KR101804224B1 - Small Igniter for Exploding Nanoscale Energetic Materials with Conductive Paper electrode and Method for Fabricating the same - Google Patents

Small Igniter for Exploding Nanoscale Energetic Materials with Conductive Paper electrode and Method for Fabricating the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노구조체를 열발생 및 열전달 매개체로 이용하는 전도성 종이 전극을 사용하여 나노고에너지물질(Nanoscale Energetic Materials, nEMs)을 점화시킬 수 있도록 한 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 열발생 및 열전달 매개체로 사용되는 탄소나노구조체가 표면에 코팅되는 종이를 포함하고, 발화가 시작되는 영역을 갖는 전도성 종이 전극;상기 전도성 종이 전극 표면에 코팅되는 나노고에너지물질(nEMs) 박막;을 포함하는 것이다.The present invention relates to a nano-high-energy material small-sized igniter having a conductive paper electrode capable of igniting nanoscale energetic materials (nEMs) using a conductive paper electrode using a carbon nanostructure as a heat generating and heat transfer medium, A conductive paper electrode including a paper on which a carbon nanostructure used as a heat generating and heat transfer medium is coated on a surface and which has a region where ignition starts, a nanoparticle material coated on the surface of the conductive paper electrode, (nEMs) thin film.

Description

전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 및 이의 제조 방법{Small Igniter for Exploding Nanoscale Energetic Materials with Conductive Paper electrode and Method for Fabricating the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a small-sized high-energy material small igniter having a conductive paper electrode and a manufacturing method thereof,

본 발명은 나노고에너지물질 점화에 관한 것으로, 구체적으로 탄소나노구조체를 열발생 및 열전달 매개체로 이용하는 전도성 종이 전극을 사용하여 나노고에너지물질(Nanoscale Energetic Materials, nEMs)을 점화시킬 수 있도록 한 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of igniting nano-energy materials, and more particularly, to a method of igniting nanoscale energy materials (nEMs) using a conductive paper electrode using a carbon nanostructure as a heat generating and heat transfer medium, Electrode small igniter and a method of manufacturing the same.

탄소나노튜브(Carbon Nanotubes, CNTs)는 나노과학기술의 대표적인 나노물질로 각광을 받고 있으며 튜브의 직경과 대칭성, 층구조, 다발구조, 결합의 변형, 불순물의 존재 등에 따라 전자구조가 변화하고 열전도 특성도 달라져 전자정보통신, 환경, 에너지 및 의약학 분야 등에서 다양한 응용가능성이 기대되고 있는 대표적인 나노스케일의 탄소재료이다.Carbon nanotubes (CNTs) are attracting attention as the representative nanomaterials of nanotechnology. Their electronic structure changes depending on the tube diameter and symmetry, layer structure, bundle structure, bonding deformation, presence of impurities, Is a representative nanoscale carbon material which is expected to have various applications in fields of electronic information communication, environment, energy and medicine.

나노고에너지물질(nEMs)은 나노스케일의 연료물질(fuel)과 산화제물질 (oxidizer)로 이루어진 복합체 물질로 외부에서의 에너지 유입에 의한 점화 시 내부적으로 가지고 있던 화학에너지를 매우 짧은 시간에 열에너지와 압력의 에너지 형태로 급격하게 방출하는 특성을 갖고 있어 점화제, 추진제 및 폭발물로써 다양한 열공학 전반에 응용되고 있다.Nano-high energy materials (nEMs) are composite materials composed of nanoscale fuel materials and oxidizers. It is a composite material that contains internal energy of chemical energy when it is ignited by external energy input. And it has been widely applied to various thermal engineering as an igniter, a propellant and an explosive.

이러한 나노고에너지물질의 전통적인 점화방법에는 기계적 충격(mechanical impact), 화염(flame), 전기적 스파크(electric spark) 등이 있다.Traditional ignition methods for these nanoscopic high energy materials include mechanical impact, flame, and electric spark.

이러한 전통적인 점화 방식은 나노고에너지물질의 점화에 매우 효과적이지만, 복잡한 기계부품 및 전기회로의 구성과 상대적으로 큰 부피를 차지하는 특성으로 인해 점화 및 기폭장치 부품으로서의 다양한 열공학적 응용에 큰 한계점으로 작용 되고 있다.These traditional ignition methods are very effective for ignition of nanoscale high energy materials, but because of their complex mechanical and electrical circuit composition and their relatively large volume, they are a major limitation for various thermal applications as ignition and detonator components have.

이러한 전통적인 점화방식의 단점들을 극복하기 위해 나노고에너지물질에 대한 새로운 점화방식의 개발이 필요하다.To overcome these shortcomings of conventional ignition methods, it is necessary to develop new ignition methods for nano-high energy materials.

대한민국 공개특허 제10-2014-0129828호Korean Patent Publication No. 10-2014-0129828 대한민국 공개특허 제10-2009-0041637호Korean Patent Publication No. 10-2009-0041637

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 나노고에너지물질의 점화 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 탄소나노구조체를 열발생 및 열전달 매개체로 이용하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a method of manufacturing a nano-high-energy material small-sized igniter having a conductive paper electrode using a carbon nano-structure as a heat generating and heat transfer medium and a method of manufacturing the same, The purpose is to provide.

본 발명은 탄소나노구조체를 열발생 및 열전달 매개체로 이용하는 전도성 종이 전극을 사용하여 나노고에너지물질(Nanoscale Energetic Materials, nEMs)을 점화시킬 수 있도록 한 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a nano-high-energy material small-sized igniter having a conductive paper electrode capable of igniting nanoscale energetic materials (nEMs) using a conductive paper electrode using a carbon nanostructure as a heat generating and heat transfer medium, And a manufacturing method thereof.

본 발명은 탄소나노구조체가 코팅된 종이 전극에 nEMs 박막을 적층하여 탄소나노구조체가 코팅된 전도성 종이를 제작하고 이들을 전극으로 활용하여 전압 인가에 따른 열발생을 통해 점화할 수 있는 소형점화기를 구성할 수 있도록 한 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a small-sized igniter capable of igniting a carbon nano-structure coated conductive paper by depositing nEMs thin film on a paper electrode coated with a carbon nanostructure, And to provide a method of manufacturing the same.

본 발명은 보통 종이에 탄소나노구조체를 코팅하여 전도성 유연 기판을 제조하고 나노고에너지물질을 박막형태로 생성 및 부착하여 소형점화기를 구성하여, 탄소나노구조체가 코팅된 종이 기반 소형점화기에 전압을 인가하여 저항열을 발생시킨 후 생성된 열에너지로 나노고에너지물질의 점화/연소/폭발 현상을 유도하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a method of manufacturing a small igniter by coating a carbon nanostructure on a paper to produce a conductive flexible substrate and forming and attaching a nanoscopic energy material in a thin film form to form a small igniter, And a conductive paper electrode for inducing an ignition / combustion / explosion phenomenon of a nano-high energy material with generated heat energy after generating resistance heat, and a method for manufacturing the nano-high energy material small igniter.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기는 열발생 및 열전달 매개체로 사용되는 탄소나노구조체가 표면에 코팅되는 종이를 포함하고, 발화가 시작되는 영역을 갖는 전도성 종이 전극;상기 전도성 종이 전극 표면에 코팅되는 나노고에너지물질(nEMs) 박막;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a miniature nano-energy material small igniter having a conductive paper electrode, comprising a paper on which a carbon nanostructure used as a heat generating and heat transfer medium is coated on a surface, And a nano-sized high energy material (nEMs) thin film coated on the surface of the conductive paper electrode.

여기서, 발화가 시작되는 영역은 양단에 제 1 너비를 갖고 중앙에 제 1 너비보다 작은 제 2 너비를 갖는 나비 리본의 목(neck) 부분인 것을 특징으로 한다.Here, the region where the ignition starts is a neck portion of a butterfly ribbon having a first width at both ends and a second width smaller than the first width at the center.

그리고 탄소나노구조체가 표면에 코팅되기 이전의 종이의 발화 온도보다 탄소나노구조체가 표면에 코팅된 종이의 발화 온도가 더 낮은 것을 특징으로 한다.And the ignition temperature of the paper on which the carbon nanostructure is coated is lower than the ignition temperature of the paper before the carbon nanostructure is coated on the surface.

그리고 탄소나노구조체는, 퓰러렌(Fullerene), 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 그래핀(Graphene)의 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 한다.The carbon nanostructure may be any one of Fullerene, single wall carbon nanotube (SWCNT), multiwall carbon nanotube (MWCNT), and graphene, or a combination thereof.

그리고 나노고에너지물질(nEMs) 박막의 적층 두께에 따라 전도성 종이 전극의 점화지연시간(ignition delay time)이 제어되고, 나노고에너지물질(nEMs) 박막의 적층 두께가 증가할수록 열저항이 커져 점화지연시간의 증가가 발생하는 것을 특징으로 한다.In addition, the ignition delay time of the conductive paper electrode is controlled by the thickness of the nano-sized high-energy material (nEMs) thin film, and as the thickness of the nano-high energy material (nEMs) And an increase in time occurs.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기의 제조 방법은 탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극 제조 단계;나노고에너지물질(nEMs) 용액 제조 단계;탄소나노구조체가 코팅된 전도성 종이 전극 상에 스핀코팅 공정을 이용한 나노고에너지물질(nEMs) 박막 제조 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for fabricating a small-sized nano-high-energy material igniter having a conductive paper electrode according to the present invention includes the steps of: preparing a conductive paper electrode using a carbon nanostructure; preparing a nano-sized high energy material (nEMs) (NEMs) thin film using a spin coating process on a conductive paper electrode coated with a conductive metal electrode.

여기서, 탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극 제조 단계는, 탄소나노구조체 용액을 제조하는 단계와,진공증착법을 이용하여 종이 표면에 탄소나노구조체를 코팅하는 단계와,전압이 인가되면 저항열이 집중 발생되어 점화가 이루어지도록 양단에 제 1 너비를 갖고 중앙에 제 1 너비보다 작은 제 2 너비를 갖는 발화가 시작되는 영역을 갖는 전도성 종이 전극을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of fabricating the conductive paper electrode using the carbon nanostructure includes the steps of: preparing a carbon nanostructure solution; coating the carbon nanostructure on the surface of the paper by using a vacuum deposition method; And producing a conductive paper electrode having a region having a first width at both ends so as to be ignited and having a second width smaller than the first width at the center, wherein ignition is initiated.

그리고 탄소나노구조체를, 퓰러렌(Fullerene), 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 그래핀(Graphene)의 어느 하나 또는 이들의 조합을 사용하는 것을 특징으로 한다.The carbon nanostructure is characterized by using any one of Fullerene, single wall carbon nanotube (SWCNT), multiwall carbon nanotube (MWCNT), and graphene, or a combination thereof.

그리고 나노고에너지물질(nEMs) 용액 제조 단계는, Al 나노입자와 CuO 나노입자를 Al:CuO=30:70 wt%의 비율로 혼합하여 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을 제조하는 단계와,Al/CuO 복합체 분말을 에탄올용액 내에 넣고 초음파 에너지를 이용하여 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of preparing the nano-high-energy material (nEMs) solution comprises the steps of: mixing the Al nanoparticles and the CuO nanoparticles in a ratio of Al: CuO = 30: 70 wt% And mixing the Al / CuO composite powder with an ethanol solution by using ultrasonic energy.

