구조용 집성재 제조용 접착제(Phenol-Resorcinol-Formaldehyde Resin) 유전 가열을 위한 고주파 전기장 세기 추산 Estimation of Radio Frequency Electric Field Strength for Dielectric Heating of Phenol-Resorcinol-Formaldehyde Resin Used for Manufacturing Glulam원문보기
집성재의 생산성 향상을 위한 고주파 가열 경화기술에 대해 연구하였다. 고주파가 유전체에 가해지면 내부에서 에너지 손실에 의한 발열이 발생한다. 집성재를 구성하는 라미나와 접착제는 유전체이므로 집성재에 고주파를 주사하면 내부에서 발열이 발생한다. 집성재 제조에 이용되는 대부분의 상온 경화형 접착제는 고온에서 빠른 경화가 이루어지므로 고주파 가열 기술을 이용하면 집성재 내부 접착층의 온도를 상승시킴으로써 빠른 경화를 유도할 수 있다. 본 연구에서는 낙엽송재와 phenol-resorcinol-formaldehyde (PRF) 접착제의 유전 특성을 평가하고, 집성재 내부의 접착층의 빠른 경화를 유도하는 고주파 가열 경화 기작을 이론적으로 분석하였다. 연구 결과, 온도상승인자인 PRF 접착제의 상대손실계수가 낙엽송재의 상대손실계수에 비해 높았으나, 온도상승저해인자인 밀도와 비열도 높았다. 그러나 상대손실계수의 비율이 온도상승저해인자의 비율보다 높기 때문에 고주파 가열에 의한 발열량은 접착제에서 더 높을 것으로 예상된다. 이러한 실험 결과를 이용한 이론적 접근을 바탕으로, 접착층이 목표온도까지 상승하기 위한 ISM 영역의 고주파 주파수 별 전기장의 상대 세기를 추정하였다.
집성재의 생산성 향상을 위한 고주파 가열 경화기술에 대해 연구하였다. 고주파가 유전체에 가해지면 내부에서 에너지 손실에 의한 발열이 발생한다. 집성재를 구성하는 라미나와 접착제는 유전체이므로 집성재에 고주파를 주사하면 내부에서 발열이 발생한다. 집성재 제조에 이용되는 대부분의 상온 경화형 접착제는 고온에서 빠른 경화가 이루어지므로 고주파 가열 기술을 이용하면 집성재 내부 접착층의 온도를 상승시킴으로써 빠른 경화를 유도할 수 있다. 본 연구에서는 낙엽송재와 phenol-resorcinol-formaldehyde (PRF) 접착제의 유전 특성을 평가하고, 집성재 내부의 접착층의 빠른 경화를 유도하는 고주파 가열 경화 기작을 이론적으로 분석하였다. 연구 결과, 온도상승인자인 PRF 접착제의 상대손실계수가 낙엽송재의 상대손실계수에 비해 높았으나, 온도상승저해인자인 밀도와 비열도 높았다. 그러나 상대손실계수의 비율이 온도상승저해인자의 비율보다 높기 때문에 고주파 가열에 의한 발열량은 접착제에서 더 높을 것으로 예상된다. 이러한 실험 결과를 이용한 이론적 접근을 바탕으로, 접착층이 목표온도까지 상승하기 위한 ISM 영역의 고주파 주파수 별 전기장의 상대 세기를 추정하였다.
For enhancing productivity of glulam, high frequency (HF) curing technique was researched in this study. Heat energy is generated by electromagnetic energy dissipation when HF wave is applied to a dielectric material. Because both lamina and adhesives have dielectric property, internal heat generati...
For enhancing productivity of glulam, high frequency (HF) curing technique was researched in this study. Heat energy is generated by electromagnetic energy dissipation when HF wave is applied to a dielectric material. Because both lamina and adhesives have dielectric property, internal heat generation would be occurred when HF wave is applied to glulam. Most room temperature setting adhesives such as phenol-resorcinol-formaldehyde (PRF) resin, which is popularly used for manufacturing glulam, can be cured more quickly as temperature of adhesives increases. In this study, dielectric properties of larch wood and PRF adhesives were experimentally evaluated, and the mechanism of HF heating, which induced the fast curing of glue layer in glulam, was theoretically analyzed. Result of our experiments showed relative loss factor of PRF resin, which leads temperature increase, was higher than that of larch wood. Also, it showed density and specific heat of PRF, which are resistance factors of temperature increase, were higher than those of wood. It was expected that the heat generation in PRF resin by HF heating would occur greater than in larch wood, because the ratio of relative loss factor to density and specific heat of PRF resin was greater than that of larch wood. Through theoretical approach with the experimental results, the relative strengths of ISM band HF electric fields to achieve a target heating rate were estimated.
