유원IP칼럼

[칼럼]양자 기술과 특허 IP 동향(4) - 양자센싱과 특허동향

관리자
2024-04-05
조회수 512

안녕하세요, 양자 기술의 특허 전문가, 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소입니다.

이번 시간에는 양자 기술의 중점기술분야 중 마지막으로 '양자센싱(센서)' 분야의 특허동향에 대해서 살펴보고자 합니다. 이번에 사용되는 특허 분석자료들은 지난 '양자컴퓨팅' 및 '양자통신' 칼럼과 마찬가지로 2023년 저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소가 수행한 "국가전략기술 양자 분야 특화 IP R&D 과제 보고서"를 기초로 일부 재가공 및 재작성되었습니다.


먼저, 양자센싱에 대한 특허동향을 살펴보기에 앞서서, 양자센싱은 어떠한 기술을 의미하는지 알아보겠습니다.


1. 양자센싱의 의미 및 세부기술

국가전략기술의 중점기술 분류에 따르면, 양자센싱은 고전 시스템으로는 측정이 불가능한 미세한 신호를 양자 얽힘과 같은 양자의 특성을 활용하여 향상된 민감도와 분해능으로 측정할 수 있는 센싱 및 이미징 기술을 의미합니다. 즉, 양자센싱 기술은 양자의 상태 변화를 감지하여 매우 미세한 물리적, 화학적, 생물학적 변화를 감지하는 초정밀 계측 기술을 의미합니다. 이러한 양자센싱을 위한 양자센서는 고전센서의 한계인 표준양자한계(Standard Quantum Limit; SQL)을 뛰어 넘어야 합니다. 현재 양자센싱 기술은 실험 및 초기 상용화 단계에 있으며, 다양한 적용 분야에서 성능 향상을 위해 센서의 설계, 측정을 위한 프로토콜, 양자 상태 조작 등의 기술 고도화가 필요한 상황입니다.

이러한 양자센싱은 세부기술분야로 아래와 같이 분류될 수 있습니다. 각각의 세부기술명 옆에 두자리의 영문자는 추후 특허분석에서 기술분류를 간단하게 표기하기 위한 분류체계이므로, 아래의 데이터들에서 참고해주시기 바랍니다.

중점기술세부기술세부기술 설명
양자센싱관성 센싱(CA)

- 힘, 가속도, 변위와 같은 역학적 물리량을 움직이는 양자 시스템의 미세한 양자역학적 변화를 통해 측정하여 기존 측정 방법의 한계를 극복하는 기술

- (센서의 종류) 양자 중력 센서, 양자 항법 센서, 양자 가속도 센서, 양자 자이로스코프(회전 센싱)

시간·주파수 측정(CB)

- 빛의 주파수만큼의 공진 주파수를 가지는 원자의 두 양자 상태를 정밀하게 측정하여, 기존의 전기적인 신호를 이용한 시계의 정확도를 능가하는 기술

- (센서의 종류)광격자 시계, 광펌핑 시계, 양자얽힘 시계

자기장 센싱(CC)

- 측정 시스템의 양자역학적 특성을 이용하여 자기장 측정에서의 분해능, 측정감도를 향상시키는 기술

- (센서의 종류)다이아몬드 NV을 이용한 자기장 센서, SQUID(Superconducting Quantum Interface Device)를 이용한 자기장 센서, 원자 증기 셀을 이용한 자기장 센서

전기장 센싱(CD)

- 측정 시스템의 양자역학적 특성을 이용하여 전기장 측정에서의 분해능, 측정감도를 향상시키는 기술

- (센서의 종류) 에너지 준위 변화를 이용한 전기장 센서, 리드버그 상태의 알카리 원자를 이용한 전기장 센서

광기반 센싱(CE)

- 빛의 양자특성을 이용하여 영상이나 스펙트럼과 같은 광학적 특성을 고전물리의 범주를 벗어나는 초고분해능, 표준양자한계 이상의 감도 등으로 측정하는 기술

- (센서의 종류) 양자 이미징 기술, 양자 현미경, 양자 라이다, 양자 가스 센서, 기타 양자광 이미징 기술 (ghost imaging, quantum imaging with undetected photon 등)

양자 계측(CF)

- 단일 양자 각각을 계측하는 기술

- (센서의 종류) 광자 검출기, 광자 검출을 위한 신호 처리 및 분석 장치(Time Correlated Single Photon Counting; TCSPC), 에너지준위 양자 측정센서, 호모다인 검출기


2. 양자센싱 특허 검색

저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소는 양자센싱 기술분야의 특허들을 검색하고 분석하기 위해서 앞서 사용했던 기술적 키워드 및 IPC 분류 키워드들을 활용하였습니다. 특히, 저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소는 양자센싱 기술을 스터디하여, 최적의 기술적 키워드 및 IPC 분류를 추출하고자 하였습니다. 또한, 저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소는 상술한 양자센싱의 세부기술분야별로 기술적 키워드 및 IPC 분류 키워드들을 조금씩 변경하여 특허 raw data 및 유효 데이터를 추출하였습니다. 


