[논문]특허 분석을 통한 스마트공장 관점의 5G 기술개발 동향 연구

조은누리; 장태우

doi:10.7838/jsebs.2020.25.3.095

특허 분석을 통한 스마트공장 관점의 5G 기술개발 동향 연구
Patent Analysis on 5G Technology Trends from the Perspective of Smart Factory 원문보기

한국전자거래학회지 = The Journal of Society for e-Business Studies, v.25 no.3, 2020년, pp.95 - 108

조은누리 (Department of Industrial & Management Engineering, Kyonggi University) , 장태우 (Department of Industrial & Management Engineering)

초록
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대용량 데이터를 실시간으로 처리할 수 있고 지연 현상을 해소할 수 있는 차세대 통신 기술인 5G 기술 개발이 주목받고 있다. 미국과 다른 여러 나라뿐만 아니라 우리나라에서도 국가전략기술로 삼아 관련 연구 개발을 중점적으로 지원하고 있다. 5G 발전전략의 핵심 서비스 중 하나로 스마트공장이 제시되었으며, 제조 생산 라인의 유연성을 높이는 것을 목표로 한다. 기존 유선 기반의 설비를 5G의 초저지연, 초고속 특성을 이용하여 무선으로 대체하여 구축할 수 있다. 본 연구는 스마트공장과 관련된 5G 기술의 효율적 개발을 위해 기술개발 동향을 분석하였다. 국내 특허청 데이터 1517건과 미국 특허청 데이터 1928건을 수집하였다. 해당 데이터를 바탕으로 네트워크분석 및 토픽모델링 기법을 이용하여 기술 추세와 핵심기술을 파악했을 때 한국과 미국의 경우 5G 기술이 초저지연과 초고속 특성에 초점 맞춰 기술 개발이 진행되는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과로 제시된 스마트공장의 5G 활용과 관련된 기술개발 동향은 관련 산업의 정책수립 및 기술전략 수립을 위한 의사결정에 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The development of 5G technology, which is a next-generation communication technology capable of processing large amounts of data in real-time and solving delays, is drawing attention. Not only in the United States but also Korea, 5G is focused on supporting R&D as a national strategic technology. The strategy for the smart factory, one of the core services of the 5G, aims to increase the flexibility of manufacturing production lines. The existing wired communications devices can be replaced into wireless ones with the ultra-low-delay and ultra-high-speed characteristics of 5G. For the efficient development of 5G technology, it is necessary to keep abreast of the status and trend. In this study, based on the collected data of 1517 Korea patents and 1928 US patents, 5G technologies trend was analyzed and key technologies were identified by network analysis and topic modeling. We expect that it will be used for decision making for policy establishment and technology strategy of related industries to provide the trends of technology development related to the introduction of 5G technology to smart factories.

주제어

표/그림 (10)

그림 Overview of Research Process
그림 Visualization of SNA(Korea)
그림 Visualization of SNA(US)
표 Centrality analysis(Korea)
표 Centrality Analysis(US)
그림 Coherence score by the Number of Topics for LDA analysis of 5G Patents
그림 Ratio by Topic(Korea)
표 Topics and Related Keywords of LDA Analysis(Korea)
표 Topics and Related Keywords of LDA Analysis(US)
그림 Ratio by Topic(US)

