지난 12일 오후 7시50분쯤 전남 고흥군 도덕면 용동리의 한국항공우주연구원(항우연) 항공센터. 프로펠러 2개를 단 날개 길이 20m의 글라이더형 무인 비행기가 마치 한 마리 학처럼 사뿐히 활주로에 내려앉았다. 항우연이 개발한 고(高)고도 태양광 무인기 ‘EAV-3’. 이 무인기는 같은 날 오전 7시20분 항공센터 활주로를 이륙해 최고 고도 18.5㎞의 성층권까지 올라가 90분을 머무른 뒤 12시간여 만에 지상으로 내려왔다.
두 비행기의 공통점은 기름 한 방울 없이 긴 시간 하늘을 날았다는 것이다. 비결은 태양광 전기였다. 날개에 얹은 태양전지로 전기를 생산해 프로펠러를 돌리고 동체에 장착한 배터리에 전기를 저장했다. 스위스가 기획한 무게 2.3t의 솔라 임펄스2는 미국 선파워의 태양전지와 한국 중소기업 코캄의 리튬폴리머 배터리를 장착했다. 리튬폴리머란 리튬이온을 대용량화한 배터리다.
무게가 53㎏에 불과한 항우연의 무인기 EAV-3도 선파워의 태양광 발전패널을 사용했지만 배터리는 일본 파나소닉의 리튬이온전지를 썼다. 두 비행기는 유인기와 무인기라는 차이점은 있지만 햇빛이 있는 낮에는 날개를 덮은 태양전지에서, 늦은 오후나 어두운 밤에는 한낮에 충전한 배터리의 에너지로 프로펠러를 돌려 날았다는 공통점이 있다. 두 비행기는 각각 역사적 기록을 남겼다. 솔라 임펄스2는 화석연료 없이 태양광 에너지만으로 지구를 한 바퀴 도는 세계기록을 세웠다. 한국 항우연의 EAV-3는 미국과 영국에 이어 세 번째로 성층권을 비행한 태양광 무인기가 됐다.
왜 태양광 비행기일까. 두 프로젝트의 목표를 보면 답을 알 수 있다. 항우연은 “EAV-3가 실시간 정밀지상관측, 통신중계, 기상관측 등 인공위성을 보완하는 임무를 보다 저렴하고 친경환경적으로 수행할 수 있다. 태양광 비행기는 선진국이 앞다퉈 기술 개발에 매진하고 있는 미래기술 분야”라고 설명했다
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대표적 정보기술(IT) 글로벌 기업인 구글과 페이스북도 노리는 분야다. 구글과 페이스북은 현재 최대 5년간 성층권에서 장기 체공할 수 있는 태양광 무인기를 개발하는 경쟁을 벌이고 있다. 이를 통해 오지에도 와이파이(Wi-Fi) 기술로 무선 인터넷 망을 구축하겠다는 계획이다. 성층권은 대기 활동으로 인한 구름이 없기 때문에 태양광 발전에 최적의 조건을 갖추고 있다. 미국의 항공기 시장 조사기관 틸그룹이 지난 7월 낸 보고서에 따르면 통신 분야의 경우 고고도 장기 체공 무인기의 활용 시장이 2025년 15억 달러 규모에 이를 것이라고 전망했다.
솔라 임펄스2의 미션은 조금 더 거시적이다. 솔라 임펄스의 홈페이지(www.solarimpulse.com)는 ‘인류의 보다 나은 삶을 위해 신재생에너지 사용과 에너지 효율성을 홍보하기 위한 것. 이번 비행을 계기로 지상에서도 누구나 같은 기술을 사용해 에너지 소비를 줄이고 천연자원을 아낄 수 있게 됐다’고 밝히고 있다.
두 태양광 비행기의 목표가 이뤄지기까지는 아직 시간이 필요하다. 항우연에 따르면 태양광 무인기가 통신중계와 기상관측 기능을 하려면 최소한 한 달가량 하늘에 머무를 수 있어야 한다. 하지만 EAV-3의 리튬이온 배터리로는 아직 태양 빛이 없는 밤을 견딜 수가 없다. 통신중계와 기상관측을 위해 별도의 장비를 실을 경우 기체가 더 무거워진다. 더 많은, 효율이 높은 배터리와 태양광 패널이 필요하다는 얘기다.
리튬이온에 이어 차세대 배터리로 떠오르는 것이 리튬황(lithium-sulfur)이다. 이 배터리를 쓰면 리튬이온보다 비행거리 1㎞당 60%가량 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 영국에서는 2010년 이미 리튬황 배터리를 이용한 무인기 제퍼로 성층권에 올라 14일 하고도 22분8초를 더 날았다. 하지만 아직까지 상용화 수준에는 오르지 못했다. 리튬황 배터리의 단점은 충·방전을 거듭할수록 성능이 급격히 떨어진다는 것이다. 현재 기술로는 충·방전 50회가 한계다.
김도경 KAIST 신소재공학과 교수는 2013년 12월 300회 충·방전 후에도 초기 용량의 99% 이상을 유지하는 리튬황 배터리를 개발했다. 물론 연구실 단계의 성공이라 상용화까지는 좀 더 많은 연구가 필요하다.
리튬황보다 더 뛰어난 것도 있다. 산소를 이용한 리튬에어(lithium-air) 배터리가 그것이다. 리튬에어는 리튬이온 배터리에 비해 성능이 5~10배나 뛰어나 충·방전 2차 전지로는 궁극의 배터리로 불린다.
김도경 교수는 “리튬황이든 리튬이온이든 향후 5년 뒤에는 제품 단계에 이를 수 있을 것으로 전망된다”고 말했다.
태양전지가 넘어야 할 산은 많고도 험하다. 솔라 임펄스2와 EAV-3는 모두 미국 태양광업체 선파워의 실리콘 태양전지를 사용했다. 생산능력 기준으로 보면 한국의 한화큐셀이 세계 1위이지만, 태양 빛을 전기로 바꿔주는 효율로 보면 아직 선파워를 따라가기 어렵다. 선파워의 변환효율은 24%에 달하는 반면, 큐셀은 아직 19.5%에 그치고 있다.
현재 태양전지의 대세는 시장의 95%를 차지하는 실리콘 계열이다. 나머지는 차세대로 떠오르고 있는 박막필름과 갈륨비소 태양전지가 메우고 있다. 박막필름 태양전지는 돌돌 말아서 휴대할 수 있을 정도로 얇아 편리하지만 아직까지 변환효율이 10%에 불과하다. 갈륨비소 태양전지는 효율이 35%를 넘어설 정도로 뛰어나지만 가격이 실리콘 계열보다 50~100배 비싸다는 점이 결정적 흠이다. 이 때문에 아직은 인공위성이나 우주선 등에만 사용되고 있다.
김철완 항우연 항공기술연구단장은 “지금의 속도로 배터리와 태양전지의 진화가 이어진다면 예상보다 이른 시점에 태양광 비행기 시대가 열릴 것”이라고 전망했다.(joongang)
