헥사나이트로헥사아자이소부르치탄
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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.
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헥사나이트로헥사아자이소부르치탄 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
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일반 정보 | |
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IUPAC 이름 | 2,4,6,8,10,12-헥사나이트로-2,4,6,8,10,12-헥사아자테트라사이클로[5.5.0.0³´¹¹.0⁵´⁹]도데케인 |
다른 이름 | CL-20 헥사나이트로헥사아자이소부르치탄 2,4,6,8,10,12-헥사나이트로-2,4,6,8,10,12-헥사아자이소부르치탄 옥타하이드로-1,3,4,7,8,10-헥사나이트로-5,2,6-(이미노메텐이미노)-1H-이미다조[4,5-b]피라진 HNIW |
약칭 | CL-20, HNIW |
CAS 등록번호 | 135285-90-4 |
UNII | RQM82X0CL7 |
PubChem | 9889323 |
PubChem (3R,9R)-도데칸 | 11048432 |
PubChem (3R,5S,9R,11S)- 도데칸 | 11419235 |
ChemSpider ID | 8064994 |
ChemSpider ID (3R,9R)-도데칸 | 9223599 |
ChemSpider ID (3R,5S,9R,11S)- 도데칸 | 9594121 |
ChEBI | 77327 |
SMILES | '[O-][N+](=O)N1C2C3N(C4C(N3[N+]([O-])=O)N(C(C1N4[N+]([O-])=O)N2[N+]([O-])=O)[N+]([O-])=O)[N+]([O-])=O' |
표준 InChI | 1S/C6H6N12O12/c19-13(20)7-1-2-8(14(21)22)5(7)6-9(15(23)24)3(11(1)17(27)28)4(10(6)16(25)26)12(2)18(29)30/h1-6H |
표준 InChIKey | NDYLCHGXSQOGMS-UHFFFAOYSA-N |
속성 | |
분자식 | C₆H₆N₁₂O₁₂ |
몰 질량 | 438.1850 g/mol |
밀도 | 2.044 g/cm³ |
폭발물 정보 | |
폭발 속도 | 9500 m/s |
RE 계수 | 1.9 |
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.[1]1987년 티오콜 공사의 아놀드 닐슨(Arnold Nielson) 박사가 처음 합성하였다.[1] 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.[2]
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.[1] 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.[2] 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.[3]인도군 또한 CL-20에 대한 연구를 진행했다.[4] 대만의 국립 중산 과학 기술 연구원은 2022년에 CL-20 생산 시설을 개설했으며, HF-2 및 HF-3 미사일 계열에 통합할 것으로 알려졌다.[5]
연도 | 주요 내용 |
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1987년 | 티오콜 공사의 아놀드 닐슨 박사(Arnold Nielson)가 CL-20을 처음 합성했다. 초기 합성 단계에서는 고가의 팔라듐 촉매가 필요하여 비용이 파운드 당 3000USD 이상으로 매우 높았다. |
1993년 12월 16일 | HNIW(Hexanitrohexaazaisowurtzitane, CL-20의 화학명) 발명 공로로 아놀드 닐슨 박사를 포함한 48명의 연구팀이 팀 상을 수상했다. |
1996년 6월 19일 | 미 해군 항공 무기 센터 무기 부서(NAWCWD)와 티오콜 공사가 공동 개발 계획 계약을 체결했다. 이때 NAWCWD에서 CL-20이라는 명칭을 부여받았다. 공동 연구를 통해 생산 비용을 파운드 당 100USD까지 낮추는 데 성공했다. |
1999년 | 일본의 아사히카세이에서 메탄올 용매를 이용하여 기존의 α, β, γ형과는 다른 네 번째 결정 형태인 ε형 CL-20을 발견했다. |
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.[7][8][9][10]
3. 합성
HNIW(CL-20)는 벤질아민과 글리옥살로부터 울치탄 구조를 형성하고, 이후 벤질기 제거, 아세틸화, 니트로화 단계를 거쳐 합성된다.[6]
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.[6]
4. 결정 구조 및 안정성
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.[11][12] 이러한 공유 결합 구조는 CL-20의 안정성을 높이는 새로운 가능성을 제시하며, 전자적 특성 연구도 함께 이루어지고 있다.[11][12]
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.[7][8]
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.[9][10]
