근대건축물에 도장된 페인트의 재료적 특성 비교 분석: 서울 기상관측소를 중심으로
A Comparative Analysis on the Material Properties of Paintings in Modern Buildings: Focusing on Seoul Weather Station
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Abstract
본 연구에서는 서울 기상관측소의 창틀, 벽체에 도장된 페인트 시료를 연구 대상으로 선정해 단면 관찰 및 단면 분석, 성분 분석을 실시했다. 창틀의 적갈색은 주로 적색 산화철(Fe2O3)으로 티탄백(TiO2)과의 혼합된 상태이고 일부 층위에서는 광명단(Pb3O4) 또는 황연(PbCrO4)이 확인되며 녹색의 기여안료는 유기안료로 추정된다. 창틀에 사용된 수지는 알키드 수지이다. 벽체의 백색은 탄산칼슘(CaCO3)과 티탄백(TiO2)이며 옥색은 유기안료 프탈로시아닌 그린이다. 내벽은 아크릴 수지를 사용하였다고 판단된다. 페인트의 특성을 서울 기상관측소의 벽체와 창경궁 대온실의 기둥, 부산 송정역 외벽과 비교 및 고찰한 결과, 세 건축물에서 공통 색상인 백색 페인트는 아연백(ZnO)과 탄산칼슘(CaCO3)을 혼합한 페인트와 티탄백(TiO2)과 탄산칼슘(CaCO3)을 혼합한 페인트 두 종류로 확인된다. 주황색 페인트는 광명단(Pb3O4) 또는 황연(PbCrO4)을, 녹색 계통의 페인트는 유기안료를 사용한 것으로 보인다. 이상의 연구 결과를 기초로 건축물에 도장된 페인트는 건물이 건립된 후 여러 차례의 도장을 실시했다고 여겨지며 이력을 파악하기 위해서는 자연과학적 조사가 필수적으로 수행되어야 할 것이다.
Trans Abstract
In this study, scientific analysis(cross-section and component analysis) was conducted by selecting paint samples painted on the window frames and walls of the Seoul Weather Station. The color of the window frame is reddish brown and green. The reddish brown is mainly red iron oxide(Fe2O3), mixed with titanium white(TiO2), and in some layers, red lead oxide(Pb3O4) or lead(II) chromate(PbCrO4) is identified, and the green pigment is considered organic pigments. The resin used in the window frame is Alkyd Resin. The color of the wall is divided into pale blue green, white, and ivory colors, and the white color of the wall is calcium carbonate(CaCO3) and titanium white(TiO2), and the pale blue green is the phthalocyanine green. It is determined that paint containing acrylic resin was used for the inner wall. The characteristics of paint were compared and considered with the walls of the Seoul Weather Station, the columns of the Grand Greenhouse of Changgyeonggung Palace, and the outer wall of Busan Songjeong Station. White paint, a common color identified in the three buildings, is identified as two types of paint mixed with zinc White(ZnO) and calcium carbonate(CaCO3), and titanium white(TiO2) and calcium carbonate(CaCO3). It seems that the orange paint uses red lead oxide(Pb3O4) or Lead(II) chromate(PbCrO4) and the green paint uses organic pigments. Based on the above research results, paint painted on buildings is believed to have been painted several times after the building was built, and natural science research should be carried out to determine the history.
1. 서 론
페인트(Paint)는 도료의 한 종류로 일반적으로 안료를 포함하는 액상 또는 분말 형태의 도료를 뜻한다. 페인트는 종종 도료와 동일한 의미로 상용되나 엄밀히 구분하면 페인트는 도료의 하위개념이다. 도료는 도장(塗裝)과정에서 물체의 표면에 고착되어 건조된 다음 연속적인 피막(도막)을 형성하는 재료를 총칭한다(Yang, 2015). 페인트는 도료 가운데 안료를 포함한 것을 의미하며, 이는 안료를 포함하지 않는 도료인 클리어(투명도료)와 대조적으로 구분된다. 또한, 페인트는 착색과 은폐력을 위한 안료와 결합제인 수지, 발림성을 높이는 용제, 기능을 보조하는 4가지 첨가제로 구성된다.
한국 페인트산업은 1940년대로 거슬러 올라가며 특히 1946년부터 1970년은 도료산업의 태동기라 불리운다. 옛 도료는 가마솥에 원료를 끓인 후 드럼통으로 나르는 가내수공업 형태로 생산하였는데, 1940년대 중반 해방 이후 복구공사가 많아짐에 따라 공업용 페인트 수요가 늘면서 공장시설을 갖춘 중소기업을 중심으로 일반 건축용 도료 위주로 제품들을 생산하였다. 1946년에 우리나라 최초로 페인트 전용 공장을 설립한 동화산업주식회사가 현재의 삼화페인트이며, 노루페인트의 전신인 대한오브세트잉크 역시 같은 해에 설립되었다. 그러나 6⋅25 전쟁이 발발하며 페인트의 생산은 중단되었다가 1960년 이후 전국적인 재건사업으로 건설이 활발하게 진행되면서 페인트산업이 다시 재개되고 이와 함께 경제발전계획의 중화학공업 일환으로 산업용 도료가 생산되었다(BP, 2020).
