지난 호에서 이어지는 내용입니다.

 

25. RC의 역사(1990년대)

1990년대는 전 세계적인 RC 문화의 대중화가 시작된 시기다. 국내를 비롯한 각국에서 RC 대회, 에어쇼, 전시회 등이 개최되며 관련 커뮤니티가 형성돼 나갔다. 90년대 말부터는 인터넷이 시작되면서 RC 포럼과 커뮤니티 활성화의 발판이 마련됐다. 

 

1999년 국내에서는 비행금지구역 비행 제한, 기체 분류ㆍ신고 등 무인비행장치 비행 안전과 관련된 규제 사항이 ‘항공법’에 추가 제정됐다.

 

1990년대 RC 문화의 대중화를 이끈 RC 발전 기술은 비행 안정화 장치인 기계식 자이로, 주파수 안정성 개선을 위한 표준화, 브러시 모터와 리튬 배터리의 개발 등이 대표적으로 꼽힌다.

 

▲ (왼쪽부터)기계식 자이로, 전자식 아날로그 자이로 1990년대 개발된 초기 자이로 센서는 운동 예측을 통해 자세를 선제 제어하는 게 아니라 이미 발생한 회전 값에 대한 피드백 보정 과정을 통한 반응 제어 방식이다. 또 1축(axis)에 국한돼 모든 회전 방향에 대한 자세 제어가 제한됐다.

 

먼저 1990년대 초부터 자세 안정화 장치인 기계식 자이로를 본격 적용하면서 RC 제어 안정화가 대폭 개선됐다. 기계식 자이로는 물체에 고속으로 회전하는 원판(로터)을 설치해 특정 방향으로 지속해서 유지할 수 있게 하는 장치다. 

 

회전하는 물체는 관성 모멘트로 인해 회전축의 방향을 쉽게 바꿀 수 없는 상태가 된다. 이때 외력에 의해 물체가 회전하면 자이로 축이 그 회전 변화량만큼 저항하는 힘도 함께 발생한다. 이때 그 힘에 의한 회전 속도 변화를 감지해 시스템에 반영하면서 자세를 제어하는 원리다. 

 

초기 기계식 자이로는 주로 비행 메커니즘이 복잡하고 조종이 어려운 RC 헬리콥터의 비행 안정화를 위해 회전(yaw)축의 테일 로터에 먼저 적용하기 시작했다. 그런데도 기계적 마찰로 인한 진동과 온도 상승으로 인해 유지보수가 필요했다. 반응 지연이 발생해 정확도가 낮아지는 단점도 노출됐다.

 

1990년 중반부터는 MEMS 기반 아날로그 자이로를 사용하기 시작했다. 아날로그 자이로는 기계식 회전 장치 없이 진동 질량체를 활용한 전기적 신호로 물체 회전의 변화를 감지한다. 

 

외부 회전으로 인해 내부 진동형 질량(Vibrating Mass)이 가속되면 발생하는 코리올리 힘(Coriolis Force)을 통해 운동량을 측정해 방향을 제어하는 원리다. 자이로에서 발생하는 코리올리 힘은 진동 질량체의 힘과 비례한다. 

 

따라서 진동 질량체는 질량이 너무 작아 힘을 측정하기 어려운 전자를 사용하지 않고 실리콘 등으로 제작된 미세 구조체를 활용하며 정전용량 변화로 감지한다. 아날로그 자이로 센서는 기존 기계식 자이로보다 측정 정확성과 외력에 의한 내구성이 향상되고 장치 무게도 경량화됐다. 

 

다만 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 별도의 ADC(Analog to Digital Converter)와 추가 장치로 인한 회로 설계 보정 과정도 필요했다.

