KR102216936B1 - 탄소나노튜브 시트를 이용하는 다층 방탄복 부재 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브 시트를 이용하는 다층 방탄복 부재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브 시트를 이용하는 다층 방탄복 부재 및 그 제조방법이 개시된다. 다층 방탄복 부재의 제조방법은, 복수의 탄소나노튜브 시트들을 적층 배치하는 단계, 및 적층 배치되는 상기 복수의 탄소나노튜브 시트들을 작업대 상에 배열하고 최상위 탄소나노튜브 시트의 미리 설정된 복수의 도트 형태의 포인트들에 고주파 또는 레이저를 조사하는 단계를 포함하고, 상기 조사하는 단계를 통해 상기 복수의 탄소나노튜브 시트들 중 상하 시트들 간에 서로 인접한 탄소나노튜브가 상기 복수의 포인트들에서 서로 결합하거나 접착된다.

Description

탄소나노튜브 시트를 이용하는 다층 방탄복 부재 및 그 제조방법{MULTI-LAYERED ARMOUR MATERIAL USING CARBON NANOTUBE SHEETS AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은 방탄복 부재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브 시트를 이용하는 다층 방탄복 부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
방검에 대한 기존 기술 중 하나는 고강도 직물 표면에 경질의 파티클을 피복하여 칼끝을 저항하도록 하는 것이다. 그리고 기존 기술 중 다른 하나는, 직물과 금속망의 혼합구조 또는 스테인리스강 섬유를 편성물 구조로 하여 예리한 칼날의 절단을 저항하도록 하거나 직물 표면에 열가소성 박막을 접합하여 재료의 절단 저항 성능을 높인 것이다. 하지만 이러한 기존 기술들은 방검 성능에는 어느 정도 효과가 있으나 방탄 성능은 효과가 없으며, 중량이 증가하는 단점이 있다.
또 다른 기존 기술의 일례로, 새틴직의 케블라(kevlar) 직물을 방검층으로 하고 미세 데니어의 고밀도의 케블라 평직물을 방탄층으로 하는 구성이 개시되어 있다(듀폰사 제품). 여기서 양자를 적층하면 방검 및 방탄 작용을 겸할 수 있지만 새틴직의 케블라 직물과 미세 데니어의 고밀도 케블라 직물의 원가는 일반 사용자가 수용하기 어려우므로 이러한 방검 및 방탄 재료는 시장성이 크게 떨어지는 단점이 있다.
또한, 또 다른 기존 기술로서는, 다층 UHMW-PE(ultra high molecular weight polyethylene) 직물과 고무를 복합하여 방검층 재료를 제작하고 하니웰(Honeywell)사의 LCR의 UD를 다층으로 적층하여 방탄층으로 하는 구성이 개시되어 있다. 하지만, 하니웰 제품에서와 같이 2가지 재료를 순차적으로 적층하면 방검 및 방탄 작용을 겸할 수 있으나 이러한 재료에 대한 가공은 산업화하기 어려운 문제가 있다.
한편, 방탄소재는 크게 하드 아머(hard armor)와 소프트 아머(soft armor)로 분류할 수 있으며, 방탄복 등에 사용되는 직물형 방탄소재가 대표적인 소프트 아머이다. 일반적으로 NIJ(National Institute of Justice) 표준에 따르면, NIJ STD Level IIIA는 소프트 아머로 달성할 수 있는 최고 수준의 방탄성능이다.
통상 방탄복은 아라미드, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)과 같은 고강도 고탄성율 소재를 이용하여 제조된 유연한 직물형 방탄재를 다층으로 적층시킨 상태로 사용된다. 이러한 방탄재는 각 층간 결합 및 방탄재의 형태 안정성 등을 위하여 재봉사를 이용하여 스티칭(stitching)을 하게 된다.
