KR101118133B1 - 방탄복용 세라믹 방탄패널 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 플레이트 전면과 후면에 접착필름을 이용하여 방탄직물을 접착함에 있어서 후면에 접착되는 방탄직물을, 나노입자를 분산시킨 전단농화유체로 처리함으로써 방탄성능을 대폭 향상시킴과 아울러 보다 경량화할 수 있는 방탄복용 세라믹 방탄패널 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방탄복용 세라믹 방탄패널은 세라믹 플레이트; 세라믹 플레이트 후면에 적층되는 다수 장의 전단농화유체로 처리된 방탄직물; 전단농화유체로 처리된 방탄직물을 둘러싸면서 밀폐하는 밀폐필름; 세라믹 플레이트 전면에 적층되는 전면 방탄직물; 세라믹 플레이트와 전면 방탄직물 사이에 적층되어 세라믹 플레이트와 전면 방탄직물을 접착하는 전면 접착필름; 세라믹 플레이트와 밀폐필름 사이에 적층되어 세라믹 플레이트와 밀폐필름을 접착하는 세라믹 접착필름; 을 포함하는 적층물로 이루어지고, 이 적층물은 진공상태를 유지하면서 일정 시간동안 일정한 압력과 일정한 온도가 가해져 상기 접착필름들이 용융되고 이 용융에 의하여 세라믹 플레이트를 포함한 상기 적층물들이 서로 접착되는 구조로 이루어져 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 상기 적층물은 다수 장의 전단농화유체로 처리된 방탄직물 후면에 적층되는 다수 장의 미처리 방탄직물; 밀폐필름과 미처리 방탄직물 사이에 적층되어 밀폐필름과 미처리 방탄직물을 접착하는 필름-직물 접착필름; 및 미처리 방탄직물들 사이에 적층되어 미처리 방탄직물들을 접착하는 직물 접착필름; 을 더 포함한다.

Description

방탄복용 세라믹 방탄패널 및 그 제조방법{A CERAMIC PANEL FOR BULLET-PROOF JACKET AND A MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 방탄복용 세라믹 방탄패널 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 세라믹 플레이트 전면과 후면에 접착필름을 이용하여 방탄직물을 접착함에 있어서 후면에 접착되는 방탄직물을, 나노입자를 분산시킨 전단농화유체(Shear Thickening Fluid, STF)로 처리함으로써 방탄성능을 대폭 향상시킴과 아울러 보다 경량화할 수 있는 방탄복용 세라믹 방탄패널 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 방탄복용 세라믹 방탄 패널은 보다 고 화력과 철갑탄(Armor-Piercing Ammunition, AP탄) 등 고속 총탄에 대한 방탄 효율을 향상시키기 위해서 세라믹 플레이트 후면에 방탄직물로서 고 인장성?고 강도 섬유를 여러 층 적층하여 단일체로 된 방탄 패널을 제조하며, 미국 법무성 사법연구소(National Institute of Justice, NIJ)의 방탄재료 시험기준 Level Ⅱ 또는 Level Ⅲ-A의 방탄복에 삽입하여 사용된다.

여기서, 세라믹 플레이트는 알루미나(Alumina), 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon Nitride), 탄화붕소(Boron Carbide), 탄화텅스텐 (Tungsten Carbide), 텅스텐 보라이드(Tungsten Diboride) 등과 혹은 이들의 복합체, 또는 섬유보강 복합재료 등이 사용되며 때로는 세라믹 대신 금속재료가 사용되기도 한다. 또한, 고 인장성?고 강도 섬유로는, 아라미드 섬유, PBO(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole) 또는 초고분자량 폴리에틸렌(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene)계의 섬유를 들 수 있고, 상품명은 케블라(Kevlar), 트와론(Twaron), 헤라크론(Heracron), 자일론(Zylon), 스펙트라(Spectra) 또는 다이니마(Dyneema) 등이 있다.

이러한 세라믹 방탄 패널의 방탄 메커니즘은 현재 완전히 규명되지 않은 상태이나 총탄 혹은 발사체의 파편이 초기 세라믹 플레이트와 충돌할 때 세라믹 플레이트를 여러 조각으로 파손하면서 대부분의 운동에너지를 이 세라믹 파편 조각들에게 분산 소비하고 뾰쪽한 선단부가 버섯 같은 모양으로 변형되거나 여러 조각으로 분할되어 접촉면이 증가된 채 패널의 후면재(backing material)인 방탄직물의 적층물을 통과하면서 에너지를 분산 소모한다고 알려져 있다.

이때, 후면재 방탄직물들의 에너지 흡수 혹은 발사체의 에너지 소모 메커니즘은 (1) 직물섬유의 변형(늘어남), (2) 직물섬유의 뽑힘(full out)에 의한 마찰력, (3) 섬유의 단절 등의 3 단계로 이루어지며, 이들 효과가 최적일수록 최종방탄성능은 증가한다. 상기 기능 중 (1), (3)에서, 방탄직물 섬유의 고유의 물성이나 섬유의 마찰력을 적절히 증가시키는 방법은 여러 가지 방법을 택할 수 있다.

