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화학

last modified: 2018-10-18 19:42:04 Contributors

化學 / Chemistry

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Contents

1. 정의 및 특성
2. 화학/역사
3. 분야
3.1. 물리화학
3.2. 유기화학
3.3. 무기화학
3.4. 분석화학
3.5. 생화학
3.6. 기타
4. 공학에 대한 영향
5. 대한민국의 화학 교육
5.1. 중등교육
5.2. 학부
6. 화학자
6.1. 실존 인물
6.2. 가상의 화학자들
7. 관련 항목


1. 정의 및 특성


The purpose of chemistry seems to have changed much from time to time. At one time chemistry might have been called a theory of life, and at another time a department of metallurgy: at one time a study of combustion, and at another time an aid to medicine, at one time an attempt to define a single word, the word element, and at another time the quest for the unchanging basis of all phenomena. Chemistry has appeared to be sometimes a handicraft, sometimes a philosophy, sometimes a mystery, and sometimes a science.
Muir, P. A History of Chemical Theories and Laws; 1906; p. vii.

Through the development and refinement of concepts concerning molecules and their functions, chemistry provides a common resource for experimental science, comparable with the language of quantitative scientific thought provided by mathematics.
Chemistry: Opportunities and Needs; National Academy of Sciences, National Research Council: Washington, 1965.

Chemistry seems in our day more a business of questions difficult to answer than of questions difficult to ask.
Knight, David. Ideas in Chemistry: A History of the Science; 1992, p. 171

화학은 물질구조성질, 변화에 관한 학문이다. 간단히 말해 물질의 변화를 다루는 학문이라서 화학인 것이다.

오늘날에는 과학의 분야 간 경계가 희미해짐에 따라 그 의미가 많이 퇴색되었지만, 가장 고전적인 의미에서 화학은
1. 물리적 특성을 기준으로 물질을 구분하고
2. 대상이 어떤 물질로 이루어졌는지 분석하며
3. 화학반응을 통해 새로운 조성의 물질을 합성하고
4. 위와 같은 물질계의 구성과 변화를 원리적으로 규명하는 일이다.

따라서 화학은 크게 이론과 실험으로, 그리고 실험은 다시 물질의 화학적 조성을 분석하는 활동과 새로운 물질을 창조하는 합성 활동으로 분류할 수 있는 것이다.[1] 또, 어떤 종류의 물질에 대해 위와 같은 활동을 수행하는가에 따라서도 나눌 수 있는데, 대표적으로 오늘날까지도 화학을 크게 유기화학과 무기화학으로 구분하는 것이 예가 되겠다.

이는 화학이 역사적으로 연금술의 실험적 전통을 기반으로 자연철학(natural philosophy), 즉 오늘날의 물리학과 자연사(natural history), 즉 박물학이라는 두 분야의 영향을 추가적으로 받으면서 성장했기 때문이다. 르네상스에서 18세기에 이르는 기간 동안 화학은 그 영역을 연금술에서 확장하여 약학과 광물학을 포섭하였는데, 그 과정에서 자연사적 성격을 획득하였다.[2] 다른 한편, 17세기 이후 기계론적 세계관의 영향으로 화학에서도 입자설을 비롯해 화학 현상을 기계적으로 해석하려는 경향이 점차 증가하여 19세기 초에 정점에 이른다.[3] 그러나 그 직후 19세기 중반 유기화학이 실험을 중심으로 급격히 성장하면서 화학은 이론적, 수학적 설명보다는 실험과 분류를 중시하는 방향으로 선회한다. 19세기 말 물리화학의 형성은 이론적 설명이 부족한 고전 유기화학에 대한 반발이기도 했다. 그리하여 고전 화학의 마지막 단계인 1920년대경에 이론과 실험의 균형이 오늘날과 같이 이루어졌다고 할 수 있다.[4]

