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문제 정의
- 1) 또한 이번에 수행된 복원 금속활자의 과학분석을 통하여 조선왕실 금속활자의 체계적이며 과학적인 복원을 위한 금속활자의 합금비율을 산정하고, 주조방법의 기준 마련, 마지막으로 복원 된 금속 활자의 성분결과를 토대로 조선시대 청동 금속활자의 합금 조성을 제시하고자 하였다6,7.
- 청동활자에 대한 분석은 크게 3단계로 구분하여 진행하였고, 각 단계별 성분조 성은 ICP-AES를 이용하였으며, 복원한 활자의 내부 구조는 X선 촬영을 실시하였다. 또한 복원한 활자의 금속 조직별 차이점은 금속현미경과 SEM-EDS 분석 등을 통해 알아보고자 하였다. Table 1은 이번에 분석한 시료목록을 보여주고 있다.
- 본 연구에서는 조선왕실 주조 금속활자(官鑄活字) 중계미자(癸未字;1403)를 시작으로 임란 전 주조되어 사용된 금속활자 10종 복원 및 이와 관련한 조선 초기의 주조 및 조판기술을 복원하고자 하였다.1) 또한 이번에 수행된 복원 금속활자의 과학분석을 통하여 조선왕실 금속활자의 체계적이며 과학적인 복원을 위한 금속활자의 합금비율을 산정하고, 주조방법의 기준 마련, 마지막으로 복원 된 금속 활자의 성분결과를 토대로 조선시대 청동 금속활자의 합금 조성을 제시하고자 하였다6,7.
제안 방법
- 조직 내부에 보이는 편석물들의 성분을 알아보고자 SEMEDS 분석을 실시하였다.
- 2) 또한 복원한 청동활자의 과학분석을 통하여 청동활자를 주조할 당시 합금비율, 주조방법과 각 주조 단계를 거치면서 미세 조직은 어떠한 변화를 겪는지에 대하여 조사하였다.
- 금속의 미세조직은 복원한 활자로부터 시료를 일부분 채취한 후 에폭시 수지로 마운팅(mounting)하여 사포의 조밀 순서에 따라 #300, 500, 1000, 1200, 2400, 4000의순서대로 연마한 후 물로 세척하였다. 그리고 끝마무리 연마는 연마포(MD-MOL, MD-NAP, Struers)에 연마제(DPsuspension 3㎛, 1㎛, OP-U, Struers)를 뿌리면서 시료에 스크레치가 없을 때까지 연마하였다.
- +HCl+Ethyl Alcohol)을 이용하여 시편을 부식시켰으며, 부식된 시편은 금속현미경(Metallurgical Microscope, Leica)을 사용하여 조직을 관찰하였다. 금속조직에서 관찰 되는 개재물들의 성분은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM, JSM-7401F, Jeol)-에너지분산형분광기(Energy Dispersive Spectrometer: EDS)를 이용하여 알아보았다. 이때 관찰조건은 20kV, 20㎂이었다.
- 가지상 모양의 수지상인 α상 주위로 공석상인 (α+δ) 상이 관찰되어지며, 납편석물로 보이는 검은색 입자들이 조직 내에 산재해 있음을 볼 수 있다. 금속조직에서 보이는 편석물들의 성분을 알아보고자 SEM-EDS 분석을 실시하였다.
- 복원금속활자의 합금기준은 국립중앙박물관 소장 을해자(乙亥字) 성분비의 평균값8,9,10을 근거로 하여, 올해 복원할 임란이전의 주요 금속활자인 계미자, 경자자(庚子 字,1420) 등 10종에 대한 모합금(1단계)을 만든 뒤, 이러한 모합금을 녹인 쇳물로 청동활자를 주조(2단계)하였으며, 2 단계에서는 생성된 가지쇠를 녹여 금속활자를 주조(3단계) 하여 복원하였다.2) 또한 복원한 청동활자의 과학분석을 통하여 청동활자를 주조할 당시 합금비율, 주조방법과 각 주조 단계를 거치면서 미세 조직은 어떠한 변화를 겪는지에 대하여 조사하였다.
- 이중 Zn, Ni, Fe은 미량 성분이므로 을해자를 복원하기 위한 모합금 주조시에는 주성분인 Cu, Sn, Pb 세 성분을 이용하였으며, 각각 조성은 Cu: 87%, Sn: 15%, Pb: 8%로 주조하였다. 여기에서 Sn과 Pb의 함량이 국립중앙박물관 소장 을해자보다 5%정도 높게 합금한 이유는 Sn, Pb가 액체상태에서는 기화하여 사라지므로 줄어드는 합금량을 감안하여 5%씩 더 첨가하여 주조하였다. 이것을 백분율로 Normalize하면 구리 79% : 주석 14% : 납 7 %이다.
