본문영역
열전도율이 낮은 물질들 소개
- 에어로겔 성능표 -
단열재별 열전도율 비교표
1997년 미국은 화성탐사 역사상 최초로 화성 표면을 탐사한 로봇 '소저너'의 단열재로 '실리카 에어로겔(Sillica Aerogel)'을 사용했었다. 에어로겔로 인해 '소저너'는 무게를 20%가량을 줄일 수 있었으며, 영하 100℃에 이르는 혹한에서도 얼어붙지 않고 제대로 작동할 수 있었다. 이 성공덕분에 미국은 1999년 화성탐사선 '패스파인더'의 우주먼지 채집기와 화성표면 탐사차의 전자기기를 위한 극저온용 단열재로 에어로겔을 주로 사용한다.
한국에너지기술연구원(원장 한문희)은 지식경제부와 에너지관리공단의 ‘에너지·자원기술개발사업’의 지원을 받아 현존하는 가장 가벼운 고체 물질이면서 단열 성능이 매우 뛰어나 ‘슈퍼단열재’로 불리는 에어로겔(Aerogel)을 상용화하는 데 성공했다고 밝혔다.
기존의 에어로겔은 단열성능이 우수한 반면 제조 공정이 복잡하고 가격이 비싸 상용화에 어려움이 많다. 그런데 에너지연이 이번에 상용화한 기술은 실리카 에어로겔 분말 공정기술이다. 가격이 낮은 원료인 물유리(규산소다용액, 267원/㎏)를 활용하고 대기 중에 건조하는 상압건조를 이용해 통상 168시간이 걸리는 제조 공정을 단 6시간으로 대폭 줄이면서도 대량 생산하는 공정을 확보했다.
지난해 생기원이 에어로겔 공정을 15시간으로 줄일 수 있다고 공개했지만 상용화까지 이르지는 못했다.
기존 상용화 기술은 고가의 원료(㎏당 9만 6800원인 알콕사이드)와 고압 장치가 필요한 초임계 이산화탄소 건조공정을 사용하는데 반해 이 공정은 일반 공업용 원료인 저렴한 물유리를 바로 투입하고 표면개질과 겔화반응을 동시에 처리하는 새로운 혁신기술이다. 특히 연속 건조할 수 있는 유동층 건조공정을 적용하여 제조공정과 시간을 획기적으로 개선했다.
에너지연은 이번 기술개발과 함께 국내최초로 생산 설비를 구축하고, 연간 5톤 규모의 실리카 에어로겔 분말 양산에 들어갔다.
연구책임자인 안영수 박사는 “미국 제품과 동일한 성능이면서도 생산가는 절반에 불과하다”며 “앞으로 창호, 벽체, 천정 등의 건물용 단열재 및 흡차음재, LNG선 및 파이프를 포함한 산업용 단열재 등 광범위한 부문에 이 기술을 적용하는 응용제품 개발을 추진할것이다”고 말했다.
박희범기자 hbpark@etnews.co.kr
에어로겔은 빛을 잘 통과시키는 성질이 있어 유리 대신 창문 재질로 사용되기도 한다.
고체인 에어로겔은 매우 높은 단열 기능이 있다.
NASA 우주탐사선의 우주먼지 포집체로도 사용된 에어로겔.
에어로겔은 지구상에서 가장 가벼운 고체물질이다.
화성탐사 로봇 단열재로 사용
2000년에 뉴욕타임스가 서기 3000년에 개봉될 타임캡슐을 만들어 일반인에게 소개했다. 2000년 1월 1일자의 뉴욕타임스 신문외에 현대인의 생활필수품 수백 가지가 담긴 이 타임캡슐은 땅에 묻히지 않고 지상에 설치돼 1000년 뒤인 인류에 현대인의 모습을 전하게 되는데, 캡슐 소재가 에어로겔이다.
