1. 논문접수: 2009. 05. 04.; 심사: 2009. 05. 21.; 게재확정: 2009. 09. 15. 본 연구는 “2007년도 강원대학교 캠 퍼스간 공동연구비로 연구하였음”.
2. 강원대학교 삼척캠퍼스 디자인대학 Samcheok Campus of Design College, Kangwon National University, Samcheok 245-711, Korea.
3. 강원대학교 산림과학대학 College of Forest Sciences, Kangwon National University, Chunchon 200-701, Korea.
†Corresponding author : Rang-Ho Shin(E-mail: [email protected]).
가열·재색변환처리 목재를 이용한 생활용품개발에 관한 연구
1
신 랑 호✝2․윤 석 현2․한 태 형3․권 진 헌3
A study on the development of living products using heat and color conversion treated woods 1
Rang-Ho Shin✝2․Suk-Hyun Yoon2․Tae-Hyung Han3․Jin-Heon Kwon3
ABSTRACT
This study was carried out to investigate the physical and mechanical properties of 6 hardwoods before and after heat treatment in an effort to produce the high quality industrial lumber product.
The results were as follows. Specific gravities of green woods were in range from 0.90 to 1.10. The specific gravities of never treated woods showed higher than those of the heat treated woods. The shrinkage of heat treated woods when green to air & oven dry was significantly low, compared to never treated woods.
The compression strengths parallel to grain of heat treated woods showed higher than those of never treated woods. The moduli of rupture (MOR) of never treated and heat treated woods were 176.4N/㎟∼102.8N/㎟ and 100.1N/㎟∼61.2N/㎟ respectively. MORs of heat treated woods showed lower than those of never treated woods. There was no significant change in the modulus of elasticity (MOE) before and after heat treatment.
Keywords : heat treatment, hardwood, compression strength, mechanical properties.
1. 서 론
1-1 연구목적
우리나라에 식생하는 나무는 재질의 색깔과 문양이 아름답고 향기가 좋아 우리 선조들로부터 지금껏 실생활에 주택이나 가구, 목공예품 제작등으로 널리 사용되어 왔다.
그러나 위와 같은 소재로 이용하기 적합한 수종과 색깔, 문양, 향기 등을 갖는 원목의 부족은 오늘날의 문제는 아니다. 현실적으로 목재 소재의 부족으로 인한 구입의 어려움과 비싼 가격 때 문에 이용이 제한 되어지고, 목재을 대신해 값싸고 간편한 고분자화합물인 플라스틱이나 금속, 비금속 재료 등이 생활도구 재료로 점점 활용도가 높아짐으로써 상대적으로 목재를 이용한 생활 용품이 우리 생활에서 차지하는 비중이 현저히 감소하고 있다.
그러므로, 양질의 목재자원 감소에 따른 소경, 저급 목재의 이용이 불가피해 지고 있지만 누 구나 소비자의 입장에서 저렴한 양질의 목재자원를 이용하기를 원하고 있다.
최근 목재자원 감소에 따른 저급 목재를 소비자가 선호하고 고품질화하여 고부가 가치를 창 출하는 위한 방안으로 열처리 목재(Heat treated wood)가 유럽 등에서 “ThermoWood”라는 등록 상표로서 제품화되어 제조, 유통되고 있다.
열처리 목재가공분야의 연구 동향을 보면, 침엽수재의 수지제거와 침․활엽수재의 재질 변화 와 목재의 치수안정성 개선 그리고 재색 변화에 따른 고품질화를 위한 방향으로 연구가 활발히 진행되고 있다.
또한 목재를 열가수분해하면 추출물이 제거되고, 헤미셀룰로오즈가 분해되고 셀룰로오즈와 리 그닌의 변형이 일어나는데, 열처리에 의한 목재재색변화는 헤미셀룰로오즈의 감소에 의한 것으로 추정되므로 열처리온도는 헤미셀룰로오즈 분해온도인 150∼230℃가 적당한 것으로 여겨진다 (Garrote et al . 1999).
Tarvainen 등(2001)은 노르웨이 스푸루스( Picea abies Karst )와 Scots pine( Pinus sylvestris L.)을 여러 온도에서 건조하여 온도와 재색이 밀접한 관련이 있음과 변재의 재색변화는 70℃ 이 상에서 현저하고 겨울에 벌채한 목재의 재색변화는 다른 계절에 비해 심함을 밝혔다.
