1. 서 론
영주 부석사 조사당 벽화는 현존하는 국내 유일의 고려시대(우왕 3년, 1377년) 사찰벽화로, 한국 불교 사찰벽화 연구에서 특히 중요한 역사적, 학술적 가치를 지닌 문화유산으로 평가된다(Moon, 1977; Son, 1997; Park, 2019). 한국의 사찰벽화는 대부분 조선 후기인 17세기 이후에 제작된 것이 전해지고 있으며, 조선 전기의 벽화는 안동 봉정사 대웅전 벽화, 강진 무위사 극락전 벽화 정도만 남아있는 것으로 알려져 있다(Lee, 2013; Han, 2019). 따라서 14세기에 조성된 것으로 추정되는 부석사 조사당 벽화는 고려 말, 조선 초기의 미술적 양식과 기술적 발전을 반영하는 중요한 가치를 지닌다. 또한 이 벽화는 당대의 제작 기법과 재료에 대한 중요한 정보를 담고 있어 한국 사찰 벽화 연구에서 특히 중요한 의미를 갖는다.
우리나라 사찰벽화는 주로 토벽 위에 채색층을 제작하는 방식으로, 다양한 유기⋅무기 성분의 재료가 복합적인 층위로 구성되어 있다. 이와 같이 토양 기반의 벽체로 조성된 사찰벽화는 연질 및 다공성의 특성으로 온⋅습도 변화가 큰 외부환경에 지속적으로 노출될 경우 보존성이 매우 취약한 특성을 나타낸다(Lee, 2016). 따라서 벽체의 구조를 비롯한 재질 특성에 관한 연구는 벽화의 보존방안 수립에 핵심적인 역할을 하며, 대상 벽화에 적합한 보존⋅복원이 이루어지기 위해서는 제작 특성을 규명하는 연구가 우선적으로 수행되어야 한다.
부석사 조사당 벽화의 재료와 제작 특성에 대한 연구는 1985년 보존처리 과정에서 이루어진 적외선 조사와 벽화의 구조를 보존과학적 측면에서 조사한 것이 시작이었다(Baek, 1985; Chung, 1986). 이후 2018년부터는 조사당 벽화의 보존상태와 재료 특성에 대한 연구가 보다 진보된 기술로 이루어졌다(Lee et al., 2021; National Research Institute of Cultural Heritage, 2023; Oh et al., 2023; Song et al., 2020). 그러나 이와 같은 연구들은 주로 채색층 표면을 대상으로 한 비파괴적 분석에 집중되어 있으며, 특히 벽화의 지지층에 해당하는 벽체에 관한 연구는 시료 확보의 어려움으로 마감층 외에는 연구가 이루어지지 못한 실정이다.
이러한 선행 연구의 한계점은 조사당 벽화의 재료와 제작 특성에 대한 보다 심층적이고 체계적인 연구가 필요함을 명확히 나타내고 있다. 2020년부터 진행된 부석사 조사당 벽화의 3차 보존처리 과정에서 벽화의 외곽을 감싸고 있던 목재틀이 해체되면서 벽체 구조가 드러나 벽체층을 포함한 벽화의 종합적, 심층적인 연구가 가능해졌다(Jeong, 2024). 따라서 본 연구에서는 영주 부석사 조사당 벽화의 벽체층을 대상으로 구조와 재료에 대한 과학적 조사⋅분석을 실시하여 제작 기술과 원재료의 특성을 규명하고, 벽체의 제작 특성을 객관적이고 과학적인 관점에서 해석하고자 하였다.
2. 연구 대상 및 방법
2.1. 연구 대상
본 연구는 부석사 조사당 벽화 6점을 분석 대상으로 하였다. 각 벽화는 도상의 명칭에 따라 제석천(Figure 1A), 동방지국천왕(Figure 1B), 남방증장천왕(Figure 1C), 서방광목천왕(Figure 1D), 북방다문천왕(Figure 1E), 범천(Figure 1F)로 구분된다. 벽화의 벽체 층위별 제작 특성을 알아보기 위하여 노출된 각 벽체의 측단면을 3개 층(WS/WM/WF)으로 구분하고(Figure 1G), 해당 구간에서 소량의 토양 시료를 확보 하였다(Table 1). 각 분석은 전반적으로 6점의 벽화를 대상으로 하였으나, 입도분석의 경우 4점의 벽화를 대상으로 하였으며(JE, ES, WE, NO), 유기물 함량분석은 1점(WE)의 벽화를 대상으로 수행하였다. 섬유보강재 분석시료는 각 벽체별 1∼2층 구간(WS, WM)에서 1종, 3층 구간(WF)에서 1종으로 총 2종씩 확보하여 활용하였다(Table 2).
