1. 서 론
전 세계 대다수의 국가에서는 소방 역사와 관련된 문화유산을 수집 및 보존하기 위해 소방박물관을 설립하여 운영하고 있다. 우리나라의 소방기본법 제5조 제1항에 의하면, 소방박물관 설립 목적은 소방의 역사와 안전 문화를 발전시키고 국민의 안전 의식을 높이는 것으로 규정되어 있다. 우리나라는 국립소방박물관이 설립되지는 않았지만, 현재 설립 추진에 대한 계획이 수립되고 있다. 소방박물관이 건립되기 위해서는 소방 유물이 필수적으로 요구된다. 하지만, 지금까지의 소방 유물은 대부분 소모품으로 사용되어왔기 때문에, 대다수가 훼손 또는 유실된 상태이다.
소방 유물이란 소방 업무를 수행하거나 안전과 관련하여 공공기관이나 민간에서 사용했던 유형의 물품으로 문화사나 교육적 차원에서 보존 가치를 가지고 있는 것으로 정의된다(Cultural Heritage Administration, 2020). 이 정의를 기준으로 소방 유물의 범주를 살펴보면, 소방차, 소방 기구, 소화기, 소방복, 서적 등이 포함될 수 있으며, 유물 특성에 따라 소방 장비 자료, 전적 자료, 문서자료, 상패, 시청각 자료, 홍보물 자료, 기타 자료로 그 유형이 분류될 수 있다(Lee, 2022). 특히 소방 장비 자료에는 소화 활동에 사용되는 소화 장비, 구조용 장비, 소방 차량에 탑재되는 장비 등이 포함되는데, 그 중 화재 진압에 기여도가 큰 대표적인 장비로는 관창을 들 수 있다.
관창은 펌프에서 노즐까지 물의 흐름을 정류하면서 속도를 증가시키는 소방 기구로서 방수량의 조정과 직⋅방사 형태의 분무 형태만 조절할 수 있는 단순 기능의 장비에 해당한다(Lee et al., 2003). 소방 대상물 내⋅외에 설치하는 소화 전용과 포소화설비의 포 발포용, 소방 자동차용 등으로 사용되고 있으며, 방수 형태 측면에서는 직사형과 방사형 등 두 가지로 구분된다. 직사형 관창은 관창의 압력이 설정된 상태에서 방수 형태가 직사로 되어 차단 기능이 없는 관창을 지칭한다. 한편 방사형 관창은 직사형 관창을 제외한 모든 종류의 관창이 포함되며, 방수 형태가 방사형적 특징을 지닌다(National Fire Agency, 2020). 최근에는 합금 재질도 사용되고 있으나, 과거에는 순수하게 신주라고 불리는 황동 재질로 제작하였기 때문에, 고물 수집상들에게 인기가 많아 남아있는 것이 드물 뿐만 아니라 유물로서의 희소성이 높아 보존 가치가 크다(National Fire Agency spokesman’s office, 2019). 비록 관창은 근대적 유물에 해당되지만, 소방 문화와 역사에 관한 함의가 내재되어 있기 때문에 유물의 전시 및 교육적 가치 또한 높다.
상술한 바와 같이, 박물관학적 관점에서 관창은 충분한 연구와 보존이 요구되는 유물에 해당되지만, 보존 사례 연구 및 보존 재료에 관한 연구, 과학적 분석은 미흡한 실정이다. 이에 본 논문에서는 천안 소방서에서 소장하던 소방 유물인 관창 2점을 연구대상으로 설정하고 이에 대한 보존처리와 과학적 조사를 진행하고자 한다. 특히 관창의 부식 상태를 확인하고, 표면 관찰을 통해 보존처리를 시행하고, 이에 대한 시사점을 도출하고자 한다. 더불어 시료를 채취하여 미세 조직 관찰 및 성분분석을 통해 재료학적 특성을 연구하고자 한다. 현재 사용 중인 관창과의 성분 및 제작 기법 등의 차이 여부를 비교 분석하기 위하여 2015년에 생산되어 사용 중인 일반 관창 1점에 대한 분석을 추가적으로 수행하고자 한다. 이를 통해 관창의 보존 방법 및 보존처리 재료, 분석을 통해 알 수 있는 특성 등에 대한 기초 자료를 확보하고 향후 소방 유물의 보존 및 분석 과정에서의 주요 고려 사항 등을 제시함으로써, 관창의 보존처리 방안을 정립할 수 있는 기초 자료를 제시하는데 연구 목적을 두고 있다.
