21세기 첨단세라믹스 산업의 성장기대 분야 첨단세라믹스 의료복지소재의 현황과 성장전망 金大埈 공학박사 / 한국과학기술연구원 복합기능세라믹스연구센터 책임연구원 1. 서 언 식생활 개선과 의료기술의 발전에 따라 올해 65세이상 노인인구가 전체인구의 7.9%인 377만명으로 이미 고령사회로 진입했으며 2010년에는 평균수명이 77세로 늘어나고 65세 이상 노인인구가 전체 인구의 10%가 넘는 본격적인 고령사회가 전개될 전망이다. 평균수명의 연장과 삶의 질에 대한 관심의 증대로 의료용구의 수요가 지속적으로 늘어나 2000년에 1조2천억원이던 국내 의료용구 시장이 2010년에는 2조6천억원으로의 성장이 예상된다. 한편 세계 의료용구 시장은 2000년 기준으로 약 190조원에 이르며 매년 7%씩 성장하고 있다. 의료용구는 기술적 측면에서 의료용 소모품 또는 보조기구와 같은 일반의료기기, 영상진단기와 같은 전자의료기기, 그리고 생체이식용인 인공장기로 분류할 수 있다. 첨단 세라믹스가 의료복지 소재료 응용될 수 있는 분야는 주로 인공장기로 국내시장 규모는 2000년에 1,000억원, 2001년에 1,470억원으로 연간 47%의 증가를 보였다. 세라믹스는 금속 인체이식재에 비해 내부식성과 생체친화성과 같은 화학·생물학적 특성 외에도 내마모성과 고강도의 기계적 물성의 우수성으로 인해 주로 경조직대체 재료로 응용되고 있으며 생체세라믹스의 성장은 생체재료로서의 신뢰성 확보를 통해 얼마나 다양하게 체내이식용 금속재료를 대체할 수 있느냐에 달려 있다. 이러한 관점에서 본고는 첨단바이오세라믹스가 현재 일부 사용되고 있거나 응용될 전망인 분야를 중심으로 시장현황 및 바이오 세라믹스의 응용분야를 기술하고 생체세라믹스의 향후 연구분야를 전망한다. 2. 인체이식재의 시장현황 및 주요응용분야 산자부는 금년 10월 인공관절이나 인공조직과 같은 체내 이식재에 대한 재료, 시험방법 등에 관한 국제표준을 도입하여 한국산업규격(KS)로 보급할 계획이라고 밝혔다. 이중 우선 외과용 이식재와 아크릴계 시멘트 등 34종을 올해 KS로 도입하고 국제적으로 통용되는 51종에 대한 KS는 2004년까지 제정하기로 하였다. 이에 관련된 생체세라믹스는 인공관절, 인공뼈, 뼈 시멘트 등으로 한국의료용구공업협동조합이 작성한 2000년도 이들 제품과 세라믹으로 대체 가능한 이식재의 수입액을 표 1에 정리하였다. 노령인구가 늘어나면서 1996년에 8,300건이었던 인공고(엉덩이)관절 수술건수가 2001년에는 13,500건으로 크게 증가하였다 (그림1) 일반적으로 인공슬(무릎)관절 수술 건수도 고관절 건수와 유사하여 2001년에 총 인공관절 시술 건수는 약 27,000건이었으며 우리 나라보다 인구가 많고 고령화가 앞선 일본의 경우 2000년에 인공관절 수술 건수가 120,000건을 넘었다. 인공고관절의 경우 비구소켓 재료로 사용되는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)의 마모 때문에 고관절 수명이 약 15년 정도이며 이후에는 재수술을 해야하는 문제가 있다. 고관절 골두를 알루미나나 지르코니아와 같은 세라믹스로 대체할 경우 UHMWPE의 마모량이 1/2이하로 줄어들어 인공고관절 수명이 배로 늘어나는 장점이 있다. 그러나 인공슬관절의 경우 관절 형태의 복잡성으로 인해 세라믹스의 응용이 제한되어 있으나 적절한 디자인과 재료 개발을 통해 장래에 세라믹스의 응용이 기대되는 분야이다. 참고로 인공관절 수술비용은 340~400만원이다. 산업화와 노령화의 진전으로 척추의 손상을 가져오는 빈발한 안전사고로 척추관련 수술이 매년 20%씩 증가하고 있다. 