1. 서 론
금속문화유산의 부식은 주변 환경 물질과의 화학반응 혹은 전기화학반응에 의해 발생한다. 부식은 금속문화유산 손상의 상당 부분을 차지한다. 대기에 의한 부식은 온습도, 오염물질, 염화이온(Cl-) 및 기타 요인에 따라 다르게 발생한다. 또한, 일반적으로 환경적 요인과 금속 부식 혹은 열화의 상관관계는 매우 복합적이므로, 환경적 요인에 대한 자세한 이해가 필요하다. 금속문화유산에 발생하는 부식 속도는 환경에 따라 달라진다. 부식이 발생하면, 육안으로 진행 상황을 확인하기가 매우 어렵다. 따라서 주기적인 모니터링이 필요하다. 하지만 현재 금속문화유산에 발생하는 부식 진행 상황을 확인하는 모니터링 역시 육안으로 진행하므로, 정기적으로 시행하기 매우 어렵고 객관성도 떨어진다(Kang, 2008; Prosek et al., 2011). 또한 금속문화유산 부식은 발생이 된 다음 보존처리를 진행하는 것이 일반적이므로, 사전 예방의 의미보다는 사후 처리에 가깝다.
현재 금속 부식 모니터링 방법의 단점을 보완하고 보존처리 계획 수립을 위한 객관적인 자료를 제공하기 위해서 부식환경측정장치를 이용하여 부식 환경을 측정하는 연구를 시행하였다. 부식환경측정장치는 전기저항기술(electrical resistivity(ER))을 이용하여 부식 깊이와 속도를 수치적, 시각적 자료로 제공한다. 부식환경측정장치의 측정 원리는 절연기판 위에 설치된 얇은 금속이 대기 중에서 실시간으로 부식이 발생하여 유효단면적이 감소하면 이에 따라 해당 금속의 전기저항이 증가하는 현상을 이용한 기술이다. 이를 데이터로 기록하여 대기부식에 대한 관찰이 가능하게 된다(Prosek et al., 2011).
부식환경측정장치를 이용하여 부식 환경 평가를 한 사례는 다양하게 있다. 먼저 체코 프라하의 Aviation Museum Kbely에서 소장 중인 알루미늄 합금의 항공기를 보존하기 위해 사용되었다. 격납고 환경의 모니터링을 통해 기상, 오염물, 환경 자료를 수집하여 부식 환경 데이터와 상호 비교하여 대기와 부식 사이의 상관관계를 확인하였다. 또한, 부식환경측정장치를 이용하여 부식성을 정기적으로 확인할 수 있다는 장점이 있다. 대기의 부식인자로 인해 부식이 진행함을 사용자가 실시간으로 확인할 수 있게 하며, 부식 방지를 위한 보존처리 시기를 설정할 수 있게 하였다(Kuchař et al., 2024; Kouril et al., 2014).
문화유산 환경과 더불어 산업체에서도 부식환경측정장치를 사용한 사례가 확인된다. 독일자동차산업협회(Verband der Automobilindustrie)에서 아연과 탄소강의 부식성을 평가하기 위해 부식환경측정장치를 사용하여 부식 평가를 시행하였다. 실험은 염수분무, 습식, 건식, 동결 환경에서 아연과 탄소강의 부식을 진행하였다. 이를 통해 아연과 탄소강이 각 환경에서 부식성이 다름을 확인하였다(Prosek et al., 2014).
본 연구는 부식환경측정장치를 이용하여 부산광역시에 있는 동아대학교 석당박물관의 부식환경측정을 통해 부식 깊이와 속도를 수치적, 시각적 자료로 제공하고 이를 통해 결과를 도출하여 모니터링 가능성을 확인하고자 하였다. 또한, 습도와 부식 환경에 대한 상관관계를 확인하고자 하였다.
2. 대상 및 방법
2.1. 연구대상
본 연구를 수행하기 위해 동아대학교 석당박물관의 옥외의 <국가등록문화유산 부산 전차>(Outside A; OA)와 민속실 내의 <국가민속문화유산 전 순정효황후 주칠 나전 가구>가 보관 중인 전시장 내부(Inside B; IB)를 대상으로 선정하였다.
<국가등록문화유산 부산 전차>는 옥외 보호각에 노출 전시 중이다. 보호각은 4면은 뚫려 있으며, 상단만 덮여있다. 이에 따라, 옥외 환경 변화에 직접적인 영향을 받는 상황이다. <국가민속문화유산 전 순정효황후 주칠 나전 가구>는 민속실 내부 전시장에서 전시 중이다. 전시장 내부는 공조기 가동으로 온도와 습도를 일정하게 유지하고 있다. 금속문화유산이 아닌 주칠목기 문화유산이 있는 전시장으로 설정한 이유는 금속의 습도 범위보다 높아 부식이 발생할 수 있는 환경이기 때문이다(Figure 1).
