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목재로 국악기와 에너지를 연구하다, 목재물리학 연구실
작성자 : 강대신문
작성일 : 2022-03-19 18:05:14
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호년월일 : 제1352호 2022년 3월 21일
발행일 : 2022-03-21

목재로 국악기와 에너지를 연구하다
목재물리학 연구실

 

갈대청, 소리의 맛을 키우다

국립국악원은 지난 29일 국악기의 재료 및 음향 특성에 관한 렉처콘서트 국악기, 과학을 만나다를 개최했다. 콘서트에서는 과학자들이 연구한 국악기 재료의 물리적 성질과 음향을 연주자들의 시연을 통해 이해하는 자리가 마련됐다.

또한, 우리 대학 김남훈 교수(목재·종이과학부)는 한국고분자 연구소와 악기의 부속품인 갈대청의 물리적 성질에 관한 연구를 진행해 주목을 끌고 있다.

갈대청이란 갈대에서 추출한 재료로 갈대의 내강과 가지나 잎을 제외한 지상부가 접하는 막을 건조해 만든 악기의 부속품이다. 갈대청은 대금의 청공이라는 구멍에 붙여 특수한 효과를 낸다. 청공에 덮인 갈대청은 얇은 막으로 이루어져 있고 떨림판의 역할을 해 청아한 소리를 낸다. 과거 소금과 중금에도 청공이 있었다고 전해지지만, 현재 갈대청을 사용하는 악기는 대금이 유일하다.

 

국악기의 발전, 신소재 악기

나무를 원료로 한 국악기 중 가야금·거문고는 오동나무를 활용해 표판을 제작한다. 오동나무는 비중이 0.27 MPa 정도로 작아 가볍고, 압력에 저항하는 정도가 높아 소리를 표현하기에 적합하다. 또한, 오동나무는 밤나무와 참나무보다 진동하는 정도가 크고, 세포벽이 얇고 성글다는 특징이 있어 풍부한 소리가 난다.

국악기 재료로 목재가 많이 사용되는 이유는 가벼우면서 탄성이 커 진동을 쉽게 전달하기 때문이다. 목재는 음원의 작은 진동을 증폭시켜 공기 중으로 울려 퍼지게 하는 증폭기 역할을 하며, 귀에 거슬리는 높은 주파수의 소리를 억제하기 때문에 국악기에 주로 사용된다.

한편, 최근에는 가야금, 해금, 거문고, 아쟁 등 전통악기의 주재료인 오동나무 대신 밤나무, 잣나무, 소나무 등이 사용된 신소재 악기가 등장하고 있다. 이외에도 악기 보호를 위해 친수성을 감소시키고 탄성을 증대시킨 아세틸화처리목재, 포르말린처리목재와 같은 신소재가 피아노와 바이올린에 일부 이용되는 등 목재를 원료로 한 새로운 기술의 목질 신소재가 꾸준히 개발되고 있다.

 

목재와 에너지, 실생활과 유용 목재

목재 펠릿이란 목재를 통해 청정에너지와 신재생에너지를 만들 수 있는 연료이다. 목재 펠릿은 산물로 나온 나무들을 모아 파쇄·건조·압축해 만든 목재 연료이며 기후변화협약(UNFCCC)에서 온실가스 배출이 없는 것으로 인정됐다. 목재 펠릿은 다른 연료에 비해 안정성이 우수하고 친환경적이며, 운송이 쉬워 주택, 학교, 병원 등에서 사용된다. 유엔 산하 정부 간 협의체(IPCC)에 따르면 목재 펠릿 1톤을 사용하면 석탄을 사용할 때보다 1.48톤의 이산화탄소를 감축할 수 있다.

고분자 화합물로 쉽게 부패하지 않는 리그닌은 식물 세포벽의 주성분으로 목재의 20~30%를 차지하는 물질이다. 분자구조가 복잡하고 다른 물질과 잘 섞이지 않는 특징으로 폐기되는 경우가 많지만, 공정을 통해 수소를 첨가하면 항공유로 사용되는 바이오 연료가 탄생한다. 이처럼 유기 생물체에서 유래하는 유기자원을 바이오매스라고 부른다. 이 바이오매스는 최근 탄소 중립을 위한 신재생에너지 생산에 중요한 자원으로 이용되고 있다. 특히 목재를 비롯한 각종 식물체의 주성분인 셀룰로스 및 리그닌의 액화·가스화·고체화를 통해 신재생 에너지를 생산할 수 있다.

 

목재를 연구해 미래를 선도하다, 목재물리학 연구실

우리 대학 김남훈 교수(목재·종이과학부) 연구팀은 국내 및 세계 유용 목재에 대한 해부 및 물리·역학적 성질 등의 특성을 분석해, 목재의 고부가 가치화를 위한 기초정보를 제공하는 연구를 진행하고 있다.

최근 연구팀에서는 목재와 리그노셀룰로스 원료의 수요와 함께 대나무 이용에 관한 연구를 발표했다. 연구팀은 인도네시아에 서식하는 대나무의 종류와 생식 구조 그리고 대나무의 해부학적 특성을 연구했고, 같은 속으로 분류하는 작업을 마쳤다. 해부학적으로 죽간 조직은 대부분 실질조직과 혈관, 통반 세포가 있는 튜브 및 섬유로 구성된다. 대나무 막의 세포 구성은 대부분 섬유질과 체관이라는 해부학적 특징 연구도 동시에 진행했다. 이들은 인도네시아 대나무 종의 일부가 혈관 다발이 대나무 중간 영역에서 더 두껍다는 것을 발견했고, 혈관 다발의 두께가 증가하면 섬유치수와 세포벽 두께가 감소한다는 사실도 밝혀냈다. 대나무의 혈관 크기, 혈관 내강 직경 등 높이가 증가함에 따라 실질 조직 길이 및 내강은 줄어든다는 물리학적 성질에 대해 연구했고, 유용 목재로서 대나무의 용도를 판정했다.

또한, 연구팀의 주요 연구 분야인 유용 목재는 크게 침엽수재와 활엽수재로 나뉜다. 연구팀에 따르면, 해부학적으로 침엽수재는 체적의 약 95%를 나무 지지와 수분의 통로를 담당하는 세포로 구성돼 있다. 반면 활엽수재는 수체를 지지하는 역할의 목섬유와 수분을 담당하는 도관, 양분을 저장하는 유세포로 구성돼 있어 활엽수재가 침엽수재보다 기능이 세부적으로 나뉘어 진화했다. 이에 김 교수는 이러한 해부학적 특성은 유용 목재의 용도판정을 위한 식별, 불법유통 목재의 판정, 고고학적 출토 목재의 식별 등에 유용하고 목재의 물리적·역학적 특성과의 관련성이 아주 높아 목재의 재질판단 지표로서 활용도가 높다.”라고 말했다.


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목재물리학 연구실에서 인도네시아 대나무를 비교해 내강의 두께가 다르다는 사실을 밝혔다. (출처: 우리 대학 목재물리학 연구실)


김 교수는 최근에는 국내의 참나무류와 대나무 자원의 열처리에 의한 성능개선, AI를 접목한 목재식별, 탄화특성 해석 연구에 중점을 두고 있다.”라며 열대목재원의 보고인 인도네시아의 학자들과 미래 유용수종 탐색에 열중하고 있다.”라고 전했다.


이어진 기자

<aj1062@kangwon.ac.kr>