대나무를 이용해 내화력을 갖춘 투명 유리를 만든다.

중국 창사에 위치한 중남부임업기술대학(CSUFT) 연구진이 천연 대나무를 이용해 새로운 유리 같은 투명 소재를 개발했다.

실리카는 유리에 있어서 가장 선호되는 재료이다. 수년에 걸쳐 실리카 기반 유리는 여러 분야에 걸쳐 사용되었으며, 2020년에는 수요가 1억 3천만 톤을 초과했다.

이러한 방식으로 유리를 생산하는 것은 쉽고 저렴하지만 최종 제품은 밀도가 매우 높고 부서지기 쉬우며 생산 과정에서 지구 온난화 가스를 방출한다. 따라서 친환경적인 대안이 필요하다.

목재 기반 제품

세계가 수요를 충족할 수 있는 보다 깨끗한 방법을 모색함에 따라 목재로 만든 투명 소재에 대한 수요가 급증하고 있다. 탄소 배출량이 적다는 것 외에도 목재는 우수한 기계적 강도와 단열 특성을 제공한다.

가장 중요한 점은 이 소재가 실리카 유리보다 투명성이 뛰어나므로 다양한 용도에 더 적합하다는 것이다. 그러나 문제는 원자재의 부족이다.

추정에 따르면 농장을 계획하더라도 2050년에는 산업용 목재 공급이 부족할 것으로 예상된다.

또한 목재를 투명하게 만드는 데 사용되는 폴리머는 주요 위험인 화재에 취약하다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 CSUFT 연구진은 대나무를 사용하여 투명한 소재를 만들었다.

대나무로 만든 유리

CSUFT 재료공학대학 연구원인 차이차오 완(Caichao Wan)은 대나무는 성장과 재생 속도가 빨라 4~7년의 성장으로 건축 자재로 사용할 수 있다고 설명했다.

완은 보도 자료에서 “대나무는 에이커당 목재보다 4배 더 높은 생산량으로 탁월한 효율성을 인정받고 있으며 제2의 숲으로도 알려져 있다.”고 말했다.

대나무의 구성은 목재와 유사하며, 수직 채널은 높은 다공성과 투과성을 제공한다.

작가가 대나무로 만든 난연성 유리를 표현한 작품.

연구자들은 투명한 유리 같은 물질을 만들기 위해 대나무의 이러한 측면을 활용했다. 그들은 진공 함침을 사용하여 무기 액체 규산나트륨(Na2O·nSiO2)을 고운 대나무 구조에 도입하고 중간 생성물은 소수성 처리를 거쳤다.

"이 전략을 통해 우리는 상부 실란 층, 표면에 Na2SiO3의 가수분해 축합을 통해 형성된 SiO2의 중간 층, Na2SiO3의 내부 층으로 구성된 3층 난연성 장벽을 구축할 수 있다."라고 완은 말했다.

테스트에서 연구진은 새로 고안한 물질의 점화 시간이 116초이고 열 방출이 0.7MJ/m2에 불과하다는 사실을 발견했다. 재료로부터의 연기 발생도 0.063m2로 적었다. 재료의 이러한 우수한 기능은 굽힘 및 인장 강도와 같은 더 나은 기계적 특성과 함께 나타났다.

연구원들은 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위해 투명한 물질을 사용했다. 유리는 71.6%의 높은 빛투과율을 보여 에너지 변환 효율이 15.29% 향상됐다.

완은 보도 자료에서 “향후 연구에서 이 투명 대나무의 대규모 제조와 다기능화에 중점을 둘 것이다.”라고 말했다.

이번 연구 결과는 리서치 저널에 게재됐다.