Restoration of Joseon's Mortar Used During the Japanese Invasion of Korea in 1592

임진왜란 당시 조선 화포(중완구) 문화재복원

Abstract

The purpose of this research is to study the excellence and originality of the Joseon artillery(Jungwan-gu) through an effective restoration. Jungwan-gu that was used during the Japanese Invasion of Korea in 1592 was able to maintain its maritime dominance based on cutting-edge technology of its time. Joeson artillery(Jungwan-gu) was used in major naval/land battles during the Japanese Invasion of Korea in 1592 and is an important cultural heritage that provides a glimpse into Joeson people's will to defend the nation from foreign invasion. For further historical verification such as operational method of Jungwan-gu, extensive research in various fields including size, proportions, structure, materials, and casting method were required. Accordingly, for a more effective research on Jungwan-gu, cutting-edge technologies such as 3D scanning and 3D printing were utilized. Firstly, 3D scanning, modeling, and printing technology were applied to identify the morphological characteristics of Jungwan-gu. Through this, we were able to reach our research objective of identifying the size, internal structure, and proportionality of Jungwan-gu. In addition, by studying the form, operation, casting methods, and other characteristics, the restoration of Jungwan-gu provided us with an important opportunity to verify the dominance and originality of the Joeson era's science and technology during the Japanese Invasion of 1592. This reaserch subject participated in the "4th 3D printing BIZCON Contest" and won the Minister Prize of Science and Technology Information and Communication.

본 연구의 목적은 임진왜란 당시 사용된 조선화포 중완구에 대한 효과적인 복원을 통해 동시대 최고의 기술을 기반으로 해양 우세권을 유지할 수 있었던 조선시대 화포(중완구)의 우수성과 독창성을 확인하는 것이다. 조선화포 중완구는 임진왜란 당시 해·육상 주요 전장에서 사용되었던 화포로서 외세의 침략으로부터 국가를 수호하고자 하는 우리민족의 호국의지를 엿볼 수 있는 중요한 문화유산이며, 운용방법 등 역사적인 고증을 위해 크기, 비례, 구조, 재료 및 주조방법 등 다양한 분야에 대한 많은 연구가 필요하다. 이에 따라 중완구의 효과적인 연구를 위해 3차원 스캐닝 및 3D 프린팅 등 최신 IT 기술을 활용하는 것으로 먼저, 조선화포 중완구에 대한 형태적 특징을 파악하기 위하여 훼손된 중완구에 대한 3차원 스캐닝과 3차원 모델링, 3D 프린팅 기술을 이용한 문화재복원을 수행하였다. 이를 통해 본 연구에서 얻고자 하는 조선화포 중완구의 크기, 내부구조, 비례 등을 확인할 수 있었다. 또한 전장에서 훼손된 조선화포 중완구에 대한 복원을 통해 형태적, 운영방법, 주조방법 등을 파악함으로써 임진왜란 시기 조선 과학기술력의 우수성과 독창성을 확인할 수 있는 중요한 계기가 마련되었다. 본 연구는 "제4회 3D프린팅 BIZCON 경진대회"에 참가하여 대상인 과학기술부정보통신부 장관상을 수상한 주제이다.

I. 서론

조선 화포 중완구는 임진왜란 당시 조선 수군에서 주력으로 사용했던 화포이다. 중완구는 원형의 돌이나 비격진천뢰 등 구 형태의 발사체로 화약을 이용하여 원거리의 적에게 투척하는 완구형태의 화포 중 하나로서 정확도 보다는 대형의 발사체를 적 인근이나 함선의 갑판 등에 충돌시켜 대량살상이나 기선을 잡는 목적으로 사용된 무기이다[1].

사료에 따르면 우리나라에서는 고려 말부터 화약을 전쟁무기로 운영하였음을 알 수 있다. 고려 우왕시기에 화통도감(火㷁都監)이 설치되었으며, 창왕시기에는 화기감(火器監)으로 개칭되었다. 조선 건국이후에는 군기 감(軍器監)이 설치되면서 화약을 이용한 무기가 개발되었다. 특히 세종대왕 때는 화포를 개량하고 화기의 성능을 담보하기 위해 표준화·규격화를 실시하고 총통등록(銃筒謄錄)을 완성하는 등 화포의 제작 및 운영과 관련된 기술이 집대성 되었다. 이를 통해 임진왜란 시기에는 고려를 거처 조선에 이르는 화포 제조기술이 집약 되어 독창적이고 우수한 조선화포가 개발되었다[2][3].

