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신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2017(6)-제1장 센서 소재-바이오센서 소재기술(2)-집필 이혜진(경북대) - 바이오센서, 기술융합 신산업 창출 必
  • 기사등록 2019-04-23 17:30:10
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재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 9번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘4차 산업혁명 대응소재’다. 센서, 3D프린팅, AI용 반도체, 빅데이터 이용 소재 개발 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2017’을 연재한다.

바이오센서, 기술융합 신산업 창출 必


■ 광학적감지 및 그 외 바이오센서 기술


1) 국내 동향


광학적인 측정방법을 이용하여 다양한 생화학물질들의 상호반응을 검출하는 방법은 일반적으로 발광을 하는 물질을 인식물질에 부착하여 분석물질과의 반응 유무를 표지된 발광물질의 광신호 변화를 감지하여 검출해내는 기술이다. 현재 발광물질을 사용한 DNA칩 형의 바이오센서는 미국의 기술을 따라하는 수준이고, 국내 여러 대학과 연구소에서 SPR을 이용한 단백질, DNA, 생물분자 분석 바이오센서 연구를 진행하고 있다. 한국생명공학연구원에서 단백질칩 연구를 진행하고 있고, 여러 대학이 참여하는 바이오컨버젼서 연구단에서도 SPR을 이용한 단백질 분석 연구를 진행하고 있다.8) 강원대, 한국생명공학연구원, 한국전자통신연구원 등에서는 SPR을 이용한 단백질칩 개발을 진행하고 있으며, 특히 한국생명학연구원에서는 생체분자 결합의 마이크로어레이 분석이 가능한 SPR 이미지 시스템을 개발하여 현재 시제품을 생산하고 있다. 그러나 SPR 방법을 이용한 바이오센서를 산업화하는 데는 아직 기술 개발이 더 필요한 상황이다. 진단 및 연구용 나노바이오칩 및 소자 기술의 현재 시장은 그렇게 크지 않지만 앞으로 급격히 커질 것이기 때문에 고부가가치를 위해 산학연 협력을 통한 지속적인 연구개발이 필요한 실정이다.


2) 해외 동향


최근 광학적감지 나노바이오센서의 기술 동향은 국부적인 굴절율의 변화나 SPR을 이용하여 반응과 검출이 이루어지는 구성을 가진다. 미세유체를 이용한 비표지 방식으로 대부분 측정이 이루어지고, 다른 방식에 비해 상대적으로 다중 시료 측정에 유리한 장점이 있다. 가장 대표적인 예로서 DNA칩은 형광물질을 사용하여 면역(immuno)칩이 제작되고 있다. 공정이 간단하고 단가가 낮은 편이나, 고밀도로 제작이 어렵고, 잉크젯(inkjet) 방식의 경우에는 인식물질인 유전자 교환이 쉽지 않다는 단점이 있다. Hyseq phamaceuticals, Incyte, Protogen 등 업체에서 이 방법을 사용하고 있는데, 미리 합성된 인식물질인 DNA를 핀으로 찍거나 잉크젯 방식으로 원하는 위치에 인식물질을 배열시키는 기술을 사용하고 있다. 미국 Affymetrix사에서는 포토리소그래피 공정과 화학적인 방법을 결합하여 고체기판 위에서 인식물질인 서로 다른 종류의 DNA를 하나씩 합성하는 방식을 사용하고 있는데, 고밀도 배열의 형성이 가능하지만 공정이 복잡하여 비용이 높고 수율이 낮다는 약점을 가지고 있다. 또한 분석하는 생체물질에 별도의 형광표지자(label)를 부착시켜 사용하는 방식을 채택하고 있어, 다양한 분석물질들에 균일하게 형광물질을 표지해야하고 검출을 위해 고가의 광학계가 필요한 것이 문제점으로 남아 있다.


