한국전기연구원(KERI) 전동력연구센터 홍도관 박사팀이 50kW급 ‘비접촉 마그네틱 기어 적용 상반회전 프로펠러’ 기술을 세계최초로 개발했다.
‘상반회전 프로펠러’는 전방 프로펠러에서 나온 회전 에너지를 후방 프로펠러가 반대 방향으로 회전하면서 회수하고, 다시 추력으로 전환하는 방식으로, 단일(1개) 프로펠러보다 추진 효율이 10% 이상 높고 에너지 절감 효과도 크다. 다만, 기존 상반회전 프로펠러는 톱니가 맞물려 동력을 전달하는 ‘기계식 기어’ 방식인데, 마찰로 인한 열·소음·진동이 크고, 기어 부품들의 마모 방지와 냉각을 위한 윤활유 공급, 정기적인 유지·보수 등이 필요했다.
이에 홍도관 박사팀은 지난 2022년, 세계 최초로 자석의 N극과 S극이 서로 밀고 당기는 힘을 이용해 접촉 없이 동력을 전달하고, 상반회전 프로펠러로 추진력을 만들어 낼 수 있는 ‘비접촉 마그네틱 기어’를 대안으로 제시한 바 있다. 마그네틱 기어가 태생적으로 상반회전이 가능하다는 점에 포인트를 두고, 이를 전·후방 프로펠러에 적용한 것이다.
이후 연구팀은 3kW(4마력)와 10kW(13.5마력)급 출력을 보유한 ‘비접촉 마그네틱 기어 적용 상반회전 프로펠러’를 전기추진 소형 무인선박(48Vdc 배터리 전압 기반)에 탑재해 실증까지 성공적으로 마쳤다. 특히 해당 선박에는 KERI 정밀제어연구센터 천종민 박사팀의 ‘자율운항 제어시스템’도 적용되어 운항 경로의 자동 추종, 장애물 발견 및 회피 기능도 함께 확인했다. 이를 통해 향후 해양 조사선이나 악조건에서의 정찰 기능 임무를 수행할 수 있는 ‘전기추진 무인선박 시대’의 문을 크게 열었다는 평가를 받았다.
더 나아가 최근 홍도관 박사팀은 꾸준한 연구를 통해 성인 4명 정도가 탈 수 있는 수준의 50kW급(67.5마력)(순시 최대 65kW(87.8마력)) 출력까지 달성하는 데도 성공했다. 이는 최대 8m 크기의 하이드로포일 전기추진 선박(600Vdc 배터리 전압 기반)을 구동할 수 있는 수준으로, 기술이 상용화되면 소규모 인원의 수상택시 등 교통 및 관광 분야에서 혁신적인 변화를 불러올 것으로 보고 있다.
현재 연구팀은 100kW 이상급 출력 달성을 목표로 지속적인 연구개발에 나서고 있으며, 궁극적으로는 100kW급 3기를 해양 모빌리티에 장착해 수십 명의 사람을 수송할 수 있는 일명 ‘직류배전 전기선박 시스템’ 기술까지 실현한다는 목표다.
KERI 홍도관 박사는 “시제품 제작과 성능 시험에 많은 비용·노력이 소요되는 분야인 만큼, 한정된 예산이지만, 다양한 연구 경험과 노하우를 기반으로, 핵심 부품의 설계, 전자계 기반 멀티피직스(multiphysics) 성능 해석 등 여러 노력을 통해 시행착오를 최소화했다”라고 밝히며 “높은 추진 효율과 연료비 절감 효과, 저소음·저진동, 유지·보수가 불필요한 반영구적 수명 등 많은 장점을 보유한 ‘비접촉 마그네틱 기어 적용 상반회전 프로펠러 전기추진기’가 친환경 해상 모빌리티의 판도를 크게 바꿀 것”이라고 전했다.
원천기술과 관련한 특허 출원, 국내외 연구성과 논문 게재 등을 완료한 KERI는 이번 성과가 친환경 모빌리티(선박, 항공, 자동차) 뿐만 아니라 국방, 자동화 산업 등 다양한 분야에서 기계식 기어를 대체할 것으로 보고, 관련 기업으로의 기술이전을 통해 사업화에 나선다는 계획이다.
한편, KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다.
