CT 스캔으로 5,000년 전 초기 이란 고대 구리 제련 비밀 파고들어
by Zach Winn, 매사추세츠 공과대학교
약 5,000년 전, 현재 이란 지역에 살았던 사람들은 광석을 가공하여 암석에서 구리를 추출하기 시작했는데, 이를 제련smelting이라고 한다.
이 기념비적인 변화는 그들에게 강력한 신기술을 제공했고, 야금술 탄생을 알리는 신호였을 가능성이 있다.
얼마 지나지 않아 세계 여러 지역 사람들은 구리와 청동(구리와 주석, 또는 구리와 비소의 합금)을 사용하여 장식물, 무기, 도구 등을 제작했다.
인간이 이러한 물건을 어떻게 제작했는지 연구하기는 어렵다. 증거가 거의 남아 있지 않고, 남아 있는 유물은 신중하게 보호되고 보존되어 있기 때문이다.
PLOS One에 게재된 논문에서 MIT 연구진은 초기 야금 공정 세부 정보를 밝히는 새로운 접근법을 시연했다.
연구진은 광석 제련 부산물인 5,000년 된 슬래그 폐기물을 X선 컴퓨터 단층촬영(CT 스캐닝) 등의 기술을 사용하여 연구했다.
이 논문에서는 주로 의학 분야에서 사용하는 이 비침습적 영상 기술이 고대 슬래그 조각 내부의 구조에 대한 세부 정보를 어떻게 밝혀낼 수 있는지 보여준다.
"슬래그가 완전한 그림을 보여주지는 못하더라도, 과거 문명이 광석에서 원료를 정제하여 금속으로 만드는 과정을 보여준다"고 박사후연구원 벤자민 사바티니Benjamin Sabatini는 말한다.
"슬래그는 당시 그들의 기술력을 보여주며, 우리에게 많은 정보를 제공합니다. 우리의 목표는 그들이 어떻게 이 반짝이는 금속 제품을 만들어냈는지 처음부터 끝까지 이해하는 것입니다."
이 논문에서 사바티니와 수석 저자인 야금학 교수이자 재료과학 및 공학과 헤더 N. 레흐트만 교수인 앙투안 알라노어Antoine Allanore는 CT 스캐닝을 고대 유물 연구의 전통적인 방법, 즉 추가 분석을 위한 샘플 절단과 결합했다.
그들은 CT 스캐닝이 이러한 기법을 보완하는 데 사용될 수 있음을 보여주었고, 샘플 내 다양한 물질의 기공과 물방울을 드러냈다.
이 정보는 지구상 최초의 야금학자들이 사용한 재료와 그들의 기술적 정교함을 밝혀낼 수 있다.
"초기 청동기 시대는 인류와 금속 간 가장 초기 상호작용으로 보고된 시기 중 하나"라고 MIT 고고학 및 민족학 재료 연구 센터 소장이기도 한 앨러노어는 말한다.
"그 시기 그 지역에서 발견된 유물은 고고학에서 매우 중요하지만, 그 재료 자체는 그 재료의 기본 재료와 화학적 과정에 대한 우리의 이해 측면에서는 그다지 잘 규명되지 않았습니다. CT 스캔 접근법은 전통적인 고고학적 방법, 즉 절개법과 시료 분석 방법을 변형한 것입니다."
고고학의 새로운 도구
슬래그는 광석을 가열하여 금속을 생산할 때 용융된 뜨거운 액체로 생성된다.
슬래그에는 광석의 다른 구성 광물과 미반응 금속이 포함되어 있으며, 이러한 금속은 일반적으로 석회석과 같은 첨가제와 혼합된다.
혼합물에서 슬래그는 금속보다 밀도가 낮아 상승하여 제거될 수 있으며, 식으면서 용암처럼 응고된다.
"슬래그 폐기물은 화학적으로 해석하기 어렵다. 현대 야금술에서는 최종 제품에 불필요한 모든 것, 특히 구리의 원래 광물에서 핵심 원소인 비소가 포함되어 있기 때문"이라고 Allanore는 말한다.
"고고야금학에서는 이러한 유물에서 비소 및 유사 원소를 사용하여 금속 생산 과정에 대한 정보를 얻을 수 있는지에 대한 의문이 항상 제기되죠."
"여기서 어려운 점은 이러한 광물, 특히 비소가 용해되고 침출되기 매우 쉽기 때문에 환경 안정성이 6,000년 전 이 유물이 제작될 당시의 상태를 해석하는 데 추가적인 문제를 야기한다는 것입니다."
이 연구를 위해 연구진은 이란 테페 히사르Tepe Hissar로 알려진 고대 유적의 슬래그를 사용했다.
