새로운 시대의 불꽃놀이, 드론 라이트 쇼는 어떻게 만들어질까?

하늘 위 무인 정찰기, 일상에 착륙하다

법적으로 드론은 ‘조종자가 탑승하지 않은 채 항행할 수 있는 비행체’를 의미합니다. 본래 드론은 군사적 목적으로 탄생했지만, 활용 범위가 다양하게 확장되면서 수중 촬영 드론처럼 형태나 사용 장소, 목적과 관계없이 무선으로 조종되는 무인 기계를 드론이라 통칭하게 되었습니다.

군용이 아닌 드론은 농작물에 농약을 뿌리는 데에 활용되거나, 무인 배달 서비스에 이용되기도 합니다. 자연의 풍경을 하늘에서 한눈에 내려다보는 모습을 담고, 산불이나 지진 등 자연재해 현장처럼 사람의 접근이 힘든 장소를 촬영할 수 있죠. 또한, 오지의 재난 상황을 발견하고, 사람 대신 임무를 수행하기도 합니다. 2018년 개봉한 영화 ‘엑시트’에선 유독가스가 가득 찬 도시에 갇힌 사람들의 상황을 중계하고, 건물 사이에 줄을 연결해 탈출을 돕는 등 재난 상황 속 드론의 역할이 잘 표현되었죠.

2030년까지 약 125조 규모로 성장할 세계 드론 시장…‘드론 강국’을 꿈꾸는 대한민국

드론은 가격 하락과 소형화를 통해 이동 편의성이 높아지면서 상업적 사용뿐만 아니라 개인의 취미 활동까지 빠르게 대중화될 수 있었는데요. 요령만 익히면 일반인도 쉽게 조종할 수 있어 더 많은 사람들이 접할 수 있었습니다.

이렇게 널리 이용되는 드론은 어떤 원리로 작동하는 것일까요? 일반적으로 드론은 4개의 모터를 이용해 여섯 방향의 움직임을 만들어냅니다. 하지만 원거리에서 하늘을 날고 있는 4개의 모터를 제어하는 것이 쉬운 일이 아닙니다. 때문에 드론은 사람들이 쉽게 조종할 수 있도록 제어의 상당 부분이 자동화되어 있습니다. 동작을 감지할 수 있는 초소형 전자기계 체계 (MEMS, Micro Electro-Mechanical System) 기반의 관성 측정 장치 (IMU, Inertial Measurement Unit), 바닥의 광학적 흐름(optic flow)을 읽어내는 카메라 센서, 외부에서 위치를 알려주는 GPS 등이 복합적으로 작동해 드론 자체적으로 자세 제어가 가능합니다.

다양한 확장 가능성, 낮은 가격, 쉬운 사용법까지 갖춘 드론의 성장세는 실제로도 폭발적인데요. 세계 드론 시장은 오는 2030년경까지 약 125조 5천억 규모로 성장할 것으로 예상됩니다. 이에 우리나라 정부도 국내 드론 산업 생태계를 강화해 오는 2032년까지 5대 글로벌 강국에 진입한다는 계획을 세웠습니다. 2020년 기준 약 4,900억 원 수준의 국내 드론 시장은 오는 2030년 약 2조 2천억 원 규모로 성장할 것으로 보입니다. 특히 지난 5월 9일 개최된 2024 대한민국 드론 박람회에서 드론 강국으로 성장하기 위한 K-드론의 발전 가능성을 엿볼 수 있었습니다.

올해로 5회째를 맞은 이번 박람회는 역대 최대 규모인 20여 개국의 드론 전문가들이 방문해 글로벌 비즈니스와 비즈니스 팸 투어를 통해 국내 드론 기업의 기술력을 세계에 알렸죠. 이러한 한국 드론의 기술력은 드론 관련 기네스 세계 기록에서도 확인할 수 있습니다. 지난 4월 드론 불꽃 쇼 전문 기업 파블로항공이 LED와 불꽃을 결합한 불꽃 드론 분야에서 1,068대 군집 비행에 성공하며 UAE의 종전 기록인 671대를 넘어섰고, 5월에는 드론 라이트 쇼 전문기업 유비파이가 5,293대 군집 비행에 성공하며 중국회사의 5,164대 군집 비행 기록을 경신했습니다. 이러한 기술력을 바탕으로 국내 민간 드론 기업 17개 사에서는 작년 수출액 144억 원을 달성하며 꾸준한 성장세를 보이고 있습니다.

