일본은 소류(そうりゅう)급 잠수함을 총 12척 건조할 예정입니다. 그 중에서 11번째인 오류(おうりゅう)함, 한국어로 번역하면 ‘봉황용함’이 2018년 10월 4일에 진수되었는데요. 이 오류함은 우리나라 KSS-III급 잠수함인 도산 안창호함 보다 0.5미터 더 길고 0.5미터 정도 폭이 좁습니다. 앞에 진수된 소류급과는 달리 리튬이온배터리(LIB) 추진체계를 갖추고 있는 잠수함입니다.
미국의 정치군사 매체 National Interest는 일본 LIB 잠수함에 대해 매우 후한 점수를 주고 있습니다. 현존하는 최강의 재래식 잠수함이라고 평가했을 정도죠. 그리고 미 해군도 성능은 뛰어나지만 가격적으로 부담이 큰 핵추진 잠수함만 고집할 것이 아니라 이런 LIB 잠수함을 도입하는 것도 괜찮지 않겠느냐는 의견을 살짝 내비치고 있는데요. 최근 들어 그 문제를 직접적으로 다루는 기사가 따로 나올 정도입니다.
그럼 먼저 기사 내용부터 파악해보도록 하겠습니다. 기사 내용 중 일본 소류급 잠수함의 호주 수출 가능성에 대해 언급한 부분은 이미 실패로 결론이 났기 때문에 지면 관계상 생략했음을 알려 드립니다.
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2018년 10월 4일, 일본 고베 조선소 진수식에서 깨어진 한 병의 샴페인은 새로운 잠수함의 진수를 알렸을 뿐만 아니라 잠수함을 이용한 전투에 있어서 새로운 시대가 열렸음도 알렸다. 이 새로운 잠수함은 우리가 호주머니에 항상 가지고 다니는 휴대폰에 사용된 기술의 일부를 차용하고 있다.
오류(Oryu: 봉황용)함은 일본 소류(Soryu: 청룡)급 잠수함 중 11번째로 진수된 잠수함이며 길이 84m의 대형 설계 잠수함으로 65명의 승무원을 태울 수 있고 4,519톤의 배수량을 자랑한다. 여러 면에서 일본의 소류급 잠수함은 재래식 잠수함 중 가장 우수하다는 평가를 받고 있다.
최대 30발의 89식 어뢰나 하푼 대함 미사일을 발사할 수 있는 533mm 발사관 6개로 무장하고 있으며, 수중 최고 속도는 20노트가 넘는다. 소류급 잠수함의 항속거리는 6,100해리로 동종 잠수함들에 비해 뒤떨어지지만, 최대 잠수 깊이는 600m 이상이며 이는 평균을 훨씬 상회하는 잠수 능력이다. 심지어 소류급은 몇몇 대잠 어뢰의 파괴심도(수압에 의해 어뢰가 파괴되는 깊이)를 훨씬 초과하는 깊이로 잠수가 가능하다.
일본 소류급 11번 잠수함 오류함은 그 크기는 말할 것도 없고 기동성을 강화시켜주는 컴퓨터 제어식 X자형 방향타와 첨단 음향 디코이 발사대 2기, 선체 전체에 광범위하게 코팅된 음향 상쇄 타일 등 첨단 기술이 적용되었음에도 불구하고 미국 버지니아급 핵추진 잠수함 건조비의 4분의 1에서 6분의 1 수준인 약 5억 3600만 달러의 비용이 들어갈 뿐이다. 그러나 오류함은 스마트폰과 노트북 컴퓨터에 사용되는 것과 동일한 기술인 리튬이온 배터리를 사용한 최초의 대형 잠수함이라는 점에서 이전의 소류급 잠수함들과 차별화된다.
현대의 재래식 잠수함들은 프로펠러의 스크류를 돌리고 전투 시스템에 동력을 공급하기 위해 전기를 사용한다. 이 전기는 디젤 엔진과 발전기에 의해 생산되며 수백 개의 납산 축전지에 저장된다. 그러나 디젤 엔진은 잠수함 내부의 공기를 소비하기 때문에 공기의 공급을 위해 어쩔 수 없이 주기적으로 잠수함을 수면으로 부상시키거나 수면 가까이에 스노클을 노출시켜야만 한다. 또한 배터리를 재충전하는 기간 동안 발생하는 소음에 의해 더 쉽게 탐지될 수도 있고 잘못 충전하면 수소가 발생하여 파괴의 위험에도 노출될 수 있다.
