KR101673537B1 - 나노고에너지물질 복합체 및 그의 열적 점화를 위한 가스 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아자이드(azide)계열인 아지드화나트륨(NaN3)/나노고에너지물질과 함께 혼합 사용하여 가스발생시 내압을 낮추고 기체 발생시간 및 연소 속도와 온도의 제어가 효율적으로 이루어지도록 한 나노고에너지물질 복합체 및 그의 열적 점화를 위한 가스 발생기에 관한 것으로, 가스를 발생시키기 위한 반응 물질로 사용되는 아자이드(azide)계열의 물질;상기 아자이드(azide)계열의 물질을 열적으로 반응시키기 위한 열에너지 공급원(heat energy source)으로 사용되는 나노고에너지물질(nEMs)이 혼합되어 복합체 분말을 구성하고, 상기 복합체 분말은 점화 및 폭발에 의해 생성되는 열에너지에 의해서 반응 물질로 사용되는 아자이드(azide)계열의 물질의 마이크로입자는 분해되면서 기체를 발생시키는 것이다.

Description

나노고에너지물질 복합체 및 그의 열적 점화를 위한 가스 발생기{Nanoenergetic Material Composite Powders and Their Thermal Ignition for Gas Generator}
본 발명은 나노고에너지물질에 관한 것으로, 구체적으로 아자이드(azide)계열인 아지드화나트륨(NaN3)/나노고에너지물질과 함께 혼합 사용하여 가스발생시 내압을 낮추고 기체 발생시간 및 연소 속도와 온도의 제어가 효율적으로 이루어지도록 한 나노고에너지물질 복합체 및 그의 열적 점화를 위한 가스 발생기에 관한 것이다.
일반적으로 에어백(Airbag)은 자동차의 보조구속장치(Supplemental Restraint System)의 한 종류로 시트벨트(seat belt)를 착용한 상태에서만 기능을 발휘하며 도 1과 같은 사고 시 충격으로부터 승객의 신체를 보호해 주기 위한 보조 장치이다.
여기서, 자동차 충돌 시 에어백을 부풀려 주기 위한 가스발생기(gas generator)는 자동차의 팽창 구속 장치 중 가스를 발생시키는 폭발 제품을 의미하고 작동된 이후 불과 수-수십 밀리초(milliseconds) 이내에 가스발생기 내부에 있는 반응물질은 급격하게 가스를 생성하여 에어백을 부풀리게 된다.
현재 자동차에 대한 관심이 높아지고 있고 특히 차량 안전에 대한 소비자들의 요구가 점점 늘어나고 있다. 대표적인 차량 안전장치 중에 하나인 에어백은 차량 충돌 시 승객의 충돌 에너지를 흡수하여 보호하는 역할을 하고 있다.
이러한 에어백의 구성 장치로는 차량 충돌 시 승객과 접촉하여 에너지를 흡수하는 쿠션, 쿠션을 수납하는 하우징 어셈블리와 도어 어셈블리, 쿠션을 부풀게 하는 가스 발생장치인 인플레이터로 구성되어 있다.
중요한 안전부품인 에어백의 작동원리는, 차량 충돌 시 센서가 충돌 신호를 감지한 후 에어백 컨트롤 유닛으로 신호를 보낸 후, 에어백으로 다시 전기 신호를 보낸다. 그 전기신호로 에어백의 인플레이터가 점화되어 가스를 분출, 쿠션을 부풀리게 되어 승객을 보호한다.
작동원리에서 보다시피 에어백의 구성 장치 중에 하나인 인플레이터는 승객의 충돌에너지를 빠르게 흡수할 수 있도록 가스를 급격히 분출시키는 중요한 부품이다.
이와 같이 다양한 충돌 모드 조건, 다양한 체형의 승객 보호가 이루어질 수 있도록 차량 안전 연구가 활발히 이루어지고 있다.
따라서, 차량안전, 특히 에어백에 적용되는 인플레이터 특성에 중요한 영향을 미치는 인플레이터 반응 물질에 관한 개선이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0126736호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 인플레이터 및 인플레이터 반응 물질의 문제를 해결하기 위한 것으로, 에어백 인플레이터(inflator)의 반응물질들 중의 핵심물질로 나노고에너지물질(Nanoenergetic Materials, nEMs)을 적용할 수 있도록 한 나노고에너지물질 복합체 및 그의 열적 점화를 위한 가스 발생기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 나노스케일의 연료물질(fuel)과 산화제물질(oxidizer)로 이루어진 나노고에너지물질(nEMs)이 갖는 점화 시 내부적으로 가지고 있던 화학에너지를 매우 짧은 시간에 열에너지와 폭발압력의 형태로 방출하는 특성을 에어백 인플레이터에 적용할 수 있도록 한 나노고에너지물질 복합체 및 그의 열적 점화를 위한 가스 발생기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 아자이드(azide)계열인 아지드화나트륨(NaN3)/나노고에너지물질과 함께 혼합 사용하여 가스발생시 내압을 낮추고 기체 발생시간 및 연소 속도와 온도의 제어가 효율적으로 이루어지도록 한 나노고에너지물질 복합체 및 그의 열적 점화를 위한 가스 발생기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체는 가스를 발생시키기 위한 반응 물질로 사용되는 아자이드(azide)계열의 물질;상기 아자이드(azide)계열의 물질을 열적으로 반응시키기 위한 열에너지 공급원(heat energy source)으로 사용되는 나노고에너지물질(nEMs)이 혼합되어 복합체 분말을 구성하고, 상기 복합체 분말은 점화 및 폭발에 의해 생성되는 열에너지에 의해서 반응 물질로 사용되는 아자이드(azide)계열의 물질의 마이크로입자는 분해되면서 기체를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 나노고에너지물질(nEMs)은 나노스케일의 연료물질(fuel)로 알루미늄(Al)을 사용하고, 산화제물질(oxidizer)로 산화구리(CuO)로 이루어진 복합체 물질인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 반응 물질로 사용되는 아자이드(azide)계열의 물질은 아지드화나트륨(NaN3)인 것을 특징으로 한다.
