Special 미래 첨단산업 핵심소재 및 선도기술 개발 동향(3)

초경량·초단열·초고비표면적 특성의 에어로겔 소재기술

박형호_연세대학교 신소재공학과 교수

산업화 사회에서의 에너지 및 환경 관련 문제

1975년 컬럼비아대 지구연구소의 해양·지구학자인 월러스 브로커(Wallace S. Broecker)가 처음 지구 온난화(global warming) 문제를 처음 제기한 이후로 약 반세기가 가까워지고 있다[¹]. 현재까지도 이러한 기후 변화 문제에 대해 다양한 전문가들의 경고의 목소리가 나오고 있는 만큼, 지구 온난화 문제는 세계적인 문제로 대두된 지 오랜 시간이 지나고 있다. 산업 발전에 따라 온실가스의 발생 농도 변화 폭은 점점 커지고 있으며, 우리나라의 경우 10년간 기상재해에 따른 피해액이 약 3조 원에 달할 정도로 기후 문제는 국가 경제와도 밀접한 연관이 있다. 이의 해결을 위해 신 기후체제 파리협정(파리 기후 협약)이나 뉴딜 정책과 같은 녹색 정책들이 시행되었고, 건축 및 산업 부분에서는 제로 에너지 건축이나 온실가스 배출권거래제 등이 제기되고 있다. 에너지 손실 방지를 통한 에너지 효율 향상만으로도 30% 이상의 온실가스를 감축할 수 있는 만큼, 지구 온난화 문제 해결을 위한 핵심 기술은 에너지 효율 향상과 밀접하게 관련되어 있다. 이 때문에 에너지 효율성을 극대화하고 온실가스를 감축할 수 있는 신개념 소재의 개발이 시급하다.

자료 : 환경부
그림 1. (좌) 파리 기후협약에 따른 우리나라의 온실가스 저감 목표 및 (우) 일자리 창출과 환경 개선을 위한 그린 뉴딜 종합계획

  온실가스 감축 목표 달성을 위해서는 무엇보다도 산업시설 및 기자재의 단열성을 강화하여 온실가스의 발생을 막고, 공정 중 방출되는 열에너지의 손실을 최대한으로 막아 에너지의 효율을 향상시키는 방안이 중요하다. 또한 산업 분야에서 필수적으로 이용되는 자동차, 트럭, 비행기 등과 같은 각종 운송 수단에서 연비의 효율을 증대시키기 위해 차체에 경량 소재를 적용하여 중량을 획기적으로 줄이는 방안도 온실가스 저감의 한 방안으로 제안되고 있다. 이러한 이유로 건축·산업 분야에서 단열과 경량화의 중요성은 점점 커지고 있으며, 이러한 문제를 해결할 수 있는 핵심 극한 물성 소재로 다양한 종류의 신소재가 제기되고 있다. 일반적으로 금속소재는 우수한 전기 전도성과 기계적 강도를 가지고 있지만 단열성이 매우 낮고 고중량 특성을 가지며, 일반적인 유/무기 기반 복합 소재의 경우 높은 단열 특성과 경량특성을 보유하고 있지만 고온에 취약하다는 단점이 있다. 이러한 소재적 한계를 극복할 수 있는 극한 물성 신소재 물질로 초다공성 구조를 가지는 무기 에어로겔(aerogel)이 제기될 수 있다.

그림 2. 신소재 후보물질 간 특성비교

에어로겔의 정의 및 특성

일명 ‘frozen smoke’라고 불리는 세상에서 가장 가벼운 고체인 에어로겔은 내부의 90% 이상이 공기로 이루어진 물질로, 그 이름은 공기(aero)와 3차원 네트워크 구조(gel)의 합성어에서 기인하였다[²]. 에어로겔은 주로 용액 공정(solution process)을 기반으로 한 가수분해(hydrolysis) 및 중합반응(condensation)을 통해 형성되며, 건조 과정에서 기체-액체 사이 계면의 힘에 의한 내부 기공 구조의 변형 없이, 물질 내부의 용매가 증발하며 만들어진다. 때문에 일반적인 건조 과정을 거친 물질과 다르게 자체 구조를 그대로 유지하면서도 내부에 많은 기공을 가지는 물질이다. 이러한 특성으로 인해 제조 과정에서 내부 기공의 균열 발생이나 수축 현상을 최소화할 수 있는 장점이 있으며, 이에 따라 에어로겔은 높은 다공성을 가지면서도 불규칙한 3차원 기공 구조를 가지고 있다. 기공 크기의 변화는 균일한 세라믹 메조포러스(mesoporous) 소재의 구조보다 크며, 기계적 특성은 균일한 기공의 세라믹 메조포러스 구조보다 낮지만, 훨씬 낮은 열전도도를 가지고 있다. 특히 구조 내 존재하는 기공의 크기가 평균 공기 움직임 반경보다도 작기 때문에 대류에 의한 열확산이 최소화되고 정지 공기에 필적할 정도의 낮은 열전도 특성을 나타낸다. 에어로겔의 기공 특성과 열적 특성 간의 최적화는 균일한 기공의 세라믹 메조포러스 재료에 비해 다소 어려우나, 그 잠재적인 극한 물성의 관점으로 미루어볼 때는 훨씬 효율적인 물질이라 할 수 있다.

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