고해상도 GPR 탐사를 이용한 부석사 조사당 벽화의 벽구조 진단
Diagnosis of Wall Structure of Mural Painting in Josadang Shrine of Buseoksa Temple Using High-Resolution GPR Exploration
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Abstract
국보 부석사 조사당 벽화는 흙을 재료로 한 벽체 위에 그림을 그린 고려시대 벽화이다. 벽화의 보존처리 과정 중 벽 균열의 발생 원인이 골조와 관계가 있는지를 파악하기 위하여 비파괴적 조사 방법인 GPR 탐사를 실시하였다. 2 GHz의 높은 주파수를 갖는 전자기파를 벽화의 표면에서 투과하는 방식을 적용하였으며 Y축 방향으로 HH, VV 데이터를 취득하였다. 측선 간격을 1 cm, 데이터 취득 간격을 1 cm로 매우 조밀하게 설정하여 고해상도를 갖도록 조사하였다. 탐사 방법은 공사 현장에서 흔하게 사용하는 철근 탐사와 유사하다. 그러나 흙벽과 나무구조의 특성상 약한 반사신호를 띠고 있어서 같은 방법으로 데이터를 처리했을 때에는 이미지에 잡음이 증폭되어 결과해석에 오류를 가져올 수 있다. 데이터 처리에 있어서 최적의 그리딩 법을 적용하여 이미지를 도출하였다. 조사 결과 벽체의 골조는 일반적인 한옥 건물에서 볼 수 있는 가시새, 설외와 눌외로 이루어져 있는 것을 파악하였고 가시새의 위치에서 벽 균열이 발생한 것으로 확인되었다.
Trans Abstract
The National Treasure Mural Painting in Josadang Shrine of Buseoksa Temple is a Goryeo Dynasty mural painted on a wall made of clay. GPR exploration, a non-destructive investigation method, was conducted to determine whether the cause of wall cracks was related to the frame. A method of transmitting electromagnetic waves with a high frequency of 2 GHz through the surface of the mural was applied, and HH and VV data were acquired in the Y-axis direction. The survey was conducted with high resolution by setting the measurement line interval to 1 cm and the data acquisition interval to 1 cm very closely. The exploration method is similar to rebar exploration commonly used at construction sites. However due to the nature of earthen walls and wooden structures, they produce weak reflection signals, so when the data is processed in the same way, noise is amplified in the image. This may lead to errors in interpreting the results. In data processing, images were derived by applying the optimal gridding method. As a result of the investigation, it was determined that the wall framework was composed of Gasisae, Seol-oe, and Nul-oe that can be seen in a Korean Hanok building, and it was confirmed that wall cracks occurred on the location of the Gasisae.
1. 서 론
국보 부석사 조사당 벽화는 사찰벽화 중 현존하는 가장 오래된 고려시대 벽화이다. 벽화는 제석천 1점, 사천왕 4점, 범천 1점으로 모두 6점의 그림이며 조사당이 지어진 1377년에 그려진 것으로 알려져 있다. 일제강점기인 1916년경 부석사 조사당 수리 과정에서 벽화를 분리하여 석고로 보강하고 목재틀에 나누어 보관해 왔다. 조사당 벽화는 국가지정문화재 정기조사에서 보존상태에 대한 심각성을 확인하여 2020년부터 현재까지 보존처리 작업이 수행 중에 있다(Cultural Heritage Conservation Science Center, 2022).
조사당 벽화의 표면에서는 채색층의 박리와 박락 등의 손상이 진행 중이며 벽 균열이 발생해 있다. 특히 가로 방향으로 갈라진 균열과 그 틈을 석고로 메웠던 과거의 보수 흔적이 6점 모두에서 확인되며 이를 통하여 벽체 내 부의 구조적인 문제를 의심해 볼 수 있다.
벽화에 손상을 주지 않는 비파괴적인 조사방법으로 벽체의 내부 골조와 상태를 파악하는 것이 벽화의 보존 상태를 파악하고 보존처리 방향을 수립하는데 필수적이라할 수 있다. 그러나 현재 벽화의 벽체에 대한 적합한 진단법이나 조사법이 확립되어 있지 않은 실정이다. 기존의 연구로 초음파 탐사를 활용한 조사당 벽화 벽체의 상태진단이 이루어졌으나 벽체의 깊이별 상태를 확인하기에는 한계점이 있었다(Chae et al., 2006; Lee et al., 2021).
