열전지의 전해질은 용융염이 주성분이라서 용융염 전지라고도 불린다. 용융염 전해질은 평소에는 전기가 흐르지 않는 고체이지만, 화약 열원에 의해 녹으면 탁월한 이온 전도체가 된다. 따라서 열전지는 일종의 화약 전지이다. 화약의 열에너지로 용융염 전해질을 녹여야만 비로소 작동하게 되기 때문이다. 열전지에 사용되는 파이로테크닉 부품은 착화기, 점화스트립, 열원이 있다. 이들 파이로테크닉 부품은 극심한 환경조건에서도 안정적으로 전원을 공급해야 하는 유도 포탄용 열전지의 신뢰도는 물론 성능에도 큰 영향을 미친다. 노치형 착화기는 열원 착화 확률이 높았고, 필름형 착화기는 안전성을 향상시키는 것으로 나타났다. 열지에 금속 산화물 첨가를 통해 연소속도를 향상시킬 수 있었고, 분사형 착화기와 병행 사용하여 착화 신뢰성을 크게 높일 수 있었다. 2단계 환원 공정을 통해 산호 모양의 고순도 Fe 입자를 안전하게 얻을 수 있었다.
열전지의 전해질은 용융염이 주성분이라서 용융염 전지라고도 불린다. 용융염 전해질은 평소에는 전기가 흐르지 않는 고체이지만, 화약 열원에 의해 녹으면 탁월한 이온 전도체가 된다. 따라서 열전지는 일종의 화약 전지이다. 화약의 열에너지로 용융염 전해질을 녹여야만 비로소 작동하게 되기 때문이다. 열전지에 사용되는 파이로테크닉 부품은 착화기, 점화스트립, 열원이 있다. 이들 파이로테크닉 부품은 극심한 환경조건에서도 안정적으로 전원을 공급해야 하는 유도 포탄용 열전지의 신뢰도는 물론 성능에도 큰 영향을 미친다. 노치형 착화기는 열원 착화 확률이 높았고, 필름형 착화기는 안전성을 향상시키는 것으로 나타났다. 열지에 금속 산화물 첨가를 통해 연소속도를 향상시킬 수 있었고, 분사형 착화기와 병행 사용하여 착화 신뢰성을 크게 높일 수 있었다. 2단계 환원 공정을 통해 산호 모양의 고순도 Fe 입자를 안전하게 얻을 수 있었다.
Thermal batteries are also called molten-salt batteries as the electrolyte is mainly composed of molten salt. The molten-salt electrolyte is a solid that does not conduct electricity at room temperature, but when it is melted by a pyrotechnic heat source, it becomes an excellent ionic conductor. The...
Thermal batteries are also called molten-salt batteries as the electrolyte is mainly composed of molten salt. The molten-salt electrolyte is a solid that does not conduct electricity at room temperature, but when it is melted by a pyrotechnic heat source, it becomes an excellent ionic conductor. Thermal batteries are a kind of pyrotechnic battery because they operate only when the solid electrolyte is melted by the heat energy provided by pyrotechnic materials. Pyrotechnic components used in a thermal battery include heat sources, fuse strips, and an igniter. The reliability of these pyrotechnic components critically affects the reliability and performance of the battery that must supply electricity stably to guided munitions even under extreme environmental conditions. Different igniter types offer different advantages: notch-type igniters offer improved ignition probability, whereas film-type igniters offer improved safety. The addition of metal oxides to the heat paper could improve the burn rate, and the ignition reliability could be greatly improved by using it with a flame igniter at the same time. Using a two-step reduction process, high-purity Fe particles in coral form can be safely obtained.
Thermal batteries are also called molten-salt batteries as the electrolyte is mainly composed of molten salt. The molten-salt electrolyte is a solid that does not conduct electricity at room temperature, but when it is melted by a pyrotechnic heat source, it becomes an excellent ionic conductor. Thermal batteries are a kind of pyrotechnic battery because they operate only when the solid electrolyte is melted by the heat energy provided by pyrotechnic materials. Pyrotechnic components used in a thermal battery include heat sources, fuse strips, and an igniter. The reliability of these pyrotechnic components critically affects the reliability and performance of the battery that must supply electricity stably to guided munitions even under extreme environmental conditions. Different igniter types offer different advantages: notch-type igniters offer improved ignition probability, whereas film-type igniters offer improved safety. The addition of metal oxides to the heat paper could improve the burn rate, and the ignition reliability could be greatly improved by using it with a flame igniter at the same time. Using a two-step reduction process, high-purity Fe particles in coral form can be safely obtained.
