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Archaeometric Characterization of Raw Materials and Tempers of Bricks Used in the Brick Tombs during Ungjin Period of Baekje
백제 웅진기 벽돌무덤에 사용된 벽돌의 재료와 첨가물 특성 분석
Econ. Environ. Geol. 2022 Dec;55(6):571-82
Published online December 31, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.6.571
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Sungyoon Jang*, Hong Ju Jin
장성윤* · 진홍주

Conservation Science Division, National Research Institute of Cultural Heritage, Daejeon 34122, Korea
국립문화재연구원 보존과학연구실
Received October 13, 2022; Revised November 29, 2022; Accepted November 30, 2022.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
 Abstract
In this study, the raw material and tempers of bricks used in three brick tombs built in Gongju, during the Ungjin period of Baekje were investigated. The royal tomb of King Muryeong, the 6th tomb in the royal tombs, and Kyochonri brick tomb remained in Gongju and the bricks of each site had different shape and physical properties despite their similarity in raw materials. As the results of the mineralogical and microstructural analysis, the bricks of the royal tombs were made of refined raw materials, and were infrequently added crushed bricks(grogs) as a tempering material. On the other hand, thick and elongated pores of bricks from the Kyochonri brick tomb were frequently found, and the remains of plant carbonization are observed in their microstructures. Since the pores are mainly distributed in a thickness of 0.3 to 1 mm, it is estimated that bricks were produced by adding a certain size of the plant to refined soil, and grogs also were added as a tempering material. In particular, it was found that adding plants and grogs in raw materials of bricks caused thick pores or cracks in the internal structure. Since the bricks of the Kyochonri brick tomb have internal cracks and low firing temperature, the ultrasonic velocity of the bricks was lower than that of the royal tomb bricks. It means that the mechanical strength of these bricks were relatively low. Accordingly, it is estimated that the tempering materials, firing temperature, and internal structures of bricks can affect durability of the brick, and it can be thought as a difference in the manufacturing technology of brick making.
Keywords : brick, brick tomb, tempering material, grog, X-ray computed tomography
Research Highlights
  • It has been investigated that grogs from crushed bricks and plants were added to bricks based on mineralogical and microstructural analysis.

  • The strength and durability of brick samples are related to the characteristics of firing temperature, raw materials, and microstructure affected by the temper.

1. 서 론

벽돌은 나무, 돌과 함께 가장 오래된 건축재료 중 하나로서, 건축물의 바닥과 벽체, 탑, 성곽, 장식용 구조물 등으로 사용되어 왔다. 이뿐 아니라 무덤에도 사용되었는데 우리나라에서는 평양 대동강 남쪽의 낙랑구역 벽돌무덤과 공주의 벽돌무덤이 그 사례이다. 공주에는 남한지역에서 유일하게 벽돌무덤이 발견되었고, 현재는 무령왕릉, 왕릉원 6호분, 최근 발굴된 교촌리(교동) 벽돌무덤의 3기가 남아있는 상태이다. 벽돌무덤은 당시에 중국의 영향을 받아 제작된 것으로 추정되는 특수한 형태의 묘제로 생각되고 있다.

벽돌은 토양을 재료로 가공하고 고온에서 굽기 때문에 어떤 재료를 선택·가공하고 소성하느냐에 따라 조직의 치밀도, 구성광물의 상전이, 완성된 벽돌의 물성 등이 달라질 수 있다. 특히 벽돌을 포함한 기와, 토기와 같은 토제품의 제작에는 토양에 여러 첨가물을 넣어 제작하는 경우가 있다. 토양에 식물을 넣어 토기를 제작하는 방법은 신석기 초기부터 동아시아를 비롯하여 여러 지역에서 사용되어 왔다(Zhushchikhovskaya, 1997; Cho, 2014; Gilmore, 2015; Lee et al., 2019). 이외에도 활석, 흑요석, 토기 분쇄물, 뼈조각, 기타 유기물 등이 포함된 경우가 보고된 바 있다(Rice, 2005; Cho, 2013; Palumbi et al., 2014; Kowalski et al., 2020). 벽돌은 과학적 연구사례 자체가 적은 편이지만, 건축재료로 사용되다 보니 첨가물이 벽돌 물성에 영향을 주는지, 기술적 차이를 나타내는지 검토해 볼 필요가 있다.

지금까지 토제품의 미세조직과 광물 분석에는 현미경, X-선 회절분석, 주사전자현미경 등을 주로 사용해 왔다. 최근에는 토제품을 파괴하지 않고도 조사하는 X-선 투과촬영(X-ray radiography)과 X-선 단층촬영(X-ray computed tomography) 기법이 도입되었다. 이 기술을 사용하여 토기의 성형방법을 조사하거나 토기 제작 시 들어간 식물이나 곤충 흔적 등을 조사하여 당시의 식물활용과 생활환경을 유추하는 연구도 진행된 바 있다(University Museum, the University of Tokyo, 2012; Sanger, 2016; Kozatsas et al., 2018; Obata and Kunikita, 2022). 이 방법은 X-선 촬영장비의 정밀도와 분해능, 디지털데이터의 영상처리기술의 발전에 따라 활용도가 높아질 것으로 생각된다.

