mecㆍviewer v1.5 :: [항공]160919_항공기 전기추진시스템 기술 동향

항공우주산업기술동향 14권 1호 (2016) pp. 70~82

http://library.kari.re.kr

에서 보실 수 있습니다.

기술동향

항공기 전기추진시스템 기술 동향

김근배*

, 이보화*, 박부민**2)

Technology Trends on the Electric Propulsion System

for Aircraft

Kim, Keun-Bae*, Lee, Bo-Hwa*, Park, Poo-Min**

ABSTRACT

Electric propulsion system is a effective technology to counteract climate change due to fossil fuel,

basically the aircraft uses electric power sources such as battery, fuel cell and solar cell. As the
energy density of Li-ion battery is now approaching the limit, Li-S battery and fuel cells having
higher energy density are developing to increase flight time and range, and solar UAVs are also
developing to stay long time at high altitude. Meanwhile, rising distributed propulsion technology
based on many small propulsion devices is decreasing noise and enhancing the aircraft performance
and safety. Currently, hybrid electric propulsion systems combining fossil fuel engine, generator and
electric motor are developing, which is expected to improve fuel efficiency and to decrease emission.

초 록

전기추진시스템은 화석연료로 인한 기후변화에 대응할 수 있는 효과적인 기술로서, 기본적으

로 이차전지와 연료전지 그리고 태양전지와 같은 전기동력원을 기반으로 항공기에 사용된다. 현

재 리튬-이온 이차전지의 에너지밀도가 한계에 다다르면서 비행시간과 거리를 증대시키기 위해

더 높은 에너지밀도를 갖는 리튬-황 이차전지와 연료전지 개발이 진행되고 있으며, 고고도 장기
체공을 위한 태양광 무인기들도 개발되고 있다. 한편 다수의 소형 추진장치를 이용한 분산추진

기술이 대두되면서 소음을 줄이고 비행체의 성능과 안전성을 높이고 있다. 최근에 화석연료 엔

진과 발전기, 전기모터를 조합한 하이브리드 전기추진시스템이 개발되고 있으며, 향후 연료효율

은 더욱 높아지고 배출가스는 더욱 감소될 것으로 기대된다.

Key Words : Electric Propulsion System(전기추진시스템), Battery(이차전지), Fuel Cell(연료전지),

Solar Cell(태양전지), Distributed Propulsion(분산추진), Hybrid(하이브리드)

* 김근배, 이보화, 한국항공우주연구원, 항공연구본부 엔진시스템연구팀

kbkim@kari.re.kr, bhlee@kari.re.kr

** 박부민, 한국항공우주연구원, 항공연구본부 엔진부품연구팀

ppm@kari.re.kr

김근배 외 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 70~82

1. 서 론

항공기 추진시스템에는 전통적으로 화석연료를

사용하는 내연기관과 가스터빈엔진이 널리 사용되

고 있으나 과도한 화석연료 사용으로 인해 지구온

난화가 초래되고 전 세계적으로 심각한 기후변화

가 발생하고 있다

이에 대응하기 위한 노력으로 항공분야에서는

화석연료 대신 전기동력을 사용하는 친환경 전기

추진시스템 개발이 진행되고 있다

. 전기동력을 기

반으로 하는 추진시스템은 온난화를 초래하는

CO2

발생을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 항공기 전체적

으로 에너지의 효율적 사용을 통해서 장기적으로

비용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다

. 일반적으로

항공기 전기추진시스템은

<그림 1>과 같이 이차전

지

, 태양전지 등의 동력원에서 전력을 공급받아 모

터를 구동하는 방식이며

, 좀 더 효율을 높이기 위

해서 연료전지 또는 내연기관을 결합한 하이브리

드방식을 적용할 수 있다

. 최근에는 모터성능의 점

진적 개선 발전과 더불어 항공기의 추진효율과 안

전성을 더욱 높이기 위해서 대형 추진장치를 다수

의 소형 추진장치를 나누어 배치하는 분산추진방

식을 적용한 항공기들이 등장하고 있으며

, 또한 액

화수소 및 초전도기술을 이용해 동력효율을 획기

적으로 높일 수 있는 연구들이 진행되고 있다

그림

1. 항공기 전기추진시스템 구성개념

항공기 전기추진시스템은 이차전지

, 태양전지

등의 일반적인 전기동력을 이용하는 시스템과 내

연기관과 전기모터

, 발전기 또는 이차전지를 조합

한 하이브리드 동력시스템으로 구분할 수 있다

전기동력 추진시스템은 최근 배터리의 소형화

및 에너지밀도 향상에 따라 소형무인기에 널리 적

용되고 있다

. 중-대형급 이상에서는 전통적인 화석

연료 엔진이 많이 적용되고 있으나 최근 엔진

-발전

기를 조합한 하이브리드동력시스템을 적용해서 비

행시간과 거리를 증대시키려는 기술개발이 진행되

고 있다

. 현재 미국과 유럽연합 그리고 일본 등에

서 미래의 완전한 전기항공기 구현을 위한 혁신적

기술개발을 선도적으로 진행하고 있다

. 단기적으로

친환경 하이브리드 추진시스템의 적용을 통해서

항공기의 연료소모율을 낮추고 배출가스를 감소시

키게 될 것이고

, 장기적으로 화석연료 사용을 줄이

는 방향으로 전기동력 항공기 시대가 열리게 될

것이다

[1-2].

