화학공학：Universal Engineering
화학산업의 수출비중은 2000년도 세계시장 점 유율 5.1%로 세계 4위이며, 2010년에는 세계 3위 를 목표로 하고 있다. 화학산업은 타산업의 원·
부자재를 생산하는 주요기반 사업으로써 관련산 업의 품질고급화, 부가가치제고 및 신제품개발에 결정적 영향을 미치고 있다. 또한 미래산업의 핵 심이라 할 수 있는 IT, NT, ET, BT 등 관련산업 이 화학산업에 바탕을 두고 있음은 자명하다.
1888년 MIT의 Lewis Miller Norton 교수가 최 초의 화학공학 강좌(Course X-Chemical Engi- neering)를 개설한 이래, 2차대전 전후로 화학공 학은 급격한 발전을 이루어 사회 전반에 지대한 영향을 미쳤다. 우리나라도 1960년대와 70년대 초 반 화학산업의 발전에 힘입어 국가 경제발전을 이 룩할 수 있었다. 그러나 세계화를 통한 급격한 경 영변화를 겪으면서 제조업이 주를 이루는 화학공 학의 일대 위기가 찾아왔다. 이는 90년대 이후의 유사 제조업체 간의 생산능력 확대로 인한 공급과 잉과 수익률 감소를 야기시켰다.
2003년 산업은행에서 선정한 한국의 차세대 10
대 신기술(다기능 복합칩, 바이오칩, 생명공학소 재, 차세대 디스플레이, 미래의 지능형 자동차, 연 료전지, 탄소나노튜브, 신약 디자인, 유비쿼터스, 생체 인식) 내용을 보면, 그동안 화학공학의 주를 이루었던 대규모 공장시설을 통한 대량생산은 더 이상 경쟁력 있는 가치창출을 하지 못한다는 것을 알 수 있다. 화학공학이 산업분야의 기초를 이루 고 있다고 해서 변화하지 않으면, 발전은 더 이상 기대하기 어렵다. 화학공학의 지속적인 발전과 고 부가가치 창출을 위해서는 새롭게 부각되고 있는 생명과학, 정보기술, 나노기술 등을 화학공학분야 에 접목시켜 구현해야 할 것이다.
화학공학의 미래를 전망하기 위해서는 화학공 학의 의미를 제대로 이해하고 있어야 한다. 화학 공학은 화학제품 생산만을 위한 학문도 아니요, 화학 공장 건설을 위한 공학도 아니다. 주어진 문 제를 해결하기 위해 화학을 바탕으로 하여 공학적 인 접근법을 제시하는 학문이다. 즉, 화학공학을 배운 공학자는, 실제로는 넓은 범위의 기술적 문 제를 다룰 수 있는 다재다능한 전문가라 할 수 있 다. 이런 의미에서 화학공학은 Universal Engi-
김영훈·이종협*
서울대학교 응용화학부 {korea1, jyi}@snu.ac.kr
neering이라 할 수 있다.
공학의 4대 거목인 전기, 기계, 토목, 화학공학 중 화학공학은 수적으로는 가장 적지만, 많은 산 업에서 두각을 나타내고 있으며, 미국내 연봉 랭 크 1위를 차지하고 있다. 3M, 듀퐁, 다우, BASF 등 다국적 기업 CEO의 대부분은 화학공학 출신 이며, CIA 국장도 화학공학 실무를 맡았던 경험 이 있는 사람이다. 또한 국내 30대 그룹 신임이사 중 이공계열이 55%를 차지하고, 그중에서 화학공 학계열은 15%를 차지하고 있다. 이와 같은 사실 은 문제를 해결함에 있어서 다양한 영역에 걸친 지식을 바탕으로 체계적이고 합리적이며 경제성 을 고려하는 화학공학의 특수성 때문이라 할 수 있다. 이에 2004년부터 정부 부처에서도 우수 과 학기술인력 특별채용 공고를 한 바 있다. 전체 53 명의 5급 사무관 채용 인원 중에 12명의 화학공학 박사를 뽑고 있다. 전체 인원의 23%에 해당하는 인력으로, 미국의 사례와 같이 국내에서도 화학공 학 출신자들의 문제 해결 능력을 인정하고 있음을 나타낸다.
