KR20190076404A - 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법 - Google Patents

나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노고에너지 복합체 분말을 유리 파괴 장치의 연소실에 적재하여 점화한 후 생성되는 폭발 압력을 이용하여 유리를 파괴하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법에 관한 것으로, 스파크 발생을 위한 압전 점화기가 내부에 위치하는 상부 케이스;상기 상부 케이스의 하부에 결합되고 압전 점화기의 스파크에 의해 폭발 압력을 발생하는 나노고에너지 복합체 분말이 충진되는 충진 카트리지 및, 나노고에너지 복합체 분말의 폭발 압력에 의해 외부 유리와 충돌하는 브레이커 팁이 내부에 위치하는 하부 케이스;를 포함하는 것이다.

Description

나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법{Apparatus and Method for Breaking Window Using Nanoenergetic Material Composites}
본 발명은 비상용 유리 파괴 장치에 관한 것으로, 구체적으로 나노고에너지 복합체 분말을 유리 파괴 장치의 연소실에 적재하여 점화한 후 생성되는 폭발 압력을 이용하여 유리를 파괴하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량이나 건물, 선박 등에 사용되는 유리창은 강도가 높은 특수유리가 사용되어 일반 유리창에 비해 파괴가 잘되지 않기 때문에 긴급상황시 탈출에 어려움이 있다.
이러한 점을 감안하여 비상시 유리창을 파괴할 목적으로 유리창 파괴용 망치가 구비되어 망치를 이용하여 유리창을 강제 파괴할 수 있도록 하고 있으나, 비상용 망치로 유리창을 타격하여 파괴를 하게 될 때 사용자의 손이 망치와 함께 깨진 안전유리창의 바깥쪽으로 나가게 되면서 유리창 파편이나 창틀에 남아 있는 유리조각에 사용자의 손이나 신체부위가 부상당할 염려가 있다.
또한, 특수유리로 된 유리창을 망치로 파괴하는데도 강한 힘을 필요로 하기 때문에 노약자가 사용하는데 어려움이 있다.
특히, 유리창 파괴용 망치를 들고 유리창을 향해 칠 수 있는 공간 확보를 필요로 하기 때문에 차량의 전복이나 선박의 침몰 등으로 인하여 사용자가 강한 힘을 낼 수 없고 공간확보가 되지 않은 상태에서는 유리창 파괴용 망치를 이용한 유리창 파괴에 어려움이 있으므로 실질적으로 유리창을 파괴하여 비상탈출을 하는데 큰 도움이 되지 못하는 문제가 있다.
따라서, 유리 파괴시에 강한 힘을 요구하지 않고, 제한된 공간에서도 필요시에 효과적으로 유리 파괴가 가능한 새로운 유리 파괴 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2001-0000848호 대한민국 공개특허 제10-2015-0143047호 대한민국 공개특허 제10-2011-0048232호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 유리 파괴 장치의 문제를 해결하기 위한 것으로, 나노고에너지 복합체 분말을 유리 파괴 장치의 연소실에 적재하여 점화한 후 생성되는 폭발 압력을 이용하여 유리를 파괴하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 알루미늄(Al)과 산화구리(CuO) 기반 나노분말을 특정 비율로 혼합하여 나노고에너지 복합체 분말을 제조하고 이를 유리 파괴 장치의 연소실에 적재하여 전기적 스파크로 점화한 후 생성되는 폭발 압력을 이용하여 최종적으로 강화유리 파괴하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 압전점화기에 의해 발생하는 전기 스파크(Spark)에 의해 충진 카트리지에 충진된 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 점화되어 폭발압력이 발생하고, 이때 생성된 강한 폭발압력이 파괴 장치 팁의 머리 부분을 강하게 눌러주어 강철 팁을 가속시키고 가속된 강철 팁이 강한 압력으로 유리와 충돌하여 유리를 파괴하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 유리 파괴 장치의 하부에 위치하고 내부에 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 탑재되는 충진 카트리지가 결합되는 하부 케이스를 사용 이후에 다시 교체하여 유리 파괴 장치의 재사용이 가능하도록 한 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 충진되는 충진 카트리지의 크기를 변경하여 폭발 압력을 제어할 수 있도록 하여 동일 형태의 설계 변경에 의해 유리 파괴 장치의 대형화 및 소형화가 용이하도록 한 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 충진되는 충진 카트리지의 종횡비 또는 충진 영역의 형태를 다르게 하여 폭발 압력이 유리에 전달되는 형태를 제어하여 파괴 대상의 특성에 맞는 유리 