접수 15. 10. 26 / 심사종료 15. 12. 16 / 게재승인 15. 12. 18 Vol.31, No.4, pp411-427(2015)
DOI http://dx.doi.org/10.12654/JCS.2015.31.4.09 Printed in the Republic of Korea
pISSN: 1225-5459 eISSN: 2287-9781
노계마을 제철유적 출토유물의 자연과학적 분석연구
이은우1 | 이장존* | 채미희 | 김은지
국립중원문화재연구소, *국립문화재연구소 보존과학연구실
Examination of Smelting and Smithing Slags Excavated from the Iron Production Site of the Nogye Village
Eun Woo Lee1 | Jang Jon Lee* | Mi Hui Chae | Eun Ji Kim Jungwon National Research Institue of Cultural Heritage, Chungju, 27438, Korea
*Conservation Science Division, National Research Institue of Cultural Heritage, Daejeon, 34122, Korea
1Corresponding Author: [email protected], +82-43-850-7815
초 록 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 위치 별 분석을 실시하여 형성과정에 대한 검토도 실시하였다. 단야로로 추정되는 1호로 내부에서 출토된 슬래그는 조업과정 에서 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 성분함 량이 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.
중심어: 제철유적, 단야로, 제련로, 슬래그, 철광석
ABSTRACT 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.
Key Words: Iron manufacture site, Smithing hearth, Smelting furnace, Slag, Iron ore
1. 서 론
제철유적에서는 흔히 다양한 제철조업 부산물이 출토 되는데 그 중 슬래그가 대부분을 차지한다. 그 이유로는 첫 째, 고대 제철조업은 기술의 부족으로 인해 철 회수율이 높 지 않아 상당량의 원료성분이 철로 환원되지 못하고 슬래 그로 형성되었다. 둘째, 슬래그는 부식되는 철과 달리 화학 적으로 안정하며 자연요인에 의해 쉽게 형태가 변형되는 노벽과 달리 물리적으로 긴 세월동안 유지될 수 있는 조건 을 갖추고 있기 때문이다(Serneels, 2003). 마지막으로 생 성된 슬래그는 활용도가 낮아 대부분 생산된 장소 주변에 폐기되기 때문이다. 이러한 이유로 당시의 제철기술을 연 구함에 있어 슬래그의 활용성은 상당히 높은데 사용된 재 료와 슬래그가 생성될 당시의 환경 등 다양한 정보를 제공 하는 중요한 자료가 되며 사용된 원료, 기술 및 지역적 차 이점에 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 종 류(Choi et al, 1994), 기술체계(Park, 2004) 등 연구의 다 양성 및 자료 축적 면에서 많은 성과를 이루었으며 제철유 적에 대한 발굴조사가 증가함에 따라 제철관련 유물의 자 연과학적 분석도 증가하는 추세이다.
하지만 기존의 연구들은 대부분 유적에서 확인된 일부 슬래그의 분석결과에 대한 연구를 중심으로 철 생산 기술 및 공정에 대해 다루었으며 슬래그가 생성된 제철로와 같 은 철 생산 시설과 주변 현상에 대한 내용은 충분히 다루어 지지 않은 부분이 있다. 실제 제철조업은 많은 변수가 작용 하며 동일한 공정의 조업이라 할지라도 경우에 따라 다양 한 부산물이 생산되는 데 이러한 특징은 국립중원문화재 연구소에서 실시한 수 차례의 제철복원실험에서도 확인된 부분이다(Lew, 2015). 따라서 제철유적에서 발굴된 일부 슬래그의 분석결과만으로 유적 전체 해석에 대한 일반화 는 잠재적 오류의 소지를 배제할 수 없는 한계가 있다. 물 론 유적에서 발굴된 슬래그 전체에 대한 연구가 행해질 수 있다면 이러한 문제는 해결될 수 있겠지만 시간과 비용면 만 고려하여도 현실적으로 불가능하다. 이처럼 제한된 환 경에서 제철유적에서 행해진 당시 철 생산 기술에 관한 연 구에 의미 있는 해석을 제공하기 위해서는 연구대상을 유 적 전체에서 상대적으로 철 생산과 관련성이 높은 노 주변 에 위치한 유구로 축소시키는 방법이 대안이 될 수 있다.
이에 본 연구에서는 국립중원문화재연구소에서 2014년 도에 실시한 노계마을(본리 324-1번지) 발굴조사 결과 중 유일한 철 생산 관련 시설로 확인된 1호 및 2호 로 주변에 서 확인된 수혈유구 슬래그에 대한 집중적인 분석을 실시 하여 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.
2. 연구대상 현황
2.1. 유적현황
충청지역에서는 충주지역에 제철관련 유적이 집중되어 있으며 제련을 중심으로 한 체계적인 제철문화가 4세기 대 부터 발달된 것으로 보고되어 있다(Kim, 2012). 중원문화 권의 중심지였던 충주는 고대부터 남한강을 중심으로 한 편리한 내륙수로와 한반도 3대 철산지로서 철기의 대량생 산이 가능한 국가 경쟁력의 확보를 위한 이점을 갖고 있었 다(Eo, 2011). 이러한 이유로 「고려사」나 「신증동국여 지승람」의 기록에 남아있듯이 고려시대 특수행정구역인
‘다인철소’(多人鐵所)가 운영되기도 하였다. 발굴조사와 지표조사 등을 통해 삼국~조선시대에 이르는 기간 동안 과 거 활발한 철생산 활동이 이루어졌음이 확인되었는데 조 사된 제철관련 유적 97개소 중 59개소의 유적이 고려시대 에 해당하는 것으로 알려져 있어 특히 고려시대에 활발한 철 생산이 이루어졌던 것으로 보고 있다. 특히 본리 노계마 을 일대의 제철유적은 슬래그와 노벽편 등 제철관련 유물 이 집중적으로 분포하고 있어 철 생산의 중심지였음을 보 여준다.