국내에서는 은사시나무를 여러 가지 건조방법으로 건조하여 고온건조한 목재가 일반 열기건조 한 목재보다 짙은 색을 나타냈으며 진공-마이크로파로 건조한 목재의 재색이 가장 밝았다는 결 과를 발표하였다(강 2003).
김광모 등(2009)은 백합나무와 삼나무 열처리재의 재질 및 물성평가에서 열분해에 의한 목재 의 역학성능이 저하될 것이라는 일반적인 예측과는 달리 충격휨흡수에너지를 제외한 대부분의 역학성능이 무처리재와 동등하거나 다소 증가한다고 보고 하였다.
따라서, 본 연구에서는 우리나라에서 자생하는 활엽수재 6수종에 대한 열처리에 따른 재색변
화와 열처리 전과 열처리후 목재의 물리․역학적 특성이 어떻게 영향을 받는지 조사하기 위해서
실험을 실시하였다. 또한 열처리한 목재의 가공시 작업 성능과 목공예품 제작을 통한 고부가가치
창출과 고품질의 목공예품 제조 원료로서의 가치 평가를 위해 생활에 필요한 목공예품 개발을
제시하였다.
연구범위는 강원도 태백,삼척지역에서 자생하는 국내산 간벌목 활엽수재 6종을 대상으로 실험 하여 목공예품 개발을 제시하며 연구방법은 6종의 활엽수재를 180℃에서 24시간 고온건조하여 목재 자체의색을 변환시킨후 열처리전의 목재와 열처리후의 목재에 대한 물리적성질,역학적성질 을 비교분석하여 그 특징과 장점을 활용하여 생활용품을 개발 하고자한다.
2. 재료 및 방법
2-1 공시재료
본 연구를 위하여 사용된 공시 수종은 국내에서 자생하고 있는 활엽수재 중 미래의 이용가치 가 높고 목공예품 제작 등으로 이용 할 경우 부가가치 창출의 효과를 높일 것으로 판단되는 수 종을 강원도 태백․삼척지역 산지에서 벌채한 후 야적된 것을 선별하여 공시목으로 사용하였다.
해부학적 특징이 다른 산공성 활엽수재 벚나무( Prunus serrulata var. spontanea ), 고로쇠나무 ( Acer pictum Maxim.), 자작나무( Betula platyphylla var. japonica ) 3수종과 환공성 활엽수재 느 릅나무( Ulmus davidiana var. japonica ), 굴참나무( Quercus variabilis B
LUME), 다릅나무( Maackia amurensis var. amurensis ) 3수종으로 구분하여 각각 1본씩 선정하였으며 목재직경과 연륜은
<Table 1>과 같다..
Table 1. Sample trees
Species D.B.H(㎝)
*Tree age Locality
wood Hard
Diffuse-porous wood
Prunus serrulata var. spontanea 28 28
Taebaek Samcheok,
Kangwon
Acer pictum Maxim. 33 58
Betula platyphylla var. japonica 27 34 Ri ng - p o ro u s
wood
Ulmus davidiana var. japonica 27 47 Quercus variabilis B
LUME31 28 Maackia amurensis var. amurensis 25 47
* D.B.H : diameter at breast height
2-2 실험방법
2-2-1 열처리 방법 및 조건
실험에 사용된 공시목은 6㎝ 판재로 제재하여 함수율 열처리 공정을 위해 항온항습기(TEMI 880)의 컨트롤러 프로그램에 의해 초기 온도 40℃, 상대습도 85%부터 단계적으로 최종온도 9 8℃, 상대습도 15%까지 제어하면서 일주일간 열처리를 실시하였다.〈Fig.1〉(B)
2차 열처리에 의한 재색 변환을 위해〈Fig.1〉(C) 에서와 같이 건조 조건으로 180℃에서 24시
간 고온 건조를 실시하였다.
0 20 40 60 80 100 120
1 2 3 4 5 6 7
Time (Day)
Temperature(℃)
0 20 40 60 80 100 120
Humidity(%)
Temp.
Humi.
0 40 80 120 160 200
0 1/6 1/2 1 3 6 12 24
Time(hr.)
