[특별기고] 에너지 효율 향상 기술(5) 초단열 나노기공 에어로젤 소재의 응용과 개발 전망

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[특별기고] 에너지 효율 향상 기술(5) 초단열 나노기공 에어로젤 소재의 응용과 개발 전망

2008년 7월 3일 (목) 08:54:00 | 지면 발행 ( 2008년 6월호 - 전체 보기 )

초단열 나노기공 에어로젤 소재의 응용과 개발 전망 요업(세라믹)기술원_김창열 선임연구원 김병익 수석연구원 (02)3282-2427 / cykim15@kicet.re.kr 1. 초단열 나노기공 에어로젤 소재 에어로젤(Aerogel) 소재는 90% 이상의 기공율과 1~50㎚의 기공 크기를 가지는 초다공성 실리카 소재로, 특히 단열성능이 기존 재료보다 몇 배 우수하여 차세대 단열소재로 주목받고 있는 재료다. 그러나 현시점에서는 제조공정이 복잡하고 제조단가가 높기 때문에, 이러한 우수한 소재 특성에도 불구하고 극히 제한된 용도에 사용되고 있는 실정이다. 최근 고가의 금속 알콕사이드에 비해 매우 저렴한 원료를 사용하여 에어로젤을 제조하려는 노력과 저온·상압의 신(新)건조공법 개발로 인해 경제성을 충분히 확보할 수 있으리라는 기대가 높아지고 있다. 특히 에어로젤 소재의 응용범위를 일반 건축용 단열소재 및 상업용으로도 확대시키기 위해서는 에어로젤 소재의 단열특성뿐만 아니라 가공성 또한 중요한 역할을 한다. 따라서 에너지의 95% 이상을 수입에 의존해야만 우리의 현실을 감안한다면, 본 연구와 같이 유연성(Flexible)을 가지면서도 기존 단열소재보다 3배 이상의 단열특성을 가지는 에어로젤 소재의 개발은 에너지 절감 및 효율 향상에 대한 기술력의 한계를 극복하고 에너지의 위기를 슬기롭게 대처한다는 측면에서도 아주 중요한 연구가 될 것이다.(<그림 1> 참고)

[그림 1] 에어로젤의 초단열, 투명성, 초경량 특성

2. 제조 및 특성 에어로젤의 개념도를 <그림 2>에 간략하게 나타냈다. 그림과 같이, 졸(Sol)은 1㎛ 이하의 입자 혹은 폴리머가 분산되어 있는 상태를 말하며, 이러한 입자 또는 폴리머가 3차원적으로 연결(Network)되어 용매가 갇혀 있는 상태를 젤(Gel)이라 한다. 이와 같은 젤 상태는 pH, 온도, 시간과 같은 변수에 의해 일어나며, 이를 젤화 (Gellation)라고 부른다. 이러한 젤 상태의 용매를 초임계 상태(Supercritical State)에서 건조시킬 때 모세관 현상에 의한 응축현상이 일어나지 않으면 크랙이 없는 다공성 물질을 얻게 되는데, 이를 에어로젤이라 한다. 에어로젤은 밀도가 공기의 3배 정도인 0.003g/cc로 지구상에 존재하는 물질 중 가장 가벼우며, 1~50㎚의 기공이 약 95~99% 차지하는 새로운 소재를 합성할 수 있다. 에어로젤은 기존 단열재의 단열특성보다 3배나 큰 특성을 가지고 있으므로 단열재로서의 응용이 기대되고 있다.

[그림 2] 에어로젤 제조 개념도

3. 특징 및 응용 ⑴ 에어로젤 블랑켓(Aerogel Blanket) 에어로젤 블랑켓은 기존 폴리머 단열재인 폴리스티롤이나 폴리우레탄보다 내열성 및 단열성이 우수한 신소재로서 향후 전개되는 에너지 절약 및 환경 문제를 해결할 수 있는 첨단소재로 주목을 받고 있다. 에어로젤 블랑켓의 주요 특성치를 <표 1>에 나타냈다.

[표 1] 에어로젤 블랑켓의 주요 특징

<표 1>에서 실리카 에어로젤과 에어로젤 블랑켓의 주요 특징을 살펴본 바와 같이, 실리카 에어로젤은 초경량(공기의 3배 정도 무게까지 제조 가능)이면서 열전도율이 보통 단열재보다 1/3 이상 낮다는 장점을 가지고 있다. 하지만 높은 기공율(95%)로 인해 기계적인 강도가 매우 약하여 작은 충격에도 쉽게 부서지며, 알콕시드와 같은 고가의 원료를 사용하고 초임계 건조공정을 사용하여 제조해야 하므로 제조단가가 비싸다는(현재 플라스틱폼의 약 10배) 단점이 있다. 이러한 기계적인 강도의 취약성을 해결하기 위한 방법 중 하나로, 파이버와 에어로젤의 복합재료를 제조함으로써 유연성을 부여하고 기계적인 강도를 향상시키는 방법이 있다. 플렉시블 에어로젤 콤포지트 블랑켓(Flexible Aerogel Composite Blanket)은 기존 폴리머 단열재를 대체할 수 있을 정도로 우수한 단열 특성, 기계적인 강도, 유연성을 가진다. 이런 특성으로 인해 다양한 형태로도 쉽게 가공할 수 있어, 향후 기존의 건축용 단열재 시장을 대체할 것으로 예상되며 또한 우주선과 우주복, 운동복과 운동화와 같은 생활용품에 이르기까지 응용 가능성이 매우 확대될 것으로 예상된다. <표 2>는 에어로젤 블랑켓과 기존 단열재의 열전도 특성을 비교한 것이다.

