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문제 정의
- 하지만 이는 층위가 구분되는 노벽의 특성을 고려했을때 특정 층위를 노벽 전체의 특징으로 결론짓는 오류를 범할 수 있으며, 때문에 노벽의 특성을 고려한 시료 선정 및 과학적 분석이 필요하다. 따라서 이번 연구는 충청북도 진천 송두리 유적 출토 노벽의 자연과학적 분석을 통해 재료학적인 접근을 실시하고 층위에 따른 물리화학적 특성 변화를 파악고자 한다. 층위의 구성에 사용된 재료, 층위 간 재료 특성 변화 유무, 어떠한 피열 특성을 통해 층위를 구성하는 광물이 변화하였는가 등을 연구하여 송두리 유적 노벽의 제작기술을 확인하는 것이 이번 연구의 목적이다.
- 본 연구에서는 진천 송두리 유적에서 출토된 노벽의 층위 간 특성을 분석하여 고대 노벽의 재료학적 특징과 축로기술을 추정하고자 하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 따라서 이번 연구는 충청북도 진천 송두리 유적 출토 노벽의 자연과학적 분석을 통해 재료학적인 접근을 실시하고 층위에 따른 물리화학적 특성 변화를 파악고자 한다. 층위의 구성에 사용된 재료, 층위 간 재료 특성 변화 유무, 어떠한 피열 특성을 통해 층위를 구성하는 광물이 변화하였는가 등을 연구하여 송두리 유적 노벽의 제작기술을 확인하는 것이 이번 연구의 목적이다. 또한 이러한 연구들이 축적되면 향후 타지역 출토 노벽과의 비교를 통한 지역 간 노벽 제작 기술간 상관성 분석을 실시할 수 있을 것으로 전망한다.
제안 방법
- 해당 노에서 획득한 분석 시료는 육안으로 식별되는 11개의 층위가 존재하였고 약 33 cm의 길이로 구성되어 있다. 각 층위별로 물리화학적 특성을 파악하기 위해 시료를 층위별로 채취하여 분석을 진행하였다. 피열로 인해 광물의 변화가 크게 발생하였다고 판단되는 1층과 2층은 시료를 추가적으로 채취하였다.
- 분석 조건은 40 kV, 40 mA, 5°∼80°, 2°/min이며, Spinner stage를 이용하여 분석하였다. 개별 입자의 크기 분포를 측정하기 위해 입도분석을 실시하였으며, 습식 체질로 표준체 #4, #10, #20, #40, #80, #100, #200를 사용하여 체분석을 실시하고, 표준체 #200 통과분에 대하여 레이저입도분석기(Bettersizer S3 Plus, Bettersize, CHN)로 분석 하였다. 체분석과 레이저분석에 의한 입도분석결과를 종합하여, 통일분류법(Unified Soil Classification System, USCS)에 의해 입도를 자갈(>4.
- 기공과 입자의 분포 및 크기, 색상, 구성광물, 노의 재사용 흔적 등을 확인하고자 마운팅 시편을 제작하여 편광현미경(Eclipse lv100n pol, Nikon, JPN)에서 미세조직을 관찰하였으며, 이미지 분석을 통해 정량적인 기공률에 대한 분석 결과도 도출하였다. 구성광물을 확인하고자 시료홀더에 분말화한 시료를 담아 X-선회절 분석기(Smart Lab, Rigaku, JPN)를 이용하여 결정구조를 분석하였다. 분석 조건은 40 kV, 40 mA, 5°∼80°, 2°/min이며, Spinner stage를 이용하여 분석하였다.
- 색도 값은 a*(초록–빨강), b*(노랑–파랑), L*(명도)로 표시하는 CIE LAB 색공간을 이용해 도시하였다. 기공과 입자의 분포 및 크기, 색상, 구성광물, 노의 재사용 흔적 등을 확인하고자 마운팅 시편을 제작하여 편광현미경(Eclipse lv100n pol, Nikon, JPN)에서 미세조직을 관찰하였으며, 이미지 분석을 통해 정량적인 기공률에 대한 분석 결과도 도출하였다. 구성광물을 확인하고자 시료홀더에 분말화한 시료를 담아 X-선회절 분석기(Smart Lab, Rigaku, JPN)를 이용하여 결정구조를 분석하였다.