Temperature(℃)
( A ) ( B ) ( C )
Fig. 1. The equipment(A), the first(B), and the second dry schedule(C) for heat treatment.
2-2-2 물리적 성질 측정
시험편의 생재밀도( Wg/Vg ), 전건밀도( Wo/Vo ) 및 기건밀도( Wo/Wg )를 KS F 2198(한국산업 규격, 2001)에 따라 측정하였으며, 열처리재 시험편은 20±5℃의 증류수에 침수하여 포수 상태로 만든 후 측정하였다.
수축률은 횡단면의 한 변의 길이가 20㎜인 정사각형, 섬유 방향 길이가 25㎜인 직육면체로 제 조하여 열처리 전․후로 시험편을 수종별로 각각 10개씩 제작하여 기건수축률과 전건수축률을 KS F 2203(한국산업규격 2004)에 따라 계산하였다.
2-2-3 역학적 성질 측정
압축강도, 휨강도, 전단강도는 KS F 2201에 따라 각각 시험편을 10개씩 제작한 후 KS F 2206, 2208, 2209(한국산업규격 2004)에 따라 만능강도 시험기 인스트롱(4482)을 사용하여 분당 1
㎜ 하중 속도로 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3-1 물리학적 특성 3-1-1 밀도
열처리 전과 후의 생재밀도, 기건밀도, 전건밀도를 측정한 결과는 〈Table 2〉와 같다. 열처 리 전의 생재밀도는 1.10∼0.90 범위였으며, 열처리 후의 생재밀도 보다 평균 0.11 이상 높게 나 타났다. 전체적으로 열처리 후의 밀도가 열처리 전의 밀도보다 낮게 나타났으며, 기건밀도와 전 건밀도의 감소폭은 적었다.〈Fig. 2〉이는 수분의 흡, 탈착과정에서 수분변화에 따른 목재의 수축 에 의한 체적 감소도 함께 발생하기 때문으로 생각된다.
3-1-2 수축률
기건 수축률과 전건 수축률을 측정한 결과〈Table 2〉 수종별로 다소 차이는 있지만 열처리
전의 기건수축률은 평균 9.95%, 전건수축률은 11.03%로 매우 높은 반면, 열처리후의 수축률은
기건수축률이 평균 5.90%, 전건 수축률은 6.60%로 열처리 후의 수축률이 매우 많이 감소한 것을
3〉
小幡와 冨田(2002)는 spruce재를 이용하여 여러 온도조건에서 열처리한 결과, 100℃이상의 열 처리에 의한 목재중의 비결정 분자쇄가 annealing 효과로 흡수성이 저하된다고 보고하였다. 이와 같이 목재에 열처리를 함으로써 목재성분의 열분해가 발생되고 수분의 흡수성과 수축률이 감소 하는 등 열처리 가공목의 치수안정성이 향상됨을 확인할 수 있었으며, 목재의 품질 및 이용가치 가 크게 증가할 것으로 기대된다.
Table 2. Specific gravity and shrinkage
Speciesspecific gravity shrinkage (%) green
wood air dried
wood oven dried wood
shrinkage when green to
air dry
shrinkage when green to
oven dry heat treatment heat treatment heat treatment heat treatment heat treatment
before after before after before after before after before after
Prunus serrulata
1.07 0.91 0.70 0.68 0.67 0.61 9.58 8.22 9.95 8.61Acer pictum
1.10 0.95 0.73 0.66 0.70 0.63 10.38 3.38 11.51 3.98Betula platyphylla
0.97 0.90 0.65 0.67 0.60 0.66 8.46 5.21 8.43 6.02Ulmus davidiana
1.06 0.89 0.73 0.69 0.71 0.68 12.34 7.08 15.82 7.18Quercus variabilis
1.10 0.97 0.83 0.75 0.81 0.73 9.57 5.78 11.00 5.74Maackia amurensis
0.90 0.90 0.57 0.50 0.54 0.49 9.35 5.75 9.48 8.170.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40
Specific gravity
P. serrulata A. pictum B. platyphylla U. davidiana Q. variabilis M. amurensis Species
Before After
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Shrinkage when green to oven dry (%)
P. serrulata A. pictum B. platyphylla U. davidiana Q. variabilis M. amurensis Species
Before After
3-2 역학적 특징 3-2-1 압축강도
각 수종별 열처리 전과 후의 압축강도, 전단강도, 휨강도와 휨탄성계수 결과 값은 〈Table 3〉과〈Fig. 4〉, 〈Fig. 5〉와 같다.
