KR100534068B1 - 다층구조를 갖는 헬멧쉘 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다층 구조를 갖는 헬멧쉘 및 그를 제조하기 위한 제조방법에 관한 것으로서, 상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등을 보강재로 사용하는 열경화성 섬유 강화 플라스틱 층과; 상기 섬유 강화 플라스틱층에 적층되는 초고분자량 다공성 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Porous Polyethylene)층을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의하면, 종래의 섬유 강화 플라스틱층과 상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층을 적층하여 헬멧쉘을 구성하게 되므로, 섬유 강화 플라스틱층이 갖는 높은 강성과 초고분자량 다공성 폴리에틸렌이 갖는 높은 내충격성으로 인해 적절한 강도를 유지하면서도 높은 인성을 갖는 헬멧쉘을 제조할 수 있게 되는 것이다. 부수적으로 상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌은 기존의 섬유 강화 플라스틱에 비해 40% 정도로 가볍기 때문에 중량 감소로 인해서 착용감을 향상시키는 결과도 얻을 수 있게 된다.

Description

다층구조를 갖는 헬멧쉘 및 그 제조방법{Helmet shell with multiple layer and the production method thereof}

본 발명은 다층 구조를 갖는 헬멧쉘 및 그를 제조하기 위한 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 헬멧의 최외곽부에 위치하여 외부의 충격을 흡수하고 헬멧의 형태를 유지하는 뼈대 역할을 하는 헬멧쉘의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

인라인 스케이트나 오토바이 탑승과 같은 각종 레져 활동시에 부상을 방지하기 위해 착용하는 헬멧은 기본적으로 지면이나 기타의 물체와 헬멧이 부딛치는 경우에 충격을 효율적으로 흡수할 뿐만 아니라 충격으로 인한 헬멧의 손상이 최소화되어야 한다.

도 1을 참조하면, 일반적인 헬멧이 도시되어 있다. 통상적으로 헬멧의 최외곽에는 헬멧의 기본적인 형태를 유지하고 충격이 가해지는 경우에 이를 흡수하여 착용자에게 전달되지 않도록 충분한 강도를 갖도록 제조되는 헬멧쉘(10)이 위치하며, 헬멧쉘의 내면에는 착용자의 머리와 접촉시에 착용감을 좋게 하기 위한 라이너가 부착된다.

이중 헬멧쉘은 상술한 바와 같은 요구조건을 만족하기 위해, 충격에도 변형되지 않고 원래의 외형을 유지할 수 있는 정도의 충분한 강도를 가져야 하는 반면에, 지나치게 강성이 높으면 충돌시에 깨어질 우려가 있으므로 인성(toughness) 또한 가져야한다. 이외에도, 착용감을 좋게 하기 위해서는 비중이 적을 것과 같은 요구조건을 만족하여야 한다.

현재까지 대부분의 헬멧쉘은 상기와 같은 요구조건을 만족하기 위해서 섬유 강화 플라스틱(FRP)으로 제조되고 있다. 섬유 강화 플라스틱은 불포와 폴리에스테르, 에폭시 수지와 같은 열경화성수지에 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드 섬유와 같은 방향족 나일론 섬유를 혼합한 것으로서 가공이 용이하며, 높은 장력강도와 내충격성을 가지며 비교적 가벼우므로 상술한 요구조건을 어느 정도 만족하는 재료이다.

