KR102372823B1

KR102372823B1 - 대나무 열처리 조건 결정 방법

Info

Publication number: KR102372823B1
Application number: KR1020200146028A
Authority: KR
Inventors: 이형우
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2022-03-08

Abstract

본 발명은 대나무 열처리 조건 결정 방법에 관한 것으로서, 상기 방법에 따르면 원하는 재색을 정확히 발현하기 위한 열처리 온도 또는 열처리 시간 조건을 도출해낼 수 있고, 발현 색상의 미세한 조절과 열처리 소요시간의 예측이 가능해져 공정의 생산성 또한 향상되므로, 이를 효과적으로 대나무 제품 생산을 위한 열처리 공정에 이용할 수 있다.

Description

대나무 열처리 조건 결정 방법{Method for determining bamboo heat treatment conditions}

본 발명은 대나무 열처리 조건 결정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대나무를 열처리하여 재색을 발현시킴에 있어서 원하는 색상을 정확하게 발현시키기 위한 열처리 온도 또는 열처리 시간 조건을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.

대나무는 단자엽식물의 벼목 화본과(벼과, Poaceae) 대나무아과(Bambusoideae)에 속하는 식물의 총칭으로, 왕대속 종류만을 대나무라고 일컫기도 한다. 전국적으로 죽림은 2003년 6,089 ha에서 2019년 22,067 ha로 면적이 4배 가까이 증가하였으며 그 중 전라남도에 가장 많은 8,119 ha가 분포하고 있다.

대나무는 생장기간이 짧아 3년이 지나면 제품으로의 생산이 가능하여 목재로서의 가치 및 대나무만의 친환경적 특성에 따른 다양한 요구 및 이용에 대한 수요가 높아지고 있다. 특히 담양의 대나무는 빨리 자라는 중국 열대지방의 대나무에 비해 직경은 작으나 사계절이 뚜렷한 국내의 계절적 기후 특성에 의하여 조밀하고 단단하며 색이 진하고 아름답다는 특징이 있다.

그러나 대나무를 활용한 채상, 부채, 발, 빗, 죽부인, 활, 바구니, 돗자리 등 죽공예품을 비롯하여 인테리어 소품 및 내장재 등은 풍부한 자원과 낮은 노동비용을 무기로 한 중국산과 동남아시아산 제품에 비하여 시장 경쟁력이 현저히 떨어지고 있다. 그러므로 국산 대나무의 경쟁력 강화를 위해서는 부가가치 제고를 위한 새로운 기술의 적용이 요구된다.

대나무를 원통형 그대로 이용하는 분야는 각종 공예품을 비롯하여 건축 재료, 악기 등으로 다양하다. 특히 속이 비고 탄성계수가 높아 단소, 대금, 해금, 파이프 오르간 등 악기 재료로 매우 유용하다. 그러나 원통형 대나무는 자연건조에 따라 균열이 발생한다는 치명적 결함이 있다.

대통의 균열 발생을 방지하기 위한 연구로는 대통의 PEG-1000 처리에 의해 상온 및 고온에서의 균열 발생을 어느 정도 방지할 수 있다는 최근의 보고, 및 아세틸화에 의해 대나무의 치수 안정화가 가능하다는 보고 등이 있다.

상기 연구들은 모두 대나무에 특정 화학물질을 투입하여 대나무의 건조 속도 또는 흡습 속도를 가능한 한 느리게 하거나 수분 흡수량을 낮추는 데 중점을 두고 있다.

전남 담양 지역 공예가들은 통상 대통의 표피를 제거하거나 가스 불로 처리해 균열 방지 효과를 얻은 바 있다. 그러나 균열 방지 효과가 부족하고 일정하지 않으며, 표피 변색이 심하다는 문제점이 있다.

해외에서도 담양 지역 공예가들과 유사하게 통상 대통 표피를 제거하거나 가스 불로 처리해 균열 방지 효과를 얻는 경향이 있다. 그러나 역시 균열 방지 효과가 작고 일정치 않으며, 표피 변색이 심한 것으로 나타났다.

