KR102119819B1 - 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법 - Google Patents

선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고에너지물질 복합체의 표면에 특정 파장을 흡수하는 광점화 선택층을 형성하여 다양한 환경에서 선택적인 광점화가 가능하도록 한 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법에 관한 것으로, 금속 연료 및 산화제를 갖는 나노 고에너지 복합체 분말로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층;상기 광점화물질층의 표면에 코팅되는 염료 물질로 이루어져 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화물질층의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층;을 포함하는 것이다.

Description

선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법{Selectively Optical Absorption based Dye Coating Optical Igniters and Solid Propellant for Rocket Having the Same and System and Method for Igniting Remote}
본 발명은 고에너지물질에 관한 것으로, 구체적으로 고에너지물질 복합체의 표면에 특정 파장을 흡수하는 광점화 선택층을 형성하여 다양한 환경에서 선택적인 광점화가 가능하도록 한 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고에너지물질(Energetic Materials, EMs)은 금속연료(Fuel Metal)와 산화제(Oxidizer)로 구성되며 외부에서 가해지는 에너지에 의해 내부의 화학에너지가 급격하게 열에너지 및 압력으로 바뀌는 물질이다.
따라서, 폭발물, 화약, 고체추진제 등으로 주로 이용되고 있으며 특히, 나노스케일(Nanoenergetic Materials, nEMs)의 경우 마이크로스케일(Microenergetic Materials, mEMs)에 비하여 순간적으로 높은 열에너지와 폭발압력을 생성할 수 있기 때문에 최근에 많은 열공학 분야에서 기초 및 응용 연구들이 진행되고 있다.
고에너지물질을 점화하는 방법에는 크게 불꽃, 열선, 스파크 등의 열을이용하는 열적 점화방식과 레이저(Laser), 플래쉬(flash) 등의 광원을 이용하는 광학적 점화방식 등이 있다.
도 1은 고에너지 물질의 다양한 점화 방식을 나타낸 구성도이다.
특히, 광학적 점화방식의 경우 온도/압력/습도 등의 환경적인 요인에 의한 영향이 다소 적고 비교적 간단하면서 낮은 전력원으로 점화하기 쉬우며 비교적 원거리 점화가 가능하여 점화장치의 재사용이 가능해 경제적인 이점도 있다.
레이저를 이용하는 점화방법은 점화 시간과 위치에 대한 한계극복, 벽면으로부터의 열 손실 감소, 연소실 안에서의 다중점화 등의 장점을 갖는다.
이러한 이점들은 최종적으로 점화 효율뿐만 아니라 추진체 엔진의 효율을 증가시킬 수 있다.
이러한 레이저 점화의 종류는 레이저 열 점화(laser thermal ignition), 레이저에 의한 광화학 점화(laser-induced photochemical ignition), 레이저에 의한 공명 붕괴 점화(laser-induced resonant breakdown ignition) 그리고 레이저에 의한 방전 점화(laser-induced spark ignition) 등으로 크게 나눌 수 있다.
고에너지물질의 광학적 점화를 위해서는 충분한 에너지가 필요한데, 이러한 광에너지를 최소화하면서 비교적 쉽게 나노고에너지물질(nEMs)을 광학적으로 점화할 수 있는 새로운 방식의 점화 기술의 개발이 요구되고 있다.
1)대한민국 공개특허 제10-2015-0116346호 2)대한민국 공개특허 제10-2016-0105186호 3)대한민국 등록특허 제10-1804225호
본 발명은 종래 기술의 광점화제의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다양한 파장별 광흡수 특성을 갖는 특정 염료를 코팅한 나노고에너지 복합체 분말을 제조할 수 있도록 한 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 나노고에너지 복합체 분말을 특수 염료가 분산된 용액에 침지한 후 건조시킴으로써 특수 염료가 균일하게 코팅된 나노고에너지 복합체 분말을 생성할 수 있도록 하여 광점화제의 제조 공정의 용이성 및 재현성을 확보할 수 있도록 한 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 다양한 파장별 광흡수 특성을 갖는 특정 염료를 코팅한 나노고에너지 복합체 분말을 제조하여 다양한 출력밀도와 파장을 갖는 가시광영역의 RGB 레이저 광을 조사하여 원거리 점화가 가능하도록 한 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 고에너지물질 복합체의 표면에 특정 파장을 흡수하는 광점화 선택층을 형성하여 다양한 환경에서 선택적인 광점화가 가능하도록 한 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 광점화 선택층을 구성하는 염료의 농도가 증가할수록 자외선, 가시광선, 적외선 전 영역 파장에 대한 광 흡수도가 전반적으로 증가하는 특성을 이용하여 원격에서의 선택적인 점화 및 점화 시간과 위치에 대한 한계 극복이 가능하도록 한 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 고에너지물질 복합체의 표면에 특정 파장을 흡수하는 광점화 선택층을 형성하여 다양한 환경에서 광에너지를 최소화하면서 선택적인 광점화가 가능하도록 한 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제는 금속 연료 및 산화제를 갖는 나노 고에너지 복합체 분말로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층;상기 광점화물질층의 표면에 코팅되는 염료 물질로 이루어져 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화물질층의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 광점화 물질층은, 금속 연료 물질로 Al 또는 Mg 또는 Si의 어느 하나가 사용되고, 산화제 분말로 CuO 또는 Fe2O3 또는 KMnO4의 어느 하나가 사용되는 나노 고에너지 복합체 분말인 것을 특징으로 한다.
그리고 광점화 물질층은, 원격에서 조사되는 자외선 영역의 레이저 광 또는 가시광선 영역의 레이저 광 또는 적외선 영역 레이저 광으로 광점화가 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 광점화 선택층은, N-719(Di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato) ruthenium(II),C58H86N8O8RuS2) 또는 RB(rose bengal, C20H2Cl4I4Na2O5) 또는 MB (methylene blue, C16H18ClN3S) 염료가 사용되는 것을 특징으로 한다.
그리고 광점화 선택층을 구성하는 각각의 염료는, 450 nm(Blue), 532 nm(Green), 671 nm(Red) 파장의 가시광선에 대하여 서로 다른 광흡수 스펙트럼을 나타내는 것을 특징으로 한다.
