1. 서 론
황화아연(zinc sulfide, ZnS)은 II-VI 반도체 화합물 소 재의 일종으로, 다양한 기본적 특성과 독특한 광학적 및 화학적 적용성을 갖고 있기 때문에 발광다이오드(lightemitting diodes), 전기장 발광(electroluminescence), 적외 선 윈도우(infrared window), 센서, 레이저, 바이오 소재 및 바이오 장치 등에 활용되고 있는 물질이다.1) 황화아 연의 원자구조 및 화학적 특성은 산화아연(zinc oxide, ZnO)와 비슷하지만 보다 특이하고 유용한 특성을 가지 고 있다.2-6) 황화아연의 밴드갭(bandgap)은 3.72~3.77 eV 로서 산화아연의 밴드갭(3.4 eV)에 비해 높으므로 자외선 (UV)을 이용하는 센서나 광 검지기에 적합한 특성을 가 지고 있으며, 이원화합물(binary compounds)이기 때문에 격자 결합을 갖기 쉽고, 결정구조의 변화에 따른 원자 의 상대적 위치의 이동으로 인해 전기적 성질이 달라지 는 압전형 반도체(piezoelectric semiconductor)이다.7-8) 또 한 산화작용과 가수분해 작용에 대한 화학적 안정도가 탁월한 광역-갭(wide-gap)의 반도체로서 황화아연의 나노 입자는 촉매 활성에 대해 상당히 주목 받는 재료이며, 황화아연을 몇 가지의 원소로 도핑(doping)하게 되면 제 조공정을 단순화하는 동시에 황화아연의 발광 효율을 효 과적으로 향상시킬 수 있어 용이하게 개량된다.9-11) 더욱 이 황화아연은 광상(mineral deposits)에 풍부하게 존재하 고 독성이 없으므로 유기 성분을 포함하는 오염수 및 독 성 폐수의 처리 등의 환경보호 분야에서도 유용한 촉매 소재로 활용할 수 있으며, 폐수 중 염료나 p-니트로페놀 및 할로겐화-벤젠-유도체 등과 같은 유기 오염물질을 광 분해 하기도 한다.12-14) 황화아연의 나노 구조는 광-여기 (photo-excitation)현상에 의한 전자-정공 쌍의 생성이 신 속하고 여기 전자의 환원전위가 높고 그 모양과 결정에 있어서 가변성이 높으므로 광학적 및 전기적 특성의 개 량 및 개질이 가능한 소재이며,15-16) 칼코겐(chalcogen)계 유리 소재에 비해 제조단가, 우수한 강도 및 투광도가 우수하기 때문에 독일, 일본 등에서 장파장 적외선 윈 도우 소재의 핵심 조성 및 저가 공정기술이 크게 발전 하고 있다.17-21) 이처럼 황화아연은 광학적 특성과 화학 적 특성에 있어서 매우 광범위한 활용 가능성과 소재의 특성에 따른 다양한 장점을 갖고 있으나, 국내에서는 실 질적인 응용 기술의 개발을 통한 실용화는 이루어지지 않고 있는 실정이다. 따라서 황화아연 소재를 활용한 응 용 기술 분야의 확장과 실용화 연구 개발 현황을 분석 하는 것은 무엇보다 중요하다. 이에 본 논문에서는 황 화아연의 광학적 특성 및 화학적 특성을 포함한 기본적 특성을 중심으로 황화아연의 응용분야에 대한 국내외 특 허정보를 수집하고 분석하여, 현재의 기술 현황 및 동 향을 파악하고 객관적인 특허 동향 분석 정보를 제공함 으로써 향후 국내 황화아연 응용기술 분야의 관련 연구 자들에게 도움을 주고자 하였다. 특허정보를 활용한 기 술 동향 분석 작업은 기존에 수행되었던 관련 기술의 연 구 내용과 수준을 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 최근 기 술개발 추이에 맞추어 향후 연구의 방향을 설정하기 위 한 중요한 자료를 제공하고 연구 개발 내용이 중복되는 것을 방지하는 역할도 할 수 있을 것이다.
