▲ 황영은 특허청 동력기술심사과 사무관.

[월간수소경제 황영은 객원기자] 기술이 고도화될수록 산업경쟁력 측면에서 지식재산(IP)의 역할은 더욱 중요해지고 있다. 일례로 국내 조선업계는 LNG선 건조 시장에서 세계 1위를 차지하고 있지만 LNG 화물창(LNG저장탱크) 원천기술과 특허를 보유한 프랑스 GTT사에 매년 수조 원의 로열티를 지불하고 있다.

이는 국내 조선사가 한발 늦게 LNG선 시장에 참여한 영향도 있지만 근본적으로는 원천기술을 대체해 회피할 수 있는 기술(회피기술)에 대한 특허권 확보의 중요성을 간과한 결과로 보인다.

최근 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료에서 수소로의 에너지 전환을 촉발하고 있는 수소경제의 태동은 우리나라와 같이 LNG운반선 분야의 경험과 기술력을 축적하고 있지만 천연자원이 빈약한 국가에는 ‘천재일우’의 기회가 될 수 있다. 수소 분야는 기술집약적 산업의 특성상 에너지자원이 없어도 기술 확보를 통해 산업 주도권을 장악할 수 있기 때문이다. 

지난 LNG 산업에서의 부진을 만회하고 수소산업에서 경쟁우위를 점하기 위해서는 수소경제 초기부터 R&D를 통한 핵심 원천기술 확보, 특허 창출 및 보호 전략의 수립, 특허분쟁을 예방하는 등 수소 관련 지재권 이슈에 대한 체계적 대응이 중요하다. 

이에 따라 특허청에서는 탄소중립의 핵심인 수소에너지를 저렴하고 안정적으로 공급하는 데 있어 액화수소를 활용한 수소공급망, 저장 및 운송을 연계한 전략의 중요성을 인지하고, 지난 2022년에 액화수소산업 특허 동향을 분석하고 IP 관점에서 경쟁력 제고 전략을 마련했는데, 이에 대해 살펴보기로 한다. 
 
액화수소산업의 중요성
전 세계적으로 ‘수소에너지’로의 패러다임 전환을 통해 글로벌 경쟁우위를 확보하고, 에너지 수급의 불안정을 극복하기 위해 각국에서는 수소 관련 정책이 활발히 만들어지고 있다. 이러한 정책들의 공통점은 ‘규모의 경제’를 추구해 가격 경쟁력을 키우는 것이다. 기술혁신을 통해 수소생산단가를 낮추고, 저장·운송비용의 절감 등을 통해 수소공급단가를 낮추는 것이다.

액화수소산업은 수소의 저장·운송·사용 부분에서 액화수소를 사용하는 산업 분야를 말하는데, ‘규모의 경제’ 실현 측면에서 가장 핵심적인 분야라고 할 수 있다. 즉 수소생산시설에서 제조된 기체수소를 액화수소플랜트에서 액화해 저장하고, 저장된 액화수소를 선박을 이용해 해상으로 운송하거나 파이프라인 또는 튜브트레일러를 이용해 육상으로 이송해 액체수소충전소에 공급함으로써 수소의 대량 공급을 가능하게 해준다. 

액화수소는 대기압으로 장기간 보관할 수 있고 대용량 저장이 가능해 기체저장 방식, 액상저장 방식(암모니아), LOHC 저장방식과 비교해 안전하고, 운송비를 효과적으로 낮출 수 있는 장점이 있다. 미국, 독일, 프랑스에서 이미 상용화에 필요한 수소액화 기술을 갖추고 있으며, 향후 가장 현실적이고 경제적으로 수소경제에 적용 가능한 기술로 보인다.  

▲ 미국 플러그파워의 액화수소 생산시설.

맥킨지 보고서는 2050년 전 세계 에너지 소비량의 18%(5억4,600만 톤)는 수소에너지가 차지할 것으로 전망했다. 2020년 전 세계 에너지 소비량 중 천연가스가 24%이고, 천연가스 액화 용량이 하루 약 122만 톤인 점을 감안하면 수소경제가 예상과 같이 실현될 경우 액화수소산업 시장의 규모도 동반해 급격히 성장할 것임을 알 수 있다. 

