목재와 수분 (Wood and Water)Ⅰ

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목재소재의 성능을 변화시키는 것으로서는 온도와 습도 등의 기후인자가 있으며, 이 중에서도 수분의 영향이 가장 크다고 할 수 있겠다. 물은 생물체의 일상생활에 있어서 없어서는 안될 요소 중의 하나이지만, 적당한 양이 필요하나 목재와 같은 생물소재에 있어서는 재료의 성능을 더욱 나쁜 쪽으로 변화시키는데 일익을 담당하고 있다고 할 수 있다. 생선이나 식료품은 ‘신선한 것’이 대단히 중요한 요소 중의 하나이지만 목재가 ‘신선한’것은 수분함량이 높고 그대로 제품화하면 차츰 건조됨에 따라 길이가 변화하여 뒤틀리거나 갈라지게 된다.
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주위의 모든 생활소재를 목재로

흔히 사람을 그 재능에 맞는 자리에 앉히는 일을 ‘적재적소(適才適所)’라고 하는데, 목재를 대상으로 한 ‘적재적소(適材適所)’로 불리우는 것은 목재를 선택하여 물건을 만드는 것이 매우 중요한 일이기 때문으로 해석된다.

목재를 물리적으로 이용하는 면에 있어서 지금까지 연구를 진행해 왔고, 또 연구를 하면서 항상 느끼는 일이지만 개인적인 외침은 “내 주위의 모든 소재를 목재로 대체하자”라는 것이다. 금속이나 플라스틱, 무기질재료는 흔히 그 편리함에 안주하여 일상적으로 아무 생각없이 사용하는 것이 일반적이다.

고도성장에 따른 문화적인 생활가치를 중히 여기면서 점차적으로 목재소재에 대한 일반인들의 인식도가 달라지고 있는 현시점에서 왜 목재소재를 금속이나 플라스틱, 무기질 재료 등과 같은 용도로는 사용할 수가 없는가? 나의 연구테마는 이런 단순한 의문으로부터 출발한 것이라고 단언할 수 있다.

즉, 목재소재는 생물소재인 유기물로서 다양한 세포로 구성되어 있고, 그 세포들을 이루는 근본 물질이 배향성을 가지는 이유로 인하여 목재는 생장하는 구조방향에 따라 물리적 성질이나 역학적 성질이 다른 특성을 지니고 있다. 이것이 목재내부인자로서 목재소재의 단순사용을 어렵게 하는 첫째 이유라 말할 수 있다.

둘째는 외부인자로서 목재소재의 성능을 변화시키는 것으로서는 온도와 습도 등의 기후인자가 있으며, 이 중에서도 수분의 영향이 가장 크다고 할 수 있겠다.

물은 생물체의 일상생활에 있어서 없어서는 안될 요소 중의 하나이지만, 적당한 양이 필요하나 목재와 같은 생물소재에 있어서는 재료의 성능을 더욱 나쁜 쪽으로 변화시키는데 일익을 담당하고 있다고 할 수 있다. 생선이나 식료품은 ‘신선한 것’이 대단히 중요한 요소 중의 하나이지만 목재가 ‘신선한’ 것은 수분함량이 높고 그대로 제품화하면 차츰 건조됨에 따라 길이가 변화하여 뒤틀리거나 갈라지게 된다.

또한 통풍이 나쁜 상태에서 장기간 방치하게 되면 곰팡이나 부후가 일어난다. 이것은 목재 속의 습도가 높아 수분이 빠지지 않고 세균의 생육조건에 적당한 상태가 되기 때문이다. 나아가 목재 가공품을 도장하거나 접착하는 경우에 있어서도 수분함량이 높으면 마무리가 잘 이루어지지 않는다.

따라서 건조재를 사용하여 가공하거나 집을 짓는 일은 매우 현명한 일이며, 목재소재의 수분제어, 즉 건조기술의 중요함은 말할 필요가 없는 것이다.

