<박시정 과학기술정보통신부 기초연구진흥과장>
안녕하십니까? 기초연구진흥과장 박시정입니다.

오늘 브리핑할 내용은 6월 25일 목요일 자정, 영국 시간으로는 6월 24일 수요일 16시에 네이처지에 게재되는 KAIST 생명화학공학과 고동연 교수님 연구팀의 연구 성과입니다.

최근 국제 정세 변화에 따른 유가 변동이 장바구니 물가 전반을 위협하는 핵심 요인으로 꼽히고 있습니다. 그 바탕에는 지난 한 세기 동안 원유를 350℃ 이상으로 펄펄 끓여온 고에너지 소비형 정유 공정이 자리 잡고 있습니다.

실제로 전 세계 정유 공장이 원유를 끓였다가 식히는 증류 방식에 의존하며 소비하는 에너지는 연간 1,100TWh에 달하며, 이로 인해 발생하는 온실가스 배출량 역시 상당한 비중을 차지하고 있습니다.

오늘 교수님께서 발표하실 성과는 원유를 펄펄 끓이지 않고 값싼 고분자막만으로도 상온에서 원유를 정밀하게 걸러낼 수 있는 기술로서, 100여 년간 이어진 정유 공정의 상식을 완전히 뒤집는 획기적인 성과라고 할 수 있습니다.

최근 학계에서는 원유를 끓이지 않고 분리막으로 걸러내기 위한 연구에 주목해 왔는데, 이 분리막의 물질을 걸러내는 선택층을 반드시 코팅하는 것이 지배적인 상식이었습니다.

그러나 연구팀은 분리막에 아무런 코팅도 하지 않은 다공성 고분자막에 원유를 그대로 흘려보내는 파격적인 시도를 하였고, 그 결과 원유 속 무거운 기름 성분들이 스스로 들러붙으며 머리카락 굵기의 5만 분의 1 크기인 2nm 이하의 정교한 미세 통로를 자발적으로 형성하는 것을 발견하였습니다.

이 자가 형성 통로를 통해 가벼운 나프타, 휘발유, 등유 성분을 빠르게 분리할 수 있었고, 무거운 찌꺼기는 사실상 완전히 거르는 데 성공하였습니다. 오늘의 성과는 교수님께서 2021년부터 올해 2월까지 수행한 과기정통부 우수신진연구 그리고 오늘 이 자리에 참석하신 공동 교신저자 이재우 교수님과 함께 수행하고 계시는 선도연구센터를 통해 달성하신 성과입니다.

아울러, 오늘 이 자리에는 제1저자이신 최지훈, 서혁준 박사님께서도 참석하셨습니다. 두 박사님께서는 현재 화학연구... 한국화학연구원에서 박사후연구원으로 연구에 매진하고 있으며, 탄소중립 실현을 위한 후속 연구를 수행하실 계획입니다.

과기정통부는 앞으로도 창의적이고 도전적인 기초연구에 대한 지원을 아끼지 않을 것이며, 박사후연구원 등 신진연구자들이 안정적인 환경에서 연구 성과를 지속적으로 창출할 수 있도록 촘촘한 성장 사다리를 구축해 나가겠습니다.

연구 업적 및 성과에 대한 자세한 내용은 고동연 교수님께서 직접 설명해 주시겠습니다.

고동연 교수님을 모시겠습니다. 감사합니다.


<고동연 KAIST 생명화학공학과 교수>
안녕하세요? KAIST 생명화학공학과의 고동연입니다.

먼저 이렇게 귀한 자리에 브리핑을 할 수 있게 도와주셔서 감사드리고요. 앞서 좋은 소개해 주신 박시정 과장님께도 감사 말씀드립니다.

오늘 저희가 사실 이렇게 연구 성과를 발표를 할 수 있게 된 데에는 과기부가 정말 기초연구를 계속적으로 정말 전폭적으로 지원해 주셨기 때문이라고 생각하고 있습니다.

그래서 앞서 잘 과장님께서 설명해 주신 대로 저희가 분리막으로 어떻게 원유를 분리를 할 수 있었는지, 그리고 어떤 과학적인 새로운 발견을 할 수 있었는지를 설명드리면서 시간에 맞게 브리핑을 드릴 수 있도록 하겠습니다.

제목에 보시는 것처럼 끓이지 않고 원유를 나눈다는, 저희가 기존의 상식인 원유를 증류를 해서 끓이는 그 방식을 사용하지 않고 분리막을 먼저 원유를 분리하는 데 사용하겠다, 라는 그런 의미라고 봐주시면 될 것 같습니다.

사실 저희가 탄소중립과 탈탄소, 특히 산업계에 탈탄소가 굉장히 중요하다, 라는 말씀은 많이 들어보셨을 텐데요. 저희가 탈탄소화에 대한 먼저 내용을 한번 짚고 넘어가보면 재밌을 것 같습니다.

특히 이 산업 탈탄소에서의 분리 공정이 왜 중요한지를 같이 저희가 생각을 해보면 더 재밌는데요. 분리라고 하는 것은 잘 섞여있는 그 물질들을 나누는 그런 과정이라고 볼 수 있겠습니다. 저희가 잘 알고 있는 해수담수화 과정도 분리 과정이고요. 그리고 원유에서 휘발유·경유를 뽑아내고 나프타를 뽑아내서 저희가 쓰는 플라스틱 섬유를 만드는 것도 분리 과정이라고 할 수 있습니다.

저희가 전 세계적으로 대략 한 해에 쓰는 에너지 중의 한 10~15% 정도가 전 세계의 모든 산업의 분리·정제에 쓰인다, 라고 알 수 있겠는데요. 보통은 이런 분자들을 다 끓여서 분리를 합니다.

그러니까 끓이게 되면 저희가 잘 아는 끓는점에 따라서 이 분자들을 굉장히 쉽게 분리할 수 있게 되는데요. 그런데 이렇게 끓여서 분리를 하는 게 굉장히 쉬운데 끓이는 열이 어떻게 보면 산업에서는 줄이기가 가장 어려운 에너지원 중의 하나입니다. 그래서 열은 재생전기로 바꾸기도 어렵고요. 그리고 열을 만들기 위해서는 화석연료를 태워야 되기 때문에 탄소를 없애기도 굉장히 까다롭습니다.