방탄재의 방탄 성능에 있어서 스티칭의 패턴, 밀도 등에 따라 방탄재의 후면변형이 차이를 보인다고 알려져 있다. 특히, 과도한 스티칭은 방탄 패널 자체가 매우 뻣뻣하게 되고 더 고밀도의 스티칭을 부여하는 경우 구성사의 파괴를 야기시킴으로써 오히려 방탄 성능이 저하되는 문제가 있다.
미국특허공보 제6,586,351호 미국특허공보 제5,472,769호 미국특허공보 제6,280,546호 미국특허공보 제6,475,936호 국제특허공보 제2007/084104호
이에 본 발명에서는 탄소나노튜브 시트를 이용하여 방탄 성능을 효과적으로 확보할 수 있고 저렴하며 산업화에 유리한 다층 방탄복 부재 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 다층 탄소나노튜브 시트들에 대한 도트 형태의 층간 결합을 통해 방탄 성능을 향상시킬 수 있고, 방탄복의 유연성을 유지할 수 있으며, 가격이 저렴하고 제조가 용이한 다층 방탄복 부재 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 다층 방탄복 부재의 제조방법은, 복수의 탄소나노튜브 시트들을 적층 배치하는 단계; 및 적층 배치되는 상기 복수의 탄소나노튜브 시트들을 작업대 상에 배열하고 최상위 탄소나노튜브 시트의 미리 설정된 복수의 도트 형태의 포인트들에 고주파 또는 레이저를 조사하는 단계;를 포함하고, 상기 조사하는 단계를 통해 상기 복수의 탄소나노튜브 시트들 중 상하 시트들 간에 서로 인접한 탄소나노튜브가 상기 복수의 포인트들에서 서로 결합하거나 접착되는 것을 특징으로 한다.
일실시예에서, 상기 복수의 포인트들 중 인접한 포인트들 사이의 간격은 수 ㎜ 이상이고, 각 포인트의 평면상 사이즈는 가로, 세로 또는 직경이 1㎜ 이상, 5㎜ 이하일 수 있다.
일실시예에서, 상기 복수의 포인트들은, 상기 적층 배치되는 복수의 탄소나노튜브 시트들을 평면상에서 볼 때, 직선, 사선, 원형, 다각형 또는 이들의 조합 형태를 구비할 수 있다.
일실시예에서, 상기 복수의 탄소나노튜브 시트 각각은 방사 또는 직접 방사가 가능한 탄소나노튜브 시트일 수 있다. 직접 방사가 가능한 탄소나노튜브 시트는, 산화알루미늄이 코팅되고 그 위에 철촉매가 코팅된 기판을 준비하고, 상기 산화알루미늄과 상기 철촉매가 코팅된 기판을 분위기 가스를 주입하면서 성장 온도까지 상승시키고, 상기 성장 온도를 유지하면서 환원가스와 탄소함유 가스를 주입하는 과정에 의해 제조될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 다층 방탄복 부재는, 전술한 본 발명의 다층 방탄복 부재의 제조방법의 실시예들 중 어느 하나에 의해 제조된다.
전술한 탄소나노튜브 시트를 이용하는 다층 방탄복 부재 및 그 제조방법을 사용하는 경우에는, 고주파나 레이저 조사를 통해 탄소나노튜브 시트들을 도트(dot) 접합하여 그 적층 결합 구조를 유지함으로써, 방탄복에 적용시 방탄복의 유연성이 유지되도록 하며 시트들 간의 결합을 통해 더욱 우수한 방탄성능을 가진 방탄복을 효과적으로 제조할 수 있게 된다.
또한, 적층 배열된 탄소나노튜브 시트들을 복수의 도트 포인트들을 통해 결합시킴으로써, 다층 탄소나노튜브 시트들로 이루어진 방탄재의 방탄 성능 시험시 후면 변형을 감소시킬 수 있고, 직물형 방탄복의 유연성을 유지할 수 있으며, 방탄재를 구성하고 있는 원사의 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 직접방사 탄소나노튜브를 이용한 탄소나노튜브 시트로 제작되므로 대량 제조에 적합한 방탄복을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다층 방탄복 부재에 대한 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선에 의한 다층 방탄복 부재의 횡단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선에 의한 다층 방탄복 부재의 다른 절단면에 대한 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층 방탄복 부재의 제조방법에 대한 흐름도이다.
