카본에어로겔은 무엇이며 어디에 이용되는가?
ReSEAT 전문연구위원 오창섭
간의 의식주 해결 문제 중, 저소득 국가에서는 먹고 입는 문제가 가장 중요하지만 경제가 발전하면 주택이 가장 중 요한 문제가 될 것이다. 주택 건축 시 유리처럼 투명한 단열재를 건 축 소재로 쓸 수 있다면 각광을 받을 만한 가치가 있을 것이다. 투 명 단열재로 부각되고 있는 소재가 바로 에어로겔이다. 실리카 에어 로겔은 습윤겔의 구조를 변형 없이 그대로 건조시켜 얻어지는 것 으로, 80~99.87%의 기공율과 1~50nm의 기공 크기를 갖는 비표 면적이 높은 물질이다. 이 물질은 현재까지 인류가 발견하고 개발 한 고체 물질 가운데 가장 가볍고 초 다공물질로서 초 단열과 초 저 유전 특성을 갖는 환상적인 재료 중의 하나이다.
내가 에너지기술연구원에 재직할 당시, 에너지기술연구원에서는 다양한 재질 및 형상의 에어로겔을 합성하기 위해서 기존의 합성 공정과 초임계 건조 공정을 개선하고 물유리 이용을 출발 물질로 한 새로운 공정을 개발했다. 용매를 치환해서 표면을 개질하고 기공확산에 의한 상압건조의 신기술개발, 에어로겔의 물성제어 및 평가와 응용에 관한 연구를 수행했다.
카본에어로겔은 1~20nm범위의 카본 나노 입자들이 3차원적으로 네트워크 구조를 형성하고 있는 다공성 재료이며, 비표면적이 400~
1100m2/g으로 높고, 전기 전도도가 1~50 S/cm이다. 게다가 카본이 99.5% 이상인 고순도를 가지고 있기 때문에 슈퍼커패시터용 전극, 해수담수화용 이온교환(CDI) 및 촉매 등 다공성 전극으로서 다양한 전기화학적 분야에 응용할 수 있다.
에어로겔로 이산화티타늄(TiO2), 알루미늄 등 다양한 소재가 응용될 수 있는데, 크게 세라믹 계열의 실리카 에어로겔과 폴리머 계열의 카본 에어로겔로 분류된다. 에어로겔은 단열성과 저유전성이 필요한 모든 산업분야에 적용될 수 있고 가장 각광을 받는 분야가 투명단열재 시장이라고 할 수 있다.
실리카 에어로겔의 단열성은 유리창의 백배이고 가시광선에 대한 과성을 가지고 있기 때문에 건축용에서 유리를 대체하고 태양열 집진 설비에 응용하면 매우 유용한 소재가 될 수 있다. 실제로 스위스에서 투명한 과립 에어로겔을 건물 외벽 단열재로 적용한 결과, 연평균 석유
카본에어로겔은 무엇이며 어디에 이용되는가? •115 사용량이 기존의 1/10 수준으로 감소하였다고 한다. 그러나 아직은 실리카 에어로겔이 기술적으로 완전투명화가 실현되지 않은 상태이며 대형 판상 제작이 어렵다. 실리카에어로겔은 광도 개선이 어려워 코팅 재료로써 응용 가능성이 더 인정받고 있는데, 초절연성을 응용해서 반도체 저절연성 코팅재로서 대단히 유용한 것으로 평가되고 있다.
반도체 기업들이 변화에 민감한 반도체의 특성 때문에 쉽게 대체 적용 하지 못하고 있으나, 선진국에서는 생산되는 시제품으로 성능을 인정 받고 있다. 실리카 에어로겔을 이중창 유리에 코팅함으로써 단열성을 크게 개선할 수 있으며 냉난방시스템의 효율화에 크게 기여할 수 있다.
카본 에어로겔은 유기계통 에어로겔로써 용매 치환하여 건조시키는 과정까지는 실리카 에어로겔과 동일하지만 유기물질 특성상 전도성이 없고 고온에서 사용이 불가능하기 때문에 열분해를 이용해 탄소만 남기고 나머지를 제거시키는 것이다. 카본에어로겔은 전기 전도도가 우수하고 고비표면적이기 때문에 이상적인 전극 재료로 평가되고 슈퍼커패시터용으로도 광범위하게 적용되고 있다. 슈퍼커패시터용 카본 에어로겔 전극은 고출력 밀도와 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 비축전용량용으로 이용되고 있다.
