본 연구의 목적은 임진왜란 당시 사용된 조선화포 중완구에 대한 효과적인 복원을 통해 동시대 최고의 기술을 기반으로 해양 우세권을 유지할 수 있었던 조선시대 화포(중완구)의 우수성과 독창성을 확인하는 것이다. 조선화포 중완구는 임진왜란 당시 해·육상 주요 전장에서 사용되었던 화포로서 외세의 침략으로부터 국가를 수호하고자 하는 우리민족의 호국의지를 엿볼 수 있는 중요한 문화유산이며, 운용방법 등 역사적인 고증을 위해 크기, 비례, 구조, 재료 및 주조방법 등 다양한 분야에 대한 많은 연구가 필요하다. 이에 따라 중완구의 효과적인 연구를 위해 3차원 스캐닝 및 3D 프린팅 등 최신 IT 기술을 활용하는 것으로 먼저, 조선화포 중완구에 대한 형태적 특징을 파악하기 위하여 훼손된 중완구에 대한 3차원 스캐닝과 3차원 모델링, 3D 프린팅 기술을 이용한 문화재복원을 수행하였다. 이를 통해 본 연구에서 얻고자 하는 조선화포 중완구의 크기, 내부구조, 비례 등을 확인할 수 있었다. 또한 전장에서 훼손된 조선화포 중완구에 대한 복원을 통해 형태적, 운영방법, 주조방법 등을 파악함으로써 임진왜란 시기 조선 과학기술력의 우수성과 독창성을 확인할 수 있는 중요한 계기가 마련되었다. 본 연구는 "제4회 3D프린팅 BIZCON 경진대회"에 참가하여 대상인 과학기술부정보통신부 장관상을 수상한 주제이다.
본 연구의 목적은 임진왜란 당시 사용된 조선화포 중완구에 대한 효과적인 복원을 통해 동시대 최고의 기술을 기반으로 해양 우세권을 유지할 수 있었던 조선시대 화포(중완구)의 우수성과 독창성을 확인하는 것이다. 조선화포 중완구는 임진왜란 당시 해·육상 주요 전장에서 사용되었던 화포로서 외세의 침략으로부터 국가를 수호하고자 하는 우리민족의 호국의지를 엿볼 수 있는 중요한 문화유산이며, 운용방법 등 역사적인 고증을 위해 크기, 비례, 구조, 재료 및 주조방법 등 다양한 분야에 대한 많은 연구가 필요하다. 이에 따라 중완구의 효과적인 연구를 위해 3차원 스캐닝 및 3D 프린팅 등 최신 IT 기술을 활용하는 것으로 먼저, 조선화포 중완구에 대한 형태적 특징을 파악하기 위하여 훼손된 중완구에 대한 3차원 스캐닝과 3차원 모델링, 3D 프린팅 기술을 이용한 문화재복원을 수행하였다. 이를 통해 본 연구에서 얻고자 하는 조선화포 중완구의 크기, 내부구조, 비례 등을 확인할 수 있었다. 또한 전장에서 훼손된 조선화포 중완구에 대한 복원을 통해 형태적, 운영방법, 주조방법 등을 파악함으로써 임진왜란 시기 조선 과학기술력의 우수성과 독창성을 확인할 수 있는 중요한 계기가 마련되었다. 본 연구는 "제4회 3D프린팅 BIZCON 경진대회"에 참가하여 대상인 과학기술부정보통신부 장관상을 수상한 주제이다.
The purpose of this research is to study the excellence and originality of the Joseon artillery(Jungwan-gu) through an effective restoration. Jungwan-gu that was used during the Japanese Invasion of Korea in 1592 was able to maintain its maritime dominance based on cutting-edge technology of its tim...
The purpose of this research is to study the excellence and originality of the Joseon artillery(Jungwan-gu) through an effective restoration. Jungwan-gu that was used during the Japanese Invasion of Korea in 1592 was able to maintain its maritime dominance based on cutting-edge technology of its time. Joeson artillery(Jungwan-gu) was used in major naval/land battles during the Japanese Invasion of Korea in 1592 and is an important cultural heritage that provides a glimpse into Joeson people's will to defend the nation from foreign invasion. For further historical verification such as operational method of Jungwan-gu, extensive research in various fields including size, proportions, structure, materials, and casting method were required. Accordingly, for a more effective research on Jungwan-gu, cutting-edge technologies such as 3D scanning and 3D printing were utilized. Firstly, 3D scanning, modeling, and printing technology were applied to identify the morphological characteristics of Jungwan-gu. Through this, we were able to reach our research objective of identifying the size, internal structure, and proportionality of Jungwan-gu. In addition, by studying the form, operation, casting methods, and other characteristics, the restoration of Jungwan-gu provided us with an important opportunity to verify the dominance and originality of the Joeson era's science and technology during the Japanese Invasion of 1592. This reaserch subject participated in the "4th 3D printing BIZCON Contest" and won the Minister Prize of Science and Technology Information and Communication.
