KR101661152B1 - 탄소나노튜브를 포함하는 ２색 적외선 섬광탄용 추진제 조성물 - Google Patents

탄소나노튜브를 포함하는 ２색 적외선 섬광탄용 추진제 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 2색 비를 가지는 추진제 조성물 및 이의 용도에 관한 것이다. 2.0중량% 이상의 탄소나노튜브를 포함하는 본 발명의 추진제 조성물은 연소 시 적어도 5,000 W/Sr의 최대 적외선 강도를 유발할 뿐 아니라, 6 이상의 중적외선 강도/근적외선 강도 비를 초래한다. 따라서, 본 발명의 추진제 조성물은 2색 적외선 섬광탄에 효과적으로 적용되어 적외선 대방해방책(IRCCM)에 이용할 수 있다.

Description

탄소나노튜브를 포함하는 ２색 적외선 섬광탄용 추진제 조성물{Propellant Compositions for Two Color Infrared Flares Comprising Carbon Nanotubes}
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 2색 적외선 섬광탄용 추진제 조성물에 관한 것이다.
전투기, 수송기 및 헬리콥터는 적외선 탐색기를 장착한 미사일에 취약하게 만드는 적외선을 방출한다. 이 적외선 방출은 고온의 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 일산화탄소(CO) 및 탄소 입자(Soot)를 생성시키는 항공유의 연소에 의한 배기가스로부터 초래된다. 항공기의 적외선 강도는 엔진구조, 조우각, 사거리, 고도 및 대기상태와 같은 변수에 의존하는 것으로 알려져 있다. 제1세대 공대공 미사일 및 지대공 미사일 등장 후 세계적으로 폭 넓게 배치된 MTV(Mg/Teflon/Viton)계 섬광탄과 같은 적외선 대방해방책의 중요성을 인식하게 되었다. 적외선 대방해방책(IRCCM)에 대응하기 위하여 다양한 탐색기가 끝임 없이 연구되고 있다.
Mg/Teflon/Viton (MTV) 혼합물 기초로 한 적외선 섬광탄은 고온(약 2200K)의 적외선을 방출하기 때문에 기존의 탐색기를 기만하는 적외선 섬광탄으로 사용된다. 그러나, 적외선 위협 대 적외선 대응수단의 발달로 더 많은 개량된 위협들이 나타나게 되었다. 이것들은 3-5 μm와 2-3 μm 사이의 에너지 비인 색비(Color Ratio, CR)를 사용하여 진표적과 기만탄인 적외선 섬광탄을 구별한다.
기본적으로, 2색 적외선 섬광탄의 조성은 단지 온도에 따른 방사 (Temperature Radiation) 또는 선택적 방사(Selective Radiation)에 기초한 조성으로 분류될 수 있다(참고: 도 1). 온도 방사체를 기초로 한 기만탄은 자연발화성 포일 또는 적린 코팅된 금속 박판으로 구성된다. 하지만, 바람직하지 않은 동력학적 거동 때문에 상기 기만탄은 쉽게 개선된 탐색기에 의하여 구별된다. 한편, 파장별 적외선 발생 강도의 내림차순으로 파이로테크닉 충전물에 대한 바람직한 선택적 방사체는 CO2 > FBO > HBO2 > HBO > CO > HCl이다(참고: 표 1). 다시 말하면, 탄화수소(hydrocarbon)를 산화제와 적당한 비율로 혼화하여 연소시켜서 연소생성물 중에서 CO2 함량을 최대화하여 2색 비를 최대화 하는 것이다. 파장별 적외선 발생 강도의 내림차순으로 피하여야 할 바람직하지 않은 선택적 방사체는 HF > CH4 > H2O 순이다(참고: 표 2).
선택적 방사체의 파장 및 파장 강도.
분자 파장(μm) 파장 강도
( atm -1 Cm -2 )
CO2 4.3 2700
FBO 5.0 1760
HBO2 4.94 1375
HBO 4.45 1000
CO 4.67 250
HCl 3.47 155
바람직하지 않은 방사체의 파장 및 파장 강도.
