[논문]고대 벽돌의 소성온도 해석을 위한 광물학적 연구: 송산리 고분군 벽돌을 중심으로

장성윤; 이찬희

doi:10.12654/jcs.2014.30.4.08

고대 벽돌의 소성온도 해석을 위한 광물학적 연구: 송산리 고분군 벽돌을 중심으로
Mineralogical Study on Interpretation of Firing Temperature of Ancient Bricks: Focused on the Bricks from the Songsanri Tomb Complex 원문보기

보존과학회지 = Journal of conservation science, v.30 no.4, 2014년, pp.395 - 407

장성윤 (국립문화재연구소 복원기술연구실) , 이찬희 (공주대학교 문화재보존과학과)

초록
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이 연구에서는 벽돌 재료인 토양이 온도별로 소성되면서 겪는 광물학적 변화와 이에 수반된 물리적 변화를 토대로 송산리 고분군 출토 벽돌의 소성온도를 해석하였다. 토양시료를 $500{\sim}1,200^{\circ}C$로 소성하였을 때, 구성광물의 상전이에 의해 광물조성과 미세조직이 변했고 이에 따라 색, 흡수율, 기공률 등의 물리적 특성도 달라졌다. 광물조성은 상안정범위에 따른 광물의 구조붕괴와 재결정으로 인해 온도별로 달라졌지만 색, 흡수율, 미세조직은 $1,000^{\circ}C$ 이하에서 변화 폭이 적었고 $1,000{\sim}1,200^{\circ}C$에서는 급격한 변화가 나타났다. 이를 토대로 송산리 고분군 벽돌시료의 소성온도를 해석한 결과, 송산리 고분군 벽돌은 $1,200^{\circ}C$ 이상의 과소성품, $1,100{\sim}1,200^{\circ}C$의 고온소성품, $900{\sim}1,000^{\circ}C$의 소성품과 소성되지 않은 것으로 판단되는 벽돌이 공존하는 것으로 확인되었다. 향후 이러한 광물학적 및 물리적 변화과정을 토대로 보다 정밀한 소성온도 해석이 가능할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, firing temperature of bricks from the Songsanri tomb complex is interpreted based on the mineralogical and physical changes of soil samples fired at different temperature. When soil samples were burned at 500 to $1,200^{\circ}C$, phase transition of clay minerals affected the mineralogical composition and microstructure, which leaded to alteration of physical features as color, water absorption and porosity. Mineralogical composition can be assumed to vary with the temperature by mineral phase stability, however, color, water absorption, porosity and microstructure had slow change under $1,000^{\circ}C$, and had rapid change from 1,000 to $1,200^{\circ}C$. Upon the mineral and physical alteration of soil, firing temperature of bricks from the Songsanri tomb complex were estimated. Some bricks were over fired at temperature more than $1,200^{\circ}C$, some high-burned bricks were fired from 1,100 to $1,200^{\circ}C$, some bricks were fired by 900 to $1,000^{\circ}C$ and some bricks ere assumed not to be fired. Henceforward mineralogical and physical study can be applied to interpretate more precise firing temperature.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

