현대 드론의 소재: 탄소섬유에서 리튬이온 배터리까지

드론에 쓰이는 주요 소재:

• 탄소섬유 강화 복합소재 (CRFCs)
• 폴리에스터, 나일론, 폴리스티렌 등 열가소성 수지
• 알루미늄
• 리튬이온 배터리

드론이 신기한 물건, 기업과 열정적 취미가들이 만든 시제품이었던 게 엊그제 같습니다. 이제 드론이 세상을 정복한 것 같습니다. 어디에나 있으며, 산업, 예술, 심지어 어린이 장난감까지 역할을 합니다. 사람들은 이 작은 비행체가 최근에야 흔해졌단 사실을 종종 간과합니다. 드론은 여전히 유아기이며, 소재와 마이크로컨트롤러 기술이 향상됨에 따라 미래 드론은 공상과학처럼 보일 방식으로 진화할 것입니다.

드론이 어떻게 설계되고 어떤 소재로 만들어지는지 살펴보면, 이 중요 기술이 어떻게 발전했는지 이해하고 가까운 미래에 어떻게 발전할지 감을 잡을 수 있습니다.

무인항공기(UAV)가 전통적인 지상 감시 방식을 급속히 대체합니다. 인기가 너무 빠르게 커져 '조감도' 표현을 '드론 눈 뷰'로 버리는 이들도 있습니다.

드론이란 무엇인가? 어떻게 설계되는가? 그리고 무엇이 드론을 보편 기술로 치솟게 하는가?

알아봅시다.

드론이란 무엇인가?

대부분 사람에게 '드론'은 특정 유형의 무인항공기(UAV)입니다: 멀티로터 또는 멀티콥터. 이름 그대로 두 개 이상의 모터 구동 프로펠러에서 하향 추력을 내 비행합니다.

가장 인기 있는 소비자 모델은 쿼드콥터(4 로터)이지만, 상용 변형에는 더 큰 양력을 위한 헥사콥터(6 로터)와 옥토콥터(8 로터)가 있습니다. 다양한 군용 및 민간 드론이 있지만, 흔한 멀티로터 드론과 그 소재에 집중하겠습니다.

비행하려면 드론은 자체 무게를 이길 충분한 상향 추력을 생성해야 하므로, 드론의 소재 선택은 드론 질량 최소화에 의해 지배됩니다.

드론을 만드는 데 쓰이는 모든 그램의 소재는 들어올리는 데 에너지가 들고, 아낄 수 있는 모든 그램이 성능을 개선합니다:

• 화물 적재량 증가
• 비행 시간 연장
• 관성 감소와 기동성 향상

소재를 선택하고 부품을 설계해 질량을 최소화하는 이 과정을 '경량화'라고 부릅니다. 이는 가장 중요한 소재 특성 선택 기준을 줍니다: 저밀도 소재 선택으로 질량 최소화.

부품별 분석

드론은 함께 작동하는 서로 다른 구성요소로 이뤄진 복잡한 장치입니다. 각 구성요소는 다른 기능을 수행하므로, 각 부품 소재 선택 시 다른 고려사항이 작용합니다. 하지만 드론의 각 부품마다 소재 밀도를 고려해 무게를 최소화하고 성능을 극대화해야 합니다.

프레임: 모든 것을 지탱하다

프레임은 드론에 형태를 주고 모든 하위시스템을 제자리에 고정합니다. 기계적 기능을 수행하므로 프레임에 가장 중요한 소재 특성은 강도입니다. 상용 드론에는 나일론, 폴리에스터, 폴리스티렌 변종 같은 열가소성 수지가 인기인데, 사출 성형 공정으로 복잡한 부품을 저렴하게 만들 수 있기 때문입니다.

열가소성 수지는 양호한 강도와 낮은 밀도도 제공합니다. 여러 종류가 인장강도 100 MPa 초과, 밀도 2 g/cm³ 미만입니다. 많은 열가소성 수지가 필라멘트로도 나와 맞춤 부품 3D 프린팅에 쓸 수 있어 실험용 드론에 인기 구성요소입니다.