도 5은 도 4의 다층 방탄복 부재의 제조방법에 채용할 수 있는 탄소나노튜브 시트의 제조공정에 대한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다층 방탄복 부재의 제조방법으로 제조되는 또 다른 다층 방탄복 부재를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다층 방탄복 부재의 절단면에 대한 예시도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 다층 방탄복 부재를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다층 방탄복 부재에 대한 평면도이다. 도 2는 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선에 의한 다층 방탄복 부재의 횡단면도이다. 그리고 도 3은 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선에 의한 다층 방탄복 부재의 다른 절단면에 대한 횡단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 다층 방탄복 부재(100)는 서로 적층되고 소프트 아머 형태로 이루어지는 복수의 탄소나노튜브 시트들(10, 11, 12, 13, 14), 및 복수의 탄소나노튜브 시트들을 층간 결합하는 복수의 도트 결합부들(20)을 포함한다.
복수의 도트 결합부들(20)은 인접한 도트 결합부들 사이에 이격 거리를 갖고 서로 분리되는 점(point) 혹은 도트(dot) 형태를 각각 구비할 수 있다. 하나의 도트 결합부(20)의 평면상 사이즈는 가로 및 세로 각각의 길이가 1㎜ 이상 5㎜ 이하이거나 그 직경이 5㎜ 이하이거나, 일방향에서의 최대 길이가 10㎜ 이하일 수 있다. 하나의 도트 결합부(20)는 단위 도트 결합부로서 탄소나노튜브 시트들에 포인트 조사되는 고주파 혹은 레이저에 의해 인접한 탄소나노튜브 시트들의 인접한 탄소나노튜브들이 서로 접착된 것을 가리킨다.
복수의 도트 결합부들(20)이 불규칙적인 패턴 형태를 구비하는 경우, 인접한 도트 결합부들 사이의 이격 거리는 평균 수 센티미터 정도일 수 있다. 또한, 복수의 도트 결합부들(20)이 규칙적인 패턴 형태를 구비하는 경우(도 6 참조), 인접한 도트 결합부들(20) 사이의 이격 거리는 단위 도트 결합부의 직경이나 길이 방향의 길이보다 클 수 있다.
복수의 도트 결합부들(20)은 인접한 탄소나노튜브 시트들 사이에서 별도의 추가 재질을 게재하지 않는다.
복수의 도트 결합부들(20)의 도트 타입(dot-type) 패턴은 적층된 복수의 탄소나노튜브 시트를 평면 작업대 상에 놓고 위에서 내려다 볼 때, 직선, 사선, 다각형, 원형 또는 이들의 조합 배열로 적용될 수 있다. 이러한 단위 도트 결합부(20)의 사이즈나 배치 형태는 유연한 방탄복의 강직도와 작업의 용이성과 방탄 성능 등을 고려하여 조절될 수 있다.
또한, 다층 구조를 구비하는 방탄복 부재는 단일 소재일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 다층 방탄복 부재는 이성분 소재 간의 층간 결합을 포함할 수 있다. 서로 다른 성분의 소재로는 전단농화유체 함침 직물과 일반 직물의 적층, 아라미드(aramid) 직물과 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)과의 하이브리드 적층 형태 등을 포함할 수 있다. 이성분 방탄소재 간의 적층 및 층간 결합시에는 접착 용이성을 고려하여 적용 바인더를 달리할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층 방탄복 부재의 제조방법에 대한 흐름도이다. 도 5은 도 4의 다층 방탄복 부재의 제조방법에 채용할 수 있는 탄소나노튜브 시트의 제조공정에 대한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 다층 방탄복 부재의 제조방법은, 복수의 탄소나노튜브 시트들을 적층 배치하는 단계(S41)와, 적층 배치되는 복수의 탄소나노튜브 시트들을 작업대 상에 배열하는 단계(S42)와, 최상위 탄소나노튜브 시트의 미리 설정된 복수의 도트 형태의 포인트들에 고주파 또는 레이저를 조사하는 단계(S43)를 포함하고, 여기서 상기 조사하는 단계를 통해 복수의 탄소나노튜브 시트들 중 상하 시트들 간에 서로 인접한 탄소나노튜브들이 복수의 포인트들에서 서로 결합하거나 접착되도록 이루어진다.
