선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 물리적 처리에 따른 목재내장재의 흡 · 방습특성에 대하여 알아보았다.
- 특히, 목조주택의 조습성능은 목재가 갖는 온습도 조절기능 등에 의존하므로, 목재 및 목질재료가 갖는 조습성능에 대한 과학적이고 정량적인 평가 자료가 필요하다. 본 연구에서는 이를 위한 기초데이터를 확보하여 공업화 목조주택 보급에 기여하고자 한다.
제안 방법
- 각 조습조건별 항량에 도달한 시험편의 질량을 측정하고, 105°C ± 3의 oven에서 24시간 간격으로 측정하였다.
- 경기도 포천시 광릉수목원 시험림 내 수령 75년, 직경 387 mm, 평균연륜폭 2.6 mm인 잣나무(Pinus koraiensis)를 벌채한 후 두께 60 mm, 폭 150 mm, 길이 1,000 mm 판재로 제재하고, 이들을 천연건조, 열기건조, 그리고 고온열처리하였다. 천연건조는 대기 중에서 3개월간 수행하였고, 열기건조는 미국임 산물 건조스케쥴 코드 T9-C4에 의해 초기건구온도 60°C, 초기상대습도 80%, 말기건구온도 70°C, 말기 상대습도 20% 조건에서 수행하였다.
- 그리고 상압조건에서 처리기 내표면에 세라믹히터를 삽입하고 외표면을 단열 세라믹으로 밀폐하여 외부로의 열손실을 최소화하고, 외부 공기유입을 차단하여 열전달률의 향상과 화재의 위험성을 감소시킨 열처리기를 이용하여 6시간 동안 200°C 온도에서 열처리하였다.
- 그리고 아래의 계산식에 따라 12시간 후 흡습량, 12시간 후 방습량, 시간당 흡·방습량인 흡방습률을 구하였다.
- 잣나무 천연건조재 노출단면을 120 grit과 1,000 grit 사포를 이용하여 연삭 처리하여 조도별 흡습률을 측정하고 비교하였다. 두 가지 사포로 가공한 시편의 거칠기를 정량적으로 분석하기 위해, 백색광 간섭의 원리를 이용하여 제작된 비접촉 3차원 미세형상 측정기(Nano view-E1000, 나노시스템)를 이용하여 표면조도를 측정하였다.
- 각 조습조건별 항량에 도달한 시험편의 질량을 측정하고, 105°C ± 3의 oven에서 24시간 간격으로 측정하였다. 무게변화가 0.01 g 이하일 때를 전건질량으로 하여 재료별, 조건별 평형함수율을 측정하였다.
- 상대습도별 흡·방습량 분석을 제외한 표면조도, 미세구조, FT-IR spectrum 관련 시험은 중습조건에서 처리된 시편을 이용하여 수행하였다.
- 시편은 각 조건별로 5개씩 제작하여, 온도 23°C, 상대습도 30, 50, 70% 조건에서 항온항습기를 이용하여 조습하였다.
- 열에 의한 표면미세구조변화를 관찰하기 위하여 전계방출 주사현미경(FE-SEM, SUPRA 55VP, Carlm Zeiss, Germany)을 사용하여 공시재료 표면의 미세구조형상을 관찰하였다. 횡단면, 방사단면, 접선단면을 관찰하기 위하여 마이크로톰을 이용하여 두께를 약 100 μm로 제작하였다.
- 열처리에 의한 목재의 화학적 관능기 변화를 알아보고자 FT-IR spectrum을 분석하였다. 이를 위하여 소시험편을 채취하고 ball miller (pulverisette 23, Fritsch)로 10분간 분쇄하여 100 mesh로 밀링하였다.
- 열처리에 의한 소수화 효과로 인하여 표면거칠기가 흡습속도에 미치는 영향을 분명하게 알 수 없었기 때문에 표면조도를 다르게 연삭한 천연건조재의 흡습률을 측정하고 평가하였다. 조도는 일반적으로 중심선에서 단면곡선까지의 평균 높이를 나타내는 평균조도(Ra), 중심선에서 단면곡선 사이거리의 근평균제곱인 제곱평균근(root mean square) 조도(Rq), 중심선에 평행하고 그 곡선의 최고점과 최저점을 지나는 두 평행선 간의 상하거리를 나타내는 최대높이 조도(Rt), 곡선의 제일 높은 봉우리에서부터 5번째까지의 평균 골깊이 사이의 거리의 합을 나타내는 10점 평균조도(Rz)로 나타낼 수 있다.