본 연구에서 복원에 활용된 조선 화포 중완구는 둥글게 깎은 34근짜리 단석 또는 비격진천뢰를 사용하였으며 사거리는 500보이다.

임진왜란 당시 완구를 사용한 기록은 다음과 같다.

『宣祖實錄』卷96,宣祖31年1月丁亥.

本月二十二日夜 大軍齊發 副總最先行 (中略)二十四日 黎明 進薄城下 各樣火砲俱發 轟天震地 烟焰沸空 城中倭 屋 一時火起 北風大起 風火所被 賊衆披靡 走入土窟 諸軍 陷城 進攻土窟 土窟重重石築堅險無比 不得攻破 試放大碗 口 則山坂峻高 砲石有礙 不能直衝 終日不拔云. 

“본월 22일 밤에 대군이 일제히 출동하였는데, 이(李) 부총이 선봉으로 나아갔습니다.(중략) 24일 새벽녘에 성 아래로 진격해 다가가서 여러 종류의 화포를 한꺼번에 발사하니, 그 소리가 천지를 진동하고 연기와 불꽃이 허공에 솟구쳤습니다. 성안에 있는 왜적들의 집에서는 일시에 불길이 치솟았고 북풍이 크게 불어 불길이 덮치자 적의 무리 들이 우왕좌왕하면서 토굴 속으로 도망쳐 들어갔습니다. 모든 군사가 성을 함락시키고 진격 하여 토굴을 공격했으나 토굴이 겹겹으로 되어 있고 석 축(石築)이 견고하여 험하기가 비길데가 없어 격파하지 못했습니다. 시험 삼아 대완구를 쏘아보았으나 산비탈이 가파르고 높아서 포석이 장애를 받아 곧바로 쏠 수 없어서 종일토록 함락시키지 못했습니다.”이를 통해 완구계열의 화포를 임진왜란 당시 왜적을 물리치는데 사용하였으며, 그 위력을 확인할 수 있다.

중완구는 1590여년경 청동으로 주조된 완구계열의 화포로서 경상남도 하동 및 통영 앞 바다에서 발굴된 것으로 보아 해·육상 전장에서 다양하게 사용된 것으로 추정된다. 현재까지 임진왜란 당시 중완구를 사용한 직접적인 사례는 기록되어 있지 않지만 1635년 발간된 화포식언해(火砲式諺解), 1694년 편찬된 강화도지리지 (江華島地理志) 및 일성록(日省錄) 등에 사용기록이 남아 있는 점에서 당시 전장에서 중완구가 활발히 사용되었음을 추정할 수 있다[4][5].

본 연구에서는 전장에서 사용된 훼손 중완구에 대한 원형복원을 목적으로 한다. 그리고 원형복원 된 중완구에 대한 크기, 비례, 구조를 파악하여 형태적으로 다른 완구와의 형태적 특징과 그 주조방법을 유추하고, 또한 중완구 복원과정에서의 구조분석 및 복원된 중완구에 대한 역설계를 통해 당시 조선수군의 화포운용방법 등을 확인할 수 있는 방법을 제시하였다.

중완구는 그 형태적 특징뿐만 아니라 무기로써 조화포의 독창성과 우수성을 확인할 수 있는 중요한 문화유산이다. 따라서 본 연구를 통하여 과거 우리 조상의 국가 수호의지와 조선의 독창성을 파악하고, 조선 화포의 우수성을 재확인하고자 한다.

II. 관련연구 검토

1. 관련연구 및 사례

문화유산 분야에서 3차원 스캐닝과 3D 프린팅을 활용한 문화재 모델링 DB(데이터베이스) 구축 및 복원은 다양한 방법으로 연구 및 활용되고 있다. 모델링 DB 구축분야에는 문화재에 각자된 글자(금석문)의 정보를 3D 스캐닝 후 분석함으로써 훼손된 글자를 판독하는 연구가 있으며, 복원 분야는 3차원 스캐닝&모델링, X-선 투과촬영을 통해 비격진천뢰의 원형을 파악하여 3D 프린터를 활용·복원한 연구 사례가 있다.

