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초경량 탄소 에어로젤과 오염방지
연구소 2013-03-25 8113

전 세계에서 가장 가벼운 물질이 중국의 과학자들에 의해 개발되었으며, 오염을 억제하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

입방 센티미터당 0.16mg의 밀도를 가지는 이 그래핀 에어로젤(graphene aerogel)은 탄소 에어로젤(carbon aerogel)로도 알려져 있으며, 저장대학(Zhejiang University)의 Gao Chao 교수팀이 개발한 것이다. 이 새로운 물질의 가장 큰 특성은, 제조가 쉽고 오일 흡수력이 뛰어나다는 점이다. 이 물질은 젤(gel)로부터 만들어진 것으로, 액체 성분은 기체로 대체되어 있다. 매우 낮은 밀도에서는 마치 고체 상태인 것처럼 보인다.
탄소 에어로젤은 오일 누출 처리, 수질 정화 및 공기 정화와 같은 오염관리 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다고 Gao 등은 밝혔다. 이들의 연구결과가 처음으로 온라인에 소개된 것은 2월 18일 ("Multifunctional, Ultra-Flyweight, Synergistically Assembled Carbon Aerogels")이며, Nature 매거진에도 소개된 바 있다.

또한 오염관리 분야에서 뿐만 아니라, 탄소 에어로젤은 촉매 담체(catalytic carrier), 흡음(sound absorption) 및 에너지 저장 절연체를 위한 이상적인 물질로 기대되고 있다.

수 년 동안 전 세계 과학자들은 가장 가벼운 물질을 만드는 방법을 찾아왔다. 2011년 캘리포니아 대학, HRL 연구소 및 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)은 당시 가장 가벼운 물질로 알려진 밀도 0.9mg/㎤ 의 니켈 에어로젤을 개발한 바 있다.

이번에 Gao 연구팀이 개발한 에어로젤은 동결 건조 용액(freeze-dried solution)을 이용하여 만들어졌다. 이 동결 건조 용액은 탄소 나노튜브 및 그래핀(graphene)으로부터 습기를 제거하지만, 형태를 그대로 유지시킴으로써 전 세계에서 가장 가벼운 물질로 알려진 물질을 만들어 낼 수 있었다.

탄소 에어로젤은 구조적으로 탄소 스펀지(carbon sponge)와 유사하다. 머그잔 크기의 에어로젤을 가냘픈 강아지풀 위에 올려 놓아도, 강아지풀이 휘어지지 않는다고 한다. 비록 취약해 보일지는 몰라도, 탄소 에어로젤은 탄력성이 뛰어나며, 압축되었을 때 원래대로 회복하는 능력도 우수하다.

또한 가장 오일을 잘 흡수하는 물질 중 하나이다. 현재의 오일 흡수체는 보통 유기 용매를 자체 중량의 10배까지 흡수할 수 있다. 하지만 이번에 새로 개발된 탄소 에어로젤은 자체 중량의 900배까지 흡수할 수 있다. 이뿐만 아니라 에어로젤은 유기물질을 빨리 흡수한다. 1g의 에어로젤은 1초에 68.8g의 유기물질을 흡수할 수 있기 때문에 해상에서의 오일 누출 사고를 처리하는데 이상적인 물질이 될 수 있다.

동결 건조 기법은 에어로젤 생산공정을 대량생산화하고 실현하는데 용이성을 제공해 주고 있다. 연구팀은 흡수 성능뿐만 아니라 다른 적용분야에 대한 연구를 계속하고 있다.

그림1> 매우 낮은 밀도(0.16mg/㎤) 다양한 온도범위(-900 ∼ 900℃)에서 무관하게 높은 탄력성을 갖는 모든 탄소 에어로젤은, 상업적인 탄소 나노튜브 생산 기법 및 화학적으로 전환된 거대한 그래핀 시트을 통해 제조될 수 있다.

그림2> (a-c). 에탄올은 에어로젤의 구조를 파괴하지 않고 직접적이고 완벽하게 연소하며, 스펀지는 다시 흡수체로 사용할 수 있다. (d) SEM 영상으로 연소 후에도 구조의 손상이 없음이 확인되고 있다.

출처 : http://www.nanowerk.com/news2/newsid=29667.php

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