그러나, 섬유 강화 플라스틱은 기본적으로 열경화성 수지에 근간한 것이기에 열가소성 수지에 비해 인성이 부족한 것이 현실이며, 이로 인해 큰 충격이 가해지는 경우 헬멧쉘이 깨어지는 일이 발생하고 있으며, 이를 방지하기 위해서는 헬멧쉘의 두께를 증가시킬 필요가 있어 제조비용이 증가할 뿐만 아니라 중량 증가로 인한 착용감의 저하로 이어지는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 헬멧쉘을 다층구조로 하여 높은 인성을 갖는 헬멧쉘을 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

본 발명은 또한, 헬멧쉘의 최외곽층을 섬유 강화 플라스틱이 아닌 초고분자량 다공성 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyetylene)으로 대체하여 중량을 감소하고 도장특성을 대폭 개선할 수 있는 헬멧쉘을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 삼고 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 특성을 갖는 헬멧쉘을 제조하기 위한 제조방법을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등을 보강재로 사용하는 열경화성 섬유 강화 플라스틱 층과; 상기 섬유 강화 플라스틱층에 적층되는 초고분자량 다공성 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Porous Polyethylene)층을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

즉, 본 발명은 높은 강도를 갖는 열경화성 수지의 특성과, 높은 인성을 갖는 열가소성 수지의 특성을 동시에 이용하는 것으로서, 헬멧쉘을 구성함에 있어서 섬유 강화 플라스틱 적층재와 Form 형태의 열가소성 수지를 적층하여 헬멧쉘을 구성하도록 함으로써, 높은 강도와 인성을 동시에 얻을 수 있도록 한 것이다. 이때, 열가소성 수지로서는 초고분자량 다공성 폴리에틸렌을 사용하는 것이 최적의 효과를 얻을 수 있는 데, 초고분자량 다공성 폴리에틸렌은 일반적으로 두께 1 ~ 2mm, 밀도는 0.93 ~ 0.94g/㎤이며, 기본적으로 5 내지 10 milion g/mol의 분자량을 갖는 것으로서, 높은 내마모성, 내충격성, 치수 안정성을 가지며 높은 내화학성 또한 갖추고 있어, 헬멧쉘 용으로 최적의 특성을 갖는다.

따라서, 종래의 섬유 강화 플라스틱층과 상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층을 적층하여 헬멧쉘을 구성하는 경우, 섬유 강화 플라스틱층이 갖는 높은 강성과 초고분자량 다공성 폴리에틸렌이 갖는 높은 내충격성으로 인해 적절한 강도를 유지하면서도 높은 인성을 갖는 헬멧쉘을 제조할 수 있게 되는 것이다. 부수적으로 상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌은 기존의 섬유 강화 플라스틱에 비해 40% 정도로 가볍기 때문에 중량 감소로 인해서 착용감을 향상시키는 결과도 얻을 수 있게 된다.

이때 각각의 층의 두께에 있어서, 상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층은 섬유 강화 플라스틱 층의 20~25%의 두께를 갖는 것이 최적의 결과를 나타낸다. 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층이 1mm 이하로 지나치게 얇은 경우에는 인성이 부족하게 되고, 지나치게 두꺼운 경우에는 강성이 부족하게 되기 때문이다.

헬멧쉘의 단면은 각각 한층만이 적층된 형태를 가질 수도 있고, 필요에 따라서는 다수의 층을 번갈아서 적층한 형태를 가질 수도 있다. 이 경우에도 각각의 층을 합한 두께가 상술한 요건을 만족하도록 하는 것이 좋다.

한편, 상술한 바와 같이 상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌이 갖는 높은 내마모성 및 내화학성으로 인해 상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층을 헬멧쉘의 최외곽에 위치하도록 하는 것이 좋다. 이로 인해, 헬멧쉘의 수명을 보다 연장할 수 있을 뿐만 아니라, 제조시에 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층은 용융 후 이를 냉각하는 과정을 거치게 되기 때문에 매우 매끄러운 표면을 얻을 수 있다. 시각적으로도 보기 좋을 뿐만 아니라 도장을 하기 위한 전처리 공정을 줄일 수 있어 생산효율의 증가로도 이어진다.

즉, 종래의 섬유 강화 플라스틱의 경우 기포, 핀홀 및 사용된 보강재료의 레벨링 한계로 인해서 표면이 거칠기 때문에 도장시에 많은 공수가 필요하게 되나, 본 발명에서는 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층이 최외곽에 위치하게 되므로 도장시에 전처리 공정이 불필요하게 되는 것이다.

