KR20080005421A - 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 갖는 레이돔 및 그의제조 방법 - Google Patents

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마빈 아이. 프레드버그
피터 에이치. 쉬아한
샤론 에이. 엘스워쓰
카이창 창
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레이던 컴퍼니
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Abstract

신축성 수지 매트릭스 물질에 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 포함하는 신축성 합성 패브릭 물질을 포함하는 레이돔이 제공된다.

Description

폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 갖는 레이돔 및 그의 제조 방법{RADOME WITH POLYESTER-POLYARYLATE FIBERS AND A METHOD OF MAKING SAME}
본 출원은 2003년 7월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 No. 10/620,884호의 잇점을 청구하며 미국 출원 No. 10/621,155호의 "RIGID RADOME WITH POLYESTER-POLYARYLATE FIBERS AND A METHOD OF MAKING SAME"이란 명칭의 특허 출원과 관련되며 이들은 본 명세서에서 참조된다.
본 발명은 무선 주파수 전송 손실은 감소시키면서 동시에 높은 강도를 제공하는 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유로 강화된 고강도 신축성 레이돔에 관한 것이다.
공기지지방식(air-supported) 신축성 패브릭 레이돔은 바람, 열적 뒤틀림, 햇빛, 비, 눈, 얼음, 우박, 모래알, 먼지 및 다른 요인들로부터 레이더 또는 통신 안테나를 보호하는 역할을 한다.
대략 20년 동안, 신축성 맴브레인 레이돔에 대해 통상적으로 사용되는 물질로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 유리섬유 복합 패브릭이 있다. 다소 성공적이지만, 현존하는 레이돔은 제조 공정 및 운송하는 동안 구겨지거나 구부러짐으로 인해 상당한 기계적 강도 손실, 높은 하중에 노출되는 경우 파열 응력 또는 패브릭 찢어짐 뿐만 아니라, 환경적인 요인으로 인한 노화 손상에 쉽게 영향을 받는다. 이러한 한계는 상당부분 패브릭 구조에 사용되는 유리섬유 보강재료(reinforcement)의 재료 특성에 기인한 것이다. 섬유 보강재료로서 유리섬유는 섬유-대-섬유 마모, 주름형성, 접힘(folding), 및 크리프 파열(creep rupture)로 인해 기계적 강도가 손실된다. 높은 보전성 적용을 위해, 이러한 잠재적인 작용을 고려하는 안전 이익이 요구된다. 큰 유리 섬유 다발과 함께 중량으로 구성된 복합 패브릭들이 요구되고 있다. 그러나, 보다 중량의 구조는 무선 주파수(RF) 전송 손실을 증가시키고, 수신 감도를 감소시켜, 고비용의 전송 전력 또는 레이더 및 통신 안테나 크기 증가를 요구하게 된다. 또한, 패브릭 직조 공정(fabric waving process)에서의 실제적 한계는 패브릭 두께 및 구조적 특성을 제한한다. 모든 패브릭 성질이 고려될 때 최종 결과는 극한 환경 조건하에서 제품 보전성이 보증되지 않는다는 것이다. 결과적으로, RF 성능, 구조적 보전, 및 보전성들 간의 절충안이 요구된다.
