완주 신풍유적 출토 고려시대 청동생산 부산물의 재료학적 특성 The Study on Material Characteristics of the By-Products of the Production of Bronze during the Goryeo Dynasty Excavated from the Sinpung Site, Wanju, Jeollabuk-do, South Korea원문보기
전북 완주 신풍유적 출토 고려시대 슬래그와 송풍관을 대상으로 신풍유적의 야동기술(冶銅技術)성격을 확인하고, 납 원료산지를 추정하기 위해 납동위원소비를 실시하여 알아보았다. 성분분석 결과, Cu-Sn-Pb 삼원계 합금하는 과정에서 비롯된 슬래그와 송풍관으로 해석되었다. 금속현미경과 주사전자현미경(scanning electron microscopy-energy dispersive spectrometer) 분석결과, 동괴와 주석괴에 방연석을 첨가하여 완제품 제작을 위한 중간소재를 생성하는 합금단계에서 발생한 부산물로 추정된다. 납동위원소비분석 결과, 한국 남부 Zone III 지역의 광산에서 채굴된 방연석을 사용하여 합금한 것으로 판단된다. 송풍관은 송풍관의 외측으로 갈수록 Mullite가 검출되어, 1,000℃ 내외에서 조업이 이뤄졌을 가능성이 있다.
전북 완주 신풍유적 출토 고려시대 슬래그와 송풍관을 대상으로 신풍유적의 야동기술(冶銅技術)성격을 확인하고, 납 원료산지를 추정하기 위해 납동위원소비를 실시하여 알아보았다. 성분분석 결과, Cu-Sn-Pb 삼원계 합금하는 과정에서 비롯된 슬래그와 송풍관으로 해석되었다. 금속현미경과 주사전자현미경(scanning electron microscopy-energy dispersive spectrometer) 분석결과, 동괴와 주석괴에 방연석을 첨가하여 완제품 제작을 위한 중간소재를 생성하는 합금단계에서 발생한 부산물로 추정된다. 납동위원소비분석 결과, 한국 남부 Zone III 지역의 광산에서 채굴된 방연석을 사용하여 합금한 것으로 판단된다. 송풍관은 송풍관의 외측으로 갈수록 Mullite가 검출되어, 1,000℃ 내외에서 조업이 이뤄졌을 가능성이 있다.
This study interpreted the characteristics of the site and provenance of raw material by performing material characteristics analysis of the slags and tuyeres excavated from the Sinpung site in Wanju, Jeollabuk-do. The major chemical compositions suggested that the slags and tuyeres were created whe...
This study interpreted the characteristics of the site and provenance of raw material by performing material characteristics analysis of the slags and tuyeres excavated from the Sinpung site in Wanju, Jeollabuk-do. The major chemical compositions suggested that the slags and tuyeres were created when Cu-Sn-Pb was alloyed. Metal microscope and scanning electron microscopy-energy dispersive spectrometer analyses revealed that the slags and tuyeres were by-products formed in the alloying process. This alloy, created by adding galena to copper and tin ingots, was an intermediary material used in making the finished products. According to the lead isotope ratio analysis result, slags could be made using galena of the southern Zone III region of Korea. Based on the decomposition of mica group minerals and the formation of mullite detected through X-ray diffraction analysis, it is possible to conclude that the tuyeres operated at approximately 1,000℃ as, the mullite was detected on the outside of the tuyeres.
This study interpreted the characteristics of the site and provenance of raw material by performing material characteristics analysis of the slags and tuyeres excavated from the Sinpung site in Wanju, Jeollabuk-do. The major chemical compositions suggested that the slags and tuyeres were created when Cu-Sn-Pb was alloyed. Metal microscope and scanning electron microscopy-energy dispersive spectrometer analyses revealed that the slags and tuyeres were by-products formed in the alloying process. This alloy, created by adding galena to copper and tin ingots, was an intermediary material used in making the finished products. According to the lead isotope ratio analysis result, slags could be made using galena of the southern Zone III region of Korea. Based on the decomposition of mica group minerals and the formation of mullite detected through X-ray diffraction analysis, it is possible to conclude that the tuyeres operated at approximately 1,000℃ as, the mullite was detected on the outside of the tuyeres.
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문제 정의
본 연구는 완주 신풍유적 출토 청동 생산 부산물의 분석을 통해 신풍유적의 야동기술(冶銅技術)에 대한 성격과 생산체계를 파악하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 전북 완주 신풍유적에서 출토된 슬래그와 송풍관의 주성분 및 화합물, 미세조직을 관찰하였으며, 또한 납동위원소비 분석을 통해 사용된 납의 산지를 알아보았다. 이를 토대로 전북 완주 신풍유적지의 고려시대 청동 생산에 대한 성격을 규명하였다.
본 연구에서는 전북 완주 신풍유적에서 출토된 슬래그와 송풍관의 주성분 및 화합물, 미세조직을 관찰하였으며, 또한 납동위원소비 분석을 통해 사용된 납의 산지를 알아보았다. 이를 토대로 전북 완주 신풍유적지의 고려시대 청동 생산에 대한 성격을 규명하였다.
