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기사입력 : 2003.09.16 17:04
목재와 수분(Wood and Water) Ⅸ
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수분흡수에 의한 목재의 탄성계수 감소원인은 목재 구성성분의 분자쇄간에 수소결합이 절단되어 물분자가 들어가 내부 가소제로서 작용하기 때문으로 평가되고 있다. 또한 흡수된 목재를 열처리함으로써 저하되는 탄성계수는 목재 구성성분의 미크로브라운 운동에 기인하는 열연화로 알려져 있다. 즉, 흡수에 의한 목재 구성성분간의 응집력 저하와 이 수분의 영향으로 가능하게 된 분자의 열운동이 목재 가소화의 주요 요인이라 할 수 있다. 따라서, 목재가 흡수한 수분양과 가열온도가 가소화의 정도에 직접적으로 관여하고 있다고 할 수 있다.
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기존의 소성가공 연구에 있어서 목재의 가소화를 위한 방안으로서 수분과 열에 의한 연화처리를 기본골격으로 하고 있으며, 특히 변형율을 극대화 시키기 위하여 소성가공 저해인자인 탄성계수를 최소화할 수 있는 방향으로 연구가 진행되어 온 것이 사실이다.
왜냐하면, 목재와 같은 탄성체에서의 응력은 변형율과 비례관계로서 그 비례상수는 탄성계수이다. 즉, 변형의 크기는 응력값을 탄성계수로 나눈 값으로서, 목재의 가소화와 하중 및 변형의 관계에서 탄성계수는 변형에 대한 저항력의 지표값이기 때문이다.
예를들어, 힘가공 및 압밀화가공과 같은 소성가공에 있어서 목재가 부드러워진다고 느끼는 것은 같은 크기의 변형을 주기 위해 작은 응력만으로도 충분한 것으로서, 탄성계수의 값이 작다는 것을 의미한다.
즉, 수분과 열의 연화작용에 의해 목재의 탄성계수가 저하했기 때문으로서, 목재가 연화되면 동일한 힘으로 보다 큰 변형을 유발할 수 있는 것이다. 수증기처리 또한 열연화의 우수한 한 방법으로 오래전부터 시도되어 온 것이지만, 소성가공 후처리로서 수증기처리를 한 경우에 탄성계수가 증가한다는 사실은 기존의 수증기처리에 의한 탄성계수의 감소현상과는 상반되는 사실이라고 할 수 있다.
수분과 열에 의한 탄성계수의 변이
20℃온도하에서 건조목재의 탄성계수를 1로 보면 같은 온도에서 포수목재의 탄성계수는 1/2로, 나아가 100℃ 포수목재의 탄성계수는 약 1/8로 저하된다. 이와같이 수분흡수에 의한 목재의 탄성계수 감소 원인은 목재 구성성분의 분자쇄간에 수소결합이 절단되어 물분자가 들어가 내부 가소제로서 작용하기 때문으로 평가되고 있다.
또한 흡수된 목재를 열처리함으로써 저하되는 탄성계수는 목재 구성성분의 미크로브라운 운동에 기인하는 열연화로 알려져 있다. 즉, 흡수에 의한 목재 구성성분간의 응집력 저하와 이 수분의 영향으로 가능하게 된 분자의 열운동이 목재 가소화의 주요 요인이라 할 수 있다. 따라서, 목재가 흡수한 수분양과 가열온도가 가소화의 정도에 직접적으로 관여하고 있음을 알 수 있다.
이런 열연화거동의 변화를 잘 파악하는 것은 플라스틱이나 금속재료의 가공과 같이, 목재를 소성가공함에 있어서 변형량의 극대화를 도모할 수 있는 중요한 사항이 될 것이다.
소성가공의 핵심기술 및 전망
19세기 중반에 이미 너도밤나무를 이용한 토네의 곡목가공법은 수증기처리에 의해 그 제조기법이 확립되었다. 소성가공기법의 하나인 휨가공이 용이한 너도밤나무재의 단면사진을 보면, 도관이 연륜전체에 균일하게 분포되어 있는 산공재(散孔材)로서 광방사조직을 가지는 특징이 있다.
