Special  차세대 성장동력과 세라믹스

차세대 정보통신과 세라믹스

신효순 공학박사 요업기술원 선임연구원
여동훈 공학박사 요업기술원 선임연구원
김효태 공학박사 요업기술원 책임연구원
김종희 공학박사 요업기술원 시스템모듈사업단 단장

1. 서론
2003년, 참여정부 출범과 더불어 대통령 취임사에서 20세기의 반도체 산업과 같이 우리 산업에 막대한 영향을 줄 수 있는 ‘차세대 성장 동력 산업’의 발굴 육성의 필요성이 언급된 후, 각계 전문가 집단을 통한 연구, 조사 및 검증을 통하여 10대 차세대 성장 동력 산업이 2003년 8월에 확정되었다. 이들 10대 차세대 성장 동력 산업은 ‘디지털 TV 방송, 디스플레이, 차세대 반도체, 차세대 이동 통신, 지능형 홈 네트워크, 디지털 콘텐츠 소프트웨어 솔루션, 지능형 로봇, 미래형 자동차, 차세대 전지, 바이오 신약 장기’가 그것이다.
차세대 성장 동력 산업은 그 어휘에서 알 수 있는 바와 같이 미래에 큰 산업으로 육성되어 기타 산업들의 성장에 밑거름이 될 분야를 의미한다. 그러므로 이들 차세대 성장 동력 산업에 대한 관심을 극대화하여 개발 역량을 집중하는 것이 차세대 세라믹스 산업의 흥망을 결정하는 것이라 볼 수 있을 것이다. 이는 세라믹스가 모든 산업에 관련되는 기초 소재 분야이기 때문이다. 따라서 차세대 성장 동력 산업에서 세라믹스의 위치는 매우 기초적이고 핵심적인 구성요소가 될 것이며, 그 파급성 또한 매우 크다고 할 수 있을 것이다. 이러한 관점에서 세라믹스 산업 및 관련 기술의 역할을 다시 확인하고 여타 산업에 대한 기여도를 높여 나가는 것이 세라믹스 산업 관련 종사자로서 중요한 역할이자 의무이다.
세라믹스 소재가 모든 차세대 성장 동력 산업에 기본적인 소재로 사용되고 있지만, 그 중에서도 그 규모와 적용성 측면에서 단연 가장 중요한 위치에 있는 것이 정보통신 분야이다.  정보통신 분야는 위의 10대 차세대 성장 동력 산업의 분류상으로 보면 몇 개의 영역에 걸쳐지는 포괄적인 개념이 될 수 있을 것이다. 즉, 차세대 이동통신은 당연히 정보 통신 기술의 가장 대표적인 적용 제품이 될 것이지만, 미래형 자동차나 지능형 홈 네트워크 또한 정보통신 기술과의 결합이 가장 중요한 기술적 화두가 될 것이며, 지능형 로봇, 디지털 TV 방송, 디스플레이 등에도 정보 통신 기술이 필수적으로 결합되어져야 한다. 본 글을 통하여 필자는 정보 통신 분야에 적용되고 있는 세라믹스 기술의 과거와 현재를 살펴보고 앞으로 다양한 분야의 기술과 결합되고 있는 정보 통신기술에서 세라믹스의 역할과 발전 방향을 논함으로써 차세대 10대 성장 동력 산업에서 세라믹스 산업의 역할과 지향점을 제시하고자 한다.

2. 정보통신 산업에서 세라믹스의 과거와 현재
정보통신 산업에서 세라믹스의 역할을 찾는 것은 2차 대전 시절의 군사용 통신 기기 등에 세라믹스가 사용되기 시작한 이후라고 알려져 있다. 그러나 본격적인 정보통신의 시대가 시작된 것은 무선 통신과 인터넷이 대중에게 일반화되기 시작한 1990년대 중반부터이다. 이러한 정보통신 산업의 본격적인 태동은 그 저변에 수동 소자를 비롯한 전자 세라믹스 부품이 기반이 되었다고 말할 수 있다. 또한, 세라믹스 부품의 이동 통신에의 적용은 세라믹스 산업의 관점에서 보면 ‘부품의 소형화, 경량화, 고집적화’를 이끌고 가는 중요한 전환점이 되었다고 볼 수 있다. 이 과정에서 폭증하는 전자기기 수요에 대응하는 부품의 집적화 기술로 SMT(Surface Mounting Technology) 기술이 급격히 발전하게 되면서 전자 세라믹스 부품은 다양한 소자의 동일 규격으로의 칩(chip) 제조 기술로 발전하게 되었다. 그 결과 현재 세라믹스 전자부품은 칩형 수동 소자와 이들의 복합 구조물로 이루어지는 모듈(module)로 대변되게 되었다.
정보통신 산업의 대표라고 할 수 있는 휴대 단말기에서 무선 통신을 담당하는 RF端(RF terminal part)에서 세라믹스 부품의 적용 사례를 그림 1에서 보여준다. 그림 1-a에서 사용된 세라믹스 수동 칩 부품을 그림 1-b에 적색으로 표시하였다. 그리고 은회색으로 보이는 것이 세라믹스 모듈이며, 흑색으로 EMC(Epoxy Molding Compound)를 이용하여 패키징(packaging)된 부품들이 반도체와 같은 능동소자이다. 그림의 예에서 알 수 있는 바와 같이 휴대 단말기를 구성하는 것은 기판을 이루는 PCB(Printed Circuit Board), 반도체, 그리고 세라믹스 부품들이다.
그림 1에서 볼 수 있듯이 수동 소자들은 이미 매우 작은 ‘0603’ 규격(0.6mm×0.3mm)까지 채용되고 있고 ‘0402’ 규격(0.4mm×0.2mm)도 R, L, C가 각각 개발이 완료되었다. 그러나 현재까지의 전망으로는 수동 소자의 크기를 소형화하는 것은 한계가 있을 것으로 보고 있다. 규격 치수의 감소와 더불어 각 소자의 성능도 크게 향상되고 있다. 대표적인 수동 소자인 MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor)의 경우, 유전층(dielectric layer)과 내부 전극층(inner conducting layer)의 두께는 계속 감소하여 왔으며 현재 1μm 이하로 낮아진 상태에 있다. 그리고 최고 적층 수는 1,000층을 넘어서고 있어서, MLCC는 세라믹스 후막 기술의 총화(總和)라 할 수 있겠다. 그림 2는 이러한 경향을 연차별로 도식화하여 나타낸 로드맵(road-map)이다.
각각의 수동부품이 소형화(또는 칩화)되는 경향과 더불어 몇 개의 부품이 모듈화되는 것 또한 현재 중요한 정보통신 분야의 부품 경향 중 하나이다. 이것은 LTCC(Low Tempera
ture Co-fired Ceramics) 기술을 기반으로 발전하여 다양한 모듈이 개발 적용되고 있다. 대표적인 것은 2000년대 초 본격적이 시장이 형성된 RF 영역의 ASM(Antenna Switch Module)이었으며 SAW(Surface Acoustic Wave) 필터를 포함하는 FEM(Front End Module)이 그 뒤를 이었다. FEM의 경우 현재도 박층화와 쿼터 밴드(quarter band)용으로 발전하면서 그 시장 규모 및 기술력의 계속적인 성장을 보이고 있다. 그리고 근거리 통신의 대표적인 모듈인 블루투스(Bluetooth) 모듈이 LTCC 기술을 이용하여 구현되고 폭넓게 적용되고 있다. 그림 3은 LTCC 기술을 적용한 다양한 모듈의 제작에 관한 개념을 모식적으로 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 각각의 층은 후막 기술을 이용하여 만들어지고 각 층간에 배선과 일부 수동 소자를 내장함으로써 소형화, 복합화 된 모듈을 이룰 수 있는 것이다. 이와 같이 다양한 모듈이 개발되고 있으며 이미 휴대 단말기에 적용되고 있고, 과거에도 그러했듯이 현재에도 세라믹스 부품의 발전은 곧 정보 통신 기술의 발전을 의미하고 있다.

