멀티콥터 드론

미래 창조 과학기술 기술이 세상을 바꾸는 순간

멀티콥터 드론

멀티콥터 드론은  우리가 흔히 알고 있는 드론을 의미한다. 그러나 드론은 항공우주 과학기술 분야에서 무인항공기 (UAV, Unmanned Aerial Vehicle)를 통칭하여 사용되는 용어이므로, 여기서는 이와 구별하여 멀티콥터 드론이라고 표현하였다.

각각의 회전수가 신속하게 조절되는 프로펠러를 3개 이상 장착하여, 수직 이착륙 및 제자리 비행 등 정밀한 자세 제어와 민첩한 기동이 가능한 무인항공기 기술이다

1. 기술의 발전 과정과 개발 동향 기술의 발전 과정 1989년, 일본의 키엔스(Keyence) 사는 자사의 자이로 센서를 응용한 소형 쿼드로터는 회전날개 네 개를 이용하여 뜨고 추진하는 멀티콥터 드론을 말한다 드론 자이로 소서(Gyro-Saucer)를 개발 및 양산하여, 실내 비행 완구/ 취미 용도로 출시하였다. 이는 로봇공학 분야에서 멀티콥터 드론의 제어이 론을 본격적으로 연구하는 계기가 되었다. 오스트레일리아 폴 파운즈(Paul Pounds) 등은 2002년 멀티콥터 제어이론을 적용한 쿼드로터 드론을 개발하여 자율 비행에 성공하였다. 2000년대 중반까지 스위스 로잔연방공과대학교(EPFL), 미국 펜실베니아 대학교 등의 대학 및 연구기관에서 개발한 멀티콥터 드론 제어기술이 오픈 소스(Open Source)로 일반에 공개되며 확산되기 시작했다. 독일 마이크로드론 즈(Microdrones) 사를 비롯한 기업들의 창업이 이어졌고, 산업용 및 취미용 드 론의 개발이 이루어졌다. 중국 DJI 사는 2012년 쿼드로터 드론 파이어 와이 어(Fire Wire), 이후 개선된 팬텀(Phantom) 시리즈를 양산하여 취미용 드론이 세계 적으로 보편화되는 계기를 만들었다. DJI, 3D 로보틱스(3D Robotics) 사 등에서 비행 안정성과 신뢰성이 향상된 쿼 드로터 드론을 출시하면서 개인 취미용 무선조종 드론 시장이 형성되었고, 연 100% 이상의 성장을 보이고 있다. DJI 사는 2015년 매출 10억 달러를 초 과하였다. 멀티콥터 드론의 설계기술은 프로펠러를 8개 이상 장착하는 수준으로 발전하고 보편화되었으며, 부품 시장 또한 확대되면서 신뢰성과 성능이 향상되고 가격은 하락하는 추세에 있다. 드론을 활용한 서비스 산업 시장 또 한 성숙·확장되면서, DJI 사 등은 산업용 드론의 표준을 선점하기 위해 다 양한 모델을 양산하고 있다

