ref:인청동에 대하여
Phosphor Bronze
Henley's Twentieth Century Formulas, Recipes And Processes
encyclopedia, by Norman W. Henley, 1914
번역 : 언트렌드 이니셔티브
1.
인청동(Phosphor Bronze)이란, 청동에 인이 다양한 비율로 함유된 것을 말한다. 보통 인의 함유량은 0.01~0.02 퍼센트 내외이다.
단순히 구리(copper)와 주석(tin)을 섞어 만드는 일반 청동(bronze)은 주조 과정에서 잔여 산소나 황, 그 밖에 금속에 흡장(흡착)되는 기체(occluded gas)에 의해 쉽게 변질된다. 특히 산소는 금속을 산화시켜 무르게 만드는 요소다. 황을 비롯해 흡장된 기체는 금속을 다공질로 변화시킬 수 있으며, 이 때문에 대기 중의 산소가 금속에 침투하기 더욱 쉬워지면서 악순환이 일어난다.
금속에 산화되는 물질을 섞어주면 기체가 남지 않도록 만들 수 있다. 이를 산화방지제라고 하며, 일반적으로 아연, 안티몬, 알루미늄, 망간, 실리콘, 인 등을 사용한다. 원리는 다음과 같다. 우선, 용융된 금속을 공기 중에 노출시켜, 남아 있는 황이나 그 밖의 잔여 기체를 산화시켜 태운다. 그다음 산화방지제를 섞어, 금속에 녹아 있는 산소를 제거한다. 청동을 주조함에 있어서 인의 사용은 불순물의 제거에 매우 중요하다.
* 청동에서 인의 함량이 극단적으로 높아지는 경우도 있으며, 거의 6퍼센트까지 높아지기도 한다. 이렇게 만드는 청동은 매우 단단한 것이 특징이다.
2.
구리는 무르고 연성이 있는 금속으로, 녹는점은 섭씨 약 1,080도 정도다. 가열하여 녹은 용융 구리는 기체 용해가 매우 잘 되는 특징을 보인다. 순수한 구리만 가지고 주형을 하는 것이 어려운 이유다. 용융된 구리는 공기 중의 산소와 빠르게 반응하여 산화구리를 만들고, 산화구리는 계속해서 용융 구리와 섞이면서 전체 순도는 낮아진다.
이런 금속으로 주조를 하게 되면 실패할 확률이 높다. 산소로 인한 악영향은 우선 아연을 1퍼센트 이상 섞어주어 방지할 수 있다. 이 방법은 알루미늄이나 망간, 인 등의 산화제를 사용한 것보다 훨씬 효과가 좋을 수도 있다. 산화 물질은 용융 금속 내부에 있는 산소와 결합하는 역할을 한다. 산화 금속이 표면으로 떠올라 분리되면, 주조된 금속은 균일한 상태로 만들 수 있기 때문이다.
알루미늄과 망간으로 산화 처리한 구리나 청동은 주조 후 표면에 더깨(이물질)가 지기 때문에, 이를 따로 제거해 주어야 한다. 반면, 인으로 산화 처리하는 경우에는 산화인이 가스 형태로 날아가, 좀 더 깨끗하게 주조할 수 있다는 장점이 있다. 다만, 알루미늄이나 망간으로 산화 처리한 것에 비해 밀도는 낮게 나온다.
구리는 이산화탄소나 수소 또한 흡수하는데, 이산화탄소와 수소는 앞서 언급한 '흡장 산소'(occluded gas)와 좀 다르다. 용융 구리에 흡장(흡착)된 산소는 구리와 화학적으로 반응하여 기체로서의 성질을 잃어버리게 된다. 하지만 석탄 가스는 구리에 녹아도 자신의 이화학적 특성을 잃지 않으며, 단순히 액체에 녹은 기체로서 존재한다. 마치 탄산수를 얼리면 용해되어 있던 이산화탄소가 얼음 내부에 기포 형태로 어는 것처럼, 마찬가지로 구리 내부에 그대로 존재하기 때문에 물리적으로 제거하기 용이하다.
