노계마을(본리 324-1번지) 제철유적 발굴조사 결과 중 1, 2호 로 주변에서 확인된 수혈유구에서 출토된 제철관련 유물을 대상으로 분석을 실시하여 철 생산 시설의 성격을 밝히고자 하였다. 분석은 슬래그, 철광석, 노벽 등 32개의 시료를 대상으로 미세조직관찰, 성분 및 화합물분석을 통해 재료적 특성을 확인하였다. 1호로 내부 슬래그의 경우 위치별 분석을 실시하여 형성과정에 대한 검토도 실시하였다. 단야로로 추정되는 1호로 내부에서 출토된 슬래그는 조업과정에서 노하부에 수차례에 걸쳐 노하부에 축적된 2차 공정 생성물로 확인되며 주변의 1호 및 2호 수혈유구 슬래그의 경우 일반적인 제련슬래그와 유사한 특징을 보인다. 제련로로 추정되는 2호로 주변에 위치한 5호 수혈유구 슬래그의 경우 회수율이 높지 않은 일반적인 유출 슬래그의 특징을 보여 제련공정의 관계성이 확인된다. 철광석의 품위는 다양하며 노벽재료는 특별히 내식성을 고려하여 선택하지 않은 것으로 여겨진다. 한편 슬래그의 CaO와 같은 비철원소의 성분함량이 철광석에 비해 높게 나타나는 현상은 석회물질의 첨가 보다는 목탄재에 의한 영향이나 전체적인 철 함량의 감소에 따른 나머지 구성원소의 상대적 증가에 의한 결과와 같은 다른 요인들에 대해 고려해 볼 필요가 있다.
노계마을(본리 324-1번지) 제철유적 발굴조사 결과 중 1, 2호 로 주변에서 확인된 수혈유구에서 출토된 제철관련 유물을 대상으로 분석을 실시하여 철 생산 시설의 성격을 밝히고자 하였다. 분석은 슬래그, 철광석, 노벽 등 32개의 시료를 대상으로 미세조직관찰, 성분 및 화합물분석을 통해 재료적 특성을 확인하였다. 1호로 내부 슬래그의 경우 위치별 분석을 실시하여 형성과정에 대한 검토도 실시하였다. 단야로로 추정되는 1호로 내부에서 출토된 슬래그는 조업과정에서 노하부에 수차례에 걸쳐 노하부에 축적된 2차 공정 생성물로 확인되며 주변의 1호 및 2호 수혈유구 슬래그의 경우 일반적인 제련슬래그와 유사한 특징을 보인다. 제련로로 추정되는 2호로 주변에 위치한 5호 수혈유구 슬래그의 경우 회수율이 높지 않은 일반적인 유출 슬래그의 특징을 보여 제련공정의 관계성이 확인된다. 철광석의 품위는 다양하며 노벽재료는 특별히 내식성을 고려하여 선택하지 않은 것으로 여겨진다. 한편 슬래그의 CaO와 같은 비철원소의 성분함량이 철광석에 비해 높게 나타나는 현상은 석회물질의 첨가 보다는 목탄재에 의한 영향이나 전체적인 철 함량의 감소에 따른 나머지 구성원소의 상대적 증가에 의한 결과와 같은 다른 요인들에 대해 고려해 볼 필요가 있다.
The purpose of the present study is to examine the objects excavated from the archaeological site of the Nogye Village in terms of their relationships with the iron production facilities such as 1ho smithing hearth and 2ho smelting furnace. 32 samples including slags, iron ores, and wall were analyz...
The purpose of the present study is to examine the objects excavated from the archaeological site of the Nogye Village in terms of their relationships with the iron production facilities such as 1ho smithing hearth and 2ho smelting furnace. 32 samples including slags, iron ores, and wall were analyzed to identify the mineralogical and chemical characterization. In addition, in the case of the 1ho smithing hearth slag, differing points of the cross-section were analyzed to examine its formation in depth. The analysis results suggest that the slags from the each site adjacent to the 1ho smithing hearth and 2ho furnace are related to smithing and smelting process respectively. Furthermore, it is possible to draw some conclusions that the aspects of the increased contents of nonferrous elements such as CaO in the slags in comparison with those of the iron ores are due to various factors such as charcoal ash and analytical reasons rather than an addition of CaO as flux.
