드론의 구성(주파수, 배터리) 2탄

안녕하십니까~~

 

오늘은 드론의 구성 2탄 "드론에 적용된 기술"에 대해서 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

 

서론

드론이 제 기능을 원활하게 수행할 수 있도록 하는 기술은 "무선통신기술, 배터리 기술, 소프트웨어 기술" 등이 있다. 그중 오늘은 무선통신기술과 배터리 기술에 대해서 알아보겠습니다.

 

"무선통신기술은 드론의 조종에 필수적으로 요구되고, 배터리 기술은 드론이 운행하는 동력을 제공"한다고 볼 수 있다. 

 

1. 무선주파수의 이해

드론에 조종사가 탑승하지 않기 때문에 비행 중의 드론을 조종하기 위해서는 지상의 컨트롤과 통신을 해야 한다. 무선통신은 1858년 미국과 유럽을 처음으로 연결하면서 대중화되기 시작했다. 해저케이블은 끊어지지 쉽고 너무 느렸다.

 

1898년 미국 테슬라(Nikola Tesla)는 뉴욕 매디슨 스퀘어 가든에서 무선 신호로 먼 장소에서 보트를 통제하는 것을 성공했다. 무선 신호를 보내 보트를 앞과 뒤로 이동하는 초보적인 기술이었지만 획기적인 시도로 평가를 받았다.

 

드론에 조종사가 탑승하지 않기 때문에 비행 중의 드론을 조종하기 위해서는 지상의 컨트롤 센터와 통신을 해야 하고, 장착된 다양한 장비를 통제하기 위해서도 통신은 불가피하다. 무선통신을 하기 위해서는 주파수가 필요하다. 주파수는 특정 국가 내부에서만 전파되지 않기 때문에 드론 제조업체는 국제적으로 통용되는 주파수를 사용해야 한다. 국제통신연합은 4년마다 세계전파통신회의에서 국제 무선주파수의 전파규칙을 결정한다. 국가 간 전파 간섭이 없게 공공 및 상업용 주파수를 분배하는 게 목표다.

 

소형 드론의 경우 특정 주파수를 할당해야 한다는 국제적인 규격은 없다. 대부분의 국가는 드론만 사용할 수 있는 전용 주파수를 할당할 여력이 없기 때문에 일반적으로 사용할 수 있는 주파수를 할당한다. 이러한 주파수는 주파수 사용료를 낼 필요가 없다. 광범위한 지역의 수로, 숲, 국경 등을 감시하기 위해 장거리를 비행해야 하는 드론에게 허가가 필요하지 않은 일반 주파수를 사용하라고 하는 것은 현실적이지 않다. 민간이나 상업용 드론에게는 일반 주파수를 사용하도록 하지만 정부는 자체적으로 주파수를 할당한다. 미국 국방부도 군용 드론의 주파수를 할당해 운용한다. 국방부는 국외에서 드론을 조종할 때 위성통신을 사용한다.

 

2. 초경량비행장치가 사용하는 주파수와 무선통신의 종류

일반적으로 주파수는 "단위 시간 내에 몇 개의 주기나 파형이 반복되었는가를 나타내는 수를 말하며 주기의 역수"와 같다. 1초당 1회 반복하는 것을 1 Hz라 하고 진동수는 1 cycle/s와 같다.

 

드론이 주로 사용하는 2.4 Ghz 대역은 전파는 직진성은 우수하지만 장애물이 있을 경우 PCM 방식에 비해 통달거리가 짧다는 단점이 있다. 통달거리를 늘리기 위해 일정 출력(300mW) 이상을 사용하려면 개별적으로 신고하고 승인을 받아야 한다.

 

드론이 사용하는 무선통신 방식은 "위성통신, 셀룰러시스템(LTE/5G), 와이파이, 블루투스" 등이 있다.

 

첫째, 위성통신은 대기권에 발사된 인공위성이 통신 신호를 중계하는 것을 말한다. 위성통신은 통신 가능범위가 넓고 고속, 대용량 통신이 가능하다는 장점이 있다. 지구 궤도에 위치해 있기 때문에 지상의 천재지변으로 인해 지상기반의 통신시설이 붕괴돼도 통신의 제약을 받지 않는다.

 

둘째, 셀룰러시스템은 GSM), CDMA 기술이 있다. 1세대(1G)는 아날로그 방식을 사용했지만 2세대(2G)부터는 디지털 방식이 도입됐다. 3세대(3G)부터는 문자와 음성 외에 인터넷까지 접속할 수 있게 되면서 사용 영역이 확대됐다.

 

드론 제조사가 셀룰러시스템을 사용하면 통신사와 연계해야 한다는 단점이 있지만 전국적인 통신망을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 통신회사의 무선망을 이용할 경우 요금을 별도로 내야 한다.

