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고분자공학
고분자공학(高分子工學, Polymer Engineering)은 유기화학 물질의 고분자 재료를 전문적으로 다루는 학문, 쉽게 말해 플라스틱 제조 및 그 원료인 석유를 다루는 학문이다.
polymer라는 단어는 우리말로 폴리머, 고분자 혹은 중합체로, 단위체인 monomer가 수없이 많이 연결되어(이 연결 과정을 중합이라고 한다.) 이루어진 분자를 말한다. 따라서 화학 물질 중 접두사에 poly-가 있는 단어가 있다면 그 물질은 높은 확률로 고분자 물질이다.
고분자는 수없이 많은 단위체가 연결되어 만들어지므로 일반적인 자연의 분자처럼 설명할 수 없다. 이는 분자의 크기로 부터 기인하는 성질이다.저분자량의 물질과 구별되는 고분자의 대표적인 특성은 유리전이온도, 열전이 등의 열적 특성, 점탄성 등이 있다. 고분자는 단위체(monomer)들이 손을 잡고 10000개 이상이 길게 연결되어 있는 형태이기 때문에 단위체와 그 거동이 확연히 구분된다. 칼국수면과 수제비의 거동을 떠올려보면 된다.
최초의 Polymer라는 말은 1833년 스웨덴의 Berzelius에 의해 사용되었다. 그 후 1920년 대에 독일의 Hermann Staudinger에 의해 Makromolekül(영어로 Macromolecule)이라는 단어가 소개되었다. 한국에서는 이 Macromolecule이라는 단어가 한역되면서 고분자라는 표현으로 나오게 되었으며 Polymer(중합체)와 함께 통상적인 고분자 물질을 이야기하는 데 사용된다. IUPAC 에서는 Polymer라는 단어 대신 Macromolecule이나 Polymer molecule로 지칭하기를 권고하고 있지만, Polymer molecule이라는 단어는 사용 빈도가 높지 않다. 특별히 생화학 관련 분야에서 Macromolecule은 핵산이나 단백질, 탄수화물, 폴리페놀과 같은 Biopolymer를 지칭하는 단어로 사용된다. 이 이름들을 따서 고분자 관련 유명 저널로 왕립화학회(RSC)의 Polymer science와 미국화학회(ACS)에서 출간하는 Macromolecules이라는 저널 등이 존재한다.
넓은 범위에서 보자면 고분자공학과는 유기화학, 재료를 중점적으로 다룬다. 이를 응용하여 염색(염색공학), 섬유제조(방사공학) 등 여러 단계를 거쳐 섬유 및 고분자로 재생산하는 과정을 다룬 학문이 섬유고분자재료학이며, 이를 배우는 학과가 섬유공학과이다.
목차
개념 및 정의
고분자(高分子, polymer)는 단량체 분자들의 화학반응을 통하여 규칙적인 반복단위를 가진 긴 사슬로 이루어진 분자이다. 그리스어의 polus(many)와 meros(parts)의 합성어로 거대분자(macromolecules)라고도 부른다.
고분자공학(高分子工學, polymer engineering)은 고분자의 전반적인 분야를 다루는 학문으로, 일반적으로 고분자의 전반적인 개념과 중합 및 반응을 다루는 고분자화학(高分子化學, polymer chemistry), 고분자과학(高分子科學), 고분자의 구조와 성질에 관한 고분자물리, 고분자의 중합과 천연고분자의 응용에 관한 고분자중합, 고분자의 특성인 점탄성 거동을 다룬 고분자유변학(高分子流変學, polymer rheology), 고분자재료의 가공과 응용을 다룬 고분자가공과 고분자구조 및 특성, 생체고분자, 고분자분석, 고분자나노소재, 고분자복합재료, 합성수지(플라스틱), 합성섬유, 접착제, 코팅제, 페인트, 전기·전자 재료용 고분자소재 등을 다루는 분야이다.