- 연마가 끝난 모합금 및 활자 시편은 청동제이므로 부식액(FeCl3+HCl+Ethyl Alcohol)을 이용하여 시편을 부식시켰으며, 부식된 시편은 금속현미경(Metallurgical Microscope, Leica)을 사용하여 조직을 관찰하였다. 금속조직에서 관찰 되는 개재물들의 성분은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM, JSM-7401F, Jeol)-에너지분산형분광기(Energy Dispersive Spectrometer: EDS)를 이용하여 알아보았다.
- 위와 같은 연구를 통하여 조선왕실 금속활자의 체계적 이고 과학적인 복원 실험을 수행할 수 있었으며 또한 활자 주조방법의 기준 및 합금조성의 비율 등을 제시할 수 있었다. 앞으로도 이러한 활자 복원 연구는 고대 활자의 제작기법 및 합금 비율 등을 연구하는데 큰 도움이 될 것으로 본다.
- 이번에 복원한 시편들에 정확한 주성분(Cu, Sn, Pb)의 함량은 한국기초과학지원연구소의 유도결합 플라즈마 방출분광분석기(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrophotometer; ICP-AES, Optima 4300DU, VG Elemetal Ltd.)를 이용하여 알아보았다. ICP-AES를 이용한 주성분 분석은 시료를 액상으로 만들어 분석하므로 시편을 왕수 (王水, 진한염산HCl과 진한질산HNO₃을 3:1로 혼합) 용액에 녹여서 분석에 이용하였다.
- 임진왜란 이전 주요 금속활자인 계미자, 경자자, 을해자, 계축자 등 10종을 복원하기 위하여 모합금을 주조한 시료의 미세조직을 관찰하였다. Figure 12는 1차 모합금 및 금속조직 사진을 보여주고 있다.
- 임진왜란 이전의 주요 금속활자인 계미자, 경자자, 을해자, 계축자 등 10종을 복원하기 위하여 국립중앙박물관 소장 을해자의 성분조성을 기준으로 모합금을 주조(주조 1단계) 하였으며, 모합금을 이용하여 1차로 10종 가운데 계축자를 선정하여 주조(주조 2단계) 한 뒤, 2차는 1차에서 주조하고 남은 가지쇠를 녹여 다시 계축자를 주조(주조 3단계)하였다. Table 3은 주조 후 각 합금의 성분조성을 보여 주고 있다.
- 조선시대 임진왜란 이전의 청동활자인 계미자, 경자자, 을해자 등 10종을 복원하기 위하여 계축자인 동국여지승람 복원 활자를 이용하여 성분조성, 미세조직 등을 관찰하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 주석과 납의 경우 용융상태에서 기화하여 감소하는 양을 감안하여 평균 조성보다 5% 정도 더 추가하여 주조하였다. 주요 금속활자인 계미자, 경자자, 을해자, 계축 자 등 10종을 복원하기 전에 모합금을 제작한 후 다시 모합금을 용융하여 활자를 복원하였다. 1차로 복원한 계축자 활자에 대하여 성분조성을 조사한 결과 Cu는 85.
- 과학분석은 위에서 언급한 바와 같이 을해자 함금비율을 근거로 주조된 모합금(1단계), 모합금을 녹여 주조한 금속활자(2단계), 2단계에서 생성된 가지쇠를 녹여 만든 금속활자(3단계)를 대상으로 하였다. 청동활자에 대한 분석은 크게 3단계로 구분하여 진행하였고, 각 단계별 성분조 성은 ICP-AES를 이용하였으며, 복원한 활자의 내부 구조는 X선 촬영을 실시하였다. 또한 복원한 활자의 금속 조직별 차이점은 금속현미경과 SEM-EDS 분석 등을 통해 알아보고자 하였다.
- 청동활자인 계축자에 대하여 조직내부의 결함 등 재질 상태를 알아보고자 X-ray 촬영(Soft X-ray radiography, Softex, Japan)을 실시하였다. X-ray 촬영 조건은 150kV, 3mA, 180초 동안 촬영하였다.
대상 데이터
- )를 이용하여 알아보았다. ICP-AES를 이용한 주성분 분석은 시료를 액상으로 만들어 분석하므로 시편을 왕수 (王水, 진한염산HCl과 진한질산HNO₃을 3:1로 혼합) 용액에 녹여서 분석에 이용하였다.
- 과학분석은 위에서 언급한 바와 같이 을해자 함금비율을 근거로 주조된 모합금(1단계), 모합금을 녹여 주조한 금속활자(2단계), 2단계에서 생성된 가지쇠를 녹여 만든 금속활자(3단계)를 대상으로 하였다. 청동활자에 대한 분석은 크게 3단계로 구분하여 진행하였고, 각 단계별 성분조 성은 ICP-AES를 이용하였으며, 복원한 활자의 내부 구조는 X선 촬영을 실시하였다.
