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문제 정의
- 본 연구는 가압과 가열처리를 실시한 자작나무의 치수안정성 및 역학적 특성을 검토하고, 실내장식재, 목공예재, 목가구재로 활용할 수 있는 디자인을 개발하여 국내산 목재의 활용방안을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 접선단면으로 제재한 자작나무를 300 mm (가로) × 350 mm (세로) × 50 mm (두께)의 크기로 제작하여 이용하였다. 목재의 비중을 증대시켜 역학적 특성을 향상시키기 위해 가압처리를 실시하였다. 가압은 기건 상태 시료를 상온에서 유압식 프레스로 단위 면적당 45 kgf/cm2의 조건으로 압력을 가하여 실시하였다.
- 문양디자인은 일러스트레이션(Illustration) CS3 프로그램을 이용하여 -자형 적층문양, ㄱ자형, ＋자형 이방연속문양을 사용하였으며 Auto CAD 2007 프로그램을 이용한 제작도면과 라이노(Rhino)3D 프로그램을 이용한 렌더링으로 제안하여 개발하고자 하였다.
- 본 연구에서 적층재 제조에는 30% (35 mm)로 가압한 후, 180°C 온도 조건에서 6시간, 12시간, 24시간, 48시간 가열하여 재색 변화된 목재를 둥근톱을 이용한 단판 제조 방법으로 4 mm 단판으로 재단하여 사용하였다.
- 사용된 접착제는 목재용 초산비닐수지계 타이티 본드(Tite bond)를 양면도포(250 g/m2)한 후 나사 크램프 압제방법으로 단위면적당 10 kgf/cm2 압력으로 적층 제조하였다.
- 열처리 온도조건은 목재의 구성 성분의 변화를 최소화할 수 있는 조건으로 160°C, 180°C, 200°C로 하였다.
- 열처리재 및 미처리재에 대한 수축률 측정은 횡단면의 한 변의 길이가 20 mm인 정사각형, 섬유 방향 길이가 25 mm인 직육면체로 제조하여 각각의 조건에서 시험편을 각각 10개씩 제작하여 KS F 2203(한국산업규격 2004)에 따라 기건 수축률과 전건수축률을 측정하였다. 이때 수축이 가장 많이 일어나는 접선방향만을 측정하였다.
- 가압은 기건 상태 시료를 상온에서 유압식 프레스로 단위 면적당 45 kgf/cm2의 조건으로 압력을 가하여 실시하였다. 이때 판재의 두께를 일정하게 유지하기 위해 stopper를 설치하였고, 판재의 목표두께는 판재 원료의 크기에 대비하여 10% (45 mm), 20% (40 mm), 30% (35 mm)의 조건으로 설정하여 5분간 실시하였다.
대상 데이터
- 가압·가열처리를 실시한 자작나무 판재에 대한 미세 구조적 변화를 관찰하기 위해 강원대학교 창강제지연구소에 설치되어 있는 주사전자현미경(JEOL, Model JSM-5510)이용하였다.
- 가열처리에는 전기 탄화로(SHIMPO DUA15, 300리터)를 사용하였다. 열처리 온도조건은 목재의 구성 성분의 변화를 최소화할 수 있는 조건으로 160°C, 180°C, 200°C로 하였다.
- 물리·역학적 특성은 180°C의 가열조건에서 다른 가압과 가열시간으로 처리한 시료를 이용하였다.
- 본 연구에서는 강원도 태백, 삼척산지에서 자생한 자작나무(Betula platyphylla var. japonica Hara)를 벌채한 후 야적된 것을 이용하였다(Table 1).
- 본 연구에서는 접선단면으로 제재한 자작나무를 300 mm (가로) × 350 mm (세로) × 50 mm (두께)의 크기로 제작하여 이용하였다.
이론/모형
- 각각 다른 온도 조건으로 열처리를 실시하여 단판 표면의 재색 차이를 확인하기 위해 색도색차계(Nippon denshoku, NR-3000)를 이용하였으며 열처리 조건별 색차(ΔE*ab)는 KS A 0067(한국산업규격 2006)에 따라 아래의 식으로 구하였다.
- 물리·역학적 특성은 180°C의 가열조건에서 다른 가압과 가열시간으로 처리한 시료를 이용하였다. 밀도는 KS F 2198(한국산업규격 2004)에 따라 측정하였다. 열처리재 및 미처리재에 대한 수축률 측정은 횡단면의 한 변의 길이가 20 mm인 정사각형, 섬유 방향 길이가 25 mm인 직육면체로 제조하여 각각의 조건에서 시험편을 각각 10개씩 제작하여 KS F 2203(한국산업규격 2004)에 따라 기건 수축률과 전건수축률을 측정하였다.
