극동대학교 항공모빌리티학과 교수 기 자 영
• 과학기술의 혁신
• 4차 산업혁명은 물리적 공간과 사이버 공간이 융합되어 새로운 디지털 공간으로 진화하는 과정
• IoT, 사이버 물리 시스템(CPS), AI 기반의 만물·초지능 혁명으로, 사람·사물·공간을 초연결·초지능화하여 산업 구조와 사회 시스템을 급격히 변화시키는 혁신적인 기술 혁명이 일어남
• 1, 2, 3차 산업혁명의 흐름과는 달리 현재까지 축적된 기술을 기반으로 이전과는 전혀 다른 방식으로 이루어 지는 새로운 기술융합
• 1, 2, 3차 산업혁명이 기계로 인간의 노동력을 절감하는 손과 발의 역할을 수행했다면, 4차 산업혁명에서는 인간의 두뇌 역할을 기계가 분담
• 4차 산업혁명은 디지털 기술의 기하급수적 성장을 바탕으로 이전에 없던 새로운 세상이 열리는 완전히 다른 차원의 변화의 물결로, 기술의 발전과 진화가 성공을 좌우하는 핵심적인 요소가 될 것
• 4차 산업혁명을 이끌 선도 기술로는 인터넷, 컴퓨팅, AI, 로봇, 모바일 디바이스, 스마트 센서, 디지털 소재, 디지털 공정 등
• 최근 장기적인 경기 불황과 저성장의 늪에서 벗어나기 위해 글로벌 ICT 산업 환경에서 혁신의 중요성이 더욱 커지고 있음
• ICT 산업은 PC 중심 환경에서 벗어나 IoT, AI, 클라우드, 5G 이동통신 등 다양한 분야에서 급속하게 발전
• 모든 사물과 인간의 연결, 그리고 지능화를 기반으로 4차 산업 환경으로 빠르게 변화하면서 새로운 성장 을 위한 인식체계의 전환이 진행되고 있음
• 인터넷의 활용 영역이 더욱 넓어지면서 현재는 컴퓨터뿐 아니라 디바이스·인프라· 공장 등을 연결해 디지털 화를 구현하는 필수 플랫폼이 됨
• 인터넷은 모든 정보를 끊김 없이 실시간으로 전달하기 때문에 4차 산업혁명에 생명을 불어넣고 진화해 범용 기술이 될 수 있음
• 또한 5G, 클라우드, AI, 빅데이터, IoT, 로봇 등 다른 범용기술과의 융합을 통해 산업은 물론 경제·사회 전반에 혁신적인 변화를 일으키는 신경 조직이 될 것
❖ 스마트 센서
• 센서는 4차 산업혁명 시대의 핵심적인 기반시설로 꼽힘
• 모든 사물이 데이터를 생성하고 다른 사물과 연결을 통해 가치를 창조하는 IoT 환경을 구현하는 데는 오감의 역할을 하는 센서가 반드시 필요
• 스마트 센서는 사물과 주위 환경으로부터 정보를 얻을 수 있는 물리적 센서 등으로 다양하게 적용
• 자율주행차는 스마트폰 다음의 빅데이터 생산 플랫 폼으로, 설치되는 센서의 숫자도 급속히 증가할 전망
❖ 자동차의 스마트 센서
• IoT 보급이 가속되면서 2021년에는 스마트 센서 약 300억 개가 판매될 것으로 예상
• 이와 같이 스마트 센서의 사용량이 폭증하면서 소비 전력 의 감소, 원활한 데이터 통신, 센서 시스템 통합 등이 이슈 로 등장
• 스마트 센서 기술이 급성장한 데는 마이크로 분야 기술, 패키징 기술, 첨단 소재 기술의 뒷받침이 있었음
• 이러한 기술의 지원으로 초소형화, 다기능화, 지능화 및 복합화, 네트워크화 등 새로운 트렌드가 등장