그래서 탈탄소를 이루기 굉장히 어려운 분야인데요. 저희가 만약에 분리막으로 이런 끓여서 분리하는 것들을 조금 대체해서 할 수 있다, 라고 하면 기존에 그런 열을 줘서 하는 그런 분리 공정을 줄이고 압력이나 막 기반의 비열적, 즉 열을 쓰지 않는 그런 분리 공정을 쓰게 된다, 라고 하면 저희가 지금 국토 전체적으로도 전기화를 하는 것이 굉장히 큰 목적인데요. 이렇게 공정의 전기화를 이룰 수도 있고, 그리고 기존의 공정 효율화나 탄소포집 등과 함께 같이 산업의 탈탄소를 견인할 수 있는 하나의 공정의 변화로서 저희가 이 기술들을 제안할 수 있지 않을까, 라는 생각을 하고 있습니다.

지난 30년간의 패러다임 변화는 방금 말씀드린 대로 끓이는 방식에서 거르는 방식으로 넘어왔는데요. 이게 가장 대표적인 예가 해수담수화입니다. 그래서 1m³의 담수를 만드는 데 필요한 전력이 사실 끓여서 깨끗한 물만 저희가 응축시켜서 얻는 열적 증류 대비해서 역삼투를 통해서 분리막을 통해서 저희가 바닷물을 세게 밀어줘서 만드는 경우에는 거의 에너지 소비량이 한 10분의 1 정도밖에 안 됩니다.

그래서 요즘 세계에서 세계적으로 담수화 설비를 만드는 데 있어서 열적인 증류를 한다기보다는 역삼투막으로 하는 이 패러다임 시프트가 이미 일어났고요. 저희 같은 경우에는 기존의 이런 해수담수화 플랜트에서 일어났던 이런 패러다임 시프트가, 즉 분리막이 이뤘던 그런 성공을 저희가 아직 알고 있는, 이런 아직도 뜨거운 열로 분리를 하고 있는 초대형 정유 공장에도 접목을 시킬 수 있을까, 그리고 이런 정유 공장에서 다루는 피드라고 하는 어떻게 보면 투입물 자체는 훨씬 가혹한 화학적인 그리고 기계적인 환경을 가지고 있습니다. 이런데 저희가 이 분리막 기술을 잘 적용할 수 있을까, 에 대해서 고민을 하는 그런 부분에서 출발했다, 라고 봐주실 수 있을 것 같습니다.

그래서 잘 아시다시피 우리 일상은 원유를 나누는 일에서부터 시작을 하는데요. 저희가 사용하고 있는 연료부터 플라스틱, 의약품까지 모든 첫 단계가 원유 분리라고 보실 수 있겠습니다. 그래서 원유를, 원유에서 각각 중요한 성분들을 뽑아내게 되고요. 나프타를 뽑아내게 되면 옆에 있는 다양한 이런 화학 소재들을 만들 수가 있기 때문에 사실은 원유 가격이 시작점으로서 우리 일상의 거의 모든 가격표에 임팩트를 줄 수밖에 없다, 라고 볼 수 있겠습니다.

그렇기 때문에 전 세계적으로 원유를 정말 많이 사용하기 때문에 원유를 첫 단에서 증류하는 이 감압 혹은 대개의 증류탑에 쓰는 에너지가 전 세계적으로 1,100TWh 이상이고요. 이는 전 세계 전력생산량의 4% 되는 어마어마한 수치라고 볼 수 있겠습니다. 그리고 당연히 저희가 화석연료로 이 에너지를 충당하기 때문에 연간 1억 6,000... 1.6억 t의 이산화탄소를 배출하게 된다, 라는 그런 역설적인 관계에 있습니다.

그러면 원유가 어떻게 정제되는지를 먼저 간략하게 한번 살펴보면 굉장히 좋은데요. 원유는 저희가 알다시피 우리나라 같은 경우에는 중동산 원유를 굉장히 많이 수입하게 되는데요. 저희가 이번 연구에서 사용한 것도 '아라비안 라이트'와 '아라비안 엑스트라 라이트'라고 하는 중동에서 수입한 그런 원유입니다.

원유를 저렇게 채굴하게 되면 저희가 호르무즈 해협을 통과해서 이제 우리나라로 입항하게 됩니다. 우리나라로 입항을 하게 되면 우리나라에서 증류 공정을 거치게 되는데요. 굉장히 뜨겁게 350° 이상으로 이 원유를 데우게 되면 끓는점 차이에 따라서 큰 column 내부에서 아주 가벼운 성분인 페트롤리움 가스, LPG라고 하는 페트롤리움 가스부터 나프타, 휘발유와 같은 약간 액체 상태로, 상온에서 액체 상태로 존재할 수 있는 그런 연료들 그리고 나프타와 같은 기초 소재들을 머금고 있는 그런 혼합물이 나오게 되고요.

케로신과 같은 등유 성분이 나오게 되고, 좀 더 무거운 디젤 그리고 더 무거운 잔사유가 나오게 됩니다. 그러면 잔사유 같은 경우에는 감압증류탑에서 한 번 더 다시 정제를 하는 그런 과정을 거치게 됩니다.

특히 나프타와 같은 경우에는 우리나라가 최근에 비닐봉지 대란을 겪은 것처럼도 굉장히 모든 석유화학이나 이런 저희가 일상적으로 사용하는 플라스틱 그리고 소재들의 기초 원료라고 볼 수가 있겠습니다. 그래서 섬유나 플라스틱 비닐들을 만드는 데 당연히 많이 사용되는 그런 과정이라고 볼 수 있습니다.

저희가 여기서 해보고자 했던 거는 원유가 정제되는 과정이 이미 존재하고 있는데, 저희가 해보고자 했던 거는 이 증류탑에 들어가는 원유를 그대로 넣는 게 아니고 필터로 한 번 거르자는 겁니다.

