1. 서 론
안동 하회탈 및 병산탈은 경상북도 안동시 풍천면 하회리와 이웃마을인 병산리에서 전승된 탈놀이 가면이다. 우리나라 가면은 대부분 종이나 바가지로 제작하였고, 탈놀이가 끝나면 태우는 관습으로 현재까지 보존되고 있는 탈의 수량이 적다. 그러나 하회탈 및 병산탈은 목재로 제작되었으며, 현재까지 보존되어온 가장 오래된 탈놀이 가면으로 알려져있다(Cultural Heritage Administration, 2010). 하회탈은 주지⋅각시⋅중⋅양반⋅선비⋅초랭이⋅이매⋅부네⋅백정⋅할미로 10종 11점으로 이뤄져있으며, 병산탈은 ‘갑’과 ‘을’ 2점으로 구분되어 있다.
하회탈 및 병산탈은 턱을 분리하여 제작하거나, 얼굴의 좌⋅우를 비대칭으로 제작하는 방식을 통해 광대가 탈을 쓰고 움직이는 각도에 따라 표정 변화가 느껴지도록 하였다(National Folk Museum of Korea, 1982; Go, 2002). 얼굴에는 주름과 눈썹 등 묘사가 섬세하게 조각되어있다. 또한 탈놀이의 내용은 신분제 사회에 대한 비판과 풍자를 담고 있다. 이와 같이 하회탈 및 병산탈은 뛰어난 조각기술과 문화적 가치를 인정받아 하회탈 11점과 병산탈 2점 총 13점이 1964년 국보로 지정되었고, 하회별신굿탈놀이 또한 ‘한국의 탈춤’으로 2022년 11월에 유네스코 인류무형문화유산에 등재되었다(Cultural Heritage Administration, 2022a; Cultural Heritage Administration, 2022b).
2020년 국가지정문화재 정기조사에서에 하회탈 및 병산탈이 보존처리대상으로 선정되었으며, 국립문화재연구원 문화재보존과학센터에서 2021년부터 2022년까지 보존처리 및 연구를 진행하였다. 이 논문의 연구대상은 13점의 탈 중 병산탈 ‘을’로, 파손 정도가 심하여 양쪽 얼굴이 분리된 상태로 뒷면에 보강재가 탈과 함께 부착되어 있는 상태였다(Figure 1). 병산탈 ‘을’의 보존처리 방향은 기존 보강재 제거와 분리된 양쪽 얼굴의 재접합이었다. 그러나 탈의 얼굴 중앙부분이 많이 소실된 상태였고, 접합 가능한 면이 코 부분에만 좁게 남은 상태였다. 따라서 탈의 보존처리를 위해 기존 보강재를 제거한 후 접합할 동안 탈의 양쪽 얼굴이 움직이지 않도록 고정시켜주고, 접합 후에도 탈을 안정적으로 받쳐주며 접합부에 가해지는 외부 충격을 분산시킬 수 있는 지지대가 필요하였다. 이를 위해 본 연구에서는 손상 형태를 비파괴적으로 정밀하게 기록하고 형상을 분석하기 위해 X선 CT 촬영을 수행하였고, 단층영상 및 형상분석 후 3차원 모델링 및 프린팅을 이용하여 지지대를 제작하였다.
2. 연구방법
2.1. X선 CT 촬영
병산탈 ‘을’의 내부 상태와 입체형상을 획득하기 위해 X선 CT 촬영을 수행하였다. 방사선은 물질을 투과하는 성질을 가지고 있기 때문에 문화유산의 상태진단 및 비파괴 검사에 효과적으로 활용되고 있다(Han et al., 2014; Bossema et al., 2021; Lee et al., 2021; Song and Kim, 2021). 특히 X선 CT 촬영은 수천 장의 단층 이미지뿐만 아니라 투과영상을 재구성한 3차원 모델도 획득할 수 있기 때문에 문화유산을 평면적, 입체적으로 조사할 수 있는 방법이다(Hoffman et al., 2002; Machado et al., 2019; Rankin et al., 2021).
방사선을 이용하여 문화유산 형상을 기록하고 분석하는 것의 장점은 광학식 표면 스캐닝의 한계인 사각지대에 대해서도 형상 획득이 가능하다는 것이다(Jo and Hong, 2019b; Jo et al., 2019; Jo et al., 2020b). 따라서 연구대상인 병산탈을 X선 CT 촬영 조건 50㎸, 750㎂에서 촬영하여 비파괴적으로 내부 상태 및 보강재와 탈 사이의 좁은 틈, 탈에 존재하는 구멍 내부까지 단층영상과 3차원 형상을 모두 획득하였다(Table 1). 획득한 단층영상을 분석하여 탈의 제작방법을 파악하였고, 구멍 크기 측정 및 곡률 분석 등 형상분석을 수행하였다.