통상, 총알이나 파편들은 섬유들을 변형시키고 섬유를 뽑아내면서(pull out) 섬유간의 마찰력에 의하여 에너지를 소비하고 더 나아가 섬유들을 절단하면서 남은 에너지를 소비하고 진행하는 방향으로 변형을 일으키면서 정지한다. 이때 적층 직물의 변형정도(trauma)는 인체에 충격과 손상을 미칠 수 있으므로 엄격히 제한되어야 하며 최종 변형정도는 전면의 세라믹 플레이트의 특성, 적층 직물 등의 성능, 적층 직물의 배열 및 적층방법은 물론 세라믹 플레이트와 접합방법에 크게 좌우된다.

상기 후면재의 적층방법은 방탄직물들을 견고하게 접착하는 방법보다는 적절한 유연성을 갖도록 접착하는 것이 방탄성능 향상에 도움이 된다. 이는 발사체가 진행하는 동안 섬유들의 탄성한계에 의한 단절 내지 관통이 일어나기 전에 섬유의 뽑힘(pull out)이 일어나는 동안 주변 섬유와의 마찰에 의해 발사체의 에너지를 소모시키기 때문이다.

일례로, 미국특허공개 제2001/0021443호는 방탄직물을 서로 접합하여 적층물의 평판을 제조할 때 직물 간을 전면 접착이 아닌 점 접착(point bonding)을 함으로써 직물들 간의 유연성을 부여하는 기술을 개시하였으며 미국특허 제4,413,357호는 직물들을 서로 꿰매거나(stitching) 몇 장을 접합한 후 이들을 다시 꿰매어 유연성을 부여하는 기술을 개시한바 있으나, 이들 모두 접착공정이 복잡하여 비경제적인 문제가 있다.

통상의 방탄직물인 아라미드, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 초고분자량 폴리프로필렌 섬유 등은 고 인장강도, 고 강성률의 특성을 갖지만 표면이 비교적 미끄러워 낮은 마찰력을 갖는다. 이러한 섬유들이 직물로 짜였을 때 발사체의 충격을 받는 동안 주변 섬유에 에너지 전달이 미약하다. 이는 움직이는 발사체의 운동에너지를 분산 소모하는데 비효율적이다.

그래서, 이웃하는 섬유들 사이에 에너지 분산을 증가시키는 몇 가지 기술적인 방법이 알려져 있다. 그 하나의 방법으로, 섬유들을 코로나나 모래로 처리하여 섬유 표면을 거칠게 하여 표면 마찰을 증가시키는 방법이 있지만, 섬유의 품질을 저하시키는 관계로 이용에 한계가 있다. 또 하나의 방법으로는, 방탄직물 섬유의 표면을 마찰계수가 큰 물질로 코팅을 하여 인근 섬유사이에 에너지 분산을 유도하는 방법이 있지만, 이 방법은 코팅 공정이 복잡하고 코팅물질에 의한 방탄직물의 중량 증가를 가져와 비경제적이며 방탄패널의 경량화에 문제가 있다.

한편, 미국특허 제5,776,839호는 아라미드 섬유인 케블라 표면을 합성고무의 일종인 네오프렌(neoprene) 파우더로 코팅하여 방탄성능을 향상시키는 기술을 개시한바 있고, 미국특허 제5,854,143호 및 미국특허 제3,649,426호 등도 다이레이턴트(dilatants)로 에너지 분산을 증가시켜 방탄성능을 개선하는 기술을 개시한바 있다. 특히, 미국특허 제7,226,878호, 미국특허 제7,498,276호, 미국특허공개 제2005/0266748호, 미국특허공개 제 2006/0234577호, 미국특허공개 제2007/0282053호 및 미국특허공개 제2009/0004413호 등에 개시된 기술은 방탄복의 팔, 다리, 목 부위 등 유연성이 요구되는 부위의 방탄을 목적으로 전단농화유체(Shear Thickening Fluid, STF)를 처리한 방탄직물을 사용함으로써 방탄성능을 향상시키고 있다.

상기 전단농화유체는 가끔 농축된 콜로이드 분산용액에서 관찰되는 비 뉴턴유체 흐름 특성으로 전단응력의 증가와 함께 분산입자들이 유체클러스터(hydro-cluster)를 형성하면서 용액의 점성(viscosity)이 불연속적으로 크게 증가하는 분산액이다.

방탄직물들을 이러한 전단농화유체에 함침하여 방탄직물들 혹은 방탄직물의 섬유사이에 전단농화유체를 유동상태로 분포시키게 되면, 평소에는 유연성을 갖으나 발사체의 충격 시 전단농화유체의 급격한 유체클러스터 형성과 이에 따른 점성증가로, 상태변화와 인접 섬유간의 마찰력 증가로 인한 에너지 흡수와 분산으로 방탄성능을 크게 증가시킨다.

그런데, 전단농화유체로 처리된 방탄직물은 유연성을 갖으면서 방탄 성능을 크게 향상시키기는 하지만, 전단율(속도/총알직경)이 클 경우(고속 총탄)에는 방탄효과가 크게 떨어지거나 효과가 없다.