X-선 회절분석(MXP-3 Sys., Mac Science)에 사용된 X선은 Cu-K α 선이며, 전압 40kV, 전류 30mA, 발산슬릿 1mm, 산란슬릿 1mm, 수광슬릿 0.15mm, 주사속도 2°2θ/min로 조정하였고, 3~60° 2θ 구간에서 측정하였다.
광물학적 분석을 위해 X-선 회절분석과 주사전자현미경을 통한 미세조직 분석을 수행하였다. X-선 회절분석(MXP-3 Sys.
이 연구에서는 토양이 소성과정을 거치면서 발생하는 변화를 미시적 관점과 거시적 관점으로 나누어 조사하였다. 구성 재료의 광물조성과 미세조직의 미시적 변화가 결국 색, 흡수율, 기공, 강도 등의 거시적 변화에 미치는 영향을 고려하였고, 이를 토대로 백제 웅진기에 조성된 송산리 고분군 출토 벽돌의 소성온도를 해석하였다. 이러한 소성과정의 광물학적 및 물리적 변화 연구는 고대 벽돌의 정밀한 소성온도 해석에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.
또한 고고학적 및 고고과학적 연구를 통해 무령왕릉 벽돌의 태토로 추정된 정동리 백제시대 고토양을 채취하여 소성실험을 위한 시편을 제작하였다. 고토양 시료는 정동리 가마터 인근의 오얏골과 꿩바윗골 지점으로 가마터에서 금강방면으로 약 800m 떨어진 금강변 퇴적층에서 채취하였다.
15mm, 주사속도 2°2θ/min로 조정하였고, 3~60° 2θ 구간에서 측정하였다. 또한 에너지분산형분광기(EDX, Inca M/X, Oxford)가 장착된 주사전자현미경(Jeol, JSM-6334F)으로 벽돌 내부의 소성상태를 조사하고 광물의 생성 및 변질 양상을 관찰하였다.
소성온도에 따른 광물학적 및 물리적 변화를 토대로 송산리 고분군 출토 벽돌의 소성온도를 해석하였다(Table 5). 먼저 소성온도에 따라 변화하는 광물상을 기준으로 소성온도를 해석하였고 미세조직은 Maniatis and Tite(1981)의 연구에 근거하여 시료의 유리질화 단계(NV, IV, V, CV)를 정리하였다. 색과 흡수율은 소성온도에 따른 토양실험 결과에 벽돌시료의 색과 흡수율 데이터를 함께 비교하였다(Figure 6).
물리적 특성 분석을 위해 색도, 전암대자율, 초음파 속도, 흡수율 및 부피비중을 측정하였다. 색도는 Munsell 방식의 표준 토색첩(Standard Soil Color Chart)과 색도계(BYK Garner spectro-guide)로 L, a, b값을 측정하였다.
위와 같이 수습한 고토양시료에서 광물입자를 파쇄하지 않고 물로 반죽하여 시편을 제작하고 그늘에서 2일 이상 건조하였다. 벽돌 시료 중 산화소성된 적색 벽돌과 환원소성된 회청색 벽돌이 공존하는 점을 고려하여 산화 및 환원 분위기에서 재료를 소성하였다(Figure 1).
산화소성은 전기가마((DM8F 121200, ㈜대명기업)를 사용하여 500℃에서 1,200℃까지 100℃ 단위로 소성하였다. 승온속도는 5℃/min, 목적 온도에서 머무는 시간은 3시간으로 하였다.
먼저 소성온도에 따라 변화하는 광물상을 기준으로 소성온도를 해석하였고 미세조직은 Maniatis and Tite(1981)의 연구에 근거하여 시료의 유리질화 단계(NV, IV, V, CV)를 정리하였다. 색과 흡수율은 소성온도에 따른 토양실험 결과에 벽돌시료의 색과 흡수율 데이터를 함께 비교하였다(Figure 6). 색 분석 결과, 대부분의 데이터는 환원환경의 900~1,100℃의 온도범위에 위치하며 벽돌의 소성도에 따라 온도범위는 각각 다르게 나타났다.
소성온도에 따른 광물학적 및 물리적 변화를 토대로 송산리 고분군 출토 벽돌의 소성온도를 해석하였다(Table 5). 먼저 소성온도에 따라 변화하는 광물상을 기준으로 소성온도를 해석하였고 미세조직은 Maniatis and Tite(1981)의 연구에 근거하여 시료의 유리질화 단계(NV, IV, V, CV)를 정리하였다.
부피비중과 흡수율은 한국산업규격 KS L 4201의 표준 실험법에 의거하여 비중 측정 장치가 장착된 저울(AND GX-400)을 사용하였다. 송산리 벽돌시료는 강도와 물성을 조사하기 위해 초음파 속도를 측정하였고 Pundit Plus(CNS FARNELL)를 사용하였다.
이 연구에서는 벽돌 제작을 위한 토양이 온도별로 소성되면서 겪는 광물학적 및 물리적 변화를 조사하여 송산리 고분군 출토 벽돌의 소성온도 해석에 적용하였다. 토양은 500~1,200℃로 소성되면서 구성광물의 상전이에 의해 광물조성과 미세조직이 변했고 이에 따라 색, 흡수율, 기공률 등의 물리적 특성도 달라졌다.
이 연구에서는 토양이 소성과정을 거치면서 발생하는 변화를 미시적 관점과 거시적 관점으로 나누어 조사하였다. 구성 재료의 광물조성과 미세조직의 미시적 변화가 결국 색, 흡수율, 기공, 강도 등의 거시적 변화에 미치는 영향을 고려하였고, 이를 토대로 백제 웅진기에 조성된 송산리 고분군 출토 벽돌의 소성온도를 해석하였다.
색도는 Munsell 방식의 표준 토색첩(Standard Soil Color Chart)과 색도계(BYK Garner spectro-guide)로 L, a, b값을 측정하였다. 전암대자율은 KT-6(Pocket Susceptibility Meter)으로 측정하였다. 부피비중과 흡수율은 한국산업규격 KS L 4201의 표준 실험법에 의거하여 비중 측정 장치가 장착된 저울(AND GX-400)을 사용하였다.
, 2006)를 고려하여 각각 최고온도에서 3시간 머무르도록 하였다. 환원소성은 가스가마를 사용하였는데 박정원 도예공방(원주시 소재)에서 자체 제작한 가스가마를 사용하여 900℃부터 환원환경을 조성하여 1,000℃, 1,100℃, 1,250℃에서 시편을 소성하였고 머무름 시간은 최소 1시간에서 최대 3시간까지 유지하였다.

