탄소소재및탄소섬유복합소재특허동향 김건형 특허법인필앤온지변리사 개요 특허통향분석 본특허동향요약서는탄소섬유-탄화규소복합소재제조산업의동향과우리나라기술수준에대한국내외특허분석을통하여 2011 년도 한국에너지기술연구원주요사업 의투자방향을점검하고동시에전략적이고내실있는연구기획이가능하도록지식경제부의요청에의해특허청이발주하고한국지식재산전략원 ( 구 R&D특허센터 ) 이주관하는용역사업으로수행된 탄소소재및탄소섬유복합소재특허동향 보고서 ( 과제수행기관 : ( 주 ) 이지펙스 ) 의주요내용을발췌한것으로세부기술별핵심기술분석등전문은 e-특허나라홈페이지 (http://www.patentmap.or.kr) 에서보실수있습니다. 1. 분석대상본특허동향요약서는탄소섬유-탄화규소복합소재에대하여성형체강화공정, 섬유코팅및탄화공정, 매트릭스치밀화공정으로중분류를구성하였고, 성형체강화공정은강화재처리, 전구체처리로나누어지며, 섬유코팅및탄화공정은열분해탄소코팅, 멀티코팅으로나누어지고, 매트릭스치밀화공정은단일금속조성침투공정, 합금조성침투공정, 금속용융침투공정의소분류로구성하였음. 2. 특허동향분석결과 2.1 전체특허의동향 (1) 국가별출원현황국가별로는미국, 일본, 유럽, 한국순이며미국이전체의 61% 를차지하여중요기술을확보하고있는시장으로판단됨 ( 그림 1). 표 1. 분석대상기술분류대분류중분류소분류기술범위성형체강화공정강화재처리 - 세라믹분말함침 / 처리 - 나노입자함침전구체처리 - 실란계고분자처리 - 탄화수소계가스처리열분해탄소코팅공정 - 고분자탄화 / 열처리섬유코팅및탄화공정 탄소섬유 - 탄화규소복합소재 매트릭스치밀화공정 멀티코팅공정 단일금속침투조성 합금침투조성 금속용융침투공정 - PyC-SiC 코팅 - PyC-based multilayer coating - Fiber coating - Si metal 용융침투 - Si계 2성분및 3성분금속용융침투 - Non-Si계금속용융침투 - LSI(Liquid Silicon infiltration) - MI(Melt Infiltration) - Reaction Sintering - 탄소섬유 / 탄화규소복합소재 Vol. 24, No. 1 59
미국특허의변화추이를살펴보면, 2000년대초반에급격한증가세를보이고있는데이는 Fiber-reinforced cereamic composite의내산화코팅층형성에대하여활발한연구가진행된결과로판단되고, 2005년이후의출원감소세는 composite material의기술개발이초기단계에있어서출원이적은것으로예상됨. 일본특허의변화추이를살펴보면, 1990년대에처음출원되었으며 2000년이후연간 1~2건으로나타났으며최근 2010년도에 5건의출원이계속되어활발한개발이예상됨. 유럽특허의변화추이를살펴보면, 1990년에출원이시작되어 2000년대중반까지적은건수의특허출원이있었으며, 섬유상복합재료의제조방법과관련된주로밀도화공정에대한기술개발이이루어진것으로판단됨. 한국특허의변화추이를살펴보면, 단일금속침투와관련되어전체적으로적은건수가출원되어, 연구개발의초기단계인것으로파악되었음. (2) 기술별출원현황 3개부문의기술분류중에서, 단일금속침투조성이 56% 를차지하고있으며합금침투조성및금속용융침투공정이동일한비율로출원되어기본적인기술인단일금속침투에치우친것으로나타남 ( 그림 2). 단일금속침투조성기술분야는 1970년중반에출원이시작되어현재까지지속적으로증가하고있으며, 타기술분야에도영향을미치고있는것으로평가됨. 다만, 연도별출원현황그래프에서단절된부분은기술구분별공백으로나타나게되므로실제기술개발현황과는차이가발생되어기술적분석의미가감소됨. (3) 기술등급별출원현황매트릭스밀도화기술에서탄화열처리 복합소재구성 용융함침 증기침부등일련의제조공정과유사한 A급특허와연구개발시참조할수있는 B급특허를참여기관의협조하 그림 1. 연도별전체출원현황. 그림 3. 기술등급별출원현황. 그림 2. 기술별전체출원현황. 그림 4. 기술시장성장단계. 60 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology
에분류한결과 A급이 54%, B급이 46% 로분류됨 ( 그림 3). 단일금속침투조성및합금침투조성기술은모든국가에서출원되었지만금속용융침투공정은미국과일본에서특정인에의한출원으로한정됨. 2.2 국가별포트폴리오현황출원건수를고려하여전체특허와미국특허에대한기술시장성장단계를조사한결과모두퇴조기로나타났지만이는실질적인기술적영향력이감소된것이아니라최근출원및출원인의감소탓인것으로판단됨 ( 그림 4). 따라서, 이러한경우기술시장이태동기인것으로파악하여야하며, 단순히출원건수감소로만해석할필요는없으며, 전체적인분석과연관지어결론을내려야함. 2.3 국가별기술별출원현황국가별기술별출원현황을살펴보면 ( 그림 5), 가장활발한미국의경우 1985년 3가지기술부문에서모두출원이시작되었으며최근까지모든기술부문에서개발이이루어지고있는것으로판단됨. 일본의경우, 2010년에들어서 3가지기술부문모두출원 이시작되었으며세라믹매트릭스복합재의제조방법에대하여적극적인출원이이루어졌음. 한국의경우 2000년이후에합금침투공정기술에대한출원이있었으며나머지는모두단일금속침투기술임유럽의경우는합금침투공정에서일본보다도출원이먼저시작되어합금침투분야는타국에비하여개발이선행하고있는것으로예측됨. PCT의경우는미국과프랑스기업에서출원되었으며, 특히 SNECMA PROPULSION SOLIDE는타국에출원이다수인것으로조사됨. 2.4 세부기술 Landscape (1) 국가별출원인현황국가별주요출원인을살펴보면, 미국의경우 General Electric Company, NGK Insulators Ltd., Goodrich Corporation, M Cubed Technologies Inc. 등에서출원이활발하며, 특히 GE의경우타출원인대비많은특허를확보하고있는것으로조사되었고, 일본의경우, GE 일본법인의출원이압도적인것으로조사되었으며, 유럽의경우 SNECMA PROPULSION SOLIDE, SGL CARBON AG, NGK Insulstors 그림 5. 국가별기술별출원현황 그림 6. 국가별출원인현황 Vol. 24, No. 1 61
Ltd. 등이주요출원인이고, 한국의경우주식회사데크, 국방과학연구소, 포항산업과학연구원, 한국에너지기술연구원등에서관련기술이개발중인것으로조사됨 ( 그림 6). (2) 주요출원인특허현황주요출원인의특허현황을살펴보면 ( 그림 7), General Electric Company의경우단일금속침투조성, 금속용융침투조성, 합금침투조성기술분야순이며, 금속용융침투분야에서가장많은기술개발이이루어지고있는기업으로평가됨. 최근 General Electric에서 Infiltrating the resulting porous body with a solution of boron and silicon' 공정을개발하여향후국내기술개발에참조할만한기술이출원된것으로판단됨. SNECMA PROPULSION SOLIDE 경우단일금속침투조성과함금침투조성분야에서출원이되었으며, 특히단일금속침투공정분야에개발이집중되고있는것으로판단되고, 섬유조직의밀도화를위하여 Densifying the consolidated fiber preform by chemical vapor infiltration' 을개발한것으로예상됨. 주요출원인인 GE의일본법인은단일금속침투조성, 합금침투조성, 금속용융침투조성의순으로출원의비중을두고있고, 주식회사데크의경우유일한국내기업으로단일금속침투공정기술분야에서출원하였고세라믹브레이크디스크로터, 탄소-세라믹브레이크디스크소재에대한개발이활발한것으로판단됨. (3) 국가별기술력현황국가별특허증가율과특허점유율을조사하여기술력을분석한결과 1사분면에위치한우수기술확보국가는조사되지않았지만, 최근관련특허감소를감안하면미국이점유율및증가율이가장우수한국가로판단됨 ( 그림 8). 