| ASTI Market insight : 무인항공기 태양전지 |
○ 무인항공기인 태양전지는 소형 무인항공기보다는 날개 단면적이 큰 대형 무인항공기에 적용되는 것이 필요전력 확보에 유리한 데다 기후 영향을 받지 않는 성층권, 고고도에서 비행하는 용도로 개발이 진행되고 있다.○고고도용 무인항공기는 경량화가 매우 중요하며 에너지원으로는 태양전지를, 에너지 저장원으로는 2차 전지를 활용하고 있어 정부에서도 태양광 무인항공기 개발 지원에 적극적이다.○ 무인항공기 태양전지 중에서는 고효율, 단결정 실리콘 태양전지가 주로 사용되고 있으며 무인항공기 제조업체들은 약 30% 수준의 효율을 가진 태양전지를 출시할 계획을 제시하고 있다.○세계 무인항공기 태양전지 시장 규모는 2017년 1억8,000만달러에서 2020년 2억7,000만달러로 증가했으며 2020년 이후 연평균 16.96%로 성장해 2026년 6억9,100만달러가 될 전망이다.1. 시장의 개요, 무인 항공기(Unmanned Aerial Vehicle; UAV)를 이용하여 비행과 임무를 수행하는데 필요한 전력을 충분히 공급하기 위해서는 고효율, 태양 전지판이 다수 필요하며 이를 설치하려면 항공기 날개 길이가 수십 m로 대형이고 가벼워야 한다. 그리고 무인항공기는 비바람이 없어 태양광을 에너지원으로 사용하기 쉬운 고도 10~50㎞ 구간의 고고도 상공의 성층권에서 적은 에너지로 더 빠르고 더 멀리, 더 오래 날 수 있어 비행하는 유리하다.
성층권 무인항공기는 고고도에서 지상을 상시 감시하는 방식으로 운영될 수 있어 인공위성과 같은 효과를 얻지만 제작과 발사에 드는 비용은 인공위성의 80분의 1 수준인 500만달러에 그치는 것으로 알려져 있다. 또한 인공위성은 특정 장소를 하루에 한 번 지나가는 반면 무인항공기는 하루 종일 같은 장소를 관측할 수 있는 장점을 가지고 있다.
고고도 무인항공기 연구개발을 수행하고 있는 한국항공우주연구원에서는 축소형 비행체 EAV-2H 모델에 비정질 실리콘 태양전지를 적용하고 이후 성층권 상승성능 시연에 사용된 날개길이 20m 무인항공기 EAV-3에 효율 23%의 단결정 실리콘 태양전지를 이용해 시간당 최대 1.5kWh 이상의 에너지를 얻었다(고고도 장기체공 태양광 무인기 개발, 항공우주시스템공학회지 v.10no.1, 2016). 성층권을 비행하기 위해서는 영하 70도의 극한 환경에 대한 내구성을 갖추어야 하기 때문에 주로 채택되어야 한다.
울산과학기술원(UNIST)은 박막태양전지 구성춘 사이에 집중된 결함을 최소화할 수 있는 중산층 생성원리를 밝히고 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용해 25.8% 효율의 전지를 개발하고 (연합뉴스, UNIST, 25.8% 세계 최고효율 페로브스카이트 태양전지 개발, 2021.10.22), 한국과학기술원(KAIST)과 서울대(SNU) 공동연구팀도 물과 고온고습 환경에서도 안정적인 페로브스카이트 나노입자수지를 개발하는 등(매일경제, KAIST, 물과 고온고습 환경에서도 안정적이다.
태양전지 기술별 장단점 (출전 : 최신기술동향 – 태양광, 녹색기술센터, 2018.08.)
2. 정부 정책 및 규제 현황 정부에서는 ‘상시 재난감시용 성층권 드론 기술개발사업’을 통해 성층권 드론 개발을 지원할 계획이다. 과기정통부는 2022년 성층권에서 장기간 운영이 가능한 드론 개발을 본격 추진하고 무인이동체 기술개발 사업에 518억원을 지원할 예정이다. 이 중 62억원이 성층권 장기체공 드론 기술개발과 혁신인력 양성 등 신규 사업에 지원된다. 20kg급 임무장비 탑재 후 30일 이상 연속 비행이 가능한 성층권 드론 개발을 위해 2025년까지 총 375억원을 투입할 계획이다. 또 무인이동체 원천기술개발사업 252억원, DNA+드론기술개발사업 96억원, 불법 드론 지능형 대응기술개발사업 37억원을 지원할 계획이다.
