문화재과학적분석

보존과학연구 문화재과학적분석 대표 이미지

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

쌀알크기의 풍탁수습 상태 이미지

금속유물의 성분, 미세 조직 등 분석으로 제작기법을 연구하고 납동위원소비 분석을 통해 원료 산지를 추정할 수 있다.

금속유물 분석과정

금속유물 분석과정1 이미지

1. 시편을 에폭시 수지에 고착하여 조직관찰용 시료를 준비한다.

금속유물 분석과정2 이미지

2. 현미경으로 관찰할 표면을 경면으로 연마한다.

금속유물 분석과정3 이미지

3. 분석현미경으로 미세조직을 관찰한다.

금속유물 분석과정4 이미지

4. 미소부형광X선분석기로 성분을 분석한다.

금속유물 분석과정5 이미지

5. 미소 경도기를 사용하여 각 부분의 경도를 측정한다.

금속유물 분석과정6 이미지

6. X선회절분석기를 이용하여 결정구조를 분석한다.

금동 유물:청동에 금을 입혀 만든 유물

금동 유물의 재질분석은 영상분석장치를 사용하여 도금층이나 내부조직을 관찰하며, 형광X선분석기를 사용하여 각 부분의 성분을 분석하게 된다. 다음은 감은사지 동삼층석탑(국보 제112호)에서 출토된 사리함 유물의 세부촬영 및 성분분석결과이다.

사리병 뚜껑 세부상태 촬영 이미지 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 이미지 사리병 뚜껑의 꼭지부분 확대 촬영

가운데 7개 금 알갱이를 중심으로 3개의 금 알갱이를 7군데에 땜하여 장식하였음 (총 길이 0.4cm).

금 알갱이의 사용기술의 일상화 이미지 금 알갱이의 사용기술의 일상화

0.3mm의 금 알갱이를 안쪽의 접합 기준점으로 사용함.

풍탁 수습상태 이미지 풍탁 수습상태

쌀알크기의 풍탁 수습 상태, 약 5mm의 종신에 0.3mm의 금 알갱이를 장식하였음.

금 알갱이의 내부 조직 상태 이미지 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 이미지 금 알갱이의 땜 기술의 신비

6용접부분의 면적을 최소로 한 신기의 고착기술을 보여줌. → 접합면 길이 0.18mm


각 부분의 미소부형광X선 분석결과
각 부분의 미소부형광X선 분석결과 목록
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

청동 유물:구리에 주석이 함유된 유물

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 이미지 청동유물의 평균 조성 그래프

청동유물의 조성비(예)
청동유물의 조성비(예) 목록
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 이미지 청동 숟가락
청동숟가락의 미세조직(단조품, 200×) 이미지 청동숟가락의 미세조직(단조품, 200×)

청동합
청동합 이미지 청동합
미세조직(단조품, 200×) 이미지 미세조직(단조품, 200×)

무구류
청동검 이미지 청동검
청동검의 미세조직(주조품, 200×) 이미지 청동검의 미세조직(주조품, 200×)

고려범종

고려범종 이미지

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
고려범종의 성분분석 결과 목록
번호 체취부위 조성비 (%) 비고
구리
(Cu)
주석
(Sn)

(Pb)
아연
(Zn)

(Ag)
니켈
(Ni)
코발트
(Co)
안티몬
(Sb)
비소
(As)

(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
한국 동종의 분석 예 목록
번호 유물명 조성비 (%) 비고
(출전)
구리
(Cu)
주석
(Sn)

(Pb)
아연
(Zn)

(Ag)
니켈
(Ni)
코발트
(Co)
안티몬
(Sb)
비소
(As)

(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」

철기 유물:철을 이용하여 제작된 유물

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 이미지 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 이미지 철부
철부의 미세조직(200×) 이미지 철부의 미세조직(200×)

철제 유물의 미세조직 - 단조품
철제끌 이미지 철제끌
철제끌의 미세 조직(200×) 이미지 철제끌의 미세 조직(200×)

담당부서 : 보존과학연구실 담당자 : 황진주 연락처 : 042-860-9488

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