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문제 정의
- 그 중에 표면 오염물로 인한 풍화훼손도가 높아 이를 제거하기 위한 적절한 해결책이 필요한 실정이었다. 이 논문에서는 경주 불국사 삼층석탑의 해체 수리 과정에서 진행한 무기오염물과 보수물질의 재질 특성에 관해 살펴보고자 한다. 이 연구가 석조문화재의 과학적 보존 연구를 위한 귀중한 자료로 활용될 수 있기를 기대하는 바이다.
- 이 연구는 여러 가지 요인에 의한 풍화훼손 중에서 부재의 무기질 표면 오염물과 보수물질 분석을 중심으로 진행하였다. 탑신부와 기단부를 중심으로 관찰되는 황색, 적갈 색, 흑색 계열의 오염물과 이전 보수 과정에서 사용된 보수 물질에 대한 재질 분석을 실시하였다.
- 이 연구를 통해 경주 불국사 삼층석탑의 표면에서 관찰되는 무기오염물과 보수물질의 형성 원인과 재질 특성을 확인하였다. 그 분석 결과를 바탕으로 보존처리 방안의 기초 자료로 활용하여 보존처리의 효율성을 높일 수 있었다.
제안 방법
- 탑신부와 기단부를 중심으로 관찰되는 황색, 적갈 색, 흑색 계열의 오염물과 이전 보수 과정에서 사용된 보수 물질에 대한 재질 분석을 실시하였다.
- 석탑 부재의 표면 오염물을 대상으로 표면 조직 분석, 화학 성분 분석 등과 같은 정성·정량 분석을 실시하여 풍화훼손 상태와 위험 가능성을 확인하였다.
- 경주 불국사 삼층석탑의 풍화훼손 조사를 통해 보존 상태와 풍화훼손 정도를 분별하였으며, 석탑에서 관찰되는 대표적인 풍화훼손 요인을 대상으로 범례를 설정하였다. 균열, 절단, 이격 등을 포함하는 물리적 요인, 표면에 서식하는 생물군에 의한 생물학적 요인, 표면 풍화로 인해 생성된 다양한 변색과 같은 화학적 요인 등을 바탕으로 풍화훼손 지도를 작성하였다(Figure 2). 석탑의 면적 대비 훼손 요인들의 분포 양상을 살펴보면 대체로 중첩된 양상을 보이고 있다.
- 탑신부에서는 북측 3층 옥개석, 남측 2층 탑신, 서측 1층 탑신의 황색 오염물, 동측 2층 탑신의 적갈색 오염물, 동측 2층 옥개석, 서측 2층 탑신의 보수 물질을 대상으로 시료를 채취하였다(Figure 1B, 1C). 이와 함께 기단부의 남동측 상층기단 갑석, 북서측 상층기단 갑석, 북서측 하층기단 갑석, 서측 중앙 지대석의 보수 물질과 북동측 및 북서측 적심 평석 모서리의 흑색 오염물을 확인하기 위해 미량의 시료를 수습하여 분석을 수행하였다(Figure 1D, 1E). 또한 시료의 함량이 충분하지 않은 서측 1층 탑신, 남측 2층 탑신, 동측 2층 옥개석을 제외하고 이온크로마토그래피(IC)를 이용하여 음이온 분석을 실시하였다.
- 이와 함께 기단부의 남동측 상층기단 갑석, 북서측 상층기단 갑석, 북서측 하층기단 갑석, 서측 중앙 지대석의 보수 물질과 북동측 및 북서측 적심 평석 모서리의 흑색 오염물을 확인하기 위해 미량의 시료를 수습하여 분석을 수행하였다(Figure 1D, 1E). 또한 시료의 함량이 충분하지 않은 서측 1층 탑신, 남측 2층 탑신, 동측 2층 옥개석을 제외하고 이온크로마토그래피(IC)를 이용하여 음이온 분석을 실시하였다.