이 연구에서는 백제 웅진기, 즉 중국의 영향을 받아 벽돌 제작기술이 변화하는 시기에 등장한 공주 왕릉원의 벽돌무덤(무령왕릉과 6호분)과 인근에 위치한 교촌리 벽돌무덤의 재료와 첨가물 특성을 비교하고자 한다. 이 벽돌무덤들은 비교적 짧은 시기인 웅진기(475~538)에 제작된 것으로 알려져 있다. 선행연구에서는 벽돌의 광물학적 및 지구화학적 분석을 수행하였고, 형태와 크기, 재료산지 추정, 소성온도를 연구한 바 있다(Gongju National Museum, 2007; Jang and Lee, 2013; Jang and Jin, 2021). 이 연구에서는 각 벽돌의 재료 선택과 첨가물에 주목하고 X-선 단층촬영과 광물학적 분석 등을 통해 첨가물의 미세구조와 재료 특성을 분석하였다. 또한 분석결과를 통해 재료와 첨가물이 물성에 미치는 영향도 조사하였다.

2. 분석 대상

2.1. 무령왕릉 및 왕릉원 6호분 출토 벽돌

무령왕릉과 왕릉원 6호분은 공주시 금성동에 위치해있으며, 이곳은 웅진기 백제 왕과 왕족의 무덤을 포함하여 약 20여기 이상의 고분이 있었던 것으로 추정되고 있다. 과거에는 송산리 고분군으로 알려져 있었으나, 유네스코 세계유산 등재(2015년) 이후에는 공주 무령왕릉과 왕릉원으로 명명되고 있다. 무령왕릉은 1971년 5호분과 6호분의 배수시설 공사 중에 우연히 발견되어 문화재관리국에서 발굴하였다. 무령왕릉은 연도 290cm, 남북길이 420cm, 동서길이 272cm이며, 벽돌은 연꽃무늬(蓮花紋)가 주를 이룬다. 6호분은 일제강점기인 1933년에 일본인 가루베지온(輕部慈恩)에 의해 조사되었고, 남북길이 370cm, 동서길이 224cm이다. 6호분의 벽돌은 동전무늬(錢紋)를 주된 문양으로 제작하였다. 벽돌의 형태적 특징에 따라 방형 벽돌, 장방형 벽돌, 삼각형 벽돌, 방형 쐐기 벽돌, 장방형 쐐기 벽돌로 구분할 수 있고 표면의 의장 특징에 따라 문양 벽돌, 무문 벽돌, 명문 벽돌로 세분할 수 있다(Kim, 1974). 무령왕릉과 6호분 폐쇄용 벽돌을 분석한 선행연구에서는 벽돌의 광물학적 및 지구화학적 특성을 근거로 부여 정동리 가마터에서 출토된 벽돌과 동일한 재료임을 확인하였고, 정동리에서 채취한 토양으로 벽돌을 제작하여 대체로 1,000~1,200℃에서 환원소성한 것으로 추정하였다(Jang and Lee, 2013).

2.2. 교촌리 벽돌무덤 출토 벽돌

교촌리 벽돌무덤은 공주시 교동 252-1번지에서 확인되었는데, 국립공주대학교 박물관에서 2017년부터 2018년까지 발굴조사하였다. 전실묘 묘실은 남북길이 340cm, 동서길이 190cm, 잔존깊이 160cm이다. 묘실 바닥은 배수로 위에 붉은 점토를 깔아 수평을 맞춘 후 벽돌을 눕혀 쌓는 평적법으로 2단에 걸쳐 쌓았다. 묘실 내부에서 확인되는 유물은 없었지만 북쪽 단벽과 서쪽 장벽을 구성하는 벽돌이 내부로 함몰되어 붕괴되어 있었다(Gongjusi and Museum of Kongju National University, 2020).

벽돌은 장방형과 방형벽돌로 크게 구분되며, 방형벽돌은 한쪽 단면이 쐐기 형태로 되어 있어 천장부 축조에 사용된 것으로 추정된다. 교촌리 벽돌무덤 출토 벽돌은 부여 정동리 가마터 및 왕릉원 벽돌과 유사한 특성을 나타냈고 소성온도는 700~900℃로 추정되었다. 이 벽돌들은 왕릉원 주변에서 수습된 벽돌과 동일한 형태적 재료적 특성을 나타내기도 하였다(Jang and Jin, 2021).

3. 분석방법

벽돌의 재료와 첨가물을 조사하기 위해 물리적 및 광물학적 특성 분석을 실시하였다. 선행연구(Gongju National Museum, 2007; Jang and Lee, 2013; Jang and Jin, 2021)에서 수행된 벽돌의 분석결과를 비교자료로 활용하였다(Table 1). 물리적 특성은 표면과 내면에서 관찰되는 특성을 조사하였다. 실체현미경(Dino-Lite digital microscope)으로 표면과 단면을 촬영하여 입자크기, 기공분포 등을 관찰하였다. 벽돌의 내부구조와 첨가물 특성은 X-선 단층촬영(X-eye 7000, SEC, KR/ 120kV, 1.1mA, 노출시간 1°/sec, 720°회전)으로 분석하고 VX3D 프로그램(version 2.9.2.)으로 기공분포를 추출하고 기공크기를 조사하였다.

