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에어로젤

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목차

1. 개요

에어로젤은 1931년 최초로 개발된 고체 물질로, 액체를 기체로 대체하는 과정을 통해 만들어진다. 다양한 종류가 있으며, 특히 실리카 에어로젤은 가장 흔하게 사용되며, '얼린 연기'라는 별칭으로 불릴 만큼 반투명한 특징을 지닌다. 에어로젤은 매우 낮은 밀도와 높은 다공성, 넓은 표면적을 가지며, 뛰어난 단열 성능, 흡착 능력, 촉매 및 우주 먼지 포집 등 다양한 분야에 응용된다. 제조 비용이 높고 깨지기 쉬운 단점이 있으나, 단열재, 흡착제, 촉매, 에너지 저장 장치, 약물 전달 시스템 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

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에어로젤
기본 정보
에어로젤 블록
에어로젤 블록
밀도0.0011 ~ 0.5 g/cm³ (일반적으로)
열전도율0.003 ~ 0.03 W/(m·K)
정의
IUPAC 정의분산상이 기체인 미세 다공성 고체로 구성된 젤
특징
특징높은 다공성
낮은 밀도
낮은 열전도율
역사
최초 개발스티븐 새뮤얼 키슬러 (1931년)
종류
종류실리카 에어로젤
탄소 에어로젤
금속 산화물 에어로젤
유기 에어로젤
응용 분야
응용 분야단열재
흡수제
촉매 지지체
우주 탐사 (Stardust 탐사선)

2. 역사

에어로젤은 1931년 새뮤얼 스티븐스 키슬러가 처음 만들었으며,[7] 이는 찰스 러언드와 "젤리" 속 액체를 수축 없이 기체로 대체할 수 있는 사람이 누구인지 겨루는 내기[8]를 한 결과였다.[9][10]

찰스 란드가 젤리에 포함된 물을 수축을 일으키지 않고 기체로 치환할 수 있는지에 대한 과제를 제시하였고, 스티븐 키슬러|스티븐 키슬러영어가 이에 도전하여 1931년 네이처에 발표하였다.[123] 처음 치환에 성공한 물질은 실리카겔이었지만, 같은 논문에서 규소, 알루미나, 산화 크롬, 산화 주석도 보고되었다. 그 후 다양한 물질로 제작되게 되었다. 카본 에어로젤은 1989년에 발명되었다.[124]

3. 종류

에어로젤은 다양한 종류가 있으며, 각각 독특한 특성과 제조 방법을 가지고 있다.


  • 실리카 에어로젤: 가장 일반적인 에어로젤로, 실리카(SiO2)를 주성분으로 한다. 졸-겔 공정을 통해 제조되며, 뛰어난 단열 성능을 가진다. 자세한 내용은 하위 섹션 #실리카 에어로젤을 참조.
  • 탄소 에어로젤: 레소르시놀-포름알데히드 에어로젤(RF 에어로젤)을 열분해하여 만든다. 높은 기공률과 넓은 표면적을 가지며, 콘덴서 전극이나 탈이온화 전극, 태양열 에너지 수집 등에 활용된다. 자세한 내용은 하위 섹션 #탄소 에어로젤을 참조.
  • 금속 산화물 에어로젤: 알루미나(Al2O3), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 주석(SnO2) 등 다양한 금속 산화물을 이용하여 만든다. 촉매로 많이 활용되며, 특히 니켈-알루미나 에어로젤이 많이 연구된다. 자세한 내용은 하위 섹션 #금속 산화물 에어로젤을 참조.
  • 유기 에어로젤: 한천, 폴리이미드, 셀룰로스 등 유기 고분자를 이용하여 만든다. SEAgel은 한천으로 만든 유기 에어로젤로, 쌀로 만든 떡과 유사한 맛과 질감을 가진다. 자세한 내용은 하위 섹션 #유기 에어로젤을 참조.
  • 기타: 에어로젤은 친수성을 띄지만, 화학 처리를 통해 소수성으로 만들 수 있다.


에어로젤 종류 및 특성
종류주성분제조 방법주요 특성 및 활용
실리카 에어로젤실리카(SiO2)졸-겔 공정, 초임계 건조뛰어난 단열 성능, 반투명, 푸르스름한 빛 산란
탄소 에어로젤탄소(C)레소르시놀-포름알데히드 에어로젤(RF 에어로젤) 열분해높은 기공률, 넓은 표면적, 전도성, 콘덴서 전극, 탈이온화 전극, 태양열 에너지 수집
금속 산화물 에어로젤알루미나(Al2O3), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 주석(SnO2) 등졸-겔 공정, 초임계 건조촉매
유기 에어로젤한천, 폴리이미드, 셀룰로스 등졸-겔 공정, 초임계 건조SEAgel은 쌀로 만든 떡과 유사한 맛과 질감
기타다양한 재료화학 처리소수성 처리


