혁신적 고기능 목재, 건물 온도 10℃ 낮추고 냉방비 60% 절감

햇빛 반사·열 방출하는 새로운 목재 소재

미국에서 건물은 전력 사용의 거의 70%를 차지하며, 연간 국가 에너지 비용 4,300억 달러 이상을 발생시킵니다. 냉난방만으로 이 에너지 사용의 48%를 차지합니다.

열역학 제2법칙에 따르면 냉각이 가열보다 더 어렵습니다. 지금까지 과학자들은 콘크리트와 철강 생산 처리법과 다양한 수동 냉각 방안을 고안해 냉방비를 줄이려 했습니다.

이제 메릴랜드대와 콜로라도대 연구진이 햇빛을 반사하고 과도한 열을 방출하는 목재 소재를 사용해 이 모든 것을 관리하는 단일 솔루션을 발견했습니다.

새 목재 제조법

대부분 소재는 열을 흡수하고 근적외선(IR) 광자로 방출합니다. 이 광자는 주변 공기 분자에 흡수돼 지역을 덥게 만듭니다. 최근 몇 년간 과학자들은 열을 포착해 더 긴 중적외선 파장으로 방출하는 페인트와 플라스틱 필름을 개발했습니다. 이 경우 광자가 열을 심우주로 방출하고 공기가 이 파장을 흡수하지 않으므로 주변 지역이 시원해집니다.

페인트나 플라스틱 시트 대신, 연구팀은 나무 소재에서 그런 행동을 모방하려 시도했습니다. 나무는 두 주요 요소로 구성됩니다.

1. 긴 빨대 같은 구조를 형성하는 셀룰로오스
2. 빨대 가닥을 접착제처럼 묶어주는 리그닌(lignin)

참고: ScienceMag | DOI:10.1126/science.aau9101 | 메릴랜드대

리그닌은 IR 광자를 강하게 방출하므로 연구진은 나무에서 이 요소를 제거하기로 했습니다. 이를 위해 나무를 과산화수소 용액에 담갔습니다. 그런 다음 화학 처리된 나무를 압축해 조밀한 수소 결합 메쉬 형성을 유도했습니다.

그 결과 천연 목재보다 8배 강한 소재가 나왔습니다. 사실 이 새 소재의 단위 무게당 기계적 강도는 강철보다 3배 이상 강합니다. 스크래치 테스트에서 쉽게 손상되지 않음이, 압축 테스트에서 천연 목재보다 더 큰 하중을 견딤이 입증됐습니다.

효율성

리그닌을 제거하면 나무가 하얗게 변해 거의 모든 입사광을 반사합니다. 플라스틱 시트만큼 효율적으로 열을 방출하지는 않지만, 큰 차이를 만들 수 있습니다.

새 목재 샘플 | 출처: UMD

건물 외부에 설치하면 온도를 최대 10℃ 낮춰 냉방비 60%를 절감할 수 있습니다. 더 인상적인 건 나노기술이 오로지 나무만 기반으로 하며, 폴리머 등 다른 성분이 전혀 관여하지 않는다는 점입니다.

하지만 새 목재는 가연성이며 아스팔트 슁글 같은 표준 지붕재보다 내구성이 훨씬 떨어집니다. 게다가 비용이 많이 들고 잠재적 에너지 절감이 비용을 상쇄하지 못할 수 있습니다.