2.2. 연구 방법
본 연구는 부석사 조사당 벽화 벽체의 제작 특성을 명하기 위해 구조적인 특성과 재료적인 특성을 파악하였다. 구조적 특성 분석은 거시적, 미시적 관찰을 통하여 벽체층의 구조와 형태적인 특성을 파악하였다. 거시적 관찰은 육안 관찰을 통하여 벽체의 층위와 구성요소를 확인하고, 각 층의 두께를 측정하였다. 미시적인 관찰은 3차원 현미경(DVM6, Leica, Germany)과 미세 단층촬영(XT H 225, Nikon, Japan)을 통하여 층위별 단면구조, 공극률 등을 분석하였다. 공극률 분석에는 기공 분석 소프트웨어(myVGL 3.0, Volume graphics, Germany)를 이용하였다.
재료적 특성 분석을 통하여 벽체 제작에 사용된 원료와 배합특성을 파악하였다. 입도특성 분석은 과산화수소를 이용하여 전처리를 실시한 후, 1 mm 이상의 입도분은 습식 체가름으로 구분하였고, 1 mm 이하 입도분은 레이저 회절법(Mastersizer 2000, Malvern, UK)으로 분류하였다. 또한 구성광물의 결정구조는 X선 회절 분석(D2Phaser, Bruker, Germany)을 통해 수행하였다. 주성분 원소함량 분석은 파장 분산형 X선 형광분석기(Zetium, Malvern Panalytical, UK)를 이용하였다.
벽체에 혼합된 섬유보강재의 섬유 식별은 Schultze 용액에 해리한 후, 이중염색법(safranine 1% + astra blue 1%) 과 Graff-C 염색법(KS M ISO 9184-4)으로 염색된 섬유의 특성을 광학현미경(BX41, Olympus, Japan)으로 관찰하여 수행하였다. 벽체에 포함된 유기물의 함량분석은 토양의 입도분석 전 유기물의 제거에 사용되는 전처리 방법인 과산화수소 처리법을 적용하였다. 과산화수소 처리는 1 g 이하의 시료에 대하여 포함된 유기물 함량에 따라 과산화수소(30.0∼35.5%, , Sanchun chemicals)를 10∼40 ml 정도 투입하여 72시간 상온에서 반응시켜 수행하였다.
3. 연구결과
3.1. 벽체층의 구조적 특성
3.1.1. 벽체층 구성
부석사 조사당 벽화 벽체 측면의 단면 관찰 결과, 벽체층은 초벽층, 중벽층, 마감층의 3개 층위가 맞벽 구조로 형성되어 있음이 확인되었다(Figure 2B, C). 초벽층과 중벽층 간의 층위 경계는 명확하지 않으나, 중벽층 상부에 고름질된 평탄한 표면이 관찰되므로 초벽층 위에 중벽층을 덧발라 고름질 한 제작 과정이 있었던 것으로 판단된다(Figure 2A).
벽체 전체 두께는 95∼107 mm, 평균 100 mm로 확인되었고, 벽체 골격 부재에서 외벽까지의 두께는 29∼35 mm 범위, 평균 30 mm로, 내벽까지의 두께는 32∼38 mm 범위, 평균 35 mm로 나타났다(Figure 3A). 이는 목재 골격 구조 부분과 내벽 및 외벽의 두께 비율이 거의 유사하게 형성된 구조로, 벽체가 균형 있게 제작되었음을 알 수 있다.
