KR20100124607A - 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄소재물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄소재물에 관한 것이다.

상기 방탄소재물은 단층 이상의 금속계 메탈릭글라스와 복층의 고분자구조체를 포함한다. 또한 본 발명에 따른 방탄소재물은 상기 비정질구조체를 위사와 경사로직조하여 제공할 수 있다. 이에 따라 비정질계 재료에 고분자구조체를 적층하여 외부 충격에 대한 흡수력을 개선하여 방탄성능을 높일 수 있는 비정질구조체와 이를 포함하는 방탄소재물을 제공할 수 있다.

비정질 방탄소재

Description

비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄소재물{Amorphous structure and body armor with the same}

본 발명은 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄소재물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축적된 고탄성에너지를 가지며 외부로부터의 충격을 효율적으로 흡수할 수 있는 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄소재물에 관한 것이다.

방탄복 내지 방탄물은 총탄이나 칼과 외부 충격으로부터 인체의 부상을 방지하기 위하여 주로 사용된다. 방탄복 등의 소재로 이용되는 방탄소재물은, 소재의 특성에 따라 강성 방탄물(hard body armour)이나 연성 방탄물(soft body armour)에 응용될 수 있다. 본 발명자는 국제공개공보 WO2005/02207에서 상기 사항을 상세하게 언급하였다.

이를 간략히 살펴보면, 연성 방탄물은 직조물로 형성되어 셔츠나 코우트 같은 보통의 의복 아래에 함께 착용가능한 형태로 제공된다. 연성 방탄물은 인체의 몸통 전후면을 감쌀 수 있도록 보호패널 형태로 마련되며, 보호패널은 면사나 나일론과 같은 통상의 섬유와 복합된 직물로 마련되기도 한다.

그리고 강성 방탄물로는 헬멧이 대표적이며, 비교적 강성이 높고 경직성이 있는 외피나 패널에 강화섬유가 복합된 형태로 제공된다.

이에 따라 전술한 국제공개공보 WO2005/022071에서는 비정질계 재료로서 메탈릭글라스를 이용한 방탄물을 발명하여, 높은 탄성에너지를 보유하여 충격흡수가 가능하도록 한 것이다.

본 발명자는 비정질계 재료인 메탈릭글라스와 소정의 재료를 함께 사용하여, 기존의 메탈릭글라스 단독 소재에 비하여 방탄 효율을 더욱 향상시켜 외부 충격에 대한 흡수력을 보다 개선하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 비정질계 재료에 고분자구조체를 적층한 방탄소재물을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명의 한 분야에 따르면, 비정질계 재료와, 고분자구조체에 의하여 달성된다. 여기서, 상기 방탄소재물은, 단층 이상의 금속계 메탈릭글라스와 복수개의 고분자구조체로 구성된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 비정질구조체 및 방탄소재물에 따르면, 메탈릭글라스와 고분자구조체를 적층하여 외부 충격에 대한 흡수력을 개선하여 방탄성능을 높일 수 있다.

상기 메탈릭글라스는 알루미늄(Al)계 합금, 티타늄(Ti)계 합금 또는 철(Fe)계 합금 중 적어도 어느 하나를 선택하여 마련될 수 있다.

상기 비정질계 재료는 멜트스피닝법, 또는 인젝션몰딩법 중의 어느 하나의 가공법으로 성형할 수 있다.

상기 가공법으로 성형된 형상체의 단면은 둥글거나 각형으로 형성된다.

상기 비정질계 재료와 고분자체를 적층하여 시트형상으로 성형될 수 있다.

한편, 상기 목적은, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상술한 구성의 상기 비정질구조체를 직조하여 마련되는 방탄소재물에 의하여 달성된다.

또한, 방탄소재물에 있어서, 상술한 구성의 상기 시트형상의 비정질구조체에 적층되는 고분자구조체를 포함하여 마련되는 방탄소재물에 의하여 달성된다.

이하에서는, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비정질구조체를 멜트스피닝법에 의하여 성형하는 예시도이다. 도 1에 도시되어 있는 성형된 비정질구조체(22)는 비정질계 재료인 메탈릭글라스이다.

