성공하는 IP-R&D 전략 ⑫ -
특허로 본 차세대 수송기기용 경량 고분자·복합소재 기술 현황
성공하는 IP-R&D 전략은 한국산업기술진흥협회와 한국지식재산전략원간 협력사업의 일환으로 한국지식재산전략원에서 제공합니다.
최근 전 세계적인 지구온난화와 이상기후 현상 확대로 자동차항공기 등 수송기기의 배기가스 배출저감 및 연비향상을 위한 경량화가 해당 산업계의 가장 중요한 이슈로 부상하고 있다.
수송기기의 경량화를 위해서는 철강이 가장 높은 비중을 차지하는 차체 및 부품을 보다 가벼운 소재로 대체해야 한다.
이를 위해 금속소재로는 무게가 철의 1/3인 알루미늄 및 가장 가벼운 금속인 마그네슘에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있고, 비금속소재로 고분자 및 복합소재가 연구되고 있다.
탄소섬유 기반의 복합소재는 철보다 75%나 가벼우면서 강도와 탄성은 7~10배 우수한 특성을 가지고 있어, 철을 대체할 수 있는 가장 이상적인 소재로 주목받고 있다.01, 02
이에 여기에서는 차세대 수송기용 경량 고분자·복합소재에 대한 특허 동향과 특허관점의 유망 연구개발 아이템을 제시하고자 한다.
(01 자동차 경량소재 개발 동향 및 완성차업체 대응, 자동차 경제, 2013)
(02 한국과학기술정보연구원/자동차부품연구원, 자동차 경량화 기술동향과 개발전략, 2013)
환경분석
고분자·복합소재가 가장 활발하게 적용되고 있는 분야는 자동차와 항공기로, 그림 1 에 나타낸 바와 같이 고분자 및 탄소섬유 복합소재 적용 비중이 지속적으로 증가하고 있다.
차세대 경량소재로 가장 주목받고 있는 탄소섬유 복합소재의 기술주도국은 일본으로, 1970년대부터 상용화를 실현하고 집중투자를 통해 현재 세계 최고의 기술력을 보유하고 있다.
최근 터키, 사우디 등 신흥국들이 탄소섬유시장 진출을 계획하고 있지만, 기술, 공급능력 차이는 쉽게 좁혀지기 어려울 것으로 전망된다.
이는 일본업체들이 기술특허를 독점하고 있고, 난이도 높은 공정기술 분야의 축적된 노하우가 많기 때문이다.
현재 탄소섬유시장의 약 70%를 일본계 업체 TORAY, TEIJIN, MITSUBISHI RAYON 3개사가 점유하고 있으며, 이들 기업들은 항공기 제조기업에 이어 자동차 기업들과도 전략적 제휴를 맺고 탄소섬유 복합소재의 응용범위를 확대하는 전략을 추진하고 있다.03
(03 한국산업기술진흥원 「부품·소재산업백서」 2010)
특허동향 분석
본 특허분석에서는 대표적인 차세대 수송기용 경량 고분자·복합소재인 경량 고분자 소재, 경량 섬유복합 소재 및 탄소섬유소재에 대해, 1992년 이후 출원된 한국, 미국, 일본, 유럽 및 PCT 특허를 대상으로, 총 x건의 관련특허를 추출·분석하였다.
경량 고분자 소재로는 고강성 폴리프로필렌계 소재와 폴리아미드, 폴리카보네이트 등 엔지니어링 플라스틱이 주로 연구되고 있으며, 그림 2 에 나타낸 연도별 특허출원 동향을 살펴보면 1992년 이후로 지속적인 특허출원이 이루어지고 있음을 알 수 있다.
그림 3 에 경량 고분자 소재의 주요출원인 현황을 나타내었다.
자동차 바디용 경량 고분자 소재는 현대자동차, HENKEL, TORAY, TOYOTA 등이, 고강도 경량 폴리프로필렌계 소재는 SUMITOMO, MITSUI CHEMICAL, 현대자동차, KANEKA, TOYOTA 등의 기업이 특허 기술을 주도하고 있음을 알 수 있다.
