1. 서 론
종이 문화재 역시 다른 유기물 문화재와 같이 시간 경과에 따라 분자량이 감소하고 산화 반응이 진행된다.1-3) 이러한 노화 현상은 다양한 환경에 따라 그 진행 속도가 가속되거나 또는 완화되기도 한다.4-6) 따라서 종이 문화재를 보존하고 있는 기관에서는 해당 종이 유물의 노화가 최소화될 수 있는 최적 조건에서 보존하기 위해 노력하고 있다.
최적 환경에서 종이를 보존 및 관리하기 위해서는 해당 유물의 보존 상태에 대한 정확한 평가가 선행되어야 한다. 그러나 종이 문화재 특성상 원형의 훼손 없이 유물의 상태를 평가하는 비파괴적 분석 방법을 원칙으로 하기 때문에 분석에 있어 한계가 있다. 종이는 노화 진행에 따라 셀룰로오스 분자량이 감소하고 그 결과 종이의 기계적 강도에 직접적인 영향을 미치게 된다. 따라서 종이의 분자량 변화를 평가하는 것은 종이 노화 진행을 평가하는 가장 좋은 방법이지만,7-13) 비파괴적 방법으로 종이의 분자량 감소를 평가하는 것은 어렵다. 그러나 종이의 산화 현상의 경우, 셀룰로오스 수산기에 카르복실기와 카르보닐기 도입이 가장 전형적인 산화 현상으로2,3) 이 경우에는 종이의 변색을 수반하기 때문에 종이 유물의 훼손 없이 종이의 색 변화 측정만으로도 산화에 대한 간접적인 평가가 가능하다. 이러한 장점으로 인하여 종이의 색 측정은 현재 종이 문화재 유물 상태 조사에서 가장 기본적인 조사 방법으로 널리 활용되고 있다.14-16)
종이의 색을 평가하는 분석기기는 크게 두 가지로 분광광도계(spectrophotometer)와 색도계(colorimeter)이다. 두 계측기기 모두 약 400-700 nm의 가시광선 영역에서의 빛의 정보를 분석한다는 공통점이 있지만, 분광광도계의 경우 가시광선 영역대의 전 파장을 측정해서 색을 프로파일링하는 반면에 색도계의 경우 우리 눈의 원리와 비슷하게 red, green, blue와 관련 있는 필터를 사용하여 광범위한 가시광선의 파장을 단순화시켜 이것을 CIE나 Lab 수치로 전환시켜 준다. 따라서 다양한 파장의 정보를 해석하는 분광광도계와 비교해서 색도계는 일반적으로 그 정밀도가 떨어진다고 할 수 있다.17,18)
그럼에도 불구하고 종이 문화재 분석 분야에서 색도계 또한 활용되고 있는데, 이는 색도계가 과학기술의 발전 특히 센서와 필터 기술의 발전으로 분광광도계 못지않은 성능을 나타내고 있는 것도 하나의 이유지만, 무엇보다 문화재 특성상 분석을 위한 해당 유물의 반출에 제한이 있기 때문에 휴대성이 우수한 색도계를 선호하게 된다. 물론 휴대성뿐만 아니라 가격 측면에서도 분광광도계가 상대적으로 고가인 것도 하나의 이유가 될 수는 있다.
색도계는 종이 표면에서 반사되는 빛의 정보로부터 색을 측정하는데, 종이 문화재 보존 상태에 대한 정확한 진단을 위해서는 측정 기기의 정밀도와 정확도뿐만 아니라 종이 색 측정에 간섭하는 외부 환경을 최소화시키는 측정 환경 또한 중요하다. 현재 이러한 외부로부터의 간섭을 최소화하기 위하여 KS M ISO 5631-1, 2, 3에 종이 및 판지-확산 반사에 의한 색 측정 방법을 자세히 규정하고 있다. 그러나 종이 문화재는 공산품과 달리 유일한 것들이 많기 때문에 KS에서 규정하는 “발광률이 변화하지 않도록 최소 10장 이상의 시편으로 하나의 패드를 형성”해야 한다는 측정 규정을 만족시키기가 어렵다. 이런 문제에 대한 차선으로 1장의 종이 유물 뒤에 백색 또는 흑색판을 놓고 측정하게 된다. 이것은 결국 종이 자체의 색 정보가 아닌 종이와 배경판의 색 정보가 중첩되어 왜곡된 색 정보를 제공하게 되며, 이후 보존상태 모니터링을 위한 재측정 시 배경판에 따라 측정값 재현성에 문제를 발생시킬 수 있다.