이와같이 현재 곡목가공할 수 있는 수종의 특징은 조직학적으로 연륜계 전체에 공극이 균일하게 배열되어 있는 것이라고 할 수 있다. 반면에 침엽수 목재는 조재와 만재간, 즉 연륜경계부분에서 재질의 경사가 큰 관계로 소성가공에 큰 제약이 되고 있는 형편이다. 디자인을 할 때 잘 이용한다면 소성가공목재의 고급소재로서 널리 활용될 수 있는 전망이 큰 수종이라고 할 수 있다.
그러나 이를 위해서는 먼저 개선해야 할 문제점도 많이 있는데, 일반적으로 침엽수 목재는 활엽수 목재에 비하여 경도가 낮고, 같은 나이테내에서도 조재와 만재사이의 물리적 성질에 있어 큰 차이를 가지는 단점이 있다.
휨가공이나 압밀화가공과 같은 소성가공이 용이한 수종의 특징으로서는 세포내강이 작고 세포벽이 두꺼우면서, 그 화학성분에 있어서 리그닌 함량이 적어야 한다는 것이 지금까지 연구의 주요내용이라 할 수 있다.
예를들면, 소나무와 같은 침엽수재는 활엽수재에 비하여 리그닌 함유량이 약 10%정도 많은 관계로 휨에 대한 성능이 뒤떨어지며, 또 세포벽이 활엽수재에 비하여 얇기 때문에 휨응력을 가할 경우에 균일하게 휘지 못하고, 외력에 대해 약한 부분이 국소적으로 꺾여버리는 현상이 발생한다. 목재소재는 그 성질상 압축변형은 크지만, 인장변형이 작은 관계로 인장부분의 재료적 특성 또한 여러 가지로 생각할 필요가 있으며, 화학전처리 등을 통하여 변형율을 최대한 크게 해 줄 수 있어야 하는 기술이 필요하게 된다.
통상적으로 목재는 변형율 1%수준에서 인장파괴가 일어나기 때문에 이 부분에서의 가공법은 극히 어려운 부분이 될 것이다. 소성가공에 있어서 또 한가지 고려해야 할 사항은 목재는 등방성재료인 플라스틱이나 금속류와는 가공법에 있어서 본질적으로 다르다는 점이다.
목재는 직교이방탄성체로서 배향성을 나타내기 때문에 섬유의 흐름이 가공상의 약점으로 작용함으로 섬유의 방향을 고려한 소성가공방법이 적절하게 적용되어야 할 것이다. 또한 소성가공이 가능하더라도 어디까지나 압축변형율을 이용한 가공이 되어야 하며, 응력집중이 되지 않도록 해야 한다. 가능한 인장파괴를 일으키지 않는 범위에서 소성가공에 대한 연구개발이 본 연구과제의 매우 중요하고도 핵심적인 기술이 될 것으로 생각되어진다.
여기에 덧붙여 이렇게 어렵게 소성가공된 소재라 하더라도 수분과 열의 작용에 의해 목재섬유는 원래의 자기모양을 찾아 가려는 형상기억소재이기 때문에 변형된 형상의 영구고정을 위한 방안마련이 절실한 분야이다.
수분이 촉매로 작용하여 자신의 몸무게만한 체적이 세포벽속에서 팽윤되기 때문에 이 팽윤응력은 바위를 깨트리고도 남을 힘으로 잔존하는 잔류응력을 남기게 된다. 따라서 수분을 목재세포벽에 접근시키지 않게 하거나, 접촉하더라도 활성을 없애어 목재세포벽에 영향력을 없애는 것이 가장 좋은 방안이 될 것이다.
최근까지 이를 위한 세가지의 방안이 제시되어 왔으며, 첫째는 수소결합할 수 있는 위치를 소수성화하거나, 둘째는 흡착사이트를 고분자수지 등으로 피복하여 물리적으로 차단하는 방법, 셋째는 열처리 등의 물리적처리에 의한 활성도를 제거하는 방법 등이 있다. 최근들어 환경오염 및 사용자의 건강에 대한 우려 때문에 화학약품의 사용은 지양되고 있는 시점에서 세 번째 방법에 대한 연구가 집중적으로 진행되어 오고 있는 형편이다.
극히 최근에 목재를 소성가공한 후에 변형을 구속시킨 상태에서 고온의 수증기처리를 하면 비등수로 처리해도 변형이 회복되지 않는다는 사실이 밝혀지고 있다.
