[윤현희의 화학공학 토크](4) 세부 분야: 정밀화학 및 촉매공정

👨🏻‍🔬🧪👩🏻‍🔬 고교생을 위한 진로 로드맵, 화학공학

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👨🏻‍🏫 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.

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이제 화학공학의 세부 분야로 한층 깊이 들어가 보자. 정밀화학과 촉매공정에서 출발해, 공정 시스템과 설계, 재료와 나노공정, 그리고 에너지·환경 공정까지 차례로 살펴볼 예정이다.

정밀화학 및 촉매공정은 반응의 효율과 선택성을 높여 약이나 기능성 소재를 만드는 기술의 핵심이며, 공정 시스템 및 설계는 실험실 반응을 산업 규모로 확장하는 설계와 제어의 영역이다. 재료 및 나노공정은 나노 수준에서 물질의 성질을 조절해 첨단소재를 개발하는 분야이며, 에너지 및 환경 공정은 청정에너지와 자원 순환을 다루는 지속가능 기술의 중심이다.

이번 회차에서는 이 네 분야의 특징을 이해하고, 각 분야에서 어떤 탐구활동과 심화 연구를 시도해볼 수 있을지 구체적인 조언을 제시한다. 화학공학의 다양한 길을 탐색하며 자신에게 맞는 진로의 방향을 그려보는 시간이 될 것이다.

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🧪💠 정밀화학 및 촉매공정

• 촉매 설계 및 반응공정 최적화: 반응수율과 선택성 향상시키는 촉매 개발 및 반응조건 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

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🎓 정밀화학 및 촉매공정의 중요성

① 촉매 설계 및 반응공정 최적화– 약의 가격이 달라진 이유

어느 날 가족이 먹는 감기약 가격이 예전보다 많이 싸졌다는 이야기를 들었다. 알고 보니 제약회사에서 새로운 촉매를 개발해 약을 더 빠르고 효율적으로 만들 수 있게 되었기 때문이었다. 그 촉매는 원하는 성분만 골라 반응하게 해주고, 불필요한 부산물도 줄여 폐기물도 감소시켰다고 한다. 이처럼 촉매를 잘 설계하면 생산비용이 줄고, 더 깨끗하고 저렴한 약을 공급할 수 있다. 촉매 하나로 수많은 사람의 건강과 환경을 동시에 지킬 수 있다는 사실이 놀라웠다.

② 정밀 유기합성 및 기능성 화학소재 제조– 자외선 차단제 속 놀라운 기술

여름철, 친구가 선크림을 바르며 “이거 피부 보호도 해주고 미백도 된대!”라고 했다. 나는 궁금해서 성분을 찾아보았는데, 거기엔 자외선 흡수와 항산화 기능이 있는 ‘기능성 유기소재’가 들어 있었다. 이런 물질들은 화학공학자가 유기합성 기술로 정밀하게 만들어낸 결과다. 분자의 구조를 조금만 바꾸면 기능이 완전히 달라지기 때문에 매우 섬세한 기술이 필요하다. 그때 나는, 피부를 보호해주는 작고 투명한 선크림 안에 놀라운 화학기술이 숨어 있다는 걸 처음 알게 되었다.

③ 정밀화학용 반응기 설계 및 운전기술– 실험실과 공장은 왜 다를까?

과학 실험 시간에 비타민 C를 만드는 반응을 해봤다. 작은 시험관에서 반응이 금방 끝났지만, 선생님은 “공장에서는 이렇게 만들기 어렵다”고 하셨다. 이유는 대규모의 반응용기 내에서 온도와 압력, 반응물 농도를 균일하게 유지하기 어렵기 때문이었다. 그래서 산업 현장에선 정밀하게 설계된 반응기를 써야 한다는 걸 알게 되었다. 반응기가 잘못 설계되면 효율이 떨어지거나 안전사고가 날 수도 있다. 실험실의 간단한 반응이 실제로 사람들에게 전달되기까지는, 생각보다 훨씬 정교한 공정 설계 기술이 필요하다는 걸 깨달았다.

✍🏻 국어시간 탐구활동

탐구활동	장점 또는 효과
화학소재 관련 과학 칼럼 분석 및 요약 글쓰기 (예: 촉매 기술, 기능성 소재 관련 신문·잡지 칼럼 읽고 요약 또는 의견 작성)	전문적인 화학 정보를 글로 정리하는 능력을 기를 수 있다. 과학적 내용을 자신의 언어로 바꾸는 과정에서 논리력과 표현력이 향상된다. 실제로 글쓰기 능력은 발표·보고서 작성 시 매우 중요하다.
과학자 또는 소재 관련 직업인의 인터뷰 기사 쓰기 (예: 정밀화학 연구원, 촉매개발자 등 인터뷰한 내용을 기사 형식으로 재구성)	진로에 대한 생생한 정보를 직접 접하면서 관심 분야를 구체화할 수 있다. 인터뷰 글쓰기를 통해 소통 능력과 구성력, 요약 능력을 키울 수 있다.
정밀화학 관련 사회적 이슈에 대한 찬반토론문 작성 (예: 합성 향료 사용, 정밀화학 기술의 환경영향 등)	과학기술이 사회에 끼치는 영향을 비판적으로 사고하고 균형 잡힌 관점을 기를 수 있다. 과학적 정보에 논리력과 표현력을 접목할 수 있는 융합형 활동이다.

