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1. 개요
化學工學 / Chemical Engineering화학물질을 공학적 방법으로 연구하는 학문이다. 초기 화학공학은 주로 고분자를 다루는데 집중했으나 현대 화학공학은 화장품, 제약, 의료기기, 반도체, 나노기술, 금속, 세라믹 등 다양한 물질을 다룬다. 대한민국에서는 화공학이라고 줄여부르기도 한다.
2. 학문적 특징
- 19~20세기 화학공학: 고전적인 화학공학은 "화학물질을 가공하는 기계장치"를 연구하는 학문으로, 기계공학과 공업화학의 학제간 연구로 발전했다. 화학물질을 가공하기 위해선 열역학과 유체역학이 가장 중요했다. 화공열역학은 기계열역학에 상평형, 열전달, 단위조작, 분리공정 등 훨씬 복잡한 분야들을 다루게 되었다. 여기서 더 발전하여 반응공학이라는 학문까지 태어났다. 화공유체역학도 기계유체역학보다 물질전달을 깊게 다루고 있다. 그리고 여기에 더해 화학공장의 통제를 위한 공정설계도 다루게 되었다.
- 21세기: 21세기부터 화학공장의 완전 기계화로 인한 기술적 실업이 가속화되었다. 21세기의 화학공장은 사람의 흔적을 찾기 힘든 기계 건물로 바뀌었다. 화학공학 역시 생존을 위해 변화를 시도했다. 그 결과 정통 석유화학은 줄어들고 재료공학과 생명공학, 반도체공학, 나노공학의 비중이 커지고 있다.
2.1. 기계공학
화학공학은 기계공학과 달리 화학반응을 다룬다. 기계공학적 제조과정에선 원료를 잘라내고 절단하고 파괴하여, 특정형태의 규격화된 부품을 만들고, 이 부품들을 조립한다. 흔히 자동차나 선박의 제조 과정을 생각하면 된다.이 생산방식의 차이가 고용의 관점에서 대단히 중요한데 기계공학에서는 작업원이 사람이든 로봇이든 그 수가 생산능력과 비례하지만 화학공학 산업은 그러한 생산능력과 작업원의 수가 딱히 비례관계가 성립하지 않다는 점으로 이어지기 때문이다.
예를 들어 기계제조업의 경우에는 생산과정이 일부 로봇과 많은 수의 작업원에 의해 진행되기 때문에 생산을 늘리려면 생산이 진행되는 단위 즉, 라인을 증설해야 한다. 라인을 증설한다는 것은 각 생산단위에 필요한 작업원에 대한 고용도 그만큼 증가한다는 것이다.
반면 화학산업에서는 생산능력이 증가한다고 해서 딱히 작업원에 대한 고용이 늘어나지 않는다.
실험실 규모에서 500mL 비커에서 진행한 화학반응이 파일럿 단계를 거쳐서 20L단위로 큰 규모로 생산한다고 해서 기존 인원 대비 40배의 인원이 필요한가? 그렇지 않다. 마찬가지로 상업용 생산급의 몇톤단위로 혹은 몇 십톤단위로 반응의 규모가 커진다고 한들 새롭게 인원을 고용할 필요는 별로 없는 것이다.(채용이 그리 증가하지 않는다).
이는 화학산업에서는 스케일업이라는 개념이 중요하지만 기계제조업에서는 쓰일일이 거의 없다는 점에서도 알 수 있다.
반도체 혹은 이차전지 같은 곳에서 화학공학 인원을 적지 않게 채용하는 것은 그쪽 산업이 워낙 규모의 경제로 승부를 보는 점과 화학공학 기술 이외에 물리적인 생산기술(기계공학적 특성)이 많이 필요하다는 특징을 갖고 있기 때문이다.
화학공학에선 주로 유체상태의 재료(화학물질)를 파이프라인을 따라 수송하고 특정공간에서 여러 성분들과 반응시킨다. 이때 주로 사용되는 공정은 유체수송, 반응, 혼합, 분리, 여과, 증류 등이 있는데 모두 화학산업에서만 사용된다.