2. 연구대상 및 방법
본 연구에서는 실제 화재 진압 용도로 사용된 소방 관창 2점을 대상 유물로 선정하여 보존처리를 시행하였다. 관창의 재료는 KS D 6024의 청동 주물과 KS D 6008 알루미늄 합금 주물의 8종 또는 KS D 6024의 황동 주물 1종이 사용되며 내압성, 내마모성, 피삭성, 주조성이 좋다. 관창의 부품으로는 KS D 5101의 구리 합금 볼과 KS M 6614 고무패킹이 접합부에 사용된다. 고무패킹은 강도와 내유성 그리고 내노화성이 있는 것으로 하며, -32℃와 57℃에서 각각 24시간 방치하는 경우 변형이나 기능에 이상이 생기지 않는 것이어야 한다(National Fire Agency, 2020).
보존처리 전 육안 관찰과 사진 촬영을 통해 유물의 구조 및 재질 등을 조사하였으며, 내부를 명확하게 관찰하기 위해 X-선 투과 촬영을 실시하여 유물의 부식 상태 등을 파악하였다. XRD, Raman 분석에서는 이성질체인 atacamite, paratacamite 등을 식별하기 어려우므로 표면에 생성된 부식화합물은 FT-IR(TENSOR-27, Bruker Optics GmbH, Karlsruhe, DEU) 분석을 적용하였다. 분석 조건은 400∼4000 cm-1 파장 영역을 범위로 하였으며 분해능은 4 cm-1, scan time은 32회로 설정하여 적외선 영역에 대한 분광 특성을 관찰하였다. 또한, reflectance transformation imaging (RTI) 기법을 활용하여 부식으로 인해 육안으로 관찰이 어려운 정보들을 확인하였다. RTI는 직경 50 cm의 돔의 형태로 내벽에는 측지 구조에 따라 4000 k 색 온도 LED 45개가 부착되어 있다. 이를 통해 빛의 방향벡터가 픽셀마다 저장되어 실시간으로 측광 이미지를 관찰할 수 있으며, 일반적인 디지털 사진에서 얻을 수 없는 3차원의 시각 정보를 획득할 수 있다(Min et al., 2020). 이러한 자료들을 토대로 보존처리 계획을 세웠으며, 보존처리의 전 과정은 RTI를 이용하여 기록으로 남겼다.
2015년도에 생산된 관창(N3) 1점을 추가로 선정하였으며, 휴대용 X-선형광분석기(Niton XL5 Plus XRF Analyzer, Thermo Scientific, USA)을 이용하여 측정하였다. 분석조건은 General Metals 모드로 최대 50 kV, 500 µA에서 측정경 8 mm로 각각 40초씩 원자번호 12번(Mg) 이상의 원소에 대하여 분석을 실시하였다. 미세 조직 분석을 위해 노즐 팁과 접합부에서 총 6개의 시편을 채취했으며, 위치는 Figure 1과 같다. 채취된 시편들은 epoxy 수지로 cold mounting 한 뒤 # 800, # 1200, # 2000, # 4000 순으로 sand paper를 이용하여 조 연마를 실시하였고, 1 µm와 0.05 µm의 polishing paper와 diamond suspension으로 정밀 연마를 실행했다. 연마가 완료된 시편은 황동 부식액(ethyl alcohol: HCl:FeCl３)으로 수 초간 etching 하여 마무리하였다. 미세 조직에 대한 관찰은 금속현미경(DM 4000M, Leica, DEU)을 이용하여 50∼500배율 범위로 조절하며 전체 조직과 특징이 있는 부분을 확대하여 관찰하였다. 또한 바탕 조직과 불순물의 성분은 전계 방사형 주사전자현미경(FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscope, SIGMA, Carl Zeiss, DEU)을 이용하여 SEI(Secondary Electron Image) 모드에서 20 kV 조건으로 관찰되었으며, 에너지분산형분광기(EDS, Energy Dispersive Spectroscope, NORAN System 7, Thermo Scientific, USA)를 이용하여 측정 및 분석되었다.
3. 선행 연구 검토
본 연구에 들어가기에 앞서 미국 소재 소방박물관의 관창 소장 이력과 소방 관창에 관한 기존 연구사례를 살펴보고, 이를 통해 소방 유물 연구의 현황을 도출하고자 한다.