본고의 연구대상 지역은 충주시 대소원면 본리 324-1번 지(노계마을)로 2,626m2의 대지이며 조사구역 지표면의 해발고도는 82.5~79.5m으로 구릉을 따라 완만한 경사면 을 형성하는 지형이다. 발굴조사 결과 통일신라시대 석곽 묘 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 이뤄
A view of the archaeological site
ⓐ Aerial photograph of the site ⓑ Enlarged image of ⓐ Figure 1. Aerial photograph and location map of the Nogye village site.
1Ho Smithing Hearth with slag Hearth Wall with blast pipe trace Figure 2. 1Ho Smithing Hearth(left) and Hearth wall(right).
졌을 것으로 여겨지나 조사결과 많은 수의 제철로가 확인 되지는 않았다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, JNRICH, 2015).
2.2. 1호로
1호로는 해발 80m 내외의 구릉 하단부에서 확인되었다 (Figure 2). 유구는 2호 수혈유구의 남서벽을 방형으로 굴 착한 후 석재를 ‘⊏‘자 형태로 돌려 축조하고, 바깥으로 적
갈색사질점토를 채워 보강하였으며 하부의 석재는 붉게 피열되어 고온작업이 있었음을 알 수 있다. 전체 길이는 2.3m이며 단야로의 잔존규모는 0.35×0.5ｍ이다(NJRICH, 2015). 단야로의 경우 지상식인 노의 구조상 잔존상태가 좋지 않아 노의 하부만 확인되는 경우가 대부분이므로 단 야조업 도구 및 생성물인 단조박편, 입상재 등의 단야재 출 토여부를 통해 단야유적을 판단하게 된다(Kim, 2012). 1 호로 주변에서는 숫돌이나 집게, 단야대석과 같이 단야작 업과 직접적으로 관련된 유물은 출토되지 않았으나 노의
Front view of the 2ho smelting furnace Substructure of the 2ho smelting furnace Figure 3. 2ho Smelting Furnace(left) and its Substructure.
내부토와 노의 동쪽에 연결된 슬래그층에서 단조박편과 입상재가 확인되어 단야조업이 행해졌을 것으로 보고 있 다. 노의 남쪽으로 석재와 석재 사이에 6㎝ 정도의 틈이 확 인되는데, 송풍관이 삽입되었던 부분으로 추정된다. 1호로 에서 인접한 1호 수혈유구에서 수습된 노벽편 중 Figure2 와 같이 소구경 송풍관의 외면흔적이 일부 잔존하는 형태 가 확인되어 송풍관을 노 내부로 삽입하여 사용하였음을 알 수 있다. 노벽의 내측면은 용융되었고 일부 슬래그가 융 착되어 있으며 내부의 모래입자가 팽창되어 있는 것으로 미루어 고온작업이 행해졌음을 알 수 있다. 1호로의 경우 석재를 ‘⊏’자 형태로 돌린 것이 특징인데, 이는 노의 상부 를 보강하기 위한 것으로 추정된다. 이와 유사한 형태의 단 야로는 고려시대로 추정되는 평택 고렴리유적에서 2기가 확인되었는데 모두 건물지의 부속시설로서 간단한 철제품 을 생산하기 위한 단야시설로 보고 있다(JNRICH, 2015).
2.3. 2호로
2호로는 해발 82.5m 내외의 구릉 하단부에 반지하식의 원형로로 조성하였으며 주변에 4호 및 5호 수혈유구가 존 재한다. Figure3에서 확인되듯 노의 대부분은 소실되어 하 부만 잔존한 상태로, 하부구조는 점토로 벽을 보강한 후 점 토와 슬래그를 섞은 흙으로 바닥을 조성하고 5cm 깊이로 모래를 사용하여 구축하였다. 1차 조업이 끝난 후 슬래그 와 점토를 섞은 흙으로 단단하게 바닥을 만든 후 다시 모래 를 5cm 내외로 깔아 하부구조를 조성하고 점토를 발라 노 를 설치하여 2차 조업을 한 반복적 조업에 사용된 노로 보 고되었다(JNRICH, 2015).
2.4. 수혈유구
조사대상 지역에서 철 생산과 직접적으로 관계된 노 시 설은 1호로와 2호로가 있으며 모두 유적일대의 서쪽 지역 에서 발견되었다. 1호로는 1~3호 수혈유구와 인접해 있으 며 2호로는 4~5호 수혈유구와 인접해 있고 그 중간지점에 6호 수혈유구가 있다. 위의 수혈유구에서는 슬래그, 철광 석, 노벽편 등 철의 생산과 관련된 유물들이 발굴되었는데 인접해 있는 1,2호로의 철 생산 공정에서 생산된 부산물일 가능성이 높은 것으로 여겨진다. 또한 1,2호로 하단으로는 슬래그 퇴적층이 넓게 형성되어 있어 당시 이 주변에서 제 철조업이 활발히 이루어졌음을 추정할 수 있다.
3. 분석 및 결과
3.1. 분석대상
분석시료는 1호로에 인접한 1,2호 수혈유구와 2호로 주 변의 5호 수혈유구 및 1호로와 2호로의 중간에 위치한 6호 수혈유구에서 수습된 슬래그, 철광석, 노벽을 대상으로 하 였으며 시료의 사진과 설명은 Figure 4 및 Table 1과 같다.
