KR101838486B1 - 일방향 아라미드 시트와 하이브리드 매트릭스를 이용한 경량화된 방탄재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일방향 아라미드 시트(UD)와 하이브리드 매트릭스(Hybrid Matrix)을 이용한 방탄재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일방향 아라미드 시트(UD)를 하이브리드 매트릭스(Hybrid Matrix)의 후면부에 위치하도록 적층하여 방탄성능을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해 제조된 방탄재는 기존의 일방향 아라미드 시트(UD)나 하이브리드 매트릭스(Hybrid Matrix)만으로 제조된 방탄재에 비하여 방탄성능의 향상 및 경량화가 가능한 장점이 있다.

Description

일방향 아라미드 시트와 하이브리드 매트릭스를 이용한 경량화된 방탄재 {LightWeight bulletproof materials using unidirectional aramid sheet and hybrid matrix}

본 발명은 일방향 아라미드 시트(UD)와 하이브리드 매트릭스(Hybrid Matrix)을 이용한 경량화된 방탄재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일방향 아라미드 시트(UD)를 하이브리드 매트릭스(Hybrid Matrix)의 후면부에 위치하도록 적층함으로써 방탄성능이 향상된 방탄재에 관한 것이다.

방탄복은 포탄의 파편 또는 탄환으로부터 인체를 보호하기 위하여 개발된 의류의 일종이며, 외피(Garment)와, 탄도판 및 그 외피(Panal amp; Panel Cover) 그리고 방탄판(Plate)으로 구성되어 있다.

방탄복이 갖추어야 할 가장 중요한 요건들 중 하나는 방탄 성능이다. 방탄용 복합재료는 탄환이나 포탄으로부터 군인 등의 신체를 보호하기 위한 제품으로서, 사용하는 재료에 따라 방탄 성능이 크게 좌우된다.

이러한 방탄용 복합재료 중 고강도 폴리에틸렌(HMPE, High Molecular Weight Polyethylene)은 물보다 낮은 0.98 정도의 낮은 비중을 구비하고 있기 때문에 방탄용 재료로 널리 사용되고 있다. 그러나, 고강도 폴리에틸렌은 사용 중 물리적 충격을 받을 경우 변형이 크게 일어날 수 있고 열에 약해 쉽게 파열되는 문제가 있다.

다른 방탄용 복합재료 중 아라미드 섬유로 통칭되는 전방향족 폴리아미드 섬유는, 벤젠 고리들이 아미드기(-CONH)를 통해 직선적으로 연결된 구조를 갖는 파라계 아라미드 섬유와 그렇지 않은 메타계 아라미드 섬유를 포함한다.

파라계 아라미드 섬유는 고강도, 고탄성, 저수축 등의 우수한 특성을 가지고 있는데, 5㎜의 가느다란 실로 2톤의 자동차를 들어올릴 정도의 막강한 강도를 가지고 있어 방탄용 복합재료로 널리 사용되고 있다.

이러한 아라미드 섬유를 이용한 방탄용 복합재료는, 통상적으로, 아라미드 섬유를 이용하여 아라미드 직물을 제조하고 이러한 아라미드 직물에 고분자 수지를 함침시켜 반경화 아라미드 직물을 제조하고 이러한 반경화 아라미드 직물을 몰드에 여러 겹으로 적층한 후 경화시켜 제조한다.

종래에 방탄복을 제조함에 있어서 울트라 박막 폴리에틸렌 필름(Ultra Thin PE film)을 보호필름 용도로 별도 사용하여, 일방향 아라미드 시트의 표면에 울트라 박막 폴리에틸렌 필름(Ultra Thin PE film)이 보호필름 형태로 존재한다.

종래의 일방향 아라미드 시트는 아라미드 원사를 수지에 디핑(Dipping)한 후, 균일한 수지 함량(Resin Content)을 맞추기 위해 짜내어 준다. 그 후, 그 위에 울트라 박막 필름(Ultra Thin Film)을 부착시키거나, 필름 바인더(Film Binder)를 사용 후 원사 표면에 점탄성 물체를 코팅하는 공정으로 제조되나, 제조 공정이 번거로운 문제점이 있었다.

종래의 방탄복 중 하나로서, 나일론 직물을 수십 겹씩 적층하여 제조한 방탄복이나 또는 나일론 직물과 아라미드 직물을 교대로 수십 겹씩 적층하여 제조한 방탄복이 있는데, 이 경우 높은 방탄성능을 얻기 위해서는 직물의 적층수를 증가시켜야 하기 때문에 방탄복의 중량이 너무 커져 착용감이 떨어지는 단점이 있었다.

또한, 일방향(unidirectional, UD) 제품의 방탄 성능은 우수하지만 제조 공정이 복잡하기 때문에, 다른 타입의 방탄 복합재료와 비교하여 제조원가가 높은 편이다. 따라서 물성이 우수한 방탄복을 제조하기 위하여 Kevlarⓡ, Twaronⓡ, Heracronⓡ,Spectralⓡ, Dyneemaⓡ 등의 소재를 사용하여 하이브리드(다종 소재), 다중적층구조 등의 다양한 제조 방법을 개발해왔으나, 상대적으로 하이브리드 방탄복에 대한 연구는 발표된 바가 거의 없다.

