원자 결합에 따른 재료들은 금속, 세라믹, 그리고 고분자로 분류할 수 있습니다. 고분자는 우리와 늘 가까이하는 일상 용품들에서 볼 수 있죠. 식탁 위에 놓인 컵이나 쟁반, 물통 등의 용기들도 고분자이고, 우리의 신체도 고분자들로 이루어져 있습니다. 고분자라는 용어 대신에 플라스틱이 더 익숙하죠. 플라스틱은 고분자를 인위적으로 사용하기 위하여 첨가물을 넣은 것입니다. 첨가물들은 고분자로 만들어지는 제품들이 색을 띠거나 강해지거나 혹은 불에 잘 견디도록 용도에 맞는 기능을 부여해 주죠. 고분자는 영어로 'polymer'로 표현하는데 'poly + mer' 즉 'mer'에 해당하는 화학적 단위들이 다수로 반복적으로 연결되는 분자입니다. 이러한 고분자는 자연에서 얻기도 하고(natural) 혹은 인공적으로 만들기도(synthetic) 하죠.
고분자에 첨가되는 재료들은 기계적인 특성들을 개선하여 제조 공정을 용이하게도 하고, 성형성이나 내구성을 향상시키기도 합니다. 색을 띠게 하는 안료(pigment) 와 염료(dye)도 있죠. 안료는 물이나 기름 등에 녹지 않는 분말 형태의 착색제이고 염료는 물, 기름에 녹아서 섬유 물질이나 가죽 등을 염색하는데 주로 쓰이는 색소입니다. 안료 그대로는 섬유 등에 흡수되지 않지만 전색제의 도움에 의해 물체에 색이 도포되거나 또는 물체 중에 미세하게 분산되어 착색됩니다. 예를 들어 안료를 니스, 합성수지액과 같은 전색제에 섞어 도료, 그림물감 등을 만들어서 사용하게 되면 물체에 잘 착색이 되지요. 여기에서 전색제(展色劑, vehicle)는 안료를 포함하는 도료로, 고체 성분의 안료를 도장면에 밀착시켜 막을 형성하게 하는 액체입니다. 염료는 의류 등 섬유 물질에 주로 색을 입힐 때 주로 쓰이곤 하고요. 프린터용 토너, 페인트 등은 안료이고 의류에 착색된 색소는 염료로 보면 됩니다. 첨가제들은 색소(colorant) 이외에도 기계적인 성능을 개선하는 충진제(filler), 화재에 대비하기 위한 난연제(방염제, fire retardant), 윤활 성능의 개선을 위한 윤활제(lubricant), 점성이나 소정을 조절하여 가공과 성형을 도와주는 가소제(plasticizer), 그리고 주변 환경으로부터의 화학적 반응을 막아주는 안정제(stabilizer) 등이 있습니다.
고분자는 작은 단량체(단분자, monomer)들이 반복적으로 연결되어 이루어지므로 기본적으로는 거대 분자(giant molecule, macromolecule)입니다. 그리고 인체와 자연의 주요 성분들이며, 우리의 일상에서도 활용도가 아주 높죠. 고분자를 구성하는 기초 단위가 단량체이며, 단량체는 자기와 같거나 혹은 다소 다른 단량체들과 반복적으로 연결이 되면서 고분자를 만들어가죠. 예를 들어 에틸렌 단량체들이 모여서 폴리에틸렌 고분자가 되듯이. 이러한 과정을 중합(polymerization)이라고 합니다. 두개의 단량체가 연결된 분자를 다이머(dimer), 세개는 트라이머(trimer)로 불리며, 여러개의 단량체들이 연결된 분자를 올리고머(oligomer)라 합니다. 'oligo + mer' 즉 '여럿의 + 단량체'이죠. 고분자에서 단량체의 수는 종류마다 서로 달라서 보편적인 정의는 없지만, 대략 수천에서 수만, 혹은 그 이상까지를 말하며, 고분자에 비해 적은 단량체를 가진 경우를 저분자(small molecule)로 표현합니다.
이러한 고분자들은 스파게티처럼 서로 엉클어져서 물리적인 연결을 이루기도 하고, 혹은 분자들 간에 화학적인 연결도 종종 이루어집니다. 고분자들은 분자량이 큰 분자로 꼭 유기물에 국한된 것은 아닙니다. 유기 고분자와 무기 고분자로 나누어지죠. 다만, 자연에서 발견되는 고분자들은 주로 유기물이었고, 유기 고분자들이 하거나 우리의 생활에서 더 많이 접해왔기 때문에 고분자는 주로 유기물로 생각되어 왔죠. 유기 고분자의 큰 특징은 단량체들을 연결하는 주쇄(main chain)이 탄소(carbon, C0라는 점입니다. 예외도 일부 있어서 태울 때 이산화탄소가 발생하는 물질로 구분하기도 하지만. 그리고 무기 고분자는 탄소 이외의 다양한 원소들, 예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 질소(N)의 원소들이 주쇄를 이루고 있습니다. 요약하면, 고분자의 주류가 되는 유기 고분자(유기물)에서 하나의 분자는 탄소를 주성분으로는 긴 사슬(chain)에 다른 원소들이 연결된 구조이며, 원소들간의 연결은 공유 결합으로 이루어집니다. 즉, 탄소 사슬은 고분자의 등뼈(backbone)가 되는 셈이죠. 여기에서는 유기 고분자를 고분자로 다루어 설명을 이어갑니다.