The purpose of the present study is to examine the objects excavated from the archaeological site of the Nogye Village in terms of their relationships with the iron production facilities such as 1ho smithing hearth and 2ho smelting furnace. 32 samples including slags, iron ores, and wall were analyzed to identify the mineralogical and chemical characterization. In addition, in the case of the 1ho smithing hearth slag, differing points of the cross-section were analyzed to examine its formation in depth. The analysis results suggest that the slags from the each site adjacent to the 1ho smithing hearth and 2ho furnace are related to smithing and smelting process respectively. Furthermore, it is possible to draw some conclusions that the aspects of the increased contents of nonferrous elements such as CaO in the slags in comparison with those of the iron ores are due to various factors such as charcoal ash and analytical reasons rather than an addition of CaO as flux.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 국립중원문화재연구소에서 2014년도에 실시한 노계마을(본리 324-1번지) 발굴조사 결과 중 유일한 철 생산 관련 시설로 확인된 1호 및 2호 로 주변에서 확인된 수혈유구 슬래그에 대한 집중적인 분석을 실시하여 제철유물과 철 생산 시설과의 관계성을 자연과학적 분석 내용을 중심으로 검토해 보고자 하였다. 또한 슬래그 외에 유적에서 출토되는 철광석 및 노벽 등의 제철조업과 관련된 유물의 분석을 통해 제철유적의 성격 규명을 위한 자료를 확보하고자 하였다.
00wt%에 크게 미치지 못하므로 사철의 사용가능성은 낮은 것으로 여겨진다. 또한 유적 내에서도 사철은 확인되지 않고 철광석이 다수 출토되었다는 고고학적 정황도 이를 뒷받침한다.
이에 본 연구에서는 국립중원문화재연구소에서 2014년도에 실시한 노계마을(본리 324-1번지) 발굴조사 결과 중 유일한 철 생산 관련 시설로 확인된 1호 및 2호 로 주변에서 확인된 수혈유구 슬래그에 대한 집중적인 분석을 실시하여 제철유물과 철 생산 시설과의 관계성을 자연과학적 분석 내용을 중심으로 검토해 보고자 하였다. 또한 슬래그 외에 유적에서 출토되는 철광석 및 노벽 등의 제철조업과 관련된 유물의 분석을 통해 제철유적의 성격 규명을 위한 자료를 확보하고자 하였다.
제안 방법
노벽의 경우 2호 및 5호 수혈유구에서 수습된 것 중 각 1점씩 선별하여 분석을 실시하였다. 제철유적에서 발견되는 노벽재료는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 점토 및 모래와 고온에 견딜 수 있게 볏짚을 사용한 혼합토를 사용한 경우가 많은데 분석대상 시료도 유사한 재료를 사용한 것으로 확인된다.
미세조직은 금속현미경(Leica, Germany)의 명시야(Bright Field)를 이용하여 200~500배율로 관찰 및 촬영하였다. 또한 동일 조직의 표면성분분석을 위하여 주사전자 현미경(SEM/Scanning Electron Microscope, JSM5910LV, JEOL, Japan)과 에너지분산형 X선분광기(EDS/Energy Dispersive X-ray Spectrometer, 7316, Oxford, England) 를 이용하여 고배율 미세조직 관찰 및 성분분석을 실시하였다. 분석조건은 가속전압 20keV, 100Sec으로 설정하였고 시편의 표면은 Gold로 코팅하였다.
미세조직은 금속현미경(Leica, Germany)의 명시야(Bright Field)를 이용하여 200~500배율로 관찰 및 촬영하였다. 또한 동일 조직의 표면성분분석을 위하여 주사전자 현미경(SEM/Scanning Electron Microscope, JSM5910LV, JEOL, Japan)과 에너지분산형 X선분광기(EDS/Energy Dispersive X-ray Spectrometer, 7316, Oxford, England) 를 이용하여 고배율 미세조직 관찰 및 성분분석을 실시하였다.
따라서 조재제의 사용 여부를 확인하기 위해 각 수혈유구 슬래그, 철광석 및 또 다른 영향요인인 노벽의 평균 CaO함량을 비교한 결과 Table3와 같이 철광석과 노벽에 비해 슬래그의 CaO의 평균함량이 크게 증가한 것으로 확인되었다. 철광석과 노벽은 전체 시료의 평균함량을 구하였고 슬래그는 수량이 많아 수혈유구별로 구분하여 비교하였다.
