Drone's DIYer

배터리의 용량은 '1시간에 사용할 수 있는 전류량'을 말하며 'mAh'라는 단위를 사용합니다. 예를 들어, 배터리가 2000mAh라고 하면, 2000mA의 전류를 사용할 때 1시간(런타임) 동안 사용할 수 있다는 의미입니다. 그러나 소모전류량에 따라 달라질 수 있으므로 200mA로 사용한다면 10시간 동안(2000mAh/200mA = 10h) 사용할 수도 있습니다.

보통 RC에서 소모전류는 20A 이상 되기 때문에 20A의 경우에는 2000mAh/20000mA = 0.1h = 6분 정도에 모두 사용하게 됩니다. 일반 배터리의 경우 부하가 높은 전류를 끌어 당기게 되면 전압이 강하되어 충분한 전류를 보내주질 못하는데 이러한 능력의 척도를 방전율이라 부르고 안전하게 방전할 수 있는 전류의 최대값을 나타내는 비율이 됩니다.

방전율(C-rate)은 보통 몇 C로 표기하며 'C'는 Capacity(용량)의 약자입니다. 그래서 1C면 자신이 가진 용량(Capacity)의 1배를 내줄 수 있다는 뜻이며, 10C라 하면 자신의 용량의 10배를 내줄 수 있다는 의미가 됩니다. 게다가 이러한 C의 개념은 용량을 뜻하기 때문에 방전에만 사용하는 것이 아니라, 충전 시에도 '몇C 충전'이라고 표현합니다. 보통은 1C이며 시중에 현재 3C까지 출시됩니다. 예를 들어, 1C 충전이라 함은 배터리가 가지고 있는 용량(mAh)만큼의 전류량(mA)으로 충전시킨다는 뜻입니다. 2000mAh인 경우, 충전 전류를 1000mA로 설정하면, 배터리의 용량의 0.5배가 되므로 0.5C충전이 되고 2000mA로 충전하면 1C충전이 된다고 합니다.

다음 그림은 리튬폴리머(LiPo) 충전율에 따른 배터리 수명을 나타냅니다. 따라서 충전은 가능하지만 1C를 초과한 충전은 권장되지 않습니다.

요약하면 예를 들어, 리튬폴리머 3.7V 2000mAh(15C)라 하면, 배터리의 용량은 2000mAh이고, 방전율은 15C가 됩니다. 즉, 소모전류가 2000mA(2A)라면 1시간 동안 사용할 수 있고, 자신의 용량의 15배인 30A(15 x Capacity = 30,000mA)까지 소모전류를 사용할 수 있다는 뜻입니다. 물론 사용시간은 2000mAh/30,000mA = 0.0666시간 = 3.9분 이내가 됩니다.

리튬폴리머(혹은 리포) 배터리는 여러개의 셀(Cell)을 모아서 사용하는데 1셀은 한 장의 판을 사용한 것이고 2셀은 두 장의 판을 직렬로 연결한 것을 의미합니다. 1셀이 3.7V의 전압을 가지므로 셀이 추가될수록 출력전압은 3.7V의 배수가 됩니다. 방전률의 한계를 초과하는 부하의 연결은 배부름(스웰링)이 발생할 수도 있습니다. 예를 들어, '4S2P'와 같은 표현을 병기하도 하는데 이는 셀을 S는 직렬, P는 병렬로 연결했다는 의미입니다.

