휴대기기용연료전지의특허동향분석 ( 주 ) 윕스기업블로그 아이디어놀이터 개요 최근휴대용 IT 기기의성능향상에따라고용량배터리에대한필요성이높아졌는데, 이를해소할수있는차세대기술로연료전지가주목을받고있습니다. 연료전지는기존 2 차전지에비해에너지밀도가높아소형화 - 경량화에유리하고, 충전시간이짧으며, 기존 2 차전지의폐전지문제도해결할수있는친환경장점을가지고있고, 휴대용전자기기시장의급성장과함께, 전지수요도확대될것으로기대되어향유휴대기기용연료전지산업은우리나라의새로운성장동력산업으로부상할가능성이높으며, 세계시장규모도 2006 년 6 억달러, 2008 년 16 억달러, 2010 년 19 억달러로연평균 28.3% 의고성장이전망 1) 되고있습니다. 본원고에서는국내에서의휴대기기용연료전지출원동향을살펴보고자하며, 특허동향분석은휴대기기용연료전지의핵심키워드를도출한후, 윕스의윈텔립스를활용해휴대기기용연료전지특허를추출하여실시하였고, 1984 년이후출원된한국특허 2) 를대상으로특허문헌수, 출원인수, 기술분류별출원건수, 공동출원건수를통해분석결과를도출하였으며, 또한국내출원특허중미국, 일본, 유럽에패밀리문헌을보유하고있는특허들을도출하여특허경쟁력을살펴보고, 이중주요특허를선별하여심층분석을실시하였습니다. 본원고는 ( 주 ) 윕스에서운영하고있는기업블로그 아이디어놀이터 (http://blog.naver.com/wipsmaster) 에게재되어있는내용으로사전에출처를밝히고전재하여도가능함을허가받았음을밝힙니다. 특허동향분석 1. 연료전지란? - 연료전지시스템은저탄소관련각종연료 3) 의화학에너지를전기화학반응에의해전기에너지로직접변환하는발전장치를말함. - 연료전지는물 (H 2O) 을수소와산소로분리하는전기분해와연료가스인수소와공기중의산소를각각양극과음극에공급하여연속적으로전기를생산하는원리를이용함. 1.1 연료전지의작동원리 - 연료인수소가스를연료극쪽으로공급하면, 수소는연료극의촉매층에서수소이온 (H + ) 과전자 (e - ) 로분리됨. 공기극에서는산소와전해질을통해이동한수소이온과전자가결합하여물을생성시키는산화 환원반응이일어나는데, 이과정에서전류가형성되어전기가발생함. 1) 2) 3) 캠로커스화학뉴스 (http://www.chemlocus.co.kr/news/view/36913 1984년 1월 1일 ~ 2012년 12월 31일출원된특허메탄올, 수소, 석탄, 천연가스, 바이오매스가스, 매립지가스등 Vol. 24, No. 3 301
그림 1. 연료전지작동원리. 1.2 연료전지의구성요소 - 연료전지시스템은개질기 (reformer), 스택 (stack), 전력변환기 (inverter), 주변보조기기 (BOP) 등으로구성되며, 각구성요소들은상호연관되어기능을수행함. - 개질기 : 화석연료로부터수소를발생시키는장치 - 스택 : 원하는전기출력을얻기위해단위전지를수십 수백장직렬로쌓아올린장치 - 전력변환기 : 연료전지에서나오는직류전기 (DC) 를교류 (AC) 로변환시키는장치 - 주변보조기기 : 연료, 공기, 열회수등을위한펌프류, Blower, 센서등을말함. 200 정도임. - 용융탄산엽 (MCFC): 650 정도의고온에서작동해귀금속전극물질을사용하지않고도 45% 이상의발전효율이있으며, 양질의페열사용을통한열병합이쉬워대형발전용에적합함. - 고체산화물 (SOFC): 다른연료전지와는달리전해질로액체가아닌고상인세라믹을사용하여내구성이높다는장점을가짐. 일반발전소와자동차에사용되기도하며유럽에서는 100 KW 급의시범운행이준비되고있고, 일본에서는 25 KW 급이이미상용화됨. 작동온도가 1000 정도로높다는단점이있으나폐열을이용한열병합을할경우발전효율을더욱높일수있으며, 현재작동온도를낮추려는연구가활발히진해되고있음. - 고분자전해질 (PEMFC): 양자교환막연료전지 (proton exchange membrane) 라고도불리며, 전해질로이온전도성을갖는고분자막을사용함. 