For enhancing productivity of glulam, high frequency (HF) curing technique was researched in this study. Heat energy is generated by electromagnetic energy dissipation when HF wave is applied to a dielectric material. Because both lamina and adhesives have dielectric property, internal heat generation would be occurred when HF wave is applied to glulam. Most room temperature setting adhesives such as phenol-resorcinol-formaldehyde (PRF) resin, which is popularly used for manufacturing glulam, can be cured more quickly as temperature of adhesives increases. In this study, dielectric properties of larch wood and PRF adhesives were experimentally evaluated, and the mechanism of HF heating, which induced the fast curing of glue layer in glulam, was theoretically analyzed. Result of our experiments showed relative loss factor of PRF resin, which leads temperature increase, was higher than that of larch wood. Also, it showed density and specific heat of PRF, which are resistance factors of temperature increase, were higher than those of wood. It was expected that the heat generation in PRF resin by HF heating would occur greater than in larch wood, because the ratio of relative loss factor to density and specific heat of PRF resin was greater than that of larch wood. Through theoretical approach with the experimental results, the relative strengths of ISM band HF electric fields to achieve a target heating rate were estimated.
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문제 정의
고주파 유전 가열 경화를 효과적으로 수행하기 위해서는 집성재의 구성요소인 라미나와 접착제의 밀도, 비열, 상대손실계수가 필요하다. 본 연구에서는 ISM band에서의 PRF의 유전가열 성능을 조사하였다. 그 결과, 주파수가 높아질수록 낮은 전기장 세기에서 목표 온도에 도달할 것으로 예상되었다.
본 연구에서는 접착층을 상온인 25℃에서 10분 내 80℃까지 높이는 것을 목표로 하였다. 이러한 목표를 달성하기 위해 각각의 ISM band의 주파수를 갖는 전자기파가 목표 온도 도달을 위해 가져야 하는 최소 전기장의 세기를 추정하였다.
본 연구의 실험 결과를 이용하여 목표 경화온도 도달에 필요한 전기장의 세기를 정하고자 하였다.
따라서 제한시간 내에 접착층의 온도를 정확하게 높이기 위해서는 상관관계를 갖는 물성을 조사해야 한다. 이에 본 연구에서는 집성재의 생산성을 높일 수 있는 고주파 유전가열 기술을 연구하고자 하였다. 집성재 제조에 이용되는 각 재료의 물성을 측정하고, 이를 토대로 목표로 하는 경화시간에 도달하기 위한 전기장의 세기를 추정하였다.
제안 방법
낙엽송의 밀도를 측정하기 위해 150 mm × 150 mm × 20 mm의 크기를 갖는 시편을 제작하고, 시편을 10% 함수율로 조습하여 무게와 부피를 측정하였다. 경화제를 혼합한 액상 PRF 접착제의 밀도를 측정하기 위해 매스실린더를 이용해 부피와 무게를 측정하였다.
고주파 유전특성을 측정하기 위해 Impedance Analyzer(Agilent, E4991A)와 Dielectric Material Test Fixture (Agilent, 16453A)를 사용하였다. 유전특성 분석을 위한 고주파의 주파수 대역은 라디오파 범주인 10 MHz에서 50 MHz를 채택하였다.
따라서 가열 중 접착층과 라미나 사이의 온도 구배가 발생한다. 그러나, 본 연구에서는 접착층과 라미나 사이의 온도차에 의한 열전달은 고려하지 않고 이론적 전기장의 상대 세기를 추정하였다.
낙엽송의 밀도를 측정하기 위해 150 mm × 150 mm × 20 mm의 크기를 갖는 시편을 제작하고, 시편을 10% 함수율로 조습하여 무게와 부피를 측정하였다.
유전특성 분석을 위한 고주파의 주파수 대역은 라디오파 범주인 10 MHz에서 50 MHz를 채택하였다. 낙엽송의 유전특성은 3 mm 두께로 3방향(종축, 방사, 접선방향)의 시편을 제작하여 Fig. 1과 같이 측정하였다.
본 연구에서 유전특성의 측정을 위해 사용한 장비는 고체시료에 적합한 평행평판형의 치구이므로, 액상 접착제의 유전특성을 측정하기에 어려움이 있다. 때문에 석영유리용기를 제작하여 용기 내부에 접착제를 주입하여 간접적으로 고주파 유전특성을 측정하였다. 액상 접착제의 고주파 유전특성 측정 모식도는 Fig.
본 연구에서는 접착층을 상온인 25℃에서 10분 내 80℃까지 높이는 것을 목표로 하였다. 이러한 목표를 달성하기 위해 각각의 ISM band의 주파수를 갖는 전자기파가 목표 온도 도달을 위해 가져야 하는 최소 전기장의 세기를 추정하였다.
이는 세포의 기하학적 형상에 기인한 것으로 알려져 있다. 이방성에 따른 유전특성의 변화는 수종에 따라 차이를 나타내기 때문에 낙엽송의 이방성에 따른 유전율을 측정하였다(Fig. 4).
이에 본 연구에서는 집성재의 생산성을 높일 수 있는 고주파 유전가열 기술을 연구하고자 하였다. 집성재 제조에 이용되는 각 재료의 물성을 측정하고, 이를 토대로 목표로 하는 경화시간에 도달하기 위한 전기장의 세기를 추정하였다.
