KR100629461B1 - 방탄복용 탄도판의 적층구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방탄복용 탄도판의 적층구조에 관한 것으로서, 총알방어를 위해 탄도판의 단위면적당 무게를 최소화할 수 있게 함으로서 방탄복의 제조단가를 절감함과 동시에, 무게 감소로 인한 착용감을 향상시키고, 초경량 방탄소재이면서 고가인 고밀도 폴리에틸렌 섬유를 사용했을때의 방탄성능과 동일한 무게 이하로써도 동일한 방탄성능효과를 이룰 수 있도록 하기위한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명의 탄도판은, 다이아몬드 형태로 원단면에 봉제가 이루어져 있는 각각의 방향족 폴리아마이드계 원단(11)이 복수매로 구비되어지는 전면판(10)과; 방향족 폴리아마이드계 섬유 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유가 그물망 형태로 직조된 실올(22)과, 솜형상의 가느다란 방향족 폴리아마이드계 섬유 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유가 상기 실올 사이에 강제 압입된 충격흡수부재(21)로 이루어지는 플렉스펠트층(20)과; 방향족 폴리아마이드계 원단(31)이 복수매로 구비되어지되, 각각의 원단면에는 박스 형태로 봉제가 이루어져 있는 후면판(30)이 순차적으로 접합이 이루어진 것을 특징으로 한다.
방탄복, 탄도판, 폴리에틸렌, 폴리아마이드, 원단, 펠트
Description
도 1은 탄도판에 의해 총알의 충격이 흡수되어 정지되는 과정을 나타낸 설명도.
도 2는 진흙판에 탄도판을 댄 상태에서 총알에 의해 탄도판이 변형되는 과정을 나타낸 종단면도.
도 3은 탄도판의 실올을 따라 에너지가 분산되는 상태를 나타낸 도면.
도 4는 종래 고밀도 폴리에틸렌이 적층된 상태를 확대하여 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명 탄도판의 적층상태를 분리하여 나타낸 종단면도.
도 6은 본 발명의 플렉스펠트층를 나타낸 확대 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전면판 20 : 플렉스펠트층(FLEX.ARAMID FELT)
21 : 충격흡수부재 22 : 실올
30 : 후면판 11,21 : 방향족 폴리아마이드계 직조원단
본 발명은 방탄복용 탄도판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄도판의 방 어능력을 유지하는 가운데 제작효율이 향상되어짐과 함께 제작 단가를 감소시킬 수 있게되는 탄도판 적층구조에 관한 것이다.
일반적으로 총기류로 부터 인체를 보호하는 방탄복은 외피(Garment)와, 탄도판 및 그 외피(Panal & Panel Cover) 그리고 방탄판(Plate)으로 구성되어 있다.
이러한 방탄복의 핵심 부품인 탄도판은 국제적으로 가장 널리 공인되고 있는 미국 법무성 사법연구소(NIJ)의 경찰 방탄복 테스트기준인 NIJ 0101.04 테스트의 기준에 따라 제조되고 있다.
현재까지 알려진 탄도판의 재질로는 방향족 폴리아마이드계(PARA-ARAMID)와, 고밀도 폴리에틸렌(HIGH DENSITY POLYETHYLENE)이 있다.
상기 방향족 폴리아마이드계로는 고탄성 섬유인 케브라(KEVLAR:듀폰사의 상표명)원단 또는 트와론(TWARON:TWARON DEIJIN사의 상표명)원단이 있고, 고밀도 폴리에틸렌으로는 고분자 화합물로 이루어진 필름 형태로서 다이니마(DYNEEMA:DSM사의 상표명) 또는 스펙트라(SPECTRA:HONEY WELL사의 상표명)가 있다.
이러한 방향족 폴리아마이드계의 고탄성 섬유원단 또는 고밀도 폴리에틸렌의 고분자 화합물로 이루어진 필름은 방탄복이 NIJ ⅢA인 경우, 각각 독립적으로 다수매(35~36매) 적층되어 외피로 감싸여지거나 또는 이들 섬유원단 및 필름을 적당한 비율로 적층하여 탄도판을 구성하게 된다.
상기 탄도판의 제조에 있어서는 다음과 같은 여러가지 조건을 충족시켜야 한다.
첫째, 총알의 방어력이 양호하여야 한다.