벽체 층위별 두께는 초벽층과 중벽층을 합한 두께는 85∼101 mm 범위로 측정되었고, 평균 92 mm로 확인되었다. 마감층의 두께는 내벽은 3∼10 mm 범위, 평균 6 mm, 외벽은 1∼8 mm 범위, 평균 3 mm 두께로 확인되었다. 층위별 두께를 벽화별로 비교한 결과, 북방다문천왕 벽화(NO)가 다른 벽화에 비해 상대적으로 마감층은 얇고 초벽층과 중벽층은 두껍게 나타나는 차이가 확인되었다(Figure 3B).
3.1.2. 벽체층의 표면 및 단면 특성
초벽층에는 다양한 크기와 형태의 입자가 불규칙하게 혼재되어 있으며, 북방다문천왕 벽화와 범천 벽화에서 벽체 내부 방향으로 갈수록 큰 입자의 비율이 집중된 경향이 확인되었다. 공극의 크기와 분포는 불규칙한 형태로 관찰되며 일부 벽화(JE, SO, BE)에서 섬유 흔적이 확인되었다. 초벽층의 공극률은 1.07∼2.75% 범위, 평균값은 2.04%로 다른 층위와 비교하여 가장 작은 값을 보였다. 벽화별로는 남방증장천왕 벽화(2.26%)와 범천 벽화(2.75%)에서 비교적 공극률이 높게 나타났고, 제석천 벽화(1.07%)와 서방광목천왕 벽화(1.93%)에서 상대적으로 낮은 공극률이 확인되었다. 각 벽화의 초벽층 공극률에 대한 표준편차는 0.56%로, 벽화 간 변동이 적으며 치밀하고 밀도 있게 형성된 구조임을 알 수 있다.
중벽층은 초벽층과 유사한 단면 특성을 보였다. 다양한 크기와 형태의 입자가 불규칙적으로 혼합되어 있으며, 상단 표면은 평평하게 다듬어진 형태로 관찰되었다. 공극의 형태는 초벽층과 유사하였으나 공극 크기가 큰 영역은 초벽층보다 적게 나타났다. 일부 벽화(WE, NO, BE)에서는 섬유 흔적이 확인되었다. 중벽층의 공극률은 1.87∼3.63% 범위, 평균값은 2.42%로 초벽층보다 다소 높은 수준을 보였다. 특히, 범천 벽화 3.63%로 가장 높은 공극률을 보였고, 서방광목천왕 벽화 (1.87%)와 북방다문천왕 벽화(1.94%)는 상대적으로 낮은 공극률을 나타냈다. 중벽층의 공극률 표준편차는 0.65%로, 벽화별 공극률 차이가 크지 않아 유사한 수준이었으며, 초벽층과 마찬가지로 조밀한 구조로 형성되었음을 알 수 있다.
마감층은 입자가 수평 방향으로 배열된 특징을 보였다. 이러한 배열은 표면을 평탄하게 다듬는 과정에서 형성된 것으로 추정되며, 실트질 정도의 미세한 입자가 균일하게 분포하여 평탄한 표면을 형성하고 있는 것으로 확인되었다. 공극 구조는 입자 사이에서 미세한 공극이 전반적으로 관찰되는 양상을 보여, 불규칙한 형태의 공극이 관찰되는 초벽층 및 중벽층과는 차이를 보였다. 일부 마감층 시료(ES, BE)는 상부와 하부 영역에서 명암차이가 뚜렷하게 관찰되었는데, 이는 중벽층이 일부 포함 되어 밀도와 재료적 차이가 반영된 결과로 해석된다. 마감층에서도 섬유가 확인되었으며(ES, SO), 공극률은 2.13∼6.44% 범위, 평균값 4.56%로 층위 중에서 가장 높은 값을 나타냈다. 서방광목천왕 벽화(6.44%)와 범천 벽화(5.56%), 북방다문천왕 벽화(4.87%)는 특히 높은 공극률을 보였으며, 동방지국천왕 벽화(2.13%)는 마감층임에도 상대적으로 낮은 공극률을 보였다. 마감층의 공극률 표준편차는 1.48%로 층위 중 가장 높은 값을 나타내어 초벽 및 중벽층보다 상대적으로 벽화별 차이가 높은 것으로 판단된다.
