서 론

희소 금속 관련 소재는 첨단 산업의 기반이 되는 다품 종 소량생산, 고부가가치의 부품·소재 산업으로 기술 집 약적 특성을 갖고 있으며, 희소 금속의 기초 소재 기술은 국가의 산업 고도화 및 산업 발전을 위한 선행 핵심 기술 이다. 현재 전자, 정보·통신 산업 등 IT와 관련된 산업의 국제 경쟁력이 있다고 할지라도 고 기능성 희소 금속 소 재 개발 능력이 없다면 최종 제품 산업의 대외 경쟁력 저 하 및 국가 무역 수지 악화, 방위 산업 및 기술의 대외 의 존 심화 등의 구조적 문제가 지속될 수 있다. 또한 21세기 내 희소금속 자원·소재 고갈 문제가 대두되고 있으며, 희 소금속의 수급 상황이 영토 및 정치문제(2010년 9월 중국 과 일본의 센카쿠 열도(중국명 댜오위다오) 분쟁)로 확대 되고 있는 상황이다.

희소 금속(rare metal)은 ① 지각 내에 존재량이 적거나 추출이 어려운 금속자원 중 현재 산업적 수요가 있고 향 후 수요 신장이 예상되는 금속원소, ② 극소수의 국가에 매장과 생산이 편재되어 있거나 특정국에서 전량을 수입 해 공급에 위험성이 있는 금속 원소로 정의한다. 이러한 희소 금속은 산업적 기준에 따라 정의되며 국가 혹은 시 대에 따라 그 대상이 변화될 수 있다. 우리나라는 현재 수요 가 있는 것과 향후 기술혁신에 수반하여 새로운 공업용 수 요가 예측되는 35종, 56개 금속 원소로 정의한다(표 1)[1].

현재 우리나라는 2차 가공, 소비재 생산 위주의 산업구 조, 그리고 국내 부존 자원이 부족함으로 제련 및 기초 소 재 산업의 공동화가 가속되는 추세이며, 국내에서 제련되 는 일부 금속을 제외한 비철 금속에 대한 기반기술, 핵심 기술 및 미래 기술이 선진국의 기술대비 현격한 수준 차 를 보이고 있다. 각종 기능성 소재 개발, 미래 친환경적 산 업 분야의 원료가 되는 희소 금속은 필수 불가결한 원소 로서 정책 수립, 산업화 방향 설정, 연구 개발 등에 있어 서 특허 조사와 특허 정보 분석이 필수적이라고 판단된다.

특허 및 특허 정보 분석은 선행 기술 검색을 통해 연구 개발의 동향 파악과 연구 방향 제시 및 중복 연구를 방지 하여 연구 효율성을 높일 수 있지만, 2007년 이후 국내 희 소금속 산업과 관련한 특허 및 특허 정보 분석은 제시된 바 없다[2]. 궁극적으로 특허 및 특허 정보 분석은 연구개 발의 활용도를 높이는데 결정적인 역할을 한다. 본 연구에 서는 국내 희소 금속 소재 제조 기술의 특허 정보 분석을 통해 기술 개발 동향 및 변화 추이를 파악하고자 하였다. Table 1.

기술분류 및 분석 범위

희소 금속 소재 제조기술의 분류는 2007년 이전의 특허 동향 분석에서 제시한 기술분류[2]를 사용하였다. “희소 금속 제련”은 광물이나 혹은 이를 대체할 자원(스크랩, 제 련 부산물 등)으로 여러 복잡한 공정을 조합·적용하여 산 업적으로 쓰이는 기능성 소재의 원료를 만드는 전체 기술 과정을 말한다. 첨단산업에서 요구되는 고순도 금속, 화합 물 등을 제조하기 위해서는 “고순도화 공정”이 필요하며, 특정 불순물 제어를 위한 특수 공정이 필요한 경우도 있 다. 현재까지 정립된 고순도 희소금속 제조공정의 원리 및 기술 예를 다음과 같이 정리할 수 있다.

