KR20140145012A - 방탄소재 - Google Patents

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Abstract

상대적으로 경량이고 부드러워 우수한 착용감을 갖는 동시에 높은 방탄 성능 및 후면 변형 특성을 갖는 방탄소재가 개시된다. 본 발명의 방탄소재는 그 후면 측 또는 후면 부근에 탄소섬유의 네트워크를 포함하는 섬유층을 포함한다.

Description

방탄소재{Bulletproof Material}
본 발명은 방탄소재에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 상대적으로 경량이고 부드러워 우수한 착용감을 갖는 동시에 높은 방탄 성능 및 후면 변형 특성을 갖는 방탄소재에 관한 것이다.
방탄제품은 탄환이나 포탄으로부터 인체를 보호하기 위한 제품으로서, 우수한 방탄 성능과 함께 좋은 착용감이 요구된다. 그러나, 방탄 성능의 향상을 위해서는 방탄 제품의 착용감이 어느 정도 희생되는 것이 일반적이었다. 반대로, 방탄 제품의 착용감 향상은 방탄 성능의 저하를 야기하는 것이 일반적이었다.
방탄 제품의 경량화 및 방탄 성능의 향상을 위하여 일방향성 원단(unidirectional fabrics)을 이용하는 것이 공지되어 있다.
한편, 미국 공개특허공보 제US2011/0219943호는 방탄성능을 향상시키기 위하여 고강도 섬유의 직물과 고강도 섬유의 일방향성 원단을 모두 포함하는 복합 원단을 제안하고 있다. 상기 공보는, 복합 원단의 직물이 매트릭스 수지로 코팅되지 않는 것이 바람직하고, 만약 코팅될 때에는 일방향성 원단의 매트릭스 수지와 동일 또는 유사한 화학 구조를 갖는 매트릭스 수지로 코팅되는 것이 바람직하다고 교시하고 있고(공보 단락 [0054] 참조), 직물과 일방향성 원단을 모두 포함하는 방탄 제품이 일방향성 원단들만을 포함하는 방탄 제품에 비해 더욱 우수한 방탄 성능을 가질 뿐만 아니라 탄환 충돌로 인한 후면 변형을 더욱 감소시킬 수 있다고 설명하고 있다(공보 단락 [0054] 참조).
비록, 상기 공보에 의해 제안된 복합 원단이 우수한 방탄 특성을 나타내기는 하지만, 후면 변형 특성(anti-trauma) 측면에서 여전히 개선되어야 할 여지가 남아 있다.
이러한 이유로, 방탄소재의 후면 변형 특성 향상을 위하여 폴리프로필렌 필름을 소재의 후면에 접착시키는 방법이 제안된 바 있다. 그러나, 폴리프로필렌 필름 특유의 뻣뻣한(rigid) 특성으로 말미암아 폴리프로필렌 필름이 접착된 방탄소재로 제조되는 방탄복의 착용감이 좋지 못하다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 방탄소재에 관한 것이다.
본 발명의 일 관점은, 상대적으로 경량이고 부드러워 우수한 착용감을 갖는 동시에 높은 방탄 성능 및 후면 변형 특성을 갖는 방탄소재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술된 것이고, 부분적으로는 그러한 기술로부터 자명할 것이다. 또는, 본 발명의 실시를 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특정된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
위와 같은 이점들을 달성하기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 따라, 탄환이 충돌하게 될 전면 및 그 반대 편의 후면을 갖는 방탄소재로서, 상기 전면 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(fibrous layers); 및 제2 섬유층을 포함하되, 상기 제1 섬유층들은 각각은 11 g/denier 이상의 강도(tenacity) 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율(tensile modulus)을 갖는 고강도 섬유의 네트워크(network of high-strength fibers)를 포함하고, 상기 제2 섬유층은 탄소 섬유의 네트워크(network of carbon fibers)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄소재가 제공된다.
위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 방탄소재는 상대적으로 경량임에도 불구하고, 탄환 충돌로 인한 후면 변형이 현저히 감소될 뿐만 아니라, 상대적으로 부드러운 특성으로 인해 그것으로 제조되는 방탄복의 착용감이 우수하다.
