본 연구는 감마선 조사가 소나무(Pinus densiflrora), 느티나무(Zelkovas serrenata), 오동나무(Paulownia tomentosa)의 세포벽 열화, 셀룰로오스결정화도, 휨 강도에 미치는 영향을 구명하기 위해 수행되었다. 각 목재 시편들을 100 kGy 선량의 감마선 조사 후 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 관찰 결과, 목재 세포벽 열화는 관찰되지 않았으며 휨 강도 역시 현저한 변화가 나타나지 않았다. 감마선 조사에 의한 셀룰로오스 결정화도 역시 유의한 변화가 관찰되지 않았다. 이러한 감마선에 대한 목재의 높은 안전성은 감마선 조사 기술을 재질손상 없이 목재를 가해 중인 균류와 충류 구제를 위해 적용할 수 있음을 의미한다.
본 연구는 감마선 조사가 소나무(Pinus densiflrora), 느티나무(Zelkovas serrenata), 오동나무(Paulownia tomentosa)의 세포벽 열화, 셀룰로오스 결정화도, 휨 강도에 미치는 영향을 구명하기 위해 수행되었다. 각 목재 시편들을 100 kGy 선량의 감마선 조사 후 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 관찰 결과, 목재 세포벽 열화는 관찰되지 않았으며 휨 강도 역시 현저한 변화가 나타나지 않았다. 감마선 조사에 의한 셀룰로오스 결정화도 역시 유의한 변화가 관찰되지 않았다. 이러한 감마선에 대한 목재의 높은 안전성은 감마선 조사 기술을 재질손상 없이 목재를 가해 중인 균류와 충류 구제를 위해 적용할 수 있음을 의미한다.
This study was conducted to investigate the effect of gamma radiation on cell wall degradation, cellulose crystallinity, and flexural strength of Pinus densiflrora, Zelkova serrenata, and Paulownia tomentosa. By the gamma radiation at the dose up to 100 kGy, the cell wall degradation was not detecte...
This study was conducted to investigate the effect of gamma radiation on cell wall degradation, cellulose crystallinity, and flexural strength of Pinus densiflrora, Zelkova serrenata, and Paulownia tomentosa. By the gamma radiation at the dose up to 100 kGy, the cell wall degradation was not detected with scanning electron microscope (SEM) observation from all samples, and the flexural strength was not significantly changed. Cellulose crystallinity was neither changed by the gamma radiation. This high stability of wood against gamma radiation means that the radiation technology can be used for eradicating fungal and insect infestation of wood without the changes in wood properties.
This study was conducted to investigate the effect of gamma radiation on cell wall degradation, cellulose crystallinity, and flexural strength of Pinus densiflrora, Zelkova serrenata, and Paulownia tomentosa. By the gamma radiation at the dose up to 100 kGy, the cell wall degradation was not detected with scanning electron microscope (SEM) observation from all samples, and the flexural strength was not significantly changed. Cellulose crystallinity was neither changed by the gamma radiation. This high stability of wood against gamma radiation means that the radiation technology can be used for eradicating fungal and insect infestation of wood without the changes in wood properties.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 감마선의 부후균·해충의 구제를 통한 보전처리 기술의 적용 가능성을 확인하기 위하여, 우리나라 목재유물의 주요 부재였던 소나무(Pinus densiflrora)와 느티나무(Zelkova serrenata)와 그리고 소형유물의 보관 상자 및 인테리어 부재로 사용되었던 오동나무(Paulownia tomentosa)를 대상으로 감마선 조사에 대한 물성 영향 평가를 수행하였다.
또한 정제된 구성 고분자 성분에 대한 감마선 조사의 영향은 목재 내에서의 영향과 다르게 나타난다. 따라서 본 연구에서는 목재의 물성에 영향을 끼치는 특성인 감마선 조사에 의한 셀룰로오스의 결정성 변화를 알아보기 위해 100 kGy 선량의 감마선이 조사된 소나무 시편과 비 조사된 소나무 시편을 비교 분석하였다. 감마선이 조사된 소나무 시편과 조사되지 않은 소나무 시편의 X선 회절 분석 결과(Fig.
메틸브로마이드 훈증의 대체 기술로서 감마선 조사 기술은 짧은 처리 시간, 높은 투과능, 비 잔존성의 장점을 가지고 있다. 본 연구는 이러한 감마선 조사 기술을 목재의 구제․보전을 위한 적용 가능성을 확인하고자 수행되었다.
