우리나라 또한 교육과학기술부 산하 휴먼인지환경사업본부, 나노기반 정보·에너지 사업본부, 첨단의료기기사업본부, 바이오제약사업본부가 관련연구를 주도하며 오는 2018년 61조 달러로 예상되는 융합산업 시장의 선점 경쟁에 본격 뛰어들었다.
국내 융합형 원천기술 개발 현황과 그들이 바꿔놓을 미래상을 4회에 걸쳐 소개한다.
대덕=구본혁 기자 nbgkoo@sed.co.kr
2 나노기반 정보·에너지 사업본부
나노분야 미래 국가 신성장동력 창출
정부와 교육과학기술부는 나노기술을 모태로 한 이종기술 간의 융합을 통해 기존 기술의 한계를 극복하고 새로운 시장을 창출할 수 있는 나노융합형 핵심 원천기술의 확보에 적극 나선 상태다. 이를 위해 출범한 나노기반 정보·에너지 사업본부는 신기능 정보전자 산업용 나노소재, 플렉시블 필름전지, 차세대 박막 태양전지 등의 분야에서 컨트롤 타워 역할을 수행하며 상용화가 가능한 원천기술 개발에 주력하고 있다.
나노로 이끄는 창의적 혁신
최근 나노기술(NT)의 적용이 디스플레이, 반도체 등 전자·에너지 분야를 위시한 전 산업에 확산되고 있다. 한국산업기술평가관리원 자료에 따르면 전 세계 나노융합산업 시장은 지난 2010년 5,530억 달러에서 연평균 19.9% 성장, 오는 2016년경 1조6,465달러 규모에 달할 전망이다.
나노융합원천기술은 바로 이 막대한 시장을 선점케 해줄 요체다. 특정 소재나 물질을 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 크기로 제조·조작·분석·제어함으로써 제품의 초소형화 및 초경량화를 구현하는 기술을 뜻하는 데 인류의 삶을 업그레이드시킬 혁신 제품 개발이 가능하다.
지난 2009년 출범한 나노기반 정보·에너지 사업본부는 이 같은 국내 나노융합원천기술 연구를 선도하는 첨병 역할을 맡고 있다. 기계, 화학, 전기, 재료, 물리 등 다양한 분야의 우수 연구인력 1,000여명이 오는 2013년까지 연간 200억원의 예산을 지원받아 세상을 놀라게 할 기술 개발에 역량을 모으고 있는 상태다.
사업본부는 총 4개 연구단으로 구성된다. 'NT-IT 소자재료 연구단'은 기능 맞춤형 분자제어 기술에 기반한 신기능 나노원천소재 및 정보전자 소재, '차세대 전지기술 연구단'은 상용화 가능한 플렉시블 필름전지 개발이 목표다. 또 '비실리콘 박막 태양전지 연구단'과 '우주환경기반 신기술 연구단'이 각각 저비용 고효율 비실리콘계 박막 태양전지 원천 소재, 초정밀 진공 플라즈마 부양제어 기술을 활용한 차세대 반도체·나노소자 분야의 창의적 혁신을 주도하며 사각편대를 완성하고 있다.
김창균 본부장은 "나노기술 연구는 지난 1980년대 후반 시작됐지만 산업 파급력이 높은 분야의 적용이 어렵다는 한계가 있었다"며 "이런 한계를 극복할 나노융합원천기술을 개발, 국가 신성장동력을 창출하는 것이 궁극적 지향점"이라고 밝혔다. 김 본부장은 이어 "지난 4년간 SCI급 논문 547건, 특허출원 362건, 그리고 5건의 기술이전으로 약 33억원의 기술료 수입 성과를 거뒀다"고 설명했다.
그래핀 상용화 가장 앞서
지금까지의 성과 중 가장 눈에 띄는 것은 꿈의 신소재라 불리는 그래핀 연구다. 그래핀은 흑연에서 벗겨낸 한 겹의 탄소 원자 막으로 두께가 탄소 원자 하나(0.35㎚)에 불과하지만 강도가 강철의 200배나 되는 세상에서 가장 강한 소재다. 또한 전자 이동도가 실리콘의 140배, 열전도율과 허용 전류 밀도는 각각 구리의 100배, 1,000배에 달한다.
