KR20030011132A

KR20030011132A - 음향 진동 에너지를 이용한 목재 내 물질 함침방법

Info

Publication number: KR20030011132A
Application number: KR1020030002302A
Authority: KR
Inventors: 안선태
Original assignee: 넥슨 주식회사
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2003-02-06
Also published as: WO2004062865A1; CN100345669C; CN1738702A; JP2006515240A; US20050244586A1; KR100522453B1

Abstract

본 발명은 목재의 보존 및 장식에 사용하는 각종 물질(내화성 물질, 목질 강화용 응고액, 특정 색상의 도료 등)을 초음파 에너지를 이용하여 침투시킬 수 있는 음향 진동 에너지를 이용한 목재 내 물질 함침방법을 제공코자 하는 것이다.

즉, 본 발명은 목재 반제품의 섬유방향 내지는 섬유직각방향으로 가공된 목재 반제품에 특정의 기능성 물질(내화성 물질, 목질 강화용 응고액 등) 내지는 특정 색상의 도료 등을 함침함에 있어서, 목재 반제품 표면 위에 함침액을 비교적 얇게 도포하고 음향 진동 에너지 발생장치의 진동 발생면을 함침액 내부에 위치토록 하되, 반제품 표면과는 떨어지게 한 상태에서 초음파 진동을 가하여 함침액이 목재 반제품 내에 함침되도록 한 것으로서, 본 발명에 의하면 고체와 액체의 경계영역에 가깝게 함침액을 조성하여 음향 진동 에너지를 가하므로 음향 진동 에너지 발생장치가 작은 에너지로도 음향 진동을 집중할 수 있어서 저용량의 음향 진동 에너지 발생장치를 사용할 수 있어 경제성이 우수하며, 또한 적은 함침액을 사용하므로 함침작업에 소요되는 함침액을 최소화할 수 있으며, 음향 진동 에너지가 얇은 함침액층을 통과하여 목재 반제품 내부에 음향 진동 에너지가 전달되어 목재 반제품 깊숙이 함침작업을 수행할 수 있는 것이다. 그리고 목재 반제품의 표면이 섬유방향 내지는 섬유직각방향일 경우 이에 부합하여 음향 진동 에너지를 최적의 각도로 가할 수 있도록 하여 함침작업의 효율성을 극대화할 수 있는 등 다수의 효과를 제공받을 수 있는 것이다.

Description

음향 진동 에너지를 이용한 목재 내 물질 함침방법{Method for impregnation of matters in wood utilizing sound vibration energy}

본 발명은 음향 진동 에너지를 이용한 목재 내 물질 함침방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 목재의 보존 및 장식에 사용하는 각종 물질(내화성 물질, 목질 강화용 응고액, 특정 색상의 도료 등)을 초음파 에너지를 이용하여 침투시킬 수 있는 함침방법을 제공코자 하는 것이다.

음향 진동학과 관련한 연구, 개발이 다각화되면서 물리, 화학적 과정이 접목된 함침기술에 까지 그 기술 영역이 확대되고 있으며, 목재와 같은 소재에 특정한 물질을 함침하기 위해서도 음향 진동학 연구가 활발한 실정이다.

이러한 음향 에너지를 이용할 경우 함침코자 하는 물질이 목재 내에 함침되는 조건이 양호하여 목재 내 특정 물질 함침에는 가장 유효한 기술로 알려져 있다.

이러한 초음파 에너지를 이용하여 목재 내에 특정한 물질을 함침하는 기술이 러시아 특허(RU 2010701, 1994)에도 개시되어 있다.

상기한 선행 기술은 가공하는 물질(목재 등)을 용액의 투입 후 직류전원을 인가하고 동시에 강한 초음파 진동을 물질에 가하도록 하는 것이다.

목재의 중량이 6~12%로 축소되면 그 후에 초음파 발생기의 주파수와 진폭조건을 변경하면서 침투하는 용액을 목재 내부로 압착한다.

그러나 상기한 방법은 많은 단계로 이루어져 있어 여러 특성을 검사하면서 초음파 주파수와 진폭을 조절하여야 하기 때문에 그 과정이 매우 복잡하고 함침시간이 많이 소요된다는 문제점을 안고 있었다.

한편, 러시아 특허(SU 677038, 1991)에는 기공이 많은 재료, 즉 목재에 음향 진동 에너지를 사용하여 특정 물질을 함침하는 기술이 개시되어 있다.

