전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2018.5 특집 (p16~45)

전동화로 시작되는 하늘의 혁명
2020년대에 전동항공기 속속 등장

제1부: 동향
‘하늘의 우버’ 2020년에 실용화, 여객기는 하이브리드

수 명이 탑승하는 소형기부터 100명 이상이 탑승하는 대형기까지 모든 크기의 항공기에 전동화의 물결이 밀려오고 있다. 전동화는 소형기 업계에 ‘하늘을 나는 자동차’나 ‘하늘의 라이드셰어’와 같은 새로운 시장을 초래한다. 대형기의 경우는 연비 향상을 위한 하이브리드기의 개발이 전동화 기술의 수요를 높인다. 일렉트로닉스 기업에 있어서 새로운 비즈니스 기회가 될 것이다.

“전동항공기 시장은 크게 성장할 것이다. 우리들은 전동항공기의 연구개발에 수억 유로(수백억엔)를 투자할 것이다”. 프랑스 에어버스에서 전동화 연구개발을 주도하는 Glenn Llewellyn 씨(에어버스 제너럴 매니저, Electrification CTO)는 이렇게 벼르고 있다.

전동항공기는 모터나 인버터, 배터리와 같은 파워 일렉트로닉스 기술을 활용하여 비행하는 항공기다. 지금, 이 전동항공기를 둘러싼 개발 경쟁이 격화되고 있다.

대형 항공기기업이나 항공기용 부품기업은 물론 이들 업체 출신자나 항공우주 관련 연구기관 출신자가 전동기를 개발하는 신흥기업을 속속 등장하고 있다. 미국 Dell과 구글, 마이크로소프트 등에 몸담았던 아쉬시 쿠마르 씨가 설립한 미국의 Zunum Aero 등 IT업계 등 ‘타 분야’도 참전하기 시작하였다.

중국의 지리자동차나 스웨덴 볼보, 영국 로터스 등을 산하에 두고 있는 지리홀딩그룹은 육지와 하늘의 이동이 가능한 ‘하늘을 나는 자동차’와 전동 어시스트형 수직 이착륙(VTOL)기를 전개하는 미국의 신흥기업 테라푸지아(Terrafugia)를 2017년 11월에 인수하였다.

일본에서는 자동차기업의 기술자인 나카무라(中村) 씨가 대표를 맡고 있는 연구단체 '카티베이터(Cartivator)'가 사람이 탈 수 있는 전동 VTOL기를 개발하고 있다. 2017년 5월에는 도요타자동차를 중심으로 하는 15개 회사로부터 4,250만엔의 출자를 받았다.

또한 도요타 산하의 미국 도요타AI벤처스는 인텔캐피털이나 제트블루테크놀러지벤처스와 같은 벤처캐피털과 함께 미국의 전동 VTOL기 신흥기업 Joby Aviation에 1억 달러를 출자하였다.

도요타자동차 자체도 하늘을 나는 자동차를 연구개발하고 있다고 한다. 도요타는 발표는 하지 않았지만 “히가시후지연구소(시즈오카현)에서 하늘을 나는 자동차를 연구하고 있다”(복수의 차량탑재분야 기술자). 출원특허를 조사해 보니 하늘을 나는 자동차를 연구하고 있는 것으로 확인되었다.

-- 2020년대에 전동항공기 속속 등장 --
항공기에 있어서 전동화의 이점은 크다. 리시프로 엔진이나 제트엔진과 같은 내연기관과 비교하여 온실효과 가스의 삭감과 연비 향상, 소음 저감, 구조 간소화를 통한 메인터넌스 부하의 경감 등이 가능하게 된다.

