국보 제101호로 지정된 원주 법천사지 지광국사탑은 조성 후 수차례 이전 및 이건되었는데, 특히 한국전쟁 시 폭격 으로 인한 심각한 훼손으로 1957년 전면적인 해체·보수가 이루어졌다. 당시 재료 및 수리 내용이 남아있지 않지만 보존 처리를 진행하면서 지광국사탑에 사용된 다양한 형태의 금속재료를 확인하였다. 각 부재를 연결하는데 꺽쇠 및 앵커볼 트 외에 두께 9mm의 원형철근이 주로 사용되었으며, 부재와 모르타르 복원재를 연결하기 위해 다양한 두께의 원형철 근과 철사 등이 사용되었다. 건축물로 분류되는 석탑에 통상적으로 사용되는 이형철근이 아닌 매끈한 표면의 원형철근 이 사용되었다. 이는 모르타르 복원 시 재료가 가진 부착 강도와 결합력 강화를 위해 재료의 형태를 변형시키고, 서로 교 차시켜 결속하고 불규칙적으로 꼬아 단면적을 늘리는 등 재료의 단점을 보완한 것으로 확인되었다. 또한 금속학적 분석 법을 적용하여 알아본 결과 전체적으로 탄소 함량이 낮은 아공석강 소재로 사용하여 제작하였다. 미세조직 내에는 불규 칙한 크기로 분포하는 방울 형태의 비금속개재물이 다수 포함되어 있으나 전체 성분에는 영향을 미치지 않을 정도의 미 량으로 포함되어 있다. SEM-EDS의 면 분석으로 검출되지 않는 망간(Mn)과 황(S)이 정량 분석 및 EPMA 분석법으로 확 인한 결과 망간황화물(MnS)로 시료의 형태와 관계없이 미세조직 결정립 내에 고르게 분포하고 있다. 철물의 형태 제작 후 작업의 용이성을 위해 2차로 균질화 등 열처리를 실시한 것으로 보여지며, 철물의 두께가 얇아질수록 포함된 탄소 함 량이 감소하고 탄성과 신장률이 증가하는 특성에 따라 복원 작업 순서를 정하고 다양한 형태의 철물을 사용한 것으로 보인다.
국 문 초 록
주제어 원주 법천사지 지광국사탑, 수리, 보존처리, 미세조직, 철물
투고일자 2020. 08. 21 ● 심사일자 2020. 10. 16 ● 게재확정일자 2020. 11. 01
1957년 원주 법천사지 지광국사탑 수리에 사용된 철물(鐵物)의 재료학적 특성 연구
유하림 국립문화재연구소 문화재보존과학센터 이재성* 국립문화재연구소 문화재보존과학센터 이태종 국립문화재연구소 문화재보존과학센터 박희정 국립문화재연구소 문화재보존과학센터
*Corresponding Author : [email protected]
Ⅰ. 서론
국보 제101호로 지정된 원주 법천사지 지광국사탑 (이하 ‘지광국사탑’)은 고려 중기 왕사와 국사로 활동한 법 상종(法相宗) 승려 해린 스님(海麟, 984~1070)의 승탑이 다. 화려하고 섬세한 수법으로 이루어진 지광국사탑은 통일신라부터 무르익은 고려의 불교미술의 완숙한 기량 을 보여주며,1 의장이나 규모면에서도 독보적인 승탑으 로 꼽힌다.2 본래 원주 법천사지에 조성되었으나 일제강 점기인 1911년 일본으로 반출되는 등 조성 후 최근까지 최소 9차례 이건 및 이전되었고, 6.25 한국전쟁 당시 폭 탄 피해로 옥개석을 비롯한 상부 부재가 큰 손상을 입어 1957년 모르타르와 철물 등의 재료로 수리·복원되었다.3
현재까지 지광국사탑에서 파악된 금속재료는 석재 와 석재의 접합은 물론 석재와 복원재를 접합하는데 구조 적 보강을 위해 사용된 봉(棒) 형태의 철근과, 기단의 균 형을 맞추기 위해 부재 사이에 삽입한 판(版) 형태의 금속 이 있다.
석조문화재 부재의 특성상 하중이 많이 나가는 석탑 에는 부재 내부 및 외부에서 구조적 보강을 위한 금속재 료를 많이 사용해 왔다. 이는 과거 삼국시대부터 통일신 라시대 석탑에서도 석재와 석재의 이탈을 방지하고, 견 고하게 잇기 위한 방법으로 사용된 금속재의 은장(隱藏) 을 들 수 있다. 선행 연구에 따르면 은장들이 후대의 수리 나 중수 당시에 석재들의 보강을 목적으로 사용되었거나 또 보축과 중축 과정에서도 활용될 수 있어, 유적의 초건 시점과 발견된 은장의 시공 시점은 다를 수 있다.4 그러나 은장 기술은 석조건축의 발전과 궤를 같이 하기에, 현재 까지 은장은 시대별 나타나는 형태와 이를 바탕으로 동일
문화권 내에서 은장 발현의 배경과 국제적 의미 등을 중 점으로 하는 연구가 진행되어 왔다.5
또한 조성 이후 해체, 수리 및 보존처리된 석탑에서 도 구조적 안정을 꾀하기 위한 다양한 형태의 금속재료가 확인된다. 하지만 현장 여건과 수리 시공성 향상을 위해 기존 수리 방법의 일부를 변경하여 처리된 경우가 많기 때문에 신뢰할만한 기록은 부족한 편이다. 이로 인해 근 대기적인 석탑 해체, 수리 연구가 시작된 일제강점기부터 최근까지 자료가 부족한 실정으로, 특히 석조문화재의 구 조적 안정성을 위해 고려되어야 할 철물의 재료학적 특성 에 대해 연구한 사례 역시 거의 없다. 이에 석탑의 장기적 인 보존 관리 방안을 수립하는데 한계가 있다. 따라서 시 대적인 시공 방법의 차이점을 연구하는 학문적인 체계화 가 필요하다. 현재 국립문화재연구소 문화재보존과학센 터에서는 지광국사탑의 보존처리를 진행하면서 사용된 재료 및 적용된 복원 기술을 규명하기 위한 연구가 진행 중이다.
