Overview of Patent Analysis for Clean Coal Technology

청정석탄개발 및 활용기술에 대한 특허정보 분석

박종력¹⁾· 김병곤¹⁾* · 전호석¹⁾· 최홍일²⁾

Overview of Patent Analysis for Clean Coal Technology

Chong-Lyuck Park, Byoung-Gon Kim

, Ho-Seok Jeon and Hong-Il Choe

Abstract : Domestic coal industry has started the sharp downturn since 1989, after the coal industry promotion, but the R&D budget of advanced countries including Japan has continuously increased in the field of clean coal development technologies. We investigated to analyze a world technological level in field of clean coal technology in order to compare the level of Korea with other countries, and this study analyzed 12,265 clean coal technology patents applied between 1970 and 2008 in USA, Europe, Japan, and Korea. The clean coal technologies could be classified into 9 major technologies. The gasification and liquefaction has the most shares of 30%, then the stabilization and drying is 18%, and the power plant is 13%. The separation and preparation has a very low share.

Nevertheless, the analyzed result in this study has indicated the commercial spin-offs of the separation and preparation technology has the strongest technologies. Therefore, the technologies for the separation and preparation based on accumulated clean coal technologies need to be developed to increase self-development ratio of energy resources.

Key words : Clean Coal, Coal Preparation, Gasification, Liquefaction, Patent Analysis

요 약 : 국내 석탄관련 산업은 1989년 석탄합리화사업 이후 침체되기 시작하였지만, 일본 등 선진국들은 청정 석탄 기술개발을 위해 지속적인 연구개발을 수행하였다. 본 연구에서는 청정석탄개발기술에 관한 기술수준을 특허정보 분석을 통하여 관련기술의 기술동향을 알아보고자 하였으며, 1970년 1월부터 2008년 12월까지 미국, 유럽, 일본, 한국에서 출원된 특허출원 건수를 조사한 결과 총 12,265건으로 나타났다. 기술별로는 석탄화학/가스 화/액화 분야가 30%로 가장 많았으며, 석탄회 분야가 19%, 개질 및 건조 분야 18%, 발전 분야 13%의 순으로 나타났으며, 선탄 및 선별관련 기술들의 특허점유율은 매우 낮게 나타났다. 최근 기술흐름을 주도하고 있는 석탄의 연소효율 향상기술 및 석탄의 가스화 기술 등의 선진화를 이루기 위해서는 가장 근본이 되는 석탄 그 자체를 선탄, 선별하고 처리하는 기술의 개발이 동시에 수반되어야 할 것으로 판단된다.

주요어 : 청정석탄, 선탄, 가스화, 액화, 특허분석

2010년 1월 22일 접수, 2010년 4월 14일 채택 1) 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 2) 과학기술연합대학원대학교 자원순환공학과

*Corresponding Author(김병곤) E-mail; [email protected]

Address; Mineral Resources Research division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources

서 론

1970년대 오일파동 이후 화석에너지의 공급 안정으로 전 세계의 에너지 수요는 급증하고 있다. 그러나 지구온 난화 및 기후변화의 영향으로 온실가스 저감 정책이 각 국의 에너지 정책의 우선적인 이슈로 부각되고 있다. IEA 의 보고에 따르면 2030년까지 1차 에너지의 소비는 약 60% 증가하며 그 규모는 165억 toe에 이를 것으로 전망 하고 있다. 특히, 석탄의 경우는 2002년 기준 24억 toe에

서 2030년에는 36억 toe로 증가할 것으로 예상된다. 따 라서 이러한 에너지 수요를 대비하기 위해 천연가스, 재 생에너지 등 새로운 에너지원에 대한 연구가 활발히 진 행 중이지만 지역적 편재 없이 가장 풍부하며 가격경쟁 력이 우수한 석탄에 대한 수요증가 추세는 부인할 수 없 는 현실이라고 할 수 있다(IEA, 2004; Godley & Joseph, 1994). 또한 현재 세계 석탄 생산량의 약 2/3는 발전 산 업에 이용되고 있으며, 신재생에너지 및 대체에너지의 안정적인 보급이 이루어질 것으로 예상되는 2100년경에 도 에너지원의 30%는 화석연료가 담당할 것으로 추정되 고 있다. 결국 화석연료로부터 이산화탄소를 포획 및 저 장하면서 에너지를 생산하는 CCS(Carbon-dioxide Capture and Storage)에 대한 연구와 병행하여, 청정 석탄기술에 대한 연구가 중장기적 에너지 수급 대안으로 제시되고 있다(IEA, 2004; WCI, 2006; Watson et. al., 2007).

