KR101397473B1 - 전단농화유체를 이용한 방검/방침재 - Google Patents

전단농화유체를 이용한 방검/방침재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전단농화유체가 함침된 직물을 포함하는 방검/방침재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 절단저항부(21)와 관통저항부(22)로 이루어지는 방검/방침재에 전단농화유체가 함침된 섬유직물(20)이 포함되므로써 기존의 어떠한 방검/방침재 보다 가볍고, 두께가 얇고, 유연성을 갖추어 착용성과 활동성이 뛰어난 전단농화유체가 함침된 직물을 포함하는 방검/방침재에 관한 것이다.

Description

전단농화유체를 이용한 방검/방침재{Anti-Stab Vest using Shear Thickening Fluid}
본 발명은 전단농화유체가 함침된 직물을 포함하는 방검/방침재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 절단저항부(21)와 관통저항부(22)로 이루어지는 방검/방침재에 전단농화유체가 함침된 섬유직물(20)이 포함되므로써 기존의 어떠한 방검/방침재 보다 가볍고, 두께가 얇고, 유연성을 갖추어 착용성과 활동성이 뛰어난 전단농화유체가 함침된 직물을 포함하는 방검/방침재에 관한 것이다.
일반적으로 방검/방침복은 경찰 지구대원이나 군인 및 일반 경호업체에 근무하는 경호원들의 보호복으로 사용되고 있다. 한국과 같이 총기 소지를 엄격하게 제한하고 있는 나라의 경호원들은 총에 대한 위협보다는 실질적으로 칼이나 예리한 물체에 노출이 되어 이를 막기 위한 방검 기능을 갖춘 제품을 요구하고 있다.
미국 국립사법연구소(NIJ)의 규격인 NIJ-STD-0115.00의 level 1에서 칼의 경우에는 S1과 P1형 2종류의 칼을 방어하게 되어 있는데, 일반적으로 일반 경호요원들은 P1형 칼보다는 S1 칼에 대한 방어가 절실하다. P1 칼을 방어하기 위해서는 현재까지는 대단히 두껍고 무거운 방검복을 요구하는데 비하여 S1 형 방검복은 P1 방어 방검복 보다는 위협도가 떨어지고 있다. 그러나 이를 방어하기 위하여 보다 더 가볍고 얇고 착용성이 우수한 방검복 개발이 요구되고 있다.
방검 기능을 갖춘 제품을 제조하는 종래 기술로서 대한민국 실용출원번호 제20-2007-0011282호에는, 얇은 금속재질의 방검패널이나 세라믹, 스프링강으로 구성하여 방검성능을 향상시킴으로써 방어하는 방검판이 기재되어 있다. 또한, 다른 종래 기술로는, 대한민국 특허출원번호 제2001-0012481호에, 경질입자를 이용한 표면처리, 보다 구체적으로 사포번호 50~400에 해당하는 모래를 고성능 섬유직물에 도포하여 수지로 접착시킨 방검 및 방탄용 패널도 기재되어 있다. 그 외 방검 성능을 향상시키기 위한 또 다른 방법들로, 대한민국 특허출원번호 제2010-0049278호에는 절단저항부에 경질성 무기입자가 함유된 수지로 도트처리된 섬유직물을 1~20층 적층하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 상기와 같은 방법은 절단저항성은 향상시키지만, 도트처리로 인하여 직물 층이 아주 뻣뻣하여 착용성을 떨어뜨리는 단점이 있다. 또한, 대한민국 출원번호 제2009-0104176호에는 방검 성능을 향상시키기 위해 금속 메쉬를 섬유에 적용하는 방법 등이 기재되어 있다. 그러나, 상기 기술들은 비중이 큰 금속 재질 및 정제되지 않은 소재가 사용되었기 때문에, 무겁고 딱딱하고 뻣뻣해서 착용성 및 활동성이 좋지 않다. 물론 이를 보완하기 위해 종래의 기술에서도 판을 여러 개로 나누어 엇갈리게 넣는 방법으로 활동성을 향상시키기도 하였으나 재질의 특성상 그 한계가 있었다. 또한, 상기 도트 처리 방법 및 금속 메쉬의 적용 방법은, 공정이 복잡하여 공정성 및 제작성 면에서도 유리하지 못하다.
