목재보존과학

개정 증보판을 내면서 / ⅲ
들어가면서 / ⅴ

제1장 목재보존의 필요성과 목재의 특성 / 김윤수
1.1. 목재보존과학 / 2
1.2. 목재보존의 역사 / 7
1.3. 목재의 특성 / 11
1.4. 목재의 내구성(耐久性 또는 내후성 耐朽性) / 23

제2장 미생물에 의한 목재의 열화 / 김윤수
2.1. 목재의 부후 / 31
2.2. 부후목재의 특징 / 36
2.3. 목재부후균의 생리 및 형태적 특징 / 51
2.4. 목재부후균의 균체외 효소 / 60
2.5. 변색균과 표면오염균 / 71
2.6. 세균에 의한 목재의 열화 / 78
2.7. 해양미생물에 의한 목재의 열화 / 83
2.8. 목재부후 미생물의 생물공학에의 이용 / 85

제3장 곤충에 의한 목재의 열화 / 김윤수
3.1. 목재가해 곤충의 분류와 특징 / 100
3.2. 건재해충 / 103
3.3. 흰개미에 의한 목재의 피해 / 113
3.4. 생원목 가해 곤충 / 124
3.5. 해양 천공충에 의한 목재의 열화 / 129

제4장 목재의 비생물학적 열화 / 김규혁
4.1. 물리적 열화 / 144
4.2. 열 열화 / 146
4.3. 화학적 열화 / 148
4.4. 기계적 열화 / 151
4.5. 목재의 기상열화(weathering) / 151

제5장 목조문화재의 열화 / 김윤수
5.1. 건조고목재의 열화 / 171
5.2. 수침고목재의 열화 / 180
5.3. 목조문화재의 보존 / 192
5.4. 건조고목재의 보존 / 215
5.5. 목조문화재의 전시 및 보관 / 218

제6장 목재 보존제 / 김영숙
6.1. 목재 보존제의 적용과 선택 / 233
6.2. 목재 보존제의 종류와 특성 / 235
6.3. 목재 방충제 / 257
6.4. 변색방지제 또는 방곰팡이제 / 261
6.5. 훈증약제(fumigant) / 262
6.6. 난연약제 (fire-retardent chemicals) / 268
6.7. 목재 보존제의 안전성 및 환경 영향 / 273
6.8. 목재 보존제 안전사용을 위한 약제 등록제도 / 278
6.9. 처리 공장 환경과 종사자의 건강 위해성 / 279
6.10. 목재 보존제의 작용 메카니즘 / 282

제7장 보존처리 기술 / 김규혁
7.1. 목재 내 보존제 침투 / 294
7.2 처리용 목재의 조정 / 309
7.3. 보존처리 방법 / 317
7.4. 처리목재의 보존성능 영향 인자 / 337
7.5. 처리목재의 성능 / 340

제8장 비관행적 방법에 의한 목재 내후성 개선 / 김규혁ㆍ김영숙
8.1. 화학개질 / 348
8.2. 열처리 (Heat treatment) / 359
8.3. 도장기술을 이용한 목재의 기상열화 방지 / 366

