1. 개요
□ 연구환경 ○ 사회적 인식
- 사회적으로 전반적인 인식이 과학고등학교에서는 사회와 동떨어진 수· 과학 등의 학문에만 취중 한다는 인식을 가지고 있다. 하지만 요즘 사회는 STEAM적인 융복합적 인재를 요구하고 있다. 최근 “역사 를 잃은 민족에게 미래는 없다.” 라는 문구를 많이 접한다. 이에 우리 는 수·과학 문제풀이에만 취중할 것이 아니라 우리 조상들의 얼과 지식이 담긴 문화재에도 많은 관심을 가지고 그 속에 포함된 수·과학 적 원리를 찾고 훼손된 문화재를 복원할 방안에 대해서 생각해보기로 하였다.
○ 학교 환경
- 실제 창원과학고등학교에서는 내신 관리 중심의 학습을 지양하고 학생들이 다양한 경험을 쌓고 현 사회가 요구하는 융복합 인재로 길러 내기 위해 다양한 과학실험 및 과제 연구활동에 적극 참여할 수 있는 분위기 조성하고 있다.
- 첨단 기자재 등을 다수 보유하여 학생들이 과학실험 및 연구 활동을 함에 있어 불편한 점 없이 지원하며, 국내 대회뿐만아니라 각종 세계적 인 대회에 적극 참여하도록 장려하고 있다.
□ 연구 목적
○ 조상들의 얼과 지식이 담긴 문화재에 포함된 수·과학적 원리를 배우자.
- 우리는 특히 석굴암에 초점을 맟춰 석굴암의 구조 및 크기 등에 포함된 수·과학적 원리를 찾고 우리 문화재에 대한 우수성을 입증한 다.
○ 훼손된 문화재를 복원할 수 있는 과학적 방법을 찾자.
- 일제강점기를 거치며 다수의 문화재가 국외로 유출되고, 국내에
남아있는 문화재도 많이 훼손되었다. 이에 우리는 과학적 지식과 실험 을 통해 이러한 훼손된 문화재를 복원할 수 있는 방법을 찾아볼 것이 다.
□ 연구범위
○ 연구 분야 및 범위
- 석굴암에 발라져있는 시멘트를 제거하고자 물리적 방법과 화학적 방법을 고려해보았고 그 중 화학적으로 시멘트를 제거하는 방법을 찾아보고자 한다. 화학적 방법 중에서 산을 이용하여 시멘트를 제거하 는 효과적인 방법을 찾아보고자한다.
○ 진행단계
- 작은 화강암 조각을 준비하여 직접 시멘트를 1cm정도 발라 모형을 제작한 후 황산, 질산, 염산, 아세트산 4개의 용액을 준비해 시멘트 부분에 산을 조금씩 떨어뜨린다. 그 후 더 세부적인 표면의 변화 정도 를 비교하기 위하여 주사전자 현미경(SEM)기기를 사용하였고, 그 반 응으로 인해 생긴 부산물이 피해를 줄 수도 있어 적외선 분광 광도계 (FT-IR)를 통해 부산물에 대하여 좀 더 알아보았다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 산이나 알칼리는 반응이 크기 때문에 여러 가지 용도에 쓰이고 있으며 그 중에서도 중화반응이 가장 중요하다. 중화반응이란 이와 같이 산 과 알칼리의 접촉에 의하여 산성과 알칼리성이 없어져 중성의 염이라 고 불리는 화합물을 생성하는 반응이다. 산과 알칼리를 서로 반응시 키면 여러 가지의 염이 만들어진다. 이것들은 산이나 알칼리를 대량 으로 중화 반응시켜서 만드는 경우가 많다. 그 밖에 산이나 알칼리는 여러 가지 물질을 잘 녹이는 성질이 있다. 특히 산을 아연 등의 금속에 적시면 수소의 기포를 발생시키면서 용해해 버린다. 암모니아 수용액
은 알칼리이지만 난용성의 물질을 잘 녹인다. 산·알칼리나 염은 물 에 녹이면 음양의 전하를 가진 이온으로 해리한다고 하는 특징적인 성질이 있다. 이 현상을 전리라고 하며, 전리하는 물질을 전해질이라 고 한다. 이렇게 해서 생긴 이온을 포함한 수용액은 이온이 전기를 운반하는 역할을 하므로 전도성을 나타낸다. 산이나 알칼리 중에서도 염산·황산·수산화나트륨과 같이 녹은 것이 전부 이온화해 버리는 것과, 초산이나 암모니아와 같이 일부분만 전리하는 것이 있다. 같은 양을 녹이더라도 전자에서는 수소이온이나 수산이온의 양이 많으므 로 산·알칼리로서의 작용이 강하며 이것을 강산·강알칼리라고 하 고, 후자와 같이 부분적으로밖에 전리하지 않는 것을 약산·약알칼리 라고 한다.