3. 1. 실리카 에어로젤

에어로겔은 90-99.8%가 공기로 이루어져 있고, 보통 밀도는 3-150 mg/cm3이다. 실리카 에어로겔은 열전도가 잘 되지 않는 실리카를 재료로 하여 열전도를 효과적으로 차단한다.[123] 실리카 에어로젤은 콜로이드상의 이산화 규소로 만들어진 습윤 겔을 초임계 건조하여 제조한다.[124]

실리카 에어로젤의 제조는 에탄올과 같은 용매에 테트라에틸 오르토실리케이트 등의 규소 알콕시드 전구체를 혼합하여 가수 분해 및 축합 중합시키는 것으로 시작한다. 그 후 초임계 유체를 사용하여 용매를 습윤 겔에서 제거한다. 겔 내부의 용매를 먼저 아세톤 등으로 치환하고, 다음으로 이산화 탄소를 임계점 이상으로 유도하는 방식으로 진행되는 경우가 많다. 액체 아세톤 등 적절한 용매를 사용함으로써 좋은 구배 용리를 실현할 수 있다.[124]

습윤 겔 내의 모든 액체를 겔의 구조를 손상시키지 않고 기체로 치환함으로써 완성된다.[124]

3. 2. 탄소 에어로젤

탄소 에어로젤은 레소르시놀-포름알데히드 에어로젤(RF 에어로젤)을 열분해하여 불활성 기체 분위기에서 탄소 매트릭스를 남기는 방식으로 만들어진다.[54] 고체 형태, 분말 또는 복합 종이 형태로 생산될 수 있다.[55]

1989년에 처음 발명된 탄소 에어로젤은[124] 나노 크기 분자의 공유 결합으로 구성되어 있으며, 높은 기공률(50% 이상, 세공 크기는 100 nm 이하)과 400 - 1000 m2/g 이상의 표면적을 가진다.

부직 탄소 섬유에 레조르시놀·포름알데히드·겔(RF 겔)을 침투시키고 열분해시키는 등의 방법으로 만들어진 합성지 형태의 탄소 에어로젤은 콘덴서의 전극이나 탈이온화 전극으로 응용된다. 약 800 m2/g 이상의 큰 비표면적을 이용하여 수천 패럿에 달하는 대용량 콘덴서(슈퍼 커패시터)를 제조하는 데 사용된다. 용량 104 F/g 및 77 F/cm3을 달성한 예도 보고되었다.

탄소 에어로젤을 구성하는 흑연은 250 nm에서 14.3 µm의 파장에서는 빛을 0.3%밖에 반사하지 않아 태양열 에너지를 모으는 데 효율적이다. 또한 전도성이 있다. 흑연 입자 대신 탄소 나노튜브로 만들어진 탄소 에어로겔은 높은 탄성률을 가지며, 케블라보다 강한 탄소 섬유로 방적할 수 있고, 특이한 전기적 특성을 갖는다.

탄소 에어로겔은 RF 에어로겔 등 폴리머 에어로겔로부터 탄소 구조를 남긴 채, 불활성 기체 중에서 탄화 처리 및 부활 처리하여 제작된다. 덩어리, 분말, 합성지 형태로 시판되고 있다.

3. 3. 금속 산화물 에어로젤

규소, 알루미나, 산화 크롬, 산화 주석 등으로 에어로젤을 만들 수 있다. 알루미나 에어로젤, 특히 다른 금속이 더해진 것은 촉매로 이용된다. 니켈과 조합된 니켈-알루미나 에어로젤 등이 많이 연구되고 있다.[123]

NASA는 초고속 입자를 포획하기 위해 가돌리늄과 터븀으로 도핑된 에어로젤을 사용했는데, 이 에어로젤은 충돌한 지점에서 충돌 속도에 상응하는 형광을 발했다.

3. 4. 유기 에어로젤

유기 고분자는 에어로젤을 만드는 데 사용될 수 있다. SEAgel은 아가로 만들어진다. SEAgel은 한천으로 만들어진 유기 에어로젤로, 맛과 질감은 쌀로 만든 떡과 유사하다. AeroZero 필름은 폴리이미드로 만들어진다. 식물에서 추출한 셀룰로오스는 유연한 에어로젤을 만드는 데 사용될 수 있다.[70]

GraPhage13은 산화 그래핀과 M13 박테리오파지를 사용하여 조립된 최초의 그래핀 기반 에어로젤이다.[71]

대표적인 폴리머 에어로겔인 레조르시놀-포름알데히드 에어로겔(RF 에어로겔)은 레조르시놀과 포름알데히드를 공중합시켜 겔화시킨 후 초임계 건조를 통해 제작된다.

