나무는 속이 텅 빈 채로도 수백 년을 버팁니다. 이 사실을 처음 들었을 때 저도 선뜻 믿기지 않았습니다. 나무의 줄기 중 살아있는 조직은 고작 10% 정도이고, 나머지 90%는 이미 죽은 세포로 이루어져 있다는 게 핵심입니다. 목재를 제대로 이해하려면 이 구조부터 짚어봐야 합니다.
나이테가 말해주는 것, 연륜의 구조
나무를 자를 때 처음 눈에 들어오는 건 역시 나이테입니다. 제가 직접 원목 단면을 들여다봤을 때 가장 신기했던 건, 그 동그란 선 하나하나가 단순한 나이 표시가 아니라 그 해의 기후와 생육 조건을 통째로 기록한 데이터라는 점이었습니다.
정확한 용어로는 연륜(年輪)이라고 합니다. 연륜이란 형성층이 1년에 한 번씩 세포 분열을 반복하면서 만들어낸 목질부의 동심원 층을 말합니다. 온대 지방에서는 계절 변화가 뚜렷하기 때문에 1년에 하나씩 윤층이 형성되는데, 열대 지방처럼 계절이 불분명한 곳에서는 연륜 자체가 아예 보이지 않는 수종도 있습니다.
연륜 하나를 자세히 보면 두 가지 층으로 나뉩니다. 봄부터 초여름에 걸쳐 빠르게 자라는 조재(早材)와, 여름 이후 천천히 자라는 만재(晩材)입니다. 조재란 세포 크기가 크고 세포벽이 얇아 밀도가 낮은 밝은 색 부분을 말하고, 만재란 세포가 작고 세포벽이 두꺼워 조직이 치밀한 짙은 색 부분을 뜻합니다. 직접 겪어보니, 단면을 손으로 쓸어봤을 때 만재 쪽이 확연히 단단하게 느껴졌습니다. 이 두 층의 비율 차이가 목재의 강도와 밀도에 직접적인 영향을 줍니다(출처: 산림청).
심재와 변재, 어느 쪽이 더 쓸모 있을까
원목 단면을 보면 바깥쪽은 밝은 색, 안쪽은 짙은 색으로 자연스럽게 구분됩니다. 처음엔 그냥 색깔 차이라고 생각했는데, 그 안에 꽤 복잡한 생물학적 이유가 있었습니다.
바깥쪽의 밝은 부분을 변재(邊材)라고 합니다. 변재란 아직 살아있는 세포로 이루어진 목질부로, 수분과 양분을 위아래로 이동시키는 통로 역할을 맡습니다. 반면 안쪽의 짙은 부분인 심재(心材)는 세포가 이미 죽어 원형질을 잃고 세포막 물질만 남은 상태입니다. 심재란 수분 이동 기능은 없지만 나무가 쓰러지지 않도록 지탱하는 기계적 지지 역할에 특화된 부분입니다.
제가 흥미롭게 본 사례가 있습니다. 오래된 보호수 중에는 줄기 한가운데가 썩어서 텅 비어버리는 공동화(空洞化) 현상이 일어난 나무들이 있습니다. 과거에는 그 빈 공간에 콘크리트를 채우는 방식으로 처리했는데, 솔직히 이건 예상 밖이었습니다. 나무가 살아있는데 콘크리트를 채운다는 게 이상하게 들리지만, 심재는 어차피 죽은 세포 조직이기 때문에 콘크리트로 채워도 나무의 생명 활동에는 전혀 지장이 없습니다. 다만 외관상 보기 좋지 않아서 요즘은 다른 방법을 쓰는 추세입니다.
목재를 구조재로 선택할 때 알아두면 유용한 포인트를 정리하면 다음과 같습니다.
- 심재는 밀도가 높고 내구성이 강해 구조재나 외장재로 적합합니다
- 변재는 수분 함량이 높아 건조 처리가 충분히 이루어진 후 사용하는 것이 좋습니다
- 심재와 변재의 구분이 어려운 수종도 있으므로 용도에 맞는 수종 선택이 중요합니다
함수율이 목재 성능을 좌우한다
목재를 다루면서 가장 애먹는 부분이 바로 여기입니다. 제 경험상 이건 좀 다릅니다, 이론으로 알고 있는 것과 실제 현장에서 목재가 뒤틀리거나 갈라지는 걸 직접 보는 건 전혀 다른 충격입니다.