상기한 방법은 가공코자 하는 목재 반제품을 챔버에 투입하고, 상기 챔버 내부에 음향 진동 에너지를 발생시키는 장치가 설치되고, 상기 장치와 마주되는 판이구성되어 있다.

목재 반제품을 음향 진동 에너지 발생장치와 판 사이에 위치시키고 챔버 내부에 함침액을 보충한 후 함침액 전체에 음향 진동 에너지를 가한다.

이와 같은 방법은 정확한 주파수 조절이 요구되고 침투시키는 시간에 일정한 주파수를 유지할 수 있는 시스템이 필요하다. 그리고 챔버 내부에 함침액이 들어가므로 많은 양의 함침액이 필요하다는 문제점을 안고 있었던 것이다.

이에 본 발명에서는 목재 반제품 내부에 특정한 물질을 함침하는 기술을 제공하되, 상기한 선행 특허들이 안고 있는 문제점을 해결할 수 있는 신규한 목재 내 특정 물질 함침방법을 제공코자 하는 것으로서,

특히, 본 발명은 음향 에너지를 이용하여 목재 내 물질 함침방법에 있어, 기존의 알려진 함침방법에 비해 매우 경제적으로 함침작업을 수행할 수 있는 함침방법을 제공함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 설명키 위한 참고 사시도

도 2는 본 발명의 다른 실시예를 설명키 위한 참고 사시도

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ■

1: 목재 반제품2: 음향 진동 에너지 발생장치

3: 함침액층

본 발명에서 제공하는 음향 에너지를 이용한 목재 내 특정 물질 함침방법은 다음과 같은 특징을 갖는다.

즉, 목재 내에 함침코자 하는 특정의 함침용액에 음향 진동 에너지를 가하기 위해 음향 진동 에너지 발생장치를 사용하고, 상기 음향 진동 에너지 발생장치에서발생된 음향 진동 에너지는 반제품 표면에 도포된 함침용액 내부에 위치토록 하되, 목재 반제품 표면과는 일정한 간격이 있도록 한다.

상기 목재 반제품 표면 위에 도포되는 함침액은 별도로 도포할 수도 있으며, 음향 진동 에너지 발생장치의 진동자 중심홈을 관통하거나 또는 진동자 주변을 통해 설치되는 함침액공급장치(feeder)를 통하여 필요 부위에 함침액을 수시로 도포할 수도 있다.

상기 음향 진동 에너지는 목재의 섬유구조에 의하여 전달효율이 달라지는 바, 목재 반제품(1)에 특정 물질을 함침코자 할 경우 함침용액의 함침방향이 도 1에서 보는 바와 같은 a방향(이하 '섬유방향'이라 칭한다)일 경우에는 음향 진동 에너지 발생장치(2)의 음향 진동 방향과 목재 반제품(1)의 표면이 직각을 이루도록 설치하여 음향 진동 방향과 목재 반제품(1) 섬유방향이 0°를 이루도록 한다.

그리고 도 2에서 보는 바와 같은 b방향(이하 '섬유직각방향'이라 칭한다)일 경우에는 음향 진동 에너지 발생장치(2)의 설치를 목재 반제품(1)의 직각에 대한 β각 위치에 설치하고, 음향 진동 방향과 목재 반제품(1)의 직각방향과 β각이 이루어지도록 한다.

여기서 β는,이다.

상기 수식에서 C_l은 함침액에 대한 초음파 전달속도(종파), C_w는 목재에 대한 초음파 전달속도(표면파)를 나타낸 것이다.

그리고 상기 음향 진동 에너지 발생장치의 주파수와 진폭을 정하는 것은 함침과정에 사용되는 함침액이 공진현상이 나타나는 조건을 기준으로 정하게 된다.

이러한 특징을 갖는 본 발명은 목재 반제품에 함침용액을 음향 진동 에너지를 사용하여 함침함에 있어서, 음향 진동 에너지를 반제품(1) 위에 도포된 함침액층(3)에 조사하는 것이다.

상기 함침액층(3)의 최대 두께는 함침액의 응집력과 점도에 의해 정해지며 함침액층(3)의 두께는 5mm를 넘지 않도록 한다. 결국 본 발명의 함침방법에 있어서 음향 진동 에너지가 가해지는 것은 비교적 얇은 층에서 행해진다.

