고분자(polymer) 폴리머 란?
고분자(polymer)는 분자량이 큰 화합물을 말합니다. 고분자는 단위체(monomer)가 공유결합으로 수없이 많이 연결되어 이루어진 분자입니다.
고분자는 그리스어의 polus(many)와 meros(parts)의 합성어로 거대분자(macromolecules)라고도 부릅니다. 또한 단량체가 두 개 이상 결합했다는 의미에서 ‘중합체’라 불리기도 합니다.
고분자는 일반적으로 액체 또는 고체로 존재하며 열이나 전기 전도성이 없고 화학적으로 안정합니다. 고분자 소재는 다양한 분야에 응용됩니다.
고분자는 크게 합성 고분자와 천연 고분자로 나눌 수 있습니다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 폴리에스테르, 아크릴 등은 인공적으로 만들어낸 합성 고분자 화합물입니다. 녹말, 셀룰로스, 단백질, 지방은 천연 고분자 화합물입니다.
폴리머의 종류
폴리머는 단위체가 반복되어 연결된 고분자의 한 종류입니다. 폴리머의 종류는 다음과 같습니다:
- 선형 고분자
- 가지 고분자
- 가교 고분자
- 고리 선형 고분자
- 사다리 고분자
- 유기 천연 고분자: 셀룰로오스, 단백질, 고무, 녹말, 실크
- 무기 천연 고분자: 석면, 흑연, 다이아몬드, 아스팔트, 호박
- 유기 합성 고분자: 나이론, 아크릴, 합성고무, 실리콘수지
- 무기 합성 고분자: Polysilicate, Polysulfurnitride, graphite
- 천연 고분자
- 무기 고분자
- 감광성 고분자
- 내열성 고분자
폴리머의 종류에는 친수성 폴리머도 있습니다.
친수성 폴리머의 종류
- 아크릴 폴리머
- 에테르 폴리머
- 플루오르카본 폴리머
- 폴리스티렌 폴리머
- 폴리(염화비닐) 폴리머
- 폴리(N-비닐피롤리돈)(PVP) 폴리머
폴리머 소재?
폴리머는 대부분 탄소, 수소, 기타 비금속 원소를 포함하는 유기물 복합체입니다.
폴리머의 대표적인 예로는 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 나일론, 폴리스틸렌(PS) 등이 있습니다. 폴리머는 플라스틱과 고무로 대표되는데, 주변에서 볼 수 있는 물건 중 금속을 제외한 다수가 폴리머로 만들어져 있습니다.
폴리머는 일상생활의 필수적인 일부분입니다. 안전하고 위생적인 식품과 위생용품의 포장재, 유해한 UV 광선으로부터 몸을 보호하는 합성섬유로 만든 의류에 이르기까지 폴리머는 다양한 분야에서 사용됩니다.
폴리머의 용도
폴리머는 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 소재로, 합성섬유, 포장재, 의류, 전자제품, 신발, 스포츠 장비 등에 사용됩니다.
폴리머는 에틸렌을 비롯한 유기 화합물을 조합해 합성한 것으로, 강도와 무게, 가격이 적당해 일상 제품의 원료로 널리 사용됩니다. 폴리머는 범용 플라스틱부터 극한 환경에서도 사용할 수 있는 고성능 폴리머까지 그 범위가 넓습니다.
폴리머의 예로는 다음이 있습니다.
- 에틸렌을 단량체로 하는 폴리에틸렌: 포장재, 식품 용기
- 스티렌을 단량체로 하는 폴리스티렌: 문구, 소형 가전
폴리머는 코팅의 안료 분산제로도 사용됩니다.
폴리머 필름?
폴리머 필름은 다양한 소재의 특성에 맞는 물성으로 설계되어 생산됩니다. 폴리머 필름은 폴리올레핀, 폴리아마이드 등의 다양한 소재를 변성시켜 생산됩니다.
폴리머 필름은 액정 폴리머 필름, 폴리에스터 필름, 폴리우레탄 필름 등으로 구분됩니다.
액정 폴리머 필름은 강력 접착, 방수, 내열 등의 특성을 가지고 있습니다. 폴리에스터 필름은 1941년 영국에서 발명되어 합성섬유로서 사용량이 증가한 제품입니다. 폴리우레탄 필름은 상처의 2차 감염을 방지하고 상처 주변의 피부를 짓무르지 않게 보호합니다.
폴리머의 특징
폴리머는 일반적인 분자와 다르게 긴 사슬을 이루기 때문에 그 성질이 다른 재료와 매우 다릅니다.
폴리머의 특징은 다음과 같습니다.
- 분자량이 일정하지 않아 녹는점과 끓는점이 일정하지 않음
- 개개 고분자 사슬이 불규칙하게 엉킨 형태
- 저밀도, 저강도, 저강성, 저용융점
- 전기/열 전도도 낮음
- 화학물질에 대한 안정성(특히, 산소)
- 높은 열팽창계수
- 사용온도 범위 낮음
- 다분산성(Polydispersity)
- 이방성(Anisotropy)
- 점탄성(Viscoelasticity)
폴리머는 대개 하나의 특징적인 구조 형태만을 갖지는 않습니다. 예를 들면 선형 폴리머가 일부 가지형 또는 망상형 구조를 가질 수도 있습니다. 주 사슬에 한 개 이상의 측면 원자 또는 원자군이 결합된 폴리머에서 측면 그룹의 배열 규칙성과 대칭성은 폴리머의 물성에 중요한 영향을 미칩니다.
폴리머 제품(리튬 이온 배터리)의 장단점
장점
폴리머 리튬 이온 배터리는 다음과 같은 장점이 있습니다.
- 높은 에너지 밀도
- 소형화, 박형, 경량
- 높은 안전성
- 긴 사이클 수명
- 저렴한 비용
- 낮은 자체 방전율
- 메모리 효과가 없음
이러한 특성으로 인해 리튬 폴리머 배터리는 휴대성이 중요한 다양한 전자기기에 적합합니다.
단점
하지만 리튬 폴리머 배터리는 다른 배터리 기술에 비해 제조 비용이 비싸고, 열 폭주 위험이 높아 극단적인 경우 폭발이나 화재로 이어질 수 있습니다. 또한 리튬 이온과 같은 에너지 밀도(저장할 수 있는 전력량)나 수명도 없습니다.
마무리
오늘은 고분자(polymer) 폴리머 화합물의 종류와 특징 및 장단점에 대해 알아보았습니다.
폴리머는 경량성, 내구성, 절연성 등의 장점을 가지고 있습니다. 이를 통해 폴리머는 다양한 산업분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 열안정성과 기계적 강도가 낮다는 단점도 있습니다. 최근에는 이를 극복하기 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있습니다.
앞으로 폴리머 소재의 성능과 기능을 더욱 향상시키기 위한 기술 혁신이 계속되어야 합니다. 나노복합소재, 고분자 가공기술 등의 발전을 통해 폴리머의 단점을 보완하고 장점을 극대화할 수 있을 것입니다. 이를 기반으로 폴리머 산업은 더욱 성장할 것으로 기대합니다.