국내산 활엽수 열처리재의 재색 변화에 따른 목재의 특성과 생활용품 활용방안에 관한 연구
1
신랑호
2
․ 한태형3
․ 권진헌†3
A Study on the Plans for Living Products and Wood Properties & Color Changes on Heat treated Wood of
Domestic Hardwood
1Rang-Ho Shin
2․ Tae-Hyung Han
3․ Jin-Heon Kwon
†3ABSTRACT
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 object of the research was to design living products with heat treated woods.
The results were as follows. Specific gravities of green woods were in range from 0.87 to 1.12. 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 170.37N/㎟∼107.07N/㎟ and 122.78N/㎟∼61.27N/㎟ respectively. MORs of heat treated woods showed lower than those of never treated woods. The modulus of elasticity (MOE) of heat treated woods showed higher than those of never treated woods.
Keywords: heat treatment, hardwood, mechanical properties, living products.
1. 논문접수: 2009. 09. 09.; 심사: 2009. 09. 25.; 투고확정: 2010. 01. 16.
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.
†교신저자(Corresponding author): Jin-Heon Kwon (E-maill: [email protected]).
1. 서 론
오늘날 소득의 증대와 경제적 성장은 개인의 삶과 질의 향상을 가져왔고, 그 결과 친자연적 소재와 함께 하는 참살이, 소위 ‘웰빙의 붐’이 유행되고 있다.
이러한 친자연적 소재 중 가볍고 가공이 쉬우며 견고한 소재라 할 수 있는 목재는 인류 역사 만큼이나 오랫동안 인간에게 가장 친근한 재료로 사용되어 왔다. 그러나 목재를 대신해 값싸고 간편한 고분자화합물인 플라스틱이나 금속, 비금속 등의 많은 재료들이 대량 생산됨으로써 우리 의 생활용품 속에 많은 비중을 차지하고 있는 것도 사실이다. 인간생활에 사용되는 수많은 재료 들 중에서 목재는 오늘날 더욱 더 목재만의 독특한 특성과 복고풍의 고급화 추세로 사용범위가 점점 더 넓어져 가고 있고, 목질재료를 통해 조성된 환경은 인간의 정서와 감정에까지 영향을 미 치는 중요한 소재라 할 수 있다.
국토면적의 64%가 산림으로서 OECD 국가 중 4위에 해당할 만큼 산림 분포율이 높은 반면, 대부분이 소경목이나 저급 목재로써 사용하기에 부적당하여, 목재 소비량(연간 260만㎥)의 90%
이상을 수입에 의존하고 있는 실정이다. 2006년 기준으로 목재의 수입현황을 보면, 주로 뉴질랜 드, 동남아시아 등에서 목재를 수입하고 있으며, 캐나다, 미국 등 북미에서 수입되는 건축용 제재 목 등 가공 목재 사용 비중이 높아지고 있는 추세이며, 북미지역은 ‘05년 기준으로 수입량(㎥)으 로는 9%에 불과하나 수입금액으로는 14% 정도(약 2억 5천만 달러)로 고급 가공목 위주로 수입 하고 있다(김 등 2005).
그러므로, 양질의 목재자원 감소에 따른 소경, 저급 목재의 이용이 불가피해지고 있으며 누구 나 소비자의 입장에서 양질의 저렴한 목재자원의 이용을 원하고 있다.
최근 목재자원 감소에 따른 저급 목재를 소비자가 선호하고 고품질화 하여 고부가가치를 창 출하기 위한 방안으로 열처리 목재(Heat treated wood)가 유럽 등에서 “ThermoWood”라는 등록 상표로서 제품화되어 제조, 유통되고 있다.
전 세계 목재가공분야에서 침엽수재의 수지제거와 침․활엽수재의 재질 변화와 목재의 치수 안정성 개선 그리고 재색 변화에 따른 고품질화하기 위한 방향으로 연구가 활발히 진행되고 있 다.
목재를 열가수분해하면 추출물이 제거되고, 헤미셀룰로오즈가 분해되고 셀룰로오즈와 리그닌 의 변형이 일어나는데, 열처리에 의한 목재재색변화는 헤미셀룰로오즈의 감소에 의한 것으로 추 정되므로 열처리온도는 헤미셀룰로오즈 분해온도인 150∼230℃가 적당한 것으로 여겨진다 (Garrote et al ., 1999).