3. 정보통신 기술에서 세라믹스의 발전방향
정보통신부에서 추진하는 ‘IT 839’에서 예시한, 2010년 어느 날 L 기자의 아침 일상은 다음과 같다. 「오늘도 가사 로봇(robot)의 도움으로 겨우 일어날 수 있었다. 어젯밤 늦게까지 실시간 고화질 영상을 다운로드(download)받아 관람해서 늦잠을 잔 것이다. 스케줄에 따라 깨워주고 아침 식사를 준비해주는 가사 도우미 로봇은 하루 스케줄 및 증권, 스포츠, 날씨 등 필요한 정보를 정리하여 식사 중에 음성으로 알려주는 역할도 한다. 화장실에 다녀오자 건강 변기에 내장된 소프트웨어가 배설물을 분석하여 그 날의 건강상태를 거실 모니터로 전송해 주었다. 몸 상태가 좋지 않으면 근처 병원에 연결하여 원격 진료를 받을 수도 있지만 오늘은 건강 상태가 양호하다. 식사 후 홈뱅킹을 통하여 몇 건의 결제를 처리하고, 웨어러블 컴퓨터를 착용한 후 출근한다. 집을 나서면서 웨어러블 컴퓨터로 홈 네트워크에 접속하여 방범, 방재모드로 전환한다. 그에 따라 가사 도우미가 프로그램대로 집안 정리를 한다. 차에 오르면 텔리매틱스 시스템이 얼굴, 음성, 지문, 홍채 인식 등을 통해 L기자를 인식하고, 목적지를 말하면 최적의 경로를 제시하며, 수시로 교통상황을 체크하여 출근길이 늦지 않도록 하여주고, 센서 네트워크(UNS, Ubiquitous Sensor Network)가 주변의 기온과 오염정도를 분석하여 들려준다. 모니터가 반짝이며 연결 대기 신호가 오면 차를 세워놓고 급히 웨어러블 컴퓨터로 회사 컴퓨터에 연결하여 과장님이 요청한 서류를 전송한다. 출근 도중 연료 충전소에 들려 차에 내장된 초소형 친환경 연료 전지를 충전한다.」 이와 같은 삶이 바로 ‘Ubiquitous 사회’이며 우리의 미래 생활상의 일부를 예측한 것이다.
위에서 언급한 정보 통신 기술 환경과 사회는 어떻게 올 수 있을 것인가? 이제는 전문적인 기술에 대한 지식이 전혀 없는 일반인들까지도 위에서 언급한 미래사회가 올 것을 믿고 있다. 이를 위하여 관련된 많은 기술의 발전이 필요할 것이며 이들의 총체적이며 복합적인 발전이 필요할 것이다. 하지만 그 중 가장 중요한 것 중 하나가 세라믹스에 관련된 기술이라는 것은 이론의 여지가 없을 것이다. 예를 들어 센서 분야를 살펴보면, 세라믹스는 모든 센서 구현에 가장 우수한 기본재료로 사용되기 때문에 로봇을 위한 모든 센서의 개발에 필수적일 것이며, 생물학적, 환경적인 분야 등 센서가 필요한 모든 분야에서 개발을 주도하고 있다. 그리고 현재도 주류를 차지하고 있는 무선 통신 모듈은 전자 세라믹스 기술의 결정체이고, 센서 네트워크의 각 센서가 모두 무선 송수신 모듈을 통하여 상호 통신이 이루어져야 할 것이다. 그리고 웨어러블 컴퓨터의 구현과 디스플레이 기술 또한 현재도 그러하듯 세라믹스 소재 기술이 매우 중요한 역할을 할 것이다. 이러한 경향을 반영하는 것이 바로 휴대 단말기의 시장 동향이다. 그림 4는 TV 기능이 복합기능으로 탑재된 휴대 단말기 시장의 변화를 보여주는 것으로 휴대 단말기 전체 시장의 성장세는 연간 10% 이하로 둔화되는 반면 TV 폰 시장은 급격한 성장세가 예상되고 있다. 이것은 휴대 단말기에서 다양한 기능의 첨가가 곧 시장 활성화의 주요 경향임을 보여주는 것이다. 바로 ‘기능의 융합’이 정보 통신의 대세이며 이것은 모든 정보 통신 기기에 적용될 것이다. ‘기능의 융복합(multi-functionality)’은 바로 세라믹스 소재 기술을 이용한 복합 모듈화 기술을 요구하며 이를 세라믹스 소재에 구현하는 것이 그 핵심이 될 것이 분명하다.
세라믹스가 진화해 가야할 방향은 큰 맥락에서 이미 명확해지고 있다. 앞에서 설명한 정보 통신 기술의 소형화, 고집적화, 융복합화에 따라 이를 구현하는 복합 모듈 기술이 바로 핵심이 될 것이다. 이들 모듈은 단순히 하나의 기능을 발현하는 것이 아니라 몇 개의 기능을 동시에 수행할 수 있게 될 것이며, 수동 소자 및 능동 소자까지 하나의 모듈에 내장해서 모듈의 부피와 두께를 현격히 줄이게 될 것이다. 그림 5는 복합 모듈의 개념을 형상화한 모식도로서 베이스 밴드(baseband)와 RF 모듈 및 광에 의한 신호의 전달을 포함할 뿐만 아니라 다양한 수동 소자들이 각 적층 층 내에 내장되는 것을 보여주고 있다. 이러한 집적화된 모듈을 SOP(System On Package)라고 하며, 그 수준은 아직 초보 단계에 불가하지만 이 방향으로 기술개발이 급격히 진행되고 있다.

4. 세라믹스 기술의 과제 및 지향점
세라믹스는 옛 구석기 시대부터 인류에 중요한 재료로 사용되어 왔으며, 20세기에 들어서는 제 2의 석기 시대라 할 정도로 다양한 전자기적 특성으로 인해 정보 통신 기술 발달에 기여한 바가 크다. 그러나 각 소재의 특성에 대한 많은 연구 결과들은 이미 소재 특성의 획기적인 개선이 쉽지 않음을 보여주고 있다. 그 만큼 많은 연구가 진행되었기도 하지만 이들 소재를 사용하는 정보 통신 분야의 기술적 요구 특성(needs)의 한계치가 너무나 급격히 상향 조정되고 있기 때문이다. 이 과정에서 세라믹스에 남겨진 과제는 시장을 장악할 수 있는 경쟁력일 것이다. 이것은 기술에서 그 근본적인 해결책을 주어야 하지만 획기적인 세라믹스 소재의 특성 향상 또한 쉬운 일이 아니다. 한편, 세라믹스 소재는 특성의 다양성 측면에서 다른 소재에 비하여 다양한 해결 방안을 제공할 수 있으며 내열성, 내화학성 등 열악한 환경에 대한 특성이 우수한 것이 가장 큰 장점이다. 이들 세라믹스 소재의 장점을 잘 활용하여 정보 통신 산업의 기능 융복합화 과정에서  다양한 산업적 요구 특성을 수용할 수 있는 소재로 발전해 나가야 할 것이다. 모든 센서, 기구, 장비 및 사소한 생활 용품까지 고속 무선 통신으로 연결될 수 있으며, 이 모든 것들이 극한의 환경 속에서도 모든 정보를 실시간 제어할 수 있는 그러한 한계까지 진화해 가야 하는 것이다. 세라믹스 소재는 금속과 고분자로 대변되는 다른 소재들에 비하여 단점을 또한 많이 가지고 있다. 최신 기술이 요구하는 특성들은 단순히 세라믹스, 금속, 고분자의 단일 소재로 해결할 수 없는 부분이 많이 발생하고 있으며, 이미 소재의 융복합화가 급격히 진행되고 있는 부분도 많이 있다. 세라믹스에서는 다른 소재에서는 쉽게 해결할 수 있는 성형의 편의성 문제가 항상 존재하며, 20세기 말 이후, 소재의 기계적 유연성(flexibility)이 요구되는 많은 산업적 상황에 대하여 ‘취성(脆性)이 크다’는 단점 또한 존재하고 있다. 이와 같은 문제를 해결하는데 있어, 다른 소재를 긍정적으로 수용함으로써 세라믹스 소재가 중심이 된 융복합 소재의 개발을 지향해 나가야 할 것이다.

5. 맺음말
정보통신은 우리의 근간 산업이 되었으며, 그 중심에 세라믹스 전자부품이 있다. 미래에도 정보통신 산업은 차세대 이동 통신, 미래형 자동차, 지능형 홈 네트워크 등 국가 10대 성장 동력 산업의 경쟁력을 배가시키게 될 것으로 기대하고 있다. 그 중심에서 지금까지 휴대 단말기를 중심으로 한 세라믹스 부품과 모듈의 역할은 충분히 중대하였으며, 앞으로 10대 성장 동력 산업의 기술적 기반 또한 세라믹스 부품 소재 기술이 될 것이 틀림없다.
세라믹스는 소재 특성의 근원적인 혁신을 통하여 이들 정보 통신 분야의 성장 동력 산업을 육성해야 하겠지만, 기존의 기술을 이용한 다양한 기능의 융복합화에 적극 참여하여 새로운 제품과 시장을 개척해 나가야 할 것이다. 이와 더불어 다른 소재의 장점을 적극 채용하는 소재의 융복합화를 선도하고 이 과정에서 새로운 소재군 창출을 통하여 정보 통신 산업의 경쟁력을 부여해야 할 것이다. 이것이 곧 정보 통신 산업의 미래가 될 것이며, 또한 이것이 세라믹스 산업의 미래가 될 수 있도록 우리 모두 노력해야 할 것이다.

그림 1. 휴대 단말기 RF端에서 세라믹스 부품의 적용 사례.
(ECTC 2005, Short course - Prof. Ulrich at Arkansas Univ.)

그림 3. LTCC 기술을 이용한 모듈 제작 모식도

그림 2. MLCC의 기술개발 Road Map.
삼성전기(주) 홈페이지 발췌.

그림 4. 무선 TV 휴대폰의 시장 동향 분석

그림 5. SOP 개념도(Prof R. Tummala at Georgia Tech. PRC)

필자약력(신효순)
경북대학교 무기재료공학과 공학박사
New York State College of Ceramic(Alfred) Post-doc.
한국과학기술연구원 Post-Doc
경원훼라이트공업 책임연구원
삼성전기(주) 책임연구원
요업(세라믹)기술원 선임연구원

필자약력(여동훈)
성균관대학교 전기공학과 공학박사
펜실베니아주립대학교 Post-doc.
(주)한원마이크로웨이브 연구소장
요업(세라믹)기술원 선임연구원

필자약력(김효태)
고려대학교 재료공학과 공학박사
삼성전기(주)
AVX/Kyocera 한국지사
한국과학기술연구원
Jozef  Stefan Institute, Post-doc.
MRI, Penn State Univ., Post-doc.
요업기술원, 책임연구원

필자약력(김종희)
동경공업대학 무기재료공학과 공학박사
국방과학연구소 연구원
한국뉴세라믹연구소 선임연구원
삼성전기 연구임원(상무)
요업(세라믹)기술원 사업단장

