KR100781932B1 - 천연원목의 외관 및 질감을 가진 합성목재판 패널의 연속식제조방법 및 제조장치 - Google Patents

천연원목의 외관 및 질감을 가진 합성목재판 패널의 연속식제조방법 및 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 합성수지 메트릭스에 목섬유가 균일하게 분산되도록 수지 복합체를 압출 및 냉각하여 패널의 형태로 제조하는 패널 제조 공정, 패널의 표면에 천연원목의 절개면에 상응하는 나무무늬를 소정의 심도로 형성하는 엠보싱 공정, 및 상기 패널 표면의 일부 합성수지 층을 제거함으로써 소정의 심도로 선상의 미세요철을 형성하는 브러싱 공정을 포함하는 것으로 구성되어 있는 합성목재판 패널의 제조방법과, 이를 효율적으로 실행할 수 있는 합성목재판 제조장치를 제공한다.
본 발명에 따른 합성목재판 패널의 제조방법은, 합성목재 표면에 직접 천연원목의 절개면과 같은 외관과 질감을 가지는 나무무늬를 구현하면서, 동시에 목섬유와 합성수지로 이루어진 소재 자체의 장점을 극대화할 수 있다. 또한, 압출 후 소정의 크기로 재단한 패널을 표면처리를 위하여 또다시 후가공하는 종래의 공정을 생략하여 압출 속도에 영향을 받지 않고 압출 공정상에서 직접 표면처리 함으로써 후가공으로 인한 제조 원가 상승을 최소화할 수 있다.

Description

천연원목의 외관 및 질감을 가진 합성목재판 패널의 연속식 제조방법 및 제조장치 {In-line Process for Preparing Wood Plastic Composite Panel with the Appearance and Texture Similar to Natural Lumbers and Apparatus therefore}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성목재판 제조장치의 일련의 구성에 대한 모식도이다;
도 2는 도 1에서 표면처리장치에 대한 모식도이다;
도 3은 도 2에서 엠보롤의 하나의 예시적인 내부 구조에 대한 부분 모식도이다;
도 4a 및 도 4b는 도 2에서 브러싱 롤에 의해 패널의 상하부면과 양측면에 대해 브러싱 공정을 행하는 모식도들이다;
도 5a는 실시예 1에서 표면에 원목 절개 무늬의 엠보싱 구조를 형성한 패널의 평면 사진이고, 도 5b는 엠보싱 구조에 다시 선상 미세요철 구조를 형상한 패널의 평면 확대 사진이다;
도 5c 및 도 5d는 실시예 1에서 합성목재판을 측면에서 촬영한 평면 사진과 단면 확대 사진이다.
본원발명은 천연원목에 유사한 외관 및 질감을 가진 합성목재판 패널을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 합성수지 메트릭스에 소정의 크기를 가진 목섬유가 고르게 분산되도록 수지 복합체를 압출 및 냉각하여 패널의 형태로 만든 후, 상기 패널의 표면에 천연원목에 상응하는 나무무늬를 가열 및 가압하여 형성하는 엠보싱 공정과 선상의 미세요철을 형성하는 브러싱 공정을 연속적으로 행하여 천연원목의 외관 및 질감에 비견되는 합성목재판 패널을 제조하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
천연원목을 이용한 건축자재는 물 및 햇볕 등으로 인해 쉽게 본래의 형태나 질감에 손상을 입는 단점을 가지고 있다. 따라서, 이러한 천연 원목이 가지는 단점을 보완할 수 있는 합성목재 개발에 관한 연구가 많이 이루어져 왔다. 이러한 합성목재는 과립 또는 펠릿(Pellet) 형태의 목섬유와 합성수지를 일정 배율로 혼합하고, 제품 용도에 따라 각종 첨가제를 추가로 혼합하여, 압출 또는 사출 등의 공정을 이용하여 패널 판넬 혹은 판재형태의 제품으로 만들어진다.
그러나, 이렇게 제조된 합성목재판은 압출 후 수지 복합체의 메트릭스 성분인 합성수지가 판재의 표면 상에 외층을 형성함으로써, 필러로서의 목섬유의 사용에도 불구하고, 플라스틱 특유의 오일성 촉감과 높은 광택으로 인해 원목 고유의 외관과 질감을 발휘하지 못한다. 따라서, 이러한 합성목재판의 단점을 해결하기 위한 다양한 노력들이 많이 있어 왔다.
따라서, 합성목재판에서 천연원목 고유의 외관 또는 표면 질감을 표현하기 위한 시도로서, 예를 들어, 서로 다른 색깔을 갖는 안료를 이용한 공압출을 이용하는 방식, 손으로 직접 나무무늬를 가공하는 방식, 나무무늬를 전사, 인쇄하는 등의 방식, 원목 또는 인공 소재의 나무무늬를 가진 필름을 적층(Lamination)하는 방식 등이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방식들은 일반적으로 제조공정이 복잡하고 일부의 경우 내구성에 문제가 있는 등의 단점을 가지고 있다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로 합성목재의 표면에 천연원목의 절개면과 가장 유사한 질감을 주기 위한 새로운 방법들이 제안되었다. 그 대표적인 예로서, 동력 전달 장치를 이용하여 일정 방향으로 진행하는 합성목재의 수직방향 상부에서 판재 표면 방향으로 일정한 음각 및 양각의 무늬가 각인된 원형의 롤을 이용하여 가압 또는 고속회전에 의해 반복되는 엠보싱 형태의 무늬를 형성시키는 방법이 있다. 이러한 엠보싱 형태의 나무무늬를 표면에 형성하는 방법은 압출된 패널을 소정의 크기로 절삭한 후 행해지기도 한다.
