[국내논문]한지 원재료인 닥나무와 인피섬유의 해부학적·화학적 특성 연구 Anatomical, Morphological, and Chemical Characteristics of Paper-mulberry Wood and Bast Fiber for Raw Material of Korean Paper(Hanji)원문보기
본 연구는 닥나무의 삼단면 관찰을 통하여 공통된 해부학적 특성을 가지는지 확인하고 닥나무 인피섬유의 섬유장 폭, 내강폭과 같은 형태학적 특징과 화학적 특징을 통해 펄프, 제지공정에 영향을 미칠 수 있는 인자들을 분석하였다. 닥나무는 환공재, 반환공재이며 대도관이 고립관공으로 방사상배열이다. 접선단면 방사조직은 1~3열이고 나선비후가 관찰되어져 공통적으로 동일한 해부학적 특성이 나타났다. 인피섬유의 형태학적 특징으로는 섬유장 6.58~9.01 mm, 섬유폭 $15.85{\sim}27.80{\mu}m$, 내강폭 $4.50{\sim}12.54{\mu}m$로 나타났다. 펄프, 제지공정에 중요한 특성으로 여겨지는 runkel ratio, slenderness ratio 등을 고려했을 때 강원도 D시료가 가장 적합하였다. 인피섬유의 화학적 특성으로 경상도 C시료가 낮은 추출물 함량과 높은 셀룰로오스 함량을 가지는 것을 확인하였다. 섬유의 형태학, 화학적 특성은 한지 제조 후 품질을 결정하는 주요 인자의 기초자료로 활용될 것이다.
본 연구는 닥나무의 삼단면 관찰을 통하여 공통된 해부학적 특성을 가지는지 확인하고 닥나무 인피섬유의 섬유장 폭, 내강폭과 같은 형태학적 특징과 화학적 특징을 통해 펄프, 제지공정에 영향을 미칠 수 있는 인자들을 분석하였다. 닥나무는 환공재, 반환공재이며 대도관이 고립관공으로 방사상배열이다. 접선단면 방사조직은 1~3열이고 나선비후가 관찰되어져 공통적으로 동일한 해부학적 특성이 나타났다. 인피섬유의 형태학적 특징으로는 섬유장 6.58~9.01 mm, 섬유폭 $15.85{\sim}27.80{\mu}m$, 내강폭 $4.50{\sim}12.54{\mu}m$로 나타났다. 펄프, 제지공정에 중요한 특성으로 여겨지는 runkel ratio, slenderness ratio 등을 고려했을 때 강원도 D시료가 가장 적합하였다. 인피섬유의 화학적 특성으로 경상도 C시료가 낮은 추출물 함량과 높은 셀룰로오스 함량을 가지는 것을 확인하였다. 섬유의 형태학, 화학적 특성은 한지 제조 후 품질을 결정하는 주요 인자의 기초자료로 활용될 것이다.
This study using a method different from those employed previously, the anatomical characteristics of paper-mulberry wood were confirmed by observing three different sections. In addition, the factors affecting the pulp and papermaking processes were analyzed in terms of morphological properties suc...
This study using a method different from those employed previously, the anatomical characteristics of paper-mulberry wood were confirmed by observing three different sections. In addition, the factors affecting the pulp and papermaking processes were analyzed in terms of morphological properties such as the fiber length and width, lumen width, and chemical composition of the paper-mulberry bast fiber. The anatomical characteristics of the paper-mulberry wood were a ring porous or semi-ring porous structure with the vessels showing solitary pore and radial array. The medullary ray of the tangential section showed 1-3 rows and common helical thickening. Consequently, the paper-mulberry wood has the same anatomical characteristics throughout. The morphological characteristics of the paper-mulberry bast fiber are a fiber length of 6.58 to 9.01 mm, fiber width of 15.85 to $27.80{\mu}m$, lumen width of 4.50 to $12.54{\mu}m$. The D sample of Gangwon was the most suitable for the pulp and papermaking processes, in terms of its derived morphological ratios. Comparing the chemical compositions, the C sample of Gyeongsang had a high holocellulose content (90%). Thus, the findings herein will aid in determining the quality of Korean paper post production.