공지된 재료 및 방법들을 이용하여, 섬유 직조 밀도를 증가시키 위한 연구들이 수행되어 왔으며 상당한 발전이 이루어졌다. 그러나, 주름 접힘, 굽힌 접힘, 유체정력학 드럼 파단 시험, 및 크리프 파열 손상 장력 시험에서 실험되는 것처럼 열악한 손상 내성은 적절한 무선 주파수(RF) 전송 특성을 갖는 것 보다 높은 강도의 손상 내성 보강재료에 대한 필요성을 나타낸다. 풍동(wind tunnel) 측정 데이터를 이용하는 중요한 구조적 분석 및 비선형 유한 요소 모델링(non-linear finite element modeling)은 레이돔 재료에 보다 높은 강도 및 강도 보유력에 대한 필요성을 지지한다. 요약하면, 종래 기술의 고강도 신축성 멤브레인 레이돔은 허용되지 않는 무선 주파수(RF) 손실을 야기시키는 반면 허용가능한 RF 손실을 갖는 레이돔은 다양한 환경에 대해 일반적으로 충분히 강하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 감소된 무선 주파수(RF) 전송 손실, 및 증가된 RF 수신 감도를 갖는 고강도의 신축성 레이돔을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 크리프 파열, 주름형성 손상, 굽힘 손상, 마모, 및 높은 연장된 기간의 응력 노출을 견디도록 입증된 능력을 갖는 고강도의 신축성 레이돔을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 유리섬유와 같이 공지된 재료와 비교할 때 상당한 녹다운(knock-down) 요인(기계적 특성 악화에 대해 요구되는 패브릭 강도를 허용)을 요구하지 않는 고강도의 신축성 레이돔을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 레이돔에 의해 보호되는 안테나 또는 통신 시스템의 비용 및 전력 요구조건을 감소시키는 고강도의 신축성 레이돔을 제공하는 것이다.
본 발명은 낮은 RF 손실 및 높은 구조적 보전 및 보존성을 갖는 고강도의 신축성 레이돔이 유리섬유 또는 현재 공지된 재료 또는 사용되는 재료 대신에 레이돔에 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 활용함으로써 달성되는 실현안을 제공한다.
본 발명은 신축성 수지 매트릭스 재료에 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 갖는 신축성 복합 패브릭 재료를 포함하는 레이돔을 특징으로 한다. 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유는 직조 또는 편직되며, 신축성 수지 매트릭스는 폴리우 레탄 수지일 수 있다. 레이돔은 신축성 복합 패브릭 재료에 결합된 외측 스킨 또는 소수성(hydrophobic) 외부 커버링을 포함할 수 있으며, 상기 스킨은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불소화 에틸렌 프로필렌(FEP) 또는 퍼플루오로알콕시 수지(PFA)일 수 있다. 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유는 수 백 피트의 길이를 갖는다. 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유는 방적사(yarn)를 형성하고, 상기 방적사는 직조 또는 편직될 수 있다. 신축성 복합 패브릭 재료의 한 겹 이상으로 존재할 수 있다.
또한, 본 발명은 신축성 수지 매트릭스 재료에 직조된 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 갖는 신축성 복합 재료를 포함하는 레이돔을 특징으로 하며, 상기 레이돔은 신축성 수지 매트릭스 재료에 편직된 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 갖는 신축성 복합 재료를 포함한다.
또한 본 발명은 레이돔을 제조하는 방법을 특징으로 하며, 상기 방법은 신축성 수지 매트릭스 재료와 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 조합하여 신축성 복합 패브릭 재료를 형성하는 단계를 포함한다. 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유는 직조 또는 편직된다. 신축성 수지 매트릭스는 폴리우레탄 수지일 수 있다. 상기 방법은 신축성 복합 패브릭 재료와 스킨을 결합하는 단계를 추가로 포함한다. 스킨은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불소화 에틸렌 프로필렌(FEP), 또는 퍼플루오로알콕시 수지(PFA)를 포함할 수 있다. 스킨은 화학적 에칭, 접착제 결합과 조합된 코로나 처리, 라미네이션, 또는 용융 가공에 의해 신축성 복합 패브릭 재료에 결합될 수 있다. 상기 방법은 신축성 복합 패브릭 재료의 층들(plies)로 형성 하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 목적, 장점, 특징은 첨부되는 도면 및 바람직한 실시예의 설명을 통해 이해될 수 있을 것이다.
하기에 개시되는 바람직한 실시예 또는 실시예들을 제외하고, 본 발명은 다른 실시예들을 구현할 수 있으며 다양한 방식으로 실행 또는 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명이 하기의 설명 또는 도시된 도면에 설명된 구성 및 부품 장치들의 상세한 설명으로 제한되지 않는 것으로 이해될 수 있다.
