KR101723936B1 - Cnt 함유 방탄섬유 복합체를 포함하는 방탄헬멧 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브(CNT) 또는 그라핀이 함침되어 형성된 제1 방탄섬유 복합체층 및 상기 제1 방탄섬유 복합체층의 일면에 형성된 제1 열가소성 수지층을 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그; 및 제2 방탄섬유 및 상기 제2 방탄섬유의 일면에 형성된 제2 열가소성 수지층을 포함하는 방탄섬유 프리프레그를 포함하고, 상기 방탄섬유 복합체 프리프레그 및 상기 방탄섬유 프리프레그 복수개가 프리프레그 종류에 따라 순서대로 또는 교대로 적층되어 성형된 방탄막으로 이루어진 방탄 헬멧을 제공한다.

Description

CNT 함유 방탄섬유 복합체를 포함하는 방탄헬멧{BULLET PROOF HELMET COMPRISING BULLETPROOF FIBER COMPLEX CONTAING CNT}

본 기술은 방탄헬멧 제작 분야의 기술로서, 파편탄에 대한 방호성능 및 볼탄에 대한 후면변형 억제 성능이 우수한 방탄헬멧 제조 기술에 관한 것이다.

방탄헬멧의 기본 기능은 예리하고 각종 탄에 의한 위협에 대하여 착용자의 머리를 보호하여 생존성을 높이는 것이다. 또한 기동성과 장기간 착용시에 머리에 걸리는 하중을 줄이기 위하여 방탄헬멧의 무게는 가벼워야 한다.

현대적 헬멧의 시작은 세계 1차대전 시에 프랑스가 아드리안(Adrian)라 부르는 금속(steel) 헬멧이 최초이다. 프랑스 아드리안 헬멧은 박격포탄에 대한 방호가 아주 부족하였다. 그 이후 프랑스 헬멧과 유사한 방탄헬멧이 각국에서 채택이 되었다. 미국은 프랑스와 영국이 함께 설계한 금속 헬멧의 무게를 줄이고, 착용성을 편하게하고 방호력이 높은 헬멧인 M1 금속 방탄헬멧을 개발하여 세계2차 대전에서서 사용하였다. 1960년대에 들어서서 미 육군은 기존의 M1 금속헬멧을 보다 가볍고, 방호력이 향상된 구조를 갖는 방탄헬멧 프로그램에 착수하여 PASGT(Personnel Armor System for Ground Troops)라는 전투헬멧을 개발하였다. 이 헬멧은 M1에서 사용한 금속 재질을 미 듀퐁사에서 개발한 일명 케블라(Kevlar) 섬유를 사용하였다. 그 이후 PASGT 헬멧은 ACH(Advanced Combat Helmet), 그리고 미 해군용으로 보다 가벼워진 LWH(LightWeight Helmet)으로 발전하여 병사의 생명을 보호하는데 큰 기여를 하였다.

그러나 아직도 오늘날의 방탄헬멧 분야에서의 가장 큰 기술적 문제는 경량화와 함께 각종 탄으로부터 머리 부상을 최소화하여 큰 부상이나 사망을 줄이는 것이다. 방탄헬멧의 경량화를 위하여 현대 헬멧에서는 초기에 나일론 섬유가 적용되었으나 이 소재의 파편탄 방호력은 200~300m/s에 불과하였다. 1970년대에 들어서서 고강도의 아라미드 섬유가 미 듀퐁사에서 개발되었다. 미 육군은 이를 이용한 방탄헬멧을 개발하였다. 앞서 언급한 PASGT 방탄헬멧은 면밀도가 11.4kg/m2이었으며, 소재로는 1500 데니어(Denier)의 Kevlar 29 섬유에, 섬유를 접착하기 위한 고분자 매트릭스로는 페놀수지에 PVB ( POly Vinyl Butyral)수지를 혼합하여 수지함량을 16~20%로 하여 압축 성형을 통하여 제작하였다. 이 방탄헬멧은 Cal.22 파편탄 (17 그레인)의 방호한계 값(V50)이 638m/s로서, 즉 이 값 이하에서는 Cal.22 파편탄에 대한 방호를 할 수 있는 방호력을 갖추고 있다.그 이후 방탄헬멧의 경량화를 위하여 850데니어의 Kevlar KM-2 소재를 기본으로 하여 이를 31 x 31 평직형으로 면밀도가 234g/m²을 제직하였고, 고분자 매트릭스로는 PVB-페놀릭 수지를 사용하였다. 이렇게 하여 제조한 헬멧의 면밀도는 9.6kg/m2으로 감소하면서도 Cal.22 파편탄에 의한 방호한계 값(V50)은 666m/s로 증가하였다. KM2헬멧은 PASGT 헬멧에 비하여 15%의 경량화가 이루어졌다. 최근에는 면밀도를 8.6kg/m2으로 낮추기 위한 개발이 진행이 되고 있다.

