침몰목선의 해저잔존 가능성에 관한 조사연구
이 보고서의 내용은 1996년 모 기관에 제출한 나무배의 침몰과 해저에 남아있을 가능성을 검토한 연구결과를 재정리한 것이다. 내용의 중심은 임진왜란 당시의 거북선(판옥선)을 대상으로 하였다. 일부 사진과 그림은 생략되어 있다.
아득한 옛날부터 우리민족은 삼면이 바다로 둘러싸인 지형적조건을 잘 활용하여 바다를 생활터전의 일부로 삼았으며 중국, 일본을 비롯한 대외교류가 활발하였다. 교역을 위하여 필연적으로 조선술이 발달할 수 밖에 없었고 대외 무역과 화물운반에 쓰이던 조운선은 물론 군선(軍船)의 제조도 활발하여 평저선(平底船)이라는 우리지형에 알맞은 배를 독자적으로 개발한 선조들의 슬기로움에 오늘을 사는 우리 모두 숙연해질 수 밖에 없다.
돌이켜보면 해안에서 일어나는 일상적인 활동 이외에도 멀리 삼국, 고려시대에는 나당연합군과 백제부흥군의 금강하구 해전과 장보고의 해상활동 및 여몽연합군에 의한 일본정벌을 위한 출병이 있었고 가까이는 조선초기의 왜구를 막기위한 다수의 군선제조에서 시작하여 임진왜란 당시의 곳곳에서 치루어진 해전등 헤아릴 수 없을 만큼 많은 해전(海戰)기록이 있다.
그러나 아쉽게도 최근 안압지출토선(雁鴨池出土船), 완도출토선(莞島出土船), 목포의 달리도(達里島)의 해안퇴적지에서 13-4세기로 추정되는 고선박의 발굴등 몇몇 민수용(民需用)선박의 발굴사례 이외에는 대규모 해전이 많았음에도 불구하고 군선(軍船)의 발굴은 아직도 전무하다. 이러한 시점에서 해군에서는 1989년부터 역사상 그 유례를 찾을 수 없을 만큼 발달된 조선기술로써 천하무적을 자랑하였던 이순신장군의 거북선등 충무공 유적발굴을 전담하는 기관이 발족하여 활발한 발굴인양작업을 수행하고 있는 것은 대단히 고무적인 일이다. 그러나 목선의 해저잔존가능성 자체를 회의적으로 보는 시각도 일부에서 제기되고 있으므로 거북선을 비롯한 고목선을 인양하기 위해서는 목선의 침몰가능성여부와 침몰과정에 관한 보다 과학적인 접근이 필요하다.
목선의 흡수와 비중변화등 목선이 침몰하는 경과에 대한 이론적인 뒷받침은 본문에서 설명하겠으나 우선 다음과 같이 세계적인 목선발굴 사례를 보면 침몰목선체의 실증적 증거가 수없이 발견되는 현실에서 해저잔존가능성 여부는 새롭게 논란의 대상이 될 수 없음을 알 수 있다.
1846 : 이태리의 다이버에 의하여 Nemi호수 침몰 로마시대배의 인양을 시도하여 최초의 수중고고학적 발굴의 효시로 기록됨
1863 : 덴마크 유틀렌드반도 남부의 Nydam습지에서 4세기경의 목선 발굴이 선박고고학 발굴의 효시로 알려지고 있음
1867 : 노르웨이에서는 Tune발굴을 계기로 3척의 바이킹시대 선박을 발굴함
1928 : 그리스 아테네 근방의 아르테미션 반도에서는 로마난파선에 대한 조사를 수행함
1928 : 로마근처의 네미호수에 침몰된 AD1세기경의 로마시대의 바지선 발굴
1948 : 튀니지아 Mahdia 근해에서는 수중목선의 실태조사를 실시함
1958 : 덴마크의 Roskilde해협에서 5척의 11세기경 바이킹배를 발굴
1960 : 터어키의 Gelidonya만에서는 기원전 13세기경의 청동시대 난파선 발굴
1961 : 터어키의 Yassi Ada에서 비잔틴시대의 난파선 발굴
1961 : 스웨덴 스톡홀름 항에서 1628년 침몰된 Wasa 전함(戰艦) 발굴
1962 : 독일북부의 Weser강에서 한자 동맹시대의 Log선 발굴
1968 : 사이프러스의 Kyrenia근해에서는 기원전 4세기경의 그리스 침몰선 발굴
1974 : 중국의 후저항 갯벌에서 13세기말경의 송대 침몰선 발굴
1976 : 전남 신안군 증도면 앞바다에서 14세기 중국원대 침몰선 발굴
1982 : 영국 포츠머드의 Solent해에서 1545년 침몰된 Tudor왕조 전함 발굴
1983 : 전남 완도군 약산면 앞바다에서 11세기경의 고려시대 화물운반선 발굴
1992 : 전남 진도군 고군면 벽파리해안에서 중국배로 추정되는 통나무 배 발굴
1994 : 필립핀 수빅만 근해에서 1600년경의 스페인과 네델란드간의 해전중 침몰한 전함인 San Diago호 발굴
1995 : 전남 목포시 달리도에서 13-14세기경의 고려시대 화물운반선으로 추정되는 선박발굴
본 조사연구는 고선박의 외판, 저판, 갑판등 거의 모든 재료로 나무를 사용하였다는 사실을 바탕으로 목재의 기초재질과 바닷물의 흡수관계를 구명하여 목선의 침몰경과 및 침몰후의 잔존가능성에 이르는 과정을 목재과학적인 입장에서 검토하고자 한다.
제 1 장 목선의 재질과 수종
고선박은 외판, 저판, 갑판등 선재의 거의 모든 재료가 목재이다. 이 장에서는 목재의 흡수특성과 침몰후의 잔존가능성 등을 이해하기 위한 목재만의 독특한 기초재질 및 목재의 물리적 성질과 깊은 관련이 있는 선체에 사용된 수종(樹種)을 기 인양된 고선박에서의 실례와 문헌자료를 통하여 추정해 보고자 한다.
1.1 목선의 기초 재질
1.1.1 목재의 바깥모양
목재는 철이나 플라스틱과는 달리 세포가 집단으로 모여 이루어지는 유기체(有機體)이다. 이들 세포는 대단히 복잡한 형태와 배열을 하고 있으므로 나타나는 목재의 바깥모양과 성질이 각기 다른 특성을 갖고 있다.
그림 1과 같이 벌채한 원목의 횡단면을 보면 수많은 동심원상의 나이테와 안쪽에 색갈이 진한 심재(心材) 및 바깥쪽의 수분이 많고 색깔이 연한 변재(邊材)등 모양이 일정하지 않음을 알 수 있다. 하나의 나이테는 다시 주로 봄에 자라서 약간 엉성하고 밝은 색을 나타내는 춘재(春材, 早材, earlywood)와 주로 초여름에서 초가을 사이에 자라서 치밀하고 짙은 색으로 보이는 추재(秋材, 晩材, latewood)로 구성된다.
한선에 사용된 외판과 저판은 그림 1에서처럼 판자를 채취하는 방법이 다르며 개개의 판자에 따라 심재비율과 변재비율에 차이가 있고 이 비율은 흡수속도와 흡수량에 크게 영향을 미친다. 또 춘재비율과 추재비율도 해양동물이나 균류의 침해 난이도를 가늠하는 기준이 된다.
그림 1. 저판재(底板材)와 외판재(外板材)의 채취방법
<중앙부의 짙은 부분이 심재(心材), 바깥부분이 변재(邊材)임>
그림 2에서와 같이 통나무를 판자로 만드는 방식에 따라 횡단면(橫斷面, cross section), 방사단면(放射斷面, radial section), 접선단면(接線斷面, tangential section)의 3단면과 축방향(軸方向, 纖維方向, longitudinal direction), 방사방향(放射方向, radial direction), 접선방향(接線方向, tangential direction)으로 구분되며 이들은 각각 다른 흡수특성을 가진다.
횡단면을 통한 축방향으로의 흡수는 대단히 빠르고 많은 양을 단시간에 흡수할 수 있는 반면에 접선단면이나 방사단면을 통한 흡수는 횡단면 보다 훨씬 느리다. 그러나 외판(外板)을 비롯한 선체의 대부분은 접선단면재(일명 板目材)이며 각재로 만들어 진 저판(底板)은 방사단면재(일명 柾目材)와 접선단면재가 반반으로 섞여 있다.
단면재(柾目材) 접선단면재(板目材)
그림 2. 판재(板材)의 3단면과 3방향
목재의 흡수특성은 기본적으로 수종(樹種)에 따라 결정되겠으나, 목재는 동일한 수종에 있어서 조차도 켜는 방향에 따라 그 성질이 현저하게 달라지는 이방성(異方性) 재료이다.
1.1.2 목재세포의 형태
목재를 구성하는 최소 단위는 세포이다. 세포의 배열이나 모양은 침엽수재와 활엽수재에 따라 다르고 수종에 따라서도 일정하지 않다. 이하 목선의 재질을 이해하는데 필요한 목재를 구성하는 세포의 형태는 다음과 같다.
1) 침엽수재의 구조
침엽수재(針葉樹材, soft wood)는 90%이상을 점유하는 가도관(假導管, 헛물관, tracheid)이라는 세포를 중심으로 양분의 이동저장에 관여하는 약간의 유세포(柔細胞, parenchyma cell)와 수지구(樹脂溝, resin canal)로 구성되는 비교적 단순한 세포구조를 가지고 있다. 따라서 침엽수재의 수분이동등 대부분의 물리적 성질은 가도관에 의하여 결정되며 그 모양은 길이가 4 mm전후, 폭이 0.05mm전후의 가늘고 길며 양끝이 뾰죽하여 방추형(紡錘形)의 모양을 갖는 세포이다. 가도관의 속은 세포내강(細胞內腔, cell lumen)이라고 하는 공간의 부분으로서 생재일때는 물이 들어 있으나 건조하면 공기가 들어 있는 빈 공간에 불과하고 춘재부와 추재부의 세포에 따라 두께를 달리하는 세포벽(細胞壁, cell wall)으로 둘러싸여 있다.
세포벽에는 상하 좌우로 서로 연결된 벽공(壁孔, pit)이라는 작은 구멍을 수없이 많이 가지고 있다. 이 세포는 목재 속의 물의 이동과 강고성(强固性)을 부여하는 역할을 동시에 하고 있으며 내강과 벽공은 목재 속의 작은 모세관의 기능을 함으로써 활엽수재 보다는 물의 이동이 쉬운 구조를 갖고 있다.
2) 활엽수재의 구조
활엽수재(闊葉樹材, hard wood)는 침엽수재에 비하여 여러 종류의 세포로 구성되며, 그들로 이루어지는 목재조직도 대단히 복잡하다. 용적비율 기준으로 20-30%정도를 점유하는 도관(導管, 물관, vessel)과 50-70%정도인 목섬유(木纖維, wood fiber)를 기본세포로 하여 유세포(柔細胞, parenchyma)와 극히 소량의 활엽수가도관등 특수세포로 이루어진다.