※ 리튬폴리머 배터리의 배부름(스웰링) 현상 - 셀, 즉 3.7V짜리 판을 직렬 연결하여 사용하는데, 밀폐된 공간에서 고체에 기체가 발생해 용적이 늘어나면서 커지는 현상으로 각각의 판이 부풀어 올라 배터리의 배가 부르는 현상입니다. 이는 아래의 경우에 발생하게 됩니다:

• 과충전 - 4.2V까지 만충된 후에도 추가로 충전

• 과방전 - 순간적으로 너무 빨리 그리고 많이 소모할 경우 혹은 큰 부하에 비해 방전율이 낮은 배터리 사용 시

• 고열 - 70도 이상 되는 열이 발생되어 각 셀에 무리를 줄 경우

• 충격 및 내부 파손

• 완충한 상태로 장기간 보관 시

리튬폴리머 배터리는 젤타입이라 폭발의 위험성은 없는 반면에 내부 전해질이 액체타입인 수소나 이온 배터리의 경우 폭발의 위험성이 존재합니다. 다만 리튬폴리머 배터리의 경우 연소가 발생해 불이 날 수도 있습니다. 또한 리튬폴리머 배터리의 경우 산소(혹은 물에도 반응)와 만나게 되면 순간적으로 연소가 되어 불꽃이 발생하거나 외부에 덮고 있는 피박이 크게 파손되어 큰 화재가 발생할 수도 있습니다. 그러므로 배터리가 부풀어 올랐을 때 바늘이나 칼로 외부 피막을 뚫어 가스를 빼는 것은 매우 위험합니다.

리튬 계열은 충전 시 열이 발생하지는 않지만 과전압으로 충전 시 내부 전해질이 급격하게 이온화 되면서 부산물(가스)이 생기게 됩니다. 따라서 리튬철(Li-Fe) 배터리만 제외하고 모두 1C의 충전을 하는 것이 권장됩니다. 충전 방법은 배터리가 3.7V 600mAh라면 전압은 4.2V에 충전 전류는 0.6A를 넣어주는 것입니다. 리튬폴리머 배터리는 메모리 효과가 없기 때문에 다른 배터리(예를 들어, Ni-Cd(니카드))와 달리 방전할 필요가 없으며 니켈전지류처럼 완충 완방전을 해줄 필요가 없습니다.

※ 메모리 효과 - 니켈카드늄(Ni-Cd) 배터리가 완전 방전하지 않고 충전할 시에 전체 배터리의 용량이 줄어드는 현상을 말합니다.

리튬전지는 니켈전지와 다르게 전압 수평화 현상을 일으키지 않는데, 수평화 현상이란 전압이 다른 전지들을 혼용하여 사용하면 전압이 모두 같아지는 현상을 말합니다. 따라서 니켈전지는 리튬과 다르게 밸런싱이라는 것이 필요 없습니다. 다만 니켈전지의 이러한 특성 때문에 전압이 낮은 전지와 같이 두면 낮은 쪽이 충전되는 현상이 일어나게 되어 열이 발생하게 되고, 만일 밀폐되고 온도가 높은 곳이라면 화재가 발생할 수도 있습니다. 반면 리튬은 이러한 현상이 없으므로 전압 차가 높은 셀들을 장시간 연결하게 되면 전압이 높은 한쪽 셀이 불안정한 상태가 됩니다. 즉 배터리가 배부름 현상이 생길 수 있으므로 방전으로 전압 평준화를 할 필요가 있습니다.

주의사항

1. 셀당 2.7V 이하로 떨어지면 과방전으로 못쓰게 됩니다.

2. 셀당 4.2V 이상 충전되면 과충전으로 못쓰게 됩니다. 만땅 충전하여 장기 보관시 배부름(스웰링) 현상이너 화재의 위험이 있습니다.

3. 셀간 전압 밸런스가 달라지면 배터리 수명(성능)이 감소합니다. 이를 막기 위해 밸런스 기능이 있는 충전기를 사용해야 합니다.

리튬폴리머 배터리는 반드시 직사광선 노출을 피하고(배터리가 급속도로 익음) 5-25도 사이에서 보관을 해야 하며, 30도가 넘는 온도에서 장시간 방치하면 내부 전해질이 활성화 되어 부풀어 오릅니다. 마찬가지로 추운 겨울철 영하의 날씨에 장기간 보관하면 전해질이 굳어 방전률이 급격하게 떨어져 배터리 수명이 줄고 안전사고도 일어날 수 있습니다. 그러므로 장기간 보관할 때는 신문지로 돌돌 말아서 필라멘트 테이프 등으로 감싸주는 것이 좋습니다. 리튬폴리머 배터리는 충전 시 열이 나는 게 아니라 방전 시 일어나므로 충전 중 열이 많이 난다면 대부분 내부 결정이 깨져서 연쇄 반응이 일어나고 있다는 것으로 파기해야 합니다.