이상과 같이, 종래에는 방탄복의 구조 또는 방탄복을 구성하는 직물의 재료 등과 같은 측면의 연구개발을 통해서 착용자의 생존성과 기동성 향상을 위하여 가볍고, 유연하고, 착용감이 우수한 방탄복이 절실히 요구되며, 방탄복의 방탄성능 및 착용감을 향상시키고자 하는 노력이 꾸준히 진행되고 있다. 그러나 종래의 방탄복은 방탄성능은 향상된다 하더라도 중량이 너무 커지는 등 경량화 면에서 아직 만족스러운 결과를 얻지 못하고 있고, 또한 방탄성능 면에서도 초기의 방탄성능은 어느 정도 우수하다 할지라도 장기간 사용함에 따라 방탄성능이 급격히 저하되는 문제점을 보여주고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 종래 방탄재와 동일하거나 더 우수한 방탄성능을 나타내면서도, 경량화된 방탄재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일방향 아라미드 시트층 및 상기 일방향 아라미드 시트층 일면에 적층되고, 아라미드 주자직 직물과 부직포가 니들 펀칭(Needle punching)에 의해 하이브리드된 하이브리드 매트릭스층을 포함하는 것을 특징으로 하는 경량화된 방탄재를 제공한다.

이 때, 상기 일방향 아라미드 시트층은 하이브리드 매트릭스층의 후면부에 적층되는 것으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 일방향 아라미드 시트층은 400de 이상의 아라미드 원사를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본 발명의 부직포는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리케톤(POK), 아라미드, 나일론(Nylon) 및 폴리프로필렌(PP)로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단과 같이 본 발명이 구성됨으로써, 본 발명에 따른 일방향 아라미드 시트와 하이브리드 매트릭스를 이용한 방탄재는 종래 일방향 아라미드 시트나 하이브리드 매트릭스만으로 제조된 방탄재와 비교하여 동일하거나 더 우수한 방탄성능을 나타내면서도, 10% 이상 경량화된 방탄재를 제공하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 아라미드 주자직 직물과 부직포를 니들 펀칭(Needle punching)하여 하이브리드시킨 하이브리드 매트릭스(100)의 후면부에 적층된 섬도 840de인 아라미드 원사를 사용한 일방향 아라미드 시트(200)로 이루어진 방탄재 구조이다.

이하 도면과 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예 등에서 사용된 용어 등은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시한 것에 불과할 뿐 본 발명의 청구범위가 이에 한정되어 해석되어서는 아니됨은 명백하다.

본 발명은 일방향 아라미드 시트와 하이브리드 매트릭스의 조합으로 구성된 방탄재에 관한 것으로, 일방향 아라미드 시트층의 일면에 적층되고, 아라미드 주자직 직물과 부직포가 니들 펀칭(Needle punching)에 의해 하이브리드된 하이브리드 매트릭스층을 포함하여 이루어진 것이다.

또한, 상기 하이브리드 매트릭스는 아라미드 주자직 직물과 부직포가 니들펀칭(Needle punching)에 의하여 하이브리드되어 있는 것이다.

여기서 상기 부직포는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리케톤(POK), 아라미드, 나일론(Nylon) 및 폴리프로필렌(PP)로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것으로 이루어진 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 경량화된 방탄재은 아라미드 시트가 20장 적층되고, 아라미드 주자직 직물과 부직포가 니들 펀칭(Needle punching)에 의해 하이브리드된 하이브리드 매트릭스 1장이 적층되는 것이 바람직하다.

한편, 경량화된 방탄재는 일방향 아라미드 시트층의 일면에 아라미드 주자직 직물과 부직포가 니들 펀칭(Needle punching)에 의해 하이브리드된 하이브리드 매트릭스가 2장 이상 적층될 수 있으나, 상기 하이브리드 매트릭스가 2장 이상 적층되는 경우에 비하여, 동일한 방탄중량에서 상기 하이브리드 매트릭스가 1장 적층되는 경우의 방탄성능이 더 우수하다.

또한, 본 발명의 일방향 아라미드 시트 일면에 적층되는 아라미드 주자직 직물과 부직포가 니들 펀칭(Needle punching)에 의해 하이브리드된 하이브리드 매트릭스층에 있어서, 상기 일방향 아라미드 시트는 상기 하이브리드 매트릭스의 후면부에 적층되는 것이다.

상기 일방향 아라미드 시트가 상기 하이브리드 매트릭스의 후면부에 적층되도록 위치하는 것이 본 발명의 방탄재의 성능을 우수하게 만드는데 효과적이다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 경량화된 방탄재는 동일한 방탄중량에서 아라미드 주자직 직물과 부직포가 니들 펀칭(Needle punching)에 의해 하이브리드된 하이브리드 매트릭스 1장의 후면부에 일방향 아라미드 시트 20장이 적층되는 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 상기 일방향 아라미드 시트는 400de 이상의 아라미드 원사를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 600de 이상의 아라미드 원사를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 800de 이상의 아라미드 원사를 사용할 수 있다.