고분자 물질은 이렇게 크고 긴 분자들이 약한 결합(van der Waals bond)이나 공유 결합을 하여 만들어집니다. 고분자 물질은 금속 결합이 아니라서 기본적으로 절연체이며, 이 점은 세라믹에 가깝죠. 그리고 분자들이 서로 약한 결합으로 연결되어 기본적으로는 열이나 충격, 그리고 환경 등에 약합니다. 그러나 중합 혹은 합성 기술 등의 발전으로 내구성, 내열성, 내충격성, 내환경성 등이 훨씬 강화된 유기고분자들, 즉 플라스틱들이 광범위하게 쓰이고 있죠. 그리고 이제는 딱딱하고 강한 플라스틱, 연성이 있고 다소 무른 플라스틱, 그리고 탄성 변형이 자유로운 탄성 고분자(elestic polymer, elastomer), 즉 고무 등으로 다양하게 분류됩니다.
기계적인 특성을 평가하기 위하여 인장 시험을 하면 이러한 세 분류의 특성 곡선들이 얻어지며, 각각의 물질들에 대해 각기 다른 응력과 변형률 특성들을 보이기도 합니다. 기본적으로 탄성 계수는 금속에 비해 매우 적은 값을 가지는데, 이는 분자들간의 약한 결합으로 응력에 대해 변형이 비교적 자유롭기 때문입니다. 열 특성을 살펴보면 온도가 어느 정도 이하로 내려가면서 분자들의 운동이 느려지고 제한을 받게 되며, 특정 온도에 이르면 분자들의 거동이 정지가 되면서 연성에서 취성 재료로 성질이 변화합니다. 이 온도를 유리 전이 온도(glass transition temperature)로 정의하며, 특히 고분자 소재를 기계적인 구조물로 사용할 경우 매우 중요한 인자입니다. 이 온도는 유리의 전이 온도와 맥락을 같이 하며, 최근에는 OLED의 고온 동작을 제한하는 임계 온도가 사용된 유기물의 유리 전이 온도와 밀접한 관계가 있다는 연구 결과도 발표된 바 있습니다.
전기적인 특성을 알아보면 전기 전도도와 전기적인 항복 특성은 세라믹의 경우와 유사합니다. 그리고 유전 상수, 유전 손실 등도 앞서 세라믹 절연체의 경우와 마찬가지로 해석할 수 있죠. 특히 쌍극자의 거동은 다소 허술하게 연결된 분자들로 인하여 분자 쌍극자 모드가 우세합니다. 그리고 전기 전자 분야에서 전기가 잘 흐르는 플라스틱, 즉 도전성 플라스틱의 활용도가 높아지면서 플라스틱이나 고무 등 유기 고분자의 전기 전도도를 높이기 위해 다양한 시도들이 진행되고 있습니다. 기본적인 접근 방식으로 내부(intrinsic) 혹은 외부(extrinsic) 접근법이 있죠. 내부로부터의 접근 방식은 소재 자체의 개발이나 결합 방식의 변형 등이 급선무이며, 외부로부터의 불순물 도핑, 혹은 전도성이 높은 나노 물질들의 함유, 그리고 도전막들의 코팅 등도 적극적으로 시도가 되고 있습니다.
유기 고분자들의 종류와 이름들은 실로 다양하며, 지금 이 순간에도 새로운 물질들이 만들어지고 있습니다. 에틸렌 단량체들로 이루어진 폴리에틸렌(polyethylene)은 플라스틱 병이나 장난감, 배터리 팩, 포장용 필름과 같은 밀봉 소재 등으로 쓰이고 있으며, PVC로 불리는 폴리염화 비닐(PolyVinyl Chloride)은 낮은 가격의 비교적 단단한 플라스틱으로 바닥재, 호스나 파이프, 전선의 피복 등에 사용됩니다. 듀폰사의 브랜드로 이제는 거의 일반 명사가 된 테플론, 즉 폴리테트라플루오로에틸렌(PolyTetraFluoroEthylene, PTFE)은 프라이팬 코팅부터 잠수함의 표면 코팅까지 실로 다양한 응용도를 자랑하죠. 이 외에도 여행용 가방의 폴리프로필렌, 포장재의 폴리스티렌, 가전제품의 외장재인 폴리카보네이트 등 그 종류와 활용도는 글로 다 표현하기가 어렵습니다.
고분자의 분류법도 다양한데, 주로 단량체의 화학적 조성, 분자량, 고분자 사슬의 모양이나 구조 등으로 구분됩니다. 여기에서는 고분자 사슬의 구조를 중심으로 설명을 이어갈 것이며, 선형(linear), 가지형(branched), 가교형(crosslinked), 망상형(network) 고분자로 분류합니다.
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노벨상 이야기... 폴리에틸렌
플라스틱의 종류는 수만여 종에 달하며, 그 성질 또한 다양하다. 그중에서도 가장 많이 사용되는 플라스틱 재질인 폴레에틸렌(PE)은 세 번의 우연한 발견이 겹쳐서 현재의 모습으로 발전했다. 첫
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