차세대 성장동력과 세라믹스

차세대 이차전지와 세라믹스

김현수 공학박사  한국전기연구원 전지연구그룹 그룹장

1. 모바일 IT기기와 리튬2차전지
최근 휴대폰, 노트북 등 모바일 IT기기의 증가에 따라 에너지원인 이차전지의 수요도 따라서 급증하고 있다.
이차전지에는 니켈/카드뮴전지, 니켈/수소전지, 리튬이온전지 등이 있으나, 그 중에서 리튬이온전지가 특성이 우수하여 가장 각광을 받고 있다. 현재 모바일 IT기기뿐만 아니라 전기자전거, 전지휠체어 등에서도 사용되기 시작하고 있으며, 향후 하이브리드전기자동차 등 대형 수송기기분야에서도 응용이 기대 된다(그림 1).
주요 특징을 보면, 리튬이온전지는 동작전압이 높다. 평균 동작전압이 3.6 V로써 니켈/카드뮴전지나 니켈/수소전지의 3배이다. 따라서 이들 전지의 사용 개수가 3개이면, 리튬이온전지는 1개로 할 수 있다. 둘째로는 에너지밀도가 높다. 니켈/카드뮴전지와 비교하면 중량에너지밀도로 약 2배, 체적에너지밀도로 약 1.5배 높다. 즉, 소형화와 경량화에 적합한 전지이다. 셋째로는 카드뮴이나 납과 같은 환경에 유해한 중금속을 사용하지 않기 때문에 환경오염에 대한 부담이 적다. 넷째는 충방전에 따라 리튬이온의 단순한 이동만 있기 때문에 사이클 수명이 길다. 특히, 하드카본을 부극으로 사용하면 층간의 팽창 및 수축이 없으므로 1,200 사이클 정도의 수명을 갖는다. 다섯째는 니켈/카드뮴전지나 니켈/수소전지에 비해 자기방전율이 매우 작다. 여섯째는 니켈/카드뮴전지나 니켈/수소전지에서는 완전충전 또는 초기 방전상태로 장시간 방치하여 두면 방전용량이 격감하는 현상, 즉 메모리효과가 발생한다. 이에 따라 충전했는데도 사용할 수 없는 경우가 자주 일어나서 니켈/카드뮴전지에서는 큰 결점이 되고 있다. 더욱이 이들 전지는 자기방전율이 크기 때문에 이를 보충하기 위해 충전을 빈번하게 하면 오히려 메모리효과가 나타나는 딜레마에 빠진다. 이에 반하여 리튬이온2차전지에서는 메모리효과가 전혀 없고, 자기방전도 작기 때문에 안심하고 사용할 수 있다.
그림 2에 니켈/수소전지, 니켈/카드뮴전지 등 다른 종류의 전지들과의 특성을 비교하여 나타낸 그림이다. 그림에서 알 수 있듯이 리튬이온전지의 에너지밀도 및 출력밀도가 가장 높을 것을 알 수 있다.
리튬이온전지가 갖는 이러한 우수한 전지 특성들의 대부분은 전지를 구성하는 재료에 의해 결정된다. 따라서 고성능 전지개발을 위한 노력의 대부분은 재료탐색에 경주되어 왔으며, 재료 기술자들의 역할이 큰 분야라고 할 수 있다.
본고에서는 리튬2차전지에 현재 사용되는 양극 및 음극재료를 중심으로 서술하고자 한다.

2. 리튬2차전지와 구성재료
리튬금속은 원소 중에서 가장 낮은 산화환원전위를 보이며 중량당 방전전기량도 금속원소 중 가장 크다. 따라서 리튬을 부극으로 하는 전지는 작동전압이 높고 에너지밀도가 높은 전지가 될 수 있다.
그러나 리튬부극은 충전과정에서 리튬금속이 균일하게 석출하지 않고 수지상 결정(dendrite)이 된다. 이 때문에 충방전 사이클수명이 짧아질 뿐만 아니라 안전성 면에서 실용화되지 못하고 있었다. 리튬금속 석출 형태를 제어하거나 억제하는 연구, 그리고 리튬과 합금을 형성하는 주석이나 알루미늄을 부극으로 사용하려는 시도들이 대표적인 예이다.
또한 리튬이온을 직접 삽입한 호스트 화합물을 부극으로 사용하는 연구가 활발히 진행되었으며, 그 중에서 탄소재료는 리튬 삽입용량이 비교적 크고, 리튬 삽입/탈리 반응의 가역성이 매우 높았다. 더욱이 리튬전극에 가까운 전위를 보이기 때문에 부극으로 채용하게 된 것이다. 따라서 1990년 부극활물질로 탄소재료, 양극활물질로는 LiCoO2를, 그리고 전해액으로는 유기전해액을 조합한 리튬2차전지가 최초로 실용화되었다. 이 전지는 충방전이 진행되는 동안 리튬금속이 나타나지 않고, 리튬이온 상태로 동작할 수 있어서 ‘리튬이온전지’라 호칭하고 있다.
현재 시판되고 있는 원통형 및 각형 리튬2차전지의 거의 대부분이 탄소재료 부극과 LiCoO2 정극으로 하는 리튬이온전지이다. 그림 3에는 리튬이온전지의 충방전 원리를 나타내는 것이다.
충전과정에서는 정극재료 내부에 있던 리튬이온이 빠져나와 전해액을 거쳐 부극재료인 탄소의 층간구조 내부로 들어가며, 방전시에는 역으로 리튬이온이 이동하게 된다. 이러한 반응과 동시에 전자가 도선을 통하여 흐르게 되는 것이다.

3. 리튬2차전지의 정극소재
현재 실용화되어 있는 리튬이온전지는 리튬금속에 대해 4V 정도에서 가역적으로 리튬이온을 탈리·삽입하는 정극재료와 0V 부근에서 리튬이온의 삽입·탈리를 행하는 탄소계 부극재료를 조합하여 3.5V의 전압을 발생시킨다.
전지의 에너지는 전압과 용량의 곱으로 결정되므로 전압이 높고 용량이 큰 재료를 사용할수록 고에너지밀도의 전지가 된다. 그러므로 동일한 부극재료를 사용하는 경우, 정극의 전압이 높을수록, 또한 용량이 클수록 고에너지밀도의 전지가 가능하다.
특히 전지는 제한된 용기 내에 활물질을 가능한 한 많이 충진시키는 것이 중요한데, 즉 체적당에너지밀도나 중량당에너지밀도가 중요하다. 정극재료의 전압은 주로 재료 내 산화환원종(redox species) 및 구조에 의존한다. 그래서 리튬이 삽입·탈리하는 전압영역에 맞춰 정극재료를 3V급, 4V급 혹은 5V급 재료로 분류하기도 한다.
리튬이온전지에 사용되는 양극재료의 전지특성, 용량, 밀도, 충방전 곡선의 형상, 문제점 등을 표 1에 정리하였다.
휴대전화기나 노트북에 사용하고 있는 리튬이온전지에는 90% 이상이 LiCoO2를 정극재료로 사용하고 있다. 리튬이온전지가 1990년 상용화된 이래 이 정극재료는 바뀌지 않았다. 단 수퍼센트 정도를 망간계 재료가 점하고 있다.
전지에서 가장 중요한 것은 한정된 부피에 활물질을 얼마나 충진할 수 있는가, 즉 용적당용량이 결정적 요소가 된다. 표와 같이 Co계 화합물은 밀도가 높고 체적당용량이 808 mAh/cc로 높기 때문에 당연히 유력한 재료이다. 또한 방전곡선의 형상도 기울임 (slope)형이 충방전 회로의 설계가 용이하므로 중요한 지표가 된다. 그러나 Ni계 화합물은 체적당용량이 큼에도 불구하고 안전성 면에서 실용화가 지연되었다. 그러나 이종금속 도핑된 LiNiO2의 안전성이 검토되어 이 타입의 전지가 실용화될 가능성이 있다.
리튬이온전지가 최초로 상용화된 이후 정극재료는 일관되게 LiCoO2이었으나 부극은 hard carbon에서 흑연으로 바뀌었다. 또한 전지 제조기술의 진보에 힘입어 지난 십수년간 용량으로 보면 약 3배의 진보를 달성하였다.
그러나 정극재료 기술은 그다지 진보하지 못하였으나, 최근에는 휴대전화기에 요구되는 대전류 펄스방전에 대응하여 많이 변화하고 있다. 정극재료에 요구되던 사항들 중 가장 중시되는 것은 전극밀도이고, 이와 관련하여 pack밀도나 sheet밀도도 중요하다. 현재 LiCoO2는 정극합제 중 96 wt% 전후를 차지하고 있다. 나머지 4% 전후는 바인더, carbon 등의 도전재가 차지한다. 이와 같이 활물질인 LiCoO2를 1%라도 많이 충진시키는 것이 중요하다. 이에 따라 전극밀도도 상승하고 충진량 증가에 따라 용량이 증가하는 외에 전극밀도 향상에 의한 용량 증가도 예견할 수 있다.
그러나, LiCoO2는 원재료의 높은 가격, 낮은 방전용량, 독성 등의 문제점으로 인하여 대체가능한 많은 세라믹재료들이 연구개발되고 있으며, 조만간 대체가 가능할 것으로 전망되고 있다. 이러한 후보재료들에는 층상구조인 LiNiO2, LiNi0.5
Mn0.5O2, LiNi0.3Mn0.3Co0.3O2, 스피넬구조의 LiMn2O4, 올리빈구조의 LiFePO4 등이 있다. LiNiO2계 재료는 리튬이온이나 니켈이온이 서로 원자위치가 바뀔 수 있어서 합성조건이 매우 까다롭다. 그러나 용량이 매우 높기 때문에 최근 고용량의 리튬이차전지 정극에 니켈계 재료를 선택하고 있는 실정이다. 이는 알루미늄 도핑을 통하여 니켈계 정극의 단점인 낮은 열적 안정성을 극복하고 있다. 특히 충전시 열안정성이 LiCoO2 정도로 향상된 것이 특징으로, 주로 출하되고 있는 화합물의 조성은 LiNi0.8CO0.15Al0.05O2라고 알려져 있다 (표 2 참조).
표에서와 같이 니켈 함량의 감소, 알루미늄 도핑에 의해 탈산소에 의한 발열피크가 LiNiO2의 200℃에서 LiNi0.8CO0.15
Al0.05O2에서는 310℃까지 열안정성이 대폭 향상되었고, 산소발생도 300℃까지 확인되지 않았다. 종합적으로는 LiNiO2 보다 열안정성이 증가하고 스피넬구조 LiMn2O4와 동등한 정도의 열안정성임을 알 수 있다.
스피넬구조 LiMn2O4 및 올리빈구조 LiFePO4계 화합물은 저가로 환경친화적이면서도 안전성이 높은 리튬2차전지 정극재료로 주목받아 왔다. 그러나 LiMn2O4는 사이클 특성이 좋지 않고, 특히 고온에서의 열화가 문제로 지적되어 왔으나, 최근 이들 성능이 많이 향상되었다. 또한 올리빈구조를 갖는 LiFePO4계 화합물은 전기전도성이 낮아 고율특성이 좋지 않았으나, 최근 이종금속 도핑 또는 탄소 코팅 등 표면개질에 의하여 상당히 개선되었다고 보고되고 있다.
따라서 하이브리드 전기자동차(HEV) 등 대형전지에는 저가이면서 안전성이 가장 우수한 LiMn2O4계 및 LiFePO4계 화합물이 유망하다고 할 수 있다. 뿐만 아니라 층상구조인 LiNi0.3Mn0.3Co0.3O2는 LiCoO2에 비하여 저가이면서 전지특성이 우수하고 열특성이 우수하여 현재에도 소형 전지에 일부 상용화되고 있다.

