수업소개 화학생물공학 입문

2013.12.31 14:00

lee496 조회 수:3613

글 | 김슬하·조성우 화학생물공학부 2

암세포를 태워버리는 고속회전 나노자석, 마음대로 휘어지거나 늘어지는 전자소재, 원료의 최적화로 최고의 반응물을 만드는 방법 설계! 화학생물공학부에서 지금도 한창 연구 중인 따끈따끈한 신기술들입니다. 화학생물공학부는 과의 이름 그대로 화학/생물/공정을 바탕으로 공학을 연구하는 학부입니다. 상세히 말하면, 필요한 물질을 만들기 위한 공정의 설계 및 개발, 개발된 공정의 최적화, 고분자·반도체 재료 및 촉매 개발 등의 원천기술을 연구합니다. 그리고 줄기세포 연구나 인공장기 개발, 신재생 에너지, 원하는 기능을 지닌 미생물의 대량생산 기술 등 환경 및 생물공학의 거의 모든 분야 또한 다룹니다. 최근에는 학문의 응용 범위가 넓어져 의학, 환경, 첨단 소재를 개발하고 가공하는 신소재 분야, 이러한 모든 연구 분야를 컴퓨터로 시뮬레이션 해보는 분야 등으로 활동영역을 확대하는 중이며 사실상 일상의 거의 모든 분야에 응용됩니다. 화학생물공학입문은 화학생물공학부에 입학한 학생이 처음으로 듣게 되는 전공수업입니다. 앞으로 배울 내용에 대한 간략한 소개와 기초적인 이해를 쌓는 과목이라서 쉬울 것 같지만 고등학교 때 배웠던 내용에서 벗어나 본격적인 공학을 시작하는 단계기 때문에 마냥 쉽지는 않았던 기억이 나네요. 그래도 많은 교수님들의 특강과 풍부한 자료도 곁들여가며 차근차근 알아가는 재미도 있고, 화학생물공학부로서 알아야 할 지식, 학부의 분위기 등등 수업을 통해 얻을 수 있는 것도 많았습니다. 세부적인 내용은 아래와 같습니다.

 

화학반응

A라는 물질을 만들고 싶은데 B나 C 물질이 만들어지면 곤란하겠죠? 기본적으로 원하는 반응이 반응기에서 일어날 수 있는지를
판단하는 것이 공정의 기초라고 할 수 있습니다. 이 부분에서는 고등학교에서 실린더 이동 문제나 몰수를 배우면서 함께 배우는 이
상기체 방정식(PV=nRT!) 에서 더 나아가 이상기체가 아닌 실제기체의 행동을 예측해보고, 물질수지의 기초에 대해 배웁니다. 또한
엔탈피와 깁스 자유에너지, 즉 열역학의 기초를 쌓습니다. 방청소를 하지 않고 얼마간 두면 방은 지저분해지는 방향으로 가듯이 원
료를 특정조건하에 넣어두면 반응이 자연적으로 어디로 가는지 판단하는 데 열역학이 사용됩니다.

공정의 구성요소
석유·화학공장 같은 커다란 공장은 어떻게 만들까요? 공장을 설계하기 위해선 우선 그 공장에서 사용할 공정을 설계하는 과정
이 필요합니다. 이 부분에서는 공정 설계의 기본이 되는 공정의 구성요소를 배웁니다. 공정은 기본적으로 2개 이상의 물질흐름을 혼
합하는 mixer, 화학반응을 일으키는 reactor, 여러 개의 흐름으로 쪼개주는 splitter, 원하는 물질을 분리해 내는 separator 와 이들
을 연결해주는 stream으로 구성됩니다. 화학 1에서 배우는 분별증류로 예를 들면 분별증류를 위해 원료 물질을 수송하거나 완성
된 물질을 나르기 위한 파이프가 stream이고, 원유를 천연가스에서부터 아스팔트까지 여러 가지 필요한 물질로 분리해 내는 분별
증류 장치가 separator, 그리고 물질을 분리하지는 않지만 한 물질을 여러 갈래로 나누어주는 것이 splitter입니다. 수업에서는 특
히 이 중에서 가장 중요하고 기초적이라고 할 수 있는 반응기(reactor)의 종류에 따른 특성과 그에 관련된 많은 식을 배웁니다.
그리고 고온 고압 혹은 초저온의 반응기를 직접 열어보는 것은 위험하겠죠? 따라서 이 부분에서는 물질이 반응기에서 얼마나 머
무는가, 또는 물질의 농도가 시간에 따라 어떻게 변하는지 등 반응기 내부를 직접 보지 않고도 어떤 상태인지 예측하는 방법을 배웁
니다. 또한 파이프를 통해 물질이 유입되거나 유출될 때 어떤 속도로, 어떤 모양으로 흐르는지 배우며 수식을 통해 열전달과 물질 전
달의 이해를 돕습니다.