김 본부장은 "이런 탁월한 전기·물리적 특성에 힘입어 지금껏 인류가 발견한 물질 중 최고의 산업적 활용도를 지닌 소재로 꼽힌다"며 "플렉시블 디스플레이·터치스크린, 초고속 반도체 소자, 고효율 태양전지, 투명전극, 웨어러블 컴퓨터 등을 현실화할 열쇠를 쥐고 있다고 해도 과언이 아니다"고 설명했다.
이와 관련 NT-IT 소자재료 연구단의 한국화학연구원 안기석 박사팀이 고효율 그래핀 파우더의 기능화 및 분산 기술, 투명전극 패터닝, 대면적 그래핀 공정기술에서 괄목할 만한 성과를 도출했다. 특히 그래핀 파우더는 인쇄전자 공정에 적용 가능한 액상 분산액 형태로 개발, 반도체장비 제조기업 참트론에 정액기술료 4억5,000만원과 경상기술료 5%의 조건으로 기술이전해 본격 상용화를 추진하고 있다.
안 박사는 "기존의 기능화 그래핀보다 분산성이 2배 이상 뛰어나고 고농도에서도 2개월 이상 분산 안정성이 유지된다"며 "대면적 그래핀의 경우 올 상반기 내 패터닝 공정을 완성, 4~5인치(10.1~12.7㎝)급 터치스크린 시제품을 제작할 계획"이라고 설명했다.
이외에도 연구단의 서울대학교 홍병희 교수팀은 세계 최초로 고품질 그래핀을 30인치(76.2㎝) 대면적으로 합성, 플렉시블 터치스크린 제작에 성공하기도 했다. 김 본부장은 "NT-IT 소자재료 연구단을 필두로 많은 연구기관과 대학, 산업체들이 관련연구에 뛰어들면서 현재 우리나라는 그래핀의 상용화에 가장 근접했다는 대내외적 평가를 받고 있다"고 전했다.
차세대 유기박막 태양전지 개발
비실리콘 박막 태양전지 연구단의 성과 역시 주목할 만 하다. 비실리콘계 박막 태양전지는 1세대 실리콘 태양전지와 달리 고가의 실리콘을 사용하지 않는데다 두께가 100분의 1에 불과해 대폭적인 제조원가 절감이 가능한 반면 상대적으로 낮은 광전변환 효율이 상용화를 가로막는 아킬레스건으로 지목되고 있다.
한국에너지기술연구원 소속 윤경훈 단장은 "이 난제를 풀어줄 대안이 구리·인듐·갈륨·셀레늄(CIGS) 화합물"이라며 "최적의 조성과 물성을 가진 나노입자 혼합 페이스트나 용액을 개발, 박막화함으로써 15%대 광전변환 효율의 CIGS 소자를 개발코자 한다"고 밝혔다.
그 일환으로 연구단은 지금까지 3종의 나노전구체로 CIGS 태양전지를 제작해 최고효율 8.7%를 달성했고 화학적 방식의 CIGS 박막 제조 메커니즘 규명, 박막과 소자의 전기광학적 특성 해석 연구 등을 진행하고 있다. 윤 단장은 "CIGS 화합물은 건물 일체형 태양전지(BIPV), 플렉시블 태양전지 소재로의 효용성도 우수하다"며 "향후 소재 및 공정기술 개발이 완료되면 민간업체에 기술을 이전해 양산에 돌입할 계획"이라고 말했다.
