KR101687713B1

KR101687713B1 - 나노 규모 이하의 극소 폭발시스템

Info

Publication number: KR101687713B1
Application number: KR1020150089062A
Authority: KR
Inventors: 조수경; 배세원
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2016-12-19

Abstract

본 발명은, 나노 규모 또는 나노 이하의 규모로 작동하는 극소 폭발시스템을 제공한다. 본 발명의 극소 폭발시스템은, 화약분자를 수용하도록 형성되고, 적어도 일부 영역에 개구부를 구비하는 컨테이너 분자; 상기 컨테이너 분자에 삽입되고, 에너지를 전달받아 화학적으로 분해되는 화약분자; 상기 컨테이너 분자로부터 상기 화약분자의 이탈을 방지하도록 상기 개구부를 덮는 커버분자; 및 상기 커버분자에 결합되고, 외부로부터 인가되는 자극에 의해 연쇄적으로 반응하여 상기 화약분자로 에너지를 전달하는 기폭분자를 포함한다.

Description

나노 규모 이하의 극소 폭발시스템{NANO OR SUB-NANO EXPLOSIVE SYSTEM}

본 발명은 나노 규모 또는 나노 이하 규모의 극소 폭발 시스템에 관한 것이다.

분자기계란 모터, 프로펠러, 스위치 등 기존의 기계적 특성을 유지하면서도, 크기를 분자 규모로 극소형화한 시스템을 가리킨다. 분자기계의 개념적 설계로부터 실제적 성능을 발휘할 수 있도록 분자 규모로 분자기계를 제작하는 연구가 학계에서 많이 수행되고 있다.

전자 부품 등의 소형화 경향을 참고하면, 나노 규모 또는 나노보다 작은 규모의 기계적 시스템 개발은 장치의 소형화, 제품의 경량화라는 매우 뛰어난 장점을 갖는다. 이들 소형 기계적 시스템을 개발하고 다양한 분자기계들을 조립하면, 이차적 분자기계인 극소형 차량, 비행기 등을 개발할 수 있는 기반이 확보될 수 있을 것이다.

예를 들어 분자기계들을 응용하여 나노 규모 또는 나노보다 작은 규모로 작동하는 극소 폭발시스템이 개발되면, 상기 극소 폭발시스템은 군사적 또는 민간용으로 다양하게 응용 가능할 것으로 판단된다.

그러나 현재까지 극소 폭발시스템이 개발된 사례는 없는 실정이다. 미세한 규모의 폭발에 대한 연구가 학계에서 진행되고 있지만 구체적인 극소 폭발시스템으로 제안된 사례는 없다.

본 발명의 일 목적은 나노 규모 또는 나노보다 작은 규모의 극소 폭발시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 원하는 대상체에만 정확하게 타격을 가할 수 있는 극소 폭발시스템을 제시하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 군사용 또는 민간용으로 다양하게 활용될 수 있는 극소 폭발시스템을 제안하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 극소 폭발시스템은, 화약분자를 수용하도록 형성되고, 적어도 일부 영역에 개구부를 구비하는 컨테이너 분자; 상기 컨테이너 분자에 삽입되고, 에너지를 전달받아 화학적으로 분해되는 화약분자; 상기 컨테이너 분자로부터 상기 화약분자의 이탈을 방지하도록 상기 개구부를 덮는 커버분자; 및 상기 커버분자에 결합되고, 외부로부터 인가되는 자극에 의해 연쇄적으로 반응하여 상기 화약분자로 에너지를 전달하는 기폭분자를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 화약분자는 액체화약 또는 액체 폭발가연성 금속유기물을 포함하고, 상기 액체화약은 나이트로메테인을 포함하며, 상기 액체 폭발가연성 금속유기물은 알루미늄하이드라이드 또는 메틸리튬을 포함할 수 있다.

상기 화약분자는 방향성 나이트로벤젠계 화합물, 고리형 나이트라민계 화합물, 방향성 질소헤테로고리계 화합물 및 기타 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 고체화약을 포함하고, 상기 방향성 나이트로벤젠계 화합물은 TNT, DNT, TATB, HNS, 테트릴 또는 피크르산을 포함하며, 상기 고리형 나이트라민계 화합물은 RDX, HMX 또는 CL-20을 포함하고, 상기 방향성 질소헤테로고리계 화합물은 NTO를 포함하며, 상기 기타 화합물은 DADNE을 포함할 수 있다.

