1. 서 론
PEG 전처리 후 자연건조, 조습건조, 또는 동결건조로 이어지는 수침고목재의 보존처리는 그동안 여러 선행연구를 통해 다른 약제 처리와의 비교(Yi et al., 2000), 동결건조를 위한 PEG 전처리 적정농도 설정(Kim, 2003), 그리고 PEG 처리 농도 및 용매에 따른 압축강도 변화(Kim, 2012) 등을 확인하였다. 그 결과 수침고목재는 열화가 심해 일반 목재의 PEG 처리와 다르게 고분자 PEG 수용액의 단계적 함침(10-40%)을 통한 전처리 후 진공동결건조가 가장 우수한 치수안정성을 띄며(Kim, 2003) 진공동결건조가 어려운 대형 목재유물은 최종농도 70%의 PEG 수용액으로 전처리 후 조습건조가 대체방안으로 제시되었다(Lee et al., 2011).
PEG 전처리 후 진공동결건조법(PEG-VFD)은 높은 물리적 강도를 부여하고 우수한 치수안정화 효과를 보이나 보관환경에서 습에 노출되면 PEG 약제가 용출되거나 목재가 변형된다(Kim et al., 2004). 이에 따라 습도조건에 따른 상태변화 연구가 점차 진행되어 습도변화가 반복될수록 PEG 용출량이 증가하고 동결건조한 시료는 압축강도가 감소함을 확인하였다(Jo et al., 2020). 또한 『신안선 보존 프로젝트 종합 보고서』(National Research Institute of Maritime Cultural Heritage Maritime Museum, 2022)에서 고습환경에서의 PEG 액상화가 열화반응 확산의 요인으로서 물리적 피해를 야기함을 확인하였고 암모니아 증기법, 습포법, 도포법을 이용한 재보존처리 연구가 일부 진행되었다. 처리된 PEG의 열화로 인한 저분자화, 흡습, 용출, 산성화 등이 유물의 변형으로 이어진다면 재보존처리할 필요가 있으나 기존 PEG의 전면적인 제거와 재보존처리로 이어지는 연구는 부족하다. 따라서 보존처리 후 변형된 목재에 대한 재보존처리에 앞서 기존 PEG 약제의 제거 방법이나 재보존처리 방법에 대한 연구가 선행될 필요가 있다.
이에 더해 참나무 수침고목재의 PEG 함침 과정에서 탈수 현상과 같은 문제가 꾸준히 발생하고 있기에 계면활성제를 함침 촉진제로 활용하는 연구(Ueda et al., 1992)와 Lactitol을 처리제로 사용한 보존처리(Imazu, 2009) 연구가 진행되었고, 최근에는 참나무 수침고목재의 동결건조 적정 전처리 농도가 기존과 달리 50%로 제시(Oh, 2019)된 바 있다. 이에 보존처리한 참나무 부재를 대상으로 PEG 패킹 양상과 실질적인 PEG 침투량 등을 확인하여 적정 전처리 농도를 검토할 필요가 있다.
본 연구에서는 선행 보존처리 결과가 우수한 참나무 수침고목재를 대상으로 적정 전처리 농도를 검토하고, 물함침을 통한 기존 PEG 제거행위의 영향을 확인하며 제거 과정에 따른 재보존처리 결과를 비교하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1. 연구재료
서천 봉선리유적에서 발굴 후 ｢3D 스캔을 이용한 대형 수침고목재 PEG 처리 비교 연구｣(Oh, 2019)에서 PEGVFD 처리한 참나무과 참나무속(Quercus spp.) 수침고목재 2점(PV40과 WV50)을 선정하였다. 보존처리 후 온도 20℃ 습도 50%로 유지되는 수장고에서 비닐 포장지에 밀봉되어 5년간 보관되었다. 선행 연구의 명칭을 그대로 사용한 PV40과 WV50은 각각 PEG 수용액 40%와 50%로 단계적 함침 후 진공동결건조한 시료로, 섬유방향 길이 30 cm 내외의 크기이며 최대함수율 1066%, 최소함수율 302%, 평균함수율 420%로 확인되었다. 두 시료는 각각 건조 후 중량감소율 44%와 41%, 처리 후 체적감소율 7.6%와 4.3%로 나타났다.
각 시료를 3등분하여 가운데 DISK로 상태조사 및 예비실험을 위한 1.5(L)⨯1.5(R)⨯1.5(T) cm 크기의 Block을 제작하였다. 그 외 좌⋅우측의 시료는 각각 40-a와 40-b, 50-a와 50-b로 명명하였다(Table 1).
