정밀화학

3. 제품

분자 구조 측면에서 정밀화학 제품은 저분자량(LMW, Low Molecular Weight) 제품과 고분자량(HMW, High Molecular Weight) 제품으로 구분되며, 일반적으로 분자량 약 700을 기준으로 나뉜다.

정밀화학 제품은 과학 기술에서 표준적인 반응을 통해 대량 생산되는 벌크 케미컬과 구별된다. 벌크 케미컬과 달리 정밀화학 제품은 다음과 같은 특징을 가진다.

• 특수 용도: 특정 기능이나 효과를 위해 소량으로 생산된다.
• 생산 방식: 대부분 수주 생산 방식으로 만들어지며, 매우 다양한 종류의 제품이 수요 변화에 맞춰 유연하게 생산된다.
• 경제성: 원자 효율보다는 제품의 성능과 기능이 더 중요하게 여겨진다. 이로 인해 제조 과정이 복잡하고 비용이 높으며, 상대적으로 많은 폐기물이 발생하고 단위 무게당 높은 연구 투자가 필요하다.
• 생산 규모: 연구실에서 소량 합성되는 연구용 화학 약품과는 달리, 산업적 규모로 생산된다.

• 의약품: 새로운 약이 출시될 때, 해당 의약품이나 그 중간체는 정밀화학 제품의 형태로 소량 생산된다. 생리 활성 물질을 공장에서 분리하여 분말 형태로 만들고, 안료, 용매, 부형제 등과 혼합하여 정제 형태로 만든다. 의약품 제조는 엄격한 작업 표준 준수가 요구되며, 미국의 경우 미국 식품의약국(FDA)의 감독을 받는다.
• 특수 화학 약품: 기술적인 용도로 사용되는 화학 제품을 포함한다. 잉크, 성능 향상 첨가제, 특수 도료, 사진 화학 재료 등이 대표적인 예시다. 일반 화학 제품이 무게당 가격으로 평가되는 것과 달리, 특수 화학 약품은 그 기능과 효능에 따라 가격이 결정된다.

3. 1. 소분자 (Small molecules)

• β-락탐 구조는 페니실린과 세팔로스포린 계열 항생제의 기본 골격이다.
• 이미다졸 구조는 현대 제초제(예: 아스널)와 다양한 의약품에서 찾아볼 수 있다. 대표적인 예로 항궤양제인 타가메트(시메티딘)와 넥시움(오메프라졸), 항진균제인 닥타린(미코나졸), 펀가레스트(케토코나졸), 트라보겐(이소코나졸) 등이 있다.
• 테트라졸과 테트라졸리딘 구조는 고혈압 치료제 중 "사르탄" 계열 약물의 핵심 부분이다. 칸데사르탄 실렉세틸(칸데사르탄), 아프로(이르베사르탄), 코자르(로사르탄), 디오반(발사르탄) 등이 이에 해당한다.

• 피리미딘 구조는 비타민 B₁(티아민), 설폰아미드 항생제(예: 마드리본(설파디메톡신)), 설포닐 우레아 제초제(예: 이글(아미도설푸론), 론닥스(벤설푸론-메틸)) 등 광범위한 의약품 및 농약의 기반이 된다.
• 벤조디아제핀 유도체는 리브리움(클로르디아제폭사이드)이나 바리움(디아제팜)과 같은 중추신경계 약물의 핵심 구조이다.
• 피리딘 유도체는 잘 알려진 제초제인 디쿼트 및 클로르피리포스나, 현대 니코티노이드계 살충제(예: 이미다클로프리드) 등에서 발견된다.

3. 2. 거대 분자 (Big molecules)

• 석유 화학 원료나 천연물 추출물을 이용한 화학 합성
• 소분자를 위한 생물 촉매 작용(효소 촉매 작용), 생물 합성(발효) 및 거대 분자를 위한 세포 배양 기술 등 생명 공학
• 동물, 미생물, 식물로부터의 추출, 분리, 정제 (예: 알칼로이드, 항균제, 스테로이드)
• 단백질의 가수 분해, 특히 이온 교환 크로마토그래피와 결합 (예: 아미노산)

3. 2. 1. 펩타이드와 단백질

3. 2. 2. 단백질

대부분의 바이오 의약품 생산에 사용되는 포유류 세포 생산 공정은 일반적으로 네 가지 주요 단계로 나뉜다.

# '''배양''': 세포 증식 단계.

# '''발효''': 일반적으로 10000L 또는 그 이상의 바이오리액터에서 단백질을 실제 생산하는 단계.

# '''정제''': 배양 배지에서 세포를 분리하고, 주로 크로마토그래피를 이용하여 단백질을 정제하는 단계.

# '''제형''': 민감한 단백질을 안정적인 형태로 만드는 단계.

이 모든 단계는 완전히 자동화되어 운영된다. 그러나 동물 세포 배양은 생산성이 낮아 기술 비용이 높고 오염에 취약하다는 단점이 있다. 소량의 박테리아 오염만으로도 느리게 성장하는 동물 세포 전체를 압도할 수 있기 때문이다. 낮은 생산성과 동물 유래 원료라는 점이 주요 한계로 지적되며, 식물 세포 생산과 같은 다른 기술이 미래에 중요해질 가능성도 있다. 포유류 세포 배양 기술은 기존 화학 공정 기술과 근본적인 차이가 있어, 관련 생산 시설은 새로 건설해야 한다.

정밀 화학 회사가 세포 배양 기술 분야에 참여하는 것에는 다음과 같은 장단점이 있다.

