KR102552825B1 - 닥나무를 이용한 조습용 패널 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 닥나무 분말과 바인더가 혼합되고 압착되어 형성된 판 형태의 조습용 패널 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 닥나무 분말을 이용하여 수분의 흡습 및 방습 특성이 우수한 조습용 패널을 제조할 수 있다.

Description

닥나무를 이용한 조습용 패널 및 그 제조방법{Moisture control panel using mulberry and manufacturing method of the same}
본 발명은 조습용 패널 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수분의 흡습 및 방습 특성이 우수한 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 닥나무 분말을 이용한 조습용 패널 및 그 제조방법에 관한 것이다.
국민소득 수준 향상에 따라 새집 증후군, 유해물질 저감 등 실내 공기질 개선에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 하루 중 80∼90% 이상을 실내에서 생활하는 현대인들은 아토피나 알레르기 비염, 천식 등의 확산에 따라 건강을 위한 친환경 주거공간을 구축하려는 욕구가 계속 증가하고 있다. 2018년 10월부터 시행된 실내공기질 관리법에는 '다중이용시설, 신축되는 공동주택 및 대중교통차량의 실내공기질을 알맞게 유지하고 관리함으로써 그 시설을 이용하는 국민의 건강을 보호하고 환경상의 위해를 예방함을 목적으로 한다'라고 실내 공기질에 대한 인식과 관리가 중요사안임을 명시하고 있으며, 이에 대한 법적 규제도 점차 강화되는 추세이다.
적정 실내 습도 범위 유지는 건강을 위한 실내 공기질 관리의 주요 요인 중 하나로 대두되고 있으며, 여러 연구결과에 따르면 40∼60%의 습도 범위가 가장 적절하다고 발표되고 있다. 하지만, 에너지 사용 효율을 위해 건물의 단열 및 기밀 성능을 향상시키는 추세로 인해 환기량이 감소되어 실내 적정 습도 유지가 쉽지 않은 상황이다.
습도가 높은 환경에서는 곰팡이와 세균 등의 증식과 천식, 알레르기 및 비염 증상이 유발되며, 반면 습도가 낮으면 호흡기 질환 및 바이러스의 생존 기간 연장으로 인체에 악영향을 끼친다. 더불어 정전기 축적으로 정밀기기의 오작동, 발화 및 미술품 등의 열화로 재산피해까지 발생하게 된다.
이에 따라 실내 적정 습도를 유지하기 위해서 제습기나 가습기의 사용이 필요하나, 에너지 소비가 크고, 장기간 사용 시 기기 내부에 곰팡이와 진드기 및 각종 세균이 번식하여 오히려 인체 건강을 해치게 된다. 따라서, 기계설비 등의 도움 없이도 실내 환경에 적합한 습도를 유지하여 거주자의 쾌적한 실내 환경이 확보 가능한 기능성 건축 자재들의 필요성이 더욱 커지고 있는 상황이다. 이러한 이유로 우수한 조습특성을 통하여 자율적으로 실내의 적정 습도를 유지 할 수 있으며, 더 나아가서 유해화학 물질을 방출하지 않는 천연 조습 재료를 활용한 조습 제품의 개발이 필요하다.
대한민국 등록실용신안공보 제20-0402123호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수분의 흡습 및 방습 특성이 우수한 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 닥나무 분말을 이용한 조습용 패널 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 닥나무 분말과 바인더가 혼합되고 압착되어 형성된 판 형태의 조습용 패널을 제공한다.
상기 조습용 패널은 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 방부제 0.001∼10중량부가 더 혼합되고 압착되어 형성된 것일 수 있다.
상기 바인더는 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 0.1∼30중량부를 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 유기 바인더를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 무기 바인더를 포함할 수 있다.
상기 닥나무 분말은 100∼355㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, (a) 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 닥나무 섬유를 추출하는 단계와, (b) 상기 닥나무 섬유를 분쇄하여 닥나무 분말을 형성하는 단계와, (c) 상기 닥나무 분말과 바인더를 혼합하는 단계 및 (d) 상기 닥나무 분말과 바인더의 혼합물을 압착하여 판 형태의 조습용 패널을 형성하는 단계를 포함하는 조습용 패널의 제조방법을 제공한다.
상기 (c) 단계에서 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 방부제 0.001∼10중량부를 더 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 닥나무 분말은 100∼355㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 0.1∼30중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 유기 바인더를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 무기 바인더를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계 후 상기 (b) 단계 전에 상기 닥나무 섬유를 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 분쇄는 진동 분쇄기를 이용하는 것이 바람직하고, 상기 닥나무 분말은 입자 크기별로 분류된 닥나무 분말 중 100~355㎛ 크기의 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 조습용 패널에 의하면, 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 닥나무 분말을 이용하고, 수분의 흡습 및 방습 특성이 우수하다.
본 발명에 의하면, 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 닥나무 분말을 이용하여 수분의 흡습 및 방습 특성이 우수한 조습용 패널을 제조할 수 있다.
도 1a는 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 원재료인 닥나무 섬유를 보여주는 도면이고, 도 1b는 닥나무 섬유를 분쇄하여 얻은 355∼710㎛ 크기의 닥나무 분말을 보여주는 도면이며, 도 1c는 닥나무 섬유를 분쇄하여 얻은 100∼355㎛ 크기의 닥나무 분말을 보여주는 도면이고, 도 1d는 닥나무 섬유를 분쇄하여 얻은 45∼100㎛ 크기의 닥나무 분말을 보여주는 도면이고, 도 1e는 닥나무 섬유를 분쇄하여 얻은 45㎛ 미만 크기의 닥나무 분말을 보여주는 도면이다.
도 2a는 도 1b에 나타낸 355∼710㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛을 보여주는 사진이고, 도 2b는 도 1c에 나타낸 100∼355㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛을 보여주는 사진이며, 도 2c는 도 1d에 나타낸 45∼100㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛을 보여주는 사진이고, 도 2d는 도 1e에 나타낸 45㎛ 미만 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛을 보여주는 사진이다.
도 3a는 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유를 분쇄하고 분류하지 않은 분말에 대한 X-선회절(XRD) 패턴 분석 결과를 나타낸 도면이고, 도 3b는 X-선회절(XRD) 홀더의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이며, 도 3c는 닥나무 섬유를 분쇄하고 45㎛ 미만 크기로 분류된 닥나무 분말의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이고, 도 3d는 닥나무 섬유를 분쇄하고 45∼100㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이며, 도 3e는 닥나무 섬유를 분쇄하고 100∼355㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이고, 도 3f는 닥나무 섬유를 분쇄하고 355∼710㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 닥나무 섬유의 미세구조 관찰 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 닥나무 섬유의 흡·방습 모식도이다.