그러나 소성가공에 대해서는 해결해야 할 문제점이 아직도 많이 있으며, 특히 침엽수재에 있어서는 이들 연구결과가 아직 이용할 수 있는 단계까지 명확하게 이르지 못하고 있는 실정이다.
현재까지의 연구결과를 종합해 보면, 변형고정 기구는 비결정 셀룰로스의 결정화, 분자간 가교결합의 형성, 헤미셀룰로스분자의 절단에 의한 응력완화, 소수성 응집구조의 형성 등이라는 학설이 있으나 명확하게 밝혀내지 못하고 있는 실정이며, 이들 원인을 밝히는데는 다양한 분야의 물리화학적인 학제간 연구가 필요할 것으로 판단되어진다.
또한 목재의 사용을 극히 제한해 온 근원인자인 치수변동의 억제 및 소성가공의 가능성에 대한 연구가 완성된다면, 일반공업용소재를 대체할 수 있는 목재가 우리 생활전반을 지탱해 주는 환경친화적인 소재로 널리 사용될 수 있을 것으로 전망된다.
상식에서 벗어난 목재의 체질개선으로
모든 소재를 목재로
서두에서 이야기했듯이 우리주변의 모든소재를 목재로 사용할 수 없는 이유중 하나가 수분이 큰 원인인자중의 하나임을 알게 되었다. 목재를 이런 상식선상에서 본다면, 생물재료인 관계로 수분의 작용으로 뒤틀리거나 변형되며, 쉽게 썩거나 불에 타는 재료라 할 수 있다.
그러나 이제 이런 상식을 바꿀 필요가 있다. 다양한 합성수지에 의한 화학적 처리 또는 고온수증기처리 등에 의한 물리적 처리법으로 습기나 물을 목재로부터 차단할 수 있는 기술을 알게 되었기 때문이다. 이제부터는 분자레벨에서의 목재개질이 이루어져 흡습성과 치수변화를 별도로 조절할 수 있는 기술개발이 필요한 시점에 와 있다는 생각이 든다.
목재의 부후가 다양한 목재부후균이나 박테리아에 의해 일어난다는 것이 명백히 밝혀진 시점에서, 부후균이나 박테리아의 생태를 조사하여 목재의 부후를 효과적으로 저지할 수 있는 처리법이 개발되어 있다.
이제 기존의 목재를 그대로 이용하는 시대는 끝나고 환경에 적합한 처리재를 선택하는 시대에 돌입하게 된 것이다. 특히 미생물을 약제처리하지 않고 미생물을 환경친화적인 차원에서 처리하는 기술개발이 필요할 것이다.
목재가 완전하다는 것은 불가능한 일이 될지도 모른다. 그러나, 불에 강하고 뒤틀리지 않으며 썩지 않는 목재는 원목으로서의 목재보다도 목질재료계 재료의 실현으로 가능한 일이 될 것으로 예상된다.
일반인들의 인식 또한 이제 바꿀 시기에 와 있다. 왜냐하면 모두들 원목하면 좋은 재료로 인식하고 있는 것에 문제가 있기 때문이다. 원목이야말로 문제꺼리를 모두 안고 있는 골치덩어리이기 때문에 이제 원목지향이 아닌 원목을 재가공한 목질계소재를 우리주변의 모든 소재로 대체할 시기에 와 있다고 하겠다.
원목은 질감과 무늬가 나무라는 자연소재맛이 난다는 이야기로서 뛰어난 소재와는 거리가 먼 것이다. 따라서 원목은 가장 못난 불량한 소재라 할 수 있다.
