고농도 붕산염을 함유하는 폐놀계 난연제 처리된 파티클로 제조한 보드의 난연성능에 관한 연구

강석구 ( Seoggoo Kang ),윤시원 ( Siwon Yun ),이화형 ( Hwa Hyoung Lee ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.1

합판, 파티클보드, 섬유판 등 목질재료는 건축 내장재, 가구재 등으로 사용되고 있다. 목질재료의 원재료인 목재는 화재 발생 시 350℃ 이하에서 연소가 발생한다. 화재 발생 시 실내 내장재, 가구재에 의해 화염이 빠르게 확산된다. 이는 화재 현장의 실내 온도를 급격히 상승시키고 재실자의 대피 시간을 단축하여 인명피해를 초래한다. 이러한 문제를 개선하기 위해 난연제를 적용한 난연 목질재료 개발 연구가 진행되고 있다. 난연제는 인계, 무기계 등 수용성 난연제를 활용하고 있다. 난연제 중 붕소계 화합물은 중금속을 함유하지 않고, 무색·무취로 경구 독성이 낮고 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 붕소계 난연제는 8 wt% 이하로 사용되고 있다. 이는 상온에서 용해도가 낮고, 목재 내 주입 후 용출되어 백탄현상이 나타난다. 이에 본 연구는 페놀수지를 담체로 고농도 붕산염혼합물을 수용하는 개발된 난연제로 처리된 파티클을 이용하여 제조된 파티클보드의 물리·기계적 물성과 난연성능을 구명하고자 한다. 개발된 난연제 (고형분 55%, pH 6.96)의 파티클 처리 비율은 전건 파티클 중량 대비 난연제의 고형분 함량이 각각 20, 30, 40, 50%가 되도록 첨가하였다. 첨가된 난연제의 균일한 혼합을 위하여 1시간 교반 후 105℃에서 24시간 건조·경화된 파티클을 사용하였다. 처리된 파티클은 멜라민요소공축합수지 (고형분 58.2%, pH 8.76, 98.4 cps)를 이용하여 함지율 12%, 목표 밀도 0.7 g/cm3으로 파티클보드를 제조하였다. 제조된 시험편은 KS F 3104, KS F ISO 5660-1에 따라 물리·기계적 물성과 난연성능을 평가하였다. 물리적 물성 중 밀도는 난연제 처리량 증가에 따라 증가하였으며, 두께 팽윤율은 무처리 조건 대비 14.2 - 47.5% 감소하였다. 기계적 물성 중 휨강도, 습윤 시 휨강도, 박리강도는 난연제 처리 증가에도 무처리와 동등 수준의 강도를 나타냈다. 총열방출률 기준 40% 처리 조건은 난연등급을 충족하였고, 50% 처리 조건은 준불연등급을 충족하였다. 개발 난연제를 이용한 난연, 준불연 목질재료의 제조 가능성을 확인하였으며, 연소 시 발생하는 연소가스에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

과열증기처리 반탄화목분을 이용한 나무연탄 개발 및 혼합비에 따른 연료특성에 관한 연구

강찬영(Chanyoung Kang),유승민(Seungmin Yoo),강석구(Seoggoo Kang) 한국가구학회 2018 한국가구학회지 Vol.29 No.4

This study was carried out to develop wood briquettes by torrefied oak wood chips and anthracite coal by mixing ratio. For this purpose, the oak wood chips were torrefied at 300°C with the superheated steam and then mixed with wood powder, anthracite coal and gelatin binder by mixing ratio And then physical, thermal, fuel and microscope characteristics of the briquettes were analyzed. As the physical characteristics, the compression ratio of wood briquettes was higher than that of conventional briquettes. As the thermal properties, the higher the content of torrefied powder, the higher the calorific value but the lower the ash content. As a result of combustion test, 100% Torrefied wood briquette monoxide emission amount by mixing ratio was about 55% lower than conventional briquettes. Also, It was found that the shorter the combustion duration, the higher the content of torrefied powder. As a result of SEM observation, It can be found that the torrefied powder and the anthracite coal powder are physically. chemically bonded to each other due to the adhesion of gelatine. In conclusion, wood briquettes have a high initial temperature rise as the content of torrefied wood powder is high, but burnning time is shortter, so it is considered to be suitable for the case where it is necessary to heat up quickly or to use energy-consuming equipment in a short time.