한국의 페인트산업은 앞서 살펴본 바와 같이 문호가 개방되고 일제 강점기를 겪으면서 일본을 통해 서양식 페인트가 들어온 것이 시초로 추정되므로, 역사가 짧은 편이다. 만주사변을 계기로 일본의 여러 산업이 만주, 조선, 화북(북지) 지역 등으로 진출하였으며 1933년 이후 일본 페인트, 간사이 페인트, 신동 도료, 동아 페인트 등의 페인트 회사들이 본격적으로 조선과 중국 등으로 진출하였다(Kiyoshi, 2010). 특히 간사이 페인트는 1939년 7월 현재의 서울 중구 남산동 3가(京城府南山町3丁目13番地)에 경성 화학공업주식회사를 설립했다는 기록이 있으며, 인천에는 한반도 최초의 근대 도료 공장을 세우고 전남 보성사업소에는 수지의 재료가 되는 나무를 재배하여 도료⋅안료의 제조, 유지 공업, 도공 공사 도급업 등 페인트 산업을 포함한 화학 공업을 다각적으로 경영하였다고 전해진다(Kansai Paint, 1979). 회사 경영에 있어서 당시 현지인, 즉 조선인 사원을 여럿 채용했다는 기록이 남아있으므로 이들을 통해 페인트 제조 기술이 전해지고 발전한 것으로 여겨진다.
한국의 국가등록문화재는 2022년 기준으로 총 944건으로 집계되며, 이 중 약 605건이 근대건축물을 포함한 근대시설물이다. 구조⋅양식의 변화가 비교적 적은 전통적인 건축과 달리 급속한 산업화가 전개되던 시기의 근대 건축물은 건축될 당시의 시공자재나 기술력이 빠르게 이루어지고 또 쇠퇴하였기에 원형보존에 상당한 어려움이 존재한다. 또한, 근대건축물은 현대에 와서 지어질 당시의 목적과 다른 ‘활용’을 하므로 수리 후 어떤 기능으로 사용될 것인지 미리 결정하여 설계 및 수리가 시행된다(Kim Ran Gi, 2018). 이 과정에서 건물의 구조가 바뀌고 특히 건물의 색상, 도장되는 페인트가 변화할 수 있다. 2010년 문화재청 근대문화재과에서 발간한 근대건축물 문화재 수리 표준시방서에는 도장공사의 일부로 페인트 조사가 포함되었다. 그러나 이는 단순히 페인트의 종류, 색상, 기법에 치중한 것으로 건축 당초의 페인트를 채택할지, 변천 도중 혹은 새로운 페인트를 사용할지 명확한 기준이 마련되어 있지 않다. 따라서 이러한 문제점들을 해결하고 앞으로의 근대건축물의 보존과 활용을 위해서는 과학적이고 체계적인 페인트의 조사 방법이 필요한 실정이다.
국내의 근현대 건축물에 대한 페인트 조사는 문화재의 보수공사를 위하여 건축물에 도장된 페인트의 성분 분석 및 도장 기법을 밝히기 위한 일환으로 진행되었다. 그 예로 2016년 창경궁 대온실 보수를 위해 부재인 기둥, 트러스에 도장된 페인트를 분석(Damwon Cultural Heritage, 2016)하였으며 2020년 부산 송정역의 보수공사가 진행되며 철근과 외벽의 시료를 채취하여 페인트에 대한 과학적 조사가 이루어졌다(School Based Enterprise Con-Tech, 2020). 적용된 분석방법은 현미경 관찰과 주사전자현미분석법으로 페인트의 단면을 확인하기 위한 관찰 및 성분 분석이었다. 보존과학 분야에서는 건축물이 아닌 전차, 방산장비, 인력거 등과 같은 금속제 유물(KIm et al., 2012; Kang et al., 2016)과 야외조각품(Kwong et al., 2016; Oh et al., 2020) 등에 한하여 앞선 조사처럼 단면 관찰과 분석을 위해 현미경 관찰과 주사전자현미분석법을 적용했다. 또한, 페인트에 사용된 수지를 판명하기 위해 적외선분광분석법과 열분해 기체크로마토그래피/질량분석법을 하였으며 페인트의 안료 분석의 일환으로 라만분광분석법을 실시하기도 했다.
본 연구에서는 자연과학적인 다양한 분석법을 활용하여 서울 기상관측소에 도장된 페인트의 성분을 조사하고 현재까지 남아있는 페인트와 비교하여 본래는 어떤 페인트가 사용되었는지 규명하고자 한다. 또한, 이미지분석법을 적용하여 시료의 단면을 층위별로 확인해 건물의 부재(목재, 벽체)에 따른 페인트의 특성을 밝히고 이를 창경궁 대온실, 부산 송정역 등 다른 근대건축물에 도장된 페인트의 분석과 비교하려 한다. 이를 통해 국내 건축물의 근현대 페인트에 대한 보존성을 검토하고 그 결과는 페인트의 보존방법에 대한 과학적인 분석지침의 기초자료로 제시해보고자 한다.
2. 연구 대상
서울 기상관측소는 서울특별시 종로구 송월길 1-1에 위치한 국가등록문화재로 1932년 조선총독부 관보 <조선총독부 고시 제125호>에 의해 낙원동에 위치했던 경성측후소가 현 위치인 송월동 1-1번지에 이전하여 경기도립경성측후소 청사의 용도로 1층 규모의 본관이 완공되었다. 이후 1939년에 조선총독부측후소가 기상대로 개편되면서 조선총독부 기상대 경성분실 청사가 경성측후소 동측부로 연접하여 2층 벽돌 건물로 증축된 것으로 추정하고 있다. 일부 구조가 변형되었지만 전체적으로 기본형식 및 주요 구조체가 그대로 유지되어 건축 원형의 보존상태가 양호한 편이다. 2017년에 서울 기상관측소에 대한 기상박물관 대수선 공사를 진행하였으며 2020년을 기준으로 기상박물관으로 용도를 변경하고 개관한 상태이다. 공사 당시, 설계 변경에 따라 건물 내⋅외부 모두 건축 원형에 따른 복원이 요구되었으며 이에 따라 건물에 도장된 근현대 페인트의 재질 및 도장 특성 연구가 필요하였다.
