원적외선과 음이온 연구개발 현황과 산업 동향

원적외선 특허기술 동향

박 선 민 공학박사 요업(세라믹)기술원 도자·구조세라믹본부 책임연구원

1. 서론
최근 각 분야에서의 원적외선 활용은 가열·건조의 산업분야에만 국한되지 않고 의료기기, 건강식품 및 생활용품, 내의류 등의 신소재로 다양하게 이용되고 있으며 일본에서는 여러 분야, 즉 가열, 비가열, 원료의 모든 분야에서 활발히 이용되고 있다. 특히 일반 소비자를 대상으로 섬유제품, 즉 속내의와 양말 등 다양한 상품들이 개발되고 있다. 또한 가정용 온열조사기 및 사우나도 시장에 많이 출시되고, 의료분야에 있어서도 의료용 온열조사기와 암치료에 효과가 좋은 면상 발열체를 이용한 암치료기도 국민적 관심사로 되고 있으며, 많은 의료기관에서의 설치가 진행되어 왔다.
필자는 특허청 patent map(이하 PM이라 칭함)개발사업 ‘원적외선 원료 및 응용제품’에 대하여 한국, 미국, 일본의 국가별 특허출원 및 등록건수를 [표 1]의 키워드로 검색하여 특허기술 동향을 분석하였다.
위의 키워드 및 검색식을 이용하여 1983년부터 2002년까지 국가별 특허출원 연도별로 검색한 특허 건수를 [표 2][그림 1]에 나타내었다. 이들을 용도별 분류로 채택하고, 다양하고 향후에도 발전 가능성이 높은 분야를 중심으로 분석대상을 [표 3]과 같이 분류하였다.
2. 특허로 본 기술개발 동향
원적외선 원료 및 응용제품의 특허등록 동향에 있어서 크게 가열, 비가열 그리고 원료로 나눌 수 있다. 원적외선의 가열분야는 첫째 건자재 분야로 내장재, 외장재, 장식재, 환경친화재 및 보강재(첨가재)를 들 수 있으며, 둘째 장치산업으로 건조기, 숙성기, 경화기, 성형기, 구이용품, 난방기, 예열·보온기, 히터, 기능성 가열제품 및 목욕시설을 들 수 있다. 셋째 건강의료로 온열치료기와 온열 침구류가 있으며, 넷째 주방용 가전제품에는 가전제품류를 들 수 있다. 또한 원적외선의 비가열분야에는 주방용품, 섬유제품, 건강용품, 자동차, 기능 및 평가산업으로 나눌 수 있으며, 이 중 관심이 높은 건강용품에는 의료용품, 의료보조용품, 의료 관련용품 및 제조방법을 들 수 있고, 기능 및 평가산업에는 동식물성장(촉진), 숙성 및 신선도유지, 항균, 탈취, 정수와 적외선을 이용한 센서, 적외선 분석 및 장치, 기능성 생활용품을 들 수 있다. 그리고 원적외선의 원료분야에는 합성소재의 고기능성 세라믹과 천연원료의 점토광물, 화강암류로 분류하여 분석하였다.
한국, 미국, 일본의 특허출원 현황에서는 [그림 2]에서 보는 바와 같이 일본의 가열분야 출원이 1,722건으로 가장 많이 출원되고 있고, 다음으로 한국의 비가열 분야가 1,688건, 일본의 비가열 분야가 1,573건, 한국의 가열 분야가 1,156건 순이며, 미국은 한국, 일본과 비교하여 상대적으로 이 분야에 대한 등록건수가 적게 나타나고 있다.
○미국에서는 히터 및 건조장치에서만 특허가 집중.
○원적외선의 열적특성에 대한 인지도가 일반국민들을 상대로 전반적으로 부족.
출원연도별 기술별 특허출원 동향을 나타낸 [그림 3]에서는 전체적으로 비가열분야의 출원건수가 가장 많은 것을 알 수 있다. 비가열분야의 출원건수는 1988년에 현저히 증가하여 196건을 출원하였고, 1989년에도 194건으로 많은 출원건수를 보이고 있는데, 그 당시 일본에서 비가열 분야의 출원이 급격하게 증가되었기 때문으로 판단된다. 그리고 90년대 초반에는 출원율이 저조하다가 1996년부터 2001년까지 출원건수의 급격한 증가를 볼 수 있다. 90년대 중반 이후에 한국특허의 비가열 분야에 대한 출원이 급격히 증가하였기 때문이다. 이는 원적외선의 효과가 서서히 알려지면서 일상생활에서 쓰이는 기능성 제품들의 개발이 점차 본격화되었기 때문이다. 가열분야의 출원건수 역시 비가열분야와 비슷한 양상을 보이며 1988년에 213건을 기점으로 하여, 이전에는 증가세를 보이다가 1988년 이후에는 감소세를 보이고 있으며, 1996년부터는 다시 증가세를 보이며 2000년에 268건을 나타내고 있다. 