2.2. 연구방법
연구 수행을 위해 부식환경측정장치(AircorrO, nkeINSTRUMENTATION, France), 온습도 데이터로거=(testo 174H, TESTO, Germany) 1기씩 1개의 구성으로 하여 <국가등록문화유산 부산 전차>와 <국가민속문화유산전 순정효황후 주칠 나전기구>에 각각 설치하였다. 정해진 위치에 설치를 시작하여 모니터링을 하였으며, 모니터링 기간은 2024년 5월 8일부터 2024년 10월 21일까지 총 167일간 진행하였다. 관찰한 결과를 토대로 습도가 주요 부식인자인지를 확인하였다(Figure 2).
부식환경측정장치를 통해 얻은 자료는 부식 속도와 부식 깊이를 확인하였으면 이를 부식 환경 분석 기준에 맞춰 대상 공간의 부식 환경을 평가하였다. 부식환경측정장치의 경우 옥외용과 옥내용의 금속센서가 달랐으며, 옥외용 금속센서는 Fe-250 μm, 옥내용 금속센서는 Fe-25 μm 를 사용하였다. 평가는 ISO 11844-1(옥내 부식 기준)과 ISO 9223(옥외 부식 기준)에 준하여서 하였다. 부식 환경의 측정은 1시간을 기준으로 1일간 총 24번 하였다.
온습도 데이터로거를 통해 얻은 자료는 습도가 부식 속도와 부식 깊이에 어떤 연관이 있는지 확인하기 위해서 사용하였다. 이를 통해 대상 공간에서 습도가 주요한 부식인자인지를 확인하였다. 온습도 측정은 4시간을 기준으로 1일간 총 6번 하였다.
3. 결 과
3.1. 습도 측정 결과
습도를 측정한 전체 기간의 모니터링 결과는 다음과 같다. OA는 상당한 습도 변동이 확인되었다. 최고습도는 99.20% RH, 최저습도는 20.20% RH로 확인하였다. IB는 일부 습도의 변동이 확인되나 OA에 비해 변동하는 폭이 크지 않았다. 최고습도는 82.50% RH, 최저습도는 59.60% RH로 확인하였다(Figure 3).
OA 공간에서 측정된 습도 데이터를 범위별로 확인한 결과, 대체로 습도가 50.00% RH 이상으로 분포하였다. 특히 금속이 안정적이라고 판단되는 상대습도인 45.00% RH 이 하는 7.77%로 확인되었다. 또한 50.00% RH 이상인 경우가 92.23%이며, 특히 90.00% RH가 넘는 경우도 26.92%인 것을 확인하였다(Figure 3). 이는 여름철 고온다습한 환경에 의한 것으로 판단된다. 이를 통해 OA의 환경은 금속 재질의 부식을 촉진할 수 있는 환경이라 할 수 있다(Cho, 2021).
IB 공간에서 측정된 습도 데이터를 범위별로 확인한 결과, 대체로 습도가 60.00∼79.99% RH 사이에 분포하였다. 50.00∼59.99% RH(0.40%), 80.00∼89.99% RH(6.25%)의 분포도 확인되었으나 이는 상대적으로, 소량으로 판단되었다(Figure 3).
습도 측정 결과를 통해 OA와 IB 모두 금속문화유산에 있어서는 상당히 취약한 보존 환경임을 확인하였다.
3.2. 부식 환경 측정 결과
3.2.1 부식 깊이 측정 결과
OA의 부식 깊이를 확인한 결과를 보면 부식 깊이가 점차 두꺼워졌다. 부식 깊이가 갑자기 증가하는 4개의 구간을 확인하였으며, 이는 부식 발생이 상당량 이루어졌음을 보여주는 구간이다. 이를 추세선을 통해 확인하면, 시간이 지날수록 부식 깊이가 증가하였다. 부식 깊이를 수치화하여 확인한 결과, 꾸준히 부식이 발생하였고, 총 0.0143930 mm만큼 부식되었다. 최초 부식환경측정장치 부식센서의 두께가 250 μm이므로, 처음보다 0.235610 mm(5.76%)만큼 감소하였다(Figure 4a, Table 1).
