KR100917149B1 - 열상 장비와 육안으로 식별이 용이한 예광제 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고 광도의 적색광을 발생하여 육안 식별이 용이하고, 동시에 2∼12 ㎛ 파장 대역에서 작동하는 열상 장치에 선명한 영상이 보이는 예광제 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 예광제 조성물은 무게 비로 산화제 30∼65%, 금속 원료 20∼55%, 조색제 2∼8%, 고열량 물질 2∼15%를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

열상 장비와 육안으로 식별이 용이한 예광제 조성물{TRACER COMPOSITION OF HIGH PERFORMANCE FOR BOTH NAKED EYE AND THERMAL IMAGING SYSTEM}

도 1은 실시예 1의 예광제 조성물의 연소 시간 변화에 따른 연소 불꽃의 광도 변화를 도시한 그래프이다. A는 점화제 연소에 의한 광도를 나타내며, B시점부터는 예광제 연소에 의한 광도이다.

본 발명은 고 광도의 적색광을 발생하여 육안 식별이 용이하고, 동시에 2∼12 ㎛ 파장 대역에서 작동하는 열상 장치에 선명한 영상이 보이는 예광제 조성물에 관한 것이다.

통상적으로, 예광제는 탄약 후미에 장착되어 추진제 연소 가스에 의해 점화되면 가시 광선 영역의 밝은 빛을 내어 사수가 사격 방향을 조절하여 목표물에 빠르게 탄을 적중시킬 수 있게 한다. 이러한 가시 광선 방출형 예광제는 사람 눈에 잘 관측되는 적색 파장이 주로 사용된다.

가시 광선 방출형 예광제의 기본 조성은 산화제, 금속 원료, 유기 연료를 함 유하는 혼합물이다. 여기서, 상기 산화제는 질산스트론티늄 (strontium nitrate)과 같이 산소 함유 금속염을 말한다. 산화제에 함유된 산소는 상기 금속 원료와 반응하여 발열 반응을 함으로써 연소를 지속하게 하고, 산화제에 함유된 금속 원자는 색상을 내게 하는 기능을 한다. 상기 유기 연료는 일반적으로 염소 (Chloride) 등과 같은 환원 물질을 분자 내에 가지고 있어 상기 산화제의 금속과 반응하여 가시 광선을 방출하는 생성물을 형성하는 기능을 한다. 또한, 예광제가 적절한 연소 시간을 갖도록 반응 속도를 낮추는 기능도 한다.

산화제로 질산스트론티늄, 금속 원료로 마그네슘 (Mg), 유기 연료로 염화비닐 수지 (polyvinylchloride)를 사용한 예광제 조성물에서 가시 광선 방출 원리를 살펴보면, 질산스트론티늄과 염화비닐 수지가 반응하여 염화스트론티늄 (SrCl)을 형성하며, 이때 6200 Å∼6600 Å 사이의 스펙트럼을 갖는 적색광을 방출한다. 만약 반응 속도를 낮추는 염화비닐 수지가 없다면 질산스트론티늄과 마그네슘이 격렬하게 결합하여 한 순간에 반응하여 산화마그네슘 (MgO)을 형성하며 백색광을 낸다.

최근 개발되는 탄약은 무기 성능을 향상시키기 위해 탄속이 과거보다는 훨씬 빨라지고 있는 추세이다. 이러한 탄속이 빠른 탄약은 탄약이 시야에서 멀어지는 속도가 커 육안으로 관측하기 위해서는 예광제의 연소 불꽃 광도를 높여야 한다.

광도를 높이는 가장 쉬운 방법은 예광제 컵의 직경을 넓혀 불꽃의 크기를 키우는 방법이다. 그러나, 이러한 방법은 탄자의 직경이 제한되어 있어 무한정 예광제 컵의 직경을 넓힐 수 없다. 따라서, 고 광도의 가시 광선을 낼 수 있는 예광제 조성을 선정하여야 한다. 예광제 색상 선택에도 사람 눈에 가장 잘 구별되는 것으 로 알려진 적색 파장을 사용하여야 식별에 유리하다.

한편, 최근 개발되는 전차 및 장갑차는 예외없이 열상 장비를 탑재하고 있다. 열상 장비는 빛이 전혀 없는 상태에서도 표적과 배경이 방출하는 고유한 복사에너지 차이 (온도 차이)를 검출하여 전기적 신호 처리를 거친 뒤 영상화하는 장비이다. 이 장치는 표적의 고유한 적외선 영역 에너지 차이를 검출하므로 대기 중 빛의 유무와는 무관한 완전 수동형 장비로, 무 월광 상태의 야간에도 관측 성능이 양호하기 때문에 주로 야간 감시 장비 또는 사통 장비의 주,야간 센서로 그 용도가 급격히 증대되고 있다. 통상적으로 현재 사용되고 있는 열상 장비는 2∼12 ㎛ 파장의 대역에서 작동한다.

