일반적으로 “플라잉 택시”로 알려진 eVTOL(전기 수직이착륙기)의 상업적 도입에 있어 핵심적인 세 가지 성공 요인은 기술 발전을 통해 해결될 수 있다. 현재와 미래의 경계는 이제 전환의 시대 속에 놓여 있다.
최근 몇 년간 운송 산업에서는 도심 간 및 도심 내 이동 수단으로 플라잉 택시, 즉 eVTOL 기체 개발에 대한 관심과 투자가 크게 증가해왔다. 현재 전 세계적으로 스타트업부터 대기업에 이르기까지 250개가 넘는 관련 프로젝트가 진행되고 있다. 이러한 프로젝트 대부분이 공통적으로 직면한 핵심 과제 중 하나는 eVTOL의 성공적인 상용화를 위해 적절한 소재를 최적의 조합으로 구현하는 것이다.
과제 1: 성능과 경량화 사이의 상충 관계
성능과 전체 중량 사이의 균형을 맞추는 것은 eVTOL 기체의 핵심 과제 중 하나이다. 예를 들어, 현재 eVTOL은 동력원으로 배터리 기술에 의존하고 있지만, 이 전력 장치는 기체 한 대당 최대 500kg에 이를 수 있다. 완전 전기 추진 방식은 출력과 주행거리 측면에서 고유한 과제를 안고 있다. 기체가 무거워질수록 더 많은 전력이 소비되기 때문에, 안정적인 배터리 성능과 함께 경량화는 매우 중요한 요소로 꼽힌다.
출력 대비 중량 비율을 극대화하는 것은 항공우주 산업에서 새로운 개념이 아니다. 경량화는 1900년대 초 인류가 처음 비행을 시작한 이후 항공 산업에서 꾸준히 중요한 과제로 여겨져 왔다. 또한, Victrex는 25년 이상 항공우주 산업에서 PEEK 및 PAEK 기반 솔루션을 통해 경량화 문제를 해결해왔다. 주로 금속 대체 소재로 사용되는 VICTREX™ PEEK 및 PAEK 기반 고분자 솔루션은 금속 대비 최대 40% 가볍고, 비강도는 최대 5배까지 높다. 높은 강도와 낮은 중량의 이러한 조합 덕분에, 현재 운항 중인 2만 대 이상의 상업용 여객기에는 어떤 형태로든 이러한 고성능 폴리머가 적용되고 있다. 그만한 이유가 있는 셈이다. 이 소재로 생산된 부품은 우수한 기계적 특성, 고온 성능, 내식성, 열 및 음향 차단 성능 등의 특징을 제공한다. 또한 금속 대비 경량화에도 기여한다.
과제 2: 엔진 소음 저감
플라잉 택시가 대중적인 교통수단으로 자리 잡기 위해서는 쾌적한 객실 환경이 필수적이다. 여기서 중요한 요소 중 하나가 바로 엔진 소음이다. 승객들은 충분히 조용한 비행 경험을 원할 것이다. 이러한 과제를 해결하기 위해서는 다른 산업에서 얻은 중요한 교훈을 적용할 필요가 있다. 대표적인 사례가 자동차 산업이다. 엔진 다운사이징 또는 최적화 추세로 인해 엔진 소음이 더욱 커지고 있으며, 자동차 업계는 현재 이러한 NVH(소음·진동·불쾌감) 문제 해결에 집중하고 있다.
Victrex는 PEEK 폴리머 기어가 엔진 적용 분야에서 떨림과 소음 문제를 최대 50%(3dB)까지 감소시킨다는 점을 입증했다. 또한 주철 기어와 비교했을 때, VICTREX HPG™ 기어를 사용할 경우 중량과 관성 모멘트 역시 각각 최대 68%, 78%까지 크게 감소한다. 금속 사용 대비 추가적인 장점으로는 훨씬 높은 비강도(단위 중량당 강도)와 우수한 내식성이 있다.