현재 전 세계 액화수소 생산 용량은 2019년 기준 약 370톤/일 규모로 아주 미미한 양에 불과하지만 향후 우리나라를 비롯한 미국, 중국 등에서 신규 액화수소플랜트가 구축됨에 따라 액화수소 생산량은 2025년까지 약 860톤/일 규모로 증설될 예정이다.  

우리나라의 경우 태양광, 풍력 등 재생에너지가 부족하고 그린수소 가격도 $2.25/kg 수준으로 높은 편이어서 수소생산단가의 글로벌 경쟁우위를 확보하기 어려운 상황이다. 정부의 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’(2021년 11월)에 따르면 2050년 기준 국내 수소 수요(연간 2,790만 톤)의 60% 이상을 해외로부터 수입할 예정이다. 해외로부터 도입되는 수소의 10%인 약 170만 톤을 액화수소 저장방식을 통해 해상으로 운송하기 위해서는 대규모의 액화수소플랜트 건설과 400여 대의 액화수소 운반선이 필요하다.

액화수소 플랜트와 운반선은 자본비용이 매우 큰 산업이다. 상용급 액화수소플랜트 건설에 약 3,000억 원이 들고, LNG 운반선으로부터 액화수소 운반선의 가격을 추정해보면 최소 3,200억 원 이상의 규모가 될 것으로 보인다. 

또 액화수소산업은 고도의 기술력이 필요한 분야로 신규 참여자의 진입장벽이 매우 높아 기술획득에 따른 경제적 파급효과가 매우 크다. 따라서 수소경제가 본격적으로 개화될 것으로 예상되는 2030년 이후 글로벌 수소공급망 구축에 국내 기술력을 활용할 수 있다면 국가와 기업은 신산업 및 일자리 창출에 따른 미래 성장 동력을 확보하고 글로벌 경쟁력을 높일 수 있을 것이다.
 
글로벌 액화수소기술 동향
현재 에어프로덕츠(미국), 린데(독일), 에어리퀴드(프랑스) 등 3사가 액화수소 기술(액화수소 공정기술 및 핵심기자재 분야)의 원천기술을 보유하고 이를 영업비밀로 보호하고 있다. 이들 선도기업은 액화수소플랜트 라이센싱, EPC(플랜트 설계, 자금조달, 시공 등) 및 O&M(운영 및 유지보수)을 직접 주관하며 신규 참여자의 진입을 막는 카르텔을 형성하고 있다. 

▲ 독일 운터슐라이스하임센터에 들어온 린데의 액화수소 트레일러.

또 이들 기업은 액화수소 저장뿐만 아니라 독점적인 시장 지위를 이용해 수소생산·활용의 벨류체인의 모든 영역으로 사업을 확장하며 수소경제의 주도권을 키워가고 있다. 미국의 차트인더스트리스 등 LNG 관련 기술을 보유하고 있는 글로벌 에너지 분야 기업들도 기업 인수 등을 통해 액화수소산업 진출을 도모하고 있다. 

이들 글로벌 선도기업의 액화수소 관련 기술 역량은 매우 높은 수준이다. 액화수소플랜트의 효율을 나타내는 특정 에너지 소비(SEC)는 기체수소 1kg을 액화하는 데 필요한 소비전력을 나타내는 것으로, 현재 운영되고 있는 상용급 액화수소플랜트는 약 11~15kWh/kgH₂이고, 생산 용량은 약 5~30톤/일 규모이다. 

수소의 원가구조에서 액화수소 저장·운송비가 많은 부분을 차지하므로 규모의 경제를 실현하는 경우 수소액화 비용을 kg당 1달러 이내로 상용화하고, 이 경우 대용량 액화수소플랜트는 특정 에너지 소비(SEC)를 6kWh/kgH₂로 낮추고, 생산 용량은 50톤/일 이상으로 규모가 확대될 예정이다. 

대규모 액화수소플랜트의 공정기술은 종래의 액화질소를 이용한 예냉 방식에서 혼합냉매 사이클을 이용한 예냉 방식으로 개선되고, 수소클로드사이클을 이용해 예냉된 기체수소를 극저온으로 과냉각시켜 액화하는 냉각 사이클을 적용할 예정이다. 

