[논문]김포 양촌유적 출토 원삼국시대 철부에 적용된 제작기술 검토

유재은; 이재성

doi:10.12654/jcs.2013.29.4.07

초록
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원삼국시대에 속하는 경기도 김포시 양촌유적에서 출토된 단조철부 5점과 주조철부 1점을 대상으로 미세조직 관찰과 비금속개재물 분석을 실시하였다. 단조품에 사용된 소재는 순철에 가까운 소재와 저탄소강이 사용되었고 성형 후 1점에만 담금질을 하였다. 주조품은 주철을 탈탄시킨 미세조직이 보여 주철탈탄 제강법이 적용된 것을 확인하였다. 비금속개재물 분석결과 철부는 고체저온환원법으로 제련하여 생산된 괴련철을 두드려서 제작하였다. FeO 함량이 $SiO_2$에 비해 비교적 높게 나타나 제련 시 노의 온도가 환원에 충분하지 못해 Fe의 회수율이 적었던 것으로 보이며 이 과정에서 광물에 포함된 K, P, Mg, Mn, Ti 등 불순물이 혼입되었다. Ca 함량이 높게 검출되는 곳이 있어 일부는 조제제로 석회물질을 넣었던 것으로 추정된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Microstructures and nonmetallic inclusions of five forged iron axes and one cast iron axe were analyzed. The axes were excavated from the Proto-Three Kingdom Period site located in Yangchon, Gimpo. The forging objects were made of almost pure iron and low carbon steel, and only one among five were q...

Microstructures and nonmetallic inclusions of five forged iron axes and one cast iron axe were analyzed. The axes were excavated from the Proto-Three Kingdom Period site located in Yangchon, Gimpo. The forging objects were made of almost pure iron and low carbon steel, and only one among five were quenched after its figuration. Malleable cast iron structures showing on the casting suggest that the decarbonized casting method were applied. According to the results of nonmetallic inclusion analysis, the axes were produced by hammering the iron bloom which was attained with low-temperature -solid-reduction-method. Showing higher Fe content over $SiO_2$, it is assumed that the re-collecting rate of Fe was low because of the insufficient forging temperature and the impurities were included during the smelting process. It is assumed that the lime was used as a preparation because of detecting high Ca contents.

주제어

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문제 정의

본고는 원삼국시대 철기를 대상으로 미세조직과 비금속개재물 분석을 실시하고 그 결과를 토대로 제련과 제작 기술을 알아보고자 한 것이다. 대상 유물은 경기도 김포시에 소재하는 양촌유적에서 출토된 철부이다.
, 2011; Yu and Lee, 2012). 여기서는 철부의 미세조직과 비금속개재물 분석으로 적용된 제작과 제련기술에 대해 밝혀보고자 한다. 철부만을 대상으로 한 것은 종류에 따른 적용 기술을 알고자함이며 이는 향후 다른 철기에 대한 연구 결과와 함께 이 지역 철기 제작기술 체계를 밝히는데 도움이 될 것이다.
이상으로 김포 양촌유적에서 출토된 철부 6점에 대한 미세조직과 비금속개재물 분석을 실시하여 적용된 제작기술을 밝혀보고자 하였다. 단조품의 날 부위는 페라이트, 페라이트와 펄라이트, 펄라이트와 마르텐사이트의 세 가지 양상을 보인다.

제안 방법

각 부위에서 시료를 채취해서 시편을 제작하였다. 먼저 금속이 남아있는지 여부를 자석으로 확인하고 다이아몬드 커터로 시편을 채취하였다.
시편은 에폭시수지로 고정시켜 마운트하고 샌드페이퍼 #500, #1,000, #2,000 순으로 연마하였다. 마지막에 3㎛, 1㎛ 연마제를 사용하여 관찰 면을 마무리하였다. 미세조직 관찰을 위해 Nital(Nitric acid+ Ethyl alcohol) 2% 용액으로 시료의 관찰 면을 부식시켰다.
각 부위에서 시료를 채취해서 시편을 제작하였다. 먼저 금속이 남아있는지 여부를 자석으로 확인하고 다이아몬드 커터로 시편을 채취하였다. 시편은 에폭시수지로 고정시켜 마운트하고 샌드페이퍼 #500, #1,000, #2,000 순으로 연마하였다.
마지막에 3㎛, 1㎛ 연마제를 사용하여 관찰 면을 마무리하였다. 미세조직 관찰을 위해 Nital(Nitric acid+ Ethyl alcohol) 2% 용액으로 시료의 관찰 면을 부식시켰다.
미세조직에 따른 경도 값 측정은 비커스경도기(Future Tech, 하중 100gf, 5초)를 사용하였다. 미세조직 내에 존재하는 비금속개재물은 먼저 주사전자현미경(SEM, Tescan)으로 관찰하고 화학조성 분석은 에너지분산형X선분석기(Energy Dispersive Spectroscopy: EDS, Bruker)를 이용하였다. 분석에 앞서 시료는 백금(Pt)으로 코팅하였다
미세조직은 광학현미경(Leica DMR, Germany)을 사용하여 배율별로 관찰하였다. 미세조직에 따른 경도 값 측정은 비커스경도기(Future Tech, 하중 100gf, 5초)를 사용하였다.
Figure 1의 확대한 이미지에서 볼 수 있듯이 페라이트 결정립계에 펄라이트가 분포하고 있다. 아공석강 정도의 탄소 함량을 가진 소재를 두드려서 제작하였고 제강이나 열처리는 실시하지 않았다. 페라이트의 경도 값은 136Hv, 160Hv를 가지며 페라이트와 펄라이트가 혼재된 곳은 157Hv, 180Hv의 경도 값을 나타낸다.