패브릭 레이돔은 통상적으로 안테나 및 통신 장비에 대한 환경적 보호를 제공하는데 사용된다. 통상적으로 현재 공지된 도 1의 공기지지방식 레이돔(10) 및 펼쳐진(streched) 멤브레인 레이돔(미도시)을 포함하는 패브릭 레이돔은, 제조, 이송 및 노화작용(aging) 동안 앞서 배경기술에서 설명된 것처럼 주름형성, 굽힘, 크리프 파열 및 환경적 조건에 노출에 의해 야기되는 기계적 강도의 손실을 겪게 되는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 유리섬유 복합 패브릭 섹션(12a-12n)으로 구성된 것이다. 이러한 결함들을 보상하기 위해, 유리섬유 두께를 증가시키는 것이 공지되어 있다. 그러나, 이러한 두께 증가는 RF 손실 증가를 야기시킨다. 또한, 패브릭 층 직조(ply weaving) 공정에서의 실질적 한계로 패브릭 두께가 제한된다.
본 발명은 강도가 증가하고 RF 전송 손실이 감소되는 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 갖는 신축성 복합 패브릭 레이돔 재료의 사용을 통해 상기한 문제점들을 해결한다. 본 발명에 따른 폴리에스테르-폴리아릴레이트 레이돔은 적합한 강 도를 제공하며 낮은 유전상수를 갖는 소수성 외부 커버링과 통합될 수 있어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 유리섬유와 같이 공지된 재료에 비해 RF 손실을 감소시킬 수 있다. 공지된 재료를 대신하는 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유는 전체 패브릭 두께의 감소를 허용하며 낮은 수분 흡수를 제공하여, RF 손실 감소에 추가로 기여한다.
최소 RF 손실을 위해, 레이돔 멤브레인 패브릭 재료는 낮은 유전상수 및 낮은 탄젠트를 갖고 최소 두께를 갖는 것이 바람직하다. RF 전송 측정 시험에서, 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유로 보강된 패브릭 복합물은 낮은 유전 상수 및 낮은 손실 탄젠트를 갖는 뛰어난 전기적 특성을 나타낸다. 또한, 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유로 보강된 복합물은 장기간 습기가 있는 환경에서 RF 전송 손실을 보다 최소화시켜 낮은 수분 흡수의 특성을 갖는다.
폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유에 대한 섬유 강도는 유리에 대해 500 Msi인 것과 비교할 때 412 Msi이다. 고려되는 재료 녹다운(knock down) 요인(특정 이벤트, 노출, 또는 특성으로 인해 성능을 감소시키는 요인)으로는, 노화 요인, 주름형성 및 접힘 손상, 이축(bi-axial) 응력 상태, 하중 기간, 내마멸성(tear resistance), 환경적 노출, 내부 섬유 마모, 크리프 파열 내성, 섬유 부식, 및 특정 섬유에 따른 다른 잠재 요인들을 포함한다. 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유는 폴리우레탄 수지 시스템 및 외부 소수성 커버링과 결합된 상기 언급된 거의 모든 요인에 대해 유리에 비해 우수한 성능을 갖는다. 도 2의 그래프는 유리섬유 섬유(22) 및 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유(24)에 대한 하중 내구성을 비교한 것 이다.
유체정력학 드럼 파단 시험은 유리섬유와 비교할 때 폴리에스테르-폴리아릴레이트에 대해 구조적인 장점을 추가로 나타낸다. 하나의 폴리에스테르-폴리아릴레이트 샘플은 유리섬유 복합물에 대한 0.053 인치 두께에 비해 0.033 인치 두께이다. 손상되지 않은 샘플에서, 본 발명의 복합 패브릭은 유리 복합물보다 90% 강한 것으로 측정된다. 접힘에 의한 손상 이후, 유리 복합물은 폴리에스테르-폴리아릴레이트 복합물에 대한 강도 손실이 없는 것과 비교할 때 42% 강도 보유력(강도 58% 손실)을 나타낸다. 본 발명에 따른 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유로 설계된 레이돔은 바람 하중 편차, 환경적 손상(UV, 습기, 온도, 부하 사이클), 가변적이고 지속적인 하중 작용, 패브릭 손상 및 주름형성 접힘 손상, 이축 하중 조건 및 재료 성질 변화에 대한 녹다운을 포함하여 20년 사용수명에 대해 통계적으로 계산된 0.999의 신뢰도를 갖는다(대체로 >5 안전 요인과 같다).