특히 비격진천뢰에 대한 연구는 3차원 스캐닝과 방사선 투과촬영을 함께 수행하여 표면부터 내부에 대한 정보를 획득하였으며, 3D 프린터를 이용하여 원형에 대한 형태를 재현한 연구이다.

기존에는 비격진천뢰의 내부구조를 파악하기 위해 대상 문화재를 절단해야 했기 때문에 문화유산의 특성상 내부구조파악이 어려웠다. 하지만 X-선 투과촬영을 사용함으로써 비격진천뢰에 대한 내부구조 확인이 가능해졌다. 이를 통해 외부입체정보와 내부 입체정보를 조합하여 비격진천뢰의 원형형태를 디지털 구현할 수 있었으며, 디지털 자료를 통하여 3D 프린터로 원형을 재현하였다[6].

3차원 스캐닝, 역설계 및 3D 프린팅 기술은 문화재를 복원하는 영역에 있어서 아주 유용하며, 특히, 문화 재청에서는 서울 북한산 신라 진흥왕 순수비, 성덕대왕 신종, 도기 기마인물형 뿔잔 등을 3D 프린팅 자료로 구축하는 등 관련기술을 문화재 복원에 적극 활용하고 있다.

3차원 스캐닝 및 3D 프린팅은 [그림 1]과 같이 문화 유산 뿐 아니라 다양한 산업분야에서 적용되고 있으며, 본 연구와 연관된 현대 국방 분야에서도 다양하게 적용되고 있다[7][8].

그림 1. 3D 프린팅 산업활용분야

국방 분야에서의 3D 프린팅 업무의 적용은 '15년 6월 국방부 창조 국방 추진과제로 선정되면서 시작되었다. 국방부는 3D 프린팅을 활용한 국방 부품 제조 자립화를 목표로 각 군으로부터 부품제작 수요를 도출하고 이를 3D 프린팅으로 제작 후 인증을 거쳐 조달하고 이 과정을 데이터베이스화하는 것을 추진전략으로 수립하였다.

이에 따라 '16년부터 미래부와 협업하에 워터젯 추진기 임펠러 등 4종에 대한 시범적용을 시작으로 현재는 일부 부품에 대한 제작지원을 실시하고 있다.

표 1. 각 군 부품제작지원 현황('18년 기준)

3차원 스캐닝 및 3D 프린팅 기술의 국방분야에의 적용은 외국에서 더욱더 활발하다. 미군은 각 함정 마다 3D 프린터를 탑재하여 함정 승조원이 필요한 부품을 적시에 생산하여 함정 작전능력을 보장하는 것을 목표로 하고 있는데, 군사업체 록히드마틴사는 미사일 구성품을 3D 프린팅하여 트라이던트Ⅱ D5 미사일 발사를 성공하였고, 일부 함정에 3D 프린터를 설치하여 실제 절감되는 비용을 분석 및 프린터의 성능측정 방법에 대한 지침을 마련하는 중이다.

미 해병대에서는 '16년 스틸 나이트 훈련중 8일 동안 경장갑차의 M242 25mm포 부품을 포함하여 긴급장비 부품 32점을 생산하였다. 그 외 국가들이 3D 프린팅을 이용한 사례는 많다.

영국에서는 무게 3kg, 기체 폭 약 1.5m, 순항속도 50노트인 거의 소리없는 무인항공기를 레이저 소결 방식의 3D 프린터로 제작하였고, 러시아는 정찰과 감시 임무수행을 위해 무인기 제작을 위한 3D 프린터를 탑재하고 있으며, 중국 해군은 함정에 설치된 3D 프린터를 이용해 구축함 휠기어, 엔진 베어링을 생산하여 성공적으로 교체하였다[9].

Ⅲ. 연구개요

1. 연구범위

임진왜란 당시 훼손된 조선화포 중완구의 크기, 비례 및 구조 등을 파악하기 위해서는 먼저 현재의 훼손상태를 정확하고 정밀하게 측정해야 한다.

본 연구에서는 중완구에 대한 정확한 정보값을 고려하여 고해상도 3차원 스캐닝 기술을 적용하였다.

