81㎜ 박격포-Ⅱ용 레이저-적외선 관측세트 리튬 1차 리튬전지 (Li/SOCl2) 운용 품질 개선 사례

서론

81㎜ 박격포-Ⅱ 체계는 그림 1과 같이 관측소, 사격지휘소 및 포반의 통신체계를 구축하고 있다. 레이저-적외선 관측세트는 표적 탐지 및 거리 측정을 수행하는 장비로, 운용 시 안정적인 전원 공급이 요구된다. 본 장비의 전원으로는 리튬 1차전지 BA-6802K와 충전식 리튬 2차전지 BB-7801K가 적용되었다. 이 중 BA-6802K는 기존 화학탐지장비세트(K-CAM2)에 적용하기 위해 규격화된 전지로, 장기 저장성과 높은 에너지 밀도를 바탕으로 다양한 군용 장비에서 운용되고 있다.

그러나 BA-6802K가 적용되었던 기존 장비와 달리 81mm 박격포-Ⅱ용 레이저·적외선 관측세트는 초기 기동 시 상대적으로 높은 전류와 안정적인 입력전압을 요구한다. 또한, 타 체계에서 장기 저장된 리튬 1차전지의 초기전압지연(Voltage Delay) 현상으로 인해 장비 기동이 지연되는 사례가 확인됨에 따라, 본 장비에서도 유사한 문제가 발생할 가능성이 제기되었다.

이에 따라 장기 저장된 리튬 1차전지를 대상으로 81mm 박격포-Ⅱ용 레이저·적외선 관측세트의 기동시험을 수행하여 초기전압지연 현상이 장비 운용에 미치는 영향을 검증하였다. 시험 결과, 장기 저장 전지를 사용할 경우 초기전압지연 현상과 관측세트의 저전압 보호 로직이 복합적으로 작용하여 장비 기동이 지연될 수 있음을 확인하였다.

본 기고문에서는 장기 저장 리튬 1차전지 적용 시 예상되는 장비 운용 제한 가능성을 검증하고, 전지와 장비의 개선을 통해 운용성을 확보한 사례를 소개한다.

장기 저장 리튬 1차전지 적용 시 장비 기동 특성 검증

리튬 1차전지(Li/SOCl₂)는 높은 에너지 밀도와 우수한 장기 저장 특성을 갖고 있어 군용 무기체계와 통신장비, 감시장비 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히 장기간 보관 후에도 높은 용량 유지율을 확보할 수 있어 군 운용환경에 적합한 전원이다.

다만, 리튬 1차전지는 장기저장 시 초기전압지연(Voltage Delay) 현상이 발생할 수 있으며, 초기 구동 시 높은 전류를 요구하는 장비에서는 일시적인 출력전압 저하로 인해 기동에 영향을 줄 가능성이 있다. 81mm 박격포-Ⅱ용 레이저·적외선 관측세트는 입력전압이 기준값 이하인 경우 전원을 차단하는 저전압 보호 기능을 적용하고 있어, 장기 저장된 리튬 1차전지를 사용할 경우 초기전압지연 현상이 장비 기동에 영향을 미칠 것으로 예상되었다.

이에 따라 장기 저장된 리튬 1차전지를 대상으로 초기전압지연 현상이 관측세트의 기동 특성에 미치는 영향을 확인하기 위한 검증시험을 수행하였다. 시험은 표 1과 같이 제조 후 약 1~4.5년이 경과한 리튬 1차전지를 81mm 박격포-Ⅱ용 레이저·적외선 관측세트에 장착하여 실시하였으며, 전원 인가 후 정상 기동까지 소요되는 시간과 초기전압지연 극복 시간을 측정하였다.

시험 결과, 저장기간과 제조 로트에 따른 편차는 존재하였으나 저장 기간이 증가할수록 초기전압지연이 증가하는 경향을 확인하였다. 특히 약 2년 이상 저장된 전지에서는 정상 기동까지의 소요시간이 크게 증가하였으며, 2020년 12월 제조 전지는 모든 시료에서 30분 이내에 정상 기동하지 못하였다. 반면 저장 기간이 상대적으로 짧은 전지는 대부분 수 분 이내에 정상 동작하였다.

이처럼 장기 저장된 리튬 1차전지를 적용할 경우 레이저-적외선 관측세트의 즉시 기동이 제한될 가능성이 있음을 확인하였다. 이처럼 운용성 관련 품질문제가 예상되어, 초기전압지연 현상의 발생 원인을 분석하고 개선방안을 도출하기 위한 추가 검토를 수행하였다.