그리고 광점화 선택층을 구성하는 각각의 염료는, 염료의 농도가 증가할수록 흡수파장 영역이 넓어지면서 광흡수도도 증가하는 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 염료의 농도의 변화와 관계없이 N-719 염료의 경우에는 Blue와 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높고, RB 염료의 경우에는 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높으며, MB 염료의 경우에는 Red 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높은 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 N-719 염료의 경우 주성분인 탄소(C)와 황(S) 성분으로 나노 고에너지 복합체 분말을 구성하는 금속 연료 및 산화제를 균일하게 감싸는 형태이고, RB 염료의 경우 주성분인 염소(Cl)와 나트륨(Na) 성분으로 나노 고에너지 복합체 분말을 구성하는 금속 연료 및 산화제를 균일하게 감싸는 형태이고, MB 염료의 경우 주성분인 염소(Cl)와 질소(N) 성분으로 나노 고에너지 복합체 분말을 구성하는 금속 연료 및 산화제를 균일하게 감싸는 형태로 염료 코팅 광점화제를 구성하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제를 갖는 발사체용 고체추진제는 금속 연료 및 산화제를 갖는 나노 고에너지 복합체 분말로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층과, 상기 광점화물질층의 표면에 코팅되는 염료 물질로 이루어져 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화물질층의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층을 포함하는 염료 코팅 광점화제;가 레이저 광을 받는 광점화 개시 영역에 위치하고, 고체추진제 영역에 Potassium Nitrate/Sucrose(KNSU; KNO3/C12H22O11)가 채워지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 광점화 물질층은, 금속 연료 물질로 Al 또는 Mg 또는 Si의 어느 하나가 사용되고, 산화제 분말로 CuO 또는 Fe2O3 또는 KMnO4의 어느 하나가 사용되는 나노 고에너지 복합체 분말인 것을 특징으로 한다.
그리고 광점화 물질층은, 원격에서 조사되는 자외선 영역의 레이저 광 또는 가시광선 영역의 레이저 광 또는 적외선 영역 레이저 광으로 광점화가 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 광점화 선택층은, N-719(Di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato) ruthenium(II),C58H86N8O8RuS2) 또는 RB(rose bengal, C20H2Cl4I4Na2O5) 또는 MB (methylene blue, C16H18ClN3S) 염료가 사용되는 것을 특징으로 한다.
그리고 염료의 농도의 변화와 관계없이 N-719 염료의 경우에는 Blue와 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높고, RB 염료의 경우에는 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높으며, MB 염료의 경우에는 Red 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높은 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 원격 점화 시스템은 금속 연료 및 산화제를 갖는 나노 고에너지 복합체 분말로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층과 상기 광점화물질층의 표면에 코팅되는 염료 물질로 이루어져 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화물질층의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층을 포함하는 염료 코팅 광점화제를 원격 점화하기 위하여, 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시키는 염료 물질의 종류에 따라 각각의 다른 파장의 레이저 조사를 하는 조사 수단을 갖는 광 조사부; 및 조사 수단에서 방출되는 광이 염료 코팅 광점화제에 조사되도록 하는 반사 수단;조사되는 레이저 광의 세기를 측정하는 광 세기 측정 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 원격 점화 시스템은 금속 연료 및 산화제를 갖는 나노 고에너지 복합체 분말로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층과 상기 광점화물질층의 표면에 코팅되는 염료 물질로 이루어져 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화물질층의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층을 포함하는 염료 코팅 광점화제를 원격 점화하기 위하여, 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시키는 염료 물질의 종류에 따라 각각의 다른 파장의 레이저 조사를 하는 조사 수단을 갖는 광 조사부; 및 조사 수단에서 방출되는 광이 염료 코팅 광점화제에 조사되도록 하는 반사 수단;조사되는 레이저 광의 세기를 측정하는 광 세기 측정 수단;염료 코팅 광점화제가 레이저 광을 받는 광점화 개시 영역에 위치하고, 고체추진제 영역에 Potassium Nitrate/Sucrose(KNSU; KNO3/C12H22O11) 기반 주 추진제가 채워지는 발사체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 광 조사부는, 가변형 다이오드로 여기되는 고체 레이저(diode-pumped solid state, DPSS)이고, 조사되는 레이저 파장은 가시광 영역인 파장이 450 nm, 출력범위가 ~1000 mW인 Blue 레이저 또는, 파장이 532 nm, 출력 범위가 ~1286 mW인 Green 레이저 또는, 파장이 671 nm, 출력범위가 ~1000 mW인 Red 레이저를 선택적으로 조사하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광 조사부는 N-719 염료가 코팅된 Al/CuO 기반 나노고에너지 복합체 분말을 점화하기 위해서 각각의 RGB 레이저 파장에 대하여 최초 점화개시를 위해 요구되는 레이저의 단위 면적당 출력 값이, Blue 레이저의 경우 5.125 Wcm-2 이고, Green 레이저의 경우 8.245 Wcm-2 이고, Red 레이저의 경우 11.226 Wcm-2 인 것을 특징으로 한다.
그리고 광 조사부는, 레이저 광의 파장이 길수록 동일한 물질을 점화하기 위해서는 레이저 광의 출력 밀도를 높여야 하는 것을 이용하여 각 파장별 레이저 광의 출력값을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 원격 점화 방법은 금속 연료 및 산화제를 갖는 나노 고에너지 복합체 분말로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층과, 상기 광점화물질층의 표면에 코팅되는 염료 물질로 이루어져 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화물질층의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층을 포함하는 염료 코팅 광점화제;가 레이저 광을 받는 광점화 개시 영역에 위치하고, 고체추진제 영역에 Potassium Nitrate/Sucrose(KNSU; KNO3/C12H22O11) 기반 주 고체추진제가 채워지는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제;를 갖는 발사체용 고체추진제를 원격에서 점화하기 위하여, 염료 코팅 광점화제를 구성하는 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시키는 염료 물질에 따라 해당 특정 파장의 레이저 광을 조사하는 단계;염료 코팅 광점화제를 구성하는 광점화 선택층이 해당 특정 파장에 대한 광흡수도를 증가시키는 단계;해당 특정 파장에 대한 광흡수도가 증가되어 광점화 선택층에 의해 선택된 레이저 광이 나노고에너지 복합체 분말 기반 광점화 물질층에 레이저광이 조사되는 단계;광점화제가 점화개시 되면서 화염이 발생하고 연속적으로 KNSU 기반 주 고체추진제에 화염이 전파되어 연소 현상을 일으키면서 동시에 추진력 발생이 이루어지도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 다양한 파장별 광흡수 특성을 갖는 특정 염료를 코팅한 나노고에너지 복합체 분말을 제조할 수 있다.
둘째, 나노고에너지 복합체 분말을 특수 염료가 분산된 용액에 침지한 후 건조시킴으로써 특수 염료가 균일하게 코팅된 나노고에너지 복합체 분말을 생성할 수 있도록 하여 광점화제의 제조 공정의 용이성 및 재현성을 확보할 수 있도록 한다.
