손에 들고 띄우는 작은 배터리 드론이 있고, 활주로에서 뜨는 큰 무인기도 있습니다. 앞의 것은 배터리를 바꿔 끼우며 쓰는 일이 흔하고, 뒤의 것은 연료를 싣고 20시간 넘게 날기도 합니다. 크기만 다른 것이 아닙니다. 프로펠러를 돌리는 힘을 어디서 얻느냐가 다릅니다.
이 글은 드론을 움직이는 동력을 갈래별로 나눠 봅니다. 배터리, 연료를 태우는 엔진, 둘을 섞은 하이브리드, 연료로 전기를 만드는 연료전지, 그리고 햇빛과 줄로 전기를 받는 방식입니다. 무게 1 kg에 에너지를 얼마나 담을 수 있느냐는 물음이 이 갈래들을 하나로 꿰는 실입니다.
프로펠러를 돌리는 힘은 어디서 오나
대부분의 드론, 곧 무인 항공 체계(unmanned aerial system, UAS)는 프로펠러로 납니다. 프로펠러가 많은 양의 공기를 조금 더 빠르게 밀어 추력(thrust)을 내고, 그 추력이 기체를 붙잡는 공기의 저항을 이깁니다. 1903년 라이트 형제의 비행기도 엔진의 크랭크축이 프로펠러 두 개를 돌려 그 일을 했습니다.
프로펠러를 돌리는 쪽은 크게 둘입니다. 전기로 도는 모터와 연료를 태우는 엔진입니다. 출발점은 둘 다 화학 에너지입니다. 휘발유와 산소의 혼합물은 엔진에서 기계 에너지로 바뀔 때까지 화학 에너지를 품고 있고, 배터리도 화학 위치 에너지의 형태로 에너지를 저장합니다.
갈래는 위 그림처럼 나뉩니다. 배터리는 모터로, 연료는 엔진으로 갑니다. 하이브리드는 둘을 잇고, 연료전지는 연료에서 곧바로 전기를 만들어 모터로 보냅니다.
배터리: 화학 에너지를 바로 전기로
배터리 안을 열면 단자 두 개가 있습니다. 양극(cathode)과 음극(anode)이고, 그 사이를 전해질이라는 화학 물질이 채웁니다. 모터를 이으면 전자는 바깥 회로를 따라 흐르고, 같은 순간 전하를 띤 이온은 전해질 속을 지나갑니다. 충전지에서는 이 두 흐름이 양쪽 방향으로 다 갈 수 있어서, 충전하면 거꾸로 돌아갑니다.
드론에 흔히 실리는 것은 리튬 이온 배터리입니다. 휴대 전자기기에 많이 쓰이는, 가장 널리 퍼진 충전지 가운데 하나입니다. 리튬 이온이 두 전극 사이를 오가며 전하가 흐르고, 보통 조건에서 셀 하나의 전압은 약 3.7 V입니다. 교과서는 이 배터리가 인기 있는 까닭으로 큰 전류를 낼 수 있다는 점, 같은 급의 다른 배터리보다 가볍다는 점, 방전하는 동안 전압이 거의 일정하다는 점, 보관할 때 천천히 닳는다는 점을 듭니다.
한계도 분명합니다. 충전과 방전은 완전히 되돌아가지 않습니다. 그 작은 어긋남이 쌓이면 배터리 재료의 화학과 구조가 바뀌고, 성능과 안전이 떨어질 수 있습니다. 금속 리튬을 음극으로 쓰면 배터리를 더 작고 가볍게 만들 수 있지만, 충전을 되풀이할 수 있는 횟수가 적고 안전 문제가 따릅니다.
군에서는 이 한계가 숫자로 나옵니다. 2020년 미 육군 연구소(ARL)의 사업 책임자는 수백, 수천 대의 무인기를 한꺼번에 띄우는 구상을 설명하며, 지금의 배터리 기술로는 한 대가 임무를 마치고 배터리가 떨어지기 전에 돌아오기까지 대략 26분밖에 없다고 말했습니다. 그래서 그 연구는 작은 배터리 드론이 무인 지상 차량으로 스스로 돌아가 충전하는 길을 찾습니다.
반대쪽 끝의 숫자도 있습니다. 2026년 미 육군 기사에 실린 한 시연에서는 배터리로 나는 Group 1 소형 무인기(small unmanned aircraft system, sUAS) 한 대가 8시간 41분 43초를 날아 세계 체공 기록을 깼습니다. 두 숫자는 다른 해, 다른 기체, 다른 목적에서 나온 것이라 같은 저울에 올릴 값은 아닙니다. 배터리 드론의 비행 시간이 기체와 조건에 따라 그만큼 넓게 퍼져 있다는 정도로 읽으면 됩니다.
