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문제 정의
- 본 연구에서는 석탄가스화기술에 대한 특허분석을 통하여 석탄가스화복합발전과 관련한 이들 기술의 세계적인 기술동향을 분석하였다. 본 논문은 Moon et al.
- 석탄가스화 관련 특허에 대한 정성적인 분석을 통해 기술 분야별 핵심 특허 및 특허권자 상호간의 관계를 살펴보고 전체적인 기술의 흐름을 파악하고자 하였다. 앞서 설명한 정량적인 분석의 결과를 바탕으로 각 기술 분야에 대한 핵심 특허를 파악하였다.
제안 방법
- 본 논문은 Moon et al.[1]을 바탕으로 하여 자료를 추가, 확대하고 정량적 분석을 재구성하였으며 정성적 분석을 새로이 실시하여 그 결과를 정리한 것이다.
- 본 연구에서는 Table 1에 보인 것과 같이 석탄가스화기술을 가스화공정기술과 후속 분리공정기술로 구분하여 특허 분석을 실시하였다. 가스화공정은 다시 석탄건조(coal drying), 산소공급(oxygen supply), 원료공급(feed supply), 가스화기(gasifier), 가스냉각(syngas cooling), 계측(instrumentation) 등 세부 기술로 분류하였으며 분리공정은 다시 탈황(desulfurization), 탈분진(dust removal), 탈산(deacidification), 탄소포집/저장(carbon capture and storage) 등으로 분류하였다.
- 앞서 설명한 정량적인 분석의 결과를 바탕으로 각 기술 분야에 대한 핵심 특허를 파악하였다. 검색시점인 2010년도까지 특허권이 유지되고 있는 1990년도 이후에 출원된 특허를 대상으로 하여 특허패밀리크기(PFS)와 인용도지수(CPP)를 바탕으로 한 정량화를 통해 핵심 특허를 도출하였다. 미국등록특허뿐 아니라 정량화가 가능한 모든 특허를 대상으로 전체 특허 1,376건의 상위 10%에 해당하는 특허를 먼저 추리고 패밀리특허 가운데 대표 특허 1건씩만을 선별한 후 기술 분야별로 상위 10건씩의 특허를 핵심 특허로 도출하였다.
- Table 4는 미국등록특허를 기반으로 주요 특허권자의 기술 경쟁력을 비교한 결과[1]인데, 분석지표로 이용한 각 지수의 결과값과 함께 그에 따른 각 특허권자의 경쟁력 순위를 괄호 안에 숫자로 나타내었다. 기술 경쟁력 분석은 특허건수(PN)를 기반으로 하여 상위 10개 특허권자를 선정하여 실시하였다. 특허건수에 있어서는 The United States Department of Energy가 35건으로 가장 많았으며 그 다음으로 Shell Internationale Research Maatschappij이 31건, Chevron U.
- 검색시점인 2010년도까지 특허권이 유지되고 있는 1990년도 이후에 출원된 특허를 대상으로 하여 특허패밀리크기(PFS)와 인용도지수(CPP)를 바탕으로 한 정량화를 통해 핵심 특허를 도출하였다. 미국등록특허뿐 아니라 정량화가 가능한 모든 특허를 대상으로 전체 특허 1,376건의 상위 10%에 해당하는 특허를 먼저 추리고 패밀리특허 가운데 대표 특허 1건씩만을 선별한 후 기술 분야별로 상위 10건씩의 특허를 핵심 특허로 도출하였다. 이상의 과정을 거쳐 핵심 특허를 도출한 결과, 석탄건조 및 가스화기 분야에서만 10건씩의 핵심 특허가 도출되었고 나머지 8개 기술 분야에서는 각각 소수의 특허만이 핵심 특허로서의 기준을 만족하였다.
- 본 연구에서는 Table 1에 보인 것과 같이 석탄가스화기술을 가스화공정기술과 후속 분리공정기술로 구분하여 특허 분석을 실시하였다. 가스화공정은 다시 석탄건조(coal drying), 산소공급(oxygen supply), 원료공급(feed supply), 가스화기(gasifier), 가스냉각(syngas cooling), 계측(instrumentation) 등 세부 기술로 분류하였으며 분리공정은 다시 탈황(desulfurization), 탈분진(dust removal), 탈산(deacidification), 탄소포집/저장(carbon capture and storage) 등으로 분류하였다.