• 향후 스마트 센서는 다양한 변화를 정확하게 동시에 감지하는 멀티센싱 기술의 일반화로 환경 변화에 더욱 효과적으로 대응하게 될 것
• 스마트 센서는 4차 산업혁명이 요구하는 데이터를 현장에서 수집해 전달하는 말초 감각 기관의 역할을 할 것
❖ 첨단 소재
• 첨단 소재는 생산 장비의 성능을 결정하고, 생산된 첨단제품은 경쟁국을 뛰어넘어 기술 격차를 넓히는 기술
• 최근의 첨단 소재 산업은 장기간의 기술 발전으로 최고의 기술을 보유한 몇몇 기업이 독점
• 신소재 개발은 성공 가능성이 매우 낮고, 투자비고용이 높으며, 사업화까지 오랜 시간이 소요
• 소재 기술은 4차 산업혁명의 키워드인 초고속, 초지능, 초감각, 초연결을 현실화하는 기반이 될 것
• 탄소소재는 그래핀, 탄소 나노 튜브 등과 같은 초고온, 초경량, 초내마모성, 초전도등 극한의 물성을 가진 고부가가치 첨단소재
• 4차 산업혁명 시대를 맞아 ICBMSA 플랫폼이 국가의 핵심 경쟁력으로 급부상
• 4차 산업혁명을 촉발하는 핵심적인 기술은 독립적인 ICBMSA(사물인터넷, 클라우드, 빅데이터, 모바일, 보안, 인공지능) 플랫폼
• ICBMSA의 요소는 각각 독립적인 기술이지만 톱니바퀴처럼 맞물려 상호작용하는 플랫폼을 이루기도 함
• 인터넷을 기반으로 수많은 IoT 디바이스로 수집한 데이터가 클라우드에 저장되고, AI로 빅 데이터를 분석함으로써 유용한 정보가 생성
• 과거에는 존재하지 않던 새로운 창조가 언제 어디 서나 모바일을 통해 공유되면서 새로운 가치를 창출
• 또한 이러한 모든 과정은 보안이 유지되는 안전한 상태에서 진행
• UAM(Urban Air Mobility) 도심항공교통
– 도심 내 3차원 공중교통체계를 활용한 항공운송 생태계 – 도심 상공에서 사람이나 화물을 운송하는 항공교통 수단
– 기체 개발부터 인프라 구축, 플랫폼, 서비스, 유지보수 등 관련 사업을 모두 포괄하는 개념
– 도심 내 이동 뿐만 아니라 도심과 주변 광역권을 아우르는 새로운 이동형 교통수단으로 광의적인 개념
출처: KPMG global(2019), 삼정 KPMG 경제연구원(하늘 위에 펼쳐지는 모빌리티 혁명, 도심 항공 모빌리티)
• UAM은 ‘도심 내 이동’으로 활용범위가 구체화됨에 따라 ‘하늘을 나는 자동차(Flying Car)’에서 ‘전기 동력 수직이착륙기(eVTOL)’로 발전 중
미국 트랜지션(2009), 네덜란 드 리버티(2012), 슬로바키아 에어로모바일(2014) 등 초기 플라잉카 모델 상용화 준비 중 도로주행과 공중 비행 모두 가능하나, 내연기관 엔진으로 인한 공해 및 소음 유발 및 활 주로 등 공간 제약
Flying Car
플라잉카의 한계점을 극복하기 위해 드론과 항공기의 결합이 대안으로 부각
배터리와 모터를 추진동력으로 하여 친환경적이며 소음이 적은 장점 뿐 아니라, 건물 옥상 등을 활용한 수직 이착륙을 통해 공 간 제약 극복 가능
플라잉카 대비 공중 비행에 초 점이 맞춰져, 개인용 비행체로 표현 중
이착륙 방식에 따라 STOL과 VTOL로 구분
PAV
