23.08-23.12-KOREA-BASIC-SCIENCE-INSTITUTE-

기관 협업 공동 연구 - 한국기초과학지원연구원(Korea Basic Science Institute)

기간 : 23.11 ~ 23.12

참여인원 : 8명

연구 배경

• 한국기초과학지원연구원 (이하 KBSI) 가 보유한 분석 장비를 대상으로 12대 국가전략기술에 해당하는 기술 및 관련 산업을 지원하고, 장비 활용도를 극대화하기 위한 신규 분석장비 개발 및 기존 분석장비 활용도 요구가 커지고 있음
• 이에 KBSI가 보유한 분석장비 관련 기술의 경쟁력을 파악하고, 전략산업과 연관된 분석장비의 특성을 반영하여 분석장비 활용도를 높이고 자원 활용도를 극대화하는 것이 필요함
• 특허는 기술의 중요한 대용지표로 활용될 수 있으므로, 특허분석을 바탕으로 해당기술의 경쟁력 및 관련 전략기술과의 유사성 및 적합성 등을 파악하는 것이 요구됨

연구 목적

• KBSI(Korea Basic Science Institute) 보유 분석장비 관련 기술의 경쟁력을 파악하고, 전략산업과 연관된 적용가능 유망기술을 도출하고자 함
• 이러한 과정을 시스템적이고 체계적으로 수행하기 위한 특허분석 방법론을 제시하고 이를 개발·적용하는 데 목적이 있음

프레임워크

수행 역할 : 보조 연구원

• 특허 데이터 수집(Google Patents), 데이터 필터링, 데이터 전처리, LDA 토픽 모델링, 네트워크 분석
• 데이터 수집 : Goole Patents에서 수집

Ⅰ. KBSI 연구 개요에서 기술 관련 키워드 추출 → 기술 키워드 조합 → 검색 조건으로 설정 후 미국 특허 검색 및 저장

기술 키워드 조합 순서 및 조건 :

• 연구개요에서 기술적인 의미를 내포하는 키워드의 조합
• 단일 키워드지만 키워드 길이 자체가 매우 긴 키워드(키워드 자체만으로 기술적인 의미를 내포하고 있음)
• 다른 키워드와 함께 조합하면 검색되지 않으나 단일 키워드 검색만으로 많은 특허가 검색되는 키워드

1. 연구개요에서 기술적인 의미를 내포하는 키워드의 조합

• "극저온 전도냉각형 다축 자기장환경 프로브 스테이션 개발", "자성 메모리 소자의 특성", "메모리 소자 성능 개선 및 신소자 개발", "맴리스터 소자", "온도의존성", "웨이퍼 레벨의 검사 및 진단용", "전력반도체", "차량용반도체", "우주항공산업", "온도변화 내구성", "프로브스테이션", "냉각수단", "고온 분석 수단", "웨이퍼 레벨"의 "물성평가", "성능향상"

2. 1에서 수집한 기술 키워드를 영문으로 변경 후 키워드 조합 수행

시스템 관련 키워드

• 다축자기장(multi-axis magnetic field or vector field), 전도냉각(conduction-cooled or conduction-cooling), 열스위치(heat switch), 전류도입선(or 전류인입선, current lead), 극저온 프로브 스테이션(cryogenic probe station), (다축)자기장 보정(multi-axis shim), 자기장 집속(flux focusing), 양산용 반도체 검사장비(Semiconductor inspection equipment for mass production), wafer level 검사장비(wafer inspection equipment)

시스템을 이용한 분석 관련 키워드

• 자기메모리(MRAM) / 멤리스터(memristor) / 전력반도체(power semiconductor) / 우주항공(aerospace) / 차량용반도체(automotive semiconductors) / 심해탐사(deep sea exploration)+물성측정장비(physical property measurement system), 스핀(spin), 스핀토크(spin torque), MTJ(magnetic tunneling junction), 초전도 마그넷(superconducting magnet), 스핀분극(spin polarization), 자기이방성(magnetic anisotropy), 열-전기물성(열전물성, thermoelectric physical property), magnetic switching phase diagram, 고속 스위칭(fast switching), MRAM 상용화 공정 기술(MRAM-commercialization process technology)

3. 동일한 성격의 기술 분야로 키워드를 분류

자기장 및 냉각 관련 키워드 :

• 다축자기장(multi-axis magnetic field or vector field) - 시스템 관련 키워드
• 전도냉각(conduction-cooled or conduction-cooling) - 시스템 관련 키워드
• 열스위치(heat switch) - 시스템 관련 키워드
• 극저온 프로브 스테이션(cryogenic probe station) - 시스템 관련 키워드
• (다축)자기장 보정(multi-axis shim) - 시스템 관련 키워드