하지만 금속 기어를 PEEK 기어로 대체하기 위해서는 기어 설계에 대한 전문적인 기술력이 필요하다. 주요 자동차 제조업체를 포함한 여러 글로벌 기업들은 단순히 기어 자체만이 아니라 전체 시스템을 고려하는 당사의 접근 방식을 이미 활용하고 있다. 그 결과, 최초의 VICTREX HPG 기어가 현재 실제 차량에 적용되고 있으며, 머지않아 혼잡한 도심 상공까지 활용 범위를 넓힐 가능성도 있다.
쾌적한 탑승 경험과 관련해 덧붙이자면, 현재 운항 중인 상업용 여객기에는 승객 공간의 단열과 향상된 탑승 경험 제공을 위해 PEEK 기반 APTIV™ 필름으로 제작된 열-음향 차단 단열재(TAB, Thermal-Acoustic-Blanket insulation) 및 연소 관통 방지 장벽(burn-through barriers)이 사용되고 있다.
과제 3: 생산 비용 및 생산 속도 최적화
eVTOL 기체의 구조 부품에는 경량 복합소재 솔루션이 적용되는 방안이 검토되고 있다. 고분자 매트릭스 측면에서는 열경화성 수지와 열가소성 수지, 두 가지 선택지가 있다.
열경화성 수지는 비교적 긴 생산 시간이 필요하며, 온도가 제어되는 저온 환경에서 보관해야 하고, 보관 가능 기간도 제한적이다.
반면, 고성능 PEEK 및 PAEK 폴리머 기반의 열가소성 복합소재 제품은 열경화성 소재와 유사한 수준의 경량성을 제공하면서도 추가적인 장점을 갖고 있다. 이들은 다음과 같은 특징을 제공한다:
- 더 빠른 생산이 가능
- 제조에 필요한 인프라가 더 적음
- 재활용이 가능
- 용제를 사용하지 않음
- 더 긴 수명
이러한 잠재적인 장점들은 공급망 전반에 걸쳐 주목받기 시작하고 있다. 최근 에어택시 개발업체 Jaunt Air Mobility는 자사의 eVTOL 프로그램을 위해 열가소성 복합소재 기반 부품을 개발하고자 Triumph Group과의 파트너십을 발표했다.
성능과 효율성의 결합 – 최고의 조합!
열가소성 복합소재는 뛰어난 소재 성능과 제조 효율성을 동시에 제공하며, 특히 VICTREX AE™ 250의 경우 eVTOL 산업이 비용과 생산 물량 요구사항 사이의 균형을 맞추는 데 도움을 줄 수 있다. VICTREX AE 250은 단방향 테이프(UDT, Unidirectional Tape) 형태로 제공되는 열가소성 복합소재이다. 이 소재는 다른 열가소성 복합소재와 비교해 더 낮은 용융 온도를 가진다는 점에서 차별화된다. 용융점은 PEEK의 343°C 대비 303°C이지만, 유리전이온도는 143°C 대비 147°C이며, 결정화도 역시 일반적으로 25~30% 수준으로 PEEK와 유사하다.
UDT의 대표적인 가공 방식 중 하나는 AFP(Automated Fibre Placement) 드롭오프 공법이다. 이는 자동화 공정을 통해 UDT 층을 적층 및 배열하여 복합소재 부품을 제작하는 방식으로, 복잡하고 시간이 많이 소요되는 수작업 공정을 줄일 수 있다. 최근 Victrex는 Coriolis와의 공동 연구 결과를 발표했으며, 이를 통해 분당 60m의 적층 속도가 가능하다는 점을 입증했다. 이는 기존 열가소성 기술 대비 2~6배 빠른 수준이며, 열경화성 소재의 생산 속도에 근접하는 성과이다.