즉, 생물재료인 목재는 물을 마시면서 살아온 탓에 벌채 후에도 물을 만나면 흡수하고, 건조하면 물을 뱉어내는 성질을 가지고 있다. 따라서 목재에서 증감된 물의 양만큼 목재체적은 늘어났다 줄어들었다 하는 것이다.

이와 같이 재료의 길이가 물의 영향으로 시시때때로 변화한다면 문제가 될 수밖에 없는 것이다. 간단한 일례로 몇 년전 대구시근교의 목재도장공장에서는 가격이 비싼 두껑달린 인장을 생산한 일이 있었는데, 둥근원형의 인장두껑이 시간이 지남에 따라 계란형 등의 부정형의 원형으로 변하여 판매할 수 없다는 것이었다. 이것 역시 수분이란 녀석의 소행에 지나지 않는 것으로서 수분관리를 제대로 하지 못한 것 때문이다.

따라서, 목재산업의 고부가화의 방안은 목재소재든 목재제품이나 목질재료계 제품을 구분하지 않고, 모두 정확한 수분관리를 어떻게 하는가에 달려있다고 할 수 있다. 목재소재에 포함되어 있는 수분을 어떻게 잘 다스려서 트러블이 없게 하는 것이 목재가공현장에서의 근본적인 품질결함을 없애는 방안중의 하나라고 해도 과언이 아닐 것이다.

이와 같이 사용상에 있어서 문제나 결함을 발생시키지 않는 수분관리기술이야말로 우리주변의 모든 소재를 목재소재로서 대체할 수 있는 지름길이 될 것이다.

산림에 생육하는 입목은 생리적 기능을 유지하기 위하여 항상 다량의 수분을 보유하고 있다. 이러한 함유수분은 입목이 그대로 고사하거나 또는 원목벌채, 제재절삭, 건조, 기타 칩제조 등의 가공과정을 거치면서 대기 중으로 증발하게 된다.

목재내의 수분증발, 즉 목재가 건조되면서 치수 및 물리적 성질도 변화하게 되고, 따라서 목재의 함유수분은 목재의 몸무게(비중)와 더불어 목재의 모든 물리적 또는 역학적 성질에 영향을 미치는 중요한 인자이며 목재를 가공하거나 이용할 때 수분의 영향을 충분히 고려해야 한다.

세포벽 속에는 결합수, 세포공극 속엔 자유수

나무는 원래 물과 깊은 연관관계가 있다. 왜냐하면 나무는 생육시 수목의 몸 속에서 수분의 통로였기 때문이다. 수목은 광합성에 필요한 물을 뿌리로부터 빨아 올려 잎까지 보내고 있다.

물의 통로는 뿌리에서 잎까지 긴 경우에는 80m도 되며, 도중에 기포가 생겨도 물의 흐름이 멈추지 않도록 복잡하고도 교묘한 모세관으로 구성되어 있다.

이 모세관부분이 목재인 것이다. 더구나 목재는 주체로 되어있는 구성성분이 탄수화물이기 때문에 물분자를 수소결합이라고 하는 비교적 강한 힘으로 붙어있게 할 수 있다.

수소결합이란 다음과 같다. 물분자의 구조는 산소원자에 수소원자 2개가 붙어서 이등변삼각형의 모양을 이루고 있다. 이 삼각형의 정점은 정전기적으로 중성이 아닌, 수소원자는 프라스(+), 산소원자는 마이너스(-)로 대전되어 있다.

한편 목재의 탄수화물에는 많은 수산기나 산소원자가 있어, 이 마이너스로 대전되어 있는 산소원자에 물분자의 수소나 수산기의 수소를 매개체로 하여 전기적으로 인력이 작용하는 것이다. 수소결합하고 있는 물을 결합수라고 하고, 수소결합하지 않고 있는 물을 자유수라고 불러 구분하고 있다.

