역사적으로 과학자들은 organic chemical synthesis 분야에서, 새로운 물질의 개발을 탐색하고 다양한 속성을 가진 다양한 에너지물질을 발견하였다. Explosive, propellants 및 pyrotechnics는 탄약, 광업, 유정 천공, 건설 및 철거 산업에 수백 년 동안 사용되어온 에너지물질로서, 각각의 산업분야에서는 보다 우수한 성능과 개선된 감도(Sensitivity) 특성을 나타내며, 생산성 및 품질이 우수하고, 제조공정이 쉬운, 안전한 에너지 재료를 개발하고 있다.
화합물 중 일부는 19세기 에너지 특성이 발견되기 전에 상업적 용도로 사용되었으며, 제 1 차 세계 대전과 제 2 차 세계 대전 동안 에너지물질 개발은 일진월보했다.
Hydrazine(N2H4)은 일반적인 우주선 추진과 궤도수정 추력기의 추진제로 가장 일반적으로 사용되고 있다. 전형적인 electric solenoid valve, pressurant tank 그리고 iridium(Shell 405)이 함침된 alumina pellet의 촉매장치로 구성된, hydrazine 추력기들은 단순 설계 방식의 구조 특징이 있으며, 신뢰성이 높다. 또한, 220초 이상의 진공상태 조건 비추력(Isp)을 제공한다. 일반적인 hydrazine 추력기 설계에서, 촉매장치는 ammonia, hydrogen, nitrogen 가스가 1,600 J/g이상 발생되면서 발열반응 분해화가 시작된다. Shell 405 촉매제를 이용한 hydrazine 분해는 촉매장치에 추가적인 열 공급 없이 진행될 수 있지만, 추력기 설계시 안전하고 신뢰할 수 있는 점화환경과 일관된 연소 효율을 확보하기 위해서 촉매장치를 예열한다. 그러나, hydrazine은 심각한 환경 문제들을 제기하는 강력한 환원제(Reducing agent)로, 인간의 생체조직을 심각하게 파괴하는 고위험성 발암물질이다. Hydrazine에 노출시 역 침투성 효과로 인해 간, 신장, 신경계와 적혈구의 손상을 발생을 일으킨다.
이런 생물학적 그리고 독성 영향들 이외에, hydrazine은 우주선과 발사용 로켓에 중대한 환경 위험성을 발생시켰다. 추력시스템 뇌관의 인접 폭발과 같이, 급열이나 심각한 충격에 노출되면, hydrazine은 폭발할 가능성이 있다. Adapter ring 내에 있는 linear charge에 의해서 폭발이 발생되며, 이것은 냉각산소에 의해서 보강된 고체 hydrazine의 압력변화에 따른 현상으로 의심되고 있다. 또한, hydrazine은 실온에서 대략 1,000 kPa(145 psia)의 매우 높은 증기압을 갖는다. 이런 높은 증기압은 많은 양의 증기를 발생 시키며, 그로 인한 현장내의 호흡기 문제와 같은 위험성을 제기한다. Hydrazine을 취급하는 모든 곳에서는 SCAPE(Self Contained Atmospheric Protective Ensemble) 보호장치를 구비하여야 하지만, SCAPE 개인보호장비(PPE)의 사용에 대한 정비는 복잡하며 그리고 이 모든 사항을 준수하며 연료를 탑재 시 상당한 시간을 소비하게 된다.
절차들을 반영하여, hydrazine을 보호구역과 로켓시설물에서 정부나 방위업체의 엄격한 통제에 안전하게 관리를 하더라도, hydrazine의 독성과 폭발 잠재력을 저감시킬 엄격한 취급 예비 조치들이 추가적으로 필요할 것이다. 계속적으로 늘어나는 취급규제 부담으로, hydrazine 운송, 저장, 정비와 돌발적 배출의 제거와 연관된 인프라 요건의 비용이 상당히 소요되고 있다. 소형통신위성 운영들이 정부 운영 기관들에서 벗어난 민간 기업들이나 대학들로 계속 이전되고 있기 때문에, 추진제로 hydrazine을 계속 적용시 문제는 더욱더 증가할 것이다. 즉, 민간우주 시스템으로서 hydrazine의 운영은 사실상 실현 불가능하다. 게다가, 이런 극도의 취급조건은 secondary payloads를 위한 추진제로서 hydrazine을 선호하지 않는다. ESA/ESTEC(European Space Research and Technology Center)의 최근 연구는 저비용 우주진입의 달성을 위한 두 가지 기본적 설계요소를 확인하고 있다. 1)Reduced production, operational, and transport costs due to lower propellant toxicity and explosion hazards, 2) Reduced costs due to an overall reduction in subsystems complexity and overall systems interface complexity 이다. 그 연구에서 취급 절차들과 정비 그리고 추진제 분야를 단순화함으로써 상당한 운영비의 절약에 대한 예측자료를 제시하였으며, hydrazine 대비 비독성이며, 안정적인 “Green propellant” 연구를 강조하였다. ESA/ESTEC 권장사항들이 NASA의 우주 추진력 시스템 지침인 ISPSR(In-Space Propulsion Systems Roadmap) TA02.1.1.1의 액상추진제에 대한 정의 및 사항이 조정되고 있다. ISPSR의 핵심요소는 우주선 추진제로 발생되는 문제점을 확인하고, “less hazardous, less toxic” 대체물질 개발을 권장한다. 최근에 NASA는 친환경 추진제 소재(HAN)를 활용한 추력기 시스템개발과 미국 대학기관과의 협력이 증대되고 있으며, 유럽 또한 ADN을 기반으로 한 친환경 추진제 개발이 완성단계에 도달했다.
