나노고에너지물질 (nanoenergetic materials, nEMs)은 금속연료 (metal fuel)와 산화제 (oxidizer)로 구성되어 있으며, 외부에서 인가되는 에너지에 의해 내부의 화학에너지가 급격하게 열에너지로 방출되는 물질로 다양한 첨가제를 이용하여 열적, 전기적, 광학적, 기계적 특성의 제어가 가능하여 다양한 점화 및 연소 기술에 적용할 수 있다. 특히 유연하고 다양한 디자인이 가능하며 경제적인 소형점화기 및 저출력 레이저 광을 이용한 원격 점화 기술은 기존의 직접적인 접촉에 의한 점화 기술에 비해 온도, 습도, 공간 등의 주변 환경에 민감하지 않으며 점화기의 소손에도 큰 영향이 없다. 또한, 3D 프린팅에 의한 고체추진제의 제조 기술은 기존의 상온, 상압의 고체추진제 충진에 비해 안전하며 다양한 형태로의 제조가 가능하다. 따라서 nEMs/폴리머/탄소구조체 기반 복합체의 다양한 특성을 제어한 소재 및 소자의 제조 기술은 다양한 열공학분야에 응용이 가능할 것으로 예상된다.
본 연구에서는 알루미늄 (Al, metal fuel), 산화철 (CuO, oxidizer) 나노입자 기반의 nEMs에 열적, 광학적, 전기적, 구조적 특성 등을 향상시키기 위하여 Carbon black (CB), dye, nitrocellulose (NC) 및 polyethylene oxide (PEO)를 다양한 조성비로 첨가하여 복합체 물질을 제조한 후 점화 및 연소 특성을 분석하는 연구를 수행하였다.
CB/nEMs 복합체에서 CB는 높은 광흡수도 및 열전도를 갖는 물질로 외부에서 가해지는 광에너지를 흡수하여 nEMs에 빠르게 전달하는 광흡수 및 열전달 매개체로 사용되었으며, CB의 첨가량이 증가할수록 레이저 광에 의한 점화시 출력 밀도가 점차 감소하였으며, 1 wt% 이하일 경우 복합체의 점화지연시간 크게 감소하며 점화시 최대 압력 및 압력 상승률이 증가하였다. N-719, rose bengal (RB) 및 methylene blue (MB)로 코팅된 nEMs 복합체는 각각의 염료가 높은 흡광도를 갖는 특정 파장 (N-719 (445 nm), RB (532 nm), MB (671 nm))에 대한 흡광도를 높임으로써 동일 파장을 갖는 레이저 대하여 흡수되는 광에너지를 증가시켜 점화에 필요한 광출력 밀도 낮추는 광흡수 매개체로 사용되었으며, N-719/nEMs의 경우 청색, RB/nEMs의 경우 녹색, MB/nEMs의 경우 적색 레이저 광에 대해 가장 낮은 광출력 밀도에서 점화 및 연소되었다. NC/nEMs 복합체에서 NC는 nEMs 입자를 폴리머 사슬로 바인딩하여 MWCNT 종이전극과의 접착력을 높임과 동시에 소형점화기의 연소 시 연료로 사용되었으며, NC의 첨가량이 증가할수록 nEMs 복합체의 연소시간은 증가하였으나 60 wt%를 초과할 경우 NC, nEMs 연소구간이 분리되는 것이 관찰되었다. PEO/nEMs 복합체에서 PEO는 폴리머 사슬로 nEMs를 강하게 바인딩하여 3D 프린팅 구조체의 구조적 안정성을 유지하는 바인더로 사용되었으며, PEO의 양이 15 wt% 이상 첨가될 경우 nEMs의 Al/CuO간의 확산거리 증가로 인해 반응성이 낮아져 3D 구조체에서 화염의 연속적인 전파가 발생하지 않았다.
최종적으로 potassium nitrate/sucrose (KNSU) 고체추진제가 장착된 소형발사체에 각각 NC/nEMs 복합체가 코팅된 NC/MWCNT 종이전극 기반 소형점화기 및 N-719/nEMs 복합체가 코팅된 점화용 심지를 설치한 후 전자에 18 V의 전압, 후자에 청색광 레이저 (5.74 W/cm2) 광을 원격으로 인가하였을 때, 소형발사체는 성공적으로 발사되었으며, 3D 프린팅으로 제조된 PEO/nEMs 3D 구조체를 KNSU 고체추진제 펠렛 사이에 삽입하여 추진 시험을 진행한 결과 최대 추력, 총역적 및 비추력이 향상되는 것을 확인하였다. 이는 본 연구에서 제조된 나노고에너지물질 복합체를 이용한 점화 및 추진 기술이 민군 열공학 분야에 다양하게 응용 가능함을 시사한다.

