2. 표면수지처리압축목재(Skinpreg, 스킨프레그)

한편, 수지처리압축목재는 주로 단판을 사용하지만 두꺼운 원목의 물성을 강화하고자 하는 경우에는 원목의 표층부에만 수지를 함침시킨 다음 열과 압력으로 경화하여 그 표면을 강화시키는 표면수지처리 압축목재 일명 ‘스킨프레그(skinpreg)’의 방법을 적용하기도 한다. 표면수지처리 압축목재는 표면에 수지를 함침시켜 압축하는 과정을 거친 목재제품을 말한다. 이 처리는 목재의 특성을 향상시켜 내구성과 습기에 강하고 다양한 용도에 적합하다.

이 공정은 일반적으로 파티클보드 또는 섬유판과 같은 목재 소판의 표면에 수지 코팅을 적용하는 것을 포함한다. 수지는 일반적으로 멜라민 또는 페놀수지와 같은 합성 폴리머로 접착 및 보호 특성이 있다. 수지는 목재 섬유에 침투하여 경화될 때 경화된 표면층을 생성한다. 목재를 압축하는 작업에는 종종 프레스를 사용하여 고압과 온도를 가하는 작업이 포함된다. 이 공정은 목재 섬유와 수지를 압축하여 재료의 밀도와 강도를 높이는 데 도움이 된다. 또한 치수 안정성을 향상시켜 습기와 온도 변화로 인해 목재가 휘거나 팽창하거나 수축하는 경향을 줄여준다.

표면수지처리 압축목재는 몇 가지 장점을 제공한다. 긁힘, 얼룩 및 습기에 강한 부드럽고 내구성 있는 표면을 제공하여 고성능과 내마모성이 중요한 응용 분야에 적합하다. 가구 제조, 인테리어 패널, 캐비닛, 조리대 및 견고하고 매력적인 표면 재료가 필요한 기타 영역에서 일반적으로 사용된다. 전반적으로, 수지 처리와 압축의 조합은 목재의 특성을 향상시켜 더 다재다능하고 오래 지속되도록 한다. 목재를 지속 가능하고 재생 가능한 자원으로 활용하면서 향상된 성능과 미적 아름다움을 제공하여 원목 및 기타 공학목재제품의 대안으로써의 역할을 한다.

3. 열압축목재(Staypak, 스테이팩)

수지처리압축목재보다 외력에 의해 파괴되기 어려운 질기고 강한 충격에 잘 견디는 성질인 인성(靭性)이 큰 제품에 대한 수요를 맞추기 위해 수지를 함유하지 않고 목재를 높은 압력에서 그냥 압축하는 Staypak(스테이팩, 열압축목재, Heat-stabilized Compressed Wood) 기술이 개발되었다. 열처리 온도는 통상 150∼170℃이고 가열 중에 목재를 압축한다. 해압(解壓)은 100℃ 이하까지 냉각 후 실시한다. 이 과정에서 목재는 갈변(褐變)한다.

이 공정은 셀룰로오스 섬유 사이를 결합하고 있는 리그닌의 유동(가소화, 약 125℃)에 의해 내부응력을 제거하여 리그닌이 고온에서 충분히 녹아 흐를 수 있도록 압축 조건을 개량한 것이다. 한편, 고온에서는 헤미셀룰로오스에서도 열분해가 일어나 푸르푸랄과 당류가 생성되며 이것이 냉각하면서 물불용성의 중합체(polymer)를 형성시킨다. 셀룰로오스 간에는 수소결합에 의해 교착(膠着)이 일어난다. 열압축처리에 의한 스프링백(spring back) 현상을 최소화하기 위해서는 온도와 함수율은 높게 하고 가압시간은 길게 한다.

스테이팩은 수지처리압축목재와 달리 내수성(耐水性)은 없지만, 인성은 두 배 정도 크고 인장강도와 휨강도도 훨씬 크다. 천연적인 외관도 수지압축목재와 거의 같다. 그러나 풍화가 일어나는 조건에서는 수지압축목재에 비해 매우 불리하다. 야외에서 사용하기 위해서는 합성수지 바니시나 페인트 등으로 도장해야 한다. 스테이팩은 수지처리압축목재와 같이 큰 내수성이 요구되지 않는 용도로 사용된다. 높은 충격강도가 필요한 도구 자루, 성형 틀, 연결 판, 프로펠러, 방직용 피커스틱과 북 등으로 사용된다. 스테이팩은 수지함침이 되지 않았기 때문에 원목이나 단판으로 제조할 수 있다. 비용은 수지처리압축목재에 비해 저렴하다.

스위스에서는 목재자원은 풍부하지만 비중이 낮은 가문비나무를 열압축 고밀화하여 손잡이, 여성용 신발받침, 헤드폰, 의자 등을 디자인 상품으로 제안하고 있으며( https://epfl-ecal-lab.ch/portfolio/under-pressure/), 일본에서는 목재자원은 풍부하지만 비중이 낮은 삼나무를 열압축 고밀화하여 책상판이나 마루판 등을 생산하여 고비중의 단풍나무 등 활엽수재 자원을 대체하고 있다(https://www.houscrum.co.jp/).

