건설기계의 오일진단 관련 특허 분석

Analysis of Patents Related to Oil Diagnosis of Construction Equipment

Abstract

This study analyzes patents related to oil diagnosis of construction equipment. Oil diagnosis is extremely important for maintaining construction equipment properly. Through the evaluation of existing patents, a patent strategy for the future construction equipment market is presented. The related patents are classified and selected in several steps. Finally, 16 valid patents are selected and analyzed in detail. In the classification process, patents are classified by country, year, and company. A market analysis shows that the top 10 companies have a market share of more than 50. In addition to patents related to the oil analysis of construction equipment, patents related to automobile oil analysis and development of oil sensors are investigated to identify the contents of patents in other fields that can be applied to oil diagnosis technology for construction equipment. Moreover, not only the contents of research articles of two Korean construction companies, but also the research trends in the literature in this field are used in the analysis. The related patents of the two Korean companies are few. Companies with a high market share, including Caterpillar, hold many patents, and patents for diagnosis algorithms using such technologies as artificial intelligence and artificial neural networks, along with oil sensor-based condition monitoring technology, are gradually expanding.

1. 서론

건설산업 현장에서 건설기계는 생산성과 효율성 측면 에서 중요한 역할을 수행하고 있다[1]. 건설기계에 대한 이전 연구는 다양하게 진행되었지만[2-5] 체계적인 분류가 되어 있지 않다. 미래의 연구 방향은 이전보다 복잡한 예지 모델을 가지고 실시간적으로 부품교체가 가능 한 기계보전 전략이 개발될 것이며 무인화의 장점을 갖춘 자동화된 건설기계에 대한 연구가 진행될 것으로 예측한다. 그리고 나노기술과 융합 기술이 건설기계의 발전에 기여 할 것으로 예측한다[6]. 건설기계는 다른 기계시스템에 비해 가혹한 환경조건에서 작동되므로 고장의 위험에 노출 되어 있다. 그래서 신뢰성을 향상시키기 위한 연구나 기술이 필요하다. 기계상태진단(machine condition monitoring)은 신뢰성을 향상시키는 방법 중에 하나이다. 기계상태진단은 상태 감시를 통하여 측정된 자료와 정보를 바탕으로 기계 결함이나 고장 여부를 진단함으로써 기계고장을 예방하고 고장 원인을 개선하여 기계의 신뢰성을높이는데 기여한다[7]. 기계상태진단에는 소음, 진동 기반의 상태진단 외에도 열화상 기반 상태진단, 초음파 기반의 상태진단, 유분석 기반의 상태진단이 대표적이다. 과거부터 현재까지 소음, 진동 기반의 상태진단이 가장큰 활용성을 보이고 있지만 점차 다른 상태진단 기술의활용성이 확대되고 있다. 건설기계분야에서도 점차 윤활유 분석 기반의 상태진단 기술이 확대되고 있다.

건설기계에는 아주 많은 부품들이 사용되고 있다. 이 많은 부품들 중에 는 상 대운 동을 하며 윤활이 필 요한. 부분이 많다. 윤활이 필요한 곳에 그리스와 고체 윤활제가 적용되는 부분도 있지만 대부분이 액상의 윤활유로 윤활이 된다. 굴삭기에는 무한궤도와 바퀴로 기동하는 타입으로 나눈다. 바퀴로 기동하는 굴삭기에는 액슬이라는 특별한 장치가 있다. Fig. 1의 굴삭기는 액슬이 없는 건설기계이지만 Fig. 1은 전체적인 굴삭기 측면에서 엔진과 액슬을 제외한 부품들 중에서 윤활유로 윤활을 하는 대표적인 펌프, 밸브, 모터 부품들을 보여준다.

이렇게 윤활유를 사용하는 각종 부품들에서 오일진단을 통해 건설기계의 신뢰성을 향상시키는 특허 기술에 대해 조사할 필요가 있다. 그리고한국발명진흥회에서진 대해 조사할 필요가 있다. 그리고 한국발명진흥회에서 진행하는 캠퍼스 특허 유니버시아드(2022 Campus Patent Universiade) 대회에 참가하는 동안 건설기계 오일진단에 관련된 특허들을 조사한 내용에 대해 관련분들에게 정보를 제공하고자 본 논문을 작성하게 되었다.

