폴리머

금속처럼 100% 재활용이 가능한 폴리머가 개발되고 있다 ⓒ Colorado.edu

폴리머(polymer)는 단위체가 반복되어 연결된 고분자의 한 종류이다. 그리스어의 많다(poly)와 부분(meros)의 합성어로서 고분자화합물, 중합체라고도 부른다. 대개는 화학적 합성에 의한 고분자를 '중합체'라 칭한다. '중합체'(polymer)라는 용어는 1833년에 바젤리우스(Jons Jacob Berzelius)에 의하여 처음 사용되었다. 본래는 'Macromolecule'(고분자, 독일어에서 기원함 'Makromolekül')이 1900년대 이전에 주로 쓰이던 용어였으나, 차후 주로 화학적 결합에 의하여 동일한 단위체가 계속 반복된 형태를 '중합체'(polymer)로 칭하게 되었다.

폴리머는 분자의 크기가 매우 클 뿐만 아니라 같은 부분이 반복된 구조를 갖고 있다. 폴리머 반대말은 monomer(단량체)이다. 모노머들이 반복적으로 연결되는 반응을 polymerization(중합)이라고 하고 그 결과물로 생긴 큰 분자를 폴리머라고 한다.

폴리머는 우리 생활에 너무 많이 관계되어 있고 폴리머가 없는 세상은 상상도 할 수 없다. 사실 우리 주위에는 폴리머가 아닌 것이 오히려 찾기 어려울 정도로 폴리머가 많고 우리 몸 자체도 폴리머이다. 그래서 금속이나 세라믹보다는 플라스틱을 만질 때 더 촉감이 좋고 친근감을 느끼는 것이다.

중합체의 분자가 결합한 모양에 따라 사슬모양중합체, 그물모양중합체 등으로 나눠진다. 중합체 중 합성중합체로 나일론, PVC등 많은 플라스틱이 만들어 졌고 천연중합체로는 녹말, 고무 등이 있다.

상세

물질의 성질을 유지하면서 가장 작은 입자는 분자이다. 물론 분자는 원자로 구성되며, 원자는 다시 전자와 원자핵으로 나눠지고 다시 쿼크같은 것으로 세분화 된다. 분자를 구성하는 각 원자간에 서로 잡아당기는 전기적인 힘이 존재하는데 이를 결합력(bond Strength)이라 한다. 결합된 분자에 열과 압력을 가하면 결합이 끊어지면서 다른 분자와 새로운 결합을 시킬수 있어 고분자물질을 만들 수 있다.

이렇게 생성된 화합물을 분자량에 따라 분류해 보면, 분자량이 적은 저분자 화합물과 분자량이 매우 큰 고분자 화합물로 나눌 수 있다. 일반적으로 유기 화합물의 분자량은 100 ~300 사이에 있는데, 대부분 500 이하를 저분자 화합물이라 하며, 고분자 화합물은 10,000 이상의 것이 보통이고 수만에서 수십 만에 이른다. 하나의 개체를 단분자(monomer)라고 하며 단분자가 모여 복잡한 구조를 가지는 고분자(Polymer)가 된다.

모노머(단분자)를 반응시켜 폴리머(고분자)로 만들 수 있는데 이런 반응을 중합(Polymerization)반응이라 한다. 이 세상에는 분자가 기본 단위의 반복으로 이들 분자들이 서로 중합하여 이루어진 화합물이 많다. 즉 염화비닐, 나일론, 합성고무, 네오프렌, PVC, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 실리콘 등이 있고 이것을 중합체(重合體)라고도 한다. 사람몸의 세포에도 고분자가 존재하는데, 우리가 잘아는 단백질,지방,탄수화물,핵산(DNA)이 있다.

폴리머(polyer)는 원자들이 전자를 공유할 때 화학적 고리로 연결되는 똑같은 구조의 단위로 이루어진 고분자(거대분자)들이다. 아미노산이 모노머(monomer)에 해당하고 아미노산이 결합된 단백질이 중합체(polymer)에 해당된다.

