초록 ▼

□ 연구개요
생재 목재는 건조되는 동안 섬유포화점 이하로 함수율이 떨어질 때부터 수축과 건조 응력에 의해 굽음, 틀어짐 또는 할렬 등의 변형이나 결함이 발생할 수 있다. 목재의 치수가 커질수록 이러한 결함이 발생할 가능성이 높다. 굽음이나 틀어짐 등의 변형은 대패 가공을 통해 보완할 수 있지만, 추가 가공을 통한 재료의 손실과 시간과 에너지 등의 경제적 손실이 발생한다. 또한, 건조 과정에서 목재의 표면이나 내부에 발생하는 할렬은 건축물의 기둥이나 보 등 하중을 받는 구조재의 강도 감소를 초래하기 때문에 구조적 안정성에 치명적

□ 연구개요
생재 목재는 건조되는 동안 섬유포화점 이하로 함수율이 떨어질 때부터 수축과 건조 응력에 의해 굽음, 틀어짐 또는 할렬 등의 변형이나 결함이 발생할 수 있다. 목재의 치수가 커질수록 이러한 결함이 발생할 가능성이 높다. 굽음이나 틀어짐 등의 변형은 대패 가공을 통해 보완할 수 있지만, 추가 가공을 통한 재료의 손실과 시간과 에너지 등의 경제적 손실이 발생한다. 또한, 건조 과정에서 목재의 표면이나 내부에 발생하는 할렬은 건축물의 기둥이나 보 등 하중을 받는 구조재의 강도 감소를 초래하기 때문에 구조적 안정성에 치명적인 단점이 된다. 따라서 한국 건축 문화의 혼이 깃든 한옥과 같은 기둥-보 구조물의 부재로 이용되는 대단면 목재는 할렬이 발생하지 않도록 건조할 필요가 있다.
본 연구에서는 대단면 목재를 할렬 없이 건조할 수 있는 건조 기술을 개발하기 위하여 포화증기와 과열증기를 연속적으로 적용하는 건조 기술(Two-step Drying Process, 이하 two-step 공정)을 개발하고자 하였다. 포화증기는 주어진 압력에서 물의 비등점과 같은 온도를 갖는 증기를 의미한다. 포화증기에서 상대습도는 100%RH이고, 이때 목재의 평형함수율은 섬유포화점이 된다. 목재는 섬유포화점 이상의 함수율에서 수분 흡/탈착에 따른 치수 변화가 없다. 또한, 목재의 온도가 높아질수록 평형함수율과 섬유포화점은 낮아지기 때문에 상온보다 높은 온도의 포화증기 내에서 목재는 표면과 내부 사이의 함수율 경사가 관행 열기 건조 공정에서보다 작게 유지되면서 자유수가 제거될 것으로 기대된다. 즉, 포화증기 건조를 통해 건조 초기에 발생하는 표면 할렬 발생을 억제할 수 있을 것으로 기대된다. 과열증기는 주어진 압력하에서 물의 비등점보다 높은 온도를 갖는 증기를 의미한다. 과열증기 건조는 관행 열기건조보다 건조 속도가 빠르기 때문에 목재의 결합수를 빠르게 제거할 수 있다.
Two-step 공정을 이용하여 대단면 목재를 건조함에 있어서 할렬이 발생하지 않는 건조 스케줄을 개발하기 위해서는 목재 내부에서 발생하는 건조 응력 변화를 알아야하며, 이를 위해서는 건조 중 목재 내부의 온도 변화와 함수율 변화를 예측할 수 있어야 한다. 특히, 목재는 다양한 세포로 구성된 직교이방성을 띄는 흡습성 재료로서 세포의 형태와 구조에 따라 열 및 수분 이동량이 다르게 나타나기 때문에 목재를 구성하는 세포에 대한 이해가 필수적이다. 본 연구에서는 현미경을 이용하여 목재를 구성하는 세포의 형태와 구조를 분석하고, 이를 바탕으로 열과 수분 전달 관련 영향 인자들을 결정한 다음 전산유체역학을 이용하여 two-step 공정 중 목재 내부 온도와 함수율 분포를 예측하였다. 또한, 실제 two-step 공정을 수행하여 목재 내부 온도와 함수율 분포를 실측하고, 공정 중 목재의 유변학적 거동 분석을 통해 목재 내에서 발생하는 건조 응력을 정략적으로 평가하였으며, 목재의 접선방향 인장강도와의 비교를 통해 건조 응력과 건조 중 할렬 발생과의 상관관계를 분석하여 메카트로닉스적인 two-step 공정 제어가 가능한 대단면 목재 건조 기술을 개발하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
■ 목재 세포 구성요소 분석을 통한 열전달 및 수분전달 영향인자 결정 (100% 달성)
목재 세포의 기하학적 수분 확산 모델과 목재의 열확산 이론에 따라 열전달 및 수분전달에 관한 영향인자를 결정하고, 온도 및 함수율 변화에 따라 각 변수들이 실시간으로 바뀔 수 있는 함수로 표현함.
■ 포화증기 및 과열증기를 이용한 대단면 목재 건조 기술 개발 (100% 달성)
목재와 수분 사이의 상관관계에 관한 몇 가지 이론을 조합하여 포화증기 및 과열증기 건조 기술의 가능성에 대한 가설을 수립하고, 실험을 통해 이를 검증함.
■ 건조 중 목재의 유변학적 거동 분석 및 건조 응력 산출 (100% 달성)
Two-step 공정 중 목재의 유변학적 거동 분석을 통해 자유 수축률, 실제 수축률, 탄성 변형률, 점탄성 변형률 및 점성 변형률을 측정ㆍ계산하였고, 이를 바탕으로 목재 표면에서 발생하는 건조 응력을 평가하였음. 또한, 건조 응력을 목재의 강도와 비교하여 할렬이 발생하지 않은 원인을 분석하였음.
■ 건조 응력 해석을 통한 포화증기 및 과열증기 건조 스케줄 개량 (100% 달성)
Two-step 공정에서 온도 및 함수율 분포, 내부 할렬 발생 평가 및 건조 응력 분석을 통해 내부 할렬 발생을 줄이고, 목재 내에서 발생하는 건조 응력의 크기를 줄일 수 있었음.
■ 건조 증 목재 내부 온도 및 함수율 변화 예측 모델 개발 (100% 달성)
목재의 열전달과 수분전달에 관한 영향인자를 온도 변화 및 함수율 변화에 따라 실시간으로 재설정되는 변수가 적용된 온도 및 함수율 예측 모델을 개발하였음.