- 먼저 주조 1단계인 모합금은 아홉 차례에 걸친 합금과 주조로 만들었으며, 분석 시료는 이 중 3점(1, 3, 5차 모합금)을 선정하여 분석대상으로 하였다(Table 2).
- 1%)을 기준으로 하였다. 이중 Zn, Ni, Fe은 미량 성분이므로 을해자를 복원하기 위한 모합금 주조시에는 주성분인 Cu, Sn, Pb 세 성분을 이용하였으며, 각각 조성은 Cu: 87%, Sn: 15%, Pb: 8%로 주조하였다. 여기에서 Sn과 Pb의 함량이 국립중앙박물관 소장 을해자보다 5%정도 높게 합금한 이유는 Sn, Pb가 액체상태에서는 기화하여 사라지므로 줄어드는 합금량을 감안하여 5%씩 더 첨가하여 주조하였다.
- 주조 2단계로 1단계의 모합금을 이용하여 주조한 금속 활자는 임란이전 금속활자 가운데 계축자(1493)인 동국여지승람권지4(東國與地勝覽卷之四)를 복원 한 뒤 부위별로 표본을 추출하여 2점을 선정한 뒤 분석대상으로 하였다(Figure 11).
- 주조 3단계로 2단계 금속활자 주조 시 생성된 가지쇠를 녹여 계축자인 동국여지승람권지4(東國與地勝覽卷之 四)를 복원한 뒤 부위별로 표본을 추출하여 2점을 선정한뒤 분석대상으로 하였다(Figure 11).
성능/효과
- Figure 20은 이번에 분석한 시료의 SEM-EDS 분석결과이다. 금속 조직에서 보이는 검은색 편석물들은 SEM에서는 흰색의 편석물로 관찰되어지며 이 부분을 EDS를 이용하여 성분을 분석한 결과 납(Pb)이 다량 검출되는 것으로 보아 납편석물임을 알 수 있었다(spectrum 1). 또한 가지상 부분인 α상과 공석상인 (α+δ)상은 모두 Cu와 Sn의 합금으로 이루어져 있는 전형적인 주조조직임을 확인할 수 있었다(spectrum 2, 3).
- Figure 14는 5차로 주조한 모합금 및 금속조직 사진을 보여주고 있다. 금속조직을 보면 1차와 3차로 제조한 모합금과 유사한 청동의 일반적인 주조조직인 수지상(dendrite)조직이 잘 발달해 있으며, 조직 내부에는 납 편석물로 보이는 미세한 검은 편석물들이 산재해 있는 것을 확인할 수 있다.
- Figure 12는 1차 모합금 및 금속조직 사진을 보여주고 있다. 금속조직을 보면 청동의 일반적인 주조조직인 수지상(dendrite)조직이 잘 발달해 있으며, 조직 내부에는 납 편석물로 보이는 미세한 검은 편석물들이 산재해 있는 것을 확인할 수 있다.
- 둘째, 조선 시대 금속활자인 계축자를 복원한 시편의 미세조직을 관찰한 결과 청동의 전형적인 주조조직인 수지상(dendrite)조직이 잘 발달해 있으며, 가지상 모양의 수지상인 α상 주위로 공석상인 (α+δ)상이 관찰되어지며, 납편 석물들이 조직 내에 산재해 있음을 볼 수 있다.
- 즉, 조선시대 금속활자인 을해자의 경우 모합금 주조 후 다시 용융하여 주조할 경우 Sn과 Pb가 기화하여 감소하는 양을 감안하여 약 5%씩 더 추가하여 주조하여야 지금 현재 남아 있는 을해자와 같은 조성의 활자를 제조할 수 있음을 보여주는 결과이다. 또한 1차 주조 후 남아 있는 가지쇠를 다시 재 용융하여 활자를 주조하여도 실제로 을해자의 평균조성과 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 그러나 주조 후 남아 있는 가지쇠를 계속 용융하여 활자를 제조한다면 Sn과 Pb의 함량은 계속해서 감소할 것으로 추정된다.
- 또한 가지상 부분인 α상과 공석상인 (α+δ)상은 모두 Cu와 Sn의 합금으로 이루어져 있는 전형적인 주조조직임을 확인할 수 있었다(spectrum 2, 3).
- 또한 수지상 부분은 Cu와 Sn의 합금인 α상으로 이루어져 있으며 (spectrum 2), 공석상인 (α+δ)상에는 일부 납편석물에 의해서 Pb 성분이 검출되어지는 전형적인 주조조직임을 확인할 수 있었다(spectrum 3).