상용 드론은 가격을 위해 약간의 무게 증가를 감수할 수 있지만, 산업용 드론은 성능을 우선시합니다. 고강도 소재를 더 적은 양으로 써 더 가볍고 고성능 드론을 만듭니다.

Matmatch 검색으로 최저 밀도와 최고 강도 소재를 찾으면 고성능 드론 프레임의 1순위: 탄소섬유 강화 복합소재가 나옵니다. 이 복합소재는 고강도, 저밀도, 고강성으로 가볍고 단단한 드론 프레임을 만듭니다.

모터 & 프로펠러: 이륙하다

추력원이 없으면 드론은 결코 뜨지 못합니다. 드론을 구동하는 모터는 일반 전기 모터로 구리 권선과 영구 자석을 가집니다. 모터 하우징은 무게 최소화용으로 선택할 수 있으며, 열가소성 수지나 알루미늄 합금이 양호한 강도-중량비를 보입니다.

하지만 모터는 상당한 열을 냅니다. 그래서 알루미늄 같은 고열전도성 소재를 하우징에 써 모터 냉각을 도울 수 있습니다.

중국 제조사들이 지배하는 전 세계 비군용 드론 시장이 향후 10년간 3배로 커져 143억 달러 매출에 달할 전망. (로이터)

드론의 로터 블레이드는 고속 회전하므로 드론 비행(또는 추락) 시 가장 많은 마모를 흡수합니다. 프레임 소재와 마찬가지로, 최적 로터 블레이드 소재 선택은 강도 극대화와 무게 최소화의 문제입니다.

일부 로터 블레이드는 탄소섬유 강화 복합소재로 만듭니다. 하지만 로터 블레이드는 자주 손상되고 교체되므로, 교체 비용을 줄이기 위해 열가소성 수지로 많이 만듭니다.

로터 블레이드는 보통 회전 중 고속 충격으로 손상되므로, 내구성 있는 로터 블레이드를 설계하려는 엔지니어는 충격 강도와 밀도로 소재를 필터링해 적합한 소재를 고를 수 있습니다.

배터리: 비행 동력

드론의 모든 구성요소 중 배터리 기술 개선이 현대 멀티로터 드론을 가능케 한 가장 중요한 돌파구일 수 있습니다. 기계 부품 설계 시 강도-중량비를 고려하듯, 배터리 성능도 배터리 무게 측면에서 측정할 수 있습니다.

비에너지 (J/kg)와 비출력 (W/kg) 같은 척도는 배터리의 질량 대비 에너지 저장·방출 능력을 나타냅니다.

구형 납산 및 Ni-Cd 배터리는 너무 무거워 그걸로 구동하는 드론이 오래 날지 못하거나, 아예 이륙도 못 했습니다. 하지만 현대 리튬이온 배터리는 오늘날 멀티로터 드론을 가능케 할 만큼 가볍고 충분한 에너지와 출력을 제공합니다. 배터리와 커패시터 기술의 미래 발전은 더 가볍고 고성능 드론을 가능케 할 것입니다.

센서: 드론의 신경계

멀티로터 드론은 비행할 때마다 섬세한 균형 잡기를 합니다. 한 모터가 추력을 너무 많이 내면 드론이 기울거나 뒤집힙니다. 인간 몸이 걷기 때 균형을 잡으려 복잡한 감각·신경 네트워크를 쓰듯, 멀티로터 드론은 인상적인 센서 세트와 피드백 메커니즘으로 공중에 머뭅니다.

경찰과 법집행이 드론을 교통사고 현장 조사, 실종자 수색, 용의자 위치 파악, 구조 작업, 불법 활동 탐지, 공공 안전 관련 작업, 민감 지역 보안, 범죄 현장 조사에 활용.

드론 '신경계'의 가장 중요한 부분은 틸트 센서입니다. 자이로스코프 센서와 가속도계를 결합한 틸트 센서는 드론 모터와 피드백 루프로 연결됩니다.