○ 시멘트는 알칼리성이다. 이러한 알칼리성 물질은 산과 반응시키면 제거할 수 있다.
□ 연구주제의 선정
○ STEAM적 요소를 만족할 만한 주제 탐색 및 선정
- 주제 선정을 위해 학생들이 가지고 있는 관심사, 궁금점, 배경지식 등을 한데 모았다. 의견 교환 도중 모두 초, 중학교 시절 수학여행 등의 경험을 가지고 있었고, 수학여행을 통해 많은 문화재들을 접하고 우리 문화재의 우수성을 느꼈다는 것에 동의하였다. 이에 우리는 과학 고등학교에 재학 중인 과학도의 수·과학적 지식(Science &
Mathematics)을 활용하여, 우리 조상들이 남겨주신 문화재(Art)의 우 수성 입증 및 훼손된 문화재 복원 방안을 설계 및 수행(Engineering)하 려고 한다.
○ 주제 및 연구 진행 방향의 구체화
- 세부적인 연구 계획을 수립하기 위하여 문화재 중에서도 한 가지에
초점을 맞추기로 하였다. 우리는 유네스코가 지정한 세계문화유산인 석굴암에 초점을 맞추기로 하였고, 석굴암에 포함되어있는 수·과학 적인 원리, 즉 구조에 대한 대칭성 및 불상의 비율, 석굴암 아래의 지하수에 효과 등에 대해 탐색해볼 것이다. 나아가 일제강점기 시대에 복원이라는 이름하에 시멘트로 훼손되었던 석굴암의 복원 방법을 찾 기 위해 시멘트를 제거할 수 있는 방법을 물리적·화학적 방법을 활용 한 과학적인 실험을 설계 및 수행을 진행할 것이다.
□ 연구 방법
○ 석굴암에 숨겨진 수·과학적 원리 탐구
- 경주시 진현동 토함산 기슭에 자리한 석굴암은 서기 751년 신라 경덕왕때 김대성이 창건해 774년 혜공왕 10년에 완공됐다.
<그림 1. 석굴암 본존불상>
석굴암은 지금도 조각하기 힘들다는 화강암으로 제작됐다. 건축, 수리, 기하학, 예술이 종합적으로 어울려 완성된 작품이다. 1995년 불국사와 함께 세계문화유산으로 지정될 정도로 그 가치를 평가받고 있다.
순수 인공 석굴인 석굴암 내부는 철저한 좌우 대칭으로 이뤄졌다.
사각형인 전실에는 양쪽에 각각 4개의 입상이, 원형인 주실에는 15개 의 입상이 본존불인 석가여래좌상을 둘러싸고 있다. 석굴암은 12당척
(1당척은 29.7㎝)을 기본으로 설계됐다. 주실은 반지름이 12당척인 원형이며 참배자의 위치는 본존불에서 12당척의 두 배 되는 지점에 위치한다. 이 거리는 참배자가 본존불을 보는 이상적인 거리다. 본존 불상은 얼굴 너비가 2.2자(1자는 약 30㎝), 가슴 폭은 4.4자, 어깨 폭은 6.6자, 양 무릎의 너비는 8.8자로 1:2:3:4의 비율이다.
석굴암은 정사각형과 대각선, 정삼각형과 수선, 원에 내접하는 정 6각형의 사용 등 수학적 기법으로 만들어진 정교한 예술로 1000년 이상 스스로 숨을 쉴 수 있는 구조로 만들어졌다.
