이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 마이크로파를 이용한 목재 건조 방법의 순도서이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 마이크로파를 이용한 목재 건조 방법은, 목재를 준비하는 단계; 랩핑부재를 이용하여 상기 목재의 적어도 일부를 감싸는 단계; 상기 랩핑부재로 감싼 목재에 마이크로파를 인가하여 상기 랩핑부재 내부의 온도를 상승시키는 단계; 상기 랩핑부재로 감싼 목재에서 랩핑부재를 제거하는 단계; 및 상기 랩핑부재를 제거한 목재 외피의 수분을 건조하는 단계;를 포함한다.
목재를 준비하는 단계 및 랩핑부재를 이용하여 상기 목재의 적어도 일부를 감싸는 단계를 수행한다. 상기 랩핑부재를 이용하여 목재의 전체 또는 일부를 감쌀 수 있다. 도 2와 같이 랩핑부재를 이용하여 목재 전체를 감싸는 경우, 랩핑부재 내부의 열이 보다 잘 보존되어 목재를 가열하는 데 소요되는 비용 및 시간이 감소할 수 있다.
상기 랩핑부재는 외부에서 인가되는 상기 마이크로파가 상기 랩핑부재의 내부로 입사되도록 투과하는 것일 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 마이크로파를 이용하여 목재를 가열한다. 이 때, 마이크로파가 목재의 내부까지 침투하도록 조사하여야 목재의 내부 및 외부를 고르게 가열할 수 있다. 상기 랩핑부재는 마이크로파가 목재의 내부로 침투가 가능하도록 하기 위해 마이크로파에 대해 충분한 투과성을 갖는 재질로 이루어진 것일 수 있다.
상기 랩핑부재는 상기 목재의 외피 및 랩핑부재 사이에 수분막을 형성하는 기능을 수행할 수 있다. 목재를 가열하는 단계에서 목재 내부의 수분이 가열되어 상기 수분 중 일부가 목재의 외부로 방출되지만 랩핑부재에 의해 가로막혀 상기 랩핑부재의 외부로 방출되지 않는다. 상기 수분은 목재의 외피 및 랩핑부재 사이에 머물면서 목재의 외피 또는 랩핑부재 내부면에 수분막을 형성할 수 있다(도 5 참조). 상기 랩핑부재는 목재의 외피 및 그 외부를 차단한다. 따라서, 마이크로파에 의해 가열된 목재에서 방출된 수분이 외부로 방출되어 나가는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이 랩핑부재에 의해 형성된 수분막은 마이크로파를 흡수하기 때문에 목재를 가열하는 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 랩핑부재에 의해 형성된 목재를 가열하는 동안 목재의 내부 및 외부의 수분 함량이 일정하도록 유지시킬 수 있다. 이를 통해 목재의 일부만 집중적으로 가열됨에 따라 발생하는 탄화 현상을 방지할 수 있다.
랩핑부재를 사용하지 않고 마이크로파만을 이용하여 목재를 가열하는 경우, 목재 내부의 함수율을 제어하기 위해 오랜 시간 동안 연속적 또는 단속적으로 마이크로파를 가열할 필요가 있다. 이 경우, 마이크로파가 집중적으로 흡수되는 부분의 온도가 급격하게 상승하여 탄화되거나 발화되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 마이크로파를 이용해 목재를 가열하면서 목재에서 방출되는 수분을 그대로 증발시켜버리는 경우에는 목재의 심부는 함수율이 높지만 외부는 함수율이 낮아지기 때문에 목재의 심부가 탄화되는 현상이 발생할 수 있다. 만일, 목재가 탄화되거나 발화되지 않더라도, 목재의 각 부분에 따라 함수율 차이가 발생하여 건조 후 목재에 과도한 균열이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 마이크로파를 이용한 목재 건조 방법은 랩핑부재를 이용하여 목재의 적어도 일부를 감싸기 때문에, 상기 랩핑부재 내부에 수분 및 열이 고르게 분포할 수 있다. 따라서, 마이크로파가 목재의 특정 부분에 집중되는 것을 방지할 수 있으며, 목재의 심부 및 외부의 온도가 일정하게 유지될 수 있다. 이로써, 목재의 탄화 또는 발화를 방지할 수 있고, 목재 전체의 함수율을 일정하게 제어할 수 있으며, 건조 후 목재의 과도한 균열을 방지할 수 있다. 또한, 열이 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있으므로 경제적이다. 보다 바람직하게는 랩핑부재를 이용하여 목재의 전체를 감싸 상기 목재를 외부와 밀폐시킨으로써 상기 더 효율적인 목재 건조를 수행할 수 있다.
