Study on the Materials Characteristics of Sangpyeongtongbo Coins in Joseon Dynasty Using Chemical Compositions and Microstructures

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접수 15. 08. 07 / 심사종료 15. 09. 10 / 게재승인 15. 09. 18 Vol.31, No.3, pp319-330(2015)

DOI http://dx.doi.org/10.12654/JCS.2015.31.3.12 Printed in the Republic of Korea

pISSN: 1225-5459 eISSN: 2287-9781

조선시대 상평통보의 성분 조성과 미세조직을 통한 재료학적 특성 연구

장수비 | 조남철¹ | 강형태*

공주대학교 문화재보존과학과, *(주)쎄크

Study on the Materials Characteristics of Sangpyeongtongbo Coins in Joseon Dynasty Using

Chemical Compositions and Microstructures

Su Bi Jang | Nam Chul Cho¹ | Hyung Tae Kang*

Department of Cultural Heritage Conservation Science, Kongju National University, Gongju, 314-701, Korea

*SEC Co., Suwon, 443-758, Korea

1Corresponding Author: [email protected], +82-41-850-8541

초 록 주전소와 주전 시기가 다른 상평통보 25점을 확보하여 성분 조성 및 주전 방법을 알아보았다. 상평통보의 성분 분석 결과, 주성분은 Cu, Zn, Pb이며 일부 시료에서는 Sn, Fe가 함유되어 있다. 그러나 각 상평통보의 성분 조성은 일정하 지 않으며 편차가 크다. 또한, 주전 시기에 따라 Cu와 Sn은 후대로 갈수록 감소하였고, Zn과 Pb는 전시기에 걸쳐 꾸준히 높게 함유되어 있다. 이러한 성분 함량의 차이는 당시 주전 이익과 관련이 깊은 것으로 판단된다. 미세조직 관찰 결과, 상평통보 25점은 수지상 조직, 입상조직, 미립화 조직 등 다양한 조직 형태가 확인된다. 그러나 열처리나 가공의 흔적이 관찰되지 않아 모두 주조 조직으로 판단되며, 일부 상평통보에 함유된 Sn, Fe 성분과 냉각 속도 차이에 의해 서로 다른 형태의 조직이 성장한 것으로 확인된다.

중심어: 상평통보, 성분 조성, 미세조직

ABSTRACT This study attempted to review the chemical composition of 25 samples of Sangpyeongtongbo having different manufacturing place and period, and then to find the manufacturing method. As a result of chemical composition analysis of Sangpyeongtongbo, main components include Cu, Zn and Pb, and some samples contained Sn and Fe. But, the chemical composition of each Sangpyeongtongbo varied with big differences. When the main content change was examined, Cu and Sn became decreased at the later period, and Zn and Pb had higher contents. The difference in the ingredient content had close relation for the profit of Sangpyeongtongbo. When refined microstructure was observed, 25 kinds of Sangpyeongtongbo had developed different types of microstructure such as dendrite, large grain and grain refinement.

But, 25 kinds of Sangpyeongtongbo had no heat treatment processing. And, the types of microstructure were difference, which seems because different microstructure was developed due to the difference of Sn and Fe and cooling speed in Sangpyeongtongbo.

Key Words: Sangpyeongtongbo, Chemical composition, Microstructure

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Table 1. Result of chemical composition analysis of Sangpyeongtongbo having different manufacturing place and period ( - : not detected).

No. Sample Minting Office Minting Age(A.D.) Composition(wt.%)

Cu Zn Sn Pb Fe

1 YE-1

Yeoyoung -Cheong (御營廳)

1679 79.62 19.92 - - -

2 YE-2 1742 67.39 15.56 - 16.21 -

3 YE-3 1742-1752 74.28 9.95 5.19 8.40 -

4 YE-4 1752 70.86 8.38 7.76 12.99 -

5 YE-5 1752 67.02 9.27 5.36 18.35 -

6 YE-6 1752 72.99 6.21 2.42 16.77 -

7 YE-7 1752 69.66 5.36 4.98 20.01 -

8 HO-1

Ho-Jo (戶曹)

1679 83.6 6.14 3.74 5.72 -

9 HO-2 1731 69.75 14.22 - 15.5 　-

10 HO-3 1742-1752 80.54 14.69 - 4.04 -

11 HO-4 1742-1752 73.77 7.24 5.88 12.62 -

12 HO-5 1883 66.41 27.07 - 2.92 2.00

13 HO-6 1883 73.84 2.10 - 14.32 5.85

14 CH-1

Chongyung -Cheong (摠戎廳)