압축강도는 열처리 전의 굴참나무가 91.47N/㎟으로 가장 높게 났으며, 열처리후의 압축강도 감소폭도 가장 높게 나타났다. 고로쇠나무와 굴참나무의 경우 열처리 전보다 열처리후가 낮게 나 타난 반면, 나머지 4수종은 조금 증가하였다. 김광모 등(2009)은 백합나무와 삼나무 열처리재의 재질 및 물성평가에서 충격휨흡수에너지를 제외한 대부분의 역학성능이 무처리재와 동등하거나 다소 증가한 결과와 유사한 결과를 나타냈다.
Fig. 2. Specific gravity of green woods before and after heat treatment.
Fig. 3. Shrinkage when green to oven dry of woods before and after heat treatment.
3-2-2 전단강도
전단강도 측정 결과, 국립산림과학원(정 등, 2009)에서 발간한 “한국산 유용수종의 목재성질”
에서 보고한 벚나무(R : 121㎏f/㎠, T : 125㎏f/㎠) 등 대다수의 수종이 열처리 전의 전단강도 측 정값이 열처리후의 값보다 다소 높거나 유사한 결과를 보였다. 전체적으로 열처리재가 처리 전보 다 전단강도 측정값이 감소하는 경향을 보였으며, 방사단면이 접선단면보다 다소 높은 값을 보여 주었다. 고로쇠나무만이 감소폭이 작았으며 나머지 5수종은 감소폭이 크게 나타났다.
Table 3. Mechanical properties of woods before and after heat treatment
Species
compressive strength (N/㎟)
shear strength (N/㎟) bending strength radial tangential modulus of
rupture (N/㎟)
modulus of elasticity (103N/㎟) heat treatment heat treatment heat treatment heat treatment heat treatment
before after before after before after before after before after
Prunus serrulata
89.75 90.54 19.76 11.16 19.18 13.45 165.5 100.1 125 132Acer pictum
71.23 66.07 18.30 15.68 17.32 15.07 116.6 65.9 104 96Betula platyphylla
67.09 82.09 16.97 8.72 16.73 8.43 134.9 85.9 119 123Ulmus davidiana
71.05 86.20 17.35 9.21 17.81 9.26 176.4 85.9 127 138Quercus variabilis
91.47 75.28 19.73 11.61 21.41 13.02 135.3 53.2 147 129Maackia amurensis
52.08 59.91 14.00 6.35 13.18 7.22 102.8 61.2 92 920 20 40 60 80 100 120
Compression parallel to grain (N/㎟)
P. serrulata A. pictum B. platyphylla U. davidiana Q. variabilis M. amurensis Species
Before After
0 40 80 120 160 200
P. serrulata A. pictum B. platyphylla U. davidiana Q. variabilis M. amurensis Species
Modulus of rupture(N/㎟)
0 40 80 120 160
Modulus of elasticity(103N/㎟)
Before(MOR) After(MOR) Before(MOE) After(MOE)
Fig. 4. Compression strength parallel to grain of woods before and after heat treatment.
Fig. 5. MOR and MOE of woods before and after heat treatment.
3-2-3 휨강도 및 휨탄성계수
휨강도와 휨탄성계수에 대한 결과 값을〈Fig. 5〉에서 보여주는 것과 같이 열처리 전 휨강도 는 176.4 N/㎟∼102.8 N/㎟ 범위로 비교적 높게 나타난 반면, 열처리 후 휨강도는 100.1 N/㎟∼
61.2 N/㎟로 약 40%이상 감소하는 등 전단강도와 비슷한 경향으로 크게 감소하였다. 산공재 수
종보다 환공재 수종이 더 큰 감소폭을 보여주었다. 이는 열처리 과정에서 도관의 분포상태 및 타
휨탄성계수의 경우 열처리전과 열처리후의 측정값이 유사하거나 수종별로 다소의 증감을 보 이는 등 뚜렷한 경향을 보이지 않았으며, 다릅나무인 경우 처리전과 후의 동일한 측정값을 보였 다. 벚나무와 느릅나무의 경우 열처리 후에 휨탄성계수가 증가하였으며, 전체적으로 열처리에 대 한 휨탄성계수 값은 영향을 받지 않는 것으로 확인되었다.