대상 데이터

또한 고고학적 및 고고과학적 연구를 통해 무령왕릉 벽돌의 태토로 추정된 정동리 백제시대 고토양을 채취하여 소성실험을 위한 시편을 제작하였다. 고토양 시료는 정동리 가마터 인근의 오얏골과 꿩바윗골 지점으로 가마터에서 금강방면으로 약 800m 떨어진 금강변 퇴적층에서 채취하였다. 이 지역은 꿩바윗골 2지점으로 (재)충청문화재연구원에 의해 발굴조사가 시행되었고 백제시대 경작유구와 생활유구가 발견되었다.
송산리 고분군에서 6호분과 무령왕릉이 벽돌무덤이고 그 외 무덤들은 석실분의 형태를 가지고 있다. 이 연구에서는 무령왕릉 출토벽돌 10점, 송산리 6호분 출토 벽돌 1점, 기타 송산리 출토벽돌 6점, 정동리 출토품 1점으로 총 18점의 벽돌 잔편을 소성온도 추정의 대상으로 선택하였다.
이 지역은 꿩바윗골 2지점으로 (재)충청문화재연구원에 의해 발굴조사가 시행되었고 백제시대 경작유구와 생활유구가 발견되었다. 이 중에서 백제시대 경작유구 상단 남쪽 미능선부에서 백제시대 I, II, III층을 포함하는 토양을 깊이별로 채취하였다. 이들의 광물학적 및 지구화학적 분석 결과에서 송산리 고분군 벽돌과 가장 유사한 특성을 가진 고토양(JD-1, JD-2)을 대상 시료로 선택하였다(Lee et al.
이 중에서 백제시대 경작유구 상단 남쪽 미능선부에서 백제시대 I, II, III층을 포함하는 토양을 깊이별로 채취하였다. 이들의 광물학적 및 지구화학적 분석 결과에서 송산리 고분군 벽돌과 가장 유사한 특성을 가진 고토양(JD-1, JD-2)을 대상 시료로 선택하였다(Lee et al., 2007; Jang and Lee, 2011).