연구단은 3세대에 해당하는 유기박막 태양전지에서도 상용화에 근접했다는 평가다. 관련연구를 수행 중인 한국화학연구원 문상진 박사는 "종이, 옷감, 플라스틱 등 얇고 유연한 재질에 잉크젯 프린터와 유사한 공정으로 인쇄한 유기박막 태양전지는 플렉시블 전자회로, 경량 X선 영상패널, 휴대기기, 차량 선팅용 유리 등 다각적 활용성을 갖는다"며 "3~4년 내 광전변환효율 5%, 대면적화, 내구연한 5년을 확보하여 상용화에 나설 방침"이라고 강조했다.
김 본부장은 "최근 정부가 런칭한 '나노융합 2020' 사업과 연계, 기술완성도가 높은 성과들을 선별, 연구개발의 지속성을 부여함으로써 국가·산업적 파급력을 극대화할 것"이라고 밝혔다.
인공 우주실험실
나노입자와 같은 신소재 개발을 위해서는 초고온 상태에서 각 소재들에게 나타나는 다양한 물성의 측정이 필수다. 초고온 상태의 물성은 소재의 질적 품질을 가늠할 핵심 요인이기 때문이다.
이와 관련 나노기반 정보·에너지 사업본부 산하 우주환경기반 신기술 연구단의 이근우 박사팀이 초고온 물성측정을 용이하게 해줄 '우주실험실 구현장치'를 세계 8번째로 개발, 나노급 물질 제조에 청신호를 켰다.
이 장치는 명칭에서 느껴지듯 우주와 유사한 진공환경에서 실험재료를 초고온 또는 과냉각 상태로 만들어준다. 약 1,500℃의 초고온 상태에서 용기 등의 접촉물체 없이 액체나 고체 소재를 공중에 띄울 수도 있다.
이 박사는 "공중부양이 이뤄지지 않으면 실험물질을 올려놓은 용기가 녹으면서 실험물질과 화학반응을 일으켜 물성의 정확한 측정이 불가능해진다"며 "비접촉식 공중부양은 미국, 일본 등 4개국만이 보유한 최첨단 기술"이라고 밝혔다.
이러한 공중부양은 정전기장을 일으키는 두 전극 사이에 대전된 물체를 놓고, 중력을 극복할 만큼의 전기장을 거는 방식으로 구현된다. 이후 레이저로 물체를 가열하면 점차 빛을 발하며 공중에 떠 있는 상태에서 녹아 액체로 변하게 된다.
3 바이오제약사업본부
신약 개발의 패러다임을 혁신한다
바이오 신약은 미생물, 동식물, 세포 등의 생물체에 유전자 재조합이나 세포배양과 같은 바이오 기술을 적용해 개발한 의약품을 일컫는다. 일반 화학합성 신약과 비교해 개발기간과 비용을 대폭 절감할 수 있어 전 세계 제약계의 핫 이슈로 떠오른 상태다. 우리나라 또한 바이오 신약이 선진국과의 기술 격차가 적고, 연구자의 아이디어에 따라 세계 시장을 장악할 획기적 신약 개발이 가능하다는 점에서 미래 국가 성장을 이끌 블루칩으로서 연구개발에 총력전을 펼치고 있다.
신약 하나를 개발하려면 일반적으로 10년 이상의 기간과 8억 달러 이상의 막대한 비용이 들어간다. 그럼에도 성공률은 매우 낮다. 그동안 신약 개발이 사실상 자금력을 갖춘 극소수 다국적 제약사의 전유물이 된 것이나 항암제, 당뇨병 치료제 등 수요시장이 큰 일명 블록버스터 신약에 초점이 맞춰진 이유가 여기에 있다.
신약계의 차세대 대권주자
바이오 신약은 이 같은 화학합성 신약의 한계를 타개할 대안으로 불린다. 제품의 효능과 안전성 예측이 용이하기 때문에 연구비와 개발기간, 실패 위험성 모두를 크게 줄일 수 있기 때문이다. 특히 화학합성 의약품으로는 치료가 어려웠던 루게릭병, 신경계 질환 등 난치병 및 희귀병의 치료에 새 장을 열어줄 존재로 집중적 조명을 받고 있다. 2000년대 초반 세계 100대 의약품 중 단 15개에 불과했던 바이오 의약품의 비중이 지난 2010년 33개로 늘어난 것이 그 방증이다. 전문가들은 오는 2016년에는 바이오 의약품 비중이 45%에 이를 것으로 예견한다.