원래 인간이 폴리머라는 것을 만들 줄 몰랐을 때 자연계에서 수지를 채취하여 사용하였다. 이 수지라는 것은 열을 가하거나 solvent용매에 녹여서 무르게도 액체 같이 만들 수 있는 독특한 성격이 있다. 이 성질을 가소성(plasticity)이라고 하며 이 단어에서 플라스틱( plastic) 열가소성(thermoplasticity)이라는 용어가 탄생했다. 원래 플라스틱이란 말은 plasticity를 가진 물질이란 뜻이다.

폴리머는 우리 생활에 너무 많이 관계되어 있고 폴리머가 없는 세상은 상상도 할 수 없다. 사실 우리 주위에는 폴리머가 아닌 것이 오히려 찾기 어려울 정도로 폴리머가 많고 우리 몸 자체도 폴리머이다. 요즘 환경이 매우 중요한 이슈가 되는데 자연은 거의 천연 폴리머로 되어 있다고 볼 수 있다. 나무 풀 짐승 벌레 세균 등 유기 물질은 모두 폴리머이다. 우리가 음식을 먹고 소화하고 우리 몸이 자라는 것 모두가 폴리머 반응이다. 그러므로 자연을 이해하고 보존하고 회복하는 일도 폴리머 기술이라고 할 수 있다. 그런데 이렇게 중요한 폴리머를 알기 위해 고도의 화학 지식이 꼭 필요한 것은 아니다. 폴리머는 손으로 만질 수 있고 느낄 수 있는 것이다.

일반적인 고분자 산업의 기원은 천연고분자의 개질과 관련하.여 19세기에 시작된 것으로 알려져 있다. 그러나 1920년대 까지는 Hermann Staudinger가 주장하던 공유결합에 의한 화학적 단위의 긴 사슬의 분자라는 학설에는 받아들여 지지 않았다. 후에 Hermann Staudinger의 이론이 Mark와 Meyer에 의하여 입증이 되어졌다. 또한 Paul Flory의 이론적, 실험적인 업적은 1974년 그에게 노벨상의 영광을 안겨 주었으며 이후 과학적인 진보와 산업적인 발전으로 인하여 고분자의 산업은 더욱 확장되었고 계속적인 발전을 거듭하고 있다.

플라스틱의 발전

플라스틱은 폴리머를 대표하는 소재다. 플라스틱 산업은 코끼리의 어금니가 귀해지고 비싸지면서 시작되었다. 당구공을 제조하던 한 사람이 원재료인 상아의 대체품을 찾아내는 사람에게 그 당시로는 어마어마한 상금인 1만불을 걸고 현상공모하였다. 드디어 1869년에 뉴욕 알바니아의 인쇄업자인 존.W.하이얏트가 드디어 그 일을 해냈다. 그는 섬유소에 질소와 장뇌를 혼합하여 그가 셀롤로이드라고 명명한 재료를 창조하였는데 이것이 최초의 플라스틱이었다. 종종 그러하듯이, 하이얏트의 발명품은 본래의 용도이외에 많은 다른 용도에 사용 가능한 것으로 밝혀졌는데, 셀롤로이드 깃, 단추, 머리빗 및 수백종의 제품들이 미국 뉴져지주 뉴워크에 있는 하이얏트공장에서 생산되기 시작했다. 또한, 그로부터 멀지 않아 다른회사에서도 자체의 셀로로이드나 유사한 물질을 가지고 플라스틱업계에 뛰어들었다. 당시 플라스틱 산업의 발전의 원동력은 이 신소재의 다양한 용도와 신기함 때문이 아니었고, 뿔을 가진 가축의 수가 감소했던 현상 때문이었다.

합성 및 물리적 특징

'중합체'는 대개 어떠한 단위체를 사용하였는가에 따라 다른 성질을 갖는다. 이와 같이 단위체인 스타이렌이 반복하여 연결된 구조를 만듦으로서 중합체를 합성하게 된다. 산업적으로 가장 많이 합성되는 중합체는 폴리에틸렌이며, 역사적으로 가장 유명한 예는 합성고무인 폴리아이소프렌이다. 폴리아이소프렌의 경우 분자 구조가 고무나무의 수액에서 나오는 라텍스와 동일한 구조를 가지는 물질로서, 자연에서 얻어야만 했던 물질을 인간이 스스로 합성해낼 수 있었던 하나의 좋은 예이다.

