박용기 화학연 LCP융합연구단장. 사진 황응준 프리랜서.


“나프타 대란요? 나프타는 적게 쓰면서 부생가스를 최대한 활용하면 올레핀을 안정적으로 생산할 수 있습니다. 정부와 민간 지원을 받아 지난 20년 넘는 연구개발과 실증을 통해 상용화 수준까지 기술 완성도를 높여왔습니다.”
박용기(사진) 한국화학연구원 저탄소화학공정융합연구단(LCP융합연구단) 단장은 최근 나프타 수급 차질로 빚어지는 쓰레기종량제 봉투와 플라스틱 포장 용기 등의 공급 불안을 지난 20년간 개발해 온 석유화학 촉매 기술과 열분해 공정 기술로 해결할 수 있다고 강 바다이야기고래 조했다.
박 단장은 2000년대 초부터 기존 열분해 공정에 비해 이산화탄소 배출과 에너지 소비를 혁신적으로 줄이는 ‘촉매 기반 나프타 열분해 기술’이라는 한 우물만 팠다.
당시 석유화학 업계에서 “그게 과연 가능하겠어”라며 의구심을 제기했고, 동료 연구자도 만류했을 정도로 매우 도전적·모험적인 기술개발였다.
바다이야기룰 그는 우리나라가 지속발전 가능한 석유화학 산업의 미래와 탄소중립 사회 실현을 위해선 기존 공정과는 전혀 다른 혁신적인 기술 개발이 필요하다고 봤다.
정부출연연구기관 연구자가 국가 차원에서 이런 역할을 해야 한다는 신념이 있었기에 앞뒤 가리지 않고 시도했다.
박 단장은 기존 공정을 대체하는 촉매 기반 나프타 분해 공정 황금성릴게임 기술을 세계에서 처음으로 상용화했다.
여기에 만족하지 않고 석유화학 공정과 철강 공정을 융합해 나프타를 적게 쓰는 대신 부생가스를 활용하는 기술개발에 도전했다.
제철소 고로에서 다량 발생하는 부생가스에서 올레핀과 같은 플라스틱 원료를 하루에 100㎏ 규모로 생산할 수 있는 통합 공정 실증에 성공해 상용화 가능성을 입증했 모바일야마토 다.
박 단장은 “구조적인 복합 위기에 직면한 우리 석유화학 산업의 미래 성장동력 확보와 중동전쟁처럼 언제 또다시 닥칠 수 있는 나프타 수급 차질을 대비해 선제적 투자를 통해 장기적 관점에서 새로운 공정과 설비를 구축해야 한다”고 강조했다.
이어 “앞으로는 화석연료 대신 바이오매스를 원료로 활용해 플라스틱 기초 원료를 보 릴게임사이트 다 친환경적으로 생산하는 석유화학 산업의 혁신과 대전환을 선도하는 초격차 실현에 국가적 역량을 집중해야 한다”고 말했다.
대담=이준기 IT과학바이오부장
◇기존 기술로 석유화학 경쟁력 한계…새 돌파구 찾는 연구 나서
박 단장은 화학연에 들어와 촉매 연구로 중소기업과 함께 일했다. 대표적으로 에코프로를 꼽을 수 있다.
2000년 초반 중소기업에 불과했던 에코프로와 인연을 맺고 반도체 공정에서 나오는 유해화학물질 ‘과불화화합물’을 제거하는 촉매 기술을 개발해 기술이전했다. 에코프로는 이 기술을 상용화에 성공해 이를 발판으로 세계적인 이차전지 기업으로 성장할 수 있었다.
박 단장의 든든한 기술지원에 힘입어 새로운 성장동력을 마련한 에코프로는 이차전지 양극재 개발에 다시 한번 기술개발 협력을 요청했다.
선택의 기로에 놓였던 그는 “아쉽지만 석유화학 촉매와 공정 혁신이라는 인류·국가적 커다란 목표를 세우고, 연구방향을 선회했다”고 말했다.
박 단장은 2000년대 초 온실가스 배출과 에너지 소비를 획기적으로 줄이면서 플라스틱 기초 원료인 올레핀을 제조할 수 있는 새로운 석유화학 촉매·공정 기술 개발에 뛰어 들었다.
기존 나프타 열분해 공정 기술은 850도 이상의 고온 환경에서 나프타를 분해해야 하기에 많은 에너지가 소모되고, 다량의 온실가스를 배출하는 문제를 안고 있었다.
당시 지구 온난화 심화에 따른 탄소중립 이슈가 부각되기 시작하면서 석유화학 업계에서 막대한 에너지와 온실가스를 줄이기 위한 새로운 기술 개발 요구가 커져 촉매 분해를 통한 순환 유동층 공정 개발을 시도하게 됐다.
박 단장은 “조 단위의 막대한 투자와 최소 10년 이상의 장기적인 기술개발과 실증이 필요한 석유화학 산업 특성상 지금부터 준비하지 않는다면 언젠가 기술 주도권을 뺏길 우려가 있었다”며 “국내 석유화학 기업과 협력해 실험실 수준을 넘어 좀 더 규모 있는 연구를 통해 기술 성숙도를 높이기 위해 노력했다”고 설명했다.