그러나, 이러한 합성목재판은 나무무늬와 유사한 문양을 표면에 제공하기는 하지만, 높은 광택도를 나타내며 손으로 만졌을 때 합성수지 특유의 오일성 촉감을 유발하므로, 나무의 문양을 제외하고는 천연원목의 고급스러운 외관과 질감을 제공함에 한계가 있다.
일반적으로 원목을 직접 가공하여 만든 천연목재판의 경우, 그것의 표면을 매끄럽게 처리하였을 때 우수한 외관 및 질감을 제공하므로, 건축물의 실내외 장식 에 사용되는 천연목재판은 정교한 표면처리를 행한 높은 상품성의 제품들이 사용된다. 그와 같이 표면처리된 천연목재판은 아름다운 나무무늬를 나타낼 뿐만 아니라, 촉감이 매끄럽고 부드러우며, 적당한 광택도로 인해 나무 문양의 표현에도 무리가 없다. 이는 나무를 구성하는 셀룰로우즈 고분자의 독특한 물성과 천연원목 조직의 복합적인 작용으로 나타난다.
반면에, 합성목재를 천연목재처럼 매끈하게 표면처리하는 경우에는 높은 광택과 합성수지의 특유의 오일성 촉감 등을 나타낸다.
따라서, 합성수지와 목섬유로 이루어진 수지 복합체를 재료로 사용하면서도 저렴한 비용은 천연원목의 절개면과 유사한 외관 및 질감 등을 표현할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 첫 번째 목적은 잉크젯 프린팅, 롤 프린팅 등의 인쇄방법, 절삭한 원목판재에 장식 시트(Decoration Sheet) 등을 적층하는 등의 후가공 방법을 배제하고, 합성목재 표면에 직접 천연원목의 절개면과 같은 외관과 질감을 가지는 나무무늬를 구현하면서, 동시에 목섬유와 합성수지로 이루어진 소재 자체의 장점을 극대화할 수 있는 합성목재판 패널의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은 압출 후 규격화된 크기로 재단한 패널을 표면처리 를 위하여 또다시 후가공하는 종래의 공정을 생략하여 압출 속도에 영향을 받지 않고 압출 공정상에서 직접 표면처리 함으로써 후가공으로 인한 제조 원가 상승을 최소화할 수 있는 합성목재판 패널의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 세 번째 목적은 상기 방법을 효과적으로 수행할 수 있는 합성목재판의 제조장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 합성목재판 패널의 제조방법은,
(a) 합성수지 메트릭스에 목섬유가 균일하게 분산되도록 수지 복합체를 압출 및 냉각하여 패널의 형태로 제조하는 패널 제조 공정;
(b) 상기 단계(a)의 연속 공정으로 패널의 표면에 천연원목의 절개면에 상응하는 나무무늬를 소정의 심도로 형성하는 엠보싱 공정; 및
(c) 상기 단계(b)의 연속 공정으로 상기 패널 표면의 일부 합성수지 층을 제거함으로써 소정의 심도로 선상의 미세요철을 형성하는 브러싱 공정;
을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 제조방법은 패널의 표면에 프린팅, 시트 적층 등을 행하지 않고 천연원목의 절개면에 상응하는 외관 및 질감을 구현하며, 패널 제조 공정, 엠보싱 공정 및 브러싱 공정을 연속적으로 진행함으로써, 패널을 판재의 형태로 절단(재단)하기 전에 표면처리 공정을 모두 진행하여 전체 공정을 크게 단축 할 수 있다는 특징을 갖는다.
본 발명에서의 용어 "연속 공정"이란, 패널(panel)이 제조공정으로부터 분리됨이 없이 일련의 과정이 진행된다는 의미로 사용되고 있으므로, 공정의 최적화를 위해 일부 단계들이 그 사이에 추가되는 것을 배제하는 것은 아니다. 따라서, 이후 설명하는 바와 같이, 예를 들어, 엠보싱 공정 이전에 패널을 예열하는 공정이 추가될 수 있으며, 브러싱 공정 이전에 패널을 냉각하는 공정이 추가될 수 있음을 포함하는 의미로 사용되고 있다.
본 발명에 따른 제조방법은 또한, 패널의 표면에 소정의 심도로 원목 절개면 무늬의 엠보싱 구조와 소정 심도의 선상 미세요철 구조를 함께 형성한다는 점에 특징이 있다.
본 발명자들은 다양한 실험과 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 합성수지를 기반으로 한 수지 복합체 패널의 표면에 상기와 같은 엠보싱 구조와 선상 미세요철 구조를 함께 형성하는 경우에는, 놀랍게도 천연원목의 절개면과 다른 표면 구조에도 불구하고 그에 상응하는 외관과 질감을 제공할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 제조방법은 또다른 측면에서 신규한 구조의 합성목재판을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 단계(a)에서, 압출되는 수지 복합체는 메트릭스 성분으로의 합성수지와 필러로서의 목섬유로 이루어져 있다. 상기 합성수지는 목섬유와의 상용성이 우수하고 그 자체로서 우수한 강도와 내구성을 제공하는 고분자라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등의 폴리올레 핀계 고분자가 사용될 수 있다.
