KR20120012546A - 개인용 하드 방탄판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개인용 하드 방탄판탄판{에 관한 것으로, 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체로 이루어진 CNTRPCP층과; 상기 CNTRPCP층의 하면에 접합제를 통해 가열 가압되어 접합된 탄소나도튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체로 이루어진 CNTRPUP층과; 상기 CNTRPUP층의 하면에 접합제로 가열 가압되어 접합되고, 충격을 흡수하여 총상과 불런트 포스 트라우마(Blunt Force Trauma)를 방지하는 초고분자량 폴리에틸렌층과; 상기 초고분자량 폴리에틸렌층의 하면에 접합제로 가열 가압되어 접합되고, 후면파쇄와 딱지파쇄를 방지하는 스폴라이너층(Spall Liner Layer)과; 상기 스폴라이너층을 감싸면서 최종적으로 충격에너지를 흡수하도록 상기 층들을 감싸는 형태로 포장되는 케블러 방탄직물층과; 상기 케블러 방탄직물층을 다시 감싸는 형태로 포장되어 내부로의 열전달을 차단하고, 실화 또는 적탄에 의해 불에 타는 것을 방지하도록 구비되는 노멕스(Nomex) 내열직물층으로 구성된 개인용 하드 방탄판탄판을 제공한다.
본 발명의 층상이종장갑재를 이용한 하드 방탄판(Hard Armor)을 이루는 방탄층들 중 한 층인 초고분자량 폴리에틸렌층, 즉, Dyneema 다이니마 UD 또는 Spectra 스펙트라 섬유들을 일정하게 층층이 배열한 후 이 섬유들에 필요한 온도와 압력을 가하여 특정한 두께의 방탄 및 방검, 방도 성능을 가진 부직포 형태로 만들고, 충분한 양의 D3o 충격흡수물질을 침습시켜 특정한 두께의 방탄, 방검, 방도 및 충격흡수 성능과 함께 소프트 방탄판(Soft Armor)로서 필요한 유연성(Flexibility)과 가벼운 무게(Light Weight)를 가진 초고분자량 폴리에틸렌층과; 상기 초고분자량 폴리에틸렌층의 외부를 감싸는 형태로 포장되어 내부로의 열전달을 차단하는 노멕스 내열직물층으로 이루어진 소프트 방탄 패널(Soft Armor Panel)과; 상기 소프트 방탄 패널(Soft Armor Panel)들을 필요한 수 (약 4~5 매) 만큼 겹쳐 소프트 방탄판(Soft Armor)를 제공하며; 또한 상기 층상이종장갑재 하드 방탄판(Hard Armor)들과 초고분자량 폴리에틸렌층 소프트 방탄판(Soft Armor)들을 함께 수납 또는 상황에 따라 둘 중 한 가지만 수납하여 착용할 수 있으며, 가죽처럼 질기고, 닳아짐에 강한 1000 Denier Cordura 코듀라 나일론 원단에 바깥쪽은 불에 타지 않는 방염(防炎)처리, 안쪽은 방수(防水), 방습(防濕), 발한(發汗), 방한(防寒) 기능을 위해 된 고어텍스(Gore-Tex) 또는 딘텍스(DINTEX)로 처리를 하여 내부의 방탄판들과 착용자를 보호할 수 있도록 제작된 다양한 형태의 방탄복 외피(Outer Vest)를 제공한다.
그리고, 이 방탄복은 뛰어난 방검, 방도(Stab Proof) 성능을 가지고 있기에 방검복(Stab Proof Vest)으로의 사용도 가능하다. 뿐만 아니라, 각개 병사가 착용하는 방탄복의 하드 방탄판(Hard Armor) , 방탄헬멧 등을 방탄용 층상이종장갑재(Layered Hybrid Armor Material For Personnel Armor)로 구조적 결합성을 갖도록 조합하여 적탄의 충격에너지를 단계적으로 감소시킴과 동시에 탄자에 의한 파편이 관통되지 못하도록 함으로써 부상, 관통상 등을 억제하여 각개 병사의 신체를 최대한 안전하게 방호하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

개인용 하드 방탄판{Hybrid Hard Armor for Personnel Protection}
본 발명은 개인용 하드 방탄판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전장에서 적탄으로부터 각개 병사의 신체를 적절히 방호할 수 있도록 각개 병사에게 지급되는 방탄복, 방탄헬멧 등의 방탄성능을 혁신적으로 개선한 개인용 하드 방탄판에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 이라크와 아프가니스탄에서 작전을 수행중인 미군의 경우 병사 개개인이 모두 IOTV(Improved Outer Tactical Vest), CIRAS(Combat Integrated Releasable Armor System)와 같은 NIJ Level IV 수준의 방탄능력을 가진 방탄복을 입고 있으며, 미 육군의 경우 미 육군에 의해 개발되었고 프랑스에서 생산되어 미군에 납품되는 MSA사의 MICH(Modular Integrated Communications Helmet)-TC2000 ACH(Advanced Combat Helmet)라는 최신형 케블러(Kevlar) 헬멧을 착용하고 있다.
물론, 이 헬멧은 그 전에 쓰던 PASGT 방탄헬멧보다 야시장비와 통신장비를 부착하기가 용이해졌고, 내부도 M1 철모에서 쓰였던 방법과 크게 다르지 않은 전통적인 방식인 여러 개의 띠들을 연결해 헬멧 안쪽면과 착용한 병사의 머리를 이격시키는 대신 여러 개의 쿠션들을 붙이고 턱끈도 기존의 2점식이 아닌 자전거용 안전헬멧처럼 4점식 턱끈을 써서 착용감이 좋고 머리에 고정도 잘 된다는 이점이 있으며, PASGT 헬멧의 연장된 뒤통수 보호부가 엎드려 쏴 자세에서 뒷목 부위에 닿아 밀리면서 헬멧 전체가 앞쪽으로 회전해서 앞부분이 너무 내려와 시계를 좁게하고 M-16 계열 소총의 총열 축선에 비해 높이 올라와 있는 가늠자와 부딪혀 사격시 곤란을 겪는 등 그 동안 지적된 여러 가지 문제점들을 해결하기 위해 새로 설계된 것이다.
그러나, 전체적인 방어면적이 작아져서 이 헬멧을 착용하기 시작한 후 머리 부분에 부상을 입는 경우가 더 많이 늘었다는 지적도 함께 받고 있다.
한편, 국군의 경우에도 이라크에 파병된 병력들은 폴리에틸렌 계열 방탄섬유이면서 네덜란드에 위치한 DSM사에서 생산하는 다이니마(Dyneema) UD를 이용한 방탄장비를 사용하고 있지만 수가 부족하여 작전 투입 병력 및 경계 병력 외에는 미군의 PASGT 방어복을 모방한 국산 케블러 방탄복을 착용하고 있다.
UHMWPE(Ultra High Molecular Polyethylene; 초고분자량 폴리에틸렌)인 Dyneema UD에서 UD는 한 방향(Uni-Directional)으로 섬유가 배열되었다는 말의 약어인데, 이는 미국 Honyewll사에서 생산하는 같은 초고분자량 폴리에틸렌 계열의 방탄섬유인 스펙트라(Spectra)와 거의 비슷한 성능을 갖는다.
케블러의 경우 섬유로 직물을 짜서 이 직물을 필요한 만큼 여러 겹으로 합쳐 이용하는 방법을 쓰는 것과 달리 Dyneema UD의 가공 방법은 많은 수의 Dyneema UD 섬유를 한 방향으로 배열한 뒤 다시 많은 수의 Dyneema UD 섬유들을 다른 방향으로 배열하고, 그 위에 또 다른 방향으로 배열하기를 반복한 후 열을 가하여 섬유들이 서로 들러붙게 만들어서 모든 방향에서 가해지는 외력을 견딜 수 있는 부직포 형태로 만들어 이용한다.
즉, 가장 쉬운 예로 우리 국군의 이라크 주둔 병력이 입는 방탄복의 전면과 후면에 삽입되는 방탄판의 경우 Dyneema UD 섬유들을 한 방형으로 배열하여 층을 만든 후 다음 층은 섬유들을 다른 방향으로 배열하고, 그 다음 층은 또 다른 분야로 배열하는 식으로 계속 층을 쌓은 다음 열과 압력을 가해서 서로 들러붙도록 하여 최종적으로 만들어진 방탄판이 특정 방향에 대해서 약점을 가지지 않도록 제작한 것을 들 수 있다.
