안 영 수_ 한국에너지기술연구원 창의소재연구실 책임연구원

연 순 화_ 한국에너지기술연구원 에너지저장연구실 책임연구원

김 기 환_ 한국에너지기술연구원 태양광연구실 선임연구원

Ⅰ. 서 론

작년 12월 프랑스 파리 유엔 기후변화협약 당사국총회(COP21)에서 역사적인 ‘파리 기후 협정’이 최종 타결되었다. 그 협정은 선진국에서만 온실가스 감축 의무를 지운 1997년 ‘교토의정서’와는 달리 195개 당사국 모두가 지켜야 하는 세계적 기후 합의로서 그 의의가 매우 크다. 합의문 내용을 보면 이번 세기말(2100년)까지 지구 평균온도를 산업화 이전 대비 상승폭을 2℃보다 훨씬 아래인 1.5℃로 상승폭을 제한하도록 노력하고 내용을 담고 있다. 또한 2018년부터는 5년마다 탄소 감축약속을 잘 지키는지 검토받아야 한다[1]. 이  와 같이 국제 기후변화협약이 체결된 이후 전세계적으로 에너지와 환경 문제가 중요한 이슈로 부각됨에 따라 에너지 소비량이 많은 산업, 건물, 수송 부분에 있어 에너지 사용량을 줄여서 온실가스 배출을 줄이는 것이 필수 불가결한 일로 되었다.
우리나라의 에너지 소비를 부문별로 보면 산업부문 55%, 건물부문 24%, 수송부문 21%로 산업부문이 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 산업부문에서는 에너지 소비가 가장 높은 정유/석유화학/제철 플랜트 등의 중화학 산업에서 에너지 사용량을 줄이는 것이야 말로 국가 전체의 온실가스 배출 감소를 위해서 매우 중요한 일이다. 화학 산업에서 공장 전체에 대한 에너지 사용량을 최소화하는 새로운 설비나 공정설계 기술들이 개발되어 왔지만 여러 제약조건 때문에 기존 공장의 공정개선에 적용하기가 쉽지 않기 때문에 에너지 손실을 쉽게 줄일 수 있는 방법 중의 하나로 단열강화가 필요하다[2]. 따라서 에너지 절약 및 온실가스 감축이 그 어느 때보다도 중요한 시점에 친환경적이면서도 내구성이 우수하며 고성능을 갖는 단열재 적용한 단열시스템으로 산업용 설비 및 배관 등을 단열 시공하는 것이 매우 중요하다.
본 절에서는 단열재 중에서 특히 내구성이 우수하며 친환경 고성능 단열재로 있는 에어로겔 소재 특성 및 제조기술, 국내외 기술개발 동향, 에어로겔을 적용함에 따른 단열 등의 효과 및 이점 등을 서술하고자 한다.

Ⅱ. 본 론

Ⅱ-1. 에어로겔 특성 및 제조

에어로겔은 80~99% 정도의 기공율과 50nm 이하의 나노 기공크기를 갖는 초다공성 물질로서, 현재까지 인류가 개발한 상용화된 소재중에서 가장 가볍고 가장 뛰어난 초단열/초경량/초다공성/초저유전 등의 특성을 갖는 재료로 있기 때문에 초단열 소재 외에 에너지/환경/전기전자 분야에 무한한 응용 가능성을 가진 유망 핵심소재로 있다[3]. [그림 1]과 같이 에어로겔은 삼차원 망목구조를 가지며 그 내부에 공기분자의 평균자유행로보다 작은 크기의 기공을 갖는 초다공성 구조로 되어 있어 열전도를 최소화 하며 빛 산란성이 우수하고, 또한 음파의 전달을 지연시키는 특성 등을 보유하고 있어 건물 및 산업 부문에 단열재 및 흡음재 등으로 활용되고 있는 소재로 있다. Science periodical에서는 “Aerogels is one of the top ten science and technology development” 라고 주창할 정도로 에어로겔은 매우 중요하고 기술개발이 필요한 소재로 있다. 에어로겔는 미국 ISO표준에서 “균질한 경량 고체물질로 겔 내부의 액체성분이 기체로 대체된 겔로부터 제조한 물질”이라 정의하고 있다.
실리카 에어로겔은 낮은 열전도도, 낮은 음파속도, 낮은 흡수율, 높은 비표면적과 높은 기공율 등의 물성을 갖는 저밀도 물질로서, 상업용 단열재 제품 등으로 개발되어 시판 중에 있다. 상업화된 실리카 에어로겔 제품은 크게[그림 2]와 같이 분말 형상과 섬유복합체인 블랑켓 형태가 있다. 에어로겔 분말 형상은 단열 도료, 실란트 등의 첨가제 또는 판넬에 충진시켜 판넬용 단열재 및 채광창 등으로 응용되고 있고 블랑켓은 그 자체로 제품이 적용되고 있다. 이 외에 이중창에 삽입하여 이용되고 있는 일정크기의 모노리스 시제품도 시판중이다.
실리카 에어로겔의 제조공정은 [그림 3]과 같이 습윤겔(wet gel)을 제조하는 졸-겔 공정(Sol-Gel Process)과 용매 추출 및 증발 공정(Solvent Ex-traction & Evaporation Process)으로 구성된다. 졸-겔 공정으로 제조된 습윤겔은 수 vol%의 고상 망목구조와 나머지 90% 이상의 기공 내에 물이나 알코올이 채워져 있는 상태로 있다. 따라서 에어로겔 제조공정의 핵심기술은 습윤겔의 구조를 그대로 유지한 채로 수축 없이 겔 내부의 용매를 추출 또는 증발시키기 위한 건조공정 기술로 있으며 대표적인 건조방법으로는 초임계건조(supercritical drying) 및 상압건조(ambient drying) 기술 등이 있다.

자세한 내용은 세라믹 코리아 3월호에서 확인 가능합니다.