히다카 마사노리Hidaka Masanori, 日高 昌則 큐슈대학교 과학대학원 기초물리학 박사
  번역_ 윤화식 포스텍 가속기연구소

필자는 일본 히젠肥前 청자의 유약과 히젠 유색 도자기의 밑그림, 덧그림을 재현하기 위해 옛날의 도자기 기술에 관심이 많았다. 이들은 우아하며 밝고 독특한 유약의 색을 지니고 있다. 히젠 청자는 1630년대부터 1790년대 사이, 그리고 히젠 유색 도자기는 1650년대부터 1750년대 아리타와 이마리 지역에서 생산되었다. 이들 지역은 에도시대 당시 히젠의 나베시마한의 지배하에 있었다.(현재 아리타와 이마리 지역은 일본 큐슈섬의 사가켄에 속해있다.) 1610년대 한국 도공들이 철자성을 가진 고급 도자기 원료를, 특히 이주미야마라고하는 작은 산에서 발견하고부터 히젠청자와 히젠 유색도자기가 이들 지역에서 대량 생산된 것이다.
최근 필자는 이들 히젠 청자와 히젠 유색 도자기를 X-선 형광과 뫼서바우어Mossbauer 분광뿐만 아니라 -한국의 포항가속기에서- 방사광 X-선을 사용한 X-선 회절과 X-선 흡수 분공을 이용해 그 구조오 전자적 성질을 연구하고 있다. 본고를 통해 그 체계적인 연구결과를 공개한다.
다음 내용은 연구결과 내용의 이해를 돕기 위해 도자기의 구조분석을 위해 사용된 X-선 기술에 대하여 설명한 것이다. 먼저 X-선과 X-선 기술에 대한 소개에 이어 필자가 2009년에 발표한 논문 가운데 응용 예를 들어 보일 것이다. 일본 규슈대학에 근무하는 Hidaka(日高) 박사는 일본의 도자기 연구에 최초로 X-선 흡수 분광기술을 적용했다.

아래 그림은 전자기파electromagnetic, 電磁氣波 스펙트럼을 보여준다. 전자기파는 파동wave, 波動의 일종이며 파동의 특징을 규정하는데 사용되는 양이 파장avelength, 波長이다. 전자기파 가운데 인간의 망막이 반응을 하는 부분이 가시광선visible light, 可視光線이다. 멋진 청자가 우리 눈에 들어오는 것은 가시광선을 통해서인데 가시광선의 파장이 약 0.5 마이크론(0.5 0m, 1mm는 1×10-6m 또는 100만 분의 1m)이다. 따라서 광학현미경을 사용해도 0.5 마이크론 보다 작은 것(예컨대, 흠)은 볼 수가 없다. 이는 파장보다 작은 것의 관찰이 불가능하다는 자연 규칙의 결과이다.
 