본 발명은 또한, 성형 몰드 내에 섬유 강화 플라스틱 적층재와 초고분자량 다공성 폴리에틸렌 폼을 적층하여 삽입하는 단계; 에어백 내에 공기를 주입하여 팽창시켜 성형 몰드의 내벽에 상기 섬유 강화 플라스틱 적층재와 초고분자량 다공성 폴리에틸렌 폼의 적층체를 밀착시키는 단계; 및 성형 몰드를 125~150℃의 온도로 가열하여 6~10분간 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조를 갖는 헬멧쉘의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 제조공정에 의해 제조되는 헬멧쉘을 추가적으로 제공한다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다층구조를 갖는 헬멧쉘의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 제1 실시예가 적용된 헬멧쉘의 단면이 도시되어 있다. 여기서, 헬멧쉘의 구조를 제외한 나머지 부분들은 종래의 헬멧에 사용되는 것을 유용할 수 있으므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

도시된 바와 같이, 헬멧쉘(100) 중 상부 및 하부의 층은 섬유 강화 플라스틱층(110)으로 구성되며, 그 중앙부에 상술한 초고분자량 다공성 에틸렌층(120)이 위치한다.

여기서, 상기 초고분자량 다공성 에틸렌층(110)의 두께는 섬유 강화 플라스틱층(120)의 두께의 1/4에 해당한다. 상기 실시예와 종래의 섬유 강화 플라스틱층으로만 구성된 헬멧쉘에 대해서 헬멧테스트용 실험장비인 snell impact test machine으로 테스트한 결과 헬멧의 충격흡수성능값인 G value가 15% 정도 향상되는 결과를 나타냈다.

한편, 도 3에 나타낸 바와 같이 다양한 형태로 섬유 강화 플라스틱층과 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층을 배치할 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 다공성 폴리에틸렌층과 섬유 강화 플라스틱층을 2층씩 교대로 배치하는 경우, 최외곽층에 위치하는 다공성 폴리에틸렌층은 충격흡수 뿐만 아니라 자체적으로 갖는 내마모성 및 내화학성으로 인해 헬멧의 표면을 오랫동안 일정한 상태로 유지시키는 역할을 하게 되며, 중앙에 위치하는 다공성 폴리에틸렌층은 충격흡수를 위한 완충재의 역할을 전담하게 되므로 보다 안정적인 구조를 갖게 된다.

도 4를 참조하면, 상술한 다층구조를 갖는 헬멧쉘을 제조하기 위한 제조공정에 있어서 사용되는 성형 몰드(200)의 구조가 도시되어 있다.

상기 성형 몰드(200)는 내부에 헬멧쉘의 외형과 일치하는 공간이 형성되어 있으며, 양단부에 가열판(210)이 부착되어 성형 몰드 본체를 원하는 온도로 가열할 수 있다. 상단에는 고정판(220)이 장착되어 있으며, 상기 고정판(220)에는 에어백(230) 및 공기주입기(232)가 고정되어 있다.

따라서, 원하는 적층형태로, 예를 들어 도 4에 도시된 형태대로 순서에 맞춰서 섬유 강화 플라스틱 적층재(110)와 초고분자량 다공성 폴리에틸렌폼(120)을 상기 성형 몰드(200)의 내부에 적재한 후 내열 고무로 만들어진 에어백(230)을 몰드 안에 삽입하고 공기를 주입을 통해 성형 압력(5 ~ 6Kgf/㎠)을 제공하고, 가열판(210)을 통해서 125 ~ 150℃의 온도에서 6 ~ 10분간 성형하게 되면 상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌폼이 열에 의해 용융된 후 냉각되면서 층을 형성하게 된다.