1692-1752 80.05 12.88 1.65 4.29 0.50

15 CH-2 1757 69.97 18.90 5.35 6.22 -

16 CH-3 1757 66.74 20.18 2.63 10.45 -

17 CH-4 1757 60.60 25.61 3.25 10.11 0.44

18 HU-1

Hunryun -Dogam (訓鍊都監)

1742-1752 80.81 12.84 1.95 2.43 -

19 HU-2 1742-1752 84.82 12.36 0.87 0.42 0.32

20 HU-3 1828 76.76 - - 16.77 2.61

21 HU-4 1828 76.30 - - 16.56 2.30

22 KY-1

Kyunyok -Cheong (均役廳)

1807 70.85 11.31 - 17.39 -

23 KY-2 1807 70.37 11.88 - 17.28 -

24 KY-3 1883 67.59 12.33 1.24 18.57 -

25 KY-4 1883 67.69 15.58 - 16.52 -

1. 서 론

상평통보는 1678년(숙종 4) 발행된 이래로 19세기 말 근대적 화폐인 압인화(壓印貨)가 도입되기 전까지 약 200 년간 전국적으로 통용되었던 조선시대의 대표적인 화폐이 다. 상평통보가 발행되기 이전에도 고려 및 조선 전기의 여 러 왕조에서 화폐유통 정책을 시도하였지만 조선 후기에 와서야 비로소 전국적으로 통용되어 그 의의가 크다(Jang, 2003 ; Currency Department of the Bank of Korea, 2006).

당시 상평통보의 주전 목적은 국가 차원에서 백성에게 교환 수단을 제공하여 시혜를 베푸는 목적도 있었으나 주 전 이익의 확보도 상당히 큰 부분을 차지하고 있었다(Yoo, 2014). 주전 이익률은 원료 가격, 특히 주로 일본에서 수입 한 동(銅)의 가격에 달렸다. 당시 동의 수급 현황은 1697년 에 최대치로 수입되는 등 매우 안정적이었지만 1698년부

터 급변하여 동의 수급은 원활하지 못하였다. 이러한 상황 에 따라 주전 이익률을 높이기 위하여 동전의 중량은 떨어 졌다(Yang, 2013 ; Won, 2008). 또한 동 확보의 어려움으 로 인하여 납 및 잡철을 혼합하여 사용하였다는 기록이

≪조선왕조실록≫에 남아있다. 그러나 상평통보의 주전 원료 및 주전 방법에 관한 당시의 기록은 매우 단편적이며 조선 후기의 주전 기술 체계를 구체적으로 밝히는데 어려 움이 많다.

상평통보를 대상으로 한 자연과학적 연구사례 중 가장 이른 시기의 연구는 김상주에 의해 이루어졌다. 김상주는 상평통보의 성분 및 미세조직 분석을 통해 주조방식에 대 해 밝히고자 하였다(Kim, 1981). 또한 이창근은 상평통보 의 성분 조성을 통계적 해석 방법인 다변량 분석법을 이용 하여 유사성에 따라 동전을 분류하고 군을 형성한 각 동전 의 특성을 파악하고자 하였다(Lee et al., 1987). 최근에는

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Figure 1. Box and whisker plots showing the composition in Cu, Zn, Sn, and Pb of the different minting offices(YE : Yeoyoung-Cheong, HO : Ho-Jo, CH : Chongyung-Cheong, HU : Hunryun-Dogam, KY : Kyunyok-Cheong).

납동위원소비를 이용하여 상평통보에 사용된 납의 산지 추정을 시도하는 등 다양한 자연과학적 연구 방법이 시도 되고 있지만 기존의 연구는 대부분 성분 분석이 주를 이루 고 있으며, 이를 통해 주전소나 주전 시기 간의 연관성을 찾는 부분에 집중되어 있다.

이에 본 연구에서는 상평통보의 주전 원료 및 주전 방법 을 추정하기 위하여 주전소 및 주전 시기가 다른 상평통보 25점에 대하여 미세조직 및 SEM-EDS 분석을 시행하였으 며, 이를 통해 조선시대의 주전 기술을 밝히는데 기초자료 를 제시하고자 하였다.

2. 연구 대상 및 연구 방법 2.1. 연구 대상

상평통보의 주전 원료 및 주전 방법을 알아보기 위하여 어영청, 호조, 총융청, 훈련도감, 균역청 등 5곳의 중앙관청 에서 주전된 상평통보 25점을 시료로 확보하였다. 각 상평 통보의 주전 시기는 17세기 말부터 19세기까지 다양하며, 세부적인 사항은 Table 1과 같다.

