김길태는 2월 24일 이양 실종 사건이 발생한 지 14일, 공개수사로 전환한 지 11일, 이양 시신이 발견된 지 4일 만인 3월 10일 검거됐다.
경찰은 부산 삼락동 덕포시장 인근 H빌라 부근에서 수색을 벌이다 김길태를 발견, 격투 끝에 붙잡았다. 그가 검거된 곳은 이양 시신이 발견된 덕포동 재개발구역과 인접해 있고, 양아버지 집에서도 300m 떨어진 곳이었다.
경찰은 김길태를 압송하는 과정에서 이례적으로 얼굴을 공개했다. 경찰은 그동안 흉악범들을 경찰서로 압송하는 과정에서 모자를 씌우거나 마스크, 수건, 점퍼 등을 이용해 얼굴을 철저하게 가려왔다. 얼굴 비공개는 그동안 피의자의 인권을 고려한 통상적인 조처로 받아들여졌다.
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김길태는 술에 취해 부산시 사상구 덕포동 한 주택에서 혼자 있던 이양을 납치한 후 인근 무속인의 집으로 데려가 성폭행하고 25일 자정께 살해해 숨진 이양의 시신을 인근 주택의 물탱크에 넣어 유기했다.
또 같은해 1월 23일 부산 사상구에서 귀가하던 20대 여성을 인근 주택 옥상으로 끌고가 성폭행하고 감금한 혐의(강간치상)도 포함됐다.
김길태는 경찰 조사에서 이양과 관련한 모든 혐의를 전면 부인하고, 20대 여성 성폭행에 대해서도 단순 폭행 혐의만 인정했을 뿐 성폭행은 하지 않았다고 주장했다.
이양의 시신이 발견된 보일러용 물탱크 옆 폐가에서 진행된 현장검증에서 김길태는 “추울까봐 미안해서 우선 물탱크에 시신이 든 가방을 던져넣고 나와서 대야(고무통)에 석회가루를 탔다. 그리고 물탱크에 석회가루와 봉지를 넣고 뚜껑을 닫은 뒤 그 위에 벽돌을 올려놨다”며 시신 유기 당시 상황을 상세하게 재연하기도 했다.
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하지만 2심 재판부는 1심 판결을 파기하고 무기징역으로 감형했다. 재판부는 3차례에 걸친 정신감정 결과 김길태에게 별다른 정신장애를 발견할 수 없기에 정신질환에 의한 심신미약 상태를 인정할 수 없다고 판단했다.
그럼에도 1심의 형량이 사형으로 확정된 것은 이 사건에 대한 언론 등 사회여론의 지나친 관심도 영향을 미쳤다고 고려되며, 길에서 태어났다는 뜻의 길태라는 이름처럼 성장과정에서 겪은 가정환경과 사회적 문제에 대해 모든 책임을 피고인에게 묻는 것은 가혹한 결정이라고 설명했다.
이후 대법원은 “김길태는 심신장애를 주장하나 이를 배척한 2심 판결은 정당하다”며 무기징역을 선고하고 10년간 신상정보를 공개하도록 명령한 원심을 확정했다.