최근 고온을 적용하여 목재나 죽재를 일정 수준까지 탄화시킴으로써 짙은 색상으로 균일하게 변색시키는 열처리 기술이 개발되어 일부 분야에 적용되고 있다. 이 경우 열처리 과정에서 목재나 죽재의 주된 구성요소인 헤미셀룰로오스(hemicellulose)가 열분해되지만, 그와 동시에 역시 주 구성요소인 셀룰로오스(cellulose)에 붙어있던 수산기(hydroxyl group, -OH)가 제거되어 친수성이 크게 감소하게 된다.

따라서 열처리 후에는 습한 조건에서도 수분의 흡착량이 크게 줄어들어 결과적으로 수축이나 팽창과 같은 치수변동의 폭이 절대적으로 작아지게 된다. 따라서 제품 사용 중 건조/수축에 의한 균열 등의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 미생물이나 박테리아의 먹이가 되는 당류 등이 열처리 과정에서 크게 감소되므로 썩는 등의 생물학적 열화를 방지할 수 있다.

이와 같이, 국내 대나무 산업의 경쟁력 약화로 부가가치를 향상시킬 수 있는 새로운 기술의 하나인 열처리 기술에 관심이 집중되고 있다. 그러나 열처리 조건에 따라 열처리 후 대나무 재색에 큰 변이가 있어 원하는 색의 정확한 발현이 어렵다는 한계점이 있다.

이에 본 발명자들은 목표 색상에 대한 L^*a^*b^* 색상모델 값을 구하고, 이로부터 수식에 따라 목표 색상을 발현할 수 있는 SF(severity factor) 값을 구한 다음 열처리 시간 또는 열처리 온도 간의 관계를 도출함으로써, 대나무를 열처리하여 원하는 색상을 정확하게 발현해낼 수 있는 열처리 조건을 결정할 수 있음을 확인하였다.

이에, 본 발명의 목적은 다음의 단계를 포함하는 대나무 열처리 조건 결정 방법을 제공하는 것이다:

대나무 열처리로 발현하고자 하는 목표 색상에 대한 L^*a^*b^* 색상모델의 L^*, a^* 및 b^* 값을 구하는 색상 정보 산출 단계;

[수식 1]

L^* x a^* x b^* = -3499 SF⁴ + 54401 SF³ - 281947 SF² + 487208 SF + 1

L^*, a^* 및 b^* 값으로부터 수식 1에 따른 SF(severity factor) 값을 산출하는 SF 값 산출 단계; 및

[수식 2]

SF = log[t-exp((T_H-100)/14.75)]

SF 값으로부터 수식 2에 따른 열처리 시간 또는 열처리 온도를 산출하고, 상기 수식 2 중 t는 열처리 시간(분), T_H는 열처리 온도(℃)인 것인, 열처리 조건 산출 단계.

본 발명은 대나무 열처리 조건 결정 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 방법에 따르면 대나무를 열처리하여 재색을 발현시킴에 있어서 원하는 색상을 정확하게 발현시키기 위한 열처리 온도 또는 열처리 시간 조건을 결정할 수 있다.

본 발명자들은 열처리 조건에 따른 재색변화를 수치화하여 수식을 도출하였고, 이를 이용하면 원하는 재색을 발현하기 위한 최적의 열처리조건을 결정할 수 있음을 확인하였다.

이하 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.

본 발명의 일 양태는 다음의 단계를 포함하는 대나무 열처리 조건 결정 방법이다:

[수식 1]

L^* x a^* x b^* = -3499 SF⁴ + 54401 SF³ - 281947 SF² + 487208 SF + 1

[수식 2]

SF = log[t-exp((T_H-100)/14.75)]

본 명세서상의 용어 L^*a^*b^* 색상모델은 CIE(국제 조명 협회, Commission Internationale dclairage)에 의해 정의된 국제표준색상안을 의미한다. 각각의 값을 나타내는 L^*은 명도, a^*는 적녹도, b^*는 황청도를 나타낸다.

본 발명에 있어서 열처리 조건 산출 단계는 열처리 온도를 지정하여 열처리 시간을 산출하는 것일 수 있다.

상기 열처리 온도는 180 내지 220℃인 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 열처리 조건 산출 단계는 열처리 시간을 지정하여 열처리 온도를 도출하는 것일 수 있다.

상기 열처리 시간은 30 내지 300분인 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 대나무 열처리 조건은 대나무를 열처리하기 위한 열처리 온도 또는 열처리 시간 조건에 대한 것으로, 이와 같은 조건하에서 수행되는 열처리 방법은 반탄화(Torrefaction)하거나, 중탕시키거나, 수증기와 접촉시키거나 또는 불에 그을리는 방법으로 수행될 수 있다.

