도심 항공 모빌리티(UAM)가 가져올 미래
글: 알리스테어 위닝(Alistair Winning)
제공: 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)
(출처: Choi_ Nikolai/stock.adobe.com; AI로 생성)
전문가들은 언젠가는 도심 항공 모빌리티(UAM)가 등장할 것이라고 예견해 왔다. 이것은 날으는 자동차라고도 할 수 있다. 하지만 우리는 여전히 이러한 예견이 현실이 되기를 기다리고 있다. 몇몇 프로토타입이 개발되고 계획들이 발표되고 있으나, 실질적인 진보가 꽤 이루어지고 있지는 않다.
그런데 도시들에서 도로가 갈수록 더 혼잡해짐으로써 UAM을 도입하기에 이보다 더 좋을 수 없는 시기가 되었다. 오늘날 여러 회사가 프로토타입을 개발하고 있으며, 이 중의 많은 수가 국가 항공 당국으로부터 승인을 받기 위한 절차를 밟고 있다. 일부 UAM 디자인은 훈련받은 조종사를 필요로 한다. 독일 회사인 Volocopter가 설계한 VoloCity 에어 택시를 예로 들 수 있다. 또 어떤 디자인들은 자율형이다. 중국의 EHang EH216-S 항공기를 들 수 있다. 이 두 UAM 항공기는 이미 심도 있는 테스트와 시험 비행을 하고 있다. 대부분의 현행 UAM 디자인이 가격이 비싸고 에어 택시 같은 애플리케이션으로 상업적 용도를 겨냥하고 있다. 하지만 그렇게 멀지 않은 미래에 양산 개인용 UAM이 좀더 현실에 가까워질 것으로 보인다.
지난 십여 년에 걸쳐서 필요한 모든 주요 기술로 진보가 이루어짐으로써 비용적으로 경제적인 UAM을 개발하는 것을 가로막는 장벽들을 제거하게 되었다. 이러한 진보의 대부분은 전적으로 UAM을 겨냥해서 개발된 것이 아니라 EV(그림 1)와 상용 및 군용 드론 개발로부터 가져온 것이다. 이 글에서는 UAM 개발에 있어서 중요한 기술들과 이러한 기술들이 어떻게 미래의 진보를 가능하게 할지 알아본다.
그림 1: EV 파워트레인 설계가 UAM에 필요로 하는 기술들을 개발하기 위한 토대가 되고 있다. (출처: Taskmanager/stock.adobe.com, AI를 활용한 생성)
모터
항공 애플리케이션으로 중요한 지표 중의 하나가 동력 대 중량(power-to-weight) 비이다. 이 점에 있어서 모터가 중요하다. VeloCity 에어 택시 같은 디자인은 18개 로터를 사용하고 이들 각각이 모터를 필요로 한다. 지난 몇 년 사이에 모터 성능과 무게 감소 모두에 있어서 진보가 이루어져 왔다.
UAM 제조사들에게 중요할 만한 한 가지 혁신이 축류 모터(axial motor)이다. 이 모터는 자속이 회전 축에 대해서 기존의 레이디얼 플럭스 모터처럼 직각이 아니라 평행이다. 축류 모터는 좀더 효율적이고 컴팩트하고, 전력 밀도가 6kW/kg 이상이고, 경량이다. 모터로 또 다른 흥미로운 혁신으로서 EV 용으로 개발된 인휠(in-wheel) 모터를 들 수 있다. 이 모터는 자동차의 바퀴들을 개별적이고도 정밀하게 제어하면서 무게와 공간을 줄이도록 한다. 이 기법을 사용해서 UAM 항공기로 개별적 로터 제어를 할 수 있을 것이다.
사용되는 모터 타입에 있어서는 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)가 차량용으로 인기 있는 솔루션으로 부상하고 있다. [1] SRM은 고속 동작, 넓은 속도/토크 범위에 걸친 효율, 열 및 진동 내성, 높은 전력 밀도를 특징으로 한다. 이 기술은 토크 리플과 음향적 소음이 단점이었는데, 지금은 향상된 설계와 제어로 이러한 단점들을 극복하게 되었다. SRM의 또 다른 큰 장점은, 구현을 위해서 희토류 물질을 필요로 하지 않는다는 것이다. 그러므로 비용을 낮추고 공급 사슬을 좀더 간소화할 수 있도록 한다.
