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고분자
고분자(高分子, macromolecule, high molecule)에 대한 명확한 정의는 존재하지 않으나 일반적으로 분자량이 1만 이상인 큰 분자를 말한다. 100개 이상의 원자로 구성되어 있다. 대개 중합체(Polymer)이다. 물질의 성질로서는 첫 번째로 분자량이 일정하지 않아 녹는점과 끓는점이 일정하지 않고, 두 번째로 액체 또는 고체로 존재한다. 세 번째로는 반응을 잘 하지 않아 안정적이다.
고분자의 종류로는 크게 합성 고분자와 천연 고분자로 나눌 수 있다. 천연 고분자의 예로는 탄수화물에서 알파 포도당이 축합반응을 하여 생성된 녹말, 베타 포도당이 축합반응을 하여 생성된 셀룰로스가 있다. 단백질도 천연고분자이다.
목차
개요
고분자는 엄밀히는 분자량이 낮은 분자인 단위체(monomer)가 공유결합으로 수없이 많이 연결되어 이루어진 높은 분자량의 분자인 폴리머(polymer)를 말한다. 따라서 화학 물질 중 접두사에 poly-가 있는 단어가 있다면 그 물질은 높은 확률로 고분자 물질이다. 고분자의 영문 명칭인 polymer는 고대 그리스어에서 많음을 뜻하는 'poly'와 부분을 의미하는 'mer'의 합성어로서 1833년 베젤리우스(Berzelius)가 창안하였다.
그러나 보통 매우 높은 분자량을 가진 분자를 고분자라 부르는 경우가 많다. 주로 분자량 1만 이상의 분자를 통칭하며, 영어로는 macromolecule이라 한다. Macromolecule을 의미할 때는 엄밀히는 고분자가 아니라 거대분자(巨大分子)가 맞는 표현이나, 화학, 화학공학 전공자를 제외하고는 혼용해서 사용하는 경우가 많다. 전공자도 이를 모르는 경우가 있다.
자연에서 만들어지는 폴리머도 존재하지만(ex)천연고무), 폴리머라는 명칭으로 부르는 것들은 대개 인공적으로 만들어진 합성 폴리머다. 가장 대표적인것이 바로 플라스틱과 석유로 만든 고무이다.
고분자는 수십~수백 단위체가 연결되어 만들어지므로 일반적인 저분자처럼 간단히 분자식을 쓰려고 했다간 종이 여백이 부족해서 분자를 다 못 그리는 참사가 발생할 것이다. 그러나 수없이 많은 단위체가 일정한 패턴에 따라 연결되므로, 패턴을 이루는 기본 단위를 그리고 그게 이 분자에 몇 개나 들어가 있는지로 표시할 수 있다. 따라서 일반적으로 고분자의 구조를 그릴 때는 단위체의 구조를 그리고 중합한 임의의 횟수 n을 붙여 표기한다.
한 예로 물과 폴리에틸렌을 비교해 보자. 물 한 분자는 H₂O로 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개가 결합되어 만들어져, 분자의 형태와 분자의 무게인 분자량이 일정하다. 하지만 폴리에틸렌의 경우 CH₂=CH₂ 인 에틸렌 분자의 이중 결합이 분리되어 -CH₂CH₂-n 의 기본 단위체가 n번 반복되는 긴 사슬이 된다. 폴리머의 정의가 분자량 1만 이상이므로, n이 350여 번만 붙으면 금방 고분자의 정의를 만족하며, 시판되는 고분자 물질들의 n은 작아도 수천, 크면 수만 단위이다.
따라서 일반적인 분자와 다르게 긴 사슬을 이루기 때문에 그 성질이 다른 재료와 매우 다르다. 고분자가 이런 다른 특성을 보일 수 있는 이유는 유기화학의 주 원소인 탄소의 성질 때문이다. 탄소는 그 특성상 엄청나게 많은 화합물을 안정적으로 만들 수 있고, 고분자공학은 그 성질을 이용해 계속 새로운 화합물을 합성해내는 학문이다. 이를 다루는 고분자공학에 대해서는 해당 문서를 참조.
일반적으로 3주기 이후의 원소는 탄소처럼 긴 사슬을 형성하기는 쉽지 않으나, 그렇다고 아예 불가능한 건 아니다. 주사슬에 탄소가 들어 있지 않고 다른 원소를 기반으로 하는 고분자는 무기고분자라고 하며, 대표적인 예로 규소-산소 사슬을 갖는 실리콘이 있다. 또한, 금속과 리간드의 배위결합으로 이루어지는 배위고분자도 존재한다. 즉, 무기화학이라고 해서 고분자와 아예 무관하다는 생각은 버리자.
특징
다분산성(Polydispersity)
금속같은 경우 '이 금속의 녹는점은 몇도' 이런 식으로 말할 수 있는 것에 비해 고분자는 대부분의 특징들이 특정 점에서가 아닌 완만한 곡선 형태로 나타난다. 끓는점의 예를 들면 물처럼 정확히 100도로 떨어지는 것이 아니라 90도와 110도 사이 어딘가에 있다는 식으로 나타나게 되는 것이다. 이는 고분자의 사슬들의 길이가 서로 다르기 때문에 각 사슬마다 풀어지는 온도가 달라서 나타나는 현상이다.