따라서, 고속 발사체에 대해서는 세라믹 플레이트를 전면에 배치하고 후면재로 전단농화유체 처리 방탄직물과 미처리 방탄직물을 적절히 배열하고 접착시켜 세라믹 플레이트에서 발사체의 에너지를 일차 분산 흡수시키는 세라믹 방탄 패널제작이 요구된다.

한편, 세라믹 플레이트와 고 인장성 섬유로 이루어진 세라믹 방탄패널은 세라믹 플레이트의 구성에 의해 크게 두 종류로 구분할 수 있는데, 그 하나는 여러 조각의 세라믹 타일로 구성된 패널이며, 다른 하나는 단일 세라믹 플레이트로 구성된 패널이다.

단일 세라믹 플레이트로 구성된 방탄패널은 처음 첫 번째 발사체의 충격에 의하여 세라믹 플레이트에 크랙이 생기게 되어 두 번째 이후의 발사체에 대한 방탄 효율이 떨어질 수 있다. 따라서, 단일 세라믹 플레이트는 전체가 균질하며 고 강도, 고인성을 갖는 제품으로 처음 충격에 의한 크랙이 가급적 충격부위에 국부적으로 국한되어야 하며, 특히 여러 번의 충격에도 방탄 효과를 갖기 위해서는 충격 후에도 세라믹 파편을 단단히 고정할 수 있도록 후면 적층 직물인 고 인장성 방탄섬유의 물성, 적층방법과 적정 접착력이 중요하다.

이와 같은 세라믹 방탄패널에서 중요한 방탄직물 후면재의 적층방법과 접착방법의 일례로, 미국특허 제6,389,594호는 단일 세라믹 플레이트와 적층 직물의 후면재를 에폭시, 폴리우레탄 수지 등으로 압축 경화시킨 접착방법을 개시하고 있으나, 이 접착방법은 상술한 미국특허공개 제2001/0021443호 또는 미국특허 제4,413,357호에 개시된 방법에 비하여 너무 단단한 접착방법으로 관통성향이 높다.

또한, 미국특허 제7,148,162호는 수지에 함침된 일방향으로 배열된 섬유다발(unidirectionally-oriented fiber bundles, 혹은 Unidirectional Fabric, 이하, 간단히 'UD 직물' 이라고 함)을 사용하여 방탄성능을 향상시킨 단일 플레이트 방탄패널을 개시하고 있다. 그리고, 국내 등록특허 제10-0291941호, 제10-0629461호, 제10-0430906호 및 제10-0430906호 등은 고 인장성 섬유 및 직물의 적층 패널로 Level Ⅱ 및 Level Ⅲ-A의 방탄복용 직물 패널을 개시하고 있으며, 국내 등록특허 제10-0926746호는 Level Ⅲ 및 Level Ⅳ의 세라믹 방탄패널로 단일 세라믹 플레이트와 방탄직물을 접착필름을 이용하여 접착하는 방법을 개시하고 있다.

그러나, 상기한 종래기술들에 의한 세라믹 방탄패널은 후면재인 방탄직물 적층물의 접착방법의 개선이나 적절한 UD 직물의 사용으로 후면재의 방탄성능을 개선하고 있으나, 접착공정이 번거롭고 UD 직물의 경우 일반 직물에 비하여 비경제적인 문제가 있고, 특히 미국의 방탄성능 기준인 NIJ Standard 0101.04 Level Ⅲ 및 Level Ⅳ 기준을 만족하도록 후면재인 방탄직물 섬유의 방탄성능을 향상시키기 위한 대책이 요망되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래기술들의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 세라믹 플레이트 전면과 후면에 접착필름을 이용하여 방탄직물을 접착함에 있어서 후면에 접착되는 방탄직물을, 나노입자를 분산시킨 전단농화유체(Shear Thickening Fluid; STF)로 처리함으로써, 발사체의 충격 시 유체클러스터의 생성과 방탄직물 섬유의 마찰력을 적절히 증가시키면서 방탄성능을 향상시킴과 아울러 보다 경량화할 수 있도록 하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 단일의 세라믹 플레이트 후면에 전단농화유체로 처리한 방탄직물과 전단농화유체로 처리하지 않은 방탄직물을 적절히 배열 접착함으로써 후면 변형을 최소화하면서 방탄성능을 더욱 향상시킬 수 있도록 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 방탄복용 세라믹 방탄패널은 세라믹 플레이트;

상기 세라믹 플레이트 후면에 적층되는 다수 장의 전단농화유체로 처리된 방탄직물;

상기 전단농화유체로 처리된 방탄직물을 둘러싸 밀폐하는 밀폐필름;

상기 세라믹 플레이트 전면에 적층되는 전면 방탄직물;

상기 세라믹 플레이트와 상기 전면 방탄직물 사이에 적층되어 상기 세라믹 플레이트와 상기 전면 방탄직물을 접착하는 전면 접착필름;

상기 세라믹 플레이트와 상기 밀폐필름 사이에 적층되어 상기 세라믹 플레이트와 상기 밀폐필름을 접착하는 세라믹 접착필름;