연구 대상 시료는 크게 목재부에 채색된 것과 벽체부에 채색한 것으로 구분되며 오르내리기창 내부, 실내창 외부, 복도창 내부, 건물 내벽과 외벽 등 5곳에 대하여 총 7점을 선정하고 이 중에서 복도창 내부와 내벽은 동일 위치에서 페인트의 목재편 또는 벽체편을 함께 채취하였다(Table 1). 오르내리기창 내부, 실내창 외부, 복도창 내부는 목재부에 도장된 페인트로 위치에 따라 목재 창틀의 내부와 외부로 나뉘며 육안 상 확인되는 색상은 적갈색과 녹색이다. 내벽과 외벽은 모르타르 벽체부에 도장되어 건물의 내부와 외부로 구분되며 색상은 백색, 미색, 옥색이다(Figure 1).
The analysis paint sample list of the Seoul Weather Station
The drawing of Seoul Weather Station and research sample collection location. (A) : The front of a building. (B) The back of a building. (C) The 1st floor plan and location images.
3. 연구 방법
3.1. 단면 관찰
연구 시료의 단면 관찰을 위해 시료를 마운트 시편으로 제작하고 전처리를 진행하였다. 선정 시료를 에폭시 수지(Epoxy Resin)로 고정하여 시편을 제작하고 자동연마기(Grinding/Polishing Machine, Allied, E-PREP 4TM, USA)에서 사포(Sand Paper; No. 120∼4000)와 다이아몬드 연마제(Diamod Suspension; 6 µm, 1 µm)순으로 연마하였으며 초음파 세척기에서 여러 번 증류수로 이물질을 제거하였다. 시편 제작 이후 금속현미경(Metallurgical Microscope, Nexcope, NM910, USA), 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope, Tescan, MIRA3 LMH, Czech)으로 단면을 관찰하고 이미지 분석 프로그램(PicMan, 이미지 프로세싱 소프트웨어, WaferMasters, USA)을 활용하여 각 층위의 구분 및 두께, 조직 상태 등 단면의 특징을 확인하였다.
3.2. 단면 분석
단면 층위에 대한 원소 분석은 주사전자현미경에 부착된 에너지분산분광기(EDS, Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy, Bruker X-flash 4010, Germany)를 이용하여 가속전압 20 kV, 측정면적 2000배(면분석), 측정시간 120초의 조건에서 측정하였다. 단면의 각 층위에서 색상에 기여하는 성분에 대한 신뢰성 있는 데이터를 위하여 각 층위마다 최소 3회 이상 측정하여 이를 평균값으로 계산하였다. 또한, 목재편과 벽체편에 한하여 현미경이 장착된 라만분광분석(Raman Spectrometer-Confocal Raman Microscope, XploRA™ PLUS, Horiba, France)을 실시하였으며 대상 시편의 상태에 따라 레이저는 532 nm, HeNe(638 nm), 강도는 80 mW로 고정하고 필터(Filter)는 D2, D3를 사용하여 강도를 조절하였다. 광원의 세기가 너무 강하면 자칫 시료 손상이 발생할 수 있으므로 낮은 강도 조건에서 노출 시간 및 측정 누적 횟수를 조절하여 측정하였다. 측정시간은 5∼10초로 하였으며 측정 누적 횟수는 3회로 측정하였다. 측정조건 변경 시 실리콘(silicon)을 이용하여 보정하여 분석의 신뢰성과 재현성을 확인하였다.
3.3. 성분 분석
목재편과 벽체편에 한하여 분석을 위해 레이어에서 메스로 긁어내고 0.5∼1.0 g 의 샘플을 수집했다. 열분해장비(pyrolyzer)는 Frontier Lab사의 PY-3030D모델을, 가스크로마토그래피/질량분석기(GC/MS)는 Agilent사의 기체크로마토그래피/질량분석(GC-MSD, Gas Chromatography / Mass Spectrometer Detector, Agilent, 7890B-5977A, USA) 모델을 사용하였다. 시료가 담긴 열분해용 컵을 미리 가열되어 있는 열분해장치 속에 투입하여 일정 온도(700℃)에서 10초간 열분해하였다. 열분해 산물은 GC/MS를 이용하여 온라인으로 분석하였으며, 분석조건은 다음과 같다. 분석컬럼은 HP-1ms column(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)이며 이동상 기체는 헬륨(1 ml/min), 오븐은 초기온도 50℃에서 6분 유지 후 300℃까지 10℃/min의 속도로 승온한 뒤, 10분간 유지하여 총 32분 동안 분석하였다. 이동상 기체는 헬륨(1.0 mL/min)을 사용하였고 검출은 질량분석기(MSD)를 사용하였으며, mass range(m/z=50 – 500)이다. 기체크로마토그래피/질량분석은 중성가스 분위기에서 고분자 시료를 고온으로 가열하였을 때 시료로부터 분해되어 나오는 가스들의 성분을 가스크로마토그래피(GC)/질량분석기(MSD)로 분리/검출함으로서 시료의 특성을 측정하는 분석기법으로 페인트 분석에서는 특별한 전처리 없이 적외선분광분석법과 함께 수지를 판별하는 중요한 분석법 중 하나로 활용된다(Table 2).
Instrument parameters for analysis of GC-MS
4. 연구 결과
4.1. 목재 창틀
4.1.1. 단면 관찰
목재 창틀에 포함되는 시료 도막편 SGG-01(오르내리기창 내부), SGG-02(실내창 외부), SGG-03-A와 목재편 SGG-03-B(복도창 내부)에 대하여 각각 금속현미경과 주사전자현미경으로 층위를 확인한 결과는 다음과 같다. 도막편 SGG-01은 총 3개의 층위로 이루어져 있으며 전반적으로 평탄하지 않고 약간의 굴곡진 형태로 층위 개별의 두께는 20 µm를 넘지 않는 얇은 도막이다. 층위마다 존재하는 입자의 크기는 차이가 있으며 표면-적갈색(Layer 1)은 조립질의 입자가, 중간-적황색(Layer 2)과 내면-적갈색(Layer 3)은 세립질의 입자가 관찰된다(Figure 2A~C).