더 낮은 적층 및 금형 온도를 적용할 수 있다는 점에서도 추가적인 장점이 나타난다. 또한 공동 연구 결과에 따르면, 기존 열가소성 기반 UD 테이프의 OoA(Out of Autoclave, 비오토클레이브) 압착 공정 대비 오븐 압착 사이클 시간이 20% 더 짧은 것으로 확인됐다. 결정화도와 기공률 역시 항공우주 산업 기준을 충족한다. 전반적으로 이러한 특성은 압착 방식(OoA 또는 in-situ 방식)에 따라 제조 비용을 약 5%에서 최대 23%까지 절감하는 효과로 이어진다.
플라잉 택시는 탄소 “발자국(Carbon Footprint)”줄일 수 있을까?
eVTOL 산업에서 특히 열가소성 기반 복합소재는 열경화성 소재를 대체할 수 있는 강력한 제조 솔루션으로 주목받고 있다. 그러나 가까운 미래에 플라잉 택시가 상업적으로 도입되기 위해서는 공급망이 비교적 낮은 비용으로 연간 수천 대 규모의 기체를 생산할 준비가 되어 있어야 한다. 이를 해결하기 위해 Victrex는 열가소성 복합소재 제조업체인 TxV Aero Composites를 설립했으며, 이 회사의 설계 및 생산 시설은 AS9100 인증을 획득했다. 미국 Bristol에 위치한 이 회사는 VICTREX AE 250 적층재와 인서트를 제공해 부품 제조업체들이 복합소재 또는 하이브리드 사출 부품을 생산할 수 있도록 지원하며, 직접 해당 부품 생산도 수행하고 있다. 현재 TxV는 공급망의 공백을 메우며 새로운 항공기 생산 속도를 높일 수 있는 혁신적인 복합소재 부품 제조를 지원하고 있다.
플라잉 택시가 헬리콥터보다 더 저렴하고, 더 빠르게 제작되며, 더 쉽게 운용되는 시대가 올 가능성도 충분하다. 이동 시간 단축과 함께 새로운 기술 및 경량 소재 솔루션에 대한 연구는 탄소 발자국 감소에도 기여할 수 있다. 예를 들어 교통 체증이 심한 도시에서는 단순히 A 지점에서 B 지점으로 이동하는 데도 오랜 시간이 걸리며, 그 과정에서 많은 양의 CO2가 배출된다.
일반적으로 “플라잉 택시”로 알려진 eVTOL(전기 수직이착륙기)의 상업적 도입에 있어 핵심적인 세 가지 성공 요인은 기술 발전을 통해 해결될 수 있다. 현재와 미래의 경계는 이제 전환의 시대 속에 놓여 있다.
최근 몇 년간 운송 산업에서는 도심 간 및 도심 내 이동 수단으로 플라잉 택시, 즉 eVTOL 기체 개발에 대한 관심과 투자가 크게 증가해왔다. 현재 전 세계적으로 스타트업부터 대기업에 이르기까지 250개가 넘는 관련 프로젝트가 진행되고 있다. 이러한 프로젝트 대부분이 공통적으로 직면한 핵심 과제 중 하나는 eVTOL의 성공적인 상용화를 위해 적절한 소재를 최적의 조합으로 구현하는 것이다.
과제 1: 성능과 경량화 사이의 상충 관계
성능과 전체 중량 사이의 균형을 맞추는 것은 eVTOL 기체의 핵심 과제 중 하나이다. 예를 들어, 현재 eVTOL은 동력원으로 배터리 기술에 의존하고 있지만, 이 전력 장치는 기체 한 대당 최대 500kg에 이를 수 있다. 완전 전기 추진 방식은 출력과 주행거리 측면에서 고유한 과제를 안고 있다. 기체가 무거워질수록 더 많은 전력이 소비되기 때문에, 안정적인 배터리 성능과 함께 경량화는 매우 중요한 요소로 꼽힌다.
