[논문]특허분석을 통한 오일샌드 플랜트 모듈화 기술 동향 연구

박권우; 황인주

doi:10.9719/eeg.2016.49.3.213

특허분석을 통한 오일샌드 플랜트 모듈화 기술 동향 연구
Technology Trends of Oil-sands Plant Modularization using Patent Analysis 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.49 no.3, 2016년, pp.213 - 224

박권우 (한국건설기술연구원 환경플랜트 연구소) , 황인주 (한국건설기술연구원 환경플랜트 연구소)

초록
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원유 생산의 정점이 예상되기 때문에 비전통 자원과 대체에너지에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구에서는 비전통 자원 중 오일샌드에 한정하였고, 동토 지역은 건설 가능한 기간이 제한적이고 현지건설인력 확보가 쉽지 않으며, 공사기간을 단축시킬 수 있는 오일샌드 플랜트 모듈화에 대한 관심이 크기 때문에 특허를 통한 기술동향을 분석해 보았다. 특허 분석은 1994년-2015년 데이터를 이용하였고 한국, 미국, 일본, 유럽 및 캐나다 특허를 분석 대상으로 하였다. 기술분류체계로 노천채굴 기술, 지하회수법 기술, 분리/개질/환원물 기술, 모듈설계/패키징 기술, 모듈운송기술 및 소재/유지관리 기술 분야로 나누었고 이를 국가별 landscape, 세부기술 동향분석, 주요 경쟁사 심층분석을 하였다. 특허 분석결과, 오일샌드 플랜트 기술은 미국 및 캐나다에 89%의 특허가 집중 되어 출원되고 있었다. 주로 경쟁사로는 Shell, Suncor 그리고 Exxon-mobil로 각각의 핵심특허를 분석하였다. 오일샌드는 타유전개발과 달리 장기간 안정적 생산량 유지가 가능한 사업적 특성을 가지므로, 장기적 관점에서 특허를 확보하여 오일샌드 사업의 경쟁력을 확보하는 것이 중요할 것으로 분석된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Non-conventional resource and alternative energy were researched for predicting oil peak. In this study, one of many non-conventional resources, specifically oil-sands, was investigated due to the increasing interest of oil-sands plant modularization in permaforst areas for reducing the construction periods through modular transportation while limiting local construction workers. Hence, tehcnological trends were analyzed for oil-sand plant modularization. Data used were between 1994 and 2015 for patent analysis while targets included Korea, US, Japan, Europe and Canada. Technology classification system consisted of mining, steam assisted gravity drainage(SAGD), separation/upgrading/tailors ponds, module design/packaging, module transportation and material/maintenance. Result of patent analysis, patent application accounts 89% in US and Canada. The main competitive companies were Shell, Suncor and Exxon-mobil. Unlike other oil developments, oil-sands have a long-term stable production characteristic, hence, it is important to ensure the competitiveness of oil-sands for obtaining a patent in the long run.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

