팽창 흑연과 적린을 이용한 연소형 다영역 차장 연막제

팽창 흑연과 적린을 이용한 연소형 다영역 차장 연막제{PYROTECHNIC SMOKE MATERIAL FOR OBSCRUING MULTI-SPECTRUM USING EXPANDED GRAPHITE AND RED PHOSPHORUS}

본 발명은 연소형 다영역 차장 연막제 조성물에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는, 가시광선, 적외선 및 밀리미터파 스펙트럼 내에서 불투과성을 가지는 연막을 제공하는 연소형 다영역 차장 연막제 조성물에 관한 것이다.

연소형 연막제의 경우, 전장 환경에서 위장이나 기만, 시뮬레이션 및 위치 표시등을 위하여 군사 분야에서 주로 사용되어 왔다.

그런데, 최근 군사 기술의 발전에 따른 전자 광학 장비 및 각종 센서의 개발로, 고성능의 주, 야간 관측 장비 및 유도 무기들이 등장함에 따라 종래의 가시광선 차장 연막제에 의해서는 아군의 작전 운용 효율성 및 생존성을 보장할 수 없게 되었다. 특히, 탐지 센서들은 군사 목표의 방출 에너지 변화에 따라 원거리에서도 그 목표물의 탐지가 가능한, 물체 고유의 열선을 방출하는 특성을 이용하는 적외선 센서와, 안개, 우천 등으로 인하여 목표물의 열선이 방해받아 대상 식별이 어려운 취약점을 극복한 밀리미터파 센서로 발전되고 있으며, 각종 무기체계에 적용되고 있는 실정이다.

종래 연소형 차장 연막재의 경우, 이러한 탐지 센서들 중 적외선 센서에 대응하기 위하여, 특허문헌 1과 같이 가시광선 대역과 및 중적외선 대역(3~5㎛)과 원적외선 대역(8~14㎛)에서 고도의 복사 에너지를 갖는 연막 생성에 적합하도록 적린을 베이스로 하는 연막제가 알려져 있다. 그러나, 이러한 적린을 베이스로 하는 연소형 차장 연막제의 경우, 가시광선 및 적외선 대역을 효과적으로 차장할 수 있으나, 밀미미터파 대역에 대해서는 차장 효과가 없었다.

한편 밀리미터파 대역의 탐지 센서를 차장하기 위하여, 종래 분산형 연막제의 경우, 금속을 피복한 유리 섬유 또는 탄소 섬유로 이루어진 분말 등을, 로켓 또는 항공기를 이용하여 목표 장소로 운송한 뒤 분사하도록 하는 방식을 채택하고 있다. 그러나, 이러한 분산형 연막제의 경우, 연막제 금속 분말의 빠른 침강에 의해, 연막 차장 시간이 짧고, 분사 방식을 채택하고 있어 체계 적용의 제약이 존재하는 등의 문제점이 존재하였다.

따라서, 가시광선 및 적외선 대역뿐만 아니라 밀리미터파(35GHz, 94 GHz) 대역의 빛에 대해서도 효과적으로 그리고 장시간 차장할 수 있는 연막제의 개발이 요청되고 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 가시광선 및 자외선 대역의 빛에 대해서 불투과성을 가지는 강한 방사성의 에어로졸을 제공하고 나아가 밀리미터파 스펙트럼 대역에서도 흡수 및 산란을 일으키는 부유물을 제공하는 파로테크닉 연소형 다영역 차장 연막 조성물을 제공하는 것을 해결 과제로 한다.