상기 목섬유는 천연원목이나 재활용 나무 등을 과립, 펠릿 등의 형태로 작게 분쇄한 목분과, 기타 천연섬유(예를 들어, Hemp, Flex, Jute, Kenaf, Cellulose 등)을 일정한 길이로 절단한 단섬유 등을 모두 포함하는 개념이며, 합성목재판의 용도에 따라 달라질 수는 있지만, 바람직하게는 수지 복합체 전체 중량을 기준으로 대략 20 내지 80 중량%, 바람직하게는 30 내지 50 중량%로 사용될 수 있다. 다만, 목섬유의 함량이 너무 적은 경우에는 합성수지의 함량이 지나치게 많아져서 천연원목에 상응하는 외관 내지 질감을 제공하기 어렵고, 반대로 너무 많은 경우에는 합성수지의 함량 감소로 인한 목섬유 상호간의 결합력 저하로 소망하는 정도의 강도 및 내구성을 제공하기 어렵다.
목섬유의 크기는 20 내지 300 메쉬, 바람직하게는 90 내지 150 메쉬이다. 목섬유의 크기가 너무 큰 경우에는 패널의 강도 저하 등의 문제점을 유발할 수 있고, 반대로, 목섬유의 크기가 너무 작은 경우에는, 수지 복합체에서의 분포가 균일하지 못하며, 특히 이후 설명하는 바와 같은 엠보싱 구조 및 미세요철 구조에도 불구하고 소망하는 외관과 질감을 제공하지 못한다.
일반적으로 용융 압출 공정에서 합성수지는 펠릿의 형태로 호퍼에 부가된 후 가열된 압출기에서 용융되어 기타 성분들과 혼합되므로, 본 발명의 수지 복합체는, 예를 들어, 합성수지 펠릿과 목섬유를 각각 호퍼에 첨가하여 압출기에서 혼합한다.
상기 수지 복합체에는 용도에 따라 다양한 성분들이 첨가될 수 있다. 대표적으로는, 원목의 종류별도 다양한 색상을 제공할 수 있도록 수지 복합체 전체 중 량을 기준으로 1 내지 5 중량%의 안료가 첨가될 수 있으며, 그 중에서도 햇빛 등에 의해 변색의 가능성이 적어 고유의 색상을 오랫동안 유지할 수 있는 무기계 안료가 특히 바람직하다. 이러한 안료는 단독으로 사용될 수도 있지만, 경우에 따라서는 둘 이상의 조합으로 사용됨으로써 다양한 색상을 표현할 수도 있다.
안료는 바람직하게는 마스터 배치(e.g., 펠릿)의 형태로 주호퍼 또는 부호퍼를 통해 주입될 수 있으며, 안료-함유 마스터 배치의 수지는 메트릭스 성분의 합성수지와 동일하거나 다를 수 있다. 바람직하게는 메트릭스 성분의 합성수지와 동일한 수지에 무기계 안료를 첨가한 마스터 배치의 형태로 본 발명의 제조방법에 사용될 수 있다.
하나의 예로서, 메트릭스 성분의 합성수지는 1.0 내지 10.0의 용융지수(Melt Index: M.I.)를 가지고, 안료-함유 마스터 배치의 수지는 1 내지 30의 용융지수를 가지며, 주호퍼(Main Hopper)를 통해 함께 공급되어 압출기 배럴(Barrel)의 용융온도 또는 배럴 내부의 스크루에 의한 기계적 혼합에 의해 균일하게 혼합됨으로써, 천연원목의 수종에 따른 절개면의 색상을 구현할 수 있다.
경우에 따라서는, 주호퍼를 통해 공급되는 안료-함유 마스터 배치(A)의 수지보다 낮은 용융지수의 수지에 상기 안료와는 다른 색상의 안료가 함유된 마스터 배치(B)를 부호퍼(Side Hopper)를 통해 공급함으로써, 마스터 배치(B)의 안료 색상이 마스터 배치(A)의 안료 색상과 완전하게 혼합되지 않고 비균질한 경계를 이루는 패널을 제조할 수도 있다.
패널의 제조를 위한 압출(Extrusion) 및 냉각 성형(Calibration and Cooling)은 통상의 방식으로 진행할 수 있다.
바람직하게는, 압출기 다이에서 나오는 패널을 인취기 등의 동력 전달 장치를 이용하여 엠보싱 공정으로 이송한다.
상기 단계(b)의 엠보싱 공정은 원목을 절개하였을 때의 단면에 나타나는 나무무늬("원목 절개면 무늬")를 양각 및 음각의 엠보싱 구조로 패널의 표면에 형성하는 제 1 표면처리 공정이다. 이러한 공정은 바람직하게는 원목 절개면 무늬가 표면에 각인되어 있는 엠보롤을 패널의 표면에 가열 가압함으로써 달성될 수 있다.
원목 절개면 무늬를 패널의 표면에 형성하기 위해서는 패널의 표면을 그것의 융점 전후의 온도로 가열하여야 하는 바, 이는 가열식의 엠보롤에 의해 가압과 동시에 가열을 행함으로써 달성될 수 있다.
경우에 따라서는, 순간적인 가열로 인한 표면 상태의 변질 및/또는 변형을 막기 위하여 엠보싱 공정 이전에 소정의 온도로 가열하는 예열공정을 추가할 수 있다. 일반적으로, 메트릭스 수지로서 폴리올레핀을 사용할 때의 수지 복합체의 용점은 대략 120 ~ 180℃ 이므로, 상기 예열은 가열식 엠보롤에 의해 목적하는 온도에 용이하게 도달할 수 있도록 대략 100 내지 200℃가 바람직하다.
