광물 함유 복합재가 목재를 내부에서 강화한다

전 세계가 환경과 지속 가능성에 점점 더 의식을 갖게 되면서, 바이오 기반 복합재료의 개발 및 사용이 촉진되고 있습니다.

이러한 재료는 유리 및 탄소 강화 복합재와 같은 전통적인 비재생 합성 섬유뿐만 아니라 강철 및 콘크리트와 같은 재료를 대체하는 것으로 인식되고 있습니다.

바이오복합재 시장은 지난 10년간 성장해 왔으며, 2016년 44억 6천만 달러에서 2024년에는 100억 달러를 훨씬 초과하는 규모로 확대되었습니다. 기술 발전이 시장 확대를 가속화하고, 경량·고강도 재료에 대한 수요가 증가하며, 전 세계 정부가 첨단 바이오복합재 개발을 적극 지원함에 따라 예측된 바에 따르면 2034년에는 약 2,156억 2천만 달러에 이를 것으로 보입니다.

바이오복합재는 CO₂ 중립성, 높은 건강 안전성, 부식 저항성, 단열성, 경량성, 낮은 밀도, 생산 에너지 절감 등 기존 재료에 비해 많은 장점을 가지고 있습니다.

하지만 바이오복합재에도 도전 과제가 없다는 뜻은 아닙니다. 실제로 추출, 가공, 제조 과정에서의 어려움, 낮은 열 안정성, 열전도성 저하, 인화성, 표면 개질 필요성 등 여러 단점에 직면해 있습니다.

이러한 과제를 해결하고 바이오 기반 복합재의 기계적 특성을 향상시키기 위해서는 복합재의 복잡한 계층 구조 때문에 다중 규모 역학을 연구해야 합니다.

전통적인 복합재와 달리, 바이오 기반 복합재의 특성은 거시적 수준뿐 아니라 여러 규모에서 구성 요소가 배열되는 방식에 의해 영향을 받습니다.

예를 들어, 목재의 기계적 특성은 세포벽 및 세포 사이에서 셀룰로오스, 리그닌 및 기타 성분이 다양한 규모로 배열되는 방식에 의해 좌우됩니다.

여기서 다중 규모 역학은 재료의 거동을 서로 다른 수준에서 분석합니다. 나노 규모에서는 개별 분자와 나노입자 간 상호작용을 다루고, 마이크로 규모에서는 섬유, 세포 또는 기타 미세 구성 요소의 배열을 검토하며, 메조 규모에서는 이러한 구성 요소의 배열이 재료 전체 특성에 미치는 영향을 연구합니다. 거시 규모에서는 복합재의 전체적인 거동, 예를 들어 강성을 분석합니다.

경영진 연구는 바이오 기반 복합재의 다중 규모 역학을 연구·이해하기 위해 지속적으로 진행되고 있으며, 근본적인 구조‑특성 관계에 대한 독특한 통찰을 제공하고 있습니다.

이는 강도, 내구성, 신뢰성 및 지속 가능한 생산과 관련된 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 이러한 접근을 통해 경량이면서도 강인한 차세대 재료를 확보하고, 스스로 적응하고 복구할 수 있는 기능성을 갖출 수 있습니다.

목재 강화의 최첨단 접근법

바이오 기반 복합재와 관련해, 셀룰로오스를 함유한 목재와 같은 재료는 자연적으로 복잡한 내부 구조 덕분에 큰 관심을 받고 있습니다. 또한 전 세계적으로 매년 약 1815억 톤에 달하는 목재가 생산되어 가장 큰 재생 가능한 재료 원천 중 하나를 제공합니다.

석탄, 석유, 천연가스와 같은 광물 자원이 지속적으로 증가하는 추출량으로 생태계를 위협하고 있는 상황에서, 목재의 나노·마이크로 구조에 대한 연구는 지난 10년간 특히 활발히 진행되었습니다.

최근 교토대 연구진이 언급했듯이:

“눈으로 볼 수 없는 것을 ‘볼’ 수 있다면, 목재 구조물의 수명을 연장하고 건축 산업의 지속 가능성을 향상시킬 수 있습니다.”