- 또한 균등계수와 곡률계수를 산출하여 양입도의 조건을 각층이 만족하는지 확인하였다. 결과적으로 모든 층이 양입도의 조건을 만족하지는 않았으나 비소성층인 10과 11층의 시료만 곡률계수가 1미만으로 다른 층과 큰 차이를 보였다(Table 2).
- 분석 조건은 40 kV, 40 mA, 5°∼80°, 2°/min이며, Spinner stage를 이용하여 분석하였다.
- 노벽의 색은 소성 온도, 소성 시간, 소성 분위기 및 원료 물질의 화학조성에 영향을 받으며, 따라서 색 정보를 통해 소성도 및 소성 환경을 유추할 수 있다. 색차측정기(CR-400, Minolta, JPN)를 이용하여 노벽의 표면에 직접 접촉해 측정하였고, 가장 위층인 1층 시료만 따로 떼어내 세척한 후 측정하였다. 측정 시 오차를 줄이기 위하여 3회 측정 후 평균값을 사용하였다.
- 열적 특성을 확인하기 위하여 시차열중량분석기(SDT 650, Ta instrument, USA)를 이용하여 분석을 실시하였으며, 분석 조건은 온도범위 25∼1200℃, 승온속도는 20℃/min로 하였다.
- 002 mm)로 분류하였으며, 시료별 입도분포곡선을 작성하였다. 유리질화가 심하게 되어 입도 분석을 진행하기 어렵다고 판단된 1층의 시료를 제외하고 분석을 진행하였으며, 각각 누가통과율이 10%, 30%, 60%에 해당하는 입경을 계산하여 균등계수와 곡률계수를 산출하여 양입도의 조건을 만족하는지 확인하였다. 열적 특성을 확인하기 위하여 시차열중량분석기(SDT 650, Ta instrument, USA)를 이용하여 분석을 실시하였으며, 분석 조건은 온도범위 25∼1200℃, 승온속도는 20℃/min로 하였다.
- 이미지 분석은 촬영한 이미지를 바탕으로 기공률과 기공의 영역을 정량적으로 파악하는 분석이다. 이미지의 Intensity를 기반으로 기공을 특정하였으며, 오차를 줄이기 위해 각 층마다 3장 이상의 사진을 선택하여 분석을 실시하였다.
- 체분석과 레이저분석에 의한 입도분석결과를 종합하여, 통일분류법(Unified Soil Classification System, USCS)에 의해 입도를 자갈(>4.75 mm), 굵은 모래(4.75∼0.425 mm), 가는 모래(0.0425∼0.075 mm), 실트(0.075∼0.002 mm), 점토(<0.002 mm)로 분류하였으며, 시료별 입도분포곡선을 작성하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 분석한 노벽은 충청북도 진천 송두리 유적 출토 노벽이다(Figure 1). 진천은 청원, 충주, 보은, 청주와 함께 중원지역 제출유적의 대표적인 지역으로 시⋅발굴 조사를 통해 제철 관련 유적이 확인되고 있다.
- 분석 대상인 노벽은 4-1지점 13호 제련로 출토 노벽으로 해당 호는 외경은 140 mm, 내경은 111 mm, 깊이는 61 mm인 반지하식 원형로이다. 해당 노에서 획득한 분석 시료는 육안으로 식별되는 11개의 층위가 존재하였고 약 33 cm의 길이로 구성되어 있다.
- 충청북도 진천 송두리 유적 출토 노벽의 색도를 측정 하여 표로 나타냈다(Figure 2, Table 1). 전체적으로 명도는 44∼64의 범위를 가지며, a*값은 2∼9, b*값은 10∼27의 범위를 가졌다.
- 분석 대상인 노벽은 4-1지점 13호 제련로 출토 노벽으로 해당 호는 외경은 140 mm, 내경은 111 mm, 깊이는 61 mm인 반지하식 원형로이다. 해당 노에서 획득한 분석 시료는 육안으로 식별되는 11개의 층위가 존재하였고 약 33 cm의 길이로 구성되어 있다. 각 층위별로 물리화학적 특성을 파악하기 위해 시료를 층위별로 채취하여 분석을 진행하였다.