그리고 아지드화나트륨(NaN3)은 마이크로입자(Microparticles, MPs)인 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 아자이드(azide)계열의 물질과 나노고에너지물질(nEMs)이 혼합되는 복합체 분말은, 연료금속물질로 평균직경의 최대 크기가 80nm인 갖는 알루미늄(Al) 나노입자를 사용하고, 금속산화제물질로 평균직경의 최대크기가 100nm인 산화구리(CuO) 나노입자를 사용하는 나노고에너지물질(nEMs)과, 아자이드(azide)계열의 물질로 평균직경의 최대크기가 183㎛인 아지드화나트륨(NaN3)을 각각 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 아자이드(azide)계열의 물질과 나노고에너지물질(nEMs)이 혼합되는 복합체 분말의 혼합비를 10:3으로 하여, NaN3:Al:CuO=77:7:16 wt%으로 혼합하는 것을 특징으로 한다. 이는 아지드화 나트륨 물질과 나노고에너지물질의 다양한 혼합비를 기반으로 선행 연구한 결과 최적의 가스 발생 효율을 갖는 혼합비로써 결정된 것이다.
그리고 아자이드(azide)계열의 물질과 나노고에너지물질(nEMs)이 혼합되는 복합체 분말은, NaN3/nEMs 복합체 분말을 에탄올 용액 내에서 초음파 에너지를 이용하여 혼합하고, 대류형 건조기(convective oven)에 넣고 가열함으로써 에탄올용액을 제거하여 복합체 분말을 제조하는 것을 특징으로 한다.
그리고 아자이드(azide)계열의 물질을 아지드화나트륨(NaN3)을 사용하는 경우에, 나노고에너지물질에 의한 점화 및 폭발에 의해 생성되는 열에너지에 의해서 아지드화나트륨(NaN3)이 2NaN3 → 2Na+3N2와 같이 반응하여 질소 기체를 생성하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체의 열적 점화를 위한 가스 발생기는 가스를 발생시키는 반응 물질을 갖는 나노고에너지물질(nEMs) 복합체의 점화 및 폭발을 위하여, 복합체 분말이 스테이지에 정렬되면 전압을 인가하는 전압인가부;전압인가부에서 인가되는 전압에 의해 표면에 저항열을 발생시켜 나노고에너지물질을 점화 및 폭발시키는 열점화용 텅스텐 와이어;에어백 접속부에 연결되고, 상기 나노고에너지물질의 점화 및 폭발에 의한 열에너지에 의해 반응 물질이 분해되면서 발생하는 기체를 배출하는 가스 출구;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 나노고에너지물질(nEMs)은 나노스케일의 연료물질(fuel)로 알루미늄(Al)을 사용하고, 산화제물질(oxidizer)로 산화구리(CuO)로 이루어진 복합체 물질인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 가스를 발생시키는 반응 물질은 아자이드(azide)계열의 아지드화나트륨(NaN3)인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 및 그의 열적 점화를 위한 가스 발생기는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 에어백 인플레이터(inflator)의 반응물질들 중의 핵심물질로 나노고에너지물질(Nanoenergetic Materials, nEMs)을 적용할 수 있다.
둘째, 나노고에너지물질(nEMs)이 갖는 점화 시 내부적으로 가지고 있던 화학에너지를 매우 짧은 시간에 열에너지와 폭발압력의 형태로 방출하는 특성을 에어백 인플레이터에 적용할 수 있다.
셋째, 아자이드(azide)계열인 아지드화나트륨(NaN3)/나노고에너지물질과 함께 혼합 사용하여 가스발생시 내압을 낮추고 기체 발생시간 및 연소 속도와 온도의 제어가 효율적으로 이루어지도록 한다.
넷째, 아지드화나트륨(NaN3)/나노고에너지물질(nEMs) 복합체 반응물질을 기반으로 한 가스발생기의 개발을 가능하게 하여 가스 생성용 반응 조성물질의 범위를 확대함과 동시에 효과적인 에어백 인플레이터를 개발할 수 있도록 한다.
