교 평가하고 이에 따른 색 변화 예측식을 도출하였으며, 이를 통해 특정 지역의 안개 발생일수 변화에 따른 금속재질의 손상 예측 가능성을 확인할 수 있었다. 그러나 안개 발생에 따라 일정한 변화 양상을 보인 금속 재질에 한하여 색 변화 예측식을 도출한 것으로 향후 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구는 안개가 문화재에 미치는 영향을 알아보고자 안개 발생 환경에서 금속류, 화견류, 단청류 재질의 표면 변화를 관찰하였으며, 실제 현장에서의 옥외폭로와 실내 모의실험 결과를 비교함으로써 인공열화를 통한 금속류 표면의 손상 예측 가능성을 확인하였다.
- 이에 본 연구에서는 문화재가 안개에 직·간접적으로 노출될 경우 안개 발생이 재질에 미치는 영향을 알아보고자 문화재를 구성하는 표준 재료를 선정하여 인공열화 및 옥외폭로를 실시하였다.
가설 설정
- 안개 발생 1회(cycle)는 여름철 평균 안개 지속시간(3.9시간)을 바탕으로 ‘안개 발생 및 지속(4시간) – 안개 소산(3시간)’으로 고정하였으며, 모의실험을 통한 안개 발생 1회를 실제 야외 환경에서의 1일로 가정하였다(Table 1, 2).
제안 방법
- 안개 발생에 따른 각 시편의 표면 변화를 관찰하고자 영상현미경(AHBS3, Olympus, Japan)을 사용하여 육안 및 표면관찰을 실시하였으며, 표면의 색 변화를 비교하기 위해 분광측색계(BYK, A-6800, USA)로 색도 측정을 진행하였다. 각 시편의 평가 주기는 옥외폭로의 경우 1년마다 측정하여 총 2년간 열화를 평가하였으며, 실내 모의실험은 안개 발생 10회마다 측정하여, 총 100회 동안 변화양상을 확인하였다.
- 안개 발생 모의실험 장치는 대형 챔버 내에 초음파 분무기와 온풍기를 설치하였으며, 초음파 분무기를 통해 일정 시간 동안 수증기를 공급하고 이후 온풍기를 작동시켜 안개를 소산시키는 과정을 반복하였다(Figure 2). 모의실험의 환경 조건은 신륵사 주변 기상환경과 유사하도록 제작하였다. 실제 신륵사 주변의 환경 데이터를 활용하여 안개 발생 일수를 비교한 결과, 안개는 여름철에 가장 많이 발생한 것으로 확인됨에 따라 신륵사 지역의 여름철 환경(온도 23±2℃, 상대습도 93±2%) 범위로 설정하였다(Jeong et al.
- 실내 모의실험을 통해 색 변화 경향성이 관찰된 금속 시편을 대상으로 안개 발생빈도에 따른 색 변화 예측식을 작성하였다. SPSS 통계 프로그램을 사용하여 회귀분석을 실시한 결과, 금속 시편의 색 변화 예측식은 다음과 같이 확인되었다(Figure 5).
- 실내 모의실험을 통해 안개 발생 10회마다 측정한 표준시편의 색도값을 바탕으로 안개 발생일수에 따른 재질의 표면 색 변화 예측식을 작성하였다. 표준시편 중 색 변화 경향성이 확인된 재질을 선정하였으며, 통계 프로그램 (SPSS, IBM)을 사용하여 로그-곡선추정 회귀분석을 실시하였다.
- 실제 안개 발생에 의한 시편의 열화정도를 평가하기 위해 신륵사 내 수계(水界) 근처에서 옥외폭로를 실시하였다. 표준 시편은 백엽상 내부에 설치하여 안개 이외의 다른 환경 요인에 의한 영향을 최소화하였다(Figure 1).