3. 5. 기타 에어로젤

에어로젤은 그 자체로는 친수성이지만, 화학 처리를 통해 소수성으로 만들 수 있다. 물을 흡수하면 수축이나 분해와 같은 구조적 변화가 일어나는데, 소수성 처리를 하면 이를 막을 수 있다. 내부까지 소수성 처리를 하면 깊은 균열이 생기더라도 에어로젤이 분해되는 것을 막을 수 있다. 소수성 처리가 되어 있으면 워터젯 절단 가공을 할 수 있다.[41]

4. 물리적, 화학적 특성

에어로젤은 스티로폼과 비슷한 느낌을 주지만, 물리적 특성은 다르다. 누르면 복원되지 않고 세게 누르면 유리처럼 깨지는 특성이 있지만, 구조적으로는 매우 튼튼하여 자기 무게의 2000배를 지탱할 수 있다.[11] 이는 2-5 nm 크기의 구형 입자들이 결합하여 나무가지 형태의 클러스터를 형성하는 미세구조 덕분이다. 이 클러스터들은 3차원 프랙털과 같은 그물망 모양으로 100 nm보다 작은 기공을 가진 다공성 구조를 형성하며, 기공의 평균 크기와 밀도는 제조 과정에서 조절할 수 있다.[11]

에어로젤은 흡습성 때문에 건조한 느낌을 주며, 강력한 제습제로 작용한다. 대부분 공기로 이루어져 반투명하며, 색깔은 나노 크기의 수지 구조에 의한 짧은 가시광선 파장의 레일리 산란으로 나타난다. 어두운 배경에서는 푸르스름하게, 밝은 배경에서는 흰색으로 보인다.[11]

에어로젤은 친수성이지만, 화학 처리를 통해 소수성으로 만들 수 있다. 물을 흡수하면 수축이나 분해와 같은 구조적 변화가 일어나므로, 소수성 처리를 통해 이를 방지한다. 내부까지 소수성 처리를 하면 깊은 크랙이 발생하더라도 분해를 막을 수 있고, 워터젯 재단 가공도 가능하다.[125]

최근에는 이산화 규소 분자 네트워크에 메틸기 등의 유기 사슬을 도입하여, 별도 처리 없이도 높은 소수성을 가진 유기-무기 하이브리드 에어로젤도 연구되고 있다. 이들은 순수한 이산화 규소 에어로젤과는 다른 물성을 보이며, 높은 유연성을 가지거나 초임계 건조 없이 건조할 수 있는 경우도 있다.[126] 에폭시 수지 등 유기 폴리머를 분자 수준에서 복합화하면 굽힘에 대한 강도도 향상된다.[127]

2.5kg 벽돌을 2g 에어로젤 조각이 지탱하고 있다.

4. 1. 낮은 밀도

에어로겔은 90-99.8%가 공기로 이루어져 있으며, 보통 밀도는 3-150 mg/cm3이다. 에어로겔 재료는 부피 기준으로 50%에서 99.98%까지 공기로 구성될 수 있지만, 실제로 대부분의 에어로젤은 90%에서 99.8% 사이의 다공성을 나타낸다.[11] 가장 낮은 밀도의 고체로 기록된 것은 미국의 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 만든 실리카 에어로젤로, 1.9 mg/cm3의 밀도, 물의 1/530의 비중을 기록했다.

4. 2. 높은 다공성

에어로겔은 90-99.8%가 공기로 이루어져 있으며, 매우 높은 다공성을 가지고 있다. 일반적인 밀도는 3-150 mg/cm3이다. 이러한 높은 다공성은 2-5 nm 크기의 구형 입자들이 결합하여 형성된 3차원 프랙털 구조에 기인한다. 이 구조는 100 nm보다 작은 기공을 가지며, 기공의 평균 크기와 밀도는 제조 공정 중 조절할 수 있다.[11]

에어로겔의 기공률을 결정하는 방법에는 기체 흡착, 수은 압입법, 산란법 등이 있다. 기체 흡착법은 BET 이론을 통해 비표면적을, 켈빈 방정식을 통해 기공 크기 분포를 제공한다. 수은 압입법은 수은을 에어로젤에 강제로 주입하여 기공 크기를 측정하지만, 에어로젤 구조가 붕괴될 수 있어 비효율적이다. 산란법은 X선이나 중성자를 사용하여 에어로젤 기공 네트워크의 프랙탈 기하학을 결정한다. 에어로젤은 열린 다공성 네트워크를 가지고 있어 기체가 자유롭게 드나들 수 있다.[15]

실리카 에어로젤의 높은 기공률과 표면적은 다양한 환경 여과 응용 분야에 활용될 수 있게 한다. 또한, 높은 기공률(50% 이상, 세공 크기 100 nm 이하)과 넓은 표면적(400 - 1000 m2/g 이상)을 가지는 특성은 다른 물질과의 복합체 형성에 유리하게 작용한다.