2.2. 연구방법
2.2.1. 상태조사 및 예비실험
분할된 시료의 단면에서 건조 상태를 확인하고 실체현미경(AM3113T, Dino-Lite Digital Microscope, TW) 관찰을 통해 도관 내 PEG 패킹 양상을 확인하였다. 시료마다 중량 2 g 내외에 해당하는 블록 시편 14개씩을 각각 20 ml의 물에 48시간씩 3회 함침하였다. 함침 용액은 강제 열풍 순환 건조기(LDO-250F, LabTech, KOR)에서 건조시켜 PEG 제거량을 측정하였다. 블록의 구획별로 중량 대비 PEG량을 함수율처럼 나타내어 목재 내 PEG 침투 양상을 확인하였다.
2.2.2. 재보존처리
기존 PEG 제거를 위하여 중량 200 g 내외에 해당하는 시료 40-b와 50-b를 각각 2 L의 물에 168시간씩 3회 함침하였다. 굴절 당도계(Refractometer 0-20Brix, KERN, GER)를 사용하여 48시간마다 함침 용액의 농도를 측정, PEG 제거 정도를 확인하였다. PEG 제거 후 함침 용액을 가열하면서 여과지를 통해 100 ml를 추출하고 증발시켜 회차별 제거된 PEG량을 측정하였다.
PEG 함침방법은 시료 40-a, 40-b, 50-a, 50-b 모두 PEG 수용액 농도 10, 20, 30, 35, 40%로 단계적으로 진행하였다. 해당 농도 설정은 선행 연구(Oh, 2019)에서 40%, 50% 함침 중 급격한 탈수 현상이 발생하여 농도 경사를 5%로 낮춰야 한다는 고찰을 반영하였다. 함침 기간은 30%와 40%는 504시간(3주), 그 외 336시간(2주) 동안 함침하였다.
건조 전 –50℃의 냉동고(SBD-520, Seojin, KOR)에서 72시간 예비동결하였다. 진공동결건조기(MP-9015, Mareuda, KOR)에서 목재 내부에 온도 센서를 꽂은 후 Chamber 온도 –40℃, Coldtrap 온도 –70℃로 건조를 시작하여 0℃ 이후 유물의 온도 변화가 없을 때까지 진행하였다(Oh, 2019). 해당 건조 조건은 1차 보존처리 과정과 동일하다.
2.2.3. 중량변화율 측정
재보존처리의 각 처리과정 전⋅후에 중량을 측정하였다. 물과 PEG 수용액 함침 중에는 168시간마다 중량을 측정하여 함침 정도를 파악하고자 하였다. 저울은 0.1 g 단위까지 측정할 수 있는 저울을 사용하였다. 중량변화율은 다음 식으로 계산하였다.
Wa(weight after treatment): 함침 후 시료 중량 (g)
Wb(weight before treatment): 함침 전 시료 중량 (g)
2.2.4. 치수안정성 평가
선행연구(Oh, 2019)에 따라 측정 위치 별 수축률이 다르게 나타나는 핀 테스트 방식(Christensen, 1970) 대신 3D 스캔(Artec Leo, Artec 3D, LUX)을 통해 치수안정화 효과를 비교하였다. 이는 별도의 전처리가 필요 없으며 함침 과정 중에도 사용할 수 있는 장점이 있다(Oh, 2019). 장비의 설정값은 3D 해상도 0.2 mm, 3D 포인트 정확도 0.1 mm, 측정 속도 80 FPS로 설정하였다. 스캔된 데이터는 Artec Studio 18 프로그램에서 편집하여 체적을 측정하였다. 체적은 다음 식으로 계산하였다.
Bulk (cm3)=L×R×T
L(length): 길이방향 (cm)
R(radius): 방사방향 (cm)
T(thickness): 섬유방향 (cm)
3. 결 과
3.2. 재보존처리 결과
3.2.1. 기존 PEG 제거
시료 40-b에서 제거된 PEG량은 99.89 g으로, 1차 보존 처리 데이터 상으로 추정한 PEG 침투량 98.9 g과 매우 유사하게 나타났다. 반면 50-b는 추정값 143.8 g에 못 미치는 97.14 g의 PEG가 제거되었다. 이는 전처리 농도 40% 수준에 해당하는 PEG 침투량이다. 이 때 PV40과 WV50의 침투된 PEG량 추정값은 동결건조 전⋅후의 중량차이를 목재 내부에 침투한 PEG 수용액의 수분이 증발되며 나타난 중량 차이로 가정하여 PEG 최종농도(40%, 50%)를 토대로 계산하였다. 분할된 시료인 40-b와 50-b의 PEG량 추정값은 각각 PV40, WV50와의 중량비로 계산하였다. 48시간마다 측정한 함침용액의 농도와 회차별 제거된 PEG량을 토대로 PEG 제거 정도를 시간의 흐름에 따라 나타내었다(Figure 2). 물 함침 후 시간이 지날수록 PEG 제거 속도는 줄어들었으며 물을 교체하는 방식은 교체하지 않는 방식보다 최소 20% 이상의 기간을 단축한 것으로 추정된다.