제안 방법
감마선 조사된 목재 시편의 물성과 셀룰로오스 결정성 사이의 관계를 확인하기 위해, X선 회절 분석 (X-ray diffraction)을 수행하였다. 80 mesh를 통과하는 목분 시료를 제조하여 X-ray diffractometer (Bruker AXS Gmbh, Karlsruhe, Germany) 를 이용하여 목재의 주요 골격성분인 셀룰로오스의 결정성 변화를 분석하였다.
가공된 각 5개의 목재시편을 0, 10, 20, 50, 100 kGy로 조사한 후 Instron 4443 (Instron, High Wycombe, UK)을 이용하여 휨 강도를 측정하였다. 측정 방식은 3점 굽힘 치구(3-point flexural fixture, 5 kN)를 사용하였고 시험 규격은 ASTM D790을 적용하였다.
감마선 조사 후 목재 표면에 나타나는 세포벽의 변화를 관찰하기 위하여 횡단면, 방사단면이 잘 나타나도록 약 1 × 1 × 1 cm 크기의 블록을 제작하였다.
감마선 조사된 목재 시편의 물성과 셀룰로오스 결정성 사이의 관계를 확인하기 위해, X선 회절 분석 (X-ray diffraction)을 수행하였다. 80 mesh를 통과하는 목분 시료를 제조하여 X-ray diffractometer (Bruker AXS Gmbh, Karlsruhe, Germany) 를 이용하여 목재의 주요 골격성분인 셀룰로오스의 결정성 변화를 분석하였다.
감마선 조사에 의한 목재의 조직학적 변화를 조사하기 위하여 각 수종에서 횡단면과 방사단면 시험편을 각 감마선 조사선량 당 5개씩 제작하였다. 목재시편은 목재 내부로의 감마선 투과 영향에 따른 실험적 오류를 없애기 위하여 소형 시편을 제작하여 감마선 조사를 수행하였다.
연화처리는 단단한 정도에 따라 다르지만 물 또는 물과 글리세린 혼합액에서 수 시간 처리하였다. 그 후, 활주식 마이크로톰을 이용하여 각 단면의 표면에서 세포벽의 파괴가 일어나지 않도록 시편을 조제하였다. 조제된 시편은 주사전자현미경(scanning electron microscope; Jeol instrument, Tokyo, Japan)을 이용하여 세포벽 변화를 관찰하였다.
조직적 변화 관찰을 위하여 주사 전자현미경(SEM) 관찰을 수행하였으며 휨 강도 측정을 통하여 강도 변화를 측정하였다. 또한 감마선 조사가 목재의 중요한 물성 중 하나인 셀룰로오스 결정화도에 미치는 영향을 평가하였다.
감마선 조사에 의한 목재의 조직학적 변화를 조사하기 위하여 각 수종에서 횡단면과 방사단면 시험편을 각 감마선 조사선량 당 5개씩 제작하였다. 목재시편은 목재 내부로의 감마선 투과 영향에 따른 실험적 오류를 없애기 위하여 소형 시편을 제작하여 감마선 조사를 수행하였다. 감마선 조사 후 목재 표면에 나타나는 세포벽의 변화를 관찰하기 위하여 횡단면, 방사단면이 잘 나타나도록 약 1 × 1 × 1 cm 크기의 블록을 제작하였다.
본 연구에서 수종별 감마선 조사 후 휨 강도를 측정해 보았다(Fig. 4). 본 연구에서 소나무와 느티나무의 휨 강도는 감마선 조사하지 않은 상태에서 약 80 MPa로 나타났으며 50 kGy 감마선 조사 시 휨 강도는 소나무는 약 65 MPa, 느티나무는 약 97 MPa 로 나타났다.
감마선 조사 후 목재 표면에 나타나는 세포벽의 변화를 관찰하기 위하여 횡단면, 방사단면이 잘 나타나도록 약 1 × 1 × 1 cm 크기의 블록을 제작하였다. 비중이 크고 단단한 나무는 절편제작을 위하여 연화처리하였다. 연화처리는 단단한 정도에 따라 다르지만 물 또는 물과 글리세린 혼합액에서 수 시간 처리하였다.
비중이 크고 단단한 나무는 절편제작을 위하여 연화처리하였다. 연화처리는 단단한 정도에 따라 다르지만 물 또는 물과 글리세린 혼합액에서 수 시간 처리하였다. 그 후, 활주식 마이크로톰을 이용하여 각 단면의 표면에서 세포벽의 파괴가 일어나지 않도록 시편을 조제하였다.