1. 고도 분리·정제 기술 : 주로 화학적 특성차를 이용 한 고순도 전구물질 제조 (예) 용매 추출, 이온 교환법, 열 분해법 등

2. 고순도 희소금속 정련 기술 : 주로 물리적 특성차를 이용한 고순도 정련 공정 (예) 대역 정제법, 고진공 용해법, 고상 전해법 등

3. 고순도 희소금속 가공 기술 : 고순도 특성을 살린 가 공공정 및 소재화 공정 (예) 극미세 가공기술, 고순도 희소 금속 잉곳, 와이어, 나노 분말 제조 등

4. 순도·물성평가 기술 : 고순도 희소 금속의 물리·화 학적 순도평가, 신기능 탐색 (예) 가스 분석법, 잔류 비저항 측정법 등

본 특허 동향 분석에서는 대체·저감, 제조장치 기술을 추가 분류하였고, 희소 금속의 제련·정련, 고순도화, 소 재화, 회수 및 재활용 기술과 함께 분석 대상을 한정하였 다. 상세 기술 분류 및 각 기술 별 개략적인 설명을 표 2 과 같이 정리하였다. Table 2, 3.

특허 검색 및 분석에 사용된 DB는 KIPRIS이고, 표 3와 같이 1980년 01월부터 2013년 05월 사이에 출원된 한국 특허 중에서 희소 금속 소재에 관한 특허를 분석 범위로 하였다. 검색 방법은 한글 및 국제 특허 분류를 혼용 검색 하였고, 이때 사용된 검색식은 표 4로 정리하였다. 또한 표 4의 핵심 검색어를 조합하여 기술 분야 별로 분류하고, 검색한 결과 중에서 중복 검색된 특허 및 공개 특허와 등 록 특허의 중복을 검토하여 8,814건을 추출하였다. 마지막 으로 특허의 발명 명칭, 요약 및 청구항을 검토하여 본 분 석 대상인 희소 금속에 관한 유효 특허 2,162건을 선별하 였다. 최종 선별된 유효 특허는 기술 분야별로 정리하여 표 5에 나타내었으며, 각 부분별 특허 건수, 점유율, 기술 수준 비교 등의 특허 정보 분석을 실시하였다.

국내 특허 정량 분석

3.1. 전체 특허 동향

그림 1은 우리나라에 출원된 희소 금속 소재 제조기술 의 연도별 특허 출원 추이를 나타낸다. 전체 2,162건 가운 데 대부분의 특허가 2000년도 후반에 출원된 것으로 나타 났다. 연도 별 출원 동향은 1980년대 중반부터 희소금속 소재 제조 기술의 출원이 증가하기 시작하였으며, 1990년 대 초 연평균 출원이 크게 증가하였다. 이후 현재까지 희 소 금속 소재 제조 기술의 특허 출원은 증가하는 경향을 나타내었다. 기술 분야별 특허 출원은 소재화 분야에 대한 특허가 약 58.7%로 가장 높은 출원 점유율을 나타냈다. 회수·재활용 분야가 23.1%, 제련·정련 분야 11.1% 등 의 순으로 특허 출원이 많은 것으로 나타났다. 전체 특허 중에서 국내 출원인의 출원비율이 57.6%이고, 해외 국적 출원인은 42.4%의 출원 비율을 보였다. Table 4, 5.

3.2. 기술 분야별 특허 동향

유효 특허의 연도별 출원 동향 분석을 통해 희소금속소 재 제조 기술의 현황을 알아보고자 하였으며, 그 결과를 그림 2에 나타내었다. 우리나라에 출원된 희소 금속 관련 특허는 소재화와 회수·재활용 분야를 중심으로 출원 활 동이 활발하게 진행되고 있으며, 2010년 후반 들어서 제 련·정련, 고순도화 분야의 출원 건수가 소폭으로 증가하 였다. 소재화 분야의 특허 출원 건수는 1980년대 후반기 부터 증가하기 시작하였고, 1990년대 초반의 연평균 증가 율이 크게 증가한 이후로 현재까지 출원이 증가하는 추세 이다. 소재화 분야 다음으로 회수·재활용 분야의 특허 활 동이 활발하고, 2000년대 중반 이후로 출원건수가 크게 증가하는 경향을 보이고 있다. 주요 기술 분야의 국내 출 원인 소재지 현황을 살펴보면, 서울특별시에서 소재화와 회수·재활용 분야의 출원 활동이 가장 활발하며, 제련· 정련, 대체·저감 분야에서는 경상북도에서 높은 출원 점 유율을 나타내고 있다.