패러다임의 변화
시대의 흐름은 화학공학에게 요구하는 패러다 임을 변화시켜 왔다. 1920년대에 단위조작이라는 개념이 도입 되면서, 화학공학은 주로 석유화학에 서 다루는 공정을 중심으로 의미가 모아졌다. 즉 규모면에서 커다란 문제들을 주로 해결하고자 하 였다. 1960년대에 들어서는 이동현상의 등장으로 공정중에 발생하는 전달현상을 규명하고, 모델링 을 통한 문제 해결을 수행하게 되었다. 두 번째 화 학공학의 패러다임이 변했으며, 보다 작은 규모의, 국지적인 문제 해결 능력을 갖추게 되었다.
새 시대에 접어들면서 화학공학은 정보기술, 생 명공학, 환경기술의 발전과 함께 또 한번의 새로 운 변혁을 꿈꾸게 되었다. 이들 새로운 기술은 국
내외적으로 나노기술에 대한 선택적이고 집중적 인 투자에 힘입어 발전하게 되었다. 대표적으로 미국은 2000년에 NNI(National Nanotechnology Institute) 보고서를 통하여 국가 과학기술의 역량 을 나노기술에 집중 투자하겠다고 발표한 바 있다.
게놈 프로젝트의 발표를 통한 생명과학의 실효과 는 양자역학의 소개에서와 같이 그 시대의 후반에 나 빛을 발휘할 것으로 전망된다. 반면 나노기술 은 어느날 갑자기 나타난 기술이 아닌 예전부터 있어 왔던 기술로서, 보다 집중적으로 투자할 만 한 가치가 있는 국소적인 기술이라 할 수 있다.
NNI 보고서의 발표는 가까운 미래에 한 국가의 과학기술의 경쟁력은 나노기술에 있으며, 기존 기 술을 얼마나 나노기술에 접목 시키느냐가 관건이 라 점을 강조하고 있다. 이러한 점을 바탕으로 21 세기의 화학공학의 세 번째 패러다임은 기존 기술 을 미세한 영역까지 이해하고 문제를 해결하는 것 에 집중된다고 볼 수 있다. 한 예로 나노기술과 환 경기술의 융합을 통한 보다 효율적인 신환경기술 을 개발하는 것이다. 이와 같이 화학공학의 패러 다임의 변화는 시대적인 요구와 함께 해왔으며, 문제해결 능력을 규모면에서 거대한 것에서 국소 적이며 본질적인 것까지 확장·집중해가고 있다.
기술간의 융합
미래산업의 핵심이라 할 수 있는 5가지 기술 (IT, ET, BT, NT, ST)은 모두 화학산업에 바탕 을 두고 있다. 즉 대부분의 이공학의 중심에는 화 학공학이 있으며, 과학과 공학의 경계에 자리하고 있다고 할 수 있다. 5가지 기술들은 인류의 생활을 보다 풍요롭게 만들기 위해 필수적이다. 이를 현 실화하기 위해서는 그동안 존재하지 않았던 물질 이나 기술 개발을 위한 여러 가지 복합적인 반응 이 필수적이다. 또한 개발이 완료된 기술의 혜택 을 모든 사람들에게 재분배되기 위해서는 안정적
이고 경제적인 최적방법으로 양산기술을 구현하 여야 한다. 이러한 면에서 화학공학은 어떠한 물 질이나 공정을 구현하기 위한 필수적으로 활용될 수밖에 없다. 따라서 화학산업이 경쟁력을 유지하 고 신산업주력의 축을 보강하려면 융합된 기술을 마련하는 것이 필수적이다.
기술간의 융합의 필요성을 기술적, 산업적 그리 고 환경적 특성으로 나눠보면 다음과 같다.
기술적 특성
신물질 창출과정에서 보여주는 것처럼 화학은 물론, 생물학, 의학, 물리 및 전자공학까지 다양 한 분야의 지식과 기술이 화학공학기술에 융합 되어 기술상승을 유발할 것임.
제품의 물성을 설계단계부터 반영시키는 평행 설계가 화학산업에서도 중요한 영역으로 주목 되기 시작함.
기술의 고도화에 따라 어떤 분야건 복합적인 학 문의 중첩이 필수적이나 화학공학기술의 경우 가장 포괄적이라 할 수 있음. 예를 들면, 신의약 개발의 경우 신화학물질의 합성, 안전성 평가, 활성을 점검하는 과정에서 거의 모든 기술이 관 여하고 있음.
화학산업의 생산활동이 환경적합형으로 발전하 도록 기술혁신이 전개될 것임.
고부가가치 화학제품들을 생산하기 위해서는 원료의 정제, 반응제어, 생성물의 분리·정제면
에 있어서 더욱 엄격한 관리가 요구되고 연구 개발 및 생산설비도 고기능을 갖춘 특수설비가 필요함.