아울러, 국군의 신형 방탄헬멧도 Dyneema UD 섬유를 이용하여 제작하며, 제작원리는 방탄판과 같고, 방탄헬멧 형상의 바깥쪽 금형에 재료를 놓고 안쪽 금형으로위에서 누르며 열을 가하는 작업이 더해졌다는 것만 다를 뿐이다.
한편, 각개 병사가 가장 많은 위험에 노출될 수 있는 적탄으로는 도 1에 예시된 7.62 x 39mm M-43탄과 7.62 x 54mm R(Russian)탄을 들 수 있다.
먼저, 7.62 x 39 mm M-43 탄의 특징을 살펴보면, 이를 생산하는 러시아 및 다른 구소련에 포함되었던 국가들의 문제점인 전략자원으로 분류되는 납과 구리의 부족으로 서방에서 생산되는 탄약들과 달리 납이 아닌 연철을 탄심(core)으로 하여 총강 내부와 강선이 상하지 않도록 황동피갑을 을 씌우는 방식으로 탄자를 만들고, 탄피의 경우도 구리 자원의 부족으로 인한 황동의 부족으로 황동대신 연철로 제작하며, 이에 따라 서방에서 생산된 황동제 탄피을 가진 탄약과 달리 압력을 가해 누르는 방법만으로는 방수가 되지 않으므로 물이나 습기에 의한 탄약의 망실을 줄이기 위해 탄자에 탄피가 씌어진 부분에 래커(Lacquer) 도료를 발라 방수 처리하고 있다.
따라서, 탄심이 납이 아닌 연철이라는 점 때문에 보호되지 않은 인체에 고속으로 충격할 경우 탄자가 부서지는 경우가 적으며 서방의 탄약보다 작은 정도의 부상을 입히지만, 방탄장비에 고속으로 충격할 경우에 부서지지 않고 뚫고 나갈 경우가 서방의 탄약보다 더 높다고 볼 수 있다.
그리고, 7.62 x 54mm R 탄은 19세기에 개발된 러시아의 Mossin-Nagant 소총을 위한 탄약으로 2차 세계대전까지 Mossin-Nagant 소총과 SVT-40 반자동 소총의 탄약으로 쓰였지만 구식 탄약으로 탄피 바닥에 돌출된 테(Rim)가 둘러져 있어 요즈음의 둥근 테가 없어 탄알집 장전과 총기내 송탄작용이 쉬운 Rimless 탄약들에 비하여 복잡한 급탄기구가 필요하지만 미국 30.06(7.62mm 구경 M-1903 소총과 M-1소총의 탄약)과 거의 같은 위력을 가지고 있기 때문에 M-43 탄의 부족한 위력을 만회할 수 있어 드라구노프 반자동 저격총(Dragunov SVD)과 PKM 범용기관총의 탄약으로 쓰이고 있다.
미군의 경우 육군의 신형 IOTV 방탄복을 입고 있으며 이 방탄복 내부에는 케블러(Kevlar KM2)로 짠 방탄 직물을 여러 겹 겹쳐 만든 소프트 방탄판(Soft Armor)과 함께 하드 방탄판(Hard Armor)으로 분류되는 ESAPI(Enhanced Small Arms Protection Insert)들이 앞판과 등판에 10" x 12" 크기로 2 장, 양 옆구리에 5" x 8" 크기로 2 장, 총 4 장이 삽입되어 있으며, 가슴 부분 위쪽 중앙에 부위에 신속해체용 케이블이 부착된 손잡이가 숨겨져 있고, 무게는 대략 6 feet의 키에 90 kg 정도 몸무게를 가진 착용자를 위한 라지 사이즈의 경우 35 lb(파운드, 35 lb는 약 16 kg)으로 무거운 편이다.
소프트 방탄판(Soft Armor)과 하드 방탄판(Hard Armor)이 모두 갖춰진 경우 구소련의 7.62mm 탄약의 직격으로부터 착용자를 보호할 수 있으며, 소프트 방탄판(Soft Armor) 만으로는 9mm 권총탄이나 수류탄 파편들 정도만 방어할 수 있고, 방어 수준은 한국전, 월남전에서 쓰였던 M-52, M-55, M-69 등의 나일론 방탄복이나 이를 교체한 PASGT 케블러 방탄복과 거의 같은 수준으로 알려져 있다.
국군이 전방부대 근무자들에게 일부 보급한 방탄복은 우리나라에서 제작된 PASGT 방탄복 모방품으로 원품인 미군의 PASGT 방탄복은 NIJ Level 로 분류되기 힘들 정도로 낮은 방탄능력(신품일 경우 겨우 권총탄 방어)을 가지고 있고, 우리 해병대의 경우 10" x 12" 산화알루미늄 방탄판을 수납할 수 있는 주머니가 전면에 부착되어있는 방탄복이 일부 보급되어 있지만 PASGT 같이 방탄판이 없이 케블러(또는 투론(Twaron)) 방탄직물을 여러 겹 겹쳐서 만든 소프트 방탄판(Soft Armor)만 들어있는 방탄복에 권총탄, 수류탄 파편 등이 충격했을 경우 방탄패널 후면으로 심한 변형이 발생하고, 이 변형은 인체에 불런트 포스 트라우마(Blunt Force Trauma) 즉, 야구 방망이와 같이 무딘 물체로 가격 당했을 경우 생기는 부상이 발생하며, 이는 트라우마(Trauma)가 약할 경우 크고 심한 멍이 들게 되는 정도로 끝나지만 트라우마(Trauma)가 심하면 갈비뼈가 부러지거나, 충격에 의해 내부 장기들이 손상되거나, 심한 경우 부러진 갈비뼈 등이 심장 또는 심장으로 이어지는 큰 혈관계, 폐에 손상을 입혀 사망에 이르게 할 수 있다.
이를 막기 위해 고안된 것이 트라우마 패드(Trauma Pad) 로 단순히 충격을 흡수하는 물질로 된 것부터 방탄 성능을 가진 것까지 있으며, 군에서 사용되는 것은 방탄 성능을 가진 트라우마 패드(Trauma Pad)로써 하드 방탄판(Hard Armor)으로 분류된다.
또한, 하드 방탄판(Hard Armor)으로 분류되는 ESAPI(Enhanced Small Arms Protection Insert) 방탄판은 산화알루미늄 세라믹 등으로 제작되었으며 기존의 방탄판이었던 SAPI에 비해 AP(Armor Piercing)탄 즉, 탄자 내부의 탄심이 강철인 철갑탄에 대한 방어가 가능하다.
이는 세라믹 방탄판의 전면에 고속의 탄자가 충격하면 경도가 매우 높은 세라믹 방탄판이 탄자를 부수어버리지만, 이 세라믹 또한 취성 재료이기 때문에 방탄판도 같이 부서지며 충격에너지의 많은 부분을 흡수하지만 1~2 발 정도의 탄자에 의해 부서져 무능화된다.
방탄판의 경우 이렇게 세라믹으로 된 방탄판, 방탄섬유를 압축하여 만든 방탄판이 있는데 방탄섬유로 짠 직물 또는 부직포 여러 겹을 압축하여 만든 방탄판의 경우 여러 발의 탄자를 맞아도 방탄 능력이 유지된다.
세라믹으로 된 방탄판의 단점을 보완하기 위해 후면에 방탄섬유로 짠 직물 여러 겹을 붙여서 앞에서 설명한 것처럼 쉽게 무능화되는 단점을 보완한 것이 미군에 의해 쓰이고 있다.
하지만, 이것도 여러 발의 소총탄을 방어할 수 없다는 것이 현재의 이라크 전쟁과 아프가니스탄 전쟁을 통하여 알려졌으며, AK-47, AKM 소총에서 발사되는 M-43 탄약 2~3 발 정도면 IOTV를 입은 병사도 사망하였고, IED(Improvised Explosive Device 급조폭발물)의 폭발에 휘말리면 다행히 생명을 건진다 해도 몸통만 비교적 잘 방어되었기 때문에 팔이나 다리가 떨어져 나가는 경우가 발생하였다.
그리고, 세라믹 방탄재의 후면에 케블러 방탄 직물을 여러 겹으로 된 방탄재로 보완한다고 해도 방탄판에 충격하는 첫 번째 탄자나 두 번째 탄자에 세라믹 재료가 부서져 버리면 후면의 얇은 방탄직물이 겨우 방탄판이 떨어져 나가는 것을 잡아주는 정도라서 이 상태에서 방탄판을 교체하지 않고 계속 소총탄에 노출되게 되면 방탄직물에 탄자가 충격할 때 순간적으로 전단신장(Shear Stretching) 현상이 생기며 이 현상에서 빨리 회복되지 않으면 그 다음 충격에는 방탄 섬유가 끊어져 버려 관통하게 된다.