이에 따라 척추고정장치의 수요도 급증하고 있는데 척추고정에 금속구조물 외에도 세라믹 척추유합재료인 수산화아파타이트(HAp) 또는 HAp/삼칼슘인산염(TCP) 복합체가 사용된다. 이들 세라믹스는 정형외과분야에서 골종양제거 후 골결손 부위나 골절 시 자가골이 부족한 경우 골대체물로 그리고 치과에서는 악안면 부위의 상·하악골 손상부위의 대체물로도 보편적으로 응용되고 있다. 2001년도 국내 척추고정장치 시장은 700~800억 규모였으며 세계 주요지역의 시장규모는 그림2에 나타내었다. 국내 척추고정장치 시장에서 국내기업의 점유율은 27%이며 세라믹 골대체재료의 시장은 약 90억원으로 추산된다. 세라믹스가 가장 오랜 기간에 걸쳐 가장 많이 응용된 분야가 치과재료분야로 도재융착금속관(porcelain fused to metal:PFM), 전도재치관(all-ceramic crown), 포스트(post), 교정용 브라켓(bracket), 인공치아(implant) 등에서 다양하게 사용되고 있다. 이중 PFM과 전도재치관의 국내 및 세계시장은 각각 약 720억원과 2조5천억원이며 특히 전도재치관의 경우 전체 인공치관시장의 10~15% 밖에 점유하지 못하나 치아와 유사한 색상을 발현하는 심미성의 중요성 때문에 지속적으로 새로운 세라믹스와 제조 방법들이 시장에 선보이고 있다. 인공치아는 상부구조물, 하부구조물, 그리고 상부와 하부구조물을 연결시키는 나사로 구성되어 있다. 심미성의 고려에 따라 세라믹 상부구조물의 중요성이 높아지고 있으며 티타늄으로 제조된 하부구조물에 골유착을 촉진시키기 위한 HAp 코팅이 사용 중 약 40%가 박리되는 문제로 코팅의 결합력 향상을 위해 하부구조물도 세라믹스로 대체될 수 있다. 국내 인공치아의 시장을 그림 3에 나타내었으며 1999년 세계시장은 $243.3백만불(910,000개)이었다. 인공치아의 수요는 생활수준의 향상과 고령화에 따라 급속히 신장할 전망이며 골유착에 의한 시술기간의 단축과 생체활성 코팅의 안정성 확보를 위해 생체세라믹스가 활용될 수 있는 분야이다. 3. 향후 생체세라믹스의 연구전망 생체세라믹스의 제1세대는 생체불활성 세라믹스로 알루미나와 지르코니아가 있으며 이들의 기능은 인체에 독성이 없으면서 대체된 조직에 충분한 기계적 물성을 부여하는 것이었다. 제2세대 생체세라믹스는 HAp나 생체유리와 같은 생체활성 세라믹스와 삼인산칼슘과 같은 생분해성 세라믹스들로 전자는 생체와 화학반응을 통해 골유착을 촉진시키며 후자는 조직의 재건 후 분해되어 2차 시술이 필요 없게 되는 특징이 있다. 최근에는 제3세대 생체재료로 생체활성과 생체분해성의 융합된 특성을 가지며 체내 매식 시 세포의 재생을 자극하는 유전자를 활성화시켜 인체 자체가 치유의 능력을 갖게 도와주는 재료의 연구가 관심을 끌고 있으며 생체세라믹스로는 생체유리와 HAp/CaSO4 복합체가 이에 해당한다. 현재 제3세대 생체재료에 의해 비교적 규모가 작고 응력을 받지 않는 뼈 결함의 재생이 가능함을 보였으나 관절이나 치아로 응용되기 까지는 많은 시간과 연구가 필요하다. 이와 같은 바이오테크놀로지의 접목에 의해 재생되는 경조직이 실현될 때까지 생체활성을 갖는 새로운 세라믹 경조직재료의 개발에 관한 연구가 진행될 것이다. 응력지지용 경조직대체 생체활성 세라믹스는 생체활성을 갖는 HAp의 원천적으로 낮은 기계적 물성(곡강도=~100 MPa, 파괴인성=~1.0 MPam1/2)으로 인해 복합화를 통한 물성의 향상이 있어야 한다. 이를 위해 HAp/HAp(whisker), HAp/고분자, HAp /collagen, HAp/나노입자 등의 복합체에 관한 연구가 필요하다. 복합체는 높은 생체친화성, 생체활성, 부분적인 생분해성, 낮은 탄성계수, 기공크기가 100㎛ 이상이면서도 높은 기계적 강도를 갖는 소결체 등의 특성을 가져야 한다. 