셋째, 다양한 파장별 광흡수 특성을 갖는 특정 염료를 코팅한 나노고에너지 복합체 분말을 제조하여 다양한 출력밀도와 파장을 갖는 가시광영역의 RGB 레이저 광을 조사하여 원거리 점화가 가능하도록 한다.
넷째, 광점화 선택층을 구성하는 염료의 농도가 증가할수록 자외선, 가시광선, 적외선 전 영역 파장에 대한 광 흡수도가 전반적으로 증가하는 특성을 이용하여 원격에서의 선택적인 점화 및 점화 시간과 위치에 대한 한계 극복이 가능하도록 한다.
다섯째, 고에너지물질 복합체의 표면에 특정 파장을 흡수하는 광점화 선택층을 형성하여 다양한 환경에서 광에너지를 최소화하면서 선택적인 광점화가 가능하도록 한다.
여섯째, 다양한 파장별 광흡수 특성을 갖는 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 물질의 제조 및 파장별 선택적 원거리 광점화 기술을 구현하여 열공학을 기반으로 하는 추진제, 폭발물, 계면접합 등의 다양한 민군분야에서 응용이 가능하도록 한다.
도 1은 고에너지 물질의 다양한 점화 방식을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 기본 구성도
도 3은 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 점화 메커니즘을 나타낸 구성도
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 제조 과정을 나타낸 구성도 및 공정 플로우 차트
도 5a 내지 도 5c는 광점화 선택층을 구성하는 염료 농도에 따른 광흡수도 스펙트럼 측정 결과 그래프
도 6은 광점화 선택층을 구성하는 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 TEM 이미지와 각 성분별 STEM 이미지
도 7은 광점화 선택층을 구성하는 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말에 RGB 레이저 광의 입사시의 점화 및 연소 과정을 나타낸 이미지
도 8은 각각의 염료의 농도 변화에 따른 나노고에너지 복합체 분말의 점화개시에 필요한 RGB 레이저 광의 출력밀도 측정 결과 그래프
도 9a 내지 도 9c는 광점화 선택층을 구성하는 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말에 RGB 레이저 광 조사한 후 레이저의 파장별 선택적 점화개시, 연소 및 폭발 측정 결과 이미지
도 10a와 도 10b는 염료가 코팅된 Al/CuO 기반 나노고에너지 복합체 분말을 광점화제로 적용한 KNSU 고체추진제의 선택적 RGB 레이저 점화 구성 및 RGB 레이저 광 조사에 의한 광점화제 및 고체추진제의 점화개시, 연소 및 추진 결과 이미지
이하, 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 기본 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 점화 메커니즘을 나타낸 구성도이다.
본 발명은 특정 파장의 레이저를 조사할 경우에만 선택적으로 나노고에너지 복합체 물질을 점화를 할 수 있도록 한 것으로, 파장별 광흡수 특성을 갖는 특정 염료를 코팅한 나노고에너지 복합체 분말을 제조하여, 다양한 출력밀도와 파장을 갖는 가시광영역의 RGB 레이저 광을 조사하여 원거리 점화가 가능하도록 하고, 레이저 광의 파장에 따른 선택적 광점화가 가능하도록 한 것이다.
이하의 설명에서 본 발명의 일 실시 예로 Al/CuO 기반 나노고에너지 복합체 물질의 제조를 설명하였으나, 이로 한정되지 않고 점화 시 폭발 특성을 갖는 다양한 금속(예. Al, Mg, Si 등)과 산화제 분말(예. CuO, Fe2O3, KMnO4 등)을 사용하여 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제를 제조할 수 있음은 당연하다.
또한, 점화를 위한 광 조사 수단이 본 발명의 일 실시 예에서는 가시광 영역내에서 RGB 레이저를 설명하고 있으나, 이로 한정되지 않고 다양한 색상에 대한 광파장을 흡수할 수 있는 특수한 염료를 사용하면 특정 파장을 이용한 선택적 레이저 광점화 가능함은 당연하다.
또한, 본 발명은 가시광 영역 파장의 레이저 뿐만 아니라 자외선 및 적외선 영역의 레이저 광으로도 나노고에너지 복합체 물질의 광점화 가능한 것으로, 특정 파장을 흡수하는 특정광 흡수 염료물질을 적용한 나노고에너지 복합체 물질을 이용한 자외선/가시광선/적외선 영역 레이저 광으로도 광점화 가능하도록 한 것이다.
본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 기본 구조는 도 2에서와 같이, 금속 연료 및 산화제로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층(100)과, 광점화 물질층(100)의 표면에 코팅되어 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화 물질층(100)의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층(200)을 포함한다.
여기서, 광점화 물질층(100)은 금속 연료 물질로 Al, Mg, Si 등이 사용될 수 있고, 산화제 분말로 CuO, Fe2O3, KMnO4 등이 사용될 수 있고 이로 제한되지 않는다.
이와 같은 물질로 구성되는 나노 고에너지 복합체는 자외선 영역의 레이저 광 또는 가시광선 영역의 레이저 광 또는 적외선 영역 레이저 광으로 광점화 가능하고 이로 제한되지 않는다.
가시광 영역의 레이저 파장은 Blue=450 nm, Green= 532 nm, Red=671 nm일 수 있다.
그리고 광점화 선택층(200)은 N-719(Di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato) ruthenium(II), C58H86N8O8RuS2), RB (rose bengal, C20H2Cl4I4Na2O5), MB (methylene blue, C16H18ClN3S) 염료가 사용될 수 있고, 이로 제한되지 않는다.
이와 같은 광점화 선택층(200)을 구성하는 각각의 염료는 450 nm (Blue), 532 nm (Green), 671 nm (Red) 파장의 가시광선에 대하여 서로 다른 광흡수 스펙트럼을 나타내며 염료의 농도가 증가할수록 전반적으로 흡수파장 영역이 넓어지면서 광흡수도도 증가하는 특성을 갖는다.
전반적으로 염료의 농도의 변화와 관계없이 N-719 염료의 경우에는 Blue와 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높고, RB 염료의 경우에는 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높으며, MB 염료의 경우에는 Red 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높은 특성을 갖는다.
일 예로, Al 나노입자와 CuO의 나노입자가 각각 주어진 염료에 의해 코팅되어 캡슐화되고, Al 나노입자와 CuO 나노입자가 나노스케일에서 서로 근거리에서 연결되어 있는 형태를 갖는다.