대상 데이터

이 유적은 3세기 대 원삼국시대에 속하는 유구가 발견된 곳으로 양촌택지개발지구 개발에 앞서 발굴조사가 실시된 곳이다. 김포시 운양동 일대에 분포하고 있으며 한강문화재연구원에서 2007년부터 2011년까지 발굴조사를 실시하였다. 확인된 유구 중 원삼국시대 분묘에서 철부, 철착, 철모, 철검 등의 철기가 다량으로 출토되었다(Hangang Ins.
본고는 원삼국시대 철기를 대상으로 미세조직과 비금속개재물 분석을 실시하고 그 결과를 토대로 제련과 제작 기술을 알아보고자 한 것이다. 대상 유물은 경기도 김포시에 소재하는 양촌유적에서 출토된 철부이다. 이 유적은 3세기 대 원삼국시대에 속하는 유구가 발견된 곳으로 양촌택지개발지구 개발에 앞서 발굴조사가 실시된 곳이다.
1. 연구 대상
대상유물은 철부 6점으로 단조품이 5점이고 주조품이 1점이다. 길이 약 7~12㎝의 소형에 속하는 철부로 약간씩 다른 형태를 하고 있다.
본 연구에 사용된 시편을 제공해주신 (재)한강문화재연 구원에 감사드린다.
먼저 금속이 남아있는지 여부를 자석으로 확인하고 다이아몬드 커터로 시편을 채취하였다. 시편은 에폭시수지로 고정시켜 마운트하고 샌드페이퍼 #500, #1,000, #2,000 순으로 연마하였다. 마지막에 3㎛, 1㎛ 연마제를 사용하여 관찰 면을 마무리하였다.
단조철부는 두드려서 제작할 때 대부분 공부를 접게 되나 철부 4는 접지 않아 날의 형태와 함께 약간 다른 양상을 보이고 있다. 주조품은 양날 끝에 돌대가 있는 형태로 단면 사각형이다. 유물과 시편을 채취한 위치는 Table 1로 정리하였다.

이론/모형

미세조직은 광학현미경(Leica DMR, Germany)을 사용하여 배율별로 관찰하였다. 미세조직에 따른 경도 값 측정은 비커스경도기(Future Tech, 하중 100gf, 5초)를 사용하였다. 미세조직 내에 존재하는 비금속개재물은 먼저 주사전자현미경(SEM, Tescan)으로 관찰하고 화학조성 분석은 에너지분산형X선분석기(Energy Dispersive Spectroscopy: EDS, Bruker)를 이용하였다.

성능/효과

특히 돌대에서 관찰되는 구상화 시멘타이트는 주철을 탈탄시키기 위한 작업이 727℃ 부근의 온도에서 수행되었음을 추정케 한다(Figure 17). EDS 분석 결과 회주철 생성과 관련성이 높은 규소(Si)는 검출되지 않았다. 공부의 페라이트는 147~188Hv, 펄라이트는 221Hv, 구상화시멘타이트는 204~230Hv의 경도 값을 가진다.
또한 미세조직 내에 형성된 비금속개재물을 분석하여 ‘유리질 슬래그-wüstite’와 ‘유리질 슬래그-wüstite-fayalite’의 두 가지 유형으로 구분할 수 있었다.
, 2013). 수량이나 종류로 보아 이들 철기에 대한 과학적 분석을 통해 당시 이 지역에 적용된 제작기술을 파악할 수 있을 것으로 판단되었다.
이상의 결과로 보면 양촌 출토 철부 제작에 사용된 소재는 순철에 가까운 소재와 저탄소강, 주철이 모두 사용되었다. 특히 주철탈탄 제강법은 당시 보편적인 기술이 아니었음에도 적용 사례가 밝혀져 일부에서는 이미 사용하고 있었음을 알 수 있다.
미세조직에 검은 점으로 보이는 상들은 흑연이다(Figure 15). 주사전자현미경으로 확대하여 EDS로 맵핑한 결과 미세조직 내의 검은 색 상들이 흑연이라는 것을 명확히 분석할 수 있었으며 소재인 철 이외에 탄소만 포함되어 있음을 확인하였다(Figure 16). 흑연은 뜨임(tempering)에 의해 시멘타이트가분해되어 생성된 temper carbon으로 덩어리 모양의 분포 양상을 보인다.

