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J. Conserv. Sci > Volume 40(4); 2024 > Article
공주 공산성 출토 백제 토기와 기와의 재료학적 특성과 소성온도 해석

초 록

이 연구에서는 웅진백제의 왕성이었던 공산성 출토 일부 토기와 기와의 과학적 분석을 통해 기종과 시기에 따른 재질특성과 소성온도를 검토하였다. 연구대상 토기는 발형과 장란형 및 삼족기와 뚜껑으로 각각 웅진기와 사비기의 특징이 있으며, 기와에서도 시기에 따른 차이가 나타난다. 태토의 화학조성으로 볼 때 토기와 기와는 유사한 조성변화를 가지나, 시기에 따라 일부 원소에서 부화와 결핍의 미세한 차이가 있다. 특히 Fe2O3는 발형과 장란형 토기에서 다소 편차가 있으며 CaO가 약간 부화되어 있고, Al2O3도 기종과 시기에 따라 조금 다르다. 이는 태토의 정선도에 영향을 받은 것으로 보이며, 삼족기와 뚜껑에서 상대적으로 균질하고 비교적 고온에서 소성된 것으로 확인되었다. 결정 상 변화 및 열분석을 근거로 이들의 소성온도를 해석하면, 웅진기와 사비기 토기는 기종에 따라 850∼900℃ 및 1,000∼1,050℃로 구분되며, 웅진기와 사비기 기와는 각각 950℃ 및 1,050℃ 내외를 지시하였다.

ABSTRACT

This study examined the material characteristics and firing temperatures according to the type and period of the potteries and roof tiles excavated from Gongsanseong Fortress, the royal palace of Woongjin Baekje, through the scientific analysis. The potteries are characterized by the bowl, long-oval, tripods and lid shaped, respectively, and there are differences in the Woongjin and Sabi periods. In chemical compositions of the body clay, the potteries and roof tiles have similar compositional variations, but there are slight differences in the enrichment and deficiency of some elements depending on the period. Especially, Fe2O3 contents are some different in the bowl and long-oval shaped potteries, and CaO is slightly enriched. Contents of Al2O3 shows also slightly different depending on the type and period. This seems to be influenced by the refinement degree of the body clay, and it was confirmed that the tripods and lid shaped potteries were relatively homogeneous, and fired at relatively high temperature. Based on the mineral phase changes and thermal analysis, their firing temperatures are interpreted as follows as the potteries of the Woongjin and Sabi periods are classified into 850 to 900℃ and 1,000 to 1,050℃ depending on the type, and Woongjin and Sabi roof tiles are indicated at around 950℃ and 1,050℃, respectively.

1. 서 언

공주 공산성은 문주왕 원년(475)에 한성에서 웅진으로 천도하고 성왕 16년(538)에 다시 사비로 도읍을 옮길 때까지 약 64년간 백제의 왕성 역할을 하였으며, 웅진백제의 중심지로서 성의 기능을 유지함에 따라 내부의 유적에서는 시기별 특성이 분명한 유물들이 다수 발굴되었다(Lee, 2014; 2020; Lee et al., 2023; Oh, 2022). 특히 추정왕 궁지로 알려진 쌍수정 일대에서는 매납유구, 사면과 중심지의 성토대지, 건물지, 마당지 및 연지 등 다양한 성토층을 비롯한 퇴적층에서 웅진기 또는 사비기의 토기와 기와가 다량 출토되었다(Figure 1).
공산성 출토 토기류 중에는 백제 고유의 양식인 한성기 형식을 보이는 것도 있고, 웅진기에서 사비기로 가며 연질에서 경질 토기의 출토 빈도도 높아진다(Jung, 2023; Kim, 2023; Lee et al., 2023). 기와는 크게 웅진기와 사비기의 것으로 분류할 수 있으며, 웅진기에는 토기제작에 사용되던 기술이 부분적으로 적용되었으나 사비기는 기와의 전용 제작기법이 있었던 것으로 보았다(Oh, 2022). 이와 같이 공산성에서는 정착생활에 중요하게 사용된 다양한 토기와 기와의 출토량이 상당하다.
대부분의 유적에서 출토되는 토기와 기와 등 토제기물은 매몰되면서 파괴되어 편으로 산출하는 경우가 많아 고고과학적 분석에 한계가 있다. 따라서 기종에 대한 부위별 재질특성을 파악한 연구는 상당히 제한적이다. 그러나 이들의 재료와 제작기법을 밝히는 것은 당대의 시대상과 수공업의 기술체계를 알 수 있는 중요한 과정이기도 하다(Lee et al., 2016; 2022).
이 연구에서는 공산성에서 출토된 웅진기와 사비기의 일부 토기와 기와를 대상으로 재료학적 및 고고과학적 특성을 검토하였다. 이를 위해 기종과 시기를 구분하여 12점의 분석시료를 선정하였으며 각각 태토의 산출상태, 미세조직, 광물조성, 열적 특성 및 지구화학적 정량분석을 수행하였다. 또한 분석 결과를 종합하여 연구대상 토기와 기와에 대한 기종과 시기에 따른 재료학적 차이와 소성온도 등 제작기술을 해석하였다.