2.2. 3차원 모델링
지지대 형상은 디지털상에서 촉각모델링 시스템을 활용하여 체적 값을 갖는 복셀 데이터로 모델링하였다(Figure 2). 촉각장치와 복셀데이터를 활용한 모델링은 사용자가 소프트웨어 상의 가상공간에서 촉각장치를 통해 물리적 느낌을 전달받을 수 있고 직관적으로 모델링이 가능하기 때문에 의료, 디자인, 산업 분야뿐만 아니라 문화유산 모델링에도 효과적으로 활용되고 있다(Abidi and Ahmad, 2015; Wu et al., 2016; Angelo et al., 2018; Corrêa et al., 2019; Rastogi and Srivastava, 2019).
이 연구에서는 X선 CT 데이터를 활용하여 형상분석을 수행한 뒤, 재접합 되어야할 위치를 기준으로 지지대를 모델링 하였다. 모델링은 지지대의 기능과 미관상 문제를 고려하여 기준을 세운 후 모델링 하였으며 지지대를 탈에 적용시킬 때 필요한 부속품도 함께 모델링 하였다.
2.3. 3차원 프린팅
지지대 모델링 완료 후 최종 결과물은 3차원 프린팅을 활용하여 실물로 출력하였다. 3차원 프린팅은 스캐닝 및 모델링 데이터와 연계성이 높으며 다양한 재료를 활용하여 실형을 제작할 수 있는 기술이다(Balletti et al., 2017; Shin and Wi, 2020; Jo and Lee, 2021). 따라서 최근 문화유산 복원뿐만 아니라, 실물 재현품 및 지지대 제작 등에 다양하게 활용되고 있다(Lee and Wi, 2015; Jo et al., 2020c; Higueras et al., 2021; Hwang and Na, 2022; Kim et al., 2022).
이 연구에서 제작한 지지대는 표면을 정밀하게 출력하기위해 광경화조형방식인 SLA(Stereolithography Apparatus) 방식을 선택하여 출력하였다. 출력 재료는 투명 재질을 사용하여 탈에 지지대를 적용하였을 때 미관을 해치지 않도록 하였다. 또한 외벽으로부터 두께를 설정한 뒤 내부를 비우고 프린팅 하여 지지대 자체의 무게를 줄이고자 하였다.
3. 연구과정 및 결과
3.1. X선 CT 단층영상 및 형상분석
X선 CT로 획득한 단층영상을 분석하여 제작방법을 파악하였고, 정밀실측 및 곡률 분석 등 형상분석을 수행하여 지지대 모델링에 반영하였다. 먼저, 탈 내부 단면을 확인한 결과 나이테가 한 종류로 나타나고 연속성을 보였다. 따라서 병산탈 ‘을’은 하나의 목재를 사용하여 제작한 것으로 판단된다. 또한 탈 앞쪽 표면에는 목재보다 밀도가 높은 물질이 전체적으로 얇게 칠해져있는 것이 관찰되었다(Figure 3a). 탈의 코 부분은 두 개의 조각으로 분리되어 있었으며 접합되어 있는 상태였다. 보강재는 세 개의 조각이 중첩되어 있었고, 가운데 조각은 쐐기모양으로 부착되어 있었다(Figure 3b). 보강재 두께는 바깥 두 개가 17.4㎜, 18.5㎜로 비슷하였으며, 가운데 조각은 9.0㎜로 비교적 얇은 것을 사용하였다.
다음으로 탈에 존재하는 구멍의 지름을 단층영상에서 정밀하게 측정하였다. 탈에 존재하는 구멍은 양쪽 얼굴에서 비슷한 높이에 나타나는데, 이는 파손되어 분리된 두 개의 얼굴을 연결하기 위한 목적으로 사용되었을 것으로 추정된다. 구멍 지름 측정은 총 10개를 대상으로 하였다(Figure 4). 작은 구멍은 지름이 2.7∼3.0㎜ 정도였으며, 가장 많이 분포하는 크기는 3.2∼3.5㎜ 사이였다. 이마 위쪽 구멍들은 4.0∼4.5㎜로 미세하게 넓은 편이었다(Table 2). 구멍의 지름을 측정한 값은 지지대 제작 과정에서 탈이 지지대에서 떨어지지 않도록 고정시켜주는 고정장치 모델링의 수치 자료로 활용하였다.
