이 연구는 靑銅 遺物에 대한 鑄造와 復原技術 규명에 그 목적을 두고 있다.
이를 위해 청동 유물에 사용된 소재, 거푸집, 합금 등 주조기술에 대한 메커니즘을 밝혀, 이를 기초로 한 복원 주조실험을 통하여 유물의 복원기술을 제시하고,나아가 복원된 청동유물에 대한 과학 분석을 통하여 청동유물 제작에 사용된 소재와 주조기술, 그리고 복원기술에 대한 기준을 마련하고자 하였다.
먼저, Ⅰ장에서는 청동기시대 청동거울, 통일신라 청동종, 고려와 조선의 금속활자 등에 대한 지금까지의 연구 결과를 살펴보고 그와 관련된 학계의 논쟁을 중심으로 연구의 범위를 설정하였다.
논쟁은 공통적으로 청동유물의 주조방법에 집중되어 있는데, 청동잔무늬거울의 경우에는 石製鑄造法, 蜜蠟鑄造法, 鑄物砂鑄造法, 陶土鑄造法 등 다양한 주조방법이 제시되고 있으며, 청동종과 금속활자는 蜜蠟鑄造法과 鑄物砂鑄造法이 논의의 주요 쟁점이 되고 있다.
Ⅱ장에서는 쟁점이 되고 있는 청동유물 주조기술 규명의 선행 과제인 전통 청동주조법 이해를 위해, 문헌에 보이는 주조기술과 재료에 따른 주조기술에 대해살펴보았다.
먼저, 문헌에 보이는 주조기술로는 밀랍주조법, 주물사주조법, 도토주조법 등이 있는데, 그 중 밀랍주조법에 대한 기록은 중국 명나라 송응성이 지은 『天工開物』에서 찾아 볼 수 있으며, 그 내용은 밀랍주조법으로 청동유물을 복원하는데 중요한 역할을 하고 있다. 또한 주물사주조법은 조선시대 금속활자주조법이 담긴 『慵齋叢話』, 철종과 동전주조법이 있는 『天工開物』, 조선시대 동전주조법이 담긴『The Korean Review』 등에서 찾아 볼 수 있는데, 이를 통해 조선시대 금속활자에 주물사[砂型]주조법이 사용되었고, 문헌에서의 철종주조법과 동전주조법이 현재 우리가 사용하고 있는 주물사주조법과 유사한 방법임을 알 수 있다.
재료에 따른 주조기술에서는 전통주조법으로 이어져 오거나 출토되는 유물을 통해 관찰 또는 예측해 볼 수 있는 밀랍주조법, 주물사주조법, 도토주조법, 석제주조법, 금속주조법에 대해 다루었다.
Ⅲ장에서는 앞장에서 다룬 문헌과 재료에 따른 청동주조기술을 바탕으로 밀랍주조법과 주물사주조법을 적용한 청동잔무늬거울, 청동종, 금속활자에 대한 복원주조실험을 살펴봄으로써 청동유물의 복원기술을 제시하고자 하였다.
먼저 청동잔무늬거울의 복원에 적용된 주조기술의 대상 유물은 논산 출토 잔무늬거울(국보 141호)과 화순 대곡리 출토 잔무늬거울(국보 143호)로, 밀랍주조에 사용된 거푸집에는 석비레, 구운 황토, 모래가 각각 60%, 30%, 10% 정도 사용되었고, 통기성을 높이기 위해 안팎을 달리하였는데, 밀랍과 맞닿는 면은 고운입자, 그 위는 거친 입자, 표면은 좀 더 굵은 입자인 마사토를 섞어 마무리했다.
복원에 사용된 합금 성분은, 논산 원북리 출토 청동잔무늬거울과 논산 출토 청동잔무늬거울을 기준으로 하여 Cu 71%, Sn 23%, Pb 6%와 Cu 62%, Sn32%, Pb 6%로 설정하였으며, 주조 전의 주성분과 주조 후의 주성분 변화를 살펴보기 위하여, 청동활자의 주성분 값인 Cu 80%, Sn 14%, Pb 6%로 주조한 뒤 각기 비교하여 보았다. 금속을 녹이는 순서는 동, 주석, 납의 순으로 하였다.
이번 청동잔무늬거울 연구에서의 특징은, 밀랍에 직접 문양을 새겨 밀랍거울을 만들지 않고, 석재인 활석에 문양을 새겨 별도의 밀랍거울 ‘거푸집’을 제작하여 사용했다는 이론을 새롭게 제시한 것과, 최근 학계에서 제시한 砂型주조법에 대해 연구 결과를 바탕으로 밀랍주조일 가능성이 높다는 의견을 제시할 수 있게 되었다는 것인데, 그 근거는 청동잔무늬거울에서 나타는 주조결함, 문양의 결함,황토색 빛깔의 주물토 등이 밀랍주조를 통한 복원에서도 관찰된다는 것이다.