필터로 한 번 거르면 이 그림에서 보시는, 이 사진에서 보실 수 있는 것처럼 굉장히 까맣던 그 원유를 만약에 분리막으로 한 번, 분리막이라고 하는 필터로 한 번 걸러주게 되면 중간에 있는 그림처럼 휘발유 같은 그런 색깔의 중간물이 나오게 됩니다. 이 중간 투과액을 증류탑에 넣어보자, 그리고 이 둘을 하이브리드화시켜보자, 라는 게 저희가 목적이었습니다.

그러면 첫 번째로 들 수 있는 질문은 이 분리막 투과를 만약에 증류탑 전에 저희가 설치를 한다, 라고 하면 어떤 분리막을 써야 되는 가가 굉장히 중요한 질문이겠습니다. 그래서 어떤 분리막을 써야 될까에 대해서 아까 초기 브리핑에서도 설명을 해주셨던 것처럼 다양한 연구들이 많이 있었습니다.

보시게 되면 보통의 분리막의 연구는 굉장히 비싼 윗부분에만 집중을 하게 되는데요. 분리막은 보통 몇 층으로 이루어지게 되는데 가장 위에 매우 얇은 선택층이 존재를 하게 되고요. 선택층이 저희가 보통 생각하는 분리막이라고 생각을 합니다. 그래서 분리를 담당하고, 당연히 굉장히 정교한 형태로 만들어야 되기 때문에 비싸고 만들기가 까다롭습니다. 그리고 보통 이 선택층 같은 경우에는 다공성이 아니고요. 굉장히 특수한 기능을 가지고 있는 그런 특수 기능막이라고 볼 수 있겠습니다.

이거를 어떤 예시를 들어서 설명을 드릴까 생각을 해보다 보면 저희가 일상적으로 마시는 페트병의, 페트병 같은 경우에도 탄산이 굉장히 많이 들어가 있는 그런 음료의 페트병 같은 경우에는 한 층으로 이루어져 있지 않습니다. 보통 한 3~5층 정도로 이루어져 있는데요. 투명해서 저희가 잘은 모르지만 페트병과... 페트층과, PET층과 그리고 가스차단층 그리고 PET층 이런 것들이 적층돼 있는 형태라고 생각하시면 될 것 같습니다.

그리고 그런 선택층이 보통은 주인공이었는데요. 그 밑에는 다공성 지지층이라는 게 존재를 합니다. 다공성 지지층은 저희가 정말 쉽게 생각할 수 있는 필터 같은 그런 층이라고 보시면 됩니다. 받침대 역할이고요. 선택층의 바로 밑에 있고, 그래서 굉장히 흔하고 저렴한 소재로 사용을 하게 됩니다. 그래서 가격도 굉장히 싸게 되는데 보통 이런 선택층 바로 밑에는 다공성 지지층으로 PAN, 폴리아크릴로니트릴이라는 그런 소재를 굉장히 많이 사용을 합니다.

이 PAN이라는 소재는 저희가 잘 아는 합성섬유의 기초 소재입니다. 그러니까 저희가 합성섬유로 옷을 만들어 입는다 하면 저희 대부분이 PAN, PAN이라는 그런 고분자로 만들어서 사용을 하고 있습니다.

그래서 보통은 이렇게 매우 얇은 선택층에 대한 연구를 굉장히 많이 해왔는데요. 분리막 같은 경우에는 두 가지를 굉장히 잘해야 됩니다. 하나는 분리막을, 어떻게 보면 분리막 자체가 저항으로 존재를 하는 거기 때문에 분리막을 굉장히 빨리 통과를 할 수 있어야 되기 때문에 이런 속도가 굉장히 중요하고요. 속도 같은 경우에는 저희가 보통 투과도라는 그런 용어로 설명을 합니다.

그리고 매우 빠르게 투과를 시키면서도 깨끗하게 걸러야 되기 때문에 선택도도 굉장히 중요합니다. 특히 원유에 굉장히 조금 들어 있던 거를 막 통과 후에 얼마큼 많이, 어떻게 보면 더 증폭시키는지, 이런 부분들이 굉장히 중요하기 때문에 선택 또는 얼마나 잘 갈라내나를 얘기하는 그런 지표라고 보겠습니다.

저희가 보통 원유를 분석하게 되면 원유에 굉장히 다양한 수천 가지 이상의 성분들이 들어 있는데 그것들의 끓는점을, 끓는점 분포를 보통 측정을 해보게 됩니다. 그래서 끓는점 분포가 어떻게 가지고 있는지, 이런 휘발유나 나프타와 같은 가벼운 성분들은 끓는점이 굉장히 낮기 때문에 그런 휘발유, 나프타 같은 그런 가벼운 성분들이 얼마나 농축되는지 이것들을 보통 판별을 하는 그런 기준으로 사용을 하고 있습니다.

그래서 앞서 말씀드린 대로 굉장히 중요한 거는 다공성 지지층의 역할을 다시 생각을 해본 게 본 연구에서의 가장 큰, 어떻게 보면 재밌는 점이었습니다. 보통의 연구들은 말씀드린 대로 선택층을 굉장히 집중을 해서 거기에 아주 팬시한 화학적인 케미스트리들을 가지고 저희가 접근을 하게 되는데요. 여기에 나와 있는 것처럼 굉장히 복잡한, 이름도 복잡한 폴리사이클릭 고분자, 톨리트리아졸, 폴리아마이드, 굉장히 다양한 이런 선택층들에 대한 연구들이 지배적이었습니다.

그런데, 그리고 재밌는 것들이 이 거의 대부분의 연구들이 다 사이언스지에 많이 게재가 됐고요. 굉장히 재밌는 점이 하나가 있는데요. 저희가 지난주 수요일에 사이언스지에 2건의 논문이 거의 비슷한 주제로 또 출판되었습니다. 그러니까 거기에서도 똑같이 선택층을 사용해서 이런 원유를 분리하는 그런 연구를 했었는데, 저희가 이 연구들을 잘 살펴보았을 때 굉장히 다른 케미스트리나 다른 선택층들이 존재해도 투과물들은 보시게 되면 굉장히 비슷한 그런 끓는점 분포, 그러니까 선택도를 보인다, 라는 거를 저희가 좀 생각을 했었고요.