고분자는 학문적으로 고분자화학, 고분자물리, 고분자특성으로 분류할 수 있는데, 고분자화학은 화학반응과 고분자의 화학적 성질을 다루고 있으며, 고분자 물리는 고분자 재료의 성질과 공업적 응용을 다루는 것이다. 고분자특성은 화학적 구조와 형상을 분석하고, 조성과 구조적 인자에 따른 물리적 특성을 다루는 것이다.
역사와 발전단계
고분자는 아주 오래 전부터 인류생활에 사용되어 왔다. 천연고분자인 삼베는 신석기 시대에도 사용되었다고 하며, 비단은 2만 년 전부터 중국에서 사용됐다. 이처럼 천연에서 얻을 수 있는 모, 비단, 면 등의 가공, 염색 및 직조는 이미 수천 년 전부터 내려왔으며, 남미의 아즈텍에서는 천연고무를 탄성체나 방수 목적으로 사용하였다.
고분자는 과학(科學, science)이 발달되기 전부터 경험적인 발견으로 우리 일상에 사용되어왔다. 찰스 굿이어(Charles Goodyear)와 넬슨 굿이어(Nelson Goodyear)는 천연라텍스(natural latex)를 가황(加黃)시켜 탄성체인 고무와 열경화성수지(thermosetting plastics)인 에보나이트(ebonite)를 발견하였고, 이는 현재까지 인류에 필요한 재료로 사용되고 있다.
고분자공업은 약 100여 년 전에 여명기를 맞이하였으며, 제2차 세계대전을 지나면서 급속도로 성장하였다. 1830년대에 크리스티안 프리드리히 쇤바인(Christian Friedrich Schönbein)은 천연 셀룰로스를 유기화합물과 반응시켜 유기용매에 용해(溶解)되는 셀룰로이드와 셀룰로스아세테이트를 개발하였다. 1869년 존 웨슬리 하이엇(John Wesley Hyatt)은 니트로셀룰로스와 녹나무에서 얻은 장뇌(camphor)의 혼합물이 가공하기 쉬운 물질, 즉 플라스틱이 되는 것을 발견하자 이를 셀룰로이드(celluloid)라 명명하고 회사를 설립해 틀니, 단추, 필름 등의 주재료로 사용하였으며, 이는 최초의 공업적 생산이 이루어진 것이다.
하이엇의 발명을 시작으로 합성물질에 대한 연구가 활발해 지면서 1907년 레오 베이클란드(Leo Bakeland)는 페놀과 포름알데히드를 반응시켜 수지를 만들고 베이클라이트(bakelite)라는 이름을 붙였다.
프리드리히 아우구스타 케큘레(Friedrich August Kekulé)는 천연유기물질이 특이한 성질을 나타내는 것은 매우 긴 사슬로 이루어져 있기 때문이라고 하며, 고분자의 존재를 처음 제안하였다. 고분자의 개념이 처음 제시된 것은 1922년 독일의 헤르만 슈타우딩거(Hermann Staudinger)에 의해서다. 스타우딩거는 폴리스티렌 용액의 점도를 측정하여 거대분자의 존재를 증명하였으며, 1953년에 고분자를 연구한 학자로서 처음으로 노벨화학상을 수상하였다.
1928년 하인리히 쿠르트 마이어(Kurt Heinrich Meyer)와 마크(H. F. Mark)가 X-선 기술을 사용하여 셀룰로스와 천연고무에 존재하는 결정의 크기를 알아냈으며, 이후 많은 과학자들에 의해 천연에 존재하는 양모와 비단이 폴리아마이드와 같은 구조를 가지고 있다는 것이 알려졌다.
월리스 흄 캐러더스(Wallace Hume Carothers, 1896~1937)는 나일론으로 알려져 있는 선형의 지방족 폴리아마이드를 합성하고 성질을 연구하면서, 중합 거동에 따라 현재 축합고분자(condensation polymers)와 부가고분자(addition polymers)로 분류하는 학문적 성과를 이루었다.