3.2. 벽체의 재료적 특성
3.2.1. 입도 특성
벽체 층위별 토양 시료의 입도 분석 결과, 벽화별 및 층위별 입도 분포에 차이가 있음이 확인되었다(Table 4, Figure 5). 초벽층의 입도 구성은 자갈 6.64∼19.73%(평균 12.31%), 모래 30.95∼46.28%(평균 41.60%), 미사 27.49∼32.56%(평균 29.87%), 점토 12.65∼19.83%(평균 16.23%)로 확인되었다. 초벽층은 다른 층위에 비해 자갈 비율이 가장 높은 특징을 보이며 모래, 미사, 점토가 비교적 고르게 혼합되어 불량한 분급을 나타낸다.
중벽층은 자갈 3.43∼9.77%(평균 5.96%), 모래 25.22∼50.62%(평균 40.97%), 미사 31.12∼41.69%(평균 35.66%), 점토 12.72∼23.32%(평균 17.40%)로 초벽층과 유사한 입도 특성을 보이나, 초벽층에 비해 자갈의 함량이 낮고 미사의 함량이 높아졌다. 이와 같이 굵은 입자의 감소와 미세입자의 증가는 재료를 정선하는 과정이 반영된 결과로 추정된다.
마감층은 모래 46.76∼58.73%(평균 53.51%), 미사 33.31∼44.57%(평균 38.57%), 점토 6.79∼8.67(평균 7.92%)로 초벽층 및 중벽층과는 확연하게 구분되는 입도 특징을 보였다. 마감층에는 자갈이 포함되어 있지 않으며, 모래와 미사의 비율이 가장 높게 나타났다. 입자의 균일도가 상대적으로 매우 높아 정선도가 높은 재료임을 알 수 있다(Figure 6C).
이상의 분석결과를 토대로 정밀한 입도 경향을 살펴보기 위하여 Folk, Robert L.이 제안한 기준에 따라 입도 분류를 실시하고 S(모래)-G(자갈)-M(미사+점토) 및 Z(미사)-S(모래)-C(점토) 삼각다이어그램에 도시하였다(Figure 6). 입도 분류에 따른 토성을 살펴보면 초벽층은 gmS 또는 gM 영역으로 자갈, 진흙, 모래가 혼합되어 있으며 자갈보다는 진흙 또는 모래가 우세한 토성을 나타내었다. 자갈을 제외한 토성은 zS, sZ, sM 영역으로 모래, 미사, 점토가 혼합되어 있으며 벽화별로 모래 또는 미사, 점토가 우세한 정도가 차이가 있는 토성을 보였다. 중벽층은 gmS, (g)sM, gM 영역으로 초벽층과 마찬가지로 자갈, 진흙, 모래가 혼합되어 있으며 자갈보다는 진흙, 모래의 비율이 우세한 토성을 나타내었다. 자갈을 제외한 토성은 초벽층과 동일한 토성을 보였다. 마감층은 대부분 mS 영역으로 구분되어 진흙과 모래가 혼합되어 있으며 대부분 모래비율이 우세한 토성을 나타내었다. 자갈을 제외한 토성은 zS 영역으로 모래와 미사가 주로 혼합되어 있으며 대부분 모래비율이 우세한 토성을 나타내었다.
3.2.2. 광물학적 특성
벽체 층위별 토양 시료의 구성광물 분석 결과, 벽체의 각 층위에서 석영(Quartz), 알칼리장석(Microcline), 고령석군 광물(Kaolinite), 운모군 광물(Muscovite, Illite), 사장 (Albite), 녹니석(Chlorite)이 공통적으로 검출되었다(Figure 7). 벽체 재료의 각 층위별 구성광물을 비교한 결과, 각 시료의 회절피크 강도에는 차이가 관찰되었으나 전반적으로 동일한 패턴을 나타내어 각 층위 조성에 광물 조성이 유사한 흙이 사용된 것으로 판단된다. 또한 층위별로 특정 광물 조성의 차별적인 특징은 확인되지 않았다.