2. 전기동력 추진시스템

2.1 개요 및 현황

항공기에 필요한 전기동력은 기본적으로 이차전

지

, 연료전지, 태양전지로부터 공급될 수 있으며,

필요에 따라 단일 동력원 또는 두세 가지를 조합

한 복수 동력원을 사용한다

현재 소형무인기 분야에서는 리튬

-이차전지를

적용한 단일 동력원 방식이 널리 사용되며

, 무인기

의 체공시간을 늘리기 위해서 연료전지 또는 태양

전지를 적용한 무인기도 개발되고 있다

. 연료전지

의 경우 아직 항공기용으로 본격 사용되지는 않고

있으나 시스템의 신뢰성과 안정성이 향상되면서

점차 적용사례가 증가될 것으로 예상된다

. 태양전

지는 저고도 비행체의 경우 날씨와 일광조건의 영

향을 받기 때문에 제한적인 조건에서 사용할 수

있으나

, 성층권 고고도에서 운용하는 비행체의 경

우 날씨 영향 없이 효과적으로 사용할 수 있다

. 특

히

, 최근 미국과 유럽에서는 성층권 장기체공을 목

김근배 외 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 70~82

표로 태양전지 외 이차전지 또는 연료전지를 조합

해서 체공시간을 수개월에서 수년까지 늘리기 위

한 기술개발이 경쟁적으로 진행되고 있다

. 한편,

구동모터와 발전기 분야에서도 새로운 소재와 기

술을 적용하여 경량화를 통한 출력밀도 개선이 이

루어지고 있으며

, 향후 초전도기술 적용을 통해 에

너지효율의 비약적인 향상이 기대되고 있다

2.2 핵심 요소기술

2.2.1 이차전지

현재 이차전지 분야에서는 원통형

(18650형식) 리

튬

-이온 이차전지의 에너지밀도가 최고 250Wh/kg

수준에 도달해 있으며

, 매년 조금씩 향상되는 추세

를 보이고 있다

. 그러나 근본적으로 리튬-이온 전

지의 에너지밀도가 이론적 한계 수준에 접근하고

있기 때문에 기술개발이 서서히 정체될 것으로 예

상된다

. 리튬-이온의 대안으로 현재 이론적 에너지

밀도가 훨씬 높은 리튬

-황(Li-S), 리튬-공기(Li-Air)

전지 기술들이 부각되고 있으나 아직 상용화단계

에 이르지 못했으며

, 리튬-황 전지가 가까운 미래

상용화될 것으로 예상되고 있다

. 리튬-이온 전지의

이론적인 최대 에너지밀도가

600Wh/kg 수준인데

반해 리튬

-황 전지는 이론적으로 2,500Wh/kg 이

상 의 에 너 지 밀 도 를 갖 고 있 다

. 2010년 미국

그림

2. Sion Power 리튬-황(Li-S) 이차전지[3]

Sion Power사는 <그림 2>에 나타낸 세계최고수준
의

350Wh/kg 에너지밀도를 갖는 리튬-황 이차전

지를 개발하고 고고도 무인기

Zephyr에 적용해서

영하

60℃의 성층권 극한환경에서 2주간의 장기체

공에 성공하였다

[4].

해외에서는 미국과 일본 독일 등에서 리튬

-황

전지 연구개발을 활발히 수행하고 있으며

, 국내에

서도 한국과학기술연구원을 비롯한 많은 연구기관

과 대학에서 양극

/음극소재, 전해질막 등의 리튬-

황 전지 관련 핵심연구를 수행하고 있다

[5-6]. 현재

의 기술발전 속도를 고려할 때

2020년대에는 차세

대 리튬

-황 이차전지의 본격적인 상용화가 전개될

것으로 예상되며

, 장기적으로 리튬-공기를 비롯한

혁신적인 이차전지 제품이 등장하게 되면 현재의

리튬

-이온 전지를 완전히 대체할 것이며 항공분야

에서도 새로운 시장을 창출할 것으로 전망된다

2.2.2 연료전지

연료전지는 수소와 산소의 화학적 반응에 의해

전기를 생산하는 시스템으로서

CO2 배출은 물론

소음도 거의 없는 친환경 동력원이며

, 기존 이차전

지보다 월등히 높은 에너지밀도를 자랑한다

. 또한

효율이

50% 이상으로 기존 내연기관보다 높은 특

성을 갖고 있어 일찍부터 미래의 차세대 항공기

전기동력원으로 주목을 받고 있다

. 미국 NASA에

서는

1970년대부터 연료전지를 항공분야에 적용하

기 위한 연구를 수행하였으며

, 연료전지 항공기 시

대의 도래를 전망하였다

[7]. 현재 자동차분야에서

는 이미 연료전지가 기술적으로 상용화되어 연료

전지자동차가 판매되고 있으나

, 항공기 분야에서는

아직 기술적으로 극복해야 할 문제들이 많이 남아

있다

. 특히 수소의 효율적 저장방안과 시스템의 경

량화가 중요한 요소이며

, 아울러 비행영역의 다양

한 대기조건과 비행체의 급격한 자세변화에 대응

하여 시스템의 안정적인 운용성능을 확보하는 것

이 매우 중요하다

항공기에 적용할 수 있는 연료전지는 대표적으

로

PEM(Proton Exchange Membrane) 형식과

SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 형식이 있다. PEM
방식은 취급이 비교적 용이하고

100℃ 이하의 낮

은 운용온도 특성을 갖고 있어 일반적인 중

-소형급

항공기의 동력원으로 적용할 수 있다

. 최근의 대표

적인 사례로

, 2013년 미해군연구소의 Ion Tiger 무

김근배 외 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 70~82

인기는 액체수소를 연료로 사용한

PEM 연료전지

를 장착하여

48시간 연속비행 기록을 수립하였다

[8].

