드론과 고성능 배터리의 미래

'드론'이라는 단어는 어디에서 유래했나요?

"드론"이라는 단어를 들으면 프로펠러(로터 블레이드)가 달린 원격 조종 항공기를 떠올리실 겁니다. 하지만 크기에 관계없이 조종사 없이 비행하고 원격으로 조종할 수 있는 모든 항공기를 무인 항공기(UAV), 즉 드론이라고 부릅니다.

세계 최초의 무인 항공기인 드론은 고정익 항공기였지만, 오늘날 주류를 이루는 항공기는 헬리콥터와 유사한 회전익 항공기로, 로터 블레이드를 장착하고 있습니다. 로터가 세 개 이상 장착된 항공기를 통칭하여 멀티콥터라고 부르지만, 로터가 네 개, 다섯 개, 여섯 개인 항공기는 각각 쿼드콥터, 헥사콥터, 옥토콥터라고 합니다. 현재 멀티콥터 드론이 가장 일반적인 드론 유형입니다.
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드론의 성장

드론은 대학과 연구 기관이 전기 쿼드콥터를 개발하기 시작한 1980년대 이후 크게 발전했습니다. 초기 모델은 배터리 용량이 부족하고 소형 고출력 모터가 부족하여 유선 전원 공급 장치를 사용했습니다.
1987년까지 일본 회사는 드론으로 분류된 세계 최초의 산업용 무선 조종 헬리콥터를 출시했습니다. 2000년대 후반에는 자이로스코프, 가속도계, 리튬 이온 배터리 등의 기술 발전이 스마트폰에 사용되면서 생산 비용이 낮아지고 드론 개발이 가속화되었습니다.
더 가벼운 쿼드콥터와 함께 이러한 혁신으로 인해 소비자와 업계 모두가 드론에 더 쉽게 접근할 수 있게 되었습니다. 짐벌 카메라를 장착한 드론은 고고도 촬영에서 크레인 등의 중장비가 필요하지 않아 비용 절감에 기여했으며, 항공 사진 및 미디어 응용 분야에 널리 사용되기 시작했습니다.
카메라가 장착된 드론의 보편화로 댐, 산, 교량, 굴뚝, 건설 현장, 건물 지붕 등 쉽게 접근할 수 없는 장소도 원격으로 확인할 수 있게 되었습니다. 이러한 산업용 드론은 운영 효율성을 크게 향상시킵니다. 드론의 다른 용도로는 원격 검사, 감시, 조사, 결혼식 등 기념 사진 촬영 등이 있습니다.
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농업 분야에서 드론 활용이 확대되고 있으며, 열화상 카메라와 센서를 활용하여 살충제 살포, 작물 모니터링, 수확량 예측 등의 작업이 가능해지고 있습니다. 이를 통해 효율성과 작물 품질이 향상되었습니다. 대부분의 산업용 및 농업용 드론은 안정성과 신뢰성을 위해 6개 또는 8개의 로터가 장착된 멀티콥터를 사용합니다.
드론은 드론 경주와 같은 엔터테인먼트 분야에서도 점점 더 많이 활용되고 있으며, 참가자들은 드론을 원격으로 조종하여 코스를 탐색하고, 드론이 고속으로 날아가는 동안 탑재된 카메라에서 실시간 영상을 볼 수 있습니다.
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드론 기술의 발전 과제

드론 기술의 핵심 과제 중 하나는 제한된 비행 시간인데, 이는 주로 배터리 용량 때문입니다. 따라서 드론 배터리가 무엇이고 비행 성능에 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다. 이 과제를 해결하려면 더 가벼운 프레임과 더 효율적인 배터리 개발이 필수적이지만, 출력과 무게 사이의 균형은 드론 분야의 혁신을 저해하고 있습니다.

드론 용 배터리란 무엇인가?

드론용 배터리(종종 리튬 이온 또는 리튬 폴리머)는 장시간 비행에 필요한 전력을 제공하도록 설계되었습니다. 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 배터리는 가볍고 원래 무게 이점으로 인해 무선 조종 비행기에 널리 사용되었습니다. 이 배터리는 에너지 밀도와 경량 설계로 잘 알려져 있어 드론 애플리케이션에 이상적입니다. 그러나 과충전이나 연소와 같은 사고를 예방하려면 성능과 2차 보호 퓨즈와 같은 안전 기능의 균형을 맞추는 것이 중요합니다.

드론 배터리는 얼마나 오래 지속되나요?