따라서 본 발명의 레이돔 및 레이돔을 제조하는 방법은, 형성되는 레이돔의 신축성 복합 패브릭 재료(35)의 구조적 보강재료로서, 도 3의 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유(32)를 포함한다. 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유(32)는 도 3에 도시된 것처럼 천일 수 있는 패브릭(34)에 쉽게 직조될 수 있고 특정 분야에 대한 조건에 따라 맞춰질 수 있다. 또한 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유(32)는 공지된 섬유 편물(knitting)처럼 패브릭(34)(미도시)으로 편직될 수 있다. 본 발명의 레이돔의 일 실시예에서, 패브릭(34)은 다중축(미도시)이다. 패브릭(34)은 폴리우레탄 수지 시스템일 수 있는 신축성 수지 매트릭스(40)로 포화 또는 코팅되어, 신 축성 복합 패브릭 재료(35)를 형성한다. 신축성 복합 패브릭 재료(35)는 신축성 수지 매트릭스(40)에 한 겹(50)의 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유(32)를 포함하거나, 또는 신축성 복합 패브릭 재료(35)는 한 겹 이상을 포함할 수 있다. 통상적으로, 신축성 복합 패브릭 재료(35)는 신축성 수지 매트릭스(40)에 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유(32)를 포함하는 두 겹(50, 52)을 포함할 수 있다. 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유(32)를 포함하는 신축성 복합 패브릭 재료(35)에는 불소화 에틸렌 프로필렌(FEP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 퍼플루오로알콕시 수지(PFA)로 구성 또는 포함할 수 있는 외부 스킨 또는 소수성 외부 커버링(42)이 제공된다. 후자는 다양하게 상업적으로 이용가능한 레이돔 패브릭과 동일한 내구성있는 소수성 외부 표면을 제공한다. 신축성 복합 패브릭 재료(35)와 소수성 외부 커버링(42)의 결합은 화학적 에칭, 접착제 결합과 조합된 코로나 처리, 라미네이션, 용융 프로세싱 또는 공지된 다른 기술에 의해 달성될 수 있다.
Celanese Acetate LLP에 의해 제조되는 Vectran
Figure 112007081599148-PAT00001
섬유와 같은 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유(32)가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 섬유(32)는 수 백 피트의 길이를 가지며 200 내지 5000 데니어(denier)이다. 폴리에스테르-폴리아릴레이트(32)는 공지된 것처럼, 섬유 밀도(fiber thread count)를 변화시킴으로써 직조 또는 편직될 수 있는 방적사를 형성한다. 당업자들은 섬유가 방적사를 형성하도록 조합될 수 있고, 섬유 또는 섬유 배향 등이 본 명세서에서 섬유에 포함된 방적사와 같은 것으로 간주된다.
따라서 본 발명은 무선 주파수(RF) 전송 손실 감소 및 RF 수신 감도가 증가 되는 고강도 신축성 레이돔을 형성한다. 본 발명의 레이돔 패브릭은 크리프 파열, 주름형성 손상, 휨 손상, 마모 및 연장된 기간의 높은 응력 노출을 견딜 수 있는 능력을 갖게 된다. 신축성 레이돔 재료는 유리섬유와 같이 공지된 재료와 비교할 때 큰 녹다운 요인을 갖지 않으며, 전력 요구조건 또는 안테나 크기, 및 레이돔에 의해 보호되는 안테나 또는 통신 시스템의 비용을 감소시킨다. 높은 구조적 보전 및 보전성을 갖는 낮은 RF 손실은 유리섬유 또는 다른 재료 대신 레이돔 패브릭에 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 이용함으로써 달성된다.
본 발명의 특정한 특징이 일부 도면에만 도시되었지만, 각각의 특징은 본 발명에 따른 임의의 또는 다른 모든 특징들과 조합할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "포함한다", "갖는다", "갖는" 및 "구비한"과 같은 용어는 광범위하게 포괄적으로 해석되며 임의의 물리적 상호관계로 제한되지 않는다. 또한, 본 출원에 개시된 실시예들은 단지 가능한 실시예로서 선택되는 것이 아니다. 다른 실시예들이 하기의 청구범위 내에서 이루어질 수 있다.