시험 배송 중인 아마존 사의 멀티콥터 드론

기술 개발 동향 미국 등 선진국에서 멀티콥터 드론 설계 및 제어기술이 안정화 단계에 접어들면서, 멀티콥터 드론은 활용 분야에 최적화된 다양한 크기 및 형태로 발전하고 있다. 또한, 멀티콥터 드론의 비행성능 및 신뢰성을 향상시키기 위해 BLDC(Brush-less Direct Current) 직류형 중 브러시가 없는 모터, 브러시는 회전하는 내부의 코일에 계속 전류를 공급해주는 탄소 마찰판으로 마찰로 인한 마모가 있는데, BLDC모터는 브러시가 닳을 걱정 없이 반영구적으로 사용 가능하며, 일반 DC모터보다 약 30% 효율이 더 높다.  모터, 모터 제어기, 통합형 비행 컴퓨터 등 핵심부품의 성능 향상을 위한 기술이 개발되고 있다. 우리나라는 소형/초소형 레이싱 드론 분야에서는 세계 시장에 도전하는 수준의 성과를 내고 있으나, 멀티콥터 드론 관련 학술연구 및 산업기술 수 준은 미국, 스위스 등 기술 선도국과 시장 선도기업인 DJI 등에 뒤처져 있다. 이를 극복하기 위하여 정부 관련 부처가 협력하여 ‘무인이동체 기술 개 발 및 산업 성장 전략’(2015.5), ‘무인이동체 발전 5개년 계획’(2016~2020, 2016.5) 등 드론 기술 및 산업 발전을 위한 로드맵과 지원정책을 수립하였다. 또한, 과 학영농 및 택배 서비스, 안전운용, 공공안전 등의 분야에서 기술 개발이 활 발하게 진행되고 있다. 예를 들면, 한국해양과학기술원(KIOST)에서는 공중과 수면, 물속을 자유자재로 이동 가능한 드론을 개발하였고, 한국과학기술원 (KAIST)에서는 이동하고 있는 차량에서 드론을 무선 충전할 수 있는 테라드론 시스템을 개발하였다. 

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2. 기술확산점의 도달 시기와 단계별 발전 전망 기술 확산점 전문가들을 대상으로 멀티콥터 드론 기술의 기술 확산점 도달 시기를 델 파이 조사한 결과, 세계 기준으로는 미국에서 2020년에, 국내 기준으로는 2024년에 해당 기술이 사회적으로 확산될 것으로 예측되었다. 기술 확산점 도달 시기 예측을 위한 기술 확산점의 정의는 멀티콥터 드론의 운용 중 발생하는 사고율을 100만 비행시간당 2회 이하로 낮출 수 있는 안전운용기술(Safe-Operation Technologies)이 완성되는 시점으로 보았다. 멀티콥터 드론이 상업적으로 널리 활용되기 위해서는 안전성 확보를 위한 기반 기술 완성이 가장 중요하다. 멀티콥터 드론의 사고에는 설계 및 기술적인 결함, 부품의 결함 및 내구성, 운용자의 실수, 환경적인 요인 등이 작용한다. 

 

상대적으로 기술적 이해도가 높고 교육 훈련, 운용 경험이 풍부한 상용 운용 자에 비해 일반 민간인이 운용하는 수백만 대 단위의 취미용 멀티콥터 드론 이 많은 사고를 일으키고 있으나, 아직 공식적인 통계는 존재하지 않는다. 실제로 일반 시민이 운용하는 취미용 멀티콥터 드론이 여객기의 항로에 진입하여 대형 사고를 유발할 위기에 처했던 사례가 빈번하게 발생하고 있다. LA타임스에 따르면, 미국 캘리포니아 주에서는 2014년 이후 약 200회에 달하는 근접 사례가 보고되었다. 이런 점을 충분히 고려하여, 멀티콥터 드론의 기술 확산점을 민간 여객기의 사고 수준(미국 2012년 기준, 100만 시간당 2회)을 참고하여 정의하였으며, 안전 운 용 기술에는 테러의 발생이나 대형 사고를 예방할 수 있는 운용통제(Operation Control) 기술도 포함한다.