그리고 종이 표면에 탄소나노구조체를 코팅하는 단계는, 감압플라스크에 필터 지지대를 올리고 그 위에 종이를 올린 다음 상부에 여과장치를 고정하고 진공펌프로 하부에서 진공을 형성하는 단계와,탄소나노구조체가 분산된 에탄올 용액을 여과장치 안에 투입하는 단계와,감압플라스크와 연결된 진공펌프로 종이 위에 부어진 탄소나노구조체가 분산된 에탄올 용액에서 탄소나노구조체만 종이에 걸러져 남게 되고 종이를 통과한 에탄올용액은 하부 플라스크에 모아지도록 하는 단계와,탄소나노구조체가 코팅된 종이를 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of coating the carbon nanostructure on the surface of the paper includes steps of raising a filter support on a vacuum flask, placing a paper on the filter support, fixing a filtration device thereon and forming a vacuum at the bottom with a vacuum pump, In the ethanol solution in which the carbon nano structure poured onto the paper is dispersed with a vacuum pump connected to the vacuum flask, only the carbon nanostructure remains on the paper, and the ethanol solution passing through the paper is transferred to the lower flask , And drying the paper coated with the carbon nanostructure.

이와 같은 본 발명에 따른 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 및 이의 제조 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.The small nano-energy material small igniter having the conductive paper electrode according to the present invention and the manufacturing method thereof have the following effects.

첫째, 탄소나노구조체를 열발생 및 열전달 매개체로 이용하는 전도성 종이 전극 및 이를 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 제조를 가능하게 한다.First, it is possible to manufacture a conductive paper electrode using a carbon nanostructure as a heat generation and heat transfer medium, and a nano-high energy material small igniter having the same.

둘째, 탄소나노구조체를 열발생 및 열전달 매개체로 이용하는 전도성 종이 전극을 사용하여 나노고에너지물질(Nanoscale Energetic Materials, nEMs)을 점화시킬 수 있다.Second, nanoscale energetic materials (nEMs) can be ignited using conductive paper electrodes that utilize carbon nanostructures as heat generation and heat transfer media.

셋째, 탄소나노구조체를 열발생 및 열전달 매개체로 이용하는 전도성 종이 전극을 사용하여 작은 부피 특성으로 인해 점화 및 기폭장치 부품으로서의 다양한 열공학적 응용이 가능하다.Third, the use of conductive paper electrodes using carbon nanostructure as a heat generation and heat transfer medium enables various thermal applications as ignition and detonator parts due to their small volume characteristics.

넷째, 보통 종이에 탄소나노구조체를 코팅하여 전도성 유연 기판을 제조하고 나노고에너지물질을 박막형태로 생성 및 부착하여 소형점화기를 구성하여 효율적인 제조 공정의 구현이 가능하다.Fourth, carbon nanostructures are coated on ordinary paper to produce conductive flexible substrates, and nano-high-energy materials are formed and adhered to thin films to form a small-sized igniter, thereby realizing an efficient manufacturing process.

다섯째, 탄소나노구조체가 코팅된 종이 기반 소형점화기에 전압을 인가하여 저항열을 발생시킨 후 생성된 열에너지로 나노고에너지물질의 점화/연소/폭발 현상을 유도하는 것에 의해 다양한 형상의 전극 구현이 가능하고 원격 점화의 효율적인 제어가 가능하다.
Fifth, various types of electrodes can be realized by generating resistance heat by applying voltage to a paper-based small igniter coated with carbon nanostructure and inducing ignition / combustion / explosion phenomenon of nano-high energy material by generated heat energy And efficient control of remote ignition is possible.

도 1a와 도 1b는 탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극 제조를 위한 공정 진행 구성도 및 플로우 차트
도 2a와 도 2b는 전도성 종이 전극을 이용한 나노고에너지물질 소형점화기 제조를 위한 공정 진행 구성도 및 플로우 차트
도 3은 (a)탄소나노튜브 용액 초기농도에 따른 종이 전극의 저항 측정 결과 그래프 및 탄소나노튜브 박막 형성 사진, (b)탄소나노튜브 박막이 코팅된 나비 리본 모양 전극의 중앙 폭 길이(neck distance)에 따른 저항 측정 결과 그래프
도 4는 (a)탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극의 나비 리본 모양의 사진, (b)종이 위에 부착된 MWCNT 박막의 평면 및 측면 SEM 이미지, (c)MWCNT 박막과 종이 전극 경계면을 확대한 부분의 고배율 SEM 이미지
도 5는 (a)다양한 곡률반경에 따른 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극의 저항값 변화 비교 그래프 (b)R2.5 mm의 곡률반경을 가지는 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극의 반복 굽힘 시험에 따른 저항값의 변화 및 굽힘 시험 전후의 사진
도 6은 (a)3M 테이프를 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극 상에 부착/탈착 후 사진 및 저항값 측정 결과, (b)탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극을 물에 넣기 전후의 전극 변화 사진 및 저항값 측정 결과
도 7은 (a)탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극의 다양한 인가 전압에 따른 최대 발열온도 측정 결과 그래프, (b)약 15V 고정된 인가전압 하에서 나비 모양의 종이 전극이 시간이 지남에 따라 발열 및 발화하는 동영상 기반 정지이미지 분석 결과
도 8은 (a)탄소나노튜브 박막 코팅된 전도성 종이 전극 위에 형성된 나노고에너지물질 (nEMs) 박막 사진, (b)nEMs/MWCNT/종이 박막 단면 부분의 SEM 이미지, (c)MWCNT와 nEMs 박막의 종이 전극 경계면을 확대한 SEM 이미지
도 9는 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극 점화에 의한 nEMs 박막의 점화 및 폭발 현상에 대한 분석 결과
도 10은 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극 점화에 의한 nEMs 박막의 압력셀내 점화 후 폭발압력 측정 결과 그래프
도 11은 Fullerene/MWCNT, SWCNT, Graphene 박막이 코팅된 종이 전극상의 전압인가에 의한 nEMs 박막의 점화 및 폭발 현상 분석 결과
도 12는 nEMs 박막이 생성된 탄소나노튜브 종이 기반 소형점화기를 이용한 원격 점화 및 폭발에 의한 도어 브리칭 기술 구현 동영상 및 정지이미지
FIGS. 1A and 1B are a process flow diagram and a flow chart for manufacturing a conductive paper electrode using a carbon nanostructure.
FIGS. 2A and 2B are a flow chart and a flowchart of a process for manufacturing a small-sized high-energy material small igniter using a conductive paper electrode
FIG. 3 is a graph showing the results of resistance measurement of a paper electrode according to an initial concentration of a carbon nanotube solution and a photograph of a carbon nanotube thin film formed on the carbon nanotube thin film, (b) a neck width of a butterfly ribbon electrode coated with a carbon nanotube thin film, ) Of the resistance measurement result
FIG. 4 shows (a) a butterfly-shaped photo of a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film, (b) a planar and lateral SEM image of the MWCNT thin film deposited on the paper, and (c) an enlarged view of the MWCNT thin film- High magnification SEM image of the part
FIG. 5 is a graph showing a comparison of resistance values of a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film according to various curvature radii (b) Repeated bending of a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film having a radius of curvature of R2.5 mm Change of resistance value according to test and photograph before and after bending test
FIG. 6 is a graph showing the results of photographing and resistance measurement after (a) attaching / detaching 3M tape to / from a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film, (b) Change photograph and resistance value measurement result
FIG. 7 is a graph showing the results of measurement of maximum exothermic temperature according to various applied voltages of a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film, (b) a butterfly-shaped paper electrode under a fixed applied voltage of about 15 V, And video-based still image analysis results
(B) a SEM image of the nEMs / MWCNT / paper thin section, (c) the MWCNT and the nEMs thin film, SEM image enlarged paper electrode interface
9 is a graph showing the results of an analysis of ignition and explosion phenomena of nEMs thin films by ignition of a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film
FIG. 10 is a graph showing an explosion pressure measurement result after ignition of a nEMs thin film in a pressure cell by ignition of a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film
FIG. 11 shows the results of the ignition and explosion phenomena of nEMs thin films by voltage application on paper electrodes coated with Fullerene / MWCNT, SWCNT, and Graphene thin films
FIG. 12 shows a remote ignition and explosion door blowing technique using a small-sized igniter based on a carbon nanotube paper in which an nEMs thin film is formed.

이하, 본 발명에 따른 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 및 이의 제조 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of a miniature nano-energy material small igniter having a conductive paper electrode according to the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail.

본 발명에 따른 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 및 이의 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.The features and advantages of a nano-high energy material miniature igniter having a conductive paper electrode according to the present invention and its manufacturing method will be apparent from the following detailed description of each embodiment.

도 1a와 도 1b는 탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극 제조를 위한 공정 진행 구성도 및 플로우 차트이다.FIGS. 1A and 1B are a process flow diagram and a flowchart for manufacturing a conductive paper electrode using a carbon nanostructure.

본 발명은 보통 종이에 탄소나노구조체를 코팅하여 전도성 유연 기판을 제조하고 나노고에너지물질을 박막형태로 생성 및 부착하여 소형점화기를 구성하여, 탄소나노구조체가 코팅된 종이 기반 소형점화기에 전압을 인가하여 저항열을 발생시킨 후 생성된 열에너지로 나노고에너지물질의 점화/연소/폭발 현상을 유도하는 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a small igniter by coating a carbon nanostructure on a paper to produce a conductive flexible substrate and forming and attaching a nanoscopic energy material in a thin film form to form a small igniter, And generate heat of resistance to generate ignition / combustion / explosion phenomenon of nano-high energy material by the generated thermal energy.

이하의 설명에서 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 및 이의 제조 방법을 설명하면서 탄소나노구조체로 탄소나노튜브를 사용하는 것을 일 예로 하였으나, 본 발명의 기술 구현에 사용되는 탄소나노구조체는 이로 한정되지 않고 Fullerene, MWCNT, SWCNT, Graphene 박막 등 여러 가지가 사용될 수 있음은 당연하다.In the following description, a carbon nanotube is used as a carbon nanostructure while explaining a small-sized high-energy material small igniter having a conductive paper electrode and a method for manufacturing the same. However, the carbon nanostructure used in the technology implementation of the present invention, It is of course possible to use various materials such as Fullerene, MWCNT, SWCNT, and Graphene thin film.

본 발명은 나노고에너지물질의 새로운 점화방식으로써 탄소나노튜브가 코팅된 전도성 종이를 제작하고 이들을 전극으로 활용하여 전압 인가에 따른 열발생을 통해 점화할 수 있는 소형점화기 개발을 하기 위한 것이다.The present invention is to develop a small-sized igniter capable of igniting a carbon nanotube-coated conductive paper as a new ignition method of nano-high-energy materials and using them as an electrode to generate heat according to voltage application.

