초록 ▼

생활문화가 자연지향적인 주거문화 중심으로 바뀌어 가면서 목재를 원료로 한 합판, 파티클보드, 섬유판 등 목질판상제품의 수요는 꾸준히 증가하고 있다. 접착제가 혼합된 이들 목질판상제품이 더욱 쾌적하고 안전한 건축자재로서 소비자의 신뢰를 받기 위해서는 새로운 각도에서의 과학적인 연구가 필요하다.
국립산림과학원은 목질판상제품을 고온에서 열분해하여 무할렬 탄화보드 제조기술을 국내 최초로 개발하고, 탄화보드의 각종 특성을 과학적으로 구명하는 한편, 다기능성 친환경탄소재료로의 성능을 개선하여 새로운 목재산업으로 발전시키고자 일련의 연구를

생활문화가 자연지향적인 주거문화 중심으로 바뀌어 가면서 목재를 원료로 한 합판, 파티클보드, 섬유판 등 목질판상제품의 수요는 꾸준히 증가하고 있다. 접착제가 혼합된 이들 목질판상제품이 더욱 쾌적하고 안전한 건축자재로서 소비자의 신뢰를 받기 위해서는 새로운 각도에서의 과학적인 연구가 필요하다.
국립산림과학원은 목질판상제품을 고온에서 열분해하여 무할렬 탄화보드 제조기술을 국내 최초로 개발하고, 탄화보드의 각종 특성을 과학적으로 구명하는 한편, 다기능성 친환경탄소재료로의 성능을 개선하여 새로운 목재산업으로 발전시키고자 일련의 연구를 수행하고있다.
본 연구에서는 탄화보드의 친환경 건축자재로서의 신용도 개발을 위해 난연성능, 음향성능, 열성능, 전기성능, 역학성능, 라돈흡착성능을 과학적으로 조사하고 성능을 개선하였으며, 탄화보드의 특성을 살린 방화문, 음향판, 침대판, 벽판재 등 몇 가지 시제품을 고안하였다. 또한, 탄화보드의 대량생산 시스템을 구축을 위한 공정을 개선하여 실용화의 기반을 마련하고자 하였다.

제1장 탄화보드의 난연재료 이용기술 개발
탄화보드를 건축재료로 이용하기 위해서는 난연성능의 검토가 필요하다. 탄화온도가 서로 다른 탄화보드를 제조하고 콘칼로리미터를 사용하여 난연성능을 검토한 결과, 탄화온도가 높아질수록 중량감소율은 낮아지며 난연성은 증가하였다. 800℃ 이상에서 제조된 탄화보드는 연소 후 외형적인 손상이 관찰되지 않고 유해가스에 대한 유독성이 없으며 총열방출률THR)은 7MJ/㎡ 이하(기준 8MJ/㎡ 이하), 최대열방출률(THR)은 40kW/㎡ 이하(기준 200 kW/㎡)로 난연 3급(난연)의 성능을 만족하였다.
난연 3급의 탄화보드의 난연등급 개선을 위해서 물유리와 황토를 처리하였다. 물유리를 처리할 경우 60분 이상의 함침으로 난연 2급을 만족하였으며, 물유리와 황토를 함께 처리할 경우 난연성능이 더욱 개선되었다.
탄화보드의 난연성을 이용한 방화문 개발을 위해 난연처리 탄화보드와 질석보드를 이용한 복합패널을 제작하였다. 탄화보드 복합 방화문을 시험 제작하여 실대형 방화시험을 실시하여 을종 방화문으로서의 성능을 검증받았다. 화재시 발생할 수 있는 가스에 대한 유해성 시험결과 14분 이상의 쥐 활동 시간을 확인함으로써 방화문의 역할을 충분히 할 것으로 판단되었다.

제2장 탄화보드의 음향적 성질
목재, 합판, 파티클보드(PB), 중밀도섬유판(MDF)을 400℃~1,100℃로 탄화하여 밀도변화와 흡음특성을 조사하였다. 탄화온도가 증가함에 따라 소재보다 밀도가 급격히 감소한 후 거의 일정한 값을 나타내었으며, 탄화 후 소재의 종류에 따른 밀도의 차이는 소재의 밀도 차이보다 적어졌다. 탄화보드는 원재료의 흡음율에 비하여 흡음율이 3~4배 증가하였고, 그 중에서 탄화 PB의 흡음율은 17.5%까지 증가하였다.
탄화보드는 높은 다공성을 지닌 특성이 있다. 이러한 특성은 유해물질의 흡착뿐만 아니라 소음을 완충하는 소재로 가능성이 예상된다. 탄화보드의 흡음성능을 개선하기 위해 기존에 알려진 샌딩기법과 타공기법을 시도하였다. 3가지의 샌딩페이퍼와 3가지의 타공유형을 복합적으로 처리하여 가장 높은 흡음성능을 발휘하는 조건을 찾았다. 타공처리 시 약간의 흡음성능이 향상됨을 관찰되었으나 그 효과는 미미하였다.
탄화보드를 실내공간에 설치를 고려하여 실대형 흡음시험은 잔향실법에 의한 흡음률 측정방법(KS F 2805)에 의거하여 실시하였다. 탄화보드(850℃ 제조), 샌딩처리(양면) 탄화보드, 타공 MDF, 탄화보드 + 타공 MDF, 샌딩처리 탄화보드 + 타공 MDF의 5개 조건을 설정하고 각각의 감음계수(noise reduction coefficient, NRC)를 조사하였다. 샌딩처리한 탄화보드와 타공 MDF의 복합화에 의해 45% 수준의 높은 흡음효과를 얻을 수 있었다. 감음계수는 탄화보드 0.10 < 샌딩 탄화보드 0.15 < 타공 MDF 0.35 < 탄화보드 + 타공 MDF 0.40 < 샌딩 탄화보드 + 타공 MDF 0.45의 순이었다. 탄화보드는 1250Hz 부근, 타공 MDF는 3,150Hz에서 가장 높은 흠음효과를 발휘하였다. 시제품으로 앞면에 편백을, 뒷면에 라인식으로 탄화보드를 부착한 목재 음향판 ‘우드차콜보드(wood charcoal board)’를 제작하였다.

