공학목재 - engineered wood

공학목재  

 

일본에서는 예로부터 기둥이나 들보 등의 건축 구조재로 목재가 많이 사용되어 왔다.
특히 아스카시대(飛鳥時代)에는 불교 건축의 전래와 함께 궁전이나 큰 사원의 건축에 대량의 지름이 큰 긴 목재(大徑長尺材)가 사용되었었다.
예를 들면, 토다이사(東大寺)의 대불전은 현재에도 세계 최대 목조건축물의 하나로 손꼽히고 있는데 창건 당시(奈良時代, 나라시대)에는 지름 1 m, 길이 30 m나 되는 기둥이 48개나 사용되었던 것으로 알려져 있다.
이 당시의 용재는 비와호(琵琶湖)에서 흘러나오는 세타천(瀨田川)의 동쪽 기슭에 위치한 타나카미산(田上山)으로부터 운반되었다. 세타천, 우지천(宇治川)을 따라 흘러 내려와 떼로 엮어져 키부천(木津川)을 거슬러 올라가고 키부(木津)에서 육지로 올려져 나라(奈良) 거리를 지나갔던 것이다. 이 시대에는 타나카미산(田上山)은 편백이 아름다운 숲을 이루고 있었다고 한다. 무절제한 벌목에 의해 표층 토양이 유실되어 에도기(江戶期) 이후의 나무 심기 노력에도 불구하고 이 산은 현재도 황폐화되어 있다. 삼림 파괴의 전형적인 예로써 유명한 것이 되고 있다.
겐로쿠시대(元祿時代, 1692)에 재건된 대불전의 정면 폭은 창건시의 60%까지 축소되었으며 기둥은 길이 방향의 접합을 통해 계속 연결시키고 이 중심이 되는 통나무의 주위에 적당한 목재를 겹쳐 지름을 크게 만들었다. 겐로쿠시대에는 이미 지름이 큰 용재를 확보하는 것이 어려웠음을 엿볼 수가 있다.

공학목재란 ?
목재는 다른 구조용 재료에 비하여 가벼우며 섬유(목리)방향의 강도가 크다. 그러면서도 가공하기가 쉽고 보온, 단열성이 탁월한 이외에도 나뭇결이 아름다운 등 건축재료로써 많은 우수한 특성을 지니고 있다.
<표 1>은 이러한 목재의 특성을 다른 일반 건축재료와 비교해 본 것이다. 그러나 실제로 우리가 이용하는 목재는 옹이나 할렬 등의 결점이 존재하며 재질상의 변이성이 크다는 점과 삼림자원의 고갈에 따라 지름이 크며 길이가 긴 목재를 쉽게 구할 수 없다는 점 등 공업용 재료로써의 적성에는 많은 문제점이 남아 있게 된다.
접착 기술의 발전에 따라 세계대전후 새로운 목질계 재료가 차차 개발되기에 이르렀다. 이들은 예를 들면 두께 20 mm의 정도의 만판(挽板: 톱으로 켜낸 판)을 쌓아 접착시켜 제조한 집성재(Glulam)로부터 매트(mat)상의 목재 섬유를 압체, 성형한 섬유판(fiberboard)에 이르기까지 여러 가지 크기의 원료 목재를 재구성하여 접착, 성형한 제품이다.
소경재(小徑材: 지름이 작은 원목)나 폐재를 재구성하여 접착, 성형하는 것은 자원의 효율적인 이용에만 관련되는 것이 아니라 옹이나 부후 등의 결점을 분산 또는 제거할 수가 있으므로 안정되고 변이성이 작은 재질을 지니는 장대재(長大材: 길이가 길며 단면이 큰 목재)의 공업적인 생산을 가능하게끔 만들게 되었다. 또한, 여러 가지 처리기술을 이용하여 과거에는 목재가 지니지 못하였던 성질을 부여하게 되는 경우에도 원료(구성 요소)가 작을수록 유리하다.
공학목재(工學木材, engineered wood)라는 말은 이처럼 공업적으로 생산되며 치수상의 제약이나 재질상의 변이성이 작기 때문에 설계 계산이 가능한 신뢰성 높은 목재라는 의미로 사용되고 있다.

