목재의 건조

목재의 건조

 

A. 목재건조

 

목재를 사용할 장소의 평형 함수율까지 건조하여 사용하면 수축에 의한 손상을 줄일 수 있으며, 함수율 20% 이하로 건조하면, 변색과 부후를 예방할 수 있다.
또 건조목재는 접착성과 도장성이 개선된다. 따라서 목재 사용에 앞서 목재의 건조는 매우 중요한 과정이라고 할 수 있다.

1. 건조하기 전 알아야 할 목재 성질
목재를 건조할 때에는 건조와 관련된 목재의 성질을 알고 적절한 건조 방법을 적용해야 한다.
일반적으로 활엽수는 칩엽수보다 건조하기가 어렵고, 수종에 따라서도 건조 특성이 다르다.
방사 조직은 다른 조직보다 약해서 쉽게 터지기 때문에, 참나무류와 같이 방사 조직이 발달한 목재는 할렬이 나타나기 쉬우므로 건조 초기에 낮은 온도와 높은 습도를 적용하는 등 특별한 주의를 해야 한다.
또한 옹이나 곧지않은 목리 등의 결점을 가지는 목재는 건전한 상태의 목재와의 수축률이 다르기 때문에 건조에 따른 손상이 오기 쉽다.

2. 목재를 건조할 때 발생할 수 있는 손상
목재가 건조될 때 겉부터 속까지 균일하게 건조되지는 않는다.
겉부분과 속부분의 건조속도의 차이로 인하여 발생되는 힘으로 인하여 손상이 오게된다.

(1) 할렬
건조시 발생되는 힘이 목재자체의 강도보다 클 때 목재의 축 방향으로 터지는 것을 할렬(check)이라고 한다.
모든 할렬은 주로 방사 조직에서 나타나기 쉬운데, 그것은 방사 조직이 목재의 다른 조기보다 약하기 때문이다.
그러므로 참나무류와 같이 방사 조직이 많은 수종은 강한 건조 조건을 적용하면 쉽게 터진다.

(2) 틀어짐
목재가 건조 중에 휘거나 비틀어지는 등 기형으로 변형되는 것을 틀어짐(warp)이라 한다.
목재의 부위별 수축이 다르거나 목재를 건조하기 위해서 쌓아둘 때 사이사이에 끼어 넣는 잔목이 수직으로 배열되지 않거나 잔목의 사이가 너무 넓을 때, 또는 곧지않은 목리 등을 가지는 목재 등은 틀어지기 쉽다.
틀어짐은 그 변형된 모양에 따라 길이 굽음(bow), 측면 굽음(crook), 너비 굽음(cup), 비틀림(twist), 마름모꼴 변형(diamonding) 등으로 구분된다.

(3) 변색
목재는 건조하는 동안에 색깔이 변하는 경우가 있다.
변색은 주로 균 또는 목재에 함유되어 있는 수용성 추출물과 열의 반응에 의하여 생긴다. 이는 건조 초기에 변재에서 잘 나타나고 제품의 품질을 손상시킨다.
변색은 제재 즉시 목재의 표면을 빨리 건조시키거나, 살균제 등을 이용하여 예비 방부 처리하여 예방할 수 있다.

3. 건조방법

(1) 천연 건조
천연 건조는 건조장에 목재를 쌓아두고, 대기의 온도, 습도와 바람을 이용하여 건조하는 방법으로 시설비가 적게 들고, 작업이 비교적 간단하며, 특수한 기술이 요구되지 않고, 인공적인 방법에 의한 건조를 하기전에 예비 건조로서의 효과가 크다.
그러나 계절, 기후와 입지 등 자연 조건의 영향을 받으며, 건조 소요 시간이 길고, 장시간을 건조하더라도 기건 함수율 이하로는 건조할 수 없으며, 넓은 건조장이 필요하다.

(2) 열기 건조
열기 건조는 건조실의 온도, 습도와 풍속 등의 건조 조건을 인공적으로 조절하면서 건조하는 방법으로 건조를 빨리 할 수 있고, 낮은 함수율까지 건조할 수 있다. 또 기후, 장소와 입지 조건 등의 제약 없이 건조할 수 있다.
그러나 열기 건조실의 설치비가 많이 들고, 고도의 건조 기술이 요구된다.

 

 

 

B. 목재건조의 종류

 

목재의 건조방법으로는 실외에 잔적하여 자연적으로 건조시키는 천연건조와 건조실 내부를 인공적으로 적당한 온도, 습도가 되도록 조절하여 목재를 건조하는 인공건조가 있다.

