UAM 기체의 냉각 시스템 기술 동향과 에너지 효율성

 

1. 전기 기반 UAM 기체에서 냉각 시스템이 중요한 이유

UAM(Urban Air Mobility) 기체는 대부분 전기 기반의 수직이착륙기(eVTOL)를 중심으로 개발되고 있다. 이러한 전기 추진 시스템은 엔진이 아닌 전기모터, 배터리, 전력변환장치 등으로 구동되며, 비행 중 지속적으로 고출력이 필요하며 반복적인 급가속·급감속 상황을 겪는다.
그 결과 시스템 내부에서 다량의 열이 발생하게 되며, 이 열이 적절하게 관리되지 않으면 배터리 화재, 출력 저하, 심지어  항공기 제어 오류로 이어질 수 있다. 특히 eVTOL은 고도 상승 후 급강하하거나, 도심 고온 환경에서 대기 중일 때, 또는 빠르게 연속 충전되는 과정에서 급격한 온도 변화를 겪게 된다. 이러한 조건에서는 단순한 공랭 방식으로는 열을 충분히 제어할 수 없으며, 액체냉각, 페이즈 체인지(상변화) 냉각, 열교환기 내장 복합 냉각 시스템 등이 고려되고 있다. 

한편 UAM은 고도 제한이 있고 운항 시간이 30~50분으로 제한되기 때문에, 냉각 시스템 자체의 무게와 에너지 소비량 또한 매우 민감하게 작용한다. 즉, 냉각 시스템이 지나치게 무겁거나, 배터리를 소모하는 수준이 높다면 기체 전체 효율성과 항속거리에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 이로 인해 현재의 UAM 기체 설계에서는 “열관리 기술이 에너지 효율성과 기체 경량화의 핵심 변수”로 간주되고 있다.

 

2. 최신 냉각 기술 동향: 액체냉각, 복합 시스템, AI기반 제어

기존의 항공기와는 다르게 UAM 기체는 전기 추진 기반이기 때문에 고출력 리튬이온 배터리와 전기모터의 냉각이 핵심 과제다. 현재 주요 제조사들은 단일 냉각 방식보다 복합 냉각 시스템(Hybrid Cooling System)을 채택하고 있다. 예를 들어, 미국의 Joby Aviation은 배터리 팩에는 액체냉각 방식(Liquid Cooling)을 적용하고, 전기모터에는 공기 순환식 열교환기를 결합하여 무게 대비 최고의 냉각 효율을 실현하려 하고 있다. 

액체냉각 시스템은 전도율이 높은 냉매를 기체 주변 튜브에 순환시켜 효율적으로 열을 흡수·방출할 수 있으며, 고밀도 배터리와 고속 회전하는 모터에 최적화된 방식으로 인정받고 있다. 그러나 무게 부담과 냉매 교체 주기, 구조 복잡성 문제로 인해 일부 스타트업은 상변화 소재(PCM: Phase Change Material) 기반 열흡수 기술을 연구하고 있다. PCM은 일정 온도에 도달하면 물리적 상태를 바꾸면서 다량의 열을 흡수할 수 있는 소재로, 정지 시에도 발열을 완화할 수 있어 장시간 대기 또는 충전 중 발열을 줄이는 데 유용하다. 

또한 냉각 시스템 제어 방식에서도 진화가 이뤄지고 있다. 전통적으로는 센서를 기반으로 정해진 온도 이상일 때 팬이나 펌프가 작동하는 단순 제어였지만, 최근에는 AI 기반 열관리 제어 시스템이 도입되어 비행경로, 풍속, 외기 온도, 기체 부하 상태 등 다양한 조건을 실시간 분석해 냉각 장치의 작동 범위와 강도를 자동 조절하는 기술이 개발되고 있다. 이러한 스마트 냉각 시스템은 불필요한 전력 낭비를 줄이고, 배터리 수명 연장에도 긍정적인 영향을 줄 것이다.

 

3. 에너지 효율성과 지속가능한 열관리 시스템 전략

냉각 시스템의 성능은 곧 UAM 기체의 에너지 효율성과 직결된다. 냉각장치가 효율적으로 작동하지 않으면 기체 내부 온도가 급상승하면서 모터 출력 제한이 발생할 수 있으며, 이는 실제 항속거리 단축, 비행 안정성 저하로 이어질 수 있다. 따라서 냉각 시스템은 단순한 부속이 아니라 기체 성능 유지의 핵심 서브시스템으로 인식되고 있다. 

실제 시험 결과에 따르면, 액체냉각 시스템을 적용한 eVTOL 기체는 동일 출력 기준으로 공냉 방식보다 최대 15% 더 높은 에너지 효율을 보였으며, 충전 시간 역시 온도 안정화로 인해 약 10~12% 단축되는 효과를 확인할 수 있었다. 이는 단지 비행 성능 향상뿐 아니라, 버티포트 회전율 증가와 운영비 절감으로도 이어진다. 향후 UAM 기술이 상용화되고 대량 운항이 시작되면, 냉각 시스템은 배터리 교체 주기, 열화 수준 예측, 냉각기 수명 분석까지 포함한 종합적인 상태관리 시스템(CMS)과 연동되어야 한다.

또한 도심 환경 내 저소음·무진동 운항을 위해, 수동형 자연대류 냉각 기술이나 히트파이프 기반 무소음 열전달 시스템도 주목받고 있다. 궁극적으로 UAM 기체의 열관리 시스템은 비행 안전성, 에너지 절감, 기체 수명 연장이라는 3요소를 동시에 만족해야 하며, 이러한 기술은 향후 한국형 UAM 기체(K-UAM) 개발에서 차별화 포인트가 될 수 있다. 

 

<본문 요약>

• UAM 기체는 고출력 전기모터와 배터리 중심으로 구성되어 열관리가 필수적이다.
• 액체냉각, 상변화 소재, AI 기반 제어 등 최신 기술이 에너지 효율성 향상에 기여하고 있다.
• 냉각 시스템은 eVTOL 성능과 경제성에 직접적 영향을 미치며, 향후 고도화된 통합 관리가 필요하다.