목질재료를 층재로 이용한 hybrid CLT의 물리 기계적 특성에 관한 연구

양승민 ( Seungmin Yang ),강석구 ( Seoggoo Kang ) 한국목재공학회 2021 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.2

전세계적으로 탄소중립 선언에 따라 탄소 저장효과를 가진 목재에 대한 관심도가 증가하며 대형 목재패널인 CLT(Cross Laminated Timber) 개발 및 고층 목조건축에 사용되고 있다. CLT는 층재의 섬유방향을 교차로 적층하여 제조된 패널이다. 섬유 직각방향으로 배열된 층재의 낮은 강성과 강도로 인하여 rolling shear 현상이 나타나며 CLT는 낮은 전단 강도 및 전단 탄성계수가 감소하게 된다. 기존 CLT의 rolling shear strength를 향상시키기 위해 구조용 목질재료를 층재로 사용한 CLT를 “hybrid CLT”라 한다. 이에 본 연구에서는 국내 시중에서 제조 유통되고 있는 목질재료를 층재로 이용한 hybrid CLT와 CLT를 제조하여 물리 기계적 특성을 평가하였다. hybrid CLT 제조에 사용된 낙엽송 층재는 최외층재 E10, 내층재 E8-9 등급을 사용하였으며 목질재료는 LVB(밀도 0.6 g/cm³, 9.8 GPa, 57.4 MPa), OSB(밀도 0.57 g/cm3, 2.2 GPa, 8.5 MPa), 합판(0.57 g/cm3, 6.8GPa, 40.6 MPa), MDI 수지로 제조된 내수 파티클보드(밀도 0.67 g/cm³, 2.0 GPa, 10.9 MPa)을 사용하였다. 목질재료를 교차층의 층재로 사용하였을 때 휨 탄성계수 및 휨강도(span to depth ratio: 21)가 증가하는 결과를 나타냈다 (CLT-11.8 GPa, 39.7 MPa; LVB+CLT- 17.7 GPa, 59.4 MPa. OSB+CLT-14.0 GPa, 41.7 MPa; 합판+CLT-14.5 GPa, 49.7 MPa; PB+CLT-14.0 GPa, 43.8 MPa). 전단강도 및 전단 탄성계수(span to depth ratio: 5)는 OSB와 PB를 층재로 사용한 경우 감소하였으나 LVB 및 합판을 사용하였을 때 증가하는 결과를 나타냈다 (CLT-0.32 GPa, 3.11 MPa; LVB+CLT- 0.32 GPa, 3.61 MPa. OSB+CLT-0.28 GPa, 2.06 MPa; 합판 +CLT-0.37 GPa, 3.59 MPa; PB+CLT-0.32 GPa, 2.49 MPa). 압축강도의 경우 목질재료로 층재를 사용하였을 때 CLT 보다 23-83% 강도가 향상된 결과를 나타냈다 (CLT 30.9 MPa; LVB+CLT 55.5 MPa; OSB+CLT 37.8 MPa; 합판+CLT 48.4 MPa; PB+CLT 40.3 MPa). 이에 목질재료를 층재로 사용하였을 때 휨 전단 압축 강도가 향상되는 결과를 통해 목질재료의 층재 적용 가능성을 확인하였다.

< 전시-P-65 > 성형목탄 연소 시 발생하는 대기오염물질에 관한 연구

정택용 ( Taekyong Jeong ),강석구 ( Seoggoo Kang ) 한국목재공학회 2019 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2019 No.1