2.2. 연구 방법

25점의 상평통보는 미세조직 분석을 위하여 시료를 채 취해 에폭시 수지로 마운팅하였다. 마운팅한 시료는 200, 400, 800, 1200, 1500, 2000, 4000mesh의 순서로 거친 연 마를 실시한 뒤, 연마제(DP-suspension P 3μm, 1μm, Struers) 로 미세연마를 실시하였다. 연마가 완료된 시료는 부식액 (FeCl3 + HCl + Ethyl Alcohol)을 이용하여 부식시켰으며, 금속현미경(Metallurgical Microscope, Leica, DM2500M) 으로 조직을 관찰하였다.

시료의 표면을 백금 코팅하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, MIRA3, TESCAN, Czech)으로 미 세조직 및 개재물을 관찰하였다. 개재물의 성분은 에너지 분산형분광계(Energy Dispersive Spectrometer, QUANTA300, BRUKER, Germany)를 이용하여 분석하였으며, 상평통 보의 성분 조성은 EDS를 통해 면분석하여 알아보았다. 시 료의 위치에 따라 일정 성분이 편석되어 있을 가능성이 있 으므로 서로 다른 부분을 3회 이상 면분석하여 평균값으로 나타내었다.

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Figure 2. Box and whisker plots showing the composition in Cu, Zn, Sn, and Pb of the different minting ages.

3. 연구 결과 및 고찰 3.1. 상평통보의 성분 조성

상평통보의 주전 원료에 대해 알아보기 위하여 성분 분 석을 하였으며, 결과는 Table 1과 같다. 분석 결과, 상평통 보의 주성분은 Cu, Zn, Pb이며, 일부 시료에는 Sn, Fe가 함 유되어 있다. 상평통보의 성분 조성이 주전소 또는 주전 시 기와 어떠한 상관관계를 갖는지 알아보기 위하여 Figure 1, 2와 같이 그래프를 작성하였다. Figure 1, 2의 그래프는 각 데이터의 최댓값, 최솟값, 중앙값, 사분위수를 상자그림을 통해 표현한 것이며 이를 통해 각 데이터가 어떻게 분포하 는지 쉽게 파악할 수 있다.

Figure 1은 각 주전소에서 주전된 상평통보의 성분별 함량분포를 나타낸 것이다. 동일한 주전소에서 주전되었 음에도 주성분인 Cu, Zn, Pb 함량의 편차가 큼을 알 수 있 다. 또한 Table 1에서 주전소 및 주전 시기가 동일한 상평 통보 간에도 성분 함량의 편차가 크다는 것을 확인할 수 있 다. 대표적으로 호조에서 주전된 HO-3, 4를 예로 들 수 있 다. 이러한 성분 함량 차이는 상평통보를 주전함에 있어 성 분비가 일정하지 않았음을 보여준다.

≪조선왕조실록≫의 정조실록, 22년 3월 기사를 보면,

“돈 모양이 옛날 것만 못한 것은 대체로 동(銅)이 귀함으로 인연하여 … 돈에다 연(鉛)을 많이 섞고, 거기에서 남은 동 을 취하여 협주를 한 데서 연유된 것이니…”라고 기록되어 있다. 당시 상평통보는 주전 원료의 수급 상황에 큰 영향을 받았음을 알 수 있다. 또한 원료의 부족으로 인하여 다른 제품을 재활용하여 주전하였을 가능성도 있다.

Figure 2는 주전 시기에 따른 주성분 원소의 함량 변화 를 알아보기 위하여 작성한 그래프이다. 주전 시기가 명확 하지 않은 시료 6점을 제외한 19점을 대상으로 작성하였으 며, 제외된 시료는 주전 시기가 1692∼1752년, 1742∼

1752년에 주전된 상평통보 6점이다(Table 1). Figure 2를 살펴보면 Cu와 Sn은 후대로 갈수록 감소하였고, Zn과 Pb 는 전시기에 걸쳐 지속적으로 함유량이 높은 것을 알 수 있다.

정수환의 연구에 의하면 조선 후기는 동의 생산량이 매 우 적었으므로 상평통보를 주전하기 위해 수입에 의존해 야만 했다. 당시 동의 주요 수입원은 일본이었다. 16세기 말부터 일본의 동 생산량은 증대되었는데, 이를 계기로 조 선 후기 일본으로부터 동 수입량도 증대되었으며, 1697년 (숙종 23)에는 동 수입량이 143만 6천근으로 최대치에 달 하였다(Jung, 2007). 그러나 1716년(숙종 42)부터 1820년

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Table 2. Classified according to the microstructure of samples.