따라서 자유수는 세포내강이나 세포벽의 틈사이에 있는 물로서 목재내 비어있는 공간속에 존재하는 물이라 할 수 있다. 이와는 달리 결합수는 목재의 세포벽에 결합해 있는 물로서 목재의 치수를 변화시키거나 목재의 성질을 바꾸기 때문에 목재와 한몸이 되어 일체화된 상태기 때문에 목재 그 자체라고 볼 수 있는 것이다.

그래서 목재=세포벽+물+공기 라고 하는 등식이 성립한다. 여기서 공기는 세포내강이나 세포벽 속의 틈 속에 있는 공기를 말한다.

한편, 목재의 물리적 또는 기계적 성질은 결합수의 양에 따라 현저한 영향을 받는다. 즉, 목재의 강도, 체적 또는 탄성계수 등은 건조상태로부터 섬유포화점까지는 결합수의 양에 따라 변화되지만, 그 이상의 함수율 범위에서는 거의 일정하다.

그러나, 열이나 전기에 대한 성질은 섬유포화점을 경계로 하여 그 상하의 함수율 범위에서 함수율에 의한 변화의 정도가 다르다. 따라서, 이 한계가 되는 함수율은 실제적으로 매우 중요한 의미를 지니고 있다.

물은 수증기나 얼음으로 변하는데, 얼음과 같은 고체일 경우 물분자는 수소결합과 분자간인력에 의하여 규칙적으로 배열되어 있어 분자간의 배치가 변하지 않고 정지되어 있다.

액체로 되면 물분자는 수소결합이나 다른 분자간 인력에 의하여 여러 개가 모여 비교적 자유롭게 운동한다. 그리고, 수증기 상태에서는 이미 수소결합은 존재하지 않고 물분자가 자유롭게 운동한다.

그런데, 0℃ 일 때의 얼음은 융해열(heat of fusion) 1.435kcal/mol과 100℃일 때의 물의 증발열(heat of evaporation) 9.719kcal/mol은 각각 응집상태의 차이를 나타내는 퍼텐셜 에너지(potential energy)이다.
자유수는 액체이며 물과 동일하게 취급할 수 있다. 그러면 결합수는 어떤 퍼텐셜 에너지를 가지고 있을까? 지금 섬유포화점 이하의 목재를 일정한 조건으로 건조하면 건조 속도는 함수율이 낮아짐에 따라 감소되고, 미분흡착열은 이와 반대로 증가된다. 따라서, 결합수의 퍼텐셜 에너지는 함수율에 의존하고 있다.

SKARR는 결합수, 보통 물 및 수증기의 포텐셜 에너지의 차이를 물의 기화열·미분흡착열 및 세포벽에서 1g의 물을 증발시키는데 필요한 열량을 사용하여 표현할 수 있다고 설명하였다.

이 결과에 의하면 섬유포화점에서 흡수되는 수분은 자유수와 똑같은 포텐셜 에너지를 가지고 있다고 한다. 즉, 결합수는 수증기나 보통 물보다 퍼텐셜 에너지가 낮은 상태에 있으며, 그 정도는 함수율이 높아짐에 따라 감소되고, 섬유포화점에서 보통 물과 같게 된다.

이와 같은 사실은 결합수는 흡착현상에 의하여 세포벽 중에 흡착되고, 함수율이 낮아질수록 목재실질과 강하게 결합하고 있는 것을 의미하고 있다.

이와 같은 현상은 물분자가 목재 실질과 결합하면 용적이 수축되며, 결합수의 평균 비중은 전건상태에 근접할 경우 물의 약 1.3배에 달한다.

목재가 가지고 있는 물의 양

이제 물이 목재의 일부임을 잘 알게 되었다. 그래서 목재 속에 물을 어느정도 가지고 있는가를 항상 주의깊게 살피지 않으면 안 된다. 여기서 목재가 가지고 있는 물의 양을 나타내는 값으로서 함수율이라고 하는 말을 자주 듣게 되는데, 이것을 수식으로 정의하여 나타내면 다음과 같다.