- 석탄건조와 가스화기 분야를 제외한 나머지 분야를 한데 묶어 앞서 설명한 기준을 만족하는 상위 10개 특허를 추출하여 ‘기타 기술’ 분야의 핵심 특허로 도출하였다.
- 석탄가스화 관련 특허에 대한 정성적인 분석을 통해 기술 분야별 핵심 특허 및 특허권자 상호간의 관계를 살펴보고 전체적인 기술의 흐름을 파악하고자 하였다. 앞서 설명한 정량적인 분석의 결과를 바탕으로 각 기술 분야에 대한 핵심 특허를 파악하였다. 검색시점인 2010년도까지 특허권이 유지되고 있는 1990년도 이후에 출원된 특허를 대상으로 하여 특허패밀리크기(PFS)와 인용도지수(CPP)를 바탕으로 한 정량화를 통해 핵심 특허를 도출하였다.
- 주요 특허권자의 기술 경쟁력을 살펴보기 위하여 각 특허권자의 특허건수(PN: number of patents), 인용도지수(CPP), 영향력지수(PII) 및 기술력지수(TS) 등의 지표를 이용한 분석을 실시하였다. 이들 지표의 이용을 위해서는 각 특허의 인용횟수에 대한 정보가 필요한데 이를 충분히 제공하는 특허는 미국등록특허뿐이어서 여기서는 미국등록특허만을 대상으로 기술 경쟁력 분석을 실시하였다.
- Figure 3은 석탄가스화 기술에 대한 포트폴리오 분석의 결과를 나타낸 것이다. 전체 특허 및 출원국별 특허에 대하여 출원된 특허건수를 9년 주기로 합산하여 그 변화 경향을 분석하였다. 석탄가스화 기술의 전체 특허건수와 출원인수는 Figure 3(a)에 나타난 것처럼 두 변수 모두 전반적으로 증가하는 경향인 것으로 보아 기술적으로 발전기라고 판단된다.
- 특허 분석은 정량적인 분석과 정성적인 분석으로 나누어 실시하였다. 정량적인 분석에서는 각국의 출원현황, 주요출원인, 점유율, 기술 분야별 출원동향, 시장력, 기술경쟁력 등을 분석하였다. 기술 분야별 특허동향을 파악하기 위하여 특허활동지수(AI: Activity Index)라는 지표를 사용하였으며 주요 특허권자의 기술경쟁력을 분석하기 위하여 인용도지수(CPP: Cites Per Patent), 영향력지수(PII: Patent Impact Index), 기술력지수(TS: Technology Strength), 특허패밀리크기(PFS: Patent Family Size) 등의 지표를 사용하였다.
- 특허패밀리크기는 특정 발명에 대한 권리 보호를 위하여 여러 국가에 동시에 출원하는 특허인 패밀리특허(family patent)의 평균 크기로서 특허를 통한 시장 확보 의지를 나타내는 지표이다. 정량적인 분석의 결과를 바탕으로 기술적 중요도가 높다고 판단되는 핵심특허를 파악하고 기술흐름도를 작성하는 정성적인 분석을 실시하였다.
- 주요 특허권자의 기술 경쟁력을 살펴보기 위하여 각 특허권자의 특허건수(PN: number of patents), 인용도지수(CPP), 영향력지수(PII) 및 기술력지수(TS) 등의 지표를 이용한 분석을 실시하였다. 이들 지표의 이용을 위해서는 각 특허의 인용횟수에 대한 정보가 필요한데 이를 충분히 제공하는 특허는 미국등록특허뿐이어서 여기서는 미국등록특허만을 대상으로 기술 경쟁력 분석을 실시하였다.
- 출원 대상 국가별로 상대적 집중도가 높은 기술 분야를 살펴보기 위하여 특허활동지수를 이용한 분석을 실시하였다. 특허활동지수는 특정 기술 분야 전체 특허건수당 특정 기술 분야의 특정출원인 건수를 전체 총 건수당 특정 출원인 총 건수로 나눈 값으로서 기술 분야별 상대적 집중도를 알아보기 위한 지표이다.
- 특허 분석은 정량적인 분석과 정성적인 분석으로 나누어 실시하였다. 정량적인 분석에서는 각국의 출원현황, 주요출원인, 점유율, 기술 분야별 출원동향, 시장력, 기술경쟁력 등을 분석하였다.