본 연구에서는 지광국사탑 수리, 복원에 다양하게 사용된 금속재료 중 철물의 금속학적 연구를 통해 1957 년 석탑 수리에 사용된 재료의 특성을 알아보고자 한다.
Ⅱ. 연구 대상 및 방법
1
. 연구 대상지광국사탑에는 과거 수리·복원에 다양한 형태로 사용된 금속재료가 확인되는데, 이는 금속보강재가 사 용된 다른 석탑과는 달리 이례적으로 많은 양이다. 지광 국사탑에서는 각 부재의 접합은 물론, 부재와 복원재의 접합에 금속재료가 사용되었으며, 특히 옥개석 내부에
1 박대남, 2018,「원주법천사지지광국사탑의의장분석및성격고찰」,백제문화,공주대학교백제문화연구소 Vol.0, No.59, p.220. 2 박지영, 2018,「원주법천사지지광국사탑의장엄(莊嚴)고찰」,한국미술사교육학회,미술사학, Vol.47, p.163.
3 국립문화재연구소, 2017,「원주법천사지지광국사탑보존·복원Ⅰ」, pp.54~61.
4 김홍남, 2019,「통일신라전기석조건축의은장연구 I -감은사석탑,불국사석가탑,석굴암,월정교·춘양교를중심으로」,한국미술사학회,미술사학연구, Vol.303, No.303. p.8.
5 김홍남, 2019,「통일신라전기석조건축의은장연구 II -국제적맥락에서본한반도출현은장의의미」,한국미술사학회,미술사학연구, Vol.304, No.304, p.6.
서 다량 확인되었다(사진 1). 현재까지 수습된 금속에는 기단의 균형을 맞추기 위해 부재 사이에 삽입한 두께 약 1.7~11.3mm의 납판 10개, 두께 8.5mm의 철판 1개가 있 으며, 각 부재의 접합과 원부재에 복원부를 접합하는데
구조적 보강을 위해 사용된 지름 1.6mm이상의 원형철근 5개, 지름 9~10mm가 20개, 지름 약 4mm의 원형철근이 70개 이상으로 확인되며, 각 철물은 땜납으로 석부재와 고정시켰다.
수차례의 이전과 해체, 수리·복원이 이루어진 지광 국사탑에 사용된 금속재료 중 철물의 금속학적 특성 및 양상을 파악하기 위해 부재 전체에서 총 66개의 시료를 채취하였다. 또한 시편의 전체적인 경향을 확인하기 위 해 원주 방향(圓周方向)으로 절단하여 전면을 나타내었 다. 본고에서는 지광국사탑에 사용된 철물을 용도 및 형 태별로 분류하여 각 철물의 금속학적 특징을 대표하는 시 편 13점을 선정하여 금속학적 분석을 실시하였다(표 1).
2
. 연구 방법 1) 미세조직 분석채취된 시료는 에폭시 수지로 마운팅(mounting) 한 후, 조밀 순서에 따라 샌드페이퍼로 연마하였다.
표 1 분석 시료 목록 Sample Number
구분 두께
(mm) 수습 위치 수량
용도 형태
1
고정용
꺽쇠 17.0 앙화 1
2 23.1
옥개석
1
3 앵커볼트 18.5 1
4 16.9 1
5
원형철근
16.0 1
6 16.5 1
7 9.2 1
8 9.4 1
9 4.0 1
10 4.1 1
11 철사 0.64 1
12 0.61 1
13 괴임용 괴임판 5.6 하층 기단갑석 1
사진 1 지광국사탑에 사용된 금속재료. A: 앙화 상단(상면), B: 앙화 상단(측면), C: 앙화, D: 옥개석 상단, E, F: 옥개석 내부, G: 하층 기단석(남서 방향), H: 하층 기단석 (북서 방향), I: 하층 기단석.
A
D
G
B
E
H
C
F
I
이후 연마포(MD-MOL, MD-NAP, Struers)와 연마제 (DP-Suspension 3㎛, 1㎛, Struers)를 이용하여 미세 연마를 실시하였다. 연마가 끝난 시편은 3%의 나이탈 (HNO3+Ethyl Alcohol) 용액으로 에칭(etching)하였다.
미세조직은 금속현미경(Metallurgical Microscope, Leica DMRBE, Germany) 및 전자현미경(Scanning Electron Microscope, IT300LV, Jeol, Japan)을 이용해 관찰하였 다. 미세조직 내 비금속개재물은 주사전자현미경에 장착 된 에너지분산분광계(Energy Dispersive Spectrometer, Oxford 7574, UK)로 200배에서 전체 면 분석을 진행하 고, 특징적인 부분은 2,000배로 확대하여 포인트 분석하 였다. 관찰된 각 미세조직의 경도는 미세경도시험기(FM- 700, Future-Tech, Japan)를 이용하였으며, 측정 하중 300gf로 전체 미세조직에 대한 경도값을 구하고 특징적 인 부분은 10gf로 경도값을 구했다. 경도 측정 조건은 10 초간 압입하여 5회 이상 측정하여 최대값과 최소값을 제 외한 값으로 평균을 내었다.