오일샌드플랜트 모듈화 기술 기획(MLTMA , 2013) 의 내용을 중심으로 Table 1과 같이 노천채굴 기술, 지하회수법 기술, 분리/개질/환원물 기술, 모듈설계/패키징 기술, 모듈운송기술 및 소재/유지관리 기술 분야의 특허기술을 소분류로 했다. 검색식에 따른 오일샌드 플랜트 기술의 원시데이터의 노이즈 및 유효특허추출을 하기 위해서 Table 2처럼 유효특허를 선별했고 이를 정량분석 대상으로 하여 동향분석을 실시했다.
경쟁사 심층분석에서는 경쟁사로 추정되는 Shell, Suncor Energy, Exxon Mobil, Syncrude, Fort Hills Energy 등의 출원을 노천채굴 기술, 지하회수법 기술, 분리/개질/환원물 기술, 모듈설계/패키징 기술, 모듈운송기술 및 소재/유지관리 기술별로 분류하여 경쟁사 전체 특허동향, 개별 특허통향 및 소분류별 기술 동향 분석을 실시했다. 또한 Top 다출원 세 기관의 특허를 분석하여 제시했다.
경쟁사 심층분석에서는 경쟁사로 추정되는 Shell, Suncor Energy, Exxon Mobil, Syncrude, Fort Hills Energy 등의 출원을 노천채굴 기술, 지하회수법 기술, 분리/개질/환원물 기술, 모듈설계/패키징 기술, 모듈운송기술 및 소재/유지관리 기술별로 분류하여 경쟁사 전체 특허동향, 개별 특허통향 및 소분류별 기술 동향 분석을 실시했다. 또한 Top 다출원 세 기관의 특허를 분석하여 제시했다.
특허 기술 Landscape에서는 조사대상국인 한국, 미국, 일본, 유럽 및 캐나다에서의 주요국가 기술개발 활동현황, 기간별 출원인수와 출원건수의 증감정도의 분석을 통해 국가별 동향을 분석했다. 또한, 상위 Top 다출원인 도출을 통하여 현재 주요 시장국을 분석하고, 주요 시장국에 진입 건수가 많은 다출원인을 분석하여 현재 주요 시장국의 기술을 주도하는 기업의 현황 파악했다. 또한, 세부기술별 분석을 통해 각 세부기술별로 기술개발이 활발한 주요 출원인과 그 주요 출원인의 주력 분야 분석을 통해 세부 기술별 특허 동향분석을 실시했다.
또한, 상위 Top 다출원인 도출을 통하여 현재 주요 시장국을 분석하고, 주요 시장국에 진입 건수가 많은 다출원인을 분석하여 현재 주요 시장국의 기술을 주도하는 기업의 현황 파악했다. 또한, 세부기술별 분석을 통해 각 세부기술별로 기술개발이 활발한 주요 출원인과 그 주요 출원인의 주력 분야 분석을 통해 세부 기술별 특허 동향분석을 실시했다.
오일샌드에 있는 비투멘의 이동을 채굴장으로부터 처리장까지 촉진하기 위해 생성된 하이드로-수송 슬러리로부터 비투멘을 추출했다. 비용 절감을 위해 광산으로부터 가까운 곳에서, 광물로부터 비투멘을 분리하는 효과적인 프로세스를 제안한 발명으로, 특히, 하이드로-수송 슬러리로부터 비투멘을 추출하여 중간단계의 비투멘을 생성하는 것을 특징으로 한다(US 8,096,425).
오일샌드플랜트 모듈화 기술 기획(MLTMA , 2013) 의 내용을 중심으로 Table 1과 같이 노천채굴 기술, 지하회수법 기술, 분리/개질/환원물 기술, 모듈설계/패키징 기술, 모듈운송기술 및 소재/유지관리 기술 분야의 특허기술을 소분류로 했다. 검색식에 따른 오일샌드 플랜트 기술의 원시데이터의 노이즈 및 유효특허추출을 하기 위해서 Table 2처럼 유효특허를 선별했고 이를 정량분석 대상으로 하여 동향분석을 실시했다.
2004년에 출원된 ‘‘bituminous froth inline steam injection processing’’는 최초 출원된 이후 방법에 대한 특허와 장치에 특허로 권리범위를 개선하여 시리즈 특허를 출원했다. 인라인 스팀주입을 통해 역청 froth를 가열하고, 타르 샌드로부터 비투멘 hydro carbon 추출하기 위한 공정으로, 비투멘의 점성을 낮추기 위해서 스팀을 인라인에 주입하여 균일하게 온도를 유지하도록 하는 구성을 포함했다(US 7,556,715).
2011년에 출원된 ‘‘controlling bitumen quality in solvent-assisted bitumen extraction’’는 추출된 탄화수소 스트림에서 아스팔렌, 무기 고체 및 황의 함량을 조절하는 방법을 개시하였다. 추출된 탄화수소 스트림에서 니켈, 바나듐, 또는 둘 다의 양을 측정하여 아스팔렌의 성분을 추정하고, 기타 실리콘, 알루미늄, 티타늄, 칼슘, 철 등의 양을 추정하여 비투멘의 질을 조절하는 단계를 포함하였다(US 8,949,038).
출원건수를 기준으로 오일샌드 플랜트 기술 분야의 전체 연도별 특허동향을 살펴봄으로써, 각 나라에서의 특허출원 동향을 알아보았다. 전체 연도별 동향을 살펴보면, 오일샌드 플랜트 기술 분야는 분석구간 초기인 1994년부터 특허분석 유효기간인 2013년까지 지속적으로 특허출원이 증가하는 추세를 보이고 있었다 (Fig.
특허 기술 Landscape에서는 조사대상국인 한국, 미국, 일본, 유럽 및 캐나다에서의 주요국가 기술개발 활동현황, 기간별 출원인수와 출원건수의 증감정도의 분석을 통해 국가별 동향을 분석했다. 또한, 상위 Top 다출원인 도출을 통하여 현재 주요 시장국을 분석하고, 주요 시장국에 진입 건수가 많은 다출원인을 분석하여 현재 주요 시장국의 기술을 주도하는 기업의 현황 파악했다.