둘째, 탄도판의 변형(Deformation)을 고려하여야 한다. 즉, 총알이 관통하지 않더라도 충격을 극소화하여 신체내부에 피해를 주지 않도록 후방으로의 변형이 가능한 적어야 한다.(NIJ 에서는 44mm로 규정하고 있음)
셋째, 무게와 두께를 고려하여 경량화 하여야 한다.
넷째, 착용감이 양호하여야 한다.
다섯째, 제조원가가 저렴하여야 한다.
도 1a 및 도 1b는 탄도판에 의해 총알의 충격을 흡수하여 정지시키는 과정을 나타낸 설명도로서, 총구에서 출발한 총알(1)은 발사후 공기와의 마찰로 인해 고온의 상태이다.
이러한 고온의 총알(1)이 탄도판(2)에 닿게되면 도시된 바와같이 발생된 충격에너지가 사방으로 확산된다.
그후, 총알(1)의 진행이 탄도판(2)에 의해 억제되어 도 1c 및 도 1d에서와 같이 총알(1)이 점진적으로 압착되면서 탄도판(2)에서 진행을 멈추게 된다.
이에따라, 탄도판(2)은 충격에너지를 잘 흡수함과 동시에 고온에 잘 견디는 특성을 갖고 있어야 한다.
도 2는 진흙판에 탄도판을 댄 상태에서 총알에 의해 탄도판이 변형되는 과정을 나타낸 종단면도이다.
진흙판(3)에 탄도판(2)을 댄 상태에서 탄도판(2)에 총알(1)을 발사하면 탄도판(2)이 총알(1)을 포획시 총알의 추진력에 의해 진흙판(3)에 충격에너지를 가하면서 변형되었다가 초기 상태로 환원됨을 알 수 있다.
따라서 충격에너지에 의한 탄도판(2)의 변형을 최소화하여 탄도판이 관통되지 않더라도 탄도판(2)의 변형에 의해 인체에 악영향을 끼치지 않도록 인장강도에 대하여서도 충분히 고려하여야 한다.
그럼, 발사된 총알(1)이 탄도판(2)에 의해 포획되는 과정에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
총에서 발사된 총알(1)이 운동에너지가 탄도판(2)에 도달하면 탄도판에 충격 에너지를 가하게 되는데, 가해진 충격 에너지는 파도모양으로 확산되면서 열에너지로 변환되므로 열을 발생하게 된다.
이때, 총알(1)의 온도는 150℃이상을 초과하면서 점진적으로 멈추게 된다.
이와같이 탄도판(2)에 의해 총알(1)이 멈추는 현상은 다음과 같은 메카니즘에 의해 이루어지게 된다.
즉, 탄도판(2)에 소정의 변형을 주면서 충격 에너지가 확산되어 총알(1)의 속도가 점진적으로 늦추어지게 되고, 따라서 총알의 진행이 중단되는 것이다.
도 3은 탄도판(2)이 변형되면서 충격에너지를 확산시킬 때 탄도판(2)을 구성하는 실올의 변형에 따른 충격파도의 분산 메카니즘을 나타내고 있다.
여러겹으로 적층된 탄도판(2)의 실올(4)이 도 3과 같이 변형될 때 충격에너지는 각각의 실올(4)을 따라 사방으로 분산되면서 에너지가 감소된다.
이러한 충격 에너지는 실올(4)을 따라 사방으로 분산되는데, 탄도판(2)을 여러겹으로 구성할때 상기한 동작은 여러겹으로 적층된 면에서 동일하게 이루어지게 된다.
상기한 탄도판(2)의 재질인 방향족 폴리아마이드계(PARA-ARAMID)는 내열강도가 고밀도 폴리에틸렌(HIGH DENSITY POLYETHYLENE)에 비해 큰 반면 무겁고, 고밀도 폴리에틸렌은 인장강도가 방향족 폴리아마이드계보다 큰 반면 내열온도가 낮은 특성이 있다.
이들의 성능 비교는 아래의 [표 1]에 나타낸 바와같다.
| 항 목 | 방향족 폴리 아마이드계 | 고밀도 폴리에틸렌 |
| 비중(g/㎡) | 1.44 | 0.97 |
| 내 열 도 | 427 ~ 482℃ | 140 ~ 150℃ |
| 인장강도(kg/tex) | 237 | 320 |
| 충격흡수력 | 방향족 폴리 아마이드계 < 고밀도 폴리에틸렌 | |
도 4는 종래의 고밀도 폴리에틸렌 필름이 적층된 상태를 확대하여 나타낸 사시도로서, 고밀도 폴리에틸렌 필름(5)은 단방향 쉴드(Unidirectional Shield)이므로 총알(1)이 탄도판(2)에 닿았을때 크로스오버된 섬유가닥이 없기 때문에 방향족 폴리 아마이드계보다 에너지 분산효율이 훨씬 크다.
