[논문]특허(特許)와 논문(論文)으로 본 폐전지 재활용(再活用) 기술(技術) 동향(動向)

신선명; 주성호; 김수경; 조영주; 조봉규

doi:10.7844/kirr.2012.21.4.016

초록
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전지는 공기아연리튬망간산화은나트륨-유황납축니켈-수소 이차니켈-카드뮴리튬이온알칼라인 전지 등의 여러 종류가 있다. 경제적, 효율적 관점에서 폐전지의 재활용 기술은 폭넓게 연구되어 왔다. 본 연구에서는 폐전지의 재활용 기술에 대한 특허와 논문을 분석하였다. 분석범위는 1972년~2011년까지의 미국, EU, 일본, 한국의 등록/개된 특허와 SCI 논문으로 제한하였다. 특허와 논문은 키워드를 사용하여 수집하였고, 기술의 정의에 의해 필터링하였다. 특허와 논문의 동향은 연도, 국가, 기업, 기술에 따라 분석하여 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

There are several kinds of batteries such as zinc-air battery, lithium battery, Manganese dry battery, silver oxide battery, sodium-sulphur battery, lead acid battery, metal hydride secondary battery, nickel-cadmium battery, lithium ion battery, alkaline battery, etc. These days it has been widely s...

There are several kinds of batteries such as zinc-air battery, lithium battery, Manganese dry battery, silver oxide battery, sodium-sulphur battery, lead acid battery, metal hydride secondary battery, nickel-cadmium battery, lithium ion battery, alkaline battery, etc. These days it has been widely studied for the recycling technologies of the used battery from view points of economy and efficiency. In this paper, patents and published papers on the recycling technologies of the used battery were analyzed. The range of search was limited in the open patents of USA (US), European Union (EU), Japan (JP), Korea (KR) and SCI journal articles from 1972 to 2011. Patents and journal articles were collected using key-words searching and filtered by filtering criteria. The trends of the patents and journal articles were analyzed by the years, countries, companies, and technologies.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 폐전지 재활용 기술에 대하여 일본, 미국, EU 그리고 한국의 특허정보와 논문정보를 분석함으로써 기술의 동향을 파악하고자 하였다.

제안 방법

DB구축은 폐전지 재활용 기술과 관련된 키워드의 조합으로 조사되었으며, Table 2와 같이 전처리, 금속회수등 2개의 기술 분야로 나누어 분석하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 2011년 11월까지의 기간에 등록 또는 공개된 특허와 발표된 논문을 수집 대상으로 하였으며 Table 1과 같은 검색 DB를 사용하여 진행하였다. 논문은 Scopus DB를 사용하였으며 특허는 Wips DB를 사용하여 한국, 미국, 일본, 유럽연합, PCT특허로 제한하였다. 본 연구에서는 검색된 특허와 논문의 초록 및 요약문을 검토하여 선정된 특허 406건과 논문 275건을 대상으로 분석하였다.
폐전지 재활용 기술 관련 특허와 논문을 분석하기 위하여 관련된 모든 특허와 논문을 검색하여 분석하는 것이 이상적이지만 모든 것을 수집하는 데는 한계가 있으므로 우선 자료의 검색 범위를 설정할 필요가 있다. 본 논문에서는 2011년 11월까지의 기간에 등록 또는 공개된 특허와 발표된 논문을 수집 대상으로 하였으며 Table 1과 같은 검색 DB를 사용하여 진행하였다. 논문은 Scopus DB를 사용하였으며 특허는 Wips DB를 사용하여 한국, 미국, 일본, 유럽연합, PCT특허로 제한하였다.
논문은 Scopus DB를 사용하였으며 특허는 Wips DB를 사용하여 한국, 미국, 일본, 유럽연합, PCT특허로 제한하였다. 본 연구에서는 검색된 특허와 논문의 초록 및 요약문을 검토하여 선정된 특허 406건과 논문 275건을 대상으로 분석하였다.

