접수 10. 08. 06 / 심사 10. 11. 01 / 승인 10. 11. 03 Vol.26, No.4, pp349-360(2010)
Printed in the Republic of Korea
영천 신월동삼층석탑의 재질특성과 훼손도 정량평가
이정은* | 이찬희*,1 | 채성태** | 정영동**
*공주대학교 문화재보존과학과, **신라보존과학연구소
Material Characteristics and Quantitative Deterioration Assessment of the Sinwoldong Three-storied
Stone Pagoda in Yeongcheon, Korea
Jeong Eun Yi* | Chan Hee Lee*,1 | Seong Tae Chae** | Young Dong Jung**
*Department of Cultural Heritage Conservation Sciences, Kongju National University, Gongju, 314-701, Korea
**Research Institute of Silla Conservation Sciences, Gyeongju, 780-941, Korea
1Corresponding Author: [email protected], +82-41-850-8543
초 록 영천 신월동삼층석탑(보물 제465호)은 주로 담회색의 정동질 알칼리화강암으로 구성되어 있다. 주요 구성광물은 흑운모, 석영, 각섬석, 정장석 및 사장석이다. 이 탑은 기단부의 팔부중상을 중심으로 황갈색 및 흑색 변색이 심하며, 옥개석 은 조각된 부분을 중심으로 탈락된 암편 등을 시멘트 몰탈로 보수한 흔적이 많다. 이 석탑의 전면에 걸쳐 적외선열화상분석 을 실시한 결과, 미세균열과 박리 및 박락 현상은 심하지 않은 것으로 나타났다. 표면 변색 부위에 대한 휴대용 XRF 측정 결과, 변색 지점을 중심으로 Fe(평균 5,599ppm)와 S(평균 3,270ppm) 농도가 높게 나타났다. 또한 흑색 오염물로 피복된 부위는 Mn 함량(평균 2,155ppm)이 높게 검출되었다. 이는 암석 성분의 유리에 의한 무기오염물과 생물체의 고사에 의한 유기오염물이 공존하는 것이다. 전체적인 물리적 풍화는 북면(42.6%)과 남면(40.5%)에서 높게 나타나며 서면(30.6%)와 동면(34.0%)은 비슷한 훼손 양상을 보였다. 또한 변색 및 생물학적 풍화는 각각 북면(31.8%)과 동면(11.8%)이 가장 심하였 다. 따라서 이 석탑은 생물 오염에 대한 세정과 약화된 재질에 대한 보존처리 및 지속적인 모니터링이 필요한 것으로 나타났다.
중심어: 알칼리화강암, 변색, 무기오염물, 유기오염물, 물리적 풍화, 생물학적 풍화
ABSTRACT The Yeongsheon Sinwoldong three-storied stone pagoda (Treasure No. 465) composed mainly of drusy alkali-granite.
The major rock-forming minerals are biotite, quartz, amphiboles, orthoclase and plagioclase. Yellowish brown and black discoloration are formed at the eight sculpture Buddha of the stylobate. A broken rock fragments in the roof material were repaired using epoxy resin and cement mortar in the past. As a result of the infrared thermography analysis from the pagoda, cracks and exfoliation were not serious. Also, P-XRF analysis showed that concentration of Fe (mean 5,599ppm) and S (mean 3,270ppm) were so high in yellowish discoloration parts. Black discoloration area was detected highly Mn (mean 2,155ppm) concentration around the eight sculpture Buddha of the stylobate. The main reason for these are inorganic contaminants from disengaged rock ingredient and organic contaminants from withered plant body. Degree of physical weathering is relatively high in the southern and northern side. The eastern and western side had similar with weathering condition. The northern and eastern side were serious discoloration and biological weathering relatively. Therefore, we suggest that the pagoda need to do cleaning of biological
신월동삼층석탑은 경북 영천시 금호읍 신월리에 위치하 며, 1968년 12월에 보물 제465호로 지정된 통일신라 시대 의 양식을 가지고 있는 석탑이다. 탑이 세워질 당시 절의 이름이나 규모에 대해서는 알려진 바 없으나, 현재 이 터에 는 법당과 요사채를 갖춘 신흥사(新興寺)라는 절이 있다.
석탑은 사찰의 마당에 있으며, 기록은 없으나 처음 조성 된 위치와는 다른 것으로 전해진다. 기단부와 탑신부, 상륜 부로 이루어진 전형적인 석탑의 모양을 갖고 있지만 상륜부 의 부재는 결실되어 원형을 알아보기 힘들다. 부재의 위치를 옮기면서 생긴 암편의 결실과 탈락 등이 다수 관찰되며, 기 단부의 변색이 심하다. 변색 부위는 강수의 이동통로를 따라 정도에 차이가 있으며, 표면을 따라 스며든 수분은 물리적 및 화학적 복합작용을 일으켜 구성암석이 약화된 상태이다.