DNA칩 기술과 함께 많이 연구되고 있는 단백질칩 기술은 DNA칩과는 달리 대부분 spotting 방식을 채택하고 있다. Biacore사는 1980년대 말 SPR 방식을 이용한 비표지식 단백질칩을 최초로 개발하여 초기 시장의 80%를 차지하였고, 현재도 세계 시장을 주도하고 있으나, 이 방법은 고속처리에는 부적합한 방식이다. BD Biosence사는 형광 스캐너를 이용한 제품을 생산하고 있는데, 수백개의 항체를 고정화하여 여러 시료의 동시 분석을 하고 있다. 또한 Ciphergen사는 질량분석(SELDI-TOF)법을 이용한 제품을 생산하고 있는데, 분석시간이 짧고 고해상도 분석이 가능하다.


이 밖에도 Zymix, Biosite, Perkin Elmer, Gyro, Zeptosens사 등에서 형광, SPR, 질량분석기 등을 이용한 고유 기술을 개발하고 있다. 생화학 반응 유무의 비표지 측정 기술 개발에 관한 바이오센서 분석시스템 개발이 활발하게 이루어지고 있는데, 대표적인 기술로서 SPR, 캔틸레버의 변위를 측정하는 방법(cantilever), 수정 크리스탈의 공명주파수 변화를 측정하는 방법(QCM) 등이 많이 연구되고 있다. 비표지식 바이오센서 기술에는 SPR 기술 이외에도 타원편광(reflection ellipsometry)이나 reflectometric interference 등을 이용한 센서들이 보고되고 있으나, 높은 신호-잡음비, 실시간 감지, 높은 민감성 등의 장점을 가지지만, 고가의 광분석 장비가 필요하다는 단점이 있다. 최근 나노구조체를 사용한 나노바이오센서 연구에서 나노구조체의 기계적 특성을 이용하여 검출을 하는 구성을 가지는 방법도 연구되고 있는데, 캔틸레버의 미세진동이나 나노공진자 (nano-resonator)의 탄성파를 측정하여 검출하는 기술이다.


저가의 일회용 진단칩을 사용하거나 나노패턴 플라스틱 사출칩을 사용하여 일회용 친환경적인 바이오센서를 구현하려는 연구도 진행되고 있다. 다중 검출을 위한 신호처리와 집적시스템 기술도 함께 연구개발 돼야 유비쿼터스 환경구축용 센서개발로 연결될 것이다.


■ 국내외 선도기관


바이오센서 분야 연구의 국내외 선도연구기관들은 다음 표에 보여준다. 국내의 경우 주로 기초기반기술개발 성격의 연구가 대부분으로 나타난다. 바이오마커는 단백질 및 DNA/RNA, 대사물질 등을 이용해 몸 안의 변화를 체외에서 알아낼 수 있는 지표로 어떤 특정 질병에 걸렸는지, 얼마나 심한지를 나타내는 분석물질을 말한다. 혈액 및 소변 등과 같은 체액에 포함된 바이오마커를 검출해 암을 진단하는 기술 출원은 2016년 308건으로 2007년 59건에서 5배 이상 크게 늘었다 (특허청 자료). 최근 10년간 특허출원된 세부 암별 체외 진단 기술은 폐암 406건, 유방암 386건, 대장암 277건, 위암 270건, 간암 259건, 전립선암 255건 등의 순으로 나타났고, 이중 내국인 출원은 약 64%로 나타났다. 암을 진단하는 체외진단 제품은 우수한 바이오마커 개발과 바이오마커를 검출하는 기술이 핵심으로 국내 우수한 IT기업과 바이오마커 개발 기관이 함께 협력한다면 경쟁력있는 제품을 생산할 수 있을 것으로 기대된다.


국내의 바이오센서 시스템연구는 10여 년 전부터 시작되었으나, 실제 제품화까지 개발되지는 못하고 있는 실정이다. 국내에서 최근 우수한 나노기술을 바탕으로 나노와 MEMS 등의 초소형기술을 접목한 바이오센서 연구가 추진되고 있다. 바이오센서 개발에는 다양한 기술이 요구되기 때문에 소형 과제가 많았으나, 이제 개발된 기술을 적용한 센서시스템으로 개발응용이 적극적으로 추진되어야 할 것이다. 바이오센서 기술 선진국은 2000년대 후반부터 나노바이오센서와 칩, 데이터처리, 통신기술이 융합된 POC기반 이동식 센서기술개발에 집중하고 있는 것으로 알려졌다.


