고분자공학
1. 개요
高分子科學 • 工學 / Polymer Science and Engineering
고분자 과학•공학 은 유기화학 물질의 고분자 재료를 전문적으로 다루는 학문. 쉽게 말해 '''플라스틱''' 제조 및 그 원료인 '''석유'''를 다루는 학문.
polymer라는 단어는 우리말로 폴리머, 고분자 혹은 중합체로, 단위체인 monomer가 '''수없이 많이 연결'''되어(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.
최초의 Polymer라는 말은 1833년 스웨덴의 Berzelius에 의해 사용되었다.[1][2] 그 후 1920년 대에 독일의 Hermann Staudinger에 의해 Makromolekül(영어로 Macromolecule)이라는 단어가 소개되었다.[3] 우리나라에서는 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 science''와 미국화학회(ACS)에서 출간하는 ''Macromolecules''[4]이라는 저널 등이 존재한다.
고분자공학하고는 미묘하게 다르게 '염색(염색공학), 실뽑기(방사공학)' 등도 배우는 학과가 있는데 그쪽은 섬유공학 문서 참조바람.
2. 발전
인류가 산업 혁명을 겪고, 석유의 활용을 늘리자 자연스럽게 석유의 넓은 공업적 응용성을 다루는 화학공학이 생겨났는데, 석유재료를 파다 보니까 윗 문단에서 서술한 대로 이놈의 응용성이 끝이 없고 다른 재료들과 물리적 성질까지 크게 달라서 아예 학문이 분리되어 버렸다.
따라서 학문 자체는 오래되지 않았으며, 그 역사가 50~100년 정도인 신예 재료 중 하나이다. 즉 고분자는 특성상 일반적인 자연재료(대표적으로 나무), 유리, 세라믹(쉬운 예로 도자기), 금속을 잇는 최신의 소재인 셈. 특이한 점은 고분자의 합성 자체는 생각보다 일으키기 쉬운데, 아직 그 메커니즘이 정확하게 밝혀지지 않은 경우가 굉장히 많다. 만들어져서 쓰이긴 하는데 왜 그런지는 모르는 경우. 이는 고분자는 모노머들이 긴 사슬을 이루기 때문으로 중합 시 이 사슬 하나하나의 거동을 다 추적할 수가 없기 때문이다.
따라서 새로운 소재를 다루는 비교적 따끈따끈한 재료공학 분야이다 보니 이론적 원리가 확실하지 않아 이 분야가 생기는 초기에는 재료공학과 화학공학, 심지어 기계공학의 종사자들이 각자의 이론을 가지고 와서 고분자의 성질을 설명하려는 노력을 하셨고, 이제는 각 이론들을 통합해 설명할 수 있는 고분자공학만의 시도가 요구되기도 한다. 그래서 직접적인 이론적 배경이 되는 자연과학 분야가 없으므로 Polymer Science 라고도 한다.
3. 현재
고분자공학의 연구 대상은 새로운 폴리머의 개발과 그의 이론적 연구 등으로 요약할 수 있다.
고분자 연구를 살펴보려면 먼저 재료인 석유부터 다뤄야 한다. 모노머는 원유를 연료유로 정제하는 중 나오는 부산물에서 얻어지는데, 이 부산물 중에서도 화학공업에 쓰이는 물질들의 원료가 되는 나프타(Naphtha)에서 주로 얻어지며 전문용어로는 '''납싸'''라고 한다. 이 나프타에서 가장 기본적인 폴리머인 폴리에틸렌의 원료로 쓰이는 에틸렌이 얻어지며, 이렇게 가장 기본적인 모노머인 에틸렌을 얻고, 이것에서 다양한 조건 하에 여러 가지를 붙이고 떼고 하면서 다양하게 요구되는 목적에 맞는 새로운 폴리머를 합성함과 동시에 물리적 성질의 연구가 이루어지고 있고, 또한 더욱 순수하게 고분자들의 아직까지도 확실히 모르는 성질을 이론적으로 설명하는 연구도 이루어지고 있다.
또한 고분자 물질이 워낙 다방면으로 쓰이기 때문에 다른 학문과 연계해서 필요가 있을 때마다 자주 연구가 이루어진다. 이렇게 넓게 쓰이는 고분자 물질을 연구하는 것이 고분자공학이다.