3차원 스캐닝 기술은 특정 대상에 대하여 비접촉 방식의 광학측정방법을 적용하여 미크론 단위의 정밀도를 갖고 측정이 이루어진다. 또한 훼손 중완구의 원형 복원을 위해 3차원 모델링 및 역설계 기술을 적용, 훼손영역과 비훼손 영역을 이용한 디지털 원형복원이 이루어진다. 디지털 원형복원이 완료되면 이를 전제로 3D 프린팅 기술을 적용, 중완구 원형을 제작한다.

3차원 스캐닝 기술과 3D 프린팅은 훼손된 중완구의 형태복원에 최적화된 기술이다. 특히 3차원 스캐닝한 값의 위치정보를 분석함으로써 자연적인 손상과 외부의 충격에 의한 손상의 차이를 적용한 복원 모델링을 실시하므로 그 정확도를 더욱 높일 수 있다.

중완구에 대한 원형 복원을 통해 중완구에 대한 형태적 특징인 크기, 비례, 구조 등을 파악할 수 있으며, 특히 화포에 대한 운용방법을 확인할 수 있는 중요한 연구방법이다. 발굴된 문화재 원본과 복원된 화포를 비교 /분석함으로써 화포의 결손부위 및 훼손 원인을 밝히는데 중요한 연구자료가 된다. 또한 중완구의 손잡이와 전체 크기의 균형을 고려하여 당시 효과적인 무기운용에 대한 방법을 유추할 수 있다.

이외에도, 3D 모델링된 중완구의 DB 자료를 기준으로 사료 참고 등 다양한 고증자료 들을 적용하여 역설계함으로써 당시 사용되던 중완구와 동일한 제원 및 재질로 복원·제작이 가능하며 이를 활용하면 당시 무기운용에 대한 방법, 화포 발사각, 부속기구 및 중량 등을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다.

2. 연구내용

임진왜란 당시 조선 화포(중완구) 문화재복원을 위한 연구내용은 다음과 같다.

첫 번째 단계는 자료수집이다.

조선 화포 중완구에 대한 우수성과 독창성을 파악하기 위해서는 조선 화포 기술 관련 국내·외 연구자료를 수집 및 분석하는 것이 매우 중요하다. 따라서 조선 화포 및 화약에 대한 자료를 수집하고 수집된 자료에 대한 분석을 통해 임진왜란 당시 제작된 화포에 대한 형태 및 원리, 무기의 성능 등을 파악을 하여 발굴 당시 파손부위가 많은 중완구의 원형 복원을 위한 기초자료로 활용하였다.

두 번째 단계는 훼손 중완구에 대한 정밀실측이다.

연구 대상인 조선화포 중완구는 임진왜란 당시 화약이나 여러 가지 원인에 의하여 뒷부분이 파괴되어 형태가 남아있지 않다. 또한 훼손 이음새마저 부식이 심하게 이루어졌다. 따라서 현재 중완구의 상태를 가장 정확하게 파악하기 위하여 고해상도 3차원 스캐닝을 수행하였다.

세 번째 단계에서는 정밀실측 된 DB 및 수집된 자료를 활용, 역설계를 통해 파손부위를 유추함으로써 중완구 완형 복원을 위한 모델링을 실시하였다. 이때 스캐닝 된 중완구 표면 요철의 위치값을 분석하여 완형 복원을 위한 모델링 DB의 정확도를 향상시켰다.

네 번째 단계에서는 모델링 자료를 활용 3D 프린터로 중완구를 복원하였다. 복원 시 정밀도를 향상시키기 위한 최적의 프린팅 방식을 선정 및 표면처리를 통해 문화재 복원품으로서의 가치를 향상시켰다.

마지막 단계에서는 지금까지의 단계별 연구과정을 통해 복원된 중완구를 문화재 연구적인 측면에서 어떻게 활용 할 수 있는가에 대하여 기술하였다. 발굴된 문화재는 파손 및 부식, 완형형태 발굴 제한 등 여러 가지 문제가 있지만, 3차원 스캐닝과 3D 프린팅 기술을 활용해 복원한 문화재는 이러한 문제점을 해결 할 수 있기 때문에 문화재 연구에 보다 효과적이다.