이러한 열상 장비가 장착되어 있는 무기 체계용 예광제는 가시 광선만 방출하면 되었던 종래의 예광제 기능에 추가로 열상 장비에 잘 관측되도록 적외선 방출량이 많아야 한다. 열상 관측 장비에 탐지가 용이하게 하기 위해서는 예광제 화염 온도를 높여 적외선 방출량을 많게 하여야 한다.

산화제 함량을 높여 예광제 연소 속도를 증가시키는 방법을 생각할 수 있으나, 산화제 함량을 증가시키면 예광제 연소가 빨리 종료되어 탄 발사 후 탄자 (projectile)의 궤적 추적이 곤란하다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 예광제 컵 길이와 예광 지속 시간을 고려하여 적절한 연소 속도 (예컨대, 21℃ 기준으로 예광제 연소 속도가 2.5 mm/sec 이하임)를 가지고 있고, 사람 눈에 잘 띄는 적색 파장이 방출되는 동시에 열상 장비에 잘 관측 되도록 적외선 방출량이 높은 예광제 조성물을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적은, 무게 비로 산화제 30∼65%, 금속 원료 20∼55%, 조색제 2∼8%, 고열량 물질 2∼15%를 포함하여 이루어진 예광제 조성물에 의하여 달성될 수 있다.

여기서, 상기 산화제는 분자 속에 산소를 포함하고 있는 산화물로서 질산스트론티늄, 과산화스트론티늄, 질산바륨, 염화칼륨, 염소산칼륨, 또는 이들의 혼합물이 사용될 수도 있다. 본 발명에서 사용할 수 있는 바람직한 산화제는 질산스트론티늄, 과산화스트론티늄, 또는 이들의 혼합물이다. 산화제는 순도가 높고 평균 입자 크기가 최대 100 ㎛ 이하가 적당하다. 또한, 산화제는 예광제 전체에 대한 무게 비로 30∼65%를 사용할 수 있고, 바람직한 함량은 40∼50%이다. 산화제의 함량이 30% 미만일 경우에는 예광제를 점화시키기 곤란하고, 설사 점화되어도 스스로 연소하지 못하고 불 꺼짐 현상이 발생한다. 또한, 산화제의 함량이 65% 초과일 경우에는 예광제 연소가 너무 빨리 종료되어 탄 발사 후 탄자 궤적 추적이 곤란하다.

상기 금속 원료로는 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 철, 지르코늄이 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용할 수 있는 바람직한 금속 원료는 마그네슘 분말이다. 마그네슘 분말은 입자 크기가 클수록 연소 속도가 늦어지고 미연소 마그네슘이 발생한 확률이 높으므로, 본 발명에서 사용한 마그네슘은 입자 크기가 최대 200 ㎛ 이하가 적당하다. 마그네슘 분말은 예광제 전체에 대한 무게 비로 20∼55% 사용할 수 있 고, 바람직한 함량은 30∼45%이다. 금속 원료의 함량이 55% 초과일 경우에는 상대적으로 산화제 함량이 줄어들어 불 꺼짐 현상이 발생한다. 또한, 금속 원료의 함량이 20% 미만일 때는 상대적으로 산화제 함량이 늘어나 예광제 연소가 너무 빨리 종료된다.

상기 조색제로는 염소 화합물인 염화비닐 수지, 염화고무, 디크로레인 (Dichlorane) 등이 사용될 수 있다. 이러한 염소 화합물은 금속 분말의 결합제 역할을 할 수 있는 고무 상태가 좋다. 본 발명에서 사용할 수 있는 바람직한 조색제는 염화고무이다. 염화고무는 예광제 전체에 대한 무게 비로 2∼8% 사용할 수 있고, 바람직한 함량은 3∼4%이다. 조색제의 함량이 8%를 초과하면 예광제 불꽃 광도가 낮아지는 부작용이 발생하고, 2% 미만일 경우에는 예광제의 황색 불꽃이 방출되어 육안 관측에 있어 역효과가 발생하며, 2% 이상 넣었을 때 육안 관측이 용이한 적색 불꽃이 된다.