제3장 탄화보드의 원적외선 및 열적 성질
탄화보드의 새로운 용도개발을 위하여 합판, 파티클보드(PB), 중밀도섬유판(MDF) 및 목재보드를 400℃~1000℃로 탄화하여 밀도경사 및 원적외선 방사 특성을 조사하였다. 탄화온도별 평균밀도 및 밀도경사는 탄화온도가 높을수록 비례하여 증가하였으며, 탄화합판의 경우 목리의 배열과 접착층의 영향으로 4개의 peak point를 확인하였다. 원적외선 방사율은 탄화온도가 높을수록 증가하였으며, 특히 1000℃에서 탄화된 MDF의 원적외선 방사율값이 0.938로 최고치를 나타냈다.
MDF를 탄화한 후 탄화온도별로 전선을 연결하여 목재틀 형태와 콘크리트 블럭 형태로 제조하고, 통전에 의한 탄화 MDF의 표면온도 설정에 따라 마루판의 표면온도를 측정하였다. 탄화 MDF의 표면 설정온도에서 통전 시간이 경과함에 따라 경과시간 15분까지는 표면온도가 급격히 상승하다가 그 이후부터는 완만히 상승하였다. 시간이 경과할수록 강화마루판의 표면온도가 급격히 상승하여 경과시간 60분 후에는 강화마루판 온도가 합판마루판보다 높았다. 탄화 MDF 표면 설정온도에서 시간이 경과함에 따라 경과시간 9분까지는 마루판 표면온도가 완만히 하강하다가 그 이후부터는 빠르게 하강하였으며, 강화마루판의 하강속도가 합판마루판보다 빠르게 나타났다.
탄화보드를 열적성질을 지닌 재료로 이용하기 위해 전기적 성질을 조사하였다. 비저항값은 탄화온도 700℃ 이후에는 탄화온도가 증가할수록 작았으며, 1000℃ 이후에는 거의 도체에 가까운 값을 보였다. 전압을 높게 하여 통전하였을 때 각 탄화보드의 전류, 전력 및 표면온도는 높게 나타났다. 전압에 따른 탄화보드의 표면온도는 탄화 PB의 비저항값 2.88 Ω·㎝, 4V의 전압을 가했을 때 15분 후에 표면온도가 93.3℃로 가장 높게 나타났다. 전압이 높을수록 표면온도가 높고, 소비전력이 증가하는 경향을 보였다. 시제품으로 ‘탄화보드 온열 숯침대’를 제작하였다.

제4장 탄화보드의 역학적 성질
탄화보드를 실내 건축자재로 사용하기 위해서는 역학적 기초 특성에 대한 분석이 필요하다. 탄화온도 2종(850℃, 1000℃), 승온온도 5단계(25℃/h, 50℃/h, 75℃/h, 100℃/h) 의 조건에서 중밀도섬유판으로 탄화보드를 제조하고 동적탄성률측정과 강도성능시험을 조사하였다. 탄화시의 승온온도에 따른 탄화보드의 밀도와 휨강도의 변화는 차이가 거의 없었으며, 승온온도 75℃/h일 때 가장 높은 동탄성적 특성을 나타냈으며, 압축강도와 경도는 승온온도 100℃/h 일 때 다소 낮은 결과를 보였다. 최고 탄화온도에 따른 역학적 특성을 분석한 결과, 밀도와 압축 탄성계수에 있어서는 차이가 없었지만, 동탄성, 휨강도, 압축강도, 경도에 있어서는 1000℃가 가장 높았다.
탄화보드 재료의 다양화를 위해 여러 목질보드(MDF, PB, OSB, 합판, 집성목)를 탄화하여 무할렬 탄화보드 제조에 성공하였다. 탄화 후 탄화목과 탄화OSB는 고유의 외형적 특징을 그대로 유지하고 있어 목재가 원재료임을 알 수 있으나, 탄화MDF와 탄화PB의 경우 민 무늬를 가짐으로서 원재료가 목재임을 알기 힘든 것으로 판단된다. 따라서, 치장용으로는 탄화목 또는 탄화OSB가 적합하고, 내장용으로는 탄화MDF, 탄화PB가 적합할 것으로 판단된다. 재료별 탄화보드의 휨강도 측정결과, 상대적으로 탄화MDF와 탄화OSB에서 가장 높은 값이 나타났고, 탄화PB에서 낮은 값을 보였다.