목재제품은 『목재의 지속가능한 이용에 관한 법률 시행령 제 14조 제1항』에 의거하여 15가지로 나눌 수 있고, 이를 용도 및 제조법 별로 접근하기 위해 연료제품(목재펠릿, 목재칩, 목탄, 성형목탄, 목재브리켓), 보드제품(목재바닥재, 합판, 파티클보드, 섬유판, 배향성 스트랜드보드, 집성재), 화학제품(방부목재, 난연목재), 기타제품(제재목, 목재 플라스틱 복합재)과 같이 구분하여 연소 및 소각을 통해 발생하는 대기오염물질에 대한 분석을 실시하였다. 이 중, 화석연료 대비 대기오염물질 발생량이 낮다는 장점으로 ‘신재생에너지’라는 타이틀을 가지고 각광받아 온 목재펠릿, 목탄, 성형목탄 등 연료형 목재제품에서 사용 목적과 구성성분이 다양한 성형목탄을 시작으로 목재제품 15가지의 대기오염물질의 배출량에 대한 연구를 진행할 것이다. 최근 들어, 성형목탄 등 일부 제품에서는 화석연료보다 더 높은 수치의 대기오염물질이 발생한다는 내용이 연이어 보도되거나, 용도의 불확실성으로 인해 규제 없는 무분별한 사용 등의 이유로 일부에서는 소비자들의 신뢰마저 잃어가는 실정이다. 이와 같은 오해와 진실 속에 성형목탄에서 발생할 수 있는 대표적인 대기오염물질(CO, CO², NOx, SOx, 비산먼지) 중 특히 비산먼지(2.5PM, 10PM)의 기준을 마련하고자, 성형목탄을 회분량의 차이를 기준으로 나눈 뒤, 연소 시 발생하는 대기오염물질의 배출량을 분석하였다. 또한, 해당 제품에 대기오염물질의 원인 인자가 될 수 있는 회분 및 함수율, 원소, 중금속 함량 등 『목재 제품 품질기준 고시(제2017-9호』에 따른 규격품질에 해당하는 분석 시험을 통해 대기오염물질과의 상관관계를 나타내고자 한다. 이를 통해 규격품질 검사를 받아 국내에서 유통되는 국내산 및 수입산 별 성형목탄에서 발생할 수 있는 대기오염물질의 표준 척도 및 기준을 제공하고자 한다.

합판 층재 구성에 따른 Ply-lam CLT의 물리 기계적 특성에 관한 연구

양승민 ( Seungmin Yang ),강석구 ( Seoggoo Kang ) 한국목재공학회 2021 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.2

면외·내 하중을 견딜 수 있도록 교차층 층재를 90° 각도로 배치하여 만들어진 대형 목재패널을 CLT (Cross Laminated Timber)라 한다. CLT 교차층 층재의 낮은 강도 및 강성을 향상시키기 위하여 활엽수 층재, 층재 각도 변화(30°, 45°, 60°), 구조용 목질재료를 층재로 사용한 CLT를 hybrid CLT라 한다. 국내에서 개발된 합판을 층재로 사용한 CLT를 Ply-lam CLT라 하며 층재를 합판으로 대체함으로서 원재료 수율 증가 및 제조 공정 단순화 등의 장점이 있다. Ply-lam CLT의 기본 구조는 층재-합판-층재-합판-층재로 적층된 구조이나 휨 하중이 가해질 때 최외층 층재에 인장력을 받게 된다. 최외층 층재에 옹이와 같은 결함이 있으면 하중이 집중되어 휨 강도가 감소하게 된다. 이에 Ply-lam CLT의 기본구조에서 합판과 층재 조합에 따라 물리 기계적 특성 평가를 통한 합판의 위치에 따른 강도 변화를 비교하였다. 합판(P)과 층재(L)의 조합에 따라 Type 1(P-L-P-L-P), Type 2(L-P-P-P-L), Type 3(P-L-L-L-P)로 5 ply로 구성하였고 이때 제조된 시험편의 밀도는 0.52-0.56 g/cm³ 이다. 면외 휨 성능 결과 Type 3을 제외하고 CLT 보다 휨 강도 및 휨탄성계수가 향상되었으나, Ply-lam CLT 기본 구조 보다는 낮은 휨 성능을 나타냈다(CLT-39.7 MPa, 11.8 GPa; Ply-lam CLT-49.7 MPa, 14.5 GPa; Type 1-40.9 MPa, 13.6 GPa; Type 2-46.6 MPa, 15.8 GPa; Type 3-37.8 MPa, 11.2 GPa). 면내 휨 성능, 면외 전단 성능, 압축강도 결과 역시 기본 Ply-lam CLT 보다 낮은 결과를 나타냈다. 층재 보다 합판을 사용하였을 때 균일한 강도 값을 확보할 수 있으나 층재 보다 합판이 낮은 휨 성능을 가지므로 5 ply로 제조된 시험편에서 강도성능 향상 효과는 확인할 수 없었다. 반면 합판 및 층재 구성에 따른 휨 전단 압축 성능 모두 CLT 보다 향상된 결과를 나타내므로 CLT 대신 Ply-lam CLT와 변형구조 Ply-lam CLT로 대체할 수 있음을 확인하였다.

