단열을 넘어: 에어로젤의 새로운 응용 분야

다공성 초경량 소재인 에어로젤은 젤의 액체 성분을 기체로 대체하여 합성한 나노 구조 소재입니다. 실리카로 개발된 최초의 에어로젤은 1931년 키슬러에 의해 보고되었습니다. 1990년대에 이르러 NASA는 우주선, 우주복, 담요의 단열재로 이를 사용하기 시작했습니다. 그 이후 에어로젤은 해저 시스템, 정유 공장, 산업용 파이프라인, 건물, 냉장고, 재킷이나 신발 깔창과 같은 의류의 단열재로 채택되었습니다.

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이러한 소재를 위한 새로운 건조 방식은 100nm 미만의 기공과 90~99.8%의 빈 공간으로 구성된 견고하고 초경량인 수지상 미세 구조를 형성합니다. 이 기공들은 공기가 통과하기에는 너무 작기 때문에 에어로젤은 매우 효과적인 단열재 역할을 합니다.

소재 가공 기술의 혁신으로 에어로젤은 다양한 특성을 갖추게 되었으며, 에너지 저장, 촉매 작용, 약물 전달 등 단열재 이외의 분야에서도 활용 가능성이 커지고 있습니다. 최근의 발전으로 내구성이 향상된 옵션들이 등장했으며, 구조적 무결성과 열적 특성을 강화하는 연구가 집중적으로 이루어지고 있습니다. 또한 에어로젤은 비분말 소재로서는 높은 비표면적, 낮은 확산 평균 자유 행로, 낮은 열전도율, 낮은 음속, 낮은 굴절률, 낮은 유전 상수, 그리고 극도로 낮은 밀도(0.0011~약 0.5 g/cm³)를 나타냅니다.

당사는 인간이 큐레이션한 최대 규모의 과학 정보 컬렉션인 CAS Content Collection^TM을 분석하여 이러한 재료 과학 분야의 돌파구가 어디에서 가장 큰 영향을 미치고 있는지 확인했습니다.

에어로젤은 "얼어붙은 연기"일까요?

가장 초기에 개발된 실리카 에어로젤은 가볍고 초저밀도인 특성 때문에 "얼어붙은 연기"라고 불렸습니다. 하지만 모든 에어로젤이 매우 가볍기는 해도, 별명처럼 연기로 만들어진 것은 아닙니다.

에어로젤은 조성에 따라 크게 세 가지 유형으로 나뉩니다: 무기 에어로젤, 유기 에어로젤, 에어로젤 복합체입니다. 무기 에어로젤은 실리카 에어로젤뿐만 아니라 금속 산화물 에어로젤과 칼코게나이드 에어로젤을 포함하며, 일반적으로 금속 알콕사이드나 금속 염과 같은 무기 전구체 물질에서 합성됩니다. 유기 에어로젤은 탄소 에어로젤, 탄소 나노튜브 에어로젤, 그래핀 에어로젤, 고분자 에어로젤로 구성되며, 모두 페놀 포름알데히드 수지와 같은 유기 전구체 물질에서 합성됩니다. 복합 에어로젤에는 혼합 산화물 에어로젤, 에어로젤-금속 유기 골격체(MOF) 복합체, 에어로젤-Mxene 복합체, 그리고 무기 및 유기 전구체를 결합하여 합성한 에어로젤이 포함됩니다.

CAS Content Collection 분석 결과, 지난 20년간 에어로젤 관련 출판물이 광범위하게 증가했음을 알 수 있습니다. 2013년 이후 특허 건수는 학술지 논문보다 더 꾸준히 증가했으며, 이는 해당 분야에 대한 상당한 상업적 관심을 나타냅니다(그림 1 참조).

특정 유형의 에어로젤의 경우 특허 수가 학술지 논문 수를 앞지르기도 했습니다. 예를 들어, 수년간 시장에 출시된 무기 에어로젤과 더 최근에 개발된 합성 고분자 에어로젤이 이에 해당합니다(그림 2 참조). 가장 최근에 등장한 에어로젤 복합체는 관련 출판물 수가 상대적으로 적으며, 현재까지는 학술지 논문이 특허 출원보다 약간 더 많은 비중을 차지하고 있습니다.

또한 CAS Content Collection™에 색인된 상위 20개 물질을 학술지 논문과 특허를 기준으로 분석했으며(그림 3), 이는 그림 2에 제시된 문서 수와 밀접한 상관관계를 보입니다. 이러한 물질들은 특정 등급의 에어로젤 합성에 가장 많이 사용되는 재료입니다.