This study using a method different from those employed previously, the anatomical characteristics of paper-mulberry wood were confirmed by observing three different sections. In addition, the factors affecting the pulp and papermaking processes were analyzed in terms of morphological properties such as the fiber length and width, lumen width, and chemical composition of the paper-mulberry bast fiber. The anatomical characteristics of the paper-mulberry wood were a ring porous or semi-ring porous structure with the vessels showing solitary pore and radial array. The medullary ray of the tangential section showed 1-3 rows and common helical thickening. Consequently, the paper-mulberry wood has the same anatomical characteristics throughout. The morphological characteristics of the paper-mulberry bast fiber are a fiber length of 6.58 to 9.01 mm, fiber width of 15.85 to $27.80{\mu}m$, lumen width of 4.50 to $12.54{\mu}m$. The D sample of Gangwon was the most suitable for the pulp and papermaking processes, in terms of its derived morphological ratios. Comparing the chemical compositions, the C sample of Gyeongsang had a high holocellulose content (90%). Thus, the findings herein will aid in determining the quality of Korean paper post production.
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문제 정의
이러한 선행연구에도 불구하고 여전히 닥나무를 구분하는 방법이 표준화되어 있지 않아 본 연구에서는 전국 권역별 5개체 닥나무의 삼단면 관찰을 통해 공통적인 해부학적 특징을 가지는지 확인하였다. 상기 닥나무를 이용해 제조된 인피섬유(백피)의 섬유장, 섬유폭, 내강폭과 같은 해부학적 특징과 리그닌, 셀룰로오스 등과 같은 화학적 구성성분 함량을 분석하여 닥나무와 그 인피섬유의 원재료에 관한 해부학, 화학적 기초자료를 구축하였다.
제안 방법
5개체의 닥나무를 약 1~2 cm 정도로 잘라 글리세린과 증류수를 1:4 (v:v)로 혼합한 용액에 5일간 100℃ 이상의 온도에서 환류냉각기를 이용하여 연화처리 하였다. 각각의 시편은 Figure 1에서와 같이 횡단면(적색선), 접선단면(녹색선), 방사단면(청색선)으로 구분하였으며 마이크로 톰(sliding microtome)을 이용하여 시료를 20~30 μm 두께로 절삭하였다.
0 g sodium chlorite를 이용하여 glass filter(1G3)로 시료를 세척한 후 오븐드라이로 전건 하여 무게를 측정하였다. Alpha cellulose 정량은TAPPI T203 om-88에 의거하여 17.5% NaOH를 사용하여비섬유소물질(noncellulosic material)을 제거하고 무게를 측정하였다. 리그닌 함량 분석은 TAPPI T222 om-02에 의하여 72% sulfuric acid를 사용하고 시료와 함께 교반시켜 20℃에서 4시간 방치한 후 증류수로 세정하고 건조한 후무게를 측정하였다.
PVC disposable base mold와 embedding ring을 사용하여 시료를 PEG로 고정시키고 마이크로 톰을 이용하여 10~20 μm의 절편을 만든 후 double stain 용액(1% safranin+1% astra blue)으로 염색하여 프레파라트로 제작하고 광학현미경(Nikon E clipse 80i,Nikon, Japan)으로 관찰하였다
5% NaOH를 사용하여비섬유소물질(noncellulosic material)을 제거하고 무게를 측정하였다. 리그닌 함량 분석은 TAPPI T222 om-02에 의하여 72% sulfuric acid를 사용하고 시료와 함께 교반시켜 20℃에서 4시간 방치한 후 증류수로 세정하고 건조한 후무게를 측정하였다. 회분 정량은 TAPPI T211 om-02에 의거하여 600±25℃에서 완전 연소하여 정량하였다
본 연구에서는 전국 권역별 닥나무의 해부학적 특징이 일치함을 확인하였고, 해부학적 특징이 동일한 닥나무 인피섬유들의 dimension과 derived dimension을 가지고 펄프, 제지공정의 특성을 고려하였다. 또한 화학적 구성성분을 통해 닥나무 인피섬유가 우수한 섬유자원임을 확인하였다.
