다공성이며 초경량인 에어로겔은 액체 성분이 기체로 대체된 젤에서 합성된 나노 구조의 재료입니다. 실리카에서 개발된 최초의 에어로겔은 1931년 Kistler에 의해 보고되었습니다. 1990년대까지 NASA는 우주선, 우주복 및 담요의 단열재로 이를 사용했습니다. 그 이후로 에어로겔은 해저 시스템, 정유 공장, 산업 파이프라인, 건물, 냉장고, 재킷 및 신발 깔창과 같은 의류의 단열재로 채택되었습니다.
이러한 재료에 대한 새로운 건조 방법을 통해 100nm보다 작은 기공과 90~99.8%의 빈 공간으로 구성된 견고하고 초경량의 수지상 미세 구조가 형성됩니다. 공기가 통과하기에는 기공이 너무 작기 때문에 에어로겔은 매우 효과적인 단열재입니다.
이러한 재료의 가공 혁신으로 인해 에어로겔은 현재 다양한 특성을 가진 소재로 개발되고 있으며, 단열재 외에도 에너지 저장, 촉매, 약물 전달 등 다양한 용도로 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 최근의 발전은 구조적 무결성과 열적 특성을 향상시키는 데 초점을 맞춘 연구를 통해 내구성이 더욱 강화된 옵션으로 이어졌습니다. 또한 에어로겔은 분말이 아닌 재료로서는 높은 비표면적, 낮은 평균 확산 자유 경로, 낮은 열전도율, 낮은 음향 속도, 낮은 굴절률, 낮은 유전율, 매우 낮은 밀도(0.0011~~0.5g/cm³ 범위)를 보입니다.
사람이 직접 선별한 최대 규모의 과학 정보 모음인 CAS 컨텐츠 컬렉션TM을 조사하여 재료 과학 분야에서 이러한 혁신이 가장 큰 영향을 미치는 분야를 알아보았습니다.
에어로겔은 "얼어붙은 연기"인가요?
가장 초기에 개발된 에어로겔 중 하나인 실리카 에어로겔은 가볍고 초저밀도 특성으로 인해 "얼어붙은 연기"로 불렸습니다. 하지만 모든 에어로겔은 매우 가볍기는 하지만, 별명처럼 연기로 만들어지지는 않습니다.
에어로겔은 구성에 따라 무기 에어로겔, 유기 에어로겔, 에어로겔 복합체의 3가지 주요 유형이 있습니다. 무기 에어로겔은 실리카 에어로겔뿐만 아니라 금속 산화물 에어로겔 및 칼코게나이드 에어로겔도 포함하며, 이는 일반적으로 금속 알콕사이드 또는 금속염과 같은 무기 전구체 물질로부터 합성됩니다. 유기 에어로겔은 탄소 에어로겔, 탄소 나노튜브 에어로겔, 그래핀 에어로겔, 폴리머 에어로겔로 구성되며, 모두 페놀 포름알데히드 수지와 같은 유기 전구체 물질에서 합성됩니다. 에어로겔 복합체에는 혼합 산화물 에어로겔, 에어로겔-금속 유기 프레임워크(MOF) 복합체, 에어로겔-Mxene 복합체, 그리고 무기 및 유기 전구체를 결합하여 합성된 에어로겔이 포함됩니다.
CAS 컨텐츠 컬렉션을 분석한 결과, 지난 20년 동안 에어로겔 관련 간행물이 광범위하게 성장했음을 알 수 있습니다. 2013년 이후 특허 수는 꾸준히 증가하여 어떤 해에는 학술지보다 더 많은 특허가 출원되어 이 분야에 대한 상업적 관심이 상당하다는 것을 알 수 있습니다(그림 1 참조).
특정 유형의 에어로겔의 경우, 수년 동안 시장에 출시된 무기 에어로겔과 최신 합성 폴리머 에어로겔 등 특허가 학술지를 능가하는 경우도 있습니다(그림 2 참조). 가장 최근 그룹인 에어로겔 복합체는 관련 간행물이 적고, 현재까지 학술지가 특허 간행물보다 약간 앞서고 있습니다.
학술지 및 특허 간행물에서 CAS 컨텐츠 컬렉션™의 상위 20개 색인 물질을 분석했습니다(그림 3). 이는 그림 2에 제시된 문서 양과 밀접한 상관관계를 보입니다. 이 물질들은 특정 종류의 에어로겔 합성에 가장 많이 사용되는 재료입니다.
