KR100661274B1 - 현미경분석을 이용한 목재의 수축성 예측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자현미경을 통해 목재의 수축과정과 방향에 따른 이방성을 신속 정확한 파악하여 목재의 치수변동을 예측함으로써, 목재를 더욱 효율적으로 사용할 수 있도록 한 현미경분석을 이용한 목재의 수축성 예측방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 시료의 횡단면을 현미경으로 관찰하는 과정과; 상기 저진공주사전자현미경 관찰과정을 통해 얻은 습윤상태와 전건상태의 화상으로부터 컴퓨터와 화상처리프로그램의 화상분석장치로 상기 시료의 횡단면 치수변동을 측정하여 수축률을 측정하는 계측과정을 실제 목재의 수축과 비교하여 실제 목재의 수축을 예측하는 과정; 으로 이루어지는 현미경분석을 이용한 목재의 수축성 예측방법에 있어서,

상기 시료의 횡단면을 현미경으로 관찰하는 과정은 저진공주사전자현미경을 이용하여 100배의 저배율로 설정하여 시료의 횡단면을 관찰하고, 상기 저진공주사전자현미경 관찰과정, 계측과정을 거쳐 얻어진 전자현미경 내의 탈습에 의한 목재의 수축률과, KSF 2203에서 규정하는 수축률시험방법에 따라 목재의 수축률을 측정한 결과의 상관 관계를 이용하여 더욱 우수한 목재의 치수변동 예측 데이터를 얻을 수 있도록 한 KSF 2203에서 규정하는 수축률 시험데이터와 비교분석 과정이 부가됨을 특징으로 한다.

현미경, 분석, 예측방법, 목재, 팽윤

Description

현미경분석을 이용한 목재의 수축성 예측방법{The Determination Method of shrinkage of wood by macroscopic analysis}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 블록도.

도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 블록도.

도 3은 본 발명의 습윤상태의 목재 횡단면 화상.

도 4는 본 발명의 전건상태의 목재 횡단면 화상.

본 발명은 전자현미경을 통해 목재의 수축과정과 방향에 따른 이방성을 신속 정확한 파악하여 목재의 치수변동을 예측함으로써, 목재를 더욱 효율적으로 사용할 수 있도록 한 현미경분석을 이용한 목재의 수축성 예측방법에 관한 것이다.

일반적으로 목재는 자체강도가 강하고 미관이 미려하며 사용 장소에 따라 다양한 두께 및 크기로 가공이 가능하다.

또한, 환경친화적인 재료이기 때문에 안심하고 사용할 수 있으며, 재활용이 가능하므로 자원이용의 효율성 측면에서도 우월하다.

그러나 목재는 주변의 수분조건에 따라서 수축, 팽윤이 발생하고 이러한 수축, 평윤은 수종 간, 수종 내 그리고 개체 간 변이를 나타내어 목재의 치수변동의 원인이 되며 재료로서의 단점으로 작용한다.

따라서 목재를 효율적으로 사용하기 위해서는 수종에 따른 목재의 수축과정과 방향에 따른 이방성을 신속, 정확하게 파악하여 치수변동을 예측하는 것이 무엇보다 중요하다.

이러한 목재의 수축성 예측하기 위해서는 전자현미경이 사용되는데 이때 사용되는 전자현미경이 저진공주사전자현미경이다.

즉, 저진공주사전자현미경(Low Vacuum Scanning Electron Micrography, LV-SEM; 이하 “저진공SEM”이라 함)이란 일반적인 고진공SEM에 저진공모드를 추가한 전자현미경을 말한다.

연와(煉瓦) 등과 같은 내화물은 조직이 다공성이어서 SEM에 시료를 삽입해도 목적하는 진공도에 도달시키기 어렵고 다공성이면서 절연물질이어서 시료표면을 도전성으로 만들기 위한 금속코팅이 필요하고 이렇게 하지 않으면 대전현상이 일어나서 관찰이 곤란해진다.

이러한 문제점을 해결한 것이 저진공SEM모드로서 저진공SEM은 입사전자와 잔류가스 분자의 상호작용을 이용하여 절연물 시료를 대전현상 없이 관찰할 수 있으며 분출가스가 많은 시료를 관찰하는 것이 가능하다.

저진공SEM과 고진공SEM 모두 전자총실과 전자렌즈부분의 경통은 10­⁴Pa정도의 고진공을 유지하고 있으며 저진공SEM의 경우, 시료실 부분의 orifice를 조절하여 시료실의 진공도가 조절가능하게 되어 있다.

