방사선 차폐 소재 시장, 국가 주도 연구개발 필수

국내 방사선 차폐 소재 시장 점유율, 아태지역 7~8% 규모

우주위성·탐사 산업, 우주방사선 차폐 소재 개발 必

■내방사선(방사선 차폐) 소재 기술

2. 연구개발 동향

2.3 섬유형 방사선 차폐 소재

의료방사선 차폐의 경우 환자와 종사자의 방사선 피폭과 직접적인 상관관계가 있어 많은 연구가 있었다. 방사선 차폐제로 사용되고 있는 대부분의 재료가 납이다. 납에 대한 유해성은 이미 많이 알려져 있으며, 중금속으로 분류되어 관리되고 있으며 작업성 노출, 체내 흡수 등 다양한 면에서 위험성을 내포하고 있다.

영상의학과에서는 의료방사선의 차폐로 환자, 보호자, 방사선 사, 의료인은 납 방호복의 일종인 에이프런(Apron)을 착용한다. 이 방호복의 재료는 대부분이 납을 가공해 제작했다. 영상의학과 검사실인 촬영실의 차폐에 사용되는 벽, 바닥, 출입문 등의 재료 또한 납을 포함하고 있다.

납이 방사선차폐물로 많이 이용되는 가장 큰 이유는 경제적인 측면의 의료방사선 차폐능과 물질의 가공성이 우수하기 때문이다. 방사선사의 근무환경과 병원의 진단과 검사 환경을 고려한다면 가벼우면서도 인체의 무해한 의료방사선 차폐 재료를 고려해야 할 것이다.

최근 의료기관에서 친환경 재료로 제작된 방사선 차폐시트를 많이 사용하고 있다. 차폐시트는 폴리머 소재에 차폐물질을 혼입해 열성형으로 고형적인 형태로 가공된다. 베이스는 수지 계열로 인장강도에는 한계가 있으며, 이를 위해 표면에 부직포 등의 섬유를 합포해 사용하고 있다.

차폐시트 공정 기술은 차폐성능을 높이고자 차폐물질의 함유량을 높이면 인장강도가 급격히 떨어지는 문제점을 제시하고 있다. 이를 개선하고자 계명대학교 의용공학과에서는 차폐시트에 섬유를 혼합(Binding)하는 방식과 부직포에 소량의 차폐물질인 텅스텐을 함유해 적층 구조로 접착(Laminating)하는 방식, 기본 폴리머 형태의 압축몰딩(Compression molding) 방식 세 가지 종류의 차폐시트를 제조해 동일한 차폐 물질량을 기준으로 차폐성능과 인장강도를 비교 평가했다.

세 종류 차폐시트의 비교에서 섬유 코팅 시트와 압착 방식의 시트는 차폐성능 차이 5% 정도이며, 인장강도는 65MPa에서 280MPa로 큰 차이가 나타났다. 적층 구조의 차폐시트는 차폐성능도 차이가 있었으며, 인장강도도 기준의 4배로 증가했다. 친환경 소재의 차폐시트 제조과정에서 인장강도를 개선하기 위해 섬유 함유를 목적으로 코팅 공정과 적층 구조에 대한 정량적 평가를 통해 적층 구조가 더 효과적인 것을 제시했다. 따라서 향후 차폐시트는 내구성 있는 방사선 차폐 제품 개발에 기여할 것으로 기대된다.

2020년 한국섬유개발연구원에서는 친환경 방사선 차폐 소재 개발을 시작했다. 나노 텅스텐 기능지와 기존 중량의 3분의 1 수준의 에이프론(Apron)을 활용해 친환경 방사선 차폐소재 개발을 진행 중이다. 기존의 방사선 차폐소재는 납을 주성분으로 사용해 무게가 무겁고, 인체 및 환경에도 유해하다.