중합체의 물리적 특성을 결정하는 가장 중요한 두 개의 물리적 변수는 유리전이온도 (Tg)와 녹는점 (Tm)이다. 이 두 개의 변수는 각 중합체의 사용 용도를 결정하게 된다. 유리전이온도는 중합체가 액체 상태에서 유리처럼 과냉각액체 상태로 변하게 되는 온도를 말하는 것으로서, 중합체가 과냉각액체가 되기 시작하면 딱딱해지며 더 이상 흐르지 않는다. 이것은 단지 중합체의 점도가 매우 높아진 것으로서, 물질이 결정을 이루어 점도가 무한대로 커지는 것과는 다르다. 즉, 낮은 데보라수에서는 흐르지 않지만, 높은 데보라수에서는 흐르는 것을 관찰할 수 있다. 폴리스타이렌이 섭씨 100도 정도에서 유리전이를 일으키는데, 100도 이상에서는 액체이고 그 이하에서는 흐르지 않는다. 녹는점은 중합체 분자들끼리 결정을 만드는 온도이다. 그러나 이 결정구조는 중합체의 모든 부분으로 퍼져나가지 못하며 국지적으로 일어나게 된다. 즉, 녹는점은 유리전이 온도보다 낮으므로 과냉각된 액체상태의 중합체 내부에 작은 중합체의 분자 혹은 그 부분들로 이루어진 결정들이 생성되는 구조가 된다.

종류

고분자 종류 및 구조

고분자

구조에 따른 성질 변화

동종 중합체(homopolymer)

한 종류의 단량체로 형성된 중합체. 단독 중합체라고도 한다. 대부분은 규칙성 폴리머이지만 부타디엔의 라디칼 중합으로 얻어지는 호모폴리머 같이 불규칙성 폴리머인 경우도 있다.

• 선형 고분자(linaer polymer)

선형 고분자는 골격 원자의 긴 사슬로 구성되는데, 이것에 치환기가 붙어있게 된다. 폴리 에틸렌이 가장 간단한 예 중 하나이다. 선형 고분자는 보통 용매들에 잘 녹으며, 보통 온도인 고체상태에선 탄성체, 유연한 물질, 혹은 유리 같은 열 가소성 상태로 존재한다. 폴리에틸렌 이외에, 전형적인 선형 고분자들로는 PVC, PMMA, nylon 66 등이 있다.

• 가지 고분자(branched polymer)

가지 고분자는 주 사슬과 같은 기본 구조위 가지를 갖는 선형 고분자이다. 가지 고분자는 원래의 선형 고분자를 녹이는 용매에 잘 녹는다. 실제로 이들의 성질 중 많은 것이 선형 고분자와 비슷하다. 그러나 때때로 이들의 성질은 결정화되기가 선형 고분자 보다 어렵고, 선형 고분자와 다른 용액 점도나 빛 산란 때문에 선형 고분자와 구별된다. 가지가 많은 가지 고분자는 어떤 용액에 완전히 녹지 않고 단지 흡착될 뿐이다.

• 가교 고분자(corsslinked polymer)

가교 혹은 망상구조 고분자는 사슬들 간이 화학적으로 연결되어 있다. 이러한 물질은 보통 용매에 의해 녹지 않고 , 단지 흡착되어 부풀 뿐이다. 실제로 이러한 불용성은 가교 구조의 척도 혹은 기준으로 사용된다. 고분자에 의해 흡수되는 액체의 양은 가교 정도에 의존하는데, 가교 양이 많으면 많을수록 흡수되는 양은 적어진다. 가교 정도가 아주 높다면 고분자는 단단해지고, 높은 녹는점을 가지며, 액체가 침투할 수 없는 다이아몬드 같은 고체가 된다. 사슬에 대한 적은 가교는 고무 같은 탄성체 성질의 형성에 우세하다.