그래서 생각을 해본 게 만약에 분리막에서 가장 값싼 부품인 그 밑에 있는 팬 지지층이 그 일을 해낸 거일 수도 있겠다, 라는 그런 생각을 했었습니다. 그래서 선택층을 아예 걷어내고 팬 지지층만 가지고 저희가 원유 분리를 시도해 봤던 겁니다.

그래서 이게 분리막을 전자현미경에서 위에서 쳐다보았을 때 구멍이 송송 뚫려 있는 그런 팬 지지층의 그런 역할입니다, 팬 지지층의 모습입니다. 그래서 저희가 이 지지층의 기공 크기를 잘 측정해 보면 대략 한 15~18nm 정도의 굉장히 큰 기공입니다. 사실 이게 저희가 nm 수준이지만 분자의 수준을 보아서는 운동장만큼 넓은 그런 크기라고 볼 수 있겠습니다.

그래서 저희가 당연히 첫 번째로 생각을 했던 거는 이런 필터에다가 원유 분자들이 굉장히 많이, 그러니까 굉장히 작은 분자들이 모여 있는 원유를 투과시키면 분자를 절대 못 거를 거라고 저희는 생각했습니다.

왜냐하면 저희가 운동장 안에서 어떤 거를 걸러내는 거는, 사람을 걸러내는 거는 굉장히 어렵지 않습니까? 그 정도의 크기 차이라고 보았을 때 분리막의 기공 크기는 굉장히 크고 원유 분자의 크기는 굉장히 작기 때문에 굉장히 빠르게 통과시키는 그런 현상만 있을 거라고 저희가 생각을 했었는데 실제로 저희가 이 분리막들을 분리 저희 세팅에다가 잘 넣어놓고 가운데 있는 그 3개의 쇳덩이가 그 안에 분리막들이 들어가 있는 겁니다.

거기에 PAN이라는 지지층만 있는 분리막들을 넣어놓고, 보게 되면 저희가 각각의 쇳덩이에서 나오고 있는 그 라인이 투과가 돼서 나온, 분리막을 통과를 해서 나오는 그런 액체의 모습이라고 보시면 됩니다.

초기에는 굉장히 까만 액체가 바로 나오게 되는데 저희는 그 까만 액체들이 계속 유지될 것이라고 생각했었고요. 그런데 이게 비디오인데요. 저희가 분리막 투과를 시작하자마자 아주 짧은 시간 내에 여기 보시는 것처럼 이 색깔을 보시게 되면 굉장히 연한 휘발유 같은 그런 성분이 투과액으로 나오는 거를 볼 수가 있겠습니다.

이 말은 결국에 분리막 안에 있던 굉장히 중질한 성분들이, 굉장히 무거운 성분들이 다 순식간에 걸러지고 아주 맑은 그러한 휘발유 같은, 나프타나 휘발유 같은 성분들이 굉장히 많이 농축된 그런 투과액이 나온다, 라는 거를 볼 수 있었고요.

이게 대략 한 40배 정도로 속도를 늘린, 속도를 굉장히 빠르게 한 그런 비디오인데 대략 한 5~10분 내에 이러한 현상이 일어나는 거를 저희가 확인했습니다. 이게 저희가 확인했던 굉장히 첫 번째 방... 첫 번째 어떻게 보면 현상이었고 여기서부터 저희 이 논문이 나오는 데까지는 대략 한 4년 정도가 걸렸습니다.

왜냐하면 저희가 이 안에 도대체 왜 보통의 상식으로는 생각할 수 없는 그런 다공성 필터가 이렇게 어떻게 보면 굉장히 정교한 체로서 작용할 수 있었는지를 설명을 하는 데 굉장히 오랜 시간이 걸렸었습니다.

그래서 다공성 그런 특수... 다공성 분리막이 기존의 상용 분리막들의 성능이 이 정도라고 하면 다공성 저희 분리막 같은 경우에도 굉장히 비슷한 성능을 보여주고 있습니다. 그 말은 결국에 15nm 정도의 초기 기공이 어떻게 보면 기존 상용 분리막들이 가지고 있는 선택층을 대신할 수 있다, 라는 그런 생각을 할 수가 있게 되었고요.

저희가 다양, 굉장히 다양한 과학적인 분석기법을 통해서 어떻게 원유가 다공성 막을 정말 선택적인 분리막으로 변화시켰는지를 테스트해 보았는데요. 분리막 표면을 토모그래피로 이렇게 다시, 재, reconstruction을 해 보게 되면 기존의 다공성 지지체 같은 경우에는 굉장히 깨끗한 그런 표면이, 표면부터 내부까지의 기공 구조를 보여주게 되는데 원유를 투과시킨 지지체 같은 경우에는 원유 성분이 표면에 굉장히 많이 달라붙어 있는 그런 어떻게 보면 3D 스캔된 그런 형태를 가지고 있습니다.

그래서 도대체 무엇이 그러면 이 안에 들어 있는가가 굉장히 중요한 과학적인 질문이었기 때문에 기공 안에 도대체 무엇이 쌓이는지에 대한 굉장히 연구를 많이 했습니다. 그래서 가스상 분석 그리고 핵자기 공명 등을 사용해서 저희가 보았더니 굉장히 재밌는, 저희가 전혀 예상하지 못한 그런 분자들이 쌓여 있는 걸 보았는데요.

여기에 long chain hydrocarbon이라고 되어 있는 선형의 긴 탄화수소 사슬 분자들이 굉장히 많이 축적되어 있는 것을 저희가 확인했습니다. 이것 같은 경우에는 저희가 보통 알고 있는 파라핀, 왁스 성분의 파라핀이라고 볼 수 있겠는데요.