밤하늘 수놓는 드론 라이트 쇼의 원리는?

라이트 쇼에 사용되는 드론은 우리가 보통 떠올리는 것이나 촬영 목적으로 사용되는 것과는 다른데요. 최대한 안전하고 오래 비행할 수 있도록 날개가 4개인 소형 쿼드콥터를 사용하고, 카메라 대신 LED 조명이 장착되며 최대한 가볍게 만듭니다. 또한 쇼에 사용되는 드론들은 사전에 프로그래밍이 된 경로에 따라 움직이기 때문에 기본적인 위치 제어 센서만 장착하게 됩니다.

즉, LED 조명을 갖춘 초소형 드론 집단이 특정 형태로 비행하고, 특정 시간에 맞춰 불이 켜지도록 프로그래밍이 되어 하늘에 그림을 그리게 되는 것이죠. 이 드론 집단은 군집 제어 기술이 적용된 중앙 컴퓨터에 의해 제어됩니다. 군집 제어 기술은 드론 여러 대가 마치 꿀벌처럼 개별 경로를 따라가지만, 최종 목표를 향해 협력하는 원리로 한 대의 드론이 실패하더라도 다른 드론이 그 격차를 메울 수 있죠. 중앙 컴퓨터가 각 드론에 신호를 보내 이륙 시기와 비행 장소, 조명 시기 등을 통제할 수 있어 지상의 드론 관리자는 한 명으로 충분합니다.

라이트 쇼에 사용되는 드론은 가벼운 몸체를 효율적으로 움직일 수 있도록 전력 소모를 고려해 크지 않은 배터리를 사용합니다. 흔히 리튬이온 배터리가 장착된 드론의 평균 비행시간은 20분 내외입니다. 하지만 사전 준비와 마무리에 필요한 비행시간 등을 고려하면 평균적으로 드론 쇼에 사용할 수 있는 시간은 평균적으로 5~8분에 불과하죠. 따라서 이 짧은 시간을 효율적으로 활용하기 위해서는 사전에 먼저 전체적인 쇼 디자인을 통해 스토리보드와 타임라인을 짜야 합니다.

가장 먼저, 주제와 음악, 밤하늘에 비칠 이미지를 결정해야 합니다. 예를 들어, 지난 5월 4일 스타워즈 데이를 기념하기 위해 해운대에서 진행된 드론 라이트 쇼는 스타워즈 테마곡에 맞춰 영화 속 명장면과 등장인물을 표현했죠. 스타워즈 팬들이 임페리얼 마치만 들으면 다스베이더의 등장을 떠올리듯, 드론 라이트 쇼에서도 음악도 시각 효과를 보완하고, 쇼의 경험을 풍부하게 만들기 때문에, 구성 단계부터 음악의 선정이 함께 진행돼야 합니다.

이처럼 콘셉트가 결정되고 나면, 픽셀 아트처럼 하나의 드론을 점처럼 하나씩 찍는 방식으로 쇼에 선보일 이미지와 텍스트를 설정하고, 이를 특수 소프트웨어를 통해 각 드론에 동기화합니다. 이후 드론의 크기와 속도를 계산해 최종 이미지를 예상해 드론의 이동 경로를 조정합니다. 이 과정을 반복해 가장 안전하고 적합한 비행경로를 생성하게 되는데요. 만약 이 과정에서 오류를 잡아내지 못하면 드론이 추락하거나 충돌, 이탈하는 불상사가 발생할 수도 있습니다. 위치 제어 기술의 발전으로 더욱 정밀한 드론 위치 추적이 가능해져 충돌 방지 효과가 높아졌지만, 그만큼 드론이 더욱 가까이 날면서 상세하고 복잡한 패턴을 그리게 되면서 안전한 쇼를 위한 테스트의 중요성은 더 높아지고 있습니다.

마지막으로 놓치지 말아야 할 것은 드론으로 그리는 이미지가 2차원 평면에 담기는 것이 아니라 360도 전 시야에 비치는 3차원의 공중에 그려진다는 점입니다. 드론 라이트 쇼는 단순한 패턴부터 복잡한 애니메이션, 심지어 영화 속 장면 연출까지 다양한 이미지를 연출할 수 있지만, 이를 어떤 위치의 사람들이 봐도 어색하지 않게 3D로 연출해야 합니다.