을 포함하는 적층물로 이루어지고

상기 적층물은 진공상태를 유지하면서 일정 시간동안 일정한 압력과 일정한 온도가 가해져 상기 접착필름들이 용융되고 이 용융에 의하여 상기 세라믹 플레이트를 포함한 상기 적층물들이 서로 접착되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 적층물은 상기 다수 장의 전단농화유체로 처리된 방탄직물 후면에 적층되는 다수 장의 미처리 방탄직물;

상기 밀폐필름과 상기 미처리 방탄직물 사이에 적층되어 상기 밀폐필름과 상기 미처리 방탄직물을 접착하는 필름-직물 접착필름; 및

상기 미처리 방탄직물들 사이에 적층되어 상기 미처리 방탄직물들을 접착하는 직물 접착필름;

을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 세라믹 방탄패널은 상기 적층물의 외부를 감싸는 외피를 더 포함하며, 상기 외피는 나일론, 폴리염화비닐 또는 인조고무 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 미처리 방탄직물은 UD 직물(Unidirectional Fabric)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 세라믹 플레이트는 단일 세라믹 플레이트로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 밀폐필름은 PVB(Polyvinyl Butyral), 나일론 필름, 폴리프로필렌 필름, OPP 필름(Oriented Polypropylene Film) 또는 폴리에틸렌 필름이고, 상기 접착필름들은 폴리에틸렌, 폴리에틸렌-비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, 열가소성폴리우레탄 또는 폴리올레핀 필름인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 전단농화유체는 무기 나노입자가 유기용매에 분산되어 있는 유체로써, 상기 무기 나노입자는 산화규소, 산화알루미늄, 탄산칼슘, 자연광물 입자 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 상기 유기용매는 메탄올, 에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌글리콜 중 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 전단농화유체는 방탄직물의 전체 중량대비 20중량%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 무기 나노입자의 직경은 20～100nm인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 세라믹 방탄패널은 적층물을 진공 속에서 120분 동안 120℃로 가열하고, 180분 동안 1기압 내지 10기압의 범위 내에서 선택되는 일정 압력을 가하여 상기 접착필름들이 용융되어 제작되는 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 방탄복용 세라믹 방탄 패널의 제조방법은 (a) 내부에 열과 압축공기를 투입할 수 있는 진공챔버를 준비하는 단계;

(b) 세라믹 플레이트 및 세라믹 플레이트 전후면에 방탄직물을 순서대로 적층하되, 상기 세라믹 플레이트 전면에는 전면 방탄직물을 적층하고 상기 세라믹 플레이트 후면에는 전단농화유체로 처리된 다수 장의 방탄직물을 되어 밀폐필름에 의해 밀폐한 상태로 적층하고, 상기 세라믹 플레이트와 상기 전면 방탄직물 사이에 전면 접착필름을 끼워넣고, 상기 세라믹 플레이트와 상기 전단농화유체로 처리된 방탄직물 사이에는 세라믹 접착필름을 끼워넣어 적층하여 적층물을 만드는 단계;

(c) 상기 적층물을 외부 진공펌프와 연결된 진공백에 담아 상기 진공챔버 내부에 투입하는 단계;

(d) 상기 진공펌프를 이용하여 상기 진공백 내부를 진공으로 만드는 단계;

(e) 상기 진공챔버 내부에 일정한 온도와 일정한 압력을 가하는 단계; 및

(f) 상기 적층물의 접착필름이 용융되어 상기 세라믹 플레이트 및 방탄직물들이 접착되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 (b)단계에서의 적층물은 상기 다수 장의 전단농화유체로 처리된 방탄직물 후면에 다수 장의 미처리 방탄직물을 더 적층하고, 상기 밀폐필름과 상기 미처리 방탄직물 사이에 상기 밀폐필름과 상기 미처리 방탄직물을 접착하는 필름-직물 접착필름을 끼워넣고, 상기 미처리 방탄직물들 사이에 상기 미처리 방탄직물들을 접착하는 직물 접착필름을 끼워넣어 적층하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 (f)단계 이후에 상기 적층물의 외부를 외피로 감싸는 단계를 더 포함하며, 상기 외피는 폴리염화비닐(PVC), 나일론 및 인조고무 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 전단농화유체로 처리된 방탄직물과 상기 미처리 방탄직물은 수차례 교대로 배치하여 적층된다.

본 발명에 의하면, 미국의 방탄성능 기준인 NIJ Standard 0101.04 Level Ⅲ 및 Level Ⅳ 기준을 만족하는 세라믹 방탄패널을 제조할 수 있으며, 특히 나노입자를 분산시킨 전단농화유체로 처리된 방탄직물을 후면재로 사용함으로써 방탄성능을 향상시키면서 보다 경량화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전단농화유체로 처리된 방탄직물 후면에 미처리 방탄직물을 교대로 배치하는 상태로 적층함으로써, 방탄성능의 증대와 함께 세라믹 플레이트의 후면변형을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄복용 세라믹 방탄패널을 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄복용 세라믹 방탄패널의 평면 사진.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄복용 세라믹 방탄패널의 적층물의 배열을 나타내는 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄복용 세라믹 방탄패널을 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄복용 세라믹 방탄패널의 평면 사진이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄복용 세라믹 방탄패널의 적층물의 배열을 나타내는 단면도이다.

