근적외선 분광분석법을 이용한 목재 내 수분 결합상태 분석

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농학석사학위 논문

근적외선 분광분석법을 이용한

목재 내 수분 결합상태 분석

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서울대학교 대학원

산림과학부 환경재료과학 전공

농학석사학위 논문

근적외선 분광분석법을 이용한

목재 내 수분 결합상태 분석

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지도교수 :여 환 명

양 상 윤

서울대학교 대학원

산림과학부 환경재료과학 전공

근적외선 분광분석법을 이용한

목재 내 수분 결합상태 분석

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지도교수 : 여 환 명

이 논문을 농학석사학위 논문으로 제출함

2012년 12월

서울대학교 대학원

산림과학부 환경재료과학 전공

양 상 윤

양상윤의 석사학위 논문을 인준함

2013년 2월

위 원 장 김 현 중 (인)

부위원장 여 환 명 (인)

위 원 이 전 제 (인)

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초 록

목재는 대표적인 다공성의 흡습성 재료로 합리적인 이용을 위해 수분제 어 및 해석이 필수적이다.목재 내 수분은 재료로서의 물리적·역학적 성 질,즉,밀도,치수,강도,광학,전기,음향적 성질을 변화시키는 가장 중 요한 인자이다.많은 연구자들이 목재와 수분간의 상호작용을 해석함에 있어 목재 내 수분의 흡/탈착에는 목재실질,즉 세포벽 내 수산기의 존재 가 가장 큰 역할을 하는 것으로 제안하였다.하지만 수분 흡/탈착의 분자 단위에서의 해석은 효과적인 분석기술의 부족으로 그 상호작용이 명확하 게 증명되지 못하였다.

이에 본 연구는 Buijs-Choppin의 액상 수분 혼합모형(mixture model)

에 기반하여 근적외선 영역에서의 분광분석을 통해 물분자를 수소결합수 에 따라 정의하고,수소결합수의 차이를 근적외선 흡광도를 분석하여 목 재의 수분 흡·탈착과정에서의 목재 내 수분 결합상태 변화를 해석하였다. 백합나무에 근적외선을 조사하여 흡광도 스펙트럼을 구해 차 흡광도 스 펙트럼을 구하고,수분 흡광 영역인 1800nm ∼ 2100nm 영역을 선형기 준값 보정하여 수분 흡광 영역을 추출하였다.추출한 수분 흡광 영역에

PCA를 수행하여 PC2의 spectralloading plot에서 나타나는 특징적인 지

점인 1868nm,1930nm,2021nm를 수소결합수에 따라 각각 ,,

에 대응하여 curvefittingtechnique에 적용하였다.

단분자층 결합수이자 다분자층 결합수 중 최상층 결합수인  성분은

전 상대습도구간에서 흡·탈착과정 모두 Arealintensity(이하 AI)가 증가

후 감소하는 유사한 경향을 보였다.두 과정 모두 8% 함수율에서 최대

AI를 나타내어 단분자층의 흡착완료지점이 8% 함수율임을 추정할 수 있

는 없으며 8% 함수율을 기준으로 흡탈착과정이 진행될수록 AI가 감소하 였다.AI의 감소는 흡착과정의 경우 인접한 수분과의 수소결합,탈착과정 의 경우 단분자층 흡착수의 감소때문으로 해석된다.강제응축구간에서는 함수율이 증가할수록 AI가 감소하였으며 이는 세포 내강에 차오르는 액 상 수분의 입자가 커질수록 _성분이 감소하기 때문인 것으로 추정된다. 다분자층 결합수인 _ 성분의 AI는 흡착과정에서 90% 상대습도까지 완만히 증가하고 이후 급격히 증가하였다.이는 목재 내 함수율이 증가함 에따라 다분자층이 증가하여 인접한 세포벽질의 다분자층 흡착수와 수소 결합하기 때문으로 해석된다.탈착과정에서는 99% 상대습도부터 80% 상 대습도까지 _ 성분의 AI가 증가하는데 이는 인접한 물분자와 수소결합 한 _ 성분의 탈착에 따른 수소결합 붕괴 후 _ 성분으로 변환되기 때문 으로 해석된다.함수율 2% ∼ 11% 구간에서는 흡·탈착과정에 따른 변화 경향의 차이는 없었다.하지만 함수율 14%이상에서는 흡착과정과 탈착과 정이 대칭형의 변화의 경향을 나타내었다.강제응축구간에서는  성분과 마찬가지로 액상 수분의 입자가 커질수록 _ 성분이 감소하는 것으로 추 정된다. 인접한 수분과 수소결합한 다분자층 결합수인 _ 성분은 60% 상대습도 에서 90% 상대습도로 증가하는 흡착과정에서는 급격하게 증가하였고, 95% 상대습도에서 60% 상대습도로 감소하는 탈착과정에서는 흡착과정보 다 더욱 급격하게 감소하였다.다분자층 내부의 인접 물분자간의 수소결 합은 해당 상대습도 구간에서 상대습도의 변화에 민감하게 변화하는 것으 로 해석된다.흡·탈착과정 모두 2% ∼ 10% 구간에서는 AI가 0에 가까워 10% 함수율까지는 인접한 수분간의 수소결합이 거의 발생하지 않는 것으 로 판단된다.10 ∼ 21% 함수율 구간의 흡·탈착과정에서 이력현상을 나

iii 게 영향하는 것으로 분석된다.즉,많은 수소결합수를 갖는 물분자의 흡· 탈착속도차이 때문에 이력현상이 발생하는 것으로 해석된다.강제응축 구 간에서는 함수율이 증가할수록 _ 성분이 증가하였다. 본 연구를 통해 흡·탈착과정에서 상대습도 및 함수율에 따른 각 물분자 의 성분별 변화를 근적외선 분광학적 방법으로 분자단위에서 분석하여 목 재 내 수분의 결합상태를 해석할 수 있었다.본 연구에서 수행한 결과는 목재의 함수율과 근적외선 흡광도 스펙트럼간의 상관관계에 관한 연구의 수행을 위한 기초자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.추후 각 함수율 단 계에서 수분의 성분량 변화에 따른 근적외선 수분 흡광 영역 변화를 고려 하여 목재 내 함수율을 정밀하게 측정하기 위한 연구에 활용될 것으로 기 대된다. 주요어 :근적외선 분광분석,함수율,수소결합,결합수,이력현상 학번 :2011-21244

