나무의 성질과 그 이용법 목재(timber)&목질기초소재

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나무의 성질과 그 이용법



2003년 1월 20일 월요일

우리의 생활주변에 가장 흔하게 대할 수 있는 것은 나무로 만들어진 제품이다. 작게는 무심히 쓰고 내버리는 메모지 한 장에서 크게는 살고 있는 집에 이르기가지 그 용도는 스를 헤아릴 수 없을 정도이다. 그러나 나무는 타 재료와는 독특한 특성을 갖고 있으므로 우리는 이들의 성질을 이해하고 벌채된 나무가 어떻게 효과적으로 이용되는지를 알아볼 필요가 있다고 생각된다. 나무를 이루고 있는 세포의 특성과 이들이 집합된 나무의 독특한 성질을고찰해 본 다음 천연나무를 그대로 이용하는 방법 및 나무의 나쁜 점을 보완 이용하는 재질개량의 방법 등 나무를 효과적으로 이용하기 위한 임산 공학(wood technology) 전반에 관한 내용을 간략하게 기술하고자 한다.


나무의 성질과 그 이용

1. 나무를 구성하는 세포
수목은 수피(껍질) 바로 아래에 있는 영구 분열 세포인 부름켜가 주기적으로 매년 반복하여 세포를 첨가해 감으로써 이루어진 세포들의 집합체이다.
이들 세포는 침엽수와 활엽수, 또는 수종에 따라 각기 다른 형태, 배역을 나타내나 크게 나누면 수목이 굳건하게 서 있을 수 있는 지지역할 및 수분이동을 담당하는 세포들과 양분의 저축 및 이동을 담당하는 세포들이 있다.
전자의 세포 중 나무가 똑바로 서있을 수 있도록 지지역할을 담당하는 세포는 가늘고 신 세포로써 폭과 길이의 비가 1:100정도 되며 일반적으로 세포벽이 드껍다.
이들 세포는 침엽수의 경우 헛물관이라 하며, 90~97%, 활엽수는 목 섬유라 하여 약 70% 를 점유한다. 수분 이동을 담당하는 세포는 침엽수에 있어서는 헛물관이 겸하고 있으나 활엽수는 물관이라는 길이가 짧고 직경이 0.05~0.4mm 에 달하는 대단히 큰 세포가 따로 존재한다. 후자의 양분 이동 및 저장을 담당하는 세포들은 수목이 살아 있을 동안 의 물질대사에 관계하는 세포로서 5~10%를 점유하는 불과하다. 따라서 나무는 이용하는데 가장 주목해야 할 세포들은 섬유하고 불려지는 헛물관과 목섬유 및 물관 등 조로 전자의 세포들이다. 이들은 부름켜에서 분열된 후에 오래지 않아 원형질을 잃고 죽어버리므로 나무를 구성하는 재부분의 세포는 세포벽으로 둘러싸고 안쪽이 텅 빈 상태에 있다. 실제적으로 나무의 공간율은 40~80%에 달한다. 따라서 나무의실질은 20~60%에 불과한 셈이다. 세포벽의 화학성분은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌의 3성분으로 주로 이루어지고 철근 콘크리트에 비교하면 셀룰로오스가 철근과 철사를 연결하는 철사, 리그닌이 콘크리트에 해당하는 역할을 하고 리그닌은 세포와 세포사이의 간격게 대량으로 분포하므로 써 수목이 단단햐게 버틸 수 있게 된다.

