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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이 등(2010)의 “국내 시판용 목탄의 흡착 특성(Ⅰ)”에 이어 국내에서 시판되고 있는 전통숯(흑탄 및 백탄)과 기계숯에 대하여 주요 기능성을 분석검토 하였다.
제안 방법
- 각형의 시료에 대해 전자선을 시료에 조사하여 발생하는 특정 X선(X-ray)을 분광해 원소분석을 분석 하는 EDS (Energy dispersive X-ray-spectrometer, 모델명 : kevex)을 이용하여 무기성분을 분석하였다.
- 목탄의 해부학적 특성 조사는 시료를 방사방향 10 mm, 접선방향 10 mm, 섬유방향 5 mm의 치수로 제작하여 주사현미경(LEO-1530)을 이용하여 단면의 해부학적 구조를 관찰하였다.
- 1341)를 사용하였다. 산소를 압입한열량계의 붐베 속에서 시료를 연소 시키면 붐베 밖의 내통 속의 물이 데워지며, 이 물의 연소 전후의 온도 차에서 구한 값에 대하여 열보정을 하여 발열량을 산출하였다.
- 온도부가 설정해 놓은 온도와 일치한 후 20∼25분 경과 후 방사에너지량을 얻은 후 흑채의 방사에너지량과 비교해 원적외선 방사율로 하였다.
- 전통숯과 기계숯의 60 mesh의 시료 1 g에 대해 항온항습기(Dasol science, DS-541)에서 온도 20°C, 관계 습도 25, 65 및 100%의 조건에서 흡습성을 조사하였다.
- 전통숯과 기계숯의 60 mesh의 시료 5 g에 대해 음이온 측정기(ITC-210A)를 사용하여 20분간 1 g당 평균 음이온수를 측정하였다.
- 전통숯과 기계숯의 60 mesh의 시료에 대해 원소조성은 2,5 Bis (5-tert-butyl-benzoxazol-2-yl) thiophene (C : 72.53%, H : 6.09%, O : 7.43%)를 표준 물질로 하여 Flash EA (Thermo社)원소분석기로 측정하였다.
- 전통숯과 기계숯의 60 mesh의 시료에 대해 원적외선 감지기(BIO-RED, FIM-6001)에 시료 0.2 g을 시료용기로 넣고 챔버에 밀어 넣은 후 시료의 표면이 챔버의 중앙에 위치해 놓고, 측정 수치계와 측정기의 전원을 켜고 온도의 조건을 40°C로 설정하였다.
대상 데이터
- 공시재료는 국내 전통 숯가마에서 제조 시판되는 목탄(전통숯), 기계식 탄화로에서 제조 시판되는 목탄 (기계숯)으로 제조법, 가마 및 목탄의 형태는 이 등 (2010)과 같다. 국내에서 생산 판매되는 전통숯의 수종은 주로 상수리나무, 졸참나무, 굴참나무, 신갈나무 등이 이용되나 생산자가 구별해 생산하지 않는 한수종에 대한 동정은 어려워 수종은 밝히지 못하였으나 모두 참나무과였고, 기계숯은 제조사마다 다른 수종을 원료로 하였다.
이론/모형
- 전통숯과 기계숯의 60 mesh의 시료에 대해 발열량은 Oxygen Bomb Calorimeter (Parr Instrument Company. No.1341)를 사용하였다. 산소를 압입한열량계의 붐베 속에서 시료를 연소 시키면 붐베 밖의 내통 속의 물이 데워지며, 이 물의 연소 전후의 온도 차에서 구한 값에 대하여 열보정을 하여 발열량을 산출하였다.
성능/효과
- 1) 목탄의 전체적인 구조는 목재의 일반적인 현미경적 구조와 거의 동일한 형태를 나타냈으나, 탄화로 인해 균질한 비결정질의 형태로 변화고, 세포에 할렬이 발생 하고, 세포들의 과도한 수축으로 인해 찌그러짐 현상이 나타났다.
