2.1 고령 고아리 벽화고분

고령 고아리 벽화고분은 천정에 연화문이 있는 가야의 벽화고분으로, 사적 제165호로 지정되었다. 고분은 구조 형식으로 미루어보아 대가야 시기인 6세기 초 · 중반에 축 조된 것으로 추정되며, 현실 내에 위치한 2기의 관대를 통 해 추가장 됐을 것으로 판단되고 있다(Cho, 2008). 고분은 현실과 연도로 구성되어있고, 현실은 남북측이 긴 장방형 평면이고, 연도는 현실 남벽의 동쪽에 위치하는 가야시대 횡혈식석실묘이다(Figure 1).

Figure 1.

Current condition of internal mural tomb in Goa-ri, Goryeong(Starting from the left - the view of aisle, aisle ceiling, south side of main room, main room ceiling are located).

1963년 2월 5일자 기사로 고분의 존재가 보고되었고 (Kim, 1964), 10월에 발견되어 조사가 진행되었고 1964년 1차 보수를 하였다. 이후 1977년 출입구를 만들고 봉분을 덧쌓아 올리는 2차 보수 공사를 하였다. 공사 이후의 출입, 공간 환경차이에 따른 벽화 손상, 보수로 인한 봉토 압력 발생 등의 문제로 1984년 이에 대한 3차 보수 공사를 진행 하였다(Jung, 2014). 현재는 벽화와 고분의 보존을 위해 폐 쇄한 상태이다.

1964년 보고에 따르면 벽화는 현실과 연도의 천정석에 연화문이 뚜렷했고, 현실 남벽 상부에 곡선 같은 자국과 연 도측벽하부에 당초와 유사한 문양의 흔적이 있었다. 또한 벽화는 적색, 녹색, 갈색의 3색을 써서 그렸다(Kim, 1964). 이후 안료 분석 당시 내부 벽화 상태는 현실과 연도 천정에 일부 남아있고, 원형 확인이 어려우며, 측면의 회가 물기를 머금어 푸석푸석한 상태라고 보고된 바 있다(Moon et al., 2002). 2012년부터 2013년까지 고령 고아리 벽화 고분 상 태조사 결과에 따르면 현실과 연도 천장에 연화문의 벽화 는 남아있지만 이전에 도상들 대비 손상이 진행된 상태이 며, 다른 벽면에서 일부 극미량의 채색 자국만이 확인되고 대부분 마감층이 박락되고 유실된 상태였다(Lee et al., 2015).

2.2 고분 환경 모니터링

안정적 환경 유지를 위해 상시 출입이 어려운 고분의 특 성과 고습한 특수 환경으로 인해 자동계측시스템을 고분 내·외부에 구축하였다(Figure 2). 고분 내부 공간에 따른 온 도 및 상대습도를 확인하고자 온·습도센서(HMP155, Vaisala, Finland)를 현실과 연도에 배치하였다. 또한 위치 에 따른 표면온도의 차이를 보기 위해 현실의 북측, 남측, 천장, 바닥, 연도의 천장과 바닥에 표면온도센서(DTS12G, Vaisala, Finland)를 천연찰흙을 이용하여 설치하였다. 외부 환경이 고분 내부 환경에 미치는 영향을 확인하기 위해 온 습도 측정용 멀티센서(WXT520, Vaisala, Finland)를 봉분 상부에 설치하였다. 실시간으로 측정되는 데이터는 무선으 로 110 m 거리에 위치한 상무사 기념관의 컴퓨터에 10분 간격으로 자동 저장된다. 저장된 데이터는 실시간 원격 프 로그램을 이용, 다운로드하여 환경 분석을 하였다.

Figure 2.

Environment monitoring system of mural tomb in Goa-ri, Goryeong(Starting from the left. Temperature and humidity measuring system, surface temperature measuring system, external environment AWS are located inside the main room).

2.3 표면온도 및 결로 모니터링

계절별 표면온도 변화는 적외선온도계(Testo 845, Testo, Germany)를 이용하여 표면온도를 0.1℃단위로 측정하였 다. 측정 대상은 동 · 서 · 남 · 북면과 천장 · 바닥면으로 총 6개 의 면을 측정하였고, 현실과 연도 모두 측정하였다. 측정일 시는 계절별로 비교하기 위해 봄철(4월), 여름철(7월), 가을 철(10월), 겨울철(1월)로 1일씩 조사를 실시하였다.