2. 연구 방법
2.1. 특허 검색 대상 및 분석 범위
황화아연의 광학적 특성 및 화학적 특성을 포함한 응 용 기술 관련 특허를 분석하기 위하여 자료의 검색 범 위와 기간을 설정하였다. 특허분석 국가는 한국, 미국, 일 본, 유럽으로 제한하였으며, 특허검색은 (주)윕스의 Wintelips 에서 제공하는 DB를 이용하여 2015년 4월까지 공개 또 는 등록된 특허를 검색하였으며, 본 논문에서 분석한 자 세한 분석 범위는 Table 1과 같다. 그리고 특허에 대한 각 국의 특성에 따라 한국은 공개특허 및 등록특허, 일 본은 공개특허, 미국은 공개 및 등록특허, 유럽은 공개 특허에 대해 검색하였다. 특허의 경우, 출원 후 1년 6 개월 이후에 공개되는 특허제도의 특성상 2013년 11월 부터 미공개 특허가 존재하므로 분석 결과의 유효기간 은 2013년 10월까지인 것으로 볼 수 있다.
Table 1.
Searching DB and search range of patent applications by patent office.
2.2. 특허 검색식 및 데이터 구축
황화아연을 이용한 응용기술의 파급효과 및 다각적 산 업 활용으로의 목적을 고려하여 Table 2에서와 같이 황 화아연의 광학적 특성과 화학적 특성을 이용한 응용기 술에 관한 2개의 기술 분야로 나누어 분석하였다. 상기 기술에 맞춰 각각의 검색 키워드를 선정하였고, 특허의 명칭, 요약, 청구항에 제한을 두어 검색하였으며, 연산자 로 조합하여 Table 2와 같은 유효 특허 데이터를 추출 하였다. 검색 건수는 중복 및 노이즈를 제거한 최종 분 석 대상 건수이며, 주요 특허는 패밀리 특허의 수, 피 인용 수, 독립항의 수, 권리의 잔존기간을 고려하여 정 량적 중요도를 평가하였으며, 특허의 유사성, 기술성을 고 려하여 정성적 중요도를 평가하여 주요 특허를 선정하 였다.
Table 2.
Technical classification and search keyword of patents.
3. 연구 결과
3.1. 주요 시장국 연도별 특허 동향 분석
주요 시장국 연도별 특허 동향 그래프는 출원연도에 따 라 특허출원건수를 시계열적으로 표현한 선형그래프로서, 출원국가별로 연도별 동향을 나타낸 것은 특정 시장에 서의 출원 활동을 분석하기 위해서이다(Fig. 1). Fig. 1 에서 점선은 각 국이 보통 출원 후 1년 6개월 이후 공 개되는 것을 감안하여 나타낸 특허 분석 구간이다. 따 라서 최근 연도에 출원건수의 감소 현상을 실제로 출원 건수가 감소한 것으로 분석하면 안 되므로 유의해야 한 다. 황화아연의 응용기술(광학적 특성, 화학적 특성)의 관 련 특허는 1975년도부터 꾸준히 출원되고 있으며, 전 세 계적으로 1990년대 이후로 지속적으로 출원 건수가 증 가하였으며, 특히 2000년대 중·후반을 기점으로 최대 출 원을 보이는 것으로 나타났다. 국가별 출원 건수는 미 국이 422건으로 가장 많았으며, 일본이 162건, 유럽이 141건, 한국이 104건으로 조사되었다. 한국의 경우 2000 년대 초반에 들어 집중적으로 출원활동이 이루어졌으며, 향후 다양한 응용분야가 개발됨에 따라 지식재산권 활 동도 점차적으로 증가될 것으로 기대된다.
