광ㆍ바이오 기술 및 시장 동향 - itfind주간기술동향 통권 1425호 2009. 12. 2. 12...
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광ㆍ바이오 기술 및 시장 동향
황규석* 황보승** 정주현*** 전영선****
첨단 의료 영상장비 및 진단 및 치료 장비의 개발은 NT 및 BT 등의 다양한 분야의 원천기술이 융합되
어야만 시너지 효과가 발휘되는 분야로써 컴퓨터, 통신, 디지털 기술의 비약적인 발전을 바탕으로 바이오,
나노기술 등 첨단산업과의 기술 융합화 현상이 가속되고 있다. 바이오 기술은 사람의 생명을 담보로 하기
때문에 품질에 대한 안전성 보장이 무엇보다도 중요하다. 본 고에서는 광을 이용한 바이오 기술에 대해 소
개하고 국내 기술 및 시장 동향에 대해 기술하고자 한다. ▨
I. 서 론
광ㆍ바이오 기술은 소량/다품종의 중소기업형 첨
단산업으로써 21세기형 고부가가치 미래 산업의 특
징을 가지고 있다. 특히 의료 영상 시스템은 연평균
6% 이상의 성장이 전망되고 있으며, 전 세계 시장의
80%를 미국, 유럽 및 일본 등의 선진국들이 차지하
고 있다. 특히 이 분야는 고성장, 고부가가치 산업으
로써 컴퓨터, 통신, 디지털 기술의 비약적인 발전을
바탕으로 바이오, 나노기술 등 첨단산업과의 기술
융합화 현상이 가속되고 있다. 한편, 사람의 생명을
담보로 하기 때문에 품질에 대한 안전성 보장이 무
엇보다도 중요하다. Frost and Sullivan(2005)의 자
료에 의하면 광ㆍ바이오센서와 의료영상 시스템은
각각 9.4% 및 6% 이상의 연평균 성장률이 예측되
는 분야이다. 따라서, 첨단 의료 영상진단 장비 및
목 차
* 남부대학교 의료공학과/부교수
** 호남대학교 광전자공학부/부교수
*** 건양대학교 안경광학과/조교수
**** 썬텍/대표
I. 서 론
II. 광ㆍ바이오 진단 및 치료
기술의 특징
III. 광ㆍ바이오 기술 시장 동향
IV. 광ㆍ바이오 기술개발 동향
V. 광ㆍ바이오 기술 향후 전망
VI. 결 론
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치료 장비의 개발은 NT 및 BT 등의 다양한 분야의 원천기술이 융합되어야만 시너지 효과가 발
휘되는 분야이다. 전반적인 생활수준의 향상으로 국민들의 건강에 대한 욕구가 커지게 되고 이
러한 추세에 따라 의료기관은 의료기기 수요 증대에 대처하기 위해 대부분 수입에 의존하고 있
는 첨단 의료기기를 도입하기 시작하였다. 이에 정부는 수입선 다변화, 의료기기 국산화 등 국내
의료기기산업의 발전을 촉진하는 사업을 추진함으로써 수입에만 의존하였던 X-선 진단기, 초음
파 진단기 등이 국산화가 이루어지고, 의료기관들의 국산 진단장비 및 치료기기 구입 확대에 따
라 의료기기 국내 수요도 급증하기 시작하였다. 고급의료 기술의 발달과 함께 초고속 인터넷 망
기술은 일반인들의 진단, 치료 등을 신속하고도 효율적으로 처리할 수 있게 하고 있으며, 특히
효율적인 의료 정보전달과 처리는 주로 가입자망의 고도화와 접근 편리성에 관계되는 것으로,
본 고에서는 향후 막대한 부가가치를 지닌 광을 이용한 바이오 기술의 특성과 국내외 시장 동향
에 대해 기술한다.
II. 광ㆍ바이오 진단 및 치료기술 특징
1. 광ㆍ바이오 진단기술
광ㆍ바이오 진단기술은 생명체 내에서의 세포 또는 분자 수준의 생물학적 과정을 살아있는
상태에서 영상으로 구현하여 분석하는 기술이며, 영상화할 대상인 분자수준의 생물학적 과정은
유전자의 발현/변화, 단백질 변화 등 생화학적 현상, 대사변화, 세포 내 생물학적 변화 등을 포함
한다.
<자료>: “PET-the power of Molecular Imaging”, UCLA
(그림 1) PET 영상의 예
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(그림 1)은 PET 영상의 예를 나타낸 것으로 목, 가슴 및 복부 등의 림프구에 있는 암을 쉽
게 찾아낼 수 있다. 이 기술은 Pharmaceutical Tracer를 체내에 주입한 후 그 트레이서들로부
터 나오는 감마선을 인체의 외부에서 측정하는 기술, 인체 내에서 투과율이 높은 근적외선
(near-infrared) 파장의 빛을 이용한 단층 촬영 기술, 빛이 조직 내에서 반사되면서 생기는 간섭
현상을 이용하여 영상을 취득하는 기술, 생체 내에 있는 형광물질이 외부에서 조사된 빛을 흡수한
후 다시 빛을 방출하는 것을 영상화하는 기법 및 특정효소를 사용한 생체발광(Bioluminescence)
의 이용을 위하여 화학적으로 생체 내에서 빛을 만들고 방출하고 영상화하는 기술 등을 포함한다.