흡습제에 따른 은행나무 바이오 건조기의 건조효과에 관한 연구

김준호 ( Joonho Kim ),강석구 ( Seoggoo Kang ) 한국목재공학회 2019 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2019 No.2

본 연구는 목재와 흡습제의 투습 및 흡습기능을 이용하여 목재를 천연건조하는 바이오 건조기의 건조효과를 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 내부 충진재로 사용할 흡습재로서 화력발전소 주 연료 석탄의 잔여물인 바텀애쉬(5mm~10mm), 수중에서 서식하는 부유성 단세포 조류인 규조의 잔해물인 규조토 (Diattomaceous earth, 8~10mm), 제재소에서 발생하는 파쇄 톱밥(Sawdust) 및 흡습 기능이 탁월하다고 알려진 숯을 바이오 건조기 벽체의 충전재의 시료로서 사용하였다. 각 충진재의 재료별 흡습성능을 알아보기 위해 투습컵 위에 두께 15mm의 은행나무를 사이에 두고 바이오 건조기의 열판온도와 같은 온 도를 주어 방사단면의 은행나무를 투습된 수분의 중량을 측정하여 흡습량을 3일간 측정하였다. 또한, 국산 침엽수종이며 가로수재로 많이 쓰이는 은행나무(Ginkgo Biloba)를 450mm×450mm×450mm 규격으로 벽체 4개를 제작하여 구성하고, 상판은 합판으로하여 Lab test용 바이오 건조기를 제작하였다. 제작한 건조기 내부에 함수율 65%의 신갈나무 생재 (120mm×300mm×35mm) 10개를 내부용적대비 22%채워 온도 80℃의 열판위에서 3일간 내부온도 40℃에서 건조를 실시하였다. 실험결과 최초 65%의 함수율에서 실험 종료 후 신갈나무의 함수율이 평균 25%까지 감소하였음을 확인하였다. 그러나 열의 대류에 의한 건조만이 진행되었기 때문에 건조재의 함수율의 차는 상부와 하부 간의 10%가량 발생되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 바이오 건조기 상부에 팬을 설치하여 추가실험을 진행하였다.

난연제를 주입한 합판을 층재로 이용한 hybrid CLT의 열적 특성에 관한 연구

양승민 ( Seungmin Yang ),강석구 ( Seoggoo Kang ) 한국목재공학회 2021 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.2

