100년 정유 공정 바뀌나… 카이스트, 상온 분리막 기술 개발

고동연 카이스트 생명화학공학과 교수 연구진이 값싼 고분자 분리막을 이용해 원유 속 성분을 상온에서 정밀하게 나누는 데 성공했다./카이스트

국내 연구진이 원유를 고온으로 끓이지 않고 상온에서 걸러내는 분리막 기술을 개발했다. 100년 넘게 정유 산업의 기본 방식으로 쓰여 온 증류 공정을 보완하거나 일부 대체할 수 있는 가능성을 보인 성과다.

과학기술정보통신부는 고동연 카이스트 생명화학공학과 교수 연구진이 값싼 고분자 분리막을 이용해 원유 속 성분을 상온에서 정밀하게 나누는 데 성공했다고 25일 밝혔다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처’에 이날 게재됐다.

현재 정유 공정은 원유를 350도 이상으로 가열한 뒤, 끓는점 차이를 이용해 휘발유·등유·경유 등으로 나누는 증류 방식에 크게 의존한다. 효과적이지만 에너지 사용량이 크고, 이산화탄소 배출도 많다는 한계가 있다.

연구진은 원유를 끓이는 대신 분리막에 통과시키는 방법을 시도했다. 분리막은 아주 작은 구멍을 가진 필터다. 지금까지는 분자 크기의 차이를 정밀하게 구분하려면 분리막 표면에 별도의 얇은 기능층을 입혀야 한다는 인식이 강했다. 하지만 선택층을 만들고 균일하게 코팅하는 과정은 비용이 많이 들고, 대면적 생산으로 갈수록 결함이 생기기 쉽다.

이번 연구에서는 별도 코팅이 없는 다공성 고분자 막을 사용했다. 연구진은 폴리아크릴로니트릴(PAN) 소재 막에 원유를 그대로 흘려보냈다. 그러자 원유 속 무거운 성분들이 막 내부의 미세한 구멍에 달라붙으며, 2㎚(나노미터·10억분의 1m) 이하의 더 작은 통로를 스스로 만들어냈다.

일반적으로 기름 성분이 막에 들러붙는 현상은 성능을 떨어뜨리는 오염으로 여기지만, 연구진은 이 현상을 역으로 활용했다. 원유가 막을 지나가는 과정에서 스스로 더 정교한 체를 만들고, 그 결과 가벼운 나프타·휘발유·등유 성분은 빠르게 통과한 반면 무거운 성분은 효과적으로 걸러졌다.

이번에 개발한 방식은 기존에 보고된 원유 분리막보다 분리 속도가 23배 이상 빨랐고, 28일간 사용해도 성능 저하가 거의 나타나지 않았다. 기존 정유 설비 전체를 바꾸지 않고 배관에 필터 모듈을 추가하는 방식으로 적용할 수 있었다.

분석 결과, 원유를 먼저 분리막에 통과시킨 뒤 남은 성분만 기존 증류탑에서 처리하면 에너지 사용량을 31.6%, 이산화탄소 배출량은 37.6%, 운영비는 36% 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 연구진은 이 기술이 정유 공정뿐 아니라 폐플라스틱 열분해유 정제, 배터리 용매 회수, 의약품 정제 등 다양한 화학 공정으로 확장될 수 있을 것으로 보고 있다.

고동연 교수는 “실제 원유를 공급해 준 HD현대오일뱅크와 긴밀하게 협력한 덕분에 개발한 기술을 산업 현실에 맞닿은 수준까지 검증할 수 있었다”고 밝혔다. 공동 교신저자인 이재우 카이스트 교수는 “앞으로 대면적 모듈화와 장기 운전 기술을 고도화해 실제 산업 공정에 적용할 수 있도록 연구를 이어가겠다”고 밝혔다.

참고 자료

Nature(2026), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10677-3

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