이 이야기가 일반인들에게 널리 전해지면서 2002년 기네스사는 에어로겔을 지구상에서 가장 가벼운 고체로 평가하고 기네스북에 등재했다. 그리고 2006년 초 미국의 우주선 '스타더스트 호'는 에어로겔로 만든 혜성물질 채집기를 이용해 인류 역사상 최초로 혜성 가까이 접근해 혜성에서 흘러나온 물질을 채취한다.
그동안 우주 공간에 떠 있는 혜성에 채집기를 접근시킬 수 없었던 것은 총알보다 5배나 빠른 속도로 달리는 혜성 물질의 충격을 견뎌낼 기구가 없었기 때문이다. 그러나 이 실험에서 에어로겔로 만든 채집기는 100만개가 넘는 혜성 물질과 성간 물질을 채집하는 데 성공하였다. 나사(NASA) 관계자들이 미국 유타주 사막에 안착한 채집기 표면을 살펴본 결과 새끼손가락이 들어갈 만큼의 홈들이 파져 있을 뿐 파손 흔적은 전혀 없었다.
에어로겔은 미래산업을 바꾸어놓을 만큼 가벼우면서도 놀라울 정도의 세기(강도)를 가진 '꿈의 소재'라고 할 수 있다. 기네스북에 등재된 이 에어로겔은 미국 로렌스 리버모어 연구소에서 제조한 물질이다. 이 물질의 경우 머리카락 1만분의 1 굵기의 실 형태로 이루어진 이산화규소(SiO2)나노구조체가 부직포처럼 성글게 얽혀 이루어졌있는데 실과 실 사이의 빈공간은 전체 부피의 98%를 차지하고 그공간에는 공기가 가득 들어차 있다.
에어로겔이란 단어는 공기를 의미하는 '에어로(aero)'와 3차원의 입체 구조를 의미하는 '겔(gel)'이란 단어로 합성돼 있는 이유가 바로 그 때문이다. 명칭대로 공기가 98%를 차지하고 있는 만큼 무게가 극히 덜 나간다. 에어로겔의 밀도는 공기 밀도(0.001g/㎤)에 비해 3배인 0.003g/㎤에 불과하다. 우리가 보통 사용하는 유리와 비교할때 1000분의 1에 불과하다고 보면 되는데 지금가지 인류가 제조한 소재 가운데 가장 가벼운 고체라고 할 수 있다.
무게가 그처럼 덜 나가는데도 불구하고 부피는 매우 크다. 에어로겔 500g정도로성인 크기의 사람 형태를 제작할 수 있다. 그러나 강도는 매우 강해 에어로겔 500g정도로도 소형 자동차의 무게를 가볍게 지탱할 수 있다. 높은 기공률로 인해 높은 방음력, 충격흡수, 단열 등의 장점이 있는것도 주목을 받고 있다. 특히 높은 투과성에 비해 열전도도가 매우 낮아 유리창을 대신할 투명단열재로서의 가치가 아주 높은것으로 평가받고 있다.
전체 부피의 98%는 공기
3㎜ 두께의 판유리의 태양광 투과율이 90%인 데 비해 두께 1㎝인 에어로겔은 94%의 투과율을 보인다. 그러면서도 열전도도가 매우 낮아 스티로폼 등의 기존 단열재에 비해 3배 정도의 단열 성능을 보인다. 즉, 빛을 통과시키면서도 열은 차단시키므로 매우높은 채광 효과를 기대할 수 있는 이상적인 건축 소재인 셈이다. 또한 1400℃의 고온에서도 견딜 수 있다.
에어로겔이 첫 선을 보인 것은 스키븐 크리슬러에 의해 개발된 1931년이다. 하지만 당시는 손가락으로 누르기만 해도 깨질 정도로 약한데다 제조하는 데 너무 많은 시간이 걸리고 무엇보다 너무 많은 비용이 들었다. 이후 많은 다국적 기업과 연구소에서 연구를 계속했지만 거의 70년에 걸쳐 별 다른 성과를 거두지 못했다. 그러던 중 1970년대 들어 산소와 로켓 연료의 저장재료 개발 과정에서 고순도의 에어로겔을 합성할 수 있는 공정이 개발되었다. 그리고 1980년대 들어와서는 에어로겔의 실용화 연구가 경쟁적으로 진행되면서 개발 당시의 단점을 하나씩 극복해 나가기 시작했다.