2. 대상 및 방법

2.1. 연구대상

이 연구에서 정량분석에 사용한 토기의 기종은 발형과 장란형 및 삼족기와 뚜껑으로 총 8점이다. 이 중 발형 및 장란형 토기는 모두 웅진기에 해당하고 삼족기와 뚜껑은 웅진기와 사비기의 것이 1점씩 포함되었다. 또한 공산성 연지의 퇴적층에서 출토된 웅진기 기와 2점과 저수시설의 상부 백제층 출토 사비기 기와 2점으로 구분된다(Lee et al., 2023). 이 연구대상 시료의 산출상태와 내외면의 제작흔을 제시하면 Table 1Figure 2와 같다.
웅진기 발형토기(GS-WB1)는 외면에 종으로 세선문의 타날흔이 있으며, 내면을 박자로 정리하였다. 다른 발형 토기(GS-WB2)의 외면에서는 횡으로 두 줄의 침선문이 나타나며 내면에서는 박자흔과 물손질흔이 관찰되었다(Figure 2). 장란형토기(GS-WJ1)의 외면에서도 승문 타날흔이 있으나 내면은 일정한 방향성을 가지고 표면을 얇게 정돈하면서 둥글게 만든 물손질흔이 확인된다. 또한 나무 도구로 표면을 다듬은 목리조정흔이 뚜렷하여 제작기술에 조금 차이가 있다.
웅진기 기와(GS-WR1)의 외면에는 조정단계에서 한쪽에 힘을 실어 홈이 패어지면서 생기는 태선문이 관찰된다. 반면 사비기 기와(GS-SR1)의 외면은 소성 당시 겹쳐 쌓으면서 만들어진 적재흔과 마무리 단계의 목리조정흔이 나타나는 등 시료마다 조금씩 다른 모습을 보인다. 또한 기와 시료(GS-SR1, SR2)의 내면에서는 포목흔이 확인되는데, 이는 사비기의 제작기술로 모골에 마포를 씌운 후 그 위에 점토판을 덧대어 만든 성형방식으로 해석할 수 있다(Figure 2).
이와 같이 웅진기 토기는 발형과 장란형이 대상이며, 삼족기와 뚜껑은 웅진기와 사비기에서 모두 산출되는 것이나 제작기법에 뚜렷한 차이는 없었다. 그러나 웅진기 토기에서 다소 연한 회색을 띠며 경도가 낮아 보인다(Figure 2). 한편 기와는 웅진기와 사비기를 모두 포함하며 색과 산출상태 및 조직에 따라 제작기법이 구분되나 이들의 재료학적 차이를 해석하기 위해서는 정량분석을 통한 검증이 필요하다.

2.2. 연구방법

연구대상 토기와 기와의 재료학적 특성을 검토하기 위해 먼셀토색첩과 광학현미경을 활용해 색상과 기재적 특징을 기록하였다. 모든 시료의 색도는 측색계(Minolta CR-300)를 사용해 취득하였으며, 토기와 기와의 미세조직을 확인하기 위해 시편을 콜드마운팅 한 후 박편으로 제작하여 편광 및 반사 겸용현미경(Nikon Eclipse LV 100N, POL)으로 관찰하였다.
한편 Rigaku사의 Mini Flex 600을 활용해 X-선 회절분석(40 kV, 40 mA, CuKα, 1゚/min)으로 구성광물을 동정하였다. 토기와 기와의 제작흔과 비짐 등을 면밀하게 관찰하기 위해 X-선 투과촬영(Softex M-150)이 가능한 크기의 시편을 선별하여 이미지를 획득하였으며, 조건은 최대관전압 28 kV에 전류 1 mA 및 투과시간 20초로 설정하였다. 일부 시료의 미세조직과 정성분석은 주사전자현미경(TESCAN MIRA3 LMH)을 활용하였으며, 백금으로 피복하여 가속전압 20 kV로 EDS 분석도 병행하였다.
연구대상 시료의 화학조성에 대한 동질성과 거동특성을 파악하기 위해 주성분, 미량 및 희토류 원소의 함량을 정량하였다. 모든 분석은 캐나다 Actlabs에 의뢰하여 중성자방사화분석기(INAA)와 유도결합 플라즈마 질량분석기 (ICP-MS) 및 분광분석기(ICP-AES)를 활용하였다. 또한 토기와 기와 시료의 소성과정에서 발생한 광물의 상전이 등 열이력 검토를 위해 시차열분석 및 열중량분석(TA Instruments, SDTQ600)을 수행하였다. 표준시료는 α-Al2O3를 사용하였으며 10℃/min의 승온속도로 질소환경에서 1,000℃까지 측정하였다.