파괴 장치를 제공할 수 있도록 한 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 nEMs의 충진량 및 금속/산화제 종류에 따른 폭발 압력 제어가 가능하고, 강화유리와 비슷한 강도를 갖는 다양한 구조체의 파괴를 가능하도록 한 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 나노고에너지 복합체 분말을 유리 파괴 장치의 연소실에 적재하여 점화한 후 생성되는 폭발 압력을 이용하여 유리를 파괴하는 것에 의해 유리 파괴시에 강한 힘을 요구하지 않고, 제한된 공간에서도 필요시에 효과적으로 유리 파괴가 가능한 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치는 스파크 발생을 위한 압전 점화기가 내부에 위치하는 상부 케이스;상기 상부 케이스의 하부에 결합되고 압전 점화기의 스파크에 의해 폭발 압력을 발생하는 나노고에너지 복합체 분말이 충진되는 충진 카트리지 및, 나노고에너지 복합체 분말의 폭발 압력에 의해 외부 유리와 충돌하는 브레이커 팁이 내부에 위치하는 하부 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치는 점화 버튼이 상부 쪽으로 돌출되어 위치하고 상부 케이스의 내부에 결합되어 하부에 나노고에너지 복합체 분말을 점화시키기 위한 스파크 팁을 갖는 압전 점화기;압전 점화기가 상부 케이스의 내부에 결합되어 고정되도록 상부 케이스의 상단부에 체결되는 상부 헤드;상부 케이스의 하부에 결합되는 하부 케이스의 내부에 위치하고, 압전 점화기의 작동에 의해 스파크 팁을 통한 스파크에 의해 점화되어 폭발 압력을 발생하는 나노고에너지 복합체 분말이 충진되는 충진 카트리지;충진 카트리지의 하단을 압축 스프링에 의해 막아 연소실 공간을 유지하고, 나노고에너지 복합체 분말의 점화에 의한 폭발 압력 발생시에 하부 케이스의 외부로 팁 끝단부가 가속 돌출되어 외부 유리와 충돌하는 브레이커 팁;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상부 케이스는, 내부에 압전 점화기를 수용하는 수용 공간을 갖는 상부 케이스 본체와,상부 케이스 본체의 상단 오픈 영역의 내면에 위치하여 압전 점화기가 고정되는 상부 헤드와 나사식으로 체결되도록 하는 체결 수단과,상부 케이스 본체의 하단에 위치하여 폭발 압력에 의해 충진 카트리지가 상부 케이스 방향으로 상승되지 않도록 하는 걸림턱 및 외면에 하부 케이스와 결합을 위한 나사식 체결 수단을 갖는 하부 구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 하부 케이스는, 내부에 충진 카트리지 및 브레이커 팁을 수용하는 수용 공간을 갖는 하부 케이스 본체와,하부 케이스 본체의 상단 오픈 영역의 내면에 위치하여 상부 케이스의 하단과 나사식으로 체결되도록 하는 체결 수단과,하부 케이스 본체의 하단 바닥면 중앙에 관통홀 형태를 갖고 폭발 압력에 의해 브레이커 팁이 외부 유리와 가속 충돌되도록 하는 하부 관통홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 브레이커 팁은, 충진 카트리지의 하단을 압축 스프링에 의해 막아 연소실 공간을 유지하는 상단 구조체와,상단 구조체와 일체로 구성되어 상단 구조체가 받는 폭발 압력에 의해 하부 케이스의 하부 관통홀을 통하여 외부로 가속 이동되어 외부 유리와 충돌하는 팁 구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 충진 카트리지는, 상단 돌출부의 중앙부에 형성되어 스파크 팁이 충진 카트리지에 의해 유지되는 연소실 내부에 위치되도록 스파크 팁이 지나는 관통홀과,상단 돌출부보다 넓은 직경을 갖고 내부에 나노고에너지 복합체 분말이 충진되는 충진 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 충진 카트리지는, 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 충진되는 충진 영역의 종횡비 또는 충진 영역의 형태를 다르게 하여 파괴 대상의 특성에 맞도록 폭발 압력이 유리에 전달되도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 충진 카트리지는, 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 충진되는 충진 영역의 종횡비를 세로 크기가 가로 크기보다 크게 하거나, 충진 영역의 종횡비를 가로 크기가 세로 크기보다 크게 하거나, 충진 영역의 형태가 브레이커 팁의 상단 구조체에 가까워질수록 영역 크기가 커지도록 하거나, 충진 영역의 형태가 브레이커 팁의 상단 구조체에 가까워질수록 계단 형태를 갖고 커지도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 충진 카트리지는, 서로 나사 결합되는 두 개의 구조체로 제작하여 파괴 대상되는 유리 특성에 맞게 충진 영역의 크기를 가변하여 결합시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