다음으로 통일신라 청동종 복원에 적용된 주조기술은 선림원종을 대상으로 하였는데, 밀랍주조법에 사용된 거푸집의 소재는 분쇄한 뒤 사용하는 泥岩(뻘돌)과 구운 황토·모래, 그리고 蜜蠟이다. 밀랍 제작 시 밀랍과 송진 비율은 2가지로 구분하였는데, 7:3은 밀랍의 겉 거푸집을 만들 때, 5:5는 이암거푸집에서 밀랍으로 조각을 부어낸 뒤, 거푸집에 붙일 때 사용하였다. 복원에 사용된 합금 성분은 Cu83~85%, Sn 15~17%를 기본 조성으로 하였다. 이번 연구를 통해 청동종 밀랍주조기술의 메커니즘을 규명함으로써 체계적인 이론을 학계에 제시하게 되었을뿐 아니라 향후 통일신라 청동종 복원에 기여할 것으로 판단된다.
마지막으로 금속활자 복원에 적용된 주조기술의 대상유물은 밀랍주조법의 고려시대 직지, 주물사주조법의 조선시대 6종의 甲寅字(2007년), 조선전기 금속활자인 癸丑字와 丙辰字(2008년), 조선후기 금속활자인 整理字(2009년)이다.
밀랍주조법에 사용된 소재는 밀랍과 밀랍을 감싸는 석비레, 이암토, 모래, 황토 등이며, 밀랍은 굳기를 조절하기 위해 밀랍과 쇠기름을 2:8, 밀랍과 송진을6:4, 밀랍과 돼지기름을 7:3 비율로 배합하는 것이 적당하다.
주물사주조법에 사용되는 거푸집의 소재는 본기(本器)틀과 주물사로 구성된다.본기틀은 주물사를 담는 바깥 틀로 재질에 따라 목틀과 쇠틀이 사용되며, 주물사는 옅은 황색의 전북 이리사를 사용했고, 체로 쳐 입자가 고운 것을 사용하였다.
복원에 사용된 합금 성분비를 살펴보면, 밀랍주조법으로 복원 실험한 고려 직지는 Cu 80%, Sn 20%, 주물사주조법으로 복원 실험한 조선시대 금속활자 중2007년도의 6종의 모합금과 甲寅字에는 오주갑인자인 壬辰字의 성분비인 Cu80%, Sn 10%, Pb 10%를 근거로 하였으며, 실제 복원에는 합금 시 주석과 납이기화되어 날아가 성분비율이 줄어드는 것을 감안하여 주석과 납을 각각 5% 더하여 구리 72.8%, 주석 13.6%, 납 13.6%로 설정하였다.
2008년도의 조선전기 금속활자의 모합금과 癸丑字 복원에는 乙亥字 성분비의평균값 Cu 86.7%, Sn 9.7%, Pb 2.3%를 합금 기준으로 하여, 실제 복원에는Sn, Pb를 5%씩 더 첨가하여 구리 79%, 주석 14%, 납 7%로 설정하였다. 또한납활자인 丙辰字에 대한 합금비율은 납 80%, 구리 20%로 주조하였다.
2009년도의 조선후기 금속활자 복원의 합금기준은 국립중앙박물관 소장 整理字의 성분비 평균값 Cu 78.2%, Sn 10.8%, Pb 6.3%를 근거로 하였으며, 실제복원에는 Sn, Pb를 5% 더 첨가하여 구리 75%, 주석 14%, 납 11%로 하였다.
이번 금속활자 복원 실험에서의 특징은 학계의 논쟁이 되고 있는 밀랍주조법에 사용된 거푸집 재료와, 공력과 밀랍사용 대비 적은 수량의 활자주조에 대해주안점을 두고 연구가 진행된 점으로, 먼저 주형 재료는 천연소재인 석비레65%, 황토 35% 비율로 섞은 혼합토를 사용하였는데, 석비레는 활자의 주조 결함이 적고 鑄成率이 95% 이상으로 개선되어 가장 적합한 재료로 판단되었다.
공력과 밀랍사용 대비 적은 수량의 활자주조에 대한 문제점을 해결하기 위해서는 한 번에 주조 할 수 있는 활자 수량을 10~15개 정도에서 80~100여개 정도로 효율성을 높인 多量주조법을 적용하였는데, 多量주조법에 의한 틀안 매몰방식은 활자 주조 성공률이 99%에 이를 정도로 주조 효율성이 상당히 높았다.