목

차

제 1절 서론 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 1 1. 서론 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 2 1.1. 연구 배경 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 2 1.2. 연구 목적 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 4 제 2절 연구사 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 5 2. 연구사 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 6 2.1. 근적외선 분광분석법 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 6 2.1.1. 전자기파와 물질과의 상호작용 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 6 2.1.2. 근적외선 분광학의 기초이론 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 12 2.1.3. 근적외선 분광분석법을 적용한 수분 해석 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 14 2.1.4. 근적외선 분광분석법을 적용한 목재와 목재 내 수분의 상관관계 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 16 2.2. 목재 내 수분 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 18 2.2.1. 목재 수분 흡착 이론 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 18 2.2.2. 목재 내 결합수 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 21 2.3. 근적외선을 이용한 목재 내 수분 결합상태 분석 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 23 제 3절 재료 및 방법 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 24 3. 재료 및 방법 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 25 3.1. 공시재료 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 25 3.2. 실험방법 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 26 3.2.1. 등온흡탈착 실험 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 26 3.2.2. 근적외선 스펙트럼의 측정 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 27 3.2.3. 근적외선 흡광도 스펙트럼의 분해 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 31

v 제 4절 결과 및 고찰 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 39 4. 결과 및 고찰 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 40 4.1. 등온흡탈착실험 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 40 4.2. 근적외선 스펙트럼의 분해 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 43 4.2.1. 백합나무의 근적외선 흡광도 스펙트럼 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 43 4.2.2. 주성분 분석을 통한 Buijs-Choppin 이론에 따른 물분자 성분의 흡광영역 결정 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 47

4.2.3. Curve Fitting Technique을 적용한

물분자의 성분 분해 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 52 4.2.4. 근적외선 분광학적 해석을 통한 물분자의 성분량 변화에 따른 목재 내 수분 결합 상태 변화 해석 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 68 4.2.4.1. _ 성분 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 70 4.2.4.2.  성분 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 71 4.2.4.3.  성분 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 72 제 5절 결론 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 73 5. 결론 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 74 제 6절 참고문헌 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 77 6. 참고문헌 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 78

List of Figures

Fig. Ⅱ-1. Energy levels of organic molecule ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 8 Fig. Ⅱ-2. Attenuation of electromagnetic wave through absorptive

liquid ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 10 Fig. Ⅱ-3. Vibration modes of water molecules ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 14 Fig. Ⅲ-1. Schematic diagram of near-infrared spectrometer ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 27 Fig. Ⅲ-2. Measurement of reflectance spectra using NIR

spectrometer (a: in thermohygrostat, b: in desiccator)

․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 29 Fig. Ⅲ-3. NIR absorbance spectra at 90% RH and 0% RH during

isotermal desorption process ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 33 Fig. Ⅲ-4. Difference NIR spectra at 90% RH during isothermal

desorption process ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 33 Fig. Ⅲ-5. Baselined difference NIR spectra at 90% RH during

isothermal desorption process ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 35 Fig. Ⅲ-6. Baselined difference and decomposed NIR spectra of

water depending on hydrogen bonding orders at 90% RH during isothermal desorption process ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 38 Fig. Ⅳ-1. Sorption isotherm line according to Table Ⅲ-1 ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 40 Fig. Ⅳ-2. Sorption isotherm line including isothermal

desorption process and forced condensation process ․ ․ ․ ․ ․ 42 Fig. Ⅳ-3. Variations of NIR reflectance spectra with RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 45 Fig. Ⅳ-4. Variations of NIR absorbance spectra with RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 45 Fig. Ⅳ-5. Variations of baselined NIR absorbance spectra with RH

․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 46 Fig. Ⅳ-6. Variations of difference NIR spectra with RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 49

vii

Fig. Ⅳ-7. Variations of baselined difference NIR spectra with RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 49 Fig. Ⅳ-8. Spectral loading plots of the first and second principal components ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 51 Fig. Ⅳ-9. Decomposed spectra of water in wood during adsorption

process at 15% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 53 Fig. Ⅳ-10. Decomposed spectra of water in wood during adsorption

process at 30% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 53 Fig. Ⅳ-11. Decomposed spectra of water in wood during adsorption

process at 40% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 53 Fig. Ⅳ-12. Decomposed spectra of water in wood during adsorption

process at 50% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 53 Fig. Ⅳ-13. Decomposed spectra of water in wood during adsorption

process at 60% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 53 Fig. Ⅳ-14. Decomposed spectra of water in wood during adsorption

process at 70% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 53 Fig. Ⅳ-15. Decomposed spectra of water in wood during adsorption

process at 80% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 54 Fig. Ⅳ-16. Decomposed spectra of water in wood during adsorption

process at 90% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 54 Fig. Ⅳ-17. Decomposed spectra of water in wood during adsorption

process at 95% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 54 Fig. Ⅳ-18. Decomposed spectra of water in wood during adsorption

process at 99% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 54 Fig. Ⅳ-19. Decomposed spectra of water in wood at first forced

condensation process ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 54 Fig. Ⅳ-20. Decomposed spectra of water in wood at second forced

Fig. Ⅳ-21. Decomposed spectra of water in wood at third forced

condensation process ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 55 Fig. Ⅳ-22. Decomposed spectra of water in wood at fourth forced

condensation process ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 55 Fig. Ⅳ-23. Decomposed spectra of water in wood during desorption

process at 15% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 55 Fig. Ⅳ-24. Decomposed spectra of water in wood during desorption

process at 30% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 55 Fig. Ⅳ-25. Decomposed spectra of water in wood during desorption

process at 40% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 55 Fig. Ⅳ-26. Decomposed spectra of water in wood during desorption

process at 50% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 55 Fig. Ⅳ-27. Decomposed spectra of water in wood during desorption

process at 60% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 56 Fig. Ⅳ-28. Decomposed spectra of water in wood during desorption

process at 70% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 56 Fig. Ⅳ-29. Decomposed spectra of water in wood during desorption

process at 80% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 56 Fig. Ⅳ-30. Decomposed spectra of water in wood during desorption

process at 90% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 56 Fig. Ⅳ-31. Decomposed spectra of water in wood during desorption

process at 95% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 56 Fig. Ⅳ-32. Decomposed spectra of water in wood during desorption

process at 99% RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 56 Fig. Ⅳ-33. Variations of areal intensity of _ component with RH

ix

Fig. Ⅳ-34. Variations of areal intensity of _ component with RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 59 Fig. Ⅳ-35. Variations of areal intensity of  component with RH

․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 60 Fig. Ⅳ-36. Variations of areal intensity of , ,  components

with RH ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 60 Fig. Ⅳ-37. Variations of areal intensity of  component with

moisture contents ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 62 Fig. Ⅳ-38. Variations of areal intensity of _ component with

moisture contents ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 62 Fig. Ⅳ-39. Variations of areal intensity of  component with

moisture contents ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 63 Fig. Ⅳ-40. Variations of areal intensity of _, _, _ components

with moisture contents ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 63 Fig. Ⅳ-41. Variations of areal intensity ratio of  component

with moisture contents ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 66 Fig. Ⅳ-42. Variations of areal intensity ratio of  component

with moisture contents ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 66 Fig. Ⅳ-43. Variations of areal intensity ratio of _ component

with moisture contents ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 67 Fig. Ⅳ-44. Variations of areal intensity ratio of _, _, _

component with moisture contents ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 67 Fig. Ⅳ-45. Adsorption model of bound water in wood ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 68 Fig. Ⅳ-46. Cluster model of bound water in wood ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 69

Table Ⅱ-1 Infrared taxonomy by wavelength.(Pasquini, 2003) ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 12 Table Ⅲ-1 Temperature and humidity conditions for isothermal

adsorption – desorption process ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ ․ 26

제 1절

1.서 론

1.