2. 나무의성질
세포의 유체가 집적된 나무는 수종 , 생육환경 등에 따라 각기 다른 성질을 가지고 있은나 대체적인 좋은 성질과 나쁜 성질을 알아보면 다음과 같다.
좋은 성질로서는 첫째, 거볍고 강하는 것이다. 예를 들면 연필 굵기의 나무에 어른 5명이 매달려도 버틸 수 있을 정도로 강하다. 같은 굵기의 강철에는 50명이 매달리 수 있을 정도의 강도를 가지고 있으나 무게는 무려 20배에 달한다. 둘째, 가공이 쉬운점이다.
톱, 대패 등 간단한 도구로서도 필요로하는 모양을 손쉽게 만들 수 있고 철, 플라스틱, 시멘트 등의 다른 재료와도 간단히 연결사용 할수 있다. 셋째, 외광이 아름답고 인간에게 친근감을 주는 점이다. 깨끗이 다듬어진 나무의 표면은 은은한 색깔과 교묘한 자연의 무늬가 쾌적한 느낌을 갖게 한다. 금속이나 콘크리트만으로 만들어진 대도시와 건물들에 비하여 나무의 자연무늬 를 살린 목조가옥이 우리에게 더욱 친밀하고 안정감을 가져 다 주는 것은 누구나 느낄 수 있는 감정일 것이다. 넷째, 음향의 반사능률이 좋고, 흡음성이 크다는 점이다. 나무의 이와 같은 성질은 각종 악기의 기본재료로 이용된다. 예를 들면 피아노는 무려 50수종의 나무가 사용된 나무의 종합예술이라고 할수 있다. 이상과 같은 좋은 성질이 있는 반면에 나쁜 성질로서는 첫째, 질이 균형하지 않은 점이다. 한 수목에서 유래된 나무라 하더라고 살아 있을 때의 높이 방향, 속에서 수피 쩍의 방향, 나이테에 접하는 방향에 따라 성질이 다르고 이것은 이방성이라고 하여 나무의 독특한 성질중의 하나이다. 예를 들면 나무를 섬유방향으로 힘을 가할 때는 대단히 강하나 이와 직각방향으로는 1/10정도에 불과하다. 나무는 일년동안 자라는 계절에 따라 봄에 자란 연한 부분(춘재)과 여름과 초가을에 자라 비중이 높고 단단한 부분(추재) 이 교대로 존재하여 이는 나무의 성질에 나쁜 영향을 주고있다. 둘째, 습기에 의한 수축 팽창이 생기는 점이다. 나무의 성질에 나쁜 영향을 주고있다. 둘째, 습기에 의한 수축 팽창이 생기는 점이다. 나무는 공기중의 수분이 변동함에 따라 나무 속의 수분도 변화한다. 즉 흡수하면 팽창하고 수분을 잃으면 수축한다. 이들은 섬유방향에 있어서도 0.1~0.2%에 불과하나 속에서 수피 쪽의 방향은 2~3%, 나이테에 접하는 방향은 4~6%에 달한다. 수축팽창의 불 균일은 나무가 터지고 비틀어지는 원인이 된다. 셋째, 균 혹은 충해를 받기 쉽다. 나무는 천연고분자로 이루어진 유기체이므로 생물의 피해를 피할 수는 없다. 나무를 폐기시키는 균은 담자균이 대부분을 이루고 있고 벌레종류로서는 남쪽 지방에 주로 분포하면서 특히 소나무로 만들어진 가옥 및 사찰의 기둥 등을 가해하는 흰개미의 피해가 심하다. 넷째, 불에 타는 성질을 들 수 있다. 나무가 유기체인 이상 피할수 없는 결점 중의 하나이다. 그러나 기둥 혹은 두꺼운 판재, 각재의 경우는 표면에서 어느 두께까지 타 들어 가는 데는 많은 시간이 소요되므로 화재가 발생했을 때는 철이나 플라스틱 등의 다른 재료보다는 오히려 안전하다.