도관은 목재 속의 수분이동을 전문적으로 담당하는 얇은 세포벽의 세포로서 수분이동이 편리하게 작은 통모양으로 되어 있으며 뿌리에서 가지까지 계속 연결되어 한방향으로 이어진 송유관을 연상하게 한다. 직경과 길이는 수종에 따라 다른데 큰 것은 직경 0.3mm, 길이 0.2-0.4mm정도이고 작은 것은 직경 0.04-0.09mm, 길이 0.4-0.9mm정도이다.
목섬유는 주로 목재가 바깥힘에 버틸 수 있도록 강고성을 부여하는 세포로서 내강이 좁고 세포벽이 두꺼운 단단한 구조를 갖고 있다. 직경은 0.02-0.03mm, 길이는 1-2mm정도로서 침엽수재의 가도관에 비해서는 직경이 작고 길이도 짧으나 수종에 따라서는 훨씬 단단하고 치밀하다.
목재 속의 물의 이동은 먼저 직경이 아주 큰 도관을 통하여 이동하고 다음에 각종 세포의 세포내강(공극)을 통한 모세관 이동을 하고 유세포 및 세포벽을 통한 확산(擴散)이 이루어 진다. 세포내강을 통한 자유수(自由水)의 이동은 비교적 단시간내에 가능한 반면, 세포벽내의 확산 이동은 결합수(結合水)이동이므로 많은 시간이 소요된다. 그러나 대부분 가도관이라는 거의 단일세포로 이루어진 침엽수재에 비하여 물의 이동속도가 느리고, 목재 내의 수분이동에 관한 메커니즘도 대단히 복잡하다.
1.1.3 목재세포벽의 미세구조
목재세포벽(cell wall)은 50%전후의 셀룰로우스(cellulose)와 20-30%의 헤미셀룰로우스(hemicellulose) 및 20-30%의 리그닌(lignin)으로 구성된다. 이들은 서로 화학결합을 하여 마이크로피브릴(microfibril)이라는 실모양의 극히 미세한 구조체(직경 50-300Å, 길이 부정)를 이루어 배열하고 있다. 셀룰로우스와 헤미셀룰로우스는 수많은 수산기(水酸基)를 가지고 있는 직쇄상(直鎖狀)의 고분자로서 목재세포벽의 확산이동에 관여하며, 리그닌은 이들 양성분을 강고히 해주는 역할을 수행할 뿐이고 흡수성과는 상관이 없다.
그림 5는 세포벽의 최소 구조단위인 마이크로피브릴의 모식도로서 셀룰로우스와 헤미셀룰로우스의 긴 직쇄상 고분자를 리그닌이 둘러싸고 있는 모양을 볼 수 있으며 이웃 마이크로피브릴과는 리그닌으로 서로 접착되어 있음을 알 수 있다. 따라서 목재 세포벽의 3가지 화학성분의 상호관계를 콘크리트 철근 건물과 비교하면 셀룰로우스가 철근, 헤미셀룰로우스가 철근을 단단하게 묶어주는 철사, 그리고 리그닌은 철근사이를 충전하는 콘크리트로 비유할 수 있다.
한편 세포벽의 내부는 일률적인 구조를 갖고있지 않으며 형성시기에 따라 마이크로피브릴이 그물모양인 1차벽(P층), 축방향에 거의 직각인 2차벽의 외층과 내층(S1, S3층), 축방향과 거의 평행하게 배열하는 2차벽의 중층(S2층)으로 구성되어 있다. 그러나 세포벽 두께의 대부분이 S2층이므로 목재의 성질은 이 층에 의하여 결정된다.
1.2 목선의 수종과 부재의 치수
1.2.1 수종 추정
조선용재(造船用材)는 선체의 구성 및 흡수특성과 밀접한 관계가 있다. 비중은 약간 낮으나 가볍고 가공하기 쉬우며 상당한 내수성(耐水性)을 갖는 목재는 외판이나 갑판용재에 주로 쓰이며 이런 목적에 적합한 재질을 가진 나무는 소나무를 비롯한 침엽수재가 적당하다. 비중이 높아 무겁고 단단한 나무는 힘을 받아야 할 가룡(架龍), 선수재(船首材), 키, 노, 갑판(甲板)의 일부 등 주로 측수용재로 쓰이며, 참나무류를 비롯한 높은 비중의 활엽수재가 적당한 것으로 생각된다.
이하 최근 인양한 한선(韓船)의 재질조사 결과를 중심으로 몇가지 문헌에서 추정한 선체 각 부위별 시용 수종을 종합해 보면 표 2에서와 같다.
표 2. 선체 부위별 사용 수종의 추정
선 체 부 위 |
추 정 수 종 |
저판(底板) |
소나무*, 비자나무*, 굴피나무, 졸참나무*, 상수리나무, 느티나무* |
외판(外板,杉板) |
소나무*, 상수리나무, 졸참나무 |
갑판(甲板) |
소나무, 상수리나무, 졸참나무 |
선수재(船首材) |
상수리나무, 졸참나무, 녹나무 |
가룡(架龍), 가목(駕木) |
상수리나무*, 졸참나무, 가시나무 |
장삭(長?),피삭(皮?), 목정(木釘) |
소나무*, 굴피나무*, 상수리나무, 졸참나무, 녹나무, 산뽕나무, 느티나무, 가시나무, 박달나무 |
범주(帆柱) |
상수리나무, 졸참나무, 조록나무 |
키(舵) |
조록나무, 가시나무 |
노(櫓) |
느티나무, 상수리나무, 졸참나무 |
*표는 완도출토선과 압압지출토선의 부재임
표 2에서 처럼 한선(韓船)의 구성수종은 거의 대부분이 소나무(海松포함)및 상수리나무와 졸참나무로 대표되는 참나무류가 주류를 이루고 있다. 특히 선체 주요 부위인 외판이나 저판은 모두 소나무를 이용하였으며 상수리나무나 졸참나무와 같은 참나무류는 강도 보강용으로 부분적으로 사용하였다. 한편 사용중 선체를 보수할때는 보판(補板)용재로서 비자나무, 굴피나무, 참나무류등 소나무보다 단단하고 내구성(耐久性)이 강한 수종을 사용하였다.
기타 가룡목에는 단단한 가시나무, 피삭이나 목정등은 잘 썩지 않고 단단한 녹나무, 산뽕나무, 느티나무 등을, 범주나 키는 조록나무 등을 각 수종의 성질에 알맞게 사용한 것으로 추정된다.
1.2.2 부재의 치수 추정
사용된 부재(部材)의 치수는 선체의 크기와 관계가 깊으며 완도 침몰선과 거북선치수 추정 자료에서 보면 다음과 같다.
완도선의 경우는 저판의 부재가 두께 18-20cm, 너비 30-35cm, 길이는 최대 3.96m정도이고 외판 부재는 두께 10cm, 너비 28-30cm, 길이는 1.5-3m에 달한다.
이충무공전서(李忠武公全書)에 의하면 거북선은 외판의 총높이가 7자 5치로서 7장의 삼판(杉板)으로 구성되었다고 한다. 삼판은 외판의 재질이 오늘날의 삼나무(杉, Cryptomeria Japonica)라는 의미는 아니다. 각 판자의 너비는 약 30cm, 두께는 4치, 즉 12cm정도로 생각된다. 저판의 치수에 대하여 나타낸 수치는 없으나 완도출토선의 저판과 외판의 두께비가 2:1, 너비의 비가 1:1이므로 대체적인 추정해보면 거북선의 저판부재는 두께가 20-25cm, 너비 약 30cm, 길이는 일정하지 않으나 지하고(枝下高)와 직간성(直幹性)등 소나무재의 특성으로 볼때 1.5-4m정도로 추정된다. 이상의 목선 치수자료를 종합해 보면 표 3과 같이 한선의 일반적인 부재(部材)의 크기는 저판이 20-30cm의 각재(角材), 외판은 두께 10cm, 너비 30cm의 판재를 사용하였고 길이는 선체의 크기에 맞추어서 최대 4m까지 몇 개를 이어서 사용한 것으로 생각된다.
표 3. 한선부재(韓船部材)의 치수 추정
선박의 종류 |
판재별 |
치 수 |
두 께(cm) |
너 비(cm) |
길 이(m) |
완도출토선 |
외 판 |
10 |
28-33 |
1.5-3.0 |
저 판 |
18-20 |
30-35 |
1.5-4.0 |
판 옥 선 |
외 판 |
12 |
30 |
1.5-3.0* |
저 판 |
20-25* |
30* |
1.5-4.0* |
한 선 |
외 판 |
10* |
30* |
1.5-3.0* |
저 판 |
20-25* |
30* |
1.5-4.0* |
*표시는 저자의 추정치이며 기타 숫자는 실측치 및 문헌자료임
제 2 장 목선의 흡수에 관여하는 인자
2.1 목재의 비중
목재의 비중(比重)은 목재 중량과 그 목재와 동일체적인 물의 중량과의 비로 표시하며 물의 비중이 1이므로 일반적으로 단위를 쓰지 않는 값으로 나타내고 있다. 목재비중의 종류는 다음과 같다.
1. 생재비중(生材比重) : 생재의 중량을 동일한 생재의 체적으로 나눈 값이다.
2. 기건비중(氣乾比重) : 대기의 관계습도와 평형이 되었을 때의 중량을 그때의 체적으로 나눈 값으로서 흔히 목재의 비중이라는 표현은 이 비중을 말한다.
3. 전건비중(全乾比重) : 건조기에 넣어 인위적으로 수분이 전혀 없는 상태로 건조시킨 목재 중량을 그때의 체적으로 나눈 값이다.
4. 진비중(眞比重) : 세포내강등 목재 내의 공극의 부분을 제외한 세포벽만의 비중으로서 측정할 때의 공극 치환매체(置換媒體)에 따라 약간씩 다르나 1.50을 표준으로 하며 이 값은 수종에 관계없이 일정하다.
2.2 목재 내의 공극
침엽수재의 가도관, 활엽수재의 도관과 목섬유는 모두 가운데가 비어 있는 세포내강을 가지며 이는 모세관(毛細管)으로서 물의 이동통로이다. 세포의 배열방향은 대부분 나무의 축방향(軸方向)이고 따라서 모세관의 배열도 축방향이므로 물의 이동은 축방향으로 빠른 시간 내에 대량으로 이루어진다.
이에 반하여 방사방향이나 접선방향은 세포내강에 비하여 큰 모세관이 없고 직경이 극히 작은 벽공이라는 부분의 극소 모세관과 세포벽을 통하는 일부 확산(擴散)에 의한 이동밖에 없으므로 축방향에 비해서는 속도가 대단히 느리다.
그러나 목선의 경우처럼 오랫동안 물속에 잠겨있을 때는 목재 속에서의 물의 이동속도보다 물이 들어갈 수 있는 전체 공극의 양이 목선의 침몰 여부와 관계가 깊다고 본다.
일반적으로 공극율(空隙率, cell cavity)은 목재 내부의 비어 있는 공간의 크기를 나타내는 척도로 이용되며, 전건목재의 공극율을 Co, 전건비중을 ro라고 하면 다음 식으로 구할 수 있다.
Co = (1 - ro / 1.50) × 100 (%)
이 식에서 주요 선재(船材)에 바닷물이 들어갈 수 있는 최대공극량인 공극율을 계산해 보면 표 1과 같다.