반면 황은 구리나 청동에 악영향을 끼치는 주요 흡장 기체다. 황이 구리에 흡착되면 황화구리를 형성한다. 용융된 구리나 청동에 이런 황화물이 녹아 있는 상태로 공기에 노출되면, 금속에 녹아든 산소가 황과 반응하여 이산화황을 형성하고, 금속에 흡장된 채로 남게 된다. 역시 금속을 다공질로 만들어 품질에 영향을 준다.
주석은 무르고 흰 금속으로, 녹는점은 섭씨 232도이다. 구리와 마찬가지로 용융된 상태에서 기체 용해가 가능하지만, 구리만큼 현격하게 반응이 일어나지는 않는다. 구리와 주석은 둘 다 무른 금속이지만, 합금하면 경도가 높아진다. 청동을 식혀 단단해지는 과정에서 구리와 구리-주석 합금은 결정화되는 경향이 있다. 빠르게 냉각할수록 분리가 적어지고, 훨씬 동질성이 높은 합금을 얻을 수 있다.
건메탈(포금, Gun bronze)은 9~10:1의 비율로 구리와 주석을 함유한 합금이다. 보통 청동 주물을 만들 때 건메탈을 사용한다. 구리와 주석 비율을 6:1까지 낮추면 경도가 높은 청동을 얻을 수 있다. 이런 합금은 보통 베어링에 사용한다. 기계 부품을 제작할 때는 여기에 3퍼센트 정도의 납을 섞어주는데, 내구성과 내마모성이 좋아지지만 인장 강도는 떨어진다. 베어링 메탈의 경우 납 함유량이 10퍼센트까지 높아지기도 한다.
납은 주석과 비슷한 특징을 보여주는 금속이지만, 구리와의 결합성은 전혀 다르다. 구리와 주석은 어떤 비율로도 잘 합금되지만, 구리와 납은 잘 섞이지 않으며 제조 가능한 합금도 매우 제한적이다. 납은 3퍼센트 비율로 구리와 합금된다. 청동의 경우 15~20퍼센트 사이의 비율로 합금된다. 하지만 10퍼센트의 비율로 납을 섞은 베어링 메탈에서, 납은 구리와 합금되지 않고 이화학적 특성을 그대로 유지한다. 때문에 베어링이 가열되면, 섞여 있던 납이 먼저 녹아 나오는 것을 볼 수 있다.
3.
인청동은 특별한 합금을 가리키는 말이 아니라 산화처리 기법이므로, 모든 구리합금을 인으로 처리할 수 있다. 인을 사용한 청동의 품질 개선 효과는 (1910년 기준으로) 알려진 지 50년이 지났지만, 완벽하게 주조할 수 있는 방법을 구하기가 까다로웠다. 현재는 많은 지역에서 인청동을 주조한다. 합금에 녹아 있는 산화물을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 청동의 다양한 특성을 개선할 수 있기 때문이다.
일반적인 청동 합금에서는 주석이 결정화되기 어려우며, 실제로는 구리만 결정화되어 혼합된다. 따라서 일반적인 청동은 두 금속이 모두 결정화된 합금만큼 완벽한 고체가 아니며, 자연히 경도도 떨어진다. 산화처리에 사용된 인은 주석을 결정화시키며, 결과적으로 두 금속은 훨씬 더 균일한 합금(homogeneous mixture)으로 결합한다.
주조된 청동 합금에서 검출될 정도로 인을 충분하게 섞어주면, 인주석 결정과 구리의 합금이 되기도 한다. 이보다 인의 함량을 현저하게 늘리면 구리의 일부가 인과 결합하기 시작하며, 청동은 구리+주석 외에 주석 인화물과 구리 인화물의 결정도 함유하게 된다. 인 함량을 늘려도 청동의 강도와 인장력은 영향을 받지 않지만, 경도는 크게 증가한다. 때문에 인청동은 순수한의 철강과 많은 면에서 비슷한 수치를 보이며, 일부 특성은 철을 능가하기도 한다.
4.
제대로 만든 인청동은 일반 청동과 거의 동일한 녹는점을 나타낸다. 하지만 냉각 과정에서 아주 기이한 특성을 보여주는데, 액체 상태에서 바로 고체로 넘어간다는 점이다. 인청동은 일반적인 용융 금속처럼 유동성이 낮은 용암 상태를 거치지 않고 그대로 고체가 된다. 또, 일반적인 청동이 용융된 상태에서 항상 얇은 산화 박막으로 덮여 있는 것과 달리, 인청동은 용융 상태에서도 산화되지 않고 깨끗한 표면을 보여준다.