철광석 시료인 1HO, 5HO-1의 분석결과는 기존 보고서 자 료를 인용하였다(JNRICH, 2015).
한편 단야로로 보고된 1호로 내부에서는 Figure 5-ⓐ와 같이 직경 약 20cm의 슬래그 덩어리가 출토되었는데 높이 방향으로 단면 절단한 결과 슬래그가 수 차례 적층되어 결 합된 형태로 확인되었다. 제철유적에서 발굴되는 슬래그 는 대부분 노외부로 제거된 상태로 존재하며 이와 같이 노 내부에서 슬래그가 발견된 경우는 흔치 않다. 자세한 확인
1HS-1 1HS-2 1HS-3 1HS-4
1HS-5 1HS-6 1HSS 1HO
1HW 2HS-1 2HS-2 2HS-3
2HS-4 2HO-1 2HO-2 2HW
5HS-1 5HS-2 5HS-3 5HS-4
5HS-5 5HS-6 5HS-7 5HS-8
5HS-9 5HO-1 5HS-2 5HS-3
5HS-4 5HW 6HO-1 6HO-2
Figure 4. Photograph of the analyzed samples from the Nogye Village site.
Table 1. Feature of the analyzed samples from the Nogye Village site.
No Sample Feature Location
1 1HS-1
Flowed tap slag Adjacent to the 1Ho Smithing Hearth 2 1HS-2
3 1HS-3 4 1HS-4 5 1HS-5 6 1HS-6
7 1HSS Slag block formed by several layers of dense slags In the 1Ho Smithing Hearth bottom
8 1HO Ferromagnetism
Adjacent to the 1Ho Smithing Hearth 9 1HW Oxidized by High temperature and Partially melted
10 2HS-1
Flowed tap slag 11 2HS-2
12 2HS-3
13 2HS-4 Porous Furnace slag 14 2HO-1
Weak-ferromagnetism 15 2HO-2
16 2HW Gray, Reduced by High temperature 17 5HS-1
Flowed tap slag
Adjacent to the 2Ho Smelting Furnace 18 5HS-2
19 5HS-3 20 5HS-4 21 5HS-5 22 5HS-6 23 5HS-7 24 5HS-8
25 5HS-9 Formed below tapping hole
26 5HO-1 Ferromagnetism
27 5HO-2
Weak-ferromagnetism 28 5HO-3
29 5HO-4 Ferromagnetism
30 5HW Reduced by High temperature and covered with iron rust
31 6HO-1 Ferromagnetism Between the 1Ho Smithing Hearth and the 2Ho Furnace
32 6HO-2 Weak-ferromagnetism
(a) Photograph of cross section (b) sample position Figure 5. Photograph of No7 1ho smithing hearth slag(a) and its cross section(b)
Table 2. The chemical composition of the analyzed samples from the Nogye Village site(wt%).
Sample T·Fe Fe2O3 SiO2 Al2O3 CaO MgO K2O TiO2 Na2O MnO P2O5
1HS-1 47.744 68.264 25.521 2.605 1.783 0.319 0.769 0.121 0.339 0.190 0.090 1HS-2 47.308 67.641 26.340 2.501 1.648 0.289 0.766 0.122 0.388 0.208 0.097 1HS-3 47.720 68.230 26.028 2.128 1.751 0.344 0.838 0.098 0.283 0.205 0.095 1HS-4 45.567 65.151 27.839 3.005 1.796 0.335 1.056 0.131 0.382 0.189 0.116 1HS-5 46.818 66.940 26.477 2.858 1.764 0.281 0.796 0.206 0.352 0.241 0.084 1HS-6 45.541 65.115 26.972 3.179 2.226 0.532 1.029 0.187 0.411 0.249 0.098 1HO 64.320 91.965 7.634 0.268 0.052 - 0.025 - 0.064 0.001 0.019 2HS-1 42.016 60.075 29.515 5.964 1.751 0.247 1.609 0.212 0.479 0.045 0.102 2HS-2 52.347 74.845 21.493 1.108 1.179 0.033 0.919 0.147 0.115 0.074 0.087 2HS-3 40.490 57.892 33.475 2.365 3.922 0.277 1.325 0.163 0.175 0.198 0.207 2HS-4 41.937 59.962 32.874 2.170 2.746 0.401 1.073 0.154 0.112 0.239 0.269 2HO-1 67.608 96.665 3.140 0.077 0.011 - - 0.072 0.019 0.004 0.012 2HO-2 66.647 95.291 4.653 - 0.008 - - 0.009 0.022 0.009 0.008 2HW 2.695 3.853 71.037 17.746 0.261 0.636 4.445 0.545 1.373 0.035 0.069 5HS-1 45.523 65.088 26.998 3.170 2.216 0.543 1.027 0.192 0.416 0.251 0.099 5HS-2 40.314 57.641 34.575 2.717 3.089 0.193 1.208 0.132 0.216 0.088 0.143 5HS-3 40.700 58.193 33.478 3.203 2.900 0.224 1.347 0.150 0.264 0.076 0.164 5HS-4 44.113 63.073 29.815 2.566 2.615 0.263 1.041 0.171 0.166 0.129 0.161 5HS-5 43.613 62.358 28.859 2.808 3.714 0.257 1.204 0.161 0.225 0.213 0.201 5HS-6 44.286 63.320 29.831 2.443 2.527 0.288 0.981 0.155 0.180 0.133 0.142 5HS-7 42.556 60.846 32.224 1.796 3.518 0.234 0.830 0.113 0.084 0.191 0.165 5HS-8 39.545 56.541 34.313 2.619 4.251 0.282 1.351 0.143 0.186 0.14 0.173 5HS-9 39.269 56.147 37.248 2.169 2.765 0.162 1.061 0.112 0.157 0.096 0.083 5HO-1 41.769 59.721 40.251 - 0.004 - - 0.002 0.011 0.001 0.010 5HO-2 52.000 74.349 22.454 1.668 0.076 0.253 0.409 0.062 0.050 0.476 0.266 5HO-3 37.779 54.017 45.700 0.182 0.013 - - 0.012 0.023 0.031 0.022 5HO-4 66.569 95.180 4.134 0.180 0.007 - 0.033 0.010 0.042 0.394 0.020 5HW 5.237 7.488 70.931 13.803 1.186 0.640 4.202 0.567 1.043 0.062 0.078 6HO-1 59.842 85.562 13.390 0.694 0.016 - 0.178 0.061 0.034 0.044 0.021 6HO-2 51.491 73.622 26.195 0.107 0.013 - - 0.015 0.032 0.004 0.012 을 위하여 위치별로 9개의 시료를 채취하여 분석을 실시하
였다(Figure 5-ⓑ).