해외 출원인들도 국내 출원인들과 유사하게 1990년대 초 반부터 희소 금속 관련 특허 출원을 활발하게 진행하기 시작 하였으나, 주로 소재화 분야를 중심으로 출원 활동을 진행하 고 있으며, 2000년대 중반부터 회수·재활용, 제련·정 련, 고순도화 등의 분야에 대한 출원도 증가하는 추세이 다. 우리나라에서의 희소 금속 관련 해외 출원인의 출원 활동은 일본과 미국 출원인에 의해 주도되고 있음을 알 수 있었다. 소재화 분야에서는 일본 출원인의 출원 점유 율이 가장 높은 가운데 미국, 독일 및 프랑스 출원인의 출원 활동도 높게 나타났다. 회수·재활용 분야는 일본 출원인의 출원 점유율이 약 53%로 나타났다. 또한 제련· 정련과 대체·저감 분야에서는 일본 출원인과 미국 출원 인의 출원 활동이 활발하였다.

한편, 특허 출원인별 특허 건수 분석을 통해 우리나라에 서 해당 기술 개발에 주력하고 있는 연구 주체를 파악할 수 있다(그림 3). 희소 금속 관련 특허를 다수 출원하고 있 는 출원인으로는 한국 지질 자원 연구원, 포항 산업 과학 연구원, [주]포스코, 한국 과학 기술 연구원, 에보니크 데 구사 게엠베하, 로디아 쉬미 등인 것으로 나타났다. 국내 다출원 출원인들은 회수·재활용이나 제련·정련 분야의 출원 점유율이 상대적으로 높은 반면, 해외 출원인인 에 보니크 데구사 게엠베하와 로디아 쉬미는 소재화 분야의 특허 출원에 집중하고 있는 것으로 나타났다. 주요 기술 분야별로 살펴 보면, 소재화 분야는 로디아 쉬미, 에보니 크 데구사 게엠베하, 한국 과학 기술 연구원, 한국 화학 연구원, 포항 산업 과학 연구원 등의 순으로 해외 출원 인이 매우 적극적인 것을 알 수 있다. 회수·재활용과 제련·정련 분야는 한국 지질 자원 연구원과 포항 산업 과학 연구원, [주]포스코 등이 주목할 만한 출원 활동을 진행하고 있는 것으로 나타났으며, 대체·저감 분야는 [주]포스코와 현대자동차[주]의 출원 활동이 가장 활발하 였다.

3.3. 지역별 특허 동향

지역별 특허 동향을 그림 4에 나타내었다. 1990년 이전 우리나라에서의 희소 금속 관련 특허는 해외 출원인에 의 해 주로 출원되었다. 1990년대 중반 이후부터 국내 출원 인과 해외 출원인의 출원 건수가 같이 증가하였으며, 2000년대 후반에는 국내 출원인이 해외 출원인보다 특허 출원이 더 활발한 것으로 나타났다. 현재까지 출원인 소재 지별 출원 현황 분석을 통해 일본, 서울특별시, 대전광역 시, 경상북도, 미국, 경기도 등의 순으로 특허 건수가 많은 것으로 나타났다. 서울특별시와 경기도에서는 소재화 분 야의 특허가 가장 많이 출원되고 있고, 대전광역시에서는 소재화 분야뿐만 아니라 회수·재활용, 제련·정련 분야 의 출원도 활발하였고, 경상북도에서는 회수·재활용, 소 재화, 제련·정련 분야의 출원활동이 가장 활발한 것으로 나타났다. 해외 출원인들은 소재화 분야의 특허 활동에 집 중하고 있는 것으로 나타났으며, 일본과 독일 출원인들은 회수·재활용 분야에서 그리고 미국 출원인들은 제련·정 련 분야에서 비교적 높은 출원 점유율을 보였다.

