Energy Efficiency of Fluidized Bed Drying for Wood Particles

Yonggun Park,Yoon Seong Chang,Jun Ho Park,Sang Yun Yang,Hyunwoo Chung,Soo Kyeong Jang,In Gyu Choi,Hwanmyeong Yeo 한국목재공학회 2016 목재공학 Vol.44 No.6

This study evaluates the economic feasibility of industrializing fluidized bed dryer for wood particles. The theoretically required heat energy and energy efficiency were evaluated using a pilot scale fluidized bed dryer. When Mongolian Oak wood particles with 50% initial moisture content were dried in the fluidized bed dryer with air of 70℃ air circulating at 1.1-1.3 m/s for 30 minutes, the total theoretically required heat energy was 2,177 kJ. Of this, 1,763 kJ (approximately 81.0%) was used to heat the air flowing in from outside the dryer and 386 kJ (approximately 17.7%) was used to heat and remove water from the wood particles. Actual energy consumed was 7,560 kJ, giving energy efficiency of 28.8%. Thus, to industrialize a drying method such as fluidized bed drying, where the dryer volume is significantly larger than the volume of wood particles, it is necessary to minimize energy loss and maximize energy efficiency by designing the dryer size considering the amount of wood particles and choosing a suitable air circulation rate.

Evaluation of Deterioration of Larix kaempferi Wood Heat-treated by Superheated Steam through Field Decay Test for 12 Months(12개월 야외 내후성 시험에 의한 과열증기 열처리된 낙엽송재의 열화 평가)

( Yonggun Park ),( Yeonjung Han ),( Jun-ho Park ),( Hyunwoo Chung ),( Hyunbin Kim ) 한국목재공학회 2018 목재공학 Vol.46 No.5

본 연구에서는 과열증기를 이용하여 열처리한 낙엽송재의 야외 내후성 시험을 통해 부후균과 해충에 대한 저항성을 평가하였다. 12개월간 진행된 야외 내후성 시험 결과, 무처리재는 흰개미에 의한 피해가 두드러지게 나타났지만 방부목재와 과열증기 열처리재에서는 육안으로 관찰되는 피해는 발견되지 않았다. 무처리재와 방부목재는 약 5%의 질량 감소를 보였으며, 과열증기 열처리재는 약 1%의 질량 감소를 보였다. 야외 내후성 시험이 진행된 후 방부목재에 남아있는 방부약제의 함량이 야외 내후성 시험 전보다 감소한 것으로 보아 야외 내후성 시험이 진행되는 동안 방부약제가 일부 용출된 것으로 보이며, 이에 따라 방부목재의 질량 감소가 무처리재와 유사한 수준으로 나타난 것으로 생각되었다. 과열증기를 이용한 열처리는 방부약제 주입과 같은 화학적인 처리 없이 친환경적으로 목재의 부후균과 해충에 대한 저항성을 개선시킬 수 있는 가능성이 확인되었으며, 이를 위하여 장기적인 관찰이 추가적으로 필요할 것이라 생각된다. In this study, the decay resistance of larch wood, which was heat treated by superheated steam, was evaluated by the field decay test. During the field decay test of 12 months, non-treated wood has been severely damaged by termite, however, no visible damage has occurred in the preservative-treated wood and superheated steam heat-treated wood. Results of field decay test showed approximately 5% mass loss of the non-treated wood and the preservative-treated wood, and approximately 1% mass loss of the superheated steam heat-treated wood. After the field decay test for 12 months, the residual amount of preservatives remaining in the preservative-treated wood was lower than that before the field decay test. It was considered that the preservative was partially eluted during the field decay test, and the mass loss of the preservative-treated wood was thought to be similar to that of the non-treated wood. Through this study and additional long-term monitoring test, superheated steam heat treatment can be considered to be an environmental-friendly method to enhance the decay resistance of wood against rot fungi and/or insect without chemical treatment such as preservative injection.