3.2. 분석방법
미세조직은 금속현미경(Leica, Germany)의 명시야 (Bright Field)를 이용하여 200~500배율로 관찰 및 촬영하 였다. 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 실시하 였다. 분석조건은 가속전압 20keV, 100Sec으로 설정하였 고 시편의 표면은 Gold로 코팅하였다. 화합물분석은 X선 회절분석기(XRD, X-ray Diffraction, Panalytical, Netherlands) 로 실행하였다. 분석조건은 40keV, 40mA, °2Th 5˚~70˚로 설정하였으며 분석 시료는 분말화하여 준비하였다. 주성 분은 파장분산형 X선형광분석기(WD-XRF, Wavelength-
Table 3. Average Composition of CaO(wt%) of Ore, Wall and Slag from the Nogye Village site.
Average Composition of CaO(wt%)
Ore Wall Slag from the 1Ho Site Slag from the 2Ho Site Slag from the 5Ho Site
0.022 0.723 2.712 2.399 3.066
Figure 6. Fe2O3/SiO2 Scatter Plot of the slag samples from the 1,2,5ho site.
Dispersive X-ray Spectroscopy, Empyrean, Netherlands) 로 분석하였으며 시료는 Glass Bead로 제작하여 준비하였다.
3.3. 분석결과
3.3.1. 주요성분
분석대상 시료에 대한 화학조성을 알아보기 위해 주요 성분분석을 실시하였으며 결과는 Table 2와 같다.
슬래그의 주요성분 분석결과를 보면 수혈유구 별 평균 철함량(T·Fe)는 1호 수혈유구가 46.783wt%, 2호 수혈유 구가 44.197wt%, 5호 수혈유구가 42.213wt%로 크게 다 르지 않은 것으로 나타난다. 이처럼 철성분이 높은 슬래그 는 용해를 수반하는 주철제련에서보다는 저온환원법에 의 한 괴련철의 제련과정에서 주로 나타나며(Park, 2004) 회 수율이 낮은 조업에서 생성된 슬래그로 볼 수 있다. 하지만 제련공정이 아닌 단야와 같은 후속공정에 의해 생성되는 슬래그도 높은 철함량을 갖기 때문에(Choi, 2015) 슬래그 의 출토상황, 형태 및 미세조직 등 다양한 요인을 함께 고 려해야 한다.
조재제로 사용되는 CaO 성분의 물질은 슬래그와 금속 철의 분리를 원활하게 하는데 제철유적 슬래그의 성분분 석결과 CaO가 약 1% 이상 확인될 경우 흔히 조재제로서 석회물질의 사용 가능성이 제시되어 왔다(Yoon, 1986;
Kang, 2010; Eo, 2011; Lee, 2012; Shin, 2012). 따라서 조 재제의 사용 여부를 확인하기 위해 각 수혈유구 슬래그, 철 광석 및 또 다른 영향요인인 노벽의 평균 CaO함량을 비교 한 결과 Table3와 같이 철광석과 노벽에 비해 슬래그의
CaO의 평균함량이 크게 증가한 것으로 확인되었다. 철광 석과 노벽은 전체 시료의 평균함량을 구하였고 슬래그는 수량이 많아 수혈유구별로 구분하여 비교하였다.
1호 슬래그의 경우 각 시료마다 성분함량이 유사한 것 으로 나타나 슬래그의 성분분석 결과 중 Fe2O3와 SiO2의 함량을 이용한 수혈유구별 산점도를 그려본 결과 Figure 6 과 같이 1호 수혈유구에서 수습된 슬래그의 경우 2호 및 5 호 수혈유구 슬래그에 비해 상당히 유사한 조성비를 보였 다. 슬래그의 성분조성은 동일한 조업에서도 슬래그가 냉 각될 당시의 조건에 따라 변하게 된다. 하지만 동일한 개체 의 슬래그의 성분조성은 크게 다르지 않은데 1호 수혈유구 에서 수습된 6점의 슬래그도 서로 간에 관계성이 높은 것 으로 추정할 수 있다.
슬래그에 함유된 TiO2와 V2O5의 함량은 원료가 철광석 또는 사철인지의 여부를 판단할 수 있는 기준이 된다 (Yoon, 1986). 1~5호 유구에서 수습된 슬래그의 분석결과 모든 슬래그의 TiO2 함량이 사철사용의 기준으로 보는 1.00wt%에 크게 미치지 못하므로 사철의 사용가능성은 낮 은 것으로 여겨진다.또한 유적 내에서도 사철은 확인되지 않고 철광석이 다수 출토되었다는 고고학적 정황도 이를 뒷받침한다.
