최근 드론 기술의 눈부신 발전은 고성능 모터 및, 센서의 소형화와 제어 기술 등 요소 기술의 발전에 기인하지만, 빼놓을 수 없는 부분은 고성능 전원의 개발에 따른 기체 중량 감소가 가장 중요한 성공의 요인이라고 할 수 있다.
드론의 전원으로는 가장 널리 사용되는 2차전지를 비롯해, 현재 연구가 진행 중인 연료전지, 태양전지 등이 사용된다. 태양전지는 대형 무인 드론의 날개에 장착되어, 체공 시간을 증가시킬 목적으로 연구가 진행되고 있다. 군수업계과 IT업계에서는 24시간 체공이 가능한 무인 드론을 이용하여, 인공위성과 같이 넓은 지역에 인터넷 통신을 공급할 수 있으면서도, 상대적으로 저렴한 기술에 관심을 가져 왔다. Google사는 Titan Aerospace사를 인수하여 태양광 무인 드론을 개발하여 왔고, Facebook사 또한 Aquila 프로젝트를 통하여 비슷한 기술을 개발하고 있다(그림 1). 그러나, 태양전지의 최대 약점인 단위 면적 및 무게에 비해 낮은 전력생산량으로 인해, 개발의 어려움을 겪으면서, 최근 Google사는 태양광 드론 개발을 포기한다고 선언하였다.
드론의 전원으로 널리 사용되는 리튬 이온 2차전지는 IT 기기와 전기차 등의 보급으로 가격인하가 가속화 되면서, 경제성과 성능에서 탁월한 장점을 가지고 있다. 리튬이온전지는 1990년대 초반 소니에서 금속 리튬 층간 화합물(Li intercalation compound)을 사용하여 최초로 상용화하였다. 리튬 금속은 음극(anode)에서 그라파이트 사이에 층상으로 존재하면서, 방전시에는 전자를 방출하고 리튬이온으로 변하여 전해질을 통해 양극(cathode)로 이동한다(그림 2).
리튬 이온은 양극에서 산화물인 리튬 층간 화합물로 변화하는데, 이러한 화학 반응은 매우 활발하여, 매우 높은 3.6 V 가량의 전압을 발생시킨다. 이러한 우수성은 가볍고 작은 리튬이온의 특성에 기인한 것으로, 니켈수소금속전지나 니켈-카드뮴전지, 납축전지 등 여타 2차전지와 비교해서 2배 이상의 성능을 발휘하여, 소형 전자제품에 널리 사용되고, 최근에는 전기차로 그 용도가 넓어지고 있다.
일반적으로, 전원의 성능을 비교할 때, 제일 먼저 고려할 사항은 에너지 밀도(specific energy)와 전력 밀도(specific power)이다. 에너지 밀도는 에너지 시스템의 단위 무게 당 포함된 에너지의 양을 나타내는 것이고, 전력 밀도는 단위 무게 당 공급 가능한 전력의 양을 나타낸다. 쉽게 생각하면, 에너지 밀도가 높은 시스템은 장시간 동작이 가능하다는 것을 나타내고, 전력 밀도가 높은 시스템은 고출력이 가능함을 나타낸다.
드론의 경우에는, 장시간 체공이 필요하므로 에너지를 오래 공급할 수 있는, 고에너지 밀도의 에너지 시스템이 중요하지만, 이륙 또는 상승을 위해서는 순간적인 고출력이 필요하기 때문에 고전력 밀도 또한 중요한 요소이다. 에너지 시스템에서 이러한 두가지 성능의 장단점을 비교하기 위하여 Ragone 차트가 널리 쓰이는데, 그림 2는 대표적인 2차전지의 성능을 나타내고 있다.
그림 3을 살펴보면, 널리 상용화된 2차전지 중에서는 리튬 폴리머(Li-polymer) 전지가 가장 높은 에너지 밀도를 가지고 있고, 리튬 인산철(LiFePO4) 전지가 가장 높은 전력 밀도를 나타낸다. 실제 드론에서는 이 두가지 2차전지가 널리 사용되며, 특히 체공시간을 늘리기 위하여 리튬 폴리머 전지가 주로 사용된다. 그림 4은 최근 드론 시장에서 큰 성공을 거둔 중국 DJI사의 Matrice 600 Pro 시리즈 드론과 이에 사용되는 리튬 폴리머 전지를 보여준다.
리튬 폴리머 전지는 얇은 포일(foil) 형태로 되어 있어, 원통형의 여타 리튬 2차전지와 비교하여 사각형 형태의 포장이 용이하기 때문에, 드론 탑재에 적합하다. 그림에 보여진 리튬 폴리머 전지는 포일 형태의 전지 6개를 직렬로 연결하여 22.8 V를 출력하고, 680 g의 무게에 129.96Wh의 에너지 밀도를 가지고 있다. 이를 바탕으로 에너지 밀도를 계산하면, 약 191Wh/kg가 나오는데, 이를 그림3에서 놓고 보면, 이미 세계 최고 수준의 우수한 에너지 밀도를 지닌 시스템이 상용화 되어 사용되고 있음을 알 수 있다.
