1 -2017 정보분석보고서
무인항공기 기체 경량화 기술
동향 및 시장 기회분석
차례
들어가기
PART 1.
무인항공기 산업 개요
PART 2.
무인항공기 기체 경량화 기술 동향 및 전망
PART 3.
무인항공기 기체 경량화 관련 특허 전략
PART 4. 무인항공기 기체 경량화 소재 시장 분석
PART 5. 무인항공기 시장 진입 전략
<참고문헌>
<부록>
<저자소개> 김한국 한국과학기술정보연구원 산업정보분석실 일본 동경공업대학에서 경영공학 전공으로 공학박사 학위를 취득한 후, 2009년부터 한국과 학기술정보연구원(KISTI)에 책임연구원으로 재직 중이며, 산업분석 방법론 연구, 스마트 애 널리틱스 연구, R&D기획 지원 등의 업무를 담당하고 있다. 주요 관심 분야는 중소기업 기술 사업화 성공요인 분석, 인공지능 활용 산업·시장정보분석, 기술가치평가 연구 등이다. 1-들어가기
앞으로 무인항공기 시대가 빠르게 다가올 것으로 예상된다. 무인항공기는 말 그대로 사람이 조정하지 않고 원격조정으로 움직이는 비행체를 말한다. 무인기의 종류는 다양하며, 소형 무인기에서부터 수직이착륙, 전투용, 민간용 등 새로운 영역과 기술로 발전하고 있다. 최근 항공기를 비롯하여 모든 운송기구들은 전자화, 고급화, 안전화 등에 대 한 수요자들의 요구가 다양해짐에 따라 부대장비가 늘어나 자체 중량이 계속 증 가하는 추세이며, 항공기의 경우 전 세계 이산화탄소 배출량의 2%를 차지하고 있 어 항공기의 중량 감소를 통한 연료의 절감과 이산화탄소와 같은 지구 온난화 가 스 배출의 절감이 요구가 되고 있다. 무인항공기의 경우 경량화의 목적은 주어진 에너지를 효율적으로 사용하여 체 공시간 및 작업시간을 늘리고자 하는 목적이 주를 이루며, 얼마나 가볍게, 얼마 나 오랫동안 머무느냐가 관건이다. 일반적인 항공기의 연비개선 대책은 엔진, 구동계의 효율 향상, 그리고 경량 화 등이 있다. 하지만 엔진 및 구동계의 전달효율은 기술적으로는 거의 한계에 도달하여 연비의 대폭적인 향상은 기대하기 어려운 실정이며, 구조 변경, 경량재 료로의 대체, 부품 합리화 등에 의한 경량화도 어느 정도 기술이 정립된 상태이 다. 하지만 무인항공기 분야에서는 창의적인 아이디어를 바탕으로 구조나 형태를 얼마든지 변형할 수 있고, 소재 또한 다양하게 시도해볼 수 있는 여지가 많아, 해당 분야에서 새로운 사업 아이템을 모색하는 중소·중견기업에게 유용한 정보 를 제공하고자 무인항공기 기체 경량화 산업의 기술 및 시장 기회를 분석하였다.PART 1. 무인항공기 산업 개요
■ 정의 드론이란 조종사가 탑승하지 않고 무선전파 유도에 의해 비행 및 조종이 가능 한 비행기나 헬리콥터 모양의 무인기를 총칭하며 대중적으로 사용되는 용어이다. 무인비행장치(UAV, Unmanned Aerial Vehicle), 무인항공기시스템(UAS, Unmanned Aircraft System), 원격조종항공기시스템(RPAS, Remotely Piloted Aircraft System)으로도 불린다. 조종사가 탑승하지 않는다는 공통점을 갖지만 용어의 쓰임에는 약간의 차이가 존재한다.4 -• 민수용 무인항공기 민수용 드론은 취미･레저용, 농업방제용, 영상촬영용 등으로 사용되고 있으 며, 최근 Amazon社, Google社 등 글로벌 기업도 드론을 활용한 서비스 출시를 준 비하고 있다. <그림 1> 민수용 드론의 활용예 (자료: 산은조사월보 12 제733호, 2016） 민수용 드론 기술은 인증 및 운행 정책 등 제도적 인프라가 미흡하고, 자율비 행 및 충돌회피 등의 기술이 불완전한 상황이므로 아직까지 취미용 및 제한적인 상업용으로 활용되고 있으나 점차 그 영역이 넓어질 것으로 기대된다. <그림 2> 주요 민수용 드론 개발 현황 (자료: 산은조사월보 12 제733호, 2016） 5
-■ 무인항공기 기술현황
• 구성요소 무인항공기는 비행체, 지상통제장비, 데이터링크, 임무장비, 지원체계 등으로 구성되는데, 비행체는 컴퓨터, 항법장비, 추진동력, 연료장치, 통신장치 등으로 구성된 기체와 지상통제장비는 이륙, 비행, 착륙, 임무수행 등 비행 전반을 제어 하는 장비, 데이터링크는 비행체와 지상통제장비 간 통신을 위한 장비, 임무장비 는 드론의 사용 목적에 맞게 비행체에 탑재되는 카메라 등의 장비, 지원체계는 드론의 운용에 필요한 정비 설비, 조종 교육 체계 등으로 구성된다. <그림 3> 무인항공기의 기술요소 (자료: 전자통신동향분석, 2015) 멀티콥터와 같은 소형 드론도 비행제어장치를 탑재한 비행체, 제어 및 임무 데이터 송수신을 위한 무선통신장치, 카메라 등의 임무장비, 지상에서 비행과 임 무를 통제하기 위한 조종기와 통제장비, 그리고 배터리 충전기 등으로 구성된다. <그림 4> 멀티콥터의 구성요소 (자료: 각사 홈페이지 참조) ■ 무인항공기의 기술 체계 드론의 기술체계는 비행체, 비행제어, 추진동력, 임무제어, 데이터링크, 지상 통제, 소프트웨어융합, 교통·공역 관리 등 7개 기술로 구성되며, 항공기 기술인 비행체, 비행제어, 관제기술 등을 포함하고 있어, 항공기 기술의 축소판이라 할 수 있다. <그림 5> 항공기 기술 체계 （자료: 한국산업기술진흥원, 2013) <그림 6> 무인항공기의 기술분류 체계 (자료: 산은조사월보 12 제733호, 2016）■ 무인항공기의 핵심기술
• 비행제어시스템 비행제어시스템은 드론의 안전한 비행과 임무 수행을 위한 비행제어 기술로 서, 드론의 두뇌 역할을 한다고 볼 수 있다. 고신뢰성과 안정성을 보장할 수 있 는 하드웨어 및 소프트웨어로 구성되고, 비행제어시스템의 System-On-Chip으로 소형화 및 고성능화되고 있으며 다양한 탑재장비 및 센서, 데이터링크 장비와의 인터페이스 기능 제공한다.8 -<그림 7> 소형 무인항공기에 쓰이는 FC(Flight Controller) (자료: 각사 홈페이지 참조) • 추진동력 기술 추진동력 기술은 드론의 사용목적 및 환경 등에 최적화된 추진동력 체계 기술 로서, 친환경･고성능･고효율 동력원 개발이 진행되고 있으며, 무인항공기에 특화 된 소형경량 추진동력 기술 및 고고도 장기체공(High Altitude Long Endurance, HALE)을 위한 태양전지, 수소연료엔진 등 추진동력 기술이 있다.