따라서 본 연구에서는 벽 균열의 발생 원인이 벽체를 이루는 골조와 관계가 있는지를 파악하기 위하여 GPR(Ground Penetrating Radar) 탐사를 실시하였다. 측선의 간격과 데이터 취득의 간격을 매우 조밀하게 하여 고 해상도로 벽체의 수직, 수평 단면의 상태를 추정할 수 있는 데이터를 취득하고자 하였다. 본 GPR 탐사를 통해서 가시새, 눌외(가로 골조)와 설외(세로 골조)로 짜여있는 벽체의 내부 구조를 조사하는 것뿐만 아니라 조사당 벽화의 취약한 부분을 파악하여 보존처리 계획을 수립하는데 유용한 기초자료를 제공하고자 한다. 더불어 본 조사의 탐사 대상은 흙을 재료로 한 벽체와 나무로 만든 내부의 골조로 이에 적합한 데이터 분석법도 제시하고자 한다.
2. 탐사대상 및 방법
2.1. 탐사대상
본 탐사 대상은 6점의 조사당 벽화 중 동방지국천왕이 그려진 벽화로 표면의 보존 상태가 상대적으로 양호한 벽화이다. 대상 벽화의 표면에는 6개의 횡균열이 벽화를 가로지르고 있으며 이를 중심으로 세로 방향으로도 크고 작은 균열이 이어지고 있다. 균열부에는 과거 보존처리에서 적용된 백색의 석고가 채워져 있다.
벽화는 액자 형태의 목재틀 안에 넣어져 있으며 목재틀을 포함한 외경은 가로 102 cm, 세로 236 cm이고, 벽화면의 크기인 내경은 가로 78.6 cm, 세로 211.1 cm이다. 목재틀을 분리한 후 확인된 벽체의 두께는 약 10.5 cm이며, 벽체 뒷면의 바닥판 두께는 2 cm이다. 바닥판을 구성하는 판재는 4개의 긴 세로부재가 연결되어 있으며 이 판재를 고정하는 7개의 각목이 가로 방향으로 약 27 cm의 일정한 간격으로 지지대를 형성하고 있다(Figure 1).
Status of Josadang mural painting (a: Front, b: Back side, c: Mural before frame separation, d: Mural after frame separation).
2.2. 탐사방법
2.2.1. GPR 탐사 원리
전자기파(Electromagnetic Wave)는 전기장과 자기장의 두 가지 성분으로 구성된 파동으로서 빛, 자외선, 적외선, 엑스선, 감마선, 전파 모두 전자기파이다. GPR은 Figure 2에서 보는 것처럼 초단파(30 MHz)에서부터 극초단파(3 GHz)의 주파수 대역을 사용하며 무전기와 휴대폰의 주파수 대역과 비슷하다(Central Radio Management Service, 2023).
Names and purposes of electromagnetic waves of each frequencies (GPR usage band: 30 MHz∼3 GHz).
일반적으로 레이더(Radar)는 전자기파를 공중에 쏜 다음 어떤 물체에 부딪혀 돌아오는 반사파를 측정하여 물체의 거리, 방향, 속도 등을 탐지하는 장치를 말하는 반면, GPR은 전자기파를 땅이나 벽 같은 매질에 쏘아서 물체나 층서를 탐지하는데 사용하는 탐사방법이다.
물질을 전기적 관점에서 도체와 유전체(부도체)로 나눌 수 있다. 도체는 자유전자가 있어서 전기가 잘 통할 수 있는 물질이고 유전체는 전기가 잘 통하지 않는 물질을 말한다. 유전체의 경우 전기장을 걸면 전류가 흐르지 않고 그냥 분극이 일어나게 되는데 이 분극이 얼마나 잘되는지가 유전율이다. 진공상태 대비 유전율을 상대 유전율 또는 유전상수라 하며(Table 1) 이것에 따라 매질에서의 전자기파의 속도와 반사강도 등이 결정된다(Oh, 2021).