4. 3. 넓은 표면적

에어로겔은 90-99.8%가 공기로 이루어져 있어 밀도가 매우 낮고 넓은 표면적을 갖는다. 일반적인 밀도는 3-150 mg/cm3이다. 2-5 nm 크기의 구형 입자들이 결합하여 나무가지 형태의 클러스터를 형성하며, 이 클러스터는 3차원 프랙털과 같은 그물망 모양으로 100 nm보다 작은 기공을 가진 다공성 구조를 이룬다.

나노 크기 분자의 공유 결합으로 구성되어 있으며, 높은 기공률(50% 이상, 세공 크기는 100 nm 이하)을 가진다. 표면적은 400 - 1000 m2/g 이상에 달한다.

4. 4. 뛰어난 단열성

에어로젤은 열전달의 세 가지 방법인 대류, 전도, 복사를 효과적으로 차단하여 뛰어난 단열 성능을 보인다. 공기가 기공을 통해 순환할 수 없어 대류를 막고, 실리카 에어로젤의 경우 실리카가 열전도율이 낮은 물질이기 때문에 전도를 억제한다.[11] 금속 에어로젤은 실리카 에어로젤보다 열전도율이 높다.[12] 탄소 에어로젤은 적외선 복사를 흡수하여 복사를 차단한다. 따라서 가장 단열 성능이 좋은 에어로젤은 탄소를 첨가한 실리카 에어로젤이다.

일반적인 실리카 에어로젤은 이산화 규소 골격과 90~98%의 공기로 구성되어 매우 낮은 열전도율 (약 0.017 W/(m·K))을 가진다. 융점은 1,200 ℃이다. 이러한 높은 단열성은 열이 전달되는 세 가지 방법, 즉 대류, 전도, 복사를 대부분 차단하여 가능하다. 세공의 크기가 공기의 평균 자유 행로보다 작아 대류를 억제하고, 실리카 에어로젤의 원료인 이산화 규소의 낮은 열전도성으로 전도를 억제한다. 금속 에어로젤은 열전도 억제 효과가 실리카 에어로젤보다 떨어진다. 실리카 에어로젤은 적외선을 잘 흡수하며, 건축물에 사용하면 태양열의 입사를 억제하면서 채광할 수 있다. 탄소 등을 섞으면 적외선을 더 잘 흡수하기 때문에, 탄소 섬유를 첨가한 실리카 에어로젤 등도 연구되고 있다.[125]

에어로젤의 단열 효과를 보여주는 사진


분젠 버너의 불꽃 위에 놓인 실리카 에어로젤 조각 위에 놓인 꽃을 통해 에어로젤의 우수한 단열 특성을 확인할 수 있다. 에어로젤은 불꽃의 열로부터 꽃을 보호한다.

4. 5. 빛의 산란

에어로젤은 대부분 공기로 구성되어 있어 반투명하며, 색깔은 나노 크기의 수지 구조에 의한 짧은 가시광선 파장의 레일리 산란 때문에 나타난다. 이 때문에 어두운 배경에서는 푸르스름하게 보이고, 밝은 배경에서는 흰색으로 보인다.[11]

에어로겔색상
실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아레일리 산란에 의한 파란색 또는 흰색 투명
산화 철녹슨 빨간색 또는 노란색, 불투명
크로미아짙은 녹색 또는 짙은 파란색, 불투명
바나디아올리브 그린, 불투명
산화 네오디뮴보라색, 투명
사마리아노란색, 투명
홀미아, 에르비아분홍색, 투명


4. 6. 친수성 및 소수성

에어로젤은 자체로는 친수성이지만, 화학 처리를 통해 소수성으로 만들 수 있다.[19] 물을 흡수하면 수축이나 분해와 같은 구조적 변화가 일어나므로, 소수성으로 만들어 이를 방지할 수 있다. 내부까지 소수성 처리를 하면 깊은 크랙이 발생하더라도 에어로젤이 분해되는 것을 막을 수 있다. 소수성 처리가 되어 있으면 워터젯 재단 가공을 할 수 있다.[125]

에어로젤 제조 공정 후 표면에는 다량의 수산기(–OH)가 존재한다. 수산기는 에어로젤을 물에 넣으면 격렬한 반응을 일으켜 에어로젤이 물에 급격하게 용해되도록 만든다. 친수성 에어로젤을 방수 처리하는 한 가지 방법은 표면의 수산기(–OH)를 비극성 그룹(–OR)으로 대체하는 화학 물질에 에어로젤을 담그는 것이다. 이 과정은 R이 지방족 그룹일 때 가장 효과적이다.[19]

최근에는 이산화 규소의 분자 네트워크에 메틸기 등의 유기 사슬을 도입하여, 처리 없이도 높은 소수성을 가진 유기-무기 하이브리드 에어로젤도 연구되고 있다. 이러한 에어로젤은 순수한 이산화 규소로 이루어진 것과는 다른 물성을 보인다. 높은 유연성을 가지며, 초임계 건조를 사용하지 않고도 건조할 수 있는 것도 만들어지고 있다.[126]

