SW가 HW를 이겼다…항공기술연구원, 엔진 과부하 잡아
1000억 R&D의 결실…UAM 팀 코리아, 기술 주권 ‘첫발’
▲대한항공이 지난해 9월 4일 특허청으로부터 등록 결정을 받은 '수송용 드론' 디자인. 자료=키프리스 캡처
대한항공이 미래 먹거리인 도심항공교통(UAM)의 핵심인 '하이브리드 엔진 시동 안정화' 기술 특허를 따냈다.
이는 UAM 상용화의 난제인 안전성을 하드웨어 추가 없이 소프트웨어 제어만으로 해결하는 혁신 기술로, 대한민국 UAM 국가 대표팀의 R&D 성과가 구체적인 산업 자산으로 결실을 본 첫 사례다. 이로써 대한항공이 글로벌 UAM 기체 시장에서 기술 주도권을 확보하기 위한 경쟁에 강력한 창과 방패를 모두 쥐게 됐다는 평가가 나온다.
15일 본지 취재 결과 대한항공이 2023년 11월 14일 출원한 '비행체용 하이브리드 엔진 시동 시스템 및 방법'에 대한 특허가 지난 2일 최종 등록된 것으로 확인됐다. 이로써 대한항공은 해당 기술에 대한 독점적이고 배타적인 권리를 공식적으로 확보하게 됐다.
이 기술은 대한항공 항공기술연구원 소속 이기웅·김우비·김대원·이현석 연구원이 고안한 것으로, UAM 상용화 초기인 2025~2029년의 현실적 대안으로 꼽히는 하이브리드 엔진의 신뢰성을 획기적으로 높여 K-UAM 상용화에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.
기존 하이브리드 엔진은 시동 시 근본적인 위험 요소를 안고 있었다. 시동 모터가 엔진을 강제로 회전시키는 동안에도 엔진 회전 신호가 점화 장치로 전달돼 스파크가 발생했기 때문이다. 이로 인해 시동 모터의 강제 회전력과 엔진 자체의 점화 폭발력이 충돌하는 '회전 중첩' 현상이 발생했다.
대한항공 항공기술연구원 관계자들은 “회전 중첩 현상은 의도치 않은 출력 급상승(서지, surge)을 유발할 수 있다"며 “심할 경우 시동 모터의 회전 방향과 반대되는 역방향 힘을 가해 시스템에 허용치를 넘어서는 전류가 폭증하는 등 심각한 과부하를 초래할 수 있다"고 지적했다.
연구진은 신호 흐름 중간에 '제어기(PMU, Phasor Measurement Unit)'를 둠으로써 이와 같은 문제를 해결했다. 엔진 회전 신호가 점화 모듈로 바로 가지 않고 반드시 제어기를 먼저 거치게 한 것이다.
▲대한항공 항공기술연구원이 제시한 비행체용 하이브리드 엔진 시동 시스템 체계도. 자료=대한항공 제공
작동 방식은 준비·차단→수행·확인→전달·점화 등 3단계로 이루어진다.
우선 시동 명령을 받으면 제어기는 시동 모터 구동 계획(시동 프로필)을 준비하고, 이 프로필이 실행되는 동안 엔진 회전 신호가 점화 모듈로 전달되지 않도록 의도적으로 차단한다. 시동 모터가 계획대로 엔진을 안정적으로 회전시키면 제어기는 프로필이 성공적으로 완료됐는지 확인한다. 시동 모터의 임무 완수가 확인된 후에야 제어기는 차단했던 신호의 문을 열어 점화 모듈로 신호를 전달하고 안전하게 시동 절차를 마무리한다.
이처럼 제어기는 이 신호를 잠시 붙잡아두고 가장 적절한 시점에만 점화 모듈로 전달하는 게이트 키퍼 역할을 수행한다.
이 작동 방식의 가장 큰 장점은 충격 흡수 장치 같은 별도의 하드웨어를 추가하지 않고 소프트웨어 로직 변경만으로 시동 안정성을 확보했다는 점이다. 이는 기체의 무게·비용·복잡성을 줄이는 가장 효율적이고 진보된 방식으로 높은 기술적 성숙도를 보여준다.