이론/모형

전암대자율은 KT-6(Pocket Susceptibility Meter)으로 측정하였다. 부피비중과 흡수율은 한국산업규격 KS L 4201의 표준 실험법에 의거하여 비중 측정 장치가 장착된 저울(AND GX-400)을 사용하였다. 송산리 벽돌시료는 강도와 물성을 조사하기 위해 초음파 속도를 측정하였고 Pundit Plus(CNS FARNELL)를 사용하였다.
물리적 특성 분석을 위해 색도, 전암대자율, 초음파 속도, 흡수율 및 부피비중을 측정하였다. 색도는 Munsell 방식의 표준 토색첩(Standard Soil Color Chart)과 색도계(BYK Garner spectro-guide)로 L, a, b값을 측정하였다. 전암대자율은 KT-6(Pocket Susceptibility Meter)으로 측정하였다.
승온속도는 5℃/min, 목적 온도에서 머무는 시간은 3시간으로 하였다. 이 조건은 Whitbread(1995)에 의해 제시된 소성연구를 참조하였다. 또한 머무름 시간이 매우 짧으면 광물의 생성과 소멸온도가 50℃ 정도 상승한다는 연구결과(Maritan et al.

성능/효과

또한 미세조직도 900℃ 이상에서 단계별로 뚜렷한 변화를 나타내므로 저온 소성품의 경우에는 광물조성으로 소성온도를 해석하는 것이 효과적이다. 1,000℃ 이상에서는 색, 흡수율, 미세조직, 광물조성은 매우 유사한 결과를 나타냈으나 광물조성이 저온부터 고온영역까지 다르게 나타나 소성온도 해석에 가장 큰 영향을 미쳤다.
송산리 고분군 벽돌시료의 초음파 속도는 흡수율과 반비례 관계를 보였고 소성온도에 따른 차이를 나타냈다. 1,200℃ 이상에서 소성된 벽돌시료는 4,000㎧의 높은 속도를 보였고 1,100~1,200℃에서 소성된 시료는 2,700~4,000㎧의 속도를 나타냈다.
고토양시료는 소성온도에 따라 색, 비중, 흡수율, 전암대자율 등의 물리적 특성과 광물조성, 미세조직 등의 광물학적 특성 변화가 나타났다. 선행연구에서 분석된 고토양시료의 주성분 조성은 Table 2와 같다.
고토양시료를 산화 및 환원환경에서 소성한 결과(Table 3, Figure 2), 산화소성 시료의 전암대자율은 800℃ 까지 거의 증가하지 않다가 900~1,000℃에 이르면 800℃ 소성된 시료보다 대자율 값이 약 15~30배 증가하고 1,100~1,200℃에서는 다소 감소한다. 고온에서 광물 구조가 변하면서 자철석 함량이 증가하였을 것으로 보이며, 그 반응은 주로 800∼1,000℃ 사이에 진행되었을 것으로 판단된다.
따라서 소성온도가 증가함에 따라 가마 내 온도 변화는 컸으며 가마 내 기물의 위치에 따라 소성온도가 다소 달라졌을 것으로 판단된다. 따라서 고대 토기나 벽돌유물의 소성온도 추정에 있어서는 같은 가마에서 소성되었더라도 열적 비평형에 의한 소성온도 차이가 발생할 수 있다.
, 2007; Jang and Lee, 2013). 분석 결과, 소성온도에 따라 벽돌의 광물 조성과 물리적 성질이 다르게 나타났다. 무령왕릉 출토 724-2와 송산리 고분군 출토 510-11에서는 토양의 성분인 녹니석, 질석, 고령석 등이 관찰되었고 15~16%의 흡수율과 2,000~2,500㎧의 초음파 속도를 보였다.
벽돌은 토양을 재료로 채토, 수비, 성형, 건조 그리고 소성과정을 거쳐 제작되며 소성온도는 물성에 영향을 미친다. 연구 결과, 소성온도에 따라 색, 흡수율, 강도, 구성광물, 미세조직 등의 변화가 관찰되었고 각 요인들은 밀접하게 연관되어 있었다. 온도에 따라 가장 큰 영향을 받는 것은 개개의 점토광물로, 광물 구조 내의 흡착수(H₂O)와 결정수(OH)의 탈수에 따라 구조 붕괴와 용융이 발생하고 고온에서 새로운 광물이 형성된다.
흡수율의 변화는 광물조성과 미세조직 변화에 의해 크게 영향을 받은 것으로 보이며 분석 결과에서도 1,000~1,200℃에서 큰 폭의 변화가 나타났고 변화율도 일정했다. 그러나 500~1,000℃에서는 온도에 따른 단계별 흡수율의 변화가 매우 적으므로 소성온도 예측도 어렵다.

