“도심을 나는 교통수단 UAM 상용화, 소재 기술 관건”

탄소복합재·금속 소재 등 UAM 구조 보품 혁신 핵심 조건

항공인증·손상허용설계·비용 절감 등, 초경량·고신뢰 기술 必 

1. 기술의 개요

도심항공 모빌리티(Urban Air Mobility, UAM)는 기존 항공기 기술을 도심교통 수단으로 발전시킨 개념이며, 전기 동력(모터/배터리)이나 하이브리드 동력(전기+엔진)을 사용해 도심에서 사람이나 화물을 운송하는 3차원 모빌리티 수단으로서 도시 환경에 적합한 수직이착륙(Vertical Take Off & Landing, VTOL) 형식을 취할 것이 예상된다. 기존 도심 혼잡을 해소할 대안으로 항공뿐만 아니라 자동차, 정보통신기술(ICT), 인공지능(AI), 첨단 소재 기술 등 다양한 기술과 산업을 융합하는 신산업으로서 우버(uber), 보잉(boeing), 에어버스(airbus), 아우디(audi), 도요타(toyota) 등 세계 많은 기업이 관련 사업을 추진하고자 한다. 

UAM은 날개 유무에 따라 고정익과 회전익 기체로 나눌 수 있다. 고정익 기체는 장거리, 높은 페이로드(payload) 등의 비행 특성이 요구되는 군사용·산업용 감시 체계에 적용할 것으로 예상된다. UAM의 기체로 다양한 에너지원이 검토되었지만, 현재는 전기 동력원이 대세를 이루고 있다. 전기자동차와 동일하게 배터리 기술이 핵심 요소이다. UAM의 체공시간을 늘리려고 이중 동력원을 사용하기도 하며 주로 내연기관과 모터를 함께 구동하는 방식으로 고밀도 에너지인 화석 연료의 장점을 취하고자 한다. 성능 측면에서 현재 수준의 기술은 <표 1>과 같이 배터리 에너지 밀도/출력은 평균 200Whkg 정도이며 승객 수용 3명, 페이로드 200kg, 기체 중량은 1,300kg정도가 가장 평균적인 시스템의 성능으로 알려져 있다.

▲ <표 1> 기체형식에 따른 UAM의 구분 (항공안전기술원)

미국, 중국, 유럽 등 나라별로 드론 및 개인이동수단을 선점하려는 경쟁이 과열되고 있으며 투자와 정책을 적극 수립하고 있다. 미국은 2013년부터 유·무인기 통합로드맵을 수립하며 현재까지 기술 개발 및 제도 개선에 저극 집중하며 선제적인 로드맵 구축과 더불어 미국 항공 우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)을 중심으로 드론교통 관리체계를 구축하고 있다. 우리나라에서도 UAM을 포함한 드론 산업을 장려하는 다양한 정책을 제시하고 있다. 

2017년에는 10년간 드론 산업을 이끌 밑그림인 '드론 산업발전 기본계획'이 수립하였고, 2019년에 드론법을 제정하였으며, 2020년에는 국내 드론 산업을 선도할 K-드론 브랜드 기업 육성과 국내 드론 활용산업 활성화를 위한 '드론 산업육성정책 2.0(2020.11)'을 발표하였다. 2021년에는 '일상 속 드론 상용화 지원을 통한 드론 산업 경쟁력 강화 방안'을 발표하여 세계 드론 시장 7대 강국으로 도약을 목표로 다양한 추진과제를 제시한 바 있다. 2025년까지 상용화 성공모델 20개를 발굴하고 국내 시장을 1조 원 규모까지 확대한다는 도전적인 계획을 수립한 바 있다.

UAM 기술은 안전하고 효율적이며 경제적인 시스템을 개발하고자 기체, 동력원, 구조부품, 센서 등 구체적인 시스템과 모듈의 요구도를 기반으로 소재, 부품, 엔지니어링 중심의 핵심기술로 구성되어 있다. UAM용 초경량/고강도 소재 기술은 안전하고 효율적이며 경제적인 UAM 기체 시스템을 개발하고자 구조부품의 요구도에 기반한 핵심 구성소재 기술을 말한다.