4. 2. 중합체 유도체 (Polymeric derivatives)
2017년, K.P. 카틴과 M.M. 마슬로프는 CL-20 분자를 기반으로 하는 1차원 공유 사슬을 설계했다.[11] 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.[12] 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.[11][12]
5. 응용
1980년대 차이나 호수 해군 항공 무기 기지에서 주로 추진제에 사용하기 위해 개발되었다.[1] 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.[2]
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.[3]
인도군도 CL-20에 대한 연구를 진행한 바 있다.[4] 대만의 국립 중산 과학 기술 연구원은 2022년에 CL-20 생산 시설을 열었으며, HF-2 및 HF-3 미사일 계열에 통합할 것으로 알려졌다.[5]
6. 관련 특허
특허 공개 번호 | 특허명 |
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특허 공개 2002-284595 | 고성능 폭약 조성물 |
특허 공개 2001-072485 | 고추력 고체 추진제 |
특허 공개 2000-247771 | 1, 2 또는 3염기성 탄약용 추진 화약 및 그 제조법 |
특허 공개 2000-154084 | 헥사니트로헥사아자이소울치탄 조성물 및 해당 조성물을 배합하여 이루어진 고성능 화약 조성물 |
특허 공개 2000-128685 | ε 다형 헥사니트로헥사아자이소울치탄의 제조 방법 |
특허 공개 평 11-322752 | 종자 결정을 사용한 ε-헥사니트로헥사아자이소울치탄의 결정화 방법 |
특허 공개 평 11-171680 | 고성능 화약 조성물 |
특허 공개 평 11-060372 | 뇌관 |
특허 공개 평 11-060371 | 도화선 |
특허 공개 평 11-060370 | 시트상 또는 끈 모양 폭약 |
특허 공개 평 10-287675 | 종자 결정을 사용한 ε-헥사니트로헥사아자이소울치탄의 제조법 |
특허 공개 평 10-287674 | ε-헥사니트로헥사아자이소울치탄의 제조법 |
특허 공개 평 10-059792 | 발화성 조성물 |
특허 공개 평 06-321962 | 헥사키스(트리메틸실릴에틸카르바밀)헥사아자이소울치탄 |
WO98/016529 | 아실기를 갖는 헥사아자이소울치탄 유도체의 제조 방법 |
WO98/005666 | 헥사니트로헥사아자이소울치탄의 제조 방법 |
참조
[1]
웹사이트
Pioneered By The US, China 'Racing Ahead' Of Its Arch Rival In 'CL-20' Tech That Propels PLA's Deadly Missiles
https://eurasiantime[...]
2023-03-11
[2]
웹사이트
University chemists devise means to stabilize explosive CL-20
http://www.physorg.c[...]
Physorg.com
2011-09-09
[3]
웹사이트
CL-20 Used in Switchblade 300, May See Wider Use in JASSM-ER, LRASM, Other Munitions
https://www.defensed[...]
2024-04-26
[4]
웹사이트
Pune Based DRDO Lab Makes Most Powerful Conventional Explosive
https://pib.gov.in/n[...]
[5]
웹사이트
Institute develops powerful explosive
https://www.taipeiti[...]
Taipei Times
2024-07-07
[6]
간행물
Hexanitrohexaazaisowurtzitane (CL-20) and CL-20-based formulations (review)
[7]
간행물
Improved Stability and Smart-Material Functionality Realized in an Energetic Cocrystal
[8]
웹사이트
Things I Won't Work With: Hexanitrohexaazaisowurtzitane
https://www.science.[...]
2016-01-04
[9]
간행물
High Power Explosive with Good Sensitivity: A 2:1 Cocrystal of CL-20:HMX
[10]
웹사이트
Powerful new explosive could replace today's state-of-the-art military explosive
http://www.spacewar.[...]
2012-09-06
[11]
간행물
Toward CL-20 crystalline covalent solids: On the dependence of energy and electronic properties on the effective size of CL-20 chains
[12]
간행물
Electronic and reactivity characteristics of CL-20 covalent chains and networks: a density functional theory study
[13]
문서
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