작동온도가 80 정도로낮다는장점을가지고있어서현재소형자동차나기타휴대용전원공급장치에상용화되고있음. - 직접메탄올 (DMFC): 연료로수소대신메탄올을사용하며, 연료공급체계가단순해소형화가가능하고연료보충이쉬워휴대용으로개발중. 표 1. 연료전지의구분 그림 2. 연료전지발전시스템구성도. 1.3 연료전지의구분 - 연료전지는전해질의종류에따라크게 6가지로구분됨. - 알칼리 (AFC): NASA의우주계획에가장오랫동안사용되어온연료전지로 70% 정도의발전효율을나타냄, 전해질로알칼리수용액을사용하며, 작동온도는 100 정도로낮은편, 제조시높은가격으로인하여타용도로확대되지못함. - 인산염 (PAFC): 가장먼저상용화된연료전지로병원, 발전소및버스와같은대형운송수단에도사용되고있음, 전해질로인산염을사용하고있으며, 작동온도는 2. 휴대기기용연료전지특허분석결과 2.1 국내출원특허분석 국내에출원된휴대기기용연료전지특허는총 2,156 건으로 2000년대부터본격적인연구개발이시작된것으로보임. - 특히, 2004년에는전년대비특허건수가 3배이상증가한것으로나타남, 이는 2000년이후정부의신재생에너지기술개발사업추진으로인해, 연료전지분야의투자가크게확대되었기때문인것으로판단됨. 302 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology
그림 3. 휴대기기용연료전지의특허출원현황. 그림 5. 연도별총출원인수변화. 출원인국적별로는한국국적을갖는내국인이전체약 68% 를차지하고있으며, 이를제외하면일본 (59%), 미국 (20%), 프랑스 (7%), 독일 (4%) 순으로특허를출원하고있음. 개발해발표했으며, 같은해삼성그룹은연료전지를수종사업으로선정해연구개발및설비투자에수조원을투입하겠다고밝힌바있음. - 일본기업인도시바는 2003년세계최초로연료전지내장노트북컴퓨터를발표했으며, 2009년에는휴대용연료전지 Dynario' 를실제판매해당시업계의이목을집중시켰음. 그림 4. 출원인국적현황. 출원동향과더불어출원인증가추이를살펴본결과, 2000년대이후지속적인증가추이를나타내고있으나, 출원건수증가율에는미치지못함. - 총출원인수가 2000년초반이후증가하기시작하여 2000년대중반에다수의출원인이등장한것으로보아, 2000년대중반부터국내연료전지시장이서서히형성되었다고판단됨. - 2000년부터 2010년까지의연평균출원건수증가율은 19%, 출원인증가율은 15% 로나타남. - 출원인증가율이출원건수증가율에미치지못하는이유는국내기업인삼성 SDI의특허출원건수가큰폭으로증가하였기때문임. 주요출원인은삼성 SDI, 삼성전기, 도시바, LG화학, 삼성전자로나타났는데, 특히일본기업인도시바가 LG화학과삼성전자를제치고상위에랭크되어있어주목할만함. - 휴대기기용연료전지분야의최다출원인은삼성 SDI로, 2위인삼성전기보다 11배높은 801건을출원하였음. - 삼성 SDI의경우이미 2004년에노트북용연료전지를 그림 6. 휴대용연료전지의주요출원인현황. 외국국적의주요출원인만을살펴보면, 도시바외에소시에테비아이씨, 소니, 산요일렉트릭, 파나소닉등으로나타났는데, 일본기업이주를이루고있음. 그림 7. 휴대용연료전지의주요외국출원인. 1991년부터 2010년까지구간별주요출원인을살펴본 Vol. 24, No. 3 303