IB의 부식 깊이를 확인한 결과를 보면 부식 깊이가 점차 두꺼워졌다. 부식 깊이가 갑자기 증가하는 1개의 구간을 확인하였으나, 최초 부식량이 매우 적은 양으로 보인다. 최초 부식 구간을 지나면, 아주 적은 양으로 부식이 이루어지고 있음을 소폭 상승하는 그래프를 통해 확인하였다. 추세선을 통해 살펴보면 앞의 내용과 같게, 시간이 지날수록 부식이 발생하나, 부식발생량이 매우 적었다. 부식 깊이를 수치화하여 확인한 결과, 5월(0.0000076 mm), 8월(0.0000040 mm), 9월(0.0000020 mm)에 부식이 발생하였고, 총 0.0000140 mm만큼 부식되었다. 최초 부식환경측정장치 부식센서의 두께가 25 μm이므로, 처음보다 0.024986 mm(0.06%)만큼 감소하였다(Figure 4b, Table 1).
3.2.2 부식 속도 측정 및 등급 확인 결과
OA의 부식 속도를 확인한 결과를 보면, 5월에서 7월까지는 급격한 부식 속도가 증가하였다. 8월에는 다소 부식 속도가 57.676 μm/year에서 21.302 μm/year로 감소하였으나, 이는 단지 속도의 차이이지, 부식 발생이 지속해서 이루어졌다. 또한, 8월 이후에 속도의 증감은 확인되었으나, 이 역시도 부식 발생은 지속해서 이루어졌다. 월별 부식 속도를 종합하여 확인한 결과 31.676 μm/year로 확인하였다(Figure 5a, Table 2).
IB의 부식 속도를 확인한 결과를 보면, 5월에 89.000 nm/year로 초기에 부식 속도가 증가하였다. 하지만 이후 6월과 7월에 부식 속도가 확인되지 않았다. 이는 해당 기간에 기존 부식량에서 더 이상 부식이 발생하지 않았음을 의미한다. 8월부터 다시 부식 속도가 4.900 nm/year로 증가하였고, 9월에는 다시 1.800 nm/year로 감소하였다. 이는 부식이 6월과 7월에 비해 발생하였으나, 발생이 미비함을 뜻한다(Figure 5b, Table 2).
부식 속도와 비교하여 부식 등급을 산출한 결과를 보면, OA의 부식 등급은 5월과 8월에 C2-Low였으며, 이는 낮은 수준이다. 5월과 8월을 제외하고 나머지 달은 C3-Moderate였으며, 이는 보통 등급이다. 종합 등급 산출 결과 C3-Moderate로 확인되었다. 이를 통해 전반적으로 부식이 평이하게 발생하였다(Table 2).
IB의 부식 등급을 확인한 결과, 5월은 IC2-Low였으며, 이는 낮은 수준의 부식 등급이다. 5월 이외에는 모두 IC1-Very low였으며, 이는 부식 등급에서 최저 등급으로 부식 발생 측면에서 매우 안정된 상태를 뜻한다. 종합 등급 산출 결과 IC1-Very low로 확인되었다. 이를 통해 전반적으로 부식 발생이 현저히 낮았다(Table 2).
4. 고찰 및 결론
본 연구는 부산광역시에 있는 동아대학교 석당박물관의 옥외, 옥내 부식 환경 및 습도를 측정하는 것으로, 보존 환경을 고찰하는 것이 목적이다. 이를 위해 부식환경측정장치와 온습도 데이터로거를 이용하여 <국가등록문화유산 부산 전차>와 동아대학교 석당박물관 민속실 내의 <국가민속문화유산 전 순정효황후 주칠 나전가구> 전시장의 대기환경을 조사하였다. 조사한 결과를 통해 부식 깊이와 속도를 수치적, 시각적 자료로 제공하고 습도와 부식 환경에 대한 상관관계를 확인하고자 하였다. 연구 결과를 정리하면 아래와 같다.
1. 동아대학교 석당박물관 최고습도는 99.20% RH, 최저습도는 20.20% RH로 확인하였다. 옥내 최고습도는 82.50% RH, 최저습도는 59.60% RH로 확인하였다. 습도의 변동 폭은 옥외가 매우 큰 것을 확인하였으며, 옥내는 옥외에 비해 매우 안정적인 변동 폭을 보였다. 또한, 옥외 습도는 대체로 50.00% RH 이상으로 분포하였으며, 옥내 습도는 대체로 60.00∼79.99% RH 사이에 분포하였다. 옥외의 경우 기상청에서 측정한 습도 결과와 상당히 유사하였다. 습도 측정 결과를 보면 두 환경 모두 금속의 부식 발생이 생길 수 있는 환경이었다(Figure 6).
