국립산림과학원 임산공학부에서는 목재자원의 활용도를 높여 저탄소 사회를 구현하고 목재문화 융성을 위한 정책을 지원하며 국내 목재산업계의 경쟁력 강화를 위한 기술 개발 및 확산을 운영목표로 연구하고 있다. 이러한 목표 달성을 위하여 재료공학과, 목재가공과, 화학미생물과에서 각각 핵심기술을 추진하고 있다.
재료공학과의 ‘목재 재질 정보 및 목구조 시스템 구축’ 분야에서는 목재과학에 기초한 목재, 목제품의 성능 정보를 제공하고 이용성능을 개선하며, 목구조 시스템의 응용·보급기술을 확보하는 연구를 수행 중이다. 목재가공과의 ‘목재의 친환경 가공기술 및 신소재 연구’ 분야에서는 목재제품의 환경성·내구성·안전성을 증대하고 목질자원의 최적 순환이용체계를 구축하기 위한 실용적인 목재가공 기술과 나노기술을 활용한 고부가 목질 신소재 개발을 목표로 연구를 수행하고 있다. 화학미생물과의 ‘목질계 바이오에너지 및 목질성분 이용 고도화’ 분야에서는 목재자원의 가치 증진을 위하여 산림자원의 바이오연료 고성능화 기술력 확보 및 목질 성분 이용 기반 구축을 목표로 연구를 수행 중이다. 각 분야별로 정책과 산업현장의 수요를 파악하고, 수요자 입장에서 정책과 실용이 조화된 실사구시(實事求是)의 연구를 수행하여 R&D 성과물을 창출하는 데 최선을 다하고 있다.  
본지에서는 국립산림과학원 목재가공과가 담당하고 있는 국산재의 고부가 신수요 창출을 위한 목재가공기술 및 나노기술을 활용한 목질 신소재 개발 연구의 핵심요소인 ①국산재의 고부가 신수요 창출을 위한 첨단 나노복합소재 및 바이오신소재 개발 연구 ②합판·보드산업의 경쟁력 제고를 위한 친환경 소재화 및 폐목재 재활용 연구 ③보존처리목재의 내구성 평가 및 흰개미 방제약제 개발 연구 ④목재제품의 난연성능 부여 및 친환경 난연제 개발 연구의 2015년도 성과와 2016 추진 계획에 대해 소개하고자 한다.

국산재의 고부가 신수요 창출을 위한 첨단 나노복합소재 및 바이오신소재 개발 연구
① 나노셀룰로오스(NC) 복합재료의 기능성 첨단 소재화 연구
목재에서 분리한 나노셀룰로오스를 이용하여 고부가가치의 기능성 첨단 신소재를 개발하는 연구를 수행 중이다. 고성능·고출력 종이배터리 연구에서는 나노셀룰로오스, 탄소나노튜브(CNT), 활물질의 일체화된 3차원 네트워크 구조 특성을 갖는 전극 분리막 일체형의 어셈블리(assembly)를 개발하였다. 2015년에는 SCI 상위 1% 국제저널 ‘Advanced Functional Materials(IF=11.180)’의 Front Cover로 논문을 게재하였다. 2014년 ‘Nano Letters’ 논문 게재에 이어 산림과학원의 위상을 다시 한 번 전 세계에 알린 것이다. 국립산림과학원에서는 나노셀룰로오스를 이용한 상용화 제품 개발을 위해 2016년부터 5년간 약 40억원을 투자할 계획으로, 2017년에는 나노셀룰로오스를 대량 제조할 수 있는 pilot plant를 구축하여 실용화를 앞당길 것이다.

종이배터리 연구가 실린 저널
NC 함유 Rat 두개골의 현미경 사진

② 자원 순환형 목질계 복합재료(WPC) 연구
공압출(co-extrusion) 방법을 이용한 자원 순환형 바이오복합재료인 목재-플라스틱 복합재(wood plastic composite, WPC) 제조에 관한 연구를 미국 루이지애나주립대학교와 공동으로 추진하고 있다. 2015년 말 WPC의 품질규격을 제정하였다. 현재로서는 바닥재에 국한되어 있어 범위의 확대가 필요하며, 향후 WPC에 함유된 목분의 함량을 측정하는 방법을 제시할 계획이다.

