실존의 학문 고분자
나를 통해 세상을 채운다
- 나, 나는 태어났다. 나는 생각한다 그리고 깨닫는다.
- 나는 자유인이다. 심연 속의 불안은 없는 것을
- 내가 올바로 서야 가족과 사회와 나라와 그리고 세상이 존재한다.
- 내안에 일체가 된다. 남자, 여자, 고분자와 더불어...
인류는 유사 이래로 항상 고분자와 함께 생활해 왔으면서도 고분자의 존재를 인식하지 못하고 지내왔다. 무기재료나 금속에 비해서 특이한 구조를 지닌 사슬이 대단히 긴 분자. 즉, 고분자(macromolecule, polymer)의 존재가 처음 인식된 것은 1920년대이다. 인체를 구성하고 있는 분자, 가벼운 용기나 필름, 의류나 이불 등의 재료, 타이어나 신발, 그밖에 페인트나 접착제 등 인류문명에 공헌한 고분자. 지금, 정보통신이나 첨단전자제품의 핵심소재로, 반도체 제조의 핵심인 미세설계기술(NT), 정보를 저장하는 컴팩디스크, 통신용 광섬유, 액정화면의 기본소재 등등(IT). 고분자가 이미 인공장기로 사용되고 있고 멀지 않아 손상된 인체의 장기를 고분자로 완전히 대치할 수 있는 길이 열린다. 육백만불의 인간이 얼만 가격이 내려갈까(BT)? 이미 고분자학문은 NT, IT, BT의 기본기술이 없으면 성립되지 아니하였다는 것을...
고분자는 용도가 매우 다양하고 고기능을 지닌 첨단소재라는 특성으로 인하여 짧은 과학적 탐구의 역사에도 불구하고 급속한 기술의 발전을 가져와서, 현재 합성 고분자의 전세계 생산량은 1억톤 이상으로 이미 1980년대의 부피 생산량에서 철강을 능가하였고, 무게 생산량으로도 거의 같은 수준에 이르고 있다. 또한 고분자의 발전은 생물, 물리, 화학, 우주항공, 기계, 조선, 건축, 전기전자, 의약학 등 분야의 과학기술의 발전과 상호 보완적 메카니즘에 의하여 발전되어 왔으며, 앞으로도 그 특성을 유지하면서 더욱 급속히 발전할 수 있는 특이한 소재로 꼽힌다. 따라서 고분자는 인간의 능력이 발달함에 따라 무한한 발전가능성을 가지고 있어 2세기 미래의 학문으로 더 주목을 받고 있다.
새로운 고분자소재 및 이와 관련된 신 공정 개발 및 연구에 필요한 고급 인력을 양성해서 사회에 공급하여 관련 분야의 기초과학기술을 발전시키고, 미래의 공학인 고분자공학을 집중 육성하여 과학기술계 발전에 이바지하여야 한다는 취지로 설립되었다(1990년 산업자원부 산하 전자전기 공업국에서 제조업 경쟁력을 강화하고 향후 국내 주요 산업의 성장주도 분야의 고급인력 부족을 대비해 고분자공학과의 증원 내지는 신설이 필요하다고 교육부에 전달됨).
일반적으로 고분자라는 명칭은 유기고분자를 줄여서 부르는 것이다. 유기고분자는 주쇄가 탄소원자를 중심으로 이루어진다(물론 실리콘, 질소, 인의 주쇄도 있다). 즉, 탄소원자들이 긴 사슬로 이어져 있으며 분자량을 물과 비교하였을 때 물은 18g/mole인데 비해 수만에서 수백만 g/mole에 이르는 것으로 mole의 개념보다는 분자사슬 하나의 표현으로 대표하기도 한다. 즉, 반복단위를 묶음표로 하여 아래첨자로 중합도(degree of polymerization)를 표시하면 된다. 예로 폴리비닐알콜(polyvinyl-alcohol)은 -[CH2(OH)]n- (n=1000)로 그 화학식을 나타내고 반복단위([]안에 있는 것)의 분자량이 44g/mole 이니 고분자의 분자량은 44 x 1000 = 44000g/mole 이 되는데 통상 숫자만 불러 분자량을 표시한다.
- 모든길은 고분자로 통한다. 수학, 생물, 물리, 화학이라는 기초학문과 기계, 응용재료, 우주항공, 조선, 토목, 건축학, 전기전자, 컴퓨터 등 공학으로 칭하는 응용학문이 모두 고분자와 함께 가야 할 벗이다.
- 아무것도 몰라도 쉽게 배울 수 있는 고분자...
- 미래 인류의 역사는 고분자를 통해야만 한다는데...