나노고에너지물질의 점화용으로써 탄소나노튜브가 코팅된 전도성 종이 기판을 이용할 경우,When using conductive paper substrates coated with carbon nanotubes for ignition of nano-high energy materials,

(i)일반적으로 종이가 갖는 특성으로써 기판(substrate)이 매우 유연하고,(i) In general, the characteristics of paper are that the substrate is very flexible,

(ii)종이는 금속이나 반도체 기판 등에 비해 매우 값싸고 취급하기가 매우 용이하며,(ii) Paper is very cheap and very easy to handle compared to metal or semiconductor substrates,

(iii)사용자가 간단하게 잘라서 다양한 형상의 전극 구현이 가능하고 휴대성도 높으며,(iii) a user can easily cut the electrode to realize various shapes of electrodes and is highly portable,

(iv)전기회로와 접목하여 원격 점화를 구현할 수도 있는 다양한 장점들을 갖게 된다. (iv) have a variety of advantages that may be combined with electrical circuitry to implement remote ignition.

따라서, 이러한 탄소나노튜브가 코팅된 전도성 종이 기판을 기반으로 한 소형점화기는 나노고에너지물질의 열공학적 민군기술 응용 범위를 극대화 할 수 있을 것이다.Therefore, a miniature igniter based on a conductive paper substrate coated with such a carbon nanotube can maximize the application range of nanograhydro-energetic materials to thermo-electric civil materials.

이를 위하여 본 발명은 일반적으로 사용하는 보통 종이에 탄소나노튜브를 코팅하여 전도성 유연 기판을 제조하고, 이러한 탄소나노튜브가 코팅된 종이 기판 위에 나노고에너지물질을 박막형태로 생성 및 부착하여 소형점화기를 구성한다.For this purpose, the present invention relates to a method of manufacturing a conductive flexible substrate by coating carbon nanotubes on a commonly used ordinary paper, manufacturing and attaching a nanofiber energy material in the form of a thin film on a paper substrate coated with the carbon nanotube, .

이를 위해서 구체적으로 우선 나노고에너지 복합체 물질로써 알루미늄(Al, 연료금속)과 산화구리(CuO, 산화제) 복합체 나노입자(Nanoparticles, NPs)를 이용하고, 탄소나노튜브가 코팅된 종이 기반 소형점화기에 전압을 인가하여 저항열을 발생시킨 후 생성된 열에너지로 나노고에너지물질의 점화/연소/폭발 현상을 유도하는 것이다.In order to achieve this goal, we have developed a new paper-based compact igniter with carbon nanotubes coated with aluminum (Al, fuel metal) and copper oxide (CuO) nanoparticles (NPs) To generate resistance heat, and then to induce the ignition / combustion / explosion phenomenon of the nano-high energy material with the generated thermal energy.

또한, 이하의 설명에서 나노고에너지물질 및 소형점화기의 연소 특성을 관찰하기 위하여 소형점화기에 인가된 전압에 따른 나노고에너지물질 폭발 시 화염전파, 연소속도 및 폭발 압력 등을 고속카메라(high speed camera)와 압력셀(pressure cell tester) 등을 이용하여 측정한다.In order to observe the combustion characteristics of nano-high-energy materials and small-sized igniters, the flame propagation, combustion speed and explosion pressure were measured at high speed camera ) And a pressure cell tester.

먼저, 탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극 제조를 위한 공정 진행 과정을 설명하면 다음과 같다.First, a process for manufacturing a conductive paper electrode using a carbon nanostructure will be described.

본 발명에 따른 탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극은 열발생 및 열전달 매개체로 사용되는 탄소나노구조체가 표면에 코팅되는 종이로 이루어지고, 탄소나노구조체가 표면에 코팅된 종이가 발화가 시작되는 영역을 갖는 전극 형상을 갖는 것이다.The conductive paper electrode using the carbon nanostructure according to the present invention is composed of a paper on which a carbon nano structure used as a heat generating and heat transfer medium is coated on a surface, Having an electrode shape.

여기서, 발화가 시작되는 영역은 양단에 제 1 너비를 갖고 중앙에 제 1 너비보다 작은 제 2 너비를 갖는 나비 리본의 목(neck) 부분인 것이 바람직하나, 이로 형상이 제한되지 않는다.Here, the region where the ignition is started is preferably a neck portion of a butterfly ribbon having a first width at both ends and a second width smaller than the first width at the center, but the shape is not limited thereto.

이와 같은 구조에 의해, 탄소나노구조체가 표면에 코팅되기 이전의 종이의 발화 온도보다 탄소나노구조체가 표면에 코팅된 종이의 발화 온도가 더 낮은 특성을 갖는다.With this structure, the firing temperature of the paper on which the carbon nanostructure is coated is lower than the firing temperature of the paper before the carbon nanostructure is coated on the surface.

그리고 본 발명에 따른 탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극의 제조 공정은 다중벽 탄소나노튜브 나노용액 제조 단계와, 진공증착법을 이용한 탄소나노튜브가 코팅된 종이 전극 제조하는 단계와, 나비 리본 모양 소형 탄소나노튜브 종이 전극을 제조하는 단계로 크게 이루어진다.The process for preparing a conductive paper electrode using the carbon nanostructure according to the present invention includes the steps of preparing a multi-walled carbon nanotube nano solution, preparing a carbon nanotube-coated paper electrode using a vacuum deposition method, And a step of manufacturing a nanotube paper electrode.

본 발명의 일 실시 예에서는 열화학증착법 (thermal & chemical vapor deposition method)에 의해 제조된 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), CNT Co. Ltd, Korea)를 사용한다.In one embodiment of the present invention, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) manufactured by thermal & chemical vapor deposition method, CNT Co. Ltd, Korea) are used.

이들은 약 95%의 순도를 가지고, 평균 직경은 약 ~20nm이고, 길이는 약 1~25 ㎛ 분포정도이며, 비표면적은 약 ~250 m2/g 정도를 가진다.They have a purity of about 95%, an average diameter of about 20 nm, a length of about 1 to 25 μm, and a specific surface area of about 250 m 2 / g.

도 1a와 도 1b는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs) 용액을 비전도성 종이 위에 진공 흡착공정을 이용하여 코팅하고 소형전극 기판을 제조하는 공정을 나타낸 것이다.FIGS. 1A and 1B illustrate a process for coating a multi-walled carbon nanotube (MWCNTs) solution on a nonconductive paper using a vacuum adsorption process and fabricating a small electrode substrate.

우선, 에탄올 용액에 CNTs 0.3 wt%를 넣고 초음파 에너지(ultrasonication, 초음파 출력=750 W, 초음파 주파수=20 kHz)를 25분간 가하여 분산시킨다.(S101)First, 0.3 wt% of CNTs are added to an ethanol solution, and ultrasonic energy (ultrasonic output = 750 W, ultrasonic frequency = 20 kHz) is dispersed for 25 minutes (S101)

감압플라스크에 필터 지지대를 올리고 그 위에 일반 종이(원형: 직경 약 4.5 cm)를 올린 다음 상부에 여과장치를 고정하고 진공펌프로 하부에서 진공을 형성한다.(S102)The filter support is placed on a vacuum flask, and a plain paper (circular shape: about 4.5 cm in diameter) is placed thereon. Then, a filtration apparatus is fixed on the upper side and a vacuum is formed in the lower side by a vacuum pump.

준비한 MWCNTs가 분산된 에탄올 용액을 마이크로 피펫(Micro Pipet, 100-1,000 ㎕)을 이용하여 비이커에 약 3 ㎖를 담은 후 여과장치 안에 천천히 부어준다.(S103)About 3 ml of the ethanol solution in which the prepared MWCNTs are dispersed is poured into a beaker using a micropipette (100-1,000 μl), and then slowly poured into the filtration apparatus (S103)

이때, 감압플라스크와 연결된 진공펌프로 종이 위에 부어진 MWCNTs가 분산된 에탄올용액에 있는 에탄올을 빨아들이는 과정에서 MWCNTs만 종이에 걸러져 남게 되고 종이를 통과한 에탄올용액은 하부 플라스크에 모아지도록 한다.(S104)At this time, only the MWCNTs remain on the paper while the ethanol in the ethanol solution in which the MWCNTs dispersed on the paper is poured onto the paper by the vacuum pump connected to the vacuum flask, and the ethanol solution passing through the paper is collected in the lower flask. S104)

이렇게 MWCNTs가 코팅된 종이를 상온에서 건조(온도: 25℃, 시간: 30분)한 후 특정한 모양과 크기를 갖는 전극 형상으로 자르고 직류전원 공급장치(DC Power Supply, 0~30V)와 선을 연결하여 특정 전압을 공급하면서 온도 변화를 측정한다.(S105)After the MWCNTs-coated paper was dried at room temperature (25 ° C, 30 minutes), it was cut into an electrode shape having a specific shape and size and connected to a DC power supply (0 to 30 V) And a temperature change is measured while supplying a specific voltage (S105)

그리고 탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극을 이용한 나노고에너지물질 소형점화기 제조를 위한 공정을 설명하면 다음과 같다.A process for fabricating a small nano-energy material small igniter using a conductive paper electrode using a carbon nanostructure will be described below.

도 2a와 도 2b는 전도성 종이 전극을 이용한 나노고에너지물질 소형점화기 제조를 위한 공정 진행 구성도 및 플로우 차트이다.FIGS. 2A and 2B are a process flow diagram and a flowchart for manufacturing a miniature nano-energy material small igniter using a conductive paper electrode.

본 발명에 따른 전도성 종이 전극을 이용한 나노고에너지물질 소형점화기 제조를 위한 공정은 탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극 제조 단계와, 나노고에너지물질(nEMs) 용액 제조 단계와, 탄소나노구조체가 코팅된 전도성 종이 전극 상에 스핀코팅 공정을 이용한 나노고에너지물질(nEMs) 박막 제조 단계로 크게 이루어진다.The process for fabricating a small-sized nano-high-energy material igniter using a conductive paper electrode according to the present invention includes a step of preparing a conductive paper electrode using a carbon nanostructure, a step of preparing a nano-sized high energy material (nEMs) (NEMs) thin film using a spin coating process on conductive paper electrodes.

본 발명에 따른 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기는 열발생 및 열전달 매개체로 사용되는 탄소나노구조체가 표면에 코팅되는 종이를 포함하고, 발화가 시작되는 영역을 갖는 전도성 종이 전극과, 상기 전도성 종이 전극 표면에 코팅되는 나노고에너지물질(nEMs) 박막을 포함하는 것이다.A small nano-energy material small igniter having a conductive paper electrode according to the present invention includes a conductive paper electrode having a region where a carbon nanostructure used as a heat generating and heat transfer medium is coated on a surface and in which ignition starts, (NEMs) thin film coated on the surface of a conductive paper electrode.

여기서, 나노고에너지물질(nEMs) 박막은, 연료금속 물질로 알루미늄(Al) 나노입자를 사용하고, 금속산화제(metal oxide)물질로 산화구리(CuO) 나노입자를 사용하는 것이 바람직하고, 이로 제한되지 않는다.Here, it is preferable that aluminum (Al) nanoparticles are used as a fuel metal material and copper oxide (CuO) nanoparticles are used as a metal oxide material in a nano-sized high energy material (nEMs) thin film. It does not.

그리고 나노고에너지물질(nEMs) 박막의 적층 두께에 따른 나노고에너지물질(nEMs)의 절대 질량에 따라 총연소시간이 제어되는 특성을 갖는다.The total burning time is controlled by the absolute mass of nano-high energy materials (nEMs) according to the thickness of the nano-sized high-energy material (nEMs).