플라스틱재료와 금속재료 등의 소위 잘나가는 소재는 용도에 적합한 기능성을 갖추고 있기 때문에 적재적소에 널리 이용되고 있는 것일 뿐이다. 뒤돌아보면 목재가 불에 타고 잘 썩는다는 것은 목재의 아주 소중한 성질의 일부인 것이다. 상식을 바꾸는 일은 불에 타지 않게 하거나, 썩지 않게 하는 일이 아닌, 목재소재라는 재료에 기능성을 부여하는 등의 방법을 통하여 우리가 요구하는 제품이 될 수 있도록 컨트롤하는 것이라고 할 수 있겠다. 田 〈최종회〉
글 이원희 <경북대학교 임산공학과 교수>
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수분흡수에 의한 목재의 탄성계수 감소원인은 목재 구성성분의 분자쇄간에 수소결합이 절단되어 물분자가 들어가 내부 가소제로서 작용하기 때문으로 평가되고 있다. 또한 흡수된 목재를 열처리함으로써 저하되는 탄성계수는 목재 구성성분의 미크로브라운 운동에 기인하는 열연화로 알려져 있다. 즉, 흡수에 의한 목재 구성성분간의 응집력 저하와 이 수분의 영향으로 가능하게 된 분자의 열운동이 목재 가소화의 주요 요인이라 할 수 있다. 따라서, 목재가 흡수한 수분양과 가열온도가 가소화의 정도에 직접적으로 관여하고 있다고 할 수 있다.
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기존의 소성가공 연구에 있어서 목재의 가소화를 위한 방안으로서 수분과 열에 의한 연화처리를 기본골격으로 하고 있으며, 특히 변형율을 극대화 시키기 위하여 소성가공 저해인자인 탄성계수를 최소화할 수 있는 방향으로 연구가 진행되어 온 것이 사실이다.
왜냐하면, 목재와 같은 탄성체에서의 응력은 변형율과 비례관계로서 그 비례상수는 탄성계수이다. 즉, 변형의 크기는 응력값을 탄성계수로 나눈 값으로서, 목재의 가소화와 하중 및 변형의 관계에서 탄성계수는 변형에 대한 저항력의 지표값이기 때문이다.
예를들어, 힘가공 및 압밀화가공과 같은 소성가공에 있어서 목재가 부드러워진다고 느끼는 것은 같은 크기의 변형을 주기 위해 작은 응력만으로도 충분한 것으로서, 탄성계수의 값이 작다는 것을 의미한다.
즉, 수분과 열의 연화작용에 의해 목재의 탄성계수가 저하했기 때문으로서, 목재가 연화되면 동일한 힘으로 보다 큰 변형을 유발할 수 있는 것이다. 수증기처리 또한 열연화의 우수한 한 방법으로 오래전부터 시도되어 온 것이지만, 소성가공 후처리로서 수증기처리를 한 경우에 탄성계수가 증가한다는 사실은 기존의 수증기처리에 의한 탄성계수의 감소현상과는 상반되는 사실이라고 할 수 있다.
수분과 열에 의한 탄성계수의 변이
20℃온도하에서 건조목재의 탄성계수를 1로 보면 같은 온도에서 포수목재의 탄성계수는 1/2로, 나아가 100℃ 포수목재의 탄성계수는 약 1/8로 저하된다. 이와같이 수분흡수에 의한 목재의 탄성계수 감소 원인은 목재 구성성분의 분자쇄간에 수소결합이 절단되어 물분자가 들어가 내부 가소제로서 작용하기 때문으로 평가되고 있다.
또한 흡수된 목재를 열처리함으로써 저하되는 탄성계수는 목재 구성성분의 미크로브라운 운동에 기인하는 열연화로 알려져 있다. 즉, 흡수에 의한 목재 구성성분간의 응집력 저하와 이 수분의 영향으로 가능하게 된 분자의 열운동이 목재 가소화의 주요 요인이라 할 수 있다. 따라서, 목재가 흡수한 수분양과 가열온도가 가소화의 정도에 직접적으로 관여하고 있음을 알 수 있다.
이런 열연화거동의 변화를 잘 파악하는 것은 플라스틱이나 금속재료의 가공과 같이, 목재를 소성가공함에 있어서 변형량의 극대화를 도모할 수 있는 중요한 사항이 될 것이다.
소성가공의 핵심기술 및 전망
19세기 중반에 이미 너도밤나무를 이용한 토네의 곡목가공법은 수증기처리에 의해 그 제조기법이 확립되었다. 소성가공기법의 하나인 휨가공이 용이한 너도밤나무재의 단면사진을 보면, 도관이 연륜전체에 균일하게 분포되어 있는 산공재(散孔材)로서 광방사조직을 가지는 특징이 있다.