2. 부식 깊이를 확인한 결과, 옥외 부식환경측정장치의 부식센서는 월별로 지속하여 부식이 발생하여 부식 두께가 0.23561 mm(5.76%)만큼 증가하였다. 옥내 부식환경측정장치의 부식센서는 옥외와 같이 월별로 지속하여 부식이 발생하지는 않았고, 5월과 8월, 9월에 아주 소량으로 부식이 발생하였다. 부식 두께가 0.000014 mm(0.06%)만큼 증가하였다. 이를 통해 부식이 발생하여 부식 두께가 증가하였다.
3. 부식 속도와 등급을 확인한 결과, 옥외의 부식 속도는 5월에서 7월까지는 꾸준히 증가하였으며, 8월부터 10월까지는 부식 속도의 증감을 확인하였으나, 부식 발생은 지속해서 있었다. 부식 등급은 7월에 C4-High로 확인된 것 외에는 안정적이거나 일반적인 등급을 확인하였다. 옥내의 부식 속도는 5월에 증가하였으나, 6월부터 10월까지는 속도가 0 nm/year이거나 소폭 상승하였다. 이를 통해 부식 발생은 일부 월에서 발생하였다. 부식 등급은 5월에 IC2-Low로 확인된 것 외에는 모두 IC1-Very low로 확인되었다. 이를 통해 매우 안정적인 부식 등급을 확인하였다.
연구 결과를 종합하여 볼 때, <국가등록문화유산 부산전차>의 경우 계절에 따른 야외 습도 변화에 매우 민감할 것으로 보이며, 이로 인한 부식량이 증가하였다. 이에 여름철에는 해당 국가유산 환경을 정비하여 습도를 차단하여야 한다. 또한 염화이온의 차단 또한 필요하다. 금속의 부식은 습도만 높다고 하여 발생하지 않고, 습도와 염화이온이 반응하여 발생한다. 따라서, 습도와 염화이온의 접촉을 방지하는 것이 필요하다(Cho, 2021).
가장 좋은 방안은 밀폐보호각을 통한 보호가 좋지만, 밀폐보호각이 세워지면 <국가등록문화유산 부산 전차>의 내부를 확인할 수 없다는 단점이 있다. 따라서, 부산 전차의 표면 방청 처리를 통한 부식인자 접촉을 방지하는 것이 가장 좋은 방안이며, 여름이 시작되는 6월 전에 부산 전차에 대한 방청제 도포가 필요하다. 또한, <국가등록문화유산 부산 전차>와 더불어 <국가민속문화유산 전 순정 효황후 주칠 나전가구>의 보존환경을 주기적으로 확인하는 것이 필요하다.
이번 연구에서는 습도와 부식 발생의 상관관계를 확인하고자 하였다. 연구 결과를 통해 추론한 내용은 초기에는 습도가 부식에 영향을 미치는 것으로 판단하였다. 하지만 옥내는 이후 부식 발생량이 크게 없는 것으로 보아, 옥외는 습도와 더불어 다른 부식인자가 있을 것으로 추정하였다. 따라서, 추가 부식인자로 해풍에 포함된 염화이온을 추정하였다.
<국가등록문화유산 부산 전차>의 위치는 바다에서 직선거리로 1.2 km 정도 떨어진 곳에 있다(Figure 7). 이에 따라 해풍이 내륙 쪽으로 불어와 비래염분(飛來鹽分)에 의한 부식 발생을 추정하였다. 염화이온으로 구성된 비래 염분은 해안 지역에 있는 구조물의 강재 부식을 유발하고 전반적인 구조 내력을 약화한다. 비래염분은 여름철 남동풍의 영향으로 동해와 남해안에서 상대적으로 많이 확인되며, 특히 7월과 9월 사이에 계절풍과 태풍의 영향으로 다른 계절에 비해 비래염분이 다량으로 관찰된다는 연구가 있다(Lee et al., 2008; Cho, 2015).
본 연구를 통해 부식환경측정장치와 온습도 데이터로거를 이용하여 부식 환경 평가가 가능함을 확인하였다. 하지만, 금속 재질의 부식은 매우 다양한 부식인자와 연관이 있으므로 온습도 데이터로거만으로는 부식 환경을 평가하기에 한계가 있음을 확인하였다. 따라서, 차후에 비래염분포집기나 산성 유해물질 검출기 등과 같은 환경 장비를 함께 사용하여 부식 환경을 평가한다면 더욱 정밀한 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다. 더불어 현재 부식 등급 평가에 사용한 기준인 ISO 9223과 ISO 11844-1의 경우 산업계에서 사용되는 표준으로 금속문화유산에 직접적으로 적용하기에는 다소 무리가 있다. 따라서, 해당 표준 대신 금속문화유산 부식 평가에 맞는 표준을 새로 정립할 필요가 있다.
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