2) 성분 분석
철물의 제작 기법이나 기술의 정도를 파악하는데 중 요한 정보를 지니는 미량원소는 고주파유도결합플라즈 마-질량분석기(ICP-MS, Elan 6100, Perkin Elmer, US)를 이용하여 정성·정량 분석하였다. ICP-MS로 확인할 수 없 는 금속 시료 중의 탄소(C)와 황(S)은 탄소-유황 분석(CS, Eltra CS-800, Germany)을 실시하였다. 또한 조직 내 구 성 성분 및 미세 조성 분포를 확인하기 위해 전자미세현 미분석기(Electron Probe Micro Analyzer; EPMA-1600, SHIMAEDZU, Japan)로 분석하였다.
Ⅲ. 연구 결과
1
. 미세조직 분석 결과 1) No.1 꺽쇠<사진 2A>는 시료를 포함한 앙화 상면으로, 채취 한 시료의 위치를 사진에 표시하였다. 사용된 꺽쇠는 부
재에서 분리하는 과정에서 일부 파손되었으나, 양 끝을 꺽은 ‘ㄇ’ 형으로 두 부재의 접합 및 고정에 결속력과 구 조적 안정을 위해 사용되었다(사진 2B). 꺽쇠의 지름은 17.0mm로, 타원형의 단면을 갖는다.
먼저 시편은 원주 방향으로 절단하여 전면을 나타내 었는데, <사진 2C>에서 보는 것과 같이 주로 연한 페라 이트(ferrite)와 단단한 시멘타이트(cementite)가 층상으 로 구성된 질긴 성질의 펄라이트(pearlite)로 구성되어 있 다(사진 2D). 또 결정립계에 약간의 페라이트가 가늘게 나타나 있으며, 표면층에서도 일부 형성된 페라이트 층이 확인된다. 비커스 경도 측정 결과 조직의 주를 이루는 펄 라이트는 280Hv, 페라이트는 116Hv이다. 또한 300gf로 압입하여 측정한 미세조직의 전체 경도는 245Hv로 측정 되었다.
미세조직 내 확인되는 비금속개재물의 구성 성분 은 SEM-EDS를 이용하여 면 분석과 포인트 분석을 동시 에 실시하였으며, 성분 분석 결과를 <표 2>에 나타내었
사진 2 No.1 꺽쇠의 미세조직. A: 부재의 형태 및 시료 위치, B: 시료 형태 및 분석 위치, C: 전체 미세조직 광학현미경 사진(x50), D: <사진 2C>의 표시한 부분을 확대한 광학현미경 사진(x100), E: <사진 2D>의 표시 한 부분을 확대한 전자현미경 사진(x200), F: <사진 2E>의 ‘ b’ 부분을 확대한 전자현미경 사진(x2000).
A B
C D
E F
다. 조직 내 다량 함유되어 있지 않으나 전체적으로 결정 립 내에 분포하는 둥근 방울 형태의 비금속개재물이 관 찰된다(사진 2E). 전자현미경으로 확인한 <사진 2E>는
<사진 2D>를 확대한 사진으로, 관찰되는 미세조직의 전체를 면 분석한 결과, 황은 검출되지 않았고, 미량의 망 간(Mn)과 구리(Cu)가 확인되었다. <사진 2E>의 b로 표 시한 부분을 확대한 <사진 2F>의 비금속개재물 3개를 EDS로 포인트 분석한 결과 망간이 최대 27.62wt%, 황이 최대 17.90wt% 검출되었다.
2) No.4 앵커볼트
<사진 3A>는 시료를 포함한 옥개석 북측면의 내부 사진으로, 채취한 시료의 위치를 표시하였다. 파손된 옥 개석의 파편 중 가장 큰 2개의 부재를 접합하는데 사용된 앵커볼트는 석재에 삽입하는 부분을 구부려 잘 빠지지 않 도록 하고 앵커판을 장치한 후, 너트를 이용하여 고정하 였다. 분석 대상은 우측에 위치한 지름 16.9mm의 앵커볼 트이다(사진 3B).
주로 펄라이트로 구성되어 있으며, 결정립계를 따라 약간의 페라이트가 혼재한다(사진 3C). 소재는 비교적 탄 소 함량이 높은 아공석강을 사용하였으며, 외압으로 발생 한 균열과 표면부에 형성된 페라이트층이 확인된다(사진 3D). 비커스 경도 측정 결과 미세조직의 주를 이루는 펄 라이트는 291Hv이다. 300gf로 압입하여 측정한 미세조 직의 전체 경도는 298Hv로 측정되었다.
미세조직 내 확인되는 비금속개재물의 구성 성분 은 SEM-EDS를 이용하여 면 분석과 포인트 분석을 동시 에 실시하였으며, 성분 분석 결과를 <표 3>에 나타내었
다. 비금속개재물은 미세한 크기로 최소 500배 이상 확 대해야 관찰이 가능하며, 비교적 고르게 분포하고 있다.