본 실시예에서, 복수의 탄소나노튜브 시트들 각각은 방사 혹은 직접 방사가 가능한 탄소나노튜브 시트인 것이 바람직하다. 그 경우, 직접 방사가 가능한 탄소나노튜브 시트는, 도 5에 도시한 바와 같이, 산화알루미늄이 코팅되고 그 위에 철촉매가 코팅된 기판을 준비하고(S51), 산화알루미늄과 철촉매가 코팅된 기판을 분위기 가스를 주입하면서 성장 온도까지 상승시키고(S52), 성장 온도를 유지하면서 환원가스와 탄소함유 가스를 주입하는(S53) 일련의 과정에 의해 제조될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다층 방탄복 부재의 제조방법으로 제조되는 또 다른 다층 방탄복 부재를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 본 실시예에 따른 다층 방탄복 부재는, 도트 타입 CNT 결합 포인트들을 고주파 또는 레이저 조사에 의해 적층 배열되는 복수의 탄소나노튜브 시트들 사이에 형성한다. 도트 타입 CNT 포인트들은 도트 체결부(20)에 대응하며 다양한 형태와 모양을 구비할 수 있다.
도트 체결부(20)의 다양한 형태와 모양은 직선 모양(a), 사선 모양(b), 상대적인 고밀도 사선 모양, 상대적인 저밀도 사선 모양, 마름모 모양, 사각 모양, 네 모서리의 대각선 모양(c), 원형(d) 등을 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 도시의 편의상, 복수의 탄소나노튜브 시트들(10)의 사이즈를 일정한 사이즈로 통일하여 도시하였으나, 절단되어 준비되는 직물들의 사이즈(L1, L2, L3)는 모두 동일하거나 일부 동일하거나 또는 서로 다를 수 있다. 일례로, L1은 2㎝이고, L2는 5㎝이고, L3은 2.5㎝일 수 있다.
복수의 도트 결합부들(20) 중 인접한 도트 결합부들 사이의 간격은 수 ㎜ 이상이고, 각 포인트의 평면상 사이즈는 가로, 세로 또는 직경이 1㎜ 이상, 5㎜ 이하이다. 이것은 각 시트가 최소 약 0.2㎜의 두께를 가지고 적층되는 복수의 탄소나노튜브 시트들에서 그 적층 구조를 효과적으로 지지하기 위한 것으로, 그 사이즈가 1㎜ 이하이면 그 부분에서의 접착력이 상대적으로 떨어지고, 그 사이즈가 5㎜를 초과하면 그 부분에서의 유연성이 떨어지게 된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다층 방탄복 부재의 절단면에 대한 예시도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 다층 방탄복 부재(100)는, 적층 배열되는 복수의 탄소나노튜브 시트들(10, 11, 12, 13, 14)과 복수의 탄소나노튜브 시트들을 층간 구속하며 서로 다른 층을 포함하도록 설치되는 복수의 도트 체결부들(20)을 구비한다.
예를 들면, 다층 방탄복 부재(100)에 있어서, 제1 도트 체결부는 제1 내지 제3 탄소나노튜브 시트들(10, 11, 12)의 층간 체결 또는 층간 접착을 위해 설치되고, 제2 도트 체결부는 제3 내지 제5 탄소나노튜브 시트들(12, 13, 14)의 층간 체결 또는 층간 접착을 위해 설치될 수 있다.
