1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 재료
2.2 실험방법
3. 결과 및 고찰
3.1 교반수 특성 분석
3.2 뇌록 가칠 색상 및 견뢰도
3.3 현미경 관찰
3.4 적외선분광분석
3.5 도막 부착력 평가
4. 결 론
1. 서 론
단청은 목조건축물의 수명연장 및 장엄을 목적으로 사찰·궁궐·유교·능원 등의 건축물에 아름다운 문양과 그림으로 채색된 한국의 채색문화유산이다. 전통단청 기법은 천연안료와 접착제로 아교를 사용하였으나 일제강점기와 급격한 산업화를 겪으면서 단절되었다. 1970년대 이후 값이 저렴하고 시공이 편리한 화학적으로 합성된 안료와 합성수지 교착제로 대체되었다. 현존하는 국가유산은 단청 채색층이 박락되어 백골집으로 남아 있거나 합성화학안료와 아크릴에멀젼을 사용하여 보수한 단청이 대부분이다.
단청을 전통기법으로 시공하기 위해서는 전통적으로 사용된 재료와 기법에 대한 연구가 선행되어야 한다. 단청의 바탕이 되는 목재는 구조적으로 다양한 종류의 세포로 구성되어 있다. 목재를 구성하는 세포는 세포내강과 이들을 둘러싸는 세포벽으로 이루어져 있기 때문에 다공성을 나타내게 된다.1)
목재면에 안료를 정착시키기 위해서는 아교포수와 아교포수층 위에 올라가는 가칠이 필수적으로 이루어진다. 아교포수는 바탕재의 표면에 도포하여 목재면의 내부까지 침투시켜 단청 도막의 접착력을 증가시키고, 채색되는 도료가 접착제를 흡수하는 것을 방지한다. 또한 도채 후에 도막이 견고하게 되고 건조실금도 덜 생기며 얼룩도 줄어든다. 가칠은 목부재 면에 뇌록안료로 칠을 하는 과정으로, 이는 단청문양이 목재 면에 곱게 그려지고 고르게 채색이 먹힐 수 있도록 하는데 효과가 있다.2) 뇌록안료의 주성분은 셀라도나이트로 내광성과 항균성이 있어 바탕칠에 가장 많이 사용되었다.3)
전통단청을 시공함에 있어 중요한 비중을 차지하는 것은 접착제의 종류와 농도이다. 문화재수리표준시방서에 의하면 아교포수의 접착용은 조색용보다 강하게 하여 사용한다고 규정되어 있다. 또한 아교포수는 2회 이상 충분히 포수하며, 문양이 덧칠되는 뇌록가칠은 얇게 1회 칠하고 건조 후 바탕이 그대로 드러나는 가칠은 얇게 2회이상 칠한다.4) 이러한 공정을 거치는 동안 여러 번 덧칠을 반복하게 되며, 반복된 수작업으로 인해 동일한 농도를 사용하였더라도 아교량의 차이가 발생할 수 있다.
아교수의 농도를 진하게 사용하면 도막이 견고하게 되어 박락이 되기 쉬우며, 아교수를 묽게 사용하면 바탕층과 도막이 접착되지 않는다. 전통단청을 시공하기 위해서는 아교포수 및 전색제인 아교수의 적정 농도를 선정해야 한다.
본 연구는 전통단청을 시공하기 위해 아교포수 및 전색제 아교수의 농도에 따른 기법을 과학적으로 실험하였다. 일반적으로 많이 사용되는 아교수의 농도에 따른 안료 박락 및 색상견뢰도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 촉진열화 및 옥외폭로시험을 실시하고 결과를 비교 분석하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 재료
2.1.1 공시목재
공시목재는 전통 목조건축에 주로 쓰이는 소나무(산림조합중앙회 동부목재유통센터)로 하였으며 변재부의 판목판재를 선별하여 사용하였다. 바탕재의 크기는 길이 300 mm, 너비 70 mm, 높이 10 mm로 재단하여 사용하였다.
2.1.2 아교 및 백반
아교는 펠릿 형태의 소아교(播州粒膠, 鳳凰, Japan)와 백반(KAl(SO4)2·12H2O, Samhyunpharm, Korea)를 사용하였다.
