KR101021296B1

KR101021296B1 - 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판

Info

Publication number: KR101021296B1
Application number: KR1020100138265A
Authority: KR
Inventors: 김종옥; 김지완
Original assignee: 주식회사 파이로
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2011-03-11

Abstract

본 발명은 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판에 관한 것으로, 파편 또는 폭발물의 방어를 위해 탄도판의 단위면적당 무게를 최소화할 수 있게 함으로서 활동성을 높일 수 있고 탄도판의 유효 방어 면적을 충격 전후가 동일하게 유지시켜 방어능력을 향상함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판은, 하나 이상의 아라미드 원단(11)으로 이루어진 아라미드 원단층(10)과; 상기 아라미드 원단층의 안쪽에 배열되며 2개 이상의 폴리에틸렌 필름(21)이 적층되어 이루어진 폴리에틸렌 필름층(20)과; 상기 폴리에틸렌 필름층의 안쪽에 배열되는 아라미드 펠트층(30)과; 다수의 구멍을 갖는 그물망 형태의 아라미드 보강망(41) 및 상기 아라미드 보강망의 안쪽과 바깥쪽을 덮으면서 상기 아라미드 보강판의 구멍에 강제 압입되는 아라미드 펠트(42)로 이루어진 플렉스 펠트층(40)의 적층 구조로 이루어진다.

Description

파편 또는 폭발물 방어용 탄도판{Ballistic Plate for Defensing Shard or Explosive}

본 발명은 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파편 또는 폭발물의 방어를 위해 탄도판의 단위면적당 무게를 최소화하고, 파편 또는 폭발물에 의한 방어능력 향상은 물론 탄도판의 유효 방어 면적을 충격 전후가 동일하게 유지시킬 수 있는 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판에 관한 것이다.

일반적으로 총기류, 파편 또는 폭발물 등으로부터 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 총알방어기준(THREAT LEVEL)에 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:HONEYWELL사의 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 경량화하여야 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 발사 후 공기와의 마찰로 인해 고온의 상태이다.

이러한 고온의 총알(1)이 탄도판(2)에 닿게 되면 도시된 바와 같이 발생된 충격에너지가 사방으로 확산된다.

그 후, 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.

이에 따라, 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.

이와 같이 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 여러 겹으로 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.

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 크로스오버된 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 분산효율이 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.

지금까지는 총알 방어용 탄도판에 대해 설명하였으나 총기류에서 직접 발사된 총알 이외에 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판이 별도로 사용되고 있고, 본 발명은 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판에 관한 것이므로 이하에서는 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판에 대해서만 설명한다.

파편 또는 폭발물 방어용 탄도판은 주변 구조물이나 폭탄의 파편 또는 폭발물로부터 착용자를 보호함을 목적으로 하는 것으로, 파편 또는 폭발물은 총알보다는 충격에너지와 열이 낮지만 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판은 전술한 것과 같이 총알 방어용 탄도판과 유사한 작용으로 파편 또는 폭발물에 의해 뚫리지 않으면서 파편 또는 폭발물로부터 착용자를 보호한다.

종래 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판은 총알 방어용 탄도판을 그대로 사용하고 있으며, 따라서, 중량이 무거워 착용감이 매우 불편하고 방어 성능면에서도 파편 또는 폭발물 방어 성능이 약한 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 파편 또는 폭발물에 대항하는 방어능력과 중량면에서 아라미드 원단 및 폴리에틸렌 필름보다 월등하게 우수한 성능을 보이며 탄도판의 유효 방어 면적을 충격 전후가 동일하게 유지시킬 수 있는 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판을 제공하려는데 목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판은, 하나 이상의 아라미드 원단으로 이루어진 아라미드 원단층과; 상기 아라미드 원단층의 안쪽에 배열되며 2개 이상의 폴리에틸렌 필름이 적층되어 이루어진 폴리에틸렌 필름층과; 상기 폴리에틸렌 필름층의 안쪽에 배열되는 아라미드 펠트층과; 다수의 구멍을 갖는 그물망 형태의 아라미드 보강망 및 상기 아라미드 보강망의 안쪽과 바깥쪽을 덮으면서 상기 아라미드 보강판의 구멍에 강제 압입되는 아라미드 펠트로 이루어진 플렉스 펠트층의 적층 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판에 의하면, 총알방어기준을 만족하기 위한 원단의 적층 겹수를 최소화할 수 있게 됨으로써 제조원가를 절감시킬 수 있게됨과 함께 단위면적당 무게(AREAL DENSITY:g/㎡) 감소로 인한 방탄복의 착용감을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 고가의 고밀도 폴리에틸렌 필름을 사용하지 않고도 무게를 최소화하는 가운데 동일한 방탄성능효과를 나타낼 수 있게 됨으로 보다 효율적인 생산 및 제작이 이루어질 수 있게 된다.