그리고 나노고에너지물질(nEMs) 박막의 적층 두께에 따라 전도성 종이 전극의 점화지연시간(ignition delay time)이 제어되고, 나노고에너지물질(nEMs) 박막의 적층 두께가 증가할수록 열저항이 커져 점화지연시간의 증가가 발생하는 특성을 갖는다.In addition, the ignition delay time of the conductive paper electrode is controlled by the thickness of the nano-sized high-energy material (nEMs) thin film, and as the thickness of the nano-high energy material (nEMs) And an increase in time occurs.

그리고 나노고에너지물질(nEMs) 박막의 점화 및 폭발 시 발생되는 최대 압력은 나노고에너지물질(nEMs) 박막의 적층 두께가 증가할수록 증가하는 특성을 갖는다.The maximum pressure generated during the ignition and explosion of the nano-high-energy material (nEMs) film increases as the thickness of the nano-high energy material (nEMs) increases.

그리고 탄소나노구조체가 코팅된 종이 전극 위에 나노고에너지물질(nEMs) 박막을 생성하기 위해서, 연료금속 물질로써는 평균직경 ~80 nm를 갖는 알루미늄 (Al, NT base, Korea) 나노입자를 사용하고, 금속산화제(metal oxide)물질로 평균직경 ~100 nm를 갖는 산화구리(CuO, NT base, Korea) 나노입자를 각각 사용한다.(Al, NT base, Korea) nanoparticles having an average diameter of ~ 80 nm were used as the fuel metal materials and nanoparticles of aluminum (Al) were used as the fuel metal materials in order to produce nano-sized high- Copper oxide (CuO, NT base, Korea) nanoparticles having an average diameter of ~ 100 nm are used as the metal oxide material, respectively.

연료금속 물질 및 금속산화제(metal oxide)물질이 이로 제한되지 않음은 당연하다.It is to be understood that the fuel metal material and the metal oxide material are not limited thereto.

먼저, 나노고에너지물질 (nEMs) 복합체 분말을 제조하기 위하여, Al 나노입자와 CuO 나노입자를 Al:CuO=30:70 wt%의 비율로 혼합하고(S201), Al/CuO 복합체 분말을 에탄올용액 내에 넣고 초음파 에너지(ultrasonication energy, 초음파 출력=170 W, 초음파 주파수=40 kHz)를 이용하여 30분간 혼합한다.(S202)First, in order to prepare a nano-high energy material (nEMs) composite powder, Al nanoparticles and CuO nanoparticles are mixed in a ratio of Al: CuO = 30: 70 wt% (S201) And mixed for 30 minutes using ultrasonic energy (ultrasonic wave output = 170 W, ultrasonic frequency = 40 kHz) (S202)

이어, MWCNTs 코팅된 전도성 종이 전극을 스핀 코터(spin coater) 위에 올리고 nEMs 용액을 마이크로 피펫 (Micro Pipet, 3-25 ㎕)을 이용하여 약 10 ㎕ 정도를 떨어뜨린 후 약 300 rpm으로 약 30초 동안 회전시켜 나노고에너지물질 박막을 형성한다.(S203)Next, the conductive paper electrode coated with MWCNTs was placed on a spin coater, and about 10 μL of the nEMs solution was dropped using a micropipette (3-25 μL), and the solution was then dried at about 300 rpm for about 30 seconds Thereby forming a nano-high energy material thin film (S203)

이와 같은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 및 소형점화기의 연소 특성을 설명하면 다음과 같다.The combustion characteristics of the nano-high energy material and the small igniter according to the present invention will be described below.

제조된 nEMs 복합체 박막을 올린 전도성 종이 기반 소형점화기를 상압 공기 중에서 점화 및 폭발 반응을 유도하고 이를 고속카메라(Photron, FASTCAM SA3 120K)를 이용하여 30 kHz의 프레임 속도로 촬영하였다.Ignition and explosion reactions were induced in a small - sized, conductive paper - based igniter with nEMs composite thin films deposited at atmospheric air and photographed at a frame rate of 30 kHz using a high - speed camera (FASTCAM SA3 120K).

사용된 고속카메라는 최고 프레임 속도 (Max. frame rate)는 1,200,000 fps, 최소 프레임 속도 (Min. frame rate)은 60 fps, 센서 크기 (sensor size)는 17.4 mm x 17.4 mm CMOS image sensor, 화소크기(Pixel size) 17 um x 17 um, 작동전압 및 전류 조건은 각각 DC: 22-32 V, 100 VA, AC: 100-240 V, 10-60 Hz, 60 VA 이다. The high speed camera used has a maximum frame rate of 1,200,000 fps, a minimum frame rate of 60 fps, a sensor size of 17.4 mm x 17.4 mm, a CMOS image sensor, Pixel size) 17 um x 17 um, operating voltage and current conditions are DC: 22-32 V, 100 VA, AC: 100-240 V, 10-60 Hz, 60 VA respectively.

도 3은 (a)탄소나노튜브 용액 초기농도에 따른 종이 전극의 저항 측정 결과 그래프 및 탄소나노튜브 박막 형성 사진, (b)탄소나노튜브 박막이 코팅된 나비 리본 모양 전극의 중앙 폭 길이(neck distance)에 따른 저항 측정 결과 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the results of resistance measurement of a paper electrode according to an initial concentration of a carbon nanotube solution and a photograph of a carbon nanotube thin film formed on the carbon nanotube thin film, (b) a neck width of a butterfly ribbon electrode coated with a carbon nanotube thin film, ). ≪ / RTI >

먼저, 소형점화기 제작을 위해 적절한 탄소나노튜브 나노유체의 초기농도와 종이의 점화용 배선 크기를 결정하기 위해 나노유체 용액의 초기농도에 따른 종이에 형성된 탄소나노튜브 전극의 저항(도 3의 (a)), 나비 리본 모양의 종이 전극의 좁아지는 부분의 폭에 따른 저항(도 3의 (b))을 측정한다.First, in order to determine an initial concentration of a carbon nanotube nanofluid suitable for manufacturing a small igniter and a wire size for ignition of the paper, the resistance of the carbon nanotube electrode formed on the paper according to the initial concentration of the nanofluid solution ) And the resistance (Fig. 3 (b)) according to the width of the narrow portion of the paper electrode in the form of a butterfly ribbon is measured.

도 3의 (a)에 탄소나노튜브 나노유체의 초기농도에 따라 이들을 종이 위에 부어주고 진공으로 용액을 제거한 후에 탄소나노튜브 박막이 생성된 종이 전극의 저항값과 형상 이미지를 나타내었다.FIG. 3 (a) shows the resistance value and the shape of the paper electrode formed with the carbon nanotube thin film after pouring them onto paper according to the initial concentration of the carbon nanotube nanofluid and removing the solution by vacuum.

이때 종이 전극의 저항값은 멀티미터(Multimeter)로 측정하였고, 측정 프로브(probe)간의 거리를 약 0.5 cm로 고정하여 측정하였다. At this time, the resistance value of the paper electrode was measured by a multimeter and the distance between the measurement probes was fixed to about 0.5 cm.

도 3의 (a)에서 보는 바와 같이 탄소나노튜브 (MWCNTs) 나노유체의 초기농도가 증가할수록 최종적으로 종이 기판 위에 코팅된 MWCNT 박막에서 점차적으로 심한 균열이 생기면서 MWCNT 박막의 일부가 떨어져 나간 모습을 볼 수 있었다.As shown in FIG. 3 (a), as the initial concentration of carbon nanotubes (MWCNTs) nanofluids increases, finally, the MWCNT thin film coated on the paper substrate is gradually severely cracked and a part of the MWCNT thin film is separated I could see.

MWCNT 용액의 초기농도가 0.1 wt% 내외로 대체적으로 낮은 경우에는 종이 위에 생성된 MWCNT 박막의 경우 저항값이 다소 높게 나타났으나, MWCNT 용액의 초기농도가 점점 증가하여 약 0.7 wt%에 이른 경우에서 저항이 가장 최저값으로 나타났다.When the initial concentration of the MWCNT solution was about 0.1 wt%, the resistance value of the MWCNT thin film formed on the paper was somewhat higher. However, when the initial concentration of the MWCNT solution increased to about 0.7 wt% The resistance was the lowest.

MWCNT 용액의 초기농도를 0.3 wt% 이상으로 높인 경우에는 저항값은 감소하지만, MWCNT 농도가 진하여 종이 위에 코팅 시 건조 후 많은 균열이 생기는 모습을 볼 수 있었다.When the initial concentration of the MWCNT solution was increased to 0.3 wt% or more, the resistance value decreased, but the MWCNT concentration was increased and a lot of cracks were observed after drying on the paper.

이는 도 3의 (a)의 탄소나노튜브 박막이 생성된 종이 전극의 이미지에서 볼 수 있듯이 MWCNT 용액의 초기농도가 높아지면서 MWCNT 사이의 강한 결합 및 응집 현상으로 인해 최종적으로 생성되는 MWCNT 박막에 현저한 균열이 발생되는 것으로 보인다.As can be seen from the image of the paper electrode where the carbon nanotube thin film of FIG. 3 (a) was formed, the initial concentration of the MWCNT solution was increased, and the MWCNT thin film produced by the strong binding and coagulation phenomenon between the MWCNTs Seems to have occurred.

따라서, 종이 전극 위에서 MWCNT 박막의 균열이 거의 없이 균일하게 코팅 될 수 있으면서 동시에 낮은 저항값을 유지할 수 있도록 하기 위해서 MWCNT 용액의 초기농도를 0.3 wt%로 고정하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable to fix the initial concentration of the MWCNT solution to 0.3 wt% in order to allow the MWCNT thin film to be uniformly coated with little cracks on the paper electrode while maintaining a low resistance value.

그리고 본 발명에서는 탄소나노튜브가 코팅된 종이 기판을 나비 리본 모양처럼 전체적으로 일정한 폭을 갖고 중앙 부분만의 폭을 다소 좁게 만들어 좁아진 목 부분에서 저항열을 집중적으로 발생시킴으로써 특정 위치에서만 나노고에너지물질을 점화시키는 구성을 포함한다.In the present invention, the paper substrate coated with carbon nanotubes is made to have a uniform width as a butterfly ribbon shape, and a width of only a central portion is narrowed to intensively generate resistance heat in a narrow neck portion, Ignition.

이러한 나비 리본 모양의 탄소나노튜브가 코팅된 종이 전극을 실제로 설계 및 제작하여 나비 리본 모양의 전극 중앙의 좁은 목부분의 길이에 따른 저항값을 측정하여 도 3의 (b)와 같이 나타내었다.The paper electrode coated with such a butterfly-shaped carbon nanotube was actually designed and manufactured, The resistance value according to the length of the narrow neck portion at the center was measured and shown in FIG. 3 (b).

도 3의 (b)에서는 MWCNT 용액의 초기농도를 기준 0.3 wt%로 고정하여 종이 기판 위에 MWCNT 박막을 생성하였고, 나비 리본 모양의 종이 전극을 제조하여 중앙의 좁은 부분 폭의 길이가 0.1 cm씩 길어질 때마다 저항값이 변화되는 것을 관찰하였다.In FIG. 3 (b), the MWCNT thin film was formed on a paper substrate by fixing the initial concentration of the MWCNT solution at a reference level of 0.3 wt%, and a butterfly ribbon-shaped paper electrode was produced. The narrow width of the central part was 0.1 cm long It was observed that the resistance value changed every time.