해 설

Table 1. Searching condition for patent analysis and database building

Searching field Title + abstract + exemplary claim Period 1970. 1. 1 - 2008.12.31

Database USA, Japan, Europe, Korea

Searching formula

((석탄 or 무연탄 or 유연탄 or 갈탄 or 아역청탄 or 역청탄) and (선별 or 선광 or 품위향상 or 전처리 or 처리 or 자력 or 비중 or 중력 or 부유 or 부침 or 클리닝 or 중액 or 정전 or 품위향상 or 등급향상 or 고순도 or 고품위 or 고급 or 파쇄 or 분쇄 or 분급 or 밀 or 크러셔 or 석탄재 or 석탄회 or 바닥재 or 비산재 or 애쉬 or 엣쉬 or 에쉬 or 엣시 or 액화 or 가스화 or 전환 or 성형 or 브리켓팅 or 가공 or 저장 or 수송 or 운반)) or ((coal or anthracite or bituminous or brown coal or subbituminous or lignite or peat) and (separation or cleaning or upgrading or preparation or processing or magnetic or specific or gravity or flotation or clean or heavy medium or electrostatic or purification or grade of upgrading or crushing or grinding or classification or milling or (fly and ash) or (bottom and ash) or (coal and ash) or gasification or liquefaction or briquetting or carbonization or (slurry and preparation) or reforming or storage or transportation)).KEY.

미국의 CO2 배출량은 2050년까지 1910년도 수준으로 감축하여야 하지만 이는 미국의 모든 수송 수단의 가솔 린 소비를 연간 1,800억 갤런에서 310억 갤런으로 감소 시켜야 가능한 수준으로 현재 기술수준으로는 불가능하 다. 결국 적극적인 기술개발 투자를 통하여 새로운 기술 의 개발만이 유일한 대안이라고 할 수 있다.

EU의 경우 화석연료에 대한 지원 프로젝트로 제 5차 (1999-2002)와 제 6차(2003-2006) Framework programme 을 진행하였으며, 이 프로그램들의 핵심은 action 5와 6 으로 재생 가능한 에너지를 포함하는 청정에너지에 대한 기술개발 집중과 에너지 효율 및 경제성 향상에 관한 것 이다(Seefeldt et. al., 2007).

일본은 세계 2위의 에너지 수입국으로 세계 4위의 에 너지 소비국이며, 주된 에너지원은 석유 50%, 석탄 17%, 천연가스 14%, 원자력 및 비화석연료 14%로 일본은 대 체에너지 분야에서 가장 선도적인 역할을 수행하고 있으 나, 수력발전을 제외하면 보급률이 1%로 매우 낮은 수 준이다. 그러나 일본의 석탄 관련 기술은 세계의 기술수 준을 선도하고 있으며 많은 기술이 상용화되었고 현재 상용화 단계에 이르고 있다. 특히, Sumitomo Corp.사는 Evergreen Energy사와 협력하여 인도네시아의 칼리만탄 섬에서 K-Fuel 석탄 정제 프로젝트에 대한 포괄적인 플 랜트 개발연구를 진행하고 있다. 결국 이러한 지속적인 연구개발을 통하여 일본의 경우 석탄 소비량은 지속적으 로 증가하는데 반하여 CO2 배출량은 일정한 수준에 머물 러 있는 것을 알 수 있다(JCOAL, 2007). 이는 청정석탄 개발기술의 발전과 CO2 저감 및 저장기술에 대한 지속적 인 연구개발 투자에 의한 결과라고 할 수 있을 것이다.