또한 내연기관, 태양전지, 연료전지 등을 조합한 하이브리드 동력 기술과 장 시간 비행을 위한 고성능 배터리 기술이 요구된다.
소형 무인항공기는 주로 리튬이온폴리머 배터리와 모터를 추진동력으로 사용 하며, 모터의 종류에 따라 전기속도제어기(Electronic Speed Controller, ESC)를 장착하여 사용한다. <그림 8> 소형 무인항공기용 ESC (자료: amazon 홈페이지 참조) 9 -• 임무 제어 기술(탑재장비･센서) 드론은 다양한 탑재장비와 센서를 통합한 집합체라 할 수 있으며, 최근 센서 의 성능향상과 가격 인하가 드론의 대중화를 이끈 요인 중 하나로 손꼽히고 있 다. GPS, INS, ADS 등 항법 관련 센서의 소형경량 기술 및 3차원 공간정보 획득 및 장애물 탐지용 소형 LADAR 기술, EO/IR, 멀티스펙트럼 카메라 등 탑재장비 기 술이 있다. 소형 무인항공기는 각속도를 측정하는 자이로센서(Gyroscope), 중력가속도를 측 정하는 가속도센서(Accelerometer), 방위를 측정하는 지자기센서(Magnetometer), 고도를 측정하는 기압센서(Barometer) 등의 센서를 장착하여 사용한다. • 자율비행 및 충돌회피 기술 자율비행 및 충돌회피 기술은 드론이 지정된 목적지까지 비행하는 동안 다른 물체를 탐지하고 회피하는 기술이며, 3차원 지도 기반의 운행 경로에 따라 자율 비행하는 기술, 주변 상황 인식 센서와 비행제어 소프트웨어의 장애물 충돌회피 기술, 유인기의 조종사 역할을 대신할 수 있는 비협조적 충돌회피 기술, 기체 고 장 및 비행환경 변화에 스스로 안전하게 대처하는 기술 등이 이에 속한다. 자율비행 및 충돌회피 기술은 드론 선진국에서도 아직 완성하지 못한 기술로 서, 무인항공기 뿐만 아니라 자율주행차와 같은 무인이동체를 구현하기 위해서도 필수적인 공통 기술이다. • 데이터링크 기술 드론의 데이터링크 기술은 제어 데이터와 정보 데이터를 송수신하기 위한 무 선통신기술이며, 이를 크게 3가지로 나누면 비행 및 임무 제어 데이터, 임무 정 보 데이터 등을 송수신하기 위한 양방향 통신 기술과 유효성, 신뢰성, 통합성을 보장할 수 있는 소형경량 통신시스템 기술, 무선주파수(Radio Frequency, RF), LTE 등 무선통신 적용 기술을 일컫는다. 드론을 국가공역 내에서 운행할 수 있도 록 현재 데이터링크 기술의 고신뢰성 확보방안과 표준화에 대한 연구가 진행되고 있다. <그림 9> 독일 DHL사가 개발한 자율비행 택배드론 (자료: 조선일보, 2014) <그림 10> 군사용 무인항공기에서의 데이터 링크 기술 활용 예 (자료: 항공우주정책 법학회지, 2015) ■ 무인항공기 산업 동향 (해외) GSV Asset Management에 따르면 드론의 상업적 활용범위는 향후 기술발전과 규 제완화에 따라 성장이 가속화될 것으로 보인다. 2016년 기준 세계 전체 드론시장 은 약 86억 달러 규모이며, 2020년까지 115억 달러 규모로 성장할 것으로 추정된 다. 전체 시장에서 개인 및 기업용 드론이 차지하는 비중은 2016년 기준 21%이 며, 2015~2020년 기간 동안 연평균 13% 성장하여 2020년에는 약 31억 3,000만 달 러 규모에 달할 전망이다. <그림 11> 글로벌 드론 시장 전망(2015~2020)
(자료: Business Insider, IHS Janes Intelligence Review, GSV Asset Management)
12 -용 하고 있다. 중국 국가 첨단기술 연구개발계획”에 무인기 연구개발 프로젝트들이 반영되 어 있으며 해상운송무인기를 통한 해양관측시스템 개발 계획 등이 포함되어 있 다. 중국은 2023년까지 10년동안 105억 달러를 투입해 군사용 무인기를 약 41,800 대 생산할 계획을 가지고 있다. - 민간 드론 시장을 점령한 DJI 중국의 대표적인 드론업체인 DJI는 드론의 대중화를 주도한 업체로 우수한 기술력과 디자인 등으로 세계 민간 드론 시장의 60%를 점유하고 있다. <그림 12> 중국 스텔스 무인전투기‘리젠’ (자료: 연합뉴스, 2013) Ÿ 일본 일본의 시장조사기관 시드플래닝에 따르면 산업용 무인비행기 및 헬기 시장은 2015년 16억 엔, 2020년 186억 엔, 2022년 406억 엔에 달할 전망한다. 2015년 기준으로 농업 방제용이 70% 이상을 차지하고 있으나, 농약 살포용은 소폭 증가에 그치는 반면 정비, 점검, 측량 시장 등 연관산업이 크게 확대될 것 으로 전망한다. 일본에서는 현재 공항과 항공로를 제외한 대부분의 지역에서 고도 250m 이하 13 -이면 누구나 자유롭게 드론을 날릴 수 있으나, 총리 관저 드론 사건을 계기로 드 론 사용 등에 관한 규제화 논의가 진행 중이다. 우주항공연구개발기구(JAXA)는 일본원자력연구개발기구와 공동으로 소형 드론 을 이용하여 원자력발전소 주변 방사선량 관측 목적의 방사선 모니터링 시스템의 연구 개발을 진행하고 있다. <그림 13> 일본 산업용 드론·무인 비행기 용도별 시장예측 (자료: 시드플래닝)
•