IV. 연구방법

1. 중완구 문화재복원 프로세스

중완구 문화재복원 기술은 훼손된 중완구 유물 및 기타 다양한 문화유산에 대한 IT 및 분석기반 기술을 적용하고 대상체가 갖고 있는 입체적 정보를 바탕으로 문화재복원이 이루어진다.

[그림 2]는 훼손된 중완구에 대한 문화재복원을 위한 구축 프로세스이다. 작업 구분은 크게 3차원 스캐닝과 3차원 모델링 및 역설계, 3D 프린팅으로 구분한다. ①3 차원 스캐닝 단계에서는 훼손 화포에 대한 3차원 스캐닝을 통해 형태를 분석하고 비훼손 부분에 대한 스캐닝 결과를 기반으로 복원자료 설계를 한다.

그림 2. 훼손 중완구 문화재복원 프로세스

3차원 스캐닝 단계에서 확보된 입체데이터는 ②모델링 및 역설계 단계에서 데이터에 대한 구분 및 분류, 역설계 작업을 수행하여 중완구 원형 입체데이터를 확보 한다. ③3D 프린팅은 중완구 원형 입체 3차원 데이터를 기반으로 적층형 SLA타입의 3D 프린팅을 이용하여 1:1크기의 중완구 원형을 제작한다.

비금속계열의 3D 프린팅은 [그림 4]에서처럼 다양한 방식이 활용되고 있으나, 본 연구에서는 문화재 복원시 요구되는 정밀도, 도색 등 후처리의 용이성을 고려 SLA 타입의 3D 프린터를 활용하였다[10].

표 2. 주요 비금속 3D 프린팅 제조 방식

2. 3차원 스캐닝

본 연구에서는 중완구의 형태적 특징을 정확하게 측정하기 위해 3차원 스캐닝 기술을 적용한다. 3차원 스캐닝 기술은 중완구 표면에 대한 3차원 데이터를 추출하여 전체 형태에 대한 데이터 분석을 제시한다. 훼손된 중완구는 3차원 데이터를 기반으로 하며 비훼손 영역을 복원에 적용하기 위해 훼손 입체정보와 비훼손 입체정보를 수치적으로 구분한다.

[그림 3]은 3차원 스캐닝 기술 분류[11]를 설명하고 있다. 3차원 스캐닝은 크게 접촉식 스캐닝과 비 접촉식 스캐닝 기술로 이루어진다. 중완구의 형태정보를 파악 하기 위해서는 표면에 2차적 훼손을 일으키지 않는 비접촉(Non-Contact)방식의 3차원 스캐닝 기술이 필요 하다. 비 접촉식 방식의 3차원 스캐닝 기술은 복원을 위해 표면에 대한 수작업조사 중 야기할 수 있는 접촉에 의한 문화재의 2차적 훼손(毁損) 이라는 문제점을 극복 가능하며 한 번에 다수의 3차원 좌표를 갖는 입체정보 취득이 가능하다. 이러한 특징으로 인해 문화재청은 문화유산에 대한 입체정보 확보 시 조사과정 중 문화재 훼손(毁損) 방지를 위해 비 접촉 기술을 이용하여 측정할 것을 규정 및 권고하고 있다.

그림 3. 3차원 스캐닝 기술 분류

현재 문화재청에서 제시된 데이터 제작 처리지침을 살펴보면 3차원 스캐너는 광학(optical)방식의 광삼각 (optical triangulation) 스캐너와 Time of Flight방식의 광대역 3차원 스캐너 적용을 기술하였으며, 대상 문화재의 특성에 따라 포인트 간격 및 정밀도를 구분 제시하고 있다[12].

본 연구에서는 데이터의 정밀도와 훼손부위의 세밀한 정보를 취득하기 위하여 광삼각 측정방식의 3차원 스캐너를 적용하였다. 본 연구에 적용한 광삼각 측정 방식은 크게 두 가지로 구분하는데 광원을 조사하여 대상체 정보를 취득하는 프린지 프로젝션(Fringe Projection) 타입과 레이저를 분사하여 대상체 정보를 취득하는 광삼각(optical triangulation) 레이저 측정 타입 등 이다.

[그림 4]의 Fringe Projection 타입의 3차원 스캐너는 광원, 조사렌즈, CCD(charge coupled device)카메라로 구성되어 있다[13].

