고분자(polymer)의 정의와 중합 반응 및 분류

1. 고분자(polymer)의 정의

 고분자(polymer)는 반복 단위(repeating Unit)를 가진 거대분자(macromolecule)를 말합니다. 고분자를 이루기 위해서는 여러 개의 작은 분자인 단량체(monomer)가 수 백개 이상의 공유 결합을 통해 반복적으로 연결하는 과정이 필요합니다. 일반적으로 고분자라고 분류하는 분자량 범위는 분자량 10,000 이상이며, 탄소, 수소, 산소, 질소, 황 등의 비금속 원소나 금속 원소의 결합으로 구성될 수 있습니다. 현재 고분자는 자연계에서 존재하는 생체 고분자뿐만 아니라, 인공적으로 합성된 다양한 형태로 존재하며, 현대 사회의 필수적인 구성 요소로 자리 잡고 있습니다.

2. 분자량 범위에 따른 물질 구분

 분자량 범위에 따라 물질을 크게 저분자, 올리고머, 고분자로 구분할 수 있습니다. 각 범주에 해당하는 물질의 특성과 예시는 다음과 같습니다.

1. 저분자(Small Molecule, Low Molecular Weight Compound)
    저분자 물질은 분자량 범위 1 ~ 1,000 g/mol를 가지는 물질을 뜻하며 단량체, 이량체 또는 이합체를 포함하는 물질을 말합니다. 저분자 물질의 특징은 개별 분자로 존재하며, 비교적 낮은 끓는점과 녹는점을 가지며 높은 용해도와 확산성을 가집니다. 대표적인 예는 물(H₂O, 18 g/mol), 이산화탄소(CO₂, 44 g/mol), 포도당(C₆H₁₂O₆, 약 180 g/mol) 등이 있습니다. 
2. 올리고머(Oligomer)
    올리고머는 분자량 범위 1,000 ~ 10,000g/mol 수준의 물질을 말합니다. 단량체(monomer) 몇 개가 결합하여 형성된 구조로 고분자와 저분자의 중간적인 성질을 가집니다. 올리고머는 물리 및 화학적 성질이 결합한 단량체의 종류 및 결합 방식에 따라 달라지게 됩니다. 대표적으로 올리고펩타이드(2~20개의 아미노산 연결), 올리고당(2~10개의 당류 연결) 등이 있습니다.
3. 고분자(Polymer)
    고분자 물질은 분자량 범위가 10,000 g/mol 이상으로 단량체가 수백에서 수천 개 이상 결합하여 형성된 거대 분자를 뜻합니다. 고분자는 기계적 강도, 내화학성, 열적 안정성이 우수하고, 상온에서 고체 또는 점탄성 물질로 존재하는 경우가 많습니다. 고분자는 대표적으로 천연 고분자인 단백질(헤모글로빈 약 64,000 g/mol), DNA(수백만 g/mol 이상), 셀룰로오스 등과 합성 고분자인 폴리에틸렌(PE, 분자량 수십만~수백만 g/mol), 폴리스타이렌(PS), 폴리우레탄(PU) 등이 있습니다.

3. 고분자의 중합 반응

 고분자의 중합 반응은 크게 축합중합(Condensation Polymerization)과 첨가중합(Addition Polymerization)으로 나뉩니다.

1) 축합중합 (Condensation Polymerization) 

 축합중합(Condensation Polymerization)은 두 개 이상의 단량체가 반응하여 공유 결합을 형성하면서 소분자(물, 메탄올 등)를 부산물로 방출하는 중합 반응입니다. 중합이 일어나기 위해서는 단량체에 적어도 두 개 이상의 반응성 작용기(예: -OH, -COOH, -NH₂)가 필요한 반응입니다. 반응이 점진적으로 진행(단계성장, step reaction)되며, 높은 분자량의 고분자가 형성되려면 충분한 시간이 필요합니다. 축합 반응은 나일론(폴리아미드) 합성(아디프산과 헥사메틸렌디아민의 축합 반응), 폴리에스터 반응(PET 합성 : 테레프탈산과 에틸렌글리콜의 축합 반응) 등이 있습니다.

2) 첨가중합 (Addition Polymerization, 또는 연쇄중합)

 첨가 중합은 단량체가 중합 과정 중 부산물 없이 연속적으로 결합하여 고분자를 형성하는 중합 반응입니다. 이 반응이 일어나기 위해서는 단량체에 이중 결합(C=C) 또는 삼중 결합(C≡C)과 같은 반응성을 가진 영역이 있어야 합니다. 또한 중합 개시제(initiator)에 의한 라디칼(radical), 양이온(cation), 음이온(anion) 등의 활성종이 형성이 진행된 후 반응이 빠르게 진행(연쇄 성장, Chain reaction)합니다. 첨가 중합은 폴리에틸렌(PE)(에틸렌(CH₂=CH₂)의 첨가중합), 폴리프로필렌(PP)(프로필렌(CH₂=CH-CH₃)의 첨가중합) 그리고 폴리스타이렌(PS)(스티렌(C₆H₅-CH=CH₂)의 첨가중합)등을 합성할 때 사용합니다. 

4. 고분자의 구조적 특징

 고분자의 구조는 크게 선형(linear), 가지형(branched), 그물망형(network) 으로 분류됩니다. 이러한 구조적 차이는 고분자의 물리적, 화학적 성질에 직접적인 영향을 미친다.

1. 선형 고분자 (Linear Polymer) : 단량체들이 사슬처럼 길게 연결된 구조로, 대표적인 예로는 폴리에틸렌(polyethylene, PE)과 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC)이 있습니다. 일반적으로 가공성이 우수하고 비교적 유연한 성질을 가집니다.
2. 가지형 고분자 (Branched Polymer) : 기본적인 선형 구조에서 가지를 친 형태로, 폴리이소부틸렌(polyisobutylene) 등이 이에 해당하며 점탄성이 높아 윤활제, 점착제 등에 사용됩니다.
3. 망상형 고분자 (Network Polymer) : 3차원적으로 서로 연결된 구조로, 열경화성 수지(예: 페놀수지, 에폭시수지) 등이 이에 해당합니다. 독특한 특성을 지닌 고분자들이 많고 내열성 및 내화학성이 우수하여 접착제나 고성능 코팅제 등에 활용되기도 합니다.