미국 미국 무인기 전체 시장에 국방용 무인 항공기가 89%를 차지하고 있으며, 상 업용 무인 항공기는 2018년에 14% 증가하여 1만 대로 예상한다. 아마존은 5년 내로 무인 항공기 배달 서비스 전문 업체인‘프라임에어’를, 구글에서 태양열 무인 항공기 제작업체인 타이탄(Titan) 에어로스페이스를 인수 하여 드론을 이용한 인터넷 서비스 제공을 준비하고 있다. 아마존의 소형무인기 옥토콥터를 이용해 가정배달 서비스를 시험하고 있으며, 아마존 물류센터 부근 16km 이내에서 2.27kg 이하 물건을 배달할 수 있다. <표 3> 시판 중인 무인항공기 현황(자료: Wall Street Journal)
16 -전체의 1.6%를 차지하고 있다. 러시아도 같은 비중이다. 국내 무인기 기술은 우수하나 제품화 시키는 전략이 미흡하고, 핵심부품은 수 입에 의존하고 있어 글로벌 경쟁력이 낮은 편이다. 농업용 무인기의 80%는 일본 제품, 취미용 무인기 시장의 50% 이상은 중국제품이 차지하고 있으며, 가격은 중 국, 기술력은 미국 및 유럽 등에 열위인 상태이다. 전통적인 기존 항공기 관련 제조업체를 중심으로 IT, 전자, 통신 업체와, 완 구용 비행로봇을 생산하는 업체 등에 이르기까지 다양한 사업영역에서 무인기 시 장 진출이 이루어지고 있다. 항공우주연구원은 국내 무인기 관련 기술 개발 (특히, 스마트무인기 개발 사 업)을 주도하고 있는데, 국내 최초로 틸트로터형 무인기 개발에 성공하였고, 전 자통신연구원은 무인기 운영체제인 “큐플러스 에어(QplusAir)”의 개발과 시험 비행에 성공하였으며, 미연방항공청의 SW 안전성 최고등급인 DO178B Level A를 획득한 바 있다. 기계연구원은 연료전지 분야를 연구개발 진행중인데, 2013년 연료전지를 동력 원으로 사용한 무인기의 시험비행에 성공하였고, 대한항공은 항공우주연구원과 공동으로 틸트로터형 무인기 개발에 성공한 이후, 상용화를 추진 중(2020년 상용 화 계획)에 있다. 한화는 군사분야 초소형 무인기 기술개발을 위한 사업에 참여중이며, 2010년 초소형 무인항공시스템인 크로우(CRAW)를 제작한 “마이크로 에어로봇”사를 인 수한 바 있다. 국내 중소기업인 퍼스텍유콘시스템은 군사용 무인기 전문 업체로, 정찰용 무 인기인 리모아이를 운용중이고 국내 최초로 UAE 공군에 무인기 지상통제장비를 수출하였으며, 농업용 무인방제헬기의 시판을 계기로 민간시장으로 진출을 추진 중에 있다. 국내 기업인 KAI는 무장 포드 및 정찰 장비를 장착하여 육군의 작전을 지원하 고 전선항공통제 임무를 수행하기 위한 무인기를 개발하여 인도네시아, 터키 등 해외 수출 계약을 체결하였고, KAL은 최근에 미국 정부가 글로벌호크 가격을 2배 이상을 제시하자, 도입을 중단하고 자체적으로 중고도 장기체공 무인기(MALE)를 개발 중에 있다. 17 -구분 내용 국내 연 구 기 관 항공우주 연구원 -국내 무인기 관련 기술개발 주도(스마트무인기 개발사업 주도) -Y틸트로터형 무인기 개발 성공 전자통신 연구원 -무인항공기 운영체제인 “큐플러스 에어(Qplus-Air)"개발 및 시험비 행 성공(미연방항공청의 SW 안전성 최고등급인 DO-178B Level A 획득) 기계 연구원 -연료전지 분야 연구개발 진행중(2013년 자체 개발한 연료전지를 동력 원으로 사용한 무인 항공기 시험비행 성공) 대 기 업 대한항공 -공동으로 틸트로터형 무인기 개발 성공 및 상용화 추진(2020년 세계 최초로 상용화 추진) -보잉사와 MOU를 통한 무인헬기 사업 추진중 한화 -초소형 무인항공시스템인 크로우를 제작한 “마이크로 에어로봇”사 인수 LG CNS -소프트웨어와 하드웨어를 융합한 자체 무인헬기 토탈 솔루션 개발 추 진중 -무인헬기 제조사인 “윈신스카이텍” 인수 LG 유플러스 -LTE 망을 이용한 드론 제어 기술 확보(기술시연 성공) 중 소 기 업 퍼스텍 -군사용 무인기 전문업체로 정찰용 무인기인 리모아이 운용중 -농업용 무인방제헬기 시판을 계기로 상업용 드론시장 진출 추진 바이로봇 -완구용 비행로봇인 “드론 파이터”를 시작으로 산업용 비행로봇 개 발 진행중 성우엔지 니어링 -농업용 무인 방제헬기 상용화 성공 -인천 옹진군과 무인헬기 병해충 항공방제 업무협약 체결 <표 4> 국내 무인항공기 관련 주요업체 현황 (자료: 2022년 세계 시장 10% 점유를 위한 무인항공기(드론)산업 활성화방안, 2014) <그림 17> 대한항공 Tilt-rotor (자료: 국방일보,2013.08)
■ 무인항공기 관련 규제 및 정책