결과, 90년대에는삼성전자가, 2000년대에는삼성 SDI 가 1위자리를고수하고있음. - 90년대부터 2000년초반에는삼성전자, 삼성 SDI 등일부대기업을중심으로소수의특허출원이진해되었으나, 2000년중반부터출원을주도하는출원인이등장함. - 2000년중반이후삼성 SDI의출원건수가급격히증가하였고, 새로운주요출원인으로 LG화학, 삼성전기, 한국과학기술연구원이등장함. - 2000년대후반에도삼성 SDI, 삼성전기순으로출원건수가높게나타났으며, 특징적인점은중반에등장한출원인대신도시바, 한국과학기술원이주요출원인으로나타남. 그림 10. 주요공동출원인. 기술이전체출원중 62% 를차지하고있는것으로타나났으며, 이외에도금속전극재료, 수소발생장치등과관련된기술이다수출원됨. (a) (b) 그림 8. 출원연도구간별상위출원인의특허출원현황. 그림 11. (a) IPC 기술분류별출원비중, (b) IPC 기술분류별출원현황. 공동출원분석결과, 전체 2,156건중 133건 (6%) 만이공동출원된것으로나타났는데, 공동출원건수는 1999년이후계속해서증가하고있음. - 공동출원에적극적인기업은도시바, 삼성 SDI, 토요세이칸, LG화학, LG전자등으로나타남. 표 2. 휴대기기용연료전지특허의주요기술분야 그림 9. 공동출원현황. IPC 별출원현황을살펴본결과연료전지및그제조 2.2 글로벌경쟁력보유특허분석 국내에서출원된휴대기기용연료전지특허중글로벌경쟁력을갖춘특허에대해분석하기위해미국, 일본, 유럽에패밀리문헌을보유하고있는특허 ( 삼극특허 ) 들을선별한결과총 598건이추출됨. - 연도별출원현황을살펴본결과, 2002년부터특허건수가급증해 2007년도에는 111건의삼극특허가출원되었음. 글로벌특허경쟁력을갖춘특허를다수보유한출원인으로는삼성SDI, 소시에떼비아이씨 ( 프랑스 ), 도시바 ( 일본 ), 소니 ( 일본 ) 등으로나타남. - 특히, 도시바, 소니, 토요세이칸등일본기업의출원활동이매우두드러짐. 304 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology
그림 12. 글로벌경쟁력을갖춘특허의연도별출원현황. 그림 15. 글로벌특허경쟁력이우수한상위 10 개기업의평균패밀리건수및국가수. 그림 13. 글로벌경쟁력을갖춘특허의주요출원인. 상위출원인 10개기업중질적수준이가장높은기업은삼성 SDI, 글로벌시장확보차원에서가장활약하고있는기업은프랑스소시에떼비아이씨로나타남. - 삼성 SDI의평균피인용횟수는 0.74회로질적수준이가장높은것으로나타났으며, 그다음으로파나소닉, 캐논, 히타치등일본기업이뒤를잇고있음. - 평균패밀리건수및국가수는소시에떼비아이씨가가장높게나타났으며, 미국기업인폴리퓨얼, 일본기업인히타치등도높게나타남. 2.3 주요특허에대한심층분석 주요특허의심층분석은특허침해여부에대한판단, 혹은경쟁사의기술발전방향을파악하기위해실시함. - 이를위해서는타겟분야에대한상세한기술검토를바탕으로해외권리화현황파악, 청구범위분석, 기술인용및발전흐름분석을실시하는것이요구됨. - 해외권리화현황파악을통해주요타겟시장을파악할수있음. 일반적으로많은국가에출원된특허는중요한특허일가능성이높음. - 청구범위분석은기술의권리범위를파악하고, 회피설계방안마련에활용가능. - 인용분석은전후방인용관계분석을통해주요기술을중심으로과거부터현재까지어떻게기술이발전되고활용되어왔는지를파악할수있으며, 어떠한기업들이자사의기술을인용하고있는지혹시침해하고있지않은지를검토할수있음. 국내출원된휴대기기용연료전지특허중주요특허를추출하기위해삼극특허를보유하고있으면서피인용상위 20% 에해당되는특허를 1차적으로선별함. 그리고선별된특허중에서심사관인용이존재하는특허를주요특허로도출함. 1차적으로삼극특허중피인용상위 20% 에해당되는특허를추출한결과총 9개의특허가도출됨. 이중심사관이인용한문헌으로다음의총 4건의특허가존재하였음 ( 표 3). 그림 14. 글로벌특허경쟁력이우수한상위 10 개기업의평균피인용횟수. Vol. 24, No. 3 305