한편 1980년대에 들어서서 케블라(kevlar) 섬유 보다도 가볍고 강도가 우수한 초고분자량의 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight PolyEthylene: UHMPE)계의 섬유가 개발이 이루어졌다. 이 섬유는 밀도가 1.0g/cm³ 이하로서 kevlar의 밀도 1.44g/cm³ 비하여 가벼운 장점을 갖추고 있다. 그러나 UHMWPE 섬유의 경량성 특성에 비하여 온도에 대단히 민감하여 실지로 80℃ 이상에서 노출시에는 방호력이 크게 감소하는 것으로 알려져 있다. 이로 인하여 권총탄이나 소총탄에 의한 피격시에는 깊은 변형이 발생하여 관통이 이루어지지 않더라도 큰 변형으로 인하여 뇌를 손상시키어 사망에 이르게 된다. 최근에 이라크전이나 아프카니스탄 전투에서 기존 헬방탄멧에 대한 개선의 필요성이 대두되고 있다. 첫째는 추가적인 경향화가 필요하고, 둘째로는 파편탄에 의한 방호뿐만이 아니고, 9mm FMJ탄 혹은 .44 magnum 탄에 의한 방호도 요구하고 있다. 후자의 경우에는 관통이 일어나면 사망하지만 관통이 발생하지 않더라도 충격에 의한 방탄재의 큰 변형으로 인하여 머리에 충격을 주어 사망 할 확률이 높기 때문이다.

방탄섬유는 다양한 형태로 제조되어 방호성능 요구에 따라서 사용되고 있으나, 가장 널리 사용되고 있는 소재는 직물형과 섬유 얀(Yarn)을 0ㅀ 방향으로 배열하여 여기에 고분자 매트릭스를 코팅한 다음 이를 절단하여 0ㅀ와 90ㅀ 방향으로 적층 후에 성형 한 일방향 테이프(Unidirectional Tape: UD)로 한 소재가 주류를 이루고 있다.

일반적으로 직물은 경사와 위사로 구성되며, 여기에 사용하는 섬유는 용도에 따라서 데니어(Denier: 9000m당 1g)가 다른 것을 사용하여 제직을 한다. 직물의 제직 형태에는 여러 가지가 있으나 얀-얀 사이의 마찰력이 높아 충격에너지 흡수가 우수한 평직(plain weave)형태가 가장 많이 적용되고 있다. 직물의 경우에는 파편탄(FSP: Fragment Simulating Projectile)이 충돌하면 직물을 구성하고 있는 얀이 인발(Pull-out)되면서 탄의 에너지를 흡수 및 분산하여 정지하게 되는데, 인발 강도는 얀-얀 간의 마찰력에 의하여 조절되며, 탄자의 에너지가 마찰력이나 얀의 인장강도를 넘어서면, 탄자는 얀을 파단시키고 관통하게 된다. 한편 9mm 혹은 .44 Magnum 같은 볼탄은 일반적으로 탄자의 코아는 납 재질로 되어 있고, 외피는 구리로 덮여있어, 방탄재와의 충돌시에 탄자의 모양이 버섯모양(mushroom)으로 변하면서 탄자의 면적이 2~3배로 변형되어, 후면에 거대한 트라우마를 가져온다.

그래서 파편탄은 피탄재와 충돌시에 변형이 크게 일어나지 않고 관통을 진행하기 때문에 파편탄을 저지하기 위해서는 관통 억제가 우수한 소재가 요구되고, 반면에 볼탄은 탄자의 특성상 관통 보다는 탄자의 변형으로 후면에 큰 충격 에너지를 전달하여 후면변형(Back Face Signature: BFS)을 감소시킬 수 있는 방탄 소재가 요구된다.

기본적으로 방탄재는 외부에서 충격이 가해지면 운동에너지를 신속하게 인접한 섬유나 다음 층에 전달하여 충격을 분산시켜 주어야 방탄성능을 높일 수 있다. 섬유간의 마찰력을 높여 충격에너지를 분산시키기 위하여 팽창성 건조분말(dilatants)을 섬유에 코팅하거나, 직물에 바르거나 하여 섬유 간의 마찰력을 증가시키어 운동에너지를 분산시키는 기술을 개시하였으나, 이 기술은 벌키(bulky)하고, 무겁고 그리고 비교적 유연성이 제한적인 등의 문제점이 있다.

최근에는 나노입자를 함유한 전단농화유체(STF: Shear Thickening Fluid)를 아라미드(kevlar) 직물에 함침하여 파편탄 형상의 모의탄으로 저속(250m/s 이하)에서 방탄시험을 수행하였을 때에 기존의 직물에 비하여 방탄 저항성을 크게 향상시킨 결과를 제시하였다. 이 기술은 직물형 방탄재의 장점인 파편탄 방어, 방탄복의 경우에 착용성과 관련된 유연성 그리고 경제성을 그대로 유지하면서 직물 방탄재의 단점인 볼탄 방호력을 높이기 위하여 경사-위사간의 얀의 마찰력을 증가시키어 충격시에 직물 층의 변형을 억제하여 후면변형을 줄여주기 위한 것이다. 그러나 이 기술은 액체를 사용하는 관계로 방탄헬멧과 같은 하드아모(hard armor)에로의 적용은 불가능하다.

한편 UD 소재는 섬유가 일직선으로 배향되어 있어 여기에 고분자를 매트릭스를 코팅하므로써 섬유의 강도를 거의 그대로 유지할 수 있고, 충격파가 신속하게 절달되어 에너지를 분산시킬 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 경제성 측면에서는 고가로서 단점을 갖고 있다.