3. 나무의 가공
나무를 통나무 그대로 사용하는 것은 극히 제한된 경우에 불과하고 대부분은 용도에 따라 각재.판재등의 사용하기 쉬운 형태로 만들고 좋은 성질을 살리고 나쁜 성질을 개량하여 사용목적에 맞도록 가공한다. 가공의 방법은 다음과 같다.
제재 : 통나무를 세로로 켜는 것은 톱니가 새겨진 강철 띠가 2개의 커다란 수레바퀴(車)에 연결되어 빠른 속도로 돌아가면서 나무를 제재하는 띠톱 제재기를 사용하고 가로 켜기 및 목공용으로서는 동근 강철판에 톱니가 붙은 둥근톱 제재기를 이용한다. 제재하여 생산되는 판재는 나이테에 접하는 방향으로 켜서 나오는 무늬결판재와 나이테에 직각으로 켜는 곧은 결판재가 우수하다. 통나무의 체적에 대하여 얻어진 제재품의 체적비율을 수율 이라 하는데 보통 60~70% 정도이다.
건조 : 습한 나무는 생물의 침해를 받아 썩게 되며 건조하면 수축하여 틈이 생기고 비틀어지는 등 여러 가지 결점을 방지하기 위하여 반드시 건조하여 사용가지 않으면 안 된다. 생재는 70~200%의 수분을 함유하고있으나 사용하는 장소의 공기 중 관계습도에 따라 실내에서 주로 사용하게 될 나무는 나무 실질 무게에 대하여 8~12%, 옥외에 사용하는 나무는 13~18%까지 건조하는 것이 적당하다. 건조하는 방법은 제재한 나무를 통풍이 잘되는 옥외에 쌓아 천연 건조하는 방법과 건조실에 넣어 인공적으로 가열 건조 시키는 인공건조가 있다. 천연 건조법은 간편하고 비용이 적게 드는 장점이 있으나 2~6개월의 긴 기간이 소요 되고 나무 내의 수분도 18~20%가 한계점이므로 가구용 목재, 마루판, 악기, 스포츠용품 등 정밀한 가공을 위한 나무는 대부분 인공 건조법을 사용한다. 인공 건조법은 콘크리트로 만든 건조실 안에 증기파이프와 송풍기를 설치하고 온도와 습도를 적당히 조절하면서 송풍기로 바람을 강제순환 시키면서 나무를 단기간에 6~8%까지 건조 시키는 방법이다. 보통 건조실내의 온도 50~70℃ 건조일수는 7~10일 정도가 소요된다. 이방법의 요점은 건조하려고 하는 나무를 가능한 비틀림 없이 할열이 생기지 않도록 또한 단기간 내에 전조시키기 위하여 나무의 종류나 치수에 따라 나무의 수분변화를 수시로 확인하면서 온도와 습도 알맞게 조절하는 것이다.
절삭 : 건조된 나무는 표면이 매끈하고 고르지 못하므로 제품을 만들기 위하여는 균일하게 깍아 주어야 하며 이작업을 절삭이라 한다. 절삭은 대패, 끌 등을 사용하는 간단한 방법도 있으나 대량으로 정밀하게 가공할 깨는 자동 대패기 , 드릴 등을 사용한다. 방부, 방화처리 : 균이나 충해를 막기 위하여 나무를 방부제 혹은 방충제로 처리하여생물에 대한 저항력을 증가시킨다. 방부, 방충제는 크롬, 그리, 비소 등을 주성분으로 하는 수용성과 펜타클로로페놀을 주 성분으로 하는 유용성 및 크레오소오트 등의 유상(油狀) 인 것으로 대별할 수 있고 각기 균. 충의 종류와 처리나무의 사용목적에 따라 선택한다. 특히 근래에는 약제가 나무 속에 침투되면 불용성이 되도록 제조된 정착형 방부 방충제가 널리 사용된다. 불에 타는 성질을 개량하기 위하여 암모늄염을 주성분으로 하고 각종 방화약제를 사용하기도 한다.

