접수 ’09. 03. 25 / 심사 ’09. 05. 18 / 승인 ’09. 05. 20
보호각 내부의 미기후 환경
김지영 | 박선미 | 이찬희1 공주대학교 문화재보존과학과
Deterioration and Microclimate in the Shelter for the Gaetaesajiseokbulibsang (Standing Triad Buddha Statues in
Gaetaesaji Temple Site), Nonsan, Korea
Jiyoung Kim | Sun Mi Park | Chan Hee Lee1
Department of Cultural Heritage Conservation Sciences, Kongju National University, Gongju, 314-701, Korea
1Corresponding Author: [email protected], +82-41-850-8543
초 록 논산 개태사지석불입상(보물 제219호)은 담회색을 띠고 부분적으로 장석 반정을 함유하고 있는 중립 내지 조립질 의 화강섬록암으로 구성되어 있다. 구성암석의 전암대자율은 평균 12.06(×10-3 SI unit)으로 개태사지 배후의 천호산 (0.19×10-3 SI unit) 노두와는 많은 차이를 보이고 있어 석재의 외부 유입 가능성이 제기된다. 이 석불입상은 우협시불의 박리(35.2%), 본존불의 시멘트 보수물질(21.1%) 및 먼지(25.0%)가 주요한 손상현상으로 밝혀졌다. 초음파 속도는 본존 불 2850.2m/s, 좌협시불 2648.4m/s, 우협시불 2644.5m/s로 측정되었다. 이를 통해 산정한 일축압축강도는 우협시불이, 부위별로는 대좌에서 상대적으로 낮은 강도를 나타내어 손상도 평가 결과와 일치하였다. 석불입상이 봉안된 보호각 내부 의 연평균 기온은 13.7℃, 상대습도는 79.0%로, 계절에 따른 보호각 내부의 환경 변화는 근본적으로 외부의 변화를 따르 나 미기후 변동이 심하지 않아 비교적 안정된 실내 환경이 유지되고 있다. 석불입상의 대좌 표면에서는 봄과 여름철에 결로가 발생하는 것으로 확인되었으며, 겨울철에는 동결파괴가 우려된다. 이는 훼손도 평가와 초음파 탐사 결과에서 나타난 대좌의 풍화 및 강도 저하의 근본적인 요인일 가능성이 매우 크다. 따라서 봄과 여름철에 집중 강우 시 실내의 제습과 한겨울에 기온 강하를 저감시킬 수 있는 조치가 필요하다.
중심어: 개태사지석불입상, 박리, 변색, 초음파 속도, 미기후, 결로, 보호각
ABSTRACT The Gaetaesajiseokbulibsang (Treasure No. 219) consists of light gray and coarse to medium-grained gran- odiorite with feldspar phenocrysts in part. Magnetic susceptibility of the rock material was measured as 12.06(×10-3 SI unit), being different from the granite(0.19×10-3 SI unit) in the Mt. Cheonho. This indicates the raw material has been supplied from the outside. As a result of deterioration assessment, exfoliation of the Right Buddha, cement and dust of the Main Buddha were estimated as 35.2%, 21.1% and 25.0%. The ultrasonic velocity was measured as 2850.2m/s(Main Buddha), 2648.4m/s(Left Buddha) and 2644.5m/s(Right Buddha). The compressive strength calculated from the velocity showed low in the Right Buddha among three and the all pedestal parts which corresponds to the result of deterioration assessment. The indoor mean temperature and relative humidity of the shelter were 13.7℃ and 79.0%. It is evaluated that the indoor microclimate was stable and the shelter functioned to reduce climatic fluctuation of the outdoor. However,
1. 서 론
논산 개태사지석불입상(보물 제219호)은 충남 논산시 연산면 천호리 천호산 아래 개태사에 자리한 고려 초기의 불상이다. 개태사는 태조 왕건이 936년 통일을 이루고 그 뜻을 기리고자 세운 국가사찰로서 이 불상과 사찰은 역사 적인 의미와 배경이 매우 중요하다. 그러나 개태사의 폐사 와 함께 오랜 세월 외부 환경에 방치되어 불상 일부가 파손 되고 절단되어 오늘날에 이르고 있다. 조선고적도보(朝鮮 古蹟圖譜)의 사진 자료에 의하면1 당시에는 삼존불 중 우 협시불만 완전한 상태였으며, 본존불과 좌협시불은 상체 부가 절단된 채 분리되어 있었다(Figure 1A). 이후 정확한 시기는 알 수 없으나 절단된 부위를 시멘트로 접합하고 유 실된 좌협시불의 두상을 복원하였다.
1986년 석불입상의 발굴조사를 통해 창건 당시의 초석 과 기단석이 확인되었으며, 이와 함께 좌협시불의 두상이 발견되어 이전에 신석재로 복원되었던 부분을 원형복원하 였다(Figure 1B, 1C).2 현재 개태사지석불입상은 개태사 경내에 자리한 남향의 정면 5칸, 측면 3칸의 개폐가 가능한 예불용 보호각 내에 봉안되어 있다(Figure 1D, 1E). 개태 사지석불입상은 정확한 시기는 알려져 있지 않으나 과거 파손부의 복원 시에 시멘트를 보수재료로 사용하였다. 이 시멘트는 오랜 경과년수로 부식과 열화가 진행 중이며 이 로 인해 불상 표면의 변색과 내구성 저하로 인한 복원부위 의 지지력 약화가 우려되고 있다. 또한 대좌 표면은 수분으 로 항시 축축한 상태를 유지하고 있다(Figure 1F).
국내 석조문화재의 손상메커니즘과 보존에 대한 연구 는 양희제 외(2004), 이명성(2007), 이상헌(1998), 이선명 외(2006), 이찬희 외(2002; 2003; 2007), 최석원 외(2001) 및 Lee et al.(2003; 2005; 2008) 등에 의해 수차례 보고된 바 있다.3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 또한 보존환경의 중요성에 대한 인식이 점차 고조되어감에 따라 문화재 주변의 온도와 습 도를 측정하여 환경 특성을 보고한 연구가 소수 발표되었 다(전용두 외, 2004; 홍정기 외, 2002; 2003).14,15,16 그러나
개태사지석불입상과 같이 손상과 수분 문제가 제기되는 석조문화재에 대해 양자 간의 상관관계를 규명한 것은 비 교적 최근으로 여전히 심도있는 고찰과 환경 제어 방안 도 출이 과제로 남아있는 상황이다(김지영 외, 2009; 박성미 외, 2009; 이선명 외, 2007).17,18,19
이 연구에서는 개태사지석불입상의 손상도를 정량적으 로 평가하고 훼손 요인과 보호각 내부의 미기후 환경을 분 석하여 보존환경의 안정성을 검토하였다. 이 연구결과는 향후 석불입상의 장기적인 보존관리를 체계화하고 석불입 상과 같이 전통목조 건축식 보호각 내부에 위치한 석조문 화재의 보존환경에 대한 비교자료로 중요하게 활용될 것 이다.