미국에는 대부분의 행정 구역마다 소방박물관이 존재한다. 그 중, Newark Fire Museum과 Fire Museum of Memphis에서 소장하고 있는 소방 관창에 대하여 살펴보고자 한다. Newark Fire Museum은 1840년도에 생산된 소방 관창 1점을 소장하고 있으며, 보존처리는 시행되지 않았다(Newark Fire Museum, 2022). Fire Museum of Memphis의 경우 1800년대 후반부터 Memphis에서 사용되었던 다양한 형태의 소방 관창을 100여 점 넘게 소장하고 있다(Fire Museum of Memphis, 1998).
소방 관창에 대해 기존에 연구된 내용을 살펴보자면, Lee(2003)는 방수량과 방수형태의 수치 해석을 위한 이론을 정립하고 관창의 유동 특성 예측을 하였다. 예측 데이터를 통해 노즐과 니들의 위치에 따라 관창의 방수형태가 결정되는 것을 알 수 있었으며, 형상에 따라 관창의 유동 특성이 결정되는 것을 확인하였다. 이러한 유동 특성과 예측 데이터를 토대로 화재 진압의 효율을 높일 수 있는 새로운 관창의 모델을 제시하였다. 또한, Lee et al.(2003)은 소방 자동차용 관창의 분무량과 분무 거리, 분무 형태 등의 특성을 예측하여, 그 결과 데이터로부터 새로운 소방 자동차용 관창의 모델도 개발하였다. 노즐 반응은 호스에 의해 물이 공급되는 고정 분사 노즐이 소방관에게 가해지는 힘으로, 물의 공급 속도를 제한하고 소방관의 피로와 부상 그리고 공기 소비량을 증가시킬 수 있다. 이에 Chin et al.(2017)은 고정 노즐의 굽힘 각도를 고려하여 소방용 노즐 반응과 호스 장력에 대해 분석하였으며, 그 결괏값을 제시하였다. 이를 통해 소방관들의 안전을 향상하고자 하였다. Gałaj et al.(2019)은 물을 절약하고 더 효과적으로 진화하기 위해, 노즐에 의해 생성된 스프레이 분사에 대한 지식을 확장하는 것을 목표로 하였다. Turbomatic을 사용하는 노즐을 선별하여 살수 강도의 분포를 테스트하고 분석하였으며, 특히 물 분사 시 표면의 선택된 매개변수에 대한 유속의 영향을 분석하였다. 이를 통해 Turbomatic 노즐의 유량 및 압력과 같은 매개변수가 살수 강도 분포에 미치는 영향을 평가하였다.
이처럼 관창은 기능 개선에 중점을 둔 연구 성과들이 많이 제시되었으며, 소방 분야의 기술개발 활성화에 이바지 되었다. 그러나 소방 유물로서 보존과학적 차원에서 다룬 연구는 부족한 실정이다.
이에 추가로 근현대에 생산된 황동 유물의 분석 사례를 살펴보고자 한다. 여기서 근현대의 범위는 1876년 개항부터 현재까지로 설정하였다(Youm et al., 2015). Lee et al.(2022)는 1910년대 이후에 제작된 것으로 추정하는 인력거의 재질 분석을 하였다. 인력거는 햇빛을 가리는 덮개부, 사람을 태우는 몸체부 그리고 바퀴부로 구분되며, 금속, 목재, 섬유, 도료 등 다양한 재질로 구성된 복합재질의 유물이다. 그 중 인력거를 구성하는 바퀴살, 바퀴축, 장식 휘장, 스프링 등의 금속 재질의 성분을 알아보기 위해 Portable XRF 분석을 시행한 결과 Cu-Zn 합금의 황동이 주를 이루었으며, Fe 합금과 Cu-Zn-Ni 합금도 확인되었다. 이때 황동은 인력거의 장식부와 연결부 그리고 바퀴의 허브 등을 제작하는데 쓰인 것을 알 수 있었다. Kim et al.(2016)이 분석한 인력거 또한 동시대에 제작되었을 것으로 추정되며, Portable XRF로 금속 부분에 대해 분석한 결과 대체로 Cu-Zn 합금의 황동이 관찰되었다. 휠커버, 바퀴 지지대와 같이 비교적 외부 노출이 심한 부분은 Cu-Zn-Ni 합금이 확인되었는데, 이는 외부 환경의 영향을 많이 받는 부분의 부식성을 감소시키기 위해 Ni를 첨가한 것으로 추정된다(Lee et al., 2022).
