초록 ▼

우주를 이루는 해와 달과 지구가 모두 둥근 원형(圓形)를 갖고 있다. 건축 도형은 사상체계와 닿아 있어 하늘은 둥글고 땅은 네모나다고 생각하여 ‘천원지방(天圓地方)’이라는 말을 쓰고 있다. 하늘과 땅 사이에 사람이 있어 우주가 형성된다고 보아 천·지·인을 뜻하는 원과 방형(4각, 네모) 및 팔각형으로 기둥을 만들기도 한다. 목질판상재료는 통상 목질판상재료(wood-based panel)와 같은 면재료가 있으며, 기둥재와 같은 축재료도 있어, 원주목, 집성재와 같은 목제품으로서 기둥재와 같은 입체단면을 가지는 목질재료를 창출하기도 한

우주를 이루는 해와 달과 지구가 모두 둥근 원형(圓形)를 갖고 있다. 건축 도형은 사상체계와 닿아 있어 하늘은 둥글고 땅은 네모나다고 생각하여 ‘천원지방(天圓地方)’이라는 말을 쓰고 있다. 하늘과 땅 사이에 사람이 있어 우주가 형성된다고 보아 천·지·인을 뜻하는 원과 방형(4각, 네모) 및 팔각형으로 기둥을 만들기도 한다. 목질판상재료는 통상 목질판상재료(wood-based panel)와 같은 면재료가 있으며, 기둥재와 같은 축재료도 있어, 원주목, 집성재와 같은 목제품으로서 기둥재와 같은 입체단면을 가지는 목질재료를 창출하기도 한다.
본 연구보고는 국립산림과학원에서 이루어진 “원통형 단판적층재 제조 및 성능구명(2011-2013)”과제의 수행으로 얻어진 결과를 수록한 것이다.
본 보고는 3년차의 연구과제로서 수행된 연구보고서, 위탁과제로서 수행된 연구결과, 학술발표 또는 논문에 게재된 형태의 연구결과를 토대로 작성되었으며, 연구수행과정에서 얻어진 연구결과물이 실용화 또는 산업화를 위한 초석이 되었으면 하는 바램으로 특허출원 명세 전문을 부록으로 게재하고자 하였다.

제1장 원통형 단판적층재 제조 및 성능 구명
원통형 단판적층제조시스템(절삭-건조-단판봉합-접착-적층-압체-접합-치장)을 탐색하고, 적층․압체 조건을 구명하고자 하였다.
본 연구를 위하여 장착․탈착형 원통형 목제(木製) 또는 철제형(鐵製形) 적층성형기(길이 2.6m)를 제작하여 단판적층 제조연구에 활용하였으며, 적층재 제조를 위하여 국산 침엽수재 및 활엽수 원목을 단판절삭하여 소폭 단판(폭 10㎝)으로 재단하여 폴리에스테르사(絲) 봉합에 의한 연속상의 단판을 제조하여 나선형 적층에 이용하였다. 연구용 수지접착제로는 리조시놀수지와 폴리우레탄수지를 사용하였다. 내구성을 위해 주로 리조시놀 수지접착제를 사용하여 적층수(ply)에 따른 적정의 도포량을 산정하였다. 그리고, 교차적층 단판의 섬유주향도(적층재 주축에 대한 각도)는 중경급의 원통형 단판적층재 제조시 10°가 적정하였다.
또한, 수종별 또는 적층수(ply)별 적층재의 밀도, 접착성, 휨성능(1ton 재하시의 탄성영역에서 비파괴 측정에 의한 탄성률을 적용하여 MOE 산정) 및 압축강도를 구명함으로써 구조용도로서의 가능성을 살펴보았다.
한편, 원통형 단판적층재에 기능성을 부여하고자 난연·방부처리한 합판형태로서의 약제 주입률, 접착성, 콘칼로리미터 측정에 의한 난연성능과 방부효력시험에 의한 내부후성을 평가하였다.
연구시작품으로서, 천연에너지(태양광, 풍력)를 이용한 자가발전형 가로등을 제작하였는데, 기둥재(支柱)로써 원통형 단판적층재를 사용하여 그 실연물을 국립산림과학원 구내에 설치하였다.
원통형(圓筒形) 단판적층재는 속을 빈 상태, 즉 중공(中空) 형태로 만든 것인데 반하여 숲가꾸기 산물로 나오는 중소경 간벌재로 속을 채우고 그 외주부분을 여러 겹의 단판으로 적층하면 원기둥형(圓柱形) 적층재가 된다.
이렇게 속을 채우고 안채우고 하는 것은 ‘비움과 채움’의 미학을 생활재료 그 자체로 구현하는 형태로서 새로운 공학목재로써 자리매김할 수 있을 것으로 믿어진다.

