[나무신문 | 한국임업진흥원 시험평가팀] 목재 사용에 있어 함수율은 중요한 인자로 작용한다.
나무는 살아있는 생물로 생리적 기능을 유지하기 위해 항상 다량의 수분을 보유하고 있다. 이러한 목재내의 함유수문은 나무가 고사하거나 벌채, 제재, 절삭, 건조 등의 가공과정을 거치면서 대기 중으로 증발하게 된다. 목재 내의 수분증발, 즉 목재가 건조되면서 치수 및 물성이 변하게 되고, 따라서 목재의 함유수분은 목재의 비중과 더불어 목재의 모든 물리적 또는 기계적 성질에 영향을 끼치는 중요한 인자이며, 목재를 가공하거나 이용할 때 수분의 영향을 충분히 고려해야 한다.
목재 수분의 종류
목재가 함유하고 있는 수분은 크게 자유수와 결합수로 구분된다. 자유수는 세포내강 및 미세공극에 액상으로 존재하는 수분을 말하며 결합수는 세포벽 내에 존재하는 수분을 말한다. 결합수는 극성을 띄는 물 분자가 수소결합에 의해 세포벽과 결합하고, 세포내강에 주로 분포하는 자유수는 결합수에 비해 세포벽과 결합력이 상대적으로 약하며, 이를 제거하는데 필요한 에너지도 결합수에 비해 상대적으로 적게 소요된다. 자유수는 결합수와 달리 목재의 성질에 미치는 영향이 적지만, 투과성이나 열전도도 등에는 상당한 영향을 미친다. 결합수는 목재의 물리적, 기계적 성질에 크게 영향을 미친다.
함수율
목재 내에 포함된 수분의 양은 함수율(moisture content)로 표시한다. 목재 함유수분의 무게에 대한 전건무게(목질무게)의 비율(백분율로 표시, %)로 정의된 건량기준 함수율과 수분을 포함한 목재에 대한 수분양의 비율로 정의된 습량기준 함수율이 있다. 일반적으로 목재의 함수율은 건량기준으로 표시하지만, 연료로 사용되는 목재의 함수율은 습량기준으로 표시한다.
1) 함수율의 측정법
일반적으로 목재의 함수율은 목재에서 수분을 분리해 내는 전건법을 이용하여 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 목재의 전기적 성질이 함수율에 따라 변화하는 성질에 근거하여 만든 수분계를 이용하여 측정할 수 있다. 수분계에는 저항식 수분계와 고주파 수분계가 있다.
전건법은 함수율의 표준측정방법으로서 제재목의 횡단면에서 최소한 45㎝ 이상 되는 곳에서 결점이 없는 부분을 길이 1.5〜2.5㎝ 되게 시험편을 절취하여 즉시 무게를 측정한다. 공기순환이 잘 되는 건조기에 넣고 100〜150℃에서 항량에 도달할 때까지 전건시키고 전건무게를 측정하여 함수율을 계산한다.
2) 생재함수율
벌목한 직후의 목재(통나무)의 함수율을 생재함수율이라 부른다. 생재상태의 목재에 포함된 수분의 양은 수종 간에 큰 차이가 있다. 어떤 수종은 30%에 불과하지만 경우에 따라 200%를 초과하는 경우도 있다.
함수율의 변이는 수종간에서 뿐만 아니라 같은 수종 내에서 또는 동일한 개체 내에서도 큰 변이를 보인다. 침엽수의 변재는 심재보다 많은 수분을 포함하고 있고, 활엽수의 경우는 차이가 작다. 레드우드와 같은 수종은 수간의 아래 부분이 위 부분에 비해 더 많은 수분을 포함한다. 경우에 따라 습재라 불리는 비정상적인 심재가 형성되기도 하는데, 습재의 함수율은 주위의 정상재보다 훨씬 때문에 건조가 느리고 내부할열이나 찌그러짐 등의 건조결함이 발생하기 쉽다. 일반적인 상식과는 달리 벌채하는 계절에 따른 목재내의 함수율 변이는 크지 않다.
섬유포화점
섬유포화점(Fiber Saturation Point, FSP)은 세포벽에는 수분이 완전히 포화되어 있으나 세포내강에는 액상의 수분(자유수)이 존재하지 않는 상태를 의미한다. 섬유포화점은 세포벽의 최대 팽윤용적과 밀접한 관계가 있으며, 목재의 물리적 성질 변화에 크게 영향을 주기 때문에 매우 중요한다. 생재는 섬유포화점 이상의 함수율을 가진 목재를 의미한다. 섬유포화점의 함수율은 수종, 목재 성분과 밀도에 따라 차이가 있다. 상온에서 대체로 25〜35% 범위이고, 일반적으로 28% 또는 30%로 인정하고 있다. 추출물의 함량이 많은 수종은 섬유포화점이 낮다.