3. 결과 및 해석

3.1. 색도측정

연구대상 토기와 기와의 정량적인 색상 비교를 위해 국제조명위원회(CIE)에서 정의한 명도와 채도를 기준으로 CIE LAB 색 공간을 활용하여 기종과 시기에 따른 특징을 살펴보았다. 일반적으로 토제유물은 함수비와 산출 상태 및 광물조성에 따라 원래의 색과는 조금 다른 특징이 있어(Valanciene et al., 2010), 연구대상 시료의 정확한 색을 검출하기 위해 60℃에서 48시간 이상 완전히 건조한 뒤 내외면의 색도를 측정하였다(Table 2).
이 결과, 발형토기의 색은 내외면이 비교적 일정하나 GS-WB1의 외면에서 가장 높은 적색도(L* 60.833, a* 15.130, b* 22.920)를 보였으며, 부분적으로 명도와 황색도가 높았다. 그러나 다른 발형 및 장란형 토기는 거의 유사한 명도와 색도를 나타냈다. 또한 삼족기와 뚜껑도 거의 균질한 색도를 보였으나, 사비기의 것에서 명도가 다소 높았다(Figure 3).
한편 웅진기 기와에서는 외면의 L*, a*, b* 값이 각각 46.247과 1.937 및 11.743이며, 내면은 45.893과 2.590 및 14.737로 측정되었다. 사비기 기와(GS-SR2)의 외면은 L* 73.403, a* 0.737, b* 7.993이며, 내면은 L* 62.007, a* 1.990, b* 12.493으로 명도와 적색도의 편차는 있으나 큰 차이를 보이지는 않았다(Figure 3).
이와 같이 웅진기 발형 및 장란형 토기는 색도의 편차가 크게 나타나는 것으로 보아, 정형화되어 있지 않으며 다소 상이한 태토의 조성과 소성환경 등이 영향을 준 것으로 해석할 수 있다. 그러나 웅진기와 사비기를 모두 포함하는 삼족기와 뚜껑 및 기와는 편차가 크지 않은 범위의 색도를 형성하여, 비교적 유사한 경향성을 보였다.

3.2. 광물학적 특성

웅진기 발형토기(GS-WB1, WB2)에서는 0.3 mm 미만의 아각형 내지 다각형의 광물입자들이 산재하며 미정질 석영과 흑운모가 확인된다. 부분적으로 적갈색 바탕에 0.5 mm 이내의 석영과 장석이 운모들과 불균일하게 혼재되어 나타나기도 한다. 장란형토기(GS-WJ1, WJ2)의 기질은 운모와 0.5 mm 미만의 장석과 석영이 일정한 방향성을 갖는 것을 볼 수 있다(Figure 4).
웅진기 삼족기(GS-WS1)와 뚜껑(GS-WT1)에서는 암회색 기질에 0.2 mm 내외의 비교적 균질한 석영과 장석입자가 다수 관찰된다. 사비기의 삼족기(GW-SS1)와 뚜껑(GW-ST1)에서도 상대적으로 치밀한 바탕에 양호한 분급을 갖는 광물입자들이 분포하며, 0.1 mm 미만의 장석과 아각형 석영이 일정한 방향성이 있는 등 광물학적 특성에 큰 차이는 확인되지 않는다(Figure 4).
웅진기 기와(GS-WR1)는 암갈색 기질 사이로 세립의 석영과 장석들이 선형으로 배열되어 있다. 사비기 기와(GS-SR1)도 0.5 mm 내외의 미정질 석영의 입자상 배열이 뚜렷하다(Figure 4). 토기와 기와의 태토에서 나타나는 광물조직의 선상배열은 성형과정에 영향을 받기도 하며 기벽을 다듬는 정면공정의 효과로도 나타난다. 특히 Figure 4에서와 같이 치밀하게 일정한 방향성을 보이는 것은 정면의 흔적으로 볼 수 있을 것이다.
연구대상 토기와 기와의 구성광물을 명확하게 동정하기 위해 X-선 회절분석을 수행하였다. 이 결과, 시기 및 기종과 무관하게 석영의 회절강도가 매우 높게 검출되었으며, 알칼리장석과 사장석이 공존하였다. 또한 일부 토기와 기와에서는 운모와 뮬라이트(mullite)가 확인되는 등 거의 유사한 광물조성을 보였다(Figure 5).
이를 기종에 따라 세분하면, 발형과 장란형 토기에서 는 고온생성광물이 검출되지 않으나 운모가 동정되는 반면에 삼족기와 뚜껑에서는 운모는 나타나지 않고 고온소 성광물인 뮬라이트가 검출되었다(Figure 5). 이와 같이 운모가 공존하는 토기는 태토의 완전한 상전이가 발생하지 않은 900℃ 이하의 온도에서 소성되었을 가능성을 지시하였다. 점토광물 중 운모는 900℃ 이상에서 상전이하며 뮬라이트는 1,000℃ 정도에서 생성된다(Kim et al., 2009; 2012; Moon, 1996).
따라서 운모의 회절선이 나타난 발형과 장란형 토기는 850∼900℃의 온도를 경험한 것으로 보이며, 알칼리장석과 사장석 및 석영만 동정된 GS-WJ2는 900∼950℃에서 소성되었을 가능성이 높다. 그러나 뮬라이트가 검출되는 삼족기와 뚜껑은 1,000℃ 내외의 고온에서 소성되었을 것으로 판단된다. 한편 기와는 광물조성으로 보아 950℃ 정도의 소성온도를 보이나, 일부(GS-SR2)는 1,000℃ 내외의 고온을 겪었을 것으로 판단된다.