한편 1호로 내부에서 수습된 슬래그의 경우 여러 개의 슬래그 층으로 구성되어 있는 특징이 있으므로 위치별로 시료를 채취하여 주요성분분석을 실시하였다(Table 4). 단야로 내부에 형성된 슬래그는 철과 유동성 슬래그가 혼합되어 있어 높은 철 함량을 갖게 된다(Choi, 2015).
한편 여러 개의 층으로 구성된 1HSS에 대한 자세한 확인을 위하여 SEM을 이용하여 1호 노 내부에서 출토된 슬래그에서 위치별로 채취한 시료(Figure5-ⓑ)에 대한 미세 조직을 관찰하고 EDS분석을 실시하였으며 결과는 Table 8과 같다. Table 8의 ⓐ는 Figure5-ⓑ의 ⑧과 ⑨의 부위의 경계부분에 대한 미세조직으로 상·하부 슬래그층의 간격은 100~300μm정도이다.
1호로는 해발 80m 내외의 구릉 하단부에서 확인되었다(Figure 2). 유구는 2호 수혈유구의 남서벽을 방형으로 굴착한 후 석재를 ‘⊏‘자 형태로 돌려 축조하고, 바깥으로 적갈색사질점토를 채워 보강하였으며 하부의 석재는 붉게 피열되어 고온작업이 있었음을 알 수 있다.
2호로는 해발 82.5m 내외의 구릉 하단부에 반지하식의 원형로로 조성하였으며 주변에 4호 및 5호 수혈유구가 존재한다. Figure3에서 확인되듯 노의 대부분은 소실되어 하부만 잔존한 상태로, 하부구조는 점토로 벽을 보강한 후 점토와 슬래그를 섞은 흙으로 바닥을 조성하고 5cm 깊이로 모래를 사용하여 구축하였다.
본고의 연구대상 지역은 충주시 대소원면 본리 324-1번지(노계마을)로 2,626m2의 대지이며 조사구역 지표면의 해발고도는 82.5~79.5m으로 구릉을 따라 완만한 경사면을 형성하는 지형이다. 발굴조사 결과 통일신라시대 석곽묘 1기를 비롯하여, 고려시대의 제철 관련 노시설과 탄요, 수혈유구, 집수정, 슬래그폐기장 등 총 23기의 유구가 확인 되었다(Figure 1).
1. 분석대상
분석시료는 1호로에 인접한 1,2호 수혈유구와 2호로 주변의 5호 수혈유구 및 1호로와 2호로의 중간에 위치한 6호 수혈유구에서 수습된 슬래그, 철광석, 노벽을 대상으로 하였으며 시료의 사진과 설명은 Figure 4 및 Table 1과 같다
. 철광석 시료인 1HO, 5HO-1의 분석결과는 기존 보고서 자료를 인용하였다(JNRICH, 2015).
분석조건은 40keV, 40mA, °2Th 5˚~70˚로 설정하였으며 분석 시료는 분말화하여 준비하였다.
제철유적에서 발굴되는 슬래그는 대부분 노외부로 제거된 상태로 존재하며 이와 같이 노 내부에서 슬래그가 발견된 경우는 흔치 않다. 자세한 확인을 위하여 위치별로 9개의 시료를 채취하여 분석을 실시하였다(Figure 5-ⓑ).
분석시료는 1호로에 인접한 1,2호 수혈유구와 2호로 주변의 5호 수혈유구 및 1호로와 2호로의 중간에 위치한 6호 수혈유구에서 수습된 슬래그, 철광석, 노벽을 대상으로 하였으며 시료의 사진과 설명은 Figure 4 및 Table 1과 같다. 철광석 시료인 1HO, 5HO-1의 분석결과는 기존 보고서 자료를 인용하였다(JNRICH, 2015).
성능/효과
5호 수혈유구에서 수습된 슬래그 6점은 2, 5호 수혈유구 슬래그 뿐 아니라 기존에 보고되었던 제철유적 슬래그의 분석 자료들과 비교했을 때도 상당히 유사한 성분조성을 갖는 것으로 확인된다. 따라서 분석된 6점의 슬래그가 동일한 용융체로부터 생성된 슬래그일 가능성이 있다.
첫째, 필자가 직접 실시한 수차례의 제철복원실험 결과에서 석회물질의 사용 없이도 슬래그의 CaO함량이 철광석에 비해 상당량 증가하는 현상이 반복적으로 확인되었다(Lee, 2015). 둘째, 발굴 조사 결과 본리 324-1번지 유적 내에서 석회물질이 발견되지 않았다. 셋째, 조업 당시 슬래그와 함께 용융되어 조성에 직접적인 영향을 줄 수 있는 노벽 역시 CaO의 함량이 1%미만으로 확인되어 CaO함량 증가의 원인으로 보기는 어렵다.