또한 광학영상 관련 광원 소자 기술과 고분해 분광기술을 바탕으로 한 비접촉식 실시간 질병
진단을 위하여 호흡가스별 질병 인자 상관관계에 관한 정보화 기술과 소형화와 관련된 패키징
장치가 중요한 진단 기술이며 이를 위해 파장 가변형 소형 레이저 IR 광원, 고분해능 분자 스펙
트로스코피(ppb 이상 급) 및 실시간 광 신호 처리 기술개발 등이 진행되고 있다.
광센서 및 분석기술은 광센서와 분석키트 및 이를 이용한 분석방법과 시스템에 관한 기술을
의미한다. 또한 생체 감지 물질과 신호변환기로 구성되어 분석하고자 하는 물질을 선택적으로
감지하는 장치가 대표적이며, 광센서를 구성하는 부도체기판, 전도성 금속박막 및 반도체 나노
<표 1> 광학영상 기술의 분류 및 특징
구분 생체영상 가능 여부 해상도 투과 깊이
현미경(Confocal Microscopy) No < 0.2μm < mm
Optical Coherence Tomography(OCT) Yes < 1μm 2~3mm
Optical Diffusion Tomography(ODT) Yes 2~5mm 수 cm
(그림 2) 바이오센서의 개요도
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선 제조기술 및 병의 예방과 예후 관리를 위한 비침습, 무구속, 무자각 측정 기술 등이 핵심기술
로 부각되고 있다. (그림 2)에 바이오센서의 개요도를 나타냈다.
2. 광ㆍ바이오 치료기술
광을 이용한 치료 기술로는 복사선의 유도방출에 의해 증폭된 광선을 인체에 조사하여 인체
조직을 소각, 절개 및 접합하는 기술이 있으며, 이를 위해 아르곤, CO2, He-Ne, YAG 및 Diode
레이저를 이용한 레이저 치료기술, 인체의 치료를 위해 사용되는 의료용 레이저 및 이를 구성하
는 공급전력계와 광속 전달 장치의 제조 기술 등이 연구 개발되고 있다. 또한 광민감성 약품을
이용하여 암세포 등을 파괴하는 치료법이 연구 개발되어 상용화 되었으며, 레이저와 광과민성
물질(Photosensitizer Drug)을 이용한 광역학적 치료기술(Photodynamic Therapy)이 보편화
되어 시술되고 있다.
III. 광ㆍ바이오 기술 시장 동향
1. 광ㆍ바이오 진단기술
광ㆍ바이오 진단을 위한 의료 영상시스템 시장규모는 2004 년 기준 148 억 달러 정도로 연
평균 6% 이상의 성장이 전망된다. 전 세계 시장의 80%를 미국, 유럽, 일본이 차지하고 있다.
GE Medical System, Simens, Philips Medical Systems 및 Toshiba와 같은 세계적 업체들이
의료영상 시장의 70% 이상을 점유하고 있다. 연평균 시장규모가 매년 5.6%씩 증가하는 고성장
산업인 의료기기 분야의 중심산업이며 IT, BT, NT 기술의 발달과 함께 성장할 미래 사회 대비
형 산업으로써 미국, 독일, 네덜란드, 일본, 이스라엘 등 주요 선진국이 주도하고 있으며 지속적
인 투자를 하고 있다.
SPECT, PET, PET/CT를 포함한 핵의학 영상기기는 최근 기능&분자영상이 생명과학 연구
와 질병진단에 활용도가 높아지면서 지속적인 성장을 하고 있으며, 이와 함께 PET용 소재산업
도 성장하고 있다. Simens 는 C.CAM 이라는 심장진단에 특화된 소형 SPECT 장비를 2003 년
9 월에 출시하여 판매하고 있으며, 심장학, 신경학 등을 포함한 특정 질병진단에 특화된 차세대
장비를 개발하고 있다. Digirad는 세계 최초로 Solid state 검출기를 적용하여 심장영상 분야에
특화된 장비를 개발하여, 핵의학 분야에서 점점 시장 크기가 증가하는 심장영상 시장에 대응하
고 있다. 2001 년 융합영상인 PET/CT 가 도입되면서 단일기기로의 PET 시장은 거의 변화가
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없는 대신에 PET/CT는 급속히 성장하고 있는 추세이다.
(그림 3)과 같이 세계 바이오센서 시장은 2011년 약 43억 달러를 상회할 것으로 전망되며,
약 9.4%의 연평균 성장률을 보일 것으로 예측된다. 세계적으로 Abbott(MediSense), Roche
(Boehringer Mannheim), J&J(LifeScan), i-STAT, Bayer, Therasense, Biacore, Arkray
(Kyoto Daiichi Kagaku) 등 50개 이상의 업체가 바이오센서를 공급하고 있으며, 전 세계적으로
바이오센서 관련 기업들은 미국에 약 40%, 유럽에 약 40%, 그리고 일본에 약 10% 정도의 회
사가 분포하고 있다. 2001년 9억 달러이던 북미 시장은 2011년 20억 달러를 넘어서 가장 큰
바이오센서 시장을 형성할 것으로 예측되며, 다음으로 유럽이 큰 시장을 형성할 것으로 전망된
다. 2001년과 2011년 사이의 누적 연평균 성장률을 살펴보면 아시아ㆍ태평양 지역이 가장 크
게 증가할 전망이다(10.2% CAGR). 바이오센서 제품 타입 중 다중분석 센서에 대한 수요가 가
장 많이 늘어날 것으로 전망되며, 가정 진단용 분야의 응용이 대폭 확대될 것으로 전망된다. 바
이오 칩 및 센서제작 기술은 새로운 개념의 생물 전자소자 칩 생산 기술로 미국, 일본, EU 등
선진각국은 21세기 미래 핵심기술과제로 다양한 형태의 국제공동연구를 통해 연구 개발에 박차
를 가하고 있다.