3.2.3. 화학적 특성
벽체 층위별 토양 시료에 대한 주성분 원소의 함량 분석결과를 Table 5와 Figure 8에 나타내었다. 주성분 분석 결과, 벽화별 SiO2 함량은 61∼65% 이내로 중성 토양의 성질을 나타내는 것으로 확인되었다. 벽체 층위에 따른 주성분 원소 함량은 각 층위별 차이가 있으나 전반적으로 초벽층과 중벽층은 유사하며, 마감층은 차이가 나타나는 경향을 보였다. Figure 8에 도시한 주성분 원소 상관 관계도에서도 초벽층과 중벽층은 유사 그룹으로 확인되며, 마감층은 다른 그룹으로 도시는 것이 확인되었다. 일부 시료의 경우에는 중벽층이 마감층의 화학조성과 유사한 경향을 보이는 경우도 존재하였다(Figure 8B, C, F).
주성분 원소별 함량에서는 Al2O3,, Fe2O3, MnO, CaO, Na2O, K2O, P2O5 원소함량은 층위별 차이가 확인되었으나 MgO, TiO2는 층위별 차이가 거의 나타나지 않았다. 특히 마감층에서는 CaO, Na2O, P2O5의 함량이 초벽층과 중벽층 보다 상대적으로 높은 경향을 보였고, 초벽층과 중벽층에서는 Al2O3,, Fe2O3, MnO, K2O의 함량이 더 높게 나타는 경향이 나타났다. 이는 초벽층과 중벽층에 점토화가 더 많이 진행된 고운 흙의 비율이 높기 때문인 것으로 추정된다.
3.2.4. 섬유식별 및 유기물 함량
벽체 층위 중 초벽층과 중벽층에는 다양한 길이의 섬유가 확인된다(Figure 9). 이 섬유는 초벽층과 중벽층에서 모두 관찰되는데 식물 줄기의 형태를 띠며 마감층에서는 관찰되지 않는다. 노출된 벽체 측면을 통하여 약 5 cm 이상의 장섬유도 확인되지만 보통은 열화 되어 부서진 형태로 관찰되며 섬유 흔적만 벽체에 남아있는 경우가 대다수이다. 마감층에서는 가느다란 실 형태의 섬유가 관찰된다(Figure 10). 이 섬유는 다발로 뭉쳐 불균일하게 분포된 경우도 있고, 실 형태로 고르게 분포된 부분도 확인되었다. 마감층에서만 관찰되며 다량 포함되어 있어 육안으로도 쉽게 구분된다. 일부 수습된 섬유로 측정한 섬유길이는 13.41∼7.04 mm 범위로 나타났고, 평균 9.73 mm로 확인되었다. 단, 해당 길이는 일부 시편에 한하여 측정된 결과로, 수습된 시편의 섬유가 끓어져 있을 가능성이 높아 정확한 결과로 간주하기는 어렵다.
벽화별 초벽층 및 중벽층에 혼합된 섬유보강재에 대하여 실체현미경 관찰과 섬유 염색 후 광학현미경을 이용하여 특징을 관찰한 결과, 6점의 시료 모두 초본류의 표피세포가 관찰되며, 규소체의 형태가 벼 속 유형의 식물 규소체(Oryza-type silica body)로 관찰되었다. 따라서 본 섬유는 벼 속(Oryza) 섬유로 판단된다. 마감층에 혼합된 섬유 보강재에 대한 분석결과, 섬유표면에 종선과 횡단표시가 관찰되어 대마(hemp)섬유인 것으로 판단된다(Table 6).
벽체층에 혼합된 유기물 함량을 간접적으로 확인하기 위하여 과산화수소를 이용한 습식분해법으로 유기물의 함량을 분석하였다. 분석결과, 초벽층에서는 4.35%, 마감층은 2.3%의 중량 감소 변화가 확인되었다. 따라서 섬유 보강재를 포함한 유기물 함량은 초벽층 4.35%, 마감층은 2.3%으로 추정되었다.
4. 고찰
4.1. 부석사 조사당 벽화 벽체층의 구조적 특성
부석사 조사당 벽화의 벽체는 목재 골격을 중심으로 세 개의 층이 맞벽 구조로 형성되어 있으며, 골격 부분, 내벽, 외벽의 두께 비율이 거의 유사하게 형성되어 있다. 이러한 벽체 구조는 건물의 하중을 벽체 전체에 균등하게 분산시켜 균형을 유지하고, 구조적 안정성을 강화한 것으로 판단된다.