본 연구에서는 일반적인 종이 제품과는 달리 종이 문화재 측정에서 발생할 수 있는 색 측정 오차를 개선시키고자 1차적으로 종이의 명도(L*) 측정값 개선을 중심으로 연구를 수행하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 각기 다른 명도 값을 가지는 배경판 위에서 각각의 종이 명도를 측정하고, 이들 간의 상관관계를 통하여 실제 종이 고유의 명도 값을 추정하고 이것이 표준시험방법에 따른 실제 값과 비교하여 얼마나 오차가 개선될 수 있는지를 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 재료
닥 인피섬유를 이용해 전통방식에 따라 제조된 한지와 Whatman no. 1(면 100%, 알파셀룰로오스 함량 98%이상) 종이를 실험에 사용하였다. 실험에 사용된 한지와 Whatman no. 1 종이의 기본적인 특성을 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Description of Whatman no. 1 cotton linter paper and traditional handmade paper, Hanji
| Whatman no. 1 | Hanji | ||
|---|---|---|---|
| Thickness (mm) | 0.17 | 0.15 | |
| Grammage (g/m2) | 83.9 | 46.2 | |
| Density (g/m3) | 0.48 | 0.31 | |
| Bulk (cm3/g) | 2.06 | 3.27 | |
| Opacity (%) | 77.8 | 84.9 | |
| Brightness (%) | 87.5 | 64.8 | |
| Color | L* | 100.0 | 90.5 |
| a* | 0.4 | 1.7 | |
| b* | 3.4 | 12.2 | |
종이의 가속 노화에는 100 mL Duran GL 45 premium bottle(Germany)과 PBT cap(PTFE coated silicone seal, Germany)을 사용하였으며, 명도 측정을 위한 배경판은 Kodak Gray Card Plus(USA)를 사용하였다(Fig. 1, Table 2).
3. 결과 및 고찰
3.1 표준 시험 조건에서 종이 명도(L*)
종이는 각기 다른 평량과 충전물을 함유하고 있기 때문에 만약 1장의 종이만을 가지고 종이 색을 측정한다면 섬유의 종류, 평량, 밀도, 충전물의 종류와 함량, 기타 제지용 첨가물 등 다양한 인자에 의해서 영향을 받게 될 것이다. 그러나 전통 한지의 경우 일반적으로 닥나무 인피섬유만을 이용해서 제조하기 때문에 현대 제지와 비교해서 그 조성이 단순하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 조성이 단순한 한지를 대상으로 연구하였으며, 대조구로 cotton linter로 제조한 Whatman no. 1과 비교하였다.
우선 상당수의 종이 문화재는 KS M ISO 5631에서 요구하는 “발광률이 변화하지 않도록 최소 10장 이상의 종이를 하나의 패드로 해서 측정”하도록 하는 규정을 만족시키기 어렵기 때문에, 종이 장수 변화에 따른 종이의 명도 변화를 먼저 탐색해 보았다. 각기 다른 명도의 배경판(백색, 회색, 흑색) 위에서 종이 명도 측정 시 종이 장수에 따른 변화를 Fig. 2에 정리하였다. 종이 1장의 명도 값은 한지의 경우 백색판 92.4, 회색판 81.3, 흑색판 80.2로 실제 명도 값 90.5보다 각각 +1.9, -9.2, -10.3 차이를 보였으며, Whatman no. 1의 경우 백색판 97.9, 회색판 91.3, 흑색판 90.9로 실제 명도 값 100.1보다 각각 –2.2, -8.8, -9.2 차이를 나타냈다. 이러한 차이는 여러 요인이 있을 수 있지만, 그중에서도 종이 명도 값이 얼마나 배경판 명도 값에 가까운가에 따라 그 차이가 나타나는 것으로 단순히 한지와 Whatman no. 1 간의 차이로 이야기할 수는 없다. 따라서 본 결과는 실제로 1장만 측정 시 이와 같은 오차가 발생할 수 있다는 의미이며, 노화되지 않은 높은 명도 값을 가지는 종이의 경우 백색판에서 가장 오차가 작을 수 있지만, 종이 노화가 진행되면서 명도 값이 낮아지면 오히려 백색판에서 오차값이 커질 수 있음을 나타낸다.