3. 리튬2차전지의 부극소재
금속리튬의 표준전위는 금속원소 중에서 가장 낮기 때문에 이를 부극으로 하면 전지전압을 높게 할 수 있다. 전압이 높으면 와트수가 크게 되므로 고에너지밀도 전지를 얻는 데에 유리하다. 또한 금속리튬은 가벼운 금속으로 1g에서 추출할 수 있는 전기용량이 매우 높다. 예를 들면 카드뮴 1그램당 477 mAh의 용량 밖에 얻을 수 없지만, 리튬의 원자량은 6.941g으로 매우 작아서 같은 계산을 하면 1 그램당 리튬으로 3,861 mAh나 방전이 가능하다.
현재 실용화되어 있는 금속리튬 1차전지는 우수한 전지특성으로 인하여 전자계산기, 시계, 전자수첩, 각종 전기제품의 메모리 백업용 전원 등에 사용되고 있다. 따라서 이러한 리튬금속을 부극으로 사용한 2차전지를 만들려는 시도는 당연히 많았다. 그러나 금속리튬을 2차전지의 부극으로 사용하려면 넘어야 할 장벽들이 있었다. 첫째는 수지상 결정이다. 금속리튬은 충전 시에는 금속리튬이 부극표면에 석출하지만, 그 때 석출형태가 문제이다. 방전 전에는 평활한 판상형태이나 충전 시에는 침상 또는 수지상의 결정이나 또는 미립자상 결정을 형성하는 일이 많다. 이러한 수지상 결정은 충방전 진행 중에 격리막을 뚫고 정극에 도달하여 내부단락이나 사이클 열화의 원인이 된다. 둘째는 부하특성이 나쁘다. 부하가 작을 때에는 리튬의 우수한 특성을 충분히 살릴 수 있어서 높은 에너지밀도가 얻어지나, 고부하 방전에서는 부극의 이용효율이 나빠져서 에너지밀도가 상당히 저하한다. 이러한 문제점은 충전 시에 석출하는 리튬 형태에 기인하는 것으로 석출형태를 제어할 수 있으면 해결된다.
이와 같은 관점에서 리튬-알루미늄합금을 부극으로 사용하는 리튬2차전지가 제안되었다. 그러나 리튬-알루미늄합금을 부극으로 사용하는 2차전지에서는 방전심도(방전 정도)를 깊게 할수록 사이클 특성이 나빠지는 특성을 완전하게 해결하지 못하였다. 알루미늄 이외에 리튬을 저장할 수 있는 부극으로 응용 가능한 각종 물질들이 검토되어 왔으며, 그 중의 하나가 탄소이다.
대표적인 탄소재료인 흑연은 층상구조를 갖는 물질로서, 그 층 사이에 여러 가지 원자나 원자단이 삽입된 화합물이 존재할 수 있으며, 이것을 흑연층간화합물 (lithium intercalation compound; GIC)이라 한다. 흑연과 리튬은 LiC6라는 조성의 Li-GIC를 형성하며, 전해액 중에서 충전에 의하여 리튬을 흑연 층 사이에 도핑할 수 있고, 방전 시에는 탈도핑할 수 있다. 탄소재료에서 전기화학적으로 리튬을 도핑할 때 중요한 것은 도핑 이외의 부반응, 예를 들면 전해액 분해 등이 일어나지 않는 것이다. 리튬은 물과 반응하므로 리튬계 전지에서는 유기용매를 주로 하는 전해액이 사용된다.
다음으로 중요한 것은 도핑/탈도핑 반응이 가역적이어야 한다. 통상 탄소재료에 리튬을 도핑한 후, 탈도핑하여도 100%의 리튬을 탈도핑할 수 있는 것이 아니라, 일부는 탄소 내에 머문다. 이와 같은 비가역 성분은 가능한 작은 것이 좋은 것은 말할 필요도 없다.
리튬이온전지 부극용 탄소재료로서 지금까지 여러 종류의 탄소가 제안되어 있다. 예를 들면 흑연, 열분해 흑연, 탄소섬유, 코크스, glass carbon, 폴리머의 저온 탄화물 등이 보고되고 있다. 이들은 결정구조면에서는 소프트카본, 하드카본의 하나이며, 또는 그들의 복합구조체로 분류된다. 무정형 (비정질, amorphous) 탄소는 열처리온도를 상승시키면 결정자 비율이 증가함과 동시에 적층구조가 발달하여 흑연구조에 가깝게 된다. 흑연화율은 열처리조건에 따라 다르며 3,000℃ 까지는 거의 완전한 흑연구조에 이른다. 이와 같이 열처리에 의하여 흑연으로 변환할 수 있는 탄소를 소프트카본(이흑연화성 탄소)이라 한다.
한편 열처리를 하여도 결정자의 배향이 무질서한 채로 흑연이 되지 않는 비정질 탄소가 존재하며, 이를 하드카본(난흑연화성 탄소)이라 한다. 그림 4에 소프트카본 및 하드카본의 구조를 모식적으로 나타내었다.
흑연은 층 사이에 전기화학적으로 리튬을 도핑/탈도핑할 수 있다는 것이 가장 빨리 발견되었다. 더욱이 흑연에는 리튬의 도핑에 의하여 층간거리가 확대되는 현상이 있다. 따라서 충방전에 따라서 층간의 팽창과 수축이 반복되게 된다. 그 때문에 사이클이 진행함에 따라 흑연의 결정구조가 파괴되기 쉽고, 사이클 특성에 악영향을 준다. 더욱이 충전 시에는 층의 확대에 의하여 부극이 팽창하여 분리막을 압박하게 되므로 활물질 입자가 분리막을 뚫고 들어갈 확률이 증가하기 때문에 내부단락이 발생할 위험성이 커진다. 또한 LiC6라는 화학양론에서 계산되는 1g 당 372 mAh라는 충전용량의 한계가 존재한다. 적절한 조건에서 소성한 소프트카본은 리튬의 도핑/탈도핑이 가능하다. 예를 들면 소성온도가 1,000~1,500℃ 정도에서 결정자가 어느 정도 발달하고 결정배향이 꽤 진행한 소프트카본을 부극으로 하는 전지개발이 진행되고 있다. 이 경우에는 전해액으로써 PC의 사용이 가능하다. 코크스는 소성온도를 높게 하면 흑연구조에 근접하고, PC의 분해반응이 일어나기 쉽기 때문에 충전용량이 저하한다. 한편, 저온에서 소성한 경우에는 탄화가 불충분하여 수소나 산소원자가 잔류하고 있어 충전량은 커지지만 비가역성분이 많아지는 경향이 있다. 부극으로써 적절한 코크스의 층간거리는 0.34에서 0.36 nm 정도로 0.372 nm 보다 좁기 때문에 리튬의 도핑/탈도핑에 따른 층간의 신축은 피할 수 없다. 또한 충전량도 LiC6의 화학양론의 제한을 받는다.
하드카본은 매우 특이한 구조를 하고 있다. 즉 흑연에서는 결정을 구성하는 층 수는 수백층에 이르나, 하드카본의 결정자에서는 고작 3~4층에 불과하다. 이 작은 결정자가 무질서하게 배향한 구조의 탄소가 하드카본이다. 결정자 부분의 층간거리도 흑연에 비하면 꽤 커서 0.37 nm 이상이 된다. 하드카본의 층간거리는 원래 크기 때문에 결정자 층간에 리튬이 도핑되어도 층간이 확대되는 일이 거의 없다.
따라서 사이클 중의 전극의 팽창과 수축은 없으며, 사이클 특성이 우수한 부극이 얻어진다. 또 하나의 특이한 점은 흑연이나 소프트카본에서는 리튬은 층간에만 도핑되지만, 하드카본에서는 결정자 사이에 존재하는 미세한 구멍에도 리튬이 도핑된다는 점이다. 이 때문에 하드카본은 전지용량을 LiC6의 제한 이상으로 향상시킬 가능성이 있는 재료이다.
현재 시판중인 리튬이온전지에는 천연흑연 뿐만 아니라 출력특성이나 용량, 전극 성형성 면에서 약간 열세인 meso-phase beads계 흑연도 많이 사용되고 있다. 이러한 meso-phase pitch계 흑연의 장점을 살리면서 용량을 천연흑연에 가깝도록 한 ‘붕소(B) 첨가 meso-phase계 흑연’ 및 ‘피치피복 흑연’이 주목받았다. 또한 흑연계 재료의 리튬삽입·방출반응은 결정자 선단을 통해 이루어지기 때문에 입자표면의 결정자 선단 노출율이 높은 쪽이 출력특성이 좋아진다. 그래서 ‘meso-phase pitch계 탄소섬유’가 개량형 흑연계 재료로 제안되기도 하였다.