게다가, 잠수함 발전기들은 꽤나 시끄러운 편이다. 이 때문에 적군과 근접하여 잠항 중인 디젤 잠수함들은 디젤 엔진을 끄고 순수하게 배터리 동력으로만 움직이는 경우도 있다.
문제는 재래식 잠수함들이 배터리를 정말 빠른 속도로 소모시킨다는 것이다. 재래식 잠수함이 최대 속도(보통 20노트 전후)로 질주하면 1~2시간 안에 배터리가 다 소모된다. 다만 5노트에서 10노트 사이의 순항 속도로 지속적으로 운항을 한다면 배터리의 전력은 며칠까지 연장될 수 있다.
이에 대응할 수 있는 한 가지 방법은 거의 무제한의 수중 지구력을 제공하면서도 디젤 엔진보다 더 빠르고 조용한 핵 에너지를 사용하는 것이다. 하지만 이런 핵잠수함들도 온전하게 배터리로만 움직이는 디젤 잠수함만큼 조용하지 못하고, 핵잠수함들은 조작 원리상 원자로를 마음대로 끌 수도 없다.
더 중요한 것은, 핵추진 잠수함의 건조 비용이 재래식 디젤 잠수함 건조 비용의 4배에서 6배 정도 든다는 것이다. 심지어 원자로 기술에 접근이 가능한 국가들이라고 해도, 단거리 순찰에 핵 잠수함을 운용한다는 것은 닭 잡는데 소 잡는 칼을 쓰는 격이라는 비난을 받기 쉽다.
지난 20년 동안, 재래식 잠수함은 다양한 방식으로 더 조용하고 더 오래 지속되는 공기불요추진체계를 보완하는 데 초점을 맞추어 발전해 왔다. 이전의 7척의 소류급 잠수함에는 스털링 폐쇄회로 열기관을 포함하고 있었는데 스털링 폐쇄회로 열기관은 스웨덴 사람들이 처음 고안해낸 기술이며, 현재 중국의 039A형 잠수함에서도 발견되고 있다.
공기불요추진체계(AIP) 잠수함은 핵잠수함보다 더 조용하게 달릴 수 있고, 수면으로 부상하기 전에 몇 주 동안이나 잠항을 유지할 수도 있지만 4~6노트의 저속으로 이동해야 한다는 단점을 지니고 있다. 게다가 공기불요추진체계는 상당한 부피를 요구하기 때문에 거주 공간이 좁아지는 불편함과 동시에 작동에 사용되는 휘발성 액체가 야기하는 폭발의 위험성도 늘 존재한다는 문제점이 있다.
하지만 일본 소류급 11번 잠수함 Oryu와 그 후속함들은 배터리의 수명을 늘리는데 있어 기존과는 다른 접근법을 예고하고 있다. 1991년 일본 기업들은 리튬이온 배터리를 상용화 시켰다. 이후 노트북과 휴대전화 등 휴대용 전자제품에 응용되면서 리튬이온 배터리의 인기는 급상승했다. 에너지 효율이 60~70%에 불과했던 기존 납산 배터리에 비해 리튬이온 배터리는 80~90%의 효율로 에너지를 방출하며 부피와 무게에 비해 에너지 밀도가 높고 훨씬 빠르게 충전할 수 있다는 특징을 지니고 있다.
혹시 지금 이 순간 누군가는 리튬이온전지가 과열되어 불이 난 상태로 2013년 보스턴 로건 공항에 착륙한 787 여객기 사건이나 같은 종류의 배터리를 사용하던 갤럭시S7 태블릿에서 저절로 불이 났던 사건으로 악평을 받았던 일을 떠올릴지도 모르겠다.
리튬이온전지가 외부적 원인 없이도 폭주해서 불이 나는 경향이 있다는 사실은 수백 개의 리튬이온전지를 근접해서 설치해야만 하는 잠수함에서는 악몽과도 같은 걱정거리가 될 수밖에 없다! 실제로 2008년 미국의 특수부대 SEAL이 사용하는 침투용 소형 잠수정의 리튬이온배터리에도 불이 붙었던 적이 있었다. 이 사건은 왜 리튬이온전지(LIB) 기술이 대형 잠수함에서 좀 더 일찍 구현되지 못했는지를 설명해준다.