한편 직물 방탄재로 더 많이 사용하고 있는 아라미드섬유는 UHMPE에 비하여 밀도가 높아 경량화에 단점이 있으나, 용융점이 400℃에 달하여 온도 환경에 따른 방호력 감소는 없다. 경제성 측면에서는 직물은 저렴한 장점을 갖고 있다. 그래서 아라미드 직물의 경제성과 함께 방호력을 증진하는 기술이 다양하게 개발되고 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 방호력 측면 및 경제적 측면 등을 고려한 발명으로서, 본 발명은 Cal.22 파편탄(17그레인)에 의한 방호한계 값을 620m/s이상으로 하면서 NIJ-STD-0101.06 규격의 level IIIA인 9mm FMJ 탄 및 .44 Magnum탄을 방어할 수 있으며, 면밀도를 낮추어 경량성이면서 방호력이 향상돤 방탄헬멧을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방탄 헬멧은 탄소나노튜브(CNT) 또는 그라핀이 함침되어 형성된 제1 방탄섬유 복합체층 및 상기 제1 방탄섬유 복합체층의 일면에 형성된 제1 열가소성 수지층을 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그; 및 제2 방탄섬유 및 상기 제2 방탄섬유의 일면에 형성된 제2 열가소성 수지층을 포함하는 방탄섬유 프리프레그를 포함하고, 상기 방탄섬유 복합체 프리프레그 및 상기 방탄섬유 프리프레그 복수개가 프리프레그 종류에 따라 순서대로 또는 교대로 적층되어 성형된 방탄막으로 이루어진다.

상기 제1 방탄섬유는 아라미드 섬유일 수 있으며, 상기 제2 방탄섬유는 아라미드 섬유 또는 초고분자량폴리에틸렌(UHMPE) 섬유일 수 있다.

상기 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지는 각각 폴리프로필렌 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에틸렌 수지 및 PEEK(polyetheretherketone) 중 적어도 하나의 수지를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 방탄 헬멧은 탄소나노튜브(CNT) 또는 그라핀이 아라미드 섬유에 함침되어 형성된 아라미드섬유 복합체층 및 상기 아라미드섬유 복합체층의 일면에 형성된 제1 열가소성 수지층을 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그 복수개가 적층되어 형성되고, 상기 헬멧의 내피에 대응하는 후면변형 억제층; 및 제3 방탄섬유의 일면에 형성된 제2 열가소성 수지층을 포함하는 제3 방탄섬유 프리프레그 복수개가 적층되어 형성되고, 상기 후면변형 억제층 상에 적층되어, 상기 헬멧의 외피에 대응하는 파편탄 방어층을 포함하한다.

상기 제3 방탄섬유는 아라미드 섬유일 수 있고, 상기 제3 방탄섬유는 초고분자량폴리에틸렌(UHMPE) 섬유일 수 있다. 상기 제3 방탄섬유가 UHMPE 섬유일 경우, 상기 방탄 헬멧은 상기 헬멧 최외각에 적층되어, 상기 파편탄 방어층을 보호하는 표피 보호층을 더 포함할 수 있다. 상기 표피 보호층은 탄소섬유-에폭시수지 복합체를 포함할 수 있다.

상기 방탄 헬멧은 Cal.22 파편탄(17그레인)에 의한 방호한계 값이 적어도 620m/s이며 NIJ-STD-0101.06 규격의 level IIIA인 9mm FMJ 탄 및 .44 Magnum탄을 방어할 수 있다.

본 발명에 따른 방탄 헬멧은, 기존의 방탄헬멧 소재로 사용되고 있는 아라미드섬유가 동일 방호력에서 UHMPE 섬유에 비하여 면밀도가 높아 중량이 많이 나가는 단점을, 그리고 UHMPE섬유의 경우에는 경량성 측면에서는 우수하나 권총탄에 의한 충격시에는 비관통시에 후면으로의 변형이 크게 일어나는 단점을 해결할 수 있다.

또한, 상기 방탄 헬멧은 방탄 성능면에서는 Cal.22 파편탄에 의한 방호한계(V50) 값을 610m/s 이상으로 유지하고, NIJ-0101.06 level IIIA 규격의 9mm FMJ 및 .44 Magnum 탄을 방호하면서 후면변형을 25mm 이하로 감소시킬 수 있다. 무게 측면에서는, 아라미드섬유로 만으로 구성된 방탄재의 무게 보다는 가볍고, Cal.22 파편탄 만을 바호하는 UHMPE 소재로 만으로 구성된 방탄재보다 면밀도 대비 5~6% 증가함으로써 방호력이 우수하면서, 경량화된 특성을 나타낸다.

본 발명에 따른 방탄헬멧에 사용된 방탄소재는 기존의 PVB-Phenolic 매트릭스로 함침된 아라미드섬유 프리프레그 직물이 갖는 낮은 파단인성을, 열가소성 고분자 매트릭스를 개발함으로써 파단 인성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 낮은 고분자 매트릭스의 함량과 균일한 매트릭스 분포를 갖는 열가소성 필름을 이용함으로써, 충격시 충격에너지의 흡수와 분산을 위한 층간분리가 용이하게 일어날 수 있다.

