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에어로젤
에어로젤(Aerogel)은 세상에서 제일 가벼운 고체 상태의 물질로 젤에서 액체 대신 기체로 채워져 있는 형태이다. 물리적 특성은 젤과 매우 상이하다. 결과적으로 초저밀도와 같은 현저한 물성을 나타내며, 특히 단열 효과가 잘 알려져 있다. 일명, 냉연이라고도 하는데 이는 반투명한 특성 때문이다. 하지만 만져보면 스티로폼과 같은 느낌이다. 에어로겔이라고도 부른다.
에어로젤은 미국의 화학공학자 스티븐 키슬러(Steven Kistler)가 1931년 최초로 만들었으며, 젤리에서 수축을 유발시키지 않으면서 액체를 기체로 치환함으로써 이러한 물질을 얻어냈다. 최초로 만들어진 것은 실리카젤(실리카겔)이었다. 에어로젤은 다양한 물질로 만들 수 있으며, 키슬러는 실리카, 알루미늄, 크롬, 주석 등을 사용하였다. 탄소 에어로젤은 1900년대 초 처음으로 개발되었다.
개요[편집]
에어로젤은 공기를 의미하는 'Aero'와 3차원 입체 구조를 의미하는 젤(Gel)을 합친 단어이다. 에어로젤은 열·전기·소리·충격 등에 강해 미래세계를 바꿀 물질로 평가받는 신소재이다.
1930년대에 처음 발견된 이후 열·전기·소리·충격 등에 강하고, 무게도 같은 부피의 공기보다 3배밖에 무겁지 않아 미래의 단열재·충격완충재·방음재 등으로 주목을 받아 온 신소재이다. 재료는 규소 산화물(SiO₂)이다. 머리카락의 1만 분의 1 굵기인 SiO₂실[絲]이 극히 성글게 얽혀 이루어지며, 실과 실 사이에는 공기 분자들이 들어 있는데, 전체 부피의 98%를 공기가 차지한다.
미래세계를 바꿀 신소재, 꿈의 물질 등으로 불리지만, 만드는 데 시간이 많이 걸리고, 손가락으로 가볍게 누르기만 해도 깨질 정도로 약해 실용화가 어렵다. 이 때문에 세계 각국과 다국적기업·연구소 등에서 오랫동안 연구를 했지만, 실용화에는 실패하였다. 그러다 2003년 3월 한국인 공학자 이강필 박사가 미국에 세운 회사 아스펜 에어로젤에서 세계 최초로 실용화에 성공하였다.
그는 에어로젤에 특수 섬유를 첨가해 헝겊처럼 부드러워서 쉽게 깨지지 않고, 짧은 시간에 대량생산이 가능할 수 있는 새로운 에어로젤 기술을 개발하였다. 이 개량 에어로젤은 섭씨 1,100℃에서도 전혀 타지 않고, 충격방지 시트를 놓고 화약을 터뜨려도 전혀 흔적이 남지 않아 유리섬유 등 기존의 건축물 단열재를 대체할 소재로 주목을 받았다. 응용 범위도 재킷처럼 얇은 스키복·부츠·장갑, 불에 타지 않는 슈퍼 단열재, 우주복·우주범선, 충격을 막는 특수 철갑, 어뢰에도 전혀 충격이 없는 충격 방지막 등 다양하다.
물성[편집]
에어로젤은 90-99.8%가 공기로 이루어져 있고, 보통 밀도는 3-150 mg/cm³이다. 에어로젤은 스티로폼과 같은 느낌이 나지만 말랑말랑하지는 않고 한 번 눌리면 복원되지 않는다. 아주 세게 압력을 가하면 유리와 같이 산산조각으로 깨진다. 깨지는 특성이 있지만, 구조적으로는 매우 튼튼하여 자기 무게의 2000배를 올려 놓을 수 있다. 이는 2-5 nm 크기의 구형 파티클들이 결합되어 나무가지 형태의 클러스터를 형성하는 미세구조에 기인한다. 이런 클러스터는 3차원적으로 프랙털과 같은 그물망 모양으로 100 nm보다 작은 기공을 가진 다공성 구조를 형성한다. 기공의 평균 크기와 밀도는 제조 공정 중 조절될 수 있다.
에어로젤은 현저한 단열 성능을 보이는데 이는 열전달이 일어나는 세가지 방법인 대류, 전도, 복사를 무력화시키기 때문이다. 대류를 효과적으로 차단하는 이유는 공기가 기공을 통해 순환할 수 없기 때문이다. 실리카 에어로젤이 전도를 효과적으로 차단하는 이유는 실리카가 열전도가 잘 되지 않는 물질이기 때문이다. (반면, 금속 에어로젤은 좀 더 나은 열전도체가 될 수 있다.) 탄소 에어로젤이 복사를 효과적으로 차단하는 이유는 탄소가 열전달이 일어나는 적외선 복사를 흡수해 버리기 때문이다. 가장 단열 성능이 좋은 에어로젤은 탄소를 첨가한 실리카 에어로젤이다.