국내 의료영상 시장 규모 및 전망을 살펴보면 의료용 영상기기의 수출규모는 2010년 약 25
억 달러로 예측되고, 생산규모는 약 43억 달러로 예측된다. 저가 제품의 국제 경쟁력은 우수하
지만, 고가 장비의 경우에는 선진국과의 기술격차가 매우 큰 것으로 판단된다. 방사선과 전문의
들 뿐만 아니라 일반의들도 쉽게 사용할 수 있는 수준의 소형영상진단장치(hand held scanner,
<자료>: Prost and Sullivan, "World Biosensor Market", 2005
(그림 3) 바이오 센서 세계시장 전망
1,300
1,100
900
700 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 (연도)
(단위: 백만 달러)
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pocket scanner)에 대한 시장 수요가 증가할 것으로 판단된다. 초음파 ablation치료와 결합하여
사용할 수 있는 영상진단장치에 대한 수요가 증가할 전망이다. SPECT 와 PET 를 포함한
functional & molecular 고가형 영상장비는 해외로부터 100% 수입에 의존하고 있어 이러한 고
부가가치 의료 영상기기의 정부지원이 시급하다. 특히 PET-MRI 의 경우 아직까지 전세계적으
로 상용화가 드물기 때문에 이에 대한 투자가 기존의 판세를 바꿀 수 있는 좋은 기회로 판단된
다. 디지털 소자 및 회로기술과 함께 디지털 영상기술의 발달에 따라 원격진료가 가능한 휴대용
장비의 개발이 가속화될 것이며, 국내의 경우 디지털 기술이 성숙단계에 있기 때문에 이 분야의
경쟁력을 발전시킬 수 있는 여건이 갖추어져 있다.
국내 바이오센서 시장은 2005년에 300억 원을 시작으로 연평균 약 56%의 성장률로 2012
년에는 약 6,000억 원에 이를 것으로 전망되며, 국내 바이오센서 기업들은 주로 의료용에 관심
을 가지고 있어 식품분석용 및 환경용은 관심의 정도가 상대적으로 낮다. 현재 국내 바이오센서
시장은 의료용과 R&D 부문을 합해 대략 약 300억 원 규모이나 일회용 바이오센서에서 연속형,
고감도 측정이 가능한 나노-바이오센서가 개발될 경우 급격한 시장 형성이 있을 것으로 예상된
다. 국내 바이오센서 시장은 아직 활발한 시장이 형성되지 못하고 있는 실정이며, 현재 국내의
바이오센서 기업들은 가장 큰 시장을 형성하고 있는 의료용 바이오센서에 관심을 가지고 있으며,
최근 몇몇 회사를 중심으로 시장 진입에 노력 중이다. 우리나라의 바이오센서 제품은 (주)올메디
쿠스, (주)인포피아 등이 제품을 출시하고 있고, (주) 아이센스, 바이오포커스 등 몇 군데의 벤처
기업에서 제품 개발을 수행하고 있다.
2. 광ㆍ바이오 치료기술
인간의 평균연령이 늘어나고 소득이 증가하면서 건강에 대한 관심이 더욱 높아질 뿐만 아니
라 쾌적하고 안락한 시술을 선호하는 경향이 두드러지고 있으며, 초음파진단기, CT, MRI 등 첨
단 의료기기에 대한 수요가 증가하면서 의료분야 전반에 의료용 레이저기기의 보급이 확산되고
있다. Medical Data International이 발표한 자료에 따르면((그림 4)참조), 전세계 의료용 레이저
기기 시장은 2005년 약 134억 달러에서 2006년 157억 달러에 이르러 연평균 15% 이상 성
장률을 나타내었다. 의료용 레이저기기 시장은 그 동안 15~20%의 높은 성장률을 보였으나 시
장이 성숙되어 감에 따라 향후에는 다소 낮아질 것으로 전망되며, 2010년까지 연간 17.5% 정
도의 성장률이 예상되고 있다. 이러한 추세를 반영하여 의료용 레이저 기기의 시장을 예측하면
2010 년 290 억 달러의 시장규모로 성장하고, 2012 년에는 400 억 달러를 상회하는 큰 시장을
형성할 것으로 전망된다.
