KR101889941B1 - 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치 및 그의 점화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간단한 습식 공정(solution process)으로 제작 된 알루미늄 종이 히터(aluminum paper heater)의 발화 특성을 이용하는 새로운 원리의 나노고에너지 물질(nano energetic materials, nEMs) 저 전압(low-voltage) 점화 기술을 개발하고, 이를 응용하여 휴대용 배터리(portable battery)와 입력 신호 수신 회로(receiving circuit)가 탑재된 소형 nEMs 원격 점화 시스템(remote ignition system)을 구현하는 기술에 관한 것으로 무선제어기의 작동을 통해 전송되는 고주파 신호를 수신하여 선택적으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 수신회로부와; 상기 수신회로부 및 종이 히터에 전원을 공급하는 전원부; 및 상기 전원부로 히터 구동력을 공급받아 점화되는 종이 히터의 발화가 일어나는 점화부를 포함하여 상기 종이 히터의 발화에 의해 나노고에너지 물질을 점화시켜 폭발을 일으켜 나노고에너지 물질을 점화 시킬 수 있기 때문에 낮은 인가전압에도 나노고에너지 물질 폭발을 유도 할 수 있다는 장점이 있다.

Description

금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치 및 그의 점화 방법{Low-voltage ignition system of nano energetic materials based on metal paper heater and its application to remote ignition and Its ignition method}

본 발명은 나노고에너지 물질의 저 전압 점화에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 간단한 습식 공정(solution process)으로 제작 된 알루미늄 종이 히터(aluminum paper heater)의 발화 특성을 이용하는 새로운 원리의 나노고에너지 물질(nano energetic materials, nEMs) 저 전압(low-voltage) 점화 기술을 개발하고, 이를 응용하여 휴대용 배터리(portable battery)와 입력 신호 수신 회로(receiving circuit)가 탑재된 소형 nEMs 원격 점화 시스템(remote ignition system)을 구현하는 기술에 관한 것이다.

나노스케일의 저차원 연료 금속(fuel metal) 및 금속 산화제(metal oxidizer) 입자로 이루어진 나노고에너지 물질(nEMs)은 기존의 고에너지 물질에 비해 접촉 면적이 훨씬 넓고, 입자 간 짧은 확산 거리를 가져 보다 빠른 폭발 속도와 큰 폭발력을 내기 때문에 폭발물, 로켓 추진체, 고체 및 액체 추진연료, 소형추진기(micro-thruster) 등에 이용된다.

다양한 물질들이 nEMs로 사용되어 왔지만 현재 가장 많이 이용되는 물질의 조합 중 하나는 알루미늄과 산화구리로 이루어진 구성으로, 이는 매우 우수한 폭발력과 폭발 속도를 보일 뿐만 아니라 저가로 쉽게 구할 수 있는 장점을 갖는다.

한편 nEMs가 가지는 에너지를 방출시켜 얻기 위해서는 nEMs가 폭발을 일으키기 위한 충분한 에너지를 공급해야하는데 이 역할을 하는 것을 점화기(ignitor)라 한다. nEMs를 점화시키기 위한 방법으로는 화염(fire), 스파크(spark), 레이저(laser), 금속 선 히터(metal wire heater) 등 다양한 방법이 사용되고 있다.

이 중 금속 선 히터는 최근 마이크로 공정(micromachining) 기술과의 접목을 통해 마이크로 열판(micro hotplate, MHP) 형태로 제작될 수 있어 소형화가 가능하고 미세한 영역에만 열을 집중적으로 발생시킬 수 있다는 장점으로 인해 현재 많은 연구가 진행되고 있다.

하지만, 이러한 MHP 기반 기술에서는 열에너지를 발생시키기 위해서 인가전압에 따라 히터에 흐르는 전류에 의해 발생하는 줄 열(Joule heat)에 의존하므로 nEMs를 폭발시키기 위한 고온을 발생시키기 위해서는 상대적으로 높은 입력 전압이 필요한 문제점을 가지고 있다.

이와 더불어, 기존의 MHP 기반 기술에서는 주로 1 μm 이하의 두께를 갖는 금속 박막(metallic thin-film) 히터를 물리적으로 지지하기 위한 기판(substrate)이 필요하게 되는데 이는 고온에도 견뎌야하므로 현재는 쉽게 구할 수 있으며 녹는점(melting point)이 높은 실리콘(silicon) 기판이 가장 널리 채택되고 있다.