이에 따라 이 팀은 효과적인 방법을 고안¹하여 손상이 회복 불가능해지기 전에 거의 보이지 않는 목재 열화를 진단했습니다. 이를 위해 중간 적외선 분광법과 머신러닝을 결합해 인공적으로 풍화된 목재 코팅과 셀룰로오스 나노섬유를 함유한 코팅을 테스트해 내구성을 향상시켰습니다.

Here, the partial least squares was used to build a model to predict the extent of deterioration, along with a genetic algorithm to identify the most informative infrared signals.

“우리는 눈으로는 감지할 수 없을 정도로 미세한 화학적 변화가 적외선 분광법으로 포착되고 모델에 의해 예측될 수 있다는 사실에 놀랐습니다.”

– 교신 저자 Yoshikuni Teramoto

한편, 메릴랜드 대학교 연구팀은 화학 물질 대신 포플러 나무를 유전적으로 변형시켜 고성능 구조 목재를 생산하는 경로를 선택했습니다. 베이스 편집을 이용해 4CL1이라는 핵심 유전자를 제거함으로써 야생형 포플러 나무보다 리그닌 함량이 12.8% 낮은 포플러를 얻었습니다.

또 다른 흥미로운 연구에서 라이스 대학교와 오크리지 국립 연구소의 재료 과학자들은 목재 폐기물을 활용해 목재와 유사한 물체를 3D 프린팅할 수 있는 잉크를 만들었습니다.

이 연구는 목공 작업에서 발생한 폐기물을 먼저 미세한 가루로 분쇄한 뒤, 화학 물질과 혼합해 리그닌과 셀룰로오스를 분리했습니다. 이 두 성분을 다시 나노섬유와 나노결정으로 분해한 뒤 물에 첨가해 점토와 같은 혼합물을 만들었습니다.

이 혼합물을 3D 프린터용 잉크로 사용해 여러 개의 미니어처 테이블과 의자를 제작했습니다. 동결 건조 방식을 적용해 제품의 수분을 제거하고, 180도에서 가열해 두 폴리머를 융합해 목재와 유사한 물체를 만들었습니다.

완성된 물체는 테스트 결과 원목보다 6배 더 내구성이 높고 3배 더 유연했으며, 자연 목재와 같은 향기도 풍겼습니다. 인쇄 과정을 조절함으로써 팀은 제품에 목재와 같은 질감을 추가할 수도 있었습니다.

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나노 철을 이용한 목재 강화

이러한 첨단 접근법들 사이에서, 비용이 저렴하고 확장성이 높은 또 다른 유망한 방법이 목재 강화에 탐구되었습니다.

이번 새로운 연구에서는 플로리다 애틀랜틱 대학교 공학·컴퓨터 과학 대학, 마이애미 대학교, 오크리지 국립 연구소 소속 연구원들이 협력해 나노결정 페리히드라이트로 참나무 목재를 변형시켰습니다.

페리히드라이트(Fh)는 지표면에서 널리 분포하는 수화된 삼산화철 옥시하이드록시 광물로, 토양 내 대부분의 철산화물의 전구체 역할을 합니다. 입자 크기가 작고 반응 표면적이 넓은 비정질 철 옥시하이드록시 나노광물로 알려져 있습니다.

이 연구의 핵심 아이디어는 나노 규모에서 목재 세포벽에 경질 광물을 삽입하면 재료를 비싸게, 무겁게, 혹은 환경에 부적합하게 만들지 않고도 강도를 높일 수 있는지를 확인하는 것이었습니다.

다양한 규모에서 처리된 목재의 성능을 조사한 연구는 존재하지만, 전체 목재 조각을 무기 광물을 직접 세포벽에 첨가해 강하게 만든 사례는 거의 없으며, 실제로는 전무합니다. FAU의 부교수이자 연구의 수석 저자인 Vivian Merk 박사에 따르면:

“목재는 많은 천연 재료와 마찬가지로 다양한 층과 특성을 가진 복합적인 구조를 가지고 있습니다. 목재가 하중을 견디고 결국 파손되는 과정을 진정으로 이해하려면 이러한 다양한 수준을 모두 살펴보는 것이 필수적입니다.”