공교롭게도 세계 최초로 상용화에 성공한 미국의 아스펜사는 한국인 공학자 이강필 박사가 세운 회사이다. 이 박사는 특수 섬유를 첨가해 쉽게 깨지지 않고 대량 생산이 가능한 새로운 에어로겔을 개발하는 데 성공하여 세계를 놀라게 했다. 미국의 분말 대기업인 캐봇사는 에어로겔의 가능성을 탐지하고 이 원천기술을 고가에 매입하였다. 그리고 현재는 카본블랙 등 여러 종류의 분말을 생산하고 있는데 뛰어난 품질을 갖고 있지만가격이 워낙 비싸 일반인들이 쉽게 접할 수 있도록 본격적인 상용화가 언제 이루어질지는 아직 미지수다.
한국은 에어로겔과 매우 인연이 깊다. 지난해 10월 한국생산기술연구원 환경에너지본부의 김경수 박사팀이 이를 개발했기 때문이다. 그동안 에어로겔의 제조공법에 대해서는 관련 학계에 어느 정도는 알려진 상황이었다. 그러나 이번에 김박사팀은 물유리를 이용한 상압건조법을 통해 에어로겔 제조에 성공함으로서 그동안 사용화의 최대 걸림돌이었던 제조비용 단가를 파격적으로 줄인 것이다.
또한 분말제외에도 나노 수준의 기공 크기를 갖는 투명 소재인 '모노리쓰 에어로겔','고.저온용 플렉시블 단열시트','에어로겔 코팅기술'등 응용기술 개발에도 성공해 관계자들을 놀라게 했다. 한국이 이제 입자구조를 제어할 수 있는 기술을 갖게 됨으로써 미국에 이어 세계에서 두 번째로 초단열, 친환경적 특성을 가진 첨단 신소재로의 상용화 가능성이 열린 것이다. 개발을 주도한 김경수 박사는 "이것이 상용화될 경우 특히 냉.난방 에너지 절감효과만 30~50%에 이를 것으로 예측된다"고 자신했다.
<뉴스메이커>
우리기술투자가 꿈의 신소재라 불리는 '에어로겔' 개발의 세부 주관 및 참여기업인 엠파워의 지분을 15% 보유하고 있는 것으로 나타났다.
에어로겔이란 물에 뜰만큼 가벼우면서도 섭씨 1000도가 넘는 불꽃에도 끄떡없으며 판유리보다 빛 투과율이 높고, 소음은 완벽히 차단하는 신소재로 타임지가 지난 2002년 '올해의 발명품'으로 선정한 바 있다. 에어로겔은 이미 스키복, 우주선 등에 적용되고 있으며 LNG(액화천연가스) 저장탱크, 자기부상열차, 건축 단열재 등 우리 생활 전반에 적용될 전망이다.
지난 3일 국내에서도 획기적인 에어로겔 제조공정이 개발됐다는 소식이 알려졌다. 이번에 개발된 제조공정은 세계에서 가장 빠르고 싸게 에어로겔을 만들 수 있고, 기존의 관련 특허권도 침해하지 않는 차별화된 원천기술이다.
한국에너지연구원의 안영수 박사 연구팀은 새로운 개념의 '실리카 에어로겔 분말 상용화 공정기술'을 개발, 양산체제를 갖췄다고 지난 2일 밝혔다.
연구팀은 가격이 저렴한 물유리(규산소다용액)와 대기 중에 건조하는 방식의 '상압건조' 방법을 활용해 기존 168시간이 걸리던 제조 공정을 단 6시간으로 대폭 줄여 대량생산을 구현했다.