제9장 목재열화의 진단 및 보존처리 목재의 성능평가 / 김영숙
9.1. 목재의 열화진단 / 376
9.2. 목재보존 성능평가 / 386

찾아보기 / 395

제1장 목재보존의 필요성과 목재의 특성

1.1. 목재보존과학 (Wood Protection)
목재보존과학은 목재를 열화(劣化: deterioration)시키는 생물학적, 비생물학적 요인으로 어떠한 것이 있으며, 이 같은 열화 요인을 방제할 수 있는 약제(preservatives: 보존제)의 종류와 특성과 함께 약제를 목재 속으로 효율적으로 주입시키기 위한 처리법(treating methods)을 다루는 학문이다. 목재 보존과학은 따라서 미생물학, 곤충학과 함께 목재 해부학, 물리학, 화학 등 광범위한 지식체계를 필요로 하는 학제적 학문이다.
목재보존의 목적은 영원히 썩지 않는 목재를 만드는데 있지 않다. 사실 나무가 썩는다는 것은 지극히 당연한 자연 현상이다. 목재보존이 목표로 하는 것은 적절한 처리를 통해 목재의 사용연한(service life)을 연장시켜 임목자원의 지속가능(sustainability)한 이용에 기여하는 것이다. 나무가 자라서 벌채하는 기간을 평균 60년으로 계산할 경우, 적절한 처리를 통해 목재 사용연한을 60년 이상으로 유지시킨다면 임목자원의 지속적인 이용이 가능할 뿐 아니라, 이에 따른 탄소저감(carbon mitigation)과 함께 지구온난화(global warming)의 억제에도 긍정적으로 작용할 것이기 때문이다.
지금까지의 목재보존은 강력한 약제를 사용하여 목재의 사용연한을 증가시키고자 했다. 그러나 20세기 말부터 그동안 목재보존을 위해 사용했던 다양한 약제(예: 크레오소트, CCA, PPC, TBTO 등)가 생태계와 생명체의 안위에 미치는 영향에 대한 지식과 정보가 증가하면서 친환경 및 생태계 보존의 측면에서 목재보존에 대한 패러다임의 전환이 일어났다. 즉 생태계과 생명체에 덜 위해적인 약제사용으로 목재보존의 중심축이 이동했으며, 이에 따라 보존약제를 생산해왔던 약제 시장 역시 방향전환이 일어나고 있다(Schultz 등, 2008).

