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리튬-황 구조배터리 기반 차세대 감시정찰 드론 개발
KAIST 연구진이 리튬-황 구조배터리, 생체모방형 비행체, 자율비행, 퍼칭(perching) 그리퍼 기술을 하나의 무인비행 플랫폼에 통합한 차세대 국방 감시정찰 드론을 개발했다.
이번 성과는 KAIST 기계공학과 MSC 연구실(김경수 교수, 최근하 연구교수), SRIM 연구실(오일권 교수), MDAM 연구실(김성수 교수), 전기및전자공학부 Ctrl 연구실(장동의 교수), 생명화학공학과 EED 연구실(김희탁 교수)이 참여한 다학제 공동 융합 연구의 결과다.
연구팀은 국방과학연구소(ADD)의 지원을 받아 2020년 12월부터 2025년 11월까지 약 5년간 미래도전국방기술 연구개발과제 ‘구조배터리 기반 초고효율 감시정찰 자율비행로봇 개발’을 수행했다. 미래 전장에서 장시간 감시·정찰 임무를 수행할 수 있는 구조배터리 기반의 새로운 무인비행체 개념을 제시하고, 이를 실제 시스템으로 구현·검증하는 것을 목표로 연구를 진행했다.
이번 연구의 가장 큰 특징은 개별 요소기술을 독립적으로 개발하는 데 그치지 않고, 배터리와 소재, 비행체 설계·제어, 자율비행, 퍼칭용 그리퍼 등 서로 다른 분야의 기술을 하나의 자율비행 시스템으로 통합했다는 점이다.
생명화학공학과와 기계공학 분야 연구진은 고에너지밀도 에너지원인 리튬-황 배터리와 구조체의 기능을 결합한 구조배터리 기술을 개발하고 이를 무인비행체에 적용했다. 구조배터리는 에너지 저장장치가 비행체 구조의 일부 역할까지 동시에 담당하도록 하는 기술로, 기존처럼 배터리와 기체 구조물을 별도로 탑재할 때 발생하는 중복 중량을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
비행체 분야에서는 조류(알바트로스)의 효율적인 비행에서 착안한 생체모방형 가변익 비행 플랫폼을 개발했다. 기존의 고정된 형상을 갖는 무인기와 달리 비행 조건과 임무 상황에 따라 날개의 받음각과 후퇴각을 변화시킬 수 있도록 설계했으며, 수직이착륙과 고정익 순항비행을 하나의 플랫폼에서 수행할 수 있도록 구현했다.
또한 전기및전자공학 분야 연구진은 군 작전환경에서 발생할 수 있는 GPS 신호 제한 상황을 고려해 카메라 기반 장애물 인식 및 회피, 목표지점 접근과 호버링 등 자율비행 기술을 구현했다. 수림과 같이 장애물이 많은 환경에서도 목표지점까지 접근하여 감시정찰 임무를 수행하는 상황을 고려했다.
연구팀은 조류가 나뭇가지 등에 내려앉아 에너지 소비를 줄이는 행동에 착안해 비행체 하부에 줄꼬임 구동기 기반 퍼칭용 그리퍼를 적용했다.
드론이 지속적으로 호버링하며 감시임무를 수행할 경우 배터리가 빠르게 소모되는 기존 방식과 달리, 목표지역의 구조물이나 지지물에 착지해 비행동력을 사용하지 않고 감시임무를 지속할 수 있도록 한 것이다. 퍼칭 이후에는 그리퍼를 해제하고 다시 이륙해 추가적인 감시·정찰 임무를 수행하거나 원대로 복귀할 수 있도록 시스템을 구성했다.
이를 통해 구조배터리를 이용한 기체 경량화와 에너지 저장 효율 향상뿐 아니라, 비행 자체에 소요되는 에너지를 최소화하는 운용 개념까지 함께 적용함으로써 작전가용시간을 증가시키는 새로운 감시정찰 무인체계의 가능성을 제시했다.
이번 과제를 통해 연구진은 리튬-황 구조배터리를 실제 비행체 구조에 적용하고, 생체모방형 비행체와 자율비행, 퍼칭 기술까지 하나의 플랫폼에서 연계함으로써 차세대 국방 무인체계의 기술적 실현 가능성을 확인했다.
연구팀은 특히 리튬-황 구조배터리를 기반으로 생체모방 비행과 자율비행, 퍼칭 그리퍼를 통합한 국방 감시정찰 드론을 국방 분야에서 최초로 개발했다는 점에서 의미가 크다. 서로 다른 분야에서 개발된 핵심기술을 단순히 결합하는 수준을 넘어 하나의 임무체계로 설계하고 실제 비행 플랫폼에서 구현했다는 점에서 차별성을 갖는다.
연구팀은 약 5년간의 과제 수행 과정에서 구조배터리와 복합재료, 생체모방 비행체 설계, 공력 해석 및 제어, 자율비행, 퍼칭 기술 등을 주제로 연구를 수행했으며, 관련 성과는 국내외 학술지 논문과 국제·국내 학술대회 발표 등으로 이어졌다.
