Research Article

Journal of Korea TAPPI. 30 December 2023. 33-40
https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2023.12.55.6.33

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 재료 및 방법

  •   2.1 공시재료

  •   2.2 실험 방법

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 침수 시간별 습윤강도 측정

  •   3.2 너비별 습윤강도 측정

  •   3.3 신장 속도별 습윤강도 측정

  • 4. 결 론

1. 서 론

우리나라는 유구한 역사 속에 오랜 전통한지 문화를 가지고 있으며, 뛰어난 한지 제작기술을 바탕으로 우수한 한지 문화를 발전시켜 왔다.1) 오랜 세월을 겪어오면서 지류 문화유산은 유기질 재질의 특성상 다양하고 복합적인 손상에 쉽게 노출되어 왔다. 지류 문화유산의 주요 재질인 한지는 보존성과 저장성이 매우 뛰어난 재질이지만 온도, 습도, 미생물, 충해 등과 같은 외부 환경 인자와 물리적인 힘 등 부적절한 외부 보존 환경 인자들에 의해 쉽게 손상될 수 있다.2) 손상된 지류 문화유산은 본래의 가치와 원형을 회복하기 위하여 적법한 절차를 거쳐 보수·복원 및 보존 처리를 진행한다. 지류 문화유산의 보존처리 작업은 처리 전 유물의 상태조사를 시작으로 안료의 안정화, 건식 및 습식 클리닝, 보수지 염색 및 결손부 보강, 가배접 및 건조, 마무리 및 보관 등의 여러 단계를 거치게 된다. 이중 정제수를 이용한 습식 클리닝은 유물 표면에 부착된 먼지 및 오염물을 제거하기 위해 주로 실시하는 처리로 수중에서 이루어진다.3) 습식 클리닝은 건식클리닝으로 해결되지 않는 이물질이나 오염물을 제거하는 데 긍정적으로 적용되지만 수(水) 처리 시 지류 유물의 구조적 손상 등 그 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 처리 횟수와 시간 등 침적 클리닝 방법에 신중을 기해야 한다.4)

따라서 습식 클리닝 처리 시 보수·복원용 한지에 요구되는 강도 조건은 건조강도뿐만 아니라 물에 젖은 상태에서의 종이의 인장강도인 습윤인장강도(이하 습윤강도)도 중요하게 요구되는 사항 중 하나이다. 하지만 2023년을 기준으로 국가표준인증 시험방법에는 한지의 습윤강도를 측정하는 방법은 따로 개정되어있지 않다. 일반적으로 종이에 습강처리를 실시하여 습윤강도가 건조강도 대비 갖는 강도 비율(이하 유지율)이 15% 이상의 값이 나오는 종이를 습강지로 분류하고 있다.5) 따라서 이미 개정되어있는 KS 시험방법을 이용하여 습윤강도를 측정하기에 적합한 종이들은 습강지에 해당되는 종이들의 시험 방법으로 적합하다고 판단된다. 보수·복원용 한지는 사용 시 열화 상태의 지류 유물에 영향을 미치지 않아야 하기 때문에 일반적으로 저평량 한지가 사용된다. 따라서 강도적 특성이 상대적으로 낮다. 또한 일반 종이처럼 습윤강도를 높이기 위해 습강처리 등을 할 수 없기 때문에 한지는 습강지에 비해 습윤강도 유지율이 낮을 수밖에 없다. 따라서 저평량의 보수·복원용 한지는 일반 종이와 같은 습윤강도 측정법을 적용 하는데에 한계가 있다. 따라서 저평량의 보수·복원용 한지에 알맞은 습윤강도 시험방법을 마련할 필요가 있다고 판단되었다. 특히 저평량 한지의 습윤강도는 건조강도에 비해 상당히 낮다. 따라서 유효성 있는 측정값을 얻는데 한계가 있어 이에 적합한 안정적인 시험 방법을 제시할 필요가 있다.