Group Sample Alloy System Phase Microstructure A

HO-3 Cu-Zn-Pb α Phase Dendrite

HU-1 Cu-Zn-Sn-Pb α Phase Dendrite

HU-2 Cu-Zn α Phase Dendrite

CH-1 Cu-Zn-Sn-Pb α Phase Dendrite

B

HO-2 Cu-Zn-Pb α Phase Large Grain

YE-2 Cu-Zn-Pb α Phase Large Grain

KY-3 Cu-Zn-Sn-Pb α Phase Large Grain

KY-4 Cu-Zn-Pb α Phase Large Grain

YE-5 Cu-Zn-Sn-Pb α Phase, δ Phase Large Grain

KY-1 Cu-Zn-Pb α Phase Dendrite

KY-2 Cu-Zn-Pb α Phase Dendrite

C

HO-4 Cu-Zn-Sn-Pb α, (α+δ) Dendrite

YE-4 Cu-Zn-Sn-Pb α, (α+δ) Dendrite

YE-6 Cu-Zn-Sn-Pb α Phase Dendrite

D

HU-3 Cu-Pb-(Fe) α Phase Grain Refinement HU-4 Cu-Pb-(Fe) α Phase Grain Refinement HO-6 Cu-Zn-Pb-(Fe) α Phase Grain Refinement

Non-group

YE-1 Cu-Zn α Phase Dendrite

HO-1 Cu-Zn-Sn-Pb α Phase Dendrite

YE-3 Cu-Zn-Sn-Pb α, (α+δ) Dendrite

CH-2 Cu-Zn-Sn-Pb α, (α+δ) Dendrite

HO-5 Cu-Zn-Pb-(Fe) α Phase Grain Refinement YE-7 Cu-Zn-Sn-Pb α Phase, δ Phase Large Grain 까지 일본 측은 조선에 대한 동 수출량을 매년 10만 근으로

제한하였다. 또한, 일본에서 수입되는 왜동(倭銅)은 상평 통보의 주전뿐 아니라 포(砲) 등의 무기 제작에도 사용되 었으므로 18세기 초 부터 상평통보 주전에 필요한 동의 수 급에 어려움이 있었다(Won, 2008). 즉, 1679년 이래로 1807년까지 Cu의 성분 함량은 계속 감소 추세를 보이는데 이러한 이유는 동의 수급 문제와 관련이 깊은 것으로 보인다.

한편, Figure 2의 Sn과 Zn의 함량 변화를 살펴보면, 상 평통보 주전 초반에는 아연과 주석을 상평통보의 합금 재 료로서 함께 사용하였던 것으로 보인다. 그러나 주석은 1757년 이후에 사용량이 급감한 반면, 아연은 초반부터 지 속적으로 꾸준하게 사용되었다. 이러한 현상은 자원의 희 소성과 가격에 연원한 것으로 판단된다. 주석은 자원이 매 우 빈약하고 한정되어 값이 비쌌으므로 시기가 지나면서 점점 사용량이 감소했을 가능성이 높다. 반면 아연은 구리 와 주석에 비해 값이 저렴하여 상평통보 주전 초반부터 지 속적으로 꾸준하게 사용된 것으로 보인다. 또한, 금속학적

으로 아연을 첨가할 경우, 주조성이 개선되고 건전한 주물 을 얻을 수 있으므로 이러한 금속의 성질을 이해하고 주석 의 대체재로 이용하였을 가능성 또한 높다(Choi, 2000a ; Choi, 2000c).

3.2. 상평통보의 미세조직

1905년 3월에 간행된 ≪The Korea Review≫의 ‘A Korea Mint’ 편에는 조선시대의 동전 만드는 방법이 기록 되어 있다. ‘A Korea Mint’ 편의 동전 만드는 방법은 기본 적으로 조선 중기 성현(成俔, 1439-1504)이 저술한 ≪용재 총화≫의 활자 주조기술과 유사하다. ≪The Korea Review≫

의 'A Korea Mint'편에 소개된 동전 제작 방법을 요약하면 다음과 같다(Won, 2008).

1. 도가니에 구리 6파운드, 아연 3파운드 및 납 1파운드 가량을 혼입해 주전로 속에 넣고 풀무로 바람을 일으켜 쇠

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Figure 4. Microstructure of Sangpyeongtongbo(HU-1). (A) Image of metallurgical microscope. (B) SEM image and points of EDS analysis.

Table 3. EDS results of Sangpyeongtongbo(HU-1)( - : not detected).