다양한 유형의 에어로젤 탐색

에어로젤 시장은 2025년부터 2035년까지의 예측 기간 동안 연평균 성장률(CAGR)이 약 17%에 이를 것으로 예상됩니다. 현재 개발 중인 다양한 에어로젤은 무엇이며, 어떻게 활용될 수 있을까요?

고분자 에어로젤: 합성 고분자 에어로젤의 특성은 실리카 기반 에어로젤과 매우 유사하며, 향상된 단열 성능과 기계적 강도 덕분에 항공우주, 에너지 저장 및 변환, 방탄조끼, 무릎 보호대, 스포츠 장비와 같은 보호 장비 분야에 적합합니다. 생분해성 및 바이오 기반 고분자 개발 또한 탄력을 받고 있으며 이러한 소재는 에어로젤을 위한 지속 가능한 대안을 제시합니다. 기능화 가능성 덕분에 조직 공학, 재생 의학, 약물 전달 시스템과 같은 생의학 분야에 적합한 특정 특성을 갖추게 됩니다.

무기 에어로젤: 금속 산화물 에어로젤은 무기 이온 결정 구조의 고유한 특성으로 인해 뛰어난 열화학적 안정성을 나타내며 촉매 응용 분야에 적합합니다. 마찬가지로, 칼코게나이드 에어로젤은 주로 고품질 반도체 소재로 구성되어 있어 센서, LED, 태양광 발전, 광촉매 및 전기 촉매와 같은 첨단 분야에 유망한 소재로 평가받습니다.

복합 에어로젤: 맥신(Mxene) 및 MOF 기반 에어로젤 복합체는 최근 개발된 분야로 아직 연구 단계에 머물러 있습니다. 특히 2D 맥신 시트를 3D 다공성 에어로젤에 전략적으로 통합하면 뛰어난 전기 전도성, 기계적 견고성, 높은 비정전용량을 나타내어 기존 슈퍼커패시터 전극 소재를 능가하는 성능을 보입니다. 또한 유연하고 가벼운 특성 덕분에 휴대용 및 유연 전자 기기에 이상적입니다.

MOF 기반 에어로젤의 합성은 MOF의 미세/메조 기공 구조와 에어로젤의 메조/거대 기공 구조를 결합하여 형태학적, 기계적, 물리화학적 특성이 뛰어난 구조를 구현함으로써 재료 과학에 혁신을 가져왔습니다. 이러한 첨단 소재는 이미 슈퍼커패시터뿐만 아니라 촉매, 약물 전달, 센싱, 에너지 저장, 수처리 및 환경 정화 등 다양한 공정에 활용되고 있습니다.

에어로젤의 독특한 응용 분야

에어로젤이 에너지 저장, 촉매 및 다양한 생의학 분야에서 상당한 가능성을 보여주고 있다는 점은 분명합니다. 또한 화장품 및 음향(방음) 산업에서 학술지 논문보다 특허 출원 수가 더 많다는 점은 이 분야에서 에어로젤의 상용화가 활발히 진행되고 있음을 시사합니다(그림 4 참조).

With their ability to diminish the speed and amplitude of sound waves, aerogels can be used as acoustic insulation materials. In cosmetics, aerogels function as anti-shine agents in creams. Composite aerogels of TiO₂-silica are being added to sunscreen because of their photoprotective properties, which can increase SPF beyond what conventional formulations can achieve. These uses demonstrate the potential of aerogels to improve all types of products, including consumer goods.

상용화를 위한 과제 극복

최근 많은 발전에도 불구하고 에어로젤은 여전히 낮은 기계적 강도와 취약한 질감 등 응용 분야를 제한할 수 있는 단점을 가지고 있습니다. 복합 및 고분자 에어로젤 개발을 통해 이러한 문제를 해결하고 있으나, 더 폭넓은 사용을 위해서는 추가적인 연구가 필요합니다.

에어로젤 생산은 여전히 복잡하고 시간이 많이 소요되는 공정이며, 실험실 규모의 생산은 성공했으나 품질과 특성을 유지하면서 산업 수준으로 생산 규모를 확대하는 것은 상당한 걸림돌이 됩니다. 또한 연구자들이 에어로젤과 관련된 생산 비용을 절감할 방법을 찾는 것이 중요하며, 이는 규모 확대 문제와도 직결됩니다.

에어로젤 시장은 아직 초기 단계이므로 몇 가지 과제가 남아 있는 것은 당연합니다. 하지만 이 소재의 미래는 밝습니다. 과학자들이 에어로젤의 잠재력을 완전히 활용함에 따라, 에어로젤은 에너지에서 의학에 이르는 다양한 분야에서 더욱 인상적인 역할을 하게 될 것입니다.