상기 컨테이너 분자는 탄소나노튜브로 이루어지고, 상기 탄소나노튜브는 싱글레이어 또는 더블레이어로 이루어질 수 있다.

외부로부터 상기 기폭분자에 인가되는 자극은 빛, pH, 압력, 온도, 자기력 또는 마이크로파의 변화를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 기폭분자는, 외부로부터 인가되는 자극에 의해 개시 반응을 일으키는 개시제; 및 상기 개시 반응 이후에 연쇄반응을 일으키도록 상기 개시제에 연쇄적으로 결합되는 복수의 모노머를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 외부로부터 상기 기폭분자에 인가되는 자극은 빛, pH, 압력 또는 온도의 변화를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 극소 폭발시스템은 센서분자를 더 포함하고, 상기 센서분자는 타격을 가할 대상체를 감지하도록 이루어질 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 극소 폭발시스템은 나노 규모 또는 그 이하의 규모에서 폭발 가능하므로, 원하는 대상체에만 정확하게 폭발력을 인가할 수 있다.

이에 따라 본 발명은, 군사용 및 민간용으로 다양하게 활용될 수 있다.

먼저 군사적으로는 극소 폭발시스템은 정확한 위치에서 기폭을 시켜 원하는 대상에만 타격을 가할 수 있다. 이에 따라, 극소 폭발시스템은 원하지 않는 대상에 대한 부가적 피해를 줄일 수 있다.

또한 민간용으로는 미세전자기계시스템(MEMS) 부품 등 극소형 부품 내에서의 특정한 위치를 미세하게 절단하거나 접합하는 등의 임무를 수행할 수 있을 것이다. 또는 의학적으로 인체 내의 특정 부위를 수술 없이 제거하는 용도로 사용될 수 있다. 예를 들어 인체 내의 특정부위(암 덩어리, 혈관을 막고 있는 혈정 덩어리 등)를 극소 폭발시켜 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 극소 폭발시스템의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 극소 폭발시스템의 분자 모형도.
도 3은 기폭분자의 작동 매커니즘을 보인 개념도.
도 4는 기폭분자의 작동 매커니즘을 보인 분자 구조식.
도 5는 도 1에 도시된 극소 폭발시스템의 작동 매커니즘을 보인 개념도.
도 6은 도 2에 도시된 극소 폭발시스템의 작동 매커니즘을 보인 분자 모형도.

이하, 본 발명에 관련된 극소 폭발시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명은 나노 규모 또는 나노 이하의 규모로 형성되며, 특정 위치, 특정 자극을 통해 분자 규모의 특정 물질에 충격을 가할 수 있는 극소 폭발시스템의 모델을 제시하고자 한다. 이 명세서에서 극소란 나노 규모 또는 나노 이하의 규모를 정의된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 극소 폭발시스템(100)의 개념도다.

극소 폭발시스템(100)은 컨테이너 분자(110), 화약분자(120), 커버분자(130) 및 기폭분자(140)를 포함한다.

컨테이너 분자(110)는 화약분자(120)를 수용하도록 형성된다. 컨테이너 분자(110)는 화약분자(120)를 수용할 수 있는 공간을 형성한다. 화약분자(120)를 수용할 수 있는 공간은 수용부(111)로 명명될 수 있다. 컨테이너 분자(110)는 실질적으로 극소 폭발시스템(100)의 외피 역할을 한다.

컨테이너 분자(110)는 화약분자(120)가 수용부(111)에 충전될 수 있도록 적어도 일부 영역에 개구부(112)를 구비할 수 있다. 개구부(112)를 통해 화약분자(120)들이 수용부(111)로부터 이탈되는 것은 후술할 커버분자(130)에 의해 방지된다.

화약분자(120)는 컨테이너 분자(110)에 삽입된다. 구체적으로 화약분자(120)는 컨테이너 분자(110)에 의해 형성되는 수용부(111)에 충전된다.

화약분자(120)는 에너지를 전달받아 화학적으로 분해된다. 화약분자(120)는 극소 폭발시스템(100)의 주장약 성분에 해당한다.