뿐만 아니라, AK-74를 대체하는 러시아의 제식소총이 될 뻔 했던 AN-94 ABAKAN 소총의 경우 1,800발/분의 속도로 2점사가 가능했고, 미국과 서독의 제식소총이 될 뻔했던 독일 H&K(헤클러운트코흐)사의 G-11 무탄피 소총의 경우도 매우 빠른 속도의 3점사가 가능했기 때문에 이러한 소총들을 통해 탄이 방탄 직물에 발사되었을 경우 전단신장(Shear Stretching) 현상에 의하여 쉽게 관통하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 탄소나노튜브를 이용하여 특정 성질을 강화시킨 탄소나노튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체, 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체와, 초고분자량 폴리에틸렌인 다이니마(Dyneema) UD 또는 스펙트라(Spectra) 섬유 방탄부직포, 케블러 방탄직물을 효용성있게 결합하여 방탄성능 향상과 기계적 성질 향상 및 충격흡수능력 향상을 통해 각개 병사의 개인 방호성을 더욱 높여 적탄으로부터 병사의 신체를 더욱 더 확실하게 방호할 수 있도록 한 개인용 하드 방탄판을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체로 이루어진 CNTRPCP층과; 상기 CNTRPCP층의 하면에 접합제를 통해 가열 가압되어 접합된 탄소나도튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체로 이루어진 CNTRPUP층과; 상기 CNTRPUP층의 하면에 접합제로 가열 가압되어 접합되고, 충격을 흡수하여 총상과 불런트 포스 트라우마(Blunt Force Trauma)를 방지하는 초고분자량 폴리에틸렌층과; 상기 초고분자량 폴리에틸렌층의 하면에 접합제로 가열 가압되어 접합되고, 후면파쇄와 딱지파쇄를 방지하는 스폴라이너층(Spall Liner Layer)과; 상기 스폴라이너층을 감싸면서 최종적으로 충격에너지를 흡수하도록 상기 층들을 감싸는 형태로 포장되는 케블러 방탄직물층과; 상기 케블러 방탄직물층을 다시 감싸는 형태로 내부로의 열전달을 차단하고, 실화 또는 적탄에 의해 불에 타는 것을 방지하도록 구비되는 노멕스(Nomex) 내열직물층으로 구성된 개인용 하드 방탄판(Hard Armor)을 제공한다.
이때, 상기 초고분자량 폴리에틸렌층은 여러 겹으로 적층된 다이니마(Dyneema) UD 또는 스펙트라(Spectra) 섬유 부직포들 사이사이에 D3o 충격흡수재료를 온도와 압력을 가해 빈틈없이 채우는 형태로 침습시켜 충분한 두께를 가지도록 성형된 것에도 그 특징이 있다.
또한, 상기 스폴라이너층은 여러 겹으로 적층된 케블러 방탄직물과, 상기 케블러 방탄직물 사이사이에 침습된 충격흡수용 D3o로 이루어진 것에도 그 특징이 있다.
뿐만 아니라, 상기 방탄용 층상이종장갑재(Layered Hybrid Armor Material For Personnel Armor)로 된 하드 방탄판(Hard Armor) 구성층들 중 초고분자량 폴리에틸렌층을 다시 이용하여 방탄, 방검, 방도, 및 충격흡수 성능을 가진 소프트 아머(Soft Armor)를 제작한다. 이 초고분자량 폴리에틸렌층은 열에 약하므로 이를 보호하기 위해 노멕스(Nomex) 내열직물이 다시 포장재로 이용된다.
아울러, 상기 층상이종장갑재(Layered Hybrid Armor Material For Personnel Armor)로 된 하드 방탄판(Hard Armor)과 이 층상이종장갑재중 한 층인 초고분자량 폴리에틸렌층을 노멕스(Nomex) 내열직물로 포장한 소프트 방탄판(Soft Armor)는 상황에 따라 이 두 종류의 방탄판들이 함께 또는, 두 종류들 중 한 종류의 방탄판들이 특수 가공 및 처리된 1000 Denier Cordura 코튜라 나일론 원단으로 제작된 여러 가지 형태의 외피(Outer Vest)들 중 하나에 삽입되어 방탄복(Body Armor)를 이룬다.
본 발명에 따르면, 각개 병사가 착용하는 방탄복, 방탄헬멧 등을 층상이종장갑재로 구조적 결합성을 갖도록 조합하여 적탄의 충격에너지를 단계적으로 감소시킴과 동시에 탄자에 의한 파편이 관통되지 못하도록 함으로써 부상, 관통상 등을 억제하여 각개 병사의 신체를 최대한 안전하게 방호하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 적성국가의 탄약들인 7.62 x 39mm M-43탄과 7.62 x 54mm R(Russian)탄의 예시적인 사진이다.
도 2는 본 발명에 적용된 Bulk Polymer Matrix내 탄소나노튜브들의 3-D Random Orientation의 예시적인 그림이다.
도 3은 본 발명에 적용된 카본나노튜브 강화 폴리우레탄 고분자 중합체의 예시적인 구조도이다.
도 4는 본 발명에 따른 개인용 하드 방탄판(Hard Armor)과 다음에 소개될 소프트 방탄판(Soft Armor)의 예시적인 구조도들이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 나노테크놀러지를 이용한 복합소재, 즉 나노 복합소재를 그 대상으로 한다.
여기에서, 나노 복합소재란 단위 길이가 1 Nano-meter=10-9 인 분야의 소재로서 일반적인 물리법칙이 잘 적용되지 않는 영역이기도 하다.
그래서, 이분야의 복합소재, 즉,나노복합소재는 일반적인 복합소재, 즉, 마이크로 복합소재를 나타내는 영어약어인 FRP(Fibers-Reinforced-Polymer)를 변형한 신조어인 NRP(Nanoparticles or Nanofibers-Reinforced-Polymer)로 불린다.
나노 복합소재도 마이크로 복합소재와 마찬가지로 강화소재인 Nanofiber와 이를 둘러싸며 NRP의 상당부분을 차지하는 벌크폴리머 매트릭스(Bulk Polymer Matrix)라고 불리는 중합체, 즉 열가소성 플라스틱이 있다.
나노 복합소재에 강화재로 첨가하는 나노입자는 나노튜브, 나노클래이 등이 있으며, 나노튜브에는 탄소나노튜브, 보론나노튜브 등이 있다.
본 발명에서는 탄소나노튜브를 이용하는데, 탄소나노튜브는 소재화학 분야에서 Bucky Ball이라고 부르는 흡사 축구공의 형상과도 비슷한 C60 입자에서 파생된 것으로 한쪽에 반구 모양의 C60 입자를 합성하고 그 위로 쭉 길어나게 한 후 다른 한 쪽을 반구형 C60 입자와 같은 형상으로 막은 것이다.
이러한 탄소나노튜브는 겉모양으로만 분류하면 표면을 이루는 벽이 한 겹, 즉 낱개로 하나씩 떨어져 있는 탄소나노튜브(SWNT:Single-Walled Nanotubes), 양파처럼 탄소나노튜브 안에 탄소나노튜브가 계속 들어있는 모양으로 벽이 여러 겹인 탄소나노튜브로서 각각의 벽 사이에 마찰이 거의 존재하지 않으므로 바깥쪽 탄소나노튜브에서 안쪽 탄소나노튜브를 쉽게 빼낼 수 있는 벽이 여러 겹인 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon-Nanotubes), 벽이 한 겹인 탄소나노튜브 여러 개가 붙어서 된 탄소나노튜브 다발(Single-Walled Nanotubes Bundle) 등이 그것이며, 이들 중에서 탄소나노튜브의 우수한 기계적 성질을 이용할 수 있는 것은 낱개로 하나씩 떨어져 있는 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotubes)이다.
이 탄소나노튜브를 벌크폴리머 매트릭스인 폴리우레탄에 첨가하여 가볍고 기계적 성질이 우수한 소재를 만들 수 있는데, 폴리우레탄은 이미 오래 전부터 폴리카보네이트, 아크릴 등과 함께 투명방탄장비를 만드는 소재로 쓰여 왔다.
폴리카보네이트는 경도가 높은 대신, 즉 굳기가 센 대신에 무겁고 흠집이 나기 쉬우며(특수코팅을 해서 보호한다.) 유리보다는 덜하지만 쉽게 깨지는 성질, 취성을 가진 소재이기도 하며, 세라믹 같은 소재가 정말 경도가 높기 때문에 탱크의 장갑소재, 병사들이 입는 방탄복의 방탄판 등으로 쓰이고 있지만 높은 속도의 포탄이나 총탄이 충격하면 높은 경도로 이들을 부수어버리는 대신에 세라믹 판 자체도 취성소재라 같이 깨지며 충격에너지를 흡수한다.