The Seoul Weather Station wooden part sample cross section result and image analysis. (A)∼(C) : SGG-01. (D)∼(F): SGG-02. (G)∼(I) : SGG-03-A. (J)∼(L) : SGG-03-B.
도막편 SGG-02는 총 7개의 층위로 전반적으로 평탄한 편이며 중간3-백색(Layer 4), 중간4-회백색(Layer 5)은 100 µm를 넘어가는 비교적 두꺼운 층위이며 나머지 층위는 비슷한 두께이다. 특히 표면-녹색(Layer 1), 중간1-연한녹색(Layer 2)은 가장 치밀한 조직으로 조직의 형태, 색상이 유사하지만, 관찰 결과 두 개의 층위로 확인되므로 같은 재료로 연속적으로 도장한 것으로 여겨진다(Figure 2D~F).
도막편 SGG-03-A와 목재편 SGG-03-B는 모두 3개의 층위로 전반적으로 굴곡진 형태이며 표면-녹색(Layer 1), 중간1-흑갈색(Layer 2)은 조립질의 입자가 존재하고 층위의 두께가 높지만 내면-적갈색(Layer 3)은 세립질의 입자이며 층위가 더 얇은 것이 확인된다. 전반적으로 목재편이 도막편에 비해 층위의 두께가 높으며 관찰 조직과 입자의 크기는 동일하게 나타난다(Figure 2~L).
4.1.2. 단면 분석
목재 창틀 시료에 대한 단면 층위 원소 분석은 SEM에 부착된 EDS를 통해 진행하였다(Table 3). 먼저, 도막편 SGG-01(오르내리기창 내부)에서는 표면-적갈색(Layer 1)은 철(Fe)이, 중간-적황색(Layer 2)은 크롬(Cr), 철(Fe), 납(Pb)이, 내면-적갈색(Layer 3)은 철(Fe)이 색상에 기여하는 원소로 확인된다(Table 3). 따라서, 도막편 SGG-01은 각각의 색상 기여 원소에 따라 적색 산화철(Fe2O3), 황연(PbCrO4)과 광명단(Pb3O4) 등이 포함된 페인트를 사용했으며 색상에 따라 티탄백(TiO2)을 혼합해 도장한 것으로 여겨진다.
The chemical composition of Seoul Weather Station wooden part sample
도막편 SGG-02(실내창 외부)에서는 표면-녹색(Layer 1), 중간1-연한녹색(Layer 2)은 티타늄(Ti)과 크롬(Cr)이, 중간2-주황색(Layer 3)은 크롬(Cr), 철(Fe), 납(Pb)이, 중간 3-백색(Layer 4)은 티타늄(Ti), 중간5-흑갈색(Layer 6)와 내면-갈색(Layer 7)은 철(Fe), 납(Pb)이 주원소로 판단된다. 중간4-회백색(Layer 5)은 색상에 기여하는 원소가 확인되지 않는다(Table 3). 정리하자면, 도막편 SGG-02는 백색 계통은 티탄백(TiO2)을, 적색 계통은 황연(PbCrO4)과 적색 산화철(Fe2O3)을, 녹색 계통은 티탄백(TiO2)과 산화크롬(Cr2O3)을 포함한 페인트가 사용된 것으로 보이며 이때 색상기여원소가 확인되지 않는 중간4-회백색(Layer 5)은 페인트가 아닌 퍼티의 일종으로 추정된다.
도막편 SGG-03-A, 목재편 SGG-03-B(복도창 내부)의 단면 분석 결과, 마그네슘(Mg), 실리카(Si), 칼슘(Ca), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 아연(Zn), 철(Fe), 납(Pb) 등의 원소들이 검출되며 이는 도막편과 목재편 모두 동일한 양상으로 관찰된다. 목재편에 대한 라만분광분석을 추가로 실시한 결과에서 표면-녹색(Layer 1)은 393, 632, 1084 cm-1에서 아나타제형 티탄백(TiO2)과 탄산칼슘(CaCO3)이 혼합된 스펙트럼이 관찰되며, 중간1-흑갈색(Layer 2)은 837 cm-1 피크(peak)만이 확인되고 내면-적갈색(Layer 3)은 적색 산화철의 피크(peak)인 224, 290, 398 cm-1와 황연의 피크(peak)인 335, 355, 373, 835 cm-1가 관찰된다(Figure 3). 따라서, 표면-녹색(Layer 1)은 티탄백(TiO2)과 탄산칼슘(CaCO3)이 섞인 산화크롬(Cr2O3) 또는 유기안료의 페인트로 도장되었으며, 중간1-흑갈색(Layer 2)은 837 cm-1 피크(peak)가 함께 검출되는 것으로 보아 황연(PbCrO4)이 일부 포함된 것으로 판단된다. 앞선 EDS 결과와 교차 비교할 때 이는 하단 층위에 의한 간섭으로 여겨지며 페인트가 아닌 퍼티로 추정된다. 내면-적갈색(Layer 3)은 적색 산화철(Fe2O3)과 황연(PbCrO4)의 라만 피크가 확인된다.
Raman spectroscopy spectrum of Seoul Weather Station wooden part sample SGG-03-B(the interior of hallway window). (A) : Front-Green(Layer 1). (B) : Middle-Blackish brown(Layer 2). (C) : Behind-Reddish brown(Layer 3).
4.1.3. 성분 분석
목재편 SGG-03-B(복도창 내부)의 표면-녹색에 대하여 기체크로마토그래피/질량분석을 실시한 결과, 알키드 수지의 주요 성분인 PAn(프탈산 디메틸, Dimethyl Phthalate), Penta(펜타에리트리톨, Pentaerythritol)와 함께 FA(지방산, Fatty Acid)이 확인되므로 복도창 내부 표면-녹색에 사용된 페인트의 수지는 알키드 수지(Alkyd Resin)로 여겨진다(Table 4, Figure 4). 알키드 수지는 목재에 도장되는 페인트의 대표적인 수지이자 가장 널리 사용되는 합성수지로 부착성 향상, 샌딩성 향상 등의 목적을 가진다.