3.4. 다출원 희소 금속별 특허 동향

검색된 유효특허에서 특허 출원이 많은 희소금속 원소 에 대한 특허 동향을 그림 5에 나타내었다. 국내에서 특허 출원이 가장 많이 된 원소는 실리콘이고, 관련 기술 중에 서 절반이상이 소재화 분야와 관련한 특허였다. 또한 제 련·정련, 고순도화 분야에서도 상대적으로 다른 희소 금 속 원소에 비해 많은 특허 출원을 보여 연구 개발이 활발 한 것을 알 수 있다. 그 뒤를 티타늄, 마그네슘, 니켈, 제 올라이트, 망간, 주석, 세륨 등의 순으로 특허 출원이 많았 고, 촉매, 촉매 지지체, 폐 디스플레이 부품의 재활용 등을 통해 활용되고 있는 것으로 나타났다.

보다 구체적으로 각 희소 금속의 주요 특허 출원 파악 을 통해 연구 개발 동향을 알아 볼 수 있다(그림 6). 소재 화 분야에서는 기체 개질용 촉매나 촉매 지지체 등에 활 용되는 희소 금속 원소나 이들의 화합물이 연구 개발의 대상이 되는 것으로 나타났다. 회수·재활용 분야에서는 폐 태양전지 부품, 폐 디스플레이 부품, 석유 정제 촉매 등 의 재활용을 통해 회수되는 희소 금속 원소가 특허 출원 이 많이 되었고, 제련·정련 분야에서는 태양 전지 부품 으로 적합한 높은 순도의 실리콘을 제조하기 위한 기술이 활발하게 개발 중인 것으로 나타났다. 국내 출원인들은 태 양전지, 석유 정제 촉매, 디스플레이, 이차전지 등의 분야 에서 실리콘, 티타늄, 마그네슘, 니켈, 망간, 주석, 리튬 등 의 희소 금속을 활용하고 있는 것으로 나타났고, 해외 출 원인들은 태양 전지와 기체 정화 촉매 분야에서 희소 금 속을 활용하는 것으로 분석되었다.

3.5. 조사 분야별 주요 희소금속 소재 비교

조사 분야별 주요한 희소 금속 소재를 요약하여 아래와 같이 정리할 수 있다.

• 특허 기술 분석에서 다출원 희소 금속 소재:티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 망간(Mn), 주석(Sn), 세륨(Ce), 코발트(Co), 플래티늄(Pt), 리튬(Li), 인듐(In) 순(주의:실 리콘, 제올라이트, 인 제외)

• 국내 산업수요가 많은 16개 금속 자원에 포함되어 있 는 희소금속 소재[4]:주석(Sn), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn), 코발트(Co), 인듐(In), 텅스텐(W), 갈륨(Ga), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 리튬(Li)

• 국가 개발 과제에서 연구되고 있는 희소 금속 소재[5] :백금(Pt), 마그네슘(Mg), 코발트(Co), 텅스텐(W), 희 토류, 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 리튬(Li), 갈륨(Ga), 인듐 (In), 지르코늄(Zr) 등

• 11대 희소금속(이전 지경부 선정):니켈(Ni), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 리튬(Li), 인듐(In), 코발트(Co), 백금 (Pt), 희토류, 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr)

상기 제시한 4 가지 희소 금속 분류에서 티타늄(Ti), 마 그네슘(Mg), 니켈(Ni), 코발트(Co), 리튬(Li), 인듐(In) 소 재(7종)들은 모두 포함되어 있으나 그 외의 소재들은 조금 씩 차이를 나타냈다. 이는 게시될 수 있는 기술(특허)과 산 업에서 요구되는 수요, 국내 보유 연구 기반 등의 차이에 의하여 나타나는 것으로 판단된다.

