국산 신갈나무의 건조방법에 따른 건조 특성 및 물리적 특성에 관한 비교연구 = A Comparative Study on the Drying Characteristics and Physical Properties of Domestic Quercus mongolica by Drying Method

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 국산 신갈나무（Quercus mongolica） 제재목의 건조 결함을 제어하고 고 부가가치 소재로서의 활용도를 높이기 위한 저탄소 건조 공정을 도출하고자 수행되었 다. 이를 위해 단일 열기건조（KD）, 단일 마이크로파 건조（MD）, 단일 천연건조（ID, OD, GD） 및 예비 천연건조와 열기건조를 연계한 복합건조（HD） 공정을 적용하였으며, 각 건조 방식에 따른 물리·역학적 특성, 실질 가공 체적 수율（PMY） 및 탄소 효율 지 수（CEI）를 통합적으로 평가하였다. 결함 및 기계적 강도 평가 결과, 외부 환경이 통제되지 않은 단일 야외 천연건조 （OD）는 높은 재면 할렬 발생률과 함께 기계적 강도의 저하를 유발하였다. 단일 마이 크로파 건조（MD） 역시 급격한 내부 증기압 상승으로 다수의 내부 할렬 및 미세 할렬 을 유발하였다. 반면, 복합건조 공정은 초기 수분 증발을 완만하게 유도하여 잔류 응 력을 해소함으로써 표면 할렬과 너비 굽음（cup）을 유의하게 억제하였으며, 역학적 강 도를 안정적으로 유지하였다. 분산분석（ANOVA） 결과, 건조 공정에 따른 재면 할렬 발생량과 기계적 강도 간에는 유의미한 역（-）의 상관관계가 확인되었다. 가공 손실을 반영한 실질 가공 체적 수율 평가에서, 단일 인공건조인 MD（60.9%）와 KD（66.7%）는 결함부 절삭 및 높은 체적 수축률로 인해 수율이 크게 감소하였다. 반 면 복합건조 공정은 약 70% 내외의 안정적인 유효 체적을 확보하여 고부가가치 산업 용재 생산에 유리한 공정임이 확인되었다. 공정의 친환경성을 나타내는 CEI 평가 결과, 복합건조는 자연 에너지를 활용하여 인 공건조기 가동 시간을 단축함으로써 단일 열기건조（KD） 대비 단위 체적당 전력 소비 량 및 이산화탄소 배출량을 약 64% 저감하였다. 반면, 단일 마이크로파 건조（MD） 공 정은 상대적으로 높은 전력 소비로 인해 순탄소 저장량이 음수로 전환되는 환경적 한 계를 나타냈다. 결과적으로 품질, 수율, 에너지 지표를 융합한 종합 최적화 지수（COI） 평가에서 온실 -열기 복합건조（GD→KD）와 실내-열기 복합건조（ID→KD）가 가장 우수한 공정으로 나타냈다. 특히, 국내 목재 산업 현장의 초기 설비 투자 부담 최소화와 공정 효율성을 종합적으로 고려할 때, '실내-열기 복합건조（ID→KD）' 공정이 현시점에 적용 가능한 가장 현실적이고 합리적인 최적 공정으로 판단된다. 본 연구 결과는 난건조성 국산 활엽수재를 탄소 중립 시대의 고부가가치 친환경 소재로 활용하기 위한 객관적인 기 초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구배경 및 필요성 1
• 2. 연구사 6
• 1) 목재 건조 결함의 발현 메커니즘 및 연구 동향 6
• 2) 목재 건조 기술의 흐름 8
• 3) 국산 참나무류 건조 연구 동향과 한계 10
• 3. 연구 목적 12
• Ⅱ. 재료 및 방법 13
• 1. 공시재료 13
• 2. 건조 방법 14
• 1) 인공건조(Artificial Drying) 14
• 2) 천연건조(Air-Drying) 18
• 3) 복합건조(Hybrid Drying) 21
• 3. 건조성 평가 22
• 1) 함수율 변화 추적 22
• 2) 건조 결함 평가 23
• 3) 함수율 분포 평가 25
• 4. 건조 수율 산출 27
• 1) 건조 수축에 따른 1차 체적 변화 27
• 2) 결함 제거 후 실질 가공 체적 수율(PMY) 산출 27
• 5. 탄소 효율 지수(Carbon Efficiency Index, CEI) 28
• 6. 물리 및 역학 특성 평가 30
• 1) 물리적 특성 평가 30
• 2) 역학적 특성 평가 31
• 3) 통계처리 및 데이터 분석 32
• 7. 종합 최적화 점수 산출 34
• 1) 평가지표 분류 및 이상치 윈저화(Winsorization) 34
• 2) 지표 성격에 따른 최소-최대 정규화(Min-Max Normalization) ·· 34
• 3) 종합 점수(COI) 도출 35
• Ⅲ. 결과 및 고찰 36
• 1. 건조성 평가 36
• 1) 건조 특성 비교 36
• 2) 함수율 분포 특성 39
• 3) 건조 결함 41
• (1) 건조 변형 평가 41
• (2) 횡단면 및 재면 할렬 특성 43
• (3) 마구리 잠복 할렬의 역학적 거동 및 내부 할렬 45
• (4) 변형 및 할렬의 품질 기준별 평가 47
• 4) 건조 수율 평가 48
• (1) 단일 인공건조(KD, MD)의 수율 분석 48
• (2) 천연 및 복합건조의 체적 안정성 48
• 2. 탄소 효율 지수 평가 50
• 1) 천연건조 및 마이크로파(MD) 건조의 탄소 효율 비교 50
• 2) 단일 열기(KD)와 복합건조의 에너지 효율 비교 51
• 3) 탄소 효율 지수(CEI)를 통한 최적 공정 검증 51
• 3. 물리적 특성 평가 53
• 1) 건조 후 비중 및 수축률 평가 53
• (1) 밀도 및 비중 53
• (2) 수축률 평가 및 치수 안정성 53
• 2) 열전도율 평가 55
• 4. 역학적 특성 평가 57
• 1) 역학 성능 평가 결과 57
• 2) 건조 결함과 역학적 특성의 상관관계 59
• 5. 다중 지표 기반 건조 품질 및 공정 효율 종합 평가 61
• Ⅳ. 결론 63
• 1. 신갈나무의 고부가가치 소재 잠재력 및 건조성 한계 63
• 2. 잠복 할렬의 물리적 거동 63
• 3. 실질 가공 수율 평가 63
• 4. 재면 할렬과 역학적 강도의 상관관계 63
• 5. 건조 방식과 수축 변형(Warp) 발현의 상관관계 64
• 6. 탄소 효율 지수(CEI) 기반 저탄소 공정 검증 64
• 7. 종합 제언: 산업적 수용성을 고려한 기후 대응형 최적 공정 도출 64
• 참고문헌 65
• Abstract 71