그림5는 이러한 2차전지 시스템을 이용하는 드론의 체공 시간을 나타낸다. 5.5kg의 하중 적재시 18분간 비행이 가능하고, 1kg의 경우 34분 정도로 측정이 되는데, 만약 5.5kg의 적재 하중을 모두 배터리로 채우면, 최대 약 160분 혹은 2시간 40분 정도의 비행이 가능다고 예측할 수 있다. 하지만, 리튬2차전지의 발전 추세로 볼 때, 이를 더 개선하기는 매우 어렵다고 예상되며, 이에 대한 대안이 필요하다.
2차전지를 대체할 드론의 전원으로 가장 활발한 연구가 이루어지는 분야는 수소연료전지이다. 수소연료전지는 자동차용 혹은 분산 발전용 전원으로 매우 오랜 시간 동안 연구되어 왔다. 상대적으로 비싼 가격과, 수소 공급 인프라 구축에 따른 비용 문제로 보급에 장시간 지연되어 왔으나, 여러 자동차회사와 일반 자동차 수준의 가격 경쟁력을 보유하게 되었으며, 각국 정부가 수소 공급 인프라의 확장에 앞서고 있다. 대표적인 수소연료전지로는 양이온교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell)가 있는데, 작동원리와 구조는 그림 6에 간략히 나와 있다.
연료전지는 원래 3차전지로 불리며, 그 작동원리는 2차전지와 매우 비슷하다. 구별되는 차이점은 외부로부터 지속적인 연료공급이 가능한 것으로, 그림 6에서 보이듯이 음극으로 외부에서 수소가 공급되면, 이는 전극에서 촉매(주로 백금)와 반응하여, 양성자(수소이온)와 전자로 분리되고, 전해질을 따라 양성자가 이동한 후 양극에서 공기 중의 산소와 결합하여 물이 되면서 화학반응을 마치게 된다. 따라서, 외부에서 지속적으로 연료와 공기를 공급하면, 계속 전력을 생산하는 구조로 되어 있다. 즉 2차전지는 내부에서 전력생산부와 연료저장부가 동시에 존재 반면, 연료전지에서는 이러한 기능이 분리되어 있다. 따라서, 연료전지는 그림 6과 같은 전력을 생산하는 연료전지구조 이외에 외부에 연료저장구조(가령 수소저장체)가 따로 존재해야 한다. 이러한 특징을 바탕으로, 앞서 언급한 에너지 밀도 와 전력 밀도에 대해서 2차전지와 연료전지를 비교해 보면 그림7과 같다.
리튬전지와 대비되는 수소연료전지의 가장 큰 특징은 Ragone 차트에 잘 나타난다. 연료전지 시스템에서는, 전력 밀도는 전력생산부의 크기에 따라 결정되고, 에너지 밀도는 연료저장부의 크기에 의해 결정된다. 예를 들어, 같은 무게의 연료전지라도 전력생산부분의 크기를 축소하고, 연료저장부의 크기를 늘이면 전력 밀도는 줄어들지만, 에너지 밀도는 증가하게 된다. 물론 반대의 경우도 가능하다. 이러한 경향은 그림 7의 검정색 선으로 표시되는 연료전지시스템의 특성에 반영되고, 에너지 밀도에 있어서 변화가 거의 없는 리튬전지(녹색선)와 대비된다. 이러한 특징을 잘 살펴보면, 연료전지 시스템은 고전력 보다는 고에너지 밀도가 요구되는 분야에 적합한 것을 알 수 있다. 이러한 특징을 드론의 전원에 적용하게 되면, 크기에 제약이 있는 소형 드론 보다는 중대형 드론에서, 충분한 크기의 연료저장부를 탑재하여 체공시간을 증가시킬 수 있다는 결론에 도달하게 된다.
그림 8은 최근에 개발되어 초기 시장 진입 단계에 들어간 수소연료전지 드론의 예를 나타내고 있다. 영국의 Intelligent Energy사는 4시간 이상 비행이 가능한 수소연료전지 드론을 이미 선보였고, 싱가폴에 위치한 Horizon사에서는 Hycopter라는 수소연료전지를 이용한 드론의 판매에 나서고 있다. 두 회사는 앞서 설명한 소형의 양이온교환막 연료전지와 소형 압축수소용기를 탑재한 드론을 제작하였고, 리튬이온전지와 하이브리드화 하여, 동적 출력 변화에 대해 반응속도가 느린 연료전지의 단점을 보완하도록 되어 있다. 이 드론의 수소저장용기에는 최대 700기압으로 수소 저장이 가능하고, 1 kg의 하중 적재 시 250분간 비행이 가능하다고 알려져 있어, 동일 조건에서 DJI사의 드론이 34분간 비행이 가능한 점을 고려하면, 획기적은 성능 향상이라고 할 수 있다. 또한, 비행 후 2차전지를 교환하거나 장시간 충전해야 되는, 기존 드론과는 달리 수소저장용기를 교환하거나, 수소 충전이 필요한데, 수소 충전 시간은 몇 분이면 충분하므로, 수 시간의 충전이 필요한 2차전지와는 대비되는 장점이 있다. 그러나, 고압 수소의 공급 시설이 따로 갖추어야 되는 단점 또한 존재하므로, 아직 군용이나 측량 혹은 감시의 특수한 상업적 용도로 그 응용이 제한되어 있다.
참고문헌
Electrochemistry Encyclopedia, The Electrochemical Society
Science 18, Nov 2011
Journal of Fuel Cell Science and Technology 9(1), Dec 2011
http://www.horizonfuelcell.com/
http://www.intelligent-energy.com/
Fuel Cell Fundamentals, John Wiley and Sons 2016