하늘(空)과 바다(海)의 경계를 허물다!

『다기능 무선 수공양용 드론 기술 기획 연구』

해안에서 수백 km 떨어진 곳에서 심각한 적조 혹은 기름유출 사고 같은 재난재해가 발생한다면? 신속하게 육상 드론을 날려보지만 해상에 추락하면 무용지물이다. 다른 방법으로 수중에서 운용이 가능한 수중 ROV나 글라이더를 모선에 싣고 이동한다면? 높은 모선 사용료를 지불하고 보내더라도 느린 이동 속도로 인해 신속한 초동 대응이 어려울 것이다. 그렇다면 공중 비행을 통해 지상에서 목표 해역으로 빠르게 이동한 뒤, 신속하게 수중 환경을 탐지·감지하고 영상 촬영도 할 수 있는 전천후 드론이 있다면? 영화에서나 가능할 법한 일이 실제로 진행되고 있다. 공중 비행과 수중 잠항이 동시에 가능한 '수공(水空)양용 드론‘ 개발을 위한 기획연구가 완료되었다.

육상 드론과 수중 ROV 및 글라이더의 한계를 보완,

공중 비행과 수중 잠항이 동시에 가능한 '수공양용 드론‘ 개발 착수

최첨단 기술의 집합체이자 4차 산업혁명의 한 축을 담당할 것으로 주목받고 있는 드론에 대한 연구가 활발해지면서 세계 각국에서는 항만 구조물 및 해양 환경 모니터링, 해양 재난재해 대응을 위한 수공양용 드론의 필요성이 고조되어 왔다. 현재 육상드론의 경우, 목적지까지 신속한 이동은 가능하나, 최대 운용시간 및 탑재 가능한 센서의 한계와 해상 추락 시 기기손상 및 유실의 위험, 수중 내의 환경변화를 관측하기가 불가능한 단점이 있다. 수중 ROV 및 글라이더의 경우 대수심 및 장시간 운용이 가능하고 다양한 관측센서의 탑재가 가능하지만, 모선에 싣고 이동함에 따른 많은 소요 시간과 운용에 필요한 부가적인 인력 및 비용이 발생하게 된다. 이에 KIOST ICT융합연구단은 기존 드론의 장단점을 보완하고 다양한 센서를 탑재하여 신속한 이동으로 임의지점에 투입, 운용비용의 절감과 장시간 운용이 가능한 다기능 수공양용 드론을 목표로 하는 기술 개발 연구에 한창이다.

 “처음 아이디어는 ‘왜 바다에서는 무인이동체가 육상처럼 많이 사용되지 않을까’라는 궁금증에서 출발했어요. 이는 날씨나 비용, 안전 등 여러 가지 걸림돌이 있기 때문인데, 그런 단점을 보완해서 바다에서도 육상처럼 활발하게 무인이동체를 쓸 수 있게끔 개발해보면 어떨까 생각했죠. 마침 원장님께서 ‘해외에서 그와 유사한 드론을 개발하고 있는데, 우리나라도 한 번 해보자’고 하셔서 본격적으로 기획하게 되었고요. 2016년 3월경부터 ‘수공양용’이라는 명칭부터 정립하고 기술수요조사를 통해 연구 필요성을 확보한 후, KIMST의 해양수산연구기획사업으로 선정되어 올해 5월 27일 기획과제를 완료하였습니다. 현재 수공양용 드론의 정량적 목표와 개발 방안을 정의하고 시제품의 설계안이 마련된 단계라고 할 수 있습니다.”