도 6a는 355∼710㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 50배율 확대 사진이고, 도 6b는 100∼355㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 50배율 확대 사진이며, 도 6c는 45∼100㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 50배율 확대 사진이고, 도 6d는 45㎛ 미만 크기로 분류된 닥나무 분말의 50배율 확대 사진이다.
도 7a는 355∼710㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 500배율 확대 사진이고, 도 7b는 100∼355㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 500배율 확대 사진이며, 도 7c는 45∼100㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 500배율 확대 사진이고, 도 7d는 45㎛ 미만 크기로 분류된 닥나무 분말의 500배율 확대 사진이다.
도 8a는 355∼710㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 50배율 확대 사진이고, 도 8b는 100∼355㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 50배율 확대 사진이며, 도 8c는 45∼100㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 50배율 확대 사진이고, 도 8d는 45㎛ 미만 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 50배율 확대 사진이다.
도 9a는 355∼710㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 1000배율 확대 사진이고, 도 9b는 100∼355㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 1000배율 확대 사진이며, 도 9c는 45∼100㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 1000배율 확대 사진이고, 도 9d는 45㎛ 미만 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 1000배율 확대 사진이다.
도 10a 및 도 10b는 닥나무 펠렛의 흡·방습 성능을 측정하는 모습을 보여주는 도면이다.
도 11a는 닥나무 펠렛의 흡습량 그래프이고, 도 11b는 닥나무 펠렛의 방습량 그래프이며, 도 11c는 닥나무 펠렛의 흡습율 그래프이고, 도 11d는 닥나무 펠렛의 방습율 그래프이다.
도 12a는 원재료인 닥나무 섬유의 흡습량 그래프이고, 도 12b는 원재료인 닥나무 섬유의 방습량 그래프이며, 도 12c는 2차 실험하여 닥나무 펠렛의 흡습량을 나타낸 그래프이고, 도 12d는 2차 실험하여 닥나무 펠렛의 방습량을 나타낸 그래프이다.
도 13a는 입자 크기별 닥나무 분말의 비표면적 변화를 나타낸 그래프이고, 도 13b는 원재로 및 펠렛의 2차 실험에 대한 흡ㆍ방습율을 나타낸 그래프이다.
도 14a는 2차 실험에서 닥나무 펠렛의 단위면적당(㎡) 흡습량을 나타낸 그래프이고, 도 14b는 2차 실험에서 닥나무 펠렛의 단위면적당(㎡) 흡습량을 나타낸 그래프이다.
도 15a는 40℃ 건조 조건에서 닥나무 섬유 원재료의 무게 감소를 나타낸 도면이고, 도 15b는 60℃ 건조 조건에서 닥나무 섬유 원재료의 무게 감소를 나타낸 도면이며, 도 15c는 80℃ 건조 조건에서 닥나무 섬유 원재료의 무게 감소를 나타낸 도면이고, 도 15d는 100℃ 건조 조건에서 닥나무 섬유 원재료의 무게 감소를 나타낸 도면이며, 도 15e는 온도별 무게 감소율을 나타낸 도면이다.
도 16a는 40RH 환경에서 흡습율을 나타낸 도면이고, 도 16b는 60RH 환경에서 흡습율을 나타낸 도면이며, 도 16c는 80RH 환경에서 흡습율을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조습용 패널은, 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 닥나무 분말과 바인더가 혼합되고 압착되어 형성된 판 형태의 조습용 패널이다.
상기 조습용 패널은 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 방부제 0.001∼10중량부가 더 혼합되고 압착되어 형성된 것일 수 있다.
상기 바인더는 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 0.1∼30중량부를 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 유기 바인더를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 무기 바인더를 포함할 수 있다.
상기 닥나무 분말은 100∼355㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조습용 패널의 제조방법은, (a) 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 닥나무 섬유를 추출하는 단계와, (b) 상기 닥나무 섬유를 분쇄하여 닥나무 분말을 형성하는 단계와, (c) 상기 닥나무 분말과 바인더를 혼합하는 단계 및 (d) 상기 닥나무 분말과 바인더의 혼합물을 압착하여 판 형태의 조습용 패널을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 (c) 단계에서 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 방부제 0.001∼10중량부를 더 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 닥나무 분말은 100∼355㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 0.1∼30중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 유기 바인더를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 무기 바인더를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계 후 상기 (b) 단계 전에 상기 닥나무 섬유를 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 분쇄는 진동 분쇄기를 이용하는 것이 바람직하고, 상기 닥나무 분말은 입자 크기별로 분류된 닥나무 분말 중 100~355㎛ 크기의 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조습용 패널을 더욱 구체적으로 설명한다.
최근 기능성 건축자재들 중 벽지, 타일 또는 패널 등의 실내 건축재의 시공 등을 통해 자율적 실내 적정 습도 유지하고자 하는 시도가 늘어나고 있다. 이러한 흐름과 함께 조습 제품에 대한 관심과 수요 또한 증가하고 있다. 조습 제품은 켈빈(Kelvin)의 모세관응축 이론을 원리로 특정 상대습도가 되면 기공에서 수증기가 응축 또는 기화하여 주변 환경의 대기 중 습도를 조절하는 것으로 알려져 있다. 조습 타일 또한 해당 원리를 통해 미세기공을 통하여 고습시 수분을 흡습하였다가 건조시 수분을 방출하는 원리를 이용하여 실내 적정 습도 유지할 수 있다. 조습 타일의 조습 특성은 수분 흡습 및 방습량으로 결정되며, 우수한 흡습성을 가지기 위해서는 마이크로 기공을 지니고 있어야 한다. 일반적으로 석회모르타르(lime mortar), 실리카겔(silica gel), 제올라이트 시멘트(zeolite cement) 등이 조습 소재로 사용될 수 있으며, 규조토, 화산재, 점토와 같은 초다공성 천연 광물도 조습 소재로 사용될 수 있다. 닥나무 섬유 또한 앞서 언급한 다공성 물질들과 같은 조습특성을 지닌 천연 재료이다.
닥나무 섬유는 껍질과 목질부 사이에서 추출 가능한 인피섬유이며, 한지 제조에 사용되기도 한다. 또한, 닥나무 섬유는 천연 셀룰로오스로 이루어져 있어 천연재료로서 인체에 해가 없는 인체 친화적 제품에 사용하기에 적합하다. 온도와 습도를 자연적으로 조절할 수 있는 기능성과 신축성을 가지고 있다. 더불어 미세 기공을 통한 환기가 가능하게 하여, 자율적 조습 기능을 보유한 것으로 확인되었다. 하지만 현재 국내에서는 한지, 닥나무 섬유를 이용한 의복 및 공예품 정도로 분야가 한정되어 그 활용이 다소 부족한 실정이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조습용 패널은, 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 닥나무 분말과 바인더가 혼합되고 압착되어 형성된 판 형태의 조습용 패널이다.