인청동의 가장 큰 장점은 탁월한 인장강도다. 일반적인 청동에 비해 거의 두 배에 가까운 강도를 보인다. 덕분에 압연과 단조가 가능할 뿐 아니라, 냉연 가공도 가능하다. 때문에 높은 강도와 외부 환경에 대한 저항성을 동시에 필요로 하는 경우 주로 인청동을 사용한다. 예를 들면, 강철의 강도가 필요하지만 해수에 직접 노출되는 금속 부품의 경우, 인청동을 사용할 수 있다.
* 보통 인청동은 주석을 약 4퍼센트가량 함유한다. 주석 함유량이 7~10퍼센트 내외일 때 가장 큰 경도를 보여주며, 차축 베어링이나 증기엔진의 실린더, 톱니바퀴 등을 만들 때 사용한다.
특히 인청동은 공기에 노출되면 곧 아름다운 녹청(patina)으로 뒤덮이므로, 예술품을 만들기 좋다. 첨가되는 인의 양은 청동의 목적에 따라 0.25퍼센트에서 2.5퍼센트까지 다양하게 조정할 수 있다.
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청동의 색
edited by 언트렌드
구리는 순수한 상태로 사용하기 어렵기 때문에(항목 2번 참고) 오랫동안 합금으로 사용해 왔다. 구리 합금을 총칭하여 동(銅)이라고 하며, 합금의 색에 따라 백동, 황동, 청동, 적동 등으로 부른다. 이 중에서 청동(靑銅)만은 나머지 동의 이름과 다르게, 실제 색상과 이름이 다르다. 갓 만들어 낸 청동의 원래 색은 구릿빛이 도는 금속성 주황색이다. 때문에 영어권에서 bronze color라고 하면 구리색에 가까운 황갈색(#CD7F32)으로 표기된다. 오랫동안 사용하여 손때에 의해 반질반질해진 청동 또한 황동과 마찬가지로 탁한 황갈색으로 변화할 뿐이다.
아름다운 빛깔과 주조의 어려움 때문에, 청동은 주로 제례 의식의 기물이나 장신구를 만드는 데 사용되었다. 동은 녹는점이 낮아 비교적 일찍 다루어진 금속이지만, 고대기술로는 만들기 까다로운 편에 속한다. 구리광과 주석광이 모두 발견되어야 하는데, 이런 지역은 흔치 않기 때문이다. 그래서 청동기를 무역의 결과로 보는 견해도 있다. 초기 청동 유물은 주석이 아닌 비소 합금인 경우가 많으며, 이는 합금 기술이 아니라 비소가 섞인 구리 광물을 사용해 만든 것으로 추측한다. 아무튼 동을 사용한 기물은 철기 유물에 비해 비교적 온전한 상태로 발견된다.
청동이란 이름은 매우 특징적인 녹청(綠靑)때문이다. 녹청은 오래된 동에 끼는 고색의 동록(patina)을 이르는 말이다. 청동 유물뿐 아니라, 자유의 여신상 같은 조형물에서도 쉽게 볼 수 있다. 과거에는 초록색 염료를 동록에서 얻기도 했는데, 이를 Verdigris(green of gray)라고 했다. 베르디그리스는 동합금에 식초(아세트산)를 발라 만들기도 하는데, 물에 쉽게 씻겨 떨어지기 때문에 일반적인 동록과는 다르다. 보통 녹청은 탄산동(Cu2CO3(OH)2)이며, 바닷가에서는 염화동(Cu2(OH)3Cl) 형태로 발견된다. 그러니까 녹청은 구리 산화물이며, 엄밀하게는 청동뿐만 아니라 황동 등 다른 구리 합금에서도 공통적으로 발견된다.
