초기 동에 관한 과학적인 연구는 야금기술사적 분석 자료를 대입하여 한국 고대국가의 발전단계를 밝히려는 시도로 이루어졌다. 초기철기시대부터 조선시대까지 청동기의 성분조성, 합금 비율, 비금속 개재물의 종류와 함량을 통한 제작기법의 특성, 원산지 분석을 중심으로 연구가 진행되었고 이후 청동유물의 열처리 공정 및 제작기법 연구까지 활성화되었다. 동 제련 연구는 경주 황남동 376번지 유적에서 국내 최초로 동 슬래그가 부착된 동 도가니와 동덩이가 출토되며 시작되었다. 이후 신라권역에는 경주 동천동 유적, 경주 노서동 유적 등에서 백제권역에는 부여 쌍북리 유적, 부여 능산리사지, 익산 왕궁리 유적 등에서 노 재료, 동 도가니, 동 슬래그 등이 확인되어 분석학적 연구를 시행하였다(Lee, 2019). 이를 통해 고대 동 제련 재료, 정련 및 합금의 실체에 대해 확인하였으며, 각각의 단일 유적에서 시행된 동 생산을 추정할 수 있었다. 그러나 고대의 동 생산기법에 대한 문헌자료 및 연구가 제한적이고 동 생산 유적이나 유구가 발견된 사례가 부족하여 상세한 고대 제동 공정체계와 각 단계의 특성을 규명하기에 무리가 있었다. 동 생산 유적을 고찰하기 위해서는 전체 동 생산 공정의 규명이 필수적이며, 제련 과정에서 생성되는 슬래그의 금속학적 특징을 연구하여 당시의 제련과정 및 환경에 대한 정보를 획득하는 것이 매우 중요하다.

동의 제련과정 및 방법은 동광석의 종류에 따라 다르며, 제련 시 생성되는 슬래그의 특징도 구별된다. 동광석은 대표적으로 자연동, 산화동광, 황화동광으로 분류되며, 자연동은 매장량이 적어 한계가 있으므로 산화동이나 황화동이 동을 생산하는 주요 광석이 된다. 산화동광은 황화동광이 풍화되어 공작석, 남동석 등으로 형성된 것으로 이를 숯과 함께 태워 쉽게 환원할 수 있으나, 황화동광은 황을 산화시켜 제거해주는 배소의 단계를 거치는 등 여러 과정을 거친다(Bachmann, 1982; No, 2000). 한반도에서 가장 많이 출토되는 동광석은 황화동광이며, 동 제련이 시작된 시기부터 지금까지 가장 많이 사용되는 동광석도 황화동광이다. 때문에 황화동광의 동 생산 기법과 생산단계를 파악하고자 국내·외 연구를 참고하여 동 생산 과정을 도식화하여 참고하였다(No, 2000; Kwon, 2001; Lee, 2006; Lee, 2019)(Figure 1).

본 연구에서는 백제 사비기의 왕궁 후보지인 부여 관북리 유적의 ‘나’지구, ‘라’지구에서 출토된 동 슬래그 및 동 도가니 11점을 대상으로 과학적 분석을 시행하였다. 이를 통해 부여 관북리 유적에서 시행된 동 생산과정을 살펴보고 유구의 성격을 밝히고자 하였다.

부여 관북리 유적에서 출토된 동 슬래그의 주성분은 SiO₂, FeO로 동 슬래그의 CuO의 함량은 0.68∼23.10 wt% ZnO 함량은 0.01∼2.66 wt%, PbO 함량은 0.04∼0.29 wt% 범위로 나타났다. 국내의 철 슬래그들에서는 PbO, ZnO의 성분이 거의 나타나지 않으므로 이는 비철금속인 동 생산 부산물임을 알려준다. 동 슬래그 중 도가니 슬래그 CS8는 주성분 분석에서 FeO가 다른 슬래그에 비하여 매우 높은 함량을 갖으며, ZnO와 PbO는 검출되지 않았다. 그러나 슬래그 표면에서 녹색부식물을 확인되었으며 소량의 CuO가 검출되었으므로 동 슬래그로 판단하고 추가적인 분석을 실시하였다. 그 결과 산화된 동입자와 ZnO의 존재를 확인할 수 있었다. 청동 슬래그의 경우 철이 다량 포함되어 있으며 철 슬래그와 같은 외향과 자성을 갖는 경우가 있어 철 슬래그와의 혼동이 매우 쉽다. 그러나 동 슬래그는 외관상 푸른색의 청동 부식물이 보이는 경우가 있으며 철 슬래그에 비하여 비중이 낮고 기공 많은 회색 다공질 슬래그나 흑요석과 비슷한 검은색, 갈색 등 여러 가지 색의 비정질 슬래그가 많은 것이 특징이다. (Bachman, 1982). 특히 동 제련 공정에서는 원광석의 맥석성분을 제거하기 위해 철을 첨가하고 슬래그를 만들어 동을 추출하므로 슬래그에 따라 철의 함량의 차이가 있을 것으로 판단된다.