Chromatogram results of Seoul Weather Station wooden part sample SGG-03-B
GC/MS spectrum of the Seoul Weather Station wooden part sample SGG-03-B(the interior of hallway window).
4.2. 모르타르 벽체
4.2.1. 단면 관찰
모르타르 벽체에 포함되는 시료 도막편 SGG-04-A, 벽체편 SGG-04-B(내벽), SGG-05(외벽)에 대한 현미경으로 층위를 관찰한 결과는 다음과 같다(Figure 5). 도막편 SGG-04-A, 벽체편 SGG-04-B는 각각 2개, 6개의 층위로 확인되며 전반적으로 굴곡진 편이고 층위의 두께 차이도 큰 편이다. 도막편의 경우, 표면-옥색(Layer 1)에서는 거친 연마면과 세립질의 입자가, 내면-옥색(Layer 2)에서는 다수의 기공과 조립질의 입자가 관찰된다. 벽체편은 표면백색(Layer 1)부터 중간2-백색(Layer 3)까지 모두 백색의 페인트로 도장되어 있으며 중간3-옥색(Layer 4), 중간4-옥색(Layer 5)은 도막편과 동일한 옥색의 페인트가 내면-벽체(Layer 6)위에 도장된 것이 관찰된다. 도막편에 비해 벽체편의 페인트 층위가 대체적으로 두께가 있는 편이다. 중간1-백색(Layer 2)이 가장 치밀한 조직으로 보이며 중간 2-백색(Layer 3)의 경우, 일부 층위가 탈락한 양상이 나타난다.
The Seoul Weather Station mortar part sample cross section result and image analysis. (A)∼(C) : SGG-04-A. (D)∼(F): SGG-04-B. (G)∼(I) : SGG-05.
벽체편 SGG-05의 층위는 총 6개로 벽체편 SGG-04-B와 동일하게 표면-백색(Layer 1)부터 중간2-백색(Layer 3)까지 모두 백색의 페인트로 도장되어 있다. 표면-백색(Layer 1)이 치밀한 조직인 것에 비해 중간1-백색(Layer 2) 과 중간2-백색(Layer 3)은 다수의 기공이 존재한다. 중간 4-벽체(Layer 5)을 제외하면 벽체 바로 위에 도장된 중간 3-주황색(Layer 4)이 가장 층위가 두꺼우며 벽체 밑 내면-미색의 거친 연마면이 관찰된다. 벽체편 SGG-04-B에 비해 각 층위의 페인트가 잘 고착된 점이 특징이다.
4.2.2. 단면 분석
모르타르 벽체 시료에 대한 단면 층위 원소 분석 결과는 다음과 같다(Table 5). 도막편 SGG-04-A, 벽체편 SGG-04-B(내벽)는 칼슘(Ca), 아연(Zn), 티타늄(Ti)이 확인된다. 녹색에 기여하는 주원소가 확인되지 않으므로 이는 유기안료를 포함하는 페인트가 사용되었을 가능성이 존재한다. 벽체편 SGG-04-B에 대한 라만분광분석을 추가로 실시한 결과, 표면-백색(Layer 1)은 탄산칼슘(CaCO3)와 티탄백(TiO2)-루틸(Rutile)형인 반면, 중간1-백색(Layer 2)과 중간2-백색(Layer 3)은 탄산칼슘(CaCO3)과 티탄백(TiO2)-루틸(Rutile)형, 아나타제형의 피크들이 혼합되어 관찰되었다(Figure 6A~C). 중간3-옥색(Layer 4), 중간4-옥색(Layer 5)은 탄산칼슘(CaCO3)과 프탈로시아닌 그린(Phthalocyanine Green)의 라만 피크들이 함께 확인되었다(Figure 6D, 6E). 정리하자면, 백색의 페인트는 탄산칼슘(CaCO3)과 티탄백(TiO2)이, 옥색의 페인트는 프탈로시아닌 그린(Phthalocyanine Green)과 탄산칼슘(CaCO3)의 라만피크(peak)가 혼합된 형태로 나타난다.
The chemical composition of Seoul Weather Station mortar part sample
Raman spectroscopy spectrum of Seoul Weather Station mortar part sample SGG-04-B(the inner wall of building). (A) : Front-White(Layer 1). (B) : Middle1-White(Layer 2). (C) : Middle2-White(Layer 3). (D) : Middle3-Pale blue green(Layer 4). (E) : Middle4-Pale blue green(Layer 5).
벽체편 SGG-05(외벽)에서 백색에 기여하는 주원소는 앞선 벽체편 SGG-04-B(내벽)처럼 정도의 차이는 있지만 모두 칼슘(Ca), 티타늄(Ti)으로 관찰되며 중간2-백색(Layer 3)을 제외하고 나트륨(Na), 알루미나(Al)가 높게 검출된다는 점이 특이하다. 중간3-주황색(Layer 4)은 칼슘(Ca)과 납(Pb)이, 중간4-벽체(Layer 5)와 내면-미색(Layer 6)은 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 실리카(Si), 칼슘(Ca), 철(Fe)이 높게 검출되어 전형적인 점토질 모르타르의 특성을 띤다고 판단된다. 라만분광분석을 추가 분석한 결과, 표면-백색(Layer 1)과 중간2-백색(Layer 3)까지는 모두 탄산칼슘(CaCO3)과 티탄백(TiO2)-루틸(Rutile)형의 피크(peak)들이 확인된다(Figure 7A~C). 광학현미경이 장착된 라만분광에서 중간3-주황색(Layer 4)은 백색, 황색, 적색의 입자가 섞인 채로 분포된 양상이 관찰된다(Figure 7D~F). 이를 정리하면, 백색 안료 부분에서는 탄산칼슘(CaCO3)과 루틸형 티탄백(TiO2)의 라만 피크(peak)가 함께 동정되며 주황색의 페인트는 백색, 황색, 적색 입자가 섞인 형태로 각각 백색입자는 티탄백(TiO2)-루틸(Rutile)형, 황색입자는 황연(PbCrO4), 적색입자는 적색산화철(Fe2O3)의 라만 피크(peak)가 확인된다.