이러한 예열공정은 다양한 수단에 의해 달성될 수 있으며, 바람직하게는 적외선 히터를 사용할 수 있다. 가열식 엠보롤은 작은 접촉 계면으로 패널과 접하면서 열을 전달하지만, 예열은 넓은 면적의 면상 가열 방식으로 행할 수 있으므로, 가열식 엠보롤에 의한 급속 가열의 부담을 줄이고 고른 가열이 가능할 수 있는 장점도 있다.
엠보싱 공정에서 형성되는 엠보싱 구조의 심도(depth)는, 엠보롤의 표면에 각인된 형상의 심도가 동일한 경우에도, 엠보롤의 온도, 압력, 회전속도 등 다양한 요소들에 의해 달라질 수 있으므로, 이들을 적절히 조절하여 소망하는 심도를 얻을 수 있다.
바람직하게는, 엠보싱 공정 이후에 패널을 냉각시키는 냉각 공정을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 냉각 공정은 압축 공기에 의한 공냉 방식, 물에 의한 수냉 방식 등 다양할 수 있다.
상기 단계(c)에서, 브러싱 공정은 엠보싱 구조가 형성된 패널의 표면에서 일부 합성수지층을 제거하여 선상 미세요철들을 형성함으로써 소정의 표면 거칠기 및 낮은 광택의 패널을 제공하는 제 2 표면처리 공정이다. 이러한 공정은 바람직하게는 소정의 굵기 및 길이를 가진 다수의 철심들이 규칙적 또는 불규칙적으로 외면에 형성되어 있는 브러싱 롤을 패널의 표면 상에 고속 회전시킴으로써 달성될 수 있다.
브러싱 공정에 의해, 패널 표면의 일부 합성수지층이 제거되고 경우에 따라서는 목섬유들이 외부로 노출되며, 브러싱 롤의 회전 방향으로 패널의 표면에는 선상 미세요철 구조가 형성된다. 선상 미세요철 구조의 심도는 철심의 굵기, 길이, 롤의 회전속도, 패널과 롤의 거리 등 다양한 요소에 의해 결정될 수 있다.
브러싱 공정은 패널의 상부면에 주로 행해지지만, 경우에 따라서는 하부면 및/또는 측면에 대해서도 행해질 수 있다.
패널의 엠보싱 구조는 천연원목 절개면의 아름다운 무늬를 제공하기는 하지 만, 합성수지 복합체의 특유한 물성으로 인해 이러한 엠보싱 구조만으로는 천연원목의 절개면에 상응하는 외관과 질감을 제공할 수 없다. 따라서, 브러싱 공정에 의해 선상 미세요철 구조가 엠보싱 구조 상에 형성됨으로써 상기 엠보싱 구조의 일부 표면 구조가 변경되지만, 그로 인해 얻어지는 복합적인 구조는 합성수지 복합체의 근본적인 단점을 보완하면서 천연원목의 절개면에 상응하는 외관과 질감이 발현될 수 있게 해 준다.
반면에, 엠보싱 공정없이 브러싱 공정에 의해 선상 미세요철 구조만을 패널의 표면에 형성하는 경우에는 합성수지의 특유한 물성을 많이 희석시킬 수는 있지만, 천연원목의 고유한 물성, 특히, 아름다운 외관을 제공하지 못한다. 더욱이, 이러한 엠보싱 구조와 선상 미세요철 구조는 하기와 같은 특정한 조건을 만족할 때 소망하는 효과를 얻을 수 있는 것으로 확인되었다.
구체적으로, 엠보싱 구조의 평균 심도가 200 내지 900 ㎛, 바람직하게는 500 내지 600 ㎛ 이고, 선상 미세요철 구조의 평균 심도가 10 내지 500 ㎛, 바람직하게는 200 내지 300 ㎛이면서, 표면에 대해 60°(입사각)의 광 입사시 10 내지 50%, 바람직하게는 10 내지 30%의 반사율을 가질 때, 소재로서 합성수지에 기반한 수지 복합체를 사용함에도 천연원목에 비견되는 외관 및 질감이 얻어질 수 있다.
상기 엠보싱 구조의 심도가 너무 작거나 큰 경우에는, 엠보싱 구조에서 돌기들 상호간의 간격이 너무 좁거나 넓어져서, 합성수지의 오일성 촉감이 커지고 표면의 광 반사율이 높아져, 천연원목의 외관 및 질감을 발휘하게 못하게 된다.
또한, 상기 미세요철 구조의 심도가 너무 작은 경우에는 합성수지의 오일성 촉감을 제거하는 효과가 적고, 반대로 너무 크면 천연원목의 무늬에 상응하는 문양에 대한 훼손도가 커져서 바람직하지 않다.
상기 미세요철 구조는 원목 절개면 무늬의 엠보싱 구조와는 달리 선상(linear)의 형태로 표면에 부가된다. 바람직하게는 원목 절개면 무늬 중 나무결에 평행하게 부가될 수 있다.