4. 맺음말
탄소 부극의 채용으로 리튬2차전지가 실용화된 지 15년 정도가 지나는 동안 생산량 및 수요는 급성장하였다. 그러나 다른 이차전지들이 대부분이 19세기에 발견되어 지금까지 진보되어 온 점을 고려하면 리튬2차전지 기술도 앞으로 더욱 발전할 것이다. 특히 전술한 바와 같이 앞으로 개발되는 고성능 신재료에 의하여 더욱 진보할 것임에 틀림없다.
실제로 산화물계나 질화물계 재료 중에는 전위가 매우 높고 탄소보다 높은 용량을 보이는 부극재료도 발견되어 있다. 또한 탄소와 동족인 실리콘을 고분산시킨 탄소재료 등 소위 carbon alloy라 불리는 재료도 제안되고 있다. 또한 전술한 바와 같이 정극재료로도 현재 실용화되어 있는 LiCoO2의 낮은 방전용량, 높은 원재료 등의 문제를 해결하기 위하여 개발 중인 층상구조의 고용량 LiNiO2, LiNi0.3Mn0.3Co0.3O2, 고안전성의 스피넬구조의 LiMn2O4 및 올리빈구조의 LiFePO4 등 새로운 대채 신재료에 거는 기대도 높다. 물론 전해액에서도 난연화 및 고체화를 위한 폴리머전해질 등 향후 연구개발이 필요한 분야가 많은 것도 사실이다.
그러나 이차전지가 필요한 응용분야는 계속해서 증가하고 있고, 에너지밀도, 출력밀도, 안전성 등 이차전지에 거는 기대와 요구조건도 또한 계속 심해지고 있어서 무기재료를 전공하는 엔지니어들에게 주어진 사명과 역할이 점차 커지고 있다.

참고문헌
1) 김현수, 김상필역, 리튬이온2차전지, 다솜출판사 (2002)
2) C. Julien and Z. Stoynov, Eds., Materials for Lithium-Ion Batteries, Kluwer Academic Publishers (1999)
3) T. Osaka and M. Datta, Eds., Energy Storage Systems for Electronics (2000)

그림 1. 리튬이차전지의 응용분야
그림 2. 각종 이차전지의 에너지밀도와 출력밀도 비교
그림 3. 리튬이온전지의 작동원리
표 1. 리튬이온전지용 각종 정극재료의 특성

      
표 2. 각종 산화물의 열적 안정성 예
 carbon
그림 4. Soft carbon과 hard carbon의 구조 모델

필자약력
인하대학교 금속공학 학사
인하대학교 금속공학 석사
도호쿠대학 금속공학 공학박사
도호쿠공업기술연구소 특별연구원
도후쿠대학 연구원
한국기계연구원 연구원
POSCO 계장

차세대 성장동력과 세라믹스

차세대 고체산화물 연료전지(SOFC)와 세라믹스

이태희 한전 전력연구원 일반연구원
박재근 한전 전력연구원 일반연구원
유영성 공학박사 한전 전력연구원 책임연구원

1. 서론
연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응을 통해 직접 전기로 변환시키는 장치로서, 기존의 전지와 달리 연료의 공급에 의해 연속적인 발전이 가능한 시스템이다. 연료의 전기화학적 산화반응으로 직접 전기를 발생시키기 때문에 연료전지는 기존의 발전장치와 비교해 매우 높은 발전효율을 얻을 수 있으며 기계적 회전부가 없어 소음발생도 적다. 또한 발전용량 조절이 쉽고 단위용량을 기본으로 모듈화가 가능하여 수 W에서 MW까지 광범위한 발전용량을 얻을 수 있다.
한편, 연료전지는 NOx, SOx와 같은 오염물질의 배출이 없고, 수소를 연료로 사용할 경우 물 이외의 오염물질을 배출하지 않는 청정발전 장치이다. 수소는 다양한 방법으로 생산이 가능하며, 사용 후 물로 재순환 되므로 환경오염이나 자원고갈의 우려가 없어 미래의 청정에너지원으로 주목받고 있는데, 현 시점에서 이러한 수소를 가장 효과적으로 사용할 수 있는 것이 연료전지이다.
연료전지는 전해질 및 전극에 따라 특성이 달라지는데 현재 알칼리형, 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형, 고분자전해질형, 직접메탄올 연료전지 등이 개발되고 있으며, 작동조건과 특성 등을 고려하여 발전용, 가정용, 수송용, 이동용 등에 적용하기 위한 연구가 진행 중이다. 이 가운데 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 고체상의 세라믹을 전해질로 사용하여 500℃~1000℃의 고온에서 운전되므로 발전효율이 높고, 고온의 배기가스를 이용한 열병합 발전이 용이하다. 또한 비귀금속계의 전극 사용이 가능하고, 수소 이외에도 간단한 개질 반응을 통해 천연가스, 디젤 등의 탄화수소계 연료를 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 고에서는 차세대 청정 발전시스템으로 주목받고 있는 SOFC의 국내외 기술동향과 함께 한전의 개발현황에 대해 소개하고자 한다.

2. SOFC 스택 및 시스템 개요
연료전지는 연료극, 전해질, 공기극 등으로 이루어진 단전지(single cell)를 기본적인 구성요소로 한다.
SOFC 단전지는 다공성 복합체의 전극 사이에 치밀한 구조의 전해질 세라믹층을 형성시켜 구성하는데 매우 까다로운 세라믹 공정기술이 요구된다. 연료전지에서 원하는 전압과 출력을 얻기 위해서는 여러 장의 단전지를 분리판과 밀봉재 등을 이용하여 쌓은 스택(stack)을 구성해야 한다. 그림 1은 Versa Power System(VPS)의 SOFC 스택의 구조를 보여주고 있다.
SOFC는 외형에 따라 원통형과 평판형 등이 있으며, 지지체의 선택과 구성에 따라 전해질지지형, 연료극지지형, 공기극지지형이 있다. 스택의 구조와 형태는 구성물질의 특성에 의해 달라질 수 있는데, 작동조건에서 단전지 및 스택 구성요소들의 물리적, 전기적, 전기화학적 특성과 안정성을 반드시 고려해야 한다. 그리고 사용되는 재료와 응용분야에 따라 800~1000℃ 부근에서 작동하는 고온형, 650~800℃에서 작동하는 중온형, 그리고 650℃ 이하에서 작동하는 저온형으로 나눌 수 있다.
연료전지 시스템은 전기를 생산하는 스택을 중심으로 연료처리장치, 생산된 직류를 교류로 변환시키고 전압을 조절해 주는 전력변환장치와 시스템 주변장치(balance of plant, BOP) 등으로 구성된다.
특히 수소의 사회간접자본이 미비한 현시점에서 연료전지의 보급을 앞당기기 위해서는 천연가스, 디젤 등의 상용 연료를 수소가 다량 함유된 개질가스로 전환시키는 개질기의 개발이 필요하다. 그리고 고온에서 작동하는 SOFC 발전시스템은 고온의 배기가스를 이용한 열병합 발전장치 및 마이크로 가스터빈 장치를 추가하게 된다.
따라서 시스템의 효율을 높이기 위해서는 스택의 성능향상 뿐만 아니라 시스템 구성요소 개발과 효율적인 열관리를 위한 시스템 설계가 필요하다.

3. 해외의 SOFC 기술동향
가. 미국
미국은 1960년부터 SOFC 개발을 시작했다. VISION 21 프로그램에서 Siemens-Westinghouse(SWPC)는 튜브형의 단전지를 연결하여 100kW급 SOFC 스택을 개발하여 11,000시간 이상을 운전하였으며, 이와 병행하여 마이크로 가스터빈과 하이브리드 방식의 220kW급 SOFC-GT 발전시스템에 관한 연구도 수행하였다. SWPC는 그림 2에서 보는 것처럼 공기극지지체의 튜브형 단전지(cathode supported tubular type)에서 평관형(flatted tube)의 HPD(high power density) 단전지로, 그리고 최근에는 Delta 단전지로 개량하였다. Delta9는 튜브형과 비교할 때 단위 부피당 300%, 단위 면적당 60%의 높은 에너지밀도를 가지고 있다.
한편, 단전지를 제조하는 공정을 고가의 electrochemical vapor deposition(EVD)에서 atmospheric plasma spray(APS)로 바꾸면서 비용을 줄이기 위해 노력하고 있다.
최근에는 스택과 BOP에서 큰 비용절감을 이룬 SFC-200(그림 3 참조)이 개발되어 장기운전 중에 있는데 현재 125kWe의 출력과 AC 발전효율 44~47%를 나타내고 있다.
2000년 들어 DOE 주관으로 2010년까지 SOFC 가격을 $400/kW까지 줄이고 상용화를 이루기 위해 Solid State Energy Conversion Alliance(SECA) 프로그램을 시작하였다.
이 프로그램에서는 Cummins-SOFCo, Acumentrics, Delphi-Battelle, GE, SWPC, Fuel Cell Energy의 6개 산업체 팀을 구성하여 발전용, 자동차 보조전원용 등으로 활용 가능한 SOFC의 개발과 대량생산 및 비용절감에 대한 연구를 수행 중이다. SECA Core Technology Program (CTP)에서는 산업체뿐만 아니라 대학과 국가연구소가 참여하여 가스 밀봉, 분리판, 전극, 연료개질, 전력변환장치 등 SECA 프로그램을 진행하는데 필요한 기술지원과 연구를 수행하고 있다. 그림 4는 Acumentrics의 튜브형 스택과 5kWe급 열병합 발전시스템을 보여주고 있다.
한편 Versa Power Systems(VPS, 구 Global Thermoe
lectric)에서는 중온에서 작동하는 평판형 연료극지지체식 스택을 이용하여 발전시스템을 개발하고 있으며, Delphi는 Battle-PNNL과 공동으로 자동차 보조전원(auxiliary power unit, APU)으로 이용될 SOFC 시스템을 개발하고 있다.