Evaluation of Cell-Wall Microstructure and Anti-Swelling Effectiveness of Heat-Treated Larch Wood(낙엽송 열처리재의 세포벽 미세구조 및 항팽윤효율 평가)

( Yonggun Park ),( Woo-seok Jeon ),( Sae-min Yoon ),( Hyun Mi Lee ),( Won-joung Hwang ) 한국목재공학회 2020 목재공학 Vol.48 No.6

본 연구에서는 낙엽송 열처리재의 세포벽 미세구조와 항팽윤효율을 평가하고, 이들 간의 상호관계를 분석하고자 하였다. 이를 위하여 낙엽송 판재를 190°C와 220°C의 온도 조건에서 12시간, 18시간, 24시간 동안 열처리하였다. 열처리된 낙엽송재의 횡단면을 1,000배 확대하여 관찰한 결과, 열처리재의 경우 세포가 원래의 형태를 유지하지 못 했으며, 세포의 단면이 거칠게 절단되었고, 세포 간 결합이 끊어지면서 세포간극이 늘어났음을 확인할 수 있었다. 또한, 처리 조건 별 팽윤실험 결과, 열처리 온도와 시간이 증가함에 따라 수분 흡수량과 팽윤량이 감소하였으며, 항팽윤효율은 증가하는 경향을 보였다. 수분 흡수량의 감소는 열처리에 의한 세포벽의 화학적 변화에 영향을 받은 것으로 보이며, 팽윤량의 감소 및 항팽윤효율의 증가는 화학적 변화 뿐만 아니라 세포벽의 구조적인 변화와 같은 물리적인 변화가 복합적으로 영향을 미쳤기 때문인 것으로 생각된다. In this study, the cell-wall microstructure and anti-swelling effectiveness (ASE) of heat-treated larch wood were evaluated and the correlation between them was analyzed. For this purpose, some larch lumbers were heat-treated for 12, 18, and 24 hours at temperatures of 190°C and 220°C. By observing the scanning electron microscopy cross-sectional image of the heat-treated larch, it was confirmed that the shape of heat-treated wood cell changed, the cut-section of the wood cell wall was rough, and the intercellular space has become wide as the intercellular bonds had broken because of heat-treatment. In addition, the evaluation of the swelling for each treatment condition revealed that, as the heat-treatment temperature and duration increased, the amount of absorbed water and swelling decreased and the ASE increased. The decrease in the amount of absorbed water is thought to be affected by the chemical change in the cell wall by heat-treatment. On the contrary, the decrease in the swelling and the increase in the ASE are thought to be due to a combination of chemical changes and physical changes such as structural changes in the cell wall.

Evaluation of the energy efficiency of combined drying and heat treatment by superheated steam

Park, Yonggun,Han, Yeonjung,Park, Jun-Ho,Chang, Yoon-Seong,Yang, Sang-Yun,Chung, Hyunwoo,Yeo, Hwanmyeong Taylor Francis 2017 Drying Technology Vol.35 No.12

과열증기 열처리 낙엽송재의 물리?역학적 성능 및 내후성능 평가

박용건 ( Yonggun Park ),박준호 ( Jun-ho Park ),양상윤 ( Sang-yun Yang ),정현우 ( Hyunwoo Chung ),김현빈 ( Hyunbin Kim ),한연중 ( Yeonjung Han ),장윤성 ( Yoon-seong Chang ),김경중 ( Kyoungjung Kim ),여환명 ( Hwanmyeong Yeo ) 한국목재공학회 2016 목재공학 Vol.44 No.5