- 2) 원소조성 중 탄소(C)함유량은 흑탄 66∼83%, 백탄 64∼98%, 기계숯 61∼92%로 백탄이 높은 탄소 함유량을 나타내었다.
- 3) 무기성분은 흑탄, 백탄 및 기계숯의 Ca, K, Fe, P, Na와 같은 미네랄성분이 목탄별 간 함유율에 큰 차이는 보이지 않았다.
- 4) 발열량은 흑탄이 25.4∼30.4 MJ/kg, 백탄이 28.0∼30.7 MJ/kg, 기계숯이 24.8∼26.9 MJ/kg범위로 백탄, 흑탄, 기계숯 순으로 나타났다.
- 5) 음이온 방출은 흑탄의 경우 26∼82개/㎖, 백탄은 31∼118개/㎖, 기계숯은 66∼104개/㎖의 범위로 흑 탄과 백탄 기계숯 간 큰 차이는 보이지 않았다.
- 6) 원적외선 방사능은 흑탄 84~93%, 백탄 81∼93%, 기계숯 80∼93%범위로 흑탄과 백탄 기계숯 간큰 차이는 보이지 않았다.
- 7) 조습성능은 20°C, RH 100% 경우 전통숯 흑탄 9.5∼15.4%, 백탄 20.3∼23.0%, 기계숯 18.6∼24.0%범위로 흑탄이 백탄과 기계숯에 비해 적은 조습능을나타냈다.
- 6은 전통숯의 비표면적과의 조습능 관계를 나타낸 것이다. R = 0.802로 상관관계가 큰 것으로 보아 메칠렌블루 흡착량과 마찬가지로 비표면적이 증가할수록 조습능 또한 증가하는 경향을 보였다.
- 백탄의 원적외선 방사율은 평균 87%를 나타냈으며, TWC10이 흑탄 제품과 마찬가지로 93%의 높은 원적외선 방사율을 나타내었다. 기계숯의 원적외선 방사율은 평균 86%를 나타냈으며, MC3이 93%로 기계숯 중에서는 가장 높은 원적외선 방사율을 나타내었다. 흑탄과 백탄 기계숯에서 제품 간 큰 차이를 보이지 않았으며, 흑탄과 백탄 기계숯의 간에도 큰 차이를 나타내지 않았다.
- 백탄은 C의 함량이 64∼98%, H의 함량이 0.15∼0.95%, O의 함량이 0.86∼34%로 흑탄보다 넓은 범위를 나타냈으며, TWC1을 제외하고는 흑탄에 비해서 높은 탄소 함량을 나타내었으며 TWC6이 가장 높은 탄소 함량을 나타내었다.
- 4에서 볼 수 있는 것과 같이 전통숯의 흑탄의 경우 원적외선 방사율은 평균 89%를 나타냈으며, TBC2, 3이 93%로 가장 높은 방사율을 나타내었다. 백탄의 원적외선 방사율은 평균 87%를 나타냈으며, TWC10이 흑탄 제품과 마찬가지로 93%의 높은 원적외선 방사율을 나타내었다. 기계숯의 원적외선 방사율은 평균 86%를 나타냈으며, MC3이 93%로 기계숯 중에서는 가장 높은 원적외선 방사율을 나타내었다.
- 본 실험의 원소분석에서 C가 80% 전후이고 SEM에 의한 횡단면 관찰 결과로 보아 탄화온도는 대개 400°C 전후가 아닌가 추정할 수 있을 것으로 생각된다.
- 본 연구의 사진에서도 균질의 비결정의 형태로 보아 330°C 이상의 정상적인 탄화가 이루어진 것으로 볼 수 있을 것으로 생각 한다.
- 시판 전통숯의 조습능은 공 등(2000)이 한국산 주요 수종 탄화물(흑탄)의 조습능 조사와 김 등(2006)이 한국산 주요 수종 수피탄화물(흑탄)의 조습능의 조사결과와 비교한 바, 이들 결과 값들이 본 연구의 흑탄의 값보다 떨어지는 것으로 보아 시판 전통숯의 조습능은 우수한 것으로 사료된다.