그리고 충진 카트리지에 충진되는 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)은, 금속연료(Fuel Metal) 물질로 Al 또는 Mg을 사용하고, 산화제(Oxidizer) 물질로 CuO 또는 Fe2O3 또는 KMnO4 를 사용하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 방법은 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을 제조하는 단계;유리 파괴 장치의 충진 카트리지에 나노고에너지 복합체 분말을 충진하는 단계;유리 파괴 장치의 압전점화기 버튼을 눌러 전기 스파크를 발생시켜 충진된 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)을 점화하는 단계;나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 점화되어 생성된 폭발압력이 브레이커 팁에 가해져 브레이커 팁을 외부 방향으로 가속하는 단계;가속된 브레이커 팁이 유리 파괴 장치의 외부로 가속 돌출 이동하여 유리와 충돌하면서 유리를 균열시켜 파괴하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 나노고에너지 복합체 분말을 유리 파괴 장치의 연소실에 적재하여 점화한 후 생성되는 폭발 압력을 이용하여 비상시에 유리를 효과적으로 파괴할 수 있다.
둘째, 유리 파괴 장치의 하부에 위치하고 내부에 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 탑재되는 충진 카트리지가 결합되는 하부 케이스를 사용 이후에 다시 교체하여 유리 파괴 장치의 재사용이 가능하도록 한다.
셋째, 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 충진되는 충진 카트리지의 크기를 변경하여 폭발 압력을 제어할 수 있도록 하여 동일 형태의 설계 변경에 의해 유리 파괴 장치의 대형화 및 소형화가 용이하도록 한다.
넷째, 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 충진되는 충진 카트리지의 종횡비 또는 충진 영역의 형태를 다르게 하여 폭발 압력이 유리에 전달되는 형태를 제어하여 파괴 대상의 특성에 맞는 유리 파괴 장치를 제공할 수 있다.
다섯째, nEMs의 충진량 및 금속/산화제 종류에 따른 폭발 압력 제어가 가능하고, 강화유리와 비슷한 강도를 갖는 다양한 구조체의 파괴를 가능하도록 한다.
여섯째, 나노고에너지 복합체 분말을 유리 파괴 장치의 연소실에 적재하여 점화한 후 생성되는 폭발 압력을 이용하여 유리를 파괴하는 것에 의해 유리 파괴시에 강한 힘을 요구하지 않고, 제한된 공간에서도 필요시에 효과적으로 유리 파괴가 가능하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치의 제조 과정을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체 분말의 입자 형상 분석 결과를 나타낸 이미지 구성도
도 3은 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치의 전체 구성도
도 4a내지 도 4d는 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치의 각각의 세부 구성도
도 5a내지 도 5e는 본 발명에 따른 충진 카트리지의 실시 예를 나타낸 구성도
도 6은 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치의 제조 및 파괴 과정을 나타낸 플로우 차트
도 7은 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치를 이용한 파괴 과정을 나타낸 구성도
도 8은 본 발명에 따른 유리 파괴 장치를 이용한 강화 유리 파괴 실험 및 연속 정지 이미지 구성도
이하, 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치의 제조 과정을 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체 분말의 입자 형상 분석 결과를 나타낸 이미지 구성도이다.
본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치 및 방법은 알루미늄(Al)과 산화구리(CuO) 기반 나노분말을 특정 비율로 혼합하여 나노고에너지 복합체 분말을 제조하고 이를 유리 파괴 장치의 연소실에 적재하여 전기적 스파크로 점화한 후 생성되는 폭발 압력을 이용하여 최종적으로 강화유리 파괴하는 것이다.
본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치는 압전점화기에 의해 발생하는 전기 스파크(Spark)에 의해 충진 카트리지에 충진된 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 점화되어 폭발압력이 발생하고, 이때 생성된 강한 폭발압력이 파괴 장치 팁의 머리 부분을 강하게 눌러주어 강철 팁을 가속시키고 가속된 강철 팁이 강한 압력으로 유리와 충돌하여 유리를 파괴하는 것이다.