안 박사팀이 개발한 '실리카 에어로겔 분말' 제조기술은 미국 업체보다 가격과 시간은 크게 줄이면서도 동등한 성능을 보인다고 에너지연은 설명했다. 완제품의 가격 역시 수입산의 절반 정도에 내놓을 예정이다.
에너지연구원은 이 원천기술로 6건을 특허를 출원했으며, 엠파워와 함께 연간 5000톤(5만리터) 규모의 에어로겔 분말 시제품 생산 설비를 갖춰 양산을 시작했다고 한다.
금융감독원 전자공시에 나온 엠파워의 지난해 감사보고서에 따르면 엠파워는 실리카 에어로겔 개발 국가 과제의 세부 주관기관 및 참여기업으로 총괄 주관기관인 에너지연과 자원기술개발 협약서를 체결했으며, 관련특허 1건 등록 및 2건을 출원했다.
한편 코스닥 상장사 중에 우리기술투자가 에어로겔 생산 설비를 갖춘 엠파워의 지분 15.38%를 보유하고 있는 것으로 나타났다. 우리기술투자는 엠파워 주식 5만주를 보유해 15.38%의 지분을 확보하여 최대주주인 임종현 대표와 산업은행에 이어 3대 주주로 있다.
엠파워 관계자는 "현재 에어로겔을 생산중으로 아직 대량 발주를 받은 건 없으나 다양한 업체에서 에어로겔을 적용하고 싶다는 연락을 많이 받고 있다"면서 "에어로겔은 단열재를 비롯해 실생활 전반에 적용할 수 있는 범위가 광범위해 전체 시장 규모를 추산하기도 어렵다"고 말했다.
한편 우리기술투자 관계자는 "엠파워의 에어로겔 양산 소식을 듣고 매우 놀랐다"면서 "엠파워 투자는 주당 2만원꼴로 총 10억원을 지난 2007년에 투자했으며, 아직 상장 계획은 없는 걸로 알고 있고 향후 수익 측면에서 최소 3~5년 정도 예상하고 투자를 집행하고 있다"고 말했다.
꿈의 단열재 `에어로겔 분말` 대량생산 공정기술 구현 성공
에너지연 안영수 박사팀
`꿈의 단열재'로 불리는 에어로겔(Aerogel) 분말을 대량 생산할 수 있는 공정 기술이 국내 연구진에 의해 처음으로 개발되었다.
한국에너지기술연구원 변환저장소재연구센터 안영수 박사팀은 저렴한 비용으로 제조공정을 대폭 줄여 실리카 에어로겔 분말을 대량 생산할 수 있는 공정기술을 구현하는데 성공했다고 지난 2일 밝혔다.
이 공정기술은 일반 공업용 원료인 값싼 물유리를 사용하고 대기 중에서 건조하는 상압건조 방식을 통해 제조공정과 시간을 대폭 단축시킬 수 있다. 특히 제조공정을 기존 168시간(7일)에서 단 6시간으로 획기적으로 줄였으며 외국 제품과 비교해 동등한 성능을 나타내고 있다.
기존 에어로겔 상용화 기술은 고가의 원료인 알콕사이드와 고압장치가 필요한 초임계 이산화탄소 건조공정을 사용하는 등 복잡하고 비싼 생산설비를 갖춰야 하는 등 상용화하는데 어려움이 뒤따랐다.
안 박사팀은 실리카 에어로겔 분말 시제품을 연간 5톤 가량 생산할 수 있는 설비를 공동연구 기업인 엠파워와 구축, 에어로겔 제조기술은 물론 파일럿급 생산설비의 설계ㆍ운전기술을 확보하게 됐다. 또한 상압건조 공정기술은 기존 초임계 이산화탄소 공정에 비해 에너지 공정은 25만9000TOE(석유1톤에 해당하는 에너지량)/년, 폐수처리 2000TOE/년 등 연간 26만1000TOE(78억원)를 절감하여 친환경사업이 될 것으로 전망된다.