 

글로벌 반도체회사인 인텔은 미국 통신회사인 AT&T와 공동으로 LTE망에서 드론을 활용할 수 있는 기술을 연구하고 있다. LTE망이 에너지 소비가 많고 제한된 통신거리라는 제약점이 있는데 이를 극복하기 위해 기술을 개발하는 것이다.

 

셋째, 와이파이는 근거리 컴퓨터 네트워크 방식은 랜을 무선 화한 것이다. 미국의 전기전자학회(IEEE)는 무선랜 표준인 IEEE 802.11을 제정해 활용하도록 하고 있다.

 

대부분의 무선랜 기기들은 이 표준을 따르기 때문에 와이파이가 무선랜이라는 등식이 성립할 정도이다. 최근 4차 산업혁명의 핵심 기술 중 하나로 꼽히는 사물인터넷도 와이파이에 기반하고 있다. 와이파이는 출력의 제한이 있기 때문에 통신 범위가 제한적이고 같은 채널을 사용하는 기기들과 통신간섭이 발생할 가능성이 높다. 따라서 군용과 같은 특수목적용 드론보다는 레저용 드론 등에 활용하기 적합하다.

 

넷째, 블루투스는 컴퓨터, 이어폰 등 정보통신기기들을 근거리에서 서로 연결하는 기술이다. 저전력을 사용하며 주로 ISM 대역인 2400~2483MHz를 사용한다. 산업, 과학, 의료용으로 할당돼 있다.

 

다른 주파수와 충돌을 회피하기 위해 호핑 기술을 사용한다. 전송속도가 와이파이에 비해 느리지만 저전력을 사용하기 때문에 데이터 전송이 적은 드론을 제어하는데 적합하다. 블루투스는 컴퓨터, 이어폰 등 정보통신기기들을 근거리에서 서로 연결하는 기술로 최근에 연구가 활발하게 진행되고 있다.

 

3. 2.4Ghz와 5.8 Ghz의 특징

국내에서 사용하는 드론은 2.4Ghz 대역을 사용해 먼 거리까지 신호를 보낼 수 있다. 2.4Ghz2.4 Ghz 대역을 사용해도 출력에 따라 단거리에서 1km 이상까지 수신거리는 다양하다. 2.4 Ghz 대역을 사용하는 조종기들은 주파수 대역이 다양해 서로 겹치는 경우가 드물다. 가까운 주파수의 전파를 동시에 발사하면 혼신을 일으켜 드론을 조종할 수 없고 추락하게 된다.

 

만약 송수신기에서 겹치는 주파수가 발생하는 경우 순간적으로 주파수를 변환해 새로운 주파수 대역으로 양방향 연결하는 기능을 갖고 있다. 결과적으로 주파수 혼선으로 인한 드론 추락 사고를 크게 줄이는 효과를 도출할 수 있었다. 또한 안테나의 길이도 짧아져 조종도 원활하게 됐다. 드론 중에서 자체 카메라와 스마트폰으로 FPV 하는 기종은 카메라와 스마트폰 간 통신은 2.4 Ghz Wifi 주파수를 이용한다. 조종기 주파수도 2.4 Ghz를 사용하기 때문에 영상을 전송할 때 조종기 주파수와 간섭이 발생해 드론이 추락할 확률이 높다.

 

따라서 관례적으로 영상을 송수신하는 주파수로 5.8Ghz를 사용한다.

 

채널(Channel)은 드론을 움직일 수 있는 방향을 명령하는 신호를 인식할 수 있는 숫자를 말한다. 드론은 전후좌우, 상하 등으로 이동이 필요하기 때문에 대부분 4 채널, 6 채널로 돼 있다. 4 채널은 상하, 좌우, 기울기, 전후진 등을 조작할 수 있다. 6 채널은 상하가 뒤집어지는 배면비행도 가능하다.

 

4. 드론의 배터리 기술

드론이 동력을 확보하는 방법은 엔진, 배터리 등이다. 일반적으로 드론의 에너지원은 항공연료, 배터리, 연료전지(fuel cells), 태양광전지(solar cells) 등이 있다.

 

첫째, 항공연료는 대형 고정익 드론에 많이 사용되는데 현재 미국 프리데이터가 해당된다. 수천 킬로미터에 달하는 장거리 정찰임무를 수행하기 위한 목적이다.

 

둘째, 배터리는 소형 회전익 드론에 많이 사용되며 단거리, 짧은 시간만 운용할 수 있다. 배터리는 재충전이 가능하지만 충전할 수 있는 횟수는 제한된다. 배터리 기술발전에 한계가 있기 때문이며 일반인이 레저용으로 많이 사용하는 드론의 경우 운행시간이 20분 내외로 짧다.

 

배터리는 1차 전지, 2차 전지로 구분된다. 1차 전지는 수은전지, 망간건전지, 알카라인 건전지 등이 있다. 알카라인 건전지는 재충전해 반복 사용하는 충전용도 있지만 지정된 충전기에서만 사용해야 한다. 정말 방전되면 수명이 급격하게 단축되는 특징이 있다.