▲ 일본 이와타니의 오사카 이타미공항 액체수소충전소.

또한 수소기체를 고속으로 팽창시켜 액화시키는 고효율의 극저온 터보 팽창기, 핵심기자재의 스케일업에 대응한 Cold Box(20K)의 모듈화 및 진공 단열 기밀 성능 향상, 혼합냉매의 최적화, 혼합냉매 및 수소 등과 같이 압축이 어려운 냉매의 고효율 압축을 위한 터보 압축기, 대용량 액화수소 저장탱크 등 핵심기자재에 대한 기술개발을 진행 중이다. 

일본의 가와사키중공업과 중국의 풀클리오는 독자적으로 글로벌 3사의 원천기술을 활용한 액화수소플랜트를 운영 중이며, 핵심기자재의 국산화 설비를 적용했다고 알려져 있다. 특히 일본은 ‘잃어버린 10년’을 만회하기 위한 신성장동력으로 수소산업을 육성하면서 수소공급망의 실증 및 상용화를 가속하고 있다. 우리나라와 같이 해상으로 부족한 자원을 수급해야 하는 일본은 정부 주도로 HySTRA 컨소시엄을 구성해 호주의 갈탄으로부터 수소를 제조하고, 이를 액화시켜 저장해 액화수소운반선을 통해 자국에 도입하는 프로젝트 실증을 완료했다. 

국내의 액화수소기술은 개발 초기 단계 수준으로, 아직 핵심기자재 상용화 기술은 없는 것으로 보인다. 한국기계연구원은 국책과제로 액화수소플랜트 상용화를 목표로 수소액화플랜트 핵심기술의 국산화 개발을 위한 파일럿 사업을 추진하고 있다. 

▲ 상공에서 내려다본 창원 액화수소 플랜트.

두산에너빌리티, 효성, SK E&S 등 대기업을 중심으로 기술력을 보유한 글로벌 기업(린데, 에어리퀴드)과의 합작투자 형식으로 액화수소플랜트를 구축해 액화수소를 생산할 예정이다. 제한적이기는 하나 우리 기업이 주기기를 제외한 보조기기에 대한 EPC 및 O&M에 참여하고 있어 선도기업과의 협업 관계를 형성하고 관련 기술을 쌓는 좋은 기회가 될 것으로 보인다. 

그러나 플랜트 주기기 설계 및 핵심기자재 구매에 참여할 수 없고 요소기술들을 시스템화한 기술(cold box 내부) 및 액화공정기술은 영업비밀로 보호하고 있어 핵심 기술력을 획득하기는 어려운 상황이다. 액화수소 공정기술 및 핵심부품의 국산화 기술에 대한 역량 확보가 필요하나, 민간기업은 액화수소기술 개발 분야의 R&D 투자에 소극적이고 참여도 저조한 실정이다. 

▲ 가와사키중공업의 액화수소 운송 선박.

액화수소 운송 선박은 아직 연구개발 단계로 전 세계에 상용화 기술이 없다. 액화수소 운송 선박에는 액화수소의 증발가스를 최소화하는 단열기술 및 하중을 견딜 수 있는 최적 구조의 대용량 화물창, 증발가스 재액화 및 친환경 연료를 이용한 추진시스템 등의 핵심기술이 필요하다. 

화물창 기술개발과 관련해 삼성중공업 등 국내 조선사는 5,000~2만m³ 용량의 Type C 및 멤브레인형 액화수소운반선 기술개발에 착수하고, 2030년까지 16만m³급으로 상용화할 계획이다. 

가와사키중공업은 지난 2022년 HySTAR 프로젝트의 일환으로 LNG 운반선 기술을 응용한 1,250m³ 용량의 IMO C-Type 형태의 액화수소운반선 실증을 완료하고, 2030년까지 16만m³급을 상용화할 계획이다. 유럽은 12개의 해운업체들로 구성된 컨소시엄 주도로 플래그십 프로젝트를 추진해 올해 초 세계 최초로 수소추진선의 상용화에 성공했다.  

