배 경
무인기는 2008년 미 육군과 공군의 중고도 무인기 작전개념에 대한 합의에 따라 폭발적으로 수요가 증가할 것으로 보였으나 무인기의 내장 동력(배터리 또는 연료)의 문제로 작전 반경과 체공시간이 제한되었다. 재급유를 위해 착륙하는 무인기는 임무 수행 지역에서 벗어나야 할 뿐만 아니라 숙련된 인력을 필요로 하고 위험도가 추가된다. 무인기는 유인기보다 이착륙 시 추락하는 빈도가 더 높다.
지금까지 연료를 사용하는 무인기의  가장 긴 체공 기록은 80시간이다. 전기 동력 무인기는 운용 시 조용하고, 적은 정비소요 등 많은 이점이 있지만, 가장 우수한 배터리를 사용한다 하더라도 작전반경과 체공시간에 많은 제약을 받는다. 태양광 무인기는 현재 82.5시간의 체공 기록을 가지고 있다. 태양광 무인기와 LTA(Lighter-Than-Air) 비행체는 부피가 크며, 내구성이 약하고, 가격이 비싸며, 더군다나 탑재 능력과 운용 범위가 매우 제한되어 있다.
각국의 연구팀들은 착륙할 필요가 없는 강력하고 고도의 성능을 갖춘 무인기에 대해 관심을 갖게 되었다.
따라서 지상에서 레이저빔을 사용하여 비행중인 무인기에 동력을 공급한다면 이 무인기는 거의 무한한 체공시간을 확보할 수 있게 된다.
무소음으로, 재급유를 받을 필요가 없는 레이저-전기 추진 무인기는 현재의 기술력으로 개발이 가능하며, 빠른 시일 내에 운용될 수 있다고 판단되어 레이저빔을 이용한 무인기 동력충전 기술에 대한 현황과 발전방안을 살펴보고자 한다.

시스템 개념 및 기술
레이저 전송기는 1차 동력원으로 부터 출력된 동력을 단색(단일 파장) 빔으로 변환 시킨다(그림 1).
가장 최신의 레이저 기술은 근적외선 레이저 다이오드 배열 "stacks"이다.(그림 2). 레이저 다이오드 어레이는 효율적이며(DC 전원 50% 이상) 소형으로 상대적으로 저렴하다. 그리고 현재 야전에서 사용하기에 충분히 튼튼하고 신뢰성(운용수명
그림 2. 레이저 다이오드 어레이

 20,000시간 이상)이 있다. 전력 사용을 줄이거나 장거리 송출을 위해 diode-pumped fiber 레이저와 같은 다른 레이저를 사용하면 덜 분산되는 더 밝은 빔을 만들어 내고 보다 작은 광학 전송기를 사용할 수 있지만  비용과 효율성이 떨어진다.
빔 디렉터 혹은 빔 조준 거울은 조준/추적 시스템의 통제 하에 무인기의 수신기로 레이저빔을 조준한다. 무인기를 광학 추적하는 것은 간단하다. 그러나 구름이나 장애물을 피해서 무인기를 접촉하고 추적하기 위해서는 RF 혹은 GPS를 이용한 방법이 필요할 수 있다.
레이저 파장과 빔 강도에 따라 작동하는 수신기의 광전지는 레이저 빛을 전력으로 변환시킨다. 레이저 빔은 구름과 같은 장애물에 의해 간섭을 받을 수 있기 때문에 대부분의 어플리케이션은 내장형 저장장치나 보조 전원이 필요할 것이다. 이러한 장치는 레이저 도달 거리 밖에서의 무인기 운용과 무인기 자체 또는 추가 화물 탑재 시 필요한 최대 전력을 공급할 때에도 필요하다.
안전체계는 고출력 전류가 전송되기 전에 수신기가 적절한 위치에서 방해받지 않고 정확하게 조준되도록 보장해준다. 그리고 만일 어떤 물체가 빔의 경로로 끼어들 경우 전원 스위치를 끈다.
그림 1.에는 나타나지 않았지만 대부분 레이저 동력 전달 체계는 지상 광 구경과 조준/추적 체계를 이용해 한쪽 또는 양방향으로 높은 대역폭에서 광학식 통신 중계를 쉽게 지원할 수 있다.
실제로 레이저 충전 무인기는 재래식 고정익 항공기, 헬리콥터 혹은 LTA 기구를 포함한 거의 모든 형태가 가능하다. 단지 레이저 수신기를 설치할 적당한 하부 또는 측면이 필요할 뿐이다.  기존 배터리 추진 무인기에 극소량에서 20HP(15kW) 까지의 에너지를 필요로하는 초소형의 모터를 장착하여 사용한다. 몇몇 경우에는 기존 기체구조에 소형 배터리와 레이저 수신기를 장착할 수도 있다. 현재 화석연료를 동력으로 사용하는 대형 무인기는 상당한 개조나 새로운 설계가 필요할 수도 있다. 그러나 기체구조에 적합한 최대 수백 kW의 동력을 공급하는 것에는 문제가 없다.