이러한 선행연구에도 불구하고 여전히 닥나무를 구분하는 방법이 표준화되어 있지 않아 본 연구에서는 전국 권역별 5개체 닥나무의 삼단면 관찰을 통해 공통적인 해부학적 특징을 가지는지 확인하였다. 상기 닥나무를 이용해 제조된 인피섬유(백피)의 섬유장, 섬유폭, 내강폭과 같은 해부학적 특징과 리그닌, 셀룰로오스 등과 같은 화학적 구성성분 함량을 분석하여 닥나무와 그 인피섬유의 원재료에 관한 해부학, 화학적 기초자료를 구축하였다. 본 연구 결과를 기반으로 제조된 한지의 물리적인 특성 평가가 이루어진다면 문화재의 복원 ․ 보수 처리에 사용되는 한지의 품질을 결정하는 주요한 인자로 활용될 것으로 기대된다
섬유내강(lumen)의 폭을 측정하기 위해서 인피섬유를 증류수에 24시간 침지시켰다. Polyethylene glycol[PEG,#2000, Samchun(Korea)]을 증류수와 1:3 (wt.
섬유의 내강은 정확한 구형이 아니므로 가로×세로를 1회로 상부, 중앙부, 하부 각각 100회 측정하고 Trimmean을 적용하여 평균값을 산출하였다.
섬유의 내강은 정확한 구형이 아니므로 가로×세로를 1회로 상부, 중앙부, 하부 각각 100회 측정하고 Trimmean을 적용하여 평균값을 산출하였다. 섬유장, 섬유폭, 내강폭을 가지고 섬유의 특징을 나타내는Runkel ratio(RR), slenderness ratio(SR), flexibility coefficient(FC), rigidity coefficient(RC) 값을 구하였으며(Sadiku etal., 2016), 수식(1)-(4)은 다음과 같다
섬유장, 섬유폭은 구입한 백피를 상부 중앙부, 하부로 나누어 각각 100회씩 측정하였다. 비교분석을 위해서 오차범위를 줄이고 평균값을 산출하는 Trimmean 함수를 사용하였다.
섬유장, 섬유폭을 측정하기 위하여 닥나무 인피섬유를 하부, 중앙부, 상부로 나누어 약 8 cm로 시료를 절단하였다. 시료를 해리(defibration)하기 위하여 30% nitric acid[60%,Kanto(Japan)] 100 ml와 Potassium chlorate[99%, Sigmaaldrich(USA)] 5 g을 혼합하여 Schulze 용액을 제조하였다.
각각의 시편은 Figure 1에서와 같이 횡단면(적색선), 접선단면(녹색선), 방사단면(청색선)으로 구분하였으며 마이크로 톰(sliding microtome)을 이용하여 시료를 20~30 μm 두께로 절삭하였다. 세포관찰을 위하여 절삭된 박편을 1%safranin 수용액에 염색한 후 30%, 50%, 70%, 100% 에탄올을 이용하여 차례로 탈수시켜 영구 프레파라트를 제작하고 광학현미경(ECLIPSE Ni, Nikon, Japan) 100배로 관찰하였다.
인피섬유의 화학적 특성을 확인하고자 추출성분 함량은 1% NaOH 추출, 유기용매 추출로 확인하였으며, 그 외에 holocellulose, α-cellulose, 리그닌, 회분(ash) 함량을 2회 분석하여 평균값을 사용하였다.
한지를 제조하는 공방을 중심으로, 닥나무를 직접 재배하는 공방을 선정하여 전국 권역별 5개체 닥나무의 해부학적 특징을 관찰하고 상기 닥나무의 인피섬유 5종에 대해 형태학적, 화학적 특징을 도출하면 다음과 같다.
