KR20080107850A

KR20080107850A - 볼탄 방어용 복합 방탄 헬멧

Info

Publication number: KR20080107850A
Application number: KR1020070056162A
Authority: KR
Inventors: 손세원
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-12-11

Abstract

본 발명은 복합재료를 이용한 방탄 헬멧에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정한 허용 중량 내에서 볼탄에 대한 방탄성능이 향상되도록 고경도의 신소재 분말을 첨가한 볼탄 방어용 복합 방탄 헬멧에 관한 것이다.

본 발명에 따른 방탄 헬멧은 종래의 접착제에, 고강도, 고경도 신소재 분말을 더 첨가하여 제작함으로써 일정한 허용 중량 내에서 볼탄에 대한 방탄성능이 향상시키고, 물리적 충격에 의한 탄자의 형상 변화가 충격 면적을 증가시켜 방탄 저항이 커짐에 따라 착용자의 머리를 보호하는 효과가 있다.

또한, 볼탄에 대한 방탄 메커니즘이 동일한 방탄복 또는 방탄조끼에 적용하여도 우수한 방탄효과를 나타낼 수 있다.

방탄헬멧, 볼탄, 복합재료, 신소재 분말, 방탄성능, 방탄복

Description

볼탄 방어용 복합 방탄 헬멧 {A hybrid bulletproof helmet for preventing ball-type bullet}

도 1은 본 발명에 따른 볼탄 방어용 복합 방탄 헬멧의 구조를 나타내는 개략도 및 부분 확대 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 헬멧의 대한 볼탄의 형상변화를 나타낸 것이다.

도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 따른 사격 후 볼탄 방어용 복합 방탄 헬멧 시편의 전면(a)과 후면(b)의 사진이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1. 외부 표면층(도색층)

2. 중간층의 섬유

3. 접착제 + 신소재 분말

4. 내부 표면층(도색층)

본 발명은 복합재료를 이용한 방탄 헬멧에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정한 허용 중량 내에서 볼탄에 대한 방탄성능이 향상되도록 고경도의 신소재 분말 을 첨가한 볼탄 방어용 복합 방탄 헬멧에 관한 것이다.

방탄 헬멧은 기본적으로 탄자나 파편의 위협으로부터 머리를 보호하는 것을 주목적으로 하며, 현재 세계적으로 방탄 시스템은 날로 첨단화되고 있다.

예를 들면, 미국의 방탄 헬멧의 경우, 그 개발이 완료되어 2000년 초반에 해외주둔 미군에게 지급이 완료된 상태이다. 상기 헬멧은 그 무게가 평균 1.5 ㎏ 기준이나, 한국인에게는 체형이 외국인과 같이 아니하므로 1990년대 하반기부터 한국인의 체형에 맞는 1.1 ㎏ 무게(단, 중형(medium size)인 경우)의 방탄 헬멧을 기준으로 하고 있다.

상기와 같은 방탄 헬멧에 사용되는 재료는 종래 철모를 사용하였으나 그 무게와 방탄 능력의 한계로 인하여 미국에서는 1978년부터 아라미드(Aramid) 섬유인 Kevlar(미국 Du Pont사 제품)를 방탄 헬멧에 사용하고 있으며, 독일의 경우에도 트와론(Twaron; 네덜란드 Akzo Nobel사 제품)이라는 이름의 아라미드 섬유를 사용한 헬멧을 사용해 왔다.

또한, 국내에서는 KAIST의 윤한식 박사팀이 개발하여 헤라크론(Heracrone)의 이름으로 (주)코오롱에서 생산하였으나 수요의 부재로 생산 중단 상태이다.

최근 들어, 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene; HDPE)의 스펙트라(Spectra; 미국의 허니웰(Honeylwell)사 제품) 및 다이니마(Dyneema; 네덜란드의 DSM사 제품)가 방탄 헬멧의 주 소재로 활용되고 있는데, 이는 고밀도 폴리에틸렌이 아라미드 섬유에 비하여 비교적 가볍고 우수한 방탄 성능을 가졌기 때문이다.

종래 방탄 헬멧을 제작 방법은 상기한 아라미드 섬유를 이용하거나 고밀도 폴리에틸렌 섬유를 고온 고압 하에서 단순하게 접착제를 이용하여 적층 성형하였다.