따라서 일본은 LIB 추진체계인 소류급 잠수함에 더 많은 안전성과 신뢰성을 구축하기 위해 배터리 사이를 분리하는 장벽인 디바이더를 훨씬 더 단단하게 만들고 배터리 내 화학물질을 안정시켰으며 잠수함 내에 자동 소화 시스템을 설치하여 보다 개선된 리튬전지 환경을 구현하는데 많은 돈과 몇 년 간의 노력을 쏟아 부었다.
전하는 바에 따르면 일본은 잠수함 내부가 바닷물에 노출되는 것과 같은 잠수함에 많은 스트레스를 주는 가상의 시나리오들을 만들어 냈다. 그리고 개선된 리튬전지 환경이 이에 얼마나 어떻게 대응할 수 있는지 알아보기 위해 엄격한 테스트를 실시한 것으로 알려졌다. 일본 해상자위대가 소류급 11번 잠수함 오류함을 진수했다는 사실은 결과적으로 일본 잠수함의 리튬이온전지 환경이 운용 가능한 안전한 성능으로 개량되었음을 시사한다고 볼 수 있다.
보도에 따르면 오류함의 672 리튬이온배터리 모듈은 이전 모델인 480 납산 배터리에 비해 수명이 두 배나 길다고 하는데, 이는 수면으로 부상할 필요 없이 일본 주변 순항이 가능하다는 것을 의미한다.
게다가, 672 LIB 모듈은 훨씬 더 빠르게 배터리를 재충전할 수 있다. 이는 잠수함이 배터리를 재충전하는 동안 발생하는 소음이나 노출로 인한 피탐지 위험 기간도 짧아진다는 것을 의미하는데 한 계산에 따르면 기존의 2.7시간에서 거의 절반 수준인 1.4시간으로 줄어든다.
하지만 9,700만 달러의 비용이 들어가는 리튬이온배터리는 1,300만 달러의 비용이 드는 납산 배터리에 비해 더 많은 돈이 들어간다.
수면으로 부상하지 않고서도 몇 주 동안이나 잠항을 할 수 있는 공기불요추진시스템(AIP) 잠수함에 비한다면 리튬이온배터리(LIB)로 움직이는 잠수함의 수중 지구력은 다소 뒤떨어지는 것이 사실이다.
그러나 기술의 발전과 더불어 예전보다 확연하게 늘어난 배터리 수명은 더 많은 전기의 사용을 가능하게 만들어 발전기를 끈 상태로 오랫동안 극저소음 잠항을 할 것인지 아니면 배터리를 총 동원하여 긴 시간 동안 고속 기동을 할 것인지를 잠수함 함장이 결정해야 할 때 더 큰 재량권을 부여할 수 있게 될 것이다. 전체적으로 볼 때 단거리 정찰에 파견된 잠수함의 경우 공기불요추진체계(AIP)보다 리튬이온배터리추진체계(LIB)가 더 유용할 수 있다.
또한 양쪽의 장점을 모두 취하기 위해 연료 전지를 사용하는 공기불요추진체계(AIP)와 리튬이온 배터리체계를 결합시키는 것도 가능하다는 점을 유념할 필요가 있다. 물론 덩치가 큰 공기불요추진체계(AIP) 엔진을 수용하기 위해 잠수함 내부에 공간을 희생시켜야 하고 추가적인 비용이 들어간다는 문제점이 있기는 하지만 말이다.
가와사키 중공업이 리튬이온 배터리를 탑재한 12번째이자 마지막 소류급 잠수함인 1척을 추가로 건조한 후 일본은 차세대 LIB 잠수함 개발에 착수할 예정이다. 일부 보고서에서 따르면 이전에 만들어진 스털링 공기불요추진체계(AIP) 방식의 소류급 잠수함들 중 일부도 LIB 잠수함으로 업그레이드될지 모른다고 밝히고 있다.
일본이 신뢰할 수 있는 리튬이온 배터리 기술을 지닌 잠수함을 당당하게 실전에 배치했다는 사실은 지난 20년 동안 가격은 저렴하지만 능력이 부족하다는 재래식 잠수함에 대한 사람들의 인식을 일소할 수 있는 쾌거이며 이는 잠수함 개발사에 있어 두 번째로 큰 도약을 의미한다. 대한민국과 중국도 역시 리튬이온배터리(LIB) 잠수함을 개발하고 있는 중이다.