데이터처리
- 색차측정기(CR-400, Minolta, JPN)를 이용하여 노벽의 표면에 직접 접촉해 측정하였고, 가장 위층인 1층 시료만 따로 떼어내 세척한 후 측정하였다. 측정 시 오차를 줄이기 위하여 3회 측정 후 평균값을 사용하였다. 색도 값은 a*(초록–빨강), b*(노랑–파랑), L*(명도)로 표시하는 CIE LAB 색공간을 이용해 도시하였다.
성능/효과
- 1. 색도 측정 결과, 층위 간 경향성이 뚜렷하진 않으나 색도차이가 존재하고 과소성층인 1층으로 갈수록 명도가 감소하는 경향이 존재하였다. 회청색으로 소결된 과소성 층은 구성하는 입자의 크기와 색상이 다양하였다.
- 출토 노벽의 열분석 결과, 소성유무와 관계없이 573℃에서 일어나는 석영의 상전이가 확인되었다. 1층의 시료와 2층 시료 일부에서 900℃ 부근의 뮬라이트 발열 피크가 존재하지 않거나 미약한 것으로 보아 상대적으로 고온을 경험한 것을 확인했다. 그 외의 모든 층에선 뮬라이트 발열 피크가 발견되는 것으로 보아 상대적으로 피열을 적게 받은 것으로 보인다(Figure 8).
- 2. 과소성층은 기공의 형태와 크기가 소성층과 비소성 층에 비해 크고 원마도가 좋았다. 고온으로 피열을 받아 형성된 블로팅 현상이 관찰되었고 이미지 분석 결과, 상대적으로 높은 기공률을 보였다.
- 3. X-선 회절분석결과 비소성층으로 갈수록 고온지시 광물이 존재하지 않음을 확인했다. 또한 비소성층에서 강한 강도로 나타나는 딕카이트 피크는 소성층에 비해 열적 특성변화를 적게 경험한 것으로 추정된다.
- 결과적으로 과소성층과 소성층은 피열에 의해 저온성 광물이 소멸되거나 상대적으로 적은 양이 남아있으며, 고온성 지시광물이 존재함을 알 수 있다. 또한 비소성층인 10층과 11층의 시료는 과소성층과 소성층의 시료와 재료 적으로 차이가 있으나, X-선 회절패턴이 유사하고 소성층과도 구성광물의 차이가 크지 않아 다른 열적 특성을 겪은 층으로 추정된다.
- 또한 균등계수와 곡률계수를 산출하여 양입도의 조건을 각층이 만족하는지 확인하였다. 결과적으로 모든 층이 양입도의 조건을 만족하지는 않았으나 비소성층인 10과 11층의 시료만 곡률계수가 1미만으로 다른 층과 큰 차이를 보였다(Table 2).
- 과소성층은 기공의 형태와 크기가 소성층과 비소성 층에 비해 크고 원마도가 좋았다. 고온으로 피열을 받아 형성된 블로팅 현상이 관찰되었고 이미지 분석 결과, 상대적으로 높은 기공률을 보였다.
- 과소성된 1층의 단면관찰 결과, 전체적으로 고온으로 유리질화 되었으며, 확장된 기공이 다수 존재하는 것을 확인하였다. 또한 피열로 인해 생성되는 블로팅 현상 등이 관찰되며, 상대적으로 다양한 색상을 띠는 것이 특징이다.
- 층위 간 색도값이 특정 범위에 분포되어 있지 않고 산재되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 기본적인 구성 원료가 유사하고, 피열에 의한 색상 변화의 차이가 있는 것으로 보인다. 또한 직접 피소성과 흑색 탄화물의 부착으로 인하여 1층으로 올라갈수록 명도 값이 감소하는 경향이 나타났다.