3.3. 열적 특성

이를 검증하기 위해 열중량분석(TG)과 시차열분석(DTA)을 통해 중량변화와 소성온도를 검토하였다. 토기와 기와는 재가열을 경험하면 중량감소가 발생하는데 점토광물은 대부분 100∼200℃와 500∼600℃에서 흡착수의 증발에 의한 흡열피크를 나타내며, 승온과정에서 광물이 재결정화 됨에 따라 900℃ 이상의 고온에서 발열피크가 생성된다.
웅진기 발형과 장란형 토기는 400℃ 아래에서 흡열반응이 확인되며 3.04∼9.62 wt.% 범위로 비교적 높은 중량 감소율을 보였다. 이는 토기가 장기간 매몰되어 있으면서 태토를 구성하는 광물의 조직과 구조에 물의 부분적 재수화 또는 유기물 흡착 등의 영향으로 유추할 수 있다(Kim et al., 2012; Lee et al., 2016). 따라서 웅진기 토기의 태토에는 유기물이 다량 포함되어 있을 것으로 판단되며, 900℃ 이하의 소성온도를 경험한 것으로 해석할 수 있는 근거가 된다(Figure 6).
일부 토기 시료(GS-WB2, GS-WS1)에서는 840∼940℃ 사이에 점토광물의 분해 등으로 인한 흡열 및 운모의 파괴로 인한 발열피크 등의 열이력이 나타난다. 기종에 따라 약간의 차이는 있으나 대부분 흡착수의 탈수에 의해 100℃ 미만과 200∼400℃의 영역에서 가장 급격한 중량 감소가 이루어 졌다. 또한 석영의 상전이에 따라 공통적으로 573℃ 부근에서 흡열반응이 확인되며, 삼족기와 뚜껑은 광물조성도 유사하고 매우 낮은 중량감소율로 볼 때 고온소성을 지시하였다.
한편 웅진기 기와는 0.50∼7.80 wt.%의 중량감소율을 사비기 기와는 1.35∼5.91 wt.%를 보여 시기에 따른 특징적인 열이력은 확인되지 않는다. 특히 사비기 기와는 840∼890℃에서 흡열피크가 확인되지만, 운모가 검출된 것으로 볼 때 결정수의 이탈로 인한 반응으로 해석된다. 중량감소율은 웅진기 기와가 0.50 wt.%이며 사비기 기와는 5.91 wt.%로 차이가 있으나, 890℃ 이상의 피크로 보아 상대적으로 고온소성이 있었던 것으로 판단된다(Figure 6).

3.4. 미세조직적 특성

촬영이 가능한 크기의 웅진기 토기와 기와를 대상으로 투과 X-선 이미지를 획득하였다(Figure 7). 이 결과, 발형 토기에는 횡침선과 타날흔이 있으며 세립질 광물입자들이 산점하는 모습을 보였다. 장란형토기에서는 좁은 간격으로 승문 타날흔과 세립의 석립들이 산포되어 나타난다. 기와에서는 특별한 내부조직이나 성형기법 등이 뚜렷하게 나타나지는 않으나, 태토에는 1 mm 미만의 세립질 광물들이 산재하는 상태로 관찰된다(Figure 7).
연구대상 토기와 기와의 미세조직과 소결상태를 살펴보기 위해 대표시료에 대한 주사전자현미경 관찰을 근거로 Figure 8의 표시된 부분에 대한 EDS 분석도 병행하였다(Table 3). 이 결과, 웅진기 연질토기(GS-WB1, WB2)는 약한 열변성을 받은 것으로 보이는 느슨한 기질과 함께 석영 주변으로 운모의 판상조직이 선명하게 나타나 비교적 낮은 소성온도를 지시하였다.
웅진기 삼족기(GS-WS1)와 뚜껑(GS-WT1)의 기질은 상당히 치밀하고 견고하며, 높은 온도로 소성할 때 태토가 소결되면서 생성되는 기공사이로 침주상의 뮬라이트가 다수 관찰된다(Table 3, Figure 8). 또한 사비기 삼족기(GS-SS1)와 뚜껑(GS-ST1)의 기질도 유리질화 되어 있어 고온소성을 지시하였다.

3.5. 지구화학적 특성

연구대상 토기와 기와의 지구화학적 특성 및 재료학적 동질성 여부를 판별하기 위해 총 12점의 시료를 정량분석 하였다(Table 4). 모든 분석 결과에 대해 주성분원소와 일부 미량원소는 알칼리 화강암의 평균조성(Govindaraju, 1989; Nockolds, 1954)으로, 희토류 원소는 콘드라이트 운석의 초생치(Taylor and Mclennan, 1985)로, 호정 및 불호정 원소는 원시의 맨틀조성(Pearce, 1983)으로 표준화하여 상호 부화와 결핍 등의 거동특성을 검토하였다.
토기에서는 SiO2가 평균 65.95 wt.%로 확인되며 Al2O3 는 19.77 wt.%, Fe2O3와 K2O의 함량은 4.99 wt.%와 3.00 wt.%를 나타냈다. 특히 Fe2O3의 함량에서 가장 유사한 결과를 보였는데, 기종과 무관하게 토기는 거의 유사한 조성을 갖는다(Table 4). 웅진기 기와의 평균 Fe2O3 함량은 6.63 wt.%이며, CaO 0.67 wt.% 및 MgO 1.81 wt.%로 나타나 사비기의 기와가 조금 결핍된 양상을 보였다. 또한 사비기 기와는 Al2O3가 높고 상대적으로 산성산화물의 함량이 조금 낮은 특성이 있다(Figure 9).
전체 시료에서 가장 불균질한 함량변화를 나타내는 P2O5는 흰색의 비결정질 고체원소이며 산성을 띠는 무수물로 물과 토양에서 잔류성이 뛰어나고 흡착성 또한 높은 특성을 가지고 있는 원소이다. 따라서 이 함량의 차이는 농경활동과 유기물 등 이차적 영향을 받아 매장되어 있는 토층에 잔존하는 경우가 많아(Jang et al., 2011; 2012), 이 함량에 따라 상이한 범위를 갖는 것으로 보인다(Figure 9). 또한 MnO는 지표의 풍화작용에서 기인하는 원소의 특성에 따라 시료마다 다소 불균질한 함량을 갖는다.
미량원소의 부화와 결핍에 따른 거동특성은 전반적으로 거의 모든 원소에서 일정한 값을 나타내어, 이들은 제작과정이나 주변 환경에 영향을 덜 받는 원소로 해석할 수 있다. 연구대상 토기와 기와 모두 시기와는 무관하게 대부분 아주 유사한 범위의 거동변화를 보였으며, 희토류와 호정 및 불호정 원소에서도 거의 같은 경향이 나타났다. 이는 소성과정에서 원소의 특별한 증감은 없었으며 모두 아주 비슷한 태토로 구성되어 있음을 지시하는 것이다(Figure 9).
한편 연구대상 토기와 기와에서 Fe2O3와 Al2O3 같은 가용성 성분에 대한 SiO2의 비를 산출하고, 산성산화물(RO2)과 염기성산화물(RO 및 R2O)의 상관도에 도시하였다(Figure 10). 이 결과, 토기는 Fe2O3의 차이가 거의 없는 것으로 나타났으며 Al2O3 함량에 의해 영향을 받아 X-축으로 신장된 분포를 보인다. 이를 기종별로 보면, 태토의 점토화도는 발형과 장란형 토기보다 삼족기와 뚜껑에서 높게 나타난다. 기와는 대부분의 시료에서 유사한 거동을 나타냈으며 RO+R2O와 RO2의 상관도에서 거의 일치하는 분포를 보였다(Figure 10).
발형토기는 염기성산화물의 함량이 다소 낮고 산성산화물이 높은 반면 장란형토기는 산성산화물이 결핍된 것으로 나타났다. 웅진기 기와는 Fe2O3와 산성산화물이 많으나, 사비기 기와는 Al2O3의 함량이 높고 상대적으로 산성산화물의 함량이 낮아, 시기에 따른 차이가 있다. 따라서 토기와 기와는 기종에 따라 사용한 태토의 정선정도가 조금씩 다른 것으로 해석된다.

