쇠보다 강한 목재? 고강도 압착 목재 개발

2018.02.09 18:53
미국 매릴랜드대 연구팀이 개발한 새로운 압착 목재의 원리. 화학처리 뒤 열과 압력을 가한다. 리그닌 등 특정 성분을 제거해 빈 공간 없이 촘촘한 목재를 만든다. - 네이처 제공
미국 매릴랜드대 연구팀이 개발한 새로운 압착 목재의 원리. 화학처리 뒤 열과 압력을 가한다. 리그닌 등 특정 성분을 제거해 빈 공간 없이 촘촘한 목재를 만든다. - 네이처 제공

인류가 수천 년 동안 애용해 온 건축 재료인 목재의 특성을 획기적으로 개선할 새로운 가공법이 개발됐다. 기존 목재에 비해 강도가 훨씬 높으면서 금속보다 가벼워 건축 재료 등에 응용할 수 있으리라 기대된다.


송지안웨이 매릴랜드대 재료공학과 연구원팀은 목재를 화학 처리한 뒤 열을 가해 압착하는 방식으로 목재의 밀도와 강도를 크게 높이는 새로운 가공법을 개발, 네이처 8일자에 발표했다.


연구팀이 개발한 새 가공법은 크게 두 가지 단계로 이뤄진다. 먼저 수산화나트륨과 황산나트륨 수용액에 목재를 담근다. 이 과정을 통해 목재 안의 단단한 식물세포벽을 안정화시키는 물질인 리그닌과, 역시 세포벽의 셀룰로오스를 감싸는 성분인 헤미셀룰로오스를 일부 제거한다. 그 뒤 섭씨 약 100도의 열을 가한 채 나무를 강하게 압착한다.


실제 목재를 대상으로 실험한 결과, 압착된 목재는 나무 조직이 무너지며 채관이나 물관 등의 ‘속이 빈’ 구조가 사라지고 조직이 치밀해졌다. 밀도는 세 배 높아졌다. 물에 담그면 가라앉을 정도다. 두께도 5분의 1로 줄었다. 반면 강도는 11배로 비약적으로 늘어났다. 셀룰로오스 미세섬유 분자들이 수소결합으로 형성한 게 주요 원인이었다. 연구팀은 “고강도 강철이나 티타늄 합금 등 대부분의 금속이나 합금보다 강한 수준”이라고 밝혔다.

 

보통 목재(위)와 새로운 기술로 만든 압착 목재. 두께는 5분의 1로 줄었고 조직은 치밀해졌다. - 네이처 제공
보통 목재(위)와 새로운 기술로 만든 압착 목재. 두께는 5분의 1로 줄었고 조직은 치밀해졌다. - 네이처 제공


탄성도 크게 높아졌다. 연구팀이 논문과 함께 공개한 영상을 보면 금속 막대를 강하게 발사해 목재를 관통하는 실험을 했을 때 일반 목재보다 훨씬 오래 견뎠다. 연구팀은 이런 특성이 가장 뛰어난 성능을 발휘하는 조건도 찾았다. 리그닌을 절반 가량, 헤미셀룰로오스를 4분의 3 가량 없앴을 때 가장 성능이 뛰어났다.


연구팀은 “새로 개발한 목재는 대부분의 금속이나 합금보다 강하다”며 “싸고 성능 좋으며 가벼운 대체재료로 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

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