본 발명에 따른 유리 파괴 장치는 비상시에 보다 효율적으로 유리를 파괴할 수 있도록 하기 위하여 나노고에너지 물질 복합체를 이용한 폭발 압력을 이용한다.
고에너지물질(Energetic Materials, EMs)은 금속연료(Fuel Metal)와 산화제(Oxidizer)로 구성되어 있으며 외부에서 인가되는 에너지에 의하여 화학에너지가 급격하게 열에너지로 변화하는 물질로써 폭발물, 화약, 고체추진제 등에 사용되고 있다.
특히, 나노스케일의 고에너지물질은(Nanoenergetic Materials, nEMs)은 마이크로스케일의 고에너지물질(Microenergetic Materials, mEMs)에 비하여 매우 높은 열에너지 방출률과 높은 폭발압력을 생성할 수 있기 때문에 최근에 세계 각국에서 에너지 방출률과 폭발압력을 더욱 향상시키기 위한 최신 연구들이 많이 진행되고 있다.
이와 같이 본 발명은 나노고에너지물질이 점화 시 폭발로 발생하는 압력을 이용하여 불의의 사고 등으로 인한 화재 발생 등과 같은 비상시에 차량, 선박, 비행기용 강화유리를 파괴하고 탑승객의 안정적인 탈출을 도울 수 있는 휴대용 강화유리 파괴 장치를 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명의 일 실시 예에서는 알루미늄(Al)과 산화구리(CuO) 기반 나노분말을 특정 비율로 혼합하여 나노고에너지 복합체 분말을 제조하고 이를 유리 파괴 장치의 연소실에 적재하여 전기적 스파크로 점화한 후 생성되는 폭발 압력을 이용하여 최종적으로 강화유리 파괴 시험을 수행하였다.
본 발명에서 제조된 나노고에너지 복합체 물질을 비상시 유리 파괴 장치에 적용하여 테스트한 결과 강화유리를 효괴적으로 파괴할 수 있었다.
이하의 설명에서 본 발명에 따른 유리 파괴 장치에 적용하는 나노고에너지 복합체 분말을 Al/CuO 기반 나노고에너지 복합체 물질을 제조하여 사용하는 것으로 설명하였으나, 이로 한정되지 않고, 점화 시 폭발 특성을 갖는 다양한 금속(예. Al, Mg 등)과 산화제 분말(예. CuO, Fe2O3, KMnO4 등)로 확장하여 사용할 수 있음은 당연하다.
먼저, 본 발명에 따른 Al/CuO 기반 나노고에너지 복합체 물질의 제조 및 유리 파괴 장치의 제작에 관하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시 예에서는 나노고에너지물질(nEMs)의 구성성분으로 연료금속(Fuel Metal) 물질로는 평균직경 ~100nm를 갖는 알루미늄(Al) 나노분말을 사용하였고, 산화제(Oxidizer) 물질로는 평균직경 ~100nm를 갖는 산화구리(CuO) 나노분말을 사용하였다.
도 1은 나노고에너지물질(예. Al/CuO-based Nanoenergetic Materials, nEMs) 복합체 분말 제조 공정과 비상시 유리 파괴 장치 적용의 일 예를 나타낸 것이다.
도 1에서와 같이, 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을, Al 나노분말과 CuO 나노분말을 Al NP:CuO NP=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 통해 균질하게 혼합한 후, 본 용액을 대류형 건조기(Convective Oven)를 이용해 80℃에서 30분간 건조하여 에탄올 용액을 완전히 증발시켜 최종적으로 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말 제조한다.
이와 같이 제조된 나노고에너지 복합체 분말은 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM) 및 투과전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM)을 이용하여 입자 형상을 분석하면 도 2에서와 같다.
도 2의 (a)(b)는 각각 Al 나노분말과 CuO의 나노분말의 SEM 사진으로 각각 평균직경 ~100nm의 구형입자임을 관찰할 수 있다.
도 2의 (c)(d)는 나노고에너지 복합체 분말의 TEM 사진으로 Al 나노입자와 CuO 나노입자가 매우 근접하여 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치의 전체 구성도이고, 도 4a내지 도 4d는 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치의 각각의 세부 구성도이다.