상기 조습용 패널은 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 방부제 0.001∼10중량부가 더 혼합되고 압착되어 형성된 것일 수 있다. 상기 방부제는 미생물 등에 의한 오염이 발생하는 것을 억제하여 조습용 패널의 곰팡이 저항성을 높여준다. 상기 방부제로는 3-요오드-2-프로핀일 뷰틸 카비민산(3-iodo-2-propynylbutyl carbamate, IPBC) 등을 사용할 수 있다.
닥나무 분말은 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 것이다. 상기 분쇄는 진동 분쇄기를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 닥나무 분말은 100∼355㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 0.1∼30중량부를 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 유기 바인더를 포함할 수 있다. 상기 유기 바인더로는 에틸셀루로오스(ethyl cellulose), 메틸셀루로오스, 니트로셀루로오스, 카르복시셀루로오스와 같은 셀룰로오스 유도체를 사용할 수 있으며, 또한 폴리비닐피롤리딘, 폴리비닐알콜, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리스타이렌, 아크릴산에스테르, 메타크릴산에스테르와 같은 수지도 사용 가능하고, 셀룰로오스 유도체와 상기 수지의 혼합물을 사용할 수도 있으며, 유기 바인더로서 그 외에도 일반적으로 잘 알려진 물질을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 무기 바인더를 포함할 수 있다. 유기성 소재가 가진 다공성의 장점을 유지하면서 유기물이 가진 낮은 내열성의 단점을 보완할 수 있도록 난연성 재질의 무기 바인더를 결합시켜 열적 특성 및 물리적 특성을 강화시킬 수 있다. 상기 무기 바인더는 마그네슘옥사이드, 암모늄포스페이트, 콜로이달실리카, 칼슘설페이트, 에틸실리케이트, 실리카, 마그네시움포스페이트, 실리카컴파운드, 이들의 혼합물 등일 수 있다. 상기 무기 바인더는 무수석고, α형 반수석고 및 β형 반수석고로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 석고일 수도 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조습용 패널의 제조방법을 더우 구체적으로 설명한다.
닥나무 껍질과 목질부 사이에서 닥나무 섬유를 추출한다.
상기 닥나무 섬유를 건조할 수도 있다. 상기 건조는 30∼80℃ 정도의 온도에서 10분∼48시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 닥나무 섬유를 분쇄하여 닥나무 분말을 형성한다. 상기 분쇄는 진동 분쇄기를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 닥나무 분말은 100∼355㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 닥나무 분말과 바인더를 혼합한다. 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 닥나무 분말을 체(sieve) 등을 이용하여 입자 크기별로 분류하고, 입자 크기별로 분류된 닥나무 분말 중 100~355㎛ 크기의 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 방부제 0.001∼10중량부를 더 혼합할 수도 있다. 상기 방부제는 미생물 등에 의한 오염이 발생하는 것을 억제하여 조습용 패널의 곰팡이 저항성을 높여준다. 상기 방부제로는 3-요오드-2-프로핀일 뷰틸 카비민산(3-iodo-2-propynylbutyl carbamate, IPBC) 등을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 0.1∼30중량부를 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 유기 바인더를 포함할 수 있다. 상기 유기 바인더로는 에틸셀루로오스(ethyl cellulose), 메틸셀루로오스, 니트로셀루로오스, 카르복시셀루로오스와 같은 셀룰로오스 유도체를 사용할 수 있으며, 또한 폴리비닐피롤리딘, 폴리비닐알콜, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리스타이렌, 아크릴산에스테르, 메타크릴산에스테르와 같은 수지도 사용 가능하고, 셀룰로오스 유도체와 상기 수지의 혼합물을 사용할 수도 있으며, 유기 바인더로서 그 외에도 일반적으로 잘 알려진 물질을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 무기 바인더를 포함할 수 있다. 유기성 소재가 가진 다공성의 장점을 유지하면서 유기물이 가진 낮은 내열성의 단점을 보완할 수 있도록 난연성 재질의 무기 바인더를 결합시켜 열적 특성 및 물리적 특성을 강화시킬 수 있다. 상기 무기 바인더는 마그네슘옥사이드, 암모늄포스페이트, 콜로이달실리카, 칼슘설페이트, 에틸실리케이트, 실리카, 마그네시움포스페이트, 실리카컴파운드, 이들의 혼합물 등일 수 있다. 상기 무기 바인더는 무수석고, α형 반수석고 및 β형 반수석고로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 석고일 수도 있다.
상기 닥나무 분말과 바인더의 혼합물을 압착하여 판 형태의 조습용 패널을 형성한다. 상기 압착은 프레스 등을 이용할 수 있다. 프레스를 이용하는 경우에 형성되는 패널의 표면 상태가 거칠지 않고 깨끗하게 된다. 압착 압력은 1∼4000 kgf/㎠ 정도인 것이 바람직하며, 1kgf/㎠ 이하이면 패널 강도가 떨어질 수 있고, 4000 kgf/㎠ 이상이면 기공율이 저하되어 조습 성능이 떨어질 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서는 천연 조습재료로서 닥나무 섬유의 특성과 조습능력을 분석 및 평가하였다. 또한, 가공된 원료의 비표면적의 증가에 따른 조습능력의 변화를 확인하였으며, 최적의 조습능력을 가지는 분쇄 닥나무 입자 형태를 도출하고자 하였다. 이를 기반으로 이용 분야가 한정되어 있는 닥나무 섬유의 조습 기능을 중심적으로 연구, 분석하여 천연재료를 활용한 조습제품으로의 활용 가능성을 고찰하고자 한다.
1. 닥나무 섬유의 특성 분석
(1) 작업성 향상을 위한 닥나무의 분쇄 방법
건조 닥나무 섬유를 진동 분쇄기(Analysette3, FRITSCH社, Germany)로 6시간 동안 분쇄한 후 20분 동안 체 분리하였으며, 710∼355㎛, 355∼100㎛, 100∼45㎛ 및 45㎛ 미만으로 분류하였다.
닥나무 섬유를 분쇄하여 얻어진 각 분말의 입도별 구성 비율을 표 1에 나타내었다. 닥나무 섬유를 분쇄하여 얻은 닥나무 분말의 입자크기 분포를 아래의 표 1에 나타내었다.