도 1은 자동차 충돌 및 에어백 동작 상태를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 아지드화나트륨과 나노고에너지물질 복합체 분말 제조 공정과 이들의 가스발생기 내부에서의 점화 및 에어백 팽창 과정을 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 가스 발생기의 구성도
도 4는 본 발명에 따른 아지드화나트륨(NaN3) 마이크로 입자/나노고에너지물질(nEMs=Al 나노입자+CuO 나노입자) 복합체의 이미지 구성도
도 5는 아지드화나트륨(NaN3)/나노고에너지물질(nEMs=Al+CuO) 복합체의 열적 점화 반응에 의한 분석 결과를 나타낸 그래프 및 이미지 구성도
도 6은 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 화염점화 시 연소현상 고속카메라 측정결과 연속 정지이미지 구성도
도 7은 NaN3/Al/CuO 가스 발생기에 의한 (a)에어백 팽창 및 (b)기체생성량 수상치환 측정 실험 실물사진
도 8은 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 점화 및 연소 후 질소가스 방출에 의한 에어백 팽창 현상 고속카메라 측정결과 연속 정지이미지
도 9는 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 질량별 점화 시 생성되는 질소기체 부피 수상치환 측정 결과
도 10은 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 점화 및 연소반응에 의한 질소 기체 발생량 비교 결과 그래프
이하, 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 및 그의 열적 점화를 위한 가스 발생기의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 및 그의 열적 점화를 위한 가스 발생기의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 아지드화나트륨과 나노고에너지물질 복합체 분말 제조 공정과 이들의 가스발생기 내부에서의 점화 및 에어백 팽창 과정을 나타낸 구성도이다.
본 발명은 에어백 인플레이터(inflator)의 반응물질들 중의 핵심물질로 나노고에너지물질(Nanoenergetic Materials, nEMs)을 적용하기 위한 것으로, 나노고에너지물질(nEMs)은 나노스케일의 연료물질(fuel)과 산화제물질(oxidizer)로 이루어진 복합체 물질로 점화 시 내부적으로 가지고 있던 화학에너지를 매우 짧은 시간에 열에너지와 폭발압력의 형태로 방출하는 특성이 있다.
본 발명은 나노고에너지물질을 에어백용 가스발생기의 반응물질에 적용하여 (i)에어백이 팽창하기에 적절한 기체 발생시간과, (ii)최적의 연소 속도와 비교적 낮은 연소 온도, (iii)아자이드(azide)계열인 아지드화나트륨(NaN3)/나노고에너지물질과 함께 혼합 사용함으로써 가스발생시 내압을 낮추는 특성을 갖도록 한 것이다.
따라서, 이러한 아지드화나트륨(NaN3)/나노고에너지물질(nEMs) 복합체 반응물질을 기반으로 한 가스발생기의 개발을 가능하게 하여, 현재의 다양한 에어백 관련 산업에서 다소 국한된 가스 생성용 반응 조성물질의 범위를 확대하고 효과적인 에어백 인플레이터를 개발하는데 적용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 나노고에너지물질(nEMs)로써 알루미늄(Aluminum, 연료금속)과 산화구리(Cupper Oxide, 금속산화제) 복합체 나노입자(Nanoparticles, NPs)를 사용하는데, 이로 제한되지는 않는다.
그리고 NaN3는 마이크로입자(Microparticles, MPs)을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, NaN3/nEMs 복합체 분말을 가스발생기(gas generator) 내부의 격실에 위치시키고 가는 텅스텐 와이어(tungsten wire)에 전압을 인가하여 저항열을 발생시켜 이들을 점화한 후 NaN3/nEMs 복합체 분말의 연소율, 기체발생량, 기체생성시간 등과 같은 열적 반응 특성을 측정 및 분석한다.
도 2는 본 발명에 따른 아지드화나트륨(NaN3)과 나노고에너지물질(nEMs=Al+CuO) 복합체 분말 제조 공정과 이들의 가스발생기(gas generator) 내부에서 텅스텐 와이어(tungsten wire)에 의한 점화 및 에어백(airbag) 팽창 과정을 분석하기 위한 구성도이다.
본 발명에 따른 일 실시 예에서는 연료금속물질(fuel metal)로 평균직경 ~80nm를 갖는 알루미늄(Al) 나노입자를 사용하고, 금속산화제(metal oxide)물질로 평균직경 ~100nm를 갖는 산화구리(CuO) 나노입자, 그리고 기체생성물(gas generating materials)로 평균직경 ~183㎛를 갖는 아지드화나트륨(NaN3)을 각각 사용한다.
도 2에서와 같이, 아지드화나트륨(NaN3)과 나노고에너지물질(nEMs, Al 나노입자+CuO 나노입자) 복합체 분말을 제조한다.
여기서, NaN3 마이크로입자(NaN3 MPs)는 약 350℃에서 질소(N)가스와 나트륨(Na) 고체생성물으로 분해되면서 최종적으로 에어백을 부풀리기 위한 가스발생용 반응물질로 사용된다.
nEMs 나노입자(Al NPs+CuO NPs)는 아지드화나트륨을 열적으로 반응시키기 위한 열에너지 공급원(heat energy source)으로 사용되는 것이다.