조재제로 사용되는 CaO 성분의 물질은 슬래그와 금속철의 분리를 원활하게 하는데 제철유적 슬래그의 성분분석결과 CaO가 약 1% 이상 확인될 경우 흔히 조재제로서 석회물질의 사용 가능성이 제시되어 왔다(Yoon, 1986; Kang, 2010; Eo, 2011; Lee, 2012; Shin, 2012). 따라서 조재제의 사용 여부를 확인하기 위해 각 수혈유구 슬래그, 철광석 및 또 다른 영향요인인 노벽의 평균 CaO함량을 비교한 결과 Table3와 같이 철광석과 노벽에 비해 슬래그의 CaO의 평균함량이 크게 증가한 것으로 확인되었다. 철광석과 노벽은 전체 시료의 평균함량을 구하였고 슬래그는 수량이 많아 수혈유구별로 구분하여 비교하였다.
5m으로 구릉을 따라 완만한 경사면을 형성하는 지형이다. 발굴조사 결과 통일신라시대 석곽묘 1기를 비롯하여, 고려시대의 제철 관련 노시설과 탄요, 수혈유구, 집수정, 슬래그폐기장 등 총 23기의 유구가 확인 되었다(Figure 1). 제철관련 유구는 주로 조사구역의 서쪽 상단에서 확인되었는데 유적에 존재하는 슬래그의 형태와 양으로 미루어 제철조업, 특히 철광석 등 원료를 이용하여 반환원괴 또는 환원괴를 생산하는 1차공정이 활발히 이뤄졌을 것으로 여겨지나 조사결과 많은 수의 제철로가 확인되지는 않았다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, JNRICH, 2015).
분석 결과 위치마다 성분조성에 차이가 있는 것으로 나타나는데 이러한 결과는 1호로 내부 슬래그가 형성될 당시 성분조성에 영향을 받을 수 있는 시간적 간격을 두고 슬래그가 쌓이게 된 결과로 볼 수 있다. 이에 대한 자세한 내용은 3.
둘째, 발굴 조사 결과 본리 324-1번지 유적 내에서 석회물질이 발견되지 않았다. 셋째, 조업 당시 슬래그와 함께 용융되어 조성에 직접적인 영향을 줄 수 있는 노벽 역시 CaO의 함량이 1%미만으로 확인되어 CaO함량 증가의 원인으로 보기는 어렵다.
슬래그의 경우 모두 주요 구성 화합물은 Fayalite이며 Wüstite, Magnetite 또는 Quartz 등이 함께 동정되어 일반적인 제철유적 슬래그의 광물조성을 갖는 것으로 확인되었다.
슬래그의 주요성분 분석결과를 보면 수혈유구 별 평균 철함량(T·Fe)는 1호 수혈유구가 46.783wt%, 2호 수혈유구가 44.197wt%, 5호 수혈유구가 42.213wt%로 크게 다르지 않은 것으로 나타난다.
위 연구 결과를 종합하여 1, 2호 로 주변에서 행해진 제철조업을 정리하면 철광석을 사용한 제련이 이루어 졌으며 이를 통해 생성된 철소재를 이용하여 단야와 같은 2차 공정이 실시된 것으로 추정된다. 또한 주변 수혈유구에서 확인된 유출상 슬래그, 단조박편 및 입상재 등의 부산물을 통해 이러한 복합공정이 행해졌던 것으로 볼 수 있다.
607%로 큰 차이를 보인다. 전체적으로는 1, 2호 수혈유구에서 출토된 철광석의 경우 철함량이 60%이상으로 고품위인데 반해 5, 6호 수혈유구에서 수습된 철광석은 상대적으로 철함량이 낮은 것으로 확인된다. 효율적 제철조업을 위해서는 고품위의 철광석을 사용하는 것이 좋다고 알려져 있으므로(Korea Institute of Science and Technology, 2000), 1, 2호 수혈유구 철광석과 같은 부광만을 선별해 사용했을 가능성도 있다.
조사대상 지역에서 철 생산과 직접적으로 관계된 노 시설은 1호로와 2호로가 있으며 모두 유적일대의 서쪽 지역에서 발견되었다. 1호로는 1~3호 수혈유구와 인접해 있으며 2호로는 4~5호 수혈유구와 인접해 있고 그 중간지점에 6호 수혈유구가 있다.