결국, 드론 라이트 쇼는 최첨단 기술만을 자랑하는 자리가 아닙니다. 예술적인 이미지와 이를 극대화하는 음악, 그리고 이를 구현하는 과정에 필요한 최첨단 기술이 조화를 잘 이뤘을 때, 사람들이 제대로 된 드론 라이트 쇼를 즐길 수 있습니다.

드론 라이트(Light) 쇼, 가볍고(light), 제대로 된(right) 21세기 불꽃놀이

불꽃놀이는 사람들의 마음을 움직이고, 시선을 사로잡을 만큼 매력적이지만, 안전과 환경오염 문제를 생각하지 않을 수 없죠. 잠깐의 화려함이 끝나고 나면, 화약 속 유해 성분만 남습니다. 폭죽들이 터질 때의 소음도 누군가에게는 무시할 수 없는 소음 공해입니다.

드론 라이트 쇼는 이와 같은 불꽃놀이의 단점을 보완할 수 있다는 특징이 있습니다. LED 조명은 불꽃놀이에 사용되는 폭죽과 달리 유해 물질을 방출하지도 않고, 폭발 잔해도 발생하지 않습니다. 또한 폭죽이 터지는 소리 대신 주제에 맞게 선정된 음악이 흘러나오는 드론 라이트 쇼는 콘셉트와 주변 환경에 따라 소음량 자체를 극단적으로 줄일 수도 있어 도심지에서도 편하게 쇼를 진행할 수 있죠. 또한 드론 운행과 관련된 사전 테스트를 무수히 시행하는 만큼, 돌발 상황을 제외하면 사고 위험성이 낮은 편입니다.

에너지 업계에서는? GS칼텍스와 드론의 상관관계

GS칼텍스는 스마트 물류 서비스에 드론을 활용하고 있습니다. 서울시와 함께 2022년 11월 서초구 내곡 주유소를 첨단 물류 복합주유소로 선정했으며, 생활 물류 기능과 로봇·드론 등 기술을 결합한 미래형 주유소를 지난해 11월부터 운영 중인 것인데요. 올해 5월까지 해당 주유소에서는 총 5차례 왕복 16회의 드론 배송 실증을 진행했습니다. 그동안 드론 배송 실증은 도서, 산간 지역에서 진행되었지만, GS칼텍스와 서울시는 생활 물류 정착을 위해 주유소 상공에서 드론 비행 테스트를 시행하는 등 상용화를 위해 꾸준히 노력해 왔습니다.

드론 물류 배송이 상용화되면 교통 혼잡이 완화되고, 배송 시간이 단축되어 물류 경쟁력이 강화될 겁니다. 또한, 첨단 물류 복합주유소는 물류 로봇을 통해 물품의 입고부터 분류, 출고까지 물류 과정이 전자동으로 운영돼 배송이 더 빠르게 처리될 뿐만 아니라, 공간 활용성도 극대화되는데요. 서울시와 GS칼텍스는 생활 물류 배송 실증을 성공적으로 수행하는 미래형 첨단 물류 복합주유소의 사례를 통해 서울시 물류 기술을 한 단계 도약시킬 수 있는 가능성을 보여줬습니다.

이외에도 GS칼텍스는 지난 2015년부터 이미 여수공장 현장 업무에 드론을 활용해 오고 있는데요. GS칼텍스 여수공장은 공장에서 배출되는 황산화물을 제거하는 시설인 배연·탈황 시설의 내부 건전성 검사를 개선하는 과정에서 사람이 직접 검사하기엔 위험하다는 문제를 해결하기 위해 당시 막 상용화된 드론을 도입했죠. 이후부터 고소지역, 위험지역, 수중 검사, 3D 스캔을 통한 설계화 작업, 현장 안전 점검 모니터링, 토사량 체적 측정 등 다양한 상황에서 드론을 활용하는 방안을 검토하고 있습니다.

다양한 업계에서 드론의 활용 범위는 상상 이상으로 빠르게 확장되고 있습니다. 고비용 또는 장시간에 걸쳐서 해야 할 일들을 저비용으로 단시간에 해결하는 가능성을 고려했을 때, 향후 기술의 발전에 따라 드론은 우리 삶을 바꾸는 게임 체인저가 될 수 있을 것으로 예상됩니다.