이 석탑은 시멘트 몰탈과 성분미상인 합성수지로 인해 접합 및 복원이 수행된 바 있다. 복원된 부분은 상당한 이 질감을 줄 뿐만 아니라 접착부위에 이차 박락이 진행되고 있어 보존처리의 효과가 상실된 상태이다. 또한 접착에 사 용된 시멘트 몰탈은 수분과의 반응으로 인해 심하게 변색 되었으며 이로 인해 기존 부재의 표면까지 화학적 풍화가 가속되고 있는 상태이다.
대부분의 석탑은 옥외에 노출되어 있으며, 여러 개의 부 재를 쌓아올려 시간의 흐름에 따라 재질 약화, 상부의 하중,
수차례 보고된 바 있다1,2,3,4,5,6,7. 특히 신월동석탑의 주요 손 상유형인 유기 및 무기오염물로 인한 변색은 주로 수분의 영향과 밀접한 연관이 있다. 수분과 암석의 반응은 광물의 조직, 색, 화학조성, 형태 등을 변화시키고, 생성된 풍화잔 류물이 결정화되면서 부피가 팽창하고 물리적 및 화학적 풍화를 진전시킨다8,9,10,11.
따라서 이 연구에서는 신월동삼층석탑의 재질특성을 밝 히고, 적외선 열화상과 휴대용 XRF를 사용하여 손상유형 별 훼손지도를 작성하였다. 또한 이 훼손지도의 정량적 분 석데이터와 초음파탐사 결과를 통해 석탑의 종합적인 손상 도를 평가하고 안정적인 보존을 위한 과학적 방안을 검토 하였다. 이 연구 결과는 신월동삼층석탑의 장기적인 보존 관리를 위한 중요한 기초자료가 될 것이며, 이와 유사한 석 조문화재의 종합적 보존연구를 위한 자료로 활용될 수 있 을 것이다.
2. 현황 및 연구방법 2.1. 현 황
신월동삼층석탑이 있는 영천시는 서울에서 동남쪽으로 350㎞ 지점에 위치하고, 경상북도의 동남부에 있다. 동쪽
Figure 1. Field occurrence of the Sinwoldong three-storied stone pagoda. (A) The past image of the stone pagoda and general views of the eastern (B), western (C), southern (D) and northern sides (E).
은 경주시와 포항시, 서쪽은 경산시와 대구광역시, 남쪽은 청도군, 북쪽은 청송군과 군위군이 접하고 있는 경북의 중 추적인 역할을 하고 있는 도시이다.
연구 지역의 지질은 한반도 남동부에 넓게 분포하는 경 상분지의 동부로서 선캠브리아시대와 고생대의 암석은 존 재하지 않고, 주로 중생대 이후의 퇴적암과 화성암으로 구 성되어 있다. 영천일대에 분포하는 퇴적암류는 모두 경상 누층군에 해당하며, 하양층군에 속하는 점곡층, 사곡층, 춘 산층, 진동층과 유천층군에 속하는 안산암 및 안산암질 응 회암, 건천리층, 산성화산암 등으로 구성된다12,13. 또한 영 천 일대에는 백악기 불국사 관입암류의 일종인 각섬석화강 암과 산성반암 그리고 제4기의 충적층 등이 분포한다.
신월동삼층석탑은 신흥사 경내에 있으며, 서쪽으로 저 수지가 존재한다. 둘러싸고 있는 법당과 요사채 등은 신축 한 건물이며, 신축 당시 탑의 위치를 변경하였다(Figure 1A). 이 탑의 현재 높이는 4.75m 이지만 유실된 상륜부를 제외하였기 때문에 실제 탑은 더 높을 것으로 판단된다. 기 단은 2층으로 건축하고, 그 위로 3층의 탑신을 두었다. 기 단의 상대 및 하대면석에는 모두 각 면의 모서리와 가운데 부분에 기둥모양의 조각을 새겼으며, 각 면에 팔부중상(八 部衆像)을 새겨놓았다. 팔부중상이란 불법을 지키는 여덟 신의 모습을 새긴 것으로, 석탑에서는 주로 기단에 있으며, 탑신에 모셔진 부처의 사리나 불경 등을 지키고 있는 의미 가 있다(Figure 1B, 1C, 1D, 1E).
각 층의 탑신과 옥개석을 하나의 부재로 사용하였으며, 탑신 모서리마다 기둥모양을 조각하였다. 기단 및 탑신에 새겨진 조각은 모두 유기 및 무기오염물이 피복되어 형태 를 알아보기 힘들다. 또한 기단부를 중심으로 과거에 보수 한 시멘트 몰탈과 합성수지가 박락되어 다양한 생물종이 서식하고 있으며, 이차 훼손이 우려되는 상황이다.