'''장점:'''

• '''강력한 수요 증가''': 바이오 의약품 시장은 전체 제약 시장의 상당 부분을 차지하며 빠르게 성장하고 있다. 2010년 세계 10대 의약품 중 5개가 바이오 의약품이었으며, 2016년에는 8개로 증가할 것으로 예상되었다.^[13]

• '''높은 개발 성공 가능성''': 바이오 의약품은 임상 1상 진입 시 최종 승인 확률이 약 25%로, 기존 화학 합성 의약품(약 6% 미만)보다 훨씬 높다.
• '''높은 아웃소싱 비율''': 전통적으로 바이오 의약품 생산의 아웃소싱 비율이 높다.
• '''소수의 전문 위탁 생산업체''': 산업 규모의 제조 능력을 갖춘 위탁 생산업체(CMO)가 소수에 불과하다. 서구권에서는 독일의 뵈링거 인겔하임과 스위스의 론자가 대표적이며, 동구권에서는 인도의 니콜라스 피라말, 중국의 오텍바이오 합작사, 인도의 바이오콘과 대한민국 셀트리온의 합작사 등이 있다.
• '''유사한 사업 환경''': 주요 고객(제약 산업), 사업 모델(독점 의약품 위탁 생산, 바이오시밀러 기회), 규제 환경(FDA, GMP) 등이 기존 정밀 화학 사업과 유사하다.
• '''기존 인프라 활용 가능성''': 유틸리티 등 기존 인프라를 일부 활용할 수 있다.

• '''높은 진입 장벽''': 기술적 난이도가 높고, 대규모 생산 시설 건설에 약 5억달러의 비용과 4~6년의 시간이 소요된다.
• '''기존 설비 활용 어려움''': 바이오 의약품 생산 설비는 기존 정밀 화학 플랜트와 달라 호환이 어렵다.
• '''높은 재정적 위험''': 자본 집약도가 높고 배치 실패(오염 등) 위험이 크다.
• '''대형 제약사의 자체 생산 투자 증가''': 암젠, 로슈/제넨텍, 화이자 등 대형 바이오 제약 회사들이 자체 생산 능력에 막대한 투자를 하고 있다.
• '''기술 발전으로 인한 불확실성''': 발현 시스템 개선으로 생산 역가(단위 부피당 생산량)가 증가하고 있으며(2020년까지 10g/L 목표), 일회용 생물 공정 기술의 확산으로 필요 생산 용량이 줄어들 수 있다.
• '''새로운 생산 시스템 등장 가능성''': 형질전환 기술(이끼, 식물, 동물 등 이용)이 경제성을 갖추고 등장할 수 있다.
• '''규제 불확실성''': 바이오시밀러 관련 법규 등 생명 공학 관련 규정이 아직 명확히 정립되지 않은 부분이 있어 해석상 불확실성이 존재한다.

3. 2. 3. 올리고뉴클레오타이드

3. 2. 4. 항체-약물 접합체 (ADC)

4. 기술

정밀화학 산업의 기술 개발 및 서비스 제공 과정에서는 계약 연구 기관(CRO, Contract Research Organization)과 계약 생산 전문기업(CMO, Contract Manufacturing Organization)의 역할이 중요하다. CRO는 주로 생명 과학 산업의 제품 개발 과정에 필요한 연구 서비스를 제공하는 기관이다. 전 세계적으로 2,000개 이상의 CRO가 운영되고 있으며, 총 매출은 200억달러를 넘어선다.

CRO는 크게 '제품 CRO'와 '환자 CRO'로 나눌 수 있다. 제품 CRO가 실험실 연구를 기반으로 한다면, 환자 CRO는 임상 시험의 피험자를 대상으로 연구를 진행한다. CRO 서비스의 주요 고객은 화이자(Pfizer), 글락소스미스클라인(GlaxoSmithKline), 사노피(Sanofi), 아스트라제네카(AstraZeneca), 존슨앤존슨(Johnson & Johnson), 머크(Merck & Co.)와 같은 대규모 글로벌 제약 회사들이다. 이들 소수 기업이 전체 CRO 지출의 약 3분의 1을 차지한다. 또한, 신약 개발 프로그램을 가지고 있지만 자원이 제한적인 생명 공학 스타트업 기업들도 중요한 고객층이다.

제품 CRO는 주로 샘플 준비, 공정 연구 및 개발 서비스를 제공한다. 이들의 업무 영역 중 파일럿 플랜트(약 100kg 규모 생산) 운영은 CMO의 영역과 일부 겹치기도 한다. 현재 100개 이상의 제품 CRO가 활동하고 있으며, 대부분은 비상장 회사로 연간 매출 1000만달러에서 2000만달러 사이를 기록하고 있다. 전체 제품 CRO 시장 규모는 약 15억달러에서 20억달러 수준으로 추정된다.

CRO의 사업은 일반적으로 "서비스에 대한 지불(fee-for-service)" 방식으로 이루어진다. 즉, 생산된 제품 단위가 아니라 특정 고객의 과제를 위해 투입된 연구 인력의 시간(FTE, Full-Time Equivalent)을 기준으로 비용을 청구한다.

한편, 계약 연구 및 제조 서비스(CRAMS, Contract Research and Manufacturing Services)를 모두 제공하는 회사들도 있다. 이들은 CRO가 산업 규모의 생산 역량을 추가하거나, CMO가 연구 개발 역량을 확보하는 방식으로 형성된다. 하지만 연구 개발 단계에서 실제 생산으로 이어지는 프로젝트 비율이 낮기 때문에(샘플 준비 단계에서 90% 이상 종료), 연구와 생산을 한 곳에서 모두 처리하는 '원스톱 샵'의 실질적인 시너지 효과에 대해서는 의문이 제기되기도 한다. 실제로 일부 대형 정밀 화학 회사들은 초기 샘플 준비 단계를 이익 창출보다는 마케팅 도구나 비용으로 간주하기도 한다.

