30년 전, 독일의 한 식물학자는 목본 식물을 해부하지 않고 내부 작용을 보는 단순한 소망을 가지고 있었다. 지그프리트 핀크(Siegfried Fink)는 식물 세포의 색소를 표백함으로써 투명한 목재를 만들 수 있었고 틈새 목재 기술 저널에 자신의 기술을 발표했다. 1992년 논문은 라스 베르글룬드(Lars Berglund)라는 연구원이 우연히 발견할 때까지 10년 넘게 투명 목재에 대한 마지막 단어로 남아 있었다.

베르글룬드는 핀크의 발견에서 영감을 얻었지만 식물학적인 이유에서는 영감을 얻지 못했다. 스웨덴 KTH 왕립기술연구소에서 근무하는 재료 과학자인 그는 고분자 복합재를 전문으로 하며 투명 플라스틱에 대한 보다 견고한 대안을 만드는 데 관심이 있었다. 그리고 나무의 장점에 관심이 있는 사람은 그뿐만이 아니었다. 바다 건너편에 있는 메릴랜드 대학의 연구자들은 비 전통적인 목적을 위해 목재의 강도를 활용하는 것과 관련된 목표를 위해 바빴다.

이제 수년간의 실험 끝에 이들 그룹의 연구가 결실을 맺기 시작했다. 투명 목재는 곧 초강력 스마트폰 화면에 사용될 수 있다. 부드럽고 빛나는 조명기구에서; 색상이 변하는 창문과 같은 구조적 특징으로도 사용된다.

베르글룬드 연구실에서 대학원생으로 일했던 중국 난징 임업 대학의 목재 나노 기술자 치량푸(Qiliang Fu)는 "나는 이 재료가 유망한 미래를 가지고 있다고 진심으로 믿는다"고 말했다.

나무는 풀로 묶인 촘촘한 빨대 묶음처럼 수많은 작은 수직 통로로 이루어져 있다. 이 관 모양의 세포는 나무 전체에 물과 영양분을 운반하며, 나무가 수확되고 수분이 증발하면 공기 주머니가 남는다. 투명한 나무를 만들기 위해 과학자들은 먼저 세포 다발을 함께 고정하고 줄기와 가지에 대부분의 흙빛 갈색 색조를 제공하는 리그닌이라는 접착제를 수정하거나 제거해야 한다. 리그닌의 색을 표백하거나 제거한 후에도 속이 빈 세포의 유백색 골격이 남는다.

이 골격은 여전히 불투명하다. 왜냐하면 세포 벽은 세포 주머니 안의 공기와 다른 정도로 빛을 휘게 하기 때문이다. 이 값을 굴절률이라고 한다. 빛을 셀 벽과 비슷한 정도로 굴절시키는 에폭시 수지와 같은 물질로 에어 포켓을 채우면 목재가 투명해진다.

과학자들이 작업한 재료는 얇다. 일반적으로 두께는 1mm 미만에서 약 1센치미터이다. 그러나 세포는 튼튼한 벌집 구조를 만들고 작은 나무 섬유는 최고의 탄소 섬유보다 강하다고 메릴랜드 대학교 칼리지 파크에서 투명 목재 연구 그룹을 이끌고 있는 재료 과학자 후 리앙빙(Liangbing Hu)는 말한다. 그리고 수지를 첨가한 투명 목재는 플라스틱과 유리보다 성능이 뛰어나다. 재료가 압력에 의해 얼마나 쉽게 부서지거나 부서지는지를 측정한 테스트에서 투명 목재는 플렉시글래스와 같은 투명 플라스틱보다 약 3배, 유리보다 약 10배 더 강한 것으로 나타났다.

2023년 재료 연구 연례 검토에서 투명 목재의 특징을 강조한 후 리앙빙은 "나무 조각이 유리만큼 강할 수 있다는 결과는 놀랍다."고 말한다.

이 과정은 두꺼운 목재에도 적용되지만 더 많은 빛을 산란시키기 때문에 해당 물질을 통한 시야가 더 흐릿하다. 후 리앙빙과 베르글룬드는 2016년의 원래 연구에서 수지로 채워진 나무 골격의 밀리미터 두께 시트가 빛의 80~90%를 통과한다는 것을 발견했다. 두께가 1cm에 가까울수록 빛 투과율은 떨어진다. 베르글룬드의 그룹은 3.7mm 두께의 목재(대략 2페니 두께)가 빛의 40%만 투과한다고 보고했다.

이 소재의 슬림한 프로파일과 강도는 디스플레이 화면과 같이 얇고 쉽게 부서지는 플라스틱이나 유리로 만든 제품에 대한 훌륭한 대안이 될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 프랑스 회사인 Woodoo는 목재 스크린에 유사한 리그닌 제거 공정을 사용하지만, 다른 색상 미학을 만들기 위해 약간의 리그닌을 남겨 둔다. 이 회사는 자동차 대시보드 및 광고 게시판을 포함한 제품에 맞게 재활용 가능한 터치 감지 디지털 디스플레이를 맞춤화하고 있다.