또한 기존에 경찰용 방검복으로 사용되고 있는 소재는 500d, 200d, 방적사 및 부직포 등으로 구성되어 있으며, 이와 같은 소재로 구성된 방검복은 다소 무섭고, 두께가 두꺼우며, 그리고 가격이 비싼 단점이 있다. 따라서 착용성을 좋게 하기 위해서는 가능한 한 두께가 얇을수록 좋다.
최근에는 기존의 기술과는 전혀 다른 방검 소재 기술이 발표되었다. 미국 델라웨어 대학에서 발표한 Lee 등의 J. Mat.Sci, 1-38(sep.2002) "The ballistic impact characteristics of Kevlar woven fabrics impregnated with a colloidal shear thickening fluid" 논문과 미국특허 제7,226,878호, 미국특허 제7,498,276호, 미국특허공개 제2005/0266748호, 미국특허공개 제2006/0234577호, 미국특허공개 제2007/0282053호 및 미국특허공개 제2009/0004413호 등에 개시된 기술에서 나노입자를 함유한 전단농화유체(STF)를 케블라(kevlar) 직물에 함침하여 NIJ 규격에 의한 시험에서 특히 방검 및 방침성이 기존의 소재에 비하여 성능이 우수함을 보여주었다. 상기 기술들의 핵심은 전단농화유체로서, 이 유체는 평상시에는 유체의 상태로 존재하다가, 외부로부터 고속으로 칼 같은 위협물(10)이 충돌하면서 전단력이 가해졌을 때, 갑자기 점도가 급격히 상승하여 고체로 변하면서 위협물(10)의 침투에 저항력을 높여 침투가 깊이 진행함을 막는 특성을 갖는다.
상기와 같은 미국 델라웨어 대학의 전단농화유체 기술들은 방검/방침복이나 방검복 및 방탄/방검 겸용복에의 적용은 어렵다. 상기 기술들은 단순히 전단농화유체의 조건에 따른 특성 만을 보여주었으며, 실제 제품에 대한 전단농화유체 조건이나 제품의 최적 적층 설계는 제시하지 못하고 있다.
따라서, 수십층으로 구성되는 적층재의 최적 설계로 기존의 방검제품보다 가볍고, 두께가 얇고, 유연성을 갖추어 착용성과 활동성이 뛰어난 제품을 개발할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 방검복에서 위협물에 의해 충격을 받을 때 처음으로 닿는 부분인 절단저항부(21)에, 전단농화유체가 함침처리된 직물층을 포함하는 절단저항성이 높아진 소재를 사용하므로써 NIJ-0115.00 level I 규격에서 S1 형의 칼과 스파이크 등과 같은 예리한 물체로부터 신체를 보호하는 방검 효율을 높임과 동시에 경량화 및 활동성이 향상된 고성능 방검/방침재 및 이를 이용하여 제조되는 방검/방침복을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방검/방침재는 위협물체에 의해 충격을 받을 때 처음으로 닿는 부분인 절단저항부(21)와 피부와 닿는 관통저항부(22)로 이루어지고, 상기 절단저항부(21)는 전단농화유체가 함침된 직물이 적층되어 이루어지고, 상기 관통저항부(22)는 전단농화유체가 함침된 직물 및 함침되지 않은 직물이 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방검/방침재에 있어서, 상기 절단저항부(21)는 고성능 직물에 전단농화유체를 함침하여 만든 소재를 적층하여 이루어진 것으로, 절단저항성이 매우 높은 소재 설계로 구성하여 칼과 같은 위협물(10)의 접촉시 절단에 대한 저항성을 높여주고, 적은 무게에서도 좋은 성능을 보이기 때문에 경량화에 큰 기여를 하며, 상기 관통저항부(22)는 전단농화유체가 함침된 직물 및 전단농화유체가 함침되지 않은 직물을 적층하여 이루어진 것으로, 절단저항부에서 먼저 흡수한 충격 에너지를 제외한 나머지 에너지를 흡수하는 담당을 하게 되는데, 위협물(10)의 뾰족한 부분이 신체에 닿지 않도록 막아주는 저항성을 부여하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 방검/방탄재에 있어서, 상기 절단저항부(21) 및 관통저항부(22)는 직물들의 적층구조로 이루어지는데, 방검성과 방침성 모두 우수한 성능을 갖도록 하기 위해 제 1의 전단농화유체가 함침된 직물(절단저항부)과 제 2의 전단농화유체가 함침된 직물(관통저항부) 및 전단농화유체가 함침되지 않은 직물(관통저항부)의 순서로 적층되는 것이 바람직하다.