AI 본문요약
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문제 정의

IPC 기호는 국제적으로 통일된 특허 기술의 분류체계이며, 상위기술부터 하위기술까지 계층적으로 특허 기술을 분류한다[17]. 기존 연구와 달리 수집된 특허 데이터를 바탕으로 추출된 토픽의 분포를 가장 많이 차지하는 기술의 특성을 파악한다.
정책에 따르면 부품을 다른 공정으로 옮겨주는 반복적인 제조공정을 5G망 기반 자율주행 모바일 제조 로봇을 이용하여 제조 현장에서 수작업에 의존하던 단순 반복 작업을 대체하고자 한다. 또한 각 설비의 센싱 데이터를 5G망을 통해 실시간 전송하여 제조설비 예지 정비에 관한 분석을 목표로 하고 있다. 특히 산업현장에서 URLLC와 관련된, 즉 안정적, 초저지연 서비스 제공과 관련된 스마트공장 내 실시간 처리에 특화된 차세대 엣지 컴퓨팅 시스템 개발에 많은 투자를 하고 있다.
본 연구에서는 특허 데이터 특성을 바탕으로 분석하여 5G 기술 동향을 파악하고자 한다. 특허에 기록된 기술분류체계인 IPC(International Patent Classification) 코드들의 네트워크를 분석하고 특허 데이터의 초록에 포함된 용어들을 토픽모델링 기법을 적용하여 분석함으로써 5G 기술의 특성을 파악한다.
스마트공장에 대한 기술이나 성숙도평가에 대한 기존 연구들[8, 11]과 달리 본 연구는 5G 기술의 개발동향을 특허 중심으로 분석하고, 스마트공장 관점에서 5G의 기술개발 방향을 제시하고자 한다.
기술의 발전에 따라 스마트공장의 제조 경쟁력 확보와 5G 융합 서비스 시장 선점을 위해 연구개발 활성화를 위한 노력을 추진하고 있으나 국내 상황에 적합한 방향이나 차별화된 전략 수립이 어려운 상황이다. 이에 본 연구에서는 국내 특허청과 미국 특허청(USPTO)에 공개, 등록된 특허 데이터를 바탕으로 현재 개발된 5G 기술의 특성과 핵심 기술, 기술의 동향을 파악하여 스마트공장의 5G 기술 도입 활성화 전략을 제안하고자 한다.
현재 초저지연과 고신뢰를 의미하는 URLLC와 초고속을 의미하는 eMBB에 초점이 맞춘 기술개발이 활발히 나타나고 있다. 하지만 스마트공장은 수많은 센서를 바탕으로 광범위한 공장 내 장비를 동시연결하고, 모든 상황을 실시간 모니터링하고 제어하는 것을 목표로 한다. 안정적으로 5G 기반의 스마트공장 서비스를 구축하기 위해서는 대량연결을 나타내는 mMTC 측면의 기술개발과 지적재산권 확보가 더 필요한 상태라 할 수 있다.