또 다른 접근법으로는 티타늄이나 Co-Cr 금속표면에 결합력이 높고 안정한 HAp를 코팅하여 생체활성을 부여하는 새로운 코팅기술의 개발이다. HAp의 코팅은 주로 plasma spraying법에 의해 행해지나 코팅의 박리문제를 해결하기 위해 HAp의 나노구조화 코팅법이 개발되고 있으며 이에 따른 HAp의 체내분해정도, 마멸저항성, 골결합력에 관한 연구가 요구된다. 4. 결 언 고령화시대의 도래에 따라 활동적인 노후를 위해 노화되었거나 손상된 경조직을 대체할 의료용구의 수요는 급증할 것이며 이에 부응할 수 있는 생체재료의 연구 개발이 요구된다. 바이오세라믹스는 내부식성, 내마모성, 생체적합성, 높은 기계적 물성 등의 우수한 물성으로 인해 기존의 응력지지용 금속생체재료를 대신하여 사용될 수 있어 이 분야에서 전망이 밝다. 따라서 생체세라믹스는 체내응용을 위한 신뢰성이 확보되어야 하며 그 방안으로 나노기술을 이용한 복합화나 금속이식재에 결합력이 높은 생체활성화 나노코팅 등에 대한 지속적인 연구가 필요하다. 표1. 바이오세라믹 관련 생체이식재의 2000년도 수입현황 품 목 수입액수 ($) 인 공 관 절 28,809,301 세라믹 의치 2,549,478 치과용 도재 1,113,293 뼈 시멘트 1,138,851 Screw, pin 등 각종 implant 55,183,728 자료:한국의료용구협동조합 그림 1. 국내 인공고관절 수술 건수 추이 (자료 : 조선일보 2002년 5월 9일자) 그림 2. 척추고정장치 시장규모 (자료 : 한국경제 2001년 9월 6일자) 그림 3. 국내 치과용 임프란트 수요 추이 (자료 : 2000년 3-I Korea 예측) 12 월호 특집 21세기 첨단세라믹스 산업의 성장기대 분야 첨단세라믹스 신에너지소재의 현황과 성장전망 李鍾鎬 공학박사 / 한국과학기술연구원 나노재료연구센터 선임연구원 1. 서론 신에너지산업 관련 소재기술의 중요성은 산업화의 급속한 진행으로 인해 날로 악화일로를 걷고 있는 지구환경 문제와 2020년이 고비가 될 지구촌 에너지 자원의 고갈을 목전에 두고 점차 그 중요성이 부각되고 있다. 특히 온실가스의 제한 및 자동차 배기가스에 의한 대기오염 방지를 위한 각종 환경규제법안의 발효는 기존의 화석에너지 고갈에 따른 에너지 절감문제와 함께 새로운 청정에너지 또는 대체에너지원의 개발을 21세기의 가장 중요한 기술적 화두로 부상시키는 계기를 제공하였다. 이에 따라 현재 선진기술국가들의 주도하에 전세계적으로 기존 에너지원에 대한 절감사업과 중장기적인 대체에너지 개발사업이 활발히 전개되고 있다. 본고에서는 기술의 경제성이나 상용화 측면에서 이러한 에너지 절감사업 및 청정/대체에너지용 기술개발사업의 가장 핵심이랄 수 있는 관련 소재 및 부품기술의 개발현황 특히 첨단세라믹스 소재와 관련된 기술개발현황 및 발전 방향에 대하여 소개하고자 한다. 2. 본론 가. 에너지 절감사업 현재 기존에너지 절감사업은 대체에너지 사업의 완료시점이 늦어질 경우 기존 에너지 고갈시기를 좀더 늦추기 위한 대안으로 추진되고 있으며 실제 수송기기 경량화사업, 원동기나 발전시스템과 관련된 에너지 절감형 엔진이나 터빈개발 사업등 에너지 효율을 높히고 기존 에너지 소비체제를 절약형으로 개선하기 위한 사업형태로 진행중이다. 현재까지 에너지의 소비증가 추세는 주로 산업부문 및 수송부문에서의 소비증가가 주 요인으로 작용해 왔다. 특히 높은 온도를 이용하거나 필요로하는 에너지 다소비 부문인 제철, 제강업, 요업, 화학공업 등에 있어서 고온작동 중 발생하는 예열의 낭비 및 고온작동으로 인한 잦은 부품교체는 관련산업의 국제 경쟁력 약화 및 에너지 낭비를 초래해 왔다. 