• 고리 선형 고분자(cyclolinear polymer)

고리 선형 고분자는 고리 형태의 구조가 연결된 선형 고분자의 특별한 경우이다. 벤젠고리가 이러한 형태의 고분자에 주로 참여하지만 헤테로 고리화합물이나 무기질 고리 화합물도 같은 방식으로 참여하기도 한다. 이 고분자의 성질은 용해도가 종종 낮은 것을 제외하고는, 일반적으 로 선형 고분자의 성질과 비슷하다.

• 사다리 고분자(ladder polymer)

이름에서와 같이 사다리 고분자는, 두 개의 기본 골격 가닥을 일정한 순서로 가교에 의해 연결시켜 생긴 선형 고분자이다. 실제로 방향족 고리가 연결 단위를 구성하기도 한다. 예상되는 바와 같이, 사다리 고분자는 일반 선형 고분자들 보다 더 단단한 구조를 가지며, 용매에 덜 용해된다. 그러나 이것들은 균열이 일어날 때 각 분열 자리에서 두 결합의 끊어짐에 의해 분자량 감소가 진행되기 때문에 매우 좋은 열 안정성을 나타낸다.

공중합체(copolymer)

하나의 단량체 만이 고분자의 합성에 관여했을 경우를 동종 중합체라 한다. 공중합체는 둘 이상의 서로 다른 단량체들로부터 만들어진 고분자를 말한다. 예를 들어, 스타이렌과 아크릴로나이트릴을 같은 반응 용기 안에서 반응을 시키면, 두 단량체를 동시에 갖는 공중합체가 형성된다.

• 랜덤 공중합체(random copolymer)

랜덤 공중합체에서는 어떤 규칙적은 단량체들의 배열을 볼 수 없다. 단량체 A와 B의 랜덤 공중합체 에서는 두 성분은 사슬을 따라 무질서하게 분포하며, 이들의 상대적은 비는 합성에 따라 조절할 수 있지만 합성하기 전 단량체의 비와 반드시 일치하지는 않는다. 이 랜덤 공중합체는 상업적으로 만들어지는 공중합체의 가장 흔한 형태 중 하나이다. 랜덤 공중합체는 올레핀 형태의 단량체들이 자유 라디칼 형태의 과정에 의해 공중합될 때 형성된다. 일반적으로 랜덤 공중합체의 성질은 관련된 단 중합체의 성질들과는 매우 다르다.

• 교대 공중합체(alternating copolymer)

교대 공중합체는 두 단중합체 단위가 규칙적으로 교대하는 배열을 갖는다. 이온 형태의 메커니즘을 통해 일어나는 올레핀 중합이 이러한 형태의 공중합체를 내놓는다. 마찬가지로 이러한 형태의 고분자는 관련 두 단량체로부터 만들어지는 동종중합체와는 아주 다른 성질을 갖는다.

• 블록 공중합체(block copolymer)

블록 공중합체는 한 단량체의 블록이 다른 단량체의 블록으로 연결되는 형태를 취한다. A물질 블록 후 B물질 블록이 이어지는 경우를 -[-AB-]- 라고 표현한다. 사슬이 오직 각각의 단량체의 한개 가닥으로 구성되어 있으면 AB형이 되고, 중앙에 B블록이 있고 양 끝에 A블록이 존재하면 ABA형, 주사슬에 3가지의 다른 블록이 존재하면 ABC 형이라고 한다. 블록 공중합체는 주로 이온 중합에 의해 형성된다. 다른 공중합체와 다르게 이 블록 공중합체는 두 단량체로부터 만들어진 동종 중합체의 물리적 성질들은 많이 갖고 있다.