그 후, 활주식 마이크로톰을 이용하여 각 단면의 표면에서 세포벽의 파괴가 일어나지 않도록 시편을 조제하였다. 조제된 시편은 주사전자현미경(scanning electron microscope; Jeol instrument, Tokyo, Japan)을 이용하여 세포벽 변화를 관찰하였다.
따라서 본 연구에서는 감마선의 부후균·해충의 구제를 통한 보전처리 기술의 적용 가능성을 확인하기 위하여, 우리나라 목재유물의 주요 부재였던 소나무(Pinus densiflrora)와 느티나무(Zelkova serrenata)와 그리고 소형유물의 보관 상자 및 인테리어 부재로 사용되었던 오동나무(Paulownia tomentosa)를 대상으로 감마선 조사에 대한 물성 영향 평가를 수행하였다. 조직적 변화 관찰을 위하여 주사 전자현미경(SEM) 관찰을 수행하였으며 휨 강도 측정을 통하여 강도 변화를 측정하였다. 또한 감마선 조사가 목재의 중요한 물성 중 하나인 셀룰로오스 결정화도에 미치는 영향을 평가하였다.
대상 데이터
기건 상태의 소나무(Pinus densiflrora), 느티나무(Zelkova serrenata), 오동나무(Paulownia tomentosa) 제재목으로부터 횡단면이 1 × 1 cm이고 길이가 10 cm인 시편을 국립산림과학원에서 제작하여 사용하였다.
목재시편의 감마선 조사는 한국원자력연구원 첨단 방사선연구소 내 선원 11.1 PBq, Co-60 감마선 조사시설(AECL, IR-79, Nordion, Canada)에서 수행되었다. 감마선 조사 시 온도는 22 ± 1℃, 습도는 33 ± 10%로 유지되었다.
기존의 생물학적 제어를 위한 감마선 이용 연구에서, 유기질인 종이와 나무를 분해하는 곰팡이들은 6∼15 kGy의 감마선 조사를 통해 효과적으로 제어할 수 있으며 책으로부터 분리된 포자형성 곰팡이들은 20 kGy의 선량에서 사멸되는 것으로 보고되었다 (Hanus, 1985; Tomazello 등, 1995). 이는 충류나 부후균 제어에는 20 kGy 이하만이 필요하지만 본 실험에서는 안정성 평가를 위하여 고 선량인 100 kGy까지 사용하였다.
데이터처리
휨 강도 측정에서 얻어진 결과들은 Statistical Packages for Social Science software에서 ANOVA test를 이용하여 분산분석을 한 후 Duncan의 다중 검정을 실시하여 p < 0.05의 유의 수준에서 분석하였다.
이론/모형
가공된 각 5개의 목재시편을 0, 10, 20, 50, 100 kGy로 조사한 후 Instron 4443 (Instron, High Wycombe, UK)을 이용하여 휨 강도를 측정하였다. 측정 방식은 3점 굽힘 치구(3-point flexural fixture, 5 kN)를 사용하였고 시험 규격은 ASTM D790을 적용하였다. 하중 속도는 2.
성능/효과
100 kGy의 감마선 조사에서는 소나무의 경우 50 kGy에서보다 증가하여 약 77 MPa, 느티나무의 경우에는 50 kGy에서보다 감소하여 약 85 MPa을 가졌으나, 모두 비조사구와 통계적인 차이는 보이지 않았다(p > 0.05).
각 수종별 100 kGy 감마선 조사에 의한 조직적 변화를 관찰해본 결과 횡단면 상에서 cell coner, 세포 간층 그리고 세포벽의 열화는 관찰되지 않았으며, 방사단면에서도 벽공구, 벽공연의 소실이 관찰되지 않았다. 이러한 결과로부터 건조 목재에 대한 고준위 감마선 조사는 조직적 열화에 영향을 주지 않음을 확인할 수 있었다.
감마선 조사가 세포벽 열화에 미치는 영향을 주사 전자현미경을 이용해 관찰한 결과(Figs. 1, 2, 3), 감마선 조사에 의한 세포벽 열화는 관찰되지 않았다. 100 kGy의 고 선량 감마선 조사에도 불구하고 횡단면에서 cell coner, 세포간층, 세포벽의 열화가 관찰되지 않았으며 (Figs.
따라서 소나무, 느티나무, 오동나무가 100 kGy의 고선량 감마선에 휨 강도가 유지되는 것으로 보아 감마선 조사는 목재의 물성 변화에 의한 강도 저하가 없는 것으로 사료된다.