2.4 미생물 분포 조사

미생물 분포 조사는 2012년 10월(1차), 2013년 4월(2차) 로 총 2회 실시하였다. 멸균봉을 이용하여 고분의 벽체 표 면 미생물을 채집하였고 채집 위치는 Figure 3과 같다. 채 집한 미생물은 PDA(Potato Dextrose Agar, Difco, USA) 배 지에 직접 도말한 후 28℃ 배양기에서 3~5일간 배양하였 다. 배양된 미생물은 미생물의 형태학적 차이를 기준으로 단군집 분리(single colony)를 하였고, 곰팡이는 PDA 배지, 세균은 NA(Nutrient Agar, Difco, USA) 배지에 접종하여 분리·배양하였다. 이후 단일 종으로 분리된 미생물의 종을 확인하기 위해 염기서열 분석을 실시하였다. 미생물의 gDNA 는 i-genomic BYF DNA Extraction Mini Kit(iNtRON) 를 사용하여 추출하였고 곰팡이는 18S rRNA region, 세균은 16S rRNA region을 증폭하기 위해 PCR(Polymerase chain reaction) 을 수행하였다. 곰팡이는 ITS1(5'-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3')/ ITS4(5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3') primer, 세균은 27F(5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3')/1492F(5'-GGTTACCTTGTTACGACTT-3') primer를 사용하였다. 이 후 증폭된 PCR 산물은 전기 영동하여 DNA를 확인하였다. 염기서열 분석은 마크로젠(주)에 의뢰하였으며 결과는 genebank (NCBI, National Center for Biotechnology Information)의 데이터베이스 BlastN Search 프로그램을 이용하여 분석하 였다.

Figure 3.

Sites where surface microorganisms on wall inside mural tomb in Goa-ri, Goryeong sampled.

3.1 공간별 온도 및 상대습도 비교

월별 고분 외부 및 현실 내부 온도를 비교한 결과, 현실의 연평균 온도는 16.0℃, 외부의 연평균 온도는 12.4℃로 확 인되었다(Figure 4). 현실의 온도 범위는 10.43℃~22.06℃ 로 연간 최저·최고 온도 차이는 11.63℃로 확인되었다. 외 부 온도는 –3.17℃~26.79℃로 연간 최저·최고 온도 차이는 29.96℃로 확인되었다. 또한 현실과 외부의 온도 차가 가 장 높을 때는 1월로 15.36℃의 차이가 확인되었고, 온도 차 이가 가장 낮을 때는 4월 1.08℃로 확인되었다. 고분 내부 의 온도가 가장 낮은 달은 3월, 가장 높은 달은 9월이며, 외 부의 온도가 가장 낮은 달은 1월, 가장 높은 달은 8월로 외 부 환경 변화와 1~2달의 차이를 보였다. 또한 연도의 온도 는 현실과 1℃ 내외의 차이를 보이며, 변화 경향은 유사하 였다.

Figure 4.

Average of monthly temperature in different spaces.

월별 현실 내부의 표면온도는 북벽, 남벽, 천장, 바닥을 측정하고 비교한 결과, 북벽과 남벽은 겨울철(12월, 1월, 2 월)을 제외하고는 남벽이 북벽보다 높았다(Figure 5). 겨울 철에 역전되는 양상을 보이지만 북벽·남벽의 표면온도의 전체적인 변화를 보면 두 벽 모두 현실의 공기 중 온도 변 화와 유사하게 변하였다. 두 벽의 온도차이 또한 0.5℃ 정 도로 크지 않은 것으로 확인되었다. 북벽의 연중 최저, 최 고 온도 차이는 11.26℃, 남벽의 온도 차이는 11.37℃로 확 인되었고, 상대적으로 연도와 외기에 노출된 남측면의 온 도차이가 클 것으로 예상되었으나 현실 공간 내에서 큰 차 이가 없었다.

Figure 5.

Comparison of surface temperature by the location in main room.