음향 진동을 고체와 액체의 경계영역 가까이에서 실시할 경우 함침액의 얇은층의 적은 용적에 음향 진동을 주기 때문에 음향 진동 에너지 발생장치가 작은 에너지로도 음향 진동을 집중할 수 있어서 저용량의 음향 진동 에너지 발생장치가 가능해지므로 경제적이다.

그리고 적은 함침액을 사용하므로 소요되는 함침액을 최소화할 수 있는 것이다.

또한 음향 진동이 얇은 액체층을 통과하여 목재 반제품 내부에 음향 진동이 전달되어 목재 반제품 내부 깊이 함침액을 함침시킬 수 있다.

음향 진동 발생면과 목재 반제품에 일정한 간격을 주어 음향 진동 에너지 발생장치를 설치하는 것은 음향 진동 발생면이 반제품에 직접적으로 접촉하게 되면 반제품 표면이 손상되기 때문이다.

본 발명자가 실험한 바에 의하면, 목재 반제품 가공면이 섬유방향의 횡단면으로 되어있는 조건에 음향 진동의 방향이 섬유방향과 동일하면 함침액이 목재 반제품 내부로 침투하는 것이 가장 효율적인 것으로 확인되었으며, 이는 음향 진동 에너지 발생장치의 설치조건이 음향 발생면에서 발생되는 음파의 벡터성분이 반제품면과 수직으로 이루는 각이 0°가 되는 조건이다.

그리고 목재 반제품 가공이 섬유직각방향일 경우 목재 반제품면을 따라 전달하는 가로, 세로의 음파가 발생된 경우에 목재 반제품 내부로 함침액 침투가 효율적인 것을 확인하였다.

그것은 음파 발생 벡터와 반제품 수직선 사이의의 조건일 경우 가능하다.

또한 함침과정에서 함침액이 공진되는 조건에서 목재 반제품 내부로 침투가 더 효율적인 것을 확인하였으며, 이는 공진현상으로 목재 반제품 표면 가까이에 함침액이 작은 알갱이로 분리되면서 목재 반제품 가공면에 부딪혀 목재 가공면이 침식되면서 함침이 확대되기 때문이다. 즉, 공진현상으로 작은 알갱이 분자를 타격하게 되어 함침작업이 물리-화학적으로 더욱 강하게 이루어지는 것이다.

본 발명의 목재 반제품내 특정의 물질을 함침하는 작업은 아래와 같이 실행한다.

1. 먼저 목재 반제품을 안치한다.

2. 목재 반제품 위에 함침액을 층이 지게 도포한다.(함침액을 채우거나 액체이송을 위하여 기공이 있는 음향 진동 에너지 발생장치를 사용한다.)

3. 음향 진동 에너지 발생장치를 설치하되, 목재 반제품에 함침코자 하는 방향에 맞추어 다음과 같은 각도로 설치토록 한다.

섬유방향 : β=0°

섬유직각방향 :

(여기서 함침액의 종류와 목재의 종류에 따른 초음파 전달속도는 data sheet를 참조하거나 시험을 통하여 알 수 있다.)

3-1. 음향 진동 에너지 발생장치의 음향 진동 에너지 발생면이 함침액속에 잠기도록 설치한다.

3-2. 목재 반제품과 음향 진동 에너지 발생면의 간격을 조절한다.

4. 음향 진동 에너지 발생장치를 가동한다.

5. 목재 반제품 가공면 전체에 걸쳐 음향 진동을 골고루 주사한다.

6. 요구하는 깊이까지 침투시키기 위하여 전기한 2~5항 까지 수회 반복적으로 실시할 수 있다. 함침액 공급장치를 별도로 사용할 경우 함침액 침투깊이로 침투할 수 있도록 함침액의 공급량을 적절히 조절한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 살펴 보면 다음과 같다.

(실시예 1)

밀도 0.46 g/cm³, 습도 8%, 크기가 150x45x7mm 되는 자작나무 견본에 내화성물질을 함침시키는 시험을 했다.

섬유직각방향을 가진 150x45mm의 견본의 목재 면에 침투를 실행했다. 반제품 표면 위에 1mm 층을 이루도록 안티피린(내화성 물질)을 도포하였다.

함침작업을 1cm²의 발생 면을 가진 표준 전기 음향 트랜스듀서(transducer) 모델 PMC-15A-18 로 일으키는 음향 진동 에너지 발생장치를 사용했다.

음향 진동 에너지 발생장치는 진동 발생 면이 안티피린 층 안에 위치토록 하되, 목재 반제품 면과는 0.5mm 간격을 갖도록 설치했다.