대상 데이터

Suncor Energy는 출원을 두 번째로 많이 했고, 2000년대 이후 꾸준하게 특허출원이 증가했으며 노천 채굴 기술(AAA)과 관련된 특허를 다수 출원했다. 2009년부터 지하회수법 기술(AAB)에 관련된 특허를 출원했다. Suncor Energy의 분석대상 주요특허를 살펴본 결과, 전반적으로 비투멘을 추출하는 과정에 대한 시리즈 특허를 출원했고, 비교적 권리범위가 우수한 특허들을 2015년에도 계속적으로 출원을 진행하고 있는 것으로 분석된다(Fig.
본 분석에서는 1994년 1월부터 2015년 12월까지 출원공개 된 한국, 미국, 일본, 유럽 및 캐나다 공개특허와 및 출원등록 된 등록특허를 분석 대상으로 했다. 검색 데이터베이스로는 한국, 미국, 일본 그리고 유럽의 경우 윕스온을 이용했고 캐나다는 Total Patent를 이용했다.
본 분석에서는 1994년 1월부터 2015년 12월까지 출원공개 된 한국, 미국, 일본, 유럽 및 캐나다 공개특허와 및 출원등록 된 등록특허를 분석 대상으로 했다. 검색 데이터베이스로는 한국, 미국, 일본 그리고 유럽의 경우 윕스온을 이용했고 캐나다는 Total Patent를 이용했다.
2006년에 출원된 ‘‘System, apparatus and process for extraction of bitumen from oil sands’’는 최초 출원된 이후 2015년까지 계속적으로 출원을 진행되고 있다. 오일샌드에 있는 비투멘의 이동을 채굴장으로부터 처리장까지 촉진하기 위해 생성된 하이드로-수송 슬러리로부터 비투멘을 추출했다. 비용 절감을 위해 광산으로부터 가까운 곳에서, 광물로부터 비투멘을 분리하는 효과적인 프로세스를 제안한 발명으로, 특히, 하이드로-수송 슬러리로부터 비투멘을 추출하여 중간단계의 비투멘을 생성하는 것을 특징으로 한다(US 8,096,425).