화약분자(120)로는 액체 화약분자나 고체 화약분자가 사용될 수 있다.

커버분자(130)를 컨테이너 분자(110)로부터 화약분자(120)의 이탈을 방지하도록 컨테이너 분자(110)의 개구부(112)를 덮는다. 커버분자(130)가 컨테이너 분자(110)와 화학적으로 결합되어 컨테이너 분자(110)의 개구부(112)를 막는다. 이에 따라 커버분자(130)는 화약분자(120)의 투과를 방지할 수 있다.

커버분자(130)는 기폭분자(140)를 접목할 수 있도록 이루어진다. 접목이란 화학적으로 결합 가능하며, 기폭분자(140)의 연쇄반응을 통해 형성된 에너지가 커버분자(130)를 지나 화약분자(120)에까지 전달될 수 있는 것을 의미한다.

기폭분자(140)는 커버분자(130)에 결합된다. 기폭분자(140)는 외부로부터 인가되는 자극에 의해 연쇄적으로 반응하여 화약분자(120)로 에너지를 전달할 수 있도록 이루어진다. 외부로부터 기폭분자(140)에 인가되는 자극은 빛, pH, 압력, 온도, 자기력 또는 마이크로파의 변화 등을 포함할 수 있다.

필요에 따라 극소 폭발시스템(100)은 센서분자(미도시)를 더 포함할 수 있다. 센서분자(미도시)는 기폭분자(140)에 결합될 수 있다. 센서분자(미도시)의 기능은 다음의 여러 기능 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

먼저, 센서분자(미도시)는 외부로부터 인가되는 자극을 가지하는 기능을 할 수 있다. 외부로부터 인가되는 자극은 앞서 설명하였던, 빛, pH, 압력, 온도, 자기력 또는 마이크로파의 변화 등을 가리킨다. 기폭분자(140)에 인가되는 자극이 온도의 변화라고 가정하면, 극소 폭발시스템(100)의 주변에 온도의 변화가 발생했을 때 센서분자(미도시)는 온도의 변화를 감지한다. 이에 따라 기폭분자(140)는 연쇄적으로 반응하여 화약분자(120)로 에너지를 전달하고, 화약분자(120)는 에너지를 전달받아 화학적으로 분해된다.

다음으로 센서분자(미도시)는 타격을 가할 대상체를 감지하는 기능을 할 수 있다. 극소 폭발시스템(100)이 의학용으로 사용되어 폭발력을 가할 대상이 콩팥의 세포라고 한다면, 센서분자(미도시)는 암모늄의 농도를 감지하여 콩팥인지 여부를 감지한다. 센서분자(미도시)가 콩팥 세포의 존재를 감지하면, 기폭분자(140)는 연쇄적으로 반응하여 화약분자(120)로 에너지를 전달하고, 화약분자(120)는 에너지를 전달받아 화학적으로 분해된다. 이에 따라 극소 폭발시스템(100)의 폭발력은 콩팥의 세포에 가해질 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 극소 폭발시스템(200)의 분자 모형도다.

컨테이너 분자(110, 도 1 참조)는 분자 규모의 탄소나노튜브(210)로 이루어질 수 있다. 탄소나노튜브(210)란 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루는 소재를 가리킨다. 관 모양으로 이루어진 내부 공간이 곧 앞서 설명한 수용부(111, 도 1 참조)가 된다.

탄소나노튜브(210)는 싱글레이어 또는 더블레이어로 이루어질 수 있다. 싱글레이어란 화약분자(220)를 한겹으로 감싸고 있는 것을 의미하며, 더블레이어란 화약분자(220)를 두겹으로 감싸고 있는 것을 의미한다.

화약분자(220)는 다양한 화합물이 사용될 수 있다. 화약분자(220)는 액체화약 또는 액체 폭발가연성 금속유기물을 포함할 수 있다. 또한 화약분자(220)는 고체화약을 포함할 수 있다.

액체화약은 나이트로메테인 등을 포함할 수 있다.

액체 폭발가연성 금속유기물은 알루미늄하이드라이드, 메틸리튬 등을 포함할 수 있다.