2.2. 연구방법
신월동삼층석탑 구성재질의 특성을 밝히고 풍화 및 훼 손상태를 진단하기 위해 다양한 연구 기법을 적용하였다.
우선 구성재질의 자화강도를 파악하기 위해 전암대자율 측 정을 실시하였다. 측정기기는 ZH Instrument 사의 SM30 모델이며, 대자율의 단위는 10-3 SI unit로 표기하였다. 또한 석탑을 구성하는 암석의 광물학적 및 조직적 특징을 관찰 하기 위해 편광현미경을 이용하였고, 광물종과 풍화에 따 른 생성광물과 오염물의 조직 및 성분분석을 위해 EDS가 장착된 주사전자현미경(SEM)과 휴대용 XRF 분석기를 사
용하였다.
여기에 사용된 편광현미경은 Nikon사의 Eclipse E600W 편광/반사 겸용 현미경이고, 주사전자현미경은 Oxford사 의 에너지분산형 성분분석기(EDX Inca M/X)가 장착된 JEOL사의 JSM 6335이다. 휴대용 XRF 분석기는 Innov-X System 사의 Portable XRF Analyzer이다. 조암광물의 정밀 한 동정을 위해 XRD 분석을 하였다. 분석에는 Rigaku제 D/Max-ⅡB X-선 회절분석기를 이용하였다. 타겟으로 사 용된 X-선은 CuKα이며 양극의 가속 전압 및 필라멘트의 전류는 각각 40㎸와 40㎃이다.
이 연구에서는 신월동삼층석탑의 훼손상태에 대한 종합 적인 진단을 위해서 물리적 풍화와 화학 및 생물학적 풍화 상태를 정밀하게 조사하였다. 이를 종합하여 훼손지도를 작성하였으며, 훼손유형별 점유율을 산출하였다. 훼손지도 작성에는 2D 그래픽 응용프로그램인 Auto CAD와 Adobe Illustrator CS2를 이용하였다.
이 석탑을 구성하는 암석의 강도 추정을 통한 정량적 풍 화도를 산출하기 위해 비파괴진단법 중 하나인 초음파속도 를 측정하였다. 이 측정값을 각각의 입면도에 투영하여 전 체적인 풍화도를 파악하였다. 여기에 사용된 기기는 CNS FARNELL사의 Model PUNDIT PLUS이며 측정된 자료는 2D 모델링을 위해 전문 프로그램을 이용하였다.
한편 이 석탑의 전면과 기단부에 조각된 팔부중상의 표 면이 심각하게 변색되어 있고, 그 주변에는 시멘트몰탈 복 원 부위가 많아 암석 표면의 박리 유무와 정확한 훼손면적 을 알아보기 위해 적외선열화상분석을 실시하였다. 여기에 사용된 적외선열화상분석기는 FLIR사의 T400 모델이다.
3. 재질특성 3.1. 암석학적 특징
영천 신월동삼층석탑을 구성하는 암석은 정동을 가지고 있는 알칼리화강암으로 정동질화강암이라고도 한다. 이 암 석은 석영, 사장석, 정장석, 흑운모 및 각섬석 등의 조암광 물로 구성되어 있고, 전반적으로 밝은 회색을 띠나 풍화면 은 황갈색을 보인다(Figure 2A, 2B).
이 화강암에 나타난 정동의 크기는 3mm~15mm 정도이 며 육안으로도 관찰이 가능하다. 이 암석은 대체로 등립의 조립질이며 흑운모, 정장석, 석영 등의 조암광물로 구성되 어 있다(Figure 2C). 또한 미세균열이 발생한 거정의 석영 과 정장석이 관찰되며 장석은 변질작용을 받았다(Figure
2D). 특히 풍화된 표면은 크고 작은 공극이 많아 광물입자 의 경계면이 뚜렷하지 않다.
구성암석의 자화강도를 파악하기 위해 전암대자율을 측 정하였다. 전암대자율은 암석 전체 자화강도를 구분하기 위해 응용된 암석학 연구의 한 수단으로 외부자기장에 대 한 자화강도를 의미한다. 대자율은 물질의 자기적 특성을 결정하는 상수로 암석의 조암광물 중에 불투명 광물로 나 타나는 강자성 광물인 자철석의 함량과 상관관계를 가진 다. 이 대자율 값은 1.256(×10-3 SI unit)을 기준으로 이 값 보다 높으면 자철석 계열, 낮으면 티탄철석 계열의 화강암 류로 분류하며, 석조문화재 구성석재의 원산지 추정에 객 관적 지표로 이용되어 왔다3,14,15.