SOFC 방식은 수소 외에 다양한 탄화수소 연료

를 사용할 수 있고 이론적으로 가장 높은 효율을

나타내는 방식이다

. 최근의 연구결과는 <그림 3>

에 나타낸 것과 같이 비출력 및 단위부피당 출력

밀도가 내연기관과 거의 대등한 수준으로 평가되

고 있다

[9]. 그러나 650℃ 이상의 고온에서 운용되

는 특성으로 인해 시동 및 취급이 까다롭고 비용

이 높은 편이며

, 현재 미국의 보잉과 유럽의 에어

버스가 중심이 되어 항공기 보조동력장치

(APU)에

적용하는 연구가 진행되고 있다

[10].

그림

3.전기 동력원 비출력 비교[9]

최근 재료분야 과학기술의 발전에 따라서 기존

연료전지보다 우수한 특성을 갖는 새로운 연료전

지들이 연구되고 있다

. 특히 고온재료 사용에 따른

SOFC의 고비용 문제를 해결하기 위한 방안으로,
새로운 고전도성 전해질 및 나노기술을 적용한 전

극기술 개발을 통해서 작동온도를

350℃까지 낮추

는 연구가 진행되고 있다

[9]. 향후 작동온도 저감

을 통해서 비용 감소는 물론 시스템 설계 단순화

와 안정성을 향상시킬 수 있을 것이며

, 이를 통해

항공기 적용이 보다 용이해질 것으로 기대된다

또한 미국의

Caltech, UTRC1)를 중심으로 기존

SOFC의 고온전해질 재료를 중온 영역의 양성자-

전도성 전해질 재료로 대체한

Proton- Conducting

SOFC(P-SOFC) 연구를 수행하고 있으며, 이를 통
해 작동온도를

400~600℃까지 낮출 수 있을 것으

로 기대된다

[11].

한편

, 고체산(Solid Acid) 전해질을 이용한

SAFC(Solid Acid Fuel Cell) 기술도 개발되고 있
다

. SAFC는 PEM 연료전지보다 조금 높은 100~

300℃ 운용온도 범위에서 효율적으로 작동할 수
있고

, 시스템 구조가 간단하고 취급이 용이하여 항

공기 동력원으로 사용할 수 있는 충분한 잠재력을

갖고 있는 것으로 평가된다

[12].

그림

4. SAFC Stack 구조(SAFCel )

미국의

SAFCell은 2015년 세계최초로 메탄올과

프로판을 연료로 사용하는

SAFC스택 시제품을 개

발하고

[13] 군용과 민수용 적용계획을 추진하고 있

다

. 현재 항공기에 적용하고 있거나 향후 적용이

예상되는 대표적인 연료전지 기술의 특징과 적용

방안을

<표 1>에 요약하였다.

구분

특징

적용방안 주요 제작사

PEMFC

100℃ 이하 운용
취급 용이

중-소형급

Horizon
Protonex

SOFC

650~1,000℃ 운용
(~350℃ 온도저감기술 개발중)
높은 효율

APU2)

중-대형급

Ultra Electr
onics
Protonex

P-SOFC

400~600℃ 운용
개발단계

중-소형급 UTRC

SAFC

100~300℃ 운용
개발단계

중-소형급 SAFCell

표

1. 항공용 연료전지 특징 및 적용방안

1) United Technologies Research Center

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2.2.3 태양전지

태양전지 분야에서는 결정질 태양전지와 박막

태양전지가 항공기에 적용되고 있다

. 현재 단결정

실리콘 태양전지는 최고효율

24%까지 나타내고 있

으나 상대적으로 중량이 무겁고 장착부위 구조특

성과 맞물려 취급이 까다로운 문제가 있다

. 비정질

(Amorphous-Si) 태양전지의 경우 효율이 최고
14%까지 보고되었으나 현재 과도한 양산비용에 따
른 제작업체의 채산성 악화로 생산이 거의 중단된

상태이다

. 현재까지 박막 태양전지 분야에서는

CIGS3)가 가장 대중화된 기술로서 셀 단위에서 최
고효율

20%까지 도달한 것으로 보고되고 있다[14].

그림

5. CIGS모듈 적용 Silent Falcon 무인기

최근 미국의

Ascent Solar Technologies는 기존

의 스테인리스 기판을 폴리이미드로 대체해서 경

량화한

CIGS모듈을 개발하였으며 <그림 5>는 이

를 적용한

Silent Falcon 무인기의 모습이다[15].