즉, 함수율이란 목재속에 함유된 물무게를 수분을 제거한 목재만의 무게로 나눈 중량비의 백분율값이다. 이 식으로 정의한 값에 따라 목재를 다양하게 분류하여 부르게 된다.

예를들어, 목재무게 100g인 목재가 물을 100g 함유하고 있다면 함수율 100%이며, 물을 50g 함유하고 있다면 함수율 50%로서, 일반적으로 함수율 50%, 100%라고 하는 것은 생재상태의 목재라고 부른다.

목재 속에 들어있는 물의 상태와 종류

목재는 수분의 함유량에 따라 구분하고 있는데, 수분함유량이 많은 생립목일 때를 기준한 생재상태, 대기중에서 상당히 건조된 기건상태, 수분이 완전히 제거된 전건상태로 대별하며, 기타 포수상태와 섬유포화상태가 존재한다.

생재 상태

벌채직후 건조하지 않은 상태의 목재를 말한다. 따라서 목재의 세포벽이 수분으로 완전포화되어 있고 세포내강과 세포간극 등의 공극 중에도 일부 액상의 수분이 존재하는 상태를 생재상태(green condition)라고 하며, 입목 또는 벌채 직후와 수중저목 중인 목재에서 관찰된다.

생재상태의 목재를 생재(green wood)라 하고 이때의 함수율을 생재함수율(moisture content of green wood)이라고 한다.

목재의 생재함수율 기준은 이용측면에서 볼 때 원목이 절단되어 수분이동이 정지된 시점 즉 벌채직후의 함수율로 정의하고 있으며 실제적으로 임지에 서있는 입목의 함수율과 동일한 값이라고 볼 수 있다.

1) 생재함수율의 변이
목재의 생재함수율은 수종, 수령, 개체 별로 다르며 동일개체 내에서도 심재와 변재, 수고부위, 수간과 가지 등 생장부위에 따라 다를 뿐만 아니라 지리적 입지와 계절에 따라서도 변이를 나타낸다.

① 수종
생재함수율은 수종에 따라 많은 차이를 보이며 대부분 수종의 평균 생재함수율은 30%∼200% 범위에 속한다. 일반적으로 비중이 큰 수종일수록 생재함수율은 작은 경향을 나타낸다.

② 수령
수령이 많아지면 심재율이 증가하고 아울러 비중도 커지기 때문에 대체로 생재함수율은 감소한다.
이러한 현상은 침엽수에서 현저하다. 동일수목일지라도 유령목의 생재함수율은 노령목보다 높고, 특히 심재가 아직 형성되지 않은 미성숙재의 생재함수율은 성숙재보다 훨씬 높다.

③ 생장부위
심재와 변재간, 또는 수고부위별로도 생재함수율의 차이가 나타나며 그 정도는 수종에 따라 다르다. 미송의 심재는 37%에 불과하며 변재함수율 115%의 1/3 정도이고 western red cedar 변재의 생재함수율은 249%에 달한다.

일반적으로 침엽수재의 생재함수율은 변재가 심재보다 높은 반면에, 활엽수재는 일정한 경향이 없으며, 조재의 생재함수율은 만재보다 높은 것이 일반적이다.

침엽수와 활엽수간에는 변재의 경우 침엽수재의 생재함수율이 활엽수재보다 높은데 이는 침엽수재는 활엽수재보다 비중이 작고 수분 통도조직의 차이 때문으로 알려져 있으나 심재의 경우는 뚜렷하지 않다. PECK에 의한 미국산재의 조사에서도 침엽수재 27종은 모두 변재 함수율(평균 149.8%)이 심재 함수율(평균 55.4%)보다 높았다.

그러나, 활엽수재에서는 변재 함수율(평균 82.7%)이 심재 함수율(평균 81.4%)보다 높은 수종은 34수종 중 14종이었다. 수간 내에서의 침엽수재의 생재함수율의 분포를 보면 다음 그림과 같다.