PAV의 다양한 행태 중 공중 비행만 가능한 VTOL 형태에, 배터리와 모터를 통해 전기 로 추진하는 eVTOL 형태로 연구개발이 집중되고 있음 전 세계 114개 업체의 133개 eVTOL 모델 중 특히 순수 배 터리를 활용한 모델 개발이 다수를 차지하며(94개), 하 이브리드(34), 수소전기(5) 가 뒤를 잇고 있음
eVTOL
• UAM 기체개발/제작사, 부품공급업체
– UAM 서비스에 필요한 기체를 개발·제작 하고, 소요되는 부품 등을 제공
• 운송사업자
– UAM 수요에 응해 구매리스한 UAM용 기체를 활용하여 유상으로 여객 또는 화물에 대한 운송 서비스를 제공
• 버티포트 운용자
– UAM 기체의 이착륙장을 운용하면서 운송 사업자에게 지상조업 서비스를 제공하고 UAM 이용자에게 교통 탑승을 위한 서비스를 제공
UAM 제작사
운송 사업자
버티포트 운용자
교통관리 서비스 공
급자 부가정보
서비스 제 공자 정부
• 교통관리 서비스 공급자
– 운송사업자가 서비스를 원활하게 할 수 있도록 UAM 기체에 대한 운항계획 등 교통관리서비스 를 제공
• 부가서비스 제공자
– UAM 운송사업자 등을 대상으로 UAM 운송서비 스 제공에 필요한 기상, 장애물 등의 정보 제공
• 정부
– UAM 생태계 참여자들에 대한 각종 인증, 법규 의 제정, 관리체계 구축 및 UAM 공역관리를 위 한 ATC (Air Traffic Center) 운용 등의 역할 수행
UAM 생태계 개념도
❖ 하드웨어
• 저소음·저탄소 배출 등의 도심 운용조건을 충족하기 위한 전기추진시스템, 고밀도 배터리, 경량 · 고강도 소재 등에 대한 기술이 요구
– 고효율, 저소음 및 저탄소 배출 등을 고려하여 전기동력원 기반의 추진시스템 및 프롭 로터 개발 필요
– 도심 내 버티포트 간 이동, 중간 충전 없이 왕복 운항 등 운항거리 확장 및 기체 경량화를 위해 고밀도 배터리 기술(에너지 저장기술) 필요
– 기체 ·승객 안전성 확보 및 기체 경량화를 위해 저중량 ·고강도 소재를 적용한 기체 프레임 및 부품 개발 기술 요구
❖ 소프트웨어
• 운항안전성 및 경제성 확보를 위한 자율비행 및 충돌회피 기술 및 최적항로 예측, 비행 관제 등에 대한 기술 필요
– 지상 원격조종 시스템(1:1, m:n), 인공지능 등을 활용한 UAM 기체 비행 조종시스템 및 장애물 탐지, 충돌회피방지 등을 위한 센싱 기술에 대한 개발 필요
– 도심 내 다수 UAM 기체 운항 관리에 필요한 도심항공 교통관리 시스템(Urban Air Traffic Management, UATM) 및 지원 장비 등에 대한 개발 요구
– 자율비행 및 관리·감시체계에 대한 사이버테러나 해킹을 방지하기 위한 사이버보안 중요
❖ 인프라·서비스
• 도심 내 환경에서 UAM용 이착륙장을 확보하기 위한 버티포트 구축 기술 및 대중교통수단으로써 타 교통수단과의 환승·연계 시스템 필요
– 도심 내 부지 확보의 어려움을 극복하고 경제적 비용을 최소화 할 수 있도록 기존 고층 건물 활용 또는 건축물 구축을 위한 버티포트 구축 기술 요구
– 인구 밀도가 높은 도심 내 UAM 인프라 구축에는 대규모 비용 발생 및 부지 부족 문제가 존재함.