기술 확산점 도달 이후의 단계별 발전 전망 멀티콥터 드론 기술은 기술 확산점 도달 이후 중량화물 배송, 지상로봇 협업 배송, 드론 앰뷸런스 및 드론 택시로 발전해 갈 것으로 전망된다. 기술 확산점에 도달하면 드론을 이용한 상용 택배 서비스가 인구 밀집도 가 비교적 낮은 지역에 대하여 제한적으로 허가되며, 택배업계는 우선 적으 로 경량 화물에 대한 시범 서비스를 실시하여 안전성·경제성 등을 분석하 게 될 것이다. 멀티콥터 드론의 중량화물 배송이 가능해지면, 상업용 드론 기술의 성숙과 시장 수요 성장에 따라 드론의 부품 표준화가 실현되고 드론 설계 및 부 품이 최적화되어, 30kg 이상 수준의 중량화물 배송에 대한 경제성이 확보될 것이다. 지상로봇 협업 배송 단계에서는 드론의 이착륙이 가능한 위치에서 배송하던 것에서 발전하여, 지상 배송 로봇과의 협업을 통하여 진정한 기종점 간 (Door-to-Door) 택배 서비스가 실현될 것이다. 멀티콥터 드론 기술이 고도로 발전하면 드론의 안전성, 신뢰성, 중량화 물 이송능력을 바탕으로 승객을 이송하여 기종점 간 서비스를 제공하는 수 준에 이를 것이다. 처음에는 유인 앰뷸런스 드론으로 시작하여, 무인 앰뷸 런스 드론, 무인 택시 서비스 등을 제공하는 자율형 개인용 항공기(Autonomous Personal Air Vehicle)로 발전할 것으로 예상된다

아르고 디자인(Argo Design) 사의 앰뷸런스 드론 개념도 기술이 세상을 바꾸는 순간

3. 미래사회 변화 전망 미국의 세계적인 다국적 투자은행인 골드만삭스에 따르면, 멀티콥터 드 론의 세계시장 규모는 2015년 14억 달러 규모에서, 2017년에는 50억 달러 에 이를 전망이다. 전문인력이 운용하는 산업용 드론 서비스의 시장 수요는 송전선 감시와 같이 제한된 규모의 3D(Dangerous, Dirty, Difficult) 임무 서비스 시장 이 창출되어 이를 바탕으로 성장할 것으로 예상된다. 산업적으로는 초소형 드론의 비행제어를 위해 개발되는 초소형 일체형 비행 컴퓨터 기술과 전기 추진시스템 기술이 접목되어, 초소형 지상 로봇, 하이브리드형 드론 로봇 등의 새로운 형태의 로봇 기술 시장에 파급 효과가 클 것으로 예상된다. 또한 개인용 드론의 성능 향상은 항공촬영 영상을 응 용한 레포츠, 영상정보 SW 등의 드론 활용 산업의 창출 및 발전에 긍정적인 효과를 미칠 것으로 전망된다. 멀티콥터 드론은 사회·문화적인 변화의 동인으로도 작용할 것이다. 스마 트폰의 보급을 통해 정보통신기술이 개인 차원에서 수용되고 활용됨으로써 SNS 문화가 태동되었듯이, 개인용 드론의 보급을 통해 항공촬영 영상 정보의 대중화와 이를 활용한 서비스, 문화가 싹틀 전망이다. 또한, 드론을 활용한 신 속한 사고 대응 및 범죄 예방으로 사회 안전 수준이 향상될 것으로 기대된다.

 