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현재 국내에서는 의료용 레이저 기기의 사용범위가 종합병원에서 개인병원으로 확대되어 가
고 있는 추세로서, 안과를 비롯하여 외과, 피부과, 치과, 비뇨기과, 신경과, 정형외과 등 거의 전
분야에 이용이 확대되고 있다. 한국의료기기 산업협회에 따르면, 국내 의료용 레이저기기 생산
규모는 2003 년 약 97억 원 정도로 매우 작으며, 아직 국내 수요의 대부분을 수입에 의존하고
있는 것으로 나타났다. 국내 의료용 레이저기기 내수시장은 2002 년 약 617 억 원으로서 약
27.9%의 성장률을 나타냈으나, 2003년에는 전반적인 국내경기의 침체로 약 342억 원의 내수
시장을 기록하다가 2004년부터 점차 회복세를 나타냈다. 향후에는 노령인구의 증가와 함께 레
이저 의료기기에 대한 수요가 늘어날 것으로 보이며, 보수적인 관점에서 보더라도 매년 12% 정
도의 성장률이 예상됨에 따라 2012 년에는 950 억 원 정도의 내수 시장규모를 형성할 것으로
전망된다. 의료용 레이저 산업은 현재 효율이 2% 이하인 플래시 램프에 의한 펌핑을 대체하여
효율이 20% 이상으로 기대되는 다이오드 레이저 펌핑에 의한 Er:YAG 레이저 개발로 인해 신
경외과 및 일반외과의 수술용 레이저 시스템의 수요가 확대될 것이며, 안과용 레이저 및 피부과
용 레이저의 경우 현재로서는 대체기술이 없어 향후에도 지속적으로 시장이 급신장할 것으로 판
단된다. 심장수술용 레이저도 노령화 추세에 따라 급성장을 할 것이며, 아울러 광역학적 치료 기
술의 개발로 암 치료에서도 의료용 레이저의 수요가 증가할 것으로 예측되며, 충치 치료 및 치
석 제거 등의 치과 치료용 레이저 시스템의 개발로 인한 수요 확대 및 레이저 박피술 등에 의한
성형외과용 레이저 시스템의 수요도 급증할 것으로 기대된다.
<자료>: Medical Data International Inc., “Worldwide Markets for Medical and Dental Laser”
(그림 4) 의료용 레이저기기 세계시장 전망
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 (연도)
(단위: 백만 달러)
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IV. 광ㆍ바이오 기술개발 동향
1. 광ㆍ바이오 진단기술
원격ㆍ재택 진료 수요의 증가와 같은 21C 의료환경에 적합한 휴대용 또는 가정용 장비의 개
발이 주된 개발 추세이며, 특히 원격/재택 진료와 관련된 의료영상 및 시스템 기술에 대해서는
미국, 일본, EU, 중국, 인도 등 많은 나라에서 정부차원의 지원을 늘리고 있다. 대부분의 생체 분
자영상 연구는 초기단계로서 임상 전 연구단계이며, 핵영상과 MRI 는 기존의 해부학적/기능적
영상에서는 임상에서 활용 중이지만, 생체 분자영상적 응용은 아직은 시험단계에 불과하며, 광
학영상은 아직 임상에서 거의 사용하지 않고 있다. 그러나 (그림 5)와 같이 광학영상에 형광 조
영제를 사용하면 백색광 하에서는 다른 조직과 구별하기가 어렵지만(좌측), 형광 조영제를 암세
포에 부착시키고 빛(Excitation Light, 가운데)을 쬐면 형광(Emission Light, 우측)이 나오므로
쉽게 암세포를 식별할 수 있다.
미국 국립보건원(National Institutes of Health: NIH), 특히 그 산하의 국립 암센터(National
Cancer Institute: NCI)에서는 최근 생체 분자영상 연구의 활성화를 위해 In vivo Cellular and
Molecular Imaging Center와 Pre-In vivo Cellular and Molecular Imaging Center 같은 다양
한 연구 프로그램을 운영하고 있으며, 질병 발병/확산 경로 파악 등의 임상 전 연구와 약리학적
연구를 위해 동물 대상의 생체 분자 영상기기 연구가 활발히 진행중이며, 동물 영상의 성과를 바탕
으로 한 인간 영상 연구 발전을 추구하고 있다. 현재 FDA 허가를 받은 Radiopharmaceutical 은
세가지(FDG, [13N]ammonia, [18F]fluoride)이며, 이 중 FDG가 글루코즈 대사 영상화, 암영상,
<자료>: 자료: Ntziachristos et al., 2002
(그림 5) 광학형광 조영제의 장점
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뇌질환 관련 영상 등을 위해 가장 널리 쓰이고, FLT, MET, [18F]fluorodihydrotestosterone 등
의 다른 Radiopharmaceutical을 이용하여 보다 질 좋은 암 영상을 얻기 위한 연구도 진행중이
다. HSV1-tv 유전자를 특정세포 내로 이입시킨 후 이 유전자의 발현을 방사성 표지 기질과
PET 를 통해 영상화하는 것처럼, 최근 특정 분자관련 생리현상(아미노산, 핵산, 지방산, 글루코
즈 등), 단백질(세포막의 수용체, 항원 등), 유전자, 세포변화(세포 사멸, 분화 등)에 작용하는 특
이적 방사성 추적자를 사용하여 영상화하는 기법들이 연구되고 있다.