2. 연구방법
이 연구에서는 개태사지석불입상을 구성하는 암석의 재질특성과 풍화훼손 특징에 관한 정밀조사가 실시되었다.
또한 손상도 진단과 미기후 환경 분석이 수행되었다. 부재 의 암석학적 특성 연구를 위해 SM-30(ZH Instruments) 전 암대자율 측정기를 이용하였으며, 대자율의 세기는 10-3 SI 단위계로 표기하였다. 암석의 종류와 조직적 특성은 풍화 초기 단계에서 중요한 요인으로 작용한다. 따라서 개태사 지 석불입상을 구성하는 암석에 대해 육안적 특징을 관찰 하고, 채취한 시료에 대해 반정량적인 광물조성, 광학적 특 징과 조직, 풍화에 의한 변질 광물 생성을 관찰하기 위해 편광현미경 관찰을 실시하였다.
편광현미경은 자동계수기(mechanical counter)가 장착 된 Nikon사의 Eclipse E600W 편광/반사 겸용 현미경이 이용되었다. X-선 회절분석(XRD)은 Bruker사의 D8 Advance 고온 X-선 회절분석기를 이용하였으며 상온영역에서 측정 하였다. 사용된 X-선은 CuKα이며 양극의 가속 전압 및 필 라멘트의 전류는 각각 40kV와 40mA이었다. 개태사지석 불입상을 이루는 조암광물의 미세조직과 풍화에 따른 생 성물을 관찰하기 위해 Oxford사의 에너지분산형 성분분석 water condensation was occurred on the surface of the pedestal part during spring and summer, and freezing in winter season might also be done. These factors were probable to be a main cause of the surface exfoliation of the Triad Buddha Statues. Therefore, dehumidification and heating system in the shelter should be applied to prevent further deterioration.
Key Words: Gaetaesajiseokbulibsang, Exfoliation, Contamination, Ultrasonic velocity, Microclimate, Water condensation, Shelter
기(EDX Inca M/X)가 장착된 JEOL사의 주사전자현미경 JSM 6335F를 이용하였으며 시료는 백금으로 코팅하였다.
석불입상의 손상도를 정량적으로 평가하기 위해 훼손 도면을 작성하였으며 현장에서 일차적으로 작성된 도면은 실내에서 컴퓨터 그래픽으로 디지털 도면을 생성하였다.
훼손지도 작성에는 2D 그래픽 전문응용프로그램인 Adobe Illustrator를 이용하였고, 이를 호환 가능한 Auto CAD 프 로그램을 이용하여 전체 면적에 대한 손상 점유율을 산출 하였다. 또한 미세균열발달과 풍화에 의한 물성변화에 따 른 부재의 훼손도를 정량화하기 위해 초음파탐사를 실시 하였다. 측정기기는 CNS FARNELL사의 PUNDIT PLUS 이며 측정된 초음파 속도는 WINDOW용 프로그램인 SURFER 를 이용하여 2차원 모델링하였다.
석불입상의 훼손과 보존에 중요한 인자로 작용하는 보 존환경을 규명하기 위해 2006년 5월부터 2007년 9월까지 보호각 내외부의 기온과 상대습도를 측정하였으며, 불상 표면의 온도와 공기의 이슬점 온도를 측정하였다. 측정은 1시간 간격으로 실시되었으며 이용된 기기는 TESTO사의 온습도 로거인 Testo 175-H2와 Testo 177-H1이다. 이들은 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터와 전기 저항식 습도센서가 장착된 제품이다.
3. 석재의 재질특성 3.1. 전암대자율
전암대자율(magnetic susceptibility)은 암석학 연구의 한 수단으로 외부자기장에 대한 자화강도를 의미한다. 대 자율은 물질의 자기적 특성을 결정하는 상수로서 암석 내 불투명 광물로 나타나는 강자성 광물인 자철석의 함량에 의해 좌우되며, 자철석 함량과 정의 상관관계를 가진다. 일 반적인 화강암의 대자율은 2.512(×10-3 SI unit)이며 1.256(×10-3 SI unit)을 기준으로 이 값보다 높으면 자철석 계열, 낮으면 티탄철석 계열의 화강암류로 분류한다.20 또 한 암석의 성인적 환경과 암석학적 동질성을 파악하는데 유용하기 때문에 국내외 석조문화재의 산지해석에 수차례 적용된 바 있다(김지영 외, 2005; 이찬희 외, 2007; Uchida et al, 1998; 2006).21,22,23,24
측정은 각 석불입상의 전면과 후면을 포함하여 개태사 지 뒷산인 천호산 노두를 대상으로 실시하였다. 본존불의 대자율값은 8.21~16.5(×10-3 SI unit)의 범위를 보이며 평 균 12.5(×10-3 SI unit)이고, 좌협시불은 9.07~15.5(×10-3 SI unit)의 범위에 분포하며 평균 12.7(×10-3 SI unit), 우협 시불은 6.62~14.7(×10-3 SI unit)의 범위에 평균 11.0(×10-3 Figure 1. History and occurrence of the Gaetaesajiseokbulibsang. (A) Broken three Buddha in 1915 from the Chosungojeokdobo. (B) Cemented Buddha and excavation site in 1986. (C) Restored Left Buddha with the unearthed head in 1988. (D) Current appearance of the three Buddha in the shelter. (E) General view of the shelter. (F) Wet pedestal of the Right Buddha.
SI unit)을 나타내었다(Figure 2). 세 석불입상의 대자율값 은 모두 유사하며 자철석 계열의 화강암류로 분류된다.