Fig. 2.
Lightness change of Hanji (left) and Whatman no. 1 paper (right) according to the number of sheets into a pad on each base plate (white, gray, black).
종이 장수에 따른 명도 값은 한지의 경우 6장(평량 46.2 g/m2×6장=277.2 g/m2), Whatman no. 1의 경우 8장(평량 83.9 g/m2×8장=671.2 g/m2) 이상이면 배경판에 상관없이 종이 고유 명도 값에 근접한 것을 확인할 수 있었다. Whatman no. 1이 한지와 비교 시 대략 2배 정도 높은 평량을 가지고 있음에도 불구하고 명도 측정 시 더 많은 장수의 종이가 필요하였다. 이는 단순히 평량만의 문제가 아니라 섬유 고유의 광학적 특성과 지층 구조 등이 보다 중요한 인자로 작용할 수 있다는 것을 의미한다.
3.2 비표준 시험 조건에서의 명도(L*) 평가
1장의 종이만으로 명도 값을 측정해야 되는 경우는 종이 문화재 조사에서 흔히 있을 수 있는 일이다. 따라서 이를 비교하기 위하여 본 연구에서는 명도 값 90.5의 한지와 100.1의 Whatman no. 1을 가속 노화시켜 50-100 범위의 명도 값을 가지는 시료를 제조한 후, 한 장의 종이만으로 명도 값을 측정하여 표준시험방법에 따라 측정된 명도 값과의 차이를 비교하였다. Figs. 3과 4에 표준 시험방법에 따라 측정된 명도 값과 비표준 조건인 1장의 종이를 각기 다른 배경판에 놓고 측정 시 명도 값의 변화와 오차를 각각 나타냈다. 그 결과 Whatman no. 1은 각각 최대 Δ1.8(백색), Δ8.7(회색), Δ9.1(흑색), 한지는 각각 최대 Δ2.5(백색), Δ8.4(회색), Δ9.3(흑색)으로 배경판 명도에 따른 오차는 흑색판에서 가장 크게 나타났으며 백색판에서 그 오차가 가장 작았다. 본 연구에서는 대부분의 노화 시료가 명도값 50 이상인 반면 흑색판의 명도값은 19.3으로 두 값 간의 차이에 기인하여 오차가 크게 나타났으나, 만약 흑색판에 근접하는 명도 값 50 이하의 시료 측정 시에는 종이 명도 값이 흑색판에 근접할수록 오차가 감소할 것이다. 이와 같은 오차는 실제 종이의 명도 값과 배경판의 명도 값의 차이에 비례하였다. 따라서 비표준 조건에서 종이 명도를 측정하는 최선의 방법은 종이와 같은 명도 값을 가지는 배경판을 사용하는 것이다. 그러나 현실적으로 종이와 ±0.1 범위 이내의 같은 명도 값을 가지는 백여 장 이상의 배경판 제작 및 매번 이에 맞게 측정하는 것 자체가 쉽지 않으며, 실제 종이 문화재의 경우 정확한 명도 값을 모르기 때문에 이와 일치하는 명도 값을 가지는 배경판을 선택하는 데 현실적인 어려움이 있다.
Fig. 3.
Comparison of paper lightness (L*) between a pad (10 sheets, standard test condition) and a sheet (non-standard test condition) on base plate with different lightness (left: Hanji, right: Whatman no. 1).
Fig. 4.
Error range of lightness measured under a sheet (non-standard test condition) on base plate with different lightness (left: Hanji, right: Whatman no. 1).