본 연구에서는 종이 관련 습윤강도 시험방법인 KS M ISO 3781:2012 종이 및 판지의 습윤인장강도 측정과 KS M ISO 12625-5 티슈 및 티슈 제품-제5부: 습윤인장강도 측정을 기준으로 신장 속도(mm/min), 시험편 너비(mm), 침수 시간(sec) 등의 조건을 달리하여 15~45 g/m2의 보수·복원용 한지의 습윤강도를 측정하여 한지의 습윤강도 특성을 비교하고, 한지에 적합한 습윤강도 시험방법을 제안하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 공시재료

문화유산 보수·복원용 한지는 다양한 평량의 한지들이 사용되는데 본 연구에서는 일반적으로 홑지로 쓰이는 평량인 15 g/m2, 30 g/m2, 45 g/m2의 흘림뜨기 초지 한지 3종을 전통한지 제작공방(무형유산 한지장)에서 수·공급하여 공시 재료로 사용하였다(Table 1). 사용된 각 한지 시료의 평량 및 제조 방법은 Table 1에 나타내었다.

Table 1.

Basic properties

Sample Basis weight
(g/m2)
Pulp type Paper making
method
Cooking agent Sheet layer Drying method
A 18.15 Domestic
paper
mulberry
(Korea)
Heullimtteugi Natural ash Single Heating
stainless steel
B 34.85
C 46.49

2.2 실험 방법

2.2.1 습윤강도 측정

시험·분석에 사용되는 공시재료 중 가장 낮은 평량의 한지는 우리나라에 유통되고 있는 티슈의 평량과 비슷한 수준인 홑지 기준 13~27.8 g/m26)해당된다. 따라서 저평량의 한지의 경우, 습윤강도 분석을 위해 티슈 및 티슈제품 습윤강도 측정방법인 KS M ISO 12625-5:2016을 참조하였으며, 30 g/m2 이상의 한지 조건을 위해서는 종이-판지 습윤강도 측정방법인 KS M ISO 1974:2012에 의거하여 실험을 진행하였다. 습윤강도는 L&W 인장강도 측정기(ABB-066, Lorentzen&Wettre, Sweden)를 이용하여 측정하였다(Fig. 1). 실험조건은 크게 3가지로 구분하여 각각의 한지 시료에 대하여 시편폭, 신장 속도, 침수 시간을 달리하여 각각의 습윤강도의 특성을 비교·분석하였다(Table 2).

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ktappi/2023-055-06/N0460550604/images/ktappi_55_06_04_F1.jpg
Fig. 1.

Tensile tester.

Table 2.

Experimental conditions

Item Sample Specimen width
(mm)
Tensile speed
(mm/min)
Water logging time
(Sec)
Part 1 A, B, C 50 50 15, 600,
3,600, 86,400
Part 2 A, B, C 15, 50 50 3,600
Part 3 A, B, C 50 20, 50, 100 3,600

제작특성상 한지는 방향성이 존재하기 때문에 발의 형태에 따라 발촉 방향(Laid Direction, LD)과 발끈 방향(Chain Direction, CD)으로 강도차이가 나타나기 때문에 방향별로 구분하여 강도를 측정하였다. 또한 습윤강도 측정을 위해 침지가 완료된 시험편은 꺼내어 가볍게 물기를 제거해 준 후 즉시 실험을 진행하였고, 분석데이터의 신뢰도를 높이기 위하여 각 조건별로 20회씩 반복 측정하였다.

2.2.2 습윤강도 유지율(retention rate)

건조강도 대비 습윤강도가 갖는 비율인 습윤강도 유지율을 확인하고자 Eq. 1에 대입하여 값을 구하였다. 이 값을 통해 어떠한 습강 처리도 하지 않은 한지가 어느 수준의 유지율을 나타내는 지를 확인해 보았으며, 분석 편차가 적은 시험조건을 탐색하여 저평량의 한지에 적합한 습윤인장 시험 조건을 탐색하였다.