함수율(含水率)이란 목재 속에 포함된 수분의 양을 전건 중량(완전히 건조된 상태의 무게) 대비 퍼센트로 나타낸 수치입니다. 쉽게 말해 나무가 얼마나 물을 머금고 있는지를 숫자로 표현한 것입니다. 목재는 주변 환경의 온도와 습도에 따라 수분을 흡수하거나 방출하는데, 이 과정에서 수축과 팽창이 반복됩니다. 함수율이 높을수록 건조 후 치수 변화가 크게 나타나고, 이것이 뒤틀림과 균열의 직접적인 원인이 됩니다.
특히 한옥처럼 전통 목구조물에서는 이 문제를 아주 영리하게 해결한 방식이 있습니다. 초석, 즉 기둥을 받치는 돌 위에 기둥을 세울 때 초석의 울퉁불퉁한 표면에 기둥 하부를 그대로 맞춰 깎아내는 그렝이질이라는 공법을 씁니다. 그렝이질이란 초석의 형상에 맞춰 기둥 하단을 정밀하게 다듬어 밀착시키는 전통 목수 기술로, 마찰력을 높여 지진이나 바람 같은 횡력에 저항하는 능력을 키웁니다. 그뿐만 아니라 완벽하게 밀착되지 않은 미세한 틈이 통기 역할을 해서 수분이 더 잘 마르도록 유도합니다. 제가 직접 한옥 현장을 살펴봤을 때 이 부분에서 선조들의 경험이 그대로 녹아있다는 걸 느꼈습니다.
국토교통부가 발표한 목조건축 기준에 따르면, 구조용 목재는 사용 전 함수율 19% 이하로 건조한 재료를 사용하도록 권고하고 있습니다(출처: 국토교통부).
목재의 장단점, 구조를 알면 보인다
목재의 장점과 단점은 따로 외우는 게 아니라, 앞서 설명한 세포 구조와 함수율 개념을 이해하고 나면 자연스럽게 따라옵니다. 제가 직접 써봤는데, 이 부분을 이해하고 나서 목재를 보는 눈이 완전히 달라졌습니다.
목재는 비강도(比强度)가 뛰어난 재료입니다. 비강도란 단위 무게당 발휘할 수 있는 강도를 나타내는 수치로, 목재는 강재나 콘크리트에 비해 훨씬 가벼우면서도 같은 무게 대비 강도가 높습니다. 게다가 파이프 형태의 목재세포 구조 덕분에 쿠션처럼 충격을 흡수하는 성질이 있어서, 대리석 바닥과 비교했을 때 충격 흡수 능력이 2~3배 높다는 측정 결과도 있습니다. 발목이나 무릎에 가해지는 충격이 목재 바닥에서 확실히 줄어드는 것도 이 때문입니다.
반면 목재의 단점도 구조에서 비롯됩니다. 흡수성이 크기 때문에 수분이 드나드는 과정이 반복되면 신축변형이 누적됩니다. 화재에 취약한 것도 마찬가지로 목재세포를 구성하는 셀룰로스(Cellulose) 성분 때문입니다. 셀룰로스란 목재 세포벽의 주요 구성 물질로, 탄소와 수소, 산소로 이루어진 유기 고분자인데 이 성분 자체가 가연성이어서 착화점이 낮고 불이 붙으면 빠르게 번집니다. 또한 지면에 가까운 부재일수록 수분과 균류에 노출될 가능성이 높아 부패 속도도 빠릅니다.
나무의 구조를 이해하면 목재를 쓸 때 어디에 어떤 재료를 배치해야 하는지, 건조는 얼마나 해야 하는지가 자연스럽게 정해집니다. 단순히 나무를 잘라서 쓰는 게 아니라 그 안의 원리를 알고 접근하는 것, 그게 목재를 제대로 활용하는 첫걸음이라고 생각합니다. 목재를 다루거나 선택할 일이 생긴다면 수종의 심재 비율과 건조 상태부터 먼저 확인해 보시길 권합니다.
참고: https://www.forest.go.kr/kfsweb/kfi/kfs/cms/cmsView.do?mn=AR02_04_07_04&cmsId=FC_000325
https://www.molit.go.kr