즉, N-719 염료의 경우 주성분인 탄소(C)와 황(S) 성분으로 Al과 CuO를 균일하게 감싸는 형태이고, RB 염료의 경우 주성분인 염소(Cl)와 나트륨(Na) 성분으로 Al과 CuO를 균일하게 감싸는 형태이고, MB 염료의 경우 주성분인 염소(Cl)와 질소(N) 성분으로 Al과 CuO를 균일하게 감싸는 형태를 갖는다.
이와 같은 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제를 원격 점화하기 위한 원격 점화 시스템은 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시키는 염료 물질의 종류에 따라 각각의 레이저 조사를 하는 복수 개의 조사 수단을 갖는 광 조사부; 및 조사 수단에서 방출되는 광이 염료 코팅 광점화제에 조사되도록 하는 반사 수단; 조사되는 레이저 광의 세기를 측정하는 광 세기 측정 수단을 포함할 수 있다.
여기서, 광 세기 측정 수단은 원격 점화 시스템에서 조사되는 광 세기를 제어하여 광점화 개시 시간을 조절할 수 있도록 한다.
광 조사부는 가변형 다이오드로 여기되는 고체 레이저(diode-pumped solid state, DPSS)일 수 있고, 조사되는 레이저 파장은 가시광 영역인 Blue 레이저(파장: 445 nm, 출력범위: ~1000 mW, 빔 크기: 4 × 1 mm), Green 레이저(파장: 532 nm, 출력 범위: ~1286 mW, 빔 반경: 1.25 mm), Red 레이저(파장: 671 nm, 출력범위: ~1000 mW, 빔 반경 1 mm)를 선택적으로 조사할 수 있는 것이 바람직하다.
일 예로, N-719 염료가 코팅된 Al/CuO 기반 나노고에너지 복합체 분말을 점화하기 위해서 각각의 RGB 레이저 파장에 대하여 최초 점화개시를 위해 요구되는 레이저의 단위 면적당 출력 값이 Blue 레이저의 경우 5.125 Wcm-2 (즉, 출력값=0.205 W, 레이저 광초점 면적=0.04 cm2), Green 레이저의 경우 8.245 Wcm-2 (즉, 출력값=0.404 W, 레이저 광초점 면적=0.049 cm2), Red 레이저의 경우 11.226 Wcm-2 (즉, 출력값=0.348 W, 레이저 광초점 면적=0.031 cm2)이다.
또한, 광 조사부는 레이저 광의 파장이 길수록 동일한 물질을 점화하기 위해서는 레이저 광의 출력 밀도(즉, 레이저 광초점 단위면적당 출력값)를 더욱 높여야 하는 것을 이용하여 각 파장별 레이저 광의 출력값을 적절하게 제어한다.
도 3은 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 점화 메커니즘을 나타낸 것으로, 특수 염료를 나노고에너지 물질에 코팅하여 특정 파장에 대하여 높은 광 흡수도를 증가시킴으로써 인위적으로 광열반응을 일으켜 저출력 이동식 레이저 빔의 파장에 따른 나노고에너지 물질의 선택적인 원격 광점화가 가능하도록 한 것이다.
본 발명은 특정 파장의 레이저를 조사할 경우에만 선택적으로 나노고에너지 복합체 물질을 점화를 할 수 있는 새로운 기술을 개발하기 위한 것이다.
이를 위해서 일 실시 예에서 알루미늄(Al), 산화구리(CuO) 나노 복합체 분말에 다양한 염료를 코팅한 후 선택적으로 다양한 파장의 레이저 빔을 흡수하는 방식으로 점화 시험을 진행한다.
결론적으로 본 발명에서 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 물질을 제조하고, 염료의 광흡수도에 따라 조사되는 레이저의 파장 및 출력 크기에 의하여 선택적으로 점화하는 기술 구성을 제시한다.
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 제조 과정을 나타낸 구성도 및 공정 플로우 차트이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 제조 과정은 Al 나노분말과 CuO 나노분말을 Al:CuO=30:70 wt%의 질량비율로 혼합 단계;에탄올 용액에 분산하여 30분간 초음파처리를 하여 균일 혼합 단계;대류형 건조기(Convective Oven)를 이용해 80℃에서 30분간 건조하여 에탄올 용액을 완전히 증발시키고 나노고에너지 복합체 분말을 제조하는 단계;다양한 농도의(0.1 ~ 1 mM) 염료 기반 수용액 1 mL을 준비하고 앞서 제조한 나노고에너지 복합체 분말 10mg을 염료 수용액에 넣고 약 24시간동안 침지하는 단계;대류형 건조기를 이용해 80℃에서 에탄올 용액을 완전히 증발시켜 최종적으로 특정 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말을 제조하는 단계;를 포함한다.
구체적으로 나노고에너지물질의 구성성분으로써 연료금속(Fuel Metal) 물질로는 평균직경 ~78 nm를 갖는 알루미늄(Al) 나노분말을 사용하였으며, 산화제(Oxidizer) 물질로는 평균직경 ~130 nm를 갖는 산화구리(CuO) 나노분말을 사용하였고, N-719, MB, RB 등의 염료(Sigma-Aldrich, USA)를 이용하여 나노고에너지 복합체 물질을 코팅한다.
먼저, Al 나노분말과 CuO 나노분말을 Al:CuO=30:70 wt%의 질량비율로 혼합한 후 99.99%의 에탄올 용액에 분산하여 30분간 초음파처리(Ultrasonication, 초음파 출력=170 W, 초음파 주파수=40 kHz)를 하여 균일 혼합한 후 대류형 건조기(Convective Oven)를 이용해 80℃에서 30분간 건조하여 에탄올 용액을 완전히 증발시키고 나노고에너지 복합체 분말을 제조한다.
다음으로 다양한 농도의(0.1 ~ 1 mM) 염료 기반 수용액 1 mL을 준비하고 앞서 제조한 나노고에너지 복합체 분말 10mg을 염료 수용액에 넣고 약 24시간동안 침지한 후 대류형 건조기를 이용해 80℃에서 에탄올 용액을 완전히 증발시켜 최종적으로 특정 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말을 제조한다.
본 발명에 따른 광점화 선택층(200)을 구성하는 염료의 광흡수도 특성을 설명하면 다음과 같다.
자외선-가시광선(UV-Vis) 분광분석기를 이용한 다양한 염료의 광흡수도 측정한 결과는 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5c는 광점화 선택층을 구성하는 염료 농도에 따른 광흡수도 스펙트럼 측정 결과 그래프이다.