측정은 옥개석, 탑신, 기단부로 나누어서 모든 부분을 대상으로 실시하였다(Table 1). 그 결과, 옥개석과 탑신은 각 각 1.10~6.26(평균 4.50×10-3 SI unit)와 2.59~6.08(평균 4.82×10-3 SI unit)의 대자율 분포를 보여 동일 부재로 구성
되었다는 것을 지시한다(Figure 2E). 기단부 부재는 0.55~
6.16(평균 3.50×10-3 SI unit)의 대자율 분포를 보여 탑신 및 옥개석과는 일부 상이한 모습을 나타내지만 도시된 대부분 부재의 측정값이 거의 유사한 것으로 보아 동일 종류의 화 강암인 것으로 해석된다.
Figure 2. Lithological and microphotographic characteristics of host rocks in the stone pagoda. (A, B) About 3mm to 15mm sized drusy cavities were observed in the rock surface. (C) Microphotograph showing biotite, quartz, amphibole, plagioclase and orthoclase. Plagioclase is altered to sericite. (D) Large orthoclase was occurred micro-cracks and perthitic texture. (E) Result of magnetic susceptibilites.
Table 1. Measured value of magnetic susceptibility for the Sinwoldong three-storied stone pagoda (×10-3 SI unit).
Remarks Frequency Mean Min Max
Roof Rocks 245 4.50 1.10 6.26
Body Rocks 334 4.82 2.59 6.08
Stybolate 432 3.50 0.55 6.16
Figure 3. X-ray powder diffraction patterns of the Sinwoldong three-storied stone pagoda. M; mica, A: am- phibole, P; plagioclase, Q; quartz, Mi; microcline, O;
orthoclase.
3.2. 광물학적 특징
편광현미경을 통해 관찰한 구성암석의 광물표면과 입간 에서 관찰된 풍화된 부분의 광물조성을 정확히 해석하기 위해서 X-선 회절분석을 실시하였다. 분석 시료는 탑신의 모서리 부분에서 탈락된 극미량 암편을 이용하였다. 분석 결과, 편광현미경을 통해 관찰된 흑운모, 각섬석, 석영, 미 사장석, 사장석, 정장석 등이 동정되었다(Figure 3).
한편 구성암석의 풍화상태에 따라 벽개에 존재하는 광 물들의 풍화 정도와 변질 상태를 확인하기 위해 주사전자 현미경 관찰 및 EDS 분석을 실시하였다. 이 결과, 석영의 입간에 있는 장석과 흑운모가 풍화되어 은미정질의 점토광 물화 작용을 받았으며, 불규칙한 모양을 보여준다(Figure 4A). 또한 암석 표면에서는 미정질 고령석의 집합체가 관 찰되어 장석류의 풍화작용이 이미 진행된 것이 확인되었으 며(Figure 4B), 장석 입간에는 유기오염물도 관찰된다(Figure 4C). 고령석과 장석에 대한 조성을 알아보기 위해 EDS 분 석을 실시한 결과, Al, Si, K 등의 성분이 검출되었으며, 일 부 시료에서는 Fe의 함량이 높게 확인되었다(Figure 4B, 4D). 이는 부재 표면의 오염물이라기보다는 기존의 암석에 포함되어 있던 철 화합물인 것으로 판단된다.
4. 풍화훼손도 정량평가
4.1. 물리적 풍화
신월동삼층석탑에서는 박리, 박락, 균열 및 암편 탈락 등의 물리적 및 기계적 풍화현상이 나타났다. 특히 조성 이 후 한 차례의 해체복원이 실시되었으며, 이 과정에서 부주 의로 인한 부재의 암편 결실 및 탈락이 있었던 것으로 추정 된다. 또한 시멘트몰탈과 성분미상인 합성수지를 이용한 보수로 인해 이차균열과 훼손이 발생하였다.
옥개석의 암편이 탈락된 부분은 수지를 이용해서 접합 하였으며(Figure 5A), 기단부의 일부에서도 시멘트몰탈을 이용한 보수 부분이 관찰된다(Figure 5B). 또한 탑의 모든 옥개석은 모서리 부분의 암편 탈락 및 결실이 심한 상태이 다(Figure 5C). 이는 풍화작용과 함께 석탑의 위치 이동으 로 인한 물리적 불균형 등이 복합적으로 발생한 것으로서 전체적인 미관도 해치고 있다.
한편 이 석탑에서 발생한 기단부의 물리적 손상을 정량 적으로 확인하기 위해 적외선열화상분석을 실시하였다.
적외선열화상분석은 적외선 영역의 전자파를 감지하는 소 자를 보유하고 있는 카메라를 사용하여 대상물의 온도 분 Figure 4. Scanning electron microphotographs showing innerface host rocks of the pagoda. (A) Feldspar and micas changed into clay minerals. (B) SEM-EDS result of kaolinite aggregates. (C) Organic contaminants from the intergranular of plagioclase. (D) SEM-EDS result of the stone surface.
