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문제 정의
- 이번 연구에서는 충주 수룡리 원모롱이 야철지에서 수습한 슬래그와 노벽을 과학적으로 분석하여 제철관련 정보를 알아보고자 하였다. 수룡리 원모롱이 야철지는 충청북도 충주시 노은면 수룡리 원모롱이에 있는 고려시대 야철 유적이다.
- 이상으로 충주 수룡리 원모롱이 야철지에서 수습한 제철관련 유물인 슬래그 4점과 노벽 1점을 자연과학적으로 분석하여 제철관련 정보를 알아보고자 하였다. 충주 일원의 고려시대 제철유적에 산재한 슬래그에는 철 성분이 많아 고대에서 현대에 이르기까지 제련원료로 재활용되었다고 한다(Shin et al.
제안 방법
- 각 시료의 내부 시편을 채취하고 에폭시 수지를 사용하여 마운팅하였다. 마운팅 된 시편은 220 mesh에서 4000 mesh까지 순차적으로 연마한 후 3㎛와 1㎛(DP-Spray, Struers) 연마제를 사용하여 시료에 스크래치가 없을 때까지 미세연마를 실시하였다.
- 표면층을 제거한 슬래그와 노벽을 에탄올에 침적하여 초음파 세척기로 표면에 남아있는 불순물을 제거한 후 건조하였다. 건조한 시료를 분말화하였으며 파장분산형 X-선 형광분석기(Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometry: WD-XRD, S4 Pioneer, Bruker)를 이용하여 분석하였다. 분석 전 전처리를 통해 시편을 유리화 하였으며 분석된 결과는 준정량 분석으로 계측하여 나타내었다.
- 노벽의 안쪽(Figure 7A)과 바깥쪽(Figure 7B)을 금속현미경으로 관찰하였다. 외부에서는 석영 등 다각형의 광물 입자들과 점토 기질 등이 관찰되며 노벽 내부에서는 일부 석영 등의 광물입자들은 형태가 남아 있으나 점토로 이루어진 대부분의 기지 부분은 유리질화되어 있음을 관찰할 수 있다.
- 각 시료의 내부 시편을 채취하고 에폭시 수지를 사용하여 마운팅하였다. 마운팅 된 시편은 220 mesh에서 4000 mesh까지 순차적으로 연마한 후 3㎛와 1㎛(DP-Spray, Struers) 연마제를 사용하여 시료에 스크래치가 없을 때까지 미세연마를 실시하였다. 미세 연마된 시편은 금속현미경(DM 2500M, Leica)을 사용하여 미세조직을 관찰하였고, 전계방사형주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope: FE-SEM, JSM-7401F, JEOL)으로 세부 미세조직을 관찰하였다.
- 마운팅 된 시편은 220 mesh에서 4000 mesh까지 순차적으로 연마한 후 3㎛와 1㎛(DP-Spray, Struers) 연마제를 사용하여 시료에 스크래치가 없을 때까지 미세연마를 실시하였다. 미세 연마된 시편은 금속현미경(DM 2500M, Leica)을 사용하여 미세조직을 관찰하였고, 전계방사형주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope: FE-SEM, JSM-7401F, JEOL)으로 세부 미세조직을 관찰하였다. 미세조직 내 화학조성은 에너지분산형 X-선분석기(Energy Dispersive Spectroscopy: EDS, INCA, Oxford)로 분석하였다.
- 미세 연마된 시편은 금속현미경(DM 2500M, Leica)을 사용하여 미세조직을 관찰하였고, 전계방사형주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope: FE-SEM, JSM-7401F, JEOL)으로 세부 미세조직을 관찰하였다. 미세조직 내 화학조성은 에너지분산형 X-선분석기(Energy Dispersive Spectroscopy: EDS, INCA, Oxford)로 분석하였다. 분석 시료들은 백금(Pt)으로 코팅하여 시료의 전도도를 높이는 한편 조성비에 미치는 영향을 최소화하였다.
