보라빛 소를 만나기 위한 도약

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1870호(2018. 10. 31. 발행)에 기고한 원고입니다.

▶ IITP에서 PDF 포맷으로 퍼블리싱한 파일을 첨부합니다. 가독성이 좋으니 참고하시기 바랍니다.

도시문제 해결할 ‘미들 마일’ 전기 항공기용 엔진 개발업체 ‘매그닉스’.pdf

◾ 미국의 스타트업 ‘매그닉스(magniX)’는 전기 항공기 구동의 핵심인 파워 트레인 부문에서 고도의 R&D를 신속하게 전개하여 주목을 받고 있음

▸ 전기 항공기용 파워 트레인은 모터를 중심으로 모터를 구동하는 인버터, 인버터를 제어하는 ​​소프트웨어 등 기체의 구동 시스템을 의미함

▸ 일반 항공기용 제트엔 제조 부문에서는 미국의 GE(제네럴 일렉트릭), 캐나다의 PWC(Pratt & Whitney Canada), 영국의 롤스-로이스(Rolls-Royce Holdings) 등이 ‘빅 3’로 불리는데, 매그닉스는 전기 항공기용 제트엔진에서 이들과 같은 위치를 꿈꾸고 있음

▸ 매그닉스는 현재 자사 엔진을 탑재한 전동 항공기가 500 마일을 비행하는 상용 서비스가 가능하도록 연구개발을 빠른 속도로 진행하고 있음

▸ 원래 호주에서 2009년에 창업한 이 기업은 현재 보잉(Boeing)이 있는 시애틀로 본사를 옮긴 상태인데, 창업자인 로이 간자르스키는 보잉에서 근무한 적이 있다고 하며, 2018년 9월말 현재 직원은 약 60여 명임

◾ 전기 항공기 시장은 운송거리에 따라 크게 3가지로 분류되는데, 매그닉스는 100~1,000 마일 거리를 운행하는 소위 ‘미들 마일(Middle Mile)’ 전기 항공기용 엔진을 개발하고 있음

▸ 전기 항공기는 50 마일 이하를 이동하는 도시용, 100~1,000 마일을 비행하는 도시간 이동용, 그리고 1,000 마일을 넘게 비행하는 대륙간 이동용으로 구분됨

<자료> Revolution.Aero

[그림 1] 이동거리에 따른 전기 항공기의 분류

▸ 이 중 매그닉스가 타게팅 하는 것은 100~1,000 마일의 ‘미들 마일’을 이동하는 전기 항공기인데, 이 거리를 이동하는 수요가 가장 높다고 판단하기 때문으로 자동차로 이동한다면 대략 4~8 시간 정도 걸리는 거리임

▸ 철도가 발달한 나라에서는 고속철을 타면 좋은 거리지만 미국은 상황이 달라서 미들 마일을 빠르게 이동할 경우 현재는 보통 비즈니스 제트나 로컬 제트 같은 중소형 항공기를 이용함

▸ 가령 로컬 제트기로는 일반적으로 보잉 737 같은 단일 통로(Single Aisle)의 중형기가 투입되는데, 미국에서 평균 비행 거리는 800 마일 정도라고 함

▸ 그런데 간자르스키 CEO에 따르면 이런 중형기가 효율적으로 비행하려면 1,000 마일 이상을 날아야 하는데, 현재는 수백 마일 정도만 날고 있어 효율이 나쁘고 운영비용이 높으며, 따라서 항공료도 높아지는 문제가 있음

▸ 만약 완전(full) 전기 항공기라면 리시프로 엔진이나 제트 엔진과 같은 내연 기관에 비해 연비를 높이고, 구조의 단순화를 통해 유지보수 부담을 줄이는 것이 가능해지는데, 매그닉스는 바로 이런 이유로 미들 마일 전기 항공기용 엔진을 개발하고 있는 것임

◾ 전기 항공기로 효율적인 미들 마일용 수송수단이 마련되면 시애틀 등 대도시가 겪고 있는 많은 문제들을 해결하는 데도 도움이 될 수 있어 미들 마일 수요는 더 늘어날 것으로 예상됨

▸ 전기화로 기체를 소형화하거나 중형기의 운영비용을 크게 낮출 수 있으면 미국 대도시에서 발생하는 인력 부족과 교통체증, 지가 상승 등의 문제를 해결하는 데도 기여할 가능성이 있기 때문에, 매그닉스는 미들 마일을 이동하는 항공기 수요가 더 늘어날 것으로 보고 있음

▸ 가령 매그닉스가 있는 시애틀은 마이크로소프트, 아마존닷컴, 보잉, 이베이, 페이스북 등의 본사가 소재하고 있어 항상 많은 인재, 특히 소프트웨어 개발자를 많이 필요로 하는데 시애틀에는 이 수요를 감당할 충분한 인구가 모여 있지 않음

▸ 한편, 시애틀이 있는 워싱턴 주에는 여러 공업도시가 있는데다 소프트웨어 인재를 배출하는 대학도 있는데, 시애틀에서 250 마일 떨어진 곳에는 공업도시 스포케인이 있고, 250 마일 안쪽에 컴퓨터 소프트웨어학과를 가진 대학이 3곳 있음

▸ 이들 배후도시가 있음에도 인력 부족이 계속되고 있는 것은 시애틀로 가는 적절한 이동 수단이 없기 때문인데, 스포케인에서 시애틀까지는 자동차로 6 시간이 걸림

▸ 비행편이 물론 있지만 평균 1시간에 1대 정도여서 통근 수단으로는 적합하지 않으며, 무엇보다 요금이 왕복 300 달러 이상이어서 매일 이용하기는 애초에 불가능함