후속연구

본고에서 분석한 철부와 유사한 기술이 적용되었으나 No. 6 주조철부만 별도의 제강법을 적용한 점은 좀 더 논의가 필요할 것으로 보인다.
동일 종류의 유물에 다양한 기술이 적용된 이유는 명확하지 않다. 제작자의 의도인지 용도가 달랐던 것인지는 모르겠으나 이 부분은 추가적인 연구가 필요하다.
여기서는 철부의 미세조직과 비금속개재물 분석으로 적용된 제작과 제련기술에 대해 밝혀보고자 한다. 철부만을 대상으로 한 것은 종류에 따른 적용 기술을 알고자함이며 이는 향후 다른 철기에 대한 연구 결과와 함께 이 지역 철기 제작기술 체계를 밝히는데 도움이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제련은 무엇인가?	고대의 철기 제작은 크게 제련과정과 제작과정으로 구분할 수 있다. 제련은 철기 제작에 사용되는 소재를 얻기 위해 광석이나 광물을 노에 넣어 환원시켜 철을 얻는 단계로 이 과정에서 철과 불순물인 슬래그가 생산된다. 여기서 얻어진 철을 2차로 정련하거나 두드려서 형태를 만들게 되는데 이때 재료에 포함된 불순물이 제거되거나 철기로 제작한 후에도 내부에 흔적을 남기게 된다.
	고대의 철기 제작은 어떻게 구분할 수 있는가?	고대의 철기 제작은 크게 제련과정과 제작과정으로 구분할 수 있다. 제련은 철기 제작에 사용되는 소재를 얻기 위해 광석이나 광물을 노에 넣어 환원시켜 철을 얻는 단계로 이 과정에서 철과 불순물인 슬래그가 생산된다.
	제련을 과정을 거친 철을 2차로 정련하면 어떻게 되는가?	제련은 철기 제작에 사용되는 소재를 얻기 위해 광석이나 광물을 노에 넣어 환원시켜 철을 얻는 단계로 이 과정에서 철과 불순물인 슬래그가 생산된다. 여기서 얻어진 철을 2차로 정련하거나 두드려서 형태를 만들게 되는데 이때 재료에 포함된 불순물이 제거되거나 철기로 제작한 후에도 내부에 흔적을 남기게 된다. 유물을 만드는 제작과정은 철을 두드리거나 주형에 쇳물을 부어 주물로 형태를 만드는 성형부터 제강, 열처리 등의 기술이 적용되는 단계이다.

참고문헌 (14)

Cho, H.K. Cho, N.C. and Kang, D.I., 2013, Scientific Analysis of Slag and Furnace Wall collected from Iron Production Site at Suryong-ri Wonmorongi in Chungju. Journal of Conservation Science, 29(2). (in Korean with English abstract)
Cho, N.C., 2012, Material Characteristics of the Objects collected from the Iron Manufacturing site at Chungju, Iron Manufacturing Cultural of Jungwon. The 5th Symposium Proceeding, Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 115-134.
Choi, J.T., Jang, E.J. and Park, J.S., 2001, Iron technologies of the Three kingdom Period in Korea. Seoul National University Museum, 279-281. (in Korean)
Ha, S.W., 2008, A Study on Nonmetallic inclusion of Metal Remains. Dept. of Conservation Properties Graduate School of Art Yong-in University. (in Korean)
Hangang Ins., 2013, Unyang-dong Site II, Gimpo. Taeyang, Bucheon, 24-45.
Kang, C.G., 2004, Metallurgical study of iron artifacts excavated from Yongdam-dong, Jeju. Dept. of Conservation Properties Graduate School of Art Yong-in University. (in Korean)
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Kim, S.K., 2012, Studies in Fabrication Process and Temperature of Korean Ancient Iron ware through Analysis of Microstructures and Nonmetallic Inclusions. Dept. of Materials Eng., The Graduate School Hanyang University. (in Korean)
Kim, S.K., 2013, A study on Manufacturing Technology through Microstructure analysis of Iron artifacts excavated from Yangchon, Gimpo. The Archaeological Report of Yangchon, 684-688, 694.
Lee, H.J., 2012, A study on Manufacture Technology of Iron artifacts excavated from Yangchon, Kimpo. Yong-in University, Graduate School of Cultural Properties. (in Korean)
Lim, J.Y., 2011, A study on Iron-manufacture Method through Analysis of Slag and Ironware excavated from Byeokje, Goyang. Dept. of Conservation Properties Graduate School of Cultural Properties Yong-in University. (in Korean)
Yoon, D.S., 1984, Metallurgical study of iron artifacts of the early Iron age in Korea. Korea University Press. (in Korean)
Yu, J.E. and Lee, J.S., 2012, The manufacturin technology applied for iron swords excavated from Yangchon of Gimpo City. Science and Engineering of Cultural Heritage, 11, 18-37. (in Korean with English abstract)
Yu, J.E., 2011, The microstructure analysis of iron objects excavated from Yangchon of Gimpo City. Science and Engineering of Cultural Heritage, 10, 42-59. (in Korean with English abstract)

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