한계점

• 화학소재 관련 과학 칼럼 분석 및 요약 글쓰기
  전문용어가 많아 이해에 어려움이 있고, 잘못된 정보를 그대로 옮길 위험이 있다. 화학지식이 부족하면 글의 깊이나 정확도가 낮아질 수 있으며, 국어 교과에서 평가하기 어려울 수 있다.
• 과학자 또는 소재 관련 직업인의 인터뷰 기사 쓰기
  실제 직업인을 인터뷰하기 어렵거나, 가상의 인터뷰일 경우 사실성 부족 문제가 생길 수 있다. 내용의 과학적 정확도보다 글 형식에 치우칠 우려가 있다.
• 정밀화학 관련 사회적 이슈에 대한 찬반토론문 작성
  과학적 배경지식이 부족하면 주장에 논리적 약점이 생기기 쉽고, 토론문 작성이 익숙하지 않으면 감정적 주장으로 흐를 수 있다. 주제 선정에도 시간이 필요하다.

✍🏻 심화 탐구활동

① 촉매 설계 및 반응공정 최적화

탐구 주제	탐구 방법	효과
과산화수소 분해반응에서 촉매 역할 실험	과산화수소(H₂O₂) 용액에 산화망간(MnO₂) 분말을 넣고 과산화수소가 분해되어 발생하는 산소 발생량을 측정한다. 온도, 농도, 촉매 양 등 조건을 바꾸어 실험하여 어떤 조건이 가장 반응 효율이 좋은지 비교하고 최적 조건을 분석한다.	촉매 반응조건(온도, 농도, 촉매양)의 중요성을 데이터 기반으로 이해할 수 있다. 산업 공정 최적화 개념(조건 설정, 효율 분석)을 직접 경험하며 실험 설계 능력과 과학적 사고력을 키울 수 있다. 비교적 쉽게 반응속도의 변화를 시각적으로 관찰할 수 있다.
모의 촉매 반응기 모델링 및 반응조건 시뮬레이션 탐구	화학반응기의 기본 원리를 이해한 후, 간단한 수식 모델링(예: 반응속도식, 농도 변화)이나 엑셀 시뮬레이션을 이용해 반응조건(온도, 촉매 사용량 등)이 반응 효율에 미치는 영향을 가상으로 실험한다. 공정 흐름도(PFD)를 직접 그려보며 화학공정 흐름을 이해하도록 한다.	직접 실험이 어려운 반응기를 수식과 시뮬레이션으로 분석하며, 화학공정 최적화 개념을 체험할 수 있다. 수학적 사고력, 문제 해결력, 공정 전체를 보는 시스템적 사고가 함께 향상된다. 공학적 관점에서 화학을 바라보는 시야를 기를 수 있다.

한계점

• 과산화수소 분해반응에서 촉매 역할 실험
  안전상의 이유로 과산화수소 농도는 낮게 유지해야 하며, 실험 중 산소 기체 발생에 따라 기포가 많아 정확한 기체 발생량 측정에 어려움이 있다. 반응속도 측정을 정량적으로 하기 위해서는 기체 포집장치나 타이머, 동일한 조건 설정 등 실험 설계의 정밀성이 요구된다. 비교적 쉽게 반응속도의 변화를 시각적으로 관찰할 수 있다.
• 모의 촉매 반응기 모델링 및 반응조건 시뮬레이션 탐구
  실제 반응기와 달리 시뮬레이션은 가정된 조건에 따라 계산되므로 현실과 차이가 있을 수 있다. 고등학생 수준에서는 반응속도론이나 열역학 지식이 제한적이므로 수식 이해나 모델링 과정이 어려울 수 있다. 시뮬레이션 프로그램이나 엑셀 계산법에 대한 별도의 학습이 필요하며, 교사의 지원 없이 독립적으로 수행하기 어려운 경우도 있다.