4. 고고과학적 고찰

공산성 출토 토기는 기종에 따라 기와는 시기에 따라 유사한 원료를 활용해 제작한 것으로 판단된다. 발형과 장란형 토기에는 제작과정의 타날흔이 있어, 정면할 때 적용하던 기술이 나타난다. 삼족기와 뚜껑에는 물손질흔이 있어 정면과정에서 기벽을 얇고 단단하게 조정하였다. 반면 웅진기 기와에는 마무리 단계의 태선문이 확인되며, 사비기 기와는 목리조정흔과 포목흔이 뚜렷하여 제작기술에 다소 차이를 보였다.
연구대상 토기와 기와 태토의 화학조성을 면밀히 검토하면 풍화경향과 정도에 큰 차이는 없지만, 현미경에서 관찰되는 광물의 크기와 분급은 시기와 기종에 따라 조금씩 다른 것으로 나타났다. 따라서 토기와 기와 모두 제작 당시에 거의 유사한 토양을 원료로 선정해 간단한 정선을 거쳐 가소성이 좋은 태토를 구성한 것으로 유추할 수 있다.

4.1. 태토의 유사성 검토

고대 세라믹유물에서 화학조성과 광물학적 특성을 근거로 태토의 산지를 해석하는 연구는 이미 잘 알려져 있다(Kim et al., 2009; Lee et al., 2016; 2018; Maritan et al., 2005; Tanasi et al., 2017). 따라서 이 연구에서도 공산성 출토 토기와 기와를 시기 및 기종으로 구분하고 미세조직과 광물학적 특징 및 화학조성을 분석하여 재료학적 유사성을 고찰하였다.
연구대상 발형과 장란형 토기는 적색도를 띠는 연질이며, 삼족기와 뚜껑은 회색조를 보이는 경질에 해당하여 서로 다른 산출상태와 기재적 특징을 갖는다. 또한 발형과 장란형 토기의 광물조성은 석영과 알칼리장석 및 운모 등으로 구성되고 높은 중량감소율을 가지는 반면, 삼족기와 뚜껑은 운모가 동정되지 않고 뮬라이트가 검출되며 낮은 중량감소를 보였다. 이는 발형과 장란형 토기가 삼족기 및 뚜껑과 서로 다른 제작과정과 소성환경에서 만들어 졌음을 지시하는 것이다.
이와 같은 특징은 화학조성에서도 유사하게 나타나는데, 토기의 주성분원소 중에 SiO2와 Al2O3의 차이는 일정한 거동을 보이는 반면, MnO와 K2O는 기종과 무관하게 부화와 결핍이 다소 확인되었다. Fe2O3는 연질토기에서 좁은 편차를 갖지만 삼족기와 뚜껑에서 다소 큰 편차가 있으며, 장란형 토기는 CaO가 부화되어 있다. 이러한 미세한 차이는 태토의 정선정도에서 기인한 것으로 보이며, 전체적으로 볼 때 유사한 경향성으로 확인된다.
기와의 주성분원소 함량을 살펴보면, 웅진기와 사비기 기와는 전반적으로 거동특성이 매우 유사하고 SiO2와 CaO 및 TiO2에서 거의 비슷한 경향성을 보인다. 그러나 웅진기 기와에서 Al2O3가 결핍되고, Fe2O3와 MnO 및 CaO가 다소 부화되기도 한다. 이는 특히 태토가 비교적 거칠고 석립의 함량이 높은 결과로 해석된다.
한편 토기의 미량원소 중에 Ba과 Co 및 Cr은 다소 넓은 결핍과 부화를 보이며 Cu와 Sr 및 Zr은 동일하게 결핍되는 양상을 나타냈다. 이는 시기와 무관하게 일정한 화학조성을 갖는 것으로 해석되며, 이와 같은 원소간의 특징은 거동특성에서도 확인된다. 삼족기와 뚜껑을 구성하는 Sr과 Zr의 결핍은 태토의 주성분 원소 차이에 따른 영향으로 해석된다.
기와의 미량원소는 사비기의 GS-SR1을 제외하면 차이가 없는 것으로 보이며 상대적으로 Co와 Rb에서 약간의 편차가 있다. 또한 사비기보다 웅진기 기와에서 Co와 Zr 함량이 높은 특징이 있다. 따라서 웅진기와 사비기 기와는 Fe2O3와 Al2O3 함량에서 약간의 차이가 나타나며, 토기는 Al2O3와 Ba 및 Rb의 함량으로 발형, 장란형, 삼족기 및 뚜껑의 구분이 가능하다.