본 연구에서는 pilot scale에서 과열증기를 이용하여 실대재 낙엽송 생재 각재를 열처리하고, 열처리된 낙엽송재의 다양한 물리·역학적 성능과 내후성능을 측정하였다. 또한, 이를 고온 열기 열처리한 낙엽송재의 물성과 비교하였다. 생재로부터 할렬 발생이 억제된 상태로 과열증기 열처리된 낙엽송재의 갈색부후균과 백색부후균에 대한 저항성과 종압축강도는 증가한 반면에 밀도와 평형함수율 및 수축률과 휨강도는 관행 열처리재보다 낮게 측정되었다. 과열증기목재 열처리는 다량의 수분에 의해 열전달이 빠르고 열가수분해가 촉진되기 때문에 유사한 시간과 온도에서 열기를 이용하여 관행 열처리한 경우보다 열처리 효과가 높게 나타났다. 따라서 과열증기 열처리 방법은 생재를 할렬 없이 열처리할 수 있으며, 관행 열처리 방법보다 낮은 온도 또는 짧은 열처리 시간으로도 동일한 열처리 효과를 발현시킬수 있다. 즉, 열처리에 소요되는 시간과 에너지를 줄일 수 있다. In this study, green Larix kaempferi lumber was heat-treated by using superheated steam (SHS) at a pilot scale and then various physico-mechanical properties of the heat-treated wood were evaluated and compared with the properties of conventional hot air (HA) heat-treated wood. Decay resistance of brown rot fungi and compressive strength parallel to the grain of the SHS heat treated wood without occurrence of drying check from green lumber were increased. On the other hand, density, equilibrium moisture content, shrinkage, and bending strength of the SHS heat-treated wood were lower than those of the conventional HA heat-treated wood. Because heat transfer and thermal hydrolysis of SHS heat treatment was accelerated by a large amount of water, the effect of SHS heat treatment on the physico-mechanical properties was higher than that of HA heat treatment at the similar conditions of temperature and time. From the results of this study, because green lumber can be heat-treated without occurrence of cracks or checks by using SHS and similar heat treatment effect on the physico-mechanical properties of wood can be produced despite a low temperature or short time of heat treatment, it is expected that heat time and energy consumption could be reduced by using SHS.

인공지능을 이용한 잣나무재 표면 옹이 분류 및 구획화

최종규 ( Jonggyu Choi ),김현빈 ( Hyunbin Kim ),황운택 ( Untaek Hwang ),양상윤 ( Sang-yun Yang ),박용건 ( Yonggun Park ),김민규 ( Mingyu Kim ),심국보 ( Kug Bo Shim ),황성욱 ( Sungwook Hwang ),여환명 ( Hwanmyeong Yeo ) 한국목재공학회 2020 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2020 No.1

컴퓨터 이미지 분석 기술을 이용한 목재 표면 화상 분석은 목재 품질의 객관적인 평가와 이를 통한 목재 생산의 고속화를 위해 필요하다. 인공지능을 활용한 딥러닝(Deep Learning) 기술은 높은 정확도와 빠른 속도로 이미지 화상 분석 분야에서 높은 활용도를 보여주고 있다. 본 연구에서는 여러 딥러닝 기술 중 이미지 구획화에서 활용되는 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 이용하여 잣나무재 표면 옹이를 구획화하고, 그 종류를 분류하였다. 잣나무 각재에서 획득한 128개의 제재목 사진을 사용하였고, 이들 제재목 사진에서 추출한 227개의 옹이 이미지를 4가지 종류로 분류하였다. VGG Image Annotator를 이용하여 옹이의 위치와 종류에 대한 데이터베이스를 만들고, 이를 통해 제재목 표면의 옹이를 구획화하여 표시하고, 종류를 분류하는 알고리즘 모델 학습을 진행하였다. 또한, 색상으로 인한 분류 오차가 생길 수 있다고 판단하여 흑백으로 변환한 잣나무재 이미지에서도 옹이 구획화 및 분류를 진행하였다. 잣나무재 표면 옹이 구획화 및 분류 학습을 진행한 결과 옹이의 종류나 크기 등의 변수가 존재함에도 높은 정확도로 목재 표면 옹이를 탐지할 수 있었고, 옹이 종류 분류에서도 준수한 정확도를 보여주었다. 그리고 RGB 이미지보다 흑백으로 변환한 이미지를 분류할 때 조금 더 높은 정확도를 보였는데, 이를 통해 이미지 분류에서 색상으로 인한 변수가 존재함을 추론할 수 있었다. 옹이 종류에 따라 이미지 개수의 현저한 격차가 존재하여 분류 학습에 어려움이 있었는데, 이미지 개수가 적은 희귀 종류 옹이를 추가로 학습시킨다면 더 높은 정확도를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