<사진 3E>는 <사진 3D>를 확대한 전자현미경 사진으 로, 관찰되는 미세조직 전체를 EDS로 면 분석한 결과에 서 황은 검출되지 않고, 미량의 망간과 구리가 확인되었 다. <사진 3E>에 b로 표시한 미세한 영역을 확대한 <사 진 3F>를 보면 불규칙한 크기를 가진 둥근 방울 형태의 비금속개재물이 관찰된다. 이들 중 3개의 비금속개재물 을 EDS로 포인트 분석한 결과 황이 최대 33.59wt%, 망간 은 최대 52.27wt% 검출되었다.
표 3 No.4 앵커볼트의 EDS 분석 결과
Analysis position
Element(wt%)
Si S Mn Fe Cu
E-1 - - 0.95 98.53 0.52 F-1 - 33.59 52.27 14.14 - F-2 - 21.79 36.00 41.88 0.33 F-3 - 23.14 39.41 37.17 0.27 표 2 No.1 꺽쇠의 EDS 분석 결과
Analysis position
Element(wt%)
Si S Mn Fe Cu
E-1 0.13 - 0.95 98.44 0.48 F-1 - 16.45 27.17 56.14 0.24 F-2 - 14.44 22.98 62.16 0.42 F-3 0.12 17.90 27.62 54.12 0.24
사진 3 No.4 앵커볼트의 미세조직. A: 부재의 형태 및 시료 위치, B: 시료 형태 및 분석 위치, C: 전체 미세조직 광학현미경 사진(x50), D: <사진 3C>
의 표시한 부분을 확대한 광학현미경 사진(x100), E: <사진 3D>의 표 시한 부분을 확대한 전자현미경 사진(x200), F: <사진 3E>의 ‘ b’ 부분 을 확대한 전자현미경 사진.
A B
C D
E F
3) No.6 원형철근
<사진 4A>는 시료를 포함한 옥개석 북측면 사진으 로, 채취한 시료의 위치를 사진에 표시하였다. 사용된 원 형철근은 표면에 리브(rib) 또는 마디 등의 돌기가 없는 원형 단면의 봉강으로 지름은 16.5mm이다(사진 4B). 부 재와 복원부에 감입되는 부분인 양 끝을 구부린 형태로, 복원부 내부에서 석재와 복원부의 결합에 지지 및 구조적 안정을 보강하기 위해 사용되었다.
<사진 4C>는 채취한 시료의 전체를 보여주는 미세 조직 사진으로, 표면의 일부에는 페라이트 층이 형성되 어 있으나, 전체적으로는 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)가 구성되어 있다(사진 4E). 이 조성은 알파 (α)철과 미세한 입자의 시멘타이트로 구성되는 혼합 조 직으로, A₃온도 이상으로 가열해 생성한 오스테나이트 (austenite)를 담금질(quenching)하여 형성된 마르텐사이 트를 뜨임(tempering)하였을 시 생성된다.6 부분적으로 외부에서 내부로 발생한 균열과, 표면에는 로내 분위기 로 인해 탈탄되어 형성된 것으로 보여지는 페라이트 층이 확인된다. 비커스 경도 측정 결과 미세조직 전체 경도는 716Hv로 측정되었다.
미세조직 내에서 확인되는 비금속개재물의 구성 성 분은 SEM-EDS를 이용하여 면 분석과 포인트 분석을 동 시에 실시하였으며, 성분 분석 결과를 <표 4>에 나타내 었다. 비금속개재물은 높은 탄소 함량을 가진 미세조직 의 결정립 내에 분포하고 있어 저배율로는 관찰되지 않 는다. 하지만 크기와 분포가 규칙적이지 않은 특징은 확 인되었다. <사진 4E>는 <사진 4D>를 확대한 전자현 미경 사진으로, 미세조직 전체를 EDS로 면 분석한 결과 미량의 원소들만 확인되었다. <사진 4F>는 <사진 4E>
의 b영역을 확대한 전자현미경 사진으로 여기서 관찰되 는 3개의 비금속개재물을 EDS로 포인트 분석한 결과, 황 이 최대 34.94wt%, 망간은 최대 46.98wt%, 구리가 최대 10.13wt% 검출되었다.
4) No.7 원형철근
<사진 5A>는 시료를 포함한 옥개석 북측면 내부 사진으로, 채취한 시료의 위치를 표시하였다. 사용된 원 형철근은 지름 9.2mm로(사진 5B), 주로 복원재로 사용 된 모르타르와 부재의 연결부 내부에 매립되어 구조적 보 강 역할을 하였다.
채취한 시편의 전체 미세조직을 보여주는 <사진 5C>를 보면 주로 펄라이트로 구성되어 있는데, 이 펄라
표 4 No.6 원형철근의 EDS 분석 결과
Analysis position
Element(wt%)
Si S Mn Fe Cu
E-1 0.24 - 0.85 98.91 - F-1 - 34.94 46.98 7.95 10.13 F-2 - 30.77 46.08 20.75 2.40 F-3 0.25 - 0.87 98.88 - 사진 4 No.6 원형철근의 미세조직. A: 부재의 형태 및 시료 위치, B: 시료 형태
및 분석 위치, C:전체 미세조직 광학현미경 사진(x50), D: <사진 4C>
의 표시한 부분을 확대한 광학현미경 사진(x100), E: <사진 4D>의 표 시한 부분을 확대한 전자현미경 사진(x200), F: <사진 4E>의 ‘ b’부분 을 확대한 전자현미경 사진(x2000).
A B
C D
E F
6 김정근,김기영,박해웅, 2012,「금속현미경조직학」,노드미디어, pp.197~201.