광학영상 기술 개발은 현재 미국MIT의 Fujimoto 그룹이 분해능 1㎛ 정도의 고분해능 OCT
시스템을 발표한 바 있으며, 미국의 Irvine 대학과 Texas Austin 대학 등은 각각의 응용분야에
대한 기술적인 선도위치를 고수하고 있다. 미국 캘리포니아 어바인대학 베크만 레이저 연구소에
서는 인위적으로 제작된 직경 580㎛인 인조혈관을 ODT로 관찰하여 혈관을 따라 흐르는 유체
의 속도 분포를 실시간으로 관찰한 바 있다.
광ㆍ바이오 기술 개발은 기존 바이오센서의 한계를 극복하여 현장진단, 재택진단, 실시간 진
단이 가능한 개선된 바이오센서의 개발이 요망되므로 바이오와 나노기술을 접목하는 연구가 진행
중이며, 미국 Michigan 대학의 Kopelman 그룹은 생물학적인 손상을 최소화할 수 있는 PEBBLE
센서(Probes Encapsulated bt Biologically Localized Embedding)를 개발한 바 있고, 미국 하버
드대의 Cui등은 나노 FET(field-effect transistor)를 이용한 바이오센서를 개발하였다. 또한 미
국 Oak Ridge National Lab.에서는 단일세포 분석용 광섬유 나노바이오센서를 개발하여 단일세
포 내에 있는 carcinogen인 benzo(a)pyrene의 대사물질인 benzo(a)pyrene tetrol(BPT)을 항
체 나노센서를 이용하여 분석하여 나노 광섬유를 이용한 바이오센서가 크기 10㎛인 동물세포에
침투하여 분석이 이루어진 바 있다. 광을 이용한 혈당센서 기기는 Biocontrol Technology사가
비침습적인 혈당측정기(채혈하지 않고 적외선을 손가락에 비추어 혈당을 측정하는 기계)
Diasensor 2000의 FDA 승인을 위해 미국의 유명한 당뇨병 센터인 메릴랜드대학 조슬린 당뇨
병센터에서 임상연구를 시작함. 유럽에서는 사용 승인을 받은 상태이다.
국내 의료영상 기술 동향을 살펴보면 PET 기술의 국내 연구 개발은 1990년대 후반부터 과
학기술부의 특정연구개발사업, 원자력실용화연구사업과 보건복지부의 보건의료기술진흥지원사
업, 의료공학기술개발사업(G7 프로젝트) 등으로 지원되어 핵의학 관련 대학, 연구소, 병원 등에
서 연구를 수행하고 있다. 원자력 의학원에서는 2002 년에 PET 용 13MeV 급의 사이클로트론
가속기의 국내 제작에 성공하여 민간기업에 기술을 이전하고 있으며, PET 용 방사성의약품
[18F]FDG 를 제조하여 공급하고 있다. 현재 서울대학교 등 몇 개 대학과 국립암센터, 삼성서울
병원, 원자력병원 등에서 PET 기술 관련 연구를 하고 있는 중이다. 광주 과학기술원이 산업자
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원부의 위탁과제로 15㎛의 축방향, 10㎛ 횡방향 분해능을 가지는 광섬유 기반의 OCT 시스템
과 OCT 시스템용 300nm 이상의 선폭을 가지는 초광대역 광원과 고속 이미지 획득이 가능한
주파수 영역의 OCT 시스템을 개발 중이며, 연세대에서는 기존의 OCT보다 진일보한 편광의존
OCT 시스템을 구축 중이다. 생체용이 아닌 계측용 1-D OCDR(Optical Coherence Domain
Reflectometry)에 대한 연구는 강원대에서 수행해 오고 있으나, 아직까지 국제적으로 내세울 만
한 결과를 제시하는 연구그룹은 없는 형편이다. 분자 이미징 기술은 이미 상용화되어 제약회사
등에서 신약 개발을 위해 적극 활용하고 있고, 세포 내 실시간 분석을 위해 이용되고 있는 다광
자현미경(multi-photon microscopy)은 현재 3개의 광자를 동시에 이용하는 방법까지 개발되어
있으며, 4개 이상의 광자를 동시에 이용하는 방법도 개발 중이다. 특히 화순 전남대학교 핵의학
과와 고등광기술연구소에서는 줄기세포에 형광발광인자를 이식하여 이를 이용하여 근적외선대
역에서 생체분자영상 획득을 위한 동물 실험 시스템과 광원 개발을 협력 중이다.
의료 영상 분야의 후발주자인 우리나라의 입장에서 볼 때 생체 분자 영상분야는 선진국과의
기술격차를 좁히기에 상대적으로 좋은 분야이다. 광학영상은 아직 기술개발 초기 단계에 있으므
로 기술격차를 따라 잡기가 비교적 쉬운 분야가 많다(예: 광학 영상의 경우 선진국도 아직 임상
적용이 가능한 단계까지 도달하기는 상당한 시간이 필요할 것으로 예상됨).