그 결과 전극 중앙 폭간의 길이가 길어질수록 저항값이 점차적으로 증가하는 경향을 보였다. As a result, the resistance value gradually increased as the length between the center electrode widths became longer.

도 4는 (a)탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극의 나비 리본 모양의 사진, (b)종이 위에 부착된 MWCNT 박막의 평면 및 측면 SEM 이미지, (c)MWCNT 박막과 종이 전극 경계면을 확대한 부분의 고배율 SEM 이미지이다.FIG. 4 shows (a) a butterfly-shaped photo of a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film, (b) a planar and lateral SEM image of the MWCNT thin film deposited on the paper, and (c) an enlarged view of the MWCNT thin film- High-magnification SEM image.

탄소나노튜브 박막이 형성된 종이 전극의 구조를 자세히 살펴보기 위해 FE-SEM 분석을 수행하면 다음과 같다.In order to examine the structure of the paper electrode formed with the carbon nanotube thin film, FE-SEM analysis is performed as follows.

도 4의 (a)에서와 같이 초기농도 0.3 wt%인 MWCNT 용액 3 ml를 진공 공정을 이용하여 종이 전극상에 박막으로 생성시키고 가로 3 cm x 세로 1.5 cm (중앙 목부분: 길이 0.7 cm) 크기로 가공하였다. As shown in FIG. 4 (a), 3 ml of the MWCNT solution having an initial concentration of 0.3 wt% was formed as a thin film on a paper electrode using a vacuum process, and a size of 3 cm x 1.5 cm (center neck: length 0.7 cm) .

도 4의 (b)와 (c)에서는 종이에 MWCNT 박막을 생성시킨 후 단면을 촬영한 SEM 사진으로 종이 기판 위에 생성된 MWCNT의 평면도에서 보는 바와 같이 박막의 두께는 대략 ~80 ㎛ 정도로 나타났으며, 이는 종이 기판의 두께인 약 80 ㎛ 와 매우 비슷한 것으로 나타났다.In FIGS. 4 (b) and 4 (c), SEM photographs of cross sections of the MWCNT thin film are shown in the plan view of the MWCNT formed on the paper substrate. The thickness of the thin film is about 80 μm , Which is very similar to the paper substrate thickness of about 80 탆.

여기서, MWCNT 나노유체 용액을 공급해주는 양에 따라서 추후 탄소나노튜브 박막의 두께는 비교적 쉽게 조절 가능하다.Here, the thickness of the carbon nanotube thin film is relatively easily adjustable depending on the amount of the MWCNT nanofluid solution supplied.

도 4의 (c)에서 보는 바와 같이 생성된 MWCNT 박막은 종이 기판과의 경계면에서 매우 균일하고 강하게 접촉되어 있는 것을 관찰할 수 있었다. As shown in FIG. 4 (c), the MWCNT thin film was observed to be in a very uniform and strong contact with the paper substrate.

도 5는 (a)다양한 곡률반경에 따른 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극의 저항값 변화 비교 그래프 (b)R2.5 mm의 곡률반경을 가지는 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극의 반복 굽힘 시험에 따른 저항값의 변화 및 굽힘 시험 전후의 사진이다.FIG. 5 is a graph showing a comparison of resistance values of a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film according to various curvature radii (b) Repeated bending of a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film having a radius of curvature of R2.5 mm And the change of the resistance value according to the test and before and after the bending test.

이상과 같이 본 발명에 의해 제작된 탄소나노튜브가 코팅된 종이 전극의 굽어진 정도에 따른 저항의 변화를 측정하기 위해서 다양한 곡률반경(Radius of Curvature)을 갖는 플라스틱 튜브에 전극을 감아서 저항값의 변화를 측정하면 다음과 같다.As described above, in order to measure the change of the resistance according to the degree of bending of the carbon electrode coated with the carbon nanotubes fabricated according to the present invention, the electrode was wound around a plastic tube having various radii of curvature, The change is measured as follows.

도 5의 (a)에서와 같이 곡률반경이 각각 33.5 Ω@R2.5 mm, 32.5 Ω@R5 mm, 32.0 Ω@R10 mm의 값을 나타내었다.As shown in Fig. 5 (a), the radius of curvature was 33.5 Ω @ R 2.5 mm, 32.5 Ω @ R 5 mm, and 32.0 Ω @ R 10 mm.

여기서, 곡률반경이 감소함에 따라 저항값이 증가하게 되는 이유는 곡률반경이 감소하면 탄소나노튜브 박막의 굽어지는 정도가 커지게 되고, 이는 미세구조상 종이 기판과 밀접하게 접촉하고 있던 탄소나노튜브층에는 압축응력이 작용하고 표면부는 인장응력이 작용하기 때문에 일정한 한계값 이상에서는 탄소나노튜브 박막 표면층과 그 주변에서는 탄소나노튜브간의 이완작용이 일어나기 때문이다.As the radius of curvature decreases, the resistance value increases. As the radius of curvature decreases, the degree of bending of the carbon nanotube film increases. This is because the carbon nanotube layer, which is in close contact with the paper substrate, This is because the compressive stress acts on the surface of the carbon nanotube thin film and the tensile stress acts on the surface of the carbon nanotube thin film.

이러한 탄소나노튜브 박막 표면층 주변의 MWCNT 사이의 이완과 거시적인 미세균열의 발생은 전자의 이동에 있어서 산란 및 전기적 이동도의 감소를 초래하므로 곡률반경이 작아질 경우 나비 리본 모양을 갖는 탄소나노튜브가 코팅된 종이 전극의 표면 저항값이 미세하게 증가한다.The relaxation between the MWCNTs near the surface layer of the carbon nanotube thin film and the occurrence of macroscopic microcracks cause a decrease in scattering and electrical mobility in the movement of the electrons. Therefore, when the radius of curvature becomes small, carbon nanotubes The surface resistance value of the coated paper electrode is slightly increased.

또한, 제조된 나비 리본 모양을 가지는 탄소나노튜브가 코팅된 종이는 상대적으로 작은 곡률반경을 가지는 R2.5 mm일 경우의 저항값 (즉, 33.5 Ω)이 편평한 경우의 표면 저항 값(즉, 32.0 Ω)과 비교하여 큰 차이가 없는 표면 저항값을 나타내어 내부에 미세 균열의 발생이 대체적으로 적은 것을 알 수 있다.In addition, the paper coated with carbon nanotubes having the butterfly ribbon shape produced has a surface resistance value (i.e., 32.0) when the resistance value (i.e., 33.5?) In the case of R2.5 mm having a relatively small radius of curvature is flat Ω), showing a surface resistance value with no significant difference, and it can be seen that occurrence of microcracks in the inside is generally small.

이는 제조된 나비 리본 모양을 가지는 탄소나노튜브가 코팅된 종이 전극은 유연한 소형점화기로의 응용이 가능함을 의미한다.This means that a paper electrode coated with a carbon nanotube having a butterfly ribbon shape can be used as a flexible small igniter.

도 5의 (b)에 탄소나노튜브가 코팅된 종이 전극이 R2.5mm 곡률반경에서 반복 굽힘 정도에 따른 저항의 변화를 측정하기 위해서 반복 굽힘 시험을 수행한 결과를 나타내었다.FIG. 5 (b) shows the result of repeated bending test to measure the change of resistance according to the degree of repetitive bending at a radius of curvature of R2.5 mm in a paper electrode coated with carbon nanotubes.

그 결과, 큰 곡률 반경을 가지는 R2.5 mm에서 250회의 반복 굽힘에도 불구하고 초기 저항값과 동일한 값을 나타내어, 높은 신뢰성을 가진 MWCNT 박막이 코팅된 종이 전극으로 제조되었음을 확인하였다.As a result, it was confirmed that the MWCNT thin film was fabricated with coated electrode with high reliability, which showed the same value as the initial resistance value despite 250 repetitive bending at R2.5 mm having a large radius of curvature.

도 6은 (a)3M 테이프를 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극 상에 부착/탈착 후 사진 및 저항값 측정 결과, (b)탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극을 물에 넣기 전후의 전극 변화 사진 및 저항값 측정 결과이다.FIG. 6 is a graph showing the results of photographing and resistance measurement after (a) attaching / detaching 3M tape to / from a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film, (b) Change photo and resistance value measurement result.

본 발명에 의해 제조된 MWCNT 박막이 코팅된 종이 전극에 대해 계면 간 접촉력에 대한 평가를 위해 추가적으로 테이프를 이용한 이탈착 테스트 및 물에 대한 젖음 전후의 저항값 변화 비교 측정 실험을 수행하였다.In order to evaluate the interfacial contact force for the paper electrode coated with the MWCNT thin film manufactured by the present invention, the separation test using the tape and the change of the resistance value before and after the wetting test were performed.

먼저, 3M 테이프를 제조된 나비 리본 모양의 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극에 붙이고 때어 내었을 때 테이프에 탄소나노튜브가 가시적으로 어느 정도 떨어져나가는지 혹은 탄소나노튜브 박막이 종이 기판에서 어느 정도 분리되는지 등을 육안으로 비교하고 테이프 접촉 및 탈착 직후의 전극 사진을 제시하였다.First, when the 3M tape is attached to a paper electrode coated with a prepared ribbon of a carbon nanotube film, how much carbon nanotube is visually separated from the tape, or when the carbon nanotube film is separated from the paper substrate And the like were visually compared with each other, and a photograph of the electrode immediately after tape contact and desorption was presented.

도 6의 (a)에서와 같이 테이프를 전극표면에 접촉한 후 탈착한 결과 테이프에 묻어나오는 탄소나노튜브의 양이 극소량이었고, 탈착 후 전극의 저항 변화도 거의 없는 것으로 관찰되었다.As shown in FIG. 6 (a), after the tape was contacted with the electrode surface, the amount of carbon nanotubes adhering to the tape was extremely small as a result of desorption, and it was observed that the resistance of the electrode was almost unchanged after desorption.

이는 탄소나노튜브 박막 코팅층이 종이 표면에 반데발스힘으로 매우 강하게 결합되어 있기 때문이다.This is because the carbon nanotube thin film coating layer is very strongly bonded to the surface of the paper by the force of the van der Waals force.

도 6의 (b)는 비이커에 물을 반 정도 채운 후 본 연구에서 제조된 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극을 물속에 하루 정도 담근 후 빼내서 건조시키기 전후의 사진이다.6 (b) is a photograph before and after drying the paper electrode coated with the carbon nanotube thin film prepared in this study after dipping the beaker in water for one day, dipping it in water, and drying it.

육안으로 관찰 시에도 탄소나노튜브 박막이 물에 의해서 벗겨지거나 파괴된 흔적을 찾아보기 어려웠으며, 물속에 담그기 전후의 저항값을 측정한 결과 저항값의 눈에 띄는 변화가 관찰되지 않았다.It was difficult to find any trace of carbon nanotube thin film peeled or destroyed by water even when it was observed with the naked eye. As a result of measuring the resistance value before and after immersion in water, no noticeable change of resistance value was observed.