- 이 기준합금을 이용하여 모합금을 주조한 후 성분조성을 알아본 결과 Cu는 약 81~83%를 보이며, Sn은 11~12%, Pb은 5~7%의 범위를 보여주고 있다. 모합금 3점의 성분비 평균값은 Cu 82.2%, Sn 11.6%, Pb 6.1%로 계측되었다. 이 모합금을 이용하여 1차로 계축자인 동국여지승람을 주조 후 성분 분석한 결과 가지쇠의 탕구는 Cu 87.
- 05%의 범위를 보여주고 있다. 이 결과는 1차로 복원한 활자에 비하여 주석과 납의 함량이 소량 감소하였으나 국립중앙박물관 소장 을해자의 평균조성과는 큰 차이가 없는 것으로 확인되었다.
- 우선 모합금의 경우 기준 합금은 Cu 87%, Sn 15%, Pb 8%(합 110%)로 주조하였으며 이를 100%로 Normalize하면 Cu 79%, Sn 14%, Pb 7%가 된다. 이 기준합금을 이용하여 모합금을 주조한 후 성분조성을 알아본 결과 Cu는 약 81~83%를 보이며, Sn은 11~12%, Pb은 5~7%의 범위를 보여주고 있다. 모합금 3점의 성분비 평균값은 Cu 82.
- 2차로 주조한 계축자인 동국여지승람 활자는 1차에서 주조하고 남은 가지쇠 등을 녹여서 주조한 것이다. 이 또한 가지쇠 탕구쪽과 하부의 성분조성을 알아본 결과, 탕구는 Cu 87.21%, Sn 9.36%, Pb 3.05%이며 하부는 Cu 88.09%, Sn 9.06%, Pb 2.80%를 보이고 있어 성분조성의 차이는 크지 않았다. 그러나 1차로 주조한 계축자의 성분조성과 비교해 보면 Sn과 Pb의 함량의 경우 2차로 주조한 것들 중하부에서 채취한 시료들은 평균적으로 조금 낮게 검출된 것을 확인할 수 있다.
- 1%로 계측되었다. 이 모합금을 이용하여 1차로 계축자인 동국여지승람을 주조 후 성분 분석한 결과 가지쇠의 탕구는 Cu 87.63%, Sn 9.27%, Pb 3.05%를 보여주고 있으며, 하부는 Cu 85.81%, Sn 10.51%, Pb 3.19%을 보여주고 있어 상부와 하부의 성분조성의 차이는 크지 않았다. 이 2점에 대한 성분비의 평균값은 Cu 86.
- 금속 조직에서 보이는 검은색의 편석물들은 SEM을 관찰한 사진에서는 흰색의 편석물들로 관찰되어진다. 이 부분을 EDS를 이용하여 성분을 조사한 결과 납(Pb)이 다량 검출되는 것으로 보아 납 편석물임을 확인할 수 있다(spectrum 1). 또한 수지상 부분은 Cu와 Sn의 합금인 α상으로 이루어져 있으며 (spectrum 2), 공석상인 (α+δ)상에는 일부 납편석물에 의해서 Pb 성분이 검출되어지는 전형적인 주조조직임을 확인할 수 있었다(spectrum 3).
- 그러나 이 성분조성도 국립중앙박물관에서 소장하고 있는 을해자의 평균조성과 큰 차이는 없다. 즉, 조선시대 금속활자인 을해자의 경우 모합금 주조 후 다시 용융하여 주조할 경우 Sn과 Pb가 기화하여 감소하는 양을 감안하여 약 5%씩 더 추가하여 주조하여야 지금 현재 남아 있는 을해자와 같은 조성의 활자를 제조할 수 있음을 보여주는 결과이다. 또한 1차 주조 후 남아 있는 가지쇠를 다시 재 용융하여 활자를 주조하여도 실제로 을해자의 평균조성과 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다.
- 첫째, 임진왜란 이전 주요 금속활자인 계미자, 경자자, 을해자, 계축자 등 10종을 복원하기 위하여 현재 국립중앙 박물관에서 소장하고 있는 을해자의 평균 성분조성(Cu: 86.7%, Sn: 9.7%, Pb: 2.3% 등)을 기준으로 하여 구리와 주석, 납의 합금 비율을 구리 87%, 주석 15%, 납 8%로 정하였다. 주석과 납의 경우 용융상태에서 기화하여 감소하는 양을 감안하여 평균 조성보다 5% 정도 더 추가하여 주조하였다.
후속연구
- 위와 같은 연구를 통하여 조선왕실 금속활자의 체계적 이고 과학적인 복원 실험을 수행할 수 있었으며 또한 활자 주조방법의 기준 및 합금조성의 비율 등을 제시할 수 있었다. 앞으로도 이러한 활자 복원 연구는 고대 활자의 제작기법 및 합금 비율 등을 연구하는데 큰 도움이 될 것으로 본다.
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