본 논문은 건설장비 오일진단에 관한 특허들을 시대별, 국가별, 업체별로 정성 분석과 정량분석을 실시하여 현재의 특허 기술의 한계를 설명하고 미래의 특허 전략의 방향을 제시하고자 한다.

2. 본론

건설기계 오일진단에 관한 특허들을 선별하고 분류하여 정량적 분석과 정성적 분석을 하였다.

2-1. 전세계 건설기계의 시장 점유율 현황

Fig. 2는 2020년 생산 실적을 바탕으로 11개 업체들을 순위로 나열한 것이다. 세계 1위인 미국의 Caterpillar는 50대 기업 매출의 13%(248.24억불)로서 세계 최대의 건설기계 제조업체로서 코로나19의 영향으로 전년에 비해 약간 매출이 감소했지만 여전히 1위를 확고히 지키고 있다. 제 2위는 일본의 Komatsu로 매출은 지난해의 232억 불보다는 감소한 199.95억불이다. 제 3위는 중국의 XCMG 로 151.59억불의 매출을 기록하고 있으며 전년의 4위에 서 3위로 올라섰다. 제 4위는 중국의 Sany로 지난해 109 억불에서 144.18억불로 매출이 대폭 증가해 순위도 5위 에서 4위로 한 계단 상승했다. 제 5위는 중국의 Zoomlion 으로 94.49억불의 매출실적을 가지고 있으며 전년도 10 위에서 다섯 계단이나 뛰어올랐다. 제 6위는 미국의 John Deere로 전년도 3위에서 6위로 하락하여 Top 10에서 가장 큰 하락폭을 보였다. 매출은 89.47억불이다. 제 7위는 스웨덴의 Volvo CE로 88.46억불의 매출을 기록하여 6위 에서 7위로 한 계단 내려앉았다. 제8위는 일본의 Hitachi 로 매출이 85.49억불이고 전년도 7위에서 한 계단 내려 앉았다. 이렇게 세계 1위부터 세계 8위까지 회사가 약 58%의 시장 점유율을 유지하고 있다. 우리나라의 주요 건설장비 업체는 현대두산인프라코어와 현대건설기계이다. 세계10위인 현대두산인프라코어는 매출이 71.09억불이고 전년도보다 한 계단 하락했다. 그리고 세계21위인 현대건설기계은 매출이 23.45억불이다. 향후에는 현대건설기계와 현대두산인프라코어와 동일 그룹사이므로 상호 시너지효과가 기대된다[9].

Fig. 3. Patent analysis process of oil diagnosis for construction equipment.

2-2. 특허 분석의 과정

건설기계 오일진단에 정량적 분석(quantitative analysis)와 정성적 분석(qualitative analysis)으로 나누어 수행하였다.

특허 분석이지만 특허의 내용을 보완하고자 국내·외 관련 논문을 선별하여 분석 내용에 첨가하였다. 특허 분석은 건설기계의 오일진단에 대한 특허들에 대해 1차부터 3차까지 3번의 선별 과정을 통해 16개의 유효 특허(valid patent)를 최종적으로 확보하였다[10-25]. 그리고 건설기계 외 다른 분야의 오일진단 특허들에 대한 분석도 수행하였다. 승용차와 상용차의 오일진단 특허에 대한 분석과 함께 오일 센서 제작사의 오일진단 특허에 대한 분석을 통해 13개의 유효 특허를 선별하였다[26-38]. 그 외에도 오일진단에 관한 국내외 논문31개를 선택하여 내용을 분석하였다[2-6, 39-64]. 건설기계 오일진단 관련 특허는 “건설기계*오일*진단” 이라는 검색식으로 32861개 의 특허들을 획득한 뒤, 확장 키워드와 관련 없는 항목들을 제외하여 1차 선별과정을 진행하였다. 그 이후, 측정 방법(method of measurement), 측정 장치(measurement device), 측정 항목(measurement item), 실용성(appli- cability), 적용성(practicality)을 적용하여 유효 특허들을 최종적으로 선별하였다.