그러나 개태사지석불입상에서 가장 근거리에 위치하며 채석할만한 노두가 발달된 배후의 천호산 화강암류의 대 자율값은 평균 0.19(×10-3 SI unit)로 나타나 석불입상과 크게 달랐다. 이는 양자가 암석학적으로 서로 다른 성인으 로 생성되었음을 지시한다. 따라서 개태사지석불입상은 주변의 석재를 사용한 것이 아니라 외부의 석재를 이용하 여 조성된 것으로 판단된다.
3.2. 암석 및 광물학적 특징
논산 개태사지석불입상을 구성하는 암석은 중립 내지 조립질의 화강섬록암으로 색상은 풍화도에 따라 담회색 내지 담갈색을 띤다. 이 화강섬록암은 흑운모가 주요 유색 광물로 관찰되며 부분적으로 약 2cm 정도의 장경을 갖는 장석반정을 함유한다. 또한 유색광물의 집합체인 포획암 이 렌즈상으로 관찰되기도 한다(Figure 3A). 이처럼 석불 입상의 구성암석은 반상흑운모화강섬록암의 특징을 보이 기도 한다.
개태사지석불입상을 구성하는 화강섬록암의 조암광물 은 석영, 사장석, 미사장석 및 흑운모 등이다(Figure 3B).
부성분 광물로는 각섬석, 저어콘, 백운모, 자철석 및 녹니 석 등이 관찰된다. 알바이트 쌍정(albite twin)을 보이는 사 장석은 풍화에 따라 견운모화 작용을 받은 것이 많다. 결정 들 사이에는 격자형 쌍정을 보이는 미사장석이 관찰되며
결정 내부에 사장석, 석영, 흑운모 결정을 많이 포함한다.
또한 흑운모는 입자의 경계나 벽개면을 따라 녹니석으로 교대된 것이 많다(Figure 3C). 석불입상에서 탈락한 미세 시편을 X-선 회절 분석한 결과, 운모, 석영, 정장석, 사장석 등이 검출되었다(Figure 3D).
4. 손상도 평가
4.1. 물리적 손상
개태사지석불입상에서는 박리, 탈락 및 균열이 주요한 물리적인 손상유형으로 나타났다. 중앙의 본존불은 두부 의 나발, 신부의 팔과 대좌부 등에서 박리와 탈락이 관찰되 며, 특히 대좌에서는 균열이 발생하였다. 탈락된 팔은 부분 적으로 시멘트로 접합된 상태이다(Figure 4A, 4B). 석불입 상 전면에 걸쳐 관찰되는 것은 박리 현상으로, 특히 후면과 대좌 부분에 집중되어 있다.
우협시불은 두상과 대좌에서 탈락과 박리가 동반되며, 하반신의 절단면은 시멘트로 접착 보강되었다. 또한 대좌 부는 측면이 파손되었으며 박리가 발달된 상태이다(Figure 4C, 4D). 좌협시불 역시 주로 대좌부에서 표면 박리와 균 열, 탈락 등이 관찰되고(Figure 4E) 절단된 부분과 두상의 후면은 시멘트로 복원되었다. 전반적으로 모든 석불입상 에서 공통적으로 박리에 의한 손상이 광범위한 분포를 보 인다.
4.2. 오염물에 의한 변색
개태사지석불입상을 구성하는 암석은 담회색의 화강섬 록암이나 부분적으로 원암의 색상이 변질된 부분이 확인 된다. 석불입상의 표면에는 황갈색 변색과 암흑색 변색이 주종을 이루며 시멘트 복원 부위는 회백색 오염물이 부분 적으로 분포한다. 또한 불상 전반에 걸쳐 먼지가 침적되어 암회색을 띠기도 한다. 먼지는 세 구의 석불입상 모두에서 법의의 주름부, 요철부 및 대좌부에 두껍게 쌓여 표면을 오 염시키고 있다(Figure 4F).
본존불에서는 황갈색, 회백색 및 암흑색 변색이 복합적 으로 관찰되며, 특히 후면의 황갈색 변색과 암흑색 변색이 심각하다. 우협시불에서도 황갈색 변색과 암흑색 변색이 전반적으로 발생하였으며, 특히 후면 하단부에 시멘트 복 원부위를 따라 회백색 오염물이 관찰된다(Figure 4G). 좌 Figure 2. Magnetic susceptibility of the Gaetaesajiseokbulibsang
and the Mt. Cheonho.
협시불의 전면은 황갈색 변색이 광범위하게 분포하며 두 상에서 두드러진다(Figure 4H). 이는 좌협시불의 두상부 가 1986년 발견되기 이전에 지표에 장기간 매몰되어 있었 기 때문으로 판단된다. 또한 좌협시불의 시멘트 복원부 주 변으로 회백색 변색도 관찰된다. 후면은 암흑색 변색이 상 부에서 하부로 유동한 흔적이 관찰된다(Figure 4I).
4.3. 변색오염물 분석
개태사지석불입상에서 황갈색, 암흑색 및 회백색 변색 을 야기하는 표면 오염물질의 종류, 산출상태 및 오염원을 파악하기 위해 주사전자현미경 관찰과 SEM-EDS 분석 및 X-선 회절분석을 실시하였다. 황갈색 변색물질의 X-선 회 절분석 결과, 석영, 운모, 흑운모, 사장석이 검출되었다. 이 들은 토양의 주구성광물로, 석불입상이 토양에 매몰된 채 장기간 방치되면서 표면에 토양입자가 고착되어 변색을 일으킨 것으로 판단된다. 회백색 오염물질에서는 소량의 방해석이 검출되는 것으로 보아 염이 회백색 오염물에 의 한 변색을 야기한 것으로 해석된다(Figure 5A).
주사전자현미경 관찰 결과, 암흑색 오염물은 식물의 미 세 뿌리조직과 비정질 피각물질이 망상으로 혼재된 조직
을 나타냈다. 이를 저배율에서 EDS 면분석한 결과, 탄소가 31.27%, 산화철이 10.53% 검출되었다. 따라서 암흑색 변 색의 오염원은 주로 유기물과 산화철 성분으로 판단된다 (Figure 5B, 5C, Table 1). 본존불과 좌협시불에서 채취한 회백색 오염물에서는 능면상 및 도변상 형태를 보이는 미 립의 방해석이 관찰되고, EDS 분석 결과 CaO가 7.04% 검 출되었다.