NaN3/nEMs 복합체 분말의 혼합비율은 우선 기체 생성량을 최대한 늘리기 위해 NaN3의 양을 10mg으로 고정한 후 nEMs의 질량비율을 1, 2, 3, 5, 10 wt%로 증가시킬 수 있다.
NaN3/nEMs 복합체 분말이 폭발반응 후 생성물입자들이 열화학반응 이후에 육안으로 대부분 보이지 않는다.
본 발명의 실시 예에서는 반응속도가 적절한 혼합비를 NaN3:nEMs=10:3(즉, NaN3:Al:CuO=77:7:16 wt%)로 하는 것이 바람직하다.
NaN3/nEMs복합체 분말 제조과정으로 먼저 NaN3/nEMs 복합체 분말을 에탄올용액내에서 초음파 에너지(ultrasonication energy, 초음파 출력=170 W, 초음파 주파수=40 kHz)를 이용하여 30분간 혼합한다.
이를 대류형 건조기(convective oven)에 넣고 80℃에서 30분간 가열함으로써 에탄올용액을 건조하여 제거한 후 최종적인 NaN3/nEMs 복합체 분말을 제조한다.
아지드화나트륨(NaN3)은 나트륨과 질소로 이루어져 있으며 특정한 온도로 가열될 경우 가스를 발생하여 에어백을 순간적으로 부풀리는데 사용하는 반응물질로서 약 350℃ 정도의 온도에서도 불이 붙지 않으며, 기계적인 충돌이 일어날 때도 폭발하지 않는 매우 높은 안전성을 가지고 있어 비행기, 자동차 등의 내부에 저장해두기에도 안전한 물질로 알려져 있다.
이러한 NaN3 기반 가스발생용 반응물질에 나노고에너지물질(nEMs=Al+CuO) 분말을 혼합하여 점화 시 발생되는 열에너지를 가해주면 아지드화나트륨(NaN3)은 격렬히 반응하며 2NaN3 → 2Na+3N2와 같이 질량 비율 65%의 질소 기체를 생성하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 가스 발생기의 구성도이다.
본 발명의 실시 예에서는 NaN3/Al/CuO 반응물의 열적 점화 및 연소에 의한 가스발생을 위한 가스 발생기를 도 3에서와 같이 구성한다.
먼저, 가스발생기의 구체적인 구성 요소로는 전압인가부(Applied Voltage)(31)와, 열점화용 텅스텐 와이어(Tungsten Wire)(32)와, 가스켓(Gasket)(33)와, 에어백 접속부(Fitting)(34)와, 잔여가스배출구(Remainder Gas Outlet)(35)와, 가스출구(Gas Outlet)(36), 관찰용 윈도우(Window)(37)를 포함한다.
NaN3/Al/CuO 분말을 가스발생기의 스테이지(Stage)위에 정렬한 후 고전압발생기를 이용하여 약 10V의 전압을 전압인가부(31)에 공급한다.
인가된 전압은 열점화용 텅스텐 와이어(32)의 표면에 고온의 저항열을 발생시키고, 이는 최종적으로 Al/CuO 기반 나노고에너지물질을 점화 및 폭발시키게 된다.
이때 순간적으로 생성되는 열에너지에 의해서 NaN3 마이크로입자는 순간적으로 분해되면서 순식간에 질소기체를 발생시키고, 생성된 질소기체는 가스출구(36)로 이동하여 최종적으로 연결된 에어백(Airbag)을 급속으로 부풀리게 된다.
이때 에어백(Airbag)의 부풀어지는 정도를 고속카메라(Photron, FASTCAM SA3 120K)를 이용하여 5 kHz의 프레임속도로 촬영하면 도 8에서와 같다.
그리고 도 4는 아지드화나트륨(NaN3) 마이크로 입자/나노고에너지물질(nEMs=Al 나노입자+CuO 나노입자) 복합체의 (a)저배율 SEM 이미지, (b)고배율 SEM 이미지이다.
그리고 (c) 및 (d)는 Al 나노입자 및 CuO 나노입자 결합체 중심으로 분석한 TEM 이미지이다.
본 발명에 따른 NaN3/nEMs 복합체의 물리적 구조, 혼합 정도와 기체 생성 반응 전과 후의 화학성분 등을 확인하기 위해 SEM/TEM/EDX/XRD 분석을 하면 다음과 같다.
도 4(a) 및 (b)의 SEM 측정 이미지에서 보는 바와 같이 NaN3 마이크로입자, Al 연료물질 나노입자 및 CuO 금속산화제 나노입자가 함께 붙어있는 모습을 관찰 할 수 있고, 도 4(c) 및 4(d)에서 보이는 TEM 측정 이미지는 Al 연료물질 나노입자와 CuO 나노입자간에 강하게 결합되어 있는 것을 보여 주고 있다.
여기서, NaN3는 마이크로 크기의 입자이므로 TEM 측정장치로 분석하기에는 너무 커서 TEM 측정에서 주로 나노크기를 갖는 Al 나노입자와 CuO 나노입자를 중심으로 분석하였다.