X선 CT로 획득한 3차원 형상으로 곡률을 분석하였다. 곡률 분석은 탈에 보강재가 부착되어있는 상태에서 탈이 이루고 있는 형상을 분석하고자 수행하였다. 분석 방법은 실제 유물에서는 확인할 수 없는 탈의 단면을 디지털상에서 추출하여 탈 뒷면과 접하는 호를 생성시켰다. 탈의 뒷면과 접하는 호를 생성시키는 것은 탈이 이루고 있는 곡률을 확인할 수 있는 방법이다. 이 방법으로 파손 되지 않아 형상이 온전하며 연구대상 ‘을’과 형상이 유사한 병산탈 ‘갑’을 함께 분석하여 ‘을’의 손상된 형상을 파악할 수 있었다.
‘갑’의 곡률 분석 결과, 단면에서 생성시킨 호와 탈이 실제 이루고 있는 곡률이 상당히 일치하는 것을 확인하였다(Figure 5a). 그러나 보강재가 부착되어 있는 병산탈 ‘을’은 탈이 실제 이루고 있는 곡률과 단면에서 생성시킨 호의 곡률이 차이가 나는 것을 확인하였다(Figure 5b). 이는 기존 보강재와 결합되어있는 병산탈 ‘을’의 형상이 자연스럽지 않다는 것을 의미한다. 또한 X선 CT 단층영상에서도 접합면으로 추정되는 면이 붙어있지 않았으며 양쪽 얼굴 끝부분의 높이와 나이테에서도 단차가 나타나는 것을 확인하였다(Figure 5c). 양쪽 얼굴 끝부분의 높이 차이를 측정한 결과, 약 5㎜정도 차이가 났다. 병산탈 ‘을’의 곡률분석 결과, 기존 보강재로 접합되어있는 탈의 곡률이 자연스럽지 않은 것으로 판단되며, 기존 보강재를 제거한 후 재접합할 때 접합위치를 새로 설정할 필요가 있었다.
탈의 접합 위치를 새로 정하기 위해 가상 접합 및 조립 등 다양한 시뮬레이션이 가능한 디지털 환경에서 탈의 3차원 모델을 활용하였다(Wilczek et al., 2021). 재접합 위치는 접합면으로 추정되는 양쪽 얼굴 코 부분의 평평한 면이 맞닿으며 최대한 탈의 곡률이 자연스럽게 접합되는 각도를 찾고자 하였다. 그러나 접합될 부분의 면적이 좁았기 때문에 접합 각도가 다양하게 만들어질 수 있었다. 따라서 비교적 많은 면적이 남아있는 왼쪽 얼굴을 대칭이동 시켜 참조모델로 만들었다. 그 다음 대칭모델에 오른쪽 얼굴을 눈과 입 부분 등 형상이 비슷한 지점을 기준으로 정렬시켰다(Figure 6).
형상을 기준으로 오른쪽 얼굴을 대칭모델에 정렬시킨 결과, 대칭모델과 오른쪽 얼굴이 중첩되었지만 양쪽 얼굴의 접합면이 맞닿아 있지 않은 것을 확인하였다. 따라서 대칭모델 범위 내에서 접합면이 맞닿고 양쪽 얼굴의 나이테가 연속성을 보이며 얼굴 끝부분의 높이도 맞춰지는 위치를 찾기 위해 X선 CT의 단층영상을 활용하였다. 정렬한 양쪽 얼굴 3차원 모델의 위치좌표에 X선 CT 데이터를 다시 정렬시킨 뒤 단층영상을 확인하며 최종 재접합 위치를 확정하였다(Figure 7). 이 결과, 접합면은 이전보다 더 넓은 면적이 맞닿게 되었고 탈의 곡률도 단면에 생성시킨 호와 탈 자체가 이루는 곡률이 상당히 일치하게 된 것을 확인할 수 있었다(Figure 8).
3.2. 지지대 3차원 모델링
형상분석을 통해 설정한 재접합 위치를 기반으로 지지대 모델링 방법과 범위를 정하기 위하여 지지대의 기능과 미관상 조건을 정리하였다. 첫 번째로 지지대의 중요한 기능은 분리된 양쪽 탈을 접합할 동안 탈이 움직이지 않도록 고정시켜주고, 접합 후에도 접합된 부분으로 집중될 수 있는 외부 충격을 분산시켜 주는 것이다. 따라서 지지대와 탈 뒷면의 밀착력을 높이고 많은 면이 접하도록 모델링 할 필요가 있었다. 이를 위해 서로 다른 개체의 교집합, 차집합, 합집합 관계를 연산하는 불리언 모델링 방법을 사용하여 지지대 표면에 탈 뒷면의 표면 곡률을 최대한 반영시켜 밀착력을 높였다(Figure 9).
