탄화온도가 탄화보드의 표면온도에 미치는 영향

탄화보드를 제조하기 위하여 물푸레나무판재, 중밀도섬유판(MDF), 파티클보드(PB), 합판(PW)을 400 mm × 400 mm 크기의 시험편으로 재단한 후 실험용 탄화로를 사용하여 탄화온도 400~1100°C 로 100°C간격으로 승온하면서 탄화하였다. 이때 승온속도는 50°C/min.이며, 목표탄화온도에서 2시 간 동안 유지하였다. 표면온도 측정을 위하여 습도 65 ± 5%, 온도 20 ± 1°C에서 일주일간 조습처리 하 였다.

시간의 경과에 따른 탄화보드의 표면온도를 측정 하기 위하여 전기전압 조절장치에 실리콘 러버히터 를 연결하고, 20 V에서 60°C로 목표온도를 설정한 후, 온도센서를 이용하여 히터의 표면온도를 고정하 였다. 가열된 실리콘러버 히터 위에 시험편을 올려놓 고 그 위에 다른 온도센서를 부착하여 시간의 경과, 히터바닥온도의 변화 및 온도하강시간에 따른 표면 온도변화를 측정하였다. 이때 표면온도 측정은 실내 (20 ± 2°C)에서 Thermo Recorder (T and D Co., Ltd TR-71S)를 이용하여 측정하였다.

전기전압 조절장치에 실리콘 러버히터를 연결하 고 히터의 최고표면온도를 80°C로 고정하였다. 그 후 실리콘 러버히터 위에 시험편을 올려놓고 히터의 표면온도가 25°C에서부터 80°C까지 상승될 때 5°C 간격으로 각 시험편의 표면 온도 상승변화를 측정하 였다.

실리콘 러버히터의 표면온도를 60°C로 설정하고 그 위에 탄화온도 별로 탄화된 4종류의 탄화보드를 올려놓은 다음 3분 간격으로 30분 동안 탄화보드의 표면온도변화를 측정한 결과는 Figs. 1~4와 같다.

탄화온도별 탄화보드의 표면온도는 시간이 경과 함에 따라 경과시간 12분까지는 급격히 상승하다가 그 이후에는 완만한 상승을 보였고, 20분 이후부터 는 온도가 안정화되었다. 각 보드의 탄화온도에 따른 탄화보드의 30분 경과시간 후의 온도는 탄화 합판 의 경우 탄화온도 1100°C일 때 44.4°C, 탄화MDF는 900°C일 때 42.1°C, 탄화 원목은 1000°C일 때 43.4°C 그리고 탄화PB는 1100°C일 때 42.8°C로 탄 화온도가 900°C 이상일 때 표면온도 상승이 양호하 였다. Oh et al. (2003)이 낙엽송 톱밥으로 보드를 제조하고 수지함침 후 탄화하여 우드세라믹을 제조 한 다음 본 연구와 같은 방법으로 탄화온도별 표면 온도를 측정한 결과, 탄화온도 600°C시편은 52.5°C, 1000°C시편은 55.2°C이었다고 보고한 바 있다. 또한 Oh and Byeon (2004)이 소나무 간벌재로 제조된 우 드세라믹의 표면온도변화에서 측정시간 30분 후 에 탄화온도 600°C 시편은 48.3°C, 1000°C 시편은 57.9°C이었다고 하였다. 이러한 결과와 본 연구결과 에서의 온도차이는 우드세라믹 제조시 함침된 수지 가 탄화과정에서 유리질탄소(glassy carbon)로 변환 되어 열전도에 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다.

탄화 후 두께와 밀도에 따른 탄화보드의 온도변화 의 경우에도 Table 1에서 보는 바와 같이, 탄화 합판 은 탄화온도 1100°C일 때 0.34g/cm³, 탄화MDF는 1100°C일 때 0.45 g/cm³, 탄화 원목은 1000°C일 때 0.41 g/cm³ 그리고 탄화PB 는 900~1100°C일 때 0.54 g/cm³로 밀도가 클수록 표면온도가 높아 밀도 가 탄화보드의 온도상승에 영향을 미친 것으로 생각 된다. Nanoka et al. (1999)은 활엽수 MDF로 제조된 우드세라믹의 밀도에 따른 열전도율을 측정한 결과, 탄화온도 650°C 시편은 밀도가 0.32 g/cm³에서 0.82 g/cm³로 증가함에 따라 열전도율은 0.085 W/mk에서 0.259 W/mk로, 탄화온도 800°C시편은 밀 도가 0.40g/cm³에서 0.84g/cm³로 증가함에 따라 열전 도율은 0.113 W/mk에서 0.386 W/mk로 증가하였다 고 보고한바 있어, 열전도율은 밀도와 깊은 관계가 있음을 밝힌 바 있다.