아라미드 헬멧은 비중이 높아서 경량화가 어렵고, 침수 후 방탄성능이 급격히 감소하는데 반해, 고밀도 폴리에틸렌 헬멧은 사용 중 떨어뜨리는 등의 물리적 충격에 의해서도 쉽게 변형이 있어나며, 열에 약하여 130℃ 이상의 온도에서 그 물리적 성질을 상실하는 단점이 있다.

또한, 폴리에틸렌 헬멧은 연성이 커서 탄 충돌 시 국부적으로 충돌 내부 표면층이 헬멧 내부로 변형이 발생하여 허용 안전 이격거리(헬멧 내부표면으로부터 머리까지의 거리)보다 크게 일어나는 경우가 있었으며, 특히 폴리에틸렌 섬유 소재표면에 직접 도색하기가 힘들고, 도색이 되더라도 쉽게 벗겨지는 등 방탄 성능의 한계가 발생하였다.

반면, 아라미드 섬유는 비교적 높은 온도(300℃)에서도 잘 견딜 수 있을 뿐만 아니라 비용이 저렴하다는 장점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 허용 중량 내에서 고강도, 고경도의 신소재 분말을 접착제에 혼합하여 성형함으로서 방탄 성능이 향상된 볼탄 방어용 복합 헬멧을 제공하는데 있 다.

이에 상기의 목적을 이루기 위해 본 발명은 적층된 다수 겹의 아라미드 섬유 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유 소재로 이루어지는 중간층(2)과;

상기 중간층의 외부면에 도색이 가능한 외부 표면층(1)과; 및

상기 중간층 내부면에 도색이 가능한 내부 표면층(4);으로 구성된 방탄 헬멧을 제공한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다.

상기 도 1에서와 같이, 본 발명에 따른 방탄 헬멧의 중간층(2)은 적층된 다수 겹의 아라미드 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유로 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기 중간층(2)은 통상적인 접착제에 고강도, 고경도 신소재 분말을 더 첨가하여 아라미드 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유를 평직으로 다수 겹을 부착(적층)하여 제작하는 것을 특징으로 할 수 있다.

구체적으로, 상기 분말은 탄화규소(silicon carbide; SiC), 산화알루미늄(alumina; Al₂O₃), 지르코니아(zirconia; Zr₂), 보론 카바이드(boron carbide; B₄C), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride; Si₃N₄), S-2 유리섬유로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 ㎛ 크기의 탄화규소 또는 산화알루미늄 분말을 헬멧 전체의 총 중량(단, 내부고정용 볼트, 머리고정 및 보호용 섬유띠 등을 제외)에 대해 10 내지 30%의 범위로 첨가하는 것이 좋다.

또한, 상기 중간층(2)의 외부면에 부착되는 외부 표면층(1)은 통상적인 진녹색(국방색)의 페인트를 얇은 막으로 3 ~ 4벌 도색하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 중간층(2)의 내부면에 부착되는 내부 표면층(4)은 적층된 아라미드 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유 중간층(2)에 도색하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방탄 헬멧은 볼탄을 방어하기 위한 용도로서 사용 가능한데, 예를 들면 방탄복 또는 방탄조끼로도 이용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1. 분말 입자 크기에 따른 관통 속도 측정

하기 표 1과와 같이, 탄화규소(SiC) 분말의 입자 크기를 달리하여 평판(CT:709; 30 × 30 × 0.6 ㎝)을 제작하고, 5.56 ㎜ 볼(Ball)탄을 사용하여 방호 탄도 한계속도(V50)를 미국의 MIL-STD-662에 의거하여 측정하였다.

No.	SiC(㎛)	V50(㎧)
1	0	396
2	1.2	468
3	4.5	457
4	10.0	392

상기에서 볼 수 있듯이, 분말 크기에 따른 관통 실험 결과, 탄화규소 분말의 크기가 1 ~ 10 ㎛ 이하 일 때, 바람직하게는 1 ~ 5 ㎛ 일 때 우수한 관통 저항을 나타내는 것을 확인하였다.

실시예 2. 분말 함량에 따른 관통 속도 측정

하기의 표 2 및 표 3에 나타낸 바와 같은 중량으로 평판(CT:709; 30 × 30 × 0.6 ㎝)을 제작하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 방호탄도 한계속도(V50)를 측정하였다.

