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중국 사업이 순항하는 가운데, 호남석유화학은 신기술과 다양한 공정개발을 통해 업계 내의 위상을 지켜나갔다. 2003년 현대석유화학 인수로 LLDPE 제품을 새로 판매하게 되면서 고객사의 불만사례가 잦았다. LLDPE는 LDPE라는 제품과 섞어야만 완제품이 되지만, 섞는 과정이 만만치 않아 품질저하 문제와 불량제품 생산이 자주 발생했다. 이에 호남석유화학은 플라스틱을 녹여서 결합하는 멜트 브랜딩 방법을 개발해 문제를 원천해결했다. 기존 드라이 브랜딩이 물리적 결합이라면, 멜트 브랜딩은 화학적 결합 방법이었다. 2008년 대산공장을 증설하면서 멜트 브랜딩으로 섞어주는 공정을 세계 최초로 개발 적용했으며 호남석유화학 LLDPE 제품에 대한 인식이 크게 높아졌다. 한편, 호남석유화학은 2006년 대산MMA를 설립해 대산공장에서 MMA를 생산한 이래로 여수공장 내에 MMA와 PMMA 통합 공장 증설을 추진하여 현재 MMA 사업분야에서 국내 1위, 세계 6위 수준의 규모를 보유하는 기염을 토했다. 또한 2008년에는 사업다각화를 위해서 자동차용 도료와 접착제의 주원료로 사용되는 HEMA 생산을 목표로 미쓰비스레이온과 MOU를 체결해 2009년 생산에 들어가 그간 전량을 수입에 의존했던 HEMA를 대체했다.
2011년에는 2-HEMA공장을 대산공장 내에 증설하여 MMA와 함께 정밀화학제품 위주의 포트폴리오를 갖췄다. 호남석유화학은 2011년 1월, 일본 미쓰이화학과 합작으로 롯데미쓰이화학을 설립해 PP 촉매 개발에 성공했다. PP 촉매는 독일 바스프와 미국 바젤 등 세계적으로 손꼽히는 선진기업들만 보유하고 있는 핵심기술이었으며 촉매 원천기술이 없는 한국 업체들은 수입에 의존하고 있었다. 석유화학기업의 기술력을 평가하는 잣대로 통용되고 있는 PP 촉매를 자체개발함으로써 PP 제품 시장지배력이 강화되었고, 우즈베키스탄, 말레이시아 등 해외로 기술 수출을 하는 등 기술 라이선스 사업 선두주자로서의 입지를 확보했다. 또 PP 촉매 공장 건설 과정에서 호남석유화학은 데이터와 도면을 정밀분석해 전체 228기 설비 가운데 72%에 해당하는 165기를 국산화해냈다. 이로써 비용절감은 물론 향후 정비와 비상시 신속 대응이 가능해졌다. PP 촉매 공장은 2012년 10월 말 공장 건설을 마치고 시험 운전을 거쳐 2013년 4월 1일부터 상업생산에 돌입하였다.