이트는 오스테나이트 상태에서 냉각되는 동시에 석출되 는 페라이트와 시멘타이트가 교대로 겹친 층상 구조로 가 장 안정된 철강 조직이다.7 비교적 탄소 함량이 높은 아공 석강 소재가 사용된 것으로 확인되나 공석 조성에 미치지 못하는 것에 비례하여 결정립계를 따라 페라이트가 석출 되었으며, 일부 표면층에서도 페라이트 층이 조성되어 있 다(사진 5D). 각 조직의 비커스 경도 측정 결과 펄라이트
는 242Hv, 일부 표면층에서 확인되는 페라이트는 124Hv 이며, 300gf로 압입하여 측정한 미세조직 전체에 대한 경 도는 298Hv로 측정되었다.
조직 내 다량으로 함유되어 있지 않으나 500배 이상 확대해야 관찰 가능한 미세조직 내 다양한 크기로 분포 하는 비금속개재물의 구성 성분은 SEM-EDS를 이용하여 면 분석과 포인트 분석을 동시에 실시하였으며, 성분 분 석 결과를 <표 5>에 나타내었다. <사진 5D>를 확대한
<사진 5E>는 전자현미경 사진으로, 관찰되는 미세조직 전체를 EDS로 면 분석한 결과 망간은 검출되지 않았으 며, 미량의 규소와 황이 확인되었다. <사진 5E>에서 표 시한 b영역을 확대하여 확인되는 3개의 비금속개재물을 EDS로 포인트 분석한 결과 황이 최대 15.70wt%, 망간이 최대 21.67wt%, 구리가 최대 6.58wt% 검출되었다.
5) No.10 원형철근
<사진 6A>는 시료를 포함한 옥개석 남측면 내부 사 진으로, 채취한 시료의 위치를 표시하였다. 원형철근의 지 름은 4.1mm로, 접합할 부재와 복원재 내부의 1개 철근은 서 로 교차하여 결속력을 보강하기 위해 사용되었다(사진 6B).
먼저 조직을 살펴보면 <사진 6C>와 같이 비교적 결 정립 크기가 작은 백색 페라이트에 흑색의 펄라이트가 일 부 섞여 있다(사진 6D). 미세조직에 주를 이루는 페라이 트는 체심입방격자(BCC)를 가지는 알파(α)철을 바탕으로 한 고용체로, 조직 내 포함된 탄소 함량은 낮은 것으로 보 인다. 탄소가 많이 섞여 있지 않은 특성상 강성이 낮고 연 신율이 큰 성질을 가진다. 각 미세조직에 대해 비커스 경 도를 측정한 결과 페라이트는 111Hv, 펄라이트는 275Hv 이다. 미세조직의 전체 영역을 300gf로 압입하여 측정한 미세조직 전체에 대한 경도는 215Hv로 측정되었다.
저배율에서는 관찰이 어려운 비금속개재물을 전자 현미경을 이용해 관찰하고, 구성 성분은 EDS를 이용하
표 5 No.7 원형철근의 EDS 분석 결과
Analysis position
Element(wt%)
Si S Mn Fe Cu
E-1 0.30 0.14 - 99.57 - F-1 - 15.70 21.67 58.44 4.19 F-2 0.44 10.36 10.77 72.27 6.16 F-3 0.21 13.36 18.48 61.37 6.58 사진 5 No.7 원형철근의 미세조직. A: 부재의 형태 및 시료 위치, B: 시료 형태
및 분석 위치, C: 전체 미세조직 광학현미경 사진(x50), D: <사진 5C>
의 표시한 부분을 확대한 광학현미경 사진(x100), E: <사진 5D>의 표 시한 부분을 확대한 전자현미경 사진(x200), F: <사진 5E>의 ‘ b’ 부분 을 확대한 전자현미경 사진(x2000).
A B
C D
E F
7 이승평, 2012,「그림으로설명하는금속재료, pp.192~197.
여 면 분석과 포인트 분석을 동시에 실시하였다. 성분 분 석 결과는 <표 6>에 나타내었다. 미세조직 내에 다량 함 유되어 있지 않으나 결정립 내에 불규칙적으로 분포하는 다양한 크기의 비금속개재물을 면 분석한 결과 미량의 원 소들만 확인되었으며, 망간은 검출되지 않았다(사진 6E).
하지만 <사진 6E>의 b로 표시한 영역을 확대한 <사진 6F>에서 3개의 비금속개재물을 면 분석 결과와 달리 포
인트 분석을 실시한 결과 망간이 최대 22.48wt%, 황이 최 대 16.20wt%, 구리가 8.48wt% 검출되었다.
6) No.12 철사
<사진 7A>는 시료를 포함한 옥개석 북측면 내부 사진으로, 채취한 시료의 위치를 표시하였다. 철사는 지 름 0.61mm로(사진 7B), 복원부 내부에 사용된 철근과 철 근이 교차하는 부분 중 일부를 결속하는데 사용되었다.
<사진 7C>는 철사의 미세조직 전체를 보여주는 광 학현미경 사진으로 페라이트에 약간의 펄라이트가 균일 하게 섞여 있다(사진 7D). 이러한 조직 구성은 포함된 탄 소 함량이 낮을 경우 생성되는 혼재 조직으로, 아공석강을 오스테나이트 상태로 가열한 후 냉각하면 냉각 중에 페라 이트가 형성되기 시작하며, 냉각이 진행될수록 잔류하는 오스테나이트 조성에서 탄소 성분이 높아지게 되며 결국 공석 온도에 이르러 나머지 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트의 복합 조직인 펄라이트로 변태하여 이루어 진다.8 각 미세조직에 대해 비커스 경도를 측정한 결과 조 직의 주를 이루는 페라이트는 112Hv, 펄라이트는 240Hv 이다. 미세조직의 전체 영역을 300gf로 압입하여 측정한 미세조직 전체에 대한 경도는 166Hv로 측정되었다.