2.1.3 안료
국내의 H사에서 제조된 천연 석채 뇌록을 사용하였다. Table 1에 공시안료의 특성을 나타냈다.
2.2 실험방법
2.2.1 교반수 제조
아교 농도 3.0, 6.0, 9.0%(wt./wt.), 백반 농도는 아교 대비 8.0%(wt./wt.)로 하였다. 아교를 냉수에 6시간 침지한 다음, 65℃에서 중탕 용해하여 아교수를 제조하였다. 증류수에 백반을 용해하여 일정 농도의 반수를 제조하고, 아교수와 반수를 혼합하여 교반수를 제조하였다.
2.2.2 교반수 특성분석
pH 측정은 산성도측정기(Thermo Scientific Orion 3 Star, THERMO, USA)를 사용하였다.
점도 측정은 Brookfield 점도계(DV-Ⅱ+Pro, Brookfield, USA)를 사용하였으며, 온도는 25℃에서 측정하였다. No. 62 spindle을 이용하였으며, 회전수는 100 rpm으로 하였다.
2.2.3 아교포수 처리
공시 시료에 각각의 교반수를 2회 아교포수하였으며, 포수 시 교반수의 온도는 25℃로 유지하였다. 교반수는 1회 도포 후 24시간 건조한 후 재도포하였다.
2.2.4 가칠
가칠안료는 뇌록과 아교수의 배합 비율을 1:5로 하였으며, 아교수 농도 3.0, 6.0, 9.0%(wt./wt.)로 하였다. 아교포수된 시료에 뇌록 안료를 고르게 2회 도포하였다. 각 시편의 교반수와 가칠 및 상부 채색의 아교수 농도는 Table 2에 나타냈다.
Table 2.
Adhesive application concentration of glue sizing and Noerok painting
2.2.5 촉진열화시험
제작된 시험 시편에 광열화, 건식열화, 습건열화를 실시하였다. 광열화는 촉진노화시험기(QUV/SE, USA), 건식열화는 항온건조기(DKM610C, Yamato, Japan)를 이용하였다. 습건열화는 항온·항습시험기(ACE180, ACEONETECH, Korea)를 사용하여, ‘목조문화재용 방염제 검정기준 지침’의 3조⑥항 ‘흡습 및 건조성 평가시험’ 기준에 준하여 적용하였다. 광열화, 건식열화, 습건열화의 촉진열화실험 조건은 Table 3에 나타냈다.
Table 3.
Conditions of accelerated aging test
| Aging method | Conditions | Aging time | Method |
| UV |
60℃, UVA-340, UV irradiation 0.77 w/㎡/㎚ |
100 h, 200 h, 300 h, 400 h, 500 h | KS M 5982 |
| Dry | 105±2℃ | 24 h, 48 h, 72 h | ISO 5630-1 |
| DW* |
(50±2)℃, (95±3)% RH, 4 h → (20±2)℃, 1 h → (60±2)℃, 8 h → (20±2)℃, 1 h | 12 Cycle |
Cultural heritage administration |
2.2.6 옥외폭로시험
옥외폭로시험은 도료의 옥외폭로 내후성 시험방법(KS D 0060)에 의거하여 한국건설생활환경시험연구원(충청남도 서산시 대산읍)에서 진행하였다. 옥외폭로조건으로는 위도 36°55‘(N), 경도 126°21’(E), 고도 6.5 m에서 폭로 각도는 37°의 경사를 갖도록 설치하여 6개월 진행하였다. 옥외폭로시험 조건은 Table 4에 나타냈다.
Table 4.
Conditions of outdoor exposure test
2.2.7 채색 안료 색상과 견뢰도 분석
제작한 시료의 색상 변화를 분석하기 위해 KS M ISO 7724에 의거하여 분광광도계(Color-eye 7000A, X-rite, USA.)를 이용하여 CIE Lab 색공간에 따른 L＊, a＊, b＊ 값과 Munsell [H V/C] 및 반사율을 측정하였다. 색차(△E)는 다음 식에 의거하여 산출하였으며, 평가는 Table 5를 기준으로 하였다.