상기 엠보싱 구조와 미세요철 구조로 인해 얻어지는 상기 광 반사율이 너무 큰 경우에는 광택 증가로 인해 천연원목의 절개면에서와 같은 외관을 제공하기 어렵다. 반면에, 엠보싱 구조와 미세요철 구조의 심도를 크게 하는 경우 낮은 광 반사율을 얻을 수는 있지만, 그에 따라 표면 거칠기가 지나치게 커지므로 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 방법으로 제조된 합성목재판 패널은 소정의 크기와 형태로 절단(재단)되어 목적하는 용도에 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 제조방법을 효율적으로 수행할 수 있는 합성목재판 제조장치를 제공한다.
본 발명에 따른 합성목재판의 제조장치는, 수지 복합체를 압출하여 패널의 형태로 제조하는 압출장치; 상기 패널을 냉각하는 냉각장치; 냉각된 패널을 인출하여 후속 공정으로 이송하는 인취장치; 상기 패널의 표면에 엠보싱 공정과 브러싱 공정을 행하는 표면처리장치; 및 표면처리된 패널을 소정의 크기 및 형태로 절단(재단)하는 커팅장치를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 장치는 표면처리장치에서 엠보싱 공정과 브러싱 고정을 순차적으로 행하고 또한 상기 표면처리장치가 커팅장치 이전에 설치되어 있다는 점에 특징이 있다.
상기 압출장치, 냉각장치, 인취장치 및 커팅장치 등은 기타 합성목재판 제조장치에서와 동일하거나 또는 매우 유사하다. 상기 인취장치는 냉각장치로부터 패널을 빼내어 후속 표면처리장치로 이송함으로써 표면처리장치에서의 작동 구동력을 제공한다.
상기 표면처리장치는, 패널의 표면에 엠보싱 구조를 가열 가압에 의해 형성할 수 있도록 롤의 표면에 원목 절개면 무늬에 대응하는 형상이 각인되어 있는 가열식 엠보롤과, 엠보싱 구조가 형성된 패널의 표면에 재차 선행 미세요철 구조를 형성할 수 있도록 롤의 외면에 다수의 철심이 형성되어 있고 고속 회전하는 브러싱 롤을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
상기 가열식 엠보롤은, 바람직하게는, 롤의 표면에 원목 절개면 무늬에 대응하는 형상의 양각과 음각이 형성되어 있고, 일정한 압력으로 패널에 가압될 수 있도록 압력 제어부를 포함하고 있으며, 다수의 전기식 가열봉이 롤의 회전축 방향으로 장착되어 있고, 상기 가열봉에 의해 가열되는 열류 오일(heating oil)이 롤 내부를 순환하면서 롤 전체의 온도를 균일하게 유지시키는 구조로 이루어져 있다. 상기 압력 제어부는 유압 또는 공기압에 의해 패널의 표면에 엠보롤이 가압될 수 있도록 하는 작용을 한다.
패널은 합성수지의 종류, 목섬유의 종류 및 크기, 이들의 함량 등에 따라 융 점이 달라지므로, 상기 가열봉에 인가되는 전기량 등을 조절하여 소망하는 가열 온도를 결정할 수 있다. 엠보싱 구조의 형성을 위해 패널에 가해지는 롤의 압력 역시 다양한 요소들에 의해 결정될 수 있으며, 대기압(약 1 bar)보다 큰 압력으로서 10 bar 이하일 수 있다.
가열식 엠보롤은 그 자체로서 회전이 가능하도록 별도의 동력장치를 포함할 수 있지만, 바람직하게는 무동력 상태로 패널에 가압된 롤이 패널의 이동에 따라 회전하면서 원목 절개면 무늬를 패널의 표면에 전이시키는 방식으로 구성될 수 있다.
이러한 무동력 작동 엠보롤의 경우, 바람직하게는 패널의 이송 속도를 일정하게 유지시키는 구동롤이 엠보롤의 전방에 추가로 설치될 수 있다. 구동롤은 패널과 접한 상태에서 패널에 구동력을 제공하므로, 경우에 따라서는, 패널을 예열할 수 있도록 구동롤의 내부에도 가열봉과 열류 오일이 포함되도록 구성할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 엠보롤에 의한 엠보싱 공정의 효율성을 높이기 위하여, 상기 구동롤과 엠보롤 사이에 별도의 예열부를 포함할 수 있다. 상기 엠보롤이 패널과의 작은 접촉 계면을 통해 패널을 가열하므로, 접촉식 또는 비접촉식의 면상 가열 구조로 이루어진 예열부는 패널을 가열하는 수단으로서 더욱 바람직하다.
엠보롤과 브러싱 롤 사이에는 바람직하게는 공냉식 또는 수냉식 냉각장치가 설치되어 있어서, 엠보롤에 의해 가열된 패널을 냉각시켜 고상화된 패널의 표면에서 합성수지층을 효과적으로 제거할 수 있게 한다.
바람직하게는, 이러한 냉각 장치에 의해 냉각된 패널에 존재하는 잔열과 응력으로 인해 패널이 휘는 등의 변형을 방지할 수 있도록, 냉각장치 후방에 패널을 가압 상태로 이송시키는 가이드 롤을 포함할 수 있다.
브러싱 롤은 소정의 굵기와 길이를 가진 다수의 철심(iron brush)들이 롤의 외면에 규칙적 또는 불규칙적으로 형성되어(박혀) 있고 고속으로 회전하는 구조로 이루어져 있다. 브러싱 롤의 회전방향은 패널의 이동방향에 정방향 또는 역방향으로 설정될 수 있다.