- 옥외폭로와의 비교를 위한 실내 모의실험은 안개 발생 장치를 제작하여 표준시편의 인공열화를 실시하였다. 안개 발생 모의실험 장치는 대형 챔버 내에 초음파 분무기와 온풍기를 설치하였으며, 초음파 분무기를 통해 일정 시간 동안 수증기를 공급하고 이후 온풍기를 작동시켜 안개를 소산시키는 과정을 반복하였다(Figure 2). 모의실험의 환경 조건은 신륵사 주변 기상환경과 유사하도록 제작하였다.
- 안개 발생에 따른 각 시편의 표면 변화를 관찰하고자 영상현미경(AHBS3, Olympus, Japan)을 사용하여 육안 및 표면관찰을 실시하였으며, 표면의 색 변화를 비교하기 위해 분광측색계(BYK, A-6800, USA)로 색도 측정을 진행하였다. 각 시편의 평가 주기는 옥외폭로의 경우 1년마다 측정하여 총 2년간 열화를 평가하였으며, 실내 모의실험은 안개 발생 10회마다 측정하여, 총 100회 동안 변화양상을 확인하였다.
- 안개 발생에 따른 표면 관찰 결과를 바탕으로 표면 변화에 따른 색 변화 예측식을 수립하였다. 표준시편 중 금속류를 제외한 다른 시편에서는 일정한 경향성이 확인되지 않음에 따라 뚜렷한 변화가 관찰된 철과 구리 금속 시편만을 대상으로 색 변화 예측식을 작성하였다.
- 이에 본 연구에서는 문화재가 안개에 직·간접적으로 노출될 경우 안개 발생이 재질에 미치는 영향을 알아보고자 문화재를 구성하는 표준 재료를 선정하여 인공열화 및 옥외폭로를 실시하였다. 안개에 의한 재질의 표면 변화를 평가하였으며, 이를 바탕으로 안개 발생 빈도에 따른 재질의 색 변화 예측식을 작성하였다. 예측식을 통해 도출한 예측 값과 실제 옥외폭로 결과를 비교함으로써 실제 안개 발생에 따른 재질의 색 변화를 예측하였으며, 표면 변화를 통한 재질의 열화 예측 가능성을 확인하였다.
- 옥외폭로와의 비교를 위한 실내 모의실험은 안개 발생 장치를 제작하여 표준시편의 인공열화를 실시하였다. 안개 발생 모의실험 장치는 대형 챔버 내에 초음파 분무기와 온풍기를 설치하였으며, 초음파 분무기를 통해 일정 시간 동안 수증기를 공급하고 이후 온풍기를 작동시켜 안개를 소산시키는 과정을 반복하였다(Figure 2).
- 표준시편 중 금속류를 제외한 다른 시편에서는 일정한 경향성이 확인되지 않음에 따라 뚜렷한 변화가 관찰된 철과 구리 금속 시편만을 대상으로 색 변화 예측식을 작성하였다. 인공 열화에 따른 색차 결과를 바탕으로 색 변화 예측식을 도출하였으며, 이를 통해 안개 발생일수에 따른 표면의 색 변화 정도를 예측하였다. 실제 옥외폭로 기간 동안 발생한 안개 발생일수를 예측식에 대입한 결과, 야외에서 열화된 시편의 색차값과 예측식을 통한 예측값은 약 1~5 정도 차이가 발생하였으며 상대적으로 유사한 결과로 확인되었다.
대상 데이터
- 표준 시편은 백엽상 내부에 설치하여 안개 이외의 다른 환경 요인에 의한 영향을 최소화하였다(Figure 1). 2012년 9월부터 2014년 9월까지 약 2년간 옥외폭로를 진행하였으며, 옥외폭로 기간 동안 온습도, 현천 자료는 선행 연구 자료를 참고하였다(Jeong et al., 2016). 옥외에 폭로한 표준시편은 1년마다 변화를 평가하였다.
- 여주 신륵사는 남한강에서 약 100 m 거리에 위치하며, 목조문화재 및 석조문화재를 다수 보유하고 있다. 강변과 인접하여 평소 안개 발생이 잦은 지역으로 최근에는 지형변화로 인해 안개 발생 증가가 우려되고 있어 본 연구의 대상지로 선정하였다(Jeong et al., 2016).