- 석탑 부재의 표면 오염물을 대상으로 표면 조직 분석, 화학 성분 분석 등과 같은 정성·정량 분석을 실시하여 풍화훼손 상태와 위험 가능성을 확인하였다. 각각의 분석은 육 안 및 휴대용 디지털 실체현미경 관찰을 통해 분류하고 미소 채취하여 X-선회절분석(D/MAX-2500/PC, Rigaku, JPN), 주사전자현미경분석(Dual-Beam FIB Auriga, Carl Zeiss SMT, DEU), 이온크로마토그래피분석(Dionex ICS-1100 system, Thermo Fisher Scientific Inc., US)을 하였다(Figure 2). 사용 기기와 분석 조건은 다음과 같이 정리하였다.
- 휴대용 디지털 실체현미경(DG-2, Scalar, JPN)을 이용하여 60배와 200배의 배율로 사진 촬영을 하였으며, 현장 조사 과정에서는 표면 조직을 관찰하고 분류하였다. X-선 회절분석 방법으로는 오염물에 함유되어 있는 각 광물의 결정상을 동정하였다.
- X-선 회절분석 방법으로는 오염물에 함유되어 있는 각 광물의 결정상을 동정하였다. 주사전자현미경으로 표면 오염물의 미세 조직을 분석 하였으며, 에너지 분산형 형광엑스선 분석기를 통해 표면 오염물의 미세 조직에서의 화학 성분을 조사하였다. 주사전자현미경(SEM) 분석은 가속전압 -15 kV, 작동거리 6.
- 3 mm로 분석 조건이 설정된 집속이온빔형 전자현미경이다. 이온크로마토그래피분석(Dionex ICS-1100 system, Thermo Fisher Scientific Inc., US)은 염 성분 분석을 위해 실시하였으며, 대상 시료의 6가지 음이온(F, Cl, Br, NO3, PO4, SO4)에 관한 정량분석을 실시하였다. 분석 조건은 유 입량(Flow rate) 1.
- 부재의 표면에서 관찰되는 황색(BGY-01, BGY-08, BGY-10), 적갈색(BGR-11), 흑색(BGB-07) 등 변색 종류별 오염물을 미소 채취하여 성분 분석을 수행하고 광물학적으로 동정하였다(Table 1).
- 황색 오염물은 대다수의 부재에서 관찰되는 대표적인 표면 오염물이며 동측 중앙 지대석(BGY-01), 1층 탑신 서측면(BGY-08, 2층 탑신 남측면(BGY-10) 등 위치별 시료를 채취하여 SEM으로 비교 분석을 실시하였다. SEM을 이용하여 황색 오염물의 미세조직을 관찰한 결과 대체로 광물 표면에 고착된 형태로 나타났으며, 이를 토대로 고착 물질에 EDS정량분석을 실시하였다(Figure 4A).
- 황색 오염물은 대다수의 부재에서 관찰되는 대표적인 표면 오염물이며 동측 중앙 지대석(BGY-01), 1층 탑신 서측면(BGY-08, 2층 탑신 남측면(BGY-10) 등 위치별 시료를 채취하여 SEM으로 비교 분석을 실시하였다. SEM을 이용하여 황색 오염물의 미세조직을 관찰한 결과 대체로 광물 표면에 고착된 형태로 나타났으며, 이를 토대로 고착 물질에 EDS정량분석을 실시하였다(Figure 4A). 그 결과 규소(Si), 알루미늄(Al), 나트륨(Na)이 공통적인 주요 성분으로 분석되었다.