품질문제 원인분석

리튬 1차 전지(Li/SOCl2)의 초기전압지연 특성

리튬 1차전지는 장기 저장 과정에서 그림 2와 같이 리튬 음극 표면에 염화리튬(LiCl) 기반의 부동화막(Passivation Layer)이 형성된다. 부동화막은 전지 내부의 자기 방전을 억제하여 장기 저장성을 향상시키는 역할을 하지만, 초기 방전 시에는 전류의 흐름을 제한하여 내부 저항을 증가시키는 특성이 있다.

이와 같은 상태에서 장비에 전원이 인가되면 초기 구동에 필요한 전류가 순간적으로 요구되지만, 증가된 내부저항으로 인해 전압이 일시적으로 크게 감소하게 된다. 이후 일정 시간 방전이 진행되면서 부동화막이 부분적으로 제거되면 내부 저항이 감소하고 출력전압이 정상 수준으로 회복된다. 이러한 현상이 그림 3와 같은 장기저장 리튬 1차전지에서 나타나는 초기전압지연 현상이다.

따라서 저장 기간이 길어질수록 부동화막의 영향이 커질 수 있으며, 초기 구동 시 높은 전류를 요구하는 장비에서는 정상적인 기동까지 상당한 시간이 소요될 수 있다.

레이저-적외선 관측세트의 저전압 보호 기능

81㎜ 박격포-Ⅱ용 레이저·적외선 관측세트는 전원 이상으로부터 장비를 보호하기 위해 입력전압을 지속적으로 감시하는 저전압 보호 기능을 적용하고 있다. 장비의 기동 과정에서는 먼저 MCU가 입력전압을 확인하여 기준전압 이상인 경우에만 다음 단계의 초기화를 수행한다. 이후 CPU에서도 입력전압을 다시 확인하며, 기준전압 미만인 경우에는 MCU에 전원 차단 명령을 전달하여 장비의 전원을 차단하도록 설계되어 있다.

이와 같은 보호 기능은 방전이 완료된 전지나 비정상적인 전원 상태에서 장비를 보호하기 위한 필수 기능으로, 이를 통해 정상적인 운용환경에서는 장비의 신뢰성을 확보할 수 있다.

초기전압지연 현상에 따른 레이저-적외선 관측세트 기동 지연 원인

장기저장 리튬 1차전지 적용에 따른 레이저-적외선 관측세트의 기동 지연 현상에 대한 원인을 분석하기 위해 앞서 검토한 리튬 1차전지의 초기전압지연 특성과 관측세트의 전원 보호 동작 특성을 기반으로 전지와 장비 간 상호 영향을 분석하였다.

장기 저장된 리튬 1차전지를 장착한 상태에서 장비의 전원을 인가하면, 초기 구동 시 요구되는 높은 전류로 인해 리튬 1차전지의 초기전압지연 현상이 발생하며 출력전압이 일시적으로 저하된다. 이때 입력전압이 관측세트의 저전압 차단 기준 이하로 감소하면 MCU와 CPU는 이를 비정상적인 전원 상태로 판단하여 전원을 차단하게 된다.

전원이 차단되면 부동화막이 충분히 제거될 만큼 방전이 지속되지 못하므로, 다시 전원을 인가하더라도 동일한 현상이 반복될 수 있다. 그 결과 일부 전지는 여러 차례의 전원 인가 이후에야 정상 기동이 가능하였으며, 일부 시료는 정상 작동을 위해 최대 30분 이상의 시간이 소요되는 것을 확인하였다.

이상의 분석 결과, 초기전압지연현상 검증시험에서 확인된 관측세트 기동 지연은 전지 자체의 초기전압지연 특성과 장비의 저전압 보호 기능이 복합적으로 작용하여 나타난 것으로 판단하였다.

개선방안

리튬 1차 전지(Li/SOCl2)의 형상 변경

장기 저장된 리튬 1차전지는 초기 구동 시 순간적으로 높은 전류가 요구되는 경우 부동화막의 영향으로 출력전압이 크게 감소할 수 있다. 이러한 초기전압 강하는 관측세트의 저전압 보호 기능을 동작시키는 직접적인 원인이 되므로, 초기 구동 구간의 전원 안정성을 확보할 필요가 있었다. 이를 위해 전지의 출력단에 커패시터를 추가 적용하였다. 커패시터는 장비 기동 초기에 요구되는 순간적인 전류를 보조적으로 공급하여 전원 입력단의 급격한 전압 강하를 완화하는 역할을 수행한다. 또한, 전지의 출력전압이 안정화될 때까지 필요한 에너지를 일시적으로 공급함으로써 초기전압지연으로 인한 전압 변동을 감소시키도록 설계하였다.