두 번째 모터 타입은 소형 EV에 널리 사용되고 있으면서 UAM 디자인에 차용할 수 있는 것이다. 바로 동기 릴럭턴스 모터 - 내부 영구 자석(SynRM-IPM) 하이브리드 디자인이다. UAM 항공기는 통상적으로 추진을 위해서 다중의 로터를 사용하므로, SynRM-IPM 디자인이 작은 크기, 높은 토크, 높은 효율, 최소한의 역 기전력(EMF) 드래그라는 측면에서 이점이 있을 수 있다. 이것은 고속 시의 비효율을 제거하도록 한다.
배터리 기술
배터리는 UAM 항공기로 동력을 제공한다. 오늘날 우리가 사용하는 리튬이온 배터리는 필요보다 더 무거운 경향이 있다. 보통 두꺼운 금속 프리즘 또는 원통 모양 케이싱 안에 집어넣기 때문이다. 그렇지만 동력 대 중량 비라는 면에서는 이용할 수 있는 기술들 중에서 가장 우수하다. 그런데 고체 리튬이온 배터리가 곧 시장에 등장할 것으로 보인다. 이러한 배터리는 향상된 동력 대 중량 비뿐만 아니라 더 높은 수준의 안전을 가능하게 한다. 삼성 SDI는 2027년 안으로 고체 배터리 양산을 시작할 계획이다. [2] 이 회사의 ASB 배터리는 에너지 밀도가 900Wh/L에 달할 것이라고 한다. 이것은 이 회사의 현행 P5 프리즘 리튬이온 배터리보다 밀도가 40퍼센트 더 높은 것이다. Toyota와 Volkswagen 같은 자동차 회사들도 자사 고체 배터리로 비슷한 일정을 목표로 하고 있다.
고체 배터리는 두꺼운 금속 케이싱을 필요로 하지 않는다. 고체 전해질이 누출되지 않기 때문이다. 또한 자체 연소(self-combustion)를 일으키는 경향이 훨씬 덜하다. 도심 환경에서는 마일리지가 다른 경우들처럼 그렇게 중요하지 않을 것이다. 그러므로 UAM 디자인 용으로 고체 배터리 팩을 더 작고, 안전하고, 가볍게 만들면서도 충분한 거리를 제공할 수 있을 것이다(그림 2).
그림 2: 고체 배터리가 UAM의 안전과 성능을 높일 것이다. (출처: chesky/stock.adobe.com)
아키텍처
자동차 업계는 분산 아키텍처에서 존(zonal) 제어를 사용한 좀더 중앙집중식 아키텍처로 전환하고 있다. 이것은 무게와 복잡성을 낮추도록 한다. 이 두 문제는 UAM 제조사들에게도 중요한 과제이므로, 현재 자동차 업계로 이루어지고 있는 변화는 미래에 UAM 디자인으로도 영감을 불어넣을 것이다.
분산 자동차 시스템으로 차량용 전자 제어 유닛(ECU)의 수가 빠른 속도로 증가함으로써 자동차 한 대당 평균적으로 약 100개 ECU에 이르게 되었다. [3] 이들 ECU는 상당한 양의 자동차 전력을 사용하고 서로 통신하기 위해서 집중적인 배선을 필요로 한다. 배선은 무거워서, 평균적인 자동차로 와이어 하니스 무게가 100~200파운드(45.35~90.71킬로그램)에 달할 것으로 추산된다.[4] 중앙집중식 아키텍처는 강력한 메인 제어 유닛이 각기 존으로 단일 ECU하고만 통신하면 되므로, 필요한 배선을 줄이도록 하며, 이것은 자동차의 전반적인 무게를 줄이는 것으로 이어진다. 견고한 중앙 컴퓨팅 플랫폼을 사용할 때의 또 다른 이점은 AI 애플리케이션을 실행할 수 있다는 것이다. UAM 디자인으로도 이것이 필요할 것이다.
한편으로 자동차 업계는 400V 아키텍처에서 800V로 이전하고 있다. 이것은 충전 시간을 단축하고, 성능을 높이고, 무게를 줄이고, 배터리 수명을 연장하도록 한다. 800V 아키텍처는 더 낮은 전류를 사용하므로, 더 얇고 가벼운 배선을 사용할 수 있으며 열을 덜 발생시킨다. 그러므로 배터리로 가해지는 스트레스를 줄이고 열 폭주 가능성을 낮춘다. 또한 EV로 많은 이유에서 48V 버스 전압이 도입되고 있다. 이 새로운 전압 레벨이 UAM 제조사들에게도 마찬가지의 이점을 제공할 수 있을 것이다.