분자 파장(μm) 파장 강도
( atm -1 Cm -2 )
HF 2.53 389
CH4 3.31 290
H2O 6.3 300
이러한 2색 적외선 섬광탄의 추적원리는 탐색기의 시야(Field of View, FOV) 상에 있는 중적외선(3.5-4.8 μm)의 강도가 가장 큰 적외선원(IR Source)을 추적하는 동시에 중적외선강도/근적외선 강도 비인 색비(CR)가 1보다 크면 항공기로 인식하여 계속 추적하고, 1보다 작으면 적외선 섬광탄(기만탄)으로 인식하고 다른 적외선원을 재탐지하여 추적하는 원리로 목표물을 추적하는 원리로 작동한다.
따라서, 2색 적외선 섬광탄 추적기의 추적을 피하기 위해서는 보다 큰 적외선원을 가지면서 동시에 1보다 큰 색비를 가지는 2색 적외선 섬광탄의 조성을 가지도록 하는 것이 매우 중요하며, 이에 따라 당업계에서는 상술한 여러 가지 문제들을 해결할 수 있는 보다 효율적인 조성물이 시급히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명자들은 적외선 탐색기(infrared seeker; 예컨대, 지대공 및 공대공 미사일)에 대한 적외선 대방해방책(IRCCM)에 효과적으로 사용될 수 있는 추진제 조성물을 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 산화제와 탄소나노튜브가 적절한 비율로 첨가된 추진제 조성물이 연소 시 CO2 발생량을 현저하게 증대(즉, 연소 생성물의 CO2/H2O의 함량비 최대화)시켜 적외선원의 파장 강도를 크게 높일 뿐 아니라, 색비 즉 중-적외선 강도 대 근-적외선 강도의 비를 적어도 3 이상으로 창출시킴으로써 목적 타겟에 대한 2색 탐색기의 추적을 간편하고 효율적으로 방해할 수 있다는 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 적외선 섬광탄용 추진제 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 추진제 그레인을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 2.0중량% 이상의 탄소나노튜브를 포함하는 적외선 섬광탄용 추진제 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 추진제 조성물을 포함하는 추진제 그레인(grain)을 제공한다.
본 발명자들은 적외선 탐색기에 대한 적외선 대방해방책에 효과적으로 사용될 수 있는 추진제 조성물을 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 산화제와 탄소나노튜브가 적절한 비율로 첨가된 추진제 조성물이 연소 시 CO2 발생량을 현저하게 증대(즉, 연소 생성물의 CO2/H2O의 함량비 최대화)시켜 적외선원의 파장 강도를 크게 높일 뿐 아니라, 색비 즉 중-적외선 강도 대 근-적외선 강도의 비를 적어도 3 이상으로 창출시킴으로써 목적 타겟에 대한 2색 탐색기의 추적을 간편하고 효율적으로 방해할 수 있다는 것을 확인하였다.
보통, 적외선 섬광탄은 추진제 조성물로 이루어진 추진제 그레인, 점화제, 기타 첨가제, 등을 포함한다.
추진제 조성물은 통상적으로 알려진 방법에 따라 간편하게 제조될 수 있는데, 간략하게는 각 구성성분을 혼화한 후 압출하여 제조할 수 있다. 통상적으로, 추진제 조성물은 바인더, 산화제, 첨가제, 등을 포함한다.
상기 바인더는 추진제 조성물 내에서 매트릭스 구조를 이루는 물질로서, 온도에 따라 가교 결합이 가역적으로 변화한다. 본 발명에서 사용될 수 있는 바인더는 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer, TPE), 니트로셀룰로오스, 니트로글리세린, 등을 포함할 수 있다.
