국립산림과학원 목재가공과 박상범 과장은 지난 4월 10일 강원대학교에서 개최된 ‘2015년도 한국목재공학회 정기총회’에서 올해의 우수 연구 성과와 학문 발전에 기여한 과학자로 선정됐다. 한국목재공학회는 매년 목재공학 관련 학문 및 산업 발전에 공로가 있다고 인정되는 연구자를 선정해 상패를 전달하고 있는데, 박상범 박사는 해당 분야에서 원천기술 개발을 통해 산업화도 추진한바 있다. 이에 박상범 박사의 ‘탄화에 의한 목질자원의 친환경 소재화 연구’에 대해 소개한다.
대나무의 친환경 소재화 연구
◈ 연구 배경
과거 대나무밭은 살아있는 금밭(生金田)이라 불릴 정도로 죽림농가의 소득증대에 기여했다. 그러나, 산업화의 진전으로 농업용이나 생활용구로 사용되었던 대나무가 철제와 플라스틱에 자리를 내어주었고, 대나무 작업을 담당할 농촌 인구의 고령화와 인건비 상승으로 대나무밭은 그대로 방치되고 죽림은 점차 황폐해지는 상태에 이르렀다. 1992년 중국과 베트남과의 국교 정상화와 함께 값싼 수입산 죽제품의 대량 유입으로 국내 대나무 시장은 경쟁력을 상실하게 됐다. 버려지는 대나무의 고부가가치화를 위한 새로운 기술 개발이 필요하게 됐고, 건강과 환경에 유익한 친환경 소재로써 탄화기술을 활용한 대나무숯에 대한 연구를 수행하였다. 한편, 폼알데하이드는 새집증후군, 아토피, 화학물질과민증 등과 같은 환경성 질병의 원인물질로 알려져 있다. 일반인들은 실외에서 활동하는 시간보다 실내에서 지내는 시간이 더 많으므로 실내 환경을 쾌적하고 안전하게 만들어주고, 유지 관리하는 일은 매우 중요하다. 우리나라는 최근에 실내공기질에 대한 관심이 고조되고 있으며, 환경부는 2003년에 다중이용시설 등의 실내공기질관리법을 제정·공포하였다. 합판, 섬유판, 파티클보드와 같은 목질판상재는 목재 원료와 폼알데하이드계 접착제를 혼합하여 제조되므로, 목질판상재로 만든 가구, 싱크대 등에서는 자연히 폼알데하이드가 방출하게 된다. 목질판상재를 건강과 환경에 유익한 친환경 소재로 개발하기 위해 탄화기술을 활용한 탄화보드에 대한 연구를 수행하였다.
◈ 주요 연구 결과
1. 대나무의 친환경 소재화 연구
(대나무숯, bamboo charcoal)
대나무숯은 제조 온도에 따라 성질이 크게 달라진다. 폐드럼통으로 만든 저온탄화로(소형, 400~500℃), 철제와 세라믹단열재로 만든 중온탄화로(중형, 600~700℃), 철제와 세라믹단열재 및 가열버너가 조합된 고온탄화로(대형, 800~1,000℃)를 개발하여, 용도에 맞는 대나무숯을 제조할수 있게 하였다. 탄화로별 대나무숯의 제조방법, 제탄수율, 용도별 기준표를 제시하였고, 대나무숯의 현미경적 및 이화학적 성질 등을 구명하였다.
2. 목질판상재의 친환경 소재화 연구
(탄화보드, carbonized board)
목재는 탄화과정에서 갈라지는 현상이 나타난다. 목질판상재 또한 기존의 목재나 대나무를 탄화하는 방식으로 탄화했을때 쪼개지는 현상이 관찰된다. 탄화속도를 천천히 조절하고 목질판상재 사이에 그라파이트판을 삽입하여 갈라지지 않게 탄화하는 무할렬 탄화보드 제조기술을 확립하였다. 탄화온도별(400~1,000℃)로 탄화보드를 제조하고, 탄화보드의 조직·물리·화학적 성질, 난연성, 전자파차폐성, 폼알데하이드·톨루엔·라돈흡착성, 조습성 등을 구명하였다.