Tarvainen 등(2001)은 노르웨이 가문비나무( Picea abies Karst)와 Scots pine( Pinus sylvestris L.)을 여러 온도에서 건조하여 온도와 재색이 밀접한 관련이 있으며, 변재의 재색변화 는 70℃ 이상에서 현저하고 겨울에 벌채한 목재의 재색변화는 다른 계절에 비해 심함을 밝혔다.
강호양 등(2006)은 열처리에 의한 목재의 재색변화 연구에서 열처리에 의해 뚜렷한 재색변화 가 나타났으며 무처리보다 높은 치수안정성을 보인다고 발표했다.
또한, 국내산 소나무, 잣나무, 낙엽송 등 침엽수의 재색변화에 대한 연구에서도 220℃ 온도조 건에서 10시간 처리 후에 무처리와 색차가 15에 도달하여 분명한 재색변화를 얻었다(강, 2008).
신랑호 등(2009)은 국내산 활엽수재의 가열․재색변환처리 목재를 이용한 생활용품개발에 관
Table 1. Sample trees
Species D.B.H(㎝)
*Tree age Locality
wood Hard
Diffuse-porous wood
Cornus controversa Hemsl. ex
Prain 35 40
Taebaek Samcheok,
Kangwon Juglans mandshurica Maxim.
var. mandshurica for. mandshurica 33 39
Betula schmidtii Regel 21 35
Diospyros lotus Linne.var .lotus 27 54 Ring-porous
wood
Fraxinus mandshurica Rupr. 31 55 Fraxinus rhynchophylla Hance 28 37
한 연구에서 압축강도와 휨탄성계수 측정값에서 열처리가 물성 변화에 크게 영향을 주지 않음을 보고하였고, 열처리 후에 치수안정성의 향상으로 목재의 변형이 감소하여 목재의 활용성을 높일 수 있으며, 열처리에 의한 재색변화로 부가가치가 높은 목공예품 제작 소재를 얻을 수 있다고 보 고했다.
백합나무와 삼나무 열처리재의 재질 및 물성평가에서 열분해에 의한 목재의 역학성능이 저하 될 것이라는 일반적인 예측과는 달리 충격 휨 흡수에너지를 제외한 대부분의 역학성능이 무처리 재와 동등하거나 다소 증가한다고 보고 했다(김 등, 2009).
따라서, 본 연구에서는 우리나라에서 자생하는 활엽수재 6수종에 대한 열처리에 따른 재색변 화와 열처리 전과 열처리 후의 목재의 물리․역학적 특성 변화를 조사하기 위해 실험을 실시하 였으며 이에 대한 활용방안의 일환으로 열처리한 목재의 목공가공시 작업 성능과 목공예 제품을 통한 고부가가치 창출, 고품질의 목공예품 제조 원료로서의 가치 평가를 위해 생활용품 개발과 활용을 위한 디자인을 제안했다.
2. 재료 및 방법
2-1 공시재료
본 연구에 사용된 공시목은 국내에서 자생하고 있는 수종 중에 미래의 이용가치가 높고 목공 예품 등으로 제조할 경우 부가가치가 높을 것으로 판단되는 수종을 강원도 태백․삼척 산지에서 벌채한 후 야적된 것을 선택하였다. 또한 해부학적 특징이 다른 산공성 활엽수재인 층층나무 ( Cornus controversa Hemsl. ex Prain), 가래나무( Juglans mandshurica Maxim. var.
mandshurica for. mandshurica ), 박달나무( Betula schmidtii Regel), 고욤나무( Diospyros lotus Linne.var .lotus )와 환공성 활엽수재인 들메나무( Fraxinus mandshurica Rupr.), 물푸레나무 ( Fraxinus rhynchophylla Hance) 등 6수종으로 구분하여 각각 1본씩 선정하였으며 목재 직경과 연륜은 <Table 1>과 같다.
* D.B.H : diameter at breast height
2-2 실험방법
2-2-1 열처리 방법 및 조건
실험에 사용된 공시목은 6㎝ 판재로 제재한 후 <Fig. 1 (A)>에서와 같이 열처리 공정을 위 해 항온항습기(TEMI 880)의 컨트롤러 프로그램에 의해 초기 온도 40℃, 상대습도 85%부터 단계 적으로 최종온도 98℃, 상대습도 15%까지 제어하면서 일주일간 1차 열처리를 실시했다.
2차 열처리에 의한 재색 변환을 위해 <Fig. 1 (B)>에서와 같은 건조 조건으로 180℃에서 24 시간 고온 건조를 실시하였다. <Fig. 2>는 2차 열처리를 실시하기 전과 후의 공시목의 재색 변 화의 차이를 나타낸 사진이다.