□ 연구개발결과의 중요성
■ 기술적 측면
본 연구과제를 통해 개발된 two-step 공정은 기존에 사용되지 않았던 새로운 목재 건조 기술로서 이를 이용하여 대단면 목재를 할렬 없이 건조할 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다. 또한 본 건조 기술을 활용하여 대단면 목재 건조가 상용화되면 관련 산업 활성화에 기여할 수 있을 것이라 기대된다.
■ 학문적 측면
본 연구의 two-step 공정 중 목재 내부 온도와 함수율 예측 모델은 온도와 함수율 변화에 따라 열전달 및 수분전달 관련 영향인자를 실시간으로 변화시키는 방법을 적용함으로써 기존의 연구 결과보다 정확한 예측값을 도출할 수 있었으며, 고온에서의 목재 열전달 및 수분전달 관련 연구 수준 향상에 기여할 수 있을 것이라 기대된다.
■ 경제적 측면
Two-step 공정 중 목재 내부 온도와 함수율 예측을 통해 건조 응력 예측이 가능하고, 이를 바탕으로 목재의 치수 변화에도 할렬이 발생하지 않는 건조 스케줄 개발을 도모할 것으로 기대된다. 따라서 대단면 목재 건조 스케줄 개발에 필요한 시간과 경제적 손실을 줄일 수 있을 것이라 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 2.1. 열전달 및 수분전달 관련 영향 인자 결정 ... 4
• 2.2. 목재의 유변학적 거동 분석을 위한 two-step 공정 ... 5
• 2.3. 건조 응력 분석을 바탕으로 two-step 공정 개선 ... 7
• 2.4. Two-step 공정 중 목재 내부 온도 및 함수율 변화 예측 모델 개발 ... 8
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 8
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 10
• 끝페이지 ... 12