철심의 굵기와 길이, 브러싱 롤의 회전속도 및 패널과의 거리 등은 패널에 형성되는 선상 미세요철 구조의 심도와 깊은 관련이 있다. 따라서, 이들은 패널에 형성하고자 하는 선상 미세요철 구조의 심도에 따라 달라질 수 있으므로, 선상 미세요철 구조의 심도는 예를 들어 하기와 같은 방법으로 조절할 수 있다.
(ⅰ) 철심의 굵기를 변화시켜 조절하는 방법
(ⅱ) 철심의 길이를 변화시켜 조절하는 방법
(ⅲ) 브러싱 롤의 회전속도를 변화시켜 조절하는 방법
(ⅳ) 브리싱 롤과 패널과의 간격, 즉, 패널과 접촉하는 철심의 길이를 변화시켜 조절하는 방법
(ⅴ) 상기 방법(ⅰ) 내지 (ⅳ)의 둘 또는 그 이상을 선택하여 조절하는 방법.
예를 들어, 0.1 내지 0.5 mm의 굵기와 10 내지 50 mm의 길이(롤의 표면으로부터 노출된 길이임)를 가진 철심들이 형성되어 있는 브러싱 롤이 패널과 -10 내지 0 mm(패널과 접하는 철심의 길이가 0 내지 10 mm인 것에 해당함)의 간격으로 50 내지 500 rpm으로 회전시켜 소망하는 심도의 선상 미세요철 구조를 패널 상에 형성할 수 있다.
브러싱 롤은 표면처리를 행하고자 하는 패널의 외면 수에 따라 달라질 수 있으며, 모든 면을 처리하는 경우에는 패널의 상부면과 하부면을 처리하기 위한 한 쌍의 브러싱 롤과 패널의 양측면을 처리하기 위한 다른 한 쌍의 브러싱 롤로 구성될 수 있다.
브러싱 롤을 거친 패널의 표면에는 절취된 많은 분말들이 묻어 있으므로, 예를 들어, 압축공기 분사 장치 등에 의해 세척할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 합성목재판 제조장치를 도면을 참조하여 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 합성목재판 제조장치의 일련의 구성이 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 합성목재판의 제조장치(100)는, 수지 복합체를 압출하여 패널의 형태로 제조하는 압출장치(200), 압출된 패널을 냉각하는 냉각장치(300), 냉각된 패널을 인출하여 후속 공정으로 이송하는 인취장치(400), 패널의 표면에 엠보싱 공정과 브러싱 공정을 행하는 표면처리 장치(500), 및 표면처리된 패널을 소정의 크기 및 형태로 절삭하는 커팅장치(600)로 구성되어 있다.
압출장치(200), 냉각장치(300), 인출장치(400) 및 커팅장치(600)는 종래기술 의 그것과 동일하거나 매우 유사하므로, 표면처리장치(500)만을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 표면처리장치(500)는 패널(700)의 이송을 일정하게 유지하여 주는 구동롤(510), 패널(700)을 소정의 온도로 가열하는 예열부(520), 엠보싱 공정을 수행하는 엠보롤(530), 가열된 패널(700)을 냉각시키는 냉각용 압축공기 분사부(540), 패널의 변형을 억제하는 가이드 롤(550), 패널(700)의 상부면 및 하부면에 대해 브러싱 공정을 수행하는 한 쌍의 제 1 브러싱 롤(560), 패널(700)의 양측면에 대해 브러싱 공정을 수행하는 한 쌍의 제 2 브러싱 롤(570), 브러싱 공정 후 패널(700)의 외면에 남아있는 절취된 분말들을 제거하는 압축공기 분사부(580), 및 패널(700)의 이동을 안내하도록 수직의 회전축으로 패널(700)의 측면에 접해있는 다수의 측면 회전롤(590)로 구성되어 있다.
구동롤(510)과 엠보롤(530)은 일정한 압력으로 가압된 상태로 패널(700)에 접할 수 있도록 그것의 상부에는 각각 압력 제어부(511, 531)가 설치되어 있고, 패널(700)의 대향면에 지지롤(512, 532)이 위치되어 있다.
엠보롤(530)이 작은 접촉 계면에 의해 패널(700)을 가열함에 비하여, 예열부(520)는 면상 가열 구조로 이루어져 있으므로 가열 효율이 더욱 우수하며, 바람직하게는 도면에서와 같은 비접촉식 적외선 히터로 이루어져 있다.
엠보롤(530)은 가열식이며 롤의 표면에 원목 절개면 무늬에 대응하는 형상의 양각 및 음각(533)이 형성되어 있고, 다수의 전기식 가열봉(534)이 롤의 회전축 방향으로 장착되어 있으며, 가열봉(534)에 의해 가열되는 열류 오일이 롤 내부를 순 환하면서 롤 전체의 온도를 균일하게 유지시키는 구조로 되어 있다.
도 3에는 엠보롤의 하나의 예시적인 내부 구조에 대한 부분 모식도가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 다수의 전기 가열봉들(534)이 회전축(535)에 평행하게 방사상으로 롤(536)에 장착되어 있으며, 가열봉(534)은 전기히터 모듈(537)에 의해 공급되는 전기에 의해 가열되며, 역시 롤(536)에 장착되어 있는 열전쌍(thermocouple: 538)에 의해 과열을 방지한다.
다시 도 2를 참조하면, 엠보롤(530)에 의해 엠보싱 공정을 완료한 패널(700)은 가열된 상태이므로 후속 공정인 블러싱 공정을 행할 수 있도록 압축공기 분사부(540)의 공기에 의해 냉각된다.
