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1975년 이원근에 의해 토성이 처음 소개된 이후, 1984년 차용걸 교수에 의해 학계에 본격적으로 알려지기 시작했다. 1990년에는 정북동토성이 충청북도 기념물 제82호로 지정되었다. 이후 청주시에서는 날로 훼손되어 가는 토성의 성벽을 정비·보완하고자 하여 1996년 11월 27일부터 1997년 6월4일까지 가장 훼손이 심한 서쪽의 성벽 일부와 서문터에 대한 발굴조사를 충북대학교 중원문화연구소에서 실시하였다. 이 조사에 의하면 성벽의 구축 방법에 있어서 벽체 부분은 안팎으로 나무기둥을 세워서 내부를 다지는 공법이 채택되고, 기단을 별도로 마련하지 않고, 벽체의 안팎에 다시 기둥을 세워 축조한 방식을 취하고 있음을 밝혀졌다. 서문터는 굴립주에 의한 문이 있었다가 후대에 냇돌 적심을 이용한 초석 기둥으로 되었음이 알려졌다. 

2차 발굴조사는 1999년 6월부터 8월까지 동문지와 남문지의 성벽 안쪽 구역과 남동 모서리 성벽 바깥쪽 구역을 대상으로 하였다. 조사결과, 청동기시대 주거지, 목책열(주혈), 삼국시대 주거지, 성벽, 해자, 배수구, 적심 건물지, 굴립 주거지, 집석 유구, 우물 등이 확인되었다. 

[청주 정북동 토성 연도별 발굴조사와 등고선 측량 평면도]

이후 2009년에는 중원문화재연구원에서 토성 밖 화장실 및 관리사 신축부지에 대한 시굴조사를 실시하였으나 유구는 확인되지 않았다. 

3차 발굴조사는 중원문화재연구원에 의해 2010년 11월부터 2011년 6월까지 북문지 일대를 대상으로 이루어졌다. 그간의 발굴조사를 통해 정북동토성은 동벽 185m, 서벽 165m, 남벽 155m, 북벽 170m에 전체 둘레 675m의 평면방형 토성으로서, 토루는 내외부에 기단 석렬이 없는 순수 판축기법으로 조성되었음이 확인되었다. 그리고 토성 내부에서는 성벽 조성 이전 시기에 조성된 청동기시대 주거지와 목주열 외에도 삼국시대 주거지가, 토성 외부에서는 성벽 주변으로 3열로 배치된 해자를 비롯하여 해자 폐기 후에 만들어진 삼국시대 주거지와 석곽묘, 신라 말에서 고려 초로 추정되는 건물지 등이 발견되었다.

[정북동토성 북문지와 서쪽 성벽 발굴조사]

해자의 조성 양상을 파악하고자 2012년 12월 착수하여 2017년 6월까지 총 3회에 걸쳐 연차조사를 실시하였다. 3차에 걸친 연차 발굴조사는 이러한 시굴조사 결과를 바탕으로 이루어진 것으로, 발굴조사의 대상은 토성의 북동 모서리에서 시계방향으로 서문지 일대에 이르는 범위에 분포하고 있는 해자에 대한 것이었다. 1차 발굴조사는 토성의 북동모서리에서 남문지 외측까지의 구간을, 2차 발굴조사는 남문지 외측에서 토성의 북서모서리까지의 구간을, 3차 발굴조사는 북문지의 동측 치성벽에서 토성의 북동모서리까지의 구간을 대상으로 실시하였다. 다만 성벽 외피 토루에 인접해 있거나 치성벽 하부에 조성되어 있는 1차 해자는 성벽 훼손 등의 이유로 현황 조사 및 부분 절개 조사만을 진행하였다. 1·3차 발굴조사에서는 2중 배치 구조를 보이는 2차 해자의 경우에는 당연히 해자 내부에 대한 발굴조사를 원칙으로 하였으나, 2차 발굴조사에서는 유적 보존을 위해 해자의 배치 현황만을 확인하는 것이 좋겠다는 현장자문회의의 권고에 따라 해자 내부에 대한 조사 없이 해자의 상층부만을 발굴조사 하였다. 한편 정북동토성은 3차례 조사를 걸쳐 확인된 2차 해자의 배치 양상에 근거하여 유적 정비 공사를 실시하였고, 그 결과 현재 성벽 바깥쪽으로 2중 구조의 해자가 복원되어 있는 상태이다.

[정북동 토성 해자 발굴조사 모습]

한편 농어촌공사에서 토성 북서쪽 일대를 지나는 농수로를 개량하는 사업을 계획함에 따라 2018년 3월에 서원문화재연구원에서 성벽 북서 모서리 외부분에 대한 조사를 실시하여 해자 일부를 확인하기도 하였다. 

충북대학교 중원문화연구소, 2002, 『청주 정북동토성 II 99년도 발굴조사-』. 일부 내용 발췌
중원문화재연구원, 2011, 『청주 정북동토성 화장실 및 관리사신축부지 발굴조사』. 일부 내용 발췌
중원문화재연구원, 2013, 『청주 정북동 토성 Ⅲ 북문지 발굴조사』. 일부 내용 발췌
충북대박물관, 2018, 『청주 정북동토성Ⅳ 해자 터 발굴조사』. 일부 내용 발췌