제안 방법
SEM-EDS로 미세조직과 성분 함량을 분석한 결과(Table 3, Figure 4B), Position 3, 4, 5는 주석산화물로 판단된다. Mapping 분석을 실시하여 원소 분포를 확인하였다(Figure 5). Cu와 Sn은 합금과정에서 발생한 편석으로 인해 분포영역이 뚜렷하게 구분된 것으로 보인다.
구리 슬래그와 송풍관의 주요 성분을 파악하기 위해 파장분산형 X-선 형광분석기(wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometer, WD-XRF)(S4 Pioneer, Bruker, DEU)를 이용하였다. 각 시료는 분말화하여 측정하였으며, 송풍관은 외부에 슬래그로 추정되는 유리질화된 물질이 고착되어 있어 외부와 내부로 나누어 시료화하였다. 전처리를 통해 시편을 유리화하였으며, 분석 결과는 준정량분석으로 계측하여 나타내었다.
구리 슬래그와 송풍관의 주요 성분을 파악하기 위해 파장분산형 X-선 형광분석기(wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometer, WD-XRF)(S4 Pioneer, Bruker, DEU)를 이용하였다. 각 시료는 분말화하여 측정하였으며, 송풍관은 외부에 슬래그로 추정되는 유리질화된 물질이 고착되어 있어 외부와 내부로 나누어 시료화하였다.
납동위원소비 분석은 한국기초과학지원연구원의 열이온화질량분석기(thermal ionization mass spectrometer, TIMS)(Isotobe-T, IsotopX, GBR)를 이용하여 수행하였다. 시료를 채취하여 Teflon vial에 넣고 정제된 HNO3와 HCl을 1:3으로 혼합하여 시료에 3 ml를 넣어 가열판에서 가열시킨다.
또한 분석 시료는 백금(Pt) 코팅하여 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)(MIRA3, Tescan, CZE)으로 미세조직과 개재물을 관찰하였다. 미세조직의 화학적 조성은 에너지분산형분광계(energy dispersive spectrometer, EDS)(QUANTA300, Bruker, DEU)를 이용하여 실시하였다.
미세조직을 관찰하기 위해 시료를 채취하여 에폭시 수지에 마운팅하였다. 마운팅한 시료는 샌드페이퍼의 조밀 순서에 따라 200~4,000 mesh의 순서로 거친 연마를 실시하였다. 이후 연마포(MD-MOL, Struers, DNK)와 연마제(DP-Spary 3 μm, 1 μm, Struers, DNK)로 미세연마를 실시하였다.
미세조직을 관찰하기 위해 시료를 채취하여 에폭시 수지에 마운팅하였다. 마운팅한 시료는 샌드페이퍼의 조밀 순서에 따라 200~4,000 mesh의 순서로 거친 연마를 실시하였다.
화합물 상태를 분석하기 위해 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD)(X’pertPRO MPD, Philips, NLD)을 실시하였다. 시료를 분말화하였으며, 송풍관은 슬래그로 추정되는 유리질화된 외부와 내부로 나눠 분석하였다. 2 theta는 3∼70°, scan speed는 1 sec/step, step size는 0.
신풍유적은 지형상 2개의 독립된 구릉이 이어지는 곳으로, 이를 각각 가지구(신풍 A, B, D)와 나지구로 나누어 조사되었다. 본 연구대상의 출토지는 신풍유적 가지구(신풍 D)의 고려시대 1호 폐기장으로, 북쪽구릉의 곡간지에 위치한다.
이후 연마포(MD-MOL, Struers, DNK)와 연마제(DP-Spary 3 μm, 1 μm, Struers, DNK)로 미세연마를 실시하였다. 연마가 완료된 시료는 부식액(FeCl3 + HCl + Ethyl alcohol)을 이용하여 부식시켰으며, 금속현미경(DM2500M, Leica, DEU)으로 미세조직을 관찰하였다.
용융된 시료는 1 N HBr 1 ml로 매질변경한 후, 음이온 교환수지(AG1-X8, Chloride form, 100-200 #)를 이용하여 납을 분리하였다. 이후 분리된 납은 Re single filament에 얹어 열이온화질량분석(TIMS)을 이용하여 동위원소비를 측정하였다. 분석된 표준물질(NBS SRM 981)의 분석값은 206Pb/204Pb = 16.
이후 연마포(MD-MOL, Struers, DNK)와 연마제(DP-Spary 3 μm, 1 μm, Struers, DNK)로 미세연마를 실시하였다.
화합물 상태를 분석하기 위해 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD)(X’pertPRO MPD, Philips, NLD)을 실시하였다.