따라서 회백색 침전물의 오염성분은 주로 방해석이며 석불입상의 보수에 사용된 시멘트에 의한 이차적 생성물 질로 판단된다(Figure 5D, 5E). 방해석은 주로 무색 또는 백색을 띠고 유리광택을 가진 탄산염 광물로서 화학식은 CaCO3이다. 이는 주로 암석 내의 칼슘 또는 시멘트 모르타 르나 강회 같은 석회질 물질과 대기가스가 용해된 물과의 반 응으로부터 생성된다. 이와 관계된 반응식은 다음과 같다.
CaO (lime) + H2O → Ca(OH)2
Ca(OH)2 (portlandite) + H2O +CO2
→ CaCO3 (calcite) +2H2O
방해석의 생성반응이 완료되기 위해서는 수분이 필수적 이다. 석불입상의 회백색 오염물이 관찰되는 부위는 주로 하 Figure 3. Lithological and mineralogical characteristics of the Gaetaesajiseokbulibsang. (A) Light gray and medium to coarse grained granodiorite with basic xenolith. (B) Micro- photographs showing rock-forming minerals of quartz, plagioclase, biotite, microcline. Feldspar and biotite are altered into sericite and chlorite. (D) X-ray diffraction pattern of the rock. M;
mica, O; orthoclase, Q; quartz, P; plagioclase.
반신의 무릎 이하로, 현장 조사에서는 수분이 확인되지 않았 던 곳이다. 따라서 대좌 표면에서 나타나는 수분이 이 부위 까지 모세관 상승 등의 기작을 통해 이동하여 시멘트 성분을 용해한 후 방해석을 정출시켰을 가능성이 있다. 방해석과 같 은 염은 수용액 상태로 존재할 때에는 문제를 일으키지 않으 나 수용액이 과포화되어 염결정이 석출되면 물리적인 풍화 를 야기할 수 있다. 즉 암석 내의 기공에서 염이 지속적인 수 용액의 공급으로 결정성장을 진행하면 물의 동결과 같은 쐐 기 효과를 발생시켜 암석의 파쇄가 발생한다.25,26,27
4.4. 손상도 정량평가
개태사지석불입상에서 나타나는 손상유형을 균열, 탈
락, 박리, 시멘트, 먼지, 황갈색 변색, 암흑색 변색, 회백색 변색, 생물에 의한 변색으로 분류하여 훼손도면을 작성하 였다(Figure 6). 또한 불상의 종합훼손지도 전체 면적 대비 훼손양상별 점유면적을 백분율로 산출하고 손상특성을 비 교분석하였다. 그러나 균열은 독립적으로 발생한 총 균열 수를 합산하였다. 이 기법은 이명성(2007)4에 의해 상세히 소개된 바 있으며, 이 연구에서는 이를 응용하였다.
본존불 전면은 시멘트 11.7%, 박리 9.0%, 탈락 1.6% 순 으로 높은 손상율을 보였으며, 후면은 시멘트 30.4%, 탈락 7.1%, 박리 5.5%, 균열 1개로, 이를 종합하였을 때 시멘트 로 인한 훼손이 가장 높은 비율을 차지하였다. 본존불의 유 무기오염물에 의한 변색은 전면에서 먼지 29.4%, 황갈색 변색 6.9%, 회백색 변색 0.2%, 암흑색 변색 0.5%로 나타 Figure 4. Physical damage and surface contamination of the Gaetaesajiseokbulibsang. (A) Break-out of the Main Buddha.
(B) Cement mortar used for bonding of the Main Buddha. (C) Break-out of the pedestal of the Right Buddha. (D) Exfoliation of the pedestal of the Right Buddha. (E) Crack of the pedestal of the Left Buddha. (F) Dust deposits on the pedestal of the Left Buddha. (G) White and dark-gray contamination of the Main Buddha. (H) Brown contamination of the Left Buddha. (I) Black contamination of the Left Buddha.
났고, 후면은 먼지 20.6%, 황갈색 변색 8.6%, 암흑색 변색 1.8%로 산출되었다. 따라서 전후면의 종합적인 변색 손상 율은 먼지에 의한 변색이 최대로 확인되었다(Table 2, Figure 7).
좌협시불 전면에서는 시멘트 8.0%, 탈락 0.3%, 박리 15.1%이고, 후면은 시멘트 22.7%, 탈락 0.1%, 박리 12.1%, 균열 2개로 전체적으로 시멘트와 박리가 높은 비율 을 차지했다. 변색은 전면이 먼지 19.2%, 황갈색 변색 20.1%, 암흑색 변색 3.1%, 회백색 변색 0.1%, 생물에 의한 변색 1.1%로 산출되었고, 후면은 먼지 15.7%, 암흑색 변 색 22.2%, 황갈색 변색 4.3%, 회백색 변색 0.2%로, 본존불 과 마찬가지로 먼지에 의한 손상율이 가장 높았다(Table 2, Figure 7).
우협시불 전면의 물리적인 손상은 시멘트 2.2%, 탈락 0.5%, 박리 24.4%로 나타났고, 후면은 시멘트 5.8%, 탈락 1.0%, 박리 46.0%로 표면 박리가 물리적인 손상에 가장 높은 비율을 차지하였다. 한편 변색은 전면에서 먼지
18.2%, 황갈색 변색 6.1%, 암흑색 변색 1.2%, 암흑색 조류 0.8%, 생물에 의한 변색 0.05%이고, 후면에서는 먼지 10.5%, 황갈색 변색 0.5%, 암흑색 변색 15.2%, 회백색 변 색 3.1%, 생물에 의한 변색 0.6%로 나타났다(Table 2, Figure 7).
석불입상의 모든 손상유형 중 가장 높은 비율을 나타낸 것은 우협시불의 박리(35.2%), 본존불의 먼지(25.0%) 및 시멘트(21.1%)로 나타났다(Table 2). 각각의 석불입상 내 에서 나타난 손상율을 분석해 보면, 본존불에서는 먼지와 시멘트에 의한 손상이 본존불 전체 손상율의 약 60% 이상 을 차지하며, 좌협시불에서는 탈락, 회백색 및 생물을 제외 한 모든 훼손유형이 균등한 점유율을 보였다. 그러나 우협 시불에서는 박리에 의한 손상이 전체의 40% 이상을 차지 할 만큼 월등히 우점적인 것을 알 수 있다.
세 석불입상의 손상율을 손상유형별로 정리하면 먼지 (18.9%), 박리(18.7%) 및 시멘트(13.5%)에 의한 손상율이 가장 높은 반면 회백색 변색과 생물에 의한 변색은 상대적 Table 1. SEM-EDS result of the brown and white contaminants on the stone surface(wt.%).
