[목조건축 자재의 종류 및 특성] 2.1 목재의 특성> 2.1.2 목재의 미세구조

[목조건축 자재의 종류 및 특성] 2.1 목재의 특성> 2.1.2 목재의 미세구조

 

2.1.2 목재의 미세구조


나무는 크게 줄기, 수관부(잎과 가지로 구성된 나무의 상층부) 및 뿌리로 구분되며 이 중에서 줄기로부터 우리가 이용하는 목재가 채취된다.
목재를 그 길이방향에 수직하게 자른 단면을 횡단면(그림 2)이라고 하며 횡단면에는 나무조직의 연간생장을 나타내는 나이테가 동심원상으로 나타나 있다.
그림 2에서 보는 바와 같이 나무의 횡단면에서 가장 바깥쪽은 수피라고 하며 죽어있는 외피와 살아있는 내피로 구분된다.
외피는 나무조직을 외부의 충격으로부터 보호하는 기능을 수행하고 내피는 나무가 살아있는 동안 양분 및 수분의 통로로 이용되는 부분이다.
하나의 연륜에서 바깥쪽의 짙은 부분은 주로 늦여름에서 가을에 걸쳐 형성된 조직으로서 추재라고 하며 안쪽의 옅은 부분은 봄부터 초여름에 형성된 조직으로서 춘재라고 한다.
추재는 세포의 크기가 비교적 작고 세포내강이 작으면서 세포벽이 두꺼운 구조를 갖고 있다.
춘재는 세포 크기가 크고 세포내강이 크면서 세포벽이 얇은 구조를 갖고 있다. 일반적으로 추재가 춘재보다 비중이 높으며 더욱높은 강도를 나타낸다.


목재의 횡단면에서 중앙부의 약간 짙은 색상을 띠는 부분을 심재라고 하며 이는 한 때 살아있던 목재조직이 바깥쪽으로 부피생장을 하면서 내부로 들어가 죽게된 조직을 의미한다.
바깥쪽의 약간 옅은 색상을 띤 조직은 변재라고 하며 살아있으며 계속적으로 부피생장을 하는 목재 조직을 의미한다.
심재와 변재 사이에 기본적으로 강도의 차이는 없으나 심재의 함수율이 일반적으로 변재보다 높으
며 추출물의 함량도 더 높은 성질을 나타낸다.
수종에 따라서는 심재와 변재 사이에 수축, 팽윤 및 색상 등의 성질이 차이가 나며 추출물의 함량 차이로 인하여 심재의 내부후성이 뛰어나기도 하다.
목재의 중앙부는 수 또는 수심이라고 부르며 나무가 묘목 시절에 자란 유령목으로서 세포의 길이가 짧고 세포벽이 짧은 특성을 지니며 일반적으로 강도가 다 성장한 목재부분보다 낮게 나타난다.



우리가 사용하는 목재는 나무가 살아있는 동안에 생명 유지활동을 하던 무수하게 많은 세포들로 구성되어 있다(그림 3).
이 세포들은 생명 유지를 위하여 내부에 양분을 저장하는 공간(세포내강)이 있고 그 주위를 세포벽이 둘러싸고 있다(그림 4).
세포벽에는 인접한 세포들과 양분 및 기타 물질들을 주고받을 수 있는 미세한 통로들이 있으며 이 통로들은 세포가 죽은 후에도 그대로 남아있다.








그림 2의 목재에서 나이테에 수직한 방향을 방사방향 그리고 나이테에 대한 접선을 접선방향이라고 하며 횡단면에 수직한 나무의 길이방향을 섬유방향이라고 한다.
섬유방향, 방사방향 및 접선방향을 따라서 목재의 성질이 서로 달라지기 때문에 이들을 목재의 주요 세방향이라고 하며 이들은 서로간에 직각을 이룬다.
목재를 각각의 방향에 따라서 절삭하면 세 개의 중요한 단면을 얻을 수 있는데 그림 3에 표시된 바와 같이 섬유방향에 수직한 단면을 횡단면, 방사방향의 단면을 방사단면 그리고 접선방향의 단면을 접선단면이라고 한다.
목재는 섬유방향, 방사방향 및 접선방향 그리고 횡단면, 방사단면 및 접선단면에서의 성질이 서로 판이하게 다르기 때문에 서로 직교하는 세 개의 주축을 따라서 성질이 다르게 나타나는 직교이방성 재료로 분류된다.