화학에 관해 널리 퍼진 오해는 화학은 분자를 연구하는 분자 과학 또는 분자를 조작하는 분자 공학이라는 인식인데, 위에서 설명한 바와 같이 이는 20세기 초반까지의 고전화학에는 해당되지 않는 이야기다. 그러나 1960년대 이후 현대 화학만을 일컬어 하는 말이라면 크게 틀리지는 않다. 이는 20세기 중반 화학이 이론적 측면에서는 양자역학과 핵물리학에 의해, 실험적 측면에서는 새로운 분석기기의 도입으로 인해 혁명적인 변화를 겪었던 것에 기인한다.[5] 분광학과 양자화학을 통해 물질의 분자적 실체를 직접적으로 관찰하고 인식할 수 있게 되면서 거시적인 현상을 기술하는 모델이었던 분자는 화학에서 독립적인 실체로 자리잡았으며, 핵과 소립자 역시 이론적으로나 실험적으로나 화학자가 접근할 수 없는 영역이 되어가며 생긴 변화라고 할 수 있다.[6]

물리학과 구분되는 화학의 가장 결정적인 특징은 수평적 학문이라는 점이다. 화학은 물질 세계를 서로 동등한 수준에서 다른 여러 존재로 구분하고 이들 간의 상호작용이나 이들이 어떤 식으로 혼합되어 세계를 구성하는가에 관심이 있다. 이는 근본 원리로부터 연역된 법칙으로 자연계, 나아가 인간계의 모든 현상에 대한 통합적 설명을 제시하는 것을 목표로 하는 수직적 학문인 물리학과 그 철학적 지향에 있어 근본적인 차이가 나는 지점이라고 할 수 있다. 아울러, 위에서 설명한 것과 같이 실험적, 분류적 전통이 강한 화학의 정체성에서 실험을 포함해 화학자가 실제로 수행하는 행위의 중요성을 빠트릴 수 없다.[7] 20세기 후반 이후 현대 화학은 마치 통계학과도 같은 일종의 서비스 학문으로, 다른 모든 과학 분야는 화학을 필요로 하지만, 화학 자체로서는 더 이상 근본적인 질문을 던지지 못하는 분야가 되었다. 다양한 인접 분야의 수요에 따라 전문화하고 다양화하면서도 화학이 단일 학문 분야로서의 정체성을 유지할 수 있는 이유가 있다면 위와 같이 물질의 분석과 합성을 전문으로 하는 분야로서의 철학과 실험적 방법론일 것이다.

2. 화학/역사


고대 그리스 자연철학에서는 물질의 근본 요소와 변환에 대해 많은 논의가 이어졌는데, 현대의 관점에서 그나마 의미있는 주장은 데모크리토스와 에피쿠로스의 원자론이다. 일단은 아리스토텔레스의 이론이 고대 지중해 세계에서는 주류 이론이 되었지만, 원자론도 결코 잊혀진 상태는 아니었다.

이후 8세기~13세기 이슬람 과학이 꽃필 시기에는 아랍, 페르시아의 화학자가 화학과 약학의 발전에 많은 공헌을 했다. 그리스 과학을 단순히 이어받는 것을 넘어서 물질의 구성에 관한 새로운 이론이 추가되었고 여러 실험 기법이 정리되었다. 연금술은 화학과 같은 지식체계를 가지고 있지는 않지만, 방법론적으로 화학의 발전 기반을 마련했다.

한편, 12세기 이후 무역과 전쟁을 통해 이슬람 과학의 성과가 이탈리아 등지로 조금씩 확산되었고 점차 유럽이 화학의 중심지로 자리잡았다. 16세기에는 파라셀수스가 의약 화학(iatrochemistry)를 발전시켰고 리바비우스가 최초의 화학 교과서를 저술하였다.

17세기는 근대 화학의 태동기로, 1661년에는 로버트 보일이 원자, 분자, 화학 반응에 대한 개념을 정리했다. 이후 17, 18, 19세기 내내 분리분석기술과 합성 방법, 화학 및 물리학 이론의 발전을 바탕으로 원소와 간단한 구조의 화합물이 수없이 발견되었고, 열화학과 기체에 대한 이론을 비롯해 이론적 배경도 비교적 튼실해졌다. 18세기 말 '근대 화학의 아버지'라는 별명이 붙은 투안 라부아지에는 질량 보존의 법칙원소의 개념을 정립하였으며 분석 화학과 화학 명명법의 발전에 기여하였다. 1803년, 존 돌턴이 근대적 원자설을 발표한 것 또한 화학 역사에서 중요한 이정표가 되었다. 이어서 1811년에는 아메데오 아보가드로가 아보가드로의 원리와 분자설을 발표했다.