나. 유럽
유럽에서는 1974년 1차 오일쇼크 이후 SOFC 연구가 시작되었으며, 유럽공동체 연구개발 계획과 IEA의 고체산화물 연료전지개발 사업 등이 수행되고 있다.
Rolls-Royce Fuel Cell Systems(RRFCS)는 연료매니폴드를 가진 그림 5. RRFC 단전지 구조(a)와 1MW 하이브리드 시스템(b) 세라믹튜브 묶음 위에 스크린 프린팅을 이용하여 셀들이 직렬로 연결되어 있는 구조의 스택을 만들고, 이것을 이용해 발전 모듈을 구성하였다. RRFCS는 현재 7기압, 880℃에서 운전하여 63.3kWe의 출력을 갖는 시스템을 개발했으며 2006년에는 250kWe, 2007년에는 1MWe 하이브리드 시스템 개발을 목표로 연구가 진행 중이다. 그림 5는 RRFCS의 SOFC 단전지와 1MWe급의 하이브리드 시스템의 모습이다.
독일의 율리히 연구소(Forschungszentrum Julich)는 지난 10여 년 동안 스택제조공정을 포함한 다양한 연구를 수행하여 20×20cm2 크기의 연료극 지지체식 평판형 스택개발에 성공하였다. 분리판 재료로 ferrite 계의 steel인 JS-3의 개발을 통하여 약 8000시간 이상의 장기성능과 1%/1000h 이하의 성능손실을 얻었으며, 상용화를 고려하여 0.25% /1000h 성능손실을 가지는 스택 개발을 목표로 하고 있다.
Sulzer Hexis는 2001년부터 전해질 지지형(원반 평판형)의 스택을 제작하여 천연가스를 연료로 하는 HXS 1000 PREMIERE를 개발함으로써 가정용 열병합 발전 시스템을 선도해 왔다. 최근 모기업인 Sulzer와 분리되어 Hexis AG로 이름을 변경하고 가정용 열병합 발전시스템인 Galileo 1000N 개발에 주력하고 있다. 이 시스템은 1kWe의 전기출력과 2.5kW의 열량을 생산하고 25~30%의 전력효율과 85%의 시스템 효율을 가진다.
이 외에도 Topsoe Fuel Cells(덴마크), BMW/Elring
Klinger(독일), Ceres Power(영국), EuroCoating(이탈리아) 등의 회사들과 CEA(프랑스), VTT(핀란드), Imperial College(영국), DLR(독일) 등이 SOFC 연구를 활발히 수행하고 있다.

다. 일본
현재 일본은 NEDO가 중심이 되어 2008년 SOFC 상용화를 위해 기초연구와 시스템에 관한 연구를 수행하고 있다.
열병합발전 시스템에 관한 연구는 Kansai전력회사/Mitsu
bishi Materials Corporation(MMC), CHUBU전력회사/Mitsubishi Heavy Industries(MHI) 등 4개의 산업체 그룹이 참여하여 2007년까지 10~100kW 출력의 시스템을 개발하고 있고, 복합발전 시스템은 MHI가 참여하여 200kW급의 SOFC-GT 시스템을 개발하고 내구성과 신뢰성 확보를 위한 연구를 진행 중이다.
한편 2005년부터 구성요소개발 프로젝트가 시작되었는데 AIST, CRIEPI, TOTO, MMC 등이 신뢰성 향상을 위한 연구를 하고 있고, MHI, MMC/Kansai, TOTO 등은 0.4~0.6W
/cm2의 고효율 스택개발을 목표로 하고 있다. 이외에도 SOFC 적용분야를 확대하기 위한 연구도 함께 진행되고 있다.
MMC와 Kansai전력회사는 디스크 형태의 밀봉이 없는 SOFC 스택 구조를 개발하여 미반응 가스들을 스택 주변에서 연소시켜 스택과 BOP에 필요한 열을 공급하도록 하였다. 현재 내부메니폴드 형태의 새로운 스택구조를 통해 비용을 줄인 1kW급의 4세대 발전모듈이 시험운전 중인데 도시가스를 연료로 이용하여 54%(DC-HHV) 전력변환효율을 얻었으며, 600시간 운전결과 성능저하가 나타나지 않았고 5,000시간을 목표로 장기운전을 계속 진행하고 있다.
이와 함께 10kW급의 모듈이 2006년에 시험 운전되어 12.6kW-DC 출력과 50%(HHV)의 효율을 가졌고, 2007년까지 10kW급의 열병합 발전시스템 개발을 목표로 하고 있다. 그림 6은 MMC/Kansai전력회사에서 개발한 1kW급 시스템의 사진이다.
Kyocera는 그림 7에서 보는 것처럼 전도성의 다공성 지지체에 Tape-Casting을 이용하여 전극과 전해질을 제작한 평관형(flattened tube) 구조를 개발하였다. Kyocera는 약 200개의 셀을 적층하여 1kW급 가정용 열병합 발전시스템을 제작하였으며 Osaka Gas와 함께 실증시험을 하였다. 2005년 11월부터 약 90일(약 2000시간)동안 진행된 시험에서 49%(AC- LHV)의 전력효율과 34%의 열효율(70℃ 온수제조)을 얻었으며, 가정의 부하변동에 따른 일일 평균 전력효율은 44.1%(AC-LHV)를 얻었다.

4. 한전의 SOFC 스택 및 시스템 개발 현황
현재 SOFC 발전시스템 개발의 핵심기술은 스택 또는 발전모듈(module)의 제작기술에 있다. 한전 전력연구원은 SOFC의 성능을 향상 시기키 위해 기존의 전해질 및 전극 재료들에 비행 성능이 우수한 새로운 소재를 개발함과 동시에 기존 소재를 활용할 수 있는 미세구조 제어기술과 제조공정을 연구해 왔다.
그리고 SOFC의 작동온도를 낮춰 고가의 내열합금이나 세라믹소재의 분리판을 ferrite 계의 스테인리스 소재로 대체하여 스택의 경제성을 확보하였다. 하지만 페라이트계 스테인리스 소재의 경우 여전히 공기극(cathode)에서 산화문제가 일어나므로 분리판의 내산화 코팅을 통해 장기안정성 확보를 위한 연구를 수행 중이다. 또한 장기 운전과 열싸이클에서의 내구성 확보를 위해 구성물질들의 열팽창계수와 열화학적 안정성에 대한 연구를 진행 중에 있다.
특히 연료와 산화가스를 격리시켜 주는 밀봉재는 평판형 SOFC 스택의 내구성에 중요한 구성요소이므로 고온 밀봉재에 대한 연구에도 많은 노력을 기울이고 있다.

가. 단전지 및 스택 개발
한전 전력연구원(KEPRI)에서는 중·저온(650~800℃)에서 작동하는 평판형의 연료극지지식 단전지와 스택 개발에 중점을 두고 있다. 전력연구원에서는 국내 최초로 연료극지지형 단전지 개발에 성공하였으며, 연료극 재료로는 Ni-8YSZ(8 mol% yttria-stabilized zirconia), 전해질 재료로는 8YSZ, 공기극 재료로는 LSCF((LaSr)(CoFe)O3)를 이용하고 있다. 특히 연료극에 Functional Layer를 적용하여 미세구조를 조절하고, 기존의 LSM((LaSr)MnO3) 공기극을 대체하는 LSCF 공기극 개발로 SOFC 단전지의 성능을 개선시켜 750℃에서 1.2W/cm2의 최대전력밀도를 갖는 고성능 단전지의 제조기술을 보유하게 되었다. 또한 기존의 YSZ 전해질보다 높은 산소이온 전도성을 갖는 ScSZ(scandia-stabilized zirconia)를 약 10㎛ 두께로 코팅할 수 있는 기술을 개발하고, 이를 적용한 단전지 제작에 성공하여 750℃에서 약 1.7W/cm2의 매우 높은 최대전력밀도 성능을 얻을 수 있었다. 그리고 발전용량 증가를 위해 단전지의 대면적화 연구를 수행하여 현재 10×10cm2와 15×15cm2의 대면적 단전지(그림 8 참조) 제작 공정을 확보하였다.
한편, 개발된 단전지(LSM계에서)는 32,000시간(약 4년)의 장기성능 시험을 마쳤으며, 10×10cm2 대면적화 기술을 확보하여 kW급 스택제작에 이용되고 있다. 특히 10×10cm2 단전지 37장을 STS430 계열의 금속 분리판과 고온 유리밀봉재를 이용해 적층하여 국내 최초로 1kW급 SOFC 스택(그림 9(a) 참조) 개발에 성공하였다.

나. 시스템 개발
한전 전력연구원은 산업자원부 지원으로 2003년~2006년까지 진행된 SOFC 발전시스템 1단계 연구에서 1kW급 중온형 SOFC 모듈(스택)과 천연(도시)가스 연료개질기 등 BOP 개발을 통해 1kW급 SOFC 시스템을 설계·제작하고 성공적으로 운전하였다(그림 9(b) 참조). 개발된 SOFC 시스템은 천연가스를 연료로 750℃에서 운전되어 40A에서 1130We, 50A에서는 1300We의 출력을 보였다. 그리고 스택 미반응 가스의 연소열을 이용한 온수제조를 통해 전류에 따라 570~
1200W의 열량을 회수할 수 있었다.
현재는 2010년까지 5kW급 SOFC 열병합 발전시스템 개발과제가 2단계 연구로 진행 중이다. 2단계 연구에서는 도시가스 이외에 등유와 디젤 등의 액체연료도 사용할 수 있는 개질 시스템을 개발하고, 발전효율 35%, 열회수를 포함한 시스템 전체효율 75%룰 목표로 하고 있다. 이를 위해 고성능의 SOFC 단전지와 스택을 개발하고, 내구성과 경제성을 확보하며, 전력변환기, 펌프, 블로워 등의 BOP 개발과 최적화에 대한 연구가 진행 중이다.

5. 결론
현재 SOFC는 미국, 유럽, 일본 등을 중심으로 1kW급에서 수백 kW급의 데모용 발전시스템이 개발되어 실증시험이 진행 중이다. 특히 지난 2년 동안 SOFC 기술은 빠르게 발전되어 왔으며, 발전시스템의 상용화를 위해 제조공정 개선과 비용절감, 내구성 확보를 위한 노력이 진행되고 있다.
에너지 문제와 엄격한 환경규제가 산업 및 경제활동 전반에 걸쳐 큰 부담으로 다가오는 상황에서 SOFC는 차세대 에너지 변환장치로 각광받고 있으며 기술개발 경쟁은 더욱 치열해질 것으로 전망된다.
이러한 상황에서 한전 전력연구원은 국내 최초로 1kW급 이상의 SOFC 스택과 시스템 개발에 성공하였으며, SOFC 관련 원천기술 확보를 위한 연구개발에 힘쓰고 있다. 한전 전력연구원은 이러한 연구를 통해 SOFC를 이용한 수 kW급의 가정용/상업용 열병합 발전시스템을 개발하고 나아가 분산 전원시스템을 개발함으로써 SOFC 상용화에 기여하고자 한다.