- 적심부에 사용된 평석 부재에서 채취한 BGB-07를 이용해 분석한 결과, SEM 결과에서 는 미정질 형태의 광물이 관찰되었고, EDS분석에서는 망간(Mn), 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe)과 같은 화학 성분이 검출되었다(Figure 3B, 4C). XRD 분석에서는 흑운모 (Biotite), 석영(Quartz), 조장석(Albite), 미사장석(Microcline), 망간산화물(Manganese oxide)의 회절패턴을 확인하였다 (Figure 5B). 흑색 오염물은 주로 하층기단 지대석을 중심으로 망간(Mn)의 산화물이 부재 재질의 특성과 외부 환경과의 반응에 의해 석탑 부재 표면에 강하게 침착되면서 흑색 변색을 유발한 것으로 사료된다.
- 오염물 시료의 함량이 충분하지 않은 서측 1층 탑신(BGY08), 남측 2층 탑신(BGY-10), 동측 2층 옥개석(BGM-12)을 제외한 시료를 대상으로 이온크로마토그래피(IC)를 이용한 음이온 분석을 실시하였다(Table 2). 분석 결과에서는 F, Cl, NO3, SO4 등이 검출되었다.
- 이러한 오염물의 생성 원인과 재질 특성을 규명하기 위해 조사 및 분석을 실시하였으며, 이를 바탕으로 보존처리 방안의 설정 자료로 활용하였다.
대상 데이터
- Figure 2. Location of samples for the Three-Storied Stone Pagoda of Bulguksa temple in Gyeongju. (A) BGY-01, (B) BGM-02, (C) BGM-03, (D) BGM-04, (E) BGM-05, (F) BGM-06, (G) BGB-07, (H) BGY-08, (I) BGM-09, (J) BGY-10, (K) BGR-11, (L) BGM-12.
- 탑신부와 기단부를 중심으로 관찰되는 황색, 적갈 색, 흑색 계열의 오염물과 이전 보수 과정에서 사용된 보수 물질에 대한 재질 분석을 실시하였다. 탑신부에서는 북측 3층 옥개석, 남측 2층 탑신, 서측 1층 탑신의 황색 오염물, 동측 2층 탑신의 적갈색 오염물, 동측 2층 옥개석, 서측 2층 탑신의 보수 물질을 대상으로 시료를 채취하였다(Figure 1B, 1C). 이와 함께 기단부의 남동측 상층기단 갑석, 북서측 상층기단 갑석, 북서측 하층기단 갑석, 서측 중앙 지대석의 보수 물질과 북동측 및 북서측 적심 평석 모서리의 흑색 오염물을 확인하기 위해 미량의 시료를 수습하여 분석을 수행하였다(Figure 1D, 1E).
- 수지 계열의 보수 재료는 북서측 상층 기단 갑석의 시료 BGM-05와 2층 옥개석 동측면의 시료 BGM-12을 대상으로 분석하였다. SEM분석 결과, 두 시료에서 비정질 형태의 물질이 관찰되었으며, EDS 분석에서는 규소(Si), 알루미늄 (Al), 나트륨(Na) 성분과 같은 광물 결정의 화학 성분이 공통적으로 검출되었다.
- 경주 불국사 삼층석탑의 풍화훼손 조사를 통해 보존 상태와 풍화훼손 정도를 분별하였으며, 석탑에서 관찰되는 대표적인 풍화훼손 요인을 대상으로 범례를 설정하였다.
성능/효과
- 그 결과 규소(Si), 알루미늄(Al), 나트륨(Na)이 공통적인 주요 성분으로 분석되었다.
- 이와 같은 성분들은 암석을 구성하는 조암 광물들 또는 풍화토 토양에 함유된 석영, 점토 광물 및 장석의 화학 성분과 동일하다. 시료량이 충분한 BGY-01에 대한 X-선회절분석 결과에서는 암석의 주성분인 석영(Quartz), 조장석 (Albite, 사장석 계열), 정장석(Orthoclase, 알칼리장석 계열), 그리고 각섬석(Hornblende) 등 원암의 주요 광물들이 동정 되었다. 일부 저각에서는 중첩되어 분류가 어렵지만 풍화토 또는 충적토 토양에 함유되어 있는 광물의 회절 패턴이 부분적으로 나타나고 있다(Figure 5A).