1) 기술적 키워드

일단 기술적 키워드로는 '양자', '센싱', '센서'가 반드시 포함되어야 할 것입니다. 특허 검색을 위해서는 이러한 기술적 키워드의 유사어, 유의어를 모두 포함하고 영문으로도 검색될 수 있도록 영어 키워드들도 추가해줍니다. 특히, 양자통신의 세부기술분야들을 살펴보면, 각 분야별로 기술적 특징을 나타내는 키워드가 명확하게 차이가 나는 부분이 있습니다. 이를 위해 양자통신의 세부기술분야별로 추가적인 기술적 키워드를 조합하여 검색식을 작성하였습니다. 


2) IPC 분류 키워드

기본적인 기술적 키워드인 '양자', '센싱', '센서'를 기초로 IPC분류 또는 CPC분류를 검색하면 다음과 같이 양자통신과 관련된 IPC/CPC분류가 아래와 같이 검색됩니다.

이를 기초로 6가지 세부기술에 대한 IPC/CPC분류를 정리하면 다음과 같습니다.

세부기술분야IPC분류CPC분류
관성 센싱(CA)G01C G01L G01M G01P G01S G01V G01WG01C G01L G01M G01P G01S G01V G01W
시간·주파수 측정(CB)G01R G01S G01H G01F G01L G04G01R G01S G01H G01F G01L G04
자기장 센싱(CC)G01K G01R G01VG01K G01R G01V
전기장 센싱(CD)G01K G01R G01VG01K G01R G01V
광기반 센싱(CE)G01S G01N G02B H01S not (C H01L)G01S G01N G02B H01S not (C H01L)
양자 계측(CF)G01S G01N G01J G02 H04N H01L H01SG01S G01N G01J G02 H04N H01L H01S


3) 기간 설정

최근 특허 및 연구개발 방향에 맞는 분석을 제공하기 위해, 특허의 검색 및 분석 대상을 2010년부터 2023년 8월까지로 설정하였습니다.


4) 국가 설정

대부분의 특허는 IP5(한국, 미국, 중국, 일본, 유럽)에서 많이 출원되고 등록되고 있으므로, IP5 국가들을 중심으로 독일(DE), 대만(TW), 프랑스(FR), 러시아(RU), 영국(GB), 캐나다(CA), 오스트레일리아(AU), 이탈리아(IT), 인도(IN)의 특허 검색을 수행하였습니다.


이렇게 양자센싱과 관련된 특허들을 검색한 결과는 다음과 같습니다. 


3. 양자센싱 유효특허 분석


세부기술분야특허 Raw data 수(건)유효특허 수(건)
관성 센싱(CA)3,176364
시간·주파수 측정(CB)3,646643
자기장 센싱(CC)1,922597
전기장 센싱(CD)4,45667
광기반 센싱(CE)2,625775
양자 계측(CF)860326


위의 양자통신 관련 특허의 raw data는 양자컴퓨팅 관련 특허와 마찬가지로 노이즈가 포함되어 있을 수 있으므로, IPC/CPC분류를 참조하여 1차적으로 유효특허를 선별하였고, 이후 특허가 중요 기술 키워드를 포함하였는지를 기준으로 2차 유효특허를 선별하였습니다. 최종적으로, 시장 및 산업 현황을 통해 확보된 경쟁사/선도사가 주요 출원인이나 권리자로 보유하고 있는 특허가 포함되어 있는지를 검증하여 최종 유효특허를 확정하였습니다.

아래는 양자통신의 세부기술분야별로 저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소가 추출한 유효특허들을 기초로 한 통계 데이터입니다.


