왼쪽부터 CEN의 김덕종 CFO, 한상철 CTO, 이요한 CEO(사진=CEN)

[바이오타임즈] 20여 년 전부터 연구돼 왔으며, 최근 SCI 학술지에 1년에 약 12,000편 이상의 논문들의 주제가 되는 최첨단 나노 신소재 ‘MSNs(Mesoporous Silica Nanoparticles, 다공성 실리카 나노입자)’가 화제다.

MSNs는 내부에 셀 수 없을 만큼 구멍을 가진 다공성(多孔性) 나노(1㎚는 머리카락 두께 5만 분의 1) 물질로, 1g 용량의 입자 표면적이 농구장 면적 3배인 1,200㎡에 달한다.

이 소재는 의료, 바이오, 코스메틱, 인공지능 반도체, 농/수/축산업 등의 분야에서 핵심 신소재로 떠오르고 있으며, 특히 치매나 암 치료제에서 치료물질 전달체(DDS, Drug Delivery System) 의 역할도 기대되는 물질이다.

현재 미국 내에서 1g당 3,990달러에 달할 정도로 고부가가치 물질로 떠오른 MSNs를 세계 최초로 톤(Ton) 단위의 대량 생산에 성공한 국내 기업이 있다.

나노테크 스타트업인 ㈜CEN(대표 이요한)은 MSNs의 친환경적 대량 생산을 통해 우리나라 실리카 밸리 벨트(Silica Valley Belt) 조성을 목표로 하고 있다. CEN이 나노 사업에 관심을 갖게 된 이유는 무엇일까. 또 어떤 기술을 통해 불가능하게 여겨졌던 MSNs의 대량 생산은 물론, MSNs보다 더 진보된 실리카 메조 다공성 볼(Silica Mesoporous Ball, 이하 SMB)을 개발할 수 있었을까.

㈜CEN 이요한 대표로부터 나노 신소재 MSNs의 특징과 사업성, 그리고 바이오 메디컬 분야에서의 활용 가능성 등에 대해 들어보았다.
 

CEN은 평균 200~300나노 크기의 골프공 모양의 다공성 구조를 가진 실리카(규소/SiO₂) 분말을 세계 최초로 대량 생산에 성공했다(사진=CEN)

◇ ㈜CEN은 어떤 기업인가

CEN은 평균 200~300나노 크기의 골프공 모양의 다공성(Mesoporous : 2~50nm) 구조를 가진 실리카(규소/SiO₂) 분말(Powder)을 세계 최초로 톤(ton) 단위로 생산하는 회사다. 화학과 나노를 전공하고 ‘실리카 나노튜브’를 대량 생산하는 특허기술을 가진 한상철 박사(개발자 및 CTO)가 2013년 설립하여 현재 경남 밀양 나노융합국가산업단지 내의 나노융합센터에 입주해있다. 실리카 나노 구조에 대한 약 20년 이상의 연구 결과로 작년부터는 기존의 메조 다공성 실리카 나노입자(Mesoporous Silica Nanoparticles, 이하 MSNs)와 비교하여 그 형태와 기능 면에서 더 진보된 실리카 메조 다공성 볼(Silica Mesoporous Ball, 이하 SMB)을 친환경적인 방법으로 제조하는 설비를 갖추고, 10여 명의 팀원과 함께 다양한 응용성을 가진 나노 물질들을 개발하고 있다.

◇ 나노소재기업으로서 ㈜CEN이 그동안 거둔 성과는

나노소재 산업의 제조 공법에서는 ‘제품의 반복성, 균질성, 동일성’ 등이 요구된다. 나노소재는 우리 눈에 보이지 않는 물질이므로 일반적으로 분쇄하는 방식으로는 제품의 균일성을 보장하기가 어렵다. 우리 회사는 분자 자기조립(Self-Assembly) 방식으로 쉽게 제조하는 기술을 개발했다. 특히 기존의 제조방식으로는 불가능한 대량생산 공정을 통해 독성 및 폐수 발생 없이 친환경적으로 제조하는 설비를 완성했다.