2.2.4 전기모터

2013년 독일의 지멘스는 최대연속출력 65kW급

항공기용 전기모터를 적용한

2인승 DA36 E-Star 2

소형 하이브리드항공기를 개발했으며

, 여기에 사용

된 모터는 인버터와 기어박스를 포함해서 총중량

13kg으로 세계최고수준의 출력밀도 5kW/kg를 구
현하였다

[16].

2) Auxiliary Power Unit(보조동력장치)

3) Copper-Indium-Gallium-Selenide Solar Cell

그림

6. DA36 E-Star 2 전기모터(Siemens)

그 후

2015년에는 출력 261kW의 대형 전기모터

(그림 7)를 개발했으며, 이는 출력밀도 5kW/kg의
역대 가장 강력한 모터로 평가된다

그림

7. Siemens 261kW 항공기용 전기모터

지멘스는 이 모터를 위해서 고성능 자석재료와

Halbach Array를 이용한 고효율 전자장 설계기술
을 적용하였으며

, 손실을 최소화할 수 있도록 효과

적인 냉각기술을 개발하고 지지구조의 최적설계를

통해서 중량을 최소화하였다

[16].

2.2.5 발전기

최근 항공기에 하이브리드 동력시스템이 적용되

기 시작하면서 발전기의 중요성이 부각되고 있다

하이브리드시스템의 발전기는 엔진의 출력을 효율

적으로 전기로 변환시켜줄 뿐만 아니라 엔진 시동

은 물론 모터 기능까지 부여받을 수 있기 때문에

모터와 마찬가지로 발전기의 효율과 중량이 하이

김근배 외 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 70~82

브리드 동력시스템의 성능을 결정하는 핵심적인

요소로 작용한다

. 최근 미국의 Launchpoint

Technologies는 <그림 8>과 같이, Axial Flux 방식
의 발전기 기술을 적용한 무인기용 엔진

-발전기일

체형

(Gen-Set)을 선보였다[17].

그림

8. LaunchPoint 6kW Gen-Set

Axial Flux 방식은 일반적으로 Radial Flux 방식

보다 효율과 중량 면에서 유리한 방식으로 알려져

있다

. Launchpoint에서 개발한 6kW 발전기는

Ironless방식의  구조경량화  기술과  Dual Halbach
Array 기술  그리고  회전디스크를  이용한  독특한
냉각방식을  적용했으며

, Gen-Set 전체적으로 효율

90% 이상 출력밀도 1kW/kg 수준을 달성하였다.

2.2.6 분산추진

최근 항공분야에서 주목할 만한 것으로 분산추

진

(Distributed Propulsion) 기술을 들 수 있으며,

이를 통해 항공기 추진시스템의 근본적인 변화를

도모하려는 경향이 나타나고 있다

. 분산추진 방식

은 소수의 대형 추진장치를 다수의 소형 추진장치

로 나누어 기체에 분산 배치하는 방식으로 효율

향상과 더불어 항공기의 소음 수준을 낮출 수 있

다

. 또한 추진시스템의 치명적 고장 위험성을 줄여

주고 안전성을 높여주는 특성이 있다

. 전기동력 기

반의 분산추진시스템은 이차전지 또는 엔진

-발전

기 동력원에서 다수의 소형 추진장치를 구동하게

되며

, 추진장치를 기체형상과 통합 배치하여 항공

기가 최대의 성능을 발휘하도록 설계할 수 있다

일례로 미국

NASA에서는 가스터빈엔진과 초전도

기술을 이용해서 대형항공기에 적용할 수 있는

TDP(Turboelectric Distributed Propulsion) 기술을
연구하고 있다

. 최근 독일의 Lilium Aviation에서

는

ESA4)의 지원 하에 전기동력 분산추진기술을

적용한 신개념

2인승 수직이착륙 비행체를 개발하

고 있으며

, 2018년 출시될 예정이다[18].

그림

9. Lilium 분산추진 전기비행기

이 비행체는

<그림 9>과 같이 양쪽 날개에 소형

덕티드

-팬 추진장치를 각 12개씩 분산배치하고 전

방에도 방향조절이 가능한 여러 개의 소형 덕티드

팬을 장착한 독특한 형상을 갖추고 있으며

, 이를

통해 추진장치의 소음을 획기적으로 낮추고 도시

에서 운항할 수 있도록 개발되고 있다

2.3 무인기 동향

2.3.1 국내

국내에서는 한국항공우주연구원을 중심으로 전

기동력 비행체 개발이 활발하게 진행되고 있다

2012년 한국항공우주연구원에서 개발된 EAV-2 비
행체는 효율

22%의 결정질 태양전지와 리튬-이온

이차전지 그리고

Horizon Energy Systems의

200W급 AEROPAK 연료전지를 동력원으로 사용

4) European Space Agency

김근배 외 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 70~82

하고

, 능동적 제어 PMS(Power Management

System)를 이용해서 세 가지 동력원의 통합전력제
어기술을 시현하였으며

, 2012년 6월 22시간 연속비

행기록을 수립하였다

[19].