도면에 도시된 본 발명에 따른 방탄복용 세라믹 방탄패널(100)은 미국의 방탄성능 기준인 NIJ Standard 0101.04 Level Ⅲ 및 Level Ⅳ 기준을 만족하도록 세라믹 플레이트(110) 전후면에 방탄직물들을 적절히 배치하여 적층시킨 적층물로 이루어져 있다.

본 발명에서 사용된 세라믹 플레이트(110)는 단일 세라믹 플레이트로 이루어지며 재료로서 알루미나, 탄화규소, 질화규소, 탄화붕소, 탄화텅스텐, 텅스텐 보라이드, 실리콘 혹은 알루미늄 침투 반응 탄화규소 또는 탄화붕소 중 선택된 적어도 하나 이상을 포함하며, 고온소결, 고온고압소결, 겔케스팅 또는 반응소결 등의 방법으로 제작된다.

상기 세라믹 플레이트(110)를 단일 세라믹 플레이트로 만드는 경우, 여러 개의 조각 세라믹 플레이트를 결합하여 만드는 방법에 비해 중량 및 제조단가 감소에 좋은 효과를 보이지만, 방탄효율이 상대적으로 떨어지는 문제가 있어, 본 발명은 이러한 문제가 발생함이 없이 방탄성능을 더 향상시키면서 한층 더 경량화를 도모할 수 있도록 접착방법과 적층방법을 종래와 다르게 한 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 세라믹 방탄패널(100)의 일 실시예는 세라믹 플레이트(110); 세라믹 플레이트(110) 후면에 적층되는 다수 장의 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120); 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120)을 둘러싸면서 밀폐하는 밀폐필름(120a); 세라믹 플레이트(110) 전면에 적층되는 전면 방탄직물(130); 세라믹 플레이트(110)와 전면 방탄직물(130) 사이에 적층되어 세라믹 플레이트(110)와 전면 방탄직물(130)을 접착하는 전면 접착필름(130a); 및 세라믹 플레이트(110)와 밀폐필름(120a) 사이에 적층되어 세라믹 플레이트(110)와 밀폐필름(120a)을 접착하는 세라믹 접착필름(110a); 을 포함하는 적층물로 이루어져 있다.

이와 같은 구조를 갖는 세라믹 방탄패널(100)은 일정 크기를 갖는 대략 사각형 구조로, 가슴 및 복부에 밀착되도록 앞쪽면이 볼록하게 라운드됨과 동시에 착용하였을 때 팔의 움직임이 편리하도록 도 2(a)에 도시한 바와 같이 네 모서리를 라운드 처리하여 있고, 또는 도 2(b)에 도시한 바와 같이 상단 두 모서리를 하단 두 모서리보다 더 경사지게 처리하여 있다.

상기 세라믹 플레이트(110) 후면에 적층되는 다수 장의 방탄직물은 전단농화(Shear Thickening) 특성을 갖도록 나노입자를 유기용매에 분산시켜 제조된 전단농화유체로 처리되어 있다. 상기 나노입자는 무기 나노입자 또는 유기 나노입자를 포함하며, 바람직하게는 산화규소(SiO₂), 산화알루미늄, 탄산칼슘, 자연광물 입자 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 여기서, 상기 무기 나노입자의 직경은 20～100nm이다. 그리고, 상기 유기용매는 메탄올, 에틸렌글리콜 또는 폴리에틸렌글리콜 등을 포함한다. 상기 전단농화유체는 방탄직물의 전체 중량대비 약 20중량% 정도로 조절된다.

이러한 전단농화유체는 직물의 유연성을 유지하면서 충격특성을 향상시키기 위해 사용된 것으로, 외부의 자극이 없는 상태에서는 유체상태로 존재하여 직물의 유연성을 저하시키지 않으나 외부 충격에 의한 전단변형율이 발생하면 점성이 작아지는 전단담화(Shear Thinning) 현상이 발생하다가 임계 전단변형율(Onset poiny)에 도달하면 입자들이 순간적으로 집중되어 점성이 급격히 증가하는 전단농화 현상이 발생하게 되는 기능을 갖는다.

이와 같이 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120)들은 밀폐필름(120a)에 의하여 둘러싸여지는 상태로 밀폐되어 세라믹 접착필름(110a)에 의하여 세라믹 플레이트(110)에 접착되며, 밀폐필름(120a)에 의하여 전단농화유체가 콜로이드 상태로 유지됨으로써, 앞서 설명한 바와 같이 발사체 충격 시 전단농화작용인 액체클러스터 생성과 점성증가로 인한 섬유 마찰력의 증가로 방탄성능을 향상시킨다.

여기서, 상기 밀폐필름(120a)으로는, PVB(Polyvinyl Butyral), 나일론 필름, 폴리프로필렌 필름, OPP 필름(Oriented Polypropylene Film) 또는 폴리에틸렌 필름이 사용된다.

상기 세라믹 플레이트(110) 전면에 배치한 전면 방탄직물(130)은 전면 접착필름(130a)에 의하여 세라믹 플레이트(110)에 접착되고 발사체에 의한 충격 시 상기 세라믹 플레이트(110)의 전면 크랙을 최소화하고 세라믹 파편의 전 방향 분산을 억제하는 역할을 한다.

