MOF 탄소 포집 기술: 2025 노벨상 기술을 공정으로
2025년 노벨 화학상은 수수무 키타가와, 리처드 롭슨, 그리고 오마르 야기에게 돌아갔습니다. 이들이 개발한 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOF)는 분자 수준에서 구조를 설계할 수 있는 소재로, 최근에는 이산화탄소 포집과 같은 기후 기술 분야에서 활용 가능성이 논의되고 있습니다.노벨 위원회가 이산화탄소 포집을 MOF의 주요 응용 분야로 공식 언급한 것은 시사하는 바가 큽니다. MOF 기술에 대한 관심이 높아지는 가운데, 이제 남은 과제는 이러한 소재가 실제 탄소 포집 공정에서 어떤 조건을 충족해야 하는지를 검토하는 일입니다. 단순한 소재의 발견을 넘어, 이를 실제 대규모 CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage) 공정에 적용했을 때의 타당성을 검증하는 '스케일업(Scale-up)' 단계가 필수적입니다.
MOF 기술이란? 합리적 설계가 여는 공학적 가능성
기존의 '이산화탄소 포집 기술'은 주로 액체 흡수제나 전통적 흡착제를 사용해 왔습니다. 하지만 이러한 방식은 포집 후 재생 과정에서 높은 에너지가 요구되거나, 설비 규모가 커져야 한다는 자본 비용(Capital Cost)과 설치 면적(Footprint)의 제약이 따랐습니다.오마르 야기 교수가 정립한 '합리적 설계(Rational Design)' 개념은 이러한 공학적 난제에 대한 해답을 제시합니다. 이는 원하는 물성을 얻기 위해 블록을 쌓듯 분자 구조를 조립할 수 있음을 의미합니다.이러한 MOF의 ‘설계 가능성’은 공정 관점에서 사전 검증과 공정 통합(process integration)을 수행하는 ‘디지털 트윈’ 접근 방식과 연결됩니다. 시마크로는 PMv 디지털 트윈 솔루션을 통해 MOF 소재가 실제 탄소 포집 공정에 적용될 경우의 거동을 사전에 평가하고, 상용화를 위한 기본 설계 기준을 검토했습니다.
MOF의 맞춤형 설계 원리: 금속 이온과 유기 링커의 조합을 통해 기공의 크기와 화학적 성질을 자유롭게 조절하여, 탄소 포집 등 특정 용도에 최적화된 소재를 만들 수 있습니다. ©NovoMOF
기술적 특징: 표면적과 선택성
MOF가 차세대 탄소 포집 기술로 평가받는 이유는 구체적인 물성 데이터와 그에 따른 공정 이점 때문입니다.첫째, 높은 표면적입니다. MOF는 1g당 수천 평방미터에 달하는 내부 표면적을 가집니다. 이는 동일한 부피의 반응기 내에서 더 많은 양의 CO₂를 처리할 수 있게 하여, 결과적으로 포집 설비의 설치 면적을 줄이는 데 기여합니다.둘째, 조절 가능한 선택성(Selectivity)입니다. 표면 처리(Modification)를 통해 CO₂에 대한 흡착 친화도를 조절할 수 있습니다. 이는 흡착제 재생 단계에서 필요한 에너지 소비량(Regeneration energy requirements)을 낮출 수 있는 경로를 제공하며, 전체 CCUS 공정의 운영 비용 절감과 직결됩니다.
MOF 기반 탄소 포집 공정 개요: 배기가스(Flue gas)에서 CO₂만을 선택적으로 흡착·분리하여 순수한 탄소를 회수하는 과정. ©NovoMOF
NovoMOF-시마크로 협업: 디지털 트윈으로 검증한 상업화 가능성
하지만 이런 혁신적인 소재라도, 상업적 가치를 갖기 위해서는 대규모 공정에서의 검증이 선행되어야 합니다. 2025 노벨상 수상자인 오마르 야기 교수와 초기 비전을 공유하며 성장해온 고성능 MOF 생산 기업 NovoMOF(Switzerland)와 공정 디지털 트윈 전문 기업 시마크로의 협업은 이러한 배경에서 시작되었습니다.시마크로는 NovoMOF의 랩 스케일(Lab-scale) 데이터를 기반으로 공정 디지털 트윈 및 기술 경제성 분석(TEA)를 수행했습니다.
스케일업 시뮬레이션:실험실 환경의 흡착 데이터를 상용 플랜트 규모로 확장했을 때의 거동을 디지털 트윈 기술로 구현했습니다.
공정 최적화 및 평가:MOF 소재를 실제 탄소 포집 기술 공정에 적용했을 때, 목표 회수율을 달성하기 위한 운전 조건을 도출하고 이에 따른 경제성을 정량적으로 평가했습니다.
이번 협업은 MOF 기반 탄소 포집 기술이 실제 공정 관점에서 어떤 조건을 충족해야 하는지를 검토한 사례라는 점에서 의미가 있습니다. 또한 스위스의 소재 기술과 한국의 디지털 엔지니어링 역량이 결합된, 기후 기술의 글로벌 협력 모델을 보여줍니다.
2025년 노벨 화학상 수상자 오마르 야기(Omar Yaghi) 교수. MOF와 '합리적 설계(Rational Design)'의 선구자로서, 그의 과학적 비전은 오늘날 탄소 감축을 위한 산업적 솔루션의 토대가 되었다.©Nobel Prize Outreach. Photo: Anna Svanberg
결론: 기후 기술 상용화를 가속하는 디지털 전환
NovoMOF의 창립자 Daniel Steitz는 “The question is no longer 'if' MOFs will be used in industry, but 'how fast'.”라고 강조했습니다. 이 ‘속도’의 문제를 해결하는 데 있어, 시마크로의 공정 디지털 트윈 기술은 핵심적인 역할을 합니다.디지털 트윈 기술은 물리적인 시행착오를 줄이고, 소재 개발에서 상용화까지의 시간을 단축시키는 핵심 도구입니다. 시마크로는 앞으로도 고도화된 공정 디지털 트윈 역량을 바탕으로 글로벌 기후 기술 생태계에 참여하며, CCUS 기술의 상용화 경로를 지속적으로 식별해 나갈 것입니다.
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보스턴과 서울에 본사를 둔 시마크로는 지난 2018년부터 40개 기업에서 90개 이상의 상업적 모델링 프로젝트를 완료했습니다. AspenTech, Emerson, OLI 등 글로벌 기술 리더들과 협력하며 공정 산업의 디지털 혁신 발전에 전념하고 있습니다.SIMACRO 소개Designer