기와 및 전돌

기와 및 전돌에 대한 조사 연구를 위한 분석방법에는 물리적 특성 분석, 화학적 특성 분석, 소성온도 추정 분석이 있다.

• 첫째, 정성ㆍ정량 분석으로 기와 및 전돌의 구성 화합물과 성분함량을 측정함으로써 재료의 화학적 특성을 파악하는 법이 있다.
• 둘째, 소성온도 추정 분석은 X선 회절분석으로 고온에서 생성된 물질을 확인하는 방법과 시차열분석을 통해 소성온도를 추정하는 방법이 있다. 또한, 미세입자를 편광현미경으로 관찰하여 고온 소성여부를 판단하는 방법도 있다.
• 셋째, 물리적 특성 분석으로 흡수율, 부피비중, 내동해성 및 입도를 분석하는 방법으로 비중과 흡수율, 내동해성은 KS규격에 따른 측정기준이 있다.

화학적 특성 분석

XRF 분석법

형광 X선 분광 장치(XRF)에는 많은 기종이 있지만 크게 파장 분산형(Wave Distribution type : WD)과 에너지 분산형(Energy Distribution type : ED)으로 나누어진다. 형광 X선 분석의 특징은 무엇보다도 시료의 채취 없이 비파괴적으로 유물의 직접적인 정성 및 반정량 분석이 가능하다는 것이다. 또한 분석의 정도가 비교적 높고 분석시간이 짧은 특징이 있다.

XRF 분석 결과

XRF 분석 결과 - 구분, 성분(Si, Al, Fe, Ca), 비고

구분		성분(%)				비고
		Si	Al	Fe	Ca
수제식기와	옛기와	66.6~72.9	16.2~19.1	4.56~6.93	0.29~0.8
	전통수제 기와	64.4~65.7	23.4~24.4	3.51~3.58	1.7~2.74	칼슘(Ca) 함량은 기와 회사보다 2~7배 높음
	한식기와 (고령기와)	62.0	19.6	5.02	1.11	전통수제기와 보다 철 (Fe) 함량이 1.5배 높음
	한식기와 (노당기와)	66.4	15.9	4.88	0.541
	한식기와 (대동요업)	66.8	15.7	6.45	0.332
기계식전돌	중국 전돌	66.4~67.4	12.7~13.1	4.47~4.61	7.64~7.70	칼슘(Ca) 함량은 전통 수제기와 보다 약 3배 높음

미량원소 분석법

미량 원소 분석 방법에는 중량법, 발색법, 원자흡광도법, X선 형광법 등이 있으며 유도결합 플라즈마 원자발광분석법((ICP-AES)은 원자흡광도법 중 하나로 태토의 미량성분을 분석하는데 많이 사용되는 방법이다.

ICP-AES분석 결과

ICP-AES분석 결과 - 국가유산명, 구분, 성분(Al, Fe, K, Ca, Mg, Mn, Na, P, Ti)

국가유산명	구분	성분(ppm)
		Al	Fe	K	Ca	Mg	Mn	Na	P	Ti
덕수궁 즉조당	수제식기와	99810	51840	24730	4560	10260	737.9	6474	706.9	6049
서울 정릉 정자각		102400	51190	26020	4560	9698	783.9	5573	621.7	5708
개목사 원통전		103100	35820	16560	12400	6127	517	13370	250.4	6139
부여 능산리	수제식기와	114400	46000	27370	2883	9003	315	9819	470.3	6535
수원화성 팔달문  1975년 이전	기계식기와	92100	39890	25910	2924	7702	495.7	4571	559.5	6115
서울 통의동 전돌	수제식전돌	108600	67390	21270	1298	11640	1245	2232	968.9	7091
남한산성 전돌		93850	59130	23130	2270	11010	1209	3929	432.2	6516
수원화성 전돌	기계식전돌	94540	50200	29390	4762	9315	735.9	8040	457.9	4939
		95660	53810	27610	3224	8746	727	6305	478.8	5262
九龙园林		80020	45010	21880	51410	12390	695.8	13670	748.6	4906
古建瓦業		77000	43100	21350	51110	9851	552.7	10670	810	4767

소성온도 추정 분석

기와 및 전돌의 소성온도는 제작기법을 알수 있는 중요한 분석 데이터이다. 소성온도 분석에는 X-선 회절 분석법(XRD)과 시차열분석법(TG-DTA)이 사용되고 있다.