한편, 상기 다수 장의 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120) 후면에는 다수 장의 미처리 방탄직물(140)이 더 적층될 수 있다. 이 미처리 방탄직물(140)은 전단농화유체가 처리되지 않은 통상의 방탄직물로서, 방탄성능의 증대와 함께 후면변형(trauma)을 최소화하기 위해 사용되며, 필요에 따라 배치된다.

상기 미처리 방탄직물(140)을 추가 적층하는 경우, 밀폐필름(120a)과 미처리 방탄직물(140) 사이에는, 밀폐필름(120a)과 미처리 방탄직물(140)을 접착하는 필름-직물 접착필름(120b)을 더 적층하며, 또한 미처리 방탄직물(140)들 사이에는, 미처리 방탄직물(140)들을 서로 접착하는 직물 접착필름(140a)을 더 적층한다.

전단농화유체로 처리된 다수 장의 방탄직물과 후면의 다수 장의 미처리 방탄직물(140)은 각각 낫 장의 방탄직물 들을 차례로 적층하여 다발형태로 이루어져 있다. 또한, 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120)과 미처리 방탄직물(140)은 수차례 교대로 배치하여 적층할 수 있다.

상기한 바와 같이 세라믹 플레이트(110) 전면에 적층되는 전면 방탄직물(130)과 그 후면에 적층되는 방탄직물(120, 140)들은 세라믹 플레이트(110)의 크기와 동일한 크기로 이루어져 있다.

상기와 같은 모든 적층물의 외부에는, 적층물의 외부를 감싸는 외피(150)가 설치된다. 이 외피(150)는 세라믹 방탄패널(100)의 외부를 이루며, 나일론, 폴리염화비닐 또는 인조고무 중 어느 하나로 이루어져 있다. 이 외피(150)는 방탄성능보다는 방탄직물의 흡습을 방지하고 방탄섬유를 자외선으로부터 보호하며 외관을 미려하게 하기 위한 것이며 필요에 따라 구비되지 않을 수도 있다.

위와 같은 구조를 갖는 적층물은 진공상태를 유지하면서 일정 시간동안 일정한 압력과 일정한 온도가 가해짐에 따라 상기 접착필름들이 용융되고, 이 용융에 의하여 상기 세라믹 플레이트(110)를 포함한 적층물들이 서로 접착됨으로써 세라믹 방탄패널(100)이 완성된다.

본 발명에서 사용된 방탄직물(120, 130, 140)들은 아라미드, PBO(p-Phenylene-Benzobisoxazole), 초고분자량 폴리에틸렌(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene) 또는 초고분자량 폴리비닐알콜(Ultra-High Molecular Weight Polyviny Alcohol Fiber)계의 섬유로써 상품명 케블라(Kevlar), 트와론(Twaron), 헤라크론(Heracron), 자일론(Zylon), 스펙트라(Spectra) 또는 다이니마(Dyneema)로 이루어진다. 그리고, 미처리 방탄직물(140)은 UD 직물(Unidirectional Fabric)을 포함한다.

또한, 방탄직물들을 접착하기 위한 접착필름(110a, 120b, 130a, 140a)들은 1장 내지 3장으로 구비하며, 그 예로는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌-비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, 열가소성폴리우레탄 또는 폴리올레핀 필름을 들 수 있다. 그러나, 상기 접착필름(110a, 120b, 130a, 140a)들은 상기한 예에 한정되는 것은 아니며, 용융되면서 접착력을 갖는 필름이면 어떠한 필름도 가능하다.

상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 방탄복용 세라믹 방탄패널(100)의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도면에 도시하지 않았지만, 내부에 열과 압축공기 등을 투입하기 위한 진공챔버를 준비한다. 상기 진공챔버는 온도계, 압력계, 히터, 진공펌프 및 압축기 등을 구비한 밀폐된 챔버이다.

이어서, 세라믹 플레이트(110)와 상기 세라믹 플레이트(110) 전후면에 방탄직물(120)들을 적층하되, 상기 세라믹 플레이트(110) 전면에는 1장 또는 1장 이상의 전면 방탄직물(130)을 적층하고 상기 세라믹 플레이트(110) 후면에는 전단농화유체로 처리된 다수 장의 방탄직물(120)과, 상기 전단농화유체로 처리된 다수 장의 방탄직물(120) 후면에 미처리된 다수 장의 방탄직물(140)을 각각 적층하고, 상기 세라믹 플레이트(110)와 상기 전면 방탄직물(130) 사이에 전면 접착필름(130a)을 끼워넣고, 상기 세라믹 플레이트(110)와 상기 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120) 사이에는 세라믹 접착필름(110a)을 끼워넣고, 상기 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120)과 상기 미처리 방탄직물(140) 사이에는 필름-직물 접착필름(120b)을 끼워넣고 상기 미처리 방탄직물(140)들 사이에는 직물 접착필름(140a)을 끼워넣어 적층물을 만든다. 여기서, 상기 미처리 방탄직물(140)은 세라믹 플레이트(110)의 후면변형을 최소화하기 위한 것으로, 필요에 따라 구비되지 않을 수도 있고, 이 경우, 필름-직물 접착필름(120b)과 직물 접착필름(140a)도 구비될 필요가 없다.