목재보존의 필요성
목재는 다른 재료와는 달리 중량에 비해 높은 강도를 갖고 있으며, 절삭과 접착 등 가공하기 쉽고 전기, 소리, 열 등에 대해 절연성을 가지고 있는 재생 가능한 생물자원(renewable bio-resources)이다. 2000년 들어 미국 대학들은 목재를 ‘지속가능한 생물재료(sustainable biomaterial)’ 또는 ‘재생 가능한 생물재료’로 바꿔 부르고 있다. 재생가능성과 지속성이 강조되면서 목재의 사용 역시 일회성에 그치지 않고 보다 오랜 시간 사용할 수 있어야한다는 생각이 강조되고 있다. 실제로 목재는 적절한 환경 조건만 지킨다면 오랫동안 사용할 수 있다는 장점을 가진 생물재료이다. 8백년이 지나도록 변하지 않고 그 원형을 유지하고 있는 해인사 팔만대장경판본, 4천년이 지난 오늘에도 손상되지 않고 인류의 문화유산으로서 그 가치를 드러내고 있는 이집트 파라오들의 목관 등이 대표적인 예이다. 독일, 프랑스, 스위스에서는 중세 이후 참나무로 만든 목조 가옥에서 지금도 생활하고 있다(그림 1-1). 목재는 또한 인간의 문화 활동을 구현할 수 있는 재료로서, 즉 문화소재(cultural material)의 하나로서 오랫동안 사용되어 왔다.
이 같은 장점에도 불구하고 목재는 수분 환경에 노출되면 팽윤되어 그 치수(dimension)가 변하고, 미생물에 의해 분해(degradation)되는 단점을 가지고 있다. 미생물에 의해 목재가 썩는 현상을 부후(腐朽; decay, rot)라 한다. 목재는 또한 바닷물에서 해양천공동물의 공격을 받는다. 콜럼버스가 신대륙의 탐험에 동원했던 목선들이 좌초된 것은 바로 해양천공동물의 공격 때문이었다. 잘 건조된 목재 역시 생물의 공격에 자유스럽지 못한다. 건조한 목재를 공격하는 곤충과 흰개미(termite)의 피해를 피할 수 없다. 햇빛에 노출된 목재는 자외선을 비롯하여 다양한 인자들에 의해 목재 표면이 마모되는 소위 기상열화(weathering 또는 풍화: 風化)를 나타낸다. 목재는 또한 불에 타는(연소: combustion) 단점을 가지고 있어서 고층 건축물에 사용을 꺼리게 하는 요인으로 작용하고 있다. 이처럼 목재가 다양한 요인에 의해 본래의 성질을 상실하고 생물학적 요인 또는 비생물학적 요인에 의해 열악한 상태로 되는 것을 열화라 부른다(표 1-1 참조).
특히 우리나라처럼 고온 다습한 절기를 가지고 있는 경우 목재의 열화를 피할 수 없다. 목재는 기후 조건에 따라 열화의 정도가 달라진다. 미국인 Scheffer(1971)는 기온과 강우량에 따라 목재의 열화정도를 기후지수(Scheffer’s Climate Index: SCI 또는 CI)로 수식화 했다. 즉
CI가 70 이상인 지역은 목재부후 위험도가 매우 높은 지역(sever decay harzard), 35 이하는 위해도가 낮은 지역을 의미한다. 한편 35-70은 부후 위험도가 중간 정도(moderate)인 지역을 가리킨다. 그림 1-2는 쉐퍼 지수(SCI)에 기초하여 작성된 극동지역의 목재부후 위험지도(harzard map)이다. 우리나라 전 지역은 CI가 50 이상을 나타내고 있으며 남부 지역은 70 이상를 보이고 있다. 그림은 우리나라 대부분 지역이 목재부후 위험도가 높은 지역에 속하고 있으며 따라서 목재의 열화를 방지하기 위해서 적절한 조치를 취해야함을 보여주고 있다. 우리나라와 인접에 있는 일본 역시 CI가 높은 편에 속하고 우리와 교역량이 많은 태평양 연안의 중국의 도시들 역시 CI가 매우 높은 곳에 속해 있어서(Wang 등, 2007) 이곳에서 유입되는 목제품과 임산물에 대한 검역 강화가 필요함을 시사하고 있다. 쉐퍼의 기후지수는 평균 중위값(mesoclimatic data)을 기본으로 계산한 것이어서 기상 조건이 달라지는 각각의 지역의 쉐퍼 지수 값이 달라진다. 또한 사용되고 있는 목재의 수종, 목조 건축물의 디자인과 그 양식에 따라 지수 값 역시 달라지는 단점을 가지고 있어서 지역별 기후 지수의 보완과 수정이 필요로 한다.
국제표준기구(ISO)는 목재가 사용되고 있는 환경에 따라 달라지는 열화의 위험도(hazard class)를 H1부터 H5까지 5등급으로 구분하고 있다(표 1-2). 반면 미국 목재보존자협의회(AWPA)는 1999년부터 ‘사용 범주 체계(use category system)’를 사용하여 열화의 위험도를 분류하고 있다(예: UC1, UC2, UC3A, UC3B, UC4A, UC4B, UC4C 및 UC5). 우리나라와 유럽은 국제표준기구의 열화 위험도를 사용하고 있다. 미국은 UC2 이상의 조건에서 약제 처리 목재사용을 권장하거나 강제하고 있으며, ISO는 H3 이상의 조건에서 약제처리를 요구하고 있다. 표 1-2는 목재의 사용 연한을 증가하기 위해서는 열화요인과 목재의 직접적인 접촉을 피해야함을 시사하고 있다. 우리 조상들이 처마를 길게 하고 목재 기둥을 돌 위에 세워 지면과의 직접적인 접촉을 피한 것도 목재 건축물의 수분과의 접촉면을 최소화시켜 목조 건축물을 열화로부터 보호하기 위한 전략이었다.