고체화약은 방향성 나이트로벤젠계 화합물, 고리형 나이트라민계 화합물, 방향성 질소헤테로고리계 화합물 및 기타 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

방향성 나이트로벤젠계 화합물은 TNT(트라이나이트로톨루엔, trinitrotoluene), DNT(디니트로톨루엔, dinitro toluene), TATB(triaminotrinitrobenzene or 2,4,6-triamino-1,3,5- trinitrobenzene), HNS(Hexanitrostilbene), 테트릴(tetryl) 또는 피크르산(Picric acid)을 포함할 수 있다.

고리형 나이트라민계 화합물은 RDX(1,3,5-Trinitroperhydro-1,3,5-triazine), HMX(1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocane) 또는 CL-20(Hexanitrohexaazaisowurtzitane)을 포함할 수 있다.

방향성 질소헤테로고리계 화합물은 NTO(3-Nitro-1,2,4-Triazole-5-One)를 포함한다.

기타 화합물은 DADNE(1,1-Diamino-2,2-dinitroethylene)를 포함한다.

화약분자(220)는 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.

커버분자(230)는 탄소나노튜브(210)의 직경에 대응되는 풀러렌 분자의 반구로 이루어진다. 풀러렌이란 탄소 원자가 5각형과 6각형으로 이루어진 축구공 모양으로 연결된 분자를 통틀어 이르는 용어다.

본 발명에서는 풀러렌 분자의 반구로 이루어진 커버 분자가 컨테이너 분자(110, 도 1 참조)인 탄소나노튜브(210)와 화학적으로 결합된다. 특히 풀러렌 분자의 반구는 탄소나노튜브(210)의 크기에 맞게 설계될 수 있다.

기폭분자(240)에 대하여는 도 5와 도 6을 참조하여 설명한다.

도 3은 기폭분자(340)의 작동 매커니즘을 보인 개념도다.

기폭분자(340)는 개시제(In)와 복수의 모노머(M)를 포함한다.

개시제(In)는 외부로부터 인가되는 자극(hν)에 의해 개시 반응을 일으킨다. 외부로부터 인가되는 자극이란 앞서 설명한 바와 같이 빛, pH, 압력 또는 온도의 변화를 의미한다. 개시 반응이란 화약분자(120, 도 1 참조 / 220, 도 2 참조)로 에너지를 전달하기 위해 기폭분자(340)에서 일어나는 반응을 가리킨다.

복수의 모노머(M)는 개시 반응 이후에 연쇄반응을 일으키도록 개시제(In)에 연쇄적으로 결합된다. 개시제(In)에 연쇄적으로 결합된 복수의 모노머(M)가 개시 반응 이후에 연쇄반응을 일으켜 에너지를 발생시킨다.

연쇄반응이 일어나면 개시제(In)에 연쇄적으로 결합되어 있던 복수의 모노머(M)들은 서로 분리된다. 연쇄반응에 의해 서로 분리된 모노머(M)들의 수를 가리키는 의미로 n을 표시하였다. n은 자연수다. 연쇄반응에 의해 발생된 에너지는 화약분자(120, 220)로 전달된다.

도 4는 기폭분자(440)의 작동 매커니즘을 보인 분자 구조식이다.

기폭분자(440)는 개시제인 당(441)과 복수의 니트로계 모노머(442)를 포함한다. 개시제인 당(441)은 빛, pH, 압력 및 온도 중 적어도 하나의 변화에 반응할 수 있도록 이루어진다.

당(441)이 외부의 자극(hν)에 반응하면, 니트로계 모노머(442)는 연쇄적으로 반응을 일으키며, 연쇄반응에 의해 발생된 에너지가 화약분자(120, 도 1 참조 / 220, 도 2 참조)로 전달된다.

도 4에 도시된 기폭분자(440)는 일 예를 나타낸 것으로, 본 발명이 이에 한 정되는 것은 아니다.

도 5는 도 1에 도시된 극소 폭발시스템(100)의 작동 매커니즘을 보인 개념도다.

외부로부터 기폭분자(140)에 자극이 인가되면, 기폭분자(140)는 자극에 반응한다. 기폭분자(140)의 반응에 의해 발생된 에너지는 커버분자(130)를 통해 컨테이너 분자(110) 내부의 화약분자(120)까지 전달된다. 화약분자(120)로 전달된 에너지에 의해 화약분자(120)가 화학적으로 분해된다.

