정북동 토성은 청주시 북쪽 미호천변 평야의 중심에 위치한 평지 토성인데 정확한 축조 연대를 알 수 없으나, 평지에 축조된 방형 토성이라는 사실과 최근 발굴조사 결과 출토된 유물로 보아 청동기 말기나 원삼국시대인 2∼3세기 경에 최초의 축성이 이루어진 것으로 추정되고 있다. 또한, 영조 20년(1744)에 상당산성의 승장으로 있던 영휴가 쓴「상당산성고금사적기」에 견훤이 궁예의 상당산성을 탈취하고 작강(鵲江) 즉 까치내 옆에 토성을 쌓고 창고를 지었다는 기록이 있다. 토성은 남북이 약간 긴 방형이며 성안의 중심부에는 동서를 가로질러 농로가 있다. 이 농로의 북쪽은 20여 호의 민가가 있고, 남쪽은 경작지로 되어 있다. 성벽은 단면이 제형으로 동·서·남·북을 가리키고 있으며 4곳 모서리 부분은 약간 높고 바깥으로 돌출되어 치성 또는 각루의 시설이 있었던 듯하다. 4면 성벽의 중간쯤에는 문지로 보이는 절단부가 있으며, 이들 가운데 동·서·북의 것은 지금도 통로로 사용되고 있다. 특히, 남문지와 북문지는 좌우의 성벽이 엇갈리게 축조된 독특한 형태로서 옹성의 초기 형식으로 주목된다. 성내의 배수문제는 서쪽이 약간 높은 지세에 따라 현재의 동문 쪽에 수구가 있었을 것으로 보이는데 성 안에서 빠져나간 물은 성 밖을 둘러싼 해자로 유입되었을 것으로 추정된다. 성벽의 높이는 3.5m∼5.5m, 성벽의 윗부분 폭은 2m, 성벽의 밑 부분은 11.9m 이상이다. 성벽의 길이는 동벽 185m, 서벽 165m, 남벽 155m, 북벽 170m로 전체 675m이다. 이 토성은 1990년 12월 14일 도지정기념물로 지정되어 관리되어 오다가 중요성이 인정되어 사적으로 승격 지정되었다. 1996~1997년 서쪽 성벽 일부와 서문터에 대한 발굴조사가 실시되고, 1999년에는 성내 동반부와 남반부에 대한 발굴조사를 실시하였다. 그 결과 성벽의 벽체 부분은 안팎으로 나무기둥을 세워서 내부를 다지는 공법이 채택되고, 기단을 별도로 마련하지 않고 벽체의 안팎에 다시 기둥을 세워 축조한 방식을 취하고 있음이 밝혀졌다. 서문터는 굴립주에 의한 문이 있었다가 후대에 냇돌적심을 이용한 초석 기둥으로 대체되었다. 그 외에도 성안에서 주거유구, 기둥구덩유구, 길 유구, 냇돌무더기 유구 등이 확인되고, 성외 동남부 및 남문 바깥에서 해자가 확인되었다.

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