- 충분한 시간동안 주위 대기와 수분교환이 이루어진 후 도달하는 평형함수율의 경우, 히스테리시스 효과에서 자유로운 천연건조재가 가장 높은 값을 가졌으나, 시간당 흡 · 방습량의 경우 열기건조재가 천연건조재보다 높았다. 이를 미세구조, 표면거칠기와 관능기의 변화 등으로 설명해 보았다. 두께가 얇을수록 수분의 흡 · 탈착이 용이하기 때문에 수분의 변동이 심한 곳에서는 내장재를 얇게 시공하는 것이 유리하다고 판단된다.
- 열처리에 의한 목재의 화학적 관능기 변화를 알아보고자 FT-IR spectrum을 분석하였다. 이를 위하여 소시험편을 채취하고 ball miller (pulverisette 23, Fritsch)로 10분간 분쇄하여 100 mesh로 밀링하였다. 실험에 사용한 기기는 Nicolet 6700 (Thermo Scientific, USA)로 적용조건은 해상도 8, 스캔 수 32, 파수 범위 650∼4,000 cm-1이다.
- 01 g이하 일 때 질량을 측정하였다. 이후에, 상대습도를 높여 흡습과정에서 12시간 경과 후의 질량을 측정하고, 다시 상대습도를 낮춰 방습과정에서 12시간 경과 후의 질량을 측정하였다. 그리고 아래의 계산식에 따라 12시간 후 흡습량, 12시간 후 방습량, 시간당 흡·방습량인 흡방습률을 구하였다.
- 잣나무 천연건조재 노출단면을 120 grit과 1,000 grit 사포를 이용하여 연삭 처리하여 조도별 흡습률을 측정하고 비교하였다. 두 가지 사포로 가공한 시편의 거칠기를 정량적으로 분석하기 위해, 백색광 간섭의 원리를 이용하여 제작된 비접촉 3차원 미세형상 측정기(Nano view-E1000, 나노시스템)를 이용하여 표면조도를 측정하였다.
- 잣나무 천연건조재, 열기건조재, 그리고 열처리재를 10 mm와 30 mm 두께로 평삭가공 후 노출 단면적을 100 mm × 100 mm과 150 mm × 150 mm이 되게끔 가공하였다.
- 잣나무 천연건조재, 열기건조재, 열처리재를 50 mm (L) × 50 mm (T) × 10 mm (R)의 크기로 가공하였다.
- 천연건조는 대기 중에서 3개월간 수행하였고, 열기건조는 미국임 산물 건조스케쥴 코드 T9-C4에 의해 초기건구온도 60°C, 초기상대습도 80%, 말기건구온도 70°C, 말기 상대습도 20% 조건에서 수행하였다.
- 평형함수율은 일정한 외부조건에 놓인 재료의 수분보유량을 나타내는 값으로, 실내 수증기 발생량을 예측하여 조습에 필요한 최소한의 내장재 설치면적을 계산하는 자료로 활용할 수 있을 것이다. 하지만 이 평형함수율 자료만으로는 하루 동안에도 수시로 변화하는 실제 주거공간에서의 흡방습성능을 정량화하기는 힘들기 때문에 흡습률을 평가하였다.
- 횡단면, 방사단면, 접선단면을 관찰하기 위하여 마이크로톰을 이용하여 두께를 약 100 μm로 제작하였다.
- 흡 · 방습면을 제외한 모든 면을 알루미늄 테이프로 단습처리하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 기기는 Nicolet 6700 (Thermo Scientific, USA)로 적용조건은 해상도 8, 스캔 수 32, 파수 범위 650∼4,000 cm-1이다.
이론/모형
- KS F 2611: 2009에 따라 항온항습기를 이용하여 각각의 초기조건에서 질량변화가 24시간 동안 0.01 g이하 일 때 질량을 측정하였다. 이후에, 상대습도를 높여 흡습과정에서 12시간 경과 후의 질량을 측정하고, 다시 상대습도를 낮춰 방습과정에서 12시간 경과 후의 질량을 측정하였다.