탄화규소(SiC)의 함량에 따른 관통 속도

종류	전체 중량에 대한 SiC양(%)	방호탄도 한계속도(V50, ㎧)
SiC분말 (1.2 ㎛) CT:709 27 ply	0	396
	10.8	451
	16	452
	22	461
	27	433

산화알루미늄(Al₂O₃) 함량에 따른 관통 속도

종류	전체 중량에 대한 Al₂O₃양(%)	방호탄도 한계속도(V50, ㎧)
Al₂O₃ 분말 (6.5 ㎛) CT:709 27 ply	0	396
	11	437
	16	442
	22	441
	27	425

상기에서와 같이, 탄화규소 분말의 경우, 첨가하지 않았을 때(0%)에는 V50이 396 ㎧인데 반해, 22%를 첨가했을 때는 461 ㎧로 나타나 V50 상승률이 16.4% 증가한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 입자 크기 6.5 ㎛의 산화알루미늄 분말을 첨가했을 경우의 V50 값은 최대 442 ㎧(산화알루미늄 16% 첨가)였으며, 첨가하지 않았을 때보다 V50 상승률은 11.6%가 되었다.

상기와 같이 복합 방탄 재료가 볼탄에 대한 우수한 방탄 효과를 보이는 이유는 접착제에 첨가된 고강도, 고경도의 신소재 분말의 저항으로 인하여 도 2에서와 같이 탄자의 형상 변화를 유발함으로써 충격 면적이 넓어져 후면 파업(Back up petalling)이 커져 관통 저항이 커지기 때문인 것으로 사료된다.

비교예. 평판시편과 헬멧형상시편의 V50 비교

동일조건, 즉 같은 성분, 같은 무게로 헬멧과 평판시편을 제작하여 V50을 측정한 결과, 평판의 V50은 472 ㎧, 헬멧의 경우 603 ㎧로, 동일조건에서 형상의 차이로 인한 V50값이 27.8%가 증가하는 것을 확인하였다.

본 발명에서는 헬멧 성형의 어려움으로, 상기 실시예 1 및 실시예 2에서 평판시편을 기준으로 실험을 하였으나, 이를 헬멧에 적용하였을 경우에는 상기 결과보다 더욱 우수한 방탄 성능을 나타낼 것으로 판단된다.

또한, 상기와 같은 결과는 방탄 헬멧뿐만 아니라 볼탄에 대한 방탄 메커니즘이 같은 방탄복, 방탄조끼 등에도 동일하게 적용될 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 종래 접착제에 고강도, 고경도 신소재 분말을 더 첨가하여 제작함으로써 일정한 허용 중량 내에서 볼탄에 대한 방탄성능이 향상시키고, 물리적 충격에 의한 탄자의 형상 변화가 충격 면적을 증가시켜 방탄 저항이 커짐에 따라 방탄헬멧의 경우 착용자의 머리를 보호하는 효과가 있다.

Claims

적층된 다수 겹의 아라미드 섬유 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유 소재로 이루어지는 중간층과, 상기 중간층의 외부면에 도색이 가능한 외부 표면층과, 상기 중간층 내부면에 도색이 가능한 내부 표면층으로 구성된 방탄 헬멧에 있어서,

상기 중간층은 통상적인 접착제에 고강도, 고경도 신소재 분말을 더 첨가하여 아라미드 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유를 평직으로 다수 겹을 부착(적층)하여 제작하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧.
제 1항에 있어서,

상기 분말은 탄화규소(silicon carbide; SiC), 산화알루미늄(alumina; Al₂O₃), 지르코니아(zirconia; Zr₂), 보론 카바이드(boron carbide; B₄C), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride; Si₃N₄), S-2 유리섬유로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧.
제 1항 또는 2항에 있어서,

상기 분말은 1 내지 10 ㎛ 크기의 탄화규소 또는 산화알루미늄 분말을 헬멧 전체의 총 중량(단, 내부고정용 볼트, 머리고정 및 보호용 섬유띠 등을 제외)에 대해 10 내지 30%의 범위로 첨가하는 것을 특징으로 하는 방탄 헬멧.
적층된 다수 겹의 아라미드 섬유 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유 소재로 이루어지는 중간층과, 상기 중간층의 외부면에 도색이 가능한 외부 표면층과, 상기 중간층 내부면에 도색이 가능한 내부 표면층으로 구성되고,

상기 중간층은 통상적인 접착제에 1 내지 10 ㎛ 크기의 탄화규소 또는 산화알루미늄 분말을 전체의 총 중량(단, 내부고정용 볼트 등을 제외)에 대해 10 내지 30%의 범위로 첨가하여 아라미드 또는 고밀도 폴리에틸렌 섬유를 평직으로 다수 겹을 부착(적층)하여 제작하는 것을 특징으로 하는 방탄복 또는 방탄조끼.