세계 첫 상업용 시험비행 성공 / 전기에너지 활용 범위 더 넓혀 / 에너지 문제는 환경보전 직결 / 인류가 협력 새 동력원 찾아야

순수하게 전기에너지를 동력으로 하늘을 나는 세계 첫 상업용 전기항공기가 지난 10일 캐나다 밴쿠버에서 시험 비행에 성공했다. 전기항공기 엔진 개발업체인 미국의 매그닉스와 캐나다 수상항공기 전문 제작사 하버에어가 공동 제작한 ‘이플레인(e-plane)’은 약 15분 동안 하늘을 날아오르며 전기항공기 시대의 서막을 알렸다. 라이트 형제가 인류 최초의 동력 비행기 시험 비행에 성공했던 1903년 12월 17일 이후 116년 만이다. 지난달 17일에는 유럽 항공기 제작사 에어버스가 세계 최초 경주용 전기항공기를 공개하기도 했다. 전기에너지만으로 100% 추진력을 얻는 엔진을 개발하려면 강력한 배터리가 필요하다. 현재는 두 항공기 모두 리튬이온배터리를 장착하고 있다.

원병묵 성균관대 교수 신소재공학

기존의 동력원을 화석연료에서 전기에너지로 바꾸는 이른바 ‘전기화’ 과정이 전 세계 기술혁신을 이끌고 있다. 전기에너지는 화석연료를 전혀 사용하지 않아 가장 친환경적인 동력원으로서, 4차 산업혁명의 주역인 사물인터넷(IoT), 휴대전화, 로봇, 드론, 자동차, 항공기 등 거의 모든 모바일 제품의 핵심 동력원으로 주목받고 있다. 유럽연합(EU)은 2050년까지 항공기 부문에서 이산화탄소 배출을 75%, 산화질소 배출을 90%, 소음을 65% 줄일 계획이다. 이것은 기존 항공기 제작기술로 달성할 수 없는 목표로서 전기항공기가 유일한 해법이 될 것으로 전망된다.

리튬이온배터리는 양극, 음극, 전해액, 분리막의 네 가지 핵심 요소로 구성되며, 리튬의 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 배터리이다. 양극은 리튬이온의 근원으로 배터리 용량과 성능을 결정하며, 음극은 양극에서 전달된 리튬이온을 저장하고 방출하면서 전류를 발생시킨다. 전해액은 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매질이며, 분리막은 양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할을 한다. 양극과 음극은 배터리 성능을 결정하고, 전해질과 분리막은 배터리 안전성을 결정한다. 배터리 성능과 안전성의 개선을 위해 배터리 물질과 구조 설계의 최적화가 동시에 필요하다.

리튬이온배터리같이 충전과 방전이 반복 가능한 2차 전지는 저장된 에너지를 사용한 후에 무게가 줄지 않는 단점이 있다. 강력한 동력원이 필요한 경우 배터리의 무게도 상당한데 장시간 사용할 동안 배터리 무게가 부담이 될 수 있다. 경비행기나 단거리 비행은 현재의 리튬이온배터리로 가능하지만 기존 항공기처럼 수많은 승객과 무거운 화물을 운반하며 한국과 미국을 오가는 중대형 항공기에는 여전히 부적합하다. 미국의 대표적 항공기 제작사 보잉은 2020년까지 승객 15~20명을 태우고 1100km를 날 수 있는 하이브리드 항공기를 개발하고 있다.

한편, 배터리 사용량이 급격히 늘면서 전 세계가 배터리 원료 생산량에 주목하고 있다. 희귀금속인 코발트, 리튬, 망간, 니켈 등 배터리에 사용되는 금속 가격이 급등하고 있다. 특히, 배터리의 대표 원재료인 리튬은 생산량 자체가 부족하기보다는 생산 속도가 수요를 따라가지 못하고 있다. 리튬은 바닷물을 증발시켜 채굴하는데 걸리는 시간이 24개월 이상 필요해 전 세계 수요를 따라잡지 못한다. 리튬이온배터리를 대체할 새로운 물질 탐색이 필요한 이유이다.

자연은 인간의 삶에 필수적인 동력을 제공해 왔지만, 인류가 소비하는 정보량과 운동량에 비례해 에너지의 소비도 급증하고 있다. 인류는 지금까지 지구의 화석연료를 끊임없이 소모하면서 이산화탄소를 배출하고 지구 환경을 악화시켜 왔다. 그 결과 인류는 역사상 가장 위험한 기후위협의 마지노선에 이르렀다. 최근에야 에너지 문제가 환경보전과 인류생존에 직결되는 사안임을 깨닫고, 이산화탄소 배출량을 규제하며 신재생에너지 개발에 박차를 가하고 있다. 대부분의 과학자가 우려하듯, 화석연료의 고갈과 함께 에너지 암흑기가 현실로 다가올 수도 있다. 지금은 우리 인류가 협력해 새로운 동력원을 찾아 밝은 미래를 맞이할 불을 밝힐 때이다.

원병묵 성균관대 교수 신소재공학