그리고 도 5는 아지드화나트륨(NaN3)/나노고에너지물질(nEMs=Al+CuO) 복합체의 열적 점화 반응에 의한 (a)질소기체 생성 반응 전 및 (b)질소기체 생성 반응 후의 XRD 분석 결과 그리고 열적점화 전 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 (c)FE-SEM 이미지 및 (d)EDX 분석 결과를 나타낸 것이다.
본 발명에서 사용되는 NaN3/Al/CuO 복합체 반응물의 화학적 조성을 분석하면 다음과 같다.
열적 점화 전후의 반응물과 생성물의 XRD분석을 수행하면, 도 5(a)에서와 같이 열적 점화 전에는 반응물질인 가스발생제(NaN3) 마이크로입자와 연료금속(Al)/금속산화제(CuO) 나노입자로부터 X선 입사에 의한 NaN3, Al, CuO 등으로부터 강한 결정 신호가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
열적 점화 후의 생성물을 샘플링하여 XRD 분석한 결과는 도 5(b)에서와 같이 NaN3/Al/CuO의 자기전파반응(self-propagating reaction, 화학식 1,2 참고)후 각각 Al2O3, CuO, Na 등으로 변화된 생성물들이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 반응 후 최종생성물에는 완전히 연소반응을 하지 못하고 일부 산화되지 않은 Al과 반응결과 중간생성물로 추정되는 Na2O 등도 검출되었다.
그리고 추가적으로 점화 전 NaN3/Al/CuO 반응물질에 대한 EDX 분석을 수행한 결과 도 5(c) 및 (d)에서와 같이 XRD 분석에서와 동일하게 Al, Cu, O, Na 원소들로 구성되어 있음을 재차 확인할 수 있다.
Figure 112014126541536-pat00001
Figure 112014126541536-pat00002
그리고 도 6은 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 화염점화 시 연소현상 고속카메라 측정결과 연속 정지이미지를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 일 실시 예에서 제조한 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 점화/폭발 및 가스 생성 특성을 관찰하기 위하여 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 구성된 가스발생기(gas generator)를 설계 및 제작하여 특성을 살펴보면 다음과 같다.
NaN3/Al/CuO 분말을 가스발생기 내부의 반응용 챔버(chamber)에 일정량을 올려놓고 텅스텐 와이어에 전압을 인가하여 저항열을 발생시켜 밀폐되어있는 가스발생기 안에서 NaN3/Al/CuO 복합체 분말을 점화 및 가스 발생 실험을 수행하였다.
이때 가스 배출용 출구(Gas Outlet)를 통해 나온 질소 기체에 의하여 에어백이 팽창하는 것을 고속카메라와 일반용 디지털카메라를 이용하여 실시간으로 관찰하였고, 최종적으로 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 공기 중 화염점화의 열에너지 전달에 의한 폭발반응과 가스발생기를 이용한 가스 생성 동영상 및 정지이미지 분석을 통해 연소율, 기체 발생량, 에어백 팽창시간 등을 측정하였다.
우선 공기 중에서의 NaN3/Al/CuO의 화염점화(flame ignition)에 의한 폭발 반응 이미지 결과는 도 6에서와 같다.
고속카메라의 정지사진(snapshot) 분석을 기반으로 NaN3/nEMs (nEMs=Al+CuO)의 연소율(burn rate)을 계산한다.
여기서, NaN3/nEMs의 연소율은 NaN3/nEMs 분말 시료의 총길이(약 8mm)를 화염이 시료의 한쪽 끝에서 출발하여 다른 쪽 끝에 도달하는데 걸리는 총 시간으로 나누어 결정되었다.
도 6의 결과에서 보이는 바와 같이, 화염에 의해 열에너지가 NaN3/CuO 및 NaN3/Al/CuO (혹은 NaN3/nEMs)로 연쇄적으로 전달되는 경우 최종적으로 거시적인 연소 및 폭발 현상과 함께 기체 생성이 나타나게 되고 결정된 NaN3/CuO 분말과 NaN3/Al/CuO 분말의 연소율은 각각 약 0.3 m/s와 5.3 m/s로 나타났다. 이는 전통적인 에어백용 가스발생기에서 사용되는 NaN3/CuO 분말의 점화에 의한 열반응속도가 매우 느리고, 충분한 가스발생의 가능성이 낮을 수 있는 가능성을 보이나 (도 6(a) 참조), 본 발명에서 기존의 NaN3/CuO 반응물질에 Al 나노입자를 첨가하여 열 및 압력 발생에 의한 폭발반응성을 증대시켜 줌으로써 도 6(b)에서 보는 바와 같이 NaN3/Al/CuO 복합체 분말 점화 시 열반응속도를 극대화 할 수 있는 방안을 제시한 것이다.
그리고 도 7은 NaN3/Al/CuO 가스발생기에 의한 (a)에어백 팽창 및 (b)기체생성량 수상치환 측정 실험 실물사진이다.
가스발생기를 이용한 NaN3/nEMs 복합체 분말의 기체생성 및 에어백 팽창기(airbag inflator) 실험을 위한 장치의 구성은 도 7에서와 같다.
