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그림. 미국 노스텍사스 대학 소속의 연구진은 3년에 걸쳐 대나무와 유사한 케나프로 만들어진 구조적인 단열 패널 건축 자재를 개발 및 테스트했다.
전 세계 과학자들은 환경에 도움을 주고 자연 생태계에 피해를 거의 유발하지 않게 하기 위하여, 매립지 폐기물을 줄일 수 있는 재료와 생물 분해가 가능하고 재생 가능한 환경 친화적인 물질인 식물로 대체하는 작업이 활발하게 진행되고 있다.
미국 노스텍사스 대학(UNT; University of North Texas) 소속의 연구진은 3년에 걸친 연구를 통하여, 대나무와 유사한 하비스쿠스 가계(hibiscus family, 무궁화속에 속하며, 화려한 색의 큰 꽃이 피는 열대성 식물) 식물인 케나프(Kenaf)로 만들어진 구조적인 단열 패널(insulated panel) 건축 자재를 개발하여 테스트를 하였다. 케나프 섬유는 유리 섬유의 중량비 대비하여 동일한 강도를 가지고 있기 때문에, 대체 소재로서 매력적인 재료이다.
연구진은 복합 패널을 포함한 케나프 재료가 유리 섬유 또는 강철 및 스티로폼 등과 비교했을 때, 에너지 소비를 줄이는 동시에 전체적인 탄소 배출의 감소가 이루어진다고 하였다. 케나프 건축 자재의 사용은 약 20%의 에너지 절감(energy savings) 효과를 제공한다는 것을 연구진은 확인했다.
케나프 기반의 건축 자재(kenaf-based building materials)를 개발하기 위한 연구는 노스텍사스 대학 기계공학부 소속의 Nandika D`Souza 교수가 주도했으며, 미국 국립과학재단(NSF; National Science Foundation)의 후원으로 수행됐다. 건축 자재는 2012년 노스텍사스 대학의 제로 에너지 연구실(Zero Energy Laboratory)에서 테스트됐다. 이 실험실은 현재와 미래의 지속 가능한 재료와 기술에 대한 시험장이다.
노스텍사스 대학 생물학과 조교수인 Brian Ayre와 캘리포니아 대학 리버사이드 캠퍼스(University of California Riverside) 소속의 Michael Allen 등은 건축 자재로 사용하기 위한 케나프를 준비하기 위한 저비용 공정을 개발했다. 공정에는 식물 섬유를 추출하고 준비하기 위하여 미생물 용액(microbial solution)을 사용하는 것이 포함되어있다. 케나프가 미생물 용액에 흡수되고, 미생물은 필수적인 식물 섬유 이외에 모든 것을 용해시킨다.
미생물 용액의 사용은 물 흡수를 최소화하고, 다른 식물 섬유 제품을 생성하기 위하여 일반적으로 사용되는 스팀-가공 처리를 식물 섬유(plant fiber)에 적용하여 40% 증가된 기계적 특성을 생성했다.
이러한 과정 어느 것도 식물 생물학자, 건축 공학자, 재료 공학자, 및 에너지 공학자 등의 학제 간 연구팀의 협력과 이러한 연구의 지적인 가치의 기여와 선택적인 인식이 없으면 가능하지 않았다고 D`Souza는 밝혔다. 식물 생물학자는 재료와 기계공학자들이 뛰어난 물리적 특성과 구조를 가진다고 결정한 성장한 섬유를 가공 처리하는 새로운 방법을 결정했다. 건축 공학자들은 패널을 이용하여 주택 건설을 가능하게 한다
D`Souza와 그녀의 연구팀은 수 년 동안 유리 섬유와 다른 합성 섬유에 대한 대안으로서 케나프를 연구해왔다. 이 연구는 건축 환경을 위하여 지속 가능하고, 에너지 효율적인 다기능 바이오제품의 개발을 위한 농가-학계-산업계 협력 체계를 통하여 이루어졌다. 4학년부터 12학년 학생들의 봉사 활동 캠프에서 이루어진 수동 활동, 대학생 및 대학원 학생 교육 및 장학금 등은 프로젝트를 활성화 시켰다.
노스텍사스 대학의 PFI(Partnerships for Innovation) 프로젝트는 건축 환경, 특히 제로 순 에너지 응용을 위하여 지속 가능한 구조적인 단열 패널을 위한 케나프 기반의 바이오재료를 개발하기 위하여 농부, 학계 연구진 및 산업계 과학자와 공학자 등이 참여하는 혁신적인 협력 체제로 구축됐다. 케나프는 식수에 크게 영향을 받지 않고, 반건조 조건에서 성장하는 능력을 가지고 있기 때문에 선택이 되었다. 또한, 공학적 관점에서 유리 섬유 중량비 대비 동일한 강도를 가진다. 천연 섬유는 종종 알칼리 처리를 통한 공정으로 파괴되는 다공성 구조를 가진다. 강 또는 연못의 물에서 신선하게 수확된 농작물의 배치를 기반으로 하는 접근은 대규모적인 면에서 효과적이지 못하다. 케나프에 대한 선택성을 기반으로 하는 박테리아를 이용한 대체 접근이 학계-농부 협력 체계를 통하여 이용될 것이다. 목표는 자연적인 특성을 보유하면서 기술적으로 실용화가 가능하며 생산 공정시 환경 배출을 줄이는데 있다.
또한 연구팀은 국립과학재단의 혁신 프로그램을 위한 협력 체계의 일환으로 산업계 파트너와 공동 연구를 수행하였다. 미시시피 주를 기반으로 하는 Kengro사는 생물정화와 흡착 제품 제조사이며, 버지니아 주를 기반으로 하는 Rubberlite사는 고무와 플라스틱 제조사이다. Kengro사는 프로젝트의 규모를 확대하는 것을 돕기 위하여 많은 면적의 땅에 걸쳐 섬유를 성장시켰으며, Rubberlite사는 제로 순 에너지 모델에서 에너지 소비 감축으로 이어지는 패널을 위한 재활용 타이어 기반의 구조 폼(structural foam)을 제공했다.
연구팀의 다음 단계 연구는 노스텍사스 대학의 Discovery Park 캠퍼스에서 제로 순 에너지 모델 가구 건축에 개발한 새로운 재료를 사용하는 것이다.
출처 : http://phys.org/news/2014-09-plant-based-materials-boost-energy.html
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
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