물론 미국 해군 연구소(US Naval Research Laboratory)에서도 육상과 수중을 자유롭게 이동하며 다양한 군사적 임무를 수행하기 위한 ‘Flimmer’가 개발 중이고, 몇몇 대학에서도 이와 유사한 드론을 개발하고 있는데, 현재 기술로는 신속하게 이동하지 못해 실용성이 떨어지는 실정이다. 이미 KIOST에서도 회전익 방식의 수중 이용이 가능한 형태로 개발된 드론 시제품도 있지만, 비행시간이 상대적으로 짧고 바다에서는 부력 때문에 원활하게 이동이 어려운 단점이 있다. 일상적인 탐사의 목적으로 운용된다면 시간이 중요하지 않을 수 있으나, 기름 유출 등 재난재해 발생 시에는 초기대응이 중요하기에 스피드를 획기적으로 높이는 것이 관건이자, 동시에 자유자재로 수중 탐사가 가능해야 한다. 이에 이런 해양 드론 시장의 수요를 인식하고 야심차게 기획을 시도했지만, 준비 과정이 그리 순탄하지만은 않았다. 가장 난감했던 것은 이 사업에 참여할 각 분야의 전문가들을 설득하는 과정이었다. 대부분 수공양용 드론의 필요성에 대해서는 공감했지만 ‘그게 과연 가능한가?’라고 의구심을 가지는 경우가 대부분이었다고.

 "처음에는 저희들도 개발에 대한 확신을 갖기가 쉽지 않았죠. 그러다가 조언을 얻고자 미국의 전문가들을 만나서 이야기를 해 보니 그분들의 말씀이 걸작이에요. ‘이것은 픽션이다(불가능하다). 그러나 픽션을 다 쓰고 나면 논픽션이 되고, 그러면 사람들이 믿는다. 현재 관련 요소 기술들이 다 있으니 개발 과정은 상당히 흥미로울 것이다’라고 격려해 주더군요. 그 말에 힘을 얻었는데, 막상 그런 마인드를 개발 과제에 참여하는 분들과 공유하기도 어려웠거니와 기술자들 사이에서 누가 옳은지 정답은 없기에, 그들에게 개발의 당위성을 설득하면서 정량적인 스펙을 잡는 과정 또한 만만치 않았습니다.” - ICT융합연구단 백승재 단장 -

 개별 기술 간의 상충된 개념을 절충하는 것이 관건

 최대 150km의 속도, 4시간 주행을 목표로 하이브리드 운용기술 개발

각고의 노력 끝에 한국로봇융합연구원 및 전문자문위원회 등 드론 개발에 필요한 기술군에 대한 산·학·연 전문가 체계를 구성하고, 모선운용이 필요 없이 최대 10kg의 부하(payload) 적재, 수직 이착륙, 공중이동(최대 속도 150km/h, 운용시간 4시간), 수중이동(최대 수심 200m, 최대 속도 4kn, 운용시간 12시간) 및 선택적 자율주행 기능을 동시에 제공하는 것을 목표로 하였다.

 "날아가는 것은 반드시 가벼워야 하고, 수중에서는 오히려 묵직해야 안정감이 있죠. 이렇게 상충되는 개념을 만족시키기 위해서는 어떻게, 어떤 방식으로 절충점을 찾아 개발하느냐가 관건입니다. 현재 정의된 정량적 스펙은 최대 속도 150km로 4시간 주행한다는 것인데, 개발이 된다면 현재 독도 탐색을 위해 선박으로 4시간 가던 것을 1시간으로 감소시키고, 연간 용선료 절감과 날씨에 구애받지 않는 Anytime One Stop 서비스를 제공할 수 있습니다. 현재 단일 개별기술들은 가능하다는 것이 검증되었지만, 실제 테스트 과정에서 결함이나 시행착오가 생길 수 있기에 공중과 수중에서 모두 원활하게 무선통신이 이루어질 수 있는 방법과 장시간 운용을 위한 새로운 아이디어들이 다각도로 적용되어야 합니다.”- ICT융합연구단 백승재 단장 -

그림 1. 수공양용 드론의 최종 목표안

드론을 위한 바다, 충전을 위한 바다로

패러다임의 획기적인 전환을 시도

특히, 본 개발과제의 성공을 좌우하는 요소 중의 하나는 배터리의 수명이다. 운용시간이 지극히 제한되었던 기존 드론의 한계를 극복하기 위해 충전에 대한 기존의 상식을 뒤엎는 획기적인 아이디어를 고려하고 있다. 바로 해수연료 전지를 사용한다는 개념이다. 즉, 양극과 음극으로 이루어져 있는 기존의 배터리에서 과감하게 한 극을 빼고 해수를 통해 충전하게 되면 배터리의 사이즈가 반으로 줄거나, 용량이 배로 늘려지는 장점이 있다. 즉, 배터리가 부족해서 바다에 빠지는 것이 아니라, 충전을 위해 바다로 들어가는 그야말로 ‘드론을 위한 바다, 충전을 위한 바다’로 획기적인 패러다임의 변화를 꾀하는 것이다. 또한, 지상 및 수중의 통신모드 변경이 가능한 하이브리드 무선통신 기술도 적극 검토하고 있다.

