강릉 굴산사(사적 제448호)는 통일신라 선종 9산 중 굴산문(崛山門)의 본산으로, 강릉 단오제의 주신인 통효대사(通曉大師) 범일(梵日)이 창건한 것으로 알려진 영동지역의 중심사찰이다. 창건기록은 삼국유사(三國遺事)와 조당집(祖堂集)에서 확인할 수 있으며, 창건시기에 차이가 있으나 적어도 851년 이전에는 굴산사가 창건되었음을 알 수 있다. 국립중원문화재연구소의 3차례에 걸친 발굴조사 결과를 통해 굴산사는 중심공간, 생활공간, 선종공간의 3개 이상의 단위공간으로 구성되었던 것(Moon, 2015)으로 추정되며, 5번의 변화과정이 있었던 것으로 보인다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2015). 발굴 조사를 통해 금속유물은 총 161점이 출토되었으며 청동유물은 31점이 확인되었다. 대다수의 금속유물은 건물지를 중심으로 출토되었으며, 그 외에는 담장, 배수로, 축대 등에서 확인되었다(Jungwon National Research Institute of Cultural Heritage, 2015). 출토된 청동제유물은 크게 장식부재, 의식 및 생활용구류, 기타 유물로 구분된다. 청동제유물 중 가장 많은 수량이 출토된 의식 및 생활용구류는 접시, 발과 같은 용기류가 대다수 차지하며, 정병 및 마개, 초받침, 촛대받침, 청동숟가락 및 젓가락이 소수 확인되었다.

청동은 구리(Cu), 주석(Sn), 납(Pb)의 배합비에 따라 특성이 달라지며, 동일한 성분 조성이라도 냉각 속도, 열처리, 가공 등의 제작방법에 따라 다양한 미세조직을 보인다. 불순물로 포함된 미량원소의 분석을 통해서도 원료 물질의 정련 정도를 파악할 수 있으며 이들의 함량 분포는 납동위원소를 이용한 산지추정과 더불어 청동기의 분류 및 산지를 추정하는데 도움을 준다(Kim et al., 2015). 본 연구는 강릉 굴산사지의 중심공간으로 추정되는 건물지 등의 주변에서 출토된 청동기 25점의 분석을 통해 제작기술 및 납 원료산지를 추정하였다. 강릉지역에서 출토된 청동기의 분석 사례가 없어 굴산사지에서 출토된 청동제유물의 분석을 통해 굴산사 및 12∼13세기 고려시대 청동기의 연구에 기여하고자 하였다.

강릉 굴산사지 출토 청동기 25점은 부식이 진행되어 금속심을 확인하기 어려웠으며, 대부분 파편으로 존재하였다. 분석에 활용된 청동기 시료의 외형은 Figure 1과 같으며, 출토 시료의 상세 정보는 Table 1에 정리하였다. 분석은 크게 제작기술을 확인할 수 있는 금속학적 미세조직 관찰과 성분 분석, 원료의 산지를 확인할 수 있는 납 동위원소비 분석으로 구분하여 시행하였다. 23점의 청동기에 대해 납 동위원소비를 실시하였으며, 그 중 금속심이 남아 있는 8점의 청동기에 대해 미세조직 관찰 및 성분분석을 수행하였다(arrows in Figure 1).

미세조직을 관찰하기 위해서 금속심이 남아있는 시편을 채취하여 초음파 세척기를 이용해 세척한 후, 에폭시 수지를 이용하여 마운팅을 실시하였다. 마운팅한 시편은 연마지를 이용하여 #200, #500, #800, #1200 순으로 연마한 뒤, 3 ㎛, 1 ㎛의 diamond suspension을 이용하여 표면을 경면과 같이 폴리싱하였다. 연마가 완료된 시편은 ethyl alcohol(99.99%)에 침적시켜 초음파 세척기로 세척 및 건조하였다. 건조가 완료된 시편은 염화철(FeCl₃)을 염산(HCl)과 증류수(H₂O)에 용해시킨 에칭액을 이용하여 에칭하였다. 미세조직은 광학현미경(Carl Zeiss, Axiotech 100HD, DEU)을 사용해 관찰하였으며, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, JSM-IT300LV, JEOL, JPN)을 사용하여 미소 부위의 정밀한 관찰을 시행하였다.

성분분석은 전자탐침X선분석(Electron Probe X-ray Microanalyzer, JXA-8230, JEOL, JPN)을 이용하여 청동유물의 정량분석을 실시해 주었다. 20 kV, probe current는 100 nA의 조건으로 분석하였으며 시료당 5번의 면 분석을 수행하였다. 결과값은 최솟값과 최댓값을 뺀 평균값을 계산하여 정리하였다. 전자탐침X선분석을 이용하여 총 12종의 원소(Cu, Sn, Pb, Zn, As, Ag, Sb, Bi, Ni, S, Co)를 분석하였으며, 결과값은 전체 함량이 100±3 wt%로, 신뢰성 있는 분석 값을 얻을 수 있었다.