미세조직 내 확인되는 비금속개재물의 구성 성분은 SEM-EDS를 이용하여 면 분석과 포인트 분석을 동시에 실시하였으며, 성분 분석 결과는 <표 7>에 나타내었다.
<사진 7E>는 <사진 7D>를 확대한 전자현미경 사진으 로, 관찰되는 미세조직 전체를 면 분석한 결과 미량의 망 간, 황, 구리가 확인되었다. <사진 7E>의 b로 표시한 영 역을 확대한 <사진 7F>를 보면 미세조직 결정립 내에 다양한 크기의 비금속개재물이 다수 관찰된다. 이들 3개 의 비금속개재물을 포인트 분석한 결과 면 분석으로 검출 되지 않던 규소(Si)가 최대 6.54wt%로 확인되었으며 황이 34.61wt%, 망간이 78.12wt% 검출되었다.
표 6 No.10 반선의 EDS 분석 결과
Analysis position
Element(wt%)
Si S Mn Fe Cu
E-1 0.25 - - 99.32 0.43 F-1 0.44 16.20 22.48 52.40 8.48 F-2 0.50 14.22 19.40 60.84 5.05 F-3 0.25 7.78 10.23 73.74 8.00 사진 6 No.10 원형철근의 미세조직. A: 부재의 형태 및 시료 위치, B: 시료 형
태 및 분석 위치, C: 전체 미세조직 광학현미경 사진(x100), D: <사진 6C>의 표시한 부분을 확대한 광학현미경 사진(x200), E: <사진 6D>
의 표시한 부분을 확대한 전자현미경 사진(x200), F: <사진 6E>의 ‘ b’
부분을 확대한 전자현미경 사진.
A B
C D
E F
8 김정근,김기영,박해웅, 2012,「금속현미경조직학」,노드미디어, pp.213~214.
7) No.13 괴임판
<사진 8A와 8B>는 하층 기단석에서 수습된 시료 를 포함한 사진으로, 채취한 시료의 위치를 표시하였다.
기단의 균형을 맞추기 위해 부재 사이에 삽입한 괴임판은 두께 5.6mm로, 납 소재의 판과 같이 사용되었다.
<사진 8C>는 괴임판 미세조직의 전체를 보여주는 광학현미경 사진으로 페라이트 조직이 주를 이루며 불규 칙한 모양의 펄라이트가 일부 포함된 혼재 조직으로 구 성되어 있다. 사용된 소재의 탄소 함량이 낮고, 각 조직의
결정립 크기가 비교적 조밀하다(사진 8D). 각 미세조직 의 비커스 경도를 측정한 결과 페라이트는 105Hv, 펄라 이트는 290Hv이다. 미세조직 전체를 300gf로 압입하여 측정한 결과 191Hv로 확인되었다.
미세조직 내의 일부 영역에 연신된 형태로 확인되는 비금속개재물의 구성 성분은 SEM-EDS로 면 분석과 포인 트 분석을 동시에 실시하였으며, 성분 분석 결과는 <표 8>
에 나타내었다. <사진 8D>의 일부를 전자현미경으로 확대한 <사진 8E>를 대상으로 미세조직의 전체 부위를 면 분석한 결과, 망간, 황, 규소가 미량으로 검출되었다.
표 7 No.12 철사의 EDS 분석 결과
Analysis position
Element(wt%)
Si S Mn Fe Cu
E-1 - 0.10 0.57 98.96 0.38 F-1 4.90 34.61 60.02 0.47 6.11 F-2 6.54 25.06 66.28 2.12 2.83 F-3 6.34 12.98 78.12 2.55 5.20
F-4 - 0.54 99.46 - -
표 8 No.13 괴임판의 EDS 분석 결과
Analysis position
Element(wt%)
Si S Mn Fe Cu
E-1 0.09 0.13 1.08 98.71 - F-1 - 38.77 58.76 2.46 - F-2 - 37.75 59.03 3.21 - F-3 - 37.90 58.92 3.18 - 사진 8 No.13 괴임판의 미세조직. A: 부재의 형태 및 시료 위치, B: 시료 형태
및 분석 위치, C: 전체 미세조직 광학현미경 사진(x50), D: <사진 8C>
의 표시한 부분을 확대한 광학현미경 사진(x100), E: <사진 8D>의 표 시한 부분을 확대한 전자현미경 사진(x200), F: <사진 8E>의 ‘ b’ 부분 을 확대한 전자현미경 사진(x2000).
A B
C D
E F
사진 7 No.12 철사의 미세조직. A: 부재의 형태 및 시료 위치, B: 시료 형태 및 분석 위치, C: 전체 미세조직 광학현미경 사진(x100), D: <사진 7C>
의 표시한 부분을 확대한 광학현미경 사진(x200), E: <사진 7D>의 표 시한 부분의 전자현미경 사진(x200), F: <사진 7E>의 ‘ b’ 부분을 확대 한 전자현미경 사진(x2000).
A B
C D
E F
<사진 8F>는 <사진 8E>의 b로 표시한 부위를 확대한 전자현미경 사진으로 여기서 관찰되는 3개의 비금속개재 물을 포인트 분석한 결과 황이 최대 38.77wt%, 망간이 최 대 59.03wt%로 확인된다.