원적외선의 가열분야는 체계적인 검증이 되어 있는 분야로서 꾸준히 증가하는 경향을 보이고 있다. 원료 분야의 출원건수 동향을 살펴보면, 건수는 그다지 많지 않으나 80년대부터 꾸준한 출원건수를 보이고 있다. 또한 최근 5년간의 출원동향을 살펴보면 비가열분야는 전체출원의 약 33%인 1,712건을 차지하고 있고, 반면에 가열 분야는 상대적으로 낮은 비율인 약 28%(1,197건)을 차지하고 있다. 최근 5년간에 비가열분야에 대한 관심이 상대적으로 높았음을 알 수 있다.
전체 출원에 대한 기술별 특허출원 비율을 나타낸 [그림 4]를 보면, 비가열분야는 전체의 46%(3,573건)의 출원율을 보이며 원적외선 중 가장 많은 출원을 하였다. 비가열분야 중 기능 및 평가산업이 절반 이상인 65%(2,314건)의 비율을 차지하며 가장 많은 출원건수를 보였다. 이는 원적외선 고유의 열적특성이 반드시 가열장치를 통하지 않아도 인체 등을 통한 재방사 효과가 있음이 알려지면서 기능성 생활용품 등에 관심이 집중되었기 때문으로 여겨진다.
가열분야는 전체의 38%(3,010건)를 차지하고 있으며 그 중 장치산업이 62%(1,853건)로 가장 많은 출원율을 보이고 있다. 그 뒤로 건자재가 15%(454건), 주방용품이 12%(363건), 건강의료가 11%(340건)의 출원율을 보이고 있다. 특히 건자재분야는 친환경, 건강에 대한 관심 등으로 한국에서는 90년대 중반이후급증하고 있다. 원료분야는 전체의 16%(1,268건)를 차지하고 있으며, 그 중 합성소재가 86%(1,089건)로 천연원료에 비해 절대적으로 출원건수가 많으며, 천연원료가 14%(179건)의 출원율을 보이고 있다. 이는 천연원료를 소재로 하였지만, 여러 가지 합성소재를 사용하여 혼합한 제품들이 많았기 때문이다.
한국의 출원인 국적별 기술별 특허출원 동향[그림 5]을 살펴보면, 그림에서 알 수 있듯이 한국 출원인은 96.8%로 대부분이 한국에서 출원되었으며, 일본은 3%를 차지하며 해외출원인 중 가장 많은 비율을 차지하였다. 한국에서 출원한 특허 중 비가열이 50%로 가장 많았으며, 가열은 35%의 비율로 그 뒤에 많은 출원이 이루어졌음을 알 수 있다. 일본 출원인의 출원 동향 역시 비가열이 52%, 가열이 33%로 한국과 유사하게 나타났다.
[그림 6]은 미국의 출원인 국적별 기술별 특허등록 비율을 나타낸 그림이다. 미국이 전체의 57.8%를 등록하였고, 일본과 한국이 각각 28.3%와 7%의 등록률을 보이고 있다. 미국 등록특허 중 전체의 72%가 비가열 분야에 관한 특허였으며, 가열 분야는 21%를 차지하였다. 한국에서 등록한 특허는 비가열 분야가 46%, 가열 분야가 37%의 비율을 나타내고 있으며, 일본은 비가열 분야와 가열 분야가 각각 45%와 37%로 한국과 거의 유사한 비율로 등록이 이루어지고 있음을 알 수 있다. 일본의 출원인 국적별 기술별 특허출원 비율에 대해 [그림 7]에 나타내었다.
일본은 98.7%의 높은 자국 출원율을 보였으며, 그 뒤로 한국이 0.6%를 출원하였고, 미국은 0.4%를 출원하였다. 일본의 기술분야별 출원비율을 살펴보면 가열 분야가 43%로 가장 많았고, 비가열 분야는 39%가 출원되었다. 한국출원인은 비가열 분야에 대한 비율이 48%로 가장 높았으며, 가열 분야는 35%의 출원율을 보였다. 한국과 미국의 특허는 대부분 개인에 의한 출원이 많이 이루어졌으므로, 일본출원인에 대해서만 분석하였다. 일본특허 중 기업출원은 전체의 78.4%였으며, 그 중 20건 이상을 출원한 주요출원인에 대한 특허출원 비율을 [그림 8]에 나타내었다. MATSUSHITA ELECTRIC는 34.1%로 가장 높은 출원율을 보이고 있으며, 그 뒤로 HITACHI와 SEKISUI CHEM이 각각 8%와 6.2%의 출원율을 나타내고 있다.