여기서, 상기 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120)은 밀폐필름(120a)에 의해 밀폐된다. 이렇게 밀폐필름(120a)에 의해 밀폐되는 방탄직물은 산화규소의 무기 나노입자를 산화규소의 중량대비 30중량%인 메탄올에 분산시킨 후, 고농축상의 유체를 만들기 위해 폴리에틸렌글리콜을 부피비 1:1로 첨가하여 재분산시켜 제조된 전단농화유체에 방탄직물로서 케블라 K-29(1,000denier, 220g/m², 평직(plain weave), 31×31) 또는 동급의 헤라크론을 함침한 후 원통롤러에서 일정 압력을 가하여 압착한 후 적정 온도에서 메탄올을 휘발 건조시킴으로써 제조된다.

이어서, 상기 적층물을 진공백에 담아 상기 진공챔버 내부로 투입한다. 상기 진공백은 외부 진공펌프와 연결되어 내부공기를 배기함으로써 내부를 진공으로 만들 수 있는 백이며, 열에 잘 견딜 수 있는 내열 필름을 사용한다.

이어서, 상기 진공백과 외부의 진공펌프가 연결되고 상기 진공백은 내부를 진공으로 배기한다

이어서, 상기 적층물이 투입된 진공챔버 내부는 120분 동안 120℃로 유지되는 상태에서, 180분 동안 1기압 내지 10기압의 범위 내에서 선택되는 일정 압력을 가한다.

이때, 상기 적층물에서 발생하는 휘발성 물질은 진공펌프측으로 배기된다.

이러한 과정에 따라, 상기 접착필름(110a, 120b, 130a, 140a)들이 용융되어 상기 세라믹 플레이트(110)와 상기 전면 방탄직물(130) 사이 및 상기 세라믹 플레이트(110)와 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120)을 둘러싼 밀폐필름(120a) 사이 및 상기 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120)을 둘러싼 밀폐필름(120a)과 상기 미처리 방탄직물(140) 사이 및 미처리 방탄직물(140)들 사이가 접착되어 세라믹 방탄패널(100)이 제조된다.

마지막으로, 상기 세라믹 방탄패널(100)을 상기 진공백에서 해체하여 수거하고 필요에 따라 외피(150)로 외부를 마감한다.

이와 같은 방법에 따라, 미국의 방탄성능 기준인 NIJ Standard 0101.04 Level Ⅲ 및 Level Ⅳ 기준의 최상의 방탄성능을 가지면서 보다 경량화할 수 있는 세라믹 방탄패널(100)을 얻을 수 있다.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 세라믹 방탄패널
110 : 세라믹 플레이트
110a : 세라믹 접착필름
120 : 전단농화유체로 처리된 방탄직물
120a : 밀폐필름
120b : 필름-직물 접착필름
130 : 전면 방탄직물
130a : 전면 접착필름
140 : 미처리 방탄직물
140a : 직물 접착필름
150 : 외피

Claims (21)