그 후 한국항공우주연구원은 고고도에서 장기체

공을 목표로

<그림 10>의 EAV-3 비행체를 개발했

으며

, 2015년 8월 성층권 고도 14km까지 도달하는

성과를 거두었다

[20-21]. EAV-3는 단결정 태양전지

를 유연한 날개위에 안정적으로 부착하기 위해서

자체적으로 개발한 공법을 적용했으며

, 성층권의

극한환경에서 안정적으로 작동할 수 있도록 특별히

설계된 리튬

-이온 전지팩을 동체와 날개에 분산 배

치하였다

. <그림 11>는 EAV-3 장착을 위해 –70℃

의 극저온 환경에서 장시간 안정적으로 작동할 수

있도록 개발된 구동모터를 보여준다

. 그 외 민간부

문에서는 최근 카스콤

, 유콘시스템, 그리폰다이내믹

스 등의 많은 회사들이 농업용

, 촬영분야 등에서

사용할 수 있는 이차전지 기반의 멀티콥터 형식 소

형 무인기를 개발 판매하고 있으며

, 향후 택배 서

비스 등의 많은 분야까지 확대될 것으로 전망된다

그림

10. 항우연 EAV-3 태양광 무인기

그림

11. EAV-3 구동모터(-70℃ 운용)

2.3.2 해외

최근 중국의

DJI를 비롯한 세계 각국의 많은 회

사들이 리튬

-이차전지를 적용한 드론산업에 뛰어

들면서 단순 취미용을 벗어나 택배 배달

, 농업용

등의 다양한 임무를 수행할 수 있는 무인기 개발

이 확대되고 있다

. 그러나 현재 이차전지 기술의

한계로 인해 체공시간이 최대

30분 내외로 비행거

리와 임무중량에 많은 제약이 따르고 있다

. 이를

극복하기 위한 방안으로 해외의 일부 업체에서 연

료전지와 태양전지를 적용한 무인기 개발이 시도

되고 있으며

, 향후 본격적인 실용화 시대가 전개될

것으로 예상된다

대표적인 사례로

, 영국에서 개발한 Raptor UAS

무인기는 이차전지와 연료전지 그리고 태양전지를

다 사용한다

. <그림 12>의 E1 모델은 리튬-폴리머

이차전지를 기본으로 사용하고 날개에 박막태양전

지를 부착할 경우 추가적으로

4시간 비행이 가능

하다

. 그리고 E2 모델은 리튬-폴리머 이차전지와

연료전지를 동력원으로 사용하여

4kg의 임무장비

를 싣고 최대

24시간 이상 비행이 가능한 것으로

나타나 있다

[22].

그림

12. Raptor E1 이차전지/태양전지 무인기

싱가포르의

Horizon Unmanned Systems에서

개발한

HYCOPTER는 수소연료전지를 적용한 세

계최초의 소형 멀티

-로터 무인기이다. 이 비행체는

1kg의 임무장비를 싣고 최대 4시간까지 비행할 수
있으며

<그림 13>과 같이 탄소섬유 재질의 기체

김근배 외 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 70~82

구조물을 압축수소 저장탱크로 활용하여 중량을

절감하였다

[23].

그림

13. HYCOPTER 연료전지 무인기

한편

, 영국의 Intelligent Energy도 2016년 초에

수소연료전지를 적용해서

2시간 이상 비행할 수

있는 소형 쿼드콥터를 선보였다

대형무인기 분야에서는 에어버스와 구글

, 페이

스북은 경쟁적으로 고고도 장기체공 태양광 무인

기를 개발하고 있다

. 특히 구글과 페이스북은 무인

기를 이용해 전 세계 오지의 무선인터넷 시장을

개척하기 위해 무인기 개발회사를 인수했다

. 구글

의

Titan Aerospace는 20km 고도에서 태양전지를

이용해

5년간 체공할 수 있는 비행체를 개발하고

있으며

, 페이스북의 Ascenta도 유사한 성능의

Aquila 비행체를 개발하고 있다. 에어버스는 영국
Qinetiq에서 개발한 Zephyr 7을 토대로 3개월 이
상 체공이 가능한

Zephyr 8과 20kg의 장비 탑재

가 가능한

Zephyr-T를 개발하고 있다[24].

그림

14. Airbus Zephyr 고고도 태양광 무인기

2.4 유인기 동향

2008년 3월 미국의 보잉사가 세계최초로 2인승

비행기에

15kW PEM 연료전지를 동력원으로 적용

해서

20분의 시험비행에 성공한 이후, 2011년 5월

태양전지를 이용한

Solar Impulse가 630km의 거리

를

12시간 59분에 걸쳐 유인비행에 성공하면서 본

격적인 유인 전기비행기 시대의 막이 올랐다고 할

수 있다

. 소형 전기비행기는 화석연료를 거의 사용

하지 않고 소음도 적기 때문에 일반 내연기관 비

행기보다 인구가 밀집된 도시지역에서 운행하기에

적합할 것으로 예상된다

최근 유럽 에어버스의

E-Fan은 대표적인 전기비

행기 개발사례로서

, 리튬-이온 이차전지를 동력으

로 사용하고

<그림 15>와 같이 두 개의 고효율 전

기모터에 의해 저소음 덕티드

-팬을 구동한다.

E-Fan은 2014년 3월 초도비행 이후 계속 발전해가
고 있으며 장기적으로

90인승급 여객기까지 적용

해나갈 계획이다

[25].

