목재 폐기물, 투명한 김서림 방지 코팅으로 재탄생

목재 기반 폐기물이 투명 코팅 또는 다채로운 반사 표면으로 변신하는 방법 개발 [사진=Aalto University]

최근 핀란드의 알토대학교(Aalto university) 연구팀이 목재 기반의 바이오 제품인 '리그닌(lignin)이라는 목질소(木質素)'를 나노 입자로 가공해 김서림 방지 특성을 갖고 다채로운 반사 방지 표면이 있는 투명 코팅으로 만들 수 있는 빠르고 쉬운 방법을 개발했다.

이로써 주위에 널려 있는 풍부한 목재 폐기물을 가공하여 안경이나 차량 창문 등의 김서림을 방지하는 유용한 재료로 변환이 가능해졌다.

전 세계는 요즘 들어 부쩍 대두되고 있는 지구온난화를 극복하고자 순환경제(circular economy)의 필요성과 기후 변화에 대한 대응이 불가피한 상황으로 떠오르면서 목재의 세포, 섬유 및 용기를 결합하는 '리그닌'이라는 유기 물질이 화석 기반의 재료들을 대체할 유망한 재생 가능 자원으로 인식되고 있다. 그러나 현재의 펄프 및 제지 산업의 부산물은 활용도가 낮아 약 98%가 그냥 불태워 없어지거나 발전용으로 사용될 뿐이다.

리그닌을 사용하는 장벽 중 하나는 복잡한 분자 구조로 분해하기 어렵다는 것이다. 그런데 화학분야 국제학술지 「화학공학저널(Chemical Engineering Jounal)」 최신호에 따르면 핀란드 알토 대학의 연구원들이 리그닌을 김서림 방지 및 반사 방지 특성을 가진 바이오 기반 투명 코팅으로 바꾸는 방법을 개발했다고 밝혔다.

리그닌 나노입자(LNP)는 친수성이며 질감을 만드는 데 적합하므로 광학 응용 분야, 특히 김서림 방지 특성이 필요한 응용 분야에 적합하다. 그러나 이러한 용도를 달성하는 데 있어 문제는 입자의 불투명도를 극복하는 것인데, 이는 필름 두께를 정밀하게 제어해야 하기 때문이다.

이번 연구에서 연구팀은 작은 입자일수록 덜 흐리고 더 균일한 방식으로 빛을 산란시키기 때문에 불투명도 문제를 극복하기 위해 LNP의 크기를 줄이는 방법을 살펴보았다.

이 논문의 수석 저자인 알렉산더 헨(Alexander Henn)은 "광학 코팅은 투명해야하지만 지금까지는 다소 얇은 리그닌 입자 필름만 볼 수 있었다"면서, "우리는 작은 입자가 덜 탁해 보인다는 것을 알고 있었기 때문에 입자 크기를 최소한으로 만들어 투명한 입자 필름을 만들 수 있는지 확인하고 싶었다"고 작업 과정을 설명했다.

입자 크기를 줄이기 위해 연구원들은 유기 화합물에 아세틸 작용기를 도입하는 에스테르화 반응인 아세틸화를 통해 리그닌을 화학적으로 변형시켰다. 그리고 연구팀은 아세트산을 사용하여 60°C의 비교적 낮은 온도에서 단 10분 동안 반응을 유도한 이번 공정에서 예상치 못한 특성을 가진 고농도의 초소형 LNP를 생성하는데 성공했다.

알렉산더 헨은 이어서 "아세틸화 리그닌으로 만든 리그닌 입자는 다소 놀라운 특성을 가지고 있었기 때문에 이 연구의 나머지 부분을 매우 흥미롭게 만들었다"면서 "예를 들어, 포토닉 필름까지 만들 수 있다는 가능성을 보고 정말 놀랐다"고 다소 흥분조로 말했다.

입자의 크기가 작기 때문에 연구팀은 투명한 하위 단층에서 다층 필름에 이르기까지 층 두께와 외관을 제어할 수 있었고, 이를 통해 다양한 파장에서 빛의 색상과 흡광도(absorbance of light)를 제어할 수 있었다.

빠르고 간단한 아세틸화 방법은 다양한 방식으로 사용 가능한 리그닌을 생성한다. [출처=Aalto University]

연구팀은 마침내 초박형 투명 코팅이 물방울로 인한 빛 산란을 감소시키고 아세틸화 리그닌이 투명 표면의 김서림 방지 코팅으로 적합하다는 결론을 내렸다. 그리고 더 두꺼운 층을 적용하고 다층 필름을 사용하여 연구원들은 코팅의 색상을 제어하여 노란색, 파란색 및 보라색의 밝은 색조를 얻을 수 있었다. 이 두꺼운 층은 바야흐로 '광자(photon)'였으며 빛을 반사했다.

연구원들은 아세틸화 반응의 속도와 용이성 및 높은 수율은 리그닌이 탄소 흡수원이라는 추가 이점과 함께 산업 수준으로 확장될 수 있음을 의미한다고 말한다.

이번 연구 논문의 교신 저자 중 한 명인 모니카 오스테르베르크(Monika Österberg)는 "리그닌 기반 제품은 상업적인 가치는 물론, 동시에 탄소 흡수원 역할을 하여 현재의 화석 연료 의존도를 완화하고 이산화탄소 배출량을 줄이는 데 도움이 될 수 있다"고 언급하며, "이와 같은 고부가 가치 응용분야는 리그닌 가치 평가를 촉진하고 리그닌을 단순히 연료로만 사용하는 것에서 벗어나는 데 중요하다"고 강조했다.

나무는 비록 죽었지만 그냥 죽은게 아니다. 우리 인간의 입장에서 나무는 생물모방, 생물영감의 자연중심 기술인 청색기술이 발전하며 청색경제, 순환경제에 기여하고 있는 것이다.