 

<표. 1> 각종 구조용 재료의 성질

재료	전건비중	인장강도/비중 (kgf/cm2)	영(young)율/비중 (ton/cm2)	열전도율 (kcal/m·h·℃)	비열
목재 (편백) 연강 알루미늄 유리 콘크리트 경질 염화비닐 FRP(유리/에폭시)	0.38 7.8 2.7 2.6 2.2 1.4 1.9	3,158 577 703 225 (압) 91 425 2,081	237 269 269 269 91 25 123	0.082 36 160 0.54 1.3 0.14 0.54	0.38 0.11 0.25 0.25 0.20 0.35 0.25

여러 종류의 공학목재
구성 요소의 크기와 섬유의 배열 방식에 따라 공학목재를 분류하여 보면 <표 2>와 같다. 장래에 개발이 기대되고 있는 재료 역시 [ ]로 표기하여 놓았다.
표에서는 위쪽으로 갈수록 구성 요소가 커지게 되고 아래쪽으로 갈수록 작아지도록 분류하여 놓았고 표 바깥에는 구성 요소와 그 크기의 범위를 표시해 두었다.
구성 요소인 섬유가 한쪽 방향으로 배열되어 있는 일축 배향(一軸 配向)의 재료는 기둥, 들보 등의 구조용 재료로써 그리고 이축(二軸) 또는 섬유의 배열이 임의의 방향인 것은 벽, 마루판 등의 평면재료로써 이용되고 있다.

 

<표. 2> 목질원료의 크기와 배열 상태에 따른 공학목재의 분류

	구성 요소 (element)	목 질 재 료			요업계 목질재료
		일축(一軸) 배향	이축(二軸) 배향	임의(random) 배향
대 ▲ | | | | | | | | 요 소 크 기 | | | | | | | | ▼	만판 (挽板)	집성재 (集成材)	.	.	.
	단판 (單板)	LVL (laminated veneer lumber)	합판(合板)	.	.
	스틱 (stick)	[스틱럼버, stick lumber] 패러램(parallem)	[스틱플라이, stick ply]	.	.
	웨이퍼(wafer) ～ 스트랜드(strand)	OSL (oriented strand lumber)	OSB (oriented strandboard)	웨이퍼보드 (waferboard)	.
				스트랜드보드 (strandboard)	.
	플레이크 (flake)	.	[배향성 삭편판, oriented particleboard]	플레이크보드 (flakeboard)	석고-플레이크보드 (gypsum- flakeboard)
	삭편 (削片, particle)	.		삭편판 (particleboard)	목편-시멘트보드 (wood particle-cement board)
	섬유 (纖維, fiber)	.	[배향성 중밀도섬유판, oriented MDF]	연질섬유판 (insulation board) 중밀도섬유판 (MDF, medium density fiberboard) 경질섬유판 (hardboard)	석고-섬유판 (gypsum- fiberboard)

재료의 명칭
LVL : 단판적층재

OS L: 배향성 스트랜드럼버

OSB : 배향성 스트랜드보드
스틱럼버 : 스틱을 가로, 세로로 접합시킨 상태의 단판을 적층한 골조재료
스틱플라이 : 스틱을 가로, 세로로 접합시킨 상태의 단판을 합판과 마찬가지로 서로 직교시켜 적층한 판상재료, 배향성 삭편판 및 배향성 중밀도섬유판 : 각각 삭편 및 섬유를 직교 배향시킨 판상재료 ......