환자 CRO는 신약 개발의 임상 단계를 주로 담당하며, 신규 약물 화합물의 임상 개발 및 선택 등 30개 이상의 다양한 업무를 수행한다. 임상 시험은 제약 연구 개발 과정에서 가장 큰 비용이 드는 부분이므로, 환자 CRO 시장은 제품 CRO 시장보다 규모가 훨씬 크다. 찰스 리버 연구소(Charles River Laboratories), 포트리아(Fortrea), 파렉셀(Parexel), 제약 제품 개발(PPD), 아이큐비아(IQVIA, 구 킨타일즈 트랜스내셔널) (이상 미국), TCG 생명과학(TCG Lifescience) (인도) 등 주요 환자 CRO 기업들의 매출은 10억달러에서 20억달러에 달하는 반면, 가장 큰 제품 CRO의 매출은 수억 달러 수준이다.

4. 1. 전통적인 화학 합성

• '''문헌 및 특허 조사''': 새로운 합성을 시작하기 전, 관련 연구 결과와 기존 특허를 검토하여 지적 재산권(IPR) 침해를 피하고, 필요한 경우 새로운 특허를 출원할지 결정한다. 특히 제네릭 의약품 개발 시에는 기존 특허 분석이 매우 중요하다.
• '''공정 연구''': 새로운 합성 경로를 설계하는 단계이다. 비교적 단순한 분자는 상업적으로 구매 가능한 출발 물질에서 시작하여 순차적으로 반응시키는 "바텀업(bottom-up)" 접근 방식을 사용한다. 반면, 복잡한 분자는 목표 분자를 먼저 주요 조각으로 분해하여 각각 합성한 뒤 마지막에 결합하는 "톱다운(top-down)" 접근 방식, 즉 역합성을 활용한다.
• '''공정 개발''': 실험실에서 개발된 합성법을 실제 산업 생산에 적용할 수 있도록 새롭고 효율적이며 안정적이고 안전하며 규모 확대가 가능한 합성 경로를 설계하는 데 중점을 둔다. 이 과정은 공정 연구와 상업 생산 사이의 필수적인 연결 고리 역할을 하며, 결과적으로 예비 원자재 및 제품 사양 결정, 파일럿 플랜트 제조, 환경 영향 평가, 규제 제출, 기술 이전, 생산 비용 추정 등에 필요한 데이터를 담은 "기본 공정"을 확립하게 된다. 고객으로부터 기본 공정을 제공받는 경우에도, 해당 공정을 실제 생산 설비의 특성에 맞게 최적화하고 조정하는 작업이 필요하다.
• '''벤치 규모 실험실, kg-lab 및 파일럿 플랜트 개발''':^[19] 합성 규모를 점진적으로 늘려가며 공정을 검증하고 최적화하는 단계이다. 일반적으로 그램(g)에서 100g 규모는 벤치 규모 실험실, 킬로그램(kg)에서 10kg 규모는 kg-lab, 100kg에서 톤(t) 규모는 파일럿 플랜트에서 다룬다. 실험실 규모의 공정은 다수의 단위 조작, 묽은 반응 농도, 많은 양의 추출 용매 사용 등 산업 규모 생산에 부적합한 특징을 가지므로 직접적인 이전은 권장되지 않는다. 따라서 파일럿 플랜트 단계에서 반 상업적 규모로 공정의 실현 가능성을 입증하고, 시장 개발이나 임상 시험 등에 필요한 시험 수량을 생산하며, 산업 규모 생산을 위한 데이터를 확보한다. 실험실 합성과 산업 규모 공정의 주요 차이점은 다음과 같다.

특히 cGMP(우수 의약품 제조 및 품질 관리 기준)를 따라야 하는 정밀 화학 물질의 경우, 공정 검증 절차가 필수적이며, 이는 공정 설계, 공정 자격 및 지속적인 공정 검증의 세 단계로 구성된다.

• '''공정 최적화''': 산업 규모 생산이 성공적으로 시작된 후에는 경제성을 개선하기 위해 공정을 지속적으로 최적화한다. 일반적인 규칙으로 연간 생산량이 두 배로 증가할 때마다 매출 원가(COGS)를 10-20% 줄이려고 시도해야 한다. 이 작업은 현재 사용되는 합성 방법의 미세 조정에서 완전히 다른 2세대 공정 탐색까지 확장된다. 구체적인 조항은 전체 수율 증가, 단계 수 감소, 원자재 비용, 용매, 촉매, 효소 소비, 환경 영향이다.

4. 2. 생명 공학 (Biotechnology)

4. 2. 1. 생물 촉매 작용

4. 2. 2. 생합성

4. 2. 3. 세포 배양

5. 산업

정밀 화학 산업은 대량 생산되는 벌크 케미컬 산업과 특정 기능에 초점을 맞춘 특수 화학 산업 사이에 위치한다. 이 산업은 주로 두 가지 유형의 기업으로 구성되는데, 하나는 고객의 요구에 따라 정밀 화학 물질을 직접 생산하는 정밀 화학 회사(맞춤형 제조 회사 포함)이고, 다른 하나는 연구 개발 서비스를 제공하는 위탁 연구 기관(CRO, Contract Research Organization)이다.

정밀 화학 회사는 특정 용도를 위해 소량의 화학 물질을 수주 생산하거나 공정 개발, 시험 생산 등을 담당한다. 이는 표준화된 공정으로 대량 생산하는 벌크 케미컬과는 다른 특징이다. 위탁 연구 기관(CRO)은 특히 생명 과학 분야에서 신약 개발 초기 단계의 연구, 임상 시험 지원 등 전문적인 연구 개발 서비스를 제공하며 산업 내에서 중요한 역할을 수행한다.

정밀 화학 물질은 주로 의약품, 농약의 원료나 중간체, 또는 전자 재료, 기능성 염료와 같은 고부가가치 제품 생산에 사용된다. 따라서 소량 다품종 생산 방식과 높은 기술 수준, 지속적인 연구 개발 투자가 요구되는 산업 분야이다.

5. 1. 정밀 화학 / 맞춤형 제조 회사 (Fine Chemical / Custom Manufacturing Companies)

5. 2. 위탁 연구 기관 (Contract research organizations)

CRO의 사업은 일반적으로 '서비스에 대한 지불'(fee-for-service) 방식으로 운영된다. 제조 회사처럼 제품 단위로 가격을 책정하는 것이 아니라, 특정 고객의 과제를 위해 투입되는 연구 인력의 시간(FTE, Full-Time Equivalent)을 기준으로 비용을 청구한다.