4. 나무성질의 개량
나무가 가지고 있는 나쁜 성질을 최소한으로 줄이고 좋은 성질을 살리기 위하여는 각각의 사용목적에 알맞도록 개량하는 방법은 다음과 같다.
합판(plywood) : 곧게 자란 통나무를 회전시키면서 커다란 칼날을 가진 로우터리 레이스(rotary lathe) 라는 기계로서 마치 사과껍질을 벗기듯이 얇은 판을 연속적으로 생산하는 방법이 있다. 이판을 단판(veneer)이라 하고 두께는 1~5mm정도로 만든다. 이놔 같은 얇은 단판을 요소수지, 멜라민수지, 석탄수지 등의 접착제를 사용하여 섬유방향으로 1매씩 직교 시켜서 기수 매수로 접착 시킨 것이 합판이며, 합판을 이루는 단판 수는 3,5,7…매가 된다. 합판은 넓은 면적의 판을 얻을 수 있는 점, 천연나무의 결점을 제거하거나 또는 분산시켜서 그 영향을 최소로 할 수 있는 점, 나무의 가장 큰 결점인 방향에 따라 성질을 달리하는 이방성을 없앨 수 있는 점 등 나무의 단점을 가장 합리적으로 개량한 방법의 하나이다. 단판을 제조하는 방법 중 로우터리 레이스에 의하지 않고 커다란 각재를 슬라이스라는 기계로 두께 1mm이하의 얇은 단판을 연속 생산하는 방법이 있다. 이것을 슬라이스 단판 혹은 화장 단판이라 하고 티크, 느티나무, 등 무늬가 아름다운 고급나무를 사용하여 다른 저급나무 혹은 합판에 붙여서 이용하기도 한다. 합판의 종류에는 보통합판이외에 표면에 슬라이스 단판이나 나무 결 혹은 여러 가지 모양을 인쇄한 종이를 붙이거나 또는 합판에 바로 도료를 바른 화장합판, 합성수지를 침지 시킨얇은 종이를 입혀서 방수성을 갖게 한 오버레이합판, 각종 방부, 방충, 방화 약제처리합판 등이 있다.
집성재(laminated wood) : 짧은 판재 혹은 작은 각재를 섬유방향으로 연결하고 상호간은 접착제로 접착하여 길고 두꺼운 각재를 원하는 크기대로 만들 수 있으며 이렇게 만들어진 나무를 집성재라 한다.
집성재의 특성은 천연나무에 포함된 옹이 할열, 썩은 부분 등의 결점을 제외하고 건전한 부분만을 사용할 수 있으며, 또한 나무의 천연적인 결점을 적당히 분산할 수 있는 것이다. 따라서 천연나무에 비하여는 강도가 균일한 장점이 있다. 이외 용도는 강당, 교회, 실내체육관등의 아치형 빔, 스포츠용품 등 다양하다.
파이클 보드(particle board, 삭편판) : 각종 나무가공품의 소재 , 직경이 가는 소경재, 기타 저급나무등 거의 쓸모 없는 나무를 잘게 부수어 접착제를 분무하여 가열, 압축하므로서 넓은 판을 만들 수 있는데 이것을 파티클 보드라 한다. 이것은 제조방법에 따라 흡음성이 우수하므로 실내내장재로 애용되고 기타 가구 등에 널리 쓰이며 쓸모없는 나무를 이용하므로 써 자원절약이라는 측면에서도 중요한 재질개량의 한 방법이다.
화이버 보드(fiber board, 섬유판) : 나무를 작은 나뭇조각으로 부수어 약제와 함께 압력솥에 넣어서 열과 압력을 가하고 종이를 만들 때와 마찬가지 방법으로 나무를 구성하는 세포가 모두 흩어지게 한 다음 다시 열과 압력을 가하여 넓은 판으로 만든 것이 화이버보드이다. 이것은 압력의 정도에 따라 가볍고 연한 판, 혹은 무겁고 단단한 판을 만들 수있다. 비중이 낮고 가벼운 판은 특히 인슈레이션보드(insulation board)라 하고 열이나 소리의 전달이 잘 되지 않으므로 냉장고 뒤판, 천장판 등으로 잘 이용된다. 비중이 높고 단단한 것은 하드보드(hard board)라 하여 가구의 내부재 등에 널리 쓰인다. 종이. 펄프 : 나무를 구성하는 세포는 앞에서 설명한 바와 같이 세포와 세포사이의 콘크리트 등 해당하는 리그닌을 제거해 버리면 개개의 세포(주로 섬유)가 모두 흩트려지게 된다, 이 섬유의 집단을 펄프라고 하며 이 펄프를 표백하고 여러 가지 무기물을 가하여 얇게 압착한 것이 종이이다. 나무에서 섬유를 채취하는 방법은 통나무를 돌로 갈아서 채취하는 방법과 칩이라고 하는 작은 나뭇조각을 만들어 아황산, 가성소다, 황산나트륨 등의 약제와 함께 압력솥에 넣고 열과 압력을 가하여 쪄서 리그닌을 제거하고 섬유만을 남게 하는 방법이 있으며 전자를 기계펄프, 후자를 화학 펄프라 한다. 펄프의 원료는 주로 침엽수를 사용하였으나 근래에는 기술이 개발되어 활엽수도 많이 사용하고 있다. 펄프는 종이를 만드는 용도가 대부분이나 완전히 용해하여 인견사, 셀로판, 필름 등으로 널리 쓰인다.
기타 : 나무의 성분 중에 셀룰로오스는 포도당의 일종이 사상으로 길게 연속된 것이므로 여기에 산을 가하여 분해하면 포도당을 따로 분리할 수 있다. 떠 이것은 의약품의 제조를 비롯하여 발효시켜서 알코올을 만들 수도 있고 효모를 사용하여 가축의 사료까지도 만든다. 그러나 나무를 분해하여 당화하는 이와 같은 나무 당화공업은 경비가 너무 많이 들기 때문에 아직 공업적으로 그다지 쓰이고 있지만 석유나 석탄자원의 고갈과 함께 원가의 상승을 고려한다면 앞으로는 광합성에 의하여 재생산이 가능한 나무를 원료로 하는 당화공업이 발달할 것으로 생각된다. 또한 최근에는 나무에 합성수지를 주입하여 고정시킨 복합나무를 제조하여 수축팽윤의 결점을 없애고 강도를 보강하는 이용방법이 개발되고 있다.


글 / 연일

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