[과학이야기]공기보다 가벼운 고체 ‘에어로겔’

에어로겔은 빛을 잘 통과시켜 유리 대신 창문 재질로 사용되기도 한다.

공기처럼 가벼운 고체가 있다면 믿겠는가. 무게는 유리의 1000분의 1에 불과하다. 그 주인공은 바로 ‘에이로겔’이다.
1997년 미국은 화성탐사 역사상 최초로 화성 표면을 탐사한 로봇 ‘소저너’의 단열재로 ‘실리카 에어로겔(Silica Aerogel)’을 사용했다. 에어로겔로 인해 ‘소저너’는 무게를 20% 가량 줄일 수 있었으며, 영하 100℃에 이르는 혹한에서도 얼어붙지 않고 제대로 작동할 수 있었다. 이 성공에 힘입어 미국은 1999년 화성탐사선 ‘패스파인더’의 우주먼지 채집기와 화성표면 탐사차의 전자기기를 위한 극저온용 단열재로 에어로겔을 자신있게 사용한다.

화성탐사 로봇 단열재로 사용

고체인 에어로겔은 단열 기능이 있다.

2000년에는 뉴욕타임스가 서기 3000년에 개봉될 타임캡슐을 만들어 일반인에게 소개했다. 2000년 1월 1일자 뉴욕타임스 신문과 현대인의 생활필수품 수백 가지가 담긴 이 타임캡슐은 땅에 묻지 않고 지상에 설치돼 1000년 뒤에 인류에 현대인의 모습을 전하게 되는데, 캡슐 소재가 에어로겔이다.

이같은 이야기들이 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 통해 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 뛰어나오는 혜성 물질의 충격을 견뎌낼 기구가 없었기 때문이다. 그러나 이 실험에서 에어로겔로 만든 채집기는 100만 개가 넘는 혜성 물질과 성간 물질을 채집하는 데 성공했다. 나사(NASA) 관계자들이 미국 유타주 사막에 안착한 채집기 표면을 살펴본 결과 새끼손가락이 들어갈 만큼의 홈이 파져 있을 뿐 파손 흔적은 전혀 없었다.

에어로겔은 미래산업을 바꾸어놓을 만큼 가벼우면서도 놀라울 정도의 세기를 가진 ‘꿈의 소재’라고 할 수 있다. 기네스북에 등재된 에어로겔은 미국 로렌스 리버모어 연구소에서 제조한 물질이다. 이 물질의 경우 머리카락 1만분의 1 굵기의 실 형태로 이루어진 이산화규소(SiO2) 나노구조체가 부직포처럼 성글게 얽혀 이루어졌지만 실과 실 사이 전체 부피의 98%를 차지하는 공간에는 공기가 가득 들어차 있다.

NASA 우주탐사선의 우주먼지 포집체로 사용된 에어로겔.

에어로겔이란 단어 속에 공기를 의미하는 ‘에어로(aero)’와 3차원의 입체 구조를 의미하는 ‘겔(gel)’이란 단어가 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 유리에 비교해서는 1000분의 1에 불과하다고 보면 되는데 지금까지 인류가 제조한 소재 가운데 가장 가벼운 고체라고 할 수 있다.

무게가 그처럼 덜 나가는데도 불구하고 부피는 매우 크다. 에어로겔 500g 정도를 사용하면 성인 크기의 사람 형태를 제작할 수 있다. 그러나 강도는 매우 강해 에어로겔 500g 정도로 소형 자동차의 무게를 가볍게 지탱할 수 있다. 높은 기공률로 인해 높은 방음력, 충격완화, 단열 등의 장점이 있는 것도 주목을 받고 있다. 특히 높은 투광성에 비해 열전도도가 매우 낮아 유리창을 대신할 투명단열재로서의 가치가 아주 높은 것으로 평가받고 있다.

전체 부피의 98% 공기가 차지

3㎜ 두께의 판유리의 태양광 투과율이 90%인 데 비해 두께 1㎝인 에어로겔은 94%의 투과율을 보인다. 그러나 열전도도가 매우 낮아 스티로폼 등의 기존 단열재에 비해 3배 정도의 단열 성능을 보인다. 즉, 빛을 통과시키면서도 열은 차단시키므로 채광의 효과를 기대할 수 있는 이상적인 건축 소재인 셈이다. 1400℃의 고온에서도 견딜 수 있다.

에어로겔이 처음 선을 보인 것은 스키븐 크리슬러가 개발한 1931년이다. 하지만 당시는 손가락으로 누르기만 해도 깨질 정도로 약한데다 제조하는 데 너무 많은 시간이 걸리고 무엇보다 너무 많은 비용이 들었다. 이후 많은 다국적 기업과 연구소가 연구를 계속했지만 거의 70년에 걸쳐 별다른 성과를 거두지 못했다. 그러던 중 1970년대 들어 산소와 로켓 연료의 저장재료 개발 과정에서 고순도의 에어로겔을 합성할 수 있는 공정이 개발되었다. 그리고 1980년대 들어 에어로겔의 실용화 연구가 경쟁적으로 진행되면서 개발 당시의 단점을 하나씩 극복해 나가기 시작했다.

에어로겔은 지구상에서 가장 가벼운 고체다.

공교롭게도 세계 최초로 상용화에 성공한 미국의 아스펜사는 한국인 공학자 이강필 박사가 세운 회사다. 이 박사는 특수 섬유를 첨가해 쉽게 깨지지 않고 대량 생산이 가능한 새로운 에어로겔을 개발하는 데 성공해 세계를 놀라게 했다. 미국의 분말 대기업인 캐봇사는 에어로겔의 가능성을 탐지하고 이 원천기술을 고가에 매입한다. 그리고 현재 카본블랙 등 여러 종류의 분말을 생산하고 있는데 뛰어난 품질을 갖고 있으면서도 가격이 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 개발한 것. 그동안 에어로겔의 제조공법에 대해서는 관련 학계에 어느 정도 알려진 상황이었다. 그러나 김 박사팀은 물유리를 이용한 상압건조법을 통해 에어로겔 제조에 성공함으로서 그동안 상용화의 최대 걸림돌이었던 제조비용 단가를 파격적으로 줄였다.

과학이야기

또한 분말제도 외에도 나노 수준의 기공 크기를 갖는 투명 소재인 ‘모노리쓰 에어로겔’, ‘고·저온용 플렉시블 단열시트’, ‘에어로겔 코팅기술’ 등 응용기술 개발에도 성공했다고 발표해 관계자들을 놀라게 했다. 한국이 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 “상용화될 경우 특히 냉·난방 에너지 절감효과만 30~50%에 이를 것으로 예측된다”고 자신했다.

< 이강봉 사이언스타임즈 편집위원 aacc409@hanmail.net>