한편 1호로 내부에서 수습된 슬래그의 경우 여러 개의 슬래그 층으로 구성되어 있는 특징이 있으므로 위치별로 시료를 채취하여 주요성분분석을 실시하였다(Table 4). 단 야로 내부에 형성된 슬래그는 철과 유동성 슬래그가 혼합 되어 있어 높은 철 함량을 갖게 된다(Choi, 2015). 또한 철 이외에도 다양한 구성 원소들이 있는데 슬래그의 형태와
Table 4. The chemical composition of samples of the 1ho smithing hearth slag.
Sample
Position T·Fe Fe2O3 Al2O3 SiO2 CaO MgO K2O TiO2 Na2O MnO P2O5
Figure5ⓑ-② 52.649 75.278 1.174 21.693 0.893 0.180 0.534 0.121 0.339 0.102 0.146 Figure5ⓑ-③ 43.839 62.682 1.762 26.340 1.574 0.273 0.664 0.183 - 0.902 0.115 Figure5ⓑ-④ 51.661 73.866 1.551 19.138 0.603 - 0.438 - 4.111 0.162 0.086 Figure5ⓑ-⑤ 54.946 78.563 1.115 19.000 0.590 - 0.458 0.124 - - 0.151
Slag from the 1Ho Site Slag from the 2Ho Site
Slag from the 5Ho Site Ore and Wall from the 2,5,6 Ho Site
Figure 7. X-ray powder diffraction patterns of the analyzed samples from the Nogye Village site. C: Cristobalite, F:
Fayalite, H: Hematite, M: Magnetite, Mi: Microcline, Q: Quartz, W: Wüstite
Table 5. The mineral composition of the analyzed samples from the Nogye Village site.
Sample Compound name Sample Compound name
1HS-1 Fayalite, Wüstite, Magnetite 5HS-2 Fayalite, Magnetite, Quartz 1HS-2 Fayalite, Wüstite 5HS-3 Fayalite, Wüstite, Magnetite 1HS-3 Fayalite, Wüstite, Magnetite 5HS-4 Fayalite, Wüstite, Magnetite 1HS-4 Fayalite, Wüstite, Magnetite 5HS-5 Fayalite, Wüstite, Magnetite 1HS-5 Fayalite, Wüstite, Magnetite 5HS-6 Fayalite, Wüstite, Magnetite 1HS-6 Fayalite, Wüstite, Magnetite, Quartz 5HS-7 Fayalite, Quartz
1HO Quartz, Magnetite, Hematite 5HS-8 Fayalite, Wüstite 2HS-1 Fayalite, Wüstite, Magnetite 5HS-9 Fayalite, Wüstite 2HS-2 Fayalite, Wüstite, Magnetite 5HO-1 Quartz, Hematite, Magnetite 2HS-3 Fayalite, Magnetite 5HO-2 Quartz, Hematite, Magnetite 2HS-4 Fayalite, Wüstite, Magnetite 5HO-3 Quartz, Hematite 2HO-1 Quartz, Hematite, Magnetite 5HO-4 Quartz, Magnetite, Hematite 2HO-2 Quartz, Hematite, Magnetite 5HW Quartz, Cristobalite
2HW Quartz, Microcline 6HO-1 Quartz, Magnetite, Hematite 5HS-1 Fayalite, Wüstite, Quartz 6HO-2 Quartz, Hematite, Magnetite 성분조성은 조업환경에 따라 상당히 다양한 결과를 보인
다(Serneels and Crew, 1997).
분석 결과 위치마다 성분조성에 차이가 있는 것으로 나 타나는데 이러한 결과는 1호로 내부 슬래그가 형성될 당시 성분조성에 영향을 받을 수 있는 시간적 간격을 두고 슬래 그가 쌓이게 된 결과로 볼 수 있다. 이에 대한 자세한 내용 은 3.3.3의 미세조직관찰 결과에서 다루도록 한다.
철광석의 경우 철함량이 낮은 것은 5HO-3시료의 37.779%에서 높은 것은 2HO-1의 67.607%로 큰 차이를 보인다. 전체적으로는 1, 2호 수혈유구에서 출토된 철광석 의 경우 철함량이 60%이상으로 고품위인데 반해 5, 6호 수 혈유구에서 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 수혈유 구 철광석과 같은 부광만을 선별해 사용했을 가능성도 있 다. 하지만 현대와 같이 과학적 성분분석을 할 수 없던 당 시에는 맥석 분리 수준의 선광을 실시한 후 조업에 사용했 을 것으로 여겨지므로 5, 6호 수혈유구의 저품위 철광석을 함께 사용했을 가능성도 배제할 수 없다.
노벽의 경우 2호 및 5호 수혈유구에서 수습된 것 중 각 1점씩 선별하여 분석을 실시하였다. 제철유적에서 발견되 는 노벽재료는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 점토 및 모래와 고온에 견딜 수 있게 볏짚을 사용한 혼합토를 사용한 경우
가 많은데 분석대상 시료도 유사한 재료를 사용한 것으로 확인된다. 노벽의 내식성을 고려하여 Al2O3가 많이 함유된 내화점토를 사용하였을 가능성을 확인한 결과 Al2O3의 함 량이 각각 17.746와 13.803wt%로 우리나라 중부 여러 지 방 점토의 함량과 비교했을 때 높지 않으므로(Cho et al., 2013) 특별히 내식성을 고려한 재료의 선택은 이루어지지 않은 것으로 보인다.