그림 4. Fringe Projection 측정방식

[그림 5]의 광삼각(optical triangulation) 레이저 측정방식은 Fringe Projection방법과 유사하지만 대상체에 대하여 형상 정보와 위치 정보를 획득하기 위해빛 대신 레이저를 조사하여 CCD 카메라가 인식하는 차이점이 있다.

[그림 5]의 측정 원리는 레이저 빛을 이용한 삼각법 (triangulation method)측정 원리를 이용한 것이다.

측정 대상 중완구 표면에 레이저 슬릿광(slit optics beam)을 조사하게 되면 측정기의 CCD(charge coupled device) 카메라가 슬릿광(slit optics beam) 의 (u,v)좌표들을 인식하게 된다. 조사된 레이저 슬릿광(slit optics beam)의 위치를 측정기의 CCD(charge coupled device)카메라가 인식한 알고리즘에 의한 기하학적 관계를 계산하여 대상체 표면 접촉 위치에 대한 3차원 좌표(x,y,z)인 점군데이터를 얻는 방식이다[14].

그림 5. 광삼각 레이저 측정방식

[그림 6]은 측정 대상체 표면에 대하여 조사되는 레이저 포인트 수가 n개이고 측정면에 카메라의 슬릿광 (slit optics beam) 주사각도가 2δ인 스캐너를 적용할 경우 그림과 같이 측정 영역에 대한 해상도d_z를 만족시킴을 보여준다.

그림 6. 3차원 카메라와 측정대상체간의 거리

3차원 스캐너와 중완구 표면의 측정 포인트까지의 거리를 z라고 할 때 측정면1의 포인트 간격 d_z 는 ztan(δ)/n가 되고 대상 측정체의 표면까지 거리가 z+Δz 임으로 대상 측정면 포인트까지의 포인트 간격 d_z+Δz 는(z+Δz)tan (δ)/n가 된다[15].

상기 방법을 활용하여 위와 같이 대상 중완구와 3차원 스캐너간의 적절한 거리를 확보하고 이를 통해 최적의 입체데이터를 확보 할 수 있었다.

훼손 중완구에 대한 3차원 스캐닝은 정각촬영을 고려하여 360도 회전 턴테이블과 일정거리에서 [그림 7]과 같이 측정을 수행하였다. 이는 앞서 적절한 거리확보를 유지하기 위한 방법이다.

그림 7. 훼손 중완구 3차원 스캐닝

그림 8. 3차원 스캐닝 정합 및 병합, 분석

중완구에 대한 3차원 스캐닝은 특정 각도에서 측정된 여러 입체데이터를 확보 및 이를 정합하고 병합하는 과정이 진행된다. 이 과정에서 고려해야 할 사항은 훼손된 중완구의 절단면을 얼마나 정확히 데이터 누락없이 구축하는 것이 관건이다. 따라서 본 연구에서는 일정한 거리에서 일정한 각도로 회전하며 측정하다가 훼손부위에서는 더욱 조밀한 회전각도를 주어 측정함으로써 데이터 누락을 최소화 하였다. 각 스캐닝 데이터에 대한 정합은 측정 회전각도를 고려하여 이루어지며, 이를 통해 데이터 정합의 정밀도를 확보할 수 있다. 병합은 데이터의 오류와 노이즈를 명확하게 파악하고 이를 제거한 정합이 중요하다. 정합/병합이 이루어지면 하나의 객체가 완성되게 된다. 이 객체를 활용 중완구에 대한 두께, 크기, 표면의 특이사항 등을 정밀하게 파악 할 수있다.

3. 3차원 모델링 및 역설계

훼손 중완구의 디지털 복원은 입체 데이터에서 확인되는 표면의 곡률정보와 두께 및 비례 등의 데이터를 활용하여 원형의 형태를 파악 후 실시한다. 특히, 중완구의 훼손부위의 부분 곡률 정보를 복원 대상 완형 중완구에 적용함으로써 추정된 원형형태를 3차원 모델링화 한다.

그림 9. 3차원 모델링

[그림 10]에서처럼 훼손부위(부품)는 자체 곡률 정보를 가지고 있는데 이 곡률 정보와 완형부분의 곡률정보를 비교하여 3차원 복원 역설계를 수행함으로써 장기간 해중에서 방치됨으로써 틀어진 곡률값을 보정 할 수있다.