( A ) ( B )
Fig. 1. The first(A) and the second dry schedule(B) for heat treatment of woods.
heat treatment
before after before after before after
Cornus controversa Juglans mandshurica Ma xim. va r. mand shur i ca
for. mandshurica Betula schmidtii before after before after before after
Diospyros lotus Linne. Fraxinus mandshurica Fraxinus rhynchophylla
F
Fig. 2. Color of Woods before and after heat treatment.
2-2-2 물리적 성질 측정
시험편의 생재밀도 m
o/Vg ), 전건밀도( m
o/Vo ) 및 기건밀도( m
o/V w)를 KS F 2198(한국산업규 격, 2006)에 따라 측정하였으며, 열처리재 시험편은 20±5℃의 증류수에 침수하여 포수 상태로 만 든 후 측정했다.
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, 1994))에 따라 계산했다.
2-2-3 역학적 성질 측정
압축강도, 휨강도, 전단강도는 KS F 2201, 2202에 따라 각각 시험편을 10개씩 제작한 후 KS F 2206, 2208, 2209(한국산업규격, 2004)에 따라 만능강도 시험기 인스트롱(4482)을 사용하여 시 험편이 1.5～2분 이내에 파괴되도록 균일한 하중 속도로 측정했다.
2-2-4 디자인 연구
본 연구의 생활용품 디자인 개발은 제품의 실용성과 다양성을 통한 선택의 폭을 넓힌 대중적 생활용품에 중점을 두어 3D Rendering으로 제한하여 생활용품을 개발하고자 했으며, 디지털조각 기(CNC N/C : Computerized Numberical Control Machining Center)를 사용한 기계작업 중심의 단순성과 양산성을 통한 합리적 생산단가를 제시하고자 했다. 또한, 레이저조각기(Laser Milling Machine)를 사용하여 상감재인 자개(紫蓋)의 종류 중 진주패를 사용하여 절단함으로써 정밀도와 생산성을 향상시켰다.
3. 결과 및 고찰
3-1 물리적 특성
열처리 전과 후의 생재밀도, 기건밀도, 전건밀도와 수축률을 측정한 결과는 <Table 2>와 같 다. 열처리 전의 생재밀도는 1.12∼0.87g/㎤ 범위였다. 전체적으로 열처리 후의 밀도가 열처리 전 의 밀도보다 낮게 나타났으며, 기건밀도와 전건밀도의 경우 뚜렷한 경향을 보이지 않았다.
기건 수축률과 전건 수축률을 측정한 결과, 수종별로 다소 차이는 있지만 열처리전의 기건 수 축률은 평균 11%, 전건 수축률은 9.58%로 매우 높은 반면, 열처리후의 수축률은 기건 수축률이 평균 6.29%, 전건 수축률은 6.83%로 열처리 후의 수축률이 매우 많이 감소한 것을 알 수 있다.
수종별로 보면 전건 상태에서 열처리 전과 후의 수축률 감소폭이 큰 수종은 들메나무, 박달나무, 층층나무 순이며, 가래나무와 물푸레나무가 열처리에 의한 수축률의 감소폭이 적었다. <Fig. 3.>
小幡와 冨田(2002)는 spruce재를 이용하여 여러 온도조건에서 열처리한 결과, 100℃이상의 열 처리에 의한 목재중의 비결정 분자쇄가 annealing 효과로 흡수성의 저하된다고 대하여 보고했다.
이와 같이 목재에 열처리를 함으로써 목재성분의 열분해가 발생되고 수분의 흡수성과 수축률이
감소하는 등 열처리 가공목이 치수안정성이 향상됨을 확인할 수 있었으며, 목재의 품질 및 이용
가치가 크게 증가할 것으로 기대된다.
Table 2. Wood density and shrinkage
Specis
wood density (g/㎤) 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
Cornus controversa
0.94 0.87 0.53 0.60 0.61 0.59 10.37 4.72 10.48 5.35Juglans mandshurica
Maxim. var. mandshurica
for. mandshurica
0.87 0.79 0.61 0.62 0.57 0.61 10.46 7.70 10.52 8.49Betula schmidtii
1.10 1.02 0.92 0.81 0.85 0.78 13.10 6.09 12.98 7.02Diospyros lotus Linne
1.12 0.92 0.70 0.68 0.62 0.66 10.84 5.36 10.03 5.99Fraxinus mandshurica
1.06 0.84 0.78 0.66 0.74 0.65 11.13 5.97 12.53 6.14Fraxinus rhynchophylla
1.05 0.96 0.78 0.73 0.71 0.72 10.09 7.88 11.40 7.96Fig. 3. Shrinkage when green to oven dry.