[1]
습윤강도유지율=습윤강도(Nm/g)건조강도(Nm/g)×100

3. 결과 및 고찰

3.1 침수 시간별 습윤강도 측정

침수 시간별 습윤강도 측정을 위해 티슈 및 티슈제품 습윤강도 측정방법인 KS M ISO 12625-5:2016에 의거하여 너비 50 mm와 측정 속도 50 mm/min의 조건으로 실험을 진행하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다. 침수시간 0 sec는 한지의 건조강도를 나타내기 위해 표기하였다. 평량이 낮은 A 한지에서는 침수 시간이 같은 조건에서 다른 두 그룹(B, C)의 한지보다 습윤강도의 편차가 높게 나타났다. A 한지의 습윤강도 측정 시 표준편차를 살펴보면 침수 시간 15 sec에서는 0.62(LD), 1.02 (CD), 600 sec에서는 0.59(LD), 0.49(CD)로 원지 대비 평균 10% 이상, 크게는 20% 이상의 편차를 나타내 침수 시간을 길게 했을 때의 편차 값보다 상대적으로 높았다. 하지만 3,600 sec에서는 강도 편차가 0.24(LD), 0.21 (CD)을 86,400 sec에서는 양 방향 모두 0.26의 표준편차를 나타냈다. 침수 시간 3,600 sec 이내의 결과와는 다르게 3,600 sec 이후의 결과는 원지 대비 5% 수준으로 다소 안정적인 결괏값을 나타내었다. 이를 통해 3,600 sec 이후부터는 한지가 물에 완전히 포수 된 것으로 판단된다. 평량이 상대적으로 높은 B 한지와 C 한지는 A 한지보다는 침수 시간에 관계없이 낮은 편차를 나타냈다. 강도의 주된 요인은 섬유와 섬유 사이의 수소결합과 반데르발스 힘에 의해 결정되는데 이러한 결합은 물에 의해서 쉽게 파괴된다. 저평량의 한지는 두께가 얇고 단위면적당 섬유량이 상대적으로 적기 때문에 고평량의 한지보다 물이 더 빨리 섬유 사이에 침투하게 되고 이러한 결합들이 더 빨리 파괴될 수 있다.

또한 섬유배향별 한지 습윤강도는 한지 초지발의 발끈 방향보다 발촉 방향으로의 강도가 높게 나타났는데, 이는 흘림 뜨기 초지시 옆물질이 많이 행해지는 섬유 배향쪽으로 강도가 발현되었다고 판단된다. 평량별 한지의 습윤강도는 B 한지가 섬유 배향 및 침수 시간에 관계없이 높은 강도 값을 유지하였고, 평량이 가장 높은 C 한지는 가장 낮은 강도 값을 나타내었다. 이는 습윤강도를 필요로 하는 보수·복원용 한지 선택에 있어 평량을 고려할 때 참고할 수 있는 데이터로 활용이 가능하다고 판단된다.

Table 3.

Wet tensile index by waterlogging time of Hanji

Water
logging time (sec)
Tensile index (Nm/g)
Laid Direction (LD) Chain Direction (CD)
A B C A B C
0 88.86*
(6.82)**
78.40
(2.60)
76.46
(3.12)
78.97
(5.78)
80.24
(4.49)
60.27
(4.74)
15 5.01
(0.62)
5.29
(0.40)
4.84
(0.23)
4.24
(1.02)
5.27
(0.28)
3.45
(0.10)
600 5.33
(0.59)
5.66
(0.32)
4.72
(0.18)
4.38
(0.49)
5.17
(0.27)
3.00
(0.09)
3,600 4.47
(0.24)
4.65
(0.25)
3.75
(0.07)
3.61
(0.21)
4.33
(0.21)
2.75
(0.15)
86,400 4.37
(0.26)
4.61
(0.26)
3.82
(0.20)
3.67
(0.26)
4.30
(0.25)
2.78
(0.12)

*Tensile index.