이러한 산업부문에서의 에너지 소비증가율을 감소시키기기 위하여는 관련 에너지기기의 고효율화, 고성능제어장치 개발이 이루어져야 하는데 이러한 기술개발의 성공을 위해서는 기술개발의 핵심요소인 소재 및 부품기술의 개발이 필수적이라 하겠다. 특히 고온에서의 고강도 및 내식성이 요구되어지는 산업들의 대부분이 대표적인 에너지 다소비 산업이라는 관점에서 볼때 세라믹스 소재의 개발 및 응용에 관한 연구개발 투자는 매우 중요하다. 현재 이러한 중요성에 의해 추진되고 있는 대표적인 세라믹스 소재 개발 분야를 정리해 보면 다음과 같다. 기존의 금속 재료를 이용한 가스터빈은 사용연료의 적용성이 우수하고 에너지구조의 다양화를 꾀할 수 있으며 유해물질이 없는 배기가스, 저소음, 저진동 등 운용면에서 많은 잇점을 가지고 있으나 열효율이 20%이하로 낮다는 치명적인 단점을 가지고 있다. 그러나 세라믹스 재료를 이용한 세라믹 가스터빈은 세라믹스 자체의 고온강도와 내열성으로 인해 고온작동 및 무냉각 운전이 가능해 열효율을 40-45%까지 향상시킬 수 있다고 알려져있어 에너지 절감형 발전시스템으로서 많은 주목을 받고 있다. 한편 수송용 원동기와 관련된 에너지 절감형 엔진으로 주목받고 있는 세라믹 디젤엔진도 기존 금속소재를 기본으로한 디젤엔진에 비해 10% 이상의 에너지 효율향상과 20%이상의 공해물질 감소를 가져와 에너지 절감은 물론 환경오염저감 등의 파급효과가 지대할 것으로 예상되고 있다. 한편 연소공기를 예열시켜 에너지를 절약할 수 있는 열교환기의 경우 기존 내열금속강재를 활용한 열교환기는 고온에서의 산화, 부식, creep 문제는 물론 연소가스 중의 불순물로 인한 화학적 침식작용등으로 인하여 그 사용이 제한되고 있으나 세라믹스 재료를 이용하는 경우 고온에서의 부식문제, 열간강도등의 문제를 해결할 수 있어 추가적인 에너지절감효과가 10~20%까지 나타날 수 있다고 알려져 있다. 이 때문에 특히 배기가스 온도가 높으면서 부식성 물질이나 부식성 가스를 많이 함유하고 있는 요-로 및 가스터빈 등의 폐열회수용으로 많은 연구개발 투자가 이어지고 있다. 또한 최근에는 보호하고자 하는 재료위에 열전도도가 낮고 열팽창계수가 높으며 단열효과가 뛰어난 세라믹스 재료를 코팅하여 모재의 내구성과 수명을 150~300% 향상시킬 수 있음은 물론 열차단 효과를 통하여 고온 부위에서의 열 손실을 방지함으로써 에너지 효율을 20~30%정도 향상시킬 수 있는 세라믹 열차폐 재료에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 나. 대체에너지 사업 현재 진행되고 있는 지구환경협약이 발표되는 2010년부터는 지구환경오염원중 가장 큰 비중을 차지하는 자동차, 발전산업 위주로 각종 경제규제가 예상되며 또한 2020년이 고비가 될 지구촌 에너지원의 고갈을 고려할 때 대체에너지 개발 및 관련 소재개발은 범세계적인 당면과제임이 당연하다. 현재 전세계적으로 가장 각광을 받고 있는 대체에너지 관련 연구로는 태양에너지를 이용한 고효율 태양광 또는 태양열 발전, 바람의 힘을 이용한 풍력발전 분야가 가장 규모가 크게 진행되고 있으며 그밖에 바이오메스, 지열, 파력, 해양온도차 발전 그리고 최근들어 각광받고 있는 연료전지 발전분야에 대한 연구가 진행되고 있다. 현재 예측되어지고 있는 대체에너지 시장은 2010년 기준으로 전체에너지 시장의 10%이상을 대체할것으로 예상되는데, 그중 상용화에 가장 근접한 자동차 시장을 예로 볼 때 2005년경 미국은 약 52억달러(Allied Business Intelligence), 일본의 경우 2010년에 약 500억엔(중앙 리서치센터) 정도가 예상되며 국내 시장의 경우 2010년 국내자동차 판매대수의 약 5% 매출규모 1조5천억 시장을 예상하며 수입대체 효과만도 1조원, 수출증대에 기여하는 효과만도 7500억원에 달할것으로 예상하고 있다.