박용기 화학연 LCP융합연구단장. 사진 황응준 프리랜서.


◇CO₂ 절감 ‘새 촉매·공정기술’ 개발…국내외 기업 기술이전 ‘물꼬’
그 대안으로 내놓은 것이 촉매 기반 나프타 분해 공정 기술이다. 촉매를 이용해 낮은 온도에서 나프타를 분해해 에너지를 30% 가량 줄이면서 경질 올레핀을 생산할 수 있는 새로운 촉매·공정기술 개발에 나섰다.
박 단장의 새로운 촉매 및 올레핀 생산 기술 가능성을 확인한 SK이노베이션은 2007년 300억원 규모의 실증 데모 플랜트 투자를 결정했고, 3년간의 연구 끝에 경질 올레핀 생산을 위한 나프타 분해 촉매 기술 개발에 성공했다.
6개월간의 실증을 통해 기존 열분해 기술 대비 약 20%의 적은 에너지 사용량과 온실가스 저감 효과를 확인하는 성과를 통해 세계 석유화학 업계의 커다란 조명을 받았다.
SK이노베이션과 글로벌 석유화학 엔지니어링사인 케이비알(KBR)에 기술을 이전해 상용화에 나서는 계기가 됐다.
◇융합연구단 선정 계기 기술 상용화 ‘가속’
완성도 높은 상용화 기술로 한 단계 발전시키고 싶었던 박 단장에게 기회가 찾아왔다.
국가과학기술연구회가 야심차게 추진한 ‘제1호 융합연구단 사업’(미래선도형)에 선정돼 2014년 ‘CCP융합연구단’을 출범시켜 기술 고도화 연구에 착수했다.
정부의 안정적인 연구비 지원과 100여 명의 산학연 연구자가 한 곳에 모여 6년 동안 연구한 결과, 유동층 반응용 나프타 분해 기술을 더욱 완성도 있게 상용화하는 데 성공했다.
박 단장은 “기존보다 반응 온도를 낮춰 에너지 사용량을 줄임과 동시에 온실가스 배출량을 30%까지 감축할 수 있는 나프타·메탄올 촉매 기반 올레핀 제조 기술을 확보할 수 있었다”며 “열분해 공정에서 사용이 가능했던 경질 나프타 외에 중질 나프타 등 보다 다양한 탄화수소 유분을 원료로 사용할 수 있게 됐다”고 연구 결과의 의미를 강조했다.
CCP 융합연구단은 2020년까지 이어져 나프타-메탄올 하이브리드 촉매 분해 기술을 비롯해 저급 연료를 활용한 경질 올레핀 생산 촉매재생기 연소기술, 선택적 프로필렌 제조 기술, 올레핀 선택적 금속유기골격체(MOF) 흡착제 물질, 제철 부생가스의 고순도 수소 및 이산화탄소 제조 등 세계 최초·최고 기술을 다양하게 확보했다.
이런 연구 성과를 토대로 특허 출원·등록 195건, 논문 120건, 기술이전 2건 등 알토란 성과도 거둘 수 있었다.