상기 랩핑부재는 마이크로파를 투과하고 목재의 외피에 수분막을 형성하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 랩핑부재는 작업 효율을 높이고 가열공정 후 내부의 수분 제거 효율을 높이기 위해, 폴리염화비닐(PVC: Poly Vinyl Chloride), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌초산비닐공중합체(EVA: Ethylene Vinyl Acetate), 에틸렌 옥텐 공중합체(POE: ethylene-octene copolymer), 폴리프로필렌(PP: Polypropylene), 연신폴리프로필렌(OPP: Oriented Poly Propylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: Polyethylene Terephthalate), 연신폴리스틸렌(OPS: Oriented Polystyrene), 폴리카보네이트(PC: Polycarbonate), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE: Low Density Polytehylene) 및 아크릴 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 랩핑부재는 목재를 감싸서 상기 목재를 외부와 밀폐시킬 수 있는 형상일 수 있는 바, 상기 랩핑부재는 필름 또는 백(back) 형상일 수 있다.
다음으로, 상기 랩핑부재로 감싼 목재에 마이크로파를 인가하여 상기 랩핑부재 내부의 온도를 상승시키는 단계를 수행한다.
마이크로파를 인가하는 방법은 특별히 제한되지 않지만, 도 3 및 도 4에 도시된 마이크로파 목재 건조 장치를 이용할 수 있다. 상기 마이크로파 목재 건조 장치는 목재 전체에 마이크로파를 고르게 분산할 수 있도록 다수의 마이크로파 발진기를 일정한 간격에 따라 배치한 것일 수 있다. 또한, 상기 마이크로파 발진기는 목재를 사이에 두고 서로 마주보도록 배치됨으로써 목재 전체의 함수율을 고르게 제어할 수 있다. 도 3은 랩핑부재로 감싼 목재를 마이크로파 목재 건조 장치에 탑재한 것을 도시한 것이고, 도 4는 마이크로파 목재 건조 장치의 도어를 닫아 외부와 차단한 후 랩핑부재로 감싼 목재를 가열하는 단계를 도시한 것이다.
본 단계에서, 상기 목재의 온도를 100 내지 170℃, 바람직하게는 100 내지 150℃로 가열할 수 있다. 목재의 온도가 100℃ 미만인 경우에는 목재 내부의 수분이 증발하지 않기 때문에 목재의 수분이 충분히 제거되지 않을 수 있으며, 목재 외피에 수분막이 충분히 형성되지 않기 때문에 목재 전체의 함수율을 일정하게 제어하기 어려울 수 있다. 목재의 온도가 너무 높은 경우에는 목재가 국부적으로 탄화되거나 목재 각 부분의 함수율에 편차가 발생할 수 있어 건조 후 과도한 균열이 발생할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 목재의 온도는 심부 및 외부의 편차가 크지 않기 때문에 상기 목재의 온도는 목재의 심부 및 외부 온도를 측정하여 이를 평균한 값일 수 있으며, 측정의 편의를 위해 목재의 심부 온도만을 측정한 것일 수 있다.