대한항공은 해당 특허 등록을 마침으로써 개발한 기술을 지식 재산권으로 자산화 해 미래 모빌리티 산업의 강자로 부상할 것이라는 평가가 나온다.
더욱 정교해진 특허 권리 범위
대한항공의 특허 등록 과정에서 권리 범위가 더욱 명확하고 견고하게 다듬어진 점도 주목할 만하다.
최초 출원 당시 특허는 시스템의 구성을 정의한 '청구항 1'과 시스템의 작동 방식을 단계별로 설명한 '청구항 2'로 분리돼 있었다. 종전에는 하드웨어적 구성과 소프트웨어적 방법을 별개의 항목으로 권리를 주장한 것이다.
이후 특허청 심사 과정을 거치며 심사관의 직권 보정을 통해 이 두 가지가 하나의 청구항으로 통합됐다. 최종 등록된 특허는 '시스템을 이루는 부품들과 작동법, 비행체용 하이브리드 엔진 시동 시스템'으로 권리 범위가 하나로 합쳐지고 명료해졌다.
이 같은 변경은 시스템과 방법이 유기적으로 결합된 하나의 발명으로 인정받음으로써 경쟁사가 일부만 교묘하게 회피해 특허를 침해하려는 시도를 더욱 효과적으로 방어할 수 있게 할 것으로 보인다.
K-UAM 국가 대표팀의 쾌거…글로벌 기술 전쟁 속 '창'과 '방패'를 얻다
이번 특허 등록은 개별 기업의 성과를 넘어 국토교통부가 추진하는 'K-UAM' 프로젝트의 가시적인 성과물이라는 점에서 의미가 깊다. 국토부는 2028년 상용화를 목표로 'UAM 팀 코리아'를 구성하고 '한국형 도심항공교통(K-UAM) 안전 운용 체계 핵심 기술 개발' 사업 등에 1000억원 이상을 투입하며 기술 국산화를 지원해왔다. 이번 특허는 이러한 국민적 투자가 어떻게 구체적인 기술 주권과 산업 자산으로 이어지는지를 명확히 보여주는 사례다.
조비 에비에이션(Joby Aviation)·아처(Archer) 등 글로벌 선도 기업들과의 기술 전쟁에서 대한민국이 독자적인 '무기'를 확보했다는 상징적인 의미도 갖는다. UAM 상용화는 기체 기술 외에도 5G 기반 통신·항법 체계·버티포트 운영 기술 등 수많은 기술 퍼즐이 맞춰져야 완성된다. 이 중 핵심이라 할 수 있는 동력 시스템의 안정성에 대한 원천 기술을 법적 보호 장치와 함께 확보했다는 점은 K-UAM 컨소시엄의 사업성을 높일 것으로 전망된다.
타 비행체로의 적용 가능성
▲대한항공 항공우주사업본부가 개발한 중고도 무인기(MUAV)와 리프트 앤드 크루즈 방식의 수직 이착륙 무인기(KUS-VS). 사진=박규빈 기자
대한항공 항공기술연구원이 개발한 이 기술은 항공우주사업본부의 중고도 무인기(MUAV)나 리프트 앤드 크루즈 방식의 수직 이착륙 무인기(KUS-VS) 등에도 적용될 가능성이 존재한다. 특정 기체 플랫폼에 종속된 기술이 아니라 태생적으로 회전 중첩과 이로 인한 전류 폭증 문제를 지닌 하이브리드 엔진 기반 동력 시스템 자체의 시동 안정성을 높이는 원천 기술이어서다.
아울러 대한항공은 이미 5kW급 하이브리드 엔진을 장착한 소형 드론 KUS-HD를 운용하고 있고, 산업통상자원부의 국가 R&D 사업 지원을 통해 9·15kW급 하이브리드 엔진 개발 과제에도 참여한 이력이 있다. 이는 대한항공이 UAM 외에도 다양한 군·민수용 무인기에 하이브리드 엔진 기술을 적극적으로 개발하고 적용하고 있음을 보여주는 대목이다.
실제 연구진은 “하이브리드 엔진을 항공 운송 수단인 비행기나 드론 등에 사용될 수 있다"고 명시해둬 UAM 외 다른 비행체에도 적용될 수 있음을 시사했다.
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