2-3. 1차 선별된 특허들의 분석

1차 선별된 2399개의 특허들에 대해 국가별, 업체별, 연도별 그리고 분석 방법 측면에서 분석하였다. Fig. 4는 건설기계 오일진단의 특허들을 업체별과 국가별로 정리한 그림이다. 회사별 특허에서는 일본의 Hitachi 회사에서 가장 많은 특허를 보유하고 있었으며 그 다음으로 일본의 Komatsu 회사가 많은 특허를 보유하고 있었다. 나라별에서도 일본이 54%의 특허를 보유하여 가장 많은 특허 점유율을 보인다. Fig. 5는 연도별로 특허 내용을 정리한 것으로 전체적으로 최근까지 관련 특허의 개수는 증가함을 알 수 있다. 이는 윤활유 분석을 이용한 기계상태진단 기술에 대한 관심이 증가하고 있음을 의미한다. Fig. 6은 오일진단의 방법으로 사용된 3가지 중에서 오일 센서 기반의 인, 온라인(In-line, On-line)방법이 아주 큰 비율을 차지하고 있음을 확인할 수 있다. 반면에 오프라인(Off-line)방법은 약 3%로 작은 비율을 나타내고 있다. 그리고 오프라인과 인, 온라인 방법을 혼용하여 사용하는 특허들도 1%미만으로 나타났다. 이 결과로부터 전체적으로 오일 센서 기반의 실시간 상태진단 기술에 초점을 두고 있음을 알 수 있다.

Vol. 38, No. 4, August 2022

Fsitg. 6. Patent classification by measuring method from 1 screening.

Fig. 7. Patent classification by year, country and company rd from 3 screening(construction equipment).

2-4. 최종 선별된 특허들의 분석 건설기계 오일진단 특허와 관련하여 최종적으로 선별

2-4. 최종 선별된 특허들의 분석

건설기계 오일진단 특허와 관련하여 최종적으로 선별된 16개의 유효 특허들을 분석한 내용은 Fig. 7에 나타나 있다. 선별된16개의 유효 특허들을 국가별, 연도별, 회사별로 정리해 보면, 여기에서도 일본의 Hitachi 회사가 가장 많은 특허를 보유하고 있다. 유효 특허에 국내·외 특허기술의 비교를 위해 우리나라의 기업뿐만 아니라 학교나 연구소의 특허 내용도 포함하였다.

Fig. 8은 건설기계 외의 다른 분야에서 선별된 유효 특 허를 분석한 그림이다. 주로 윤활유 센서, 측정장치, 진 단 방법 들에 대한 내용이며 자동차 분야의 특허들을 가 장 많이 포함하였다.

2-5. 오일진단 관련 특허 및 논문들의 정성적 평가

건설기계 오일진단과 관련하여 주요 관심 기업들의 특허를 Table 1에 정리하였다. 우리나라 2개의 기업에 대 한 내용도 포함하고 있다. 시장 점유율이 상위권에 있는 외국기업들에 비해 국내 기업들의 특허 내용이 적다.

Fig. 9는 시간에 따라 변화한 건설기계의 오일진단 방식을 보여준다. 건설기계의 오일진단 뿐만 아니라 다양한 기계시스템의 진단 방식은 오프라인 방식에서 인, 온 라인 방식으로 변화하고 있다. 그것은 오일 센서의 발달로 인해 인, 온라인 방식이 이상 징후를 조기 감지가 가 능하고 실시간적인 상태진단이 가능하여 예전의 오프라 인 방식보다 효율적이기 때문이다.

Fig. 10은 건설기계 오일진단에서 핵심적인 유압작동 유, 엔진유, 기어유에 대한 특허들을 정리한 그림이다. 일 본의 Hitachi 기업이 유압작동유와 엔진유에서 오일 센 서로 모니터링하는 특허들을 보유하고 있으며 액슬(변속 기)유에 대해서는 국내의 현대건설기계가 관련 특허를 보 유하고 있다.