천연건조
목재를 실외에 잔적(piling)하고 덮개를 덮어 직사광선이나 비를 피하면서 잔적내의 공기 순환을 양호하게 만들어 주므로써 가능한 한 균일하게 그러면서도 빨리 건조시켜 주는 방법이다.
구조용재는 거의 대부분 이 방법으로 건조하며 가구재나 조작용재의 경우에는 인공건조의 예비건조로써 경비의 절감과 마무리 함수율의 균일화 등을 목적으로 이용하고 있다.
천연건조에 있어서 건조도는 기건함수율까지가 한계이며 통상 20% 이상이 되고 있다.
천연건조는 건조조건이 계절, 기후, 지역 등의 자연조건에 의해 좌우되며 건조에 장시간이 필요한데 특히 함수율 35% 이하에서의 건조속도는 매우 느리다.
따라서 건조에 넓은 부지가 필요하다라는 결점이 있으나 그 반면 건조 경비가 적게 들며 또한 건조에 의한 목재의 손상이 적은 점 등의 이점이 있다.

천연건조의 경우 처음 약 1개월 동안에는 계절에 관계없이 비교적 빨리 건조되지만 그 후 수개월간의 건조 과정에서는 기상조건이 강한 영향을 미치게 된다.
잔적 시기는 건조에 의한 손상이 가장 작은 때를 선택하여야 하는데 활엽수재의 경우 횡단면할렬이 일찍 일어나게 되므로 가을철이 되었을 때 시작하여 처음 수개월 동안에는 서서히 건조시키는 것이 바람직하며 침엽수재의 경우 청변균에 의한 피해가 크기 때문에 봄 또는 여름철에 건조조건이 좋은 때를 선택하여 건조를 시작하므로써 적어도 표면의 건조만이라도 일찍 끝내도록 하여야 한다.
천연건조에 필요한 건조일수는 수종에 따라 차이가 있다.

인공건조
인공건조는 인위적으로 설정한 건조조건을 이용하여 천연건조에서는 도달할 수 없는 낮은 함수율까지 급속하게 그리고 손상없이 목재를 건조시키는 것이 목적이다.
인위적으로 건조조건을 조정할 수 있는 장치나 방법이 여러 가지가 있으나 현재 일반적으로 이용하는 방법은 열기건조법이다.

열기건조법은 열기를 만드는 방식, 열기의 순환방식, 건조작업의 진행방식에 따라 세분되고 있다.

1. 열기를 만드는 방식에 따른 분류
가열방식에는 직접가열식과 간접가열식이 있다.
직접가열식이라는 것은 연료를 연소시킨 가스를 직접 잔적되어 있는 목재로 불어 넣는 방식으로 열효율이 좋으나 일반적으로 건조 목재의 손상이 간접가열식보다 많으며 또한 화재의 위험성도 크다.
간접가열식은 증기, 연소 가스, 전기 등을 열원으로 하여 열교환기를 통해 공기를 가열하고 가열된 공기를 목재로 불어 넣어 건조히는 방식인데 열효율은 낮으나 화재의 위험성이 없고 건조재의 손상이 적기 때문에 직접가열식보다 건조 수율이 높은 것으로 알려져 있다.

2. 열기의 순환방식에 따른 분류
열기의 순환방식에는 자연순환식과 강제순환식이 있다.
자연순환식이라는 것은 열원을 잔적 하부에 설치하고 건조실내에 공기의 온도 차이를 발생시키므로써 열기가 실내에서 자연적으로 대류되도록 하는 방식인데 건조 결함이 비교적 많고 건조시간이 길며 조작이 다소 곤란하기 때문에 최근에는 겨우 소형 건조실에만 이용되고 있다.
한편, 강제순환식은 송풍기(fan)에 의해 열기를 잔적내로 불어 넣어 잔적 내부의 침체된 공기를 교란하거나 또는 급속하게 유동시켜 실내 온도의 균일화를 꾀하는 것으로써 자연순환식보다 건조 결함이 적으며 또 신속하게 건조할 수 있다.
연속식은 가로로 긴 건조실의 한 쪽 입구로부터 생재를 투입하여 실내를 통과시켜 다른 쪽 출구에서 꺼내는 사이에 건조가 이루어지도록 하는 방식이다.