Table 1 . List of brick samples in this study

SitesSampleShape/Pattern*SitesSampleShape/Pattern*
Royal tomb of King Muryeong724-1Rectangle(NP)Found around the royal tomb510-41Rectangle(NP)
724-2Rectangle(L)511-28Rectangle(NP)
726-1Rectangle(LF)512-2Trapezoidal(LF)
726-2Trapezoidal(LF)513-3Rectangle(L)
726-3Trapezoidal(LF)Kyochonri brick tombS1Square(NP)
726-4Rectangle(LF)S2Square(NP)
726-5Rectangle(LF)S3Square(NP)
726-6Rectangle(LF)S4Square(NP)
726-7Rectangle(LF)S5Square(NP)
726-8Rectangle(LF)S6Square(NP)
726-9Rectangle(LF)S7Rectangle with trapezoidal side(NP)
726-10Rectangle(LF)S8
726-11Rectangle(LF)S9Rectangle(NP)
Royal tomb(6th)107-1Rectangle(LF)S10Rectangle(NP)
Found around the royal tomb510-11Rectangle(NP)S11Rectangle(NP)
510-22Rectangle(NP)S12Rectangle(NP)
510-23Rectangle(NP)S13Rectangle(NP)
510-31Rectangle(NP)S14Rectangle(NP)

*NP: no pattern, L: letter, LF: lotus-flower pattern

† Gongju National Museum (2007); ‡ Jang and Jin (2021)



광물학적 특성은 기질과 기공특성, 미세조직과 화학조성으로 나누어 분석하였다. 벽돌의 조직분석을 위해 박편을 제작하여 편광현미경(LV100N POL, Nikon, Japan)으로 기질과 기공상태를 관찰하였고, 첨가물의 미세조직과 화학조성은 주자전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope, JSM-IT300, Jeol, Japan)과 에너지분산형 분광기(EDS, Energy Dispersive Spectrometer, X-MAXN, Oxford, England)로 분석하였다. 또한 벽돌의 강도와 물성을 조사하기 위해 초음파 속도를 측정하여 비교하였다. 왕릉원 시료의 초음파 속도는 기존 분석데이터를 활용하였고(Gongju National Museum, 2007), 교촌리 벽돌무덤시료는 초음파 속도(Pundit Lab, CNS FARNELL)를 측정하였다. 측정조건은 왕릉원 시료와 동일한 조건을 설정하였는데, 탐촉자는 54kHz, 접촉매질은 고무찰흙을 사용하고, 벽돌의 양 끝에 탐촉자를 배열하는 직접법으로 측정하였다.

4. 분석결과

4.1. 물리적 특성

4.1.1. 표면 및 단면

실체현미경 관찰 결과(Fig. 1), 왕릉원(무령왕릉과 6호분) 출토 벽돌에서는 0.5mm 이상의 석영과 장석 입자는 관찰되지 않았고 기공도 적은 편이다. 왕릉원 벽돌에서는 식물의 탄화흔적은 거의 관찰되지 않았으나, 일부 왕릉원 주변 수습 벽돌에서는 식물이 탄화되어 조직과 형태가 남아있는 경우도 있었다(510-11). 또한 내면 기질에 흰색과 회색의 흐름무늬가 있는 조직이 관찰되며, 검은색의 원형 입자 또는 덩어리가 관찰되기도 한다(726-11).

Figure 1. Photographs of brick samples showing the carbonized plant temper (510-11, S1, S6, S7), elongated pores (S2, S3) and blackish minerals (726-11).

교촌리 벽돌무덤 시료는 대체로 적색계열이며, 대부분의 시료 단면에서 회흑색 탄화흔적이 관찰되는데, 벽돌 곳곳에서 확인된다. 기질부에 보이는 흑색 흔적에서는 초본류에서 유래한 것으로 보이는 조직이 나타나기도 하고(S1, S6) 일부 시료 표면에는 길고 가는 흔적들도 나타났다(S2, S3, S7). 단면에서 관찰되는 흑색물질은 탄화된 식물흔적으로 추정되는데, 현미경으로 보면 내부는 비어있는 경우가 많다. 또한 기질에는 기공 흔적만 남고 탄화물은 없는 시료도 있다. 또한 벽돌 표면에는 식물흔적이 관찰되지 않았는데, 벽돌 제작 시 손질한 것으로 보인다.

4.1.2. 내부 구조

벽돌의 내부 첨가물과 기공 형태를 관찰하고자 X-선 단층촬영(X-ray computed tomography; X-선 CT)을 실시하였다. 그 결과(Fig. 2), 벽돌의 내부 조직에는 원형의 작은 기공이 전체 면적에 넓게 분포하였다. 이들 기공은 태토 반죽 및 소성과정에서 생성되는 기포로 생각된다. 그러나 교촌리 벽돌무덤 시료(S2, S7, S10, S14)에서는 길고 두꺼운 기공들이 빈번하게 나타나난다. 왕릉원 출토벽돌(726-10)에서는 작고 원형의 기공이 고르게 관찰되는 반면, 교촌리 벽돌들과 왕릉원 인근수습 벽돌(510-22)에서는 길거나 두꺼운 기공이 확인되며, 두껍고 넓은 면적의 기공(S7, S10)이 관찰되거나 길고 구부러진 기공이 관찰되기도 한다.

Figure 2. 3-dimensional pore detection of bricks by X-ray CT showing colored shapes and morphologies of pores.

