인류 역사를 바꾼 화학 발명품 3

 

안녕하세요, 한화토탈 블로그지기입니다. 매년 4월은 과학의 달인데요, 1968년 과학기술처가 중앙행정기관으로 독립한 날인 4월 21일을 과학의 날로 지정하면서 시작됐답니다. 4월 과학의 달을 맞아 지금의 편리한 생활이 가능하게 한 화학 발명품 3가지를 선정해봤는데요. 생활 필수품이 된 '폴리에틸렌'부터 첨단 전자제품과 태양광 에너지 핵심 소재가 된 '실리콘', 그리고 미래 복합소재로 각광받고 있는 '탄소나노튜브'까지. 인류 역사를 바꾼 근대 화학 발명품을 소개하겠습니다.  

 

 

01

플라스틱 대표 물질 '폴리에틸렌'

 

 

자동차부터 전자제품, 장난감, 식품용기부터 우리 생활에 있어서 플라스틱은 없어서는 안될 물질인데요. 그 중에서도 비닐봉투와 음료수병, 그리고 전선용 피복재료 등 생활 속에서 가장 많이 사용되고 있는 플라스틱은 바로 ‘폴리에틸렌(PE)’입니다. 

 

 

폴리에틸렌은 처음 발견한 사람은 독일 화학자인 ‘한스 폰 페치만(Hans von Pechmann)’ 박사인데요. 1898년 실험실에서 한 시험관의 바닥에 밀랍 물질이 달라붙어 있는 것을 발견하고 이 물질을 ‘폴리에틸렌’이라고 지었지만, 당시에는 실용성이 없어 보여 잊혀졌습니다.

 

그리고 1933년 영국 임페리얼화학공업사(ICI)의 화학자인 에릭 포셋(Eric William Fawcett)과 레지널드 깁슨(Reginald Gibson)은 고압반응에 관한 실험을 하는 동안 산소가 누출됐는데 페치만 박사가 만들었던 것과 같은 물질이 만들어지는 것을 발견했고 2년 후 산소를 이용한 폴리에틸렌을 생산하기 시작했습니다. 

 

  

폴리에틸렌은 밀도에 따라 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 나뉘는데, 고밀도 폴리에틸렌은 1953년 독일의 칼 치글러(Karl Waldemar Ziegler)가 발견했습니다. 고밀도 폴리에틸렌은 단단해서 파이프나 연료탱크, 병뚜껑 등 딱딱한 제품을 만드는 데 주로 사용되고 있습니다. 

 

 

02

반도체, 태양전지 핵심소재 '실리콘'

 

 

규소(Si)는 지구에서 산소 다음으로 풍부한 원소로, 규소의 영어 원소명이 바로 ‘실리콘(Silicon)’입니다. 실리콘은 반도체와 태양전지에 사용되는 핵심물질로, 지금의 첨단전자시대를 살게 해준 대표 물질이기도 합니다. 

 

1787년 프랑스의 과학자 앙투안 라부아지에가 처음으로 규소에 대한 연구를 시작했는데 그는 더 이상 분해할 수 없는 물질을 ‘원소’로 정의하고 당시 기술로는 분해가 되지 않던 규소 산화물인 실리카를 원소로 보았습니다.

 

 

1808년 험프리 데이비가 순수한 규소를 얻으려는 시도를 하고 ‘실리시움(silicium)’이라는 이름을 붙였으며, 1823년 스웨덴 화학자 베르셀리우스(J. Berzelius)가 플루오린, 칼륨, 규소의 화합물에서 순수한 형태의 규소를 얻는데 성공했습니다.

 

실리콘은 현재 컴퓨터 반도체, 태양광발전의 태양전지를 만드는 데 없어서는 안될 필수 소재인데요. 실리콘의 발명으로 첨단전자시대와 친환경 에너지 시대를 맞을 수 있게 됐습니다. 

 

 

03

강철보다 100배 강한 '탄소나노튜브(CNT)'

 

 

탄소나노튜브는 탄소 6개로 이뤄진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 하고 있는 신소재인데요. 머리카락 굵기의 10만분의 1로 먼지보다 작지만, 열전도율은 구리의 1천배, 강도는 강철의 100배에 달해 복합소재로 각광받고 있습니다.

 

 

1985년 미국 스몰리(Richard E. Smalley) 교수는 동료 화학자 로버트 칼(Robert F. Curl), 헤롤(Harold W.Kroto)와 함께 탄소의 동소체인 풀러렌(탄소 원자 60개가 모인 것：C60)을 발견했는데요, 이후 1991년 일본전기회사(NEC) 이이지마 박사가 전기방전시 흑연 음극상에 형성된 탄소 덩어리를 투과 전자 현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여 네이처 지에 처음으로 발표했습니다. 

 

탄소원자 하나는 주위의 다른 탄소 원자 3개와 sp2* 결합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성하고, 이 튜브의 직경이 대략 수 나노미터(nm) 정도로 작기 때문에 나노튜브라고 부르게 되었습니다. 

 

* sp2란? 탄소는 최대 4개까지 다른 원자와 결합할 수 있는데, 탄소와 결합한 원자의 개수가 4개면 '혼성 오비탈'은 sp3, 3개면 sp2, 2개면 sp입니다. '혼성 오비탈'은 ‘혼합한다’는 개념과 비슷한데, s 오비탈과 p 오비탈을 혼합하면 새로운 sp 오비탈이 만들어집니다. 즉, 혼성화를 통해 만들어진 새로운 오비탈이 ‘혼성 오비탈(hybrid orbital)’입니다. 

- 오비탈(orbital): 원자(또는 분자 등)에 귀속된 전자

 

탄소나노튜브는 전기전도성을 요구하는 정전기 방지용 고분자 복합소재, 발열 및 방열 복합소재, 경량/고강도 복합소재 등 광범위하게 적용할 수 있는데요. 최근에는 스마트 섬유와 웨어러블 기기, 리튬 배터리 등으로 개발되어 새로운 첨단산업시대를 예고하고 있습니다. 

 

화학자들의 끊임없는 연구와 노력으로 우리의 생활은 점점 더 편리해지고 있는데요. 앞으로 또 어떤 화학기술이 등장해 새로운 가치 있는 삶을 만들어낼지 기대가 됩니다. 

 

 

 

 

 

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