3.2. 전 세계 주요 특허출원인 Top 10 동향
Table 3에서는 황화아연의 응용기술에 대한 관련 특허 를 출원한 주요 기관(Top 10)의 현황을 나타내었다. 한 국, 일본, 미국, 유럽에 대하여 대상 기술과 관련된 특 허 중 제 1출원인 기준으로 주요 기관을 살펴보면, 황 화아연 응용기술과 관련하여 최다 출원인은 Sumitomo Electric Industrial Co., Ltd.가 45건으로 25 %의 가장 큰 점유율을 차지해 기술을 주도하고 있는 것으로 나타 났다. 이 외에 주요 기관으로는 Raytheon Company 31 건(17 %), General Electric Company 17건(9 %), Texas Instrument Incorporated 14건(8%), SRU Biosystems Inc. 14건(8%), Sony Corporation 14건(8 %), Hughes Aircraft Company 13건(7 %), Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 12건(6 %), Japan Atomic Energy Agency 12건 (6 %), Lockheed Martin Corporation 11건(6 %) 등으로 나타났다.
Table 3.
Global top 10 applicants of patents based on count and occupancy rate.
3.3. 전 세계 주요 특허출원인의 기술별 출원 동향
Fig. 2는 주요출원인의 기술별 출원 동향을 나타낸 그 래프이다. Sumitomo Electric Industrial Co., Ltd.은 전 체 특허 45건 중 40건, Raytheon Company는 전체 31 건의 특허 중 28건이 광학적 특성 응용기술에 관한 특 허인 것으로 조사되었다. General Electric Company의 경우 전체 17건의 특허 중 14건의 특허가 습도센서 등 의 기술을 포함한 화학적 특성과 관련된 특허인 것으로 조사되었으며, SRU Biosystems Inc.의 경우 전체 14건 의 특허가 모두 화학적 특성과 관련된 특허 출원 동향 을 보이는 것으로 나타났다.
3.4. 전 세계 주요 특허출원인의 국가별 출원 동향
Fig. 3은 주요출원인의 국가별 출원 동향을 살펴본 그 래프이다. Sumitomo Electric Industrial Co., Ltd.의 경 우 자국인 일본에 15건의 출원이 이루어진 것으로 나타 났으며, 해외 출원의 경우 미국 15건, 유럽 11건, 한국 4건으로 미국과 유럽에 집중하여 적극적으로 해외 시장 지향적 특허 활동을 추구하고 있는 것으로 검토되었다. Raytheon Company의 경우 자국인 미국에 17건의 출원 이 이루어진 것으로 나타났으며 해외 출원의 경우 유럽 12건, 일본 2건으로 유럽과 일본 높은 출원 동향을 보 이는 것으로 조사되었다. General Electric Company의 경우 자국인 미국에 13건의 출원이 이루어진 것으로 나 타났으며, 해외 출원의 경우 유럽 3건, 일본 1건으로 조 사되었다. SRU Biosystems은 자국인 유럽에 4건의 출 원이 이루어진 것으로 나타났으며, 해외 출원의 경우 미 국 10건의 출원이 이루어진 것으로 조사되었다. Sony Corporation의 경우 자국인 일본에 7건의 특허가 출원되 었으며, 해외 출원의 경우 미국 3건, 유럽 3건, 한국 1 건의 출원이 이루어진 것으로 조사되어 자국 내 특허출 원을 선호하는 방어적 특허활동을 추구하는 것으로 사 료된다. 그 외에 출원인 중 한국에 특허를 출원한 출원 인은 Hughes Aircraft Company 2건, Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 4건, ASML Netherlands B.V. 1건 이 있는 것으로 조사되었다.