이에 연구진은 고리다공성 목재에 초점을 맞춰 조사에 착수했습니다. 이 유형의 경재는 참나무, 호두, 체리, 단풍나무와 같은 활엽수에서 나오며, 뿌리에서 잎으로 물을 운반하는 큰 고리 모양의 관이 특징입니다.

연구에 사용된 적목은 북미 원산으로, 제지와 다양한 건축 용도로 활용됩니다.

간단한 화학 반응을 통해 철 화합물을 목재에 도입했습니다. 여기서는 질산철을 수산화칼륨과 혼합해 페리히드라이트를 생성했습니다.

그 후 팀은 복합재의 기계적 특성을 다양한 조직 수준에서 조사했습니다. 결과는 나노결정 철 옥시하이드록시를 이용한 저비용 화학 방법이 목재의 미세 세포벽을 강화하면서도 무게를 거의 추가하지 못한다는 것을 보여주었습니다.

페리히드라이트 나노입자를 목재 세포벽 내부에 침착시켰을 때 기능화된 2차 세포벽의 강성 및 경도가 향상되었지만, 목재 전체의 거동은 변하지 않았습니다.

따라서 내부 구조의 내구성을 높였다고 해서 목재의 굽힘이나 파손 방식에 영향을 주지는 않았습니다. 이는 처리 과정이 각 목재 세포 간 연결을 약화시켜 재료가 더 큰 규모에서 결합되는 방식을 변화시켰기 때문일 수 있습니다.

이 결과는 적절한 화학 처리를 통해 목재 및 기타 식물 기반 재료의 강도를 무게를 증가시키거나 환경에 해를 끼치지 않고도 향상시킬 수 있음을 시사합니다. 이는 향후 콘크리트와 강철을 대체할 바이오 재료의 잠재력을 강조합니다.

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바이오 기반 복합재의 다중 규모 분석

목재와 같은 세포성 재료는 고도로 조직된 계층적 구조를 이루며, 미세·중간·거시 규모에서 기계적 자극에 반응하는 하중 지지 구조 요소들의 조합입니다. 연구팀은 다양한 방법을 활용해 바이오 기반 복합재의 역학을 상세히 조사했습니다. Merk는 다음과 같이 언급했습니다:

“우리의 가설—즉, 미세한 광물 결정들을 세포벽에 추가하면 강도가 향상될 것이라는 가설—을 검증하기 위해 나노 규모와 거시 규모 모두에서 여러 종류의 기계적 시험을 수행했습니다.”

연구진이 사용한 도구에는 원자 힘 현미경(AFM)이 포함됩니다. AFM은 세라믹, 복합재, 고분자, 유리, 생물 샘플 등 거의 모든 표면을 이미징할 수 있는 강력한 기술입니다.

AFM을 활용해 팀은 목재를 매우 작은 규모에서 분석했으며, 이를 통해 탄성 및 강성 같은 특성을 측정할 수 있었습니다.

특히 AM‑FM(Amplitude Modulation – Frequency Modulation) 기법을 사용했습니다. 이 방법은 AFM 팁을 두 개의 서로 다른 주파수로 진동시켜, 하나는 상세한 표면 이미지를 생성하고 다른 하나는 재료의 탄성 및 점착성을 측정합니다. 이를 통해 광물 처리 후 세포벽이 어떻게 변했는지를 정밀하게 파악할 수 있었습니다.

연구팀은 또한 주사 전자 현미경(SEM) 내에서 나노압입 시험을 수행했습니다. SEM은 전자를 이용해 표면을 스캔해 다양한 신호를 생성함으로써 표면 지형 및 시료 조성에 관한 정보를 제공합니다.

여기서 연구원들은 작은 탐침을 목재에 눌러 다양한 영역에서의 반응력을 계산했습니다.