본 발명에서 사용한 CNT 함유 프리프레그 제조 기술을 이용한 방탄재는 다양한 섬유종류, 적층형태 및 성형방법에 따라서 방탄헬멧 뿐만 아니라 개인 방탄복에 사용하고 있는 방탄판이나 차량, 항공기, 함정 등에 채용될 수 있는 다양한 방탄판에도 널리 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 방탄 헬멧의 구조를 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 아라미드 섬유에 CNT 섬유가 분산되어 있는 모습을 보여주는 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 프리프레그를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄 헬멧의 제조 방법을 개념적으로 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리프레그 적층 구조를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리프레그 적층 구조를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄 헬멧 성형 과정을 설명하기 위한 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 방탄헬멧 및 이의 제조 방법에 대하여 자세하게 설명하도록 한다. 그러나 하기 설명들은 본 발명에 대한 예시적인 기재일 뿐, 하기 설명에 의하여 본 발명의 기술사상이 국한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상은 후술할 청구범위에 의하여 정해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 방탄 헬멧의 구조를 예시적으로 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 방탄 헬멧(1000)은 다수의 기능층으로 적층된 적층막(B)으로 이루어져 있다. 도 1의 'B'는 'A' 부분만을 확대한 단면을 보여줌으로써 이러한 적층막 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 1의 'B'부분을 참조하면, 기능적으로 상기 적층막(B)은 상기 헬멧(1000)의 내벽, 즉 내피에 해당하는 후면병형 억제층(1100), 상기 헬멧의 외피에 대응하는 파편탄 방어층(1200) 및 선택적으로 적용될 수 있고, 상기 파편탄 방어층(1200) 마모를 억제하기 위한 표피 보호층(1300)을 포함한다. 즉, 상기 표피 보호층(1300)은 파편탄 방어층(1200)의 재질에 따라서 선택적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 파편탄 방어층(1200)이 초고분자량폴리에틸렌 (UHMPE) 섬유를 포함할 경우, 상기 UHMPE가 내마모성이 다소 취약하므로, 상기 방탄 헬멧(1000)은 최외각 노출면에 표피 보호층(1300)을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 파편탄 방어층(1200)은 주로 파편탄 방어 기능을 수행하고, 상기 후면변형 억제층(1100)은 9mm FMJ 혹은 .44magnum 탄에 의한 방어와 후면변형억제 기능을 수행한다. 즉, 상기 후면변형 억제층(1100)은 주로 권총 탄환 등의 변형성 볼탄 방어 기능을 수행한다.

상기 후면변형 억제층(1100)은 탄소나노튜브 또는 그라핀이 방탄섬유에 함침되어 형성된 방탄섬유 복합체층 및 방탄섬유 복합체층의 일면에 형성된 열가소성 수지층을 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그 복수개가 적층되어 형성된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그를 개념적으로 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 방탄섬유 복합체 프리프레그(100)는 탄소나노튜브 또는 그라핀이 방탄섬유에 함침되어 형성된 방탄섬유 복합체층(110) 및 상기 방탄섬유 복합체층(110)의 일면에 형성된 열가소성 수지층(115)을 포함한다.

이하, 상기 방탄섬유 복합체 프리프레그(100)의 제조과정을 자세하게 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법을 도시한 순서도이다.

도 3을 참조하면, 우선 방탄섬유 복합체 프리프레그의 제조방법(S100)은 우선 방탄섬유를 함침시키기 위한 함침용액을 준비단계(S110)로부터 시작한다. 상기 함침용액은 CNT 또는 그라핀 입자를 알콜계 용매 등에 혼합 및 분산시켜 용액화하여 준비될 수 있다. 상기 분산은 초음파 발생기 등이 구비된 용기 내에서 분산될 수 있다.

상기 CNT로서는 단일벽나노튜브(SWCNT), 다중벽나노튜브(MWCNT) 등이 사용될 수 있다. 상기 함침용액에는 CNT와 그라핀 각각 포함될 수도 있고, CNT 및 그라핀이 동시에 포함될 수도 있다. 상기 CNT 또는 그라핀은 알콜올계 용매 내에 0.01 내지 3 중량%의 농도 포함될 수 있다.

상기 함침용액이 준비되면, 초음파 발생기에 상기 함침용액을 준비하고, 얀 형태의 단위섬유인 방탄섬유를, 예를 들면 연속적으로 함침시키면서 상기 CNT 또는 그라핀 등이 섬유에 부착될 수 있도록 한다(S120). 본 실시예에서는 얀 형태의 단위섬유의 예를 들었으나, 이와 달리 이미 직조된 직조물을 방탄섬유로 사용할 수 있고, 이미 직조된 직물 방탄섬유의 경우, 함침 외에도 함침액을 롤러 및 기타 도구를 사용하여 직물에 충분이 발라주는 방법으로도 CNT 또는 그라핀을 섬유에 도입할 수 있다.

상기 방탄섬유로는 아라미드 섬유, 초고분자량폴리에틸렌(UHMPE) 섬유, 나일론 섬유, 유리섬유, PIPD (poly(2,6-diimidazo (4,5-b4',5'-e)pyridnylene-1,4(2,5-dihydroxy)-phenylene, 일명, M5 섬유) 섬유 등이 사용될 수 있다. 상기 방탄섬유들은 단독으로 사용될 수도 있으나 서로 다른 2종 이상의 방탄섬유를 사용할 수도 있다. 서로 다른 2종의 방탄섬유를 사용할 경우, 최종적으로 서로 다른 2종 이상의 섬유사들을 이용한 직조를 통하여 보다 다양한 요구 물성을 갖는 방탄소재의 제조가 가능하다.

구체적으로 상기 얀 형태의 방탄섬유(방탄섬유사)들은 보빈(Bobin)에 감겨져 있다 풀리면서, 초음파 발생기가 구비된 함침액 용기 내로 가이드 롤러 등을 통하여 이동하면서 함침이 이루어진다. 이 때, 섬유에는 장력이 가해지는 것이 바람직하며 발생되는 초음파에 의하여 용액 내의 CNT나 그라핀은 침전하지 않고 균일하게 분산된다.