② 정밀 유기합성 및 기능성 화학소재 제조

탐구 주제	방법	효과
바나나 향 에스터(초산 아이소아밀)의 합성	초산(식초)과 아이소아밀 알코올을 혼합하고, 소량의 황산을 촉매로 넣은 후 가열하여 에스터화 반응을 유도한다. 반응 후 냉각시켜 생성된 에스터를 분리하고, 특유의 바나나 향으로 결과를 확인한다.	유기화학의 에스터화 반응을 직접 체험하며, 유기산과 알코올이 반응해 향기 성분을 만드는 과정을 이해할 수 있다. 냄새를 통한 정성적 확인이 가능해 학습 효과가 높고, 향료나 화장품 산업과의 연관성도 배울 수 있다.
기능성 고분자(예: 스마트 젤) 합성 및 물성 비교	아크릴산 기반의 고분자 젤을 합성하고 pH, 온도 등 외부 자극에 따른 팽윤도 변화를 실험으로 측정한다. 다양한 조건에서의 젤 반응성을 비교해 고분자 구조-성능 관계를 탐색한다.	자극반응형 고분자의 작동 원리를 이해하고, 기능성 화학소재의 설계 및 응용 가능성을 실험적으로 배운다. 생체모사 소재, 약물전달, 센서 등 다양한 응용 분야로 사고력을 확장할 수 있다.

한계점

• 바나나 향 에스터(초산 아이소아밀)의 합성
  황산은 부식성이 강하고 아이소아밀 알코올은 냄새가 심하므로 충분한 환기와 보호장비 착용이 필요하다. 생성된 에스터는 정제되지 않아 정량 분석이 어렵고 반응조건(온도·시간 등)이 부적절하면 반응 효율이 낮아질 수 있다.
• 기능성 고분자(예: 스마트 젤) 합성 및 물성 비교
  중합반응의 정밀 제어가 어렵고 불완전 중합 가능성이 있다. 외부 자극 조건(pH, 온도 등)을 정확히 통제하기 어렵고, 젤의 성능 변화를 정성적으로만 관찰하기 때문에 객관적 자료 확보에 한계가 있다.

③ 정밀화학용 반응기 설계 및 운전기술

탐구 주제	방법	효과
혼합 방식에 따른 반응 속도 변화 실험 (교반기의 역할 탐구)	산-염기 중화 반응 또는 과산화수소 분해 반응을 이용해 반응기 내부의 혼합 방식에 따라 반응 속도가 어떻게 달라지는지 실험한다. 교반 유무, 교반 속도, 교반기 모양 등을 바꾸어 기체 발생량이나 온도 변화를 비교 측정한다.	반응기 내부의 혼합(유체 흐름)이 반응 효율에 미치는 영향을 직접 확인할 수 있다. 화학 반응기 설계에서 단순한 반응식뿐 아니라 물리적 요소(혼합, 유속 등)의 중요성을 체감할 수 있다.
투명 플라스틱 반응기에서의 색 변화 반응 속도 실험	산-염기 중화 반응(예: 식초 + 베이킹소다)과 같이 색이 변하는 반응을 이용한다. 투명 플라스틱 용기를 제작해 반응 시점부터 색 변화 완료까지의 시간을 측정하고, 반응물 농도·온도 등의 변수에 따른 반응 속도 차이를 비교·데이터화한다.	간단한 실험을 통해 반응기 운전 조건(온도, 농도)이 반응 속도에 미치는 영향을 직관적으로 이해할 수 있다. 시각적 변화가 뚜렷해 관찰과 기록이 용이하며, 다양한 조건 설정으로 실험 설계력과 논리적 사고력을 기를 수 있다.

한계점

• 혼합 방식에 따른 반응 속도 변화 실험 (교반기의 역할 탐구)
  교반기나 반응기 모형을 정교하게 제작하기 어렵고 실험 재현성이 낮을 수 있다. 반응 속도의 정량 분석이 어렵고, 측정 도구의 정밀도가 낮아 오차가 클 수 있다. 교반 외의 요소(농도, 온도 등)를 통제하기 어렵고, 실제 공정의 복잡한 유동 특성을 반영하기 어렵다.
• 투명 플라스틱 반응기에서의 색 변화 반응 속도 실험
  반응물의 농도나 온도 제어가 정밀하지 않아 반응속도 상수나 전환율 계산의 정확도가 낮을 수 있다. 복잡한 반응(고체-액체, 다단계 반응 등)에는 적용이 어렵고, 색 변화의 육안·카메라 측정은 정밀도가 떨어진다. 단순 용기를 사용하기 때문에 실제 정밀 반응기와의 차이가 크다.

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다음 회차에서는 화학공학의 또 다른 핵심 분야인 ‘공정 시스템 및 설계’를 살펴본다.
화학 반응을 실제 산업 규모로 구현하기 위한 설계와 제어의 세계를 이해하고, 이를 주제로 한 탐구활동과 심화 학습 방법도 함께 소개할 예정이다.

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