3. 특허권리분석
가. 건자재 분야
건자재 분야는 최근에 주거 및 건강에 대한 국민적 관심이 집중되고 있다는 것이 각종 친환경 기능성 건자재의 개발에 그대로 반영되고 있다. 건자재 분야는 최근 사회적 이슈로 등장하고 있는 새집증후군 문제 등으로 출원이 증가할 것으로 예상된다. 또한 전통적으로 원적외선 기능성 건축재료로 쓰이던 분야에서 최근 환경에 대한 관심과 함께 특히 한국에서는 1997년 이후 급증하였으며 내·외장재, 마감재, 바닥재 등에 각종 환경친화적인 원적외선 응용기술이 포함된 특허출원이 늘어나고 있는 추세이다. 한국의 경우 건자재 분야 중 환경친화재가 38%(154건)로 가장 많은 출원 비율을, 다음으로 내장재가 32%(132건)의 출원 비율을 차지하고 있다.
환경친화재는 1991년부터 출원이 이루어지기 시작하여 2000년에 52건으로 최고의 출원건수를 기록하였다. 내장재를 보면 1988년부터 꾸준히 출원이 이루어지다가 1997년에 28건으로 출원건수가 급증하였다가 그 뒤로 10건 내외의 출원건수를 나타내었으며, 2002년에는 37건으로 최고치를 기록하였다.
이는 건축마감재에서 나오는 유해물질에 대한 피해가 알려지면서 인체친화적인 재료에 대한 논의가 본격화되었기 때문이며, 환경친화재 및 내장재 등 인체에 무해한 재료의 대부분이 원적외선 기능성 재료이기 때문이다.
미국은 건자재 분야에서 특허출원이 없었으며, 일본의 경우는 외장재가 31%로 가장 많은 출원 비율을 차지하고 있고, 특히 1988년부터 현재까지 꾸준하게 출원이 되고 있지만 건자재 분야의 전체 출원건수가 41건에 그치는 것을 보면, 현재 한국에서처럼 건축 및 주거환경에 대한 관심이 많지 않다는 것을 알 수 있다.
나. 장치산업 분야
적외선 가열분야의 시작이었던 건조분야의 건조기, 히터 등 각종 기능성 가열제품이 80년대 중반부터 현재까지 점진적인 증가추세를 보이는 가열 분야의 중심산업분야이며, 이미 이론적·학문적으로 정립이 되어있는 분야이다.
한국 장치산업 분야의 특허출원을 살펴보면, 장치산업 분야 중 구이용품이 28%(102건)로 가장 많은 출원 비율을 차지하고 있으며, 다음으로 난방기가 62건을 출원하며 18%의 출원비율을 나타내고 있다. 구이용품은 1989년부터 출원이 이루어지기 시작하여 꾸준한 증가추세를 보이다가 1999년 24건을 기점으로 하여 감소하는 경향을 나타내었다. 난방기의 출원은 1987년부터 이루어지기 시작하여 5건 이하의 출원건수를 보이다가 2000년에 12건을 출원하였고, 2001년에 잠시 감소하였다가 2002년 13건으로 최고치를 기록하였다.
미국은 장치산업에 관한 핵심특허가 많지 않았으며, 일본의 경우 히터 분야가 34%로 가장 많이 출원되었고 1990년 전후로 가장 많이 출원되었다. 다음으로 건조기 분야가 20%, 기능성 가열제품이 14%, 난방기가 7% 순으로 출원비율을 차지하고 있다. 특히 난방기와 예열·보온기 분야는 다른 기술분류와 다르게 1990년대에 출원이 증가하고 있다. 히터, 건조기, 기능성 가열제품 등은 가열분야 중에서도 가장 많이 출원되고 있는 분야이지만 장치산업도 원적외선 붐을 지나서 90년대 초반부터 출원건수가 많이 줄어들었다.
다. 건강의료 및 건강용품 분야
1990년 중반부터 일본 등 선진국의 임상실험 등을 통한 원적외선의 효과가 알려지면서 건강관련 원적외선 분야가 활기를 띄게 되었다. 직접적인 가열을 통한 온열효과 및 인체의 열을 이용한 원적외선 재방사 등 가열, 비가열 분야 모두에서 건강 및 의료에 관한 용품이 상당히 많은 출원건수를 나타내고 있다. 특히 1996년 이후 온열침구류 및 의료보조용품에 관한 특허출원이 증가하고 있다. 한국의 경우 전체적으로 비가열 분야의 출원이 최근 5년 동안 활발하게 이루어졌음을 알 수 있다. 이는 비가열 분야에 학문적으로 논란의 여지가 있음에도 불구하고 원적외선의 효과가 알려지면서 의류 등을 포함한 생활에서 쓰이는 전반적인 용품이나 건강용품 등 기능성 제품들의 개발이 급증하고 있기 때문으로 여겨진다. 건강용품은 1993년부터 1997년까지 가장 많은 출원비율을 보이다가 최근에는 출원비율이 상대적으로 감소를 하였으나, 건강에 대한 관심이 점차 증대되고 있으므로 이 분야에 대한 개발은 계속 늘어날 것으로 여겨진다. 또한 일본의 경우를 보아도 가장 많이 출원된 기술인 기능 및 평가산업의 특허출원 비율은 줄어드는 반면에 건강용품에 대한 출원비율은 증가하고 있다. 이는 일본에서도 원적외선을 응용한 건강제품에 대한 관심이 꾸준히 지속되고 있는 것으로 보인다. 특히, 한국의 경우 건강의료 분야 중 온열치료기가 전체 229건 중 60%(137건)로 가장 많은 출원 비율을 차지하였으며, 온열침구류는 전체 23%(53건)의 출원비율을 나타내고 있다. 온열치료기는 1992년부터 출원되기 시작하여 1997년에 출원이 되지 않았다가 1998년에 19건으로 급격한 출원증가를 보이며 2001년에는 31건으로 최고치를 기록하였다. 또한 온열침구류는 1990년부터 출원이 되기 시작하여 1997년에 10건의 출원을 하였고, 2000년에 3건을 출원하며 저조한 출원 양상을 보이다가 2002년에 13건을 출원하며 가장 많은 출원건수를 기록하였다. 이처럼 건강의료에 대한 관심이 높아짐에 따라 이 분야에 대한 연구개발은 계속적으로 증가할 것으로 예상된다. 또한, 한국의 건강용품의 대부분을 차지한 것은 의료보조용품으로 전체 392건 중 86%(340건)를 차지하였으며, 의료용품은 전체의 9%(36건)를 차지하였다. 의료관련용품 및 제조방법에 관한 특허는 전체의 3%(10건)밖에 되지 않지만 1997년 이후부터 출원되었다는 점에서 최근 들어 출원되기 시작하였음을 알 수 있다. 의료보조용품은 1987년부터 출원되기 시작하여 2000년에 65건으로 가장 많이 출원하고 있다. 이는 원적외선의 특성을 이용한 의료보조용품보다는 기능성 생활용품 등 일상생활 분야에서 먼저 적용이 되어 시장을 형성하였기 때문이다.
반면, 일본의 경우 온열치료기가 48%로 가장 많이 출원되었으며, 특히 최근 5년간에 많이 출원된 것을 알 수 있다. 한국과는 달리 일본에서는 온열치료기 및 온열침구류에 대한 출원건수가 전체 가열 분야 중에 많은 부분을 차지하지 않음을 알 수 있다. 이는 온돌문화에 익숙한 한국에서 온열치료기, 온열침구류에 대한 특허출원이 증가하는 것과는 대조적이다.