엔진: 연료를 태워 축을 돌린다
연료 엔진의 기본은 네 박자입니다. NASA Glenn 연구소가 라이트 형제의 엔진으로 설명하는 순서를 따라가 보겠습니다. 먼저 피스톤이 물러나며 연료와 공기를 빨아들입니다(흡입). 다음에 피스톤이 밀고 들어가 그 혼합기를 눌러 줄입니다(압축).
압축이 끝나면 불꽃이 혼합기에 불을 붙입니다. 높은 압력의 가스가 피스톤을 밀어내고(폭발 또는 동력), 그 힘이 크랭크축으로 전해지며 피스톤의 직선 운동이 축의 회전으로 바뀝니다. 마지막으로 다 탄 가스를 내보내 다음 점화를 준비합니다(배기).
프로펠러는 효율이 좋고, 거의 어떤 엔진으로도 돌릴 수 있습니다. 경비행기 같은 일반 항공기는 이런 내연기관을 쓰고, 터보프롭은 가스터빈 핵심부로 프로펠러를 돌립니다. 큰 군용 무인기에도 둘 다 보입니다. NASA가 들여와 연구에 쓴 Ikhana(MQ-9 Predator B)는 장시간·중고도 비행용으로 설계된 기체로, 터보프롭 엔진을 달고 과학 관측 비행 가운데 일부를 20시간 넘게 날았습니다.
미 육군의 MQ-1C Gray Eagle은 중유 엔진(heavy fuel engine, HFE)을 씁니다. 육군은 그 까닭으로 더 나은 성능과 연비, 전장의 공통 연료, 더 긴 수명을 들었고, 이 엔진이 제트 연료나 디젤 연료를 쓴다고 설명합니다.
"공통 연료"에는 사연이 있습니다. 1980년대 후반 미 국방부는 전장에서 여러 연료를 관리하고 나르는 큰 군수 부담을 줄이려고, 등유 계열의 JP-8을 쓰자는 "Single Fuel Forward" 정책을 냈습니다. 2012년 육군 연구소는 지상 차량, 발전기, 작은 무인기까지 같은 연료로 움직이게 할 엔진을 연구하고 있었습니다. 드론의 동력은 기체 하나의 문제가 아니라 군 전체의 연료 보급과도 이어집니다.
무게당 에너지라는 벽
그렇다면 왜 큰 무인기는 배터리 대신 연료를 실을까요? 무게 1 kg에 담긴 에너지를 견주면 답의 큰 부분이 보입니다. 이 값을 비에너지라고 하고, 1 kg이 몇 와트시(Wh)를 담는지로 적습니다.
2024년 NASA 연구 보고서는 지금 가장 앞선 배터리를 팩 수준에서 약 250 Wh/kg으로 보고, 이것이 기존 항공 연료 Jet A보다 48배 낮다고 적었습니다. 동력 계통을 전기로 바꾸면 에너지 저장 장치가 무거워져 탑재량과 항속 능력이 줄어든다는 것이 이 연구의 출발점입니다.
다만 48배는 저장된 에너지끼리 견준 값입니다. 엔진은 연료가 품은 에너지를 다 일로 바꾸지 못합니다. 교과서는 같은 화학 반응을 쓸 때 보통의 엔진 효율을 약 20~25%, 연료전지를 약 50~75%로 듭니다. 프로펠러에 실제로 닿는 몫을 견주려면 이런 효율까지 함께 따져야 합니다.
무게는 드론 설계의 출발점이기도 합니다. 동력원이 무거워지면 센서나 짐을 실을 몫이 줄어듭니다. 무기 체계에서는 이것을 크기·무게·전력(size, weight and power, SWaP)이라는 말로 묶어 따집니다.
하이브리드와 연료전지
엔진과 배터리를 함께 쓰면 어떨까요? 하이브리드가 그 생각입니다. 미 에너지부는 하이브리드 전기차를 내연기관과, 배터리에 저장한 에너지로 도는 하나 이상의 전기 모터로 움직이는 차로 설명합니다. 이런 차의 배터리는 회생 제동과 엔진으로 충전됩니다.
잇는 방법은 두 가지입니다. 가장 흔한 설계인 병렬 하이브리드는 엔진과 모터를 기계적으로 바퀴에 이어, 둘 다 직접 바퀴를 돌립니다. 직렬 하이브리드는 바퀴를 전기 모터만 돌립니다. 모터가 힘을 보태면 더 작은 엔진을 쓸 수도 있습니다.
이 설명은 자동차를 두고 한 것이지만, 항공기에도 같은 생각을 대 볼 수 있습니다. NASA의 2024년 보고서는 C-130H 화물기에 병렬 하이브리드 전기 동력 계통을 붙인 경우를 모델로 연구했습니다. 2020년 육군 기사도 더 큰 드론을 위해 앞으로의 다연료 하이브리드 전기 추진 체계에 쓸 작은 연료 센서의 기초 과학을 연구한다고 적었습니다. 둘 다 연구 단계의 이야기입니다.