No. SiO2 Al2O3 TiO2 FeO CaO MgO Na2O K2O CO2 total Figure 5C 28.53 8.00 2.40 10.53 7.23 1.43 0.81 2.84 31.27 93.04 Figure 5E 5.14 1.01 - 1.78 7.04 1.56 - 0.46 81.07 98.06 Figure 5. X-ray diffraction patterns and scanning electron microscopic analysis for brown and white contaminants. (A) X-ray diffraction patterns for brown and white contaminants. Q; quartz, O; orthoclase, P; plagioclase, B; biotite, Ca;
calcite. (B) Micro-roots and amorphous substrates from the brown contaminant. (C) EDS analysis area for B. (D) Rhombohedral and granular calcite crystals from the white contaminant. (E) EDS analysis area for D.
으로 낮은 비율을 보였다(Figure 7A). 손상유형을 물리적 인 손상과 변색 및 생물에 의한 손상으로 구분하였을 때, 물리적인 손상율(11.3%)과 변색(11.6%)이 유사한 비율을 보였으며 생물에 의한 손상은 낮은 비율을 차지하였다 (Figure 7B). 높은 물리적인 손상율에는 주로 우협시불의 후면과 모든 불상의 대좌 부분에서 발생한 탈락과 박리가
기여한 것으로 해석된다.
이는 석불입상이 보호시설 없이 장기간 야외에 방치되 면서 발생한 부분적인 탈락, 균열 및 표면풍화로 인한 것이 며, 현장조사에서 확인된 대좌부의 습기가 암석의 물리화 학적인 풍화에 영향을 끼쳤을 가능성이 크다. 변색에 의한 훼손은 주로 먼지, 황갈색 및 암흑색 변색에 의한 것이 대 Figure 6. Deterioration map for the Gaetaesajiseokbulibsang.
4.5. 초음파 물성평가
개태사지석불입상의 손상도 평가 결과를 보완하고 암 석의 물성을 정량화하기 위해 초음파 탐사를 실시하였다.
Iliev(1967)28는 신선한 암석과 풍화된 암석의 초음파 속도 변화비율에 기초하여 암석의 풍화를 5단계로 구분하였다.
이에 따른 암석의 풍화도지수(coefficient of weathering, k)와 초음파 속도와의 관계식은 다음과 같다.
k = Vu - Vw Vu
( Vu ; fresh rock velocity, Vw ; weathered rock velocity)
또한 초음파 속도를 이용하면 암석의 압축강도를 산정 할 수 있다. 일축압축강도는 암석의 응력에 대한 저항 정도 를 나타내는 것으로 구성광물의 강도와 입자간의 결합력
개태사지석불입상의 초음파 탐사는 훼손지도 작성 영 역과 동일한 범위에서 실시하였다. 본존불은 전면 42지점, 후면 39지점으로 총 81지점에 대해 측정하였고, 좌협시불 은 전면 39지점, 후면 36지점으로 총 75지점을 측정하였 다. 우협시불은 전면 53지점, 후면 40지점으로 총 93지점 에 대해 측정하였다. 탐사기기는 CNS Farnell사에서 제조 된 PUNDIT PLUS로 특수 제작된 탐촉자를 장착하여 간 접전달 방법(indirect transmission)으로 측정하였다. 측정 된 초음파속도는 조영훈 외(2007)29에 의해 제시된 익산화 강암, 거창화강암 및 경주 남산화강암의 보정지수를 이용 하여 보정하였다.
석불입상의 평균적인 초음파속도는 본존불 2850.2m/s, 좌협시불 2648.4m/s, 우협시불 2644.5m/s로 측정되었고, 공통적으로 전면보다는 후면에서 초음파속도가 낮게 나타 나는 경향이 있다(Figure 8). 이는 육안관찰에 근거한 손상
Table 2. Deterioration rates for the Gaetaesajiseokbulibsang(%).
Weathering form
Main Buddha Left Buddha Right Buddha
Subtotal Total front back front back front back
subtotal subtotal subtotal
Physical damage
cement 11.7 30.4 8.0 22.7 2.2 5.8 13.5
11.3
21.1 15.4 4.0
exfoliation 9.0 5.5 15.1 12.1 24.4 46.0
7.3 13.6 35.2 18.7
break-out 1.6 7.1 0.3 0.1 0.5 1.0
4.4 0.2 0.8 1.8
crack (number)
1 0 2 0 0 0
1 2 0 3
Inorganic discoloration
dust 29.4 20.6 19.2 15.7 18.2 10.5
18.9
11.6
25.0 17.5 14.4
dark-gray 0.5 1.8 3.6 22.2 1.2 15.2 7.4 1.2 12.9 8.2
brown 6.9 8.6 20.1 4.3 6.1 0.3
7.8 12.2 3.2 7.7
white 0.2 0.0 0.1 0.2 0.0 3.1 0.6
0.1 0.2 1.6
Biological discoloration 0.0 0.0 1.1 0.0 0.8 0.6
0.4 0.4
0.0 0.6 0.7
Total 8.4 9.1 8.5 8.6
도 평가 결과와 일치하는 것이다. 암석부분의 일축압축강 도는 본존불 전면이 193.7㎏/㎠~952.1㎏/㎠(평균 376.5
㎏/㎠), 후면은 204.0㎏/㎠~508.6㎏/㎠(평균 337.5㎏/㎠) 로 산출되었다. 좌협시불은 전면이 210.2㎏/㎠~521.2㎏/
㎠(평균 329.0㎏/㎠), 후면이 147.8㎏/㎠~415.2㎏/㎠(평 균 297.8㎏/㎠)로 나타났다. 우협시불의 일축압축강도는 전면이 149.8㎏/㎠~430.9㎏/㎠(평균 271.3㎏/㎠)이고, 후 면은 96.1㎏/㎠~388.8㎏/㎠(평균 241.2㎏/㎠)로 산정되었다.
암석의 초음파 속도는 미세균열의 발달 정도 및 광물의 풍화 정도에 따라 달라지는 것으로 알려져 있다.30 따라서 초음파 속도와 압축강도가 상대적으로 낮은 수치를 보이 는 것은 풍화에 의한 강도 저하 때문으로 판단할 수 있다.