▲ <표 2> PAV 시스템 분석

▲ <표 3> PAV 시스템 성능 분석

▲ 한국형 K-UAM 개요도

1.1 기술의 정의 및 분류

UAM용 초경량/고강도 소재는 크게 탄소복합재와 금속소재로 분류하며, 고강도화로 경량화, 제작 및 관리 비용을 낮출 수 있는 저비용 소재 기술이 핵심 기술이다.

1) 탄소복합재 : UAM은 그 특성상 시스템 경량화가 필수이며 모듈뿐만 아니라 구조부품 소재 역시 경량화 요구된다. 구조부품 소재 경량화의 가장 강력한 해결책은 탄소복합재로서 경량금속인 알루미늄과 더불어 UAM의 구조부품으로 많은 양이 적용되고 있는 것으로 파악된다.

2) 금속소재 : 기존 항공기 구조물 제작에 가장 많이 사용되는 알루미늄(Al) 합금을 비롯하여 타이타늄(Ti), 강철(steel) 등 경량화를 기본으로 고강도 및 우수한 피로균열전파 저항성을 가진 소재가 주축을 이룬다. 특히, eVOL 형식 UAM이 도심에서 사용하려면 저소음 문제를 해결해야 하며, 이를 위해 회전축 로터 소재 후보로 고강도/고인성 철강소재 개발이 주목 받고 있다.

▲ <표 4> UAM용 초경량/고강도 소재 분류 및 역할

1.2 기술의 원리

탄소복합재는 보강재로서 탄소섬유, 기지수지로서 열경화성 수지 또는 열가소성 수지가 적용된 고강도/고강성 소재이다. 탄소섬유(Polyacrylonitrile precursor로 제조된 섬유 기준)의 강도와 탄성률은 대략 각각 3.5~6.5GPa, 230~360GPa이며, 탄소복합재는 탄소섬유의 체적율에 따라 2.5GPa 이상 강도와 200GPa 이상 탄성률을 구현할 수 있다. 또한 각 구성 소재의 밀도가 1.8 g/㎤, 1.1 g/㎤이고 복합화 이후에도 ~1.5 g/㎤ 정도인 경량 소재이다. 이러한 탄소복합재는 스틸 대비 1/5의 밀도와 2배 이상 강도를 가지고 있으며 경량금속인 알루미늄과 비교해도 1/2의 밀도에 5배 이상의 강도를 가진 최첨단 소재이다.

▲ 탄소섬유 물성 및 탄소복합재 밀도·강도

UAM도 비행을 하려면 기본적으로 항공인증이 필요하다. 항공용 소재 인증도 비행을 위한 항공기 인증 구성 요소 중 필수 요건이다. 일반인들에게도 잘 알려져 있듯이 항공기는 단위부품에 이르기까지 생산 및 품질을 추적관리할 수 있는 엄격한 관리체계를 가진다. 기본적으로 항공기에 사용되는 기체구조용 금속소재는 MMPDS(Metallic Materials Properties Development and Standardization)에 등재된 소재만 사용할 수 있다. 즉, 항공기 설계 시 필요한 물성은 확률적으로 매우 균일해야 하며, 생산에서 이를 보증하는 이력을 가진 소재를 기반으로 항공기가 제작됨을 의미한다. 

또한 항공기 기체구조는 부품에 따라 손상허용설계 개념을 따른다. 손상허용설계(damage tolerance design) 개념을 따르는 부품의 경우 이미 소재 및 부품 내에 일정한 크기의 균열이 존재한다고 가정하며, 균열이 일정 크기를 넘어가는 사용 시간을 예측하여 관리하고 교체하는 방식을 사용한다. 이처럼 항공안전을 위해 요구되는 항공기용 소재 안전기준은 부품의 종류에 따라 다른 개념이 적용되기 때문에 소재·부품·시스템에 이르는 전주기적 기술이 필수 분야이다.