에어로젤은 흡습성으로 인해 건조한 느낌이 나며, 강력한 제습제로 작용한다. 대부분이 공기로 이루어져 있기 때문에 반투명하며, 색깔이 나는 것은 나노 크기의 수지 구조에 의해 파장이 짧은 가시광선의 산란에 기인한다. 이로 인해 어두운 배경에서는 푸르스름한 색이 나타나고, 밝은 배경에서는 흰색이 나타난다.
에어로젤은 그 자체로서는 친수성이지만, 화학처리를 통해 소수성으로 만들 수 있다. 물을 흡수하면, 수축이나 분해와 같은 구조적 변화가 유발되므로, 소수성으로 만들어 이를 방지할 수 있다. 내부까지 소수성 처리를 하면 깊은 크랙이 발생하더라도 에어젤이 분해되는 것을 방지할 수 있다. 소수성 처리가 되어 있으면 워터젯 재단 가공을 할 수 있다.
장점[편집]
- 무게가 가볍다. 에어로젤은 공기 밀도의 3배에 불과한 003g㎠로 지구상에서 가장 가벼운 고체이다.
- 불에도 강하다. 에어로젤은 단열 능력이 뛰어나 에어로젤 아래에서 열을 가해도 윗부분에는 열이 전혀 전달되지 않아 1000도가 넘는 열에도 형태에 큰 변화가 없다.
- 물에도 젖지 않는다. 에어로젤 가루는 내부에서 얇은 공기층을 생성해 물이 통과하는 것을 막아준다.
- 폐플라스틱을 사용해서 만들 수 있다. 에어로젤은 폐플라스틱 탄소화 처리 단계를 거친 후 남은 탄소에 실리콘 소재를 코팅해서 만들 수도 있다. 그뿐만 아니라 최근에는 폐의류나 폐타이어를 이용해서 에어로젤을 만드는 연구도 성공했다고 한다. 이러한 과정을 통해 플라스틱을 재활용한다면 환경에도 도움이 될 것으로 보인다.
이러한 특징으로 에어로젤은 화성 이주 프로젝트에 쓰일 가능성이 크다고 한다. 때문에 화성바라기로 유명한 일론 머스크도 에어로젤을 주목하고 있다고 한다. 화성 이주 프로젝트에 에어로젤이 쓰일 가능성이 큰 이유는 바로 뛰어난 단열 능력 덕분이다. 에어로젤은 유리 무게의 750분의 1밖에 되지 않지만 유리의 6070배에 달하는 단열 능력이 있어서 평균기온은 62℃ 최저 기온은 영하 176℃ 를 유지하는 화성에 가려면 없어서는 안 될 중요한 소재이다. 기공률이 높은 에어로젤은 빛을 충분히 투과시키기도 하지만, 열전도율은 낮아 내부로 들어온 열이 밖으로 빠져나가지 않도록 도와준다. 게다가 단열성이 뛰어난 만큼 소리를 차단하는 방음재 역할도 톡톡히 해내고 있다.
단점[편집]
- 약한 기계적 성질 : 실리카 실이 얽혀있는 구조적 특징 덕분에 자신의 무게의 2,000배를 견딜 수 있는 반면, 기계적 강도가 약해 매우 조그만 충격에도 잘 부서진다.
- 복잡하고 비싼 공정 과정 : 에어로젤은 위에서 본 것처럼 만드는 과정이 복잡하고 오래 걸리는데 그만큼 비싸고 대량생산이 힘들다.
- 소재에 따른 인체 위험성 : 에어로젤은 이산화규소 외에도 다양한 소재를 사용해 만들 수 있다. 이산화규소를 이용해 만든 실리카 에어로젤의 경우 안전성에 문제가 없지만 이산화티타늄을 사용한 에어로젤은 2급 발암 물질로 분류된다. 에어로젤을 만들 때면 반드시 인체 무해성 조사가 필요하다.
제조방법[편집]
최초의 에어로젤은 규소로 만들어졌고(실리카젤), 알루미늄, 크롬, 산화 주석 등으로도 만들 수 있다. 탄소 에어로젤은 1980년대에 처음으로 개발되었다.
기본적인 제조원리는 초임계 건조법(supercritical drying)으로 젤의 고체구조를 유지하면서(평상에서는 모세관 현상으로 붕괴하며 함께 증발한다) 안의 액체를 제거한 후 기체로 다시 채워넣는 것이다.
