혁신적인 투명 목재, 지속 가능한 플라스틱 대체제 제공

가장 중요한 재생 가능하고 지속 가능한 자원 중 하나는 목재입니다. 우리 주변에 존재하며 놀라운 특성을 가지고 있습니다. 이 내구성 있고 다재다능한 재료는 오염되지 않고 지속 가능한 천연 단열재입니다.

목재는 장작, 종이, 건축부터 가구, 연료, 향료, 향수에 이르기까지 다양한 용도로 사용됩니다. 수세기 동안 인류 문명과 경제 발전에 핵심적인 역할을 해왔습니다. 

이제 우리는 목재와 그 사용 사례, 그리고 우리 삶에서의 중요성을 모두 잘 알고 있습니다. 하지만 목재를 투명하게 만들 수도 있습니다. 나무에서 추출한 이 고체 물질은 주요 성분을 교체함으로써 투명 목재로 변형될 수 있습니다.

목재는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌이라는 세 가지 주요 성분으로 이루어져 있으며, 리그닌과 헤미셀룰로오스를 모두 제거하면 목재가 투명해집니다. 

리그닌의 어두운 색은 복잡한 크로모포어 때문이며, 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 무색입니다.

이 성분들을 제거하면 셀룰로오스의 다공성 종이와 같은 네트워크가 남게 됩니다. 그런 뒤 무색 물질이 그 구멍들을 메워 일부 강성을 회복합니다. 

목재를 투명하게 만들면서 강도를 유지하는 이 흥미로운 변환은 최근의 것이 아니라 수십 년 전 처음 발견되었지만, 지속 가능한 소재 연구에서 최근에야 주목받기 시작했습니다.

Transparent Wood: A Scientific Breakthrough

목재를 투명한 소재로 변환하는 연구는 1992년 독일 과학자 지그프리드 핑크에 의해 시작되었습니다.

그 목표는 목본 식물의 내부 메커니즘을 해부하지 않고도 관찰하는 것이었습니다. 그래서 식물학자는 색소를 표백하여 투명 목재를 만들었습니다.

핑크가 이 발견을 한 이후 10년 넘게 이 분야에 대한 연구는 없었으며, 스웨덴 KTH 왕립공과대학의 재료 과학자 라스 베르글룬드가 투명 플라스틱의 대안을 만들기 위해 연구에 착수했습니다.

첫 번째 투명 목재 개발 5년 후, 연구진은 성공적으로 테스트¹ 친환경 대안을 2021년에 발표했습니다. 이 대안은 폐기된 감귤 껍질 등 재생 가능한 시트러스에서 만든 리모넨 아크릴레이트였습니다.

“화석 기반 고분자를 대체하는 것은 지속 가능한 투명 목재를 만드는 데 있어 우리가 직면한 과제 중 하나였습니다.”

– 당시 베르글룬드

새로운 복합재는 1.2 mm 두께에서 90%의 광 투과율과 30% 이하의 매우 낮은 흐림도를 보였습니다. 구조용으로 개발된 이 소재는 17 GPa(약 2.5 Mpsi)의 탄성률과 174 MPa(25.2 ksi)의 강도를 나타냈습니다.

KTH 왕립공과대학이 투명 목재에 처음 진출한 시기와 동시에, 메릴랜드 대학교(UMD)의 리앙 빙 후 교수는 목재의 강도를 활용하는 데 관심을 가졌습니다. 그들은 에폭시 수지를 첨가한 투명 목재가 유리보다 10배 더 탄력적이며 투명 플라스틱보다 3배 더 강하다는 것을 발견했습니다.

2019년, UMD 연구진이 개발²한 구조용 소재는 완전 탈리그닌 및 고밀도 처리를 통해 자연 목재보다 8배 이상 높은 404.3 MPa의 기계적 강도를 갖추었습니다. 연구진에 따르면, 이 냉각 목재는 20%에서 60%까지 에너지 절감 효과를 낼 수 있다고 합니다. 

Transparent Wood’s Growing Popularity in Research

지난 몇 년간 지속적인 기술 발전으로 투명 목재는 이제 단순한 과학적 신기술이 아니라 실험 결과가 실용성을 보여주며 주목받고 있습니다.

특히 투명 목재의 광학적, 물리적, 기계적 특성은 큰 관심을 끌고 있습니다. 예를 들어 투명 목재는 매우 강하면서도 가볍습니다.