표면온도 상승과 관련하여 Table 2에서 보는 바와 같이 표면온도가 최고일 때 시편의 두께는 탄화 합 판의 경우 1100°C일 때 7.86 mm, 탄화MDF는 900°C 일 때 6.55 mm, 탄화 원목은 1000°C일 때 7.23 mm, 그리고 탄화 파티클보드는 1100°C일 때 7.19 mm로 동일재료에서 탄화보드의 두께 또한 열전달 특성과 관련이 있는 것으로 생각된다. 그러나 탄화PB의 경 우 탄화온도 1100°C일 때 밀도가 0.54 g/cm³, 두께가 7.19 mm인데 30분 후의 표면온도는 42.8°C이었다. 반면, 탄화 합판의 경우 1100°C일 때 밀도가 0.34 g/cm³, 두께가 7.86 mm일 때 30분 후의 온도 44.4°C 였다. 이 결과로 볼 때 밀도와 두께가 적은데도 표면 온도는 낮아 각 원재료의 특성에 따라 탄화 후 밀도 및 두께 변화가 다양하여 다각적인 검토가 필요할 것으로 생각된다.

한편 탄화보드의 표면온도 하강 변화를 알아보기 위하여 상승변화 측정 후 실리콘 러버히터의 전원을 끄고 히터 표면온도를 하강시키면서 3분 간격으로 30분 동안 탄화보드와 히터의 온도 하강을 측정하여 시간의 경과에 따른 탄화보드의 열유지 정도를 조사 한 결과는 Figs. 5~8과 같다. 히터의 표면온도가 60°C에서 26.0°C로 하강함에 따라 4종류의 탄화보드 의 표면온도도 시간이 경과함에 따라 완만히 하강하 였다. 각 탄화보드의 탄화온도별 처음 최고온도와 30 분 후의 온도 차이는 탄화 합판 1100°C일 때 14.2°C, 탄화MDF 900°C일 때 12.9°C, 탄화원목 1000°C일 때 14.2°C, 그리고 탄화PB는 1100°C일 때 13.4°C로 가장 크게 나타나 온도상승속도와 하강속도는 거의 일치하는 것으로 판단된다.

또한 하강시간 30분 후 4종류 탄화보드의 표면온 도는 탄화온도별로 탄화합판은 26.8~30.2°C, 탄화 MDF는 29.1~30.9°C, 탄화원목은 28.0~29.7°C 그 리고 탄화PB는 28.7~31.1°C로 거의 일정하였으며, 탄화온도가 낮은 시편일수록 최고온도와 30분 후의 온도 차이는 적은 것으로 나타났다.

전체적으로 실리콘 러버히터의 표면온도보다 탄화 보드의 표면온도하강 속도가 느려 탄화보드가 비교 적 오랜 시간 열을 유지하고 있음을 알 수 있었다.

탄화온도별로 제조된 탄화보드를 실온에서 실리콘 러버히터 위에 올려놓고 실리콘 러버히터의 표면온 도를 25°C에 80°C까지 상승시키면서 탄화보드의 표면 온도 상승변화를 측정한 결과는 Figs. 9~12와 같다.

4종류 탄화보드 모두 히터 온도 50°C정도까지는 표면온도가 완만히 상승하다가 그 이후에는 급격히 상승하는 경향을 보였다.

시편의 밀도와 표면온도 상승과의 관계에서 탄화 합판의 경우 탄화온도 800°C일 때 밀도 0.34 g/cm³ 인 시편의 온도가 24.7°C에서 43.1°C로 큰 상승을 한 반면, 밀도가 0.28 g/cm³로 가장 작은 400°C로 탄 화된 시편은 표면온도가 24.2°C에서 33.8°C로 상승 하여 비교적 상승폭이 적었다. 탄화 MDF의 경우 탄 화온도 1000°C일 때 밀도 0.44 g/cm³인 시편의 온도 가 25.5°C에서 45.0°C로 가장 크게 상승하였으며, 탄 화온도 400°C일 때 밀도 0.39 g/cm³ 시편의 온도는 25.0°C에서 37.2°C로 가장 적게 상승하였다.

탄화PB의 경우 탄화온도 1100°C일 때 밀도 0.54 g/cm³인 시편의 온도가 23.9°C에서 42.6°C로 크게 상승하였으며, 탄화온도 900°C 이상의 시험편 표면 온도는 거의 비슷한 상승경향을 보였다. 이와 같이 실리콘 러버히터의 표면온도 상승에 따른 탄화보드 의 표면온도 상승도 밀도와 밀접한 관련이 있음을 알 수 있었다.