**Standard deviation.

Fig. 2는 건조 상태 값에 대한 비율(%)인 습윤강도 유지율 그래프로 섬유배향성이 다른 LD 방향, CD 방향에 따른 구분도 함께 나타내었다. A 한지의 경우 LD, CD 방향 각각 유지율이 15 sec에서는 5.64%, 5.28%로 나타났고, 600 sec에서는 5.99%, 5.46으로 나타났고, B 한지에서도 마찬가지로 LD, CD 방향에서 각각 15 sec에서는 6.70%, 6.89%, 600 sec에서는 7.17%, 6.76%로 침수시간이 증가했음에도 불구하고 유지율이 상승한 것처럼 나타났다. 이는 침수시간 15 sec와 600 sec에서의 A, B 한지의 유지율 표준편차 값이 매우 크게 나타나 15 sec의 유지율과 600 sec의 유지율의 값이 표준 편찻값 만큼밖에 차이를 나타내지 않았기 때문에 유지율이 증가되었다고 판단하기에는 어려울 것으로 보인다. 평량이 가장 높은 C한지는 15 sec에서 600 sec로 침수시간이 증가했을 때 유지율은 감소하는 경향을 나타내었다. 평량이 가장 높은 C한지의 경우를 제외하고 15 sec에서 600 sec까지의 비교적 짧은 침수 시간으로 처리한 각 한지 시료의 습윤강도 유지율은 거의 변화하지 않는 것으로 나타났다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ktappi/2023-055-06/N0460550604/images/ktappi_55_06_04_F2.jpg
Fig. 2.

Wet tensile strength retention rate by waterlogging time of Hanji.

반면 A, B, C 한지 모두 600 sec에서 3,600 sec로 갈수록 유지율은 감소하였고, 3,600 sec와 86,400 sec는 모든 조건의 한지에서 습윤강도 유지율의 차이가 미미할 정도로 큰 차이를 나타내지 않았다. 이는 침수 시간 3,600 sec에서 15~45 g/m2 평량의 한지는 완전히 포화된 상태로 판단된다.

3.2 너비별 습윤강도 측정

한지 시편의 너비별 습윤강도 측정 시 침수 시간은 앞선 실험에서 포화 상태로 판단되는 침수 시간인 3,600 sec로 설정하였으며, 신장 속도는 앞서 3.1항의 침수 시간별 습윤강도 측정 시와 동일한 조건인 50 mm/min으로 실험을 진행하였고, 이에 대한 습윤강도 결과를 Table 4에 나타내었다.

Table 4.

Wet tensile index by sample width of Hanji

Specimen
width (mm)
Tensile index (Nm/g)
Laid Direction (LD) Chain Direction (CD)
A B C A B C
15 4.05
(0.52)
4.18
(0.57)
3.45
(0.18)
3.56
(0.53)
4.02
(0.45)
2.51
(0.17)
50 4.47
(0.24)
4.65
(0.25)
3.75
(0.07)
3.61
(0.21)
4.33
(0.21)
2.75
(0.15)