따라서 탄소나노튜브 박막층이 종이 전극과 강하게 결합되어 있어서 외력에 의해 쉽게 분리되거나 파괴되지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.Therefore, it can be confirmed that the carbon nanotube thin film layer is strongly bonded to the paper electrode and is not easily separated or destroyed by external force.

도 7은 (a)탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극의 다양한 인가 전압에 따른 최대 발열온도 측정 결과 그래프, (b)약 15V 고정된 인가전압 하에서 나비 모양의 종이 전극이 시간이 지남에 따라 발열 및 발화하는 동영상 기반 정지이미지 분석 결과이다.FIG. 7 is a graph showing the results of measurement of maximum exothermic temperature according to various applied voltages of a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film, (b) a butterfly-shaped paper electrode under a fixed applied voltage of about 15 V, And video-based still image analysis results.

탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극에 다양한 인가 전압에 따른 최대 발열온도와 발화거동을 측정한 결과는 도 7에서와 같다.FIG. 7 shows the results of measuring the maximum heating temperature and the ignition behavior according to various applied voltages on a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film.

구체적으로 탄소나노튜브 코팅된 전도성 종이 전극의 끝단에 직류전원 공급장치(DC Power Supply, 0~30 V)의 전극을 연결하고 전압을 가하여 나비 모양 종이 전극의 좁은 목 부분에서 발생되는 저항열을 광학 고온계 (optical pyrometer)와 일반카메라를 이용하여 측정하였다.Specifically, an electrode of a DC power supply (DC power supply, 0 to 30 V) was connected to the end of a conductive carbon electrode coated with a carbon nanotube, and a voltage was applied to the resistance heat generated in the narrow neck portion of the butterfly- It was measured using an optical pyrometer and a conventional camera.

도 7의 (a)에서와 같이, 5 V, 10 V, 12 V, 14 V, 15 V 등으로 인가 전압이 증가함에 따라 나비 모양의 종이 전극의 좁은 목 부분에서 발생되는 저항열이 약 100℃, 180℃, 260℃, 370℃, 430℃로 거의 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었다.As shown in FIG. 7 (a), as the applied voltage increases with 5 V, 10 V, 12 V, 14 V, 15 V, etc., the resistance heat generated in the narrow neck portion of the butterfly- , 180 ° C, 260 ° C, 370 ° C and 430 ° C, respectively.

인가 전압의 증가에 의해 탄소나노튜브 박막 종이 전극의 저항열이 비교적 일정하게 증가하는 결과는 일반적으로 옴의 법칙(V=IR)에서 전압 값이 상승하였을 때 전극이 가열되어 전극의 저항값이 증가하는 선형소자임을 알 수 있었다.As a result of increasing the applied voltage, the resistance heat of the carbon nanotube thin-film paper electrode is relatively constantly increased. In general, when the voltage value is increased in the Ohm's law (V = IR) Which is a linear device.

종이의 형태, 밀도, 종류 등에 따라 다르지만, 종이는 일반적으로 약 400~450℃의 온도에서 발화된다고 알려져 있는데 제조된 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극은 약 15 V의 전압 인가하에서 발생된 약 430℃ 전후의 온도에서 발화가 시작되는 것으로 확인하였다.The paper is generally known to ignite at a temperature of about 400 to 450 ° C. The paper electrode coated with the carbon nanotube thin film has a thickness of about 430 It is confirmed that ignition starts at about the temperature of about 캜.

도 7의 (b)에 15 V의 인가 전압으로 발생하는 저항열에 의해 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극의 나비 리본의 목(neck) 부분에서의 발화 현상을 일반카메라로 촬영한 영상을 기반으로 한 정지사진(snapshot)을 나타내었다.Fig. 7 (b) shows the firing phenomenon in the neck of the butterfly ribbon of a paper electrode coated with a thin film of carbon nanotubes by resistance heat generated at an applied voltage of 15 V, A snapshot was shown.

전도성 종이 전극에 약 15 V의 전압이 인가되고, 1초 후 나비 모양 종이 전극의 좁은 목의 한쪽 끝부분에서 발화가 시작되어 반대편 끝부분으로 전파되는 것을 볼 수 있었다.A voltage of about 15 V was applied to the conductive paper electrode, and after one second, the ignition started at one end of the narrow neck of the butterfly paper electrode and propagated to the opposite end.

그리고 시간이 지날수록 발화 범위가 목의 중심 부분으로부터 넓게 퍼지고 약 6초 후에는 종이 전극의 단락에 의해 발화 현상이 멈추는 것을 관찰할 수 있다. It can be seen that as the time passes, the firing range spreads widely from the central part of the neck, and after about 6 seconds, the firing phenomenon is stopped by the paper electrode short circuit.

즉, 본 발명에서 제조된 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극은 선형소자의 특성을 갖는 것을 확인하였으며, 인가 전압의 크기에 따라 발생하는 저항열을 적절하게 제어함으로써 적용 범위를 다변화할 수 있음을 알 수 있다.That is, it is confirmed that the paper electrode coated with the carbon nanotube thin film according to the present invention has characteristics of a linear device, and the application range can be diversified by suitably controlling the resistance heat generated according to the magnitude of the applied voltage Able to know.

도 8은 (a)탄소나노튜브 박막 코팅된 전도성 종이 전극 위에 형성된 나노고에너지물질 (nEMs) 박막 사진, (b)nEMs/MWCNT/종이 박막 단면 부분의 SEM 이미지, (c)MWCNT와 nEMs 박막의 종이 전극 경계면을 확대한 SEM 이미지이다.(B) a SEM image of the nEMs / MWCNT / paper thin section, (c) the MWCNT and the nEMs thin film, This is an SEM image in which the paper electrode interface is enlarged.

도 8의 (a)는 스핀코터 (spin coater)에 놓인 전도성 종이 전극 위에 형성된 nEMs 박막 형상의 이미지를 나타낸 것이다.8 (a) shows an image of a nEMs thin film formed on a conductive paper electrode placed on a spin coater.

형성된 nEMs 박막은 약 5 mm 직경의 원형의 형상을 가지며, 전도성 종이 전극 목 부분의 중심에 고착된 것을 확인하였다.It was confirmed that the formed nEMs had a circular shape with a diameter of about 5 mm and were fixed to the center of the conductive paper electrode neck.

도 8의 (b)는 nEMs 박막을 생성시킨 후 단면을 촬영한 SEM 사진이며, 종이 기판 위의 nEMs 박막의 두께는 약 150 ㎛ 정도이고 박막 내부에 균열 (crack)이 존재하나 비교적 치밀한 구조로 제조되었음을 관찰할 수 있었다.8 (b) is a SEM photograph of a cross section taken after the formation of the nEMs thin film. The thickness of the nEMs thin film on the paper substrate is about 150 μm, and cracks exist in the thin film, .

도 8의 (c)에서 보는 바와 같이 탄소나노튜브 박막과 nEMs 박막의 계면 간에 강하게 접촉되어 있는 것을 관찰할 수 있었다. As shown in FIG. 8 (c), it was observed that the interface between the carbon nanotube thin film and the nEMs thin film was strongly in contact with each other.

또한, 스핀코팅법에 의해 제작된 nEMs 박막내의 입자들의 충진 정도가 높은 비교적 치밀한 구조를 가지는 것을 볼 수 있는데, 이는 nEMs를 구성하는 금속 및 산화제 나노입자간의 반데발스힘에 의한 결합력이 매우 강하기 때문이다.In addition, it can be seen that the nEMs thin films prepared by the spin coating method have a relatively dense structure with high degree of filling, because the bonding force between the metal and the oxidizing agent nanoparticles constituting the nEMs is very strong due to the van der Waals force .

본 발명에서 제조한 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극에 나노고에너지물질(nEMs) 박막의 적층 두께 변화가 점화 시 폭발 정도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 종이 전극에 전압을 인가하여 공기 중에서 점화 및 폭발 실험을 수행하면 다음과 같다.In order to analyze the influence of the change in the thickness of the nano-sized high-energy material (nEMs) on the paper electrode coated with the carbon nanotube thin film according to the present invention on the degree of explosion upon ignition, a voltage was applied to the paper electrode, The explosion experiment is as follows.

도 9는 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극 점화에 의한 다양한 적층 두께를 가지는 nEMs 박막의 점화 및 폭발 현상에 대한 고속카메라 촬영 Snapshot 및 점화지연(ignition delay time), 연소율(burn rate) 및 총연소시간(total burning time) 분석 결과이다.FIG. 9 is a graph showing the relationship between the ignition delay time, the burn rate, and the total burning time of the high-speed camera for the ignition and explosion phenomenon of the nEMs thin films having various lamination thicknesses by the ignition of the carbon nanotube thin- (Total burning time).

다양한 적층 두께를 가지는 nEMs 박막들은 전도성 종이 전극을 이용한 점화 시 발생되는 폭발 현상의 정지이미지 분석 결과를 보면, 다양한 적층 두께를 가지는 nEMs 박막을 전도성 종이 전극의 인가 전압에 따른 저항열에 의해 점화 및 순간적인 폭발 반응이 성공적으로 유도되는 것을 알 수 있다.The nEMs thin films with various lamination thicknesses were analyzed by static image analysis of the explosion phenomenon during ignition using conductive paper electrodes. The nEMs thin films with various lamination thicknesses were ignited by the resistance heat according to the applied voltage of the conductive paper electrode, It can be seen that the explosion reaction is successfully induced.

nEMs 박막의 적층 두께가 두꺼워짐에 따라 인가전압에 따른 저항열 점화에 의한 전도성 종이 전극의 연소율은 모두 약 70 m/s 값으로 실험적으로 결정되었고, 총 연소시간은 각각 5.30 ms, 5.56 ms, 5.86 ms, 6.00 ms, 6.26 ms값으로 증가하는 경향을 나타내었다.As the lamination thickness of the nEMs thin films became thicker, the burning rate of the conductive paper electrode due to the resistance thermal ignition was determined to be about 70 m / s according to the applied voltage. The total burning time was 5.30 ms, 5.56 ms, 5.86 ms, 6.00 ms, and 6.26 ms, respectively.

즉, nEMs 박막의 적층 두께가 두꺼워짐에 따라 총 연소시간은 길어졌으나, 연소율(burn rate)은 대부분 약 70 m/s로 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.That is, the total burning time was increased as the thickness of the nEMs was increased, but the burn rate was about 70 m / s.

이는 nEMs 박막의 적층 두께에 따른 nEMs의 절대 질량의 증가가 총연소시간을 증가시켰으며, 기본적으로 동일한 반응물질이기 때문에 연소율에 미치는 영향이 크지 않았음을 의미한다.This means that the increase in the absolute mass of nEMs with the thickness of the nEMs increases the total burning time, which is basically the same reactant material, which means that the effect on the burning rate is not significant.

점화지연시간(ignition delay time)은 탄소나노튜브 종이 전극의 인가전압에 따른 가열에 걸리는 시간이 큰 영향을 주고 nEMs의 두께가 증가할수록 열저항이 커져서 미세한 점화지연시간의 증가가 관찰되었다.The ignition delay time was influenced by the time of heating depending on the applied voltage of the carbon nanotube paper electrodes. As the thickness of the nEMs increased, the thermal resistance increased and the fine ignition delay time increased.