특히, 아라미드 원단층 - 폴리에틸렌 필름층 - 아라미드 펠트층 - 플렉스 펠트층의 층상 구조에 의해 파편 또는 폭발물의 고온에 의해 열변형을 막을 수 있고 다단계에 걸쳐 충격흡수와 분산이 이루어져 탄도판으로서의 신뢰성을 향상할 수 있고, 경량화에 의해 전투력을 향상할 수 있다.

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 발명에 의한 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판의 적층상태를 분리하여 나타낸 종단면도.
도 6은 본 발명에 의한 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판에 적용된 플렉스 펠트층의 적층 상태를 분리하여 나타낸 종단면도.

도 5에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판(100)은, 파편 또는 폭발물(이하에서는 파편으로 총칭하여 설명함)이 충돌하는 방향에서부터 아라미드 원단층(10) - 폴리에틸렌 필름층(20) - 아라미드 펠트층(30) - 아라미드 플렉스 펠트층(40)(이하 플렉스 펠트층이라 약칭함)이 적층된 층상구조로 이루어진다.

아라미드 원단층(10)은 아라미드 원단(11)이 1겹 또는 2겹 이상으로 적층되어 이루어진다.

아라미드 원단(11)은 인장강도를 증대하기 위하여 아라미드 섬유 가닥이 서로 직교하면서 크로스오버 형태로 직조되어 이루어지며, 파편으로부터 가해지는 열에 의해 변형되지 않고 인장력에 의해 파편의 진행을 지연시키고 막는다.

아라미드 원단(11)은 참고로 840D(데니아)로서 280~320g/㎡의 중량이다.

아라미드 원단층(10)은 다이아몬드 형태로 봉제되어 다수의 아라미드 원단(11)을 일체화함으로써 파편의 차단 효과를 증대할 수도 있다.

폴리에틸렌 필름층(20)은 다수의 고밀도 폴리에틸렌 필름(21)이 적층된 층상 구조이며, 폴리에틸렌 필름(21)은 인장력에 의해 파편의 충격에너지를 흡수 및 분산시킨다. 즉, 다수의 폴리에틸렌 필름(21)은 다단계에 걸쳐 파편의 충격에너지를 흡수 및 분산시킴으로써 아라미드 펠트층(30)에 전가되는 충격에너지를 극소화한다.

폴리에틸렌 필름(21)은 예를 들어, 100~150g/㎡의 중량이다.

아라미드 펠트층(30)은 아라미드 섬유에 의해 제조되는 것으로, 파편으로부터 전가되는 충격에너지를 흡수하며, 예를 들어, 300g/㎡의 중량이다.

플렉스 펠트층(40)은 아라미드 보강망(41) 및 아라미드 펠트(42)로 이루어진다.

도 6에서처럼, 아라미드 보강망(41)은 아라미드 섬유(41a)에 의해 다수의 구멍(41a)을 갖는 그물망 형태로 직조되며, 아라미드 섬유(41a)가 서로 직교하여 그물망 형태로 직조되면서 강도를 증대하기 위하여 크로스오버되고, 예를 들어, 600~800g/㎡의 중량이다.

이러한 구조의 아라미드 보강망(41)은 아라미드 펠트(42)의 내부에 삽입되어 있는 구조이며, 아라미드 펠트(42)는 아라미드 보강망(41)의 구멍(41b)에 강제로 압입되도록 제작되어 플렉스 펠트층(40)을 구성한다.

도 6에서 보이는 것처럼, 플렉스 펠트층(40)은, 아라미드 보강망(41)을 중심으로 하여 제1,2아라미드 펠트(42-1,42-2)가 대칭으로 적층된 상태에서 펀칭으로 결합되어 제1,2아라미드 펠트(42-1,42-2)가 아라미드 보강망(41)의 양쪽을 덮으면서 구멍(41b)에 압입되도록 구성된다.

플렉스 펠트층(40)은 아라미드 펠트(42)가 갖고 있는 기능과 아라미드 보강망(41)의 기능이 합성되는 것으로, 아라미드 보강망(41)은 파편에 의한 충격에너지를 흡수함과 아울러 인장력에 의해 아라미드 펠트(42)의 형상이 유지되도록 한다. 즉, 파편이 아라미드 펠트층(30)을 통해 플렉스 펠트층(40)에 충돌할 때 아라미드 보강망(40)은 아라미드 펠트층(30)과 아라미드 펠트(42)가 밀리지 않도록 하여 즉 오므라들지 않도록 함으로써 방어면적을 그대로 유지하도록 한다.

이와 같은 적층 구조의 탄도판은 별도의 외피 내부에 삽입되어 봉재되어 사용된다.

본 발명에 의한 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판의 작용은 다음과 같다.