두 번째 조건은 지지대가 탈과 함께 전시 및 보관될 때 미관상 방해하지 않아야 했다. 따라서 지지대 위에 탈을 위치시켰을 때 지지대가 보이지 않도록 얼굴 가운데와 눈 부분은 제거한 형상으로 모델링 하였다. 마지막으로 탈과 지지대를 세웠을 경우 탈이 앞으로 떨어지지 않도록 하는 고정 장치가 필요하였다. 탈을 고정하기 위한 장치 또한 미관상 방해되지 않도록 사각지대에 설계하였다.
고정 장치는 두 가지 방식으로 제작하였는데, 탈 머리 위쪽에 존재하는 구멍을 이용하여 구멍을 관통한 후 지지대에 꽂을 수 있는 막대모델과 가장 무게가 나가고 돌출되어있는 코를 받쳐줄 받침모델을 제작하였다(Figure 10). 막대 고정 장치는 지지대와 분리가 가능하도록 따로 제작하였다. 막대 고정 장치의 지름은 형상분석에 측정하였던 구멍 크기를 참고하였다. 설치 및 분리가 수월하도록 구멍보다 작게 지름 2.0㎜, 2.3㎜ 두 가지 크기로 제작하여 구멍 크기에 따라 선택하여 적용할 수 있도록 하였다. 코를 받쳐주는 받침모델은 양쪽 얼굴 사이로 들어갈 수 있도록 하였고 코가 이루고 있는 각도를 반영하여 경사지게 모델링 하였다.
3.3. 지지대 3차원 프린팅 및 적용 결과
지지대의 3차원 프린팅은 SLA방식으로 적층높이 50㎛로 설정하여 출력하였고, 출력 시간은 약 14시간 15분 소요되었다. 지지대는 투명한 재료를 사용하고 내부를 비워서 출력하였는데, 이때 내부를 비우기 위해 필요했던 안쪽의 서포터들은 뒷면에 서포터 제거를 위해 만들어 놓았던 구멍을 통해 배출시키고 최종 결과물을 완성시켰다(Figure 11a). 지지대에 탈을 고정시키기 위한 막대모델도 같은 방식과 재료를 사용하여 프린팅 하였다(Figure 11b). 완성된 지지대는 탈의 보존처리 과정에서 재접합할 동안 탈을 고정시키기 위해 사용되었으며, 이후에는 좁은 면적의 접합부로 외부 충격이 집중되는 것을 방지해주고 탈의 구조적 안정성을 높이는 역할을 하였다.
출력된 지지대를 사용하여 병산탈 ‘을’의 양쪽 얼굴을 재접합한 후, 형상을 기록하기 위해 X선 CT로 촬영하였다. 이후 보존처리 전 기존 보강재와 촬영했던 데이터를 함께 분석하여 보존처리 전⋅후 탈의 형상을 비교하였다. 형상 비교를 위해 보존처리 전⋅후 X선 CT 데이터에서 각각 코를 중심으로 얼굴의 같은 위치에서 각도를 측정하였다. 보존처리 전 탈은 코를 중심으로 104°를 이루고 있었고, 지지대를 사용하여 재접합한 탈의 각도는 93°로 변화가 있었다(Figure 12). 재접합 결과 약 11°정도의 각도 변화가 있었다.
마지막으로 지지대를 탈의 전시 및 보관에 적용하기 적합한지 확인하였다. 지지대는 탈 뒷면에서 탈을 받쳐주며 구조적으로 탈의 안정성을 보강하였다(Figure 13a). 이와 동시에 정면에서는 지지대가 보이지 않아 기능적 요소와 미관상 조건을 모두 충족시켰다. 또한 탈의 안전을 위해 제작한 고정 장치들의 기능을 확인하였다. 고정 장치를 사용하여 지지대에 탈을 설치한 후 함께 세워 안전한 것을 확인하였고 전시에도 무리가 없을 것으로 판단하였다(Figure 13b).