우선 나노고에너지물질의 다양한 가시광 영역 파장(Blue=450 nm, Green= 532 nm, Red=671 nm)에 따른 광흡수도를 변화시키기 위하여 다양한 농도의 N-719(Di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato) ruthenium(II), C58H86N8O8RuS2), RB(rose bengal, C20H2Cl4I4Na2O5), MB(methylene blue, C16H18ClN3S) 염료를 사용하였으며 각 염료의 농도에 따른 광흡수도 측정한 결과는 도 5a 내지 도 5c에서와 같다.
도 5a는 N-719, 도 5b는 RB(rose bengal), 도 5c는 MB(methylene blue) 염료의 농도에 따른 수용액 사진 및 광흡수도 스펙트럼 측정 결과 그래프이다.
각각의 염료는 445 nm (Blue), 532 nm (Green), 671 nm (Red) 파장의 가시광선에 대하여 서로 다른 광흡수 스펙트럼을 나타내며 염료의 농도가 증가할수록 전반적으로 흡수파장 영역이 넓어지면서 광흡수도도 증가함을 나타내었다.
전반적으로 염료의 농도의 변화와 관계없이 N-719 염료의 경우에는 Blue와 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높고, RB 염료의 경우에는 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높으며, MB 염료의 경우에는 Red 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높은 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 6은 광점화 선택층을 구성하는 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 TEM 이미지와 각 성분별 STEM 이미지이다.
각 상단 TEM 이미지 및 하단의 원소 맵핑(elemental mapping) 이미지에 제시된 바와 같이 N-719/RB/MB 염료가 코팅된 Al/CuO 기반 나노고에너지 복합체 분말의 TEM 사진에서 Al 나노입자와 CuO의 나노입자가 각각 주어진 염료에 의해 코팅되어 캡슐화가 된 것을 확인할 수 있다.
즉, Al 나노입자와 CuO 나노입자가 나노스케일에서 서로 근거리에서 연결되어 있고, N-719 염료의 경우 주성분인 탄소(C)와 황(S) 성분으로, RB 염료의 경우 주성분인 염소(Cl)와 나트륨(Na) 성분으로, MB 염료의 경우 주성분인 염소(Cl)와 질소(N) 성분으로 Al과 CuO를 균일하게 잘 감싸고 있음을 관찰할 수 있었다.
즉, 이를 통해 본 발명에서 제시한 염료의 침지에 의한 나노고에너지 복합체 물질의 염료 코팅층이 균일하게 생성됨을 확인할 수 있었다.
레이저 점화 장치의 구성과 N-719/RB/MB 염료가 각각 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 레이저 파장별 광 점화 특성에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 7은 광점화 선택층을 구성하는 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말에 RGB 레이저 광의 입사시의 점화 및 연소 과정을 나타낸 이미지이다.
다양한 염료의 코팅 농도에 따른 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 점화 시험을 위하여 가변형 다이오드로 여기되는 고체 레이저(diode-pumped solid state, DPSS)를 사용하였고, 파장은 가시광 영역인 Blue 레이저(파장: 445 nm, 출력범위: ~1000 mW, 빔 크기: 4 × 1 mm, BLM445TA-1000, Shanghai Laser & Optic Century, China), Green 레이저(파장: 532 nm, 출력 범위: ~1286 mW, 빔 반경: 1.25 mm, SDL-532-1000T, Shanghai Dream Lasers Technology, China) 및 Red 레이저(파장: 671 nm, 출력범위: ~1000 mW, 빔 반경 1 mm, RL671T8-1000, Shanghai Laser & Optic Century, China)를 이용하였다.
염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 레이저 점화는 레이저 시스템에서 방출되는 빔을 반사경을 이용하여 슬라이드 유리 위에 놓인 나노고에너지 복합체 분말에 조사 및 점화되도록 하였고, 조사되는 레이저 광의 세기는 레이저 출력계(laser power meter, Gentec Electro-Optics, Canada)를 이용하여 광의 강도를 측정하였다.
본 발명에서는 N-719, RB(rose bengal), MB(methylene blue) 염료 수용액을 각각 0 ~ 1 mM 농도로 준비하고, 나노고에너지 복합체 분말을 준비된 염료 수용액에 24시간 침지시킨 후 건조하여 각각의 염료에 의해 코팅된 나노고에너지 복합체 분말을 제조하였으며, 이러한 복합체 분말에 RGB(Red, Green, Blue) 레이저 광을 조사하여 점화 테스트를 수행하였다.
도 7은 대표적으로 0.5 mM의 농도를 갖는 N-719 염료 수용액에 코팅한 나노고에너지 복합체 분말의 점화 및 연소 실험을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
점화 및 연소 특성을 동영상 촬영한 후 연속적인 정지이미지로 나타낸 결과로 동일한 물질인 N-719 염료가 코팅된 Al/CuO 기반 나노고에너지 복합체 분말을 점화하기 위해서 각각의 RGB 레이저 파장에 대하여 최초 점화개시를 위해 요구되는 레이저의 단위 면적당 출력 값이 Blue 레이저의 경우 5.125 Wcm-2 (즉, 출력값=0.205 W, 레이저 광초점 면적=0.04 cm2), Green 레이저의 경우 8.245 Wcm-2 (즉, 출력값=0.404 W, 레이저 광초점 면적=0.049 cm2), Red 레이저의 경우 11.226 Wcm-2 (즉, 출력값=0.348 W, 레이저 광초점 면적=0.031 cm2)로 나타났다.
레이저 광의 파장이 길수록 동일한 물질을 점화하기 위해서는 레이저 광의 출력 밀도(즉, 레이저 광초점 단위면적당 출력값)를 더욱 높여야 한다.
즉, 이는 나노고에너지 물질의 성공적인 초기 점화를 위해서는 각 파장별 레이저 광의 출력값을 적절하게 제어해야 한다는 것을 의미한다.
도 8은 각각의 염료의 농도 변화에 따른 나노고에너지 복합체 분말의 점화개시에 필요한 RGB 레이저 광의 출력밀도 측정 결과 그래프이다.
도 8은 각 N-719, RB, MB 염료의 코팅 농도에 따른 나노고에너지 복합체 분말의 점화가 개시되는 파장별 레이저 광의 출력밀도를 측정하여 결과를 제시한 것이다.
여기서, 레이저 광의 출력 밀도는 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 점화가 성공적으로 이루어지는 때의 레이저 출력 값을 레이저 광초점의 면적 값으로 나누어 주어 계산하였다.
각 염료의 농도별 광흡수도를 고려하여 보면 알 수 있듯이 각 염료의 농도가 높아질수록 염료의 광흡수도는 증가하고, 이렇게 염료의 농도 증가에 따른 광흡수도 증가로 인해 점화개시에 필요한 각 RGB 레이저 광의 출력밀도가 점점 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 광점화 선택층을 구성하는 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말에 RGB 레이저 광 조사한 후 레이저의 파장별 선택적 점화개시, 연소 및 폭발 측정 결과 이미지이다.
