화학생물공학부: 무기 및 재료화학

안녕하세요. 공우 14기 화학생물공학부 강현호입니다.

오늘은 화학생물공학부에서 배우는 전공선택과목 중 하나인 무기 및 재료화학에 대해 얘기해보려고 합니다.

1. 과목에서 배울 수 있는 내용  

무기 및 재료화학은 과목 이름에서부터 유추 가능하듯, 무기화학과 재료화학의 일부를 배웁니다. 화학생물공학부에서 개설되는 과목인 관계로 깊은 수준의 내용까지는 접근하지 않고 기본적으로 무기화학에 대한 개략적인 이해를 목표로 합니다. 크게 한 학기 동안 원자들이 어떤 방식으로 서로 결합하여 복잡한 구조를 만들어내는지 또는 특정한 재료가 어떻게 자신만의 독특한 물리적 성질 - 예를 들면, electronics, magnetic, 그리고 optical properties -을 가지는지에 대해 주로 공부합니다.  

1장과 2장에서는 일반화학 시간에 이미 다루었던 atomic orbital 및 atomic trend 부분에 대해 주로 다루는데, orbital에 대한 설명을 함에 있어 복잡한 양자화학 식들을 보여주고 설명해주시기는 하시나, 그 식들을 외워야 되거나 또는 풀어야 할 필요는 없다고 강조합니다. 그저, 이러한 식들의 결과를 이용해 우리가 원자의 성질을 구체적으로 이해할 수 있으면 되는 것이라고 얘기하며 무기화학적인 insight를 향상시키는 것에 주안점을 둡니다. Atomic orbital을 다루는 과정에서는 penetration과 shielding에 대한 내용을 강조하시는데, 이 부분을 깊게 공부하시면 뒤의 내용을 학습자들이 이해하는데 도움이 될 것이라고 생각합니다. 이렇게 원자에 대한 개괄적인 설명이 끝나면, molecular structure and bonding을 배웁니다. 이 또한 일반화학 시간에 다루었던 내용이기 때문에 내용 자체가 생소하지는 않습니다. Linear combination of atomic orbital(LCAO), Molecular orbital 등을 배운 다음, 여러 분자들의, 특히 2주기의 원소들로 구성된 분자들의 molecular orbital 등을 구성하고 있는 atomic orbital의 기여도에 따라 그리는 방법 등을 배웁니다. 

그림 1. Carbon monoxide 의 molecular orbital diagram - 각각의 orbital의 기여도 확인

본격적으로 제3장부터 중심적인 내용들이 나오기 시작합니다. Lattice point, Unit cell, Crystal system의 정의 들을 배우며 고체 물질에 대한 기초개념을 쌓습니다. 이 파트는 새로운 용어가 다수 나오기 때문에, 용어를 외우는 것에 먼저 익숙해져야 합니다. 처음에는 solid structure들이 어떻게 표현되는지에 대해 배우며, close packing에 대해 자세히 공부합니다. 그리고 이러한 close packing 구조가 cubic close packing, hexagonal close packing 으로 나뉘며 이들 안에 octahedral hole과 tetrahedral hole이 존재함을 배웁니다. 여기서 이러한 hole들이 어떻게 만들어지는지 주로 배웁니다. 

그림 2. 다양한 crystal structure 와 그러한 structure를 가지는 compound

이러한 내용을 배우고 나면 이제 여러가지 model 등을 배우는데, rock salt structure, NiAs structure 등 각 structure의 특징을 배웁니다. 이후 ionic solid에 대한 characters들을 배우고, ionic bonding과 관련된 lattice enthalpy에 대해서도 공부를 합니다. 그 다음으로 defects와 nonstoichiometric에 대해 배우는데, defect는 일종의 불순물로 이러한 defects가 자연적으로 발생할 수밖에 없고, 이에 의해 물질의 성질이 크게 바뀌는 것을 공부합니다. 그리고 band와 band gap 및 fermi level등을 배우며 semiconductor에 대한 기초적인 지식들도 배웁니다. 

그 다음, 4장부터 point group과 molecular symmetry, group theory 등에 대해 공부하는데, 이는 대수학적 개념을 화학에 접목시킨 것이라 생소할 수도 있고, 이해가 어려울 수도 있습니다. 실제 교수님께서도 학생들이 가장 헷갈려 하는 개념이라고 얘기한만큼 내용자체가 난이도가 있을 수 있습니다. 주로 symmetry operation, elements 그리고 point group에 대항 정의를 하고, 분자의 구조를 통해 point group을 principal rotation axis와 그에 perpendicular한 C2 axis등을 찾아보며 assign하는 방법을 배웁니다. 그 다음으로 characteristic table을 어떻게 만드는지 공부합니다. 이 과정에서 order, orthogonality, symmetric species(label) 등에 대해 추가적으로 공부합니다. 이렇게 characteristic table을 배우고 난 뒤 symmetry adapted linear combination을 이용해 H2O, NH3 등의 간단한 분자에 관한 molecular orbital을 그리는 방법들도 공부합니다.  