- 하나의 발명에 대한 권리 보호를 위하여 세계 각국에 출원 또는 등록된 특허를 패밀리특허(family patent)라 한다. 패밀리특허의 수가 많다는 것은 특허를 통한 시장 확보 의지가 크다는 의미이므로 특허패밀리크기(PFS)를 바탕으로 시장확 보력을 분석하였다. Figure 11은 주요 특허권자의 특허에 대한 특허패밀리크기와 인용도지수를 통해 살펴본 시장력 분석의 결과를 보인 것이다.
대상 데이터
- 검색에 이용한 데이터베이스는 WIPS[9], KIPRIS[10], USPTO[11], EPO[12], IPDL[13] 등이며 검색을 위한 키워드로서 가스화(gasification), 가스화기(gasifier), 합성가스(syngas), 석탄가스(coal gas), 석탄(coal), 이산화탄소(carbon dioxide) 등의 용어를 이용하였다. 검색된 특허의 초록과 제목 및 청구항 등을 중심으로 내용의 일치 여부를 검토하여 노이즈를 제거하여 얻어진 한국특허 88건, 일본특허 567건, 유럽특허 116건, 미국특허 492건(등록특허 392건과 공개특허 100건), 국제특허 113건 등 모두 1,376건의 유효 특허를 대상으로 특허 분석을 실시하였다. 여기서 국제특허는 PCT (Patent Cooperation Treaty)에 의해 WIPO (World Intellectual Property Organization)가 주관하는 특허를 의미한다.
- 미국의 경우 2001년부터 출원공개제도를 채택하였기 때문에, 등록특허와 아울러 2001년 3월 15일 이후의 공개특허도 검색하였다. 검색에 이용한 데이터베이스는 WIPS[9], KIPRIS[10], USPTO[11], EPO[12], IPDL[13] 등이며 검색을 위한 키워드로서 가스화(gasification), 가스화기(gasifier), 합성가스(syngas), 석탄가스(coal gas), 석탄(coal), 이산화탄소(carbon dioxide) 등의 용어를 이용하였다. 검색된 특허의 초록과 제목 및 청구항 등을 중심으로 내용의 일치 여부를 검토하여 노이즈를 제거하여 얻어진 한국특허 88건, 일본특허 567건, 유럽특허 116건, 미국특허 492건(등록특허 392건과 공개특허 100건), 국제특허 113건 등 모두 1,376건의 유효 특허를 대상으로 특허 분석을 실시하였다.
- 석탄가스화 기술에 대하여 1970년대부터 2008년 9월 30일까지 출원 공개된 한국, 일본, 유럽, 국제 및 미국공개특허와 2010년 3월 30일까지 출원 등록된 미국등록특허를 대상으로 특허 분석을 실시하였다. 가스화(gasification), 가스화기(gasifier), 합성가스(syngas), 석탄가스(coal gas), 석탄(coal), 이산화탄소 (carbon dioxide) 등의 검색어를 이용하여 WIPS, KIPRIS, USPTO, EPO, IPDL 등의 데이터베이스를 검색한 결과, 일본특허 567건, 미국특허 492건, 유럽특허 116건, 국제특허 113건, 한국특허 88건 등 모두 1,376건의 특허가 검색되었다.
- 석탄가스화기술에 대하여 1970년대부터 2008년 9월 30일까지 출원 공개된 한국, 일본, 유럽, 국제 및 미국공개특허와 2010년 3월 31일까지 출원 등록된 미국등록특허를 대상으로 특허 분석을 실시하였다. 미국의 경우 2001년부터 출원공개제도를 채택하였기 때문에, 등록특허와 아울러 2001년 3월 15일 이후의 공개특허도 검색하였다.
이론/모형
- 정량적인 분석에서는 각국의 출원현황, 주요출원인, 점유율, 기술 분야별 출원동향, 시장력, 기술경쟁력 등을 분석하였다. 기술 분야별 특허동향을 파악하기 위하여 특허활동지수(AI: Activity Index)라는 지표를 사용하였으며 주요 특허권자의 기술경쟁력을 분석하기 위하여 인용도지수(CPP: Cites Per Patent), 영향력지수(PII: Patent Impact Index), 기술력지수(TS: Technology Strength), 특허패밀리크기(PFS: Patent Family Size) 등의 지표를 사용하였다. 특허활동지수는 특정 기술 분야에서의 상대적 특허활동 집중도를 나타내며 인용도 지수는 특정 특허권자의 피인용수로서 원천특허 소유 여부를 판단하는데 도움이 된다.
