‘네 손에 물 한 방울도 안 묻히게 할게’라는 대사, 드라마나 영화에서 한 번쯤은 들어보셨을 말입니다. 물 없이는 일주일도 살기 힘든 우리가 손에 물 한 방울도 안 묻히기는커녕 물 한 번 안 보기도 힘든 일입니다. 하지만, 그 일이 실제로 가능하다면 어떠실 것 같나요? ‘이 물질’은 이 말을 영화보다 더 영화같이 현실로 만들어 줍니다.
에어로젤
‘이 물질’은 바로 ‘에어로젤’입니다. 에어로젤은, 최대 99.8%가 기체로 이루어져 있는 고체로, 밀도가 기체의 3배인 [수식1]에 불과합니다. 만드는 과정에서 묵과 같은 젤리의 액체 자리를 기체로 치환(원래 자리를 대신)하면서, 속이 텅 빈 구조의 에어로젤이 만들어집니다. 그렇다면 어떻게 이 에어로젤이 손에 물을 안 묻게 해주는 걸까요?
구조 때문에 그런구조!
비밀은 바로 에어로젤의 구조적 특성에 있습니다. 에어로젤은 작은 가루들 사이의 공간이 거의 텅텅 비어있는 구조를 갖기 때문에 안과 밖을 서로 차단해주는 역할을 합니다. 보통 손을 물에 넣으면 바로 물에 손이 젖어버리지만, 에어로젤 가루는 자체의 아주 얇은 공기층을 만들어 물이 통과하는 것을 막아줍니다. 실제로 에어로젤을 바르고 손을 물에 넣었다가 빼도 전혀 젖지 않는다는 것을 확인할 수 있습니다.
또한, 이런 에어로젤의 구조적 특성 때문에, 에어로젤은 ‘세상에서 가장 가벼운 고체‘라는 타이틀로 기네스북에 오르기도 했습니다. 상당히 가볍고 흥미로워 보이는 이 물질은 과연 그저 재밌는 쓰레기일까요?
가벼운 고추가 맵다
옛말에 ”작은 고추가 맵다“라는 말이 있습니다. 에어로젤을 보면 그 말이 어느 정도 맞다는 것을 알 수 있습니다. 에어로젤은 실제로 엄청난 단열성(열을 잘 전달시키지 않는 성질)과 방음(소음을 차단해주는 성질) 및 충격완화 성능이 있어 항공우주, 건축, 나노소재 등의 다양한 분야에서 주목받는 물질입니다. 그 중, 건축 분야에서는 높은 열전도율, 매우 낮은 밀도, 방수성, 저온성능 등의 성질이 단열재로 쓰이기 최적의 조건이 되기 때문에 ’꿈의 단열재‘라 불리기도 합니다.
에어로겔 블랑켓(aerogel blanket)
에어로겔의 활용성을 더 자세하게 알기 위해서는 실제로 어떻게 사용되고 있는지를 통해 소개하고자 합니다. 첫 번째로, 에어로겔 블랑켓은 에어로겔 소재를 복합화하여 매트리스나 시트 형태로 만든 것을 나타낸 것으로, 유연성이 있어서 굽히거나 접을 수 있는 특징을 갖고 있습니다. 작은 충격에도 쉽게 부서지는 단점을 보완하기 위해 여러 복합재료를 이용하여 우수한 단열특성, 기계적인 강도, 유연성 등을 모두 갖게 되었습니다. 이를 통해 우주비행사의 우주복, 겨울용 패딩등에도 적용되며 많은 역할을 하고 있습니다.
실리카 에어로겔
에어로젤의 나노 단위의 작은 기공을 조절하면, 가시광선 영역의 투광성을 조절할 수 있는데, 이를 투광성 에어로젤 시트라고 합니다. 이를 통해 실제로 미국에서 두 장의 유리판 사이에 에어로젤 분말을 넣어 필름시트를 제조하기도 했습니다. 기존 단열재에서는 볼 수 없었던 투광성을 활용하면, 빛과 열이 동시에 발생하는 조명시스템 등에 효율적으로 사용되는 것이 가능합니다. 또한, 태양열 집진설비 등에 응용할 수 있는 유력한 소재이기도 합니다. 하지만, 에어로겔은 기술적으로 완전 투명화가 이루어지지 않았고, 가격이 비싸다는 한계에 부딪혀 아직 상용화되지는 못하고 있습니다.
세라믹 에어로겔(Ceramic Aerogel)
세라믹 에어로겔은 내구성과 내열성이 뛰어나고 극심한 온도 변화도 견딜 수 있어 우주선 단열재에도 사용될 수 있는 물질입니다. 이미 1990년대부터 단열재로 사용하고 있으며, NASA 화성 탐사선에서 탑재되어 장비 단열재로도 사용된 적이 있습니다. 하지만 기존의 세라믹 에어로겔은 초고온에 노출되거나 급격한 온도 변화에 약해 크게 활용되지 못하였습니다. 최근 미국 로스앤젤레스 캘리포이나대(UCLA) 화학 및 생화학과 연구팀이 몇 초 사이의 급격한 온도 변화에도 손상이 없는 새로운 구조의 세라믹 에어로겔을 만들어 주목받고 있습니다. 이런 가공 과정은 우주선, 자동차, 특수 장비의 단열재로 사용될 수 있어 발전 가능성이 큰 물질입니다.
완벽한 물질은 없다
앞에서 소개했듯이, 에어로젤은 높은 단열성과 가벼움 등 많은 장점이 있어 연구가치가 높습니다. 하지만, 완벽해 보이는 에어로젤에도 여러 단점이 있습니다. 그중 가장 치명적인 것은 비싼 가공 비용과 흡입 시 유해성입니다. 에어로젤은 제작과정에서 알콕사이드라는 물질과 여러 무기물, 초임계 상태의 이산화탄소등을 이용하기 때문에 그 제작 비용이 비싸고, 만들 수 있는 양도 적습니다. 그에 따라서 2003년 우리나라 이상필 공학자가 에어로젤에 특수섬유를 첨가하는 방식으로 부드러워 쉽게 깨지지 않고(충격에 상당히 강해짐), 짧은 시간에 대량생산이 가능한 새로운 개념의 에어로젤을 만드는 등, 약점을 극복하기 위한 노력이 이루어지고 있습니다. 또한, 흥미로운 성질을 가진 에어로젤 파우더는 흡입 시 규폐증을 일으킬 수 있는 발암물질로 취급 시에 마시지 않도록 주의해야 합니다.
<참고문헌>
[1] AEROGEL KOREA: http://www.aerogel.co.kr/01_product/menu0102.php
[2] https://patents.google.com/patent/WO2017155311A1/ko
[3] 『나노기공 에어로젤 소재의 응용과 개발 전망』_2011.06_김창열
[4] https://www.thedailypost.kr/news/articleView.html?idxno=66758
<이미지>
[1] https://daedeokvalley.tistory.com/218
[2] https://www.thedailypost.kr/news/articleView.html?idxno=66758
<동영상>
[1] https://www.youtube.com/watch?v=12QJKET1Dq8
Chemi 학생기자 최인식
2019년 가을호
지식더하기
나노신소재, 단열재