The purpose of this research is to study the excellence and originality of the Joseon artillery(Jungwan-gu) through an effective restoration. Jungwan-gu that was used during the Japanese Invasion of Korea in 1592 was able to maintain its maritime dominance based on cutting-edge technology of its time. Joeson artillery(Jungwan-gu) was used in major naval/land battles during the Japanese Invasion of Korea in 1592 and is an important cultural heritage that provides a glimpse into Joeson people's will to defend the nation from foreign invasion. For further historical verification such as operational method of Jungwan-gu, extensive research in various fields including size, proportions, structure, materials, and casting method were required. Accordingly, for a more effective research on Jungwan-gu, cutting-edge technologies such as 3D scanning and 3D printing were utilized. Firstly, 3D scanning, modeling, and printing technology were applied to identify the morphological characteristics of Jungwan-gu. Through this, we were able to reach our research objective of identifying the size, internal structure, and proportionality of Jungwan-gu. In addition, by studying the form, operation, casting methods, and other characteristics, the restoration of Jungwan-gu provided us with an important opportunity to verify the dominance and originality of the Joeson era's science and technology during the Japanese Invasion of 1592. This reaserch subject participated in the "4th 3D printing BIZCON Contest" and won the Minister Prize of Science and Technology Information and Communication.
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문제 정의
금번 연구를 통해 발굴 문화재에 대한 신뢰도 높은 원형 복원의 가능성을 제시하고 우리 문화유산의 독창성을 입증 할 수 있었으며, 이에 대한 심도깊은 연구의 기초가 되었다고 본다. 또한 중완구에서 끝나는 것이 아니라 복원가능한 우리 조상의 무기에 대한 체계적인 원형 복원을 통해 우리나라 문화 유산의 가치를 확대해야 한다.
중완구는 그 형태적 특징뿐만 아니라 무기로써 조화 포의 독창성과 우수성을 확인할 수 있는 중요한 문화유산이다. 따라서 본 연구를 통하여 과거 우리 조상의 국가 수호의지와 조선의 독창성을 파악하고, 조선 화포의 우수성을 재확인하고자 한다.
본 연구에서는 임진왜란 당시 훼손된 조선화포 중완구에 대한 효과적인 원형재현을 위한 문화재복원 방법론을 제시하였다.
본 연구에서는 전장에서 사용된 훼손 중완구에 대한 원형복원을 목적으로 한다. 그리고 원형복원 된 중완구에 대한 크기, 비례, 구조를 파악하여 형태적으로 다른 완구와의 형태적 특징과 그 주조방법을 유추하고, 또한 중완구 복원과정에서의 구조분석 및 복원된 중완구에 대한 역설계를 통해 당시 조선수군의 화포운용방법 등을 확인할 수 있는 방법을 제시하였다.
제안 방법
개발된 방법은 “제4회 3D프린팅 BIZCON 경진대회”에 참가하여 대상인 과학기술부정보통신부 장관상을 수상함으로서 임진왜란 당시 훼손된 조선화포에 대한 문화재 복원 및 구조, 운용방법 등을 파악하는데 기여하였다.
해중에서 많은 부식이 이루어지고 파손된 형태로 발굴된 중완구는 비접촉형 3차원 스캐너를 활용하여 표면정보에 대한 정확한 데이터 값을 추출하였으며 이를 통해 3차원 모델링 프로그램 및 그래픽 툴을 적용하여 복원값을 생성하였다. 그리고 3D 프린팅 기술을 이용 하여 훼손 중완구에 대한 입체형태의 원형복원을 실시하였다.
본 연구에서는 전장에서 사용된 훼손 중완구에 대한 원형복원을 목적으로 한다. 그리고 원형복원 된 중완구에 대한 크기, 비례, 구조를 파악하여 형태적으로 다른 완구와의 형태적 특징과 그 주조방법을 유추하고, 또한 중완구 복원과정에서의 구조분석 및 복원된 중완구에 대한 역설계를 통해 당시 조선수군의 화포운용방법 등을 확인할 수 있는 방법을 제시하였다.