본 단계에서 온도를 제어하기 위해, 본 단계의 수행 중 온도를 측정하는 단계 및 상기 측정된 온도를 고려하여 마이크로파의 강도 또는 마이크로파 조사 시간을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 온도 측정의 번거로움을 피하고 경제성을 고려하여 본 단계의 수행 중 온도를 측정하지 않고, 기 설정된 조건에 따라 마이크로파의 조사 조건을 제어할 수도 있다. 이 경우, 상기 기 설정된 조건이란, 목재의 초기 함수율, 목재의 크기, 마이크로파의 강도, 마이크로파의 파장, 마이크로파의 조사 시간의 변수; 및 상기 변수에 따라 도출된 공정 후 목재의 함수율 및 목재의 온도 중 적어도 하나의 결과 값;을 관계식 또는 테이블로 표현한 것일 수 있다. 사용자는 상기 관계식 또는 테이블을 참조하여 건조 대상 목재의 함수율 및 크기를 고려하여 마이크로파의 강도, 파장 및 조사 시간을 결정할 수 있다.
본 단계에서 공정 시간은 목재의 크기 및 함수율을 고려하여 정해질 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 2시간 동안 수행될 수 있다. 또한, 공정 시간 중 마이크로파는 연속적으로 일정한 강도로 조사될 수 있으며, 단속적으로 조사될 수 있다.
본 단계에서 사용되는 마이크로파 목재 건조 장치는 특별히 제한되지 않지만, 마이크로파 발진기를 포함하는 마이크로파 모듈(120, 130)이 목재(10)의 양면에 배치되도록 배치된 것일 수 있다(도 3 및 도 4 참조). 구체적으로 상기 마이크로파 목재 건조 장치는, 몸체(110); 상기 몸체(110)의 제1 면에 배치되어 상기 몸체(110)의 내부로 마이크로파를 방출하고, 상기 몸체(110)로부터 분리가 가능한 제1 마이크로파 모듈(120); 상기 몸체(110)의 제1 면에 대향하는 면인 제2 면에 배치되어 상기 몸체(110)의 내부로 마이크로파를 방출하고, 상기 몸체(110)로부터 분리가 가능한 제2 마이크로파 모듈(130); 및 상기 제1 마이크로파 모듈(120) 및 제2 마이크로파 모듈(130)에 의해 둘러싸인 건조 챔버;를 포함할 수 있다.
상기 몸체(110)는 프레임, 목재(10)를 지지하는 작업대(112), 상기 작업대(112)가 이동하는 통로를 제공하고 상기 프레임의 내부로부터 외부로 연결된 레일(113), 상기 프레임(111)의 제3 면에 배치된 투입구(114), 상기 투입구(114)를 개폐하는 도어(115), 건조 조건을 제어하는 제어부(116), 및 상기 제어부(116)를 포함할 수 있다.
작업대(112)는 건조 공정의 대상이 되는 목재(10)를 지지하는 역할을 수행한다. 작업의 편의를 위해 상기 지지대는 프레임으로부터 분리되어 이동하도록 구성될 수 있다. 상기 지지대는 목재(10)를 안정적으로 지지하기 위한 판을 포함할 수 있으며, 상기 판의 하부에 레일(113)을 이동하기 위한 바퀴를 더 포함할 수 있다.
도어(115)는 상기 투입구(114)를 개폐할 수 있다. 도 3을 참조하면 상기 도어(115)는 지지대와 물리적으로 연결되어 일체로 이동할 수 있다. 작업자는 도어(115)를 프레임의 외부 방향으로 이동함으로써 손쉽게 지지대를 프레임의 외부로 이동할 수 있다.
제어부(116)는 제1 마이크로파 모듈(120) 및 제2 마이크로파 모듈(130)의 동작을 제어함으로써 건조 조건을 제어할 수 있다. 제어부(116)는 제1 마이크로파 모듈(120) 및 제2 마이크로파 모듈(130)에 마이크로파의 방출 및 중단, 방출 시간, 마이크로파의 크기 등을 제어하는 명령을 송신할 수 있다. 이를 위해 제어부(116)는 제1 마이크로파 모듈(120) 및 제2 마이크로파 모듈(130)과 무선 또는 무선 통신을 수행할 수 있다. 상기 제어부(116)는 제1 마이크로파 모듈(120) 및 제2 마이크로파 모듈(130)로부터 마이크로파 발진기의 상태, 전력 소모량, 전압 등의 정보를 수신할 수 있으며, 건조 챔버 내부에 배치된 온도계로부터 온도를 수신 받을 수 있다. 제어부(116)는 상기 수신 받은 정보를 디스플레이로 송신하여 작업자가 모듈형 마이크로파 발생장치의 상태 및 건조 조건을 알 수 있도록 할 수 있다.