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문제 정의
따라서 이들 파이로테크닉 부품들의 신뢰도가 확보되지 않으면, 열전지의 정상적인 작동도 보장될 수 없다. 본 논문에서는 열전지에 사용되고 있는 파이로테크닉 부품에 대한 간략한 소개, 요구조건, 개발현황 및 주요 연구결과를 정리하였다. 기존의 노치형 착화기 (notch-type) 는 열원 착화 확률은 우수하지만, 금속 파편이 발생하거나 노치가 열리지 않는 등의 위험성은 해결해야 한다.
따라서 원하는 연료/산화비 비율을 얻기 위해서는 먼저 분말의 손실을 최소화해야 한다. 본 연구에서는 Zr/BaCrO4 와 유리 섬유가 서로 정전기적 힘에의해 작은 덩어리로 응집하게 하여 손실되는 입자를 최소화하며 균일한 조성을 얻는 독창적인 방법을 개발하였다 [7]. 열지는 충분한 가습하여 보관하여야 한다.
철(Fe) 합성에서 분말의 형상과 순도에 영향을 미치는 환원 공정 개선을 통해 산호 모양의 고순도 입자를 합성하는 공정개발도 필요하다. 본 연구에서는 이 같은 문제점들을 해결하기 위하여 파이로테크닉 부품의 성능과 신뢰도를 향상시키고자 하였다.
안정적인 점화에 필요한 열량은 충분히 공급하면서도 연소온도는 낮게 조절하기 위하여, 열지에 용융염을 코팅하는 제조공정을 개발하였다 [6]. Fig.
가설 설정
후, (c)2차 환원 후, 그리고 (d) 단일 단계 환원의 경우에 대한 각각의 미세구조이다. Fig.
제안 방법
독특한 형상을 가지는 열원용 철 분말은 외국 정부 기관의 허가를 받아야만 수입이 가능한 품목이므로, 국내 공급의 안정성을 확보하기 위해 제조기술을 국내 개발하였다. 분무열분해(spray pyrolysis), 수열합성법 또는 sol-gel 공정 등에 의한 a-FeOOH, a-Fe2O3 등을 전구체로 하여 입자 형상을 제어할 수 있다[8, 9].
발열량은 열량계 (bomb calorimeter)로 측정하였다. 발화온도는 시차열분석 (differentialthermal analysis) 또는 시차주사열량측정법 (differential scanning calorimetry)을 이용하여 측정하였고, 이 결과를 기준으로 하여 안전한 보관 및 건조 조건을 결정하였다.
본 연구에서 적용한 전기식 착화기는 5 A, 20 ms 이상의 규정된 외부 전원이 가해지면 모두 정상 작동하여야 하고, 1 A 또는 1 W, 5분 조건에서는 점화가 되지 않아야 한다. 수분과 산소 등에 노출되면 화약 재료와의 반응으로 특성이 변화되고 또한 절연.
열지 제조공정으로, 연료인 Zr 과 산화제인 BaCrO4 분말을 혼합한 용액을 유리섬유 필터에함침하여 모재를 제조한 다음, 후처리 공정으로 바인더에 함침하고, 모재를 압착.건조하는 방법이 널리 사용되고 있다.
또한 착화기 내부압력이 낮게 형성될 경우, 노치가 열리지 않아 정상적인 열원 점화가 되지 않을 수도 있다. 이를 방지하기 위해 Fig. 2(b) 에 나타낸 바와 같이 절연성 polyethylene 또는 polyethylene terephthalate 보호막을 갖는 필름형 (film-type) 또는 홀형(hole-type) 착화기를 개발하여 열전지에 적용함으로써, 열전지의 발동 신뢰성을 향상시킬 수 있었다. 현재 대부분의 국산 열전지는 필름형 착화기를 적용하고 있지만, 최고 압력을 정밀하게 제어되면 노치형 착화기의 응용도 확대될 것으로 기대된다.