4. 보존처리
4.1. 예비조사
완형의 기형으로 표면에 양각되어있는 정보로 미루어 보아 각각 1986년도(N1)와 1998년도(N2)에 생산된 것으로 추정된다. X선 투과 촬영 결과 주조 과정에서 발생한 기포로 보이는 작은 기공이 부분적으로 관찰된다(Figure 2). 접합부의 일부 표면에는 부식이 발생하여 진행 중이다. 부식에 영향을 주는 요인은 크게 환경요인과 금속 인자의 요인으로 볼 수 있다. 환경요인에는 수분, 산소, 염화물, 용존산소, 용존이온, 온도, 미생물, pH, 빛 등이 있으며, 금속 인자 요인으로는 합금조성, 결정, 방위, 결정립계, 냉간가공, 열처리 등이 있다. 그 중에서도 공기 중에 노출되어있는 동합금 유물은 대기 중의 부식인자와 반응하여 부식화화물을 생성하는데, 염화이온(Cl-ion)은 동과 반응하여 염화 제1동이 되며, 염화 제1동은 물과 반응함으로써 산화 제1동과 염산을 형성한다. 이는 다시 동과 산소와 반응하여 염화 제1동을 생성하는 과정을 반복하게 된다.(Chung, 2005) 이러한 동합금 유물은 불안정한 유물이 많으므로, 일반적으로 유물의 상태와 부식화합물의 형태에 따라 부식화합물 제거 방법이 상이하다. 따라서 본 유물의 부식화합물 성분을 파악하기 위해 FT-IR 분석을 시행하였으며, 그 결과 다음과 같이 검출되었다(Figure 3). N1에서 채취한 부식화합물인 (a), (b)와 N2에서 채취한 (c)는 밝은 녹색의 분말로 400∼500 cm-1, 890 cm-1 그리고 3300∼3400 cm-1 사이에 두 번의 흡수 피크가 강하게 나타났다. 이 결과를 근거로 하면, (a), (b), (c)는 atacamite로 판단이 되는데 이는 수분과 산소가 반응하여 염화 제1동이 염기성 염화동인 atacamite로 된 것으로 추정된다(Martens et al., 2003). (d)의 경우 하얀색 분말로 atacamite와 유사하지만, 400∼500 cm-1에서 흡수 피크가 나타나지 않는 점, 2900 cm-1에서 흡수 피크가 관찰되는 점 등 일부분 차이가 있는 피크를 보인다. 이로 보아 (d)는 청동 병의 원인이 되는 염화 제1동인 nantokite로 추정된다(Lee, 2006). 이를 통해 관창은 소방 기구라는 특성상 지속해서 수분에 노출되어 염화 제1동과 물이 반응하기 때문에, 전기화학적 부식이 빠르게 진행되며 염화 제1동을 생성하는 과정이 반복되는 것을 알 수 있다.
4.2. Cleaning 및 안정화
근현대 금속 유물은 심하게 부식되거나 손상된 것이 많지 않아 보존 환경 제어와 클리닝과 같은 예방 보존적인 접근 방식으로 관리하는 것이 필요하다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2013). 그러나 관창에 생성된 부식화합물의 경우 표면 정보를 손상시키고 있으며, 청동병을 유발하는 atacamite와 nantokite 이므로 반드시 제거해야 한다. 세척 과정의 경우, ethyl alcohol과 증류수를 1:1로 혼합하여 이물질이 제거되었다. 쉽게 제거되지 않은 부식화합물의 경우, 연구팀은 현미경으로 관찰하며, 치과용 소도구를 이용하여, 물리적으로 제거해주었다. 연구팀은 부식화합물을 제거한 후 유물 내부의 수분을 제거하기 위해 ethyl alcohol에 침적시켜 붓을 이용하여 표면을 닦아주었다. 표면에 남아있는 유지 성분을 제거하기 위해 유기용제인 acetone에 침적시켜 ethyl alcohol과 마찬가지로 표면을 세척 하였다.
