UPDATED. 2020-07-06 02:15 (월)
[페이턴트] "이산화탄소도 줄이고 유용한 화합물도 만들고 '일거양득'"…이산화탄소의 재활용 기술 특허출원 활발
[페이턴트] "이산화탄소도 줄이고 유용한 화합물도 만들고 '일거양득'"…이산화탄소의 재활용 기술 특허출원 활발
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울산과학기술원이 2019년 7월 22일 출원(출원번호 제1020190088325호)해 같은해 9월 20일 등록(등록번호 제102025920호)을 받은 '이산화탄소 활용 시스템'라는 명칭의 특허의 대표 도면. 그림=키프리스 캡처
울산과학기술원이 2019년 7월 22일 출원(출원번호 제1020190088325호)해 같은해 9월 20일 등록(등록번호 제102025920호)을 받은 '이산화탄소 활용 시스템'라는 명칭의 특허의 대표 도면. 그림=키프리스 캡처

[비즈월드] 본 발명은 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용해, 전기, 수소 및 중탄산이온을 생산하고, 이로부터 발생하는 금속 이온을 회수할 수 있는 이산화탄소 활용 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 다양한 금속을 사용하여 별도의 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용해 전기, 수소 및 중탄산이온을 생성할 수 있다. 아울러 상기 이산화탄소 활용 시스템은 금속 회수부를 더 포함함으로써, 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 소모되어 이온 형태로 남은 금속을 고순도로 다시 회수할 수 있다.

울산과학기술원이 2019년 9월 등록받은 '이산화탄소 활용 시스템' 특허의 요약문이다.

최근 산업화와 더불어 온실가스의 배출이 지속적으로 증가하고 있으며, 온실가스 중 이산화탄소가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 산업 유형별 이산화탄소 배출량은 발전소 등 에너지 공급원에서 가장 많고, 발전을 포함한 시멘트·철강·정제 산업 등에서 발생되는 이산화탄소가 전 세계 발생량의 절반을 차지하고 있다.

이산화탄소 전환·활용 분야는 크게 화학적 전환, 생물학적 전환, 직접 활용으로 구분할 수 있다. 기술적 범주로는 촉매, 전기화학, 바이오 공정, 광활용, 무기(탄산)화, 폴리머 등으로 구분 지을 수 있다.

이산화탄소는 다양한 산업 및 공정에서 발생되고 하나의 기술로 이산화탄소 저감을 달성할 수 없기 때문에 이산화탄소 저감을 위한 다양한 접근 방식이 필요하다.

현재 미국 에너지성 'DOE(Department Of Energy)'는 이산화탄소를 저감하기 위한 기술로 CCS(Carbon Capture & Storage)와 CCU(Carbon Capture & Utilization)이 복합된 CCUS 기술에 관심을 두고 다각적 기술 개발을 추진하고 있는 것으로 알려져 있다.

CCUS 기술은 효과적인 온실가스 감축 방안으로 인정받고 있으나, 고 투자 비용, 유해 포집제의 대기 방출 가능성, 낮은 기술 성숙도의 문제에 직면하고 있다. 또 에너지 및 기후 정책적 관점에서 CCUS는 온실가스 배출량을 실질적으로 감축하는 수단을 제공하지만 기술의 실현에는 보완 사항이 많다. 따라서 보다 효율적으로 이산화탄소 포집, 저장 및 활용하는 새로운 개념의 한계돌파형(breakthrough) 기술개발이 요구되고 있다.

이런 가운데 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용해 전기, 수소 및 중탄산이온을 생산하고, 이로부터 발생하는 금속 이온을 회수할 수 있는 이산화탄소 활용 시스템에 관한 기술이 특허 등록을 받았다.

울산과학기술원이 2019년 7월 22일 출원(출원번호 제1020190088325호)해 같은해 9월 20일 등록(등록번호 제102025920호)을 받은 '이산화탄소 활용 시스템'라는 명칭의 특허가 그것이다.

이 특허는 울산과학기술원이 2018년 12월 27일 출원(출원번호 제1020180170838호)해 2019년 11월 4일 등록(등록번호 제102042683호) 받은 특허를 분할출원한 것이다.

분할출원이란 복수의 실체를 가지는 발명에 관해 하나의 출원을 한 경우, 그 출원의 내용 중 일부에 관해 출원범위를 나눠 별도로 출원을 하는 것을 말한다. 이는 최초 출원이 '1발명 1출원주의 원칙'에 위반돼 등록을 거절 받을 수 있을 경우 이용하게 된다.