3-2 역학적 특징 3-2-1 압축강도
<Table. 3>과 <Fig. 4, 5>는 각 수종별 열처리 전과 후의 압축강도, 전단강도, 휨강도와 휨탄 성계수 결과 값을 나타내었다.
압축강도는 열처리 전의 물푸레나무가 86.65N/㎟으로 가장 높게 나타났으며, 가래나무의 경우 열처리 전 58.37N/㎟에서 열처리 후 81.25N/㎟로 증가폭이 약 28%로 가장 크게 나타났다. 전체 적으로 열처리 전보다 열처리 후의 압축강도가 증가했다. 김 등(2009)의 백합나무와 삼나무 열처 리재의 재질 및 물성평가에서 충격휨흡수에너지를 제외한 대부분의 역학성능이 무처리재와 동등 하거나 다소 증가한 결과와 유사한 결과가 나타났다.
3-2-2 전단강도
전단강도 측정 결과, 국립산림과학원(정 등, 2009)에서 발간한 “한국산 유용수종의 목재성질”
에서 보고한 박달나무의 경우 방사단면(R) : 191㎏f/㎠, 접선단면(T) : 197㎏f/㎠)의 값과 비교하
면 방사단면(R) : 25.14N/㎟(246.4㎏f/㎠), 접선단면(T) : 22.35N/㎟(219.03㎏f/㎠)으로 열처리 전의
전단강도 측정값과 비슷하거나 다소 높게 나타났다. 전체적으로 열처리재가 처리 전보다 전단강 도 측정값이 감소하는 경향을 보였으며, 방사단면과 접선단면의 큰 차이가 없었다. 본 실험에 사 용된 활엽수재에서 많이 발달된 방사조직 많이 분포하고 방사조직 부분에서 열처리시 할열 등 목재 결함이 생긴 것이 주원인으로 생각된다.
Table 3. Mechanical properties of species between before and after heat treatments
Specis
compressive strength
(N/㎟)
shear strength (N/㎟) bending strength radial tangential modulus of
rupture (N/㎟)
modulus of elasticity (103N/㎟) treatmentheat heat
treatment heat
treatment heat
treatment heat treatment befor
e after before after before after before after before after
Cornus controversa
53.55 66.20 17.46 11.29 17.61 9.26 121.03 71.85 84 94Juglans mandshurica
Maxim. var. mandshurica
for. mandshurica
58.37 81.25 14.28 8.34 14.60 12.39 107.07 61.27 122 140Betula davurica
77.68 105.39 25.14 9.81 22.35 9.29 162.82 99.82 155 193Diospyros lotus Linne
54.07 74.91 19.14 9.14 16.24 8.96 111.79 97.27 92 115Fraxinus mandshurica
77.19 81.40 14.16 9.50 14.57 9.85 166.16 122.78 145 156Fraxinus rhynchophylla
86.65 89.43 21.71 10.20 18.90 10.99 170.37 100.72 133 150Fig. 4. Compression strength parallel to grain before and after heat treatment.
Fig. 5. MOR and MOE before and after heat treatment.
3-2-3 휨강도 및 휨탄성계수
휨강도와 휨탄성계수에 대한 결과 값을〈 Fig. 5〉에서 보여주는 것과 같이 처리 전 휨강도
는 물푸레나무가 170.37N/㎟로 가장 높게 나타났으며, 들메나무, 박달나무 순으로 나타났다. 열처
리 후의 휨강도는 들메나무가 122.8N/㎟로 가장 높게 나타났으며, 6수종 모두 평균 44%이상 감
소폭을 보였다. 이는 열처리 과정에서 방사조직의 할열에의한 휨강도의 감소와 목재조직을 구성
하는 헤미셀룰로오스 및 셀룰로오스가 일부 열분해되고, 또한 열처리시 목재건조 응력완화에의해
휨강도 저하를 야기시키는 것으로 생각된다.
휨탄성계수의 경우 박달나무가 처리 전 155 × 10
3N/㎟, 처리 후 193 × 10
3N/㎟로 가장 큰 값 을 보여주었으며, 들메나무, 물푸레나무 순으로 높았다. 전체적으로 열처리전보다 열처리후의 측 정값이 증가하는 경향을 보였다.
3-3 생활용품 개발
3-3-1 열처리 목재의 활용성
위의 실험결과를 바탕으로 열처리 목재를 목공예품 제작 소재로 이용하면 다음과 같은 활용 가치를 얻을 수 있다(신 등, 2009).
