KR20110082232A - 나노세라믹 코팅 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄 소재물 - Google Patents

나노세라믹 코팅 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄 소재물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노세라믹이 코팅된 비정질 구조체 및 이를 포함하는 방탄소재물에 관한 것이다. 상기 비정질계 재료는, 금속계 메탈릭글라스와 폴리카보네이트 중 적어도 어느 하나를 선택할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 방탄소재물은 상기 비정질구조체를 직조하여 제공할 수 있으며, 이외에 상기 비정질구조체에 적층되는 고분자구조체를 포함하는 방탄소재물을 제공할 수 있다. 이에 따라 외부 충격에 대한 흡수력을 개선하여 방탄성능을 높일 수 있는 나노세라믹 코팅 비정질 구조체와 이를 포함하는 방탄소재물을 제공할 수 있다.

Description

나노세라믹 코팅 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄 소재물{Nanoceramic coated amorphous structure and body armor with the same}
본 발명은 나노세라믹이 코팅된 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄소재물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축적된 고탄성에너지를 가지며 외부로부터의 충격을 효율적으로 흡수할 수 있는 나노세라믹 코팅 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 방탄물이나 연성 방탄물에 응용될 수 있다.
본 발명은 나노세라믹이 코팅된 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄소재물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부로부터의 충격을 효율적으로 흡수할 수 있는 나노세라믹 코팅 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄소재물에 관한 것이다.
나노세라믹은 충격 흡수율이 뛰어나고 경도가 높아 강한 반발력을 얻을 수 있다. 이와 같은 소재로 비정질구조체를 코팅하면 보다 개선된 소재의 개발이 가능하다.
따라서, 본 발명자는 나노세라믹 코팅 비정질구조체를 적층하여 기존의 소재에 비하여 방탄 효율을 더욱 향상시켜 외부 충격에 대한 흡수 및 반발력을 보다 개선하고자 한다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 나노세라믹 코팅 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄소재물을 제공하는 것이다.
나노세라믹 코팅 비정질구조체 적층 구조로 흡수력 및 반발력을 개선한다. 나노세라믹은 충격에너지를 흡수하고 동시에 높은 경도로 반발력을 향상시켜서 흡수력과 반발력을 동시에 달성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 나노세라믹 코팅 비정질구조체에 따르면, 외부 충격에 대한 흡수력 및 반발력을 개선하여 방탄성능을 높일 수 있다.
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.
상기 목적은, 본 발명의 한 분야에 따르면, 나노세라믹 코팅 비정질계 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질구조체에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 비정질계 재료는, 금속계 메탈릭글라스와 폴리카보네이트 필름 중 적어도 어느 하나를 선택할 수 있다.
상기 메탈릭글라스는 알루미늄(Al)계 합금, 티타늄(Ti)계 합금, 실리콘(Si)계 합금 또는 철(Fe)계 합금 중 적어도 어느 하나을 선택하여 마련될 수 있다.
상기 비정질계 재료는 멜트스피닝법, 또는 인젝션몰딩법 중의 어느 하나의 가공법으로 성형할 수 있다.
상기 가공법으로 성형된 형상체의 단면은 각형으로 형성된다.
상기 비정질계 재료는 시트형상으로 될 수 있다.
한편, 상기 목적은, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상술한 구성의 상기 비정질체를 직조하여 마련되는 방탄소재물에 의하여 달성된다.
또한, 방탄소재물에 있어서, 상술한 구성의 상기 시트형상의 비정질굿조체에 적층되는 고분자구조체를 포함하여 마련되는 방탄소재물에 의하여 달성된다.
이하에서는, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명이 실시예에 따른 비정질구조체를 멜트스피닝법에 의하여 성형하는 예시도이다. 도 1에 도시되어 있는 성형된 비정질구조체(22)는 비정질계재료인 메탈릭글라스에 나노세라믹을 코팅하여 형성된 것이다.
메탈릭글라스는 흔히 액체금속이라고도 하며 유리와 같은 비정질 구조를 갖고 있으며, 1960년경 최초로 Au-Si 합금 재료로 합성된 바 있다. 이후 다양한 합금 재료로부터 메탈릭글라스가 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 ㄱ갖는다. 또 메탈릭글라스는 내식성(corrosion resistance)이 우수하다.
통상적으로 메탈릭글라스는 비정질원자구조로 인하여 소성변형없이 없이 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.
여기서, 비정질계 재료로는 금속계의 메탈릭글라스 이외에도 폴리카보네이트 필름과 같은 종류의 엔지니어링 플라스틱 등의 고분자 소재를 선택하여 나노세라믹을 코팅하여 가공할 수도 있다.
특히 본 발명의 실시예에서는 알루미늄(Al) 계열 합금, 티타늄(Ti) 계열, 실리콘(Si) 계열 합금, 철(Fe) 계열 합금을 메탈릭글라스 재료로 채택하여 나노세라믹을 코팅하여 가공하는 것이 바람직하다.
나노세라믹은 독특한 기계적 특성을 가지고 있으며, 기존 재료들 보다 더 큰 유연성, 연성, 강도, 경도 등을 지니고 있다. 나노세라믹 재료는 점점 더 성형하기 쉬워지고 결정립 크기 감소에 따라 취성도 줄어들고 있다. 또한 균열 및 파괴 업시 가동하기도 쉽다.
이러한 나노세라믹의 특성을 이용하여, 비정질계 재료인 메탈릭글라스 또는 폴리카보네이트 필름에 코팅을 하면, 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 비정질재료(12)가 준비되어 있다. 본 발명에서는 비정질재료(12)는 용융장치(10)에 마련된 미도시한 인덕션 코일같은 가열수단을 이용하여 원하는 성분을 갖는 금속합금을 용융하여 메탈릭글라스를 준비한다.
비정질재료(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)를 가진다. 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.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비정질구조체를 연성 방탄물에 적합한 방탄소재물을 패널 형상으로 직조하는 예를 나타낸 것이다. 여기서 비정질구조체(22)는 상술한 나노세라믹이 코팅된 메탈릭글라스로 형성되거나, 메탈릭글라스 단독으로 형성될 수 있다. 이와 같이 준비된 비정질구조체(22)를 경사와 위사로 직조하여 패널(32) 형태로 성형하여 방탄소재물로 적용할 수 있다. 또 패널(32)에 나노세라믹을 코팅하여 고분자구조체나 플라스틱 필름 등의 재료를 적층하여 복층의 패널로된 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 나노세라믹코팅층(44)이 서로 교호적으로 적층되어 있다. 이에 따라 가령 외부로부터 총격을 받을 경우, 총탄으로 인한 충격에너지는 일차적으로 최외곽의 비정질구조체(42)층에 의해 상당부분 감소되어 나노세라믹(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.
표 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방탄소재물의 단면 형상을 나타낸 것이다. 도시된 방탄소재물은 도 3과 동일한 적층구조를 가조 있으며, 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 이용할 수 있다. 이때 함께 적층되는 재료로서 케블라(Kevlar) 섬유층이나, 고분자수지층을 선택적으로 사용할 수 있다.
Be : 베릴늄

Claims (2)

  1. 나노 세락믹이 코팅된 비정질계 재료와,
    상기 비정질계 재료를 단층 이상 그리고 복층의 고분자구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄소재물.
  2. 상기 청구항에 있어서,
    상기 비정질계 재료는, 금속계 메탈릭글라스와 폴리카보네이트 중 적어도 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 비정질구조체.
KR1020100002114A 2010-01-11 2010-01-11 나노세라믹 코팅 비정질구조체 및 이를 포함하는 방탄 소재물 KR20110082232A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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