[특집] 드론, 태양을 품고 하늘을 날다

[이투뉴스] 무인항공기(Drone), 통상 드론은 조종사가 탑승치 않고 무선전파 유도로 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 등 항공기를 말한다. 국내 항공법에서 자체 중량이 150kg이하는 '무인비행장치'로, 150kg을 초과하면 ‘무인항공기’로 규정한다. 중량 측정 때 연료의 무게는 제외하나 배터리는 포함시킨다.

최근 취미를 비롯해 기상연구, 국토·해양감시, 항공촬영, 산불감시, 진화·응급환자수송, 비상·재난, 물류운송 등 다양한 분야에서 수요가 증대되고 있다.

무엇보다 차세대 고부가가치 산업으로 선진국과 기술격차는 크지 않다. 기술수준만 볼 때 미국이 1위, 한국이 7위로 초기 시장형성시기에 맞춰 기술수준이나 정책·제도지원만 따라준다면 세계시장 경쟁에서 우위를 확보할 가능성이 높다는 평가다.

특히 세계 드론시장규모는 2013년 66억 달러(한화 7조원)에서 2022년께 114억 달러(13조원)로 확대될 것이라는 분석이다. 2003년에서 2012년까지 연간 21.8%씩 시장이 성장해왔다. 항공업계 내 새로운 시장 중 가장 빠른 성장을 보인다는 평가가 뒤따른다.

국토교통부도 국내 드론 시장이 향후 15년간 약 1조6200억원 규모가 될 것이라는 전망을 내놓았다. 항공우주연구원 역시 2022년까지 천여 대의 수요가 발생할 것으로 예상하고 있다.

한편 국내에서는 최근 법·제도와 관련해 조종기용 주파수 외 영상 주파수를 허가하는 문제와 국가기술표준원 고시에 따라 올해 4월 1일 시행되는 전기용품안전관리운용요령 개정으로 배터리 수입 및 사용에 대한 문제점이 불거져 나왔다.

해당 사안은 배터리 수입 때 안전장치를 달아야 한다는 항목인데, 드론의 무게가 늘어나는 것과 함께, 비행 때 안전장치가 작동할 경우 전원차단으로 추락해 인명이나 재산 피해로 이어질 수 있어 한국모형항공협회 등 관련 단체가 개선을 요구했다. 작년 12월 관련사항이 반영된 것으로 확인됐다. 

◆드론의 심장, ‘리튬폴리머 배터리’
드론 비행 때 전원공급은 기본적으로 리튬폴리머(Li-Polymer) 배터리가 널리 이용된다. 

1991년 일본 소니(SONY)사가 개발한 리튬폴리머 배터리는 다른 배터리 대비 가격은 비싼 편이나 원하는 모양으로 가공이 가능하고 높은 전원용량으로 일반 리모트콘트롤(R/C) 항공기나 모형자동차, 휴대폰이나 노트북 컴퓨터에도 많이 쓰이고 있다.

드론에 탑재되는 리튬폴리머 배터리는 보통 사각형 모양의 배터리가 쓰인다. 출력은 리튬산화금속이면 최저 방전 때 2.7V~3.0V, 최고 완충 때 4.20V~4.35V, 리튬인산화철(LiFePO4)이면, 방전 때 1.8V~20V, 완충 때 3.6V~3.8V이 나온다.

드론의 속도는 배터리 전압으로 결정된다. 보통 리튬폴리머 배터리의 전압은 3.7V로, 드론에 탑재되는 브러쉬리스 모터가 1V당 3500RPM의 출력이 나온다. 계산해보면 배터리 당 1만2950RPM이 나오며, 보통 두 개의 배터리가 탑재되기 때문에 2만5900RPM이 출력이 생산된다.

특히 드론의 경우 고출력을 필요로 하기 때문에 여러 개의 배터리를 연결할 경우가 많다. 각각 배터리가 동일한 충전상태가 될 수 있도록 별도 충전기가 필요하다. 시중에는 다수 배터리를 연결해 1만3000mAh이상 용량을 가진 팩 제품이 나온 상태다.

하지만 용량이 높을수록 무게가 무겁고 열이 많아 화재의 위험성이 있다. 무엇보다 과충전, 과방전, 과열 등으로 화재나 폭발에 각별한 주의가 필요하다. 반드시 보호회로와 필요하다.  현재 드론의 체공시간은 사용목적이나 형태에 따라 천차만별이나 보통 취미로 쓰는 제품은 10분에서 20분, 고급제품도 30분 내외로 다소 짧은 편이다.

우리나라의 드론 권위자인 송용규 한국항공대 항공우주기계공학과 교수는 “드론의 체공시간은 배터리 문제가 아니라 항공역학 설계와 관련이 깊다”며 “일반적으로 드론을 ‘하늘을 나는 로봇’으로 보는 시각이 많은데, ‘로봇이 아닌 비행체’로 봐야한다. 업체들이 입맛대로 유사한 모양만 만들어 시판하는 경우가 대부분이나 드론의 사용목적이나 비행거리, 속도에 따라 유체역학 등을 고려한 최적의 설계로 현재보다 훨씬 더 먼 거리를, 더 빠른 속도로 비행할 수 있다”고 설명했다.