보관할 때는 방전을 해준 후 3.8V까지 밸런싱 충전하는 것이 배터리를 가장 안전하게 보관하는 방법입니다. 자연방전 되더라도 1년정도는 3.7V를 유지하기 때문에 리튬폴리머 배터리의 평균 전압치를 맞춰 보관할 수 있게 됩니다. 3.7V는 흔히 사용하는 스토리지 모드(배터리의 50% 잔량), 즉 보관 모드입니다. 실제로 배터리 구입시 대부분 배터리는 3.7~3.8V로 충전되어 판매됩니다. 그 이유는 이 전압대에서는 환원, 산화 반응이 거의 일어나지 않기 때문입니다.

리튬폴리머 배터리가 충전이나 방전을 일으킬 경우 환원, 산화 반응으로 전해액 성분변화가 일어납니다. 이런 반응에 의해 점차 내부저항이 증가하고, 용량도 감소하게 됩니다. 아래 그림은 충방전 전압에 따른 화재 위험도(risk of fire)를 나타냅니다.

참고로 다음 그림은 충전 전압에 따른 배터리 수명을 나타낸 그림입니다. 비록 충전 전압이 0.1V 증가하지만 충방전이 거듭될수록 충전 용량이 급격하게 감소됨을 알 수 있습니다.

근래에 드론(Drone)이 레저 스포츠로 각광을 받으며 국내에서도 동호회가 봇물처럼 생겨나고 있습니다. 이런 이유로 야외나 주변 공원에서 드론을 날리를 모습을 심심치 않게 보게 됩니다. 특별히 드론으로 레이싱 경기를 하지 않는 이상 일반인도 구매에서부터 쉽게 비행할 수 있기 때문입니다.

예를 들어, 헬기를 비행하는 기존의 RC에서는 기체가 순간적으로 기울어지면 반대방향으로 싸이클릭을 주어 기체를 인위적으로 안정시키는데, 이는 거의 무의식적으로 이루어져야 추락을 면할 수 있으므로 비행을 즐기기 위해서는 마치 자전거를 배우는 것처럼(사실 이보다는 어렵습니다!)상당한 기간의 비행기술 습득 및 반복 연습이 요구되었습니다.

하지만 요즈음 드론은 기체의 수평을 잡아주는 장치나 각종 센서의 발달로 기체가 기울어지면 스스로 안정화시키고, 고도를 스스로 유지한다던가 아니면 비행지점을 설정해 놓으면 스스로 비행하는 자율 비행 기술이 발달함에 따라, 조종자는 이동하고자 하는 방향으로 조종간을 주기만 하면 되기 때문에 일반인도 쉽게 비행 가능하며, 전용 조종기 대신 스마트폰으로도 간단히 조종 가능하다는 것입니다.

뿐만아니라 드론의 대중화는 드론에 필요한 장치를 개발하고 판매하는 업체가 다양화되면서 장치들의 일정한 표준화가 이루어져, 완전히 조립된 기체에 싫증이 난 매니아층이나 성능 개선, 비용을 줄이기 위해서 드론 자작을 시도하는 사람들도 증가하는 추세라는 것입니다. 이러한 DIY(Do It Yourself)를 지향하는 사람들은 비행만큼이나 드론의 조립에도 특별한 경험과 즐거움을 갖게 된다는 것입니다.

하지만 드론을 자작하기 위해서는 드론에 대해서 어느 정도 지식이 요구되며 이로 인해서 어린이용 장난감과도 구분이 된다는 것입니다. 드론 부품은 국내외 온라인 사이트나 오프라인 매장에서 쉽게 구할 수 있는데, 어떤 분은 3D 프린터를 이용해서 기체의 프레임을 직접 자작하기도 합니다. 기체의 프레임이란 기체에서 비행제어기나 추진용 모터, 수신기, 각종 센서들을 제외한 이를 탑재하는 기구적인 기체를 의미합니다.