4). 본 연구에서 소나무와 느티나무의 휨 강도는 감마선 조사하지 않은 상태에서 약 80 MPa로 나타났으며 50 kGy 감마선 조사 시 휨 강도는 소나무는 약 65 MPa, 느티나무는 약 97 MPa 로 나타났다. 느티나무의 경우에는 비조사구보다 높은 휨 강도를, 소나무의 경우에는 낮은 휨 강도의 평균 값을 가졌으나, 통계적인 차이는 보이지 않았다 (p > 0.
05). 오동나무의 휨 강도는 비조사구에서 약 61 MPa로 나타났으며 50 kGy의 선량까지는 휨 강도 값의 증가를 보였으나, 100 kGy 감마선 조사에서는 휨 강도 값이 감소하였다. 하지만 역시 실험적 평균 값으로서 통계처리 결과 감마선 조사 선량에 따른 유의적인 차이는 없는 것으로 확인되어졌다
각 수종별 100 kGy 감마선 조사에 의한 조직적 변화를 관찰해본 결과 횡단면 상에서 cell coner, 세포 간층 그리고 세포벽의 열화는 관찰되지 않았으며, 방사단면에서도 벽공구, 벽공연의 소실이 관찰되지 않았다. 이러한 결과로부터 건조 목재에 대한 고준위 감마선 조사는 조직적 열화에 영향을 주지 않음을 확인할 수 있었다. 특히 부재로서 사용되는 목재의 수명과 안정성에 영향을 주는 목재의 강도, 셀룰로 오스 결정화도 역시 고준위 감마선 조사에 의해 큰 영향이 없음을 확인하였다.
1B1, 2B1, 3B1). 이상의 결과로부터 본 연구에서 사용된 선량의 감마선 조사에 의해서는 목재 세포벽의 열화가 발생하지 않음을 알 수 있었다.
이러한 결과로부터 건조 목재에 대한 고준위 감마선 조사는 조직적 열화에 영향을 주지 않음을 확인할 수 있었다. 특히 부재로서 사용되는 목재의 수명과 안정성에 영향을 주는 목재의 강도, 셀룰로 오스 결정화도 역시 고준위 감마선 조사에 의해 큰 영향이 없음을 확인하였다.
오동나무의 휨 강도는 비조사구에서 약 61 MPa로 나타났으며 50 kGy의 선량까지는 휨 강도 값의 증가를 보였으나, 100 kGy 감마선 조사에서는 휨 강도 값이 감소하였다. 하지만 역시 실험적 평균 값으로서 통계처리 결과 감마선 조사 선량에 따른 유의적인 차이는 없는 것으로 확인되어졌다
후속연구
이러한 결과들은 감마선 조사 기술을 이용한 목재의 구제․보존 적용 가능성을 제시하고 있으며, 향후 현장 적용능력 향상에 대한 연구가 수행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
감마선에 대한 목재의 높은 안전성은 어떻게 나타나는가?
본 연구는 감마선 조사가 소나무(Pinus densiflrora), 느티나무(Zelkovas serrenata), 오동나무(Paulownia tomentosa)의 세포벽 열화, 셀룰로오스 결정화도, 휨 강도에 미치는 영향을 구명하기 위해 수행되었다. 각 목재 시편들을 100 kGy 선량의 감마선 조사 후 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 관찰 결과, 목재 세포벽 열화는 관찰되지 않았으며 휨 강도 역시 현저한 변화가 나타나지 않았다. 감마선 조사에 의한 셀룰로오스 결정화도 역시 유의한 변화가 관찰되지 않았다. 이러한 감마선에 대한 목재의 높은 안전성은 감마선 조사 기술을 재질손상 없이 목재를 가해 중인 균류와 충류 구제를 위해 적용할 수 있음을 의미한다.
문화재, 건축, 가구, 집기 등의 제조에 사용되는 주요 천연 재료는 무엇인가?
목재는 문화재, 건축, 가구, 집기 등의 제조에 사용되는 주요 천연 재료이지만 재질의 특성상 미생물과 각종 곤충에 의한 열화에 매우 취약하다는 단점이 있다. 따라서 목조건축물은 그 재료, 형태, 입지조건에 따라 내구수명 제한이 있으며 보수 보강이 항상 뒤따라야 한다.
재료로서 목재의 단점은?
목재는 문화재, 건축, 가구, 집기 등의 제조에 사용되는 주요 천연 재료이지만 재질의 특성상 미생물과 각종 곤충에 의한 열화에 매우 취약하다는 단점이 있다. 따라서 목조건축물은 그 재료, 형태, 입지조건에 따라 내구수명 제한이 있으며 보수 보강이 항상 뒤따라야 한다.
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