메탈릭글라스는 흔히 액체금속이라고도 하며 유리와 같은 비정질 구조를 갖고 있으며, 1960년경 최초로 Au-Si 합금 재료로 합성된 바 있다. 이후 다양한 합금 재료로부터 메탈리글라스가 제조되고 있다. 초기의 메탈릭글라스는 주로 팔라듐(Pd) 계열 합금이나 란탄(La) 계열 합금으로서, 고가의 재료비로 인하여 폭넓은 응용에 걸림돌이 되었다. 그러나 최근에는 티타늄(Ti) 계열, 철(Fe) 계열, 지르코늄(Zr) 계열, 니켈(Ni) 계열, 구리(Cu) 계열 메탈릭글라스가 제조됨으로써 재료비를 낮추고 있다.

메탈릭글라스는 통상의 결정계 금속 또는 합금으로 달성할 수 없는 특성을 보유하고 있다. 즉 메탈릭 글라스는 고탄성에너지(high elastic stored energy)를 저장할 수 있으며, 1700~2200Mpa의 고인장파괴강도(high tensile fracture strength)와, 3000~3900Mpa의 고굴곡휨강도(high flexural bending strength)를 갖는다. 또 메탈릭글라스는 내식성(corrosion resistance)이 우수하다.

통상적으로 메탈릭글라스는 비정질원자구조로 인하여 소성변형없이 매우 높은 탄성에너지를 저장할 수 있다. 이에 따라 외부 충격체로부터 충격을 흡수할 때 다른 재료와 달리 소재의 변형없이 큰 충격에너지를 흡수할 수 있다. 골프클럽 등에도 Zr-Be-Cu-Ti-Ni 합금소재의 메탈릭글라스로 헤드를 가공한 예를 볼 수 있다.

특히 본 발명의 실시예에서는 알루미늄(Al) 계열 합금, 티타늄(Ti) 계열, 철(Fe) 계열 합금을 메탈릭글라스 재료로 채택하여 고분자 소재를 적층하여 가공하는 것이 바람직하다.

비정질계 재료인 메탈릭글라스와 고분자 소재를 적층하게 되면, 탄성에너지 축적율이 높고 충격흡수력이 높은 방탄소재물에 적용할 수 있다.

멜트스피닝법에 의해 비정질구조체를 성형하는 과정을 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1에 나타난 바와 같이, 석영도가니와 같은 용융장치(10)에서 소정의 성분이 혼합되어 용해된 복합비정질재료(12)가 준비되어 있다. 본 발명에서는 복합비정질재료(12)는 용융장치(10)에 마련된 미도시한 인덕션 코일 같은 가열수단을 이용하여 먼저 원하는 성분을 갖는 금속합금을 용융하여 메탈릭글라스가 마련된 것이다.

복합비정질재료(12)가 준비되면, 적정한 시간으로 가열하면서 소정 형상 및 크기를 갖는 배출공을 통하여 소정의 유동성스트림(14)을 뽑아낸다. 배출되는 유동성스트림(14)은 소정 속도로 회전가능한 원통형 회전체로 된 금형(18)의 외표면에 접촉하여 고체화되어 비정질구조체(22)로 성형된다. 성형된 비정질구조체(22)는 편평한 리본(ribbon) 형태(단면이 장방형)나 섬유사(fiber) 형태(단면이 둥근형)를 가질 수 있다. 이때 금형(18)에는 냉각처리를 위한 냉각수 공급수단이 부가적으로 마련될 수 있으며, 처리공정을 보호하도록 헬륨/아르곤(He/Ar) 같은 불활성 가스(20) 분위기에서 성형될 수 있다.

성형되는 리본 형태나 섬유사 형태의 비정질구조체(22)를 회전하는 금형(18)에 감아서 제공할 수도 있다. 여기서 리본 형태의 경우 최대 폭은 5mm, 최대 두께는 0.5mm 로 성형할 수 있다. 또한 섬유사 형태의 경우 최대 직경은 0.5mm로 성형할 수 있다. 이때 적절한 성형처리로 통상의 섬유사와 같이 꼬임 형태로 성형할 수도 있다. 이와 같이 성형된 비정질구조체(22)는 방탄소재물로 적용된다.