◇ 꿈의 나노소재라 불리는 ‘MSNs’ 란 무엇인가

MSNs 이란 ‘Mesoporous Silica Nanoparticles’의 약자로, ‘다공성 실리카 나노입자’를 뜻한다. 실리카가 나노 크기의 입자가 되면 스테인리스 강철보다 약 15배가 강해지고, 케블라 섬유보다 3배 이상의 강도를 지니게 된다. 또한 1,400℃에서도 녹지 않고 강한 산성의 조건에서도 흡착 능력을 발휘하여 그 구조를 유지하지만, 체내에서의 일정 조건에서는 분해되는 특성이 있다. 이 소재는 우리 몸에 필요한 필수적인 규소(실리카) 성분으로 구성되어 있어서 그 자체로도 치료의 효과가 있을 뿐 아니라 다양한 산업 분야(촉매, 흡착제, 고분자 매움제, 광학 디바이스, 바이오-이미징 물질, 약물 전달제 및 바이오 의학 분야 등)에서도 그 활용 가치가 뛰어난 물질로 평가받고 있다. 특히 최근에는 각종 기능성 소재들을 MSNs에 캡술화(Encapsulation)하여, 그 효능성을 높이는 치료물질 운반체로서의 효능에 대한 연구들이 의료, 바이오, 코스메틱, 농/수/축산업 등의 분야에서 활발히 이루어지고 있다.

◇ ‘MSNs’는 원료투입 대비 회수량이 극히 적어 상업화에 어려움을 겪는 것으로 알려졌다. 대량생산을 가능케 한 CEN의 노하우는?

기존의 MSNs을 제조하는 방식은 1968년 스토버라는 학자가 개발한 스토버 방식을 변형한 것으로, CTAB 또는 알코올과 물, 암모니아 촉매 등을 이용하여 고희석(High Dilution) 공정과 강산, 강염기 등을 사용하고 많은 열, 전기에너지를 이용하였기에 대량 생산과 상업화에 어려움을 겪었다. 하지만 우리는 생광물화공법(Biomineralization)이라는 친환경적인 방법을 개발함으로써 상온에서 마치 강과 바닷물에서 발견되는 천연의 실리카 구조체의 생성 과정처럼 제조하는 노하우를 개발, 대량 생산의 길을 열게 되었다.

◇ ‘MSNs’의 DDS 기능은 암이나 치매 치료제에서 어떤 역할을 하나

의료산업에서 MSNs는 파킨슨병이나 알츠하이머병 치료제에 주로 쓰인다. 우리가 개발한 다공성 실리카 볼(이하 SMB)은 파우더 1g의 내부 공간(Pore Volume)이 1c㎥ 정도이며 비표면적이 1,000㎡ 이상이다. 따라서 체내에서 알루미늄 등의 중금속 및 혈액 내의 불순물들을 흡착하는 기능을 발휘할 뿐 아니라, 그 목적에 따라 SMB 내, 외부에 Anti-Body와 치료물질을 캡슐화(Encapsulation)시켜서 치료 부위에서 그 기능을 발휘할 수 있다. 특히 다공성 나노 실리카는 인체 내 각 기관의 세포막을 통과할 뿐 아니라 뇌 조직에 들어오는 이물질을 보호하는 장치인 혈액 뇌장벽 (BBB-Blood Brain Barrier)을 통과하여 치료물질을 전달할 수 있는 DDS (Drug Delivery System) 기능을 수행하는 전달체 소재의 역할을 할 것으로 기대를 모으고 있다.

◇ 의료분야 외에도 바이오·코스메틱 분야에서도 MSNs’의 활용 방법은?

기존의 바이오 및 코스메틱 분야에서도 이미 실리카를 다양한 용도로 사용하고 있으며 최근에는 미국과 일본, 독일, 이스라엘 등에서 나노 입자화한 실리카를 사용하여 콜라젠이나 칼슘 등을 체내에서 유지해 주는 기본 물질로 활용되고 있다. 특히 다공성 형태의 나노 실리카는 자외선을 차단하는 능력이 뛰어나며 비타민C, 레티놀, 사포닌 등의 다양한 치료 물질들을 캡슐화하여 피부 깊숙이 침투하는 효능으로 인하여 고기능성 화장품 뿐만 아니라 건강기능성 식품과 제약 분야에서도 활용성이 확대될 것으로 보인다. 따라서 앞으로 ㈜CEN 브랜드인 SMB가 대량 생산됨으로써 인체에 유익한 각종 물질들을 캡슐화 한 제품들이 활발히 개발될 것으로 기대된다.
 