하지만, 실리콘 기판은 열전도도(thermal conductivity)가 높아 히터에서 발생하는 열의 많은 부분이 전도 열손실(conduction heat loss)로 빼앗기게 되어 히터의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

기존의 MHP 기반 nEMs 점화 기술의 경우 고전압을 공급하기 위한 비대한 외부 전원이 필요하거나 추가적인 회로(circuit)가 요구될 수 있어 점화 시스템의 소형화 및 저가(low-cost) 구현이 어려우므로 그 실제 응용 가능성이 낮은 문제점을 피하기 어렵다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 기존의 MHP 기반 점화 기술의 한계를 극복하여 nEMs 점화 시스템의 민간 및 군 분야 응용 가능성을 극대화하기 위하여 저 전압 구동 원격 점화 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 무선제어기의 작동을 통해 전송되는 고주파 신호를 수신하여 선택적으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 수신회로부와; 상기 수신회로부 및 종이 히터에 전원을 공급하는 전원부; 및 상기 전원부로 히터 구동력을 공급받아 점화되는 종이 히터의 발화가 일어나는 점화부를 포함하여 상기 종이 히터의 발화에 의해 나노고에너지 물질을 점화시켜 폭발을 일으킬 수 있다.

이와 같은 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치에서 상기 종이 히터는 습식 공정을 통해 종이 템플릿에 알루미늄 입자를 흡착시킨 것을 활용할 수 있다.

이와 같은 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치에서 상기 전원부는 휴대용 배터리를 이용하여 구동될 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 무선제어기의 작동을 통해 전송되는 고주파 신호를 수신하여 선택적으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 수신회로부로부터 종이 히터 양단에 전압에 의한 전류가 발생하는 전압인가단계와; 상기 전압인가단계로 부터 발생한 전류는 히터를 흐르며 줄 열을 발생하는 히터발열단계와; 상기 줄 열에 의해서 종이 히터가 발화되는 종이 히터 발화단계; 및 상기 종이 히터 발화단계가 진행 되고 발화에 의해 충분한 열에너지를 공급되어지면 나노고에너지 물질이 폭발하는 폭발단계를 포함하여 상기 종이 히터의 발화에 의해 나노고에너지 물질을 점화시켜 폭발을 일으킬 수 있다.

이와 같은 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치의 점화 방법에서 상기 줄 열은 온도가 약 250℃에 도달하면 상기 종이 히터가 발화가 진행될 수 있다.

이와 같은 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치의 점화 방법에서 상기 종이 히터 발화단계 및 상기 폭발단계의 점화 및 폭발은 1V이하의 전압에서 유도될 수 있다.

본 발명에 의한 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치 및 그의 점화 방법은 알루미늄 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질(nEMs) 점화기술로 고전도성 물질인 알루미늄을 사용하여 기본적으로 비교적 저 전압 인가 시에도 높은 열을 발생시킬 수 있고 약 250℃이상의 온도에서 종이의 발화가 진행되어 순간적으로 600℃ 이상의 고온을 방출하며 이러한 과정을 통해서 나노고에너지 물질을 점화 시킬 수 있기 때문에 낮은 인가전압에도 나노고에너지 물질 폭발을 유도 할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은(a) 순수 종이 및 (b) 알루미늄 종이의 SEM 측정 결과(scale bars: 100 μm(inset: 10 μm))를 도시한 도면;
도 2는 인가전압에 따른 종이 히터(#2 모델; 직선형, R0=0.79 Ω)의 (a) 전류 및 온도 변화 및 (b) 열화상 카메라 이미지를 도시한 도면;
도 3은 종이 히터 모델 별 인가전압에 따른 전류 및 온도 변화를 도시한 도면;
도 4는 종이 히터 모델 별 초기 저항 및 발화 전압 변화를 도시한 도면;
도 5는 연소 후 종이 히터의 (a) 디지털 이미지(scale bar: 3 mm), 표면 SEM(scale bar: 100 μm) 및 (c) 내부 SEM 이미지(scale bar: 10 μm)를 도시한 도면;
도 6은 종이 히터의 연소 전후 XRD 측정 결과를 도시한 도면;
도 7은 종이 히터 기반 nEMs 점화: nEMs를 포함한 종이 히터(#1 모델)의 인가전압에 따른 온도 변화를 도시한 도면;
도 8은 종이 히터 기반 nEMs 폭발 과정을 타나내는 초고속 카메라 스냅샷을 도시한 도면;
도 9는 개별적으로 제작된 100 개의 종이 히터(#1 모델)의 초기 저항 및 폭발 전압 분포를 도시한 도면;
도 10은 초기 저항 및 구조가 서로 다른 종이 히터 모델(#1~#4)에 따른 nEMs 폭발 전압 변화를 도시한 도면;
도 11은 종이 히터 기반 nEMs 원격 점화 시스템. (a) 구현된 원격 점화 시스템의 플라스틱 패키지 디지털 이미지(scale bar: 50 mm), (b) 원격 점화 시스템의 내부 디지털 이미지를 도시한 도면;
도 12는 nEMs 소형 점화 시스템 기반 원격 점화 테스트. (a) 무선 제어기 작동을 통한 nEMs 원격 점화 및 폭발 모습, (b) 테스트 중 실시간으로 관찰된 nEMs 집적 종이 히터 거동 디지털 이미지(scale bar: 10 mm)를 도시한 도면;
도 13은 장애물이 있는 경우 수행된 nEMs 원격 점화 테스트(scale bar: 5mm)를 도시한 도면;
도 14는 (a) 종이 히터 기반 nEMs 저 전압 폭발 메커니즘, (b) nEMs 원격 점화 시스템 구조 및 원격 점화 개념도를 도시한 도면이다.

