지구상에서 가장 가벼운 고체 에어로겔

■ 지구상에서 가장 가벼운 고체 에어로겔
 
● 세계 최초로 상용화 성공한 한국인 공학자

세계 최초로 실리카 에어로겔(aerogel) 상용화에 성공한 미국 아스펜(aspen) 업체는 한국인 공학자 이강필 박사가 세운 회사이다. 상용화에 성공하자마자, 에어로겔은 곧바로 미국 항공 우주국(NASA) 우주선에 적용됐다. 1997년 07월 지구 역사상 최초로 화성에 터치 다운한 탐사차 소저너(sojourner) 소재로 쓰였다. 지구상에서 가장 가벼운 고체인 실리카 에어로겔(aerogel)은 공기 밀도(0.001g/㎤)의 3배인 0.003g/㎤에 불과하다. 에어로겔에 특수 섬유를 첨가해 쉽게 깨지지 않으면서 대량 생산할 수 있도록 해서 세계를 놀라게 했다. 지구상에서 가장 가벼운 고체 에어로겔은 공기를 의미하는 ‘aero’ 와 3차원의 입체 구조를 의미하는 ‘gel’이 합해진 단어이다. 머리카락의 1/10,000 굵기인 이산화규소(SiO2) 실이 부직포처럼 성글게 얽힌 형태이다, 실과 실 사이에는 공기 분자가 들어 있어 전체 부피 중 대부분이 공기가 차지하고 있다. 이렇게 가볍지만 강도는 매우 강해서 에어로겔 500g으로 소형 자동차 무게를 지탱할 수 있다. 기공률이 높아 방음과 충격 완화, 단열 등의 성질이 뛰어나고 높은 투광성에 비해 열 전도도가 낮아 유리창을 대신할 투명 단열재로도 각광받고 있다. 빛은 통과시키면서도 열은 차단해서 채광 효과는 높일 수 있어 뛰어난 건축 소재로도 사용될 수 있다. 미국 아스펜(aspen) 업체의 실리카 에어로겔 원료는 고온. 고압의 초임계 이산화탄소 공정으로 만들어지는데, 제조 과정이 복잡하고 시간이 오래 걸린다. 실리카 에어로겔은 머리카락 1만분의 1굵기의 얇은 실 형태의 이산화규소(SiO2) 나노 구조체가 얽혀 있으며, 전체 부피의 98%에 달하는 이들 사이의 공간에 공기가 가득 들어찬 물질이다.

● 에너지기술연구원, 단열성 경량성 뛰어난 에어로겔 개발

한국 에너지기술연구원에서 2006년 10월 개발한 에어로겔(aerogel) 소재는 실리카로 만들어진 나노 입자 크기의 물이며, 전체 부피의 90-99%가 기공으로 구성되어 있어서 현재 상용화된 소재 가운데 가장 뛰어난 단열성과 경량성을 갖고 있다. 물유리를 이용한 상압 건조법을 통해 에어로겔 제조에 성공함으로서 그동안 상용화의 최대 걸림돌이었던 제조 비용 단가를 파격적으로 줄였다. 또한, 나노 수준의 기공 크기를 갖는 투명 소재인 '모노리쓰 에어로겔', '고온. 저온용 플렉시블 단열 시트', '에어로겔 코팅 기술' 등 응용 기술 개발에도 성공했다. 한국이 입자구 조를 제어할 수 있는 기술을 갖게 됨으로써 미국에 이어 세계에서 2번째로 초단열, 친환경적 특성을 가진 첨단 신소재 상용화를 이룬 것이다.  선박 설비 제조 기업인 (주)대협 테크(Daehyup tech)는 2017년 이전받은 기술을 활용해서 국내 산업용. 건물용. 조선용 등의 단열재와 흡음재 시장에 진출했다. 미국 업체의 기술과 차별화된 에어로겔 소재 핵심 기술을 확보하고 있고, 외국 제품과 비교할 때, 동등한 성능 대비 가격이 저렴하다는 데 큰 의미가 있다.

● 알이엠텍(REM tech), 상온 상압의 새로운 공정 개발

미국 업체의 고온. 고압의 에어로겔(aerogel) 공정이 아닌 상온 상압의 새로운 공정을 2011년 개발한 알이엠텍(REM tech)은 이 가격을 크게 낮췄다. 상온 상압 제조 기술의 국내외 특허 등록을 마친 알이엠텍(REM tech)은 2016년 하루 80-90킬로그램의 에어로겔 생산이 가능한 설비를 갖추고, 본격적인 양산에 들어갔다. 이와 함께 에어로겔 원료를 이용한 응용 제품 개발도 한창이다. 그중 에어로겔을 접착 소재로 활용한 유리 섬유는 벌써부터 시장의 반응이 뜨겁다. 가격 경쟁력은 물론이고, 성형성. 발수성. 단열성과 600도 이상의 내열 기능까지 갖춰 석유화학 단지나 발전소 등의 배관용으로 유용하게 쓰인다. 2018년부터 내열 기준이 크게 강화될 건축용 샌드위치 패널의 심재 역시 알이엠텍(REM tech)이 주목하고 있는 분야이다.