상기 직물을 이루는 방탄섬유로는 그 종류에 특별히 한정이 없고, 예를 들면, 방향족 폴리아미드계 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌계 섬유, 나일론 섬유, 유리섬유 및 탄소섬유로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 상기 방향족 폴리아미드계 섬유는 그 종류에 특별히 제한이 없고, 예를 들면, 아라미드 및 케블라 등을 들 수 있고, 상기 초고분자량 폴리에틸렌계 섬유는 그 종류에 특별히 제한이 없고, 예를 들면, 스펙트라 및 다이니마 등을 들 수 있다.
특히, 우수한 방검/방침성의 확보를 위해, 절단저항부를 구성하는 상기 제 1의 전단농화유체가 함침된 직물을 이루는 섬유와 관통저항부를 구성하는 상기 전단농화유체가 함침되지 않은 직물을 이루는 섬유는 관통저항부를 구성하는 상기 제2의 전단농화유체가 함침된 직물을 이루는 섬유보다 데니어수 및 인장강도가 더 높은 것이 바람직하다. 바람직한 예로서, 절단저항부를 구성하는 상기 제 1의 전단농화유체가 함침된 직물을 이루는 섬유와 관통저항부를 구성하는 전단농화유체가 함침되지 않은 직물을 이루는 섬유는 400~600데니어, 인장강도 7600~8500N/5㎝인 것이 바람직하고, 관통저항부를 구성하는 상기 제 2의 전단농화유체가 함침된 직물을 이루는 섬유는 200~300데니어, 인장강도 4100~5000N/5㎝인 것이 바람직하다.
그리고, 절단저항부를 구성하는 전단농화유체가 함침된 직물과 관통저항부를 구성하는 전단농화유체가 함침되지 않은 직물은 경사와 위사가 20×20/inch~30×30/inch로 제직되고, 면밀도가 145~155g/㎡이고, 관통저항부를 구성하는 전단농화유체가 함침된 직물은 경사와 위사가 60×60/inch~80×80/inch로 제직되고, 면밀도가 130~140g/㎡인 것이 바람직하다.
상기 절단저항부(21) 및 관통저항부(22)를 구성하는 직물들의 제직상태는 특별히 제한이 없이 평직, 주자직, 트윌, 부직포 등일 수 있다.
본 발명에 따른 방검/방침재에 있어서, NIJ-0115.00 level I에서 S1형 칼과 스파이크를 방어하기 위해서 상기 절단저항부(21)는 전단농화유체가 함침된 직물이 1~10층으로 적층되어 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 관통저항부(22)는 전단농화유체가 함침된 직물 및 함침되지 않은 직물이 각각 1~15층으로 적층되어 이루어지는 것이 바람직한데, 상기 관통저항부에서 전단농화유체가 함침된 직물 및 함침되지 않은 직물이 함께 적용되지 않으면 관통이 발생하여 바람직하지 않고, 각 직물이 15층을 초과하여 적층되면 방검/방침재로 사용할 경우, 소재가 너무 두꺼워져서 활동하는데 불편하여 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 방검/방침재에 있어서, 상기 전단농화유체는 평상시에는 일반적인 유체의 상태로 존재하다가, 이 유체에 칼이나 송곳 같은 위협물(10)이 진입하면서 전단력이 가해졌을 때, 유체는 갑자기 점도가 급격히 증가하여, 결국 고체로 변하면서 위협물(10)에 대해 저항을 하는 원리를 갖는 유체를 일컫는 것으로서, 무기 나노입자가 비휘발성 유기용매에 분산되어 이루어진 것으로, 상기 무기 나노입자는 산화규소, 산화알루미늄, 탄산칼슘, 지르코니아 및 하이드로탈사이트 등으로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 유기용매는 메탄올, 에탄올, 에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌글리콜로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 전단농화유체의 무기 나노입자:유기용매의 혼합비(부피비)는 특별히 한정이 없으나, 0.3~0.7:1인 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나면 전단속도 증가시에 점도의 급격한 증가가 나타나는 전단농화현상 발생이 뚜렷하게 발생하지 못하여 바람직하지 않다.
