급격한 온도 변화 견디는 초경량 '세라믹 에어로겔' 기술 개발 성공
[데일리포스트=김정은 기자] 미국 UCLA 대학과 8개 기관 다국적 연구팀이 내구성과 내열성이 뛰어난 초경량 '세라믹 에어로겔(Ceramic Aerogel)' 개발에 성공했다고 밝혔다. 극심한 온도 변화에도 견딜 수 있는 이 신소재는 우주선 단열재 등에 활용될 수 있을 전망이다.
에어로겔은 공기를 의미하는 'aero'와 3차원 네트워크 구조를 의미하는 'gel'의 합성어. 합성할 때 형성된 겔구조가 유지된 상태에서 겔구조 내 액체를 공기로 치환해 얻은 고다공성 나노구조체다. 체적의 99%가 공기임에도 고체이며 구조적으로 매우 가볍고 강하다.
탄소와 금속 산화물 등 다양한 재료로 제조할 수 있다. 특히 세라믹 에어로겔은 극단적인 온도를 차단하는데 뛰어나고 불과 부식에 대한 내성이 있어 미래 단열재로 각광받고 있다.
세라믹 에어로겔은 이미 1990년대부터 단열재로 이용되고 있으며 NASA 화성 탐사선에 탑재된 과학 장비 단열재로도 사용됐다. 하지만 기존 세라믹 에어로겔은 초고온에 반복적으로 노출되거나 급격한 온도 변화에는 비교적 약해 우주선 등의 단열재로는 크게 활용되지 못했다.
UCLA 등 연구팀은 이러한 세라믹 에어로겔의 단점이 불균일한 내부 구조가 원인이라고 판단해 안정적인 에어로겔 개발을 위한 연구를 진행했다.
연구팀이 개발한 세라믹 에어로겔은 얇은 질화붕소와 육각형 패턴으로 원자가 결합된 세라믹 층으로 되어 있다. 과열 상태에서 다른 세라믹 재료처럼 팽창하는 것이 아니라 내부로 수축한다.
이러한 특성 때문에 새로운 세라믹 에어로겔은 초고온·초저온 상태와 초고온 반복 등에도 뛰어난 내구성을 갖췄다. 또 기존 에어로겔 대비 경량화에도 성공했으며 독특한 원자 조성과 미세 구조로 탄력성까지 우수한 것으로 알려졌다.
UCLA 실험에서 연구팀이 개발한 에어로겔은 몇 초 사이 198도에서 900도 사이로 온도를 수백 번 변화시켜도 다른 에어로겔과 달리 손상이 없었다. 또 주위 온도를 1400도로 설정해 1주일 방치한 경우에도 기계적 강도 손실률이 1% 미만에 불과했다. 이 연구 결과는 세계 최고 권위 학술지 사이언스(Science) 2월 15일자(현지시간)에 실렸다.
UCLA 시앙펑 두안(Xiangfeng Duan) 교수는 "우리가 개발한 새로운 세라믹 에어로겔 내구성의 핵심은 독특한 구조다. 이 구조가 가진 타고난 유연성은 다른 에어로겔이 파손되는 극단적인 고온과 심한 온도변화에도 견딜수 있도록 도와준다"고 밝혔다.
또 두안 교수는 이번 신소재를 만들기 위해 개발된 프로세스를 다른 초경량 소재에도 적용할 수 있다고 언급했다. 그는 "이러한 초경량 소재는 우주선, 자동차, 기타 특수 장비의 단열재로 사용할 수 있을 뿐 아니라 열에너지의 저장·촉매·여과 등에도 이용할 수 있다"고 강조했다.