시료를 Schulze 용액에 넣고 5시간 동안 상온에서 방치한 후 증류수로 충분히 수세하고 증류수와 함께 시료를 흔들어 해리시킨다. 해리된 섬유를 1% safranin 용액으로 염색한 후 프레파라트를 제작하여 광학현미경(ECLIPSE Ni,Nikon, Japan)으로 관찰하였다
대상 데이터
섬유내강(lumen)의 폭을 측정하기 위해서 인피섬유를 증류수에 24시간 침지시켰다. Polyethylene glycol[PEG,#2000, Samchun(Korea)]을 증류수와 1:3 (wt.%)으로 제조하여 24시간 포매(embedding)시켰다. PVC disposable base mold와 embedding ring을 사용하여 시료를 PEG로 고정시키고 마이크로 톰을 이용하여 10~20 μm의 절편을 만든 후 double stain 용액(1% safranin+1% astra blue)으로 염색하여 프레파라트로 제작하고 광학현미경(Nikon E clipse 80i,Nikon, Japan)으로 관찰하였다
각각의 시편은 Figure 1에서와 같이 횡단면(적색선), 접선단면(녹색선), 방사단면(청색선)으로 구분하였으며 마이크로 톰(sliding microtome)을 이용하여 시료를 20~30 μm 두께로 절삭하였다.
닥나무와 닥나무 인피섬유는 전국 한지를 제조하는 공방을 중심으로, 직접 닥나무를 재배하는 공방에서 구입하였다. 대표적으로 충청도 A공방(CC-A), 경기도 B공방(GG-B), 경상도 C공방(GS-C), 강원도 D공방(GW-D), 전라도 E공방(JL-E) 권역별 5개 도지역에서 닥나무와 인피섬유 5점씩을 각각 수급하였다
닥나무와 닥나무 인피섬유는 전국 한지를 제조하는 공방을 중심으로, 직접 닥나무를 재배하는 공방에서 구입하였다. 대표적으로 충청도 A공방(CC-A), 경기도 B공방(GG-B), 경상도 C공방(GS-C), 강원도 D공방(GW-D), 전라도 E공방(JL-E) 권역별 5개 도지역에서 닥나무와 인피섬유 5점씩을 각각 수급하였다
섬유장은 6.58~9.01 mm의 범위를 가지며 가장 짧은 섬유장은 충청도 A공방 상부 시료이며 가장 긴 섬유장은 강원도 D공방 하부 시료였다
섬유장, 섬유폭을 측정하기 위하여 닥나무 인피섬유를 하부, 중앙부, 상부로 나누어 약 8 cm로 시료를 절단하였다. 시료를 해리(defibration)하기 위하여 30% nitric acid[60%,Kanto(Japan)] 100 ml와 Potassium chlorate[99%, Sigmaaldrich(USA)] 5 g을 혼합하여 Schulze 용액을 제조하였다. 시료를 Schulze 용액에 넣고 5시간 동안 상온에서 방치한 후 증류수로 충분히 수세하고 증류수와 함께 시료를 흔들어 해리시킨다.
알칼리 추출은 TAPPI T212-om-02에 의거하여 1% NaOH로 추출하였다. 유기용매 추출은 TAPPI T204 cm-97에 따라 Ethanol(95%)-benzene mixture를 1:2 (v/v)으로 사용하였다. Holocellulose는 TAPPIT9 wd-75에 의거하여 Wise 법에 따라 유기용매 추출 전건시료 2.
이론/모형
유기용매 추출은 TAPPI T204 cm-97에 따라 Ethanol(95%)-benzene mixture를 1:2 (v/v)으로 사용하였다. Holocellulose는 TAPPIT9 wd-75에 의거하여 Wise 법에 따라 유기용매 추출 전건시료 2.5 g을 0.2 ml acetic acid, 1.0 g sodium chlorite를 이용하여 glass filter(1G3)로 시료를 세척한 후 오븐드라이로 전건 하여 무게를 측정하였다. Alpha cellulose 정량은TAPPI T203 om-88에 의거하여 17.
본 연구는 문화재청 국립문화재연구소 문화유산조사연구(R&D)사업의 일환으로 이루어졌다.