본 발명에서 제안하는 알루미늄 종이 히터를 이용한 nEMs 점화 기술은 고전도성 물질인 알루미늄을 사용하여 기본적으로 비교적 저 전압 인가 시에도 높은 열을 발생시킬 수 있고, 약 250°C 이상의 온도에서 종이의 발화가 진행되어 순간적으로 600°C 이상의 고온을 방출하며 이러한 과정을 통해서 nEMs를 점화시킬 수 있기 때문에 낮은 인가전압에도 nEMs 폭발을 유도할 수 있다는 장점이 있다.

실시예

본 발명에서 제안한 알루미늄 종이 히터는 알루미늄 입자가 분산 된 용액에 순수 종이를 담그고 알루미늄 입자를 종이에 흡착 시킨 뒤 용액에서 꺼내어 건조시켜 제작하였다. 간단한 습식공정으로 제작 된 알루미늄 종이는 종이 전체에 알루미늄 입자가 균일하게 흡착 되어있는 모습을 보였고 우수한 전기전도성을 나타냄을 확인하였다.

저 전압에도 nEMs를 점화시킬 수 있는 알루미늄 종이 히터와 일반 종이의 구조적 특성 차이를 확인하기 위하여 전계 방사형 주사 전자 현미경(field emission scanning electron microscope, FESEM)을 이용하여 관찰하였다.

도 1을 참조하면, 도 1(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 순수한 종이의 경우 종이를 이루는 마이크로 사이즈의 셀룰로오스(cellulose) 다발이 서로 얽혀 네트워크를 형성하고 있는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 1(b)에서 보이는 알루미늄 종이 히터의 경우 셀룰로오스 구조 표면에 알루미늄 입자들이 균일하게 흡착되어 있고 구조 사이에도 알루미늄 입자가 잘 채워져 있는 것을 볼 수 있는데, 이는 알루미늄 종이 내부로 전류 경로가 잘 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

본 발명에서 제안하는 종이 히터 기반 nEMs의 점화 특성을 평가하기에 앞서 종이 히터 자체의 인가전압에 따른 온도변화 특성을 확인하였다. 제작된 히터의 발열 특성 평가를 위해 전원 공급기(power supply)를 이용하여 히터 양 단에 전압을 인가하였으며, 인가전압에 의한 온도 측정은 180℃~600℃의 측정 범위를 갖는 열화상 카메라(thermal camera)를 이용하여 수행하였다.

도 2를 참조하면, 본 발명에서는 초기 저항(initial resistance, R0)이 다른 4 가지 히터 모델(#1~#4)을 제작하였으며, #1~#3은 직선형(straight) 구조로, #4는 발열 시 인접하는 히터 선의 영향을 살펴보기 위해 구불구불한(serpentine) 구조로 구현하였다. 도 2(a)는 0.79 Ω의 초기 저항을 갖는 #2 모델 종이 히터의 인가전압에 따른 전류와 온도 변화를 나타내며, 전압은 전원 공급기 제어 프로그램의 설정을 통해 0.1 V 간격으로 순차적으로 인가하였고 각 단계에서 3초 간 유지하였다.

도 2(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 인가전압이 1.2 V 까지는 전류의 증가에 따라 온도는 200℃ 근처에서 비교적 선형적으로 상승하는 것을 확인할 수 있지만, 1.3 V의 전압이 인가된 구간에서는 온도가 급격하게 상승하여 600℃ 이상의 온도가 감지되고 짧은 순간 동안 온도를 유지하다가 다시 급격하게 떨어졌으며 이와 동시에 전류도 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다.

이와 같은 히터 온도의 급격한 증감은 종이의 발화가 원인이며, 다음과 같은 단계로 설명될 수 있다.