이 특징적인 산화피막이 동의 특성을 만드는 중요한 요인이다. 잘게 부서져 떨어지는 철의 녹과 달리, 구리 산화물은 치밀하고 경도가 높아, 동 표면을 조밀하게 덮어서 일종의 코팅을 만들게 된다. 때문에 철은 녹이 슬면 점점 삭아서 사라지지만, 파티나가 형성된 동은 오랜 시간 방치되어도 쉽게 망가지지 않는다. 청동 유물들이 땅 속에서 비교적 온전하게 발견되는 것에 비해, 철제 유물은 찾아보기 어려운 이유이기도 하다. 코팅 기술이 발달한 현대에도 선박 스크루나 해상 구조물은 동으로 만든다.
한편, 동록이 반드시 초록색인 것은 아니다. 어떤 요소에 의해 산화되느냐에 따라 동록의 색은 달라질 수 있다. 동합금이 염소(Cl)에 의해 염화되면 밝고 선명한 특유의 초록색이 되지만, 황에 의해 산화되면 어두운 갈색으로, 황화암모늄에 노출되면 어두운 감색으로 변한다. 질산에 노출되면 푸른빛으로 변화하며, 질산철이 붙어서 노란빛을 띠는 경우도 있다.
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인청동의 물리적 특성
인청동(phosphorus bronze)은 C5212로, KS D5102, ASTM C52100에 대응하는 금속이다. 주석 함량 8%로, 현행 ASTM C90700 Tin-Bronze(주석 10~12%)나 현행 JIS CAC502 인청동(주석 9~12%)에 비해서 주석 함량이 낮아 정확하게 대응하지는 않는다.
인(P)의 함량은 0.05~0.5% 수준이지만 일반 청동에 비해 내마모성, 탄성, 경도, 강도가 모두 좋아지며, 특히 냉간 가공과정을 거치면 탄성이 비약적으로 좋아져 스테인리스를 능가하기도 한다. 인청동은 자성이 없고, 내식성이 좋으며, 내피로성(fatigue resistance)과 전연성이 좋다.
www.economist.com Buried metal artefacts gather stories on their surfaces
The Economist, Jul 6th 2019
번역 : 언트렌드 이니셔티브
유적지에서 발굴된 동전이나 금속 유물에서는 녹청(patina)을 쉽게 볼 수 있다. 이 파티나는 발견된 환경에 따라 조금씩 다른데, 특히 물속에 잠겨 있던 유물의 경우 특징적인 파티나를 보여준다. 물에는 금속과 반응하는 물질이 다양하게 녹아 있기 때문이다. 로마 나노구조재료연구소(Institute for the Study of Nanostructured Materials)의 가브리엘 잉고(Gabriel Ingo) 박사가 이번 ACS Omega지에 게재한 글에는, 파티나에 대한 조금 더 심도 깊은 관찰이 담겨 있다.
고대인들은 7가지 금속을 알고 있었다. 금, 은, 구리, 주석, 납, 철, 수은이다. 이 중에서 금은 화학적 불활성이 특징으로, 녹청을 형성하지 않는다. 또, 수은은 그 물성 탓에 파티나를 만드는 데 부적합하다. 그 외 나머지 금속은 종종 파티나를 형성한 채로 - 일반적으로 금속 산화물이나 질산염, 탄산염 및 황화물로 코팅된 채 - 출토된다. 화학자인 잉고 박사는, 이 녹청 화합물을 연구하면 유물에 대한 정보를 더 얻을 수 있을지도 모른다고 생각했다.
우선 그의 팀은 구리와 주석의 합금인 청동으로 만든 유물을 집중적으로 연구했다. 유물에서 떼어낸 파티나 조각을 에폭시 레진에 넣어 굳힌 뒤, 다이아몬드 톱을 사용해 블록을 얇게 잘라냈다. 이런 방법으로 파티나의 물리적 구조를 보존한 채 관찰할 수 있게 된 것이다. 이 조각을 연마한 뒤, 주사 전자 현미경으로 관찰했다. 물론, 녹청 샘플에 일련의 화학적 테스트를 하는 것도 잊지 않았다.
한 동전에 있던 푸른 하늘색의 파티나는 우리의 관심을 끌었다. 이 동전은 로마에서 발견된 것인데, 테베레(Tiber) 강의 클로아카 막시마 인근에서 파낸 것이었다. 클로아카 막시마(Cloaca Maxima)는 로마 중심가에 있던 빗물 배수로로, 고대 도시의 주요 하수구였으며, 당시에는 많은 양의 폐기물이 이 배수로를 통해 강으로 흘러 들어갔었다.