해외에서는 목재 원재료 수율 확보 및 강도 특성 향상을 위하여 구조용 목질재료를 CLT 층재로 사용한 개발하고 있으며 이를 hybrid CLT라 한다. 목질재료는 난연 및 내화 등의 처리가 용이하다는 장점이 있어 내화 성능을 가진 CLT 제조가 가능하다. 이에 본 연구에서는 시중 유통되고 있는 난연제를 이용하여 난연제 주입 합판 특성 및 층재로 사용한 hybrid CLT의 열적 특성을 연구하였다. 시중 유통 난연제 중 인계 난연제인 Dricon (이하 D)과 인 질소계 난연제(ESCON-390, ㈜이에스씨, 이하 E)2종을 선정하였으며 난연제가 가압주입된 라디에타파인 단판을 이용하여 합판의 물리 기계적 특성과 열적 특성을 비교하였다. 최적 난연제 주입 합판을 사용하여 5 ply CLT를 제조하였다. 제조된 시험편은 Thermal characteristic analyser를 이용하여 복사열 50 kW/mm² (750℃), 23분 연소 후 75 kW/mm² (1,000℃), 37분 연소하여 총 60분 연소를 통해 탄화속도를 비교하였다. 난연제 2종에 따라 합판의 밀도는 무처리 0.48 g/cm³, D 0.55 g/cm³, E 0.53 g/cm³로 준내수 접착력을 확보하였다. 합판 휨강도는 섬유방향(0°)과 섬유직각방향(90°)을 평가하였으며 난연제 처리된 합판에서 섬유직각방향의 강도성능이 40% 이상 저하되는 결과를 나타냈다. 합판의 방염성능 결과 탄화면적은 무처리>D>E 순서로 나타냈으며, 탄화속도와 중량감소 무처리(69.4 mm/hr, 29.8%) > D (54.2 mm/hr, 22.3%) > E (53.5 mm/hr, 18.0%)의 결과를 나타냈다. 이에 국내 수급이 용이한 인 질소계 난연제를 선정하였다. 낙엽송 층재 방향 및 처리 합판으로 구성된 5 ply CLT를 제조하여 1시간 연소를 통하여 2 ply에 위치한 낙엽송 층재 및 처리합판의 탄화속도는 낙엽송 층재 56.24 mm/hr > 무처리 합판 46.6 mm/hr > 처리합판 42.98 mm/hr를 나타냈다. 이에 1ply 연소를 통하여 전달된 열에 의한 2ply 탄화속도는 난연약제 처리에 따라 약 탄화속도 13.3mm/hr을 감소하는 결과를 나타냈다.

보 부재로 활용을 위한 층재 구성에 따른 Ply-lam CLT의 기계적 물성에 관한 연구

양승민 ( Seungmin Yang ),최규웅 ( Gyuwoong Choi ),강석구 ( Seoggoo Kang ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.1

1990년대 초 독일과 오스트리아에서 대형 목재패널인 구조용 집성판이 개발되었다. CLT는 층재를 교차로 배열하여 제조된 면재료이다. 그러나 CLT의 교차로 배열된 층재의 낮은 강성과 강도로 인해 교차로 배열된 층에서 굴림전단 파괴가 발생한다. CLT의 낮은 전단성능 개선을 위하여 합판, OSB 등을 적용한 하이브리드 CLT가 개발되었다. 하이브리드 CLT 중 합판을 적용한 CLT를 “Ply-lam CLT”라 한다. Ply-lam CLT는 CLT 보다 휨, 전단 성능이 향상된면 재료이다. 합판을 층재로 사용하여 기존 CLT보다 저렴하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 Ply-lam CLT를 면재료 외에 보 부재로 활용을 위해 합판과 낙엽송 층재 배열에 따른 기계적 물성 (휨 성능, 전단강도, 압축강도)을 비교하고 층재 구성을 최적화하였다. 또한, 집성재의 휨 성능 기준인 10S-30B를 Ply-lam CLT 충족할 수 있도록 shear analogy method에 의하여 층재 등급을 구성하였다. 구성된 층재 등급에 따라 Ply-lam CLT 제조 및 휨 시험 (KS F 2081)을 통하여 10S-30B 통과 여부를 확인하였다. Ply-lam CLT의 층재는 4가지 유형으로 구성하였다 (L: larch laminae, P: larch plywood, Type 1: L-P-L-P-L, Type 2: P-L-P-L-P, Type 3: L-P-P-P-L, Type 4: P-L-L-L-P). 그 결과 집성재보다 Type 1, 2, 3의 ply-lam CLT가 휨 탄성계수가 향상되었다. 유형별 Ply-lam CLT의 평균 휨강도는 집성재 평균 휨강도보다 12.2-33% 감소하였다 (Type 1: 12.2%, Type 2: 27.7%, Type 3: 17.7%, Type 3: 33%). 전단강도는 Type 4가 가장 높았으며, Type 1, 2, 3는 동등 수준이었다. 제품 가격, 기계적 물성을 고려하여 Type 3를 최적 구조로 선정하였다. 10S-30B 성능을 통과하기 위하여 Type 3의 층재 구성은 E12 등급의 낙엽송 라미나, 구조용 1등급 낙엽송 합판으로 예측되었다. 실제 시험편을 제조하여 휨 성능을 검증하였으며 10S-30B를 통과하였다. Ply-lam CLT의 보부재로 활용을 위하여 휨 성능은 충족하였으나 건축물 적용을 위해 구조 분야의 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