■ 산업 및 시장 국내 동향


1) 시장규모 및 전망


국내 전체 센서 내수시장은 2012년 54억 달러 규모에서 2020년 99억 달러 규모로 연평균 약 10%로 성장할 전망이다. 그러나 국내기업의 내수시장 점유율은 10.5% 수준이고, 기술수준은 선진국 대비 65% 수준으로 예상되고, 우리나라의 센서 세계 시장점유율은 2.3%(65억 달러, 2014년 기준)에 불과한 것으로 알려졌다. 우리 정부는 사물인터넷 시대에 대응하기 위해 2015년부터 향후 6년간 총 1,508억원을 투입하여 첨단 스마트센서 원천기술과 유망제품을 개발하고 현장중심의 기업 맞춤형 고급인력양성 등을 통해 스마트센서 분야를 차세대 성장 동력으로 집중 육성해 나갈 계획을 가지고 있다.


센서 유형별로 시장성장률을 보면, 바이오센서가 10.4%로 가장 급속히 성장할 것으로 예상되는데, 바이오센서가 적용되는 질병진단용 진단 키트, 바이오칩, 의료용 바이오센서 및 유비쿼터스 질병 관리 시스템을 포함하는 메디-바이오진단시스템의 국내 시장 규모를 보면, 2011년 6000억원에서 2015년 8500억원으로 증가하였고, 사물인터넷과 관련하여 앞으로 지속적으로 증가할 것으로 예상되어 2021년에는 국내시장이 약 1조2천억원대에 이를 것으로 추정하고 있다.


2) 기업 현황


국내 기업 중 씨젠을 포함한 신생 바이오업체들에 의한 국내 진단키트 생산액은 증가할 것으로 예상된다. 아직까지 국내에서 개발된 체외 암 진단 제품이 실용화된 사례는 많지 않으나, 체외 암 진단 제품이 활발히 생산되기 위해서는 적은 양의 분석물질을 신뢰성 있게 검출할 수 있는 바이오센서의 기술 향상과 함께 특이도가 높은 바이오마커 개발이 병행되어야 할 것이다. 바이오센서를 구성하는 시스템은 실제 제품화하는 데까지는 아직 시간이 더 걸려야하는 상황이나, 최근 삼성이 이 분야의 기술을 가진 미국 기업의 인수로 이 분야가 활성화될 것으로 기대된다.


의료·군사·식품 가속화, 웨어러블·삽입형 요구 증가
국민 삶의 질 향상 맞춤형 의료시대 구현 연구 확대


■ 산업 및 시장 해외 동향


1) 시장규모 및 전망


세계 전체 센서 시장은 2014년 795억달러에서 연평균 7.9%의 성장으로 2019년 1161억달러 규모에 달할 전망이다. 이중에서 세계 스마트센서 시장은 2012년 90억 달러에서 2019년 216억달러 규모로 성장할 것으로 전망된다(출처: Transparency Market Research, 2014. 4월). 이중에서 바이오센서 시장은 2014년 115억 달러에서 2017년에는 166억달러, 2021년에는 288억달러에 이를 것으로 전망하고 있다 (Frost & Sulivan 2015년 보고서). 이는 연평균 14 %에 이르는 평균성장률을 나타낸다. 바이오센서 시장에서 세부적으로는 2019년 골다공증 전체 세계시장이 400억 달러에 이르게 되고, 이중 골다공증 질환검출 및 환경오염인자 검출 등을 포함하는 다양한 분야의 활용이 예측된다(RnR Market Research 2016). 세계 바이오센서 시장은 연구실 실험용, POC, 자가진단, 산업공정, 환경 및 군사분야로 구성되고, POC 분야와 자가진단 분야를 합한 의료 관련 분야가 바이오센서 시장의 50%이상의 비중을 차지할 것으로 전망된다. 다음으로 환경, 화학 및 가스 등 공정산업, 군사 등의 순으로 높은 비중을 보이는 것으로 나타날 것으로 예상되고, 향후 환경 시장의 확대가 예상된다. 2016년까지 자가진단 시장은 연평균 11%씩 성장하여 향후 바이오센서 비중 20%를 돌파할 것으로 예측되고, 환경 바이오센서 분야는 연평균 12% 성장하여 시장 규모의 확대가 예상된다.