Dielectric constants and wavelengths (Based on 2 GHz frequency)
매질 내에서의 전자기파의 속도(v)는 유전상수 값에 의하여 결정되는데 C는 공기 중에서의 빛의 속도(0.3 m/ns)이다. 즉, 전자기파의 속도는 유전율이 커질수록 전자기파의 속도는 감소하며 주파수에 무관하고, 매질이 갖는 유전상수를 알면 속도로부터 탐지물까지의 깊이로 환산할 수 있다.
매질 내에서 반사강도를 결정짓는 반사계수(reflection coefficient, R)는 다음과 같이 주어지는데,
여기서 ε1, ε2는 매질의 경계면 양쪽에서의 유전상수이다(Figure 3). 유전상수의 높고 낮음이 아니라 매질 경계면에서의 유전상수 차이가 클수록 반사계수가 증가하여 전자기파의 반사와 회절이 잘 일어나게 되어 탐지에 유리하다. Table 1과 위의 반사계수(R)를 구하는 공식에 의하여 철근 탐사에서는 반사계수가 0.45, 조사당 벽화와 나무 골조와의 반사계수는 0.22로 계산되어 이론적으로 조사당 벽화에서는 전자기파의 반사강도가 상대적으로 약함을 유추해 볼 수 있다.
Reflection intensity according to dielectric constant difference (Goodman and Piro, 2013).
2.2.2. 자료취득 및 자료처리 방법
자료취득을 위해 사용한 장비는 이탈리아 IDS 사의 Aladdin 모델로서 2 GHz의 주파수를 가지며 안테나 2개가 서로 직교하여 있는 이중채널 GPR이다(Figure 4, HH/VV bipolar antenna). 하나의 측선에 HH 데이터와 VV 데이터가 취득되어 매 측선마다 2종류의 수직단면 데이터가 존재한다. 송신기와 수신기가 가로 방향으로 한 세트, 세로 방향으로 한 세트씩 놓여 있어서 파이프처럼 얇고 길쭉한 물체의 경우 스캔하는 방향에 따라 달라질 수 있는 탐지 능력을 보완할 수 있는 장비이다. 본 장비는 일반적으로 콘크리트 벽의 철근을 검사하는데 주로 사용된다. 데이터 분석에는 각종 매장문화재조사 및 콘크리트 GPR 데이터 분석에 사용되는 스위스 Screening Eagle Technologies 사의 GPR-SLICE 프로그램을 사용하였다.
Method of GPR exploration (a: GPR exploration scene/Aladdin, IDS, 2 GHz, b: GPR survey line map/line interval 1 cm).
GPR 탐사법은 Figure 4에서 보는 바와 같이 그림이 있는 표면에서 스캔하는 방식의 탐사를 실시하였다. 벽체의 두께를 참고하여 유전상수 값은 7.5, 전자기파의 속도는 0.11 m/ns로 계산하여 탐사의 깊이를 결정하였다. time windows는 20 ns, scan 마다의 sample 수는 512, meter 마다의 scan 수는 100으로 설정하였다.
벽화의 표면은 부분적인 채색층 박리가 있고 석고로된 벽체 보수 물질이 울퉁불퉁한 상태이다. 탐사 시에 안테나의 바퀴가 벽화에 손상을 줄 수 있어 장비와의 직접적인 접촉을 피하는 방안이 필요하였다. 그러나 GPR은 탐사법의 특성상 대상체에 밀착해야 전자기파가 잘 투과하며 본 장비는 바퀴가 회전할 때에 전자기파가 발생하는 장비이므로 접촉은 불가피하다. 전자기파의 투과에 방해가 되지 않도록 높이와 재질을 고려하여 5 mm 두께의 얇은 나무 합판을 레일로 만들었으며 벽화와 닿는 면은 얇고 부드러운 우드락 폼을 붙여 안전성을 확보한 후 바퀴가 그 위를 지나가도록 하였다.
그리고 벽체 골조가 조밀하고 나무 살이 얇을 것으로 예상되어 탐사측선을 1 cm 간격으로 최대한 좁게 설정하여 고해상도의 자료를 취득하였다. 전자기파의 반사강도 또는 탐지가능 여부는 2.2.1장에서 설명한 유전상수 뿐만 아니라 탐지물체의 크기와도 관계가 있기 때문이다.