그림

15. Airbus E-Fan 전기비행기

한편

, 일본 JAXA에서는 기존 소형항공기의 왕

복엔진을 전기모터로 대체하고 리튬

-이온 이차전

지로 구동하는

FEATHER5) 프로젝트를 수행하였다

[26]. 이는 일본 최초의 완전한 유인 전기동력 비
행시험으로

2014년부터 2015년까지 전기추진시스

템의 효율성을 성공적으로 검증하였다

5) Flight Demonstration of Electric Aircraft Technology for

Harmonized Ecological Revolution

김근배 외 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 70~82

그림

16. JAXA FEATHER 전기비행기

미국

NASA에서도 LEAPTech6) 프로젝트를 통

해서

ESAero, JOBY Aviation과 공동으로 4인승 소

형항공기에 적용할 수 있는 분산형 전기추진시스

템 개발을 수행하고 있다

[27]. 이로부터 오는 2018

년에는 에너지효율과 안전성이 더욱 높아지고 매

우 경제적인 친환경 전기항공기가 등장할 것으로

예상된다

그림

17. NASA LEAPTech Project

3. 하이브리드 전기추진시스템

3.1 개요 및 현황

현재 대중화되고 있는 하이브리드자동차와 유사

한 방식으로

2011년 독일의 Siemens는 세계최초로

6) The Leading Edge Asynchronous Propellers Technology

내연기관과 전기모터를 조합한 유인 소형항공기

DA36 E-Star를 개발하였다[16]. 이때부터 본격적인
하이브리드비행기 시대가 개막되었으며

, 기존 내연

기관 항공기의 연료소모율을 향상시키고 배출가스

를 저감하기 위한 방안으로 하이브리드 추진시스

템이 적용되기 시작했다

. 하이브리드 추진시스템은

내연기관의 연료소모량과 배출가스 문제를 상당부

분 보완할 수 있고

, 또한 이차전지를 적용할 경우

낮은 에너지밀도로 인해 제한적일 수밖에 없는 비

행시간과 거리의 한계를 극복할 수 있는 대안기술

로 주목받고 있다

항공기용 하이브리드시스템도 자동차와 유사하

게 직렬

-하이브리드(Series-Hybrid) 방식과 병렬-하

이브리드

(Parallel-Hybrid) 방식 그리고 복합방식으

로 구분할 수 있으며

, 항공기의 임무형상 및 동력

요구조건에 따라 적용방식을 결정할 수 있다

. 직렬

-하이브리드는 엔진에 발전기를 연결해서 나오는
전기동력으로 모터를 구동하는 방식으로 시스템은

간단하지만 효율이 떨어진다

. 반면, 병렬-하이브리

드는 엔진과 전기모터를 조합해서 필요에 따라 동

시에 또는 어느 하나만 구동할 수 있는 방식으로

시스템이 복잡하지만 직렬

-방식보다 효율이 우수

한 것으로 알려져 있다

[28]. 영국의 캠브리지 대학

은 병렬

-하이브리드 방식의 전기비행기를 개발하

고 있으며

[28], Rotax는 2015년 자사의 엔진을 기

반으로 혁신적인 소형항공기용 하이브리드 추진시

스템을 개발했다

[29]. 여기에는 경량 전기모터/발

전기와 리튬

-폴리머 이차전지 및 전력관리시스템

이 포함되었으며

2016년 비행시험을 수행할 예정

이다

그림

18. Rotax 하이브리드 추진시스템

직렬

-하이브리드와 병렬-하이브리드 그리고 복합

방식을

<표 2>에 비교해서 나타냈다.

김근배 외 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 70~82

구분

특징

개발사례

직렬방식

엔진-발전기  구동
시스템구성  단순
효율  상대적으로  낮음

Siemens DA36
NASA GL-10

병렬방식

엔진-모터  선택적  구동
시스템구성  복잡
효율  상대적으로  높음

Cambridge-
Hybrid SONG
Rotax HPS

복합방식

직/병렬  혼합  구동
시스템설계  매우  복잡
효율  가장  높음

표

2. 하이브리드 추진시스템 비교

3.2 개발 동향

3.2.1 국내

한국항공우주연구원은

2016년부터 항공기용 하

이브리드 전기추진시스템 개발을 시작하였으며

2018년까지 차세대 무인기용 하이브리드동력 핵심
기술을 확보할 계획이다

국내 주요 카본복합재료 제조업체인 한국카본에

서는 이스라엘

IAI와 협력하여 하이브리드 추진시

스템을 적용한

FE-Panther 수직이착륙 무인기를

개발하고 있다

[30].