계약 연구 및 제조 서비스(CRAMS, Contract Research and Manufacturing Services)를 모두 제공하는 회사도 있다. 이는 CRO가 제조 역량을 추가하거나(전방 통합), CMO가 연구 개발 역량을 추가하는(후방 통합) 방식으로 형성된다. 하지만 연구 개발 프로젝트의 상당수(90% 이상)가 초기 샘플 준비 단계에서 종료되는 등 실제적인 시너지 효과는 제한적이라는 시각도 있다. 일부 대형 정밀화학 회사들은 샘플 준비 서비스를 이익 창출보다는 마케팅 수단으로 간주하기도 한다.

환자 CRO(임상 CRO)는 신약 후보 물질의 임상 개발 및 임상 시험 관리 등 신약, 의사, 병원, 환자 사이의 임상 연구 부분을 담당한다. 제약 연구 개발 과정에서 임상 시험 비용이 가장 큰 비중을 차지하기 때문에, 환자 CRO 시장은 제품 CRO 시장보다 규모가 훨씬 크다. 찰스 리버 연구소, 포트리아, 파렉셀, 제약 제품 개발, 킨타일즈 트랜스내셔널 (이상 미국), TCG 생명과학 (인도) 등 주요 환자 CRO 기업들의 매출은 10억달러에서 20억달러 수준에 달한다. 반면, 가장 큰 제품 CRO의 매출은 수억 달러 수준이다.

6. 연구 개발 (Research and development)

정밀화학 연구 개발(R&D)은 순수 연구보다는 개발에 더 큰 비중을 둔다. 주요 과제는 다음과 같다.^[19]

# 새로운 제품이나 공정에 대한 실험실 절차를 설계하고, 맞춤형 제조의 경우 이를 복제 및 적용하며 개발하는 것.

# 실험실에서 파일럿 플랜트를 거쳐 산업 규모로 공정을 이전하는 것 (예: 10g 샘플에서 1ton 배치로의 규모 확대 계수는 100,000에 달한다).

# 기존 공정을 최적화하는 것.

이 모든 과정에서는 경제성, 시간 제약, 안전, 환경 및 지속 가능성이라는 네 가지 중요한 제약 조건을 준수해야 한다.^[19]

정밀화학 산업의 R&D 지출은 벌크 케미컬 산업보다 높다. 매출의 약 5~10%를 R&D에 투자하며, 이는 벌크 케미컬 산업의 2~5%보다 높은 수준이다. 이는 정밀 화학 제품의 수명 주기가 상품보다 짧아 지속적인 제품 혁신이 필요하고, 제품의 복잡성이 높으며 규제 요구 사항이 더 엄격하기 때문이다.

R&D 부서는 다음과 같은 기능을 관리하여 필요한 서비스를 제공한다.^[19]

• '''문헌 및 특허 조사''': 연구 결과를 주기적으로 검토하여 지적 재산권(IPR)을 보호하고 특허 출원 여부를 결정한다. 특히 제네릭 의약품용 주성분 원료의약품(API) 개발 가능성을 평가하는 데 특허 조사가 중요하다.
• '''공정 연구''': 새로운 합성 경로를 설계한다. 단순 분자는 상업적으로 이용 가능한 출발 물질에서 시작하여 순차적으로 반응물을 첨가하는 "바텀업(bottom-up)" 접근 방식을 사용한다. 복잡한 분자는 목표 분자를 조각내어 각 단편을 합성한 후 결합하는 역합성(retrosynthesis) 또는 "톱다운(top-down)" 접근 방식을 사용한다.
• '''공정 개발''': 새롭고 효율적이며 안정적이고 안전하며 확장 가능한 합성 경로 설계를 목표로 한다. 이는 공정 연구와 상업 생산 사이의 필수적인 연결 고리이며, 결과물인 "기본 공정"은 원자재 및 제품 사양 결정, 파일럿 플랜트 제조, 생태학적 영향 평가, 규제 제출, 산업 규모로의 기술 이전 및 제조 비용 추정에 필요한 데이터를 제공한다. 고객이 기본 공정을 제공하는 경우, 이를 생산 라인 특성에 맞게 최적화해야 한다.
• '''벤치 규모 실험실, kg-lab 및 파일럿 플랜트 개발''':^[19] 필요한 양에 따라 다른 규모의 장비를 사용한다. (벤치 규모: g ~ 100g, 킬로 랩: kg ~ 10kg, 파일럿 플랜트: 100kg ~ t) 실험실 규모 공정의 특징(다수의 단위 조작, 희석된 반응 혼합물, 대량 용매 사용 등)은 산업 규모 생산에 적합하지 않으므로, 파일럿 플랜트 단계에서 공정의 실현 가능성을 검증하고 시장 개발 및 임상 시험용 샘플을 제조하며 산업 규모 생산에 필요한 데이터를 생성한다. 파일럿 플랜트는 반응 용기 크기(~100–2500리터)와 자동화 정도를 제외하면 산업용 다목적 플랜트와 유사한 구성을 가진다. 산업 규모 플랜트로 이전하기 전에 실험실 공정을 파일럿 플랜트 조건에 맞게 조정하고, 위험 및 운전성 분석(HAZOP)을 수행하며, 시연 배치를 실행해야 한다. 실험실 합성과 산업 규모 생산의 주요 차이점은 다음과 같다.

우수 의약품 제조 및 품질관리 기준(cGMP)을 따라야 하는 정밀 화학 물질의 경우, 공정 설계, 공정 자격, 지속적인 공정 검증으로 구성된 공정 검증이 추가로 필요하다.