- 표와 그림에서 나타난 거와 같이 백탄이 각 조건에서 흑탄보다 조습능이 현저히 큰 것으로 나타났다. 제품 간에는 그리 큰 차이를 나타내지 않았으나 TBC5가 흑탄 중에서는 높은 조습능을 나타내었고, 백탄 중에는 TWC3이 가장 높은 조습능을 나타냈다. 기계숯은 20°C, RH 25%에서 12.
- 그림에서 보는 바와 같이 전통숯의 흑탄의 경우 26∼82개/㎖, 백탄의 경우 31∼118개/㎖, 기계숯의 경우 66∼104개/㎖의 범위로 음이온 기능성재료로 충분하다고 생각된다. 제품 간에는 그림에서 보는 바와 같이 많은 차이를 나타냈으며, 흑탄의 경우 TBC9가 82개/㎖로 흑탄 중 가장 많은 음이온을 방출하였고 백탄의 경우 TWC7이 118개/㎖으로 시판 목탄 중 가장 많은 음이온을 방출 하였고, 기계숯의 경우는 MC3이 기계숯 중 가장 높은 음이온 방출량을 나타내었다. 흑탄과 백탄 기계숯의 목탄별 간에는 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 4 MJ/kg 으로 나타났다. 제품 간에는 큰 차이를 보이지 않았으며 TBC7이 30.4 MJ/kg로 흑탄 중 가장 높은 발열량을 나타냈으며, TBC9가 25.4 MJ/kg로 가장 낮은 발열량을 나타내었다. 백탄의 경우 28.
- 83%)으로 미네랄을 이용한 기능성재료로 충분히 이용이 가능할 것으로 생각된다. 제품 간에는 흑탄제품 중 TBC1, TBC3, TBC6이 다른 제품에 비해서 높은 미네랄 함유량을 나타냈고, 백탄제품 중에서는 TWC2, TWC6, TWC10이 다른 제품에 비해서 높은 미네랄 함유량을 나타냄으로써 같은 재료(참나무과)라고 볼 때 회사 간 탄화방법의 차이에 의한 것으로 생각한다. 흑탄과 백탄의 미네랄 함유량은 제품별로 차이는 있었지만 평균적으로는 큰 차이를 보이지 않아 두 탄화물 모두 미네랄을 이용하여 활용하는데 별도로 구분할 필요는 없을 것으로 사료된다.
- 5는 20°C, RH 100%에서 전통숯 및 기계숯의 조습능을 나타낸 것이다. 표와 그림에서 나타난 거와 같이 백탄이 각 조건에서 흑탄보다 조습능이 현저히 큰 것으로 나타났다. 제품 간에는 그리 큰 차이를 나타내지 않았으나 TBC5가 흑탄 중에서는 높은 조습능을 나타내었고, 백탄 중에는 TWC3이 가장 높은 조습능을 나타냈다.
후속연구
- 그러나 이들의 기능성에 관한 조사나 연구보고는 미미한 상태이다. 수종에 따른 목재도 물리 기계적 성질이 달라 성질에 따라 적재적소에 사용돼야 하듯이, 목탄도 수종에 따라 또는 탄화방법에 따라 성질이 달라 각 성질에 따라 적재적소에 사용되어야만이 효능을 극대화 할 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 앞에서 언급한 기능성들에 대한 효능의 유무를 포함하여 과학적 조사 없이 무분별하게 이용되면 효능의 의심으로 목탄은 하나의 유행상품으로 전락할 것이고 목탄산업도 한계에 부딪칠 것으로 생각한다.
- 이로써 본 연구의 조사범위 내의 국내 시판용 목탄의 기능성능이 기능성 재료로서의 이용으로 충분 할 것으로 생각된다. 다만 국내시판용 목탄의 기능특성은 흑탄, 백탄 및 기계숯의 목탄별 기능성이 차이가 있는 것과 없는 것이 상존하고, 제조회사 제품별로도 차이의 유무가 존재하므로 선택적 이용이 필요할 것으로 생각한다.
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