표 4에서 보면 소나무의 경우 공극율은 비중에 따라 작게는 박달나무의 46%에서 크게는 삼나무의 79%에까지 다양하게 변동한다. 공극율은 단위 체적당 물이 들어갈 수 있는 공극의 비율을 나타내며 공극을 제외한 세포벽만의 실질부분의 비율인 실질율(實質率)을 P0라 하면
P0 = 100 - C0(%) 로 나타낸다.
예를들어 표 4에서 소나무의 경우를 보면 바닷물이 모세관 현상으로 들어갈 수 있는 공간이 70%, 나머지 30%가 세포벽만으로 이루어진 실질부분인 셈이다. 마찬가지로 상수리나무는 50%의 공간과 50%의 세포벽(실질부)로 이루어진다. 이는 비중이 낮은 소나무가 비중이 높은 참나무류에 비하여 20%정도의 더 많은 공간을 가지고 있음을 의미한다.
앞에서 설명한 것처럼 목재의 실질부인 세포벽의 비중이 1.50이므로 세포 속의 공간(세포내강)에 비중 1.03인 바닷물이 흡수되어 들어가면 어느 시점에서 공간과 세포벽의 평균비중이 바닷물의 비중을 초과할 수 밖에 없고 이 시점이 목선이 침몰하는 시점이다. 따라서 공극율이 높은 목재는 바닷물이 들어갈 수 있는 공간이 많으므로 침몰시점이 늦어진다. 반면에 공극율이 낮은 목재는 상대적으로 비중이 1.50이나 되고 실질율이 높으므로 흡수하여 바닷물의 비중 1.03을 초과하는 시점이 훨씬 빨라진다. 이상에서와 같이 목재는 어느 경우든 실질부인 세포벽의 비중이 1.50이므로 흡수하면 바닷물의 비중을 초과하여 가라앉을 수 밖에 없다.
이는 수많은 목선의 인양사례에서 확인할 수 있음은 물론 목재공장의 저목중인 목재가 오래두면 가라앉아버리는 사실에서도 증명된다.
표 4. 주요 선재(船材) 수종(樹種)의 물리적성질
구분 |
수 종 명 |
학 명 |
한 자 명 |
공극율 (%) |
최대 함수율 (%) |
전건비중 |
침엽수재 |
소나무 |
Pinus densiflora |
赤松,陸松 |
70 |
186 |
0.45 |
곰솔 |
Pinus thunbergii |
海松,黑松 |
68 |
169 |
0.49 |
잣나무 |
Pinus koraiensis |
紅松,栢子木,果松,海松 |
71 |
195 |
0.43 |
비자나무 |
Torreya nucifera |
榧子木 |
68 |
173 |
0.48 |
낙엽송 |
Larix leptolepis |
落葉松,羅漢松 |
69 |
177 |
0.47 |
가문비나무 |
Picea jezoensis |
漁鱗松,塔檜,杉松 |
75 |
228 |
0.38 |
젓나무 |
Abies holophylla |
?木,沙松,杉松,檜,柏松 |
77 |
248 |
0.35 |
삼나무 |
Crytomeria japonica |
杉,赤杉 |
79 |
264 |
0.33 |
편백 |
Chamaecyparis obtusa |
扁柏 |
76 |
241 |
0.36 |
평균 |
|
- |
73 |
209 |
0.42 |
활엽수재 |
상수리나무 |
Quercus acutissima |
橡,?;,靑剛樹 |
50 |
96 |
0.76 |
졸참나무 |
Quercus serrata |
白反?; |
50 |
96 |
0.76 |
느티나무 |
Zelkova serrata |
槐木 |
56 |
114 |
0.67 |
굴피나무 |
Platycarya strobilacea |
山樗 |
59 |
127 |
0.61 |
가시나무 |
Quercus myrsinaefolia |
?木 |
47 |
88 |
0.80 |
조록나무 |
Distylium racemosum |
山柚子,蚊母樹 |
47 |
88 |
0.80 |
녹나무 |
Cinnamomum camphora |
樟樹,樟腦木 |
69 |
177 |
0.47 |
박달나무 |
Betula schmidtii |
檀木,朴達木 |
46 |
87 |
0.81 |
밤나무 |
Castanea crenata |
栗木 |
64 |
149 |
0.54 |
잣밤나무 |
Castanopsis sp. |
柯樹 |
65 |
155 |
0.52 |
산뽕나무 |
Morus bombycis |
山桑 |
63 |
143 |
0.56 |
평균 |
|
|
56 |
120 |
0.66 |
2.3 목재함수율
목재 속에 들어있는 물의 양을 나타내는 방법은 여러 가지가 있으나 일반적으로 목재의 전건중량(全乾重量)을 기준으로 하여 함유수분량을 백분율로 표시하는 목재함수율(木材含水率, moisture content)을 사용하고 있다. 목재함수율을 u(%), 함수율을 알고자 하는 현재의 목재의 무게를 Wg(g), 105℃ 건조기에 넣어 무게가 줄지 않을 때의 중량 즉 전건중량을 Wo(g)라고 하면
u(%) ={(Wg-Wo)/Wo}×100 으로 표시할 수 있다.
이때 Wg-Wo는 목재속에 포함된 수분량에 해당하므로 단위체적에 포함된 물의 총무게를 순수 목재무게로 나눈값의 백분율을 말한다.
따라서 목재함수율은 목재속에 그림 2에서와 같이 세포내강을 비롯한 물이 들어갈 수 있는 공극이 많으므로 생재나 침수된 목재는 함수율이 100%이상일 때도 있다. 더우기 해양균류의 침해을 받아 세포벽속에 많은 공극이 생길때 300-800%에 달하는 경우도 있다.
2.4 목재내의 수분존재상태
바닷물이 목재 내에 침투하기 시작하면 목재의 함수율증가와 더불어 목재의 비중량이 변화하므로 바닷물 유입에 따른 침몰가부판정에 함수율이 주요한 변수이다. 목재의 함수율은 수분의 존재상태에 따라 다음과 같이 나누어 생각해 볼 수 있다.
1. 전건상태(全乾狀態) : 목재 속에 수분이 전혀 없는 상태로서 인위적으로 만들어 주어야 하며 자연상태에서는 존재하지 않는다.
2. 기건상태(氣乾狀態) : 공기 중에 목재를 놓아두었을때 대기의 관계습도와 평형을 이루는 상태로서 계절에 따라 다르나 함수율 15-20%정도이다. 일반 선체의 갑판을 비롯한 판옥선, 거북선의 상장부는 기건상태로 볼 수 있다.
3. 섬유포화점(纖維飽和點, fiber saturation point) : 목재속의 수분은 세포내강에 액상(液狀)으로 고여있는 물을 자유수(自由水)라 하며, 세포벽에 있는 수분을 결합수(結合水)라고 하는데 자유수를 전혀 함유하지 않고 최대량의 결합수를 함유한 상태의 함수율을 섬유포화점으로 정의한다. 일반적으로 섬유포화점은 수종별 차이가 없으며 함수율 25-35%의 범위이나 보통 28%를 기준으로 한다. 4. 생재상태(生材狀態) : 섬유포화점이상에서 포수상태 사이의 함수상태(含水狀態)로서 반드시 나무가 살아 있을 때의 생재(生材)만의 의미는 아니다.
4. 포수상태(飽水狀態) : 세포벽과 세포내강이 모두 포화되어 더 이상 목재 속에 물이 들어갈 수 없는 상태로서 최대함수율이라고도 한다.
2.5 목재의 최대함수율
목재가 바닷물속에 들어갔을 때 처음에는 축방향으로 분포하는 무수한 모세관인 세포내강(細胞內腔)을 통하여 급격히 물이 흡입되고 차츰 세포벽의 벽공을 통하여 방사방향 및 접선방향으로 확산될 것이다. 이때 세포벽이 완전히 포화되고 세포내강이 더 이상 물이 들어갈 수 없을 만큼 가득 찼을 때를 그 목재의 최대함수율(最大含水率)이라 하며 수종별 비중에 따라 적게는 수십%, 많게는 수백%에 달하기도 한다. 외판이나 저판이 세포내강 등의 모세관을 통하여 흡수할 때 판재의 중간부분으로 들어갈수록 미처 빠져나오지 못한 공기가 압력을 받게되므로 바닷물속에서 상당한 시간이 경과 하더라도 자연상태에서 최대함수율에 달하기는 어렵고 함수율이 증가할수록 물의 침투속도는 차츰 떨어진다.
목재의 최대함수율은 진비중과 기건비중을 이용하여 다음 식으로 계산한다. 즉 진비중 1.50, 기건비중을 ra 라고 하면 최대함수율 umax(%)은 다음 식으로 계산된다.
umax(%) = (1.50 - ra/1.50ra) x 100
이 식에 의하여 계산한 주요 선재수종의 최대함수율은 표 4와 같으며 비중이 높은 박달나무, 가시나무 및 조록나무는 87-88%에 불과하나 비중이 낮은 편백과 삼나무는 241-264%에 달하여 수종과 비중에 따른 차이가 심하다.
제 3 장 목선의 침몰조건
본 장에서는 목선의 물리적 성질을 기초로 목선의 침몰가부 및 침몰하는 경우 걸리는 시간 등을 직접 실험에 의하여 추정 조사코저 하였다.
먼저 목선이 침몰되는 과정에서 바닷물 유입에 따른 비중의 변화 및 침몰조건를 이론적으로 분석하고, 2장의 목선의 수종 및 재질조사 결과를 바탕으로 적절한 시험편을 제작하여 바닷물의 흡수실험을 하였다.
이론적으로 본 목선의 침몰조건과 직접 실험결과를 비교분석하여 목선의 해저 잔존가능성에 관한 기초자료를 찾도록 조사연구를 추진하였다.
3.1 재료 및 방법
3.1.1 재료
사용한 재료는 외판이나 저판등 한선의 부재로 가장 일반적으로 사용된 소나무(赤松, Pinus densiflora)와 흔히 참나무라고 말하는 상수리나무, 굴참나무, 졸참나무, 신갈나무, 갈참나무, 떡갈나무중에서 대표수종인 상수리나무(橡, Quercus acutissima)의 2종류를 이용하였다.
시험편은 곧고 결점이 없는 통나무를 표 5와 같이 흡수 모델 실험용과 실제선체의 외판과 저판두께에 해당하는 실대재(實大材)적응 실험용 시편으로 구분하여 각기 다른 크기로 제작하였다.
표 5. 실험재료 현황
고유번호 |
단면크기(cm) |
길이(cm) |
실험구분 |
NO.1 |
4.5x4.5 |
10 |
흡수모델실험 |
NO.2 |
4.0x4.0 |
10 |
NO.3 |
3.0x3.0 |
10 |
NO.4 |
2.5x2.5 |
10 |
NO.5 |
2.0x2.0 |
10 |
NO.6 |
20x20 |
50 |
실대재적응실험 |
NO.7 |
10x20 |
50 |
시험편의 종류는 전면(全面) 흡수시험시편과 횡단면, 방사단면, 접선단면의 3단면별 흡수시험시편을 심재와 변재부로 나누어 준비하였다. 시험편의 구체적인 내역은 소나무가 부록 표-1, 상수리나무가 부록 표-2에 각각 나타나있다.