천장의 경우, 여름철에 바닥보다 온도가 높았고, 겨울철 에 낮아졌다. 천장과 바닥의 온도가 역전되는 시기는 12월 과 5월로, 이러한 변화 요인은 고분을 덮고 있는 봉토에 의 한 것으로 판단된다. 외부의 환경과 상대적으로 인접한 천장 의 경우, 최저·최고 온도 차이는 12.85℃이고, 바닥의 경우 9.53℃로 천장과 바닥이 약 3.3℃의 차이가 있었다. 현실 내 부의 표면온도 변화는 천장이 12.85℃로 가장 높고, 11.37℃ 의 남벽, 11.26℃의 북벽, 9.53℃의 바닥 순으로 낮아졌다.

고분 현실 천장과 바닥, 연도 천장과 바닥의 표면온도를 비교하였고, 현실과 연도의 위치에 따른 표면온도는 유사 한 것으로 확인되었다(Figrue 6). 여름철의 경우, 외부 환경 의 영향을 크게 받는 천장의 온도가 현실, 연도 모두 바닥 보다 높았고 겨울철은 바닥보다 낮았다. 고분 내부의 공기 중 온도가 가장 낮은 3월에 천장의 표면온도 또한 최저 온 도(현실 9.38℃, 연도 9.84℃)를 기록하였고, 가장 높은 9월 에도 최고 온도(현실 22.23℃, 연도 21.94℃)를 기록하였 다. 고분 내부의 온도는 외부 환경의 영향을 받고, 그로 인 해 변화가 발생하는 것이 확인되었다.

Figure 6.

Comparison of ceiling and floor surface temperature in main room and aisle.

상대 습도의 경우, 현실과 연도 평균 습도는 약 100%로 연중 유지되고 있었다(Figure 7). 외부와 차단되어 있고 연 중 밀폐되어 있으며, 온도 변화가 급격히 발생하지 않아서 공기 중에 있는 수증기량이 천천히 변하는 온도의 포화수 증기량으로 맞춰짐에 따라 100%에 가까운 상대습도가 연 중 유지되는 것으로 판단된다. 모니터링을 하는 동안 상대 습도가 95% 이하로 떨어지지 않는 것으로 확인되었다.

Figure 7.

Average of monthly relative humidity in different spaces.

3.2 표면온도 및 결로 모니터링

외부 기온이 가장 낮은 겨울철과 달리 고분 내부는 봄철 이 가장 낮은 것으로 확인되었다(Figure 8A). 다만 외부에 인접한 연도 바닥은 내부 공간에서 온도가 가장 낮았고, 현 실과 약 4℃ 차이가 나타났다. 봄철은 고분 구조의 특성으 로 인해 방위와 위치 상관없이 공기 중 온도의 경향과 동일 하게 계절 중 가장 낮게 측정되었다(Figure 8B). 현실의 위 치별 표면온도 차이는 1℃ 내외였고, 현실에서 연도로 갈 수록 외부 환경과의 인접성으로 인해 온도가 높아지는 것 이 확인되었다. 여름철은 사계절 중 상부와 하부의 표면온 도차이가 가장 높았고, 천장면은 외부 환경의 영향으로 바 닥면보다 높았다(Figure 8C). 또한 봄철과 유사하게 외부의 영향으로 출입구에 인접해질수록 온도가 높아졌다. 가을철 은 고분 내부의 공기 중 온도의 경향과 동일하게 현실 내부 표면온도가 가장 높았고(Figure 8D), 현실 내부의 표면온 도 차이는 1℃ 내외였다. 연도의 출입 부근의 천장면은 19.4℃로 바닥면과 3.4℃의 큰 차이를 보였다.

Figure 8.

Comparison of surface temperature change inside the mural tomb by different seasons(A: Winter/January, B: Spring/April, C: Summer/July, D: Fall/October).

계절별 결로 발생 현황을 관찰한 결과, 겨울철(1월)이 결로 발생이 가장 심했고, 봄철(4월)까지 지속되는 것으로 확인되었다(Figure 9A). 여름철(7월)과 가을철(10월)의 경 우, 천장면에 직접적인 결로 발생은 확인되지 않았다. 결로 가 발생하는 시기는 현실 내부의 표면온도가 천장면이 바 닥면보다 낮고, 현실의 공기 중 온도보다 낮을 때 발생하는 것으로 확인되었다. 결로는 일반적으로 천장, 벽, 바닥 등 의 표면 또는 그 내부 온도가 그 위치의 습공기의 노점 이 하로 되었을 때 공기 중의 수증기가 액화되면서 맺히게 된 다. 결로 발생 시기는 위의 조건이 형성되는 12월부터 4월 까지 천장면, 특히 벽화가 그려진 곳에 발생하게 된다.