라. 기능 및 평가 산업
비가열 분야의 원적외선산업 중 최근 5년 내에 가장 특허빈도가 많은 부분이 기능 및 평가산업분야이다. 특히 기능성 생활용품의 특허는 미국을 제외한 한국, 일본에서는 비가열 분야 중 가장 많은 부분을 차지하고 있다. 특히 한국의 기능성 생활용품에 관한 특허는 최근에 급증하고 있는 추세이다.
한국의 경우, 기능 및 평가산업 중 항균ㆍ탈취ㆍ정수에 관한 출원이 전체 835건 중 40%(327건)의 출원율을 보이며 가장 많은 출원건수를 보였고, 그 다음으로는 기능성제품이 36%(304건)를 차지하였다. 항균ㆍ탈취ㆍ정수에 관한 특허는 1988년에 출원되기 시작하였으며, 2002년에 84건으로 가장 많은 출원건수를 보이며 현재까지 활발히 출원이 이루어지고 있음을 알 수 있다. 기능성제품에 관한 특허는 1986년에 출원되기 시작하여 56건의 출원을 하며 항균ㆍ탈취ㆍ정수와 마찬가지로 2002년에 가장 많은 건수를 출원하였다. 기능 및 평가산업 중 적외선을 이용한 센서 및 장치 등의 개발은 미국에서 가장 활발히 출원되고 있는 분야이며, 적외선의 열적특성을 센서에 활용하여 군사용, 보안용, 생활용품 등에 적용하는 기술을 대부분이다.
반면에 일본의 경우 기능성제품 분야가 50%로 가장 많은 출원비율을 차지하고 있고, 1988년에 가장 많은 출원이 된 이후에도 꾸준하게 출원이 되고 있다. 다음으로 항균, 탈취, 정수 분야에 관한 특허가 22%를 차지하고 있다, 이 분야도 1988년 최고의 출원 건수를 보인 이후에 꾸준하게 출원되고 있다. 이와 같이, 기능성제품 분야는 비가열 뿐만 아니라 원적외선 전체 산업 중에서 가장 많은 부분을 차지하고 있는 분야이다. 이 기능성 생활용품분야가 일상생활에서 쓰이는 제품들이 주류인 것으로 미루어보아 원적외선 산업은 일본인들의 생활문화임을 알 수 있다.