Ⅳ장에서는 復原遺物의 科學分析을 다루었는데, 그에 앞서 밀랍주조법에 사용되는 거푸집 재료의 특성을 밝혀보기 위해서 석비레, 황토 등을 섞어 밀랍 거푸집을 제작 후 이들의 재료학적 특성을 XRD, 실체현미경, SEM, TGA-DTA 등을이용해 분석하였다. 그 결과 燒成하지 않은 거푸집에서는 原材e와 유사한 석영,장석, 운모, 녹니석 등이 검출되었고, 소성 거푸집에서는 녹니석이 불검출 되었으며, 검출된 성분을 통해 약 850℃ 내외의 온도에서 소성되었음을 확인하였다.
그리고 실체현미경과 SEM 등을 이용하여 각 거푸집의 미세조직을 관찰한 결과 기질이 치밀하지 못한 미 소성 거푸집과 달리, 소성된 거푸집의 경우는 결정수가 빠져나간 자리에 무수히 많은 미세한 틈들이 존재함을 알 수 있었는데, 이러한 틈들을 통하여 통기성을 유지할 수 있는 것으로 보인다.
과학 분석 대상인 복원된 청동유물 중 먼저, 논산 출토 잔무늬거울과 화순 대곡리 출토 잔무늬거울에 대해서는 밀랍주조법과 주물사주조법으로 복원 · 제작한뒤, 주성분분석, 미세조직, X-ray 촬영, SEM, EDS 분석을 실시하고 밀랍주조법과 주물사주조법으로 주조한 청동거울과 비교 · 분석함으로써 그 결과를 토대로제작방법을 유추해보았다.
복원한 청동거울의 내부와 미세조직 관찰을 통해, 밀랍주조법으로 주조한 청동거울들은 두께가 일정하지 않고 내부에 주물공이 확인되었으며, 탕구의 냉각속도가 테두리보다 늦어 수지상 조직이 조대하게 성장한 것을 알 수 있었다. 반면주물사주조법으로 주조한 것은 밀랍주조법에 비해 외형도 깔끔하며 두께, 문양등이 우수하게 주조됨을 확인할 수 있었다.
복원된 청동잔무늬거울의 주조 전·후의 합금 성분조성을 보면, 구리 80%대에서는 구리 조성비가 증가되는 반면, 구리 70%대에서는 오히려 감소하는 것이 관찰되었는데, 이는 주조 시 합금이 고르게 섞이지 않았을 경우와 성분 분석 시 납편석 또는 주석이 많은 부분이 선택됐을 경우에 나타날 수 있을 것이다. 또한EDS 분석을 통해 확인된 Pb 편석물은 주조 시 유동성을 좋게 하는 성질을 지고 있으므로 청동거울의 미세 문양을 제작하는데 도움이 되었을 것으로 보인다.
다음으로 통일신라 청동종인 선림원종 복원은 2005년과 2012년 2차례에 걸쳐 밀랍주조법으로 이루어졌으며 동일한 소재가 사용되었다. 금속학적 분석은 2차 복원 실험에 채취한 시료를 대상으로 하였으며, 복원한 선림원종에 대한 분석및 일본, 유럽 종들과의 화학조성 검토를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
첫째, 선림원종 복원에는 청동(Cu 83%, Sn 17wt%)이 사용되었으며, 미세조직은 주석 함량이 낮은 α-Cu (주석고용도0~9.1at%) 기지조직에 주석 함량이높은 Cu41(Sn, Ni)11 δ상이 분산되어 있는 2상 구조로 이루어져 있었다.
둘째, 주사전자현미경으로 관찰한 미세조직은 주석 함량이 높은 부위는 밝게빛나고, 주석 함량이 낮은 기지조직 부위는 어둡게 나타나 조직사진의 밝기로부터 대략적인 화학조성의 분포를 알 수 있었다.
셋째, 복원에 사용된 청동의 화학성분을 분석한 결과 파장 분산형 X-선 분광기의 정확도가 에너지 분산형 X-선 분광기보다 높게 나타났다.
넷째, 신라종의 화학조성이 일본종의 화학조성보다 우수하게 나타났다.
마지막으로, 복원된 조선시대 금속활자의 과학 분석은 2007년의 조선시대 6종의 甲寅字, 2008년의 조선전기 금속활자인 癸丑字와 丙辰字, 2009년의 조선후기 금속활자인 整理字 등 3번에 걸쳐 이루어졌다.