게다가 투명 목재는 유리보다 단열성이 훨씬 뛰어나 건축 분야에 큰 장점을 제공합니다. 그러나 유리는 독성이 없고 재활용이 쉬워 환경 친화적이라는 점에서 더 유리하다고 평가됩니다.

그럼에도 불구하고 투명 목재는 식물에서 유래한 다른 소재와 마찬가지로 다양한 환경적 이점을 가지고 있습니다. 우선 생분해가 가능하고, 무한히 재배될 수 있으며, 새로운 성장 과정에서 이산화탄소를 포집·저장해 환경에 긍정적인 영향을 미칩니다.

한 투명 목재에 대한 생애 주기 평가 연구³에 따르면, 재생 가능하고 생분해 가능한 특성 덕분에 투명 목재는 기존 석유 기반 고분자를 대체할 잠재력이 있습니다. 폐기 단계(EOL) 분석 결과, 폴리에틸렌에 비해 환경 영향을 107배 감소시켰습니다.

연구는 또한 황산나트륨, 수산화나트륨, 과산화수소를 이용한 탈리그닌 과정과 에폭시 침투가 가장 낮은 환경 영향을 초래한다는 점을 강조했습니다. 

투명 목재는 조명기구, 스마트 윈도우, 스마트폰 등 다양한 활용 사례가 있습니다. 또한 전자 부품을 투명 목재에 통합하려는 엔지니어들의 노력으로 자동차 분야에서도 적용 가능성이 기대됩니다. 

이 외에도 목재 기반 LED와 전자기 간섭(EMI) 차폐를 위한 자기 나노입자 첨가 등 다양한 응용 연구가 진행 중입니다. 

하지만 대규모 제조 기술이 부족해 투명 목재의 광범위한 채택은 아직 이루어지지 않았으며, 생산 과정의 지속 가능성을 높이기 위한 연구도 진행 중입니다.

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Using Natural Materials to Make Strong, Transparent Wood 

연구진은 실제로 반투명 목재를 달걀 흰자와 쌀을 이용해 개발했으며, 이는 플라스틱을 대체할 견고하고 생분해 가능한 대안이 됩니다.

케네소 주립대(KSU) 화학 교수 바라트 바루아는 미국 화학학회(ACS) 회의에서 이 연구를 발표했습니다. 이 연구는 전기 전도성, 광학 투명성, 유연성을 갖춘 투명 목재(TW)를 만드는 것을 목표로 합니다.

이러한 특성을 갖춘 목재는 에너지 효율이 높은 전자 기기 등에 활용될 수 있어 우리 일상에 필수적인 부품이 될 수 있습니다.

센서, 유연 전자기기, 에너지 저장 장치 등을 만들기 위해서는 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며 가공이 쉬운 소재가 필요합니다. 기존에는 플라스틱이 이 역할을 해왔지만, 플라스틱은 수백 년 동안 환경에 남아 생태계에 해를 끼칩니다.

“현대에는 플라스틱이 우리 주변 어디에나 존재하고, 우리가 사용하는 기기에도 들어 있습니다. 그런데 그 기기의 수명이 다했을 때 플라스틱은 생분해되지 않아 문제가 됩니다. 그래서 저는 자연스럽고 생분해 가능한 대안을 만들 수 없을까 고민했습니다.”

– 바루아

저렴하고 쉽게 구할 수 있으며 전자 기기에 가공하기 쉬운 대안을 찾기 위해 연구진은 자연스럽게 목재에 눈을 돌렸습니다.

최근 연구에서 연구진은 탈리그닌 목재(DW)에 생체 적합성 및 생분해성 고분자를 침투시켜 투명 목재(TW)를 만들었습니다. 이러한 천연 고분자는 투명 목재에 유연성을 부여했습니다.

한편, 은 나노와이어(AgNWs)를 도입해 전기 전도성을 부여했습니다. 연구진에 따르면, 수정된 목재(MW)는 “광전공학, 에너지 저장, 바이오메디컬 기기 분야에서 엄청난 잠재력을 가질 것”이라고 합니다.

이 혁신적인 소재는 스마트폰 화면, 에너지 효율이 높은 창문 등 플라스틱을 대체할 친환경 대안으로 산업을 혁신할 가능성이 있습니다. 유망한 특성 덕분에 향후 3~5년 내에 상용화가 기대됩니다.​

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Expanding Transparent Wood’s Uses by Enabling Conductivity 

투명 목재는 수년간 개발돼 왔지만 여전히 플라스틱, 특히 에폭시를 사용해 강화하고 있습니다. 그래서 바루아는 목재를 오래 지속하고 안정적으로 유지할 수 있는 천연 소재를 찾아야 했습니다.