그리고 음향 진동 에너지 발생장치를 발생 면에서 나오는 진동 속도의 벡터와 목재 반제품 면의 수직선이 β각을 이루게 경사지게 설치했다. 상기 β각은 미리 공식으로 계산했다.

Cl과 C_w는 시험으로 알아보았다. 위 목재 반제품과 안티피린 관계의 Cl과 C_w는 1500 및 5000m/s가 적당했다. 공식에 의해 얻어진 β각은 16°였다.

음향 진동 에너지 발생장치로 함침코자 하는 함침액 안에 초음파 진동을 일으켰다. 음향 진동 주파수는 18kHz였고 발생 면의 진폭은 1mm 였다.

목재 반제품 전면 위에 음향 장치를 이동시키면서 함침작업을 수행하였다.

함침시간은 5분으로 하고, 그 후에 목재 반제품을 뒤집고 반대 면을 동일한 방법으로 함침작업을 수행했다. 반대 면의 함침작업 시간 역시 5분 이었다.

함침결과를 목재 반제품 면의 단위 관련 반제품 중량 증가로 평가했다. 중량 증가가 4.0×0^-2g/cm²이었다.

본 발명의 실시예 1을 수행함과 동시에 함침결과를 비교하기 위하여, 동일한 조건을 가진 목재 반제품을 함침액에 투입시켜 40분 동안 함침시켰다. 함침 작업 후에 중량 증가가 면의 단위 관련 2.8×0^-2g/cm²이었다. 이는 본 발명의 실시예 1과 비교할 때 함침정도가 30% 적음이 확인되었다.

(실시예 2)

실시예 1과 같은 목재 견본을 가지고 실시예 1과 같은 과정으로 함침작업을 수행하였다.

음향 진동 에너지 발생장치의 진동 주파수도 실시예 1과 같았지만 발생 면의 진폭을 3mm가 되도록 했다.

상기 음향 진동 에너지 발생장치의 진동 발생면에서 함침되는 함침액이 육안에도 보였으며, 음향 관측되는 공진현상이 발생하였다.

목재 반제품 전후 면 함침작업 시간이 1분씩 소요되었다. 함침작업 후에 면의 단위 관련 반제품 중량 증가가 4.6×0^-2g/cm²이었다. 이는 상기 실시예 1보다 짧은 시간에 다량의 중량 증가로서 15% 이상 증가했음을 알 수 있었다.

본 발명의 실시예 2를 수행함과 동시에 함침결과를 비교하기 위하여 동일한 목재 반제품을 동일한 함침액을 채운 함침액통에 담아 초음파 진동을 가하였다.

그리고 음향 진동 에너지 발생장치의 진동 주파수와 발생면 진폭은 실시예 2와 같이 하였다. 상기 진동 조건에 함침되는 함침액에 확실한 공진현상이 일어났다.

함침작업 시간은 5분이었으며, 함침작업 후 목재 반제품 면의 단위 관련 반제품 중량 증가가 3.7×0^-2g/cm²이었다. 이는 실시예 2에 비해 20% 적음이 확인되었다.

(실시예 3)

반경이 85mm인 자작나무 반제품을(밀도 0.46g/cm³, 습도 8%) 두께가 20mm 되게 섬유방향으로 절단한 견본을 가지고 함침작업을 수행하였다.

목재 반제품 횡단면에 실시예 1과 같은 종류의 안티피린을 도포하여 2mm 두께의 함침액층을 형성했다. 함침작업 수행에 실시예 1과 같은 음향 진동 에너지 발생장치를 사용했다.

음향 진동 에너지 발생장치의 설치는 진동 발생 면이 목재 반제품 표면과 0.5mm의 간격을 가지도록 하고, 진동 발생면에서 나오는 진동 속도의 벡터와 반제품 면의 수직선이 0°의 각을 가지게 설치했다.

실시예 2와 같은 음향 진동 에너지 발생장치의 진동 주파수와 진동 발생면 진폭을 정했다. 음향 진동 에너지 발생장치를 가동시키자 함침액에 공진현상이 나타났다.

음향 진동 에너지 발생장치를 목재 반제품 전면에 이동하면서 함침작업을 수행했다. 목재 반제품의 함침작업 시간은 5분씩 행하였다.

함침결과를 면의 단위 관련 반제품 중량 증가로 평가했다. 중량 증가는 12.0×0^-2g/cm²이었다.