그런데 우리가 유약의 색이 어디에 기인하는가 또는 열처리의 효과를 근본적으로 이해하기 위해서는 청자를 원자 수준에서 관찰을 해야 할 것이다. 원자의 크기는 대개 수 옹스트롬(Å으로 표기하는데 1 × 10-10m 또는 100억 분의 1m이다)으로 전자파 중에서 원자를 보는데 사용할 수 있는 것이 X-선(위의 그림에서 ‘HARD X-RAYS’라고 표시된 부분)이다. 위에서 말한 대로 X-선의 파장이 원자의 크기보다 작기 때문이다.
X-선을 활용하는 다양한 기술 가운데 오늘 발표하는 내용에 사용된 두 가지가 X-선 회절(X-Ray Diffraction, 머리 자를 따서 XRD라고 부르기도 함, X-선 廻折)과 X-선 흡수 분광(X-ray Absorption Spectra, 머리 자를 따서 XAS라고 부르기도 함, X-선 吸收 分光)에 대하여 간단히 소개하고자 한다.
이들 X-선 기술로 관찰되는 대상의 크기는 얼마나 될까? 우리가 가시광선을 활용하여 눈으로 볼 때는 도자기 하나가 다 들어온다. 그러나 X-선 기술을 적용하여 원자 수준으로 관찰할 때는 도자기 표면의 작은 부분을 관찰하게 되는데, 그 때 X-선 기술의 ‘눈’에 들어오는 분자의 개수를 어림잡아 보는 것도 흥미로운 일이 될 것이다.
필자가 사용한 X-선의 에너지는 약 8 KeV(파장으로 약 1.5 Å이다)인데 유약 부분(SiO2라고 가정하면)에 약 0.1mm 정도 침투하게 된다. 따라서 유약 밑의 태토胎土 부분은 보이지 않게 되는 것이다. 그리고 X-선 빔의 크기가 가로와 세로 각각 약 1mm이므로 X-선에 의하여 관찰되는 부피는 약 0.1mm×1mm×1mm=0.1mm3 가 된다. 이는 도자기의 구조가 균일 하다면 어느 부분을 보아도 되지만 그렇지 않으면 대표적인 부분이나 보고 싶은 부분을 선택해야 한다는 것을 의미하게 된다. 또는 여러 부분을 거듭해서 관찰하게 되면 그만큼 시간과 노력이 더 소요될 것이다. 한편 유약 0.1mm3를 질량으로 환산하면 0.26mg이나 이 부피 안에는 약 6×1018개나 되는 엄청난 수의 분자들이 들어있다. 만 단위로 억億 다음이 조兆이고 조 다음이 경京이라고 하는데 대충 600경개나 되는 분자들을 동시에 보게 되는 것이다.
X-선 회절과 X-선 흡수 분광을 설명하기에 앞서 한 가지 더 생각해야 할 것이 있다. 그것은 결정crystal, 結晶과 비정질amorphous, 非晶質이다. 결정 물질에 있는 원자들은 마치 달걀을 담는 판에 달걀들이 규칙적으로 배열되어 있는 것처럼 가로 세로 높이 방향으로 규칙적으로 배열되어있다. 따라서 한 원자에서 일정한 거리에 무엇이 있는지 예측할 수 있다. 이에 반해 비정질 물질에 있는 원자들은 무질서하게 배열되어 있다. X-선 회절은 결정 구조를 찾는 데 사용되고 X-선 흡수 분광은 비정질 물질의 구조를 알아내는데 사용되는 기술이다.

X-선 회절
주어진 에너지(또는 파장)의 X-선을 결정에 비추면 내부에 있는 원자들이 만드는 면面들에 의하여 반사되는데 이때 입사각이 특별한 위상조건을 만족시키면 소위 ‘보강간섭’에 의하여 반사된 X-선의 강도가 커진다. 그 각도와 파장의 값을 λ=2d·sinθ 에 대입하여 원자들이 만드는 면들 사이의 수직 거리를 알 수 있다. 여기서 l, d, q는 X-선의 파장, 이웃하는 원자면들 사이의 거리, 그리고 반사된 X-선의 강도가 세게 나오는 입사각을 각각 나타낸다. 따라서 결정으로 오는 X-선에 대하여 결정의 상대적인 방향을 바꾸어가며 검출기로 신호를 잡아 결정의 구조를 밝혀내는 것이다.
Hizen肥前 도자기의 붉은 색을 띠는 덧그림 부분에 X-선을 비추고 검출기의 강도를 검출기의 각도의 함수로 그린 것이 아래 그림 2다. 결정 알갱이들이 거의 모든 방향으로 분포되어 있다고 가정을 하고 이렇게 실험을 하는 것이다. 비정질 물질인 덧그림에 Fe2O3 알파-산화제이철, 산화제이철 가운데 가장 흔한 형태이나 SiO2이산화규소 결정 알갱이들이 있는 것을 확인할 수 있다. 오른 쪽의 Nabeshima鍋島 시편에는 왼쪽의 Kakiemon 시편에 보이는 Fe2O3 알갱이 이외에 추가로 SiO2 알갱이가 보인다. 그런데 두 시편이 비슷한 재료를 써서 제작된 사실로부터 열처리의 차이에 의해 다른 미세구조가 형성되었다고 추정하고 있다.

일부 내용이 생략됩니다. 월간도예 2010.06월호를 참조바랍니다.