Where,
△E : total color difference
△L* : difference in L* (lightness)
△a* : difference in a* (redness and greenness)
△b* : difference in b* (yellowness and blueness)
Table 5.
List of color difference
| △E | Degree of sensory perception |
| 0.0 - 0.5 | Trace |
| 0.5 - 1.5 | Slight |
| 1.5 - 3.0 | Noticeable |
| 3.0 - 6.0 | Appreciable |
| 6.0 - 12.0 | Much |
| 12.0 over | Very much |
2.2.8 현미경 관찰
시료의 표면 상태는 실체현미경(Smart Videoscope, Egitech, Korea)을 사용하여 ×55의 배율로 관찰하였다.
2.2.9 적외선분광분석
각 시료에 대한 적외선분광분석은 다이아몬드 크리스탈의 ATR(Attenuated Total Reflection) 장치가 부착된 portable FT-IR(4300 handheld FTIR, Agilent, U.S.A)를 이용하여 분석하였다. 측정 범위는 500-4000 cm-1이며, 분해능(Resolution)은 8 cm-1, 스캔 횟수는 32회로 DIA atr 방식으로 하였다.
2.2.10 도막 부착력 평가
제작한 시편 도료의 밀착력 시험을 KS M ISO 2409에 의거하여 실시하였다. 시험편의 표면에 2 mm 간격으로 수직으로 6개, 수평으로 6개의 격자를 만든 후 격자 위에 고강도테이프(7.6N, TQC Sheen)를 눌러 붙인 후 테이프의 한쪽을 잡고 각도 90°로 잡아당겨 시편으로부터 테이프를 떼어낸 후, 시료의 박리 상태와 박락 상태를 관찰하여 도막 부착력을 판정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 교반수 특성 분석
아교수의 농도에 따른 교반수의 pH와 점도 측정 결과를 Table 6에 나타냈다. 아교수 3.0%의 pH는 7.25, 6.0%의 pH는 7.24, 9.0%의 pH는 7.23으로 측정되었다. 아교수에 백반을 첨가한 후 pH는 3.0% 아교수와 백반 8.0%를 혼합한 교반수의 pH가 4.24로 가장 낮았으며, 6.0, 9.0% 아교수와 백반 8.0%를 혼합한 교반수의 pH는 4.35, 4.36으로 유사하였다. 교반수 제조 시 pH는 아교와 백반의 양이 증가할수록 낮아지며, 아교량에 따른 변화보다는 백반 첨가량에 따른 영향을 더 많이 받는다. 아교수의 농도에 따른 차이는 있으나 아교 대비 백반 4.0%와 6.0%를 혼합한 경우 pH는 4.50-5.30에서 형성되었으며, 백반 8.0% 이상 첨가한 경우 pH는 4.00-4.50에서 형성되었다.8)
Table 6.
Properties of glue and alum sizing agent
아교는 콜라겐(collagen)이 주성분을 이루고 있으며, 콜라겐은 트로포콜라겐(tropocollagen)을 기본 분자 단위로 하며 분자 내의 아미노기, 카르복실기, 수산기 등에 의한 화학적 결합이 함께 진행된다.5) 아교는 친수성 물질이기 때문에 아교에 백반을 첨가하여 아교가 물에 용해되지 않도록 소수성 물질로 변화시켜야 한다. 첨가되는 백반의 양이 많으면 백반 속의 황산이온(SO42-)이 교반수의 pH를 저하시켜 지지체의 산화를 야기시키며, 백반의 양이 부족할 경우는 친수성 셀룰로오스와 아교의 단백질이 결합하지 못하여 소수성을 지닌 교반수층을 형성할 수 없게 된다.6)
백반 알루미늄 이온의 경우 pH 5-9에서는 Al(OH)3의 침전물이 형성되며, pH가 극히 낮은 경우와 매우 높은 경우에는 각각 Al3+와 Al(OH)41-이 주로 존재한다. 소량의 Al(OH)2+가 pH 4-5의 범위에서 약 10% 정도 형성되며, Al8(OH)204- 형태의 다핵체는 pH 4.5-5.0 부근에서 많이 형성된다.7) 따라서 교반수의 pH는 4.0-4.5의 범위에서 아미노산의 카복실산 음이온(-COO-)과 백반의 알루미늄 이온 간 가교결합이 충분하게 잘 이루어지는 것으로 판단되며, 본 실험에 사용된 3.0, 6.0, 9.0% 아교수와 백반 8.0%를 혼합한 교반수의 pH는 적정한 것으로 판단되었다.
