기존의 내연기관 자동차를 대체할 저공해 또는 무공해 자동차로는 전기자동차(EV), 태양광자동차 그리고 압축천연가스(CNG), 액화천연가스(LNG), 에탄올, 메탄올, 수소 등을 연료로 사용하는 대체 연료 자동차가 있다. 그러나 많은 자동차 회사들은 환경규제에 대응 가능한 동력원을 ‘전기에너지’로 보고 이차전지를 사용하는 전기자동차를 비롯하여 내연기관/이차전지를 조합한 하이브리드전기자동차(HEV)의 개발을 늦추지 않고 있다. 그러나 니켈수소(NiMH) 이차전지, 리튬이온(Li-ion) 이차전지, 리튬폴리머(Li-polymer) 이차전지 등을 동력원으로 하는 전기자동차는 수명, 충전 시간, 1회 충전 주행 거리, 가격 등 실용화의 과제들이 아직도 남아 있으며 내연기관/이차전지 하이브리드 자동차는 완전한 저공해 또는 무공해자동차라고는 볼 수 없다.
연료전지자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)는 연료전지를 동력원으로 하는 일종의 전기자동차로서 연료전지 단독 혹은 연료전지/이차전지 하이브리드 형태로 개발되고 있으며 충전 시간, 1회 충전 주행 거리 등의 문제점을 해결할 수 있어 실용화 할 수 있는 차세대 무공해 자동차로 평가받고 있다.
전기자동차 동력원으로서 연료전지의 장점은 단위 무게 당 에너지 밀도가 이차전지에 비하여 월등히 우수하며 연료의 이용효율이 36~50%로 내연기관의 20%에 비하여 매우 높고 석유 계열 이외의 연료(천연가스, 알코올, 수소)를 사용할 수 있다는 점이다.

각국의 특허 활동 분석

한국은 전체적인 출원 건수에서 일본에 비하여 압도적으로 낮으며, 그 대부분의 출원이 국내에 한정돼 있고, 외국의 특허 출원은 매우 저조한 것으로 파악되었다. 또한 현대자동차를 제외하면 국내 출원인의 대부분이 일본과 미국 업체로서, 극히 일부 업체를 제외하고는 특허 활동이 활발하지 않는 것으로 판단된다. 그러나 연평균 성장률에서는 전반적으로 높은 성장률을 나타내고 있어 향후 기술 개발이 활발히 진행될 것으로 기대된다.
일본은 수소공급시스템(HSS), 저온운전기술(LTD) 및 TMS(열관리 시스템)의 분야에서 특허 활동이 활발한 것으로 나타났으며, 한국이나 유럽, 미국에 출원 시 전반적으로 모든 분야에 강세를 나타내고 있는 것으로 파악된다.
한국은 제어용 부품(CON) 및 냉매압축기(COM) 분야에 상대적으로 특허 활동이 집중된 것으로 나타났다. 일본은 TMS, LTD, HSS 분야에, 미국은 TMS, LTD 분야에, 유럽은 COM 및 HSS 분야에 특허 활동이 집중된 것으로 나타났다.
연료전지자동차 핵심 부품 및 시스템 기술 개발은 전세계적으로 90년대 중반 이후 급격한 출원 상승세를 나타내고 있다. 특히, 특허 건수와 출원인 수 변화의 상관관계를 통해 기술의 위치를 살펴보는 포트폴리오 기본 모델에서 연료전지자동차 분야의 미국, 일본, 한국 동향은 모두 기술 혁신의 주체인 출원인 수와 기술 혁신의 결과인 특허 건수가 동시에 증가함에 따라 포트폴리오 기본 모델에서 발전기에 해당하는 것으로 나타났다.
한국과 일본은 지속적인 성장세를 나타내고 있으며, 미국과 유럽은 2000년대 초반 이후 다소 주춤하는 경향을 나타내고 있다.