이 슬래그는 이전에 기원전 3,100년에서 2,900년 사이의 것으로 추정되었으며, 펜실베이니아 박물관에서 2022년 연구를 위해 Allanore에 대여했다.
"이 지역은 구리 가공 및 유물 제작 증거가 발견된 가장 초기 장소 중 하나로 자주 거론된다"고 앨러노어는 설명한다.
"보존 상태가 매우 좋고, 장거리 무역과 고도로 조직화한 사회가 존재한 초기 유적 사례입니다. 바로 이 때문에 야금학에서 매우 중요합니다."
연구진은 이것이 CT 스캐닝을 이용하여 고대 슬래그를 연구하는 최초의 시도라고 생각한다.
의료용 스캐너가 고가이고 주로 병원에 설치되기 때문이다.
연구진은 산업용 CT 스캐너를 제조하는 케임브리지 한 지역 스타트업과 협력하여 이러한 어려움을 극복했다.
또한 MIT 캠퍼스의 CT 스캐너도 사용했다.
사바티니는 "이러한 유물을 연구할 더 나은 방법이 있는지 궁금해서 연구를 진행했다"고 말했다.
연구진은 CT 스캔 외에도 X선 형광, X선 회절, 광학 및 주사 전자 현미경과 같은 보다 전통적인 고고학 분석 방법을 사용했다.
CT 스캔은 슬래그 내부 구조와 다양한 재료 조각과 같은 흥미로운 특징 위치에 대한 자세한 전반적인 그림을 제공하여 기존 기술을 보완하여 샘플 내부에 대한 더욱 완전한 정보를 제공한다.
연구진은 이 정보를 사용하여 샘플 절편 위치를 결정했는데, 연구자들이 샘플 원래 어느 면이 위아래를 향하고 있는지조차 확신하지 못한 채 샘플 절편 위치를 추측하는 경우가 많다는 점에 주목했다.
사바티니는 "우리 전략은 원래 과정을 가장 잘 나타낼 수 있는, 아직 손상되지 않은 것처럼 보이는 고밀도 금속 방울에 초점을 맞추는 것이었다"고 말한다.
"그런 다음 단일 슬라이스로 샘플을 파괴적으로 분석할 수 있었습니다. CT 스캔은 가장 흥미로운 부분과 연구해야 할 것들의 전반적인 구조를 정확하게 보여줍니다."
슬래그에서 이야기 찾기
이전 연구에서는 테페 히사르 유적 일부 슬래그 샘플에 구리가 포함되어 있어 구리 생산으로 인한 것이라는 주장과 일치하는 반면, 다른 슬래그 샘플에는 구리가 전혀 존재하지 않는 것으로 나타났다.
연구진은 CT 스캔을 통해 구리가 포함된 온전한 물방울 특성을 파악할 수 있었다. 또한, 슬래그 생성 과정에 대한 정보를 담고 있는 공극voids을 형성하는 가스가 어디에서 발생하는지 확인할 수 있었다.
이전에는 유적 다른 슬래그에서 소량 금속 비소 화합물이 발견되어 초기 금속 생산에서 비소의 역할에 대한 의견 불일치가 있었다.
MIT 연구진은 비소가 샘플 전반에 걸쳐 다양한 상태로 존재하며 슬래그 내에서 이동하거나 심지어 슬래그를 완전히 빠져나갈 수 있다는 사실을 발견하여 비소만을 연구하는 것만으로는 야금 공정을 추론하는 것을 어렵게 만들었다.
Moving forward, the researchers say CT scanning could be a powerful tool in archaeology to unravel complex ancient materials and processes.
연구진은 앞으로 CT 스캐닝이 고고학에서 복잡한 고대 재료와 공정을 밝히는 강력한 도구가 될 수 있다고 말한다.
앨러노어는 "이것은 구리 제련의 측면에 대한 보다 체계적인 연구와 비소의 역할을 지속적으로 이해하는 데 중요한 지렛대가 될 것"이라고 말한다.
"이를 통해 부식의 역할과 유물의 장기적인 안정성을 인지하고 더 많은 것을 계속해서 연구할 수 있습니다. 이러한 의문을 탐구하고자 하는 사람들에게 중요한 도움이 될 것입니다."
More information: Benjamin Sabatini et al, A novel application of X-ray computed tomography towards the characterization and interpretation of phase formations, mineral parageneses, and internal features in ancient copper slag from Tepe Hissar, Iran, PLOS One (2025). DOI: 10.1371/journal.pone.0336603
Journal information: PLoS ONE
Provided by Massachusetts Institute of Technology