상기 함침용액은 경우에 따라서, CNT나 그라핀 입자와 방탄섬유의 결합을 촉진하기 위한 고분자 수지를 포함할 수 있다. 상기 고분자 수지로서는, 페놀계 수지, 에폭시계 수지 및 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, PVA 수지페놀계 고분자 등을 사용할 수 있으나, 상기 고분자들 중 함침용액 내에 응집이나 뭉침 현상을 일으킬 수 있는 고분자의 경우, 함침용액 단계에서 포함되지 않는 것이 바람직하다.

전술한 뭉침이나, 응집을 유발하는 고분자의 경우, 방탄섬유 함침 단계(S120) 이후에 별도의 고분자 용액 내에서의 함침 단계를 더 거치는 것이 바람직하다. 즉, 1차적으로 CNT 또는 그라핀 용액에 함침된 방탄섬유는 2차적으로 고분자 용액에 함침됨으로써, CNT 또는 그라핀이 섬유 조직에 견고하게 결합될 수 있다. 전술한 바와 마찬가지로, 상기 고분자 용액으로서는 페놀계 수지, 에폭시계 수지 및 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, PVA 수지페놀계 고분자 등을 사용할 수 있고, 상기 고분자들은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 본 실시예에서와 같이, 고분자 수지의 별도 함침과정을 거치는 것은 뭉침현상을 방지하는 데 유리하다. 즉, 일부 고분자의 경우 최초 함침액에 동시에 포함될 경우, 뭉침 현상 등이 발생될 수 있어 1차적인 함침액 단계에서 혼합되지 않으므로, 별도의 함침과정을 거쳐 CNT 또는 그라핀 입자의 섬유 조직 내 결합을 도모하여야 한다.

이와 같이 CNT 또는 그라핀 용액에서의 함침 및 고분자 용액에서의 함침 과정을 거친 방탄섬유는 건조과정을 거치게 됨으로써, 방탄섬유 복합체가 준비될 수 있다.

참고로, 도 4는 아라미드 섬유에 CNT 섬유가 분산되어 있는 모습을 보여주는 전자현미경 사진이다.

방탄섬유 복합체가 섬유사 형태인 경우, 직조 및 가공을 통하여 층상으로 가공되며(S130), 공정 시작단계에서부터 직물 형태로 공정을 거친 경우 층상으로 가공된다. 상기 가공은 잘단 등을 통하여 판상으로 가공되는 것을 의미한다. 다만, 이미 요구하는 형상으로서 전 단계 공정을 거친 경우, 별도의 층상 가공 단계(S130)를 거치지 않아도 된다.

상기 층상으로 가공되어 방탄섬유 복합체층이 형성되면, 상기 방탄섬유 복합체층의 일 면 또는 양 면에는 열가소성 수지필름이 결합된 후 열 압착되는 단계(S140)를 거치게 된다. 본 실시예에서는 열 압착의 방법을 예시하였으나, 이와 다른 방식일지라도, 열가소성 수지의 핫멜트를 유도하고 압력을 가하는 방법이라면 본 발명에 채용될 수 있다.

상기 열가소성 수지필름으로서는 폴리프로필렌 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에틸렌 수지, PEEK(polyetheretherketone) 수지 등이 포함된 필름을 사용할 수 있으며, 상기 수지필름으로서는 상기 수지 중 2종 이상이 블랜딩된 수지필름이 사용될 수도 있다.

상기 수지필름은 열압착 등의 방법으로, 상기 방탄섬유 복합체의 일면에 층으로서 형성되지만, 일부의 열가소성 수지는 상기 방탄섬유 복합체의 내부로 침투되어 상기 방탄섬유 복합체의 내부에 분산되어 있는 CNT나 그라핀 성분을 견고하게 결합시키는 역할을 수행한다.

상기 열가소성 수지 필름이 열압착되면, 비로소 방탄섬유 복합체 프리프레그가 완성된다. 한편, 상기 프리프레그 내에서 열가소성 수지 매트릭스 성분은 15 내지 30 중량%의 함량을 갖도록 조절되는 것이 바람직하다.

상기 열가소성 수지 필름은 한 장이 사용될 수도 있으나, 복수 장이 사용됨으로써, 요구되는 방탄섬유 복합체 프리프레그(100)의 물성을 만족할 수도 있다.

전술한 바와 같이, 열가소성 수지를 필름 형태로 사용함으로써, 방탄섬유 복합체층(110)에 균일한 수지 침투가 가능할 수 있고, 나아가 사용되는 열가소성 수지를 정량화 함으로써, 열가소성 수지의 함량을 용이하게 조절할 수 있다.

방탄섬유 복합체 프리프레그(100)는 그 자체로서 제품화하여 유통될 수 있다. 한편, 도 1을 다시 참조하면, 제품제조 단계에서, 상기 방탄섬유 복합체 프리프레그는 적층단계(S150)를 거쳐, 적층체를 이루므로써 방탄판 등, 구체적인 방탄부재로서 활용될 수 있다.

상기 파탄편 방어층(1200)은 방탄섬유층 및 상기 방탄섬유층의 일면에 형성된 열가소성 수지층을 포함하는 방탄섬유 프리프레그 복수개가 적층되어 형성된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄섬유 프리프레그를 개념적으로 도시한 단면도이다.

도 5를 참조하면, 방탄섬유 프리프레그(200)는 방탄섬유 복합체층(110) 및 상기 방탄섬유 복합체층(210)의 일면에 형성된 열가소성 수지층(215)을 포함한다.