결국, 가까운 미래에는 폴리우레탄이 지금의 대표적 투명방탄소재이기도 한 폴리카보네이트를 대체할 예정이며, 폴리우레탄의 우수한 방탄성능을 앞서 설명한 탄소나노튜브의 우수한 기계적 성질과 함께 이용하기 위해서는 폴리우레탄에 탄소나노튜브 일정량을 첨가하여 충분히 섞어서 탄소나노튜브 입자들이 폴리우레탄 전체에 걸쳐 잘 흩어지도록 하면 되고 이렇게 하면 기계적 성질이 놀랍도록 우수해지게 되는데 한 가지 단점이 있다면 투명방탄소재의 성질이 없어진다는 점이다.
본 발명에서는 투명성은 논외로 하고, 이와 같은 조합을 통해 얻어지는 놀랍도록 우수한 기계적 성질을 획득하는 것에 있다.
일반적으로, 섬유강화복합소재(Fibre-Reinforced-Plastic)는 섬유소재로 그 기계적 성질을 강화한 합성수지들로서 가벼운 무게를 가지면서 강한, 즉 우수한 기계적 성질을 가지는 소재들을 말한다.
이때, 강화소재로 쓰이는 대표적인 섬유들은 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 등이며, 이 섬유들을 용기에 감거나 천으로 짜거나 잘게 자르는 방법 등을 이용하여 매트릭스라고 불리는 플라스틱들, 즉 에폭시(Epoxy), 비닐에스터(Vinylester), 열경화성(Thermosetting) 폴리에스터 수지과 합쳐서 FRP를 만들며, 매트릭스로 쓰이는 플라스틱으로는 이러한 FRP의 제작 공정에 더 적합한 열가소성을 가진 플라스틱들이 주로 쓰인다.
근래에는 섬유를 배열하고 열과 압력을 가하여 용융된 플라스틱을 침습시키는 과정을 단순화하기 위해 프리프렉(Prepreg)이라는 미리 배열된 섬유와 완전히 굳지 않는 플라스틱을 넓은 테이프처럼 만들어 비닐종이에 붙인 중간제품을 만들어 FRP 제작시 필요한 모양과 섬유배열 방향에 맞춰서 가위나 칼로 잘라 비닐종이만 떼어내고 붙이는 방법을 많이 쓴다.
이러한 소재들은 앞서 언급한 것처럼 무게가 가벼우면서 우수한 기계적 성질의 소재가 필요한 최신항공기, 우주선, 최신형군함, Formular-1경주용 자동차 등의 제작에 많이 쓰이고 있다.
그래서, FRP에서는 전체 부피에서 섬유가 차지하는 비율(Volume fraction of Fiber)이 크다. 하지만, 마이크로 사이즈가 아닌 나노 사이즈의 강화소재들이 첨가되는 NRP(Nanoparticles or Nanofibres-Reinforced-Polymer) 나노입자들 또는 나노섬유들, 특히 본 발명에 따른 탄소나노튜브들로 강화된 고분자중합체에서는 도 2와 같이 삽입된 섬유 강화소재 사이의 크기 차이 때문에 탄소나노튜브들의 비표면(Specific Surfaces)들이 마이크로 섬유들 보다 훨씬 큰 비표면(Specific Surfaces)들을 가지게 된다.
이 때문에 벌크폴리머(Bulk Polymer) 중합체에 삽입된 나노 섬유들 주위에 무시할 수 없는 부피를 가진 새로운 층, 즉 물질 자체는 벌크폴리머 중합체와 같으나 그것의 기계적 성질은 나노 섬유의 우수한 기계적 성질에 의해 개선된 층인 난벌크 인터페이스(Non-bulk Interphase) 중간층이 생겨난다.
이와 같이, 탄소나노튜브 강화 중합체(CNTRP:Carbon Nanotubes-Reinforced-Polymer)의 경우 Non-bulk Interphase는 CNTRP 전체의 기계적 성질에 좋은 쪽으로 큰 영향을 끼치게 되는데, 본 발명에서는 1 개의 CNTRP Layer 층 또는 2 개의 CNTRP Layers 층들 또는 다른 탄소나노튜브 강화 재료층(Carbon Nanotubes-Reinforced-Material Layer)을 포함하는데, 이와 같은 구조로 삽입된 탄소나노튜브들을 둘러싸고 있는 무시할 수 없을 정도로 큰 부피비의 Non-bulk Interphase 들을 가진다.
특히, 본 발명은 탄소나노튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체(CNTRPUP:Carbon Nanotubes-Reinforced-Polyurethane-Polymer)를 주된 구성으로 이용하고 있는데, 이때 벌크폴리머로 폴리우레탄을 선택한 이유는 현재 투명장갑재료로 많이 쓰이고 있는 폴리카보네이트보다 더 방탄성능이 우수하기 때문으로 앞서 설명된 한 겹의 벽으로 이루어져 있으며 낱개로 떨어져 있는 탄소나노튜브의 놀라운 기계적 성질을 고려하면 특정한 한 겹의 벽으로 이루어져 있으며 낱개로 떨어져 있는 탄소나노튜브가 벌크폴리머인 폴리우레탄 안에서 골고루 여러 방향을 가리키며 흩어져 있을 경우 도 2와 같이 이론상의 3-Dimensional Random Orientation Process 와 비슷한 공정을 거친 것과 같은 효과로 인하여 도 3과 같이 모든 방향에 대하여 균질한 방탄성능 및 기계적 성질을 가진 우수한 방탄재료를 만들 수 있음에 착안된 것이다.
무엇보다도, 본 발명은 각개 병사의 개인 방호성을 높일 수 있는 방호장비의 구조적 결합에 있다.
이를 위해, 본 발명은 탄소나노튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체(CNTRPUP:Carbon Nanotubes-Reinforced-Polyurethane-Polymer), 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체(CNTRPCP: Carbon Nanotubes - Reinforced - Polycarbonate-Polymer), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE:Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 즉, 앞에서 언급한 다이니마(Dyneema) UD 또는 스펙트라(Spectra) 섬유와 최신의 케블러 방탄직물(Kevlar XP)로 짜진 방탄직물의 우수한 방탄성능과 기계적 성질들 및 D3o 충격흡수재료를 이용하여 방탄복의 전면-후면 방탄판, 어깨 및 상박 보호패드, 팔꿈치 보호패드, 허벅지 보호패드(허벅지의 Main Artery 대동맥 보호를 위한), 무릎 보호패드, 방탄헬멧, 전투화의 방탄밑창 등을 제조하도록 한 것이다.
여기에서, D3o는 영국의 D3o Lab.이라는 재료연구소에서 개발한 물질로 매우 뛰어난 충격흡수능력을 가지고 있는데, 이 D3o를 용융시킨 후 여러 겹의 케블러 방탄직물을 충분히 적셔서 적층된 케블러 방탄직물들에서의 층과 층 사이, 섬유와 섬유 사이에 생기는 공간들을 용융된 D3o가 충분히 매울 수 있도록 높은 압력을 가하여 침습시킨 후 건조시키면 스폴라이너(Spall Liner)로서의 방탄 성능에 더하여 뛰어난 충격흡수능력을 갖게 할 수 있다.
특히, 본 발명에서 제일 먼저 고려되어야 할 점은 착안된 방탄판이 적의 탄약 1~2 발에 의해서도 쉽게 무력화되지 않도록 한 것인데, 다시 말해 고속의 탄자가 방탄판에 충격할 경우 방탄판의 경한 부분(Hard Part)이 쉽게 뚫리지 않으면서도(탄자가 방탄판에 박히는 것도 고려) 그 충격에너지를 효과적으로 흡수하고, 다시 남은 에너지는 방탄판 뒤의 Dyneema UD, Spectra와 같은 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)층에서 다시 흡수되며, 여기서 남은 소량의 충격에너지는 최종적으로 케블러(Kevlar XP) 방탄직물로 된 스폴라이너(Spall Liner)층에 의해 흡수되고, 그리고도 남은 충격에너지는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)층(Dyneema UD 또는 Spectra 스펙트라)로 된 연한 부분에서 최종 흡수되어, 결국에는 비록 착용한 병사의 신체에 발생하는 불런트 포스 트라우마(Blunt Force Trauma)를 완전히 막을 수는 없겠지만 최소화시킬 수 있게 된다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 층상이종장갑재는 적탄이 직접 피격되는 각개 병사의 방호장비의 표면을 이루는 CNTRPCP층(100)을 포함한다.
