우리는 왜 목재를 이용해야 하나?
나무는 살아서는 탄소를 흡수하고, 산소를 배출하며, 여러 생물에게 서식처를 제공하고, 벌채되어져서는 다양한 용도로 사용된다. 목재의 사용은 다양한 측면에서 장점을 가지는데, 먼저 탄소를 지속적으로 고정하여 기후변화에 대응할 수 있으며, 정서안정, 건장증진 등 목재를 이용하는 사람들에게 다양한 혜택을 주며, 환경을 개선하고, 지진이나 화재와 같은 안전성면에서도 매우 뛰어나다.

목재자체가 가공이 매우 쉬운 장점이 있지만, 산업화 이후 제품의 대량생산과 더불어 표준화가 요구됨에 따라 목재의 가공산업도 비약적으로 발전하고 있다. 원목을 단순제재하여 각재나 판재로 판매하는 것은 이제 구시대적인 생산방식이며, 벌채부터 제품가공까지 첨단센서와 자동화 기계가 몇 사람의 오퍼레이터의 조작에 의해 생산되고 있는 시점에 까지 와있다.

나무의 구성
나무는 아주 복잡한 유기체이다. 모든 유기체들이 그렇듯 세포들이 조직을 이루고 그 조직들이 모여 기관을 만들고 여러 기관들이 합쳐져 나무를 이루고 있다. 또한 나무는 크기면에서 매우 다양하다. 아주 작은 관목이나 덩굴 나무들도 많지만, 세계에서 가장 큰 유기체 또한 나무다. 또한 나무는 수종면에서 매우 다양하다.  올해 2022년 세계 100여명의 과학자들이 모여 세계적으로 수행한 연구결과에 따르면 전세계에는 약 7만 3천종의 목본 식물이 서식하고 있다고 한다. 이 모든 수종이 다 목재로 사용되는 것은 아니지만, 이처럼 다양한 종류의 나무들은 그 목재가 다른 자재들이 가지지 못한 뛰어난 다양성을 가지게 한다. 대부분의 재료들은 한 종류가 그 종류를 대표하지만 목재는 나무의 종류마다 모양, 색상, 질감이 모두 다르다. 

목재의 물리적 성질
* 밀도와 비중
목재비중은 목재밀도에 대한 물의 밀도의 비로 정의되며, 목재비중은 강도와 강성, 수축률과 팽윤율, 열전도율, 건조속도 와 건조결함의 발생 정도 등과 관련된다. 일반적으로 소프트우드는 밀도가 낮으며, 하드우드는 밀도가 높다. 또한 밀도가 높은 수종이 물리적 성질이 좋기 때문에 가치가 높은 경우가 많으나, 반면 가공이 어렵다는 단점도 있다. 수종에 따라 밀도의 차이는 매우 크며 비중의 가장 낮은 중남미산의 발사라는 나무와 가장 높은 유창목의 비중차이는 12배 이상이다. 

* 수분
목재는 살아있을 때부터 다량의 수분을 보유하고 있다. 이러한 함유 수분은 나무가 고사하거나 또는 원목벌채, 제재절삭, 건조 등의 가공과정을 거치면서 대기 중으로 증발하게 된다. 건조되지 않은 생재의 경우 대부분의 수종은 30%~200%정도의 함수율을 가지며, 건조과정을 거치게 되면 약 8%에서 20%까지 건조를 하여 사용하게 된다. 목재 내의 수분증발, 즉 목재가 건조되면서 치수 및 물성도 변화하게 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.

목재내의 수분변화에 따라 목재는 수축 팽창을 지속적으로 하게 되며, 이를 수축률이라고하는데 이는 수종이나 방향(접선, 방사, 섬유방향)으로 각기 다르다. 특히 우리나라와 같이 4계절이 뚜렷하고 장마와 같이 기간에 목재의 수축과 팽창은 지속적으로 발생하며, 갈라짐이나 휨 그리고 목재 부후와 같은 목재의 하자의 주요 원인이기도 하다. 

* 열적 성질
목재는 저온에서도 단열효과가 높고 강도도 유지되며, 일반적으로 열전도도가 매우 낮기 때문에 상온에서 매우 안정된 재료이다. 이에 따라 목조로 지어진 주택은 별다른 단열처리 없이도 뛰어난 단열효과를 가지게 된다. 이런 목재의 낮은 열전도율을 이용하여 최근에서 목섬유단열재 등이 개발되기도 하였다. 반면 목재가 온도의 변화가 심한 환경에 노출되었을 때에는 갈라짐, 부프러오름 등의 하자가 발생하게 된다. 