성능/효과

전 세계적으로 일년에 사용되는 전지는 약 30만 톤으로 전지 1개를 평균 40그램으로 계산하면 1년에 약 75억 개의 전지가 판매된다는 것으로 전 세계 인구가 1인당 1개 이상의 전지를 사용하고 있다는 것을 의미한다.¹⁾ 한번 사용하고 버려지는 일차전지는 전체 중량의 약80%를 차지하고 있으며, 충전하여 200~400회까지 재사용이 가능한 이차전지로 납축전지가 10%, 니켈-카드뮴전지, 리튬이온전지 등이 나머지 10%를 차지하고 있다.²⁾
국가별로는 일본이 주도하고 있으며 한국은 2위권으로 나타나고 특허와 논문이 각각 54건, 19건으로 일본에 비해 격차가 크게 나타났으며 주요 출원인 및 주요 기관으로는 Mitsui Mining and Smelting, Sumitomo Metal Mining, 한국지질자원연구원 등으로 조사되었다. 기술별로는 금속회수 기술이 높은 점유율을 보이며 대부분의 국가에서 습식 관련 기술에 대한 특허와 논문건수가 많은 것으로 조사되었다.
논문 발표의 경우, 1990년대 이후 발표 건수가 증가하는 경향을 보이며 본격적인 논문활동이 이루어진 것으로 나타났다. 논문이 급격한 증가세를 보이기 시작한 2001년부터 2008년까지 한국지질자원연구원과 브라질의 Sao Paulo 대학은 14건씩의 논문을 발표한 것으로 나타났다.
금속회수 기술은 1990년대부터 본격적으로 성과가 나타나고 있으며 특히 특허의 경우, 1990년에 진입하면서 1994년까지 급격하게 증가한 이후 감소하였으나 최근 구간에는 증가하는 것으로 나타났다. 논문의 경우, 1990년대 중반 이후 서서히 증가하다가 2006년부터 급격하게 증가하고 있는 것으로 나타났다.
출원인 및 저자 국적별 특허와 논문건수를 비교해보면 특허의 경우, 일본과 한국이 전처리, 금속회수 기술에 높은 점유율을 보이며 논문의 경우, 중국과 브라질은 전처리, 금속회수 기술에서 높은 점유율을 보이는 것으로 나타났다. 이를 Table 4에 정리하였다.