보존처리 목재의 장점
보존처리를 할 경우 목재는 보존 처리를 하지 않는 목재에 비해 그 사용 연수가 대체로 3배 이상 연장 된다. 나무에 따라서는 보존처리를 하지 않아도 30년 이상 사용할 수 있는 수종도 있지만 이 같은 나무는 극히 드물다(표 1-3).
산업혁명 이후 20세기에 이르기까지 대표적인 보존처리 목재는 철도 침목(railroad ties)과 전신주였다. 현재는 대부분의 철도 침목과 전신주는 콘크리트로 만든 침목과 전신주로 교체되어 주위에서 찾아보기 힘들 실정이지만 호주와 태평양 연안의 미국에선 보존 처리한 목재 전신주와 침목을 지금도 사용되고 있다. 보존처리를 할 경우 처리하지 않는 목재에 비해 약 20~30%정도의 초기 경비가 더 소요되지만 사용연한을 감안한다면 보존처리를 통해 얻을 수 있는 경제적 이익은 매우 크다. 보존처리를 통한 목재의 사용연한의 증가는 목재자원의 절약과 임목자원의 보존에도 기여한다. 철도 침목을 만들기 위해 매 10년마다 나무를 벌채하는 경우와 매 60년마다 벌채하는 경우를 비교한다면 보존 처리를 위해 초기 투자가 필요할지라도, 보존 처리를 통한 경제적, 사회적 이익은 감히 비교할 수 없을 것이다.
콘크리트, 시멘트 등과 같은 재료와 달리 장기간 사용하기 힘든 즉 내구성이 떨어지는 재료로 간주돼 왔으며, 불에 타는 성질 때문에 건축 재료로 부적절한 것으로 간주돼 왔다. 우리나라 건축법 역시 화재의 위험성으로 목재 건축물에 대해 엄격한 기준을 요구하고 있다. 이에 따라 일정한 높이 이상의 목재건축물을 허가하지 않고 있다. 그럼에도 목재과학의 발달로 목재의 단점과 약점은 크게 보완되고 개선돼 왔다. 내구성과 내화성을 증진시킨 글루램(glulam)을 사용한 대형 스포츠 돔(Dome)과 비행장 터미널 등이 세계 곳곳에서 건설되고 있으며 구조용 집성판(cross laminated timber; CLT) 제조 기술의 발달로 내화성능의 확보와 강도개선을 통해 수십 층에 달하는 고층 목조건축물이 만들어지고 있다(예: 캐나다 British Columbia 대학의 목조 18층 높이 52미터 기숙사). CLT를 통한 목조건축의 르네상스 시대가 도래 하고 있다고 말하는 학자들도 있지만 영국정부는 외장재를 CLT를 사용한 18미터 이상의 건축물의 축조를 화재 위험성의 이유로 금지하는 법령을 2018년 말 공포한 바 있다. 목재 뿐 아니라 대나무를 포함한 다양한 목질 자원도 그 이용이 활발해졌다. 특히 중국이 개발한 대나무 강관(bamboo winding composite pipe)은 직경이 1 미터 이상 되는 상수도로 사용되고 있다.
우리나라는 목재소비양은 전 세계 10위 국가(연간 3백만m3)임에도 80% 이상을 외국산 목재와 목제품에 의지하고 있다. 2016년 현재 국산목재의 사용량은 약 3만7천m3에 그치고 있다(산림청, 2016). 이 같은 실정에서 목재 보존처리를 통한 목재의 사용연장은 외화 절약에도 크게 기여할 뿐만 아니라 우리나라와 전 세계 산림 생태계의 보전에도 기여한다.