상기 고열량 물질은 불소 함유 수지이다. 여기서, 불소 함유 수지란 분자 속에 불소 원자를 함유한 합성 수지를 말하며, 예컨대 폴리테트라플로로에틸렌 (polytetrafluoroethylene, 4-불화 수지), 비닐리덴플로라이드 (vinylidene fluoride)/헥사플로로프로필렌 (hexafluoropropylene) 공중합 고무, 테트라플로로 에틸렌 (tetrafluoroethylene)/헥사플로로프로필렌/비닐리덴 (vinylidene) 공중합 고무, 비닐플로라이드 (vinyl fluoride)/ 헥사플로로프로필렌/ 테트라플로로에틸렌 공중합 고무 등이 있다. 불화 수지를 사용함에 있어 용매에 녹지 않는 4-불화 수지를 사용할 경우에는 4-불화 수지를 갈아서 30 메쉬 (mesh) 통과분만 사용한다. 불 화 고무를 사용할 경우는 용매에 용해하여 용액 상태로 제조한 다음 사용한다. 사용할 수 있는 용매는 메틸에틸케톤 (methyl ethyl ketone), 에틸아세테이트 (ethyl acetate), 아세톤 (acetone) 등이 있다. 만약 금속 분말 및 산화제 분말과의 결합력이 떨어지면 비닐계 수지를 혼합하여 사용하여도 된다. 불소 함유 수지는 예광제 전체에 대한 무게 비로 2∼15% 사용할 수 있고, 바람직한 함량은 5∼10%이다. 고열량 물질의 함량이 15%를 초과하면 예광제 연소 시간이 짧아지고 황색의 불꽃이 방출되는 부작용이 발생하고, 2% 미만 첨가할 경우에는 적외선 방출량이 적어 열상 관측이 불가능하다.

이하에서는, 본 발명을 실시예에 의하여 보다 상세히 설명한다. 그러나, 실시예는 본발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

평균 입자 크기가 100 ㎛인 분말 상태의 마그네슘 40 g과 분말 상태인 질산스트론티늄 45 g를 혼합한 다음, 듀폰사의 불화 고무인 바이톤 에이(Viton A) 9 g을 아세톤 36 g에 용해하고, 염화고무 6 g를 트리크로로에탄 (trichloroethane) 용매 24 g에 넣어 흐름성이 있는 액상의 용액을 만들어 마그네슘/질산스트론티늄 혼합 분말과 혼합하였다. 고결 방지를 위해 30 메쉬 체를 통과시킨 뒤 50 ℃ 오븐에서 24시간 건조하였다. 내경이 7 mm인 예광제 컵에 왁스 종이로 만들어진 라이너를 넣고 준비된 예광제 혼합물을 50,000 psi로 충전하였다.

예광제 점화성 개선을 위해 점화제를 예광제 위에 놓고 예광제 충전 압력과 동일한 압력으로 충전하였다. 점화제는 질산스트론티늄이 주성분으로 하고 칼슘 레 진이 소량 첨가된 조성을 사용하였다. 환풍기가 설치되어 있는 야외 시험장에서 제조된 예광제 조립체를 고정하고 전기 점화기를 사용하여 점화하였고, 예광제의 연소 시간에 따른 광도를 광도계 (model: OL730D)를 사용하여 측정하였다.

도 1에 예광제 연소 시간에 따른 광도를 보였다. 처음 나타난 피크 (peak)는 점화제 광도 피크이고, 실제 예광제 연소에 의한 광도는 이 피크 뒤에 나타난 신호부터이다. 광도 값은 시간에 따라 요동 (fluctuation)이 없이 비교적 일정한 값을 보였고 연소 속도는 2.30 mm/sec, 평균 광도는 10,000 칸델라 (cd) 정도이었다. 예광제 연소 시 불꽃 색상은 적색을 보였다.

탄자 (projectile)가 비행할 때 예광제 관측 시험을 위하여 날개 안정 철갑탄에 예광제를 장착하여 40 미리 강선포를 사용하여 발사 시험하였다. 발사된 탄자의 비행 속도는 마하 3 이상이었다. 발사 시험에서 예광제 불빛은 선명하게 보였고, 무기 체계에 탑재되어 있는 2∼12 ㎛ 파장 대역에서 작동하는 열상 장비로 관측하였을 경우, 모든 시험 조건에서 선명하게 관측되었다.

[비교예 1]

평균 입자 크기가 100 ㎛ 이하인 분말 상태의 마그네슘 50 g, 질산스트론티늄 23 g, 30 메쉬 체를 통과시킨 듀폰사의 불소 수지인 테플론 (Teflon) 20 g을 분말 상태로 혼합한 다음, 듀폰사의 불화 고무인 바이톤 비 (Viton B) 7 g에 아세톤 용매 28 g를 넣어 흐름성이 있는 액상의 용액을 만들어 마그네슘/질산스토론티늄 혼합 분말과 혼합하였다. 고결 방지를 위해 30 메쉬 체를 통과시킨 뒤 50 ℃ 오븐에서 24시간 건조하였다.

전술한 실시예 1과 같은 제원의 예광제 컵에 실시예 1과 동일한 방법으로 예광제와 점화제를 충전하고 광도 및 연소 시간을 측정하였다. 연소 속도는 5.14 mm/sec, 평균 광도는 20,000 칸델라 정도이었고, 예광제 연소 시 불꽃 색상은 황색의 연소 불꽃이 방출되었다.