1930년대에는 고분자가 사슬과 같은 분자구조를 가지며, 고분자용액은 점도를 가지는데, 고분자의 크기와 모양에 따라 점도가 변하는 것을 알게 되었다. 이러한 고분자에 대한 이해가 이루어지면서 상업적 생산이 확대되어, 1930년대에 아크릴수지 (사인보드, 투명재료), 폴리스티렌(장난감, 포장재, 건축자재), 멜라민수지(주방기구, 페인트)가 생산 적용되었다.
대부분의 새로운 고분자는 제2차 세계대전을 거치면서 공업적 대량생산이 되었는데, 슈타우딩거, 캐러더스, 마크 등 선구 연구자의 개념을 바탕으로 성장하였다. 전선 등과 같은 절연성이 우수한 폴리에틸렌을 비롯하여 결경화성 폴리에스테르 등이 개발되어 군수용품으로 성장하였으며, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS, 전자부품, 장난감, 포장재, 가전제품) 삼원 공중합체도 이 시기에 양산되었다.
세계대전 이후에는 카를 발데마어 치글러(Karl Waldemar Ziegler)와 줄리오 나타(Giulio Natta)가 개발한 전이금속 촉매에 의해 폴리에틸렌의 대량 생산뿐만 아니라 입체규칙성을 가지는 고분자를 제조할 수 있게 되었다. 이는 고분자 산업의 전환점이 되었으며, 이후 고분자의 분자구조의 규칙성을 제어할 수 있게 되어 다양한 성질을 가진 고분자의 제조가 가능하게 되었다.
1950년대에는 열 안정성과 치수 안정성이 우수한 폴리이미드, 폴리슬폰, 폴리페닐렌옥시드, 폴리에테르슬파이드, 폴리페닐렌슬파이드 등과 같은 엔지니어링 플라스틱이 개발되어 금속과 같은 재료와 경쟁하며 항공, 군수 산업 등에 적용되고 있다.
최근에 고분자 구조-성질의 관계를 이해하게 됨에 따라 새로운 중합방법 및 기능의 고분자가 개발되고 있다. 그 결과 로버트 하워드 그럽스(Robert Howard Grubbs)와 앨런 그레이엄 맥더미드(Alan Graham MacDiarmid) 등은 올레핀 복분해 중합과 전도성고분자의 개발 업적으로 노벨상을 수상하였다.
고분자는 지속 성장하여 새로운 고분자의 개발뿐만 아니라 기존의 고분자를 화학적 물리적 개질하는 연구 분야도 급성장하고 있다. 또한 환경문제의 대두로 고분자의 재활용에 관한 연구도 지속적으로 발전하고 있으며, 다양한 분야에 적용하기 위하여 고분자 블랜드나 복합체에 관한 연구도 지속적으로 이루어지고 있다.
고분자공학의 중요성 및 연구영역
고분자의 개념은 약 100년 전에 정립되었지만, 고분자공학은 학문적 뿐만 아니라 고 업적으로 비약적인 발전을 해, 현재 매년 약 3억 톤의 합성고분자가 생산되고 있으며 화학 분야에 종사하는 인구 중 약 40% 정도가 고분자에 대하여 연구하고 있다. 또한, 물리학(物理學, physics), 전자공학(電子工學, electronics), 기계공학(機械工學, mechanical engineering), 생물리학(生物理學, biophysics), 생물학(生物學, biology), 의학(醫學, medicine, medical science), 약학(藥學, pharmacy, pharmacology) 분야에서도 고분자에 대한 연구가 차지하는 비중이 확대되고 있다.
고분자 소재는 우주항공, 에너지 및 IT산업과 같은 첨단산업에 적용될 뿐만 아니라 자동차, 가전, 생활용품, 의류, 산업용 섬유, 건축 등 일상생활에 매일 사용되는 재료가 바로 고분자이다.