또한 조사한 벽돌 크기에 따라 기공의 총 부피와 면적이 달라지므로 기공의 평균 부피를 기준으로 비교하면, 무령왕릉 벽돌(726-10)에서 가장 낮은 기공 부피(0.63mm3)를, 왕릉원 주변 수습품(510-22)에서 가장 높은 기공 부피(1.66mm3)를 나타냈다. 교촌리 벽돌무덤 시료는 왕릉원 시료에 비해 대체로 기공의 평균 부피가 높게 나타났다. S7, S10에서는 두껍고 넓은 형태의 기공이 많이 나타났지만, S14에서는 다른 교촌리 시료에 비해 기공 평균 부피가 작은 편이었다.

기공형태와 크기에 따라 생성원인은 다를 수 있다. 넓은 면적의 기공은 오히려 성형과정에서 발생할 수 있다. 기공은 토양과 물을 반죽하면서 생길 수 있으며, 압력을 가해 성형하거나 치밀한 조직일수록 기공이 작고 드물게 관찰된다. 그러나 기공 길이가 길고 두껍다면, 식물 첨가에 의한 흔적일 가능성도 있으며, 미세조직을 검토할 필요가 있다.

기공추출 데이터에서 기공의 최대직경을 추출하여 분포를 확인하였다(Fig. 3). 각 기공의 직경은 대체로 0.3~1.5mm에서 가장 높은 빈도로 분포하였다. 실제 1.5mm 이상의 기공도 확인되는데, 성형과정에서 생성된 넓은 면적의 기공이나 균열도 기공으로 잡힐 수 있어서 그 이하 기공만 대상으로 하였다. 교촌리 벽돌무덤 시료의 기공은 0.3~1mm에서 최대 분포를 보였고, 빈도도 높게 나타나 일정 크기의 기공이 집중적으로 분포하는 것으로 생각된다. 반면 왕릉원 벽돌시료의 기공은 0.3~1.5mm까지 대체로 일정한 분포를 보였고, 특정 크기에서 집중된 분포경향이 나타나지 않았으며 빈도도 매우 낮았다.

Figure 3. Abundance and distribution of maximum diameters of pores detected in X-ray CT of brick samples.

4.1.3. 초음파 속도

교촌리 벽돌무덤 시료의 초음파 속도를 측정하였다. 초음파 속도는 매질의 물성을 파악하는데 사용되는 비파괴분석법으로 석조문화재의 진단과 암석역학 분야 등에서 많이 사용되고 있다. 초음파는 매질의 밀도 및 탄성계수와 밀접한 관계를 가진다. 암석의 경우 종류에 따라 초음파 속도가 달라지고, 풍화도가 높을수록 속도는 낮아진다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2012). 벽돌은 소성도가 낮거나 내부 균열 또는 기공이 많으면 초음파 속도가 낮아질 수 있다.

교촌리 벽돌무덤 시료는 모두 파편상태였고, 초음파 속도 측정결과 1,568~3,824m/s로 S7과 S11에서 낮은 값을, 고온소성품인 S14에서 최대값을 보였다. 벽돌의 초음파 속도는 재료적 특성, 소성온도, 내부 균열 등 여러 요인의 영향을 받는데, 교촌리 벽돌시료는 넓은 범위의 속도분포를 나타냈다.

4.2. 광물학적 특성

4.2.1. 광물조성과 기질

벽돌시료의 편광현미경 관찰결과(Fig. 4), 무령왕릉과 6호분 벽돌시료는 0.5mm 이상의 입자가 거의 없이 치밀하며 공극이 거의 발견되지 않았다. 기질은 대부분 고온소성으로 유리질화되었고, 큰 입자를 제거하는 등의 사전 수비작업이 있었을 것으로 생각된다. 미정질 석영입자가 넓게 분포하며 첨가물로서의 광물비짐은 거의 나타나지 않았다. 다만 타원형의 1~2mm 직경을 가진 불투명입자가 자주 관찰되는데, 그 내부에는 석영 등 미정질입자가 다수 분포한다. 이들은 불투명광물과는 다른 특성을 보이고 있으며, 내부 구성광물로 볼 때 기존에 구웠던 벽돌을 갈아서 넣은 분쇄물(grog)로 생각된다. 일부 왕릉원 주변 수습시료에서는 적갈색 기질과 느슨한 조직, 곡선형의 긴 기공 등이 나타나기도 한다.

Figure 4. Microphotographs of thin section of brick samples showing grogs (724-1, 726-9, S6) and elongated pores caused by plant tempers (513-3, S3, S14).

교촌리 벽돌무덤 시료는 방형벽돌과 장방형벽돌 간에 광물 조성 차이가 관찰된다. 방형벽돌은 기질이 매우 정제되어 있고 미정질의 석영입자가 관찰된다. 적갈색 기질에 불투명 광물이 나타나며 기공은 가늘고 긴 편이며, 원형기공도 나타난다. 장방형벽돌에서는 회색계열 기질에 200mm 이상의 석영 입자가 관찰된다. 특히 S3에서는 두껍고 긴 공극 주변부와 내부에 남아있는 물질이 관찰되었고, S14는 벽돌 분쇄물이나 큰 석영 입자들은 관찰되지 않으나, 길고 두꺼운 공극이 한 방향으로 나열되어있어, 식물 흔적일 가능성이 높은 것으로 생각된다. 두껍고 긴 공극은 대략 0.3~0.6mm 두께를 나타내며, 식물 첨가 흔적으로 추정된다. 고온 소성되어 식물은 산화되었지만 기공만 남아 있는 것으로 생각된다.