(i) 인가전압에 따라 종이 히터에 흐르는 전류에 의해 열이 발생하고,

(ii) 발생한 열이 종이의 발화점을 넘길 경우 종이에서 발화가 진행되어 순간적으로 600℃ 이상의 고온을 발생시키고,

(iii) 종이가 연소되면서 전류 경로가 물리적으로 끊어지게 되고 이에 따라 전류가 급감하여 종이 히터에 열이 발생되지 않아 온도가 급격히 감소하게 된다.

도 2(b)는 인가전압에 따라 측정된 열화상 카메라 이미지를 보여준다. 1.3 V의 전압이 인가되는 구간에서 종이가 연소되는 것이 가시적으로 확인되나, 1.2 V 전압 구간에서 이미 종이의 발화점인 ~250℃에 도달한 것을 확인할 수 있다. 본 발명에서는 ~250℃의 온도를 발생시키는 전압을 종이 히터의 발화 전압(ignition voltage) 이라고 정의하였다.

또한 도 3을 참조하면, 종이 히터의 초기 저항 및 구조(geometry)에 따른 발열 특성을 비교분석하기 위해 #1, #3, #4 모델 히터에 대해서도 인가전압 대비 전류 및 온도 특성을 측정하였다. #1, #3, #4 히터의 초기 저항은 각각 0.53 Ω, 1.12 Ω, 1.3 Ω이었다. 도 2와 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 측정 대상 종이 히터의 초기 저항 및 구조가 다름에도 불구하고 '인가 전압에 따른 열 발생 → 종이 발화 → 종이 연소 → 히터 단선'의 동일한 거동을 보이는 것을 알 수 있었으며, 단지 종이 히터의 발화 전압만이 달라진다는 것을 확인할 수 있다.

#1, #3, #4 종이 히터의 발화 전압은 각각 0.9 V, 1.8 V, 1.5 V로 측정되었다. 직선형 종이 히터의 경우 초기 저항이 증가할수록 발화 전압도 함께 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 초기 저항이 증가할수록 인가전압에 대한 전류의 크기가 상대적으로 작아 열 발생량이 적고, 넓은 히터 면적으로 인한 대류 열손실(convection heat loss)이 보다 크기 때문이며, 이로 인해 종이 발화를 위해 보다 높은 전압의 인가가 요구된다. 하지만, #4의 경우 #3의 경우에 비해 초기 저항이 더 큼에도 불구하고 발화 전압은 더 낮은 경향을 보였다. 이는 구불구불한 히터의 구조적 특성 상 히터 선에서 발생한 열이 인접하는 히터 선에 영향을 주어 열을 더 집중시켜 열손실이 줄어들게 되므로 보다 낮은 전압에 대해서도 보다 효율적인 발열 특성을 보이기 때문으로 판단된다. 이러한 결과는 초기 저항 및 구조의 제어를 통해 종이 히터의 발화 전압을 제어할 수 있으며, 더 나아가 이를 통해 nEMs를 폭발시키기 위한 전압도 목적에 맞춰 쉽게 제어할 수 있음을 의미한다.

도 4를 참조하면, 이러한 경향을 보다 명확히 파악하기 위해 각 모델의 종이 히터를 복수 개 제작하고 초기 저항 및 구조에 따른 발화 전압을 측정하였다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 종이 히터의 초기 저항은 #4 히터로 갈수록 점차적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 종이의 발화 전압의 경우 #3 히터 까지는 증가하다가 #4 히터에서는 #3 히터에 비해 더 높은 초기 저항을 나타냄에도 불구하고 더 낮은 발화 전압 특성을 보여 도 2와 도 3에서 확인한 결과와 같은 경향을 보였다.

도 5를 참조하면, 종이 히터는 발화가 된 후 종이가 연소되어 검게 변하는 동시에 종이 히터가 물리적으로 끊어지는 것을 도 5(a)에서 확인할 수 있다. 또한 연소가 진행된 후 종이 히터 미세구조의 변화를 SEM을 이용하여 관찰하였으며, 도 5(b)와 5(c)에서 볼 수 있는 바와 같이 종이를 이루는 셀룰로오스 네트워크 자체는 그 구조를 유지하는 모습을 보였지만 그 표면에 흡착되었던 알루미늄은 도 1(b)의 연소 전에 비해 형상이 불규칙해진 경향을 보였다.