만약 광감응형 고분자인 포토레지스트의 개발이 없었다면 반도체, 디스플레이, 스마트폰 등과 같은 IT 산업의 발전은 없었을 것이다. 영화나 음악 등의 문화산업 역시도 각종 고분자 필름의 발전으로 가능해진 것이다. 고분자공학의 발전으로 고분자 소재는 생활용품, 전기전자기기, 자동차부품, IT용 부품, 의료용 등에 많이 사용되고 있으며, 재활용 분야, 생분해성 고분자 분야, 자동차/항공 부품분야 및 전자/반도체 부품 분야에 대한 중용성이 확대되고 있다.
분류
고분자화학
고분자화학은 고분자의 중합, 중합 메커니즘, 중합속도, 중합법, 단량체의 합성, 고분자 반응 등에 관한 내용을 다루는 분야이다. 중합, 중합메커니즘 및 중합 속도는 축합중합과 부가중합에 대하여 각각 다루고 있으며, 부가중합에서는 음이온중합, 양이온중합, 라디칼중합, 배위중합, 개환중합에 대하여 각각의 중합법과 특징에 관하여 다루고 있다.
고분자화학에서는 고분자의 설계, 입체규칙성, 공중합체의 조성 및 미세구조 조절에 관한 연구와 함께 유-무기 하이브리드 고분자의 합성과 그 성질에 대한 연구와 천연고분자의 합성과 개질에 관한 내용도 함께 다루어 원하는 분자구조의 설계와 정밀중합을 통한 맞춤형 구조의 고분자합성에 관한 연구도 포함하고 있다. 여기에는 합성고무(synthetic rubber), 합성섬유(synthetic fiber), 생체고분자(biopolymer), 유-무기고분자(organic-inorganic hybrid polymer), 무기고분자(inorganic polymer), 금속함유 고분자(metallo-polymer)의 합성도 포함된다.
고분자물리
고분자물리는 고분자의 구조를 명확히 이해하고 그 성질을 해석하는 분야로 용액상태, 벌크(bulk)상에서의 분자구조와 형상을 이론 및 실험적으로 규명하여 구조에 따른 성질을 예측하고 이에 맞는 고분자를 설계/합성하는 기본적인 정보를 다루고 분야이다. 고분자 사슬의 메조스코픽(mesoscopic) 조직은 열역학적, 가공조건에 의해 결정되기 때문에 조건에 따른 광학적, 전기적, 열적 및 기계적 성질의 변화를 해석/예측하는 연구 분야이다. 고분자물리에서는 고분자의 성질에 영향을 미치는 인자를 해석 분석하는 것으로 용액상태에서의 거동, 고체상태에서의 거동, 유변학적 특성을 다루고 있으며, 고분자분석, 고분자구조 등도 이 분야에 포함된다. 고분자의 기능을 다양화하기 위한 방법인 고분자블랜드(polymer blend), 고분자복합체(polymer composites) 및 나노구조물을 함유하는 고분자나노복합체(polymer nanocomposites) 등도 고분자 물리에서 다루고 있다.
고분자응용
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.
고분자공학과
소속
고분자공학과 혹은 유기소재공학과를 말한다. 넓게 보면 재료공학과(신소재공학과), 화학공학과, 섬유공학과에서도 다룬다.
1968년에 경북대학교에서 한국 최초로 고분자공학과를 개설한 이래 지금은 많은 학교들에서 해당 학과를 운영하고 있다. 학부 내내 고분자공학을 다루는 학과는 '유기나노공학/유기신소재파이버공학/유기재료공학/유기소재시스템공학/유기재료고분자공학'처럼 학과 이름 자체가 이쪽으로 되어 있는 학과이다.