• 그라프트 공중합체(graft copolymer)

그라프트 공중합체는 보통 두 개의 서로 다른 단량체를 열결해 만들어진다. 예를 들어 단량체 A로부터 만들어진 동종 중합체를 단랸체 B로부터 만들어진 동종 중합체에 유도하여 만드는 것이다. 이러한 형태의 그라프트 공중합체는 두 동종 중합체의 혼합물을 감마나 x선 노출로 취급해 얻어지거나 두 동종 중합체를 물리적으로 섞어 얻어지기도 한다. 바꿔 말해, 그라프트 공중합체는 단량체 A의 사슬에 따라 시작 지점을 곳곳에 형성하고 이 지점으로부터 단량체 B를 중합시켜 얻어진다. 그라프트 공중합체는 두 동종 중합체의 성질과 관련된 성질을 자주 나타낸다.

리튬 폴리머 배터리

리튬 폴리머 배터리는 폴리머 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리 중 하나이다. 리튬 폴리머 배터리는 전해질이 고체 또는 젤 형태이기 때문에 불의의 사고로 전지가 파손되어도 전해질이 밖으로 새어 나가지 않아 발화하거나 폭발할 우려가 거의 없어 안정성이 확보된다. 에너지 효율도 리튬이온 배터리보다 높다. 또한 견고한 금속 외장을 사용할 필요가 없고, 용도에 따라 다양한 크기와 모양으로 제조할 수 있으며 3mm이하 두께로 제작이 가능하다. 무게도 30%이상 줄일 수 있다. 특히 제조공정이 리튬이온전지에 비하여 비교적 쉬워, 대량생산 및 대형전지 제조가 가능하다.

고분자 전해질

고분자 전해질은 크게 아래와 같이 세 분류로 나눌 수 있다.

• 순수 고체 고분자 전해질계
• 젤-고분자 전해질계
• Hybrid 고분자 전해질계

순수 고분자 전해질계는 Hydro-Quebec사에서 처음 시도한 것으로 높은 분자량의 polyethers(homo- 혹은 co-polymers)와 plasticizing염, 때로는 약간의 액체가소제를 혼합하여 제조한다. 이러한 전해질은 용매증발 피복법으로 박막을 제조한다. 이러한 종류의 고분자 전해질로는 polyether grafted polyether, polysiloxane, polyphosphazene 등이 있으며, 이러한 전해질의 이온전도는 폴리머의 local segmental motion으로 이루어진다. 젤-고분자 전해질은 순수-고분자 전해질에 비하여 상온에서의 높은 이온전도도와 불량한 기계적 성질을 나타내는 것으로 많은 양의 액체가소제와 혹은 용매를 폴리머 매트릭스에 첨가하여 폴리머호스트구조와 안정한 젤을 형성하도록 하는 것이다. 젤-고분자 전해질의 기계적 물성을 향상시키기 위하여 cross-linked나 thermoset할 수 있는 물질들을 첨가하고 있다. 이러한 고분자 전해질의 이온전도는 액체상에 있는 이온종의 이동도에 의하여 이루어진다. 따라서 이온전도도는 액체용매에서의 이온전도도에 접근하게 되며 전기화학적 안정성은 액체 전해질에서와 유사하게 된다. 이처럼 젤-고분자 전해질은 높은 이온이동도와 높은 전하수송물질 농도를 나타 내어 주된 성능향상을 이루었고, 또한 저온특성도 우수하게 되었다.

근래 많은 연구가 이루어진 고분자 전해질의 분류 및 최근 개발된 고분자 전해질의 조성을 Table 1, Table 2에 각각 나타내었다. Hybrid 고분자 전해질계는 고분자 매트릭스를 submicron이하로 다공성하게 만들어 유기용매 전해질을 이 작은 기공에 주입시켜 제조한다. 이 작은 기공에(＜submicron) 들어간 유기용매 전해질은 누액이 되지 않고 아주 안전한 전해질로 사용할 수가 있다. 이 전해질은 이온전도도가 유기용매 전해질의 이온전도도와 같은 특성을 갖고 있고, 용이하게 제작할 수 있는 것이 장점이라고 볼 수 있다.

참고자료

• 〈중합체〉, 《위키백과》

같이 보기

• 세라믹
• 고분자
• 리튬 폴리머 배터리

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