드론의 민간 활용성이 증대되고 시장이 확대될 것으로 예측됨에 따라 각국은 드론의 민간 활용에 대한 규제를 정립하고 있다. 무인기 중량에 따라 허가 및 운 항제한에 대한 차이를 규정하고 있는데 민간에서의 폭넓은 활용을 장려하는 동시 에 무인기 활용에 따른 위험을 줄이기 위해 고심하고 있다. 미국은 무인항공기의 상업적 또는 민간 차원의 무인항공기의 활용을 불허해왔 으나 최근 상업용 무인기 시대의 도래에 따른 무인기 산업 활성화를 고려하여 전 보다는 규제가 느슨해진 추세이다. 중국은 드론에 대해 ‘선(先)허용-후(後)보 완’ 자세를 취하여 원칙적으로 허용하는 대신 발전 과정에서 문제가 발생시 사 후 미비점을 보완하는 방식으로 접근하여 기술에 수용적인 정책을 펼쳤으며 민간 드론을 적극적으로 육성하고 있다. 국내에서는 드론이 ‘초경량 비행장치’ 중 무인비행장치에 해당하며, 비료, 농약살포, 산림 및 해상 측량, 사진 촬영 등과 일부 대여업에만 허용되고 있는 실정이다. 우리나라에서는 항공법 용어로 드론을‘초경량비행장치’로 부르는데, “국토교통 부령으로 정하는 초경량비행장치”란 『항공안전법 시행규칙』제5조 제2항 제5호에 따 국가명 주요정책 미 국 - 미국연방항공청[FAA] 주관 무인항공기[드론] 연구 담당 기관 선정 및 기술연구 지원[2015년까지 상업용 드론 관련 기술연구 수행]- 상업목적의 무인기 사용 금지[⌜FAA Modernization & Reform Act of 2012⌟에 따 라 2015년 9월 이후 상업용 무인기 허용 예정]
- 최대이륙중량, 고도 및 속도 등 다양한 기준으로 등급 분류 -무인항공기 인증 관련 Guidance 운용중 [법 규정으로는 제시하지 않음]
영 국
- EUROCAE Working Group 73에 따라 이륙중량을 기준으로 분류 - 무인항공기의 비행허가 신청시 Case별로 검토 후 비행허가 승인
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-Era Needs Properties Alloy Products 1903 – 1950's Reduced weight Static strength 2017,2024, 7075-T6,
7178-T6 1950's –
early 1980's
Durability & damage tolerance (DADT) good
properties in thick sections
Static strength, corrosion & fatigue resistance,
fracture toughness 7075-T76,T74,T73, 7175, 7475, 2124, 7050-T74, 7150-T6, 2324-T39, 2224- T3511 1980's –
early 1990's Reduced weight & DADT
All of the above but highly balanced
7150-T77, 7055- T77, 2524-T3
Late1990's – present
Decreased cost of ownership (mfg, assembly, supply chain, etc) additional performance enhancement
All of the above plus amenable to low cost
manufacturing
Lower residual stress forgings, 2026, 6013, 2324-T39 II, C433-T351,
7085 plate & forgings 비행기제작기술의 급진적인 발전으로 여객수송이나 전쟁에서 중요한 역할을 하게 된 것은 알루미늄의 합금인 두랄루민(duralumin)의 실용화가 이루어지면서 부터이다. 1930년대에 와서 이 경금속을 사용한 비행기가 처음 등장했다. 알루미늄합금은 80여년에 걸쳐서 항공기 동체 등의 구조용 소재의 하나로 사 용되어 왔으며 최근까지 항공기 구조물의 주재료로서 B787과 같은 복합재료 항공 기가 등장하기 전까지는 전체 항공기 구조물 무게의 70 ~ 75%를 차지하고 있던 금속재료이다.
<표 7> Advanced Aluminum Alloys and Products for Aerospace Applications
(자료: Alcoa) 이와 같이 항공기 부위별로 하중조건이 달라지고 피로특성도 다른데, 이에 따 라 소재 선정 요구조건도 달라지므로 요구사항에 맞게 알루미늄에 여러 가지 첨 가물을 넣어 다양하게 개발되었다. 25 -<그림 21> 항공기에 첫 적용된 항공용 금속 합금의 적용시기와 항복강도 (자료: R.J. Bucci, ASIP 2006) <그림 22> 민간항공기 주요 부위에 적용된 알루미늄합금 종류 적용 사례
（자료: H.M. Flower, ed., High Performance Materials in Aerospace, 1995)
28
-<그림 24> 항공우주산업에서의 복합재료의 사용량 증가추이
(자료: Composites Forecasts & Consulting LLC)
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-<그림 28> 무인항공기 관련 기술 다인용 특허 Top5
(자료: 특허청 지식재산 통계자료, 2015.10)
다출원 기업들의 피인용 현황을 분석한 결과 미국기업들이 피인용 횟수가 높 은 무인항공기 원천 기술을 다수 보유한 것으로 나타났다. ‘무인항공기 운항기 술(System and methods for unmanned aerial vehicle navigation, Honeywell, US8543265)’의 피인용 횟수가 최다인 56회로 나타났으며 그 뒤로 ‘Boeing company’, ‘Insitu Group’의 보유 특허가 다수 인용되었다.