연구 결과의 실용화
대나무숯 연구를 통해 국내에 대나무숯 제조공장이 여러곳에 설립되었다. 현재, 대나무숯은 소주, 담배, 침대, 장식, 베게, 연료 등 다양하게 활용되고 있다. 대나무숯의 산업화 성공으로 대나무 가격도 크게 상승하였고, 죽림도 잘 관리되게 되었다. 또한, 탄화보드 연구를 통해 국내에 탄화보드 제조공장이 설립되었다. 탄화보드는 폼알데하이드, 톨루엔, 라돈 흡착력이 우수하고 탁월한 조습성능을 지니고 있어 여러 분야에서 활용 가능성은 매우 높다. 현재 탄화보드는 1개 공장에서 소규모로 생산되고 있으며 벽판재, 서각품, 명패 등에 활용되고 있다. 탄화보드의 대량생산 시스템이 구축되면 친환경 생활·건축자재로써 주거환경 개선에 크게 기여할 것이다. 대나무숯과 탄화보드 관련 특허의 산업체 기술이전과 적극적인 홍보를 통해 산업화에 노력하여 왔다.
목질판상재의 친환경 소재화 연구
◈ 연구 배경
목질판상제품의 새집증후군 문제를 해결하고, 폐기 처리된 목질판상제품의 고부가 가치화를 실현하기 위해 연구를 시작하게 됐다. 이 연구 개발의 목표는 목질판상제품을 이용한 탄화보드의 제조, 특성 구명 및 신용도를 개발하고, 탄화보드의 대량생산 시스템 구축을 통한 신성장 녹색산업으로 육성하고자 함에 있다.
◈ 연구 결과
탄화보드는 나무를 갈아 압착시켜 만든 중밀도섬유판(MDF)을 숯처럼 목탄화한 것으로 폼알데하이드 등 유해물질 제거, 습도조절 등 숯이 가지는 좋은 기능을 그대로 가지고 있다.
이 탄화보드는 기존 석고보드보다 습기를 빨아들이는 흡습기능이 8배 높고 인체에 무해한 소재여서 친환경 실내 건축자재로 사용하기 좋다. 조습탄화보드의 습기제거 능력은 건축자재의 흡방습 품질기준에서 최우수 등급에 해당한다.
또한 조습탄화보드는 널판지 형태를 유지하기 때문에 천장, 벽 등에 실내 마감재로 사용하거나 다른 건축자재 위에 덧붙여 사용할수도 있다. 이를 활용하면 적절한 실내 습도 유지와 아토피 예방 등 주거환경 개선에 도움이 될 것으로 기대된다.
탄화보드는 인체에 무해한 친환경 소재로 건강과 안전을 만족시키는 친환경 인테리어 소재로 각광받을 것이며, 이러한 새로운 개념의 탄화보드는 카페, 주거공간, 어린이 학습 공간 등 다양한 공간에 적용돼 거주자의 편안함과 건강을 지켜줄 것으로 기대되고 있다.
<<< 미니 인터뷰 >>>
A. 현상에서 발생한 문제점에 대해 정확히 파악하고, 연구를 통해 이를 학문적으로 해결하고 좋은 점을 밝혀내 시장을 개척하기까지 부단한 노력이 있었습니다. 지난 10년은 대나무의 부가가치를 올리는 대나무숯 개발, 10년은 목질보드의 폼알데하이드 문제를 해결하기 위해 탄화기술로 새로운 친환경 건축재료로 발전시킨 탄화보드라는 것을 개발했습니다. 또한 목탄, 목초액, 목회, 숯가마열 이용 등 목재의 탄화기술에는 무한한 신비와 발전 가능성이 있습니다.
Q. 이런 기술들이 어떻게 활용됐으면 하는지?
A. 먼저 탄화보드는 인체에 무해한 친환경 소재로 건강과 안전을 만족시키는 친환경 인테리어 소재로 각광받을 것으로 기대하고 있습니다. 이는 새로운 개념의 기능성 인테리어 건축자재로써 다양한 공간에서 사용될 것입니다.
또한 목탄, 목초액, 목회는 무한한 미래 발전 가능성을 갖고 있는 소재로써, 탄화물 연구는 전통기술과 현대 과학의 만남을 통해 발전시켜 나가야할 분야입니다.
Q. 앞으로 어떤 활동들을 해나가실 예정인지?
A. 항상 새로운 변화를 기대하는 소비자들이 많은데, 대나무숯·탄화보드·탄화물 등을 통해서 목재가 얼마나 무궁무진한 가능성을 갖고 있는지 확인할수 있는 시간들이었습니다.
이번 학술대상 수상 이후에도 보다 더 진보된 연구자로서 산업 현장에서 발생하는 여러 문제점을 연구를 통해 해결하고, 특허와 논문을 통해 먼저 원천기술을 확보할 것입니다. 그런 다음 기술이전을 통해 산업화를 추구하는 “From research to market” 즉 “연구에서 마켓까지”를 실현한다는 실사구시의 의지로 연구에 더욱 매진하겠습니다.