상기와 같은 방법으로 제조된 일방향 아라미드 시트와 하이브리드 매트릭스로 구성된 방탄재는 방탄중량 5.5kg/㎡ 이하의 무게에서 국제규격으로 사용되는 NIJ-Standard-0101.06 ⅢA 기준을 만족하는 우수한 성능을 나타낸다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 발명이 이에 한정되는 것은 아니될 것이다.

실시예 1

아라미드 주자직 직물과 부직포를 니들 펀칭(Needle punching)하여 하이브리드시켜 하이브리드 매트릭스를 제조하였다.

섬도 840de인 아라미드 원사를 사용하여 제조된 일방향 아라미드 시트를 제조한 뒤, 상기 하이브리드 매트릭스의 후면부에 상기 일방향 아라미드 시트를 적층시켜 본 발명의 방탄재용 적층구조를 제조하였다.

비교예 1

상기 실시예 1에서 제조된 일방향 아라미드 시트만으로 이루어진 방탄재용 적층구조를 제조하였다.

실험예 1

상기 실시예 1 및 비교예 1의 무게 및 NIJ Standard-0101.06 Standard of Ballistic Test(시험 수준 분류 ⅢA, 44 Magnum Semi Jacketed Hollow Point(SJHP) bullets, 탄환속도 436±9m/s)에 따라 방탄성능을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.

구 분	단위면적당 무게 (㎏/㎡)	변형깊이(P-BFS, ㎜)			평균후면변형 깊이 (P-BFS, ㎜)
실시예 1	5.25	42	39	40	40
비교예 1	5.78	41	39	40	40

상기 표 1과 같이 실시예 1은 비교예 1에 비하여 단위면적당무게가 0.5㎏/㎡ 이상 경량화되었음에도 불구하고, 동일한 수준의 후면변형깊이를 나타내어 NIJ규격에 부합되는 우수한 방탄성능을 가지고 있음을 알 수 있다.

비교예 2

아라미드 주자직 직물과 부직포를 니들 펀칭(Needle punching)하여 하이브리드시켜 하이브리드 매트릭스를 제조하였다.

섬도 840de인 아라미드 원사를 사용하여 일방향 아라미드 시트를 제조하였다.

상기 하이브리드 매트릭스를 2장 적층시킨 후, 상기 하이브리드 매트릭스의 후면부에 상기 일방향 아라미드 시트를 적층시켜 본 발명의 방탄재용 적층구조를 제조하였다.

비교예 3

아라미드 주자직 직물과 부직포를 니들 펀칭(Needle punching)하여 하이브리드시켜 하이브리드 매트릭스를 제조하였다.

섬도 840de인 아라미드 원사를 사용하여 일방향 아라미드 시트를 제조하였다.

상기 하이브리드 매트릭스의 후면부에 상기 일방향 아라미드 시트를 적층시킨 후, 상기 일방향 아라미드 시트의 후면부에 다시 상기 하이브리드 매트릭스를 적층시켜 본 발명의 방탄재용 적층구조를 제조하였다.

실험예 2

상기 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 3의 무게 및 NIJ Standard-0101.06 Standard of Ballistic Test(시험 수준 분류 ⅢA, 44 Magnum Semi Jacketed Hollow Point(SJHP) bullets, 탄환속도 436±9m/s)에 따라 방탄성능을 평가하여 하기 표 2에 나타내었다.

구 분	단위면적당 무게 (㎏/㎡)	후면변형깊이(P-BFS, ㎜)			평균후면변형 깊이 (P-BFS, ㎜)
실시예 1	5.25	42	39	40	40
비교예 2	5.22	45	44	47	45
비교예 3	5.20	46	44	48	46

상기 표 2와 같이 실시예 1은 비교예 2와 비교예 3과 동등한 단위면적당무게를 나타내는 반면, 비교예 2와 비교예 3에 비하여 우수한 수준의 후면변형깊이를 나타내어 NIJ규격에 부합되는 우수한 방탄성능을 가지고 있음을 알 수 있다.

따라서, 동일한 방탄중량에서 하이브리드 매트릭스가 1겹인 경우가 하이브리드 매트릭스가 2겹인 경우에 비하여 우수한 방탄성능을 가지고 있음을 알 수 있다.

100 : 하이브리드 매트릭스층
200 : 일방향 아라미드 시트층

Claims (4)

1. 일방향 아라미드 시트층; 및
   상기 일방향 아라미드 시트층 일면에 적층되고, 아라미드 주자직 직물과 부직포가 니들 펀칭(Needle punching)에 의해 하이브리드된 하이브리드 매트릭스층을 포함하고,
   상기 일방향 아라미드 시트층은 상기 하이브리드 매트릭스층의 후면부에 적층되는 것을 특징으로 하는 경량하된 방탄재
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 일방향 아라미드 시트층은 400de 이상의 아라미드 원사를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량화된 방탄재.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 부직포는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리케톤(POK), 아라미드, 나일론(Nylon) 및 폴리프로필렌(PP)로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 경량화된 방탄재.
   
   

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