제1 마이크로파 모듈(120) 및 제2 마이크로파 모듈(130)은 몸체(110)의 제1 면 및 제2 면에 배치되어, 서로 마주보는 형태로 배치될 수 있다. 이를 통해 건조 챔버 내부가 전체적으로 일정한 마이크로파에 노출되도록 할 수 있으며, 목재(10)가 전체적으로 고르게 건조되도록 할 수 있다. 제1 마이크로파 모듈(120) 및 제2 마이크로파 모듈(130)은 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발진기 및 상기 마이크로파 발진기에서 방출된 마이크로파의 이동 경로를 제공하는 도파관을 포함한다. 상기 마이크로파 발진기 및 도파관은 마이크로파 발생 장치에서 일반적으로 사용되는 것일 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 제1 마이크로파 모듈(120) 및 제2 마이크로파 모듈(130)은 복수의 마이크로파 발진기 및 도파관을 포함할 수 있다. 상기 복수의 마이크로파 발진기는 상하 방향으로 이격하여 배치될 수 있다.
건조 챔버는 몸체(110)의 내부에 형성된 공간으로서, 목재(10)를 건조하는 공정이 수행되는 공간이다. 상기 건조 챔버(160)는, 상기 작업대(112), 도어(115), 제1 마이크로파 모듈(120) 및 제2 마이크로파 모듈에 의해 둘러싸여 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 랩핑부재로 감싼 목재에서 랩핑부재를 제거하는 단계 및 상기 랩핑부재를 제거한 목재 외피의 수분을 건조하는 단계를 수행한다.
상기 랩핑부재로 감싼 목재에서 랩핑부재를 제거하는 단계는, 상기 목재로부터 상기 랩핑부재의 적어도 일부를 제거하여 상기 목재의 외피에 형성된 수분막을 제거하는 단계, 및 상기 목재로부터 나머지 랩핑부재를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서 랩핑부재로 목재를 감싸기 때문에 랩핑부재 내부에는 고온의 많은 수분이 형성되어 있다(도 5 참조). 랩핑부재 전체를 목재에서 제거하는 경우 상기 수분에 의한 오염 또는 사고가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 수분을 안전하고 효율적으로 제거하기 위해 랩핑부재를 부분적으로 제거함이 바람직하다.
다음으로, 상기 랩핑부재를 제거한 목재 외피의 수분을 건조하는 단계를 수행한다. 상기 건조 방법은 특별히 제한되지 않으며, 목재를 상온에 방치하여 두는 자연 건조 방법일 수 있다. 마이크로파에 의해 가열된 목재는 온도가 높기 때문에 자연 건조에 의하더라도 목재 외피 및 내부의 수분이 빠르게 건조될 수 있다.
도 6은 라지에이타를 이용하여 건조한 목재의 단면을 도시한 것이다. 도 7은 랩핑부재를 사용하지 않고 마이크로파를 이용하여 건조한 목재의 단면을 도시한 것이다. 도 8은 본 발명의 실시 예를 따르는 마이크로파를 이용한 목재 건조 방법에 따라 건조한 목재의 단면을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면 라지에이타를 이용하여 건조한 목재의 경우 목재의 심부로부터 외부까지 굵은 균열이 발생함을 알 수 있다. 도 7을 참조하면 마이크로파를 이용하여 건조한 목재의 경우 라지에이타를 이용하여 건조한 목재에 생긴 균열에 비하여 얇은 균열이 다수 발생함을 알 수 있다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 마이크로파를 이용한 건조 방법을 수행한 경우 균열이 상당히 감소하였음을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
[부호의 설명]
10: 목재
11: 랩핑부재
110: 몸체
112: 작업대
113: 레일
114: 투입구
115: 도어
116: 제어부
120: 제1 마이크로파 모듈
130: 제2 마이크로파 모듈