통상 10-15 KeV로 가속된 입사전자는 대물렌즈 하단의 오리피스를 통과하여 저진공시료실로 들어가고, 그 후, 입사전자는 시료실에 잔류하는 가스분자와 충돌하여 분자를 이온화하면서 시료에 입사한다.

또한, 시료표면에서 방출된 비교적 고에너지 전자도 잔류가스 분자와 충돌하여 분자를 이온화한다.

한편, 절연물 시료표면은 입사전자의 전하가 남아서 - 로 대전하려고 하지만 시료실 내에 발생한 양이온이 - 전하를 끌어들여 대전을 방지한다.

시료에서 방출된 전자는 저에너지의 2차 전자와 입사전자가 시료 내부에서 에너지를 잃기 전에 다시 진공 중으로 날아든 비교적 고에너지의 전자(반사전자)가 있다.

고진공SEM에서는 2차 전자를 검출해서 형태관찰을 하지만 2차 전자검출기에는 2차 전자부족으로 고전압이 걸려있는데 10­⁴Pa정도의 고진공에서는 사용가능하지만, 저진공에서는 방전 때문에 고전압을 사용할 수 없다.

저진공SEM에서는 2차 전자 이외에 반사전자를 검출하는 방식으로 화상을 만들어 낸다.(반사전자검출기로는 반도체검출기, YAG검출기, Robinson검출기 등이 있다.)

따라서 저진공SEM에서는 2차 전자만을 사용하는 고진공SEM에서는 불가능한 함수목재의 관찰이 가능해지고, 저진공에서도 수분의 탈습이 발생하고 시료표면에 전자가 입사하여 가열되므로 함수상태에서 전건상태로의 변화가 빠르게 일어나서 목재 수축과정을 관찰하는 것이 가능해진다.

한편, 저진공SEM을 이용하여 목재수축을 관찰하는 기술은 일본의“규슈대학 산림과학부”에서 논문으로 발표한 바 있으나 “고배율로 세포단위의 변화”를 보고하고 있다.

그러나 목재의 수축은 목재를 이루는 수많은 세포가 모두 동일한 양상으로 수축하는 것이 아니고 미세한 부위차이로 양상이 달라지기 때문에 고배율로 세포의 수축을 평가하는 것은 목재수축의 경향을 개략적으로 예측할 수는 있으나, 실제 목재의 수축을 예측하기 위해서는 반복수를 크게 늘려야 하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 저진공SEM 내에서 저배율을 적용해서 실제 목재의 수축과정과 방향에 따른 이방성을 신속 정확하게 파악하여 목재의 치수변동을 예측함으로써, 목재를 더욱 효율적으로 사용할 수 있도록 한 현미경분석을 이용한 목재의 수축성 예측방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 시료의 횡단면을 현미경으로 관찰하는 과정과; 상기 저진공주사전자현미경 관찰과정을 통해 얻은 습윤상태와 전건상태의 화상으로부터 컴퓨터와 화상처리프로그램의 화상분석장치로 상기 시료의 횡단면 치수변동을 측정하여 수축률을 측정하는 계측과정을 실제 목재의 수축과 비교하여 실제 목재의 수축을 예측하는 과정; 으로 이루어지는 현미경분석을 이용한 목재의 수축성 예측방법에 있어서,
상기 시료의 횡단면을 현미경으로 관찰하는 과정은 저진공주사전자현미경을 이용하여 100배의 저배율로 설정하여 시료의 횡단면을 관찰하고, 상기 저진공주사전자현미경 관찰과정, 계측과정을 거쳐 얻어진 전자현미경 내의 탈습에 의한 목재의 수축률과, KSF 2203에서 규정하는 수축률시험방법에 따라 목재의 수축률을 측정한 결과의 상관 관계를 이용하여 더욱 우수한 목재의 치수변동 예측 데이터를 얻을 수 있도록 한 KSF 2203에서 규정하는 수축률 시험데이터와 비교분석 과정이 부가됨을 특징으로 한다.

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도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 블록도이고, 도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 블록도이며, 도 3은 본 발명의 습윤상태의 목재 횡단면 화상이고, 도 4는 본 발명의 전건상태의 목재 횡단면 화상을 각각 도시한 것으로서, 이하 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 현미경분석을 이용한 목재의 수축성 예측방법은, 세포수준의 수축거동을 검토하기 위하여 전자현미경관찰용 시료 제작과정과, 배율을 관찰이 용이한 적당한 수치로 설정한 다음 시료의 횡단면을 관찰하는 저진공주사전자현미경 관찰과정과, 상기 저진공주사전자현미경 관찰과정을 거쳐서 얻어진 화상들을 분석장치(adobe photoshop)로 치수를 계측하여 포수상태와 전건상태의 치수변화를 측정하는 측정과정으로 이루어진다.