성능/효과

Exxon-Mobil의 분석대상 주요특허를 살펴본 결과, 비투멘 처리 공법으로 ‘‘solvent processing’’을 특허출원하였고, 오염된 물 상의 성분에 따라 solvent 양을 제어하는 기술을 특허화한 것으로 분석된다(Fig.
2010년 이후 분리/개질/환원물 기술(AAC)에 대한 특허를 다수출원하며 출원건수가 점차 증가했다. Shell의 분석대상 주요 특허를 살펴본 결과, 전반적으로 오일샌드로부터 비투멘을 추출하는 장치 또는 방법에 대한 기술들을 특허화하고 있는 것으로 분석된다(Fig. 7(a)).
2009년부터 지하회수법 기술(AAB)에 관련된 특허를 출원했다. Suncor Energy의 분석대상 주요특허를 살펴본 결과, 전반적으로 비투멘을 추출하는 과정에 대한 시리즈 특허를 출원했고, 비교적 권리범위가 우수한 특허들을 2015년에도 계속적으로 출원을 진행하고 있는 것으로 분석된다(Fig. 7(b)).
또한 미국의 금융 위기에 따라 경제 상황이 악화되는 시기(2010년 전후)에도 특허출원건수가 증가하여 다수의 기업이 본 기술 분야에 대해 시장성이 높다고 판단한 것으로 보이며, 당시에는 석유가격이 높았기 때문에 오일샌드의 사업성 확보 및 오일샌드 생산 확대에 따른 것으로 분석되었다. 각 국가별로 특허출원 동향을 살펴보면, 캐나다와 미국의 출원건수가 다른 시장국에 비해 월등하게 많은 것으로 보이며, 2010년 전후를 기점으로 특허출원건수가 급증하고 있는 것으로 나타났다.
기술성장단계는 태동, 성장, 성숙, 쇠퇴 그리고 회복으로 나뉠 수 있다(KIPO, 2015). 오일샌드 플랜트 기술분야의 전체 및 해당 국가의 기술 위치를 포트폴리오로 나타낸 것으로 전체 출원 중 최근의 출원동향을 1구간(1994년~1997년), 2구간(1998년~2001년), 3구간(2002년~2005년), 4구간(2006년~2009년) 및 5구간(2010년~2013년)의 5개 구간으로 나누어 각각의 구간별 출원인수 및 출원건수를 나타내어 특허출원동향을 통한 기술 단계를 살펴보면 오일샌드 플랜트 관련한 기술은 1구간(1994년~1997년)부터 5구간(2010년~2013년)까지 출원인수와 출원건수가 함께 증가하는 성장기로 평가된다(Fig. 6(a)).
오일샌드 플랜트 기술분야의 주요 출원인 Top20을 추출한 결과, 미국의 Shell이 61건으로 전체 다출원인 1위로 나타났으며, 그 뒤를 이어 캐나다의 Suncor energy, 미국의 Exxon-mobil 등이 이 기술분야에서 다수의 특허를 출원하고 있는 것으로 나타났다. 특히, 주요 출원인 Top20 중 캐나다 국적의 출원인이 10명으로 거의 과반수를 차지하고 있으며, 이는 캐나다에 오일샌드가 가장 많이 매장되어 있어 캐나다기업이 상대적으로 오일샌드 플랜트에 관한 연구개발에 보다 많은 노력을 하는 것으로 분석된다.
출원건수를 기준으로 오일샌드 플랜트 기술 분야의 전체 연도별 특허동향을 살펴봄으로써, 각 나라에서의 특허출원 동향을 알아보았다. 전체 연도별 동향을 살펴보면, 오일샌드 플랜트 기술 분야는 분석구간 초기인 1994년부터 특허분석 유효기간인 2013년까지 지속적으로 특허출원이 증가하는 추세를 보이고 있었다 (Fig. 1). 미국과 캐나다의 출원건수가 총 908건으로 전체 89%를 차지했다.
주요 시장국의 내·외국인 특허출원 현황을 분석한 결과, 미국은 외국인 출원비율이 내국인 출원비율보다 높지만 내국인 출원비율도 무시할 수 없을 정도로 나타나고, 캐나다는 외국인 출원비율보다 내국인 출원비율이 더 높은 것으로 나타났다.
주요 출원인들의 주요 시장국, 최근 연구활동 및 주력개발분야의 파악을 위하여, 주요 시장국별 출원건수, 최근 4년간의 특허출원증가율 및 주력기술분야를 비교 분석한 결과, 주요 출원인들은 전반적으로 자국에서 활발한 특허활동을 하여 자국 이외의 주요 시장국에 출원건수가 저조한 것으로 분석된다. 이와 관련된 현상은 상위 랭크된 미국 및 캐나다 출원인 모두에서 골고루 나타나는데, 이는 캐나다에 오일샌드가 가장 많이 매장되어 있어 캐나다 기업이 자국 내에서의 특허출원이 많고, 미국은 캐나다와 물리적 거리가 비교적 가깝고 관련 기술에 대한 관심이 증가하고 있기 때문인 것으로 보인다.
최다 출원인인 SHELL은 미국에 51건, 유럽에 2건, 캐나다에 8건을 출원하였고, Shell은 최근 4년간 특허출원 증가율이 156%로 출원건수가 증가하고 있으며, 분리(AACA)가 주력분야인 것으로 나타났다. 또한, 다출원 2위를 기록한 캐나다의 Suncor energy는 미국에 17건, 유럽에 3건, 캐나다에 23건 출원하였으며, 최근 4년간 특허출원 증가율이 -20%로 출원건수가 다소 감소하고 있는 추세이다(Table 3).
이와 관련된 현상은 상위 랭크된 미국 및 캐나다 출원인 모두에서 골고루 나타나는데, 이는 캐나다에 오일샌드가 가장 많이 매장되어 있어 캐나다 기업이 자국 내에서의 특허출원이 많고, 미국은 캐나다와 물리적 거리가 비교적 가깝고 관련 기술에 대한 관심이 증가하고 있기 때문인 것으로 보인다. 특허출원 증가율은 주요 출원인별로 다르지만 캐나다의 Fort hill energy 및 한국의 포스코의 특허출원 증가세가 돋보였고, 주력기술분야 역시 주요 출원인별로 다르지만 미국과 캐나다 기업의 대부분은 비튜멘 원유 분리 기술(AACA) 분야에 가장 많은 출원을 진행한 것으로 분석된다. 주요 출원인 Top20에 랭크되어 있는 Shell, Syncrude, Fort hill energy, Imperial oil, Marathon 등의 기업들은 최근 4년의 특허출원 증가율이 100%를 상회하는 것으로 나타나, 오일샌드플랜트 기술시장의 성장세를 이끌고 있는 것으로 분석된다(Table 3).