상기 방탄섬유 프리프레그(200)는 CNT, 그라핀의 함침을 제외하고는 전술한 방탄섬유 복합체(100)의 제조과정과 동일하므로, 이하 자세한 설명은 생략하도록 한다.

한편, 도 1을 다시 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄 헬멧(100)의 제조를 위한 프리프레그(100. 200)의 설계에 있어서, 상기 후면변형 억제층(1100)을 이루는 방탄섬유로서는 아라미드 섬유가 바람직하고, 상기 파편탄 방어층(1200)을 이루는 방탄섬유로는 아라미드 섬유 또는 UHMPE 섬유가 바람직하다. 전술한 바와 같이 상기 파편탄 방어층(1200)이 UHMPE 섬유를 포함할 경우, 표면의 마모를 방지하기 위하여, 상기 방탄 헬멧(10000)은 상기 방탄 헬멧(1000)의 최외각, 즉 상기 파편탄 방어층(1200)의 표면에 표피 보호층(1300)을 포함한다. 상기 표피 보호층(1300)도 마모성이 강한 섬유의 프리프레그가 복수개 적층되어 이루어질 수 있다. 상기 표피 보호층(1300)을 이루는 섬유의 종류로서는 예를 들면, 탄소섬유-에폭시수지 복합체가 사용될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄 헬멧의 제조 과정을 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄 헬멧의 제조 방법을 개념적으로 설명하기 위한 순서도이다.

도 6을 참조하면, 방탄 헬멧을 제조(S1000)하기 위해서는 우선 전술한 바와 같이, 방탄섬유 복합체 프리프레그와 CNT 또는 그라핀을 포함하지 않는 방탄섬유 프리프레그를 준비한다(S100).

프리프레그가 준비되면(S100), 준비된 복수의 프리프레그들을 적층하기 위한 설계 과정(S200)을 거치게 된다. 즉, 각각의 프리프레그들을 어떻게 적층할 것인지를 요구되는 제품의 성능을 고려하여 결정한다.

방탄 헬멧의 제조시 중요한 사항은 이처럼 각 프리프레그들을 어떻게 적층하느냐의 문제이다. 적층 설계의 차이에 의하여 제조되는 방탄 헬멧의 물성과 방탄 성능이 변화될 수 있기 때문이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리프레그 적층 구조를 도시한 단면도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예에서 우선 후면변형 억제층(400)으로서, CNT 또는 그라핀이 함침되어 있는 아라미드 섬유 복합체을 포함한 프리프레그(100)들을 복수개 적층한다.

또한, 파편탄 방어층(500)으로서는 CNT 등을 함유하지 않는 UHMPE 섬유를 포함하는 프리프레그(200)들을 복수개 적층한다.

UHMPE 섬유의 마모성을 개선하기 위하여, 상기 프리프레그(200) 상에는 표피 보호층(600)이 형성되며, 상기 표피 보호층(600) 역시 예를 들면, 탄소섬유-에폭시 수지 복합체 프리프레그(300)가 복수개 적층되어 형성된다.

이처럼, 본 실시예에서는, 동일한 종류의 프리프레그들이 서로 인접하여 적층됨으로써, 기능층(400, 500, 600)들을 형성하게 한 적층 설계의 예를 설명한 것이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리프레그 적층 구조를 도시한 단면도이다.

도 8을 참조하면, 본 실시예에서는 방탄섬유 복합체 프리프레그(100) 및 방탄섬유 프리프레그(200)가 서로 교대로 적층되도록 설계한 예를 설명한 것이다. 이 외에도, 적층 설계는 다양한 경우를 포함할 수 있고, 이상의 예에 국한 되는 것은 아니다.

한편, 도 7의 적층 구조에서, 후면변형 억제층(100)과 파편탄 방어층(200)은 각각 다양한 개수의 프리프레그들을 포함할 수 있다. 그러나, 상기 후면변형 억제층(100)과 파편탄 방어층(200)의 무게비는 5~6:4~5의 비율이 되도록 조절되는 것이 바람직하다.

도 6을 다시 참조하면, 전술한 바와 같이 프리프레그들의 적층 설계가 완료되면, 적층체는 금형을 이용한 압착 성형 단계(S300)를 거침으로써 방탄 헬멧으로 제조될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄 헬멧 성형 과정을 설명하기 위한 개념도이다.

도 9를 참조하면, 적층 설계 과정을 완료함으로써 준비된 프리프레그 적층체(1000)는 방탄 헬멧의 구조를 미리 고려하여 준비된 금형(2000) 상에 배치되고, 상기 금형(2000)의 형상에 대응한 가압 수단(2500)의 가압을 통하여 방탄 헬멧의 구조로 성형될 수 있다. 방탄 헬멧의 내피에 대응한 면이, 방탄섬유 복합체 프리프레그가 적층된 면이 되도록 하여 가압함으로써, 방탄 헬멧이 완성될 수 있다.

상기와 같이 프리프레그를 적층한 적층체(1000)를 금형(2000)에 상에 배치하고서 온도와 압력을 가하여 성형 과정을 수행한다. 이 때, 성형 온도는 120~180℃ 로 하며, 성형시간은 적층재의 두께에 따라서 달라질 수 있으나 최고 온도에 도달 후에 20~40분 유지한다. 성형 압력은 130~180kg/cm² 로 함이 바람직 하다. 한편, 성형 압력을 높게하는 것이 상대적으로 후면변형 억제에 도움을 줄 수 있다.