• '''공정 최적화''': 산업 규모 생산이 성공적으로 시작된 후, 경제성을 개선하기 위해 공정을 최적화한다. 일반적으로 연간 생산량이 두 배가 될 때마다 매출 원가(COGS)를 10-20% 절감하는 것을 목표로 한다. 이는 기존 합성법 개선부터 완전히 새로운 2세대 공정 탐색까지 다양한 방식으로 이루어진다. 구체적으로는 전체 수율 증가, 단계 수 감소, 원자재/용매/촉매/효소 비용 절감, 환경 영향 감소 등을 고려한다.

7. 시장 (Markets)

정밀화학 물질은 특수 화학 물질의 출발 물질로 사용되며, 주로 제약, 농화학, 식품 및 사료 산업과 같은 생명 과학 분야에서 주요하게 소비된다. 화학 산업 내에서 정밀화학 산업은 대량 생산되는 범용 화학 물질과 최종 용도에 맞게 제형화되는 특수 화학 물질 사이에 위치하고 있다.

정밀화학 시장에 참여하는 기업들은 제공하는 서비스에 따라 크게 몇 가지 유형으로 나눌 수 있다. 표준 제품과 독점 제품의 산업적 생산을 담당하는 정밀화학 회사가 있으며, 특히 고객사의 요청에 따라 독점적인 화학 물질을 생산하는 경우 맞춤형 제조 기관(CMO, Custom Manufacturing Organization)으로 불리기도 한다. 반면, 위탁 연구 기관(CRO, Contract Research Organization)은 주로 연구 개발 단계의 서비스를 제공하며, 실험실 규모의 연구에 집중한다. 이 두 가지 기능을 모두 수행하는 위탁 연구 및 제조 기관(CRAMS, Contract Research and Manufacturing Services)도 존재한다.^[14]

정밀화학 산업, 특히 제약 관련 정밀화학 물질 생산은 매우 엄격한 규제를 받는다.^[15] 대표적인 규제 기관으로는 미국의 식품의약국(FDA), 중국의 국가식품약품감독관리국(SFDA), 유럽의 유럽 의약품청(EMEA) 등이 있다. 이 기관들은 우수 의약품 제조 관리 기준(GMP)과 같은 포괄적인 감독 정책을 수립하고 시행하며, 의약품 등록 및 허가 기준을 관리한다. 또한, 화학 물질의 등록, 평가, 허가 및 제한(REACH) 규정이나 미국 약전(USP)^[16]과 같은 품질 표준 역시 전 세계적으로 준수되어야 하는 중요한 규제 요소이다. 이러한 규제 환경은 정밀화학 시장의 진입 장벽으로 작용하기도 하지만, 제품의 안전성과 품질을 보증하는 중요한 역할을 한다.

정밀화학 시장의 구체적인 규모, 주요 목표 시장 및 제품/서비스 유형에 대한 자세한 내용은 이어지는 하위 섹션에서 다룬다.

7. 1. 시장 규모 (Market size)

위 표에서 볼 수 있듯이, 약 850억달러 규모의 정밀화학 시장은 주요 응용 분야인 제약, 농화학, 그리고 그 외 특수 화학 물질 분야로 나눌 수 있다. 또한 자가 생산과 상업 시장으로 구분된다. 제약용 정밀 화학 물질(PFC, Pharmaceutical Fine Chemicals)은 전체 시장의 약 2/3를 차지하며 가장 큰 비중을 보인다. PFC의 총 생산 가치 550억달러 중 약 40%인 230억달러가 상업 시장에서 거래되고, 나머지 60%인 320억달러는 제약 산업 내에서 자체적으로 생산된다. 생명 과학 분야 내에서는 제약 다음으로 농업용 정밀 화학 물질(총 150억달러)과 동물 의약품 등이 중요한 위치를 차지한다. 제약 및 농화학 외의 다양한 특수 화학 물질에 사용되는 정밀 화학 물질의 생산 가치는 약 150억달러로 추산된다. 이 분야의 주요 기업들인 악조노벨, 다우 케미컬, 듀폰, 에보닉, 켐추라, 미쓰비시 등은 수직 계열화되어 있는 경우가 많아, 자체 생산 비중이 약 75%(100억달러)에 달하며 상업 시장 규모는 약 50억달러 정도로 추정된다.

7. 2. 목표 시장 (Target markets)

7. 2. 1. 제약 (Pharmaceuticals)

• '''펩타이드와 단백질''': 아미노산이 펩타이드 결합(카복스아미드기)으로 연결된 올리고머 또는 중합체이다.^[5] 일반적으로 아미노산 약 50개를 기준으로 그보다 짧으면 펩타이드, 길면 단백질로 구분한다. 이들의 독특한 생물학적 기능 때문에 신약 발견 및 개발에서 차지하는 비중이 커지고 있다. 펩타이드 합성은 아미노산(시작 물질), 보호된 아미노산, 펩타이드 단편 등 소위 펩타이드 빌딩 블록(PBB)을 이용하며, 이 과정에서 분자량은 약 10²에서 10⁴으로, 단가는 킬로그램당 약 100USD에서 10만달러까지 증가한다. 알라프릴(lisinopril), 캡토릴(captopril) 등 "-프릴" 계열 심혈관 약물은 다이펩타이드 (L-알라닐-L-프롤린) 부분을 포함하며, 인공 감미료 아스파탐 역시 다이펩타이드이다. 분자량이 약 7000에 달하는 항응고제 히루딘은 65개의 아미노산으로 구성된다. 의약품 외에도 펩타이드는 진단 및 백신에도 사용된다. 화학적으로 합성된 순수 펩타이드(아스파탐 제외)의 총 생산량은 약 1500kg이며, API 수준 매출은 약 5억달러, 완제품 의약품 수준 매출은 100억달러에 이른다. 주요 펩타이드 계약 제조업체로는 바쳠(스위스), 론자(스위스), 폴리펩타이드(덴마크) 등이 있다.

