발간 현황

과산화수소는 밀도가 높고 친환경적인 물질로써 로켓 기술 전반에서 다양하게 활용되어 왔다. 이러한 특성은 접촉점화 추진제로서 매우 유리하게 작용함에도 불구하고 기존의 맹독성 추진제에 비해 성능이 낮아 주목받지 못하였다. 또한, 과산화수소는 자연 분해되는 성질로 인해 저장성에 대한 문제가 제기되어 왔다. 그러나 과산화수소 증류 및 안정제 기술이 지속적으로 발달함에 따라 과산화수소의 저장성이 개선되고 있으며, 선행 연구 결과에 따르면 농도가 높을수록 저장성이 향상된다는 연구 결과가 보고되었다[3]. 과산화수소의 분해를 촉진시키는 오염 물질은 대부분 과산화수소 내 포함된 물에 용해되어 존재하는데 농도가 높을수록 불순물의 함량도 감소하기 때문에 저장성이 개선될 수 있다.

과산화수소 기반의 접촉점화 추진제는 일반적으로 점화성능이 낮은 편이다. 이를 극복하기 위해 연료에 점화제를 첨가하여 점화성능을 개선하는 방법이 사용된다. 연료는 점화제와 과산화수소의 작용 유형에 따라 반응성 연료(reactive fuel)와 촉매성 연료(catalytic fuel)로 구분할 수 있다. 먼저, 반응성 연료는 연료 내 포함되어 있는 점화제가 과산화수소와 직접적인 산화-환원 반응을 하며 자연 발화 현상이 촉발된다. 촉매성 연료는 점화제로 혼합된 촉매가 과산화수소를 촉매 분해하여 고온의 발열반응이 일어나고, 반응 온도가 연료의 자연 발화점에 도달하면서 점화가 이루어진다. 최근에는 화학물질 합성을 통해 점화제 없이 과산화수소와 접촉점화 반응이 가능한 연료에 대한 연구가 수행되고 있다. 이를 이온성 연료(ionic liquid fuel)라 하며, 아직 연구 초기 단계로 생산성과 비용 측면에서 한계가 있지만, 증기압이 낮아 증기로 인한 흡입 독성이 낮고 반응성이 뛰어나 친환경 연료로서 가능성을 인정받고 있다.

고농도 과산화수소 기반의 추진제에 대한 대표적인 연구 기관으로 미국 퍼듀 대학교(Purdue University)와 이스라엘 텔 아비브 대학교(Tel Aviv University), 폴란드 항공 연구소(Warsaw Institute of Aviation, IoA)가 있다. 퍼듀 대학 연구팀은 2000년대 초반부터 과산화수소 기반의 추진제에 대한 연구를 수행하였으며, 최근까지 다양한 연구가 진행 중이다. 초창기에는 고에너지 연료에 과산화수소 분해용 촉매를 혼합하여 촉매성 연료를 제작하고, 과산화수소와 촉매성 연료의 접촉점화 현상을 규명하였다[4]. 이후, 고에너지 연료에 강 환원제를 혼합한 반응성 연료를 제작하여 점화지연시간 측정 및 우주 추진 시스템에 적용 가능성을 평가하였다[5]. Table 1은 퍼듀 대학에서 수행한 액적낙하 실험 결과이다. 수소화붕소나트륨(sodium borohydride)을 강 환원제로 사용하여 반응성 연료와 과산화수소의 점화지연시간을 측정하였다. 대부분 15 ms 이하로 측정되었으며, 디메틸포름아마이드(dimethylformamide)가 9.12 ms로 가장 짧은 점화지연시간을 나타냈다. 텔 아비브 대학 연구팀은 이온성 연료의 친환경성에 주목하여 다양한 조합의 이온성 연료와 고농도 과산화수소의 접촉점화 반응에 대한 연구를 수행하였다[6,7]. Table 2는 이온성 연료에 첨가물(CuILs 1-4)을 10 wt.% 첨가한 후 여러 특성을 비교한 것이다. 가장 짧은 점화지연시간은 14 ms이며, 높은 밀도와 열적 안정성을 확인할 수 있었다. 폴란드 항공연구소는 저농도 과산화수소를 고농도 과산화수소로 증류할 수 있는 증류장치를 개발하여 98 wt.% 농도의 과산화수소를 직접 생산할 수 있는 기술을 확보하였다. 또한, 촉매성 연료와 반응성 연료를 제작하여 고농도 과산화수소와 액적낙하 실험을 수행하였다[8].