* 전기적 성질
전기전도성의 면에서 보면 순수한 목재는 전기 절연체로 취급된다. 그러나 목재의 조직적 특성, 함수율, 온도 및 외적 요인(화학가공 등)에 따라 도전성이 달라질 수 있다. 즉, 목재는 그 자체의 여건이나 주변 환경에 따라 절연체 또는 도체의 특성을 모두 지닐 수 있는 물질이다.

* 음향적 성질
목재는 기타나 바이올린, 피아노와 같은 악기의 주재료인 것 처럼 음향적인 측면에서도 많이 이용되고 있다. 목재 중의 음속은 온도, 함수율, 밀도, 조직구조 등에 따라 영향을 받는다. 함수율이 증가하면 음속이 느려지고 감쇠는 증가하며, 또한 온도가 높아질수록 음속은 느려지는 경향이 있다. 목재 내 음파의 전달속도는 대부분의 금속(납 제외)의 것과 비슷하나 공기 중에서 보다 빠르다. 목재의 이 같은 성질을 이용하여 흡읍재나 차음재 또는 음의 확산을 자재로 개발되어 사용되고 있다. 

* 기계적 성질
전통적인 목재의 이용은 주로 건축과 가구재 이었다 보니, 목재의 다른 성질보다 기계적 성질이 많은 주목을 받아왔다. 목재의 기계적 성질(mechanical properties)은 목재의 강도, 강성 및 점탄성 등과 유관된 분야 로서 구조물의 부재가 파괴되지 아니하고 뚜렷한 변형 없이 얼마의 하중을 지지할 수 있는지를 다룬다. 일반적으로 목재의 경우 인장강도는 매우 높으며, 인장강도> 휨강도> 압축강도>  전단강도 순으로 강도의 큰 것으로 알려져 있다. 나무의 인장강도의 경우 같은 밀도의 콘크리트의 4배이상으로 강하다.

* 목재의 화학적 구성
목재를 이루는 세포들은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스와 리그닌 그리고 부성분으로 구성되어 있다. 셀룰로오스는 천연적으로 존재하는 유기화합물 중, 가장 많은 천연섬유로써 목재성분의 40~50%를 차지하며, 우리가 쓰고 있는 종이의 주요 원료이다. 헤미셀룰로오스는 세포벽 구성물질의 하나로 활엽수는 20~35%, 침엽수는 10~20%를 함유하고 있고 복합다당류(複合多糖類)로 리그닌과 화학적으로 긴밀하게 결합되어 있다. 리그닌은 자연계에 탄수화물 다음으로 가장 많은 천연 고분자 화합물로써 활엽수에 20~25% 침엽수에 20~30% 들어있으며, 가수분해되기 어려운 무정형(無定形)의 물질로 목화(木化)된 부위의 세포벽에 존재한다. 부성분은 세포내 및 세포벽사이에 존재하는 물질인 수지(樹脂), 유지(油脂), 정유(精油), 타닌 등은 물이나 유기용매에 잘 용해되며, 함량은 5%미만이 대부분이지만, 열대수종 가운데는 25%이상인 것도 있다.

목재의 규격
도량형은 모든 상업용 제품에서 중요하다. 생산과 거래의 단위이기 때문이다. 때문에 목재에서  도량형은 매우 중요하다. 도량형에는 크게 SI단위계, 야드파운드법, 미국단위계, 척관법 등이 사용되며, 이중 영국의 야드파운드법이나 동아시아의 척관법은 거의 사라져 없어진 상황이며, 현재에는 미국, 라이베라어와 미얀마를 제외한 세계 모든 나라는 m법이라고 부르는 SI단위계를 사용하고 있다. 하지만 문제는 미국이라는 경제, 정치의 거대 국가가 자신들의 체계인 미국단위계를 사용하다 보니 전세계적인 혼란이 가중된다는 점이다. 우리나라의 경우 이전부터 써오던 척관법이 있었고, 이를 부르는 명칭이 일제강점기에 일본말과 섞이면서 혼란이 가중되고 있다, 어찌보면 현재 우리나라는 목재산업 한본어(우리나라말과 일본어가 섞인 말)가 섞인 척관법, 미국단위계와 미터법이 동시에 존재하는 매우 어지러운 형태라 볼 수 있다. 하지만 중국을 최초로 통일한 진시황의 주요 업적중의 하나가 도량형의 통일일정도로 도량형은 경제 및 사회에서 중요한 역할을 한다. 따라서 목재의 거래에 있어서도 도량형의 통일은 매우 중요하다.