상기 CNTRPCP층(100)은 앞서 설명한 바와 같이, 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체로 이루어진다.
그리고, 상기 CNTRPCP층(100)의 하면, 즉 착용시 더 안쪽에는 CNTRPUP층(200)이 접합된다.
이때, 상기 CNTRPUP층(200)은 앞서 설명한 바와 같이, 탄소나노튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체로 이루어진다.
아울러, 이들 CNTRPCP층(100) 및 CNTRPUP층(200)은 접합제(접착제)를 도포한 후 가열 가압되는 형태로 견고히 접합됨이 바람직하다.
또한, 상기 CNTRPUP층(200)의 하면에는 초고분자량 폴리에틸렌층(300)이 접합된다.
상기 초고분자량 폴리에틸렌층(300)은 D3o가 다이니마(Dyneema) UD 혹은 스펙트라(Spectra)에 침습된 형태로 형성되며, 단순 침습이 아니라 빈틈이 생기지 않도록 높은 압력을 가하면서 침습시키는 형태로 형성된다.
나아가, 상기 초고분자량 폴리에틸렌층(300)의 하면에는 스폴라이너(Spall Liner)층(400)이 접합된다.
상기 스폴라이너층(400)은 충격흡수를 위한 것으로, 케블러 방탄직물(Kevla XP)에 D3o를 침습시킨 형태이다.
이렇게 4개의 층으로 이루어진 본 발명 구조물에 케블러 방탄직물이 발라져 구조물 전체를 일종의 포장하는 형태로 케블러 방탄직물층(500)을 구성하고, 최종적으로 내열성을 갖도록 내열직물(Nomex)로 포장하여 내열직물층(600)을 구성함으로써 본 발명중 하드 방탄판(Hard Armor)이 완성된다.
그 다음, 초고분자량 폴리에틸렌층(700)은 기본적으로 상기 발명된 층상이종장갑재로 된 하드 방탄판(Hard Armor) 중의 초고분자량 폴리에틸렌층(300)을 다시 소프트 방탄판(Soft Armor)로 이용한 것으로 초고분자량 폴리에틸렌(UHWPE) 섬유인 다이니마(Dyneema) UD 혹은 스펙트라(Spectra)를 적층한 후 높은 온도를 가해 만든 특정 두께의 방탄부직포 4 장에 충격흡수물질 D3o를 침습시킨 형태로 형성되며, 단순 침습이 아니라 빈틈이 생기지 않도록 높은 압력을 가하면서 침습시키는 형태로 특정한 두께를 가지도록 형성된다.
상기 초고분자량 폴리에틸렌층(700)을 일종의 포장하는 형태로 내열성을 갖도록 앞에서 층상이종장갑재 하드 방탄판(Hard Armor)의 내열성능을 위한 포장재로 이용했던(600) 노멕스(Nomex) 내열직물로 포장하여 내열직물층(800)을 구성함으로 소프트 방탄 패널(Soft Armor Panel)이 만들어진다.
상기 내열직물층(800)으로 포장된 소프트 방탄패널(Soft Armor Panel)을 4~5 매 겹쳐서 소프트 방탄판(Soft Armor)가 형성된다,
하드 방탄판(Hard Armor)와 소프트 방탄판(Soft Armor)를 수납하여 보호할 수 있도록 바깥쪽은 방염(防炎)처리가 되어 있고, 안쪽은 고어텍스(Gore-Tex)나 딘텍스(DINTEX)로 방수(防水), 발한(發汗) 처리가 되어있는 1000 Denier Cordura 코듀라 나일론 원단을 이용한 다양한 형태의 외피(Outer Vest)(900)에 하드 방탄판(Hard Armor), 소프트 방탄판(Soft Armor) 두 종류를 모두 수납하여 착용하거나, 상황에 따라 두 종류 중 한 종류의 방탄판을 수납하여 착용한다.
이와 같은 구조물의 각 층에 대한 구체적인 후술하기로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명에서 하드 방탄판(Hard Armor), 즉 방탄판의 단단한 부분을 경도가 높긴 하지만 쉽게 파손되는 세라믹 재료를 사용하지 않고, CNTRPUP보다 방탄능력은 부족하나 경도가 더 높고 역시 기계적 강도가 높은 방탄재료인 CNTRPCP(Carbon Nanotubes-Reinforced-Polycarbonate-Polymer)에 적탄이 먼저 충격하게 하여 탄자가 파손됨과 동시에 어느 정도의 충격 에너지를 잃게 한다.
그런 다음, 낮춰진 충격 에너지를 가진 망가진 탄자나 탄자의 파편들이 경도는 더 낮지만 즉, 재질은 더 무르지만(Softer) 방탄능력이 높은 CNTRPUP에 충격하게 하여 다시 탄자 또는 탄자가 부서진 파편들의 속도와 충격에너지를 감소시키며, 다시 Dyneema UD 또는 Spectra 스펙트라 부직포에 D3o 충격흡수재료를 침습시킨 층에서 파손된 탄자 또는 탄자 파편을 속도와 충격에너지를 줄이고, 마지막으로 Kevlar XP 방탄직물 여러 겹에 D3o 충격흡수재료를 침습시킨 층에서 최소화되게 만드는 것이다.
만약, 철갑탄과 같은 높은 충격 에너지를 가진 탄자가 방탄판에 충격하더라도 앞서 설명한 충격 에너지의 단계적인 감소 및 감속 과정을 거쳐 탄자가 Dyneema UD 또는 Spectra 스펙트라와 같은 UHMWPE층, 즉 초고분자량 폴리에틸렌층에 D3o 충격흡수재료를 침습시킨 방탄 및 충격흡수층과 이 층의 후면에 접합된 케블러 방탄직물층에 충분한 양의 D3o 충격흡수재료를 침습시킨 방탄 및 충격흡수층을 뚫지 못하고 정지하게 하여 방탄판 뒤에 삽입되어 있는 소프트 방탄판(Soft Armor)에 가해지는 충격에너지를 최소화시킬 수 있게 된다.
특히, 여러 겹의 UHMWPE층, 즉 초고분자량 폴리에틸렌층(300)(Dyneema UD 또는 Spectra와 같은) 방탄부직포층이나 여러 겹의 케블러 방탄직물층에 충분한 양이 침습(미리 용융된 D3o 충격흡수재료에 이러한 방탄직물층들을 단순히 담그는 것이 아니라 높은 압력을 가하여 방탄직물층과 D3o 충격흡수재료사이의 빈틈을 거의 없애도록 하고 이 충격흡수성능을 발휘하기에 충분한 두께를 가진 새로운 복합재료)시켜 방탄성능과 우수한 충격흡수성능으로 불런트 포스 트라우마(Blunt Force Trauma)를 막을 수 있는, 즉 총상과 불런트 포스 트라우마(Blunt Force Trauma)라는 두 가지를 함께 방호할 수 있는 방탄 겸 충격흡수재료층을 갖는 것이 본 발명의 주요한 특징중 하나이다.
그리하여, 필요한 크기로 제작된 각 방탄판들은 다시 일상적인 착용중 파손되는 것을 막기 위해 접합제(접착제)가 도포된 케블러 방탄직물로 전체를 포장한 다음 마지막으로 내부로의 열전달을 차단(Heat Proof)하고 실화 또는 적의 무기에 의해 불에 타는 것을 방지(Flame Proof)하기 위해 내열직물(Nomex)로 포장됨이 바람직하다. 마침내 본 발명의 목적인 적의 탄약 및 수류탄, 박격포탄 폭발시 비산되는 파편들로부터 방탄장구를 착용한 병사들을 보호할 수 있는 층상이종장갑재 하드 방탄판(Hard Armor)이 만들어진다.