포 화상을 얻어 미세균열과 박리 현상을 정량적으로 도출 하는 방법이다. 적외선열화상분석은 해외 석조문화재의 조사에 적용된 예가 있으나 국내에서는 아직 소수의 연구 만 진행된 상태이다16,17. 최근 봉화 북지리마애여래좌상의 손상도 평가를 정량화하기 위해 적용한 사례가 있지만 다 양하게 응용된 사례는 미미하다18.
이 석탑 기단부에 조각된 팔부중상은 다양한 오염물로 피복되어 있으며, 탈락된 암편 등을 시멘트로 보수한 흔적 이 있다(Figure 5D, 5E, 5F). 따라서 팔부중상의 내부 공극 이 벌어져 박리현상이 진행되고 있을 것으로 판단되어, 적 외선열화상분석을 실시하였다. 측정은 조도의 간섭이 적은 저녁 시간을 이용하였으며, 미세균열과 박리 및 박락된 부 분을 명확히 관찰하기 위해 인공적으로 열을 가한 후 자연 냉각시켜 온도분포 변화를 살펴보았다(Figure 5G, 5H, 5I).
열화상 촬영 결과, 확실하게 드러나는 미세균열과 박리 및 박락 현상은 보이지 않았다. 재확인을 위해 현장에서 실 시한 타진법에서도 팔부중상의 내부는 들뜨거나 박리가 진행된 부분은 없는 것으로 확인되었다. 측정된 팔부중상 의 표면은 각각 26.3~32.4℃, 29.6~33.6℃, 27.8~32.1℃의 온도 분포를 나타냈다. 표면 온도차이가 크지 않다는 것은 인위적인 열에 의해 상승할 공기층이 없다는 것을 지시한 다. 따라서 팔부중상의 표면은 다양한 오염물로 인한 변색 은 심하나, 내부의 물리적인 손상은 상대적으로 크지 않는 것으로 판단된다.
4.2. 표면변색 및 생물학적 풍화
신월동삼층석탑은 황갈색 및 암흑색 오염물로 인해 원 Figure 5. Physical damage of the Sinwoldong three-storied stone pagoda. (A) A broken material fragment in the roof rock using epoxy resin. (B) Remaking face by cement mortal in the body material of pagoda. (C) Break-out at the corner of roof material. (D, E, F) Photographic area for the infrared thermography at the eight sculpture Buddha of the stylobate.
(G, H, I) Infrared thermography images against photographs of D, E, and F, respectively.
암의 색상이 변질되어 있다(Figure 6A). 옥개받침을 중심 으로 발달한 황갈색 오염물은 형성된 면적은 넓지 않으나 상부에서 하부로 유동한 흔적이 남아있어 미관을 해친다 (Figure 6B, 6C). 이 오염물은 특히 부재 사이의 고정을 위해 끼워둔 철편을 중심으로 형성되어 있으며, 이는 Fe(OH)3의 발달정도에 따라 황갈색, 갈색 및 암갈색 등의 다양한 색 을 보인다. 또한 기단부의 팔부중상은 흑색 오염물로 인해 변색되어 있으며, 네 면 모두에서 관찰된다.
이와 같은 변색 오염물질의 종류와 산출상태를 알아보 기 위해 각각의 대표적인 변색현상에 대해 휴대용 XRF를 이용하여 정밀 분석을 실시하였다(Figure 6D, 6E, 6F). 휴 대용 XRF는 시료의 전처리 과정없이 현장에서 분석이 가 능하고 또한 문화재의 표면을 비파괴적인 방법으로 조사 할 수 있는 장점이 있어 석조문화재의 표면오염물과 안료 등의 정성 및 정량분석에 활용되고 있다19,20. 그러나 대기 오염물질에서 기인된 원소로 볼 수 있는 C와 N은 검출이 Figure 6. Representative surface contamination of the Sinwoldong three-storied stone pagoda. (A) Black discoloration was formed between body material and stylobate. (B) Dark brown discoloration at the corner of body material. (C) Yellowish brown contamination of material surface under iron pieces. (D) Mn measurement point of the pagoda. (E) S measurement point of the pagoda. (F) Fe measurement point of the pagoda. (G) Variation of Mn content by P-XRF analysis. (H) Variation of S content by P-XRF analysis. (I) Variation of Fe content by P-XRF analysis.
되지 않는다는 단점이 있다. 따라서 신월동삼층석탑의 조 사에서는 C, N을 제외한 모든 원소의 함량을 분석하였다.