안영수 박사는 "기존 수입에 의존하던 고가의 실리카 에어로겔 분말을 절반 이하의 가격으로 대량 공급할 수 있어 관련 소재산업의 활성화 및 건물ㆍ산업분야 등에서 30% 이상의 에너지 절감효과를 거둘 수 있을 것"이라고 말했다.
| 기술명 | 국문 | 초단열성 실리카 에어로 겔 에너지 신소재 기술 개발 | ||
|---|---|---|---|---|
| 영문 | R&D of advanced silica aerogels with super-insulating propertiesies | |||
| 기술분야 | 재료 | |||
| 기술개요 | - 물유리와 상압건조공정을기반으로에어로젤신소재기술개발 - 저비용에어로겔소재제조핵심기술개발 -대상기술:1.분말/과립화기술,2.졸/겔코팅기술,3.벌크/복합화기술, 4.flexibl/일체화기술,5.저비용신상압건조공정기술 -개발품:저온/고온용실리카에어로겔초단열과립,에어로겔smartglazing,에어로겔타일,에어로겔flexible블랑켓트 |
|||
| 기술특징 | - 저온(투광성)/고온용(불투명)실리카에어로겔단열소재개발 -열전도율:≤0.015W/mK(0.013kcal/mh℃) - 저온용/고온용실리카에어로젤과립합성및기초기술개발 - 에어로젤smartglazing기술개발 - 에어로젤타일및복합체제조기술개발 - 에어로젤블랑켓트제조기술개발 - 핵심요소기술의개발 |
|||
| 산업재산권 보유 | - | |||
| 기대효과 | - 현재의에너지단열소재기술의한계극복 - 주요미래산업의기술력향상을담보 |
|||
| 활용방안 | - 연구사업의원활한진행을위한업무지원 - 전담기관과연구주체와의매끄러운교량역할 |
|||
| 기술명 | 국문 | 에어로겔 타일 및 복합체 보오드 개발 | ||
|---|---|---|---|---|
| 영문 | A Development of Aerogel Tiles and Composite Boards | |||
| 기술분야 | 재료 | |||
| 기술개요 | - 단일체형에어로겔타일제조를위한요소기술확립 -열전도도:<0.030W/mK(상온) - 에어로겔복합체보오드제조를위한기초기술확립 -보오드크기:50×50×5mm -열전도도:<0.045W/mK(상온) -굽힘강도:250kPa |
|||
| 기술특징 | - 초단열실리카에어로겔타일(단일체)및고강도복합체보오드개발 - 초단열실리카에어로겔타일(단일체)개발 -상압건조에의한투광성/불투명성타일제조기술개발 -열전도도:0.015W/(m․K)이하(상온) 0.035W/(m․K)이하(600℃) -압축율:0.3~1.0MPa - 초단열,고강도실리카에어로겔복합체보오드개발 -복합체내에어로겔과유/무기접착제와의균일분산기술개발 -열전도도:0.030W/(m․K)이하(상온) -굽힘강도:5MPa이상 - 수입실리카에어로젤분말및타일구입및분석 - 상압건조에의한에어로젤타일제조 - 동결건조에의한에어로젤분말제조 - 나노점토,알루미나,석고,펠라이트를이용한에어로젤복합체보오드제조 - 결합제양,에어로젤분말합량에따른기계적,열적특성측정및미세구조분석 |
|||
| 산업재산권 보유 | - | |||
| 기대효과 | - 국내외적으로기초연구단계에있는에어로겔합성및벌크형제조분야에서 선도적인기술확보 - 고부가가치의제품으로서수입대체효과는물론해외로의수출이증진기대 |
|||
| 활용방안 | - 건물용단열재,공업용노체나산업용전기로발열체용특수단열재로써활용기대 - 액화가스수송용탱크,의료용저온보관용탱크,가정용냉동및냉장시스템에 활용기대 |
|||
기타 다른 단열재의 열전도율 표.
