1.1 연구의 배경

2021년 코로나19 완화에 따른 경기회복으로 전력수요가 증가 추세로 전환될 전망으로, 신재생에너지 가격하락 및 보급정책 확대에 따라 신재생 발전 비중은 지속적으로 증가될 것으로 예상된다. 에너지 전환 가속화로 도소매 전력시장에 대한 개선이 본격화 될 것으로 전력망에 대한 투자 확대, 계통 유연성 확보를 위해 수요자원 활용 확대 등 다양한 이슈가 예상된다. 지난해 글로벌에너지 수요는 ‘19년 대비 6% 감소를 보였으며, 에너지원별로는 석유가 –9.5%, 석탄 –7.7%로 수요가 급격히 하락하여 이산화탄소 배출량은 –8% 이상 급감하는 추세이다⁽¹⁾. 특히 국내의 경우 전력판매량은 코로나19 확산에 따른 소비심리, 생산활동 위축과 기후변화에 따른 온난화로 인한 겨울철 일 평균기온 상승에 따른 수요 감소로 전년 동기 대비 2.5% 감소되었다. 올해 들어 점진적 경기회복세로 국내 전력판매량은 2020년 대비 2.7% 증가, 세계 전력수요는 연평균 2% 증가가 전망된다⁽¹⁾.

전력설비 산업의 주요 글로벌 메이커도 코로나19의 지속적인 여파로 인하여 2020년 누적 매출은 2019년 대비 마이너스 성장을 보이고 있으며, 미국, 중국 등 주요 국가들의 수출 감소가 지속되고 있는 실정이다⁽²⁾. 전 세계적으로 재생에너지 확대 등 탄소중립 실현을 위한 송배전망 투자가 확대 되고 있고, 전력수요 및 재생에너지 증가에 따른 스마트그리드 필요성 증대 등에 따라서 전 세계적인 전력망 신설 및 보강을 위한 투자가 증가될 것으로 전망되고 있다^(3,4). 또한 주요국 대부분은 소규모 신재생 발전원의 계통 유입으로 인해 송전망 투자와 더불어 배전망에 대한 투자비 또한 지속적으로 증가 될 전망으로 관련 특허 출원도 증가하는 추세이다^(4-6).

1.2 연구 방법 및 목적

특허검색 DB로는 WINTELIPS를 사용하였으며, IP5(Intellectual Property) 국가인 한국, 미국, 일본, 유럽 및 중국을 대상으로 출원공개 및 등록공고 건에 한하여 1999.1.1부터 2020.12.31까지 검색을 수행하였으며, 주요 검색 관련 기술분류는 아래의 표 1과 같다.

표 1에 도시한 바와 같이 도출된 키워드를 바탕으로 검색식을 도출하고 전력설비 관련 특허 결과를 확보하였으며, 명칭, 요약, 국제특허 분류코드(IPC)를 활용하여 유효 특허 9,878건을 도출하였다. 이를 대상으로 기술 유형 분석을 진행하였으며 검색 결과 유효 특허는 아래의 표 2와 같다.

본 논문에서는 전력망 시스템 중 전력설비와 관련한 IP5 국가의 최근 특허 출원 동향을 살펴보고 Asset management, 내부피뢰시스템, 배전설비, 및 송변전설비의 4개 소분류 기술에 대하여 정량적 특허 분석을 실시하였다. 이를 통하여 국가별 특허 출원 현황 및 출원인별 기술경쟁력을 분석하고, 키워드 분석을 통해 최근 부상기술 등을 도출하였다.

2.1 IP5 특허 동향 분석

전력설비의 연도별-국가별 출원건을 살펴보면, 중국이 다른 IP5 국가들에 비해 활발한 특허 출원이 진행중인 것으로 분석되며, 2000년대 중후반부터 급격하게 출원건이 증가됨을 알 수 있다. 중국에 비해 다른 IP5 국가 중 미국, 일본, 한국 및 유럽 순으로 출원건이 많은 것으로 분석된다. 그림 1에서 2020년 이후 중국의 출원이 급격하게 줄어든 것으로 분석되나, 이는 특허가 출원 이후 1년 6개월 이후 공개되는 점을 감안하여야 할 것이다.

좀 더 자세한 국가별 출원건수 및 점유율 현황을 그림 2에 도시하였다. 중국이 총 6,806건(68.9%)으로 다른 IP5 국가인 한국 494건(5.0%), 미국 1,351건( 13.75%), 일본 730건(7.4%), 및 유럽 501건(5.1%)을 모두 합친 건수보다 양적으로 더 많은 비중을 차지하고 있다. 이처럼 중국의 특허출원 활동이 타 국가에 비해 월등히 많은 결과는 2015년 전력산업 구조개편을 통해 전력산업에 민간자본을 도입하고 스마트그리드(SG), 에너지저장장치(ESS), 신재생에너지, 전력 ICT 융합기술 등 신기술 확대에 따른 정부의 지원 및 기업의 투자 확대의 결과로 사료된다.