제2장 원통형 단판적층재의 접합시스템 개발
원통형 단판적층재를 구조재로 사용하기 위해서는 접합성능이 우수한 재료 제조 및 제조시스템이 개발되어야 한다. 이를 위하여 위탁연구과제가 2년차에 걸쳐 수행되었다.
2012년도(1년차)에는 “강화 목질적층판을 이용한 접합부재 개발”연구로서, 단판적층 원통기둥재를 유리섬유강화플라스틱(GFRP) 직물로 보강하고 봉형 GFRP보강목재핀을 제작·접합하여 일체화된 부재로 접합내력이 향상되었으며, 접합내력 시험시 섬유방향 파단이 발생하는 접합부 보강을 위하여 강화목질적층판을 제조하여 접합부위를 보강함으로써 문형(門型) 라멘구조의 접합부재로서의 적용 가능성을 확인하였다.
2013년도(2년차)에는 “단판적층 원통기둥재의 접합시스템 개발”연구로서, 1년차 보다 진전된 접합구와 접합시험체의 내력시험을 실시하였다. 봉형 GFRP보강 목재못과 GFRP sheet로 보강한 목재적층판을 사용하여 접합부재의 내력향상 및 완화된 파단모드에 의한 인성(靭性)의 향상을 도모할 수 있었다.
이 연구를 위하여, 금속 접합구(드리프트핀과 금속강판을 사용한 접합부)를 대신하여 GFRP 보강 목재못을 제작하였으며 접합부의 인장형 전단내력 시험을 실시하여 거동을 확인하였다. 봉형 GFRP보강 목재못과 보강목재 적층판을 삽입한 보강보부재를 단판적층 원통기둥재에 접합시킨 7유형의 모멘트저항 시험체를 제작하여 접합내력을 평가하였다. 결과, 모멘트저항 내력시험에서 가장 성능이 양호한 Type-C접합부(봉형 GFRP보강 목재못 + 각층GFRP sheet 보강 목재적층판(9ply중 4ply를 교호로 각층 GFRP 보강) + 보강 원통형 LVL)를 이용하여 라멘구조 시험편을 제작 후 수직내력시험을 실시하여 성능을 평가하였다.
시험결과 보부재의 파괴로 인하여 보부재를 보강하지 않은 시험편과 보강한 시험편의 최대내력의 차이는 없었으나 보강하지 않은 시험편은 보부재의 끝단면이 파괴된 반면 보강한 시험편은 파괴가 발생하지 않아 보강목재 적층판에 의한 보강효과가 있음을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 금속접합철물을 대체한 목질 접합물의 적용으로 심미성을 증가시키고, 단판적층 원통기둥재를 사용하여 기둥·보 공법에 의한 중규모 목구조물로 대개구(大開口), 대공간(大空間)의 목조건축 접합시스템 개발이 실현되었다.

제3장 고정형 Microwave 가열에 의한 평단판 및 단판롤의 건조 특성
잣나무, 리기다소나무, 낙엽송, 백합나무 등 수종과 두께가 2.6㎜와 3.66㎜로 다른 평단판 및 롤 형태 단판의 Microwave 가열․건조 특성을 분석하기 위해 고정형 Microwave에서 실험을 실시하였다.
평단판 형태로 Microwave 가열시험 후 단판의 품질상태는 비교적 양호하지만, 약간의 뒤틀림 등이 발생하였는데, 이는 두께가 얇은 단판을 고정 없이 가열했기 때문으로 사료되었다. 또한, 고정형 Microwave 장비의 특성상 단판 형태로 가열시 국부적인 조사(照射)가 이루어진 영향이 높은 것으로 판단된다.
단판롤 형태로 Microwave가열후 형상은 모두 양호하였으며, 특히 평단판에서 나타난 뒤틀림 등의 결함은 없는 것으로 나타났다. 롤형태로 Microwave 가열시 열분포 및 확산 등이 매우 안정적으로 나타났으며, 이러한 열분포는 함수분포 및 중량 감소에 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다.
또한 고정형 Microwave 장비의 한계점인 국부적인 조사도 평단판보다 롤상태에서 넓은 체적 및 면적을 가지므로 보다 균일한 가열이 가능했던 것으로 판단된다.
따라서 단판롤 형태는 수종 및 두께에 따라 출력과 조사시간 등 충분한 시험이 실시된다면, 고정형 장비에서도 충분한 건조효율을 나타낼 수 있을 것으로 판단되었다.
고정식 Microwave는 피가열 재료가 정지되어 있으나 생단판을 건조한다고 가정할 경우 컨베이어 형태로 이동시키면서 가열시키는 시스템이 적합하다고 판단되어 향후 이동형 Microwave 가열시스템의 적용에 대한 검토가 요구된다.