금번 연구에서는 발굴된 중완구의 주 본체 및 파손된 부분품들의 스캐닝 값을 구조적으로 분석하여 완형상태로 발굴되었을 때를 가정하여 3D 프린터를 활용하여 복원하였으며, 역설계를 통해 장기 해중 보관에 따라 틀어진 중심축에 대한 보정과 훼손부분에 대한 조정 및 과거 사료들과의 비교분석 등을 통해 당시 운용되었을 것으로 추정되는 중완구의 3D 모델링을 실시하였다.
도색과정에서 해중에서 장기간에 걸쳐 부식되었음을 표현하기 위해 3D 프린팅된 복원품의 표면을 1차 표면 처리 후 프라이머 작업을 실시하였다. 이후 도색을 실시하였으며 이때 표면의 부식도를 표현하기 위해 [그림 13]에서처럼 실제 철분을 도료에 포함시킨 후 2 ~ 3일의 부식을 강제하였다.
또한 중완구 메인 부분과 파손 부분의 복원 데이터 값을 활용하여 [그림 11]에서와 같이 디지털 역설계를 실시하였다. 디지털 역설계는 3차원 데이터를 설계자의 의도에 따라 파트를 분리하여 설계가 가능하기 때문에 본 연구에서는 중완구의 내부구조와 두께, 특징을 파악하기 위하여 중완구 후미부분에 대한 분리 파트를 설계후 3D 프린팅을 진행하였다.
완구의 절단면을 얼마나 정확히 데이터 누락없이 구축하는 것이 관건이다. 따라서 본 연구에서는 일정한 거리에서 일정한 각도로 회전하며 측정하다가 훼손부 위에서는 더욱 조밀한 회전각도를 주어 측정함으로써 데이터 누락을 최소화 하였다. 각 스캐닝 데이터에 대한 정합은 측정 회전각도를 고려하여 이루어지며, 이를 통해 데이터 정합의 정밀도를 확보할 수 있다.
조선 화포 중완구에 대한 우수성과 독창성을 파악하기 위해서는 조선 화포 기술 관련 국내외 연구자료를 수집 및 분석하는 것이 매우 중요하다. 따라서 조선 화포 및 화약에 대한 자료를 수집하고 수집된 자료에 대한 분석을 통해 임진왜란 당시 제작된 화포에 대한 형태 및 원리, 무기의 성능 등을 파악을 하여 발굴 당시 파손부위가 많은 중완구의 원형 복원을 위한 기초자료로 활용하였다.
또한 훼손 이음새마저 부식이 심하게 이루어졌다. 따라서 현재 중완구의 상태를 가장 정확하게 파악하기 위하여 고해상도 3차원 스캐닝을 수행하였다.
또한 발굴된 문화재의 파손 상태와 관계없이 역설계를 통하여 완형상태로의 디지털 복원이 가능하며 이를 과거 문헌들과 비교/분석함으로서 운용 당시의 재질과 형태로 3D 프린터를 활용, 복원이 가능하다.
네 번째 단계에서는 모델링 자료를 활용 3D 프린터로 중완구를 복원하였다. 복원 시 정밀도를 향상시키기 위한 최적의 프린팅 방식을 선정 및 표면처리를 통해 문화재 복원품으로서의 가치를 향상시켰다.
복원과정 중 파손부품에 대한 분석을 통해 화약의 양및 폭발압을 추정하고 완구의 최대/최적 발사거리 분석을 위한 발사각 식별 및 이를 유지하기 위한 부속구 필요성, 주요 결합 파트 들의 용도 등을 확인하였다. 또한 중완구 복원을 통해 임진왜란 당시 중완구의 형태적 특징과 구조적 특징에 따른 운용방법, 힘의 중심 등 다양한 결과를 파악하는데 이를 활용 할 수 있음을 확인 할수 있었다.
본 연구에서는 데이터의 정밀도와 훼손부위의 세밀한 정보를 취득하기 위하여 광삼각 측정방식의 3차원 스캐너를 적용하였다. 본 연구에 적용한 광삼각 측정 방식은 크게 두 가지로 구분하는데 광원을 조사하여 대상체 정보를 취득하는 프린지 프로젝션(Fringe Projection) 타입과 레이저를 분사하여 대상체 정보를 취득하는 광삼각(optical triangulation) 레이저 측정 타입 등 이다.