이러한 가열 및 냉각 과정에서 패널(700)에는 부분적인 잔열이 남아있고 또한 엠보롤(530)에 의해 가압되었으므로 열응력이 잔존한다. 따라서, 패널(700)은 휨과 같은 변형이 일어날 수 있으므로, 가이드 롤(550)에 의해 열응력 등을 해소함으로써 변형을 억제한다.
제 1 브러싱 롤(560)과 제 2 브러싱 롤(570)은 기본적인 구조가 동일한 바, 예를 들어, 롤(561)의 외면에 다수의 철심들(562)이 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
브러싱 롤(560, 570)은 도 4a 및 4b에서 보는 바와 같이, 모터(563, 573)에 의해 고속회전하면서, 패널(700)의 상하부면과 양측면에 브러싱 공정을 수행한다. 회전방향은 패널(700)의 진행방향(화살표)에 대해 정방향일 수도 있고 역방향일 수도 있다. 이러한 브러싱 공정에서, 브러싱 롤(560, 570)의 철심들(562, 572)이 패 널(700)의 표면을 빠르게 스쳐 지나가면서 표면의 합성수지를 절취하여 미세한 요철들을 형성하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 참조하여 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
도 1a의 압출장치(200)에서 호퍼에 메트릭스 성분으로서 폴리에틸렌 100 중량부에, 필러로서 약 100 메쉬의 침엽수 목분 85 중량부, 무기계 안료로서 Iron Oxide(red) 5 중량부, 활제 5 중량부, 및 결합제 10 중량부를 첨가한 후 용융 압출하였다. 그런 다음, 도 1a의 표면처리장치(500)에서 패널의 표면에 엠보싱 공정과 브러싱 공정을 행한 후, 커팅장치(600)에서 소정의 크기로 잘라 합성목재판을 제조하였다.
엠보싱 공정은 180℃의 온도와 5 bar의 압력에서 80 rpm의 롤 회전속도로 수행하였다. 브러싱 공정은 길이 0.3 mm와 두께 50 mm의 철심이 외면에 다수 형성되어 있는 브러싱 롤을 300 rpm으로 고속회전시켜 수행하였다.
도 5a에는, 상기와 같은 제조과정에서, 표면에 원목 절개면 무늬의 엠보싱 구조를 형성한 패널의 평면 사진이 개시되어 있고, 도 5b에는 엠보싱 구조에 다시 선상 미세요철 구조를 형상한 패널의 평면 확대 사진이 도시되어 있다. 도 5b에서 보는 바와 같이, 다수의 미세요철들이 원목 절개면 무늬 상에 그것에 평행한 방향 으로 선상 형태로 형성되어 있다.
또한, 도 5c와 도 5d에는 최종적으로 제조된 합성목재판을 측면에서 촬영한 평면 사진과 단면 확대 사진이 각각 개시되어 있다. 도 5c에서 보는 바와 같이, 원목 절개면 무늬의 엠보싱 구조를 따라 선상의 미세요철 구조가 형성되어 있음을 볼 수 있으며, 이러한 엠보싱 구조는 도 5d에서 보는 바와 같이 약 600 내지 850 ㎛의 심도를 가짐을 확인할 수 있다. 엠보싱 구조의 심도는 공정의 조건에 따라 적절히 조절될 수 있음은 물론이다.
[실시예 2 ~ 4]
브러싱 롤에서 철심의 길이와 두께를 각각 달리하여 300 rpm으로 브러싱 공정을 수행하였다는 점을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방식으로 합성목재판을 제조하였다. 그러한 브러싱 공정의 조건이 하기 표 1에 개시되어 있다.
그렇게 제조된 합성목재판의 표면에 동일 면적내 임의의 12 곳에 대해 60°의 입사각으로 광을 입사하여 반사율을 측정하였다. 또한, 10 명의 사람에게 원목(체리목, Cherry)의 목재판에 대한 표면 외관 및 촉감에 대해 각각 5.0의 평가값을 주지시키고, 실시예 2 ~ 4의 합성목재판에 대해 상대적인 평가값을 결정하도록 하였다. 그 결과가 하기 표 1에 각각 개시되어 있다.