드론의 배터리 수명은 모델마다 상당히 다릅니다. 일반 소비자용 드론은 일반적으로 한 번 충전으로 10~30분 동안 비행할 수 있습니다. 비행 시간은 다음과 같은 요인에 따라 달라집니다. 「배터리 용량」 「드론 무게」 「기상 조건」 「탑재량」 고급 산업용 드론은 더 많은 장비를 탑재하기 때문에 비슷한 비행 시간을 위해 강력한 배터리가 필요합니다. 배터리 용량이 클수록 비행 시간은 늘어나지만, 무게 증가로 인해 비행 시간 증가분이 상쇄될 수 있습니다. 드론 배터리 수명에 영향을 미치는 주요 요인은 다음과 같습니다. 「모델 유형(일반 소비자용 vs. 산업용)」 「배터리 기술」 「환경적 요인」 「탑재량」

더 높은 배터리 전압이 드론 비행 시간을 늘리는 방법

이를 해결하기 위해 단순히 용량을 늘리는 것보다 배터리 전압을 최적화하는 것이 비행 시간을 크게 향상시킬 수 있습니다. 하지만 단순히 배터리 용량을 늘린다고 해서 비행 시간이 무한정 늘어나는 것은 아닙니다. 배터리 자체의 무게도 그에 비례하여 증가하기 때문입니다. 따라서 비행 시간을 더욱 늘리기 위해서는 기체 무게를 줄이고 배터리 성능을 향상시켜야 합니다. 2020년대 후반에서 2030년대 초반에 도입될 것으로 예상되는 차세대 배터리는 1,000회 이상의 충방전 사이클과 약 400Wh/kg의 에너지 밀도를 달성할 것으로 예상됩니다. 최근에는 하나의 배터리 팩에 10개 이상의 셀을 연결하여 수십 볼트의 고전압을 구현하는 리튬 이온 배터리가 개발되었습니다. 이러한 고출력 배터리를 드론에 사용할 때는 사고 예방을 위한 안전 조치를 마련하는 것이 중요합니다.

드론에 가장 오래 지속되는 배터리는 무엇입니까?

드론에 가장 오래가는 배터리는 무게를 최소화하면서 에너지 밀도를 극대화하는 배터리입니다. 한 팩에 10개 이상의 셀을 사용하는 고전압 리튬 이온 배터리는 첨단 드론에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이러한 차세대 배터리는 성능이나 안전성을 저하시키지 않으면서 비행 시간을 늘리도록 설계되어 장시간 작동이 필요한 드론에 선호되는 옵션입니다.

배터리 수명이 긴 드론 만드는 방법

드론 배터리 수명을 늘리려면 엔지니어는 배터리와 드론 설계 최적화에 집중해야 합니다. 드론의 전체 무게를 줄이고, 배터리 에너지 밀도를 높이며, 첨단 전력 관리 시스템을 도입하는 것은 모두 필수적인 단계입니다. 또한, 비행 중 발생하는 열을 효율적으로 관리하는 냉각 시스템을 구축하면 배터리 성능과 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다.

라스트마일 배송 드론

드론의 산업적 활용이 확대됨에 따라 라스트마일 배송 서비스가 주목을 받고 있습니다. 배터리 기술과 비행 효율의 발전으로 주요 전자상거래 기업들은 배송의 마지막 단계에서 상품을 운송하기 위해 드론을 점점 더 많이 도입하고 있습니다.

특히 상품에 대한 접근이 어려운 지역에서는 이것이 매우 중요하며, 드론 배송은 운전자 부족이나 교통 체증과 같은 문제를 완화할 수 있습니다.
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이러한 장애물을 극복하고 더 폭넓은 도입을 위해서는 향상된 안전 기능이 필수적입니다. 드론의 안전한 사용을 위해서는 추락 사고, 개인정보 보호 문제, 항공 규정 준수 등의 문제를 해결해야 합니다. ​
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상업용 배송 분야에서 드론 수요가 증가함에 따라 고전압 2차 보호 퓨즈와 같은 효과적인 안전 조치의 필요성이 더욱 커지고 있습니다. 이러한 퓨즈는 사고를 예방하고 차세대 드론의 전반적인 신뢰성을 높이는 데 기여합니다.
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드론용 배터리의 핵심 과제: 안전성, 성능 및 수명

소형 소비자용 드론은 일반적으로 충전식 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 배터리를 사용합니다. 정상 온도 범위에서 작동하더라도 리튬 이온 배터리는 발열 반응을 일으켜 온도가 급격히 상승하여 연기가 나거나 화재가 발생할 수 있습니다. 떨어뜨리거나 충격을 받으면 셀이 변형되어 내부 단락이 발생하여 발화될 수 있습니다. 사용자가 설정을 변경할 수 있는 멀티 배터리 충전기를 사용하는 경우, 셀의 불균형이나 잘못된 충전 설정 전압으로 인해 과충전이 발생할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 시중에서 판매되는 리튬 이온 배터리는 보호 회로 및 기타 안전 기능을 갖추도록 설계되어야 합니다.
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더 긴 비행 시간을 위한 더 높은 배터리 전압

