목재는 수목(입목)에서 생산하며, 목재의 모든 해부학적 구성요소들은 세포분열과 성장과정에서 수분을 포함하게 된다. 목재는 중량 대비 총 구성의 절반 이상이 물이다. 목재를 벌채하고 가공하게 되면 바로 수분 손실이 시작된다. 이러한 건조과정은 오랫동안 계속될 수 있으며 목재의 치수와 물리적 특성에 큰 변화를 가져온다. 가구, 바닥재 또는 목공품과 같은 용도로 목재를 사용할 때 이러한 변화를 이해하고 허용하는 것이 필요하다. 목재 수분의 상당량이 건조 과정에서 제거되고 그것이 치수의 변화를 일으키지만 그것으로 끝이 아니다. 건조 후 더 많은 변화가 일어나며, 이러한 변화는 종종 서랍이나 문의 고착, 가구 패널의 뒤틀림, 바닥판 사이의 틈새(사진 1)와 같은 문제의 주요 원인이 된다.

 

 

물, 공기, 그리고 목재

건조된 목재는 수분에 노출되면 물을 흡수하고 팽윤하여 치수가 증가하는데, 예를 들어, 가정에서는 목재 바닥이 침수될 경우 보수 비용이 많이 드는 재해가 되는 것과 달리 목조 선박 건조에서는 팽윤이 수분 유입을 방지하는 역할을 하게 된다. 물은 또한 공기 중에서는 증기로 존재하며 '건조된' 목재에 미세한 치수 변화를 일으킬 수 있다.

 

 

목재는 주로 방추형의 작은 원통형 세포로 구성되어 있으며, 벽 두께와 내강이 뚜렷하게 구분된다. 세포들은 서로 평행하게 배열되어 있고 대부분 축 방향으로 배열되어 있다. 그 세포들 사이에는 공기가 존재하지 않는 방식으로 적층 되어 있다. 하지만, 수액(물과 양분)은 나무뿌리에서 잎으로 물을 공급하기 위해, 그리고 대부분은 축방향, 부분적으로 방사방향으로 특수한 구조(벽공 또는 천공)를 통해 세포 사이를 통과할 수 있다. 세포폭에서 세포내강을 제외한 세포벽의 상대적 두께는 목재의 밀도와 다른 많은 물리적 특성을 좌우한다.

대부분 액체 상태의 물(자유수)과 수증기는 살아있거나 갓 벌채된 나무의 세포 내강에 존재한다. 세포벽에서는 세포벽을 구성하는 분자에 결합된 수분(결합수)이 포함되어 있다. 목재를 건조하면 액체 상태의 물과 다시 접촉하지 않는 한 세포에서 자유수가 영구적으로 제거된다. 추가로 더 건조하면 결합수가 제거되어 전건 될 때까지 목재 조직에서 모든 수분이 제거된다. 함수율은 전건무게 대비 시료의 함유 수분의 무게의 비로 계산되며, 백분율로 표시한다.

 

섬유포화점(Fiber Saturation Point)

목재가 건조되어 더 이상 자유수가 존재하지 않는 상태를 섬유포화점이라 하는데, 세포내강과 간극에 자유수가 더 이상 존재하지 않는 상태이다.

 

수분 유동 메커니즘

물을 흡수하는 목재의 천연적인 특성이 목재 치수 변화의 주 요인이다. 이것은 세포벽을 구성하는 당 기반 화합물(셀룰로오스와 기타)에 기인한다. 이 화합물들은 긴 체인으로 세포벽에 놓여 있는데, 아래 그림 2에서와 같이 어떤 부분에서는 촘촘하고 직선적이며 어떤 부분에서는 흐트러져 있다. 물 분자는 방향이 흐트러진 부분(비결정영역)에서만 발견된다. 모든 물 분자가 건조되어 제거되면 그들이 점유하고 있는 공간은 수축한다. 반대로 흡습되면 구조가 확장되어 수축에서 벗어나 팽윤이 발생하게 된다. 목재 분자에 가장 가까운 물 분자는 가장 강하게 결합된다. 물 분자가 더 많이 첨가되면 끌어당기는 힘이 감소하고 네트워크가 포화 상태가 될 때까지 부풀어 올라 FSP에 이르게 된다.

흡습성 물질의 흥미로운 특성은 고정된 상대 습도와 온도에 노출될 때 소재의 함수율이 평형함수율(EMC)로 알려진 설정된 조건과 동일하다는 것이다. 예를 들어, 30℃의 온도에서 65%의 고정 상대 습도에 노출된 목재는 약 12% 함수율에서 평형에 이르고, 30°C와 85%의 상대 습도에서는 약 17% 함수율에서 평행을 이른다.