- 마지막으로 흑색 오염물은 일부 기단부 부재에서 고착물의 형태로 생성되어 있다. 적심부에 사용된 평석 부재에서 채취한 BGB-07를 이용해 분석한 결과, SEM 결과에서 는 미정질 형태의 광물이 관찰되었고, EDS분석에서는 망간(Mn), 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe)과 같은 화학 성분이 검출되었다(Figure 3B, 4C). XRD 분석에서는 흑운모 (Biotite), 석영(Quartz), 조장석(Albite), 미사장석(Microcline), 망간산화물(Manganese oxide)의 회절패턴을 확인하였다 (Figure 5B).
- 경주 불국사 삼층석탑은 여러 차례에 걸쳐 보수된 것으로 알려져 있으며, 이는 부재에서 관찰되는 보수 흔적으로도 처리부 확인이 가능하다. 과거에 사용된 보수 재료의 분석 결과에서는 시멘트 모르타르(BGM-02, BGM-03, BGM-04, BGM-06, BGM-09) 또는 수지 계열(BGM-05, BGM-12)의 물질이 확인되었다.
- 시멘트 모르타르 시료를 대상으로 SEM을 이용하여 미세조직을 관찰한 결과에서는 광물 입자를 둘러싸고 있는 물질이 확인되었으며 대체로 석영 입자를 둘러싸고 있는 형태를 보이고 있다(Figure 6A, 6B). EDS 분석 결과에서는 칼슘(Ca), 규소(Si), 알루미늄(Al)이 공통적인 주요 성분으로 나타났으며, BGM-03을 제외하고는 마그네슘(Mg) 성분이 검출되었다(Figure 6C). 또한 XRD분석에서는 석영 (Quartz), 조장석(Albite), 미사장석(Microcline), 흑운모(Biotite), 각섬석(Hornblend), 방해석(Calcite)과 시멘트 화합물인 CA, CAS, CS가 주로 동정되었다(Figure 6D).
- 그 중에 BGM-04, BGM-06, BGM-09에서는 Ca(OH)₂ 광물이, BGM-09에서는 에트링자이트(Ettringite)가 특징적으로 확인되었다(Figure 6E). 결과적으로 BGM-02, BGM-03, BGM- 04, BGM-06는 토양 광물의 결정상과 시멘트 화합물 및 수화반응생성물의 구성 성분이 동일하기 때문에 시멘트 모르타르인 것으로 해석된다. 이는 시멘트의 구성 광물인 규산칼슘(CS: Calcium Silicate)계 또는 알루민산칼슘(CA: Calcium Aluminate)계 화합물의 수화반응 생성물에 의한 것으로 판단된다.
- 수지 계열의 보수 재료는 북서측 상층 기단 갑석의 시료 BGM-05와 2층 옥개석 동측면의 시료 BGM-12을 대상으로 분석하였다. SEM분석 결과, 두 시료에서 비정질 형태의 물질이 관찰되었으며, EDS 분석에서는 규소(Si), 알루미늄 (Al), 나트륨(Na) 성분과 같은 광물 결정의 화학 성분이 공통적으로 검출되었다. 그러나 BGM-05에서는 탄소(C), 질소(N), 산소(O) 성분이 관찰되었고, BG12에서는 탄소(C) 와 산소(O) 성분의 결합 물질 패턴 양상을 보이기 때문에 결정상 광물이 아닌 것이 포함된 것으로 판단된다.