석굴암의 비밀은 바닥 밑을 흐르는 지하수에 있다. 지하수는 바닥의 온도를 벽면의 온도보다 낮게 유지하게 만들어 불상 표면의 결로현상 을 막았다. 또 석굴암 주실에 상층부에 위치한 10개의 감실과 감실을 받치고 있는 돌 사이에는 작은 틈이 존재해 공기를 순환시킨다. 출입구 의 아치형 천장 위 광창은 햇빛을 잘 받게 하고 원활한 통풍이 이루게 했다. 석굴암 천년의 비밀은 이 같은 자연 과학 원리들에 의해 유지됐 다.
<그림 2, 신라역사과학관에 전시된 석굴암 지하수 관련 자료>
우리는 이러한 내용들을 좀 더 가까이서 눈으로 몸으로 체험하기 위해 석굴암 및 경주 민속 공예촌에 있는 신라역사과학관을 견학하여 석굴암에 숨겨진 수·과학적 원리를 상세하게 조사하였다.
○ 훼손된 석굴암의 복원을 위한 과학적인 실험 설계 및 수행
- 일제강점기 시대부터 시멘트를 이용한 두 번의 보수공사 과정에서
서리와 이끼가 끼는 치명적인 문제가 발생했다. 이로 인해 현재는 기계에 의해 냉방과 온방, 습도조절을 하기에 이르렀다. 현재는 석굴암 불당에서 유리 너머로 본존불을 구경할 수 있다. 1960년대 유네스코와 함께 석굴암의 원리를 밝혀낸 이태녕 서울대 명예교수의 말을 빌리자 면 "20세기 들어 일제가 1913년 콘크리트를 사용해 석굴암의 외벽을 시멘트로 싼 이후부터 석굴암의 비극은 시작됐다"며 "섣부른 지식을 가지고 복원사업을 하려 했다는 사실 자체가 현대인이 범한 큰 잘못"
이라고 아쉬워했다. 우리는 화강암 표면에 발라진 시멘트에 초점을 맞추고, 기존 석굴암에 피해를 가장 적게 하는 조건하에 화강암에 붙어있는 시멘트를 제거할 수 있는 화학적인 실험을 직접 설계하고 실험을 진행하였다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 2014년 5~7월 아이디어 회의
- 화학적인 실험을 진행하고자 구체적인 실험을 설계하기 위하여 5~7 월 동안 아이디어를 회의하였다.
○ 2014년 8월 초 석굴암 탐사
- 석굴암에 대한 자세한 내용을 알아보기 위하여 직접 석굴암으로 탐사를 가기 위하여 8월 초에 석굴암을 탐사할 계획을 설정하였다.
- 날짜 : 2014/08/08 금요일
- 장소 : 대한민국 경상북도 경주시 불국로 873-243(진현동 999) - 경주 석굴암의 시멘트에 의한 화강암의 손상을 관찰한다.
- 석굴암의 내부 구조 관찰을 통해 석굴암의 과학적 원리를 알아본다.
- 석굴암 내부의 기온, 습도를 측정한다.
- 석굴암 표지판에 있는 역사와 전통을 알아본다.
- 석굴암에 묻어있는 시멘트의 종류를 알아본다.
- 석굴암에 쓰인 돌의 종류를 알아본다.
<그림 3. 경주 일대 탐사>
○ 산 종류에 따른 시멘트 반응정도 실험
- 가설 설정 : 산의 종류에 따라 시멘트를 파고든 정도가 다를 것이다.
1) (7cm, 7cm, 2cm)로 가공되어 있는 화강암 조각을 준비한다.
2) 시멘트 4kg과 물 500ml를 섞어 화강암에 바를 시멘트를 제조한다.
3) 화강암 옆면에 고정시킬 높이가 3cm인 마분지 틀을 만든다.
<그림 4. 시멘트 반죽 및 마분지 제작>
4) 화강암의 윗면에 두께가 1cm만큼 되도록 시멘트를 평평하게 바른다.
5) 시멘트가 마르면 틀을 떼어낸다.
<그림 5. 시멘트 도포>
6) 제작한 화강암 블럭을 페트리접시에 담는다.
7) 뷰렛에 5M농도의 산을 종류별로 준비한다.
8) 페트리접시에 담은 화강암 블록에 뷰렛으로 산 수용액을 한 방울씩 떨어뜨린다.