대상 데이터
접착제는 Oshika Shinko사의 Deernol-No. 40 (Phenol-resorcinol-formaldehyde, PRF)을 사용하였다. PRF 접착제는 경화제와 100:15의 비율로 혼합하여 준비하였다.
집성재를 제작하기 위해서는 건조된 라미나가 사용된다. 때문에 평균 10%로 조습한 낙엽송 시편을 준비하였다. 낙엽송 시편의 부피와 무게를 측정하여 얻은 밀도는 평균 663.
비열을 측정하기 위해 TA Instruments사의 Differential scanning calorimetry (DSC), Q200을 사용하였다. DSC는 시간당 온도변화량과 시간당 엔탈피 변화량을 측정하므로 다음의 식 (3)을 이용하여 비열을 구할 수 있다(Chae 2007).
고주파 유전특성을 측정하기 위해 Impedance Analyzer(Agilent, E4991A)와 Dielectric Material Test Fixture (Agilent, 16453A)를 사용하였다. 유전특성 분석을 위한 고주파의 주파수 대역은 라디오파 범주인 10 MHz에서 50 MHz를 채택하였다. 낙엽송의 유전특성은 3 mm 두께로 3방향(종축, 방사, 접선방향)의 시편을 제작하여 Fig.
이론/모형
본 연구에서는 집성재 제조에 이용할 제재목으로 낙엽송을 선택하였다. 접착제는 Oshika Shinko사의 Deernol-No.
성능/효과
7 사이의 값을 나타내었다. 결과적으로, PRF 접착제의 상대손실계수가 낙엽송재의 상대손실계수에 비해 약 4~6배 높게 나타난 것으로 나타났다. 따라서, 식 (1)에 따라 고주파 가열시 에너지 손실에 의해 접착층이 낙엽송재에 비해 4~6배 높은 발열이 일어날 것으로 예측하였다.
본 연구에서는 ISM band에서의 PRF의 유전가열 성능을 조사하였다. 그 결과, 주파수가 높아질수록 낮은 전기장 세기에서 목표 온도에 도달할 것으로 예상되었다. 그러나, 접착층과 라미나 간의 온도 구배에 따른 열확산은 고려되지 않았으므로 이에 대한 연구를 수행해야 정확한 출력 추산이 가능할 것으로 판단된다.
때문에 평균 10%로 조습한 낙엽송 시편을 준비하였다. 낙엽송 시편의 부피와 무게를 측정하여 얻은 밀도는 평균 663.5 kg/m3였으며, 경화제를 혼합한 액상 PRF 접착제의 밀도는 1,043 kg/m3으로 나타났다.
실험 결과, 전기장의 방향과 세포장의 방향이 일치하는 경우인 종축방향의 상대유전상수 및 상대손실계수가 가장 높았으며, 방사방향과 접선방향의 차이는 방사조직의 배향차이에 의해 발생하는 것으로 판단된다.
후속연구
그 결과, 주파수가 높아질수록 낮은 전기장 세기에서 목표 온도에 도달할 것으로 예상되었다. 그러나, 접착층과 라미나 간의 온도 구배에 따른 열확산은 고려되지 않았으므로 이에 대한 연구를 수행해야 정확한 출력 추산이 가능할 것으로 판단된다. 본 연구결과는 고주파 가열경화기를 설계할 때 발진기의 주파수 및 그에 따른 출력성능을 선택할 수 있는 근거자료로 사용가능하리라 기대된다.
그러나, 접착층과 라미나 간의 온도 구배에 따른 열확산은 고려되지 않았으므로 이에 대한 연구를 수행해야 정확한 출력 추산이 가능할 것으로 판단된다. 본 연구결과는 고주파 가열경화기를 설계할 때 발진기의 주파수 및 그에 따른 출력성능을 선택할 수 있는 근거자료로 사용가능하리라 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PRF 접착제의 원활한 사용을 위한 조건은?
제재목을 이용하여 구조용 집성재를 제조하기 위해서는 제재목 사이에 접착제가 도포된다. 집성재 제조에 많이 사용되는 PRF 접착제는 대개 상온에서 24시간 이상의 경화시간을 요한다(Shim et al. 2005).
PRF 접착제는 온도에 어떤 영향을 받는가?
일반적으로 상온 경화형 수지인 PRF 접착제는 높은 온도에서 빠르게 경화한다(Pizzi 2003). 그러나 도포된 접착제의 빠른 경화를 위해 고온으로 가열하고자 하는 경우, 라미나 사이에 접착층이 존재하므로 전도나 대류 열전달에 의해서는 접착층을 가열하기가 어렵다.
PRF 접착제를 고온으로 가열하는 경우 발생하는 어려움은?
일반적으로 상온 경화형 수지인 PRF 접착제는 높은 온도에서 빠르게 경화한다(Pizzi 2003). 그러나 도포된 접착제의 빠른 경화를 위해 고온으로 가열하고자 하는 경우, 라미나 사이에 접착층이 존재하므로 전도나 대류 열전달에 의해서는 접착층을 가열하기가 어렵다. 이를 해결하기 위한 방법으로 접착제를 도포한 집성재에 고주파 유전가열기술을 응용할 수 있다.
참고문헌 (10)
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