- 관찰 결과 슬래그 바탕 기지 부분은 회색 장주상의 Fayalite가 주상으로 분포하고 있으며, 그 위로 작은 백색 견상 조직인 Wüstite가 분포하고 있다. 미세조직의 각 조직별 성분은 SEM-EDS를 이용하여 알아보았다(Figure 4B, Table 3). 1번 조직은 FeO의 함량이 높고 백색 입자 형태인 Wüstite임을 알 수 있다.
- 1 슬래그의 미세조직을 관찰한 결과 슬래그 바탕 기지 부분은 회색 장주상의 Fayalite가 주상으로 분포하고 있으며 그 위로 작은 백색 조직인 Wüstite가 분포하고 있는 것을 확인하였다(Figure 3A). 미세조직의 각 조직별 성분을 알아보고자 SEM-EDS 분석을 실시하였다(Figure 3B, Table 2). 1번과 4번, 6번은 바탕 기지 부분에 넓게 분포하고 있는 Fayalite이며, 2번과 5번은 바탕 기지 부분인 glass matrix이다.
- 불순물이 포함되지 않은 내부 시료를 얻기 위해 표면층을 그라인더로 제거하였다. 표면층을 제거한 슬래그와 노벽을 에탄올에 침적하여 초음파 세척기로 표면에 남아있는 불순물을 제거한 후 건조하였다.
- 슬래그와 금속 철의 분리를 원활하게 하는 조재제 중 CaO 함량을 알아보았다. 슬래그에서 CaO가 검출되는 경우는 제련 과정에서 임의로 석회질 물질을 투입하였거나, 노벽 혹은 철광석에 포함된 Ca 성분이 슬래그로 빠져나온 경우이다.
- 바탕 기지 부분은 회색 장주상의 Fayalite가 주상으로 분포하고 있으며 그 위로 작은 백색 견상 조직인 Wüstite가 분포하고 있다. 슬래그의 미세조직을 세부적으로 관찰하고 각 조직별 성분을 알아보고자 SEM-EDS 분석을 실시하였다(Figure 6B, Table 5). 1번과 4번 조직은 바탕 기지 부분에 넓고 크게 분포하고 있는 Fayalite이며, 2번은 TiO2가 소량 첨가되어 있는 Wüstite이다.
- 주성분 분석과 마찬가지로 시료를 분말화하였으며 노벽의 경우 노벽의 바깥쪽 유리질 층과 안쪽의 적색점토층을 나누어 분말화하였다. 화합물 상태를 알아보기 위해 X선 회절 분석(X-ray Diffraction System: XRD, X'PertPRO MPD, Philips, Netherlands)을 실시하였다.
- 이렇듯 슬래그에는 당시의 작업과정을 나타내는 흔적이 남아있다. 즉, 제철 시 어떠한 원료를 사용하였으며, 철을 환원하기 위해 어떠한 원료를 사용하였으며 철을 환원하기 위해 사용한 연료 및 제철로의 온도 등 당시의 제련과정을 추정해 볼 수 있다. 따라서 이러한 슬래그의 분석은 고대 제철 과정을 이해하는데 상당한 도움이 된다.
- 화합물 상태를 알아보기 위해 X선 회절 분석(X-ray Diffraction System: XRD, X'PertPRO MPD, Philips, Netherlands)을 실시하였다.
대상 데이터
- 분석 대상 시료는 국립중원문화재연구소에서 실시한 지표조사에서 채집한 것으로, 그 중 수룡리 원모롱이 야철지에서 수습한 슬래그와 노벽이다. 공주대학교와 체결한 업무협약에 의해 국립중원문화재연구소에서 제공하였으며 외형적 특징에 따라 슬래그 4점, 노벽 1점을 선정하였다(Figure 1). No.
- 분석 대상 시료는 국립중원문화재연구소에서 실시한 지표조사에서 채집한 것으로, 그 중 수룡리 원모롱이 야철지에서 수습한 슬래그와 노벽이다. 공주대학교와 체결한 업무협약에 의해 국립중원문화재연구소에서 제공하였으며 외형적 특징에 따라 슬래그 4점, 노벽 1점을 선정하였다(Figure 1).