연료전지는 또 다른 길입니다. 수소 같은 연료의 화학 에너지로 효율 좋게 전기를 만듭니다. 연료와 산화제를 계속 넣어 주는 전지라서, 배터리처럼 움직이지만 닳거나 충전할 필요가 없고 연료가 들어오는 한 전기와 열을 만듭니다. 수소가 연료라면 나오는 것은 전기, 물, 열뿐입니다.
배터리를 물을 채운 병에, 연료전지를 물탱크에 이은 수도꼭지에 견줄 수 있습니다. 실제로는 다릅니다. 연료전지는 연료가 들어오는 동안만 전기를 만들기 때문에, 연료를 담아 가야 한다는 점에서 무게 문제를 벗어나지는 못합니다. 물속에서 공기 없이 버텨야 하는 잠수함이 이 문제를 어떻게 푸는지는 디젤전기·AIP·핵추진 잠수함에서 볼 수 있습니다.
햇빛과 줄로 받는 전기
연료도 배터리도 아닌 길도 있습니다. 하나는 햇빛입니다. NASA의 태양광 무인기 시제기 Helios는 날개 전체에 걸쳐 단 14개의 브러시리스 직류 전기 모터로 날았습니다. 1999년 첫 시험 비행은 리튬 배터리 팩으로 했고, 2000년에는 날개 윗면 전체에 태양전지를 6만 2천 개 넘게 붙였습니다.
해가 지면 어떻게 할까요? 밤새 날 만큼의 니카드·리튬 충전지는 너무 무거워 고도와 체공 목표를 맞출 수 없었습니다. 그래서 Helios 팀은 산소와 수소를 합쳐 전력, 열, 물을 만드는 양성자 교환막 연료전지로 돌아섰습니다. 무게당 에너지의 벽이 여기서도 설계를 갈랐습니다.
NASA 사고 조사 보고서에 따르면, 장시간 비행용 구성은 낮에는 태양전지로 모터와 장치를 돌리고 밤에는 상용 수소-공기 연료전지를 고쳐 쓰는 계획이었고, 배터리도 예비 전원으로 실었습니다. 이 기체는 2003년 6월 26일 하와이 카우아이섬의 미 해군 태평양 미사일 시험장에서 이륙했습니다. 그 비행에서 난기류를 만난 뒤 높은 동압에 바깥 날개 앞전 구조가 부서졌습니다.
다른 하나는 줄입니다. 2026년 미 육군은 유선 무인기(Te-UAS)를 평가했습니다. 내부 전원에 묶여 배터리를 바꿔 줘야 하는 보통 드론과 달리, 유선 무인기는 줄로 전력을 계속 받고 데이터도 주고받아 계속 떠 있을 수 있습니다. 이 평가는 육군이 이 기술을 정식 사업으로 삼을지 정하는 자료로 쓰입니다.
레이저와 맞닿는 점: 전기를 어디서 얻나
드론만 이 물음을 안고 있는 것은 아닙니다. 차량에 싣는 레이저 무기도 전기를 어디서 얼마나 얻느냐가 늘 따라붙습니다. 2022년 미 육군 기사에서 차량 탑재 레이저 시제품의 개발 관계자는, 차량의 열·전력 체계가 열을 흩어 버리고 배터리를 다시 채우며 레이저는 그 배터리에서 쏜다고 설명했습니다. 탱크에 배터리를 다시 채울 연료가 있으면 체계는 준비된 상태라고 덧붙였습니다.
연료로 배터리를 채우고, 배터리의 전기로 일을 하는 구조입니다. 앞에서 본 직렬 하이브리드 그림과 많이 닮았습니다. 레이저 쪽에는 물음이 하나 더 붙습니다. 넣은 전기 가운데 얼마가 빛이 되는지를 보는 전기-광 변환 효율(wall-plug efficiency)입니다.
다음에 읽을 글
- 전력과 효율: 전기가 빛이 되는 비율이 체계 크기를 정한다: 레이저 무기에서 발전기, 배터리, 연료가 왜 함께 나오는지 봅니다.
- 정찰·감시 무인기: 오래 떠 있는 드론이 중요한 이유: 오래 떠 있는 능력이 무엇과 이어지는지 봅니다.
- FPV 드론: 조종자가 드론의 눈으로 본다면: 작은 배터리 드론의 다른 얼굴을 봅니다.
- 무게와 탑재: 차량, 함정, 항공기에 싣는다는 것: 무게가 싣는 장비를 어떻게 제한하는지 봅니다.