본 비교예 1에서 보인 예광제 조성은 실시 예 1과 동일한 시험방법으로 실시한 탄 발사 시험에서는 예광제 연소 종료 시점이 너무 빨라 탄의 궤적 추적이 곤란하였다.

[비교예 2]

본 비교예에서는 고열량 물질이 첨가되지 않은 가시 광선 방출형 예광제 조성물을 사용하여 예광 특성을 살펴보았다. 먼저, 평균 입자 크기가 100 ㎛ 이하인 분말 상태의 마그네슘 40 g, 질산스트론티늄 50 g을 분말 상태로 혼합한 다음, 디크로레인 4 g 및 비닐알코올아세테이트 (vinyl alcohol acetate) 수지 6 g을 트리크로로에탄 (trichloroethane) 용매 40 g에 넣어 흐름성이 있는 용액을 만들어 마그네슘/질산스토론티늄 혼합 분말과 혼합하였다. 고결 방지를 위해 30 메쉬 체를 통과시킨 뒤 50 ℃ 오븐에서 24시간 건조하였다.

전술한 실시예 1과 같은 방법으로 예광제 및 점화제를 충전하여 광도 및 연소 시간을 측정하였다. 연소 속도는 1.77 mm/sec, 평균 광도는 6,000 칸델라 정도였다. 예광제 연소 시 불꽃 색상은 적색의 연소 불꽃이 방출되었다.

본 비교예에서 보인 예광제 조성물은 전술한 실시예 1과 동일한 시험 방법으로 실시한 탄 발사 시험에서는 육안 관측은 용이하였으나, 무기 체계에 탑재되어 있는 실시예 1에서 언급한 열상 장비로 관측하였을 경우, 예광제 영상을 관측할 수 없었다.

이와 같은 결과를 종합하면, 비교예에서 보인 고열량 물질이 첨가되지 않은 가시 광선 방출형 예광제 조성물을 사용하여 제조한 예광제는 탄 발사 시험에서 육안 관측은 가능하였으나 열상 장비로 예광제 연소 불꽃의 영상 관측이 곤란하였고, 고열량 물질인 불소 수지를 전체 예광제 대비 2∼15%, 바람직하게는 5∼10% 사용한 조성에서만 예광제 연소 화염을 육안 및 열상 관측이 동시에 가능하였다.

이상, 본 발명을 도시된 예를 중심으로 하여 설명하였으나 이는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.

본 발명에 의하면, 가시 광선 방출형인 육안 관측 전용 혹은 열상 관측 전용 예광제 조성물이 아닌 육안 관측과 열상 관측을 동시에 수행할 필요가 있는 탄의 예광제 조성물을 제공할 수 있게 된다.

본 발명에 의해 제조된 예광제 조성물은 50,000 psi 압력으로 성형하였을 때 21℃ 기준으로 연소 속도가 2.5 mm/sec 이하였고, 포구 출발 속도가 마하 3 이상의 고속으로 비행하는 탄의 육안 관측이 가능하였을 뿐만 아니라, 열상 장비에 선명한 영상을 보였다. 따라서, 본 발명에 의한 예광제 조성물은 열상 및 육안 관측이 동시에 필요한 다양한 탄약에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (8)

1. 무게 비로 산화제 30∼65%, 금속 원료 20∼55%, 조색제 2∼8%, 적외선 방출 강도 증가를 위한 고열량 물질로서 불소 함유 수지 2∼15%를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 열상 장비와 육안으로 연소 화염 관측이 용이한 예광제 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 산화제는 질산스트론티늄, 과산화스트론티늄, 질산바륨, 염화칼륨, 염소산칼륨, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 열상 장비와 육안으로 연소 화염 관측이 용이한 예광제 조성물.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 금속 원료는 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 철, 또는 지르코늄인 것을 특징으로 하는 열상 장비와 육안으로 연소 화염 관측이 용이한 예광제 조성물.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 조색제는 염화비닐 수지, 염화고무, 또는 디크로레인 (Dichlorane)인 것을 특징으로 하는 열상 장비와 육안으로 연소 화염 관측이 용이한 예광제 조성물.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 불소 함유 수지는 폴리테트라플로로에틸렌 (polytetrafluoroethylene, 4-불화 수지), 비닐리덴플로라이드 (vinylidene fluoride)/헥사플로로프로필렌 (hexafluoropropylene) 공중합 고무, 테트라플로로에틸렌 (tetrafluoroethylene)/헥사플로로프로필렌/비닐리덴 공중합 고무, 또는 비닐플로라이드/헥사플로로프로필렌/테트라플로로에틸렌 공중합 고무인 것을 특징으로 하는 열상 장비와 육안으로 연소 화염 관측이 용이한 예광제 조성물.

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