입자 크기 (㎛) over 710 355∼710 100∼355 45∼100 45 미만
구성비 (%) 28.69 12.03 3.75 24.99 30.54
710㎛ 초과, 710∼355㎛, 355∼100㎛, 100∼45㎛, 45㎛ 미만의 수준으로 분리하였으며, 710㎛의 초과분은 실험에 사용하지 않았다. 각 입도별 구성비는 28.69%, 12.03%, 3.75%, 24.99%, 30.54%이며, 45㎛ 미만, 710㎛ 초과, 45∼100㎛, 355∼710㎛ 및 100∼355㎛ 순으로 생성비율이 높게 나타났다.
(2) 닥나무의 특성 분석
닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 원재료와 분쇄 분말을 사용하여 닥나무 특성분석 및 흡·방습 성능 측정을 진행하였다. 도 1a는 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 원재료인 닥나무 섬유를 보여주는 도면이고, 도 1b는 닥나무 섬유를 분쇄하여 얻은 355∼710㎛ 크기의 닥나무 분말을 보여주는 도면이며, 도 1c는 닥나무 섬유를 분쇄하여 얻은 100∼355㎛ 크기의 닥나무 분말을 보여주는 도면이고, 도 1d는 닥나무 섬유를 분쇄하여 얻은 45∼100㎛ 크기의 닥나무 분말을 보여주는 도면이고, 도 1e는 닥나무 섬유를 분쇄하여 얻은 45㎛ 미만 크기의 닥나무 분말을 보여주는 도면이다.
닥나무 원재료는 섬유가 분리되지 않은 다발의 형태이며, 자연 건조를 통해 수축이 이루어진 상태로 사용하였다.
분쇄 분말은 결정상 분석을 위해 입도 분리하기 전 분말 상태로 XRD(X-ray diffraction)(DMAX 2500, Rigaku社, Japan)를 분석하였으며, 펠렛의 흡·방습 능력과 입도별 분말의 비표면적 간 상관관계를 확인하기 위하여 BET(ASAP2420, Micromeritics社, USA) 분석을 진행하였다. 또한, 닥나무 섬유 분쇄 전·후 미세구조 특성 분석을 위해 섬유 및 분말 입도별 미세구조를 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope)(JSM-6380, JEOL社, Japan)을 관찰하였다.
분석에 사용한 펠렛은 원형 몰드에 도 1b 내지 도 1e의 분말을 각각 3g씩 장입한 후 1분간 4톤 압력으로 일축 가압하여 도 2a 내지 도 2d의 펠렛(지름 20mm, 두께 7.5mm)을 제작하였다. 도 2a는 도 1b에 나타낸 355∼710㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛을 보여주는 사진이고, 도 2b는 도 1c에 나타낸 100∼355㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛을 보여주는 사진이며, 도 2c는 도 1d에 나타낸 45∼100㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛을 보여주는 사진이고, 도 2d는 도 1e에 나타낸 45㎛ 미만 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛을 보여주는 사진이다. 미세구조 관찰에 사용한 시험체는 내부의 수분을 제거하기 위해 6시간씩 건조하였으며, 수축현상 및 열손상 방지를 위해 건조 온도를 60℃로 고정하였다.
도 3a는 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유를 분쇄하고 분류하지 않은 분말에 대한 X-선회절(XRD) 패턴 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 3b는 X-선회절(XRD) 홀더의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 15ㅇ와 22ㅇ 위치에서 셀룰로오스 피크를 확인할 수 있었으며, 38ㅇ, 44ㅇ 및 64ㅇ에서도 피크가 검출되었다. 셀룰로오스는 바이오매스로부터 얻을 수 있는 가장 풍부한 고분자 물질로 기계적 특성이 우수하며, 밀도가 낮을 뿐 아니라 생분해성 등 다양한 장점을 보유하고 있어 여러 분야에서 활용되어지고 있다. 최근 세계적으로 환경 문제가 대두되고 석유 기반의 합성 고분자 물질을 천연자원으로 대체하고자 하는 움직임이 큰 가운데 닥나무 섬유는 목재 섬유보다 우수한 셀룰로오스 함량 및 결정화도를 보유한 것으로 알려져 있다. 더불어 부식에 대한 저항성이 강하여 여러 산업에 이용 가능한 친환경재료이다.
셀룰로오스 외에 관찰된 38ㅇ, 44ㅇ 및 64ㅇ에서 관찰된 피크는 X-선회절(XRD) 홀더 자체를 측정한 결과와 일치하는 것으로 확인되었다. 이와 같은 현상은 X-선이 닥나무 분말을 투과하여 X-선회절(XRD) 홀더에 부딪친 후 검출되었기 때문으로 사료되었다. 이 후, 입도별로 분류된 분말의 X-선회절(XRD) 패턴 분석은 셀룰로오스와 홀더의 패턴(Pattern)이 검출된 2Theta 범위를 참고하여 0ㅇ∼35ㅇ로 설정하여 진행하였다.
도 3c는 닥나무 섬유를 분쇄하고 45㎛ 미만 크기로 분류된 닥나무 분말의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이며, 도 3d는 닥나무 섬유를 분쇄하고 45∼100㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이고, 도 3e는 닥나무 섬유를 분쇄하고 100∼355㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이고, 도 3f는 닥나무 섬유를 분쇄하고 355∼710㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 3c 내지 도 3f을 참조하면, 분류된 닥나무 분말의 XRD 패턴 간 강도 피크(Intensity peak)의 차이는 존재하였으나, 분류되지 않은 분말(도 3a 참조)과 마찬가지로 셀룰로오스를 확인할 수 있었다.
닥나무 섬유를 분쇄하여 얻어진 각 분말의 입도별 비표면적을 아래의 표 2에 나타내었다. 표 2는 BET를 통한 분말의 입도별 비표면적 데이터를 나타낸다.
particle size (㎛) 710∼355 355∼100 100∼45 45 미만
surface area (m2/g) 1.02 1.11 1.23 1.35
표 2를 참조하면, 일반적으로 입자 크기가 감소할수록 비표면적은 증가하는 경향을 보이며, 닥나무 분말 또한 분말 입자 크기의 감소에 따라 비표면적이 증가하는 경향을 보였다.
도 4a 내지 도 4d는 닥나무 섬유의 미세구조 관찰 결과를 나타낸 것이고, 도 5는 닥나무 섬유의 흡·방습 모식도이다.
도 4a 내지 도 5를 참조하면, 여러 줄기의 섬유로 이루어진 다발 형태를 띄고 있으며, 섬유 직경은 약 10∼20㎛ 내외로 판단되었다. 또한 도 4c와 도 4d에 나타난 단면에서는 닥나무 섬유가 가지는 조습 특성의 주요 요인으로 알려진 관 형태의 기공이 관찰되었으며, 기공의 내강폭은 약 11㎛까지 확인되었다. 해당 관찰 결과에서 확인된 섬유 내부의 관 형태 기공은 고습의 환경에서 대기 중의 수분을 흡수하여 기공에서 가두어 두며, 건조한 환경에서는 가두어 두었던 수분을 방출하여 주변 환경의 습도를 조절할 수 있을 것으로 판단된다.