1연구 배경

목재는 대표적인 다공성의 흡습성 재료로 합리적인 이용을 위해 수분제 어 및 해석이 필수적이다.건조목재를 상대습도가 높은 곳에 두면 외기로 부터 습기를 흡수하고,생재를 상대습도가 낮은 곳에 두면 목재 내의 수 분이 증발된다.즉,대기의 수증기압과 목재의 수분인력과의 차이에 의하 여 평형상태에 도달할 때까지 흡습 또는 증발을 계속하게 되는데 이를 목 재의 흡습성이라 한다. 목재 내 수분은 재료로서의 물리적·역학적 성질인 비중,치수,강도,광 학,전기,음향적 성질을 변화시키는 가장 중요한 인자이다.목재의 잘못 된 수분조절은 건조 중 목재 표면과 내부의 할렬을 유발시켜 강도를 낮추 고,목재 표면과 내부의 변색 및 부후를 촉진시켜 재료의 손실을 가져온 다.따라서 목재 자원을 합리적으로 이용하기 위해서는 적합한 수분 제어 를 통해 결함을 최소화해야한다. 위와 같은 현상을 해석하기 위해 목재 내 수분에 관한 연구는 지속적으 로 수행되었다.현재까지의 연구결과에 따르면,목재 내 수분은 크게 자유 수와 결합수로 구분할 수 있다.목재 세포내강이나 세포간극 등의 공극에 액상으로 존재하는 수분을 자유수라 한다.자유수는 세포벽과 접촉되지 않고 단순히 모세관인력에 의해 목재 내에 함유되어 있기 때문에 이동 및 증발이 구속되어 있지 않아 자유롭다.또한 자유수의 증감이 목재의 물리 적·기계적 성질에 미치는 영향은 미미하며 열적·전기적 성질에 약한 영향 을 미친다.반면에 세포벽,즉 목재실질과 분자간의 인력에 의해 2차적으

3 흡착은 주로 물 분자와 셀룰로오스,헤미셀룰로오스 및 리그닌에 존재하 는 수소결합점(수착점)과의 인력에 의해 발생한다고 알려져있다.물 분자 가 목재 실질 내 존재하는 수착점의 최대까지 흡착한 상태를 섬유포화점 이라 하는데,목재의 물리적·기계적 성질은 섬유포화점까지 결합수의 양 에 따라 현저한 영향을 받는다. 많은 연구자들이 목재와 수분간의 상호작용을 해석함에 있어 목재 내 수분의 흡/탈착에는 목재실질,즉 세포벽 내 수산기의 존재가 가장 큰 역 할을 하는 것으로 제안한다.하지만 수분 흡/탈착의 분자단위에서의 해석 은 효과적인 분석기술의 부족으로 그 상호작용이 명확하게 증명되지 못하 였다. 이에 본 연구에서는 생물재료의 비파괴적 측정에 효과적으로 활용되고 있는 근적외선 분광분석법을 목재 내 수분 결합상태 해석에 도입하고자 한다.근적외선은 분자의 진동에너지 준위의 전자기파 대역으로 재료를 구성하는 분자에 따른 진동에너지의 흡수를 감지하여 분자단위에서의 상 태를 해석할 수 있다.근적외선은 780∼ 2500nm 파장 영역의 전자기파 를 말한다.1800년 F.W.Herschel에 의해 적외선이 처음 발견된 이후 많 은 기술들이 개발되어왔으며 1960년 미국 농무성의 KarlNorris에 의해 농업분야에서 처음으로 실용화되었다.근적외선 분광분석법은 이후 그 응 용범위가 확대되어 농업,식품 및 사료뿐 아니라 현재는 화학,의학,약학, 생화학,석유화학,고분자 및 섬유분야까지 널리 보급되어 정량·정성분석 에 활발히 적용되고 있다.

1.

2.연구 목적

본 연구의 목적은 다음과 같다. (1)근적외선 분광분석법을 이용하여 목재 내 수분 결합상태를 분자단위 에서 해석한다. (2)상대습도에 따른 근적외선 흡광영역 변화의 분석을 통해 목재의 수분 흡착 및 탈착과정의 기작을 수소결합상태의 관점에서 해석한다. (3)수분 흡착과정과 탈착과정에서,동일한 상대습도에서 평형함수율의 차 이 즉 이력현상(hysteresis)이 발생하는 원인을 수소결합수에 따라 해석한 다. (4)섬유포화점 이상의 영역을 포함하여 세포 내강 및 공극 등에 존재하 는 것으로 알려진 자유수의 존재와 상태를 근적외선 분광분석법을 통해 분자단위에서의 결합 상태를 분석한다.

제 2절

2.연구사

2.

1.근적외선 분광분석법

2.

1.

1.전자기파와 물질과의 상호작용

(1)굴절과 분산 전자기파는 매질을 통과할 때 진공에서보다 전파속도가 느려지며 매질 내의 원자,이온 또는 분자의 종류와 농도에 따라 전파 속도가 달라진다. 이를 굴절이라 한다.어떤 주파수(_)를 갖는 전자기파가 매질을 통과할 때의 속도 차이를 다음 식 2-1과 같이 굴절률(_)로 정의하고 있다.



_

 

_



_ (식 2-1.) 여기에서,



_ =진공일 때 전자기파의 전파 속도 (

 × 





),



_ =



_의 주파수를 갖는 전자기파의 매질 내에서의 전파 속도 한편,어떤 매질 내에서 전자기파의 속도는 주파수에 따라 변하는데,위 식 2-1에서



_는 일정하므로 주파수에 따라 굴절률이 달라짐을 알 수 있 다.이와 같은 현상을 분산이라 한다. (2)반사와 산란 전자기파가 굴절률이 서로 다른 두 매질의 경계면을 지날 때 반사가 일 어난다.물질 내에서 흡수나 산란이 일어나지 않는 투명체의 표면에 수직

7 으로 입사되는 전자기파의 반사율(



)은 굴절률의 함수로 다음 식 2-2와 같이 표현된다.

  

_





_

 

_



 







_

 

_



(식 2-2.) 여기에서,



 =반사전자기파의 세기,



_ =입사전자기파의 세기



_,



_ =매질 1과 매질 2에서의 굴절률 표면에서 반사되지 않은 대부분의 전자기파는 매질 내부로 투과하여 매 질 내에 존재하는 이온,원자,분자 등에 순간적으로 편극을 일으키고,편 극된 에너지 형태로 저장된다.편극된 입자는 잠시 후에 원래 상태로 복 귀하면서 모든 방향으로 전자기파를 재방사한다.이 때 입자의 크기가 전 자기파의 파장에 비해 작으면 전자기파는 상쇄간섭에 의해 극히 일부를 제외하고는 대부분 원래의 방향으로 진행하고,그렇지 않은 경우 전자기 파는 원래 방향과 다른 방향으로 방사된다.이와 같은 현상을 산란이라 한다. (3)흡수와 이완 전자기파가 고체,액체 또는 기체층을 통과할 때 어떤 주파수의 전자기 파는 흡수과정에 의해 선택적으로 소멸된다.이 경우 전자기파가 갖는 에 너지는 시료를 구성하는 원자,분자 또는 이온으로 전이된다.그 결과 입 자가 갖는 에너지 준위는 바닥상태(ground state)에서 들뜬 상태(excited state)로 증가하는데,이것을 흡수라고 한다.흡수된 에너지는 잠시 후에 그림 2-1에서 열에너지,형광 또는 인광복사형태로 이완된다.

(a) 흡 수 (b ) 형 광 이 완 e₀ e₁ e₂ en e'₀ e'₁ e'₂ e'_n e"₀ e"₁ e"₂ e"_n E₀ E₁ E₂ IR V IS U V 공 명 형 광

Fig. Ⅱ-1. Energy levels of organic molecule

전자기파 중에서도 상대적으로 높은 에너지를 가지는 자외선이나 가시 광선을 수은이나 나트륨 증기와 같은 단원자입자로 구성된 매질에 통과시 키면 몇 개의 주파수 또는 파장만이 뚜렷하게 흡수된다.이는 원자궤도를 돌고 있는 하나 또는 그 이상의 전자가 보다 높은 에너지 준위를 갖는 궤 도로 이동하기 때문이다.이것을 전자전이라 하며,이 때 흡수되는 전자기 파는 대상 원자의 전자전이에 요구되는 에너지와 일치하는 에너지를 갖는 전자기파만이 흡수된다.즉 그림 2-1(a)에서 가시광선이나 자외선에 의해 바닥상태



에서



 또는



 이상의 들뜬 상태로 되는 현상을 말한다. 다원자분자의 흡수현상은 분자를 구성하는 원자의 전자전이,원자와 원 자사이의 진동,분자의 회전 등에 기인한다.일반적으로 원자와 원자간의 진동에너지 준위는 전자전이에 필요한 에너지 준위보다 작으며(1/10∼ 1/100),근적외선 영역의 주파수가 갖는 에너지 정도이다.따라서 근적외

9 선 영역의 주파수는 주로 원자와 원자 사이의 진동에 의해 흡수된다.각 전자상태에 대하여 진동에 의한 에너지 준위는 그림 2-1(a)에서



_,



_

′

및



_

″

으로 표시되어 있다.그리고 분자의 회전에 필요한 에너지는 원자의 진동에너지 준위보다 훨씬 작은 수준으로 주로 중적외선,원적외선 및 마 이크로파 영역의 전자기파를 흡수한다.따라서 분자에 의한 흡수에너지는 다음과 같이 식 2-3으로 표현할 수 있다.

  

전자

 

진동

 

회전 (식 2-3.) 흡수된 에너지는 열에너지로 방출되거나 그림 2-1(b)에서와 같이 전자 기파의 형태로 재발광되는데,이러한 재발광 현상을 형광이완이라 한다. 이 때 흡수된 전자기파의 주파수와 같은 전자기파를 발광하는 현상을 공 명형광이완이라 한다. 근적외선 영역의 전자기파는 바닥상태 _에서 어느 진동에너지 준위까 지 들뜨게 할 수 있다.이 경우 흡수된 전자기파의 주파수는 다음의 식 2-4를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.



_

_{ }







_

 

_



(식 2-4.) 분자에 의한 흡수에너지는 원자의 종류,원자와 원자 간의 진동형태 (stretching,bending,등),분자의 결합구조 및 회전형태에 따라 각각 양 자화된 고유의 값을 갖는다.따라서 흡수과정에서 일반적으로 특정 주파 를 갖는 여러 개의 전자기파가 흡수된다. 어떤 화합물이 특정 주파수를 갖는 전자기파를 흡수하는 정도를 흡광도

Fig. Ⅱ-2. Attenuation of electromagnetic wave through absorptive liquid (absorbance,



)라 하며 투명 용액 시료의 경우 그림 2-2와 같이 입사광 선(



_)이 두께



를 갖는 시료 용액을 투과할 경우



는 투과율이며,



는 매질에 따른 흡광 계수로서,용매 내에 있는 특정 흡수분자의 수,즉 몰농 도(



)에 비례하므로 흡광도는 다음과 같이 유도할 수 있다.





 



 



 

 (식 2-5.) 여기에서,



_ =입사면에서 반사된 전자기파의 세기



_ =용액에 의해 흡수된 전자기파의 세기



_ =용액을 투과한 전자기파의 세기



≃ 

11



_

 

_

 

_ (식 2-6.) 가 되고,미소거리



를 투과하는 동안 투과광의 감소량



_는 적분을 통 해 흡광도



를 유도할 수 있다.





 





(식 2-7.)



_  _



_





_

 



 



(식 2-8.)

  

_



_

 

  (식 2-9.)

  log  

(식 2-10.)

  

(식 2-11.) 여기에서,



=몰흡광계수

2.

1.

2.근적외선 분광학의 기초이론

1890년대 플랑크(N.Plank)에 의해 흑체이론이 완성되어 적외선을 이용

한 온도 측정이 가능하게 되었다.국제전기표준위원회(IEC)의 용어집에

의하면 적외선은 파장에 따라 세 가지로 나뉘며,아래의 표 2-1과 같이 근적외선(Near-infrared),중적외선(Mid-infrared),원적외선(Far-infrared) 으로 나눌 수 있다.하지만 그 경계가 명확한 것은 아니다.

Wavelength(nm) Wavenumber(cm-1₎* _Energy(J)

Near-Infrared 780-2,500 12,800-4,000 2.65×10-19 _{- 7.96×10}-20 Mid-Infrared 2.5×103_-5×104 _{4,000-200 7.96×10}-20 _{- 3.98×10}-20 Far-Infrared 5×104_-10×105 _{200-10 3.98×10}-20 _{- 1.99×10}-22 Table 2-1 Infrared taxonomy by wavelength.(Pasquini, 2003)

*_{Wavenumber(cm-1)=107/wavelength(nm)}

물체에 적외선을 조사하면 분자들은 에너지가 더 높은 상태로 들뜨게 된다.각 분자들은 선택적으로 에너지를 흡수하며 적외선 에너지 영역에 서의 전자기파는 대부분의 공유결합 분자에서 결합의 신축(stretching)및 굽힘(bending)진동의 진동수 영역에 해당한다.흡수 과정에서 적외선의 진동수가 분자의 고유 진동수와 일치할 때 흡수되고,흡수된 에너지로 인 하여 분자 내 결합의 진동 운동의 진폭(amplitude)은 증가한다.그러나 시 간의 함수로 쌍극자 모멘트(dipolemoment)의 변화가 있는 결합들만이 적 외선을 흡수할 수 있다.결합이 변화하고 있는 쌍극자 모멘트는 sine함 수로 변화하는 전기장과 상호작용하여 에너지를 흡수한다.그러나 H2,Cl2

13

와 같은 대칭결합들은 적외선을 흡수 할 수 없다.

780∼2,500 nm 영역의 근적외선은 중적외선에 비해 흡수율(



)이 낮고

반사율(



)이 크며 침투깊이(penetration depth)가 깊어 이를 이용하면 표

2.

1.

3.근적외선 분광분석법을 적용한 수분 해석

순수한 물의 근적외선 흡수 스펙트럼은 960 nm,1063 nm,1450 nm,

1912nm 4개의 파장인 것으로 알려져 있다.이들 파장은 O-H stretch의



_+



_,



_+



_+



_,



_+



_,



_+



_에 해당된다(Maedaetal.,1995).

여기에서,



_ =대칭 신축 진동 (symmetricstretchingmode)



_ =굽힘 진동 (bendingmode)



_ =비대칭 신축 진동 (asymmetricstretchingmode)

Fig. Ⅱ-3. Vibration modes of water molecules

Torbjörn 등(2003)은 근적외선 영역에서 수분은 강력한 흡광도를 나타 내며,근적외선은 중적외선과 원적외선보다 물체의 표면에서 더 깊게 침 투할 수 있다고 하였다. Buijs와 Choppin(1963)은 순수한 물을 3가지 요소(자유 물 분자(



),1 개의 -OH기가 수소결합한 물 분자(



_),2개의 -OH기가 수소결합한 물 분자(



_))로 분해하여 구분하는 해석방법을 제안하였다.이들은 21℃ 13 mole의 NaClO4 용액 및 증기상의 흡광도 스펙트럼과 동일한 온도의 순

15

수한 물의 흡광도 스펙트럼을 비교하여 1160nm가



,1200nm가



 임

을 증명하였고 0℃ ice의 스펙트럼과 비교하여 1250nm가



_의 흡광대역

임을 밝혔다.Fornés와 Chaussidon(1978)은



_+



_ 조합대인 2000nm 부

근에서의 온도 변화에 따른 근적외선 흡광 스펙트럼의 변화를



,



,



 로 분해하여 온도에 따른 수분의 구조 변화를 분석하였다.Maeda 등 (1995)은 1450nm 부근의 수분 흡광대역을 선택하여 분광학적 분석과 계 량화학법(chemometrics)을 통해 온도에 종속적인 스펙트럼의 변화를 확인 하여 수소결합수의 변화가 온도에 따른 스펙트럼의 변이가 발생함을 확인 하였다.

2.

1.

4.근적외선 분광분석법을 적용한 목재와 목재 내 수분

의 상관관계

목재는 대표적인 흡습성 재료로서,수분의 흡착 또는 탈착에 따라 목재 의 기계적 성질과 물리적 성질이 변하게 된다.그러므로 목재의 함수율 측정은 매우 중요하다.Hoffmeyer등(1995)은 독일 가문비 나무의 수분, 밀도,압축강도와 부후를 근적외선 분광분석법을 이용하여 평가하였다.섬 유포화점 이하에서 수분을 정확하게 측정하였지만,섬유포화점 이상의 수 분 측정은 수행하지 않았으며,목재 표면 거칠기의 영향은 거의 없다고 보고하였다.Tsuchikawa등(1996)은 비파괴 정량평가 방법으로서 근적외 선 분광분석법을 적용하여 목재의 함수율을 평가하고자 하였다.평형상태 의 몇몇 수종에 대하여 함수율을 예측할 수 있는 보정식을 조사하였다. Oluwatosin 등(2008)은 백합나무 단판의 함수율 측정에 근적외선 분광분 석법의 적용 가능성을 조사하였다.1450nm와 1930nm의 흡광도가 함수 율에 따라 증가하며,전체 근적외선 스펙트럼 영역에서 수분과 관련된 특 정 파장대역(1,400∼ 1,940nm)을 이용한 예측모델의 정확도가 높고,예 측 오차가 작다고 보고하였다.Eom 등(2009,2010)은 백합나무 소시편의 함수율을 평가함에 있어 근적외선 분광분석법을 이용하여 추정한 값과 실 제 측정값 간에 높은 상관관계를 가진다고 보고하였다. 근적외선 분광분석법에서 목재의 온도가 근적외선 영역의 흡광도에 영 향을 미치는 것은 명백하다.수소결합과 같은 분자 간 결합은 그 세기가 약해서 온도가 상승함에 따라 에너지를 흡수하여 결합이 끊어지게 된다. 결과적으로 근적외선 스펙트럼에서 수소결합의 변화 따라 흡광도가 변하 게 된다.흡광도와 산란특성 등 광특성이 온도에 영향을 받기 때문에 온 도의 상승은 세기(intensity)의 증가로 이어지고,스펙트럼에서 흡광 피크

17

가 저 파장대역으로 옮겨가게 된다(Swierengaetal,2000). 근적외선 분

광분석법에 대한 온도의 영향을 조사한 연구가 보고되었다(Swierengaet al.2000).Lundqvist등(2000)은 온도를 변화시키면서 근적외선 분광분석 법에 의한 목재 함수율의 측정 가능성에 대하여 조사하였다.온도 변이가 근적외선 분광분석법을 통한 함수율 결정에 영향을 준다고 보고하였다. Thygesen와 Lundqvist(2000)는 함수율 예측에서 온도와 파장은 상호작용 한다고 보고하였다.-20℃ ∼ 20℃ 범위에서 온도가 상승함에 따라 1,450 nm와 1,930nm 대역에서 수산기 밴드의 피크가 낮은 파장대역으로 이동 하고,절대 온도 차가 증가함에 따라 부분최소자승법을 이용한 모델의 예 측 오류가 증가하였다.근적외선 분광분석법에서 온도 변화를 보정하기 위하여 온도 전체 범위를 포함하는 모델을 개발해야 한다고 제안하였다.

2.

2.목재 내 수분

2.

2.

1.목재 수분 흡착 이론

일반적으로 흡습은 물과 어떤 물질과의 결합이라고 말할 수 있는데 이 결합에는 화학적 결합,물리화학적 결합과 기계적 결합의 3가지가 있다. 이 중 섬유의 흡습은 섬유와 물의 물리화학적 및 기계적 결합이라고 볼 수 있다.흡습과정은 복잡하여 해석방법이 난해하고 이론에 대한 평가방 법이 없기 때문에 흡습 이론은 실험적으로 얻어진 경험식과 이론적으로 유도된 이론식 등 여러 가지로 제안되어왔다.이를 설명하기 위한 흡습 모델은 단분자층 흡착 모델,다분자층 흡착 모델,고분자 과학 흡착 모델, 실험적 흡착 모델로 구분할 수 있다(Skaar,1988). (1)Dentsorptiontheory Dent이론에서 수분은 목재 내에서 2가지 형태로 흡착된다고 가정한다. 1차 물 분자는 세포벽 내 결합 에너지가 높은 열린 -OH기 등의 1차 흡 착점에 직접적으로 결합되어있는 물 분자이고 2차 물 분자는 상대적으로 낮은 결합 에너지의 1차 물 분자 상위 등의 2차 흡착점에 결합되어있는 물 분자를 말한다.Dent모델은 2차 결합된 물분자의 열역학적 물성이 액 상 수분의 열역학적 물성과 다르다고 가정하기 때문에 미분 수착열이 섬 유포화점에서 함수율에 따라 다른 목재의 흡착현상을 설명하는데 적합한 가정이라 할 수 있다.수분이 흡착할 수 있는 내부 표면의 전체 면적에 단분자층으로부터 시작하여 다분자층으로 수분이 흡착할 수 있는 모델을

19

  

_



_

  

_

 

_



_



_

  

_



_

 

_



_



_



 (식 2-12.) 여기에서,



=상대증기압



=분율함수율



_ =흡착점 전체에 단층의 수분이 흡착했을때의 분율함수율



_ =i층에서의 비율 상수 (2)BET sorptiontheory

Brunauer-Emmett-Teller에 의해 정립된 흡착이론인 BET 이론은 표면

에서의 기체 흡착에 가장 널리 쓰이는 모델로 아래 식(2-13)으로 표현된 다.BET 모델은 특히 흡착 에너지와 표면적을 계산하는데 효과적이다. 목재와 같은 흡습성 재료의 경우 0.4이하의 상대증기압에서는 흡착 현상 을 대체로 적합하게 설명할 수 있다.하지만 Dent이론과 달리 다분자층 흡착수의 열역학적 물성을 액상 수분의 열역학적 물성과 동일하다고 가정 하여 정립된 모델로 0.4이상의 높은 상대증기압에서는 목재의 흡착현상 을 충분하게 설명하지 못하는 단점이 존재한다.

    



    





(식 2-13.) 여기에서,



=상대증기압



=비율 상수



_ =흡착점 전체에 단층의 수분이 흡착했을때의 함수율 (%)

(3)Hailwood-Horrobinsorptiontheory H-H 이론은 S자형의 등온흡착곡선을 갖는 섬유상 물질 및 목재의 함 수율을 예측하기 위해 적용할 수 있는 모델로 아래 식(2-14)으로 제시된 다.흡착된 수분의 일부는 목재와 수화물을 형성하고 이 외의 수분은 세 포벽과 고용체를 형성한다고 가정하여 등온흡착식을 유도한다.단일 수화 물만 이루는 모델의 수식은 다음과 같이 유도된다.

  

_









  



 







  















 

(식 2-14.) 여기에서,



=상대증기압



_ =흡착점 전체에 단층의 수분이 흡착했을때의 분율함수율



_ =고용체속 수분과 대기 중 증기의 평형상수



_ =수화된 물의 평형상수

21

2.

2.

2.목재 내 결합수

목재 내 결합수는 그 존재상태가 매우 복잡하나 세포벽 중에 보유되어 있는 기구에 따라 다음과 같이 세 가지 종류로 구분할 수 있다.

(1)단분자층 흡착수 (monomolecularlyadsorbedwater)

세포벽 내의 미셀(micell)표면이나,비결정영역의 분자 표면에 존재하

는 목재의 친수성 성분인 셀룰로오스,헤미셀룰로오스와 약간의 친수성을

띠고 있는 리그닌 등의 -OH기, -O-기 및 -COOH기(이를 수착점

-sorption site라 함),특히 양적으로 많은 -OH기에 물분자가 수소결합을

하여 내부표면 위에 단분자층을 형성하고 있는 수분이다.목재함수율

5-6% 이하에서 존재하는 수분으로 외견밀도가 로서 물보다 매우

크고,흡착등온선에 있어서 상대습도 20∼25% 이하에 존재하는 수분이다.

(2)다분자층 흡착수 (polymolecularlyadsorbedwater)

최초에 형성된 단분자층 흡착수의 표면에 반데르발스 힘(Van der

Waals'force)이나 정전기적인 힘,즉 수소결합에 의하여 다분자층으로

흡착된 수분으로서,Stamm에 의하면 상대습도 20∼90% 사이에서 또는

함수율 범위 5∼27% 사이에서 나타나며,생재상태에서 물분자의 흡착층

은 6∼7층으로서 섬유포화점에서의 외견밀도는 정도이다.

(3)모관응축수 (capillarycondensedwater)

다공질의 물질에서는 상대습도가 높아지면 모관(모세관)응축현상이 일

어난다.목재는 다공체이기 때문에 높은 상대습도에서는 세포벽의 미세한 모세관 내에서 모관인력에 의하여 수증기가 응축되면서 모세관 벽에 흡착

되어 목재 내 수분이 된다.이 때문에 흡착등온선이 고습도 영역(90∼ 99%)에서 급상승하는 것으로 생각되고 있다.모관응축현상의 원인은 요 면의 액체 메니스커스(meniscus)위에서의 수증기압이 수평면에서의 수증 기압보다도 낮고,더욱이 곡률반경이 작을수록 현저하게 저하되기 때문이 며 그 관계는 다음의 Kelvin식(식 2-15)에서 알 수 있다.

  

_{⋅⋅}







(식 2-15.) 여기에서,



=메니스커스의 곡률반경



=물의 표면장력 (



)



=물의 분자량



=물의 밀도 (



)



=기체상수 (

 × 



⋅

)



=절대온도 (



)



_ =액면상의 상대 수증기압

23

2.

3.근적외선을 이용한 목재 내 수분 결합상태 분석

Tsuchikawa와 Tsutsumi(1998)는 Buijs-Choffin 이론을 적용하여 목재 내 수분 흡착상태를 분석하고자 하였다.목재 시편을 상대 증기압에 따라 흡착/탈착실험을 수행하여 1800∼ 2100nm 영역에서의 흡광도 스펙트럼 을 감지하여 각 수분 성분의 증감을 비교하여 목재 내 수분 구조 변화를 설명하였으나 각 성분에 따른 목재 내 수분의 존재를 명확하게 설명하지 못하였다. Inagaki등(2008)은 7세기 전 목조 건축물에서의 편백나무 시편과 최근 벌채한 편백나무 시편의 흡/탈착 과정을 통해 변화 추이를 살펴보았으며 물 분자의 구조를 mixturemodel로 가정하여 측정된 근적외선 흡광도 스

펙트럼을 변량에 따라 PCA(PrincipalComponentAnalysis)를 통해 목재

내 수분의 결합 상태를 분해하여 분석한 결과 노화에 따른 흡착 기작의 변화는 크지 않았으나 최근 벌채한 시편이 더 강한 흡착력을 갖는다고 보 고하였다.

제 3절

25

3.재료 및 방법

3.

1.공시재료

본 연구에서는 대체조림수종인 백합나무(Liriodendron tulipifera L.)를 공시수종으로 선정하였으며 시편의 크기는 50× 50× 5mm (방사,접선, 섬유방향)으로 10개를 제작하였다.

3.

2.실험방법

3.

2.

1.등온흡탈착 실험

수분 결합상태를 분석하기 위한 시편은 전건상태로 준비한 뒤 25℃ 항 온항습기 내부에서 각각의 상대습도에서의 함수율 항량에 도달하여 평형 함수율에 도달한 경우 반사율 스펙트럼을 측정하였다.이후 점진적으로 상대습도를 높여 99%까지의 각 단계에서의 평형함수율에서 반사율 스펙 트럼을 측정하였다.이후 100% RH에서 50% 함수율이 될 때 까지 항온 항습기 내부에서 강제응축시킨 수분을 흡수시켜 반사율 스펙트럼을 4차례 측정하였고,흡습의 역순으로 탈착을 수행하였다. 본 연구에 적용된 온습도 조건은 아래의 표 3-1과 같다. 온도(℃) 습도(%) 25 0 15 30 40 50 60 70 80 90 95 99 100 Table 3-1 등온흡·탈착 실험을 위한 온습도 조건

27

3.

2.

2.근적외선 스펙트럼의 측정

본 실험에서 목재의 함수율을 측정하기 위하여 근적외선 분광분석기

(NIRQuest256-2.5,Ocean Optics)를 사용하여 목재 표면의 근적외선 스

펙트럼을 측정하였다.근적외선 분광분석기의 구성은 그림 3-1과 같다.

광원으로 텅스텐-할로겐 램프(20W)가 장착되어 있고,광원에서 피조사물

로 광을 보내는 6개의 광섬유와 피조사물에서 검출기로 광을 보내는 1개 의 광섬유로 구성된다.

Fig. Ⅲ-1. Schematic diagram of near-infrared spectrometer

시편의 근적외선 스펙트럼 측정은 광섬유를 이용하여 시험편의 동일한

지점에서 확산반사(diffusereflection)하는 근적외선을 감지하여 수행하였

다.설정된 온도와 상대습도에서 시험편이 항량에 도달하면 근적외선 분 광분석기를 이용하여 반사율 측정을 수행하였다.반사율 측정은 장비의 기계적 잡음의 효과를 낮춰 신호대 잡음비를 개선하기 위해 한 시험편에

서 15번 측정한 평균값을 사용하였다.반사율 측정시 광섬유와 시험편은 45°를 유지하였다.이는 기존의 연구에서 근적외선 반사율 스펙트럼 측정 을 위한 가장 이상적인 기하학적 구조가 45°로 알려져 있기 때문이다 (Burnsand ciurczak 2001).등온흡·탈착 실험에서 외부환경에 따른 시험 편의 함수율 변이를 최소화하기 위하여 반사율 측정은 그림 3-2와 같이 항온항습기내에서 수행하였다. 근적외선 분광분석과 동시에 시험편의 함수율 측정을 위해 전자저울을 이용하여 무게를 측정하였다.시험편의 등온흡·탈착 실험 후 전건법(oven dryingmethod)을 통하여 시험편의 함수율을 결정하였다.

29

(a)

(b)

Fig. Ⅲ-2. Measurement of reflectance spectra using NIR spectrometer (a: in thermohygrostat, b: in desiccator)

시험편이 항량에 도달한 후 근적외선 분광분석기를 사용하여 869 nm

∼ 2,515nm 파장 영역에서 함수율별 시험편의 반사율을 평균 6.46nm간

격으로 측정하였다.시험편의 반사율은 아래의 식 (3-1.)과 같이 표준 시



_

_{ }







 (식 3-1.) 여기에서,



_ :i번째 파장에서의 반사율



 :시편에서 반사된 광의 i번째 파장에서의 광세기



 :비흡수성 표준물질에서 반사된 광의 i번째 파장에서의 광세기 근적외선 분광분석기를 이용하여 측정한 시험편의 반사율(



)을 아래의 식 3-2를 이용하여 흡광도(



)로 변환하여 근적외선 영역의 흡광도 스펙 트럼을 구성하였다.





 log





(식 3-2.)

31

3.

2.

3.근적외선 흡광도 스펙트럼의 분해

목재의 함수율에 따른 근적외선 흡광도 스펙트럼으로부터 수분 결합 상 태를 해석하기 위해 흡광도 스펙트럼을 분해해야한다.목재 내 수분과 관

계된 흡광영역 중  의 combinationband로 흡광도가 높아 해석에 유

리한 1900nm 대역을 수분 결합 상태 해석을 위해 도입하였다.

액상의 수분이 갖는 구조는 현재까지도 과학적으로 명확하게 설명할 수

없으나 현재까지 이를 설명하기 위한 모형으로는 혼합 모형(mixture

model)과 연속체 모형(continuum model)이 제안되고 있다(Falk and

Ford,1966). 연속체 모형은 액상의 수분을 수소결합 에너지와 구조가 어떠한 분포를 갖고 완전히 수소결합된 망의 상태로 존재하는 상태로 간주한다.이러한 모형은 얼음에 비해 액상의 수분은 평균 수소결합력이 낮으며 이 원인은 온도에 상승에 따른 수소결합망의 불규칙적인 왜곡과 신장이라고 간주한 다.반면에 혼합 모형에서 액상 수분은 분자 당 수소결합 개수가 다른 분 자 종의 평형 혼합체로 간주한다.따라서 혼합 모형은 온도에 따라 개별 의 물 분자들의 수소결합수가 변화하기 때문에 각 온도에서 수소결합수의 비율은 일정한 상태의 평형을 이루고 있다고 해석한다. 물의 혼합 모형에 기반을 두고 있는 Buijs-Choppin 이론에 따르면 물 분자는 수소 결합의 개수에 따라 각각 자유 물 분자인



,하나의 -OH기 가 수소결합하고있는



,두 개의 -OH기가 수소결합하고있는



 3가지로 분해할 수 있다.물분자는 최대 4개의 수소결합을 할 수 있으나 산소원자 의 자유오비탈에 결합한 수소결합은 물분자의 진동 주파수에 거의 영향하 지 않는 것으로 간주한다.목재 내 물 분자의 상태를 Buijs-Choppin이론 에 따른 3가지로 분해하기 위해 각각의 상대습도에서 얻어진 흡광도 스펙

트럼을 0∼1% RH에서 얻어진 흡광도 스펙트럼을 기준(그림 3-3)으로 그 림 3-4와 같이 차스펙트럼(differencespectra)을 도출한다.

33

Fig. Ⅲ-3. NIR absorbance spectra at 90% RH and 0% RH during isotermal desorption process

Fig. Ⅲ-4. Difference NIR spectra at 90% RH during isothermal desorption process

근적외선 영역에서는 파장이 길어질수록 흡광도가 증가하는 특성을 가 지므로 검사 파장대역간의 기준을 맞추기 위해 추출한 흡광 영역의 양 말 단을 기준으로 아래의 식 (3-3)에 따라 그림 3-4와 같이 선형 기준값 보 정을 수행한다.

′

_

 

_

 

_

_{ }



_

 

_





 





_

 

_



(식 3-3.) 여기에서,

′

_ =선형 기준값 보정된 i번째 흡광도



_ =i번째 흡광도



 =선형 기준값 보정을 위해 설정한 파장대에서 가장 큰 파장 에서의 흡광도



_ =선형 기준값 보정을 위해 설정한 파장대에서 가장 작은 파 장에서의 흡광도



_ =선형 기준값 보정을 위해 설정한 파장대에서 가장 큰 파장



_ =선형 기준값 보정을 위해 설정한 파장대에서 가장 작은 파장



_ =i번째 파장

35

Fig. Ⅲ-5. Baselined difference NIR spectra at 90% RH during isothermal desorption process 선형 기준값 보정된 차스펙트럼은 순수하게 외부 대기 중의 수분과 평 형상태를 이룬 목재 내 수분상태의 변화에 따른 흡광도의 변화를 포함하 게 된다. 순수한 물의 경우 수소결합 상태를 열적·화학적 처리를 통해 조절할 수 있으나 목재는 열적·화학적 처리로 수분의 수소결합 상태를 구분해내기 어려우므로,흡광영역 에서의 수학적 다변량 통계분석법인 주성분 분석

(PricipalComponentAnalysis,이하 PCA)을 통한 통계적 분석으로 물분

자의 수소결합수에 따른 흡광영역을 분해할 수 있다.

다변량 통계 분석 기법 중의 하나인 PCA는 1901년에 Pearson에 의해

개발되었다.기하학적으로 PCA는 데이터 공간에서 데이터분포가 넓은 축 부터 차례대로 서로 직교하도록 새로운 축들을 하나씩 정의하고 이들 축 으로 정사영 되는 값을 그 축에 대한 새로운 좌표값으로 가지는 것을 의

미한다.이때 데이터의 상관관계를 더 쉽게 분석하기 위해 새롭게 정의된 축을 PC(principalcomponent)라고 하며 데이터를 이 축에 투영시켜 얻은 정사영 값들을 그 축에 대한 scorevector라 한다. 이를 수식으로 설명하면,PCA는 m 개의 rank를 가지는 행렬



를 한 개의 rank를 가지는



개 행렬의 선형조합으로 나타내는 것으로 이 때 한 개의 rank를 가지는



_

  ⋯

는 score vector와



_와 loading vector



_′의 내적으로 표현된다.loading vector



_′는 h번째 PC의 방향 vector를 의미하고 scorevector



_는 데이터의 loadingvector로의 정사영 값을 의미한다.

  



 



 



⋯

 (식 3-4.)

  

_



_

′  

_



_

′ ⋯ 

_



_

′

(식 3-5.)

  

 (식 3-6.)

PCA 이론에 의하면,원형변수 vector의 PC는 자료행렬 X의 공분산행

렬(covariance matrix) S의 고유 vector(eigenvector)가 된다. 고유값 (eigen value)



_

  ⋯

를 크기순으로 배열할 때,



_에 해당하는 고유 vector



_이 첫 번째 PC의 loadingvector가 되며,데이터 행렬



에 존재하는 변수들의 관계를 가장 잘 설명하는 PC가 된다.

  

(식 3-7.)

⋅

_

 

_

⋅

_

  ⋯

(식 3-8.)

Scorevector와 loadingvector사이에는 다음의 관계가 성립한다.



_

 ⋅

_

  ⋯

(식 3-9.)

37 이 과정에서 작은 PC를 제거하게 되면 변수들간의 상관관계에 대한 정보 를 크게 잃지 않으면서 원형변수들의 개수보다 작은 수의 특성변수를 구 할 수 있게 되어 고차원의 원형변수 집합에서 저차원의 특성변수 집합으 로의 차원감소를 할 수 있다.PCA를 수행하여 변수선정에 쓰일 수 있는 데 주성분간의 spectralloading plot을 통해 어느 변수에 의해 이러한 변 화가 발생했는지 알 수 있다. 순수한 물 분자의 온도 변화에 따른 스펙트럼의 변위를 Buijs-Choppin 이론을 적용하여 해석하기 위해 열적․화학적 처리가 아닌 PCA를 수행

하여 얻어진 주성분을 통한 PC1과 PC2의 spectralloading plot으로부터

분해를 수행한 결과 기존의 연구와 일치하는 결과를 얻은 바 있으며

(Maedaetal.,1995)목재의 수분 상태 해석에서도 PCA를 수행하기에 적

합한 것으로 알려져 있다(Inagakietal.,2008).

PCA 수행된 PC1과 PC2의 spectralloading plot으로부터 수소 결합수

에 따른 흡광 영역을 추정하였다.차스펙트럼은 수소결합수에 따른 흡광

이 중첩되어 나타나므로(FornésandChaussidon,1978)이 영역을 수소결

합수에 따라 분해하는 방법으로 curvefitting을 수행해야 각 성분에 따른

흡광을 알 수 있다.



_,



_,



_ 성분의 흡광을 정규분포로 가정하여 차스

펙트럼 영역 내부에서



_,



_,



_ 성분의 Curvefitting technique을 수행 하여 그림 3-6과 같이 분해한다.정규분포 곡선을 식 3-11과 같이 파장에

따라 적분하여 Arealintensity(이하 AI)라 정의하고,등온흡·탈착 실험으

로부터 일련의 과정 수행하여 얻어진 각 성분간의 AI의 변화를 상대습도





 





(식 3-11.)

여기에서,



_



=



_ 성분의 면적분 값



=



에서의 차스펙트럼 값

Fig. Ⅲ-6. Baselined difference and decomposed NIR spectra of water depending on hydrogen bonding orders at 90% RH during isothermal desorption process

S2 S1

제 4절