국내의 광ㆍ바이오센서에 관한 연구개발 기관들은 여러 곳이 있지만 상업화까지 이어지고
있는 업체들이 몇밖에 안되며, 500여 개에 이르는 외국 특허들을 피하여 개발이 어려우며, 중소
업체들의 자금능력 부족, 마케팅능력 부족 등이 산업발전을 저해하고 있다. 광을 이용한 혈당 센
서기기는 (주)바이오피아에서 “Mobile Service를 적용한 텔레메트리 환경의 비침습적 Near-IR
전자 혈당 측정기 개발”이라는 제목으로 2002 년에 연구를 수행하였다. Bio-MEMS 기술을 이
용한 신경전달 물질 검출용 바이오센서 개발에 대한 연구가 고려대학교에서 수행되었고, 한국과
학기술원에서는 반도체를 이용한 반도체 바이오센서 개발 연구가 있었으며, FET 를 이용한 포
도당 측정 바이오센서 개발, 유전자 재조합 형광/발광 세포를 이용한 환경 바이오센서 개발 등
이 연구되었고, 연세대학교에서 편광간섭성 단층촬영기법을 사용하여 Blood Glucose를 측정하
는 광간섭계를 계발하고 있으며, 이를 이용하여 혈당의 변화로 인한 흡수, 산란, 편광각의 변화
를 측정하는 연구를 수행하고 있다. 광을 이용한 의료용 혈압센서를 생산하는 업체는 세계적으
로도 소수의 업체가 있으며 국내 업체는 거의 없는 것으로 추측되며, 광을 이용한 비관혈적 혈
압 측정 상품이 개발된다면 전자 혈압계를 대체할 수 있을 것이다(광을 이용한 혈압센서는 카테
터에서 사용하는 센서 외에는 기존의 혈압계와 같은 제품은 세계적으로도 개발되지 않은 상태이
며 카테터에 사용하는 혈압센서도 큰 수술의 경우 아니면 일반적으로 많이 사용하지 않고 있음).
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2. 광ㆍ바이오 치료기술
의료용 레이저 기술 개발을 위해 미국, 유럽, 일본 등 선진국에서는 정보통신, 메카트로닉스,
신소재 및 보건의료 과학기술을 21세기 4대 전략산업으로 선정하여 국가적으로 집중적인 연구
개발 프로그램을 추진하고 있다. Asclepion-Meditec AG, Convergent Laser Technoloies,
Laser Corp, Laser Scope 및 Palomar Medical Technologies Inc 등에서는 의료용 레이저 시
스템을 제작하여 판매하고 있으며, Lambda Physic Inc.에서는 의료용 및 산업용 plused UV &
tunable 레이저를 판매하고 있고, 또한 Radiant Dyes Laser & Accessories GmbH 사에서는
Dye 레이저, plused Dye 레이저 및 부분품과 Compact Dye Laser Modules를 제조하고 있다.
미국의 Cell-Robotics사와 독일의 P.A.I.M Microlaser Technology AG사에서는 펄스 타입의
질소 레이저를 이용함으로써 공간적 분해능을 획기적으로 증가시켜 정상 및 비정상 세포들의 분
리 및 레이저 Micro-tweezer법을 이용한 세포분리를 위한 장비를 상업화하고 시판 중이다.
(그림 6)에 레이저를 이용하여 생체 조직을 제거하는 공정의 예(물리학과 첨단기술 October
2003, 16-21)를 나타냈으며, 미국 Univ. of Michigan의 Mourou 교수진과 공동으로 IntraLase
사에서는 펨토초 레이저를 응용한 라식수술기를 개발하고 FDA에서 승인을 취득하여 상업화하
고 있고, 일본 도쿄대 카즈노리 교수팀은 치료용 유전자를 환부로 운반해 레이저 광으로 활성화
시킬 수 있는 새로운 유전자 치료용 바이러스 벡터를 개발하여 환부를 정확하게 공격하여 정상
조직에는 영향을 미치지 않아 부작용 발생이 적은 기술을 개발한 바 있다.
그 동안 레이저 의료기기 시장은 미국, 독일 등에서 수입한 외국제품이 독점해 왔으나 90년
대 후반부터 국내에서도 몇 개의 업체가 레이저 수술기 및 치료기를 국산화하여 수입품을 대체
하고 있다. 특히 대신 엔터프라이즈, 유니온 메디칼엔지니어링 및 원다레이저 등의 업체에서는
(그림 6) 레이저를 이용한 생체조직 제거
주간기술동향 통권 1425호 2009. 12. 2.
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자체기술력과 산ㆍ학ㆍ연 협동 연구를 통해 He-Ne레이저, CO2 레이저, Nd:YAG레이저 및 Q-
Switch Nd:YAG 레이저 등을 이용한 치료기와 수술기의 국산화에 성공하였다. 루트로닉에서는
접촉 센서를 이용한 레이저 콘트롤 구조 및 컨트롤 방법을 개발하여 간단한 방법으로 레이저 핸
드 피스가 피부에 접촉되었는지 여부를 인식하여 레이저 조사를 보다 효과적이고 안정적으로 제
어할 수 있게 하였고, 우진 시스템에서는 신체 특정 부위를 선택적으로 치료하거나 수술할 수
있는 직진성이 강한 단일 파장 대역의 980nm 를 기본 파장으로 하는 다이오드 레이저 장비를
개발하여 수술 절개, 하지정맥류와 지방 제거를 효과적으로 할 수 있게 하였다. ‘New 세라650’
은 세계 의학계에 규명된 안전한 파장인 저출력 650nm 의료용 레이저 파장을 콧속에 조사, 생
체 구성 물질의 활성화와 면역계를 자극하여 비염증상완화에 효과가 크므로 가정에서도 편리하
게 비염을 치료할 수 있게 되었으며, 맥스 엔지니어링에서는 레이저 빔의 크기를 100㎛ 정도로
미세하게 만들어 피부에 뿌림으로써 각종 질환을 치료하거나 미용효과를 높일 수 있는 레이저
기기 ‘모자이크’를 개발하여 시판하고 있다.