- 고분자공학과: 경북대, 경상국립대, 금오공대, 부경대, 부산대, 인하대
- 유기나노공학과: 한양대
- 화학공학/고분자공학부: 성균관대
- 유기소재시스템공학과: 부산대
- 유기신소재·파이버공학과: 숭실대
- 고분자시스템공학부 고분자공학전공: 단국대
- 화학공학부 화공소재전공: 전남대
- 고분자융합소재공학부 고분자공학전공, 융합섬유공학전공: 전남대
- 유기재료공학과: 충남대
- 고분자나노공학과: 전북대
- 화학공학부 고분자바이오소재전공: 영남대
- 응용화학에너지공학부 나노화학소재공학전공: 한국교통대
- 신소재공학부 고분자공학전공: 공주대
- 신소재공학부 고분자소재공학전공: 동의대
고분자 생성 공정에 대해 공부하려면 학부에서 화학공학을 전공한 뒤 화학공학과 소속 연구실에 가는 게 좋다. 또한, 고분자 물성에 대해 공부하려면 학부에서 고분자공학, 재료공학을 전공한 뒤 MSE 소속 연구실에 가는 게 좋다. 재료를 마이크로, 나노, 원자 스케일에서 구조를 파악하고, 그것을 그 물성과 연관지어 설명하며, 그를 바탕으로 역으로 설계해서 원하는 물성의 재료를 얻어내는 다양한 방법론들을 구축하고 활용하는 것이 이쪽 특성이다. 고분자 신소재의 합성이 21세기 들어 활발해지면서 고분자물리/화학 분야에서 재료과학자들이 두각을 드러내고 있다. 다만 고분자가 아닌 물리학이나 MSE쪽으로 진학할 경우 고분자 이외의 공부를 너무 많이 하기 때문에 대학원 공부에 도움이 안 될 수 있다.
실질적인 차원에서 고3 수험생들이 이 분야에 관심이 있다면 꼭 사전에 알아보고 지원해야 한다.
이런 현상은 외국에서도 예외가 아니어서, 스탠퍼드 대학교는 재료공학과가 고분자과학 옵션을 제공하고, Caltech은 화학/화학공학부에서 담당하며, MIT는 PPSM(Program in Polymer and Soft Matter) 이라는 별도의 학제통합 대학원 프로그램을 운영하고 있다. 물리, 화학과 같은 전통적인 분야에서조차 기존의 이론과는 매우 구별되는 특수한 하위분야를 구축하고 있는 고분자과학/공학의 유니크함을 고려할 때 어쩌면 당연한 일.
과목
고분자공학과에서 주로 개설되는 과목들, (화학공학, 재료공학에서도 이런 과목들이 개설된다.)
고분자공학 공부를 위한 기초과목은 일반물리학, 일반화학, 물리화학, 유기화학, 재료역학, 미적분학, 공업수학이다.
<필수적인 과목>
- 고분자공학개론
- 고분자물성
- 고분자화학
- 고분자물리화학
<선택적인 과목>
- 생체의료용고분자(유기바이오소재)
- 합성수지
- 고분자분석
- 유변학
- 고분자가공설계
- 유기소재공정
- 유기나노소재(나노재료)
- Nano Composite
- 합성고무, 합성섬유, 계면접착
<화학 쪽의 심화>
- 분석화학, 기기분석, 무기화학
<화학공학 쪽의 심화>
- 화공양론, 유체역학
고분자공학 개론
이 과목을 들으려면 선수과목으로 일반화학, 유기화학, 물리화학이 필요하다.
- 소개, 고분자의 장단점, 고분자의 역사
- 명명법 (Nomenclature)
- 분자량 (molecular weight): Degree of polymerization, 분자량, 분자량의 분포
- 분자간 힘, solubility parameter
- 고분자 전이: 유리전이온도의 정의, free volume, WLF equation, 온도에 따른 고분자의 상태변화
- 고분자의 응용 분야
- 결정질 고분자 (Crystalline Polymers): 결정 상태와 녹은 상태 사이의 전이, 결정화의 kinetics와 model
- Characterization of Transitional Behavior
- Rubber Elasticity
- 고분자의 기계적 성질 (Mechanical Properties of Polymer): 파괴현상 및 측정법
참고자료
같이 보기