그래서 저희가 그러면 이런 긴 탄화수소 사슬이 붙어 있으면 궁금한 점이 딱 두 가지인데요. 하나는 어떻게 이 긴 사슬이 구멍 안에, 기공 안에 안정적으로 붙어 있었는지를 밝혀내는 게 굉장히 중요했고요.

두 번째는 당연히 이런 굉장히 큰 분자들이 쌓이기 시작하면 정말 자연적인 질문은 당연히 그 구멍은 막히지 않겠니, 라는 질문이었습니다. 그런데 저희가 테스트해 봤을 때 이 다공성의 기공은 끝까지 막히지 않고 원유가 투과하는 길을 만드는 것으로 저희가 파악을 했었거든요.

첫 번째 궁금한 점 같은 경우에는 이미 과학적인 근거가 있었습니다. 탄소 사슬의 길이가 늘어나게 되면 녹는점 혹은 어는점이라고 볼 수 있는 그 녹는점이 상온보다 높아지는 그런 지점이 존재합니다.

그렇기 때문에 파라핀과 같은 그런 양초 성분이 상온에서 고체로 존재할 수 있는 거고요. 그 말은 대략 한 탄소가 17개 이상 정도 붙은 그런 긴 탄화수소 사슬들은 상온에서 고체 상태로 존재할 수 있는 하나의 과학적인 근거가 존재, 이미 존재하고 있습니다.

그런데 궁금한 점은 '두 번째는 왜 끝까지 안 막힐까?'가 굉장히 어려운 점이었는데요. 이런 선형의 분자들은 자기들이 존재할 수 있는 것들을 저희가 X선으로 잘 살펴보게 되면 그 안에서 하나의 회전자 상태라고 하는 일종의 잘 정렬돼 있는 그런 아주 딱딱하게 굳어 있는 결정 상태보다는 조금 더 중간 상태인 회전자 상태로 존재한다, 라는 것을 볼 수가 있겠고요.

그래서 이런 쌓인 분자들이 도대체 왜, 어떻게 그 분리막을 만드는지를 마지막으로 설명드리면서 브리핑을 마치도록 하겠습니다.

그래서 기존에 저희가 15nm부터 원유를 투과를 시작하게 되면 이렇게 원유 성분들이 많이 투과를 하게 되면서 정말 중질한, 정말 무거운 성분들이 벽면에 초기에 아주 살짝 좀 붙게 되는데요. 아스팔텐이나 레진과 같은 그런 무거운 성분들이 먼저 붙게 되고, 그다음에 긴 탄화수소 사슬 분자들이 벽면에 계속 침착이 되는 그런 현상이 일어난다, 라고 저희가 생각하고 있습니다.

이런 침착된 분자들은 이제 상온에서 굉장히 길기 때문에, 이미 한 쪽이 붙어있기 때문에 그 긴 분자부터 얼기 시작한다, 라고 볼 수 있겠습니다.

이게 어떻게 보면 직관적으로 좀 이상한 말이긴 한데요. 상온에서 얼 수 있는 그런 형태라고 볼 수가 있게 되겠고, 더 나아가서 이런 언 분자들이 서로 막히지 않고 분자를 거르기에 딱 좋은 크기에서 서로, 스스로 멈추게 되는 그런 과정이 사실은 이 연구에서의 가장 하이라이트라고 볼 수 있겠습니다.

이런 분자들 같은, 이런 분자들이 서로 막히지 않게 하는 그런 개념 자체는 결국에 이 분자들이 점점 얼면서 기공의 크기를 줄여 나가게 되면 자기들끼리도 얼기 어려운 그런 열역학적인 한계에 도달하게 됩니다.

그게 '깁스-톰슨 어는점 내림 효과'라고 볼 수가 있게 되겠는데요. 이런 열역학적인 효과에 따라서 최종적으로 대략 한 2nm 정도의 체를 만들고 그 구멍은 뚫려놓은 상태로 존재를 하게 된다, 라고 볼 수 있겠습니다.

그리고 이렇게 만들어진 다공성 분리막 같은 경우에는 특수코팅막에 있던 그런 사례보다도 훨씬 오랫동안 안정적으로 작동할 수가 있게 되겠고요. 저희가 여기 논문에는 28일 정도의 데이터만 넣어놨는데 28일 이상 운전해도 안정적으로 유지할 수 있다, 라는 것을 실험적... 실험실 내부 데이터로는 잘 가지고 있습니다.

마지막으로 제일 중요한 효과는 만약에 저희가 증류탑 앞에다가 이 분리막을 넣어서 하이브리드 형태로 시뮬레이션을 돌려보게 되면요. 사실 이 분야에 시뮬레이션을 할 수 있는 분들이 굉장히 많지 않은데, 저희 학과의 이재우 교수님께서는 어떻게 보면 디스틸레이션의 굉장한 전공자이시고요. 이 분야의 프로세스 시뮬레이션의 가장 대가이십니다.

그래서 이런 프로세스 시뮬레이션, 공정 모사를 해주셨을 때 보았을 때 분리막을 앞에서 두고 저희가 전체적인 처리를 하였을 때 에너지는 30%, 냉각수는 21%, 그에 따른 이산화탄소 배출량 저감은 38%까지 줄일 수가 있게 되겠고요.

산업적으로 보았을 때 만약에 이런 하이브리드형 증류탑으로 운전을 한다, 라고 하면 연간 비용은 대략 한 연간 36%까지 줄일 수 있다, 라는 점이 있습니다. 더 재밌는 점은 기존의 증류탑을 뜯어내지 않아도 되고요. 그 증류탑 앞에다가 전처리 유닛으로 넣기만 해도 된다는 점입니다.

그래서 저희가 항상 생각을 하는 거는 기존의 끓여서 나누는 분리공정을 진화해서 다음 단계로 넘어갈 수 있을까를 생각을 하는데요. 저희는 이 연구에서 어느 정도 그래도 저희가 이해하는 바에서는 할 수 있는 그런 기초를 마련했다, 라고 생각을 하고 있습니다.

이만 브리핑을 마치도록 하겠습니다. 감사합니다.