국내의 경우 지난 2009년 출범한 바이오제약사업본부가 관련연구의 선봉장 역할을 맡고 있다. 기계, 화학, 전기, 재료, 물리학 분야의 우수 연구인력 700여명이 '분자생물공정', '바이오의약품 맞춤형 DDS(약물전달시스템) 플랫폼', '혈중암세포 암예후진단' 등 3개 연구단에 소속돼 있으며 오는 2013년까지 대한민국 제약 역사를 다시 쓸 바이오 신약 원천기술 개발에 핵심 역량을 집중하고 있는 상태다.
이중 분자생물공정 연구단은 바이오 의약품 생산을 위한 융복합 생물공정 기술 개발을 표방한다. 이를 위해 바이오 기술(BT)에 정보기술(IT)과 나노기술(NT)을 접목해 세포·효소·항체를 대상으로 세포 배양, 생물공정, 바이오진단센서 등을 연구하고 있다.
또 DDS 플랫폼 연구단은 기존 바이오 의약품의 아킬레스건인 낮은 치료효과와 불안정성, 낮은 면역 반응성을 개선할 DDS를 개발 중이며 암예후진단 연구단의 경우 혈액 속을 떠도는 혈중암세포에 기반한 신개념 암 예후 예측·진단 원천기술 개발을 지향한다.
김정회 본부장은 "출범이래 나노 기공막을 이용한 단백질 DDS 기술, 성장호르몬 결핍증 치료용 약물전달체 등 특허출원 217건, SCI급 논문 301편, 기술이전 4건의 성과를 거뒀다"며 "국내 여건에 맞춰 직접적 신약 개발보다는 이미 개발된 바이오 의약품의 효능 개선과 약효 지속기간 연장에 연구의 초점을 맞추고 있다"고 밝혔다.
조기진단으로 난치병 정복
앞서 언급했듯 분자생물공정 연구단의 주 타깃은 암을 필두로 한 난치병의 조기 진단이다. 질병 초기에 정확한 진단만 이뤄져도 완치 가능성을 상당히 높일 수 있기 때문이다.
이와 관련 연구단은 지난 3년간의 연구를 통해 다수의 가시적 성과를 거뒀다. 일례로 고려대 김중배 교수팀은 암을 포함한 다양한 질병을 지금보다 빠르고 정확히 진단해주는 '나노바이오촉매-효소결합면역흡착검사(ELISA) 시스템'의 개발에 성공했다.
김 교수는 "현 기술보다 안정성과 민감도가 월등히 뛰어나 시료의 농도가 낮아도 질병 유발 바이러스와 항원 등을 검출할 수 있다"며 "개발된 촉매를 국내 의료기기업체 비엠텍 메디칼에 기술이전한데 이어 이 원천기술을 이용한 암세포 진단용 항체를 개발 중"이라고 말했다.
반도체 장비 전문기업 코미코의 박현규 박사도 한국생명공학연구원 정봉현 박사팀과 함께 간암을 야기하는 만성 간질환 조기진단용 간기능 진단센서와 측정기의 시제품 테스트를 마치고 상용화를 앞두고 있다. 이 기기가 출시되면 간질환 환자들은 병원에 가지 않고도 직접 간기능 진단 지표(AST, ALT)를 손쉽게 확인할 수 있다.
박 박사는 "간기능 진단센서로 활용할 바이오센서의 원천특허를 확보했다"며 "바이오 의약품, 바이오 화학제품, 기능성 식품소재, 바이오칩, 식품산업 등에서 광범위한 활용이 기대된다"고 설명했다.