4. 7. 크누센 효과

에어로젤은 내부 기체의 열전도율보다 더 작은 열전도율을 가질 수 있다.[16][17] 이는 크누센 효과에 의해 발생하는데, 기체를 둘러싼 공동의 크기가 평균 자유 행로와 비슷해질 때 기체의 열전도율이 감소하는 현상이다. 사실상, 공동은 기체 입자의 움직임을 제한하여 대류를 없애는 것 외에도 열전도율을 감소시킨다. 예를 들어, 공기의 열전도율은 표준 온도 및 압력(STP)에서 큰 용기 내에서는 약 25mW·m-1·K-1이지만, 직경 30 나노미터의 기공에서는 약 5mW·m-1·K-1로 감소한다.[18]

5. 제조 방법

에어로젤은 1931년 스티븐 키슬러가 젤리에 포함된 물을 수축 없이 기체로 치환할 수 있는지에 대한 찰스 란드의 과제에 도전하면서 발명되었고, 네이처에 발표되었다.[123] 처음 치환에 성공한 물질은 실리카겔이었지만, 같은 논문에서 규소, 알루미나, 산화 크롬, 산화 주석도 보고되었다. 이후 다양한 물질로 제작되게 되었으며, 1989년에는 카본 에어로젤이 발명되었다.[124]

레조르시놀-포름알데히드 에어로겔(RF 에어로겔)은 레조르시놀과 포름알데히드를 공중합시켜 겔화시킨 후 초임계 건조를 통해 제작된다. 탄소 에어로겔은 RF 에어로겔 등 폴리머 에어로겔로부터 탄소 구조를 남긴 채, 불활성 기체 중에서 탄화 처리 및 부활 처리하여 제작되며, 덩어리, 분말, 합성지 형태로 시판되고 있다.

5. 1. 졸-겔 공정

에어로젤 구조는 졸-겔 중합의 결과로 나타난다. 이는 단량체(단순 분자)가 다른 단량체와 반응하여 졸, 즉 결합되고 가교 결합된 고분자로 구성된 물질을 형성하고 그 사이에 액체 용액이 침전되는 과정이다.[13] 이 물질을 임계점 이상으로 가열하면 액체가 증발하고 결합되고 가교 결합된 고분자 프레임이 남게 된다. 중합과 임계 가열의 결과는 에어로젤로 분류되는 다공성 강성 구조의 물질이 생성되는 것이다.[13] 합성에 따라 에어로젤의 표면적과 기공 크기를 변경할 수 있다. 기공 크기가 작을수록 에어로젤은 파괴되기 쉽다.[14]

실리카 에어로젤 제조는 에탄올과 같은 용매에 테트라에틸 오르토실리케이트 등의 규소 알콕시드 전구체를 혼합하여 가수 분해 및 축합 중합시키는 것으로 시작한다. 그 후 초임계 유체를 사용하여 용매를 습윤 겔에서 제거한다. 겔 내부의 용매를 먼저 아세톤 등으로 치환하고, 다음으로 이산화 탄소를 임계점 이상으로 유도하는 방식으로 진행되는 경우가 많다. 액체 아세톤 등 적절한 용매를 사용함으로써 좋은 구배 용리를 실현할 수 있다.

습윤 겔 내의 모든 액체를 겔의 구조를 손상시키지 않고 기체로 치환함으로써 완성된다.

5. 2. 초임계 건조

동결 건조는 초임계 건조의 고온 및 고압 요구 사항에 대한 대안을 제공한다. 동결 건조는 냉동 과정에서 얼음 결정 성장을 제어하여 고체 구조 개발을 더 잘 제어할 수 있다.[43][44][45][46] 이 방법에서는 에어로젤 전구체의 콜로이드 분산액을 냉동시키는데, 액체 성분은 전구체 농도, 액체 유형, 냉동 온도 및 냉동 용기와 같은 다양한 요인에 따라 서로 다른 형태를 갖게 된다.[44][45][46] 이 액체가 얼면서 고체 전구체 분자가 성장하는 결정 사이의 공간으로 밀려난다. 완전히 얼면 냉동된 액체는 동결 건조를 통해 기체로 승화되면서 모세관력이 대부분 제거된다.[47][48] 일반적으로 "크라이오젤"로 분류되지만, 동결 건조를 통해 생산된 에어로젤은 종종 수축과 균열을 경험하며, 균일하지 않은 에어로젤 구조를 생성한다.[41] 이로 인해 동결 건조는 에어로젤 분말을 만들거나 복합 에어로젤의 프레임워크로 사용되는 경우가 많다.[49][50][51][52][53]

