출처: https://www.nextbigfuture.com/2018/03/better-insulation-with-nanowood-transparent-wood-and-solar-devices-made-from-wood.html

Engineers at the University of Maryland have created a new nanowood material that’s as insulating as Styrofoam, but stronger and much more environmentally friendly and 30 times stronger.

메릴랜드 대학교의 기술자들이 새로운 나노목재를 만들었다. 이 나노목재는 스티로폼과 맞먹는 정도의 절연성을 가지면서 친환경적일 뿐 아니라 강도가 30배 더 높다.

There has been a growing interest in thermal management materials due to the prevailing energy challenges and unfulfilled needs for thermal insulation applications. We demonstrate the exceptional thermal management capabilities of a large-scale, hierarchal alignment of cellulose nanofibrils directly fabricated from wood, hereafter referred to as nanowood. Nanowood exhibits anisotropic thermal properties with an extremely low thermal conductivity of 0.03 W/m·K in the transverse direction (perpendicular to the nanofibrils) and approximately two times higher thermal conductivity of 0.06 W/m·K in the axial direction due to the hierarchically aligned nanofibrils within the highly porous backbone.

에너지 절약과 단열재 수요가 늘어나면서 열관리 재료에 대한 관심이 증가하고 있다. 우리는 목재에서 직접적으로 제조된 섬유소 초극세사를 대규모로 계층적 정렬(이하 “나노목재”라 한다)하여 이례적인 열관리 능력을 얻는데 성공했다. 나노목재는 이방향적 열물성을 보이는데, 횡방향(즉 나노극세사 기준으로 수직방향)으로는 극도의 낮은 0.03 W/m·K의 열전도율을 가지고, 축방향으로는 그보다 2배 높은 0.06 W/m·K의 열전도율을 가진다. 이러한 차이는 고도로 다공질인 지지체 내에 나노 극세사가 계층적으로 정렬되어 있기 때문에 발생한다.

The anisotropy of the thermal conductivity enables efficient thermal dissipation along the axial direction, thereby preventing local overheating on the illuminated side while yielding improved thermal insulation along the backside that cannot be obtained with isotropic thermal insulators. The nanowood also shows a low emissivity of less than 5% over the solar spectrum with the ability to effectively reflect solar thermal energy. Moreover, the nanowood is lightweight yet strong, owing to the effective bonding between the aligned cellulose nanofibrils with a high compressive strength of 13 MPa in the axial direction and 20 MPa in the transverse direction at 75% strain, which exceeds other thermal insulation materials, such as silica and polymer aerogels, Styrofoam, and wool. The excellent thermal management, abundance, biodegradability, high mechanical strength, low mass density, and manufacturing scalability of the nanowood make this material highly attractive for practical thermal insulation applications.

이러한 열전도의 이방향성은 축방향을 따라 효율적인 열확산을 가능케 하여 열을 받는 앞면의 국부적인 과열을 방지하는 동시에 뒷면의 단열능력을 개선시킨다. 이러한 장점은 일방향성 단열재에서는 얻을 수 없는 것이다. 또한 나노목재는 태양광 스펙트럼의 5%만 반사할 정도로 낮은 반사율을 가지면서 태양의 열에너지를 효과적으로 반사시킨다. 뿐만 아니라 나노목재는 무게가 가벼우면서도 단단하여 축방향으로 13Mpa의 압축강도를, 횡방향으로는 20 Mpa를 가지며, 이 때 연신율은 75%이다. 이는 실리카나 폴리머 에어로젤, 스티로폼, 모직 같은 기타 단열재의 성능을 훨씬 뛰어넘는 것이다. 나노목재가 가지는 뛰어난 열관리능력, 잉여율, 생분해성, 기계적 고강도, 낮은 질량밀도, 제조확장성은 단열재로 실제 적용될 가능성을 높여주고 있다.

Science Advances – Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose

사이언스 어드밴스드 – 자연정렬 나노섬유소를 가지는 이방향성 저중량 고강도 고단열 나노목재

The wood materials are being marketed through a UMD spinout startup called InventWood. They also have transparent wood.

이 재료는 UMD에서 분사된 신생기업 인벤트우드에서 개발한 것이다. 이 외에도 인벤트우드는 투명목재를 개발했다.

Transparent wood provides better thermal insulation and lets in nearly as much light as glass, while eliminating glare and providing uniform and consistent indoor lighting. Hu noted that when the transparent wood is installed as a daylight-harvesting roof, the natural aligned wood channels inside help guide the sunlight into the house without relying of the sun’s angle. Transparent wood is also sturdier than traditional wood, and can be used in place of less environmentally friendly materials, such as plastics.