교반수의 점도 측정 결과 아교수의 농도가 높을수록 점도가 높아지는 경향을 나타냈다. 9.0% 아교수와 백반 8.0%를 혼합한 교반수의 점도가 가장 높게 나타났으며, 3.0% 아교수와 백반 8.0%를 혼합한 교반수의 점도가 가장 낮게 나타났다.
단청은 외부에서 시공하기 때문에 아교수의 농도 뿐만 아니라 계절에 따른 온도와 습도에 따른 영향도 받는다. 단청 시공 시 여름에는 습하고 온도가 높기 때문에 고농도의 아교를 사용하며, 겨울에는 건조하고 온도가 낮기 때문에 저농도의 아교를 사용한다.2) 이는 작업자의 운필 유동성 및 발림성을 고려한 것으로 시공의 편의성에 따른 것이다.
단청의 도막층이 안정적으로 형성되기 위해서는 일정량의 접착제를 필요로 한다. 그러나 점도에 따라 아교수 농도를 조절하여 사용하게 되면, 채색 안료의 접착에 문제가 발생하게 된다. 따라서 단청 시공 시 적정한 아교수 농도를 선정하여 작업하는 것이 필요하다.
3.2 뇌록 가칠 색상 및 견뢰도
뇌록 가칠한 시료를 습건열화, 광열화, 건식열화, 옥외폭로 시험하여 색상변화 및 열화 특성을 분석한 결과를 Table 7에 나타냈다.
Table 7.
Color changes of Noerok pigment painting by accelerated aging
열화처리 전 뇌록 가칠 시료는 먼셀 표색계의 GY를 나타냈으며, 아교포수와 전색제의 아교수의 농도가 높을수록 뇌록색이 어둡게 칠해졌다.
아교수 3.0%와 아교 대비 8.0% 백반을 혼합한 교반수로 아교포수 후, 3.0% 전색제로 뇌록 가칠한 시편이 가장 밝게 나타났으며, 6.0%, 9.0% 아교수와 아교 대비 8.0% 백반을 혼합한 교반수로 아교포수 후, 3.0% 전색제로 뇌록 가칠한 시편은 어둡게 나타났다. 이러한 경향은 6.0%와 9.0% 전색제로 뇌록 가칠한 시편에도 동일하게 나타났다. 아교포수의 농도가 낮을수록 색상이 밝게 나타났으며, 아교포수의 농도가 높을수록 어두워지는 경향을 보였다. 또한, 전색제의 농도가 높을수록 색상이 어둡게 나타났으며, 아교포수와 전색제의 농도가 모두 높은 경우 가장 어둡게 채색되었다.
촉진열화처리 시 습건열화의 경우 색상이 다소 어둡게 나타났으며, 건식열화와 광열화의 경우 밝아지는 경향을 나타냈다. 습건열화의 시편 색상은 뇌록 안료와 아교량에 의한 영향보다는 목재 표면이 습기와 곰팡이로 인해 검게 변하여 뇌록가칠 시편의 색상이 어둡게 나타난 것으로 판단되었다.
아교포수와 전색제의 아교수 농도 9.0%로 가칠한 시편의 색상견뢰도가 가장 우수하였다. 옥외폭로시험의 경우 아교포수의 농도에 관계없이 3.0%, 6.0% 전색제로 뇌록 가칠한 시편이 모두 박락되어 측정할 수 없었다. 9.0%의 전색제로 뇌록 가칠한 시편의 경우 일부 남아 있었으며, L*값이 증가하여 색상이 밝아졌으며, a*값은 증가하고, b*값은 감소하여 녹색의 채도가 낮아지는 경향을 나타냈다.