3.5. 미국 특허 출원 동향
황화아연 응용기술의 국가별 특허 출원 현황을 살펴보 면, 미국이 가장 많은 출원이 이루어졌으며, 다수의 출 원인이 소수의 특허를 출원하고 있는 것으로 나타났다. 미국의 특허 출원 동향을 살펴보면, Fig. 4에서와 같이 Raytheon Company가 17건으로 가장 많은 특허를 출원 하였으며, Sumitomo Electric Industrial Co., Ltd.가 15 건, General Electric Company, Massachusetts Institute of Technology, SRU Biosystems Inc., Lockheed Martin Corporation 등의 순으로 나타났다. 특히 미국은 Lockheed Martin, The United State of America Army, Hughes Aircraft Company 등 방위산업과 관련된 출원인이 주요 출원인으로 나타났으며, SRU Biosystems Inc.와 같은 바 이오산업과 관련된 출원인의 동향도 높은 것으로 나타 났다. 해외 출원인의 경우 일본의 Sumitomo Electric Industrial Co., Ltd., 프랑스의 Saint-Gobain Ceramics & Plastics가 미국에서 높은 출원을 보이고 있는 것으로 나 타났다.
3.6. 일본 특허 출원 동향
Fig. 5는 황화아연 응용기술의 일본 특허 출원 동향을 나타낸 그래프이다. 일본은 황화아연 응용기술 분야에서 Sumitomo Electric Industrial Co. Ltd.가 15건의 출원을 하여 가장 많은 특허를 보유하고 있는 것으로 나타났으 며, 다음으로 Panasonic Corporation 9건, Sony Corporation 7건, Mitsubishi Electric Corporation 6건, Japan Atomic Energy Agency 6건 등의 순으로 나타났다. 일 본의 경우 Panasonic, Sony, Mitsubishi 등 전자 분야와 관련된 출원인과, Japan Atomic Energy와 같은 화학적 특성을 이용한 전기촉매, 원자력 센서 등과 관련된 특 허의 비중이 높은 것으로 나타났다.
3.7. 유럽 특허 출원 동향
Fig. 6은 황화아연 응용기술의 유럽 특허 출원 동향을 나타낸 그래프이다. 유럽의 주요 출원인으로는 Raytheon Company가 12건의 특허를 출원하여 가장 높은 출원 동 향을 나타냈으며, 다음으로 Sumitomo Electric Industrial Co., Ltd. 11건, Texas Instruments Incorporated 6건, Thales 4건 등의 순으로 나타났다. 유럽의 경우 미국, 일 본 국적의 해외 출원인이 주요 출원인으로 조사되었으 며, 유럽 국적의 출원인으로는 Hughes Aircraft, ASML, Thales 등이 주요 출원인으로 나타났다. 특히 유럽의 황화 아연 응용기술 분야 주요 출원인은 Raytheon, Sumitomo, Thales, Hughes Aircraft, Lockheed Martin 등 방위산업 과 관련된 출원인의 비중이 높은 것으로 나타났다.
3.8. 한국 특허 출원 동향
Fig. 7은 황화아연 응용기술의 한국 특허 출원 동향을 나타낸 그래프이다. 한국은 황화아연 응용기술 분야와 관 련하여 주요 출원인으로 정부출연연구원, 대학의 산학협 력단 등 비영리 연구소가 대부분을 차지하고 있는 것으 로 조사되었으며, 현재까지는 대부분의 연구개발 투자가 정부의 정책적 지원에 의해 주도되어 온 것으로 판단된 다. 주요 출원인으로는 전남대학교 산학협력단이 6건으 로 가장 많은 출원 동향을 보이는 것으로 나타났으며, 다음으로는 국방과학연구소 5건, 고려대학교 산학협력단 4건의 순으로 나타났으며, 해외출원인의 경우 일본국적 의 Sumitomo Electric Industrial Co., Ltd.와 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.이 각각 4건으로 나타났다.
3.9. 출원특허 대표 IPC 분석
황화아연의 응용기술에 대한 출원 특허들의 IPC 동향 에서는 G01(측정(계수); 시험)가 총 268건으로 전체 출 원 건수의 32.3 %로 가장 높은 비중을 차지하는 것으로 나타났으며, 그 뒤로 G02(광학, 21.8 %), H01(기본적 전 기소자, 18.8 %) 등이 그 뒤를 이었다. 세부적으로는 H02 분류 내에서 G02B-013/14(적외선 또는 자외선으로 사용 하는 것) 이 총 42건으로 5.6 %를 점유하고 있는 것으 로 나타났다(Table 4).