총알이나 폭탄 등에 의해 비산되는 파편은 아라미드 원단층(10)에 충돌하며, 아라미드 원단층(10)은 파편의 열을 흡수하면서 파편의 진행을 막는다. 이 과정에서 파편은 아라미드 원단층(10)을 뚫거나 아라미드 원단층(10)을 열변형시켜 폴리에틸렌 필름층(20)에 도달할 수 있으며, 폴리에틸렌 필름층(20)은 인장력에 의해 파편의 진행을 막는다. 파편의 열은 아라미드 원단층(10)에 의해 흡수되어 온도가 낮아진 상태이므로 폴리에틸렌 필름층(20)은 열변형없이 인장력에 의해 파편의 진행을 확실하게 막을 수 있고, 이 과정에서 파편으로부터의 충격을 흡수 및 분산시킨다.

아라미드 펠트층(30)은 폴리에틸렌 필름층(20)을 밀고 진행하는 파편의 충격에너지를 흡수 및 분산한다.

또한, 플렉스 펠트층(40)의 아라미드 펠트(42)는 아라미드 펠트층(30)에서 흡수되지 못한 충격에너지를 흡수한다. 이때, 아라미드 보강망(41)은 아라미드 펠트(42)가 뒤로 밀리지 않도록 함과 아울러 아라미드 펠트(42)가 뚫리지 않도록 하고, 특히 파편이 충돌한 곳이 오므라들지 않도록 팽팽하게 유지시켜 탄도판의 방어 면적을 충격 전후가 동일하게 유지함으로써 후속 파편에 대해서도 방어 성능을 발휘할 수 있다.

본 발명에 의한 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판의 방어 성능과 중량 등의 성능은 다음과 같다.

1. 중량 비교(본 발명과 비교예 1,2의 중량 비교)

탄도판 구분	구성내역	중량(면밀도:g/㎡)	중량비교(%)
본 발명	가. 아라미드 원단 840D 5겹 5×200g/㎡=1,000g/㎡ 나. 고밀도 폴리에틸렌 SB21(DSM사 제품) 8×150g/㎡=1,200g/㎡ 다. 아라미드 펠트 1장 : 300g/㎡ 라. 아라미드 플렉스 펠트 1장 : 750g/㎡	3,250g/㎡	100
비교예1 (고밀도폴리에틸렌)	SB21(DSM사 제품) 24겹 24×150g/㎡=3,600g/㎡	3,600g/㎡	110.7
비교예2 (아라미드 원단)	아라미드 원단 840D 24겹 24×200g/㎡=4,800g/㎡	4,800g/㎡	144.7

상기 표 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명과 비교예1,2는 방탄 기준을 만족하도록 구성된 것이며, 본 발명과 비교예1,2의 중량을 볼 때 본 발명은 비교예1,2 보다 월등하게 가벼운 것을 확인할 수 있다.

2. 방탄 성능(본 발명의 방탄 성능)

규격 : 국방규격 KDS 8470-1005-5(2010.08.26. 개정)

MIL-STD-662

V₅₀=470m/sec 이상

구 분	V₅₀(m/sec)	판 정
1. 앞판 좌측	486.13	규격 만족
2. 등판	490.32	규격 만족
평 균	488.22	규격 만족

표 2는 표 1에 의한 본 발명의 방탄 성능을 검사한 결과이며, 방탄복의 앞판과 등판 등 모든 부분에 적용되어도 규격을 만족하는 것으로 확인되었다.

10 : 아라미드 원단층, 20 : 폴리에틸렌 필름
30 : 아라미드 펠트층, 40 : 플렉스 펠트층
41 : 아라미드 보강망, 42 : 아라미드 펠트

Claims

하나 이상의 아라미드 원단(11)으로 이루어진 아라미드 원단층(10)과;
상기 아라미드 원단층의 안쪽에 배열되며 2개 이상의 폴리에틸렌 필름(21)이 적층되어 이루어진 폴리에틸렌 필름층(20)과;
상기 폴리에틸렌 필름층의 안쪽에 배열되는 아라미드 펠트층(30)과;
다수의 구멍을 갖는 그물망 형태의 아라미드 보강망(41) 및 상기 아라미드 보강망의 안쪽과 바깥쪽을 덮으면서 상기 아라미드 보강판의 구멍에 강제 압입되는 아라미드 펠트(42)로 이루어진 플렉스 펠트층(40)의 적층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판.
청구항 1에 있어서, 상기 플렉스 펠트층은, 상기 아라미드 보강망(41)을 중심으로 하여 제1,2아라미드 펠트(42-1,42-2)가 대칭으로 적층되어 펀칭으로 결합되어 상기 제1,2아라미드 펠트가 상기 아라미드 보강망의 양쪽을 덮으면서 상기 구멍에 압입되는 것을 특징으로 하는 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 플렉스 펠트층의 아라미드 보강망은, 아라미드 섬유 가닥이 서로 직교하면서 크로스오버되어 다수의 구멍을 갖는 그물망 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판.
청구항 3에 있어서, 상기 아라미드 원단층은, 아라미드 섬유 가닥이 서로 직교하면서 크로스오버되어 이루어진 아라미드 원단이 적층된 층상 구조인 것을 특징으로 하는 파편 또는 폭발물 방어용 탄도판.