● LG 화학, 에어로겔 생산 비용 낮춘 시스템 개발

LG 화학은 2016년 03월 에어로겔(aerogel) 원료의 회수율을 높이고, 제조에 필요한 에너지 비용을 절감시키는 실리카 에어로겔 제조 시스템에 관한 특허를 출원 등록했다. LG 화학은 ‘실리카 에어로겔 제조 시스템’에 대한 해당 특허는 생산 속도가 증가하고, 생산 효율 또는 성능이 증대될 수 있는 실리카 에어로겔 제조 시스템에 관한 것이다. 회사 측은 에어로겔을 미래 준비를 위한 유망소재 사업 중 하나로 적극 개발, 육성해 나갈 방침이다. 무척 가벼우면서도 강한 세기를 가져 미래 산업을 바꿔 놓을 수 있는 '꿈의 소재'로 불리며, 높은 단열 효과, 뛰어난 방음력과 충격 완화력을 자랑한다. 가전 제품이나 의약. 화장품부터 에너지 절약형 건물 단열재, LNG (액화 천연가스) 저장 탱크, 우주 항공 분야에 이르기까지 광범위하게 응용 가능하다.

● 연세대 연구팀, ‘그래핀(graphene) 에어로겔’ 신공정 개발

에너지 저장 장치 소재로 각광받는 ‘그래핀(graphene) 에어로겔’의 무게를 줄이고, 전기 전도도 등의 성능을 높이는 데 성공했다. 연세대 글로벌 융합 공학부 오정우 교수 연구팀은 기존의 그래핀 에어로겔 제조 공정에 간단히 환원제를 투입하는 방법만으로 공기만큼 가볍고, 전기 전도도와 신축성이 뛰어난 3차원 다공성 에어로겔을 합성했다고 2015년 12월 03일 밝혔다. 그래핀 에어로겔은 '꿈의 신소재'로 불리는 나노 구조체 그래핀을 이용해 만든 물질이다. 표면적이 넓고 전기 전도성과 신축성이 뛰어나 배터리 등 에너지 저장장치에 사용되는 전극 소재로 주목받고 있다. 연구팀은 기존의 제조 공정에 헥사메틸렌테트라아민이라는 환원제를 투입한 결과, 그래핀 에어로겔 제조에 필요한 환원 작용의 효율이 높아지고, 합성된 결과물의 무게가 공기와 맞먹을 만큼 가벼워진다는 사실을 발견했다. 아울러 이 과정에서 질소가 물질에 자연스럽게 첨가되면서 전기 전도도가 높아지는 효과를 가져왔다. 이번 연구 결과로 그래핀 에어로겔이 주로 쓰이는 배터리 전극 등 에너지 저장 장치의 성능을 한층 향상시킬 수 있을 것이다.

● 버려진 페트병으로 만드는 ‘페트(PET) 에어로겔’

싱가포르(Singapore) 국립대학 연구진은 버려진 플라스틱 페트병을 이용해 에어로겔(aerogel)을 만들 수 있는 기술을 개발했다. 버려진 페트병 플라스틱 쓰레기로 미세 섬유를 만든 뒤, 여기에 실리카 소재(TEOS. Tetraethoxysilane)를 코팅해서 에어로겔을 만든 것이다. 이렇게 만들어진 ‘페트(PET) 에어로겔’은 단열과 방음 성능이 뛰어나 건축 소재로 활용될 수 있다. 여기에 메틸 화합물로 코팅하면, 기름을 흡수하는 기능이 뛰어나 기름 제거용으로도 쓰일 수 있다. 또한, 먼지와 유독 물질을 걸러낼 수 있으며, 섭씨 620도의 고온도 견딜 수 있어 소방관 방화복 소재로도 사용될 수 있다.

● 의류 폐기물로 만드는 ‘코튼(cotton) 에어로겔’

플라스틱 페트병뿐만 아니라 버려지는 의류 폐기물로도 만드는 ‘코튼(cotton) 에어로겔’도 개발되어 곧 출시될 계획이다. 버려지는 폐기물에서 우리의 삶에 도움을 주는 신소재로 떠오른 에어로겔(aerogel)은 미래의 혁신적인 소재로 거듭 태어날 것이다. 의류 폐기물로 제작된 코튼 에어로겔은 군용 수통 덮개나 지혈 장치에 활용될 수 있다고 한다. 코튼 에어로겔 펠렛(pellet)은 4.5초 안에 16배 팽창한다. 기존 셀룰로오스 기반 스펀지에 비해 더 크게, 3배 더 빠르게 부풀어 오르는 것이다. 그러면서도 그 구조적 완결성은 유지한다. 코튼 에어로겔의 독특한 형태적 특성으로 인해 흡수 능력이 더 커졌다. 또한 우수한 압축성으로 인해 더 빠르게 팽창해서 상처에 압력을 가할 수 있다.