티타늄 연료전지로 비행시간 4배 확대…K-드론 기술 자립 속도

무인기(드론)의 성능을 결정짓는 핵심 요소는 '얼마나 오래, 멀리 비행할 수 있는가'다. 최근 국내 연구진이 기존 리튬이온 배터리의 한계를 극복하고 비행시간을 획기적으로 늘릴 수 있는 연료전지 기술을 선보였다. 동시에 드론 배터리 시장의 높은 중국 의존도를 낮추려는 국내 기업의 기술 자립 노력도 이어지고 있다.

티타늄 분리판으로 에너지 밀도 4배 높인 연료전지

한국재료연구원은 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 4배 이상 높은 티타늄 금속 기반 연료전지를 개발했다고 밝혔다. 연료전지는 수소를 공급받아 전기로 변환하는 시스템으로, 이번 연구의 핵심은 연료전지의 주요 부품인 '분리판'에 내구성이 강한 티타늄 금속을 적용한 점이다.

티타늄은 내구성이 뛰어난 만큼 분리판을 매우 얇게 제작할 수 있어 전체적인 연료전지의 무게를 줄이는 데 유리하다. 무게가 가벼워지면 상대적으로 더 많은 에너지를 담을 수 있어 에너지 밀도가 높아진다. 연구팀은 이를 통해 실제 공중 실증에서 12시간 16분 비행에 성공했다. 연구팀은 43kg급 무인기를 기준으로 할 때, 이 기술을 적용하면 17시간 이상 연속 운전이 가능할 것으로 전망했다.

현재 무인기 운용 방식은 크게 엔진 추진 방식과 전기 추진 방식으로 나뉜다. 엔진 방식은 장거리를 이동할 수 있지만 소음이 커 적에게 탐지될 위험이 높다. 반면 전기 추진 방식은 저소음이라는 장점이 있지만, 리튬이온 배터리의 한계로 인해 장거리 비행이 어렵다는 단점이 있었다. 이번에 개발된 연료전지는 저소음과 장거리 비행이라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 대안으로 꼽힌다.

연구팀은 이 기술이 저고도에서 감시·정찰할 수 있는 군용 무인기는 물론, 통신 장애가 발생할 수 있는 산악 지형 등의 통신 중계기 등 민간 분야에서도 폭넓게 활용될 것으로 보고 있다. 연구팀은 해당 기술의 상용화를 3년 이내로 목표하고 있다.

"중국 배제는 기회"…실리콘 음극재로 승부수 던진 K-배터리

연료전지 기술이 비행시간의 한계를 깨고 있다면, 드론 배터리 시장의 공급망 재편을 노리는 기업의 움직임도 분주하다. 현재 세계 드론 배터리 시장은 중국 업체들이 90% 이상의 점유율을 차지하며 독점적인 지위를 누리고 있다. 이에 국내 기업 네오배터리는 중국 중심의 공급망에서 탈피하기 위한 기술 자립에 속도를 내고 있다.

네오배터리는 미국과 유럽 등 서구권 국가들이 중국 배터리 공급망을 배제하는 흐름을 오히려 '무주공산'의 기회로 판단했다. 고성장 중인 드론 시장에서 중국 업체들이 배제될 경우, 기술력을 갖춘 비중국 업체가 시장을 선점할 수 있다는 계산이다. 이를 위해 네오배터리가 선택한 핵심 전략은 차세대 배터리 신소재인 '실리콘 음극재'다.

실리콘 음극재는 기존 흑연(그래파이트) 기반 음극재보다 에너지 용량이 훨씬 커서 드론의 비행 성능을 높이는 데 필수적이다. 네오배터리는 배터리 셀과 팩의 제조부터 실제 비행 검증까지 전 과정을 국내에서 수행하며 기술 자립을 추진하고 있다.

정밀한 슬러리 배합이 결정하는 배터리 품질

배터리 제조 공정은 미세한 환경 변화에도 품질이 좌우되는 정밀 공정이다. 네오배터리의 제조 현장은 먼지 유입을 막기 위해 엄격한 공조 시스템을 갖추고 있다. 음극 믹싱룸(음극 활물질을 혼합하는 공간)의 경우 온도는 23도, 습도는 15% 이하로 유지해야 하는 극도로 민감한 환경에서 작업이 진행된다.

배터리 성능의 핵심은 음극 슬러리를 만드는 과정에 있다. 슬러리는 리튬을 저장하는 활물질 파우더를 투입해 액체 상태로 만드는 물질이다. 이번 공정에서는 실리콘과 흑연을 혼합해 에너지 밀도(그램당 용량)가 매우 높은 극판을 만든다. 슬러리 내 실리콘 비율을 결정하는 것이 핵심인데, 비율이 너무 높으면 충·방전 시 부피가 과도하게 팽창해 셀이 갑자기 망가질 수 있고, 반대로 너무 낮으면 필요한 에너지 용량이 나오지 않기 때문이다. 따라서 각 기업마다 고유한 '포뮬레이션(배합 비율)'을 찾는 것이 기술적 관건이다.

이렇게 만들어진 슬러리는 코팅 공정을 거쳐 전극판에 입혀진다. 믹싱룸에서 만들어진 슬러리는 유통(U-tube)에 담겨 하부 배관과 펌프를 통해 코팅 장비의 다이(Die) 쪽으로 공급된다. 이 과정에서 슬러리가 구리 박(카파 포일) 위에 코팅된다. 코팅 공정에서는 폭 방향으로 균일하게 발려지는 것이 매우 중요하다. 만약 균일하지 않으면 용량 산포(용량의 분포 차이)가 심해져 100% 불량으로 간주된다. 또한, 작업 중 침이 튀는 등의 이물질 유입도 불량의 원인이 되므로 작업자는 반드시 마스크를 착용해야 하는 정밀 공정이다.