실내목질화에 따른 탄소중립 및 국민경제적 기여 가치에 관한 연구

정택용 ( Taekyong Jeong ),임영석 ( Youngsuk Im ),강석구 ( Seoggoo Kang ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.1

전 세계적으로 기후위기 대응에 대한 필요성이 증가함에 따라, EU, 미국, 일본, 중국 등 세계 70여 개국은 2050년 또는 2060년까지 탄소배출을 획기적으로 줄여 탄소 배출량과 흡수량이 같아지는 탄소중립(Carbon Neutrality, Net-Zero)을 선언하고 있다. 우리나라도 2020년 10월 2050년 탄소중립 선언을 시작으로 탄소중립 전략에서 산림 부분은 온실가스 감축을 위해 매우 비중 있게 다루어지고 있다. 온실가스 흡수원 분야는 산림순환경영, 신규조림, 산림복원, 목재제품 이용 및 해양 등 기타 흡수원 확충으로 구분되는데, 목재제품 이용은 일상생활의 변화를 통해 그 목표를 달성할 수 있다. 우리나라 국민 대부분은 12년간 대부분의 시간을 학교에서 보내게 된다. 학교시설의 리모델링 또는 신축 시국산 목재를 우선 사용한다면, 다수의 국민이 많은 시간을 쾌적한 환경에서 생활하면서, 탄소중립에 동참할 수 있게 되는 것이다. 따라서 본 연구에서는 2021년 산림청에서 진행한 2개 초등학교의 실내목질화에 사용된 목재 사용량을 탄소저장량으로 계산하여 단위면적당 CO₂ 저감 효과로 수치화하고, 이를 전국 초중고등학교로 확대하는 경우 기대되는 탄소저장량에 따른 가치를 산정하였다. 또한, 이에 대해 산업연관분석과 연계하여 학교시설의 실내목질화가 가져오는 국민경제적 기여 가치를 산정하고자 한다.

무기질보드 혼합형 Ply-lam의 내화성능에 관한 연구

김경중 ( Kyoung Jung Kim ),양승민 ( Seungmin Yang ),강석구 ( Seoggoo Kang ) 한국목재공학회 2019 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2019 No.2

최근 제천 스포츠 센터 화재, 경기 의정부 아파트 화재, 경남 밀양 세종병원 화재로 인하여 대규모의 사상자가 발생했으며, 현재의 건축시장은 내화 및 난연성능이 우수한 내화건축자재와 단열재 연소시 발생하는 유독가스 등으로 인한 친환경 소재에 대한 관심도가 높아지고 있다. 친환경 건축 소재에 대해 높아지는 관심도 중 목재를 실내 내장재로 사용하는 사례가 증가하고 있으며, 2019년 국산 낙엽송 CLT를 이용한 높이 19m의 목조건축물이 조성되는 등 국산재 이용 활성화 및 고층목조건축 등에 대한 시도가 증가하고 있다. 그러나, 고층 건축물에 목재를 적용하기 위해서는 건축물의 하중을 지지하는 부재인 목구조부재가 건축법상 고층 목조건축의 필수조건인 2시간 내화 성능을 확보해야한다. 2시간 내화를 확보하는 방법으로는 CLT 표층에 내화석고보드를 부착하여 내화성능을 확보하고 있다. 본 연구에서는 내화성능을 보유한 것으로 알려진 무기질보드 중 내화석고보드, 마그네슘보드, CRC보드를 Ply-lam의 중층 코어에 삽입하여 혼합 적층된 구조로 제조하여 무기질보드에 따른 내화성능을 평가하였다. 이때, Ply-lam은 CLT와 유사하지만, 중층의 2 ply, 4 ply에 합판을 적층함으로써 기존의 CLT보다는 강도성능이 우수한 자재로 합판의 두께를 줄이고, 무기질보드를 혼합 적층함으로써 실내에 목재노출이 가능하며 내화성능을 보유한 자재로서의 활용가능성을 평가하고자 한다.