한편, 실제 상황에서는 본 발명의 목적인 층상이종장갑재 하드 방탄판(Hard Armor)외에도 하드 방탄판(Hard Armor)이 커버하지 못하는 부분을 방어하거나, 앞에서 발명된 층상이종장갑재 하드 방탄판(Hard Armor)을 보조하여 방탄 성능을 보강할 수 있으며, 만약 층상이종장갑재 하드방탄판(Hard Armor)이 적탄이나 파편에 의해 무력화되었을 경우나, 층상이종장갑재 하드 방탄판(Hard Armor)이 무력화되지는 않았지만 적탄 및 파편에 의해 안쪽 부분에 일부가 크게 튀어나오는 Buldging 같은 큰 변형이 발생하거나, 적탄 및 파편의 충격에 의해 충상이종방탄재 하드 방탄판(Hard Armor)에 큰 충격에너지가 가해질 경우, 하드 방탄판(Hard Armor)과 착용자의 몸 사이에서 하드 방탄판을 통과한 탄환 또는 하드 방탄판(Hard Armor)의 부서진 파편 등이 착용자의 몸까지 진행하는 것을 방해하며, 하드 방탄판(Hard Armor) 안쪽 면의 부분적인 변형에 의한 착용자의 부상을 줄여주며, 하드 방탄판(Hard Armor)에 가해진 큰 충격에너지가 그대로 착용자의 몸으로 전파되는 것을 막아 부상을 줄이기 위해 충격에너지의 일부를 흡수할 수 있는 소프트 방탄판(Soft Armor)에 대한 고려가 필요하다. 앞에서 발명된 층상이종장갑재로 된 하드방탄판(Hard Armor)의 한 층인 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)층(300), 즉, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유인 Dyneema 다이니마 UD 또는 Spectra 스펙트라 섬유로 만들어진 특정한 두께의 부직포와 충분한 양의 D3o 충격흡수물질이 마치 철근콘크리트처럼 혼합된 층을 소프트 방탄판으로 다시 이용하는 것으로 이 초고분자량 폴리에틸렌층은 설명한 대로 하드 방탄판(Hard Armor)의 한 층이긴 하나 소프트 방탄판(Soft Armor)으로 쓰이기에 충분한 유연성(Flexibility) 및 가벼운 무게(Light Weight)를 가지고 있다. 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유는 케블러 섬유보다 인장강도가 약 40% 정도 더 우수하며 흡습성이 매우 낮고 닳아짐에 대한 저항도 상당히 높으면서도 무게가 더 가볍다. 또,
이 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유 부직포는 케블러 섬유 직물와 달리 날카로운 흉기류에 찔리거나(Puncture) 도검류에 의해 베어지는 것에 대한 저항이 강하여 우수한 방검 및 방도 성능(Stab Proof)을 가지고 있다.
이는 특히 백병전에서 적의 총창(착검된 소총의 북한식 표현)에 쉽게 뚫리거나 베이지 않는다는 것을 특징으로 한다.
또한, 특수작전 부대들은 적의 중요 시설 등 목표물에 침투, 파괴 후 퇴출시기도비닉(企圖庇匿)을 유지하여 정규군과의 교전을 피하기 위하여 무성무기, 즉 소음기를 부착한 총기 외에도 각종 도검류, 석궁, 도끼 등을 이용하여 초병 및 근무병들을 조용히 살해하는데, 기존 케블러는 이러한 무기들에 대한 방어력이 부족하였으나 Dyneema 다이니마 UD 또는 Spectra 스펙트라 부직포와 D3o 충격흡수물질로 구성된 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)층으로 이루어진 소프트 방탄판(Soft Armor)은 이러한 특수전 병기들에 대한 방어능력도 갖게 된다.
그러므로, 케블러 보다 가벼우면서도 우수한 방탄성능(Bullet Proof) 및 방도성능(Stab Proof)을 가진 장비를 제작할 수 있게 된다.
하지만, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 방탄부직포의 제작방법을 보면 알듯이 높은 온도에 대한 저항이 매우 낮기 때문에 고온 환경에서 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 방탄섬유들의 취약점을 보완할 수 있는 방법으로 소프트 방탄판(Soft Armor) 제작시 우주복, 방화복 등에 쓰이는 우수한 내열직물이며 앞서 발명된 층상이종장갑재로 된 하드방탄판(Hard Armor)을 포장하여 내부로의 열전달을 차단하고, 실화 또는 적탄에 의해 불에 타는 것을 방지하도록 쓰였던 노멕스(Nomex) 내열직물층(600)을 소프트 방탄판(Soft Armor)의 포장재로 다시 이용하는 것이다.
그리고, 특정한 두께로 제작된 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)계열 Dyneema 다이니마 UD 또는 Spectra 스펙트라 방탄부직포층을 필요한 만큼 여러 겹을 겹친 후에 앞에서 설명한 D3o 충격흡수재료를 충분히 침습시켜서 특정한 방탄, 방검, 방도 및 충격흡수 성능을 가진 소프트 방탄패널을 제작함으로 소프트 방탄판(Soft Armor)의 중량을 가능한 줄이면서도 필요한 방탄, 방검, 방도, 충격흡수 성능, 즉 외부로부터 가해질 수 있는 모든 상황에 대한 저항능력을 얻되, 부족한 열에 대한 저항을 가질 수 있도록 노멕스(Nomex) 내열직물층으로 포장(Packaging)함으로써 고온 환경에서도 우수한 방호특성을 가질 수 있게 된다.
특히, 이 부분에서 초고분자량 폴리에틸렌층 소프트 방탄판(Soft Armor) 한 층을 만들어 한 겹의 Nomex 직물층으로 포장하는 것이 아니라 특정한 두께로 제작된 Dyneema UD 또는 Spectra 스펙트라 방탄부직포층 4겹에 D3o 충격흡수재료를 충분히 침습시켜 만드는 방탄패널(방탄, 방검, 방도, 겸 충격흡수) 각 1 매마다 Nomex 직물로 포장하며(800), 만약 초고분자량 폴리에틸렌층 방탄패널 4~5 매가 겹쳐져 전체적인 소프트 방탄판(Soft Armor)으로 내장된다면 굉장한 방호특성을 가질 수 있다.
또한, 필요한 경우 내부의 땀 등 습기는 발산(發汗)하며 외부의 비와 눈 등으로 인한 수분, 습기 등은 들어오지 못하게(防水, 防濕) 하며, 영하 수 십도의 낮은 기온에서도 체온을 유지할 수 있도록(防寒) 도와주는 고어텍스(Gore-Tex)로 안쪽 면이 처리된 1000 Denier Cordura 코듀라 나일론 원단으로 만들어진 다양한 형태의 방탄복 외피(Outer Vest)들을 제작하여 그 안에 하드 방탄판(Hard Armor)과 소프트 방탄판(Soft Armor)을 수납하고, 재봉선도 고어-텍스 씰링 테이프(Gore-Tex sealing tape)로 보강할 수 있다. 여기서 고어텍스는 생산비 절감을 위해 거의 비슷한 성질을 가지지만 가격이 더 저렴한 대용품인 딘텍스(DINTEX)로 교체될 수도 있다. 이 다양한 형태의 방탄복 외피(Outer Vest)들 중 전술조끼형 방탄복 외피(Outer Tactical Vest)의 바깥 면에는 방탄복이 권총집, 탄입대, 수류탄 주머니, 무전기 주머니, 지도 주머니, 구급약품 주머니, 전투용 칼집(Combat Knife Sheath) 등을 결속하는 Load Bearing Platform을 겸하는 세계적인 추세에 따라 여러 개의 1 inch(2.54 cm) 또는 각 나라의 군대, 경찰의 규격에 맞는 폭의 두꺼운 나일론 띠들(Webbings)이 일정 간격(미군은 1 inch 간격)으로 재봉된 PALS(Pouch Attachment Ladder System)이 부착된다. 이 PALS에는 MOLLE(MOdular Lightweight Load -carrying Equipment)가 붙어있는 군장수납용 주머니들(앞서 설명된)을 부착할 수 있다.
한편, 각 방탄재료의 제작방법은 다음과 같다.
각 방탄재료가 층상으로 배열된 층상이종장갑재(Layered Hybrid Armor Material For Personnel Armor)로 된 하드 방탄판(Hard Armor)을 제작하기 위해 먼저 만들고자 하는 방탄장비 - 하드 방탄판(Hard Armor) -들의 금형을 만든다.
금형은 각 재료가 적층될 두께에 따라 각기 별도로 만들어져야 하며, 각 재료들은 이 금형들을 이용하여 서로 다른 압출 성형기로 압출 성형하여 성형된 후 최종적으로 필요한 형태를 위한 금형에 서로 층별로 배열한 후 열과 압력을 가해서 최종적으로 층상이종장갑재(Layered Hybrid Armor Material For Personnel Armor)로 된 원하는 방탄장비- 하드 방탄판(Hard Armor) -들을 제작하게 된다.
최종 성형 직전에 각각의 층 사이에 접합제(접착제)를 도포하여 각 층이 서로 단단하게 접착되게 한다.