X-선 회절 분석법

X-선 회절 분석(XRD)은 고체의 결정구조와 격자(Lattices)에 따라 회절이 다른 특성을 이용한 기기로, 결정성물질 고유의 회절패턴을 이용하여 모든 종류의 결정성 물질에 대한 정성·정량분석이 가능하다. 따라서 XRD분석을 통하여 점토광물을 찾아내고 구성광물의 상전이를 파악하여 기와, 전돌의 소성온도를 추정할 수 있다.

시차열분석법

시차열분석(TG-DTA)은 표준물질과 시료를 조절된 속도로 가열 또는 냉각시킬 때 시료와 표준물질간의 온도 차이를 측정하여 기록하는 분석법이다. 분석에서 나타나는 흡열과 발열반응을 통해 광물 내 흡착수, 층간수 및 결정수의 방출, 광물 구조의 붕괴, 용융, 증발, 기화, 자성물질의 상전이뿐만 아니라 산화와 재결정화 작용 등을 유추할 수 있다.

광물 용어해설

광물 용어해설

Albite	앨바이트. 페그마타이트 및 화강암 같은 산성 화성암에서 가장 흔히 산출되는 나트륨 알루미늄규산염(NaAlSi₃O₈)으로 구성된 흔한 장석광물.
Cristobalite	크로스토발라이트. 1,728℃와 1,470℃의 용융점 사이에서 안정한 실리카(이산화규소, [SiO₂])형. 그 온도 이하에서는 트리다이마이트가 안정한 형이 됨.
Hercynite	헤르시나이트. 첨정석 계열의 하나인 산화알루미늄철 광물.
Illite	일라이트. 해양성 셰일 및 이와 관련된 퇴적물에 널리 분포하는 운모형 점토광물.
Microcline	미사장석. 화성암에서 산출되며 칼륨규산알루미늄(KAlSi₃O₈) 광물의 일종인 흔한 장석광물.
Mullite	뮬라이트. 천연에서 드물게 발견되는 알루미늄 규산염광물(3Al₂O₃·2SiO₂). 알루미늄 규산염으로된 원재료를 구울 때 생성되며 요업 제품, 도자기, 고온 절연체, 내화물의 가장 중요한 구성 성분.
Muscovite	백운모. 보통운모(common mica), 칼륨운모(potash mica), 아이징글라스(isinglass)라고도 함. 칼륨과 알루미늄을 함유하는 풍부한 규산염광물로 운모군(雲母群)의 일종.
Olivine	감람석. 마그네슘-철 규산염광물의 한 종류. 화학성분은 (Mg,Fe)2SiO₄. 대부분의 감람석은 1,500℃ 이상의 온도에서도 잘 녹지 않으므로 내화(耐火) 벽돌을 만들 때 종종 쓰임.
Orthoclase	정장석. 칼륨규산알루미늄(KalSi₃O₈)으로 구성되는 흔한 알칼리장석. 유리와 요업제품의 제조에 사용되며, 투명한 결정은 종종 보석으로 연마.
Quartz	석영. 주로 실리카 또는 이산화규소(SiO₂)로 구성되며 많은 변종이 광범위하게 분포하는 광물. 867℃ 이상의 온도에서 β-석영 트리다이마이트로 바뀌지만, 결합방식의 변화로 훨씬 엉성한 구조가 형성되므로 천이(遷移)는 매우 느리게 일어남.
Tridymite	트리디마이트. 실리카 광물로 870~1470℃에서 안정한 실리카형(이산화규소, SiO₂). 이보다 낮은 온도에서는 고운 석영으로, 이보다 높은 온도에서는 크리스토발라이트로 천이.

