30년 만에 주목 받는 투명한 목재 [카테고리 설정이 아직되어 있지 않습니다.] 벌목한 나무의 나이테./픽사베이
목재를 투명하게 만드는 기술이 30년 만에 빛을 볼 수 있다고 환경리더가 8일(현지 시각) 소개했다.
투명한 목재는 전자, 건설, 지속 가능한 건축을 포함한 다양한 산업에 혁명을 일으킬 수도 있는 획기적인 소재라고 한다.
약 30년 전인 1992년 독일의 식물학자 지그프리트 핑크(Siegfried Fink)는 해부하지 않고 식물 세포의 색소를 표백해서 궁극적으로는 투명한 목재를 만드는 기술을 개발했다.
그 후 이 기술이 묻혀있다가 라스 베르글룬드(Lars Berglund)라는 연구원이 우연히 발견, 투명한 목재의 잠재력을 활용하려고 파고들었다.
리그닌이란 성분을 제거하거나 변경해서 투명한 목재 제조
투명한 목재를 만드는 기술의 핵심은 목재 섬유를 묶고 흙빛 갈색을 부여하는 접착제 같은 물질인 리그닌(lignin)을 제거하거나 변경하는 데 있다.
지난해 12월 스미스소니언 매거진(Smithsonian Magazine)에 실린 투명한 목재의 기사에 따르면, 나무는 풀로 묶인 촘촘한 빨대 묶음처럼 수많은 작은 수직 통로로 이루어져 있다고 한다.
이 관 모양의 세포는 나무 전체에 물과 영양분을 운반하는데, 나무를 벌목해서 수분이 증발하면 공기주머니가 남는다.
투명한 목재를 만들기 위해 과학자들은 먼저 세포 다발을 함께 고정하고 줄기와 가지에 대부분의 흙빛 갈색 색상을 제공하는 리그닌이라는 접착제를 수정하거나 제거한다.
리그닌의 색을 표백하거나 제거한 후에도 속이 빈 세포의 유백색 골격이 남는다. 이 골격은 불투명하다. 왜냐하면 나무의 세포벽은 세포 주머니 안의 공기와 다른 정도로 빛을 휘게 만들기 때문이다.
빛을 세포벽과 비슷한 정도로 굴절시키는 에폭시 수지와 같은 물질로 세포벽을 채우면 목재가 투명해진다고 한다.
투명 플라스틱, 유리보다 강도는 약 3배, 인성은 10배 높아
투명한 목재 섬유의 독특한 벌집 구조는 가장 견고한 탄소 섬유를 능가하는 강도를 지닌다.
미국 메릴랜드 대학 연구진이 실시한 강도 및 인성 테스트에서 투명한 목재는 플렉시 유리와 같은 투명 플라스틱과 기존 유리보다 성능이 뛰어나며 강도는 거의 3배, 인성은 10배 더 높은 것으로 드러났다.
환경리더에 의하면, 과학자들이 계속 생산 공정을 개선하고 응용 분야를 탐구해서 투명한 목재의 미래는 매우 유망해 보인다고 한다.
건축 자재를 넘어서 터치 감지 디스플레이나 자동차 인테리어와 같은 다른 영역으로 확장될 수 있다.
미국 메릴랜드 대학교 연구진이 개발한 공정은 투명한 목재의 잠재력을 최대한 실현하는 데 더 가까이 다가갔다.
투명한 목재는 단열 특성에서 유리를 능가하므로 에너지 효율적인 건물에 귀중한 자원이다.
투명한 목재의 잠재적 응용 분야는 엄청나다. 창문과 지붕에 사용할 수 있어서 강도와 우수한 단열 특성을 모두 갖췄다.
과학자들은 투명한 목재가 하중을 지탱하는 재료 역할을 할 수 있기 때문에 완전히 투명한 집을 만들 수도 있다고 한다.
또한, 청정 생산 공정을 통해 대형 건물에서도 쉽게 확장할 수 있어 지속 가능한 건설을 위한 새로운 길도 열릴 수 있다.
투명한 목재 창문은 기존 유리보다 더 튼튼하고 온도 조절에 더 도움이 되지만, 창문을 통해 보이는 시야는 흐릿해 일반 창문보다 반투명 유리에 가깝다.
그러나 사용자가 확산광을 원하는 경우 흐릿함은 이점이 될 수 있다.
두꺼운 목재는 강하기 때문에 부분적으로 하중을 견디는 광원이 될 수 있으며 방에 부드러운 조명을 제공하는 천장 역할을 할 수 있다고 라스 베르글룬드는 주장했다.
목재에 전류를 흘려서 색상을 입힐 수도 있어
게다가 투명한 목재는 전류를 사용해서 스테인드글라스처럼 색상도 입힐 수 있다고 한다.
약 5년 전 라스 베르글룬드와 KTH, 미국 조지아 공대(Georgia Institute of Technology)는 투명도와 색조 사이를 전환하여 가시성을 높이거나 햇빛을 차단할 수 있는 기능을 투명한 목재로 구현하는데 성공했다.
이들이 성공한 방식은 전기 전도성을 위한 전극 폴리머로 코팅된 투명한 목재 층 사이에 전류에 반응하여 색상 변화를 나타내는 전기변색 폴리머를 삽입하는 것이었다.
메릴랜드 대학, 50배 더 강하고 투과율 90%인 투명 목재까지 개발
투명한 목재의 지속가능한 생산을 위해 연구가 진행 중이다.
투명한 목재를 만들기 위해서는 리그닌을 제거하는 것이 기존 기술의 핵심이었지만, 미국 메릴랜드 대학 연구팀은 리그닌을 완전히 제거할 필요가 없는 새로운 공정을 개척했다.
투명한 목재를 만드는 전통적인 방법은 리그닌을 화학적으로 제거하는데, 이는 상당한 액체 폐기물을 생성하고 목재를 약화시키는 시간이 많이 필요했다.
메릴랜드 대학 연구진의 공정은 리그닌을 제거하는 것이 아니라 바꾸는 것이 핵심이다. 이 방법에는 목재 색상을 담당하는 특정 리그닌 분자를 제거하는 작업이 필요하다.
처음에는 목재 표면에 과산화수소를 도포한 후 자외선이나 자연광에 노출시킨다. 그 후, 처리된 목재를 에탄올에 담가서 깨끗하게 세척하고, 마지막으로 투명 에폭시로 기공을 채워 매끄럽고 투명한 표면을 만든다.
그 결과, 메릴랜드 대학 연구진의 투명한 목재는 기존 방법으로 만든 투명 목재보다 50배 더 강한 것으로 입증됐으며, 90%의 빛이 통과할 수 있다.
이 투명한 목재는 강도와 단열 특성 측면에서 유리와 기존의 투명 목재를 모두 능가하여 건축 분야의 판도를 바꿀 수도 있다고 한다. 앞으로 남은 문제는 투명한 목재의 생산 규모를 확대하고 환경에 미치는 영향을 최소화하는 것이라고 한다.
Top