국가별 내국인 출원인 점유율을 비교하여 볼 때, 한국은 내국인 출원 점유율이 59%로 국내에서의 특허 활동은 활발하다 할 수 있으나, 한국(모두 현대자동차 출원분임)은 미국에서 0.9%(2건), 일본에서 0.5%(4건), 유럽에서 0.6%(1건)의 특허 점유율로서 한국을 제외한 다른 국가에서는 1% 이하의 저조한 특허 점유율을 보이고 있다. 미국 출원인의 점유율은 유럽에서 21.6%, 일본에서 1.1%, 한국에서 3.1%로 일본 출원인보다 낮은 점유율을 나타내고 있다.
일본의 경우 내국인 출원인의 점유율은 한국에서 32.9%(53건), 유럽에서 59.3%(96건) 및 미국에서 39.3%(83건)로 단일 국가로서는 분석 대상 국가 중 주요국에서 가장 높은 특허 점유율을 차지하고 있다. 일본은 자국뿐만 아니라 해외 경쟁국에서 활발한 특허 활동을 통해 높은 출원점유율을 차지하고 있어 공격적이고 전략적인 권리 수립 및 특허 방어 전략을 펼치는 것으로 판단된다.
한국특허에서 주요 혁신 리더는 한국의 현대자동차 60건, 일본의 도요타자동차 18건, 미쓰비시 주고교 7건 순이며, 기술 혁신 리더 Top 15에 현대자동차, LG전자, 한라공조, 삼성SDI 및 두산중공업 등의 5개사를 제외하고 모두 외국기업이 상위를 차지하고 있으며, 이 중 특히 일본 기업이 주를 이루고 있다.
일본 특허에서 혁신 리더는 Nissan Motors 114건, Sanyo Electric 97건, Honda Motors 90건, Toyota Motors 60건으로 상위 업체 모두가 일본 업체가 차지하고 있다.
미국 특허에서 혁신 리더는 Toyota Motors 30건, General Motors 14건, Ballard 14건, Honda Giken 12건, Nissan Motors 9건 등으로 General Motors를 제외하고는 일본 출원인이 차지하고 있다.
유럽 특허에서 혁신 리더는 Toyota Motors 46건, Nissan Motors 11건, Sanyo Electric 10건, International Fuel Cell 6건 등 주로 일본과 미국 업체의 출원이 상위권을 차지하고 있다.
발명자와 출원인의 국적을 바탕으로 국가 간 발생하는 국제 공동 연구 현황을 살펴보면, 미국과 일본에서 공동 연구가 일부 있었으나 거의 전무한 상태로 최첨단 기술에 대한 자국이나 자사만의 권리 선점에 따른 독점 배타권의 취득 및 이에 대한 기술의 폐쇄성을 보여주는 분야라고 판단된다.
상대 중요도와 상대 성장률로 본 연료전지자동차 부품 분야 국내 기술의 위치는 2개 기술 분야(COM, CON)가 상대적으로 강하고 성장하는 분야로 나타났으며, TMS, HSS는 상대적으로 약하나 성장 가능성이 있는 분야로 나타났으며, LTD는 상대 성장 비율이 가장 낮은 분야로 분석되었다.
미국의 기술 위치는 LTD가 상대적으로 강하고 성장하는 분야로 분석되었고, COM은 상대적으로 약하나 성장 가능성이 있는 것으로 나타났다. HSS는 상대적으로 강하나 성장 가능성이 낮은 것으로 나타났으며, CON 및 TMS는 상대적으로 취약한 분야로 나타났다.
일본의 기술 위치는 LTD와 HSS 및 TMS가 상대적으로 강하고 성장하는 분야로 분석되었고, COM은 상대적으로 약하나 성장 가능성이 있는 것으로 나타났다. CON은 상대적으로 취약한 분야로 나타났다.
유럽의 기술 위치는 COM이 상대적으로 강하고 성장하는 분야로 분석되었고, TMS 및 CON은 상대적으로 강하나 상대 성장 비율이 낮은 것으로 나타났으며, HSS 및 LTD는 상대적으로 취약한 분야로 나타났다.