안정화 처리는 부식되는 것을 안정시키기 위한 목적으로 부식 인자들을 제거하거나 부식의 요인이 되는 Cl-ion의 활동을 억제하는 것이다. 재부식 억제를 위해, 본 연구에서는 동 및 동합금 유물의 부식억제제인 B.T.A(1,2,3-benzotriazol)를 사용하였다. 이 방법은 처리 후에도 patina의 색조 변색이 거의 없다는 장점을 가지고 있다. 유물에 존재하는 고무 패킹의 특성을 고려하여 안정화 처리 시 침적법 대신 붓으로 칠하여 표면에 고르게 퍼지게 하는 방법이 선택되었으며, 3% B.T.A(in ethanol)을 균일하게 칠한 후 자연 건조되었다.
강화는 부식으로 인해 약화 된 유물에 수지를 주입하는 것으로 코팅막을 형성하여 먼지나 오염물질이 직접 유물 표면에 닿지 않게 하고, 수분과 같은 부식 인자를 차단하는 과정으로 안정화 처리의 한 단계이다. 이러한 강화 처리에는 acetone과 toluene을 1:5로 혼합한 용제에 paraloid B-72 14.7%, 1,2,3-benzotrizol 0.3%를 혼합하여 만든 incralac 용액이 사용되었다. 이는 동 합금유물이나 금동 유물의 강화코팅제로 쓰인다. incralac(paraloid B-44Ⓡ, Rohm & Hass 社, USA)는 methyl methacrylate copolymer로 국제구리협회(ICRA)에서 개발한 acrylic resin 혼합물이다. 높은 내구성과 세척 능력, 색상 유지가 좋다는 장점이 있으나 광택이 높아 코팅 후 유물 표면을 닦아주어야 한다(Park, 2006). B.T.A와 동일하게 붓으로 칠하였으며 휘발성이 강한 용제를 사용하기 때문에 표면에 약품이 남아있을 가능성을 감안하여, 신속하게 고흡수성 페이퍼(Kimwipes, Kimberly⋅Clark Global, USA)로 닦은 후 자연 건조시켰다.
4.3. 마무리
본 연구에서는 보존처리의 대상에서 파손된 부분이 발견되지 않았기 때문에, 접합⋅복원 및 색 맞춤은 시행되지 않았다. 관창은 고무와 금속이라는 복합 소재로 이루어진 유물이기 때문에 각 물성에 대한 이해와 지식이 필요하며, 이에 적합한 보존 재료를 사용해야 한다. 보존처리 과정은 선행된 예비 조사를 토대로 유물의 형태와 상태에 맞춰 진행되었으며, 모든 처리가 끝난 후 사진 촬영과 RTI를 촬영하는 것으로 보존처리가 종결되었다. RTI로 기록한 보존처리의 과정은 Table 1과 같다.
보존처리 전 광학 조사에서는 표면에 생성된 부식화합물로 인해 접합부에 양각되어있는 관창의 정보에 대해서 알 수가 없다. 그러나 RTI를 이용한 사진을 살펴보면, normal visualization은 표면에 존재하는 부식화합물을 제거하여, 그 아래에 어떠한 정보를 가지는지 파악할 수 있다. 이는 물리적인 제거와 같은 보존처리를 하기 전에도 표면에 있는 정보에 대해 미리 이해가 가능하다는 의미를 지닌다. 즉, 유물을 파괴하지 않고 표면 조사를 하는데 유용하게 사용될 수 있는 방법이다. 이러한 RTI는 각 픽셀에 랜더링 되어있는 광원에 대한 정보를 기반으로 원하는 각도의 빛을 대상에 조사하므로, 기존의 사진 촬영 방식과 비교하여 세밀하고 정확한 3차원의 정보를 얻을 수 있다. 또한, 다양한 필터를 통해 이미지의 가시적 특성을 극대화할 수 있다는 장점이 있어 문화재의 기록방식으로 활용하기 좋다.