이때, CNTRPCP(Carbon Nanotubes-Reinforced-Polycarbonate-Polymer)층(100)은 먼저, 폴리카보네이트 펠렛(합성수지 공장에서 생산되는 폴리카보네이트 중간재료의 경우 펠렛 형상으로 만들어져 포대에 담겨 판매됨)을 곱게 분쇄해서 분말 상태로 만든 다음 미리 정해진 양의 탄소나노튜브 입자들을 첨가한 후 잘 섞어 폴리카보네이트 분말들 사이에 탄소나노튜브 입자들이 골고루 흩어지도록 한다.
이 상태에서, 양 끝에 구동축이 달린 긴 원통형의 용기를 통해 감속시켜 교반할 수 있는 적당한 경사를 가진 원통형 용기에 혼합되지 않은 각각의 재료들, 즉 미리 만든 폴리카보네이트 분말 일정량과 탄소나노튜브 입자 일정량을 투입한 후 원통형 용기를 천천히 회전시키면서 두 재료들이 충분히 잘 섞이도록, 즉 폴리카보네이트 분말들 사이에 탄소나노튜브 입자들이 각각 다른 방향성을 가지면 잘 흩어지도록 섞고, 이후 배출과 함께 미리 충분한 예열이 된 압출 성형기의 투입구에 넣는다.
그리고, 투입된 Carbon Nanotubes + Polycarbonate Powders 혼합물은 압출 성형기 내부에서 폴리카보네이트 분말이 녹으면서 압출 성형기 내부의 회전하는 스크류에 의해 다시 잘 섞이며 금형 주입구까지 밀려가도록 한다.
이렇게 하면, 탄소나노튜브의 입자들이 모든 방향에 대한 방향성을 가지며 벌크 폴리머(Bulk Polymer)인 폴리카보네이트에 걸쳐서 고루 흩어지는 현상, 즉 이론상의 3-Dimensional Random Orientation Process와 비슷한 효과를 얻어 모든 방향에 대하여 균질한 성능을 가진 CNTRPCP를 생산할 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명에서 가장 중요한 방탄재료인 CNTRPUP(Carbon Nanotubes-Reinforced-Polyurethane-Polymer)는 다음과 같이 제작될 수 있다.
앞서 설명한 CNTRPCP의 제작 방법과 같이 미리 폴리우레탄 중간재료를 곱게 빻거나 갈아 분말로 만든 후 미리 계산된 일정양의 탄소나노튜브 입자들을 첨가하고, 잘 혼합한 다음 압출 성형기 안에서 스크류로 다시 혼합하여 카본나노튜브 입자들이 모든 방향에 대하여 방향성을 가지면서 벌크 폴리머(Bulk Polymer)인 폴리우레탄 내부에 일정하게 흩어질 수 있게 하여 그림 2에 보인 이론상의 3-Dimensional Random Orientation Process와 비슷한 효과를 내어 최종적으로 제작된 CNTRPUP가 모든 방향에 대하여 균질한 성능을 갖도록 한다.
아울러, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)층은 충분한 두께의 Dyneema 다이니마 UD 또는 Spectra 스펙트라 섬유 방탄재와 충분한 양의 D3o 충격흡수재료를 이용하여 방탄층을 형성한다.
이때, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 재료들은 상온에서 우수한 기계적 성능, 즉 인장강도가 약 2.4 GPa에 이르는 강력한 재료들로써 가장 최신의 케블러 섬유에 비해 약 40% 이상 우수한 기계적 성질을 가지고 있다.
Dyneema 다이니마 UD와 Spectra 스펙트라의 차이는 전자는 네덜란드의 DSM사에서 생산되고 후자는 미국의 Honeywell사에서 생산된다는 것뿐이며 기계적 성질을 거의 비슷하다.
이러한 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유들로 방탄재를 만드는 방법은 케블러 방탄섬유처럼 직조기로 짜서 방탄섬유를 만든 후 필요한 방탄성능을 얻을 수 있을 만큼 여러 겹을 겹치는 것이 아니라 쉽게 녹거나 불에 타지 않는 케블러 섬유와 달리 녹는점이 낮으므로 직조기로 직조를 하는 대신 여러 가닥의 섬유들을 한 방향으로 배열한 후 열을 가하여 섬유들이 서로 들러붙게 하는 부직포(Felt)로 제작되기 때문에 특정방향에 대한 외력에 약점을 가지지 않도록 층층이 여러 방향에 대하여 섬유들을 배열한 후 가압, 가열하여 특정한 두께의 방탄, 방검, 방도 성능을 가진 초고분자량 폴리에틸렌(UHWMPE) 부직포층을 만들 수 있다. 이 특정한 두께의 방탄, 방검, 방도 성능을 가진 초고분자량 폴리에틸렌(UHWMPE) 부직포층에 충분한 양의 D3o 충격흡수물질을 침습시켜 특정한 두께의 방탄(防彈), 방검(防劍), 방도(防刀), 및 충격흡수(衝擊吸收) 성능(Bullet Proof, Stab Proof, and Impact Absorption)을 가진 초고분자량 폴리에틸렌(UHWMPE)층을 만들 수 있다.
그러나, 나중에 다뤄지겠지만 이 초고분자량 폴리에틸렌(UHWMPE)층의 치명적인 단점으로 열에 무척 약하다는 약점이 있다.
한편, 케블러 방탄섬유를 이용한 방탄층 겸 스폴 라이너(Spall Liner) 겸 충격흡수층에 대하여 설명하면 다음과 같다.
케블러 섬유로 짠 방탄직물들을 필요한 방탄성능을 가질 만큼 겹친 후 다시 충분한 양의 D3o 충격흡수재료를 침습시켜 방탄 및 충격흡수 성능을 가진 스폴라이너(Spall Liner)층을 만들며, 이 층은 방탄판이 미처 확실히 막지 못한 탄자의 파편 또는 충격에너지의 반사로 인해 발생하는 후면파쇄, 딱지파쇄 등에 의해 발생하는 방탄판의 파편들이 방탄판 후면으로 뚫고 나가지 못하게 하는 역할을 하며 방탄판이 충격에너지에 의해 부서지더라도 떨어져 나가 착용자를 다치게 하는 것을 막는 역할도 겸하게 된다.
이는 본 발명이 추구하는 중요한 개념인 "충격에너지의 단계적인 감소"에 따라 앞의 방탄층들에서도 충분히 감소되지 않은 충격에너지를 최소화하여 착용한 병사가 불런트 포스 트라우마(Blunt Force Trauma)를 입는 것을 최소화시켜 준다.
마지막으로, 미리 제작된 완성품의 금형에 위의 네 가지 재료들을 놓고 각 층 사이에 접합제(접착제)를 도포한 후 금형에 적절한 열과 압력을 가하여 네 층이 완전히 붙도록 하여 최종적으로 원하는 성능과 형태의 층상이종장갑(層狀異種裝甲)재를 제작할 수 있게 된다.
다음으로, 상술한 하드 방탄판(Hard Armor)과 함께 앞서 설명한 특수처리된 1000 Denier Cordura 코듀라 원단으로 제작된 다양한 형태의 방탄복 외피(Outer Vest)들 내에 삽입될 새로운 개념의 소프트 방탄판(Soft Armor)은 다음과 같이 제조될 수 있다. 상황에 따라 하드 방탄판(Hard Armor)과 소프트 방탄판(Soft Armor)이 함께 전술조끼형 방탄복 외피(Outer Tactical Vest) 또는 평상복 안에 입을 수 있는 방탄복 외피(Concealable Outer Vest) 또는 그 외 다른 형태의 외피들에 수납되어 착용되거나, 또는 두 종류의 방탄판들 중 한 가지만이 전술한 두 종류의 외피들중 한 종류 내에 수납되어 착용될 수 있다.
여기서 소프트 방탄판(Soft Armor)은 케블라(Kevlar), 투론(Twaron) 섬유들로 만든 방탄직물을 여러 장 겹쳐서 만든 기존의 소프트 방탄판(Soft Armor)들과는 달리 앞에서 발명한 방탄용 층상이종장갑재(Layered Hybrid Armor Material For Personnel Armor)로 된 하드 방탄판(Hard Armor)을 이루는 층들 중의 한 층으로 쓰인 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)층, 즉 Dyneema 다이니마 UD 또는 Spectra 스펙트라 부직포들과 D3o 충격흡수물질이 마치 철근콘크리트 처럼 혼합된 층을 다시 이용한다. 이 초고분자량 폴리에틸렌층은 층상이종장갑재로 제작된 하드 방탄판(Hard Armor)의 한 층으로 쓰이기는 하지만 소프트 방탄판(Soft Armor)으로 쓰일 수 있기에 충분한 유연성(Flexibility)과 이미 앞서 설명된 방탄(防彈), 방검(防劍), 방도(防刀), 및 충격흡수(衝擊吸收) 성질들을 가지고 있다.
