목재중의 수분
함유 수분 50% 라고 하는 것은 보통 수분을 지니는 물체, 즉 습윤된 물체 무게의 절반이 물이라고 하는 것을 의미하게 된다. 그렇지만 목재를 물리적으로 이용하는 사람들에게 있어서는 이 상태를 100%의 수분, 즉 함수율 100%라고 부르게 된다.
그것은 목재의 전건무게를 기준으로 계산하였기 때문에 그런 것인데 물을 함유하는 목재의 무게 Wu 그리고 100∼105℃에서 건조한 목재의 전건무게를 Wo라고 했을 때 함수율(moisture content, %) MC는 다음의 식 MC={(Wu-Wo)/Wo}×100 으로 구할 수 있다.
목재 중의 수분은 세포내강이나 세포간극 등과 같은 빈 틈새에 액상으로 존재하는 자유수(free water)와 세포벽에 흡착되어 있는 결합수(bound water)로 구분할 수가 있다(그림 1).

자유수는 유리수라고도 불리는 것으로써 세포벽 물질과 직접 결합되어 있지 않으며 세포벽 물질의 분자 인력 범위 밖에 존재하기 때문에 자유로이 이동될 수 있는 액상의 수분이다.
반면, 결합수는 흡착수라고도 불리는 것으로써 세포벽 내에 침투하여 습윤되어 있으며 세포벽 물질과 수소결합(hydrogen bond) 또는 분자간 인력(van der Waals force)으로 결합되어 있기 때문에 목재의 성질에 큰 영향을 미치게 되는 수분이다.
결합수의 종류로는 세포벽 내의 셀룰로오스 결정영역 표면 또는 비결정영역의 표면과 내부 그리고 헤미셀룰로오스 등에 존재하는 유리 수산기(-OH, free hydroxyl group)와 같은 친수성기에 물분자가 수소결합을 통해 단분자층으로 흡착된 단분자층 결합수, 이 단분자층 결합수 표면에 물분자가 수소결합이나 분자간 인력을 통해 다분자층으로 흡착된 다분자층 결합수 및 상대습도가 높은 경우 세포벽 내에서 결정영역 사이의 틈새처럼 미세한 모세관에 물분자가 응축된 형태로 흡착되어 있는 모세관 응축수의 3종류가 있다. 따라서 자유수와는 달리 결합수의 제거에는 상당량의 에너지가 필요해진다.
생재를 건조한 공기 중에 나두게 되면 점차 수분이 빠져 나가게 되고 반대로 건조재를 습한 공기 중에 나두게 되면 점차 수분을 빨아들이게 되어 결국에는 세포벽 내부가 완전히 결합수로 포화되어 있으나 세포내강 등의 빈 공간에는 액상의 자유수가 존재하지 않는 상태에 도달하게 된다. 목재가 이러한 상태에 도달하였을 때의 함수율을 섬유포화점(fiber saturation point)이라고 부르게 되는데 그 함수율은 목재의 종류에 관계없이 25∼35%, 평균 28∼30%이다.
즉, 결합수는 전체 목재를 통하여 평균 28∼30%까지 함유될 수 있으며 그 이상으로 존재하게 되는 수분이 자유수가 되는데 목재 내에 함유될 수 있는 자유수의 양은 공극량에 따라 달라지기 때문에 자유수의 양은 비중이 높은 무거운 목재에서는 적으나 비중이 낮은 가벼운 목재에서는 다량으로 함유될 수가 있다.
따라서 수분이 전부 결합수의 형태로만 존재하는 섬유포화점 이상으로 함수율이 높아지면 자유수의 증가에 따라 목재의 무게만 늘어나게 되고 반대로 그 이하로 함수율이 낮아지게 되면 세포벽으로부터 결합수가 빠져나가 목재의 무게뿐만 아니라 수축도 일어나기 때문에 목재의 성질이 크게 달라진다(그림 2와 그림 3).

<다음호에 계속됩니다.>
국민대학교 임산생명공학과 엄영근 교수