9) 시간을 두고 화강암 블록의 상태를 관찰한다.
<그림 6. 다양한 산을 이용한 제거>
○ 화강암과 시멘트 산 처리 전 후 SEM촬영
- 가설 설정 : 산의 종류에 따라 시멘트와 화강암에 대한 손상정도가 다를 것이다.
1) 다섯개의 화강암 조각과 시멘트 조각을 준비한다.
2) 페트리 접시 5개에 각각 하나씩 놓는다.
3) 하나는 그대로 두고 나머지 4군데에 염산, 질산, 황산, 아세트산을 각각 3방울씩 떨어뜨린다.
4) 반응을 하면 전자주사현미경(SEM)을 이용하여 시멘트와 화강암의 손상 정도를 각각 알아본다.
5) 최적의 산의 종류를 찾는다.
<그림 7. SEM 촬영>
○ FT-IR분석
- 가설 설정 : 산의 종류에 따라 시멘트와 화강암과 반응했을 했을 때 생성된 부산물의 성분이 다를 것이다.
1) 시멘트와 화강암을 망치로 잘게 부순다.
2) 잘게 부순 조각들을 페트리접시에 담는다.
3) 시멘트와 화강암 조각에 산을 종류별로 투여한다.
4) 반응이 충분히 일어나도록 기다린다.
5) FT-IR을 찍는다.
<그림 8. FT-IR 분석>
○ 시행착오
- SEM촬영을 할 때 원래는 산 처리 전 후에 같은 시료를 이용해 촬영해야 하지만 산 처리를 통해 정확하게 같은 위치에서의 SEM 촬영이 힘들었다.
- 산을 같은 속도로 일정하게 떨어뜨리는 것이 쉽지 않았다.
- 처음에 FT-IR 기기를 다루는 데에 익숙해질 때까지 다루는 과 정이 어려웠다.
- 시멘트를 일정한 두께만큼 바르는 과정이 쉽지 않았다.
- 망치로 일정한 강도로 같은 위치의 시료를 채집하는 과정이 쉽 지 않았다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 굳힌 지 하루 된 시멘트를 여러 산과 반응 후 표면 관찰
<그림 9. 반응 전>
<그림 10. CH3COOH>
<그림 11. HCl>
<그림 12. HNO3>
<그림 13. H2SO4>
- 결과 : 하루가 지난 화강암의 경우 CH3COOH에 의해 구조적
○ 굳힌 지 두 달 된 시멘트를 여러 산과 반응 후 표면 관찰
<그림 14. 반응 전>
<그림 15. CH3COOH>
<그림 16. HCl>
<그림 17. HNO3>
<그림 18. H2SO4>
- 결과 : 두 달이 지난 시멘트의 경우 마찬가지로 CH3COOH에 의한 구조적 변형이 가장 많이 일어났다.
○ 굳힌 지 하루 된 화강암을 여러 산과 반응 후 표면 관찰
<그림 19. 반응 전>
<그림 20. CH3COOH>
<그림 21. HCl>
<그림 22. HNO3>
<그림 23. H2SO4>
- 결과 : 하루가 지난 경우 HNO3에 의한 구조적 변형이 가장 적었다.
○ 굳힌 지 두 달 된 화강암을 여러 산과 반응 후 표면 관찰
<그림 24. 반응 전>
<그림 25. CH3COOH>
<그림 26. HCl>
<그림 27. HNO3>
<그림 28, H2SO4>
- 결과 : 두 달이 지난 화강암의 경우 CH3COOH에 의한 구조적 변형이 가장 적었다.
○ FT-IR 분석 - 시멘트와 산과의 반응 후 생성된 부산물
FT-IR 분석 생성물 및 주요 피크 값
<그림 29. CH3COOH 반응한 시멘트>
생성물 :
폴리아미드 고분자 주요 피크(cm-1) : 1545.22
1447.30 674.51 660.33
<그림 30. HCl 반응한 시멘트>
생성물 : 폴리 아미드 주요 피크(cm-1) : 3384.79
1630.40 609.71 579.79
<그림 31. HNO3 반응한 시멘트>
생성물 :
폴리에틸렌 테레 프탈레이드 주요 피크(cm-1) :
3378.57 1636.69 1351.68
<그림 32. H2SO4 반응한 시멘트>
생성물 :
폴리 바이닐 클로라이드 주요 피크(cm-1) : 1108.33
1035.28 879.71
○ 이를 통해 내린 결론
- 시멘트 제거 효율은 아세트산 염산 황산 질산 순으로 나타났다.