본 발명의 다른 효과들은 그와 관련된 기술적 구성과 함께 이하에서 자세히 기술될 것이다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 방탄소재의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 방탄소재의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 방탄소재의 단면도이며,
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 방탄소재의 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 방탄소재의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
아래에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 예들에 불과한 것으로서 본 발명의 권리범위를 제한하지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 '고강도 섬유'는 11 g/denier 이상의 강도(tenacity) 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율(tensile modulus)를 갖는 섬유를 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 방탄소재의 단면도이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 방탄소재(100)는 탄환이 충돌하게 될 전면(FS) 및 그 반대 편의 후면(BS)을 갖는다. 방탄소재(100)는 전면(FS) 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(110) 및 상기 제1 섬유층들(110)에 인접한 제2 섬유층(120)을 포함한다.
방탄소재(100)는, 방탄복의 경량화 요구를 만족시키는 면밀도, 예를 들어 3 내지 6.8 kg/m2의 면밀도를 갖기 위하여, 적절한 매수의 제1 섬유층들(110) 및 제2 섬유층(120)을 포함한다. 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 방탄소재(100)는 10 내지 32 매(plies)의 제1 섬유층들(110) 및 1매의 제2 섬유층(120)을 포함한다.
전면(FS) 측에 위치한 제1 섬유층들(110)은 11 g/denier 이상의 강도 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율을 갖는 고강도 섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 고강도 섬유는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유 또는 아라미드(aramid) 섬유일 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의하면, 상기 고강도 섬유의 네트워크는 아라미드 섬유를 경사 및 위사로 포함하는 아라미드 직물(aramid woven fabric)이다. 상기 직물들 각각은 150 내지 500 g/m2의 면밀도를 갖는다. 상기 면밀도가 150g/m2 미만이면, 직물에 틈들이 존재할 수 있어 방탄 성능의 저하를 야기할 수 있다. 반면, 상기 면밀도가 500g/m2 를 초과하도록 제직하는 것은 생산 효율의 저하를 야기한다.
한편, 아라미드 섬유는 수분에 취약하기 때문에 시간의 경과에 따라 그 방탄성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 제1 섬유층들(110)의 아라미드 직물은 플루오로카본, 가교제 및 경도-강화 수지(hardness-enhancing resin)를 포함하는 발수제로 코팅되어 있을 수 있다.
플루오로카본은 제1 섬유층들(110)에 발수성을 부여하는 역할을 한다. 플루오로카본으로서 하이드록실레이티드 퍼플루오로알킬에틸 아크릴레이트 코폴리머(hydroxylated perfluoroalkylethyl acrylate copolymer)가 사용될 수 있다.
한편, 가혹한 환경 하에서 또는 장기간 사용 후에는 플루오로카본과 같은 발수제 성분이 고강도 섬유의 네트워크로부터 제거되고, 그로 인해 수분으로 인한 고강도 섬유의 물성 취하 및 방탄 성능의 급격한 저하가 초래될 수 있다. 따라서, 고강도 섬유와 플루오로카본 사이의 결합을 강화시키기 위하여, 상기 발수제는 플루오로카본 외에 가교제, 예를 들어 톨루엔 디이소시아네이트 또는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트와 같은 이소시아네이트계 화합물을 더 포함할 수 있다.
또한, 방탄소재(100)의 후면 변형을 억제하기 위하여, 상기 발수제는 폴리비닐아세테이트와 같은 경도-강화 수지(hardness-enhancing resin)를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 상기 발수제는 기포 제거를 위한 소포제(예를 들어, 디프로필렌글리콜) 및 에멀젼 안정제(예를 들어, 사과산)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 발수제는 0.5 내지 10 중량%의 플루오로카본, 0.5 내지 10 중량%의 경도-강화 수지, 0.5 내지 5 중량%의 가교제, 0.1 내지 2 중량%의 소포제, 0.1 내지 2 중량%의 에멀젼 안정제, 및 73 내지 98.3 중량%의 물을 포함할 수 있다.
플루오로카본의 함량이 0.5중량% 미만일 경우 원하는 발수성을 기대하기 어렵고, 그 함량이 10중량%를 초과할 경우 발수성 증가는 크지 않으면서 방탄소재(100)의 유연성이 오히려 떨어질 수 있다.
경도-강화 수지의 함량이 0.5중량% 미만일 경우 방탄소재(100)의 후면 변형 특성 향상이 거의 나타나지 않고, 그 함량이 10중량%를 초과할 경우 방탄소재(100)의 유연성이 떨어져 그것으로 제조된 방탄복의 착용감이 크게 저하된다.