NaN3/nEMs 복합체 분말의 점화 및 폭발반응에 의한 에어백 팽창 현상을 구현하기 위해 우선 도 7(a)와 같이 전원공급기를 통해 10V의 전압을 인가하여 가스발생기 내부의 텅스텐 와이어의 저항에 의하여 급속으로 가열이 되게 하고, 이렇게 생성된 열에너지에 의해서 점화된 NaN3/nEMs 복합체 분말은 급격한 발열반응(도 6 참고)을 하고 급속히 분해되어 질소기체(N2)를 생성하게 된다.
이렇게 발생된 질소기체는 가스배출용 출구(Gas Outlet)에 연결된 구리튜브(copper tube)를 통해 이송되어 가스출구 끝단에 연결된 일정 부피를 갖는 에어백(airbag)으로 유입되고 최종적으로 에어백은 유입된 질소가스에 의해 급속으로 팽창하게 된다.
이때 가스발생기를 이용한 NaN3/nEMs (즉, NaN3 마이크로입자/Al 나노입자/CuO 나노입자) 복합체 분말에 의한 에어백의 급속한 팽창 과정은 고속카메라(Photron, FASTCAM SA3 120K)를 통해 측정하였다.
여기서 추가적으로 NaN3/nEMs복합체 분말의 점화에 의한 가스발생량을 측정하기 위해서는 도 7(b)에서 보이는 바와 같이 가스발생기 끝단에 부착된 에어백 시스템을 분리하고 대신에 가스포집용 수상치환 장치를 설치하였다.
도 8은 NaN3/CuO 분말과 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 각각 점화 및 연소 후 질소가스 방출에 의한 에어백(Airbag) 팽창 현상 고속카메라 비교 측정결과 연속 정지이미지이다.
먼저 에어백 팽창장치(airbag inflator)의 구현을 위해 가스발생기내에 NaN3/CuO 분말과 NaN3/Al/CuO 복합체 분말 각각 400mg를 장착하고 전압공급기에서 약 10 V를 인가하였다.
텅스텐 와이어 점화 장치에 의해 NaN3/CuO 분말과 NaN3/Al/CuO 복합체 분말은 점화 및 연소되면서 급격하게 질소 기체를 방출하였고, 그 결과 질소 가스 이송용 구리 튜브 끝단에 연결된 에어백(부피: 136ml)은 NaN3/CuO 분말의 경우 도 8(a)에서와 같이 불완전 연소로 충분한 질소 가스가 발생하지 못해 에어백이 완전하게 부풀지 못했으나, 반면에 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 경우 도 8(b)에서와 같이 점화 시 약 40ms의 짧은 시간에 급속도로 완전하게 팽창함을 관찰할 수 있었다. 이는 NaN3/CuO 분말내에 Al 나노입자의 결합으로 나노고에너지물질의 점화 시 충분한 발열 및 압력 발생으로 NaN3가 열분해되어 충분한 질소 가스를 발생시키는 것을 확인해주는 결과이다.
도 9는 NaN3/CuO 분말과 NaN3/Al/CuO 복합체 분말내에 NaN3 질량을 34, 77, 111, 154, 188mg로 고정하여 점화 시 생성되는 질소기체 부피 수상치환 측정 결과이다.
사용되는 NaN3/CuO 분말과 NaN3/nEMs 복합체 분말의 질량에 따른 점화 시 질소기체 발생량을 측정 및 평가하기 위해서 가스 포집 및 측정용 수상치환 장치를 가스발생기 끝단에 설치하여 측정실험을 수행하였다.(도 7(b)참고)
먼저, 일정량의 NaN3/nEMs 복합체 분말(예. 50, 100, 150, 200, 250mg)을 가스발생기의 챔버에 각각 설치하고 텅스텐 와이어를 이용하여 점화하였고, 생성된 질소 기체의 최종 부피 측정은 밀폐되어 있는 가스발생기 내부에서의 급격한 기체발생으로 인해 물의 움직임이 안정되면(즉, 반응물질 점화 후 약 5초 경과)가 지났을 때 가스발생량 부피를 측정하였다.
반응물질을 기반으로 한 반응식을 바탕으로 이론적으로 질소 기체 발생량을 계산한 결과로는 각각 NaN3/Al/CuO 복합체 분말 50mg에서는 질소기체(N2) 발생량은 19.9ml (즉, (i)이론적 N2 가스발생량: 19.9ml @ NaN3/Al/CuO 분말 질량: 50mg) 이고, (ii)이론적 N2 가스발생량: 39.8ml @ NaN3/Al/CuO 분말 질량: 100mg, (iii)이론적 N2 가스발생량: 59.7ml @ NaN3/Al/CuO 분말 질량: 150mg, (iv)이론적 N2 가스발생량s: 79.6ml @ NaN3/Al/CuO 분말 질량: 200mg, (v)이론적 N2 가스발생량: 99.5ml @ NaN3/Al/CuO 분말 질량: 250mg) 으로 나타났다.
이상에서 제시한 이론적 기체 발생량에 대한 계산 결과를 검증하기 위한 실험은 각각의 반응물질 질량의 조건별로 3번씩 반복 진행하여 평균값을 구하였다.