제안 방법

본 연구에서는 5G 기술 동향을 파악하기 위해 IPC 코드를 이용하여 사회연결망분석 방법으로 네트워크를 구성하여 SNA를 진행하였고,중심성을 확인하며 핵심 기술을 파악하였다. 5G 기술 특허의 네트워크 현황을 시각화하고, 주요 IPC를 살펴봄으로써 핵심기술 현황을 파악한다. 이 과정에서 네트워크 내 중심부에 있는 주요 IPC를 확인하는 데에는 네트워크 중심성 지수를 사용한다.
각 토픽이 의미하는 잠재적인 주제를 Broadband transmission,Networking and connection, Communication and TX/RX, Device and system modules로 정의하였다. LDA를 통해 도출한 토픽들의 분포를 파악하였다. 각각의 특허 데이터 별로 가장 대표적인 의미를 가지는 토픽을 파악하기 위해 해당 특허 데이터에 70% 이상의 비율로 기여한 토픽을 분류하였다.
분석된 결과를 바탕으로, 정제 및 정규화 작업을 진행하였다. TDM(Term-Document Matrix)은 문서에서 10% 이상 출현하는 단어들로 추출하여 구성하였다.
[Table 4]는 미국 5G 기술 특허의 초록을 LDA로 분석한 결과이다. 각 토픽이 의미하고 있는 잠재적인 주제를 Broadband network와 Mobile networking devices, Communication network, Data communication, Communication software, Communication hardware, High-speed networks, Communication protocol,Channel communication로 정의하였다. 한국특허의 경우와 마찬가지로, 가장 대표적인 의미를 가지는 토픽을 파악하기 위해 해당 특허데이터에 70% 이상의 비율로 기여한 토픽을 분류하였다.
[Table 3]은 한국 5G 기술 특허의 초록을 LDA으로 분석한 결과이다. 각 토픽이 의미하는 잠재적인 주제를 Broadband transmission,Networking and connection, Communication and TX/RX, Device and system modules로 정의하였다. LDA를 통해 도출한 토픽들의 분포를 파악하였다.
LDA를 통해 도출한 토픽들의 분포를 파악하였다. 각각의 특허 데이터 별로 가장 대표적인 의미를 가지는 토픽을 파악하기 위해 해당 특허 데이터에 70% 이상의 비율로 기여한 토픽을 분류하였다. [Figure 5]와 같이 Communication TX/RX를 의미하는 토픽의 분포가 가장 높은 것을 알 수 있다.
기존 pLSA 기법에서 문서의 집합의 수가 많아짐에 따라 오버피팅을 유발하는 문제점과 학습 범위 밖의 문서에 대해 토픽 할당이 어렵다는 문제점을 수정 보완하여 발전된 기법으로 현재 가장 대표적인 토픽모델링 기법으로 알려져 있다[1]. 따라서 LDA 기법을 활용하여 최적의 토픽을 추출하였고, 특허 데이터 내에서 최적 토픽의 비율을 파악하여 5G 기술의 동향을 확인하였다.
수집된 한국 5G 특허 1,517건의 핵심기술을 확인하기 위해 부여된 IPC 코드를 빈도 중심으로 상위 40개를 분석하였다. 또한 영향력 중심의 5G 핵심기술을 파악하기 위해 고유벡터 중심성을 기준으로 상위 5개의 IPC 코드를 분석하였다.
본 연구에서는 5G 기술 동향을 파악하기 위해 IPC 코드를 이용하여 사회연결망분석 방법으로 네트워크를 구성하여 SNA를 진행하였고,중심성을 확인하며 핵심 기술을 파악하였다. 5G 기술 특허의 네트워크 현황을 시각화하고, 주요 IPC를 살펴봄으로써 핵심기술 현황을 파악한다.
본 연구에서는 기존의 특허 분석에서 일반적으로 자주 사용되는 전통적인 계량서지학적 분석이 아닌 SNA와 LDA를 이용하여 연구를 진행했다. 특허 데이터의 IPC 코드를 바탕으로 SNA 기법을 이용한 분석을 진행한 결과 한국과 미국 모두 무선전송시스템 중 효율적인 자원 배치를 통해 이룰 수 있는 고신뢰⋅초저지연(URLLC)과 관련된 특허가 핵심 기술임을 알 수 있었다.
본 연구의 방법은 [Figure 1]과 같이 특허데이터 수집, 데이터 전처리, 토픽모델링 분석 및 사회연결망분석의 절차를 통해 5G 기술의 동향을 분석하였다.
이후 한글 데이터는 KoNLP 라이브러리의 okt를, 영어 데이터는 NLTK를 이용해 형태소 분석을 수행하였다. 분석된 결과를 바탕으로, 정제 및 정규화 작업을 진행하였다. TDM(Term-Document Matrix)은 문서에서 10% 이상 출현하는 단어들로 추출하여 구성하였다.
수집된 데이터 중 중복 데이터를 제거하고, 스마트공장 분야 또는 5G 기술의 전문 용어 혹은 자주 등장하는 용어를 사용자 사전에 추가하였다. 또한 마침표, 쉼표, 괄호 등의 문장부호와 각종 기호로 표현되는 특수 문자, 의존명사 및 기타 분석 시 의미를 부여할 필요가 없는 불용어들을 제외했다.
수집된 한국 5G 특허 1,517건의 핵심기술을 확인하기 위해 부여된 IPC 코드를 빈도 중심으로 상위 40개를 분석하였다. 또한 영향력 중심의 5G 핵심기술을 파악하기 위해 고유벡터 중심성을 기준으로 상위 5개의 IPC 코드를 분석하였다.
또한 마침표, 쉼표, 괄호 등의 문장부호와 각종 기호로 표현되는 특수 문자, 의존명사 및 기타 분석 시 의미를 부여할 필요가 없는 불용어들을 제외했다. 이후 한글 데이터는 KoNLP 라이브러리의 okt를, 영어 데이터는 NLTK를 이용해 형태소 분석을 수행하였다. 분석된 결과를 바탕으로, 정제 및 정규화 작업을 진행하였다.
정부는 5G 기술을 활용한 실시간 품질검사, 자율주행 물류이송, 생산설비 원격정비 등 스마트공장 고도화에 필요한 기술개발, 실증과 관련된 정책을 발표하였다[10]. 정책에 따르면 부품을 다른 공정으로 옮겨주는 반복적인 제조공정을 5G망 기반 자율주행 모바일 제조 로봇을 이용하여 제조 현장에서 수작업에 의존하던 단순 반복 작업을 대체하고자 한다. 또한 각 설비의 센싱 데이터를 5G망을 통해 실시간 전송하여 제조설비 예지 정비에 관한 분석을 목표로 하고 있다.
본 연구에서는 특허 데이터 특성을 바탕으로 분석하여 5G 기술 동향을 파악하고자 한다. 특허에 기록된 기술분류체계인 IPC(International Patent Classification) 코드들의 네트워크를 분석하고 특허 데이터의 초록에 포함된 용어들을 토픽모델링 기법을 적용하여 분석함으로써 5G 기술의 특성을 파악한다. IPC 기호는 국제적으로 통일된 특허 기술의 분류체계이며, 상위기술부터 하위기술까지 계층적으로 특허 기술을 분류한다[17].
각 토픽이 의미하고 있는 잠재적인 주제를 Broadband network와 Mobile networking devices, Communication network, Data communication, Communication software, Communication hardware, High-speed networks, Communication protocol,Channel communication로 정의하였다. 한국특허의 경우와 마찬가지로, 가장 대표적인 의미를 가지는 토픽을 파악하기 위해 해당 특허데이터에 70% 이상의 비율로 기여한 토픽을 분류하였다. [Figure 6]에 나타난 바와 같이 Broadband network 토픽의 분포가 가장 높은 것을 알 수 있다.

