| 고체 내에 기체가 현탁된 콜로이드인 에어로젤. 틴들 현상을 관찰할 수 있다. |
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1. 개요
에어로젤에 대해 설명한 영상
에어로겔은 세상에서 제일 가벼운 고체 이다. 젤에서부터 만들어지기 때문에 에어로젤이라는 이름이 붙었다. 물리적 특성은 젤과 매우 상이하다.
미국의 화학공학자 스티븐 키슬러가 동료 찰스와 기존의 젤에서 내부가 액체가 아닌 기체로 되어있는 물질을 먼저 개발한다는 내기를 걸었고 결국 스티븐 키슬러가 1931년 최초로 만들었다.
2. 제조법
최초의 에어로젤은 규소로 만들어졌고(실리카젤), 알루미늄, 크롬, 산화 주석 등으로도 만들 수 있으며 탄소 에어로젤은 1980년대에 처음으로 개발되었다.기본적인 제조원리는 초임계 건조법(supercritical drying)으로 젤의 고체구조를 유지하면서(평상에서는 모세관 현상으로 붕괴하며 함께 증발한다) 안의 액체를 제거한 후 기체로 다시 채워넣는 것이다.
현재의 일반적인 제조법은 알콕사이드(alkoxide)와 물유리(waterglass)을 원료로 만들어지는데, 먼저 액체 형태의 알콕사이드 혼합원료에 알코올과 첨가제를 넣고 틀에 넣으면 묵과 같은 알콜젤리가 만들어 진다. 이 젤리를 고온, 고압상태에서 초임계유체(이산화 탄소)를 흘리면 알코올이 들어있던 자리에 초임계유체가 들어간다. 그냥 기체를 쓰게되면 고체에 묻어있던 액체가 부피변화를 하므로 좋지가 않다. 건조용기에서 알코올 자리를 초임계유체가 차지하고 나면 온도, 압력을 서서히 낮춰 상온, 상압으로 만든 뒤 꺼내면 안의 이산화탄소가 대기 중의 공기로 치환되면서 에어로젤이 완성된다. 간단히 말하면 고체속에 액체거품을 만들어 액체같은 기체를 넣어 액체를 빼고, 다시 그곳에 보통 공기를 넣는다는 것이다.
초임계 유체를 통하지 않고 일반적인 환경에서 증발법을 통해 건조하는 경우 크세로겔(혹은 제로젤, Xerogel)이라고 하며, 에어로젤을 이 방법으로 건조하는 경우, 용매가 증발할 때에 작용하는 모세관력에 의해 구조가 허물어져버린다.
3. 성질
굉장히 딱딱하고 가벼운 물질이다. 99.8%가 기체로, 쉽게 말하면 수 많은 공기주머니로 이루어져 있다. 때문에 밀도가 공기의 3배에 불과한 0.003g/c㎥밖에 안 된다. 다시 말하면 거품 유리.약한 힘에는 끄떡없지만 일정 이상의 강한 힘에는 쉽게 영구적 변형이 된다. 또한 충격에 쉽게 깨진다.
그렇지만 구조적으로는 매우 튼튼해서 에어로젤 500g으로 소형 자동차 정도는 가볍게 지탱할수가 있다.[2] 2-5nm 크기의 공 모양 입자로 이루어진 다공성 구조 때문이다.
FE-SEM으로 촬영한 에어로젤 사진이다.
뛰어난 단열재이다. 텅 빈 구조 때문에 열의 3가지 전달 방법인 대류, 복사, 전도 중 대류, 전도가 매우 비효율적인 탓이다. 심지어는 에어로젤을 구성하는 기체보다도 열 전도성이 낮을 수 있는데, 이는 촘촘한 구조의 구멍들이 기체 입자의 자유 이동을 방해하기 때문이다.[3] 불 위에 에어로젤을 올려놓고 에어로젤 위에 손을 올려놓아도 뜨거움이 느껴지지 않는다. 가장 성능이 좋은 에어로젤은 실리카겔로, 이는 규소 원자 자체가 다른 금속이나 탄소보다 훨씬 열 전도성이 낮기 때문이다.
강력한 흡습성을 지녔기 때문에 장시간 에어로젤과 접촉해야 하는 사람은 피부가 건조해지는 것을 막기 위해 장갑을 착용해야 한다.
에어로젤은 기본적으로 친수성이지만, 화학처리를 통하여 소수성으로 만들 수 있다.
감촉은 스티로폼 또는 꽂꽂이용 폼과 비슷하다고 한다.
4. 실용화
현재 가장 활발하게 사용되는 에어로젤은 단열 성능이 뛰어난 실리카젤이다.대기권 진입때 엄청난 고열을 견뎌야 하는 우주선에서 단열재로 사용된다. 그러나 충격에는 약해 깨진다는 특성과 만드는데 시간이 많이 걸린다는 게 실용화에 가장 큰 걸림돌이었다. 그러다가 2003년 한국인 공학자 이강필 박사가 에어로젤에 특수섬유를 첨가하는 방식으로 부드러워 쉽게 깨지지 않고(충격에 상당히 강해짐), 짧은 시간에 대량생산이 가능한 새로운 개념의 에어로젤을 만들었다. 이 섬유 에어로젤은 빠른 속도로 상용화 되어 우주비행사의 우주복 등에 적용이 되고 겨울용 패딩에도 적용이 되기도 한다. #
탄소 에어로젤 또한 잠재적 활용 분야가 매우 다양하다. 실리카겔과는 달리 전도성을 띄기 때문에 전기전자 소재로 활용이 가능하고, 주로 탄소 섬유로 된 아주 얇은 종이 형태로 만들어지기 때문에 초축전기(supercapacitor)로서 사용될 수도 있다. 게다가 자외선을 흡수하는 성질이 뛰어나 태양광 전지 소재로 좋다.
실용화가 어느정도 된 상태기 때문에 충격흡수장갑, 얇은 스키복, 관단열재, 건물단열재 등 21세기 들어 응용분야는 무한하다고 보면 되겠다. 다만 아직도 비싸다는 게 흠. 그래도 18년 1월 기준 에어로젤 겨울 페딩이 30만원 수준으로 떨어졌다. 19년 11월 샤오미 DMN에서 에어로젤을 사용한 패딩을 발매하였다. 충전재 중 에어로젤 비율은 30%정도이며 20년 기준 8~10만원대에 직구 가능하다.
에어로젤을 활용한 제품은 별 문제없이 통관이 가능하지만, 링크와 같은 순수 에어로젤은 화학물질관리법에 의거 통관이 매우 까다롭다. 순수 에어로젤을 소장용으로 직구하려면 각 유역·지방환경청의 허가·신고를 받아야 하며 세관에서 수입신고를 할 때 유해화학물질 수입허가·신고증을 제출하는 등 관련 통관 절차를 거쳐야 한다.
또한 발암물질로 분류되어 있다. 에어로젤을 폐로 들이마실 경우 규폐증을 일으킬 수 있다. 석면이 해로운 이유와 같다.