그러나, 국내의 경우 석탄합리화사업 이후 석탄 이용도 가 갈수록 저하되고 있으며, 환경 친화적이지 않다는 부정 적 인식의 확대로 인한 결과하고 할 수 있다. 따라서 국내

의 석탄이용에 관한 연구는 산, 학, 연 모든 연구기관에서 연구개발의 참여율이 감소하였으며, 선진국에 대하여 기 술개발 수준이 상당이 뒤쳐져 있다. 최근에는 국내에서도 석탄가스화 및 액화관련 기술개발에 대하여 한국에너지기 술연구원 및 한국전력연구원 등을 주축으로 일부 진행 중 에 있으나, 그 출발물질이 되는 청정석탄의 생산 및 가공 하기 위한 선탄, 선별, 성형, 건조, 안정화, 탈황, 탈회 등에 대한 연구는 1980년대 수준에 머물러 있는 수준이다(통상 산업부, 1997; 산업자원부, 2002; 산업자원부, 2005).

일반적으로 청정석탄개발 및 활용기술(Clean Coal Tech- nology, CCT)은 석탄의 선탄 및 선별에서 운반 및 저장 을 위한 성형과 가공기술을 포함할 뿐만 아니라, 석탄가 스화/액화, 석탄화학, 연소/발전, 코크스 제조 등의 기술 에 이르기까지 석탄과 관련된 거의 전 분야를 포함하고 있으며, 석탄을 활용하는데 있어 모든 산업분야에서 이 산화탄소를 저감시키고 활용 효율을 향상시키는 모든 기 술을 포함하고 있다(Ladislaw et. al., 2009). 따라서 본 연구에서는 석탄의 청정이용을 위한 다양한 분야의 기술 들의 특허출원 동향을 분석함으로써 기술수준을 고찰하 고자 하였으며, 이를 통하여 향후 국내 석탄 관련 기술개 발에 대한 연구방향을 설정하는데 필요한 자료를 제시하 고자 하였다. 또한 청정석탄개발기술에 대한 특허정보의 분석을 통하여 관련 기술들에 대한 중복연구를 방지하 고, 국내기술의 수준을 평가하고 취약 분야와 선도 분야를 분석하여 국내 연구자들의 연구효율을 높이는데 기여하고 자 하였다(이재욱 and 김성용, 2007; 이재욱 등, 2007).

특허검색 및 분석방법

본 특허동향 분석에서는 WIPS Co. Ltd.에서 제공하는 특허검색서비스를 이용하여 다음과 같은 검색식을 이용

Fig. 1. Trend of the number of patents applied for CCT.

Fig. 2. Trends of the number of patents applied for CCT in different countries.

Fig. 3. The number of patents applied for CCT in different countries.

Fig. 4. Major applicants of the patents applied for CCT.

하여 특허검색을 수행하였다. 또한 검색된 특허는 특허 분석 프로그램인 ThinKlear Ver. 1.0.1.8(WIPS Co. Ltd.) 와 Patent Information Analysis Ver. 2(Korean Intellectual Property Office, KIPO) 등을 이용하여 분석을 실시하였 다. 검색식은 Table 1과 같이 설정하여 검색을 행하였고, 분석대상 국가는 유럽, 미국, 일본, 한국에 한정하였다.

또한 검색기간은 1970년 1월부터 2008년 12월까지로 한정하여 검색을 실시하였다.

결과 및 고찰

전체적인 특허동향

특허검색 대상 기술 분야는 대분류로 선탄, 파분쇄, 탈 황 및 탈회, 성형, 개질 및 건조, 시멘트, 내화물 및 철강 산업, 발전, 석탄화학, 가스화 및 액화, 석탄회 등의 분야

로 구분하여 검색하였으며 총 4만 건 이상의 특허가 검 색되었다. Fig. 1은 이중 여러 국가에 걸쳐 중복 출원된 특허와 실용신안을 제외하고 미국, 유럽, 일본, 한국에서 출원된 석탄 관련 특허출원 건수를 연도별로 나타낸 것 으로 총 12,265건인 것으로 조사되었다.