닥나무 섬유를 분쇄하고 분류한 닥나무 분말의 미세구조를 도 6a 내지 도 7d에 나타내었다. 도 6a는 355∼710㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 50배율 확대 사진이고, 도 6b는 100∼355㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 50배율 확대 사진이며, 도 6c는 45∼100㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 50배율 확대 사진이고, 도 6d는 45㎛ 미만 크기로 분류된 닥나무 분말의 50배율 확대 사진이며, 도 7a는 355∼710㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 500배율 확대 사진이고, 도 7b는 100∼355㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 500배율 확대 사진이며, 도 7c는 45∼100㎛ 크기로 분류된 닥나무 분말의 500배율 확대 사진이고, 도 7d는 45㎛ 미만 크기로 분류된 닥나무 분말의 500배율 확대 사진이다.
도 6a 내지 도 7d를 참조하면, 도 6a 내지 도 6d와 같이 분말의 분류에 사용한 체의 입도가 작아질수록 미세구조 관찰 시에도 입자 크기가 작아진다는 것을 확인할 수 있었다. 도 7a와 도 7b에서는 분쇄과정에서 완전히 분쇄되지 않고 섬유 상태로 존재하는 형상도 관찰할 수 있었다. 완전히 분쇄되지 않고 형태를 유지하는 섬유가 잔존하여 도 6d에서 확인한 관 형태의 기공으로 인한 흡·방습 성능 발현을 기대할 수 있다고 판단하였다. 도 6a와 도 6b에서는 대부분 섬유다발의 분리가 발생하지 않았으나, 절단으로 인한 섬유 다발 또는 섬유 길이의 감소를 상당 수 확인할 수 있었다. 더불어 진동분쇄 과정에서 스틸볼의 순간적인 하중 및 충격으로 인해 섬유다발의 압착이 발생하였으며, 오히려 분쇄된 섬유들이 재응집되어 생성된 2차 입자도 관찰되었다. 반면 도 7c와 도 7d에서는 섬유다발, 2차 입자 및 비손상 섬유 발견이 어려웠으며, 섬유 다발에서 분리된 각각의 섬유가 절단된 형태로 다수 존재하는 것을 확인하였다.
닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 미세구조를 도 8a 내지 도 9d에 나타내었다. 도 8a는 355∼710㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 50배율 확대 사진이고, 도 8b는 100∼355㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 50배율 확대 사진이며, 도 8c는 45∼100㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 50배율 확대 사진이고, 도 8d는 45㎛ 미만 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 50배율 확대 사진이며, 도 9a는 355∼710㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 1000배율 확대 사진이고, 도 9b는 100∼355㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 1000배율 확대 사진이며, 도 9c는 45∼100㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 1000배율 확대 사진이고, 도 9d는 45㎛ 미만 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제작된 펠렛 단면의 1000배율 확대 사진이다.
도 8a 내지 도 9d를 참조하면, 분말 입자가 작아질수록 섬유 길이가 감소하며, 다발의 형태가 파괴되어 산발적으로 흐트러진 형태를 보였다. 더불어 분쇄 공정에서의 충격으로 인한 섬유의 손상부위를 관찰할 수 있었으며, 펠렛 단면에서 관찰되는 가시적인 기공의 분포는 도 8b, 도 8a, 도 8c, 도 8d의 순으로 많았다. 도 8a는 섬유다발의 분리가 적게 일어나 비교적 온전한 형태의 섬유다발 간의 밀집이 이루어진 표면 형상이 관찰되었다. 반면, 도 8b는 섬유다발의 절단 뿐 아니라 다발 내 섬유간의 분리가 일어나기 시작하여 산발적인 형태를 가지는 것으로 확인되었다. 이러한 형태로 인하여 도 8a에서 분말의 밀집이 더 잘 일어나 도 8b보다 도 8a의 기공 분포가 적은 것으로 판단된다. 또한 도 7c와 도 7d의 얇은 판상 형태의 분말이 펠렛 성형과정에서 도 9c 및 도 9d와 같은 적층ㆍ압축으로 인하여 기공의 분포가 감소한 것으로 사료된다.
2. 닥나무 원재료와 분쇄된 재료의 조습특성 비교 및 분석
조습 특성은 펠렛과 닥나무 원재료(약 5g)의 흡ㆍ방습량을 JIS A 1470-1을 준용하여 측정하였다. 일정한 온·습도 조건을 유지하기 위해 도 10a 및 도 10b의 항온·항습기(CC600, 우진정밀社, Korea)를 사용하였으며, 2시간 마다 미세저울(HS 224S, HAN -SUNG Instr㎛ent Co., LTd., Korea)을 사용하여 질량 변화를 기록하였다. 시험체의 안정화를 위해 24시간 동안 50% RH, 온도 23±0.5℃의 환경에 노출시킨 후 흡습(75%RH-12hr) 및 방습(50%RH-12hr) 과정을 진행하였으며, 항온항습기 내부 온도는 23±0.5℃로 유지하였다. 원재료의 경우 실험을 한차례 진행하여 일정한 경향성을 가진 안정적인 데이터를 확보하였으나, 펠렛은 1차 실험 결과에서의 경향성이 일정하지 않아 2차 실험을 진행하였다.
도 11a는 닥나무 펠렛의 흡습량 그래프이고, 도 11b는 닥나무 펠렛의 방습량 그래프이며, 도 11c는 닥나무 펠렛의 흡습율 그래프이고, 도 11d는 닥나무 펠렛의 방습율 그래프이다.