참고문헌
1. N.Q.Minh and Takahashi, Science and Technology of Ceramic Fuel Cells, Elsevier, Amsterdam, The Netherlands (1995)
2. James Larminie and Andrew Dicks, Fuel Cell Systems Explained, 2nd Edition, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, UK (2003)
3. Ryan O’hayre et al., Fuel Cell Fundamentals, John Wiley & Sons Ltd, New York (2006)
4. 유영성, 이태희, 박재근 외 12인, “1kW급 중온형 고체산화물 연료전지 (SOFC) 모듈 및 시스템 개발”, 산업자원부 신재생에너지기술개발사업 최종보고서, 2003-N-FC02-P-01 (2006)

필자약력(이태희)
POSTECH 기계공학과 학사
KAIST 기계공학과 석사
한전 전력연구원 일반연구원

필자약력(박재근)
단국대학교 고분자공학과 학사
연세대학교 화학공학과 석사
한전 전력연구원 일반연구원

필자약력(유영성)
서울대학교 무기재료공학과 학사, 석사, 박사
한전 전력연구원 책임연구원
고체산화물 연료전지 분야 과제책임자

차세대 성장동력과 세라믹스

차세대 생체재료와 세라믹스

류현승 공학박사 (주)바이오알파 대표이사

현재 시장에 나와 있는 생체재료는 대부분 뼈, 치아, 인대, 피부, 연골과 같은 인체조직을 대체하는데 사용되고 있으며, 그 중에서도 뼈와 치아의 재건술(reconstruction)에 가장 집중도가 높다. 과거에는 질병이 발병한 조직을 제거하는데 만족하였으나, 인간의 생존기간이 길어지면서 제거된 조직을 대체하고 수복하는 목적으로 인공조직이 사용되고 있다. 단순히 제거된 조직을 채우거나 부러진 뼈를 고정하는데 사용되었던 일부 금속 및 고분자 재료에서 70년대부터 생체친화성이 높은 세라믹 소재가 개발되면서 인체에 보다 안전하고 주위 조직과 화학적으로 결합하는 생체세라믹 제품으로 업그레이드되어 가고 있다. 그러나 생명공학의 발달과 함께 인체조직의 대체술보다는 인체 인공조직을 재생하는 시술로 바뀔 것으로 예상되며, 생체재료도 조직 재생에 맞춰 개발될 것으로 생각된다. 기존 생체재료가 가지고 있는 문제점을 극복할 수 있는 차세대 신소재가 등장하고 각 소재가 가지고 있는 장점을 극대화하고 단점은 최소화할 수 있는 복합재료가 각광 받을 것으로 예상된다. 특히 생체 세라믹 소재는 인체에 사용되는 금속, 고분자에 비해 탁월한 생체친화성을 가지고 있기 때문에 미래 생체재료로도 지속적인 관심을 받을 것이다.
세라믹스는 그동안 저렴하게 대량 제조가 가능하고 기계적 신뢰성이 높은 금속, 고분자에 밀려 산업적으로 널리 사용되지 못했다. 그러나 사람 몸과 같이 부식성이 강한 환경에서 안정할 수 있고 그 자체나 용출물, 분해산물이 인체 내에서 악영향을 미치지 않으며, 생물학적으로 절대 안전해야 한다. 이러한 조건을 만족하는 생체재료로는 세라믹이 금속, 고분자보다 훨씬 더 적합하다. 게다가 일부 세라믹 소재는 자신의 것으로 착각하여 이식 후 이물반응 없이 주변 조직과 직접, 화학적으로 결합하는 특성이 있는데 이러한 세라믹 소재가 바로 생체활성 세라믹(bioactive ceramic)이다. 생체활성 세라믹은 인체의 뼈를 구성하는 무기 물질인 하이드록시아파타이트[hydroxyapatite, Ca10(PO4)6(OH)2]를 합성하여 제조한 하이드록시아파타이트 세라믹이 대표적이다. 하이드록시아파타이트와 같은 인산칼슘계 화합물인 베타(β)형 인산3칼슘[tricalcium phosphate, Ca3(PO4)2]과 베타(β)형 칼슘피로인산염 (calcium pyrophosphate, Ca2P2O7)이 있으며 NaO-CaO-SiO2계 유리와 MgO-CaO- SiO2-P2O5계 결정화유리도 생체활성 세라믹이다. 비록 주위 인체조직과 직접, 화학적 결합은 하지 않으나 독성이 없는 생체불활성 세라믹(bioinert ceramic)이며 우수한 내마모성이 강점인 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2) 세라믹은 반복하중을 견디어야 하고 마모가 일어나지 않아야 하는 인공 관절의 부품으로 사용되고 있다. 이러한 세라믹 소재는 금속보다 가벼우면서 단단하고 내열성이 있으며 압축강도가 높고 내식성, 내마모성이 우수하여 체내에 이식되어 사용하기에 좋다.
이상적인 인공 뼈 이식재는 다음과 같은 특성을 가져야 한다.
1) 생체친화성 : 독성이 없으며 이식 부위의 조직과 화학적으로 결합해야 한다.
2) 적절한 인장, 압축, 전단강도 : 하중을 받는 이식재는 매우 강해야 한다. 그러나 너무 강하면 하중이 이식재에 집중되어 전달되므로 주위의 뼈가 녹아내리는 stress shielding 현상을 유발한다.
3) 내식성 및 내마모성 : 이식재가 부식되거나 마모된다면 이식된 부위에서 이탈하거나 여러 문제를 야기한다. 좋은 이식재는 오랜 기간 안정해야 하는데 특히 금속재료의 부식은 금속 이온의 용출을 발생하기 때문에 신경계 질환을 유발하기도 한다.
생체 이식 재료로서 가장 먼저 사용된 것은 대표적인 생체불활성 재료인 알루미나로 1970년 프랑스 의사인 Pierre Boutin이 인공 고관절(hip joint)에 알루미나 골두와 비구컵을 사용하여 환자에 시술하였다. 일반적으로 사용되고 있는 코발트-크롬 합금 골두와 초고밀도 폴리에틸렌 비구컵으로 구성된 인공관절에 비해 마모가 극히 적어 마모 파편으로 인한 골용해(Osteolysis)현상이 없었다. 최근에는 내마모성과 파괴인성이 알루미나보다 우수한 지르코니아에 대한 안전성이 검증되어 2002년에 처음으로 지르코니아 골두와 비구컵으로 구성된 인공관절이 미국 FDA 승인을 받아 시판되었다. 일본 교세라에서는 지르코니아 인공슬관절(Knee joint)까지 개발하여 시판 중이다. 우리 나라에서도 마모가 되지 않는 세라믹 비구컵과 세라믹 골두로 구성된 인공고관절의 사용이 금속-폴리에틸렌 인공고관절의 사용보다 훨씬 많아 졌다.
인공치아 분야에도 세라믹 소재가 사용되고 있다. 알루미나로 구성된 인공 치근(dental root) 제품이 먼저 사용화되었으나 인간의 반복되는 엄청난 저작력을 견디지 못하고 파괴되거나 균열이 발생하는 사례가 있어 널리 사용되지는 못하고 현재에는 티타늄합금 재질의 임플란트가 대세를 이루고 있다. 그러나 인공치관의 경우 인공 치근에 비해 힘을 덜 받고 무엇보다 심미성(aesthetics)이 매우 중요하기 때문에 검은색인 금속보다 치아와 색깔이 비슷하고 치아와 같이 투명성이 있는 세라믹 소재가 적합하다. 포실린이라 불리는 felspathic porcelain이 대표적이며 이는 자연 치아와 색이 비슷하고 심미성이 매우 좋다. 최근까지 인공 치근과 치관을 연결하는 코어(Core)로는 금속 소재가 사용되었으나 심미적인 이유로 치아의 색과 크게 차이나지 않는 지르코니아 세라믹으로 대체되고 있다. 가공이 까다로워 금속 제품에 비해 가격이 비싼 것과 때때로 깨지는 점이 흠이나 지르코니아 가공기술이 발달함에 따라 가격이 낮춰지고 있고 나노 기술의 발달로 파괴인성이 증가된 차세대 지르코니아 소재가 개발된다면 지르코니아 세라믹이 코어 물질로 대세를 이룰 것으로 판단된다.
인체 조직의 재생술이 주종을 이룰 미래에는 기존 생체재료의 단점을 극복한 신소재와 여러 작용을 하는 다기능성 하이브리드 소재, 기존 소재의 장점을 극대화한 복합소재가 차세대 생체재료로서 각광을 받을 것으로 전망된다. 특히 인체 조직의 재생을 위해서는 조직 재생을 촉진하는 물질 또는 세포와 생체재료를 복합해야 하는데 이때 중요한 특성이 바로 단백질 흡착성과 생분해성이다. 뼈 재생을 촉진하기 위해서 뼈세포를 직접 배양한 지지체(scaffold)를 이식하거나 체내 줄기세포를 뼈세포로 빠르게 분화시키는 골형성 단백질(Bone morphogenetic protein)인 BMP-2를 복합한 지지체가 대표적인 미래 뼈이식재료이다. 이 때 지지체를 구성하는 생체재료가 매우 중요한데 뼈세포가 안착하여 빠르게 증식할 수 있도록 돕고 골형성 단백질과 강하게 결합하여 이식 후 시간이 지나도 단백질을 끝까지 보유하여 뼈재생이 지속될 수 있어야 한다. 지금까지 생체재료가 조직의 대체를 목적으로 하였기 때문에 체내에서 흡수되지 않고 끝까지 남아있어도 크게 상관이 없었으나 조직의 완전한 재생을 목적으로 사용될 때에는 조직이 재생될 때까지 내구성을 유지하다 서서히 흡수되어 최종적으로는 완전히 흡수되어 치환되어져야 한다. 