가교제의 함량이 0.5중량% 미만일 경우에는 원하는 만큼의 발수성 유지가 어렵고, 그 함량이 5중량%를 초과할 경우에는 더 이상의 효과가 나타나지 않고 제조비만 상승하는 문제점이 있다.
상기 발수제를 고강도 섬유의 네트워크 상에 가하기 위한 방법으로서, 패딩, 코팅, 침지, 분무, 브러싱, 또는 필름-코팅 등의 방법이 이용될 수 있다. 발수제가 상기 네트워크 상에 가해진 후에는, 120 내지 200℃에서 15 내지 150초 동안 열처리 공정이 수행될 수 있다.
선택적으로, 상기 제1 섬유층들(110)의 고강도 섬유의 네트워크는 일방향으로 배열된 다수의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들 및/또는 아라미드 섬유들을 포함할 수 있고, 상기 고강도 섬유의 네트워크는 폴리우레탄 수지를 포함하는 조성물로 코팅될 수 있다. 각각의 제1 섬유층(111, 112, 113) 내에서 고강도 섬유들은 실질적으로 평형하게 일방향으로 배열(unidirectionally oriented)되어 있다. 폴리우레탄 수지를 포함하는 조성물로 상기 제1 섬유층들(111, 112, 113)의 고강도 섬유들이 코팅됨으로써 고강도 섬유들의 배열이 유지될 수 있다. 상기 조성물은 스프레이 방식을 통해 상기 고강도 섬유들에 분사되거나, 필름의 형태로 상기 고강도 섬유들에 가해질 수 있다. 서로 인접한 제1 섬유층들(111, 112)의 고강도 섬유들이 약 90°의 각도를 이루도록, 상기 인접한 제1 섬유층들(111, 112)이 교차접합될(cross-plied) 수 있다. 교차접합된 제1 섬유층들(111, 112)은 하나의 일방향성 원단(unidirectional fabric)을 형성한다.
선택적으로, 상기 일방향성 원단은 일방향으로 배열된 초고밀도 폴리에틸렌 섬유 또는 아라미드 섬유를 각각 포함하는 4개의 섬유층들로 구성될 수 있다. 이 경우, 4개의 상기 섬유층들은 그들의 고강도 섬유들의 회전 각도가 0°/90°/0°/90°되도록 교차접합될 수 있다.
방탄소재(100)의 후면(BS) 측에 위치한 제2 섬유층(120)은 탄소 섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 탄소 섬유의 네트워크는 탄소 방적사(carbon spun yarn)를 경사 및 위사로서 포함하는 직물일 수 있다.
상기 제2 섬유층(120)은 110 내지 480 g/m2의 면밀도를 갖는다. 면밀도가 110g/m2 미만이면 제2 섬유층(120)에 틈들이 존재할 수 있어 방탄 성능의 저하를 야기할 수 있다. 반면, 상기 면밀도가 480g/m2 를 초과하도록 제2 섬유층(120)이 제조될 경우, 방탄소재(100)의 경량화를 저해하거나 방탄성능의 저하(방탄소재의 면밀도를 적정 수준으로 맞추기 위해 제1 섬유층의 개수를 감소시킬 경우)를 초래할 수 있다.
방탄소재(100)가 그 전면(FS)에서 탄환에 의한 물리적 충격을 받을 경우 방탄소재(100)의 전면(FS)이 국부적으로 변형되고, 상기 전면(FS)의 변형이 방탄소재(100)의 후면(BS)으로까지 확산되어 허용 안전 이격 거리를 초과하는 후면 변형이 발생할 수 있다. 방탄소재(100)의 후면 변형이 심각할 경우 착용자에게 치명적 손상을 입힐 수 있다.
본 발명에 의하면, 방탄소재(100)의 후면(BS) 측에 위치한 제2 섬유층(120)의 탄소섬유 네트워크는 충격 흡수력이 거의 제로에 가깝기 때문에 탄환 충돌로 인한 충격을 받을 경우 부서지면서 충격을 주위로 분산시키고, 그 결과 방탄소재(100)의 후면 변형 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 탄소섬유의 네트워크는 방탄소재(100)의 후면 변형 특성 향상을 위하여 종래에 제안되었던 폴리프로필렌 필름 등의 뻣뻣한 소재에 비해 상대적으로 부드러운 특성을 가지기 때문에, 폴리프로필렌 필름에 비해 더욱 우수한 착용감을 방탄복에 제공할 수 있다.