탐사의 방향은 벽화 아래에서 위쪽으로 한 방향으로만 하여 측정 위치오차가 발생하지 않도록 하였다. 목재 틀에 안테나를 바싹 붙여 최대한 넓게 탐사 면적을 잡았으나 안테나의 중심이 탐사의 실제 위치이므로 탐사 위치는 장비의 절반 크기만큼인 각 12 cm 씩 벽화 가장자리에서 이격되었다.
GPR 장비의 데이터 취득 설정값과 분석절차는 Table 2에 정리하였다. 적당한 이득 보정과 지표 반사의 위치를 보정하고, 주파수대역 필터, 속도 분석과 힐버트 트렌스폼과 같은 분석법을 순차적으로 실시하였다. 탐지할 벽체의 표층을 보기 위해서는 백그라운드 필터를 실시하는 것이 일반적이다. 하지만 백그라운드 필터를 실시하였을 경우 지표반사 뿐만 아니라 벽체의 바닥면 반사도 함께 제거되기 때문에 이 필터는 적용하지 않았다.
Obtaining and analyzing process of the GPR data
수직단면 데이터를 수평단면 데이터로 변환하기 위하여 일정한 시간대역 또는 깊이별로(1 cm 두께로) 데이터를 추출하여 표면에서부터 12 cm의 깊이까지 여러 개의 평면 분포도(slice maps)를 작성하였다. 이러한 분석기법을 time slice 또는 depth slice라고 부른다(Figure 5).
Time(depth) slice, converting vertical data into horizontal data.
일반적으로 철근 탐사에서는 X축 방향, Y축 방향 데이터를 각각 취득하여 데이터를 보간(interpolation)하기 위한 탐색반경(search radius)을 X축 방향 데이터는 Y 반경을 길게, Y축 방향 데이터는 X 반경을 길게 하는 방식의 단순 선형(simple linear interpolation)의 그리딩(gridding) 데이터를 분석한다. 이렇게 하여 X 방향 또는 Y 방향으로 놓여 있는 철근이 선형으로 잘 이미징 되도록 한다(Dinh et al., 2021). 하지만 이러한 방식은 철근 외에 실제로는 존재하지 않는 섬유조직과 같은 가짜 이미지가 섞이게 되는 단점이 있다(Goodman and Piro, 2013). 조사당 벽화의 벽체 내부는 철근처럼 매우 뚜렷하게 강한 반사를 일으키는 구조물이 아니므로 이와같은 방식의 그리딩은 벽체의 구조를 해석하는 데에 있어서 해석의 오류를 가져올 수 있다.
본 연구에서는 HH 데이터와 VV 데이터를 동시에 분석하였다. X축과 Y축의 탐색반경을 동일하게 하고, 가까운 거리에 있는 자료에 더 큰 가중치를 배당하는 역거리 가중치(Inverse Distance Weighting) 그리딩을 수행하여 이미징하였다(Choi, 2016). 이러한 방법은 선형물체를 이미징하는 데에는 약간 불리할 수 있으나 왜곡된 정보없는 결과물을 산출해 낼 수 있다.
각 깊이별로 여러 층의 slice map을 작성하면 탐지 물체가 여러 층에 걸쳐 있을 수도 있고 층마다 다르게 변하는 상황을 볼 수 있다. 탐지물체의 분포도를 하나의 평면도에 작성하고자 할 경우에는 탐지물이 있는 map만을 선별하고 신호를 중첩시켜 하나의 평면도로 작성하여 최종 map을 만든다. 이러한 기법을 이미지 중첩법(Overlay Analysis)이라고 한다. 본 연구에서는 벽체의 상층부와 하층부로 나누어서 이미지 중첩법에 의한 결과를 사용하였다.
전자기파의 반사강도의 크기는 배경 값이 되는 벽체는 파란색 계열로, 상대적으로 강한 반사가 일어나는 내부 구조물의 반응을 붉은색 계열로 나타내었다. 반사 강도와 색상은 상대적인 반응 값이므로 이것이 갖는 절대적인 의미는 없다.