제4장 원통형 단판적층재의 표면성질 및 단판의 천연염색·도장 특성
원통형 단판적층재(LVL)의 구조재 이외의 공예재 등의 용도개발을 위하여 원통형 단판적층재의 도장처리에 따른 표면성질(내마모성, 표면경도)을 측정하였다. 내마모성은 횡단면이 접선단면보다 상대적으로 우수하였으며, 접선단면에 자외선 차단 오일을 도장 처리한 경우 내마모성이 향상되는 것으로 평가되었다. 표면경도는 횡단면의 경우, 낙엽송 중심재(芯)가 라디에타소나무 단판적층 부위보다 높았고, 접선단면의 경우에는 접착층 부위가 단판부위보다 높은 것으로 나타났다.
원통형 단판적층재의 공예재 적용을 위하여 표면마감, 천연염색 및 도장처리에 따른 변․퇴색시험을 실시하고 색차를 평가하였다. 원통형 단판적층재의 경우, 횡단면이 접선단면보다 높은 광안정성을 나타냈으며, 표면 도장처리함으로써 내변퇴색성이 향상되는 것으로 나타났다.
또한, 원주형 단판적층재로서 원반(圓盤) 형태로 시편을 절취하였는데 단판의 목질부와 낙엽송 심재와의 조화를 이루기 위해, 원반 전체의 색조를 전통 식물성 염료인 황벽나무 등 9개 수종의 천연염료로 염색한 다음 도장처리 후, 내변퇴색성을 평가함으로써 환경친화적이며 인체에 해가적은 선명한 색조를 발현 시킬 수 있었다. 특히, 황벽나무와 감·소목계의 염료는 황색 및 고동·적색 계열의 색조로서 목재의 천연색감을 돋보이는 색감으로 나타낼 수 있었다. 천연 염색 단판의 내변퇴색성은 자외선차단 오일과 크랙실 클리어의 도장처리를 통해 내변퇴색성이 향상되었으나, 소목과 감의 경우 비교적 높은 변색을 나타냈다.
원통형 단판적층재의 공예재로의 이용을 위하여 추후 연구에서는 염색단판을 적용한 원통형 단판적층재의 다양한 용도 개발 및 상품의 사용 환경·용도·생활양식과 목적에 따른 상품개발과 디자인 연구가 수반되어야 할 것으로 사료되었다.
또한, 잣나무, 라디에타소나무, 백합나무 및 편백의 단판 수종에 대한 천연염색 및 도장처리에 따라 8일간의 광(光) 조사시 색차의 경시적 변화를 평가하고자 하였다. 퇴색시험에 따른 색차는 단판 수종의 바탕색상에 의존성이 있는 것으로 여겨지며, 치자 혼합 황벽 염색 경우 색차가 가장 컸고, 쪽 염색 경우 색차가 가장 작음으로써 광(光)에 더욱 안정적임을 나타냈다. 그리고, 광 조사가 진행될수록 명도는 감소하였으며, 도장처리에 따른 색차 감소 현상이 있었다.
화학염료에 대체하여 천연식물계 염료로부터 삼원색(빨강·파랑·노랑)의 염색이 가능하였으며, 유해 휘발성 유기화합물에서 자유로워질 수 있는 천연염색과 내구성 투명계 도장처리 연구가 향후 바람직한 것으로 전망되었다.
한편, 도장처리 단판적층재의 야외 자연광 및 4경사와 1방위 노출에 의한 변퇴색시험을 실시한 결과, 야외노출 자연광조사 278시간 경과 후 라디에타소나무 횡단면단판적층부 색차 변화 수준은 무처리군 > 크랙실클리어 > 자외선차단오일 순이었으며, 무처리군의 경우, 노출경사각도 45° 군에서 색차 안정성이 있는 것으로 평가되었다. 도장처리를 함으로써 내변퇴색성이 향상되었으며, 도장처리시 각 수종의 고유한 재색에 따라 도료의 선택이 달라질 수 있을 것으로 사료되었다.
현재 임산공학부 건물위 옥상에 설취된 경사형 야외폭로시험대에 무지개 색( 7색) 으로 천연염료로 염착한 단판(색동우드 단판으로 명명하여 특허출원 함)을 거치하여 변퇴색시험을 실시히고 있다.