심장박동조율기, 혈당측정기 외에 피하에 삽입할 수 있는 다른 형태의 측정 진단기기에 대한 수요의 증가는 바이오센서 시장을 활성화시킬 것으로 예상되고, 다양한 질병들의 발생률 증가도 바이오센서 시장을 성장시킬 것이다. 예를 들어, 세계적으로 당뇨환자의 증가와 함께 혈당 측정을 주기적으로 해야 하는 상황은 관련 바이오센서 시장을 증가시킬 것이다. 또한 환경상태가 지속적으로 나빠지는 것은 바이오센서 시장의 증가에 기여할 것으로 예상된다. 바이오센서 평균 가격은 수요 증가로 인한 대량 생산체제 확립, 경쟁 격화, 기술 향상 등에 기인하여 계속 하락할 것이다. 융합기술을 통해 여러 가지 문제를 해결해함으로서 응용 분야가 확장되고, 관련 의료 서비스 제도 및 규제 개선 등으로 바이오센서 시장은 지속적인 확대를 계속할 것이다.


2) 기업 현황


센서관련 기술의 발전도 앞으로 바이오센서 시장의 증가에 기여할 것이다. 예를 들어, 2014년 FDA의 승인을 받은 Vital사의 HealthPatch MD 바이오센서는 피부에 부착하여 임상수준의 생물측정 자료를 제공한다. 앞에서 언급된 바이오센서 관련 해외 기업들 외에 유비쿼터스 환경에 필요한 관련 새로운 기술을 가진 신생기업들이 등장할 것으로 예측되고, 다양한 기술의 통합이 요구됨으로 이에 맞춘 기업들의 합병이 이루어 질 것이다.


■ 국내외 선도기업


2004년 국내 바이오센서 진단키트 시장은 매출 상위 10개 업체를 기준으로 품목수로는 약 200여개로 생산업체는 녹십자, 영동제약, 동아제약이 있었고, 최근에는 에스디가 비약적으로 발전한 반면, 기존업체들의 매출은 저조하여 시장구도가 변화하였다. 씨젠 등 신생 바이오업체들에 의한 국내 진단키트 생산액은 증가할 것으로 예상되고, 신생업체는 인포비아, 바이오니아, 나노엔텍, 아이소렉, 마이크로젠사, 바이오메드랩, 대신제약, 대화제약, 디지털바이오텍, 바이오뱅크, 신진메딕스, 수도약품, 영동제약, 에이치비아이, 진성메디텍, 종근당, 휴마시스, 등으로 증가하고 있다. 삼성은 최근 바이오센서가 연결된 의료/헬스케어 시스템 기술을 가지고 있는 SmartThings사를 인수하여 바이오센서 분야에도 기술개발을 추진할 것으로 예상된다.


바이오센서, POC, 진단칩, 랩온어칩 분야 국외 선도업체로는 미국에 Abbott, Affimetrix을 포함한 많은 업체들이 있고, 독일에도 Siemens, AgaMatrix와 같은 기업들이 제품을 생산하고 있다. 스위스에는 체외진단시장 점유율 선두기업인 Roche가 있다.