액화수소산업은 LNG 산업과 인프라 및 기술 특성이 유사해 LNG 선박 기술을 선도하는 국내 조선사들이 기술 진입장벽을 형성하고 주도권을 확보할 수 있는 유리한 상황이다. 하지만 국내 조선사는 신사업 분야의 연구개발 인력 부족의 어려움을 겪고 있고, 아직 액화수소운반선 및 수소연료추진선의 실증단계에도 미치지 못한 점은 경쟁사에 경쟁우위를 빼앗길 수 있는 위기 요인이 될 수도 있다. 또 액화수소 저장·이송 및 수소선박 관련 안전기준 부재는 기술개발의 제약사항으로 작용하고 있다. 
 
액화수소기술 특허 동향
2000~2021년 IP5(한·미·일·중·유럽)의 액화수소산업 분야 특허 출원량은 총 2,473건으로 꾸준히 증가해왔다. 액화수소 핵심설비 기술이 전체 출원량의 58.7%를 차지하며 상승을 견인하고 있다. 액화수소 저장 및 운송기술 분야 특허출원은 2013년 이후 급격히 성장했는데, 1차 수소경제 시기(2003~2010년)를 기점으로 연료전지의 특허 출원량이 증가한 이후 수소 활용 분야가 확대되면서 인프라 기술의 필요성이 높아져 액화수소 저장·운송 분야 특허출원이 활발해졌기 때문으로 해석된다. 

2000~2021년 IP5의 액화수소 3대 요소기술별 다량 특허 보유현황을 살펴보면 액화수소 공정기술 및 핵심설비 분야의 다량 특허 1~3위 내에 린데가 포함되어 있어 액화수소 기술 분야에서 가장 높은 특허 경쟁력을 보유하고 있다. 

크라이오스타는 린데의 자회사로 극저온 터보팽창기와 같은 극저온장비를 제공하며 액화수소 핵심설비 분야 특허를 다수 보유하고 있다. 

에어프로덕츠는 상용화된 액화수소플랜트의 공정기술을 공개하지 않고 특허권도 보유하고 있지 않았다. 

일본의 스미토모는 LNG 액화 및 수소생산을 위한 극저온 장비(극저온 열교환기·펌프) 분야에서 지속적인 기술개발을 해오면서 액화수소 핵심설비 분야 특허출원이 가장 활발했다. 

우리나라는 액화수소 운송수단 분야에서만 TOP 10에 삼성중공업, HD현대중공업, 대우조선해양이 포함되어 있다. 

국가별 기술력은 특허집중도·영향도로 평가될 수 있다. 특허집중도는 특허출원 건수에 비례하는 것으로 특허출원 건수가 많을수록 해당 기술 분야 연구개발 활동의 집중도가 높은 것을 나타낸다. 특허영향도는 미국에 등록된 특허의 피인용 비율(심사관이 선행기술로 사용한 비율)에 비례하는 것으로 이 비율이 클수록 해당 기술 분야의 기술 수준이 높다고 평가된다. 

수소액화공정, 수소액화 핵심설비, 액화수소 운송수단 모두에서 미국이 기술을 선도하고 있으며, 액화수소 공정 및 핵심설비의 특허집중도는 유럽이 높았다. 한국은 액화수소 운송수단 분야의 특허집중도는 높은 반면 액화수소 공정기술 및 핵심설비 기술에서는 가장 후발주자로 나타났다. 

액화수소산업 분야 기술의 성장주기는 출원 건수 및 출원인 수가 급격히 증가하는 ‘성장기’에 진입했다. 출원 건수가 증가하면 기술성장이 가속화되고, 출원인 수가 증가하면 기술개발 참여 기업의 저변이 확대되어 글로벌 경쟁이 심화하는 것을 의미한다. 

2013~2019년 기준 IP5의 출원인 수는 36명에서 69명으로 91.7% 증가했고, 출원 건수는 92건에서 182건으로 97.8%나 증가했다. 출원인 국적별로는 일본의 출원 건수 및 출원인수는 감소한 반면 한국과 중국의 출원 건수 및 출원인 수의 증가세가 눈에 띈다. 