상기 전단농화유체에서 무기 나노입자의 크기는 80~120nm인 것이 바람직하고, 상기 전단농화유체에서 무기 나노입자의 함량은 전단농화유체의 전체 함량 중 70~90중량%이며, 전단농화유체의 함침량은 직물의 총 중량 중 15~30중량%인 것이 바람직한데, 상기 전단농화유체에서 무기 나노입자의 크기는 80nm 미만이면 전단농화의 개시점이 되는 임계전단속도가 너무 증가하여 바람직하지 않고, 120nm를 초과하면 반대로 전단농화의 개시점이 지연되어 바람직하지 않다. 상기 전단농화유체에서 무기 나노입자의 함량은 전단농화유체의 전체 함량 중 70중량% 미만이면 전단농화현상 발생이 미약하여 충격흡수력이 떨어져 바람직하지 않고, 90중량%를 초과하면 전단농화현상 발생에는 문제가 없으나 필요 이상의 입자량의 증가로 무게 증가를 가져오므로 바람직하지 않다. 상기 전단농화유체의 함침량은 직물의 총 중량 중 15중량% 미만이면 얀-얀 간의 마찰력이 약하여 충격시 직물의 변형억제 효과가 적어 바람직하지 않고, 30중량%를 초과하면 얀-얀 사이의 마찰력이 너무 증대하여 직물이 너무 뻣뻣하게 되어 작은 충격 에너지에도 직물이 파단될 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 방검/방침복은 상기와 같은 본 발명의 방검/방침재를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방검/방침복은 상기 절단저항부(21) 및 관통저항부(22)를 이루는 직물층들 외에 통상적으로 방검/방침복에 사용되는 내절단성 및 내관통성이 우수한 직물층들을 임의의 위치에 임의의 적층수로 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 방검/방침복은 면밀도가 2.8~3.2kg/m2으로, 제품경량화를 이룰 수 있다.
본 발명의 방검/방침재는 사용되는 각 소재의 방검효율을 극대화한 적층 설계로 NIJ STD-0115.00 규격의 level 1에서 S1칼과 스파이크를 방어할 수 있고, 기존의 제품보다 경량화를 이루었고, 또한, 금속이나 세라믹 등의 무거운 소재, 뻣뻣한 소재를 사용하지 않고 전단농화유체라는 유체를 이용하므로써 방검 및 방침 성능이 향상되고, 또한 전단농화유체가 함침되지 않은 직물을 관통저항부(22)에만 적용하여 유연성을 가져 활동성을 증대시키고, 그리고 기존의 소재에 비하여 경제성도 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방검/방탄재가 위협물(10)에 대해 보호성능을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 비교예에 의하여 보다 구체적으로 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 예에 지나지 않으며, 본 발명의 보호범위를 제한하는 것은 아니다.
재료
실시예 및 비교예에서 사용된 직물의 제조를 위해, 아라미드 섬유인 코오롱인더스트리사의 헤라크론(heracron)을 사용하였다.
실시예에서 사용된 전단농화유체는 평균 크기 100nm의 실리카 졸을 유기용매인 폴리에틸렌글리콜(분자량: #200)에 0.5:1의 혼합비(부피비)로 혼합한 것을 사용하였다.
비교예
500데니어 섬유 직물을 4층 적층하고, 그 위에 방적사 직물을 13층 적층하고, 그런 다음, 200데니어 섬유 직물을 2층 적층하며, 이어서 부직포를 2층 적층한 후, 125℃에서 150kg/cm2의 압력으로 20분간 경화시켰다. 이와 같이 제조된 압축된 시편의 면밀도는 3.0kg/m2였으며, 두께는 10mm이었으며, 상기 시편을 이용하여 방검성능을 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예
전단농화유체로 함침처리한 600데니어 섬유(인장강도 7600N/5cm) 직물을 8층 적층하고, 이어서 전단농화유체로 함침처리한 200데니어 섬유 직물(인장강도 4100N/5cm)을 6층 적층한 다음, 전단농화유체로 함침처리하지 않은 600데니어 섬유(인장강도 7600N/5cm) 직물을 4층 적층하였다. 상기 600데니어 섬유 직물은 경사와 위사가 28 × 28/inch이고, 면밀도는 150g/m2이며, 상기 200데니어 섬유직물은 경사와 위사가 70 × 70/inch이고, 면밀도는 135g/m2이었다.
상기와 같이 적층된 시편의 면밀도는 2.82kg/m2이었고, 두께는 3.5mm이었으며, 상기 시편을 이용하여 방검성능을 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
방검성능 측정방법
방검성능은 표 1에 나타낸 바와 같은 NIJ 0115.00 스탠다드 규격에 따라 측정하였다.
