발간 현황

파이로테크닉 조성물인 THPP(TiH₂/KClO₄)는 금속연료, 산화제 및 바인더로 이루어진 화약이다. THPP의 연소온도는 약 4,000K이며, 이는 Ti의 고체 산화물, KClO₄의 가스생성물에 기반하며, 점화제로 사용되는 TiHx/KClO₄ 조성은 33/67 무게비로 구성되며[3], Table 1은 개발된 THPP의 조성 및 조성비를 보여준다.

본 연구에서는 기존 THPP의 연구결과를 기반으로 염소성분을 포함하지 않는 산화제로 과요오드산칼륨을 사용하여, 조성비 설계를 수행하였다. 금속연료인 TiH₂와 산화제인 KIO₄의 반응은 바인더 성분을 고려하지 않을 경우, Eq. 1과 같은 양론적 반응 특성을 가지며, 이러한 조건에서 TiH₂와 KIO₄는 약 22대 77의 중량비를 갖는다.

신규 조성물의 완전연소에 의한 압력 값과 온도 값을 측정하기 위해 연소특성 모델링 도구인 화학평형계산 프로그램을 적용하여 조성비를 계산해 보았다. NASA의 CEA(Chemical Equilibrium with Applications) 프로그램으로 각 금속연료 및 산화제의 상대조성을 변화시키면서 이상적인 압력 및 온도 특성을 계산함으로써, 금속연료, 산화제 및 바인더의 조성비를 설계할 수 있었다. Fig. 1은 원료들의 조성에 따른 연소온도를 나타낸다.

Fig. 1 
Theoretical combustion temperature of the TiH₂/KIO₄ compositions.

CEA 프로그램을 적용하여 계산한 결과, TiH₂ 20~30 wt%, KIO₄ 65~78 wt% 그리고 바이톤이 2~5 wt%를 가질 경우, 높은 연소온도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이론적 조성비는 바이톤의 함량이 낮고, TiH₂의 함량이 높을 경우 연소온도는 더 높게 되지만, 바이톤은 TiH₂와 KIO₄ 사이 결합에 큰 영향을 준다. 따라서 화약 제작 시 화약 입도 및 형상을 고려하여 최종 조성비를 결정하여야 한다.

설계된 조성비에 따라 화약을 제작하기 위하여 금속연료와 산화제, 바인더를 준비하였다. 금속연료인 TiH₂는 비표면적 값이 6 m²/g 이상일 때, 정전기에 대한 민감도가 상승하여 공기 중에서 자연 발화의 문제가 생기며, 2 m²/g 이하일 때에는 저온에서의 점화 신뢰성 문제가 발생된다. 따라서 가장 이상적인 비표면적 값은 2.5~4 m²/g이며[3], 본 연구에서는 Rockwood Lithium 社의 비표면적 값이 3.0 m²/g인 TiH₂를 사용하였다. 산화제인 KIO₄는 약 300℃에서 분해되며, 녹는점은 582℃이다. 특히, 물에 대한 용해도가 낮아 습기에 강한 특징을 가지고 있으며, Merck 社 제품을 사용하였다. 마지막으로 바인더로는 Viton을 사용하였다. Viton은 불소고무(fluoroelastomer)의 상품명이며, fluorine의 함량에 따라 Viton A와 Viton B로 나뉘어지며, 본 연구에서는 fluorine 함량이 높은 Viton B를 적용하였다. Viton B는 A에 비해 점도가 높아 입자간 결합에 적합하다고 알려져 있다.

기본적인 조성비를 바탕으로 원료들을 준비하고, THPP와 동일한 침전법(Precipitation method)을 적용하여 화약을 제조하였다. Fig. 2는 침전법의 모식도를 나타내었다. 침전법은 용매와 반 용매를 사용하여 용해도 차이에 의한 바인더 석출원리로 원료를 입자화하는 방법으로 본 연구에서는 용매로 아세톤, 반 용매로 헥산을 사용하였다.

Fig. 2 
Precipitation method.