조사당 벽화 벽체 층위에는 중벽층이 확인되었으나, 초벽층과 층위 경계가 뚜렷하지 않은 특징을 보였다. 중벽층의 존재가 초벽층과 명확하게 구분되어 보고된 사례는 강진 무위사 극락전 내벽사면 벽화(Institute of Conservation of Paintings, Kokuk University, 2006), 안동 봉정사 대웅전 후불벽(Jeong and Han, 2008)의 15세기 벽화가 대표적이며, 17세기 이후에는 진도 쌍계사 대웅전 벽화(Lee at al., 2021), 보성 대원사 극락전 벽화(Yu and Lee, 2023) 등 일부 벽화 사례에서만 보고되고 있다. 반면, 마감층은 초벽층 및 중벽층과 구분이 뚜렷하며, 미립질의 균질한 재료로 균일한 두께로 형성되어 있다. 이러한 형태적 특성은 벽체의 층위별 단면 및 공극구조 분석결과를 통해서도 확인되었다.
층위별 공극률 분석결과, 초벽층의 평균 공극률은 2.10%로 나타나 벽체층이 치밀하고 밀도가 높게 제작된 구조임을 확인할 수 있었다. 이는 초벽층이 지지층의 기능을 수행하며, 이를 위해 다양한 분급의 입자로 치밀한 결합을 유도한 재료 배합이 이루어진 것으로 해석된다. 중벽층의 평균 공극률은 2.17%로 초벽층과 유사한 경향을 보여, 중벽층과 초벽층이 유사한 분급의 재료로 제작된 층위임을 알 수 있었다. 마감층의 공극률은 평균 4.17%로 초벽층과 중벽층에 비해 2배 이상의 높게 나타났다. 이는 마감층이 치밀한 구조 보다는 평활성, 균일성에 초점을 맞춘 균질한 입자로 구성되었기 때문인 것으로 추정된다. 즉, 평탄한 면을 제작하기 위한 미장 과정에서 발생된 공극과 균일한 입자 간의 공간 형성이 상대적으로 높은 공극률이 발생된 주요 원인으로 판단된다. 이러한 분석 결과는 각 층위의 공극률과 구조적 특성이 밀접한 연관이 있음을 보여준다. 초벽층은 기초 지지층으로 가장 두껍게 형성되어 있으며, 공극률이 낮고 내구성이 강화된 치밀한 구조로 형성되어 있다. 중벽층은 초벽층과 유사한 제작방식이 적용되어 초벽층을 보강하며, 마감층이 고르게 제작될 수 있도록 준비된 층으로 제작되었다. 마감층은 가장 큰 공극률을 보이는 특징을 나타냈으며 이는 벽면을 고르게 정선하기 위한 재료의 배합과 기술적 차이로 해석된다.
4.2. 부석사 조사당 벽화 벽체층의 재료적 특성
벽체층의 재료적 특성 분석 결과, 벽체층의 제작에는 주 구성 재료인 흙과 기능을 보완하기 위해 첨가된 섬유 보강재가 원료로 사용된 것으로 확인되었다.
흙의 광물학적 특성 분석결과, 초벽층, 중벽층, 마감층에서 석영(Quartz), 알칼리장석(Microcline), 고령석군 광물(Kaolinite), 운모군 광물(Muscovite, Illite), 사장석(Albite), 녹니석(Chlorite)이 동일하게 검출되었다. 이러한 결과는 흙의 주원료가 암석이 풍화되어 생성된 풍화토임을 지시하며, 이는 사찰벽화 제작 시 가장 많이 사용되는 황토의 조성 광물과 유사하다(Lee, 2013). 그리고 점토 광물을 비롯한 모래의 주성분인 석영의 결정상이 검출됨에 따라 점토와 모래를 혼합한 흙을 벽체 제작에 사용하였음을 알 수 있다. 흙의 화학 조성 분석 결과, 주성분으로 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3), 산화칼륨(K2O), 산화나트륨(Na2O), 산화칼슘(CaO) 등이 분석되었다. 벽화별 및 층위별 화학조성은 유사한 범위였으며, 층위별로는 산화나트륨(Na2O), 산화칼슘(CaO)의 함량이 마감층에서 높은 경향을 보이는 점 외에는 거의 동일하였다. 이러한 화학 조성은 광물 조성에서 확인된 석영, 장석, 운모군 광물 등을 구성하는 주성분으로 으로 알려져 있다. 특히, 벽체의 내구성과 강도를 유지하는 데 중요한 이산화규소(SiO2)가 평균 62%로 가장 높은 비율로 분석되었다. 산화철(Fe2O3)의 함량은 평균 4%로, 기존에 보고된 사찰벽화 벽체층에 함유된 산화철 함량인 6∼14% 보다 낮은 값으로 확인되었다(Kim et al., 2014; Lee et al., 2018; Yu et al., 2024). 이러한 결과는 부석사 조사당 벽화를 제 에 사용된 흙은 벽화별, 층위별로 광물학적⋅화학적 조성이 동일한 흙을 사용하되 정선의 과정을 통해 층위별로 재료의 배합비율을 조정한 것으로 판단된다.