▸ 결국 시애틀이나 시애틀 근교에 사는 방법밖에 없는데, 수년 전부터 부동산 가격이 상승하고 출퇴근 시간의 교통 체증이 심해져 이마저도 점점 더 어려워지고 있음

▸ 미들 마일 전기 항공기는 바로 이런 문제를 해결할 수 있는데, 항공료는 50 달러 미만이고 비행 빈도도 15분에 1번이기 때문에 출근 시간을 45분 정도로 줄일 수 있기 때문

▸ 동시에 시애틀에 살지 않아도 아마존닷컴이나 마이크로소프트의 사무실에서 일할 수 있게 되므로, 집값과 교통 체증 등 도시 문제도 상당히 완화될 것을 기대할 수 있음

◾ 전기 항공기는 내연기관과 2차 전지를 병용해 모터를 움직이는 ‘하이브리드형’과 2차 전지의 전력만 이용하는 ‘풀 전동형’이 있는데, 매그닉스는 풀 전동형을 위한 파워 트레인을 개발 중

▸ 매그닉스의 파워 트레인은 출력이 크고 무게당 출력 밀도가 높은 것이 특징으로 두 종류를 개발하고 있는데, 하나는 350 마력이 250kW 패밀리 제품군이고, 또 하나는 750 마력의 500kW 패밀리 제품군임

<자료> magniX
[그림 2] 매그닉스의 전기 항공기용 제트엔진 제품군

▸ 두 제품군 모두 출력 밀도는 4.67kW/kg으로, 전기 항공기용 모터의 실용화 기준점으로 삼는 5kW/kg에 근접해 있음

▸ 높은 출력과 출력 밀도를 달성한 전기 항공기용 모터로 잘 알려진 것은 독일 Siemens(지멘스)의 ‘SP260D’ 제품으로 출력 260kW에 무게 50kg으로 출력 밀도는 5.2kW/kg임

▸ 매그닉스의 제품 중 ‘magni500’ 모델은 출력 560kW에 무게 120kg으로 출력 밀도가 4.67kW/kg인데, 지멘스의 SP260D에 비해 출력 밀도는 낮지만 출력은 2배 이상인 셈

▸ 매그닉스는 상용화 수준의 출력과 출력 밀도를 달성한 곳은 현재 자신들과 지멘스 정도인데 상용화 수준은 자신들이 앞서 있다고 자평하고 있음

◾ 실제로 매그닉스는 상용화를 향해 차근히 나아가고 있으며, 정확히 기종을 공개하지 않았지만 350 마력 엔진을 탑재한 소형 전기 항공기가 2019년 하반기에 시험 비행할 것이라고 함

▸ 매그닉스는 지난 9월 지상 설비에서 350 마력 상당의 출력을 내는 엔진과 모터로 소형 항공기의 프로펠러의 회전에 성공했다고 밝힌 바 있음

<자료> magniX

[그림 3] 350 마련 엔진의 프로펠러 회전 실험 성공

▸ 내년 하반기에는 350 마력 소형기의 시험 비행을 실시할 예정이며, 동시에 750 마력 제품의 실용화도 급속도로 진행할 계획임

▸ 매그닉스에 따르면 750 마력 제품은 세스나 캐러밴(Cessna Caravan), 트윈 오터(Twin Otter), 킹 에어(King Air) 등 소형기에 탑재된 PWC의 터보프롭 엔진 PT6 시리즈를 대체 할 수 있는 수준이라고 함

▸ 따라서 소형 항공기 세스나 208 캐러밴의 기존 엔진을 750 마력 모터로 대체하고 350 마력 엔진 때처럼 비행기의 프로펠러를 2019년 중반 지상 설비에서 회전시킬 계획임

▸ 그 다음 2019년 후반에 비행 테스트를 시작하고 풀 전동기로 인증을 받은 후, 2022년까지 750 마력 엔진을 탑재한 소형 풀 전동기를 상용화한다는 것이 매그닉스의 로드맵

▸ 750 마력 엔진을 탑재한 풀 전동기의 항속 거리는, 현재 2차 전지의 용량밀도로 인해 100 마일 정도이지만, 배터리 기술의 발전이 현저하기 때문에 향후 5년 이내 250~300 마일 비행이 가능할 것으로 보고 있음

◾ 전기 항공기용 파워 트레인 개발을 선도하는 매그닉스의 여러 기술 중 가장 핵심적인 것으로는 모터의 구조와 재료, 그리고 냉각기술을 꼽을 수 있음

▸ 자세한 내용은 밝히고 있지 않지만, 모터의 출력 밀도를 높이기 위해 ‘할바흐 배열(Halback Array)’과 유사한 기술을 적용해 자석을 배치했다고 함

▸ 할바흐 배열은 한쪽 면의 자기장을 확장시키는 영구자석의 특수 배열 상태를 말하는데, 무게당 출력 밀도를 높이는 방법으로 가벼움을 중시하는 전기 항공기용 모터에서 많이 사용됨

▸ 핵심기술들은 확장성이 용이해 350 마력 엔진이나 750 마력 엔진에 모두 동일한 기술을 사용하고 있는데, 연장선상에서 더 높은 출력 모터 가령 출력 1MW의 모터에도 동일한 기술을 적용할 수 있다고 보고 있음

▸ 또한 매그닉스는 모터의 출력 밀도를 단숨에 높이기 위해 초전도 모터의 연구 개발에도 착수하고 있는데, 초전도 기술을 적용해 25kW/kg의 출력 밀도 달성을 목표로 하고 있음