세 석불입상 모두 전면보다 후면의 압축강도가 낮은 수치 를 보였고, 석불 중 우협시불이 상대적으로 낮은 강도를 보 여 풍화에 의한 구성광물의 변질을 가장 많이 받은 것으로 해석된다. 또한 풍화도지수도 본존불은 0.08~0.63(평균 0.43), 좌협시불은 0.29~0.72(평균 0.47), 우협시불은 0.35~
0.87(평균 0.54)로 나타나 우협시불의 풍화도지수가 가장 높게 나타났다. 세 석불입상의 평균적인 풍화도지수는 모 두 암석의 풍화단계에서 HW (Highly weathered)의 심한 풍화 단계에 해당함을 알 수 있다.
개태사지석불입상의 입면도에 초음파 속도를 투영하면, 측정지점 중 시멘트 부분은 비교적 고속도대를 보이나 시 멘트와 암석의 초음파 속도 분포는 양자 간의 물성 차이 때 문에 직접적인 수치비교가 불가하다. 세 석불입상 모두 후 면에서 저속도대를 보이며, 특히 우협시불의 대좌가 가장 낮은 초음파 속도대를 나타냈다(Figure 8). 이는 대좌에서 나타나는 탈락, 균열 및 박리 현상이 암석의 물성약화를 초 래하여 초음파 전달속도를 감쇄시킨 것으로 해석할 수 있다.
Table 3. Yearly and monthly statistics of indoor and outdoor relative humidity and air temperature(Oct. 8, 2006 to Sep.
6, 2007).
Classification Relative Humidity(%) Air Temperature(℃) indoor outdoor indoor outdoor Yearly
mean 73.0 79.0 13.7 12.7
maximum 99.9 99.9 29.5 36.1
minimum 32.1 19.5 -5.2 -12.1
Monthly
Oct. 06 68.9 80.6 17.4 15.5
Nov. 06 63.3 73.8 10.5 8.2
Dec. 06 66.3 80.7 3.7 0.7
Jan. 07 63.6 77.9 2.4 -0.5
Feb. 07 63.1 73.9 5.3 3.0
Mar. 07 67.4 74.7 7.7 6.3
Apr. 07 65.2 68.2 11.5 11.1
May 07 74.7 75.7 17.7 18.2
Jun. 07 80.0 78.3 22.3 23.2
Jul. 07 92.0 89.5 24.4 25.1
Aug. 07 92.8 91.2 26.5 26.9
Figure 7. Deterioration rates for the Gaetaesajiseokbulibsang.
ce; cement, du; dust, ex; exfoliation, bo; break-out, dr-d;
dark-gray discoloration, br-d; brown discoloration, wh-d;
white discoloration, bi; biological discoloration.
5. 미기후 환경
개태사지석불입상은 예불용으로 이용되는 보호각 내부 에 대좌부가 지반에 시멘트로 고정되어 있다. 이 시멘트 지
반과 대좌 일부에서는 수분이 자주 관찰되고, 대좌부의 손 상이 다른 부분보다 현저하다. 따라서 손상과 수분과의 관 계를 규명하기 위해 보호각 내부의 온도, 습도 및 대좌의 표면온도를 일 년간 모니터링하였다. 측정은 2006년 10월 Figure 8. 2D contour map of ultrasonic wave velocity for the Gaetaesajiseokbulibsang.
8일부터 2007년 9월 6일까지 보호각 내부와 외부에 대해 한 시간 간격으로 이루어졌으며, 대좌의 표면온도는 2007 년 2월 4일부터 2007년 9월 4일까지 본존불 후면 대좌에 서 측정되었다. 측정기기는 ±2% RH, ±0.5℃의 정밀도와 0.1% RH, 0.1℃의 분해능을 가진 독일 TESTO사의 Testo 175-H2와 Testo 177-H1이였으며 표면온도 측정에 이용된 외부용 프로브는 ±2℃의 정밀도와 0.1℃의 분해능을 가진 표면부착식 열전대이다.
5.1. 보호각 내외부의 온습도 변화
2006년 10월 8일부터 2007년 9월 6일까지 개태사지 석 불입상 보호각 내외부의 상대습도와 기온을 측정한 결과, 외부의 기온은 최고 36.1℃에서 최저 -12.1℃의 범위를 나 타내었으며, 연간 평균은 12.7℃로 산출되었다. 최저 기온 은 2006년 12월 30일에 -12.1℃로 기록되었으며 결빙이 발생할 수 있는 영하 기온은 주로 12월과 3월 사이에 나타 났다. 봄과 여름철인 3월부터 9월까지는 지속적인 기온상
승을 보이다가 2007년 8월 2일에 36.1℃의 최고기온을 기 록했다(Table 3, Figure 9).
보호각 외부의 상대습도는 연중 19.5%~99.9%의 범위 를 나타내며 평균 79.0%를 기록하였다. 최대 상대습도는 여름철에 99.9%, 최저 상대습도는 2006년 10월 25일에 측 정되었다. 또한 연중 내내 상대습도의 불규칙한 변동이 매 우 빈번하고 변동폭이 크게 나타났다. 6월부터 9월까지는 변동폭이 비교적 작았으나, 99.9%의 매우 높은 상대습도 를 유지하는 것으로 보아 수분에 의한 석불입상의 훼손이 예상된다(Figure 9).
보호각 내부의 기온은 최고 29.5℃에서 최저 -5.2℃의 범위를 나타내며 연간 평균 13.7℃로 기록되었다. 가을철 에서 겨울철로 계절이 변화함에 따라 지속적인 기온 하강 을 보이다가 2006년 12월 30일에 -5.2℃의 최저 기온을 기 록하였고 영하권 기온은 12월과 2월 사이에 분포하였다.
최고 기온은 2007년 8월 11일에 29.5℃로 기록되었다. 전 반적으로 내부 기온은 외부의 기온 변화에 따라 유사한 변 동 양상을 보였다. 보호각 내부는 99.9%~32.1%의 상대습 Figure 9. Yearly fluctuation of indoor and outdoor air temperature and relative humidity.
도 분포 범위를 보이며 평균 73.0%를 나타내었다. 봄철에 해당하는 3월부터 5월까지는 상대습도의 변화가 극심하였 으며 2007년 4월 29일에는 32.1%의 최저값을 기록하였 다. 여름철인 6월부터 9월에는 외부와 마찬가지로 99.9%
의 매우 높은 상대습도를 유지하였다. 내부의 전반적인 상 대습도 변화는 외부의 기상 변화를 따르나 변화폭은 현저 히 작다(Figure 9).