2.2. 재료공학
20세기까지의 화학공학은 고분자공학 / 유기화학공학 중심의 학문이었다. 그러나 21세기 이후 반도체, 디스플레이, 나노소재 등 다양한 산업이 급속도로 발전하자 화학공학 역시 이에 발맞춰 변화하였다. 그 결과 현대 화학공학은 재료공학에 가깝게 변했다. 기존의 화학공학에선 유기화학과 고분자화학 위주로 배웠으나, 21세기 화학공학에선 물리화학, 나노화학, 생화학, 세라믹화학, 금속화학 등 다양한 화학 분야가 추가되고 있다.2.3. 생명공학
한국화학공학회에는 13개의 분과가 있는데, 그중 하나가 '생물화공'이다. 한국화학공학회 학술대회에서도 생물화공 관련 강연을 들을 수 있다. 미국화학공학회 역시 6개 정도의 주요 주제를 두고 있는데, 그중 하나가 'Biological Engieneering'이다. 미국 화학공학회는 Biological engineering의 세부 분야로 stem cell engineering, synthetic biology, protein engineering pharma engineering & drug delivery, metabolic enginering, bionanotechnology, biomedical engineering, biomaterials, bioenergy, bioprocessing; molecular, cellular and tissue engineer engineering 등을 다루고 있다. 일본화학공학회에도 14개 분과가 있는데, 그중 하나가 Biochemical engineering이다. 일본 화학공학회는 Biochemical engineering의 세부 분야로 Bioprocess Engineering, Bioseparation Engineering, Medical Bioengineering, Bioinformatics, Environmental Biotechnology, Food Engineering 등을 다루고 있다.생물화공은 화학공학의 세부분야다. 생물화공은 화학 공학의 기본 원리를 생물 공정에 적용하여, 물질 생산 등에 관한 공정을 설계하고 운전하는 것과 관련된 연구를 하는 분야이다. 그렇다면 어디까지가 생물화공의 범위인가?
생물화학공학 Biochemical engineering 교과서들은 다음 주제를 생물화학공학의 범위로 보고 있다.
- 생물공정공학 Bioprocess Engineering: 열 및 물질 전달, 유체역학, 물질과 에너지 수지, 반응속도론 등의 지식을 생물에 적용.[1]
- 생물반응공학: 효소, 미생물 발효 등을 이용한 생물반응기(Bioreactor)의 설계와 해석.[2]
- 생물분리공정 Bioseparation Engineering: 분리 정제 기술. 원심분리, 세포 파쇄, 막분리, 여과, 투석, 흡착, 크로마토그래피, 초임계 유체 추출 등의 기술을 사용한다.[3]
생물화학공학 관련 연구실이 있는 대학교에서는 화학공학과 학부 과정에 생물학/생명공학 관련 몇몇 과목들을 개설한다. 이 경우 일반생물학, 생화학, 생물화학공학 등의 과목이 개설된다. 생물화학공학을 대학원에서 전공할 사람은 생물학 지식을 몰라도 되는 경우도 있으나, 많은 불편을 겪기 때문에 되도록이면 익혀야 한다.[4]
다만, 생물화학공학은 위에서 보듯 십수개의 화학공학 중요 분야 중 하나일 뿐이다.[5] 나머지 분야인 화학공학을 대학원에서 전공할 사람들은 생물학을 하나도 듣지 않아도 될 정도로 연구에 지장을 받지 않는다. 기계공학의 베리에이션 쪽 분야를 공부하는 대부분의 화학공학도들은 오히려 물리학의 비중이 크다. 심지어 학문명에 '화학'이라는 단어가 들어가 있음에도 화학 지식도 의외로 많이 필요하지 않을 정도다. 이러다 보니 최근 들어선 학부제를 폐기하고 생명공학과를 화학공학과와 완전히 분리시키는 경우가 늘어나고 있고, 심지어 생명공학과를 공대에 두지 않고, 생명과학대라는 새로운 단과대학을 만들어 편제시키려는 흐름도 나타나고 있다.[6]
김영삼 정부 말기에 교육당국은 각 대학에 학부제 도입을 권고하였고, 그에 따라 각 대학들은 여러 학과들을 묶어서 신입생을 선발하였는데[7], 화학공학과는 보통 생명공학과와 같이 하나의 학부로 묶였다[8]. 그리하여 화공생명공학부, 화공생물공학부, 화학생명공학부, 화학생물공학부 등의 이름을 가진 학부가 마구잡이로 등장하였다. 다만 해외에서도 Chemical and Biological Engineering이라는 이름의 학부/학과가 많으므로 국내에만 특정된 현상은 아니다.[9] 또한 해외에서는 Chemical and Biomolecular Engineering(화학 및 생체 분자 공학)이라는 이름의 학과도 많은데, 이 역시 주로 한국어로 번역된 명칭은 화공생명공학부이지만 엄밀히 말하면 이 경우는 정확한 표현은 아니다. 이 경우는 단어 그대로 가장 충실하게 번역된 명칭은 화학생체분자공학.[10][11]
보통 기계공학과, 전기전자공학과 등의 공과대학이 천연기념물 급으로 여자 보기 매우 힘들지만 사실 화학공학과는 원래부터 여자 비율이 공대치고 높은 편이었다.[12] 거기에 생명공학 버프까지 받으면서 여자 비율이 30%까지도 육박하거나 넘어가는 기적을 간간이 볼 수 있다.
