문화재과학적분석
금속, 유리, 도 · 토기, 안료 등 다양한 재질의 문화유산의 성분 및 미세조직 분석을 통해 제작당시의 원료의 성분, 제작기법 및 산지 등을 추정하는데 활용되고 있다. 또한 최근 BT(Bio Technology) 분야인 분자생물학적 기술을 응용하여 출토 인골 및 동물뼈의 DNA 분석, 고생물유체의 안정 동위원소 분석 및 출토 유기 시료의 과학적 분석 연구를 추진 중이다.
금속유물 분석
금속유물의 성분, 미세 조직 등 분석으로 제작기법을 연구하고 납동위원소비 분석을 통해 원료 산지를 추정할 수 있다.
1. 시편을 에폭시 수지에 고착하여 조직관찰용 시료를 준비한다.
2. 현미경으로 관찰할 표면을 경면으로 연마한다.
3. 분석현미경으로 미세조직을 관찰한다.
4. 미소부형광X선분석기로 성분을 분석한다.
5. 미소 경도기를 사용하여 각 부분의 경도를 측정한다.
6. X선회절분석기를 이용하여 결정구조를 분석한다.
금동 유물의 재질분석은 영상분석장치를 사용하여 도금층이나 내부조직을 관찰하며, 형광X선분석기를 사용하여 각 부분의 성분을 분석하게 된다. 다음은 감은사지 동삼층석탑(국보)에서 출토된 사리함 유물의 세부촬영 및 성분분석결과이다.
사리병 뚜껑 세부상태 촬영
폭 0.25mm내외 금선과 0.3∼0.5mm 금 알갱이를 땜하여 장식하였음 (총 길이 1.3cm).
사리병 뚜껑의 꼭지부분 확대 촬영
가운데 7개 금 알갱이를 중심으로 3개의 금 알갱이를 7군데에 땜하여 장식하였음 (총 길이 0.4cm).
금 알갱이의 사용기술의 일상화
0.3mm의 금 알갱이를 안쪽의 접합 기준점으로 사용함.
풍탁 수습상태
쌀알크기의 풍탁 수습 상태, 약 5mm의 종신에 0.3mm의 금 알갱이를 장식하였음.
금 알갱이의 내부 조직 상태
순도 98%의 순금을 사용하였음.
0.3mm의 금 알갱이는 금땜(은 10% 첨가 합금땜)을 사용하여 작은 금 알갱이들을 강하게 고찰시켰으며, 순금의 용융온도는 1063℃, 풍탁소지(금 94%)는 1055℃, 그리고 10%은을 함유한 금땜의 용융온도는 1046℃이다. 이는 각 부분 첨가된 은의 함량에 따라 용융온도가 틀린 것을 이용하여 금땜한 것을 알 수 있다. 이를 통해 신라장인들은 뛰어난 야금술을 지니고 있었음을 알 수 있었다.
금 알갱이의 땜 기술의 신비
6용접부분의 면적을 최소로 한 신기의 고착기술을 보여줌. → 접합면 길이 0.18mm
각 부분의 미소부형광X선 분석결과
| 분석위치 | 금(Au) | 은(Ag) | 구리(Cu) | 주석(Sn) |
|---|---|---|---|---|
| 풍탁 종신부분(1) | 93.7 | 4.55 | 1.78 | - |
| 풍탁 금땜부분(2) | 87.8 | 10.2 | 2.54 | - |
| 풍탁 금알갱이(3) | 97.3 | 1.21 | 0.86 | - |
| 외함소지 | - | - | 99.0 | 0.04 |
| 내함소지 | - | - | 90.7 | 7.76 |
아래 그림은 세 종류 청동의 대표적인 주성분 분포를 나타낸 것이다. 청동 수저 및 청동 용기류1은 납이 첨가되지 않았으며, 약 550℃에서 단조하여 수냉시킨 방짜인 것을 확인할 수 있다. 주로 생활용기류 중 식기용으로 사용되었다. 청동용기류2 및 청동검은 적당량의 납을 첨가하여 주조성을 높여 제작을 쉽게 하였다. 이 그룹의 청동용기류는 식기용 이외의 제기류 등에 사용하였으며, 청동검은 주석과 납을 약간씩 첨가하여 적당한 경도와 인성을 지니도록 만든 것을 알 수 있다.