도 6을 참조하면, 종이 히터의 연소 전후 상태 변화를 정량적으로 확인하기 위해 X선 회절법(x-ray diffraction, XRD)을 이용하여 성분 분석을 수행하였다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 연소 전 종이 히터에서는 알루미늄 결정 피크(crystal peak)가 명확히 검출되었으나, 연소 후에는 그 강도(intensity)가 현저히 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 고온에 노출된 알루미늄의 상당 부분이 비결정질 산화알루미늄(Al2O3)으로 변환되었음을 의미하며, 이는 종이의 발화 및 그에 따른 연소가 충분한 열을 발생시킬 수 있는 원동력임을 정량적으로 뒷받침하는 결과라고 할 수 있다.

도 7을 참조하면, 종이 히터(#1 모델)를 이용하여 nEMs 점화 테스트를 진행하였으며, 인가전압에 따라 측정된 온도 변화 및 nEMs의 폭발 순간을 관찰하였다. 본 발명에서 사용한 nEMs는 알루미늄 나노입자와 산화구리(CuO) 나노입자가 3:7의 질량비로 혼합된 혼합물이며, 폭발 특성 평가를 위해 사용한 nEMs 파우더 질량은 1 mg으로 고정하였다. 전압은 0.1 V 간격으로 순차적으로 인가하고 각 단계에서 3초 간 유지하였으며, nEMs의 폭발이 관찰되는 순간이 포함되는 구간의 전압을 폭발 전압(explosion voltage, Vex)으로 정의하였다.

도 7에 나타난 nEMs를 포함한 종이 히터의 인가전압에 따른 온도 변화 경향은 도 2와 도 3에 나타난 nEMs 없이 측정된 인가전압 대비 온도 특성의 경향과 같은 양상을 보임을 확인할 수 있었는데, 이는 도 7에서 보이는 어떤 순간에서의 600℃ 이상 온도의 급격한 증가가 종이 히터를 이루는 종이의 발화에 의해 기인했음을 의미한다.

이와 더불어, 종이 히터 상에 놓인 nEMs는 종이의 발화점 보다 높은 온도에서 폭발함을 열화상 카메라 측정을 통해 확인하였고, 도 7의 점선 박스로 표기된 영역에서 측정된 ‘폭발-종이 연소-히터 단선’의 순간을 나타내는 열화상 카메라 이미지를 보여준다. 이는 종이의 발화 이후 nEMs를 폭발시키기에 충분한 열에너지가 제공되었음을 의미하는데, 이는 단순히 히터에서 발생하는 열에 의한 것이 아니라 종이의 발화에 의해 발생한 순간적인 고열에 의한 것임을 보여주는 결과라고 할 수 있다. 또한, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이 0.8 V의 전압이 인가된 구간에서 nEMs의 폭발이 관찰되어 이 경우 폭발 전압의 0.8 V를 정의할 수 있다.

도 8을 참조하면, 종이 히터 기반 nEMs 저 전압 점화 메커니즘을 설명하기 위해 초고속 카메라(high-speed camera)를 이용하여 인가전압에 증가에 따른 히터 거동 변화를 관찰하였다. 초고속 카메라 스냅샷(snapshot)에서 볼 수 있는 바와 같이 초기 상태에 있던 히터에 어떤 임계 전압(threshold voltage) 이상의 전압이 인가될 때 종이 히터의 일부분에서 발화가 시작되었으며, 이내 nEMs의 폭발이 관찰되었다. 폭발 이후 화염이 종이 히터를 따라 전파되며, 화염이 사라지면서 히터가 물리적으로 단선됨을 확인할 수 있었다. 이는 도 7에서 관찰된 결과와 일치하는 경향으로 종이의 발화가 nEMs의 폭발을 유도하는 직접적인 원인이며, 이러한 과정을 통해서 nEMs의 저 전압 점화가 가능함을 의미한다.

도 9를 참조하면, nEMs 점화 기술이 다양한 민간 및 군 분야에 안정적으로 응용되기 위해서는 특성의 재현성(reproducibility)이 우선적으로 확보되어야 한다. 본 발명에서는 nEMs의 저 전압 폭발 특성의 재현성을 실험적으로 검증하기 위해 #1 종이 히터 모델을 100 개 제작하고 같은 양의 nEMs를 이용하여 각각의 초기 저항 및 폭발 전압을 측정하여 그 균일성을 확인하였다.

도 9와 같이 100개 히터에 대한 초기 저항 및 폭발 전압의 평균값은 각각 0.66 Ω 및 0.96 V로 측정되었으며, 두 요소 모두 큰 편차 없이 신뢰성 있는 분포를 보임을 확인할 수 있었다. 또한, 폭발 전압의 경우 개별적으로 제작된 히터에 대해서 매우 균일한 특성을 보일 뿐만 아니라 1 V 이하의 저 전압 특성을 보였으며, 이는 신뢰성 있는 원격 점화 시스템 구현의 가능성을 보여주는 결과라고 할 수 있다.