Analysis Position Composition(wt.%)

O Si S Fe Cu Zn Sn Pb

1 - - 1.91 0.45 81.10 12.81 1.65 2.08

2 - - - 0.48 88.96 9.58 0.98 -

3 - - - - 85.35 9.52 5.13 -

4 1.44 - - - 6.99 0.72 - 90.85

5 - - 23.48 0.67 28.98 46.87 - -

6 0.82 4.51 - 1.58 75.20 11.30 2.91 3.67

Figure 3. Ternary graph of Cu-Zn-Pb contents in the 25 samples of Sangpyeongtongbo showing the four groups (● : Group A, ▲ : Group B, ■ : Group C, ◆ : Group D,

△ : Non-Group).

붙이를 녹인다.

2. 나무상자 속에 해감모래를 담고 발로 밟아 다진 다음 표면을 판판하게 한다. 그리고 판판한 해감모래 표면에 찍 어서 동전 자국을 만든다. 동전의 전 · 후 양면의 자국이 찍 힌 두 대의 나무상자를 마주 대고 철사로 단단히 묶는다.

3. 쇳물을 부어 넣는다. 충분히 식었다고 생각되면 잡아 매었던 나무상자를 푼다. 여러 개의 동전이 줄지어 붙어 있 는 것을 망치로 떼어 손질을 위하여 운반한다.

4. 한 가운데에 네모로 뚫린 구멍에 꼭 맞는 긴 철봉에 꿰어진다. 철봉에 꿴 동전을 고정시켜 놓고 길이가 길고 무 거운 줄칼로 동전의 거친 부분을 갈아 버린다.

따라서 상평통보의 미세조직 분석을 통해 주전 방법을 추정해보고자 하였다. 미세조직은 성분 조성비, 냉각 속도, 열처리 등에 의해 다양한 상이 나타나며, 성분 조성이 유사 함에도 조직이 다르게 확인된다면 열처리 등 다른 방법이 적용된 것으로 볼 수 있다.

미세조직 관찰 결과, 25점의 상평통보는 서로 다른 형태 의 조직을 보인다. 각 상평통보의 조직 형태가 다르게 나타 나는 원인을 파악하기 위하여 상평통보 25점의 주성분인 Cu-Zn-Pb 성분에 따라 상대함량분포도를 Figure 3과 같이

나타내었다. Figure 3을 토대로 성분 조성이 유사한 상평 통보를 네 개의 그룹으로 분류하였으며, 네 개의 그룹에 포 함되는 상평통보는 Table 2와 같다. 또한, 그룹에 포함되지 않는 상평통보 8점에 대해서도 Table 2에 정리하였다.

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Figure 5. Microstructure of Sangpyeongtongbo(KY-1). (A) Image of metallurgical microscope. (B) SEM image and points of EDS analysis.

Table 4. EDS results of Sangpyeongtongbo(KY-1)( - : not detected).

O S Fe Cu Zn Pb

1 0.05 0.70 - 72.95 11.55 14.75

2 - 27.07 0.91 14.60 57.42 -

3 0.35 - - 7.83 1.12 90.71

4 - - - 88.70 11.30 -

3.2.1. 그룹 A

Figure 4a는 훈련도감에서 주전된 상평통보(HU-1)의 미세조직 사진이다. 관찰 결과, 수지상의 α상 조직이 관찰 되며 열처리나 가공 흔적이 관찰되지 않는 일반적인 주조 조직이다. Figure 4b의 분석지점 2와 3은 α상 조직으로 Sn 이 소량 함유되어 있어 공석상을 띠지 않고 α상에 고용된 것으로 판단된다. 분석지점 4는 Pb가 90.85wt.%로 높게 함유되어 있어 납 편석물임을 알 수 있으며, 분석지점 5는 S 성분이 23.48wt.% 함유되어 있어 황화물 계열의 개재물 로 판단된다(Table 3). HU-1이 포함된 그룹 A는 HO-3, HU-2, CH-1 등 4점이며, 4점 모두 Figure 4a와 유사한 미 세조직이 관찰된다.

3.2.2. 그룹 B

그룹 B는 7점이며 성분 조성이 유사함에도 다른 조직 형태가 관찰된다.

Figure 5는 균역청에서 주전된 상평통보(KY-1)의 미세 조직과 SEM 사진이다. 미세조직 관찰 결과, 전체적으로 미세한 수지상 조직이 관찰되며, 수지상간 영역에는 황화 물 계열의 개재물과 납이 편석되어 있다. Figure 5b의 분석 지점 2는 S 성분이 27.07wt.% 함유되어 있어 황화물 계열 의 개재물이며, 분석지점 3은 Pb가 90.71wt.%로 높게 함

유되어 있는 납 편석물임을 알 수 있다. 분석지점 4는 수지 상 영역으로 α상 조직이다(Table 4). KY-2는 KY-1과 유사 한 조직을 보이며 열처리나 가공 흔적이 관찰되지 않는 전 형적인 주조 조직이다.