제조된 방탄 헬멧은 Cal.22 파편탄(17그레인)에 의한 방호한계 값이 적어도 620m/s이며 NIJ-STD-0101.06 규격의 level IIIA인 9mm FMJ 탄 및 .44 Magnum탄을 방어할 수 있는 특성을 갖는다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 들어, 본 발명을 더욱 자세하게 설명하도록 한다. 그러나 하기 실시예는 예시적인 것으로서, 다양한 요소가 변형 실시될 수 있음은 자명하다.

[실시예]

실시예 1

본 실시예에서 사용된 아라미드 섬유는 코오롱인더스트리사의 헤라크론(heracron) 600데니어(denier)와 840데니어의 아라미드섬유로서, 직물은 평직 구조로 경사ㅧ위사의 수는 인치 당 27ㅧ27 이상을 사용하였으며, 면밀도는 약 190g/m²이상이었다. 실시예에서 사용된 탄소나노튜브는 다중벽나노튜브를 사용하였으며, CNT는 이소프로판 알콜에 분산하였다. CNT 함유량은 0.05wt%로 하였다. CNT의 분산은 초음파로 처리하였다. 상기 직물을 전술한 바와 같이 준비된 용액 하에서 함침하였다. CNT용액에 함침된 아라미드 직물은 85℃ 오븐에서 건조를 하였다. CNT 함유 아라미드 직물에서 고분자 기지재로는 열가소성수지로서 폴리우레탄 필름을 사용하였다. 폴리우레탄 필름은 CNT-아라미드 직물재 위에 올려 놓고서 100~130℃로 가열된 롤러를 압착하여 폴리우레탄 필름이 용융되면서 직물내로 융착 침투 되도록하여 열가소성 아라미드 프리프레그를 제조하였다. 아라미드 프리프레그는 CNT가 없는 아라미드 직물에서도 이루어 진다. 이와같이 제조된 프리프레그는 헬멧 성형을 위해서 적절한 형상으로 절단하였다.

방탄 헬멧 설계는 2가지 형태로 이루어 졌다. 첫째, 헬멧의 소재가 아라미드섬유 만으로 이루어진 경우의 설계에서는 파편탄 방어층을 위해서 CNT가 없는 아라미드 직물 만으로 구성된 프리프레그를 절단하여 금형에 적층하고, 그 다음에 볼탄 방어와 후면변형 억제를 위한 층을 위하여 CNT 함유 아라미드 프리프레그를 방탄헬멧 형상으로 절단한 후에 파편탄 방어 적층재 위에 적층하고 온도와 압력을 가하여 성형을 하였다. 이때 열가소성 고분자 매트릭스의 함량은 15~18wt% 이었다. 아라미드 프리프레그 적층재 무게와 CNT 함유 아라미드 프리프레그 적층재의 무게의 비는 3:7 혹은 4:6 이 되도록 하였다.

둘 째, 방탄헬멧 설계는 UHMPE와 아라미드 직물과의 하이브리드 구조이다. 파편탄 방어층을 위해서 UHMPE UD 층을 금형 위에 적층하기 전에 아라미드 직물 또는 CNT 함유 아라미드 직물 층을 절단한 후에 금형에 1~2장 적층하고, 이어서 파편탄 방어 층을 위하여 상용품인 UHMPE UD를 절단한 후에 표피 보호층 위에 적층하였다. 그 다음에 볼탄 방어 층을 위하여 CNT 함유 아라미드 직물 프리프레그를 절단한 후에 이를 파편탄 방어 적층재 위에 올려 놓는다. UHMPE 층과 CNT-아라미드 직물 프리프레그 적층재의 무게비는 4:6 혹은 5:5로 하였다.

방탄헬멧의 성형 조건은 위의 2종류의 방탄헬멧 설게에서는 동일하게 성형 압력 150kg/cm², 성형온도 135℃, 최고온도 도달 후 성형 유지시간 30분 조건에서 성형을 하여 최종 방탄헬멧을 제작하였다.

실험 1: 방탄성능 실험

방탄헬멧의 방탄성능시험은 파편탄과 권총탄 2종류를 사용하였다. 파편탄은 Cal.22 FSP(1.1그람,17그레인)를 사용하였으며, MIL-STD-662F(V50 Ballistic Test for Armor) 및 NATO-STD-2920규격에 의하여 탄자의 관통과 비관통 확률이 50%를 나타내는 방호한계 값, 즉 V₅₀을 측정하였다. 볼탄 방어력을 위해서는 NIJ-STD-0101.06 규격의 level IIIA에서 9mm FMJ RN 탄으로 시험을 하여, 탄의 충격에 의한 후면변형 깊이(Back Face Signature:BFS)를 측정하였다. 이를 측정하기 위하여 유점토를 사용하여 헬멧 형상으로 제작하고 그 위에 헬멧을 설치하고 방탄성능 시험 후 후면변형 깊이를 측정하였다.