결 론

1980년부터 2013년까지의 희소 금속 소재 제조 기술에 관한 특허 분석을 통해 관련 기술 개발 추이 및 동향을 분 석하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.

우리나라에 출원된 희소금속 관련 특허는 1990년대 초 반부터 지속적으로 출원이 증가하는 추세에 있다. 1970- 80년대에 미국과 유럽에서 특허 활동을 주도한 이후 1990 년대 일본으로 이어졌고, 2000년대 중반부터 국내 출원인 의 출원 건수가 급격히 증가하여 꾸준한 상승세를 보이고 있다.

기술 분야별로는 소재화 분야가 59%로 가장 높은 출원 점유율을 나타내고 있고, 회수·재활용 분야와 제련·정 련 분야의 출원도 활발하며, 원소 별로는 티타늄, 마그네 슘, 니켈 순(실리콘, 제올라이트, 인 등은 제외)으로 많은 특허가 출원된 것으로 나타났다

국내 출원인들은 소재화, 회수·재활용, 제련·정련 등 의 분야를 중심으로 활발한 출원 활동을 진행하는 추세이 며, 소재화 분야는 서울특별시, 대전광역시, 경기도에 소 재지를 두고 있는 출원인의 출원활동이 활발하게 진행되 고 있다. 회수·재활용 분야는 서울특별시, 경상북도, 대 전광역시 순으로 출원활동이 활발한 것으로 나타났다. 해 외 출원인들은 주로 소재화 분야를 중심으로 활발한 출원 활동을 진행하고 있으며, 일본과 미국 출원인에 의해 주도 되고 있었다.

국내에서 주요 다출원 출원인으로는 한국 지질 자원 연 구원, 포항 산업 과학 연구원, [주]포스코, 한국 과학 기술 연구원, 에보니크 데구사 게엠베하, 로디아 쉬미 등이 있 으며, 국내 다출원 출원인들은 회수 재활용 분야나 제련 정련 분야의 출원 점유율이 상대적으로 높은 반면, 해외 출원인인 에보니크 데구사 게엠베하와 로디아 쉬미는 소 재화 분야의 특허 출원에 집중하고 있었다.

희소 금속 원소와 관련 해서, 국내 출원인들은 태양전 지, 석유 정제 촉매, 디스플레이, 이차 전지 등의 분야에 서 실리콘, 티타늄, 마그네슘, 니켈, 망간, 주석, 리듐 등 의 희소 금속을 활용하고 있으며, 이에 비해 해외 출원인 들은 태양 전지와 기체 정화 촉매 분야에서 희소 금속을 활용하고 있었다.

Acknowledgements

감사의 글

본 연구는 한국생산기술연구원 희소 금속 산업 기술 센 터의 “정보 기반 사업 학술 용역 연구”의 일환으로 수행 되었으며 이에 감사 드립니다.

Fig. 1.

Patents of rare metal by year, (a) number of patents by year, (b) patents by technology area, and (c) patents by assignee’s nationality.

Fig. 2.

Number of patents per assignee’s nationality and technology area by year, (a) patents by local residents, and (b) patents by foreigner.

Fig. 3.

Patent assignee analysis results of rare metal, (a) by assignee, and (b) by technology area.

Fig. 4.

Patents analysis results of rare metal with year (divided by local area).

Fig. 5.

Patents analysis results of rare metal by element.

Fig. 6.

Patents analysis results of rare metal, (a) by technology area, and (b) assignee’s nationality.

Table 4.

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참고문헌

• 1. Korea Institute for Rare MetalsHomepage, www.kiram.re.kr .
• 2. M. G Han, G. S Choi and J. J. W Lee, Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers. (2008) 45 208(Korean).
• 3. T. S Kim, B. K Kim, B. S Kim and K. T Park, J. Korean Trends in Metals & Materials Engineering. (2014) 27 8(Korean).
• 4. R & D Biz. Strategic Industry Map. (2013) 1(Korean).
• 5. S. T Oh, Report, Analysis of government projects in Korea for rare metals. Korea Institute for Rare Metals. (2013) 15 www.kiram.re.kr .

Figure & Data

References

Citations

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