측정기간 동안 기온과 상대습도의 월평균을 산출하여 보호각 외부에 대한 내부의 연중 월변화를 분석한 결과, 2006년 10월부터 2007년 1월까지 기온은 지속적으로 하 강하면서 2006년 12월과 2007년 1월에 내외부 간 최대 약 3℃ 차이를 나타냈다(Figure 10). 이후 기온 상승이 지속 되면서 내외부 간 월평균 기온차는 점차 감소한다. 2007 년 4월에는 내부와 외부의 월평균 기온이 거의 동일하며 이러한 경향은 2007년 8월까지 유지되었다. 전반적으로 봄과 여름철에 비해 가을과 겨울철에는 상대적으로 내외 부 기온차가 발생하나 이 차이는 크지 않은 것으로 해석된 다.
이와는 상반되게 상대습도는 보호각 내외부 간 차이가 극심하고 변화경향이 일정하지 않았다. 2006년 10월부터 2007년 3월까지 내외부 월평균 차는 크게 나타나나 변화 경향이 불규칙하다가 2007년 4월에 이르러 비로소 상대 습도 차이가 현격히 줄어든다. 2007년 5월에는 보호각 내 부와 외부의 상대습도가 거의 근접한다. 그러나 이 시기까 지는 외부의 상대습도가 우세하게 높은 양상을 띤다.
2007년 5월에서 6월을 거치며 내부 상대습도는 외부보다 높아지기 시작하여 당해 8월까지 이 경향이 지속된다. 이 는 내부의 기온이 낮아짐에 따라 나타난 변화이다(Figure 10).
5.2. 결로 발생 및 동결 가능성
개태사지석불입상과 같은 석조문화재의 가장 큰 훼손 인자는 수분이다. 수분은 물리적, 화학적 및 생물학적인 기 작에 의해 발생하는 모든 풍화 형태에 직간접적으로 관여 한다. 이 때문에 석조문화재의 보존에 있어 수분의 제어는 매우 중요하다. 개태사지석불입상의 대좌부에서는 수분이 자주 관찰됨에 따라 수분의 근원을 밝히고자 대좌의 표면 온도를 측정하여 결로 발생 여부를 검토하였다. 결로는 불 포화된 공기가 냉각되면서 포화수증기량이 감소하여 공기 중의 수증기가 응결되는 현상을 말한다. 암석 표면에서 수 증기가 응결되면 수분은 일차적으로 광물의 화학적인 용 해를 일으킬 뿐만 아니라 미생물의 천이를 돕는다.
2007년 2월 4일부터 9월 4일까지 측정한 결과, 대좌의 표면온도는 빈번하게 보호각 내부 습공기의 이슬점 온도 이하로 하강하는 것이 관찰되었다. 이는 석불입상 표면에 서 관찰되는 수분이 결로에 의해 발생한 응축수일 가능성 을 지시한다(Figure 11). 결로의 발생 빈도수는 여름철인 8 월에 최대를 보였으며 이 때 상대습도는 90% 이상을 기록 하여 보호각 내부가 매우 다습한 환경임을 알 수 있다. 봄 Figure 10. Monthly trend of indoor versus outdoor air temperature and relative humidity.
철에도 보호각 내부의 상대습도가 단기간에 90% 이상으 로 급상승할 시에는 결로가 쉽게 발생하는 것으로 나타났 다. 이 때 암석 표면온도는 소폭 상승하였으나 이슬점은 급 상승하여 표면온도까지 미치는 것을 볼 수 있다. 이는 강수 시와 같이 상대습도가 급상승할 때 결로가 쉽게 발생할 수 있음을 보여주는 중요한 자료이다(Figure 11).
겨울철에 석조문화재의 가장 우려되는 훼손 유형 중 하 나는 동결파쇄이다. 보호각 내부의 겨울철 기온 측정 결과
에서 보는 바와 같이 이 석불입상은 실내에 보호되고 있음 에도 불구하고 영하권 기온이 기록되었다(Figure 9). 12월 부터 2월까지 보호각 내부의 영하 기온을 일간 시간대별로 분석한 결과, 오후 6시 이후 빈도수가 점차 증가하기 시작 하여 다음날 오전 6시~10시 사이에 최대 빈도를 보였다 (Figure 12). 이는 일몰 시점부터 다음날 일출 전까지의 시 간에 해당하며, 영하 기온이 가장 많이 분포하는 시간대는 겨울철 일출 시간 전후인 오전 7시~8시대로 나타난다. 이 때에 기온 강하로 인한 동결이 발생할 가능성이 충분하기 때문에 일출 전후 시각에 보호각 내부의 기온 하강을 방지 할 수 있는 조치가 필요하다.
6. 보존과학적 고찰
개태사지석불입상의 손상도 평가 결과, 먼지(18.9%), 박리(18.7) 및 시멘트(13.5%)가 주요한 손상유형으로 밝 혀졌다. 먼지는 주로 실외에서 유입된 것으로, 미세한 광물 입자 뿐만 아니라 식물의 포자를 포함하여 하등식물의 천 Figure 12. Frequency of sub-zero temperature in the shelter.
Figure 11. Indoor relative humidity, dew point and surface temperature of the pedestal stone, and rainfall in Yeonsan and daily dew frequency.
이를 일으키고 수분유지 시간을 장기화하는 역할을 한다.
보호각은 현재 방문객이 자주 출입하는 불전으로 이용되 고 있고 주간에는 창호를 상시 개방하기 때문에 실내외의 통기성이 좋다. 따라서 외부로부터 먼지의 유입을 근본적 으로 차단하기는 어려우나 이미 하적된 먼지를 정기적으 로 제거해준다면 먼지로 인한 이차적인 손상은 제어될 것 이다.
석불입상의 보존에 가장 문제가 되는 손상유형은 박리 로서, 대좌부에 집중되어 있다. 초음파 측정 결과에서도 대 좌 부분이 다른 부위보다 낮은 초음파 전달속도를 보였다.