분석 결과, 전체적으로 K, Ca, Mn, Fe, Rb, Sr, Zr, Ba 및 S 등이 검출되었으며, 이 중 오염물의 주성분은 Mn, Fe, S 로 확인되었다. 변색이 발생한 지점은 Fe와 S의 함량이 높 았으며, 특히 Fe는 Mn과 S에 비해서 매우 높은 농도를 보 였다(Figure 6G, 6H, 6I). Fe가 검출된 지점은 주로 옥개 받침의 아랫부분으로 철편으로 고정되어 있는 곳이다.
이는 Fe가 황갈색 변색을 유발하는 주요한 요인이라는 것을 지시하는 결과로 철편의 Fe와 수분이 결합하여 철 산화물을 만들고, 이 산화물이 강수의 이동을 따라 석탑
표면에 흘러내려 황갈색 침전물을 형성한 것으로 판단된 다. 오염 부위의 Fe 함량은 1,145~34,831ppm 이며, 평균 농도는 5,599ppm으로 비오염 부위의 5배 정도로 나타났 다. 또한 정면과 좌측면의 탑신에 나타난 흑색 오염물의 경우 Mn의 함량이 70~58,005ppm으로 비정상적으로 높 게 검출되는 것으로 보아 망간침전물에 의한 무기 오염물 인 것으로 판단된다. 이 함량은 정상 부위의 26배에 해당 하는 농도이다.
이 탑은 전반적으로 서식 생물로 인한 풍화는 심각하지 않지만 부재의 표면에 다양한 종의 지의류들이 깊이 고착 되어 있다. 또한 생물종의 2차 천이가 발생한 곳이 대부분 Figure 7. Biological damage of the Sinwoldong three-storied stone pagoda. (A) Lichen inhabited on the rock surface.
(B) Plants growing in the gap of the rock properties. (C) The habitat of insects at the bottom roof material.
Table 2. Deterioration rate of the Sinwoldong three-storied stone pagoda.
Weathering foam Weathering rate
East West South North Average
Physical damage
granular decomposition(%) 19.4 19.2 26.3 27.8 23.2
break-out(%) 5.6 1.0 4.9 1.0 3.1
cement mortar/resins(%) 6.4 9.2 6.7 11.2 8.4
exfoliation(%) 2.6 1.2 2.6 2.6 2.3
abrasion(%) 2.8 4.9 12.8 2.0 5.6
crack(number) 4 1 2 2 2.3
piece of iron (number) 3 1 1 2 1.8
Total(%) 31.4 29.4 37.9 40 34.7
Inorganic discoloration
yellowish brown(%) 5.1 19.7 12.2 9.2 11.6
black(inorganic)(%) 0.3 0.0 0.9 1.5 0.7
black(organic)(%) 9.8 16.7 21.0 31.8 19.8
Total(%) 36.8 49.1 51 50.7 46.9
Biological damage
bryophyte (%) 0.9 1.9 0.5 1.2 1.1
plants(%) 0.3 1.7 0.8 1.4 1.1
light gray lichen(%) 5.2 4.5 2.1 4.5 4.1
gray lichen(%) 4.7 1.2 1.4 2.2 2.4
light green lichen(%) 0.0 0.7 0.5 0.3 0.4
orange lichen(%) 0.7 0.2 0.6 0.1 0.4
Total(%) 47.9 59.1 56.3 60.3 55.9
수지나 시멘트 몰탈로 보수한 부분이기 때문에 물리적 훼 손이 가중되고 있는 상태이다. 각층의 옥개석에는 회색, 회 백색, 연녹색 등의 다양한 고착지의류가 착생하고 있으며, 크고 작은 반점상으로 산출된다(Figure 7A). 특히 일부 부 재에서 관찰되는 연회색과 연녹색의 엽상지의류도 군집을 형성하고 있다. 기단의 암편이 탈락된 곳에 시멘트 몰탈로 보수한 곳은 이차 균열이 발생되어 그 사이에 형성된 토양 층을 중심으로 초본식물이 착생하고 있다(Figure 7B). 옥개 받침에서는 곤충의 서식지도 있어 광물 조직의 결합력 약 화와 수분과의 접촉 등이 우려된다(Figure 7C).
4.3. 손상도 종합평가
신월동삼층석탑에서 나타난 풍화유형을 박리박락, 암편 탈락, 시멘트몰탈/수지, 입상분해, 모서리마모, 철편고임, 균열 등의 물리적 유형과 황갈색 변색, 암흑색 변색(유기오
염물), 암흑색 변색(무기오염물), 선태류, 초본식물, 회백색 고착지의류, 회색 엽상지의류, 연녹색 엽상지의류, 주황색 고착지의류 등의 변색 및 생물학적 유형으로 분류하여 훼 손도면을 작성하였다(Table 2, Figure 8). 또한 석탑의 훼손 도면을 이용하여 유형별 훼손면적을 백분율로 산출하였다.