본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치는 크게 폭발을 스파크 발생을 위한 압전 점화기가 내부에 위치하는 상부 케이스(35)와, 상부 케이스(35)의 하부에 결합되고 압전 점화기의 스파크에 의해 폭발 압력을 발생하는 나노고에너지 복합체 분말이 충진되는 충진 카트리지 및 폭발 압력에 의해 외부 유리와 충돌하는 브레이커 팁이 내부에 위치하는 하부 케이스(36)로 구성된다.
구체적으로, 비상시 사용자의 누름에 의해 압전 점화기를 작동시키는 점화 버튼(31)이 상부 쪽으로 돌출되어 위치하고 상부 케이스(35)의 내부에 결합되어 하부에 나노고에너지 복합체 분말을 점화시키기 위한 스파크 팁(34)을 갖는 압전 점화기(33)와, 압전 점화기(33)가 상부 케이스(35)의 내부에 결합되어 고정되도록 상부 케이스(35)의 상단부에 체결되는 상부 헤드(32)와, 상부 케이스(35)의 하부에 결합되는 하부 케이스(36)의 내부에 위치하고, 압전 점화기(33)의 작동에 의해 스파크 팁(34)을 통한 스파크에 의해 점화되어 폭발 압력을 발생하는 나노고에너지 복합체 분말이 충진되는 충진 카트리지(37)와, 충진 카트리지(37)의 하단을 압축 스프링(39)에 의해 막아 연소실 공간을 유지하고, 나노고에너지 복합체 분말의 점화에 의한 폭발 압력 발생시에 하부 케이스(36)의 외부로 팁 끝단부가 가속 돌출되어 외부 유리와 충돌하는 브레이커 팁(38)을 포함한다.
여기서, 상부 케이스(35)와 하부 케이스(36)는 외경이 동일하고, 나사식으로 결합될 수 있고, 다른 형태로 결합될 수 있음은 당연하다.
그리고 상부 케이스(35)의 하부에는 충진 카트리지(37)의 상단 돌출부의 일부가 내부로 밀착 결합되는 관통홀을 갖고, 폭발 압력에 의해 충진 카트리지(37)가 상부 케이스(35) 방향으로 상승되지 않도록 하는 걸림턱 구조를 갖는다.
이와 같은 구조에 의해 폭발 압력이 상단으로 향하지 않고 외부 유리가 위치한 하단으로 모두 향하여 폭발 압력이 모두 브레이커 팁(38)이 받을 수 있도록 한다.
그리고 충진 카트리지(37)의 상단 돌출부의 중앙부에는 스파크 팁(34)이 충진 카트리지(37)에 의해 유지되는 연소실 내부에 위치되도록 스파크 팁(34)이 지나는 관통홀을 갖는다.
그리고 본 발명에 따른 유리 파괴 장치 상부의 압전 점화기(33)는 현재 상용화 중인 제품(Piezo igniter, Ningbo Henghui Sensor Technology Co., Ltd., China)을 사용할 수 있고 이로 제한되지 않는다.
그리고 상부 케이스(35)와 하부 케이스(36)는 스테인레스강 소재로 제작될 수 있고, 브레이커 팁(38)은 강철 소재, 나노고에너지 복합체 분말을 충진하는 충진 카트리지(37)는 테프론 소재(Teflon Cartridge)로 제작될 수 있고 이로 제한되지 않는다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치의 각 구성부의 상세 구성은 다음과 같다.
도 4a는 본 발명에 따른 유리 파괴 장치의 상부 케이스(35)의 상세 구성을 나타낸 것이다.
상부 케이스(35)는 내부에 압전 점화기(33)를 수용하는 수용 공간을 갖는 상부 케이스 본체(41a)와, 상부 케이스 본체(41a)의 상단 오픈 영역의 내면에 위치하여 압전 점화기(33)가 고정되는 상부 헤드(32)와 나사식으로 체결되도록 하는 체결 수단(41b)과, 상부 케이스 본체(41a)의 하단에 위치하여 폭발 압력에 의해 충진 카트리지(37)가 상부 케이스(35) 방향으로 상승되지 않도록 하는 걸림턱 및 외면에 하부 케이스(36)와 결합을 위한 나사식 체결 수단을 갖는 하부 구조체(41c)을 포함한다.
도 4b는 본 발명에 따른 유리 파괴 장치의 하부 케이스(36)의 상세 구성을 나타낸 것이다.