이를 위해 고층 빌딩 활용, 신규 인프라 개발 등을 위한 계획 및 구축 기술 필요
– ICT 기술을 활용하여 실시간 UAM 예약·발권 시스템 구축 및 지하철, 버스, 택시 등 기존 대중교 통과 환승·연계를 위한 예약·결제 시스템 마련
UAM 기체 제조 및 운영시스템 관련 핵심기술 요소
❖ 해 외
• 미국 Joby Aviation 등은 미연방항공국의 형식증명 취득 등을 위한 절차가 진행중으로 상용화 단계에 가까워짐
• 최고 수준의 기체 개발과 함께 다른 기업과 협력하여 기계시스템 개발도 추진 중이며 현재 개발 중인 eVTOL 중 기술적 난이도가 가장 높은 틸트엑스 S4 개발 중
• Kitty Hawk는 1인승급 틸트프롭 타입의 Heaviside를 개발 중이며 ’21년 기준으로 13개의 Prototype 기체를 제작함
• Boeing은 Aurora Flight Sciences를 인수하여 eVTOL 개발에 착수
• Bell은 CES 2019에서 첫 eVTOL 모델인 Nexus 6HX 를 선보이며 UAM 시장에 진출
• Beta Technologies는 lift-Cruse eVTOL인 Alia-250 을 개발하고 있으며 미국 UPS 구매계약(’21.04) 및 미 공군 최초 유인 eVTOL 감항승인(’21.05), FAA 형식증명 진행 중(~’24)
Kitty Hawk사의 Heavyside
• Volocopter는 2011년 초창기 모델인 VC1의 유인비행에 성공한 후 현재까지 1,000회 이상의 테스트 비행을 거쳐 eVTOL인 VoloCity를 개발 중
• 2X 모델로 5분간의 무인비행에 처음으로 성공했으며(‘17), 서울 스마트모빌리티 엑스포에 참가(’19)
• 공항과 기차역 등의 교통 서브를 연결하는 도시 안에서의 항공플랫폼인 Volocity는 2명의 승객을 태우고 시속 110km로 최대 35km까지 이동 가능
• Lilium은 기본적으로 5인승 급의 고정익 eVTOL 기체를 개발하고 있으며 연간 400대 생산이 가능한 시설을 구축하는 등 양산시설 확보를 위해 노력하고 있음
• 부동산 민간투자 기업 및 미국 올랜도시와 협력하여 자사의 Lilium Jet이 운용될 수 있는 버티포트를 ’25년까지 구축할 예정
• Toray Industries와 eVTOL 항공기용 탄소섬유복합재 공급계약 체결(‘20.07)
• 7인승 급 수직이착륙 제트기(7-seater eVTOL jet) 개발 현황 공개(‘21.03)
• 중국은 드론 택시업자인 Ehang을 중심으로 UAM 기체 개발을 추진중이며, 유럽 등 여러 국가와 협업을 확대하고 있음
• ‘이항 184’는 최고 시속 130km/h으로 운항 가능하며, 15km 왕복주행에 성공함(’18)
• 지난해 10원 서울에서 국토교통부와 ‘도심항공교통 실증 비행 행사＇에서는 Ehang의 기체(EH216)가 20kg 쌀가마 니 4개를 태우고 약 50m 상공을 약 7분간 비행에 성공함 (’20.10)
• 또한 CAAC(중국민용항공국) 형식증명 진행 중이며(~’22), 장거리 Lift-Cruise 형태인 VT-30 시제기 공개(‘21. 05)
Ehang 216
Ehang VT-30
❖ 국 내
• 현대자동차는 Uber와 협력하여 5인승급 eVTOL 모델인 S-A1을 개발하였으며 플라잉카 시제품 개발을 위해 국내 및 해외 업체와 MOU 체결
• CES 2020에서 Uber와 협력하여 개발 중인 PAV 모델 ‘S-A1’ 및 모빌리티 환승 거점 등을 포함하는 미래 모빌리티 비전을 공개하고 ‘28년 상용화 계획을 발표함