지종별로 보면, 두 지종 모두 표준 조건에서의 명도 값과 차이를 나타냈으며 대부분의 노화 시료의 오차는 Whatman no. 1 종이보다 한지에서 더 크게 나타났다. 그리고 두 지종 모두 노화가 진행되어 명도 값이 낮아질수록 오차는 감소하였다. 이러한 오차 감소는 배경판에서 반사된 빛의 양이 줄어들어 그만큼 종이 명도 값에 대한 간섭이 줄어든 것을 의미한다. 따라서 이를 확인하기 위하여 종이 불투명도를 측정하였다(Figs. 5-6). 종이 명도 값과 불투명도는 상호 간에 직접 연관되는 성질은 아니지만, 본 연구에 사용된 시료의 경우 앞서 서술한 바와 같이 종이의 명도 값은 약 50-100 범위였으며, 불투명도 값은 대략 15-60% 정도의 범위 안에 있었다. 본 실험의 경우 종이가 노화됨에 따라 명도 값은 감소하였으며 종이 불투명도는 증가하였다.
Fig. 5.
Correlation between opacity and lightness of aged paper with different lightness (left: Hanji, right: Whatman no. 1).
Fig. 6.
Correlation between opacity and error range of lightness measured under a sheet (non-standard condition) on base plate with different lightness (left: Hanji, right: Whatman no. 1).
지종에 관계없이 불투명도 30% 이상부터 오차가 급격히 감소하였으며, 불투명도 50% 이상에서는 상대적으로 오차가 큰 흑색판의 경우에도 최대 Δ0.9(백색판의 경우 Δ0.3)를 넘지 않았다. 이는 기기 자체 측정 오차 Δ0.1에 근접한 값으로 종이 문화재 명도 측정 시 불투명도 50% 이상의 종이의 경우 표준매수 조건을 만족시키지 못하더라도 백색판 사용만으로도 오차 범위 Δ0.3 이내에서 측정이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 불투명도 30-50% 범위의 종이의 경우에도 최대 오차는 각각 백색판 Δ1.1, 회색판 Δ1.6, 흑색판 Δ1.8로 나타났다.
문제는 모든 지류 문화재가 불투명도가 50% 이상, 적어도 30% 이상은 되어야 그 측정값의 신뢰성을 가질 수 있는데 실제로는 이러한 불투명도 범위 밖에 있는 종이 문화재도 있을 수 있다. 따라서 위의 조건을 만족시키지 못하는 종이 문화재의 경우 이러한 오차를 어떻게 줄일 것인지를 연구하였다.
기본 원리는 1장의 시료를 가지고 종이의 명도 값 측정 시 배경판에 의해서 간섭이 발생할 수밖에 없으며, 그 간섭 정도는 각각의 배경판과 종이의 명도 차이에 의존할 것이다. 본 연구에서는 3개의 각기 다른 배경판에서 종이의 명도를 측정하고 이들 간의 관계를 통하여 표준 조건에서의 종이 명도 값을 추정하였다.
우선 각각의 명도를 가지는 배경판을 이용해서 측정된 값과 표준방법에 따라 측정된 명도 값과의 오차 변화로부터 Fig. 7과 같은 관계식을 도출하였다. 물론 이 관계식이 모든 한지와 cotton linter 종이에 통용되는 식은 아니며, 본 연구에서는 이러한 명도 값의 오차가 보정 가능한지의 여부를 타진하기 위한 측면에서 접근하였다.
Fig. 7.
Exponential plots of the lightness values of a sheet (non-standard test condition) on each base plate with different lightness (left: Hanji, right: Whatman no. 1).
따라서 각각의 배경판으로부터 측정된 명도 값으로부터 개별 식을 적용하여 명도 값의 오차를 계산하면, 한지의 경우 최대 오차가 백색판 Δ0.5, 회색판 Δ1.1, 흑색판 Δ1.0이며, Whatman no. 1의 경우 최대 오차가 백색판 Δ1.0, 회색판 Δ0.5, 흑색판 Δ0.6으로 실제 명도 값에 상당히 근접하게 개선된 것을 확인할 수 있었다. 그러나 이 경우에도 역시 종이 명도 값과 배경판의 명도 값 차이가 증가할수록 오차 역시 같이 증가하는 한계가 있었다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 각각의 표준판에서 측정된 3개의 관계식(Fig. 7)을 종합하여 Eqs. 1-2와같이 하나의 식으로 각각 통합하였다. 그 결과 각각의 명도 값을 가지는 배경판의 관계식 사용 시 종이와 배경판과의 명도 값 차이만큼 오차가 증가하였으나, 이 경우에는 백색, 회색, 흑색판에서 측정된 모든 값을 종합적으로 반영하기 때문에 전 범위에 걸쳐 명도 값 오차가 개선되었다(Fig. 8). 표준 방법에 따라 측정된 명도 값과 비표준 조건에서 측정된 명도 값을 Eqs. 1-2로부터 보정 후 비교한 결과 한지의 경우 최대 오차가 Δ0.8, Whatman no. 1 종이 Δ0.7로 개선되었으며, 한지와 Whatman no. 1 종이 평균 오차도 Δ0.4, Δ0.3 이하 수준으로 개선이 가능하였다.