고정된 레이저 출력밀도 하에서 레이저 광의 파장에 따라 나노고에너지 복합체 분말의 점화개시, 연소 및 폭발 기술을 구현해보기 위해 아래와 같이 실험을 수행하였다.
우선, 0.5 mM의 고정된 농도로 N-719, RB, MB 각 염료를 코팅한 Al/CuO 기반 나노고에너지 복합체 분말을 제조하여 기판 상에 올리고 Red, Green, Blue 각 파장의 레이저 광을 복합체 분말 상에 조사하여 점화 테스트를 수행하였고, 동시에 카메라로 동영상을 촬영하였으며 각 동영상의 시간에 따른 일련의 정지이미지를 나열하여 제시한 것이 도 9a 내지 도 9c의 이미지이다.
도 9a에서와 같이 N-719 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우에는 RGB 레이저 광의 출력밀도 값을 5.74 W·cm-2 고정하여 조사 할 경우 파장이 가장 짧은 Blue 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 성공적으로 일어나고, Red와 Green 레이저 빔의 조사 시에는 복합체 분말의 점화가 전혀 일어나지 않았다.
즉, 이는 N-719로 코팅된 나노고에너지 복합체 분말은 5.74 Wcm-2의 동일한 출력 밀도를 갖는 RGB 레이저의 경우 Blue 레이저의 파장에만 감응하여 선택적으로 점화 가능하다는 것을 제시한다.
도 9b에서는 RB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 광 출력밀도 값을 9.41 W·cm-2로 고정하여 조사 할 경우 Green 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 성공적으로 일어나고, Blue와 Red 레이저 빔의 조사 시에는 복합체 분말의 점화가 일어나지 않았다.
즉, 이는 RB로 코팅된 나노고에너지 복합체 분말은 9.41 Wcm-2의 동일한 출력 밀도를 갖는 레이저의 경우 Green 레이저의 파장에만 감응하여 선택적으로 점화 가능하다는 것을 제시한다.
도 9c는 MB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 빔 출력 밀도 값을 10.43 Wcm-2로 고정하여 조사 할 경우 파장이 제일 긴 Red 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 성공적으로 일어나고, Blue와 Green 레이저 광의 조사 시에는 복합체 분말의 점화가 일어나지 않았다.
즉, 이는 MB로 코팅된 나노고에너지 복합체 분말은 10.43 Wcm-2의 동일한 출력밀도를 갖는 레이저의 경우 Red 레이저의 파장에만 감응하여 선택적으로 점화 가능하다는 것을 제시한다.
이와 같이 특정한 염료로 코팅된 나노고에너지 복합체 분말에 대해 동일한 출력밀도하에서 특정한 파장을 갖는 레이저 광을 조사할 경우 선택적으로 점화개시가 가능하고 이를 통해 연쇄적인 연소 및 폭발 현상을 유도할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명을 적용하여 RGB 레이저 광 조사를 이용한 소형로켓용 고체추진제 광점화 및 추진에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 10a와 도 10b는 염료가 코팅된 Al/CuO 기반 나노고에너지 복합체 분말을 광점화제로 적용한 KNSU 고체추진제의 선택적 RGB 레이저 점화 구성 및 RGB 레이저 광 조사에 의한 광점화제 및 고체추진제의 점화개시, 연소 및 추진 결과 이미지이다.
본 발명에서 제시한 나노고에너지 복합체 물질의 파장별 레이저 선택적 광 점화 기술을 실질적으로 적용한 예로써 소형로켓용 연소실(combustion chamber)내에 고체추진제를 채우고 Red, Green, Blue 레이저를 각각 조사하여 고체추진제를 점화개시, 연소 및 추진하는 기술을 구현한 것이다.
본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제를 갖는 발사체용 고체추진제는 금속 연료 및 산화제로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층(100)과, 광점화 물질층(100)의 표면에 코팅되어 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화 물질층(100)의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층(200)을 포함하는 광점화제가 레이저 광을 받는 광점화 개시 영역에 위치하고, 고체추진제 영역에 Potassium Nitrate/Sucrose(KNSU; KNO3/C12H22O11) 기반 주 추진제가 채워지는 구조를 갖는다.
이와 같은 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제를 갖는 발사체용 고체추진제는 원격 점화 시스템을 통하여 레이저 광을 조사하면 광점화 선택층(200)이 파장에 대한 광흡수도를 증가시켜 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말 기반 광점화 물질층(100)에 레이저광이 조사되도록 하여 광점화제가 점화개시 되면서 화염이 발생한다.
이후 연속적으로 KNSU 기반 주 고체추진제에 화염이 전파되어 급격한 연소 현상을 일으키면서 동시에 강력한 추진력 발생이 이루어진다.
본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제를 갖는 발사체용 고체추진제의 원격 점화 시스템은 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시키는 염료 물질의 종류에 따라 각각의 레이저 조사를 하는 복수 개의 조사 수단을 갖는 광 조사부와, 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화 물질층(100)의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층(200)을 포함하는 광점화제가 레이저 광을 받는 광점화 개시 영역에 위치하고, 고체추진제 영역에 Potassium Nitrate/Sucrose(KNSU; KNO3/C12H22O11) 기반 주 추진제가 채워지는 발사체로 이루어질 수 있다.
도 10a의 개략도와 같이 우선 소형로켓용 연소실내에 Potassium Nitrate/Sucrose (KNSU; KNO3/C12H22O11) 기반 주 추진제를 채우고, 광점화제로써 N-719 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말을 연소실 끝단에 충진한 후 5.74 W·cm-2의 고정적 레이저 출력밀도를 갖는 RGB 레이저 광을 각각 조사하여 점화개시 가능여부 및 광 점화 후 연속적인 KNSU 고체추진제의 연소 가능 여부 테스트를 공기 흐름이 제어된 풍동(wind tunnel system) 내에서 반복 수행하였다.
도 10b에서와 같이 소형로켓용 연소실 끝단에 있는 N-719 염료가 코팅된 Al/CuO 기반 나노고에너지 복합체 분말 광점화제에 Red 및 Green 레이저 광으로 각각 조사한 경우에는 약 10여초 이상이 경과하여도 광점화제 물질이 점화되지 않음을 관찰할 수 있었다.