본 명세서상의 용어 “반탄화”는 연소가 일어나지 않는 환경에서 목재에 열을 가하여 가공하는 방법으로, 유분, 수지, 송진, 당분 및 기타 목재의 생물학적 열화(biological deterioration)나 치수변동(dimensional movement)을 야기하는 성분을 제거할 수 있고, 또한 특정 온도에서 적절한 시간 동안 목재를 가열함으로써 셀룰로오스 섬유를 결합시키는 접착제 역할을 하는 리그닌(Lignin)을 재배치시키는 효과를 발휘한다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 온도 및 시간 조건에 따른 대나무 색상의 변화를 나타낸 사진이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따라 200℃ 조건에서 열처리한 시간별 대나무 색상의 변화를 L^*a^*b^* 색상 모델에 따라 변환한 결과이다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따라 220℃ 조건에서 열처리한 시간별 대나무 색상의 변화를 L^*a^*b^* 색상 모델에 따라 변환한 결과이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 반탄화(torrefaction) 공정에 적용되고 있는 SF(severity factor)와 L^*a^*b^* 색상 모델에 따라 변환한 값의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 대나무 열처리 조건 결정 알고리듬을 나타낸 모식도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 대나무 열처리 조건 결정 알고리듬에 따라 열처리 조건을 도출하는 과정을 나타낸 모식도이다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 "%"는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량)%, 고체/액체는 (중량/부피)%, 그리고 액체/액체는 (부피/부피)%이다.

실시예 1: 기존 방법에 따른 대나무 열처리 결과 확인

현재의 대나무 열처리 방법은 온도와 시간을 변수로 경험에 의존하여 열처리의 정도를 조절하고 있으므로 원하는 색을 정확히 발현해내기 어렵다.

대나무를 한 마디 단위로 절단하여 대통 시편을 준비하였다. 온도는 180, 200 및 220℃로, 시간은 30, 60, 90 및 120분으로 설정하여 준비된 대통 시편에 대하여 열처리를 수행하였다. 200℃ 및 220℃ 조건에서 열처리 완료된 대통 시편은 L^*a^*b^* 색상 모델을 기준으로 하여 별도 비교하였다.

열처리 과정은 반탄화(torrefaction) 공정으로서, 연소가 일어나지 않도록 대상물의 발화점보다 낮은 온도(예: 최고온도 220℃)까지 열을 가하는 방식으로 수행되었다.

도 1a 내지 1c에서 확인할 수 있듯이, 대나무 열처리 실험결과를 조건별로 수행하였을 경우 색차계(colorimeter)로 측정된 색상변화에 미치는 영향은 온도보다 시간에 의한 것이 더 큰 것으로 확인되었다.

그러므로 원하는 결과를 정확히 나타내기 위해서는 열처리 온도와 시간에 의한 효과를 통합한 단일의 열처리 조건 지수가 요구될 것으로 판단하였다.

실시예 2: 반탄화 공정의 통합 열처리 지수 도입

통합 열처리 지수로 바이오매스의 연료적 특성 개선을 위한 반탄화(torrefaction) 공정에 적용되고 있는 SF(severity factor)를 도입하였다. SF와 관련된 수식은 아래와 같고, 처리 온도와 시간의 영향을 복합적으로 고려하였다.

(

: 열처리 시간(분);

: 열처리 온도(℃);

: 기준 온도(= 100℃))

기존 열처리 조건들의 SF 값을 계산한 결과는 하기 표 1과 같다.

t (min)	30	60	90	120
T _H (℃)	180	180	180	180
T _R (℃)	100	100	100	100
SF	3.83	4.13	4.31	4.43
t (min)	30	60	90	120
T _H (℃)	200	200	200	200
T _R (℃)	100	100	100	100
SF	4.42	4.72	4.90	5.02
t (min)	30	60	90	120
T _H (℃)	220	220	220	220
T _R (℃)	100	100	100	100
SF	5.01	5.31	5.49	5.61

계산된 결과를 보면 200℃에서 30분 동안 열처리한 결과의 SF 값(4.42)이 180℃에서 120분 동안 열처리한 결과의 SF 값(4.43)보다 낮으며, 마찬가지로 220℃에서 30분 동안 처리한 결과의 SF 값(5.01)이 200℃에서 120분 동안 처리한 결과의 SF 값(5.02)보다 낮으므로, 열처리를 수행함에 있어서 온도보다 시간의 영향이 크다는 실시예 1의 결론과 일치하였다.