즉, 고밀도 폴리에틸렌 필름(5)은 크로스어버된 섬유가닥에 의해 발생되는 에너지 분산 반발력이 없어 한 방향으로만 에너지가 분산되므로 충격 흡수력이 방향족 폴리아마이드계에 비해 휠씬 크다.
그러나, 방향족 폴리 아마이드계의 직조원단은 복수매 중첩한 상태에서 교차되게 봉제하여 사용하는 반면, 고밀도 폴리에틸렌 필름(5)은 탄도판의 제작시 봉제가 금물이다.
이는 탄도판(2)에 충격이 가해져 도 3과 같이 충격에너지가 실올(4)을 따라 분산될때, 고밀도 폴리에틸렌 필름(5)을 봉제한 경우에는 봉제지점에서의 분산효율 이 급격히 떨어져 총알의 충격을 분산시키지 못하므로 탄도판이 관통되는 치명적인 문제점을 나타내기 때문이다.
따라서, 최근에는 각각의 소재가 갖는 장점만을 고려하여 HYBRIDS(방향족 폴리 아마이드계 및 고밀도 폴리에틸렌을 혼합한 제품)가 상품화되고 있다.
즉, 탄도판(2)의 전면에는 충격열에 잘 견디는 방향족 폴리 아마이드계의 직조원단을 복수매 적층하고 후방에는 인장강도가 크고 충격을 잘 흡수하는 고밀도 폴리에틸렌 필름(5)을 복수매 적층하여 탄도판(2)을 구성하고 있는 실정이다.
그러나, 이러한 종래의 탄도판(2)은 발사된 총알(1)의 열에너지가 약 150℃이상으로 높고, 회전하므로써 발생되는 탄도판 전면의 충격열과 탄도판 후면의 마찰열로 인해 탄도판의 방어력이 저하되어 탄도판을 여러겹(34~36겹)으로 구성하여야 되었으므로 그 무게가 무거워 착용감이 저하되었음은 물론 고밀도 폴리에틸렌과 같은 고가의 원단을 여러겹으로 구성하므로 인해 방탄복을 저렴한 가격으로 보급할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 고가이면서 제작시의 작업성 저하의 원인이었던 고밀도 폴리에틸렌을 사용하지 않고도 탄도판을 이루는 겹수를 최소화하여 제품의 제작단가를 감소시킴과 함께 착용감 및 활동성을 극대화시킬 수 있도록 하는 방탄복용 탄도판을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적은, 다이아몬드 형태로 원단면에 봉제가 이루어져 있는 각각의 방향족 폴리아마이드계 원단이 복수매로 구비되어지는 전면판과; 방향족 폴리아마이드계 섬유 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유가 그물망 형태로 직조된 실올과, 솜형상의 가느다란 방향족 폴리아마이드계 섬유 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유가 상기 실올 사이에 강제 압입된 충격흡수부재로 이루어지는 플렉스펠트층과; 방향족 폴리아마이드계 원단이 복수매로 구비되어지되, 각각의 원단면에는 박스 형태로 봉제가 이루어져 있는 후면판이 순차적으로 접합이 이루어진 것을 특징으로 하는 방탄복용 탄도판의 적층구조를 통해 이룰 수 있게된다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.
본 실시예에 따른 탄도판은 도 5에 도시된 바와같이 전면판(10)과 후면판(30)으로 이루어지며, 그리고 그 사이에는 충격흡수를 위한 플렉스펠트층(20)이 구성되어져 있다.
상기 전면판(10)은 방향족 폴리아마이드계 원단(11)이 12겹으로 이루어졌으며, 플렉스펠트층(20)은 도 6에서와 같이 방향족 폴리아마이드계 섬유 또는 고밀도 폴리에틸렌 필름이 그물망 형태로 직조된 실올(22)과, 솜형상의 가느다란 방향족 폴리아마이드계 섬유 또는 고밀도 폴리에틸렌 필름이 상기 실올 사이에 강제 압입된 충격흡수부재(21)로 이루어지고, 후면판(30)은 방향족 폴리아마이드계 원단(31)이 11겹으로 이루어져 총 24겹을 이루고 있다.
