헥사나이트로헥사아자이소부르치탄

1. 개요

헥사나이트로헥사아자이소부르치탄(HNIW)은 CL-20으로도 불리며, 1980년대에 추진제 개발을 위해 미국에서 개발된 고성능 폭발물이다. 초기에는 제조 비용이 높았으나, 기술 개발을 통해 단가를 낮추는 데 성공했다. CL-20은 미사일 등 연기가 적은 무기 개발에 활용되었으며, 현재는 에어로바이론먼트 스위치블레이드 300 드론과 록히드 마틴의 미사일에 사용될 예정이다. 또한, CL-20의 공결정 및 중합체 유도체 연구를 통해 안정성과 성능을 향상시키려는 시도가 이루어지고 있다.

2. 역사

(내용 없음)

2.1. 개발 초기

1980년대에 CL-20은 주로 추진제에 사용하기 위해 차이나 호수 해군 항공 무기 기지(China Lake)에서 개발되었다.

1987년 티오콜 공사의 아놀드 닐슨(Arnold Nielson) 박사가 처음 합성하였다. 초기 단계에서는 합성에 값비싼 팔라듐 촉매가 필요하여 비용이 매우 높아 약 0.45kg당 3000USD 이상이었다. 티오콜 공사가 개발을 주도했지만, 미 해군의 해군 연구국 (ONR) 또한 로켓 추진제로서 CL-20에 관심을 보였다. 이는 연기가 적게 발생하는 등 낮은 관측 특성을 가지기 때문이다.

1993년 12월 16일, 아놀드 닐슨 박사를 포함한 48명의 연구팀은 HNIW(헥사나이트로헥사아자이소부르치탄)를 발명한 공로로 팀상을 수상했다.

1996년 6월 19일, 미 해군 항공 무기 센터 무기 부서(NAWCWD, Naval Air Warfare Center Weapons Division)와 티오콜 공사는 공동 개발 계획 계약을 체결했다. 이때 NAWCWD에 의해 'CL-20'이라는 명칭이 부여되었다. 공동 연구를 통해 약 0.45kg당 제조 단가를 100USD까지 낮추는 데 성공했다.

1999년 일본의 화학 기업 아사히카세이는 메탄올 용매로 α형, β형, γ형 헥사니트로헥사아자이소부르치탄을 용해시킨 후 용매를 증발시켜 결정을 석출하는 방식으로 네 번째 결정 형태인 ε형을 발견했다.

2.2. 제조 단가 절감 및 상용화 노력

1987년 티오콜(Thiokol)사의 아놀드 닐슨(Arnold Nielson) 박사가 처음으로 합성하였다. 초기 합성 단계에서는 값비싼 팔라듐 촉매가 필요하여 제조 비용이 약 0.45kg 당 3000USD 이상으로 매우 높았다.

1993년 12월 16일, HNIW(헥사나이트로헥사아자이소부르치탄)를 발명한 공로로 아놀드 닐슨 박사를 포함한 48명의 연구팀 멤버가 팀상을 수상했다.

이후 제조 단가를 낮추기 위한 노력이 이어졌다. 1996년 6월 19일, 미 해군 항공 무기 센터(NAWCWD, Naval Air Warfare Center Weapons Division)와 티오콜사는 공동 개발 계획 계약을 체결했다. 이 과정에서 NAWCWD는 HNIW에 CL-20이라는 코드명을 부여했다. 공동 연구를 통해 제조 단가를 약 0.45kg 당 100USD까지 낮추는 데 성공하며 상용화 가능성을 높였다.

2.3. 대한민국 및 기타 국가의 연구 개발

CL-20은 1980년대 미국 캘리포니아주의 차이나 호수 해군 항공 무기 기지에서 주로 추진제 용도로 개발되었다. 개발은 티오콜 공사가 주도하였으며, 미 해군의 해군 연구국 역시 연기가 적게 발생하는 등 낮은 관측 특성을 가진 로켓 추진제 개발을 위해 CL-20에 관심을 보였다. 현재까지 CL-20은 에어로바이론먼트 스위치블레이드 300 자폭 드론에 사용된 바 있으며, 록히드 마틴의 AGM-158C LRASM(장거리 대함 미사일) 및 AGM-158B JASSM-ER(합동 공대지 장거리 미사일-확장 사거리)에 사용하기 위한 시험이 진행 중이다.

인도군 또한 CL-20에 대한 연구를 진행했다. 대만의 국립 중산 과학 기술 연구원은 2022년에 CL-20 생산 시설을 개설했으며, HF-2 및 HF-3 미사일 계열에 통합할 것으로 알려졌다.