전력반도체 및 반도체 검사장비 관련 키워드 :

• 양산용 반도체 검사장비 (semiconductor inspection equipment for mass production) - 시스템 관련 키워드
• wafer level 검사장비 (wafer inspection equipment) - 시스템 관련 키워드
• 자기메모리 (MRAM) / 멤리스터 (memristor) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• 전류도입선 (or 전류인입선, current lead) - 시스템 관련 키워드

분석 및 실험 관련 키워드 :

• 물성측정장비 (physical property measurement system) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• 스핀 (spin) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• 스핀토크 (spin torque) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• MTJ (magnetic tunneling junction) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• 초전도 마그넷 (superconducting magnet) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• 스핀분극 (spin polarization) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• 자기이방성 (magnetic anisotropy) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• 열-전기물성 (열전물성, thermoelectric physical property) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• magnetic switching phase diagram - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• 고속 스위칭 (fast switching) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드

응용 분야와 관련된 키워드 :

• 전력반도체 (power semiconductor) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• 우주항공 (aerospace) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• 차량용반도체 (automotive semiconductors) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드
• 심해탐사 (deep sea exploration) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드

MRAM 상용화 및 공정 기술 관련 키워드 :

• MRAM 상용화 공정 기술 (MRAM-commercialization process technology) - 시스템을 이용한 분석 관련 키워드

5. 기술 키워드 조합 후 미국 특허 검색

특허 검색 조건

6. 검색 결과(총 40,052건)

Ⅱ.토픽별 주제 선정 및 키워드(Semiconductor) 도출

분석 방법

• LDA 분석 결과 - 수집된 미국 특허 데이터중 MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)과 Semiconductor를 포함하고 있는 160개의 데이터 세트를 분석
• 특허의 'abstract'속성과 'title' 부분의 데이터를 결합 후 LDA 토픽 분석을 수행
• MRAM과 연관되어 있는 특허에서 주로 중요한 관점으로 도출 되는 기술 키워드들을 분석

ldamodel = gensim.models.ldamodel.LdaModel(corpus, num_topics = 6, id2word = dictionary, random_state = 3)
ldamodel.print_topics(num_words = 10)

분석 결과

Topic 1 : 절연 소재 및 제조 과정(Insulating Material & Manufacturing Process)

• Topic 1은 박막 및 회로 구조에서 바닥 부분에 위치한 절연 소재와 소재의 제조 과정에 관한 키워드로 구성되어 있음
• insulating, dielectric - 절연소재, element, material - 소재, 성분, bottom, area - 위치, barrier - 경계, ferromagnetic - 자성 소재

Topic 2 : 유전체 표면 및 에칭(Dielectric & Etching)

• Topic 2는 유전체 표면과 에칭 과정과 관련된 키워드로 구성되어 있음
• dielectric - 유전체(전기가 잘 안통하는), etch - 에칭(etching), magnetoresistive - 자기저항

Topic 3 : 자기저항 구조체 및 데이터 저장(Magnetoresistive Structures & Data Storage)

• Topic 3는 자기저항을 가지는 구조체와 데이터 저장에 관련된 키워드로 구성되어 있음
• magnetoresistive - 자기저항, structures - 구조체, data - 데이터, dielectric - 유전체(전기가 잘 통하지 않는 물질)

Topic 4 : 소재 스택 및 스페이서(Material Stack & Spacer)

• Topic 4는 다양한 소재에서 쌓인 스택과 스페이서를 통해 자기저항을 가지는 트랜지스터와 관련된 키워드로 구성되어 있음
• material - 소재, stack - 쌓다, magnetoresistive - 자기저항, spacer - 스페이서(게이트 단자의 사면을 Side Wall 형태로 둘러싼 절연막)

Topic 5 : 회로 전압 및 전류 특성(Circuit Voltage & Current Characteristics)

• Topic 5는 회로의 전압과 전류 특성에 대한 키워드로 구성되어 있음 특히 다수의 구조체를 통합하여 형성된 회로의 특성을 설명하고 있음
• voltage, current - 전류/전압, circuit - 회로, plurality, integrated - 다수의 통합된, structures - 구조체

Topic 6 : 트랜지스터 데이터 유형 & 자화 특성(Transistor Type & Magnetization Characteristics)

• Topic 6는 트랜지스터의 다양한 데이터 유형과 자화 특성에 관한 키워드로 구성되어 있음
• transistor - 트랜지스터, data - 데이터, magnetization - 자화(자계 중에 놓여진 물체가 자성을 띄는 것)

Ⅲ. 네트워크 분석

분석 데이터 : Mram + Semiconductor(160개 데이터세트)