이방성(Anisotropy)
고분자는 사슬 형태를 지니기 때문에 외부에서 힘이 가해질 때 어느 방향으로 힘이 가해졌는지에 따라 다르게 반응한다. 줄을 결 방향으로 당길때와 다른 방향으로 당길때 반응이 다른 것을 생각하면 된다. 이 성질을 통해 고분자를 특정 방향으로 정렬시켜 성질을 어느정도 변화시키는 배향(Orientation)이라는 기술이 가능하며 고분자 제품을 가공하는 데에는 필수적인 과정이다.
점탄성(Viscoelasticity)
고분자는 온도에 따라 탄성(elasicity) 혹은 점성(viscosity)이 나타나게 된다. 이는 고분자가 조건에 따라 어느 한 요소가 집중적으로 나타나기 때문이다. 일반적으로 물체의 운동은 두 요소를 다소 포함하며, 고분자는 자체의 긴 사슬로 인해 점탄성이 현저하게 나타난다. 온도뿐 아니라 시간척도에 따라서도 다르게 나타난다.
즉, 어느 지점까지는 어떤 힘을 가해도 점성만 보이다가, 이 어느 지점을 넘어서는 힘을 받는다면 탄성을 보이는 것이다. 만일 계속해서 힘을 올린다면? 끊어지거나 터지거나 튕겨낼 것이다.
점탄성을 설명하는 모델로 스프링과 대시팟(dash-pot)이 쓰인다.
점탄성은 고분자의 탄성, 흐름과 분자운동 및 분자구조와의 상관관계에 관한 것으로, 고분자의 응용 및 가공기술을 개발하는데 기초가 된다.
당장에 집에서도 확인해 볼 수 있는데, 전분(녹말)과 물만 있으면 된다. 둘을 적절히 섞어서 강한 힘을 주는 동안에는 탄성이 나타나지만, 힘이 사라지면 주르륵 흘러내린다.
고분자 사슬 형상에 따른 분류
고분자는 동일한 단량체를 사용하더라도 그 사슬 간 연결에 따라 다양한 기하학적 구조를 가질 수가 있다. 그리고 그 구조에 따른 물성이 다르다.
- 선형 고분자 : 단량체가 실처럼 하나의 긴 사슬 형태로 연결된 고분자이다. 보통 용매에 녹으며, 일반적인 온도하의 고체상태에서 고무상이나 유연한 물질 또는 유리상의 열가소성플라스틱으로 존재한다.
- 가지형 고분자 : 하나의 주 사슬에서 일부 사슬이 곁가지처럼 연결되어 있는 형태의 고분자이다. 선형 고분자에 비하여 낮은 밀도와 강도를 가진다. 선형고분자의 용매와 같은 용매에 녹으며, 가지가 많은 고분자의 경우 특정한 액체에 팽윤되기도 한다.
- 가교고분자 / 망상 고분자 : 사슬과 사슬이 그물처럼 엉킨 구조의 고분자이다. 네트워크 고분자라고도 부른다. 열경화성 고분자 재료가 망상 고분자에 속한다. 사슬 사이에 1차결합이 존재한다. 따라서 용매에 의해 용해되지 않고 팽윤된다. 액체에 의해 팽윤되는 양은 가교밀도에 따라 다르다. 가교도가 높으면 다이아몬드 같은 단단하고 팽윤이 잘 되지 않는 물질이 된다.
- 별 고분자 : 하나의 중심분자에서 여러 개의 고분자 사슬이 성장하여 만들어지는 고분자이다.
- 고리(환형) 고분자 : 고분자 사슬의 시작과 끝이 연결되어 있는 고분자이다.
- 빗 고분자 / 브러쉬 고분자 : 주 사슬을 중심으로 여러 고분자체가 부착된 형태의 고분자이다. 가지형 고분자에 비하여는 곁가지의 밀도가 높으며, 분포가 균일하다.
- 덴드리머 : 중심에서부터 규칙성을 가지고 방사형으로 성장하며 합성되는 고분자이다.
공중합체
2가지 이상의 서로 다른 단량체가 하나의 고분자 사슬에 중합되는 경우를 공중합체(copolymer)라 하며 다음의 구조가 가능하다. 그 조합에 따른 물성의 변화가 가능하다.