3. 건조작업의 진행방식에 따른 분류
건조작업의 진행방식에는 고정식과 연속식이 있다.
고정식은 하나의 건조실 분량의 목재를 동시에 그 목재에 적절한 조건으로 건조하여 꺼낸 다음 또 다른 재료를 투입하여 건조하는 방식으로 건축비가 저렴하고 조작에 숙련성이 필요없으며 연속적으로 양산이 가능하지만 어떠한 재료에 대해서도 동일한 조건으로 건조하기 때문에 수종, 목재의 크기와 함수율 등의 차이에 따라 조건을 변화시킬 수 없으므로 목재의 손상이 많고 열효율이 낮으며 또한 작업이 야간까지 연속되는 등의 단점이 있다. 이러한 여건으로 인하여 현재 고정식의 것이 압도적으로 많으며 각기 재료에 대한 적절한 건조조건이 적용되고 있다.

현재 목재공업에서 주로 이용되고 있는 건조실은 열원으로써는 증기의 것이 많으며 실내 공기의 순환방식으로는 실내에 송풍기를 장착한 강제순환식의 것이 많다.

특수건조
특수건조법에는 인공건조의 범위내에 들어 있는 것도 있으나 일반적으로 이용되는 방법이 아니기 때문에 특수건조법으로 별도 소개하고자 한다.

1. 진공건조
이 방법은 철제 실린더 내부에 목재를 밀폐시키고 고온, 저압 조건으로 건조하는 방법이나 건조속도가 급속하기 때문에 할렬이 발생하기 쉽고 또한 짧은 특수용재에 사용되고 있는 정도이다.

2. 약제건조
나트륨 염, 바륨 염, 마그네슘 염 등과 같은 수용성 염류는 목재를 팽창된 상태로 유지시켜 주기 때문에 목재의 수축을 막아줄 수가 있는데 목재에 처리해 주는 경우 수축이 70% 이상 감소되는 것으로 알려져 있다.
수분을 머금게 되므로써 목재의 수축을 감소시키게 되는 이러한 약제들의 성질을 이용하여 건조하는 방법이 약제건조인데 염건조(salt seasoning)라고도 불려지고 있다.
목재를 이들 약제의 포화용액에 침지시키거나 재면에 붓질 등을 통해 도포해 주므로써 약제를 주입할 수 있다.
약제 처리후 목재를 잔목의 사용없이 수일간 잔적해 둔다. 생재일수록 그 내부로의 약제 침투가 용이해지나 용액의 효능은 목재의 투과성에 따라 달라지게 된다.
마른 목재나 목제품의 건조도 가능한데 이는 염의 조해성으로 인해 목재 표층의 함수율이 높아지고 수축이 작아지기 때문에 표면할렬이 일어날 수 있는 조건인 낮은 상대습도하에서도 건조할 수가 있다.
일반적인 소금(NaCl)이나 요소가 효과적이나 금속의 부식이라는 문제점을 나타내기 때문에 건조후 건조실을 깨끗하게 청소하여야 하며 또한 건조후의 목재를 톱 등으로 가공한 다음에도 깨끗이 해 두어야 한다.
약제의 사용으로 인해 건조비가 상승되며 공기의 상대습도가 80% 이상인 경우 건조목의 표층이 습기를 머금는 현상(sweat)이 일어나게 된다. 이러한 이유로 인해 특별한 경우를 제외하고는 거의 이용되지 않고 있다.

3) 고주파건조
목재를 고주파 전계중에 나두면 내부가열에 의해 목재의 중심부 증기압이 높아져 급속히 건조되는 방법이다.
이 방법에 의하면 섬유포화점 이하의 건조에서도 속도가 저하되지 않는다. 따라서 가구재료의 건조에 이용되며 특히 전기절연재료처럼 거의 전건상태까지 목재를 건조하는 경우에 유리하다.

4) 태양열건조
천연건조의 변형으로 온실이나 집열기를 이용하여 건조하는 방법이다.
건조속도는 천연건조보다 빠르며 인공건조보다는 느리나 설치비가 인공건조실에 비해 저렴하다.
함수율 7% 수준까지 건조가 가능하다.

5) 고온건조
일반적인 인공건조와의 차이점은 고온의 열기를 이용한다는 점에 있다.
건구온도는 항상 100℃ 이상이며 습구온도는 100℃ 이하이다. 고온으로 건조하기 때문에 건조속도가 매우 빠르며 건조후의 목재는 흡습성이 작아지고 치수안정성이 큰 것으로 알려져 있다.
그러나 목재의 재색이 짙은 색으로 변색되며 옹이가 느슨해진다. 뿐만 아니라 고함수율 조건에서 고온에 노출되기 때문에 목재의 열분해로 인해 건조재의 MOR, MOE 및 인성(靭性, toughness: 충격에 대한 저항성) 등과 같은 일부 강도적 성질이 저하된다.