하부 케이스(36)는 내부에 충진 카트리지(37) 및 브레이커 팁(38)을 수용하는 수용 공간을 갖는 하부 케이스 본체(42a)와, 하부 케이스 본체(42a)의 상단 오픈 영역의 내면에 위치하여 상부 케이스(35)의 하단과 나사식으로 체결되도록 하는 체결 수단(42b)과, 하부 케이스 본체(42a)의 하단 바닥면 중앙에 관통홀 형태를 갖고 폭발 압력에 의해 브레이커 팁(38)이 외부 유리와 가속 충돌되도록 하는 하부 관통홀(42c)을 갖는다.
도 4c는 본 발명에 따른 유리 파괴 장치의 브레이커 팁(38)의 상세 구성을 나타낸 것이다.
브레이커 팁(38)은 충진 카트리지(37)의 하단을 압축 스프링(39)에 의해 막아 연소실 공간을 유지하는 상단 구조체(43a)와, 상단 구조체(43a)와 일체로 구성되어 상단 구조체(43a)가 받는 폭발 압력에 의해 하부 케이스(36)의 하부 관통홀(42c)을 통하여 외부로 가속 이동되어 외부 유리와 충돌하는 팁 구조체(43b)를 포함한다.
팁 구조체(43b)의 끝단부는 첨두 부분과 기둥 부분이 45°의 경사를 갖는 것이 바람직하나 이로 제한되지 않는다.
도 4d는 본 발명에 따른 유리 파괴 장치의 충진 카트리지(37)의 상세 구성을 나타낸 것이다.
충진 카트리지(37)는 상단 돌출부의 중앙부에 형성되어 스파크 팁(34)이 충진 카트리지(37)에 의해 유지되는 연소실 내부에 위치되도록 스파크 팁(34)이 지나는 관통홀(44a)과, 상단 돌출부보다 넓은 직경을 갖고 내부에 나노고에너지 복합체 분말이 충진되는 충진 영역(44b)을 포함한다.
여기서, 충진 카트리지(37)는 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 충진되는 충진 영역의 종횡비 또는 충진 영역의 형태를 다르게 하여 폭발 압력이 유리에 전달되는 형태를 제어하여 파괴 대상의 특성에 맞는 유리 파괴 장치를 제공할 수 있도록 제작될 수 있다.
도 5a내지 도 5e는 본 발명에 따른 충진 카트리지의 실시 예를 나타낸 구성도이다.
먼저, 도 5a는 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 충진되는 충진 영역의 종횡비를 세로 크기가 가로 크기보다 크게 하여 폭발 압력의 지속 시간보다 폭발 압력의 집중 세기에 중점을 둔 형태이다.
그리고 도 5b는 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 충진되는 충진 영역의 종횡비를 가로 크기가 세로 크기보다 크게 하여 폭발 압력의 집중 세기보다 폭발 압력의 지속 시간에 중점을 둔 형태이다.
도 5c는 충진 영역의 형태가 브레이커 팁(38)의 상단 구조체(43a)에 가까워질수록 영역 크기가 커지도록 하여 폭발 압력이 선형적으로 증가하도록 한 형태이다.
그리고 도 5d는 충진 영역의 형태가 브레이커 팁(38)의 상단 구조체(43a)에 가까워질수록 계단 형태를 갖고 커지도록 하여 폭발 압력이 단계적으로 증가하도록 한 형태이다.
그리고 도 5e는 충진 카트리지를 하나의 구조체가 아닌 서로 나사 결합되는 두 개의 구조체로 제작하여 파괴 대상되는 유리 특성에 맞게 충진 영역의 크기를 가변하여 결합시킬 수 있도록 한 것이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치의 전체 제작 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치의 제조 및 파괴 과정을 나타낸 플로우 차트이고, 도 7은 본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치를 이용한 파괴 과정을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치의 제조 및 파괴 과정은 도 6에서와 같이, Al 나노분말과 CuO 나노분말을 Al NP:CuO NP=30:70 wt%의 질량비율로 혼합하는 단계(S601)와, 에탄올 용액에 분산하여 30분간 초음파처리를 통해 균질하게 혼합하는 단계(S602)와, 건조하여 에탄올 용액을 완전히 증발시켜 최종적으로 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을 제조하는 단계(S603)와, 유리 파괴 장치에 나노고에너지 복합체 분말을 충진하는 단계(S604)와, 압전점화기 버튼을 눌러 전기 스파크(Spark)를 발생시켜 충진된 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)을 점화하는 단계(S605)와, 생성된 강한 폭발압력이 파괴 장치 팁의 머리 부분을 강하게 눌러 강철 팁을 가속하는 단계(S606)와, 가속된 강철 팁이 강한 압력으로 유리와 충돌하면서 유리를 균열시켜 파괴하는 단계(S607)를 포함한다.