Raman spectroscopy spectrum of Seoul Weather Station mortar part sample SGG-05(the outer wall of building). (A): Front-White(Layer 1). (B) : Middle1-White(Layer 2). (C) : Middle2-White(Layer 3). (D) : Middle3-Orange(Layer 4) White particle. (E) : Middle3-Orange(Layer 4) Yellow particle. (F) : Middle3-Orange(Layer 4) Red particle.
티탄백(TiO2)의 아나타제(Anatase)형과 루틸(Rutile)형은 개발 시기에 차이가 있는 성분으로 아나타제는 1920년대, 루틸은 1940년대 말에 상업용으로 개발되어 현재는 루틸형을 대부분 사용한다. 이러한 개발 역사는 분석 결과에서 도출된 결론과도 적절하다고 여겨진다.
4.2.3. 성분 분석
벽체편 SGG-04-B(내벽)에 대하여 기체크로마토그래피/질량분석을 실시한 결과, 표면-백색은 아크릴 수지의 주요 성분인 MMA(메타크릴산메틸, Methyl Methacrylate), SM(스티렌, Styrene), n-BMA(n-부틸 메타크릴레이트, n-Butylmethacrylate), 2-EHA(2-에틸헥실 아크릴레이트, 2-Ethylhexyl acrylate)가 확인되므로 벽체에 사용된 페인트의 수지는 아크릴 수지(Acrylic Resin)로 여겨진다(Table 6, Figure 8). 아크릴 수지는 옥외에 노출되어도 변색이 적고 내약품성, 내수성이 모두 양호하다는 특징을 가진다.
Chromatogram results of Seoul Weather Station mortar part sample SGG-04-B
Gas chromatography/mass spectrometry spectrum for Mortar part sample SGG-04-B(he inner wall of building) of the Seoul Weather Station.
5. 고 찰
서울 기상관측소에 도장된 페인트 경향성을 파악하기 위해 또 다른 근대건축물에 대하여 도장된 페인트의 성분과 특성을 비교하였다. 대상 건축물은 창경궁 대온실과 부산 송정역으로 서울 기상관측소와 동일한 재료인 페인트가 칠해진 모르타르 부재에 한하여 비교하였다(Figure 9). 창경궁 대온실은 1909년에 완공된 한국 최초의 서양식 온실로서 1950년 한국전쟁의 폭격 이후로 3번의 대규모 수리공사가 진행된 이력이 있는 건물이며 부산 송정역은 1940년대 역사(驛舍)의 건축 형태를 살펴볼 수 있는 대표적인 근대 기차역 중 하나이다. 창경궁 대온실은 1900년대∼1910년대의 근대건축물로써 1930년대의 서울 기상관측소보다 앞선 시기의 근현대 페인트의 양상과 비교하기 위해 선정하였으며 부산 송정역은 1940년대 근현대 페인트로 도장된 건축물로 서울 기상관측소와 비슷한 시기의 페인트 양상을 확인하기 위해 선정하였다.
The comparative subject modern buildings. (A) : The Grand Greenhouse of Changgyeonggung Palace. (B) : Seoul Weather Station. (C) : Busan Songjeong Station.
5.1. 창경궁 대온실
서울 기상관측소 내⋅외벽과 창경궁 대온실 기둥에 도장된 공통 색상은 백색과 주황색이며 서울 기상관측소와 비교하여 창경궁 대온실 기둥에 칠해진 백색과 주황색 페인트의 특성은 다음과 같다(Table 7, Figure 10). 창경궁 대온실과 서울 기상관측소의 동일한 점은 백색 페인트에 있어서 두 건축물 모두 탄산칼슘(CaCO3), 티탄백(TiO2)을 혼합한 페인트로 같은 성분의 페인트로 여러 번 도장한 것을 보아 일정한 페인트의 두께로 만들기 위한 목적으로 판단되며 마지막 표면은 체인트의 마감을 위한 코팅의 목적으로 생각된다. 따라서 페인트의 성분뿐만 아니라, 도장 기법 역시 동일하다고 판단된다. 주황색 페인트의 경우, 두 건축물 모두 납(Pb)을 주원소로 하는 광명단(Pb3O) 또는 황연(PbCrO4)을 포함한 페인트로 여겨진다. 납(Pb)은 페인트에서 방청을 목적으로 사용되는 대표적인 안료이며 모르타르 같은 외벽과 페인트 사이에서 접착력을 높여주는 역할을 한다. 창경궁 대온실과 서울 기상관측소와의 차이점은 백색 페인트에서 관찰된다. 창경궁 대온실의 백색 페인트는 서울 기상관측소와 달리 칼슘(Ca)에 비해 티타늄(Ti)의 검출강도가 높은 편이다. 또한, 서울 기상관측소는 아연(Zn) 성분이 함께 포함된 유백색 페인트는 존재하지 않는다.
The chemical composition of The Grand Greenhouse of Changgyeonggung Palace mortar column part sample (Damwon Cultural Heritage, 2016)
The Grand Greenhouse of Changgyeonggung Palace mortar part location and sample cross section result(Damwon Cultural Heritage, 2016). (A) : A Mortar Column. (B) : Microscopic Image. (C) : SEM Image.