이러한 전동항공기의 이점은 이전부터 알려져 있었지만 최근에 와서 전동항공기의 연구개발이 활발하게 된 이유는 전동화에 반드시 필요한 파워 일렉트로닉스 기술이 현저하게 진화했기 때문이다. 하이브리드차나 전기자동차와 같은 전동차량용으로 모터나 인버터의 소형∙경량화, 고출력화, 2차배터리의 용량 증대나 비용 삭감이 진행되면서 수 명이 탈 수 있는 소형기라면 전기 만으로 비행할 수 있는 수준이 되었다. 100명 이상이 타는 대형기의 경우도 내연기관과 전기의 하이브리드화로 추진력을 전동화하는 길이 보이기 시작하였다.

그 결과 2020년 무렵부터 전동항공기를 위한 실용화가 시작된다. 그 도화선에 불을 댕긴 것이 하늘을 나는 자동차다. 2019년을 계기로 복수의 신흥기업이 제품 판매를 시작한다.

하늘 나는 자동차의 경우는 출발지에서 공항까지 자동차로서 이동하고, 그곳에서 목적지 근처 공항까지 비행기로서 비행, 공항에 도착하면 다시 자동차로서 주행하여 목적지로 향한다. 기존의 이동과 비교하여 탑승수속이나 짐을 부치거나 찾는 등 환승으로 인해 발생하는 수고를 줄일 수 있다.

-- 빠르고 싼 ‘하늘의 우버’ --
-- 전동화 기술의 진전으로 현실화 --
-- 규제정비 및 이착륙장 확보가 과제 –

-- 현행 기술의 개선에는 한계 --
-- 하이브리드 추진으로 10% 이상의 연비 개선 --
-- 추진 효율의 향상으로 연비 개선 --
-- MW급의 파워 일렉트로닉스 기술이 필수 --

제2부: 선행사례
유럽∙미국∙중국의 신흥기업 스파크, 에어버스는 전방위 개발

‘하늘 나는 자동차’나 전동항공기는 앞으로 급성장하는 새로운 시장이기 때문에 많은 신흥기업이 연구개발에 주력하고 있다. 모터만으로 비행하는 완전 전동의 VTOL기나 내연기관을 병용하여 1,000km를 비행할 수 있는 하이브리드기까지 다양하다. 에어버스와 같은 대기업도 전동항공기의 개발에 참전하면서 경쟁은 격화되었다. 그 최전선을 따라가 보았다.

중국의 지리자동차의 모회사로, 스웨덴 볼보와 영국 로터스를 인수하여 산하에 두고 있으며 독일 다임러의 최고주주이기도 한 지리홀딩그룹. 그렇게 적극적으로 인수를 추진해 온 지리홀딩그룹이 다음으로 주목하고 있는 회사는 도로와 하늘을 이동할 수 있는 ‘하늘 나는 자동차’를 전개하는 미국의 신흥기업 테라푸지아다. 2017년 11월에 테라푸지아를 인수하였다.

2006년 설립된 테라푸지아는 하늘 나는 자동차를 전개하는 신흥기업 중에서는 ‘고참’이다. 2019년에 최초의 제품을 발표할 예정이다. 제품화에서 앞설 뿐 아니라 중국의 거대 자동차기업의 후원을 얻고 있기 때문에 테라푸지아는 하늘 나는 자동차를 전개하는 기업 중에서는 단독 선두다. 그룹의 자동차회사의 협력에 힘입어 제품화를 급속하게 추진한다.

테라푸지아가 2019년에 발매하는 ‘Transition’은 접이식 고정익을 갖춘 기체다. 지상 주행 시에는 고정익을 접고 공항까지 이동하여 고정익을 펼쳐서 비행한다. 목적지 근처의 공항에 도착한 후에 다시 고정익을 접고 지상을 주행하여 목적지로 향한다. 항공기로서는 경(輕)스포츠 항공기로서 인증을 받았다.

주행 시에는 일반적인 자동차로서 인증을 받았다. 탑재한 항공기용 엔진 ‘Rotax 912iS’로 발전기를 돌려서 얻은 전력으로 모터를 움직여 차 바퀴를 구동하여 주행한다. 비행 시에는 주로 엔진으로 본체 뒤에 있는 프로펠러를 돌린다. 높은 추진력을 얻고 싶을 때만 모터로 프로펠러 회전을 보조한다. 테라푸지아는 이 기능을 ‘e-afterburner’라고 부른다.