성능/효과
- 거칠기에 따른 천연건조재의 수분흡습률을 측정한 결과, 상대적으로 거친 120 grit 단면의 흡습률이 1,000 grit에 비해 높았다. 이는 거칠기가 클수록 물분자와 흡습면의 접촉면이 증대된 것으로 판단된다.
- 특히 열처리재의 경우에는, 일반적으로 알려진 고온처리에 의한 목재 표면의 소수성 증가로 인하여 다른 재료에 비해 확연히 낮은 값을 보였다. 그리고 낮은 상대습도에 비해 높은 상대습도에서 상대습도 변화폭에 따른 평형함수율 증가폭이 컸는데, 이는 저습에서는 단분자층 흡착을 하다 고습으로 갈수록 반데르발스의 힘에 의해 다분자층 흡착을 하는 결합수의 특징으로 보인다.
- 단면적 변화에 따른 흡 · 방습량의 차이는 거의 없었으나, 두께에 따른 흡방습량은 차이를 보였다.
- 열처리재에서는, 많은 미세할렬이 관찰되었으며, 이와 같은 조직의 파괴로 다른 목재에 비해 표면이 거친 것을 확인하였다. 열처리재의 횡단면을 보면 세포벽이 열분해되어 할렬이 발생하였고, 상대적으로 세포벽이 수축하였으며 세포간층이 노출되었음을 확인할수 있다.
- 이는, Avramidis and Siau (1987)의 목재두께가 얇아질수록 목재의 흡습저항 중 내부저항이 차지하는 비율이 감소함으로 인하여 수분이 목재 내부로 쉽게 흡수될 수 있다는 주장을 뒷받침 한다. 이 결과를 바탕으로 미루어 볼 때, 수분의 변동이 심한 곳에는 목질 내장재의 내부저항 때문에 심층부까지 수분이 침투하는데 시간이 오래 걸리므로 두께를 얇게 시공해도 충분한 조습성능을 가질 것이라고 생각된다.
- 재료별 수분 흡 · 방습률을 측정한 결과, 모든 시험편에서 초기 2시간 이내에는 높은 흡습률을 보이다 시간이 지나면서 점차 수렴하는 경향을 보였다.
- 충분한 시간동안 주위 대기와 수분교환이 이루어진 후 도달하는 평형함수율의 경우, 히스테리시스 효과에서 자유로운 천연건조재가 가장 높은 값을 가졌으나, 시간당 흡 · 방습량의 경우 열기건조재가 천연건조재보다 높았다.
후속연구
- 한편, 고온열처리재의 경우, 흡 · 방습성능은 떨어지지만, 실제 제품으로의 사용에서 필요한 치수안정성과 내부후성이 높다는 장점을 가진다. 따라서 고습조건이 지속적으로 유지되는 공간에 사용될 수 있으며, 확장된 열처리재 내부공극에 흡·방습성능이 우수한 물질을 투입한다면 조습기능과 치수안정성을 동시에 충족시킬 수 있으리라 생각된다. 이 결과는 실제 거주공간의 조습성능 정량화의 기초자료로 이용될 수 있을 것이라 기대된다.
- 또한 본 시험에 사용된 12시간 이후 흡 · 방습량 평가방법의 경우, 하루 동안 실내공간에서 발생하는 습도조건과 전체적인 경향이 유사하기 때문에 이 결과를 바탕으로 외기 상대습도 변화와 공간의 크기를 고려하여 조습기능을 극대화 할 수 있는 인테리어재료의 두께를 근사적으로 산정할 수 있는 기초자료를 제공할 수 있다.
- 또한, 열기건조재의 흡 · 방습률이 가장 높았는데, 이는 습도의 변동이 심한 곳에서도 적절한 조습기능을 보일 수 있을 것이라 판단되며, 적정 온도에서의 열처리는 목재의 조습성능 향상에 기여할 것이라 예측할 수 있다.
- 따라서 고습조건이 지속적으로 유지되는 공간에 사용될 수 있으며, 확장된 열처리재 내부공극에 흡·방습성능이 우수한 물질을 투입한다면 조습기능과 치수안정성을 동시에 충족시킬 수 있으리라 생각된다. 이 결과는 실제 거주공간의 조습성능 정량화의 기초자료로 이용될 수 있을 것이라 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.