3. 탐사결과
3.1. GPR 수직단면
부석사 조사당 벽화 중 동방지국천왕 벽화의 GPR 수직단면 데이터를 Figure 6에 나타내었다. 벽화의 가운데인 x=25 cm의 위치에서 Y축 방향으로 가로지르는 수직단면도이다. Figure 6의 a는 VV 배열 안테나의 데이터로서 Y 방향의 선형물체에 민감하게 반응하며, Figure 6의 b는 HH 배열 안테나의 데이터로서 X 방향의 선형물체에 민감하게 반응함을 볼 수 있다. 수직단면에서 맨 상부에 가로 방향의 검은색과 하얀색의 띠 반응은 지표 반사로서 벽화의 표면에 해당한다. 표면에 발생한 균열에 의한 반응은 지표 반사에 가려서 육안으로 구분하기 어렵다. 반면에 그 아래로 벽체를 이루고 있는 흙 속에 내부 골조인 눌외와 설외에 의한 반응인 포물선 모양이 복잡하게 얽혀서 나타나고 있다. 깊이 약 12 cm에서 지표반사와 비슷한 모양의 가로 방향의 검은색과 하얀색의 띠 반응은 벽체와 판재가 맞닿아 있고 다시 공기층과의 경계면에 의한 것이다. 그리고 판재 아래에는 이 판재를 받치고 있는 각목이 약 27 cm 간격으로 있어서 이것에 의한 반응이 포물선 모양으로 나타나고 있다.
GPR profile data of Josadang mural painting(x=25 cm). (a: VV, b: HH).
3.2. GPR 수평단면
동방지국천왕 벽화에서 깊이 1 cm 별 깊이 12 cm 까지의 GPR 수평단면 결과(Figure 7)를 통해서 깊이별 변화 양상을 자세하게 볼 수 있다. 가시새(가로 중심막대)가 놓여 있는 깊이 4 cm를 기준으로 해서 상부(0∼4 cm)와 하부(6∼9 cm)로 나누어 벽화의 수평단면 내부 구조를 이미지 중첩법을 활용하여 Figure 8과 9에 나타내었다.
GPR slice maps of Josadang mural painting.
Comparison of the locations of Cracks, Gasisae and GPR in the upper layer(depth 0∼4 cm). (a: Damage map, b: GPR, c: Cracks and GPR).
GPR response by framework in the lower layer(depth 6∼9 cm). (a: survey area, b: GPR, c: framework and GPR).
동방지국천왕 벽화의 상부 결과를 Figure 8에 자세히 나타내었다. 표면에 발생한 균열(Figure 8의 a)과 GPR 반응이(Figure 8의 b) 위치가 일치하고 있다. 가로 방향의 6개의 벽 균열은 그 틈을 석고로 채웠는데 가로방향의 균열 중에서 y=50 cm의 위치에 화살 표시한 곳은 석고가 채워져 있지 않은 곳으로서 GPR에 뚜렷히 보이는 균열이 한 개 더 있음을 확인하였다. 그리고 Figure 8의 c에서 붉은 색으로 반응이 있는 곳에 화살 표시한 곳은(x=15 cm, y=125 cm) 벽체에 섞인 불순물일 가능성이 높다.
Figure 8의 d는 GPR 상부 결과를 다른 각도에서 벽화와 위치를 중첩한 것이다. 벽체의 측면에 붙어 있는 나무 기둥의 중간 중간에 가시새를 꽂기 위한 7개의 구멍이 하얀 석고로 매워져 있는 것을 볼 수 있고 직상부에 균열이 발생해 있다. 이러한 점을 고려해 보았을 때 벽체에 발생한 균열은 가시새와 관련 있음을 알 수 있다. 가시새는 가로 3 cm, 세로 1.5 cm의 비교적 두툼한 각목을 사용하였으며 깊이 3∼4 cm의 얕은 층에 위치하고 있어서 이 지점에서 흙층이 상대적으로 얇다.