4.2. 소성온도 해석

최근까지 토기와 기와 등 고대 세라믹 유물에 대한 소성온도 해석은 충분하게 검토되어 왔다(Kim et al., 2009; 2017; Lee et al., 2016; 2018). 이를 바탕으로 광물조성과 열중량 및 시차열분석 결과로 볼 때 웅진기 토기보다 사비기 삼족기와 뚜껑의 태토에서 정선도가 높았으며, 뮬라이트가 검출된 삼족기와 뚜껑은 1,000℃ 내외에서 소성된 것으로 판단하였다. 발형과 장란형 토기는 운모가 검출되어 850℃ 정도의 상대적으로 낮은 소성온도를 경험한 것으로 해석하였다.
기와는 시기에 따른 특성이 명확하게 구분되는데, 웅진기보다 사비기 기와가 다소 높은 정선과정을 거치며 태토의 석립 함량을 낮춘 것으로 보인다. 따라서 암갈색의 웅진기 기와는 950℃ 정도의 온도에서 제작한 것으로 추정되고, 사비기 기와는 1,000℃ 이상의 고온에서 소성해 강도를 높였던 것으로 해석할 수 있다.
한편 공주 일대에서 백제시대 토기에 대한 소성온도를 검토한 연구는 거의 없으나, 한성백제의 토기는 인근의 점질토를 태토로 사용하였으며 소성온도는 850∼1,000℃ 내외를 경험한 것으로 제시한 바 있다(Lee et al., 2022). 또한 공주 단지리 출토 와관묘를 구성하는 기와의 태토는 주변 토양을 이용한 것으로 나타났으며, 연질기와는 700∼900℃에서 경질기와는 950∼1,050℃에서 소성한 것으로 보고된 바 있어(Jang et al., 2008), 이 연구를 통해 밝혀진 공산성 출토 백제 기와와 상당한 유사성을 보였다.

5. 결 언

이 연구에서는 공산성 출토 토기와 기와를 기종과 시기로 구분하여 재료학적 특성과 소성환경을 분석하고 이를 근거로 유사성과 차이점을 검토하였다. 토기는 발형, 장란형, 삼족기 및 뚜껑으로 나뉘며 발형과 장란형 토기는 웅진기의 것이고 삼족기와 뚜껑은 웅진기와 사비기가 모두 포함되어 있다. 기와도 웅진기와 사비기로 나누어 기종과 시기에 따른 다양성을 해석하였다.
웅진기 발형과 장란형 토기는 적갈색을 띠는 연질에 해당하며 태토의 정선상태는 상대적으로 불량하다. 이들의 태토에서는 석영과 장석 및 운모가 주요광물로 동정되며 중량감소율이 다소 높은 특징이 있다. 삼족기와 뚜껑은 회색조의 경질로 정선이 양호한 태토를 사용하였고, 운모는 동정되지 않으며 뮬라이트가 검출된다.
산출상태와 기재적 특징으로 볼 때 웅진기 기와는 비교적 연질에 속하며 사비기 기와는 경질에 해당한다. 웅진기 기와의 태토는 정선상태가 상대적으로 불량하지만, 사비기 기와는 매우 우수하게 정선된 태토를 사용하였으며 뮬라이트도 검출되었다. 따라서 각 토기와 기와는 기종과 시기에 따라 조금씩 다른 태토구성과 소성환경을 경험한 것으로 보인다.
연구대상 토기와 기와의 태토는 비교적 유사한 광물조성과 미세조직을 보이며, 모두 100℃ 이하에서 흡열피크가 나타나고, 점토광물의 소성에 따라 840∼940℃에서 운모의 분해에 따른 발열피크가 나타난다. 소성온도 검토 결과, 연질토기는 850∼900℃에서 경질토기는 1,000∼1,050℃에서 제작된 것으로 해석되며, 웅진기와 사비기의 기와는 950℃ 및 1,050℃ 내외를 지시하였다.
따라서 공산성 출토 토기와 기와는 기종 및 시기에 따라 사용한 태토의 유사도가 높은 것으로 확인되었으며, 소성온도도 이를 반영하는 것으로 판단된다. 제작기법도 시기에 따라 동일한 기종은 유사했던 것으로 보이며, 기와의 태토도 웅진기와 사비기의 화학적 조성이 거의 비슷하였다. 특히 웅진기는 산화환경에서 적황색 내지 적갈색의 연질토기와 기와를 사비기는 환원환경에서 회백색 내지 암회색을 띠는 경질토기와 기와를 제작했던 것으로 해석할 수 있다.