S1 칼날을 사용하여 규격의 E1에서 level 1에 해당하는 24J의 에너지 및 E2에서 level 1에 해당하는 36J의 에너지로 시험하였다. 시편이 칼날에 의해 관통된 깊이를 측정하였다. 관통허용깊이 기준은 E1 level 1의 경우 7mm 이내이고, E2는 20mm 이내이다. 칼날의 시편에 대한 입사각도는 E1의 경우 0°와 45°이고, E2에서는 0°에 한하여 시험하였다. 또한 스파이크에 의한 시험도 수행하였다.
Figure 112012053767016-pat00001
Figure 112012053767016-pat00002
Figure 112012053767016-pat00003
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 비교예는 방검재로서는 합격이나 방침재로서는 침투깊이가 29mm로 규격을 만족하지 못하며, 실시예는 칼에 의한 관통깊이는 4~7mm로 방검재로서 규격을 만족하고 있으며, 또한 스파이크에는 비교예와는 달리 침투깊이가 0mm로서 우수한 방침성능을 보여주어 실시예가 훨씬 더 우수함을 알 수 있다. 또한, 비교예의 두께가 10mm인데 비하여 실시예는 3.5mm로 착용성이 매우 뛰어남을 알 수 있다.
10 : 칼, 송곳, 파편탄 및 권총탄 등과 같은 위협물
20 : 방검/방침재
21 : 방검/방침재 중 절단저항부
22 : 방검/방침재 중 관통저항부

Claims (10)

  1. 절단저항부(21)와 관통저항부(22)를 포함하여 이루어지는 방검 및 방침재에 있어서,
    상기 절단저항부(21)는 제 1의 전단농화유체가 함침된 직물이 적층되어 이루어지고, 상기 관통저항부(22)는 제 2의 전단농화유체가 함침된 직물 및 전단농화유체가 함침되지 않은 직물이 적층되어 이루어지고,
    상기 전단농화유체는 무기 나노입자가 비휘발성 유기용매에 분산되어 이루어진 것으로, 상기 무기 나노입자의 함량은 전단농화유체의 전체 함량 중 70~90중량%이고,
    절단저항부(21)의 제 1의 전단농화유체가 함침된 직물을 이루는 섬유와 관통저항부(22)의 전단농화유체가 함침되지 않은 직물을 이루는 섬유는 400~600데니어, 인장강도 7600~8500N/5cm이고, 관통저항부(22)의 제 2의 전단농화유체가 함침된 직물을 이루는 섬유는 200~300데니어, 인장강도 4100~5000N/5㎝인 것을 특징으로 하는 방검 및 방침재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전단농화유체가 함침된 직물 및 전단농화유체가 함침되지 않은 직물을 이루는 섬유는 방향족 폴리아미드계 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌계 섬유, 나일론 섬유, 유리섬유 및 탄소섬유로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방검 및 방침재.
  3. 제1항에 있어서, 전단농화유체가 함침된 직물에 있어서, 상기 전단농화유체의 함침량은 직물의 총 중량 중 15~30중량%인 것을 특징으로 하는 방검 및 방침재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무기 나노입자는 산화규소, 산화알루미늄, 탄산칼슘, 지르코니아 및 하이드로탈사이트로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 유기용매는 메탄올, 에탄올, 에틸렌글리콜 및 폴리에틸렌글리콜로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방검 및 방침재.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 무기 나노입자의 크기는 80~120nm인 것을 특징으로 하는 방검 및 방침재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방검 및 방침재는 절단저항부로서 제 1의 전단농화유체가 함침된 직물과, 관통저항부로서 제 2의 전단농화유체가 함침된 직물 및 전단농화유체가 함침되지 않은 직물이 순서대로 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방검 및 방침재.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제 1의 전단농화유체가 함침된 직물과 상기 전단농화유체가 함침되지 않은 직물은 경사와 위사가 20×20/inch~30×30/inch로 제직되고, 상기 제 2의 전단농화유체가 함침된 직물은 경사와 위사가 60×60/inch~80×80/inch로 제직되는 것을 특징으로 하는 방검 및 방침재.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제 1의 전단농화유체가 함침된 직물과 상기 전단농화유체가 함침되지 않은 직물의 면밀도는 145~155g/㎡이고, 상기 제 2의 전단농화유체가 함침된 직물의 면밀도는 130~140g/㎡인 것을 특징으로 하는 방검 및 방침재.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항 또는 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 따른 방검 및 방침재를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 방검 및 방침복.
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