상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연막 차장 및 기만 목적을 위한 연소형 다영역 차장 연막제는, 중량%로서, 30~50%의 적린, 20~40%의 팽창 흑연, 5~15%의 알칼리 금속 질산염 ,및 2차 성분으로서, 알칼리 토금속류 및 전이 금속류로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종의 금속, 그의 합금 및 적어도 하나의 메탈로이드로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 2~20%의 조성물과 0.5~8%의 결합제를 포함하고, 연소형 다영역 차장 연막제의 연소 시에, 적린의 연소 반응 물질에 의해 가시 광선 및 자외선 대역 내에서 불투과성을 가지며, 팽창 흑연이 팽창하여 밀리미터파 대역에서 흡수 산란을 일으키는 위장용 연막을 제공하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 연소형 다영역 차장 연막제는 중량%로, 40~45% 적린, 30~40%의 팽창 흑연, 6~10%의 알칼리 금속 질산염, 2차 성분으로서, 5~8%의 전이 금속 및 메탈로이드 및 결합제로 3~5%의 니트로셀룰로스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 연소형 다영역 차장 연막제는 연소 반응시에 방사성 에어로졸과 소정 크기로 팽창된 흑연을 형성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 연소 시 생성되는 에어로졸의 입자 직경은 0.3~14㎛인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 연소형 다영역 차장 연막제에 포함되는 상기 조성물은, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연소형 다영역 차장 연막제는, 가시광선 및 적외선 스펙트럼 대역 뿐만 아니라, 밀리미터파 대역의 파장 범위에서도 효과적인 연막 차장을 실시할 수 있어, 아군의 연막 작전 수행 시에 아군 병사의 생존 가능성을 보다 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연소형 다영역 차장 연막제는 밀리미터파 대역을 차장할 수 있는 연막이 장시간 지속될 수 있어, 작전 수행 시에 아군 병사의 생존 가능성을 높이고 체계 적용성을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연소형 다영역 차장 연막제를 구성하는 팽창 흑연, 적린, 금속 및 산화제등의 사용 원료는 모두 인체 비발암성이 검증된 원료들이며, 나아가 연막제 연소 생성물도 인체 비발암성이고 저독성이므로, 환경 친화적인 연막을 생성할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 연소형 다영역 차장 연막제를 구체적인 실시예를 들어 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 연소형 다영역 차장 연막제는, 적린과 팽창 흑연을 조합하여 제조되며, 가시광선과 적외선 대역 차장은 적린의 연소반응 물질이, 밀리미터파 대역은 팽창 흑연이 차장할 수 있게 하여 가시광선 및 적외선 대역뿐만 아니라 밀리미터파 대역에 대해서도 효과적으로 차장할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 연소형 다영역 차장 연막제는 주 성분으로서 30%~50%의 적린 및 20~40%의 팽창 흑연(Graphite Hydrogen Sulfate, Graphite Fluoride)을 포함하고, 산화제로서, 알칼리 금속 질산염이 5~15% 포함되어 사용된다. 또한, 2차 성분으로서, 금속성 또는 비금속성 연료로는 알칼리 토금속류 및 전이 금속류의 그룹으로부터 선택된 금속, 그의 합금이나 적어도 하나의 메탈로이드로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 조성물을 2~20% 포함하고 0.5~8%의 결합제를 포함한다.

산화제로서는, 질산칼륨, 과염소산칼륨 질산 세슘으로 이루어진 그룹에서 선택된 알칼리 금속 질산염이 바람직하다. 또한 2차 성분 중, 금속성 또는 비금속성 연료로는 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종의 금속으로 이루어지는 조성물이 바람직하다. 또한, 결합제로서는, 폴리머 유기 결합제로 이루어지는 것으로서, 바람직하게는 니트로 셀룰로스 또는 폴리클로로프렌이 사용된다.

본 발명에 따른 연소형 다영역 차장 연막제는 중량%로, 40~45% 적린, 30~40%의 팽창 흑연, 6~10%의 알칼리 금속 질산염, 2차 성분으로서, 5~8%의 전이 금속 및 메탈로이드와, 결합제로 3~5%의 니트로셀룰로스를 포함하였을 때 가장 우수한 성능을 보인다.

연막제 조성물의 연소 시에 발생하는 에어로졸의 입자 크기의 경우, 산란해야할 빔의 파장과 일치하여야 한다. 즉, 연소 시 발생하는 에어로졸의 경우, 가시광선 대역에 대해서는 직경이 0.3㎛~14㎛이고, 적외선 대역에 대해서는 직경이 0.8~14㎛가 되어야 한다. 따라서, 가시광선 대역과 적외선 대역에 대해서 효과적인 차장을 실시하기 위해, 본 발명에 따른 연막제 조성물의 연소 시에 발생하는 에어로졸의 입자 크기는 0.8~14㎛이며, 밀리미터파를 차장하기 위해서는 3~8㎛인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연소형 다영역 연막제는, 가시광선 대역에서 연소시 형성된에어로졸에 의해 흡수 및 산란에 의하여 투과하지 않고, 적외선(3~5㎛, 8~14㎛) 대역에서는 적외선을 흡수 및 산란시켜 차장하는 에어로졸 뿐만 아니라, 연막제 연소 반응시 과량의 적외선 방사 에너지를 방출하는 에어로졸이 동시에 생성되어 적외선의 투과도를 낮추어 차장하며, 또한 연소 생성물 중에 전도성 부유물질인 팽창 흑연에 의해 밀리미터파(35GHz, 94MHz)를 차장할 수 있다.