본 발명에 따른 유리 파괴 장치의 작동 원리는 도 7에서와 같이, 압전점화기 버튼을 누를 때 발생하는 전기 스파크(Spark)에 의해 충진 카트리지에 충진된 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 점화되고 이어서 빠르게 폭발압력이 발생한다.
이때 생성된 강한 폭발압력이 파괴 장치 팁의 머리 부분을 강하게 눌러주어 결과적으로 뾰족한 강철 팁을 가속시키게 되고 이렇게 가속된 강철 팁이 강한 압력으로 유리와 충돌하면서 최종적으로 유리가 균열을 일으키며 파괴된다.
도 8은 본 발명에 따른 유리 파괴 장치를 이용한 강화 유리 파괴 실험 및 연속 정지 이미지 구성도이다.
도 8은 (a)상용화된 유리 파괴 장치와 (b)본 발명에 따른 나노고에너지 복합체 분말을 적용한 유리 파괴 장치의 유리 파괴 실험 결과를 비교한 것이다.
실험에 사용된 강화유리는 KCC(Keumgang Corea Chemical, Korea)에서 제조된 차량용 강화유리(두께: 3.5 mm)로 특수 보호 필름이 부착되어 있다.
도 8의 (a)는 상용화된 스프링 압축력 기반 유리 파괴 장치(Ztylus USB Emergency Escape Tool, USA)에 의해 강화유리 파괴 테스트를 한 결과 특정 표점에 적절한 스프링 압력이 가해지면서 유리판에 균열이 발생하고 성공적으로 파괴됨을 관찰할 수 있었다.
그리고 본 발명에서 개발한 비상용 유리 파괴 장치의 경우에는 나노고에너지 복합체 분말 약 10mg을 충진 카트리지에 충진하고, 강화유리의 파괴 테스트 실험을 수행하였다.
도 8의 (b)의 연속 정지이미지에서 보는 바와 같이 강화유리는 압전점화기 버튼을 누름과 거의 동시에 유리 파괴 장치 팁에서 강한 파열음이 발생하고 연속적으로 유리 전체적으로 균열이 진행되면서 최종적으로 강화유리판이 불과 1초 내에 완전히 파괴가 됨을 확인할 수 있었다.
최대 100mg까지 나노고에너지 복합체 분말을 충진하며 테스트 한 결과 나노고에너지 복합체 물질의 양을 증가시킬수록 점화 시 생성되는 폭발압력이 증가하여 훨씬 더 강력하고 빠르게 강화유리를 파괴시키는 것을 관찰하였다.
이와 같이 본 발명에서는 나노고에너지 복합체 분말을 적용하고 이들의 전기적 점화 시 폭발에 의해서 발생하는 순간적인 폭발 압력을 이용한 새로운 형태의 유리 파괴 장치를 설계, 제작 및 구현하였다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
31. 점화 버튼 32. 상부 헤드
33. 압전 점화기 34. 스파크 팁
35. 상부 케이스 36. 하부 케이스
37. 충진 카트리지 38. 브레이커 팁
39. 압축 스프링

Claims (11)

  1. 스파크 발생을 위한 압전 점화기가 내부에 위치하는 상부 케이스;
    상기 상부 케이스의 하부에 결합되고 압전 점화기의 스파크에 의해 폭발 압력을 발생하는 나노고에너지 복합체 분말이 충진되는 충진 카트리지 및, 나노고에너지 복합체 분말의 폭발 압력에 의해 외부 유리와 충돌하는 브레이커 팁이 내부에 위치하는 하부 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치.