▲ 항공기 설계 개념의 발전에 따른 항공용 금속소재 안전성 확보 방안의 변화

1.3 기술의 중요성

탄소복합재는 경량 고강도 특성으로 항공기와 자동차 구조부품에 이미 적용되고 있으며, UAM은 자동차와 항공기 모두에서 요구하는 구조성능이 필요하므로 각 응용 분야에서 탄소복합재의 적용 현황을 살펴볼 필요가 있다. 민간 항공기의 경우, 1990년 중반부터 본격적으로 탄소복합재 구조부품을 적용하였으며, 최근 에어버스와 보잉의 주력 항공기에 적극적으로 적용되고 있다. 에어버스는 최신 기종인 A380에 30wt% 정도 탄소복합재 부품을 적용하고 보잉은 최신 기종인 787에 50wt%를 적용하고 있다.

▲ 민간 항공기의 탄소복합재 구조부품 적용현황

자동차 부품은 탄소복합재를 활용한 부품 양산을 가장 적극적으로 추진하는 독일의 비엠더블유(BMW)사의 경우, 양산용 전기자동차인 i3, i8에 고속 제조공정 등을 이용한 탄소 복합재 부품을 적용하였으며, 주력 모델 중 하나인 7-series에 총 16개 파트에서 탄소복합재 부품을 적용하였다. 특히, 독일은 국가 주도 전략과제와 기업 컨소시엄 형태로 자동차 완성 업체부터 수지, 탄소섬유, 부품제조 업체 등으로 구성되어 기술 개발을 진행하였다. 탄소복합재 적용 부품은 1차 구조부품뿐만 아니라 2차 구조부품까지 다양하게 사용되고 있어 탄소복합재의 경량 고강도/고강성 특성이 UAM 구조부품 적용에도 적합함을 알 수 있다.

▲ BMW 자동차 탄소복합재 구조부품 적용 현황

항공사고 발생 원인으로는 운행 과실(조종사 과실과 날씨, 운행 과실)과 기계적 결함에 따른 사고가 전체의 63%를 차지한다. 운항 시 날씨에 따른 사고는 감소하는 반면, 기계적 결함에 따른 사고는 지속해서 발생한다. 기계적 결함으로 발생하는 항공기 사고는 약 20% 수준이다. 기계적 결함의 대표적인 원인은 항공기용 소재 및 부품의 피로에 따른 것이다. 운항 중에 반복적으로 하중을 받는 항공기는 설계 단계에서 피로 대책을 수립하지만 운항 중 부품 교체 주기를 부적절하게 설정 및 관리하는 등의 원인으로 항공기 사고가 발생하는 경우가 있었다. 

항공기 부품 손상 및 이로 인한 사고 발생에 따라 항공기의 설계 개념은 1950년대 이후로 지속해서 발전해 왔다. 항공기 설계 개념은 2차 세계대전 전후에 사용되던 안전수명설계(safe life design) 개념에서 1970년대 이후 손상허용설계로 변경되었다. 항공기용 소재는 이와 같은 항공기 설계 개념의 변경에 따라 발전해 오고 있다. 예를 들면, 1950년대에 고강도 알루미늄 열처리를 위해 사용되던 T6 소재는 강도를 일부 낮추는 대신 부식 및 피로균열 저항성을 향상하고자 1960~1970년대 이후 T7 열처리 소재로 변경이 되었다. 

현재 미국 기준 헬리콥터 1마일당 이동비용은 약 9달러 수준이다. 하지만 우버 엘리베이트 (Uber Elevate)가 계획하는 UAM 초기 요금은 1마일당 5.73달러 수준이며, 서비스가 어느 정도 정착되면 1.86달러, 장기적으로는 44센트까지 하락할 것으로 예상한다. 우버 엘리베이트가 전망하는 이동비용의 하락 시나리오가 실현되려면 배터리 가격 하락뿐만 아니라 기체 가격 하락을 위한 소재비 절감이 중요한 이슈이다.

▲ Uber elevate 가격정책 전망