👨🏻🔬🧪👩🏻🔬 고교생을 위한 진로 로드맵, 화학공학
👨🏻🏫 윤현희(현 가천대학교 화공생명공학과 명예교수)
연세대학교 학사, KAIST 석사, 미국 Auburn 대학교 공학박사. 가천대학교 화공생명공학과 교수로 재직하며, 공과대학장 및 대학원장을 역임하였다. 주요 연구 분야는 바이오에너지 및 전기화학에너지소재 분야이며, 신소재응용연구센터 소장으로 활동했다.
📍 Prologue. 화학공학 진로를 위한 첫 걸음
화학공학은 우리 주변의 거의 모든 제품과 기술의 기반이 되는 학문이다. 식품, 의약품, 화장품은 물론, 휴대전화, 전기자동차, 태양전지까지 모두 화학공정과 기술을 거쳐 만들어진다. 화학공학은 실험실에서 얻은 아이디어를 대량생산 체계로 확장하고, 공정을 최적화하며, 에너지 효율과 환경 영향을 함께 고려하는 데 초점을 둔다.
신재생에너지 개발, 온실가스 감축, 플라스틱 오염 등 인류가 직면한 문제들도 화학공학 없이는 해결하기 어렵다. 또한 화장품, 의약품, 전자소재, 나노소재, 기능성 고분자 등 첨단 산업 분야는 정밀하고 복잡한 화학공정 기술을 필요로 하며, 이는 곧 국가 기술 경쟁력과 직결된다.
최근 전기자동차의 확산으로 배터리 수요가 급증하면서, 화학공학 연구자들은 고가의 리튬을 대체할 수 있는 나트륨 기반 배터리를 개발 중이다. 이들은 나트륨이 안정적으로 작동하도록 전극 재료를 설계하고, 전해질과의 반응 안정성을 개선하고 있다.
이처럼 새로운 재료의 개발은 단순히 ‘좋은 물질’을 찾는 것이 아니라, 화학 반응과 열역학, 확산 현상 등 복합적인 원리를 이해하고 제어하는 과정이다. 결국 화학공학은 물질의 원리를 바탕으로 세상을 작동시키는 지식의 공학이라 할 수 있다.
⚗️ (표1) 화학공학의 4대 세부분야 (산업적 중요도 기준)
| 구분 | 세부 산업기술 분야 | 주요 내용 |
|---|---|---|
| (1) 정밀화학 및 촉매공정 | 촉매 설계 및 반응공정 최적화 | 반응 수율과 선택성을 높이는 촉매 개발 및 반응 조건 최적화 기술 |
| 정밀 유기합성 및 기능성 화학소재 제조 | 향료, 전자재료, 의약·농약소재 등 고부가가치 화학소재 합성 기술 | |
| 반응기 설계 및 운전기술 | 정밀화학용 반응기의 설계 및 운전 기술 | |
| (2) 공정 시스템 및 설계 | 화학공정 설계 | 원료부터 제품까지의 전체 공정 설계 및 최적화 기술 |
| 플랜트 엔지니어링 | 제조공장의 기계·배관·제어 시스템을 종합적으로 구축하는 기술 | |
| 공정 시뮬레이션 및 제어 | 공정 성능을 예측하고 자동화·최적화하는 기술 | |
| (3) 재료 및 나노공정 | 고분자·복합소재 | 기계적·화학적 특성이 우수한 고분자 및 복합소재 개발 |
| 반도체·디스플레이 재료 | 고순도 화학약품, 포토레지스트, 증착 전구체 등 전자소자용 재료 개발 | |
| 에너지 저장재료 | 전극·전해질 등 고성능 에너지소재 개발 | |
| (4) 에너지 및 환경공정 | 수소 생산 및 저장 기술 | 수전해, 암모니아 분해 등을 이용한 수소 생산과 액화·수소화물·나노소재 기반 저장 기술 |
| 이산화탄소 포집 및 활용 | 산업 공정에서 배출된 CO₂를 회수·저장하거나 유용 물질로 전환하는 기술 | |
| 폐기물·오염물질 처리 및 자원화 | 유해물질을 물리·화학적으로 처리하고 에너지나 소재로 전환하는 기술 |
📍 4대 세부산업분야의 중요성
🧪 정밀화학 및 촉매공정
화장품, 의약품, 염료, 전자재료, 전극재료 등은 소량이지만 고부가가치의 정밀화학소재다. 이러한 물질은 매우 정밀한 화학반응을 통해 제조되며, 대부분 촉매의 도움으로 생성된다. 따라서 이 분야에서는 새로운 정밀화학소재를 개발하는 동시에, 이를 효율적으로 합성하기 위한 촉매와 반응기술이 중요하다. 적은 에너지와 비용으로, 환경에 부담을 주지 않으면서 목표 물질을 높은 순도로 얻는 것이 핵심이다.
⚙️ 공정 시스템 및 설계
화학제품을 대량 생산하려면 원료 투입, 반응, 정제, 포장 등 복잡한 단계를 거친다. 이러한 과정은 서로 다른 장치와 공정으로 구성되며, 이를 효율적으로 연결하고 운영하는 것이 공정 시스템 및 설계 분야의 역할이다. 이 분야는 에너지 사용과 자원 낭비, 환경오염 배출을 최소화하면서 생산 효율을 극대화하는 공장 설계와 시공을 다룬다. 전체 공정을 최적화하기 위해 소규모 실험장치나 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 설계와 조업 조건을 정밀하게 조정한다.
🔋 재료 및 나노공정
반도체, 디스플레이, 배터리, 필름, 기능성 섬유 등 첨단 제품은 모두 특수한 화학소재의 정밀 가공을 통해 만들어진다. 이러한 소재는 조성이나 두께에 따라 물성이 크게 달라지며, 원자·분자 수준의 조절을 통해 원하는 기능을 구현할 수 있다. 나노소재와 복합소재 기술은 작은 크기에서도 우수한 성능을 발휘해, 고성능 반도체, 고효율 태양전지, 정밀 약물전달 시스템, 초경량 복합재료, 기능성 코팅제 등 미래 기술의 핵심 기반이 되고 있다.
🌱 에너지 및 환경공정
에너지 및 환경공정 분야는 지구의 지속 가능한 미래를 위한 핵심 기술영역이다. 물의 전기분해를 통한 수소 생산, 암모니아 분해 및 나노소재 기반 저장 기술, 이산화탄소 포집·활용(CCUS), 폐기물 자원화 등은 모두 이 분야에 속한다. 이러한 기술은 에너지의 생산과 사용 효율을 높이고, 환경오염을 줄이는 데 기여한다. 화학공학의 지식을 바탕으로 친환경 에너지와 깨끗한 지구를 실현하는 데 필수적인 역할을 하는 분야다.
※ 사이언스 웨이브는 본 콘텐트에 대한 저작권 등 일체의 권리를 보유하며, 본 콘텐트의 무단 전재를 금합니다.
Science Wave에서 더 알아보기
구독을 신청하면 최신 게시물을 이메일로 받아볼 수 있습니다.