열처리에 의한 목재의 특성 변화

박용건 ( Yonggun Park ) 한국목재공학회 2020 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2020 No.1

목재 열처리는 목재 세포벽을 구성하는 주요 성분의 화학 구조적인 변화가 발생하는 온도 범위(160~260℃)로 가열하여 목재의 다양한 물성을 개질하는 방법을 말한다. 목재 열처리는 친환경적인 방부·방충처리 방법으로서의 장점으로 인해 2000년대 초반부터 유럽을 중심으로 다양한 연구가 수행되어왔다. 국내에서도 2010년 무렵부터 수입 열처리 목재가 유통되기 시작하였고, 현재는 국내에서 국산재를 이용한 열처리 목재가 생산되는 등 열처리 목재 시장이 형성되어 있다. 목재를 열처리하면 열가수분해에 의해 헤미셀룰로오스가 다량 분해되며, 분해 산물이 리그닌과 상호결합하는 등의 화학적 변화를 겪게 된다. 이에 따라 목재 세포벽에 손상이 발생하여 밀도가 감소하게 되고, 휨강도 등의 강도 감소가 발생한다. 또한, 헤미셀룰로오스가 분해되면서 하이드록실 그룹과 같은 작용기가 이탈됨에 따라 목재의 소수성이 증가한다. 이러한 소수성 증가에 의해 목재는 평형함수율이 감소하고, 치수 안정성이 개선되는 등의 특성 변화가 발생한다. 국내 열처리 목재 시장 규모를 지금보다 더 확대시키고 활성화시키기 위해서는 열처리 목재의 특성을 살릴 수 있는 용도 개발을 위한 연구와 이용목적에 맞는 물성 발현을 위한 최적화된 열처리 조건 및 공정에 관한 연구가 필요할 것이다. 또한, 열처리 목재 관련 품질 기준과 규격과 같은 제도적인 장치가 마려되어야 할 것으로 생각된다.

고온 열기 처리에 의한 낙엽송재의 물리,역학적 성능 및 내부후성능 변화 고찰

박용건 ( Yonggun Park ),한연중 ( Yeonjung Han ),박준호 ( Jun Ho Park ),장윤성 ( Yoon Seong Chang ),양상윤 ( Sang Yun Yang ),정현우 ( Hyunwoo Chung ),김경중 ( Kyungjung Kim ),여환명 ( Hwanmyeong Yeo ) 한국목재공학회 2015 목재공학 Vol.43 No.3

본 연구에서는 국내에서 상업적으로 이용되고 있는 국산 낙엽송 열처리재의 여러 가지 물성(밀도, 평형함수율, 수축률, 흡습/흡수성, 종/횡압축강도, 휨강도, 경도, 내부후성능)을 정량적으로 평가하기 위하여 수행되었다. 고온처리에 의해 목재의 소수성이 증가함에 따라 평형함수율이 감소하였다. 이에 따라 수축률 및 흡습/흡수성이 감소하여 치수안정성이 개선되었고, 낮은 함수율의 영향으로 압축강도가 증가하였으며, 목재 주성분의 변화와 낮은 함수율의 영향으로 내부후성능이 개선되었다. 하지만 열처리에 의해 밀도와 휨강도 및 경도는 감소하였다. This study was carried out to evaluate quantitatively some properties (density, equilibrium moisture content, shrinkage, water vapor adsorption, water absorptivity, compressive strength, bending strength, hardness and decay resistance) of Larix kaempferi lumber which was heat-treated by hot air and has been used commercially in Korea. Equilibrium moisture content of the heat-treated wood was decreased with increase of hydrophobicity. Dimensional stability of the wood was improved with decrease of shrinkage, water vapor adsorption and free water absorptivity. Also, with the thermo-chemical changes of wood component and lower equilibrium moisture content, decay resistance and

