[논문]특허정보를 활용한 CCS(CO2 Capture and Storage) 기술동향 분석

이수진; 이윤석; 이정구; 홍순직; 이중범

doi:10.4150/kpmi.2015.22.4.289

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As recognized by all scientific and industrial groups, carbon dioxide($CO_2$) capture and storage(CCS) could play an important role in reducing greenhouse gas emissions. Especially carbon capture technology by dry sorbent is considered as a most energy-efficient method among the existing ...

As recognized by all scientific and industrial groups, carbon dioxide($CO_2$) capture and storage(CCS) could play an important role in reducing greenhouse gas emissions. Especially carbon capture technology by dry sorbent is considered as a most energy-efficient method among the existing CCS technologies. Patent analysis has been considered to be a necessary step for identifying technological trend and planning technology strategies. This paper is aimed at identifying evolving technology trend and key indicators of dry sorbent from the objective information of patents. And technology map of key patents is also presented. In this study the patents applied in korea, japan, china, canada, US, EU from 1993 to 2013 are analyzed. The result of patent analysis could be used for R&D and policy making of domestic CCS industry.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이산화탄소 건식포집공정 분야의 기술을 개발함에 있어, 이산화탄소 건식포집공정 기술 분야인 흡수제 및 공정 분야의 기술을 포함하는 한국, 미국, 일본, 중국, 캐나다, 유럽의 출원(등록)된 특허정보를 체계적으로 분석함으로써, 국가별 관련기술의 출원현황, 특허수준, 분야별 기술의 다양성 등을 비교함으로써 이산화탄소 건식포집공정 분야의 최근 트렌드를 살펴보고, 최근 부상 기술 등을 도출하여 전략적인 연구개발 계획 수립에 활용할 수 있도록 객관적이고 체계적인 특허정보를 제공하는데 그 목적이 있다.

제안 방법

이산화탄소 건식포집 관련 기술동향, 핵심기술지표, 핵심특허의 기술전개 추세를 파악하기 위해 미국 특허를 대상으로 특허의 정성분석을 실시하였으며 그 결과를 표 3에 나타내었다. 기술동향 및 핵심기술지표로 개발핵심 요인, 개발 목표, 개발방향 및 이와 관련된 특허들에 대해 분석하였다. 이산화탄소 건식포집의 개발핵심은 포집비용 저감으로 크게 소재와 공정구성, 에너지 효율 향상으로 분류될 수 있다.
미국, 유럽, 일본, 한국, 중국, 캐나다 특허를 중심으로 분석하였으며, 분석방법은 한국과학기술정보연구원(KISIT)에서 개발한 계량정보 분석시스템(KITAS)을 이용하였다. 본 분석에서는 흡수제와 공정으로 기술을 분류하여 분석을 수행하였으며, 표 1과 같이 흡수제의 소재에 따라 유기물, 무기물, 하이브리드로 기술을 분류하였다.
이산화탄소 건식포집 관련 기술동향, 핵심기술지표, 핵심특허의 기술전개 추세를 파악하기 위해 미국 특허를 대상으로 특허의 정성분석을 실시하였으며 그 결과를 표 3에 나타내었다. 기술동향 및 핵심기술지표로 개발핵심 요인, 개발 목표, 개발방향 및 이와 관련된 특허들에 대해 분석하였다.

대상 데이터

CCS 건식포집 관련 특허정보 분석은 33개국 특허를 주 1회 업데이트하고 있는 글로벌 기술특허 분석플랫폼인 “KISTI G-PASS” 데이터베이스를 이용하여, 1994년 1월부터 2013년 12월까지 출원 공개된 CCS 건식포집 관련 특허를 기술분류에 따른 검색 키워드를 조합하여 검색하였다.

이론/모형

CCS 건식포집 관련 특허정보 분석은 33개국 특허를 주 1회 업데이트하고 있는 글로벌 기술특허 분석플랫폼인 “KISTI G-PASS” 데이터베이스를 이용하여, 1994년 1월부터 2013년 12월까지 출원 공개된 CCS 건식포집 관련 특허를 기술분류에 따른 검색 키워드를 조합하여 검색하였다. 미국, 유럽, 일본, 한국, 중국, 캐나다 특허를 중심으로 분석하였으며, 분석방법은 한국과학기술정보연구원(KISIT)에서 개발한 계량정보 분석시스템(KITAS)을 이용하였다. 본 분석에서는 흡수제와 공정으로 기술을 분류하여 분석을 수행하였으며, 표 1과 같이 흡수제의 소재에 따라 유기물, 무기물, 하이브리드로 기술을 분류하였다.