그림

19. 한국카본-IAI FE-Panther 무인기

<그림 19>의 FE-Panther는 기체중량 67kg급으

로

IAI의 기존 Panther 무인기를 기반으로 배터리

에 추가적으로 엔진

-발전기 직렬-하이브리드 시스

템을 장착해서 체공시간을 늘렸으며

2016년 시험

비행을 예정하고 있다

3.2.2 해외

선진 각국에서는 이미 소형기부터 대형기에 이

르기까지 기존 이차전지의 에너지밀도 한계와 화

석연료엔진의 환경오염 문제를 극복하기 위한 방

안으로 하이브리드 동력시스템을 적용하기 시작했

다

. 이를 통해 신개념의 엔진-발전기일체형 동력장

치를 개발하고

, 한편으로는 비행체 설계를 하이브

리드시스템에 맞추어 최적의 형상으로 개발하고

있다

독일의 지멘스는

2011년 세계최초의 유인 하이

브리드비행기

DA36 E-Star를 세상에 내놓은 후,

2013년에는 E-Star 2를 선보였다. E-Star 2는 30kW
로터리엔진과

65kW 전기모터를 사용하고 하이브

리드시스템 중량을 더욱 줄였다

. 지멘스는 에어버

스와 공동으로 향후

2035년까지 소형여객기에 하

이브리드시스템 적용을 목표로 연료효율

25% 향상

및 배출가스를

25% 감소시키기 위한 연구를 추진

하고 있다

[16].

미국의 신생기업

Top Flight Technologies는 신

개념 하이브리드무인기의 선두주자로서

, 자체적으

로 개발한 엔진

-발전기일체형 하이브리드 전기엔

진을 이용해서

2시간 이상 비행이 가능한 다용도

멀티콥터 비행체를 개발하고 있다

[31]. 여기에 적

용되는 하이브리드엔진은 정격

5kW급으로 16Ah

용량의 리튬

-폴리머 이차전지와 결합되어 비행조

건에 따라 효율적인 동력사용이 가능하도록 설계

되었다

그림

20. Top Flight 하이브리드 무인기

미국

NASA에서 개발중인 GL-10은 8마력 디젤

엔진

2대를 이용해 발전기를 구동하는 직렬-하이브

리드 방식을 적용하고 있다

[32].

김근배 외 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 70~82

그림

21. NASA GL-10 하이브리드 무인기

<그림 21>은 GL-10의 내부 시스템배치 형상으

로 엔진

-발전기는 기체내부에 장착된 리튬-이온 이

차전지와 더불어

10개의 분산형 전기모터를 구동

한다

. 이러한 분산추진 방식은 안정된 수직이착륙

성능은 물론 소음 저감과 더불어 시스템의 안전성

을 높여줄 수 있다

2016년 3월 미국의 DARPA는 89백만불 예산규

모의

VTOL X-Plane 프로그램으로 Aurora Flight

Sciences의 LightningStrike를 선정하였다[33]. 이
비행체는

<그림 22>와 같이 분산형 덕티드-팬을

적용한 하이브리드 전기추진방식을 적용하며 효율

과 속도 면에서 혁신적인 발전을 이룩할 것으로

기대된다

그림

22. Aurora 분산추진 하이브리드 무인기

기후변화의 가장 큰 원인으로 지목되고 있는

화석연료의 사용을 줄이기 위해서 대형여객기 개

발의 양대 산맥인 에어버스와 보잉 주도로 대형

항공기에도 하이브리드시스템을 적용하는 연구가

진행되고 있다

에어버스는 롤스

-로이스 엔진과 공동으로 바이

오연료와 전기동력 조합으로 구동되는 분산형 하

이브리드

-전기추진 방식의 첫 번째 하이브리드여

객기 개념을 개발하고 있으며

, 이를 통해 기존 항

공기 대비

CO2를 75% 줄일 수 있을 것으로 기대

하고 있다

한편

, 보잉은 NASA와 함께 하이브리드-전기추진

방식을 대형여객기에 적용하기 위한

SUGAR7) 기술

을 개발하고 있다

[34]. 이 기술을 적용한 SUGAR

Volt 항공기는 두 대의 하이브리드 터보팬을 장착
해서 이륙 시에는 기존 제트연료를 사용하고

, 비행

중에는 전기모터를 사용하는 방식으로 여객기의 연

료소모율과 소음을 줄여줄 것이며

, 배출가스(NOx)

는 기존 여객기 대비 약

80% 감소를 목표로 하고

있다

. <그림 23>과 <그림 24>는 SUGAR Volt에 적

용되는 엔진의 적용개념을 보여준다

NASA에서는 <그림 25>와 같은 장기적인 비전

을 수립하고

[1] 하이브리드 전기추진시스템 연구

를 선도하고 있다

그림

23. 보잉 SUGAR Volt 하이브리드 여객기

그림

24. Boeing-GE “SUGAR-Volt” Engine[1]

7) Subsonic Ultra Aircraft Research

김근배 외 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 70~82

그림

25. Hybrid Propulsion Systems for Aviation

또한 일본의

JAXA도 미래의 친환경 항공기 개

발을 위해서 혁신적인 기술의 항공기용 고효율 하

이브리드 추진시스템 관련연구를 수행하고 있다

[35].