박용기 화학연 LCP융합연구단장. 사진 황응준 프리랜서.


◇나프타 대체 ‘부생가스’ 활용…석유화학·철강공정 융합 시도
박 단장은 CCP 융합연구단에서 확보한 원천기술을 그대로 놔 둘 수 없었다. 정부와 민간의 많은 투자를 받아 애써 개발한 기술을 탄소 다배출 업종인 석유화학과 철강산업 공정에 적용해 효용 가치를 검증받고 싶었다.
그는 “CCP기술이 석유화학 공정을 타깃으로 한 나프타 크래킹였다면, 석유화학산업과 함께 탄소 다배출 업종인 철강산업에 접목해 보면 어떨까라는 생각을 갖고 후속 연구를 시작했다”고 말했다.
제철소 고로에서 많은 양이 나오는 부생가스를 석유화학 핵심 연료인 올레핀으로 생산하는 새로운 연구과제를 기획하고, 이번에도 국가과학기술연구회 ‘융합연구단 사업(실용화형)’에 문을 두드렸다.
이전에 수행했던 CCP 융합연구단의 우수한 성과를 연계해 석유화학·철강산업을 융합하는 혁신적 시도라는 점에서 좋은 평가를 받아 2022년 ‘LCP 융합연구단’을 꾸릴 수 있었다.
포스코 광양제철소에서 발생하는 부생가스를 일산화탄소를 활용해 메탄올로 합성한 뒤 이를 나프타와 동시 분해하는 공정으로 올레핀을 제조하는 통합 공정 개발 및 실증하는 게 최종 목표였다
그는 “기존 기술 대비 나프타 사용량을 줄여 이산화탄소 배출을 저감하고, 제철소 부생가스에 포함된 탄소를 포집·활용해 제철 공정의 이산화탄소도 줄이는 효과를 기대할 수 있다”고 지적했다.
◇LG화학·포스코·롯데케미칼과 협력…광양서 8개월 매달려 실증
LCP 융합연구단에 포스코와 LG화학, 롯데케미칼 등 국내를 대표하는 여러 석유화학·철강회사가 힘을 보탰다.
참여 기업의 지원으로 포스코 광양제철소가 있는 광양에 통합 실증 플랜트를 지을 수 있었고, 저탄소 올레핀 제조 공정도 구현할 수 있었다.
박 단장은 반드시 통합 실증에 성공하겠다는 강한 일념을 갖고 전남 광양 현장에 직접 내려가 8개월간 밤을 새가며 실증에 매달렸다.
3년간의 연구개발과 실증을 성공적으로 마치고 기존 나프타 열분해 기술 대비 약 8% 이상 이산화탄소 배출량을 줄이며 하루에 100㎏ 규모의 올레핀을 생산해 상용화 가능성을 입증했다.
약 10년 동안 한 눈 팔지 않고 촉매 성능을 높이고 촉매 공정기술을 상용화를 위한 ‘기술성숙도 6’까지 지속적으로 끌어 올리고, 이를 성과로 입증했기에 가능한 일이었다.
그는 “앞서 개발한 기술보다 이산화탄소 배출량을 더욱 줄이고, 올레핀 생산 효율을 늘리면서 생산 비용을 5% 가량 절감할 수 있었다”며 “무엇보다 나프타를 벗어나 부생가스 등으로 원료를 다변화할 수 있는 점을 보여줬다는 데 의미가 크다”고 평가했다.
실증 단계까지 기술 완성도를 높인 덕분에 국내 석유화학 기업뿐 아니라 해외 기업들도 관심을 드러냈다.
박 단장은 “기술 완성도를 점점 높이는 과정에서 부족한 기술을 보완·개선해 한층 고도화된 기술로 발전시킬 수 있다”며 “출연연은 집단연구를 하는 연구기관인 만큼 실험실에 머무는 기술이 아닌 스케일업을 통해 완성도 높은 기술로 국가와 국민에게 보답해야 한다”고 강조했다.



박용기 화학연 LCP융합연구단장. 사진 황응준 프리랜서.


이준기 기자 bongchu@dt.co.kr