현재의 일반적인 제조법은 알콕사이드(alkoxide)와 물유리(waterglass)을 원료로 만들어지는데, 먼저 액체 형태의 알콕사이드 혼합원료에 알코올과 첨가제를 넣고 틀에 넣으면 묵과 같은 알콜젤리가 만들어진다. 이 젤리를 고온, 고압상태에서 초임계유체(이산화탄소)를 흘리면 알코올이 들어있던 자리에 초임계유체가 들어간다. 그냥 기체를 쓰게 되면 고체에 묻어있던 액체가 부피변화를 하므로 좋지가 않다. 건조용기에서 알코올 자리를 초임계유체가 차지하고 나면 온도, 압력을 서서히 낮춰 상온, 상압으로 만든 뒤 꺼내면 안의 이산화탄소가 대기 중의 공기로 치환되면서 에어로젤이 완성된다. 간단히 말하면 고체 속에 액체거품을 만들어 액체같은 기체를 넣어 액체를 빼고, 다시 그곳에 보통 공기를 넣는다는 것이다.
초임계 유체를 통하지 않고 일반적인 환경에서 증발법을 통해 건조하는 경우 크세로겔(혹은 제로젤, Xerogel)이라고 하며, 에어로젤을 이 방법으로 건조하는 경우, 용매가 증발할 때에 작용하는 모세관력에 의해 구조가 허물어져 버린다.
실용화[편집]
현재 가장 활발하게 사용되는 에어로젤은 단열 성능이 뛰어난 실리카젤이다.
에어로젤은 대기권 진입 때 엄청난 고열을 견뎌야 하는 우주선에서 단열재로 사용된다. 그러나 충격에는 약해 깨진다는 특성과 만드는데 시간이 많이 걸린다는 게 실용화에 가장 큰 걸림돌이었다. 그러다가 2003년 한국인 공학자 이강필 박사가 에어로젤에 특수섬유를 첨가하는 방식으로 부드러워 쉽게 깨지지 않고(충격에 상당히 강해짐), 짧은 시간에 대량생산이 가능한 새로운 개념의 에어로젤을 만들었다. 이 섬유 에어로젤은 빠른 속도로 상용화되어 우주비행사의 우주복 등에 적용이 되고 겨울용 패딩에도 적용이 되기도 한다.
탄소 에어로젤 또한 잠재적 활용 분야가 매우 다양하다. 탄소 에어로젤은 실리카젤과는 달리 전도성을 띄기 때문에 전기전자 소재로 활용이 가능하고, 주로 탄소 섬유로 된 아주 얇은 종이 형태로 만들어지기 때문에 초축전기(supercapacitor)로서 사용될 수도 있다. 게다가 자외선을 흡수하는 성질이 뛰어나 태양광 전지 소재로 좋다.
실용화가 어느정도 된 상태기 때문에 충격흡수장갑, 앏은 스키복, 관단열재, 건물단열재 등 21세기 들어 응용분야는 무한하다고 보면 되겠다. 다만 아직도 비싸다는 게 흠이다. 그래도 18년 1월 기준 에어로젤 겨울 패딩이 30만원 수준으로 떨어졌다. 19년 11월 샤오미 DMN에서 에어로젤을 사용한 패딩을 발매하였다. 충전재 중 에어로젤 비율은 30% 정도이며 20년 기준 8~10만원대에 직구 가능하다.
에어로젤을 활용한 제품은 별 문제없이 통관이 가능하지만, 링크와 같은 순수 에어로젤은 화학물질관리법에 의거 통관이 매우 까다롭다. 순수 에어로젤을 소장용으로 직구하려면 각 유역·지방환경청의 허가·신고를 받아야 하며, 세관에서 수입신고를 할 때 유해화학물질 수입허가·신고증을 제출하는 등 관련 통관 절차를 거쳐야 한다.
에어로젤은 발암물질로 분류되어 있다. 에어로젤을 폐로 들이마실 경우 규폐증을 일으킬 수 있다. 석면이 해로운 이유와 같다.
동영상[편집]
참고자료[편집]
- 〈에어로젤〉, 《나무위키》
- 〈에어로젤〉, 《위키백과》
- 〈에어로젤〉, 《두산백과》
- 굿모닝 KEPCO, 〈세상에서 가장 가벼운 고체 '에어로겔', 어떻게 활용할 수 있을까?〉, 《네이버블로그》, 2022-08-03
- 김지윤 인턴기자,〈에어로겔이 '꿈의 신소재'라고? 이거 진짜 대단한 거 맞아?〉, 《서울경제》, 2021-04-05
- 〈일론 머스크도 주목한 꿈의 신소재 '에어로겔'〉, 《휴비스공식블로그》, 2023-07-19
같이 보기[편집]