분석 사용 프로그램 : Gephi

분석 결과

에너지 및 물리

• 관련 단어
  • 전기 및 전자공학 : Voltage, Power, Electromagnetic, Frequency
  • 물리학 및 열역학 : Wave, Pressure
  • 플라즈마 : Plasma
  • 기계공학 : Surface, Pipe, Housing
  • 기타 공학 및 설계과정 : Generating, Injection, Supply, Locate, Water

기계 구조 및 운동

• 관련 단어
  • 기계구조 및 운동 시스템 : Hole, Lower, Coil, Fixing, Support, Attached, Rotating, Direction, Vaccum, Plate, Coupled, Multiple, Fixed

광학 측정 및 운동 기술

• 관련 단어
  • 광학 및 광전자 기술 : Light, Optical, Source, Transmission, Beam
  • 측정 및 제어 기술 : Measuring, Control
  • 각도 및 위치 조절 : Angle, Change, Target
  • 기타 : According, Embodiment

과학 및 연구 장비 열(온도) 측정

• 관련 단어
  • 과학 및 연구 장비 : Invention, Microscope, Electron, Specimen
  • 열 및 온도 : Temperature, Heat, Thermal
  • 유체 및 액체 : Liquid
  • 장치 및 부착 : Holder, Mounted
  • 측정 및 운영 : Measure, Operation, Comprising
  • 유형 및 구분 : Type

상태 및 양 측정 / 분석

• 관련 단어
  • 위치 및 상태 : Out, Postion, Where, After
  • 양 / 수량 : Amount, Number, Two, Each
  • 생성 및 분석 : Generated, Analysis, Containing
  • 비교 : Than

최적의 해결책을 위한 제조 및 품질 향상

• 관련 단어
  • 목적 및 해결책 : Purpose, Obtain, Solution, Preparing
  • 양 / 수량 : Low, High, Large
  • 제조 및 비율 : Comprises, Manufacturing, Ratio, Steps
  • 품질 향상 : Improve

자기장 및 초전도체 효율 향상

• 관련 단어
  • 전류 및 전자 기기 : Current, Electrical, Resistance, Efficiency
  • 자기장 : Magnetic, Magnet
  • 초전도체 : Superconductive, Superconducting
  • 분포 및 증가 : Distribution, Increase, Applying, Providing

물질 전이 및 이온 공급

• 관련 단어
  • 물질 이동 : Tranfer, Supplied, Positioned
  • 이온 : Ion
  • 질량 및 레이어 : Mass, Layer
  • 재료 : Material
  • 계획 및 상태 : Predetermined

연구 결과

• 키워드 조합을 통한 미국 특허 검색

  • KBSI에서 보유한 분석장비 관련 기술에 대한 기술 키워드 조합으로 총 40,052건의 미국 특허가 검색되었음
  • 주로 12대 국가전략기술과 관련된 키워드를 포함한 미국 특허로 이루어짐
  • 그중 KBSI가 보유한 장비 키워드를 확인하기 위해 다시 MRAM(magnetic random-access memory )과 SEMICONDUCTOR를 포함하고 있는 미국 특허로 필터링을 수행함(160건)

• 토픽 모델링

  • 토픽 모델링 결과 Perplexity에서 총 6개의 토픽으로 도출됨
  • 토픽들은 전자소자 및 소자 제조 기술이나 반도체 소자 및 기술개발과 같은 키워드들로 구성되어짐

• 네트워크 분석

  • 네트워크 분석 결과 총 8개의 군집을 이루고 있음
  • 군집들은 과학 및 공학 분야에서 측정, 분석, 및 제어를 위한 다양한 기술과 기기관련 키워드로 구성되어짐

• 연구적의의

  • MRAM 기술에 대해 각 기술의 기술트렌드를 분석하면서 KBSI 보유기술의 트렌드 및 경쟁력을 분석하여 추후 개발에 도움을 줄 수 있는 기술을 실질적으로 파악한 것에 의의가 있음
  • 기술트렌드 분석에 있어 단일방법론이 아닌 다양한 방법론 (네트워크 분석, 토픽모델링)을 결합하여 각 방법론의 특성에 맞는 다각화된 분석을 시도한 것에 의의가 있음

• 연구한계점

  • 연구에서 수집된 특허는 다양한 방법으로 수집되었지만, 특허의 수가 많지 않았으며 핵심 키워드가 제목(title)이나 초록(abstarct)에 충분히 나타나지 않는 경우가 많아 특허의 유효성이 다소 떨어지는 것으로 보임
  • 특허분석에서는 키워드 선정의 적정성이 결과에 큰 영향을 미치기 때문에 실제 업무 수행 시에는 현업 관계자들과의 밀접한 협의를 통해 적합한 키워드를 선정하는 과정이 매우 중요한 것으로 보임