Figure 6은 어영청에서 주전된 상평통보(YE-5)의 미세 조직 및 SEM 사진이다. 미세조직 관찰 결과, 조대한 결정 립이 성장하였으며 크고 작은 납 편석물이 다수 관찰된다.

Figure 6b의 분석지점 5는 Zn이 9.93wt.%, Sn이 5.93wt.%

고용되어 있는 α상 조직이다. 분석지점 2는 Sn이 31.53 wt.%로 높게 함유되어 있어 δ상으로 판단된다(Table 5).

Figure 7은 어영청에서 주전된 상평통보(YE-2)의 미세 조직 및 SEM 사진이다. 미세조직 관찰 결과, 비교적 조대 한 결정립이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 결정립계 에는 주로 큰 납 편석물이 관찰되며, 결정립계 내에는 작은 원형의 납 편석물이 관찰된다. Figure 7b의 분석지점 3은 Zn이 17.03wt.% 고용되어 있는 α상이며, 분석지점 4는 Zn 이 18.52wt.% 고용되어 있는 α상이다(Table 6). 그룹 B에 포함된 KY-1, KY-2, YE-5 3점을 제외한 4점의 상평통보 에서는 모두 Figure 6a와 유사한 α상의 입상조직이 관찰된다.

일반적으로 청동이나 황동의 주조 조직은 주석과 아연 의 용융점이 구리와 달라 편석 현상이 발생하고 이로 인해 수지상 조직이 형성되며, 냉각 속도에 따라 수지상 조직의

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Figure 6. Microstructure of Sangpyeongtongbo(YE-5). (A) Image of metallurgical microscope. (B) SEM image and points of EDS analysis.

Table 5. EDS results of Sangpyeongtongbo(YE-5)( - : not detected).

O S Cu Zn Se Sn Pb

1 - - 65.80 8.82 - 5.70 19.68

2 - - 68.47 - - 31.53 -

3 0.12 29.63 3.45 62.82 3.98 - -

4 0.53 - 1.74 - - - 97.73

O S Cu Zn Pb

1 0.72 - 69.62 15.78 13.88

2 1.71 - 31.41 6.47 60.41

3 0.88 - 73.82 17.03 8.27

4 0.66 - 80.82 18.52 -

5 1.90 27.36 1.32 61.45 7.96

5 - - 84.14 9.93 - 5.93 -

크기가 결정된다. 열처리나 가공이 이루어지지 않는다면 대부분 수지상 조직을 보인다(David A. Scott, 1991). 그러 나 그룹 B의 KY-1, KY-2 상평통보를 제외한 5점의 상평통

보에서는 모두 α상이 관찰되지만 수지상 조직을 띠지 않고 입상의 결정립이 성장하였다.

이러한 조직 형태의 차이는 주조 과정 이후 추가적으로

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S Cu Zn Sn Pb

1 - 71.13 8.47 8.62 11.78

2 29.02 10.59 50.93 - 9.46

3 - 74.07 4.10 21.83 -

4 - 26.89 3.16 2.08 67.87

5 - 83.60 9.64 6.76 -

6 - 86.80 10.58 2.61 -

O Si S Fe Cu Zn As Ag Sn Pb

1 - 0.47 - - 75.24 6.87 2.56 - 2.38 12.48

2 - - - - 90.92 6.89 1.01 - 1.18 -

3 - - - - 86.13 4.81 3.62 - 5.44 -

4 1.63 0.91 - - 32.45 2.37 1.51 - - 61.13

5 - - 25.74 0.35 17.09 56.81 - - - -

6 1.54 0.96 - - 46.12 1.27 - 1.67 17.96 30.48

(10)

Tempering 등의 균질화 처리를 진행하였거나 냉각 속도를 느리게 진행하였을 경우 나타날 수 있다. 그러나 YE-5는 Sn의 함량이 31.53wt.%인 δ상 조직이 확인된다. Sn에 의 해 생성되는 δ상은 강도와 경도가 높으나 취성이 있어 깨 지기 쉬운 성질이 있다. 또한, δ상이 존재할 경우 성형성이 심하게 억제되기 때문에 가공용 청동 합금에서도 이러한 조직이 나타나지 않게 Sn의 함량을 낮춘다(Choi, 2014 ; Hermann Schumann 외, 2009). 따라서 YE-5는 주조 과정 이후 열처리했을 가능성이 없는 것으로 판단된다. 또한, YE-5를 제외한 4점의 시료에서는 결정립의 형태가 일정하 지 않아 추가적인 열처리의 가능성은 적은 것으로 판단된 다. 따라서 그룹 B의 α상 입상조직이 관찰되는 5점은 α상 의 수지상 조직이 관찰되는 KY-1, KY-2 상평통보에 비하 여 주조 과정에서 냉각이 매우 느리게 진행되었을 것으로 판단된다.