- 9시간)을 바탕으로 ‘안개 발생 및 지속(4시간) – 안개 소산(3시간)’으로 고정하였으며, 모의실험을 통한 안개 발생 1회를 실제 야외 환경에서의 1일로 가정하였다(Table 1, 2). 안개 발생 모의실험은 총 100회 실시하였으며, 실내 모의실험 시편은 옥외폭로 시편과 동일하게 적용하였다.
- 옥외폭로 대상지로 남한강 인근에 위치한 여주 신륵사를 선정하였다. 여주 신륵사는 남한강에서 약 100 m 거리에 위치하며, 목조문화재 및 석조문화재를 다수 보유하고 있다.
- 표준시편으로는 금속류(구리, 철), 화견류(석록, 주사 및 연지), 단청류(석간주, 황토)를 각 2종씩 선정하였다. 금속 시편의 경우 순수한 구리와 철 시편의 표면을 고르게 연마한 뒤 아세톤에 세척하여 사용하였다.
- 금속 시편의 경우 순수한 구리와 철 시편의 표면을 고르게 연마한 뒤 아세톤에 세척하여 사용하였다. 화견은 아교를 사용하여 광물성 및 식물성 안료를 견에 채색한 염색견을 사용하였으며, 단청류는 육송 판재에 공업용 접착제와 혼합하여 채색하였다. 시편은 모두 동일한 크기(3 cm × 3 cm)로 제작하여 실험을 진행하였다.
데이터처리
- 색 변화 예측식의 보다 정확한 평가를 위해 현장에서 옥외폭로한 시편의 색 변화와 예측식을 통한 예측값 사이의 교차검증을 실시하였다. 실제 안개 발생일수는 옥외폭로 기간 동안 급격한 열화속도를 보인 열화 1차년도의 안개 발생일수를 적용하였으며, 앞선 조사 결과 약 168일로 확인되었다(Table 1).
- 표준시편 중 색 변화 경향성이 확인된 재질을 선정하였으며, 통계 프로그램 (SPSS, IBM)을 사용하여 로그-곡선추정 회귀분석을 실시하였다. 정립된 색 변화 예측식을 통해 안개 발생 빈도에 따른 색 변화 예측값을 도출하였으며, 현장에서 옥외폭로를 실시한 시편의 결과와 비교 분석하여 예측식의 교차 검증을 진행하였다.
- 실내 모의실험을 통해 안개 발생 10회마다 측정한 표준시편의 색도값을 바탕으로 안개 발생일수에 따른 재질의 표면 색 변화 예측식을 작성하였다. 표준시편 중 색 변화 경향성이 확인된 재질을 선정하였으며, 통계 프로그램 (SPSS, IBM)을 사용하여 로그-곡선추정 회귀분석을 실시하였다. 정립된 색 변화 예측식을 통해 안개 발생 빈도에 따른 색 변화 예측값을 도출하였으며, 현장에서 옥외폭로를 실시한 시편의 결과와 비교 분석하여 예측식의 교차 검증을 진행하였다.
성능/효과
- 구리는 옥외폭로의 경우 표면에 반점 형태의 부식이 발생하였으며, 열화 기간이 증가될수록 표면이 어둡게 나타났다. 인공열화의 경우 60회부터 육안상 부식이 관찰되었으며, 점차 부식 형태가 넓어지는 모습이 확인되었다.
- 재질별 표면 관찰 결과, 옥외폭로에서 더욱 극심한 열화가 발생하였으나 전반적으로 실제 환경에서의 자연열화와 안개 발생 모의실험 장치를 통한 인공열화 결과는 유사한 것으로 나타났다. 금속 시편은 안개 발생이 지속되면서 전체적으로 표면 부식이 발생하였으나 금속의 종류에 따라 발생하는 부식물의 형태가 다른 것을 확인하였다. 화견의 경우 안개가 발생함에 따라 표면이 오염되거나 안료가 박락되는 모습을 보였으며, 특히 광물성 안료를 사용한 석록에 비하여 식물성 안료를 사용한 연지 시편에서 표면 오염이 심하였다.