Fig. 2와 3은 총 출원건수에 대한 국가별 특허점유율 을 분석한 것으로 일본이 40%로 가장 높으며 미국 36%, 한국 13%, 유럽 11%의 순으로 나타났으며, 특히 일본과 한국은 1990년대 이후로 출원건수가 급격히 증가한 반 면 미국은 1980년대를 기점으로 출원건수가 점차 감소 하는 경향을 나타내었다.

Fig. 4는 기술 분야별 특허점유율을 분석한 것으로 석 탄화학/가스화/액화 분야가 30%로 가장 많았으며, 석탄 회 분야가 19%, 개질 및 건조 분야 18%, 발전 분야 13%

의 순으로 나타났으며, 선탄 및 선별관련 기술들의 특허 점유율은 매우 낮은 것으로 분석되었다.

Fig. 5는 국가별로 출원된 특허의 기술 분야별 점유율 을 나타낸 것으로 유럽과 미국의 경우 선탄/선별 및 석 탄화학/가스화/액화기술 분야의 출원비율이 매우 높으며, 일본의 경우 석탄화학/가스화/액화기술, 발전분야, 선탄/

선별기술 및 석탄회 관련 기술에서 모두 고른 분포를 보 이고 있다. 한국의 경우 석탄회 관련 기술이 44%로 거의 절반을 차지하고 있으며, 선탄/선별 관련 기술의 점유율 은 다른 국가에 비하여 매우 낮은 수준인 것으로 나타났 으며, 더욱이 2000년 이후 선탄/선별 관련 기술의 출원

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 5. The number of patents for CCT in different countries: (a) EU, (b) Japan, (c) U.S.A., (d) Korea.

Fig. 6. Major applicants of the patents applied for CCT.

Fig. 7. The number of patents applied for preparation technologies in different countries.

Fig. 8. Portion of detailed preparation technologies for different countries.

건수는 거의 전무하며, 석탄화학/가스화/액화기술 관련 기술의 출원 건수는 일부 증가하는 추세를 보이는 것으 로 나타났다.

다출원인에 대한 랭킹분석을 행한 결과는 Fig. 6과 같 으며, 1위에서 4위까지의 업체가 모두 일본기업인 것으 로 나타나 일본의 기술력이 관련분야에서 세계 기술의 흐름을 주도하고 있는 것으로 여겨진다.

선탄 및 선별기술에 관한 특허동향

선탄 및 선별관련 기술은 총 1,912건으로 미국 843건, 일본 679건, 유럽 248건, 한국 142건이 출원된 것으로

Fig. 9. The number of patents applied for stabilization, drying and briquette technologies in different countries.

Fig. 10. Portion of detailed stabilization, drying and briquette technologies for different countries.

Fig. 11. The number of patents applied for utilization tech- nologies of coal fly ash in different countries.

조사되었으며, 국가별 특허점유율은 미국 44%, 일본 36%, 유럽 13%, 한국 7% 순으로 한국의 특허점유율은 미국 의 1/6, 일본의 1/5 수준인 것으로 분석되었다. 또한 기술 별 분류를 분석한 결과 침출법이 34%, 파쇄 및 분쇄가 21%, 부유선별이 19%로 대부분을 차지하고 있으며, 그 외에 탈황/탈회가 8%, 정전선별이 5%, 바이오리칭이 4%, 자력선별이 3%의 특허점유율을 차지하는 것으로 분석 되었다(Fig. 7 및 8).

Fig. 8의 분석결과로부터 검색대상 국가 모두에서 침 출기술과 관련된 출원비율이 가장 높으며, 그 외에 부유 선별, 파쇄 및 분쇄기술, 탈황/탈회기술의 순으로 출원건 수가 많은 것을 알 수 있으며, 유럽과 미국의 경우 전통 적인 선별기술인 부유선별, 비중선별의 비율이 높은 반 면 일본의 경우 정전선별과 미립화에 대한 출원비율이 상대적으로 높은 비중을 차지하고 있음을 알 수 있다. 또 한 한국의 경우 탈황/탈회 및 자력선별의 기술 집중도가 높은 것으로 나타났으며, 이는 대부분의 기술이 연탄제 조 및 화력발전소용 연료탄 제조를 위한 선탄기술과 관 련된 것으로 판단되어진다.

