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May 28, 2023

에어로겔을 사용한 지속 가능하고 저렴한 건물 단열재

© Fraunhofer / Piotr Banczerowski 우리는 CO2 배출량을 줄여야 합니다.

© 프라운호퍼 / Piotr Banczerowski

기후 목표를 달성하려면 CO2 배출량을 체계적으로 줄여야 합니다. 건물 단열은 이것의 핵심 부분입니다. 오버하우젠에 있는 Fraunhofer 환경, 안전 및 에너지 기술 연구소 UMSICHT의 연구원들은 PROCERAM GmbH & Co. KG와 협력하여 폴리스티렌과 같은 옵션보다 훨씬 효과적인 지속 가능하고 저렴한 미네랄 기반 단열재를 개발해 왔습니다. 이 소재는 층 두께가 절반만 되어도 폴리스티렌과 동일한 수준의 단열 효과를 얻을 수 있습니다. 개발팀의 세 구성원이 이 성과로 2023년 Joseph von Fraunhofer 상을 수상했습니다.

99.8%가 공기로 구성된 에어로겔은 세계에서 가장 가볍고 효과적인 단열재입니다. 그리고 유해하지 않은 원료인 이산화규소로 만들어지기 때문에 지속가능하며 석유화학물질을 사용하지 않고도 제조가 가능합니다. 그러나 지금까지 걸림돌이 있었습니다. 기존 에어로겔 생산에는 비용과 시간이 많이 걸리기 때문에 에어로겔은 단열재로 사용하기에는 너무 비쌌습니다. 이는 지금까지 우주복과 같은 틈새 응용 분야에 주로 사용되었음을 의미합니다.

PROCERAM GmbH & Co. KG는 이러한 도전을 기회로 보고 저렴한 에어로겔을 대량 생산하겠다는 목표를 세웠습니다. 대체 화석 기반 재료보다 더 효과적인 단열재인 저렴하고 불연성 미네랄 단열재를 만들 수 있다면 단열 부문에 혁명을 일으킬 것입니다. 이를 위해 기업가들은 Fraunhofer UMSICHT의 전문가와 접촉하여 6년 이내에 에어로겔을 생산하기 위한 새로운 제조 공정을 함께 만들었습니다. 이들 시스템은 환경적으로 유해한 화학물질을 사용하지 않고 실험실에서 상업화 이전 생산 수준까지 완전히 확장될 수 있습니다. 또한 새로운 공정은 이전에 값비싼 에어로겔 제조 비용을 70% 절감했으며, 생산 시간을 10시간 이상에서 단 2.5시간으로 단축했습니다.

Fraunhofer UMSICHT의 Nils Mölders와 Andreas Sengespeick, PROCERAM GmbH & Co. KG의 Christoph Dworatzyk는 이들의 업적을 인정받아 2023년 Joseph von Fraunhofer 상을 받게 됩니다.

연구팀은 이 정도 규모의 에어로겔 비용과 생산 시간을 줄이기 위해 생산 공정에 집중했다. 일반적으로 에어로겔은 젤을 형성하기 위해 산이 첨가된 미세하게 분포된 고체 입자를 포함하는 매체인 졸(sol)을 사용하여 생산됩니다. 1kg의 에어로겔을 생산하려면 약 6kg의 산이 필요합니다. 이러한 부식성 물질은 환경에 해를 끼칠 수 있습니다. 그런 다음 젤을 숙성시키고 용매 교환을 거쳐 최종적으로 건조시킵니다. "우리는 기존 기술 수준에 지속적으로 도전했습니다."라고 Mölders 씨는 설명합니다. "특성상 기체와 액체 사이에 있는 초임계 이산화탄소는 이전에는 건조에만 사용되었지만, 우리는 공정의 모든 단계에서 이를 사용합니다. 즉, 산의 사용을 완전히 없앨 수 있다는 의미입니다." 원자재도 지속 가능성 요구 사항을 충족합니다. 연구진은 비싸고 건강에 해로운 기존 변형 제품과 달리 쉽게 구할 수 있고 저렴하며 무독성인 20가지 이상의 다양한 유형의 실리카졸을 테스트했습니다.

건물용 단열재를 만드는 공정의 마지막 단계에서 에어로겔을 2~4mm 크기의 입자로 분해한 후 순수 미네랄 석고에 혼합합니다. 이 혼합물은 단열성과 물리적 특성이 뛰어나 폴리스티렌이나 미네랄울과 같은 기존 단열재보다 성능이 뛰어납니다. "석고에 혼합하면 에어로겔은 폴리스티렌에 비해 열전도도를 두 배로 줄일 수 있습니다. 이는 정말 엄청난 것입니다. 그래서 우리가 가진 것은 순수하게 광물로만 만든 매우 효과적인 단열재입니다."라고 Dworatzyk씨는 밝혔습니다. 이는 폴리스티렌 시트 두께의 절반인 에어로겔 소재 시트가 동일한 수준의 단열 효과를 얻을 수 있음을 의미합니다. 그리고 또 다른 장점도 있습니다. "여기에서는 순환 재료 경제에 다시 투입할 수 있는, 즉 재활용할 수 있는 모래와 석회 같은 재료만 사용하고 있습니다."라고 Sengespeick 씨는 설명합니다. 따라서 새로운 생산 공정은 건축 기술 부문과 기후 보호 측면에서 큰 잠재력을 갖고 있습니다.