청동유물의 평균 조성 그래프
청동유물의 조성비(예)
| 유물명 | 구리(Cu) | 주석(Sn) | 납(Pb) |
|---|---|---|---|
| 청동검 | 74.3 | 16.2 | 9.2 |
| 청동숟가락 | 77.3 | 22.2 | 0.07 |
| 청동용기1 | 77.8 | 22.0 | 0.06 |
| 청동용기2 | 78.3 | 12.0 | 8.9 |
청동 유물의 미세조직
청동유물의 성분 및 미세조직을 분석하면 주조품인지, 단조품인지 등의 제작 방법을 알 수 있다. 주조품인 경우 나뭇가지와 같은 수지상의 구조(dendrite)를 보이며, 단조품인 경우 열처리 되어 반듯한 결정립을 보이게 된다. 주조품이라 하더라도 오래도록 가열하면 수지상 구조는 사라지고 결정립으로 변한다. 또한 납은 동이나 주석과 잘 혼합되지 못하여 대개는 둥근 입자로 가지 사이에 응고되어 흩어져 있으며(편석), 함량이 10% 이상이면 공석조직(α+δ)이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
청동 숟가락
청동 숟가락
청동숟가락의 미세조직(단조품, 200×)
청동합
청동합
미세조직(단조품, 200×)
무구류
청동검
청동검의 미세조직(주조품, 200×)
이 고려범종은 1999년 11월 일본인 다카하라 히미코(高原日美子)씨가 우리나라에 기증한 것으로 높이는 71cm, 하부 지름은 50cm로 중형에 속하는 범종이다. 다음의 표는 기증된 범종 및 다른 고려범종의 성분 분석 결과이다.
고려범종의 성분분석 결과
| 번호 | 체취부위 | 조성비 (%) | 비고 | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 구리 (Cu) |
주석 (Sn) |
납 (Pb) |
아연 (Zn) |
은 (Ag) |
니켈 (Ni) |
코발트 (Co) |
안티몬 (Sb) |
비소 (As) |
철 (Fe) |
Total | |||
| 1 | 용두부분 | 86.9 | 12.7 | 1.33 | 0.006 | 0.21 | 0.11 | 0.011 | 0.17 | 0.67 | 0.65 | 102.7 | |
| 2 | 유두부분 | 83.5 | 12.9 | 0.70 | 0.005 | 0.23 | 0.10 | 0.006 | 0.16 | 0.67 | 0.17 | 98.4 | |
| 3 | 종내부 아래 | 69.0 | 11.4 | 1.81 | 0.005 | 0.23 | 0.07 | 0.005 | 0.18 | 0.60 | 0.71 | 84.0 | 부식 |
| 4 | 종내부 중간 | 80.9 | 14.5 | 2.15 | 0.004 | 0.23 | 0.11 | 0.010 | 0.22 | 0.86 | 0.14 | 99.1 | |
| 1,2,4 의 평균 | 83.8 | 13.4 | 1.4 | 0.005 | 0.22 | 0.11 | 0.009 | 0.18 | 0.73 | 0.32 | 100.0 | ||
한국 동종의 분석 예
| 번호 | 유물명 | 조성비 (%) | 비고 (출전) |
||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 구리 (Cu) |
주석 (Sn) |
납 (Pb) |
아연 (Zn) |
은 (Ag) |
니켈 (Ni) |
코발트 (Co) |
안티몬 (Sb) |
비소 (As) |
철 (Fe) |