(26:35)
[질문·답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 표기하였으니 양해 바랍니다.

<질문> 언다는 표현이 잘 이해가 안 가서 그러는데요. 그냥 일반인들이 생각하기에 기온이 떨어져서 언다는 건가요, 아니면 비유적인 표현인가요?

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 그게 비유적인 표현은 아니고요. 저희가 양초가 상온에서 고체로 돼 있지 않습니까? 양초, 양초 형태라고 보시면 됩니다. 양초도 뜨거워지면 굉장히 쉽게 녹지 않습니까? 그 형태와 같이 상온에서 이미, 그러니까 원유 상태에서는 굉장히 액체 상태로밖에 존재할 수 없었던 그런 분자들이 벽면에 들러붙게 되면서 하나의 어떻게 보면 자유도를 침해를 받아서 얼기 시작한다, 라는 그런 표현으로 볼 수가 있겠습니다.

<질문> 양초처럼 굳는다, 이렇게 표현하면 돼요?

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 양초처럼 굳는다, 라고 생각할 수 있겠습니다.

<질문> 그리고요, 그러면 이게 별도의 설비 추가 없이 기존 분리막을 사용하는 것 아닌가요?

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 네, 맞습니다.

<질문> 그러면 이런 기술이 상용화되는 거는 언제쯤이라고 보시는 거예요?

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 저희가 사실 상용화에 대한 부분이 굉장히 중요한데 이 분리막 같은 경우에 만약에 선택층 있는 거를 저희가 만약에 상용화를 한다고 하면 굉장히 오랜 시간이 걸리는데 PAN과 같은 다공성 지지층은 이미 상용으로도 많이 있고 그리고 상용화를 하기 쉬운 그런 소재이다 보니까 소재단에서의 리스크는 좀 적긴 한데요. 반대로 정말 산업 피드에서의 리스크가 조금 있습니다.

왜냐하면 저희가 아직 모르는 분야, 부분이 많이 있습니다. 이거를 정말 크게 돌렸을 때 어떻게 될 것인가, 그리고 정말 장기간 돌렸을 때 어떻게 될 것인가, 그리고 더 큰 문제는 원유 같은 경우에는 정말 다양한 원유를 많이 받아서 사용을 하거든요. 우리나라에서 아라비안 라이트만 쓰는 것도 아니고 전 세계 각지에서 오는 원유들을 사용하다 보니까 원유가 다를 때 과연 이 분리막이 어떻게 반응할까, 이 세 가지 부분들을 파일럿 스케일에서 저희가 잘 검증한다 하면 대략 3~5년 사이 안에 저희가 상용화를 할 수 있지 않을까, 라고 생각하고 있습니다.

<질문> 하나 더 해도 될까요? 어는 거는 이해가 갔는데, 양초처럼 녹아서 굳어버리잖아요. 그런데 그 구멍이 왜 계속 남아 있는지는 여전히 잘 이해가 안 가거든요. 그냥 '깁스-톰슨 어는점 내림 효과'라고 이렇게 표현하면 되나요?

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 네, 그게 결국에는 엔트로피가 그 안에서 저해를 받기 때문에 이게 보면 저희가 15nm에서 시작을 하다가 얼게 되면 이 구멍이 점점 줄어들잖아요. 줄어들게 되면 자기들끼리도 결국에 더 얼기는 불안정한 상태가 되는 겁니다. 그래서 더 얼지 못하고 그런 열역학적인 효과에 의해서, 그거를 결국에는 자기가 어는점이 바뀌게 되는 그런 현상이 나타나게 되는 겁니다. 그래서 더 이상 언 형태로 존재할 수가 없게 되는 그런 상태라고 보시면 됩니다.

<질문> 우선, '아라비안 라이트'라고 표현을 하셨던데 헤비나 이런 쪽은 안 되는지, 해보셨는지 그거 하나 궁금하고요.

또 하나는 온도와 압력이 상온이라고 말씀하셨는데 압력도 필요할 것 같고 온도도 사실은 필요할 것 같거든요. 그거 하나와 또, 효율성·생산성이 어느 정도 나오는지 궁금합니다.

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 굉장히 정확한 지적을 해주셨는데요. 저희가 아라비안 라이트, 아라비안 엑스트라 라이트를 쓰는 이유는 상온에서 굉장히 잘 흐르기 때문입니다. 아라비안 헤비 같은 경우에는 굉장히 점도가 있기 때문에 살짝 저희가 공정 온도를 좀 올려줘야 될 수도 있습니다. 그러니까 상온에서 아주 잘 흐르지는 않을 수 있기 때문에 그런 굉장히 중질한 원유들은 어떻게 보면 분리막을 적용하는 데 일부의 한계가 있을 수는 있습니다. 그렇기 때문에 저희가 굉장히 좀 경질한 원유를 썼던 거고요.

두 번째 질문이, 잠시만요, 제가.

<질문> 온도와 압력.

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 온도와 압력은 상온에서 저희가 거의 99%의 실험을 다 했고요. 압력 같은 경우에는 분리막 같은 경우에 분리막을 투과시키려면 압력을 무조건 줘야 됩니다. 보통 10기압에서 한 40기압 정도까지 저희가 압력을 올려주게 되고요.

그리고 특히 온도 같은 경우에는 저희가 고온의 테스트를 해 본 적이 있습니다. 그래서 온도를 높여 주게 되면 기본적으로 당연히 액체가 더 잘 흐르기 때문에 더 높은 그런 생산성을 보인다, 라고 볼 수 있겠습니다. 대략 한 저희가 70도 정도로 올려서 저희가 이런 분리막을 투과시켰을 때 한 3배 정도 투과 속도가 빨라지는 것을 보았고요.

그리고 마지막, 생산성을 말씀해 주셨는데 기존에 선택층이 있으면 그 선택층이 저항으로 작용할 수밖에 없습니다. 그렇기 때문에 선택층이 없는 저희 시스템이 훨씬 더 높은 선택... 생산성을 가진다, 라고 봐야 되는데요. 보통 선택층이 있는 그런 시스템들 대비해서 저희가 벤치마크를 했던 시스템 대비해서 10~20배 정도 빠른 그런 투과 속도, 생산성을 저희가 확인했다, 라고 봐 주시면 될 것 같습니다.