최근 연구 개발 현황을 살펴보면 주로 성능이 높은 고농도 과산화수소를 기반으로 연구가 진행되고 있다. 그러나 고농도 과산화수소는 어는점이 높으며, 수급이 어려운 단점이 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 저농도 과산화수소에 고에너지 염(salt)을 첨가하여 물질의 에너지를 높이고 어는점을 낮게 유지하는 기술이 개발되고 있다. 독일 Fraunhofer Institut für Chemische Technologie(ICT) 연구팀은 질산암모늄(ammonium nitrate, AN), 암모늄 디니트라미드(ammonium dinitramide, ADN), 요소 과산화수소(urea hydrogen peroxide, carbamide or HSPO)를 첨가물로 사용하여 이온성 연료와 접촉점화 가능성을 평가하였다[9]. Table 3은 산화제의 혼합 비율에 따른 점화지연시간을 비교한 것이다. 80 wt.% 미만의 과산화수소를 이용한 경우 VW 05 산화제를 사용한 추진제의 점화지연시간이 18 ms로 가장 짧게 나타났다. ADN과 AN을 첨가한 다른 추진제의 점화지연시간은 25-39 ms로 순수한 과산화수소(80 wt.%)를 산화제로 사용한 추진제와 유사한 수치를 나타냈다. 연구 결과를 통해 고에너지 첨가물을 이용하여 저농도 과산화수소의 점화성능을 유지할 수 있는 기술이 있음을 확인하였다.

국내에서는 한국과학기술원과 한밭대학교 연구팀이 고농도 과산화수소 기반의 접촉점화 추진제에 대한 연구를 진행하고 있다. 한국과학기술원 연구팀은 수소화붕소나트륨(sodium borohydride)을 환원제로 첨가하여 탄화수소 기반의 반응성 연료 Stock 1,2,3을 개발하였다. 또한, 반응성 연료를 이용하여 액적낙하 실험과 500 N급 추력기의 지상 연소 시험을 수행하였다[10-12]. Fig. 3은 Stock 3 연료와 95 wt.% 과산화수소를 사용하여 500 N급 추력기의 지상 연소 시험을 관측한 것이다[11]. 한밭대학교 연구팀은 액추에이터, 광 및 음향 센서를 활용하여 액적낙하 실험 장치를 제작하였다[13]. Fig. 4는 아민 계열의 반응성 연료 RF5와 과산화수소의 접촉점화 반응을 계측한 신호 데이터이다. RF5는 n-부틸아민(n-butylamine)에 수소화붕소나트륨 5 wt.%를 혼합한 반응성 연료이다. 해당 문헌에서는 이와 같은 신호 분석을 통해 정밀하고 재현성 있는 점화성능 평가 기법을 제안하였다. 또한, 점화 메커니즘을 액상 반응(liquid phase) 구간과 기상 반응(gas phase) 구간으로 분리하여 연료에 따른 추진제의 점화 특성을 분석하였다.

Fig. 3 
Demonstration of 500 N scale non-toxic hypergolic bipropellant thruster with stock 3 fuel and 95 wt.% H₂O₂[11].

Fig. 4 
Representative data for ignition-delay measur-ements with RF5 and 90 wt.% H₂O₂[13].

과산화수소 기반의 접촉점화 추진제는 다양한 조합의 연료와 첨가제를 이용하여 활발히 개발되고 있다. 특성이 우수한 이온성 연료 혹은 고에너지 첨가제를 이용하여 추진제의 점화성능을 향상시키는 연구가 많이 수행되고 있다. 그러나 추진제를 시스템에 적용한 연구 사례는 적은 상황이다. 따라서 과산화수소 기반의 접촉점화 추진제를 개발하여 실제 추진 시스템에 적용 가능성을 확인하는 연구가 필요하다.