성능/효과
- 5회의 피인용 횟수를 보여 핵심적인 특허를 보유하고 있을 확률이 가장 높은 것으로 분석되었다. ExxonMobil Research and Engineering Company, The United States Department of Energy, Combustion Engineering Inc., UHDE GMBH 등도 평균피인용수의 평균보다 많이 인용되고 있어 경쟁자들의 연구개발에 많이 인용되고 있음이 나타났다. 반면에 Mitsubishi Heavy Industries Ltd.
- 기타 기술 분야에서는 1995년에 Mitsubishi Heavy Industries Ltd.가 탈분진 기술에 대하여 출원한 특허(JP19960276113)가 가장 많은 패밀리특허를 가지고 있으며 1996년에 Shell Internationale Research Maatschappij가 출원한 탈산 기술에 대한 특허(US05720785)가 가장 많이 인용되고 있는 것으로 분석되었다. 기타 기술 분야에서 가장 많은 핵심 특허를 보유하고 있는 특허권자는 Chevron U.
- 석탄가스화 기술에 대하여 1970년대부터 2008년 9월 30일까지 출원 공개된 한국, 일본, 유럽, 국제 및 미국공개특허와 2010년 3월 30일까지 출원 등록된 미국등록특허를 대상으로 특허 분석을 실시하였다. 가스화(gasification), 가스화기(gasifier), 합성가스(syngas), 석탄가스(coal gas), 석탄(coal), 이산화탄소 (carbon dioxide) 등의 검색어를 이용하여 WIPS, KIPRIS, USPTO, EPO, IPDL 등의 데이터베이스를 검색한 결과, 일본특허 567건, 미국특허 492건, 유럽특허 116건, 국제특허 113건, 한국특허 88건 등 모두 1,376건의 특허가 검색되었다. 기술발전 초기에는 일본과 미국이 기술개발을 주도하였으나 2000년대 들어와서 연구 활동이 전 세계적으로 다변화되고 있으며 전체적인 기술의 발전단계는 특허건수와 출원인수가 모두 증가하는 발전기에 있는 것으로 분석되었다.
- Figure 5는 석탄가스화 관련 특허를 세부 기술 분야별로 구분하여 정리한 것이다. 가장 많은 특허가 출원된 기술 분야는 가스화기 분야로서 모두 589건이 출원되어 전체의 42.8%에 해당하였으며 그 다음으로 많은 특허가 출원된 기술 분야는 석탄건조로서 261건(19.0%)이 검색되었다. 후속 분리공정 가운데 가장 많은 특허가 출원된 기술 분야는 탈분진으로서 모두 160건의 특허가 출원되어 전체 특허의 11.
- 기술력지수(TS)는 특허건수와 영향력지수를 곱한 값으로, 질적인 면과 양적인 면을 동시에 평가할 수있는 지표인데 The United States Department of Energy가 가장 좋은 결과를 보였고 그 다음으로 Shell Internationale Research Maatschappij, General Electric Company, Chevron U.S.A. Inc., ExxonMobil Research and Engineering Company 등의 순으로 높은 결과값을 보여 이들이 질적·양적 측면에서 가장 강한 기술 경쟁력을 보유한 것으로 분석되었다.
- Inc. 등 3개 특허권자가 소유하고 있는 것으로 분석되어 이들의 기술 및 시장 경쟁력이 압도적임을 알 수 있었다. Shell Internationale Research Maatschappij가 7건의 핵심 특허를 보유하고 있어 경쟁력이 가장 높은 것으로 나타났으며 그 다음으로 Mitsubishi Heavy Industries Ltd.
- 석탄가스화기술은 저가의 석탄을 이용하여 석유 및 천연가스 등 고부가가치의 제품을 생산할 뿐만 아니라 제조 공정상 발생하는 황, 슬래그, 전력 등의 부산물을 재활용하거나 판매할 수 있어서 추가의 수익 창출이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한 석탄을 직접 이용하는 기존의 방법에 비해 황화합물이나 질소화합물 등 환경 오염물질의 배출이 상대적으로 적다는 이점을 갖는다. 또한 석탄가스화공정에서 배출되는 이산화탄소를 고순도로 포집하여 자원화할 수 있다는 점도 향후 강화될 탄소규제정책에 대비하여 추가의 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 판단된다.