섬유장, 섬유폭은 구입한 백피를 상부 중앙부, 하부로 나누어 각각 100회씩 측정하였다. 비교분석을 위해서 오차범위를 줄이고 평균값을 산출하는 Trimmean 함수를 사용하였다. Array는 100, 최대․최솟값 percent는 0.
인피섬유의 화학적 특성을 확인하고자 추출성분 함량은 1% NaOH 추출, 유기용매 추출로 확인하였으며, 그 외에 holocellulose, α-cellulose, 리그닌, 회분(ash) 함량을 2회 분석하여 평균값을 사용하였다. 알칼리 추출은 TAPPI T212-om-02에 의거하여 1% NaOH로 추출하였다. 유기용매 추출은 TAPPI T204 cm-97에 따라 Ethanol(95%)-benzene mixture를 1:2 (v/v)으로 사용하였다.
성능/효과
α-cellulose 함량은 강원도 D공방 시료가 65.54%±0.03, 경기도 B공방 시료가 52.93%±0.86로 확인되었다.
2. 닥나무 인피섬유의 형태학적, 특성으로 섬유장은 6.58~9.01 mm, 섬유폭은 15.85~27.80 μm, 내강폭은 4.50~12.54 μm 범위를 가진다.
3. 닥나무 인피섬유의 화학적 분석으로, 낮은 추출물함량과 비교적 높은 Holocellulose, α-cellulose 함량을 가지며 회분함량이 적은 것은 경상도 C공방 시료로 나타났다
5개의 시료를 상대적으로 비교하였을 때 알칼리 추출물과 알코올-벤젠 추출물 함량이 높으면 홀로셀룰로오스의 함량이 낮은 경향을 나타낸다. 이는 추출물들에 유지, 색소, 수지, 정유 등과 저분자량의 carbohydrate가 함유되어있기 때문으로 판단되지만 이에 대한 추가적인 정량분석이 요구된다.
1 미만의 RR값을 가지는 섬유는 강원도 원주의 상, 중앙, 하부의 섬유들이다. 가장 큰 값을 가지는 섬유는 충청도 A공방의 상부 시료로 2.52의 RR값으로 나타났다(Table 3).
,2016). 닥나무의 경우 장섬유에 속하며, SR값이 최소 314.82에서 최대 509.33의 범위를 가지는 것을 확인하였다
본 연구에서는 전국 권역별 닥나무의 해부학적 특징이 일치함을 확인하였고, 해부학적 특징이 동일한 닥나무 인피섬유들의 dimension과 derived dimension을 가지고 펄프, 제지공정의 특성을 고려하였다. 또한 화학적 구성성분을 통해 닥나무 인피섬유가 우수한 섬유자원임을 확인하였다. 하지만 주로 닥나무 인피섬유는 일반적인 펄프, 제지공정보다는 전통방식으로 종이를 만들어 지는 경우가 대부분이다.
섬유 폭은 15.85~28.27 μm의 범위를 가지며 충청도 A공방 중앙부 시료와 전라도 E공방 상부 시료가 가장 짧았으며 경기도 B공방의 중앙부 시료가 가장 큰 값으로 확인되었다
54 μm 범위를 가진다. 섬유장이 길면서 세포의 두께가 얇은 섬유는 강원도 D공방 시료이며, RR값이 1미만이면서 SR값이 33 이상이고, RC값이 낮은 값을 갖는, 펄프 및 제지공정의 특성을 고려했을 때 가장 적합한 인피섬유는 강원도 D공방의 시료로 판단된다
유기용매 추출물은 경기도 B공방 시료가 6.77%±0.68로 가장 높았으며 가장 낮은 값은 충청도 A공방 시료가 4.49%±0.11로 확인되었다.
