내열성, 난연성, 유연성 및 단열성을 겸비한 파라계 아라미드 에어로겔(aerogel) 섬유

  최근 환경문제가 표면화되는 가운데 지속가능사회 실현을 위한 에너지 소비량의 절감이나 우주와 같은 극한 환경에서 견딜 수 있는 경량성이 우수한 단열재가 필요하게 되었으며, 그에 적합한 후보로서 에어로겔(aerogel)이 주목받아 왔다. 에어로겔은 구조적인 특징으로 인하여 매우 가볍고 단열성이 우수한 소재이다. 에너지 소비량 절감과 관련하여 열손실 감소를 위하여 건축물의 벽이나 창문 등에 투명단열재로 이용되고 있으며, 건축이나 산업 인프라, 수송기기 등 다양한 분야에서 에어로겔 이용을 통한 큰 에너지 효율성 향상을 기대하고 있다. 한편 우주와 같은 극한 환경과 관련하여 1997에 화성 탐사를 위해 제작된 「마스 패스파인더(Mars Pathfinder) : 미국의 화성 무인 탐사선」의 단열재로 에어로겔이 사용된 실적이 있으며, 그 밖에도 우주선의 기체를 지키기 위한 단열 패널, 극저온 액체 연료의 보관, 배송 및 수송을 위한 설비, 차세대 우주복 등으로 응용이 기대되고 있다.

  에어로겔은 일반적으로 90 % 이상의 높은 공극률과 400 ~ 1,000 m2/g의 큰 비표면적을 가지며 0.1 g/cm3 이하의 극저밀도 다공체이다. 나노미터 크기의 공극과 골격으로 구성되며, 대표적인 실리카 에어로겔 사진은 아래의 그림과 같다. 에어로겔은 전반적으로 반투명하고 매우 가볍기 때문에 「냉동된 연기」라고 표현되기도 하며, 단열성이 매우 우수하다. 불꽃 위에 놓인 에어로겔 위에 맨손을 올려도 화상을 입지 않는데, 이와 같은 에어로겔의 뛰어난 단열성은 미세한 구멍과 낮은 밀도 때문이다. 다공체를 통한 열이동은 고체상의 열전도에 의한 열이동, 공기의 대류에 의한 열이동, 열방사에 의한 열이동 이 3가지 현상에 의해서 일어나는데, 극저밀도인 에어로겔 내부는 고체성분이 매우 적고, 고체성분인 골격이 구불구불한 형상을 하고 있기 때문에 열이 모든 방향으로 분산되어 열전도가 억제된다. 그리고 에어로겔 미세공극의 크기는 공기 중의 질소분자나 산소분자의 평균자유행정(Mean Free Path : 기체에서 직선으로 움직이는 분자가 서로 충돌하기까지 이동하는 거리의 평균값)인 약 70 nm 보다 작기 때문에 분자가 미세공 벽과 빈번하게 충돌하여 서로의 충돌(대류)에 의한 열 교환이 막아져서 에어로겔의 열전도율을 저하시키게 된다.

  본고에서는 이와 같은 에어로겔의 특징을 갖는 차세대 경량 단열성 섬유 개발을 목표로 슈퍼섬유인 파라계 아라미드 섬유를 원료로 한 에어로겔 섬유 제조와 관련된 연구내용을 소개하고자 한다.

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