 

구성 요소의 치수
만판 : 두께 20 mm 정도의 판재

단판 : 두께 3 mm 정도의 얇은 판(薄板)
스틱 : 폭 10～20 mm의 기다란 조각 모양의 단판

웨이퍼 : 대략 두께 0.6 mm x 폭 50 mm x 길이 50~70 mm인 삭편

스트랜드 : 대략 두께 0.6 mm x 폭 20 mm x 길이 50300 mm인 삭편
플레이크 : 대략 두께 0.6 mm x 폭 10 mm x 길이 10~30 mm인 삭편

삭편: 플레이크보다도 작은 삭편의 통틀어 일컫는 용어

섬유: 목재 섬유 다발


최근의 공학목재 개발에 있어서 특히 주목할만한 것은 단판(veneer)으로부터 길이 5~30 cm, 폭 약 3 cm, 두께 1 mm 이하인 삭편(strand라고 부름)까지의 치수 범위를 지니는 구성 요소를 이용하여 만들어지고 있는 재료이다.
예로써 골조재료를 들어 보면 <그림 1>처럼 나무의 껍질을 벗기듯이 통나무로부터 벗겨 낸 단판을 섬유방향이 서로 평행하도록 접착, 적층한 단판적층재(LVL, laminated veneer lumber), 20 mm 정도의 폭이 좁은 단판인 스틱(stick)의 섬유방향이 서로 평행하도록 접착, 성형한 패러램(parallem; PSL, parallel strand lumber), 스트랜드(strand)를 나란히 적층하여 접착한 배향성 스트랜드럼버(OSL, oriented strand lumber) 등이 이 부류에 해당된다.
평면재료로는 이제까지의 열대림 자원을 이용한 나왕(lauan) 합판을 대신하여 침엽수 조림목을 이용한 합판의 제조 이외에도 스트랜드를 3층으로 직교시켜 합판과 동일한 구성을 갖는 재료로 제조하게 되는 배향성 스트랜드보드(OSL, oriented strandboard)가 개발되어 있다.



이처럼 목질재료의 개발은 점차 작은 구성 요소를 사용하는 방향으로 옮겨가고 있다. 일반적으로 구성 요소가 작아지면 작아질수록 자원과 에너지 절약의 방향으로 진행되어 가게 된다. 즉, 제품의 수율(收率, yield)이 높아짐과 동시에 공의 자동화가 쉬워지게 되는 것이다.


공학목재는 어떻게 사용되는가?
새로운 목질재료인 공학목재는 학교, 연주홀(concert hall), 체육관 또는 다목적 홀 등 공공용의 대형 목조건축물 재료로 많이 사용될 뿐만이 아니라 주택용 재료로써도 사용되고 있다.
목재는 화재 초기에는 불꽃을 내며 타게 되지만 재빨리 탄화층을 형성하여 단열성이 높아지게 됨에 따라 그 내부를 보호하여 줄 수 있기 때문에 화재시에도 건물이 붕괴되어 쓰러지는 일이 없다. 큰 목재가 지니는 이와 같은 우수한 내화성능이 최근 일본에서도 인정됨에 따라 각지에서 대단면(大斷面)의 집성재나 단판적층재(LVL)를 기둥이나 들보용으로 사용한 대형 건축물이 건축되고 있다.
이와 같은 목질계 골조재료가 충분한 안전성과 내구성을 지니는 것은 물론이지만 구조재 자체가 소재로써의 아름다움을 갖고 있다는 것이 큰 매력이 되고 있다. 만곡(彎曲)된 곡면 등 자유로운 조형이 가능하다는 것 역시 공학목재라고 하는 새로운 소재에 의해 드러난 목재의 재발견이 되고 있는 것이다. 현대 건축의 대표적인 구조용 재료인 철이나 콘크리트(concrete)와는 달리 생물 재료인 목재의 특성이 바르게 인정되어 질 것으로 기대되고 있다.
그 외에도 목재는 교량 등의 토목재료로써 그리고 공원의 놀이기구나 강이나 바닷가(water front) 등의 외장용(실외용) 구조재로써 많이 쓰여지고 있다. 이는 주변 환경과의 조화성이 풍부한 경관재료로써 인정받아 왔기 때문이다.