3.3.2. 화합물분석
화합물조성을 확인하기 위하여 슬래그, 철광석, 노벽에 대한 XRD 분석을 실시하였으며 분석결과 내용은 Figure 7 및 Table 5에 정리하였다. 슬래그의 경우 모두 주요 구성 화합물은 Fayalite이며 Wüstite, Magnetite 또는 Quartz 등 이 함께 동정되어 일반적인 제철유적 슬래그의 광물조성 을 갖는 것으로 확인되었다. 철광석의 경우 모두 괴광이므 로 분리선광 되지 못한 맥석인 Quartz가 공통적으로 나타 난다. 6점의 시료가 Hematite-Magnetite계열의 철광석으 로 확인된다. 예외적으로 5HO-4와 6HO-1 철광석의 경우 Magnetite-Hematite 계열의 철광석이며 5HO-2 철광석은 Hematite만 확인된다. 이러한 분석결과는 중원지역에서 사용된 철광석이 대부분 적철석 또는 자철석계열이라고 보고된 기존의 연구내용과(JNRICH, 2012) 유사하다. 노 벽의 경우 공통적으로 Quartz가 확인되나 2HW에서 Microcline이 동정된 반면 5HW에서는 고온광물인
1HS-1 1HS-2 1HS-3
1HS-4 1HS-5 1HS-6
Figure 8. Microstructure of the slag from 1ho site.
Table 6. SEM-EDS analysis results of the 1HS-1.
SEM-BEI Composition(wt%)
Position Na2O MgO Al2O3 SiO2 CaO K2O TiO2 MnO FeO
① - - 2.41 3.90 0.62 - 0.38 92.70
② - 0.64 - 29.53 0.59 - - 0.30 68.94
③ 2.59 - 15.17 42.38 - 6.06 0.30 - 21.95
Cristobalite가 나타나므로 상당한 고온을 겪은 것으로 볼 수 있다. 하지만 이는 유적 내에서 확인된 많은 노벽편 중 일부에 대한 분석결과이므로 단편적 정보만을 제공할 수 있다.
3.3.3. 미세조직관찰 및 성분분석
Figure 8은 1호 수혈유구에서 수습된 슬래그 시료 6점 의 금속현미경 미세조직 사진이다. 기본 구성은 바탕 기지 부분의 회색 주상으로 나타나는 Fayalite, 백색의 수지상 또는 견상의 Wüstite, 그리고 어두운 부분으로 나타나는 Glass phase로 확인된다. 이처럼 Fayalite가 주상에 일부 Wüstite가 나타나는 미세조직의 경우 제련과정에서 생성
된 슬래그일 가능성이 높다(Yoon, 1986). 조직상의 크기에 차이가 있는 것은 냉각속도에 의한 것으로 조직이 큰 경우 상대적으로 냉각속도가 느린 것으로 볼 수 있다.
추가적으로 각 미세조직상의 성분함량을 알기 위해 1HS-1 시료에 대한 SEM-EDS분석을 실시한 결과 분석지 점 ①은 Wüstite, ②는 Fayalite, ③은 Glass phase에 해당 하는 것으로 확인되었다(Table 6). 이와 같은 미세조직은 냉각 과정에서 초기 Wüstite가 형성되는 동안 CaO, K2O와 Al2O3등이 잔존 용융체로서 배제되고 공정반응에 의해 경 화되는 복합 용융체를 형성하게 된 것으로 볼 수 있다 (Friede et al., 1984).
Figure 9는 1호로 내부에서 출토된 1HSS시료의 각 부
Figure 9. Microstructure of the samples taken from the 1HSS(Figure5-ⓑ).
Table 7. SEM-EDS analysis results of the ⑨ taken from the 1HSS.
SEM-BEI Composition(wt%)
Position Na2O MgO Al2O3 SiO2 CaO K2O TiO2 MnO FeO
① - - 0.34 0.48 - - - - 99.18
② - 0.31 - 30.20 0.62 - - - 68.87
위(Figure 5-ⓑ-①~⑨)에서 채취한 시료의 미세조직 관찰 사진이다. 각 시료의 미세조직은 장주상의 Fayalite, 수지 상 또는 견상의 Wüstite 그리고 바탕의 Glass phase로 구성 된 공통점이 있다. 하지만 미세조직의 형태 및 크기와 Wüstite의 양에서 시료마다 다소 차이를 보이는데 하부에
서 채취된 Figure9-⑥~⑧시료의 미세조직의 경우 Wüstite 의 크기가 상부에서 채취된 Figure9-①~⑤미세조직에 비 해 응집되어 있으며 형성된 양도 많은 것으로 나타난다. 또 한 최하부에서 위치한 시료의 경우 Figure9-⑨의 경우 다 량의 Wüstite가 응집되어 거대한 조직을 이룬 특징을 보이
Table 8. SEM-EDS analysis results of the 1HSS.
SEM-BEI Composition(wt%)
Position Na2O MgO Al2O3 SiO2 SO3 K2O CaO FeO
① - 0.84 26.20 40.20 2.70 1.21 0.22 25.45
② - - - 100
ⓐ Boundary of Figure5-ⓑ-⑧,⑨
① - - 1.40 14.30 0.47 0.58 - 83.25
② - - - 29.24 0.19 0.40 - 70.13
ⓑ Boundary in Figure5-ⓑ-⑥ ③ 1.82 - 5.81 33.20 2.54 2.29 - 55.14
2HS-1 2HS-2 2HS-3 2HS-4
Figure 10. Microstructure of the slag from the 2ho site
는데 Figure9-⑥에서 확인되는 응집된 Wüstite가 성장한 결과 형성된 거대한 Wüstite로 여겨지며 다른 부위에 비해 환원에 유리한 환경에 있었음을 알 수 있다. 이러한 형태는 슬래그가 노외부로 배출되어 충분한 시간동안 환원분위기 를 유지하지 못하는 제련조업보다는 단야나 정련과 같은 2 차 공정 단계에서 형성되기 유리한 조직으로 볼 수 있는데 상당히 유사한 조직들이 단야 슬래그로서 보고된 바 있다 (Selskiene, 2007). 하지만 용융상의 슬래그가 냉각되지 않 아 Wüstite가 응집될 시간적 여유가 있었는지 또는 이미 Wüstite가 형성되어 있던 슬래그가 바닥에 형성된 것인지 는 분명하지 않다.