물리적 특성 분석

흡수율

기와 및 전돌은 표면과 내부에 작은 공극들이 존재한다.
이들 공극은 기와원료의 특성 및 소성특성을 부분적으로 나타내며, 이러한 특성은 제작환경과 제작특성을 간접적으로 반영한다.
흡수율은 기와의 절건 질량과 표건 질량을 구하여 다음 식에 따라 산출하였다.

• Q : 흡수율(%)
• m1 : 시험체의 표건 질량(g) : 20±5℃의 맑은 물속에서 24시간 흡수시킨 다음 물에서 꺼낸 기와를 흡수성이 좋은 천으로 표면의 물방울을 닦아 낸 후 즉시 측정했을 때의 질량
• m2 : 시험체의 절건 질량(g) : 105±5℃의 건조기 내에서 24시간 건조한 후 꺼내어 상온까지 냉각했을 때의 질량

부피비중 측정

부피비중 측정은 제작 및 소성과정에서 생성된 물리적 성질의 차이를 파악하기 위해 실시하며, KS L 3114에 따른 부피비중측정 방법을 따라 측정한다. 부피비중의 측정은 건조 시료 무게(W1), 포수 시료의 물 속 질량(수중무게 W2), 포수 시료의 질량(W3)을 측정하여 부피비중을 산정한다.

• 건조 시료 무게(W1) 측정 : 건조기에서 110±5℃로 24시간 유지 후 건조 무게
• 포수 시료의 물 속 질량(수중무게 W2) : 시료를 지름 1mm 이하의 철사로 물속에 매단 채로 질량을 달아, 철사의 질량을 뺀 값을 포수 시료의 물 속 질량
• 포수 시료의 질량(W3) : 포수 시료를 물속에서 꺼내어 젖은 수건으로 표면을 닦고, 질량

냉동해성

내동행성 실험은 KS F 3510에 근거로 하여 실시하며, 시험체를 20±5℃의 맑은 물 속에 24시간 담근 후 꺼내어 –20±3℃의 냉동조에 넣어둔다.
8시간 이상 경과된 다음 이것을 다시 20±5℃의 맑은 물 속에 6시간 이상 담근 후 꺼내어 젖은 헝겊으로 물기를 제거하고 시험체의 균열, 유약의 들뜸 유무 등 동결 융해의 관찰 작업을 1회로 하여 10회 되풀이하면서 동결 융해에 의한 균열, 박리 등의 결점 발생의 유무를 조사한다.

고고학 및 건축분야에서의 기와 조사

고고학 및 건축분야에서의 기와 조사항목으로는 막새의 문양 조사를 통해 기와의 형식분류 및 편년을 추정할 수 있다.
또한 막새 접합기법, 와도흔, 타날문양, 포목흔 조사 등을 통해 기와의 제작기법 및 기와제작도구를 추정할 수 있다.
기와종류, 기와규격(제원), 기와출토위치의 종합적 분석을 통해 건물복원연구 시 건물지붕의 종류, 건물의 규모, 기와시공위치를 추정해 볼 수 있다.

고고학 및 건축분야에서의 기와 조사 항목

조사항목, 조사를 통한 추정내용

조사항목	조사를 통한 추정내용
막새문양	기와 형식분류 및 편년
막새 접합기법, 와도흔, 타날문양, 포목흔	기와 제작기법, 기와제작도구
기와종류, 기와규격(제원), 기와출토위치	건물지붕종류, 건물규모, 기와시공위치

조사항목의 세부 내용은 다음의 내용들이 있다.