미군의 최신형 IOTV 방탄복에 삽입된 소프트 방탄판(Soft Armor)은 PASGT 방탄복의 재료인 케블러 Kevlar 29 방탄직물로 만들어지지 않았고, 90년대 Somalia와 Kosovo에 파병되었던 미국 육군 75th Ranger 제 75 특공연대의 방탄복이었던 Ranger Body Armor의 소프트 방탄판(Soft Armor) 재료인 케블러 Kevlar KM2 방탄직물로 만들어졌다.
물론, 이 케블러 Kevlar KM2로 된 소프트 방탄판(Soft Armor)도 실제적으로 방어할 수 있는 것은 9mm 정도의 권총탄 및 세열 수류탄으로부터 비산되는 조그만 파편들 정도이지만, 1993년 10월 3일 소말리아의 수도 모가디슈하드에서 군벌 모하메드 파라 아이디드 휘하의 핵심인물들을 체포하기 위해 투입된 레인져 대원들이 산화알루미늄 세라믹으로 만들어진 하드 방탄판(Hard Armor)들의 중량 문제로 인해 하드 방탄판(Hard Armor)의 착용을 기피하는 바람에 큰 인명손실을 초래하는 경우도 발생하였다.
오랜 기간 동안 미국을 비롯한 여러 나라의 군대에서는 Body Armor의 개념을 적의 소총탄을 막는 것보다는 Ricochet(발사된 탄자가 단단한 벽 등에 맞고 부서지며 튄 파편), 수류탄, 박격포탄 등으로부터의 보호로 규정하고 있지만 전쟁의 양상이 점점 바뀌고 적의 총탄에 의한 위협도 높아졌으며 섬유기술 등 재료과학기술이 발달하여 불런트 포스 트라우마(Blunt Force Trauma)를 막기 위해 개발되었던 트라우마 패드(Trauma Pad)가 방탄능력까지 겸하는 하드 방탄판(Hard Armor)으로 발전하였다.
그럼에도 불구하고, 아직도 소프트 방탄판(Soft Armor)은 권총탄, 수류탄 파편 정도에 대한 방어능력만 가지고 있고 구형 벌리스틱 나일론(Ballistic Nylon) 방탄조끼이든 케블러(Kevlar) 방탄조끼이든 모두 도검류, 얼음송곳, 화살 등에 대한 충분한 보호능력(Stab Proof)을 가지고 있지 못하다.
이 때문에 미군은 소총탄을 막기 위해서 임시방편으로 기존의 PASGT 방탄복 위에 착용할 수 있도록 세라믹 방탄판을 삽입한 주머니를 앞 뒤로 연결하여 가운데 구멍에 머리를 집어넣는 식의 보조장비를 개발했으나 방탄성능과 무게 때문에 폐지하였고, PALS(MOLLE)가 부착된 전술조끼형 방탄복 외피(Outer Tactical Vest) 안에 케블러 소프트 방탄판(Soft Armor)과 하드 방탄판(Hard Armor)들이 수납되는 Point Blank사의 인터셉터(Interceptor) 방탄복으로 전면교체를 하였고, 다시 케이블과 이에 달린 손잡이를 이용한 신속해체기능이 추가되고 내부의 하드 방탄판(Hard Armor)들도 SAPI에서 ESAPI로 .
저강도 전쟁 또는 비대칭 전쟁이라 부르는 특수전 전력이 많은 비중을 가지는 현재의 전투양상에서는 고도로 훈련된 특수전 부대가 적의 주요 시설에 침투, 파괴, 퇴출을 하는 경우 정규군과 직접적인 교전을 피하기 위한 기도비닉(企圖秘匿)을 유지해야 하며 이 때문에 많이 쓰이게 된 것이 바로 무성무기들이다.
대표적인 무성무기들로는 소음기가 달린 총기류(주로 적의 군견 또는 초병을 죽이기 위한), 도검류, 석궁류, 손도끼류 등이 주로 쓰이게 되었으며, 보병의 경우 가장 마지막 전투수단인 백병전이 발생했을 경우 방탄조끼를 입은 상태에서도 적의 총창에 뚫려서 사망하는 경우가 많다.
또한, 근래 들어 FN Herstal 사의 5.7mm 고속탄(Five-Seven)과 같이 작은 구경의 고속탄으로 200m 거리에서 기존의 방탄복을 쉽게 관통하는 소형탄들이 등장하게 되었다.
NATO 표준 소총탄으로 채택된 5.56 x 45 mm SS-109탄(탄자중량 4 g)도 소총으로 사격시 600m 정도까지의 유효사거리와 기관총으로 사격시 800m 정도까지의 유효사거리를 가지기 위해 탄심의 일부가 강철로 되면서 탄심이 납으로만 되어 밀도가 큰 물체와 충격시 쉽게 파손되던(물론 그 때문에 살상력은 높았지만) 기존의 5.56 x 45 mm M-193탄(탄자중량 3.56 g)과 달리 어느 정도 수준의 방탄장비는 쉽게 관통할 수 있으며, 가장 최근에 미군이 장거리 저격용으로 채용한 5.56 x 45 mm Mk. 262 중량탄(탄자중량 5.0 g)은 더 설명할 필요도 없다.
이러한 이유들로 인해 본 발명의 하드 방탄판(Hard Armor)을 이루는 층상이종장갑재 중의 한 층이자 케블러보다 더 향상된 방탄성능을 가지며, 도검, 외부로부터의 강한 충격 등에 대한 어느 정도의 방호력을 가지는 초고분자량 폴리에틸렌층을 앞서 설명한 형태로 제작한 소프트 방탄판(Soft Armor)을 제공한다.
이와 같은, 본 발명은 방탄복, 방탄헬멧, 팔꿈치 보호대, 무릎 보호대, 상박 보호대, 하박 보호대, 허벅지 보호대, 아랫배 및 낭심 보호대, 전투화의 밑창, 방판방패, 방탄마스크, 소총의 개머리판, 권총 프레임, 대검손잡이, 도검류 손잡이 등 각개 병사에 지급되는 각종 무기류는 물론 보호용 개인 방호장비들 모두에 적용될 수 있다.
100 : CNTRPCP층
200 : CNTRPUP층
300 : 초고분자량 폴리에틸렌층
400 : 스폴라이너층
500 : 케블러 방탄직물층
600 : 노멕스 내열직물층
700 :초고분자량 폴리에틸렌층
800 : 노멕스 내열직물층
900: 외피(Outer Vest)

Claims (3)

  1. 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체로 이루어진 CNTRPCP층(100)과;
    상기 CNTRPCP층(100)의 하면에 접합제를 통해 가열 가압되어 접합된 탄소나도튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체로 이루어진 CNTRPUP층(200)과;
    상기 CNTRPUP층(200)의 하면에 접합제로 가열 가압되어 접합되고, 충격을 흡수하여 총상과 불런트 포스 트라우마(Blunt Force Trauma)를 방지하는 초고분자량 폴리에틸렌층(300)과;
    상기 초고분자량 폴리에틸렌층(300)의 하면에 접합제로 가열 가압되어 접합되고, 후면파쇄와 딱지파쇄를 방지하는 스폴라이너층(Spall Liner Layer)(400)과;
    상기 스폴라이너층(400)을 감싸면서 최종적으로 충격에너지를 흡수하도록 상기 층들에 도포되는 형태로 포장되는 케블러 XP 방탄직물층(500)과;
    상기 케블러 XP 방탄직물층(500)을 감싸는 형태로 도포되어 포장되고, 내부로의 열전달을 차단하고, 실화 또는 적탄에 의해 불에 타는 것을 방지하도록 구비되는 노멕스 내열직물층(600)으로 구성된 개인용 하드 방탄판.
  2. 청구항 1에 있어서;
    상기 초고분자량 폴리에틸렌층(300)은 다이니마(Dyneema) UD 또는 스펙트라(Spectra) 섬유에 충분한 양의 D3o 충격흡수재료를 압력과 온도를 가해 철근콘크리트처럼 빈틈없이 채우는 형태로 침습시켜 형성된 것을 특징으로 하는 개인용 하드 방탄판.
  3. 청구항 1에 있어서;
    상기 스폴라이너층(400)은 여러 겹으로 적층된 케블러 방탄직물과, 상기 케블러 방탄직물 사이사이에 침습된 충분한 양의 충격흡수용 D3o로 마치 철근 콘크리트처럼 이루어진 것을 특징으로 하는 개인용 하드 방탄판.
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