먼저, 열가소성 탄성체는 다양한 고무 소재로부터 제조될 수 있고, 예를 들어 천연 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 부틸 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), EPDM(에틸렌 프로필렌 디엔 모노머) 고무, 비닐엘틸렌-아크릴 고무, 아크릴 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(acrylonitrile-butadiene rubber, NBR), 에피클로히드린 고무, 폴리클로프렌 고무, 클로로부틸 고무, 등을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니고, 특히 니트릴 기를 필수적으로 포함할 수 있다. 이후, 상기 고무 소재와 열가소성 수지를 용융 혼합하여 열가소성 탄성체를 제조할 수 있다. 이때, 열가소성 수지는 상기 고무 소재와 적절한 상용성을 가지는 수지라면 어떠한 것도 이용될 수 있으며, 예를 들어 열가소성 폴리올레핀계 수지를 포함한다. 본 발명의 어떤 구현예에서, 상기 열가소성 폴리올레핀계 수지는 폴리에틸렌 또는 염소화된 폴리에틸렌; Hypalon®(Du Pont); 호모-폴리프로필렌(Homo-PP), 프로필렌, 에틸렌, 부틸렌 및 옥텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 공단량체가 중합된 공중합체; 폴리프로필렌에 에틸렌-프로필렌 고무가 블렌딩된 블록공중합체; 및 폴리프로필렌 가지가 달린 고용융장력 폴리프로필렌(high melt strength PP; HMSPP)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 바인더는 니트레이트 기를 가지는 다른 물질도 이용될 수 있다. 본 발명에서 이용될 수 있는 니트레이트 기를 가지는 바인더는 니트로셀룰로오스(NC), 니트로글리세린(NG), 펜타에리트리톨 테트라니트레이트(PETN), 트리메타놀에탄 트리니트레이트(TMETN), 디펜타에리트리톨 헥사니트레이트(DiPEHN), 트리메틸올프로판 트리니트레이트(TMPTN), 니트로이소부틸 글리세롤 트리니트레이트(NIBGT), 에리트리톨 테트라니트레이트(ETN), 크실리톨 펜타니트레이트(XPN), 소르비톨 헥사니트레이트(SHN) 및 만니톨 헥사니트레이트(MHN)로 이루어진 군으로부터 선택되는 최소 1종을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명에서 이용될 수 있는 니트레이트 기를 가지는 바인더는 니트로셀룰로오스(NC) 및 니트로글리세린(NG)이다.
또한, 본 발명의 적외선 섬광탄에는 당업계에서 이용되는 통상적인 점화제/산화제가 이용할 수 있는데, 예를 들어 붕소; 과염소산암모늄(AP); 과염소산 칼륨; 니트로셀룰로오스 같은 바인더; Mg, Al, Ti 같은 금속 분말; 등이 이용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 추진제 조성물에 사용되는 산화제는 당업계에 알려진 다양한 물질들이 이용될 수 있고, 구체적으로 시클로트리메틸렌트리니트라민(RDX), 시클로테트라메틸렌 테트라니트라민(HMX), 헥산니트로헥사아자이소우트지탄(CL-20), 에틸렌 디니트라민(EDNA), 1,3,5,5-테트라니트로헥사히드로피리미딘(DNNC), 트랜스-1,2-디니토시클로프로판(DNCP), 1,3,3,5,7,7-헥사니트로-1,5-디아자시클로옥탄(HNDZ), 1,3,3-트리니트로아제티딘(TNAZ), 및 1-(아지도메틸)-3,5,7-트리니트로-1,3,5,7-테트라아자시클로옥탄(AZTC)을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 구체적으로는, 본 발명에서 이용되는 산화제는 과염소산 암모늄(AP)이다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 추진제 조성물은 탄소나노튜브와 산화제의 비율을 조절하여 연소 생성물에서 CO2의 함량을 최대화시켰다. 