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-PART 4. 무인항공기 경량화 소재 시장 분석
탄소소재 중 탄소섬유는 1950년대 미국과 소련의 우주 개발 경쟁에 힘입어 본 격적으로 개발되기 시작하였고, 우수한 내열성, 내충격성, 내화학약품성, 항미생 물성, 탄성과 강도(알루미늄 보다 가벼우면서도 철에 비해 강함)로 인하여 탄소 섬유를 이용한 복합재료는 골프채, 테니스 라켓, 낚싯대, 보트 등의 스포츠 레저 분야에서 상품화되었다. 그리고, 1970년대 후반에 항공기 분야의 탄소섬유 활용 증대와 1980년대에 블 랙 샤프트 붐이 다시 일어나 수요가 확대되었지만, 1990년대에는 세계 정치의 냉 전 체제가 종료됨에 따라 군사 및 우주항공 용도에 있어서 탄소섬유 복합재료의 수요는 정체기를 겪었다. 그러나 최근 항공기 및 자동차 시장에서 에너지 절약 및 환경 오염 방지 등을 위한 대책으로 구조물의 경량화에 대한 중요성을 인식하여 탄소섬유 복합재료 시 장은 다시 주목받기 시작하였다. 또한, 21세기 우주항공시대를 맞이하여 기계적, 열적 특성이 이제까지 어느 소재보다도 월등히 우수하고 기능성을 가지면서 매우 가벼운 에너지 절약형 소재 의 개발이 필요한데, 이러한 조건을 만족시킬 수 있는 소재는 현재 탄소섬유 복 합재료 정도라고 볼 수 있다. 무인항공기에서도 마찬가지로 자체 중량의 경량화가 기체의 대형화를 포함하 는 수송효율의 향상에 크게 기여한다. 특히 기체구조의 경량화는 엔진의 소형화, 이륙 중량의 감소 등에 기여하기 때문에 제트 수송기의 경우는 기체구조를 1 kg 경량화하면 기체중량이 전체적으로 2~4 kg 가볍게 된다고 알려져 있다. 이와 같 이 항공기에서 경감된 기체구조 향상으로 화물이나 연료의 추가 탑재가 가능해져 수송효율이 향상되기 때문에 관련 주요 기업들은 기체구조의 경량화에 큰 노력을 경주하고 있다. 37 -<그림 32> 대표적인 탄소섬유의 형상 (PAN계 탄소섬유).(자료: Carbon Letters Vol. 11, No. 3 (2010) 235-242)
세계 탄소시장은 위와 같은 우주항공 산업의 발전과 함께 수송기기, 풍력, 연 료전지 등의 분야에서 사용되면서 물량은 꾸준히 증가추세에 있고 선도기업들의 적극적 생산설비 투자 및 응용제품 생산 확대로 인하여 소재에 대한 가격인하와 응용제품은 꾸준히 개발되고 있는 실정이다. 탄소섬유의 시장점유율은 물량기준 으로 Torey, Toho Tenax, Mitsubishi Rayon, Zoltek의 순으로 일본기업이 강세인 데, 세계시장 선두업체들은 신규투자를 통해 생산량을 늘려가면서 수요증가에 대 응하고 있다. 일본 고기능성 섬유시장은 일상생활품에서 산업용으로 그 축을 점차 넓혀가고 있으며, 특히 고분자, 바이오, 나노기술 등 고도의 첨단기술을 응용해 자동차, 항공기, 우주로켓, 전기전자, 의료소재 등 산업분야에 고기능 소재를 공급하는 신규 사업을 적극 추진하고 있다. ■ 해외 시장 동향 현재까지 항공기용 소재는 알루미늄 합금이 주류를 이뤘으나, 최근 항공기의 추가적인 경량의 필요성이 대두되면서 초경량 및 고기능성 항공기용 소재로 탄소 섬유를 사용한 복합재료의 적용이 증가하고 있고 민항기와 군수 부문 모두에서 탄소섬유 복합재료 세계시장은 급격한 증가 추세에 있다. 2014년 CFRP 부품의 시장규모는 268억$ 7만8천 톤이었으며 향후 10년간 연간 성장률이 금액기준 8.2%, 수량기준 10.6%로 추정되어 2024년 595억$의 시장이 예 측된다. <그림 33> 탄소섬유 시장현황 (자료: 조선Biz, 2011. 7) <그림 34> 탄소섬유를 응용한 다양한 기계부품들 (자료: 각사 홈페이지 참조) <그림 35> CFRP 수요전망(천 톤)
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-<표 8> 2016~2025년간 항공기 시장 전망 비교
F/I: Forecast International, Teal: Teal Group *Forecast International, 2016 **Teal Group, 2015, ***Frost & Sullivan, 2015 (자료 : 항공우주산업기술동향, 2016) 2014년 CFRP 시장은 원재료인 탄소섬유와 수지가 19억 달러를 차지하였고, 수 량기준으로 열경화성 CFRP가 약 75%, 열가소성 CFRP가 25%로 구성되었으며 생산 성, 내충격성, 접합과 수리보수 용이성으로 인해 열가소성 수지의 사용 비중이 증가하고 있다. 41 <그림 36> CFRP 수요산업의 구성 CFRP 수요산업을 그림 35와 같이 5개로 구분 하였을 때, 특히 에너지, 자동 차, 항공우주 분야가 유망할 것으로 전망된다. <그림 37> CFRP 성형품의 시장규모와 성장률
(자료: CFRP Composites market forecast 2014~2024, Visiongain, 2014)
Market Restraint는 ① 높은 가격 ② 장기 사용 신뢰성 부족 ③ 제품 다양성 부족인데, 이를 해결하려는 기술개발 투자가 활발하게 진행되고 있으며, CFRP 성 형품은 초고장력 강판 부품에 비해 무게는 1/2 이나 가격은 4.4배, 알루미늄 대 비 무게는 30%가 가볍지만 가격은 3.8배로 고가이다. <그림 38> 소재별 부품가격
(자료: Lightweight, heavy impact, Mckinsey & Company, 2012의 원문을 수정 인용)
■ 해외 기술동향 미국과 EU는 CFRP 소재ㆍ부품의 구조물성 Database, CFRP 소재ㆍ부품의 성능 평가법, Validation 기술, 공정시뮬레이션, 설계 등 엔지니어링 기반을 갖추고 있어서 타 산업용 CFRP 부품의 기술개발이 용이하다. 일본은 최근 중거리 민항기 MRJ의 개발 경험과 B787 및 A350XWB 개발 참여를 계기로 상당한 수준의 기술을 보유하고 있으며, 탄소섬유는 Toray, 수지는 BASF, Hentsman, Henkel, Evonik, 중간재는 Chomarat, Tencate, Hexel, Toray, Gurit, 성형은 Tencate, Faurecia, 미쓰비시중공업, Fokker, CITADEL 등이 세계 최고의 기술을 보유하고 있는 것으로 조사되었다. 원가절감 측면에서 보면, 탄소섬유, Hybrid 섬유, 프리폼, 수지와 성형공법 등 의 개발로 빠르게 원가구조가 개선되고 있다. CFRP의 원가는 자동차 부품을 기준 으로 Mckinsey가 조사한 2011년에 비해 2013년 약 20%가 저렴해졌으며 2015년에 는 2013년 대비 10% 이상 원가 개선이 이루어고 있는 실정이다. 탄소섬유는 러시아 Alabuga Fiber의 신규참여, 기존기업들의 증설 및 생산성 향상에 따른 공급량 증가와 320K까지 굵어진 라지토우의 원가 하락, 후발기업들 의 공격적인 마케팅으로 인한 중저급품 중심 거래가 하락 등으로 3년전 대비 평 균 거래 가격이 5$이상 저렴해지고 있는 추세이다. 미국과 EU는 제조원가 11$/kg 내외를 목표로 저가 탄소섬유개발을 진행하고 있 으며, 저렴한 프리커서 개발과 함께 안정화ㆍ탄화공정에서 에너지 비용을 50% 절 감할 수 있는 장비와 공법개발을 추진하고 있고, Oak Ridge National Lab.이 Phase 2 Pilot 단계, W사도 Phase 2 Pilot 개발 완료한 것으로 조사되었다.