대상 데이터
신풍유적은 지형상 2개의 독립된 구릉이 이어지는 곳으로, 이를 각각 가지구(신풍 A, B, D)와 나지구로 나누어 조사되었다. 본 연구대상의 출토지는 신풍유적 가지구(신풍 D)의 고려시대 1호 폐기장으로, 북쪽구릉의 곡간지에 위치한다. 폐기장에서 퇴적구 4기와 다수의 주공이 발굴되었다.
03°, 전압은 40 kV, 전류는 30 mA이다. 분석 시 Target은 Copper로 사용하였다.
분석대상은 완주 신풍유적 가지구(신풍 D)의 고려시대 폐기장에서 출토된 슬래그 6점, 송풍관 3점으로 총 9점을 선정하였다(Figure 1). 슬래그(Figure 1A~F)는 외부에 토사로 덮여져 있으며, 밝은 녹색의 청동녹이 관찰된다.
전북 완주 신풍유적은 완주군 이서면 금평리 일원으로, 한국토지주택공사 전북지역본부가 추진한 전북 혁신 도시 개발사업부지 Ⅲ구역의 문화재 발굴조사를 통해 확인되어, 호남문화재연구원에 의해 2009년 12월부터 2011년 9월까지 조사되었다. 이를 통해 구석기시대부터 조선시대에 이르기까지 다양한 성격의 유구와 유적이 조사되었다(Honam Cultural Property Research Center, 2014).
데이터처리
각 시료는 분말화하여 측정하였으며, 송풍관은 외부에 슬래그로 추정되는 유리질화된 물질이 고착되어 있어 외부와 내부로 나누어 시료화하였다. 전처리를 통해 시편을 유리화하였으며, 분석 결과는 준정량분석으로 계측하여 나타내었다.
이론/모형
또한 분석 시료는 백금(Pt) 코팅하여 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)(MIRA3, Tescan, CZE)으로 미세조직과 개재물을 관찰하였다. 미세조직의 화학적 조성은 에너지분산형분광계(energy dispersive spectrometer, EDS)(QUANTA300, Bruker, DEU)를 이용하여 실시하였다.
완주 신풍유적에서 출토된 슬래그 6점의 납동위원소비는 Table 8에 나타내었다. 한국, 중국, 일본 방연석의 납동위원소비 분포도(Mabuchi and Hirao, 1983)와 한반도 납동위원소 분포도(Jeong et al., 2012)에 적용하여 납의 산지를 추정하였다. Table 8의 납동위동위원소비 데이터를 동북아시아 방연석의 납동위원소비 분포도에 나타난 결과 Figure 11과 같이 SP-5와 6은 중국 남부와 한국 남부 영역에 포함되어 있었다.
성능/효과
1. 완주 신풍유적에서 출토된 슬래그는 전체적으로 유리질화 되었고, 일부 슬래그에서는 청동 덩어리가 관찰된다. 또한 일부 슬래그에서 탄화물로 추정되는 물질이 관찰된다.
2. 주성분 분석과 화합물 분석결과, 송풍관의 외측으로 갈수록 Feldspar의 고온 지시광물인 Mullite가 검출되었다. 노의 온도는 1,000℃ 내외인 것으로 판단되나 추후 보완된 연구를 통해 명확한 해석이 필요할 것으로 사료된다.
3. 금속현미경과 SEM-EDS 분석결과, Cu-Sn-Pb의 삼원계 합금 제작에서 비롯된 슬래그와 송풍관으로 판단된다. 일부 슬래그 조직에서 은 계열의 개재물을 가진 납 산화물이 확인된다.
4. 완주 신풍유적에서 출토된 슬래그에 고착된 청동 알갱이의 Cu와 Sn, Pb 조성이 시료에 따라 편차가 크게 나타나며, 일부 규산염과 산화물이 포함되어 있다. 이는 동괴와 주석괴에 방연석을 첨가하여 청동재의 중간소재를 제작하는 합금과정에서 발생한 부산물로 해석된다.
5. 납동위원소비를 이용한 산지추정 결과, 한국 남부 Zone Ⅲ(중⋅남서 영남지괴 및 서태백분지, 옥천변성대) 지역의 광산에서 채굴된 방연석을 이용하여 제련되었을 가능성이 있다.
슬래그(Figure 1A~F)는 외부에 토사로 덮여져 있으며, 밝은 녹색의 청동녹이 관찰된다. 전체적으로 유리질화되었고, 일부 슬래그에서는 청동 덩어리와 탄화물이 관찰된다. 송풍관(Figure 1G~I)은 슬래그로 추정되는 물질의 고착위치가 외부 고착되어 있는 점과 형태가 아래로 갈수록 좁아지는 형태가 아닌 관의 형태를 하고 있어 송풍관으로 판단된다.
후속연구
주성분 분석과 화합물 분석결과, 송풍관의 외측으로 갈수록 Feldspar의 고온 지시광물인 Mullite가 검출되었다. 노의 온도는 1,000℃ 내외인 것으로 판단되나 추후 보완된 연구를 통해 명확한 해석이 필요할 것으로 사료된다.
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