고분자

정의

합성 폴리머 혹은 녹말, 단백질 등의 천연물로써 분자량이 큰 것의 총칭. 단순한 단위가 반복적으로 이어지는 거대 분자이다. 즉, 분자량이 매우 큰 물질이며, 단량체라 불리는 단순한 분자로부터 합성된다. 고분자의 재료 특성이 독특하거나 가공 방법이 다양한 것은 이들의 분자 구조에 기인한 것이다. 특히 플라스틱은 아주 다양한 용도로 쉽게 가공할 수 있어 가장 흔한 재료로 사용되고 있다. 고분자 재료는 가공성이 뛰어나기 때문에 여러 부품의 구성 성분으로 쉽게 선택된다.

고분자의 영문 명칭인 Polymer는 고대 그리스어에서 ‘많음’을 뜻하는 Poly와 ‘부분’을 뜻하는 mer의 합성어로서 1833년 베젤리우스가 창안하였다. 낮은 분자량의 저분자와 높은 분자량의 고분자 간의 명확한 구분은 없다. 다만, 중합도에 따른 구분을 위해서 낮은 수준의 중합도를 갖는 분자를 따로 ‘올리고머’라 구분하여 부른다. 1개 또는 2개의 단량체만을 사용하더라도 제조 방법에 따라 사슬의 길이, 기하학적인 구조를 조절할 수 있으며, 각각의 물리적 성격에 따라 다양한 물성 구현이 가능하다.

 

고분자 사슬 형상에 따른 분류

고분자는 동일한 단량체를 사용하더라도 그 사슬 간 연결에 따라 다양한 기하학적 구조를 가질 수 있으며, 구조에 따른 특성도 달라진다.

 

• 선형 고분자는 단량체가 실처럼 하나의 긴 사슬 형태로 연결된 고분자이다.

• 가지형 고분자는 하나의 주 사슬에서 일부 사슬이 곁가지처럼 연결된 형태의 고분자로, 선형 고분자에 비해 낮은 강도와 밀도를 가진다.

• 망상 고분자는 사슬과 사슬이 그물처럼 얽힌 구조이며, 열경화성 고분자 재료가 망상 고분자에 속한다.

• 별 고분자는 하나의 중심 분자에서 여러 개의 고분자 사슬이 성장하여 만들어진다.

• 고리 또는 환형 고분자는 고분자 사슬의 시작과 끝이 연결되어 있다.

• 빗(브러쉬) 고분자는 주 사슬을 중심으로 여러 고분자체가 부착된 형태로, 가지형 고분자에 비해 밀도가 높으며 균일한 분포를 가지고 있다.

• 덴드리머 고분자는 중심에서부터 규칙성을 가지고 방사형으로 성장하며 합성되는 고분자이다.

 

공중합체

두 가지 이상의 서로 다른 단량체가 하나의 고분자 사슬에 중합되는 경우를 말하며, 다양한 구조를 가진다. 또한, 조합에 따른 물성 변화가 달라 이를 이용한 재료가 연구되고 있다.

 

• 교대 공중합체는 두 개 이상의 단량체가 서로 교대로 배열하여 형성되는 고분자이며,

• 블록 공중합체는 각각의 단량체로 구성된 고분자체가 화학적으로 연결된 구조이다.

• 랜덤 공중합체는 하나의 사슬에 두 개 이상의 단량체가 규칙성 없이 중합되어 배치된 고분자를 말한다.

 

대표적인 고분자로는 단백질과 합성 고분자가 있다.

 

• 단백질은 대표적인 생체 고분자로, 20개의 필수 아미노산들이 아마이드 결합을 통해 생성되며, 우리 몸에서 다양한 역할을 하는 중요한 고분자이다.

• 합성 고분자는 나일론, 폴리에스터, 폴리올레핀 등을 말하며, 석유 화학 산업의 발전으로 다양한 단량체의 상업적 생산이 이루어졌다. 나일론은 미국 듀폰사에서 개발한 합성 고분자로, 두 개의 카복실산과 두 개의 아민을 가지는 단량체 간의 축합 반응으로 만들어진다. 섬유, 전선 피복 등의 소재로 활용된다. 폴리에스터는 카복실산과 알코올 간의 축합 중합 과정을 통해 생성되는 고분자이다.

• 폴리에틸렌프탈레이트는 음료수 용기와 섬유로, 폴리부틸렌테레프탈레이트는 엔지니어링 플라스틱의 일종으로 자동차 범퍼 등에 활용된다. 폴리올레핀은 말단에 이중 결합을 가지는 탄화수소 단량체를 금속 촉매를 이용해 중합하여 생성되며, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌이 에틸렌과 단량체를 사용한 대표 고분자이다. 폴리올레핀은 현재 고분자 생산의 반 이상을 차지할 만큼 많이 생산되어 사용되고 있다.

 

추가 용어 정리

 

• 고분자성 결정

공유 결합에 의해 다수의 원자가 3차원 구조 혹은 2차원 망상 구조를 이룬 거대 분자 결정. 다이아몬드 등이 고분자성 결정의 전형이다.

• 단량체

고분자로 바뀔 수 있는 물질을 말한다. 예를 들면, 에틸렌은 폴리에틸렌으로 중합될 수 있는 단량체이다.