마지막으로, 처리된 목재와 처리되지 않은 목재 샘플을 굽힘 시험 등 표준 기계 시험에 적용해 강도와 파손 거동을 조사했습니다.

“목재를 미시적 구조에서부터 전체 목재까지 다양한 수준에서 살펴봄으로써, 실제 적용을 위한 천연 재료의 화학적 개선 방법에 대해 더 많이 배울 수 있었습니다.”

– Merk

소규모와 대규모 시험을 결합한 접근법은 처리 과정이 세포벽 내부의 미세한 디테일과 목재 전체 강도에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 큰 도움이 되었습니다.

“이 연구는 지속 가능한 재료 과학 분야에서 중요한 진전이며, 친환경 건설 및 디자인을 향한 의미 있는 발걸음입니다.”

– Stella Batalama, Ph.D., 공학·컴퓨터 과학 대학 학장

그녀는 또한 비용 효율적이고 환경 친화적인 방법으로 천연 목재를 강화함으로써, 이 연구가 차세대 바이오 기반 재료의 기반을 마련하고, 교량, 건물, 바닥재, 가구와 같은 구조용 전통 재료를 대체할 잠재력을 가지고 있다고 강조했습니다. 이어서 말했습니다:

“이 작업의 영향은 공학 분야를 훨씬 넘어섭니다—전 세계적인 탄소 배출 감소, 폐기물 감소, 건축부터 대규모 인프라까지 모든 분야에서 지속 가능하고 자연에서 영감을 얻은 솔루션을 수용하는 데 기여합니다.”

혁신적인 기업

1. Weyerhaeuser Company (WY )

이 분야의 주요 혁신 기업을 살펴보면, Weyerhaeuser Company는 대규모 임산지 소유자이자 목재 제품 제조업체입니다. 미국 내 약 1,040만 에이커의 임산지를 소유·관리하고 있으며, 캐나다에서도 추가 임산지를 관리하고 있습니다.

회사는 임산지를 완전한 지속 가능 방식으로 관리하고 있으며, 바이오 기반 재료 개발에도 관심을 가지고 있습니다. 시가총액 187억 9천만 달러에 현재 주가는 25.80달러이며, 연초 대비 7.96% 하락했습니다. EPS(TTM)는 0.50, P/E(TTM)는 51.70, ROE(TTM)는 3.71%이며, 배당 수익률은 3.24%입니다.

재무 측면에서 Weyerhaeuser는 2024년에 순이익 3억 9,600만 달러(희석 주당 54센트)를 기록했습니다. 연간 순매출은 71억 달러로 2023년 대비 6억 달러 감소했습니다. Natural Climate Solutions 사업부에서 5,500만 달러의 영업이익을 창출하며 강력한 실적을 보였습니다. 특히 회사는 2025년 말까지 조정 EBITDA 1억 달러 달성을 목표로 하고 있습니다.

“2024년 실적은 어려운 시장 환경 속에서도 견고한 실행력을 반영합니다.”

– CEO Devin W. Stockfish

이 기간 동안 주주에게 총 현금 7억 3,500만 달러를 반환했으며, 그 중 1억 5,300만 달러는 자사주 매입에 사용되었습니다. 몇 달 전 Weyerhaeuser는 기본 배당금을 5% 인상했으며, 이는 연속 4번째 분기 배당 인상입니다.

기타 주요 소식으로는 두 번째 산림 탄소 프로젝트 승인, 아칸소에 새로운 엔지니어드 목재 제품 시설 구축을 위한 전략적 투자 발표, 그리고 알라바마에서 전략적 거래를 통해 Southern Timberlands 포트폴리오를 강화한 것이 있습니다.

“2025년에 접어들면서 우리 재무 상태는 견고하고, 시장 상황이 개선될 때 이를 활용할 준비가 되어 있습니다. 우리는 다년 목표 달성, 고객 서비스, 주주 장기 가치 창출에 집중하고 있습니다.”

– Stockfish

2025년 1분기 실적은 순이익 8,300만 달러(희석 주당 0.11달러), 순매출 18억 달러로 이를 뒷받침합니다.