도 10은 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극 점화에 의한 다양한 적층 두께를 가지는 nEMs 박막의 압력셀내 점화 후 폭발압력 측정 결과 그래프를 나타낸 것으로, (a) nEMs 박막 두께별 점화 시 경과시간에 따른 압력 변화, (b) nEMs 박막 적층 두께에 따른 압력상승률 변화이다.FIG. 10 is a graph showing the explosion pressure measured after ignition of a pressure cell in an nEMs thin film having various lamination thicknesses by ignition of a carbon nanotube thin film-coated paper electrode. (A) (B) change in pressure rise rate with thickness of nEMs thin film laminate.

탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극에 nEMs 박막의 두께를 변화시키면서 압력셀(pressure cell tester, PCT)내에서 점화시키고, 폭발 반응 시에 발생하는 압력 변화와 압력상승률을 측정한 결과를 나타낸 것이다.The results of measuring the pressure change and the rate of pressure increase during the explosion reaction are shown in Fig. 1 (a). The nano-sized carbon nanotubes are coated with a thin film of nano-particles by using a pressure cell tester (PCT).

도 10의 (a)에 보는 바와 같이 탄소나노튜브 종이 전극 위에 생성된 nEMs 박막의 점화 및 폭발 시 발생된 최대 압력은 예상했던 바와 같이 nEMs 박막의 적층 두께가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내는데 이는 nEMs 박막의 두께가 두꺼워질수록 나노고에너지물질의 질량이 증가하기 때문에 폭발압력이 상승하게 된다. As shown in FIG. 10 (a), the maximum pressure generated upon ignition and explosion of the nEMs thin film formed on the carbon nanotube paper electrode shows a tendency to increase as the lamination thickness of the nEMs thin film increases, As the thickness of the thin film becomes thicker, the explosion pressure increases because the mass of the nano-high energy material increases.

또한, 도 10의 (b)에서와 같이, nEMs 박막의 두께가 증가함에 따라 압력상승률(pressurization rate, 압력상승률은 최대 압력값을 최대압력 상승까지 걸리는 시간으로 나누어 준 값으로 정의)도 0.52 kPa·μs-1@nEMs=150 μm, 0.53 kPa·μs-1@nEMs=200 μm, 0.57 kPa·μs-1@nEMs=250 μm, 0.67 kPa·μs-1@nEMs=300 μm, 0.7 kPa·μs-1@nEMs=350 μm으로 관찰되었다.10 (b), as the thickness of the nEMs thin film is increased, the pressure increasing rate is defined as a value obtained by dividing the maximum pressure value by the time taken to reach the maximum pressure, which is 0.52 kPa · μs -1 @ nEMs = 150 μm, 0.53 kPa μs -1 @ nEMs = 200 μm, 0.57 kPa μs -1 @ nEMs = 250 μm, 0.67 kPa μs -1 @ nEMs = 300 μm, 0.7 kPa μs - 1 @ nEMs = 350 μm.

이는 nEMs 박막의 질량이 증가할 경우 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극에 nEMs 박막의 점화 시 폭발 반응이 향상되고 폭발 특성을 제어할 수 있다는 것을 의미한다. This means that when the mass of the nEMs thin film is increased, the explosion reaction can be controlled and the explosion reaction can be controlled when the nEMs thin film is ignited on the paper electrode coated with the carbon nanotube thin film.

도 11은 Fullerene/MWCNT, SWCNT, Graphene 박막이 코팅된 종이 전극상의 전압인가에 의한 nEMs 박막의 점화 및 폭발 현상 분석 결과이다.FIG. 11 shows the results of analysis of ignition and explosion phenomena of nEMs thin films by voltage application on paper electrodes coated with Fullerene / MWCNT, SWCNT, and Graphene thin films.

본 발명에 따른 전도성 종이 전극 및 이를 갖는 나노고에너지물질 소형점화기 그리고 이들의 제조 방법에서는 1차원 탄소나노소재인 다중벽 탄소나노튜브(Multiwalled Carbon Nanotubes, MWCNTs) 외에 0차원, 1차원, 2차원의 구조를 가지는 다양한 탄소나노구조체를 이용하여 종이 전극으로의 적용할 수 있다.The conductive paper electrode according to the present invention, a small nano-energy material small igniter having the same, and a method of manufacturing the same have a zero-dimensional, one-dimensional and two-dimensional (three-dimensional) one-dimensional carbon nanotubes (MWCNTs) The present invention can be applied to a paper electrode using various carbon nanostructures having a structure of a carbon nanostructure.

이때 사용된 탄소나노구조체로는 퓰러렌(Fullerene, 0차원), 단일벽 탄소나노튜브 (Single Wall Carbon Nanotubes, SWCNTs, 1차원), 그래핀 (Graphene, 2차원)을 사용하였으며, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)가 코팅된 종이 전극과 동일한 제조공정을 적용하여 탄소나노구조체 박막이 형성된 전도성 종이 전극을 제조하였다. Fullerene (0D), Single Wall Carbon Nanotubes (SWCNTs), and Graphene (2D) were used as carbon nanostructures in this study. (MWCNT) - coated paper electrode was fabricated using the same manufacturing process as that of the paper electrode.

다차원 탄소나노구조체중 우선 0차원의 나노소재인 퓰러렌(fullerene)의 경우는 퓰러렌 입자간의 응집력은 강하나 종이 기판과의 접촉력이 약하여 퓰러렌 박막 형성 후 종이 기판 위에서 쉽게 분리되는 경향을 나타내는 것을 확인하였다. In the case of fullerene, a 0-dimensional nanomaterial of multidimensional carbon nanostructure, the cohesive force between the particles is stronger but the contact force with the paper substrate is weak, Respectively.

즉, 0차원의 퓰러렌 입자만을 기반으로 한 안정성 있는 전도성 종이 전극의 제조는 어렵다는 것을 확인하였다. 이에 퓰러렌 나노입자에 1차원 탄소나노소재인 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 첨가하여 전도성 종이 전극을 제조하였고, 그 결과 다중벽 탄소나노튜브가 뼈대를 형성하고 퓰러렌 나노입자가 탄소나노튜브와 잘 결합하는 구조를 형성하면서 Fullerene/MWCNT 박막이 종이 기판과 접촉력이 강하게 형성되는 것을 확인할 수 있었다.In other words, it was confirmed that it is difficult to produce a stable conductive paper electrode based only on 0-dimensional fullerene particles. As a result, a multi-walled carbon nanotube (MWCNT), which is a one-dimensional carbon nanotube (MWCNT), was added to the pulpal nanoparticles to produce a conductive paper electrode. As a result, And the Fullerene / MWCNT thin film was formed strongly in contact with the paper substrate.

나머지 SWCNT와 Graphen 박막을 기반으로 한 종이 전극의 제조시에는 계면간의 접촉력이 약해서 분리되는 현상은 발생하지 않았다. 따라서 Fullerene/MWCNT, SWCNT, Graphene로 구성된 각각의 탄소나노구조체를 기반으로 종이전극을 제조하여 나노고에너지물질(Nanenergetic Materials, nEMs) 박막의 점화 및 폭발 실험을 수행하면 다음과 같다.In the production of paper electrodes based on the remaining SWCNTs and Graphen films, the contact force between the interfaces was weak and no separation occurred. Therefore, the paper electrode is fabricated on the basis of each carbon nanostructure composed of Fullerene / MWCNT, SWCNT, and Graphene, and the following experiment is carried out for the ignition and explosion of the nanenergetic materials (nEMs).

Fullerene/MWCNT, SWCNT, Graphene 등의 다양한 탄소나노구조체가 코팅된 전도성 종이 전극에 nEMs를 코팅하고, 종이 전극에 전압을 인가하여 점화 시 발생되는 폭발 현상의 정지이미지 분석 결과는 도 11에서와 같다.Fig. 11 shows the result of analyzing the static image of the explosion phenomenon generated when the nEMs are coated on the conductive paper electrode coated with various carbon nanostructures such as Fullerene / MWCNT, SWCNT, and Graphene, and the voltage is applied to the paper electrode.

다양한 nEMs 박막이 코팅된 탄소나노구조체 기반 전도성 종이 전극에 전압을 인가함에 따라 발생하는 저항열에 의해 점화 및 순간적인 폭발 반응이 모두 성공적으로 유도되었다.Both the ignition and the instantaneous explosive reaction were successfully induced by the resistance heat generated by applying the voltage to the conductive nano-structured conductive paper electrode coated with various nEMs thin films.

탄소나노구조체가 적용된 전도성 종이 전극에 대하여 인가전압에 따른 저항열 점화에 의한 연소율(Burn Rate)은 ~3.4 m/s@Fullerene/MWCNT, ~6.2 m/s@SWCNT, ~3.3 m/s@Graphene으로 나타났고, 총 연소시간은 각각 ~54.5 ms@Fullerene/MWCNT, ~65.3 ms@SWCNT, ~68.4 ms@Graphene 값으로 나타났다.For the conductive paper electrode with carbon nanostructure applied, the burn rate by resistive thermal ignition is ~ 3.4 m / s @ Fullerene / MWCNT, ~ 6.2 m / s @ SWCNT, ~ 3.3 m / s @ Graphene And total combustion time was ~ 54.5 ms @ Fullerene / MWCNT, ~ 65.3 ms @ SWCNT, ~ 68.4 ms @ Graphene value.

모든 경우에 대해 연소율은 수 m/s이고 총연소시간도 수십 ms내외로 큰 차이가 없는 것으로 관찰되었는데, 이는 기본적으로 nEMs가 동일한 반응물질이기 때문에 종이 전극상의 전도성 물질에 의한 영향을 거의 받지 않기 때문이다.In all cases, it was observed that the burning rate was several m / s and the total burning time was not significantly different to the order of tens of ms, since the nEMs were basically the same reactant material and were hardly affected by the conductive material on the paper electrode to be.

최종적으로 다양한 나노구조를 갖는 탄소나노물질인 Fullerene, SWCNT, MWCNT, Graphene을 박막으로 형성하여 전도성 종이 전극을 제조 후 nEMs 물질에 대한 소형점화기로써 응용한 결과 안정적인 점화 및 폭발 특성을 나타냄을 확인하였다.Finally, it was confirmed that various carbon nanomaterials such as Fullerene, SWCNT, MWCNT, and Graphene were formed as thin films and used as small igniters for nEMs materials after manufacturing conductive paper electrodes, which showed stable ignition and explosion characteristics.

그리고 이상과 같은 결과에서 탄소나노튜브 박막이 코팅된 종이 전극에 nEMs 박막을 적층함으로써 민군용 소형점화기로의 응용이 가능함을 알 수 있다.From the above results, it can be seen that the nEMs thin film is laminated on a paper electrode coated with a carbon nanotube thin film, so that it can be applied to a small igniter for a small armature.

본 발명에서 제조한 탄소나노튜브가 코팅된 전도성 종이 기반 소형점화기의 응용 가능성을 확인하기 위하여 도어 브리칭 테스트(door breaching test)를 수행하였다.A door breaching test was conducted to confirm the applicability of the carbon nanotube-coated conductive paper-based small igniter manufactured in the present invention.

도어 브리칭 기술은 잠겨진 도어를 강제로 열기 위한 기술로써 민군기술분야에서 인명구조 혹은 장비 보호용으로 긴급시 건물 내 진입을 위해 사용된다.Door briquetting technology is a technology for forcibly opening a locked door. It is used to enter the building in case of an emergency in order to protect life structures or equipment in civilian technology field.