Total | |||
| 1 | 원주 범종 | 71.02 | 14.0 | 2.12 | 0.01 | 0.59 | 0.22 | 0.21 | 0.26 | 0.28 | 88.43 | 최주외 '옛한국 청동기에 대한 소고'<금속학회>1986 | |
| 2 | 실상사종 | 76.07 | 17.76 | 0.34 | 0.21 | 0.15 | 0.05 | 0.05 | 0.15 | 0.48 | 94.78 | ||
| 3 | 上院寺鐘 (725년) |
83.87 | 13.26 | 2.12 | 0.32 | 99.57 | 염영하, 「한국의 종」 1991 |
||||||
| 4 | 禪林寺鐘 (804년) |
80.2 | 12.2 | - | 2.2 | 94.6 | |||||||
| 5 | 朝鮮鐘 | 80.1 | 12.2 | - | - | 92.3 | 坪井良平, 「조선종」 |
||||||
철의 성질은 철 속에 들어 있는 탄소(C)의 양의 의해서 결정된다. C가 전혀 없는 순철(純鐵)의 녹는점은 1538℃이다. Fe-Fe3C 상태도에 나타나는 고체상의 종류에는 4가지가 있다. 즉, α페라이트(ferrite), 오스테나이트(austenite), 시멘타이트(cementite) 및 δ 페라이트 등이다. C가 1%인 철을 보면 철의 액체상태인 L에서 식으면 1430℃에서 austenite인 γ의 결정립이 생기기 시작하여 1360℃에서 γ가 된다. 온도가 더 내려 810℃에 이르면 cementite(Fe3C)란 석출상이 생겨 차츰 많아진다. 더 식어 727℃가 되면 γ는 사라지고 ferrite인 α와 cementite로 된다. 그러나 사실은 C가 0.8%일 때 pearlite가 생겨 pearlite 바탕 위에 cementite가 석출된다. pearlite는 ferrite(α)와 cementite(Fe3C)가 교대로 층상을 이루고 있는 석출물이다. 특히 C가 4.3%일 때는 결정립이 자라지 않고 1130℃에서 순간적으로 응고한다. 따라서 주물용으로는 이 조성의 철을 사용한다.
Fe-C 상태도(실선:Fe-Fe3C상태도, 점선:Fe · · · C 상태도)
철의 종류
철은 C의 양이 많을수록 단단해져 단조하기가 어렵다. 따라서 철의 종류를 구분할 때는 C의 양에 따라 구분한다.
- 1) 연철(鍊鐵 : wrought iron) : 순철(純鐵)이라고도 하며, 탄소의 함량이 0.1% 이하인 것을 말한다. 매우 연하여 손으로 구부릴 수 있다. 단조하여 그릇 등을 만들 수는 있으나 칼, 도끼 등과 같은 이기(利器) 등에는 경도가 낮아 적합하지 않다.
- 2) 강철(鋼鐵 : steel) : 탄소량 0.1∼1.7%인 철을 가리킨다. 단단하면서도 연성(延性)이 있어서 단조하여 여러 물건을 만들 수 있기 때문에 철 가운데 가장 널리 쓰이고 있다. 우리 나라에서도 철기시대 초기부터 많이 쓰여 왔다.
- 3) 주철(鑄鐵 : cast iron) : 선철(銑鐵)이라고도 하며, 탄소의 함량은 1.7∼4.5%이상이다. 대단히 단단해서 단조할 수 없고 단지 주조용으로 쓰인다. 우리나라에서는 철기시대에 도끼 등을 만들 때 이런 철을 사용하였다.
철제 유물의 미세조직 - 주조품
철부
철부의 미세조직(200×)
철제 유물의 미세조직 - 단조품
철제끌
철제끌의 미세 조직(200×)
메뉴담당자담당부서 : 보존과학연구실 담당자 : 유영미 연락처 : 042-860-9068