3.3 현미경 관찰
뇌록 가칠한 시료를 습건열화, 광열화, 건식열화, 옥외폭로시험하여 현미경 관찰한 사진을 Fig. 1에 나타냈다.
전색제의 아교수 농도가 3.0%인 경우 아교포수의 아교수 농도에 관계없이 목재면에 뇌록 가칠이 얇게 칠해졌다. 이는 3.0% 아교수의 점도가 6.0%와 9.0%에 비해 낮으며, 아교와 결합되는 뇌록안료의 양도 적기 때문인 것으로 판단되었다. 열화처리 시 아교가 열화되어 가칠층이 분상박락되는 경우가 많았으며, 습건열화와 건식열화에서 소나무의 송진이 배어나오는 부분이 관찰되었다. 이는 아교수의 양이 적어 뇌록 가칠 도막층을 안정적으로 형성하지 못한 결과로 판단되었다.
아교수 3.0%로 아교포수한 후 전색제로 아교수 농도 6.0%와 9.0%를 사용한 뇌록가칠 도막의 경우 열화 전에는 양호하였으나 열화처리 후 도막의 박락이 진행되어 불안정하게 나타났다. 6.0%와 9.0% 아교수 농도로 아교포수한 경우는 3.0% 아교포수에 비해 열화에 안정적인 것으로 나타났다. 아교포수가 전색제의 아교수 농도보다 높은 시편의 도막이 안정적이었으나, 3.0% 아교수 농도는 아교포수 및 전색제 모두 도막이 불량하였다. 6.0% 이상 아교수 농도의 아교포수와 전색제의 도막은 비교적 안정적으로 나타났다. 또한 아교포수와 전색제의 농도가 9.0%인 경우 송진이 배어나오는 부분이 관찰되지 않아, 도막이 안정적으로 형성되어 은폐력이나 부착력이 우수한 것으로 판단되었다.
옥외폭로시험의 경우 아교포수 농도에 관계없이 전색제 3.0%와 6.0%의 뇌록 가칠은 모두 도막이 박락되어 목재면이 드러났으며, 전색제 9.0% 뇌록 가칠의 경우 도막의 일부만이 관찰되었다.
3.4 적외선분광분석
뇌록 가칠한 시료를 습건열화, 광열화, 건식열화, 옥외폭로시험하여 FT-IR spectra를 분석한 결과를 Fig. 2에 나타냈다.
스펙트럼에서 3,400-3,200 cm-1 피크 밴드의 amide A 영역은 N-H 신축진동과 관련이 있고, 1,660-1,600 cm-1 피크 밴드의 amideⅠ 영역은 펩타이드의 카보닐그룹 신축진동에 의한 것으로 단백질의 2차 구조를 알 수 있다. 1,565-1,500 cm-1 피크 밴드의 amideⅡ 영역은 N-H 굽힘과 C-N 신축진동과 관련이 있으며 1,480-1,300 cm-1 피크 밴드의 amideⅢ 영역의 최대 피크 밴드는 N-H 굽힘과 C-N 신축진동에 의한 것으로 콜라겐의 3중 나선구조와 관련이 있다.5)
뇌록 가칠한 시편의 amideⅠ의 1641, 1643, 1645, 1649, 1651 cm-1, amideⅡ의 1526, 1537, 1539, 1543 cm-1, amideⅢ의 1438, 1448, 1451, 1455 cm-1 피크가 관찰되었다. 아교포수와 전색제의 아교수 농도가 높을수록 피크가 증가하고, 농도가 낮을수록 피크가 감소하였다. 습건열화, 건식열화, 광열화에 의한 변화는 미미하였으나 옥외폭로시험을 한 시편의 경우 amideⅠ, amideⅡ, amideⅢ 영역의 피크가 관찰되지 않았다. 이는 뇌록 가칠 도막이 대부분 박락되어 아교가 남아있지 않은 결과로 판단되었다.
3.5 도막 부착력 평가
뇌록 가칠한 시료를 습건열화, 광열화, 건식열화, 옥외폭로 시험하여 부착력을 평가한 결과를 Table 8에 나타냈다.
Table 8.