이 훼손지도 작성과 방법론은 이미 국내외 여러 석조문화 재에 적용되어 연구된 바 있으며, 이 연구에서도 이를 응용 하였다2,5,7,21,22.
물리적 훼손지도 작성 결과, 석탑의 네 면 모두 표면의 입상분해가 가장 심각하였으며, 북면의 점유율이 27.8%
로 가장 높았다. 모서리 마모도 높은 손상율을 보였으며, 남면이 12.8%로 가장 높게 산출되었다. 이는 석탑의 구성 암석이 정동질화강암으로서 분해되기 쉬운 조직을 가지 고 있기 때문인 것으로 판단된다. 상대적으로 균열은 동 면 4개, 서면 1개, 남면과 북면이 2개로 심각하지 않았으 나 기단석 균열 부위가 전부 시멘트 몰탈과 수지 등으로
Figure 8. Typical deterioration map of the Sinwoldong three-storied stone pagoda.
고사체이다. 이들은 흑색을 띄면서 표면에 단단하게 피복 되어 있으며, 북면의 점유율은 31.8%로 가장 높다. 회백 색 고착지의류와 회색 엽상지의류도 주요 손상 원인인데, 동면에서 각각 5.2%와 4.7%로 높은 점유율을 나타낸다.
특히 회백색 고착지의류는 옥개석의 윗면에서 가장 많은 분포를 보인다. 기단부의 경우 선태류와 초본식물로 인한 피해가 가장 크며, 서면에서 각각 1.9%와 1.7%의 점유율 을 차지한다(Table 2, Figure 8).
4.4. 초음파 물성평가
신월동삼층석탑을 구성하는 암석의 물성을 정량화하기 위하여 초음파 측정을 실시하였다. 측정은 탑의 형태를 고
756m/s, 최대속도 2,841m/s로 비교적 넓은 범위를 나타냈 으며 평균 1,841m/s의 속도를 보였다. 서면에서는 최저속 도 789m/s, 최대속도 3,058m/s로 북면보다 더 넓은 속도 범 위를 보였으며 평균값은 1,913 m/s였다. 또한 동면에서는 최저속도 1,056m/s, 최대속도 3,463m/s, 평균값은 1,862 m/s였으며, 남면은 각각 641m/s~3,101m/s(평균 1,828m/s) 의 측정값을 보였다.
이 결과에 따라 이차원적 모델링을 통해 석탑의 위치에 따른 초음파 속도 분포는 Figure 9와 같다. 측정된 초음파 속도의 범위를 일반적인 암석의 풍화도 분류기준에 적용시 켜보면 신월동삼층석탑의 부재는 상당한 풍화단계(HW;
highly weathered)에서 완전풍화단계(CW; completely weathered) 에 해당하는 취약한 물성을 가지고 있는 것으로 확인되었
Figure 9. Modeling of 2D contour map showing ultrasonic velocity of the Sinwoldong three-storied stone pagoda.
다. 따라서 물성이 취약한 부분을 정량화하기 위해 실측도 면에 투영하여 풍화상태를 분석하였다.
분석 결과, 서면, 남면 및 북면의 탑신과 상륜부는 비교 적 암석 상태가 양호한 것으로 나타났으나 동면은 전면에 걸쳐 저속도대를 보여 암석 자체의 물성이 크게 약화되어 있는 것을 알 수 있다. 이는 훼손지도에서 확인한 결과와 일치하며 박리, 박락 및 입상 분해로 인한 것으로 판단된다.
네 면 기단부의 시멘트몰탈과 합성수지로 접합된 부분은 상 대적으로 고속도대를 보이고 있으나 시멘트와 암석의 초음 파 속도는 물성 차이가 있어 직접적인 비교는 어렵다(Figure 9).
한편 흑색 오염물이 피복되어 현장 조사에서 풍화상태가 잘 관찰되지 않았던 기단부의 팔부중상은 모든 면에서 1,000m/s 이하의 저속도대를 보였다. 이는 표면에 발생한 균 열과 박락 현상 때문이며, 이로 인해 암석의 물성이 취약해 져 초음파 전달속도를 감소시킨 것으로 판단된다(Figure 9).
5. 보존과학적 제언
신월동삼층석탑은 모서리 마모, 암편 탈락 및 결실, 입 상 분해 등이 모두 나타났으며, 탈락된 암편은 결실되어 접 합이 불가능한 상태이다. 이러한 결실부위는 합성 수지를 사용하여 복원할 수 있지만 인위적인 힘으로 인해 파괴되 었고 훼손된 면적이 넓어 전체를 복원하기에는 무리가 있 다. 접합이 필요한 부분은 이전에 시멘트 몰탈과 합성수지 를 이용해서 보수한 바 있으며, 접합 부위를 중심으로 이차 균열과 박락이 발생된 상태이다. 이 부분은 재박락이 예상 되기 때문에 기존 수지의 제거와 재접합이 필요하다.