Figure 9.

The present condition of condensation on the ceiling in main room(A) and aisle(B) by different seasons.

현실 천장면의 경우, 표면온도와 공기 온도 조건이 맞는 겨울철과 봄철에 결로가 발생하지만 연도 천장면의 경우, 1년 내내 결로가 발생하는 것으로 확인되었다(Figure 9B). 이는 외부의 공기가 유입되어 연도 천장면 온도를 기준으 로 더 높은 온도의 공기가 유입되면서 결로를 지속적으로 형성하는 것으로 판단된다. 이러한 결로는 벽화, 그림층에 직접적으로 형성되면서 그림층의 손상을 유발하게 된다. 그림층과 지지층 사이에 물방울이 형성되면서 2개의 층 사 이에 이격이 발생한다. 지속적인 수분 공급으로 물방울이 커지게 되면 그 무게로 인해 낙하하며, 그와 함께 그림층도 박락될 위험성이 크다.

3.3 미생물 분포

3.3.1 벽체 표면미생물의 분리 동정

고분 내 벽체에서 분리한 표면미생물의 염기서열 분석 결과, 1차 조사에는 곰팡이 15종, 세균 5종이 동정되었다 (Table 1). 곰팡이는 자낭균류 13종, 접합균류 2종이며 세균 은 후벽균루 4종과 프로테오박테리아 1종이었다. 2차 조사 에는 자낭균류와 담자균류, 접합균류에 속하는 곰팡이 10 종과 후벽균류와 박테로이디스에 속하는 세균 3종이 동정 되었다(Table 2).

Table 1

Gene analysis of surface microorganisms on wall (First investigation)

Table 2

Gene analysis of surface microorganisms on wall (Second investigation)

3.3.2 채집 위치에 따른 벽체 표면미생물의 비교

1차 조사 시 현실(동 · 서 · 남 · 북)과 연도에서 분리된 미 생물은 총 22종이었고 2차 조사에서는 12종이 분리되었다. 1, 2차 조사에서 확인된 미생물 종의 수는 현실의 동측면(1 차: 8종, 2차: 3종)과 연도(1차: 6종, 2차: 7종)에서 가장 많 았다(Table 3).

Table 3

Comparison of surface microorganisms distribution on wall by bearings

1, 2차 조사에서 모두 토양에서 발견되는 곰팡이 3종 (Fusarium oxysporum, Mortierella ambigua, Talaromyces flavus)과 세균 1종(Paenibacillus terrae)이 확인되었고, Mortierella ambigua와 Paenibacillus terrae은 동일한 위치 에서 2회 분리 배양되었다. 그리고 2곳 이상의 위치에서 채 집된 미생물은 Bacillus megaterium(1차: 현실 서·남·북측 면)과 Bacillus subtilis(1차: 현실 동·남측면), Talaromyces flavus(1차: 현실 동·북측면)로 확인되었다.

3.4 고령 고아리 벽화고분 손상 위험기간 예측

고령 고아리 벽화고분 공간을 1년간 모니터링한 결과, 고분의 내부와 외부의 온도는 약 1~2달간의 격차를 두고 변화하였다. 이러한 현상은 고분에 조성된 봉분과 관계가 있는데, 고분 현실의 천장면과 봉분의 최고점은 3 m 차이 가 있다. 고분에 형성된 두꺼운 토양층이 고분 내부 온도의 변화와 완충제 역할을 하는 것으로 예측된다(Kim et al., 2016). 현실과 연도 천장면에는 벽화가 존재하고 있다. 현 실 천장면과 바닥면의 표면온도와 계절별 고분 내부 상태 조사를 통해 결로 발생을 확인한 결과를 토대로 월별 고분 현실 결로 예측도를 제작하였다(Figure 10). 12월부터 4월 까지는 천장 온도가 현실 공기 중 온도 보다 낮음에 따라 공간 내 100%로 포화된 수증기는 천장면으로 응축되어 결 로가 생성된다. 천장면, 특히 벽화에 발생된 결로는 그림층 의 박락으로 이어질 수 있기 때문에 결로 제어 또는 예방 방안이 필요할 것으로 사료된다.

Figure 10.