따라서 생체재료의 생분해성이 매우 중요한데 조직이 재생하기 전에 너무 빨리 흡수되어도 안 되고 너무 늦게 흡수되어 조직의 재생을 방해해도 안 된다. 생분해성을 갖는 생체재료에는 polyL-lactic acid(PLLA)와 Polyglycolide-L-lactide(PGLA)의 고분자 물질과 베타형 인산3칼슘과 황산칼슘과 같은 세라믹 재료가 있다. 그 동안 핀, 스크류, 플레이트와 같은 체내 고정장치가 스테인리스 또는 티타늄 소재로 되어 있어 치료 후에 수술을 통해 반드시 제거해야 하는 불편함이 있었다. 이를 극복하기 위해서 생분해성 고분자인 PLLA와 PGLA를 이용하여 제거가 필요 없는 핀, 스크류, 플레이트가 개발되었다. 이들 소재들은 금속보다 유연하여 인체 조직의 굴곡에 맞게 변형되는 장점이 있다. 그러나 소재 자체는 생체 친화성이 떨어져서 주위 조직과 결합이 이루어지지 않기 때문에 일정 시간이 지나면 이식 부위에서 이탈(loosening)되는 문제점이 나타나고 있다. 따라서 생분해성을 유지한 채로 생체친화성을 향상시키기 위해 하이드록시아파타이트 분말을 PLLA 또는 PGLA에 복합화를 시도한 연구가 진행되고 있으며, 일부는 제품화되어 시판되고 있다. 이러한 복합재료가 임상적으로 유용성이 입증된다면 멀지 않아 금속 소재의 체내 고정장치는 사라지고 환자의 고통을 야기하는 제거 수술이 필요 없는 고정술이 가능하게 될 것이다.
대표적인 뼈 이식재료인 하이드록시아파타이트 세라믹은 생체친화성은 매우 우수하나 체내에서 녹지 않기 때문에 결국 뼈 재생을 방해하는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해서 뼈와 직접 결합하면서 생분해성이 있는 베타형 인산3칼슘으로 구성된 뼈이식재가 등장하였다. 그러나 베타형 인산3칼슘은 뼈가 재생되기 전에 빨리 흡수되는 특성이 있어 생분해되지 않는 하이드록시아파타이트와 여러 비율로 복합된 제품들이 출시되었다. 그러나 여전히 생분해되지 않는 하이드록시아파타이트 성분을 포함하고 있기에 문제점을 완전히 극복하였다고 평가하기 어렵다. 최근 서울대학교 신소재공동연구소에서 개발한 CaO-SiO2-P2O5-B2O3계 결정화 유리는 유리 조성의 조합에 따라 단일성분으로 생분해속도를 연속적으로 조절할 수 있는 신소재이며, 이러한 신소재를 사용하면 환자에 맞는 생분해속도를 갖는 뼈이식재의 제품화가 가능하다. 또한 기존 하이드록시아파타이트 세라믹에 비해 기계적 강도가 최대 5배, 충격저항이 3.5배 증가되었기 때문에 하이드록시아파타이트 세라믹을 사용하기 힘들었던, 척추와 같은 반복 하중을 견디어야 하는 부위에도 사용이 가능하다. 
현재 골형성 단백질인 BMP을 포함한 제품은 미국 Medtron
ics 사의 Induct-OS 제품과 미국 Stryker 사의 OP-1 제품이 시판되고 있다. 이들은 BMP를 탑재한 지지체로 구조 단백질의 일종인 가용성 콜라겐 스폰지를 사용하는데 이 지지체는 BMP의 효과가 나타나기도 전에 체내에 흡수되어 실질적인 효능이 떨어진다는 보고가 발표되고 있다. 따라서 BMP의 효과가 제대로 나타나기 위해서는 BMP를 강하게 결합하고 있으면서 뼈가 재생될 수 있는 유효공간을 확보하면서 서서히 흡수될 수 있는 지지체가 필요하며, 이를 위해서는 높은 생체친화성과 적절한 속도의 생분해성을 갖는 생체재료의 등장이 필요하며 이러한 생체재료는 세라믹 신소재가 될 가능성이 높으며 상기의 CaO-SiO2-P2O5-B2O3계 결정화 유리도 유망한 후보 중에 하나이다. 미래에는 환자의 삶의 질 추구 현상이 더욱 두드러져서 흉터가 최소화되고 수술이 간단하며 회복기간이 최소화하는 최소 침습술(minimal invasive surgery)이 대중화될 것으로 예측된다. 최소 침습술이란, 절개 부위를 최소한 수술법을 말하는데 이러한 최소 침습술을 위해서는 주입형 자기경화형 인공뼈가 필수적이다. 현재에는 피부와 근육을 완전히 절개한 후 뼈 결손 부위 주변의 병변을 제거하고 그 자리에 뼈이식재를 보충하는 식으로 진행되었다. 그러나 절개 없이 주사기로 인공뼈를 주입하여 시술한다면 환자의 회복 기간이 따로 필요없이 그 다음 날 바로 퇴원이 가능하여 환자가 겪는 고통이 크게 줄어들게 된다.
척추성형술(vertebroplasty)은 최소침습의 주입형 시술에 주로 쓰이고 있는데, 폴리메타메틸아크릴레이트(PMMA) 골시멘트를 주저앉은 척추체에 주사기를 통해서 주입하면 주입된 골시멘트가 무너진 척추체를 다시 일으켜 원형을 회복하고 충분한 시간이 경과되면 골시멘트가 딱딱하게 경화되어 반복하중을 견딜 수 있는 내구성을 갖는 원리이다. 그러나 경화된 폴리메타메틸아크릴레이트는 뼈와 붙지 않는 재료이고 주위 주직과 분리되며 뼈보다 단단하여 인체 척추체를 손상시키는 문제점이 있고 경화시 온도가 80~90℃까지 상승하여 주위 조직을 괴사시키고 미반응한 단량체(monomer)들이 전신으로 퍼져 색전증을 유발할 위험성도 있다. 이를 해결하기 위해 뼈와 직접 결합 가능하고 자기경화형 인산칼슘계 골시멘트가 연구되었고 일부 제품이 출시되어 사용되고 있다. 그러나 현재까지 출시된 아파타이트 제품은 너무 빨리 녹아 흡수되어 뼈가 충분히 재생되지 않거나, 점도가 너무 높아 주사기로 잘 주입되지 않는 등의 편의성이 떨어지며 경화가 잘 되지 않아 내구성이 없는 문제가 있다.
인구의 노령화에 따라 골다공증 환자가 꾸준히 증가되고 있고 골다공증 환자가 낙상 시 척추체가 주저앉는 부상을 당함에 따라 척추성형술이 필요한 환자의 수는 증가되고 있기에 기존 제품의 문제점을 극복할 수 있는 차세대 생체활성 골시멘트 개발이 시급하다. 이러한 차세대 생체활성 골시멘트는 사용이 간편하기 때문에 약물전달 시스템(DDS, drug delivery system)으로도 활용가치가 높다. 그동안 약물을 전달하는 방법은 주로 경구 투여 방식으로 약효성분을 체내에서 흡수가 잘 되는 젤라틴과 같은 성분으로 캡슐화하고, 사람이 이와 같은 정제를 먹게 되면 유효 약성분이 24시간 내 소화되어 배설되기 때문에 약효가 지속되는 시간이 짧고 많은 양을 투여해야 하는 문제점이 있었으나 주입형 약물전달 시스템을 사용하면 약효가 지속되는 시간이 길고 국부적으로 작용하기 때문에 적은 약효성분으로 최대의 효과를 낼 수 있다. 약효성분과의 배합과 치료효과에 대해서는 현재에도 많은 논문들이 쏟아지고 있어 조만간 약을 먹지 않고 주사기로 주입하는 방식이 대중화될 것으로 생각된다. 이는 생체재료가 의약품의 보조성분으로도 활용될 수 있는 사례를 보여주는 것으로, 앞으로는 뼈 이식술의 인공뼈 제품도 치료에 유용한 약물을 담지한 채로 이식될 수도 있다.
지금까지 서술한 바와 같이 차세대 생체재료의 원래 기능에 여러 가지 유효성분이 복합된 다기능성(multi-function) 제품 개발에 이용될 것이다. 그동안 주위 조직과 결합하여 조직의 재생을 돕는 지지체의 역할에서 벗어나 조직의 재생을 직접 유도하거나 세포를 담지하여 치료 기간을 급속하게 단축시킬 수가 있다. 일례로 항생제와 같은 약물을 담지하여 염증의 치료 또는 예방하는 제품들이 등장할 것이다. 물론 현재에도 이러한 제품들이 일부 선보이고 있으나 가격이 매우 높고 그러한 제품을 구성하는 생체재료의 성능도 개선할 점이 많다. 이를 해결하기 위해서는 재료공학자, 생물학자, 임상의학자, 약학자들의 공동연구가 필요하며 이러한 공동연구를 통한 생체융합기술 개발이 필수적이다. 재료공학도 금속, 세라믹, 고분자의 경계도 모호해지며, 각 재료의 장점은 극대화하고 단점은 최소화할 수 있는 복합재료의 개발이 병행되어야 할 것이다. 이 때문에 우리 재료공학자는 주변 기술에 대해 관심을 가지고, 나무만 보는 것이 아니고 전체 숲을 볼 수 있는 넓은 안목이 필요한 시점이다.

그림 1.하이드록시아파타이트 세라믹 인공뼈(검은색 화살표)를 이식받은
        척추 디스크 환자 사진

그림 2. 골형성 단백질(BMP-2)을 담지하지 않은 인공뼈와 담지한 인공뼈의 효능 차이
         (붉은 색-재생된 뼈 조직, 빼 재생 속도의 차이가 크다)

그림 3. 하이드록시아파타이트 세라믹 지지체 표면에 흡착시킨 인간골수 줄기 세포.
         줄기 세포를 뼈세포로 분화시키면 뼈 조직이 재생되고 연골세포로 분화시키면
         연골 조직이 재생되게 된다.

그림 4. 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 골시멘트를 척추성형술을 위해 환자에게 주입하고 있다.

필자약력
서울대 무기재료공학과 학사
서울대 무기재료공학과 박사
(주)대웅제약 생명과학연구소
(주)바이오알파 부설연구소 소장

< 본 사이트에는 일부 자료가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>