또한, Pb에 의하여 조직 형태의 차이가 생겼을 가능성 도 있다. 주조 과정에서 Pb를 첨가하면 녹는점이 더욱 낮 아지고, 유동성이 좋아져 주조성과 절상성이 좋아진다. 또 한, 주물의 결함인 기공 등을 없애주고 매끈한 주물 표면이 된다(Choi, 2000b). 그룹 B의 입상조직을 보이는 5점의 상 평통보는 일반적인 주조 조직이 관찰되는 그룹 A와 달리 5 점 모두 Pb의 함량이 약 15wt.%이상이다(Table 1). 따라서 Pb의 높은 함량에 의하여 쇳물의 유동성이 좋아 다른 형태 의 조직이 성장하였을 가능성이 있다.

3.2.3. 그룹 C

Figure 8은 어영청에서 주전된 상평통보(YE-4)의 미세 조직 및 SEM 사진이다. 미세조직 관찰 결과, YE-4는 수지 상 조직이 관찰되며 열처리나 가공의 흔적이 없는 주조 조 직이다. 수지상간 영역에는 (α+δ) 공석상과 납 편석물이 관찰된다. Figure 8b의 분석지점 3은 Sn 함량이 21.83 wt.%로 (α+δ) 공석상 이다(Table 7).그룹 C의 HO-4는 YE-4와 유사한 조직이 관찰된다. 반면, 같은 그룹에 속한 YE-6은 다른 2점과 달리 (α+δ) 공석상이 관찰되지 않으며 α상의 수지상 조직이다(Figure 9, Table 8).

Cu 내에서 Sn은 확산 속도가 낮으므로 현저한 결정 편 석이 생긴다. 따라서 주조된 합금에 대한 실제 Cu-Sn 합금 상태도에서 (α+δ) 공석상은 Sn이 약 6wt.%일 때 이미 주 조 조직 내에 존재하게 된다(Song, G., and Hong, Y.H., 1997 ; Hermann Schumann and Heinrich Oettel, 2009). 성분 분석 결과, HO-4와 YE-4의 Sn 함량은 각각 5.88wt.%와

7.76wt.%이며 2.42wt.%인 YE-6에 비해 높은 것을 알 수 있다(Table 1). 따라서 그룹 C의 조직 형태 차이는 Sn에 의 한 것으로 판단된다. 또한, YE-6 상평통보가 그룹 A와 성 분 조성이 다름에도 수지상 조직을 보이는 것은 그륩 B의 KY-1, KY-2와 동일한 원인에 의한 것으로 판단된다.

3.2.4. 그룹 D

Figure 10은 훈련도감에서 주전된 상평통보(HU-4)의 미세조직 및 SEM 사진이다. 미세조직 관찰 결과, 대체로 균일한 α상이 관찰되며 납 편석물과 황화물 계열의 개재물 이 다량 관찰된다. Figure 10b의 분석지점 1은 HU-2의 면 분석을 실시한 것이다. 면분석 결과, HU-2의 Cu 성분은 74.19wt.%, Pb 성분은 20.30wt.%로 Cu와 Pb의 2원계 합 금이며, Fe가 2.07wt.% 함유되어 있음을 알 수 있다. 분석 지점 4와 5는 Fe가 각각 1.73wt.%, 4.92wt.% 함유되어 있 는 α상이다(Table 9). HU-4와 같은 그룹에 속한 HU-3, HO-6의 미세조직은 미세한 α상이 성장하였으며, Figure 10a와 유사하다.

Figure 11은 호조에서 주전된 상평통보(HO-5)의 미세 조직 및 SEM 사진이다. 미세조직 관찰결과, 미세한 입상 조직이 관찰된다. Figure 11b의 분석지점 1은 상평통보 HO-5에 포함된 합금의 전체 함량을 면분석한 결과이다.