6) 증기건조
공기에 노출시키는 대신 건조는 자일렌(xylene)과 같은 유기용제의 증기에 의해 건조된다.
목재를 밀폐된 관에 넣고 100∼200℃ 정도의 뜨거운 증기에 노출시킨다.
목재로부터 증발된 수분이 유기용제 증기와 혼합되어 관 외부로 배출되어 응축되는데 수분과 유기용제의 비중이 다르기 때문에 이러한 성질을 이용하여 유기용제를 수분으로부터 분리하여 다시 이용할 수가 있다.
마지막 단계에서 진공에 의해 목재에 잔류되어 있는 유기용제를 제거하게 된다. 건조속도는 일반적인 인공건조에 비해 3∼20배 정도로 무척 빠른 편이나 건조비가 많이 소요된다.

7) 제습건조
목재로부터 증발되는 수증기가 일반적인 인공건조와는 달리 건조실로부터 증기의 형태로 제거되는 것이 아니라 응축되어 액상의 수분으로 제거된다.
수분의 응축 과정중에 생긴 잠열이 응축 파이프 위를 통과하게 되는 순환 공기에 의해 다시 빼앗기게 되어 목재로부터 추가적인 수분을 증발시키는데 이용된다.
온도는 대개 40℃ 이하로 낮은 편이며 상대습도는 30∼50% 수준이다. 인공건조실에 비해 초기 투자비는 작으며 작업 공정도 간단하지만 건조속도가 느린 단점이 있다. 인공건조에 비해 침엽수재 건조시 67% 그리고 활엽수재 건조시 43% 정도 에너지 비용 절감 효과가 있다.
제습건조는 주로 활엽수재의 건조에 적용되고 있다.

8) 연속승온식 건조
일반적인 인공건조의 경우 온도를 계단식으로 올리게 되지만 이 방법은 온도를 연속적으로 올리게 되므로써 일정한 건조속도를 얻을 수 있다.
건조는 초기 온도 60℃에서 시작하되 건습구온도차를 일정하게 유지시키며 최종 건구온도는 100℃로 한다.
고온건조보다도 건조속도가 빠르며 건조시간, 에너지 및 건조결함이 작으나 널리 알려져 있는 건조 방법은 아니다.

9) 용제건조
목재를 밀폐된 실린더중에 넣고 여러 시간 약 90℃ 정도의 뜨거운 아세톤을 분무해 준다. 그후 건조를 마치기 위해 그리고 잔류되어 있는 용제를 제거하기 위해 공기를 유입, 순환시키는 동안 아세톤, 수분 및 추출물의 혼합액을 제거한다. 건조후 용제를 회수하여 다시 이용할 수가 있다.
이 방법은 침엽수재의 옹이로부터 송진을 제거하기 위해 처음 시작되었으나 미국에서 메탄올과 같은 다른 용제를 이용하여 목재를 건조하기 위해 실험실적으로 시도되었는데 결과가 좋았다.
건조가 비교적 빠르며 추출물을 제거할 수 있는 장점이 있으나 건조비가 많이 드는 단점이 있다. 방부의 전처리 또는 25 mm 정도 이하의 얇은 목재를 급속히 건조하는 경우에 이용하지만 일반적인 방법은 아니다.

10) 끓인 기름에 의한 건조
수분을 증발시키는데 필요한 열은 물보다 비등점이 높은 뜨거운 기름속에 목재를 침지하여 얻게 된다.
이 방법은 대개 초기 함수율이 높은 목재의 보존처리를 병행하는 경우 실시된다.
크레오소트유와 같은 방부제의 온도를 높여 줌과 동시에 처리관내에 진공을 걸어 주게 되는데 건조는 100℃ 미만의 온도에서 이루어진다. 특수한 처리 장치가 필요하고 기름이 목재내에 어느 정도 주입되어 재색이 변하고 가연성도 부여되기 때문에 목재 건조법으로는 적당한 것이 되지 못하고 있다. 고온으로 건조하며 아울러 수분 제거 속도도 제어할 수 없기 때문에 할렬, 표면경화, 벌집터짐(honeycomb) 등과 같은 결함이 발생할 수 있다.

자료출처 : WPSkorea (Wood Pioneer Society)

생재는 수분을 잃어 버려도 섬유포화점에 도달할 때까지는 수축하지 않는다.
섬유포화점 이하가 되면 서서히 수축하기 시작한다.
건조에 의한 목재의 수축율은 섬유방향이 가장 작고 그 다음이 방사방향, 접선방향의 순이다.
따라서 생재로부터 일정한 단면을 지니는 목재를 제재하면 건조에 의해 수축되어 그림 4에 나타난 바와 같이 특징적인 단면의 형태로 변하게 된다.