측정 결과 한지 시편의 너비가 15 mm인 조건에서 A 한지의 LD 방향 강도 값은 4.05 Nm/g일 때 표준편차는 0.52이고, CD 방향에서는 3.56 Nm/g의 값을 나타낼 때 표준편차는 0.53으로 나타났다. B 한지도 마찬가지로 15 mm 너비일 때 LD 방향은 4.18 Nm/g의 강도 값과 0.57의 표준편차를 나타내었고, CD 방향에서는 4.02 Nm/g의 강도와 0.45의 표준편차 값을 나타냈다. A, B 한지 모두 두 방향에서 강도 값의 10% 이상의 표준편차 값을 나타냈다. 너비 50 mm의 시편에서는 강도 값이 4.65 Nm/g일 때 표준편차 0.25로 15 mm의 시편보다 안정적인 값을 나타내었다. 상기 결과와 마찬가지로 평량이 높은 경우의 각 한지 시료의 측정값의 편차가 상대적으로 낮게 나타났으며, 특히 평량에 상관없이 3종의 한지 시료 모두 시편 너비가 50 mm일 때의 표준 편차가 15 mm일 때보다 상대적으로 낮게 나타났다. 결과적으로 A, B, C 한지 모두 너비가 넓은 조건(50 mm)에서 더 안정적인 실험 결괏값을 얻을 수 있었다. 한지는 앞에서도 언급한 바와 같이 수초(록)지이므로 지합 등이 불량하여 단위면적당 강도적 특성의 편차가 기계 한지보다 높을 수밖에 없다. 따라서 한지 시료의 습윤강도 측정 시 편차가 적은 측정값을 얻기 위해서는 기계 종이에 적용되는 시편의 너비보다 넓은 너비의 시편을 사용하는 것이 더 좋을 것으로 판단된다.

Fig. 3은 한지의 너비별 습윤강도 유지율 결괏값이다. 마찬가지로 섬유 배향에 따른 LD 방향과 CD 방향으로 구분해 함께 나타내었다. 너비 15 mm에서 평량조건이 다른 A, B, C 한지의 평균 유지율은 LD 방향에서는 각각 4.56%, 5.33%, 4.51%로 나타났고, 50 mm에서는 5.03%, 5.93%, 4.90%로 나타났다. CD 방향에서의 15 mm는 4.51%, 5.01%, 4.16%로 나타났고, 50 mm는 4.82%, 5.40%, 4.56%로 나타났다. 실험을 진행한 모든 조건에서 50 mm의 시험편의 너비가 15 mm보다 더 높은 습윤강도 유지율을 나타냈고, 유지율의 편차 또한 50 mm의 시편에서 더 낮은 값을 나타내 정확성이나 유효성이 더 높은 것으로 판단된다. 습윤강도의 표준편차와 유지율의 값을 비교하였을 때 한지의 습윤강도 측정에 알맞은 시편 너비의 조건은 15 mm보다는 50 mm가 더 적당한 것으로 판단된다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ktappi/2023-055-06/N0460550604/images/ktappi_55_06_04_F3.jpg
Fig. 3.

Wet tensile strength retention rate by specimen width of Hanji.

3.3 신장 속도별 습윤강도 측정

신장 속도별 한지의 습윤강도를 측정하기 위해 침수 시간과, 너비는 앞서 실험 조건에서 유의미한 결과를 나타낸 침수 시간 3,600 sec와, 너비 50 mm의 조건으로 실험을 진행하였다.

Table 5에서는 신장 속도별 인장지수와 표준편차를 나타냈다. 신장 속도 100 mm/min에서의 표준편차는 A, B 한지에서는 최대 습윤강도 대비 20%를 넘는 편차를 나타냈고, 평균 원지 대비 편차가 10% 이상으로 나타났다. 50 mm/min에서는 100 mm/min에 비해서는 안정적인 약 5% 이상의 수준의 원지 대비 편차를 나타냈고, 20 mm/min에서는 표준편차가 5% 미만의 원지 대비 편차를 보여 다른 조건들에 비해 안정적인 결괏값을 나타냈다.

Table 5.

Wet tensile index by tensile speed of Hanji

Tensile speed
(mm/min)
Tensile index (Nm/g)
Laid Direction (LD) Chain Direction (CD)
A B C A B C
20 5.75
(0.11)
5.24
(0.10)
4.55
(0.07)
4.05
(0.17)
4.91
(0.19)
3.24
(0.14)
50 4.47
(0.24)
4.65
(0.25)
3.75
(0.07)
3.61
(0.21)
4.33
(0.21)
2.75
(0.15)
100 4.43
(0.77)
4.33
(0.72)
3.81
(0.29)
3.35
(0.77)
4.07
(0.59)
2.75
(0.25)