- SPSS 통계 프로그램을 사용하여 회귀분석을 실시한 결과, 금속 시편의 색 변화 예측식은 다음과 같이 확인되었다(Figure 5). 도출된 예측식과 금속 시편의 실제 색 변화 양상은 전반적으로 유사한 모습을 보이며, 상대적으로 철보다 구리에서 예측식의 신뢰도가 더 높은 것으로 확인된다.
- 23으로 다소 차이가 발생하였다. 반면 구리는 예측값 31.09, 자연열화 색차값은 32.14로 예측값이 유사 범위 내에서 확인됨에 따라 실제 열화값과 예측값 간 차이는 도출된 예측식의 신뢰도에 비례하는 것으로 나타났다(Table 6).
- 색차 측정 결과, 금속 시편의 경우 안개 발생일수가 증가할수록 표면 부식에 따른 색차가 지속적으로 증가한 반면 화견 시편은 뚜렷한 경향성을 확인할 수 없었다. 이는 안료의 박락, 미생물 생장 등으로 인해 표면에 불균일한 변화가 발생하여 색차의 변동이 큰 것으로 추정된다.
- 색 변화 예측식의 보다 정확한 평가를 위해 현장에서 옥외폭로한 시편의 색 변화와 예측식을 통한 예측값 사이의 교차검증을 실시하였다. 실제 안개 발생일수는 옥외폭로 기간 동안 급격한 열화속도를 보인 열화 1차년도의 안개 발생일수를 적용하였으며, 앞선 조사 결과 약 168일로 확인되었다(Table 1).
- 인공 열화에 따른 색차 결과를 바탕으로 색 변화 예측식을 도출하였으며, 이를 통해 안개 발생일수에 따른 표면의 색 변화 정도를 예측하였다. 실제 옥외폭로 기간 동안 발생한 안개 발생일수를 예측식에 대입한 결과, 야외에서 열화된 시편의 색차값과 예측식을 통한 예측값은 약 1~5 정도 차이가 발생하였으며 상대적으로 유사한 결과로 확인되었다. 특히 철에 비하여 구리의 예측식은 높은 신뢰도를 보였는데 이는 앞선 표면 관찰 결과에서 나타나듯이 시편 본래의 색상과 대비되는 적갈색 부식물이 형성된 철과 다르게 구리는 기존의 색상에서 점차 어두워지면서 열화가 진행되어 상대적으로 정확성이 높게 나타난 것으로 생각된다.
- 안개 발생빈도에 따른 각 재질별 색도 변화 결과, 금속 시편에서 뚜렷한 변화가 확인되었다. 철은 안개 발생 30회부터 감지할 수준(△E =3.
- 안개에 의한 재질의 표면 변화를 평가하였으며, 이를 바탕으로 안개 발생 빈도에 따른 재질의 색 변화 예측식을 작성하였다. 예측식을 통해 도출한 예측 값과 실제 옥외폭로 결과를 비교함으로써 실제 안개 발생에 따른 재질의 색 변화를 예측하였으며, 표면 변화를 통한 재질의 열화 예측 가능성을 확인하였다.
- 석록의 경우 주사 및 연지에 비하여 박락되는 정도가 적은 것으로 보아 상대적으로 안개 발생 환경에 안정한 것으로 보인다. 인공열화를 실시한 연지의 경우 안개 발생 40회부터 표면에서 오염물이 관찰되었으며 60회 이후로는 표면에 미생물이 발생함을 확인하였다(Table 4).
- 재질별 표면 관찰 결과, 옥외폭로에서 더욱 극심한 열화가 발생하였으나 전반적으로 실제 환경에서의 자연열화와 안개 발생 모의실험 장치를 통한 인공열화 결과는 유사한 것으로 나타났다. 금속 시편은 안개 발생이 지속되면서 전체적으로 표면 부식이 발생하였으나 금속의 종류에 따라 발생하는 부식물의 형태가 다른 것을 확인하였다.
