[한국목재신문=한국목재신문 편집국]

김진규
위촉연구원
한국과학기술연구원(KIST)
전통문화과학기술연구단

본지는 탄소중립시대를 맞이하여 건축소재로써 목재의 이용 활성화가 중대한 시점에 와있으나 소방과 화재 안전에 관한 법규와 건축법은 목재이용확대에 걸림돌이 되고 있어 지혜가 필요한 때입니다. 이에 본지는 목재산업에 조금이라도 도움을 주고자 목재소재와 방염 및 난연제의 이해 부족으로 목재사용이 제약되는 현실을 공감해 난연 연구를 47년 이상 해오신 한국과학기술연구원(KIST)의 전통문화과학기술 연구단 소속의 김진규 위촉연구원의 기고를 연재합니다. 김진규 위촉연구원은 난연 관련 실용적 연구논문을 약 20건 발표하신 바 있습니다. 본 “목재와 목질재료의 난연화” 기고문에는 333개의 참고문헌이 수록돼 있으나 연재물로써 표기하는 데 적절치 않아 생략했음을 알려드립니다. 본 연재는 약 24회에 걸쳐 게재될 예정입니다. <편집자주>

 

1. 들어가며

목재 및 목질재료는 전형적인 천연 고분자 재료로서 인류가 오랫동안 사용해 왔다. 이들 재료는 내구성이 우수하고, 입체구조를 갖는 경량임에도 불구하고 물리적 강도도 우수하다. 또 습기가 많을 경우에는 습기를 흡수하고, 건조 시에는 습기를 방출하는 이른바 조습작용도 갖고 있으며, 열전도율도 낮아 단열성도 우수하며, 피부와 접촉했을 경우 따뜻한 감을 주는 등 독특한 가치를 갖고 있는 재료다.

더욱이 철근 콘크리트 등의 다른 재료를 사용하는 건축물과 비교하여 증개축이 우수하다. 환경면에서 보아도 이산화탄소를 흡수하고, 태양에너지를 이용한다는 등의 점에서 친환경적인 고분자 재료로서 목재의 이러한 장점 때문에 각종 목재 또는 목질재료(wood-based products)는 주거 또는 비주거용 건축물에 사용되는 경우가 최근 꾸준히 증가되고 있다.

문화재 측면에서 보아도 우리나라는 목조와 석조 문화재의 국가라 불릴 만큼 많은 목조 문화재와 석조 문화재를 보유하고 있고, 그 중에서도 목조 문화재의 수가 압도적으로 많다. 목조 문화재는 그간 각종 전란 및 화재 등에 의하여 상당량 소실되었음에도 불구하고 아직도 많은 수가 남아 있으며, 이중의 일부는 유네스코에 의하여 세계문화유산으로 지정되어 그 우수성을 인정받고 있다.

우리나라 최고의 목조 문화재인 고려시대 부석사의 무량수전(국보 제18호)과 봉정사의 극락전(국보 제15호)을 위시하여, 고려시대에 건축된 것만 하여도 수덕사의 대웅전(1308년, 국보 제49호), 부석사의 조사당(1377년, 국보 제19호), 은해사의 거조암 영산전, 강릉의 객사문등이 있고 조선초기의 건축물로는 무위사의 극락전, 관룡사의 약사전, 장곡사의 상대웅전, 봉정사의 대웅전(보물 제55호)등이 있으며, 조선 중기에는 법주사의 팔상전(1624년, 국보 제55호)등이 있다. 현존하는 우리나라 목조 문화재에서도 알 수 있는 바와 같이, 적절한 보존방법만 강구된다면 목재의 수명은 1,000년 이상이 되는 것으로 확인되고 있다.

그러나 한편에서는 목질재료가 연소한다는 결점을 갖고 있어 연소성이나 화염 확산성에 관해 관련 법규에 의해 여러 가지 규제를 받아 이용이 제한되고 있으며, 목조 문화재의 보존 측면에서도 심각한 위험성이 내재되어 있다.

최근의 예를 보아도 2008년 우리나라 국보 1호인 숭례문 화재를 비롯하여 2006년 수원 화성의 서장대(유네스코 지정 세계문화 유산이자 사적 3호), 1984년 쌍봉사 대웅전(보물 163호), 1986년에는 금산사 대적광전(보물 476호)등의 주요 문화재가 화재로 소실되었다. 이러한 재난을 피하기 위한 난연 처리가 일반적으로 행해지고 있다.