Transition은 테라푸지아의 첫 하늘을 나는 비행기로 무게에도 안전대책을 강구할 예정이다. 2018년 1월에 개최된 항공우주분야 국제회의 ‘AIAA SciTech Forum’에서 테라푸지아의 공동창업자이자 CTO인 Carl Dietrich 씨가 그 안전기능에 대해 소개하였다.

예를 들면 파일럿이 의식을 잃어 기체가 지면에 충돌할 위기가 닥쳐도 ‘Automatic Ground Collision Avoidance System(Auto-GCAS, 자동 지면 충돌 회피 지원 시스템)’에 의해서 자동으로 상승하여 충돌을 피한다. 지금까지 일부 군용기나 민간여객기에 탑재되어 있었지만 소형기에 탑재하는 것은 처음이라고 한다. AIAA SciTech Forum의 강연에서는 Auto-GCAS을 탑재한 군용기가 이 시스템으로 인해 충돌을 회피하는 장면의 동영상을 보여주며 그 안전성을 강조하였다.

가령 엔진이 고장 나도 모터 만으로 프로펠러를 돌려 활공하면서 착륙할 수 있도록 하였다. GPS를 사용하여 현재의 위치나 고도 등을 다른 항공기나 관제탑에 계속 송신하는 ‘ADS-B’에 대응함으로써 안전성이 한층 더 높아진다고 한다. 또한 긴급 시에는 대형 낙하산을 펼쳐서 급 낙하를 방지하는 시스템도 도입하고 있다. 이러한 일련의 안전 대책으로 인해 사망률을 대폭으로 줄일 수 있다고 보고 있다.

-- 유럽발 하늘을 나는 자동차 --
테라푸지아와 함께 제품화에 있어서 ‘선두 집단’에 속해 있는 기업은 네덜란드의 PAL-V나 슬로바키아의 Aeromobil이다. 이중 PAL-V는 2인승의 하늘을 나는 자동차 ‘PAL-V Liberty’를 2019년에 제품화한다. 그 실물을 2018년 3월에 열린 ‘제네바모터쇼 2018’에서 공개하였다.

PAL-V Liberty는 ‘자이로 플레인(자이로콥터)’으로서 비행한다. 자이로 플레인은 헬리콥터와 같은 회전익(로터)을 갖추고 있지만 그 구조는 다르다. 헬리콥터의 경우는 엔진으로 직접 로터를 회전시키지만 자이로 플레인은 별도로 장착된 프로펠러를 엔진으로 구동하여 전진하고, 그 전진을 통해 발생하는 기류를 로터로 받아 회전시킨다. PAL-V의 공동창업자이며 CEO인 로버트 딩게만스는 “로터 측에 엔진이 없는 만큼 로터부의 구조는 심플하고 메인터넌스도 쉽다”라고 말한다.

PAL-V Liberty의 경우는 본체 후방에 프로펠러를 배치하여 지상 주행 시에 로터와 프로펠러는 접은 상태로 해 두었다가 비행 시에 펼친다. PAL-V Liberty에는 ‘리미티드 에디션’과 ‘스포츠 에디션’의 2개 모델이 있다. 가격은 각각 75만 유로와 60만 유로로, 두 모델의 차이는 본체의 색이나 장비품 등이다. 예를 들면 리미티드 에디션에는 각종 정보를 표시하는 디스플레이가 운전석에 장착되어 있다.

한편, Aeromobil은 2020년 무렵에 제품을 발매할 것으로 보인다. 제품판의 최종 프로토타입 ‘Aeromobil 4.0 STOL’을 2017년에 발표하면서 구입 예약을 시작하였다.