3. 역사
화학공학/역사 문서 참조.4. 화학공학과
화학공학과 문서 참조.5. 관련 문서
[1] 예를 들면 살균Sterilization. 살균 과정에서 화학반응속도론을 이용해 세포가 열에 의해 사멸하는 데 얼마나 걸리는지, Batch Heat Sterilization과 Continuous Heat Sterilization을 이용해 배양기를 열처리하는지 이런것을 한다.[2] 가령, 1940년대에 페니실린을 대규모로 제조하고 싶었지만 고체 배양은 온도 조절과 살균이 어려워 대량으로 하기 힘들었다. 그러다 탱크에 액체를 넣고 산소를 전달해주는 장치인 침지탱크를 만들어서 대량으로 생산할 수 있었다.[3] 가령 1940~50년대에 페니실린을 대규모로 제조하면서 순도를 높게 하고자 했다. 하지만 페니실린은 산에 약하다. 이 때문에 산을 쓰지 않고 침전을 만들어서 순도 높은 페니실린을 만드는 방법을 찾기 위한 노력이 있었다. 액체 추출법으로 해결되었다.[4] 생물화학공학 관련 연구실은 화학공학과 외에도 생명공학과 등에 있을 수 있다. 가령 한국화학공학회 생물화학공학 분과 소속 교수들은 화학공학과 이외의 학과에 재직하는 경우도 있다.[5] 기타 분야로는 에너지, 촉매, 재료 등.[6] 생명공학과보다 화공생명공학과 쪽이 학사졸 취업이 잘 된다. 후자는 화학공학 전공으로 인정받아 전자 산업에 지원할 수 있기 때문이다.[7] 예를 들어 '자연과학계열'이라고 해서 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학 각 전공의 신입생을 일괄적으로 선발하기도 하였고, '상경계열'이라고 해서 경영학, 경제학, 통계학 전공 신입생들을 일괄적으로 선발하기도 하였다. 2000년대 중후반쯤에 학과제로 전환한 학교가 늘어났으나, 학부제로 선발하는 곳도 여전히 많이 있다.[8] 생명공학과가 없던 학교에서도, 2000년대 들어 생명공학 붐이 일어나면서, 생명공학과를 신설한 뒤, 화학공학과와 학부제로 묶이기도 했다.[9] 프린스턴 대학교, 위스콘신 대학교/매디슨 캠퍼스, 콜로라도 대학교, 노스웨스턴 대학교, 뉴멕시코 대학교, 드렉셀 대학교, 렌셀레어 폴리테크닉 대학교, 앨라배마 대학교, 브리티시 컬럼비아 대학교, 터프츠 대학교 등등[10] 학과 이름에 '생명'이라는 단어가 들어간 덕에 여학생 비율이 조금은 늘어났다고 한다. 전공진입 이후에도 화학공학과보다는 생명공학과에 여학생들 비율이 상대적으로 높기에 건축학과와 공대 내 여학생 비율 투톱을 달리는 경우가 많다.[11] 보통 2학년이 되면 전공이 나누어지는데, 서울대, 연세대, 고려대, 서강대처럼 전공이 나누어지지 않는 경우도 의외로 꽤 있다. 부산대학교의 경우에는 매우 특이한데 환경공학과와 화공생명공학과가 묶여져 있다. 물론 2학년이 되면 전공이 나누어지기 때문에 큰 의미는 없다.[12] 화장품이나 제약회사 관련 진로를 노리는 경우가 많지만 대부분 화학과 관련되었다고 생각하는 착각에서 비롯되었다.