목차 Contents

• 표 지 ... 1
• 발간사 ... 3
• 목 차 ... 5
• 요 약 ... 13
• 제1장 원통형 단판적층재 제조 및 성능 구명 ... 19
• 1. 연구목적 ... 21
• 2. 연구개요 ... 21
• 3. 연구수행방법 ... 22
• 1) 1년차 연구 ... 22
• 2) 2년차 연구 ... 31
• 3) 3년차 연구 ... 35
• 4. 연구결과 및 고찰 ... 38
• 1) 1년차 연구 ... 38
• 2) 2년차 연구 ... 43
• 3) 3년차 연구 ... 53
• 5. 결론 ... 59
• 1) 1년차 연구 ... 59
• 2) 2년차 연구 ... 60
• 3) 3년차 연구 ... 61
• 제2장 원통형 단판적층재의 접합시스템 개발 ... 63
• 1차년도 위탁연구 ... 65
• 제1장 연구과제의 개요 ... 66
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 67
• 제3장 연구수행 내용 및 결과 ... 68
• 참고문헌 ... 107
• 2차년도 위탁과제 ... 108
• 제1장 연구과제의 개요 ... 109
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 110
• 제3장 연구수행 내용 및 결과 ... 111
• 참고문헌 ... 157
• 제3장 고정형 Microwave 가열에 의한 평단판 및 단판롤의 건조 특성 ... 159
• 1. 연구목적 ... 161
• 2. 실험인자 및 방법 ... 162
• 2-1. 실험인자 ... 162
• 2-2. 실험 재료 및 장비 ... 163
• 2-3. 실험방법 ... 164
• 3. 연구결과 및 고찰 ... 165
• 3-1. Microwave 가열 단판 ... 165
• 3-2. Microwave 가열 단판롤 ... 171
• 4. 결론 ... 187
• 제4장 원통형 단판적층재의 표면 성질 및 단판의 천연염색·도장 특성 ... 189
• 제1절 원통형 단판적층재의 접착성 및 도장처리에 따른 표면내구성 ... 191
• 1. 서론 ... 192
• 2. 재료 및 방법 ... 193
• 3. 결과 및 고찰 ... 195
• 4. 결론 ... 196
• 참고문헌 ... 198
• 제2절 천연염색․도장처리한 단판의 내변퇴색성 ... 199
• 1. 서론 ... 199
• 2. 재료 및 방법 ... 200
• 3. 결과 및 고찰 ... 201
• 4. 결론 ... 202
• 참고문헌 ... 203
• 제3절 천연염색 및 도장처리 원통형 단판적층재의 내변퇴색성 ... 204
• 1. 서론 ... 204
• 2. 재료 및 방법 ... 205
• 3. 결과 및 고찰 ... 208
• 4. 결론 ... 213
• 참고문헌 ... 214
• 제4절 천연염색·도장처리 단판의 내변퇴색시험에 따른 색차특성 ... 215
• 1. 서론 ... 215
• 2. 재료 및 방법 ... 217
• 3. 결과 및 고찰 ... 219
• 4. 결론 ... 224
• 참고문헌 ... 225
• 제5절 야외노출 경사각에 따른 도장처리 단판적층재의 변퇴색 특성 ... 226
• 1. 서론 ... 226
• 2. 재료 및 방법 ... 227
• 3. 결과 및 고찰 ... 228
• 4. 결론 ... 230
• 참고문헌 ... 231
• 부록 본 연구와 관련된 특허명세 ... 233
• ① 원통형 단판적층재 및 수동식 단판적층 성형장치 ... 235
• ② 원통형 단판적층재·수지 복합 봉안함 및 그 제조방법 ... 245
• ③ 자동식 원통형 단판적층 성형장치 ... 255
• ④ 대경·장재의 원통형 및 원주형 단판적층 성형장치 ... 271
• ⑤ 접착·압체 조합식 원통형 단판적층 성형장치 ... 284
• ⑥ 마이크로파를 이용한 단판의 가열 및 건조방법 ... 302
• ⑦ 태양광 및 풍력발전을 이용한 하이브리드형 원통형 단판적층 조명등 ... 310
• ⑧ 천연염료로 염색한 색동우드 단판 및 그 염색방법 ... 323
• 끝페이지 ... 344