3D 프린팅은 다양한 방식의 장비와 방법이 존재한다. 본 연구에서는 결과물의 정밀도와 중완구 원형의 사실성을 위하여 SLA타입의 3D 프린터를 적용하였다. 결과는 [그림 12]에서 보이는 바와 같으며 중완구의 크기, 표면정보, 구조 등이 원형 대비 그대로 표현되었음을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 데이터의 정밀도와 훼손부위의 세밀한 정보를 취득하기 위하여 광삼각 측정방식의 3차원 스캐너를 적용하였다. 본 연구에 적용한 광삼각 측정 방식은 크게 두 가지로 구분하는데 광원을 조사하여 대상체 정보를 취득하는 프린지 프로젝션(Fringe Projection) 타입과 레이저를 분사하여 대상체 정보를 취득하는 광삼각(optical triangulation) 레이저 측정 타입 등 이다.
본 연구에서는 중완구에 대한 정확한 정보값을 고려 하여 고해상도 3차원 스캐닝 기술을 적용하였다.
비금속계열의 3D 프린팅은 [그림 4]에서처럼 다양한 방식이 활용되고 있으나, 본 연구에서는 문화재 복원시 요구되는 정밀도, 도색 등 후처리의 용이성을 고려 SLA 타입의 3D 프린터를 활용하였다[10].
훼손 중완구 원형복원에 있어서 표면 색상정보는 매우 중요하다. 색상을 통해 중완구 원형 재질을 파악할수 있으므로 표면의 부식표현을 고려한 도색을 수행하였다.
세 번째 단계에서는 정밀실측 된 DB 및 수집된 자료를 활용, 역설계를 통해 파손부위를 유추함으로써 중완구 완형 복원을 위한 모델링을 실시하였다. 이때 스캐닝 된 중완구 표면 요철의 위치값을 분석하여 완형 복원을 위한 모델링 DB의 정확도를 향상시켰다.
세 번째 단계에서는 정밀실측 된 DB 및 수집된 자료를 활용, 역설계를 통해 파손부위를 유추함으로써 중완구 완형 복원을 위한 모델링을 실시하였다. 이때 스캐닝 된 중완구 표면 요철의 위치값을 분석하여 완형 복원을 위한 모델링 DB의 정확도를 향상시켰다.
훼손 중완구의 디지털 복원은 입체 데이터에서 확인 되는 표면의 곡률정보와 두께 및 비례 등의 데이터를 활용하여 원형의 형태를 파악 후 실시한다. 특히, 중완구의 훼손부위의 부분 곡률 정보를 복원 대상 완형 중완구에 적용함으로써 추정된 원형형태를 3차원 모델링화 한다.
해중에서 많은 부식이 이루어지고 파손된 형태로 발굴된 중완구는 비접촉형 3차원 스캐너를 활용하여 표면정보에 대한 정확한 데이터 값을 추출하였으며 이를 통해 3차원 모델링 프로그램 및 그래픽 툴을 적용하여 복원값을 생성하였다. 그리고 3D 프린팅 기술을 이용 하여 훼손 중완구에 대한 입체형태의 원형복원을 실시하였다.
훼손 중완구에 대한 3차원 스캐닝은 정각촬영을 고려 하여 360도 회전 턴테이블과 일정거리에서 [그림 7]과 같이 측정을 수행하였다. 이는 앞서 적절한 거리확보를 유지하기 위한 방법이다.
훼손 중완구의 디지털 복원은 입체 데이터에서 확인 되는 표면의 곡률정보와 두께 및 비례 등의 데이터를 활용하여 원형의 형태를 파악 후 실시한다. 특히, 중완구의 훼손부위의 부분 곡률 정보를 복원 대상 완형 중완구에 적용함으로써 추정된 원형형태를 3차원 모델링화 한다.
대상 데이터
본 연구에서 복원에 활용된 조선 화포 중완구는 둥글게 깎은 34근짜리 단석 또는 비격진천뢰를 사용하였으며 사거리는 500보이다.
연구 대상인 조선화포 중완구는 임진왜란 당시 화약이나 여러 가지 원인에 의하여 뒷부분이 파괴되어 형태가 남아있지 않다. 또한 훼손 이음새마저 부식이 심하게 이루어졌다.