제5장 탄화보드의 라돈 흡착 성능
라돈은 자연 발생하는 비활성 방사성 기체로써 폐암의 발병원으로 잘 알려져 있다. 현대인의 생활습관이 실내생활로 바뀜으로 인해 이러한 방사성 기체인 라돈에 대한 노출빈도가 늘어나고 이로 인해 고통을 받는 사람들이 늘어나고 있다. 국내외에서 라돈에 대한 위험성을 강조하는 가운데, 실내 건축 마감재로 보편적으로 쓰이는 4가지 무기계 재료(시멘트보드, 질석보드, 석고보드, 마그네슘보드)를 선정하여 라돈 방출량을 조사하였다. 정도의 차이는 있지만 모든 재료에서 라돈이 방출됨을 확인하였다.
목재와 목질판상재(MDF, PB, OSB, 합판)를 온도별로 탄화하여 라돈흡착 성능을 조사하였다. 숯과 같은 역할을 가진 탄화보드는 라돈을 흡착하는 능력이 뛰어나며, 탄화보드의 원재료의 영향을 받음을 확인하였다. 탄화목이 가장 높은 라돈흡착 성능을 보였으며, 다음으로 탄화MDF, 탄화OSB, 탄화합판, 탄화PB 순으로 높은 성능을 확인하였다. 또한, 라돈흡착 성능은 탄화온도에 영향을 많이 받았다. 라돈은 600℃에서 제조한 모든 탄화보드에서 평균 67~87%로 가장 높은 라돈 흡착율을 보였으며, 400℃의 탄화보드는 50%, 800℃의 탄화보드는 25%, 1000℃에서 제조된 탄화보드는 라돈 흡착성능은 없거나 10%로 매우 낮은 결과를 보였다.

제6장 탄화보드의 제조공정 개선
개발된 기술을 활용한 탄화보드의 건축용 내장재나 장식재, 산업용으로의 적용을 위해서는 양산공정의 최적화를 통한 가격 및 품질 경쟁력의 확보가 필수요소이다. 현재 산림과학원과 공동 연구를 수행하는 공장에서 운용 중인 탄화보드 생산공정은 1대의 탄화로 장비에서 건조, 탄화 및 냉각을 동시에 진행하는 배치식(Batch type) 방식이다. 탄화보드의 제조공정을 개선하기 위해서는 생산과정을 세분화할 수 있는 방안과, 각 과정에서 생산성이나 경제성 등을 효율화시키는 방법을 모색해야 한다. 건조공정, 탄화공정, 냉각공정의 도입을 통해 전체 공정시간의 단축이 실현되었다. 생산비용 절감 측면에서 3단계 분리공정의 연계 운용은 고가 장비인 탄화로의 단위 운용시간을 줄이고 냉각공정 시간의 단축을 이루어서 생산비용 절감을 가능케 하였다. 결론적으로 단위 시간에 대해 분리된 공정의 운용으로 최대 5배의 생산량 증가를 확보할 수 있었다.

목차 Contents

• 표 지 ... 1
• 발간사 ... 3
• 목 차 ... 5
• 요 약 ... 7
• 제1장 탄화보드의 난연재료 이용기술 개발 ... 15
• 1. 탄화보드의 난연성능 ... 17
• 2. 탄화보드의 난연성능 개선 ... 27
• 3. 탄화보드 복합 방화문 개발 ... 37
• 제2장 탄화보드의 음향적 성질 ... 45
• 1. 탄화보드의 흡음성능 ... 47
• 2. 탄화보드의 흡음성능 개선 ... 64
• 3. 탄화보드 목재음향판 개발 ... 88
• 제3장 탄화보드의 원적외선, 전기 및 열적 성질 ... 95
• 1. 탄화보드의 원적외선 방사율 ... 97
• 2. 탄화보드의 열적 성질 ... 108
• 3. 탄화보드의 전기적 성질 ... 118
• 제4장 탄화보드의 역학적 성질 ... 125
• 1. 탄화보드의 역학적 성질 ... 127
• 2. 탄화보드의 형상 및 물성 변화 ... 142
• 제5장 탄화보드의 라돈 흡착 성능 ... 151
• 1. 실내 건축자재의 라돈 방출 ... 153
• 2. 탄화보드의 라돈 흡착성능 ... 157
• 제6장 탄화보드의 제조공정 개선 ... 165
• 1. 탄화보드의 제조공정 개선 방안 ... 167
• 2. 탄화보드의 제조공정 개선 효과 ... 184
• 참 고 문 헌 ... 187
• 끝페이지 ... 215