이 기간 동안 Timberland 부문은 서부 지역에서 수확 수수료와 국내 판매량이 다소 증가했으며, 특히 중국으로의 수출량은 약간 감소했습니다. 부동산·에너지·천연자원 부문에서는 매각된 에이커 수가 감소했지만 에이커당 평균 가격은 크게 상승했습니다. 목재 매출 실현액은 증가했으며 원목 비용은 다소 상승했습니다. 엔지니어드 목재 제품 매출은 감소했으며, 단위 제조 비용은 상승했습니다.

2. 3M Company (MMM )

이 분야에서 또 다른 눈에 띄는 기업은 첨단 재료, 나노복합재 및 바이오 기반 시스템 연구·개발에 참여하고 있는 3M Company입니다.

다각화된 기술 기업인 3M은 시가총액 747억 5천만 달러이며, 주가는 연초 대비 7.61% 상승한 138.91달러에 거래되고 있습니다. EPS(TTM)는 8.02, P/E(TTM)는 17.31, ROE(TTM)는 94.75%이며, 배당 수익률은 2.10%입니다.

관세와 무역 전쟁으로 인한 새로운 위험에도 불구하고 3M은 연간 재무 가이던스를 유지하면서 주가가 급등했습니다. 회사는 90일 재고를 보유함으로써 실제로 이익을 얻고 있습니다. 그러나 위험을 인정하고 네트워크 최적화, 생산을 다른 국가로 이전, 특정 고객에게 추가 요금을 부과하는 등 변동성 높은 비즈니스 환경을 관리하기 위한 전략을 제시했습니다.

이번 달 CEO Bill Brown은 “우리의 미국 내 발자국이 매우 크며, 여기서 더 많은 제조를 신중히 검토하고 있다”고 밝혔습니다.

수천 개에 이르는 소비재·산업용 제품 포트폴리오를 보유하고 있기 때문에 3M은 경제 전반에 걸쳐 폭넓게 노출됩니다. 그 결과 2025년 1분기 매출은 60억 달러로 1% 감소했지만, 지속 사업 부문의 조정 주당 순이익은 1.88달러로 예상치를 상회했습니다.

이는 2024년 두 자릿수 수익 성장과 38억 달러의 주주 환원을 뒤따른 결과이며, 전년 대비 조정 EPS는 21% 상승한 7.30달러, 매출은 0.1% 감소한 246억 달러, 영업 현금 흐름은 18억 달러에 달했습니다.

결론

중요한 천연 자원인 목재는 강도, 내구성, 지속 가능성 및 경제성 때문에 높은 가치를 지닙니다. 또한 목재는 바이오 기반 복합재의 핵심 역할을 수행하며, 재생 가능하고 지속 가능한 소재로서 다양한 분야에서 기존 복합재를 대체할 잠재력을 가지고 있습니다.

여기서 복합적인 식물 바이오매스인 리그노셀룰로오스는 식물 세포벽의 강직한 구조를 형성하고 목재를 복합재에 통합할 수 있게 합니다. 이 중요한 목재 성분은 화학적으로 변형되어 첨단 재료를 만들 수도 있습니다.

최신 연구는 목재의 특성을 향상시키기 위해 이를 활용했으며, 목재의 계층적 구조가 기계적 성능에 미치는 역할을 강조했습니다. 나노입자 강화가 세포벽 수준에서 강성을 개선한다는 것이 나노압입 및 원자 힘 현미경을 통해 확인되었으며, 전반적인 기계적 특성에는 영향을 주지 않았습니다. 이러한 자연 목재 강화는 첨단 바이오 기반 재료의 잠재력을 보여주며, 지속 가능한 인프라와 더 나은 미래를 이끌 수 있습니다.

참고 연구:

1. Soini, S. A., Lalani, I., Maron, M. L., Gonzalez, D., Mahfuz, H., Domingo‑Marimon, N., & Merk, V. (2025). 광물 강화 목재 세포벽의 다중 규모 기계적 특성 평가. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025. https://doi.org/10.1021/acsami.4c22384