2000~2021년 기준 IP5의 핵심요소기술별 특허출원 건수는 액화수소 저장탱크(35.5%, 515건), 액화수소 극저온펌프(26.3%, 381건), 수소압축기(19.1%, 277건) 순으로 높았다. 액화수소 저장탱크가 가장 많은 비중을 차지한 이유는 수소 활용의 확대에 따라 액체수소의 이용범위가 넓어져 액화수소 저장탱크의 기술개발 필요성이 커졌기 때문으로 보인다. 
 
시사점과 대응전략
향후 글로벌 수소공급망의 구축과 연계한 대용량 액화수소 저장·운송 산업은 수소경제에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대되지만 이러한 수소에너지로의 구조적 전환은 우리 산업계가 혼자서 감당하기는 어려워 보인다. 

따라서 정부의 조정자·협력자로서의 역할이 중요하다. 정부가 주도하고 민간이 참여하는 형식으로 기술확보에 나서야 하고, 기업들이 협업할 수 있는 틀도 정부가 마련해주어야 한다. 미국의 세마테크(SEMATECH) 사례는 정부가 기업 간 공동연구 인프라를 조성해 기업이 원천기술을 확보하고 글로벌 기업으로 성장하는 토대를 만들어준 좋은 선례가 되고 있다. 이러한 협력모델을 채용해 정부 주도로 액화수소 저장·운송기술에 대한 연구개발 실증사업을 지속적으로 지원하고 수요처 확보를 통해 민간기업의 참여를 유도해 기술개발을 촉진할 필요가 있다. 

기업은 액화수소산업 기술 분야별 차별화된 기술획득 전략을 마련하고 특허권 확보를 통해 액화수소산업의 경쟁력을 강화해 나가야 한다. 액화수소 공정기술 및 핵심기자재 분야는 액화수소플랜트 상용화를 위한 국책과제가 진행 중이나 선도기업과의 기술격차가 50~70% 수준으로 커서 자체 R&D를 통해서만 기술을 따라잡기는 쉽지 않은 상황이다. 

특히 액화수소플랜트의 핵심기자재인 극저온 터보팽창기와 같이 고도의 기술력이 필요해 상용급 수준의 국산화가 어려운 기술 분야는 관련 기술을 보유한 해외기업과 A&D(인수합병) 등을 통해 빠르게 기술을 획득하고 고도화하는 전략을 추진하는 것도 필요할 것으로 보인다. 

그동안 액화수소 시장이 부진했던 데다가 미국과 독일은 액화수소 기술을 우주·국방 전략기술로 지정해 관련 기술을 수출 금지 품목으로 분류·관리함에 따라 선도기업의 특허 활동이 다른 산업보다 미미했지만 향후 액화수소 시장이 크게 성장할 경우 후발주자의 시장 참여를 제한하기 위해 특허장벽을 형성할 가능성이 높다. 선도기업의 기술에 종속되지 않기 위해서는 핵심기술에 대한 주요 특허의 권리 내용을 분석해 대체기술, 회피설계 등 연구개발 방향을 설정하고 방어기술을 특허로 보호해 분쟁을 미리 대비해야 한다. 

액화수소 운반선은 상용화를 위한 시스템 기술의 개발 및 관련 특허를 선점하는 전략이 필요하다. 경쟁사에서 쉽게 회피할 수 없는 기술로 핵심기술에 대한 원천성 특허를 신속히 획득하고, 시장 진입이 예상된 모든 국가의 특허권을 보유해야 한다. 특허권은 속지주의 원칙이 적용되기 때문에 한 국가에서 특허를 받으면 그 나라에서 생산하거나 그 나라로 수입되어 들어오는 제품에 대해서만 특허권을 행사할 수 있기 때문이다. 

기술개발 초기에는 특정 분야에 대해 권리에 집중하기보다는 모든 기술에 대해 권리를 획득해 사업의 자유도를 확보할 필요가 있다. 사업의 자유도가 큰 경우 시장 주도기술의 변화에 쉽게 대응할 수 있다. 경쟁사의 특허데이터 및 기술 트렌드를 지속적으로 모니터링하고 분석해 유망기술을 도출하고 관련 기술들에 대해 특허장벽 구축, 라이센싱을 통한 기술도입, 기업 인수 등을 통해 특허 포트폴리오를 강화해 간다면 글로벌 주도권을 선점할 수 있을 것이다.

SNS 기사보내기