목재의 함수율은 노출된 환경과 평형을 이룰 때까지 끊임없이 수분을 흡수하거나 방출한다. 이에 따라 주위 공기의 온도와 상대습도의 영향을 받는다. 생재는 상대습도가 낮거나 온도가 높으면 탈습하고, 건조재는 상태습도가 높거나 온도가 낮으면 흡습한다. 목재의 수분이 주어진 온습도 조건에 따라 흡습 또는 방습되는 과정이 균형을 이루어 평형을 이룬 상태의 함수율을 평형함수율(equilibrium moisture content, EMC)이라 부른다. 상대습도가 동일하더라도 온도가 상승하면 평형함수율은 낮아진다. 평형함수율은 목재가 노출된 조건의 온도와 습도 등에 의해 결정되지만, 같은 노출조건에서도 목재의 추출물이나 건조이력 등의 영향 때문에 다른 값을 나타낼 수 있다.
목재건조에서 섬유포화점이 중요한 이유
1. 세포벽으로부터 수분을 증발시키는데 필요한 에너지가 세포내강으로부터 수분을 증발시키는데 필요한 에너지보다 훨씬 크다.
2. 목재세포는 섬유포화점에 이를 때까지 수축하지 않는다.
3. 섬유포화점부터 목재의 물리적, 기계적 성질이 크게 변한다.
기건함수율
목재는 대기 속에 장기간 두면 대기의 상대습도와 온도에 따라 평형상태에 도달하고, 이때의 목재와 함수율을 각각 기건재와 기건함수율이라고 부른다. 기건함수율은 대기의 온도와 습도 조건에 따라 변하기 때문에 장소와 기후조건에 따라 변한다. 사막과 같은 고온저습 지역에서는 6% 정도이고, 저온다습한 지역에서는 24% 내외이다. 온대지방에서는 대체로 12~18% 범위이다.
우리나라의 평균 기건함수율은 기역 및 계절별로 차이가 있지만 평균 14%이며, 그 범위는 12~16%이고, 중부지방이 남부지방보다 약간 높다. 사계절 중에서는 봄에 가장 낮고 여름에 가장 높다. 일본의 경우는 평균 15%, 범위 12~18%이며, 미국의 경우 평균 12%, 12~15% 범위로 알려져 있다. 실외에 사용할 목재는 사용 장소의 기건함수율까지 건조하여 사용해야 한다. 실내의 기건함수율은 지역뿐만 아니라 난방의 설치 여부와 그 정도에 따라 차이가 있다.
목재의 강도에 영향을 끼치는 인자로는 밀도(비중), 함수율, 온도, 섬유경사각, 마이크로피브릴경사각, 시험편의 모양과 치수, 하중속도, 옹이 분포 등이 있다. 이 중 함수율과 강도의 관계를 알아보면 다음과 같다.
함수율(FSP 이하)의 증가에 따라 탄성계수의 경우와 같이 목재의 강도는 직선적ㆍ포물선적 또는 지수적으로 감소한다. 또한 충격휨강도는 수종에 따라 함수율과 무관한 것, 함수율이 감소함에 따라 저하되는 것이 있다. 또 종인장강도, 전단강도, 할렬저항 등은 함수율 6~13%에서 최대값을 나타내는 것이 있다.
목재는 섬유포화점부터 수분이 세포벽에서 빠져나오면 수축하고, 반대로 세포벽으로 들어가면 팽윤한다. 수축은 목재의 건조, 가공과 이용에서 중요한 성질 중의 하나로, 함수율 25~30% 범위에서 발생하기 시작한다. 건조가 끝난 목재에서도 주위 습도의 변화에 따라 수축 또는 팽윤을 계속한다. 수축 시 치수가 감소하는데 때로 불균일한 수축을 유발하여 목재가 틀어지고 휘는 현상을 쉽게 발견할 수 있다. 목재가 수축하고 변형을 일으키는 일은 목재의 함수율과 관계되기 때문에 목재의 함수율 관리가 매우 중요하다.
목재제품의 하자를 예방하려면 항상 재료의 수분 상태를 점검하는 것이 중요하다. 철저하게 건조했다 하더라도 더 극심한 조건에 목재제품이 놓이면 결함이 발생하기도 한다. 겨울철 난로 주위에 목재제품을 두었을 때 접착면이나 다른 부위에서 할렬이 발생하는 경우가 그렇다. 반대로 습도가 높은 창고에 두었을 때도 치수가 늘어나거나 곰팡이가 발생하는 경우도 있다. 목재제품의 수분은 생산, 보관, 설치 또 설치 후 유지 관리할 때도 세심한 주위를 기울여야 한다. 목재제품은 우리 눈으로 확인할 수 없는 속도로 수축과 팽창이 일어난다. 따라서 제품을 보관하는 곳의 온도나 상대습도를 체크해서 제품에 수분의 유입이나 과도한 이탈을 방지해 주는 것이 필요하다. 모든 목재제품은 건조를 충분히 했는지를 확인해 두는 것이 제품의 수명보장이나 변형유지를 위해 매우 중요하다. 대부분의 한옥부재의 경우 건조를 충분히 할 수 없는 상태에서 시공되기 때문에 심각하게 갈라지고 때로는 수축이 심해 벽틈 사이로 찬바람이 불어와 겨울을 날 수 없는 사례가 많다. 이에 따라 에너지 효율이 극히 낮아지므로 이런 경우를 대비하여 건조가 제대로 된 부재를 사용하여 위와 같은 문제점을 방지하여야 한다.