- 안개 발생빈도에 따른 각 재질별 색도 변화 결과, 금속 시편에서 뚜렷한 변화가 확인되었다. 철은 안개 발생 30회부터 감지할 수준(△E =3.0~)의 색변화가 확인되었으며, 안개 발생빈도가 증가할수록 색차는 지속적으로 증가하였다. 그러나 색차 그래프의 기울기는 감소하는 것으로 보아 색 변화량은 점차 줄어드는 것으로 판단된다(Figure 4A).
- 실제 옥외폭로 기간 동안 발생한 안개 발생일수를 예측식에 대입한 결과, 야외에서 열화된 시편의 색차값과 예측식을 통한 예측값은 약 1~5 정도 차이가 발생하였으며 상대적으로 유사한 결과로 확인되었다. 특히 철에 비하여 구리의 예측식은 높은 신뢰도를 보였는데 이는 앞선 표면 관찰 결과에서 나타나듯이 시편 본래의 색상과 대비되는 적갈색 부식물이 형성된 철과 다르게 구리는 기존의 색상에서 점차 어두워지면서 열화가 진행되어 상대적으로 정확성이 높게 나타난 것으로 생각된다.
- 단청 시편은 열화 조건에 관계없이 큰 변화 없는 것으로 나타났다. 현장열화의 경우 표면에 이물질이 증가할 뿐 특이적인 변화는 관찰되지 않았으며, 인공열화 시편 역시 안개 발생 증가에 따른 변화는 확인되지 않았다(Table 5).
- 현장의 옥외폭로 및 실내 모의실험에 따른 시편의 표면 변화 관찰 결과, 금속 시편은 시간이 경과함에 따라 부식정도가 증가하였다. 인공열화의 경우 안개 발생 20회까지는 눈에 띄는 변화가 없으나 60회부터 부분적으로 표면의 부식이 관찰되었다.
- 특히 금속 시편의 경우 색차 15이상으로 변색이 심하였으며, 구리의경우 색차 30이상으로 가장 큰 변화를 보였다. 화견은 색차 12이상으로 확연한 차이가 발생하였으며 단청의 경우 황토는 색차 6이상으로 변색이 확인되었으나 석간주는 상대적으로 큰 변화 없는 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서 본 연구에서는 옥외폭로 및 인공열화를 병행하여 재질의 실제 열화상태를 비교 평가하고 이에 따른 색 변화 예측식을 도출하였으며, 이를 통해 특정 지역의 안개 발생일수 변화에 따른 금속재질의 손상 예측 가능성을 확인할 수 있었다. 그러나 안개 발생에 따라 일정한 변화 양상을 보인 금속 재질에 한하여 색 변화 예측식을 도출한 것으로 향후 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다. 특히 재질 및 열화요인, 평가 방법 등을 다양하게 적용하여 보다 종합적인 손상 예측 연구를 수행한다면 실제 현장의 보존 환경변화에 따른 문화재의 손상도 예측이 가능할 것으로 기대된다.
- 특히 대기 오염물질이 안개 입자에 유입되거나 안개 물방울과 반응을 일으켜 다른 특성을 지닌 안개가 발생함에 따라(Cho, 2007) 실제 옥외 폭로 시편과 인공열화 시편 사이에 차이가 발생한 것으로 보인다. 더욱이 본 연구에서의 인공열화실험은 안개가 발생하는 수분환경만을 고려하여 진행된 것으로 향후 보다 복합적인 안개 발생 환경을 제공한다면 재질의 표면 변화 양상은 더욱 유사하게 발생하여 예측식의 정확도 역시 높아질 것으로 사료된다.
- 그러나 안개 발생에 따라 일정한 변화 양상을 보인 금속 재질에 한하여 색 변화 예측식을 도출한 것으로 향후 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다. 특히 재질 및 열화요인, 평가 방법 등을 다양하게 적용하여 보다 종합적인 손상 예측 연구를 수행한다면 실제 현장의 보존 환경변화에 따른 문화재의 손상도 예측이 가능할 것으로 기대된다.
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