(산업자원부 기술지도) 이와같이 전세계적으로 활발하게 기술개발이 진행되고 있는 대체에너지 분야 중 세라믹스 산업과 관련된 분야는 태양광 발전과 관련된 태양전지 분야와 20~30년 후 미래 에너지원으로 등장할 것이 확실시되는 수소원료를 이용한 연료전지 분야를 들 수 있다. 특히 세라믹스를 이용한 연료전지 발전은 수소 뿐만아니라 기존의 화석연료를 사용하면서도 효율을 극대화 할 수 있고 온실가스와 공기오염가스등 환경오염원을 최소화할 수 있는 최선의 기술로 알려져 있어 최근 상용화 가능성이 가장 큰 시스템방식으로 각광을 받고 있는 분야이다. 세라믹연료전지(SOFC)가 여타 다른 연료전지 유형에 비해 가지는 장점을 정리해 보면 다음과 같다. SOFC는 인산형, 용융탄산염형, 고분자형등의 여러 연료전지 유형중 에너지 효율이 가장 높고, 높은 운전온도로 인해 고가의 외부 개질장치없이 LPG, LNG등의 탄화가스를 직접 연료로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 자체적인 내부개질에 의해 다양한 연료사용이 가능하다고 알려져있는 발전시스템이다. 또한 SOFC는 다른 유형의 연료전지 시스템에 비해 구조적 신뢰성을 가지는 모듈화가 용이하며, 낮은 소음과 진동으로 인하여 온 싸이트 발전에 유리하다고 알려져있다. 최근들어선 SOFC 발전시 발생하는 양질의 고온폐열을 가열공정에 사용하거나 열병합발전에 접목하여 열효율을 증가시킬 수 있다는 점때문에 온 싸이트발전등의 중소형 발전시스템 뿐만 아니라 중대형 발전시스템으로도 각광받고 있다. 실제 최근 연구들에 의하면 SOFC가 여러 연료전지 유형중에서 가장 높은 전력밀도를 얻을 수 있으며 IGCC, 가스터빈 등 대형발전방식을 위한 hybrid화에 가장 유리한 특성을 가지고 있음이 입증되고 있어 차세대 연료전지 발전방식으로 많은 주목을 받고있다. 한편 태양광을 이용한 태양전지 분야는 세계 1위의 기술경쟁력을 가지고 있는 국내의 반도체 및 TFT-LCD 산업기반을 활용하여 단기간에 세계 태양전지 산업을 주도할 잠재력을 가지고 있는 분야로 많은 기대를 받고 있다. 태양광 기술은 특히 수송, 주택 및 건축, 우주산업용 위성, 통신 그리고 농업분야까지 다양한 분야에 응용이 가능하며 전 세계적으로도 시장이 급속히 신장하고 있는 분야라 국내 산업체에서도 많은 관심을 보이고 있다. 지금까지 주로 반도체화합물계의 태양전지가 기술을 선도해 왔으나 최근들어 나노세라믹 입자를 이용한 차세대 태양전지가 개발됨으로써 태양전지 분야에서도 세라믹스 재료의 중요성이 날로 높아지고 있다. 특히 나노세라믹스를 이용한 태양전지는 기존 검은색 실리콘 태양전지와는 달리 투명하게 제조할 수 있어 보다 다양한 응용분야를 가지고 있으며 제조단가도 실리콘 태양전지의 20% 수준에서 전기 에너지를 생성할 수 있어 그 경제성도 높히 평가받고 있다. 현재는 새로운 신기능성 나노입자 산화물 설계 및 제조공정 개발을 통해 더 높은 에너지변환 효율 확보를 위한 연구와 대용량의 전력을 생산할 수 있는 모듈에 대한 연구가 활발히 진행중에 있다. 3. 결론 부존자원이 빈약하여 대부분의 에너지원을 수입에 의존하고 있으며 최근 10년간 에너지 소비 증가율 1위를 기록하고 있는 우리나라로서는 최근 전세계적으로 진행되고 있는 환경규제 및 에너지 고갈문제에 대해 시급히 대책을 마련해놓지 않으면 미래 산업경쟁력에 있어서 가장 큰 위협요인으로 작용할 것이다. 따라서 에너지 절감사업 및 청정/대체에너지 사업, 그리고 관련 핵심 소재 및 부품기술 개발을 국가적인 차원에서 보다 중장기적인 계획하에 체계적으로 진행시키는 길만이 미래의 국가기술 경쟁력을 확보하는 유일한 길임을 명심해야 된다.