- 직접적인 피열로 인해 과소성이 일어난 층으로 보이는 1층, 간접 피열로 인해 소성이 일어난 것으로 보이는 2∼9층인 소성층, 피열을 상대적으로 받지 않은 것으로 보이는 10∼11층인 비소성층이다(Figure 3). 모든 층에서 크고 작은 석영 입자와 백색 광물 등이 관찰되었고 각 층위별로 색상과 구성입자가 특징적으로 나타났다.
- 열분석 결과에서 1층과 일부 시료에서만 고온 피크가 존재하지 않는 것은 소결된 층은 제거된 후 재사용되었기 때문으로 추정되며, 최종적으로 노벽이 사용된 1층과 2층의 시료만 고온으로 피열된 것으로 보인다. 미세조직 관찰결과 또한 과소성층이 다른 층위들에 비해 기공의 형태나 크기가 크고 기공율이 높아, 열분석의 소결과 같은 결론을 도출할 수 있다. 입도분석 결과에서 소성층과 비소성층의 입도 함량 차이가 발생하는데, 이는 원퇴적층에 비해 내화성을 지니고 구조적 안정성을 위해 동일 유적, 혹은 유사한 성분을 갖는 토양에서 굵은 모래의 비율이 높은 점토를 주재료로 노를 제작했을 것으로 추정된다.
- 송두리 유적은 청동기 시대부터 조선 시대까지 다양한 형태의 유구들이 조사되었다. 발굴 조사에 따라 송두리 유적에서는 제련로와 단야로 등 모두 56기의 제철유구가 조사되었으며, 특히 해당 노벽 시료가 출토된 4지점은 남쪽 지역 구하도 주변으로 제철단지가 조성되었던 것으로 보이며, 이곳에는 제련로와 단야로를 비롯해 작업장과 집수시설, 배수시설 등 매우 집약적인 형태의 생산이 이루어진 것으로 추정된다. 인근 지역 유적들인 진천 석장리, 구산리의 운영 시기는 4세기대로 편년되고 있는 것에 비해(Cheongju National Museum, 2001; 2004), 진천 송두리 유적 제철유구는 인근 토기가마의 형태, 출토 유물의 편년 등을 통해 백제 이전에 존재했던 진천지역 일대의 지역 집단이 운영했던 것(Central Institute of Cultural Heritage, 2020)으로 추정된다.
- 분석 대상 시료에 대한 X-선 회절분석 결과, 모든 노벽 시료에서 일반적인 토양에서 검출되는 석영(Quartz), 장석 (Feldspar) 등이 확인되었으며, 특히 장석 피크의 강도는 1층으로부터 11층으로 갈수록 강해졌다. 소성이 진행된 것으로 보이는 1∼9층까지의 시료에선 헤르시나이트(Hercynite)와 뮬라이트(Mullite)가 관찰되었으며, 강도가 9층으로 갈수록 감소하는 경향을 보이며 비소성층에서는 관찰되지 않는다.
- 입도분석 결과, 노벽의 소성층인 2∼9층의 시료는 비소성층 시료에 비해 굵은 모래의 함량이 50% 부근으로 높게 형성되어 있었으며 자갈의 함량 또한 4층과 9층을 제외하고 모두 비소성층보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 비소성층은 상대적으로 가는 모래 이하의 입경에서 소성층보다 높은 함량을 보였고 이러한 결과를 종합해볼 때 소성층과 비소성층의 구성 재료는 차이를 보이는 것으로 판단된다(Figure 6, 7).
- 비소성층인 10∼11층의 현미경 관찰 결과, 소성층에서 보이던 흑색의 입자가 11층으로 갈수록 적어지는 것을 확인했다.
- 소성이 진행된 것으로 보이는 1∼9층까지의 시료에선 헤르시나이트(Hercynite)와 뮬라이트(Mullite)가 관찰되었으며, 강도가 9층으로 갈수록 감소하는 경향을 보이며 비소성층에서는 관찰되지 않는다.
- 소성층인 2∼9층까지의 현미경 관찰 결과, 1층에서 보이던 자색의 광물과 침상결정형의 광물이 사라지는 것을 확인했다.