본 발명의 실시예 3을 수행함과 동시에 함침결과를 비교하기 위하여 동일한 반제품을 현미경의 함침액통에 담아 초음파 진동을 가하였다. 음향 진동 에너지 발생장치의 진동 주파수와 발생 면 진폭은 실시예 2와 동일하게 설정하였다.

상기 진동 조건에 함침되는 함침액에 공진현상이 일어났다.

함침 작업시간은 5분이었으며, 함침작업 후 목재 반제품 면의 단위 관련 반제품 중량 증가는 8.0×0^-2g/cm²이었다. 이는 실시예 3에 비해 33% 적음이 확인되었다.

이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이 본 발명에서 제공하는 음향 진동 에너지를 이용한 목재 내 물질 함침방법은, 섬유방향 내지는 섬유직각방향으로 가공된 목재 반제품에 특정의 기능성 물질(내화성 물질, 목질 강화용 응고액 등) 내지는 특정 색상의 도료 등을 함침함에 있어서,

목재 반제품 표면 위에 함침액을 비교적 얇게 도포하고 음향 진동 에너지 발생장치의 진동 발생면을 함침액 내부에 위치토록 하되, 반제품 표면과는 떨어지게 한 상태에서 초음파 진동을 가하여 함침액이 목재 반제품 내에 함침되도록 한 것으로서,

본 발명에 의하면, 고체와 액체의 경계영역에 가깝게 함침액을 조성하여 음향 진동 에너지를 가하므로 음향 진동 에너지 발생장치가 작은 에너지로도 음향 진동을 집중할 수 있어서 저용량의 음향 진동 에너지 발생장치를 사용할 수 있어 경제성이 우수하며, 또한 적은 함침액을 사용하므로 함침작업에 소요되는 함침액을 최소화할 수 있으며, 음향 진동 에너지가 얇은 함침액층을 통과하여 목재 반제품 내부에 음향 진동 에너지가 전달되어 목재 반제품 깊숙이 함침작업을 수행할 수 있는 것이다.

그리고 목재 반제품의 표면이 섬유방향 내지는 섬유직각방향일 경우 이에 부합하여 음향 진동 에너지를 최적의 각도로 가할 수 있도록 하여 함침작업의 효율성을 극대화할 수 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.

Claims

함침액에 음향 진동 에너지를 가하여 목재 반제품에 특정 물질을 함침하는 함침방법에 있어서;

상기 목재 반제품 표면에 함침액이 층을 이루도록 도포하고,

상기 음향 진동 에너지를 가하는 음향 진동 에너지 발생장치의 진동면은 함침액 내부에 위치되고, 목재 반제품과 소정 간격을 갖도록 설치하여 특정 물질을 함침할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 음향 진동 에너지를 이용한 목재 내 물질 함침방법.
제 1 항에 있어서;

상기 목재 반제품의 함침액 함침표면이 횡단면(섬유방향)일 경우 음향 진동 에너지 발생장치는 진동 속도의 벡터가 목재 반제품 표면의 수직선과 이루는 각이 0°가 되도록 한 것을 특징으로 하는 음향 진동 에너지를 이용한 목재 내 물질 함침방법.
제 1 항에 있어서;

상기 목재 반제품의 함침액 함침표면이 목재 섬유 따라(섬유직각방향) 있는경우 음향 진동 에너지 발생장치는 진동 속도의 벡터와 목재 반제품의 수직선 사이 β각이 수식[C_l: 함침액에 대한 초음파 전달속도(종파), C_w: 목재에 대한 초음파 전달속도(표면파)]에 의해 정해지도록 한 것을 특징으로 하는 음향 진동 에너지를 이용한 목재 내 물질 함침방법.
제 1 항에 있어서;

상기 음향 진동 에너지 발생장치의 진동 주파수와 진동 발생면 진폭의 범위는 함침과정에 사용하는 함침액의 음향 공진현상이 나타나는 것을 기초로 하여 설정하는 것을 특징으로 하는 음향 진동 에너지를 이용한 목재 내 물질 함침방법.
제 1 항에 있어서;

상기 음향 진동 에너지 발생장치의 진동자 중심홈을 관통하거나 진동자 주변을 통해 선택적으로 설치되는 함침액공급장치를 통하여 함침액을 목재 반제품 표면 중 필요부위에 수시로 도포할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 음향 진동 에너지를 이용한 목재 내 물질 함침방법.