Prediction of damage risk period at mural tomb in Goa-ri, Goryeong.

고분은 부정형의 사암으로 축조된 구조로 사암 부재 사 이에 이격 부위가 많고, 부재 자체에 균열이 잘 발달되어 있다. 미생물이 발생하면 그 틈으로 균사가 침투하여 생장 할 가능성이 높다. 이러한 형태로 미생물이 생장하게 되면 살균처리가 어렵고, 지속적으로 미생물에 의한 열화가 발 생 할 수밖에 없다. 벽화에 발생한 미생물에 의한 가장 일 반적인 문제는 변색과 표면 손상이다. 미생물은 다양한 색 상의 대사산물로 그림층을 오염시킨다. 또한 미생물 발생 에 의한 손상은 물리적인 손상, 화학적인 손상으로 분류 할 수 있다. 물리적인 손상은 미생물이 생장하면서 벽화의 그 림층, 지지체 등에 균사가 침투하고 확장하면서 박락을 유 발하는 것이다. 화학적인 손상은 앞서 언급한 색소로 인한 오염 외에도 산성 물질이나 효소 발생을 통해 안료나 접착 제를 용해시킨다(Garg et al., 1995).

공간 내 공기중 부유균과 표면 미생물을 포집한 결과 곰 팡이는 22종, 세균은 9종이 확인되었다. 미생물 종은 고분 현실의 동측면과 연도에서 가장 많이 분류되었는데, 연도 의 출입구와 인접성에서 기인한 것으로 판단된다. 동정된 곰팡이 Acremonium sp., Aspergillus sp., Cladosporium sp., Fusarium sp., 외 5속과 세균 Bacillus sp., Paenibacillus sp. 은 공주 송산리 6호분과 무령왕릉, 부여 능산리 동하총 고 분 벽화에서도 분리되었다(Lee et al., 2014; Baekje World Heritage Center, 2016). 일본의 다카마쓰즈카와 키토라 고 분에서도 Acremonium sp. 외 5속(Aspergillus sp., Cladosporium sp., Fusarium sp., Penicillium sp., Trichoderma sp.)이 분리 되었고(Kigawa et al., 2009), 프랑스 라스코 동굴벽화에서 Fusarium sp.이 발견된 바 있다(Dupont et al., 2007). 그리 고 미생물은 생장온도 범위에 따라 저온균, 중온균, 고온균 으로 분류된다(Choi, 2004).

포집된 균주들의 적정 생장 온도는 24℃이지만 일반적으 로 미생물은 20℃가 넘는 온도 조건에서 생장 가능하며, 1 5℃ 미만의 경우 대부분 생장을 멈추고 내생포자를 형성한 다. 이러한 생장 온도 조건을 기준으로 미생물 발생 위험 예 측도를 제시했다(Figure 10). 15℃ 미만은 안전기간, 15~2 0℃는 경계기간, 20℃는 위험기간으로 20℃를 넘었던 8~10 월은 미생물이 발생할 수 있고, 15℃미만인 12월부터 5월까 지는 미생물로부터 안전한 기간이다(Chung et al., 2012).

결로 발생 예측도와 미생물 발생 위험 예측도는 서로 위험 기간이 상충한다. 고분의 환경 특성상 밀폐가 중요하기 때문 에 위험기간에 관리자가 수시로 확인하고 조치를 취하기엔 어려움이 있다. 따라서 벽화를 보존하기 위한 결로 제어 시스 템과 미생물 제어를 제균 시스템이 필요할 것으로 판단된다.

또한 고분을 장기적으로 보존하기 위해서는 송산리 6호 분과 능산리 1호분처럼 외부 환경의 유입을 최소화 할 수 있는 별도의 출입시설 설치 등의 종합적인 공간계획 수립 이 필요하다. 현재 고아리 벽화고분은 외부에서 출입문을 열면 바로 연도에서 현실로 이어지는 구조이다. 그러므로 문의 개폐에 따른 고분 내부의 밀폐환경에 영향을 주고 외 부 미생물의 유입으로 인해 미생물에 의한 손상 위험도가 증가될 수 있다. 따라서 고분 내부의 안정적인 보존환경을 위해 연도 진입 전에 완충공간(buffering zone)과 이후 모니 터링 및 환경 제어시스템 구축 등을 위한 별도의 출입시설 이 필요할 것으로 판단된다.