지난 호에서 이어지는 내용입니다.

 

26. RC의 역사(1990년대)

1990년대 대표적인 드론 시스템의 발전으로 인해 2000년대 이후에는 브러시리스(BLDC, Brushless Direct Current) 모터와 변속기(ESC, Electronic Speed Controller)가 드론 기술 발전의 기초를 마련하는 데 큰 역할을 한다.

 

먼저 전기 모터는 현대 드론의 추진력을 제공하는 핵심 부품 중 하나다. 엔진이 휘발유, 디젤 등의 연료를 기반으로 동력을 제공한다면 전기 모터는 전류를 통한 전자기 유도 법칙의 원리를 기반으로 동력을 제공한다. 

 

전기 모터는 19세기 초 개발돼 초기 보트 추진 등 일부 기기에 사용됐다. 19세기 말에 이르러서는 전기 모터의 설계와 성능이 크게 향상되면서 전차 등 도시 교통에도 사용됐다. 20세기 이후에는 다양한 기기에 전기 모터가 쓰이기 시작했다.

 

▲ 브러시드 모터 내부와 작동 원리

 

초기 전기 모터들은 모두 브러시(brush)와 정류자(commutator)를 활용한 브러시드(brushed) 모터 방식이었다. 브러시드 모터는 회전자(로터)에 연결된 정류자와 고정자(스테이터)의 전자석 사이에 브러시가 기계식 정류를 통해 접촉하며 전류를 공급하고 회전 동력을 얻는 방식이다. 

 

이 방식은 설계가 비교적 단순하고 직류(DC) 전류만으로 구동할 수 있어 널리 쓰였지만 브러시 마찰이나 마모로 인한 스파크와 손실 때문에 고출력 또는 장시간 구동에 제약이 있는 등 모터 효율에 한계가 있었다. 정기적으로 유지 보수가 필요하다는 단점도 있었다.

 

▲ 브러시리스 모터 내부와 작동 원리

 

이러한 단점은 20세기 중반 이후 트랜지스터와 전자 공학이 발전하면서 보완됐다. 바로 마찰ㆍ마모로 인한 효율 저하의 원인인 브러시를 없애고 기계식 정류자를 전자식 정류자로 바꾼 브러시리스 모터가 개발됐기 때문이다. 

 

브러시리스 모터 또한 개발 초기 출력 성능이 미흡했지만 브러시 마찰이 없어 모터 내구성과 유지 보수가 쉽다는 측면에서 기존 모터보다 큰 가능성을 보여줬다.

 

이후 브러시리스 모터는 1960년대 개념이 제시되고 1970년대 산업 분야에 일부 적용됐다. 1980년대 이르러서는 고출력 소형화되면서 다양한 분야에 본격적으로 활용할 수 있는 토대가 마련됐다. 

 

1990년대에 들어서면서 가전제품을 포함한 모든 기기의 모터가 브러시리스 모터 방식으로 대체되기 시작했다. 1990년대 RC 분야 또한 동력은 여전히 연료식 글로우 엔진이 주류였지만 1990년대 말부터 브러시리스 모터의 성능이 향상되면서 RC에도 적용하기 시작했다. 

 

다만 모터 성능보다 모터 제어ㆍ배터리 밀도ㆍ출력(방전) 등의 성능 한계로 지상, 수면에서 조종하는 자동차, 보트 등에 주로 적용했다. 비행기는 일부 크기가 작고 가벼운 형태에만 사용했다. 

 

▲ ECS(Electronic Speed Controller) 비교 브러시드와 브러시리스 모터 ESC의 차이를 한눈에 알 방법은 모터와 ESC를 연결하는 전선 수를 확인하면 된다. 회로 구성에서도 자세히 보면 알 수 있다. 브러시드 모터의 ESC는 전류 공급이 주목적이어서 전선이 2개지만 브러시리스 모터의 ESC는 위상차에 의한 정류자 역할까지 해야 하므로 전선 3개(3상)가 필요하다.

 

모터의 원활한 작동을 위해 ESC(Electronic Speed Controller)의 발전 또한 빼놓을 수 없다. ESC는 전자식 속도 조절기다. 모터 회전 속도를 전기적으로 제어하는 장치다.

 

초기의 RC 모델에서는 브러시드 모터를 사용했고 모터 속도 제어에는 기계식 가변저항이나 릴레이 방식의 컨트롤러가 쓰였다. 그러나 이러한 방식은 제어 정밀도가 낮고 장기간 사용 시 접점 마모로 인해 성능이 저하되는 비효율적인 단점이 있었다.

 

1980년대에는 이러한 문제점을 극복하고자 모터 제어 전용 ESC가 개발됐다. 이는 RC 분야에서 모터 제어 기술의 혁신을 가져왔다.

 

초기 ESC는 트랜지스터를 활용해 아날로그 방식으로 전압을 조절하거나 펄스폭 변조(PWM) 방식을 이용해 모터 속도를 제어했다. 이 방식은 주로 브러시드 모터에 적용됐으며 기존의 기계식 제어 방식보다 반응 속도와 효율이 뛰어나 빠르게 보급됐다.

 

이후 RC 분야에 브러시리스 모터가 본격적으로 도입되면서 ESC 기술 역시 이에 발맞춰 발전했다. 브러시리스 모터는 브러시드 모터와 달리 내부에 브러시나 기계식 정류자가 없어 외부 회로를 통한 정류ㆍ위상 제어가 필수다. 

 

이러한 제어 기능을 ESC가 맡게 됐고 이에 따라 단순한 속도 조절 장치를 넘어 전자식 정류자 역할까지 수행하는 고기능 제어 장치로 진화했다.

 

브러시리스 ESC는 단순한 속도 제어뿐 아니라 위상마다 적절한 시기에 전류를 공급하는 정류 제어, 고속 스위칭, 모터 위치 판단 등 복합적인 제어 기능을 기본으로 수행한다. 

 

이러한 기술 발전은 고출력, 고정밀 모터 구동을 가능하게 하고 현재의 드론, 전기차, 산업용 로봇 등 다양한 응용 분야까지 핵심 구성 요소로 자리 잡는 계기가 됐다.

 

 

 

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참조

Unmanned Aviation(A Brief History of Unmanned Aerial Vehicles)

THE AIRCRAFT BOOK 비행기 대 백과사전

solonz.co.nz/blogs/news/brushed-vs-brushless-motors-what-s-the-difference

namu.wiki/w/brush

www.edn.com/brushed-esc/

www.amazon.com/RC-Brushless-Electric-Controller-bullet/dp/B071GRSFBD?th=1 

 

 

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 6월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

 

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