2
. 성분 분석 결과ICP-MS 및 CS을 통해 분석한 철물 13점의 주요 성분 과 미량원소의 정량값은 <표 9>에 나타내었다.
분석 결과 탄소강의 기본 구성 성분인 철(Fe)와 탄 소(C) 외에 망간, 규소, 구리, 인(P) 등이 검출되었다. 먼 저 각 철물에서 강의 강도를 조절하는데 가장 중요한 원 소인 탄소의 양을 보면 가장 두꺼운 두께의 꺽쇠 <표 9>
의 1,2는 0.5wt% 이상, 지름 1.6mm 이상과 9mm의 원형 철근 <표 9>의 5, 6, 7, 8은 0.5wt% 내외, 지름 4mm의 원형철근은 0.2wt%내외, 얇은 철사 <표 9>의 11, 12는 0.1wt% 내외로 두께가 얇아질수록 포함된 탄소 함량이 낮아졌다. 다만 앵커볼트 <표 9>의 3, 4에 포함된 탄소 함량은 일정하지 않은 것으로 확인되며, 같은 방식으로
제작되는 철근과 달리 판 형태로 제작되어 사용된 괴임판
<표 9>의 13에는 0.19wt%의 탄소가 포함되어 있다.
검출된 성분 중 비교적 높게 함유된 망간은 제강 원 료이며, 제강 시에 탈산, 탈황제로도 첨가되어 보통 탄소 강 중에 0.2~1.0wt% 정도 남아있게 된다. 그 중 일부는 강 중에 고용하고, 나머지는 망간황화물(MnS)로서 결정 립계에 혼재하나 적열취성을 야기하는 철황화물(FeS)보 다 해가 적어 일반적으로 사용한다.9 시료 전체에서 검출 된 망간의 양이 최소 0.36wt%, 최대 0.93wt%로 확인되어 보통 탄소강에 남아있는 정도의 함유량을 보였다.
강 내에 함유되어 검출된 구리는 원료 철광석에 쉽 게 혼입되는 것으로 탄소량이 많을수록 적게 포함되는 경 향을 가지며, 보통 강에 0.1~0.3wt% 정도로 검출된다. 분 석 결과 역시 일반적으로 나타나는 값의 범위 내에 해당 한다.
황은 보통 강 중의 망간과 결합하여 망간황화물의 형태로 존재한다. 단, 강 중의 망간 양이 충분하지 못할 경우 철와 결합하여 철황화물을 형성하는데 이는 매우 취
표 9 성분 분석 결과
Sample Number
성분 함량(wt%)
Fe Cu Ni Mn Si Cr Mo P C S
1 99.7 0.40 0.075 0.85 0.145 0.073 0.029 0.0424 0.500 0.040 2 98.2 - 0.017 0.59 0.208 0.028 0.028 0.0411 0.567 0.030 3 99.9 0.082 0.038 0.49 0.084 0.031 0.032 0.0271 0.177 0.027 4 97.6 0.40 0.072 0.84 0.162 0.071 0.030 0.032 0.505 0.038 5 97.5 0.42 0.074 0.84 0.159 0.071 0.030 0.0410 0.496 0.038 6 97.4 0.42 0.074 0.83 0.169 0.070 0.030 0.0390 0.472 0.039 7 97.7 0.20 0.025 0.56 0.259 0.041 0.031 0.0460 0.531 0.040 8 98.3 0.28 0.015 0.36 0.213 0.0151 0.030 0.0257 0.516 0.072 9 99.9 0.26 0.083 0.47 0.061 0.048 0.036 0.0256 0.074 0.075 10 96.4 0.31 0.022 0.46 0.213 0.044 0.031 0.0450 0.207 0.056 11 96.9 0.27 0.052 0.44 - 0.029 0.037 0.0240 0.113 0.051 12 96.4 0.26 0.052 0.44 0.095 0.029 0.035 0.0216 0.097 0.051 13 99.3 0.051 0.045 0.93 0.115 0.045 0.033 0.0265 0.191 0.043
※이탤릭체로표기된정량값은 CS 분석결과임.
9 적열취성:고온취성혹은열간취성이라고하며열간가공의온도범위에서금속이깨지기쉬운성질로주로유황(S)성분이원인이된다.한국철강신문, 1996,
「비철금속용어사전」, p.358.
약하고 용융점이 낮아 열간 및 냉간 가공 시 균열을 일으 키게 된다. 분석 결과 시료 내에서 검출된 황의 양은 최소 0.030wt%에서 최대 0.075wt%로, 모두 망간의 양보다 적 게 포함되어 있는 것으로 확인된다.
또한 0.1wt% 이하로 검출된 인, 니켈(Ni), 크롬(Cr)
등은 극히 미량으로 검출되어 강재의 역학적 특성에 영향 을 미칠 것으로 보이지 않는다.
SEM-EDS 및 성분 분석 결과 조직 내 둥근 방울 형 태로 존재하는 비금속개재물이 극히 미량으로 확인되나, 공통적으로 검출되는 망간과 황의 관계를 확인하기 위해 EPMA 분석의 맵핑(Mapping)을 실시하였다.10
각 원소의 분포 위치를 확인해본 결과 모든 시료에 균 일하게 포함되어 있으며 넓고 다양하게 분포하는 망간과 그 일부에 겹쳐 분포하는 황을 확인할 수 있었다(사진 9).