거대 Wüstite가 형성된 Figure9-⑨시료의 성분함량을 알기 위하여 SEM-EDS분석을 실시한 결과 Table 7의 분
석지점 ①은 FeO와 소량의 Al2O3및 SiO2로 구성된 Wüstite이며 ②는 Fayalite의 조성을 갖는 것으로 확인되 었다.
한편 여러 개의 층으로 구성된 1HSS에 대한 자세한 확 인을 위하여 SEM을 이용하여 1호 노 내부에서 출토된 슬 래그에서 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 간격 은 100~300μm정도이다. EDS 분석결과 분석지점 ①은 주 성분이 SiO2-Al2O3-FeO인 산화물이며 ②는 FeO가 100%
인 Wüstite의 조성을 보인다. Table 8의 ⓑ는 Figure5-ⓑ
의 ⑥에서 채취한 시료의 미세조직 사진으로 조직상의 형
5HS-1 5HS-2 5HS-3
5HS-4 5HS-5 5HS-6
5HS-7 5HS-8 5HS-9
Figure 11. Microstructure of the slag from the 5ho site.
태 및 EDS 분석결과 분석지점 ①은 Wüstite, ②는 Fayalite, ③은 Glass phase로 확인된다. 경계층의 형태로 보아 ⓐ부분의 슬래그는 하부와 상부 슬래그의 형성에 시 간적 차이가 있었던 반면 ⓑ부분의 경우 하부 슬래그 표면 이 완전히 냉각되기 전에 상부에 슬래그가 쌓여 결합된 형 태로 볼 수 있다.
Figure10은 2HS-1~4 시료의 금속현미경 미세조직 사 진으로 전체적으로 주상의 Fayalite와 바탕의 Glass Phase 가 공통적으로 확인된다. 하지만 2HS-2 시료의 경우 나머 지 슬래그와는 달리 수지상의 Wüstite가 많이 형성된 점에 서 차이가 있는데 철함량이 다른 슬래그에 비해 10%이상 높은 것과 관련이 있다(Table 2).
Figure 11은 5호 수혈유구에서 수습된 5HS-1~9 슬래그 의 미세조직 사진이다. 전체적으로 주상의 Fayalite와 바탕
의 Glass phase로 구성되어 있으며 Wüstite는 부분적으로 소량만 관찰된다. 각 시료의 성분조성이 크게 다르지 않음 에도 미세조직의 형태가 다르게 나타나는 것은 용융상태 의 슬래그가 냉각될 당시의 환경에 의한 영향도 작용한 것 으로 볼 수 있다.
4. 고찰 및 결론
제철유적 발굴조사 결과 출토되는 제철관련 부산물 중 슬래그는 수량이 많고 안정적이며 활용성이 낮아 가장 많 이 확보할 수 있는 분석 가능 시료 중 하나이다. 하지만 대 부분 폐기장에 존재하거나 형성위치에 대한 정보를 잃은 경우가 대부분으로 철 생산조업과 직접적인 관계성을 두 고 해석하기엔 부족한 부분이 있다. 다양한 요인에 의해 영
향 받는 슬래그의 특성상 성분분석 및 미세조직을 관찰하 더라도 주변 상황에 대한 정보가 없이는 해석에 한계가 따 르게 되는 것이다. 따라서 제철기술의 파악을 위해서는 출 토맥락이 분명한 시료에 대한 확보가 중요하다고 볼 수 있 는데 이런 의미에서 출토위치가 분명한 노계마을 제철유 적 1호로 내부 슬래그는 위의 조건을 충족하는 연구대상으 로 볼 수 있다.
1호로와 같이 ‘ㄷ’ 형태를 갖는 노시설은 단야로로 보는 고고학적 견해가 많으며 주변의 단조박편과 입상재가 확 인되어 단야로로 보고되어 있는 상태이다. 직접적 관계를 갖는 1호로 내부 슬래그 역시 형태, 미세조직 및 성분분석 면에서 단야조업에서 형성되는 슬래그의 특징을 보인다.
또한 소량의 슬래그가 수차례에 걸쳐 쌓여 형성되었고 직 경 500㎛이상의 거대한 Wüstite가 형성된 것으로 보아 단 야 슬래그일 가능성이 높다고 여겨진다. 반면 유적에서 주 조괭이나 용범 등의 주조 관련 유물이 확인되지 않았기 때 문에 용해로의 가능성은 낮다고 여겨진다.
2호로와 인접한 5호 수혈유구에서 수습된 9점의 슬래그 는 전체적으로 유사한 미세조직을 형성하고 있는데 Wüstite 조직이 거의 없으며 대부분 Fayalite와 Glass phase로 구성 되어 있다는 특징이 있다. 5호 수혈유구의 슬래그가 인접 한 2호로를 사용한 조업에서 생성되어 폐기되었다고 가정 한다면 조업 당시 내부에서 형성된 슬래그 내에 Wüstite가 형성되기 충분한 환원분위기나 시간과 같은 환경을 갖지 못하고 노 외부로 배출된 것으로 볼 수 있으며 따라서 제철 조업단계 중 상대적으로 슬래그의 배출이 많은 제련조업 과의 관계성을 찾을 수 있다.