합판보드산업의 경쟁력 제고를 위한 친환경 소재화 및 폐목재 재활용 연구
① 목질보드용 친환경 쌀가루 접착제 연구
쌀가루를 합판용 접착제의 원료로 사용할 수 있는 조건을 확립하였다. 전체 접착제 양의 3%에 해당하는 폴리비닐알코올과 15%에 해당하는 쌀가루를 60℃ 이상의 물에 녹이고, 가교제로서 쌀가루 고형분 대비 1~3배의 고분자 이소시아네이트를 사용하여 접착강도를 향상시킬 수 있었다. 쌀가루 접착제는 접착제의 원료로 폼알데하이드를 사용하지 않아 새집증후군이나 새가구증후군의 발생 가능성이 전혀 없다. 쌀가루 접착제의 문제점에 대한 보완 및 검증을 거친 후, 합판 생산라인에 적용된다면 재고량 과잉으로 남아도는 쌀의 새로운 활용처가 생길 뿐만 아니라, 국내에서 생산되는 합판 제품의 고(高)내구·친환경화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

쌀가루 접착제로 제조된 합판의 접착강도 측정 결과

② 탄화보드의 친환경 건축소재화 연구
유해한 실내 공기에 의한 피해를 줄이기 위해 개발된 탄화보드의 휘발성유기화합물(VOC)에 대한 흡착·분해 성능을 더욱 개선하고 새로운 탄화목 제조기술 확립하였다. 중밀도섬유판(MDF)을 탄화(600~800℃)하여 제조한 탄화보드의 표면을 직접 가열 산화(200℃, 5s/㎠)하여 2차 활성화했을 때, 흡방습 성능(흡습:93g/㎡, 방습:85g/㎡, 최우수 조습자재 등급)이 크게 개선되어 조습성 건축자재로 활용이 가능하였다. 탄화목은 무늬가 아름다워 기존 민무늬 MDF 탄화보드의 단점을 개선할 뿐만 아니라 대량생산이 가능하여 인테리어용 건축자재로의 개발도 유망하다. 위 결과들은 목질계 탄화보드 및 탄화목의 실용화에 유익한 자료로 활용될 것이다. 2016년에는 광촉매 탄화보드의 유해 VOC에 대한 분해 메커니즘을 구명하는 한편, 국제적인 가구디자이너와 협업하여 탄화보드를 이용한 디자인 상품을 개발, 전시할 계획이다. ‘탄화보드의 조습성능’으로 제25회 대한민국 과학기술 우수논문상을 수상하였고, ‘목질패널류를 이용한 유해 VOC 흡착 탄화패널 및 그 제조방법’으로 2015 대한민국 발명특허대전 동상을 수상하였다.

탄화보드 신산업 육성 전략
국산재로 만든 인테리어용 목탄타일

③ 섬유판의 재활용 기술 및 성능 개선 연구
이 연구는 목질계 생활폐기물 중 다량을 차지하면서도 재활용률이 저조한 폐섬유판을 보드원료로 물질 재이용을 목적으로 수행되었다. 新설치 증해기에 의하여 5㎝ 각형(角形) MDF칩의 수침(水浸) 30분 처리 후 0.08~0.082MPa 진공도에 의한 배기 전처리와 120℃에서 30분 증해[증기압력은 0.1MPa(1bar)]를 한 다음 날 부착 혼련기로 1차 섬유 풀기를 하고 자연건조 후 해머밀(hammer mill)에 의한 2차 섬유풀기가 증해·해섬에 적합하였다. 천연섬유 및 재생섬유 혼입률에 따라 MDF를 제조한 경우, 재생섬유 25% 혼입 시 휨성능 저하가 거의 없었다.

보존처리목재의 내구성 평가 및 흰개미 방제약제 개발 연구
① 구리계 구리 처리목재의 내구성 및 안전성 평가
이 연구는 새로 개발되거나 국내외에서 사용 중인 구리계 목재보존제에 대한 방부처리목재의 방부성능과 흰개미 저항성을 평가하고, 방부처리목재 사용으로 인한 수계생태계의 안전성을 평가하기 위해 수행하였다. 2015년도 4년차 연구로서 CuHDO(구리·사이크로핵실다이아제니움 디옥시 음이온화합물) 처리목재의 부후 특성, 실내 방부 및 방충효력 검정, 용탈 및 수계생태계에 대한 안전성, 야외내후성 평가를 실시하였다. 야외 내후성 실험을 위해 CuHDO 처리말뚝을 전국 5개 시험지에 설치하였다. 무처리목재는 시험지별 부후 속도에서 차이가 있었으며, 잣나무와 소나무재는 50% 이상이, 일본잎갈나무는 30~50%가 부후되었다. ACQ-2 처리말뚝은 경남 시험지에서, CuAZ-2와 MCQ 처리말뚝은 정선 시험지에서 피해가 크게 발생하였다. ACQ, CuAZ, MCQ, CuHDO 처리말뚝의 야외 내후성을 계속적으로 평가하여, 목재방부 산업의 활성화를 위해 방부처리목재의 안전한 사용과 국산목재 이용의 활성화를 위한 기초 자료를 제공할 것이다.