4. 금속화 목재(metalized wood)

금속화 목재는 목재 속에 낮은 온도의 용융합금을 용해한 쇳물을 주입하고 가열, 가압 후 냉각, 고화(固化)하여 제조된다. 금속과 나무의 만남으로 탄생한 신소재이다. 용융합금은 비스무트(Bi) 50% + 납(Pb) 31.2% + 주석(Sn) 18.8%로 구성된다. 녹는점은 97℃이고 고화 시 약 2% 부피 팽창을 야기한다. 목재 함수율은 8~12%, 가열 온도는 130~150℃, 압력은 40~80kgf/㎠, 처리 시간: 20분~1시간, 처리 후 표면의 합금 제거하고 냉각한다. 처리재의 특징으로는 비중과 경도의 증가, 압축강도 증가, 팽윤성 감소, 열전도도 및 전기전도도 증가, 화재 시 합금의 용융에 의한 흡열작용에 의한 내화성능 향상 등이다. 용도는 선박의 스크류 베어링(screw bearing)이다(출처: KOCW. 이종신. 개량목재학)

과거 금속화 목재는 물성 향상이 주목적이었다면 최근 금속화 목재는 목재의 물성 향상과 함께 메탈릭한 디자인을 입히는 개념으로 발전하고 있다. 목재에 단단한 금속 표면을 형성하기 위해 고유한 차가운 액체 리얼 메탈 마감으로 처리한다. 이것은 페인트가 아닌 폴리메탈합금이다. 즉 인공색소를 사용하지 않고 자연을 독특하고 진정성 있게 재해석한 것이다. 외관, 느낌, 주물 공장의 견고한 금속 고유의 가치와 아름다움을 부여한다. 폴리메탈합금으로 표면에 놓이는 목재를 코팅한다. 목재에 스무스하게 스며들어 있어 매우 매끄럽고 실키한 표면과 질감을 만들어 낸다. 구리를 사용하면 금속 표면이 녹청색으로 변하고 철을 사용하면 표면이 녹슨 붉은색으로 변한다. 하드왁스 오일로 처리하면 나뭇결 효과를 강화하고 장기적으로 표면 보호가 가능하며 그윽한 멋을 낼 수 있다.

Pujolasos wood & pack(www.pujolasos.com/en/)과 Decopak Europ은 향수와 화장품을 위한 최초의 금속화 목재 캡에 대한 특허를 받았다. 금속 광택제를 사용하여 우아하고 눈에 띄는 색조를 얻을 수 있으며 다양한 색상과 톤으로 제공된다.

5. 탈리그린 압밀화목재(Delignified densified wood)

최근 들어, 천연목재나 단판에서 세포벽의 셀룰로오스(cellulose, 섬유소) 다발 사이를 서로 강하게 접착하고 있는 리그닌(lignin, 목질소) 성분만을 과산화수소, 가성소다 등 탈리그닌 약품을 사용하여 미리 제거한 다음, 셀룰로오스 시트를 압축하여 셀룰로오스 간 수소결합을 강하게 하여 제조하는 탈리그닌 압밀화목재에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 목재의 미래 신소재로써 Nature, Science 등 세계적인 저널에도 소개되고 있다.

이 공정을 간단하게 나타낸 그림 10을 살펴보면, 탈리그닌화(a, d, g)는 목재 내 존재하는 황색의 리그닌을 제거하면서 백색 셀룰로오스 스캐폴드(scaffold. 뼈대. b, e)를 생성한다. 셀룰로오스 다발을 감싸고 있던 매트릭스(matrix) 물질인 리그닌은 세포벽과 세포벽 사이의 세포간층과 세포벽 내에서 제거(e)되어 유연한 세포벽(h)이 된다. 탈리그닌화된 셀룰로오스 스캐폴드(c)의 고밀화 작업을 통해 세포벽이 얇고 크기가 큰 조재 세포(f)와 세포벽이 두껍고 크기가 작은 만재 세포의 세포내강은 압축에 의해 사라지고 셀룰로오스 섬유들은 서로 강하게 밀착하게 된다. 이렇게 제조된 고밀화 셀룰로오스시트를 단일층 또는 다층직교구조로 제작하여 총알을 직접 쏘는 탄도시험을 실시한 결과(그림 11), 다층직교구조의 셀룰로오스시트는 우수한 방탄성능을 나타내었다. 친환경적이며 매우 가벼운 방탄조끼로의 적용이 예상되고 있다.

목재의 탈리그닌화 기술을 적용한 목질 신소재 제품은 프랑스, 미국, 스웨덴 등 목재과학 선진국을 중심으로 자동차 대시보드 터치패널, 전자제품 터치패널, 나뭇결을 가진 반투명유리 등 여러 분야에서 활발한 연구 및 제품화가 진행 중이다. 이 분야에 대해서는 다음 기회에 자세히 소개하고자 한다.