탄소중립 핵심기술, MOF 소재로 바뀌는 산업의 판도

 

 

기후위기 대응과 탄소중립 실현이 인류의 최우선 과제로 떠오르면서, 전 세계는 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 기술 개발에 몰두하고 있습니다. 그중에서도 특히 주목받는 기술은 바로 탄소포집 및 저장(Carbon Capture and Storage, CCS)입니다. 그리고 이 CCS 기술의 혁신을 이끄는 소재가 바로 MOF(Metal-Organic Frameworks, 금속-유기 골격체)입니다.

이 글에서는 MOF 소재가 왜 중요한지, 어떤 원리로 작동하며, 산업 현장에서는 어떻게 활용되는지, 그리고 이 기술이 향후 어떤 산업적 변화를 불러올 수 있는지에 대해 구체적으로 살펴보겠습니다.

 

 

MOF 소재란 무엇인가?

MOF는 금속 이온과 유기 리간드가 3차원 격자 구조로 결합한 나노 다공성 소재입니다. 그 구조적 특성 덕분에 기체를 선택적으로 흡착하고 저장하는 데 매우 뛰어난 성능을 발휘합니다. 특히 MOF는 단위 무게당 표면적이 매우 넓어, 최대 7,000㎡/g까지 확보할 수 있어 기존 소재보다 수십 배 더 많은 이산화탄소를 흡착할 수 있습니다.

또한, MOF는 조성이 유연하여 다양한 금속 이온과 유기 리간드를 조합함으로써 용도에 맞는 맞춤형 소재 설계가 가능하다는 점에서도 큰 장점을 가지고 있습니다. 이 때문에 MOF는 단순한 탄소포집용 소재를 넘어 수소저장, 가스 분리, 촉매, 센서 등의 분야로도 응용이 확대되고 있습니다.

 

 

MOF의 탄소포집 원리와 효율성

이산화탄소는 대기 중에 널리 퍼져 있지만, 공기 중 농도는 낮기 때문에 이를 선택적으로 포집하는 것이 기술적으로 어려운 과제입니다. MOF는 다공성 구조를 통해 이산화탄소 분자를 선택적으로 흡착할 수 있으며, 낮은 에너지로 재생이 가능하다는 특징을 가집니다.

기존의 탄소포집 기술은 주로 아민 흡수제를 활용하는 방식인데, 이는 에너지 소모가 크고 부식성이 강해 장기적 운용에 한계가 있었습니다. 반면 MOF는 화학적 안정성이 뛰어나며 반복적인 흡탈착 과정에서도 구조가 잘 유지됩니다. 또한, 온도와 습도 변화에도 높은 효율을 유지할 수 있는 MOF 구조들이 개발되면서 상용화 가능성도 점점 높아지고 있습니다.

 

 

MOF의 산업별 적용 사례

1. 발전소 및 대형 산업설비

석탄이나 천연가스를 사용하는 화력발전소는 대량의 이산화탄소를 배출합니다. MOF는 이러한 시설의 굴뚝 배출가스 중에서 이산화탄소를 빠르게 포집하여 대기로 배출되는 양을 현저히 줄일 수 있습니다.

2. 시멘트 및 철강 산업

시멘트와 철강 제조는 고온 공정을 필요로 하며, 이에 따라 막대한 양의 CO₂가 배출됩니다. MOF는 이러한 고농도의 이산화탄소 환경에서도 안정적으로 작동하며, 특히 고온에서 성능이 유지되는 MOF 구조들이 개발됨에 따라 철강 및 건설업계에서 큰 관심을 받고 있습니다.

3. 탄소 자원화 공정

단순히 이산화탄소를 포집하는 데 그치지 않고, 이를 유용한 물질로 전환하는 기술에서도 MOF는 핵심 역할을 수행할 수 있습니다. 최근에는 포집한 CO₂를 메탄올, 에틸렌, 또는 연료로 전환하기 위한 전기화학 촉매로 MOF를 활용하는 연구도 활발히 진행 중입니다.

 

 

국내외 연구 및 기업 동향

국내에서는 포스텍, KAIST, 한국화학연구원 등이 MOF 관련 연구를 활발히 진행하고 있습니다. MOF의 대량합성, 안정성 향상, 저비용 생산 기술 등이 집중적으로 연구되고 있으며, 실제로 산업적 적용을 위한 시범 플랜트도 일부 가동 중입니다.

기업 차원에서는 LG화학, 한화솔루션, SK이노베이션 등 대기업들이 탄소중립 로드맵에 따라 MOF 기반 CCS 기술을 자체 개발하거나 스타트업과 협력하고 있습니다. 해외에서는 미국의 BASF, 영국의 MOF Technologies, 중국의 ZJU-MOF 등이 선도적으로 MOF 상용화 기술을 이끌고 있습니다.

또한, 글로벌 기업들도 ESG 경영의 일환으로 탄소 감축 목표를 설정하면서 MOF 기술에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있습니다.

 

 

시장 전망과 기술 확장성

MOF 기술은 현재는 주로 연구개발 단계에 머물러 있지만, 향후 10년 내로 상용화 가능성이 매우 높은 분야입니다. 시장조사기관 MarketsandMarkets에 따르면, MOF 시장은 2025년까지 연평균 34% 이상의 고성장이 예측되고 있으며, 특히 아시아태평양 지역의 수요가 급증할 것으로 분석됩니다.

또한 MOF는 단순한 탄소포집 외에도 수소 저장, 가스 분리막, 전자소재, 촉매 등 다양한 신산업 분야와 연계가 가능하다는 점에서 차세대 융합소재로 자리잡을 전망입니다.

 

 

MOF 소재가 가져올 산업적 변화

1. 에너지 산업의 탈탄소화 가속: 화력 기반 발전소의 탄소배출을 획기적으로 줄일 수 있는 수단 제공.
2. 탄소국경세 대응 수단: 수출 중심 산업의 경쟁력 유지를 위한 필수 기술.
3. 친환경 건설 소재 도입 확대: 시멘트 제조과정의 탄소 감축.
4. 신산업 성장 기반 마련: 전기화학, 촉매, 에너지 저장 등으로 확장.

이처럼 MOF 기술은 단순한 소재 그 이상으로, 산업 전반에 구조적인 변화를 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

지속가능한 산업 생태계로의 전환은 선택이 아닌 필수가 되었습니다. MOF는 단순한 연구소의 실험실을 넘어 실제 산업 현장에 도입되어 탄소중립을 실현하는 실질적인 도구로 떠오르고 있습니다. 정부의 정책적 지원, 산업계의 수요, 그리고 기술적 진보가 맞물리며 MOF는 곧 탄소포집의 표준 기술로 자리잡을 것입니다.