실시예 3: 열처리 조건 및 열처리 결과 시편 간의 상관관계 분석

색상 측정을 위하여 CIE(국제 조명 협회, Commission Internationale dclairage)에 의해 정의된 국제표준색상안인 L^*, a^* 및 b^* 색상 모델에 따라, 각 열처리 조건 별 시편의 L^*, a^* 및 b^*를 측정하고, 열처리 조건과의 관계를 분석한 결과 매우 유의한 관계(상관계수 R²0.98 이상)가 있음을 확인하였다.

여기서 L^*, a^* 및 b^*를 개별적으로 고려하는 것은 제어 알고리듬이 복잡해지는 문제를 야기하므로, Y = L^*x a^* x b^*라는 새로운 변수를 도입하였다.

도 2에서 확인할 수 있듯이, 그 결과 SF(x축)와 Y(y축) 사이에도 고도의 유의성이 나타났다(상관계수 R²0.99 이상).

실시예 4: 대나무 열처리 조건 결정 알고리듬 구축

상기와 같은 죽재 열처리 처리시간 결정 알고리듬을 실제 실험결과에 적용한 결과, 하기 표 2와 같이 유사한 경향을 나타내었다.

Y	SF	T (℃)	t (min)
900	4.898	200	90
800	4.925	200	96
700	4.960	200	104
600	5.010	200	116
500	5.285	200	219
400	5.369	200	266
300	5.410	200	292
200	5.440	200	313
100	5.464	200	331

도 3a에서 확인할 수 있듯이, 따라서 이 상관관계를 이용하여 처리조건에 따른 색상의 변화를 예측할 수 있었으며, 임의의 열처리 온도에서 원하는 색상의 L^*a^*b^*값을 근거로 해당 색상을 발현할 수 있는 열처리 시간을 예측, 결정할 수 있을 것으로 판단된다.

도 3b에서 확인할 수 있듯이, 임의의 열처리 온도(예: 200℃)에서 원하는 열처리 후 색상을 선택하면, 그 색상에 해당되는 L^*a^*b^* 값 및 Y 값이 산출된다. 산출된 Y 값을 SF와 Y의 상관관계 식에 대입하여 해당되는 SF 값이 결정되고, 마지막으로 SF 산출식을 이용하여 적절한 열처리 시간을 추정할 수 있게 된다.

이와 같은 알고리듬을 이용하면 원하는 색상을 발현하기 위한 조건을 도출할 수 있는 조건을 예측할 수 있으므로, 안내된 방법에 따라 열처리를 수행하여 원하는 색을 정확히 발현할 수 있다.

Claims

다음의 단계를 포함하는 대나무 열처리 조건 결정 방법:
대나무 열처리로 발현하고자 하는 목표 색상에 대한 L^*a^*b^* 색상모델의 L^*, a^* 및 b^* 값을 구하는 색상 정보 산출 단계;
[수식 1]
L^* x a^* x b^* = -3499 SF⁴ + 54401 SF³ - 281947 SF² + 487208 SF + 1
L^*, a^* 및 b^* 값으로부터 수식 1에 따른 SF(severity factor) 값을 산출하는 SF 값 산출 단계; 및
[수식 2]
SF = log[t-exp((T_H-100)/14.75)]
SF 값으로부터 수식 2에 따른 열처리 시간 또는 열처리 온도를 산출하고, 상기 수식 2 중 t는 열처리 시간(분), T_H는 열처리 온도(℃)인 것인, 열처리 조건 산출 단계.
제1항에 있어서, 열처리 조건 산출 단계는 열처리 온도를 지정하여 열처리 시간을 산출하는 것인, 방법.
제2항에 있어서, 열처리 온도는 180 내지 220℃인 것인, 방법.
제1항에 있어서, 열처리 조건 산출 단계는 열처리 시간을 지정하여 열처리 온도를 도출하는 것인, 방법.
제4항에 있어서, 열처리 시간은 30 내지 300분인 것인, 방법.