상술과 같은 비정질구조체(22)의 성형은 전술한 국제공개공보 WO2005/022071에 개시한 처리수단을 이용하여도 좋다. 즉 소정의 냉각수가 공급되는 각형 또는 평판형의 구리 소재의 금형에 복합지정질재료를 낙하하면, 낙하하는 유동성스트림이 금형에 접촉하여 신속히 고체화된다. 여기서도 헬륨/아르곤(He/Ar) 같은 불활성 가스로 처리공정을 보호하도록 한다. 고체화된 비정질구조체는 금형에 마련된 기하학적 형상에 따라 편평한 리본(ribbon) 형태(단면이 장방형)나 섬유사(fiber) 형태(단면이 둥근형)를 갖게 된다. 또한 각형 또는 판형의 금형을 소정의 진동장치(미도시)를 이용하여 소정의 속도로 길이방향 또는 좌우방향으로 흔들어서 리본이나 섬유사 형태의 비정질구조체를 원하는 형상으로 성형할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비정질구조체를 연성 방탄물에 적합한 방탄소재물을 패널 형상으로 직조하는 예를 나타낸 것이다. 여기서 비정질구조체(22)는 상술한 메탈릭글라스로 형성된다. 이와 같이 준비된 비정질구조체(22)를 경사와 위사로 직조하여 패널(32) 형태로 성형하여 방탄소재물로 적용할 수 있다. 또 패널(32)에 고분자구조체나 플라스틱 필름 등의 재료를 적층하여 복층의 패널로 된 방탄소재물을 성형할 수도 있으며, 이들을 각각 복수개로 수회 적층하여 다층패널로 된 방탄소재물로 성형할 수도 있다.

한편, 소정 형상으로 가공된 비정질구조체(22)와, 아라미드 섬유와 같은 강성 섬유를 혼합 직조하여 복합소재의 방탄소재물을 가공하여도 좋다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방탄소재물의 단면 형상을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 방탄소재물(40)은 복수개의 비정질구조체(42)와 고분자구조체(44)가 서로 교호적으로 적층되어 있다. 이에 따라 가령 외부로부터 총격을 받을 경우, 총탄으로 인한 충격에너지는 일차적으로 최외곽의 비정질구조체(42)층에 의해 상당부분 감소되어 고분자구조체(44)층에 도달하게 된다(가령 최초 충격에너지 100단위에서 85단위로 감소하는 것으로 예시). 이어서 충격에너지가 감소된 총탄은 다시 비정질구조체(42)층과 만나면 고탄성에너지가 저장된 비정질구조체(42)층에 의해 비껴나가거나 튕겨나갈 수 있다. 만약 충격에너지에 의해 비정질구조체(42)층에 균열이 발생되면, 충격에너지는 다 감소된다(가령 70단위로 감소하는 것으로 예시). 이와 같이 충격에너지는 연속적으로 적층되어있는 각 구조체층을 거치면서 통상의 연성방탄물에 비하여 급속히 감소된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방탄소재물의 단면 형상을 나타낸 것이다. 도시된 방탄소재물은 도 3과 동일한 적층구조를 갖고 있으며, 비정질구조체(46)층에 오목볼록한 요철 형상이 마련된 점에서 차이가 있다. 비정질구조체(46)층의 볼록부는 오목부에 비하여 표면장력(surface tension)이 더 높아서 이를 관통하는데 더 높은 에너지가 필요하므로 총탄과 같은 외부에서 가해지는 충격에너지를 보다 잘 흡수할 수 있다. 본 실시예에 따른 비정질구조체(46) 표면에 형성되는 요철형상은 소재의 가공공정을 거치면서 자연적으로 형성될 수 있다. 도 4에서 비정질구조체(46)의 단면의 한쪽에만 요철형상이 형성된 것으로 나타나 있으나, 이에 한정되지 않고 비정질구조체(46)의 외표면의 길이방향을 따라 요철형상이 형성될 수도 있다.