드론은 날개 수에 따라 쿼드콥터나 옥토콥터 등으로 구분되는데, 날개를 축 혹은 암(Arm)이라고 합니다. 날개가 4개이면 쿼드콥터이고 8개이면 옥토콥터가 되며 날개 수가 많을 수록 기체는 안정화되고 양력이 커서 무거운 짐을 더 많이 매달고 비행할 수 있습니다. 하지만 날개 끝에 프로펠러(줄여서 프롭(prop.))를 회전시키는 모터도 같이 증가하므로 밧데리 소모량이 많고 이는 체공시간의 감소를 가져와 고용량 밧데리의 사용으로 비용이 증가한다는 것입니다. 프롭을 회전하는 것이라는 하여 '로터(rotor)'라고도 부릅니다.

트라이콥터(Tricopter)

그러므로 초보자는 4개의 날개를 가진 쿼드콥터를 선택하는 것이 바람직하며, 드론을 전후좌우로 움직이기는 방향타를 주고 스로틀을 조절할 수 있는 저렴한 4채널의 조종기면 충분하다는 것입니다. 드론에 카메라를 장착하여 기구적으로 비행 중에 움직이길 원한다면 데이터를 주고받을 추가적인 채널이 필요하게 되는데, 채널의 증가는 곧 조종기의 비용으로 이어진다는 것입니다. 여기서 스로틀(throttle)이란 드론이 지상에서 양력을 얻어 이륙하고 착륙할 수 있도록 수직방향의 '엑셀레이터'와 같은 것입니다.

통상 초보자가 입문단계에서 기체의 비용은 20만원 전후도 있으며 4채널 조종기를 포함하여 40~60만원 정도로 구입할 수 있습니다. 기체가 커지거나 장착한 카메라 등의 조종이 필요하다면 비용은 증가하게 됩니다. 보통 초보에게는 250급 쿼드콥터가 추천되는데 250급이란 양 암(축)의 길이로 기체의 수평방향 폭과 같으며 이 길이가 250mm라는 것입니다. 완제품 드론의 구입시 조종기를 제외한 가격을 예시하는 경우도 많아 반드시 알아보고 구입해야 합니다.

드론은 구성은 기체 프레임(frame)과 모터(motor), 변속기(Electronic Speed Controller; ESC), 수신기(Receiver; Rx), 비행제어기(Flight Controller; FC), 밧데리(battery) 등으로 구성되며 드론을 조종할 수 있는 조종기(Transceiver; Tx)가 필요하게 됩니다. 여기서 카메라를 장착한다만 카메라 등의 별도의 장치가 필요하게 되고, 위성 신호를 수신하는 경우에 비행제어기에 포함되지 않고 외장 모듈로서 구입하여 장착하는 경우가 많습니다. 

기체 프레임(frame)은 근래에 유리 섬유(fiberglass sheet; G10)나 탄소 섬유(carbon fiber)의 재질이 대부분인데 특히 후자는 가볍고 잦은 추락에도 강인함이 있기 때문입니다. 모터는 프롭을 회전시켜 추력을 발생시키는 중요한 동력원으로 브러시(brush)가 있는 DC 모터보다는 브러시가 없는 BLDC(Brushless DC) 모터를 사용하게 됩니다. 이는 브러시로 인하여 기구적인 내구성 문제도 있지만 고효율이라는 장점으로 고효율은 밧데리 수명과도 직결되기 때문입니다.