Table 4.
Trends of patent based on count and occupancy rate according to IPC.
3.10. 황화아연의 광학적 특성 분야의 주요 특허 동향
황화아연의 광학적 특성을 활용한 응용기술 분야에 대 하여 패밀리 특허의 수, 피인용 수, 독립항의 수 등의 정성적 중요도를 평가하여 28건의 주요특허를 선정하였 으며, 선정된 주요특허에 대하여 정량적 중요도를 평가 하면 Table 5와 같다. 주요특허 28건에 대하여 살펴보 면, Raytheon Company 8건, Sumitomo Electric Industrial Co., Ltd. 7건, Hughes Aircraft 4건, Texas Instruments 3건, Lockheed Martin 1건 등이 출원되어 주요특 허 출원인으로 분석되었으며, Raytheon Company는 미 국의 방위산업 기업으로 황화아연의 셀런화를 통해 광 학적 특성을 증대시키는 방법에 대한 특허를 보유하고 있으며, Sumitomo Electric Industrial Co., Ltd.은 일본 의 전선, 광섬유케이블, 특수강선사업을 영위하는 기업으 로 국방, 일반산업 전방에 걸쳐 사용되어지는 적외선 렌 즈, 센서에 대한 특허를 보유하고 있다. Hughes Aircraft 는 미국의 방위산업 기업으로 미사일 추적 레이더, 적 외선 레이더 등 국방 분야에 밀접한 특허를 보유하고 있 는 것으로 나타났으며, Texas Instruments는 적외선 렌 즈의 광학적 특성을 코팅을 통해서 증대시키는 방법에 대한 특허를 보유하고 있는 것으로 분석되었다. 특히 방 산기업의 보유특허는 광학적 특성을 국방 분야에 맞게 증대시키는 방법에 대한 출원동향이 높은 비중으로 나 타났다.
Table 5.
List of the core patents in optical property of ZnS application.
3.11. 황화아연의 화학적 특성 주요 특허 동향
황화아연의 화학적 특성을 활용한 응용기술 분야에 대 하여 패밀리 특허의 수, 피인용 수, 독립항의 수 등의 정성적 중요도를 평가하여 8건의 주요특허를 선정하였으 며, 선정된 주요특허에 대하여 정량적 중요도를 평가하 면 Table 6과 같다. 주요특허 8건에 대하여 살펴보면 SRU Biosystems Inc. 3건, Satronic AG 1건, California Institute of Technology 1건, Raychem Corporation 1건, KMS Fusion, Inc. 1건, Asea Aktiebolag 1건으로 SRU Biosystems Inc.은 황화아연을 이용한 바이오센서에 대한 특허가 대부분을 차지하고 있으며, Satronic AG 방사능 센서에 대한 특허, KMS Fusion, Inc.는 습도센서에 대 한 특허를 확보하고 있는 것으로 나타났다. 또한 Asea Aktiebolag는 온도 측정 센서에 대한 특허를 보유하고 있 으며, Raychem Corporation은 유기용매에 대한 특허를 보유하고 있는 것으로 나타났다.
Table 6.
List of the core patents in chemical property of ZnS application.