대상 데이터

데이터는 특허청의 특허 정보넷 KIPRIS와 미국 특허청 USPTO를 이용하여 수집하였다. 특허 검색 키워드로 ‘5G*(networks+communication system)’과 ‘5th generation’을 사용하여 데이터를 수집했고, 특허 번호 또는 초록이 같은 경우는 제외하였다.
미국 5G 특허 1,928건 역시 부여된 IPC 코드의 네트워크를 분석하였다. [Figure 3]과 [Table 2]에서 IPC 코드 네트워크 구성과 네트워크의 중심성을 확인할 수 있다.
특허 검색 키워드로 ‘5G*(networks+communication system)’과 ‘5th generation’을 사용하여 데이터를 수집했고, 특허 번호 또는 초록이 같은 경우는 제외하였다.

이론/모형

토픽모델링 분석은 LDA 기법을 사용하였다. 기존 pLSA 기법에서 문서의 집합의 수가 많아짐에 따라 오버피팅을 유발하는 문제점과 학습 범위 밖의 문서에 대해 토픽 할당이 어렵다는 문제점을 수정 보완하여 발전된 기법으로 현재 가장 대표적인 토픽모델링 기법으로 알려져 있다[1].
토픽모델링의 토픽 개수는 Coherence 평가척도를 이용하여 결정하였다. 이 평가 척도는 토픽이 얼마나 의미론적으로 일관성이 있는지를 파악하는 것으로 Coherence 값이 클수록 의미론적 일관성이 높다고 판단한다.