또한 최근 국내에서도 광과민성 물질(Photosensitizer Drug)을 투여 후 24시간에서 72시간
이 지난 뒤 정상세포에는 광과민성 물질이 사라지고 암세포에만 머무르게 될 때 레이저의 빛을
암세포에 쪼일 때만 광자의 흡수에 따라 광민감성 물질이 생물학적 독성산소(Singlet Oxygen)
을 만들어 암세포를 파괴하는 광역학적 요법이 연구 개발되고 있는 중이다.
공급전력계와 광속 전달 장치의 제조 기술 등이 연구 개발되고 있다. 또한 광민감성 약품을
이용하여 암세포 등을 파괴하는 치료법이 연구 개발되어 상용화 되었으며, 레이저와 광과민성
물질(Photosensitizer Drug)을 이용한 광역학적 치료기술(Photodynamic Therapy)이 보편화
되어 시술되고 있다.
V. 광ㆍ바이오 기술 향후 전망
1. 광ㆍ바이오 진단기술
광ㆍ바이오 진단을 위한 의료영상 기술 중에서 핵의학 영상 기술은 NaI(TI), BGO 등의 재래
식 섬광결정 대신에 광출력과 민감도가 우수한 LSO, GSO, YSO 등의 새로운 섬광결정과 고가
의 PMT(Photomultiplier tube) 어레이 대신 양자효율이 높고 가격이 덜 비싼 APD(avalanche
photodiode)를 결합시킨 감마선 검출기의 개발과 PET 영상의 공간해상도 향상을 위한 감마선
검출기의 상호 작용 깊이(Depth of Interaction)를 정확히 측정하는 방법 개발, FBP에 의한 것
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보다 더 우수한 영상을 가져올 수 있는 새로운 영상재구성 알고리즘의 개발 및 양전자 방출체
표지 방사성 의약품의 제조 등이 향후 핵의학 영상기술의 과제로 부각되고 있다. 또한 현재 광
대역 광원을 개발하여 고해상도의 OCT 영상을 얻기 위한 노력으로는 초단 레이저 펄스를 발생
하는 펨토초 펄스 레이저를 이용하는 방법과 이러한 펨토초 레이저와 함께 광자결정광섬유
(Photonic crystal fiber: PCF)를 이용하는 방법 그리고 할로겐 램프와 같은 발열광원 등을 이용하
는 방법 등이 개발되고 있다. 펨토초 레이저와 PCF를 동시에 이용할 경우를 SC(supercontinuum)
제너레이션이라고 부르며 이 경우 OCT 의 분해능은 1 ㎛ 이하까지 가능하여 초기 암세포의 진
단에도 유용하게 사용될 수 있을 것으로 예측된다.
OCT 에 비하여 영상 깊이가 큰 DOT 또는 DOS 는 해상도가 비교적 약하다는 단점이 있으
므로 대뇌의 기능영상(functional brain imaging)이나 유방암 검사(breast imaging) 그리고 두꺼
운 조직의 산소포화도(blood oxygenation) 등을 검사하는데 개발이 이루어지는 추세이며, 광ㆍ
바이오센서의 경우, 광 또는 전기 신호를 쉽게 얻을 수 있도록 우수한 광 특성을 보유한 재료로
구성되어야 하고, 바이오칩 및 센서를 이용한 타깃 검출의 신뢰성울 검증할 수 있는 표준 측정
기술의 개발이 병행되고 있는 단계이다.
향후 PET 기술의 발전 방향은 ① PET 용 방사성의약품의 제조 및 보급, ② PSO, GSO,
YSO 등의 섬광결정과 ADP를 결합시킨 PET용 감마선 검출기의 개발, ③ 국내의 디지털 X-선
영상기기 기술과 MRI, CT 기술을 접목시켜서 앞으로 PET-CT, PET-MRI 등의 융합기술이 개
발되어야 할 것으로 예측된다. 또한 인체 영상정보에 생리학적, 분자학적 변화를 보여주는
functional & molecular 영상 정보를 결합하여 제공함으로써 질병의 원인과 진행과정, 치료효과
등을 정량적으로 관찰하고, 이를 통하여 진단 및 치료에 있어서 획기적인 발전을 이루기 위하여
단일기기로 사용되던 PET, MRI, CT가 PET-MRI나 PET-CT등의 복합영상기기로 개발되어
야 하며, 핵심부품인 PET 센서 모듈도 영상기기 간의 간섭현상이 없고 부피를 최소화 할 수 있
는 집적화 모듈로 개발되어야 상품적 가치가 상승될 수 있을 것으로 예측된다.