운용 개념
레이저 동력 전달은 두 가지 형태로 운영할 수 있다. 하나는 근접-지속 전력 공급 방식인데, 이 경우 매우 작은 내장형 에너지 저장장치가 필요하다. 다른 하나는 무인기가 기지국에서 전송 가능한 곳 까지 복귀하였을 때 간헐적으로 재충전하는 방식이다. 이 경우 무인기는 더 큰 내장형 에너지 저장장치가 필요하다. 두 가지 경우 모두, 레이저 동력 전달로써 현장 체공 시간을 증가시키고 임무 주기 동안 인력 소요를 감소시키는 것에는 문제가 없다.
현 기술로 실현 가능한 레이저 동력 전달 무인기를 위한 세 종류의 적용 방안은 다음과 같다.
1. 고정형 관측 플랫폼: 장기체공 ISR(정보, 감시, 정찰)용으로 무인기의 형태는 quadricopter, 항공기 혹은 경항공기(aerostat)이 될 수 있다.
2. 확장된 혹은 다중 임무 운용: 무인기는 레이저 전송 범위를 넘어선 목표물까지 비행하여 체공 대기한다. 에너지 저장량이 미리 지정된 수준 이하로 내려오면, 무인기는 재충전 가능한 위치까지 돌아오고 공중에서 재충전한다.
3. 무한 정찰: 임무는 이동 가능한 레이저 송신국의 조준선(고도 1mile시, 거리 10mile) 이내에서 수행하므로 지속적인 동력공급과 제한 없는 정찰과 목표 추적이 가능하다.

고정형 관측 플랫폼
상황 인식 능력은 고고도 관측 플랫폼으로 인해 대단히 향상되며 무인기는 이에 매우 적합하다. 재급유는 무인기의 감시범위를 축소시키며 인력소요를 가중 시킨다. 동력이 전송되는 무인기는 항시 운용가능한 ‘영구적인’ 무인기라고 할 수 있으며 반복되는 이착륙과 재급유에 따른 위험과 인력 소요없이 지속적으로 임무 수행이 가능하다. 또한 무인기는 끊임없는 레이저 동력공급으로 1,000ft 이하에서 70,000ft 이상의 어떠한 실질적인 고도에서도 운용이 가능하다. 군사 기지들은 기지 순찰용 quadricopter와 같은 마이크로 무인기나 혹은 고고도 관측용 일반적인 항공기 형태의 무인기를 운용 가능하고, 해군 함정은 초 장거리 관측이나 통신 중계임무를 위해
그림 3. 고정형 관측 플랫폼

항공기형 무인기를 배치하거나 비행기구 혹은 유사 LTA를 운용할 것이다. 고고도에서 영구히 비행할 수 있는 무인기는 지상에서 단지 몇 마일 위에 위치한다는 것만 제외한다면 여러 면에서 저비용, 고성능 지구궤도 위성과 같다. 이러한 영구적인 무인기는 지속적으로 거리에 구애받지 않고 감시 및 통신임무를 수행할 수 있을 것이다.