이 외에도 19세기에는 이성질체가 발견되고 화학평형의 개념이 탄생했으며 생화학과 유기화학, 배위화학이 발전하였고, 주기율표가 작성되는 등 화학이 동시대의 다른 분야처럼 빠르게 발전하였다. 또, 19세기 중반 이후로는 화학이 의사와 약제사를 위한 학문에서 오늘날과 같이 기술과 산업의 근간이 되는 학문으로 자리잡기 시작하였다. 19세기 말에서 20세기 초의 기간은 물리화학이 태동한 시기로서, 1876년 깁스에 의해 화학 평형의 물리적 근원이 해명되었고, 전리설과 화학반응속도론이 등장했으며, 1927년 양자역학이 비로소 개발됨과 동시에 화학 결합과 분자의 전자기적 구조에 대한 이해가 놀라울 정도로 깊어졌다.

1953년에 DNA의 나선 구조 중 하나가 발견된 것을 시작으로, Na/K-ATPase, 미오글로빈 등 생체고분자의 구조와 반응에 대한 연구도 빠르게 진행되었다. 1970년대 이후로는 컴퓨터의 발전과 함께 계산화학이라는 새로운 분야가 태어났다.

3. 분야

화학의 전통적인 분류 방식은 물리화학, 유기화학, 무기화학, 분석화학의 네 분야로 나누는 것이지만, 20세기 이후 각 세부 분야의 내용이 깊어지고 응용이 넓어짐에 따라 오늘날에는 의미가 많이 사라졌다.

몇 가지 주요 분야를 들자면 아래와 같다.

3.1. 물리화학

Physical Chemistry

물리화학은 물리학의 이론과 방법을 사용해 화학적 현상을 관찰하고 그 물리적 원리를 규명하는 분야이다.
핵심적인 하위 분야로
  • 양자화학: 물질의 에너지 준위는 어떠한가
  • 통계역학: 전자, 원자, 분자 따위가 그런 에너지 준위에 집단적으로 분포할 때 나타나는 현상은 어떠한가
  • 화학열역학: 그런 집단 현상으로 인해 화학 반응은 어떤 방향으로 일어나는가
  • 반응속도론 및 반응동역학: 그러한 화학 반응의 속도와 메커니즘은 어떠한가
가 있다.
그 밖에 빛과 물질의 상호작용으로 일어나는 화학반응을 연구하는 광화학, 방사성 원소를 대상으로 하는 핵화학 및 방사화학 등이 있다. 또, 탐구하는 물질이 어떤 종류인가에 따라 물리유기화학, 생물리화학 등으로 분류할 수도 있다.

화학물리학이라고도 부르는데, 역사적으로 화학물리학은 양자역학에 의해 화학결합의 원리가 밝혀지면서 화학과 물리학의 경계는 사라졌다고, 나아가 화학은 물리학으로 환원되었다고 보는 측에서 그보다 이전에 사용되었던 물리화학이란 용어에 대비해 사용한 역사가 있어서 화학계에서는 잘 쓰지 않고 대신 물리학자들이 주로 사용하는 명칭이다.

3.2. 유기화학

Organic Chemistry

탄소를 포함한 화합물의 화학. 그러나 흑연, 다이아몬드와 같은 순수한 탄소나 탄소 합금, 금속-탄소 결합은 일반적으로 제외되는 등, 정의가 분명하지 않다. 게다가 화학 각 세부 분야 사이의 장벽이 사라지고 있으니, 이쯤 되면 유기화학 교과서에 나오는 내용이 유기화학이라고 보는 것이 가장 편할 것이다. 유기물의 가장 전형적인 형태인 탄화수소 골격을 중심으로 치환기가 달려 있는 저분자 물질을 중심으로 돌아가는 분야라고 보면 된다.

생물 분자의 대부분이 유기물이고 현재까지 연구된 생리 활성 물질도 대부분 유기물이므로 생물학, 농학, 약학, 의학에 대한 기초 학문의 역할을 한다. 따라서 그러한 분야를 전공하는 사람도 유기화학을 공부하곤 한다. 20세기 석유화학, 고분자화학, 농화학, 식품화학 등의 발달에도 기여했다.