파워트레인
와이드 밴드갭(WBG) 소재들이 EV 파워트레인을 혁신하고 있으며, UAM 항공기로도 마찬가지의 잠재력을 지니고 있다. 실리콘과 비교해서 실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨 나이트라이드(GaN) 디바이스는 더 우수한 성능, 더 우수한 효율, 더 높은 스위칭 주파수, 더 높은 동작 온도를 가능하게 한다. 고속 스위칭으로 더 작은 자기 소자들을 사용할 수 있도록 하므로 전반적인 솔루션 크기와 무게를 줄일 수 있으며, 더 높은 효율은 저장된 전력을 더 효과적으로 활용하고 더 적은 열을 발생시키도록 한다. SiC 디바이스는 매우 견고하고 높은 열 저항을 특징으로 하므로, 수명이 더 오래 가고 열을 더 잘 소산시킨다.
작동 시의 안전
사전에 승인을 받은 운행 계획을 준수한다면 UAM 항공기가 다른 항공기나 어떤 다른 물체와 부딪히는 일은 없을 것이다. 그렇기는 하더라도 기술적인 것이든 여타의 것이든 여러 가지 이유에서 위험성이 존재한다. 다행히도 자율 자동차 혁신은 광학, 레이더, 라이다 기술을 결합해서 자동차에 대한 360° 뷰를 제공할 수 있게 되었다. 이들 기술은 꽤 오랜 기간 개발되어 왔고 이들 기술에 대한 이해도가 높기는 하나, 어떤 물체라도 위협이 될 수 있는 공중에서는 더욱 더 정확하게 작동할 수 있어야 한다. 이미 Amazon[5] 같은 회사들이 이러한 기술들을 사용해서 자율 무인 드론을 시험하고 있다(그림 3).
그림 3: 이미 자율 드론이 화물 배달 같은 용도로 개발 및 도입되고 있다. (출처: vxnaghiyev / stock.adobe.com, AI를 활용해서 생성)
내비게이션
전부는 아니더라도 대부분의 UAM 디자인이 내비게이션을 위해서 GNSS(global navigation satellite system)에 크게 의존할 것이다. 도심 환경에서는 높은 빌딩들에 의해서 신호가 가로막히거나 반사될 수 있으며, 신호 끊김과 오작동이 발생될 위험성이 항시 존재한다. 관성 측정 유닛(IMU)과 카메라, 라이다, 오도미터 같은 여타 센터의 형태로 전자장치들을 사용해서 GNSS 시스템의 정확도와 신뢰성을 높일 수 있으며 신호 끊김이 발생되었을 때 잠시 동안 내비게이션을 넘겨받을 수도 있다.
맺음말
당장에 개인용 UAM 항공기가 등장하지는 않을 것이다. 하지만 현재 주요 기술적 요소들이 거의 갖춰져 있거나 곧 그럴 것이다. EV 및 자율 자동차 개발이 이러한 기술들에 있어서 상당 부분 토대를 놓고 있으며, 드론 기술의 진보 역시도 큰 도움이 되고 있다. 그럼으로써 날으는 자동차가 등장할 것이라고 하는 오늘날 미래학자들의 예견이 현실로 가까워지게 되었다.
출처
[1] https://www.futurebridge.com/industry/perspectives-mobility/emerging-electric-motor-technologies-for-the-ev-market/
[2] https://www.samsungsdi.com/sdi-now/sdi-news/3522.html
[3] https://www.aptiv.com/en/insights/article/what-is-an-electronic-control-unit
[4] https://semiengineering.com/shedding-pounds-in-automotive-electronics/
[5] https://spectrum.ieee.org/amazon-to-test-delivery-drone-autonomy-in-the-uk
알리스테어 위닝(Alistair Winning)은 1997년에 웨스트 스코틀랜드 대학에서 전자 시스템 학사학위를 취득하고, 이후로 일렉트로닉스 미디어 분야에 종사하면서 마케팅, PR, 저널리즘 직책을 거쳤다. 그 동안에 Electronics Engineering, Embedded Systems Europe, EENews Embedded, Technology First, Electronic Product Design and Test, Panel Building and Systems Integration 등의 잡지에서 편집자를 역임했다. 현재는 Power Systems Design의 유럽 편집자 및 일렉트로닉스 및 엔지니어링을 전문으로 하는 프리랜스 기고가로 일하고 있다.