1. 세라믹 플레이트(110);
   상기 세라믹 플레이트(110) 후면에 적층되는 다수 장의 전단농화유체(Shear Thickening Fluid; STF)로 처리된 방탄직물(120);
   상기 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120)을 둘러싸면서 밀폐하는 밀폐필름(120a);
   상기 세라믹 플레이트(110) 전면에 적층되는 전면 방탄직물(130);
   상기 세라믹 플레이트(110)와 상기 전면 방탄직물(130) 사이에 적층되어 상기 세라믹 플레이트(110)와 상기 전면 방탄직물(130)을 접착하는 전면 접착필름(130a);
   상기 세라믹 플레이트(110)와 상기 밀폐필름(120a) 사이에 적층되어 상기 세라믹 플레이트(110)와 상기 밀폐필름(120a)을 접착하는 세라믹 접착필름(110a);
   을 포함하는 적층물로 이루어지고
   상기 적층물은 진공상태를 유지하면서 일정 시간동안 일정한 압력과 일정한 온도가 가해져 상기 접착필름들이 용융되고 이 용융에 의하여 상기 세라믹 플레이트(110)를 포함한 상기 적층물들이 서로 접착되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄패널.
2. 제1항에 있어서,
   상기 적층물은 상기 다수 장의 전단농화유체로 처리된 방탄직물(120) 후면에 적층되는 다수 장의 미처리 방탄직물(140);
   상기 밀폐필름(120a)과 상기 미처리 방탄직물(140) 사이에 적층되어 상기 밀폐필름(120a)과 상기 미처리 방탄직물(140)을 접착하는 필름-직물 접착필름(120b); 및
   상기 미처리 방탄직물(140)들 사이에 적층되어 상기 미처리 방탄직물(140)들을 접착하는 직물 접착필름(140a);
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄패널.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 세라믹 방탄패널은 상기 적층물의 외부를 감싸는 외피(150)를 더 포함하며, 상기 외피(150)는 나일론, 폴리염화비닐 또는 인조고무 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄패널.
4. 제2항에 있어서,
   상기 미처리 방탄직물(140)은 UD 직물(Unidirectional Fabric)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄패널.
5. 제3항에 있어서,
   상기 세라믹 플레이트(110)는 단일 세라믹 플레이트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄패널.
6. 제3항에 있어서,
   상기 밀폐필름(120a)은 PVB(Polyvinyl Butyral), 나일론 필름, 폴리프로필렌 필름, OPP 필름(Oriented Polypropylene Film) 또는 폴리에틸렌 필름이고, 상기 접착필름들은 폴리에틸렌, 폴리에틸렌-비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, 열가소성폴리우레탄 또는 폴리올레핀 필름인 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄패널.
7. 제3항에 있어서,
   상기 전단농화유체는 무기 나노입자가 유기용매에 분산되어 있는 유체로써, 상기 무기 나노입자는 산화규소, 산화알루미늄, 탄산칼슘, 자연광물 입자 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 상기 유기용매는 메탄올, 에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌글리콜 중 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄패널.
8. 제7항에 있어서,
   상기 전단농화유체는 방탄직물(120)의 전체 중량대비 20중량%인 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄패널.
9. 제7항에 있어서,
   상기 무기 나노입자의 직경은 20～100nm인 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄패널.
10. (a) 내부에 열과 압축공기를 투입할 수 있는 진공챔버를 준비하는 단계;
    (b) 세라믹 플레이트 및 세라믹 플레이트 전후면에 방탄직물을 순서대로 적층하되, 상기 세라믹 플레이트 전면에는 전면 방탄직물을 적층하고 상기 세라믹 플레이트 후면에는 전단농화유체로 처리된 다수 장의 방탄직물을 밀폐필름에 의해 밀폐한 상태로 적층하고, 상기 세라믹 플레이트와 상기 전면 방탄직물 사이에 전면 접착필름을 끼워넣고, 상기 세라믹 플레이트와 상기 전단농화유체로 처리된 방탄직물 사이에는 세라믹 접착필름을 끼워넣어 적층하여 적층물을 만드는 단계;
    (c) 상기 적층물을 외부 진공펌프와 연결된 진공백에 담아 상기 진공챔버 내부에 투입하는 단계;
    (d) 상기 진공펌프를 이용하여 상기 진공백 내부를 진공으로 만드는 단계;
    (e) 상기 진공챔버 내부에 일정한 온도와 일정한 압력을 가하는 단계; 및
    (f) 상기 적층물의 접착필름이 용융되어 상기 세라믹 플레이트 및 방탄직물들이 접착되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄 패널의 제조방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 (b)단계에서의 적층물은 상기 다수 장의 전단농화유체로 처리된 방탄직물 후면에 다수 장의 미처리 방탄직물을 더 적층하고, 상기 밀폐필름과 상기 미처리 방탄직물 사이에 상기 밀폐필름과 상기 미처리 방탄직물을 접착하는 필름-직물 접착필름을 끼워넣고, 상기 미처리 방탄직물들 사이에 상기 미처리 방탄직물들을 접착하는 직물 접착필름을 끼워넣어 적층하는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄 패널의 제조방법.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 (f)단계 이후에 상기 적층물의 외부를 외피로 감싸는 단계를 더 포함하며, 상기 외피는 폴리염화비닐(PVC), 나일론 및 인조고무 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄 패널의 제조방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 (d)단계, (e)단계 (f)단계는 동시에 행하는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄 패널의 제조방법.
14. 제12항에 있어서,
    상기 (e)단계는 120분 동안 120℃로 가열되고, 180분 동안 1기압 내지 10기압의 범위 내에서 선택되는 일정한 압력이 가해지는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄 패널의 제조방법.
15. 제11항에 있어서,
    상기 미처리 방탄직물은 UD 직물(Unidirectional Fabric)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄 패널의 제조방법.
16. 제12항에 있어서,
    상기 세라믹 플레이트는 단일 세라믹 플레이트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄패널의 제조방법.
17. 제12항에 있어서,
    상기 밀폐필름은 PVB(Polyvinyl Butyral), 나일론 필름, 폴리프로필렌 필름, OPP 필름(Oriented Polypropylene Film) 또는 폴리에틸렌 필름이고, 상기 접착필름들은 폴리에틸렌, 폴리에틸렌-비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, 열가소성폴리우레탄 또는 폴리올레핀 필름인 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄 패널의 제조방법.
18. 제12항에 있어서,
    상기 전단농화유체는 무기 나노입자가 유기용매에 분산되어 있는 유체로써, 상기 무기 나노입자는 산화규소, 산화알루미늄, 탄산칼슘, 자연광물 입자 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 상기 유기용매는 메탄올, 에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌글리콜 중 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄 패널의 제조방법.
19. 제18항에 있어서,
    상기 전단농화유체는 방탄직물의 전체 중량대비 20중량%인 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄패널의 제조방법.
20. 제18항에 있어서,
    상기 무기 나노입자의 직경은 20～100nm인 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄 패널의 제조방법.
21. 제11항에 있어서,
    상기 전단농화유체로 처리된 방탄직물과 상기 미처리 방탄직물은 수차례 교대로 배치하여 적층되는 것을 특징으로 하는 방탄복용 세라믹 방탄 패널의 제조방법.

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