화약분자(120)의 분해에 의해 컨테이너 분자(110) 내부의 압력이 증가하게 된다. 컨테이너 분자(110)가 견딜 수 없는 압력까지 증가하면, 극소 폭발시스템(100)은 폭발을 일으키게 되고, 대상체에 타격을 가하게 된다.

도 6은 도 2에 도시된 극소 폭발시스템(200)의 작동 매커니즘을 보인 분자 모형도다.

외부로부터 개시제(241)에 자극이 인가되면, 개시제(241)가 개시 반응을 일으키고, 이어서 복수의 모노머(242)들이 서로 분리되는 연쇄반응이 일어난다. 기폭분자(240)의 연쇄반응에 의해 발생된 에너지는 풀러렌 분자의 반구를 통해 탄소나노튜브(210) 내부의 화약분자(220)까지 전달된다. 화약분자(120)로 전달된 에너지에 의해 화약분자(220)가 화학적으로 분해된다.

화약분자(220)의 분해에 의해 탄소나노튜브(210) 내부의 압력이 증가하게 된다. 탄소나노튜브(210)가 싱글레이어인지 더블레이어인지에 따라 폭발의 압력이 달라질 수 있고, 극소 폭발시스템(200)의 폭발력이 달라질 수 있다. 탄소나노튜브(210)가 견딜 수 없는 압력까지 증가하면, 극소 폭발시스템(200)은 폭발을 일으키게 되고, 대상체에 타격을 가하게 된다.

이상에서 설명된 나노 규모 이하의 극소 폭발시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

화약분자를 수용하도록 형성되고, 적어도 일부 영역에 개구부를 구비하는 컨테이너 분자;
상기 컨테이너 분자에 삽입되고, 에너지를 전달받아 화학적으로 분해되는 화약분자;
상기 컨테이너 분자로부터 상기 화약분자의 이탈을 방지하도록 상기 개구부를 덮는 커버분자; 및
상기 커버분자에 결합되고, 외부로부터 인가되는 자극에 의해 연쇄적으로 반응하여 상기 화약분자로 에너지를 전달하는 기폭분자를 포함하는 극소 폭발시스템.
제1항에 있어서,
상기 화약분자는 액체화약 또는 액체 폭발가연성 금속유기물을 포함하고,
상기 액체화약은 나이트로메테인을 포함하며,
상기 액체 폭발가연성 금속유기물은 알루미늄하이드라이드 또는 메틸리튬을 포함하는 것을 특징으로 하는 극소 폭발시스템.
제1항에 있어서,
상기 화약분자는 방향성 나이트로벤젠계 화합물, 고리형 나이트라민계 화합물, 방향성 질소헤테로고리계 화합물 및 기타 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 고체화약을 포함하고,
상기 방향성 나이트로벤젠계 화합물은 TNT, DNT, TATB, HNS, 테트릴 또는 피크르산을 포함하며,
상기 고리형 나이트라민계 화합물은 RDX, HMX 또는 CL-20을 포함하고,
상기 방향성 질소헤테로고리계 화합물은 NTO를 포함하며,
상기 기타 화합물은 DADNE을 포함하는 것을 특징으로 하는 극소 폭발시스템.
제1항에 있어서,
상기 컨테이너 분자는 탄소나노튜브로 이루어지고,
상기 탄소나노튜브는 싱글레이어 또는 더블레이어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극소 폭발시스템.
제1항에 있어서,
외부로부터 상기 기폭분자에 인가되는 자극은 빛, pH, 압력, 온도, 자기력 또는 마이크로파의 변화를 포함하는 것을 특징으로 하는 극소 폭발시스템.
제1항에 있어서,
상기 기폭분자는,
외부로부터 인가되는 자극에 의해 개시 반응을 일으키는 개시제; 및
상기 개시 반응 이후에 연쇄반응을 일으키도록 상기 개시제에 연쇄적으로 결합되는 복수의 모노머를 포함하는 것을 특징으로 하는 극소 폭발시스템.
제1항에 있어서,
상기 극소 폭발시스템은 센서분자를 더 포함하고,
상기 센서분자는 타격을 가할 대상체를 감지하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 극소 폭발시스템.