수상치환 장치를 이용하여 NaN3/CuO 분말과 N3/Al/CuO 복합체 분말의 점화 시 생성된 질소가스를 포집한 결과는 도 9에 나타난 바와 같이, 가스발생기 내에서 반응물질이 점화 폭발 시 급격한 압력상승으로 수상치환 장치내에 수위가 변하였으나 일정시간(약 5초) 경과 후 수위가 안정화 되었을 때를 기준으로 생성된 질소가스의 부피를 측정한 결과 다음과 같이 나타났다.
먼저, NaN3/CuO 분말의 경우 도 9(a)에서 보는 바와 같이 (i)실험적 N2 가스발생량: 17ml @ NaN3/CuO 분말 질량: 47mg,(ii)실험적 N2 가스발생량: 31ml @ NaN3/CuO 분말 질량: 93mg,(iii)실험적 N2 가스발생량: 39ml @ NaN3/CuO 분말 질량: 140mg,(iv)실험적 N2 가스발생량: 48ml @ NaN3/CuO 분말 질량: 186mg,(v)실험적 N2 가스발생량: 52ml @ NaN3/CuO 분말 질량: 233mg와 같이 NaN3/CuO 분말 질량에 따라 질소 기체 발생량이 변화되는 결과가 나타났다.
그 다음으로 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 경우 도 9(b)에서 보는 바와 같이 (i)실험적 N2 가스발생량: 18ml @ NaN3/Al/CuO 분말 질량: 50mg,(ii)실험적 N2 가스발생량: 36ml @ NaN3/Al/CuO 분말 질량: 100mg,(iii)실험적 N2 가스발생량: 57ml @ NaN3/Al/CuO 분말 질량: 150mg,(iv)실험적 N2 가스발생량: 78ml @ NaN3/Al/CuO 분말 질량: 200mg,(v)실험적 N2 가스발생량: 96ml @ NaN3/Al/CuO 분말 질량: 250mg와 같이 NaN3/Al/CuO 분말 질량에 따라 질소 기체 발생량이 변화되는 결과가 나타났다.
도 10은 NaN3/CuO 분말과 NaN3/Al/CuO 복합체 분말의 점화 및 연소반응에 의한 이론적 및 실험적으로 결정된 질소 기체 발생량 비교 결과 그래프이다.
이상과 같이 가스발생기와 수상치환 장치를 기반으로 실험적으로 측정한 NaN3/CuO 분말과 NaN3/nEMs 복합체 분말내에 고정적으로 포함된 NaN3 질량별 점화 시 질소기체 생성량을 반응식을 바탕으로 이론적으로 계산한 질소기체 생성량과 도 10에서와 같이 비교하면 다음과 같다.
그 결과 NaN3/nEMs 복합체 분말의 경우는 전반적인 NaN3 질량값 범위에서 실험적으로 측정한 질소가스 발생량이 이론적 질소 기체 생성 예측량과 차이가 거의 없이 실질적으로 질소가스가 발생하였으나, 반면에 NaN3/CuO의 경우는 NaN3 질량값이 증가하면서 실험값이 이론값에 미치지 못하는 경향이 확연하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
이는 NaN3/nEMs 복합체 분말이 점화 시 충분한 열에너지 발생으로 NaN3의 열분해반응을 완전하게 일으켜 질소가스 발생량이 이론적 예측값과 매우 유사하게 나타나는 것을 의미한다.
이와 같은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 및 그의 열적 점화를 위한 가스 발생기는 자동차, 비행기 등의 다양한 이동수단에서 에어백 팽창기(airbag inflator) 구현을 위한 최적의 질소 기체 생성 물질의 제조 및 에어백 인플레이터용 가스발생기 설계 및 제작, 실증 구현 연구에 관한 것이다.
질소 기체 생성을 위한 반응물질로는 아지드화나트륨(NaN3) 마이크로입자를 사용하였고, 이들에게 열에너지를 공급하기 위해서는 연료금속 Al 나노입자와 금속산화제 CuO 나노입자를 기반으로 하는 나노고에너지물질(Nanoenergetic Materials, nEMs)을 사용하였다.
빠른 질소 기체 생성을 위한 NaN3/nEMs 복합체 분말 기반 다양한 반응물질간의 최적 점화 및 연소반응 특성을 실험적으로 테스트하여, 최종적으로 NaN3/Al/CuO 반응물질을 최적의 질소가스발생용 반응물질로 선정하였고, NaN3/Al/CuO 반응물질들간의 최적 혼합비(즉, NaN3:Al:CuO=77:7:16 wt%)를 실험적으로 결정하였다.
NaN3/Al/CuO 복합체 분말을 본 발명에서 설계 및 제작된 가스발생기내에 장착하고 텅스텐 와이어를 이용하여 점화 및 연소시킨 결과 특정한 부피를 갖는 에어백을 40ms 이내에 팽창시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
즉, NaN3/Al/CuO 반응물질의 초기 질량을 증가할수록 점화 시 생성되는 질소 기체의 부피는 선형적으로 증가된다.