- 03deg, 전압은 40kV, 전류는 30mA이다. 분석 시 Target은 Copper를 사용하였다.
데이터처리
- 건조한 시료를 분말화하였으며 파장분산형 X-선 형광분석기(Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometry: WD-XRD, S4 Pioneer, Bruker)를 이용하여 분석하였다. 분석 전 전처리를 통해 시편을 유리화 하였으며 분석된 결과는 준정량 분석으로 계측하여 나타내었다.
성능/효과
- No. 1 슬래그의 미세조직을 관찰한 결과 슬래그 바탕 기지 부분은 회색 장주상의 Fayalite가 주상으로 분포하고 있으며 그 위로 작은 백색 조직인 Wüstite가 분포하고 있는 것을 확인하였다(Figure 3A).
- 관찰 결과 슬래그 바탕 기지 부분은 회색 장주상의 Fayalite가 주상으로 분포하고 있으며, 그 위로 작은 백색 견상 조직인 Wüstite가 분포하고 있다.
- 미세조직 내 화학조성은 에너지분산형 X-선분석기(Energy Dispersive Spectroscopy: EDS, INCA, Oxford)로 분석하였다. 분석 시료들은 백금(Pt)으로 코팅하여 시료의 전도도를 높이는 한편 조성비에 미치는 영향을 최소화하였다.
- 00wt% 이상일 경우에는 사철을 원료로 하여 제련한 것으로 보고 있다(Yoon, 1986). 수룡리 원모롱이 슬래그의 TiO2 함량은 No. 4 슬래그에서만 1.10wt%로 높게 나타나고, 나머지 3점의 슬래그에서는 노벽에서 검출된 양보다도 적게 검출되었다. 그러므로 슬래그 중 No.
- 이번에 분석한 슬래그들도 대체로 Fayalite가 주요상으로 검출되고 일부 Wüstite 등이 나타나는 것으로 보아 이 슬래그들은 제련 시 생성된 제련재임을 알 수 있다.
- 이번에 분석한 슬래그의 미세조직의 주요상으로 Fayalite가 검출되었고 그 위로 백색 견상 조직인 Wustite가 넓게 분포하고 있다. No.
- 그 값이 클수록 제련 시 생성된 철의 회수율이 좋지 않았음을 의미하며 보통 고대에서 발견되는 슬래그의 전철량은 30～50% 범위이다(Yoon, 1986). 이번에 분석한 슬래그의 전철량은 36.98～44.47wt% 범위로 고대 제련 시 일반적으로 보이는 전철량 범위의 전철량을 나타내고 있다.
후속연구
- 그러나 수룡리 원모롱이 야철지의 슬래그 분석을 통해 이 지역에서는 철광석 뿐 아니라 사철도 원료로 사용했을 가능성을 보이고 있다. 그러나 현재로는 국내 사철 관련 자료가 미비하고 충주지역의 철광석 산지에 대한 분석자료 역시 미비하므로 이에 대한 자료가 축적된 후에야 보다 정확한 제철 원료에 대한 연구가 가능할 것으로 본다.
- 따라서 이 지역의 제철작업이 단기간의 작업이 아니라 고려에서 조선에 이르기까지 지속적으로 이루어진 작업임을 짐작할 수 있게 하는 유적이다. 그러므로 수룡리 원모롱이에서 수습된 슬래그와 노벽에 대한 분석은 충주 지역에서 이루어진 고려시대 제철 방법 및 제철 문화를 이해하는데 도움이 될 것으로 본다.
- 이들 야철지에서 수습된 것만으로 성격과 시대를 논하기에는 한계가 있으나 현재 확인된 장소에서의 제철작업조차도 단기간의 작업이 아니라 고대로부터 조선시대에 이르기까지의 지속적인 작업이었다는 것을 짐작할 수 있다. 그러므로 제철유적발굴 유물과 더불어 다양한 지역에서 수습된 제철관련 부산물들의 연구가 지속된다면 충주를 비롯한 중원지역에서 영유된 제철문화를 이해하는데 폭넓게 활용될 수 있을 것이다.
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