분석에 따르면, 녹청의 파란색은 실제로는 터키옥(Turquoise)이 동전 표면에 증착되어 형성된 것이다. 보석 중 하나인 터키옥은, 인과 알루미늄, 황화구리가 약산성 물에 의해 반응하여 암석 표면에 형성된다. 점토의 주요 성분 중 하나인 알루미늄은 흔하지만, 자연 상태에서 인은 드물다. 따라서 잉고 박사는 동전 표면에 있던 구리 황화물과, 하수구에 있던 동물의 뼈에서 방출된 인이 만나 녹청을 형성했을 것으로 추측했다.
이런 흥미로운 이야기는 춤추는 조각상을 뒤덮고 있는 짙은 갈색의 녹청에서도 발견된다. 사진의 사티(satyr) 조각상은 1998년, 시칠리아와 아프리카 연안 중간쯤의 바닷속에서 어부들이 건져낸 유물이다. 사티 상은 얇은 바나듐 산화물로 뒤덮여 있었지만, 조각상 그 어디에서도 바나듐의 흔적을 발견할 수 없어 연구진은 애를 먹고 있었다. 하지만 자세히 살펴본 결과, 이 사티 상이 한때 멍게에 뒤덮여 있었던 흔적을 발견할 수 있었다.
멍게는 늘 어딘가에 붙어사는 무척추동물로, 그들이 가진 효소 중 일부가 바나듐을 사용하기 때문에, 멍게의 몸에는 바나듐이 축적되는 경향이 있다. 한편, 멍게가 만든 바나듐 산화물을 덮고 있는 또 하나의 암갈색 파티나 층은, 멍게의 작은 식민지가 갑자기 절멸되었음을 암시한다. 이 갈색 파티나는 높은 수준의 산화철로 이루어져 있어, 청동상이 묻혀 있던 곳의 환경이 급격히 변화했음을 알 수 있다.
출토처를 고려할 때, 이 청동상은 어느 난파선의 화물이었을 것으로 보인다. 선박이 침몰하자 조각상은 수년간 판자 속에 갇혀 있었고, 아마 멍게들이 여기에 들러붙었을 것이다. 그러다 나무판자들이 썩어 사라지면서 사티 상은 멍게와 함께 배의 밑바닥으로 떨어졌고, 철분이 많고 물의 순환이 적은 배의 밑바닥에서 멍게들은 환경에 적응하지 못하고 모두 절멸했을 것이다. 잉고 박사는 사티 상의 머리카락 부분 녹청에서, 이 이야기를 뒷받침해줄 나무 섬유질의 흔적을 발견했다.
건조한 곳에서 형성된 파티나 또한 암시하는 바가 많다. 연구된 동전 중 하나는 기원전 3세기경 카르타고의 무덤에서 나온 것이다. 사티 상의 머리카락 파티나가 나무 섬유질을 보존하고 있었던 것처럼, 동전의 녹청은 어떤 섬유의 일부를 보존하고 있었다. 잉고 박사와 그의 동료들은 이 섬유가 양모였을 것으로 추측한다. 아마 이 지방 사람들은 매장할 때 사체를 모직물로 감싸고, 동전을 함께 넣는 풍습을 가지고 있었을 것이다. 사티 상의 갑판이 썩어 사라졌듯, 양모로 짠 직물은 썩어 사라지고, 동전의 녹청에 섬유질의 흔적만 남은 것이다.
잉고 박사의 이 새로운 Patinology가 계속해서 이어질지는 미지수다. 그들의 발견은 매우 흥미롭긴 하지만, 그 자체만으로는 일화에 지나지 않기 때문이다. 그러나 각각의 발견은 고대의 하수도 환경이나 무역, 장례 관행들에 대해 알려지지 않았던 이야기들을 들려준다.
이런 Patinology가 훨씬 거대한 이야기를 들려줄 가능성도 있다. 산업공해 또는 기후 변화에 의해 야기된 환경 변화에 대한 이야기 말이다. 법의학에는 '모든 접촉은 흔적을 남긴다'는 말이 있다. 잉고 박사는 고대의 금속 유물과 이를 둘러싼 환경의 접촉이 실제로 흥미로운 흔적을 남길 수 있음을 보여주었다.