투명목재는 유리보다 더 나은 단열성능을 가지면서 무게는 거의 똑같다. 또한 과도한 빛 반사가 없으며 균등하고 일관된 실내 조명을 제공한다. Hu의 소개에 따르면, 투명목재는 일광수확용 지붕으로 활용할 수 있다. 자연적으로 정렬된 내부 채널 때문에 햇빛의 각도와 상관없이 햇빛을 집 안으로 전달할 수 있다. 또한 플라스틱과 같은 비친환경 재료를 대체할 수 있다.

Wood “conducts” heat along the channels that were used when the tree was alive to shuttle water and nutrients from roots to leaves. However, heat trying to cross the wood grain is blocked. With the wood oriented in the right direction, heat could be blocked or transmitted as the designer desires.

이 목재는 내부 채널을 통해 열을 전도시키는데, 이 내부 채널은 나무가 살아있었을 때 뿌리에서 잎으로 수분과 영양분을 전달하기 위해 사용했던 것이다. 나무결의 수직방향으로는 열이 전도되지 않는다. 목재를 올바른 방향으로 배치하기만 하면 열의 흐름을 차단하거나 설계자가 원하는 방향으로 전달시킬 수 있다.

To test how much heat was insulated, they measured the temperature on one side of the nanowood, while on the other side of the wood, shining a light in one test and applying heat in another test. The nanowood insulated better in both cases. The wood blocked at least 10 degrees more heat than styrofoam or silica aerogel, which had been awarded the Guinness World Record for ‘best insulator’. The nanowood, which is white, also effectively reflects sunlight.

단열성능을 시험하기 위해 연구진은 나노목재 한 면의 온도를 측정하면서 반대면에는 빛(첫번째 시험)과 열(두번째 시험)을 쬐었다. 양 시험에서 나노목재는 뛰어난 단열성능을 보였다. 나노목재는 스티로폼과 실리카 에어로젤보다 최소 10도의 단열성능을 기록하여 “최고의 단열재”로 기네스북에 등재되었다. 또 나노목재는 하얀색으로 햇빛을 효과적으로 반사시킨다.

They also tried to crush it and found that, in one direction, the nanowood was 30 times stronger than commercially used thermal insulation materials such as Styrofoam, aerogel or other foams made of cellulose.

또 나노목재의 강도를 시험한 결과 특정 방향의 강도가 스티로폼, 에어로젤, 기타 섬유소로 제작된 폼 같은 기존 단열재에 비해 30배 높았다.

Nanowood’s tiny fibers don’t cause allergic reactions or irritate lung tissues, unlike glass or wool insulators.

나노목재에 들은 미세섬유는 유리단열재나 모직단열재와 달리 폐조직에 알레르기 반응을 유발하거나 자극을 일으키지 않았다.

The secret to the nanowood is the removal of lignin, the part that makes it brown and rigid. The team also removed some of the short fibers that tangle themselves in with the cellulose fibers that make up the scaffolding-like base structure of the wood. The aligned cellulose fibers then bond with each other and results in a high mechanical strength.

나노목재의 비결은 바로 리그닌의 제거에 있다. 리그닌은 나무에 갈색을 부여하고 단단하게 만들어주는 물질이다. 또한 연구진은 섬유소 섬유와 엉켜 나무의 지지대 역할을 하는 단섬유 일부를 제거했다. 이렇게 하면 섬유소 섬유들이 서로와 붙어 고도의 기계적 강도를 부여한다.

Solar devices made from wood

목재로 태양열 발전장치를 만들어 보아요

They have made solar steam generation devices that are at once efficient, easily accessible, environmentally friendly, biodegradable, and extremely low cost.

연구진은 효율적이면서 접근이 쉽고 친환경적이며 생분해성을 가지는 태양열 증기발전장치를 저렴하게 만드는데 성공했다.

Inspired by the process by which water is carried through trees from roots to small pores on the underside of leaves, the UMD research team created several new ways in which water can be transported through wood, purifying it for safe use. Energy from the sun and a block of wood smaller than an adult’s hand are the only components needed to heat water to its steaming point in these devices.

수분이 나무의 뿌리에서 잎까지 전달되는 과정에 착안하여 UMD 연구진은 물이 나무를 통과하면서 사용에 안전할 정도로 정화되는 새로운 방법을 고안했다. 태양 에너지와 어른의 손보다 작은 크기의 나무조각만 있으면 물을 비등점까지 가열할 수 있다.

The global crisis of water scarcity is a pressing global challenge, and the situation is far worse in developing countries, where safe water is difficult to secure for 1 billion people.

물부족은 전세계적으로 큰 문제가 되고 있으며, 개발도상국에서는 더욱 심각하다. 약 10억명이 안전한 식수의 부재로 어려움을 겪고 있다.