목재에는 당 성분 화합물 외에도 추출물로 알려진 더 복잡한 화학물질도 발견된다. 많은 수종들이 각기 다른 다양한 목재 추출물을 함유하고 있는데, 예를 들어 티크와 레드우드 심재는 유칼리 같은 옅은 재색의 목재에 비해 추출물의 비율이 높다. 목재 추출물은 세포내강 및 세포벽내에 또한 존재하며, 치수 변화를 가져오는 세포간극에 존재하기도 한다. 종류와 양에 따라 차이가 있지만 부피가 커지는 것을 제한함으로써 수축이나 팽윤을 줄이는 효과가 있으며, FSP를 전 수종 평균인 약 28% 이하로 낮추는 주요 요인이다.

 

목재 치수 변화와 수분

생재를 처음 건조할 때는 대개 FSP에 도달할 때까지 자유수를 제거하는 동안 수축은 거의 또는 전혀 일어나지 않는다. 건조가 계속되면 '정상 수축'이 발생한다. 그러나 실제로는 목재는 일정하게 마르지 않는다. 표면 층이 먼저 건조되고 수축하려고 하지만 습윤한 내부로 인해 방해를 받게 되므로 특별한 건조 스케줄을 적용하여 전체 수축 보정과 응력 관리가 이루어진다.

건조 과정 외에도 건조 목재의 치수 변화는 주로 FSP 이하의 수분 변화에 기인한다. 잠재된 건조 응력을 풀어주는 것이나, 온도 변화로 인한 수분 증발로 인해 추가적인 치수 변화가 일어날 수 있다. 넓은 판재를 좁은 판재로 켤 때 특히 잠재된 건조 응력이 '스프링'처럼 크게 방출될 수 있다. 반면 온도와 관련된 목재 치수 변화는 너무 작아서 수분의 작은 변화에 따른 결과에도 완전히 압도당한다.

 

수축과 팽윤

모든 목재와 그 부재들은 생재 상태일 때를 제외하고 수분 변화에 따라 수축하거나 팽윤한다. 실제로 목공인들은 특정한 시공법을 사용하거나 제작된 보드를 사용하여 목재 치수 변화로 인한 문제를 최소화할 수 있다.

일반적으로 건조된 목재의 함수율은 어느 특정 도시(멜버른)의 12%와 같은 특정 위치에 대한 평균 실질 함수율로 제시된다(호주에서). 건조가 시작된 후 어느 단계에서든 함수율과 수축을 측정할 수 있지만, 목재 내부에는 실제로 다양한 수분층이 있고 균일하게 되는데 장시간이 필요하기 때문 이러한 수축과 함수율은 일정 부위의 평균적인 상태를 나타낸다.

실제로 수종별 목재 수축률은 인용된 수축률 데이터보다 낮은 경향이 있다. 그 이유는 시료의 크기가 차이를 만들기 때문이다. 시편이 클수록 효과도 커진다. 시료가 매우 얇고 점진적으로 건조되지 않는 한, 목재 외부 부분이, 아직 건조되지 않은 내부 부분에 의해, 수축하지 않기 때문에 더 낮은 수축이 발생한다. 이러한 건조 응력은 평준화와 조습 처리를 통해 완화되어야 한다. 그렇지 않으면 후 가공에서 변형이 발생할 수도 있다.

 

목재구조와 목재 유동

수축으로 인해 발생하는 많은 문제는 다른 구조적 방향의 불균등한 수축과 더 관련이 있다. 대부분의 경우 길이방향(축방향 또는 섬유방향)의 수축은 실제로 매우 낮다. 이와는 대조적으로 폭 방향인 폭과 두께의 수축은 상당하며 생장륜의 방향에 따라 달라진다. 일반적으로 생장륜에 평행한 수축(접선방향)이 가장 크며 축방향 수축의 약 100배 정도이다. 생장륜과 직각일 때(방사방향) 수축은 접선방향의 약 절반이지만 수종 간 변이가 크다.

사주목리재와 기울어진 수간, 바람의 영향을 많이 받는 곳에서 자란 또는 경사진 곳에서 성장하는 이상재의 목리방향(축방향) 수축률은 제한적으로 일어나기는 하지만 그 크기는 예외이다. 일반적인 정상재와 비교했을 때, 이러한 목재의 축방향 수축률은 약 10~20배 정도 더 클 수 있으며, 폭방향 수축률은 침엽수재에서 약간 더 낮고 활엽수재에서 더 높다.

개별 수종의 수축률은 공개된 참고 자료에서 찾을 수 있다. 접선방향과 방사방향 수축률 비율이 높은 수종은 비율이 낮은 수종보다 접선 방향으로 변하는데 더 많은 문제를 일으킬 것으로 예상된다. 후자는 또한 많은 목재 추출물을 가지고 있는 경향이 있다. 1.0이라는 비율은 그 수종이 접선과 방사 양방향으로 균일하게 유동한다는 이상적인 의미이다.

 

 

목리방향

축방향의 작은 수축은 무시해도 접선 방향과 방사 방향의 불균등한 수축률은 목재 거동에 큰 영향을 미친다. 첫 번째 주요 의미는 소재 원목으로 설계할 때 서로 다른 구조 방향의 이러한 큰 변이를 이해하고 고려해야 한다는 것이다.