본고에서는 목재 및 목질 재료의 난연화라는 관점에서 목재의 기본적인 특성부터 시작하여 목재용 난연제 및 난연기구, 처리 방법과 측정 방법, 나노 복합화에 이르기 분야에 대해 기술하고자 한다.

 

2. 목재의 구조와 성질

<그림 1> 목재의 심재와 변재.

목재는 종이나 성장 장소에 따라 침엽수(softwood)와 활엽수(hardwood)로 나눌 수 있으며, 이들은 모두 심재(heartwood)와 변재(sapwood)를 갖고 있는데 <그림 1>에서 보는 바와 같이 바깥부분의 색상이 옅은 부분이 변재이고, 가운데 짙은 색상이 심재다.

변재부분은 뿌리와 잎 사이에서 물과 광물질이나 영양분을 수송하는 통로로 이용되고 있으며, 심재는 사멸된 부분으로 목재의 강도를 유지하는 역할만 할 뿐이다. 일반적으로 활엽수가 침엽수보다 더 많은 부분의 심재를 갖고 있어 목재의 내구성 증진에 중요한 영향을 준다. 또 대부분의 침엽수는 활엽수보다 빨리 성장하며, 따라서 값도 저렴하기 때문에 건축용 재료로서 다양하게 사용된다.

<그림 2> 침엽수의 조직도.

목재의 조직은 미시적으로 보면 <그림 2>에서 보는 바와 같이 여러 가지 세포로 구성되어 있고, 건조된 목재는 공기와 세포벽으로 구성되어 있기 때문에 목재의 실질은 세포벽이다.

목재의 화학성분은 40~50%의 셀룰로스(Cellulose), 25~35%의 헤미셀룰로스(hemicellulose)와 15~35%의 리그닌(lignin)으로 구성된 주성분과, 기타 수지 및 회분과 같은 부성분으로 고성되어 있다. 주성분은 세포벽을 구성하는 성분으로 세포벽 구조의 관점에서 분류하면 골격성분(framework constituent), 간충성분(matrix constituent), 외피성분(incrusting constituent)으로 나뉜다.

<그림 3> 알파 포도당과 베타 포도당의 구조.

셀룰로스는 분자구조가 반복되는 포도당 단위로 구성된 장쇄상의 강직한 고분자의 집합체로 존재하고, 결정영역을 형성하는 점에서 골격성분을 구성한다. 포도당(Glucose, C6H12O6) 분자는 육각형 고리 모양을 하고 있는데, 이 고리 모양에서 1번 탄소에 결합된 OH가 육각형 고리모양으로 된 평면 공간보다 아래쪽에 위치한 경우는 알파 포도당, OH가 위쪽에 위치한 경우는 베타 포도당이라고 부른다<그림 3>.

포도당을 구성하는 1번 탄소에 결합된 OH와 또 다른 포도당 분자의 4번 탄소에 결합된 OH가 반응하여 물이 빠져나가면서 글루코시드 결합이 형성되고, 계속 같은 방법으로 수많은 포도당이 연결되어 고분자를 형성하는데 알파 포도당끼리 연결이 되면 녹말(starch)이 되고 베타 포도당 끼리 연결되면 셀룰로스 분자가 된다.

<그림 4> 셀룰로스의 분자구조.

<그림 4>에서 보는 바와 같이 셀룰로스의 분자구조는 [ ]안의 셀룰로스 분자가 계속 반복되는데 목재 펄프에서 생산되는 셀룰로스는 평균 3,000단위로 구성되어 있다. 셀룰로스는 장쇄상의 강직한 고분자의 집합체로 존재하고, 세포벽(cell walls)을 형성하며, 목재의 인장강도를 형성하는데 중요한 역할을 하기 때문에 골격성분을 구성한다. 헤미셀룰로스는 셀룰로스 섬유 주위에서 성장하며, 셀룰로스 섬유에 비하여 비구조적이고, 저분자량인 고분자형 당(polysaccharides)으로 구성되어 있고, 주로 셀룰로스의 결정영역 사이를 매우고 있으므로 간충성분으로 불린다. 리그닌은 방향족 고분자로서 목재가 수직으로 성장하는데 주된 역할을 하며, 셀들을 피복 하여, 목재의 압축강도와 전단강도(shear strengths)를 형성하는데 중요한 역할을 하기 때문에 외피성분이라 한다.

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