광ㆍ바이오센서는 나노기술의 발전에 힘입어 나노센서 등을 생체분자 영상에 활용하는 방안
역시 연구 중에 있으므로 이 분야와의 상호교류도 중요하리라 예측된다. 바이오칩은 향후 바이
오센서와 바이오 MEMS 기술이 융합되면서 재택진료, 원격진료를 가능하게 하기 위한 소형화
경량화가 궁극적으로 요구되며, 소형화 기술은 반도체 나노공정 기술과 미소광학소자 제작 기술
등의 개발이 필수일 것이다. 기초기술이 상당히 발전하여 나노선으로 제조가 가능하여 광ㆍ바이
오센서의 핵심부품으로 자리 잡아가고 있는 탄소 나노튜브 의 생산 수율 향상에 따른 가격 경쟁
력 강화가 필요하며 동시에, 극미량 농도 검출의 신뢰성 확보를 위한 미소광학부품 제조 및 광
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센서 제작 기술의 개발이 바이오칩 제작과 동시에 이루어져야 할 것이다.
2. 광ㆍ바이오 치료기술
의료용 레이저는 산업용레이저에 비해 출력이 낮고, 적용대상이 인체의 조직과 같이 수분을
많이 포함하는 불균질한 물질이기 때문에 종류가 다양하고, 레이저 치료기의 경우 현재 CO2 및
Nd:YAG 레이저가 주종을 이루고 있으나 최근 Er:YAG 및 Diode 레이저가 개발되고 있으므로,
파장영역도 폭넓게 확정되어 응용분야가 확대되고 있으며, 기존 치료법들의 한계극복에 대한 새
로운 시도의 일환으로서 광역학요법(photodynamic theraphy: PDT)에 대한 연구와 임상적 적
용이 활발히 진행되고 있다.
치료 시 주위 조직에 대한 열 손상을 해결하기 위해 파장 2.94㎛의 Er:YAG 레이저가 개발
되었으며, Premier 사의 Centauri Er:YAG 레이저가 충치 치료용으로 개발되었고, 효율이 높은
다이오드 레이저 펌핑에 의한 Er:YAG 레이저의 개발에 따른 신경외과 및 일반외과의 수술용
레이저 시스템의 수요가 확대될 것으로 예상되며, 안과용 및 피부과용 레이저의 경우 현재로서
는 대체 기술이 없어 향후에도 지속적으로 시장이 커질 것이다. 선진국의 경우 고출력, 고효율의
Diode 레이저 모듈의 개발로 기존의 안과, 피부과, 치과의 레이저 시스템 외에 성형외과, 신경외
과, 일반외과의 치료 및 수술용 레이저 시스템 산업 등으로 산업기반이 확대되고 있고, 이미 미
국, 유럽 및 일본에서는 광역학적 요법에 의한 암치료에 대한 효과를 입증하였으며, 세계적인 의
료기관에서 이를 사용하고 있다. 수술요법, 화학적 항암치료법, 방사선요법 등에 비해 시술이 간
편하고 부작용이 거의 없으므로, 꾸준한 기술의 개발과 시행이 예상되므로 국제 공동연구를 통
하여 국제적인 추세를 파악하고 국제 기술발전 선도 그룹에 조속히 편승하는 것이 중요하다고
판단된다.
VI. 결 론
이미 병의원에서 사용 중인 영상 진단기기들이 충분히 비관혈적이며 어느 정도 좋은 영상을
얻을 수 있으므로 광을 이용한 진단기기가 획기적인 장점을 가지고 있지 않는 한 시장침투가 쉽
지 않을 것으로 예상된다.1) 향후 10 년 내에 개발될 것으로 예상되는 PET, SPECT, ODT 및
OCT 분야의 다양한 신기능 영상기술은 의료 영상 분야에 있어서 향후 국제 경쟁력을 결정할
1) 의사 사회는 보수적인 면이 강하여 장시간에 걸쳐서 검증이 되지 않은 의료기기는 사용하기를 꺼려하는 편이기 때문에 새로운 의료기기의 시
장진입이 쉽지 않고 많은 시간을 필요로 함
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중요한 요소이므로, 고부가가치 첨단 전자 의료기기 산업의 성장을 위하여 정부 차원의 계획과
지원이 필요하다. 또한 광ㆍ바이오센서 및 분석기술의 개발은 현재의 단순한 질병 진단에 국한
되지 않고 정보통신 기술과의 융합으로 의료서비스를 환자 친화형으로 빠르게 변화시키는 견인
차 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라, 보건의료, 제약 및 타 산업에도 커다란 파급효과를 미칠 것
으로 예상되므로 사용자 친화적인 기기의 개발이 요구된다. 고가/신기능 의료영상 장비의 경우
다학제간 효율적인 공동연구 체제를 갖추는 것이 중요하다. 국제 공동연구를 통하여 국제적인
추세를 파악하고 국제 기술발전 선도 그룹에 조속히 편승하는 것이 중요하므로 공학, 자연과학,
의학 등의 다학제간 유기적인 공동연구가 이루어질 수 있도록 기반기술 및 전문연구원을 확보
및 과감한 R&D 지원이 시급하다.
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[18] 광주지역 광산업 중장기 발전계획, 2006.
* 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 NIPA의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.