 

항목(전용)	미국	유럽	한국
RC 비행기	72㎒	35㎒	72㎒
RC 자동차/보트	75㎒	40㎒	40㎒
일반/완구	27, 49㎒	27㎒	27㎒
표준화 시기	1990 ~1993년	1992~1995년	1995~1999년

 

다음은 주파수 사용 안정성 개선이다. RC 문화가 대중적으로 확장됨에 따라 대부분의 기존 고정 주파수 방식은 전파의 혼선ㆍ간섭을 일으켰다. 그로 인한 동호인들 간의 분쟁, 공공 주파수와의 충돌을 예방하고자 1990년대 들어 국가별로 주파수 분배 정책이 수립되기 시작했다. 

 

먼저 미국의 경우 FCC(Federal Communications Commission)에서 RC용 주파수 대역을 용도별로 명확히 구분했다. 파장이 길고 장애물 회절성이 높은 27ㆍ49㎒ 대역은 대기 잡음에 의한 혼선이 많고 고속 신호에 적합하지 않아 일반용이나 완구용 등 저가형으로 분배했다. 

 

전파 직진성이 상대적으로 뛰어나고 신호 반응 속도와 해상도가 높은 72㎒ 대역은 RC 비행기(무인비행장치) 전용, 72㎒ 대역과 유사한 특성을 가졌지만 근거리 장애물 극복이 유리해 지면 환경에서 유리한 75㎒ 대역은 RC 자동차ㆍ보트 전용으로 각 분배했다. 

 

주파수 전파의 파장, 직진성, 반응성 등 주파수마다 다른 물리적 특성을 파악해 분배했으며 유럽의 경우 RC 비행기 등 공중용은 35㎒ 대역, RC 자동차와 보트 등 지상용은 40㎒ 대역을 사용한다. 

 

국내에서는 정보통신부(현 과학기술정보통신부) 주도로 무선 설비 규정을 제정해 미국, 유럽에서 사용하는 방식으로 분배했다. 이처럼 1990년대에 모든 RC 송수신기는 무선 설비 형식 승인을 받아야 했고 사용자도 허가된 주파수만 사용할 수 있었다.

 

▲ 크리스털(Crystal)

▲ 크리스털 수신기(Crystal Receiver)

 

각 주파수 대역에서의 혼선 방지는 크리스털(Crystal)의 압전 효과(Piezoelectric Effect)로 가능케 했다. 압전 효과는 물리적(기계) 힘을 전기적 에너지로 바꾸는 걸 의미한다. 반대로 크리스털에 전압을 가하면 역 압전 효과에 의해 크리스털에 물리적 힘이 작용하면서 고유의 진동(특정 주파수)이 발생한다. 

 

크리스털이라 불리는 이유는 압전 효과 발생을 위해 주로 사용하는 물질은 이산화규소(SiO₂)고 실제 수정 결정(Quartz Crystal)이 가장 효과적이기 때문이다. 

 

그로 인해 크리스털이 곧 주파수를 결정하는 개념으로 자리 잡았으며 크리스털을 사용하면 주파수를 27.045, 27.095, 27.225㎒ 등과 같이 더욱 세밀한 주파수 대역으로 나눌 수 있었다. 세밀한 주파수 대역은 크리스털의 크기와 모양 설계에 따라 나뉜다.

 

 

 

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참조

Unmanned Aviation(A Brief History of Unmanned Aerial Vehicles)

THE AIRCRAFT BOOK 비행기 대 백과사전

https://www.rchelicopterfun.com/rc-helicopter-gyro.html 

https://www.okystar.com/product-item/gy-single-axis-gyroscope-analog-gyro-experiments-for-kids-oky3252/ 

https://www.okystar.com/product-item/gy-single-axis-gyroscope-analog-gyro-experiments-for-kids-oky3252/ 

https://www.amazon.co.uk/BSD-27mhz-Transmitter-Crystal-27-045/dp/B009HOYS5I

https://forums.modelflying.co.uk/index.php?/topic/33434-crystals/

 

서울 서대문소방서_ 허창식 : hcs119@seoul.go.kr

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2025년 5월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

 

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