전력설비에 대한 상위 출원인 TOP 5를 그림 3에 도시하였으며, 출원 비중은 중국 국영 전력회사인 STATEGRID CORP CHINA가 980건, 10.2%로 가장 많은 특허를 출원한 것으로 분석되고 있다. 일본의 TOSHIBA는 177건으로 1.8%, HITACHI 102건으로 1.1%, 미국의 GENERAL ELECTRIC은 89건으로 0.9%, 일본의 MITSUBISHI ELECTRIC은 81건으로 0.8%의 비중을 차지하는 것으로 나타나고 있다.

전력설비 내 4개의 기술분야 중 부상기술 확인을 위해 활동력과 기술력 지수를 활용하여 분석을 진행하였다. 일반적으로 특허증가율과 시장확보력으로 활동력지수를 정하고, 특허인용율, 주요국 특허확보율, 및 등록특허의 평균 청구항 수로 기술력 지수를 평가하였으며, 아래 표 3에 분석지표를 도시하였다.

전력설비 4개 소분류 기술중 특허증가율을 살펴보면, Asset management 분야가 126.1%로 가장 많은 증가 추세를 보이며, 송변전설비, 내부피뢰시스템, 배전설비 순으로 증가율을 보이고 있다.

세부 기술별 시장확보력(PFS, Patent Family Size)을 살펴보면 Asset Management 분야가 점유율비 91.0% 수준으로 패밀리특허가 많아 시장성 확보가 가장 높은 것으로 나타났으며, 송변전설비, 배전설비, 내부피뢰시스템 순으로 분석되었다. 일반적으로 시장확보력 점유율이 높을수록 상대적으로 시장확보가 용이하고 반대로 낮은 경우 시장 확보력이 낮은 것으로 평가된다.

기술력지수를 살펴보면, 특허인용율, 삼극특허, 특허 청구항 수 등 모든 지표에서 배전설비의 기술력 지수가 가장 높게 분석되며, Asset Management⁽⁷⁾는 활동력지수와 반대로 기술력지수는 가장 낮은 수준으로 나타나고 있다. 기술력지수는 피인용도가 높을수록 상대적으로 기술력이 강한 기술을 의미한다.

2.2 최근 Trend 특허 기술 분석

최근 출원이 급증하는 2개 분야의 keyword를 분석을 통해 무선 전력전송·충전기술과 초고압직류송전(DC) 기술이 부상기술로 도출되었다. 무선 전력전송·충전기술 중 주요 핵심 요소기술로는 고효율 마이크로파 변환기술, 다중기기 무선 전력전송 기술, 근거리 무선충전 인프라 기술, 중장거리 고효율 무선전력전송 기술, 장거리 대용량 무선전력 전송시스템 및 초소형 고효율 자기 결합 무선 전력전송 기술 등이 활발한 특허 출원 활동을 보이는 것으로 확인되었다. 이중 무선전력 전송·충전기술은 삼성전자, 퀄퀌 둥 개인 휴대용 소형 기기의 무선 충전기술 등으로 기 확보된 요소기술에 집중하여 출원이 급등한 것으로 분석된다.

무선전력전송·충전기술의 상위 출원인은 삼성전자(한국), Qualcomm(미국), Toyota(일본), LG이노텍(한국), Panasonic(일본) 순으로 분석되었다.

전세계적으로 탄소중립을 준비하기 위한 재생에너지 보급이 확대되며 직류송전기술에 대한 기술개발 및 실증 등이 활발이 이루어 지고 있다. 이중 초고압직류송전기술(HVDC) 관련⁽⁸⁾ 기술 또한 부상기술로 도출되었다. 직류송전 기술의 주요한 출원 기술은 HVDC 계통해석, HVDC 통합운영, MVDC 적용 계통해석, UHVDC 송전기술과 해저케이블과 전력변환 기술 등으로 분석되었다.

직류 송전기술의 상위출원인은 한국의 LS산전이 가장 많은 특허를 출원하고 있으며 가장 높은 특허활동지수 및 기술 경쟁력을 보유하는 것으로 분석되었다.

그 외 부상기술로는 스마트그리드의 필수적인 부품으로 지속적인 전압을 조절하고 전력 변동으로부터 전기장비를 보호하기 위한 스마트 변압기⁽⁹⁾에 대한 출원이 연평균 10% 이상 꾸준히 증가하는 추세를 보이고 있다.