과제 수행을 통해 권위 있는 주요 학술지 Small 등 SCI(E)급 국제학술지 논문 3편, 국내외 학술대회 발표 11건, 특허 1건 등의 연구성과를 창출했으며, 과제 종료 이후에도 일부 연구결과는 후속 논문 및 관련 연구로 이어지고 있다.
연구책임자인 기계공학과 김경수 교수는 “이번 연구의 가장 큰 의미는 배터리와 소재, 비행체, 제어, 자율비행 등 서로 다른 분야의 기술을 하나의 국방 무인비행 플랫폼으로 구현했다는 데 있다”며 “5년간의 융합연구를 통해 확보한 기술과 경험이 향후 장기체공 감시정찰과 다목적 국방 무인체계 개발을 위한 기반으로 활용되기를 기대한다”고 말했다.
2026.08.19 조회수 1470 -
에너지 저장, 하중지지 동시 가능한 구조배터리 개발
친환경 에너지 기반 자동차, 모빌리티, 항공우주 산업군 등에 활용되는 구조배터리는 높은 에너지 밀도를 통한 에너지 저장과 높은 하중 지지의 두 기능을 동시에 충족되어야 한다. 기존 구조배터리 기술은 두 가지 기능이 상충하여 동시에 향상하기 어려웠지만 우리 연구진이 이를 해결하기 위한 기반 기술 개발에 성공했다.
우리 대학 기계공학과 김성수 교수 연구팀이 하중 지지가 가능하고 화재 위험이 없고 얇고 균일한 고밀도 다기능 탄소섬유 복합재료 구조 배터리*를 개발했다고 19일 밝혔다.
*다기능 복합재료 구조 배터리(Multifunctional structural batteries): 복합재료를 구성하는 각 소재가 하중 지지 구조체 역할과 에너지 저장 역할을 동시에 수행할 수 있다는 점을 의미
초기의 구조 배터리는 상용 리튬이온전지를 적층형 복합재료에 삽입한 형태로, 기계적-전기화학적 성능 통합 정도가 낮으므로, 이는 소재 가공, 조립 및 설계 최적화에 어려움이 있어 상용화되기 어려운 실정이었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 김성수 교수 연구팀은 ‘에너지 저장이 가능한 복합재료’의 관점에서 기존 복합재료 설계에서 중요한 계면 및 경화 특성을 중심으로 구조전지의 다기능성을 최대화할 수 있는 고밀도 다기능 탄소섬유 복합재료 구조 배터리를 개발하기 위한 체계적인 방식을 연구했다.
연구팀은 이번 연구를 통해 기계적 물성이 높은 에폭시 (Epoxy) 수지와 이온성 액체(ionic liquid)/탄산염 전해질(carbonate electrolyte) 기반 고체 폴리머 전해질이 단단해지는 경화 메커니즘을 분석하고 이를 통해 적절한 온도와 압력 조건을 제어하여 경화 공정을 최적화하였다.
또한 개발된 구조 배터리는 진공 분위기에서 복합재료를 압축 성형하여 구조배터리 내에서 전극과 집전체 역할을 담당하는 탄소섬유의 부피 비율을 기존 탄소섬유를 활용한 배터리 대비 약 160% 이상 향상시켰다.
이를 통해 전극과 전해질과의 접촉면이 획기적으로 증가함으로써 전기화학적 성능을 개선된 고밀도 구조 배터리를 제작할 수 있었다. 뿐만 아니라 경화 공정 중 구조배터리 내부에 발생할 수 있는 기포를 효과적으로 제어하여 구조 배터리의 기계적 물성을 동시에 향상시킬 수 있었다.
연구 책임자인 김성수 교수는 “고강성 초박형 구조 배터리의 핵심 소재인 고체 폴리머 전해질을 소재 및 구조적 관점에서 설계하는 프레임워크를 제시하였고, 이러한 소재 기반의 구조배터리를 자동차, 드론, 항공기, 로봇 등의 구조체 내부에 삽입하여 한번 충전으로 작동시간을 획기적으로 늘릴 수 있는 차세대 다기능 에너지 저장 어플리케이션 개발에 일조하는 기반 기술이 될 것”이라고 연구의 의미를 설명했다.
기계공학과 모하마드 라자(Mohamad Raja) 석사가 제1 저자로 참여하고 국제 저명 학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 9월 10일 자로 게재됐다. 이번 연구는 해당 논문의 우수성을 인정받아 국제 학술지의 표지 논문(Supplementary cover)으로 선정됐다.
(논문명 : Thin, Uniform, and Highly Packed Multifunctional Structural Carbon Fiber Composite Battery Lamina Informed by Solid Polymer Electrolyte Cure Kinetics. https://doi.org/10.1021/acsami.4c08698).
한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업 및 국가반도체연구실개발사업의 지원으로 수행되었다.
2024.11.19 조회수 11457