일본산업뉴스요약

소프트뱅크, HAPS용 배터리 2개 경량화
일본에서 성층권 장기 항행을 목표

일본 주변에서 HAPS(High Altitude Platform Station, 성층권 통신 플랫폼)를 1년이라는 장기 연속 항행을 위한 동력원 개발이 드디어 본격화하고 있다. 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)는 2025년 10월, ‘경제안전보장 중요 기술 육성 프로그램(K Program)’의 일환으로 실시하는 ‘고고도 무인기에 의한 해양 상황 파악 기술의 개발·실증’ 과제의 수행 기관으로 소프트뱅크를 채택했다. 소프트뱅크는 발전 효율이 높은 태양전지와 고에너지 밀도의 배터리 팩(축전지)에 대한 연구개발을 진행한다.

사업기간은 2025~2028년도까지 4년이다. 2027년도까지 요소 기술 개발을 완료하고, 2028년도에는 성층권에서 비행 실증을 실시한다. 예산은 18억 엔이다.

소프트뱅크는 2017년부터 HAPS 관련 프로젝트를 시작해, 미국 AeroVironment와의 협업을 통해 고정익 기체 ‘Sunglider’를 사용해 개발을 진행해 왔다. Sunglider는 날개 길이 78m의 대형 기체로, 최대 75kg의 통신 페이로드를 탑재할 수 있다.

다만, 현재로서는 이 대형 기체를 일본 주변에서 장기간 연속 운용하기 위해 해결해야 할 여러 기술적 과제가 있다. HAPS는 주간에는 기체 표면에 탑재된 태양전지로 발전한 전력을 동력원으로 비행하고, 야간에는 배터리 팩에 저장한 전력으로 비행한다. 그런데 위도가 높은 일본 주변 지역에서는 겨울철에 일조 시간이 짧아지기 때문에 충분한 전력을 확보할 수 없게 된다. 이 과제를 해결하기 위해서는 기체 중량의 대부분을 차지하는 배터리 팩이나 태양전지의 경량화와 함께 태양전지의 발전 효율을 높일 필요가 있다.

HAPS는 상용 통신 서비스뿐 아니라 일본 주변 해역에서의 지속적인 해양 상황 파악(MDA: Maritime Domain Awareness)이라는 안전보장 용도로 활용하는 것도 예상하고 있다. K Program에 채택된 것은 그 때문이다.

소프트뱅크는 2024년도도 ‘고고도 무인기의 장기 항행 기술에 관한 연구개발’이라는 연구개발 과제로 K Program에 채택되어, ENAX(도쿄), 산업기술종합연구소, 조슈산업(야마구치현)과 함께 태양전지와 배터리 팩 기술에 대한 타당성 조사(Feasibility Study)를 실시. 과제 추출과 필요 요건 정의를 작성했다. 이번에 채택된 연구개발은 계약상은 독립된 과제이지만 기술적으로는 연속된 것으로, 앞으로도 4개 기관이 공동으로 연구개발을 추진해 나간다고 한다.

-- 태양전지 경량화로 목표 달성 --
HAPS는 자체적으로 발전한 전력만으로 활동해야 하므로, 기체의 거의 모든 부분에 태양전지를 배치한다. 대형 기체의 경우 태양전지 모듈 수는 수천 장에 이른다. 모듈이 1㎡당 100g 가벼워지면, 비행 가능한 범위를 위도에서 2도 높게 할 수 있기 때문에 태양전지 모듈의 경량화는 매우 중요한 과제로 꼽는다.

구체적으로 HAPS용으로 요구되는 면적당 중량은, 지상용 초경량 모듈보다도 한 자릿수 낮은 300~600g/㎡라고 한다.

소프트뱅크는 이전부터 결정 실리콘(Si) 태양전지 모듈의 경량화에 힘써 왔으며, 2025년 8월에 자사 블로그를 통해 600g/㎡ 이하를 달성했다고 보고했다.