4. 향후 전망

항공기 전기추진시스템은 이차전지와 연료전지

태양전지 등의 동력원을 기반으로 현재 다양한 방

식의 하이브리드시스템이 개발되고 있으며

, 향후

지속적인 동력원 기술의 발전과 더불어 초고효율

전기동력 시스템으로 진화해 것으로 예상된다

. 특

히

, 기존 리튬-이온 이차전지의 에너지밀도가 한계

에 다가감에 따라 더 높은 에너지밀도를 갖는 리

튬

-황과 연료전지의 상용화 연구가 빠르게 진행되

고 있다

. 추진시스템은 전통적인 엔진배치 방식에

서 벗어나 여러 개의 소형 추진장치를 다중 배치

하는 개념의 분산추진 방식으로 발전하고 있으며

이를 통해 추진시스템의 전반적인 성능향상과 더

불어 신뢰성과 안전성을 높이게 될 것이다

. 이와

병행하여 엔진

-발전기-모터를 사용하는 하이브리드

동력시스템의 적용을 통해서 비행시간 증대는 물

론 연료효율을 높이고 배출가스를 지속적으로 감

소시킬 것으로 전망된다

참고문헌

1. Ruben Del Rosario, P.E. “A Future with

Hybrid Electric Propulsion Systems: A NASA

Perspective”, Turbine Engine Technology
Symposium, 2014

2. Mark D. Moore, “Distributed Electric

Propulsion (DEP) Aircraft”, NASA Langley
Research Center, 2015

3. John Affinito, “Developing Li-S Chemistry for

High Energy Rechargeable Batteries”,
Symposium on Scalable Energy Storage
Beyond Li-Ion Materials Perspectives, 2010

4. https://en.wikipedia.org/wiki/Qinetiq_Zep

hyr

5. 조원일, 세미나발표자료, “리튬-설퍼 신전지

핵심요소기술 및 파우치 셀개발

”,

에너지융합연구단

, 한국과학기술연구원, 2016

6. 김희택, 세미나발표자료, “소형무인기용

이차전지 적용방안 및 개발동향

”,

한국과학기술원

, 2016

7. NASA Glenn Research Center, “Emerging

Fuel Cell Developments at NASA for Aircraft
Applications”

8. http://phys.org/news/2013-05-naval-laborat

ory-shatters-small-electric.html

9. Eric D. Wachsman and Kang Taek Lee,

“Lowering the Temperature of Solid Oxide
Fuel Cells”, Science 334, 935, 2011

10. GA Whyatt, “Electrical Generation for

More-Electric Aircraft using Solid Oxide
Fuel Cells”, Pacific Northwest National
Laboratory, 2012

11. Peter Babilo, “Processing and

Characterization of Proton Conducting
Yttrium Doped Barium Zirconate for Solid
Oxide Fuel Cell Applications”, Ph.D Thesis,
Caltech, 2007

12. Calum R.I. Chisholm 외, “From Laboratory

김근배 외 / 항공우주산업기술동향 14/1 (2016) pp. 70~82

Breakthrough to Technological Realization:
The Development Path for Solid Acid Fuel
Cells”, The Electrochemical Society Interface,
2009

13. http://www.safcell.com

14. http://www.nedo.go.jp/content/100518101.

pdf

15. Ascent Solar Technologies, “The Future of

Unmanned Aerial Vehicles”

16. Korbinian Petermaier/Siemens, “Electric

Propulsion components with high power
densities for aviation”, Transformative
Vertical Flight Workshop NASA Ames, 2015

17. Mike Ricci/Launchpoint, “Gen-Sets for

Hybrid-Powered Transformative
Flight”,Transformative Vertical Flight
Workshop NASA Ames, 2015

18. http://lilium-aviation.com

19. Bohwa Lee, Poomin Park, Keunbae Kim and

Sejin Kwon, “The flight test and power
simulations of an UAV powered by solar
cells, a fuel cell and batteries”, Journal of
Mechanical Science and Technology 28(1)
(2014) 399~405

20. Keun-Bae Kim, Poomin Park, Bohwa Lee,

“Development of Electric Propulsion System
for a High Altitude Solar UAV”, AJCPP 2016

21. Poomin Park, Bohwa Lee, Keunbae Kim,

“Flight test of high altitude solar UAV’s
electric propulsion system”, AJCPP 2016

22. http://www.raptoruas.com

23. http://www.hus.sg

24. http://www.militaryaircraft-airbussds.com

25. https://en.wikipedia.org/wiki/Airbus_E-Fan

26. Akira Nishizawa 외, “Development and

flight demonstration of regenerative electric
propulsion system for aircraft application”,
AJCPP2016, Japan, 2016

27. http://www.jobyaviation.com/LEAPTech

28. C. Friedrich, P.A. Robertson,

“Hybrid-Electric Propulsion for Aircraft”,
Journal of Aircraft Vol.52, No.1 2015

29. http://aviationweek.com/paris-air-show-20

15/hybrid-electric-propulsion-rotax

30. 백선호/한국카본, 세미나발표자료, “Hankuk

Carbon-IAI cooperation in Serial Propulsion
System development for fixed-wing VTOL
UAV”, Korea/Israel Industrial R&D
Foundation, 2015

31. http://www.tflighttech.com

32. https://en.wikipedia.org/wiki/NASA_GL-

10Greased_Lightning

33. http://www.aurora.aero

34. https://en.wikipedia.org/wiki/SUGAR_Volt

35. Akira Nishizawa, “JAXA’s electric

propulsion systems”, JAXA, 2016

36. 김근배, “연료전지항공기 기술 동향”,

항공우주산업기술동향

7권 2호, pp.95-105,

2009

37. 김근배, 양인영, 김난영, 장병희, “고고도

장기체공

(HALE) 무인기 추진시스템 기술

동향

”, 항공우주산업기술동향 9권 2호,

pp.39~48, 2011