성능/효과

이산화탄소 건식포집 특허에 대한 정량 분석 결과, 소재 조성은 알칼리 또는 알칼리토금속에 집중되었던 출원이 2000년 중반 이후 유-무기 복합소재, 또는 무기-무기 Composite으로 발전되고 있는 것으로 분석되었다. 공정개발 추이는 물리적 흡착에 근거한 PSA에서 화학적 반응을 동반하는 TSA 단독 또는 다단 공정이 2000년 중반까지 주로 나타나고 있으나 이후 대규모 산업체 적용을 전제로 다단 고정층 공정 또는 유동층 공정이 출현되고 있으며, 특히, 재생 가능한 포집 공정 구성에 대한 특허가 증가하고 있는 것으로 나타났다. 최근 특허의 경향은 전체 포집공정의 비용 저감을 위한 방법에 초점이 맞춰주고 있음을 알 수 있으며 특히 전체 공정 구성의 효율적 에너지 이용 방법에 대한 특허가 현저히 증가하고 있음을 확인할 수 있다.
또한, 흡수제와 공정을 동시에 언급한 특허는 공정관련 특허로 분류하여 기술의 중복분류를 허용하지 않았다. 그 결과 건식포집 관련 특허는 노이즈 제거 및 등록/공개특허 중복 제거 시, 1,332건(출원국별 특허동향 파악), 우선권 일치 중복 특허 제거 시 890건(기술 중심 특허동향 파악)이였으며, 890건의 특허 중 흡수제 관련 특허가 222건(유기물 65건, 무기물 128건, 하이브리드 29건), 공정 관련 특허가 668건 이였다. 일반적으로 특허 출원 후 18개월이 경과된 후 특허가 공개되므로 미공개 상태의 특허 존재하는 2012-2013년 자료는 유효하지 않다.
기술 분류에 따라 주요 5개국의 특허를 검색한 결과 총 2,063건이 검색되었으며, 노이즈 특허 제거, 등록특허에 대한 공개특허 중복 제거, 우선권 일치 중복 특허는 제거하였다. 또한, 흡수제와 공정을 동시에 언급한 특허는 공정관련 특허로 분류하여 기술의 중복분류를 허용하지 않았다.
제조방법으로는 침강법, 담지법 등 단순한 기술에서 구조체화하거나 기능기를 붙이는 방법, 분무건조방법 등으로 진화하고 있고, 공정은 효율 향상을 위해 단순 공정에서 복합공정으로 진화하고 있다. 소재 개발은 흡수능 향상 및 재생성 향상, 재생에너지 저감이 핵심이며, 공정의 경우 효율 향상을 위한 다단 또는 복합 공정으로 진화, 응용기술 측면에서는 포집효과가 큰 대규모 산업으로 진전되는 경향이 있는 것으로 분석되었다.
이산화탄소 건식포집 특허에 대한 정량 분석 결과, 소재 조성은 알칼리 또는 알칼리토금속에 집중되었던 출원이 2000년 중반 이후 유-무기 복합소재, 또는 무기-무기 Composite으로 발전되고 있는 것으로 분석되었다. 공정개발 추이는 물리적 흡착에 근거한 PSA에서 화학적 반응을 동반하는 TSA 단독 또는 다단 공정이 2000년 중반까지 주로 나타나고 있으나 이후 대규모 산업체 적용을 전제로 다단 고정층 공정 또는 유동층 공정이 출현되고 있으며, 특히, 재생 가능한 포집 공정 구성에 대한 특허가 증가하고 있는 것으로 나타났다.
이산화탄소 건식포집 특허에 대한 정성 분석 결과, 소재 부분의 인용 또는 출원건수가 가장 많은 부분은 알칼리 및 알칼리 토금속 기반의 흡수제가 주종을 이루고 있으며, 무기 흡수제의 단점을 극복하기 위한 방안으로 유기 아민 등을 고비표면적의 무기물질에 담지 등의 방법으로 고정화하여 유기, 무기 흡수제의 장점을 활용함으로써 포집 및 재생 시 에너지 소모를 줄이고 내구성을 향상시키는 방향으로 특허 출원이 증가하고 있다. 제조방법으로는 침강법, 담지법 등 단순한 기술에서 구조체화하거나 기능기를 붙이는 방법, 분무건조방법 등으로 진화하고 있고, 공정은 효율 향상을 위해 단순 공정에서 복합공정으로 진화하고 있다.