KSU와 공기 정화 제조업체 퓨라필(Purafil)의 지원을 받아, 바루아는 발사목을 사용해 리그닌과 헤미셀룰로오스를 제거했습니다. 진공 챔버와 희석 표백제, 수산화나트륨(가성소다), 탈리그닌제인 황산나트륨을 이용해 제거했습니다.

그 후 구멍을 메우기 위해 달걀 흰자와 쌀 추출물을 혼합한 용액에 침투시켰으며, 투명성을 유지하기 위해 디에틸렌트리아민이라는 경화제를 사용했습니다.

이 시약들은 소량만 사용되었기 때문에 환경에 미치는 위험이 적다고 연구진은 말합니다. 일부 경화제, 특히 에폭시 수지와 함께 사용되는 경우 독성으로 인해 환경 오염 위험이 있습니다. 결과적으로 투명하고 유연하며 내구성 있는 반투명 목재 조각만 남았습니다.

다음 단계는 이 엔지니어링 목재의 잠재적 활용 방안을 탐색하는 것이었습니다. 조사된 사용 사례 중 하나는 유리 창을 대체하는 것이었습니다.

이를 위해 바루아는 새집을 작은 단열형 주택으로 개조하고, 창문 하나를 투명 목재로 만들었습니다. 이후 열등에 주택을 두고 온도계를 내부에 배치해 에너지 효율을 테스트했습니다. 

투명 목재를 사용한 결과, 유리를 사용할 때보다 내부 온도가 섭씨 5~6도(화씨 9~11도) 낮아졌으며, 이는 투명 목재가 창문용 에너지 효율 대체재로 활용될 수 있음을 시사합니다.

팀은 일부 샘플에 은 나노와이어를 추가해 투명 목재의 활용 범위를 확대했습니다. 은 나노와이어 덕분에 전기가 통하지 않던 목재가 전기를 전도하게 되었으며, 이는 태양전지 코팅이나 웨어러블 센서에 유용합니다. 

은 나노와이어는 박테리아와 같은 생물에 의해 분해되지 않기 때문에, 팀은 그래핀과 같은 전도성 물질을 사용해 투명 목재의 자연스러움을 유지하면서도 전도성을 높이는 추가 실험을 계획하고 있습니다. 

하지만 투명 목재의 투명성을 더욱 향상시키기 위한 연구가 아직 필요합니다. 그럼에도 불구하고 팀은 천연·저비용 소재를 활용한 초기 성과에 큰 기대를 걸고 있습니다. 

“학부생들에게 많은 비용을 들이지 않고도 흥미로운 연구를 할 수 있다는 메시지를 전하고 싶습니다.” 

– 바루아

Nippon Paper Industries Co., Ltd.

목재 기반 첨단 소재 개발을 선도하는 닛폰 페이퍼는 전통 플라스틱의 지속 가능한 대안을 탐구하고 있습니다. 

그 친환경 제품 중 하나는 알루미늄이 없는 FUJIPAK으로, 실온에서 장기간 보관이 가능한 음료 카톤입니다. 차단층에 알루미늄 대신 재생 가능한 바이오매스 소재(예: 차폐 필름을 입힌 종이보드)를 사용합니다. 우유 카톤과 동일한 수거 경로를 따라 재활용률이 향상될 것으로 예상됩니다. 또한 알루미늄을 제거함으로써 셀룰로오스 섬유 회수 후 폴리에틸렌을 쉽게 가공할 수 있습니다.

또 다른 제품은 School POP®으로, 빨대가 없는 카톤이며 일상 생활에서 일회용 플라스틱 사용을 줄여줍니다. 닛폰에 따르면 이 제품은 어린 시절부터 환경 의식을 고취시킬 수 있습니다. 학교용 우유에 맞춰 개발되었으며 식품 손실 방지에도 기여합니다. 

SPOPS®는 샴푸 “리필”을 “교체”로 바꾸는 또 다른 제품입니다. 닛폰에 따르면 SPOPS®를 사용하면 리필 시간이 최대 75% 단축됩니다. 이는 펌프를 제거하고 카트리지를 교체한 뒤 펌프를 다시 삽입하는 방식입니다. 