4. 고 찰
이 연구에서는 보존처리가 필요했던 병산 탈 ‘을’을 대상으로 X선 CT를 활용하여 비파괴적으로 내부 단층영상을 기록하고 입체형상을 획득하였다. 단층영상 및 형상분석을 통해 탈을 재접합할 때 새로운 접합 위치 설정이 필요함을 밝히고 설정한 위치를 기반으로 지지대를 모델링하였다. 지지대 모델링 완료한 후에는 정밀하게 출력할 수 있는 3차원 프린팅 방식과 재료를 선택하여 출력한 뒤 유물에 적용시켰다(Figure 14). 이 연구에서 제작한 지지대는 기존에 유물의 전시 및 보관에 중점 되어있던 기능 뿐만 아니라 보존처리 과정에도 중요한 역할을 수행한 것이 큰 특징이다. 따라서 향후 지지대의 역할을 확대시켜 보관 및 전시뿐만 아니라 유물의 보존처리 과정에도 다양하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
지지대를 제작하는 모든 과정은 X선 CT로 획득한 데이터와 3차원 모델링 및 프린팅 등 디지털 기술을 활용하였다. 문화유산에 적용하는 지지대를 디지털방식으로 제작하는 것은 여러 가지 긍정적 요소를 가지고 있다. 첫번째로 모델링을 가상공간에서 디지털 데이터로 수행하기 때문에 다양한 시뮬레이션이 가능하며, 수정사항을 바로 반영할 수 있다. 두 번째로 전통적인 수작업 방식에 비해 제작 과정 중 발생하는 유물과의 접촉을 최소화시킬 수 있다(Lee et al., 2011; Jo et al., 2020a). 또한 모델링을 완료한 결과물은 디지털 형식의 데이터로써 보관 및 공유가 용이하고 3차원 프린팅을 통해 동일한 모델을 여러 번 출력할 수 있는 장점이 있다.
마지막으로 문화유산의 3차원 디지털 형상정보를 활용하면 유물의 입체적 형상에 최적화된 지지대 제작이 가능하다. 이 방법으로 유물 맞춤형 지지대를 제작할 경우 형상의 일부가 소실되어 구조적으로 전시 및 보관에 어려움이 있었던 유물의 안정성을 높일 수 있다. 또한 소실된 부분에 대하여 복원 기준을 세워 모델링 및 프린팅을 통해 복원한다면 구조적 안정성뿐만 아니라 미관상의 문제도 보완할 수 있다(Jo and Hong, 2019a). 향후 디지털 기술을 활용한 지지대 제작 및 복원 연구를 다양한 문화유산에 적용한다면 새로운 전시 및 보관, 보존처리 방법을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
5. 결 론
병산탈 ‘을’은 보존처리를 위해 기존의 보강재를 제거하고 재접합할 필요가 있었으며, 보존처리 과정과 이후 탈의 안정성을 위해 새로운 지지대가 필요하였다. 이 연구에서는 X선 CT 데이터와 디지털 모델링 및 3차원 프링팅을 이용하여 지지대를 제작하였다.
X선 CT 데이터 단층영상의 나이테와 곡률을 분석하여 기존 지지대와 탈이 이루고 있는 형상이 부자연스러운 것을 밝혔다. 나이테가 연속성을 갖고 접합면이 더 맞닿게 재접합 위치를 새로 선정한 뒤, 지지대 모델링을 수행하였다. 모델링 방식으로는 탈 뒷면의 형상을 최대한 반영시키고자 불리언 모델링 방식을 선택하였으며 X선 CT 데이터에서 측정한 탈의 구멍 크기를 참고하여 고정 장치도 함께 모델링하였다.
모델링을 완료한 지지대와 고정 장치는 SLA 방식의 3차원 프린팅으로 표면을 정밀하게 출력하였으며, 투명 재질을 사용하고 내부를 비워 기능적 및 미관적 요소를 모두 충족하였다. 완성된 지지대는 보존처리 과정에서 탈을 재접할 때 양쪽 얼굴이 움직이지 않도록 고정시킬 때 사용되었다. 이후 보존처리가 완료된 탈의 보관에 이용되었다.
이 연구에서 제작한 지지대는 문화유산의 전시 및 보관뿐만 아니라 재접합할 동안 탈을 고정시켜 주는 등 보존처리 과정에도 중요한 역할을 하였다. 또한 지지대를 제작하는 과정에서 X선 CT 단층영상 분석 결과를 적용하여 재접합 위치를 선정하고 지지대 형상을 모델링하였다는 점에서 방사선 영상분석을 활용한 문화유산 지지대 연구 자료로써 의미가 있다.
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