5. 3. 동결 건조

동결 건조는 동결 주조 또는 얼음 템플릿이라고도 하며, 초임계 건조의 고온 및 고압 요구 사항에 대한 대안을 제공한다. 또한 동결 건조는 냉동 과정에서 얼음 결정 성장을 제어하여 고체 구조 개발을 더 잘 제어할 수 있다.[43][44][45][46] 이 방법에서 에어로젤 전구체의 콜로이드 분산액을 냉동시키는데, 액체 성분은 전구체 농도, 액체 유형, 냉동 온도 및 냉동 용기와 같은 다양한 요인에 따라 서로 다른 형태를 갖게 된다.[44][45][46] 이 액체가 얼면서 고체 전구체 분자가 성장하는 결정 사이의 공간으로 밀려난다. 완전히 얼면 냉동된 액체는 동결 건조를 통해 기체로 승화되면서 초임계 건조에서 관찰되었듯이 모세관력이 대부분 제거된다.[47][48] 일반적으로 "크라이오젤"로 분류되지만, 동결 건조를 통해 생산된 에어로젤은 종종 수축과 균열을 경험하며, 균일하지 않은 에어로젤 구조를 생성한다.[41] 이로 인해 동결 건조는 에어로젤 분말을 만들거나 복합 에어로젤의 프레임워크로 사용되는 경우가 많다.[49][50][51][52][53]

6. 응용 분야

에어로젤은 매우 다양한 분야에 사용된다.

스타더스트에서 얻은 에어로젤 블록에 포획된 우주 먼지.(NASA)

  • 광학: 실리카 에어로젤은 영상 장치, 광학 장치 및 광 도파관에 사용된다.[84]
  • 증점제: 일부 페인트 및 화장품의 증점제로 사용된다.[86][84][87]
  • 에너지 흡수 장치: 에너지 흡수 장치의 구성 요소로 사용된다.[88]
  • 레이저 표적: 미국 국립 점화 시설 (NIF)의 레이저 표적으로 사용된다.[89]
  • 임피던스 매처: 변환기, 스피커 및 거리 측정기의 임피던스 매처에 사용되는 재료이다.[90]
  • 수동 주간 복사 냉각 표면: 태양 복사와 열 방출에 효율적으로 설계되어 다른 재료보다 저렴하고 환경 영향이 적다.[82][83]
  • 유연 재료: Hindawi의 ''나노 재료 저널''에 따르면, 에어로젤은 의류 및 담요와 같은 유연한 재료에 사용된다. 2000년경부터 상업적으로 제조되기 시작한 에어로젤 '담요'는 실리카 에어로젤과 섬유 보강재를 결합하여 부서지기 쉬운 에어로젤을 내구성이 뛰어나고 유연하게 만든다. 제품의 기계적 및 열적 특성은 보강 섬유, 에어로젤 매트릭스, 불투명화제 첨가제에 따라 달라진다.[84]
  • 레조르시놀–포름알데히드 에어로젤: 페놀 포름알데히드 수지와 화학적으로 유사한 폴리머로, 탄소 에어로젤 제조 전구체 또는 넓은 표면적을 가진 유기 절연체로 사용된다.[101]
  • 금속-에어로젤 나노복합체: 전이 금속 이온을 포함하는 용액으로 하이드로젤을 함침시킨 후 감마선을 조사하여 제조한다. 금속 나노입자를 침전시켜 촉매, 센서, 전자기 차폐, 폐기물 처리에 사용된다. 연료 전지에 사용될 백금-탄소 촉매가 연구 중이다.[102]
  • 입자 물리학: 체렌코프 효과 검출기의 방사체로 사용되며, KEKB의 Belle 실험에 사용되는 Belle 검출기 ACC 시스템 등이 있다.[99] 낮은 굴절률, 투명성, 고체 상태 덕분에 극저온 액체나 압축 기체보다 사용하기 쉽다.[100]
  • 스포츠: 던롭 스포츠는 테니스와 같은 스포츠를 위한 일부 라켓에 에어로젤을 사용한다.[105]
  • 수질 정화: 찰코젤은 수중 중금속 오염 물질(수은, 납, 카드뮴 등)을 흡수하는 데 유망하다.[106] 에어로젤은 물에서 기름을 분리하여 유류 유출 대응에 사용될 수 있다.[107][81][76] 또한, 박테리아를 죽여 물을 소독하는 데 사용될 수 있다.[108][109]
  • 초유체 헬륨-3: 에어로젤은 초유체 헬륨-3에 무질서를 도입할 수 있다.[110]
  • 항공기 제빙: 탄소 나노튜브 에어로젤을 사용하는 새로운 제안이 있다. 10 미크론 두께의 필름을 만들기 위해 얇은 필라멘트를 와인더에 감는다. 점보 제트기 날개를 덮는 데 80g의 재료가 필요하다. 에어로젤 히터는 얼음 형성을 방지하기 위해 저전력으로 지속적으로 켜둘 수 있다.[111]
  • 자동차: 쉐보레 콜벳 (C7)의 열 단열 전송 터널에 사용된다.[112]
  • 스포츠용품: CamelBak은 열 스포츠 병의 단열재로 에어로젤을 사용한다.[113]
  • 사이클링 장갑: 45 North는 Sturmfist 5 사이클링 장갑의 손바닥 단열재로 에어로젤을 사용한다.[114]
  • 방음: 실리카 에어로젤은 방음과 같이 창문이나 건설 목적으로 사용될 수 있다.[115][116]
  • Fogbank: 미국 핵무기에 사용되는 비밀 조성 재료로 에어로젤일 수 있다는 제안이 있다.[117]
  • 관성 핵융합 (ICF) 및 X선 레이저 표적: 에어로젤은 관성 핵융합 (ICF) 및 X선 레이저 표적에 사용된다.[118] ICF에서 저밀도 표적 재료로 사용되어 핵융합 조건을 시뮬레이션하는 폼 표적을 만든다. 저밀도 구조는 레이저 에너지에 의한 효율적인 압축 및 가열을 돕고, 융합 연료를 정밀하게 제어할 수 있게 한다.[119][120]
  • 기타: 나노 크기 분자의 공유 결합으로 구성되어 있으며, 높은 기공률(50% 이상, 세공 크기는 100 nm 이하)과 400 - 1000 m2/g 이상의 표면적을 가진다.