이와 같이, 서로 다른 층의 시트를 포함하도록 설치되는 복수의 도트 체결부들(20)은 동일 층의 시트를 포함할 수 있다. 이러한 서로 다른 층의 시트를 포함하도록 설치되는 복수의 도트 체결부들(20)을 형성하기 위해서는, 도트 결합부의 형성 공정이 동일 영역 내 도트 결합부들의 형성에서 적어도 2회 이상 순차적으로 수행되는 등의 이유로 조금 복잡해질 수 있으나, 이러한 복수의 도트 체결부들의 배치는 탄소나노튜브 시트들의 적층 구조와 도트 결합부들에 의해 유연성이 떨어질 수 있는 부분에 대하여 방탄복의 유연성을 유지하는데 효과적으로 이용될 수 있다.
한편, 본 실시예의 방탄복 부재는 복수의 탄소나노튜브 시트들(10, 11, 12, 13, 14)만으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 본 발명은 복수의 탄소나노튜브 시트들이 아닌 일반직물을 방탄직물들의 인접한 층들 사이, 최상위층, 최하위층 또는 이들의 조합된 위치에 추가로 배치하여 구현될 수 있다.
또한, 복수의 탄소나노튜브 시트들은 단일 소재일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 서로 다른 성분을 갖는 이성분 소재로 이루어질 수 있다. 이성분 소재는 탄소나노튜브 시트에 더하여 아라미드 직물, 전단농화유체 함침 직물, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 등이 추가되는 하이브리드 형태를 구비할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 적층되는 복수의 탄소나노튜브 시트들을 도트 타입의 결합부들로 부착하여 시트들이 원하지 않는 간격으로 떨어지는 것을 방지하고, 이에 더하여 복수의 탄소나노튜브 시트들을 사이의 공기층으로 방탄 성능을 향상시킴으로써 장치의 성능을 향상시키면서 설계 자유도를 높일 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 다층 방탄복 부재 및 그 제조방법의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 기술적 사상과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (6)

  1. 복수의 탄소나노튜브 시트들을 적층 배치하는 단계; 및
    적층 배치되는 상기 복수의 탄소나노튜브 시트들을 작업대 상에 배열하고 최상위 탄소나노튜브 시트의 미리 설정된 복수의 도트 형태의 포인트들에 고주파 또는 레이저를 조사하는 단계;를 포함하고,
    상기 조사하는 단계를 통해, 상기 복수의 포인트들에서 각각 서로 다른 층의 상기 복수의 탄소나노튜브 시트들을 층간 구속하도록 체결하며,
    상기 적층 배치하는 단계를 통해, 상기 복수의 탄소나노튜브 시트들 사이에 공기층을 포함하도록 하고,
    상기 복수의 포인트들 중 각 포인트의 평면상 사이즈는, 가로, 세로 또는 직경이 1㎜ 이상이며 5㎜ 이하인
    다층 방탄복 부재의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 포인트들은, 상기 적층 배치되는 복수의 탄소나노튜브 시트들을 평면상에서 볼 때, 직선, 사선, 원형, 다각형 또는 이들의 조합 형태를 구비하는 것을 특징으로 하는 다층 방탄복 부재의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 탄소나노튜브 시트 각각은 방사 또는 직접 방사로 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 방탄복 부재의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 직접 방사로 제조되는 탄소나노튜브 시트는, 산화알루미늄이 코팅되고 그 위에 철촉매가 코팅된 기판을 준비하고, 상기 산화알루미늄과 상기 철촉매가 코팅된 기판을 분위기 가스를 주입하면서 성장 온도까지 상승시키고, 상기 성장 온도를 유지하면서 환원가스와 탄소함유 가스를 주입하는 과정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 방탄복 부재의 제조방법.
  6. 청구항 1, 청구항 3, 청구항 4, 청구항 5 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 방탄복 부재.
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