3.3. 무기화학

Inorganic Chemistry

유기화학에서 다루지 않는 화합물, 그러니까 각종 배위화합물과 이온성 화합물, 금속, 주족 원소 화합물을 다루는 분야를 포괄해서 이르는 말이다. 하지만 그중에서도 금속 원자나 이온에 리간드가 배위한 형태의 화합물에 관한 화학인 배위화학 및 유기금속화학이 가장 널리 연구된다. 옥텟 규칙과 같은 고전적인 화학 법칙이 비교적 잘 적용되는 유기화학과 달리 무기화학에서 등장하는 원소의 반응을 정확히 기술하기 위해서는 현대 양자화학적인 접근이 필요해서 유기화학에 비해서는 수학/물리학적인 이해가 더 많이 필요하다. 배위화학, 유기금속화학, 고체화학, 생물무기화학 등의 하위 분야가 있으며, 지금은 거의 독립된 분야가 된 나노화학도 원래 이쪽에서 연구하던 주제 중 하나였다.

3.4. 분석화학

Analytical Chemistry

혼합물을 물리적 특성을 이용해 순물질로 분리(purify)하고 동정(identify), 정량(quantify)하는 일에 관한 화학이다. 고전적으로는 정성 분석과 정량 분석으로 나눌 수 있는데, 정성 분석은 '무엇이 있는가'를 알아내고 정량 분석은 '얼마나 있는가'를 알아낸다. 분리는 그 자체로도 중요하지만, 향후 분석을 위한 일종의 준비 단계이기도 하다다. 분야의 특성상 기기에 대한 의존도가 특히 높으며[8] 아예 새로운 실험 기법과 장비 등 화학 실험 자체에 대해서도 다룬다.

3.5. 생화학

Biochemistry

생물체에서 일어나는 화학 반응에 대해 연구하는 분야이다. 즉, 유전, 대사, 합성, 물질 수송, 신호 전달과 같은 생명 현상을 화학적으로 관찰하고 해석한다. 오늘날에는 개별 분자 보다는 전체 시스템에 초점이 맞춰져 있다. 분자생물학이나 생물물리학, 유전학과도 관계가 깊다. 19세기 초까지는 유기화학과 구분하기 어려웠으나, 19세기에 효소가 발견되고 세포 내 화학 반응에 대한 연구가 진행되면서 20세기 초에 오면 독립된 분야로 거듭나게 된다.

3.6. 기타

이 외의 분야는 대체로 학부 과정 보다는 대학원에서 다뤄지는, 좀 더 전문적이고 세부적인 분야이다.
각 분야의 전문 지식이 있는 분이 내용을 더 알차게 해주시길 부탁드립니다.

  • 고분자화학: 작고 반복적인 단위체가 대규모로 결합해 만들어진 거대 분자, 즉 고분자를 다루는 화학이다. 우리 몸을 이루는 생체 고분자를 비롯해, 플라스틱, 고무, 합성 섬유 등의 인공 고분자의 성질과 합성을 연구한다. 통계역학을 통한 이론적 해석이 중요하므로 물리화학과의 연관성이 높지만 대부분 유기 고분자가 산업에 응용되므로 유기화학과의 연관성도 높은 편이다. 화학 전문분야 중에서 산업에서의 수요가 특히 높은 분야 중 하나.

  • 나노화학: 나노 수준의 길이, 단면적, 부피를 가진 물질을 합성하거나 그런 물질을 화학 반응에 사용하는 법을 연구하는 학문이다. 거시적인 물체와는 달리 나노 수준의 물질에서는 양자역학의 원리에 따라 전기적, 자기적, 광학적으로 특별한 성질이 나타나기 때문에 다른 화학 분야와는 구분된다.

  • 농업화학: 화학적 방법으로 토양과 환경을 보존하고, 농작물의 건강과 생산성을 향상시키며, 생산물을 일차적으로 처리하는 방법에 관해 연구하는 화학의 한 응용 분야.

  • 대기화학: 대기의 화학적 조성을 규명하고 대기 중의 화합물이 서로, 혹은 지권, 수권, 생물권과 어떻게 상호작용하는가를 연구하는 학문. 화학보다는 지구과학, 대기과학의 하위 분야로 취급된다.

  • 유기금속화학: 공유결합성이 높은 금속-탄소 결합을 가지는 물질에 관한 학문이다.