이러한 탄도판은 별도의 외피(미도시)에 의해 감싸여지게 된다.
상기 전면판(10)은 총알이 닿을때 인장강도를 증대시킴과 동시에 확산효과를 증대시키도록 다이아몬드 형태로 봉제되어 있고, 후면판(30)은 충격이 가해질때 지지역할을 하도록 박스 형태로 봉제되어 있다.
따라서, 150℃ 이상의 총알이 부딪힐때 전면판(10)은 순간적인 충격열을 견디는 역할을 하고, 플렉스펠트층(20)은 충격에 의한 충격 에너지를 신속하게 흡수하는 역할을 하며, 후면판(30)은 마찰열과 변형(Deformation)을 최소화하여 탄도판의 전체적인 변형발생을 방지하는 역할을 수행하게 된다.
[실험예]
한편, 탄도판의 원단을 여러가지 종류의 형태로 적층시켜 방탄실험을 NIJ(미국 국무성 사법연구소)의 지정 시험업체(H.P.WHITE LABORATORY,INC.)에 의뢰하였으며, 그 실험성적서를 하기 [표 2]에 나타내었다
하기에서 <실험예1>은 상기 본원발명에서와 같이 폴리아마이드계 원단(12겹)-플렉스펠트층(1겹)-폴리아마이드계 원단(11겹)의 순으로 적층된 샘플이고, <실험예2>는 폴리아마이드계 원단(10겹)-플렉스펠트(1겹)-폴리아마이드계 원단(6겹)-폴리에틸렌 필름(1겹)-플렉스펠트(1겹)-폴리아마이드계 원단(3겹)의 순으로 적층된 샘플이며, <실험예3>은 폴리아마이드계 원단(10겹)-플렉스펠트(1겹)-폴리아마이드계 원단(6겹)-폴리에틸렌 필름(1겹)-플렉스펠트(1겹)-폴리아마이드계 원단(5겹)의 순으로 적층된 샘플이고, <실험예4>는 폴리아마이드계 원단(6겹)-플렉스펠트(1겹)-폴리아마이드계 원단(2겹)-폴리에틸렌 필름(14겹)-폴리아마이드계 원단(4겹)의 순으로 적층된 샘플이며, <실험예5>는 폴리아마이드계 원단(10겹)-플렉 스펠트(1겹)-폴리에틸렌 필름(1겹)-플렉스펠트(1겹)-폴리아마이드계 원단(9겹)의 순으로 적층된 샘플이고, <실험예6>은 폴리아마이드계 원단(10겹)-플렉스펠트(1겹)-폴리에틸렌 필름(1겹)-플렉스펠트(1겹)-폴리아마이드계 원단(9겹)의 순으로 적층된 샘플을 나타낸다.
| Test Sample | Ballistic Threat | Result | ||||
| No | Weight (1bs) | Plies | Obliquity (degrees) | Caliber (a) | Shot | Penetration |
| 실험예1 | 3.64 | 24 | 0 | .44Mag | 4 | 0 |
| 30 | .44Mag | 2 | 0 | |||
| 실험예2 | 3.72 | 22 | 0 | .44Mag | 4 | 1 |
| 30 | .44Mag | 2 | 0 | |||
| 실험예3 | 3.74 | 24 | 0 | .44Mag | 4 | 1 |
| 30 | .44Mag | 2 | 0 | |||
| 실험예4 | 3.63 | 27 | 0 | .44Mag | 4 | 0 |
| 30 | .44Mag | 2 | 0 | |||
| 실험예5 | 3.68 | 22 | 0 | .44Mag | 4 | 1 |
| 30 | .44Mag | 2 | 0 | |||
| 실험예6 | 3.70 | 22 | 0 | .44Mag | 4 | 1 |
| 30 | .44Mag | 2 | 0 | |||
| (a) NIJ-STD-1010.04, LevelⅢ velocity: 1400~1460 fps (b) Shots in excess of two UNFAIR. Data for FAIR shots only | ||||||
상기 각 실험예의 결과에서 알 수 있듯이 <실험예1>과 <실험예4>의 샘플이 총알의 발사각도가 0도 및 30도 상황에서 100% 방어가 이루어짐으로서, 공히 방탄성능을 입증받을 수 있었다.
