의료시장의 새로운 힘, 탄소 소재

탄소 소재는 우리의 생활 속 여러 분야에 많이 활용되고 있지만, 꼼꼼히 살펴보지 않으면 알기 어려운 재료입니다. 하지만 지금 제가 자판을 두드리는 키보드와 컴퓨터, 노트북 등과 같은 우리의 실생활에 필요한 가전기기에도 탄소 소재가 함유되어 있습니다. 플라스틱 제품 상당수가 검은색을 띠는 이유는 탄소의 소재인 카본 블랙에 의한 것입니다. 탄소는 플라스틱을 만드는 대부분의 재료에 사용됩니다.

또한, 우리가 평소 사용하는 연필과 샤프심도 탄소 소재인데, 얇은 샤프심이 잘 부러지지 않는 것을 신기하게 느끼기도 하였을 것입니다. 인간은 나무를 연료로 사용하였고, 얼마 지나지 않아 가볍고, 연기가 나지 않는 불씨를 지닌 숯을 에너지원으로 이용했으며, 공기를 세게 불어주어 매우 높은 고온이 되면 광석을 녹여 금속을 만드는 제련에도 사용하여 여러 가지 기술을 체득하기 시작했습니다.

기원전 150년에 만들어진 중국의 마왕퇴(馬王堆) 1호분을 발굴했을 때, 그곳에서 목간 둘레에 40~50cm, 전체 양으로 치면 5톤 분량의 숯이 빈틈없이 채워져 있었고, 관속 여성은 마치 살아있는 모습이었으며, 몇천 점에 이르는 화장품의 부속품도 같이 발견되었습니다. 에너지원으로 사용된 숯이 방부제와 제습용으로 사용된 것을 보면, 아득한 옛날부터 숯이 에너지원과는 다른 작용도 한다는 것을 알고 있었던 것으로 여겨집니다.

더 강하고, 가벼운 탄소 소재는 대부분의 스틸 소재를 대체할 ‘슈퍼 소재’로 이미 많은 분야에 접목되고 있습니다. 이러한 특징을 가진 탄소 소재 중 특히 주목을 받는 탄소섬유는 강철보다 강하고 알루미늄보다 가벼운 꿈의 신소재로 주목받지만, 그 자체만으로는 단순한 ‘실(fiber)’ 또는 ‘천(fabric)’에 불과합니다. 구슬이 서 말이라도 꿰어야 보배라고 할 수 있듯이, 단순히 실의 형태만으로는 의미가 없으며, 그 형태와 물성을 그대로 유지하면서도 부품의 형태를 만들 수 있게 하는 피치나 열경화성 수지와 만날 때 비로소 복합소재(composite)로서 엄청난 능력을 갖추게 됩니다.

탄소, 탄소섬유로 진화하다

복합소재는 두 종류 이상의 소재를 복합화한 소재를 의미하며, 개념적으로는 두 종류 이상의 소재를 복합화한 후에 물리적, 화학적으로 각각의 소재가 원래의 성질을 유지하면서 원래의 소재보다 우수한 성능을 갖도록 한 소재를 말합니다. 복합소재는 강화재(Reinforced Material)와 모재(Matrix)로 이루어지며 본질적으로 불균질한 재료인 2가지 재료가 상호작용을 하며, 강화재는 섬유상과, 구, 판, 타원체 등의 입자상 및 섬유 또는 입자의 혼합상으로 구성되고, 모재는 금속재료, 무기재료 및 유기재료 등으로 구성되며, 탄소복합소재는 강화재로서 탄소섬유, 탄소나노튜브 등 탄소재료가 소재로 사용됩니다.

탄소섬유의 특성

유기섬유 전구체를 가열하여 얻은 탄소함유율이 90% 이상인 섬유를 ‘탄소섬유’라고 합니다. 탄소섬유는 일반적으로 원료의 제조방법에 따라 분류하며 Rayon계, PAN계(polyacrylonitrile), Pitch계로 나뉘며, 현재 PAN계 탄소섬유가 주류를 이루고 있습니다. 탄소섬유는 비탄성률, 비강도, 내열성, 내식성, 전도성, 진동 감쇄성 및 마모특성 등이 우수한 재료이며, 형태적 성질로 섬유 직경이 7㎛ 정도로 미세하므로 유연성이 있으며, 장섬유 탄소섬유를 이용한 복합소재를 예로 들면 강도 특성, 열적 특성, 전기적 특성 등이 섬유의 방향과 섬유의 직경 방향과는 커다란 차이를 보이는 이방성을 보이는 특징을 가진 섬유로써 직물 등의 여러 가지 가공성이 유리하기 때문에 복합재료의 원소재로 주목받고 있습니다.