1.2. 목재보존의 역사
인류는 오래 전부터 여러 방법을 사용해 목재의 사용연한을 늘이려 노력해왔다. 중국인은 오래전부터 목재를 바닷물에 일정 기간 침지시켜 사용함으로써 목재의 열화를 방지하고자 했다. 이집트인들은 BC 2천년전 미라, 목관 등에 natrum이란 무기화합물과 역청 물질을 사용하여 목재를 썩지 않게 하려 노력했다. 로마인들은 나무의 종류에 따라 내부후성이 다르다는 것을 이미 이해하고 있었으며 해양천공동물의 피해를 막기 위해 엷은 구리판을 배의 갑판에 덮기도 했다. 노아가 전나무로 방주 한척을 만들면서 나무 배 안과 밖을 역청을 칠했다(창세기4:15)는 이야기도 목재보존에 대한 기술과 기법이 긴 역사를 가지고 있음을 보여주는 것이라 하겠다.
서양 사람들이 목재의 보존에 관심을 가졌던 가장 큰 원인은 목재로 만든 선박의 사용연한을 연장하고자 했기 때문이다. 목재를 가리키는 라틴어 lignum은 로마시대엔 선박을 의미하는 말로 사용될 정도로 목재는 배 그 자체였다. 목선에 대한 관심은 중세 이후 근세 유럽의 대항해 시대가 시작되면서 심화되었다. 스페인, 포르투갈, 프랑스, 영국, 네덜란드는 해상권의 확장을 위해 목선의 보존에 관심을 쏟기 시작했다. 바스코 다가마는 해양천공충을 방제하기 위해 목선의 겉 부분을 탄화시켜 항해했다. 명나라 초 장예는 장기간 항해를 위해 목선을 소나무 판으로 한 겹 더 둘러 사용했다(Temple, 1985). 대형 목선의 난파는 단순히 기상 조건 때문만 아니라, 해양천공충의 피해와 밀접한 관계가 있음이 후대 역사가들에 의해 밝혀지고 있다(예: 영국 Mary Rose 호의 침몰). 이에 따라 목선의 사용연한을 연장하고자 다양한 화학 약품을 목재보존제로 사용하였지만 큰 성공을 거두지 못했다.
산업혁명 이후 기차의 가동에 따라 철도 침목의 사용이 급증하였고 전신주의 가설 역시 급증하면서 산업적 측면에서의 목재보존에 대한 시도가 활발해졌다. 흥미롭게도 목재부후의 원인이 학문적으로 밝혀지기 훨씬 전부터 영국과 프랑스의 토목 기술자들은 목재보존을 위한 약제 개발과 보존제의 주입기술을 연구하기 시작했다. 오늘날 사용하고 있는 상당수의 보존제나 그 주입방법은 이미 19세기에 개발된 것이며 그것도 부후균이나 곤충에 대한 체계적인 연구가 시작되기 전에 개발된 것이다(Hosli, 1982). 19세기부터 최근까지의 목재보존에 대한 주요사건을 연대기적으로 기술하면 아래와 같다.

1836 : Moll에 의해 creosote방부제 특허
1838 : Burnett법 개발 - 염화아연용액에 목재 가압처리
프랑스인 Boucherie 낙차식 주입법 개발
1839 : 영국의 Bethell 충세포법(full cell process) 특허
1853 : 충세포법으로 철도침목 가압 주입
1878 : 독일 뮌헨대 Hartig 교수 - 목재부후균에 의해 목재가 부후됨을 밝힘
1884 : Boulton법(일명 creosoting) 개발
1902 : Ruping법 특허
1904 : Lowry법 특허, 미국목재보존가협회(AWPA) 창설
1910 : 미국 임산물연구소(FPL) 개설, 목재보존연구 시작
1924 : 일본 목재보존연구회 설립,
1933 : 인도인 Sonti Kamesan박사 CCA개발
1936 : PCP(pentachlorophenol) 목재보존제로 사용
1946 : 스웨덴 Henriksson 교체 가압·감압법 개발
1965 : 국제목재보존연구회(IRG/WP) 발족
1980 : PCP 및 유기염소계 약제 사용제한
2000 : 독일을 비롯한 유럽에서 비소와 크롬의 환경위해성 제기, CCA 사용 제한전 세계적으로 확산. 이에 따라 환경 친화적 약제사용
2003 : 한국목재보존협회 설립
2010 ~ 기존 목재보존제에 대한 시장의 규제로 전통적인 방부제 산업 쇠락