Fig. 3 
Viton versus hexane/acetone ratio.[4]

화약을 제조하기 위하여 먼저, 아세톤에 바인더(Viton B)를 충분한 시간동안 녹인 후, 믹서기에 금속연료(TiH₂)와 바인더를 넣고 혼화한다. 금속연료와 바인더가 충분히 섞이면 산화제(KIO₄)를 넣고 예혼화를 실시한다. 예혼화를 마친 다음 일정량의 헥산 용액을 피더를 사용해 투입하면서 바인더를 석출시킨다. 이때, 믹서기 특성상 바닥에 부착된 혼화물이 blade에 의해서 분리되기 어렵다. 그렇기 때문에 30분마다 믹서기 바닥을 긁어내면서 금속연료와 산화제가 바인더와 잘 결합될 수 있게 해야 하며, 혼화기 교반속도 및 반용매 투입량, 투입속도 변화를 통해 이상적인 혼화조건을 찾았다. 또한 원료 입자간 결합력을 증대시키기 위하여 용매와 반 용매를 제거한 뒤, 다시 일정량의 반 용매만을 추가로 투입하여 혼화를 진행하였다. 혼화가 끝난 뒤 입자들을 시브망에 통과시킨 다음 풍건과 건조를 통해서 반 용매를 완전히 제거하였다. Fig. 4는 주요 제조공정에 대한 모습이다.

Fig. 4 
Important Process of Precipitation method.

제조된 화약은 금속연료와 산화제가 바인더에 의해 결합되어 입자를 형성한다. 혼화가 불완전할 경우, 각 원료들은 파우더 상태로 존재하게 되며, 이는 연소 시 불완전 연소를 일으킬 가능성이 있다. 따라서 SEM 분석을 통해 원료들의 결합상태를 확인해 보았다. 사용된 금속연료(TiH₂)는 약 2 ㎛이며, 산화제는 약 6~20 ㎛인데 SEM 분석결과, Fig. 5와 같이 금속연료와 산화제가 일정한 크기로 결합되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, 기존 THPP 화약의 입자형상과 비교하였을 경우, 원료들 간의 결합 형상에는 큰 차이가 없는 것을 확인하였다.

Fig. 5 
SEM image [THPP(1) vs TiH₂/KIO₄/Viton(2)].

또한, 제조된 화약을 착화기에 충전하여 성능을 확인하기 전에 MIL-STD-286C에 의거한 열량분석 및 수분함량 분석을 수행하였다.

열량분석 결과, 3회 측정한 평균값이 1,271 cal/g 수준임을 확인하였으며, 수분함량 측정결과 0.015%로 착화기용 충전화약으로 사용할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 6 
Initiator geometry for testing.

착화기는 발열선 발열에 의해 1차 점화되는 기폭약과 방출압력을 결정해 주는 주장약으로 구성된다. 기존 THPP(TiH₂/KClO₄)는 주장약으로 사용되는 화약으로서, 개발된 화약(TiH₂/KIO₄)과 비교시험을 수행하기 위하여 기존 착화기 몸체와 기폭약(ZPP)에 주장약을 변경하여, 비교시험을 수행해 보았다.

착화기의 기폭약과 주장약은 모두 34.47 MPa로 충전하였으며, 10cc 밀폐용기에서 1,400 psi를 생성하는 착화기로 각각 15발을 제작하였다. Table 3은 시험용 착화기 제조조건이다. 1번은 기존 착화기 2번은 신규화약을 적용한 착화기이다. 특이점으로는 동일한 압력을 생성하기 위해 (1)번에 비해 (2)번의 주장약 약량이 1.4배 증가되었으나, 착화기 내 충전 약고는 크게 증가되지 않아 착화기 몸체 설계변경 없이 적용이 가능하였다. 이것은 KClO₄에 비해 KIO₄의 밀도가 높고, 가스 발생량이 작기 때문이라고 판단된다.

제작된 착화기를 대상으로 Fig. 7과 같은 시험 시스템을 통해 발생된 압력을 측정해 보았다.

Fig. 7 
Experiment system of Initiator

착화기 작동에는 5 Ampere의 전류를 20 ms 동안 인가하였으며, PCB 社의 102B 센서를 사용해 발생압력을 계측하였다. 성능시험은 각각 15발씩 상온에서 수행하였다. Fig. 8은 TiH₂/KIO₄를 주장약으로 충전한 착화기의 성능시험 결과로서 최대압력 발생시간에 따른 최대압력 값을 보여준다.

Fig. 8 
Closed bomb test result of the TiH₂/KIO₄ explosives.

Table 4는 기존 착화기와 신규화약을 적용한 착화기의 성능시험 결과이다.

시험결과, KIO₄를 적용한 주장약도 기존 착화기 성능시험 규격(1,400±200 psi)을 충족하는 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 개발된 화약이 THPP를 대체할 수 있음을 확인하였다.