운반 및 저장기술에 관한 특허동향

석탄의 경우 수분함량의 변화 및 광물학적 특성에 기 인하여 운반 및 저장시 자연발화의 위험성이 있어 안정 화기술 및 건조기술의 개발이 반드시 필요하며, 사용목 적에 맞도록 성형(briquette)하는 기술도 동시에 수반되 어야 한다. 이 기술 분야에서의 국가별 특허점유율은 Fig.

9에 나타내었으며 미국 57%로 일본 16%, 한국 14%, 유 럽 13%인 다른 국가에 비하여 매우 우월한 위치를 차지 하고 있음을 알 수 있다. 기술 분야는 장비분야, 개질/안 정화, 성형 및 건조 분야로 구분하였으며 그 결과를 그림 10에 나타내었다.

Fig. 10의 결과로부터 유럽과 일본의 기술별 출원비율 은 서로 비슷한 경향을 나타내고 있으나 유럽의 경우 건

조관련 기술이 41%, 일본의 경우 개질 및 안정화가 33%

로 중점 기술인 것으로 조사되었다. 그러나 미국과 한국 의 경우 장비관련 출원비율이 상대적으로 높은 것으로 나타났으며, 특히 한국의 경우 성형관련 기술의 출원비 율이 매우 높으며 이는 연탄제조와 관련된 특허출원의 비중이 높은 것에 기인한 것으로 판단된다. 일본의 경우 개질 및 안정화와 관련된 특허 출원비율이 매우 높으며, 이는 석탄의 가스화 및 액화공정의 원료공급을 위한 원 천기술과 관련된 특허가 많은 비중을 차지하고 있기 때 문인 것으로 여겨진다.

석탄회 활용에 관한 특허동향

석탄의 청정활용을 위해서는 사용 후 배출되는 잔사 또는 슬래그의 재활용 및 안정화 처리에 대한 기술을 확 보하는 것이 매우 중요하다. 석탄회의 활용기술에 대한 특허 출원건수를 분석하여 Fig. 11에 나타내었으며, 조 사된 출원건수는 총 1,427건으로 일본 및 한국의 특허점

Fig. 12. Portion of detailed utilization technologies of coal fly ash for different countries.

Fig. 13. The number of patents applied for industrial utili- zation fields of CCT in different countries.

Fig. 14. Portion of detailed industrial utilization fields of CCT for different countries

유율이 각각 56%와 29%로 미국 및 유럽에 비하여 압도 적으로 많은 것으로 나타났다. 특히 1990년 이후 출원건 수가 급격히 증가하였고, 이는 일본과 한국의 출원건수 증가에 기인한 것으로 본 기술에 대한 기술수준은 일본 과 한국이 가장 우수한 것으로 여겨진다.

기술 분야별 특허점유율은 시멘트산업이 46%로 거의 절반을 차지하고 있으며, 광물합성분야 17%, 토목용 소 재 12%, 촉매 및 정제분야 10%의 순으로 높은 점유율 을 차지하는 것으로 조사되었다. 유럽의 경우 광물합성 분야의 점유율이 46%로 가장 높은 것으로 나타났고, 일 본의 경우는 시멘트분야의 점유율이 58%로 절반 이상 을 점유하고 있다. 또한 한국의 경우 광물합성과 시멘트 분야의 점유율이 각 36%로 주요 출원분야인 것으로 분 석되었다(Fig. 12).

산업분야별 특허동향

석탄을 활용하는 산업의 분야별 특허점유율을 조사하 여 Fig. 13에 나타내었으며, Fig. 13의 결과로부터 미국 과 일본이 각각 39%와 38%로 기술선도를 주도하고 있 으며, 유럽이 15%, 한국이 8%로 그 뒤를 추격하고 있음 을 알 수 있다.