미 해군은 훨씬 더 비싼 핵추진 공격형 잠수함과 유도탄 잠수함의 고급 능력에 연연해 하고 있지만 현재 미 해군은 목표치인 66척의 잠수함 함대를 유지할 수 있을 만큼 빠른 속도로 잠수함을 건조할 능력도, 건조 비용을 지불할 능력도 없는 상태이다. 중국 및 러시아와의 안보 경쟁이 심화되고 있는 현재 상황은 미 해군에게 리튬이온배터리(LIB) 잠수함의 잠재력을 다시 한번 재평가해야만 할 또 다른 이유를 제공하고 있다.
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지금까지 미 국방매체 National Interest가 지난 2019년 6월 14일에 게재했던 “일본 잠수함 부대, 전쟁의 승패를 가름 지을 비밀 무기를 보유하다”라는 제목의 기사를 번역해 보았습니다.
기존 축전지의 2배에 가까운 성능을 지닌 리튬이온배터리(LIB)로 움직이는 잠수함은 그만큼 뛰어난 성능을 지니고 있었지만 실제 지금까지 대부분의 재래식 잠수함들이 리튬이온배터리(LIB) 방식을 채택하지 않았던 가장 큰 이유는 바로 화재에 취약하다는 결점 때문이었습니다.
일본은 그런 문제점을 해결하기 위해 엄청난 금액의 돈과 많은 시간을 투자해왔습니다. 그리고 그 결실로 리튬이온배터리(LIB)의 문제를 어느 정도 해결했고 이제 본격적으로 주력 잠수함인 소류급에 적용하기 시작했습니다. 12척의 소류급 잠수함이 다 건조되면 차세대 리튬이온배터리(LIB) 잠수함 개발에 들어간다는 소식도 기사에 나와 있었던 것을 보셨을 것입니다.
압도적으로 큰 전력저장 용량, 높은 출력, 빠른 스노클링 재충전과 저소음이라는 장점 이외에도 디젤 연료를 해상에서 보급받는다면 지속적인 재충전도 가능하다는 장점도 있어서 사실상 공기불요추진체계(AIP)의 약점으로 지적되는 문제들을 모두 해결했다는 평가를 받고 있는 것이 바로 리튬이온배터리(LIB) 추진방식입니다. 최근 미국에 근거를 둔 국방매체인 National Interest에 미 해군도 리튬이온배터리(LIB) 잠수함을 보유해야 한다는 기사가 올라왔을 정도로 최근 리튬이온배터리(LIB) 잠수함에 대한 세계적인 관심이 뜨겁습니다. 그렇다면 우리나라 잠수함들은 어떨까요?
KSS-III 배치 1으로 만들어지는 우리나라 잠수함들 중 1번함인 도산 안창호함은 이미 진수가 끝났고 시험 운항을 거쳐 2022년 전력배치를 목표로 하고 있습니다. 하지만 도산 안창호함과 건조 중인 배치1의 나머지 두 잠수함들 모두 리튬이온배터리(LIB)를 채택하고 있지는 않습니다. 대신 디젤-전기추진 및 AIP 연료전지 방식을 채택하고 있죠.
연료 전지란 전지에 직접 연료를 주입하고 그 화학반응에서 직접 전기를 만들어내는 방식으로 3차 전지라고도 불립니다. 소음이 거의 없고 에너지 효율도 좋은 편이어서 20년 가까이 공기불요추진체계(AIP) 재래식 잠수함에서 선호하는 전지 체계였습니다. 하지만 출력이 약하며 주 연료인 액화산소 내지는 액화수소를 모항으로 돌아가야만 보급받을 수 있다는 단점과 잠수함 내에 저장된 액화된 산소나 수소는 작은 공격으로도 큰 폭발을 일으킬 수 있다는 단점이 꾸준히 지적되어 왔습니다.
20년 가까이 재래식 잠수함 분야를 주름잡던 연료전지 시대도 이제 그 막을 내릴 때가 되었나 봅니다. 원래는 연료전지 회사인 범한 산업이 우리나라의 KSS-III 배치1,2,3 시리즈의 잠수함 9대 모두에 연료전지를 공급할 계획이었으나 세계적인 흐름에 맞추어 배치 2로 만들어지는 잠수함 3척에는 리튬전지의 탑재를 추진할 것이라고 2017년 3월 23일 방위사업청이 결정을 했습니다.
리튬이온배터리(LIB) 분야에서 우리나라 기업들도 이미 상당한 기술력을 쌓은 것으로 알려지고 있지만 추후 상황을 예의 주시해야 할 필요가 있을 것 같습니다.
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