Fig. 8.
The estimated lightness values based on a sheet lightness (non-standard test condition) on three different lightness base plates (left : Hanji, right: Whatman no. 1).
만약 측정하고자 하는 종이의 명도 값이 회색판과 백색판의 명도 값 사이에 있으면 흑색판 위에서의 측정없이 백색과 회색판의 사용만으로도 오차 개선이 가능할 것으로 사료되며, 만약 시료의 명도 값이 회색판 보다 작은 값이면 이때는 흑색판을 추가하는 것이 오차 개선에 도움이 될 수 있을 것으로 사료된다. 물론 이와 같은 시도는 본 연구에 사용된 한지와 Whatman no. 1 종이에 한정된 연구 결과지만 이후 다양한 지종을 대상으로 추가 연구를 수행하면 보다 보편적인 보정 방법을 찾을 수 있을 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구는 종이 문화재의 색 측정 시 배경판에 의한 색 변화가 발생되지 않기 위해 여러 장의 종이를 하나의 패드로 구성해서 측정해야 되는 표준 측정 조건을 만족시키지 못하는 종이 문화재의 색 측정 방법에 대한 연구로써 이번 연구에서는 1차적으로 종이 명도 측정에 대해서 탐색해 보았다.
백색, 회색, 흑색의 각기 다른 명도 값을 가지는 배경판 위에서 종이의 명도 값을 측정한 결과 종이 명도 값과 배경판의 명도 값의 차이가 클수록 두 값 사이의 오차가 증가하였다. 또한 종이의 불투명도가 30% 이상일 경우 오차가 급격히 감소하였으며, 50% 이상의 경우에는 종이 한 장의 측정만으로도 표준 시험조건과 같은 명도 값을 얻을 수 있었다. 불투명도가 30% 이하일 경우에는 종이 명도 값과 같은 명도를 가지는 배경판을 사용하면 실제 표준 시험 방법에 따라 측정된 명도 값과 가장 유사한 명도 값을 얻을 수 있었다. 그러나 이런 방법은 현실적으로 적용하기 어려우며, 이에 대한 대안으로 각기 다른 명도 값을 가지는 백색(L*=97.6), 회색(L*=46.0), 흑색(L*=19.3) 세 개의 배경판을 이용하여 종이의 명도값을 보정하였다. 기존의 다양한 명도 값으로 조절된 노화 한지의 경우 명도 값의 최대 오차가 백색, 회색, 흑색판이 각각 Δ2.5, Δ8.4, Δ9.3이었으나, 세 개 배경판에서 측정된 값을 종합함에 따라 최대 오차가 Δ0.8로 개선되었다.
본 연구에서는 1종의 순수 닥인피섬유 한지와 cotton linter 종이를 대상으로 한 결과로 지종에 따라 영향을 받을 수밖에 없다. 따라서 이후 연구에서는 평량과 밀도, 닥 인피섬유의 원료 및 펄핑 방법 등 제조 방식에 따른 영향에 대한 연구가 필요하며, 이를 통해 보다 보편적인 보정 방법 도출이 가능할 것으로 사료된다. 비록 지종에 따라 종이 명도 측정에 있어 개선되는 오차에는 차이가 있을 것으로 사료되나, 본 연구방법을 적용하면 궁극적으로는 기존의 측정 방법보다는 좀 더 실제 값에 근접할 것으로 사료된다. 또한 종이의 a*+(빨강), a*-(초록) 및 b*+(노랑), b*-(파랑) 등의 색도 측정 보정에도 같은 방식으로 적용이 가능할 것으로 사료된다.