그림 10. 훼손부품 복원데이터 3차원 역설계

금번 연구에서는 훼손부분의 복원을 통해 본체부분과 복원된 훼손부분의 절단부위를 비교하여 중완구 운용시 사용된 화약의 양, 투입 위치 및 폭발압 등을 추정할 수 있는 자료로 활용 가능함을 확인하였다.

또한 중완구 메인 부분과 파손 부분의 복원 데이터 값을 활용하여 [그림 11]에서와 같이 디지털 역설계를 실시하였다. 디지털 역설계는 3차원 데이터를 설계자의 의도에 따라 파트를 분리하여 설계가 가능하기 때문에 본 연구에서는 중완구의 내부구조와 두께, 특징을 파악하기 위하여 중완구 후미부분에 대한 분리 파트를 설계후 3D 프린팅을 진행하였다.

그림 11. 조립데이터 3차원 역설계

4. 3D 프린팅

3D 프린팅은 다양한 방식의 장비와 방법이 존재한다. 본 연구에서는 결과물의 정밀도와 중완구 원형의 사실성을 위하여 SLA타입의 3D 프린터를 적용하였다. 결과는 [그림 12]에서 보이는 바와 같으며 중완구의 크기, 표면정보, 구조 등이 원형 대비 그대로 표현되었음을 확인할 수 있다.

그림 12. 3D 프린팅 실제 작업 공정

훼손 중완구 원형복원에 있어서 표면 색상정보는 매우 중요하다. 색상을 통해 중완구 원형 재질을 파악할수 있으므로 표면의 부식표현을 고려한 도색을 수행하였다.

도색과정에서 해중에서 장기간에 걸쳐 부식되었음을 표현하기 위해 3D 프린팅된 복원품의 표면을 1차 표면 처리 후 프라이머 작업을 실시하였다. 이후 도색을 실시하였으며 이때 표면의 부식도를 표현하기 위해 [그림 13]에서처럼 실제 철분을 도료에 포함시킨 후 2 ~ 3일의 부식을 강제하였다. 이를 통해 실제 발굴당시와 유사한 부식도를 표현하였으며 실제 유물로서의 가치를 향상시킬 수 있었다.

그림 13. 후처리 및 완료

5. 분석 및 복원결과

해중에서 많은 부식이 이루어지고 파손된 형태로 발굴된 중완구는 비접촉형 3차원 스캐너를 활용하여 표면정보에 대한 정확한 데이터 값을 추출하였으며 이를 통해 3차원 모델링 프로그램 및 그래픽 툴을 적용하여 복원값을 생성하였다. 그리고 3D 프린팅 기술을 이용하여 훼손 중완구에 대한 입체형태의 원형복원을 실시하였다.

그림 14. 중완구 복원 및 최종결과

복원과정 중 파손부품에 대한 분석을 통해 화약의 양및 폭발압을 추정하고 완구의 최대/최적 발사거리 분석을 위한 발사각 식별 및 이를 유지하기 위한 부속구 필요성, 주요 결합 파트들의 용도 등을 확인하였다. 또한 중완구 복원을 통해 임진왜란 당시 중완구의 형태적 특징과 구조적 특징에 따른 운용방법, 힘의 중심 등 다양한 결과를 파악하는데 이를 활용 할 수 있음을 확인 할수 있었다.

6. 활용방안

중완구에 대한 활용방안은 대상 문화재에 대한 가치 확대와 내부 구조정보 제공, 조립, 운용방법 등을 고려한 추가적인 연구가 필요하다. 특히 복원품을 활용 중완구 표면분석을 통한 당시 주조방법의 추정, 부속구 결합상태 확인 등이 이루어짐을 고려하여 실제에 근접하는 복원이 이루어저야 한다.