도 11a 내지 도 11d를 참조하면, 도 11a의 흡습 결과와 도 11b의 방습 결과는 각각 유사한 그래프의 거동을 확인할 수 있었다. 이때, 각 펠렛의 실험 시작 무게 편차는 동일한 무게의 분말을 투입하여 성형하였으나, 탈형 과정에서의 손상과 미세한 분말의 몰드내부 흡착 등으로 인하여 발생하였다. 흡습량을 나타낸 도 11a의 첫 2시간 구간에서 급격한 변화 이후로 서서히 변화량이 감소하였으며, 분말 입자의 크기가 큰 순서대로 약 0.027g, 0.028g, 0.027g, 0.023g의 수준으로 나타났다. 하지만 이 후에도 꾸준한 흡습 작용을 통한 무게의 증가를 확인할 수 있었다. 도 11b의 방습량 그래프의 45㎛ 미만의 분말을 이용하여 제닥된 펠렛 외 나머지 시편에서는 0∼6시간 구간의 변화량이 비교적 눈에 띄었으며, 이 후의 기울기는 매우 완만한 형태를 보였다. 45㎛ 미만의 분말을 이용하여 제조한 펠렛의 경우 첫 2시간 이후의 방습량이 급격히 감소하여 다른 펠렛에 비하여 완만한 형태의 그래프를 빠르게 형성하였다. 해당 펠렛들의 흡습 및 방습 데이터를 비율로 환산하여 도 11c와 도 11d에 나타내었다. 도 11c에서는 45㎛ 미만의 분말을 이용하여 제작한 펠렛의 흡습율이 가장 낮은 것으로 나타났으며, 355∼100㎛, 710∼355㎛, 100∼45㎛의 분말을 이용하여 제작한 펠렛 순으로 높게 나타났다. 하지만 그 차이는 매우 미미한 수준으로 확인되었다. 반면 방습율 데이터를 나타낸 도 11d에서는 흡습율과 유사한 거동을 나타낼 것으로 예상하였으나, 45㎛ 미만의 분말을 이용하여 제조한 펠렛이 가장 낮은 특성을 나타낸 것을 제외하고는 모두 상이한 형태를 보였다. 특히 가장 높은 흡습율을 보였던 355∼100㎛의 분말을 이용하여 제작한 펠렛이 매우 낮은 특성을 나타내었으며, 710∼355㎛의 분말을 이용하여 제작한 펠렛이 100∼45㎛의 분말을 이용하여 제작한 펠렛에 비하여 낮은 특성을 나타내기도 하였다. 흡습율이 높을수록 펠렛의 무게와 대비하여 많은 양의 수분을 함유하고 있다는 것으로 예측할 수 있다. 더불어 내부에 많은 양의 수분을 보유하고 있는 만큼 동일한 방습 조건에서 더 높은 방습 특성을 나타낼 것이라 추측할 수 있다. 하지만 해당 실험의 방습율 데이터는 매우 다른 양상을 나타내었으며, 흡습율 데이터와 일관되지 않은 형태를 보였다. 그러므로 해당 실험의 결과는 경향성을 확인하기 어려운 것으로 판단, 2차 실험을 진행하기로 하였다.
펠렛의 흡ㆍ방습 2차 실험과 닥나무 원재료의 흡ㆍ방습 결과는 도 12a 내지 도 12b에 나타내었다. 도 12a는 원재료인 닥나무 섬유의 흡습량 그래프이고, 도 12b는 원재료인 닥나무 섬유의 방습량 그래프이며, 도 12c는 2차 실험으로 닥나무 펠렛의 흡습량 그래프이고, 도 12d는 2차 실험으로 닥나무 펠렛의 방습량 그래프이다.
도 12a 내지 도 12d를 참조하면, 2차 실험은 1차 실험에서 사용한 펠렛을 건조 후 동일한 과정으로 진행하였다. 도 12a에서 닥나무 섬유는 흡습 실험 시작 후 4시간까지 흡습량의 증가폭이 약 0.02g으로 비교적으로 큰 폭으로 상승하였으나, 이후에는 약 0.01g∼0g 수준까지 증가폭이 서서히 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 도 12b에 나타난 방습량은 0∼2시간 구간에서 약 0.03g으로 큰 폭의 변화를 나타내었으나, 이후 약 0.01g∼0g 수준까지 점차적으로 완만해지는 경향을 나타내었다. 도 12c와 도 12d는 각 입도별 분말로 만들어진 펠렛의 흡ㆍ방습에 대한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 12c의 흡습 그래프에서는 0∼4시간 구간에서 분말 입자의 크기가 큰 순서대로 약 0.015/0.013g, 0.016/0.013g, 0.014/0.011g 및 0.013/0.010g의 펠렛별 무게 증가가 크게 나타났다. 반면, 0.006∼0.002g까지 점차적인 흡습량 감소를 보이며 점점 완만해지는 경향을 확인할 수 있었다. 도 12d의 방습 그래프 또한 0∼4시간 구간에서 분말 입자의 크기가 큰 순서에 따라 약 0.024/0.001g, 0.026/0.010g, 0.022/0.001 및 0.018/0.008g로 무게의 감소폭이 크게 나타났고, 이후 구간별로 0.001g 이하의 감소량을 보이며 급격히 완만해지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 닥나무 원재료 및 펠렛 내부와 대기 중의 습도 간 편차가 줄어들수록 흡습 및 방습량이 점차 줄어드는 경향을 보이는 것으로 예측하였다. 한편, 첫 4시간의 경우 흡습량에 비하여 방습량의 거동이 더욱 급격하게 일어났으며, 이 후의 변화량은 방습 실험에서 더욱 빠르게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 원재료 및 펠렛의 흡ㆍ방습 결과는 모두 첫 4시간에서 흡습량에 비해 방습량의 변화 추이가 더 크게 나타났으며, 이는 흡습 작용보다 방습작용이 더 급격하고 빠르게 일어나는 것으로 볼 수 있다. 또한, 4시간 이후의 그래프 거동에서 흡습량의 기울기 감소가 방습량의 기울기에 비하여 적은 것이 관찰되었다. 해당 결과를 통해 흡습 및 방습의 한계량에 도달하는 속도가 방습이 흡습에 비하여 빠른 것으로 판단되었다.
한편, 도 13a에 입자 크기별 닥나무 분말의 비표면적 변화 그래프를 나타내었고, 도 13b에 원재로 및 펠렛의 2차 실험에 대한 흡ㆍ방습율을 그래프 형태로 나타내었다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 도 13a는 입자 크기에 따른 비표면적 값을 나타낸 그래프이며 입자의 크기가 감소할수록 증가하는 양상을 보여준다. 비표면적이 증가하면 흡수율이 증가하는 것이 일반적이나, 이와는 상이한 결과를 확인할 수 있었다. 그래프를 비교하였을 때 입자 크기 감소에 따라 점차적으로 증가하는 도 13a와는 달리 도 13b에서는 전체적으로 감소하는 가운데, 355∼100㎛의 닥나무 분말을 이용하여 제조된 닥나무 펠렛에서 가장 높은 흡ㆍ방습율 값을 확인할 수 있었다. 결과적으로 310∼100㎛의 닥나무 분말을 이용하여 제조된 닥나무 펠렛, 710∼355㎛의 닥나무 분말을 이용하여 제조된 닥나무 펠렛, 100∼45㎛의 닥나무 분말을 이용하여 제조된 닥나무 펠렛, 45㎛ 미만의 닥나무 분말을 이용하여 제조된 닥나무 펠렛 및 원재료의 순으로 흡ㆍ방습율이 높은 것으로 확인되었다. 비표면적의 증가에도 불구하고 45∼100㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제조된 닥나무 펠렛, 45㎛ 미만 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제조된 닥나무 펠렛에서 흡ㆍ방습 성능 저하를 야기한 원인이 존재할 것으로 판단하였다.