4.2.2. 미세조직

교촌리 벽돌무덤 시료에서 나타나는 두꺼운 기공의 크기와 형태, 벽돌 분쇄물을 주사전자현미경으로 관찰하였다(Fig. 5). 벽돌에서는 기질의 용융은 거의 관찰되지 않았고, 원형의 기공이 빈번히 나타났으며, 점토광물의 층상구조나 만곡상의 광물조직이 관찰되었다. 무엇보다 기공이 많이 관찰되는데, 원형 또는 타원형 기공이 두껍고 크게 나타났다. S1은 0.2mm 이상의 두꺼운 기공으로 하부에는 비결정질 탄화물이 확인되며 S7에서도 탄화물이 잔존해 있다. S2에서는 식물의 조직 흔적과 비결정질 탄화물이 기질 면에 부착되어 나타나는데, 에너지분산형 분광기로 분석한 결과(Fig. 6), 대부분 탄소(C)로 나타나 식물탄화물로 추정된다. 즉 태토에 포함된 식물이 소성과정에서 탄화되어 기공이 생기면서 조직의 일부가 남은 것으로 판단된다. 또한 탄화물이 남아 있는 것으로 볼 때 불완전소성일 가능성이 높다.

Figure 5. SEM microphotographs of brick samples, indicating elongated pore (S1), amorphous materials by plant carbonization (S2, S7) and various type of grogs (S6, S8).
Figure 6. SEM mapping of plant residues and grog found in Kyochonri brick samples.

교촌리 벽돌무덤 시료에서는 벽돌 분쇄물(grog)이 여러 곳에서 확인되었다(Fig. 5, 6). 편광현미경에서 분쇄물로 확인된 지점을 에너지분산형 분광기로 원소분석한 결과(Fig. 6), 주요 원소(Si, Al)가 주로 관찰되나, 균열을 따라 비교적 탄소 함량이 높게 나타났다. S6, S8, S13 등 여러 시료에서 발견되는데, 대부분 입자를 따라 가늘거나 큰 균열이 발생하였고, 그 주변으로 탄소 농집현상이 관찰된다. 벽돌 분쇄물은 보통 폐기된 벽돌편으로 만드는데, 이미 구워져 고온을 경험하였기 때문에 점토광물의 구조가 변형되고 가소성과 점성이 거의 없는 상태이다. 따라서 분쇄물들은 태토와의 결합력이 약한 상태에서 재소성되어 경계부에 미세한 균열이 발생하였을 것으로 생각된다. 시료에 따라 차이는 있지만 대부분 분쇄물 주변으로 기공이나 균열이 관찰되는데, 이 기공들을 통해 매장환경에서 유기물이 유입되어 탄소 농집 현상이 나타난 것으로 생각할 수 있다.

한편 분쇄물은 벽돌 기질과 재료적으로 다른 특성을 가지는지 확인하기 위해 에너지분산형 분광기로 분쇄물과 기질의 화학조성을 비교하였다. Fig. 5에서 관찰되는 S6과 S8에서 분쇄물과 기질부분의 화학조성을 각각 분석하였다. 분석데이터의 비교를 위해 10개의 주원소를 대상으로 3회 분석 후 평균 데이터를 비교하였다. 그 결과(Table 2), 분쇄물은 기질과 다소 상이한 화학조성을 나타냈는데, Fe2O3 함량은 다소 높고, SiO2, Al2O3 함량은 낮게 나타났다. 대체로 폐기된 벽돌의 분쇄물 등이 사용되었을 것으로 판단되며 재료적 차이가 관찰되는 것으로 생각된다.

Table 2 . Chemical compositions of the clay matrix and grogs of Kyochonri samples presented in Fig. 5 by SEM-EDS

SampleOxide%SiO2Al2O3Fe2O3MnOMgOCaONa2OK2OTiO2P2O5
S6-①Grogmean*58.8019.6317.980.020.690.370.181.570.640.12
st.dv.1.290.960.830.030.040.010.100.160.110.04
Matrixmean68.8821.534.880.000.590.610.212.320.980.00
st.dv.0.720.430.260.000.030.020.020.210.070.00
S6-②Grogmean69.9117.139.390.000.610.320.161.700.750.04
st.dv.1.680.791.050.000.080.010.050.160.020.03
Matrixmean68.1721.585.270.050.680.640.262.420.930.00
st.dv.1.701.170.060.030.010.040.060.330.180.00
S8Grogmean52.7427.7815.360.000.720.480.171.900.740.11
st.dv.2.260.671.840.000.020.040.010.580.120.10
Matrixmean70.6020.664.770.030.680.290.241.870.860.00
st.dv.1.881.190.450.010.020.050.110.070.170.00

* 3 times average


5. 고 찰

5.1. 벽돌의 식물 첨가

연구대상인 벽돌들은 백제 웅진기(475~538)에 제작된 것으로, 벽돌무덤은 전통적인 백제의 묘제가 아닌 중국의 묘제가 들어온 것으로 알려져 있다. 그러나 유사시기에 제작된 두 벽돌무덤의 벽돌들은 형태와 문양 등이 다르게 나타났지만, 대상 벽돌의 전암대자율 범위, 광물조성, 주성분원소 및 미량원소 분포범위에서는 유사한 특성을 나타냈다(Jang and Lee, 2013; Jang and Jin, 2021). 특히 미량과 희토류 원소 분포경향의 유사성은 이들이 동일한 성인을 가진 모암의 풍화산물로 생성된 토양을 선택하였음을 의미하지만, 일부 주성분원소에서는 함량의 차이를 나타냈다.