이를 구체적으로 살펴보면, 먼저 시료 제작과정은, 세포수준의 수축거동을 검토하기 위하여 전자현미경관찰용 소시료를 제작하는 과정으로서 시료의 형상은 약 8(T)×8(R)×10(L)㎜로 하되 지지대와 시험편의 접착부분이 표면 수축에 영향을 미칠 가능성을 배제하기 위하여 시료의 길이를 최대한 길게 제작하여 접착부의 영향을 최소화한다.

이때, 제작된 시료는 현미경관찰이 용이하도록 마이크로톰(microtome)으로 수차례 절삭하여 관찰면을 평활하게 조정한 다음 이 시료를 감압수조에 수침시켜 증류수를 감압 주입하는 방법으로 내부에 물이 차 있고 표면은 마른 상태의 포수상태(飽水狀態)가 되게 한다.

여기서 상기 마이크로톰은, 얇은 조각을 만드는 기계로서 생체(生體)의 조직 등을 현미경으로 검사하기 위해 얇게 자를 때 사용한다.

이 기계에는 메스가 달려 있어 이동할 때마다 재료를 자르도록 장치되어있고, 잘린 조각의 두께는 보통 2~3㎛이다.

한편, 시료의 제작형상의 설명 시 8(T)×8(R)×10(L)㎜ 로 설명한 바 있다.

이때, 괄호 안에 표시된 기호 T는 접선방향(tangential direction), R은 방사방향(radial direction), L은 섬유방향(longitudinal direction)을 나타낸다.

즉, 접선방향은 목재의 나이테(연륜)에 접선이 되도록 절단한 면이며, 방사 방향은 목재 중심부의 수(pith)를 통과하여 방사방향으로 절단한 면이고, 섬유방향(횡방향)은 목재 축의 직각방향으로 절단한 면이다.

다음 과정인 저진공주사전자현미경 관찰과정은, 상기 시료 제작과정의 다음 과정으로서 이때 사용되는 현미경은 일본전자제 주사전자현미경(日本電子製 走査電子顯微鏡(JSM-5600LV))이 이용되며, 100배의 저배율로 설정하여 시료의 횡단면을 관찰한다.

즉, 먼저 감압수조에서 포수상태에 도달한 시료를 액체질소와 증류수에 수차례 교호로 침적시켜 시료표면에 얼음이 발생하도록 처리하며, 이와 같은 처리는 경통 내의 빠른 탈습조건에서 습윤상태를 얼마 동안 유지시키기 위한 것이다.

그리고 시료표면에 얼음이 어는 즉시 경통에 넣어 저진공 모드에 의한 저진공주사전자현미경 관찰이 이루어진다.

얼음으로 둘러싸인 시료를 경통에 넣고, 경통 내의 탈습작용에 의해 시료를 둘러싼 얼음이 녹아서 목재표면이 노출되어 관찰가능하게 된 직후의 화상을 습윤상태가 되게 한다.

이때, 시료가 급속도록 건조되는 것을 방지하기 위하여 경통 내의 압력을 가능한 높게 유지하며, 점점 압력을 낮추어 충분히 탈습시킨 후의 건조상태의 화상을 얻게 한다.

다음 과정인 계측과정은, 상기 저진공전자현미경 관찰과정을 통해 얻은 습윤상태와 목재 속에 수분이 전혀 없는 전건상태(全乾狀態)의 화상으로부터 컴퓨터와 화상처리프로그램(Adobe photoshop)의 화상분석장치(adobe photoshop)로 치수를 계측하여 포수상태와 전건상태의 치수변화를 측정하여 목재 수축률을 측정한다.

한편, 도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 블록도로서, 상기 시료 제작과정과 저진공주사전자현미경 관찰과정 및 계측과정을 거쳐 전자현미경 내의 탈습에 의해 얻어진 목재의 수축률과, KSF 2203에서 규정하는 수축률시험방법에 따라 목재의 수축률을 측정하여 이 결과들을 서로 비교 분석하여 이들의 상관관계를 이용하여 더욱 우수한 목재의 치수변동 예측 데이터를 얻을 수 있도록 한 KSF 2203에서 규정하는 수축률 시험데이터와 비교분석 과정이 부가된 것이다.

상기 KSF 2203 규정은 수축률시험방법을 규정하는 일반적인 사항이므로 상세한 설명은 생략한다.

도 3 내지 4는 저진공주사전자현미경 관찰을 통해 얻어진 포수상태와 전건상태의 목재횡단면의 변화를 나타내고 있는데, 비교적 짧은 시간 내에 탈습에 의한 치수변화를 부위별, 방향별로 정확하게 관찰할 수 있다.