해당 결과는 도 8a 내지 도 8d에서 나타난 펠렛 내부 기공 분포와 도 7a 내지 도 7d의 분말의 상태에서 기인한 것으로 예측하였다. 도 8a 내지 도 8d에서 관찰된 기공 분포는 도 8b, 도 8a, 도 8c, 도 8d 순으로 많았으며, 이는 입도별 펠렛의 흡ㆍ방습율 성능과 부합하는 결과이다. 또한 도 7a와 도 7b에서는 분쇄 과정에서 비교적 손상을 덜 입은 온전한 형태의 섬유가 발견되었다. 해당 섬유가 지닌 관 형태의 내부 기공이 도 8a와 도 8b의 흡ㆍ방습 성능에 긍정적인 영향을 주었을 것으로 사료된다. 반면 도 7c와 도 7d에서는 온전한 섬유는 찾아 볼 수 없었으며 대부분의 섬유 조각에 압착이 발생하여 섬유 내부 관 형태 기공의 존재가 상실된 것으로 확인되었다. 또한 얇은 판상모양 형태의 섬유가 펠렛 성형 과정에서 이미 생성된 기공을 덮는 형태로 적층되었고 기공의 감소까지 야기하여 흡ㆍ방습 성능 저하를 초래했을 것으로 사료된다. 따라서 입자 크기에 따른 비표면적의 변화와 다른 양상을 보이는 펠렛의 흡ㆍ방습 능력 변화는 원재료의 손상 및 펠렛 내부 기공 감소에 의한 것으로 사료된다. 더불어 가장 우수한 흡ㆍ방습 능력을 보인 100∼355㎛ 크기의 분말로 제조한 펠렛은 다수의 기공과 비교적 손상이 되지 않은 섬유의 존재에 의한 것으로 보인다. 또한 닥나무 분말로 제조된 펠렛은 모두 원재료와 비교하여 우수한 흡ㆍ방습 특성을 발현하였다.
한편, 펠렛 무게의 흡ㆍ방습 결과를 단위면적당 흡ㆍ방습(g/m2)으로 환산한 값을 도 14a 및 도 14에 그래프로 나타내었다. 도 14a는 2차 실험에서 닥나무 펠렛의 단위면적당(㎡) 흡습량을 나타낸 그래프이고, 도 14b는 2차 실험에서 닥나무 펠렛의 단위면적당(㎡) 흡습량을 나타낸 그래프이다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 355∼710㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제조된 펠렛, 100∼355㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제조된 펠렛, 45∼100㎛ 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제조된 펠렛, 45㎛ 미만 크기의 닥나무 분말을 이용하여 제조된 펠렛의 순으로 141.1g/m2, 147.1g/m2, 135.7g/m2 및 129g/m2의 흡습 성능을, 117.2g/m2, 123.6g/m2, 110.2g/m2 및 93.3g/m2의 방습 성능을 확인하였으며, 흡ㆍ방습의 절대량 또한 우수하다고 판단되었다.
해당 결과를 기반으로 닥나무의 가공을 통한 제품 적용 가능성을 기대할 수 있다고 사료된다. 또한 가공 과정에서 닥나무 원재료 내부 기공의 손상을 최소화하고 일정하게 입도 제어가 가능한 방법을 모색하여 적용할 경우 더 우수한 흡ㆍ방습 특성을 보일 것으로 판단하였다.
3. 닥나무의 건조 온도에 따른 흡ㆍ방습 성능 변화 비교 및 분석
닥나무 섬유의 건조 상태에 따른 내부 잔여 수분의 상태 및 상대 습도에 따른 수분 흡수성능을 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 건조 온도와 습도 환경에 따른 닥나무 섬유 원재료의 흡ㆍ방습 성능의 변화의 비교 및 분석하였다. 시험체의 무게는 10∼11g 수준으로 설정하였으며, 시험에 앞서 온도 23℃ 및 40RH% 환경에서 12시간 동안 노출시켜 안정화하였다. 이 후 40℃, 60℃, 80℃, 100℃에서 12시간 건조를 진행하였으며, 건조 후 무게를 측정(HS 224S, HAN -SUNG Instr㎛ent Co., LTd., Korea)하였다. 이 후 각 온도에서 건조한 시험체를 4분하여 40RH, 60RH, 80RH환경의 항온·항습기(CC600, 우진정밀社, Korea)에서 12시간 동안 진행였으며 1시간 간격으로 무게 변화를 측정하였다.
건조온도별 닥나무 섬유 원재료의 무게 변화 실험 결과를 도 15a 내지 도 15e에 그래프의 형태로 나타내었다. 도 15a는 40℃ 건조 조건에서 닥나무 섬유 원재료의 무게 감소를 나타낸 도면이고, 도 15b는 60℃ 건조 조건에서 닥나무 섬유 원재료의 무게 감소를 나타낸 도면이며, 도 15c는 80℃ 건조 조건에서 닥나무 섬유 원재료의 무게 감소를 나타낸 도면이고, 도 15d는 100℃ 건조 조건에서 닥나무 섬유 원재료의 무게 감소를 나타낸 도면이며, 도 15e는 온도별 무게 감소율을 나타낸 도면이다.
도 15a 내지 도 15e를 참조하면, 40℃ 온도에서 건조 데이터를 나타낸 도 15a에서는 1시간 경과까지 약 0.4g 수준의 급격한 무게 감소를 나타내었으나, 이 후의 구간에서는 유의미한 감소를 관찰할 수 없었다. 60℃ 온도에서 건조를 진행한 결과 또한 첫 1시간 구간에서 약 0.5g에 달하는 무게의 감소가 나타났으며, 나머지 구간에서의 큰 변화가 없는 도 15a와 유사한 양상을 확인할 수 있었다. 하지만 80℃에서 건조를 진행한 도 15c와 100℃에서 건조를 진행한 도 15d에서는 큰 격차를 확인할 수 있었다. 두 시험체 모두 첫 1시간까지 가장 큰 감소를 보였으며, 5시간 경과까지 지속적인 감소를 보였다. 측정 시작 시간으로부터 1시간 간격으로 도 15c에서는 약 0.3g, 0.1g, 0.2g, 0.1g, 0.1g의 감소가 나타났으며, 도 15d의 경우 약 0.3g, 0.1g, 0.2g, 0g, 0.1g이 감소하였다. 5시간 이후에는 도 15a와 도 15b의 1시간 이후 무게 변동과 마찬가지로 더 이상 유의미한 감소가 관찰되지 않았다.