이와 같은 개선을 통해 장기 저장된 전지를 적용한 경우에도 기동 초기 구간에서 안정적인 전원 공급이 가능하도록 하였으며, 장비가 요구하는 최소 입력전압을 안정적으로 유지할 수 있도록 개선하였다.

81㎜ 박격포-Ⅱ 체계용 레이저-적외선 관측세트 SW 수정

기 저장된 리튬 1차전지는 초기 방전이 진행되면서 부동화막이 점차 제거되고 출력전압이 정상 수준으로 회복되는 특성을 가진다. 이에 착안하여 장비 기동 과정에 사전 방전(Pre-discharge) 구간을 추가하였다. 사전방전 구간에서는 장비가 즉시 최대 부하를 인가하지 않고, 일정 시간 상대적으로 작은 전류를 먼저 인가하여 부동화막을 부분적으로 제거하도록 하였다. 이후 전지의 출력 특성이 안정화된 상태에서 정상 기동을 수행하도록 소프트웨어를 수정하였다.

이를 통해 초기 기동 시 발생하는 급격한 전압 강하를 완화하고, 장기 저장 전지에서도 안정적인 장비 기동이 가능하도록 개선하였다.

개선 결과 및 검증

본 개선안 적용 후, 장기 보관된 전지를 레이저-적외선 관측세트에 장착하여 전원부팅시간과 초기전압지연 극복시간을 측정한 시험 결과는 표 2, 3과 같다. 개선 전에는 장기 저장된 일부 전지가 초기전압지연으로 인해 저전압 차단 동작을 반복하거나 시험 종료시간인 30분 이내에도 정상 기동하지 못하는 사례가 확인되었다. 반면, 개선 후에는 모든 시험에서 정상 기동이 가능하였으며, 초기전압지연 극복시간은 최대 3분 30초 수준으로 단축되어 장비의 운용성이 크게 향상되었다.

또한, 반복 시험에서도 전원부팅시간과 초기전압지연 극복시간이 비교적 일정하게 나타나 개선 효과의 재현성을 확인할 수 있었다. 이는 리튬 1차전지에 추가 적용한 커패시터가 기동 초기 순간적으로 요구되는 전류를 보조하여 전압 강하를 완화하고, 레이저-적외선 관측세트의 사전방전 기능이 부동화막 제거를 유도함으로써 초기전압지연 현상을 효과적으로 감소시킨 결과로 판단된다.

이는 리튬 1차전지의 하드웨어 개선과 관측세트의 소프트웨어 개선을 동시에 적용함으로써 달성된 결과이다. 전지 측에서는 기동 초기의 전압 강하를 완화하여 전원 안정성을 향상시키고, 장비 측에서는 초기전압지연 특성을 고려한 기동 알고리즘을 적용함으로써 장기저장 리튬 1차전지의 초기전압지연 특성과 저전압 보호 로직 간 상호작용으로 발생하던 품질문제를 효과적으로 해소하였다.

반복 시험 결과에서도 모든 시험에서 안정적인 기동 특성을 확인함으로써 개선방안의 재현성과 신뢰성을 확보하였으며, 장기저장 전지를 사용하는 실제 운용환경에서도 안정적인 장비 운용이 가능함을 검증하였다.

결론

본 기고문에서는 장기 저장된 리튬 1차전지 BA-6802K를 81mm 박격포-Ⅱ용 레이저·적외선 관측세트에 적용하는 과정에서 발생 가능성이 제기된 장비 기동 지연 현상의 원인을 분석하고, 이에 대한 개선 및 검증 결과를 소개하였다.

원인 분석 결과, 검증시험 결과, 장기 저장 리튬 1차전지의 초기전압지연 특성은 장기 저장 리튬 1차전지의 초기전압지연 특성과 관측세트의 저전압 보호 로직이 상호작용하여 발생한 것으로 확인되었다. 이에 따라 리튬 1차전지에 커패시터를 추가 적용하고, 관측세트에는 사전방전 기능을 포함한 소프트웨어 개선을 수행하였다.

개선 후 시험 결과, 장기저장 전지를 적용한 모든 시험에서 장비가 정상적으로 기동하였으며, 개선 전 일부 전지에서 30분 이상 소요되던 초기전압지연 현상이 최대 3분 30초 수준으로 감소하여 장비의 운용성이 크게 향상됨을 확인하였다.

본 사례는 기존에 규격화된 전원이라 하더라도 신규 장비에 적용할 경우 전지의 특성과 장비의 전원 관리 로직을 함께 고려한 검증이 필요함을 보여준다. 향후 유사한 전원 시스템을 적용하는 무기체계 개발 및 품질개선 과정에서도 유용한 참고 사례가 될 것으로 기대한다.