3.1.2 실험방법
흡수성의 시험방법은 한국공업규격 KS F 2205항목, 목재의 흡수량측정방법에 의거하였으며 방수용피복제로는 방수페인트를 사용하였다. 완전방수가 되도록 각 단면별 실험은 4회이상 방수페인트를 도포하였다. 시험편의 함수율은 35℃의 저온 인공건조로써 기건상태(氣乾狀態)로 만들었다. 방사단면 및 접선단면흡수에서는 각각 대칭되는 2면을 흡수면으로 하고, 또 횡단면흡수에서는 1면만을 흡수면으로 하였다. 흡수면 이외의 모든면은 방수페인트로 완전방수 피복하고, 온도 25±1℃로 조정한 항온수조(恒溫水槽)내의 바닷물속에 넣어 흡수시켰다.
시험편은 흡수면을 수면에 수직으로 하여 그 상단부분이 수면하 50mm의 깊이가 되도록 하고 축방향이 수면과 평행이 되도록 해서 약 80시간에서 100시간 시험편의 흡수정도에 따라 침지(浸漬)하였다.
초기에는 20∼30분간격으로 중량을 측정하고 그후로 1∼3시간 간격으로 측정하여 흡수상황을 확인하여 일정기간 반복한다음 시편은 105℃ 건조기에 넣어 전건중량(全乾重量)을 측정하였다. 전건중량을 기준으로 흡수량과 함수율변화를 계산하였다.
3.2 결과 및 고찰
소나무와 상수리나무 각 시험편의 흡수실험시간과 흡수단면별 바닷물의 흡수량 측정결과(함수율, 단위면적당 흡수량, 흡수계수, 침몰시간추정)는 부록 표-1에서 표-26까지 첨부하였다.
3.2.1 흡수시간과 흡수량과의 관계
목재내부로의 수분의 침투는 모세관 상승작용에 의한 자연침투로 가정한다면 흡수량 W와 흡수시간 t사이에는 일반적으로 다음식이 성립된다. 즉, 흡수에 소요되는 시간 t에 따른 각 단면별 흡수량 Wa를 다음과 같이 plot한다.
Wa = k × t1/2
여기서 Wa는 단위면적당흡수량(g/cm2), t는 흡수시간(hr), k는 흡수계수이다. 또 이 식에 사용된 Wa는 흡수실험에 의해 다음식으로 구하였다.
Wa = (mh-mi) / A
여기서 mh는 임의시점에서의 흡수량(g), mi는 실험개시시의 시편질량(g), A는 흡수단면적(cm2)이다.
흡수량의 산출기준으로서는 일반적으로 24시간후의 흡수량을 계산하는데 여기서는 다음식으로 구할 수 있다.
W24 = (W2 -W1) / A (g/cm2)
단, W1은 방수페인트 피복후의 시험편중량 (g), W2는 침지완료직후의 시험편중량(g), A는 흡수면의 전체단면적(cm2)이다.
흡수계수를 구하는 위의 식으로부터, 흡수량과 흡수시간의 평방근과는 일차직선적인 관계가 성립하므로, 흡수시간의 증가에 따라서 흡수량은 점차 감소하게 된다. 그러나 시험편 전체를 바닷물속에 침지하게 될때는 시편내부에 내부압력이 생기므로 침투경과는 복잡한 양상을 띠게 될 것으로 생각된다.
그림 6은 흡수시간에 따른 심변재별 흡수량(吸水量)과 함수율의 변동을 나타내었다.
그림 6의 A와 B에서 보면 단위면적당 횡단면 흡수량은 심재가 변재보다 흡수량의 증가속도가 늦다. 즉 변재는 초기에 급격히 흡수량이 증가하며 24시간 이후에도 계속증가하고 있으나 심재는 초기에 비교적 완만한 증가를 하며 24시간 이후에도 대단히 완만하게 증가한다. 그러나 전체면, 접선단면, 방사단면의 기타 면은 흡수속도가 늦어 흡수시간에 따른 흡수량의 증가가 극히 점진적이고, 특히 심재는 100시간 이내에서는 흡수량의 증가가 거의 이루어지지 않는다.
한편 그림 6의 a와 b에서처럼 함수율의 증가도 심재가 변재보다 함수율의 증가 속도가 늦다. 각 단면별로는 횡단면이 방사단면이나 접선단면 보다 함수율의 증가속도가 빠르나 심재는 그 차이가 크지 않으며 변재에 있어서도 그 차이는 흡수량 만큼 크지 않다.
따라서 선재의 흡수량이나 함수율의 증가는 횡단면의 영향이 가장 크며 전체 목선재의 체적에서 횡단면이 차지하는 비율에 따라 일정시간 이후의 흡수량은 달라 질 수 있다. 예를들어 격파된 목편이 짧고 두껍다면 횡단면이 차지하는 비율이 많으므로 보다 빠른 시간내에 흡수 침몰할 수 있다.
3.2.2 심재와 변재의 흡수량
표 6은 소나무재의 각 단면별로 일정시간 바닷물로 흡수시켰을 때 심재(心材)의 흡수량에 대한 변재(邊材) 흡수량의 비를 나타내었다.
표 6. 심재흡수량에 대한 변재흡수량의 비율
치 수 별 |
횡 단 면 |
방사단면 |
접선단면 |
全面吸水 |
횡단면치수 (cm2) |
1
2
3
4
5 |
6.4
2.6
3.5
3.5
3.7 |
3.5
2.4
2.2
2.2
2.3 |
3.3
2.1
2.9
2.5
2.3 |
2.9
4.2
2.1
2.0
1.8 |
45×45
40×40
30×30
25×25
20×20 |
총 평 균 |
3.9±1.4 |
2.5±0.6 |
2.6±0.5 |
2.6±1.0 |
- |
표 6에서 처럼 24시간 흡수시킨 후 소나무의 심재와 변재의 단면별 흡수율의 차이는 횡단면 치수의 크기에따라 차이가 크지만 변재가 심재에 비하여 횡단면이 약 3.9배, 방사단면이 2.5배, 접선단면이 2.6배, 전면(全面)을 흡수시켰을때는 2.6배 흡수율이 더 커진다.
또 횡단면과 방사단면의 심재흡수량에 대한 변재흡수량의 비율이 횡단면과 접선단면 흡수비율에 비해서 약간 큰 값으로 나타나고 있다. 시험편 치수의 크기에 따른 영향을 고려해 본다면 전체적으로 작은 시편보다는 큰 시편에서 단위면적당의 심재흡수량에 대한 변재흡수량의 비율도 커질 것으로 생각된다.
따라서 목선의 주요 부재가 주로 접선단면인 점을 고려한다면 비교적 빠른 시간내에 흡수하며 여기에 일반 선체의 갑판 부분 및 판옥선등의 상장 부분이 격파되었을 때 횡단면을 통한 바닷물의 침투가 부가적으로 작용하여 보다 빨리 침몰함수율에 도달할 것으로 추정된다.
일반적으로 변재가 심재보다 단위시간에 대한 흡수량이 큰 것은 물의 투과성에 관여하는 목재세포조직(木材細胞組織)의 차이로 인한 투과성의 증가가 원인으로 알려져 있다.
3.2.3 흡수이방성
목재는 1장에서 설명한 것 처럼 3단면이 서로 다른 세포구조를 갖고 있기 때문에 흡수량은 각 흡수단면에 따라 크게 차이가 나는 흡수이방성(吸水異方性)을 가진다. 이에 3단면별 흡수성의 차이를 구명하기 위하여 각 시편의 크기에 따라 심재부와 변재부별로 24시간 흡수시킨후 횡단면 흡수량/방사단면 흡수량의 비(C/R), 횡단면 흡수량/접선단면 흡수량의 비(C/T), 방사단면 흡수량/접선단면 흡수량의 비(R/T)를 구하여 표 7에 나타내었다.
표 7에서 보면 소나무의 경우 횡단면과 방사단면의 흡수량의 비는 변재가 9.9배, 심재가 7.7배이며 횡단면과 접선단면의 비는 변재가 8.1배, 심재가 6.4배로 횡단면이 방사단면이나 접선단면에 비하여 6-10배 더 크다.
반면에 방사단면과 접선단면의 비는 심변재 모두 0.8 정도로서 심변재간의 차이는 없었고 단면간에는 접선단면의 흡수량이 약간 크나 그 차이는 크지않다.
표 7. 선재의 수종별 흡수 이방도
수종 |
치수별 고유번호 |
심 재 |
변 재 |
횡단면치수 (cm2) |
C/R |
C/T |
R/T |
C/R |
C/T |
R/T |
소나무 |
1
2
3
4
5 |
7.1
4.6
8.7
9.8
8.2 |
6.5
2.8
8.1
6.7
7.9 |
0.9
0.6
0.9
0.7
1.0 |
12.9
10.4
14.2
15.2
9.2 |
7.6
6.9
9.9
9.1
6.9 |
0.6
0.7
0.7
0.6
1.4 |
45×45
40×40
30×30
25×25
20×20 |
평 균 |
7.7±2.0 |
6.4±2.1 |
0.8±0.2 |
9.9±5.9 |
8.1±1.4 |
0.8±0.3 |
- |
상수리나무 |
1
2
3
4
5
6 |
6.0
5.9
6.9
7.5
8.4
8.9 |
4.8
6.0
6.7
8.2
7.0
4.9 |
0.9
1.0
1.0
1.1
0.8
0.6 |
- |
- |
- |
45×45
40×40
35×35
30×30
25×25
20×20 |
평 균 |
7.3±1.3 |
6.3±1.3 |
0.9±0.2 |
- |
- |
- |
- |
* C : 횡단면흡수량, R : 방사단면 흡수량, T : 접선단면 흡수량
한편 상수리나무의 경우는 심변재의 구분이 불명확하므로 심재에 대한 각 단면치수별 흡수이방도만을 표시하였다. 횡단면과 방사단면의 흡수량의 비는 7.3배이며 횡단면과 접선단면의 비는 6.3배로서 횡단면이 6-7배 흡수량이 더 많다. 방사단면과 접선단면의 비는 0.9배정도이다.
따라서 상수리나무도 소나무와 마찬가지로 접선단면흡수량이 방사단면흡수량보다 약간 크나 그 차이는 크지 않다.
동일재료의 목재라면 흡수량은 최종적으로는 어느 흡수면에서나 각 시험편의 흡수최대치에 도달할 것이기 때문에, 이 흡수이방도는 시간의 경과에 따라 1에 가까워질 것이다. 횡단면/방사단면 또는 횡단면/접선단면에 대한 흡수이방도는 기 조사자료에 의하면 침엽수재에서는 어느 수종에 있어서도 심재부보다도 변재부가 더 큰 것으로 알려져 있다. 본 조사결과에서도 이와 같은 경향을 나타내고 있으며, 가장 작은 시편의 경우에는 오히려 심재쪽이 더 큰 경향이 나타났다. 또 방사단면/접선단면에 대한 흡수이방도는 침엽수재에서는 일반적으로 1이하이며 변재부가 심재부보다 큰 것으로 바닷물흡수에 있어서도 일반 담수의 흡수와 같은 경향이 있음을 알 수 있다.