아울러 본 발명의 각 실시예에 따른 방탄소재물은 헬멧과 같은 강성방탄물에도 적용할 수 있다. 이때 비정질구조체를 직조하여 형성된 방탄소재물을 이용하거나, 시트형상으로 성형된 비정질구조체를 이용하여 적층할 수 있다. 이때 함께 적층되는 재료로서 케블라(Kevlar)섬유층이나, 고분자수지층을 선택적으로 사용할 수 있다.

상술한 실시예에서는 비정질구조체를 리본 형태 또는 섬유사 형태로 성형하고, 이를 직조하여 방탄소재물을 성형하는 것을 예시하였으나, 비정질계 재료와 상기 탄소나노튜브를 혼합하여 시트형상으로 비정질구조체를 성형할 수도 있다. 시트형상 가공시에는 인젝션몰딩(injection molding)법을 사용하여 성형할 수 있다. 이에 따라 시트형상의 비정질구조체에 시트형상 고분자구조체를 적층하여 방탄소재물 을 성형할 수 있다.

한편, 상술한 실시예에서는 비정질구조체를 멜트스피닝법과 인젝션몰딩법으로 성형하는 것을 예시하였다. 이외에도 시트형상 가공의 경우 비정질계 재료와 탄소나노튜브를 혼합하여 용융된 복합비정질재료를 롤러퀘칭법(Roller Quenching technique)에 의해 비정질구조체를 성형할 수도 있다. 또한 판상 유동캐스팅법(Planar Flow Casting process)에 의해 고속회전하는 디스크상에 준비된 복합비정질재료를 제공하여 소정 폭을 갖는 사각단면의 기다란 판상체로 성형할 수도 있다.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예 및 다른 대체 가능한 실시예들을 설명하였으나, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 변경과 수정이 이루어질 수 있다. 따라서 본 발명에서 채택되는 이와 같은 변경, 수정 및 대체되는 실시예들은 첨부된 특허청구범위의 사상과 범위내에 속하는 것이다.

도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 비정질구조체를 멜트스피닝법으로 성형하는 예시도,

도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 비정질구조체를 직조한 방탄소재물의 예시도,

도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 방탄소재물의 적층 상태의 예시도,

도 4는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방탄소재물의 적층 상태의 예시도이다.

Claims (10)

1. 비정질계 재료와,

   상기 비정질계 재료를 단층 이상 그리고 복층의 고분자구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄소재물.
2. 제1항에 있어서,

   상기 비정질계 재료는, 금속계 메탈릭글라스가 선택되는 것을 특징으로 하는 비정질구조체.
3. 제2항에 있어서,

   상기 메탈릭글라스는 리본 내지 파이버 형상인 것을 특징으로 하는 비정질구조체.
4. 제3항에 있어서,

   상기 메탈릭글라스는 경사와 위사로 직조한 형상을 특징으로 하는 비정질구조체.
5. 제2항에 있어서,

   상기 메탈릭글라스는 알루미늄(Al)계 합금, 티타늄(Ti)계 합금 또는 철(Fe) 계 합금 중 적어도 어느 하나를 선택하여 마련되는 것을 특징으로 하는 비정질구조체.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 비정질계 재료의 제조방법은 멜트스피닝법, 또는 인젝션몰딩법 중 어느 하나의 가공법으로 성형되는 것을 특징으로 하는 비정질구조체.
7. 제6항에 있어서,

   상기 가공법으로 성형된 형상체의 단면은 둥글거나 각형인 것을 특징으로 하는 비정질구조체.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 비정질계 재료는 시트형상으로 성형되는 것을 특징으로 하는 비정질구조체.
9. 방탄소재물에 있어서,

   제6항의 비정질구조체를 직조하여 마련되는 것을 특징으로 하는 방탄소재물.
10. 방탄소재물에 있어서,

    제8항의 시트형상의 비정질구조체와,

    상기 비정질구조체에 적층되는 고분자구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄소재물.

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