하지만, 파장이 가장 짧은 Blue 레이저를 로켓 연소실 끝단에 조사한 경우에는 레이저 광 조사하고 약 1-3초 경과 후 N-719가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말 기반 광점화제가 성공적으로 점화개시 되면서 화염이 발생하였고, 이후 연속적으로 KNSU 기반 주 고체추진제에 화염이 전파되어 급격한 연소 현상을 일으키면서 동시에 강력한 추진력 발생이 진행됨을 가시적으로 확인할 수 있었다.
이를 통해 본 발명에서 제시한 특정 염료가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말 광점화제 물질을 레이저 광의 파장에 따라 선택적으로 광 점화 가능한 기술을 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제 및 이를 갖는 발사체용 고체추진제 그리고 이들의 원격 점화 시스템 및 원격 점화 방법은 고에너지물질 복합체의 표면에 특정 파장을 흡수하는 광점화 선택층을 형성하여 다양한 환경에서 선택적인 광점화가 가능하도록 한 것이다.
본 발명은 광점화 선택층을 구성하는 염료의 농도가 증가할수록 자외선, 가시광선, 적외선 전 영역 파장에 대한 광 흡수도가 전반적으로 증가하는 특성을 이용하여 원격에서의 선택적인 점화 및 점화 시간과 위치에 대한 한계 극복이 가능하도록 한 것이다.
따라서, 다양한 환경에서 광에너지를 최소화하면서 선택적인 광점화가 가능하도록 한다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100. 광점화 물질층
200. 광점화 선택층

Claims (19)

  1. 금속 연료 및 산화제를 갖는 나노 고에너지 복합체 분말로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층;
    상기 광점화물질층의 표면에 코팅되는 염료 물질로 이루어져 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화물질층의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층;을 포함하고,
    상기 광점화 선택층은, N-719(Di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato) ruthenium(II),C58H86N8O8RuS2) 또는 RB(rose bengal, C20H2Cl4I4Na2O5) 또는 MB (methylene blue, C16H18ClN3S) 염료가 사용되고,
    N-719 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우에는 RGB 레이저 광의 출력밀도 값을 5.74 W·cm-2 고정하여 조사하여 파장이 가장 짧은 Blue 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하고,
    RB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 광 출력밀도 값을 9.41 W·cm-2로 고정하여 조사하여 Green 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하고,
    MB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 빔 출력 밀도 값을 10.43 Wcm-2로 고정하여 조사하여 파장이 제일 긴 Red 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하여 선택적으로 광 점화를 하는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제.
  2. 제 1 항에 있어서, 광점화 물질층은,
    금속 연료 물질로 Al 또는 Mg 또는 Si의 어느 하나가 사용되고, 산화제 분말로 CuO 또는 Fe2O3 또는 KMnO4의 어느 하나가 사용되는 나노 고에너지 복합체 분말인 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 광점화 물질층은,
    원격에서 조사되는 자외선 영역의 레이저 광 또는 가시광선 영역의 레이저 광 또는 적외선 영역 레이저 광으로 광점화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 광점화 선택층을 구성하는 각각의 염료는,
    450 nm(Blue), 532 nm(Green), 671 nm(Red) 파장의 가시광선에 대하여 서로 다른 광흡수 스펙트럼을 나타내는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제.
  6. 제 1 항에 있어서, 광점화 선택층을 구성하는 각각의 염료는,
    염료의 농도가 증가할수록 흡수파장 영역이 넓어지면서 광흡수도도 증가하는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제.
  7. 제 5 항에 있어서, 염료의 농도의 변화와 관계없이 N-719 염료의 경우에는 Blue와 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높고,
    RB 염료의 경우에는 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높으며,
    MB 염료의 경우에는 Red 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높은 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제.
  8. 제 1 항에 있어서, N-719 염료의 경우 주성분인 탄소(C)와 황(S) 성분으로 나노 고에너지 복합체 분말을 구성하는 금속 연료 및 산화제를 균일하게 감싸는 형태이고,
    RB 염료의 경우 주성분인 염소(Cl)와 나트륨(Na) 성분으로 나노 고에너지 복합체 분말을 구성하는 금속 연료 및 산화제를 균일하게 감싸는 형태이고,
    MB 염료의 경우 주성분인 염소(Cl)와 질소(N) 성분으로 나노 고에너지 복합체 분말을 구성하는 금속 연료 및 산화제를 균일하게 감싸는 형태로 염료 코팅 광점화제를 구성하는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제.
  9. 금속 연료 및 산화제를 갖는 나노 고에너지 복합체 분말로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층과, 상기 광점화물질층의 표면에 코팅되는 염료 물질로 이루어져 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화물질층의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층을 포함하는 염료 코팅 광점화제;가 레이저 광을 받는 광점화 개시 영역에 위치하고,
    고체추진제 영역에 Potassium Nitrate/Sucrose(KNSU; KNO3/C12H22O11)가 채워지고,
    상기 광점화 선택층은, N-719(Di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato) ruthenium(II),C58H86N8O8RuS2) 또는 RB(rose bengal, C20H2Cl4I4Na2O5) 또는 MB (methylene blue, C16H18ClN3S) 염료가 사용되고,
    N-719 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우에는 RGB 레이저 광의 출력밀도 값을 5.74 W·cm-2 고정하여 조사하여 파장이 가장 짧은 Blue 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하고,
    RB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 광 출력밀도 값을 9.41 W·cm-2로 고정하여 조사하여 Green 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하고,
    MB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 빔 출력 밀도 값을 10.43 Wcm-2로 고정하여 조사하여 파장이 제일 긴 Red 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하여 선택적으로 광 점화를 하는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제를 갖는 발사체용 고체추진제.
  10. 제 9 항에 있어서, 광점화 물질층은,
    금속 연료 물질로 Al 또는 Mg 또는 Si의 어느 하나가 사용되고, 산화제 분말로 CuO 또는 Fe2O3 또는 KMnO4의 어느 하나가 사용되는 나노 고에너지 복합체 분말인 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제를 갖는 발사체용 고체추진제.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 광점화 물질층은,
    원격에서 조사되는 자외선 영역의 레이저 광 또는 가시광선 영역의 레이저 광 또는 적외선 영역 레이저 광으로 광점화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제를 갖는 발사체용 고체추진제.
  12. 삭제
  13. 제 9 항에 있어서, 염료의 농도의 변화와 관계없이 N-719 염료의 경우에는 Blue와 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높고,
    RB 염료의 경우에는 Green 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높으며,
    MB 염료의 경우에는 Red 파장에 대한 광흡수도가 상대적으로 높은 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제를 갖는 발사체용 고체추진제.