CEN의 연구소(사진=CEN)

◇ MSNs보다 더 진보된 SMB의 개발 과정에 있어 어려움은 없었나

SMB(Silica Mesoporous Ball)의 대량 생산 방법은 기존에 획득한 특허기술인 실리카 나노튜브(Silica Nano Tube)의 제조 공정을 기반으로 개발한 대량생산 방법이기에 큰 어려움은 없었지만, 기존에는 없었던 최초의 생산 공정으로써 수없이 많은 반복실험이 필요했다. 적합한 실험장소와 재정적인 부담이 있었지만, 이 소재를 이해하고 계셨던 여러 대학교수들의 지원과 응원으로 다행히 극복할 수 있었다.

◇ ㈜CEN의 주요 타깃은 누구며, 영업 전략은?

장기적 영업 타깃 시장은 이 소재의 DDS 기능을 극대화 할 수 있는 의료, 제약 등의 바이오 업종과 최근에 가장 핫 이슈로 떠오른 리튬 및 전고체 배터리 소재와 연료전지 및 수소 산업 분야다. 그리고 단기적으로는 고기능성 코스메틱 업종과 농업 바이오 관련 DDS 기능이 필요한 첨단 5~6차 산업 분야다. 지금까지 2년 이상을 국가 연구기관들과 대학교의 관련 교수들과의 협업을 통하여 SMB가 기존의 MSNs 보다 더 뛰어난 구조와 기능 그리고 친환경적 생산에 따른 친생체적인 효능 등을 입증하고 있다. 이제부터는 보다 더 구체적으로 실용화하여 판매 가능한 제품 개발을 위한 파트너 회사들과 합작법인을 통한 영업을 진행할 예정이다.

◇ 대량 생산을 위한 주요 시설과 생산량 규모는?

2019년 말 기준으로 연간 1,500kg의 생산 설비를 부산 강서구 과학산단 내에 갖추고 있었으며 2021년 6월 기준으로 연간 약 4,000kg의 SMB를 제조할 수 있는 시설을 밀양 나노융합센터에 증설 중이다. 그리고 3년 이내에 나노국가산단 내에 약 3,000평의 부지를 확보하여 500톤 규모의 생산 설비를 갖출 계획이다.

◇ 경쟁사 대비 ㈜CEN만의 장점과 경쟁력은

현재까지 미국 등 몇몇 국가에서만 MSNs을 mg 단위로 비싼 가격에 판매하고 있는데, 환경에 해로운 제조공정과 mg 단위의 생산량으로 인해 상업화가 될 수 없는 구조였다. 하지만 우리는 우선 대량 생산을 실현하여 상업화를 가능케 했으며, 각종 폐수와 대량의 에너지 투입이 필요하지 않은 공법으로 인해 병렬 방식의 설비로 간단히 설치할 수 있다. 따라서 이를 필요로 하는 고객들에게 저렴한 가격과 충분한 공급 물량을 제공하여 나노 신소재를 적용한 첨단 제품들이 많이 개발될 수 있도록 기여하고 싶다.

◇ 나노 산업에 대한 전망을 어떻게 바라보는가

약 20여 년 전부터 산업 전반에서 나노 기술이 관심을 끌고 일부 국가적인 지원도 있었지만, 주로 소재의 융합 부분에만 해당하는 편향된 발전이었다고 말할 수 있다. 이제는 진정한 나노소재의 제조산업이 각광을 받을 것으로 예상된다. 특히 갈수록 국가 우선주의에 의하여 선진 기술을 획득하기 어려운 상황에서는 더욱이 나노 산업에서의 원천물질을 확보하는 것이 중요하다고 생각된다. 4차 산업 이후의 IT, 항공 우주, 로봇은 물론, 수소 등 친환경 소재, 첨단 농(수)산 재배 공법 등에서도 필요한 나노기술은 그 소재의 중요성이 더 강조되리라 확신한다.

◇ ㈜CEN의 계획과 앞으로의 비전은?

국가적으로 나노국가산단 1호로 지정된 밀양에서 연간 1,000톤 이상의 소재를 생산하여 이를 활용한 공장들이 지역별로 육성되어서 진정한 “실리카 밸리 벨트(Silica Valley Belt)”를 조성하고, 새로운 스타트업들이 창업되어 신규 고용 창출에 이바지하고 싶다. 그리고 기존의 제품들이 가진 애로 사항들이 해결됨으로써 최첨단의 기술들이 개발되어 우리나라의 많은 기업이 세계 1등 기업들로 성장하는데 작게나마 밑거름이 되고 싶은 게 우리의 바람이다.

[출처 : 바이오타임즈 http://www.biotimes.co.kr/news/articleView.html?idxno=5697]