벽돌 태토의 조직과 첨가물을 조사한 결과, 무령왕릉과 왕릉원 6호분 벽돌의 태토에서는 정선된 조직이 관찰되었고 타원형의 모서리가 둥근 벽돌 분쇄물(grog)을 드물게 첨가하였다. 공극 형태와 단면특성으로 볼 때 식물흔적은 거의 나타나지 않았다.

교촌리 벽돌무덤의 방형벽돌에서는 매우 정제된 기질에 긴 기공이 특징적이다. 벽돌 분쇄물도 나타나는데, 미세조직에서는 내부에 원형의 큰 공극과 비결정질 탄소 등이 확인되었다. 일부 장방형벽돌에서는 0.2mm 이상의 다결정질 석영 입자가 관찰되며, 벽돌 분쇄물로 보이는 1mm 이상의 입자들도 포함되어 있었다.

교촌리 벽돌무덤 시료에서는 식물의 탄화흔적과 긴 공극 등이 벽돌 구조와 미세조직에서 나타남에 따라 식물이 첨가된 것인지, 토양 본래의 특성인지에 대한 검토가 필요하다. 보통 토양 내에 경작이나 식물생장이 활발한 경우, 식물 또는 식물분해에 기인한 유기물질이 생성된다. 보통 탄화수소류, 단당류와 녹말 등의 다당류, 셀룰로오스와 단백질류가 이에 해당된다(Brady and Weil, 1999). 이들은 토양에서 미생물작용에 의해 분해된 채로 분포하며, 다른 식물생장의 양분이 된다. 이 토양을 선택하여 식물뿌리나 거친 광물입자를 제거하는 수비과정을 거치더라도 유기물이 분해된 채 남아있으며, 이들은 벽돌 제작과정에서 고온 소성될 경우, 탄화수소와 당류를 구성하는 주요 원소(C, H, O)는 산화되어 가스 상태로 방출될 수 있으나, 단백질을 구성하는 일부 원소들(S, Mn, Cu, Fe)은 남아있게 된다. 또한 경작지 토양에서는 식물생장에 필요한 인산이 점토광물의 구성원소인 Al, Fe, Ca 와 만나 고정되는 경우가 많아(Shin and Kim, 1988) 이들 원소도 함께 확인할 필요가 있다.

선행연구(Jang and Lee, 2013; Jang and Jin, 2021)에서 수행되었던 지구화학적 분석결과 중 관련 원소를 추출하여 Fig. 7에 나타내었다. 비교대상 원소는 식물생장과 관련된 원소들(Fe, Mn, P, Cu)이다. 황(S)은 미검출된 시료가 많아 대상에서 제외하였다. 그 결과 교촌리 벽돌무덤시료의 비교대상 원소 함량은 왕릉원 벽돌시료의 원소함량보다 모두 낮게 나타났다. 이 결과로 볼 때 교촌리 벽돌재료의 화학조성은 식물잔해 또는 유기물이 풍부한 토양으로 제작했다고 보기 어려우며, 식물탄화 흔적이 거의 모든 시료에서 나타나는 토양에 식물이 첨가된 것으로 생각된다. 또한 벽돌 내부의 기공을 X-선 CT 데이터로부터 추출하여 기공 직경의 분포 경향을 조사한 결과(Fig. 3)에서도 교촌리 벽돌무덤 시료는 일정 범위(0.3~1mm)에서 기공이 집중적으로 분포하고 있었다. 편광현미경과 주사전자현미경 분석 결과, 긴 공극에서 대략 0.3~0.6mm의 두께가 확인되어 일정한 식물의 분포가 집중되어 있었을 것으로 생각된다. 또한 내부 기질에 석영과 장석은 미립형태로만 존재하여 상당한 정제과정을 거친 토양으로 벽돌을 제작한 것으로 생각되었다. 정제과정에서 토양에 잔존하던 식물이 걸러 제거되었을 것으로 판단되나, 벽돌에서 식물의 집중적인 분포가 관찰되는 것으로 볼 때 첨가 가능성이 높다. 즉 기공의 크기·분포·형태, 탄소의 농집현상, 기질의 정제상태로 볼 때 유사한 크기의 식물을 토양에 첨가하여 벽돌을 제작한 것으로 생각된다.

Figure 7. Comparison of elemental concentration of bricks from the royal tombs and Kyochonri brick tomb.

선행연구(Jang and Jin, 2021)에서 1,100℃ 전후에서 소성된 것으로 분석했던 S14의 경우, 기공빈도는 낮았으나, 편광현미경상에서 길고 두꺼운 기공이 확인되어 토양을 정선하고 고온소성하였지만 제작과정에서 식물 첨가는 있었던 것으로 생각된다.

한편 중동을 포함한 여러 지역에서는 날벽돌을 제작할 때 식물을 첨가하는 사례가 보고되고 있는데, 식물을 첨가하면 날벽돌의 건조 시 균열을 줄이고 강도를 높이는 효과가 있었다고 한다(Jové-Sandoval et al., 2018; Eslami et al., 2022). 그러나 소성 시 식물은 탄화되고 기공만 남게 되므로 식물을 다량 첨가하면 내구성에 영향을 미칠수 있을 것으로 생각된다.