  • 의약화학: 말 그대로 의약품을 만드는 화학이다. 여기서 말하는 약은 보통 저분자화합물에 국한되고, 백신이나 기타등등 생물적으로 만든것과는 다른것이다.

  • 식품화학: 식품의 조리 또는 가공 과정에서의 변화를 화학적 관점에서 고찰하는 응용 분야. 분자 요리는 이 분야의 발전을 바탕으로 구현이 가능해졌다.

  • 재료화학: 유용한 성질을 가지는 응집물질, 즉 재료 물질을 발견하고 합성, 처리, 응용하는 화학의 응용 분야이다. 다른 화학 분야에 비해 응집물질의 창발적, 통계적 성질이 많이 주목받는다는 특성이 있다.

  • 전기화학: 전류의 발생을 동반하는 형태로 구성되거나 설계된 모든 화학 반응 및 이에 관련된 기기에 대한 학문. 화석 에너지 외에 대체 에너지원을 찾는 연구에서는 에너지를 주로 전기로 변환하고 저장하기 때문에 그런 연구에서 필수적이다. 또, 전위차를 측정하여 물질의 활동도를 정밀하게 측정할 수 있기 때문에 화학 분석에서도 매우 중요하다. 인체의 신경망 등 생물체에서도 전위차를 활용하므로 신경생리학과의 연관성도 존재한다.

  • 천연물화학: 생물로부터 얻을 수 있는 화합물, 특히 단백질이나 핵산 같은 고분자가 아닌, 이른바 소규모 분자(small molecule)의 분리와 합성에 관한 화학이다. 이런 화합물에 관한 연구는 그 생리적, 약학적 특성에 주목해서 이루어지는 경우가 많으나 그냥 복잡한 물질의 구조를 밝혀서 합성해보고자 하는 순수한 도전 정신에 의한 경우도 많다. 생화학은 생명 현상의 화학적 규명이 목표라면, 천연물화학에서는 천연물 분자 자체가 주인공이다.

  • 천체화학: 우주 공간이나 천체의 화학적 구성을 규명하고 또 그곳에서 일어나는 화학 반응을 연구하는 학문이다.

  • 초분자화학: 각종 분자 간 상호작용을 통해 자기조직화된 분자 복합체에 관한 화학.

  • 표면화학: 고체를 비롯한 응집상의 표면에서 일어나는 화학 반응을 연구하는 분야. 특히 표면과 표면에 흡착된 화학종 간의, 또는 흡착된 화학종 간의 반응을 연구한다. 불균일 촉매 연구, 나노화학, 및 대기화학에서 중요한 부분을 차지한다.

  • 핵화학: 간단히 말해 방사성 동위원소에 대한 화학이다. 핵물리학처럼 근본 원리나 구조에 대해 파고드는 것 보다는 방사성 폐기물 보관과 재처리, 방사선이 생체 조직에 미치는 영향을 연구하는 등의 응용을 주로 목표로 삼는다. 방사선과 물질의 상호작용, 핵 붕괴 과정에서 나온, 고에너지 상태의 원자, 이온, 혹은 불안정한 동위원소의 화학 반응, 방사성 동위 원소를 통한 화학적 표지, 방사능 연대 측정법 등이 이 분야가 다루는 주요 내용이다.

  • 화학정보학: 정보과학 이론을 통해 화학 연구에 관련된 정보를 다루는 학문. 이른바 molecular mining.

4. 공학에 대한 영향

화공, 즉 화학공학(Chemical Engineering)과는 사실 역사적인 차이는 있다. 화학공학은 과학에서 분리된 공학적 부분이라기보다는 공학에서 분리된 화학적 문제를 다루는 것이기 때문이다. 커리큘럼이 점점 비슷해지고는 있지만 석유공학, (플라스틱 등의 수지를 다루는) 고분자공학이라든가, 열역학, 응공학(process), 달현상(flow) 등 플랜트(공장)를 다루는 부분은 아직도 화공과의 이니셔티브. 하지만 이런 전통적 분야에 대한 수요보다 다른 분야의 수요가 늘면서 이런 이니셔티브의 중요성이 조금씩 낮아지고 있다. 보통 화공의 시작은 19세기 초중반에 시작되어 20세기에 정립되었다고 본다.