나노 및 환경 신공정개발의 경우도 시간과 투자 비가 점점 늘어날 것으로 예측되며, 이러한 문 제를 해결할 수 있는 방법으로 정보화 D/B구 축, 인공지능, 전산모사, 패턴인식, 그래픽 등 IT 기술에 의한, 컴퓨터구현을 통하여 투자비용을 줄이고 신물질 및 신공정 창출의 확률을 높이는 방향으로 기술개발이 전개될 것임.
산업적 특성
IT, NT, ET, BT 분야의 핵심소재를 개발하기 위한 화학 기반사업은 비교적 소규모의 설비를 이용하여 다품종 소량 생산 방식에 의해 고부가 가치 제품을 생산하는 기술 집약적 지식기반 산 업임.
다른 산업의 발전을 촉발하는 핵심 촉매적 산업 임.
산학연 협동연구가 중요한 기술주도형 산업임.
환경적 특성
무한경쟁의 상황에서 미래의 산업은 분야간의 융합 및 상호작용에 의해서 끊임없는 기술혁신 이 일어날 것이며, 화학산업에서의 융합은 이러 한 기술혁신의 근본으로 기술패러다임을 형성 하면서 발전해 갈 것으로 전망됨.
거시적으로는 지구환경보호, 에너지 및 자원고 갈문제, 식량자급문제 등 인류가 직면한 대규모 의 문제해결에 있어 화학산업에서 IT, NT, ET, BT 등이 중심적 역할을 할 것으로 예상됨.
각 문제를 해결하는 데 필요한 기술적요소는 물 질의 성질 및 변화, 생물학적 작용, 에너지 및 자원의 순환 등을 이해하는 것이 필수적이며, 신기술체계인 IT, NT, ET, BT 등은 화학공학
기술에 기반을 두고 있음.
기존 국내 화학산업은 장치산업 위주이거나 낮 은 기술력을 바탕으로 완제품위주의 제조산업 을 영위해 왔으나, 선진국에 비해 경쟁력이 부 족하여 점점 입지가 좁아지고 있는 상황임.
부가가치가 큰 신화학산업의 성장을 선도할 수 있게 하는 것이 중요하고 신기술체계인 IT, NT, ET, BT를 화학산업 내에서 융합할 수 있 는 인력의 양성을 통해 이러한 기술개발을 촉진 시킬 필요가 있음.
융합기술의 필요성은 국내외 연구 투자 규모에 서도 확인할 수 있다. 2002년도 기준으로 영국의 경우는 총 R&D 예산의 22%, 일본은 15%, 핀란 드는 55%, 우리나라는 26%를 IT, NT, ET, BT 등에 집중 투자하고 있으며, 기술간의 융합을 통 한 시너지 효과를 기대하고 있다.
새로운 화학공학 분야
과거 굴뚝산업이라는 이미지로 신경제에서 경 시 당하는 화학공학도 신지식을 접목하면 지식기 반산업이 될 수 있음을 간과해서는 안될 것이다.
거대 장치산업 중심에서 핵심이 되는 기술을 다루 는 화학공학으로 나아가야 한다. 세상을 변화시킬 수 있는 기술을 화학공학을 중심으로 몇가지 예를 들면 다음과 같다.
Bio Technology
화학공학자들은 오래전부터 생명공학과 관련하 여 페니실린 개발, 생물학적 폐수처리 등에 중요 한 역할을 수행해 왔다. 화학공학의 고유 기술분 야의 하나인 화학반응, 촉매반응은 생명공학에서 미생물 발효나 효소반응에 사용될 수 있다. 이를 통하여 피 한 방울로 질병에 관한 모든 정보를 알 아 낼 수 있는 Bio-Informatics를 발전시킬 수 있
다. 또한 화학공학은 생명공학과 융합하여 맞춤형 신약 개발, 유전자 치료, 바이오칩 등의 기술 개발 에도 기여를 할 것으로 기대된다.
Biomedical Technology
인간을 괴롭히는 질병을 치료하고 생명 연장의 꿈을 실현시키기 위한 생명현상을 밝히는 분야라 할 수 있다. 정밀하게 움직이는 화학공장인 생명 체를 정상적으로 작동시키는 일은 화학반응을 다 룰 수 있는 화학공학자의 역할이라 할 수 있다. 신 약개발에 있어서 물질정제 및 대량 생산은 화학공 학이 해야할 일이며, 인공장기 개발 중의 생체 화 학반응과 재생 또한 화학공학의 고유 기술이다.