< 구두-A-08 > 과열증기 적용 고열처리 목재의 성능 표준화와 용도 개발

박용건 ( Yonggun Park ),양상윤 ( Sang-yun Yang ),정현우 ( Hyunwoo Chung ),김현빈 ( Hyunbin Kim ),여환명 ( Hwanmyeong Yeo ) 한국목재공학회 2019 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2019 No.1

목재 열처리는 목재 세포벽을 구성하는 주성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 화학구조적 변형이 발생하면서 연소점 이하 온도의 열을 가하여 목재의 구성성분비와 물리적 특성을 개선시킬 수 있는 방법이다. 열처리된 목재는 소수성이 증가함에 따라 치수안정성이 개선되고, 내부후성능이 향상되는 등의 장점을 갖고 있기 때문에 2000년대 초반부터 유럽을 중심으로 다양한 열처리 방법이 개발되어 왔다. 대부분의 열처리 방법은 열처리 중 발생할 수 있는 결함을 방지하기 위해 건조된 목재를 열처리에 사용하고 있다. 하지만 건조와 열처리 두 공정이 서로 다른 장치를 이용하여 별개의 공정을 통해 이루어지기 때문에 열처리재를 생산하기 위한 시간과 에너지 사용량이 많다는 단점이 있다. 최근 개발된 과열증기 목재 건조-열처리 공정은 하나의 장치에서 단일 공정을 통해 생재를 건조하면서 동시에 열처리함으로써 열처리재 생산을 위한 시간과 에너지 사용량을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 수증기만이 포함된 과열증기에서 열처리함으로써 열가수분해에 의한 세포벽 구성성분의 화학구조적인 변화가 촉진되는 장점도 있다. 이렇게 생산된 열처리재는 현재까지 국내외에서 데크재 등 야외에서 주로 이용되고 있으나, 이는 열처리재의 장점을 충분히 활용하지 못한 것이며, 열처리재의 활용도를 넓힐 수 있는 연구가 필요할 것이라 생각된다. 창틀재나 커튼월과 같이 실내외의 경계부의 재료로서의 열처리재의 활용은 열처리재의 치수안정성과 열안정성 개선 효과를 이용할 수 있는 대표적인 예이며, 그 활용가능성에 대한 연구가 진행중이다.

열처리가 목재의 내후성에 미치는 영향 평가

박용건 ( Yonggun Park ),윤새민 ( Sae-min Yoon ),여환명 ( Hwanmyeong Yeo ),황원중 ( Won-joung Hwang ) 한국목재공학회 2021 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.2

목재 열처리는 160~260℃ 범위 온도로 처리하여 목재의 성질을 변화시키는 방법을 말한다. 열처리에 의해 목재는 세포벽을 구성하는 주요 성분이 열가수분해(thermal hydrolysis)되면서 목재의 물리ㆍ역학적 성질이 영구적으로 변하는 것으로 알려져 있으며, 수종이나 열처리 온도와 시간, 열처리에 사용된 열전달 매개체의 종류 등에 따라서 그 정도는 다르게 나타나는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 열처리 온도와 열처리 시간이 목재의 부후균에 대한 저항성에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위해 190℃와 220℃의 온도 조건에서 열처리 시간을 달리한 일본잎갈나무(Larix kaempferi )재에 대한 갈색부후균(부후개떡버섯균, Fomitopsis palustris)과 백색부후균(구름버섯균, Trametes versicolor )에 의한 질량 감소율을 평가하였다. 균의 종류에 따라 정도의 차이는 있었지만, 두 균류 모두 열처리 온도가 높을수록 열처리 시간이 길수록 질량 감소율이 작아지는 것을 확인하였다. 이는 고온의 열처리에 의해 목재 세포 벽의 주요 성분의 열분해되면서 소수성이 증가하게 되고, 세포벽 구성성분의 화학적 변화에 의해 부후 균의 생장 환경에 부정적인 영향을 미치기 때문으로 생각된다. 다만, 이를 입증하기 위한 추가 연구가 필요할 것이다.