지난 호에서 이어지는 내용입니다.

 

27. RC의 역사(2000년대)

2000년대 이후 RC 분야에서 가장 주목할 만한 발전 중 하나는 바로 전기 모터 동력 시스템이다. 특히 리튬폴리머(Lipo) 전지(배터리) 도입 이후 RC 분야의 동력 시스템은 사용 용도와 목적에 따라 다양한 방식으로 활용되기 시작했다. 

 

전지의 역사는 1800년 알렉산드로 볼타(Alexandro Volta)가 발명한 볼타 전지로부터 시작됐다. 볼타 전지는 소금물 전해질 속 구리(Gu)와 아연(Zn)의 금속 이온화 경향을 이용한 산화-환원 반응을 최초 이용한 사례로 평가받는다. 그리고 액체 전해질을 이용한 습전지(Wet)의 형태로도 구분한다.

 

 

1859년에는 최초의 이차전지인 납축전지(Lead acid battery)가 등장했다. 납축전지는 액체 황산을 전해질로 사용한다. 자발적 산화-환원 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로만 변환할 수 있는 전지를 일차전지, 가역적 산화-환원 반응을 통해 전기에너지를 화학에너지로 변환해 저장하는(충전) 기술을 가진 전지를 이차전지라고 한다. 

 

즉 이차전지는 방전 후 충전을 통해 반복 재사용이 가능한 전지라는 의미다. 납축전지는 낮은 제조단가와 장기간의 기술 발전(저온 안정, 100% 재활용, 순간 방전율)에 따른 인프라가 완비되면서 최근에도 자동차 시동용 배터리, UPS 전원장치, 산업용 전동기 등 안정적인 전류 공급이 필요한 분야에 널리 쓰이고 있다.

 

 

1887년에는 카를 가스너(Carl Gasner)가 고체 전해질을 사용한 밀폐형 건전지(Dry)를 개량해 대량 생산했다. 당시 건전지는 습전지보다 비교적 방전율이 낮았지만 전지를 수년간 보관할 수 있는 큰 장점이 있었다. 또 고체ㆍ젤 상태의 전해질을 사용해 액체 전해질 특성의 누수 위험이 없어 안정성이 높아지는 등 내구성을 높일 수 있게 됐다.

 

 

보관이 쉽고 형태와 크기를 다양하게 할 수 있어 안정성이 향상된 건전지는 1960년대 이후 니켈 카드뮴, 니켈수소 전지 등이 상용화되면서 발전해 나갔다. 니켈 카드뮴과 니켈수소 전지의 경우 기존 전지보다 방전율(출력)이 높고 충ㆍ방전 수명이 길다. 또 저온에서 강하며 소형으로 제작할 수 있다.

 

경량 응용 분야인 RC 분야는 전지의 에너지 밀도와 반복 충ㆍ방전이 굉장히 중요하다. 이에 따라 RC 분야에서 니켈 카드뮴과 니켈 수소 전지는 기존 내연기관의 동력을 대체하기 시작했다. 다만 출력이 미흡해 일부 저출력 RC 모델에만 적용했다.

 

▲ 리튬이온(Li-ion) 전지

 

▲ 리튬폴리머(LiPo) 전지

 

1980년대 개발된 리튬이온 전지의 상용화는 에너지 저장 기술의 패러다임을 전환했다. 기존 납축전지나 니켈 카드뮴, 니켈 수소보다 출력, 에너지 밀도, 충ㆍ방전 사이클 수, 무게 등 거의 모든 면에서 우위에 있었다. 

 

그로 인해 전력 저장ㆍ사용에 제한이 많아 기존에 적용하기 어려웠던 수많은 전자기기와 시스템에 적용할 수 있었다. 대표적으로 경량, 높은 에너지 밀도가 있어야 하는 스마트폰이나 노트북, 웨어러블 기기 등이 그 예다. 

 

2010년 이후에는 전기자동차 등의 에너지 저장 산업에서 리튬이온이 핵심 동력원으로 확장됐다. 이처럼 리튬이온 전지는 기술이 발전하면서 쓰이는 분야가 많아짐에 따라 전력 관리와 제어, 초고속 충전, 전지 재사용 등의 복잡 기술 발전도 함께 가속화됐다.

 

 

RC 분야에서 모터 동력원을 이끈 전지 기술의 정점은 단연 리튬폴리머 전지다. 2000년대 처음 상용화되고 2010년 RC 분야를 포함한 여러 분야로 확장되기 시작했다. 리튬폴리머는 기존 리튬이온의 액체 전해질을 고분자 전해질인 폴리머로 변경해 폭발에 대한 위험을 줄임과 동시에 형태를 자유롭게 할 수 있도록 개발됐다. 

 

따라서 리튬폴리머는 리튬이온 발전 과정에서 형태의 유연성과 고출력을 극대화한 분기점이라고 평가받는다. 기존 수많은 전지보다 가볍고 여러 RC 형태에 맞춰 제작할 수 있으며 고출력 성능까지 발휘할 수 있었던 리튬폴리머는 기존 내연기관 동력원이 대다수였던 RC 분야에서 새로운 동력원으로 사용하기에 적합했다. 이후 점차 내연기관까지 대체해 나가기 시작했다. 

 

 

리튬폴리머 전지의 본격적인 등장은 BLDC 모터의 안정적인 전원 공급을 고출력으로 장시간 가능하게 해 드론의 기동성과 비행시간을 크게 향상시켰다.

 

 

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참조

Unmanned Aviation(A Brief History of Unmanned Aerial Vehicles)

THE AIRCRAFT BOOK 비행기 대 백과사전 

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

https://etekware.com/ko/product/cylindrical-lithium-ion-rechargeable-battery-cells/ 

https://cmbatteries.com/ko/ 

https://namu.wiki/w/brush 

 

 

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 7월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

 

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