[표 2] 에어로젤 블랑켓과 기존 단열재의 열전도 특성 비교

에어로젤 블랑켓의 경우 유리섬유, 스티로폼, 폴리우레탄폼에 비해서 열전도 특성이 1/2에서 1/3 정도로 낮은 것을 알 수 있다. 이로 인해 에어로젤 블랑켓은 기존 단열재보다 1/2~1/3 정도의 두께로도 같은 정도의 단열 효과를 나타낼 수 있다. 또한 500℃까지 견딜 수 있는 내열특성을 가지고 있고 유독가스를 방출하지 않으므로 보다 안전하고 환경친화적인 단열재로 각광을 받을 것으로 생각된다.

[표 3] 에어로젤 블랑켓의 주요 특성 및 응용

<표 3>은 에어로젤 블랑켓의 주요 특성과 응용을 나타낸 것이다. 에어로젤 블랑켓은 유연성을 가지고 있기 때문에 냉동 탱크, 연료파이프, 냉장·냉동고, 재킷·운동화, 항공기, 운송용 단열재로도 응용할 수 있다. <표 3>과 같이, 에어로젤 블랑켓은 밀도가 작고 열전도율이 기존 단열재보다 1/2~1/3 정도로 작기 때문에 보다 얇은 두께로도 좋은 단열 특성을 나타낸다. 또한 내열성이 우수하고 유독가스를 방출하지 않으므로 공업용 단열재와 우주복, 교통 및 차량, 전력생산용 단열재, 재킷이나 운동화류 등과 같은 생활용품에도 적용이 가능하다.

⒜ 유리섬유·실리카 에어로젤

⒝ 실리카 에어로젤 [그림 3] KICET TEOS-based 실리카 에어로젤 블랑켓 미세구조 사진

<그림 3>은 용매 치환·표면개질 및 상압건조에 의해 제조된 에어로젤 블랑켓의 미세구조 사진이다. 유리섬유 사이에 에어로젤이 잘 분포하고 있으며, 에어로젤을 확대해보면 미세기공이 존재하고 있음을 알 수 있다. <그림 4>는 상압건조에 의해 제조된 에어로젤 블랑켓 사진이다.

[그림 4] 실리카 에어로젤 블랑켓 샘플 사진(KICET)

⑵ 투광성 에어로젤 시트 에어로젤은 10㎚ 크기의 나노기공을 가지고 있는데, 합성조건을 조절하여 균일한 크기의 기공을 조절함으로써 가시광선 영역의 투광성을 조절할 수 있으며, 이를 이용하여 투광성 에어로젤 창을 제조하는 것도 가능하다. 미국의 Cabot사의 경우 두 장의 유리 판 사이에 에어로젤 분말을 충진하여 투광성 스카이라이트를 제조하여 판매하고 있다.(<그림 5> 참조) 이러한 투명성 및 투광성을 이용하여 필름시트를 제조하거나 코팅을 하게 되면 단열성능이 매우 좋아진다. 따라서 빛과 열이 함께 발생하는 조명시스템의 경우, 이 때 발생하는 열을 에어로젤 단열 코팅 및 시트를 이용함으로써 효율적으로 차단하는 것이 가능하다. ⑶ 카본 에어로젤을 이용한 슈퍼커패시터 응용 슈퍼커패시터는 많은 양의 전기를 단시간 내에 충전하고 방전하는 것이 가능하기 때문에, 자동차와 같이 대용량의 전기를 사용할 때 리튬이온전지와 함께 겸용으로 사용할 수 있다. 보통 슈퍼커패시터는 활성탄을 사용하여 제조하지만, 카본 에어로젤의 높은 비표면적을 이용하여 많은 양의 전기를 저장하고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 현재 요업기술원 역시 정책연구과제로 슈퍼커패시터용 나노기공 탄소 소재를 연구개발 중이다. 4. 개발 동향 및 향후 전망 에어로젤의 2006년 전 세계 시장규모는 3천 6백만 불 규모로 작은 편이었지만, 2011년에는 7억 5천만 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다. (BCC Research) 에어로젤은 단열 및 흡음제로의 응용이 70%를 차지할 것으로 예상되며, 복합화 및 실리카 에어로젤이 대부분의 에어로젤 소재로 사용될 것으로 전망된다. 미국의 NASA 프로젝트에서 시작되어 ASPEN사가 최초로 에어로젤 복합화 블랑켓으로 에어로젤 블랑켓 상용화하여 시장을 확대해 나가고 있는 상황이며 국내에서도 투자하여 시장을 개척해 나가려 하고 있다. 현재 에어로젤의 시장 진입에 가장 큰 걸림돌은 상용 폴리우레탄 단열재에 비하여 가격이 10배 가량 비싸다는 것이다. 이러한 가격 문제가 해결되고 시장이 확대되면 에어로젤은 최고의 단열재로 보급될 것이며, 그 중에서도 에어로젤의 기계적인 취약성을 보완한 에어로젤 블랑켓이 시장에서 많이 사용될 것으로 예상된다. 또한 투광성 단열재, 카본 에어로젤과 같은 슈퍼커패시터 전극소재 응용, 냉장고의 단열재 그리고 촉매 담체 등과 같은 신규의 소재시장이 향후 대두될 것으로 기대된다. 김창열(金昌烈) 1966년생. 한양대 무기재료공학 석사. 오사카대학 물질화학 공학박사. 삼성전자 LCD 공정개발 근무. 현 요업기술원 나노소재응용본부 나노소재팀 선임연구원 김병익(金秉益) 1956년생. 한양대 무기재료공학석사·박사. 요업기술원 수석연구원