척관법은 길이의 단위로는 척(尺, 자)무게의 단위로는 근(斤)을, 체적의 단위로는 사이(才)를 주로 쓰는 단위계로 아직도 나이가 드신 목수분들이나, 제재소 및 목재자재상에서 많이 사용하고 있는 단위이다. 척관법에서의 길이의 단위인 자(척, 尺) 손가락을 이용한 단위인데 손손가락 폈을 때 엄지와 중지사이의 거리를 말하는데, 이는 사람이나 시대마다 다 달라질 수 있는 단위였다. 우리나라의 경우 목재를 거래할 때 아직도 ‘사이’ 단위를 많이 사용하는데, 사이는 1치×1차×12자 규격의 목재를 말한다. 하지만 여기서 1치가 30.3㎜라는게 표준이기는 하지만 실제로는 27㎜에서 33㎜ 까지의 폭을 다 1치로 계산을 한다. 그럼 이 둘의 실제로 부피로 계산한다면, 33%의 부피차이가 나게 된다. 

미국단위계는 특히 목조주택시장에서 많이 사용되고 있는데, 이는 우리나라의 초기 목조주택이 미국식 경량 목구조(흔히 2×4공법 이러고 불림)을 도입하였기 때문이다. 반면 우리나라의 정통 목구조는 중목구조 방식으로 기둥과 보를 건축물의 틀로 삼고 마감재를 덛데는 방식으로 정통 목구조방식에서는 척관법이 여전히 사용되기도 한다.  

반면 합판의 규격은 아직 미국식을 따르는 경우가 많다. 현재 합판의 대부분의 규격은 가로 1220㎜ 세로 2440㎜인 4×8 (그냥 사팔로 읽는다.)규격이 대부분이다. 이것은 4피트 곱하기 8피트의 준말로 미국단위계의 유산이라고 할 수 있다.

또 미국단위계에서는 공칭치수(Nominal size)와 실제치수(Actual size)가 존재하는데, 공칭치수는 목재의 가공(제재나 대패)를 안 한 상태의 치수를 말한다. 경량목구조의 대표 기둥재인 2×4목재는 가로 2인치 세로4인치인데 이를 미터법으로 환산한다면, 50.8㎜×101.6㎜이어야 하지만 실제로는 38×90㎜이다. 이처럼 목재분야에서는 아직 까지 다양한 도량형이 존재하고 통일되어 있지 못해 거래의 안정성을 해치고 있다. 

나무의 가공방법
구술도 꿰어야 보배라는 말이 있듯이 나무도 가공을 해야 그 가치를 제대로 발휘한다. 특히 목재의 경우 그 가공방법에 따라 가치에서 많은 차이가 난다. 수종과 가공방법에따라 차이는 있겠지만 원목과 가공제품의 가격차이은 최소 4배이상 나는 것이 일반적이다.

* 목재 절삭 및 재제
목재를 다루는 첫번째 가공방법은 절단이다. 하지만 목재의 절삭은 너무나도 다양하다. 목재를 벌채하여, 조재(나무의 잔가지를 제거하거나, 쓰임새에 맞게 도막내는 작업), 박피하는 작업부터, 목공인이 목재를 이용하여 공예품을 만드는 정밀한 작업까지 모두 절단의 과정이라고 볼 수 있다. 목재가공의 처음이자 끝이라고 할 수 있는 과정이다. 여기서 벌채된 원목이 가공이 될수 있도록 만드는 작업을 절삭(Machining) 그리고 그 이후 판재, 각재와 같은 제품으로 절단하는 작업을 제재(Sawing)라 한다.

절삭의 목적에 따라 분할, 성형 그리고 대패로 나뉠 수 있다. 분할은 하나의 목재를 2개이상의 소재로 나누는 것을 말하며, 성형은 나무를 원하는 모습으로 가공하는 과정, 대패는 절삭과 가공을 한 목재의 표면을 매끄럽게 하는 작업을 말한다.

절삭가공의 품질에 영향을 미치는 요소는 가공도구의 예리함과 가공될 목재의 물리적 성질 등 두가지가 있다. 

* 접착/접합
목재는 크가와 모양에 제한이 있다. 따라서 원하는 목재제품을 만들기 위해서는 목재를 더 크고 두껍게 만들어야 했고, 이를 위해 개발된 기술이 목재의 접착과 접합기술이다.