차세대기도 개발을 시작하였으며 그 컨셉트기 ‘Aeromobil 5.0 VTOL’을 2018년 3월에 발표하였다. 이름에 ‘VTOL’이 있는 것에서 알 수 있듯이 수직 이착륙할 수 있는 점이 특징이다. Aeromobil 4.0/5.0은 모두 엔진으로 비행한다. Aeromobil 5.0은 이륙할 때 모터로 보조하기 때문에 수직 이륙이 가능하다고 한다.

-- 솔라 임펄스의 경험을 활용 --
-- 목적지 지정만 하면 자동비행 --
-- 하이브리드 중형기 실현 --
-- 3개의 프로젝트를 동시진행 --
-- 비행/주행 모듈에 캐빈을 탈착 --
-- 하이브리드형 대형기도 개발 --

제3부: 기술개발
‘자동차의 5배’를 목표, 파워 밀도가 지표가 된다

전동차량이 견인해 온 파워 일렉트로닉스 기술의 진전으로 인해 실현 가능성이 보이기 시작한 전동항공기. 그러나 전동항공기의 시대를 맞이하기 위해서는 가일층의 성능 향상이 필수다. 중에서도 경량화, 즉 ‘고밀도화’가 열쇠를 쥐고 있다. 모터의 경우는 무게 당 출력을, 배터리의 경우는 무게 당 에너지(용량)를 약 5배로 높이는 것이 목표다.

하이브리드차나 전기자동차와 같은 전동차량의 개발 경쟁으로 인해 구동용 모터나 모터를 제어하는 인버터와 같은 파워 일렉트로닉스 기술은 기존보다 성능이 향상되었다. 모터나 인버터는 소형∙경량화, 고출력화를 실현한 결과 출력밀도가 계속 높아지고 있다. 전력원인 2차배터리도 에너지(용량)밀도가 향상되는 중이다. 그래도 항공기의 전동화를 추진하기 위해서는 가일층의 밀도 향상이 반드시 필요하다.

차량탑재 모터나 인버터의 경우는 소형화가 특히 중요하다. 즉, 체적 당 출력밀도를 높이는 것이다. 물론 비용 삭감도 강하게 요구된다. 한편, 항공기는 경량화에 중점을 둔다. “항공기 분야에서도 부품 비용 삭감은 중요하지만 우선되는 것은 경량화다”(복수의 항공기분야 기술자).

그래도 전동차량용 모터나 인버터는 소형화로 인해 가벼워지고 무게 당 출력은 향상되었다. 예를 들면 모터의 경우 현재는 약 1.5~2kW/kg이다. 이는 소형 프로펠러기를 전동화할 수 있는 수준이다. 단, 좌석이 몇 석밖에 되지 않는 전동 수직 이착륙기(전동 VTOL기)나 20석 이하의 ‘비즈니스기’에서는 5kW/kg이 필요하다. 또한 10kW/kg까지 높이면 수십 석의 리저널기나 100석 이상의 대형 여객기의 전동화도 실현 가능하다.

전동항공기용 모터의 출력밀도 향상에서 앞서는 기업은 독일 지멘스다. 지멘스는 출력 260kW의 모터 ‘SP260D’를 시작(試作), 소형 비행기 ‘Extra 330LE’에 탑재하여 비행시험을 실시하였다. 그 결과, 시속 337.5km를 기록하며 완전 전동 항공기로서 최대 속도를 달성하였다. 이 모터의 무게는 50kg, 출력밀도는 5.2kW/kg으로 크다. VTOL기나 비즈니스기에 적용할 수 있는 수준에 달했다. 실제로 SP260D를 베이스로 한 모터를 프랑스 에어버스가 연구 개발 중인 전동 VTOL기에 적용한다고 한다.