<질문> 분리막을 통해서 나온 나프타나 휘발유 성분이 이게 그냥 분리막을 합쳤기 때문에 더 편하다고 했는데 이게 그대로 쓸 수 있는 수준인 건지 아니면 이게 기존에 정유 작업을 다시 거친 것 대비 이거는 나온 결과물의 순도라고 표현해야 될까요? 어떤 건지. 그거는, 궁금하고 그러면 그거는 그대로 바로 쓸 수 있는 건지.

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 그게 딱 그렇게 정말 그대로 쓸 수 있게 되면 정말 좋겠는데요. 사실은 저희가 이렇게 해서 나온 것도 좀 무거운 성분들도 존재하고 있고요. 휘발유만 나오는 것도 아니고 나프타만 나오는 것도 아닙니다.

그래서 저희가 제안했던 거는 분리막에서 투과해서 나온 거를 증류탑에서 원래 하던 대로 끓여서 다시 한번 하게 되면 이 둘을 합친 공정이 한 30% 정도 에너지가 저감된다, 라는 거를 저희가 이번에 밝혀냈던 거고요. 그래서 기존에 원래 하던 증류 공정을 해야 됩니다.

그런데 앞서, 마지막에 설명드렸던 것처럼 사실은 제가 이다음 슬라이드가 하나가 더 있는데요. 이게 후속 연구 같은 경우에는 사실은 여기서 한 발자국을 더 나아가자, 라는 게 저희의 생각이었습니다.

그래서 기존의 막 1단계까지 저희가 했다, 라고 생각할 수가 있는데요. 막 1단계를 하면 그다음에 만약에 이거를 가지고 분자를 쓰려면 결국에 증류를 다시 해야 되거든요. 그거를 막 2단계, 3단계, 4단계, 더 나아가서 N단계까지 하게 되면 최종적으로는 정말 증류탑까지 다, 어떻게 보면 증류탑이 할 수 있었던 거를 막으로 이렇게 각 단계별로 나누게 되는 그런 연구를 현재 계획을 하고 현재 진행을 하고 있습니다.

그래서, 그런데 2단계부터는 정교한 특수 기능막이 필요합니다. 그래서 저희가 1단계에서 이미 이렇게 어떻게 보면 일부를 걸러낸 형태가 되면 2단계부터는 굉장히 정교한 특수 기능막이 필요한 상태라고 저희가 말씀드릴 수 있겠습니다.

<질문> 일단 담수화와 비교를 하셔서 제가 담수화에 대해서 좀 여쭤보고 싶은 게 있어요. 이 담수화와 비교를 한 게 비슷한 방식이라서 비교를 하시게 된 거겠죠?

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 네, 압력으로.

<질문> 그렇죠? 그런데 이게 담수화 같은 경우에 역삼투막이 설비와 교체 비용이 사실 만만치가 않아요. 우리나라에서도 그 기술을 진행하는 데 있어서 규모도 엄청나게 크고, 대신에 그렇게 뭔가 이렇게 성과가 많이 나오지 않는, 굉장히 오래 걸리는 사업이거든요. 해양수산부에서도 한 10년 넘게 지금 이 해수담수화 사업을 지금 추진하고 있는데도 잘 안돼요.

이렇게 봤을 때 그렇다면 정유사 입장에서는 이 막으로 인해서 어떤 그런 부분들을 투자비를 다시 회수할 수 있는 그런 기간들이 좀 필요할 것 같아요. 이런 부분들에 대해서 좀 궁금한 게 많습니다.

예를 들어서 이게 기존 증류탑을 완전히 대체하는 게 아니라 보조, 그러니까 지금 막 1단계에서 만약에 진행이 된다고 한다면 이게 투자비를 회수할 수 있는 시점이 어느 정도인지, 이런 것들도 좀 분석이 돼 있을 것 같고요.

두 번째는 막이 당연히 오염되거나 성능이 떨어지게 되겠죠. 이 교체 주기가 경제성과 어느 정도 조금 뭔가 보완을 할 수 있는 게 있는 건지, 그게 궁금합니다.

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 굉장히 중요한 질문해 주셨는데 그 부분은 저희 이재우 교수님께서 답변을 굉장히 잘해주실 수 있을 것 같아서요.

<답변> (이재우 KAIST 생명화학공학과 교수) 저희들이 공정 경제성 평가할 때는 return year를 5 year로 놓고 경제성을 분석했습니다. 그러니까 지금 여기에 있는 숫자는 한 5... 3 to 5 year라고 보시면 돼요. 해수... 우리가 투자비를 해서 우리가 실질적으로 net profit을 얻는 게 한 3~5년 사이로 보시면 되겠습니다.

그리고 지금 제가 볼 때는 우리 고동연 교수가 아까 발표할 때 그 앞단에서 우리가 놓는 거기 때문에 교체 주기가 실질적으로 원유에 따라서 달라질 수 있습니다. 아까 우리 기자님이 질문하신 아라비안헤비 같은 경우에는 교체 주기가 조금 빨라질 수 있고요. 아라비안 라이트 같은 경우에는 교체 주기가 길어질 수 있습니다.

그런데 이게 어차피 지금 PAN 같은 경우에는 한 ㎡당 얼마죠? 5불인가요? 굉장히 싼 가격이기 때문에 교체를 6개월에 한 번 한다 해도 경제성은 충분히 있습니다. 그래서 제가 볼 때는 이 앞 전처리에서 할 수 있는, implementation할 수 있는 것은 곧바로 할 수 있는 것이다, 라고 생각하고 있습니다. 질문에 답이 됐는지 모르겠네요.