본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명의 추진제 조성물에서 탄소나노튜브 대 산화제의 비율은 1 대 20의 비율 이상이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 니트레이트 기는 시간이 지남에 따라 자연적으로 분해됨에 따라 생성되는 분해산물이 상기 니트레이트 기의 분해를 더욱 촉진시켜 최종적으로 발화하는 현상을 유발시킬 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명의 추진제 조성물에 안정제가 추가적으로 포함될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 추진제 조성물에 포함될 수 있는 안정제는 디페닐아민(DPA), 2-니트로페닐아민(2-NPA), 2-니트로디페닐아민(2-NDPA), 4-니트로디페닐아민(4-NDPA), 파라-N-메틸니트로아닐린(MNA), 파라-니트로-N-메틸메톡시아닐린(pNMA), 에틸 센트랄라이트(centralite), 메틸 센트랄라이트, 아카다이트(Akadite) I, 아카다이트 II 및 카르바마이트(carbamite)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 추진제 조성물은 미량(예컨대, 3중량% 미만)의 첨가제, 예를 들어, 알루미늄 분말 같은 금속 분말; 연소속도 조절제; TEPANOL(테트라에틸렌 펜타민 니트릴(TEPAN)과 글리시돌의 반응 생성물) 같은 결합제; 카본블랙(Carbon Black) 또는 탄화지르코늄(ZrC) 같은 연소안정제; 및 소염제 등을 추가적으로 1종 이상 포함할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 적외선 섬광탄은 상대적으로 매우 적은 섬광제량(약 250 g)으로 항공기의 많은 양의 배기가스로부터 생성되는 중적외선의 강도보다 높은 중적외선 강도를 발생시킴으로써 항공기를 추적하던 유도탄/추적기가 기만탄을 추적하도록 오도하기 위해서 사용한다(참고: 도 1). 플랑크의 법칙인 온도가 높을수록 근적외선을 많이 방출하고 700K 이하로 온도가 낮아지면 중적외선을, 온도가 더 낮으면 원적외선이 많이 방출되는 원리에 따라 적은 섬광제량으로 항공기와 대비하여 높은 적외선강도를 얻는 것은 어렵다. 따라서, 적은 섬광제량으로 높은 적외선 강도를 얻기 위해서는 선택적 방사방법인 섬광제의 연소생성물에 CO2 가스가 많이 방출되도록 설계하여야 한다. 실제로, 배출가스가 상대적으로 매우 적은 적외선 섬광제로 항공기의 배기가스보다 많은 CO2/H2O 비가 4 이상인 가스 혼합물을 방출하기 위해서는 반응물 조성물 내에 연소가 용이한 탄소를 많이 함유하도록 설계하여야 하는 것이 핵심이다.
보다 효과적인 2색 적외선 섬광탄을 제조하기 위해, 본 발명은 미량의 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 섬광탄의 첨가제(Additive)로 하여 적외선 섬광탄용 추진제 조성물을 구성하였고, 이로부터 상기 조성물의 연소 시 CO2의 생성을 최대화시키는 게 가능하였다. 즉, 본 발명의 추진제 조성물은 연소 시 높은 CO2/H2O 비를 야기함으로써, 전투기, 수송기 및 헬리콥터 같은 항공기로부터 유래되는 적외선 강도보다 더 높은 적외선 강도를 적외선 섬광탄으로부터 창출하는 게 가능하였다(참고: 실시예 1 및 실시예 2).
본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명의 추진제 조성물에 이용되는 탄소나노튜브의 양은 전체 중량 내에서 2.0중량% 이상, 보다 구체적으로는 2.0중량% 내지 10중량%, 보다 더 구체적으로는 2.0중량% 내지 5.0중량% 및 가장 구체적으로는 2.0중량% 내지 3.5중량%이다.
본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명의 추진제 조성물에 의해 야기될 수 있는 중적외선 강도/근적외선 강도 비는 평균적으로 3 이상, 보다 구체적으로는 4 이상, 보다 더 구체적으로는 5 이상 및 가장 구체적으로는 6 이상이다.
본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명의 추진제 조성물은 연소 시 적어도 4,000 W/Sr 이상의 최대 적외선 강도, 보다 구체적으로는 적어도 5,000 W/Sr 이상 및 보다 구체적으로는 적어도 6,000 W/Sr 이상의 최대 적외선 강도를 나타낸다.