Figure 9는 동방지국천왕 벽화의 하부층에서 벽체 골조에 의한 GPR 반응을 나타낸 것이다. 눌외와 설외의 선형의 반응이 선명하게 이어지지는 않지만 두 구조물이 만나는 교차점에서 강한 신호가 비교적 잘 보이고 있다. 이러한 이유는 교차점에서 물체가 두꺼워지기 때문에 GPR에 탐지가 잘 일어난 것으로 보인다.
4. 고찰 및 결론
부석사 조사당 벽화 6점 중 표면 상태가 가장 양호한 동방지국천왕을 대상으로 GPR 탐사를 통하여 벽체 구조를 조사하고 벽 균열의 발생과 골조와의 상관관계를 파악하였다.
GPR 데이터는 측선간격을 1 cm, 데이터 취득간격을 1 cm로 매우 조밀하게 설정하여 고해상도 탐사를 수행하였고, 이렇게 취득된 수직단면 데이터를 수평단면으로 변환하여 깊이 1 cm 마다의 12개의 평면도로 나타내어 변화상을 자세히 살펴보았다. 그리고 수평단면 결과는 데이터의 변화 양상이 급변하는 깊이 4 cm를 기준으로 상부와 하부로 나누어 해석하였다.
상부 결과에서는 벽 균열의 위치와 갯수를 특정할 수 있었다. 동방지국천왕의 표면에 발생한 7개의 가로방향 균열은 가시새의 위치에서 발생하고 있다. 가시새는 가로 3 cm, 세로 1.5 cm의 비교적 두툼한 각목을 사용하며 깊이 3∼4 cm로 얕은 층에 위치하고 있고 이 위치는 벽체 표면의 흙층이 얇아 균열이 발생한 것으로 보인다. GPR의 반응에서 반사신호가 붉은색으로 더 강하거나 면적이 넓게 보이는 곳은 내부에 틈이 더 크게 발생하였음을 짐작할 수 있다. 그리고 표면에는 잘 보이지 않지만 GPR에서 확인된 손상이 한 줄 더 보이고 있다.
수평단면 하부층 결과에서는 눌외와 설외가 있는 곳인데 목재의 크기가 얇아 GPR의 반응에서 선명하게 보여지지 않는다. 그러나 구조물이 만나는 교차점에서는 두께가 두 배가 되어 탐사에 잘 나타나고 있다. 일반적으로 눌외와 설외는 지름이 약 1∼2 cm 내외의 나뭇가지 또는 반으로 쪼갠 얇은 대나무를 사용하였다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2022).
탐지 가능한 물체의 크기를 나타내는 분해능은 이론적으로 주파수 파장의 1/4에 해당한다. 본 조사에서 실시한 고해상도 GPR 탐사법의 수직분해능은 Table 1의 파장의 길이를 참고했을 때 파장의 길이는 약 5.4 cm이고 1.4 cm 크기의 물체까지 탐지 가능하다고 볼 수 있다. 그리고 수평분해능은 가로와 세로 1 cm의 크기를 갖도록 탐사하였으므로 약 1 cm3 크기보다 큰 물체만 탐사 가능하다.
데이터 처리기법에 있어서는 조사당 벽화의 벽체는 철근 탐사법에서 실시하는 단순 선형 그리딩법 보다는 X축과 Y축의 탐색반경을 동일하게 하고, 가까운 거리에 있는 자료에 더 큰 가중치를 배당하는 역거리가중치 그리딩법이 왜곡된 정보없는 결과물을 산출해 낼 수 있음을 알 수 있었다.
이상으로 GPR 탐사를 통하여 부석사 조사당 벽화에 대하여 벽체의 구조를 밝히고 벽 균열의 발생과 골조와의 상관관계를 분석하였다. 이러한 결과는 향후 부석사 조사당 벽화의 벽체 구조보강을 위한 보존처리에 활용될 수 있으며, 나아가 벽화문화재의 내부 구조 진단을 위한 비피괴조사⋅진단법을 정립하는데 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
Acknowledgements
본 논문은 국립문화재연구원 문화재보존과학센터의 유기질 문화재 보존처리 및 디지털 기술 연구, 대형문화재 보존처리 및 기술단계별 실용화 연구와 보존과학연구실의 문화재 물리탐사 및 디지털콘텐츠 활용연구의 일환으로 생성된 연구성과임을 밝힌다.