이러한 고분자는 단량체(monomer)라고 하는 저분자량의 물질을 중합(polymeri- zation) 이라고 하는 반응으로 사슬이 길게 연결되며 그 때 사슬의 길이가 통계적인 분포로 얻어지므로 분자량도 평균값으로 나타낸다. 보다 낮은 부분의 분자량을 대표하는 것이 수평균분자량이다. 그 수평균분자량의 두 배 정도의 값을 중량평균분자량(weight average molecular weight)이라고 한다. 예로 중동의 기름의 열분해공정으로 나오는 유기물질 중에 에틸렌을 들어보자. 이의 중합으로 폴리에틸렌(PE, -[CH2CH2]n-)이 얻어지는데 에틸렌의 분자량이 증가하면서 그 물리적인 성질과 상태는 참으로 많은 변화를 겪게된다.
CH2의 수가 증가하면 기체에서 액체로 바뀌며 액체인 헵탄(heptane, C7H16)은 탄소의 수가 일곱 개로 늘어난 것이고 탄소수가 중합에 의해 50개정도 붙으면 양초로서 왁스처럼 그 성상이 바뀌고 탄소수가 더 커져 중합도가 1000이상으로 늘어나면 비닐하우스의 지붕덮개처럼 부드럽고 질긴 고체가 된다.
유기고분자 재료는 가벼운 것이 특징이다. 비중이 1 근처의 값을 갖고 있어 금속이나 세라믹재료의 대체 품목으로 일상생활용품으로 쓰이게 된 것이며 유기 염료나 무기 안료 등과 잘 섞이므로 색상을 다양하게 나타낼 수 있다. 그 분자는 일차결합으로 양원소에서 전자를 하나씩 내어 공유하여 한궤도를 도는데 이것을 씨그마(σ)궤도라 한다. 이외에 파이(π)궤도 등이 있으며 비공유 전자쌍도 갖게 된다. 이러한 분자의 구조는 어마어마하게 많아서 그에 따른 응용도 많게 된다. 알갱이(pellet)나 가루(powder)로 공급되는 고분자를 수지(resin)라고 하고 그 제품들을 합성수지(plastics), 접착제(adhesives), 합성섬유(synthetic fibers), 합성고무(synthetic rubbers or elastomers) 등으로 분류하고 있다. 쉽게 필름이나 섬유로 잡아 늘릴 수가 있고, 종류에 따라 다른 재료보다 높은 탄성률(modulus)을 나타내기도 한다.
고분자가 보다 안정된 상태로 바뀌는 것을 경화(curing)라고 한다. 경화가 되는 것을 현상학적으로 설명하면 고분자사슬의 중간에 반응성인 활성 중심이 주위의 사슬에 전이(chain transfer)되고 두 사슬사이에 가교(crosslinking)가 이루어져 연쇄반응로 전 시스템으로 퍼지면서 3차원적인 네트워크가 이루어진다. 이렇게 되면 용매 속에서 팽윤(swelling)만 되고 녹지 않는 겔(gel)이 된다. 이렇게 얻은 수지는 그 전체 덩어리가 하나의 분자로 볼 수 있고 이때의 분자량의 개념은 가교점 사이의 분자량으로 대표하기도 한다. 엘라스토머(고무)는 가교점 사이의 분자량이 커서 사슬의 유동성이 좋다.
엘라스토머는 그 사용하는 온도가 유리전이온(glass transition temperature, Tg)도 이상이므로 고무탄성(rubber elasticity)을 타나내는 것이고 페놀수지와 같이 초기 단량체의 반응으로 조밀하게 가교가 된 것은 딱딱한 플라스틱으로 Tg가 높아서 열경화성수지(thermosets)의 대표적은 것으로 꼽는다. 빛을 쪼여 유기 고분자물질을 경화(curing)시켜 산업으로 응용하는 예만 정리하여 보아도 다양하다. 그중에서 표면 피복(coating), 인쇄(printing), 광학(optics), 전자재료, 접착 그리고 액정 분산(dispersed liquid crystal) 등이 대표적인 것이다.
고분자사슬의 분자구조를 용도(전자, 기계, 자동차, 비행기, 건축, 의학 등)에 맞게 설계, 그것의 resin을 만들어내고 물성을 분석하고 용도에 적합한가 물성평가를 한다. 재료의 특성상 필요에 따라서는 복합재료로 접근한다. 시장조사로 생산량을 결정하고 가공단위를 결정하여 가공방법과 금형 등 가공에 관한 디자인 설계가 필요하다. 그리고 생산단가를 결정하여 시장에 고분자 제품으로 출하하여 판매한다. 그러면 무엇을 배우는가? 다음의 정규과목 들이 포함된다. 생활속의고분자, 고분자열역학, 유기화학, 수치해석, 반응공학, 고분자화학, 고분자구조및물성, 고분자유변학, 고분자가공학, 고분자산업 및 공정설계, 천연고분자화학, 의료용신소재, 고분자기기분석, 고분자시스템설계, 고분자복합재료, 그리고 고분자실험 등을 대학에서 배운다.