질산 기반의 추진제는 사산화이질소에 비해 독성은 낮고 장기간 저장이 용이하여 무기 체계에 널리 적용되어 왔다. 질산 계열의 산화제는 혼합물의 조성에 따라 발연질산(fuming nitric acid, HNO₃), 백연질산(white fuming nitric acid, WFNA), 적연질산(red fuming nitric acid, RFNA or inhibited RFNA)으로 구분할 수 있다.

질산 계열 산화제의 가장 큰 단점은 부식성이다. 하지만 백연질산은 다른 산화제보다 독성과 부식성이 적기 때문에 취급 및 운용에 대한 부담이 상대적으로 적다. 이에 백연질산 기반의 추진제에 대한 연구 결과가 다른 질산 계열 추진제에 비해 압도적으로 많았다. 중국공정물리연구원(China Academy of Engineering Physics, CAEP)에서는 bis(borano)hypophosphite 작용기를 가진([BP]-based) 이온성 연료와 백연질산 조합의 점화성능을 평가한 바 있다[14]. Table 4는 사산화이질소와 백연질산을 산화제로 사용하여 점화지연시간을 비교한 것이다. bis(borano)hypophosphite 작용기를 가진 이온성 연료를 사용할 경우 사산화이질소를 사용한 추진제보다 백연질산을 산화제로 사용한 추진제의 점화지연시간이 더 짧게 나타났다. 표에서 확인할 수 있듯이 이온성 연료 IL 2, IL 4는 백연질산이 산화제로 사용된 경우 점화지연시간이 1 ms로 나타났으며, 이는 기존 맹독성 추진제와 유사한 점화지연시간을 확보한 것으로 볼 수 있다.

최근 많은 연구 기관에서 이종의 연료를 혼합하거나 질산 계열 산화제에 첨가물을 첨가하여 추진제의 조성을 변화시키는 연구가 수행되고 있다. 대표적인 연구 기관으로는 미국 펜실베니아 주립대학교(Pennsylvania State University)와 이란 말렉 아쉬타르 공과 대학(Malek Ashtar University of Technology)이 있다. 두 연구 기관은 2-디메틸아미노에틸아자이드(2-dimethylaminoethylazide, DMAZ)와 테트라메틸에틸렌디아민(tetramethylethylenediamine, TMEDA)을 연료로 사용하여 다양한 조합의 추진제를 평가하였다. 펜실베니아 주립대학교 연구팀은 두 연료를 혼합하여 백연질산과 접촉점화를 유도하였고, 액적낙하 실험과 엔진 연소 실험(engine test)을 수행하였다[15]. Fig. 5는 DMAZ와 TMEDA의 혼합 조성 변화에 따라 점화지연시간을 비교한 그래프이다. 액적낙하 실험을 통해 측정된 결과이며, 연료를 단독으로 사용한 추진제보다 두 연료를 특정 혼합비로 혼합할 경우 연료의 점화지연시간을 5 ms 정도 감소시킬 수 있었다. 이란 말렉 아쉬타르 공과 대학 연구팀은 DMAZ와 아민류의 연료를 혼합하거나 산화제에 첨가물을 첨가하여 접촉점화 가능성을 평가하였다[16-18]. Fig. 6-7은 백연질산과 적연질산에 다양한 종류의 첨가물(inorganic nitrate salts)을 첨가한 후 점화지연시간을 측정한 결과이다. DMAZ를 연료로 사용하였으며 산화제의 종류에 상관없이 질산리튬(LiNO₃)을 첨가했을 때 점화지연시간이 가장 짧게 나타났다. 또한, 백연질산/DMAZ 조합이 적연질산/DMAZ 조합보다 짧은 점화지연시간을 보였다. 이는 백연질산에 포함된 질산 함량(>99.5 wt.%)이 적연질산에 포함된 질산 함량(82.9 wt.%)보다 높기 때문에 나타난 결과로 보인다.

Fig. 5 
ID time variation for DMAZ with TMEDA[15].

Fig. 6 
ID time variations for DMAZ with IRFNA containing different weight percentages of nitrate(V) salts at O/F=2.5 (NH₄NO₃ -■-; KNO₃ -♦-; NaNO₃ -▲-; AgNO₃ -●-; LiNO₃ -▼-)[16].

Fig. 7 
ID time variations for DMAZ with WFNA containing different weight percentages of nitrate(V) salts at O/F=2.5 (NH₄NO₃ -■-; KNO₃ -♦-; NaNO₃ -▲-; AgNO₃ -●-; LiNO₃ -▼-)[16].