또한 카본에어로겔은 담수화 및 이온 폐수 처리 공정인 해수담수화용 이온교환(CDI)으로 활용할 수도 있어 이에 관한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 해수담수화용 이온교환은 탄소 사이에 해수와 담수를 흐르게 하여 전극을 띄게 되면 이온 담수화시키는 것으로, 에어로겔이 가볍고 다공질이고 표면적이 대단히 넓기 때문에 이온이 부착하는
공간이 넓어 고효율을 가지게 된다. 카본에어로겔을 해수담수화용 이온 교환 수지에 적용하게 되면 기존의 일반 공정에 비해 10~20배의 에너지효율을 가질 뿐만 아니라 멤브레인, 고압 펌프를 사용하지 않아도 되기 때문에 공정이 간단해질 수 있다. 카본에어로겔은 실리카 에어로 겔과 달리 고강도 제작이 용이하기 때문에 상업화가 상대적으로 빨리 진행될 수 있다.
에어로겔 재료로 현재까지 가장 많이 개발 응용되고 있는 것이 실리카 에로겔인데 1931년 독일의 Kistler가 초임계 건조법으로 처음 개발한 후, 1980년부터 본격적인 실용화 연구가 시작되었다. 초임계 건조법은 이소프로필알코올을 용매로 하는 고온초임계 건조법과 액상 이산화탄소를 이용한 저온 초임계 건조법으로 분류되는데, 용매의 임계 온도까지 고온고압상태를 유지시켜야 하기 때문에 대형 설비에 제조 경비가 대단히 높아지는 단점이 있다.
1984년에 스웨덴의 에어로겔 제조 공장에서 폭발 사고가 일어나 인명 피해가 발생하는 등 폭발의 위험도 커서 에어로겔 양산의 걸림돌이 되었다. 이에 따라 새롭게 등장한 것이 상압 건조법이다. 상압 건조법은 용매 치환을 화학적으로 개질해서 열처리함으로써 에어로겔을 제조하는 공법인데, 1992년 미국에서 개발되어 에어로겔 상업화의 시초가 되었다.
상압 건조법은 초임계 건조법처럼 대규모의 고압설비를 필요로 하지 않으며 폭발의 위험도 없기 때문에 제조 단가가 훨씬 낮다. 그러나 상압 건조법으로 생산된 에어로겔은 투명도를 비롯한 전반적인 물성이 초임계건조보다 낮다고 평가되는데 이것이 건조 시 변형이 없도록
카본에어로겔은 무엇이며 어디에 이용되는가? •117 하는 에어로겔 기술의 핵심이다. 초임계 건조법은 고압에서 건조하기 때문에 수축이 거의 발생하지 않는 반면, 상압 건조는 그만한 압력을 만들기 어렵기 때문이다. 상압 건조법은 제조 단가가 낮고 안전성 문제 에서 큰 장점을 가지고 있기 때문에 에어로겔에 대한 연구와 제조공정 개선에 대한 연구가 중점적으로 진행되고 있다. 1992년 독일에서 저가형 에어로겔 과립을 생산한 이래 1999년경 미국에서 초임계 건조법과 상압건조법을 병행하여 에어로겔 상용화를 위한 생산이 이루어졌다.
1999년에 상용화가 시작되었을 때만 해도 매우 고가였지만, 최근에는 상압건조법이 활발하게 연구 개발되면서 가격이 현저히 떨어졌다.
하지만 국내 연구자들은 가격을 더욱 낮춰야 상용화가 될 수 있을 것이라 전만하기 때문에 현재까지도 계속 연구를 진행하고 있는 중이다.
앞에서 언급했듯이 경량이며 단열성이 높기 때문에 건축용 단열재로 이용되고, 높은 재활용성으로 인해 해양 유출 기름 회수에도 이용되고 있다. 세계 시장은 2013년에 2억2천백팔십만 달러에 이르렀고 계속 36%의 연평균 복합 성장률로 2020년경에는 18억9천6백6십만 달러에 달할 전망이다.
이상과 같이 에어로겔 물질의 제조 기술은 선진국을 비롯하여 모든 국가들이 경쟁적으로 수행하고 있는 건축 재료기술로서 다양한 형태와 그 외 다양한 용도로 이용되는 우수한 단열성과 활용성이 있는 재료다.
그러므로 국내에서도 국제 경쟁에 대응할 수 있는 확실한 기술 개발과
성능 향상이 필수적이기 때문에, 이에 대한 연구가 꾸준히 이루어져 에어로겔을 효율적으로 건축 재료 등에 활용함으로써 우리나라 에너지 절약과 쾌적한 환경개선을 이루어 내어 더욱 발전한 복지국가가 이루어 나가기를 바라는 바이다.
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