후속연구
따라서 향후 상기와 같은 닥나무와 인피섬유의 원재료에 관한 해부학, 형태학, 화학적 특성과 함께 전통방식으로 제조된 한지를 가지고 물리적 특성을 확인한다면, 원재료인 닥나무에서부터 인피섬유, 제조된 전통 한지에 대한 규격이 제시될 수 있다. 또한 품질을 결정하는데 주요한 인자로 평가될 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 향후 상기와 같은 닥나무와 인피섬유의 원재료에 관한 해부학, 형태학, 화학적 특성과 함께 전통방식으로 제조된 한지를 가지고 물리적 특성을 확인한다면, 원재료인 닥나무에서부터 인피섬유, 제조된 전통 한지에 대한 규격이 제시될 수 있다. 또한 품질을 결정하는데 주요한 인자로 평가될 수 있을 것으로 판단된다. 아울러 추가적인 닥나무 시료 확보 및 분석을 통해 신뢰성을 더욱 높이고 한지 제조에 적합한 원재료 특성 연구가 필요하다.
상기 닥나무를 이용해 제조된 인피섬유(백피)의 섬유장, 섬유폭, 내강폭과 같은 해부학적 특징과 리그닌, 셀룰로오스 등과 같은 화학적 구성성분 함량을 분석하여 닥나무와 그 인피섬유의 원재료에 관한 해부학, 화학적 기초자료를 구축하였다. 본 연구 결과를 기반으로 제조된 한지의 물리적인 특성 평가가 이루어진다면 문화재의 복원 ․ 보수 처리에 사용되는 한지의 품질을 결정하는 주요한 인자로 활용될 것으로 기대된다
또한 품질을 결정하는데 주요한 인자로 평가될 수 있을 것으로 판단된다. 아울러 추가적인 닥나무 시료 확보 및 분석을 통해 신뢰성을 더욱 높이고 한지 제조에 적합한 원재료 특성 연구가 필요하다.
5개의 시료를 상대적으로 비교하였을 때 알칼리 추출물과 알코올-벤젠 추출물 함량이 높으면 홀로셀룰로오스의 함량이 낮은 경향을 나타낸다. 이는 추출물들에 유지, 색소, 수지, 정유 등과 저분자량의 carbohydrate가 함유되어있기 때문으로 판단되지만 이에 대한 추가적인 정량분석이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
닥나무는 잎의 성상에 따라 어떻게 구분되는가?
또한 닥나무는 잎의 성상에 따라 진저(眞楮), 적저(赤楮), 요저(要楮), 흑저(黑楮) 등으로 구분하지만 국내 한지업계에서는 통상 참닥과 부닥으로 구분하고 있다고(Kim,2007) 보고되고 있으며, 현장에서는 이보다 더 다양한 명칭들로 불리어지고 있다. 또한 Hutchinson(1967)에 의하면 닥나무속은 열대, 아열대, 난대지방에서 자라는 낙엽성 관목으로 세계적으로 약 6종이 있다고 보고했다.
본 연구에서 닥나무 시료를 분석한 결과, 상대적으로 알칼리 추출물과 알코올-벤젠 추출물 함량이 높으면 홀로셀룰로오스의함량이 낮은 경향을 보이는 이유는 무엇인가?
5개의 시료를 상대적으로 비교하였을 때 알칼리 추출물과 알코올-벤젠 추출물 함량이 높으면 홀로셀룰로오스의함량이 낮은 경향을 나타낸다. 이는 추출물들에 유지, 색소,수지, 정유 등과 저분자량의 carbohydrate가 함유되어있기 때문으로 판단되지만 이에 대한 추가적인 정량분석이 요구된다.
닥나무란 무엇인가?
국내에서 제조되는 한지는 비목재 섬유인 닥나무 인피섬유가 주원료로 사용된다. 닥나무(Broussonetia kazinoki)는 쐐기풀목(Urticales) 뽕나무과(Moraceae)에 속하는 낙엽 활엽 관목이며(Lee, 2017), 목재는 나무(수종)에 따라 해부,물리 및 역학적 성질이 다르다(Kim and Kim, 2017). 또한동일한 수종의 닥나무라도 기후, 토질에 따라 섬유폭, 길이 등이 달라져 품질에 영향을 주기도 하며(Choi et al.
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