공동연구기관인 계명대학교에서는 의료기관 내 사용에너지별 맞춤형 방사선 차폐재 개발 및 실증을 진행하며, 한국섬유개발연구원은 무기물 기반 경량 및 유연성을 갖는 방사선 차폐 섬유 및 복합체를 개발한다.

동원엔텍에서는 원전 산업 현장에 적용할 수 있는 인체와 시설기반의 방사선 차폐시스템을 개발 중이다. 서강대학교 산학협력단에서는 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation) 을 통한 차폐 소재의 배합과 차폐 능력 해석에 대한 연구를 컨소시엄별로 진행해 의료·원전·우주항공산업 등에서 활용할 수 있는 경량 무연 방사선 차폐 복합소재를 개발한다.

해당 연구는 경량 및 유연성을 갖는 방사선 차폐 섬유 및 복합체 개발에 대한 원천기술을 확보할 수 있게 되며, 방사선 차폐 소재의 국산화 및 수입대체효과뿐 아니라 수출도 가능해 국내 섬유산업 경쟁력 강화에 힘을 실을 수 있을 것으로 기대된다고 보고했다.

▲ <그림 1>한국섬유개발연구원이 개발 중인 친환경 방사선 차폐소재 나노 텅스텐 기능지(左)와 기존 중량의 3분의1 수준의 에이프론(右)(자료 : 영남일보, 2020.05.26)

항균제 전문기업 이루삼은 인체 유해물질인 납을 사용하지 않고 방사선의 알파선, 베타선, 감마선 및 중성자선 저감효과를 가진 루텍스(RU-TEX)를 개발했다고 보도했다. 이루삼이 개발한 방사선 차폐소재 루텍스(RU-TEX)는 트렌치코트, 아웃도어 스포츠에서 벽지, 커튼까지 섬유소재 제한 없이 적용할 수 있다.

적층 방식의 시트(Sheet) 형태 차폐소재인 루텍스는 각 층마다 마이크로 워터캡슐(Water-Capsule)을 고르게 분산·투입해 인체에 치명적인 중성자를 효과적으로 차단한다. 알파선과 베타선을 100% 완벽하게 차단하고 엑스선의 간접 산란선 역시 100% 차단한다.

루텍스는 라미네이트 적층 방식의 다층 구조로 돼 있어 매우 작은 핀홀(Pin-Hole)이 방사선의 관통을 효과적으로 차단한다고 보도했다. 특히 방사선에서 인체에 치명적인 감마선 세슘(Cs-137)의 경우 세계 최고 수준의 차폐성능을 갖췄다고 강조했다.

이전까지 방사선 차폐 소재는 인체 중독성이 강한 납 분말을 사용, 무거우면서 활동성에 문제가 있어 제한적인 용도로만 쓰였다. 루텍스는 고분자물질과 나노 사이즈 무기분말을 혼합한(Hy-bride) 물질을 사용해 경량화를 실현했다. 방사선 세기나 용도에 맞게 다양한 두께의 시트를 제조할 수 있어 여성 트렌치코트, 아웃도어 스포츠 같은 일반 의류용뿐만 아니라 메디컬, 원자력발전소 보호복 등 활용 범위가 높다. 벽지나 커튼 등 인테리어 용도로 사용할 수 있어 섬유소재의 제한이 없는 것도 큰 장점이다.

▲ <그림 2>이루삼이 개발한 방사선 차폐소재 루텍스 방사선 차폐원단(左)과 루텍스로 만든 투습방수 여성용 트렌치코트(右)(자료 : 한국섬유신문, 2021.11.16)

3. 산업 및 시장 동향

방사선 차폐 소재 시장은 전통적인 납 차폐, 납 복합 차폐 등을 포함하고 있으며, 전형적인 기업으로는 MAVIG, Nelco Worldwide, Ets-Lindgren, Wardray Premise 등이 있다. 방사선은 원자력 시설, 산업 또는 의료용 X선 시스템, 방사성 동위원소 프로젝트, 입자 가속기 작업 및 기타 여러 상황에서 심각한 문제가 될 수 있으므로 방사선 차폐는 필수적이다.