  2. 점화 버튼이 상부 쪽으로 돌출되어 위치하고 상부 케이스의 내부에 결합되어 하부에 나노고에너지 복합체 분말을 점화시키기 위한 스파크 팁을 갖는 압전 점화기;
    압전 점화기가 상부 케이스의 내부에 결합되어 고정되도록 상부 케이스의 상단부에 체결되는 상부 헤드;
    상부 케이스의 하부에 결합되는 하부 케이스의 내부에 위치하고, 압전 점화기의 작동에 의해 스파크 팁을 통한 스파크에 의해 점화되어 폭발 압력을 발생하는 나노고에너지 복합체 분말이 충진되는 충진 카트리지;
    충진 카트리지의 하단을 압축 스프링에 의해 막아 연소실 공간을 유지하고, 나노고에너지 복합체 분말의 점화에 의한 폭발 압력 발생시에 하부 케이스의 외부로 팁 끝단부가 가속 돌출되어 외부 유리와 충돌하는 브레이커 팁;을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상부 케이스는,
    내부에 압전 점화기를 수용하는 수용 공간을 갖는 상부 케이스 본체와,
    상부 케이스 본체의 상단 오픈 영역의 내면에 위치하여 압전 점화기가 고정되는 상부 헤드와 나사식으로 체결되도록 하는 체결 수단과,
    상부 케이스 본체의 하단에 위치하여 폭발 압력에 의해 충진 카트리지가 상부 케이스 방향으로 상승되지 않도록 하는 걸림턱 및 외면에 하부 케이스와 결합을 위한 나사식 체결 수단을 갖는 하부 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 하부 케이스는,
    내부에 충진 카트리지 및 브레이커 팁을 수용하는 수용 공간을 갖는 하부 케이스 본체와,
    하부 케이스 본체의 상단 오픈 영역의 내면에 위치하여 상부 케이스의 하단과 나사식으로 체결되도록 하는 체결 수단과,
    하부 케이스 본체의 하단 바닥면 중앙에 관통홀 형태를 갖고 폭발 압력에 의해 브레이커 팁이 외부 유리와 가속 충돌되도록 하는 하부 관통홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 브레이커 팁은,
    충진 카트리지의 하단을 압축 스프링에 의해 막아 연소실 공간을 유지하는 상단 구조체와,
    상단 구조체와 일체로 구성되어 상단 구조체가 받는 폭발 압력에 의해 하부 케이스의 하부 관통홀을 통하여 외부로 가속 이동되어 외부 유리와 충돌하는 팁 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 충진 카트리지는,
    상단 돌출부의 중앙부에 형성되어 스파크 팁이 충진 카트리지에 의해 유지되는 연소실 내부에 위치되도록 스파크 팁이 지나는 관통홀과,
    상단 돌출부보다 넓은 직경을 갖고 내부에 나노고에너지 복합체 분말이 충진되는 충진 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 충진 카트리지는,
    나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 충진되는 충진 영역의 종횡비 또는 충진 영역의 형태를 다르게 하여 파괴 대상의 특성에 맞도록 폭발 압력이 유리에 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 충진 카트리지는,
    나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 충진되는 충진 영역의 종횡비를 세로 크기가 가로 크기보다 크게 하거나,
    충진 영역의 종횡비를 가로 크기가 세로 크기보다 크게 하거나,
    충진 영역의 형태가 브레이커 팁의 상단 구조체에 가까워질수록 영역 크기가 커지도록 하거나,
    충진 영역의 형태가 브레이커 팁의 상단 구조체에 가까워질수록 계단 형태를 갖고 커지도록 하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 충진 카트리지는,
    서로 나사 결합되는 두 개의 구조체로 제작하여 파괴 대상되는 유리 특성에 맞게 충진 영역의 크기를 가변하여 결합시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 충진 카트리지에 충진되는 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)은,
    금속연료(Fuel Metal) 물질로 Al 또는 Mg을 사용하고,
    산화제(Oxidizer) 물질로 CuO 또는 Fe2O3 또는 KMnO4 를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 장치.
  11. 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을 제조하는 단계;
    유리 파괴 장치의 충진 카트리지에 나노고에너지 복합체 분말을 충진하는 단계;
    유리 파괴 장치의 압전점화기 버튼을 눌러 전기 스파크를 발생시켜 충진된 나노고에너지 복합체 분말(nEMs)을 점화하는 단계;
    나노고에너지 복합체 분말(nEMs)이 점화되어 생성된 폭발압력이 브레이커 팁에 가해져 브레이커 팁을 외부 방향으로 가속하는 단계;
    가속된 브레이커 팁이 유리 파괴 장치의 외부로 가속 돌출 이동하여 유리와 충돌하면서 유리를 균열시켜 파괴하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지 물질 복합체를 이용하는 유리 파괴 방법.
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