- 또한 비소성층에서 강한 강도로 나타나는 딕카이트 피크는 소성층에 비해 열적 특성변화를 적게 경험한 것으로 추정된다. 열분석 결과, 900℃ 부근에서 나타나는 뮬라이트의 발열 피크가 과소 성층인 1층과 소성층인 2층 일부에서만 존재하지 않는 것으로 보아 과소성층과 2층 일부 시료는 고온으로 피열된 경험이 있음을 나타냈다.
- 이미지 분석 결과, 1층부터 9층으로 갈수록 기공률이 상대적으로 서서히 감소하는 경향이 확인되었다. 특히, 1∼2층은 거의 유사한 기공률을 보였으며, 이는 유사한 재료가 유사한 피열환경에 노출됨으로써 보이는 특징으로 추정된다.
- 입도분석 결과, 노벽의 소성층인 2∼9층의 시료는 비소성층 시료에 비해 굵은 모래의 함량이 50% 부근으로 높게 형성되어 있었으며 자갈의 함량 또한 4층과 9층을 제외하고 모두 비소성층보다 높은 것을 확인할 수 있었다.
- 전체적으로 명도는 44∼64의 범위를 가지며, a*값은 2∼9, b*값은 10∼27의 범위를 가졌다.
- 출토 노벽의 열분석 결과, 소성유무와 관계없이 573℃에서 일어나는 석영의 상전이가 확인되었다. 1층의 시료와 2층 시료 일부에서 900℃ 부근의 뮬라이트 발열 피크가 존재하지 않거나 미약한 것으로 보아 상대적으로 고온을 경험한 것을 확인했다.
- 전체적으로 명도는 44∼64의 범위를 가지며, a*값은 2∼9, b*값은 10∼27의 범위를 가졌다. 층위 간 색도값이 특정 범위에 분포되어 있지 않고 산재되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 기본적인 구성 원료가 유사하고, 피열에 의한 색상 변화의 차이가 있는 것으로 보인다. 또한 직접 피소성과 흑색 탄화물의 부착으로 인하여 1층으로 올라갈수록 명도 값이 감소하는 경향이 나타났다.
후속연구
- 한반도 축로 기술이 중국의 발전상과 유사하게 흘러갈지 독자적인 기술개발로 이어지는지는 추가적인 연구를 통해 확인할 수 있을 것으로 보이며 한반도 제철기술의 발전상에 대한 해답을 줄 수 있을 것으로 기대한다. 노벽에 대한 연구는 아직 기초적이며 미답의 영역이기 때문에 본고와 같은 연구가 축적되면 과학적이고 체계적인 접근이 가능할 것으로 보인다.
- 층위의 구성에 사용된 재료, 층위 간 재료 특성 변화 유무, 어떠한 피열 특성을 통해 층위를 구성하는 광물이 변화하였는가 등을 연구하여 송두리 유적 노벽의 제작기술을 확인하는 것이 이번 연구의 목적이다. 또한 이러한 연구들이 축적되면 향후 타지역 출토 노벽과의 비교를 통한 지역 간 노벽 제작 기술간 상관성 분석을 실시할 수 있을 것으로 전망한다.
- 이 같은 결과를 바탕으로, 송두리 유적 노벽의 주재료는 점토이며, 보수재료 또한 재료학적으로 유사한 특성을 갖는 점토를 사용했을 것으로 추정된다. XRD 결과를 보았을 때 비소성층와 소성층 간 구성광물의 차이가 크지 않으며 특정 피크가 반복적으로 관찰된다.
- 본 연구로 제철기술의 한 축인 축로기술이 중국의 영향을 받았다고 단정 지을 순 없으나 한반도 또한 중국과 유사한 재료의 선택이 존재해, 초기 축로기술의 양상이 일치한다. 한반도 축로 기술이 중국의 발전상과 유사하게 흘러갈지 독자적인 기술개발로 이어지는지는 추가적인 연구를 통해 확인할 수 있을 것으로 보이며 한반도 제철기술의 발전상에 대한 해답을 줄 수 있을 것으로 기대한다. 노벽에 대한 연구는 아직 기초적이며 미답의 영역이기 때문에 본고와 같은 연구가 축적되면 과학적이고 체계적인 접근이 가능할 것으로 보인다.
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