3. 합성

합성 과정은 다음과 같다. 먼저, 벤질아민(1)은 산성 및 탈수 조건에서 글리옥살(2)과 축합되어 첫 번째 중간체 화합물(3)을 생성한다. 이후, 4개의 벤질기는 탄소 담지 팔라듐 촉매 하에 수소를 사용하여 선택적으로 수소화 분해를 통해 제거된다. 생성된 아미노기는 아세트산 무수물을 용매로 사용하여 동일 단계에서 아세틸화되어 중간체(4)를 형성한다. 마지막으로, 이 화합물(4)을 테트라플루오로붕산 니트로늄 및 테트라플루오로붕산 니트로소늄과 반응시켜 최종 생성물인 HNIW를 얻는다.

4. 결정 구조 및 안정성

CL-20의 높은 에너지 밀도에도 불구하고, 충격과 마찰에 대한 민감성 때문에 안정성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 주요 연구 방향 중 하나는 다른 폭발물이나 화합물과 공결정을 형성하여 안정성을 높이는 것이다. 예를 들어, TNT나 HMX와 같은 물질과의 공결정 형성을 통해 기존 CL-20보다 개선된 안정성을 얻으려는 시도가 있었다.

다른 접근법으로는 CL-20 분자들을 공유 결합으로 연결하여 더 큰 중합체 구조를 만드는 방법이 연구되었다. CH₂와 같은 분자 다리를 이용하여 CL-20 분자들을 사슬이나 네트워크 형태로 연결하면, 개별 분자 결정 상태일 때보다 열역학적으로 더 안정한 구조를 형성할 수 있다는 이론적 연구 결과가 있다. 이러한 공유 결합 구조는 CL-20의 안정성을 높이는 새로운 가능성을 제시하며, 전자적 특성 연구도 함께 이루어지고 있다.

4.1. 공결정 (Cocrystals)

2011년 8월, 애덤 매츠거와 오너스 볼턴은 CL-20과 TNT의 공결정이 CL-20보다 두 배 더 안정하다는 연구 결과를 발표했다. 이 공결정은 운송이 가능할 정도로 안전하지만, 136°C로 가열하면 액체 TNT와 CL-20 결정 형태로 분리될 수 있다. 또한 구조적 결함 때문에 CL-20보다 약간 덜 안정적일 가능성도 있다.

2012년 8월에는 오너스 볼턴과 다른 연구자들이 CL-20 2부분과 HMX 1부분으로 이루어진 공결정에 대한 연구 결과를 발표했다. 이 공결정은 HMX와 비슷한 수준의 안전성을 가지면서도, CL-20에 더 가까운 높은 발사력을 나타냈다.

4.2. 중합체 유도체 (Polymeric derivatives)

2017년, K.P. 카틴과 M.M. 마슬로프는 CL-20 분자를 기반으로 하는 1차원 공유 사슬을 설계했다. 이 사슬은 분리된 CL-20 조각들을 연결하기 위해 CH₂ 분자 다리를 사용하여 구성되었다. 연구진은 사슬 길이가 효율적으로 증가함에 따라 안정성이 증가할 것으로 이론적으로 예측했다.

1년 후, M.A. 기말디노바와 동료들은 CH₂ 분자 다리의 다재다능함을 입증했다. CH₂ 다리를 사용하는 것은 사슬 내 CL-20 조각을 연결하고, 더 나아가 사슬들을 서로 연결하여 네트워크(선형 또는 지그재그 형태)를 만드는 보편적인 기술임이 밝혀졌다.

CL-20 공유 시스템의 유효 크기와 차원이 증가하면 열역학적 안정성이 증가한다는 사실이 확인되었다. 이는 CL-20 분자가 분자 결정뿐만 아니라 더 큰 규모의 공유 구조를 형성하는 것이 에너지적으로 유리하다는 것을 의미한다. CL-20 사슬 및 네트워크의 전자적 특성에 대한 수치 계산 결과, 이들은 넓은 띠틈을 가진 반도체임이 밝혀졌다.

5. 응용

1980년대 차이나 호수 해군 항공 무기 기지에서 주로 추진제에 사용하기 위해 개발되었다. 개발은 티오콜 공사가 주도했지만, 미 해군의 해군 연구국 역시 로켓 추진제로서의 가능성에 주목했다. 특히 미사일 등에 사용될 경우 연기가 적어 낮은 관측 특성을 갖는다는 장점이 있었다.

현재까지 CL-20은 에어로바이론먼트 스위치블레이드 300 "자폭" 드론에 사용된 것이 확인되었다. 또한 록히드 마틴의 AGM-158C LRASM(장거리 대함 미사일) 및 AGM-158B JASSM-ER(합동 공대지 원거리 미사일-확장 사거리)에 사용하기 위한 시험이 진행 중이다.

인도군도 CL-20에 대한 연구를 진행한 바 있다. 대만의 국립 중산 과학 기술 연구원은 2022년에 CL-20 생산 시설을 열었으며, HF-2 및 HF-3 미사일 계열에 통합할 것으로 알려졌다.

6. 관련 특허