Nanoenergetic materials (nEMs) are composed of metal fuel and oxidizer, and internal chemical energy is rapidly released as thermal energy by energy applied from external. nEMs can be controled thermal, electrical, optical and mechanical properties by additive, so it can be applied to various ignition/combustion technologies. In particular, remote ignition technic using flexible, patternable, and compact igniter and low-power laser are not sensitive to the surrounding environment (ex. temperature, humidity, space, etc.) and not significantly affected by burnout of the igniter compare with conventional ignition technic. In addition, the manufacturing technic of the solid propellant by 3D printing is safer than the conventional solid propellant filling at room temperature and pressure, and it can be manufactured in various design. Therefore, it is expected that the synthesis of materials and devices that control various properties of nEMs/polymer/carbon materials-based composites can be applied to various thermal engineering fields.
In this study, a nEMs composite was prepared by adding various polymer/carbon materials to nEMs based on aluminum (metal fuel) and iron oxide (CuO, oxidizer) nanoparticles, and then tests were conducted to analyze the ignition and combustion properties. As-prepared composite materials were applied to a low-power RGB laser and MWCNT paper electrode to apply a solid propellant for a small projectile to a technic for light/heat ignition at a distance, and polymer/nEMs composite was combined with 3D printing technic to prepare a solid propellant, and then a study was conducted to analyze properties through ignition and combustion tests.
In the carbon black (CB)/nEMs composite, CB is a material with high light absorption and heat conduction. It was used as a medium for light absorption and heat transfer that absorbs externally applied light energy and transfers it to nEMs quickly. As the amount of CB added increased, the ignition threshold power density gradually decreased when ignited by laser beam, and amount of CB was less than 1 wt%, the ignition delay time of the composite decreased significantly, and the maximum pressure and pressurization rate were increased. In nEMs composites coated with various dyes, the light absorbance of nEMs composites was increased by increasing the absorbance for specific wavelengths [N-719 (445 nm), RB (532 nm), MB (671 nm)] where each dye has high light absorption. dyes were used as a light absorption medium to decrease the ignition threshold power density required for ignition by increasing the absorbed light energy for lasers with blue, green, and red beam. nEMs composites coated with dyes were ignited at the lowest threshold power density of lasers with blue beam for N-719/nEMs, green beam for RB/nEMs, and red beam for MB/nEMs. In the nitrocellulose (NC)/nEMs composite, NC binds the nEMs particles with a polymer chain to increase adhesion to the MWCNT paper electrode and at the same time was used as a fuel for the combustion of a flexible, patternable, and compact igniter. In addition, by coating the nEMs matrix, the electrostatic sensitivity was reduced to improve handling stability. However, when it exceeded 60 wt%, the NC and nEMs combustion sections were observed to be separated. In the polyethlene oxide (PEO)/nEMs composite, PEO was used as a binder that strongly binds nEMs with polymer chains to maintain the structural stability of the 3D printing structure, and improved handling stability by coating the nEMs matrix to reduce electrostatic sensitivity. however, when the amount of PEO is added over 15 wt%, self propagation of flame did not occur due to the decrease reactivity by increasing of diffusion distance of the nEMs matrix in the 3D structure.
Finally, we performed small projectile launch test to demonstrate the applicability of ignition and propulsion technic. After installing the compact igniter based on the NC/MWCNT paper electrode coated with the NC/nEMs composite and the ignition wick coated with the N-719/nEMs composite on the small projectile equipped with the Potassium nitrate/sucrose (KNSU) solid propellant, when a voltage of 18V was applied to the former and a blue laser (5.74W/cm2) was applied to the latter, it was confirmed that the small projectile was successfully launched. In addition, when the PEO/nEMs 3D disk produced by 3D printing was inserted between the pellets of the KNSU solid propellant, it was confirmed that the maximum thrust, total thrust, and specific thrust were improved by increasing the combustion area.