이 부분은 봄철 강우가 발생할 때와 여름철 장기간 고습환 경일 때 결로가 발생할 수 있는 곳이다. 따라서 대좌 표면 의 수분은 결로로 인한 응축수가 근원일 가능성이 높으며 이 수분은 암석 표면에서 지속적으로 박리와 같은 물리적 인 풍화에 기여했을 것으로 판단된다. 한편 대좌부는 시멘 트를 타설하여 지반에 고정되어 있기 때문에 지반으로부 터 수분이 상승하였을 가능성도 배제할 수 없다.
겨울철에 지반의 수분이 상승할 경우에는 석불입상에 치명적인 손상을 가할 수 있다. 겨울철에는 보호각 내부의 기온이 외부보다 높게 유지되나, 한파가 있을 시에는 내부 기온도 영하권으로 하강하였다. 이 때 대좌부에 함유되어 있는 수분이 동결되면 물의 결빙 압력으로 인해 암석 표면 은 쉽게 박리될 수 있다. 보호각 내부의 기온은 겨울철 일 출 직후인 7시~9시 사이에 가장 빈번하게 영하를 기록한 다. 따라서 이 시간대에 실내의 기온을 상승시키는 조치가 필요하다.
개태사지석불입상이 봉안된 보호각은 기온과 상대습도 에 있어 실외의 기상변화를 완충하는 역할을 한다. 봄철에 는 내외부 온습도 환경이 거의 동일하였으며 여름철에는 내부 기온이 낮아 상대습도가 높게 나타났다. 반대로 겨울 철에는 내부의 기온은 외부보다 높으나 상대습도는 낮은
대습도 차이는 0.00047kg/kg으로, 온도가 일정하다면 이 는 0.5℃의 이슬점 변화를 야기할 수 있는 습기량이다(Figure 13). 이를 통해 보호각 내부는 건조한 계절에는 상대적으 로 많은 수분을, 다습한 계절에는 적은 양의 수분을 보유하 여 석불입상의 보존환경에 긍정적인 역할을 하는 것으로 판단된다.
7. 결 론
1. 논산 개태사지석불입상은 본존불과 좌우협시불 등 총 3구로 구성되어 있다. 석불입상은 과거 여러 차례 보수 를 통해 파손부가 시멘트로 복원되었으며 암흑색, 황갈색 몇 회백색의 표면 변색과 박리, 탈락 및 균열이 발생하였 다. 또한 대좌부는 습기로 인해 항상 축축하게 젖어있는 상 태이다.
2. 개태사지석불입상을 구성하는 암석은 중립 내지 조 립질의 화강섬록암이다. 이 암석은 담회색을 띠며 부분적 으로 장석 반정을 함유하고 있다. 주요 구성광물은 석영, 정장석 및 운모이며 전암대자율 값은 평균 12.06(×10-3 SI unit)으로 세 석불입상 모두 유사하다. 그러나 개태사지 배 후의 천호산(0.19×10-3 SI unit)과는 많은 차이를 있어 석 재의 외부 유입 가능성이 제기된다.
3. 개태사지석불입상의 손상도 평가 결과, 가장 높은 손 상율을 나타낸 것은 우협시불의 박리(35.2%), 본존불의 시 멘트(21.1%) 및 먼지(25.0%)이다. 세 석불입상을 종합할 때 손상유형별로는 먼지(18.9%), 박리(18.7%), 시멘트(13.5%), 암흑색(7.4%) 및 황갈색 변색(7.7%) 순으로 높은 훼손율 을 보였으며, 물리적 훼손(11.3%)과 변색(11.6%)이 유사 한 손상도를 나타냈다. 물리적 훼손율은 우협시불, 변색은 좌협시불에서 가장 높았다.
4. 물리적인 훼손은 주로 시멘트 복원부, 박리 및 탈락에 의한 것으로, 주로 우협시불의 후면과 모든 불상의 대좌 부 분에서 발생한 탈락과 박리가 높은 훼손율에 기여한 것으 로 보인다. 변색은 먼지의 침적, 토양의 철산화물, 시멘트 의 용해와 재결정으로 생성된 방해석 및 하등식물의 뿌리 조직과 균사가 오염원으로 밝혀졌다.
5. 평균적인 초음파 속도는 본존불 2850.2m/s, 좌협시 Figure 13. Monthly mean variation of relative and absolute
humidity.
불 2648.4m/s, 우협시불 2644.5m/s로 측정되었으며, 이를 통해 산정한 일축압축강도는 본존불 357.0㎏/㎠, 좌협시 불 313.4㎏/㎠, 우협시불 256.3㎏/㎠이다. 세 석불입상은 모두 전면보다는 후면에서 낮은 초음파속도와 압축강도를 보였고, 석불입상별로는 우협시불이, 부위별로는 대좌에 서 상대적으로 낮은 강도를 보였다. 이 결과는 손상도 평가 결과와 일치한다. 풍화도지수는 세 석불입상 모두 HW의 심한 풍화단계에 해당하였다.
6. 보호각 내부의 미기후 환경 분석 결과, 연평균 기온은 13.7℃, 상대습도는 79.0%로서, 봄철에는 보호각 내부와 외부의 온습도 환경이 거의 동일하나 여름철에는 내부 기 온이 낮고 상대습도는 높게 나타났다. 반면 겨울철에 내부 의 기온은 외부보다 높으나 상대습도는 낮은 경향을 보였 다. 그러나 실제 내부의 절대습기량은 건조한 계절에는 외 부보다 많고, 다습한 계절에는 적어 계절에 따라 수분량이 자연적으로 조절되는 것으로 나타났다. 따라서 보호각은 석불입상의 보존환경에 긍정적인 역할을 하는 것으로 판 단된다.
7. 대좌부의 표면온도 측정 결과, 봄철 강우 시와 여름철 에 집중적으로 결로가 발생하는 것이 확인되었다. 한편 겨 울철에는 보호각 내부의 기온이 영하로 떨어져 동결이 우 려된다. 수분의 존재와 동결작용은 손상도 평가와 초음파 탐사 결과에서 나타난 대좌부 물성 저하의 근본적인 원인 일 가능성이 크다. 따라서 봄과 여름철에 강우 발생 시 실 내의 제습과 한겨울에 기온 강하를 방지할 수 있는 조치가 필요하며 보호각을 적극적으로 활용한 정기적인 관리가 요구된다.
사 사
이 연구는 2007년도 문화재청 국립문화재연구소의 연 구개발사업인 “석조문화재 손상메커니즘 및 평가기술 개 발”사업으로 수행되었음을 명기하며, 재정적 및 행정적 지 원에 깊이 감사한다.
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