탄소섬유의 강도

탄소섬유는 19세기 말 에디슨의 백열전구용 탄소 필라멘트가 시초라 할 수 있지만, 현대적 의미의 재료로써 탄소섬유의 역사는 1959년 UCC(현 AMOCO)에 의해 레이온을 원료로 한 GPCF(General Purpose Carbon Fiber)의 상업화로부터 시작되었다고 할 수 있습니다. 탄소섬유는 우주개발과 군수용으로 로켓 모터와 노즐에 필요한 내열재료의 개발요구에 따라 개발하게 되었으며, 우주용 기기와 항공기 분야에서 기본으로 요구되는 경량 및 고강성 소재의 연구가 1950년대부터 미국에서 수행되었고, 이를 가능케 하는 소재가 탄소복합소재라는 결론을 내리고 보강재로써 비강도 및 비탄성이 우수한 탄소섬유를 개발하게 되었습니다.

이러한 개발 비용으로 인해 가격이 매우 높은 소재로 국가의 전방산업에 활용해 왔으며, 강판과 비교한 생산량도 40%에 그치고 있고, 제조 가격은 5배나 들기 때문에 시장 저변 확대를 위해서는 저가 탄소섬유 및 복합재료 개발이 필수 요소로 최근 전북에 탄소 밸리를 구축해 전 세계 시장을 맹추격 중입니다. 특히 미국과 일본 등 탄소 재료 선진국을 중심으로 신 탄소섬유강화 복합재에 대한 연구가 급진적으로 추진되고 있으며, 이에 따른 신규 우주 항공, 자동차, 선박 및 레저 산업, 의료기기 산업의 선점을 목적으로 개발을 하고 있습니다.

국내 탄소섬유강화 복합재 수요는 낚싯대, 테니스라켓, 골프 등 스포츠 레저용 제품을 중심으로 매년 8.7% 정도의 성장세를 보이며 최근에는 전 세계 시장의 70% 이상을 점유하였던 국내 낚싯대 수출이 큰 폭으로 하락함에 따라 가장 큰 비중을 점하였던 스포츠 레저용 수요는 감소하고 있는 반면 산업용 소재, 항공기의 구조재, 자동차 및 에너지 관련 소재로 응용 분야가 점차 확대되어 현재는 산업용 소재 분야에 가장 많은 탄소섬유가 사용되고 있습니다.

우리가 주목해야할 것은
‘메디컬 디바이스(Medical Device)’ 
사업 분야이며, 방사선 투과성을 활용한 탄소섬유의 활용을 
관심있게 지켜봐야 할 것입니다.

탄소섬유, 새로운 의료기기의 장을 열다

특히 우리가 주목해야 할 것은 고부가가치 사업 분야인 탄소섬유 의료기기로 ‘메디컬 디바이스(Medical Device)’ 사업 분야이며, 방사선 투과성을 활용한 탄소섬유의 활용을 관심 있게 지켜봐야 할 것입니다. 인간의 기대수명이 올라가면서 생명을 다루는 의료기기의 효율성과 안정성은 주요 선결 조건이 됐고, 어느 쪽에서 선점하느냐에 따라 미래의 의료 산업계를 좌우하게 될 거란 분석입니다.

이미 의료 선진국인 일본과 미국 등이 정밀의료 ‘메디컬 디바이스’에 탄소섬유를 적용하기 시작했습니다. 임플란트, 인공 뼈, 인공 관절 등 사람의 몸에 직접 이식되는 ‘생체적합성’ 의료기기를 만들기 시작했습니다. 우리는 의료 분야의 방사선 전문가로서 방사선 검사 시 금속 물질에 의한 음영의 발생으로 정확한 진단을 내리기 어려운 상황을 경험하기도 하였고, 자기장을 이용한 검사 시 금속 물질에 의한 진단의 방해와 환자와 방사선사의 위험을 증가시키는 요인을 경험했습니다.

국내 탄소 소재 의료기기 산업은 탄소 산업계에서 신소재를 가공 및 성형할 수 있는 기술과 장비들이 부재되어 있었습니다. CFR-PEEK 중간재의 국내 생산 제품이 부족하여 고가의 해외 중간재를 사용하였으나, 최근 변화와 혁신을 추구하는 정부의 적극적인 개입으로 제조, 가공 장비의 국산화와 탄소섬유의 제조 기술 개발이 적극적으로 이루어지고 있는 상황입니다.

CFRP 두께별 엑스선 투과율 및 다른 재질의 엑스선 투과율 결과

그러나 국내 탄소섬유 의료기기 업체들은 경험 부족과 정보의 부재로 자체 개발할 수 있는 의료기기가 없는 상황입니다. 우리는 이러한 국내 탄소 소재 의료기기 산업 상황을 인지하고 방사선 전문가로서의 기술과 경험을 살려 의료기기와 융합해 폭넓게 적용할 수 있는 다양한 방사선 영상 검사 분야를 접목하여 국내 의료기기 산업의 글로벌 경쟁력 강화를 위해 향후 기술개발과 방사선 연구에 적극적으로 임해야 할 것입니다.