TMS 및 LTD는 연료전지자동차의 열관리 시스템 및 이와 연관된 저온 운전 기술의 주요 출원인의 주요 특허를 중심으로 선별하였고, COM 및 CON은 연료전지자동차의 전동식 냉매압축기 및 여러 부품의 제어용 기술의 주요 출원인의 주요 특허를 중심으로 선별하였으며, HSS는 연료전지자동차의 밸브, 퍼징 및 시스템 관련 기술의 주요 출원인의 주요 특허를 중심으로 선별하여 심층 분석을 하였다.
TMS 분야의 심층 분석 결과, 냉각 시스템의 경우에는 냉각액 회로나 방열기의 배치를 통하여 냉각 효율을 향상시키는 기술이 대부분을 차지하였으며 현재까지 활발히 연구가 이루어지고 있는 것으로 나타났으며, 온도 제어 방법에 대해서는 단순히 불균일 온도차에 의하여 제어하는 기술에서 센서 등이 보다 세밀해지고, 냉각 효과까지 예측 범위에서 제어할 수 있도록 그 제어 방법이 정밀하고 정확해지는 추세를 보이고 있다.
LTD 분야의 심층 분석 결과, 주요 출원인인 도요타는 냉각수 펌프, 수소 펌프 제어를 통한 동결 방지 기술이 주를 이루고 있었으며, 닛산은 연료전지의 전압 인가와 동결 방지제 방출/회수 관련 기술 및 연료전지 스택 내의 동결 방지 보호 시스템이 주를 이루고 있었고, 혼다는 저온 시동장치 제어 밸브 및 연료 및 산화제 가스의 압력 제어 맵이 저온 기동용 제어 맵에 변경되는 기술이 주를 이루고 있었으며, UTC사는 직접 부동액을 이용한 동결 방지와 연료전지 동력 장치의 보온 시스템 및 연료전지 발전 장치의 효율 개선 시스템을 통한 PEM(플로톤교환막) 연료전지의 저온 시동 운전 기술이 주를 이루고 있다. COM과 CON 분야의 심층 분석 결과, 제어용 부품 중 토크리플에 대해서는 실험 또는 정자계 해석을 통해 cogging torque 파형을 구한 후 current control에서 cogging torque를 보상하는 current reference 값을 설정하여 토크리플을 억제하는 기술이 지속적인 출원 동향을 보이는 추세이다. 압축기에 대해서는 Nippon Denso에서 90년대 말 집중적인 특허 출원이 있었으며, Nippon Soken은 90년대 말과 2000년 초에 관련 건이 출원되었고, 2003년에 두 업체 간에 공동 출원이 선보이기 시작하였으며, 향후에도 개발비 절약과 기술 협력을 통한 시너지 효과를 얻기 위해 공동 출원이 이어질 것으로 전망된다.
HSS 분야의 심층 분석 결과, 배기 수소 처리 및 재순환 기술에 있어서, 도요타자동차는 2001년에 수소 배출 가스 배출 방법에 대한 특허를 출원한 이후로 2002년에 수소 농도 분포에 따라 촉매의 구조를 변경하고, 2004년에 유량을 선형적으로 제어하는 방법을 특허 출원하는 등 지속적인 기술적 발전이 진행중이며 향후에도 이러한 추세를 이어갈 것으로 전망된다. 닛산자동차는 2001년에 배출가스의 비율을 조절하여 고수소 가스 이용효율을 얻는 연료전지 시스템에 대한 특허를 출원한 이후로 노즐 분출을 이용하여 순환 성능을 향상시키는 기술에 대하여 출원이 있었고, 혼다자동차는 2002년 고정밀도 압력 유량 제어하는 기술을 출원한 이래 2003년 배출 가스의 수소 농도 감소 및 수소 농도를 이용한 수소 배출량을 억제하는 기술에 대하여 출원하고 있다.
한편, GM은 양극 재순환용 연료전지 퍼지 모터 기술에 있어서 지배적인 기술력을 지닌 것으로 판단되었다. 본 내용은 특허청의 용역 사업의 일환으로 작성된 친환경 연료전지자동차 핵심 부품 및 시스템 기술 개발 특허동향 조사 보고서에서 일부를 발췌한 내용이다.