4. 연구 분야
연구 분야는 크게 고분자화학, 고분자물성, 고분자재료, 생체고분자로 나뉘어진다. 고분자화학의 경우는 고분자 물질의 합성법 및 수득률과 중합도 조절 등 화학적인 컨트롤을 다룬다. 고분자물성은 고분자 물질의 물리적인 성질과 그 성질의 근원 메커니즘을 연구하며, 고분자재료는 이 지식들을 이용해 연구 목적에 맞는 새로운 재료를 개발하는 데 의의를 둔다. 또한 생체고분자는 생체 내에서 작동하는 합성 고분자의 합성을 목표로 한다.
각광을 받고 있는 디스플레이 재료, 탄소 신소재 및 대체에너지 분야에서 연구 수요는 늘어나고 있다.
5. 고분자공학과
5.1. 소속
Material Science (학교에 따라 재료공학 또는 신소재공학으로 부름), 재료공학의 세부전공 (고분자공학과/유기재료공학과), 화학공학, 섬유공학과 크게 4군데에서 다룬다.
1968년에 경북대학교[5]에서 한국 최초로 고분자공학과를 개설한 이래 지금은 많은 학교들에서 해당 학과를 운영하고 있다. 학부 내내 고분자공학을 다루는 학과는 '유기나노공학/유기신소재파이버공학/유기응용재료공학/유기소재파이버공학/유기재료고분자공학/파이버시스템공학/고분자·섬유시스템공학/고분자공학'처럼 학과 이름 자체가 이쪽으로 되어 있는 학과이다. 이런 학과들은 대부분 공과대학 소속이다.
- 고분자공학과: 경북대, 경상대, 금오공대, 단국대, 부경대, 부산대, 순천대, 인하대
- 고분자융합소재공학부: 전남대
- 유기나노공학과: 한양대
- 유기나노시스템공학과: 건국대
- 나노화학소재공학과: 한국교통대[6]
- 고분자·나노공학과: 전북대
- 유기신소재·파이버공학과: 숭실대
- 화학공학/고분자공학부: 성균관대
- 화학공학부 화공소재전공: 전남대
- 유기재료고분자공학과: 동아대
- 파이버시스템공학과: 단국대
- 신소재공학부 고분자공학전공: 공주대, 한기대
- 유기재료공학과: 충남대
- 유기소재시스템공학과: 부산대
고분자 물성에 대해 공부하려면 학부에서 고분자공학, 재료공학, 물리학과를 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.
농과대학에도 '바이오소재학과, 섬유공학과' 등의 이름으로 개설되어 있는 경우가 있다. 이쪽 학과들은 섬유곤충학, 실크과학 등의 과목을 다루기도 한다.
실질적인 차원에서 고3 수험생들이 이 분야에 관심이 있다면 꼭 사전에 알아보고 지원해야 한다.
이런 현상은 외국에서도 예외가 아니어서, 스탠퍼드 대학교는 재료공학과가 고분자과학 옵션을 제공하고, 칼텍은 화학/화학공학부에서 담당하며, MIT는 PPSM(Program in Polymer and Soft Matter)[7] 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.
5.2. 과목
고분자공학과에서 주로 개설되는 과목들, (화학공학, 재료공학에서도 이런 과목들이 개설된다.)
고분자공학 공부를 위한 기초과목은 일반물리학, 일반화학, 물리화학, 유기화학, 프로그래밍, 미적분학, 공업수학이다.
<필수적인 과목>
- 고분자공학 개론
- 고분자 물성(고분자 물리)
- 고분자 화학
- 생체 의료용 고분자(생체고분자)
- 합성수지
- 고분자 분석(고분자 구조)
- 유변학
- 고분자 가공 설계
- 유기 나노 소재 (나노재료)
- Nano Composite
- 합성고무, 합성섬유, 계면접착
분석화학, 기기분석, 무기화학
<화학공학 쪽의 심화>
화공양론
5.2.1. 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
6. 관련 항목
공과대학
공학
화학
환경호르몬
섬유
[1] J. J. Berzelius, ''Jahresberichte'', '''1833''', ''12'', 63[2] 한 때 고분자 물질들을 영국에서는 High molecule compound로 불리기도 한적이 있었다.[3] H. Staudinger, ''chem. ber.'', '''1924''', ''57'', 1203[4] Biopolymer 관련해서는 Biomacromolecules[5] 기존 서술에서는 1970년 인하대학교로 나와 있었으나 실제로는 경북대학교가 조금 더 빨리 개설되어 대한민국 최초의 고분자공학과이다. 한양대학교는 1958년에 섬유화학과를 개설하여 고분자에대해 강의를 시작하였다.[6] 나노화학소재공학과 → 고분자공학과 → 나노화학소재공학과로 변경[7] 구 PPST(Program in Polymer Science and Technology)