드론의 표준 프레임, 'CFRP' 이게 대체 뭘까?

청와대가 방문한 3D프린팅 기반 업체의 시연장면

 

 

최근 2020년부터 드론법이 등록되면서 더 많은 드론 개발이 이루어지고 있는데요. 드론에서 사용되는 핵심 하드웨어 부품이 있습니다. 바로 CFRP라는 탄소섬유인데, 이것에 대해 정리를 좀 해보려고 합니다.

 

 

우선 탄소섬유에 대해서 좀 알아볼까요?

 

 

 

 

탄소섬유란, Carbon Fiber라고 하며 탄소가 주성분으로 쓰이고 0.0005 ~ 0.010mm 굵기의 매우 가는 섬유를 수천에서 수만 가닥을 꼬아 만든 실이라고 보면 되고, 철에 비해 무게가 ¼ 수준인데 강도가 10배 이상입니다. 주로 사용되는 곳은 항공우주산업, 토목건축, 군사, 자동차 및 스포츠 분야 등이 있습니다.

 

드론이 개발될 때 가장 중요한 포인트를 두고 있는 것이 무엇일까요?

 

답은, 가장 경량화 시키면서도 내구성이 좋고, 튼튼하기 때문입니다.

(마이크로 드론 같은 초소형 드론에는 제외되고, 200~400mm 급의 레이싱 또는 산업용 드론에는 사용이 됩니다.)

 

 

 

 

CFRP란, Carbon Fiber Reinforced Polymer 또는 Plastic의 약어이며 탄소섬유 또는 탄소섬유로 만든 직무과 합성수지를 혼합한 복합재료라고도 합니다. CFRP는 사실 탄소섬유와는 다른 재료인데 대체적으로 카본, 카본파이버, 탄소섬유라 지칭하는 재료는 거의 CFRP로 불립니다.

 

 

CFRP의 장점은 금속보다 가볍고 탄성계수가 매우 뛰어납니다. 간단하게 표로 설명하겠습니다.

 

철	CFRP	알루미늄	플라스틱
7.8 g/cm³	1.5 ~ 1.6 g/cm³	2.7g/cm³	1.0g/cm³
섬유부피비 60% 선 기준 *섬유부피비: 섬유 강화 복합 재료의 전체 부피에서 섬유 부피의 백분율한 것

CFRP, 출처:ristecbiz

 

 

슈퍼카, 우주왕복선, 항공기에서만 사용되었다가 최근 드론에 사용되기 시작했고 현재 DJI를 제외한 많은 제작 드론의 프레임과 여러 부품들의 기반은 CFRP 또는 CFRP+알루미늄을 가장 많이 사용합니다. DJI에서는 마그네슘합금을 사용하고 있습니다.

 

바디가 파손되면 A/S가 지난 제품은 자가 수리도 가능함

 

CFRP의 장점이 있다면 또 그만의 단점이 존재하는데요. CFRP의 단점은 압축강도나 충격강도의 경우 금속 재료에 비해 상대적으로 나쁘기 때문에 충격 등이 온전히 흡수됩니다. 그래서 CFRP+알루미늄 합성재료를 많이 사용하구요.

 

 

 

 

보통 CFRP가 탄성계수가 높아 잘 휘어지는 것으로 알고 있겠지만 사실은, 고탄성계수라는 것은 일명 공학적으로 얘기하면 높을수록 잘 휘어지지 않는다는 말이 됩니다. 예를 들어 휘어지지 않아야할 제품을 제작할 때 CFRP를 많이 사용합니다.

 

 

드론에 CFRP+알루미늄을 섞어 사용하는 이유를 대해서는 간단합니다. 드론에 만들어진 프레임이나 여러가지 부품들이 충격을 주게 될 경우가 언제일지 고민을 한번 해봅시다

 

"수직에서 추락"이 거의 대부분이겠죠.

 

 

CFRP는 수직에서 추락하여 그대로 충격을 받게 되면 섬유가 끊어져버려서 온전히 CFRP만으로는 사용하지 않고 수직으로 추락하더라도 충격에 의해 휘어질 수 있게 CFRP + 알루미늄을 사용하거나 모듈러스를 조절해서 유연성을 가질 수 있도록 제작합니다.

 

 

 ※ 모듈러스란, 영어로는 Modulus of elasticity로 불리며 고체 역학에서 재료 강성도를 나타내는 값을 뜻함

 

 

 

 

 

최근에 탄소섬유 제품이 친환경적이지 못하다는 이유 때문에 산업 자체를 퇴출하려고 하는데요. 탄소섬유라는 재료에서 나오는 합성된 먼지가 인간의 폐에 굉장히 치명적이기 때문입니다. CFRP제조를 하는 작업자들은 공장 내에서 대부분 마스크를 끼고 작업을 합니다. 그만큼 치명적이라는 것이죠. 

 

 

그러나 한국에서는 전라북도에서 적극적으로 탄소섬유 사업을 주도하고 있으며, 2016년에 [탄소소재 융복합 기술개발 및 기반 조성 지원에 관한 법률(탄소소재법)>이 제정되어 국내 탄소섬유 사업 기반이 마련되었습니다. 실제로 전라 지역에서 드론과 관련된 프레임 제작이 많이 이루어지고 있습니다. 현재 전북은 탄소 산업, 경북은 탄소 소재를 중심으로 추진중이라고 합니다.

 

 

조금 의아한건, 해외에서는 이 제품이 퇴출 분위기인데, 아시아(중국,한국,일본)에서는 제품을 권장하는 분위기..

어찌되었든 2020년까지는 연평균 19% 이상 급성장 할 것으로 예상되고 있습니다.

 

CFRP에 대해 가장 유명한 업체는 일본의 도레이입니다.

 

https://www.toray.com/

 

 

드론은 현재 CFRP 또는 CFRP + 알루미늄, 리튬폴리머배터리, 리튬하이볼티지배터리 등으로 이루어져 제작되는데요. 아마 2020년 이후로 다른 방식의 제작품이 나올 것으로 보고 있습니다. 드론에 꼭 CFRP를 쓰라는 법은 없으니까요. 한국에서는 누가 먼저 선도하게 될지 궁금해집니다. 선도 업체가 있다면 꼭 연락을 주시면 좋겠네요.

 

 

그림, 글/JDR

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