4. 기술확산 실현을 위한 과제 멀티콥터 드론이 사회적으로 확산되려면 정부는 무엇을 해야 할까? 전 문가 델파이 조사 결과, 정부가 우선적으로 시행해야 할 방안으로는 제도 개선(33.6%), 기술 개발(19.8%), 인력 양성(18.4%) 등의 순으로 나타났다. 멀티콥터 드론을 제대로 활용하려면 제도적인 돌파구가 필요하다. 중량의 장비 또는 화물을 탑재하여 상업적으로 운용하려면, 추락 시 인명사고를 방지할 수 있는 확실한 안전대책을 강구할 수 있는 법 규정 제정과 비행 공역 및 항로를 자율적으로 관제할 수 있는 법률 제정, 기술 및 지원시설 확 립 등이 선행되어야 한다. 또한, 드론의 보편화에 따른 개인의 사생활 보호 등에 대한 사회적 윤리의식 형성 및 관련 법 규정도 요구된다. 이와 더불어, 드론 기술 개발에 대한 사회적 공감대 형성을 위한 미디어 홍보 정책개발 도 필요하다. 멀티콥터 드론의 확산을 위해서는 기술 개발도 중요하다. 현재까지의 멀티콥터 드론 기술 개발에서는 로보틱스 관점에서의 비행제어 성능에 집 중하였다. 그러나 드론의 비행성능 및 신뢰성 향상에는 BLDC 모터, 모터 제어기, 저소음 프로펠러, 마이크로 센서, 통합형 비행 컴퓨터, 고속 데이터 통신, 기체 경량화 소재 개발 등 핵심기술 개발이 요구된다. 더 나아가 멀티 콥터 드론의 궁극적인 발전과 확산을 위해서는 초고용량 배터리 기술, 인 공지 능 기술, 자율주행 기술 등 미래 핵심기술의 발전 또한 필요하다. 또한, 드론을 활용한 멀티미디어 영상 콘텐츠 개발, 드론 기술과 예술을 융합한 드론 군집 공연 등 다양한 문화 콘텐츠의 개발을 통하여 드론 관련 서비스 산업을 창출해야 한다.

무인항공기 산업 전체 규모에 맞먹을 정도로 빠르게 성장하고 있는 멀 티 콥터 드론 분야의 기술 인력 양성을 위해서, 전문가 그룹에 국한되었던 드론 기술 개발 환경 및 기술정보를 대학생, 대학원생을 포함한 모든 연구 자에게 확대할 필요가 있다. 특히, 실제적 드론 기술 개발을 경험할 수 있는 프로젝트성 과목을 개설하고 운영함으로써, 학생들에게 동기를 부여하는 동시에 실무적 기술 개발 경험을 쌓도록 해야 한다. 이와 함께 멀티콥터 드 론의 설계부터 부품 및 소프트웨어 개발, 시스템 통합, 정비, 운영, 비행, 인 증/평가, 안전운용까지 체계적인 전주기적 전문인력 양성을 위해 노력해야 한다. 인프라 구축도 멀티콥터 드론의 확산을 위하여 시급히 해결해야 할 과 제다. 우선, 전국적 비행시험을 위한 인프라 확충이 필요하다. 이를 위하 여 고흥 실증시범특구, 청주 실증시범특구 등은 물론 전국의 관광·물 류·농업·군사·치안 특화지구 등까지 포괄하는 비행 인프라 구축이 필 요하다.

그 밖에도 테스트 공역 할당, 드론용 주파수 배분, 기지국 설치 등 의 ICT(Information and Communication Technology, 정보통신기술) 인프라 지원도 마련해야 할 것이다. 멀티콥터 드론의 확산을 위해서는 협력 활성화도 빼놓을 수 없다. 드론 기술은 반도체, 시스템, 임베디드는 PC 이외의 디지털 장비에 내장되어 시스템을 제어하는 장치(혹은 소자)를 말한다. 엠디 비드의 모든 분야가 결합되어야 하는 다학제 적 융합기술로, 관련 분야의 협력 활성화를 통해서만이 새로운 기술 개발 및 시장개척이 원활히 진행될 것이다. 최근 각광을 받고 있는 멀티콥터 드 론 기술의 성과는 로보틱스 연구자들이 1990년대 후반부터 20년 가까이 오 픈소스 형태로 정보를 공유하고 협력하여 기술을 개발한 데서 얻은 결실이 다. 2017년 1월 성공적으로 개최된 드론 쇼 코리아 등과 같이 국내 드론 기술 및 산업 정보를 공유하는 기회를 확대할 필요도 있다. 또한, 컨소시엄 형태의 기술 개발을 지원하고 특화된 분야의 우수한 능력을 보유한 인력 또는 기관 간 협력을 유도함으로써, 과도한 경쟁을 방지하고 기술 개발 협력체 계를 발전시키는 것이 필요하다.