성능/효과

LDA 분석 결과, 한국은 통신 및 데이터 송수신 토픽이 우세한 것으로 나타났다. 1절에서 언급된 5G 핵심 시나리오 중 하나인 URLLC는 송신측에서 데이터를 보내는 시점부터 수신측에서 성공적으로 데이터를 수신하여 사용자에게 전달하는 시간을 단축하여 지연을 줄이는 것을 의미한다.
특허 데이터의 IPC 코드를 바탕으로 SNA 기법을 이용한 분석을 진행한 결과 한국과 미국 모두 무선전송시스템 중 효율적인 자원 배치를 통해 이룰 수 있는 고신뢰⋅초저지연(URLLC)과 관련된 특허가 핵심 기술임을 알 수 있었다. 또한 특허 데이터의 초록을 대상으로 LDA를 이용하여 토픽모델링을 진행한 결과, 한국과 미국에서 각각 URLLC와 eMBB 관련 토픽이 큰 비중을 차지하는 것을 확인할 수 있었다. 위와 같은 분석을 통해 대부분의 특허는 URLLC와 eMBB에 초점을 맞춰 기술 개발이 이뤄지는 것으로 확인할 수 있었다.
특허 데이터의 IPC 코드를 바탕으로 SNA 기법을 이용한 분석을 진행한 결과 한국과 미국 모두 무선전송시스템 중 효율적인 자원 배치를 통해 이룰 수 있는 고신뢰⋅초저지연(URLLC)과 관련된 특허가 핵심 기술임을 알 수 있었다.
미국 5G 특허의 분석결과는 디지털 정보의 전송과 무선 통신 네트워크의 IPC 코드가 높게 나타났다. 특히 H04L5/00과 H04W72/04와 같이 무선 트래픽 스케줄을 효율적으로 배치하는 것과 관련된 특허가 높은 고유벡터 중심성을 가지는 것으로 나타났다.
따라서 이를 지원하기 위해 대량연결을 의미하는 mMTC는 지속적으로 개발이 이뤄져야 한다. 하지만 본 연구의 SNA 및 LDA 기법 분석 결과, 핵심 기술은 데이터 송수신과 관련된 안정성을 나타내는 URLLC와 향상된 광대역 서비스를 의미하는 eMBB에 초점이 맞춰 기술 개발이 이뤄지고 있는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 분석대상 국가로 한국과 미국으로 제한하여 전 세계의 5G 기술 개발 동향을 반영하지는 못하였다. 따라서 추후 최신 기술이 반영된 특허 데이터와 관련 연구 논문을 통해 보다 풍부한 데이터를 바탕으로 추가적인 분석을 하여 최신 기술 동향을 파악할 필요가 있다.
본 연구를 통해 5G 기술의 동향을 파악하고 이를 바탕으로 5G 융합 서비스에서 경제효과가 클 것으로 예상되는 제조업 분야의 관련 정책 수립과 5G 기술과 관련된 민간 기업의 기술전략 수립과 의사결정 과정에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. f

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토픽모델링이란 무엇인가?	토픽모델링은 주어진 문서에 대하여 각 문서에 어떤 주제들이 존재하는지에 대한 통계추론모델이다. 미리 알고 있는 주제별 단어 수 분포를 바탕으로, 주어진 문서에서 발견된 단어 수 분포를 분석함으로써 해당 문서가 어떤 주제들을 함께 다루고 있을지 예측할 수 있다.
	특허란 무엇인가?	특허는 누구에게나 개방되어 있고 쉽게 접근이 가능하고, 기술정보를 정형화 및 체계적으로 저장한 정보이며, 기술에 대한 상세 정보를 장기간에 걸쳐 기록되는 것으로 정의된다. 물론 모든 기술적 지식이 특허로 출원되지도 않고, 모든 특허가 상용화되는 것이 아니라는 약점이 존재하지만, 특허는 기술예측, 기술현황분석, 공백기술 발전, 핵심기술 도출 등에 자주 활용되고 있다[14].
	연결정도(degree) 중심성이란 무엇인가?	네트워크 중심성(centrality) 지수에는 연결정도(degree) 중심성, 근접(closeness) 중심성, 매개(betweenness) 중심성, 고유벡터(eigenvector) 중심성 등이 존재한다. 이 중 연결정도 중심성은 하나의 노드가 다른 노드와 얼마나 많은 연결을 가지고 있느냐에 관련된 것으로,한 네트워크 내에서의 자율성과 권력을 의미한다[9]. 근접 중심성은 특정 노드가 전체 네트워크의 중심에 위치하는 정도를 측정하는 지표로, 근접 중심성이 높은 노드는 다른 노드와의 거리가 가까우므로 정보교류의 유리함을 가진다.

참고문헌 (18)

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상세보기
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Yang, H., Chang, T., and Choi, Y., "Exploring the research trend of smart factory with topic modeling," Sustainability, Vol. 10, 2018.

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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