EU는 Faurecia, Swerea 등이 Phase 1 Pilot 진입 단계이고, 일본은 2011년부터 5년간 20억엔을 지원하여 AIST와 탄소섬유 3사가 공동으로 안정화 공정을 생략할 수 있는 액정성 프리커서 섬유를 개발하여 탄소섬유 생산성을 10배까지 올릴 수 있는 가능성을 확인하고 있다. 대만의 UHT Unitech는 플라즈마와 마이크로웨이브 기술을 안정화 및 탄화공정 에 적용하여 Toray의 T800 및 T1000급 보다 20%가 저렴한 고성능 탄소섬유를 개 발하여 판매 중에 있다.
<그림 39> PCF process using the thermosetting CFRP
(자료:Transactions of Materials Processing, 25(3) 2016)
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-<그림 40> 열가소성 CFRP와 금속의 Hybrid 부품
(자료: KEIT PD Issue Report, 2015)
■ 국내 시장 동향
2015년 국내 항공산업 생산/수출은 약 85억달러 규모로, 생산은 연평균 14.6%, 수출도 연평균 14.9%의 높은 성장세를 시현하고 있다. 공군의 노후 전투기 F-4와 F-5를 대체할 국산 전투기 개발사업으로, 개발비 8.5조원, 양산비용 약 10조원이 투입되는 최대 규모의 국책사업의 본격화 및 산업통상자원부와 방위사업청이 공 동 주관하는 노후헬기 교체를 위한 소형무장헬기(LAH: Light Armed Helicopter) 및 소형민수헬기(LCH: LightㅡCivil Helicopter) 사업이 2015년 하반기 개시되어 2030년까지 양산할 예정(개발비 1.6조원)으로 국내 항공산업의 큰 폭의 성장이 기대됨에 따라 향후 시장의 전망을 밝게 하고 있다. 또한, 민항기 수요 확대에 맞춰 정부 주도하에 민항기 유지․보수 업무를 전담 으로 수행하는 정비사업자를 지정하여 해외 위탁분을 국내로 전환, 틈새시장인 아시아권 MRO시장을 新시장진출 기회로 활용하려는 목적으로 약 1.8조원의 국내 MRO 시장규모를 2025년까지 4.3조원 규모로 확대시키고 해외의존도도 53%에서 23%까지 낮출 계획이다(국토부, 2015). 국내 탄소섬유는 2012년까지 전량 수입에 의존하였으나 2012년 이후 효성, 태 광 등이 연이어 진출하며 상용화 설비를 가동하여 자체수급을 하기 시작하는 등 맹추격에 나서고 있다. 효성은 일본과 미국이 30여년간 독점해온 탄소섬유 시장에서 탄소섬유 탄섬을 개발해 2013년 5월 2013년 5월 전주공장을 준공하며 연산 2000톤 탄소섬유 생산 45 -체제를 갖췄다. 탄섬은 우주ㆍ항공, 자동차, 방위산업 등에 사용된다. 효성은 지 난 2014년 3월과 6월 현대자동차의 콘셉트카 인트라도에 차체 뼈대와 지붕, 사이 드 패널을 공급했다. 효성은 2020년까지 총 1조 2000억원을 투자해 연산 1만 4000톤 규모의 탄소섬유 생산능력을 갖출 계획이다. GS칼텍스도 탄소섬유를 미래 신성장사업으로 육성하고 있다. 국제유가 하락과 정제마진 축소로 기존 정유사업의 수익성이 악화되고 있는 가운데 새로운 고부가 가치 사업에 대한 투자 전략이다. 전주시와 GS칼텍스에 따르면 전주시 한국탄소 융합기술원내 벤처 2동에 입주해있는 GS칼텍스는 피치계 탄소섬유 파일럿 시설 구축작업을 마쳤으며 샘플 테스트를 거쳐 본격 시험생산에 들어갈 계획이다. 양 산체체에 돌입하면 연간 500톤 규모가 출시될 전망이다. 태광산업은 울산공장에 연산 1500톤 규모의 생산설비를 가동하고 있고, 삼성종 합화학은 독일 SGL의 탄소섬유 복합소재를 들여와 국내에서 마케팅과 판매 사업 을 벌이고 있다. SK케미칼은 미쓰비시레이온의 탄소섬유 원사를 국내로 가져와 가공 및 판매를 진행하고 있다 탄소섬유는 산업계 각 분야에서 다양한 용도로 개발을 요구하고 있으나 설비 투자 등의 투입비용, 수익기간의 장기성 등을 이유로 가격경쟁력 확보가 불투명 하기 때문에 기업들이 투자를 회피하고 있는 실정이다. 국내 탄소섬유 관련 업체 수는 약 200여 개 업체 정도이며, 직접 탄소섬유를 수입하여 사용하는 업체는 약 45개 업체 정도, 나머지 약 150개사는 카본 프리프레그를 사용하여 낚싯대, 골프 채 건축재료, 구조재 등으로 사용하고 있다. 국내에서 소모하는 탄소섬유 복합재의 양은 1995년 이후 매년 크게 성장하여 2013년 기준으로 탄소섬유 세계 6위 소비국으로 시장규모는 1,070억, 2,700톤 정 도이며, 복합재 시장포함 시 8,610억으로 증가하게 된다. 그러나 국내 탄소복합 재료 시장은 우주항공산업 분야에 국한되어 경제적인 규모를 형성하지 못하고 있 는 실정이다. 국내시장의 분야별 탄소복합재료 수요는 지속적으로 증가하고 있지 만, 자체 생산기술의 부재 및 중간원료인 탄소 프리프레그 조달문제 등의 불안요 인이 여전히 존재하고 있다. 그럼에도 불구하고 핵심적인 소재산업 중 하나로서 탄소섬유 복합재료 기술 및 관련시장은 단순한 상업성보다는 미래 전략산업의 독자성을 위하여 반드시 확 보해야 할 핵심 소재기술로서의 의미가 크다고 할 수 있다. ■ CFRP의 향후 전망 및 이슈 CFRP를 이용한 무인비행체의 경량화율은 50% 정도로 다른 경량금속보다 효과가 뛰어나며, 향후 자동차 경량화를 위해 사용이 더욱 확대될 전망이다. 그러나 복 합소재는 시장 및 기술적인 면에서 몇 가지 제약을 갖는다. 첫째는 가격으로 향후 1kg당 10달러로 가격이 낮아져야 한다는 것이 업계의 의견이다. 또한 CFRP의 제조 및 실제 제품시 가공이나 결합 등의 난점도 존재한 다. 최근에는 유럽을 중심으로 리사이클에 대한 요구도 등장했다. 좀 더 상세히 보면, CFRP의 경량화율은 50% 정도로 스틸 10%, 알루미늄 20~45%, 마그네슘 30~50%에 비해 높기 때문에 앞으로 가격만 내려간다면 향후 큰 비중으로 적용이 확대될 전망이다. 현재 단가가 가장 낮은 스틸의 경우 가격이 1kg당 1~3달러인데 비해 CFRP는 52~105달러를 형성 중이다.