주재료를 종이로 사용함으로써 플라스틱 사용량을 25%~40% 줄이며 “사용자 친화적”이면서 “환경 친화적”인 제품이 됩니다. 종이 제품임에도 불구하고 SPOPS®는 고농도 알코올 및 계면활성제와 같은 다양한 액체를 처리할 수 있어 높은 기능성을 제공합니다.

몇 달 전, 닛폰은 발표했으며, 생활 브랜드 NOTRAC Inc.와 협력해 “ECOJE” 브랜드로 한국 시장에 SPOPS 사업을 확대했습니다.

그 외에도 종이 기반 100% 목재 소재인 “SHIELDPLUS®”(수성 코팅 기술), 셀룰로오스 나노섬유(CNF) “Cellenpia®”(극소(나노) 수준으로 분해), 독특한 펄프 가공성과 무기 기능을 갖춘 “MinerPa®”, 라미네이션 없이 포장에 사용할 수 있는 열밀봉 종이 “Lamina®”, 그리고 다기능 골판지 기반 방수 라이너 “Waterproof Liner” 등이 있습니다.

닛폰은 또한 리그닌 제조업체로, 리그닌의 뛰어난 분산성, 응집 방지, 킬레이트 특성을 활용해 산업 전반에 걸쳐 다양한 제품을 개발합니다.

이러한 지속 가능한 노력 외에도, 일본에 본사를 둔 닛폰 페이퍼는 제지·펄프, 제지 관련, 목재 제품, 건설 관련 등 다양한 부문을 통해 종이 제품을 제조·판매하고 있습니다.

작성 시점 기준, 회사 주가는 $7.96이며, P/E 비율은 3.75, 매출 대비 주가 비율은 0.10입니다. 배당 수익률은 0.95%입니다.

2025 회계연도 3분기 기준, 닛폰은 보고했으며, 그래픽 종이 수요 감소에도 불구하고 가정용 종이, 헬스케어 제품, 화학품 매출 증가로 순매출이 886.3억 엔($5.9 billion)으로 1.3% 상승했습니다. 에너지 사업의 강력한 실적 덕분에 영업이익도 전년 대비 9.2% 상승해 111억 엔($74.2 million)을 기록했습니다. 

연료(석탄) 가격이 안정적인 가운데, 노동·물류 비용 상승으로 국내 종이·골판지 제품 판매량과 이익이 감소했습니다.

또한 이시노마키 제지공장에서 온실가스(GHG) 배출을 줄여 바이오매스 제품 경쟁력을 강화했습니다. 석탄 보일러 폐쇄와 고효율 블랙리커 회수 보일러 설치가 주요 요인입니다.

Conclusion

에너지 저장 및 전자 분야에서는 저렴하고 지속 가능한 소재가 필요합니다. 플라스틱은 가볍고 가공이 용이하며 좋은 절연체라는 장점이 있지만, 생분해되지 않아 환경 및 건강에 큰 문제를 일으킵니다.

목재는 자연스럽고 저렴하며 지속 가능하고 탄소 고정 효과까지 갖춘 해결책을 제공합니다. 연구진은 목재를 더욱 개선해 투명 목재를 만들었으며, 이는 전자 및 에너지 저장용 지속 가능한 소재로 한 걸음 나아간 것입니다. 최신 연구는 달걀 흰자와 쌀 추출물 같은 천연 소재를 활용해 일상 적용 가능성을 보여주면서도 환경을 해치지 않는 최첨단 혁신을 제시합니다. 

투명 목재에 대한 연구가 진전되고 실제 적용 사례가 늘어남에 따라, 전자 및 에너지 저장 분야를 고기술이면서도 환경 친화적으로 재정의할 수 있을 것입니다.

Studies Referenced:

1. Montanari, C., Ogawa, Y., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). High performance, fully bio-based, and optically transparent wood biocomposites. Advanced Science. https://doi.org/10.1002/advs.202100559

2. Li, T., Zhai, Y., He, S., Gan, W., Wei, Z., Heidarinejad, M., Dalgo, D., Mi, R., Zhao, X., Song, J., Dai, J., Chen, C., Aili, A., Vellore, A., Martini, A., Yang, R., Srebric, J., Yin, X., & Hu, L. (2019). A radiative cooling structural material. Science, 364(6442), 760–763. https://doi.org/10.1126/science.aau9101

3. Rai, R., Ranjan, R., & Dhar, P. (2022, July 22). Life cycle assessment of transparent wood production using emerging technologies and strategic scale-up framework. Science of The Total Environment, 846, 157301. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157301