출력 대비 중량 비율을 극대화하는 것은 항공우주 산업에서 새로운 개념이 아니다. 경량화는 1900년대 초 인류가 처음 비행을 시작한 이후 항공 산업에서 꾸준히 중요한 과제로 여겨져 왔다. 또한, Victrex는 25년 이상 항공우주 산업에서 PEEK 및 PAEK 기반 솔루션을 통해 경량화 문제를 해결해왔다. 주로 금속 대체 소재로 사용되는 VICTREX™ PEEK 및 PAEK 기반 고분자 솔루션은 금속 대비 최대 40% 가볍고, 비강도는 최대 5배까지 높다. 높은 강도와 낮은 중량의 이러한 조합 덕분에, 현재 운항 중인 2만 대 이상의 상업용 여객기에는 어떤 형태로든 이러한 고성능 폴리머가 적용되고 있다. 그만한 이유가 있는 셈이다. 이 소재로 생산된 부품은 우수한 기계적 특성, 고온 성능, 내식성, 열 및 음향 차단 성능 등의 특징을 제공한다. 또한 금속 대비 경량화에도 기여한다.
과제 2: 엔진 소음 저감
플라잉 택시가 대중적인 교통수단으로 자리 잡기 위해서는 쾌적한 객실 환경이 필수적이다. 여기서 중요한 요소 중 하나가 바로 엔진 소음이다. 승객들은 충분히 조용한 비행 경험을 원할 것이다. 이러한 과제를 해결하기 위해서는 다른 산업에서 얻은 중요한 교훈을 적용할 필요가 있다. 대표적인 사례가 자동차 산업이다. 엔진 다운사이징 또는 최적화 추세로 인해 엔진 소음이 더욱 커지고 있으며, 자동차 업계는 현재 이러한 NVH(소음·진동·불쾌감) 문제 해결에 집중하고 있다.
Victrex는 PEEK 폴리머 기어가 엔진 적용 분야에서 떨림과 소음 문제를 최대 50%(3dB)까지 감소시킨다는 점을 입증했다. 또한 주철 기어와 비교했을 때, VICTREX HPG™ 기어를 사용할 경우 중량과 관성 모멘트 역시 각각 최대 68%, 78%까지 크게 감소한다. 금속 사용 대비 추가적인 장점으로는 훨씬 높은 비강도(단위 중량당 강도)와 우수한 내식성이 있다.
하지만 금속 기어를 PEEK 기어로 대체하기 위해서는 기어 설계에 대한 전문적인 기술력이 필요하다. 주요 자동차 제조업체를 포함한 여러 글로벌 기업들은 단순히 기어 자체만이 아니라 전체 시스템을 고려하는 당사의 접근 방식을 이미 활용하고 있다. 그 결과, 최초의 VICTREX HPG 기어가 현재 실제 차량에 적용되고 있으며, 머지않아 혼잡한 도심 상공까지 활용 범위를 넓힐 가능성도 있다.
쾌적한 탑승 경험과 관련해 덧붙이자면, 현재 운항 중인 상업용 여객기에는 승객 공간의 단열과 향상된 탑승 경험 제공을 위해 PEEK 기반 APTIV™ 필름으로 제작된 열-음향 차단 단열재(TAB, Thermal-Acoustic-Blanket insulation) 및 연소 관통 방지 장벽(burn-through barriers)이 사용되고 있다.
과제 3: 생산 비용 및 생산 속도 최적화
eVTOL 기체의 구조 부품에는 경량 복합소재 솔루션이 적용되는 방안이 검토되고 있다. 고분자 매트릭스 측면에서는 열경화성 수지와 열가소성 수지, 두 가지 선택지가 있다.
열경화성 수지는 비교적 긴 생산 시간이 필요하며, 온도가 제어되는 저온 환경에서 보관해야 하고, 보관 가능 기간도 제한적이다.
반면, 고성능 PEEK 및 PAEK 폴리머 기반의 열가소성 복합소재 제품은 열경화성 소재와 유사한 수준의 경량성을 제공하면서도 추가적인 장점을 갖고 있다. 이들은 다음과 같은 특징을 제공한다:
이러한 잠재적인 장점들은 공급망 전반에 걸쳐 주목받기 시작하고 있다. 최근 에어택시 개발업체 Jaunt Air Mobility는 자사의 eVTOL 프로그램을 위해 열가소성 복합소재 기반 부품을 개발하고자 Triumph Group과의 파트너십을 발표했다.