이론/모형
[그림 5]의 광삼각(optical triangulation) 레이저 측정방식은 Fringe Projection방법과 유사하지만 대상체에 대하여 형상 정보와 위치 정보를 획득하기 위해빛 대신 레이저를 조사하여 CCD 카메라가 인식하는 차이점이 있다. [그림 5]의 측정 원리는 레이저 빛을 이용한 삼각법 (triangulation method)측정 원리를 이용한 것이다. 측정 대상 중완구 표면에 레이저 슬릿광(slit optics beam)을 조사하게 되면 측정기의 CCD(charge coupled device) 카메라가 슬릿광(slit optics beam) 의 (u,v)좌표들을 인식하게 된다.
본 연구에서는 중완구의 형태적 특징을 정확하게 측정하기 위해 3차원 스캐닝 기술을 적용한다. 3차원 스캐닝 기술은 중완구 표면에 대한 3차원 데이터를 추출 하여 전체 형태에 대한 데이터 분석을 제시한다.
성능/효과
하지만 본 연구를 통하여 정확하고 정밀한 원형복원방법을 제시할 수 있었으며, 이로 인해 재현이 아닌 진정한 원형 복원이라고 할 수 있다. 그리고 현재 훼손 상태로 전시중인 다른 문화유산에 대한 복원 방법론 및 분석 방법을 도출 할 수 있었다.
금번 연구에서는 훼손부분의 복원을 통해 본체부분과 복원된 훼손부분의 절단부위를 비교하여 중완구 운용시 사용된 화약의 양, 투입 위치 및 폭발압 등을 추정할 수 있는 자료로 활용 가능함을 확인하였다.
상기 방법을 활용하여 위와 같이 대상 중완구와 3차원 스캐너간의 적절한 거리를 확보하고 이를 통해 최적의 입체데이터를 확보 할 수 있었다.
이후 도색을 실시하였으며 이때 표면의 부식도를 표현하기 위해 [그림 13]에서처럼 실제 철분을 도료에 포함시킨 후 2 ~ 3일의 부식을 강제하였다. 이를 통해 실제 발굴당시와 유사한 부식도를 표현하였으며 실제 유물로서의 가치를 향상시킬 수 있었다.
후속연구
복원과정 중 파손부품에 대한 분석을 통해 화약의 양및 폭발압을 추정하고 완구의 최대/최적 발사거리 분석을 위한 발사각 식별 및 이를 유지하기 위한 부속구 필요성, 주요 결합 파트 들의 용도 등을 확인하였다. 또한 중완구 복원을 통해 임진왜란 당시 중완구의 형태적 특징과 구조적 특징에 따른 운용방법, 힘의 중심 등 다양한 결과를 파악하는데 이를 활용 할 수 있음을 확인 할수 있었다.
중완구에 대한 활용방안은 대상 문화재에 대한 가치 확대와 내부 구조정보 제공, 조립, 운용방법 등을 고려한 추가적인 연구가 필요하다. 특히 복원품을 활용 중완구 표면분석을 통한 당시 주조방법의 추정, 부속구 결합상태 확인 등이 이루어짐을 고려하여 실제에 근접 하는 복원이 이루어저야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
조선 화포 중완구는 무엇인가?
조선 화포 중완구는 임진왜란 당시 조선 수군에서 주력으로 사용했던 화포이다. 중완구는 원형의 돌이나 비격진천뢰 등 구 형태의 발사체로 화약을 이용하여 원거리의 적에게 투척하는 완구형태의 화포 중 하나로서 정확도 보다는 대형의 발사체를 적 인근이나 함선의 갑판 등에 충돌시켜 대량살상이나 기선을 잡는 목적으로 사용된 무기이다[1].
3차원 스캐닝 기술과 3D 프린팅이 훼손된 형태복원에 최적화된 기술인 근거는?
3차원 스캐닝 기술과 3D 프린팅은 훼손된 중완구의 형태복원에 최적화된 기술이다. 특히 3차원 스캐닝한 값의 위치정보를 분석함으로써 자연적인 손상과 외부의 충격에 의한 손상의 차이를 적용한 복원 모델링을 실시하므로 그 정확도를 더욱 높일 수 있다.
중완구의 목적은 무엇인가?
조선 화포 중완구는 임진왜란 당시 조선 수군에서 주력으로 사용했던 화포이다. 중완구는 원형의 돌이나 비격진천뢰 등 구 형태의 발사체로 화약을 이용하여 원거리의 적에게 투척하는 완구형태의 화포 중 하나로서 정확도 보다는 대형의 발사체를 적 인근이나 함선의 갑판 등에 충돌시켜 대량살상이나 기선을 잡는 목적으로 사용된 무기이다[1].
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