5.2. 벽돌 분쇄물의 첨가

벽돌 제작과정에서 토양과 물을 반죽하게 되면, 점토광물이 물과 반응하여 점성과 가소성이 증가하고 기물을 만들기 좋은 상태가 된다. 이는 일부 점토광물 층간에 물분자와 양이온이 흡착되어 팽윤하는 현상으로 생각되며, 건조과정에서 물분자가 증발되고 수축되면서 벽돌 표면에 균열이 생길 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 비짐(temper)을 첨가한다. 비짐은 원료토양의 특성을 변화시킬 의도로 제작자가 첨가하는 물질이라고 알려져 있다(Rice, 2005). 이들 물질을 넣어 성형 시 점성을 조절하고, 건조 균열을 줄이며, 소성과정에서 강도를 높이고자 한 것으로 보인다(Rice, 2005; National Research Institute of Cultural Heritage, 2018).

분석대상인 일부 벽돌에서 벽돌 분쇄물(grog)이 비짐으로 포함되어 있었다. 벽돌의 경우 기존 벽돌의 분쇄물은 소성되어 점토광물이 상전이된 상태이므로 가소성이나 점성이 없어 비짐으로 사용하기 손쉬운 물질로 생각된다. 다만 분쇄물이 포함된 시료의 조직을 관찰한 결과, 그 주변으로 균열과 작은 기공이 많이 발생했다. 첨가된 분쇄물이 재소성되는 과정에서 균열이 발생하는 것으로 보인다.

벽돌의 소성온도가 매우 높았다면 분쇄물의 구성광물과 기질도 부분 용융되면서 더 치밀한 조직을 구성하였을 것으로 생각되지만, 교촌리 벽돌시료가 소성된 온도(700~900℃)에서는 이러한 과정이 진행되지 않아 균열이 발생한 채로 오랜 기간 토양환경의 영향을 받은 것으로 보인다. 분석결과에서도 대부분의 분쇄물 주변에 가는 균열이 발달되어 있고 탄소함량이 높게 나타났다. 이는 매장환경에서 균열을 통해 유기물이 유입된 것으로 생각된다.

벽돌 분쇄물과 기질 간 화학적 특성 분석 결과에서는 기질과 유사한 조성을 보이는 분쇄물도 드물게 있지만 대체로 철산화물이 기질보다 다소 높게 나타났고, 화학적 특성이 일치하지는 않았다. 분쇄물이 기질과는 완전히 다른 재료를 분쇄하여 사용한 것인지는 판단하기 어렵지만, 폐기용 재료의 분쇄물인 점을 감안할 때 재료적 차이가 존재하는 것으로 생각된다.

5.3. 벽돌의 물성 비교

벽돌의 재료와 첨가물을 비교한 결과, 웅진기 공주지역에서 제작된 것으로 추정되는 벽돌 사이에서도 재료, 첨가물, 소성온도의 차이가 나타났다. 재료와 소성온도의 차이는 벽돌의 강도 등 물성에 영향을 미칠 것으로 생각된다. 물론 벽돌의 매장환경, 풍화 양상 등도 고려해야 하지만, 왕릉원과 교촌리의 벽돌고분이 동일시기, 동일지역에 축조되어 매장되어 있었다는 점을 감안하면, 풍화보다는 재료와 소성온도가 벽돌 강도에 더 큰 영향을 미쳤을 것으로 생각된다.

왕릉원과 교촌리 벽돌의 초음파 속도를 비교하였다(Fig. 8). 무령왕릉과 왕릉원 벽돌은 기 발간된 보고서에서 측정된데이터를 확인하였고(Gongju National Museum, 2007), 교촌리 벽돌은 측정하여 속도를 비교하였다. 무령왕릉 폐쇄벽돌의 초음파 속도는 2,331~5,358m/s를 나타냈고, 왕릉원 6호분 폐쇄벽돌은 3,673~4,181m/s, 왕릉원 주변 수습벽돌은 1,744~4,291m/s를 나타냈다(Gongju National Museum, 2007). 교촌리 벽돌의 초음파 속도는 1,568~3,824m/s 범위로 나타났는데, 고온소성품으로 확인된 S14를 제외하면 3,000m/s 이하의 속도를 보였다. 교촌리 벽돌의 초음파 속도가 낮게 나타난 것은 비교적 낮은 소성온도를 가지는 것이 주요 원인 중 하나이다. 그러나 S14는 미세조직이 일부 용융되는 등 1,100℃ 전후의 열을 경험한 것으로 보이지만, 초음파 속도는 평균 3,824m/s로 왕릉원의 다른 고온소성품에 비해 낮은 편이다. 이는 내부에서 관찰된 식물흔적과 기공, 첨가물 등이 강도에 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 또한 무령왕릉과 왕릉원 인근 시료 중 일부(724-2)는 고령석(kaolinite)이 검출되어 소성되지 않았거나 550℃ 이하의 열을 받은 것으로 추정된 바 있는데 이들의 초음파 속도는 평균 2,468m/s를 나타냈다(Gongju National Museum, 2007). 700~900℃에서 소성된 것으로 추정되는 교촌리 벽돌무덤 시료에 비해 높은 값을 나타냈다. 즉 교촌리 벽돌시료의 밀도와 내부 구조적 특성, 특히 많은 균열과 기공이 초음파 속도에 영향을 미쳤을 가능성이 있다.