선택적으로, 상기 탄소섬유의 네트워크는 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅될 수 있다. 구체적으로, 상기 조성물은 20 내지 70 중량%의 페놀 수지, 20 내지 70 중량%의 폴리비닐부티랄 수지, 및 1 내지 10 중량%의 가소제를 포함할 수 있다. 상기 가소제는 디옥틸프탈레이트(dioctyl phthalate: DOP), 디옥틸아디페이트(dioctyl adipate: DOA), 트리크레실포스페이트(tricresyl phosphate: TCP), 또는 디이소노닐프탈레이트(diisononyl phthalate: DINP)일 수 있다. 상기 조성물의 페놀 수지는 제2 섬유층(120)의 경도를 한층 향상시키며, 상기 폴리비닐부티랄 수지는 제1 섬유층(113)과 제2 섬유층(120) 사이의 접착력을 향상시킨다.
상기 탄소섬유의 네트워크를 상기 조성물로 코팅하는 방법의 예로는 상기 네트워크를 상기 조성물이 포함된 용액에 침지하는 방법과 상기 조성물을 필름 형태로 상기 탄소섬유의 네트워크에 라미네이팅하는 방법이 있다.
먼저, 침지 방법에 대하여 설명하면, 탄소섬유의 네트워크를 용매(예를 들어, 메탄올)로 희석된 조성물에 10 내지 60분 동안 디핑한다. 탄소섬유의 네트워크 전체가 상기 조성물로 균일하게 함침될 수 있도록, 상기 디핑 공정이 수차례 반복될 수 있다. 이어서, 건조 공정을 통해, 상기 디핑 공정에 의해 상기 희석 용매를 제거한다. 선택적으로, 상기 건조 공정 전에, 상기 조성물로 함침된 탄소섬유의 네트워크를 스퀴징하는 단계를 더 수행할 수 있다. 상기 스퀴징 공정은, 가압 롤러를 이용하여 연속적으로 수행되거나, 가압 판을 이용하여 비연속적으로 수행될 수 있다.
라미네이팅 방법에 대하여 설명하면, 상기 조성물을 이용하여 폴리머 필름을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소섬유의 네트워크는 100 내지 400 g/m2의 면밀도를 갖고, 상기 탄소섬유의 네트워크에 대한 상기 조성물의 중량비가 10 내지 20%가 되도록 하기 위한 면밀도 및 두께를 갖도록 상기 폴리머 필름이 형성된다. 이어서, 탄소섬유의 네트워크의 일 면 상에 상기 폴리머 필름을 라미네이팅한다. 즉, 상기 탄소섬유의 네트워크의 일 면 상에 상기 폴리머 필름을 얹는 단계, 상기 폴리머 필름이 얹혀진 탄소섬유의 네트워크를 20 내지 60℃에서 1 내지 7분 동안 건조시키는 단계, 및 100 내지 130℃에서 상기 탄소섬유의 네트워크 및 고분자 필름에 압력을 가하는 단계를 순차적으로 수행한다. 상기 건조 공정은 챔버 등을 이용하여 연속적으로 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 폴리머 필름이 얹혀진 탄소섬유의 네트워크가 20 내지 60℃로 유지되는 챔버(들)를 4 내지 20 m/분의 속도로 통과하도록 할 수 있다. 건조온도가 20℃ 미만인 경우 건조가 원활하게 이루어질 수 없고, 반면 상기 건조온도가 60℃를 초과할 경우 상기 폴리머 필름의 조성물이 경화됨으로써 제1 섬유층(113)과의 접착력이 떨어질 수 있다. 상기 가압 공정은, 가열된 가압 롤러를 이용하여 연속적으로 수행되거나, 가압 판을 이용하여 비연속적으로 수행될 수 있다.
우선, 상기 조성물이 코팅된 탄소 섬유의 네트워크, 즉 제2 섬유층(120)을 하나의 제1 섬유층(113)과 함께 고온 및 고압의 프레스를 통과시킴으로써 하나의 복합 시트를 형성한다. 이어서, 이 복합 시트를 나머지 제1 섬유층들(111, 112)과 예를 들어 다이아몬드 스팅칭 방법에 의해 서로 결합시킨다.
선택적으로, 상기 코팅 공정 및 상기 복합 시트 형성 공정이 동시에 수행될 수도 있다. 즉, 상기 폴리머 필름을 상기 탄소 섬유의 네트워크와 제1 섬유층(113) 사이에 삽입하고 이들을 약 50℃로 유지되는 챔버를 통과시킨 후 약 160℃로 가열된 롤러를 이용하여 가압함으로써 제1 섬유층(113)과 제2 섬유층(120)의 복합 시트를 형성할 수 있다.