• '''단백질''': 분자량이 100,000을 초과하는 "초고분자량" 유기 화합물로, 모든 생물 세포와 바이러스의 구조와 기능에 필수적이다. 주로 포유류 세포 배양과 같은 고급 생명공학 공정으로 생산된다. 단클론 항체(mAb)는 인공 단백질 중 가장 중요한 유형이며, EPO(비노크릿, 네오레코몬 등), 엔브렐(에타너셉트), 레미케이드(인플릭시맙), 맙테라/리툭산(리툭시맙), 허셉틴(트라스투주맙) 등이 대표적인 단백질 의약품이다. PEGylation 기술은 펩타이드 및 단백질 약물의 투여 방식을 개선(주사→경구)하고 투여 횟수를 줄여 치료 비용 절감에 기여한다.

• '''올리고뉴클레오타이드''': 뉴클레오타이드의 올리고머(짧은 사슬 중합체)이다. 뉴클레오타이드는 5탄당, 질소 염기, 인산기로 구성된다. 올리고뉴클레오타이드는 화학적으로 합성되며, 최대 길이는 보통 200 뉴클레오티드 성분을 거의 넘지 않는다. 현재 기초 연구, 약물 표적 검증, 약물 발견 및 치료 개발에 활용되며, 향후 유전자 치료(안티센스 약물), 질병 예방 등에서 잠재력이 클 것으로 예상된다.

• ''이탤릭체'': 바이오 의약품 (고분자량)

• '''혁신적 제약 회사''': 주로 자체적으로 개발한 특허 의약품 물질 생산을 위해 정밀화학 회사에 맞춤형 제조(Custom Manufacturing, CM) 서비스를 의뢰한다. 이러한 아웃소싱 수요는 신약 출시 건수, 필요한 생산량, 그리고 각 제약사의 "제조 또는 구매(make-or-buy)" 전략에 따라 결정된다. 제약사 입장에서 API 제조를 아웃소싱하는 것의 장단점은 다음과 같다.

뉴욕 시립 대학교 스턴 경영 대학원의 연구에 따르면, 재정적 측면에서는 아웃소싱("구매")이 유리한 경우가 많다.^[21]

• '''제네릭 회사''': 특허가 만료된 의약품의 복제약을 생산한다. 테바 제약(Teva)과 산도스(Sandoz)가 이 분야의 대표적인 선두 기업이다. 이들은 단순히 복제약만 생산하는 것이 아니라, 자체 특허 의약품 포트폴리오를 보유하고 강력한 수직 계열화를 이루고 있다는 점에서 다른 제네릭 회사들과 차별화된다. 또한, 성장 가능성이 높은 바이오시밀러 시장에서도 경쟁을 벌이고 있다.

• '''소규모 또는 가상 제약 회사''': 수천 개에 달하며, 주로 소수의 주요 화합물에 대한 연구 개발(R&D)에 집중한다. 이들은 일반적으로 대부분 학계 연구 성과를 기반으로 설립되는 경우가 많다. 따라서 이들의 R&D 전략은 합성 방법 개발보다는 질병의 생물학적 원인을 규명하는 데 더 초점을 맞춘다.

7. 2. 2. 농화학 (Agrochemicals)

• '''제초제''': 오랫동안 세계 판매 1위를 기록한 몬산토의 라운드업(글리포세이트)이 대표적이며, 신젠타의 메소트리온(사이클로헥사디온계)과 파라콰트 디클로라이드 등도 있다.
• '''살충제''': 말라티온과 같은 전통적인 유기인산염계 살충제나 γ-사이할로트린 같은 피레스로이드계 살충제와 더불어, 바이엘의 이미다클로프리드, 신젠타의 티아메톡삼, BASF의 피프로닐과 같은 네오니코티노이드계 살충제가 널리 사용되고 있다. 듀폰의 광범위 살충제인 클로란타닐리프롤(안트라닐산 디아미드계)도 중요한 제품이다.
• '''살균제''': 스트로빌루린계 살균제가 빠르게 성장하여 세계 살균제 시장(100억달러 규모)의 30% 이상을 차지한다. 신젠타의 아족시스트로빈이 이 계열 최초 제품이며, BASF의 피라클로스트로빈, 크레속심-메틸 등도 주요 제품이다. 바이엘 크롭사이언스, 몬산토 등도 관련 신물질 개발에 참여하고 있다.
• '''복합 살충제''': 몬산토의 제뉴이티나 스마트스택스와 같이 여러 성분을 혼합한 제품의 사용도 증가하고 있다.

7. 2. 3. 기타 특수 화학 산업 (Other specialty chemical industries)

정밀 화학 상업 시장 규모, 성장 잠재력

위 표는 접착제부터 특수 폴리머까지 8개 분야의 응용 사례를 보여준다. 전반적으로 이 분야들에서 정밀 화학 산업의 매력은 생명 과학 산업보다 낮다고 평가된다. 완제품 판매액 기준 총 시장 규모는 1500억달러에서 2000억달러 사이로, 제약 시장의 약 1/4 수준이다. 여기에 포함된 정밀 화학 물질의 가치는 약 150억달러로 추산된다. 또한 네덜란드의 악조노벨, 일본의 아지노모토, 프랑스의 다논, 대만의 에버라이트 케미컬 인더스트리얼(Everlight Chemical Industrial Corp.), 독일의 에보닉 데구사, 스위스의 지보단 및 네슬레, 덴마크의 노보자임스, 미국의 프록터 앤드 갬블(P&G) 및 유니레버와 같은 주요 기업들의 수직 통합도 고려해야 할 점이다. 마지막으로, 이 분야의 혁신은 새로운 정밀 화학 물질 개발보다는 기존 제품의 새로운 제형 개발에 더 중점을 두는 경향이 있다. 이는 인간 건강과 직접 관련되지 않은 응용 분야에서 더 두드러지는데, 신규 화학 물질(NCE)이 매우 광범위한 테스트를 거쳐야 하는 제약 분야와는 대조적이다.