Figure 8. Ultrasonic velocity of brick samples, indicated that Kyochonri brick samples had relatively low ultrasonic velocity.

또한 벽돌의 부피비중과 흡수율도 기본 물성으로서 소성온도의 영향을 받는다. 다만 왕릉원의 분석대상 벽돌은 폐쇄벽돌이므로 저온 소성품도 포함하고 있다. 선행연구 결과에서 이들의 흡수율 범위는 1.02~16.06%이고, 교촌리 벽돌무덤 시료는 가장 높은 소성온도를 보이는 S14를 제외하면 모두 12.50~18.44%를 나타냈다(Jang and Lee, 2013; Jang and Jin, 2021). 결국 초음파 속도 범위, 흡수율, 소성온도, 정제된 태토와 첨가물 특성으로 볼 때, 교촌리 벽돌무덤 시료는 비교적 균일한 재료와 소성온도로 제작하여 일정한 물성을 가진 벽돌로 판단되며 왕릉원 벽돌에 비해 전체적으로 낮은 물성을 가지는 것으로 생각된다.

교촌리 벽돌무덤 벽돌은 식물과 벽돌 분쇄물을 첨가하였고 이 첨가물들은 소성되면서 기공 또는 균열의 발생을 유발하여 기계적 강도가 다소 낮아졌을 가능성이 있다. 산업용 벽돌 제조 시에도 벽돌 분쇄물 함량이 전체 5wt% 이상 첨가되면 기공 발생이 증가하고, 흡수율이 높아지거나 기계적 강도가 감소하였다는 연구사례도 있다(Vieira and Monteiro, 2007). 첨가물의 함량이 벽돌 물성에 영향을 줄 수 있음을 의미한다.

벽돌 제작 외에도 시공 시 사용된 줄눈의 재료도 다르게 나타났다. 무령왕릉과 왕릉원 벽돌무덤에는 석회를, 교촌리 3호분에는 점토를 사용한 것으로 확인되어 고분축조과정에서도 재료 차이는 나타났다. 결국 동시기에 축조된 벽돌무덤이지만 벽돌의 형태, 물성, 첨가물, 축조방식 등이 다르게 나타났고 이는 기술적 차이가 반영된 것으로 생각된다.

6. 결 론

이 연구에서는 백제 웅진기 벽돌무덤 3기를 구성하는 벽돌의 재료와 첨가물 특성을 분석하고 그 의미를 검토하였다. 이를 위해 미세조직, 내부 구조, 광물학적 특성 등을 검토하였다. 그 결과 무령왕릉과 왕릉원 벽돌은 토양의 수비과정을 거쳐 거친 입자를 제거하고 정제하여 제작한 것으로 생각되며 일부에서는 벽돌 분쇄물을 비짐으로 드물게 첨가하였다. 반면 교촌리 벽돌무덤의 방형 벽돌은 토양을 정제하였고, 벽돌 간 소성온도와 물리적 특성이 모두 유사하게 나타났다. 방형벽돌 내부에는 모든 시료에서 식물탄화에 의한 기공과 탄화잔존물이 발견되어, 제작 시 첨가한 물질로 생각된다. 그러나 장방형벽돌은 다결정질 석영 및 장석 등이 포함되어 있고, 미세조직 내에 식물에 기인한 것으로 추정되는 기공이 관찰되었다. 또한 벽돌 분쇄물이 비짐물질로 첨가되어 있으며, 분쇄물 주변으로 가는 균열이 많이 나타났다. 분쇄물은 이미 소성을 통해 가소성이나 점성이 없는 상태이고, 다시 소성되면서 미세한 균열이 생기기 쉬운 구조이다. 따라서 이러한 균열을 통해 매장환경에서 유기물이 유입되어 탄소 농집 현상을 나타내는 것으로 생각되며, 일부 분쇄물은 기질과 유사한 특성을 나타내기도 하지만 철산화물 농집 등 기질과 다소 다른 화학적 특성이 나타나기도 했다.

한편 벽돌의 물성은 건축자재로서 중요한 특성 중 하나이다. 벽돌의 초음파 속도를 측정한 결과, 왕릉원에 비해 교촌리 벽돌무덤 벽돌이 낮은 초음파 속도를 가지고 있었고, 동일 소성도의 벽돌에 비해서도 낮은 초음파 속도를 나타냈다. 전반적으로 교촌리 벽돌은 왕릉원 벽돌에 비해 낮은 물성과 소성온도를 가지고 있었고, 첨가물 특성도 다르게 나타났다. 식물과 분쇄물 등 첨가물에 기인하여 벽돌 내부에 균열과 기공이 발생할 수 있는 점을 고려할 때 이러한 균열과 내부 구조 등은 벽돌의 내구성에 영향을 미칠 수 있을 것으로 보이며, 벽돌 제작 상 기술적 차이로 생각할 수 있다.

사 사

이 연구는 문화재청 국립문화재연구원 연구과제(NRICH-2205-A09F-1)의 지원을 받아 수행되었습니다. 분석에 도움을 주신 국립문화재연구원 김한슬연구원과 안유빈연구원께 감사드립니다. 아울러 이 논문에 발전적인 조언을 해 주신 심사위원님들께 깊이 감사드립니다.

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