1) 관성 센싱(CA) 기술분야의 유효특허 통계

2) 시간·주파수 측정(CB) 기술분야의 유효특허 통계 

3) 자기장 센싱(CC) 기술분야의 유효특허 통계

4) 전기장 센싱(CD) 기술분야의 유효특허 통계

5) 광기반 센싱(CE) 기술분야의 유효특허 통계 

6) 양자 계측(CF) 기술분야의 유효특허 통계 

7) 전체 국가별 출원건수 및 비율

전체적으로 양자센싱 관련 특허 출원도 중국 65% 넘게 차지하고 있으며, 미국은 약13%, 한국은 약3%를 차지하고 있습니다. 양자통신 분야와 비슷하게 중국이 압도적으로 많이 출원하고 있고, 우리나라는 일본 및 유럽보다도 출원 비중이 매우 낮습니다. 대체로 중국 특허들은 무분별한 출원으로 기술적 의미가 적거나 노이즈인 경우가 많으므로, 양자센싱의 세부기술분야별로 중국의 기술들을 좀더 자세하게 분석하고자 하는 경우에는 타 국가로 진입한 중국 특허들만을 한정하여 심층분석을 수행해볼 수 있습니다.

또한, 위의 표를 참조하면, 양자센싱 관련한 특허는 다른 세부기술분야들에 비해 자기장을 센싱하는 기술(CC)에 많이 집중되어 있음을 알 수 있습니다. 그만큼 해당 기술분야의 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다는 것을 확인할 수 있습니다. 


8) 유효특허 통계

양자통신 분야와 유사하게, 양자센싱 분야에서는 중국의 특허 출원이 압도적으로 많습니다. 상위 10개 주요 플레이어들도 양자컴퓨팅과 양자통신과는 또 사뭇다르게, 중국의 대학교 및 연구소들이 많이 포진되어 있고, 미국 및 유럽에서는 방산업체가 양자센싱 분야의 출원을 많이 진행하고 있는 것으로 분석되었습니다. 자체적으로 일부 유효특허들을 분석한 결과, 미국 및 유럽의 방산업체에서는 양자 레이더를 개발하기 위한 기초가 되는 기술들을 특허로 출원한 것으로 생각됩니다. 

양자센싱 분야의 유효특허는 양자 기술의 다른 중점기술 분야에 비해서 적은 편입니다. 즉, 전세계적으로 양자센싱 분야에 대한 기술개발은 다른 분야들에 비해서 아직은 초기 단계임을 유추해볼 수 있습니다. 


9) 시사점

양자센싱 분야에서는 중국이 선도적으로 활발하게 기술개발이 이루어지고 있다고 유추해볼 수 있습니다. 그러나, 다른 중점기술 분야에 비해서 상위 플레이어들의 특허출원 점유율이 높지 않고, 전체적인 특허 출원 건수도 많지 않습니다. 따라서, 양자센싱 분야는 다른 중점기술 분야에 비해서 국가 단위의 집중 투자가 아직은 적게 이루어지거나 산업을 견인할만한 핵심 기술 또는 핵심 플레이어(기업)가 정해지지 않은 상황인 것으로 판단됩니다.

양자센싱, 양자센서의 활용분야는 매우 폭 넓습니다. 그러나, 이러한 양자센싱 기술은 기존 고전 센싱의 측정 능력과 정확도를 향상시키는 양적인 향상에 집중되어 있으며, 양자컴퓨터나 양자통신과 같은 이질적이고 파격적인 효과가 기대되기는 어려운 실정인 것으로 생각됩니다. 양자기술은 센싱 정확도를 향상시키기 위한 기술로 결국 양자센서 산업에서 주된 기술은 양자센서를 위한 소재 관련 기술이 될 것으로 예상됩니다. 이러한 양자센서를 제조하거나 양자센서를 활용하여 정밀한 센싱 및 측정하기 위한 작동 환경이 유지되어야 하는 기술적 어려움이 존재합니다. 

현재 세계적으로 양자센서의 개발 방향은 국방이나 자원탐사 등 국가 안보와 관련된 산업 분야로 집중되어 있어서, 양자센싱 기술에 대한 R&D지원을 집중한다면 우리나라의 국가적 차원의 기술력 확보에 보다 효과적일 것으로 판단됩니다. 


저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소는 양자 기술의 특허 IP 전문가로 거듭나기 위해 지속적으로 양자 관련 콘텐츠를 업로드할 예정입니다. 양자 기술 분야의 시장, 산업 현황에 대한 분석, 양자 기술에 대한 최신 동향, 양자 기술을 활용한 국내외 기업에 대한 소개 등을 앞으로 업로드할 예정이오니 많은 관심을 부탁드립니다. 

저희 유원IP그룹/유원국제특허법률사무소는 양자 기술 이외에도 반도체, 디스플레이, 인공지능 등 다른 12대 국가전략기술의 특허 대한 풍부한 경험을 보유하고 있으므로, 궁금하신 내용이 있으시면 언제든지 연락(mail@ipuone.com)주시기 바랍니다.


감사합니다.

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