납동위원소비 분석은 한국기초과학지원연구원에 의뢰하여 분석했으며, 열이온화질량분석기(Isoprobe-T, IsotopX, GBR)와 레이저삭막 유도결합플라즈마질량분석기(NWR193UC, ESI, USA)를 이용하였다. 열이온화질량분석기의 경우 시료는 질산(HNO₃)과 염산(HCl)을 1:3 비율로 혼합한 용액으로 완전히 용해시킨 후, 건조하여 음이온 교환수지로 순도 높은 납(Pb)을 추출하였다. 분석 조건은 정적인 모드(static mode, N=20, 4s intergration)로 1,200℃에서 분석하였으며, 외부 보정을 위해 NBS 981 시료도 같이 분석하였다. 납동위원소비의 분석데이터는 한반도 납동위원소비 광역분포도를 이용하여 해석하였다. 이는 기존에 사용되던 馬淵久夫의 분포도(Mabuchi, 1985)의 단점을 보완하고자 한반도 남부의 방연석 시료를 채취⋅분석하여 제작되었으며, 국내 지역별 추정작업이 가능하다는 장점이 있다.

고대 청동기 제작 시 우리나라에서 사용된 원광석은 단일광종으로 산출되는 경우는 드물다. 구리광석에서는 Au, Ag, Zn, Fe, Pb 등이 함께 수반되어 산출되며(National Research Institute of Cultural Heritage, 2011), 주석 광석에서는 Cu, Pb, Sb, Bi, As, Fe등의 불순물을 수반한다(Lee and Seo, 1995). 납 광석은 Ag를 대부분 포함하고 있으며, Zn, Fe, Cu도 함유하며, 동반금속으로는 Sn, As, Sb 등이 있다(Schumann, 1996). 불순물을 함유한 원광석은 불필요한 맥석을 제거하기 위한 선광 작업을 한다. 그리고 황을 제거하기 위한 배소 작업을 실시한 뒤 제련작업을 하는데, 완벽하게 불순물을 제거할 수 없기 때문에 황을 포함한 미량의 불순물은 청동기 내 잔존하게 된다. 강릉 굴산사지 출토 청동기 5점(924, 925, 927, 941, 947)은 As, Ag, S의 높은 경향성이 확인된다. 이 원소들은 광산을 구분하는데 기여할 것으로 추정되며, 이처럼 미량원소에 차이를 보이는 것은 광석을 생성시킨 광산의 근원 물질과 광산 주변의 기반암 그리고 광석의 결정화 단계에서 발생하는 차이에 의한 것으로 판단되므로 지역적인 분포 특성 및 구분 인자의 가능성을 파악해 볼 수 있다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2013). 특히 청동다리(924)와 불명청동기(949)의 경우, Cu-Sn-Pb의 3원계 합금이며 미량원소 부화 패턴이 유사하여(Figure 4) 제작 시 사용한 광석의 산출지 및 제작에 대해 판단할 수 있다. 납동위원소비를 분석한 결과, Zone 3에 위치하여 동일한 지역의 광석을 사용하였음을 추정할 수 있다.