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-PART 5. 무인항공기 시장 진입 전략
■ 무인항공기가 전통적인 항공기 시장에 미치는 영향 항공산업 중 항공기 제작산업은 전통적인 기술로서 지식기반이 축적이 필수적 이고, 상업적 응용이 특정 산업에만 해당되는 기업가적인 기술체제라 할 수 있 다. 무인기 기술은 1990년대 이후 그 중요성이 부각된 만큼 타 기술 분야와 달리 기술선진국과의 기술차이가 크지 않다. 미국을 제외한 대다수 국가가 기술적 우 위를 가리기 힘든 초보적 단계에 머무르고 있다. 특히 대다수의 항공대국/항공선 진국을 제치고 무인기 분야에 집중 투자한 이스라엘이 세계 2위의 무인기 기술력 을 확보하고 있음은 우리에게 시사하는 바가 크다고 하겠다. 21세기 시장의 주력은 20세기식의 전형적인 실린더형 구조에서 디스크형 시장 으로 변화해 가고 있다. 실린더형 산업모형과 디스크형 산업모형은 다음 <그림 40>에 도형화되어 있다. 실린더형 시장의 경우 특정품목에 집중적으로 투자함으로써 시장의 진입 및 시장점유가 가능한 형태의 시장을 가리킨다. 대표적인 예가 자동차산업이나 전자 산업과 같은 유사 동종 제품으로 이루어진 시장이며 대량생산과 대량소비가 이루 어지며 수직계열화를 통해 시장성장을 도모할 수 있다.52 -추적에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. ■ 해외시장 진출 전략 무인기기술에 대한 기술 선진국의 기술이전 등에 따른 장벽이 상대적으로 낮 은 상태이나 이러한 추세는 급격히 변하고 있다. 즉, 무인기의 군사전략적 활용 가치에 대한 인식이 높아짐에 따라 관련기술 및 주요 부품의 해외유출을 MTCR(Missile Technology Control Regime) 등의 국제조약을 통하여 엄격하게 통 제하기 시작하였으며 그 정도는 점차 더욱 심화될 것으로 예상된다. 항공기 수출에는 다른 공산품과 달리 추가적인 요건을 필요로 한다. 또한 항 공기의 완성품(완제기)을 수출하고자 할 때와 부품을 수출하고자 할 때 요구되는 요건이 다르다. 완제기 수출을 위해서는 감항 인증이 필요하며, 이러한 과정은 정부차원에서 추진할 필요가 크다. 초기에는 동남아 등 수출시장의 제한적 개발 을 꾀하면서 완제기보다 수출에 있어 요건이 다소 덜 까다로운 부품 및 기술 수 출을 추진할 필요성이 크다고 하겠다. ■ 무인항공기 관련 정부지원 정책 활용 전략 2011년 9월 국가과학기술위원회에서 발표한 국방과학기술진흥 실행계획에 의하 면 국방산업을 신성장동력산업으로 육성하고 방산수출을 2020년에 100억 달러 수 출을 달성하는 것을 목표로 하고 있다. 특히 경남지역은 방위산업체가 전국 대비 60%이상 소재하고 있는데, 자연재해나 화재 감사에 적용이 가능한 무인항공기의 관련 산업인 항공산업에서 우리나라 선두기업인 한국항공우주산업, 대한항공이 부산경남에 소재하고 있다. 2012년 8월에 발표한 제1차 산업융합 발전 기본계획(안)에 의하면 산업융합 시 대의 미래의 모습으로 재해, 재난, 범죄, 환경오염, 에너지 부족 등이 없는 안심 사회를 추구하고 있어 무인화 기술에 대한 지원정책이 높아지고 있다. 한국항공우주연구원에서 2002년부터 2012년까지 총 970억원의 예산을 투입하여 개발한 틸트로터형 비행체(TR-6X)는 헬리콥터처럼 수직이륙 가능한 드론(droneㆍ 윙윙거리는 수벌)으로 테크항공, 퍼스텍 등 10개 기업과 19개 대학을 포함해 총 53 -36개 기관이 참여했다. 틸트로터형 비행체(TR-6X)는 길이 5m, 폭 7m로, 3㎞ 고도에서 헬리콥터의 2배 속도인 시속 500㎞로 3시간 동안 비행할 수 있다. 헬리콥터처럼 활주로 없이 수 직 이륙한 뒤 수평 비행하고, 주야간 감시카메라로 찍은 영상을 실시간으로 전송 하며, 조이스틱 모양의 컨트롤러로 원격 조종하는 기존 소형 무인 항공기에서 목 표를 설정한 뒤 몇 개의 중간 경로지점을 찍어주면 스스로 이 지점들을 통과하는 자동 비행기능도 갖췄다. 주요 임무로는 활주로를 건설하기 힘든 산악지역과 군용은 물론 도로와 해역 감시, 해상 수색 및 구조, 산불감시, 방사능 탐지 등 민수용으로도 폭넓게 활용 이 예상된다. 이 밖의 몇몇 업체들이 군사용 소형무인항공기 시장을 겨냥하여 개발을 하고 있으며, 또한, 항공학과를 둔 국내 여러 대학들이 무인항공기 연구에 많은 관심 을 집중시키면서 기술인재 양성에 기여하고 있음은 무척 고무적인 현상이라 할 수 있다. 현재 국방전력증강 사업의 일환으로서 전술급 무인항공기를 국내연구개 발로 전력화하는 계획과 함께 중고도 무인항공기나 무인전투기 등의 고성능ㆍ고 기술 무인항공기 개발 까지도 계획하고 있어 미국 등 선진국들이 그러하듯이 국 내 무인항공기 기술도 군이 선도해 갈 것으로 보인다. <그림 42> 한국형 틸트로터 비행체 기술 (자료: 조선Biz, 2014. 