도 15e에는 아래 40∼100℃에서의 무게 변화를 비율로 환산하여 각 샘플별 감소율을 비교하였다. 감소율은 100℃, 80℃, 60℃ 및 40℃로 건조 온도가 높은 순으로 나타났으나, 80℃와 100℃에서의 건조율 차이는 매우 미세하여 동일한 수준으로 판단하였다. 해당 결과에서 닥나무 내부 잔여 수분의 제거는 80℃ 이하에서 대부분 이루어졌을 것으로 추측하였으며, 건조가 필요할 시 80℃ 이하로 제어하여도 충분할 것으로 사료된다.
건조 온도별 무게 감소 실험을 진행한 시편을 각각 4분하여 상대 습도별 환경에서 흡습 실험을 진행하였으며, 해당 결과를 도 16a 내지 도 16c에 나타내었다. 도 16a는 40RH 환경에서 흡습율을 나타낸 도면이고, 도 16b는 60RH 환경에서 흡습율을 나타낸 도면이며, 도 16c는 80RH 환경에서 흡습율을 나타낸 도면이다.
도 16a 내지 도 16c를 참조하면, 40℃/40RH, 40℃/60RH, 40℃/80RH, 60℃/40RH, 60℃/60RH, 60℃/80RH, 80℃/40RH, 80℃/60RH, 80℃/80RH, 100℃/40RH, 100℃/60RH 및 100℃/80RH 등 총 12가지의 건조온도/상대습도 환경으로 분류하여 실험하였다. 도 16a에 나타난 40RH 환경 내 흡습율 실험 결과에서는 40℃ 건조 샘플의 흡습율은 약 1% 수준이었으며, 60℃ 건조 샘플은 약 2.8%로 흡습율 증가 폭이 가장 큰 것으로 확인되었다. 하지만 60℃에서 80℃ 구간의 증가폭은 감소하였으며, 100℃ 구간은 오히려 흡습율이 이전 80℃에 비해 약 0.2% 가량 감소한 것을 확인할 수 있었다. 60RH에서의 실험결과는 도 16b에 나타내었으며, 40℃ 건조 샘플은 약 1.7%의 흡습율을 보였다. 하지만 40RH에서와는 다르게 40℃에서 60℃ 구간의 증가폭은 크기 않았으며, 오히려 60℃에서 80℃ 구간의 증가가 더 크게 나타났다. 하지만 100℃에서 건조한 샘플은 흡습율의 감소가 도 16a에 비하여 더욱 크게 나타났다. 도 16c는 80RH에서의 흡습율이며, 앞의 두 샘플에 비하여 40℃에서의 흡습율은 약 4.9%로 매우 높게 나타났다. 40℃에서 60℃ 구간의 증가는 도 16b와 마찬가지로 증가폭이 매우 미미하였으나, 60℃에서 80℃ 구간은 큰 폭으로 상승하였다. 그러나 100℃ 구간의 흡습율은 앞의 두 샘플과 마찬가지로 감소하는 것으로 확인되었다. 도 16b와 도 16c의 그래프 거동은 매우 유사하며 도 16a와는 다른 양상을 보였으나, 100℃에서 건조한 샘플은 모두 80℃ 건조 샘플에 비하여 작게는 약 0.2%에서 많게는 1% 이상 감소하는 경향을 보였다. 결과적으로 실험한 상대습도 환경에서 80℃와 100℃ 건조 샘플간의 흡습율 변화는 수치의 차이가 있을 뿐 모두 감소하는 일관된 거동을 확인할 수 있었다. 이를 기반으로 건조한 샘플의 온도에 따라 조습특성의 저하를 야기하는 원인이 있었을 것으로 예측하였으며, 건조 당시 과다한 온도로 인한 섬유의 손상 및 수축으로 인해 섬유 내부 기공의 흡습성능의 저하된 것으로 사료된다. 원재료의 건조 결과와 해당 실험를 통해 닥나무 원료의 80℃ 이하의 수준에서 이루어질 때, 내부 잔여 수분의 건조와 기공으로 인한 흡습 특성의 유지가 모두 충족될 것으로 사료된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (14)

  1. 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 추출한 닥나무 섬유가 분쇄되어 형성된 닥나무 분말과 바인더가 혼합되고 압착되어 형성된 판 형태이고,
    상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 방부제 0.001∼10중량부가 더 혼합되고 압착되어 형성되며,
    상기 방부제는 3-요오드-2-프로핀일 뷰틸 카비민산(3-iodo-2-propynylbutyl carbamate, IPBC)을 포함하고,
    상기 바인더는 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 0.1∼30중량부를 혼합되며,
    상기 바인더는 무기 바인더를 포함하고,
    상기 무기 바인더는 마그네슘옥사이드, 암모늄포스페이트, 콜로이달실리카, 칼슘설페이트, 에틸실리케이트, 마그네시움포스페이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 조습용 패널.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 닥나무 분말은 100∼355㎛의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 조습용 패널.
  7. (a) 닥나무 껍질과 목질부 사이에서 닥나무 섬유를 추출하는 단계;
    (b) 상기 닥나무 섬유를 분쇄하여 닥나무 분말을 형성하는 단계;
    (c) 상기 닥나무 분말과 바인더를 혼합하는 단계; 및
    (d) 상기 닥나무 분말과 바인더의 혼합물을 압착하여 판 형태의 조습용 패널을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 (c) 단계에서 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 방부제 0.001∼10중량부를 더 혼합하고,
    상기 방부제는 3-요오드-2-프로핀일 뷰틸 카비민산(3-iodo-2-propynylbutyl carbamate, IPBC)을 포함하며,
    상기 바인더는 상기 닥나무 분말 100중량부에 대하여 0.1∼30중량부를 혼합하고,
    상기 바인더는 무기 바인더를 포함하며,
    상기 무기 바인더는 마그네슘옥사이드, 암모늄포스페이트, 콜로이달실리카, 칼슘설페이트, 에틸실리케이트,마그네시움포스페이트 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 조습용 패널의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 닥나무 분말은 100∼355㎛의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 조습용 패널의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제7항에 있어서, 상기 (a) 단계 후 상기 (b) 단계 전에 상기 닥나무 섬유를 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조습용 패널의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서, 상기 분쇄는 진동 분쇄기를 이용하고, 상기 닥나무 분말을 입자 크기별로 분류된 분말을 혼합 사용하는 것을 특징으로 하는 조습용 패널의 제조방법.
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