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문제 정의
- 본 논문에서는 철도차량 추진제어장치의 미래 기술 방향을 추정하기 위하여 국내외 추진제어장치 기술개발현황을 분석하였다.
제안 방법
- Fig. 4와 Fig. 5를 통해, 철도차량 추진제어장치와 관련된 상위 10개 주요 출원인에 대하여 알아보았다. ABB 14%, GE 13%, CRRC 12% 순으로 높게 나타났다.
- Toshiba에서 개발한 PWM 인버터는 영구자석 동기전동기를 제어하기 위해 개발되었다. IGBT 소자의 고장률을 낮추고 안전성을 향상시키기 위해, 기존에 사용하던 3,300V/1,200A급이 아닌 3,300V/1,500A급 IGBT 소자를 개발하여 적용하였다. 새로 개발한 IGBT 소자는 일본의 핵심장치 경쟁력 강화를 위해 수출도 꺼리고 있다.
- 철도차량 변압기 기술은 차종, 부품 등에 따라 분류할 수 있는데, 여기서는 부품의 종류에 따라 5가지 기술로 구분하였다. Thomson Innovation DB를 통해 한국, 미국, 유럽, 중국, 일본에 출원 및 등록된 특허들을 Title과 Abstract를 검색범위로 하여 1990년 2017년까지 분석하였다.
- 먼저, 추진제어장치와 관련하여 국내외 기술동향에 대하여 살펴보았다. 그리고, Thomson Innovation DB를 이용하여 한국, 미국, 유럽 등에 대한 특허를 분석하였다.
- 기술개발 분석을 위하여 5개 국가의 출원건수, 증가율 등의 양적 지표를 사용하였으며, 국가별, 기업별 경쟁력 및 시장확보력 등을 조사하기 위하여 인용도 지수, 시장확보지수 등과 같은 질적 지표를 이용하였다.
- 철도차량용 추진제어장치 기술 동향에 대하여 연구는 다음과 같은 순서에 의하여 수행하였다. 먼저, 추진제어장치와 관련하여 국내외 기술동향에 대하여 살펴보았다. 그리고, Thomson Innovation DB를 이용하여 한국, 미국, 유럽 등에 대한 특허를 분석하였다.
- 본 연구에서는 전동차, 고속철도 등 철도차량 추진제어장치에 관한 특허를 모두 검색한 후에 노이즈를 제거하였다. 출원건수, 출원율 등과 같은 양적 지표와 시장확보력, 인용도지수와 같은 질적 지표를 모두 이용하여 특허내용을 분석하였다.
- 여덟째, 국가별 주요출원인을 분석해 보았다. 중국의 경우, CSR 47건, CRRC 43건, Univ.
- 본 연구에서는 전동차, 고속철도 등 철도차량 추진제어장치에 관한 특허를 모두 검색한 후에 노이즈를 제거하였다. 출원건수, 출원율 등과 같은 양적 지표와 시장확보력, 인용도지수와 같은 질적 지표를 모두 이용하여 특허내용을 분석하였다.
대상 데이터
- Fig. 1(a)는 키타-오사카 큐코철도 9000호대로 2014년부터 채택하였다. Fig.
- 1(d)는 도쿄 급행 전철 7500, 7550호대에 적용된 유도전동기를 보여준다. 2012년부터 채용되었으며, 입력전압은 DC1,500V이다. 2010년 이후 일본에서 새로 적용된 전동기 중 유도전동기가 채용한 곳은 도쿄 급행 전철밖에 없으며, 다른 곳은 모두 영구자석전동기를 적용하고 있다.
- 중국의 경우, CSR 47건, CRRC 43건, Univ. Southwest Jiaotong 대학 30건의 순으로 조사되었다. 가장 높게 나온 3개 기관의 합이 23.
- 중국의 경우, CSR 47건, CRRC 43건, Univ. Southwest Jiaotong 대학 30건의 순으로 파악되었다. 3개 기관이 모두 합쳐 23.
성능/효과
- Southwest Jiaotong 대학 30건의 순으로 파악되었다. 3개 기관이 모두 합쳐 23.8%에 불과하여 다수의 출원인이 활발하게 특허를 출원하고 있음을 볼 수 있었다. 일본은 Hitachi 21건, Mitsubishi 10건, Alsthom 9건 순이었으며, 일본 기업들이 자국 내에 특허를 많이 출원함을 볼 수 있었다.
- 둘째, 상위 10개 주요 출원인에 대한 특허현황 분석 결과, ABB 14%, GEN ELECTRIC 13%, CRRC 12% 순이었다. ABB는 49건 중 28건을 유럽, GE는 52건중 11건을 미국, CRRC는 51건 중 47건을 중국에 출원하여 개발된 기술을 자국 내에 먼저 출원하여 보호받고 타국에 출원하려는 경향이 있는 것을 볼 수 있었다.
- B60L 코드 309건, H02M 코드 152건, H02J 코드 82건의 순으로 나타났다. B60이 차량일반, H02가 전력의 발전, 변환, 배전과 관련된 내용을 다루고 있으므로 차량에 탑재되는 전력변환장치와 관련된 특허가 가장 많이 특허 출원된 것을 확인할 수 있었다.
- 또한, 2013년 이후부터는 약 100건 내외의 신규 특허가 출원됨을 볼 수 있었다. 국가별 특허출원 비중은 중국이 48%로 거의 절반을 차지하였고, 유럽 16.6%, 미국 14.9%, 일본 11.7%,한국 8.8%의 순으로 파악되었다. 중국은 1990년부터 2009년까지는 특허 비중이 그리 크지 않지만, 2010년부터는 특허건수가 타국가보다 크게 앞서가는 것으로 분석되었다.