청동 제작에 사용되는 납은 주조성과 유동성을 좋게 하고, 값비싼 주석 대신 구하기 쉬워 의도적으로 첨가한다. 반면에 납은 구리나 주석과 함께 합금되지 않고 응고되면서 금속조직 내에 원형의 편석을 이루는데, 이러한 편석은 불규칙하게 형성되며 청동의 질을 떨어뜨릴 수 있다(Scott, 2002). 강릉 굴산사지에서 출토된 청동기 5점의 납의 함량은 적게는 0∼2 wt%, 많게는 12 wt%로, 특히 927번 정병마개는 납의 함량이 10 wt%이상 검출되었다. 창원 만수리 유적에서 출토된 고려시대 동제병 3점은 납의 함유량이 6∼11 wt%로 확인되며(Kim, 2008), 청주 사뇌사지 유적에서 출토된 고려시대 청동향완, 동제접시, 동제주자, 동제호 또한 납의 함량이 13∼21 wt%로 높게 검출된다(Kang et al., 2000). 이를 통해 정병마개가 정병의 전체를 대표할 수는 없지만 제작을 용이하게 하고자 높은 양의 납을 첨가했던 것으로 판단된다. 굴산사지 출토 청동기 5점의 주석의 함량은 9∼20 wt%로 확인되며, 특히 924번 청동다리와 941번 청동숟가락의 주석함량은 20 wt%이상으로 검출된다. 구리-주석 상태도를 기준으로 할 때 주석 함량이 13.5 wt%를 초과하게 되면 α상 이외의 제 3상이 출현하게 되나 응고당시의 편석을 고려하면 10 wt% 이상의 합금에서는 특별한 처리가 없는 한 제3상이 출현하게 된다. 이는 청동소재의 취성을 증가시키기 때문에 제품의 성능을 저하시킬 수 있다(Jung and Park, 2005). 924번의 청동다리와 비슷한 유형으로 신라왕경에서 출토된 청동다리편이 확인되는데 α상과 δ상이 혼합되어 있는 조직으로 주석함량이 부위에 따라 차이를 보이나 16∼22 wt%로 검출되었으며, 주조 외에 다른 공정이 발견되지 않았다. 이는 주석함량을 증가시킴으로써 용해온도를 140℃정도 낮아지게 하며, 납을 함께 첨가하여 주조성을 향상시켜준 것으로 추정했다(Jung and Park, 2004). 따라서 924번 청동다리의 경우 무거운 청동을 받쳐주기 위해 강도를 높여주고자 주석함량을 높여준 것으로 판단되며, 주석을 첨가함에 따라 취성이 증가하는 것을 방지하고자 납을 함께 넣어 주조해 준 것으로 추정된다. 반면에 941번 청동숟가락의 경우 주석이 높은 함량이지만 취성의 원인이 되는 δ상의 생성을 억제하기 위해 담금질을 통하여 담금질 조직을 출현시켜 잔류하게 함으로써 청동기의 기계적 성능을 크게 향상시켰다(Jung and Park, 2004). 따라서 941번 청동숟가락은 앞선 924번의 청동다리에 비해 발전된 기술 형태로 보이며 이는 고려시대에 출토된 안동 옥동 유적 출토 청동숟가락 2점(Chung and Lee, 2009), 청주 사뇌 사지 출토 청동숟가락 1점(Kang et al., 2000), 김해지역 출토 청동숟가락 3점, 상주 청리 출토 청동숟가락 1점, 대전 복수동 출토 청동숟가락 2점, 울진 봉산리 출토 청동숟가락 2점(Chung et al., 2004), 태안마도 출토 청동숟가락 7점(Han et al., 2016), 광주 쌍촌동 출토 청동숟가락 1점에서 출토된 청동숟가락과 유사하다. 이를 통해 청동숟가락의 제작기술은 지역에 상관없이 동일했던 것으로 추정된다.

기존에 연구된 고려시대 출토 청동기의 주성분 분포도를 통해 불명 청동기인 947번과 949번의 유형을 분석한 결과는 Figure 7과 같다. 2점의 불명 청동기의 주변에 분포하는 유물은 성남 판교 출토 청동불상 1점(Choi et al., 2013), 출토지 미상 청동불상 1점, 청주 사뇌사지 출토 동제 금고 1점(Kwon et al., 2000), 미륵사지 출토 청동제 장신구 2점(Chung et al., 1992), 완도 법화사지 동종 2점(Kim andKim, 2007;Kang et al., 2007), 청주 사뇌사지 출토 동제령 1점(Kwon et al., 2000)으로 확인된다. 이를 통해 추정해 보면 2점의 불명 청동기는 기능에 중심을 두지 않고, 장식에 중심을 둔 청동 유물의 일부분인 것으로 판단된다.

강릉 굴산사지 출토 청동기의 납동위원소 분석을 통해 제작에 사용된 원광석의 산지를 추정할 수 있다. 납을 포함하고 있는 3원계 청동기의 납동위원소비는 납광석의 산지를, 납을 포함하지 않은 2원계 청동기의 납동위원소비는 동광석의 산지를 나타낸다. 납동위원소비는 원료 산지 외 제작장소 또는 제작시기의 동일성 판단에 사용된다. 강릉 굴산사지 출토 청동기는 Zone 1에 분포하는 1점을 제외하고 Zone 2와 Zone 3을 중심으로 분포하고 있다. Zone 1은 지질도상에서는 경상분지 지역에 속하며, 지역적으로는 경상남도와 경상북도 중남부 지역을 포함하고 있다. Zone 2는 지구조상 영남육괴와 옥천변성대의 동북부지역으로 경상북도 북부지역과 강원도 남부지역에 분포하고 있다. Zone 3는 지질적으로 영남육괴와 옥천변성대의 대부분과 경기육괴 동부지역으로 포함하고 있으며, 지역적으로는 전라도, 충청도, 경상도 북부지역이 이에 속한다(National Research Institute of Cultural Heritage, 2014). 강릉 굴산사지는 Zone 2에 위치하는데 이를 통해 Zone 1에 위치한 청동버클(925)을 제외한 대부분의 청동기는 출토지 주변의 원료를 사용했음을 알 수 있다. 또한 고려시대는 청동기의 재활용과 원료의 혼합이 일반화되어있던 시대이기 때문에 원료의 혼합 가능성도 고려하여야 한다. 청동기의 원료 산지 연구는 다양한 변수(합금의 정도, 혼합의 정도, 재활용 등)로 인해 정확한 추정이 어렵다. 하지만 원료 및 청동기에 대한 분석 데이터가 축적된다면 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이다.