도 10은 서로 다른 초기 저항 및 구조를 갖는 #1~#4 모델의 종이 히터에 대한 nEMs 폭발 전압 특성을 측정한 결과를 보여준다. 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이 직선형 히터(#1~#3)의 경우 초기 저항이 증가할수록 폭발 전압도 비례하여 증가하는 경향을 보였으며, 구불구불한 구조를 갖는 #4의 경우 유사한 길이를 갖는 #3에 비해 낮은 전압에서 nEMs의 폭발을 유도하는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.

이는 도 4의 결과에서 확인했던 히터 모델 별 종이의 발화를 발생시키는 발화 전압 변화 경향과 일치하는 결과이며, 이는 종이 히터를 이루는 종이의 발화가 nEMs 폭발의 직접적인 원인이라는 점에 기인한다. 이를 통해 종이 히터의 초기 저항 및 구조의 제어를 통해 낮은 전압 범위 내에서 nEMs 폭발 전압의 제어가 가능하며, 요구되는 전압에 맞춰 선택적으로 응용이 가능함을 확인할 수 있다.

도 11을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 종이 히터 기반 nEMs 점화 기술의 저 전압 특성의 장점을 기반으로 휴대용 배터리를 이용하여 nEMs 폭발 전압을 제공할 수 있도록 함으로써 원격 제어(remote-control)가 가능한 소형 점화 시스템을 구현하였다. 도 11(a)는 nEMs 원격 점화 시스템은 135 mm × 105 mm × 30 mm의 크기로 구현되었으며, 종이 히터를 구동하기 위한 전압 인가 단자가 외부로 연결하였다. 도 11(b)의 구현된 시스템 내부 디지털 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이 nEMs 원격 점화 시스템은 크게

(i) 무선 제어기(wireless controller)의 작동을 통해 전송되는 고주파 신호를 수신하여 선택적으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 수신회로부(receiving circuit module)

(ii) 휴대용 배터리를 이용하여 수신 회로 및 종이 히터 구동력을 공급하기 위한 전원부(power module)

(iii) 종이 히터의 발화에 의해 nEMs를 점화시켜 폭발을 일으키는 점화부(ignition module)로 나누어 볼 수 있다.

본 발명에서 구현한 nEMs 원격 점화 시스템은 저 전압에서 발화하는 종이 히터의 특성에 기인하여 부피가 큰 외부 전원이 별도로 필요 없이 소형 배터리만으로도 충분한 에너지를 출력할 수 있고, 이로 인해 시스템의 원가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 소형화가 가능하여 응용가능성이 높다는 장점이 있다. 또한 무선 제어기를 이용한 원격 점화 회로를 기반으로 사람의 손이 닿지 않는 곳을 포함하여 원하는 위치에서 nEMs 폭발을 유도할 수 있는 등 새로운 응용 분야를 구축할 수 있는 기회가 크다.

도 12를 참조하면, 본 발명에서 구현한 종이 히터 기반 nEMs 원격 점화 시스템의 실제 응용 가능성을 검증하기 위하여 원격 점화 테스트를 진행하였다. 도 12(a)는 종이 히터를 장착한 원격 점화 시스템으로부터 10 m 떨어진 거리에서 무선 제어기를 이용하여 nEMs를 원격으로 점화시키는 과정을 보여준다. 도 12(a) 오른쪽 디지털 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이 무선 제어기를 통해 시스템을 동작시켰을 때 nEMs가 폭발하는 것을 관찰할 수 있었다.

nEMs의 원격 폭발은 점화 테스트를 진행하는 동안 nEMs가 집적된 종이 히터의 거동을 실시간으로 근접 동영상 촬영을 수행함으로써 보다 자세히 관찰하였다. 도 12(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 nEMs 폭발 이후 종이 연소 및 히터 단선의 과정은 유선 점화의 경우와 같은 양상을 보임을 알 수 있다. 특히, 무선 제어기의 버튼을 눌러 입력 신호를 전송함과 동시에 nEMs가 폭발하는 것을 확인함으로써 그 응답속도가 매우 빠름을 알 수 있었으며, 10 m의 원거리에서도 충분히 원격으로 점화가 가능함을 보여 구현된 nEMs 원격 점화 시스템의 응용 가능성을 검증하였다.