5. 대한민국의 화학 교육


5.1. 중등교육

5.2. 학부


과학고 등에서 선행학습을 하지 않은 이상, 대학에서 화학(특히 열역학이나 양자화학 분야)을 배울 때 수학과 물리학 배경지식 요구량이 예상한 것보다 많아서 어려움을 겪기도 한다.[13] 1학년때 배우는 기초미적분+기초선대와 1학기 정도의 미방, 선대 수업에 점군 이론에 관한 공식 몇 개만 알면 학부과정을 끝마치는데는 문제가 없을 것이다.

주로 유기화학, 분석화학, 물리화학, 무기화학, 생화학 등을 배운다.[14] 고분자화학, 기기분석, 계산화학, 혹은 재료나 응용 관련한 과목이 개설되기도 한다.

6. 화학자


6.1. 실존 인물

성을 기준으로 가나다순.

6.2. 가상의 화학자들

물리학에 비해서 포스가 떨어지기 때문인지 드라마나 영화 등에서 레귤러 캐릭터로 묘사되는 일이 별로 없는듯. 악역으로 나오는 경우 독극물에 환장한 캐릭터가 많다.

7. 관련 항목


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  • [1] 이런 식으로 화학을 분석과 합성을 중심으로 정의하는 것은 1610년경 Jean Beguin의 Tyrocinium Chymicum까지 거슬러올라간다.
  • [2] 이 경향을 대표하는 인물로 부어하베(Boerhaave)가 있다.
  • [3] 라부아지에와 돌턴이 이러한 경향을 대표한다.
  • [4] 이상 화학의 역사적 변화 과정은 The Cambridge History of Science 시리즈, David M. Knight의 Ideas in Chemistry, 김미경의 Affinity, That Elusive Dream, Mary Jo Nye의 From Chemical Philosophy to Theoretical Chemistry, Bernadette Bensaude-Vincent과 Jonathan Simon의 Chemistry: The Impure Science를 참조할 것.
  • [5] 위의 Nye, Bensaude-Vincent의 책과 더불어 Peter T. Morris 편 From Classical To Modern Chemistry: The Instrumental Revolution 참조
  • [6] 물론 소수의 핵화학자가 있지만 전체 화학계 내에서 차지하는 위상은 미미하다.
  • [7] 가령, Lazlo, P. HYLE – International Journal for Philosophy of Chemistry 2014, 20, 93-116.
  • [8] 아마 계산화학 다음으로
  • [9] 물/화/지는 합쳐져 있어 딱히 어디라고 말할 수 없다(...)
  • [10] 2010학년도 고등학교 입학생까지 적용되었던 7차 화학 Ⅰ은 대부분의 대학교 화학과 학부생들과 화학 인강 강사들은 이걸 기술가정 II로 취급하지 절대 화학으로 인정하지 않았다. 이후 교육과정이 개편되면서 '이제서야 화학의 본 모습을 갖추었다'라는 평.
  • [11] 참고로 고급화학 앞 장을 펴보면 '고교와 대학일반화학과정 중간사이...'라고 다루는 범위 및 난이도를 적어놓았는데,,, 막상 보면 일반화학보다 더 어렵다. 일반화학 문제를 눈으로 풀 정도라도 고급화학 문제는 손으로도 못푼다. 하지만 과고에 입학하고 책만 받지 펴보는 일은 없기 때문에 큰 주목을 못 받는다. 화학 실험은 그래도 보고서를 써야 하기 때문에 자주 보게 되지만...
  • [12] 대학교 화학 과정을 미리 배운다지만, 난이도는 대한민국 교육과정의 화학 Ⅱ 보다 쉽거나 비슷한 수준. 다만 원자오비탈이 아닌 분자오비탈을 다루게 되면 얘기가 약간이나마 달라진다.
  • [13] 대체로 화학이 물리학보다는 생물학과 많이 연계되고 고등학교 수준에서까지 배우는 화학 또는 생물에서는 수학과 많이 연계시켜서 가르치지 않기 때문인 것 같다.
  • [14] 생화학의 경우는 생물 관련 융합학과의 영역이라며 배우지 않는 학교도 있다.
  • [15] 우리가 아는 전 영국 총리 맞다.
  • [16] 화학공학 박사학위를 소지하고 있다.

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