특수 화학 약품은 잉크, 성능 향상 첨가제, 특수 도료, 사진 화학 재료 등 기술적인 용도로 생산된다. 일반적인 화학품이 무게당 가격이 매겨지는 것과 달리, 특수 화학 약품은 그 특성에 따른 효능에 따라 가격이 결정된다. 단위 무게당 가격이 금보다 비싼 특수 화학 약품도 존재한다. 특정 용도에 맞춰진 특수 화학 약품은 시장 경쟁 원리가 작용하기 어려워, 제조 회사의 이익률이 상대적으로 높아지는 경향이 있다.

7. 3. 목표 제품 및 서비스 (Target products and services)

• 저분자량(LMW) 정밀화학 물질: 소분자라고도 불리며, 전통적인 화학 합성, 미생물을 이용한 발효 또는 생물전환, 식물 및 동물로부터의 추출을 통해 생산된다. 특히 현대 생명 과학 제품 생산에서는 석유화학 물질로부터의 완전 합성이 주를 이룬다. LMW 제품 중에서는 질소 원자를 포함하는 고리 구조 화합물(N-헤테로고리 화합물)이 가장 중요한 범주이다.
• 고분자량(HMW) 정밀화학 물질: 대분자라고도 하며, 주로 생명공학 공정을 통해 얻어진다. 펩타이드와 단백질이 대표적인 HMW 정밀화학 물질이다.

7. 3. 1. 맞춤형 제조 (Custom manufacturing)

7. 3. 2. 표준 제품 (Standard products)

8. 재무 (Financials)

정밀화학 산업의 재무적 측면은 높은 초기 투자 비용, 복잡한 제조 비용 구조, 그리고 변동성이 큰 수익성으로 특징지어진다. 이러한 재무 요소들은 정밀화학 기업의 운영과 성장에 중요한 영향을 미친다.

주요 재무적 고려 사항은 다음과 같다.

• '''투자 비용''': 주로 다목적 공장 건설 및 설비 구축과 관련된 비용이다. 초기 투자 규모가 크지만, 생산 규모가 커짐에 따라 규모의 경제 효과를 통해 단위 생산 비용을 절감할 수 있다. 공장의 지리적 위치, 자동화 수준, 규제 준수 요구사항(예: cGMP) 등에 따라 투자 비용은 크게 달라질 수 있다.
• '''제조 비용''': 제품 생산에 직접 투입되는 원자재 비용과 생산 공정 운영에 필요한 전환 비용(인건비, 에너지, 설비 감가상각 등)으로 구성된다. 다양한 제품을 소량 생산하는 경우가 많아 개별 제품에 대한 정확한 원가 계산 및 배분이 중요하며, 이는 기업의 가격 경쟁력과 수익성 관리에 핵심적인 요소이다.
• '''수익성''': 정밀화학 산업은 시장 수요 변화, 특히 주요 수요처인 제약 및 농약 산업의 경기에 따라 수익성 변동이 큰 편이다. 과거 여러 차례 호황과 불황을 경험했으며, 경쟁 심화와 신규 시장 진입자의 등장으로 인해 전반적인 수익성 확보가 도전적인 과제로 남아있다. 산업의 평균적인 수익성은 자본 비용을 충족시키기 어려운 경우도 나타난다.

8. 1. 투자 비용 (Investment costs)

더 크거나 작은 반응기를 설치할 경우, m³당 투자 비용은 각각 0.5 제곱 지수(즉, 제곱근에 비례)로 감소하거나 증가하는 경향을 보인다. 따라서 장비 규모를 늘리면 일반적으로 제품 kg당 제조 비용이 크게 감소하여 규모의 경제 효과를 볼 수 있다.^[25]

또한, 규제를 받지 않는 중간체만을 생산하는 공장의 경우 투자 비용이 상당히 낮아질 수 있다. 반면, 제약 회사들은 엄격한 규제 준수와 높은 품질 기준으로 인해 동일한 생산 능력을 가진 공장에 최대 10배 더 많은 비용을 투자하는 경향이 있다. 한편, 개발도상국, 특히 인도나 중국과 같은 국가에서는 투자 비용이 미국이나 유럽에 비해 상당히 낮은 편이다.^[25]

8. 2. 제조 비용 (Manufacturing costs)

오늘날 정밀 화학 생산에서는 주 7일, 4~5개 조가 하루 8시간씩 근무하는 교대 근무 방식이 표준으로 자리 잡았다. 이는 생산 비용 측면에서 가장 효율적인 방식으로 평가된다. 야간 근무에 따른 추가 인건비는 고정 비용 분산 효과로 상쇄될 수 있다. 예산 책정 과정에서는 과거 경험을 바탕으로 특정 제품 생산 캠페인에 대한 표준 비용을 설정한다. 이후 실제 캠페인 결과를 표준 비용과 비교하여 평가한다. 정밀 화학 회사가 제조 비용을 신뢰성 있게 예측하는 능력은 중요한 경쟁 우위 요소가 된다.

8. 3. 수익성 (Profitability)

호황기와 불황기 사이 수익성 지표는 약 2배 차이를 보여 산업의 높은 변동성을 나타낸다. 전반적으로 평균적인 서구 정밀 화학 회사는 자본 비용 이하의 수익을 내고 있어, 벌어들인 이익으로 재투자하기 어려운 상황이다.

9. 전망 (Outlook)

공급 측면에서는 생명공학이 빠르게 중요성을 더해가고 있다. 소분자 정밀화학 물질 합성에 생물 촉매와 미생물 발효를 이용하면 기존 유기 화학 방식보다 더 지속 가능하고 경제적인 생산이 가능하다. 바이오 의약품 같은 대분자 합성에서는 이 방법이 가장 효과적이다. 바이오 의약품은 연 15% 성장할 것으로 예상되며, 이는 소분자 의약품보다 3배 빠른 속도이다. 2010년 상위 10대 의약품 중 5개가 바이오 의약품이었고, 2016년에는 8개로 늘어날 것으로 전망된다.