 

2차 전지는 납축전지, 니켈카드뮴(NiCd)전지, 니켈수소(NIMH) 전지, 리튬 이온(Urion) 전지, 리튬폴리머(Lithium-Polymer) 전지 등이 있다. 납축전지는 1859년 프랑스 R.G.L 플랑테가 발명했다. 기전력은 2V이지만 방전하는 사이 1.8V까지 저하되면 충전해야 한다. 1000회 이상까지 충전할 수 있으며 몇 년 동안 사용도 가능하다. 자동차의 점화용 점원, 전기기관차의 동력, 교통신호, 열차 내 전등용, 직류전원 등에 사용된다. 니켈카드뮴 전지는 긴 수명, 높은 방전율, 경제적인 가격 등의 특성을 갖고 있다. 300~500회 정도 충전이 가능하지만 순간 전력 전달에 약하다.

 

니켈수소전지는 순간적인 전력을 사용하는 디지털 카메라에 사용된다. 주기 수명이 감소하고 부하 전류를 낮춰 니켈카드뮴 전지보다 용량이 증가했다. 니켈을 포함하고 있는 전지는 100% 충전했다가 완전히 바닥이 날 때까지 사용하고 다시 충전하는 것을 반복하는 것이 좋다.

 

리튬이온전지는 높은 에너지 밀도를 갖고 있어 고밀도의 전력을 필요하는 제품에 사용된다. 제조단가가 높아 가격이 비싼 편이지만 크기에 비해 많은 저장용량과 방전율을 갖고 있다. 카메라, 휴대폰 등에 사용되기 시작했지만 다양한 용도로 확대되고 있다. 리튬이온 전지는 니켈전지와 달리 사용자가 임의대로 수시로 충전해 사용해도 수명에 영향이 거의 없다. 조금 쓰고 충전하는 것을 반복할 경우 니켈전지와는 반대로 수명이 길어지는 효과가 나타난다.

 

하지만 수명이 길어진다고 해도 수천회 정도 방전과 충전을 거듭하면 사용할 수 없다. 일반적으로 휴대폰에 사용하는 배터리도 리튬이온전지인데 몇 년간 사용하면 배터리 수명이 급격하게 떨어져 교체해야 하는 것과 같은 이치다. 현재 드론에 많이 사용되는 전지는 리튬폴리머(thium - Polymer) 전지이다. 리튬이온 전지는 +극과 극 사이에 액체로 된 전해질이 있는 반면 리튬폴리머 전지는 액체 대신 고분자 물질(폴리머)이 채워져 있다.

 

전해액은 유기성으로 휘발유보다 더 잘 타는 물질이기 때문에 폭발의 위험이 있다. 결과적으로 리튬이온전지에 비해 리튬폴리머 전지가 안전하다고 볼 수 있다. 리튬폴리머 전지는 1 셀당 3.7V의 전압이 나오는데 직렬로 연결해 사용한다. 리튬이온 전지보다 용량이 적고 수명이 짧다는 단점이 있는 반면 안전하고 가볍다는 장점도 있다.

 

셋째, 연료전지는 연료에 저장된 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 전기화학 장치이다. 무게가 무겁기 때문에 드론에는 주로 사용되지 않는다. 하지만 재충전을 하지 않고 장거리를 운행할 수 있다는 장점이 있다.

 

넷째, 태양광전지는 현재 드론에는 많이 사용되지 않고 있지만 연구가 활발하게 진행되고 있다. 고정익 항공기의 날개에 태양광 전지를 부착해 비행에 될 원한 에너지를 얻을 수 있기 때문이다.

 

개발에 성공할 경우 드론의 비행시간을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 전망된다. 구글과 페이스북은 대기권에 무선 인터넷을 서비스하기 위해 태양광전지로 비행할 수 있는 드론을 연구하고 있다.

 

배터리 무게는 드론의 비행시간을 제한하는 주요 요소이다. 일반적으로 드론은 리튬이온 폴리머(Po) 배터리를 사용하는데 대개 20~50분 비행할 수 있다. 리튬이온 폴리머 배터리는 용량이 제한적이고 성능을 늘리는데 한계가 있다. 또한 영하의 날씨에서는 성능이 급격하게 떨어진다. 일부에서는 수소연료전지를 사용하는 방법도 개발 중이지만 아직 실용화 단계까지 이르지 못했다.

 

오늘도 초경량비행장치(드론)에 필요한 주파수, 채널 및 배터리에 대해서 알아보았습니다. 주파수와 배터리는 드론에 있어서 가장 중요한 기술이며, 특히 배터리는 드론의 비행시간을 보장해주는 장치이므로 개발이 필요한 장비이다.

 

오늘도 긴 글 읽어주셔서 감사드리며, 다음에는 3탄인 "소프트웨어"에 대해서 알아보도록 하겠습니다.