현재, 대한민국은 우주개발 선진국 진입을 위해 국내 기술 개발을 이뤄야 하는 액상추진제와 이를 활용한 인공위성 및 발사체 자세제어용 추력기 분야에 대한 발전이 미미하고, 맹독성 hydrazine 추진제 개발에 치중되어 있으며, 관련 연구가 부족한 상태이다.
본 연구는 실제적으로 적용이 가능하며, 검증된 dinitramide[-N(NO2)2] 이온을 기초한 친환경 산화제인 ammonium dinitramide의 개발 그리고 2차 폭발물뿐만 아니라, 액상추진제의 첨가제로 활용 가능한 dinitramide 화합물을 합성하여 현재 국내 미개척 분야인 로켓연료 연료물질의 진일보한 발전을 이루고자 한다.

Explosives, propellants, and pyrotechnics are energetic materials that have been utilized for the munitions, mining, oil well perforation, construction, and demolition industries for hundreds of years. In each of these industries, the trend has been to develop and acquire energetic materials that display greater performance and improved sensitivity characteristics, that are less expensive and of better quality, and that are easy and safe to manufacture. Historically, scientists have explored the development of new materials through organic chemical synthesis that resulted in the identification of many energetic materials with varying properties. Several of these compounds were originally intended for commercial applications before their energetic properties were discovered the early 1800s. And then, there was much progress in the development of energetic materials during World War I and II.
Hydrazine(N2H4) is by far the most commonly used propellant for primary spacecraft propulsion and attitude control thrusters. Hydrazine thrusters, which typically consist of an electric solenoid valve, a pressurant tank, and a catalyst bed of alumina pellets impregnated with iridium, feature simple design architectures, are highly reliable, and offer vacuum specific impulse(Isp) exceeding 220 seconds. Unfortunately, hydrazine is a powerful reducing agent that poses serious environmental concerns. Hydrazine is extremely destructive to living tissues and is a probable human carcinogen. Exposure produces a variety of adverse systemic effects including damage to liver, kidneys, nervous system, and red blood cells. In addition to these biological and toxicological impacts, hydrazine presents significant environmental dangers for the spacecraft and launch vehicle.
The main oxidizing compounds used in composite propellant manufacturing are ammonium perchlorate(AP) and ammonium nitrate(AN). Aluminized composite propellants with polybutadiene binder and ammonium perchlorate as oxidizer (HTPB/AP/Al) have been extremely used in solid space propulsion. Owing to the cheapness and suitability of the raw materials, the use of AP-based propellants is likely to continue for large scale. The high purity of AP and perfectly controlled grain performance of AP-based propellant are the important characteristic parameters that make AP as one of the most common oxidizers. The explosive salts of perchloric acid are considerably more stable and safer to handle as compared to their chlorate analogues. However, during the propellant combustion, a large amount of HCl gas and other chlorine compounds are generated in the motor exhaust. With the moisture in air, these by-products of combustion of the propellant fuel produce an intense white smoke in the atmosphere. The exhaust gases are highly corrosive and toxic in nature and they form semi-opaque clouds under humid conditions. During the firing of large size boosters of launch vehicles such as space shuttle, copious amount of HCl gas is produced and discharged in to the atmosphere. This leads to heavy “acid rain” and depletion of the ozone layer. When the space shuttle is launched, each of its solid rocket booster(SRB) produces on an average 100 tons of HCl gas.
The useful monopropellant replacement for hydrazine and AP must be sufficiently energetic to easily decompose and produce good combustion properties. Non storable cryogenic or high freezing point propellants requiring temperature control are not appropriate for space propulsion applications. Most importantly, candidate replacements for hydrazine must be sufficiently chemically and thermally stable to allow storability, and also allow technicians and engineers to safely work with the propellant.
Ammonium dinitramide(ADN) is an alternative propellant material that has recently been developed with greater energy efficiency than hydrazine, such that the impulse force of a spacecraft can be increased by approximately 10%. ADN is a high-energy inorganic salt, mainly intended as oxidizer in solid rocket propellants. ADN was first synthesized in 1971 at the Zelinsky Institute of Organic Chemistry in Moscow, USSR, and is one of the most significant discoveries in the field of energetic materials. It is claimed that ADN-based solid propellants are in operational use in missile in Russian and that ADN previously was produced in quantities in the former USSR. In the beginning of the 1990s, FOI in Sweden started research on ADN in order to develop high performance solid propellants. During this development work, it was found that ADN was highly soluble in polar solvents, which led to the realization that it also could be used as an oxidizer in liquid propellants.
We are looking to develop synthesis systems that will create leap-ahead advances in propellant capabilities. For energetic materials, this translates into compounds with increased power that are more effective and more survivable in a severe environment. These procedures are process of developing new energetic materials and use other methods that are not necessarily traditional organic chemistry methods.
In this work, other dinitramide salts synthesis was initiated with ammonium dinitramide. Through several attempts with various cation precursors, the highest yield was achieved with dinitramide salts, and a result showing low decomposition liquid monopropellant was found in association with the discovered additives.