5.2. 부산 송정역
서울 기상관측소 내⋅외벽과 부산 송정역 외벽에 도장된 공통 색상은 백색, 녹색이며 서울 기상관측소와 비교하여 부산 송정역 외벽에 칠해진 백색, 녹색 계통 페인트의 특성은 다음과 같다(Table 8, Figure 11). 부산 송정역과 서울 기상관측소의 동일한 점은 백색 페인트에 있어서 두 건축물 모두 티타늄(Ti)과 칼슘(Ca)이 주원소로 검출되고 티타늄(Ti)에 비해 칼슘(Ca)이 검출 강도가 높게 나타난다는 점이다. 이는 창경궁 대온실보다도 서울 기상관측소와 유사한 경향이다. 녹색 계통 페인트에 있어서 서울 기상 관측소 내벽의 내면은 옥색 페인트는 색상에 영향을 미치는 원소가 확인되지 않으며 라만분광분석에서 유기안료 프탈로시아닌 그린(Phthalocyanine Green)으로 판단되었다. 부산 송정역 외벽에서 관찰되는 녹색 계통의 연두색, 옅은 연두색, 에메랄드 페인트 역시 별도의 색상기여원소가 확인되지 않으므로 두 건축물 모두 유기안료일 가능성이 높다. 부산 송정역과 서울 기상관측소와의 차이점은 백색 페인트와 녹색 계통 페인트 둘 모두에서 확인된다. 백색 페인트의 경우, 부산 송정역은 하나의 색을 여러 번 도장한 것이 아니라 다른 색상이 에메랄드 층위 사이에 존재하는 등 색상들이 교차하며 도장되었고 백색 페인트 역시 중간 층위에서 칠해졌기에 페인트의 성분은 비슷할지라도 도장 기법에는 차이가 존재한다. 녹색 계통 페인트의 경우, 서울 기상관측소의 옥색 페인트는 아연(Zn)성분이 주원소 중 하나로 검출되는 반면, 부산 송정역에서는 아연(Zn)이 확인되지 않는다.
The chemical composition of Busan Songjeong Station mortar wall part sample(School Based Enterprise Con-Tech, 2020)
The Busan Songjeong Station mortar part location and sample cross section result(School Based Enterprise Con-Tech, 2020). (A) : A Mortar Wall. (B) : Microscopic Image. (C) : SEM Image.
5.3. 종합 비교
지금까지 서울 기상관측소의 모르타르에 도장된 내⋅외벽 페인트를 동일한 재료에 도장된 창경궁 대온실의 기둥, 부산 송정역의 외벽과 비교하였다(Table 9). 특이한 점은 서울 기상관측소, 창경궁 대온실, 부산 송정역에 도장된 백색 페인트의 성분이다. 1900년대에 지어진 창경궁 대온실과 1930년대∼1940년대에 건축된 서울 기상관측소⋅부산 송정역의 백색 페인트는 성분의 차이가 존재한다. 창경궁 대온실의 백색 페인트는 두 종류로 표면에는 명도가 밝은 칼슘(Ca), 티타늄(Ti)을 주성분으로 하는 백색 페인트가, 내면에는 명도가 비교적 어두운 칼슘(Ca), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 성분의 유백색 페인트가 확인된다. 또한 칼슘(Ca), 티타늄(Ti)의 비율 역시 칼슘(Ca)에 비해 티타늄(Ti)의 성분이 더 높게 검출되는 반면에, 서울 기상관측소와 부산 송정역의 백색 페인트는 아연(Zn)이 확인되지 않으며 칼슘(Ca)이 티타늄(Ti)보다 높은 검출 강도를 보인다.
The result comparison of painted paints in Modern Buildings(The Grand Greenhouse of Changgyeonggung Palace, Seoul Weather Station, Busan Songjeong Station)
이러한 백색 페인트의 성분 차이는 시대적인 요인 때문으로 추측된다. 1880년에 건립된 일본 호헤이칸(豊平館)은 건축 당초부터 현대까지 페인트의 도장층이 잘 남아있는 사례 중 하나로 이를 조사한 결과, 건립 초기의 도장은 체질 안료로서 아연백(ZnO)이 주로 사용된 양질의 페인트이었으며 이후 티탄백(TiO2)이 잠시 백색 페인트의 주체가 되다가 이후 경제적 요인으로 값이 싸고 페인트의 증량 역할을 하는 탄산칼슘(CaCO3)의 혼입이 대량으로 늘어난 것으로 알려져 있다(Kim R an Gi, 2018; Cultural Heritage Administration, 2010). 비록 호헤이칸은 목조건축물이지만 시대에 따른 페인트의 성분에 대한 경향성은 다른 재료에서도 유사할 것으로 여겨지며 앞서 비교한 세 건축물의 시대적 차이를 고려할 때 시대적 요인에 따른 페인트 성분의 변화는 충분히 논리적인 근거라고 생각된다.
6. 결 론
본 연구에서는 서울 기상관측소의 목재 창틀, 모르타르 벽체 5곳에 대하여 총 7점의 시료에 대한 과학적 분석을 실시하고 이를 창경궁 대온실, 부산송정역 등 근대건축물에 도장된 페인트의 분석 결과와 비교하였다. 이에 대하여 근현대 페인트의 특성을 다음과 같이 정리하였으며 이를 통해 도출한 근대건축물의 근현대 페인트 조사 방향에 대하여 제언해 보고자 한다.
서울 기상관측소에 대한 창틀(목재)과 벽체(모르타르)를 중심으로 비교한 결과는 다음과 같다.
1. 색상의 경향성 : 건축 당초에 목재 창틀의 경우, 적갈색으로 모두 통일됐으나 시간이 흐르고 재도장의 과정에서 색상의 경향성이 변화했으며 현대로 넘어와 백색으로 통일되었다.