에어로젤은 다양한 응용이 기대되지만, 제조 비용이 높고 깨지기 쉬워 널리 보급되지 않고 있다.

위스콘신 대학교의 Zero-G 에어로젤 연구팀은 항공기를 이용한 무중력 실험을 통해 무중력 상태에서 실리카 에어로젤을 생성하면 균일한 크기의 입자를 만들고 내부 레일리 산란을 억제할 수 있음을 확인했다. 이 방법으로 만든 투명한 실리카 에어로젤은 창문 단열에 사용 시 건물 열 손실을 현저히 줄일 수 있다.

에어로젤은 다공성과 넓은 표면적을 이용한 흡착 효과, 화학적 흡착제, 촉매로의 응용이 연구되고 있다. 불순물 도핑, 다른 재료와의 하이브리드화를 통한 구조 강화 연구도 진행 중이다.

6. 1. 단열재

에어로겔은 대류, 전도, 복사와 같이 열이 전달되는 세 가지 방법을 대부분 차단하여 뛰어난 단열 성능을 보인다. 공기가 기공을 통해 순환할 수 없어 대류를 효과적으로 차단한다. 실리카 에어로겔은 실리카가 열을 잘 전달하지 않는 물질이기 때문에 전도를 효과적으로 차단한다. (반면, 금속 에어로겔은 좀 더 나은 열전도체가 될 수 있다.) 탄소 에어로겔은 탄소가 적외선 복사를 흡수하여 복사를 효과적으로 차단한다. 가장 단열 성능이 좋은 에어로겔은 탄소를 첨가한 실리카 에어로겔이다.[79]

섬유 강화 실리카 에어로젤 단열판을 사용하면 기존 재료에 비해 단열 두께를 약 50% 줄일 수 있다. 이는 실리카 에어로젤 보드를 역사적인 건물 개조[77] 또는 밀집된 도시 지역에 적용하는 데 적합하게 만든다.[78] 에어로젤은 과립 형태로 채광창에 추가되기도 한다. 조지아 공과대학교의 2007년 솔라 데캐슬론 하우스 프로젝트는 반투명 지붕의 단열재로 에어로젤을 사용했다.

미국 해군은 잠수부의 수동 열 보호를 위해 속옷에 에어로젤 사용을 평가했고,[97][84] NASA는 우주복 단열용으로 에어로젤을 사용했다.[98][84] NASA는 화성 탐사 로버의 단열재로도 에어로젤을 사용했다.[95][96][84]

6. 2. 흡착제

에어로젤은 유출물 정리를 위한 화학적 흡착제로 사용될 수 있다.[80] 실리카 에어로젤은 표면적이 넓고 다공성이며 초소수성이기 때문에 여과에 사용될 수 있고, 중금속 제거에도 사용할 수 있어 폐수 처리에 적용될 수 있다.[81] 또한, 다공성이면서 표면적이 넓다는 점을 이용하여 화학적 흡착제로도 응용할 수 있다.

6. 3. 촉매 및 촉매 담지체

에어로젤은 촉매 또는 촉매 담지체로 활용된다.[84][85][7] 알루미나 에어로젤, 특히 다른 금속이 더해진 것은 촉매로 이용되며, 니켈과 조합된 니켈-알루미나 에어로젤 등이 많이 연구되고 있다. 금속 에어로젤의 나노 복합체는 촉매, 센서, 전자기 차폐 등에 사용될 수 있다.

6. 4. 우주 먼지 포집

NASA는 스타더스트 우주선에 탑재된 우주 먼지 입자를 포획하기 위해 에어로젤을 사용했다.[93] 이러한 에어로젤 먼지 수집기는 질량이 매우 적다.[94] 일반적으로 우주 먼지는 탐사선과의 충돌로 인해 증발하지만, 에어로젤을 사용함으로써 증발시키지 않고 포집할 수 있다. NASA는 스타더스트 탐사선에서 에어로젤을 우주 먼지 포집 장치로 사용해 비르트 2 혜성의 먼지를 포집하는 데 성공했다.