위와 같은 추정은 층위별 입도 분석 결과로 확인되었다. 입도분석 결과, 층위별 입도 분포 특성은 각 층위의 기능적 역할에 적합한 입도 특성이 반영된 것으로 파악되었다. 초벽층은 중립사 이상 비율이 31.4.%, 세립사 이하 비율이 68.6%로, 다른 층위에 비해 중립사 이상의 비율과 자갈 비율(최대 19.73%)이 가장 높은 특징을 보였다. 이러한 굵은 입자와 미세입자의 균형은 벽체층의 강도와 결합력을 높여 벽체의 지지 구조로서 물리적 안정성과 내구성을 강화한 재료 배합이 반영된 것으로 보인다. 이러한 입도 비율은 고창 선운사 대웅전 벽화, 진도 쌍계사 대웅전 벽화, 보성 대원사 극락전 벽화에서도 확인되었다(Lee at al., 2021; Yu et al., 2023; Yu et al., 2024).
중벽층은 중립사 이상 비율이 23.5%, 세립사 이하 비율이 76.5%로, 초벽층보다 중립사 이상의 비율이 낮고, 세립사 이하의 비율이 높은 특징을 보였다. 이는 중벽층이 초벽층과 유사한 재료의 비율로 구조적 안정성을 제공하면서, 밀도가 더 강화된 재료임을 나타낸다. 즉, 자갈 함량의 감소와 미사 함량의 증가로 초벽층보다 치밀하고 균질한 구조를 형성하게 된 것으로 해석된다.
마감층은 중립사 이상 비율이 7.2%, 세립사 이하 비율이 92.8%로, 초벽층과 중벽층에 비해 중립사 비율이 가장 낮고, 세립사 이하의 비율이 매우 높은 특징을 보였다. 특히, 세립사와 극세립사의 비율에 집중되어있는 균질한 입자로 구성을 보이는데, 이는 정선과정을 통해 세립사와 극세립사의 비율을 높인 재료를 사용한 결과로 해석된다. 이와 같은 입도분포는 내구성보다는 표면의 평활성을 높여 고른 면을 조성하기 위한 의도가 반영된 것으로 추정된다. 이러한 마감층의 입도 유사한 비율이 보고된 사례는 고창 선운사 대웅전 후불벽화 외에는 없기 때문에 매우 독특한 입자 구성으로 볼 수 있다.
벽체에 혼합된 섬유보강재는 초벽층과 중벽층에는 짚섬유, 마감층에는 마섬유가 사용된 것으로 분석되었다. 섬유보강재는 벽체의 강도, 내구성, 유연성, 변형 저항성 등을 개선하는 중요한 역할을 하는 것으로 파악된다. 초벽층과 중벽층에 혼합된 짚섬유는 상대적으로 긴 길이와 높은 강도를 가진 섬유로, 벽체층의 내구성과 구조적 안정성을 강화하는 데 기여한 것으로 파악된다. 특히 짚섬유는 외부 충격이나 압력에 대한 유연성을 제공하며, 균 열방지와 수축 저항에 중요한 역할을 한다. 한편, 마감층의 입도특성은 점토의 비율이 낮고 모래와 미사의 비율이 높기 때문에 재료간의 결합력이 약하여 물리적 강도와 내구성이 취약할 수 있다. 이를 보완하기 위해 짚섬유보다 고운 마섬유를 혼합하여, 평활도를 유지하면서 결합력과 내구성을 개선한 것으로 판단된다.