Figure 1.
Photographs showing the Gongsanseong Fortress and excavated archaeological sites. (A) General view of Gongsanseong Fortress. (B) Pottery within the soil layer in Wongjin Baekje site (Lee et al., 2023). (C, D) Archaeological sites of presumptive royal palace around the Ssangsujeong pavilion (Lee et al., 2023).
JCS-2024-40-4-20f1.jpg
Figure 2.
Representative photographs showing the analytical potteries and roof tiles from the study sites. Sample numbers are the same as those of Table 1.
JCS-2024-40-4-20f2.jpg
Figure 3.
Diagrams showing the chromaticity and color differences for potteries and roof tiles from the study sites. Sample numbers are the same as those of Table 2.
JCS-2024-40-4-20f3.jpg
Figure 4.
Representative photographs showing the polarizing microscopic images of potteries and roof tiles from the study sites. Sample numbers are the same as those of Table 1.
JCS-2024-40-4-20f4.jpg
Figure 5.
Representative patterns of X-ray diffraction analysis for potteries and roof tiles from the study sites. Sample numbers are the same as those of Table 1. (A, B) Samples of potteries and roof tiles. M; mica, Q; quartz, Af; alkali-feldspar, Pl; plagioclase, Mu; mullite.
JCS-2024-40-4-20f5.jpg
Figure 6.
Representative DTA-TG diagrams of potteries and roof tiles from the study sites. Sample numbers are the same as those of Table 1.
JCS-2024-40-4-20f6.jpg
Figure 7.
Photographs of X-ray transmission images for potteries and roof tile from the study sites. Sample numbers are the same as those of Table 1.
JCS-2024-40-4-20f7.jpg
Figure 8.
Micrograph images by SEM and analytical area for SEM-EDS of potteries and roof tiles from the study sites. Point numbers are the same as those of Table 3.
JCS-2024-40-4-20f8.jpg
Figure 9.
Normalized patterns showing the major, some minor, rare earth, compatible and compatible elements of potteries and roof tiles from the study sites. Sample numbers are the same as those of Table 4.
JCS-2024-40-4-20f9.jpg
Figure 10.
Correlation diagrams between acidic oxides (A) and basic oxides (B) of potteries and roof tiles from the study sites. Sample numbers are the same as those of Table 5.
JCS-2024-40-4-20f10.jpg
Table 1.
Descriptions of analytical potteries and roof tiles from the study sites
Sample No. Excavation Site Classification Size (cm)
Relative Age
Width Length Thickness
GS-WB1 8th main ground site bowl shaped pottery 3.8 3.7 0.4 Woongjin
GS-WB2 4th building site No. 6 bowl shaped pottery 4.0 5.4 0.4 Woongjin
GS-WJ1 9-2th buried site of stage 2 ground long-oval shaped pottery 6.7 5.8 0.3 Woongjin
GS-WJ2 9-2th buried site of stage 2 ground long-oval shaped pottery 5.7 4.7 0.3 Woongjin
GS-WS1 4th No. 2 pit groups tripods shaped pottery 3.0 2.5 0.5 Woongjin
GS-WT1 8th northeast land in stage 3 lid shaped pottery 3.0 4.7 0.5 Woongjin
GS-SS1 4th No. 1 pit around the building site tripods shaped pottery 3.4 4.1 0.6 Sabi
GS-ST1 9-1th No. 4⋅5 in front of the building site lid shaped pottery 3.9 4.1 0.7 Sabi
GS-WR1 primary sedimentary layer of the pond site roof tile 4.3 4.8 1.2 Woongjin
GS-WR2 primary sedimentary layer of the pond site roof tile 5.6 7.0 2.2 Woongjin
GS-SR1 upper Baekje layer of water storage facilities roof tile 4.5 5.4 1.4 Sabi
GS-SR2 upper Baekje layer of water storage facilities roof tile 4.6 5.4 2.1 Sabi
Table 2.
Chromaticity for potteries and roof tiles from the study sites. Sample numbers are the same as those of Table 1 and Figure 3
Samples No. Surface
Inside
ΔE*
L* a* b* L* a* b* Surface Inside
Pottery GS-WB1 60.833 15.130 22.920 60.537 15.053 21.313 23.150 25.035
GS-WB2 49.453 2.977 6.150 46.253 2.723 6.467 2.205 1.623
GS-WJ1 57.363 2.387 9.360 48.653 1.063 3.590 9.320 5.188