• ’21년 현대자동차는 방위산업체인 LIG 넥스원, 한국항공우주산업(KAI)과 한국형 도심항공교통(UAM) 시장조성을 위한 기술 · 인프라 스트럭처 협력을 추진
• 한화시스템은 오버에어사 등 해외 기업과 에어택시 기체를 공동 개발 중이며 국내에서도 UAM 사업모델 및 생태계 구축을 위해 기체 개발 추진 중
• Uber의 PAV 제조협력사인 Overair사의 eVTOL 공동 개발에 25백만달러를 투자했으며, 2025년 에어택시 시장에 본격적으로 진출할 계획을 발표함
• 국내 통신사(SKT), 한국공항공사 등 UAM 핵심 주체들과 MOU를 체결하고 기체 개발을 추진 중
국내외 주요기업간 기체 개발단계 비교
❖ 해 외
• 미국 Uber Elevate, Beta Technologies 기업은 다양한 기업들과의 협력을 통해 버티포트의 입지와 요구조건을 마련
• 편의성 확보, 교통 연결성, 직관적 사용자 경험, 운용성, 모듈화 구축, 환경적 악영향(소음 등) 최소화 등 의 디자인 원칙을 적용하여 설계
우버사와 코건사가 합작한 버티포트 조감도
• Beta Technologies사는 도시 간 응급 수송을 위한 버티포트 구축을 위해 건축 구조물 최적화, 태양광 발전 패널 적용 등의 기술개발 추진 중
Full-Featured Recharging Pad
• Volocopter는 스카이포트(skyports), 싱가포르와 협력(’19.05)하여 프로토타입의 Voloport를 싱가포르에 건축
• 볼로포트는 수직 이착륙뿐만 아니라 배터리 교체 및 충전, PAV의 유지·보수 등이 가능하도록 설계
Voloport 컨셉사진 및 싱가포르 기체 이착륙장
• Lilium 사는 미국 올랜도 시와 협력하여 자사의 Lilium Jet가 운용될 수 있는 버티포트를 ’25년까지 구축할 예정
• Uber의 Skyport 개념과 마찬가지로 Lilium의 버티포트는 사람들이 비행택시를 오고 갈 때 승하차 할 수 있는 승객 스테이션 역할
• Lilium의 경우 최대 5명의 탑승자와 함께 올랜도의 노나 호수 지역에서 수직으로 이착륙하는 완전 전기항공 기들이 착륙할 수 있는 버티포트 계획 중
Lilium’s Vertiport at Lake Nona
• Ehang은 ’20년 허저우시에서 E-port 목업 형상을 공개하고 유럽 회사와 버티포트 구축을 위해 파트너쉽 체결
• Ehang은 UAM의 베이스 포인트를 지상에서 착륙하고 이륙하는 장소를 지정하고 이를 통해 UAM Vehicle들 이 각각의 베이스 포인트들 사이로만 운항하도록 설계
• EU에서의 항공 모빌리티 솔루션 확장을 위해 이탈리아의 건축회사 Giancarlo Zema Design Group(GZDG) 과 파트너쉽 체결
GZDG가 디자인한 친환경 버티포트
❖ 국 내
• 현대자동차는 국내외 업체들과 협력하여 버티포트 개발 및 구축을 추진 중
• 영국 Urban Airport 및 2개 도시(West Midland, Coventry)와 버티포트 개발 및 구축을 위한 협약 체결
• 국내에서는 인천국제공항공사, 현대건설, KT 등과 K-UAM 추진을 위한 MOU를 체결하고 이착륙장 건설 및 운영 등 UAM 인프라 개발을 위한 공동연구 추진 중
– 인천공항공사는 인천공항 UAM 인프라 구축과 운영을 담당하며, 공항셔틀 운영개념 및 타당성 연구 수행
– 현대건설은 UAM 수직 이착륙장인 버티포트의 구조 및 제반시설 설계표준안을 마련하고, 육상교통과 연계된 UAM 환승 센터 콘셉트를 개발