이러한 분석 결과는 벽체 각 층에 사용된 섬유보강재가 기능적 역할과 물리적 특성을 고려하여 신중히 선택되었음을 보여준다. 이는 당시 벽체 제작 과정에서 각 층의 역할과 성능 요구 사항을 면밀히 고려하여 재료를 선택했음을 의미하며, 벽체 제작기술의 수준과 섬세함을 확인할 수 있는 중요한 근거로 해석된다.
5. 결 론
1. 부석사 조사당 벽화의 벽체층의 구조와 재료 특성에 대한 과학적 조사⋅분석을 통하여 벽체의 제작 특성을 파악하였다. 연구결과, 부석사 조사당 벽체는 초벽층, 중벽층, 마감층의 세 층이 맞벽의 구조로 형성되어 있으며, 벽체의 구조는 하중 분산 및 물리적 안정성을 고려한 설계가 반영되었다. 초벽층과 중벽층 간의 층위 구분은 명확하지 않으나 마감층은 뚜렷이 구분되며 층위별 두께는 벽화별로 큰 차이가 없었다. 초벽층과 중벽층은 분급이 다양한 입자들로 치밀하고 견고하게 제작되어 공극률이 낮은 특성을 보였으며(초벽층 2.10%, 중벽층 2.17%), 마감층은 미립질의 균질한 재료로 표면의 평활성과 균질성을 강조한 특성으로 공극률(4.70%)이 상대적으로 높게 나타난 구조적 특성을 보였다.
2. 벽체의 제작에 사용된 흙은 광물학적 및 화학적 특성이 유사한 흙을 각 층의 기능적 요구에 맞춰 배합 비율을 다르게 조정하여 사용한 것으로 판단된다. 벽화별, 층위별 흙의 광물조성은 석영(Quartz), 알칼리장석(Microcline), 고령석군 광물(Kaolinite), 운모군 광물(Muscovite, Illite), 사장석(Albite), 녹니석(Chlorite)이 동일하게 검출되었으며, 화학적 조성도 유사하게 확인되었다. 주성분 원소함량 중 산화나트륨(Na2O), 산화칼슘(CaO)의 함량만 마감층에서 상대적으로 높은 경향이 확인되었다.
3. 벽체의 층위별 재료의 입도분포 분석 결과, 초벽층은 평균입도 12.31%, 모래 41.60%, 미사 29.87%, 점토 16.23%로, 중벽층은 평균입도 5.96%, 모래 40.97%, 미사 35.66%, 점토 17.40%, 마감층은 평균 입도 모래 53.51%, 미사 38.577%, 점토 7.92%로 분석되었다. 초벽층과 중벽층은 비교적 굵은 입자와 미세 입자의 균형을 이루고 있어, 벽체의 물리적 안정성과 내구성을 강화하는 데 기여하였을 것으로 보인다. 마감층은 세립사와 극세립사의 비율이 높은 균질한 입도 분포를 나타내 표면의 평활성과 균일성이 뛰어난 특징을 보였다.
4. 벽체층에 혼합된 섬유보강재는 초벽층과 중벽층에 짚섬유가, 마감층에는 마섬유가 사용된 것으로 식별되었으며, 초벽층과 마감층의 유기물함량 분석결과, 초벽층은 섬유보강재를 포함한 유기물 함량이 4.35%, 마감층은 섬유보강재를 포함한 유기물 함량이 2.3%인 것으로 확인되었다.
본 연구를 통해 부석사 조사당 벽화의 벽체 제작 기술은 단순한 재료의 조합이 아니라, 각 층위의 기능적 역할과 보존성을 높인 최적화된 구조와 재료의 선택이 이루어졌음을 알 수 있었다. 이와 같은 연구 결과는 부석사 조사당 벽화의 보존⋅복원뿐만 아니라 벽화 보존분야에서 중요한 기준자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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