더 나아가, 드론 향후 항공 촬영 이외의 다양한 용도로 더욱 널리 활용되기 위해서는 30분에서 40분 정도의 짧은 비행 시간이 중요한 과제입니다. 이는 주로 배터리 용량의 제한에 기인합니다. 드론 배터리는 비행 시작부터 착륙까지 안정적인 비행을 지속하기 위해 필수적인 출력 특성을 유지해야 합니다. 따라서 향후 드론 배터리는 이러한 출력 특성을 유지하면서 에너지 밀도를 향상시켜야 합니다.
하지만 단순히 배터리 용량을 늘리면 배터리 자체의 무게도 늘어나 일정 수준 이상 비행 시간은 늘어나지 않습니다. 따라서 비행 시간을 더욱 늘리려면 기체 무게를 줄이고 배터리 자체의 성능을 개선해야 합니다.
이러한 배경에서 많은 제조업체들이 리튬이온 배터리의 충전 전압을 높이고 내부 저항을 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 배터리 무게당 에너지량 증가는 드론 비행 시간 증가로 직결되므로, 더 높은 셀 용량, 더 낮은 무게, 더 높은 밀도, 그리고 더 높은 최대 출력 밀도에 대한 요구가 존재합니다. 또한, 저온 및 고온을 포함한 다양한 온도 환경에서 배터리를 안전하게 사용하고 수명을 연장하는 것도 중요한 과제입니다.
차세대 배터리에 대한 현재 개발 목표에는 2020년대 후반 또는 2030년대에 달성될 것으로 예상되는 1,000회 이상의 충전/방전 사이클과 400Wh/kg의 에너지 밀도가 포함될 것으로 알려졌습니다.
배터리 성능 향상은 드론 비행 시간을 크게 늘릴 것입니다. 예를 들어, 현재 드론 비행 시간이 250Wh/kg으로 30분이라면, 동일한 배터리 용량을 사용할 경우 400Wh/kg 배터리는 48분, 500Wh/kg 배터리는 60분, 1,000Wh/kg 배터리는 120분을 비행할 수 있습니다. 배달용 드론의 경우, 드론 60분 이상 비행할 수 있다면 충전소를 늘리지 않고도 현재 배달 지역 전체를 커버할 수 있다고 합니다. (일본 내 탑재 중량 2kg 가정)
최근 들어, 하나의 배터리 팩에 10개 이상의 셀을 연결하여 수십 볼트의 고전압을 구현하는 리튬이온 배터리 개발되어 드론에 대한 적용이 검토되고 있습니다. 이러한 고출력 배터리를 드론에 사용할 때는 사고 방지를 위한 안전 조치가 중요합니다.
Dexerials에서 개발한 SCP (Self-Control Protector)는 리튬이온 배터리에 과충전 등의 문제가 발생할 가능성이 낮을 경우 회로를 안전하게 차단하는 요소입니다.​ SCP에 관하여.

차세대 드론에서 고전압 2차 보호 퓨즈의 중요성

Dexerials의 자체 제어 보호기(SCP)는 리튬 이온 배터리에 과충전 또는 과전류가 발생할 경우 회로를 안전하게 차단하도록 설계된 2차 보호 퓨즈입니다. (SCP에 대한 자세한 내용은 이 문서를 참조하십시오.) SCP 배터리가 불안정하고 1차 보호 장치가 제대로 작동하지 않을 때 회로를 차단하여 안전을 보장합니다. SCP의 역할은 불안정한 배터리의 작동을 즉시 중지하고 회로에서 안전하게 분리하는 것입니다.
퓨즈는 전기 장치에 널리 사용되는 보호 부품입니다. 과전류에서 줄 열로 퓨즈 요소를 녹여 회로를 차단합니다. 그러나 리튬 이온 배터리의 경우 과전류뿐만 아니라 과충전도 고려해야 합니다. 덱세리얼스의 SCP는 1994년 출시 이후 리튬 이온 배터리용 2차 보호 퓨즈의 표준 부품으로 인정받고 있으며, 2022년 3월 현재 25억 개 이상이 출하되었습니다.
리튬 이온 배터리의 전해질은 가연성 유기 용매로 구성되어 있기 때문에 과충전될 경우 화재 및/또는 폭발 위험이 있습니다. 따라서 리튬 이온 배터리에는 이러한 사고가 발생하지 않도록 2차 보호 기능이 내장되어 있습니다.
드론을 다룰 때 비행 중 과방전을 방지하기 위해 전원 공급 장치를 차단하면 드론이 추락할 수 있습니다. 따라서 매우 견고한 리튬 이온 배터리는 외부 충격으로 인한 단락에 더 취약하지만 드론에 더 적합합니다. 필요한 성능을 얻으려면 단락을 방지하고 과충전으로 인한 사고를 피하면서 셀을 어느 정도 서로 연결해야 합니다. 이 기사에서 설명한 바와 같이 충전 회로와 방전 회로를 분리하고 충전 회로에만 퓨즈를 설치하는 것으로 안전 대책을 취할 수 있습니다. 따라서 전원 공급이 멈췄을 때 드론이 충돌할 염려가 없습니다.
드론이 더욱 정교해짐에 따라 배터리 전압이 증가할 것이 확실합니다. 이 기사에서는 고전압 장비에서 SCP를 사용하여 보호 회로를 구축하는 방법에 대해 설명합니다. Dexerials는 드론에 고전류 및 고전압 리튬 이온 배터리가 점점 더 많이 사용됨에 따라 전문 지식을 통해 리튬 이온 배터리의 안전을 보장하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
​고전압 리튬 이온 배터리를 위한 2차 보호 요소 기술

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