드론은 무인항공기를 뜻하는 용어로 고정익형과 헬리콥터와 같은 회전익형 등도 포함하고 있다. 이에 다른 무인항공기와 구분하기 위해 정확한 용어는 ‘멀티콥터’라고 해야 한다.

멀티콥터는 구조가 간단해 개발과 운용이 용이하다. 수직이착륙의 장점이 있어 농약살포와 작황 조사, 방송촬영, 지도제작, 교통위반 단속, 산불감시, 해양오염 조사, 송전선 감시, 교량 조사 등 사용처가 다양하다.

또한 운용이 편리하고 신속성이 뛰어나고 저렴한 운용비 등 장점이 많아 다양한 분야에서 이를 적용하려는 노력이 진행되고 있어 향후 급격히 확대될 것으로 전망된다.

그러나 멀티콥터의 동력원으로 주로 사용하고 있는 2차전지는 무게당 에너지밀도에서 한계를 지니고 있다. 이로 인해 충분한 운용시간을 확보하지 못하는 치명적인 단점을 지니고 있어 활용영역에서 제한을 받고 있다.

현재 카메라를 탑재한 멀티콥터의 경우 유상하중(Payload: 부가가치를 만들 수 있는 탑재물 중량)은 1~5kg 정도이고 농약살포용 멀티콥터는 약 10kg로 대부분 비행시간이 20분 내외에 그친다.

이러한 한계를 극복하기 위해 수소를 연료로 한 연료전지가 대안으로 꼽히고 있어 주목받고 있다. 연료전지는 비행시간을 대폭 향상시킬 수 있어 다양한 분야로의 확대에도 매우 긍정적이다.

이에 넥스컴스는 2017년도 한국에너지기술평가원에서 기획한 에너지 기술개발 사업의 일환으로 ‘9kW급 초경량 PEMFC 멀티콥터 시스템 개발’ 과제를 통해 유상하중 20kg을 탑재하고 1시간이상 비행할 수 있는 멀티콥터를 개발 중에 있다.

이러한 요구조건을 만족하기 위해 예상되는 최대 이륙중량은 약 70kg으로 이 같은 대형 멀티콥터를 운용하기 위해서는 9kW 이상의 연료전지시스템이 필요하다.

멀티콥터 역시 항공기의 일종으로 중력을 이기고 공기 중 비행하기 위해서는 경량화가 필수적이다. 모든 부품의 경량화를 이뤄내야 하는 반면 안전 역시 고려해야 신뢰도를 높일 수 있어 이들 조건을 만족하기 위해 단위 무게 당 효율이 우수한 PEMFC 타입의 수소연료전지를 채택했다.

일반적으로 수소연료전지의 경우 전력 전환효율이 약 40~50%이고 나머지가 열로 배출하게 되는데 PEMFC의 경우 스택의 온도를 60~80℃ 사이에서 유지해야 한다. 9kW급 수소연료전지에서는 약 10kW 이상의 발열량을 냉각시켜야 하는 것이다.

기존의 Heat Pipe 형태의 냉각시스템은 10kW급이 약 60kg이다. 본 과제에서 개발하는 멀티콥터의 총 무게가 70kg으로 유상하중 20kg을 제외한 모든 시스템의 무게를 50kg으로 개발해야 하기 때문에 기존의 냉각시스템으로는 불가능한 것으로 판단되었다.

그러나 참여기업 중 ICP(Innovation Cooling Plate)를 생산하는 IBT와의 협의를 통해 8kg의 중량으로 강제냉각방식의 10kW급 냉각시스템 개발이 가능할 것으로 검토됐다.

수소연료전지의 안정적 운용 및 수명 측면에서 PCS (Power Control System) 역시 또 하나의 난관이었다. 기존의 10kW급 PCS의 경우 무게가 약 40kg 이상으로 도저히 탑재가 불가능해 채택되기 어려웠으나 안전성을 위해서는 포기할 수 없는 조합이었다.

다행히 본 과제 참여기업인 지필로스가 제안한 신기술 ‘WBG(Wide Band Gap)’ 소자를 활용해 2.5kg 이하 경량화를 이룰 수 있을 것으로 기대된다.

스택의 경우도 경량화를 위해 SUS를 사용한 박판 BP (Bipolar Plate)를 성형가공하고 BP와 CP를 일체화해 더욱 경량화하는 방안을 연구 중이다. 또한 PEMFC의 중량대 효율을 극대화하기 위해 산소를 사용하는 Active 방식의 PEMFC로 기획하였고 참여기관인 KIST와 공동설계를 진행 중이다.

수소 및 산소용기의 경우 당사에서 개발 생산하고 있는 750bar 헬륨 저장용기에 적용한 특허기술로 경량화를 맞출 예정이다. 기존 생산용기의 경우 금속 라이너(Liner)에 탄소섬유를 Filament Winding한 Type 3 형식을 사용하지만 본 과제에서는 Type 4형태의 복합용기로 개발하게 된다.

넥스컴스는 복합재 구조물 전문생산 기업으로서 다양한 개발과제를 통해 최신의 복합재료 기술을 보유하고 있다. 이러한 역량과 기술을 적극 활용해 비행체의 구조물 경량화 및 수소용기, End Plate 등의 경량화를 달성할 예정이다.

또한 현재 당사가 개발하고 있는 유상하중 30kg급 대형 멀티콥터 기술을 적용하고 시속 200KPH로 14시간이상 비행이 가능하며 운용거리 500km이상 장거리 장시간 비행을 할 수 있도록 최대 이륙중량 600kg급 유무인항공기 기술을 적용, 무인화시스템의 신뢰성을 향상시킬 예정이다.

또한 안전하고 신뢰성 있는 시스템 개발을 위해 각종 안전기준과 규격 등을 도와 줄 한국가스안전공사가 참여기관으로 합류해 개발 시스템의 시험과 성능을 담당하도록 컨소시엄을 구성했다.

이상과 같이 본 과제는 최신 신기술 적용 없이는 불가능한 도전적 과제이나 참여기관들의 역량을 최대한 결집해 과제를 성공적으로 수행함으로써 기존의 멀티콥터의 성능을 비약적으로 향상시킬 것이다.

이러한 획기적 성능향상을 이뤄낸다면 더욱 다양한 분야에 활용이 가능할 것으로 기대되는 만큼 산업 전반에서 수요를 창출해 내고 기존의 적용분야에도 기술차별화를 통한 시장 점유가 가능할 것으로 전망된다.

또한 현 정부가 4차 산업혁명의 하나로 선정한 드론분야의 핵심제품으로써 기여할 수 있도록 수소연료전지 멀티콥터 개발에 나설 것이다.