재료별 열성능 예
재료 1 (단열재)
재료 | 열전도율(kcal/m.h ℃) |
아이소핑크특호 | 0.023 이하 (at 20 ℃) |
아이소핑크1호 | 0.024 이하 (at 20 ℃) |
아이소핑크2호 | 0.025 이하 (at 20 ℃) |
아이소핑크3호 | 0.027 이하 (at 20 ℃) |
미네랄울펠트(40-70) | 0.033 이하 (at 20 ℃) |
미네랄울1호(71-100) | 0.032 이하 (at 20 ℃) |
미네랄울2호(101-160) | 0.031 이하 (at 20 ℃) |
미네랄울3호(161-300) | 0.033 이하 (at 20 ℃) |
그라스울(64K) | 0.029 이하 (at 20 ℃) |
그라스울(48K) | 0.030 이하 (st 20 ℃) |
그라스울(32K) | 0.032 이하 (at 20 ℃) |
그라스울(24K) | 0.033 이하 (at 20 ℃) |
코트락 SWT | 0.036 이하 (at 20 ℃) |
재료 2 (베이스, 이지월)
재료 | 열전도율(kcal/m.h ℃) |
베이스패널(20mm) | 0.224 이상 |
베이스패널(35mm) | 0.267 이상 |
베이스패널(50mm) | 0.275 이상 |
베이스패널(60mm) | 0.292 이상 |
이지월(100mm) | 0.40 이상 |
재료 3 (내장재, 바닥재, 천장재)
재료 | 열전도율(kcal/m.h ℃) |
일반석고보드(9.5t) | 0.19 이하 |
일반석고보드(12.5t) | 0.18 이하 |
일반석고보드(15t) | 0.19 이하 |
방수석고보드(9.5t) | 0.19 이하 |
방수석고보드(12.5t) | 0.21 이하 |
방수석고보드(15t) | 0.21 이하 |
방화석고보드(12.5t) | 0.18 이하 |
방화석고보드(15t) | 0.19 이하 |
방화석고보드(25t) | 0.23 이하 |
밤라이트 | 0.23 이하 |
네오라이트 | 0.24 이하 |
아스톤 | 0.21 이하 |
디럭스타일 | 0.22 이하 |
디아트 | 0.16 이하 |
친마루 | 0.10 이하 |
아스칼 | 0.15 이하 |
아스텍스 | 0.15 이하 |
솔리톤 | 0.047 이하(at 20 ℃) |
오라톤 | 0.050 이하(at 20 ℃) |
재료 4 (기타재료)
재료 | 열전도율(kcal/m.h ℃) |
기와 | 0.30 이하 |
알루미늄 복합패널 | 0.43 이하 |
대리석 | 1.35 이하 |
스레트 | 1.10 이하 |
아스팔트 상급 | 0.09 이하 |
아스팔트 루핑 | 0.09 이하 |
아스팔트 방수층 | 1.20 이하 |
콘크리트 | 1.40 이하 |
누름 콘크리트 | 1.20 이하 |
경량기콘크리트 | 1.10 이하 |
화강석 잔다듬 | 1.87 이하 |
붉은 벽돌 | 0.67 이하 |
시멘트 벽돌 | 1.20 이하 |
시멘트 몰탈 | 1.20 이하 |
방습막 | 0.18 이하 |
폴리에틸렌 필름 | 0.04 이하 |
합판 | 0.14 이하 |
벽지 | 0.18 이하 |
모노륨 | 0.16 이하 |
자기질 타일 | 1.55 이하 |
세라믹 타일 | 1.10 이하 |
스치로폴 | 0.031 이하(at 20 ℃) |
스치로폴 | 0.032 이하(at 20 ℃) |
스치로폴 | 0.034 이하(at 20 ℃) |
스치로폴 | 0.037 이하(at 20 ℃) |
* 상기 열전도율은 KS 기준에 준한 열성능 예시입니다.
* 상기 열성능의 자세한 사항은 각 재료별 시험성적서 관련사에 문의하시길 바랍니다.
알면시리즈님