기존의 문화재에 대한 연구는 수작업을 통한 접촉식 연구를 기반으로 이루어지기 때문에 이를 극복하기 위해 문화재 손상방지의 측면에서 접촉을 최소화하는 방향으로 개선이 필요하다. 또한 문화재는 완형상태로 발굴되는 사례가 적어 파손 부분 또는 일부 파트를 활용 디지털 복원하거나 추정하여 연구하는 경우가 많았다. 이로 인해 구조적, 운용적 측면에서의 연구에는 제한사항이 있었다. 하지만 3차원 스캐닝, 3차원 모델링 및 역설계, 3D 프린팅을 이용하여 문화재를 복원시에는 완형상태로의 형태복원 뿐 아니라 발굴된 문화재 및 그 구성품들에 대한 구조적인 분석과 운용방법에 대한 연구에 활용이 가능하다.

또한 발굴된 문화재의 파손 상태와 관계없이 역설계를 통하여 완형상태로의 디지털 복원이 가능하며 이를 과거 문헌들과 비교/분석함으로서 운용 당시의 재질과 형태로 3D 프린터를 활용, 복원이 가능하다.

금번 연구에서는 발굴된 중완구의 주 본체 및 파손된 부분품들의 스캐닝 값을 구조적으로 분석하여 완형상태로 발굴되었을 때를 가정하여 3D 프린터를 활용하여 복원하였으며, 역설계를 통해 장기 해중 보관에 따라 틀어진 중심축에 대한 보정과 훼손부분에 대한 조정 및 과거 사료들과의 비교·분석 등을 통해 당시 운용되었을 것으로 추정되는 중완구의 3D 모델링을 실시하였다.

문화재 복원 측면에서 금속 철재 무기인 중완구는 소재가 철로 주조되었기 때문에 금속 3D 프린터를 이용한 복원이 필요하여, 복원된 중완구는 실제 발사를 통한 운용성 검증 등 다양한 분야에 활용이 가능하다.

금번 연구를 통해 발굴 문화재에 대한 신뢰도 높은 원형 복원의 가능성을 제시하고 우리 문화유산의 독창성을 입증 할 수 있었으며, 이에 대한 심도깊은 연구의 기초가 되었다고 본다. 또한 중완구에서 끝나는 것이 아니라 복원가능한 우리 조상의 무기에 대한 체계적인 원형 복원을 통해 우리나라 문화 유산의 가치를 확대해야 한다.

이를 위해 임진왜란 당시 조선에서 제작한 화포에 대한 DB를 구축하고 유관기관(각 군 박물관 및 교육기관 포함)과 훼손 조선무기에 대한 추가적인 원형 복원을 수행 할 필요가 있다.

IV. 결론

본 연구에서는 임진왜란 당시 훼손된 조선화포 중완구에 대한 효과적인 원형재현을 위한 문화재복원 방법론을 제시하였다.

기존 훼손된 화포에 대한 복원은 형태에 대한 정밀 측정 한계와 수작업에 의한 복제에 머물다 보니 임진왜란 당시 사용된 원형을 그대로 복원할 수 없었다. 하지만 본 연구를 통하여 정확하고 정밀한 원형복원방법을 제시할 수 있었으며, 이로 인해 재현이 아닌 진정한 원형 복원이라고 할 수 있다. 그리고 현재 훼손 상태로 전시중인 다른 문화유산에 대한 복원 방법론 및 분석 방법을 도출 할 수 있었다.

일부 또는 많은 부분이 훼손된 무기류의 문화재의 경우 3차원 스캐닝을 이용한 3차원 데이터 상에서의 활용영역을 설정하고 유사 무기의 형태적 특징을 활용한 복원방법의 가능성을 제시 하였다. 특히 중완구에 대한 문화재 복원은 중완구의 구조적 특징에 대하여 3차원 도면을 도출할 수 있는 계기 마련과 복원물에 대한 구조적 형상, 손잡이 등 부속구의 위치, 화포 하부구조 등 형태적 연구가 가능하게 하였다.

현재 조선무기는 다양한 분야에서 연구와 관련 사료들이 존재하므로 문화재 분석 및 복원에 3차원 스캐닝, 3차원 모델링 및 역설계, 3D 프린팅을 활용하는 경우 다양한 Data 반영이 용이하며 신속한 실물화를 통해 연구에 대한 검증에 적용 가능하다.

개발된 방법은 “제4회 3D프린팅 BIZCON 경진대회”에 참가하여 대상인 과학기술부정보통신부 장관상을 수상함으로서 임진왜란 당시 훼손된 조선화포에 대한 문화재 복원 및 구조, 운용방법 등을 파악하는데 기여하였다.