GS-WJ2 48.397 3.860 14.190 47.347 4.110 13.690 6.341 7.896
GS-WS1 41.257 -0.280 3.137 39.350 -0.270 1.427 8.973 7.858
GS-WT1 42.763 -0.283 3.090 36.310 -0.713 -0.003 7.902 11.056
GS-SS1 39.487 -0.733 2.233 36.917 -0.560 1.693 10.983 9.624
GS-ST1 45.763 -0.280 2.400 41.687 0.573 3.033 6.796 4.974
Roof Tile GS-WR1 46.247 1.937 11.743 45.893 2.590 14.737 8.415 4.535
GS-WR2 47.127 3.730 13.117 42.330 2.053 10.253 8.278 4.138
GS-SR1 50.917 0.440 6.220 35.573 0.110 3.827 5.148 12.770
GS-SR2 73.403 0.737 7.993 62.007 1.990 12.493 19.088 15.709
Table 3.
Chemical compositions (wt.%) by SEM-EDS analysis of potteries and roof tiles from the study sites. Point numbers are the same as those of Figure 8
Samples No. Point SiO2 Al2O3 FeO MnO CaO MgO Na2O K2O TiO2 C
Pottery GS-WB1 1 38.55 15.36 30.83 8.22 0.00 0.00 0.00 2.82 3.40 4.22
GS-WB2 2 29.58 22.53 35.88 0.00 1.00 6.79 0.00 0.46 3.01 3.76
GS-WS1 5 64.89 13.23 5.95 0.00 0.00 0.64 0.00 0.94 0.00 14.35
GS-WT1 6-01 50.24 32.40 4.86 0.00 0.93 0.86 1.10 4.52 0.00 5.09
GS-WT1 6-02 48.48 33.62 7.62 0.00 0.00 0.00 0.00 3.94 3.66 6.34
GS-SS1 7 20.33 6.67 3.23 0.00 39.72 3.10 0.00 1.51 2.02 25.44
GS-ST1 8 38.70 23.16 28.38 0.00 0.00 0.00 0.00 3.39 0.00 6.37
Roof Tile GS-WR2 10 55.83 13.71 25.82 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 4.64
GS-SR1 11 66.96 18.99 5.08 0.00 0.00 0.00 0.00 1.36 0.00 7.61
Table 4.
Representative chemical compositions of major (wt.%), some minor and rare earth (ppm) elements for potteries and roof tiles from the study sites. Sample numbers are the same as those of Table 1
No. Pottery
Roof Tile
GS-WB1 GS-WB2 GS-WJ1 GS-WJ2 GS-WS1 GS-WT1 GS-SS1 GS-ST1 GS-WR1 GS-WR2 GS-SR1 GS-SR2
SiO2 69.21 56.15 66.60 69.28 65.86 66.88 67.41 66.21 67.72 59.95 61.00 66.71
Al2O3 17.46 20.04 18.10 17.05 22.03 20.40 20.74 22.30 17.40 18.36 21.40 23.03
Fe2O3 4.93 4.84 4.38 4.69 4.73 5.98 5.43 4.97 6.41 6.85 4.20 3.32
MnO 0.03 0.05 0.04 0.04 0.03 0.02 0.02 0.03 0.13 0.05 0.02 0.02
MgO 1.00 0.83 0.92 1.04 1.11 1.21 0.83 1.08 1.96 1.66 0.99 0.88
CaO 0.58 0.74 0.55 0.53 0.36 0.52 0.38 0.57 0.69 0.64 0.53 0.38
Na2O 1.04 0.71 0.80 0.71 0.75 0.89 0.69 0.87 1.02 0.66 0.95 0.63
K2O 3.06 2.43 3.82 3.93 3.04 2.48 2.53 2.68 2.98 2.68 2.72 2.74
TiO2 0.97 0.83 0.81 0.80 0.90 0.92 0.95 1.07 0.96 0.92 1.00 1.09
P2O5 0.33 3.89 1.26 0.44 0.06 0.13 0.12 0.10 0.11 0.50 1.67 0.17
LOI 2.31 10.06 3.48 1.99 0.83 1.22 1.44 0.48 0.88 8.60 6.48 1.70
Total 100.90 100.60 100.80 100.50 99.69 100.70 100.50 100.40 99.38 92.27 94.48 98.97
Ba 1,010 1,720 1,310 889 782 685 704 656 721 759 1,260 708
Be 3 3 4 3 4 4 4 3 3 3 5 4
Co 11 9 12 16 6 15 15 9 20 22 14 7
Cr 3 3 4 3 4 4 4 3 3 3 5 4
Cu 16 27 13 18 25 30 11 23 27 33 34 20
Hf 11 9 12 16 6 15 15 9 20 22 14 7
Pb 28 37 32 32 34 29 27 28 29 30 31 30
Rb 110 104 92 87 137 120 80 124 114 128 178 101
Sc 16 27 13 18 25 30 11 23 27 33 34 20
Sr 7.6 7.1 5.7 6.1 6.9 6.3 5.9 6.9 7.9 5.9 4.9 6.8
Ta 28 35 26 27 44 41 27 28 40 43 65 32
Th 28 37 32 32 34 29 27 28 29 30 31 30
V 29 35 26 26 27 27 31 30 111 127 106 112
Y 210 180 230 270 260 210 210 220 220 200 180 220
Zn 80 82 89 100 90 81 72 60 95 94 116 66
Zr 15.3 16.8 13.4 13.2 16.7 17.4 16.8 18.9 17.0 18.7 18.2 17.0
La 161 242 172 142 101 106 100 110 120 119 147 99
Ce <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1
Nd 21.5 19.7 20.9 19.4 23.8 22.6 22.2 20.9 24.1 19.9 20.4 19.1
Sm 87 98 78 81 104 114 112 123 111 127 106 112
Eu 29 35 26 26 27 31 27 30 33 27 37 42
Tb 80 82 89 100 90 81 72 60 95 94 116 66
Yb 281 91 171 183 239 226 210 241 271 226 106 227
Lu 58.5 60.5 60.5 59.5 61.0 57.3 59.4 48.8 56.9 43.0 65.2 77.5

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