이와같이 현재 곡목가공할 수 있는 수종의 특징은 조직학적으로 연륜계 전체에 공극이 균일하게 배열되어 있는 것이라고 할 수 있다. 반면에 침엽수 목재는 조재와 만재간, 즉 연륜경계부분에서 재질의 경사가 큰 관계로 소성가공에 큰 제약이 되고 있는 형편이다. 디자인을 할 때 잘 이용한다면 소성가공목재의 고급소재로서 널리 활용될 수 있는 전망이 큰 수종이라고 할 수 있다.
그러나 이를 위해서는 먼저 개선해야 할 문제점도 많이 있는데, 일반적으로 침엽수 목재는 활엽수 목재에 비하여 경도가 낮고, 같은 나이테내에서도 조재와 만재사이의 물리적 성질에 있어 큰 차이를 가지는 단점이 있다.
휨가공이나 압밀화가공과 같은 소성가공이 용이한 수종의 특징으로서는 세포내강이 작고 세포벽이 두꺼우면서, 그 화학성분에 있어서 리그닌 함량이 적어야 한다는 것이 지금까지 연구의 주요내용이라 할 수 있다.
예를들면, 소나무와 같은 침엽수재는 활엽수재에 비하여 리그닌 함유량이 약 10%정도 많은 관계로 휨에 대한 성능이 뒤떨어지며, 또 세포벽이 활엽수재에 비하여 얇기 때문에 휨응력을 가할 경우에 균일하게 휘지 못하고, 외력에 대해 약한 부분이 국소적으로 꺾여버리는 현상이 발생한다. 목재소재는 그 성질상 압축변형은 크지만, 인장변형이 작은 관계로 인장부분의 재료적 특성 또한 여러 가지로 생각할 필요가 있으며, 화학전처리 등을 통하여 변형율을 최대한 크게 해 줄 수 있어야 하는 기술이 필요하게 된다.
통상적으로 목재는 변형율 1%수준에서 인장파괴가 일어나기 때문에 이 부분에서의 가공법은 극히 어려운 부분이 될 것이다. 소성가공에 있어서 또 한가지 고려해야 할 사항은 목재는 등방성재료인 플라스틱이나 금속류와는 가공법에 있어서 본질적으로 다르다는 점이다.
목재는 직교이방탄성체로서 배향성을 나타내기 때문에 섬유의 흐름이 가공상의 약점으로 작용함으로 섬유의 방향을 고려한 소성가공방법이 적절하게 적용되어야 할 것이다. 또한 소성가공이 가능하더라도 어디까지나 압축변형율을 이용한 가공이 되어야 하며, 응력집중이 되지 않도록 해야 한다. 가능한 인장파괴를 일으키지 않는 범위에서 소성가공에 대한 연구개발이 본 연구과제의 매우 중요하고도 핵심적인 기술이 될 것으로 생각되어진다.
여기에 덧붙여 이렇게 어렵게 소성가공된 소재라 하더라도 수분과 열의 작용에 의해 목재섬유는 원래의 자기모양을 찾아 가려는 형상기억소재이기 때문에 변형된 형상의 영구고정을 위한 방안마련이 절실한 분야이다.
수분이 촉매로 작용하여 자신의 몸무게만한 체적이 세포벽속에서 팽윤되기 때문에 이 팽윤응력은 바위를 깨트리고도 남을 힘으로 잔존하는 잔류응력을 남기게 된다. 따라서 수분을 목재세포벽에 접근시키지 않게 하거나, 접촉하더라도 활성을 없애어 목재세포벽에 영향력을 없애는 것이 가장 좋은 방안이 될 것이다.
최근까지 이를 위한 세가지의 방안이 제시되어 왔으며, 첫째는 수소결합할 수 있는 위치를 소수성화하거나, 둘째는 흡착사이트를 고분자수지 등으로 피복하여 물리적으로 차단하는 방법, 셋째는 열처리 등의 물리적처리에 의한 활성도를 제거하는 방법 등이 있다. 최근들어 환경오염 및 사용자의 건강에 대한 우려 때문에 화학약품의 사용은 지양되고 있는 시점에서 세 번째 방법에 대한 연구가 집중적으로 진행되어 오고 있는 형편이다.
극히 최근에 목재를 소성가공한 후에 변형을 구속시킨 상태에서 고온의 수증기처리를 하면 비등수로 처리해도 변형이 회복되지 않는다는 사실이 밝혀지고 있다.