방탄성능 결과

표 1은 방탄시험 결과를 나타낸다. 4개의 방탄헬멧 제품은 유사한 면밀도 값을 갖는다. 두께 측면에서는 동일 방탄소재인 아라미드섬유 만으로 제작한 헬멧의 두께가 이종 방탄소재로 구성된 제품에 비하여 약 18%, 그리고 UHMPE UD만으로 제작된 제품 대비 약 29% 얇다. Cal.22 파편탄에 대한 방호력, 즉 방호한계 V50값은 면밀도 기준으로 UHMPE UD 소재로 제작된 헬멧 제품이 가장 높게 나타났으며, 이어서 CNT-아라미드직물과 UHMPE UD로 구성한 하이브리드 헬멧이 다소 높게 나타났다. 아라미드섬유의 데니어의 영향에서는 840데니어를 사용한 제품이 600데니어 제품에 비하여 파편탄의 V50 값이 높게 나타났다.

한편 9mm FMJ 볼탄에 의한 후면변형(BFS)에 있어서는 동일 소재로 제작된 아라미드섬유 방탄헬멧이 가장 적으며, 이어서 하이브리드 제품이 작다. 순수 UHMPE UD 소재 만으로 구성된 제품의 경우에는 순수 아라미드섬유와 CNT-아라미드 섬유로 제작된 헬멧의 후면변형에서 약 2.5배 크게 변형을 나타내었다. 섬유 데니어의 영향에서는 적층 수가 다소 많은 600데니어를 사용한 제품의 후면변형 값이 약간 작게 나타났다. 최근의 방탄헬멧에서 9mm FMJ 탄에 의한 후면변형 값은 25mm 이하를 요구하고 있다. 따라서 UHMPE UD 소재는 군 요구를 만족하지 못하고 있다.

따라서 본 방탄시험으로부터 CNT를 적용한 열가소성 아라미드 방탄소재로 제작된 방탄헬멧은 무게 측면에서나 방호력 측면에서 UHMPE UD 소재 만으로 제작되는 헬멧에 비하여 우수한 특성을 갖고 있음을 보여주고 있다. 또한 600데니어 직물은 840데니어 직물에 비하여 고가의 제품인데, 일반적으로 600데니어로 제작되는 방탄재의 제품 방탄성능은 840데니어에 비하여 약 10% 높게 나타나고 있다. 그러나 본 발명에서 CNT와 열가소성수지로 구성되는 프리프레그 소재를 840데니어에 적용시에 더 높은 특성을 나타내므로써 경제성 측면에서 우수한 특성을 또한 갖고 있음을 본 발명은 보여 주고 있다.

	전면재	후면재	Cal.22 FSP(V50)			9mm FMJ
			면밀도 (kg/m2)	두께(mm)	V50 (m/s)	BFS (mm)
1-1	아라미드 섬유 (840d)+ (CNT-아라미드)		7.70	5.9mm	648	13~18
2-1	아라미드 섬유(600d)+ UHMPE UD + (CNT-아라미드)		7.64	6.9mm	624	13~19
2-2	아라미드섬유 (840d)+ UHMPE UD +(CNT-아라미드)		7.68	6.8mm	666	14~25
2-3	UHMPE UD		7.60	7.6mm	670	35~40

Claims (10)

1. 탄소나노튜브(CNT) 또는 그라핀을 알코올 용매에 혼합 및 분산시켜 준비된 함침용액에 함침되어 형성된 제1 방탄섬유 복합체층 및 상기 제1 방탄섬유 복합체층의 일면에 형성된 제1 열가소성 수지층을 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그; 및
   제2 방탄섬유 및 상기 제2 방탄섬유의 일면에 형성된 제2 열가소성 수지층을 포함하는 방탄섬유 프리프레그를 포함하고,
   상기 방탄섬유 복합체 프리프레그 및 상기 방탄섬유 프리프레그 복수개가 프리프레그 종류에 따라 순서대로 또는 교대로 적층되어 성형된 방탄층으로 이루어진 방탄 헬멧.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 방탄섬유는 아라미드 섬유인 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧.
   
3. 제1항에 있어서,
   제2 방탄섬유는 아라미드 섬유 또는 초고분자량폴리에틸렌(UHMPE) 섬유인 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 열가소성 수지 및 제2 열가소성 수지는 각각 폴리프로필렌 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에틸렌 수지 및 PEEK(polyetheretherketone) 수지 중 적어도 하나의 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧.
   
5. 방탄 헬멧으로서,
   탄소나노튜브(CNT) 또는 그라핀을 알코올 용매에 혼합 및 분산시켜 준비된 함침용액에 함침되어 형성된 아라미드섬유 복합체층 및 상기 아라미드섬유 복합체층의 일면에 형성된 제1 열가소성 수지층을 포함하는 방탄섬유 복합체 프리프레그 복수개가 적층되어 형성되고, 상기 헬멧의 내피에 대응하는 후면변형 억제층; 및
   제3 방탄섬유의 일면에 형성된 제2 열가소성 수지층을 포함하는 제3 방탄섬유 프리프레그 복수개가 적층되어 형성되고, 상기 후면변형 억제층 상에 적층되어, 상기 헬멧의 외피에 대응하는 파편탄 방어층을 포함하는 방탄 헬멧.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제3 방탄섬유는 아라미드 섬유인 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 제3 방탄섬유는 초고분자량폴리에틸렌(UHMPE) 섬유인 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 헬멧 최외각에 적층되어, 상기 파편탄 방어층을 보호하는 표피 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 표피 보호층은 탄소섬유-에폭시수지 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧.
   
10. 제5항에 있어서,
    Cal.22 파편탄(17그레인)에 의한 방호한계 값이 적어도 620m/s이며 NIJ-STD-0101.06 규격의 level IIIA인 9mm FMJ 탄 및 .44 Magnum탄을 방어하면서 후면변형을 25mm 이하로 하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧.

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