그림 3. Point Group를 Assign 하는 과정(Flow Chart)

이후 수업에서는 앞에서 배운 것들을 응용하여 coordination compounds에 대한 개념과 electronic structure와 property에 대한 것들을 배웁니다. 이 부분부터는 전 과정에서 배우는 것들을 응용하는 것이기 때문에, 앞의 내용을 이해한다면 충분히 잘 풀어낼 수 있다고 생각합니다. 

2. 선배의 조언  

무기화학 과목은 유기화학과 비슷하게 화학을 전공하는 학생이라면 필수적으로 알고 있어야 할 과목이라고 많이 이야기합니다. 실제 교수님들께서도 무기화학 과목에 대한 전반적인 이해가 화학공학의 미래와 큰 관련이 있다고 얘기하며 그 중요성을 강조합니다. 따라서 어떤 전공을 들을 것인지 감이 잡히지 않는 화학생물공학도라면 들어 볼 가치가 있는 과목이라고 생각합니다. 

다만, 무기화학 분야는 유기 분야와 다르게 아직까지 일관된 논리나, 핵심적인 원리 등이 밝혀지지 않았습니다. 이것은 자신이 이쪽 분야로 가게 될 경우 연구할 분야가 많다는 이야기로 해석할 수 있지만, 학부생 입장에서는 끼워 맞추기 식 논리라는 생각을 하지 않기가 힘듭니다. 그런 측면에서 단순 암기식 공부가 될 수 있어 이 과목을 수강하고자 마음먹은 경우 최대한 기초된 원리를 중심으로 공부를 하도록 조언합니다. 특히 과목을 가르치는 교수님이 무기화학 전공자인 관계로 질문을 잘 받아 주시는 것은 물론, 이해하기 쉽게 잘 설명해 주십니다. 또한 특정 개념을 학생들이 잘 모른다고 생각하면 그 부분에 관해서만 따로 영상을 찍어 설명해주시기 때문에, 만약 내용이해에 어려움이 있다면, 교수님께 적극적으로 질문하시는 것을 추천 드립니다. 

덧붙여서 중간 이전의 내용은, 그나마 일반화학 교양시간에 배운 것들이 중심이기 때문에, 그렇게 어렵다는 생각은 하지 않을 수도 있지만, 중간 이후부터 배우는 Point group과 Group theory는 현대 대수학의 내용을 화학에 차용한 것이기 때문에, 생소하고 다소 어렵다는 느낌을 받을 수 있습니다. 따라서, 초반에 Point group에 대한 이해를 하지 못한다면 이후의 내용을 제대로 알아듣기 힘들며 이러한 점에서 이 부분부터는 철저한 복습과 예습을 하는 것이 좋다고 생각됩니다. 

3. 진로 선택에 도움 되는 점  

무기화학은 material design, electronics, semiconductors, batteries, display 등 첨단산업에 사용되는 과학적 원리에 대해 주로 다루기 때문에 사실 범용성 측면에서는 매우 넓다고 생각됩니다. 비록 전통적인 화학공학 산업은 유기화학과 관련된 고분자 산업이거나 또는 공정분야이긴 하지만, 현재 발전하고 있는 산업의 양태를 보면, 미래에 필요한 화학공학자들에게 무기화학적 지식이 필수적이지 않을까 라는 생각이 들기도 합니다. 이러한 생각은 개인적인 의견이 아니고 많은 교수님들과 산업계의 의견이기도 하므로, 진로선택에 있어서 무기화학과 관련된 과목을 적어도 하나 이상 듣는 것은 자신이 어떤 길을 가든 도움이 될 것이라고 생각합니다. 

무기화학의 경우 앞에서도 얘기하였듯 그 내용이 고체물리학 및 양자역학과 연결되어 있다는 점에서, 아직까지 일관된 체계가 잡혀 있지 않습니다. 그렇기 때문에 연구의 길을 걸어가는 측면에서 본다면 앞으로 다룰 주제들이 무궁무진하게 있다는 점에서 무기화학을 공부하는 것을 추천드립니다. 

4. 맺음말  

개인적으로 23년 여름방학때 상온 초전도체 이슈가 불붙어서 수강한 측면이 없지 않아 있지만, 그래도 과목 자체가 신기하고 배우면 좋을 것 같은 내용들이 많이 있습니다. 전통적인 화학공학과 과목과 궤(軌)과 다른 과목을 수강해보고 싶은 학생이라면 이 과목을 듣는 것을 추천 드립니다.