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[IT뉴스][T나는 과학] "원유 끓이지 않고 걸러낸다"…KAIST, 차세대 정유 분리막 개발

온카뱅크관리자

2026-06-25 08:17:28

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 보도기사 
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 100년 증류 공정 상식 뒤집어…에너지 31%·탄소 37% 감축 네이처 게재…정유·폐플라스틱 재활용까지 확장 기대
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 <img alt="선택층 없이 원유를 거르는 상온 분리막 (네이처)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202606/25/551724-22lyJQR/20260625080825235qmnv.jpg" data-org-width="300" dmcf-mid="YOpXYCXS3W" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202606/25/551724-22lyJQR/20260625080825235qmnv.jpg" width="658">
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 선택층 없이 원유를 거르는 상온 분리막 (네이처)
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 </div>정유산업은 100년 넘게 원유를 고온으로 끓여 성분을 분리하는 증류 공정에 의존해 왔습니다. 때문에 막대한 에너지 소비와 탄소 배출이 불가피했습니다.
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 국내 연구진이 이런 정유 공정의 고정관념을 깨고 상온에서 원유를 정밀하게 분리할 수 있는 새로운 분리막 기술을 개발했습니다. 값싼 고분자 막만으로 원유 속 성분을 걸러낼 수 있어 향후 정유산업의 구조를 바꿀 기술로 주목받고 있습니다.
 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀은 원유를 끓이지 않고 상온에서 분리할 수 있는 차세대 분리막 기술을 개발했습니다.
 ◇ "끓이는 대신 거른다"…정유산업의 오래된 과제
 현재 전 세계 정유공장은 원유를 350도 이상으로 가열한 뒤 끓는점 차이를 이용해 휘발유와 등유, 나프타 등을 분리합니다.
 하지만 이 과정에서 소비되는 에너지만 연간 1,100테라와트시(TWh)에 달합니다. 대형 원자력발전소 130기가 1년 내내 생산해야 하는 규모입니다.
 정유·석유화학 산업은 국내 온실가스 배출의 주요 원인 중 하나로도 꼽힙니다.
 최근에는 글로벌 공급 과잉과 수익성 악화까지 겹치면서 에너지 소비를 줄일 수 있는 새로운 공정 개발 필요성이 커집니다.
 ◇ '오염물질'이 분리막의 핵심 기능으로
 그동안 원유를 분리막으로 걸러내는 연구가 꾸준히 진행돼 왔지만 상용화에는 한계가 있었습니다. 초정밀 분리를 위해서는 분리막 표면에 매우 얇은 선택층을 별도로 코팅해야 한다는 것이 정설이었기 때문입니다.
 문제는 선택층을 만들수록 제조 비용이 올라가고 대면적 생산 과정에서 결함 발생 가능성도 높아진다는 점입니다.
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 <img alt="다공성 지지체에 원유를 투과시켜 맞춤형 '체'를 만드는 모습" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202606/25/551724-22lyJQR/20260625080825437skvm.jpg" data-org-width="591" dmcf-mid="GC9U3GUZ3y" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202606/25/551724-22lyJQR/20260625080825437skvm.jpg" width="658">
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 다공성 지지체에 원유를 투과시켜 맞춤형 '체'를 만드는 모습
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 연구팀은 오히려 선택층을 없애는 정반대 접근을 택했습니다. 값싼 다공성 고분자 소재인 폴리아크릴로니트릴(PAN) 막에 원유를 직접 흘려보낸 것입니다.
 그 결과 원유 속 무거운 탄화수소 성분이 분리막 내부 미세공간에 자연스럽게 달라붙으면서 2나노미터 이하의 초미세 통로를 스스로 형성하는 현상이 발견됐습니다.
 기존에는 성능 저하 원인으로 여겨졌던 오염 현상이 오히려 분리 기능을 만드는 핵심 역할을 한 것입니다.
 ◇ 휘발유·등유는 통과, 무거운 성분은 차단
 이렇게 형성된 초미세 통로는 가벼운 나프타와 휘발유, 등유 성분만 빠르게 통과시키고 무거운 성분은 대부분 걸러냈습니다.
 연구팀은 이를 "원유가 스스로 자신에게 맞는 체를 만든 것과 같은 현상"이라고 설명했습니다.
 성능도 뛰어났습니다. 이 기술은 기존 최고 수준 원유 분리막보다 23배 빠른 분리 속도를 기록했습니다.
 또 28일 동안 연속 운전 실험에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동하는 것으로 확인됐습니다.
 ◇ 기존 정유공장 그대로 활용 가능
 산업계가 주목하는 이유는 적용 방식 때문입니다.
 새로운 대형 설비를 건설할 필요 없이 기존 정유공장의 배관망에 필터 모듈 형태로 추가 설치할 수 있기 때문입니다.
 연구진 분석에 따르면 원유를 먼저 분리막으로 처리한 뒤 남은 성분만 증류탑으로 보내면 전체 에너지 사용량은 31.6%, 이산화탄소 배출량은 37.6% 줄일 수 있습니다.
 운영비 절감 효과도 36%에 달하는 것으로 분석됐습니다.
 ◇ 연간 온실가스 1천만톤 감축 기대
 연구팀은 이 기술이 국내 정유·석유화학 산업 전반에 적용될 경우 연간 약 1천만 톤의 온실가스를 줄일 수 있을 것으로 전망했습니다. 이는 승용차 약 400만 대가 1년 동안 배출하는 탄소량에 해당하는 수준입니다.
 기술 활용 범위도 정유산업에 국한되지 않습니다.
 폐플라스틱 열분해유 정제, 배터리 용매 회수, 의약품 정제 등 다양한 정밀 화학 공정에도 적용할 수 있을 것으로 기대됩니다.
 ◇ "100년 증류 시대 넘어 분리막 시대 열 것"
 고동연 교수는 "분리막이 혼합물과 만나 스스로 최적의 분리 통로를 형성한다는 새로운 과학 원리를 규명했다는 점에서 의미가 크다"며 "HD현대오일뱅크와 협력을 통해 실제 산업 환경 수준까지 검증했다"고 설명했습니다.
 공동 교신저자인 이재우 교수는 "향후 국내 정유·석유화학 공정 곳곳에 끼워 넣을 수 있는 대면적 모듈화 기술과 장기 운전 기술을 완성해 100년간 증류가 지배해 온 정유 산업을 분리막 공정으로 전환하는 데 앞장서겠다"고 포부를 밝혔습니다.
 KAIST 최지훈 박사와 서혁준 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처'(Nature)에 6월 25일 자로 실렸습니다.
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 <img alt="KAIST 고동연 교수" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202606/25/551724-22lyJQR/20260625080825617vxda.jpg" data-org-width="599" dmcf-mid="HXHlIklwuT" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202606/25/551724-22lyJQR/20260625080825617vxda.jpg" width="658">
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 KAIST 고동연 교수
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 ◇ 정유 경쟁력·탄소중립 동시에 노린다
 이번 연구는 단순히 새로운 분리막을 개발한 데 그치지 않습니다. 에너지 다소비 산업인 정유공정의 구조 자체를 바꿀 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있습니다.
 특히 기존 설비를 활용하면서도 에너지 비용과 탄소 배출을 동시에 줄일 수 있어 탄소중립과 산업 경쟁력 강화라는 두 과제를 함께 해결할 수 있는 기술로 평가받고 있습니다.
 정유산업이 고온 증류 중심의 20세기 공정에서 상온 분리 기반의 차세대 공정으로 전환될 수 있을지 주목됩니다.
 (사진=KAIST) 
 김건교 취재 기자 | kkkim@tjb.co.kr
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