추가적으로 각 미세조직상의 성분함량을 알기 위해 1HS-1 시료에 대한 SEM-EDS분석을 실시한 결과 분석지점 ①은 Wüstite, ②는 Fayalite, ③은 Glass phase에 해당하는 것으로 확인되었다(Table 6).
후속연구
한편 제철유적 전체가 아닌 일부 수혈유구에서 출토된 철광석의 분석결과만으로도 다양한 품위가 확인되었다. 이러한 결과는 과거 제철유적에서 출토된 소량의 철광석 성분분석 결과로 유적 전체 원료 광석의 품위를 해석하는 부분을 다시 고민해 볼 필요가 있음을 제시한다. 또한 유적에는 약자성인 적철석 계열의 철광석도 다수 확인되므로 자력 테스트만으로 분석대상 철광석을 선별하는 방법은 시료선별 과정에서 문제가 될 수 있다.
슬래그는 냉각당시 환경에 의해 성분조성 및 미세조직 등이 영향을 받을 수 있어 이러한 접근방식은 오류의 소지를 만들 수 있다. 하지만 향후 제철유적 슬래그의 분석 시 동일 유구에서 출토된 비슷한 형태의 슬래그를 별개의 시료로 선정하기에 앞서 이러한 내용을 고려해 본다면 도움이 될것으로 여겨진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철성분이 높은 슬래그는 어떤 경우에 나타나는가?
213wt%로 크게 다르지 않은 것으로 나타난다. 이처럼 철성분이 높은 슬래그는 용해를 수반하는 주철제련에서보다는 저온환원법에 의한 괴련철의 제련과정에서 주로 나타나며(Park, 2004) 회수율이 낮은 조업에서 생성된 슬래그로 볼 수 있다. 하지만 제련공정이 아닌 단야와 같은 후속공정에 의해 생성되는 슬래그도 높은 철함량을 갖기 때문에(Choi, 2015) 슬래그의 출토상황, 형태 및 미세조직 등 다양한 요인을 함께 고려해야 한다.
당시의 제철기술을 연구함에 있어 슬래그의 활용성이 높은 이유는?
마지막으로 생성된 슬래그는 활용도가 낮아 대부분 생산된 장소 주변에 폐기되기 때문이다. 이러한 이유로 당시의 제철기술을 연구함에 있어 슬래그의 활용성은 상당히 높은데 사용된 재료와 슬래그가 생성될 당시의 환경 등 다양한 정보를 제공하는 중요한 자료가 되며 사용된 원료, 기술 및 지역적 차이점에 대한 내용 등 다양한 분야의 연구에 있기 때문이다(Talycote, 1962). 국내의 경우 슬래그를 중심으로 한 제철 유적 출토유물에 대한 연구는 1980년대 이후로 증가하기 시작하여 여러 연구자들에 의해 실시되었는데 원료의 종류(Choi et al, 1994), 기술체계(Park, 2004) 등 연구의 다양성 및 자료 축적 면에서 많은 성과를 이루었으며 제철유적에 대한 발굴조사가 증가함에 따라 제철관련 유물의 자연과학적 분석도 증가하는 추세이다.
제철유적에서 출토되는 부산물 중 슬래그가 대부분을 차지하는 이유는?
제철유적에서는 흔히 다양한 제철조업 부산물이 출토되는데 그 중 슬래그가 대부분을 차지한다. 그 이유로는 첫째, 고대 제철조업은 기술의 부족으로 인해 철 회수율이 높지 않아 상당량의 원료성분이 철로 환원되지 못하고 슬래그로 형성되었다. 둘째, 슬래그는 부식되는 철과 달리 화학적으로 안정하며 자연요인에 의해 쉽게 형태가 변형되는 노벽과 달리 물리적으로 긴 세월동안 유지될 수 있는 조건을 갖추고 있기 때문이다(Serneels, 2003). 마지막으로 생성된 슬래그는 활용도가 낮아 대부분 생산된 장소 주변에 폐기되기 때문이다. 이러한 이유로 당시의 제철기술을 연구함에 있어 슬래그의 활용성은 상당히 높은데 사용된 재료와 슬래그가 생성될 당시의 환경 등 다양한 정보를 제공하는 중요한 자료가 되며 사용된 원료, 기술 및 지역적 차이점에 대한 내용 등 다양한 분야의 연구에 있기 때문이다(Talycote, 1962).
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