일본의 독립행정법인 산업기술 종합연구소(AIST) 나노 시스템 연구부문 나노 화학공정 연구그룹은 주식회사 이노악 코퍼레이션(이하 "INOAC"이라 한다)과 공동으로 진공 단열재에 가까운 성능으로 가공 및 곡면에 대응이 가능한 폴리프로필렌과 실리카 에어로젤의 복합 단열재를 개발했다.

이 복합 단열재는 산업기술 종합연구소의 실리카 에어로젤 제조 기술과 INOAC 폴리프로필렌 발포체 제조 기술과의 연계를 통해 개발한 것으로, 기존의 실리카 에어로젤계 단열재에서 지적되고 있던, 표면이 무너지고 붕괴하는 등의 문제가 적고, 진공 단열재에서는 곤란했던 곡면에 대한 대응과 가공성이 뛰어난 고성능 단열재이다. 작고 복잡한 형상을 가진 공간을 단열할 수 있고, 내진성도 우수하기 때문에 자동차나 항공기, 열 장비 등의 단열에 이용이 기대된다. 또한, 낮은 열전도의 단열 기준 시료로의 전개도 기대된다.

열에너지의 유효한 이용을 위해 각종 용도의 단열재에 대한 고성능화가 요구되고 있다. 고성능 단열재로는 진공 단열재가 잘 알려져 있지만, 자유로운 가공은 곤란하고, 성능의 지속성과 곡면에 대한 대응에도 문제가 있다. 한편, 매우 낮은 밀도의 실리카겔인 실리카 에어로젤을 부직포와 폴리머 등과 복합화한 재료가 실용화되고 있으며, 진공의 유지가 불필요 하고 가공성이 뛰어나 최근 이용이 시작되고 있다. 그러나, 이러한 단열재는 실리카가 무너지고 붕괴하는 "가루 떨어짐"의 문제가 지적되고 있어, 보급의 걸림돌로 작용했다. 유연하고 고성능의 단열재는 자동차 차체나 엔진 주변 등 곡면이나 좁은 공간에 적용이 가능하며, 기존의 재료에서는 곤란했던 부품이나 기구를 단열화함으로써 에너지 절약의 추진에 공헌할 것으로 기대된다.

산업 기술 종합 연구소는 단열재로서의 이용을 목적으로 고압 CO2를 이용한 실리카 에어로젤의 제조 공정 및 실리카 에어로젤 및 폴리머 복합 단열재의 개발을 진행해 왔다. 한편, INOAC는 우레탄, 고무, 플라스틱 등 고분자 제품의 연구 개발에 주력하고 있으며, 고압 CO2 에 의한 발포 폴리머의 개발 등에서 높은 기술력을 보유하고 있다. 이러한 개발 과정에서 둘 사이에 고압 CO2의 이용 기술에 대한 접점이 있었으며, 그것을 바탕으로 협력 체제를 구축해 이번 공동 연구 개발에 이르렀다.

이번 복합 단열재는 INOAC이 개발한 양면 층을 갖고, 고압 CO2에 의한 폴리 프로필렌 발포 시트를 이용하고 있다. 이 폴리 프로필렌 발포체 내부에 졸 겔법에 의해 저밀도 실리카 습윤 겔을 제조한 후, CO2 에 의한 초임계 건조를 실시하여, 실리카 에어로젤을 형성시켰다. 건조 조건을 선택하여 폴리 프로필렌 발포체에는 영향을 미치지 않고, 젤 내부의 용매만을 제거하여, 폴리프로필렌 발포체 내부에 실리카 에어로젤을 충전한 복합 단열재가 제작될 수 있었다. 그림1에 이번에 만든 복합 단열재의 개요도를 나타낸다. 폴리프로필렌은 화학적 안정성이 우수하고, 또한 범용 고분자로 내열성이 높기 때문에 다양한 용도로의 이용이 기대된다.

폴리 프로필렌 발포체는 유연성이 높고, 실리카 에어로젤이 압축에 의해 변형 가능하다는 점에서 이번에 개발한 복합 단열재는 곡면에 대응하는 형상을 만들 수 있다. 또한, 지금까지의 실리카 에어로젤은 단면이 무너지기 때문에 칼로 가공이 곤란했지만, 이번 복합 단열재로는 칼에 의한 가공도 용이하다.

가루 떨어짐 비교를 실시한 결과, 스킨 층이 없는 고분자 다공체 및 실리카 에어로젤 복합 단열재는 실리카 붕괴에 의해 9.7 ~ 27%의 중량 감소를 보인 반면, 이번 복합 단열 재료는 2.1%로 가루 떨어짐이 크게 감소하는 것으로 나타났다.

이번 복합 단열재의 열전도율은 0.016W/mK로, 유리 섬유(0.04 ~ 0.05W/mK)와 발포폴리스티렌(0.03 ~ 0.04W/mK) 등의 일반 단열재보다 뛰어난 진공 단열재(0.01W/mK)에 가까운 열전도율을 보여주었다. 또한, 흡습에 의한 열화가 적고 단열 성능과 형상의 장기 안정성도 뛰어나다.

향후에는 저비용의 제조 공정을 개발하고, 고성능 단열재의 보급 확대를 도모하기 위해 각종 용도로 샘플 출하를 위한 체제 구축을 실시한다. 또한, 이번에 개발한 복합 단열재는 단열 성능의 안정성, 취급성이 좋아 단열재의 평가용 시료로 활용할 가능성이 있어 기준 시료 용도로의 전개도 검토한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』