4. 결 론
본 실험은 활엽수재 6수종에 대한 열처리 가공에 따른 재색변화와 목공예품의 소재로서의 고 급화를 위한 기초 자료를 얻기 위해 물리․역학적 특성을 조사한 결과 다음과 같다.
1. 열처리 전의 생재밀도는 1.10∼0.90 범위였으며, 열처리 후의 생재밀도 보다 평균 0.11 이상 높 게 나타났다. 전체적으로 열처리 후의 밀도가 열처리 전의 밀도보다 낮게 나타났으며, 기건밀 도와 전건밀도의 감소폭은 적었다.
2. 기건 수축률과 전건 수축률은 수종별로 다소 차이는 있지만 열처리전의 기건수축률은 평균 9.95%, 전건수축률은 11.03%로 매우 높은 반면, 열처리후의 수축률은 기건수축률이 평균 5.90%, 전건 수축률은 6.60%로 열처리 후의 수축률이 매우 많이 감소하였다. 이와 같이 목재 에 열처리를 통해 수분의 흡수성과 수축률이 감소 등 치수안정성이 향상시킬 수 있다.
3. 압축강도는 열처리 전의 굴참나무가 91.47N/㎟으로 가장 높게 났으며, 처리 후의 압축강도 감 소폭도 가장 높게 나타났다. 고로쇠나무와 굴참나무의 경우 열처리 전보다 열처리 후가 낮게 나타난 반면, 나머지 4수종은 조금 증가하였다.
4. 전단강도 측정 결과 전체적으로 열처리재가 처리 전보다 전단강도 측정값이 감소하는 경향을 보였으며, 방사단면이 접선단면보다 다소 높은 값을 보여주었다. 고로쇠나무만이 감소폭이 작 았으며 나머지 5수종은 감소폭이 크게 나타났다.
5. 열처리 전 휨강도는 176.4 N/㎟∼102.8 N/㎟ 범위로 비교적 높게 나타난 반면, 열처리 후 휨 강도는 100.1 N/㎟∼61.2 N/㎟로 약 40%이상 감소하였다. 휨탄성계수의 경우 열처리전과 열처 리후의 측정값이 유사하며, 열처리에 대한 휨탄성계수 값은 영향을 받지 않는 것으로 확인되 었다.
5. 생활용품 개발
5-1 열처리 목재의 활용성
위의 실험결과를 바탕으로 열처리 목재를 목공예품 제작 소재로서 다음과 같은 활용가치를 얻을 수 있다.
1. 간벌된 소경목을 대상으로 사용할 수 있어 목재구입이 저렴하며 용이하다.
2. 열처리후 치수안정성의 향상으로 목재의 변형을 현저히 감소시킬 수 있어 목재의 활용성을
높일 수 있다.
3. 목재 자체의 색을 열처리로 변화시켜 부가가치가 높은 목공예품 제작 소재를 얻을 수 있다.〈Fig.6〉
4. 밀도와 강도의 감소로 목재의 절단성과 절삭성을 향상시킬 수 있어 생산성을 높일 수 있다.
heat treatment
before after before after before after
Prunus serrulata Acer pictum Betula platyphylla
before after before after before after
Ulmus davidiana Quercus variabilis Maackia amurensis
Fig. 6. Woods of color.5-2 디자인연구
본 연구의 생활용품 디자인 개발은 다음과 같은 내용을 주된 방향으로 설정하여 제시하였으며 〈Fig.7〉,〈Fig.8〉에서와 같이 3D Rendering으로 제안하여 생활용품을 개발하고자 하였다.
1. 제품의 실용성과 다양성을 통한 선택의 폭을 넓힌 대중적 생활용품에 중점을 두었다.
2. 기계작업 중심의 단순성과 양산성을 통한 합리적 생산단가를 제시하고자 하였다.
4. 절제된 장식과 간결한 형태, 최소의 부피, 세트화를 통한 포장 및 휴대의 편리성을 제시하고자 하였다.
(A) Drawing (B) 3D Rendering
Fig. 7. Drawing and 3D Rendering.
(A) Drawing (C) 3D Rendering
(B) Drawing
Fig. 8. Drawing and 3D Rendering.
6. 참고문헌