6. 5. 에너지 저장 장치

탄소 에어로겔은 소형 전기화학적 이중층 슈퍼 커패시터의 구성에 사용된다. 에어로젤의 높은 표면적으로 인해 이러한 커패시터는 유사한 정격의 전해 커패시터보다 1/2000에서 1/5000 크기가 될 수 있다.[104] Hindawi의 ''나노 재료 저널''에 따르면 "에어로젤 슈퍼 커패시터는 일반 슈퍼 커패시터에 비해 전기 임피던스가 매우 낮을 수 있으며 매우 높은 피크 전류를 흡수하거나 생성할 수 있다. 현재 이러한 커패시터는 전기적 극성에 민감하며 약 2.75 V보다 높은 작동 전압이 필요한 경우 직렬로 연결해야 한다."[84]

부직 탄소 섬유에 레조르시놀·포름알데히드·겔(RF 겔)을 침투시키고 열분해시키는 등의 방법으로 만들어진 합성지 형태의 에어로겔은 콘덴서의 전극이나 탈이온화 전극으로 응용된다. 약 800 m2/g 이상의 큰 비표면적을 이용하여 수천 패럿에 달하는 대용량 콘덴서(슈퍼 커패시터)를 제조할 수 있다. 용량 104 F/g 및 77 F/cm3을 달성한 예도 보고되었다.

6. 6. 약물 전달 시스템

에어로젤은 표면적이 넓고 다공성이 높은 구조를 가지고 있어 생체 적합성을 가진다. 이러한 특성 덕분에 초임계 를 이용하여 약물을 흡착할 수 있다.[103] 에어로젤의 특성을 조절하면 약물의 방출 속도를 제어할 수 있다.[103]

6. 7. 기타 응용 분야

에어로젤은 여러 분야에서 활용되고 있다.

  • 단열재: 섬유 강화 실리카 에어로젤 단열판은 기존 단열재보다 두께를 약 50% 줄일 수 있어, 역사적인 건물 개조[77]나 밀집된 도시 지역[78]에 적합하다. 과립 형태의 에어로젤은 채광창에 추가되어 단열 성능을 높인다.[78] 조지아 공과대학교의 2007년 솔라 데캐슬론 하우스 프로젝트는 반투명 지붕 단열에 에어로젤을 사용했다.[79]
  • 화학적 흡착제: 유출물 정리에 사용되며,[80] 넓은 표면적, 다공성, 초소수성을 이용해 폐수 처리에서 중금속 제거에 활용될 수 있다.[81]
  • 수동 주간 복사 냉각 표면: 태양 복사와 열 방출에 효율적으로 설계되어 다른 재료보다 저렴하고 환경 영향이 적다.[82][83]
  • 촉매/촉매 담체:[84][85][7]
  • 영상 장치, 광학 장치, 광 도파관 재료: 실리카 에어로젤이 사용된다.[84]
  • 페인트 및 화장품의 증점제:[86][84][87]
  • 에너지 흡수 장치 구성 요소:[88]
  • 미국 국립 점화 시설 (NIF) 레이저 표적:[89]
  • 변환기, 스피커, 거리 측정기 임피던스 매처 재료:[90]
  • 유연한 재료: Hindawi의 ''나노 재료 저널''에 따르면, 에어로젤은 의류 및 담요와 같은 유연한 재료에 사용된다. 실리카 에어로젤과 섬유 보강재를 결합하여 부서지기 쉬운 에어로젤을 내구성이 뛰어나고 유연하게 만든다.[84]
  • 우주 먼지 포집: 실리카 에어로젤은 우주 먼지를 포획하는 데 사용된다.[91][92] NASA는 스타더스트 우주선에서 에어로젤을 사용하여 우주 먼지 입자를 포획했다.[93] 에어로젤 먼지 수집기는 질량이 매우 적다.[94] NASA는 화성 탐사 로버 단열에도 에어로젤을 사용했다.[95][96][84]
  • 단열 속옷: 미국 해군은 잠수부의 수동 열 보호를 위해 속옷에 에어로젤 사용을 평가했다.[97][84] NASA는 우주복 단열에 에어로젤을 사용했다.[98][84]
  • 입자 물리학 체렌코프 효과 검출기 방사체: KEKB의 Belle 실험에 사용되는 Belle 검출기 ACC 시스템 등이 있다.[99] 낮은 굴절률과 투명성으로 인해 극저온 액체나 압축 기체보다 사용하기 쉽다.[100]
  • 레조르시놀–포름알데히드 에어로젤: 탄소 에어로젤 제조 전구체 또는 넓은 표면적을 가진 유기 절

7. 대한민국 관련 내용

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