5. 분석 결과
5.1. 미세조직 관찰
N1A는 α 수지상이 관찰되며 수지상 근처에 공융 혼합물(eutectic)이 확인된다(Scott, 1991)(Figure 4a). 표면에 관찰되는 검은 개재물은 Pb의 입자로 합금에 고용되지 않고 분산되어 석출된 것으로 판단된다. N1B는 밝은 α 상이 관찰되며, 부분적으로 어둡게 부식된 잔류 β′상이 존재하는 것으로 판단된다(Schumann and Oettel., 2009)(Figure 4b). 전체적으로 비균질적인 수지상을 띠고 있으며 β′상 안에 슬립 선(slip lines)가 관찰된다(Scott, 1991). 또한 작은 Pb 입자가 산재하여 있는 것이 확인된다. N2A와 N2B의 경우 전체 기지는 α 상으로 수지상 조직이 발달하고 있다(Figure 4c, Figure 4d). 부분적으로 β′상이 잔존하고 있으며 결정립 안에 슬립 선(slip lines)가 관찰된다. 이는 추가적인 열처리가 이루어졌거나 내부 잔류 응력에 의해 형성된 것으로 추정된다(Han et al., 2019). 불규칙적으로 분포하고 있는 검은 입자는 Pb로 판단된다. N3A와 N3B는 주방 상태로 보이며 응고된 후 심하게 편석된 수지상의 α 고용체로 되어있는 것으로 판단된다(Kim et al., 2018)(Figure 4e, Figure 4f). 부분적으로 β′상이 존재하며, β′상의 결정립 안에 슬립 선(slip lines)가 관찰된다. 흰색과 검은색 입자가 불규칙한 배열을 보이고 있으며, 이는 Zn 편석물과 Pb 편석물로 확인된다.
이를 종합해보면 N1, N2, N3 모두 α상과 β′상이 관찰되며, β′상의 결정 구조 안에 슬립 선(slip lines)이 확인된 것을 알 수 있다. Zn의 함량을 보았을 때 N1, N2, N3은 α 상 고용체만이 관찰되어야 하나, Cu-Zn 합금은 주조되었을 때 α＋β′의 상을 가지는 특성이 있기 때문에 부분적으로 β′상이 관찰되는 것으로 판단된다(Konečná and Fintova, 2012). Pb는 주조성을 향상시키기 위해 포함하는 경우가 많다. 재결정 풀림(annealing)은 Cu-Zn 합금의 기본적인 열처리 공정으로 모든 관창 제작 시 실시했을 것으로 추정된다(Konečná and Fintova, 2012).
5.2. 성분분석
전체 성분 조성을 XRF로 분석한 결과(Table 2), N1은 Cu 81.30∼84.92%, Zn 3.06∼7.45%, Sn 3.46∼4.73%, Pb 3.72∼6.61%로 검출되었다. Cu의 비율이 80% 이상으로 제일 높으며 Pb가 Zn과 Sn보다 비교적 높은 함량을 지닌 것으로 관찰된다. N2의 경우 Cu 81.45∼85.65％, Zn 3.68∼7.66％, Sn 2.70∼3.25%, Pb 3.43∼5.51％로 검출되었다. 합금 원소 중 Zn의 함량이 가장 높으며 Sn의 함량이 상대적으로 적은 것을 확인할 수 있다. N3은 Cu 77.19∼80.57%, Zn 7.64∼9.96%, Sn 3.24∼3.58%, Pb 4.66∼5.74%로 검출되었다.
이 결과로 보아 N3은 3점의 관창 중에 Cu의 함량이 적으나 Zn의 함량은 가장 높은 것을 알 수 있다. Copper Alloy UNS No.는 C84400으로 확인되었으며, 이는 leaded semi-red brass로 판단된다(ASTM B30‐20, 2020).
연마 후 EDS 분석 결과 바탕 금속은 Cu가 주 원소로 Zn, Sn, Pb, Fe, P 등이 검출되었다(Table 3). Cu를 제외한 주요 합금 원소인 Zn, Sn, Pb는 적은 함량을 보이고 있으나 부분적으로 함량이 높은 것으로 보아 응고 중 편석으로 불규칙하게 생성된 것으로 판단된다. Fe는 자연적인 불순물이며 P는 탈산 기능을 위해 첨가한 것으로 추정된다. N2A의 c와 e의 경우 Si의 함량이 높은 것으로 보아 사형 부유물로 추정된다. 이는 사형 주조 시 개재물이 액상 금속에 들어와 응고될 때 분리되지 않은 것으로 판단된다(Schumann and Oettel, 2009).
표의 수치만으로 확인하기 어려운 경향성을 파악하기 위해 Zn과 Sn의 EDS 성분 간 비율 데이터를 이변량 그래프로 작성하였다(Figure 5). 객관적인 결과를 위해 편석으로 검출된 일부 데이터는 제외하였다. 그래프 해석은 Bayley(1989)가 제시한 기준을 사용하였으며 이는 다음과 같다. 2% 이하의 Zn과 3% 이하의 Sn의 범위는 순수한 Cu로 볼 수 있다. Zn=4Sn을 기준으로 Zn의 함량이 높은 것은 brass로 간주하였으며, Sn=3Zn을 기준으로 Sn의 함량이 높은 것은 bronze로 간주하였다. 두 기준 사이의 값은 red brass로 이해하였다. Figure 5를 살펴보면 N1과 N2, N3의 데이터 값은 모두 red brass 영역에 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다.