3.2.2. PEG 함침처리
네 시료 모두 PEG 10% 구간 이후 농도별 함침 완료시점마다 2% 내외의 꾸준한 중량 증가가 나타났다. 앞서 기존 PEG를 제거한 40-b와 50-b는 10% 함침 구간에서 시료 중량의 1%에 해당하는 양의 목재 편이 탈락하였다. 함침 중 중량변화율을 선행 보존처리 데이터와 비교하여 나타내었다(Figure 3, 4). 50% 시료는 PEG 함침 시 탈수 현상으로 인해 처리 기간이 대폭 늘어난 선행 보존처리(49주)와 달리 재보존처리 시 탈기 과정 없이도 짧은 기간(12주) 동안 꾸준한 중량 증가로 건조 이전의 중량을 모두 회복하였다.
3.2.3. 건조
진공동결건조 결과 중량감소율은 40-a(45.6%), 40-b(44.5%), 50-a(42.8%), 50-b(44.0%) 모두 선행 보존처리 데이터(PV40: 44.3%, WV50: 41.2%)보다 높게 나타났다. 40-a와 40-b는 –5%의 체적변화율으로 선행 데이터(-8%)보다 3%p 체적이 증가하였다. 50-a와 50-b는 각각 0%, -1%의 체적변화율이 나타나 마찬가지로 선행 데이터(-4%)보다 체적이 증가하였다. 선행 보존처리 이전의 중량과 체적을 기준으로 전체 보존처리 과정의 데이터를 나타내었다(Table 3). 건조 후 목재의 수축은 접선방향에서 주로 나타났으며 길이방향의 변화는 미미하였다.
4. 고찰 및 결론
본 연구에서는 선행 보존처리 결과가 우수한 참나무 수침고목재를 대상으로 재보존처리를 진행하여 진공동결건조를 위한 적정 전처리 농도를 검토하고 재보존처리 행위의 영향을 확인하고자 하였다. 재보존처리 과정에 기존 PEG 제거 여부의 차이를 두었으며 선행 보존처리 데이터와의 비교를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
선행 보존처리 데이터가 우수한 진공동결건조 시료들을 절단한 결과 50% 시료의 단면에서 PEG 융해가 확인되었다. 이후 제거된 PEG는 40%와 50% 시료 모두 전처리 최종농도 40% 수준의 PEG량을 확인하여 참나무 수침고목재의 전처리 적정 농도는 40%로 판단된다.
PEG 함침 시 중량 증가와 건조 후 중량감소율이 우수하게 나타났다. 이는 선행 진공동결건조로 인한 미세할렬이 타일로시스나 토양으로 인한 PEG 침투의 장애를 완화하여 재보존처리 시 원활한 PEG 침투가 일어난 것으로 사료된다. 40% 시료의 재보존처리 중 팽창된 부피에 맞춰 침투되는 PEG 수용액의 양 또한 증가되는 것으로 추정된다. 이에 따라 수축⋅변형된 목재에 대해 해당 재보존처리 방식을 적용할 수 있는 가능성을 확인하였다. 재보존처리 후 흑화현상이 나타났으며, 절단면에 드러난 내부 균열은 함침 과정에서 연장되었으나 구조적 손상으로 이어지지 않은 것으로 판단된다. 손상된 목재에 대한 재보존처리 양상의 추가연구가 필요하다.
기존 PEG 제거과정의 여부와 관계없이 우수한 재보존 처리 결과가 나타나 재보존처리 목적에 따라 제거과정을 선택적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 목재의 손상 정도에 따라 PEG 제거 정도를 설계하고 목재 중량 10배 이상의 물에 2회 이상 함침하는 방식을 기존 PEG 제거 방법으로 제안한다. 이에 따른 제거기간은 PEG 함침기간의 1/5 이하 수준에 달할 것으로 예상된다.
본 연구를 통해 향후 건조 방법 또는 기존 PEG 제거 방법에 차이를 둔 재보존처리 연구, 변형된 목재를 대상으로 한 추가연구 데이터와 비교한다면 PEG 처리된 수침고목재의 재보존처리 기준을 정립할 수 있을 것으로 기대된다.
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