후속연구

포집 기술에 대한 관심 고조로 학계 및 연구소를 중심으로 초기 단계의 유-무기 복합소재 및 나노기술을 활용한 무기-무기 복합체 기술이 발전하고 있으나, 공정에 적합한 수준의 대량생산(mass product)에는 한계가 있으며 이 부분에 집중할 필요가 있다. 또한 대규모 산업에 적용 가능한 포집공정 개발 및 적용을 위해서 연속처리가 가능한 유동층 또는 이동층 반응기에 대한 연구가 필요하며, 특히 재생성 향상을 통한 비용 저감을 위해 다단 재생 반응기 구성 및 효과적인 에너지 사용 방안에 대한 구상이 필요하다. 포집비용 저감은 소재의 성능, 공정의 구성, 열원의 활용과 사용 후 열원의 시스템 통합 등 복합적이며, 개발 기술의 산업체 적용 여부는 포집비용 저감과 기술의 신뢰성에 달려 있으므로 이 부분을 고려한 개발이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CCS 기술이란 무엇인가?	이 중 CCS 기술은 에너지를 얻기 위해 사용되는 화석연료를 연소 또는 처리하는 과정에서 발생하는 CO2를 대기 중에 방출하지 않고 포집, 회수 하여 격리하는 모든 기술을 말한다. 즉, 산업 및 발전소 부문에서 배출되는 이산화탄소를 포집, 파이프라인 또는 전용 수송선을 이용하여 수송하고, 고갈된 가스전, 유전, 석탄층, 대염수층 등 지층에 저장하는 것으로, 비용 대비 효과적인 온실가스 감축 방안의 하나로 인정받고 있다.
	이산화탄소 배출 감축 및 저감 기술은 무엇이 있는가?	따라서, 이산화탄소 배출 제어에 대한 필요성은 과학계, 산업계 모두의 주요 관심이 되고 있다. 이산화탄소 배출 감축 및 저감 기술로는 에너지절약, 고효율 에너지 이용 기술, 신에너지 및 청정에너지와 같은 비화석연료 사용, 재생에너지 및 화석연료간의 전환 기술, CO2 포집 및 저장 기술(CCS; Carbon Capture and Storage), 산림 흡수원 등 생태 또는 생물학적 처리 기술 등이 있다[2].
	이산화탄소 배출 제어에 대한 필요성이 과학계, 산업계 모두의 주요 관심이 되고 있는 이유는 무엇인가?	최근, 전 세계는 온실가스 배출 감축의 중요성을 깊이 인식하고 있으며 기후 온난화로 인한 환경 재난을 막기 위해 다양한 노력들을 기울이고 있다[1]. 따라서, 이산화탄소 배출 제어에 대한 필요성은 과학계, 산업계 모두의 주요 관심이 되고 있다.

참고문헌 (7)

I. H. Na and B. H. Cheon: A Economic Study on Greenhouse Gas Emissions Trading Scheme, Journal of the Korean Institute of Mineral and Energy Resources Engineers, 48 (2011) 786 (Korean).
K. H. Kim: KISTI, KISTI MARKET REPORT, (2013) (Korean).
S. D. Park: Carbon Capture and Storage Technology, Physiscs and High Technology, (2009) 19 (Korean).
M. S. Lee: Domestic Counterplan Status of Greenhouse gas emissions in Steel Industry, KDB Research, Industry Issue (2010) (Korean).
C. K. Lee: Advances of Post-combustion Carbon Capture Technology by Dry Sorbent, Korean Chemical Engineering Research, 48 (2010) 140 (Korean).
J. C. Kim, J. M. Kim, H. S. Kim, etc.: Carbon Capture, Storage and Conversion Technology, Cheong Moon Gak (2013), 81 (Korean).
D. P. Harrison: The Role of Solids in $CO_2$ Capture: a Mini Review, Proceedings of the 7th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies Vancouver, Canada (2004) 1101.

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