그림 4 에 경량 섬유복합소재의 연도별 출원동향 및 주요 출원인 현황을 나타내었다.
경량 섬유복합소재는 섬유강화 복합소재와 탄소섬유 강화 복합소재가 주류를 이루고 있으며, 1995년 이후 지속적으로 출원이 증가하고 있는데, 이는 탄소섬유 복합소재에 대한 업계의 높은 관심을 반영하고 있는 것으로 판단할 수 있다.
대표적 주도기업인 TORAY는 탄소섬유 복합소재에 대한 기술개발에 주력하고 있고, TOYOTA는 섬유강화 복합소재 및 경량 저비중 강재에 대한 기술개발도 진행하고 있는 것으로 파악되었다.
그림 5 에 항공기용으로 주로 개발되고 있는 탄소섬유 소재의 특허출원 동향을 나타내었다.
2000년 초반까지 일정수준의 출원을 유지하다가 2005년 이후 특허출원이 증가하고 있는 패턴을 보이며, 미국 등록특허의 96%를 미국과 일본이 점유하고 있는 것으로 나타났다.
탄소섬유 소재의 주요출원인은 TORAY, BOEING, APPLIED NANOSTRUCTURED SOLUTION, LOCKHEED MARTIN 등 소재 및 항공기 제조업체가 기술을 주도하고 있는 것으로 파악되었다.
주요기업 동향분석
차세대 수송기용 경량 고분자복합 소재의 주요기업들의 연구개발 전략이 독점적, 특화된 기술 영역을 구축하는 방향인지, 신규 영역 발굴을 시도하고 있는지 파악하기 위해, 주요 출원인의 자기인용도 분석을 수행하였다.
특허보유 상위 12개사에 대한 자기인용도를 분석한 결과, 주요출원인의 자사특허 인용비율은 평균 51%이며, TORAY는 68%, SUMITOMO CHEMICAL 60%, TOYOTA 57% 등으로 나타나, 상기 기업들은 독점적인 특화기술 영역을 구축한 것으로 판단된다.
반면, 특허 인용수가 가장 많은 BOEING의 경우 자사특허인용비율은 35%로 상대적으로 낮은 수준을 보이며, GENERAL ELECTRIC, TRW INC, DOW CHEMICAL, AMOCO 등 타사특허를 다수 인용하고 있는 결과로부터, 자사의 특화된 기술영역(항공)을 확보하고 있는 것으로 추정할 수 있다.
그림 6 로부터, TORAY의 자사 및 타사특허 인용도는 증가하는 경향을 보이고 있으며, 자사특허를 인용한 비중은 약 3~5년을 주기로 증감을 반복하고 있음을 알 수 있다.
자기인용 비율이 증가하는 시기는 자사의 기술이 안정화되는 시기로, 타사특허를 인용하는 비율이 증가하는 시기는 기술 변화혁신 시기로 구분할 수 있는데, 상기분석 결과로부터 TORAY의 기술개발 및 상업화-신기술 개발주기가 약 3~5년 정도일 것으로 추정해볼 수 있다.
맺음말
전 세계적인 에너지 고갈과 환경 규제 강화로 인해 경량 고분자·복합소재가 수송기기 업계의 주목을 받고 있다.
향후 차세대 경량수송기는 소재의 강도 뿐만 아니라, 고온환경(1,200℃ 이상)에서 적용가능한 초내열성, 내식성 등의 기능이 향상된 복합소재 개발이 확대될 것으로 예상되며, 환경부하가 적은 친환경 소재·공정 개발도 주요이슈가 될 것으로 전망된다.
경량 고분자 복합소재에 대해서는 미국, 일본의 주요기업이 높은 기술특허 장벽을 형성하고 있어, 우리나라가 진입하기는 쉽지 않을 것으로 판단되나, 아직까지는 상대적으로 특허장벽이 낮은 초고온용 탄소섬유 소재, 탄화규소 복합소재 등에 대해 연구개발을 추진한다면 우수특허를 선점할 기회가 있을 것으로 기대된다.