합금의 주요 성분인 Zn, Sn에 추가로 Pb의 데이터의 비교 분석 그래프를 작성하였다. 이변량 그래프와 마찬가지로 어디에 위치하는가에 따라 어떤 성분이 더 많이 함유되어 있는가를 추정할 수 있으며, 이를 토대로 재질이 파악될 수 있다.
Figure 6은 EDS 데이터의 Pb-Zn-Sn의 비율을 표시한 삼각 좌표로 Bayley(1989)가 제시한 기준을 토대로 해석하였다. 관창 별 군집은 형성되지 않았으나, 분석된 데이터는 모두 red brass 영역에 분포되어있는 것을 확인할 수 있다.
N3의 제조회사에서 발행한 관창 시험성적표를 살펴보면(DONGHAE Hitech Industries Co., 2017), 주요 성분은 Cu, Sn, Zn, Pb로 재질은 BC6으로 나타나 있다. BC6은 한국 규격의 구기호로 현재에는 CAC 406으로 명명한다. 이를 국제 규격의 관점에서 보면 C83600과 일치하는 것을 알 수 있다. C83600은 leaded red brass로 본 연구의 성분분석 결과와 동일한 재질이라는 사실이 확인되었다(ASTM B30‐20, 2020).
화학적 분석 결과를 바탕으로 N1, N2, N3은 모두 Cu-Zn-Sn-Pb 합금인 red brass로 확인되었다. 이들 시료의 Pb, Zn, Sn의 함량을 평균 내어 비교해 보면, 모든 시료에서 Pb의 함량이 5% 내외임을 알 수 있다. N1은 Zn과 Sn의 함량의 비율이 같으나 N2와 N3의 경우 Sn 보다 Zn의 함량이 더 많은 것을 확인할 수 있다. 가장 최근에 제작한 N3의 Zn 함량이 평균 9.1%로 측정된 것을 보았을 때, 관창 주조 시 Zn의 함량이 증가한 것으로 판단된다.
6. 결 론
본 연구는 소방 유물 중 하나인 관창을 보존처리와 과학적 조사를 하여 기초 자료를 확보하고자 한다. 이를 위해 1986년도와 1998년도에 생산되어 실제로 사용된 소방 관창을 대상으로 부식화합물의 성분을 조사했으며, 이러한 결과를 바탕으로 상태와 물성에 적합한 보존처리를 시행하였다. 이와 더불어 관창의 재료학적 특성에 대해 알아보기 위해 2015년도에 생산된 관창을 추가로 선정하였으며, 미세 조직 관찰 및 성분분석을 시행하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
첫째, 관창은 지속적인 수분 노출에 따라 염화 제1동과 염기성 염화동이 생성되는 것이 관찰된다. 둘째, Cu 이외에도 2∼15%의 Zn, 5% 이하의 Sn, 8% 이하의 Pb를 추가 합금 원소로 포함한 것으로 보아 황동의 종류 중 red brass로 추정된다. 셋째, N1, N2, N3는 주조 공정 시 풀림(annealing)을 한 것으로 판단된다. 넷째, 공업적으로 제작되는 황동 주물은 급랭되기 때문에 결정 편석이 없어지지 않고 고용체는 전형적인 수지상 주물 조직이 된다는 사실이 확인되었다.
이는 유물로써 관창의 특성과 보존 방법, 보존처리 재료에 대해 알 수 있었으며, 그동안 기능적으로 더 나은 관창을 개발하기 위해 시행했던 연구들과는 차별성을 가지고 있다.
소량의 유물로 재료학적 특성을 연구하는 것은 한계가 있었으나, 본 연구는 관창 유물의 보존처리 방법과 단계별 관찰법, 성분분석법 등의 적용을 통하여 과학적 분석의 가능성을 살펴볼 수 있었다는 것에 의의를 둘 수 있다. 향후 더 많은 분석과 연구의 시행을 통해 관창 유물에 대한 심도 있는 자료가 축적될 수 있기를 기대한다.
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