BLDC 모터는 우수한 특성을 갖지만 이를 제어하기 위해서는 까다로와 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어기를 구성하게 되며, 최근에서 BLDC의 부류이지만 유도 전동기와 개념이 동일한 PMSM 타입의 모터가 사용되는 추세입니다. 이는 BLDC 모터보다 정밀한 제어와 효율이 뛰어나지만 보다 고성능의 마이크로컨트롤러가 요구된다는 단점이 있습니다. 이러한 제어기는 전자적으로 속도를 제어한다고 하여 '전자 변속기'라 부르고 통상 ESC라 합니다. 따라서 쿼드콥터이면 각각 4개의 모터와 프롭 그리고 ESC가 필요하게 됩니다.

수신기와 송신기는 동일한 주파수를 사용하여 데이터를 주고 받는 장치로 기존의 주파수 변조 방식(FM)에서 크게 DSM(Digital Spectrum Modulation)과 FASST(Futaba Advanced Spread Spectrum Technology) 등의 디지털 방식으로 진화하였고, 수 GHz의 주파수 사용으로 대역폭이 늘어나 이제는 송신기에서 일방적으로 데이터를 보내기보다는 기체의 센서로부터 각종 데이터 받아 조종자에게 보여주는 양방향 방식으로 변천하였고, 높은 주파수의 사용은 안테나 길이의 감소를 가져와 송신기의 거추장스러운 긴 안테나의 모습은 이제 사라지게 되었습니다.

또한 밧데리는 근래에 리튬폴리머(Li-Po) 타입을 사용하는데, 최소 1개의 셀이 3.7V로 250급 쿼드콥터에서 3개정도의 셀을 사용하여 11.1V를 만들게 됩니다. 이 3개의 셀을 '3S'라 쉽게 표현하고 3개의 셀을 직렬 연결하여 사용함을 의미합니다. 스마트폰에도 사용하는 리튬폴리머 전지의 특징은 충전용량이 높고 4개의 모터를 강력하게 회전시킬 수 있는 우수한 방전능력을 가지지만 사용시에나 충전시에 조건을 만족시키지 못하면 폭발하는 성질이 있어 전용 충전기가 반드시 필요하게 됩니다. 이는 대부분 별도의 비용이고 대부분의 쿼드콥터에서 비용이 합리적인 선에서 체공시간은 20분 정도로 20분 후면 밧데리가 완전 방전되게 됩니다.

마지막으로 비행제어기는 드론의 두뇌역활을 하는 마이크로컨트롤러가 탑재된 중앙처리장치로 송신기에서 보낸 지령을 수신기로 받아 이를 해석하고, 축의 모터에 연결된 변속기를 제어하는가 하면 고도센서와 같은 각종 센서들의 정보를 이용하여 기체의 안정도를 꾀하고, 필요하다면 조종자에게 알리며 센서를 이용하여 고도를 유지하거나 인공위성 신호를 분석하여 자동비행 모드에서 정해진 절차에 따라 기체의 비행을 스스로 시행하기도 합니다.

드론의 자작은 다양한 전기전자적인 지식을 요구합니다. 어디까지 개인의 취향에 맞게 개선하느냐에 따라 단순한 납땜을 비롯해 메이커만을 변경하는 문제에서 비행제어기나 변속기 내의 펌웨어까지도 수정할 수 있습니다. 후자의 경우 상당한 지식과 노하우가 요구되며 전문가이더라도 상당한 시행착오가 있을 수도 습니다. 드론 비행 자체는 결코 장난감이 아니며 남에게 상해 이상의 피해를 가할 수 있슴을 직시하고 안전에 만전을 기하여야 할 것입니다.

최근에 드론으로 인한 사고와 주변 안전이 우려되어 관련법의 마련이나 개정이 대두되고 있습니다. 또한 서울지역의 약 80%가 드론 비행 제한 구역이기에 드론을 날릴 때에서 각별히 유의해야 할 것입니다. 드론을 직접 자작하여 비행하면 기쁨은 분명 배가 될 수 있습니다. 하지만 때로는 인고의 노력과 유연한 인내심이 요구될 수도 있습니다. 자작에 앞서서 동호회 등에서 주변 지식에 대한 두루 섭력이 반드시 요구될 것입니다.