성능과 효율성의 결합 – 최고의 조합!
열가소성 복합소재는 뛰어난 소재 성능과 제조 효율성을 동시에 제공하며, 특히 VICTREX AE™ 250의 경우 eVTOL 산업이 비용과 생산 물량 요구사항 사이의 균형을 맞추는 데 도움을 줄 수 있다. VICTREX AE 250은 단방향 테이프(UDT, Unidirectional Tape) 형태로 제공되는 열가소성 복합소재이다. 이 소재는 다른 열가소성 복합소재와 비교해 더 낮은 용융 온도를 가진다는 점에서 차별화된다. 용융점은 PEEK의 343°C 대비 303°C이지만, 유리전이온도는 143°C 대비 147°C이며, 결정화도 역시 일반적으로 25~30% 수준으로 PEEK와 유사하다.
UDT의 대표적인 가공 방식 중 하나는 AFP(Automated Fibre Placement) 드롭오프 공법이다. 이는 자동화 공정을 통해 UDT 층을 적층 및 배열하여 복합소재 부품을 제작하는 방식으로, 복잡하고 시간이 많이 소요되는 수작업 공정을 줄일 수 있다. 최근 Victrex는 Coriolis와의 공동 연구 결과를 발표했으며, 이를 통해 분당 60m의 적층 속도가 가능하다는 점을 입증했다. 이는 기존 열가소성 기술 대비 2~6배 빠른 수준이며, 열경화성 소재의 생산 속도에 근접하는 성과이다.
더 낮은 적층 및 금형 온도를 적용할 수 있다는 점에서도 추가적인 장점이 나타난다. 또한 공동 연구 결과에 따르면, 기존 열가소성 기반 UD 테이프의 OoA(Out of Autoclave, 비오토클레이브) 압착 공정 대비 오븐 압착 사이클 시간이 20% 더 짧은 것으로 확인됐다. 결정화도와 기공률 역시 항공우주 산업 기준을 충족한다. 전반적으로 이러한 특성은 압착 방식(OoA 또는 in-situ 방식)에 따라 제조 비용을 약 5%에서 최대 23%까지 절감하는 효과로 이어진다.
플라잉 택시는 탄소 “발자국(Carbon Footprint)”줄일 수 있을까?
eVTOL 산업에서 특히 열가소성 기반 복합소재는 열경화성 소재를 대체할 수 있는 강력한 제조 솔루션으로 주목받고 있다. 그러나 가까운 미래에 플라잉 택시가 상업적으로 도입되기 위해서는 공급망이 비교적 낮은 비용으로 연간 수천 대 규모의 기체를 생산할 준비가 되어 있어야 한다. 이를 해결하기 위해 Victrex는 열가소성 복합소재 제조업체인 TxV Aero Composites를 설립했으며, 이 회사의 설계 및 생산 시설은 AS9100 인증을 획득했다. 미국 Bristol에 위치한 이 회사는 VICTREX AE 250 적층재와 인서트를 제공해 부품 제조업체들이 복합소재 또는 하이브리드 사출 부품을 생산할 수 있도록 지원하며, 직접 해당 부품 생산도 수행하고 있다. 현재 TxV는 공급망의 공백을 메우며 새로운 항공기 생산 속도를 높일 수 있는 혁신적인 복합소재 부품 제조를 지원하고 있다.
플라잉 택시가 헬리콥터보다 더 저렴하고, 더 빠르게 제작되며, 더 쉽게 운용되는 시대가 올 가능성도 충분하다. 이동 시간 단축과 함께 새로운 기술 및 경량 소재 솔루션에 대한 연구는 탄소 발자국 감소에도 기여할 수 있다. 예를 들어 교통 체증이 심한 도시에서는 단순히 A 지점에서 B 지점으로 이동하는 데도 오랜 시간이 걸리며, 그 과정에서 많은 양의 CO2가 배출된다.