후속연구

다만 1,000~1,200℃ 소성시료에서는 흡수율 범위에 따른 소성온도 예측이 가능할 것으로 보이지만 산화와 환원환경에 따라 흡수율 범위가 다소 달랐다. 두 환경에서의 광물과 물성 변화는 향후 비교연구가 필요하다.
구성 재료의 광물조성과 미세조직의 미시적 변화가 결국 색, 흡수율, 기공, 강도 등의 거시적 변화에 미치는 영향을 고려하였고, 이를 토대로 백제 웅진기에 조성된 송산리 고분군 출토 벽돌의 소성온도를 해석하였다. 이러한 소성과정의 광물학적 및 물리적 변화 연구는 고대 벽돌의 정밀한 소성온도 해석에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	벽돌이 목재와 다른점은?	우리나라의 벽돌 제작은 기원후 1~3세기에 시작된 것으로 추정되며, 낙랑에는 1,300여기가 넘는 벽돌무덤이 축조된 것으로 알려져 있다(Park, 2010). 벽돌은 목재와 달리 땅속에서 부식되지 않고 토압에 효과적으로 저항할 수 있는 압축력을 가지므로 건축물의 바닥에서 벽체를 거쳐 무덤까지 단계적으로 사용되었으며, 삼국시대에는 다양한 용도로 폭넓게 이용되었다.
	조선 후기 화성 축조를 위해 벽돌의 어떤 요소 등을 계획하였는가?	통일신라 이후에는 시유 벽돌이 등장하였고, 전탑이 축조되는 등 벽돌의 사용이 확대되었다. 조선 후기에는 화성 축조를 위해 벽돌의 형태, 생산량, 용도 등을 계획하였고 중국에서 벽요를 도입하여 기존의 횡염식 가마와 함께 사용하기도 하였다(GGCF, 2005). 그러나 조선 말기에는 전통 벽돌 생산이 중단되면서 중국에서 서양식 적벽돌이 수입되었다.
	소성온도가 증가함에 따라 가마 내 온도 변화는 컸으며 가마 내 기물의 위치에 따라 소성온도가 다소 달라졌을 것으로 판단되는 이유는?	벽돌이 대부분 가마에서 소성되므로 한 가마에서 제작된 벽돌이라도 온도 차이가 존재한다. 특히 송산리 벽돌은 6세기 전후에 제작되었으므로 가마에서 열평형을 유지하기 어려웠을 것으로 생각된다. 양산 호계동 삼국시대 가마를 복원 및 재현한 실험 연구(Cho and Hong, 2010)에서는 가마 내 연도와 소성부에 온도계를 4개를 설치하여 1시간마다 온도를 측정하였다. 가마 내 온도가 400~800℃일 때 소성부 바닥과 천정 사이에는 최대 40℃, 화구와 연도사이에는 최대 260℃의 온도 차이가 발생하였고, 가마 내 온도가 800~1,200℃가 되었을 때 화구와 연도부의 온도차는 최대 300℃ 이상으로 화구 온도가 높아졌다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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