4. 결 론
황화아연은 반도체 화합물 소재의 일종으로 다양한 기 본특성과 광학적 성질, 촉매 활성 등으로 다양한 산업 분야에 적용될 수 있는 소재이다. 특히 물체에서 발산 되는 적외선을 기기 내부로 손실 없이 투과할 수 있어 광학소재로의 활용이 가능하기 때문에 열상장비, 적외선 광학 장비, 전투기 및 유도무기의 적외선 탐색기 보호 윈 도우 등 군수용 장비 개발에 매우 각광받는 소재이다. 최 근 전자, 정보, 통신, 의료 기술의 급속한 발달로 의료 진단, 보안 감시, 자동차 야간 장비 등 다양한 연구개 발의 시도가 이루어지고 있다. 따라서 본 논문에서는 황 화 아연 소재의 응용기술 분야에 대한 특허정보 분석을 실시하였으며, 그 결과 미국, 유럽, 일본, 한국 순으로 특 허출원이 이루어지고 있는 것으로 나타났다. 황화아연의 응용 기술과 관련된 특허는 1975년에 최초 출원이 이루 어진 이후 꾸준히 출원되고 있으며, 전 세계적으로 1990 년대 이후로 지속적으로 출원 건수가 증가하였으며, 특 히 2000년대 중·후반을 기점으로 최대 출원을 보이는 것으로 나타났다. 주요 출원인을 살펴보면, Sumitomo Electric Industrial Co., Ltd., Raytheon Company, General Electric Company, SRU Biosystems Inc., Sony, Hughes Aircraft Company, Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., ASML Netherlands B.V. 등이 있는 것으로 나타났 다. 특히 광학적 특성의 응용기술에 대한 특허출원이 높 은 것으로 나타났으며, 그 중에서도 방위산업과 관련된 출원인의 특허가 상당수를 차지하고 있는 것으로 나타 났다. 황화아연 소재를 활용한 적외선 광학계 기술은 적 외선 렌즈 및 필터에 사용되는 소재 기술, 소재 가공 기 술 및 성형 기술, 렌즈 설계 기술, 광학계 평가 기술, 박 막 및 필터링 기술, 비열화(athermalization) 기술로 구분 할 수 있다. 적외선 응용 소재기술은 적외선 영역에서 투과성이 좋고, 물리·화학·기계·광학적 특성이 우수 한 소재 개발을 위한 지속된 연구가 필요하다. 특히 나 노 기술의 발전과 융·복합 소재 기술의 보편화로 이들 기술을 접목한 소재개발 연구가 진행될 것으로 판단되 며, 아울러 개발된 소재의 특성을 평가할 수 있는 기술 개발이 병행되어야 할 것으로 사료된다. 적외선 응용 소 재 가공 및 성형 기술은 적외선 소재를 렌즈 또는 윈 도우 형태로 제작하기 위한 가공 및 성형 기술로서, 국 내 반도체 기술을 접목한 결정 성장 기술, 표면 연마 (polishing) 기술, 잉곳 절단 기술, 테두리 연마 기술, 웨 이퍼 평탄화 기술, 웨이퍼 세정 기술 등을 접목한 기술 개발이 이루어질 것으로 예측된다. 또한 금형 기술에 대 한 지속적 연구도 이루어 질 것으로 판단된다. 적외선 응용 박막 및 필터링 기술은 적외선 투과성을 높이거나 선택적 투과 또는 차단을 위해 요구되지는 기술로 고투 과성 박막 설계 및 가공, 광대역 차단 기술에 대한 개 발이 이루어질 것으로 예측된다. 이와 같이 황화아연 소 재를 활용한 적외선 광학계 응용기술의 민간 시장으로 의 보급을 위해서는 경제성이 고려된 양산 제조 기술이 필요하며, 업체 간 경쟁력을 가지기 위해서 가격경쟁력 이 중요한 요인으로 작용할 수 있기 때문에 렌즈 또는 윈도우의 개발 공정을 간소화 할 수 있는 기술 개발 또 한 시도해 볼 기술이다. 현재 적외선 광학소재를 양산 하기 위한 기술은 대부분 용융과 응고에 의한 단결정 또 는 CVD 등을 통한 박막 성형이 이루어지기 때문에 광 학적 특성은 우수하지만 크기나 제조비용이 높아 제품의 고가화를 초래하고 있으므로 황화아연과 같은 유용한 광 학소재의 저가화를 통해 적용 영역을 확대하기 위한 기 술개발의 노력이 필요할 것으로 사료된다.