그러나, <실험예4>의 경우는 겹수가 <실험예1>에 비해 상대적으로 많을 뿐만 아니라 고가의 고밀도 폴리에틸렌 필름이 14겹이나 사용된 것으로서 제품의 단가 및 제작효율을 저하시키게 됨을 알 수 있다.
따라서, <실험예1>의 탄도판 원단이 방탄성능 및 제작단가 측면에서가장 바람직한 것임을 확인할 수 있었으며, 이와 같이 고밀도 폴리에틸렌 필름을 사용하지 않으면서 미국 국무성 사법연구소의 3단계(LevelⅢ) 방탄규정을 만족하기 위한 최소한의 원단 적층수는 플렉스펠트층(20)의 전면측 폴리아마이드계 원단(11)을 11겹 이상으로 하고, 후면측 폴리아마이드계 원단(31)을 10겹 이상으로 구비해야 함을 알 수 있다. 또한 플렉스펠트층(20)을 포함하는 전체적인 적층수가 24겹을 초과하지 않도록 구비함으로서 탄도판의 무게를 최소화할 수 있게 되고, 이에따른 방탄복의 제작단가를 절감시킴과 함께 착용감을 극대화할 수 있게 된다.
[비교예]
그리고, 본 발명의 탄도판에 대한 미국 국무성 사법연구소의 총알방어 기준인 NIJ-STANDARD-0101.04의 테스트 결과 및 동급의 타사제품과 비교한 비교예를 하기 [표 3]에 나타내었다.
| NIJ 기준 | 본 발명 | DSM제품 (고밀도 폴리에틸렌) | TWARON,DUPONT제품 (방향족 폴리아마이드) | |||
| 무 게 | 겹 수 | 무 게 | 겹 수 | 무 게 | 겹 수 | |
| LEVELⅢA | 5,245g/㎡ | 24겹 | 5,300g/㎡ | 34겹 | 6,800g/㎡ | 34겹 |
| LEVELⅡ | 4,445g/㎡ | 20겹 | 4,500g/㎡ | 29겹 | 5,800g/㎡ | 29겹 |
| LEVELⅡA | 3,645g/㎡ | 16겹 | 3,720g/㎡ | 24겹 | 4,800g/㎡ | 24겹 |
상기 비교표를 살펴보면 제품간 비교에 있어서 본 발명의 탄도판 제품이 기타 다른 제품에 비해 겹수 및 제품무게가 감소되어지는 가운데 NIJ의 기준을 만족할 수 있게됨을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와같은 본 발명의 탄도판은, 총알방어기준을 만족하기 위한 원단의 적층겹수를 최소화할 수 있게됨으로 제조원가를 절감시킬 수 있게됨과 함께 단위면적당 무게(AREAL DENSITY:g/㎡) 감소로 인한 방탄복의 착용감을 향상시킬 수 있게된다.
특히, 고가의 고밀도 폴리에틸렌 필름을 사용하지 않고도 무게를 최소화하는 가운데 동일한 방탄성능효과를 나타낼 수 있게 됨으로 보다 효율적인 생산 및 제작이 이루어질 수 있게된다.
Claims (3)
- 다이아몬드 형태로 원단면에 봉제가 이루어져 있는 각각의 방향족 폴리아마이드계 원단(11)이 11~13겹으로 적층 구비되어지는 전면판(10)과;방향족 폴리아마이드계 섬유 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유가 그물망 형태로 직조된 실올(22)과, 솜형상의 가느다란 방향족 폴리아마이드계 섬유 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유가 상기 실올 사이에 강제 압입된 충격흡수부재(21)로 이루어지는 1겹의 플렉스펠트층(20)과;방향족 폴리아마이드계 원단(31)이 10~12겹으로 적층 구비되어지되, 각각의 원단면에는 박스 형태로 봉제가 이루어져 있는 후면판(30)이 순차적으로 접합이 이루어진 것을 특징으로 하는 방탄복용 탄도판의 적층구조.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 탄도판을 이루는 방향족 폴리아마이드계 원단(11,31)과 플렉스펠트층(20)의 전체 적층 겹수는 22~24겹으로 이루는 것을 특징으로 하는 방탄복용 탄도판의 적층구조.
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|---|---|---|---|---|
| KR20220120255A (ko) | 2021-02-23 | 2022-08-30 | 김종옥 | 방탄성능과 유연성 및 착용감을 개선한 방탄복용 탄도판 |
-
2004
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