비행 중인 드론은 수평 유지를 위해 모터 추력을 지속적으로 미세 조정해 기류와 극한 기동에서 회복합니다. 일부 고급 드론은 각 로터를 독립적으로 틸트할 수도 있어, 각 로터에서 얻는 추력의 방향과 강도를 모두 제어합니다.

드론은 내부 시스템과 주변 세상을 모니터링하는 다양한 다른 센서도 쓸 수 있습니다. 전류·전압 센서는 드론이 전력 소모를 추적해 조종사가 착륙·충전 시기를 알게 돕습니다.

GPS와 자기 센서는 드론 위치와 방위 측정으로 내비게이션을 돕습니다. 기류 센서는 드론이 대속도나 풍향을 감지하게 하고, 이 정보를 밸런싱 회로에 피드백해 비행을 더 안정시킵니다.

마이크로컨트롤러와 카메라: 더 똑똑한 드론

현대 스마트폰을 만든 마이크로칩 기술 발전 덕분에 드론이 날아다니는 컴퓨터가 될 수 있습니다. 스마트폰에 있는 칩들(인텔, 엔비디아, 퀄컴, Arm 등)도 드론에 들어갑니다.

드론이 똑똑해지며 인간 조종 최소화로 더 정교한 임무 수행이 가능해집니다. 현재는 정해진 경로 자율 비행이나 더 많은 센서 측정 기록 정도지만, 연구자들은 드론을 프로그래밍해 인간 도움 없이 점점 복잡한 작업을 수행하게 하는 법을 배우고 있습니다.

대부분 사람에게 드론의 존재 목적은 인간이 닿지 못하는 높이로 카메라를 데려가는 것입니다. 기본 소비자 드론도 스마트폰으로 영상 전송하거나 메모리에 이미지 기록하는 카메라를 탑재합니다.

영화 스튜디오는 고성능 드론으로 블록버스터를 찍습니다. 하지만 '컴퓨터 비전' 분야 발전이 카메라를 단순 탑재물이나 인간 조종사 보조 이상으로 만듭니다. 미래 드론은 카메라로 세상을 보고 그 정보로 자율 조종합니다.

드론은 인간 조종사 도움 없이 심지어 GPS 없이도 비행하는 능력이 커지고 있으며, 이는 강력한 새 능력인 드론 협업을 낳습니다. 드론 스웜은 이전엔 GPS와 중앙 컨트롤러와 통신으로 각 개체가 그룹에서 어디에 위치할지 정하는 팀이었습니다.

하지만 최첨단 연구는 자체 탑재 센서, 심지어 카메라로 다른 드론을 인식하고 편대 비행을 하는 드론을 만들었습니다. 곧 자율 드론 팀이 인명구조원으로, 작물 관리원으로, 재난 구호 수색 편대로 흔히 보이는 날이 올지 모릅니다.

전 세계적 영향력을 가진 기술

드론은 이제 어디에나 있습니다. 영화 촬영, 영화 출연, 부동산 홍보, 스포츠 중계, 새 스포츠 창출, 농장·공장 작업, 다른 드론 사냥, 곧 택배 배달까지. 소재, AI, 마이크로컨트롤러가 향상됨에 따라 드론은 광범위한 산업에 혁명을 계속 일으킬 것입니다.

드론의 미래

드론은 날마다 인기가 커지며 세상이 일하고 노는 방식을 혁신합니다. 드론에 쓰이는 소재는 고강도 프레임과 고배터리 용량으로 성능을 높이며 무게를 최소화하도록 선택됩니다.

드론 무게 최소화가 성능을 극대화합니다, 영화 촬영 드론이 더 긴 촬영을 하게 하든 레이싱 드론을 더 기동성 있게 만들든. 드론은 끊임없이 더 똑똑해지고 있습니다, 자율 드론이 일상생활의 고유한 일부가 되는 게 그리 멀지 않았을 수 있습니다.