또한, 위 조성으로 구성된 연막제 조성물의 연소 시에 생성된 연소 생성물은, 밀리미터파를 차장할 수 있는 분말을 분사하는 분산형 연막제와는 달리, 부분적으로 에어로졸 액적 및 팽창 흑연 부유물의 생성이 연소 반응 과정 중에 지속적으로 생성되기 때문에, 가시광선, 적외선 및 밀리미터파 대역을 차장할 수 있는 연막을 차장에 필요한 시간 동안 장시간 지속할 수 있다.

본 발명에 따른 연막제 조성물에 포함되는 팽창 흑연의 결정은 이방성의 층상 구조를 가지고 있어, 흑연층 면 내의 탄소 원자는 공유 결합에 의해 단단히 결합되어 있으나, 층 면간의 결합은 약한 반데르발스(Van Der Waals) 결합으로 이루어져 있다. 따라서, 면 내의 탄소 원자간 거리는 1.41A, 층 면간 거리는 3.35A로서, 층 면내에서의 탄소와의 반응은 일어나기 어려우나, 강한 전자 친화성이 있는 산화제의 경우에는, 흑연 층 내에 노출된 전자를 공격하면서 쉽게 흑연 층간에 들어가 2차원 망상 격자를 파괴시키지 않고, 층 간격을 넓히면서 흑연 특유의 층간 화합물을 형성한다.

이때, 층간에 삽입된 분자 종이, 마이크로파, 또는 연막제 조성물의 연소에 따른 가열에 의해 흑연 내부 표면으로부터 한꺼번에 이탈되면 그 분출 압력으로 인하여 수십 내지 수백배의 팽창이 일어나게 된다. 이와 같이 얻어진 부유 생성물은 특정 주파수의 1/2 파장 크기에서 해당 밀리미터파에 대한 공명 효과가 뛰어나 밀리미터파 진행을 방해하는 감쇄효과를 일으킬 수 있다. 따라서, 가시광선 및 적외선 대역 뿐만 아니라 밀리미터파 스팩트럼의 대역에 대해서도 효과적인 차장이 가능하게 된다.

실시예

팽창흑연 3300g, 적린 2750g, 질산칼륨 750g, 마그네슘 150g, 붕소 220g, 지르코늄 220g 및 고분자 화합물 결합제 300g으로부터, 적린에 대하여 각 성분을 단계적으로 첨가함으로써, 페이스트상의 배치를 제조한다. 용제로 습기 찬 재료를 메쉬 폭 7mm의 채로 거르며, 진공 중에서 40℃ 및 20mbar 상태에서 20분간 건조한다. 건조 후의 그레인 42g을 20톤의 프레스 압력으로 높이 10mm, 외경 57mm 및 내경 15mm의 링 형태의 프레스 성형체로 프레스 성형하여 펠렛을 형성한다.

이렇게 만들어진 1개의 펠렛은 약 15초간의 연소시간으로 가시광선 스펙트럼 내에서 진한 백색 연막과 팽창된 흑연 부유물을 다량 발생시킨다. 발생한 연막운에 대해, 연막원으로부터 5m 떨어진 위치에서 생성된 가시광선, 적외선, 라디오미터 및 레이더 (35GHz, 94GHz)을 이용하여, 가시광선, 적외선 및 밀리미터파의 각 스펙트럼 범위 내에서의 강도를 변화를 측정하면 아래 표 1과 같이 빛의 감쇄가 확인되었다.

여기서, α는 주어진 물질에서의 산란계수(scattering coefficient)와 흡수 계수(absorption coefficient)의 합으로서, 에어로졸 입자의 파장에 의존하는 질량감쇠지수이고, C는 단위 체적당 연막제의 에어로졸의 농도이다. αC값은, 하기의 식(1)에 나타난, 빛의 산란 및 흡수에 관한 램버트 비어 법칙(Lambert-Beer's law)에 사용되어, 가시광선 및 적외선의 감쇄 정도를 나타낸다.

[수학식 1]

I=I ₀ exp ^{- aCL} .... 식(1)

(I _o : 초기 강도, I: 연막으로 감쇄된 강도, L 연막운의 길이)

dB는 아래의 식(2)에 의해 결정되는 값으로서, 연막에 의해 감쇄된 밀리미터파의 감쇄의 정도를 나타낸다.

[수학식 2]

dB=1-logP ₁ /P ₀ ... 식(2)

(P ₀ : 초기 입력신호 강도, P ₁ : 연막에 의해 감쇄된 신호 강도)

상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 연소식 다영역 차장 연막제 조성물에 의하면, 최소 20 초 이상 연막이 지속 되면서 아울러 우수한 가시광선, 자외선 및 밀리미터파의 감쇄 효과가 존재한다.