후속연구

보다 경제성 높은 폐전지 재활용 공정을 갖기 위하여 X-ray 선별기, UV 선별장치 등 혼합 폐전지로부터 각각의 전지를 분리해내는 전처리 공정의 개발이 필요하며 향후 전지동향을 주시하면서 향후 순환자원으로 발생이 예상되는 연료전지, 태양전지 등의 재활용 기술을 지속적으로 연구개발해야 할 것이다. 또한, 향후 특허/논문 분석을 통해 폐전지 내 성분을 활용하여 보다 고부가가치 제품을 저렴한 비용으로 제조하는 공정개발로 나아갈 것으로 예상된다.
일차전지, 이차전지의 사용은 앞으로도 휴대용 전자 장비가 단소경박형으로 발전함에 따라 그 사용량이 꾸준히 증가할 것으로 예상되며 사용 후 버려지는 폐전지의 양도 계속 증가할 것으로 예측된다. 보다 경제성 높은 폐전지 재활용 공정을 갖기 위하여 X-ray 선별기, UV 선별장치 등 혼합 폐전지로부터 각각의 전지를 분리해내는 전처리 공정의 개발이 필요하며 향후 전지동향을 주시하면서 향후 순환자원으로 발생이 예상되는 연료전지, 태양전지 등의 재활용 기술을 지속적으로 연구개발해야 할 것이다. 또한, 향후 특허/논문 분석을 통해 폐전지 내 성분을 활용하여 보다 고부가가치 제품을 저렴한 비용으로 제조하는 공정개발로 나아갈 것으로 예상된다.
일차전지, 이차전지의 사용은 앞으로도 휴대용 전자 장비가 단소경박형으로 발전함에 따라 그 사용량이 꾸준히 증가할 것으로 예상되며 사용 후 버려지는 폐전지의 양도 계속 증가할 것으로 예측된다. 보다 경제성 높은 폐전지 재활용 공정을 갖기 위하여 X-ray 선별기, UV 선별장치 등 혼합 폐전지로부터 각각의 전지를 분리해내는 전처리 공정의 개발이 필요하며 향후 전지동향을 주시하면서 향후 순환자원으로 발생이 예상되는 연료전지, 태양전지 등의 재활용 기술을 지속적으로 연구개발해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전 세계적으로 일년에 사용되는 전지는 몇 톤인가?	폐전지는 우리가 일상적으로 사용하는 핸드폰, 노트북, 카세트 완구, 비상용 전원 등 각종 전자기기의 전원으로 사용되는 일차전지, 이차전지가 수명이 다하여 발생하는 순환자원을 일컫는다. 전 세계적으로 일년에 사용되는 전지는 약 30만 톤으로 전지 1개를 평균 40그램으로 계산하면 1년에 약 75억 개의 전지가 판매된다는 것으로 전 세계 인구가 1인당 1개 이상의 전지를 사용하고 있다는 것을 의미한다.1) 한번 사용하고 버려 지는 일차전지는 전체 중량의 약80%를 차지하고 있으며, 충전하여 200~400회까지 재사용이 가능한 이차전지로 납축전지가 10%, 니켈-카드뮴전지, 리튬이온전지 등이 나머지 10%를 차지하고 있다.
	폐전지는 무엇인가?	폐전지는 우리가 일상적으로 사용하는 핸드폰, 노트북, 카세트 완구, 비상용 전원 등 각종 전자기기의 전원으로 사용되는 일차전지, 이차전지가 수명이 다하여 발생하는 순환자원을 일컫는다. 전 세계적으로 일년에 사용되는 전지는 약 30만 톤으로 전지 1개를 평균 40그램으로 계산하면 1년에 약 75억 개의 전지가 판매된다는 것으로 전 세계 인구가 1인당 1개 이상의 전지를 사용하고 있다는 것을 의미한다.
	폐전지로부터 금속을 회수하는 방법에 대한 국가별 특허와 논문실적은?	1990년대 이후 특허와 논문실적이 본격적으로 발표되고 있으며 특허는 1990년대 초반, 논문은 1990년대 중반 이후 증가하는 경향을 보이며 전체 건수가 특허 406건, 논문 275건 정도로 현재 성숙기 단계에 막 진입한 것으로 추측된다. 국가별로는 일본이 주도하고 있으며 한국은 2위권으로 나타나고 특허와 논문이 각각 54건, 19건으로 일본에 비해 격차가 크게 나타났으며 주요 출원인 및 주요 기관으로는 Mitsui Mining and Smelting, Sumitomo Metal Mining, 한국지질자원연구원 등으로 조사되었다. 기술별로는 금속회수 기술이 높은 점유율을 보이며 대부분의 국가에서 습식 관련 기술에 대한 특허와 논문건수가 많은 것으로 조사되었다.

참고문헌 (8)

J. P. Wiaux and J. P. Waefler, 1995 : Recycling Zinc Batteries : An Economical Challenge in Consumer Waste Management, J. Power Sources, Vol. 57, pp. 61-65.

상세보기
T.White, 2000 : Status of consumer battery recycling in Singapore, ITE Lett Batter New Technol Med, Vol. 1, No. 4, pp. 518-525.
손정수, 2010 :리튬이차전지 재활용 기술동향, 한국세라믹학회, Vol. 13, No. 5, pp. 14-20.
Zhang P., Yokoyama T., Itabashi O., Suzuki T.M., Inoue K., 1998 : Hydrometallurgical process for recovery of metal values from spent lithium-ion secondary batteries, Hydrometallurgy, Vol. 47, pp. 259-271.

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Contestabile M., Panero S., Scrosati B., 2001 : Laboratoryscale lithium-ion battery recycling process, Journal of Power Sources, Vol. 492, pp. 65-69.
Nogueira C.A., Delmas F., 1999 : New flowsheet for the recovery of cadmium, cobalt and nickel from spent Ni-Cd batteries by solvent extraction, Hydrometallurgy, Vol. 52, pp. 267-287.

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Salgado A.L., Veloso A.M.O., Pereira D.D., Gontijo G.S., Salum A., Mansur M.B., 2003 : Recovery of zinc and manganese from spent alkaline batteries by liquid-liquid extraction with Cyanex 272, Journal of Power Sources, Vol. 115, pp. 367-373.

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Zhang P., Yokoyama T., Itabashi O., Wakui Y., Suzuki T.M., Inoue K., 1998 : Hydrometallurgical process for recovery of metal values from spent nickel-metal hydride secondary batteries, Hydrometallurgy, Vol. 50. pp. 61-75.

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