투명하고 튼튼한 ‘유리 목재’ 손쉽게 만들어

과산화수소 발라 햇빛에서 말린 뒤 에폭시로 채워

나무를 유리처럼 투명하게 만들어서 건축자재로 쓸 수 있으면 얼마나 좋을까? 이런 꿈같고 희한한 생각이 과학자들의 호기심을 자극해서 몇 가지 방법이 나오기는 했다. 그러나 투명한 목재는 실험실 바깥으로 나오지는 못했다. 나무를 투명하게 만드는 방법이 공해를 많이 유발할뿐더러, 목재의 강성을 약화시켰기 때문이다.

이번에 미국 메릴랜드 대학의 친친 시아(Qinqin Xia) 연구팀은 이런 단점을 개선해서, 투명하고 튼튼하며 생산 비용이 크게 낮아진 새로운 방법을 발견했다. 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 저널에 발표한 논문에서 연구팀은 “자연적인 태양 에너지를 사용해서 저렴하고 효율 높은 투명 목재를 생산하기 때문에 대규모 산업 생산으로 확대될 수 있다”고 밝혔다.

카메룬 식물원의 발사 나무 ⓒ 위키피디아

나무 자재는 유리 보다 강하기 때문에 건축하는데 매우 좋은 재료이다. 나무는 야구공에 맞아도 깨지지 않고, 더 큰 충격을 받아 부러지더라도 산산조각으로 흩어지지 않는다. 난방에도 유리하고, 빛을 반사해서 눈이 부시게 하지도 않는다.

목질소 손상하지 않아 인장강도 높아

그렇지만, 지금까지 나무를 투명하게 만드는 방법은 화학 물질을 사용하여 리그닌(lignin 목질소)을 제거하는 방식이었다. 리그닌은 나무를 나무답게 튼튼하게 만드는 고분자 물질로서, 건조한 나무의 20~30%를 차지한다. 그런데 기존 방식은 시간이 오래 걸릴뿐더러, 액상 폐기물이 많이 발생하고 리그닌을 제거하기 때문에 나무가 약해져서 쓸모가 크게 줄어든다.

메릴랜드 대학 연구팀은 바로 이런 기존 기술의 단점을 개선하는데 성공했다. 리그닌을 제거하지 않고도 목재를 투명하게 만드는 기술을 발견한 것이다.

핵심은 리그닌을 최소한으로 제거하는 대신, 변화시키는 것이다. 그것도 매우 간단한 화학물질과 태양광을 사용했다.

기본 개념은 간단하다. 얇은 나무 표면에 과산화수소를 바른 다음 처리된 나무를 자외선에 노출시켰다. 그 뒤 나무를 더 깨끗하게 하기 위해 에탄올에 담갔다. 다음으로, 나무를 매끄럽게 만들기 위해 나무의 모공을 투명한 에폭시로 채웠다.

그랬더니 이 투명한 나무는 기존 방식으로 만든 투명한 나무보다 무려 50배나 강한 것으로 밝혀졌다. 빛의 90%가 통과할 수 있었다. 연구원들은 이 유리 같은 나무가 유리보다 더 강하고 가볍다는 것을 발견했다. 단열효과도 높았다.

연구원들은 새 재료가 창문과 지붕에 모두 다 사용될 수 있다고 제안했다. 이 투명한 나무는 하중을 견디는 재료로도 사용될 수 있다. 연구팀은 “이론적으로 완전한 시스루 하우스를 만드는 데 사용될 수 있다”고 밝혔다.

특히 규모를 쉽게 늘릴 수 있기 때문에 깨끗하고 큰 건물을 짓는데 사용이 가능하다. 자동차 내장재나 터치 디스플레이 등에 응용될 수도 있다고 연구팀은 발표했다.

투명 나무를 만드는 과정에서 발생하는 현상과 효과에 대한 간략한 설명 ⓒQinqin Xia, University of Maryland, College Park.

연구팀은 발사(balsa) 나무를 실험 대상으로 사용했다. 열대 아메리카 지역에 서식하는 발사 나무는 가벼워서 모형 물체를 만들거나 뗏목을 제작하는 데 많이 사용된다. 길이 200mm, 너비 10mm 두께 0.6mm 짜리 얇은 발사 나무판에 과산화수소 15ml를 발랐다. 나무 색깔이 완전히 탈색하기까지 1시간 동안 자외선에 노출시켰다.

그랬더니 목재의 리그닌이 바뀌면서 나무 색깔이 하얗게 변하고, 흡수율이 4% 미만으로 떨어졌다. 400~800 nm 범위에서 반사율은 88% 이하로 높게 나타났다. 이는 변형된 목재에서 빛 흡수 색소가 제거된 것을 말한다.

화학 용매 폐기물 30배로 줄고, 독성가스 배출 없어

이 과정에서 목재의 특성을 발휘하는 핵심적인 리그닌을 거의 손상하지 않아 매우 튼튼했다. 두께가 1mm 이하로 절단된 투명 목재는 31.4~46.2MPa의 높은 인장강도, 90% 이상의 뛰어난 광학 투과율, 4% 이하의 낮은 광학 흡수율을 발휘했다

연구팀은 약 1m 길이의 대형 목재 샘플을 대상으로 추가 실험을 벌이고, 투명 목재에 글씨를 써넣어보는 등 패턴 실험도 실시했다.

가벼워서 뗏목에 사용된 발사 나무. ⓒ위키피디아.

자외선을 이용한 투명 목재 생산은 에너지 소비, 비용 및 화학 폐기물 배출에서도 기존 방식 보다 매우 우수하다. 화학적 용매를 사용하는 기존 방식은 일반적으로 목재를 화학 물질에 완전히 담그기 때문에, 화학 물질 사용량과 폐기물 배출이 크게 늘어난다.

새로운 방법에 의한 투명 목재 생산 비용은 2배 가까이 줄어들었다. 폐기 용액 배출은 무려 30배가 줄었으며, 독성 가스 생성은 전혀 생성하지 않는다. 뿐만 아니라 새 기술을 이용하면 그림이나 글씨 같은 패턴을 신속하고 저렴하게 투명 목재에 새길 수 있다고 연구팀은 밝혔다.

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