■ 미래의 연구방향


광화학적으로 얻어지는 SPR 등의 데이타를 전기화학적인 칩기반으로 만들 경우 반응과정, 한계농도 등의 여러 문제점이 생길 수 있어 이런 부분의 연구에 더 노력을 기울여야 한다. 또한 바이오센서의 경우에 실제 질병시료에 적용해 보아야 하는데, 환자의 혈액샘플을 좀 더 쉽게 접근해 시험할 수 있게 연구가 진행되어야 한다. 광화학적으로 얻어진 데이타를 IT기반 신호로 변환하기는 쉽지 않은데, IT 관련 기업과 연구소와 협력하는 연구도 병행되어야 할 것이다.


상당수의 연구자가 미세유체를 이용한 바이오센서와 랩온어칩을 연구하고 있으며, 그 효과를 극대화하기 위하여 나노구조물을 이용하고 있다. 그러나 바이오센서 기술과 랩온어칩 기술과 같은 개별기술에 대한 연구가 주를 이루고 있어 실용화 또는 사업화가 가능한 기술인 나노바이오 통합시스템 연구와 병행 추진되어야 할 것이다.


융합바이오센서의 연구와 개발은 물리, 화학, 재료 전기, 전자 등 다양한 학문간의 협력이 필요하고, 정부, 대학 산업체의 협조체제 구축이 요구된다. 4차 산업혁명 시대에 필요한 융합바이오센서 개발은 기술개발의 선점효과, 산업의 파급효과, 시장의 성장성, 고용창출 측면에서 우리나라 국가 기반산업의 창출 및 산업구조 개편에 큰 영향을 미칠 것으로 기대되기 때문에 국외관련기술개발 동향을 신속히 파악하여 국내 바이오센서 개발에 적극 활용하는 정책적 유도가 필요할 것이다.


■ 정책 제언


의료, 환경모니터링, 군사, 연구, 식품, 등 다양한 분야에서 바이오센서의 활용이 가속화되고 있고, 미래성장동력으로 사물인터넷이 본격화되면서 이에 맞는 웨어러블, 삽입형, 등 다양한 형태의 센서 요구가 증가하고 있다. 현재 한국의 기술력은 세계 센서시장을 주도하는 미국의 70% 이하 수준에 불과하고, 높은 연구개발 비용, 기능구현에 부족한 환경 등의 요인은 극복해 나가야 할 과제이다.


미국과 유럽 등 주요 선진국은 연구인프라 확보, 원천기술개발 등 기술경쟁력 확보를 기반으로 하여 2010년대에 들어 연구성과의 산업화, 다학제 융합 연구 활성화, 고령화 사회 대비 등의 연구개발에 집중하고 있다. 미국은 최고의 나노와 바이오기술 경쟁력을 바탕으로 관련 산업을 전략적 육성분야로서 정부의 지속적인 관심과 투자를 강화하고 있으며, 나노바이오기술과 관련하여 최근에는 국민 삶의 질 향상과 연계하여 꾸준히 증가하고 있으며, 맞춤형 의료시대를 구현하기 위해 생명의학에 대한 연구가 확대되고 있다. 미래 사업으로서 스마트센서 시장의 활성화와 바이오센서에 대한 응용분야가 확장되고 있고, 우리나라는 세계 최고 수준의 정보통신기술과 인프라를 보유하고 있어 의료진단과 헬스케어 서비스 분야에서 세계적인 경쟁력을 갖출 수 있는 여건을 갖추고 있기 때문에 바이오센서 분야에서 기술융합을 통한 신산업 창출 노력이 필요하다.


▲ <표 3-1-3-2>광학적 감지 바이오센서 기술 - 국내외 선도업체


▲ <표 3-1-3-3>나노바이오센서 기술 - 국내 선도연구기관


▲ <표 3-1-3-4>나노바이오센서 기술 - 해외 선도연구기관


▲ <그림 3-1-3-6>메디-바이오진단 국내 시장 현황 및 전망


▲ <그림 3-1-3-7>바이오 센서 세계 시장 규모


▲ <그림 3-1-3-8>바이오 센서 세부 시장 규모


▲ <표 3-1-3-5>국내 바이오센서 기술 - 국내 선도기업


▲ <표 3-1-3-5>국내 바이오센서 기술 - 국내 선도기업


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