도 13을 참조하면, nEMs 원격 점화 시스템을 이용하여 장애물이 존재하는 경우에 대한 원격 점화 테스트를 수행하였다. 이를 위해 도 13에서 볼 수 있는 바와 같이 실험실 내부에 원격 점화 시스템을 설치하고 철문이 닫힌 외부에서 무선 제어기를 통해 시스템 입력 신호를 전송하였다. 이 경우에도 도 12에서 수행한 열린 영역(open region)에서의 원격 점화 결과와 마찬가지로 무선 제어기의 송신 버튼을 누름과 동시에 지연 없이 nEMs 폭발이 일어남을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명에서 제안하는 종이 히터 기반 저 전압 nEMs 점화 기술과 최적화된 무선 송수신 회로 기술의 결합을 통해 다양한 새로운 응용 분야를 개척할 수 있는 가능성을 제시하는 초기 결과라고 할 수 있다.

본 발명에서는 nEMs의 저 전압 점화 및 폭발을 위한 열 에너지원으로 습식 공정을 통해 종이 템플릿(template)에 알루미늄 입자를 흡착시킨 종이 히터를 활용하였다. nEMs를 폭발시키기 위해 종이 히터를 활용할 경우 기존의 MHP 기반 점화 기술과는 달리 ??종이 발화??라는 단계의 추가로 저 전압 폭발 유도가 가능한 장점을 갖는다.

도 14를 참조하면, 도 14(a)는 종이 히터 양단에 인가된 전압에 의해 전류가 발생하고, 이 전류는 히터를 흐르며 줄 열을 발생시킨다. 이렇게 발생한 줄 열에 의해서 온도가 약 250℃ 근처에 도달하면 템플릿 종이의 발화가 진행되고, 이러한 종이의 발화에 의해 순간적으로 충분한 열에너지를 공급하면서 nEMs의 폭발을 유도 한다. 이와 더불어 기존 MHP 기반 점화 기술의 경우 금속 히터를 물리적으로 지지하기 위해 실리콘 등 열전도도가 높은 기판을 사용하게 되어 열손실에 의한 히터의 전기-열 변환 효율의 저하가 불가피하다.

반면, 종이 히터의 경우 템플릿으로 사용되는 종이 구조가 지지체의 역할과 종이 히터에서 발생되는 열에 의해 결국 발화되어 순간적인 고열을 발생시키는 역할을 동시에 하게 되므로 기판 열손실의 문제가 발생하지 않는 장점을 갖는다. 이러한 이유로 종이 히터 기반 nEMs 점화 및 폭발이 최저 1 V 이하의 저 전압에서 유도될 수 있으며, 이는 현재까지 보고된 히터 기반 nEMs 열점화 기술 중 가장 낮은 구동 전압을 기록한 것으로 판단된다.

도 14(b)의 이러한 종이 히터 기반 nEMs 점화 기술은 그 저 전압 특성으로 인해 휴대용 배터리를 이용해서도 구동될 수 있어 소형 점화 시스템의 구축이 용이한 장점을 갖는다. 이러한 장점을 기반으로 종이 히터, 소형 배터리 및 외부에서 입력 신호를 무선으로 수신하여 히터 구동을 위한 소형 배터리를 종이 히터와 전기적으로 연결하여 전류가 흐를 수 있도록 함으로써 nEMs의 폭발을 유도할 수 있는 수신 회로를 플라스틱 패키지에 일체형으로 탑재하여 소형 nEMs 원격 점화 시스템을 구현하였다. 또한, 무선 제어기를 이용하여 원거리에서도 nEMs 폭발을 제어할 수 있도록 하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 첨부된 도면 도 1내지 14에 의거하여 설명한다. 한편, 습식 공정 기반 알루미늄 종이 제작 기술, 강한 폭발력(explosive power)과 빠른 응답 속도(response speed)를 갖는 나노스케일의 고에너지물질의 합성(synthesis) 기술, 알루미늄 종이 히터의 저 전압 발화 특성 및 이를 이용한 nEMs 저 전압 점화 기술, 저 전압 구동 점화 시스템 기반 nEMs 점화 및 폭발 특성 측정 및 분석 기술, 종이 히터, 입력 신호 수신 회로 및 휴대용 배터리를 집적(integration)한 소형 원격 점화 시스템 구현 관련 기술 등에 대하여 통상 본 발명에 적용되는 분야의 종사자들 및 그들이 관련분야의 종사자들을 통해 통상적으로 알 수 있는 부분들의 도시 및 상세한 설명은 생략하고, 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시 및 설명하였다.

본 발명의 실시예인 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치(20)는 수신회로부(11), 전원부(12), 점화부(13)로 구성된다.

무선제어기의 작동을 통해 전송되는 고주파 신호를 수신하여 선택적으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 수신회로부(11)와 전원을 공급하는 전원부(12)를 포함하며 전원부(12)로부터 히터 구동력을 공급받아 점화되는 종이 히터(14)의 발화가 일어나는 점화부(13)를 포함하여 종이 히터(14)의 발화에 의해 나노고에너지 물질을 점화시켜 폭발을 일으키도록 한다.