– KT는 UAM 통신 인프라 구축과 에어-그라운드(Air-Ground) 연계 모빌리티 사업 모델 및 UTM (Unmanned aerial system Traffic Management: 드론교통관리) 시스템 개발 등을 추진
현대자동차의 버티허브(VertiHub) 컨셉
• 한화시스템은 한국공항공사, SKT 및 한국교통연구원 등과 ‘UAM 사업 협력을 위한 4자 업무협약＇을 맺고, 미래모빌리티 토탈솔루션 구축 노력
• 4개사는 상호협력을 통해 UAM 기체개발, 버티포트 인프라, 운항 서비스, 모빌리티 플랫폼에 이르는 ‘UAM 밸류체인’을 구축, UAM 생태계 조성 및 활성화를 추진
– 한화시스템: 기체·항행교통 기술 및 버티포트 통합운영 시스템 개발 – 한국공항공사: 버티포트 구축·운영 및 UAM 교통관리 분야
– SKT: 모빌리티 플랫폼 및 통신네트워크 모델 구축
– 한국교통연구원: UAM 서비스 수요예측 및 대중수용성 연구
FATO 레이아웃
❖ 해 외
• 미국은 UAM 운용 생태계의 구성 및 참여자들의 역할을 기술하고 ATM 및 ATC 배경으로 UAM ConOps V1.0을 발표
• 운용개념의 검증 및 실증, 실증을 통한 운용 관련 데이터 확보, 필요한 요소기술 식별 등의 목적으로 National Campaign 진행 중
• FAA는 UTM 운용개념에서 제시된 FIMS(Flight Information Management System)와의 구조를 기반으 로 하여 UAM과 PSU 그리고 USS 사업자 간의 정보 연계 체계를 구축하고자 함
NASA AAM NC의 우발상황 시나리오 개념도
• 유럽은 EASA 등을 중심으로 UAM 운항을 위한 공역 관리와 같은 개념을 수립하고 있으나 UAM 회랑 설계에 대한 기준이나 동적 관리, 실 비행 합치성 모니터링 등에 대한 본격적인 기술개발 연구는 진행된 바 없음
• 브라질의 EmbraerX에서는 조종사, Vertiport, 운항사, USS 등 이해관계 당사자 및 정부 당국 간 역할과 책임을 담은 도심형 항공교통 관리(UATM) 의 운영 컨셉 발표
• 호주 멜버른 지역에서는 기존 ATM 체계가 UAM 비행체의 운항 대수에 따른 수용 가능성을 시험 하기 위한 시뮬레이션 연구 수행
동적 공역관리 서비스 개념도
❖ 국 내
• 항공기 항공당국이 직접 수행하는 ATM과 달리 UTM 및 UATM은 자격을 갖춘 민간 영역에서 교통관리 업무 수행 예정
• 국내에서는 ATM 기술 중 일부를 UAM용으로 컨버전 가능할 것으로 보이나, 이를 위한 연구 개발이 기초 연구 단계임
구분
ATM (Air Traffic Management)
UATM
(Urban Air Traffic Management)
UTM (UAS Traffic Management)
비고
교통관리
대상 유인항공기 유 무인 항공기*
(도심항공모빌리티 등)
무인비행장치 (소형 드론 등) 공역 전 공역 150m<고도<유인기 항로 고도 150m 이하
특징 인간(ATC) 중심의 관제
∙UTM 데이터 중심의 교통관리 철학을 이어받아 개발 진행 중
∙NASA에서는 UTM inspired ATM 기술
∙UATM의 경험은 다시 ATM에 전 수 되어 전공역 통합 교통관리 시스템 으로 발전 전망
∙ATM의 자동화 경험을 전수하여 개발 진행 중
∙데이터 중심의 교통 관리
UAM은 이제 막 태동하는 사업으로 전 세계적으로 UAM 관련한 CNSi 실시 예는 없으며, 선두 그룹의 각 지역에 알맞은 CNSi를 설계 구축해야 함