소프트뱅크는 그에 앞서 셀 두께 80μm(마이크로미터)의 초경량 셀을 이용해 665g/㎡를 달성하였지만, 이번에는 가장 저렴하게 대량 조달할 수 있는 140μm 두께의 셀을 사용하면서도 기술 개선을 통해 면적당 중량 598.9g/㎡를 실현했다. 모듈 사이즈는 540mm×560mm이다.

주요 개선 포인트는 셀 표면에서 전류를 모으는 탭(tab)에 있다. 탭은 셀 표면의 전극이 모은 전류를 전달하는 금속 도체로, 탭의 높이가 봉지재의 두께보다 크면 탭 부위의 요철이 원인이 되어 라미네이션 과정에서 주름이나 기포가 발생해 셀 파손을 초래한다. 한편 탭을 얇게 하면 요철은 줄어들지만, 지나치게 얇을 경우는 도전 저항이 늘어나 출력이 저하된다.

즉, 출력 저하가 발생하지 않는 한계의 두께를 정확히 가늠하는 것이 핵심이다. 소프트뱅크는 국내외 연구기관과 기업에 문의해 카탈로그 제품부터 시제품 단계의 첨단 소재까지 조달했다. 한편, 협력회사인 Fujipream이 정밀 접합 기술과 설비를 제공함으로써 140μm 두께의 셀이라도 25μm 두께의 보호재와 100μm 두께의 봉지재를 사용해 고품질 라미네이션이 가능한 공정을 확립했다고 한다.

다만, 이 태양전지 모듈은 경량화를 최우선으로 설계해 고효율 셀을 사용하지 않았기 때문에, 최대 출력은 55.24W, 모듈 실효 효율은 18.3%에 머문다. 소프트뱅크 첨단기술연구소 첨단기술개발부 에너지솔루션개발과의 다카야나기(高柳) 과장은 “일본에서 HAPS를 상용화하려면 실효 효율 기준으로 25~30%는 필요하다. 실리콘만으로는 어렵다”라고 말한다.

이에 따라 소프트뱅크는 기술적으로 아직 발전 단계에 있지만, 이론 변환 효율로 40% 이상을 기대할 수 있는 페로브스카이트/실리콘 등 페로브스카이트를 탑셀로 하는 2단자 탠덤 태양전지에 주목하고 있다. 이미 페로브스카이트/실리콘 탠덤 셀을 확보해 연구개발을 진행하고 있다고 한다. 최종적으로 실효 효율 25~30%, 면적당 중량 500~550g/㎡의 HAPS용 플렉시블 태양전지 모듈의 완성을 목표로 한다.

-- 리튬(Li)금속배터리와 실리콘계 음극전지를 동시에 검토 --
HAPS용 배터리 팩에는 높은 중량 에너지 밀도와 성층권 환경에서 장기간 운용할 수 있는 안전성과 내구성, 사이클 수명의 확보(반년 연속 운용 기준 200사이클 이상)가 요구된다. 특히 경량성이 핵심인 HAPS에서는 중량 에너지 밀도가 가장 중요하다. 현재는 리튬(Li)금속배터리와 실리콘계 음극전지로 연구개발을 진행하고 있다.

두 방식에는 각각 장단점이 있다. 리튬금속배터리는 중량 에너지 밀도 측면에서 리튬이온배터리의 2배 이상인 500Wh/kg 이상을 기대할 수 있는 반면, 안전성 확보와 수명 향상을 위해서 가압 메커니즘이 필요하다. 이는 중량이 증가하는 부정적 요인이 된다. “가압 메커니즘 개발이 관건이다. 셀 전체에 압력을 균일하게 가하는 기술과 함께 CFRP(탄소섬유강화플라스틱) 등 경량 소재를 사용한 메커니즘을 개발할 필요가 있다”(다카야나기 과장).

반면 실리콘계 음극전지는 가압 메커니즘이 필요 없다는 장점이 있지만, 충전에 비해 방전 효율이 90%를 밑도는 손실이 발생하는 과제가 있다고 한다.

-- 끝 --

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