  14. 금속 연료 및 산화제를 갖는 나노 고에너지 복합체 분말로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층과 상기 광점화물질층의 표면에 코팅되는 염료 물질로 이루어져 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화물질층의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층을 포함하는 염료 코팅 광점화제를 원격 점화하기 위하여,
    특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시키는 염료 물질의 종류에 따라 각각의 다른 파장의 레이저 조사를 하는 조사 수단을 갖는 광 조사부; 및
    조사 수단에서 방출되는 광이 염료 코팅 광점화제에 조사되도록 하는 반사 수단;
    조사되는 레이저 광의 세기를 측정하는 광 세기 측정 수단;을 포함하고,
    상기 광점화 선택층은, N-719(Di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato) ruthenium(II),C58H86N8O8RuS2) 또는 RB(rose bengal, C20H2Cl4I4Na2O5) 또는 MB (methylene blue, C16H18ClN3S) 염료가 사용되고,
    N-719 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우에는 RGB 레이저 광의 출력밀도 값을 5.74 W·cm-2 고정하여 조사하여 파장이 가장 짧은 Blue 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하고,
    RB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 광 출력밀도 값을 9.41 W·cm-2로 고정하여 조사하여 Green 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하고,
    MB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 빔 출력 밀도 값을 10.43 Wcm-2로 고정하여 조사하여 파장이 제일 긴 Red 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하여 선택적으로 광 점화를 하는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 원격 점화 시스템.
  15. 금속 연료 및 산화제를 갖는 나노 고에너지 복합체 분말로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층과 상기 광점화물질층의 표면에 코팅되는 염료 물질로 이루어져 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화물질층의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층을 포함하는 염료 코팅 광점화제를 원격 점화하기 위하여,
    특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시키는 염료 물질의 종류에 따라 각각의 다른 파장의 레이저 조사를 하는 조사 수단을 갖는 광 조사부; 및
    조사 수단에서 방출되는 광이 염료 코팅 광점화제에 조사되도록 하는 반사 수단;
    조사되는 레이저 광의 세기를 측정하는 광 세기 측정 수단;
    염료 코팅 광점화제가 레이저 광을 받는 광점화 개시 영역에 위치하고, 고체추진제 영역에 Potassium Nitrate/Sucrose(KNSU; KNO3/C12H22O11) 기반 주 추진제가 채워지는 발사체;를 포함하고,
    상기 광점화 선택층은, N-719(Di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato) ruthenium(II),C58H86N8O8RuS2) 또는 RB(rose bengal, C20H2Cl4I4Na2O5) 또는 MB (methylene blue, C16H18ClN3S) 염료가 사용되고,
    N-719 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우에는 RGB 레이저 광의 출력밀도 값을 5.74 W·cm-2 고정하여 조사하여 파장이 가장 짧은 Blue 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하고,
    RB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 광 출력밀도 값을 9.41 W·cm-2로 고정하여 조사하여 Green 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하고,
    MB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 빔 출력 밀도 값을 10.43 Wcm-2로 고정하여 조사하여 파장이 제일 긴 Red 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하여 선택적으로 광 점화를 하는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 원격 점화 시스템.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 광 조사부는,
    가변형 다이오드로 여기되는 고체 레이저(diode-pumped solid state, DPSS)이고,
    조사되는 레이저 파장은 가시광 영역인 파장이 450 nm, 출력범위가 ~1000 mW인 Blue 레이저 또는,
    파장이 532 nm, 출력 범위가 ~1286 mW인 Green 레이저 또는,
    파장이 671 nm, 출력범위가 ~1000 mW인 Red 레이저를 선택적으로 조사하는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 원격 점화 시스템.
  17. 삭제
  18. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 광 조사부는,
    레이저 광의 파장이 길수록 동일한 물질을 점화하기 위해서는 레이저 광의 출력 밀도를 높여야 하는 것을 이용하여 각 파장별 레이저 광의 출력값을 제어하는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 원격 점화 시스템.
  19. 금속 연료 및 산화제를 갖는 나노 고에너지 복합체 분말로 구성되어 외부에서 인가되는 에너지에 의해 화학적 에너지가 열에너지로 변화되어 점화 및 폭발이 일어나는 광점화 물질층과, 상기 광점화물질층의 표면에 코팅되는 염료 물질로 이루어져 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시켜 광점화물질층의 광열 반응을 유도하여 점화 및 폭발이 일어나도록 하는 광점화 선택층을 포함하는 염료 코팅 광점화제;가 레이저 광을 받는 광점화 개시 영역에 위치하고,
    고체추진제 영역에 Potassium Nitrate/Sucrose(KNSU; KNO3/C12H22O11) 기반 주 고체추진제가 채워지는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제;를 갖는 발사체용 고체추진제를 원격에서 점화하기 위하여,
    염료 코팅 광점화제를 구성하는 특정 파장의 광 흡수도를 선택적으로 증가시키는 염료 물질에 따라 해당 특정 파장의 레이저 광을 조사하는 단계;
    염료 코팅 광점화제를 구성하는 광점화 선택층이 해당 특정 파장에 대한 광흡수도를 증가시키는 단계;
    해당 특정 파장에 대한 광흡수도가 증가되어 광점화 선택층에 의해 선택된 레이저 광이 나노고에너지 복합체 분말 기반 광점화 물질층에 레이저광이 조사되는 단계;
    광점화제가 점화개시 되면서 화염이 발생하고 연속적으로 KNSU 기반 주 고체추진제에 화염이 전파되어 연소 현상을 일으키면서 동시에 추진력 발생이 이루어지도록 하는 단계;를 포함하고,
    상기 광점화 선택층은, N-719(Di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato) ruthenium(II),C58H86N8O8RuS2) 또는 RB(rose bengal, C20H2Cl4I4Na2O5) 또는 MB (methylene blue, C16H18ClN3S) 염료가 사용되고,
    N-719 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우에는 RGB 레이저 광의 출력밀도 값을 5.74 W·cm-2 고정하여 조사하여 파장이 가장 짧은 Blue 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하고,
    RB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 광 출력밀도 값을 9.41 W·cm-2로 고정하여 조사하여 Green 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하고,
    MB 염료(0.5 mM)가 코팅된 나노고에너지 복합체 분말의 경우 RGB 레이저 빔 출력 밀도 값을 10.43 Wcm-2로 고정하여 조사하여 파장이 제일 긴 Red 레이저의 경우에만 점화, 연소 및 폭발 현상이 일어나는 것을 이용하여 선택적으로 광 점화를 하는 것을 특징으로 하는 선택적 광 흡수도를 이용하는 염료 코팅 광점화제의 원격 점화 방법.
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