또한, 본 발명의 추진제 그레인은 일반적으로 외부 표면에 점화제의 도포를 위한 홈이 다수 가공된 구조를 이루며(참고: 도 2), 다양한 형상으로 설계될 수 있다. 본 발명의 추진제 그레인은 근적외선 강도보다 중적외선 강도를 크게 나타낼 수 있는 물질이 주로 이용되고, 예를 들어 니트로셀룰로오스(NC), 니트로 글리세린(NG), 디에틸렌 글리콜 디니트레이트(DEGDN), 등을 이용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명의 추진제 그레인은 중립연소 형상으로 설계된다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(a) 본 발명은 높은 2색 비를 가지는 추진제 조성물 및 이의 용도에 관한 것이다.
(b) 2.0중량% 이상의 탄소나노튜브를 포함하는 본 발명의 추진제 조성물은 연소 시 적어도 5,000 W/Sr의 최대 적외선 강도를 유발할 뿐 아니라, 6 이상의 중적외선 강도/근적외선 강도 비를 초래한다.
(c) 따라서, 본 발명의 추진제 조성물은 2색 적외선 섬광탄에 효과적으로 적용되어 적외선 대방해방책(IRCCM)에 이용할 수 있다.
도 1은 2색 적외선 섬광탄에서 우수한 색비를 얻기 위한 방안을 도식한 흐름도이다.
도 2는 점화제가 도포된 추진제 그레인의 모식도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
실시예 1: 열가소성 추진제를 이용한 추진제 조성물
첫 번째 조성은 바인더로 열가소성 추진제인 TPE(Thermoplastic Elastomer)(SBS; LG 화학, 대한민국)에 산화제로 과염소산암모니움(Ammonium Perchlorate, AP)(㈜한화, 대한민국), 탄소나노튜브(카본나노텍, 대한민국)를 첨가하여 조성 설계하였다. 세부조성은 TPE 20%, AP 75%, CNT 2%, 결합제(HX752; 거원기술, 대한민국) 1.5%, 산화방지제(AO 246; ATK-Thiokol, 미국) 0.25%, 촉매(Fe2O3; EG(구 삼양산업), 대한민국) 1.25%이다. 연소시험결과, 최대 적외선 강도는 5,000 W/Sr이고, 2색 비(Color Ratio)는 평균 6.2이였다.
실시예 2: 복기 추진제를 이용한 추진제 조성물
두 번째 조성은 복기추진제인 니트로셀루로스(NC)(㈜풍산, 대한민국), 니트로글리세린(NG)(㈜풍산, 대한민국)에 탄소나노튜브(CNT)를 첨가하여 조성설계 하였다. 세부조성은 NC 53%, NG 42%, CNT 3.5%, 산화방지제 1.5%이다. 연소시험결과 적외선 강도는 6,000 W/Sr이고, 2색 비(Color Ratio)는 평균 9.2이였다.
상술한 바와 같이, 두 종류의 화포추진제 바인더, 산화제에 탄소 나노튜브를 첨가하여 추진제 조성물을 제조하였고, 이를 이용하여 설계된 중립연소 형상의 추진제 그레인을 제조하였다(참고: 도 2). 상기 설계된 추진제 그레인을 이용한 연소 실험을 통해, 상기 추진제 그레인을 이용하는 경우 2색 비가 최소한 3 이상이 된다는 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 일 구현예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 2.0중량% 이상의 탄소나노튜브를 포함하는 2색 적외선 섬광탄용 추진제 조성물로서, 상기 추진제 조성물은 적어도 3 이상의 2색비(two color ratio)를 나타내는 것인 추진제 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 양은 2.0 내지 5.0중량%인 것인 2색 적외선 섬광탄용 추진제 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 추진제 조성물에서 탄소나노튜브 대 산화제의 비율은 1 대 20의 비율 이상인 것인 2색 적외선 섬광탄용 추진제 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 추진제 조성물은 연소 시 적어도 5000 W/Sr의 최대 적외선 강도를 나타내는 것인 2색 적외선 섬광탄용 추진제 조성물.
  6. 제1항, 제2항, 제4항 및 제5항 중 어느 하나의 항의 2색 적외선 섬광탄용 추진제 조성물을 포함하는 추진제 그레인(grain).
KR1020160021463A 2016-02-23 2016-02-23 탄소나노튜브를 포함하는 ２색 적외선 섬광탄용 추진제 조성물 KR101661152B1 (ko)

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