한편, 슬래그의 CaO 함량은 조재제의 첨가 유무를 알 수 있는 지표가 되는데, 제련과정 중 석회질 물질을 첨가하면 융점을 낮게 하고 점성을 적게 하여 탈황, 탈인 작용에 효과적이다(Yoon, 1986: Lee 2018 recited). 부여 관북리 유적 출토 슬래그의 CaO 함량은 1.15 wt%∼13.04 wt%의 범위로 타 유적 출토 동 슬래그(완주 운교유적 동 슬래그 1.62 wt%∼15.69 wt% CaO(Lee, 2018)와 비슷한 함량을 갖는 것으로 보인다. 그러나 완주 운교유적 출토 슬래그는 제련 슬래그이나 관북리 유적 출토 슬래그는 정련 슬래그 및 합금정련 슬래그라는 차이가 있다. 도가니의 CaO와 도가니 부착 슬래그의 CaO를 비교해보면 도가니보다 슬래그에서 다소 높은 함량의 CaO가 검출되었으며, 일반슬래그가 도가니 슬래그에 비하여 CaO함량이 월등히 높은 것을 확인할 수 있다. 슬래그는 여러 성분의 집합체로 단순한 함량 비교로 조재제 첨가 유무를 판단하기에는 무리가 있으며 연료로 장입한 목탄으로부터 Ca 성분이 슬래그에 혼입되었을 가능성을 배제할 수는 없다. 때문에 조재제의 첨가유무를 명확히 판단하기 위해서는 추가 동 제련 재현실험 연구의 필요성이 있을 것으로 보인다.

슬래그의 화합물을 분석하고 미세조직 내부를 관찰한 결과 슬래그 CS1∼ CS7은 모두 원형의 Cu prill를 확인할 수 있었으며 슬래그 내부에 유리질 바탕 기지를 형성하거나, 규소 산화물 중 철을 함유하는 Augite, Diopside가 바탕 기지를 형성하는 것으로 나타났다. 유리질 바탕 기지와 Magnetite, 칼슘이 많은 규산염 광물의 존재는 정련 슬래그와 도가니 슬래그의 대표적인 특징으로 볼 수 있으며, 이것들은 부여 관북리 출토 슬래그들은 동광석에서 1차적으로 동을 제련할 때 생산된 슬래그가 아닌 정련 슬래그일 가능성이 매우 높을 것으로 보인다.

