고분자공학과

고분자 합성 기술

Polymerization (Addition/Condensation)

단위체(모노머) 분자의 이중결합이 연쇄적으로 열리며 라디칼이나 이온을 매개로 서로 계속 연결되는 부가중합(폴리에틸렌 등)과, 두 종류의 작용기를 가진 단위체들이 결합할 때마다 물 같은 작은 분자를 하나씩 방출하며 사슬을 늘려가는 축합중합(나일론, 폴리에스터 등)으로 나뉘는 고분자 생성 반응.

ex) 페트병(축합중합의 폴리에스터)과 비닐봉지(부가중합의 폴리에틸렌)가 서로 다른 방식으로 만들어지는 것.

고분자 물성

Polymer Properties (Crystallinity/Tg)

고분자 사슬이 규칙적으로 접혀 정렬된 정도(결정화도)가 높을수록 단단하고 불투명해지며, 사슬의 무작위 열운동이 냉각으로 얼어붙어 유리처럼 딱딱해지는 온도인 유리전이온도()를 경계로 고분자는 고무처럼 유연한 상태와 유리처럼 딱딱한 상태를 오감. 이 두 값으로 고분자의 강도·유연성·내열성을 예측함.

ex) 고무줄이 냉동실에 넣으면 유리전이온도 아래로 내려가 딱딱하게 부서지는 현상.

플라스틱 및 고무 성형가공법

Plastic & Rubber Molding/Processing

고분자를 녹는점 근처까지 가열해 유동성을 갖게 만든 뒤, 금형에 고압으로 밀어넣어 굳히는 사출성형이나 다이를 통과시켜 일정한 단면 형상을 연속적으로 뽑아내는 압출 등으로 원하는 제품 형태를 만드는 가공 기술.

ex) 스마트폰 케이스나 자동차 범퍼가 사출성형기로 대량 생산되는 과정.

고기능성 섬유

High-Performance Fibers

고분자 사슬을 방사(가는 실 형태로 뽑아냄) 후 강하게 잡아당겨(연신) 사슬을 섬유 방향으로 최대한 나란히 정렬시킴으로써, 일반 섬유보다 훨씬 높은 인장강도나 내열성을 갖게 만든 특수 섬유 소재.

ex) 방탄조끼에 쓰이는 아라미드 섬유(케블라), 항공기 동체에 쓰이는 탄소섬유.

복합재료 유변학

Rheology of Composite Materials

고분자 용융물처럼 전단속도 가 커질수록 점도 가 낮아지는 비뉴턴 유체의 흐름·변형 특성을 연구하는 학문. 사출성형 시 금형 구석구석까지 재료가 얼마나 잘 채워지는지, 압출 시 어떤 압력이 필요한지를 예측하는 데 필수적.

ex) 케첩을 흔들면 더 잘 나오는 것처럼, 고분자 용융물도 전단력을 받으면 점도가 낮아지는 성질을 이용한 성형 공정 설계.

고분자 사슬의 통계역학

Statistical Mechanics of Polymer Chains

고분자 한 가닥은 수천~수만 개의 단위체가 이어진 사슬이 무작위로 꼬이고 뒤엉킨 형태를 띠는데, 이 사슬의 평균적인 크기(말단간거리 제곱의 평균)를 단위체 개수 과 결합 길이 로 통계적으로 기술하는 이론. 실제 고무의 탄성이나 고분자 용액의 점도 같은 거시적 물성이 사슬 하나하나의 이런 통계적 형태로부터 설명됨.

ex) 고무줄이 늘어났다 놓으면 원래대로 돌아오는 탄성이 사슬이 다시 무작위 형태로 되돌아가려는 통계적 경향에서 비롯되는 것.

분자량 분포와 다분산도

Molecular Weight Distribution & Polydispersity

고분자 합성 반응은 사슬마다 정확히 같은 길이로 자라지 않아, 하나의 고분자 시료 안에도 짧은 사슬부터 긴 사슬까지 분자량이 분포함. 개수 기준 평균 과 무게 기준 평균 의 비율인 다분산도(PDI)가 1에 가까울수록 사슬 길이가 균일하며, 이 분포의 폭이 고분자의 강도·가공성·용융 특성에 큰 영향을 줌.

ex) 같은 폴리에틸렌이라도 다분산도에 따라 필름용, 파이프용 등 서로 다른 용도에 맞게 설계되는 것.

고분자 블렌드와 상용성

Polymer Blends & Compatibility

두 가지 이상의 고분자를 섞어 각각의 장점을 조합하려 할 때, 대부분의 고분자 쌍은 분자 수준에서 잘 섞이지 않고 미세하게 분리된 상을 이루는데, 이 상분리 정도(상용성)가 블렌드의 최종 물성을 좌우함. 상용화제(두 고분자 모두와 잘 결합하는 첨가제)를 넣어 계면을 안정화시키면 서로 다른 고분자의 장점을 동시에 갖는 신소재를 만들 수 있음.

ex) 충격에 강한 고무 성분과 강도가 높은 플라스틱을 블렌드해 두 장점을 모두 가진 자동차 범퍼 소재를 만드는 것.