그러나 소성가공에 대해서는 해결해야 할 문제점이 아직도 많이 있으며, 특히 침엽수재에 있어서는 이들 연구결과가 아직 이용할 수 있는 단계까지 명확하게 이르지 못하고 있는 실정이다.
현재까지의 연구결과를 종합해 보면, 변형고정 기구는 비결정 셀룰로스의 결정화, 분자간 가교결합의 형성, 헤미셀룰로스분자의 절단에 의한 응력완화, 소수성 응집구조의 형성 등이라는 학설이 있으나 명확하게 밝혀내지 못하고 있는 실정이며, 이들 원인을 밝히는데는 다양한 분야의 물리화학적인 학제간 연구가 필요할 것으로 판단되어진다.
또한 목재의 사용을 극히 제한해 온 근원인자인 치수변동의 억제 및 소성가공의 가능성에 대한 연구가 완성된다면, 일반공업용소재를 대체할 수 있는 목재가 우리 생활전반을 지탱해 주는 환경친화적인 소재로 널리 사용될 수 있을 것으로 전망된다.
상식에서 벗어난 목재의 체질개선으로
모든 소재를 목재로
서두에서 이야기했듯이 우리주변의 모든소재를 목재로 사용할 수 없는 이유중 하나가 수분이 큰 원인인자중의 하나임을 알게 되었다. 목재를 이런 상식선상에서 본다면, 생물재료인 관계로 수분의 작용으로 뒤틀리거나 변형되며, 쉽게 썩거나 불에 타는 재료라 할 수 있다.
그러나 이제 이런 상식을 바꿀 필요가 있다. 다양한 합성수지에 의한 화학적 처리 또는 고온수증기처리 등에 의한 물리적 처리법으로 습기나 물을 목재로부터 차단할 수 있는 기술을 알게 되었기 때문이다. 이제부터는 분자레벨에서의 목재개질이 이루어져 흡습성과 치수변화를 별도로 조절할 수 있는 기술개발이 필요한 시점에 와 있다는 생각이 든다.
목재의 부후가 다양한 목재부후균이나 박테리아에 의해 일어난다는 것이 명백히 밝혀진 시점에서, 부후균이나 박테리아의 생태를 조사하여 목재의 부후를 효과적으로 저지할 수 있는 처리법이 개발되어 있다.
이제 기존의 목재를 그대로 이용하는 시대는 끝나고 환경에 적합한 처리재를 선택하는 시대에 돌입하게 된 것이다. 특히 미생물을 약제처리하지 않고 미생물을 환경친화적인 차원에서 처리하는 기술개발이 필요할 것이다.
목재가 완전하다는 것은 불가능한 일이 될지도 모른다. 그러나, 불에 강하고 뒤틀리지 않으며 썩지 않는 목재는 원목으로서의 목재보다도 목질재료계 재료의 실현으로 가능한 일이 될 것으로 예상된다.
일반인들의 인식 또한 이제 바꿀 시기에 와 있다. 왜냐하면 모두들 원목하면 좋은 재료로 인식하고 있는 것에 문제가 있기 때문이다. 원목이야말로 문제꺼리를 모두 안고 있는 골치덩어리이기 때문에 이제 원목지향이 아닌 원목을 재가공한 목질계소재를 우리주변의 모든 소재로 대체할 시기에 와 있다고 하겠다.
원목은 질감과 무늬가 나무라는 자연소재맛이 난다는 이야기로서 뛰어난 소재와는 거리가 먼 것이다. 따라서 원목은 가장 못난 불량한 소재라 할 수 있다.
플라스틱재료와 금속재료 등의 소위 잘나가는 소재는 용도에 적합한 기능성을 갖추고 있기 때문에 적재적소에 널리 이용되고 있는 것일 뿐이다. 뒤돌아보면 목재가 불에 타고 잘 썩는다는 것은 목재의 아주 소중한 성질의 일부인 것이다. 상식을 바꾸는 일은 불에 타지 않게 하거나, 썩지 않게 하는 일이 아닌, 목재소재라는 재료에 기능성을 부여하는 등의 방법을 통하여 우리가 요구하는 제품이 될 수 있도록 컨트롤하는 것이라고 할 수 있겠다. 田 〈최종회〉
글 이원희 <경북대학교 임산공학과 교수>