한편 우리나라에서 방부 처리 목재가 처음 사용하게된 것은 1889년 서울과 노량진간의 철도가 부설되면서 목재 침목에 콜타르(coal tar), 크레오소트(creosote) 방부제를 주입한 것이 처음으로 보고되고 있다(이용대, 1993). 조선의 개국과 함께 1899년 9월 경인선, 1914년 호남선의 개통에 따른 철도의 확충에 따른 침목의 생산은 우리나라의 보존 산업의 초창기를 장식했다. 일제 강점기간(1910~1945) 중 일본은 1906년 남만주철도주식회사를 설립하고 만주 개발을 위한 철도 노선을 확장하면서 신의주, 성진, 대전, 부산, 길림 등지에 방부공장을 설립하고 운영했다(예: 일본목재공업(주) 부산공장, 조선방부합자회사, 미쓰이(三井)물산 부산 방부공장 등). 일제강점기 조선총독부 학무국에서 제정 공표한 보통학교 조선어독본(普通學校 朝鮮語讀本, 1923년판)은 “철도의 침목은 모두 율목(栗木: 밤나무)을 사용하나니, 이는 그 질이 가장 견강(堅强)하고 쉽게 후패(朽敗)하지 않는 소이(所以)며, 또 전신주로는 삼목(杉木)을 사용하니...”라는 내용을 당시 초동학생에게 가르치고 있었다.
우리나라에서의 목재보존에 대한 연구 역시, 서양처럼 공학 분야에서 시작되었다. 1908년 창립된 ‘공업연구회’(광무 光武 3년 1899년 설립된 우리나라 최초의 공립 공학교육기관인 ‘관립상공학교’의 후신)가 개최하는 통상총회(1909년 1월)에서 남증희(南曾熙)는 ‘목재의 성질’에 대한 기술 강연을 하고, 2월 총회에선 김항중(金恒中)이 ‘목재의 부후(腐朽) 원인’을, 3월 강연에서 송요돈(宋堯暾)이 ‘증재와 훈연법(蒸材 及 燻煙法)‘을 강연했다(김상용, 2018). 이는 일제 강점기 이전부터 목재의 성질, 부후와 보존처리법에 대한 관심과 연구가 있었음을 시사하고 있다. 1910년 일제 강제 점령 이후, 임업시험장을 중심으로 국산 수종의 내부후성 시험이 이루어졌으며 광복 이후 임업시험장(현 국립산림과학원 전신)을 중심으로 갱목의 내구력 향상을 위한 방부처리 시험, 국산 유용 목재의 비교 내부후성 시험, 흰개미의 생태와 방제, 방부목재 가이드북의 발간을 통해 현실적인 문제에 대한 접근을 계속하고 있다. 대학에서의 목재보존에 대한 연구는 1950년대부터 시작되어 90년대 이후 본격적인 학문적 접근이 계속되고 있다.
2003년 한국목재보존협회(사단법인)이 설립되었지만 1924년 목재보존연구회를 설립한 일본에 비하면 80여년의 격차를 보인다. 21세기 들어 분자생물학에 기초한 연구와 보존제의 환경 위해성에 대한 연구가 진행되고 있지만, 전반적인 지적 수준과 그 인식 정도는 선진 외국의 연구와 비교하면 여전히 많은 노력이 필요로 한다. 이웃나라 일본은 1874년 스코틀랜드 글라스고 대학에서 수학한 志田林三郞을 필두로, 독일 유학파(예: 志賀泰山) 등을 통해 유럽의 목재보존 지식을 수입하기 시작했으며, 1879년 낙차식 주입법(뷔셔리 법)을 사용한 전신주의 약제 주입, 1924년 일본목재보존연구회 설립, 1931년 학술지 ’목재보존(木材保存)‘을 발간했다. 일본이 1940년대 사용 목재의 50% 정도를 보존처리한 사실(芝本武夫, 1985)과 비교하면 우리나라의 목재보존은 많이 차이를 안고 출발했음을 읽을 수 있다.

목재보존 관련 학회
목재보존과 관련된 국제 학회로는 국제목재보존연구회(International Research Group on Wood Protection(IRG/WP, https://www.irg-wp.com)가 있다. 이 연구회는 1968년 OECD 국가를 중심으로 창설되었으며, 스톡홀름에 그 본부를 두고 있다. 매년 총회를 갖고 회원들의 연구 발표를 통해 최근의 목재보존에 관한 지식을 교환하고 IRG/WP Document를 발행하고 있다. 미국, 캐나다, 영국, 독일, 일본 등은 자국의 목재보존학회, 또는 목재보존자협회 등을 통해 학술지와 프로시딩(proceeding)을 발간하고 있다. 이밖에도 미생물, 곤충 관련 학술지(Journal)에서 목재부후균, 목재 가해곤충, 흰개미 등에 관한 연구 논문이, 환경공학 및 보건 관련 학회지에서 보존약제에 대한 연구 보문이 발표되고 있다. 또한 문화재 및 고고학 관련 학술지에서도 목조문화재의 열화 및 충전제에 관한 논문이 꾸준히 발표되고 있다.