◆짧은 체공시간, 대안은 '태양광'과 '수소'
최근 드론의 짧은 체공시간을 연장하기 위한 방법으로 태양광이나 수소 등 신재생에너지를 활용하는 방안이 부각되고 있다.

무엇보다 구글이나 페이스북 등 세계적인 인터넷 서비스업체가 많은 투자를 하고 있다. 구글은 태양광을 동력으로 한 드론을 제작해 통신망을 설치하기 어려운 지역이나 저개발국을 대상으로 인터넷서비스를 제공하는 타이탄 프로젝트를 진행 중이다.

높은 상공에 다수의 드론을 띄워 지상의 통신망과 무선 와이파이(Wifi) 네트워크를 연계한다는 구상으로, 구글은 프로젝트 성공을 위해 작년에 태양광 드론 전문사인 ‘타이탄 에어로스페이스’를 인수했다.

태양광을 동력으로 삼은 드론인 ‘솔라라50’과 ‘솔라라60’을 개발·연구하고 있으며, 이중 ‘솔라라50’은 작년 뉴멕시코 지역에서 테스트비행을 시도했으나 아쉽게 추락했다. 날개폭이 164피트(49.9872m)로 보잉 767보다 길고, 1회 비행 때마다 지상 20㎞높이인 성층권에서 5년 간 비행할 수 있게 설계됐다.

페이스북은 'internet.org'라는 비영리사업을 통해 인터넷을 쓸 수 없는 오지나 개발도상국에 인터넷을 무료 보급한다는 구상을 내놓았다. 특히 이 비영리 사업 중 하나로 레이저 통신장비를 갖춘 드론 아퀄라로 인터넷 사용이 어려운 오지의 상공을 비행하며 통신 연결신호를 지상으로 송출하는 아퀄라 프로젝트를 진행하고 있다.

하지만 해결해야할 과제는 산적해있다. 우선 드론이 태양광패널과 통신장비만큼 무게를 견디며 장기간 상공에 떠있어야 한다. 또 태양광으로 전력을 생산할 수 없는 야간에도 배터리에 저장한 전력만으로 비행뿐 아니라 통신 신호를 유지할 수 있을만큼 충분한 전력 확보·저장이 드론을 이용한 통신망 구축사업의 성공을 좌우한다고 볼 수 있다.  

이외에도 짧은 체공시간을 연장하기 위한 방안으로 수소연료전지를 이용한 드론도 속속 등장하고 있다. 싱가포르 업체인 호라이즌언맨드시스템는 작년 하이콥터라는 쿼드콥터(4개의 프로펠러)라는 드론을 발표했다.

이 드론은 리튬폴리머·수소연료전지를 통해 비행동력을 충당한다. 로터와 본체를 지지하는 실린더 모양의 구조물을 수소탱크로 활용하며, 수소120g을 350기압으로 저장할 수 있다 보통 배터리를 완충한 일반 드론은 체공시간이 30분 내이나, 하이콥터는 1kg의 물건을 실은 상태에서 2시간 30분까지 비행할 수 있고, 물건이 없을 경우 4시간이나 비행할 수 있다. 

수소를 이용한 드론은 영국의 인텔리전트에너지사도 개발한 상태다. ‘매트리스100’는 드론으로 수소발전장치가 내장돼있다. 이미 프로토 타입이 개발됐으며 시험비행까지 끝마친 상태다. 올해 1월 미국 라스베이거스에서 열리는 세계최대 가전전시회 ‘CES 2016’ 기간 중 볼 수 있을 예정이다.

한편 국내도 태양광을 이용한 드론개발이 활기를 띄고 있다. 작년 한국항공우주연구원은 태양광 패널과 리튬폴리머전지를 동력으로 하는 드론 ‘EAV-3’를 개발, 전라남도 고흥 항공센터에서 EAV-3가 모두 9시간의 비행 시험 중 최고 상승 고도 14.12km에 도달하는 등 성층권 시험비행에 성공했다.

장기 체공을 위해 날개길이는 20m이나 첨단 탄소섬유복합재료를 사용해 중량은 53kg에 불과하다. 한국항공우주연구원이 설계 및 해석, 체계종합을 수행했다. 또 다수 중소기업이 제작과 비행시험에 참여했다. 성층권에서 이주일 이상 비행에 성공한 태양광 동력 비행체는 영국 퀴네티크의 제퍼가 유일하다. 또 미국의 헬리오스(Helios)가 성층권에서 단기간 비행에 성공한 바 있다.

최덕환 기자 hwan0324@e2news.com