- 셋째, IPC 대표 코드에 의한 국가별 상위 10개 대표 코드를 살펴본 결과, B60L 코드 309건, H02M 코드 152건, H02J 코드 82건의 순으로 파악되었다. 넷째, 국가별 특허분포 시장확보지수는 유럽 9.48, 미국 7.28, 일본 5.78의 순으로 조사되었다. 우리나라는 특허출원 건수와 비교해 시장확보력이 가장 낮게 나타났다.
- 다섯째, 국가별 특허분포 인용도지수를 살펴본 결과,미국 15.45, 일본 5.13, 유럽 1.91의 순이었다. 이 결과를 통해, 미국 특허가 핵심 특허를 가장 많이 보유하고 있음을 확인하였다.
- 둘째, 국외 기업들은 최신 전력소자에 대한 기술보호를 위해서도 노력하고 있었다. 일본 Toshiba의 경우 3,300V/1,500A급 소자를 새로 개발하였으나, 일본의 전력변환장치 기술력 강화를 위해 타국에 대한 수출도 하지 않고 있었다.
- 둘째, 상위 10개 주요 출원인에 대한 특허현황 분석 결과, ABB 14%, GEN ELECTRIC 13%, CRRC 12% 순이었다. ABB는 49건 중 28건을 유럽, GE는 52건중 11건을 미국, CRRC는 51건 중 47건을 중국에 출원하여 개발된 기술을 자국 내에 먼저 출원하여 보호받고 타국에 출원하려는 경향이 있는 것을 볼 수 있었다.
- 셋째, IPC 대표 코드에 의한 국가별 상위 10개 대표 코드를 살펴본 결과, B60L 코드 309건, H02M 코드 152건, H02J 코드 82건의 순으로 파악되었다. 넷째, 국가별 특허분포 시장확보지수는 유럽 9.
- 일본 Toshiba의 경우 3,300V/1,500A급 소자를 새로 개발하였으나, 일본의 전력변환장치 기술력 강화를 위해 타국에 대한 수출도 하지 않고 있었다. 셋째, 국내의 경우, 예전에는 사이리스터와 GTO 소자를 이용하였으나, 최근에는 IGBT 소자를 채용한 전력변환장치가 주종을 이루고 있었다.
- 이 결과를 통해, 미국 특허가 핵심 특허를 가장 많이 보유하고 있음을 확인하였다. 여섯째, 국가별 특허분포 영향력지수는 미국 3.12, 일본 1.04, 유럽 0.38의 순으로 분석되었다.
- 91의 순이었다. 이 결과를 통해, 미국 특허가 핵심 특허를 가장 많이 보유하고 있음을 확인하였다. 여섯째, 국가별 특허분포 영향력지수는 미국 3.
- 유럽에 기반을 둔 ABB는 49건 중 28건을 유럽에서, 미국 GE은 52건 중 11건을 미국에서, 중국 CRRC는 51건 중 47건을 중국에 출원하였다. 이를 통해 개발된 기술을 자국에서 먼저 보호받고, 타국에 출원하려는 경향이 있음을 알 수 있었다. KRRI와 UNIV SOUTHWETJIAOTONG의 경우에는 특허 31건과 30건을 모두 자국에 출원한 것으로 파악되었다.
- 91의 순으로 나타났다. 이를 통해 미국 특허가 가장 많은 핵심 특허를 보유하고 있는 것을 알 수 있었다.
- 일곱째, 국가별 특허출원과 우선권 보유건수를 비교하여 각 국가의 해외진출 수준을 살펴본 결과, 유럽은 우선권 보유건수 273건, 국가별 특허출원건수가 175건으로 파악되어 해외시장 진출을 위해 많은 노력을 기울임을 볼 수 있었다. 한국과 중국은 우선권 보유건수보다 국가별 특허출원건수가 더 적게 나타나 해외시장 개척 의지가 상대적으로 낮게 나타났다.
- 첫째, 국외 추진제어장치 관련 기업들의 경우, 추진제어장치 연구개발에 많은 시간과 비용이 투입되므로 기술이 실용화된 후에는 기술 이전을 최대한 기피하고 있었다. 예를 들어, 일본 Toshiba는 일본에서 운행중인 전동차에는 영구자석전동기를 적용하고 있지만, 수출용 전동차에 취부되는 추진제어장치에는 유도전동기를 채용하여 핵심기술 유출을 최대한 막고 있었다.
- 한편, 국내외 특허출원 분석을 통해서 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 첫째, 철도차량 추진제어장치와 관련된 특허는 총 1,053건, 2013년 이후부터는 약 100건의 새로운 특허가 출원되었다. 국가별 특허출원 비중은 중국 48%, 유럽 16.
- 일곱째, 국가별 특허출원과 우선권 보유건수를 비교하여 각 국가의 해외진출 수준을 살펴본 결과, 유럽은 우선권 보유건수 273건, 국가별 특허출원건수가 175건으로 파악되어 해외시장 진출을 위해 많은 노력을 기울임을 볼 수 있었다. 한국과 중국은 우선권 보유건수보다 국가별 특허출원건수가 더 적게 나타나 해외시장 개척 의지가 상대적으로 낮게 나타났다.
후속연구
- 특히, 일본은 도쿄 급행 전철을 제외하면, 2010년 이후에 제작된 모든 열차에 영구자석전동기를 채용하고 있다. 현재 국내에서 발주되고 있는 전동기의 대부분이 유도전동기인 점을 고려하면, 국내에서도 기술개발에 대한투자가 대폭적으로 진행되고, 개발된 영구자석전동기와이를 제어하기 위한 추진제어장치를 실제 영업노선에 적용하기 위해 정부와 산학연이 힘을 모아야 할 것으로 판단된다.
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