한편 수고부위별 생재함수율의 변이에 대하여 일반적으로 침엽수는 수간의 상부로 갈수록 현저한 증가를 보이나 활엽수의 경우는 다양한 양상을 보인다. 변재와 심재간에 생재함수율 차이가 뚜렷한 수종일수록 수간 상부에 변재율이 많고 생재함수율도 높아진다.

우리나라산 소나무, 잣나무 및 리기다소나무의 생재함수율은 수고부위가 높아짐에 따라 증가하는 경향을 나타내고 있다. 수간전체의 평균 생재함수율과 유사한 수준의 생재함수율을 나타내는 수고부위는 소나무와 잣나무의 경우 지상고(地上高) 3.2m이고 리기다소나무는 지상고 5.2m였다.

활엽수재의 생재함수율의 변이는 수고부위가 높아짐에 따라 매우 완만하거나 감소하는 경향을 나타낸다. 우리나라산 신갈나무, 들메나무 및 층층나무 등은 수고가 높아짐에 따라 생재함수율이 감소하고 박달나무와 고로쇠나무의 생재함수율은 수간의 중간부위가 기부나 상부보다 크다.

또한 redwood, hemlock, sequoia, western red cedar의 근주원목(butt log)은 생재함수율이 커서 물에 가라앉는 사례가 있으나 수간의 상부에서 채취된 원목은 뜬다.

④ 지리적 입지
동일수종에서도 원목의 산지에 따라 생재함수율은 다를 수 있다. 일반적으로 생재함수율은 습한 입지(wet site), 해안지방 및 저지대에서 자란 나무가 건조입지(dry site), 내륙지방, 및 고산에서 자란 나무보다 높다.

⑤ 계절
변재의 수분통도량은 계절에 따라 달라지며 계절에 따른 수종별 생재함수율의 변이도 각각 다르게 나타난다.

수목은 생장기간 중인 봄과 여름에는 가을과 겨울보다 수분함유량이 높을것으로 생각되지만 근거가 없으며 실제로 수목의 생재함수율과 벌채계절간에 일정한 경향은 없다.

대체적으로 loblolly pine과 너도밤나무는 계절에 따라 큰 차이를 나타내지 않지만, 싹이 틀 때 함수율이 증가한 후 여름에 감소하고 낙엽기에 들어 증가 또는 감소하는 수종들도 있다. Clark(1957)는 캐나다산 yellow birch의 생재함수율은 4월말에 최고(90%)에 달하고 9월에 최소(50%)임을 보고하였고 southern pine과 aspen의 생재함수율은 여름보다 겨울에 높다.

2) 세포공극내 빈 공간속의 함수율과 최저함수율
생재에 있어서는 다음과 같은 함수율을 생각할 수 있다.

① 세포공극 함수율
세포공극의 용적에 대한 자유수가 차지하는 용적의 비율, 즉 자유수가 차지하는 용적율을 세포공극 함수율이라고 한다.

따라서 생재함수율을 알면 세포공극에 자유수가 얼마나 들어있는지를 계산할 수 있다.

한편, 생재의 세포공극률은 생재비중을 이용하면 계산할 수 있으므로 세포공극 전체의 용적에 대한 자유수가 차지하는 용적의 비율인 세포공극 함수율(Mc), 즉 자유수 용적률을 보면 다음과 같다.

② 최저함수율
벌채된 생재를 수운(水運)하거나 또는 수중저목할 때 용적중(생재중량/생재용적)이 1보다 커지면 물속에 가라앉게 되는데 이러한 원목을 싱커(sinker)라고 부른다.

이때 물속에 가라앉을 수 있는 한계점의 함수율을 최저함수율(lowest moisture content; Ms)이라고 하며, 생재비중(Sg=Wo/Vg)을 이용하여 다음과 같이 산출할 수 있다.田
<다음호에 계속>

■글 이원희 (경북대학교 임산공학과 교수)