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미래 바꿀 신소재, 에어로젤
강유정 기자  |  gc5994@daum.net
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승인 2019.03.18  17:00:53
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20세기를 대표하는 소재는 단연 플라스틱이었다. 하지만 더 가볍고 더 높은 강도를 지닌 신소재에 대한 수요는 꾸준히 증가했고 이를 개발하기 위한 과학자들의 연구도 계속됐다. 지속적인 연구 끝에 발견된 것이 바로 에어로젤이다. 에어로젤은 세상에서 가장 가벼운 고체로 기네스북에 올랐다. 에어로젤의 발전 역사와 향후 전망을 알아보자.

미래 바꿀 신소재, 에어로젤
 에어로젤은 1931년 미국의 화학공학자 스티븐 키슬러가 처음 발견했다. 에어로젤은 공기를 의미하는 에어로(aero)와 고체화된 액체를 의미하는 젤(gel)의 합성어다.
 에어로젤은 알콕사이드와 물유리를 원료로 만들어진다. 액체 형태인 알콕사이드 혼합 원료에 알코올과 첨가제를 넣고 틀에 넣은 후 얼마간 시간이 흐르면 묵과 같은 젤 형태의 알코젤이 된다. 알코젤을 건조용기에 널고 고온·고압 상태에서 초임계이산화탄소를 흘리면 알코올이 들어있던 자리에 초임계이산화탄소가 들어간다. 이때 초임계이산화탄소를 흘리는 이유는 부피 변화를 없애기 위해서다. 고체에 묻어있던 액체가 기체로 변하면서 표면장력의 차이로 인해 부피가 변하기 때문이다.
 건조용기에서 액체 상태인 알코올 자리를 초임계이산화탄소가 대체하고 나면 온도와 압력을 서서히 낮춰 상온·상압으로 만든다. 이때 알코젤을 꺼내면 이산화탄소 자리에 대기 중의 공기가 유입되고 기체가 98%를 차지하는 고체인 에어로젤이 탄생하게 된다. 쉽게 말해 모래와 유리로 만들어진 고체거품이라고 생각하면 된다.
 이렇게 탄생한 에어로젤은 SiO2 (실리콘산화물)로 이뤄져있다. 머리카락의 1만분의 1 굵기인 SiO2실이 아주 촘촘하게 얽혀 있는데, 실 사이사이에 공기 분자들이 갇혀 있어 전체 부피로 보면 공기가 98%를 차지한다. 즉 빈 공간이 98%나 돼 연료나 전자를 담을 수 있다. 또한 열, 전기, 소리, 충격 등을 차단하는 효과가 뛰어나다. 뿐만 아니라 무게가 같은 부피 공기의 3배 밖에 안 될 정도로 가벼워서 미래 세계를 바꿀 신소재로 주목받아왔다.
 그러나 손바닥만 한 에어로젤을 만드는 데 사흘이 넘게 걸리고 손가락으로 가볍게 눌러도 깨질 정도로 약해 실용화에 어려움을 겪었다.

   

에어로젤 대량생산 가능해져
에어로젤의 약한 강도, 긴 제조시간, 높은 비용을 해결하기 위해 많은 다국적 기업과 연구소가 연구를 계속했지만 약 70년 동안 별다른 성과를 거두지 못했다. 그럼에도 연구는 계속됐고 1970년대 들어 산소와 로켓 연료의 저장재료 개발 과정에서 고순도의 에어로젤을 합성할 수 있는 공정이 개발됐다. 1980년대 들어 에어로젤의 실용화 연구가 경쟁적으로 진행되면서 개발 당시의 단점을 하나씩 극복해 나가기 시작했다.
 그러던 중 2003년 한국인 공학자 이강필 박사가 세계 최초로 에어로젤 개량에 성공했다. 이 박사는 에어로젤에 특수 섬유를 조금 첨가해 문제를 해결했다. 개량 에어로젤은 헝겊처럼 부들부들해 깨지지 않고 짧은 시간에 대량생산이 가능했다. 또한 섭씨 1100℃에서도 전혀 타지 않고 충격방지 시트를 놓고 화약을 터뜨려도 아무런 흔적이 남지 않아 주목받았다. 이 박사가 개량한 에어로젤은 즉시 미국 항공우주(NAS A) 케네디 우주센터에 공급됐다. 이후 2006년 미국은 우주선 ‘스타더스트’호 외부에 에어로젤로 만든 혜성 물질 채집기를 부착한 후 인류 역사상 최초로 혜성 가까이 접근해 혜성에서 흘러나온 우주 물질 채집에 성공했다.

에어로젤 활용 범위 넓어져
 특정 분야에서만 사용되던 에어로젤이 전 분야에서 상용화되기 시작했다.
 특히 에어로젤은 기존 건축물 단열재를 대체할 소재로 주목받았다. 수샹 연구원 팀은 에어로젤의 내부 구조를 건축물을 설계하는 방법으로 만들어 열 차폐 능력을 한층 높이는 데 성공했다. 연구팀은 질화붕소를 이용해 에어로젤 내부에 육각형 모양의 벌집 모양 구조를 여러 개 만든 후 X자 형태의 구조를 더해 3차원 입체 나노 다공성 구조를 완성했다. 이어서 고온 열처리를 하거나 화학처리를 하는 과정을 거쳐 내부 벽을 미세한 두 겹 구조로 바꿨다. 쉽게 말해 아파트에 이중창을 설치하면 열이 더 잘 차단되듯이 내부 공간 사이에서도 이중 막 덕분에 열이 전달되지 않는 것이다. 이런 과정을 거친 에어로젤은 유리섬유보다 약 20%, 그래핀보다 약 50%, 실리카보다 약 70% 열을 더 잘 차단했다.
 이외에도 에어로젤 기술을 활용한 세계 최초의 방한용 구두가 공개됐다. 에어로젤을 활용한 방한용 신발은 특히 군용 방한화에 효과적일 것으로 예상된다. 군용 방한화의 내부 단열재로 사용 시 동계 전투력 향상 등에 기여할 수 있다.
 에어로젤을 소재로 한 방화복 개발에도 성공했다. 기존 방화복보다 5배 이상의 단열성능을 갖춰 1000℃ 이상의 환경에 노출돼도 일정시간 신체를 보호한다. 뿐만 아니라 물에 젖지 않아 화재현장에서 초단열성유지가 가능하며 수분흡수에 의한 방화복 무게 변화를 최소화해 무거운 장비를 지니고 있어도 불편함이 없다.
 이처럼 에어로젤은 응용 범위가 스키복, 장갑, 우주범선, 어뢰 등으로 점점 넓어져 앞으로 더욱 기대되는 신소재 중 하나다.

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