정목(곧은결) 판재의 넓은 부분은 방사단면이고, 좁은 부분은 접선단면(두께)인 반면, 판목(무늬결) 판재의 넓은 부분은 접선단면이고 좁은 부분(두께)은 방사단면이다(그림 1). 접선방향 수축률이 크기 때문에 판목판재는 같은 크기의 정목판재보다 폭이 더 줄어드는 경향이 있다. 또 평균적으로 폭이 두께보다 두 배(또는 더 넓은) 넓은 판재는 절단 방향과 상관없이 건조 후 너비 손실이 더 큰 경향이 있다. 이것은 어느 방향으로든 비교적 균일한 움직임을 보이는 목재 복합재(공학목재)가 왜 치수적으로 안정적이고 산업에서 더 많이 사용되는지를 보여준다.

 

수분 변화의 효과

일반적인 문제로는 판재의 한쪽 면이나 옆면에서 나무를 재단할 때 휘거나 뒤틀리는 것이 있는데, 이는 건조 응력의 균형을 깨뜨리는 것이 원인이다. 굽음과 유동의 또 다른 이유는 켜기 재단 또는 자동대패질 중에 습윤한 심층이 노출되는 불균등한 수분 경사 때문일 수 있다. 함수율이 높은 목재는 건조되면서 수축하여 판재가 굽어지거나 뒤틀리는 경향이 있다. 판재의 표면이 흡습하면 습한 부분이 팽윤하고 그 결과 반대쪽으로 휘어지는 유사한 상황이 발생할 수 있다.

또 다른 문제는 미국이나 에어컨이 가동되는 사무실과 같은 특정 수요 시장에 맞게 과도하게 건조된 목재로 마루판을 고정했을 경우 발생할 수 있다. 여름에 이 나무를 깔고 에어컨을 계속 가동하지 않는 한 상대습도가 높아 판재가 팽윤되어 바닥이 뻑뻑해지거나 마루판이 솟아오르게 된다. 판재가 다시 건조해지면, 마루판은 수축하게 되고 보기 흉한 틈이 생길 수 있다.

판재의 아래나 윗면이 젖은 후 마를 때도 비슷한 문제가 발생할 수 있다. 또 다른 예는 가구 제조에서 판재의 측면을 접착하여 더 큰 패널을 만드는 경우에 발생할 수 있다. 습기가 많아지면서 글루 라인에서 팽윤이 증가하여 접합부에서 목재가 솟아오르게 된다. 접합부가 완전히 마르도록 내버려두면 문제가 없을 것이며, 약간 솟아오른 접합부는 샌딩으로 갈아 낼 수 있다. 그러나 수분이 균일화되기 전에 접합부를 조기에 샌딩하고 패널을 단판으로 마감하면 나무가 완전히 마를 때 접착제 라인의 접합부가 안으로 줄어들면서 작은 움직임도 단판 표면에서 감지될 수 있다.

 

목재 유동을 이해하는 것은 목공인이 그로 인해 발생할 수 있는 문제를 극복하는 데 도움이 된다. 기억해야 할 주요 사항은 다음과 같다.

● 사용할 목재 함수율을 EMC 극단의 대략 중간 정도로 한다. 일반 가정용 가구의 경우 건조재 이용 함수율을 10~14%로 지정하는 것이 좋다. 또는, 목재의 함수율이 바람직한 범위에 있지 않을 경우 가공하기 전에 균등화되도록 해야 한다. 단, 약간의 시간이 필요할 수 있다. 이것이 전문 제작자들이 완전히 건조된 목재를 칭찬하는 이유이다.

● 함수율 변동이 클 것으로 예상되는 곳에는, 단위 수축(수축률 경사)이 낮고 FSP가 낮은 수종- 주어진 함수율에서 단위 수축률이나 팽윤율이 작은 수종을 선택한다. 이러한 정보는 얻기가 쉽지 않지만 서부적삼나무, 레드우드, 티크, 자작나무, 독일가문비나무와 같은 수종들이 치수 안정성이 좋다는 것을 경험 많은 목공인들은 알고 있다. 우리나라는 산림과학원 자료, 미국은 임산물 연구소 자료에서 구할 수 있다.

● 시각적으로 허용 가능한 경우, 정목재가 치수 안정성이 떨어지는 판목재보다 나을 수 있다.

● 특히 대형 판재를 사용할 때는 치수 변화를 흡수할 수 있도록 설계한다. 마감 처리로 수분 흡수 또는 손실이 늦출 수 있으며, 왜곡 방지를 위해 판재 양면에 모두 도포해야 한다.

이러한 목재 유동을 과학적으로 이해하는 것은 목공인들이 발생 가능한 잠재적인 문제들을 줄이거나 제거하는 데 무엇보다도 중요하다는 것을 알아야 한다.

 

 

 

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