이를 통해 본 발명에서 사용한 Al 연료금속 및 CuO 금속산화제 복합체 분말 기반 나노고에너지물질(nEMs)은 기체 생성용 반응물질인 아지드화나트륨(NaN3)의 열적 분해 작용에서 생성되는 기체 부피량에 큰 영향을 주지 않고 에어백용 인플레이터로 적합한 질소기체 발생 속도를 제공하며 점화 시 충분한 열에너지 발생 및 열전달 매개체로서의 역할을 하는 것을 확인할 수 있다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
31. 전압인가부 32. 열점화용 텅스텐 와이어
33. 가스켓 34. 에어백 접속부
35. 잔여가스배출구 36. 가스출구
37. 관찰용 윈도우

Claims (11)

  1. 가스를 발생시키기 위한 반응 물질로 사용되는 아자이드(azide)계열의 물질;
    상기 아자이드(azide)계열의 물질을 열적으로 반응시키기 위한 열에너지 공급원(heat energy source)으로 사용되는 나노고에너지물질(nEMs)이 혼합되어 복합체 분말을 구성하고,
    상기 나노고에너지물질(nEMs)은 나노스케일의 연료물질(fuel)로 알루미늄(Al)을 사용하고, 산화제물질(oxidizer)로 산화구리(CuO)로 이루어진 복합체 물질이고, 상기 복합체 분말은 표면에 저항열을 발생시켜 나노고에너지물질을 점화 및 폭발시키는 열점화용 텅스텐 와이어를 통하여 점화 및 폭발하여 생성되는 열에너지에 의해서 반응 물질로 사용되는 아자이드(azide)계열의 물질의 마이크로입자는 분해되면서 기체를 발생시키는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반응 물질로 사용되는 아자이드(azide)계열의 물질은 아지드화나트륨(NaN3)인 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체.
  4. 제 3 항에 있어서, 아지드화나트륨(NaN3)은 마이크로입자(Microparticles, MPs)인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체.
  5. 제 1 항에 있어서, 아자이드(azide)계열의 물질과 나노고에너지물질(nEMs)이 혼합되는 복합체 분말은,
    연료금속물질로 평균직경의 최대 크기가 80nm인 갖는 알루미늄(Al) 나노입자를 사용하고, 금속산화제물질로 평균직경의 최대크기가 100nm인 산화구리(CuO) 나노입자를 사용하는 나노고에너지물질(nEMs)과,
    아자이드(azide)계열의 물질로 평균직경의 최대크기가 183㎛인 아지드화나트륨(NaN3)을 각각 사용하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체.
  6. 제 5 항에 있어서, 아자이드(azide)계열의 물질과 나노고에너지물질(nEMs)이 혼합되는 복합체 분말의 혼합비를 10:3으로 하여, NaN3:Al:CuO=77:7:16 wt%으로 혼합하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체.
  7. 제 1 항에 있어서, 아자이드(azide)계열의 물질과 나노고에너지물질(nEMs)이 혼합되는 복합체 분말은,
    NaN3/nEMs 복합체 분말을 에탄올 용액 내에서 초음파 에너지를 이용하여 혼합하고,
    대류형 건조기(convective oven)에 넣고 가열함으로써 에탄올용액을 제거하여 복합체 분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체.
  8. 제 1 항에 있어서, 아자이드(azide)계열의 물질을 아지드화나트륨(NaN3)을 사용하는 경우에,
    나노고에너지물질에 의한 점화 및 폭발에 의해 생성되는 열에너지에 의해서 아지드화나트륨(NaN3)이 2NaN3 → 2Na+3N2와 같이 반응하여 질소 기체를 생성하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체.
  9. 가스를 발생시키기 위한 반응 물질로 사용되는 아자이드(azide)계열의 물질과, 아자이드(azide)계열의 물질을 열적으로 반응시키기 위한 열에너지 공급원(heat energy source)으로 사용되는, 나노스케일의 연료물질(fuel)로 알루미늄(Al)을 사용하고, 산화제물질(oxidizer)로 산화구리(CuO)로 이루어진 나노고에너지물질(nEMs)이 혼합되는 복합체 분말을 갖는 나노고에너지물질(nEMs) 복합체의 점화 및 폭발을 위하여,
    복합체 분말이 스테이지에 정렬되면 전압을 인가하는 전압인가부;
    전압인가부에서 인가되는 전압에 의해 표면에 저항열을 발생시켜 나노고에너지물질을 점화 및 폭발시키는 열점화용 텅스텐 와이어;
    에어백 접속부에 연결되고, 상기 나노고에너지물질의 점화 및 폭발에 의한 열에너지에 의해 반응 물질이 분해되면서 발생하는 기체를 배출하는 가스 출구;를 포함하고,
    상기 열점화용 텅스텐 와이어에 의해 상기 복합체 분말이 점화 및 폭발하여 생성되는 열에너지에 의해서 반응 물질로 사용되는 아자이드(azide)계열의 물질의 마이크로입자는 분해되면서 발생하는 기체를 상기 가스 출구를 통하여 배출하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체의 열적 점화를 위한 가스 발생기.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 가스를 발생시키는 반응 물질은 아자이드(azide)계열의 아지드화나트륨(NaN3)인 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체의 열적 점화를 위한 가스 발생기.
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