또한 기술별 특허점유율을 나타낸 Fig. 14로부터 화력 발전 및 보일러 분야가 34%로 가장 높았으며, 석탄가스 화/석탄액화 분야가 22%의 점유율을 차지하는 것으로 분석되었으며, 그 외에 석탄화학산업이 15%, 시멘트/내 화물분야가 11%, 철강산업이 10%의 순서로 특허점유율 을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 유럽과 미국의 경우 대부분의 기술분야에 걸쳐 고른 분포를 나타낸 반면, 일 본의 경우 화력발전 및 보일러 분야가 45%로 가장 큰

비율을 차지하고 있으며 석탄가스화/석탄액화 분야가 22%

로 두 번째로 큰 비율을 차지하고 있다. 그러나 한국의 경우 화력발전 및 보일러 분야 24%, 시멘트/내화물 분야 의 점유율이 25%, 철강산업이 21%로 주요 출원분야인 것으로 나타나 분석 대상 국가와는 그 분포 비율이 다소 상이한 것으로 나타났고, 이는 포스코와 같은 철강업체 의 출원건수가 다른 분석 대상국가에 비하여 높기 때문 인 것으로 판단되어진다.

결 론

청정석탄개발기술과 관련된 주요 선진국 및 국내에 출 원된 특허를 검색하여 12,265건의 특허를 조사한 결과, 최근 세계적 기술의 흐름은 가스화/액화 및 석탄가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) 과 관련된 기술 분야인 것으로 분석되었다.

특히 국내의 경우에는 비산재 등의 석탄회에 대한 기 술과 가스화/액화 등에 대한 기술의 특허 점유율이 선진

국에 비하여 높은 편이며 연탄제조와 관련된 석탄의 성 형방법 및 성형장비에 대한 비율이 매우 높은 것으로 나 타났다. 그러나 석탄을 환경 친화적으로 활용하기 위해 서는 탈황, 탈회, 건조 등의 선탄 및 선별기술이 전제가 되어야 하지만 이에 대한 국내 특허 점유율은 미국의 1/6, 일본의 1/5 수준으로 매우 낮은 것으로 분석되어 이 에 국내의 연구기반은 매우 빈약한 것으로 나타났다.

장기적으로 전 세계적으로 석탄의 증가함에 따라 고급 탄에 대한 수요 역시 증가할 것이다. 따라서 국내의 에너 지수요증가, 에너지안보, 에너지 다변화를 위해서는 저 급탄에 대한 청정석탄개발기술의 확보가 매우 중요한 이 슈로 대두될 것이며, 저급탄 활용에 따른 이산화탄소 배 출 저감, 발전효율 증대, 수송 및 저장의 안전성 확보 등 을 위하여 황, 수은 및 기타 불순물로써의 광물들을 정제 하는 기술이 가장 원천적인 기술이 될 것이다.

결국, 석탄합리화사업 이후 침체되어 있는 석탄 관련 기술의 선진화와 장기적으로 안정적인 에너지원을 확보 하기 위해서는 미국 및 일본 등의 선진국과 같이 청정석 탄개발기술과 관련된 전분야에 걸쳐 정부의 지속적인 R&D 투자와 정책적 지원이 필요할 것으로 여겨진다.

감사의 글

본 연구는 지식경제부 신성장동력 스마트 프로젝트사 업 중 무공해 석탄 가스화 기술개발 사업의 지원에 의해 이루어진 것이며 이에 감사드립니다.

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박 종 력

2002년 강원대학교 대학원 지구시스템 공학과, 공학석사

2009년 강원대학교 대학원 지구시스템 공학과, 공학박사

현재 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 박사후연수자 (E-mail; [email protected])

전 호 석

현재 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 책임연구원 (本 學會誌 第46券 第3号 參照)

김 병 곤

1994년 연세대학교 대학원 세라믹공학 과, 공학석사

2000년 강원대학교 대학원 자원공학과, 공학박사

현재 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 책임연구원, 과학기 술연합대학원대학교 자원순환공학과 교수

(E-mail; [email protected])

최 홍 일

2009년 강원대학교 공과대학 지구시스 템공학과, 공학사

현재 과학기술연합대학원대학교 자원순환공학과, 석사과정 (E-mail; [email protected])