- 교대 공중합체 : 2개 이상의 단량체가 서로 교대로 배열하여 형성되는 고분자
- 블록 공중합체 : 각각의 단량체로 구성된 고분자체가 화학적으로 연결되어 있는 구조의 고분자
- 랜덤 공중합체 : 하나의 사슬에 2개 이상의 단량체가 규칙성 없이 중합되어 배치된 고분자
천연 고분자
자연에서 존재하는 고분자 중 생체 고분자로는 녹말과 셀룰로스, 단백질 등이 있다. 쉽게 말해 여러분이 주변에서 볼 수 있는 대부분의 다세포생물(인간 포함)의 겉모습은 고분자라고 보면 된다. 대부분의 다세포동물은 외피가 단백질로 되어 있고, 대부분의 다세포식물은 외피가 셀룰로오스로 되어 있기 때문이다. 녹말의 경우는 α-포도당이, 셀룰로오스의 경우는 β-포도당이 반복적으로 중합되어 만들어지고, 단백질은 여러 가지 아미노산들이 중합되어 만들어진다. 반복적으로 중합되는 특성을 이용해 생체 내에서 에너지를 저장하거나, 형태를 유지하거나, 효소처럼 여러 가지 목적을 수행하는 등의 목적으로 쓰인다.
생체 고분자가 아닌 천연 고분자의 대표적인 물질은 고무이다. 고무는 대체재가 없는 대표적인 탄성체인데, 동남아시아 지역에서 플랜테이션을 이용해 고무나무를 이용하여 집약적으로 생산되고 있다. 여러 가지 합성 고분자들이 천연 고무를 대신해 쓰이고 있지만 100% 천연 고무를 대신할 수 있는 합성 고분자는 아직 개발되지 않았으니 이것이 바로 자연의 위대함.
또한 벌들이 만드는 벌집의 재료인 밀랍도 천연의 고분자인데 신기하게도 이쪽은 성분이나 구조가 플라스틱, 그중에서도 가장 흔히 쓰이는 폴리에틸렌과 매우 유사하다. 그래서 요즘은 밀랍을 먹는 벌레를 이용하여 처치가 곤란한 플라스틱 폐기물들을 처리하려는 연구도 있는 모양이다. 그외에 기름치와 같은 일부 물고기들도 왁스의 일종으로 이루어진 지방층을 체내에 많이 포함하는 경우가 있다.
합성 고분자
석유화학산업의 발전으로 다양한 단량체의 상업적 생산이 이루어졌으며, 그에 따라 여러 합성 고분자의 합성 및 시판이 이루어졌다.
나일론은 1935년 미국 듀폰사에서 개발한 합성 고분자이다. 두 개의 카복실산과 두 개의 아민을 가지는 단량체 간의 축합 반응으로 만든다. 섬유, 전선 피복 등의 소재로써 활용된다.
폴리에스터는 카복실산과 알코올 간의 축합 중합 과정을 통하여 생성되는 고분자이다. 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET)는 음료수 용기와 섬유로써, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)는 엔지니어링 플라스틱의 일종으로 자동차 범퍼 등에 활용된다.
폴리올레핀은 말단에 이중결합을 가지는 탄화수소 단량체를 금속 촉매를 이용하여 중합하여 생성하며, 에틸렌과 프로필렌 단량체를 시용한 폴리에틸렌, 폴리프로필렌이 그 대표 고분자이다. 폴리올레핀은 전체 고분자 생산량의 50% 이상을 차지한다.1) 2)
아래는 폴리에틸렌의 제조 예시이다. 가지 구조가 많은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 잘 늘어나는 성질을 가지는 비닐 포장백, 필름, 완충제 등의 용도로 사용되며, 선형 구조의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 파이프, 보관 용기의 재료로 널리 쓰인다.
고분자 응용
고분자공학의 궁극적인 목적은 단순한 일상생활에 사용되는 일회용 제품에서부터 첨단 산업에 이르기까지 인류사회에 필요한 유용한 제품을 만드는 것이다. 고분자응용은 고분자화학, 고분자물리를 바탕으로 고분자의 구조와 물성의 관계를 이해하고 이들의 유변학적 특성과 기계적 성질, 열적 성질 등을 이용하여 원하는 제품을 제조하는 것이다. 이 분야는 고분자유변학, 고분자구조, 고분자가공, 고분자블랜드, 고분자복합체 등을 포함한다.
고분자가공에서는 용액가공(solution process), 용융가공(melt process), 코팅(coating), 미세패턴(micro-, nanopattern process), 표면가공(surface process) 등을 다루고 있으며, 가공 시 다양한 기능을 부여할 수 있는 방법도 연구되고 있다. 최근에는 다양한 구조의 나노물질을 함유한 복합체의 연구가 이루어져 고분자나노복합체도 생산되고 있다. 또한 신재생에너지인 태양열에너지, 연료전지 및 2차전지에 대한 연구 분야도 확대되고 있으며, 스마트폰을 비롯한 디스플레이 분야, 의료용 및 치료용 분야에 대한 응용 연구와 디스플레이 분야 중에서 유기발광소자(organic light emmiting diodes, OLED)와 플렉스블 디스플레이(flexible display) 분야 및 나노분자 분야에 대한 응용연구가 더욱 활발해 지고 있다.
참고자료
- 〈고분자 polymer〉, 《화학백과》
- 〈고분자〉, 《위키백과》
- 〈고분자〉, 《나무위키》
같이 보기