단면별로는 횡단면이 가장 흡수량이 많고 빠르며 다음이 접선단면 방사단면의 순이다. 그러나 접선단면과 방사단면 흡수량의 차이는 그다지 크지 않으며 방사단면/접선단면 흡수량(R/T)값은 약 0.8∼0.9를 나타내었다.
그러므로 목선이 격파될 경우, 횡단면부분이 얼마만큼 바닷물에 노출되는가에 따라 침몰속도에 결정적인 역할을 할 것으로 생각된다.
3.2.4 실대재의 바닷물 흡수실험
소나무와 참나무재의 실대재(단면치수 200×200mm, 200×100mm의 2종류)에 대하여 표면을 깨끗하게 대패질한 다음 흡수모델용 시편과 마찬가지로 방수페인트를 도포한 후 흡수실험을 행하였다. 단면의 크기 때문에 방사단면 재제가 불가능하여 접선단면재(接線斷面材, 板目材)로 시편을 제작하고 접선단면과 횡단면 흡수실험을 실시하였다. 표 8에 실대재의 흡수실험 결과를 정리하여 나타내었고, 부록 표-25과 표-26에 실대재의 함수율과 흡수량의 흡수시간에 대한 변화를 나타냈다.
표 8. 소나무와 상수리나무 실대재의 흡수실험 결과
항목
수종 |
기건 중량 (g) |
기건 체적 (cm3) |
기건 비중 |
흡수 단면적 (cm2) |
전건 중량 (g) |
전건 체적 (cm3) |
기건 함수율 (%) |
종료시 함수율 (%) |
소
나
무 |
접선단면 |
2745 |
5433 |
0.51 |
554 |
2240 |
4978 |
22.5 |
49.3 |
횡단면 |
3055 |
5920 |
0.52 |
196 |
2425 |
5389 |
26.0 |
49.4 |
횡단면 |
5815 |
11505 |
0.51 |
394 |
4585 |
10188 |
26.8 |
69.0 |
횡단면 |
6840 |
12301 |
0.56 |
615 |
4955 |
11011 |
38.0 |
54.8 |
참나무 |
접선단면 |
6555 |
7184 |
0.91 |
718 |
4840 |
6368 |
35.4 |
47.5 |
횡단면 |
7410 |
6817 |
0.92 |
198 |
5115 |
6730 |
44.9 |
52.6 |
부록의 표-25로부터 실대재의 함수율변화를 보면 비중이 작은 소나무의 경우는 함수율 증가속도, 즉 바닷물의 흡수속도가 매우 느리게 진행되고 있음을 알 수 있고, 상수리나무의 경우는 침몰함수율에 빠르게 도달함을 알 수 있다. 이러한 사실은 표 8로 부터 종료시의 함수율을 수종간 상호비교함으로써 알 수 있는데 앞으로 설명할 침몰함수율에 대해 평가해보면 소나무는 침몰함수율 138%에 도달하는 데는 아직 많은 시간이 필요한데 반하여 상수리나무는 침몰함수율 47%이상에 이미 도달하고 있다.
또 실대재 시험결과를 흡수모델 시험편의 실험 결과와 비교해 보면 흡수속도가 상대적으로 대단히 느려지고 있다. 흡수속도에 있어서 시험체가 큰 기 때문에 포수상태(飽水狀態)에 이르기까지는 장시간이 요구되나 근본적으로 흡수 패턴은 흡수모델 시험편으로 측정한 결과와 거의 같은 경향을 나타내고 있다.
3.2.5 목선의 침몰조건
(1) 주요목선재의 추정 침몰함수율
일반적으로 목재의 기건비중은 1이하인 경우가 대부분이므로 목재를 물 속에 넣었을 때는 바로 가라앉지는 않은다. 차츰 흡수가 진행되어 세포내의 빈 공간속에 들어간 바닷물의 비중 1.03과 세포벽 자체만의 비중인 1.50의 평균값이 바닷물의 비중 1.03을 초과하는 시점에 목선은 가라앉게 되고 이때의 함수율을 침몰함수율(沈沒含水率)이라하며 다음과 같이 계산한다.
어떤 목재 1cm3의 전건중량 Wo는 생재비중 rg와 같고, 이 목재가 차츰 흡습하여 어느 시점에 단위 중량이 1을 넘어서면 물의 비중보다 커져서 물 속에 가라앉게 되므로 이때가 침몰할 수 있는 최소함수율이 된다. 따라서 침몰함수율을 us(%)라 하면
us(%) = (1 - rg ) / rg × 100 으로 계산할 수 있다.
표 10. 주요 선재수종의 침몰함수율
구분 |
수 종 명 |
전건비중 |
침몰함수율(%) |
침엽수재 |
소나무 |
0.45 |
129 |
곰솔 |
0.49 |
112 |
잣나무 |
0.43 |
138 |
비자나무 |
0.48 |
116 |
낙엽송 |
0.47 |
120 |
가문비나무 |
0.38 |
173 |
젓나무 |
0.35 |
194 |
삼나무 |
0.33 |
209 |
편백 |
0.36 |
186 |
평균 |
0.42 |
153 |
활
엽
수
재 |
상수리나무 |
0.76 |
36 |
졸참나무 |
0.76 |
36 |
느티나무 |
0.67 |
55 |
굴피나무 |
0.61 |
68 |
가시나무 |
0.80 |
29 |
조록나무 |
0.80 |
29 |
녹나무 |
0.47 |
120 |
박달나무 |
0.81 |
27 |
밤나무 |
0.54 |
91 |
잣밤나무 |
0.52 |
97 |
산뽕나무 |
0.56 |
85 |
평균 |
0.66 |
62 |
이 식으로 계산한 목재의 침몰함수율은 표 10과 같다. 표 10에서 주요 선재수종의 침몰함수율의 예를 보면, 소나무와 곰솔이 각각 129%, 112%이며 상수리나무와 졸참나무 등의 참나무류는 36%에 불과하다.
이와같이 침몰함수율은 전건비중과 상관관계가 깊다. 따라서 비중이 높은 목재는 비교적 낮은 함수율에서 침몰하게 되므로 범주, 키, 노등으로 사용된 조록나무, 가시나무, 느티나무 등의 고비중(高比重)선재가 격파될 경우, 비중이 낮은 수종인 침엽수보다 침몰함수율에 더 빨리 도달하며 짧은 시간에 침몰할 가능성이 높다.
(2) 실제 침몰함수율
표 11은 외판, 저판등 주요 부재로 사용된 소나무와 선수재, 가룡, 갑판등 으로 강도가 요구되는 곳에 사용된 것으로 추정되는 참나무류의 상수리나무 각각 10개 집단을 대상으로 하여 실험한 내용이다. 본 실험의 목적은 추정 침몰함수율과 실제 침몰함수율과의 차이를 구명코저 가열과 감압에 의하여 바닷물을 급속히 흡수시키고 가라앉는 순간의 함수율을 측정한 결과이다.
표 11. 침몰 실제함수율
번 호 수 종 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
평균 |
소나무 |
131 |
140 |
147 |
140 |
142 |
135 |
133 |
141 |
132 |
140 |
138±5.1 |
상수리나무 |
42 |
49 |
41 |
48 |
53 |
53 |
53 |
42 |
42 |
49 |
47±5.0 |
표 11에서 보면 소나무 10개 집단의 실제침몰함수율의 평균은 138%로서 추정 침몰함수율 129%와 약 9%의 차이가 있으나 목재조직의 다양성을 고려해 볼때 추정값은 실제값에 거의 가까우며 대체로 133-143%정도에서 소나무재는 실제적으로 침몰함을 알 수 있다.
또 상수리나무의 경우는 이론식에 의한 침몰함수율이 전건비중 0.76일때 36%였으나, 실제 바닷물 흡수실험결과를 보면 평균 47%로서 약 11%정도 높은 값을 나타냈다. 실제 침몰함수율은 42-52%의 범위일 것으로 생각된다. 이 결과로 부터 전체적으로 이론상의 침몰함수율보다 약 10%정도 높은 함수율이 실제의 침몰함수율로 볼 수 있었다.
(3) 목재의 부력
목재의 부력(浮力)은 목재를 물 속에 강제로 침지(沈漬)시켰을 때 치환되는 물의 중량과 가라앉지 않고 떠있을 때의 목재와 치환되는 물의 중량과의 차이로 표시된다. 알키메데스의 원리에 의하여 부력을 Fb라고 하면
Fb (g) = vf - ma
로 계산할 수 있다.
이때 vf는 목재와 같은 체적의 바닷물의 질량(1.03×목재체적, m3), ma는 공기 중에서의 함수율 u%인 목재의 질량(목재의 전건비중×(1+u/100), kg)이다.
이 식에 의하여 소나무와 상수리나무재등 주요 선재수종의 함수율 단계별 부력과 침수율(浸水率, ma/Vf×100, %)을 계산해 보면 표 12와 같다.
표 12. 주요 선재 수종의 함수율 단계별 목재1m3당의 부력
수 종 |
전건
비중 |
구 분 |
함 수 율 (%) |
15 |
20 |
25 |
30 |
40 |
47 |
50 |
70 |
100 |
120 |
130 |
138 |
소나무 |
0.45 |
浮力 (kg) |
532 |
510 |
489 |
415 |
424 |
393 |
380 |
294 |
164 |
77 |
34 |
0 |
浸水率(%) |
48 |
50 |
53 |
55 |
59 |
62 |
63 |
71 |
84 |
92 |
97 |
100 |
상수리나무 |
0.76 |
浮力 (kg) |
224 |
189 |
154 |
119 |
49 |
0 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
浸水率(%) |
78 |
82 |
85 |
88 |
95 |
100 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
표 12에서 보면, 예를 들어 판옥선이나 거북선의 상장(上粧)은 물위에 노출되므로 기건함수율에 해당할 것이고 평형이 되는 함수율을 20%로 가정한다면 상장 부분이 격파되어 바로 침몰하기 위하여는 1m3당 소나무는 510kg, 상수리나무는 189kg의 추가하중이 필요하다. 이때 상장 부분이 바닷물속에 들어가는 비율은 체적 기준으로 소나무가 50%, 상수리나무는 82%가 물속에 잠기게 된다.
따라서 바닷물의 침투속도가 상수리나무가 소나무보다 늦은 것을 감안하더라도 상장 부분에 한정해 본다면 격파되는 경우, 상수리나무는 비교적 단시간에 침몰함수율에 도달하여 침몰하고 소나무는 침몰함수율에 도달하는 데 상당한 시간이 소요될 것으로 생각된다.
(4) 침몰소요시간
(가) 실험에 의한 침몰시간
목재가 바닷물에 침몰하는데 소요되는 시간은 흡수속도와 깊은 관계가 있으며 실험값을 기준으로 하여 침몰일수를 추정계산한 결과는 표 13과 같다.