2) ■ 무인항공기 그 무한한 기회 앞에서 살펴본 바와 같이 드론과 융합한 상품은 무궁무진하게 개발되고 활용 될 것으로 예측되는데, 3년 내 7000개 이상의 드론 관련 업체가 전 세계적으로 설립될 것으로 예측되어 급속한 대중화와 새로운 직업 창출을 통한 신규 고용 유 발이 발생할 것으로 판단된다. 이를 통해 2034년 전 세계 100조원의 막대한 시장 으로 성장이 예측되고 있다. 글로벌 시장 조사업체인 가트너는 2017년 전세계 드론 시장 규모가 60억 달러 (약 6조 8천697억원)에 달하고, 2020년까지 112억 달러(약 12조 8천288억원) 이 상 규모로 성장할 전망이다. '제럴드 반 호이(Gerald Van Hoy)' 가트너 수석 분 석가는 “저렴한 가격대의 개인용 디바이스들이 상업적인 목적으로 활용되면서 상업용 드론 시장과 개인용 드론 시장이 중첩되고 있다”고 말했다. 이어 개인용 드론 판매업체들이 공격적으로 상업용 시장에서 자신의 입지를 강화하고 있다고 덧붙였다. 가트너는 올해 개인용 드론과 상업용 드론의 시장은 각각 23억 6222억 달러, 2016 2017 Personal 1,705,845 2,362,228 Commercial 2,799,272 3,687,128 Total Revenue 4,505,117 6,049,356
Total Revenue Growth 35.5% 34.3
2016 2017
Personal 2,041.9 2,817.3
Commercial 110.3 174.1
Total Revenue 2,152.2 2,991.4
Total Revenue Growth 60.3% 39.0%
56 -2017년 6월 중국 심천 국제드론전시회에서는 DJI와 기타 중국의 중견 드론제작 업체들이 정열적으로 신 모델 및 새로운 기술개발을 선보인 바 있다. 디자인 및 전체적인 마감이나 상품성이 작년에 비하여 월등히 좋아진 모습을 확인할 수 있 었고, 실제로 수많은 지표들에서 중국내 드론산업은 성장하고 있고 그 속도 또한 월등하다. 우리나라의 드론관련 기술력은 세계 7위지만 드론관련 산업은 현저히 낮아, 필요한 경량화 기술 및 소재 등의 대부분을 수입하여 조립하고 있는 실정이다. 하지만 아쉬워하기에는 일러 보인다. 아직 시장이 폭발적으로 성장하고 있고, 앞 으로가 더욱 기대되는 산업이기 때문이다. 정부가 2026년까지 세계 5위를 목표로 국내 드론 시장을 4조 1000억원 규모로 키우기로 하면서, 시장 확대를 위해 공공기관이 3000여억원을 투입, 3000여대를 도입할 계획이다. 국토교통부는 이 같은 내용의 “드론산업발전 기본계획(안)” 에 대한 업계와 전문가 의견을 수렴하였고, 한국교통연구원, 한국교통연구원, 한 국항공우주연구원과 함께 계획안을 마련했다. 세계 드론 시장은 연 53%씩 성장하 고 있지만 미국·중국 등 주요 국가 중심으로 강약구도가 고착화 되고 있다. 정 부는 한국이 드론 시장을 이끌어가려면 중장기 계획에 따른 범정부적 지원이 시 급하다고 판단했다. 계획안은 지난해 총 704억원(제작 153억원, 활용 551억원)의 시장 규모를 2026년엔 제작 1904억원, 활용 6332억원 등 총 4조1000억원 규모로 키우겠다는 목표를 설정했다. 기술경쟁력 세계 5위권 진입과 산업용 드론 6만대 상용화도 목표로 세웠다. 특히 정부는 급증하는 드론의 비행수요에 대비하고 150m이하 저고도 공역의 교통관리를 위해“하늘길”을 마련한다. 수송, 정찰.감시 등 장거리.고속 비행 드론을 위한 전용 이동로인 “드론 하이웨이”다. 정부는 비행수요가 많고 실증. 운영이 용이한 거점지역을 원역별로 정해 이동방향·속도·비행수요 등에 따른 이동로를 선정, 관리할 계획이다. 이를 위해 2021년까지 437억원을 투입해 드론 의 실시간 위치와 비행경로를 공유하는 드론 교통관리 시스템(UTM)도 개발한다. 드론의 안전과 신뢰도를 높이기 위해 등록부터 자격·보험 등 운영, 말소까지 드 론의 전 생애주기를 고려한 안전관리 체계도 구축한다. 이번 대책은 “일자리 창출”에도 도움이 될 것으로 보인다. 국토부는 드론 57 -산업 육성으로 올해부터 2025년까지 약 16만4000명이 취업할 수 있는 양질의 일 자리를 만들 것으로 내다봤다. 생산유발효과와 부가가치효율효과도 각각 20조 7000억원, 7조6000억원으로 예상했다. 무인항공기가 창공을 자유롭게 비행하듯 창의성 및 혁신적인 아이디어가 필요 한 시장이며, 실제로 기존의 기술이 빠르게 대체되어 바뀌고 있다. 이 역동적인 시장에서 우리나라가 어떤 위치에 자리매김하는 지는 앞으로의 정부지원 정책이 나, 산업전반에 걸친 폭넓은 이해관계 및 불필요한 제도의 철폐, 그리고 열정과 투지에 달려있다. <그림 44> 국내드론시장 규모 전망 및 공공분야 드론 활용모델 (자료: 국민일보, 2017.7)
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□ 기업현황(항공기 제조 분야 관련제품 생산기업 대상) - 기업리스트