문헌 조사를 통해 미국, 이란, 중국 등 여러 연구 기관에서 질산 기반의 추진제에 대한 연구가 활발히 수행되고 있음을 확인하였다. 특히, 독성과 부식성에서 상대적으로 안전한 백연질산 기반의 추진제에 대한 연구 결과가 지배적이었으며, 다양한 첨가물을 통해 추진제의 성능을 향상시키는 연구가 수행되고 있다. 또한, 특정 추진제 조합은 기존 맹독성 추진제와 유사한 점화성능을 나타냈다. 이러한 연구 결과들은 질산 기반의 접촉점화 추진제를 실체 추진 시스템에 적용시킬 수 있다는 가능성을 보여준다.

이온성 물질(ionic liquid, IL)은 물질의 구조와 화학적 작용기를 설계함으로써, 물성을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 친환경 추진제에 대한 관심이 증가함에 따라 반응성이 뛰어나고 독성이 낮은 이온성 추진제에 대한 관심이 증가하고 있다. 2.1절과 2.2절에서는 과산화수소와 질산을 산화제로 사용하며 이온성 연료와 산화제의 접촉점화 가능성을 평가하는 연구 사례들을 소개하였으며, 이를 통해 이온성 연료의 우수한 특성이 접촉점화 추진제의 성능 향상에 긍정적인 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.

이 절에서는 연료와 산화제 모두 이온성 물질을 사용하여 접촉점화 추진제를 개발한 선행 연구 사례를 소개한다. 중국과학원(Chinese Academy of Sciences, CAS) 연구팀은 보뢴스테드 산 이온성 물질(Brønsted acidic ionic liquids, BAILs)과 [NO₃]^-를 조합하여 산화제를 개발하였으며, [B₆H₇]^-를 기반으로 하는 접촉점화성 이온성 물질을 연료로 개발하였다[19]. Table 5는 해당 선행 연구에서 개발한 이온성 추진제와 기존의 접촉점화 추진제의 물성을 비교한 것이다. 이온성 산화제는 O1, O2, O3로 표기하였으며, 기존 접촉점화 산화제인 사산화이질소(N₂O₄), 발연질산(HNO₃)과 비교하였다. 또한, 이온성 연료는 F1, F2, F3으로 나타내었으며, 기존 접촉점화 연료인 모노메틸하이드라진(monomethyl hydra -zine, MMH), 비대칭디메틸하이드라진(unsymm-etrical dimethylhydrazine, UDMH)과 비교하였다. 표에 나타낸 것과 같이 이온성 물질로 구성된 산화제와 연료는 기존의 추진제와 비교하여 높은 분해 온도를 갖는다. 이는 실온에서 분해되는 사산화이질소, 발연질산과 비점이 87.5, 64.0℃인 MMH, UDMH에 비해 열 안정성이 우수함을 나타낸다. 또한, 이온성 추진제의 밀도는 기존 추진제와 유사하거나 높은 수치를 갖는다. 높은 밀도는 로켓 추진 시스템에서 더 많은 추진제를 탱크에 저장할 수 있음을 나타낸다. 이들이 개발한 대부분의 이온성 추진제는 기존 맹독성 추진제에 비해 상대적으로 우수한 물성치를 보였다. 이와 같은 특성은 실제 로켓 추진 시스템에 이온성 추진제가 적용될 경우 로켓 성능에 유리하게 작용할 것이다. Table 6을 통해 이온성 연료와 산화제 조합의 점화지연시간을 나타냈다.

액적낙하 실험을 3번 반복하여 측정하였으며, 모든 이온성 추진제 조합이 100 ms 이상의 긴 점화지연시간을 갖는다. 연구 결과에 따르면, 해당 이온성 접촉점화 추진제 조합은 기존 맹독성 추진제와 비교할 만한 점화성능을 구현하지는 못하였다. 그럼에도 불구하고, 이온성 물질만을 이용하여 접촉점화 추진제 개발이 가능하다는 것을 시사한다. 이온성 접촉점화 추진제는 새로운 물질을 설계하여 제작할 수 있다는 관점에서 많은 가능성을 내포하고 있다.