방사선을 억제하고 직원이나 주변 환경에 물리적인 피해를 주지 않도록 방지하는 것은 잠재적으로 위험한 광선을 방출하는 장비 작동의 중요한 부분이며, 방사선 노출로 인해 손상될 수 있는 인체 안전과 구조 재료를 모두 보존하는 것은 물론 전자장치 및 사진 필름과 같은 민감한 재료를 보호하는 것이 매우 중요하다.

차폐 소재 역시 전통적인 납을 사용하던 시대에서 점차 벗어나 납복합재 또는 무연의 차폐 소재가 사용되고 있으며, 무연 차폐 소재는 비용이 저렴하고, 친환경적이라는 장점이 있어 많이 사용될 것으로 예상된다.

3.1 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

아시아-태평양 지역의 방사선 차폐 소재 시장규모는 중국이 약 50%가 넘는 시장규모와 점유율을 보유하고 있으며, 그다음으로 일본과 인도, 한국의 순으로 나타나고 있다. 아시아-태평양 지역은 중국의 시장 점유율이 증가하면 일본과 한국의 점유율이 감소하는 추세를 보인다.

전체 조사 기간 동안 중국과 인도의 시장 점유율이 증가하는 경향을 보이며, 한국의 아시아-태평양 지역에서 시장 점유율은 감소하는 경향을 보인다.

▲ <표 1>2015년∼2020년 한국의 방사선 차폐 시장 규모(단위 : 백만달러)(자료 : 산업통상자원부, 2015년 산업기술인력 수급 실태조사 결과, 2015)

▲ <표 2>2015년~2020년 아시아-태평양 지역에서 한국의 방사선 차폐 시장 점유율(단위 : %)(자료 : Secondary Information and LP Information Research Team; 2020)

▲ <그림 3>2015년~2020년 한국의 방사선 차폐 시장 성장 규모(자료 : Secondary Information and LP Information Research Team; 2020)

3.2 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

원자력 이용 증가, 방사선 치료 이용 증가, 진단영상센터 수 증가, 국민의 안전의식 급증, 전 세계 의료산업 성장, 핵의약품 사용 증가, 원자력발전소 수 증가 등으로 인해 시장규모는 꾸준히 상승할 것으로 전망된다.

다만, 높은 가격의 MRI 시스템과 방사선 차폐 장비의 비용은 시장의 성장을 방해하고 있으며, 신흥국의 의료 인프라 개선은 향후 시장에 수익성 있는 성장 기회를 창출할 것으로 기대되고 있다.

향후 6년 동안 방사선 차폐 재료 시장은 매출 기준으로 4.59% CAGR(Compound Annual Growth Rate, 연평균 성장율)을 기록할 것이며, 글로벌 시장 규모는 2019년 2억 5,111만 달러에서 2026년까지 3억 1,788만 달러에 이를 것으로 전망하고 있다. 방사선 차폐 소재는 의료 분야에서 75%의 시장 점유율을 보이며, 원자력 발전시설이 18%를 차지하고 있다.

▲ <그림 4>2015년∼2020년 전 세계 방사선 차폐 시장규모(자료 : Secondary Information and LP Information Research Team; 2020)

▲ <그림 5>응용 분야별 세계 시장 규모 및 시장 점유율(자료 : Annual Reports, Secondary Information, Press Releases, Expert Interviews and LP Information Research Team; 2020)

2) 기업 현황

방사선 차폐 소재 제조사별 세계 수익 시장은 국제적으로 약 20여개의 방사선 차폐 소재 제조사가 있으며, 2020년 전체 기업의 수익은 2억 5천만 달러 정도에 이르고 코닝(Corning)이 가장 많은 수익을 올리고 있다.