따라서, 미국특허의특허증가율과특허점유율을분석하여보면평균특허증가율 40% 및평균특허점유율 20% 를기준으로단일금속침투조성과합금침투조성기술이우수하였지만, 최근기술개발이진행되고있는점을감안한다면금속용융침투공정관련기술도기술력이높은것으로보아야함. (4) 국적별영향력지수미국등록특허의국가별영향력지수를분석하여보면 ( 그림 9), 미국, 프랑스, 캐나다, 독일, 일본순이며, 피인용도지수는영국, 미국, 캐나다, 일본, 독일순으로조사됨. 프랑스, 캐나다, 독일출원이우수한것으로나타난것은해당국의소수출원이크게작용하므로지수분석의실질적의미는감소함. 그림 7. 주요출원인의특허현황. 2.5 핵심기술분석-기술발전도국내연구진의탄소복합소재관련분야는합금침투조성및 그림 8. 특허점유율및증가율. 그림 9. 영향력특허지수. 62 고분자과학과기술 Polymer Science and Technology
그림 10. 합금침투조성기술발전요약. 그림 11. 금속용융침투조성기술발전요약. 금속용융침투공정부분이므로이와관련하여개별적인국내외의연구개발방향을조사하여향후발전방향을예측하고기술획득전략의수립에참조하고자하였음. 합금침투조성의경우 ( 그림 10) 1970년대에는미국에서매트릭스내부에니켈알루미나이드, 코발트알루미나이드복합체개발이시작되었으며, 1980년대에미국에서플루오르화바륨, 칼슘, 마그네슘, 스트론튬침투기술이개발되었음. 1990년대에는미국에서무력으로자연침투기술개발이발전하였고, 유럽에서실리콘바바이드복합체에합금함침기술개발이시작되었으며, 2000년전기에세라믹복합소재에크롬, 티타늄, 니켈, 알루미늄용융침투기술이개발됨. 2000년후기에열분해공정용융합금관련출원이증가하였으며티탄함금복합재료개발이완료되었고, 구리와실리콘용융침투조성비개발이활발하게진행됨. 금속용융침투공정 ( 그림 11) 에서는 1970년대에는매트릭스전구체에용융침투기술개발이시작되었고, 1980년대에붕소와규소의침투공정에대한기술개발이다수이며, 1990년대전기에는특정조건에서코팅막을형성하는공정이개발되었고, 1990년대후기에는질화붕소와실리콘혼합조성비에대한기술이개발되었으며, 2000년대후기에세라믹복합체물픔성형방법과탄화붕소복합체골격구조에대한기술이출현함. 결론및시사점 탄소섬유복합소재는저밀도, 저열팽창성, 내열성, 화학적안정성, 자기윤활성등의특징을가짐으로써고온 / 고압의극한환경과고강도, 고인성, 내식 / 내마모성을보유하여에너지 / 환경 ( 차세대복합발전, 태양열및풍력발전, 원자력발전, 수소제조, 연료전지 ), 항공우주, 자동차및수송, 방위산업분야에서필수적으로이용되고있는소재이고, 탄소섬유복합소재중탄소섬유- 탄화규소 (Carbon fiber-sic Composite) 는우주항공, 원자력, 국방및에너지산업강국인미국, 유럽, 일본등에서기술적우위를선점하고있는국가전략산업으로매우중요한분야임. 국내의경우, 이들소재에대한연구는정부출연연구기관으로한국에너지기술연구원, 한국원자력연구원, 한국세라믹기술원, 민간기업으로 ( 주 ) 데크등에서연구및일부상품화를수행하고있는수준임. 이러한복합소재를개발하기위해서는여러가지제조공정이제안되고있으나, 상용화를위해서는각각의공정이가지고있는단점을보완할수있는기술 ( 소재조성, 물성, 내구성 ) 개발이필요한상황임. 국내외금속용융침투공정에대한기술은 1970년대다공성기질형태가미국에서출원된이래보론-나이트라이드금속침투, 알루미늄의용융합금침투공정이개발되었고, 2010년최근 3차원구조가출원되었으며, 일본, 유럽등각국에서개발이시작되어합금원소의국내개발이시급한실정임. 본동향조사결과 Si-alloy 또는 non-si계금속의용융침투에의한탄소섬유-탄화규소복합소재는기술선진국의경우에도기초연구단계수준에있음을알수있었고, 따라서핵심기술분석과특허분석결론에따라금속의용융침투용신규조성개발에활용, 핵심기술획득전략수립및용융침투공정에의한탄소섬유-탄화규소복합소재제조방법관련원천특허도출을위한연구방향설정에객관적인특허정보를제공하였음. Vol. 24, No. 1 63