Noerok pigment painting adhesion evaluation
| Control | DW | Dry | UV | Out door | |
| 1G3N3 |  |  |  |  |  |
| 1G3N6 |  |  |  |  |  |
| 1G3N9 |  |  |  |  |  |
| 1G6N3 |  |  |  |  |  |
| 1G6N6 |  |  |  |  |  |
| 1G6N9 |  |  |  |  |  |
| 1G9N3 |  |  |  |  |  |
| 1G9N6 |  |  |  |  |  |
| 1G9N9 |  |  |  |  |  |
아교포수의 아교수 농도가 3.0%인 경우 전색제의 농도에 관계없이 도막 박리 면적이 가장 넓게 나타났으며, 아교포수 아교수 농도가 6.0%와 9.0%의 경우 도막 박리 면적이 좁게 나타났다. 따라서 아교포수의 아교수 농도 3.0%는 도막 형성 접착력이 부족한 것으로 판단되었다.
전색제의 경우 아교포수의 농도보다 낮은 경우 비교적 안정적인 도막을 형성했으나, 3.0% 전색제의 농도로 채색한 시편의 경우 도막 박리 면적이 넓게 나타나 안정적인 도막층을 형성하지 못한 것으로 나타났다.
또한 3.0% 아교수 농도로 아교포수 후, 9.0% 전색제로 뇌록 가칠한 시편의 경우 습건열화에 비해 광열화와 건식열화 처리 시 도막 박리가 넓게 나타났다. 이는 아교포수층의 접착력이 불안정한 상태에서 광열화와 건식열화에 의해 아교가 건조되면서 탄성을 잃어 안료가 박락되는 현상이 나타난 것으로 판단되며, 습건열화의 경우 일정 수분의 유입으로 광열화와 건식열화에 비해 도막 박리 면적이 적은 것으로 나타났다.
옥외폭로시험을 실시한 시편의 경우 9.0% 전색제를 사용하여 뇌록 가칠한 시편의 일부에만 도막이 남아 있었으며, 아교포수의 아교수 농도 3.0%, 6.0%, 9.0%에 관계없이 전색제 농도 3.0%, 6.0%의 뇌록 가칠 도막은 남아 있지 않아 측정이 불가하였다.
4. 결 론
전통단청은 천연안료와 아교를 사용하여 시공하였으나, 일제강점기와 산업화를 거치면서 전통제법이 단절되었다. 전통단청을 시공하기 위해서는 아교를 사용하여 채색한 도막층이 안정적으로 형성되어야 하며, 이에 따른 적정한 아교수 농도가 먼저 검증되어야 한다.
도막의 안정성을 평가하기 위해 아교포수와 전색제의 아교수 농도를 3.0, 6.0, 9.0%로 하여 뇌록 가칠 시편을 제작한 후, 인공열화 및 옥외폭로시험을 실시하였다.
아교포수의 아교수는 전색제보다 고농도 아교수를 사용한 도막이 안정적으로 나타났다. 저농도로 아교포수한 경우 아교포수층이 안정적으로 형성되지 못하여 고농도 아교포수에 비해 박리 면적이 넓게 나타났다. 또한 아교포수층과 전색제의 농도가 동일한 경우에는 6.0% 이상의 아교수에서 안정적인 도막층을 형성하였다.
습건열화, 건식열화, 광열화 처리 시 아교포수 및 전색제의 아교수 농도는 아교포수와 전색제 3.0% 농도에서 도막 박리가 나타났으며, 6.0%와 9.0% 아교수 농도에서는 도막층이 안정적으로 나타났다. 옥외폭로시험에서는 아교포수와 전색제 아교수 농도 3.0%와 6.0%의 도막층이 남아 있지 않았으며, 9.0% 아교수 농도 일부 도막층만 남아 있었다. 단청 시공 시 내부단청의 경우 비바람 등의 외부환경에 의한 영향을 많이 받지 않으므로, 아교포수 및 전색제 농도 6.0%로 시공하는 것이 가능하지만, 외부단청의 경우 아교포수 및 전색제 농도 9.0% 이상으로 시공하는 것이 적절할 것으로 판단되었다.