또 출원자가 출원 당시 생각하지 못했다가 나중에 스스로 처음 출원을 여러 출원으로 분할하고 싶을 때 이용하기도 한다.

예를 들어 특허 청구범위 가운데 등록이 쉬워 보이는 일부를 분할출원으로 먼저 등록을 받고 나머지 청구범위는 별도로 신청하고자 할 때 이용하는 것으로 하나의 출원으로 둘 이상의 특허권을 등록할 수 있는 제도이다.

이산화탄소의 재활용 기술과 관련한 특허의 출원 활발한 것으로 나타났다고 특허청이 전했다. 표=특허청 제공
이산화탄소의 재활용 기술과 관련한 특허의 출원 활발한 것으로 나타났다고 특허청이 전했다. 표=특허청 제공

최근 앞서 예로 든 등록 특허와 같이 이산화탄소의 재활용 기술과 관련한 특허의 출원 활발한 것으로 나타났다고 특허청이 전했다.

지구 온난화의 주범중 하나인 이산화탄소 저감하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이산화탄소 저감 기술의 범위가 이산화탄소를 단순히 포집해 폐기하는 것에서 이산화탄소를 재활용하려는 수준까지 확장됨에 따라 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다.

이 가운데 전기화학적 전환(환원반응)을 이용한 이산화탄소의 재활용 기술은 전기를 활용함에 따른 설비운용의 용이성, 작은 설비공간 소요 등의 장점으로 인해 차세대 이산화탄소 재활용 기술의 하나로 각광받고 있으며 이에 따른 특허출원이 활발해 졌다.

31일 특허청(청장 박원주)에 따르면 2015년부터 2019년까지 최근 5년 동안 전기화학적 이산화탄소 전환기술 관련 특허출원 건수는 161건으로 이전 5년(2010년~2014년) 84건에 비해 약 2배가량 증가했다.

최근 5년 동안의 기술분야별 관련 특허는 전환 장치의 구조와 관련된 출원이 136건(55%), 전환 장치의 구성요소 중 하나인 환원전극과 관련된 출원이 90건(37%), 산화전극, 분리막 등의 기타 구성요소와 관련된 출원이 19건(8%)이었다.

환원전극 관련 특허가 활발한 것은 환원전극의 촉매 등의 구성에 따라 화학 약품 제조 등에 사용되는 일산화탄소, 고무 제조 등에 사용되는 포름산, 연료 등에 사용되는 알코올과 탄화수소 등의 다양한 생성물을 얻을 수 있고 이산화탄소의 유용한 생성물로의 전환 효율에 큰 영향을 미치기 때문으로 풀이된다.

기술분야별 출원 세부내용 중 장치와 관련된 출원을 보면 ▲산화 반응(전자를 잃는 반응)이 발생하는 영역과 환원 반응(전자를 얻는 반응)이 발생하는 영역을 분리하기 위한 분리막을 포함하는 유격막 장치가 112건 ▲분리막이 포함되지 않는 무격막 장치가 13건 ▲기타 11건으로 유격막 형태의 장치가 대부분을 차지했으며, 이는 생성물의 효율 및 품질(이산화탄소 환원 생성물의 산화전극에서의 재산화  방지 등)에 기인한 것으로 분석된다고 특허청 측은 설명했다.

같은 기간 출원인별 특허출원은 내국인이 175건(71%), 외국인은 70건(29%)이었으며 내국인 특허출원 중에는 대학 및 연구기관(157건, 90%)의 비중이 대다수를 차지했고 기업은 10% 수준인 18건을 출원했다. 대학과 연구기관의 비중이 대다수를 차지하는 것은 투입되는 전기에너지와 원료 대비 생성물의 경제성 확보 등에서 아직 연구개발단계에 머물러 있기 때문으로 풀이됐다.

외국인의 특허출원 국가별 현황은 미국(26건, 37%), 유럽(21건, 30%), 일본(10건, 14%) 순이었다.

유현덕 특허청 재료금속심사팀장은 "전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 이산화탄소 배출량을 감소시켜 지구 온난화 문제를 해결하는 목적 뿐 아니라 이산화탄소의 재활용이라는 측면에서 경제적 가치가 높으므로 이에 대한 기술개발이 앞으로 활발할 것으로 예상된다"면서 "해당 기술의 실용화를 위한 기업의 관심이 무엇보다도 중요하다"라고 강조했다.


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