다양한 유형의 에어로겔 살펴보기
에어로겔 시장은 2025~2035년 예측 기간 동안 연평균 성장률(CAGR)이 약 17%에 이를 것으로 예상됩니다. 개발 중인 다양한 에어로겔은 무엇이며 어떻게 사용될 수 있을까요?
폴리머 에어로겔: 합성 폴리머 에어로겔의 특성은 실리카 기반 에어로겔과 매우 유사하며 절연 및 기계적 강도가 향상되어 항공우주, 에너지 저장 및 변환, 방탄 조끼, 무릎 패드, 스포츠 장비와 같은 보호 장비에 적합합니다. 생분해성 및 바이오 기반 폴리머의 개발도 추진력을 얻고 있는데, 이러한 물질이 에어로겔 물질에 대한 지속 가능한 대안을 제시하기 때문입니다. 기능화 가능성은 조직 공학, 재생 의학 및 약물 전달 시스템과 같은 생물의학 응용 부문에 적합한 특정 특성을 부여합니다.
무기 에어로겔: 금속 산화물 에어로겔은 무기 이온 결정 구조의 고유 특성으로 인해 열화학적 안정성이 뛰어나 촉매 응용 부문에 적합합니다. 마찬가지로 칼코게나이드 에어로겔은 주로 고품질 반도체 재료로 구성되어 있어 센서, LED, 광전지, 광촉매, 전기 촉매와 같은 고급 응용 부문에 유망합니다.
복합 에어로겔: Mxene 및 MOF 기반 에어로겔 복합체는 최근 개발된 것으로, 여전히 연구 단계에 있습니다. 특히 2D Mxene 시트를 3D 다공성 에어로겔에 전략적으로 통합하면 뛰어난 전기 전도성, 기계적 견고성, 그리고 기존 슈퍼커패시터 전극 재료를 능가하는 높은 비정전 용량을 보여줍니다. 또한 유연하고 가벼운 특성 덕분에 휴대가 간편하고 유연한 전자제품에 이상적입니다.
MOF 기반 에어로겔의 합성은 MOF의 미세/중공성과 에어로겔의 중대/대다공성을 통합하여 뛰어난 형태적, 기계적, 물리화학적 특성을 지닌 구조물을 만들어 냄으로써 재료 과학에 혁명을 일으켰습니다. 이러한 첨단 재료는 이미 촉매, 약물 전달, 감지, 에너지 저장, 수처리, 환경 정화 등의 공정에서 슈퍼커패시터로 다양하게 활용되고 있습니다.
에어로겔의 독특한 응용 부문
에어로겔은 에너지 저장, 촉매 및 다양한 생물의학 응용 부문에서 상당한 가능성을 보여주고 있습니다. 또한 화장품과 음향(방음) 산업에서 학술지보다 더 많은 특허가 발표되어, 이 분야에서 에어로겔의 상용화가 진행되고 있음을 강조합니다(그림 4 참조).
에어로겔은 음파의 속도와 진폭을 감소시키는 능력으로 차음재로 사용할 수 있습니다. 화장품에서 에어로겔은 크림의 유분 방지제로 작용합니다. TiO2-실리카 복합 에어로겔은 광 보호 성질로 인해 자외선 차단제에 첨가되고 있으며, 기존 제형보다 SPF를 증가시킬 수 있습니다. 이러한 용도는 소비재를 포함한 모든 유형의 제품을 개선할 수 있는 에어로겔의 잠재력을 보여줍니다.
상용화를 위한 도전 과제 극복하기
최근의 많은 발전에도 불구하고 에어로겔은 여전히 낮은 기계적 강도와 깨지기 쉬운 질감 등의 단점이 있어 응용 부문에 제한이 있을 수 있습니다. 복합 및 폴리머 에어로겔의 개발은 이러한 문제를 해결하고 있지만, 더 널리 사용되기 위해서는 추가적인 연구가 필요합니다.
생산은 여전히 복잡하고 시간이 많이 걸리는 과정이며, 실험실 규모의 생산은 이루어졌지만 품질과 특성을 손상시키지 않고 산업 수준의 생산으로 확장하는 것은 상당한 장애물이 되고 있습니다. 또한 연구자들은 규모 문제와 관련된 문제인 에어로겔의 생산 비용을 절감할 수 있는 방법을 찾는 것도 중요합니다.
에어로겔 시장은 아직 초기 단계이므로 몇 가지 과제가 남아 있는 것은 당연합니다. 그러나 이 재료의 미래는 밝습니다. 과학자들이 에어로겔의 잠재력을 최대한 활용함에 따라 에어로겔은 에너지부터 의학 등 다양한 응용 부문에서 더욱 인상적인 역할을 하게 될 것입니다.