 

최적화
공학은 자연과학과는 달리 이윤 창출에도 목적을 두기에 많은 이윤을 얻기 위해 공정의 최적화를 추구합니다. 따라서 이 부분이
매우 중요하다고 볼 수 있습니다. 공정은 무수히 많은 반응과 흐름, 혼합과 분리가 뒤섞인 것이므로 반응기의 종류, 원료의 가격,
최초 투자비용, 공장을 가동하며 드는 유지비용, 반응의 진행에 따른 원하는 물질의 생산량과 효율이 높아지는 조건을 유지하는 비
용, 생산된 물질의 판매 가격 등 수많은 독립변수를 바꿔 가면서 최고의 효율을 찾아야 하기 때문에 공정의 최적화는 까다롭지만
공정에서 필수적인 것입니다. 화학생물공학입문은‘입문’과목이기 때문에 수많은 변수를 모두 다루지는 않고, 많은 조건을 통제하
여 단순화 한 모델에서 최적화를 유도하는 과정을 배웁니다.


석유화학
원유의 정제를 위해선 정제과정이 필요한데 이때 증류의 기법을 많이 사용합니다. 분별증류라는 것을 화학 1에서 들어봤을 것입니
다. 여기선 화학 2에서 배우는 상평형도를 통해 증류의 원리에 대해, 구체적으로는 어떤 물리적 성질로 인해 분리가 일어나는지에
대해 배웁니다. 석유를 이용해 다양한 물질을 합성하는데, 화학 1의 뒷부분에서도 접했던 PVC나 PS 같은 고분자를 합성해 특성에 따라 유용하게 사용합니다. 여기서는 첨가중합과 축합중합이 물질에 어떤 성질차이를 만드는지, 중합이 끝난 고분자가 어느 정도 길이로 만들어
졌을 지 예측하는 방법, 한 가지 단위체로만 만든 고분자가 아닌 여러 단위체를 섞어서 만들면 물질이 어떻게 변하는가와 같이 고
분자에 대한 다양하고 심화된 내용을 배웁니다. 또 이 부분도 최적화에 연결 지어 고분자가 합성되는 여러 경로에 따라 원하는 물질
을 가장 많이 얻기 위한 반응 조절방법을 배웁니다.


반도체
방진복을 입고 판넬을 들고 이리저리 보는 연구원들을 뉴스에서 많이 보셨죠? 하지만 막상 반도체란 무엇인가, 어떻게 만드는가
하면 쉽게 와 닿지 않는데, 이 부분에서 그와 같은 부분을 자세히 배웁니다. 우선 반도체의 제조를 위한 단위 공정을 배웁니다. 반도
체의 산화부터 필요한 부분을 깎아내는 식각방식, 그 과정에서 들어가는 각종 용매를 숙지합니다. 그리고 반도체의 순도를 높이기
위한 각종 주변 기술을 배웁니다.

1.jpg

김대형 교수님의 플렉서블 일렉트로닉스 연구실에서 연구중인
conformal neural interface with bioresorbable silk substrates
- http://flextronics.snu.ac.kr/

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 김대형 교수님의 플렉서블 일렉트로닉스 연구실에서 연구중인 High
density neural mapping array slipped into cortex and dura -
http://flextronics.snu.ac.kr/
화학생물공학부 김대형 교수님의 연구실에서는 최근 나노 구조의 단결성 무기 반도체 물질 및 프린팅 기법을 응용해 휘어지거나
늘릴 수 있는 전자 소자 시스템을 구현해 몸 안에 이식해도 물리적 손상을 입히지 않으면서 실시간으로 신체의 변화를 모니터링 할
수 있는 바이오 메디컬 소자를 개발 중입니다.

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