후속연구

향후 극지, 해양, 해저 등 신공간에서 에너지자원 개발수요 증가가 예상되고 있는 상황에서 세계 시장을 해외 소수의 회사가 독점하고 있어 독자개발을 통하여 시장진입 기반 마련과 공백기술이 필요하기 때문에 특허분석을 통한 오일샌드 플랜트 모듈화 기술 동향 연구를 알아보고자 한다(Bae et al., 2015; Nah et al., 2009).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가장 출원을 많이한 Shell은 어떤 오일샌드 관련 특허를 냈는가?	가장 출원을 많이한 Shell은, 1996년부터 꾸준하게 오일샌드 플랜트와 관련된 특허를 출원하고 있는 것으로 나타난다. 2000년대 초반 노천채굴 기술(AAA)과 관련된 특허를 다수 출원했으며, 이후 특허 건수가 다소 감소했다. 2010년 이후 분리/개질/환원물 기술 (AAC)에 대한 특허를 다수출원하며 출원건수가 점차 증가했다. Shell의 분석대상 주요 특허를 살펴본 결과, 전반적으로 오일샌드로부터 비투멘을 추출하는 장치 또는 방법에 대한 기술들을 특허화하고 있는 것으로 분석된다(Fig. 7(a)).
	오일샌드의 성분은 무엇인가?	최근 다시 저유가가 되면서 점차 주춤하는 형국이지만 전문가들은 곧 다시 고유가가 될 것으로 바라보고 있다(IEA, 2015). 오일샌드는 원유를 포함하는 모래 혹은 사암으로 비투멘(bitumen)과 같은 중질유가 10% 정도 함유되며 나머지는 모래와 점토가 85%, 그리고 물이 5% 정도로 구성된다. 오일샌드를 사용을 하기 위해 여러 공정을 거쳐 비투멘을 뽑아낸 뒤 정제과정을 거쳐 합성 원유로 만들어진 후 파이프라인을 통해 다른 지역으로 이동된다(Wiley, 2006; Yoon et al.
	비전통 자원에는 어떤 것이 있는가?	원유생산은 낙관론적 측면으로 보아도 2020년의 절정을 기점으로 줄어들 거라 예상되고 있다(Miller and Sorrell, 2014). 이에 따라 세계 각국에서 대체에너지와 비전통 자원 개발에 매진을 하고 있는 추세이며 비전통 자원에는 오일샌드, 오일셰일, 치밀가스, 가스하이드레이트, 석탄층메탄 등이 있고 이중 오일샌드가 최근 부각되고 있다(Kim et al., 2014; Park et al.

참고문헌 (12)

Bae, J.-H., Park, J.-K. and Lee, J.-W.(2015) Patents Trend Analysis on Unconventional Oil and Gas Technologies, Econimic and Environmental Geology, v48 n4, p.361-369.

원문보기 상세보기
International Energy Agency(IEA) (2015) World Energy Outlook 2015.
Kim, G.T., Chung K.Y. and Park J.K. (2014) Recent water treatment technology for unconventional natural resource development, Korean Chemical Engineering Research, v.52, p.154-165.

원문보기 상세보기
Miller, R.G. and Sorrell S.R. (2014) The future of oil supply, Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, v.372
Nah, D.-B, Kil, S.-C. and Oh, M.-S. (2009) The Global Trends of the Patents for the Ocean Energy, Econimic and Environmental Geology, v.42, n.4, p.377-384.
Park, K., Han, S.D., Han, H.J., Kang, K.S., Bae, W., Rhee, Y.W.(2009) "A Study on the Trend of Technology for the Treatment Oil from Oilsands by Patent Analysis". Clean Technology, v.15 p.210-223.
Park, Y.-K., Choi W.-C., Jeng S.-Y., Lee C.-W. (2007) High Value-added Technology of Oil Sand, Korean Chemical Engineering Research, v.45 p.109-116.
Wiley, (2006) Bitumen and heavy crudes: the energy security problem solved?, Oil and Energy Trends, v.31, p.3-6.

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Yoon, S.M., Park, K., Kim, J.Y., Han, H.J, Kim, T.I., Kang, K.S., Bae, W., Rhee, Y.W. (2011), Korean Chemical Engineering Research, v.49, n.6, p.681-687.

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Ministry of land, transport and maritime affairs(MLTMA) (2013), Planning of oil-sands plant modular technology.
Yoo, Y. H. (2013) Long-term promotion direction of plant research projects in ministry of land, infrastructure, and transport, Journal of the KSME, v.53, p.38-43.
Korean intellectual property office(KIPO), (2015), Patent analysis plans for future growth

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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