 

C. 건조에 의한 목재의 수축과 틀어짐

건조응력
생재를 건조하면 우선 표면증발에 의해 표면 부근에 현저한 수분경사가 일어나게 되고 표층이 건조되어 섬유포화점에 이르게 되면 수축을 시작하게 되지만 내층은 여전히 높은 함수율 상태에 놓여 있기 때문에 이 수축에 대하여 저항하게 된다.
즉, 표층은 내층에 의해 수축이 저지되어 인장응력을 그리고 내층은 표면의 수축에 의해 압축응력을 받게 되어 단면 전체로써 균형을 유지하게 된다.
이와 같은 응력 상태는 건조의 진행에 따라 서서히 변화된다. 이와 같이 건조에 따라 생기게 되는 응력을 건조응력이라고 부른다.

건조 초기에는 표면이 항상 인장응력 조건하에서 건조되기 때문에 그 응력은 극단적으로 증대되어 결국 인장응력을 제거한다고 하더라도 이 목재의 수축은 응력이 가해지지 않은 상태에서 건조된 목재의 수축보다도 작아지게 된다. 이것을 인장세트(set)라고 부른다.
이처럼 표층에 인장응력 그리고 내층에 압축응력이 발생되어 있는 상태를 표면경화 전기라고 하며 <그림 2>에 나타나 있는 바와 같이 톱으로 켜게 되면 외측으로 휘어지며 그 상태 그대로 방치하게 되면 내부가 건조되어 수축을 하기 때문에 휘어짐이 서서히 회복되고 결국에는 역으로 내측으로 휘어지게 된다.
표면경화 전기의 단계로부터 더욱 건조가 진행되면 내층이 섬유포화점 이하가 되어 수축이 된다고 하더라도 인장세트가 형성되어 있는 표층은 정상적인 수축을 할 수 없기 때문에 압축응력을 받게 된다.
즉, 내층이 수축을 저지받는 인장응력을 그리고 표층이 압축응력을 받게 되는 상태인 표면경화 후기의 단계에 이르게 되는데 이 경우 판을 톱으로 켜게 되면 그림 5에서처럼 내측으로 휘어진다.
이러한 응력을 제거하기 위하여 건조 종료후 컨디셔닝(conditioning)을 실시하여 수분경사를 제거하여 외층의 응력을 완화해 주어야 한다.

건조에 의한 목재의 손상
건조에 의한 목재의 손상<그림 3>으로는 굽음, 비틀림, 할렬, 찌그러짐, 변색 등이 있다.
굽음에는 너비굽음(cup), 길이굽음(bow), 측면굽음(crook) 등이 있다.

굽음은 횡단면 수축의 이방성, 수피에 가까운 쪽의 목재와 수(pith)에 가까운 쪽 목재 사이의 수축율 차이, 한쪽 면의 과도한 건조, 부적당한 잔적 등에 의해 발생하게 된다.
한편 비틀림(twist)은 나선목리로 인해 발생하게 된다.                     

할렬(check)에는 표면할렬, 횡단면할렬, 내부할렬이 있으며 건조에 의해 야기된 인장응력이 목재 조직의 인장강도보다 큰 경우에 할렬이 발생하게 된다.
졸참나무, 황철나무, 유칼립투스 등과 같은 고함함수율의 목재를 급격히 건조하게 되면 건조 초기에 세포의 일부가 납작하게 압괴되어 목재 표면에 凹凸을 남기게 되는 불규칙한 수축이 일어나게 되는데 이것을 찌그러짐(collapse)라고 부른다. 
 

목재를 고온으로 건조하면 변색이 일어나는 것이 있다.
변색은 일반적으로 침엽수재보다도 활엽수재에서 더 일반적이다. 활엽수재의 경우 70℃ 이상, 함수율 40% 이상의 심한 조건에서는 물푸레나무속(갈색), 단풍나무속(적색 계통), 자작나무속(회색), 너도밤나무속(적색 내지 회청색), 참나무속(황색 계통) 등이 있다.
한편 침엽수재의 경우 70℃ 이상에서는 갈색, 140℃에서는 강한 적갈색을 나타내게 된다. 더욱이 탄닌(tannin) 함유율이 높은 목재는 철 성분과 접촉하게 되면 탄닌철에 의한 청흑색을 띠게 된다.
그 외에 침엽수재, 특히 소나무속의 목재는 천연건조중에 청변균이 침입하여 청색의 반점을 나타내는 경우가 있다.