분석결과, Cu 성분은 66.69%, Zn 성분은 27.0%, Pb 성분 은 2.5%로 확인된다(Table 10). 그룹 D의 3점은 HO-5와 주성분 함량에서 차이를 보이지만 동일한 형태의 조직이 관찰된다. 이는 Fe 성분에 의한 것으로 판단된다. 황동 금 속에서 Fe는 입자 미세화 작용을 한다. Cu-Zn 합금에 Fe를 첨가하면 용탕으로부터 미세분산 석축물이생성되어 핵 역 할을 하며 결정립 미세화 작용을 하게 되는데, 입자 미세화 작용을 통해 금속의 강도와 전성을 향상시킨다(Song, G., and Hong, Y.H., 1997 ; Hermann Schumann and Heinrich Oettel, 2009). 그룹 D와 HO-5 상평통보는 Fe 함량이 2〜

5.85wt.% 함유되어 있어 4점 모두 1wt.% 이상이므로 주조 과정에서 입자가 미세하게 형성된 것으로 판단된다(Table 1).

이상의 연구 결과를 통해 그룹 A~D에 포함되는 17점의 상평통보는 모두 주조에 의해 주전되었으며 합금 조성 및 냉각 속도에 의해 조직이 다르게 성장한 것으로 판단된다.

그룹 A~D에 포함되지 않는 8점의 상평통보 또한 열처리 가 관찰되지 않으므로 일반적인 주조 공정에 의해 주전된 것으로 판단되며, 상평통보에 함유된 Sn, Fe 성분과 냉각 속도에 의해 조직의 형태가 다르게 성장한 것으로 판단된다.

(11)

Figure 10. Microstructure of Sangpyeongtongbo(HU-4). (A) Image of metallurgical microscope. (B) SEM image and points of EDS analysis.

Table 9. EDS results of Sangpyeongtongbo(HU-4)( - : not detected).

O S Fe Cu As Pb

1 - - 2.07 74.19 3.44 20.30

2 - 15.85 9.02 49.65 3.72 21.76

3 0.96 - - 8.99 - 90.06

4 - - 1.73 92.32 5.62 0.34

5 - - 4.92 86.87 7.65 0.55

Figure 11. Microstructure of Sangpyeongtongbo(HO-5). (A) Image of metallurgical microscope. (B) SEM image and points of EDS analysis.

Table 10. EDS results of Sangpyeongtongbo(HO-5)( - : not detected).

O Fe Cu Zn As Pb

1 - 2.48 66.69 27.00 1.33 2.50

2 - 1.37 70.06 28.57 - -

3 0.88 - 5.74 2.80 - 90.59

4 - 40.28 21.00 7.02 31.71 -

5 - 17.25 56.26 23.04 3.45 -

(12)

4. 결 론

본 연구에서는 상평통보의 성분 조성에 영향을 미쳤던 요인을 살펴보고자 주전 시기에 따른 주성분의 함량 변화 를 살펴보았다. 또한 주전 방법을 알아보고자 미세조직 분 석을 시행하였으며 연구 결과는 다음과 같다.

상평통보의 주성분은 일반적으로 Cu, Zn, Pb이며 일부 시료에는 Sn, Fe가 함유되어 있다. 또한, 각 상평통보의 성 분 조성은 일정하지 않고 편차가 크며, 동일한 주전소에서 주전된 상평통보 간에도 성분 조성이 일정하지 않음을 알 수 있다. 당시 상평통보의 성분비는 주전 원료의 수급 상황 에 큰 영향을 받았으며 원료의 부족으로 인하여 다른 제품 을 재활용하여 주전하였을 가능성도 있다.

주전 시기에 따른 주성분의 함량 변화를 살펴본 결과, Cu와 Sn은 후대로 갈수록 감소하였고, Zn과 Pb는 전시기 에 걸쳐 다량으로 함유되어 있다. Cu의 감소는 상평통보 주전 당시의 동 수급 문제와 깊은 관련이 있는 것으로 판단 되며 Cu와 Sn의 함량을 감소시키는 대신 후대로 갈수록 Zn과 Pb의 함량을 증가시켰을 가능성이 높다. 또한, 아연 을 주물에 첨가할 경우, 주조성이 개선되고 건전한 주물을 얻을 수 있으므로 이러한 금속의 성질을 이해하고 주석의 대체재로 이용하였을 가능성이 높다.

미세조직 관찰 결과, 모두 열처리나 가공의 흔적이 관찰 되지 않아 주조 조직으로 판단된다. 그러나 일부 상평통보 에 함유된 Sn, Fe 성분과 냉각 속도 차이에 의해 서로 다른 형태의 조직이 성장한 것으로 보인다.

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