표 3. 주요특허도출결과 (1) 이중, 피인용횟수가가장높은 LG화학의 KR0657740 특허에대해심층분석을실시함. 본특허는고분자전해질연료전지 (PEMFC) 에사용되는전해질막에관한것으로, 높은수소이온전도도를가지면서기계적물성이우수하고화학적으로안정한 브랜치된술폰환멀티블록공중합체전해질막 제조방법에대한발명임. 윈텔립스청구항분석을통해청구항계층분석을실시한결과, 본특허는 1개의독립항과 11개의종속항으로이루어져있으며각청구항별참조관계는다음과같음. 표 4. 주요특허도출결과 (2) 그림 16. KR0657740 특허의청구항계층관계분석. 본특허는문헌설명내인용분석 4) 을포함하여총 13건의피인용문헌이존재하는것으로나타남. - LG화학, 삼성 SDI, 한국화학연구원, 한국에너지기술연구원등이 KR0657740 특허를인용한주요출원인으로나타남. 그림 17. KR0657740 특허의인용분석결과. - 피인용문헌 13건에대한기술발전도를살펴본결과, 고분자전해질연료전지에사용되는공중합체전해질막의제조방법뿐아니라전해질막접합체의제조방법, 공중합체제조의생산성향상방법, 수처리방법, 이차전지제조방법등에 LG화학의특허가인용된것으로나타남. 4) 특허문헌의서지사항외 ( 발명의상세한설명등 ) 부분에기재된인용분석을의미. 306 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology
그림 18. KR0657740 특허의피인용문헌및문헌재피인용문헌 13 건의기술발전도. 패밀리분석을통해해외권리화현황을분석한결과, 해당특허는총 20 건의패밀리를가지고있는것으로 나타났는데, 한국을포함한 10 개국가에서특허의권 리화가이루어진상태임. - 한국, 미국, 일본, 중국, 오스트리아, 캐나다, 독일, 대만, 유럽, PCT 에출원활동이이루어짐. 그림 19. KR0657740 특허의해외권리화현황. 3. 분석결과요약 국내휴대기기용연료전지특허는총 2,156 건으로 2000 년 대부터본격적인연구개발이시작된것으로보임. - 출원인분석결과, 내국인에의한특허출원이전체특허 의약 70% 에해당되었고, 출원특허의약 83% 가기업에 의한것으로나타나, 기업들의활동이눈에띄는분야인 것으로판단됨. - 주요내국출원인은삼성 SDI, 삼성전기, LG화학, 삼성전자등으로나타남. - 구간별주요출원인을살펴본결과 1990년대에는삼성전자가, 2000년대에는삼성 SDI가 1위자리를고수하고있음. - 전체특허중 6% 만이공동출원된것으로나타났으며, 공동출원에적극적인기업은도시바, 삼성 SDI, 토요세이칸, LG화학, LG전자등으로나타남. - IPC별출원현황을살펴본결과, 연료전지및그제조기술이전체출원중 62% 를차지하고있는것으로나타났으며, 이외에도금속전극재료, 수소발생장치등과관련된기술이다수출원됨. 국내출원특허중, 글로벌경쟁력을보유한 598 건특허에대한분석한결과, 2000년이후에출원된특허가대다수이며 2007년에가장많은특허가출원된것으로나타남. - 우수특허를다수보유한출원인은삼성 SDI, 소시에떼비아이씨, 도시바, 소니등으로나타남. - 상위출원인 10개기업중질적수준이가장높은기업은삼성 SDI, 글로벌시장확보차원에서가장활약하고있는기업은프랑스소시에떼비아이씨로나타남. 598건의특허중주요특허를추출하고, 그중피인용횟수가가장높은특허인 LG화학의 브랜치된술폰환멀티블록공중합체전해질막 기술에대해심층분석을실시함. - 주요특허는특허분석목적이무엇인가에따라특허도출기준을달리할수있으며, 분석에있어서도그관점및내용구성이달라질수있음에유의해야함. - 주요특허에대한심층분석을실시하기위해서는보통도출된특허한건, 한건에대하여해외권리화현황, 청구범위분석등확보된권리현황을분석하고이기술들에대한발전흐름을총체적으로파악하는것이필요. LG화학의 브랜치된술폰화멀티블록공중합체전해질막 기술은높은수소이온전도도를가지면서기계적물성이우수하며, 화학적으로안정하고, 술폰산기의증가에따른막물성의저하가없어효과적으로박막을제조할수있는방법에대한발명임. - 인용분석결과, LG화학, 삼성 SDI, 한국화학연구원, 한국에너지기술연구원등으로부터총 13번인용된것으로나타남. - 해외권리화현황을살펴본결과, 총 20건의패밀리를보유하고있으며한국을비롯하여미국, 일본, 중국, 오스트리아, 캐나다, 독일등 10개국에서특허권리화활동이진행됨. Vol. 24, No. 3 307