Pay off time은 한 3~5년으로 보시면 되고요. 굉장히 보수적으로 잡은 겁니다. 보수적으로 잡은 거고, 그다음에 지금 현재 implementation했을 때 교체 주기는 제가 생각할 때는 지금 한 28일, 40일 정도 했을 거거든요. 그러면 제가 볼 때는 실험실상에서인데 스케일 업을 했을 때 델타P가 조금, 그러니까 압력차가 조금 달라질 순 있어도 이거는 선택층이 아니고 다공성 지지층이기 때문에 충분히 가능성이 있는 commercialization이 될 수 있는 기술이라고 생각하시면 될 것 같습니다.

<질문> ***

<답변> (이재우 KAIST 생명화학공학과 교수) 그렇죠. 그런데 보조 공정인데 우리가 실질적으로 전체 경제성 평가를 했을 때 40% 정도의 절감 효과가 있습니다.

<질문> ***

<답변> (이재우 KAIST 생명화학공학과 교수) 브렌트유가, 그게 어떻게 보면 향후 연구인데요. 이게 원유가 다양한 컴포지션으로 이루어져 있어요. 아까 말씀하신 '왜 초처럼 녹냐?' 그랬는데 카본 체인이 길어지면 이건 고체가 될 수밖에 없어요. 그런데 고체가 있는 상태에서 그게 아주 내려와, 나노포어로 들어갔을 때는 열역학적인 성질이 달라집니다. 그러기 때문에 아주 운 좋게도 그거의 어떤 성상이 포어를 유지할 수 있는 기공이 되는 거죠. 굉장히 중요한 발견이 되겠습니다.

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 사실 브렌트유나 다양한 원유로 해보고 싶은데요. 우리나라에서 그 원유를 공급받는 게 굉장히 어렵습니다. 저희가 엑스트라 라이트와 아라비안 라이트도 현대오일뱅크에서 잘 제공해 주셔서 다행히 받아서 한 거고요. 저희는 바람은 다양한 원유를 최대한 해볼 수 있으면 저희가 그거에 대한 민감도 분석도 할 수 있고 굉장히 좋을 것 같습니다.

<질문> ***

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 네, 불순물, 황도 많이 들어 있고요. 굉장히 기타 금속도 많이 들어 있습니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 그럼 온라인에서 들어온 질문드리겠습니다. 연합뉴스 기자 질문입니다. PAN의 포어가 15nm인 건지, 적절한 크기로 작용한 것인지, 아니면 포어 크기에 상관없이 고분자 재료에도 상관없이 가능한 것인지 이게 궁금합니다. 일단 두 가지인데 먼저 이것부터 말씀해 주시면 감사하겠습니다.

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) PAN의 기공 크기, 즉 저희가 기공 크기라고 여기서 말씀드렸던 거는 가장 표면에 있는 기공 크기입니다. 그 기공 크기가 어떻게 보면 굉장히 중요한 역할을 하고 있다, 라고 저희가 생각을 하고 있고요.

그렇기 때문에 대략 한 15nm 정도부터 저희는 시작은 했는데 대략의 상한은 있습니다. 아주 큰 기공들은 다 막힐 수가 없고 결국에는 그때부터는 정말, 그냥 정말 투과하는 필터가 될 거라고 저희가 생각을 하는데, 대략 한 15nm에서 한, 저희가 해봤던 거는 한 30~40nm, 50nm 정도까지는 어느 정도 그 안에서 이런 메커니즘을 유도할 수 있다는 것을 파악을 했었고요.

그리고 사실 두 번째 질문과 이게 연결이 되는데요. 그런 연구를 하게 된 게 다른 고분자 소재에서도 되는가를 테스트하면서 저희가 이게 PAN처럼 아주 작은 그 15nm의 표면 기공을 갖지 않더라도, 혹은 그것과 비슷한 기공을 갖는데 다른 고분자 소재여도 된다, 라는 것을 확인을 했었습니다.

그래서 폴리이미드 소재도 저희가 했었고요. 그리고 PVDF와 같은 아주 정말 흔한 그런 50nm 정도의 기공을 갖는 그런 형태의 분리막에서도 된다는 것을 저희가 확인을 했습니다. 그래서 일반적인 확장성은 어느 정도, 어떻게 보면 분리막의 기공 크기에 따라서 존재한다고 저희가 파악을 하고 있습니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 그럼 그 관련해서 또 하나 질문인데요. 기존 분리막 연구들도 지지층을 다 썼을 것 같은데 기존 연구에서는 전체 분리막 컴포넌트 중 하나의 지지층의 효과를 파악하는 시도들이 거의 없었는지요? 이게 질문입니다.

<답변> (고동연 KAIST 생명화학공학과 교수) 기존에는 사실은 분리막 연구들에서 이렇게 원유와 같이 정말 복잡한, 어떻게 보면 피드를 다뤄본 적이 거의 없습니다. 그렇기 때문에 보통은 저희가 물을 분리를 할 때도 물은 굉장히 깨끗한 그런 피드라고 생각을 하고요. 그리고 가스를 분리한다고 할 때도 가스는 몇 개 정도, 분자가 몇 개 정도밖에 섞여 있지 않은데, 원유 같은 경우에는 수천 개 이상의 분자들이 섞여 있다 보니까 사실은 이 분야에 대해서 그렇게 굉장히 많은 연구들이 돼 있지 않았었습니다.

그렇기 때문에 사실 기존에 당연히 우리가 원래 하던 그런 선택층을 가지고 접근을 해보자, 라는 게 시작점이 됐었기 때문에 그런 그 바로 밑에 깔려 있는 층의 역할에 대해서 아주 깊게 많이 생각을 해보지는 못했고요. 아마 저희가 처음으로 그거를 생각을 했었던 것 같고, 이번 연구에서 그렇게 밝혀낸 거라고 봐주시면 될 것 같습니다.

<답변> (사회자) 그러면 더 이상 질문이 없는 것으로 보고 이상으로 브리핑으로 마치겠습니다. 오늘 브리핑의 보도 시점은 6월 25일 목요일 자정입니다. 국제 엠바고인 만큼 보도 시점까지 가판과 PDF, 온라인 등에 노출되지 않도록 유의해 주시기 바랍니다. 감사합니다.

<끝>

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