“Cost and manufacturing are key challenges in using the solar-steam technology for seawater desalination and for the first time, wood-based structures can potentially provide solutions,” said Liangbing Hu, UMD associate professor of materials science and engineering and the leader of the projects. Hu is interested in scaling up these devices for commercial use, which includes designing ways to easily manufacture the devices and bring down their cost. The team is racing other research groups to invent a successful solar steam generation device that is cost efficient and easy to use. He is also a member of the University of Maryland Energy Research Center and the Maryland NanoCenter, where the devices were studied closely.

“비용과 제조는 태양열을 이용한 해수 증발담수화에 큰 난제가 되고 있습니다. 그리고 목재에 기반한 구조물은 이를 해결해줄 수 있습니다”라고 UMD의 재료과학공학 부교수이자 해당 프로젝트의 담당자인 Liangbing Hu가 말했다. Hu는 이러한 장치를 확장하여 상용화하는데 관심이 있으며, 여기에는 좀 더 단순한 제조방법을 물색하면서 제조비용을 낮추는 것이 포함된다. 현재 연구진은 비용이 저렴하면서 사용이 간단한 태양열 증기발생기를 개발 중에 있다. 또한 Hu는 메릴랜드 대학교의 에너지연구센터 및 메릴랜드 나노센터 소속으로, 이 기관들에서는 태양열 증기발생기를 집중적으로 연구하고 있다.

The team is trying out a few twists on the basic idea of using a darkened surface on the wood to heat the water, then pulling it through the wood’s natural porous structures.

현재 연구진은 기본 아이디어를 약간 변형하여 목재의 어두운 면을 활용해 물을 가열한 뒤 목재의 자연적인 다공질 구조를 통해 방출하려 시도 중에 있다.

Picture a bowl of unpurified water sitting in a sunny spot. On top of it floats a small block of wood about two inches by two inches. The side of the block facing up is darkened, to catch the sun’s rays. As the sun heats the wood, the water below is drawn up through the wood’s natural channels. The hot dark surface evaporates the water, which can be condensed and distilled off. The salt or other contaminants are too heavy to evaporate, so they stay below.

햇빛이 밝게 비치는 장소에 오염된 물이 담긴 그릇을 상상해 보자. 물 위에는 세로 2인치, 가로 2인치의 작은 나무블럭이 떠다니고 있다. 나무블럭의 옆면은 검정색으로 칠해져 있어 햇빛을 흡수하고 있다. 태양이 나무블럭을 가열하면 물이 나무블럭 내부의 천연채널 속으로 빨려 올라간다. 고온의 어두운 면이 물을 증발시키면 이 증기는 응결되어 증류된다. 소금이나 기타 오염물질은 증발되기에 너무 무겁기 때문에 그냥 그릇에 남는다.

One design, as published in the journal Advanced Materials, uses carbon nanotubes — tiny, naturally dark structures grown in a lab — to coat one side of the wood and heat the water inside. Another, described in the journal Advanced Energy Materials, uses metal nanoparticles to achieve the same results. Both of these designs are very efficient, but come with a higher cost to produce.

어드밴스트 머테리얼즈지에 게재된 한 디자인에서는 탄소나노튜브로 나무블럭의 특정 면을 칠해 내부의 물을 가열했다. 동일 저널에 게재된 또다른 디자인에서는 금속 나노입자를 사용하여 동일한 효과를 얻었다. 비록 두 디자인 모두 높은 효율을 보였지만, 제조비용이 더 비싸다.

Another innovative design involves carbonizing — essentially, burning — the top layer of wood to create a dark surface. The team tried this with the natural wood’s channels oriented up-and-down, just as they would be inside the tree (described in another paper, published today in Advanced Materials).

또다른 혁신적인 디자인에서는 목재의 맨 윗층을 탄소화(쉽게 말해서 불에 태우기)시켜 검은 면을 만들었다. 연구진은 이 방법을 목재 내부채널의 방향이 수직인 상태에서 적용했다(이 방법은 어드밴스드 머테리얼즈 오늘자에 실렸다).

By the same measure used to test solar cells’ efficiency, the team measured how efficient the solar steam generation devices are. The most efficient device was the burned-top wood, with 87% efficiency at ten suns of light. It was also the least expensive to produce, coming in at only $1 per square meter.

연구진은 태양광 셀의 효율을 측정할 때 쓰는 것과 동일한 방법으로 위에서 언급된 태양열 증기발생장치의 효율을 측정했다. 가장 효율이 높은 증기발생장치는 표면을 채운 목재로, 10배로 집광된 햇빛에서 87%의 효율을 보였다. 생산비용도 가장 저렴하여 1 평방미터당 1달러 밖에 들지 않았다.