목재의 세포조직은 그림 3에서 보는 바와 같이 일정한 방향(길이방향 또는 나무의 생장방향)으로 배열되어 있다.
목재의 세포벽은 다시 더 미세하게 살펴보면 마이크로피브릴이라는 실같은 조직으로 구성되어 있으며 이 실같은 마이크로피브릴 조직이 수없이 많이 뭉쳐서 셀룰로오즈 섬유를 형성하고 이 셀룰로오즈 섬유의 배열이 목재 세포벽의 기본 골격을 구성한다.
목재의 강도는 목재를 구성하는 세포들의 세포벽 강도에 의하여 좌우되며 세포벽의 강도는 세포벽을 구성하는 마이크로피브릴의 배열에 의하여 결정된다.

목재의 세포벽은 그림 5에서 보는 바와 같이 몇 개의 층으로 구성되어 있다.
세포벽은 중간층(M), 1차막(P) 및 2차막(S1+S2+S3)으로 구성되어 있으며 그 중에서 2차막의 S2층이 가장 두꺼우며 전체 세포막의 약 70% 이상을 차지하고 있다.
따라서 S2층의 섬유 또는 마이크로피브릴 배열이 전체적인 목재의 강도에 결정적인 영향을 미치게 된다.
그림 5에서 보면 S2층의 마이크로피브릴 경사각은 거의 수직에 가까워서 세포의 길이 방향과 평행하게 배열된다.
바로 이러한 세포벽 내의 마이크로피브릴 배열과 세포의 배열에 의하여 목재의 가장 큰 특징 중의 하나인 방향에 따른 성질의 차이(이방성)를 나타낸다.


목재는 일반적으로 섬유방향(세포의 길이방향 또는 나무의 길이방향)으로 가장 큰 강도를 나타내고 그 수직방향에 대해서는 길이방향보다 매우 낮은 강도를 나타낸다.
이러한 방향에 따른 강도의 차이는 바로 앞에서 설명한 세포의 배열과 S2층의 마이크로피브릴의 배열에 기인하는 것으로 생각할 수 있다.
목재의 방향에 따른 성질의 차이는 강도뿐만이 아니라 수축과 팽윤에 대해서도 섬유방향보다 수직방향에서 더욱 크게 나타나는데 이 차이도 세포 및 마이크로피브릴의 배열에 의하여 나타나는 것이다.


목재의 이방성은 일반적으로 목재의 단점 중의 하나로 지적되고 있지만 이는 잘 이용하면 목재의 장점으로 활용할 수도 있다.
목재의 이방성을 섬유에 수직한 방향에서의 낮은 강도와 높은 수축 및 팽윤의 성질에 초점을 맞추면 단점으로 생각할 수 있지만 이와 반대로 섬유방향에서의 높은 강도와 낮은 수축 및 팽윤율에 초점을 맞추면 매우 다른 재료들에 비하여 큰 장점으로 나타나게 될 것이다.
예를 들어서 목재의 섬유방향 강도가 매우 높은 것을 이용하여 외부에서 작용하는 하중이 목재부재의 섬유방향과 평행하게 작용하도록 구조를 설계하면 매우 효과적으로 하중을 지지할 수 있게 될 것이다.
목재의 섬유방향 강도를 콘크리트및 철 등과 비강도(재료의 비중을 똑같이 1.0으로 환산하였을 경우의 강도)로서 비교하여 보면 목재가 약 12MPa로서 콘크리트(약 3.0MPa)나 철(약 11MPa)에 비하여 가벼우면서 강한 재료임을 알 수 있다.




장상식 교수 제공
충남대학교 임산공학과