CuHDO 약제 주입량에 따른 보존처리목재의 부후균에 대한 질량감소율

② 방부처리목재의 장기 야외 내후성 평가
이 연구는 보존처리 목재 및 조경시설재의 장기 야외 폭로시험을 통한 내후성 및 안전성 평가로 목재 사용 촉진 및 보존처리 목재의 안전 사용을 유도하고자 수행되었다. 시험지 토양의 수소이온농도(pH)는 왕산 시험지가 5.6, 안면 시험지는 6.2이며, 표토층의 토양은 각각 미사질양토와 사질양토로, 유기물은 4.05%, 1.50%로 각각 나타났다. 안면 시험지의 말뚝은 왕산 시험지의 것보다 부후의 진행속도가 빠른 경향이 있으며, 무처리 말뚝은 설치 후 3년 이후에 급격히 부후(30∼50%정도)되며, 4년 경과 시 목재 본래의 기능을 상실하였다. 야외사용 조경시설인 퍼걸러(pergola)는 기상열화에 의해 목재표면의 색이 변하는 광열화가 2015년에도 계속 진행되고 있으나, 부후진행으로 인한 초음파 전송시간의 변화는 크게 나타나지 않았다. 이 연구는 국내에서 사용되는 방부목재의 야외사용 조경시설재, 토목용재 등에 대한 내구성 및 안전한 이용을 위한 기초자료를 제공할 수 있다.

③ 목구조물의 흰개미 방제 및 예찰조사
이 연구는 흰개미 피해 확산방지를 위한 관리시스템 구축과 목구조물의 안전관리 체계를 확립하고자 수행하였다. 2015년 2년차 연구로서, 흰개미 방제를 위한 예방제 및 군체 제거시스템 개발을 위해 새롭게 개발한 방의제(防蟻劑)는 일본흰개미에 대해 질량감소율 3% 이하의 좋은 성능을 나타냈으며, 단청에 대해서도 색과 얼룩 등의 변화가 나타나지 않는 안정성을 보여주었다. Baiting system의 살충력은 개발된 약제를 적용하여 90% 이상의 살충효과를 확인하였다. 흰개미 피해방지 약제 개발, 진단 매뉴얼 구축, 관계기관 공동대응 협의체 구성 등을 통하여 흰개미 피해 확산을 효율적으로 예방 및 관리할 수 있다.

흰개미 사육장치와 흰개미 방제용 트랩
흰개미 사육장치와 흰개미 방제용 트랩

목재제품의 난연성능 부여 및 친환경 난연제 개발 연구
① 목재 및 목질재료의 난연성능 향상 연구
이 연구는 목재의 사용량 증대에 따른 국민 건강 안전성 확보 및 국내 목재산업의 기술경쟁력 확보를 위하여 수행되었다. 이 연구를 통하여 목재에 처리할 수 있는 수용성 방염제(eGF, eco Green Flame-retardant)를 개발하였다. 방염제는 수용성의 무색, 무취 약제로 처리 후 목재 고유의 색에 변화가 없으며 목재 내로 흡수되어 건조 후 목재의 표면에 석출(析出)되지 않는다. 방염처리목재는 소방법 기준을 통과하였으며 가스유해성 시험과 연소가스 독성시험에서도 안전한 약제로 평가되었다. 방염제를 잣나무, 낙엽송, 삼나무, 편백 판재에 처리하여 인테리어용 방염목재를 개발하였다. 개발된 방염제 eGF는 특허출원 및 기술이전 되어 공장생산을 위한 생산 공정 설비를 추진 중이며, 가압형 난연제 eGF는 특허등록을 마치고 ㈜S산업에서 난연합판 양산화를 위한 준비가 진행 중이다.

eGF 난연합판 공장 실연시험

 

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