도 12는 nEMs 박막이 생성된 탄소나노튜브 종이 기반 소형점화기를 이용한 원격 점화 및 폭발에 의한 도어 브리칭 기술 구현 동영상 및 정지이미지이다.12 is a moving image and still image of a door briquing technique using a remote ignition and explosion using a small igniter based on a carbon nanotube paper in which an nEMs thin film is formed.

도 12에서 (a) 전압공급 장치와 nEMs 박막이 생성된 탄소나노튜브 종이 전극의 도어 고정부 위에 설치, (b) 원격 신호 전달에 의한 nEMs-on-a-Paper의 점화 및 폭발, (c) 폭발력에 의한 도어 힌지(Hinge)의 분리 및 탈착, (d) 도어 힌지부의 성공적인 분리 후 모습 사진이다.(B) ignition and explosion of nEMs-on-a-paper by remote signaling; (c) (D) separation and detachment of the door hinge due to the explosive force, and (d) successful detachment of the door hinge portion.

본 발명에서 수행한 도어 브리칭 테스트는 도 12에서와 같이 원격 전압장치와 탄소나노튜브 종이 전극 기반 소형점화기의 연결하여 준비한다.The door bricking test performed in the present invention is prepared by connecting a remote voltage device and a carbon nanotube paper electrode-based small igniter as shown in FIG.

약 15 m의 안전거리를 확보하고 원격으로 소형점화기에 전압을 인가하여 점화가 가능한지 테스트 하였다.A safety distance of about 15 m was secured and a small ignition was applied remotely to test whether it could be ignited.

그 결과 도 12의 연속 정지이미지에서 보는 바와 같이 리모컨을 이용하여 원격 전압공극장치에 신호를 보내고 18 V 전압을 인가해서 nEMs 박막(두께: 150 ㎛)이 생성된 탄소나노튜브 종이 기반 소형점화기를 성공적으로 원격 점화 및 폭발시켜서 도어 힌지(hinge)를 확실하게 제거할 수 있었다.As a result, as shown in the continuous still image of FIG. 12, a signal was sent to the remote voltage pore device using a remote controller, and a small-sized igniter based on carbon nanotube paper in which an nEMs thin film (thickness: 150 μm) And the door hinge can be reliably removed by remote ignition and explosion.

따라서, 본 발명에 의한 탄소나노튜브가 코팅된 전도성 종이 기반 원격 소형점화기는,Accordingly, the conductive paper-based remote small igniter coated with carbon nanotubes according to the present invention,

(i) 도어 브리칭을 위한 별도의 도폭선이 필요 없으며,(i) no separate detonation line for door briquetting is required,

(ii) 막대형/판형 폭발물 등과 같이 다양한 형상으로 요철 표면 등에도 쉽게 붙일 수 있고,(ii) rod-shaped / plate-like explosives, and the like,

(iii) 소형점화기이므로 제작 단가가 싸고, 운반 및 취급이 매우 용이하며,(iii) Because it is a small igniter, the manufacturing cost is low, it is very easy to carry and handle,

(iv) 종이 기반이므로 유연하여 협소한 공간에도 적용 가능한 장점들이 있으므로 실제 민군기술분야의 응용에 있어서 적용 가능성이 매우 높을 것으로 기대된다.(iv) Because it is paper-based, it is flexible and can be applied to a narrow space. Therefore, it is expected that it is highly applicable in practical civilian technology field application.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.

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.
It is therefore to be understood that the specified embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense and that the scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description and that all such differences falling within the scope of equivalents thereof are intended to be embraced therein It should be interpreted.

Claims (10)

열발생 및 열전달 매개체로 사용되는 탄소나노구조체가 표면에 코팅되는 종이를 포함하고, 발화가 시작되는 영역을 갖는 전도성 종이 전극;
상기 전도성 종이 전극 표면에 코팅되는 나노고에너지물질(nEMs) 박막;을 포함하고,
상기 전도성 종이 전극의 발화가 시작되는 영역은, 전압이 인가되면 저항열이 집중 발생되어 점화가 이루어져 특정 위치에서 나노고에너지물질이 점화되도록 하는 것을 특징으로 하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기.
A conductive paper electrode including a paper on which a carbon nanostructure used as a heat generation and heat transfer medium is coated, the conductive paper electrode having a region where ignition starts;
And a nano-sized high energy material (nEMs) thin film coated on the surface of the conductive paper electrode,
Wherein a region of the conductive paper electrode in which ignition is initiated is generated when a voltage is applied to generate a resistance heat to ignite a nano-high energy material at a specific position. Igniter.
제 1 항에 있어서, 발화가 시작되는 영역은 양단에 제 1 너비를 갖고 중앙에 제 1 너비보다 작은 제 2 너비를 갖는 나비 리본의 목(neck) 부분인 것을 특징으로 하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기.2. The conductive paper electrode as claimed in claim 1, wherein the region where the ignition is started is a neck portion of a butterfly ribbon having a first width at both ends and a second width smaller than the first width at the center. High energy substance small igniter. 제 1 항에 있어서, 탄소나노구조체가 표면에 코팅되기 이전의 종이의 발화 온도보다 탄소나노구조체가 표면에 코팅된 종이의 발화 온도가 더 낮은 것을 특징으로 하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기.The nano-high-energy material having a conductive paper electrode according to claim 1, characterized in that the ignition temperature of the paper on which the carbon nanostructure is coated is lower than the ignition temperature of the paper before the carbon nanostructure is coated on the surface Igniter. 제 1 항에 있어서, 탄소나노구조체는,
퓰러렌(Fullerene), 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 그래핀(Graphene)의 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기.
The carbon nanostructure according to claim 1,
A nanowhigh energy material having a conductive paper electrode, characterized in that the nanoparticle material is any one of Fullerene, single wall carbon nanotube (SWCNT), multiwall carbon nanotube (MWCNT), graphene, Small igniter.
제 1 항에 있어서, 나노고에너지물질(nEMs) 박막의 적층 두께에 따라 전도성 종이 전극의 점화지연시간(ignition delay time)이 제어되고,
나노고에너지물질(nEMs) 박막의 적층 두께가 증가할수록 열저항이 커져 점화지연시간의 증가가 발생하는 것을 특징으로 하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기.
The method of claim 1, wherein the ignition delay time of the conductive paper electrode is controlled according to the thickness of the nano-sized high-energy material (nEMs)
Characterized in that as the layer thickness of the nano-high energy material (nEMs) thin film increases, the thermal resistance increases and the ignition delay time increases.
탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극 제조 단계;
나노고에너지물질(nEMs) 용액 제조 단계;
탄소나노구조체가 코팅된 전도성 종이 전극 상에 스핀코팅 공정을 이용한 나노고에너지물질(nEMs) 박막 제조 단계;를 포함하고,
상기 탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극 제조 단계에서 제조되는 전도성 종이 전극은 발화가 시작되는 영역을 갖고, 발화가 시작되는 영역은 전압이 인가되면 저항열이 집중 발생되어 점화가 이루어져 특정 위치에서 나노고에너지물질이 점화되도록 하는 것을 특징으로 하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기의 제조 방법.
A step of preparing a conductive paper electrode using a carbon nanostructure;
Nano-high-energy material (nEMs) solution;
(NEMs) thin film using a spin coating process on a conductive paper electrode coated with a carbon nanostructure,
The conductive paper electrode fabricated in the step of manufacturing the conductive paper electrode using the carbon nanostructure has a region where the ignition is started. When the voltage is applied, the resistance heat is concentrated and the ignition is performed. Wherein the energy material is ignited. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제 6 항에 있어서, 탄소나노구조체를 이용한 전도성 종이 전극 제조 단계는,
탄소나노구조체 용액을 제조하는 단계와,
진공증착법을 이용하여 종이 표면에 탄소나노구조체를 코팅하는 단계와,
전압이 인가되면 저항열이 집중 발생되어 점화가 이루어지도록 양단에 제 1 너비를 갖고 중앙에 제 1 너비보다 작은 제 2 너비를 갖는 발화가 시작되는 영역을 갖는 전도성 종이 전극을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기의 제조 방법.
7. The method of claim 6, wherein the step of preparing the conductive paper electrode using the carbon nanostructure comprises:
Preparing a carbon nanostructure solution,
Coating a carbon nanostructure on the surface of the paper by using a vacuum deposition method,
Fabricating a conductive paper electrode having a region in which a resistive heat is concentrated when the voltage is applied to initiate ignition having a first width at both ends and a second width less than the first width so that ignition occurs, ≪ / RTI > wherein the conductive material is a conductive material.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 탄소나노구조체를,
퓰러렌(Fullerene), 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 그래핀(Graphene)의 어느 하나 또는 이들의 조합을 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기의 제조 방법.
8. The method according to claim 6 or 7,
Characterized by using any one of a fullerene, a single wall carbon nanotube (SWCNT), a multiwall carbon nanotube (MWCNT), a graphene, or a combination thereof. (METHOD FOR MANUFACTURING ENERGY MATERIALS)
제 6 항에 있어서, 나노고에너지물질(nEMs) 용액 제조 단계는,
Al 나노입자와 CuO 나노입자를 Al:CuO=30:70 wt%의 비율로 혼합하여 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을 제조하는 단계와,
Al/CuO 복합체 분말을 에탄올용액 내에 넣고 초음파 에너지를 이용하여 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기의 제조 방법.
7. The method of claim 6, wherein the step of preparing the nano-energetic material (nEMs)
Al nanoparticles and CuO nanoparticles are mixed in a ratio of Al: CuO = 30: 70 wt% to prepare a nano-sized high energy material (nEMs) composite powder,
Al / CuO composite powders in an ethanol solution and mixing them using ultrasonic energy. The method of manufacturing a miniature nano-energy material small igniter having conductive paper electrodes according to claim 1,
제 7 항에 있어서, 종이 표면에 탄소나노구조체를 코팅하는 단계는,
감압플라스크에 필터 지지대를 올리고 그 위에 종이를 올린 다음 상부에 여과장치를 고정하고 진공펌프로 하부에서 진공을 형성하는 단계와,
탄소나노구조체가 분산된 에탄올 용액을 여과장치 안에 투입하는 단계와,
감압플라스크와 연결된 진공펌프로 종이 위에 부어진 탄소나노구조체가 분산된 에탄올 용액에서 탄소나노구조체만 종이에 걸러져 남게 되고 종이를 통과한 에탄올용액은 하부 플라스크에 모아지도록 하는 단계와,
탄소나노구조체가 코팅된 종이를 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 종이 전극을 갖는 나노고에너지물질 소형점화기의 제조 방법.

8. The method of claim 7, wherein the step of coating the carbon nanostructure on the paper surface comprises:
Placing the filter support in a vacuum flask, raising the paper thereon, fixing the filtration device on the top and forming a vacuum in the bottom with a vacuum pump,
Introducing an ethanol solution in which a carbon nanostructure is dispersed into a filtration apparatus,
A step of allowing the carbon nanostructure to remain on the paper in the ethanol solution in which the carbon nano structure poured onto the paper is dispersed with the vacuum pump connected to the pressure reducing flask and the ethanol solution passing through the paper is collected in the lower flask,
And drying the carbon nanostructure-coated paper. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI >

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