목재의 접착은 목재의 수종, 비중, 공극률, 함수율 등의 목재관련인자와 접착제의 종류와 분자료과 같은 접착제관련인자 그리고 작업방법 등의 인자에 따라 접착성능이 달라진다.

목재용 주요 접착제의 종류에서 볼 수 있듯이 대부분의 목재용 접착제에는 포름알데히드가 함유되어 있다. 포름알데히드의 경우 가격도 싸고 방부성능 등 접착제의 성질을 좋게 하기 때문에 많이 사용되고 있지만, 1급 발암물질로 목재가구 및 인테리어재에 단점의 근원물질이다.

 * 건조
목재가공을 가장 드라마틱하게 바꾼 가공기술은 단연 건조라고 할 수 있다. 그만큼 목재의 건조는 목재의 품질을 결정하는 가장 중요한 요소의 하나이다. 목재를 처음 벌채하였을 경우  목재의 함수량 (목재의 건중량 대비 목재에 포함된 수분의 량)은 최대 200%애서 최소 50%정도를 나타낸다. 일부목재의 경우 순수한 목재보다 목재속에 더 많은 수분을 함유한다는 것이다.

* 도장
목재 가공과정의 마지막은 도장(Painting, Finishing)이다. 목재를 보호하고 외관을 돋보이게 하는 최종 표면처리를 의미한다. 목재도장은 일반 건축이나 금속도장과는 다르게 도장이 되어질 표면이 나무와 가공상태, 흡수율, 옹이와 같은 목재하자의 유뮤에 따라 도장의 질이 매우 달라질 수 있다. 실제 목공현장에서 다른 가공은 잘하고 마지막 도장과정에서 실수하여 제품을 망치는 경우도 흔히 볼 수 있다.

도장재는 크게 막을 형성하는 수지, 수지 및 첨가제를 용해시키는 용제, 그리고 안료 및 첨갖제로 구성되어 있으며, 여기서 용제의 성질에 따라 수성과 유성으로 구분된다. 도장재는 예로부터 발달하여 옻칠부터 천연수지, 합성수지 및 셀룰로오즈 락카계등 다양한 제품이 있으나 목재용 도료는 침투성에 따라 침투성도료와 도막을 형성하는 코팅제로 구분할 수 있다.

* 보존
목재는 표면오염균이나 변색균, 목재부후균 및 목재에 해를 가하는 해충에 의해 변색, 부후 및 물리적인 피해를 입는다. 이런 현상을 목재의 열화라고 하는데, 이런 목재 열화를 방지하기 위한 작업을 목재보존작업이라 한다. 주로 목재 방부 및 방충처리를 의미한다.

방부제의 사용조건에 따라 H1(실내환경, 건조한 환경)부터 H5(바닷물에 접하거나 해양환경)등으로 구분하여 이에 적합한 방부약제의 종류, 침윤도, 흡수량을 규정한다.

제품에 따라 다양한 방법으로 처리되면, 주요 방부처리법에는 도포법, 분무법, 침지법, 확산법 가압처리법등이 있으며, 현재는 주로 진공으로 처리하는 진공가압법이 사용되고 있다.

* 개질처리
목재의 부후, 갈라짐, 휨 그리고 열화를 방지하고 목재의 사용수명 연장과 용도확대를 위하여 목재를 다양한 방법으로 처리하여 치수안정성, 내약품성, 생물열화, 화학열화, 열분해 성능 및 다른 여러 가지 물성을 개선하여 목재가 원래가지는 성질을 변환시키는 것을 재질개량이라고 하고 이렇게 처리된 목재를 개질처리목재라고 한다. 목재를 고밀도로 압축하거나 탄화를 시키는 등의 물리적 처리방법과 특수물질을 목재내로 주입하여 목재의 친수성 성분을 치화하는 등의 화학적 방법이 있다. <다음에 계속>   /나무신문

노윤석 
녹색탄소연구소 선임연구원 / 우드케어 이사 / 우드케어 블로그 운영자
서울대학교에서 산림자원학을 전공했다. (주)효성물산, 우드케어, (주)일림에서 재직했다. 현재 한국임업진흥원 해외산림자연개발 현장자문위원과 녹색탄소연구소 수석연구위원으로 활동하고 있다. 라오스, 미얀마, 캄보디아, 인도네시아, 필리핀 등지에서의 산림청, 코트라, 국립산림과학원, 농업진흥청 등의 해외임업과 산림을 이용한 기후대응 및 탄소중립 프로젝트를 수행했다.