-- 할바흐 배열(Halbach Array)을 적용 --
-- 철심이 불필요한 초경량 모터 --
-- 인버터는 SiC가 전제 --
-- 연료배터리를 조합하여 연비 삭감 --
-- Li공기 2차배터리에 기대 --

제4부: 특허분석
중국에서 특허 대량 출원, 도요타도 ‘하늘을 나는 자동차’

하이테크 분야의 특허 조사에 강한 스마트웍스는 전동항공기 관련 출원특허에서 그 개발 동향을 찾았다. 2000년을 경계로 하여 출원수가 급속하게 증가하고 있다. 유럽과 미국의 대기업에 의한 출원이 주지만 중국 기업에 의한 중국에서의 출원도 활발히 진행되고 있다. 도요타자동차의 특허도 확인할 수 있었다.

전동항공기에 관한 특허출원 동향을 조사한 결과, 중국 기업에 의한 출원 수의 증가가 현저하다는 점과 프랑스의 에어버스나 미국 보잉과 같은 대형 항공기기업이 경쟁하듯이 출원 건수를 늘리고 있는 점이 부각되었다. 여기서는 그 조사 결과에 대해 해설한다.

-- 2000년대부터 출원수가 증가 --
이번 조사에서는 전동드론(헬리콥터를 제외한 전동 회전익 항공기)이나 전동비행기(고정익 항공기)의 카테고리에 있어서 ‘전기에너지로만 또는 전기와 다른 에너지와 병용하여 비행한다’ ‘소형이기 때문에 이착륙에 넓은 장소가 필요 없고 작게 회전할 수 있다’ ‘사람을 태우고 비행 가능하다’ 등의 특징이 있는 것을 대상으로 하여 일본과 미국, 유럽, 중국의 특허 데이터베이스에서 검색하였다. 예를 들면, 중국 DJI의 제품으로 대표되는 소형 드론은 조사 대상에서 제외하였다.

조사 결과, 2000년 이후에 약 1,300건의 관련 특허를 확인할 수 있었다. 전동항공기 관련 특허출원은 2000년 이전에도 소수가 확인되었지만 특허출원 건수가 증가로 전환한 것은 2000년 이후다. 그 후부터는 출원수가 계속 증가하고 있으며 앞으로도 이 경향이 계속될 것이다. 2000년 이후에 특허출원이 증가한 이유는 모터나 인버터, 2차배터리와 같은 전동화 관련 기간 기술이 진보했기 때문이다.

-- 2010년 무렵부터 중국의 출원수가 급증 --
국가나 지역 별로 특허출원을 살펴보면 원래 미국과 유럽에서 출원수가 많았다. 그러나 2010년 무렵부터 중국에서의 출원수가 크게 증가하고 있다. 그래서 출원자의 거주 국가나 ‘우선권주장국’에 주목해 보니, 중국 출원의 대부분(약 83%)이 중국 내에 거주하는 사람에 의한 것이었다. 중국을 제외하면 프랑스나 미국에 거주하는 사람이 많다.

단, 중국의 출원자가 특허를 출원하고 있는 것은 중국에서만 하는 경우가 대부분이었다. 게다가 2000년 이후에 중국에서 4건 이상의 특허를 출원한 중국의 출원자(기업∙대학)는 10개 단체로 한정된다. 대부분의 출원자는 1~3건을 출원하고 있다. 중국은 ‘소수의 출원을 하는 중국 거주 출원자가 다수 존재하는’ 상황에 있다.

이에 대해 프랑스나 미국의 출원자는 자국 이외에서의 출원 건수도 많다. 즉, 여러 나라에 특허를 출원하는 경향이 강하다. 또한 프랑스의 에어버스나 미국의 보잉, 제너럴 일렉트릭(GE), Honeywell과 같은 유럽과 미국의 대기업이 다수의 특허를 출원하고 있다. 한편, 일본의 경우는 일본 거주 출원자가 약간 출원하는데 그치고 있으며 해외 기업의 출원은 거의 전무하다.

-- 기체의 경량화에 부심 --
-- 대형 항공기기업들의 경쟁 --
-- 신흥기업은 제어기술에 주력 --
-- 도요타도 ‘하늘을 나는 자동차’의 특허 출원 --
-- 중국은 소수 출원하는 기업이 다수 --

  -- 끝 --