이는 강 속에 고용된 망간과 고용되지 못한 나머지가 강 속에 함유되어 있는 황과 결합하여 망간황화물을 형성하 고 있는 것으로 판단된다. 탄소강 속에 고용된 망간은 펄 라이트를 미세화하고, 페라이트를 고용 강화시킴으로써 탄소강의 항복강도를 향상시키는데, 황은 강의 취성을 증 가시키는 원소로 황과 망간이 결합하게 되면 취성이나 입 계 용해가 일어나지 않아 적열취성으로부터 안전하게 된 다.11 망간황화물은 연성이 풍부하여 절각 가공과 같이 전 단 하중을 받는 소성 변형 시 기지보다 연신되는 양이 더 크기 때문에, 판 형태로 제작된 괴임판에서는 원형철근과 는 다르게 포함된 개재물이 연신된 형태로 나타난다.12
Ⅳ. 고찰
석조문화재는 상당한 중량의 부재로 구성된 경우가 많다. 따라서 하중이 많이 나가는 각 부재를 연결하여 조 성하는 특성상 부재의 내부 및 외부에 구조적 보강을 위 한 전통적 기술인 은장(隱藏)을 이용한 결구방식이 오래 전부터 사용되어 왔다. 은장은 두 개의 부재에 홈을 파고, 이 홈 부분에 은장을 걸쳐 두 석재를 연결하여 고정시키 는 방법으로, 중수(重修) 당시 사용되었거나 후대의 수리
사진 9 EPMA 분석의 맵핑 결과. A: No.1 꺽쇠, B: No.4 앵커볼트, C: No.5 원 형철근, D: No.9 원형철근, E: No.12 철사, F: No.13 괴임판.
A
D B
E C
F
10 Mapping법:검출된성분에서로다른이미지설정값을적용,이미지를도표화하여조성분포를확인하는방법.
11 김정근,박노진,이상봉, 2009,「금속조직학」,노드미디어, p.317.
12 G. Poulachon, M. Dessoly, C. Le Calvez, J. L. Leberun, V. Prunet, I. S. Jawashir, 2001,「An Investigation of the Influence of Sulphide Inclusions on Tool-Wear in High Speed Milling of Tool Steels」, pp.334~343.
과정에서도 활용될 수 있어 유적의 초건 시점과 발견된 은 장의 시공 시점의 차이는 있을 수 있다.13 석탑의 해체 수 리 과정에서 은장이 확인된 익산 미륵사지석탑(639년), 경주 감은사지 삼층석탑(682년), 경주 불국사 삼층석탑 (751년)이 대표적이다(사진 10). 여기에 사용된 은장은 주로 이탈 방지를 위해 양 끝을 가공하여 방두형(方頭形) 과 반원두형(半圓頭形)으로 제작하여 사용된 것으로 확 인되었다. 또한 2000년대 이후 해체, 수리 및 보존처리가 이루어진 석조문화재에서도 다양한 재질 및 형태의 금속 보강재가 사용되었는데, 불국사 다보탑, 경주 감은사지 석탑, 익산 미륵사지석탑과 옥천 조헌 신도비, 칠곡 기성
리 삼층석탑, 경주 불국사 석가탑 등에서 확인할 수 있다 (사진 11).
통상적으로 높은 하중과 강한 부착력이 필요한 경 우 철근 표면에 마디 또는 리브(rib) 등의 돌기가 있어 결 합력과 부착 강도가 높은 봉강(이형철근)이 사용된다.18 그러나 지광국사탑 수리에 사용된 철물은 표면이 매끈한 원형철근이다. 건축물로 분류되는 석탑에 일반적으로 주 철근(主鐵筋)으로 사용하지 않는 원형철근이 사용된 이 유는 1923년 관동 대지진에 이형철근이 사용된 건축물이 붕괴된 후 일본에서는 1950년대까지 이형철근의 사용을 중단하였으며,19 이 영향으로 해방 직전까지 국내에 건설
사진 10 금속보강제 중 은장의 사용 사례. A: 익산 미륵사지석탑14, B: 경주 감 은사지15, C: 경주 불국사 다보탑16.
A
B
C
사진 11 다양한 형태 및 재질의 금속보강제 활용 사례.17 A: 경주 불국사 다보 탑(2005, 2009), B: 경주 감은사지석탑(2006), C: 옥천 조헌 신도 비(2009), D: 칠곡 기성리 삼층석탑(2012), E: 경주 불국사 석가탑 (2012~2017), F: 익산 미륵사지석탑(2009~2019).
A B
C D
E F
13 김홍남, 2019,「통일신라전기석조건축의은장연구 I -감은사석탑,불국사석가탑,석굴암,월정교·춘양교를중심으로」,한국미술사학회,미술사학연구, Vol.303, No.303. p.8.
14 국립문화재연구소, 1989,「彌勒寺[미륵사]유적발굴조사보고서Ⅰ」, p.90. 15 국립문화재연구소, 1997,「감은사발굴조사보고서」, p.296.
16 국립문화재연구소, 2017,「경주불국사삼층석탑수리보고서Ⅰ」, p.284, 291, 302. 17 국립문화재연구소, 2019,「석조문화재수리기술연구석탑」, p.409.
18 김생빈, 1998,「鐵筋콘크리트工學」, p.22.
19 안재철,송종목, 2014.「1930-40년대부산·경상지역의근대역사문화유산에사용된강재의재료적특성」,『건축역사연구』,한국건축역사학회, Vol.23, Nc.6, p.36~46.