먼저, 2007년 금속활자 복원에서는 구리함량이 주조 1단계인 모합금이77.1%, 주조 2단계인 갑인자계열 금속활자가 78.8%, 주조 3단계인 가지쇠 이용금속활자는 83.6%로 비율이 각각 1.7%, 4.8%로 늘어났음을 알 수 있는데, 이러한 현상은 용융할 때 구리가 녹기 전에 주석과 납 등이 일부 기화되어 날아감에 따라 반대급부로 구리의 함량이 늘어나 생긴 것으로, 특히 가지쇠를 녹여 만든한글금속활자에서 보이는 구리의 성분비 변화는 국립중앙박물관 소장 임진자와한글활자에서 보이는 큰 편차의 성분비에 대한 원인 규명에 도움이 될 것으로 보인다.
2008년도에 복원된 금속활자에 대한 과학 분석 결론은 다음과 같다.
첫째, 병진자 복원 시 납과 구리의 비율이 80:20일 때 활자체와 농도가 가장선명하였다.
둘째, 계축자를 1차로 복원한 활자에 대한 성분조성 결과 Cu 85.81~87.63%,Sn 9.27~10.51%, Pb 3.05~3.19%의 범위를 보였는데, 이것은 국립중앙박물관에서 소장하고 있는 을해자의 평균조성과도 거의 일치하는 결과이다.
셋째, 계축자를 복원한 시편의 미세조직 관찰 결과, 청동의 전형적인 주조 조직인 수지상(dendrite) 조직이 잘 발달해 있으며, 나뭇가지 모양의 수지상인 α상주위로 공석상인 (α+δ)상이 관찰되며, 납 편석물들이 조직 내에 산재해 있었다.
2009년도에 복원된 금속활자에 대한 과학 분석 결론은 다음과 같다.
첫째, 모합금 성분비는 주조 전 기준 합금(구리75%, 주석14%, 납11%)과 비교하였을 때 구리는 2% 증가, 주석과 납은 각각 1%, 2% 정도 감소되었는데, 이는 모합금 주조 시 주석과 납이 액체 상태에서 기화되어 성분이 줄어든 것이다.
둘째, 모합금을 이용하여 주조한 복원(1차) 정리자인 풍고집 활자에 대한 습식분석(ICP-ACE)으로 성분조성을 살펴본 결과, 1차로 복원된 정리자의 성분조성은 구리 82.3~83.4%, 주석 13.0~14.7%, 납 3.3~3.4%의 범위이며, 이러한 성분조성은 국립중앙박물관의 정리자 주성분의 합금비 평균값인 구리 82.1%. 주석11.3%, 납 6.6%와 비교적 근사한 값을 보이고 있어 주목된다.
셋째, X-선 형광분석(XRF) 방법으로 측정한 시료는 정리자 복원용 모합금,모합금을 이용하여 1차로 주조(주조 2단계)한 정리자, 1차 주조 시 남은 가지쇠를 녹여 2차 주조한 정리자 등 3종인데, 이 중 모합금의 조성비는 ICP-AES분석으로 계측된 정리자 모합금의 평균 조성비와 서로 근사한 수치를 보이고 있다.
넷째, 원광대 박물관 소장 철활자에 대한 X-선 형광분석(XRF) 실시 결과, 철39~71%, 구리 6.9~36%, 비소(As) 16.9~22.4%로 조성되었는데, 철과 비철금속인 구리가 함께 합금되었다는 점이 특이하며, 또한 비소가 16%이상 함유된 것은흔치 않은 사례이다. 비소가 함유된 것은 철에 대해 주석이 고용체로서의 역할을하지 못해 조직을 단단히 하기 위한 역할로 사용된 것으로 보인다.
다섯째, 원광대 소장 황동활자의 주성분을 보면 구리76.20~77.79%, 아연15.20~15.72%, 납 2.72~3.90%, 주석 2.70~2.85%로 계측되었는데, 구리76~77%의 조성비는 조선시대 을해자 이후에 금속활자 주조 시 보이는 합금비율현상이지만, 아연이 15%이상 함유된 경우는 처음 보고되는 사례라 하겠다.
여섯째, 조선 시대 금속활자인 정리자를 복원한 시편의 미세조직을 관찰한 결과 청동의 전형적인 주조 조직인 수지상(dendrite) 조직이 잘 발달해 있으며, 가지상 모양의 수지상인 α상 주위로 공석상인 (α+δ)상이 관찰되고, 납 편석물들이 조직 내에 산재해 있음을 알 수 있다.
주제어 : 靑銅遺物, 鑄造, 復原技術, 거푸집, 합금, 石製鑄造法, 蜜蠟鑄造法, 鑄物砂鑄造法, 陶土鑄造法, 청동잔무늬거울, 청동종, 금속활자, 科學分析, 성분분석, 미세조직, XRD, 실체현미경, SEM, TGA-DTA , X-ray 촬영,EDS, 파장 분산형 X-선 분광기, 에너지 분산형 X-선 분광기, 습식분석ICP-ACE), X-선 형광분석(XRF)