2. 안료
① 목재 창틀 : 적색계는 대체로 적색 산화철(Fe2O3)으로 일부 티탄백(TiO2)을 함께 혼합해 사용하거나 광명단(Pb3O4) 또는 황연(PbCrO4)을 포함한 페인트로 도장했다고 판단된다. 이러한 적색계의 페인트는 도막층의 부착성을 증가시켜주는 페인트의 하도 역할을 담당했으며 녹색은 종합적인 분석 결과 산화크롬(Cr2O3) 또는 유기안료에 티탄백(TiO2)과 탄산칼슘(CaCO3)이 혼합된 것으로 추정된다.
② 모르타르 벽체 : 백색은 탄산칼슘(CaCO3), 티탄백(TiO2)의 혼합 페인트이다. 티탄백(TiO2)은 루틸형(Rutile)과 아나타제(Anatase)형으로 구분이 가능하며 이는 외벽과 내벽의 도장 시기, 방법 등에 조금씩 차이가 있음을 알려준다. 벽체의 녹색 안료는 프탈로시아닌 그린(Phthalocyanine Green)이다.
3. 수지 : 목재 창틀은 알키드 수지(Alkyd Resin), 모르타르 벽체는 아크릴 수지(Acrylic Resin) 계통의 페인트를 사용한 것으로 판단된다. 특히 알키드 수지는 페인트 산업 초기에 개발되어 널리 쓰인 합성수지로, 현대로 넘어와서 목재 창틀은 알키드 수지, 모르타르 벽체는 아크릴 수지 계통의 페인트를 사용한 것으로 여겨진다.
4. 특징
① 목재 창틀 : 실내창 외부와 복도창 내부는 최근까지 도장했을 확률이 높으며 건축 당초에는 주로 적갈색으로 도장되었다고 추측된다. 목재 창틀 내부(오르내리기창, 복도창)보다 창틀 외부(실내창)의 층위 개수가 더 많은 편이므로 페인트의 박리⋅박락, 오염, 변색 등의 요인으로 인해 창틀 외부에 더 많은 도장과정이 이루어졌을 것이라고 추정된다.
② 모르타르 벽체 : 목재 창틀에 비해 층위 개수가 많고 두께 역시 두꺼운 편으로 창틀과 비교할 때 두꺼운 붓으로 여러 번의 도장 과정을 걸쳤다고 추측된다.
이러한 특징은 건물 부재의 위치, 노출된 환경, 시대적 흐름에 따라 목적에 알맞게 선택적으로 페인트를 도장하고 그에 맞는 기법을 사용했다는 결론이 도출될 수 있다.
근현대 페인트의 경향성을 파악하기 위해 창경궁 대온실, 서울 기상관측소, 부산 송정역의 모르타르 부재를 비교한 결과는 다음과 같다. 백색 페인트는 세 건축물 모두 층위별로 성분 함량의 차이는 존재하나 대체적으로 칼슘(Ca), 티타늄(Ti)으로 탄산칼슘(CaCO3)과 티탄백(TiO2)을 혼합한 페인트이다. 창경궁 대온실과 서울 기상관측소는 페인트의 성분뿐만 아니라, 도장 기법 역시 동일하다고 판단되며 부산 송정역과 서울 기상관측소는 칼슘(Ca), 티타늄(Ti)의 성분비가 유사하므로 창경궁 대온실보다도 성분이 유사한 편이다. 차이점은 창경궁 대온실은 칼슘(Ca), 티타늄(Ti)의 성분비, 아연(Zn)성분의 유무이며 부산 송정역은 도장 기법이다. 백색 페인트의 성분 차이는 시대적 요인 때문으로 일본의 호헤이칸의 경우, 아연백(ZnO)-티탄백(TiO2)-탄산칼슘(CaCO3) 순으로 백색 안료의 주재가 변화되어 왔으므로 세 건축물 역시 이에 해당한다고 여겨진다. 이외에도 주황색 페인트는 창경궁 대온실과 서울 기상관측소의 동일 페인트로 모두 납(Pb)을 주성분으로 하는 광명단(Pb3O4) 또는 황연(PbCrO4)이, 녹색 계통 페인트는 부산 송정역과 서울 기상관측소에서 색상기여원소가 확인되지 않는 페인트로 백색 페인트의 영향(Ca, Ti)을 제외한다면 상기 페인트는 유기안료일 가능성이 높다.
건축물에 도장된 페인트는 건물이 건립되고 유지됨에 따라 다양한 색상으로 도장되어 왔는데 건축 당시의 재료, 색채, 기법을 유지하는 경우는 드물며 대부분 현대에 접어들기까지 여러 번 색상이 교체되어 도장된 것이 일반적이다. 따라서, 근대건축물의 수리에 앞서 도장된 페인트의 도장 이력을 파악하는 것이 최우선으로 선행되어야하며 사전 조사와 함께 객관적이고 논리적인 해석이 가능한 자연과학적인 조사가 동반되어야 한다.
대부분의 건축물은 새로 페인트를 도장할 때 남아있는 기존 페인트를 제거하므로 당초의 페인트를 그대로 재현하여 사용한다는 것은 현실적으로 어려운 일이다. 특히 현대의 페인트는 근대건축물이 조성된 시기에서 비약적인 발전을 이루었으며 당시의 재료와 기술이 더 이상 쓰이지 않는 경우도 많다. 이는 근대문화재의 활용 개념과도 거리가 멀다.
보존과학적인 측면에서 페인트의 도장 이력은 그 당시의 문화, 산업, 기술 등을 반영한 역사적인 자료이다. 따라서 당시의 페인트의 재료와 기술을 재현하기보다는 건물의 보존적인 측면에서 현재 최선의 방법으로 도장하는 것이 적합한 방향이라고 여겨진다. 또한, 건물의 과학적인 조사를 통해 페인트의 도장 이력을 파악할 수 있는 원형이 보존된 건축물은 도장공사 이력에 대한 기록물을 필수적으로 남기는 것이 적절한 근대건축물의 보존 방향이 될 것이다.