Nano Technology
자연 현상의 본질을 파악하기 위한 분야라고 할 수 있으며, 전자현미경 및 원자현미경의 개발로 급격한 발전을 이룬 기술이라고 할 수 있다. 나노 구조물을 상업성 있는 제품으로 생산하기 위해서 는 반응과 공정을 다루는 화학공학이 핵심적인 역 할을 할 것이다. 또한 외부 조건에 따른 벌크 상태 의 반응도, 나노 수준에서는 문제가 틀려진다. 즉 나노세계에서는 물이 거꾸로 흐를 수도 있는 것이 다. 이러한 현상을 이해하기 위해서는 물리화학적 개념이 정립되어 있는 화학공학자의 지식이 필수 적이다.
Information Technology
화학공학의 발전으로 인해 반도체 기술을 혁신 적으로 향상시켰고, 건물 하나만 하던 초기 컴퓨 터는 손바닥만하게 만들게 되었다. 나날이 발전하 는 정보기술은 시공간의 장벽을 없애고 있다. 무 선 원격제어를 위한 유비쿼터스 기술중에 외부 조 건(온도, 압력, 습도, 농도)을 감지할 수 있는 센서 개발에 화학공학의 지식이 이용되고 있다. 반도체
의 발전에는 재료의 정제, 실리콘 단결정의 성장, 공정 장치의 개발 등에 핵심적이 역할을 수행해 왔다. 디스플레이 또한 발광물질의 개발, 제조공정 개발 등에서 화학공학의 의존도가 커지고 있다.
Environmental Technology
환경분야는 토양, 폐수, 대기에 이르기까지 화학 공학이 참여하지 않는 곳이 없다. 단순히 폐기물 을 처리하던 후처리방식에서 탈피하여, 최근에는 공정자체를 변형시키거나 원재료를 변화시켜 최 소한의 오염물질 배출 또는 무방류 시스템을 향한 청정생산기술이 개발되고 있다. 환경기술은 NT 와 BT가 함께 융합되어 보다 효율적으로 발전하 고 있다. 또한 자원의 회수 및 폐기물의 열분해를 통한 에너지 회수에도 화학공학자들이 주도해 나 갈 것으로 본다.
Energy Technology
에너지문제는 화학공학의 시작과 함께 다루어 왔던 분야이다. 화석에너지의 감소와 사용으로 인 한 오염 증가로 대체에너지에 관한 연구 개발이 집중되고 있다. 연료전지, 수소에너지가 그 주를 이루고 있다. 연료전지의 개발과 발전에는 초기부 터 화학공학이 담당해 왔으며, 수소에너지의 제조 와 저장 분야에서도 화학공학의 역할이 매우 중요 하다.
Material Technology
인류문명을 혁신적으로 변화시킨 대표 물질중 플라스틱, 합성섬유, 합성고무를 들 수 있다. 기존 플라스틱 사용의 한계를 넘어 최근에는 인공장기
개발에도 사용되고 있다. 또한 전기가 통하는 합 성섬유와 같이 기능성 물질을 자유자재로 만들 수 있는 화학의 장이 열리고 있다. 전자와 화학을 접 목 시키는 역할은 화학공학이 수행할 것이다.
이와 같은 보기외에도 화학공학은 많은 분야와 의 융합(fusion)을 통하여 학문간의 벽을 허물고 신기술과 연결이 가능한 고리역할을 담당할 것이 다. 이런점에서 새롭게 제시되는 문제 해결을 위 한 기술간의 융합은 화학공학의 필수조건이라 할 수 있겠다.
맺는말
국내외적으로 화학공학이 위기라는 말을 많이 접하고 있다. 이에 미국 화학공학회에서도 21세기 캠페인 프로젝트(Real Solutions for Real Chall- enges)를 작성하여 적극적으로 문제해결에 나서 고 있다. 화학공학자의 역할이 앞으로는 전통적인 기초소재 공급입장 보다는 첨단산업의 기술혁신 을 선도하는 방향으로 더욱 부각될 것이다. 우리 나라 화학공학도 변화를 위해서는 적극적인 이미 지 변화와 함께 새로운 주요 기술에 적응할 수 있 도록 융합기술 인력양성이 절실하다. 우리도 수동 적인 대책보다는 더욱 적극적인 자세와 open- mind로 전문가를 과감히 영입하여 우리의 분야를 확장하고 기술을 선도하는 영역으로 뻗어 나갈 수 있도록 서로 융합하여야 할 것이다. 화학공학의 미래는 절대로 어둡지 않다. 새로운 문제를 해결 할 수 있는 능력을 갖추고 있는 Universal Engi- neering으로서, 화학공학은 5T 기술간의 융합을 통하여 보다 발전할 것이다.