대상 데이터
열전지용 파이로테크닉 부품 국산화 개발에 참여하여 주신 전북대학교 정용식 교수, 한국생산기술연구원 김범성 박사, 세라믹기술원 이순일 . 김대성 박사, (주한화 안길환 차장, 그리고 (주비츠로밀텍 변영철 대표, 이상진 부장과 담당자분들께 감사 말씀을 전합니다.
이론/모형
발화온도는 시차열분석 (differentialthermal analysis) 또는 시차주사열량측정법 (differential scanning calorimetry)을 이용하여 측정하였고, 이 결과를 기준으로 하여 안전한 보관 및 건조 조건을 결정하였다.
9에서 보는 바와 같이 필름형 착화기가 노치형에 비해 높은 압력에서의 유지시간이 길어서 삭마 정도가 심해진다. 본 연구에서는 착화기의 점화 및 연소 특성은 밀폐용기 내에서 생성되는 압력을 closed bomb test(CBT)를 이용하여 측정하였다[10]. 열전지 내부의 최고 가스발생압력을 측정하여 케이스 강도와 두께를 결정한다(Fig.
성능/효과
또한 열지를 화염 분사형 착화기 또는 열봉과 병행하여 사용하면 열전지의 안정적인 활성에 도움이 되는 것으로 나타났다. 2단계 환원 공정으로 통해 산호 모양의 고순도 Fe 입자를 안전하게 얻을 수 있었다. 모든 파이로테크닉 부품은 오작동 위험성이 있으며, 특히 건조된 열지의 점화감도가 높아서 안전에 유의해야 한다.
[8]. Nano-foil 의 연소속도는 기존 열원에 비해 매우 빨라서 유도무기 신관용 전지에서 요구하는 150 ms 이하의 활성화시간을 만족할 수 있을 것으로 기대된다.
하지만 PbO나 SnO 첨가를 통해 연소속도를 증대시키면 활성화 시간을 크게 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한 열지를 화염 분사형 착화기 또는 열봉과 병행하여 사용하면 열전지의 안정적인 활성에 도움이 되는 것으로 나타났다. 2단계 환원 공정으로 통해 산호 모양의 고순도 Fe 입자를 안전하게 얻을 수 있었다.
대부분의 산화제는 파이로테크닉 물질의 착화온도 이하에서 녹거나 분해되므로 입자크기의 영향이 상대적으로 적은 편이다. 열지의 경우에는 PbO, SnO 등을 첨가하면 연소속도는 크게 증가하는 것으로 나타났다. 연료로 사용되는 금속은 산화되기 쉬우나, 유리-금속 밀봉을 통해 장시간 보관이 가능하다.
후속연구
2(b) 에 나타낸 바와 같이 절연성 polyethylene 또는 polyethylene terephthalate 보호막을 갖는 필름형 (film-type) 또는 홀형(hole-type) 착화기를 개발하여 열전지에 적용함으로써, 열전지의 발동 신뢰성을 향상시킬 수 있었다. 현재 대부분의 국산 열전지는 필름형 착화기를 적용하고 있지만, 최고 압력을 정밀하게 제어되면 노치형 착화기의 응용도 확대될 것으로 기대된다.
저 밀도 열봉 대신에 고탄성 열지를 말아서 사용하기도 한다. 현재 대부분의 열전지는 열지를 사용하고 있으나, 높은 연소속도를 가지는 열봉의 제조공정이 안정화되면 열봉의 응용이 확대될 것으로 기대된다.
참고문헌 (10)
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Guidotti, R.A., "Development History of Fe/ $KCIO_4$ Heat Powders at Sandia and Related Aging Issues for Thermal Batteries," Sandia National Laboratories Report SAND2001-2191, 2001.
Rahman, J.U., Lee, H.J., Du, N.V., Tak, J.Y., Kim, D.S., Kim, M.H., Yoon, H.K., Kim, J.H., Jang, Y.H., Cheong, H.W., and Lee, S., "Coral-like iron particles synthesized by morphology controllable reduction process," Ceramics International, Vol. 44, Issue 5, pp. 5359-5364, 2018.
Cha, S.W., Woo, J., Kim, Y., Oh, S.H., Cho, J.Y., Kim, J.H., Jang, S., Yang, H.W. and Roh, T.S., "Combustion Modeling of Explosive for Pyrotechnic Initiator," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 21, No. 6, pp. 39-48, 2017.
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