표 13. 침몰 일수별 침몰비율 및 누가침몰비율
수 종 |
침 몰 일수(일) |
2 이하 |
2-5 |
5-10 |
10-30 |
30-90 |
90-180 |
180-360 |
360 이상 |
소나무 |
침몰비율(%) |
18 |
10 |
12 |
17 |
8 |
5 |
5 |
25 |
누가침몰비율(%) |
18 |
28 |
40 |
57 |
65 |
70 |
75 |
100 |
상수리나무 |
침 몰 일수(일) |
0.5 이하 |
0.5 -1 |
1-1.5 |
1.5-2 |
2-3 |
3이상 |
- |
- |
침몰비율(%) |
4 |
8 |
25 |
13 |
33 |
17 |
- |
- |
누가침몰비율(%) |
4 |
12 |
37 |
50 |
83 |
100 |
- |
- |
표 13에서 보면 소나무 기건목재가 흡수하여 침몰하는 데 소요되는 기간은 시험편에 따라 차이가 심하다. 2일 이하의 비교적 짧은 시간에 침몰하는 시험편은 전체시험편의 18%이고 1년이 넘는 시험편도 25%에 달하였다. 물론 이 실험은 100시간이라는 짧은 기간의 실험을 반복한 결과를 기준으로 추정한 값이므로 실제 침몰시간과의 일치여부는 앞으로 충분히 검토할 문제이나 목질재료의 특성상 침몰기간은 대단히 다양 할 수밖에 없다.
상수리나무의 경우에는 전건비중이 소나무보다 크므로 훨씬 더 낮은 함수율인 47%에서 침몰한다.
이와같이 상수리나무는 빨리 침몰되는데 비해 소나무는 그 침몰속도가 매우 느리지만, 목재는 상압에서도 외부에서 내부로 수분이 계속적으로 세포내강으로의 모세관이동현상과 세포벽에서의 확산에 의한 수분이동이 동시에 진행되므로 바닷물속에 가라앉는 것은 매우 긴시간을 요하게 되리라 예상된다. 소나무의 함수율증가에 따른 목재비중이 바닷물비중 1.03보다 크게 되는 시점의 침몰함수율은 약 138%였으며, 실험식으로 구한 각 흡수단면별 목재시편의 흡수시간에 대한 함수율증가량의 추정식으로 부터 목선이 침몰함수율에 도달하는 시간을 계산한 결과는는 소나무재가 부록 표-6, 상수리나무재가 부록 표-7에 나타나있다.
이 부록 표-6, 7에서 보면 일련번호 1번 시험재(R1-74h, 심재부 방사단면흡수실험)의 경우 무려 침몰하기까지 30년이라는 장시간이 요구되는 것이 있는가 하면, 반면에 28번시험편(4-42s, 변재부 전면흡수실험)과 같이 1/2일만에 침몰하는 시편도 있다.
전체적으로는 심재부가 침몰함수율에 걸리는 시간이 변재에 비하여 훨씬 길며, 실제적으로 목선이 바닷물중에 가라앉는 정확한 시간추정을 하기위해서는 단편적인 실험이 아닌 실제 그 시대의 목선의 구조와 그 규모를 파악하여, 모델실험을 할 필요가 있을 것으로 생각된다. 지금까지의 연구결과로는 목재의 어느 단면이 어느정도 바닷물을 흡수하는가에 대한 물성계수는 단순히 산출할 수 있으나 선박의 어느부분이 어떤 단면의 목재로 되어 있는지 등의 선박제작에 관한 구체적인 정보를 파악하여 실제 해상에서 실대재에 대한 실험이 선행되어야만 할 것으로 생각된다.
(나) 침몰 소요시간의 추정
실험에 의한 실제 침몰소요시간을 기초로하여 목선이 침몰하는데 필요한 시간을 다음과 같이 추정할 수 있다.
표 13에서 전체시험편중 누가침몰비율 60%에 해당하는 시점까지의 흡수계수(吸水係數)를 이용하여 소나무재를 기준으로 전건상태에서 함수율 u(%)에 도달하는 시간과 침몰소요일수를 구한 결과는 표 14에 나타내었다.
흡수성은 재의 두께와 밀접한 관련이 있으므로 외판재의 평균두께인 10cm를 기준으로 소나무재에 대하여 전건상태인 함수율 0%에서 함수율 u(%)에 도달하는 시간을 계산하였으며 계산식에 이용한 계수는 평균치로서 침몰시간 t와 함수율 u간의 관계식은 다음과 같다.
t (hr) = 0.002114127 × u 3.352
표 14. 소나무재의 흡수 함수율 단계별 추정소요시간
함수율(%) |
흡수소요시간 |
흡수소요일수 |
침몰소요일수 |
15 |
19 |
0.8 |
1,311 |
20 |
49 |
2.0 |
1,310 |
30 |
189 |
7.9 |
1,304 |
50 |
1,047 |
43.6 |
1,268 |
70 |
3,235 |
134.8 |
1,177 |
100 |
10,694 |
445.6 |
866 |
110 |
14,719 |
613.3 |
698 |
120 |
19,704 |
821.0 |
491 |
130 |
25,767 |
1,073.6 |
238 |
138 |
31,478 |
1,311.6 |
0 |
표 14에서 보면 함수율0%인 목선의 선체가 격파되어 물속에 잠길때, 목선의 함수율이 15%가 되는데 걸리는 시간은 19시간 즉 0.8일이며 침몰함수율이 138%에 이르는 시간은 31,478시간으로 날자로 계산하면 1,312일에 해당하는 약 3년반 이상의 장시간이 소요된다고 하겠다. 그러나 실제로는 함수율 0%인 목선재는 있을 수 없으므로 기건함수율인 15-20%로부터 침몰함수율에 도달하는 시간을 계산하더라도 낮은 함수율재는 흡수가 급격히 이루어지므로 거의 마찬가지로 수년이 소요된다.
한편 함수율 u(%)인 소나무재의 목선의 선체가 침몰함수율인 138%에 도달하는 침몰소요시간을 같은 표에서 보면 함수율이 15%인 목선이 격파되어 수중에 가라앉는데 걸리는 시간은 약 1,311일이며, 함수율 50-70%정도에서 함수율 138%의 침몰함수율에 도달하는 시간과의 차이는 크지 않다. 즉 초기에 비교적 빠른 시일내에 흡수하여 50-70%에 도달하나 그 이후 침몰함수율까지는 흡수속도가 급격히 떨어짐을 알 수 있다.
수면상부선체(水面上部船體)는 건조되어 있으므로 선체의 함수율이 기건함수율인 15-20%에 있을 것이고 수면하부선체(水面下部船體)는 바닷물 속에 잠겨 있으면서 선체자체 하중에 의한 압력을 받고 있으므로 항상 침몰함수율 이상의 거의 최대함수율에 가까운 수분을 목재속에 가지고 있다고 볼 수 있다. 특히 한선의 구조는 L자 이음으로 외판을 조립하고 사이에 중국배와 같이 방수용 충전물질을 사용하지 않음으로써 외판의 선체 내부까지 침몰함수율에 도달해 있는 상태로 운행되었다고 생각된다.
따라서 목선이 격파된 경우 수면하부선체만이 따로 분리되었을 때 선체목편은 침몰함수율 이하이므로 바로 침몰할 것이며, 수면상부의 상장부와 연결된 경우라면 상장부가 침몰함수율에 도달할 때까지 상당한 시간이 소요될 것으로 추정된다. 이때 상장부에 병기등 선적하물에 의한 추가 하중이 있다면 침몰시간은 훨씬 단축되리라고 본다. 한편 실험실적으로는 가열, 가압, 감압 등의 방법으로 침몰함수율이상으로 흡수시킬 수 있으나 자연상태에서 목재세포 공극전부에 바닷물이 침투 할 수 있는 최대함수율에 도달할 수 있을지는 검토가 좀더 필요하다.
외부압력이 없는 자연상태에서 목재내부로의 수분이동이 매우 느린 점을 감안한다면 침몰함수율에 도달하는 시간은 전체적으로 매우 긴 시간이 소요됨을 표 13에서 알 수 있었다. 그러나 상압에서도 목재내부로의 흡수현상은 계속되므로 세포내강으로의 모세관이동현상과 세포벽에서의 확산이동이 동시에 진행되고 속도는 느리지만 함수율증가에 의한 침몰은 일어나게 된다.
3.2.5 선체편내의 함수율 분포
지금까지 선체가 침몰함수율에 도달하기 위해서는 적어도 수년이 소요되며 또 선편의 재질, 즉 단면이나 심변재의 비율 등에 따라서도 달라지므로 심변재 포함비율이 비슷하고 두께 10cm정도의 소나무판재에 대한 개략적인 침몰시간의 추정을 해보았다. 즉 시간상의 장단은 있으나 바닷물 속의 목편은 반드시 가라앉을 수밖에 없음을 알 수 있었다.
그러나 일부 폐선에서 보면 선실까지 완전히 침수되었음에도 불구하고 침몰하지 않고 그대로 부유(浮遊)하는 경우가 있다. 이의 확인을 위하여 부유폐선의 외판재에서 표-중-이(表-中-裏)로 이어지는 연속시편을 제작하여 실제 함수율을 조사하고 판재의 위치별 함수율분포를 표 15에 기록하였다.
표에서 보면 판재의 가장자리 부분인 변재부와 판재중심부인 심재부의 함수율차가 현저하였으며, 변재부는 약 130%이상으로서 침몰함수율에 도달하였으나, 목선판재중심부의 심재부는 약 30-50%밖에 되지 않았다. 바닷물속에 잠긴채로 가라앉지 않고 표류한 이유는 이 심재부내의 빈 공간에 바닷물이 들어가지 못하여 목선판재의 전체 평균함수율이 바닷물의 비중을 초과할 수 있는 침몰함수율에 도달하지 않았기 때문이다.
표 15. 폐목선 외판재의 表-中-裏 함수율분포
판재내 상대위치 |
표면(변재) ←-----------------------중심부(심재)-------------- |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
함수율(%) |
130 |
99 |
95 |
82 |
46 |
41 |
39 |
34 |
31 |
35 |
41 |
68 |
판재내 상대위치 |
중심부(변재)--------------------------------------→이면(변재) |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
평균 |
함수율(%) |
132 |
131 |
142 |
139 |
128 |
131 |
129 |
139 |
142 |
93 |
3.2.6 남해해역의 해류와 관련한 침몰장소 고찰
남해안의 해류의 방향과 유속을 기 보고된 연구결과를 종합하여 부록 표-27과 표-28에 정리하였다.
표에서 보면 남해해역에서의 창조류(漲潮流)의 주방향은 서,북,북서방향이며 낙조류(落潮流)의 방향은 동,남,남동방향으로서 상호 반대방향으로 조류가 이동하고 있다. 조류의 속도에 있어서는 창조류가 낙조류에 비하여 약간 빠르거나 거의 같은 속도로서 이동하는 경향을 보이고 있다. 또 조류와는 별도로 조류속도 보다는 극히 느리지만 일정방향으로 흐르는 항류(恒流)가 존재한다. 그러나 표에서 알 수 있듯이 고흥반도나 목포근해로부터 부산항에 이르기까지 복잡한 해안선이 존재하는 관계로 조류의 속도는 그 위치에 따라 다양하며 세부적으로는 같은 장소에서도 매우 복잡한 형태의 해류 유동이 관측되고 있다.