확장된 / 다중 임무 운용
레이저빔 동력 무인기는 내장형 에너지 저장장치를 사용함으로써 빔 송신국에서 멀리 떨어진 곳에서도 운용할 수 있다. 무인기는 배터리를 충전하기 위해 그림4에서와 같이 빔 송신국 근처의 지역까지 주기적으로 귀환함으로서 영구히 공중에 머무를 수 있다. 확장된/다중 임무에서 이동식 빔 송신국은 무인기의 내장형 저장장치가 완전 충전될 때까지 체공할 수 있는 재급유 지점을 제공하고, 재충전된 무인기는 임무지역으로 복귀한다(100마일 이상 가능). 동력 레벨이 낮아져 재충전이 필요할 때까지 현장에서 체공하며 영상 및 센서 데이터를 전송한다.
빔 송신국이 처음 무인기를 발사한 곳과 같은 장소에 위치해야 할 필요는 없으며 무인기의 이동 경로를 따라 전략적인 위치에 많은 빔 송신국을 설치할 수 있다. 이렇게 함으로서 무인기의 활동 범위를 크게 늘리거나 목표물 사이를 오가게 할 수 있다.
빔 송신국과 무인기가 1대1 비율일 필요는 없다. 하나의 빔 송신국이 교대로 재충전 할 수 있는 모드를 가진 여러 대의 무인기를 지원할 수 있다. 빔 송신국의 연결망은 다양한 비행경로를 가진 수많은 무인기를 지원할 수 있다.
확장된 임무를 위한 재충전 방식의 다른 예는 주변 정찰 임무와 같이 기지에서 수 킬로미터 내에서 비행하는 상대적으로  무인기이다. 많은 무인기는 빔 송신국 근처에서 재충전하는 것과 기지 근거리에서의 임무를 교대로 할 수 있다.
비행 중에 재충전하기 때문에 상대적으로 짧은 거리에서 임무를 수행할 수 있으며 광학적 요구는 그다지 많지 않다. 구름에 의한 영향이나 다른 빔 장애요소가 감소된다. 그러나 전송장치와 수신장치 모두 임무 평균 동력보다 많이 처리되어야 한다.
무한 정찰
무인기가 빔 송신국에서 조준선 내에 있다고 가정한다면 수평선 이내에서 지속적으로 운용할 수 있다. 지상 전송장치에서 무인기는 그림5 에서와 같이 일반적으로 수평선 위 몇 도 내에 있을 필요가 있다. 이동식 빔 송신국은 이동 경로 수마일 앞에서 무인기가 운용되도록 하며 이동하는 부대에게 전방 감시와 다른 기능들을 제공한다.
언덕이나 다른 장애물 뒤를 포함한 더 먼 거리에서의 임무에서는 항공기, 비행선 혹은 무인기 같은 공중 플랫폼에 전송기 혹은 중계 거울을 장착해 운용할 수 있다.

프로그램 평가 및 결론
현재 레이저빔 동력 전달 체계는  1km 이상 떨어져 이동하는 비행체에 수백와트를 전송할 수 있으며 조금 짧은 거리에서는 1,000watt 이상을 전송할 수 있다. 계속되는 시험을 통해 이 기술은 TRL(Technology Readiness Level) 5에 이르렀다. 개발 회사에 따르면 비교적 적은 포장과 통합을 개선함으로써 TRL 6의 동력 빔 전송이 가능할 것이며, 2010년 말까지는 레이저 전력 빔의 전송이 가능한 소형 전기식 무인기를 제작 가능하다고 한다.
레이저 동력 전달 체계를 실제 적용하기 위해서는 시스템 분석이 요구된다. 또한, 실제 소요와 시스템 운용이 미치는 영향, 안전성 및 신뢰성 등에 대한 검토와 크기, 중량, 동력 요구치 및 효율성에 대한 예측이 따라야 한다.
구성품 연구개발의 핵심은 광전지 개발이다. 광전지 개발 노력은 효율성을 증대시키고 비용을 절감하는데 맞춰져야 한다. 적어도 고출력 반도체 다이오드 레이저의 효율성 향상에 성공한 최근의 DARPA SHEDS 프로그램과 유사한 레이저 전지 개발로 이끌 수 있는 광전지 기술에 대한 기본 검토가 시급한 실정이다.
하부체계 개발의 초점은 안전성이다. kW급 및 고출력 레이저빔이 동력 전달체계에 사용된다면 최고도의 신뢰성 있는 안전체계가 필요하다. 운용 및 규정에 대한 준비가 가능한 빠른 시일 내에 필요하다는 의미이다.
레이저 동력 빔은 민간 및 군용 분야에서 무인기의 능력을 극대화 할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. kW급 동력 전송과 km 범위의 운용은 현장에서 시연되었다. 다음 단계는 실용화를 위해 안전성 및 완전 자동 추적과 같은 하부체계를 개발하고 실제 무인체계에 적용할 수 있도록 통합하는 것이다.

국방기술품질원 기술기획본부 기술정보센터
해군대령  박 원 기 · 위촉연구원  정 재 화

참고자료
1. "Defense Secretary Robert Gates has described ground commanders’ appetite for UAVs as insatiable." http://www .airforcetimes.com/news/2008/09/airforce_army_uav _092908w/
2. Boeing Condor. http://en.wikipedia.org/ wiki/ Boeing_Condor
3. QinetiQ Zephyr. http://en.wikipedia.org/ wiki/Unmanned_aerial_vehicle
4. lasermotive.com(2010.05.03)
5. www.defpro.com(2010.06.07)
6. www.optoiq.com(2010.05.07)
7. www.rototicstrends.com(2010.05.05)