본 발명의 실시예의 종이 히터(14)는 습식 공정을 통해 종이 템플릿에 알루미늄 입자를 흡착시킨 것을 활용하도록 한다.

전원부(12)는 휴대용 배터리를 이용하여 구동되도록 하여 저 전압으로 점화가 가능하도록 한다.

한편 본 발명의 바람직한 실시예인 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치의 점화 방법은 전압인가단계, 히터발열단계, 종이 히터 발화단계, 폭발단계로 구성된다.

무선제어기(30)의 작동을 통해 전송되는 고주파 신호를 수신하여 선택적으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 수신회로부(11)로 부터 종이 히터(14) 양단에 전압에 의한 전류가 발생하는 전압인가단계를 갖는다. 전압인가단계로 부터 발생한 전류는 히터를 흐르며 줄 열을 발생하는 히터발열단계를 가지며 줄 열에 의해서 종이 히터(14)가 발화되는 종이 히터 발화단계를 갖는다. 다음으로 종이 히터 발화단계가 진행 되고 발화에 의해 충분한 열에너지를 공급되어지면 나노고에너지 물질이 폭발하는 폭발단계를 포함하여 종이 히터의 발화에 의해 나노고에너지 물질을 점화시켜 폭발을 일으키게 된다.

이와 같은 발명의 줄 열은 온도가 250℃에 도달하면 종이 히터가 발화가 진행되도록 한다.

종이 히터 발화단계 및 폭발단계의 점화 및 폭발은 1V이하의 전압에서 유도되는 금속 종이 히터(14)를 이용한다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치 및 그의 점화 방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시 하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

11 : 수신회로부
12 : 전원부
13 : 점화부
14 : 종이 히터
20 : 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치
30 : 무선제어기

Claims (6)

1. 무선제어기의 작동을 통해 전송되는 고주파 신호를 수신하여 선택적으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 수신회로부와;
   상기 수신회로부 및 종이 히터에 전원을 공급하는 전원부; 및
   상기 전원부로 히터 구동력을 공급받아 점화되는 종이 히터의 발화가 일어나는 점화부를 포함하되;
   상기 종이 히터는 인가전압이 1 V 이하이거나, 종이 히터의 온도가 250℃에 도달할 때 발화되고,
   상기 종이 히터의 발화에 의해 나노고에너지 물질을 점화시켜 폭발을 일으키는 것을 특징으로하는 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 종이 히터는 습식 공정을 통해 종이 템플릿에 알루미늄 입자를 흡착시킨 것을 활용하는 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 전원부는 휴대용 배터리를 이용하여 구동되는 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치.
   
4. 삭제
5. 무선제어기의 작동을 통해 전송되는 고주파 신호를 수신하여 선택적으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 수신회로부로부터 종이 히터 양단에 전압에 의한 전류가 발생하는 전압인가단계와;
   상기 전압인가단계로 부터 발생한 전류는 히터를 흐르며 줄 열을 발생하는 히터발열단계와;
   상기 줄 열에 의해서 종이 히터가 발화되는 종이 히터 발화단계; 및
   상기 종이 히터 발화단계가 진행 되고 발화에 의해 충분한 열에너지를 공급되어지면 나노고에너지 물질이 폭발하는 폭발단계를 포함하여 상기 종이 히터의 발화에 의해 나노고에너지 물질을 점화시켜 폭발을 일으키고;
   상기 줄 열은 온도가 250℃에 도달하면 상기 종이 히터가 발화가 진행되는 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치의 점화 방법.
   
6. 무선제어기의 작동을 통해 전송되는 고주파 신호를 수신하여 선택적으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 수신회로부로부터 종이 히터 양단에 전압에 의한 전류가 발생하는 전압인가단계와;
   상기 전압인가단계로 부터 발생한 전류는 히터를 흐르며 줄 열을 발생하는 히터발열단계와;
   상기 줄 열에 의해서 종이 히터가 발화되는 종이 히터 발화단계; 및
   상기 종이 히터 발화단계가 진행 되고 발화에 의해 충분한 열에너지를 공급되어지면 나노고에너지 물질이 폭발하는 폭발단계를 포함하여 상기 종이 히터의 발화에 의해 나노고에너지 물질을 점화시켜 폭발을 일으키고;
   상기 종이 히터 발화단계 및 상기 폭발단계의 점화 및 폭발은 1V이하의 전압에서 유도되는 금속 종이 히터를 이용한 나노고에너지 물질의 저 전압 점화를 이용한 원격점화장치의 점화 방법.

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