CS1은 외관상 흑요석과 비슷한 모양으로 검은색 비정질 물질로 이루어져 있었으며 Copper 단일 물질만 검출되었고, 미세조직 관찰 시 완전한 유리질 바탕 기지에 원형의 Cu prill들을 확인할 수 있었다. 이는 전형적인 비정질 동 슬래그로서 흑요석과 닮은 외형으로 혼동이 있으나 미세조직을 보면 쉽게 구분이 가능하다. CS3은 특이하게도 검은색의 슬래그가 밝은색의 과립형 석재를 둘러쌓고 있는 형태로 검은색 슬래그의 주요 화합물으로 SiO₂, FeO이 검출되었으며, 미세조직에서는 유리질 바탕 기지에 Magne-tite와 Cu prill을 확인할 수 있었다. CS2, CS4, CS5는 모두 도가니 슬래그로 CS2는 유리질 바탕 기지에 Cu prill을 확인할 수 있으며, 주요화합물은 Copper이다. CS4와 CS5는 도가니 슬래그로 외관이 매우 비슷하며, 화합물 분석 결과 Quartz, Magnetite, Malachite가 함께 검출되었으나, 미세조직 양상은 다소 다른 형태를 띤다. CS4는 유리질 바탕 기지에 Cu prill과 비정형 광물입자가 관찰되는 반면, CS5 슬래그의 내부 미세조직은 전체적으로 기공이 매우 많고 유리질 바탕 기지를 갖고 있으며 일부분 Magnetite가 밀집되어 있는 부분과 침상의 Delafossite이 나타나는 부분이 구분되어 나타난다. CS5의 유리질 바탕 기지에 크고 작은 hole은 불순물인 황이 빠져나갔거나 동이 정출되어 나온 흔적으로 판단된다. 용융 슬래그는 큰 가스 기포를 갖고 결정화가 쉽게 이루어지고, 도가니 슬래그는 대부분 유리질이며 다공성이고 Delafossite를 함유한다(Haupt-mann, 2007). CS5와 같은 경우 이와 같은 특징을 모두 지니고 있다. CS6과 CS7에서 Augite((Ca _x Mg _y Fe _z)(Mg _y1 Fe _z1) Si₂ O₆)), Diopside(CaMgSi₂ O₆)가 다량 검출되었는데 주성분 분석 결과를 보면 CS6와 CS7은 CaO가 13.10 wt%, 11.8 wt%, MgO가 4.88∼4.63 wt%를 포함하고 있어 다른 슬래그와 비교하였을 때 가장 높은 함량을 갖는 것을 알 수 있다. Augtie, Diopside, Hedenbergite는 칼슘이 많은 휘석군-Clinopyroxenes계열의 광물로 한 계통을 이룬다. Diop-side는 Mg을 Hedenbergite는 Fe를 함유한다. Augite는 Diop-side와 Hedenbergite에서 칼슘이 비교적 적을 때 나타나는 광물로 Mg와 Fe를 모두 함유할 수 있으며 Al, Ti, Na을 추가로 함유하고 있는 것이 특징이다(Morimoto et al., 1988). 이 광물들은 철이 풍부한 슬래그에서 칼슘이 많을 때 나타나는 규산염 광물로 주로 도가니 슬래그에서 나타나는 특징을 갖는다(Hauptmann, 2007). 또한 제련 시 Ca의 첨가량이 많고 노 내 환경이 산화 환경일 때 주로 생성되는 것으로 알려져 있다(Eliyahu-Behar el al. 2012: Lee 2018 recited). CS9는 직경 1.5∼2 cm의 작은 덩어리 형태로 발견되었으며 밝은 녹색과 검은색 부식 화합물로 이루어져 있었다. 화합물 분석 시 Malachite와 Cuprite의 청동 부식 화합물과 Cassiterite 주석 화합물이 검출되었고, 미세조직 관찰 시 동 산화물과 불순물이 다량 함유된 주석 산화물, 편석된 은 산화물을 확인하였다. Cu prill에 SO₄가 38.24 wt%, 36.66 wt% 검출되었고 P₂ O₅가 40.74 wt% 검출된 것으로 보아 불순물이 상당히 잔류되어 있는 것으로 보인다. 이는 불순물이 아직 정련되지 않은 동-주석을 합금 정련할 때 배출된 것으로 추정한다. CS10은 도가니와 도가니에 부착된 동 슬래그로 도가니에 부착된 슬래그로 미세조직 분석을 통해 44.94 wt%의 SO₄성분이 잔재한 동 입자를 확인할 수 있었다. FE-EPMA 관찰 시, 도가니 바로 위에 포진해있는 동 산화물 사이에 철 산화물과 주석 산화물이 물결무늬의 흐르는 형태로 혼입되어 있는 점, 슬래그 상단부분 SiO₂, CaO, P₂ O₅가 상당량 포함되어있는 철 산화물이 존재하는 점, 동 산화물 내부에 SO₄, Ag₂ O, Sb₂ O₃ 등의 불순물이 함유되어 것을 확인할 수 있다. 이것으로 보아 CS10은 불순물이 상당히 포함되어 있는 동과 주석을 합금하고, 철을 첨가하여 잔류해있는 맥석성분 및 불순물을 제거하는 정련 과정에서 사용된 도가니로 판단한다. CS11은 α상과 δ으로 이루어져 있는 금속 조직과 납편석물이 관찰되며, 상당량의 SO₄를 함유하고 있는 것으로 보아 동-주석-납의 합금 중간 생성물로 판단된다.

이상으로 부여 관북리 유적 출토 동 생산 부산물의 금속학적 특성을 밝히고 동 생산과정을 추론하여 부여 관북리 유적에서 시행된 제동 성격을 살펴보았다. 고대 동 생산 기술체계를 규명하기 위해서는 동 생산 부산물의 정확한 출토 위치와 충분한 고고학적 정보를 취득하고, 이를 과학적 분석과 취합하여 종합적으로 해석하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 또한 현재 활발히 이뤄지고 있는 제철실험과 같이 제동실험도 진행하여 각 제련⋅정련 과정에서 배출되는 슬래그의 특성을 분류하고 과학적으로 분석 연구한다면 동 생산 단계의 실체를 명확히 파악하는 것에 도움이 될 것으로 보인다. 향후에도 동 생산에 대한 연구가 활발히 이루어져 고대 동 생산 기술체계를 밝히는 것에 초석이 되고 당시의 사회체계 및 기술 발전을 규명하는데 이바지할 수 있기를 기대한다.