이 때, 열경화성 수지인 섬유 강화 플라스틱 적층재(110) 또한 성형 몰드의 내부 형태대로 성형되어 원하는 형태대로 헬멧쉘을 제조할 수 있게 되는 것이다. 특히, 최외곽에 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층이 위치하는 경우 용융 후 냉각과정 중 성형 몰드의 표면대로 매끄러운 면을 형성하기 때문에 추후의 공정인 도장 공정에 있어서 전처리 과정을 대폭 줄일 수 있게 된다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 종래의 섬유 강화 플라스틱층과 상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층을 적층하여 헬멧쉘을 구성하게 되므로, 섬유 강화 플라스틱층이 갖는 높은 강성과 초고분자량 다공성 폴리에틸렌이 갖는 높은 내충격성으로 인해 적절한 강도를 유지하면서도 높은 인성을 갖는 헬멧쉘을 제조할 수 있게 되는 것이다. 부수적으로 상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌은 기존의 섬유 강화 플라스틱에 비해 40% 정도로 가볍기 때문에 중량 감소로 인해서 착용감을 향상시키는 결과도 얻을 수 있게 된다.

또한, 상술한 바와 같이 상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌이 갖는 높은 내마모성 및 내화학성으로 인해 헬멧쉘의 수명을 보다 연장할 수 있을 뿐만 아니라, 제조시에 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층은 용융 후 이를 냉각하는 과정을 거치게 되기 때문에 매우 매끄러운 표면을 얻을 수 있다. 즉, 종래의 섬유 강화 플라스틱의 경우 기포, 핀홀 및 사용된 보강재료의 레벨링 한계로 인해서 표면이 거칠기 때문에 도장시에 많은 공수가 필요하게 되나, 본 발명에서는 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층이 최외곽에 위치하게 되므로 도장시에 전처리 공정이 불필요하게 되므로 생산 효율을 증가시킬 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 종래의 헬멧 및 헬멧쉘의 구조를 도시한 측면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 헬멧쉘의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 헬멧쉘의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 헬멧쉘의 일 실시예의 제조에 사용되는 성형 몰드를 개략적으로 도시한 단면도이다.

Claims (9)

1. 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등을 보강재로 사용하는 열경화성 섬유 강화 플라스틱 층과;

   상기 섬유 강화 플라스틱층에 적층되는 초고분자량 다공성 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Porous Polyethylene)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조를 갖는 헬멧쉘.
2. 제1항에 있어서,

   상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층은 섬유 강화 플라스틱 층의 20~25%의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다층구조를 갖는 헬멧쉘.
3. 제2항에 있어서,

   섬유 강화 플라스틱층과 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층 중 적어도 하나가 2층 이상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 다층구조를 갖는 헬멧쉘.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌층이 헬멧쉘의 최외곽에 위치하는 것을 특징으로 하는 다층구조를 갖는 헬멧쉘.
5. 성형 몰드 내에 섬유 강화 플라스틱 적층재와 초고분자량 다공성 폴리에틸렌 폼을 적층하여 삽입하는 단계;

   에어백 내에 공기를 주입하여 팽와시켜 성형 몰드의 내벽에 상기 섬유 강화 플라스틱 폼과 초고분자량 다공성 폴리에틸렌 폼의 적층체를 밀착시키는 단계; 및

   성형 몰드를 125~150℃의 온도로 가열하여 6~10분간 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조를 갖는 헬멧쉘의 제조방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌 폼은 섬유 강화 플라스틱 층의 20~25%의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다층구조를 갖는 헬멧쉘의 제조방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 섬유 강화 플라스틱 적층재와 초고분자량 다공성 폴리에틸렌 폼 중 적어도 하나가 2층 이상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 다층구조를 갖는 헬멧쉘의 제조방법.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 초고분자량 다공성 폴리에틸렌 폼이 헬멧쉘의 최외곽에 위치하는 것을 특징으로 하는 다층구조를 갖는 헬멧쉘의 제조방법.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 다층구조를 갖는 헬멧쉘.