2-6. 현재의 특허 분석과 미래의 특허 전략 방향

건설기계 오일진단 관련 특허를 조사하면서 많은 양의 특허들이 검색되었지만 자동차, 항공기, 발전 분야의 오일진단 관련 특허보다는 기술적인 면에서 상대적으로 열악하다. 특히, 건설기계의 윤활유 특성에 맞는 주요 측정 항목의 선정이 부재하다. 다양한 항목에 대한 측정을 시도하기 보다는 시스템에 적합한 주요 측정 항목의 선정이 필요하다. 그리고 윤활유 센서를 이용한 분석에서는 센서의 설치 위치가 아주 중요하다. 건설기계에서도 시스템의 특징을 고려한 센서의 적합한 위치에 관련된특허는 부재하다. 따라서 센서 위치 선정에 관련된 기술특허가 필요하다. 또한 대부분이 다른 기계시스템에 범용으로 사용되는 윤활유 센서들을 적용하고 있다. 건설기계에 사용하는 윤활유와 작동 조건에 적합한 윤활유센서의 개발이 부재하므로 이 부분에 대한 기술 특허도 필요하다.

미래의 건설기계 오일진단과 관련된 특허 전략을 예측해보면, 건설기계의 오일진단에 적합하고 경제성과 신뢰성 있는 전용 윤활유 센서 개발과 관련된 특허를 확보해야 한다. 한가지 항목을 측정하는 단일형 윤활유 센서보다는 하나의 센서로 여러가지 항목을 함께 측정할 수있는 복합형 윤활유 센서의 개발과 관련된 특허를 확보해야 할 것이다. 그리고 윤활유 센서에서 측정된 여러가지 데이터를 활용하여 종합적으로 윤활유 상태와 기계상태를 진단할 수 있는 진단 알고리즘에 대한 특허에도관심을 가져야 한다. 즉 딥러닝(deep learning), 인공신경망(artificial neural network) 같은 것을 활용한 진단 알고리즘 개발과 관련된 특허에 관심을 가져야 할 것이다. 끝으로 윤활유 측정에 의한 결과를 분석하여 소비자(사용자)에게 그 정보를 신속하고 편리하게 전달하는 통신서비스나 데이터 관리 시스템에 관한 특허에도 관심을가져야 할 것이다.

3. 결론

본 연구에서는 건설기계 오일진단과 관련된 특허들을 분석, 정리하였다. 오일진단 분야는 건설기계 뿐만 아니라 다양한 기계시스템에서 그 활용성이 확대되고 있다. 특허의 분석과정에서 검색식 또는 검색 조건을 이용하여 단계별 선별을 통해 유효 특허를 확보하였다. 그리고 국가별, 업체별, 연도별, 측정방법에 따라 특허 분포를 정량적으로 분석하였다. 이런 정량적인 분석 외에도 기업별, 연도별 뿐만 아니라 핵심 특허의 내용에 대해 정성적으로 분석을 하였다. 건설기계 오일 진단과 관련된 특허 뿐만 아니라 자동차와 오일 센서 제작사의 특허들도 분석에 활용하였으며 관련 국내외 논문들도 참조하였다. 분석 결과, 국내 건설기계 기업들의 특허는 해외의 선두 기업들의 특허에 비해 개수나 내용면에서 부족하다.

특허와 논문을 분석하여 현재까지의 특허들에서 나타나는 주요 측정 항목과 측정 위치 선정의 부재와 건설기계의 오일진단에 필요한 전용 윤활유 센서의 기술 개발이 미흡하다는 한계점을 파악하고 앞으로의 특허 전략에 대해 의견을 제시하였다. 앞으로는 경제적이고 신뢰성 있는 통합형 윤활유 센서의 개발뿐만 아니라 진단 알고리즘에 대한 개발이 필요하며 소비자에게 정보를 편리하게 전달하는 통신서비스와 데이터 관리 시스템에 대한 기술 개발이 필요하다. 이번에 실시한 특허 분석에서 부족한 부분이 있을 것

이번에 실시한 특허 분석에서 부족한 부분이 있을 것으로 생각된다. 하지만 이런 노력들이 우리나라의 관련 전문가를 양성하고 기업들의 특허 기술에 대한 정보를 확보하는 측면에서 의미가 있을 것으로 판단된다.