- 화강암 변형 정도는 황산 염산 질산 아세트산 순으로 나타났다.
- 둘 다 고려했을 때 염산이 제거효과가 가장 뛰어나다.
- FT-IR 결과를 통해 반응하는 산마다 다른 부산물이 생성하는 것을 알 수 있다.
□ 학습 효과
○ 연구 활동을 통하여 학교 내에 있는 FT-IR(적외선 분광 광도계), SEM (주사 전자 현미경)의 사용법을 익힐 수 있었다. 또한 석굴암에 대해서 그저 일본이 보수공사를 하여 현재 보호 단계에 있다는 것만을 알았 는데 석굴암의 수, 과학적 원리에 대해 알게 되어 우리나라 문화재의 우수성에 대해 알게 되었으며 직접 석굴암을 답사하여 이렇게 우수한 우리나라 문화재에 대한 홍보가 부족하다는 것을 알게 되어 어플리케 이션을 제작하여 홍보하고자 하는 과정에서 어플리케이션 제작에 대하여 공부해보게 되었다.
□ 개선점
○ 산을 부어 실제 문화재에 적용시키기에는 어려움이 있고 사용한 산을 처리하는 과정에서 환경오염 문제가 있을 수 있다. 따라서 현재 연구 결과로는 석굴암에 바로 적용하기가 힘들지만 물리적 제거방법을 연구하여 물리적으로 최대한 석굴암에 손상이 가지 않는 방법으로 제거 한 후 석굴암 표면에 붙어 제가하기 까다로운 시멘트들은 산들 을 적절이 배합하여 적절한 제거제를 만들어 제거한다면 석굴암에 손상을 거의 주지 않고 제거할 수 있을 것이다. 시멘트 제거에 효과적 인 산을 혼합하여 사용한다면 좀 더 제거에 효과적인 결과를 얻을 수 있을 것이다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 홍보 및 사후 활용
○ 현재 석굴암에는 석굴암을 설명해주는 가이드나 안내판이 존재하지 않아 석굴암을 보러간 관광객들이 많은 불편함을 겪는다. 그리고 일본이 석굴암에 시멘트를 덮었다는 사실을 모르는 사람들이 매우 많다. 또한 석굴암은 수학여행을 많이 오는 장소이지만 그런 정보들 을 알기 어려워서 석굴암 홍보 어플리케이션을 제작하여 사람들에게 지금의 석굴암의 상태와 석굴암의 정보 등을 올리고, 우리가 한 연구 를 토대로 각각의 산을 넣으면 시멘트가 어떻게 되고 어떤 산들이 더 제거 효과가 좋고 화강암에 손상이 덜 가는지 맞추는 퀴즈도 첨가 해 어플리케이션의 흥미를 더해 사람들의 관심을 끌어 석굴암에 대하 여 사람들이 더 잘 알도록 한다.
○ 문화재에 적용 할 때에는 오랜 세월이 지난 문화재에 바로 적용하기에 는 어려움이 있기에 충분한 조사가 이루어지고 난 뒤에 사용하여야 하지만 실험 시에 사용한 시멘트와 화강암은 현재 보편적으로 쓰이고 있는 것이기에 이 결과를 통하여 최근에 지어진 건축물이나 화강암의 시멘트를 제거 할 때 효과적인 산을 사용한다면 효율적으로 제거 할 수 있을 것이다.
5. 참고 문헌
○ 성낙주. 석굴암, 법정에 서다 신화와 환상에 가려진 석굴암의 맨얼굴 을 찾아서, 불광출판사:
○ 성낙주. 석굴암 백년의 빛, 동국대학교 출판부:
○ 정지곤. 암석의 미시세계, 시그마프레스:
○ 안건상. 편광현미경으로 본 암석의 세계, 교육과학사:
○ 최완철. 콘크리트 공학, 동화기술:
