가압·가열 처리한 층층나무 적층재를 활용한 테이블 디자인 연구
신 랑 호1, 한 태 형2, 권 진 헌†,2
1강원대학교 실내가구디자인학과, 2강원대학교 산림바이오소재공학과
A Study on the Table Design for Utilization of Cornus controversa Laminated Wood Manufactured by Pressing and Heating
Rang-Ho Shin
1, Tae-Hyung Han
2, Jin-Heon Kwon
†,21Department of Furniture Design, Kangwon National University, Samcheok 245-711, Korea
2Department of Forest Biomaterials Engineering, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea
Abstract: In this study domestic thinning and small diameter woods of Giant dogwood (Cornus controversa Hemsl) was used. To increase the utilizability of wood, the utilizability was proposed after manufacturing laminated wood by pressing and heating. The physical and mechanical characteristics of Laminated wood were investigated and the color change was measured, using a Chromaticity coordinates, after being pressed at 10% (45 mm), 20% (40 mm), 30% (35 mm) for 5 minutes, using Stopper, and then heated at 180°C for 6, 12, 24 and 48 hours. The results were as follows. Wood density, compressive strength, MOR, MOE are increased with increas- ing pressing rate but decreased as heating time is increased after pressing. However, Color change is clear, dimensional stability is improved after pressing and heating.
Keywords: cornus controversa, press, heat treatment, laminated wood, table design
1. 서 론
1
목재의 많은 장점 중에서도 천연의 나뭇결은 시 각적인 안정감을 주고, 온도 변화율이 낮아 따뜻한 느낌을 주며, 자연친화적인 마감재로서 목재를 이 용할 경우 심리적으로 생활 속에서도 숲에서와 같 은 쾌적한 주거 환경을 만들어 심신의 안정과 스 트레스를 감소시키는 효과가 있는 대표적인 친환 경 재료로서 경제 성장에 따른 생활수준의 향상과 함께 목재수요는 계속적으로 증가될 것이다.
우리나라의 경우, 산림 면적 비율이 OECD 30 개 회원국 중 핀란드(78%), 일본(68%), 스웨덴
2011년 12월 20일 접수; 2012년 1월 12일 수정; 2012년 1월 16일 게재확정
†교신저자 : 권 진 헌 ([email protected])
(67%) 다음으로 64%로 높은 수준이지만 30년생 미만이 3,934천ha로 전체 산림면적의 61.8%이고, 2007년 임산물 수입액은 3,405백만$로 원목, 합판, 제재목, 섬유판 등 목재류의 수입 확대로 인해 2006년 2,882백만$ 대비 18% 증가하는 등 해마다 꾸준한 증가 추세에 있다(산림과 임업동향에 관한 연차보고서, 2008). 2006년 기준으로 목재의 수입 현황을 보면, 주로 뉴질랜드, 동남아시아 등에서 목재를 수입하고 있으며, 캐나다, 미국 등 북미에 서 건축용 제재목 등 가공 목재를 위주로 수입이 증가하는 추세이며, 북미지역의 경우 ’05년 기준으 로 수입량이 9%에 불과하나 수입금액으로는 14%
정도(약 2억 5천만 달러)로 고급 가공목 위주로 수 입하고 있다(김 등 2005). 그러므로 소경, 저급 목
Table 1. Sample trees
Species D.B.H (cm)* Tree age Locality
Hard wood
Diffuse-porous
wood Cornus controversa Hemsl. 28 37 Taebaek Samcheok, Kangwon
* D.B.H. : diameter at breast height
재의 이용이 불가피한 상황에서 대부분 수입에 의 존하고 있는 명목이나 고급 가공목의 대체재로서 국내산 소경 간벌목의 이용과 활용 방안이 더욱 요구되고 있다.
따라서, 본 연구에서는 우리나라에서 자생하는 수종 중 가구재나 목공예재로서 활용성이 미미하 고 주로 펄프용재로 사용되고 있는 간벌재 중에서 활엽수재인 층층나무(Cornus controversa Hemsl.)에 대하여 가압과 가열처리를 실시하여 비중 변화, 치 수안정성 및 역학적 특성을 조사한 후, 가압․가열 처리한 목재를 적층재로 제조하는 과정에서 단계 별 재색의 선택과 적층 배열의 위치, 순서, 두께와 방향, 폭과 넓이 등을 서로 다르고 변화 있게 배치 하여 많은 적층 문양을 만들어 테이블의 문양디자 인에 적용하였다. 더나아가 실내장식재, 목공예재, 목가구재에 활용할 수 있는 문양디자인과 가구 및 생활용품 디자인 개발에 적용함으로써 국내산 소 경 간벌재의 활용 가능성을 검토하고자 연구하 였다.
2. 재료 및 방법 2.1. 재료
본 연구에 사용된 수종은 국내에서 자생한 활엽 수재인 층층나무(Cornus controversa Hemsl.)로 현 재 가구재나 목공예재로서 활용성이 미미하고 주 로 펄프용재로 사용하고 있는 소경, 간벌재로 강원 도 태백, 삼척 산지에서 벌채한 후 야적된 것을 선 택하였다(Table 1).
2.2. 실험 방법
2.2.1. 가압처리와 가열처리 방법
가압방법은 접선단면으로 제재한 층층나무를
300 mm (가로) × 350 mm (세로) × 50 mm (두 께) 크기의 판재로 제단한 후 기건상태의 함수율에 서 유압식 프레스로 상온에서 단위 면적당 45 kgf/cm2로 일정한 두께를 유지하기 위해 stopper 를 이용하여 5분간 목표두께 10% (45 mm), 20%
(40 mm), 30% (35 mm)까지 가압을 실시하였다.
(Flg. 1)
가압 후 가열처리는 전기 가마(모텔 SHIMPO DUA15 300리터)를 사용하여 160, 180, 200°C의 온도 조건에서 6, 12, 24, 48시간 가열하여 재색변 화(Flg. 2)를 주어 물리․기계적 물성 변화와 재면 의 색 변화의 차이를 색도계로 측정을 하였다.
가압 가열처리는 모든 수종이 가능하나 가압시 균열이 잘 생기는 침엽수재보다는 활엽수재가 좋 으며 수종에 따라 밀도와 경도가 달라 단위 면적 당 압력조절이 필요하다.
2.2.2. 적층재 제조
적층재 제조에 사용된 제재목은 가압조건 중 30% (35 mm)로 가압한 후, 180℃ 온도 조건에서 6, 12, 24, 48시간 가열하여 재색 변화된 목재를 veneer saw 절삭법으로 4 mm 단판으로 재단하여 사용하였다.
사용된 접착제는 목재용 초산비닐수지계 타이티 본드(Tite bond)를 양면도포(250 g/m2)한 후 나사 크램프 압제방법을 이용해서 적층 제조하였다.
2.2.3. 물리ㆍ역학적 성질 측정
시험편의 밀도는 KS F 2198 (한국산업규격, 2001) 에 따라 측정하였으며, 수축률은 횡단면의 한 변의 길이가 20 mm인 정사각형, 섬유 방향 길이가 25 mm인 직육면체로 제조하여 가압․가열처리한 후 의 시험편을 각각 10개씩 제작하여 기건수축률과 전건수축률을 KS F 2203 (한국산업규격, 2004)에
Fig. 1. Stacked sample woods and Hydraulic press.
Fig. 2. Electric kiln and 180°C heat treatment.
따라 계산하였다. 가열처리한 단판의 재색 차이를 확인하기 위해 색도색차계(Nippon denshoku, NR-3000)를 이용하여 아래의 식에 의해 색차(Δ E*ab)를 측정하였다.
∆ ∆
∆
∆
ΔE*ab : 색차값ΔL* : 백색도 Δa* : 채도 Δb* : 색상
압축강도, 휨 파괴계수와 휨 탄성계수는 KS F 2206, 2208 (한국산업규격, 2004)에 따라 만능강 도 시험기 인스트롱(4482)을 사용하여 시험편이 1
∼2분 이내에 파괴되도록 균일한 하중속도로 측정 하였다.
2.2.4. 테이블 디자인 연구
적층재를 활용한 테이블 디자인개발은 첫째, 반 턱짜임으로 knock-down이 가능한 디자인으로 제
작하고, 문양은 가로 세로 각각의 지지대 위에 ㅡ 자형 적층문양을 사용하고 내부 한쪽은 단순화한 나뭇가지를 조각하여 배치한다. 둘째, 크기와 높이 가 각각 다른 직육면체 형태를 기본으로 상판 테 두리에 ㅡ자형 적층문양을 사용하고 사각형 안쪽 은 단순화한 나뭇가지를 조각하여 배치한다. 셋째, 원통형 형태를 목선반 작업으로 제작하여 원형 안 쪽에 120도 방사형 문양을 사용하며 사용자의 취 향에 따라 각각의 위치이동이 가능한 디자인으로 제작한다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 물리ㆍ역학적 특성
Table 2는 층층나무의 밀도, 수축률, 압축강도, 휨 파괴계수와 휨 탄성계수 값을 나타낸 결과이다.
층층나무의 기건 밀도는 0.69 g/cm3로 비교적 비 중이 높은 수종이다. 목재의 비중에 비례하여 수축 률과 팽윤률이 증가하며, 비중이 증가할수록 외력 에 대한 저항이 증대되므로 목재의 강도에 대해서 직선적으로 증가하고, 목재 가공성에도 영향을 준
Fig. 3. Shrinkage of Cornus controversa according to press and heat treatment.
Fig. 4. MOR and MOE of Cornus ontroversa accord- ing to press and heat treatment.
Table 2. Physical and mechanical properties of Cornus controversa after Pressing and Heating Treatment Density
(g/cm3)
shrinkage (%)
compressive strength (N/mm2)
bending strength (N/mm2) Green to
air dry
Green to oven dry
modulus of rupture
modulus of elasticity
Pressure ratio
Control (50 mm) 0.69 9.51 10.23 42.05 71.32 6,755
10% (45 mm) 0.72 9.02 9.76 42.41 77.57 6,784
20% (40 mm) 0.72 7.84 8.48 42.92 78.16 7,075
30% (35 mm) 0.74 6.25 8.04 44.22 78.13 7,159
Heating time
6 hr. 0.69 6.19 6.83 43.15 75.91 6,474
12 hr. 0.67 5.40 5.57 43.10 73.95 6,223
24 hr. 0.62 3.74 5.21 42.55 64.56 5,108
48 hr. 0.61 3.59 5.03 40.46 65.19 4,728
다(Kollman 등 1968). 가압비율의 증가에 따른 밀 도 변화를 살펴보면, 10%와 20%의 가압비율에서 는 0.72 g/cm3로 기건 밀도에 대하여 4.3%의 같 은 밀도 증가율을 보여 주여 준 반면, 30% 가압비 율에서는 0.74 g/cm3로 기건 밀도에 대하여 7.2%
밀도 증가율을 보여주었다. 그러나 30% 가압 후 가열처리할 경우 밀도는 점진적으로 감소하는 경 향을 보인다.
층층나무의 수축률은 전건 수축률이 기건 수축 률보다 크게 나타났으며, 접선방향 수축률이 방사 방향 수축률보다 높게 나타났다. 또한 Fig. 3에서 보여주는 바와 같이 가압에 의한 밀도 증가에 따 라 수축률도 감소하였으며, 가열처리를 할 경우에 도 수축률은 꾸준히 감소함을 알 수 있다. 가압․
가열처리에 의한 목재의 수축률 감소는 물리․기
계적 성질뿐만 아니라 치수안정성에도 좋은 영향 을 미치는 것으로 생각된다.
압축강도와 휨 파괴계수와 휨 탄성계수 값은 밀 도의 증가에 따라 증가하다가 가열처리 할 경우 압축강도와 휨 파괴계수와 휨 탄성계수 값 모두 감소하는 경향을 보여주었다(Fig. 4). 김 등(2010) 은 삼나무 열처리재의 물리 및 역학적 특성에 대 한 연구 논문에서 열처리에 따라 압축강도가 증가 한다고 보고하였고, 신 등(2009)은 국내산 활엽수 재의 열처리재의 압축강도를 측정한 결과 자작나 무는 열처리재가 열처리 전의 압축강도보다 높은 것으로 보고하였고 고로쇠나무의 경우 열처리재가 열처리 전의 압축강도보다 낮은 것으로 보고 하였 다. 그러나, 본 논문의 실험 결과는 가압만을 실시 한 경우는 가압비율의 증가에 따라 압축강도는 증
Fig. 5. UCS color system-lab diagram of Cornus controversa.
Temp.
hr. 160°C 180°C 200°C
0
6
12
24
48 Carbonization
Fig. 6. Photo of Cornus controversa after heat treat- ment.
Fig. 7. Pattern Design.
가하였으나 가압 후 가열처리할 경우 목재조직의 균열과 탄화의 진행으로 역학적 특성이 감소하는 것으로 나타났다.
3.2. 가열처리에 따른 재색 측정
Fig. 5는 180°C에서 6, 12, 24, 48 hr.으로 가열 후 재색 변화를 색도색차계(Nippon denshoku, NR-3000)를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 것 이다.
Fig. 6은 층층나무를 45 kgf/cm2로 5분간 가압 후 160, 180, 200°C에서 각각 6, 12, 24, 48 hr.동
안 가열처리 후 재색 변화의 실물 재면사진이다.
그 결과 층층나무는 백색도(L*) 34.2∼53.2, 적 색도(a*) 16.0∼21.0, 황색도(b*) 11.9∼20.7으로 나타났다. 가열시간 간의 색차(ΔE*ab)는 12.1 이 상으로 National Bureau of Standards (한과 조,
Fig. 8. Table (1) drawing and 3D rendering.
Fig. 9. Table (2) drawing and 3D rendering.
Fig. 10. Table (3) drawing and 3D rendering.
2005)에 의하면 “매우 많음(very much)”으로 정 의된다.
3.3. 층층나무 적층재 디자인 연구
Fig. 7은 가구 및 생활용품에 적용할 문양을 가 압․가열처리하여 단계별 재색 처리된 목재를 단 판 적층하여 컴퓨터 프로그램인 일러스트레이션 (Illustration) CS3를 이용해 ㅡ자형, ㄱ자형, ＋자 형, ㅁ자형, 90도 방사형, 120도 방사형 등으로 디
자인하여 조합하였으며 외형적으로는 원형과 정사 각형 형태로 구분하여 사용했다.
Figs. 8, 9, 10은 Fig. 7에서 제시한 pattern de- sign을 이용하여 테이블의 제작 도면과 제작 도면 을 바탕으로 3D rendering을 제시한 그림들이다.
Fig. 8의 테이블(1)은 전통짜임기법인 반턱짜임으 로 접착제를 사용하지 않고 제작하여 분해 조립이 용이하게 하였으며, 문양은 가로 세로 각목 지지대 위에 ㅡ자형 적층문양을 사용하였고 사각형 안쪽
은 단순화한 나뭇가지를 조각하여 배치하였다.
Fig. 9의 테이블(2)은 크기와 높이가 각각 다른 대, 중, 소의 직육면체 형태를 기본으로 상판 테두 리에 ㅡ자형 적층문양을 사용하고 사각형 안쪽은 단순화한 나뭇가지를 조각하여 배치하였다. 대, 중, 소의 직육면체는 위치 이동을 자유롭게 하여 사용케 함으로써 변화를 추구할 수 있도록 하였다.
Fig. 10의 테이블(3)은 크기와 높이가 각각 다른 대, 중, 소의 원통형 형태를 목선반 기법으로 제작 하여 원형 안쪽에 120도 방사형 문양을 사용하였 다. 대, 중, 소의 원통형은 위치 이동을 자유롭게 하여 사용케 함으로써 변화를 추구할 수 있도록 하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 상온에서의 가압처리를 통해 밀 도를 증가 시켜 수축률과 압축강도, 휨 파괴계수 및 탄성계수 등 물리․역학적 특성이 향상되었으 며, 가열처리시 감소하는 물성 저하를 보완 할 수 있었다.
또한 국내산 소경, 간벌목의 활용방안으로 적층 재를 제조하여 목공예품 제작 소재로 이용할 수 있으며, 가열처리를 통해 치수안정성이 향상되어 목재의 변형을 현저히 감소시킬 수 있어 목재의 활용성을 높일 수 있었다. 가압․가열재는 단계별 재색의 선택과 아울러 적층 배열의 위치와 순서, 두께와 방향, 폭과 넓이 등을 다르고 변화 있게 배 치하여 많은 적층 문양을 만들 수 있어 가구와 생 활용품에 심미적이고 실용적으로 적용할 수 있을 것으로 사료된다. 목재 자체의 색을 열처리로 변화 시키고 재색의 밝기를 조절함으로써 부가가치가
높은 목공예품 제작 소재를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.
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