마. 원료 분야
한국의 경우 전체적으로 천연원료에 비해 합성소재가 많은 출원건수를 기록하고 있음을 알 수 있다. 합성소재는 전체 연도에 출원된 346건 중 최근 5년동안 149건이 출원되었으며, 천연원료는 전체 연도에 출원된 197건 중 40건이 최근 5년 동안 출원되었음을 알 수 있다. 합성소재는 최근 5년 사이에 활발한 출원이 이루어지고 있음을 나타내고 있다. 특히 원료 분야는 모든 원적외선의 기본이 되는 원천기술이기 때문에 일본 등 선진국에서는 꾸준히 연구대상이 되어져 왔던 분야이다. 이런 원료들은 천연원료 그대로의 상태로도 원적외선 특성을 나타내는 것들이 있으나, 기능성을 고려한 보다 나은 제품개발을 위해 최근에는 여러 가지 복합적인 소재들을 응용한 기술이 부각되고 있는 것으로 여겨진다. 합성소재를 보면, 전체 346건 중 고기능성 세라믹 분야가 75%(261건)의 출원비율을 차지하고 있다. 또한 고기능성 세라믹 제품은 1983년 이후, 꾸준한 출원을 보이다가 1998년부터 출원이 급증하고 있다. 이는 다른 원적외선 응용제품분야에 대한 출원건수가 증가하였듯이, 이 소비재를 중심으로 수요가 증가하면서 합성소재에 대한 연구개발이 활발해진 것으로 보인다. 또한 천연원료는 전체 113건 중 점토광물이 36%로 가장 많은 출원율을 차지하였으며, 2002년에 17건으로 최고치를 기록하였다.
미국의 경우 원료분야의 특허 동향을 기술별 출원기간별 특허등록 현황으로 보면 고기능성 세라믹 분야인 합성소재가 57건으로 천연원료보다 훨씬 많이 출원되었고, 1992년 이후 꾸준하게 등록되고 있다. 또한 고기능성 세라믹 분야에서도 장치산업에 응용되는 특허가 많았으며 일상생활에 적용되는 특허의 대부분은 발명자 및 출원인이 한국인이나 일본인이었다.
일본의 경우, 합성소재가 천연원료보다 많이 출원되고 있다. 합성소재 686건 중 142건은 최근 5년간에 출원한 특허이며, 이중 고기능성 세라믹 분야가 93%를 차지하고 있다. 또한 고기능성 세라믹 분야는 1983년부터 꾸준하게 출원하고 있다. 한편 천연원료는 주로 점토광물과 화강암류에 관한 특허가 많이 출원되고 있지만 그 출원건수가 29건에 불과하기 때문에 천연원료만을 이용하여 원적외선 방사재료를 제조하는 기술보다는 여러 합성소재를 이용한 기술개발이 중심이라는 것을 알 수 있다. 