도 1은 신축성 패브릭 맴브레인 커버링을 갖는 전형적인 공기지지방식(air-supported) 접지-계열 레이돔의 개략도이며;
도 2는 유리섬유 섬유 및 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유에 대한 하중 내구력를 비교한 그래프이며;
도 3은 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 포함하는 본 발명에 따른 레이돔 단면의 개략도이다.

Claims (35)

  1. 레이돔 강도를 증가시키고 레이돔을 통한 무선 주파수 전송 손실을 감소시키기 위해 구조화된 신축성 수지 매트릭스 재료에 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 포함하는 신축성 복합 패브릭 재료로 이루어진 레이돔.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유가 패브릭으로 직조되는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유가 패브릭으로 편직되는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 신축성 수지 매트릭스는 폴리우레탄 수지인 것을 특징으로 하는 레이돔.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 신축성 복합 패브릭 재료에 결합되는 스킨을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 스킨이 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 스킨이 불소화 에틸렌 프로필렌(FEP)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 스킨이 퍼플루오로알콕시 수지(PFA)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유가 수백 피트의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유가 방적사(yarn)를 형성하는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 방적사가 직조되는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 방적사가 편직되는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 신축성 복합 패브릭 재료가 한 겹(one ply)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 신축성 복합 패브릭 재료가 하나를 초과하는 겹을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이돔.
  15. 제 2 항에 있어서, 상기 패브릭이 다중축인 것을 특징으로 하는 레이돔.
  16. 제 3 항에 있어서, 상기 패브릭이 다중축인 것을 특징으로 하는 레이돔.
  17. 신축성 수지 매트릭스로 직조된 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 포함하는 신축성 복합 재료로 이루어진 신축성 패브릭 레이돔.
  18. 신축성 수지 매트릭스에 편직된 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 포함하는 신축성 복합 재료로 이루어진 신축성 패브릭 레이돔.
  19. 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 신축성 수지 매트릭스 재료와 조합하여 신축성 복합 패브릭 재료를 형성하는 단계를 포함하여, 신축성 패브릭 레이돔을 제조하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유가 패브릭으로 직조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유가 패브릭으로 편직되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 신축성 수지 매트릭스 재료가 폴리우레탄 수지인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 19 항에 있어서, 싱기 신축성 복합 패브릭 재료에 스킨을 결합시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 스킨이 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 스킨이 불소화 에틸렌 프로필렌(FEP)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 23 항에 있어서, 상기 스킨이 퍼플루오로알콕시 수지(PFA)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 23 항에 있어서, 상기 스킨이 화학적 에칭에 의해 상기 신축성 복합 패브릭 재료에 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 23 항에 있어서, 상기 스킨이 접착제 결합과 조합된 코로나 처리에 의해 상기 신축성 복합 패브릭 재료에 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 23 항에 있어서, 상기 스킨이 라미네이션에 의해 상기 신축성 복합 패브릭 재료에 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 23 항에 있어서, 상기 스킨이 용융 가공에 의해 상기 신축성 복합 패브릭 재료에 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 19 항에 있어서, 신축성 복합 패브릭 재료의 겹들을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 20 항에 있어서, 상기 패브릭이 다중축인 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 21 항에 있어서, 상기 패브릭이 다중축인 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 신축성 수지 매트릭스 재료에 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 포함하는 신축성 복합 패브릭 재료로 이루어진 공기지지방식 신축성 패브릭 또는 펼쳐진 멤브레인 레이돔.
  35. 신축성 수지 매트릭스 재료에 패브릭으로 직조되거나 편직된 방적사를 형성하는 폴리에스테르-폴리아릴레이트 섬유를 포함하는 신축성 복합 패브릭 재료; 및 신축성 복합 패브릭 재료에 결합된 외측 소수성 외부 커버링을 포함하는 레이돔.
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