그러나 대부분의 연구는 건축적 특징으로서 투명한 목재에 중점을 두고 있으며 특히 창문을 이용한 용도가 유망하다고 인도 기술 연구소 바라나시(Indian Institute of Technology Varanasi)의 생화학 엔지니어인 프로듀트 다르(Prodyut Dhar)는 말한다. 투명한 목재는 유리보다 훨씬 더 나은 단열재이므로 건물이 열을 유지하거나 차단하는 데 도움이 될 수 있다. 후 리앙빙과 동료들은 또한 나무 뼈대에 침투하기 위해 접착제와 식품 포장에 사용되는 중합체인 폴리비닐 알코올(PVA)을 사용하여 유리보다 5배 낮은 속도로 열을 전도하는 투명한 목재를 만들었다고 팀은 2019년에 첨단 기능성 소재(Advanced Functional Materials)에 보고했다.

그리고 연구자들은 에너지 효율적인 건물에 유용할 목재의 열 보유 또는 방출 능력을 높이기 위한 다른 조정 방법을 제시하고 있다. 스웨덴 RISE 연구소의 재료 과학자인 셀린 몬타나리(Céline Montanari)와 동료들은 고체에서 액체로 변할 때 저장에서 열 방출로 바뀌거나 그 반대로 바뀌는 상변화 재료를 실험했다. 예를 들어, 폴리에틸렌 글리콜을 통합함으로써 과학자들은 목재가 따뜻할 때 열을 저장하고 냉각될 때 열을 방출할 수 있다는 것을 발견했으며, 이 연구는 2019년 ACS 응용 재료 및 인터페이스(ACS Applied Materials and Interfaces)에 게재되었다.

따라서 투명한 목재 창문은 기존 유리보다 더 튼튼하고 온도 조절에 더 도움이 되지만, 창문을 통해 보이는 시야는 흐릿해 일반 창문보다 반투명 유리와 더 유사하다. 그러나 사용자가 확산광을 원하는 경우 흐릿함은 이점이 될 수 있다. 두꺼운 목재는 강하기 때문에 부분적으로 하중을 견디는 광원이 될 수 있으며 잠재적으로 방에 부드러운 주변 조명을 제공하는 천장 역할을 할 수 있다고 베르글룬드는 말한다.

후 리앙빙과 베르글룬드는 투명한 목재에 새로운 특성을 부여하는 방법을 계속해서 연구해 왔다. 약 5년 전, 베르글룬드와 KTH 및 조지아 공과대학의 동료들은 투명 창에서 색조 창으로 전환하여 가시성이나 태양광선을 차단할 수 있는 스마트 창문을 모방할 수 있다는 사실을 발견했다. 연구진은 전기를 전도하기 위해 전극 폴리머로 코팅된 투명 목재 층 사이에 전기로 색상을 변경할 수 있는 물질인 전기 변색 폴리머를 삽입했다. 이로 인해 사용자가 작은 전류를 흐르게 하면 투명에서 자홍색으로 변하는 나무 판이 만들어졌다.

최근에는 두 그룹이 투명한 목재 생산의 지속 가능성을 향상시키는 데 관심을 쏟았다. 예를 들어 목재 비계를 채우는 데 사용되는 수지는 일반적으로 석유에서 추출한 플라스틱 제품이므로 사용을 피하는 것이 좋다고 몬타나리는 말한다. 대체품으로 그녀와 동료들은 감귤 껍질에서 추출한 완전 바이오 기반 폴리머를 발명했다. 연구팀은 먼저 에센셜 오일에서 발견되는 레몬과 오렌지 껍질에서 추출된 화학물질인 아크릴산과 리모넨을 결합했다. 그런 다음 그들은 품위 있는 나무에 그것을 함침시켰다. 과일 충전재를 사용하더라도 바이오 기반 투명 목재는 기계적 및 광학적 특성을 유지하여 일반 목재보다 약 30메가파스칼 이상의 압력을 견디고 약 90%의 빛을 투과한다고 연구원들은 2021년 Advanced Science에 보고했다.

한편 후 리앙빙의 연구실은 최근 Science Advances에 과산화수소와 UV 복사에 의존하여 생산에 필요한 에너지 수요를 더욱 줄이는 친환경 리그닌 표백 방법을 보고했다. 연구팀은 두께가 약 0.5~3.5mm인 나무 조각을 과산화수소로 닦은 다음 태양 광선을 모방하기 위해 UV 램프 앞에 두었다. UV는 리그닌의 색소 함유 부분을 표백시키지만 구조적 부분은 그대로 유지하여 목재의 강도를 더 유지하는 데 도움이 된다.

이러한 보다 환경 친화적인 접근 방식은 생산에 사용되는 독성 화학 물질과 화석 기반 폴리머의 양을 제한하는 데 도움이 되지만 다르와 사이언스 동료의 분석에 따르면 현재로서는 유리가 투명 목재보다 수명 종료 후 전체 환경에 미치는 영향이 더 낮다. 친환경 생산 계획을 수용하고 제조 규모를 확대하는 것은 투명 목재를 주류 시장에 추가하는 데 필요한 두 단계이지만 시간이 걸릴 것이라고 연구원들은 말한다. 그러나 그들은 그것이 가능하다고 확신하고 지속 가능한 재료로서의 잠재력을 믿는다.

“지속 가능성을 달성하려고 할 때 화석 기반 재료의 특성을 일치시키는 것만을 원하는 것은 아니다.”라고 몬타나리는 말한다. “과학자로서 나는 이것을 뛰어넘고 싶다.”