4. 결론
지금까지 원적외선의 개요와 특허정보를 토대로 도출된 기술동향 및 주요 출원인, 기술발전추이 등의 분석내용을 종합 정리하여 보면 다음과 같은 현상을 확인할 수 있다.
.한국의 원적외선은 ’83년부터 현재까지 지속적으로 증가하고 있으며,
.미국의 원적외선은 ’83년부터 현재까지 아주 조금씩 서서히 증가하고 있고, 
.일본의 원적외선은 ’83년부터 ’89년까지 급격히 증가하고, 이후부터 현재까지 서서히 감소하고 있다.
각 국가의 분야별 출원건수를 알아보기 위해 정리하면 한국과 미국은 비가열 분야가, 일본은 가열 분야가 많은 출원건수[표 4]를 보였다. 또한 각 국가의 분야별 출원비율[표 5]을 보고 분석하면 문화적 차이, 국민성, 기능적/이론적/과학적 특성에 따른 국가별로 이용에 차이가 있음을 알 수 있다.
.한국 : 온돌문화, 건강 - 생활필수품 (온열치료기, 온열침구류, 항균, 탈취)
.미국 : 물리, 전기분야 - 센서, 히터
.일본 : 기능성 분야 - 건조기,
히터, 기능성 가열제품, 숙성, 신선도유지, 기능성 제품, 항균, 탈취
한국은 1983년 원적외선 방사체 연구를 시작으로 현재까지 지속적으로 꾸준히 발전을 해오고 있으며, 주로 자국의 출원율이 96.8%로 대부분을 차지하고 있는 반면에 미국은 우리나라보다 일찍이 원적외선을 산업에 이용해 왔으나, 1990년 중반에 들어서면서 적외선 센서, 히터 등의 장치산업 분야에 원적외선을 많이 이용하였으나, 자국의 출원율이 57.8% 수준으로 매우 낮은 편이다. 일본의 원적외선 발전은 1955년 적외선 방사체 제조를 시작으로 1980년대 말에 원적외선이 급격히 발전해 오면서 현재까지 특허출원건수로 보아 그 발전 가속도는 조금 떨어지는 경향은 보이나, 한국과 미국보다는 많이 출원되고 있으며, 자국의 출원율도 98.7%로 제일 높음을 알 수 있다.

그림 1. 국가별 출원연도별 특허출원 건수(단, 미국은 등록특허)

그림 2. 국가별 / 기술별 특허출원 건수
그림 3. 출원연도별 / 기술별 특허출원 동향
그림 4. 기술별 특허출원 비율
그림 5. 출원인 국적별 / 기술별 특허출원 비율(한국)
그림 6. 출원인 국적별 / 기술별 특허출원 비율(미국)
그림 7. 출원인 국적별 / 기술별 특허출원 비율(일본)
그림 8. 주요 출원인별 특허출원 비율(일본)

 
필자약력
·단국대학교 대학원 화학공학과 공학박사
·기술표준원 신뢰성과 공업연구사
·요업기술원 원료과 공업연구사
·요업기술원 도자·구조세라믹본부
  책임연구원

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