맞춤형 약물전달시스템
DDS 플랫폼 연구단의 DDS는 암 세포와 같은 특정 표적에만 약물을 전달하는 일종의 정밀타격기술이다. 대개 나노입자에 약물을 넣어 표적에 달라붙도록 하는 형태로 연구가 진행되고 있는데 이 기술이 구현되면 치료효과의 향상에 더해 약물에 의한 정상세포의 피해를 줄여 부작용도 최소화할 수 있다. 암 세포에만 달라붙는 형광 나노입자를 체내에 주입하는 등의 방식으로 질병의 조기진단도 가능하다.
연구단장을 맡고 있는 서울대 변영로 교수는 "DDS는 효능과 안전성이 검증된 기존 약물의 치료효과를 극대화할 최적의 해법"이라며 "신약 개발 대비 투자비 부담은 적고, 성공확률은 월등히 높은 편"이라고 강조했다. 그 일환으로 연구단에 참여 중인 의료바이오기업 제넥신은 왜소증으로 불리는 성장호르몬 결핍증 치료를 한 차원 진전시킬 원천기술을 개발해냈다.
이 기술은 성장호르몬 전달기술(hyFc)을 적용, 치료제가 환부에 서서히 전달되도록 해 매일 주사로 투약해야하는 현재의 치료제와 달리 3주일에 1회만 투약하면 된다. 제넥신은 기술료 46억원에 이 기술을 한독약품에 기술이전 계약했으며 향후 해외 임상시험 등의 공동연구를 거쳐 오는 2018년까지 판매용 의약품을 생산한 후 5년 내 1,000억원 이상의 블록버스터급 의약품으로 발돋움 시키겠다는 복안이다.
덧붙여 한국과학기술연구원(KIST) 송수창 박사팀도 임플란트 시술 시 치주골을 재생하는 등 국소 부위의 뼈를 재생할 수 있는 '주사제형 뼈 형성 단백질 전달 하이드로겔'을 개발했다. 외과적 수술 없이 뼈를 재생, 환자의 고통과 비용·시간에 대한 부담을 획기적으로 낮출 수 있다는 게 송 박사의 설명이다. 김 본부장은 "바이오제약사업본부는 우수연구성과가 사장되지 않고 임상시험까지 연계될 수 있도록 후보물질들의 효용성과 시장성 분석에도 만전을 다할 방침"이라고 밝혔다.
모유의 면역성분 대량 생산
최근 분자생물공정 분야에서는 생물학적 물질을 활용해 식품, 제약 산업 등에서 유용한 물질을 생산하는 연구가 활발하다. 이와 관련 바이오제약사업본부 산하 서울대 김병기 교수팀이 유아의 면역력 강화와 성장에 필수적 영양소인 시알릴락토오스(sialyllactose)를 값싸게 대량 생산할 수 있는 원천기술을 개발, 눈길을 끌고 있다.
시알릴락토오스는 모유에 함유된 기능성 올리고당의 하나로 뇌 신경세포와 기억력을 발달시키고, 병원균의 침입을 차단하는 항바이러스 기능을 지닌 물질이다. 하지만 화학적 공정을 사용한 기존의 기능성 올리고당 합성은 올리고당 입체 구조의 조절이나 선택성 유지를 위해 복잡한 반응을 거쳐야 하는 등의 문제점이 있었다.
반면 김 교수팀은 여러 미생물의 당 합성 과정을 응용해 이 문제를 해결했다. 이미 파일럿 규모에서 대량 생산에 성공하면서 기술적 타당성 검증도 완료하고, 상용화를 겨냥한 시제품 생산 단계에 진입해 있다. 시제품 생산을 맡은 진켐에 따르면 내년 중 미 식품의약국(FDA)의 식품첨가제 승인을 목표로 인허가 절차를 밟고 있으며 유럽, 일본 등지의 글로벌기업들과 협력관계 구축을 적극 모색 중이다. 전문가들은 성공리에 상용화가 이뤄지면 시알릴락토오스가 식품과 의약품으로서 갖는 고부가가치에 힘입어 막대한 수출증대 효과를 거둘 수 있을 것으로 전망한다.