국내에서는 LG에너지솔루션이 성층권 드론 사업을 적극 추진하고 있는 대표 기업으로 꼽힌다. LG에너지솔루션은 리튬황 배터리를 개발해 2020년 한국항공우주연구원과 고고도 장기체공 태양광 무인항공기(EAV-3) 성층권 비행시험에 성공한 바 있다.
3. 시장동향 및 전망■시장규모 무인항공기의 세계시장 규모는 2017년 147억6,200만달러에서 2020년 210억1,000만달러로 증가하고 2026년까지 연평균 15.23% 성장하여 491억9,100만달러의 시장을 형성할 것으로 예상된다(Unmanned Aerial Vehicle(UAV) Market-Global Forecast to 2026, Markets and Markets, 2021.06).
세계 무인항공기 시장 규모 및 전망(출처: Markets and Markets, Unmanned Aerial Vehicle(UAV) Market-Global Forecast to 2026, 2021.06.)
무인항공기 국내 시장은 민간·상용(Civil & Commercial), 국방·정부(Defense & Government) 용도로 구분되며 시장 규모는 2021년 728백만달러에서 연평균 14.27% 성장해 2026년 백만달러에 이를 것으로 전망된다.
국내 무인항공기 시장 규모 및 전망(출처: Markets and Markets, Unmanned Aerial Vehicle(UAV) Market-Global Forecast to 2026, 2021.06.) 무인항공기 태양전지(SolarCells) 세계 시장은 2017년 1억8,000만달러에서 2020년 2억7,000만달러로 증가해 연평균 16.96% 성장해 2026년 6억9,100만달러가 될 것으로 예상된다. 해외 시장은 2021년 2억8,700만달러에서 연평균 16.16% 성장세를 통해 2026년 6억7,000만달러에 달할 전망이며, 국내 시장 규모는 2021년 9백만달러에서 연평균 15.97% 성장세를 통해 2026년 2천1백만달러에 달할 것으로 전망된다.※ [표4. 국내·해외 무인항공기 태양전지 시장 규모 및 전망]은 보고서 원문 참조.
■ 경쟁현황 한국항공우주연구원이 2020년 개발한 무인항공기 EAV-3처럼 고고도 성층권을 장시간 비행하는 무인기를 합쳐 ‘HALE(High Altitude Long Endurance) UAV’라고 칭한다. HALE 무인기는 인공위성의 역할인 영상촬영, 기상측정, 정찰활동, 통신중계 등을 인공위성에 비해 저비용으로 수행할 수 있다는 장점을 갖고 있다. EAV3와 같은 HALE 무인기는 한 달 이상 조종자의 명령에 따라 같은 지점을 선회하면서 산불을 감시하거나 집중호우를 예측하는 등 기존의 기상관측을 하거나 불법어로 등을 감시하는 데도 유용하게 사용할 수 있다(사이언스 타임스, 성층권을 도는 HALE 무인기, 2020년 12월 25일).
최근 세계 곳곳에서 고고도 태양광 드론을 새로운 경쟁력을 확보하는 기회로 설정하면서 지구성층권이 미래 산업활동 무대로 성장할 것으로 기대된다. 유럽 에어버스, 미국 보잉, 일본 소프트뱅크 등이 성층권을 누비는 드론 개발에 앞장서고 있다. 영국의 다국적 항공우주방산업체 BAE시스템즈는 ‘페이사35(PHASA-35)’라는 첨단 태양광 드론을 개발해 첫 비행에 성공했으며 2025년까지 성층권 배치 계획을 발표했다(Tech42·태양광으로 1년간 비행하는 드론, 일론 머스크 스타링크 최대 라이벌 등장, 2021.06.28). 일본 소프트뱅크도 미국 에어로바이런먼트(Aero Vironment)와 공동으로 ‘HAPS 모바일’이라는 법인을 설립해 태양광 프로젝트를 진행하고 있으며, ‘호크(HAWK) 30’을 개발해 비행에 성공한 바 있다.