Fig. 4는 신장 속도에 따른 습윤강도의 유지율을 나타낸 결괏값이다. 그래프에서 볼 수 있듯이 A, B, C 한지 모두 신장 속도 20 mm/min에서의 습윤강도의 유지율이 다른 신장 속도보다 더 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 신장 속도 20 mm/min에서 유지율의 편차가 가장 낮게 나타났다. C 한지에서 보면 50 mm/min과 100 mm/min에서 LD 방향에서는 각각 4.90%, 4.98%, CD 방향에서는 4.56%, 4.56%로 방향에 관계없이 습윤강도 유지율은 비슷하게 나타났지만, 편차는 확연한 차이를 나타낼 정도로 100 mm/min에서 더 큰 폭의 편차를 나타냈다. 습윤강도 값의 표준편차와 유지율로 보았을 때 20 mm/min의 신장속도 조건이 다른 조건의 신장 속도보다 안정적인 값을 나타낸 것으로 보아 15~45 g/m2 한지에 더 적합한 것으로 보인다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ktappi/2023-055-06/N0460550604/images/ktappi_55_06_04_F4.jpg
Fig. 4.

Wet tensile strength retention rate by tensile speed of Hanji.

4. 결 론

한지 분석에 알맞는 습윤강도 측정방법을 제안하기 위해 다양한 조건으로 한지의 습윤강도 시험방법 및 조건을 탐색하였으며, 결과는 다음과 같다,

1) 평량 15~45 g/m2 범위의 한지에 대하여 침수 시간 15 sec와 600 sec에서는 다소 불안정한 습윤강도의 결괏값을 나타냈고, 3,600 sec까지 습윤강도 유지율이 하락했다. 또한 3,600 sec와 86,400 sec에서는 습윤강도의 유지율이 비슷한 수준으로 확인되었다. 3,600 sec 이후로는 15~45 g/m2 평량의 한지는 완전히 포화된 것으로 판단되기 때문에 이 조건에 해당하는 한지는 습윤강도를 측정할 때 3,600 sec를 침수한 이후에 실험을 진행하는 것이 적합할 것으로 판단된다.

2) 시편의 너비 15 mm에서의 습윤강도는 A, B 한지에서 값의 편차가 강도 대비 최대 10% 이상으로 크게 나타났다. 반면 50 mm 시편의 한지에서는 15 mm 조건의 한지보다 강도의 편차가 낮게 나타났다. 또한 모든 조건 한지에서 습윤강도 유지율이 15 mm보다 50 mm에서 더 높게 나타났다. 침수 시간 3,600 sec에서 평량 15~45 g/m2에 해당하는 한지의 습윤강도를 측정할 때 시편의 너비는 15 mm 보다 50 mm에서 안정성을 갖기 때문에 시편의 너비는 50 mm가 적합할 것으로 판단된다.

3) 평량 15~45 g/m2 범위의 한지에 대하여 신장속도는 100 mm/min에서는 값의 편차가 최대 0.77로 습윤강도 값의 22.9%에 해당해 실험의 결과가 불안정한 것으로 보인다. 또한 20 mm/min에 비해 50 mm/min 의 신장 속도는 편차가 크고 유지율이 낮게 나타난 것으로 보아 평량 15~45 g/m2에 해당하는 한지에서는 20 mm/min의 신장 속도가 적합할 것으로 판단된다.

이상의 결과를 바탕으로 평량 15~45g/m2에 해당하는 조건의 한지에는 습윤강도 측정시 침수 시간은 3,600 sec, 시편의 너비는 50 mm, 신장속도는 20 mm/min으로 실험을 진행하는 것이 적합할 것으로 판단되어 이를 한지 습윤강도 측정밥법으로 제안 하고자 한다.

Acknowledgements

이 연구는 문화재청 국립문화재연구원 문화유산 조사연구(R&D) 사업의 지원을 받아 이루어 졌다.

References

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