- 압축강도 및 휨 파괴계수와 휨 탄성계수는 KSF 2206, 2208(한국산업규격 2004)에 따라 만능재료강도 시험기(Universal Testing Machine Instron 4482)를 사용하여 시험편이 1~2분 이내에 파괴되도록 균일한 하중속도로 측정하였다.
- 밀도는 KS F 2198(한국산업규격 2004)에 따라 측정하였다. 열처리재 및 미처리재에 대한 수축률 측정은 횡단면의 한 변의 길이가 20 mm인 정사각형, 섬유 방향 길이가 25 mm인 직육면체로 제조하여 각각의 조건에서 시험편을 각각 10개씩 제작하여 KS F 2203(한국산업규격 2004)에 따라 기건 수축률과 전건수축률을 측정하였다. 이때 수축이 가장 많이 일어나는 접선방향만을 측정하였다.
성능/효과
- 자작나무를 가압전과 비교하여 보면 10% 가압조건에서 도관만이 약간 찌그러져 있는 것이 관찰되었지만, 도관 주위의 세포의 변형은 거의 없는 것으로 관찰되었다. 20% 가압조건에서 도관과 목섬유 및 방사조직이 눌려진 압력에 의해 현저하게 변형되어 있는 것이 관찰되었다. 30% 가압조건에서는 모든 세포조직이 작아지고 찌그러져 밀착된 형태를 보여주고 있으며, 도관은 길게 모양이 변형된 것이 관찰되었다.
- 20% 가압조건에서 도관과 목섬유 및 방사조직이 눌려진 압력에 의해 현저하게 변형되어 있는 것이 관찰되었다. 30% 가압조건에서는 모든 세포조직이 작아지고 찌그러져 밀착된 형태를 보여주고 있으며, 도관은 길게 모양이 변형된 것이 관찰되었다.
- 본 연구결과, 가압처리한 자작나무를 주사전자 현미경 관찰을 통해 20% 가압조건부터 도관, 목섬유, 방사조직이 가해진 압력에 의해 세포의 형태 변형이 두드러지게 일어나기 시작하여 30% 조건에서는 도관이 거의 찌그러져 밀착된 형태로 변형되었다. 밀도는 가해진 압력이 증가할수록 증가하였지만, 열처리 시간이 길어질수록 감소하였다. 수축률과 압축강도, 휨 파괴계수, 휨 탄성계수는 가해진 압력이 증가할수록 증가하였지만, 열처리 시간이 길어질수록 감소하는 경향을 보여주었다.
- 본 연구결과, 가압처리한 자작나무를 주사전자 현미경 관찰을 통해 20% 가압조건부터 도관, 목섬유, 방사조직이 가해진 압력에 의해 세포의 형태 변형이 두드러지게 일어나기 시작하여 30% 조건에서는 도관이 거의 찌그러져 밀착된 형태로 변형되었다. 밀도는 가해진 압력이 증가할수록 증가하였지만, 열처리 시간이 길어질수록 감소하였다.
- 밀도는 가해진 압력이 증가할수록 증가하였지만, 열처리 시간이 길어질수록 감소하였다. 수축률과 압축강도, 휨 파괴계수, 휨 탄성계수는 가해진 압력이 증가할수록 증가하였지만, 열처리 시간이 길어질수록 감소하는 경향을 보여주었다. 재색은 가열온도와 가열처리시간이 길어질수록 암색화하는 경향을 보여주었다.
- 수축률은 압력증가와 열처리시간 증가에 따라 기건수축률과 전건수축률이 낮아지는 경향을 보여주었다(Fig. 2).
- 압축강도는 가압설정조건이 높을수록 강도도 증가하는 것으로 나타나, 30% 압력조건이 가장 높은 53.4 N/mm2으로 나타났다. 반대로 열처리시간에 따른 압축강도는 열처리시간이 증가할수록 강도는 점점 감소하였다.
- 자작나무를 가압전과 비교하여 보면 10% 가압조건에서 도관만이 약간 찌그러져 있는 것이 관찰되었지만, 도관 주위의 세포의 변형은 거의 없는 것으로 관찰되었다. 20% 가압조건에서 도관과 목섬유 및 방사조직이 눌려진 압력에 의해 현저하게 변형되어 있는 것이 관찰되었다.
- 휨 파괴계수와 휨 탄성계수는 가압설정압력이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났지만, 열처리 시간 조건에서는 열처리시간이 증가할수록 강도와 탄성이 점점 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 3).
후속연구
- 따라서 가열처리에 의해 목재의 물리적, 역학적 성질은 다소 감소하지만, 가압처리로 강화하면 생활용품 제작활용에는 크게 영향을 끼치지 않을 것으로 판단된다. 또한 열처리목재가 치수안정성 및 고급스러운 목재의 재질감을 부여할 수 있기 때문에 적층재로 제작하여 활용함으로써 고급 가구재 및 목공예재로 활용이 기대되어진다.
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