방사선 차폐 소재의 글로벌 제조사 중 코닝(Corning)은 1851년 설립되어 세계에서 가장 오래된 기업이며, 독일의 쇼트(SCHOTT)가 뒤를 잇고 있다. 대부분의 기업들이 1900년대에 설립되었으며, 중국의 기업들은 2000년대에 들어서서 설립되었다. 코닝은 2019년과 최근 몇년 동안 가장 많은 수익을 올렸고 Nippon Electric Glass와 ETS Lindgren은 2위와 3위를 차지하고 있다.

▲ <표 3>2018년~2020년 제조사별 세계 방사선 차폐소재 수익(단위: 백만달러)(자료 : Annual Reports, Secondary Information, Press Releases, Expert Interviews and LP Information Research Team; 2020)

▲ <표 4>2018년∼2020년 제조사별 세계 방사선 차폐소재 수익에 대한 시장 점유율(단위: 백만달러)(자료 : Annual Reports, Secondary Information, Press Releases, Expert Interviews and LP Information Research Team; 2020)

4. 미래의 연구방향 및 정책 제언

4.1 미래의 연구방향

방사선 차폐 소재기술은 산업과 기술이 첨단화될수록 필요성이 커질 것이다. 그러나 국내 기술 수준은 여전히 해외 기술 수준 및 시장규모, 점유율 등에 비해 매우 미미한 수준에 그치고 있다. 특히 주요 기술을 대부분 수입에 의존하는 의료장비 분야의 경우 헬스케어 관련 산업이 발전하며 그 필요성이 커지고 있지만, 관련 소재기술은 여전히 선진국과 큰 기술 격차를 나타내고 있다.

최근 들어 나노소재 관련 국내 연구 수준 및 기술이 크게 발전하고 있어 향후 내방사선 차폐 소재에 대한 연구개발에도 도움이 될 것으로 보인다. 더불어 최근 국내에서 위성 발사 등에 따른 우주기술에 관한 관심이 높아졌고, 아마존이나 테슬라 등에서 유인 우주여행 시대를 준비하는 만큼 우주 방사선 차폐가 가능한 새로운 소재에 대한 연구개발이 시급한 것으로 보인다.

기존 금속 위주의 방사선 차폐용 소재기술의 한계를 넘어 가벼우면서도 제조가 용이하고, 대면적 제작이 가능하며, 플렉서블 형태나 섬유 형태로 제조 가능한 복합소재 기술은 더욱더 지속적인 연구가 필요한 분야라고 판단된다.

해당 분야의 연구성과가 지속적으로 출판되고 있으므로 꾸준한 관심을 가질 필요가 있고, 방사선 차폐 소재 관련 연구 인력 양성 또한 앞으로의 꾸준한 연구개발을 위해 필요한 방향이라고 생각된다.

4.2 정책 제언

방사선 차폐 소재기술의 산업 및 시장 동향을 살펴보면, 선진국인 미국, 독일, 일본 등의 시장 점유율이 높고, 최근 중국도 점차 시장 점유율을 높이는 추세이다. 국내 시장 점유율은 아시아-태평양 지역에서 약 7~8%(6천만 달러) 규모에 불과하여 세계 시장에 비하면 극히 미비한 수준이다.

미래를 선도할 분야로 헬스케어, 우주 위성 및 로켓 산업 등이 꼽히고 있으나, 여전히 기술경쟁력에서 뒤처지는 국내 소재기술을 선진국 수준으로 끌어올리기 위해서는 미래 산업에 필수적인 방사선 차폐 소재기술 개발이 절실하다.

미래 산업에 대응하기 위한 국가 주도의 연구개발이 필수적이며, 국내 기업체 규모가 영세하고 기술력이 부족한 점을 고려하여 인력 양성을 통한 연구 인력 확충과 기술이전을 통한 기업체의 기술력 확보 등이 이뤄져야 한다. 이제 우리나라도 국가적 지원 아래 방사선 차폐 복합소재와 관련된 원천적이고 구체적인 연구를 진행할 시점이다.