① 간벌된 소경목을 대상으로 사용할 수 있어 목재구입이 저렴하며 용이하다.
② 열처리후 치수안정성의 향상으로 목재의 변형을 현저히 감소시킬 수 있어 목재의 활용성 을 높일 수 있다.
③ 목재 자체의 색을 열처리로 변화시켜 부가가치가 높은 목공예품 제작 소재를 얻을 수 있 다.<Fig. 2>
④ 밀도와 휨강도의 감소로 목재의 절단성과 절삭성을 향상시킬 수 있어 제품의 생산성을 높 일 수 있다.
⑤ 열처리 온도 변화에 따라 재색의 밝기를 조절할 수 있다.
3-3-2 문양디자인
사용 문양은 조선시대의 장(欌)과 농(籠)에 사용된 많은 들쇠들 중 박쥐형 들쇠(최 등,1981) 1 종을 모티브(Motive)로 디자인<Fig. 6> 하였으며 우리의 전통문양인 박쥐문(편복문:蝙蝠紋)을 현 대화하여 상감 기법을 적용함으로써 전통문화의 계승과 발전은 물론 길상(吉祥)과 다복(多福)의 의미를 부여하고자 했다.
Fig. 6. Pattern Design.
3-3-3 생활용품 디자인
본 연구의 생활용품 디자인 개발은 다음과 같은 내용을 주된 방향으로 설정하여 제시하였으 며 <Fig. 7, 8>에서와 같이 3D Rendering으로 제안하여 생활용품을 개발하고자 했다.
① 제품의 실용성과 다양성을 통한 선택의 폭을 넓힌 대중적 생활용품 개발에 중점을 두었다.
② 디지털조각기(CNC N/C : Computerized Numberical Control Machining Center)을 사용한
기계작업 중심의 단순성과 양산성을 통한 합리적 생산단가를 제시하고자 했다.
③ 전체적인 형태는 기하학적 도형인 정사각형, 직사각형을 기본으로 한 디자인을 제시하여 현대성을 높이고자 했다.
④ 절제된 장식과 간결한 형태, 최소의 부피, 세트화를 통한 포장 및 휴대의 편리성을 제시하 고자 했다.
⑤ 레이저조각기(Laser Milling Machine)를 사용하여 상감재인 자개(紫蓋)의 종류 중 진주패 를 사용하여 절단함으로써 정밀도와 생산성을 향상 시켰다.
⑥ 산공성 활엽수재인 층층나무 목재를 열처리하여 재색을 변화시켜 사용했다.
⑦ 마감은 무광 투명 락카를 사용하여 처리했다.
(A) Drawing (B) 3D Rendering
Fig. 7. Drawing and 3D Rendering.
(A) Drawing (B) 3D Rendering
Fig. 8. Drawing and 3D Rendering.
4. 결 론
본 연구는 활엽수재 6수종에 대한 열처리 가공에 따른 재색변화와 물리․역학적 특성에 대한 기초 자료를 얻기 위해 실험하였고, 열처리 목재를 활용한 목공예품의 소재로서의 가치평가를 얻 기 위한 활용방안의 한 사례로 제안하면 다음과 같다.
1. 열처리 전의 기건 수축률과 전건 수축률은 열처리후의 기건수축률과 전건 수축률에 비해 매우 많이 감소했다. 수종별로 보면 전건 상태에서의 수축률은 들메나무, 층층나무, 가래나무 순 으로 열처리에 의한 수축이 많이 감소했다.
2. 전체적으로 열처리 전보다 열처리 후의 압축강도는 증가하였다. 반면, 열처리재가 처리 전 보다 전단강도 측정값이 감소하는 경향을 보였으며, 열처리전 전단강도는 접선단면이 방사단면보 다 다소 높은 값을 보여주었다.
3. 열처리 전 휨강도는 열처리 후의 휨강도보다 6수종 모두 평균 44%이상 감소폭을 보인 반 면, 휨탄성계수는 전체적으로 열처리전보다 열처리후의 측정값이 증가하는 경향을 보였다.
4. 열처리 목재를 활용한 생활용품 개발에 있어서 치수안정성의 향상으로 목재의 변형을 감소 시킬 수 있어 목재의 활용성을 높일 수 있다.
5. 열처리 온도 변화에 따른 재색의 밝기 조절과 재색변화로 부가가치가 높은 목공예품 제작 소재를 얻을 수 있다.
5. 참고문헌