이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 방탄소재를 설명한다.
도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 의한 방탄소재(200)는 전면(FS) 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(210), 상기 제1 섬유층들(210)에 인접한 제2 섬유층(220), 및 후면(BS) 측에 위치한 제3 섬유층(230)을 포함한다. 즉, 상기 제2 섬유층(220)은 상기 제1 섬유층들(210)과 제3 섬유층(230) 사이에 위치한다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 상기 제1 및 제3 섬유층들(210, 230)은 고강도 섬유의 네트워크로서 아라미드 직물을 포함한다. 상기 아라미드 직물은 플루오로카본, 가교제, 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있을 수 있는데, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이다.
한편, 상기 제2 섬유층(220)은 탄소섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 탄소섬유의 네트워크는 탄소 방적사를 경사 및 위사로서 포함하는 직물일 수 있으며, 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있을 수 있다.
상기 방탄소재(200)는, 방탄복의 경량화 요구를 만족시키는 면밀도, 예를 들어 3 내지 6.8 kg/m2의 면밀도를 갖기 위하여, 제1 내지 제3 섬유층들(210, 220, 230)을 적절한 매수의 조합으로 포함한다.
상기 조성물이 코팅된 탄소 섬유의 네트워크, 즉 제2 섬유층(220)을 제3 섬유층(230)과 함께 고온 및 고압의 프레스를 통과시킴으로써 하나의 복합 시트를 형성한 후, 이 복합 시트를 제1 섬유층들(210)과 예를 들어 다이아몬드 스팅칭 방법에 의해 도 2에 도시된 적층 순서로 결합시킬 수 있다.
선택적으로, 상기 코팅 공정 및 상기 복합 시트 형성 공정이 동시에 수행될 수도 있다. 즉, 상기 조성물의 폴리머 필름을 상기 탄소 섬유의 네트워크와 제3 섬유층(230) 사이에 삽입하고 이들을 약 50℃로 유지되는 챔버를 통과시킨 후 약 160℃로 가열된 롤러를 이용하여 가압함으로써 제2 섬유층(220)과 제3 섬유층(230)의 복합 시트를 형성할 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 방탄소재를 설명한다.
도 3에 예시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 의한 방탄소재(300)는 전면(FS) 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(310), 상기 제1 섬유층들(310)에 인접한 제2 섬유층(320), 후면(BS) 측에 위치한 제3 섬유층(330), 및 상기 제2 및 제3 섬유층들(320, 330) 사이의 제4 섬유층(340)을 포함한다.
본 발명의 제3 실시예에 의하면, 상기 제1 및 제4 섬유층들(310, 340)은 고강도 섬유의 네트워크로서 아라미드 직물을 포함한다. 상기 아라미드 직물은 플루오로카본, 가교제, 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있을 수 있는데, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이다.
한편, 상기 제2 및 제3 섬유층들(320, 330)은 탄소섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 탄소섬유의 네트워크는 탄소 방적사를 경사 및 위사로서 포함하는 직물일 수 있으며, 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있을 수 있다.
상기 방탄소재(300)는, 방탄복의 경량화 요구를 만족시키는 면밀도, 예를 들어 3 내지 6.8 kg/m2의 면밀도를 갖기 위하여, 제1 내지 제4 섬유층들(310, 320, 330, 340)을 적절한 매수의 조합으로 포함한다. 제1 내지 제4 섬유층들(310, 320, 330, 340)은 다이아몬드 스티칭 등과 같은 방법에 의해 서로 결합된다.
제1 내지 제4 섬유층들(310, 320, 330, 340)의 적층/결합 방법은 위에서 설명한 제1 및 제2 실시예들과 유사하다. 즉, 하나의 제1 섬유층(313)과 제2 섬유층(320)의 복합 시트 및 제3 섬유층(330)과 제4 섬유층(340)의 복합 시트를 각각 형성한 후, 이 복합 시트들을 나머지 제1 섬유층들(311, 312)과 함께 도 3에 도시된 방식으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킬 수 있다.
또한, 상기 제2 및 제2 섬유층(320, 330)을 각각 구성하는 상기 탄소섬유 네트워크들에 대한 상기 조성물 코팅 공정이 상기 복합 시트들 각각의 형성 공정과 동시에 수행될 수도 있다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 방탄소재를 설명한다.