Figure 112005068975497-pat00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 브러싱 공정의 조건에 따라 조금씩 달라지기는 하지만 전반적으로 반사율이 더욱 낮아졌으며, 특히 표면 질감에 대한 만족도는 천연목재판의 약 95% 이상의 수준으로 매우 높음을 알 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 합성목재판 패널의 제조방법은, 합성목재 표면에 직접 천연원목의 절개면과 같은 외관과 질감을 가지는 나무무늬를 구현하면서, 동시에 목섬유와 합성수지로 이루어진 소재 자체의 장점을 극대화할 수 있다. 또한, 압출 후 소정의 크기로 재단한 패널을 표면처리를 위하여 또다시 후가공하는 종래의 공정을 생략하여 압출 속도에 영향을 받지 않고 압출 공정상에서 직접 표면처리 함으로써 후가공으로 인한 제조 원가 상승을 최소화할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. (a) 합성수지 메트릭스에 목섬유가 균일하게 분산되도록 수지 복합체를 압출 및 냉각하여 패널의 형태로 제조하는 패널 제조 공정;
    (b) 상기 단계(a)의 연속 공정으로 패널의 표면에 천연원목의 절개면에 상응하는 나무무늬를 소정의 심도로 형성하는 엠보싱 공정; 및
    (c) 상기 단계(b)의 연속 공정으로 상기 패널 표면의 일부 합성수지 층을 제거함으로써 소정의 심도로 선상의 미세요철을 형성하는 브러싱 공정;
    을 포함하는 것으로 구성되어 있는 합성목재판 패널의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 폴리올레핀계 고분자의 합성수지에 상기 수지 복합체 전체 중량을 기준으로 대략 20 내지 80 중량%의 목섬유가 포함되어 있고, 상기 목섬유는 20 내지 300 메쉬의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 수지 복합체에는 그것의 전체 중량을 기준으로 1 내지 5 중량%의 무기계 안료가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 메트릭스 성분의 상기 합성수지는 1.0 내지 3.0의 용융지수(Melt Index)를 가지고, 안료-함유 마스터 배치의 수지는 1 내지 30의 용융지수를 가지며, 주호퍼(Main Hopper)를 통해 함께 공급되어 압출기 배럴(Barrel)의 용 융온도 또는 배럴 내부의 스크루에 의한 기계적 혼합에 의해 균일하게 혼합되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 주호퍼를 통해 공급되는 안료-함유 마스터 배치(A)의 수지보다 낮은 용융지수의 수지에 상기 안료와는 다른 색상의 안료가 포함되어 있는 마스터 배치(B)를 부호퍼(Side Hopper)를 통해 공급하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 엠보싱 공정은 원목 절개면 무늬에 대응하는 형상이 표면에 각인되어 있는 가열식 엠보롤을 패널의 표면에 가열 가압함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 순간적인 가열로 인한 표면 상태의 변질 및/또는 변형을 막기 위하여 상기 엠보싱 공정 이전에 소정의 온도로 가열하는 예열공정이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 엠보싱 공정 이후에 패널을 냉각시키는 냉각 공정이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 브러싱 공정은 소정의 굵기 및 길이를 가진 다수의 철심들이 규칙적 또는 불규칙적으로 외면에 형성되어 있는 브러싱 롤을 패널의 표면 상에 고속 회전시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 엠보싱 공정에 의해 형성되는 엠보싱 구조의 평균 심도가 200 내지 900 ㎛이고, 상기 브러싱 공정에 의해 형성되는 선상 미세요철 구조의 평균 심도가 10 ㎛ 내지 500 ㎛이며, 패널의 표면에 대해 60°(입사각)의 광 입사시 10 내지 50%의 반사율을 가지는 패널을 제조하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 선상 미세요철 구조의 심도는 하기 방법들 중의 어느 하나에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
    (ⅰ) 철심의 굵기를 변화시켜 조절하는 방법
    (ⅱ) 철심의 길이를 변화시켜 조절하는 방법
    (ⅲ) 브러싱 롤의 회전속도를 변화시켜 조절하는 방법
    (ⅳ) 브리싱 롤과 패널과의 간격을 변화시켜 조절하는 방법
    (ⅴ) 상기 방법(ⅰ) 내지 (ⅳ)의 둘 또는 그 이상을 선택하여 조절하는 방법.
  12. 제 1 항에서의 수지 복합체를 압출하여 패널의 형태로 제조하는 압출장치; 압출된 패널을 냉각하는 냉각장치; 냉각된 패널을 인출하여 후속 공정으로 이송하 는 인취장치; 상기 패널의 표면에 엠보싱 공정과 브러싱 공정을 순차적으로 행하는 표면처리장치; 및 표면처리된 패널을 소정의 크기 및 형태로 절단(재단)하는 커팅장치를 포함하는 것으로 구성되어 있는 합성목재판의 제조장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 표면처리장치는, 패널의 표면에 엠보싱 구조를 가열 가압에 의해 형성할 수 있도록 롤의 표면에 원목 절개면 무늬에 대응하는 형상이 각인되어 있는 가열식 엠보롤과, 엠보싱 구조가 형성된 패널의 표면에 재차 선행 미세요철 구조를 형성할 수 있도록 롤의 외면에 다수의 철심이 형성되어 있고 고속 회전하는 브러싱 롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 가열식 엠보롤은 롤의 표면에 원목 절개면 무늬에 대응하는 형상의 양각과 음각이 형성되어 있고, 일정한 압력으로 패널에 가압될 수 있도록 압력 제어부를 포함하고 있으며, 다수의 전기식 가열봉이 롤의 회전축 방향으로 장착되어 있고, 상기 가열봉에 의해 가열되는 열류 오일(heating oil)이 롤 내부를 순환하면서 롤 전체의 온도를 균일하게 유지시키는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 제조장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 가열식 엠보롤은 무동력 상태로 패널에 가압된 롤이 패널의 이동에 따라 회전하면서 원목 절개면 무늬를 패널의 표면에 전이시키는 방식으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 제조장치.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 엠보롤 이전에 패널을 소정의 온도로 가열하기 위한 예열부가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 제조장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 예열부는 비접속식 적외선 히터인 것을 특징으로 하는 제조장치.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 엠보롤 후방에는 냉각 장치와 가이드 롤이 순차적으로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 제조장치.
  19. 제 13 항에 있어서, 0.1 내지 0.5 mm의 굵기와 10 내지 50 mm의 길이를 가진 철심들이 형성되어 있는 브러싱 롤이 패널과 -10 내지 0 mm의 간격으로 50 내지 500 rpm으로 회전시켜 소망하는 심도의 선상 미세요철 구조를 패널 상에 형성하는 것을 특징으로 하는 제조장치.
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