목재
[ wood ]
공예, 건축, 토목을 비롯한 각 분야에 광범위하게 이용되는 나무를 재료로 한 것들을 총칭한 말이다. 목재는 벌목 후 전처리 과정과 건조를 거쳐 제작된 원목이나 가공처리 후 제작된 공학목재로 제조되어 건축자재, 가구재 등으로 사용되는 친환경 소재이며, 장점과 단점을 보완한 새로운 개념의 목재 혼합재들이 개발 사용되고 있다.
목차
나무 줄기부위의 구조1)
나무는 일반적으로 다년생 식물이다. 주요 구성 성분은 섬유소(cellulose)와 리그닌(lignin)이며, 목재로 사용되는 나무의 줄기 횡단면의 구조는 다음과 같다.
나무 단면(출처: Gettyimageskorea)
- 심재: 나무의 횡단면의 중심에 위치한 짙게 착색된 부분을 말하며 죽어있는 조직이다. 나무를 지탱하는 역할을 하는 심재부위는 목질이 단단하며 내구성이 좋다.
- 변재: 심재 바깥쪽 부분으로 비교적 옅은 색을 가진다. 생장을 계속하는 살아있는 조직으로써 목질이 연하며 수분의 함량이 많다.
- 나이테: 수심을 중심으로 동심원을 나타내는 세포층이다. 계절에 따라 세포의 크기와 형태가 달라 춘재와 추재로 구분한다. 춘재는 봄, 여름에 생긴 세포로 크고, 세포막이 얇고 유연하다. 추재는 상대적으로 세포가 작고 세포막이 두껍고 단단하다. 나이테는 수목의 생장 연수를 나타내며 강도의 표준이 되기도 한다.
목재의 전처리와 건조
- 목재 제조를 위한 벌목 후 건조과정은 목재의 수축이나 변형을 방지하고, 중량 간소를 통한 가공, 취급, 운반을 용이하게 하며, 생목에 비해 2배에서 3배까지의 강도가 향상되고, 부식을 방지하여 내구성을 높이고 합판 등의 공학목재 제조시 접착성, 도장성의 향상과 방부제 및 합성수지의 주입 용이성을 높이는 목적으로 실시한다.
- 건조의 속도는 나무가 크고 두꺼울수록 그리고 관계습도가 높을수록 길어지며, 기온이 높고 풍속이 빠를수록 짧아진다.
- 목재는 수액의 농도를 저하시키고, 변형을 줄이며, 건조기간을 단축하기 위하여 전처리를 한다. 전처리 방법으로는 1년 정도 담수에 담궈두는 수침법, 열탕에 끓인 후 꺼내는 자비법, 증기가마에 목재를 넣고 밀폐 후 포화 수증기를 처리하는 증기법이 있다.
- 건조방법은 크게 자연건조와 인공건조로 나뉜다. 자연건조는 목재의 간격과 지면에서의 거리를 충분히 유지하고 급속한 건조를 막기 위해 그늘에서 건조하거나 페인트 칠을 하여 건조하며, 균일한 건조를 위해 상하좌우를 뒤집는다. 인공건조는 실내공기를 가열하는 방법으로 전열, 증기, 오수 등이 있고 습도 조절을 통한 건조와 공기 순환장치를 이용한 건조가 있다.
목재이용의 역사
인류의 시작 이전부터 존재했던 나무와 목재의 이용은 항상 인류의 역사속에 존재하였기에 석기시대, 청동기시대, 철기시대와 같이 역사의 변화를 주도한 소재로 말하지 않는다. 이미 원시시대 인류는 수목의 열매를 채집하여 먹거나 약재로 사용하였으며, 움막집의 뼈태로 사용하기도 하고, 각종 도구로 사용해 왔다. 이후 3,000년전 이집트에서는 목재로 만든 가구와 조각 그리고 목관을 사용하였으며, 원시적인 형태의 합판과 집성재로 그리고 종이로 사용하였고, 이러한 사용은 동양에서도 마찬가지다. 이후 중세기 목재는 무기, 건축, 예술, 수송 등의 다양한 분야에서 사용되었고, 19세기 목재구조 및 목재의 성질에 대한 물리적, 화학적 분석을 통해 과학적 활용을 시작한다. 이후 오늘날 목재가 가지는 장점을 살린 신개념 소재의 개발에까지 이른다. 이런 인류 역사와 목재의 사용에 있어 가장 획기적인 사건은 목재를 가공하는 도구인 톱의 발명이라 할 수 있다. 현재 사용하는 형태와 가장 유사한 최초의 톱 사용은 고대 이집트 무덤에서 발견된 구리톱이며 톱을 사용하는 모습이 담긴 벽화도 있다.
이집트 사원(Hatshepsut's)에서 발견된 구리 톱 유적(출처: )
목재의 종류와 특성
- 원목(solid wood): 원목은 '자라는 나무' 즉, 살아있는 나무와 구분하기 위하여 사용되는 용어로 나무자체를 자르고 켜서 규격품으로 만든 것을 의미한다. 원목은 나무를 통으로 사용하여 실내환기, 수분조절, 온도조절이 가능하고 나무가 가지는 고유의 향을 발생한다. 재질마다 차이는 있지만 변형이 발생할 수 있고, 수분과 충해를 입을 수 있으며 생산된 나무의 크기에 의해 크기가 한정적이고 가격이 비싸다. 원목은 다시 침엽수계열(소프트 우드)과 활엽수계열(하드우드)로 구분하며, 침엽수계열의 경우 현재 목재 생산량의 대부분을 차지할 만큼 많이 분포하며 목질이 부드럽고, 나이테 문양이 희미하며 가격이 저렴한 편이며, 소나무, 삼나무, 잣나무, 전나무 등이 있다. 활엽수계열은 생장속도가 늦어 공급량이 침엽수계열보다 부족하다. 목질이 강하고 단단하고 나이테가 선명하며 은행나무, 나하송, 흑단나무, 자단나무, 호두나무, 벗나무 등이 있다.