- 그러나 BGM-05에서는 탄소(C), 질소(N), 산소(O) 성분이 관찰되었고, BG12에서는 탄소(C) 와 산소(O) 성분의 결합 물질 패턴 양상을 보이기 때문에 결정상 광물이 아닌 것이 포함된 것으로 판단된다. XRD분석 결과, BGM-05에서는 흑운모(Biotite), 녹니석(Clinochlore), 석영(Quartz), 조장석(Albite), 미사장석(Microcline)의 회절패턴이 확인되었으나 시멘트 화합물질은 확인되지 않았다(Figure 5D). 따라서 북서측 상층 기단 갑석의 경우에는 에폭시와 같은 고분자 수지를 석분과 혼합하여 만든 수지 모르타르이며, 2층 옥개석 동측면은 고분자 수지를 석분 또는 모래와 혼합한 형태의 수지계 모르타르인 것으로 판 단된다.
- 분석 결과에서는 F, Cl, NO3, SO4 등이 검출되었다.
- 각각의 오염물을 동정한 결과, 탑신부를 중심으로 생성된 황색 오염물은 토양 고착에 의한 변색으로 석탑 건조 시 부재 간의 평형 조절에 사용되는 것으로 알려진 토양과 바 람에 의해 이동된 외부 기원 토양이 고착된 것으로 판단된다. 다수의 부재에서 관찰되는 적갈색 오염물은 부재 수평을 맞추기 위해 사용된 금속 고임편이 위치한 곳 혹은 그 주변부에 대부분 나타나고 있다.
- 이러한 차이는 석탑의 보존처리 과정에서 사용한 시멘트 모르타르의 사용 시기를 명확히 구분할 수 없다. 황산염(SO4) 함량의 변이 결과는 사용된 시멘트 모르타르 제품의 원론적인 성분 차이로 인한 것을 배제할 수 없으며, 결과적으로 시멘트 모르타르를 사용한 보존처리는 최소 1회 이상으로 시기적 차이를 보일 수 있다는 것으로 유추 가능하다. 하지만 해석에 대한 분석 자료가 부족하므로 향후 추가적인 연구를 통해 근거 자료 확보가 가능할 것으로 판단된다.
- 이 연구를 통해 경주 불국사 삼층석탑의 표면에서 관찰되는 무기오염물과 보수물질의 형성 원인과 재질 특성을 확인하였다. 그 분석 결과를 바탕으로 보존처리 방안의 기초 자료로 활용하여 보존처리의 효율성을 높일 수 있었다. 황색 변색, 적갈색 변색, 흑색 변색을 발생시킨 오염물은 건식 및 습식 세척과 스팀세척처리 과정을 통해 그 오염 정도는 저감 되었으나 향후에도 지속적으로 발생할 가능성이 높다.
후속연구
- 이 논문에서는 경주 불국사 삼층석탑의 해체 수리 과정에서 진행한 무기오염물과 보수물질의 재질 특성에 관해 살펴보고자 한다. 이 연구가 석조문화재의 과학적 보존 연구를 위한 귀중한 자료로 활용될 수 있기를 기대하는 바이다.
- 결국 보존처리 시기가 서로 다를 수 있으며 최소 1회 이상의 시기적 차이를 보일 수 있다는 해석 또한 배제할 수 없다. 현재 분석 자료에 있어 다소 근거가 부족한 부분은 있지만 추후 추가적인 연구를 통해 더욱 명확한 근거자료 확보가 필요하다.
- 황산염(SO4) 함량의 변이 결과는 사용된 시멘트 모르타르 제품의 원론적인 성분 차이로 인한 것을 배제할 수 없으며, 결과적으로 시멘트 모르타르를 사용한 보존처리는 최소 1회 이상으로 시기적 차이를 보일 수 있다는 것으로 유추 가능하다. 하지만 해석에 대한 분석 자료가 부족하므로 향후 추가적인 연구를 통해 근거 자료 확보가 가능할 것으로 판단된다. 고분자 수지 재료는 북서측 상층 기단 갑석의 에폭시와 같은 고분자 수지를 석분과 혼합하여 만든 수지 모르타르와 2층 옥개석 동측면의 고분자 수지를 석분 또는 모래와 혼합한 형태의 수지계 모르타르 형태로 나타나고 있다.
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