종래의 프레파라트(preparator)를 이용한 세포단위에서의 습윤, 건조상태의 관찰은 시편 채취가 어렵고, 처리과정에서 약품의 영향을 받을 가능성 때문에 관측결과에 오차가 발생할 가능성이 있다.

또한, 목재블록상태에서 레플리카(filmy replica method)를 이용한 관찰도 레플리카의 변형에 의한 영향을 배제할 수 없다.

그러나 저진공주사전자현미경의 탈습을 이용할 경우 짧은 시간 내에 측정이 가능하며, 습윤상태의 시편을 그대로 관찰할 수 있어 시편의 변형을 유발할 요소가 적기 때문에 정확한 관측이 가능하다.

또한, 목재 블록상태에서는 측정이 곤란한 봄철에서 여름철에 걸쳐서 형성되는 목질부인 춘재(春材), 늦은 여름부터 늦은 가을까지의 동안에 형성되는 목질의 부분인 추재(秋材) 등의 부위에 따르는 변형의 관찰이 가능하여 실제 목재의 수축메커니즘과 목재의 횡단방향수축이방성 등을 파악하는 것을 이용해질 것으로 사료된다.

저진공주사전자현미경 내의 탈습에 의한 수축률과 목재시험편의 수축률을 비교하기 위하여 목재 수축률을 측정한 결과는 표 1과 같다.

표 1. LV-SEM의 탈습에 의한 수축과 실제 목재의 수축의 비교(douglas-fir)

	전건비중	생재비중	방사방향수축률	접선방향수축률
목재	0.40	0.44	3.48	5.20
춘재			3.53	5.95
추재			3.38	6.29

상기 표에서 알 수 있는 바와 같이, douglas-fir의 수축률은 방사방향에서 약 3％, 접선방향에서 약 5％이었다.

현미경 경통 내의 탈습에 따른 횡단방향수축은 방사방향에서 3％ 정도, 접선방향에서 6％ 정도로 목리방향에 따른 차이를 나타낸다.

따라서, 춘재와 추재 간에는 방사방향에서는 춘재가 컸지만 차이가 작았고, 접선방향에서는 추재의 수축이 약간 크게 나타났으며 실제 목재의 수축양과 거의 일치하여 현미경을 이용한 수축과 치수변동예측이 가능하다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명은, 목재의 수축과정과 방향에 따른 이방성을 신속, 정확하게 파악하여 치수변동을 예측함으로써 치수변동이 적고 수축이방성이 적은 수종, 사용 환경 내에서의 평행함수율변화에 최적한 수종을 탐색하는 것이 가능해지는 효과가 있다.

또한, 이와 같은 과정을 통하여 목재의 재료로서의 가치를 제고하고 목제품을 생산하는 과정에서의 부가가치를 더욱 높이는 한편, 목재 연구자들에게는 지금까지 치수변동 파악에 커다란 장애요소이었던 시간적 문제를 개선할 수 있고 실제 목재수축에서는 관찰할 수 없는 미세한 부위 간 차이와 수축이방성의 원인 등에 대한 기초적 해석과 접근이 가능해져 목재의 수축, 팽윤에 대한 이해와 목재 치수변동을 최소화하려는 기술에 크게 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 시료의 횡단면을 현미경으로 관찰하는 과정과; 상기 저진공주사전자현미경 관찰과정을 통해 얻은 습윤상태와 전건상태의 화상으로부터 컴퓨터와 화상처리프로그램의 화상분석장치로 상기 시료의 횡단면 치수변동을 측정하여 수축률을 측정하는 계측과정을 실제 목재의 수축과 비교하여 실제 목재의 수축을 예측하는 과정; 으로 이루어지는 현미경분석을 이용한 목재의 수축성 예측방법에 있어서,

   상기 시료의 횡단면을 현미경으로 관찰하는 과정은 저진공주사전자현미경을 이용하여 100배의 저배율로 설정하여 시료의 횡단면을 관찰하고, 상기 저진공주사전자현미경 관찰과정, 계측과정을 거쳐 얻어진 전자현미경 내의 탈습에 의한 목재의 수축률과, KSF 2203에서 규정하는 수축률시험방법에 따라 목재의 수축률을 측정한 결과의 상관 관계를 이용하여 더욱 우수한 목재의 치수변동 예측 데이터를 얻을 수 있도록 한 KSF 2203에서 규정하는 수축률 시험데이터와 비교분석 과정이 부가됨을 특징으로 하는 현미경분석을 이용한 목재의 수축성 예측방법.
2. 삭제.

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