기와 조사 항목 세부

조사항목, 세부내용

조사항목	세부내용
막새문양	화문(연화문, 보상화문, 인동문, 모란문, 기타화문), 초문, 동물문, 인물문, 기타
타날문양	문양 종류, 타날판 길이, 폭, 각도 등
와도흔	와도 방향, 와도 폭 등
기와규격(제원)	수막새	드림새지름, 화판지름, 자방지름, 자방높이, 주연너비, 주연높이, 구상권너비, 두께, 접합면, 미구길이, 미구높이, 수키와두께 수키와 너비, 수키와길이, 못구멍 등
	암막새	드림새너비, 문양면너비, 상단주연너비, 하단주연너비, 주연높이, 문양면두께, 문양면길이, 암키와두께, 암키와길이, 드림새턱면너비
	귀면와	길이, 상단너비, 하단너비, 좌측주연길이, 좌측주연높이, 우측주연길이, 우측주연높이, 두께, 상단주연높이, 좌측주연너비, 우측주연너비, 마루기와부너비, 마루기와부높이, 수막새설치흔적너비, 수막새설치흔적길이, 못구멍지름, 고리길이, 고리높이, 고리두께, 오목고리길이, 오목고리너비, 오목고리너비, 고리두께

철물

철물의 조사 분석방법은 육안조사와 같이 형태적 조사를 하는 거시적 조사뿐만 아니라 금속현미경을 이용한 미세조직관찰, X-ray촬영, X선형광분석(XRF, X-ray Fluorescence Spectroscope), X선회절분석(XRD, X-ray Diffraction Analysis), 주사전자현미경분석(SEM, Scanning Electron Microprobe Analysis)등이 주로 사용된다. 제작기법을 연구하기 위하여 주로 사용되는 방법은 금속현미경을 이용한 미세조직관찰이다. 미세조직을 관찰하기 위해서는 시료를 에폭시수지로 마운팅한 다음 #200 ~ #2000까지 순차적으로 연마를 한 뒤 3㎛와 1㎛(DP-Spray, Struers)로 미세연마를 실시한다. 숭례문 화재 피해 현장에서 수습된 전통철물의 원소재는 대부분 결정립이 밝게 보이고 탄소함량이 아주 낮은 페라이트(ferrite) 조직의 순철이다. 즉, 순철 소재를 이용하여 각각 철물의 용도에 맞게 형태를 성형 가공한 다음 강도가 요구되는 부분에 탄소함유량을 침투시키고 열처리하여 제작하였다. 아래의 미세조직을 보면 대부분 결정립(結晶粒)의 크기가 서로 다른 것을 을 볼 수 있으며, 결정립계를 따라 띠 모양의 슬래그가 길이 방향으로 늘어져 있다. 또한 원소재를 여러번 접어서 제작하였기 때문에 단접선들이 관찰된다.

철물의 조사항목

조사항목, 미세조직, 고찰의 정보

조사항목	미세조직	고찰
장정	머리 부분(×200) 끝 부분(×200)	펄라이트가 주를 이루며 있으며 일부 퍼라이트조직이 관찰됨
원두정	머리 부분(×200) 끝 부분(×200)	페라이트가 주를 이루고 있으며, 일부 펄라이트조직 이 관찰됨
곡정	머리 부분(×200) 끝 부분(×200)	곡정은 흰색의 페라이트와 검은색의 펄라이트조직이 나타남, 바깥끝 부분은 침탄(탄소량 조절)한 것으로 보인다
무두정(大)	머리 부분(×200) 끝 부분(×200)	중탄소강으로 페라이트와 펄라이트가 혼재함

숭례문 곡정의 경우 중간 부위는 페라이트 조직의 순철이고, 머리와 끝 부분은 탄소를 침투시켜 강도를 증가시켰다. 특히 결정립 크기의 차이는 성형과정에서 관정의 머리를 제작하기 위하여 많은 가공을 하였기 때문에 생긴 것이다.
이외에도 보존처리 및 제작기법 연구 등에 연구 목적에 맞추어 다양한 연구장비가 활용중이며, 이들 분석장비를 통해 원형복원에 이바지하고 있다.