예를 들어 조류의 영향만으로 격파된 목선이 이동한다고 가정한다면 격파된 장소부근부터 조류가 흐르는 해역범위에 한정하여 침몰될 것으로 추정된다. 그러나 실제로는 조류 이외에 해류의 영향이 크다고 생각되며 해류는 지역적으로 매우 복잡한 형태로 이동하기 때문에, 조류와 항류의 흐름을 종합적으로 검토하여 해류의 유속 및 방향을 결정해야만 될 것으로 판단된다.
따라서 남해해역에 있어서 해전이 치루어진 장소인근의 임란당시의 정확한 해류에 관한 자료를 바탕으로 조류와 항류의 영향을 고려하여 해류가 흘러가는 방향과 속도가 정해진다면, 위에서 검토한 목선침몰에 걸리는 시간과 대조하여 목선의 침몰위치를 시뮬레이션화할 수 있을 것으로 생각된다.
제 4 장 목선의 천공동물과 해양균류
조선재료로서 철과 프라스틱이 일반화된 19세기 이전에는 목선을 사용할 수밖에 없었으므로 목선을 가해하는 해양생물의 피해를 줄이는 것이 목선의 내구년한을 늘리는 주요한 수단이었다. 알렉산더 대왕이 멀리 원정을 하게된 것은 내해충성(耐海蟲性) 목재를 구하기 위함이었다는 설이 있으며 콜럼버스가 북미대륙을 발견한 후 귀국 길에 서인도 제도에서 해충에 의한 피해로 수척의 배를 잃고 고심하였다고 까지 한다.
우리나라에서는 일찌기 목선의 수명연장을 위하여 대단히 과학적인 방법으로 처리한 예가 있다. 완도침몰선의 경우 훈연(熏煙)으로 추정되는 방법에 의하여 외판의 표면에 두께 약 1mm의 균일한 탄화층(炭化層)을 만들었으며 실제로 이 부분은 거의 충해를 입지 않고 있었다. 그러나 이조초 428척에 불과하든 병선이 세조때는 739척에 달하는 대량의 병선을 건조하면서 시간이 촉박하여서인지 기술상의 문제인지는 알 수 없으나 훈연법(熏煙法)을 비롯한 방충(防蟲)목적의 어떤 처리를 하였다는 기록은 거의 없다. 여러 자료에는 병선의 수명이 짧은 것이 문제가 되었으며, 특히 중종실록에는 병선의 수명이 5-8년에 불과하였던 것으로 기록되어 있는데 이는 목정(木釘)사용등 여러 가지 원인이 있겠으나 천공동물을 비롯한 해양생물의 가해가 가장큰 원인으로 생각된다.
따라서 임란당시의 병선을 비롯한 이조시대의 대부분의 한선(韓船)은 해충을 막기위한 목적으로 훈연처리등의 표면처리를 하지 않은 것으로 추정되고 이런 선박들은 대단히 급격한 해충의 침해를 받게 되어 목선의 수명단축 원인이 된 것으로 보인다.
목선을 가해하는 해양생물은 표 16과 같이 천공동물류(穿孔動物類)와 해양균류(海洋菌類)로 크게 나눌수 있으며 흔히 말하는 해충(海蟲)은 천공동물류를 말한다.
표 16. 목선가해 주요 해양생물
대분류 |
종 류 |
학 명 |
비 고 |
천공동물류 |
목선천공충 (molluscs) |
Bankia rubra
Bankia cetacea Bankia orizaformis Bankia orientalis Teredo japonica Teredo takanoshimensis Teredo yatsui
|
목선을 서식지로 이용하기 위하여 천공함 |
바다나무좀 (clustaceans) |
Limnoria lignorumSphaeroma retrolaevis Chelura brevicaud |
목선을 영양원으로 식해함 |
해양균류 |
연부후균 (soft rot) |
Chaetomium sp. Sporocybe sp. Acremonium sp. Phialophora sp. Cephalosporium sp. Pestalozzia sp. |
세포벽 속의 cellulose 분해 |
세균(bacteria) |
Bacillus sp. Psuedomonas sp. |
세포벽 속의 cellulose 분해 |
4.1 해충의 종류와 목선에의 가해형태
목선을 가해하는 천공동물에는 목선천공충속(木船穿孔蟲屬, Teredo), 바다나무좀속( Limnoria), 의사<擬似>바다나무좀속(Chelura)등이 주요 종류이며 특히 목선천공충류의 피해가 심하다. 또 이들의 활동은 온도, 염분, 용존산소, pH, 인산염과 초산염을 중심으로 하는 영양분, 식물성플랑크톤과 관계가 깊으나 우리나라 남해안 일대는 적정 생육환경으로 볼 수 있다.
4.1.1 목선천공충류
목선천공충류(木船穿孔蟲類, Molluscs borer, shipworm)는 연체동물의 패각류(貝殼類) 일종이다. 종류는 약 20종이 알려져 있고 Teredo japonica, Bankia cetacea, Teredo yatsui등의 피해가 심하며 이들의 주요 생활사(生活史)를 보면 다음과 같고 그림 7에 목선천공충의 모양과 식해흔적을 나타내었다.
성충은 6-7월경의 한 여름에 산란하여 곧 부화된 유충은 바닷물위를 떠돌아 다니다가 목선를 만나면 표면에 부착하여 구멍을 뚫기 시작한다. 앞머리쪽에 달려있는 한쌍의 패각(貝殼)을 돌려서 목재를 깍아내기 시작는데 착생(着生)한후 하루정도면 벌써 목재속으로 완전히 들어가 버릴정도로 생장이 빠르다.
갓 태어난 유충의 길이는 수 mm에 불과하나 1개월정도면 직경 5-10mm, 길이 100mm 정도까지 자라며 6개월이면 길이 150-300mm 정도까지 성장하는데 그림과 같이 패각부가 굵고 꼬리쪽으로 갈수록 차츰 짧아지는 긴 역삼각형 모양을 한다. 목선을 천공하는 것은 주로 서식장소로 이용하기 위함이나 때로는 셀룰라제(cellulase)를 분비하여 셀룰로우스를 분해하기도 한다. 그러나 주된 먹이는 바닷물 속의 규조(硅藻)나 부유 조류(藻類)등이다. 9월에 들어가서 바닷물의 온도가 올라가고 염분농도가 진해지면 활동최성기가 된다.
침해형태는 처음 침입한 입구는 1mm에 불과하나 속으로 들어갈수록 차츰 넓어져서 앞머리쪽의 패각부는 7-8mm까지 달한다. 목선의 표면에서 대체로 10cm깊이까지 침입하며 인접한 천공구멍이 모여있는 부위는 마치 벌집모양을 하고 천공구멍의 내벽(內壁)은 얇은 석회질로 도포하는 것이 특징이다. 침해수종은 참나무 등의 활엽수재가 침엽수재보다 침해정도가 심하나, 예외적으로 침엽수재인 소나무류는 활엽수 못지않게 해충에 쉽게 침해 받는다.
4.1.2 바다나무좀류
바다나무좀(Limnoria)은 절족동물(節足動物)의 갑각류(甲殼類)에 속하고 전세계적으로 광범위하게 분포하는 대표적인 목선을 가해하는 해충이다. 목선충공충과는 달리 목재주성분의 하나인 셀룰로우스를 분해하여 영양원으로 하므로 목선을 직접 식해(食害)한다.
바다나무좀류는 몸길이 3-4mm 의 쌀알크기 정도의 담황백색 해충으로서 확대해 보면 그림 8과 같이 전체모양이 가재와 매우 닮아있다. 바닷물온도가 15℃를 넘어서면 4-8개의 알을 낳는데 일정기간 자란후 어미와 떨어져서 주위의 목질에 새로운 천공을 만든다. 천공의 형태는 영양원으로 섭취하기 위하여 분해하는 것이외에 여기 저기에 바닷물을 끌어들일 수 있는 통수구(通水口)를 만드는 습성이 있다. 따라서 바다나무좀의 천공은 목선의 표면가까이에 작은 골을 만드는 형태로 나타나며, 특히 소나무의 경우는 춘재부분이 약하므로 그림 8의 B와 같이 이 부분을 먼저 식해(食害)해 버리면 파도가 칠때 나머지 추재부도 떨어져나가므로 목선의 파손이 가속화된다.
온도등 번식조건이 적당할때는 1cm2당 50-60마리 까지 생육할 정도로 번식이 왕성하므로 침해가 시작되면 수년내에 외판이나 저판이 차츰 얇아진다. 그러나 퇴적층 등에 의한 부유물이 많아 바닷물이 혼탁해지면 잘 서식하지 않는 것으로 알려져 있다.
4.2 해양균류
목선을 가해하는 해양균류(海洋菌類, marine fungi)는 연부후균(軟腐朽菌, soft rot), 세균(細菌, bacteria) 등의 해양미생물을 말한다. 이들중 영향이 큰 연부후균을 중심으로 생리적인 특징을 보면 다음과 같다.
4.2.1 연부후균
목재의 연부후균은 자낭균(子囊菌, ascomycetes) 및 불완전균(不完全菌, fungi imperfecti)에 속하는 균류로서 일반 목재부후균인 담자균(擔子菌)과는 달리 바닷물속을 비롯한 완전 침수조건에서 생육할 수 있고 침해을 받은 부분이 대단히 연해지기 때문에 연부후균이란 이름이 붙었다. 분해속도가 매우 늦어 육상에서는 수년 동안에 불과 수mm를 가해하는 정도이나 침몰목선등 수침된 목질문화재는 적어도 몇백년에 걸쳐서 침해가 계속되므로 인양된 선박의 예에서 보면 두께 10-20cm에 달하는 외판이나 저판의 중앙부까지 연부후균의 침해를 관찰할 수 있다. 생육범위는 온도 0-60℃, pH 3-9, 거의 산소공급을 필요로하지 않는 혐기성균(嫌氣性菌)으로서 수분만 있다면 생육조건의 제약이 거의 없다.
연부후균이 목선재를 분해하는 형태는 그림 9와 같이 각종 목재세포벽의 중층(中層, S2層)에 침입하여 셀룰로우스와 해미셀룰로우스를 주성분으로 하는 마이크로피브릴을 따라 분해하므로서 터널모양의 공동(空洞)를 만든다. 따라서 목재의 바깥모양은 그대로 유지하나 세포벽의 속이 그물처럼 분해되어 거의 목재고유의 강도를 유지할 수 없게 된다. 연부후균의 일종인 Chaetomium gobusam를 사용하여 2개월간 부후시킨 후 중량감소율을 측정한 결과에 의하면 침엽수재인 소나무와 삼나무가 약 2-3%, 활엽수재인 너도밤나무가 약 37%의 감소율을 나타내어 활엽수재가 침엽수재에 비하여 분해속도가 훨씬 큼을 알 수 있다.
4.2.2 세균
세균에 의한 목재의 분해는 크게 문제가 되지 않은 것으로 알려졌으나 최근 장기간 침수조건에 보존된 수침목재에서는 분해정도를 무시할 수 없는 균류로 알려지고 있다. 분해속도은 느리나 균종에 따라서는 16주만에 침해형태를 확인한 보고도 있어서 환경조건에 많은 영향을 받는 것으로 생각된다. 분해형태에 따라 tunnelling bacteria, cavitation bacteria, erosion bacteria등으로 나누어진다.