사진 2. 통신파트 담당 송유재 연구원

 "무선 데이터 송수신을 위해서 일반적으로 공중에서는 RF통신이, 수중에서는 어쿠스틱 통신이 적용되는데, 제안하는 수공양용드론이 공중과 수중을 자유롭게 드나들기 위해서는 위의 2가지 무선통신 방식이 하이브리드 형태로 적용 되어야 합니다. 현재 기술로는 그런 솔루션이 나와 있지 않은데, 수공양용 드론 플랫폼이 원격에서 무선통신 방식을 통해 원활히 제어되게끔 제가 알고 있는 지식을 최대한 본 기획 과제에 녹여내기 위해 노력하고 있습니다. 전 세계적으로 관련 연구가 지극히 제한되어 있는 실정에서 아이디어와 개별 스펙만이 구체화된 기획연구 단계지만, 실제 과제 수행에 있어서 이를 보완·성공한다면 국제 트렌드에 부합하고 세계 시장을 선도할 수 있는 국가 대표 솔루션이될 수 있다는 기대와 자부심을 가지고 연구에 임하고 있습니다.”

본 기술이 개발에 성공하게 되면 다양한 분야의 수요를 반영하여 소형, 중형, 군용으로 적용될 예정인데, 소형의 경우 해양 레저스포츠에 응용되어 수심이 얕은 곳에서 저속도로 작동하면서 고프로(GoPro)같은 액션캠처럼 사람을 따라 유영하며 바다 속 촬영이 가능하고, 중형의 경우, 연구 탐사 및 재난재해 지역에 지원되며, 군용으로는 대규모 함정에서 레이더에 탐지된 물체를 추적하는데 활용될 것으로 기대되고 있다. 현재 준비 중인 2단계 연구 사업은 예산을 따기가 어렵지만, 대형 사업으로 발전시키기 위해 자체 펀드를 마련해서 완벽하진 않더라도 조금씩 보완하면서 시제품을 만들어 가고자 한다. 수공양용 해양 드론이 획기적이고 파격적인 아이템인 만큼 이에 거는 기대와 책임감도 남다를 수 밖에 없다.

 "KIOST에서는 수중 ROV 등 선진국의 기술을 국산화하는 사업도 수행하고 있지만, 기존에 없던, 미래를 보고 추진하는 사업도 추진하거든요. 수공양용 해양 드론이 현재는 불가능해 보일 지라도 이것은 미래를 보고 투자하는 사업이라 그 과정에서 유의미한 장·단기적 성과가 나올 것이라고 봅니다. 저는 기술은 결국 옳은 방향으로 간다는 신념이 있어요. 과거에는 시계와 휴대폰도 물속에 들어갈 수 없었지만 방수기술이 발달하면서 사람들의 불편함을 편한 방향으로 해결해 주었죠. 바로 그것이 옳은 방향이라고 믿고, 그런 이유가 본 과제를 수행해야 하는 당위성이라고 생각합니다.”- ICT융합연구단 백승재 단장 -

브리스톤은 『신념의 마력』이란 책에서 ‘인간에게 잠재의식은 모든 불가능을 가능하게 만드는 힘’이라고 말했다. 바꿔 말하면 우리가 옳은 방향이라고 믿는 기술의 잠재수요를 인정하며 끊임없이 그것을 일깨우고 도전할 때, 우리가 이루어낼 수 있는 세계는 무궁무진하지 않을까. ICT융합연구단의 의욕적인 도전기를 접하며 문득 영화 <인터스텔라> 속의 한 대사가 떠오른다. “We will find a way. We always have(우리는 답을 찾을 것이다. 늘 그래왔던 것처럼)“