수요 측면에서는 정밀화학의 주요 고객인 제약 산업이 수요 둔화, 수익성 높은 블록버스터 의약품의 특허 만료, 신제품 출시 지연 등의 문제에 직면해 있다. 이러한 어려움에 대응하기 위해 주요 기업들은 구조조정을 시행하고 있다. 여기에는 자체 화학물질 제조 축소 및 공장 폐쇄 등이 포함된다. 아웃소싱은 단순히 기회를 노리는 방식에서 전략적인 접근 방식으로 변화하고 있다. 이러한 변화가 긍정적인 영향을 미칠지 부정적인 영향을 미칠지는 예측하기 어렵다. 최악의 경우, 최첨단 설비와 공정을 갖춘 우수한 중견 정밀화학 회사^[27]조차 개발 후기 단계의 신약 후보 물질을 위한 소량의 정밀화학 물질만 생산하게 될 수도 있다. 농업 정밀화학 물질의 경우, 활성 성분이 더욱 정교해지고 성능이 향상되고 있다. 이에 따라 기존의 전용 공장 대신 다목적 공장의 필요성이 커지고 있다. 동시에 아웃소싱 경향도 강해지고 있다.

세계화로 인해 정밀화학 생산 기지가 선진국에서 개발 도상국으로 이동하고 있다. 개발도상국은 "저비용/고기술"이라는 이점과 함께, 자국 내 서구 의약품 수요 증가로 인해 이익을 얻고 있다. 서구 기업들의 노력에도 불구하고 아시아 생산자들의 가격 경쟁력은 유지될 것으로 보인다.^[28] 신흥 제약 국가들은 주로 제네릭 의약품을 사용하며, 이들 시장 점유율은 오리지널 의약품 및 농화학 제품 시장을 잠식하며 계속 증가하고 있다. 이는 바이오 의약품의 복제약인 바이오시밀러의 경우도 마찬가지이다.

이처럼 어려운 사업 환경 속에서, 20세기 말 "비이성적 과열" 시기에 설립되었던 서구의 많은 정밀화학 회사나 사업 부문이 이미 시장에서 철수했다. 다른 회사들도 철수하거나 사모 펀드에 인수될 가능성이 있다. 생존 전략으로는 자동차 산업에서 유래한 린 생산 방식 도입, 가치 사슬 확장을 통한 사업 모델 변화 등이 있다. 가치 사슬 확장은 계약 연구부터 최종 단계인 활성 의약품 제형까지 포함하는 것을 의미한다. 하지만 활성 의약품 제형까지 사업을 확장하는 전략에 대해서는 업계 전문가들의 의견이 일치하지 않는다.

정밀화학 물질에 대한 시장 수요가 예상만큼 성장하지는 않았지만, 핵심 사업에 집중하고 생명공학과 같은 틈새 기술을 개발하며 아시아 시장의 기회를 활용하는 등 성공 요인을 잘 관리하는 기업에게는 정밀화학 분야가 여전히 매력적인 기회를 제공한다.

참조

_[1] 논문 XX.- Fine Chemicals, Alkaloids, Essential Oils, & Extracts https://books.google[...] 1908
_[2] 서적 Pharmaceutical Substances https://archive.org/[...]
_[3] 서적 Pharmaceutical Substances https://archive.org/[...]
_[4] 서적 US 3371085
_[5] 서적 Amino Acids, Peptides and Proteins in Organic Chemistry John Wiley & Sons, Hoboken
_[6] 문서 Examples: Swiss Federal Institute of Technology (ETHZ), Switzerland; Massachusetts Institute of Technology (MIT), USA; Institut für Mikrotechnik (IMM), Germany; University of Washington (WU), USA; Micro-Chemical ProcessTechnology Research Association (MCPT), Japan.
_[7] 서적 Micro Process Engineering Wiley-VCH Verlag, Weiheim
_[8] 서적 ), Industrial Biotechnology: Sustainable Growth and Economic Success J. Wiley & Sons, Hoboken NJ
_[9] 문서 Secretary: Prof. M.P. Walsh. University of Calgary, Calgary, Canada T2N 4N1
_[10] 서적 Fine Chemicals: The Industry and the Business https://books.google[...] John Wiley & Sons 2011-03-29
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_[16] 서적 The U.S. Pharmacopeia 34 (USP 34 –NF29) The U.S Pharmacopeial Convention, Inc., Rockville, MD.
_[17] 서적 Fine Chemicals – The Industry and the Business https://archive.org/[...] J. Wiley & Sons
_[18] 서적 CPhI Worldwide, 25-27 October 2011 Messe Frankfurt, UBM plc., London
_[19] 서적 Active Pharmaceutical Ingredients: Development, Manufacturing, and Regulation Taylor&Francis Group, Boca Raton FL
_[20] 서적 Fine Chemicals – The Industry and the Business https://archive.org/[...] J. Wiley & Sons
_[21] 논문 R&D AND CAPITAL MARKETS 1999-01-01
_[22] 서적 Fine Chemicals – The Industry and the Business https://archive.org/[...] J. Wiley & Sons
_[23] 서적 The Pesticide Manual: A World Compendium BCPC Publications, Alton, Hampshire, UK
_[24] 뉴스 Fine chemicals market to reach 191 billion USD by 2021 - IndustryARC https://www.prnewswi[...] 2017-08-29
_[25] 서적 Fine Chemicals – The Industry and the Business https://archive.org/[...] J. Wiley & Sons
_[26] 서적 Fine Chemicals – The Industry and the Business https://archive.org/[...] J. Wiley & Sons
_[27] 논문 Family owned businesses 2008-11-01
_[28] 서적 Costs of Asian Fine Chemical Producers close-up to European Levels – Facts or Fiction? Contract Pharma 2011-11-01
_[29] 뉴스 [V차트 우량주] 휴켐스, 증설로 매출 증가, 아이투자 2014-06-05