4. 3 침몰목선에의 해양생물 침입과정
새로 건조한 목선이 진수(進水)하면 바로 외판과 저판은 앞에서 본 것처럼 목선천공충과 바다나무좀을 포함하는 목선천공동물 및 해양균류인 연후균과 세균의 침해를 받게 된다. 아직 천공동물과 균류의 어느 쪽이 먼저 가해하는지는 논란이 있으나 대체적으로 균류의 침해가 우선 이루어지는 것으로 알려져 있다. 생육조건은 바닷물의 온도와 밀접한 관계가 있는데 0℃이상에서도 정도의 차이는 있으나 활동은 가능하다.
연부후균과 세균은 목재세포벽의 주성분인 셀룰로우스와 헤미셀룰로우스 및 리그닌의 3성분중 마이크로피브릴(microfibril)을 따라 목선재의 골격성분(骨格成分)이라할 수 있는 셀룰로우스와 헤미셀룰로우스만을 분해하고 리그닌(lignin)은 분해하지 않으며 이와같은 현상은 지금까지 수많은 수중발굴 목재에서 증명되고 있다. 이는 마치 철근 콘크리트 건물에서 철근이 부식되어 버리고 콘크리트만 남아있는 형상으로서 약간의 외력(外力)으로도 표면이 쉽게 떨어져 나오게 된다. 침해받은 목선재의 표면이 불균질한 요철이 생기고 부드러워지면 목선천공충과 바다나무좀등의 천공동물류가 식해를 시작한다.
천공동물의 식해방식은 균류와는 달리 목재를 구성하는 가도관이나 목섬유세포 전체를 물리적으로 목선천공충과 같이 마쇄(磨碎)하거나 바다나무좀처럼 씹어먹음으로써 표면부터 목질이 떨어져 나가게 되고 외판이나 저판이 차츰 얇아지며 이와같은 가해 방식은 독립적으로 이루어지는 것이 아니고 천공충류와 균류가 상호상승작용에 의하여 동시에 분해하므로 그 속도는 더욱 빨라진다.
4.4 침몰목선의 잔존조건
4.4.1 퇴적층이 피복하지 않은 상태
운행중인 목선에도 해양생물의 침해가 계속되나 침몰후 정지상태가 되면 침해속도는 더욱 가속화 된다. 천공동물류와 균류모두가 활동하나 균류의 분해속도는 대단히 느리므로 잔존여부는 천공동물의 활동조건과 침해속도에 의하여 결정된다. 적합한 해양동물의 활동조건하에서 목선이 침해받는 시간을 계산한 자료는 없으므로 추정을 해보는 수 밖에 없다.
남서해의 해양조건은 천공동물의 활동에 적합한 조건을 갖추고 있으며 두께 10-20cm의 목선이 완전히 소멸하는데 소요되는 시간은 이들의 활동환경에 따라 대단히 다양하다.
그러나 이조시대의 한선 수명을 10년마다 한 번씩 개삭(改攍)하여 30년으로 기록하고 있는 것이나 발굴단에서 확인한 1930년대의 일제 목선이 아직도 그 형태유지하고 있는 것등에서 적어도 수십년은 잔존이 가능함을 알수 있다. 한편 신안출토선이나 완도출토선의 예에서 본 것처럼 노출부분이 침해를 받아 완전히 없어진 것을 보면 수백년간 잔존할 수는 없을 것으로 생각된다.
따라서 퇴적층(堆積層)이 쌓이지 않은 침몰목선은 100여년 안쪽에 천공동물의 침해를 받아 완전히 소멸되는 것으로 추정되며 퇴적층이 발달하지 않은 지역에서는 임란당시의 판옥선을 비롯한 전함의 발굴가능성은 없다.
4.4.2 퇴적층이 피복된 상태
침몰한 목선이 수십년안에 퇴적층으로 피복될 수 있는 조건에서는 잔존이 가능하다. 일단 피복이 되면 천공동물의 활동은 거의 없고 균류에 의한 분해가 진행되나 전술한 바와 같이 그 속도는 대단히 느리다.
우선 퇴적층의 구성이 조개껍질, 자갈, 모래, 실트(silt), 진흙, 부식유기물층 등의 퇴적조건과 퇴적두께에 따라 천공동물의 활동은 제약을 받으며 퇴적층을 뚫고 들어가서 목선을 가해한다는 보고는 알려져 있지않다. 따라서 일단 퇴적층속에 들어간 목선은 천공동물의 가해를 받지 않는 것으로 생각된다.
다음은 퇴적층속에서 목선의 보존가능성을 검토해 보면 다음과 같다. 이 상태에서 활동하는 해양생물은 연부후균과 세균이며 이들은 목재세포벽의 마이크로피브릴을 따라 셀룰로우스와 헤미셀룰로우스만을 분해하고 리그닌은 그대로 남겨둔다. 이들의 분해속도는 대단히 느리며 남겨진 리그닌 때문에 세포벽에 수많은 공극이 생기더라도 형태는 그대로 유지된다. 특히 목선이 유기물 부식층으로 덮이더라도 바닷물속에는 리그닌을 분해할 수 있는 균류가 없으므로 선체는 그대로 잔존한다고 본다.
이상의 조건을 검토해보면 침몰한 목선이 잔존할 수 있는 조건은 해류의 속도가 빨라 수십년내에 퇴적층으로 덮일수 있는 지역과 섬진강, 영산강, 낙동강등 남해안 대소 하천의 하구(河口)등 퇴적층이 급격히 쌓이는 지역이 목선의 잔존가능 지역으로 추정된다.
제 5 장 결 론
본 조사연구는 목선의 바닷물 침몰가능성과 잔존조건을 구명할 목적으로 수행되었다. 우선 목선재의 세포구조와 물리적 성질의 조사 및 사용 부재(部材)의 치수를 추정하여 목선재의 기초성질을 구명하였다. 이를 바탕으로 목선재(木船材)로 가장 널리 사용된 소나무와 참나무를 재료로 하여 직접 바닷물에 침지실험을 하고 흡수시간과 흡수량의 관계를 구명한 결과을 중심으로 침몰소요시간을 추정하였다. 다음에 침몰한 목선이 해저에 잔존하기 위해서는 해양생물의 활동과 밀접한 관계가 있으므로 목선을 가해하는 천공충 및 균류의 생육조건과 잔존가능성을 검토하였다. 이하 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.
5.1 목선의 기초 재질
(1) 이조시대의 병선(兵船)을 비롯한 우리나라 고선박은 선체의 재질이 소나무류(赤松과 黑松)이었고 갑판과 선수재등 일부 강도가 요구되는 부위는 참나무류(상수리나무 및 졸참나무)이었다. 기타 조록나무, 가시나무, 느티나무, 녹나무등 다양한 수종이 사용되었다.
(2) 한선부재(韓船部材)의 치수는 외판이 두께 약 10cm, 저판이 두께 20-25cm의 판재나 각재를 사용하였으며 주로 접선단면재(接線斷面板材, 板目)이다.
5.2 목선의 물리적 성질
목선은 수종에 따라 체적기준 50-80%의 공극이 있으며 나머지 20-50%는 세포벽으로 이루어진 실질부이다. 이 실질부의 비중이 1.50이므로 흡수하면 어느 시점의 평균비중이 바닷물의 비중 1.03을 넘어서게 되어 목선은 반드시 가라 앉은다.
5.3 목선의 침몰조건
(1) 바닷물의 흡수는 목편의 횡단면을 통한 흡수가 가장 빠르며 변재가 심재보다 약 3배정도 더 빨리 흡수한다. 따라서 선체의 구성판재의 심변재율(心邊材率)이 흡수속도에 크게 영향을 미친다.
(2) 목선의 침몰함수율은 수종과 비중에 따라 차이가 있으며 소나무가 129%, 참나무류가 36%로 계산되었고 실험에 의한 실제 침몰함수율은 추정한 침몰함수율보다 약 10%정도 더 높았다.
(3) 수면하부선체(水面下部船體)는 거의 침몰함수율에 도달해 있으므로 이 부분만 분리 격파된다면 바로 침몰한다. 그러나 갑판 등의 상장부는 15-20%의 기건함수율이므로 침몰하기 위하여는 138%까지 흡수하거나 추가하중이 필요하다. 예를 들어 함수율이 20%인 갑판재을 기준으로 보면 1m3의 판재가 바로 침몰하기 위하여는 510kg의 추가 하중이 필요하고 이때의 침수율(沈水率)은 약 50%정도이다.
(4) 함수율 단계별 흡수시간은 함수율 50-60%까지는 1-2개월 이내에 도달하나 이 시점이후의 침몰함수율인 138%에 도달하기 위해서는 약 3.6년이라는 시일이 소요된다. 따라서 격파지점에서의 해류의 속도에 따라 상당히 먼거리까지 이동후 침몰한 것으로 추정된다.
5.4 목선의 해저잔존 조건
(1) 목선은 운행중 및 침몰후에 천공충과 균류의 침해을 받으며 침몰후 바로 퇴적층이 쌓이지 않으면 적어도 수십년 내에 목선천공충 및 바다나무좀의 침해에 의하여 완전히 없어진다.
(2) 퇴적층에 묻힌 목선은 천공충의 침해는 받지 않고 연부후균(soft rot)라는 거의 혐기성에 가까운 균류의 침해를 받으나 그 분해속도가 대단히 느리므로 대부분 잔존할 것으로 추정된다. 더우기 이 균류는 셀룰로우스 분해균이므로 퇴적층이 부후가 진행되고 있는 유기물층이라도 리그닌(lignin)이 그대로 남기 때문에 목질유물이 있다면 외형은 유지되어 발굴이 가능하다고 본다.
5.5 종합결론
(1) 목선은 침몰함수율(沈沒含水率)까지 흡수하는데 시간의 장단은 있으나 물리적인 특성상 반드시 침몰한다.
(2) 격파후 화재 등에 의하여 상장부(上粧部)가 없어진다면 수면하부선체는 침몰함수율 이상에 도달해 있으므므로 바로 침몰한다.
(3) 갑판등 수면상부선체가 따로 분리된 경우는 바로 침몰하기 위해서 추가하중이 필요하며 추가하중이 없는 상태에서 자연 흡수침몰하는 데는 대체로 약 3.6년이 소요된다.
(4) 격파시의 화재 및 표류기간의 장기간으로 인하여 침몰선체에 갑판 등의 상장부가 포함될 가능성이 희박하고, 따라서 수면하부선체의 일부 및 선체편이 발굴될 가능성이 많다.
(5) 노(櫓), 키(舵), 범주(帆柱)등 비중이 높은 특수목재를 사용한 부위는 선체의 소나무보다 훨씬 빠른 시간내에 침몰하므로 인양가능성이 높다.
(6) 침몰한 목선은 적어도 수십년내에 퇴적층으로 완전히 덮이지 않으면 목선천공충 및 바다나무좀의 식해로 잔존할 수 없다.
(7) 유망한 잔존 지역은, 격파선체가 수년 동안 가라앉지 않은 점으로 볼때 멀리 이동하므로 격전지의 주변 이외에 퇴적층이 발달한 지역 및 남해안의 대소 하구(河口)의 삼각주 퇴적층이라고 생각된다.
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