- 미국등록특허에 기초한 인용도지수와 영향력지수는 General Electric Company, ExxonMobil Research and Engineering Company, The United States Department of Energy의 순으로 높게 나타나 원천특허의 보유를 통한 기술경쟁력이 높은 것으로 분석되었으며 기술력지수는 The United States Department of Energy, Shell Internationale Research Maatschappij, General Electric Company, Chevron U.S.A. Inc., ExxonMobil Research and Engineering Company의 순으로 높게 나타나 이들이 질적·양적으로 강한 기술경쟁력을 보유한 것으로 분석되었다.
- Inc. 역시 평균 보다 많은 패밀리특허를 가진 것으로 분석되어 석탄가스화 기술에 대한 시장확보력이 큰 것으로 나타났다. Mitsubishi Heavy Industries Ltd.
- 와 Nippon Steel Corp.이 각각 83건과 68건의 특허를 출원하여 일본기업의 특허활동이 두드러지게 활발한 것으로 나타났다. 특허건수 기준 상위 5개 특허권자의 특허 점유율은 전체의 28.
- 미국등록특허뿐 아니라 정량화가 가능한 모든 특허를 대상으로 전체 특허 1,376건의 상위 10%에 해당하는 특허를 먼저 추리고 패밀리특허 가운데 대표 특허 1건씩만을 선별한 후 기술 분야별로 상위 10건씩의 특허를 핵심 특허로 도출하였다. 이상의 과정을 거쳐 핵심 특허를 도출한 결과, 석탄건조 및 가스화기 분야에서만 10건씩의 핵심 특허가 도출되었고 나머지 8개 기술 분야에서는 각각 소수의 특허만이 핵심 특허로서의 기준을 만족하였다. 석탄건조와 가스화기 분야를 제외한 나머지 분야를 한데 묶어 앞서 설명한 기준을 만족하는 상위 10개 특허를 추출하여 ‘기타 기술’ 분야의 핵심 특허로 도출하였다.
- 유럽 및 국제특허에서 상대적 집중도를 보인 분야는 석탄건조인 것으로 분석되었으며 미국특허에서는 탈황 분야에 상대적으로 특허가 집중되어 있는 것으로 나타났다. 일본에 출원된 특허의 경우 탈분진 분야에서의 집중도가 가장 높은 것으로 분석되었으며 나머지 분야에서의 특허활동지수 역시 1.0에 가까운 값을 보여 모든 기술 분야의 특허활동이 비교적 고르게 나타났다.
- 이 각각 83건과 68건의 특허를 출원하여 일본기업의 특허활동이 두드러지게 활발한 것으로 나타났다. 특허건수 기준 상위 5개 특허권자의 특허 점유율은 전체의 28.7%이고 상위 10개 특허권자의 점유율은 39.1%로 나타나 많은 특허권자가 석탄가스화 기술에 관여하고 있음을 알 수 있다. 국가별로 가장 많은 특허를 출원한 특허권자는 한국특허에서는 고등기술연구원이었으며 미국특허에서는 The United States Department of Energy, 일본특허에서는 Mitsubishi Heavy Industries Ltd.
- Figure 10은 미국등록특허를 기반으로 주요 특허권자에 대한 인용도 분석[14]의 결과를 정리한 것이다. 피인용 횟수가 가장 많은 특허권자는 General Electric Company로 평균 14.5회의 피인용 횟수를 보여 핵심적인 특허를 보유하고 있을 확률이 가장 높은 것으로 분석되었다. ExxonMobil Research and Engineering Company, The United States Department of Energy, Combustion Engineering Inc.
- 0%)이 검색되었다. 후속 분리공정 가운데 가장 많은 특허가 출원된 기술 분야는 탈분진으로서 모두 160건의 특허가 출원되어 전체 특허의 11.6%를 차지하였으며, 탈황에 대한 특허가 126건(9.2%) 출원되어 그 다음으로 많은 것으로 나타났다. 이들 4개 분야의 특허는 전체 특허의 82.
후속연구
- 또한 석탄을 직접 이용하는 기존의 방법에 비해 황화합물이나 질소화합물 등 환경 오염물질의 배출이 상대적으로 적다는 이점을 갖는다. 또한 석탄가스화공정에서 배출되는 이산화탄소를 고순도로 포집하여 자원화할 수 있다는 점도 향후 강화될 탄소규제정책에 대비하여 추가의 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 판단된다.
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