이 석탑의 보존에 가장 문제가 되는 손상유형은 오염물 로 인한 변색으로 전면에 걸쳐 생성되어 있다. 오염물의 원 인은 무기오염물과 유기오염물의 복합적 작용 때문이며, 특 히 무기오염물은 강수의 유동 흔적을 따라 상단에서 하단으 로 연장되어 있어 미관을 해치고 있다. 부재의 균형을 위해 사용한 철편 역시 옥개받침의 상단을 중심으로 황갈색 변색 을 발생시켰다. 이러한 철편은 제거가 가능한 곳은 제거하고 부식되지 않은 금속 재료로 교체해주는 것이 바람직하다.
석탑에 발생한 유기오염물로 인한 흑색 변색은 조류와 지의류의 고사체로 비교적 쉽게 제거가 가능하기 때문에 건식과 습식 세정을 병행하여 제거할 필요가 있다. 또한 기 단부에 고착된 지의류, 선태류 및 초본식물은 균열이 발생 한 곳을 따라 서식하고 있어 이차 물리적 훼손이 우려되는 상황이다. 따라서 무기 및 유기오염물에 대한 세정 작업이
필요하며, 임상실험을 통한 신중한 적용이 병행되어야 할 것으로 판단된다.
6. 결 론
1. 신월동삼층석탑은 사찰의 마당에 있으며, 기록은 없 으나 처음 조성된 위치와는 다른 것으로 전해진다. 상륜부 의 부재는 결실되었으며, 암편의 결실과 탈락 등이 다수 관 찰된다. 기단부는 유기 및 무기오염물로 인해 심하게 변색 되어 있다.
2. 이 석탑의 탑신과 옥개석은 각각 평균 4.82×10-3 SI unit와 평균 4.50×10-3 SI unit의 대자율 분포를 보였으며, 기단부 부재는 평균 3.50×10-3 SI unit의 대자율을 갖는다.
각각의 부재는 유사한 범위의 대자율 분포를 가지며, 거의 유사한 암상적 특징을 보여 동일 종류의 암석인 것으로 판 단된다. 이 암석은 정동을 가지고 있는 담회색의 조립질 알 칼리화강암으로 조암광물은 석영, 사장석, 정장석, 각섬석 및 흑운모 등으로 구성되어 있다.
3. 이 탑의 주요 물리적 손상유형은 박리, 박락, 균열 및 암편 탈락 등이며, 한차례의 해체복원 시 부주의로 인한 부 재의 암편 결실 및 탈락이 발생하였다. 또한 시멘트 몰탈과 합성수지를 이용한 보수로 인해 이차균열과 훼손이 발생하 였다. 보수된 기단부의 팔부중상을 중심으로 적외선열화상 분석을 실시한 결과 표면은 좁은 온도 분포차를 나타냈다.
이는 오염물로 인한 변색은 심각하지만 내부의 물리적 손 상은 상대적으로 크지 않다는 것을 지시하는 결과이다.
4. 기단과 탑신을 중심으로 발생한 황갈색 및 흑색 오염 물은 강수의 유동흔적을 따라 상단에서 하단까지 생성되 어 원암의 색상을 변질시켰다. 황갈색 오염물의 경우 옥개 받침을 중심으로 발달하였으며, 부재 사이를 고정하기 위 해 끼워둔 철편을 중심으로 형성되었다. 이 오염물의 휴대 용 XRF 분석 결과, 황갈색 변색에서는 Fe(평균 5,599ppm) 와 S(평균 3,270ppm)가 흑색 변색에서는 Mn(평균 2,155ppm) 의 함량이 매우 높게 검출되었다. 이는 오염되지 않은 부 분에 비해 5~105배 높은 값이다.
5. 훼손지도 작성 결과, 물리적 풍화는 입상분해가 가 장 심각하였으며, 북면(42.6%)과 남면(40.5%)이 가장 높 은 훼손율을 보였다. 오염물로 인한 변색은 흑색 변색이 우세하다. 이는 유기오염물과 무기오염물의 복합적 원인 이 작용한 것으로 판단되며, 북면(31.8%)에서 가장 높다.
생물학적 훼손이 가장 심각한 면은 동면(11.8%)이며, 조
로 나타났다.
사 사
이 연구는 2010년도 문화재청 국립문화재연구소의 연 구개발사업(R&D)인 "보존복원개발연구"의 지원을 받아 수행되었음을 명기하며 행정적 및 재정적 지원에 깊이 감 사한다.
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