5호 수혈유구에서 수습된 슬래그의 전철량(T·Fe)은 40%
전후로 동일 유구에서 수습된 철광석의 전철량과 큰 차이 가 나지 않으며 심지어 슬래그의 전철량이 높기도 하다. 노 계마을에서 철생산이 이루어지던 고려시대에는 조업효율 성을 위해 1, 2호 수혈유구 철광석과 같이 가능한 높은 품 위의 철광석을 사용하려 했을 것이나 현대와 같은 과학적 분석기술이 없던 당시에는 5호 수혈유구에서 출토된 저품 위의 철광석도 조업에 사용했을 가능성이 높다고 여겨진 다. 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 유적 에는 약자성인 적철석 계열의 철광석도 다수 확인되므로
자력 테스트만으로 분석대상 철광석을 선별하는 방법은 시료선별 과정에서 문제가 될 수 있다.
5호 수혈유구에서 수습된 슬래그 6점은 2, 5호 수혈유 구 슬래그 뿐 아니라 기존에 보고되었던 제철유적 슬래그 의 분석 자료들과 비교했을 때도 상당히 유사한 성분조성 을 갖는 것으로 확인된다. 따라서 분석된 6점의 슬래그가 동일한 용융체로부터 생성된 슬래그일 가능성이 있다. 슬 래그는 냉각당시 환경에 의해 성분조성 및 미세조직 등이 영향을 받을 수 있어 이러한 접근방식은 오류의 소지를 만 들 수 있다. 하지만 향후 제철유적 슬래그의 분석 시 동일 유구에서 출토된 비슷한 형태의 슬래그를 별개의 시료로 선정하기에 앞서 이러한 내용을 고려해 본다면 도움이 될 것으로 여겨진다.
위 연구 결과를 종합하여 1, 2호 로 주변에서 행해진 제 철조업을 정리하면 철광석을 사용한 제련이 이루어 졌으 며 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.
한편 Table 2에서 확인되듯 각 수혈유구에 관계없이 분 석된 모든 철광석에 비해 슬래그의 CaO의 함량이 높게 나 타나는데 지금까지 이와 같이 슬래그의 성분분석에서 CaO가 소량이라도 확인될 경우 흔히 조재제로서 석회물 질의 사용 가능성이 제시되어 왔다(Yoon, 1986; Kang, 2010; Eo, 2011; Lee, 2012; Shin, 2012). 하지만 단순히 CaO의 함량만으로 석회물질의 사용으로 보기 전에 다음 의 내용도 고려해 볼 필요가 있다. 첫째, 필자가 직접 실시 한 수차례의 제철복원실험 결과에서 석회물질의 사용 없 이도 슬래그의 CaO함량이 철광석에 비해 상당량 증가하 는 현상이 반복적으로 확인되었다(Lee, 2015). 둘째, 발굴 조사 결과 본리 324-1번지 유적 내에서 석회물질이 발견되 지 않았다. 셋째, 조업 당시 슬래그와 함께 용융되어 조성 에 직접적인 영향을 줄 수 있는 노벽 역시 CaO의 함량이 1%미만으로 확인되어 CaO함량 증가의 원인으로 보기는 어렵다.
반면 조업과정에서 발생한 목탄재에 의한 영향을 고려 해 볼 수 있는데 목탄재는 일반적으로 CaO와 K2O 및 소량 의 SiO2, MgO, P2O5등으로 구성되어 있기 때문에 위 성분 들의 증가에도 영향이 있다 (Blakelock et al., 2009; Crew, 2000; Kramar, 2014). 과거 철생산 조업에는 목탄을 연료 로 사용하였는데 연소 후 남게 되는 재는 목재의 연령, 수
종, 부위, 생장지 등의 요인에 의해 함량이 다양하지만 항 상 총질량의 0.5~5%범위로 측정된다. 이러한 재는 주로 CaO, K2O와 소량의 SiO2, MgO, P2O5 등으로 구성되며 슬 래그 내에 함유되어(Serneels and perret, 2003) 슬래그의 용융점을 낮추는 역할을 한다(Tylecote, 1962). 또한 영향 정도는 분명하지 않지만 주성분분석에서 슬래그의 Fe2O3
함량이 감소할수록 CaO 뿐 아니라 SiO2, MgO, K2O, P2O5
등의 나머지 성분들의 함량이 증가하는 부상관관계성도 위와 같은 현상에 어느 정도 영향이 있다고 볼 수 있다.
슬래그는 여러 가지 이유로 제철유적의 자연과학적 분 석에 가장 많이 활용되는 제철 부산물이다. 하지만 분석결 과 만으로 오래전에 행해졌던 제철공정을 분명히 해석하 기엔 아직 부족한 점이 많다. 이러한 문제들은 고고학적 해 석과 함께 함으로써 상당부분 해결될 수 있는 부분이 많을 것이다. 하지만 그럼에도 불구하고 분명하게 해결되지 못 한 부분들은 새로운 분석법의 적용과 관련 연구자들 사이 에서 지속적으로 제기되는 문제점들에 대한 보완을 통해 점차 해결될 수 있을 것이다.
사 사
본 연구는 국립중원문화재연구소의 “중원지역 제철기 술 복원연구”사업의 지원을 받아 이루어졌으며 이에 감사 드린다.
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