- 집성목(edge glued panel): 나무를 여러 개로 적당히 작고 일정하게 잘라, 고온과 고압으로 접착시켜 만든 목재를 의미한다. 일정한 두께로 납작하고 길게 붙여 판재로 재작하기 때문에 원목이 가지는 크기의 한정이 없고, 잘라진 원목을 사용하기 때문에 나뭇결이 그대로 표현되어 원목의 고급스러움을 갖고 있으며, 원목의 좋은 부위만 취해 결합하여 만들 수 있어 원목보다 좋은 강도를 가질 수 있고, 뒤틀림, 갈라짐 등이 적으며, 원목보다 가격이 저렴하다. 하지만 잘라진 목재를 이어 붙이기 때문에 균일하지 않은 형태의 무늬가 만들어지고, 반복된 수축과 팽창으로 집성부위가 떨어지거나 원목보다 강도가 낮은 단점이 있다. 집성목 제작시 결합 방식에 따라 탑 핑거 조인트, 사이드 핑거 조인트, 그리고 솔리드방식이 있다.
집성목 방식 (출처:한국식물학회, 이상원)
- 합판(plywood): 얇게 깎은 나무 절삭편을 몇 겹으로 접착제를 사용하여 붙여 놓은 목재로 습기에 강한 편이며, 중밀도 섬유판이나 파티클 보드보다는 가격이 비싼 편이다.
합판(출처: Gettyimageskorea)
- 중밀도 섬유판(medium density fiberboard): 나무 톱밥(가루)과 합성수지 접착제를 섞어 고온에서 압축 제작한 목재이다. 이 목재는 원목의 재활용이라는 점과 원목이 가진 단점을 보완하는 장점을 가지고 있다. 원목의 결과 같은 방향성이 없고 가격이 저렴하며 가공성이 좋아 주로 저가의 가구 등을 제작할 때 사용된다. 하지만 많은 양의 합성수지를 사용하여 친환경적이지 못하며 밀도가 높아 무겁고 물(습기)에 약한 단점을 가지고 있다.
중밀도 섬유판(출처: Gettyimageskorea)
- 파티클 보드(particle board): 원목의 목재 가공시 생산되는 잔재를 사용하여 잘게 파쇄된 나무를 접착제를 섞어 열과 압력으로 단단하게 만든 것이다. 가격이 저렴하며 목재의 재활용으로 경제적이고 틈사이가 중밀도 섬유판보다 커 방음효과를 가진다. 가공성이 우수하고 수축 및 팽창이 거의 없어 쉽게 갈라지지 않으나 물과 습기에 약하며 가공시 사용하는 접착제 때문에 친환경적이지 못하다.
파티클보드(출처: Gettyimageskorea)
목재의 강도
다양한 재료로써 목재의 역학적 성질을 평가하는 강도의 종류에는 인장강도, 압축강도, 전단강도, 휨강도 등이 있다. 일반적인 목재 중 참나무는 압축, 인장, 전단, 휨강도에 있어 매우 뛰어난 목재이다.
- 인장강도: 목재를 양쪽에서 잡아당길 때 저항하는 힘의 정도를 말하며 섬유방향이 가장 크다.
- 압축강도: 목재에 압축력이 작용할 때 저항하는 힘의 정도를 말하며 종압축강도와 횡앞축강도로 구분한다.
- 전단강도: 목재에 전단력이 가해질 때 파괴되는 최대 응력을 의미한다.
- 휨강도: 목재의 양 끝을 받치고 중앙에서 아래쪽으로 힘을 가할 때 휘어짐에 저항하는 힘의 정도를 말한다.
인장강도, 압축강도, 전단강도 및 휨강도(출처:한국식물학회, 이상원)
목재를 활용한 새로운 개념의 재료
- 공학목재(Engineered Wood): 일반목재의 구조적 성질을 개량하여 만든 제품을 말한다. 재료의 성질변이가 적고 표준화가 가능하여 가공 및 설계를 용이하게 하며, 경제적인 측면에서도 많은 장점을 가지고 있다. 앞서 언급한 원목을 제외한 가공 목재들이 공학목재에 속한다.
- 목재 플라스틱 복합재(Wood Plastic Composite): 목재의 높은 강도와 자연친화성 그리고 플라스틱의 뛰어난 성형성과 생산성 그리고 품질의 균일성을 결합한 목재 플라스틱 복합재가 개발되어 사용되고 있다. 아주 잘게 분쇄한 작은 입자의 목재와 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 폴리염화비닐을 혼합하고 제품성능과 가공성에 영향을 주는 첨가제를 더해 생산하는데, 건축, 자동차 분야, 철도에 이르기까지 다양하게 사용되고 있다.
- 액화목재: 일상생활에서 배출되는 폐목재 등을 원료로 하여, 페놀류나 알코올류 화학물질과 혼합하여 열을 가해 액상의 물질을 만들어 다양한 제품을 만드는 원료로 사용한다. 액화목재를 사용한 제품의 예로는 건축물의 방수 단열을 위한 우레탄발포제가 있다. 액화 목재를 첨가한 우레탄발포제는 애폭시, 폴리에스터, 페놀 등의 폴리우레탄 화합물로 만들어진 기존의 발포제보다 뛰어난 분해성 또는 붕괴성을 가지 있는 친환경 제품이다.
참고문헌
1. 산림청, 목재의 구조와 성질( )