4. 애널리스트 인사이트 무인항공기 태양전지 시장은 성층권 무인항공기를 대상으로 발전할 가능성이 높다. 무인항공기는 태양전지에서 얻는 전력만으로 무인항공기 태양전지 시장은 성층권 무인항공기를 대상으로 발전할 가능성이 높다. 무인항공기는 태양전지에서 얻는 전력만으로 구동돼 잉여전력을 이차전지에 저장하는 방식으로 장시간 체공해 운용되기 때문이다. 해외의 경우 소형 무인항공기에 태양전지를 장착해 전력을 보충하는 방식에 대한 기술개발도 진행되고 있으며 무인항공기 제조사들은 태양광 변환 효율을 30% 이상으로 설정하고 있다.
사회적 측면에서는 인공위성이 제공하는 기상정보, 위치정보, 통신망 등을 저렴한 가격에 구축할 수 있어 특정 위치에 대해 24시간 정보 제공이 가능할 것으로 보인다. 예를 들어 국지적 호우 발생을 미리 확인하고 대비하거나 재난 재해 감시 등에 의해 정확한 위치 정보가 활용될 수 있다.
무인항공기 태양전지 시장의 신사업 기회 분석
무인항공기 태양전지 시장의 주요 요인별 내용 무인항공기 태양전지 시장에서의 주요 영향력 강도를 사회적 요구, 국가 지원 수준, 기술 트렌드 적합성, 시장적인 측면(시장 확대 가능성, 시장 진입 장벽, 잠재 수요자 관심) 등으로 구분하여 평가하고 평가의 주요 요인을 정리했다. 그리고 무인항공기 태양전지 시장 진출을 모색하는 국내 중소·중견기업이 고려해야 할 주요 사업전략 방향은 다음과 같이 검토하였다.
➀ 시장 진출 전략: 태양광 패널 메이커로서는 단결정 태양전지와 이에 필적하는 효율을 갖는 박막 태양전지의 상용화가 필요하기 때문에 새로운 기술개발에 의한 시장진입에는 다소 시간이 걸릴 수 있다. 따라서 무인항공기 개발업체와 공동으로 환경요구 특성에 대한 대응전략을 수립하고 고효율, 고내구성, 경량화, 시공 용이성 등의 특성 개선을 통한 고부가가치 사업을 추진하는 것이 필요하다.
➁ 기술적 차별화 전략: 무인항공기 태양전지는 대부분의 태양전지를 에너지원으로 하기 때문에 경량화, 고효율, 고내구성이 요구되며 단결정 실리콘계 태양전지를 뛰어넘는 기술적 완성도가 높은 양산형 비실리콘계 태양전지의 연구개발이 필요하다. 특히 극한 환경에 대한 내구성(극한 온도차, 낮은 대기압)이 확보된다면 가격 경쟁력을 바탕으로 시장 진입을 시도할 수 있을 것이다. 다만 항공우주 분야의 기술적 보수성이 시장 진입의 저해 요인이 될 수 있으므로 기술개발 단계부터 무인항공기 설계 및 상용화를 위한 제조업체 간 협업 체계를 이루는 것이 필요하다.
➂ 환경 이슈 대응 전략: 주요 전력원이 태양광이기 때문에 인공위성 운영에 비해 친환경 요소를 확보하고 있는 점은 사회적 요구에 부응하는 강점이 될 수 있다. 다만 일부 박막형 태양전지의 경우 소재 독성 및 누출 가능성 등이 존재함으로써 제조공정에서의 패키징 완성도 및 인체 유해성 요인을 해결하기 위한 양산형 공정기술 확보도 중요하다고 볼 수 있다.
➃ 공동 R&D 전략: 무인항공기 태양전지의 중요 이슈 중 하나는 경량화다. 무인항공기에 적용되는 태양전지와 이차전지는 무인항공기의 구조 및 설계에 맞춤형으로 제공되어야 하므로 기술개발은 단독이 아닌 공동으로 진행하는 것이 바람직하다. 무인항공기 시장이 시장 형성 단계에 있는 점을 감안하면 요구되는 기술 사양 및 부품의 융합에 따른 모듈화 가능 여부 등을 지속적으로 검토해 완성도 높은 무인항공기 제작이 무인항공기 태양전지 사업을 추진할 때 가장 중요한 요소라 할 수 있다.□저자 : 데이터분석본부 충청지원책임연구원 이종구 / 문의 : [email protected] □ ASTIMARKETINSIGHT 2021-025 보고서 원문 보기