도 4에 예시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 의한 방탄소재(400)는 전면(FS) 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(410), 후면(BS) 측에 위치한 제2 섬유층(420), 상기 제1 섬유층들(410) 및 상기 제2 섬유층(420) 사이에 위치한 제3 및 제4 섬유층들(431, 432)을 포함한다.
본 발명의 제4 실시예에 의하면, 상기 제1 섬유층들(410)은 고강도 섬유의 네트워크로서 아라미드 직물을 포함한다. 상기 아라미드 직물은 플루오로카본, 가교제, 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있을 수 있는데, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이다.
방탄소재(400) 후면(BS) 측의 상기 제2 섬유층(420)은 탄소섬유의 네트워크를 포함한다. 상기 탄소섬유의 네트워크는 탄소 방적사를 경사 및 위사로서 포함하는 직물일 수 있으며, 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있을 수 있다.
상기 제3 및 제4 섬유층들(431, 432) 각각은 일방향으로 배열된 다수의 고강도 섬유들, 예를 들어 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들 또는 아라미드 섬유들을 포함한다. 상기 제3 및 제4 섬유층들(431, 432)의 고강도 섬유들은 폴리우레탄 수지를 포함하는 조성물로 코팅됨으로써 고강도 섬유들의 배열이 유지될 수 있다. 상기 조성물은 스프레이 방식을 통해 상기 고강도 섬유들에 분사되거나, 필름의 형태로 상기 고강도 섬유들에 가해질 수 있다. 서로 인접한 제3 및 제4 섬유층들(431, 432)은 약 90°의 각도를 이루도록 교차접합됨으로써 하나의 일방향성 원단(430)을 형성한다.
우선, 상기 조성물이 코팅된 탄소 섬유의 네트워크, 즉 제2 섬유층(420)을 상기 일방향성 원단(430)과 함께 고온 및 고압의 프레스를 통과시킴으로써 하나의 복합 시트를 형성한다. 이 복합 시트를 제1 섬유층들(410)과 도 4에 도시된 바와 같이 적층한 후 예를 들어 다이아몬드 스팅칭 방법에 의해 서로 결합시킨다.
선택적으로, 상기 코팅 공정 및 상기 복합 시트 형성 공정이 동시에 수행될 수도 있다. 즉, 상기 조성물을 포함하는 폴리머 필름을 상기 탄소 섬유의 네트워크와 일방향성 원단(430) 사이에 삽입하고 이들을 약 50℃로 유지되는 챔버를 통과시킨 후 약 160℃로 가열된 롤러를 이용하여 가압함으로써 일방향성 원단(430)과 제2 섬유층(420)의 복합 시트를 형성할 수 있다.
선택적으로, 상기 복합 시트와 상기 제1 섬유층들(410) 사이에 1개 이상의 일방향성 원단들이 포함될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 상기 일방향성 원단(430)과 제2 섬유층(420) 사이에 하나의 제1 섬유층, 즉 아라미드 직물이 더 포함될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 섬유층(420)과 상기 아라미드 직물의 복합 시트가 상술한 방법들을 이용하여 먼저 제조된 후 상기 제1 섬유층들(410) 및 일방향성 원단(들)(430)과 함께 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합될 수 있다.
제4 실시예에 의한 방탄소재(400)는 전면(FS) 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(410), 후면(BS) 측에 위치한 제2 섬유층(420), 상기 제1 섬유층들(410) 및 상기 제2 섬유층(420) 사이에 위치한 제3 및 제4 섬유층들(431, 432)을 포함한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 방탄소재(100, 200, 300, 400)는 후면(BS) 측 또는 후면(BS) 부근에 탄소섬유의 네트워크를 포함하는 섬유층을 포함함으로써 탄환 충돌로 인한 충격을 주위로 분산시킬 수 있고, 그 결과 방탄소재(100, 200, 300, 400)의 후면 변형 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유의 네트워크는 후면 변형 특성 향상을 위하여 종래에 제안되었던 폴리프로필렌 필름 등의 뻣뻣한 소재에 비해 상대적으로 부드럽기 때문에, 폴리프로필렌 필름에 비해 더욱 우수한 착용감을 방탄복에 제공할 수 있다.
이하, 실시예들과 비교예들을 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이므로 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안 된다.
<아라미드 직물의 제조>
제조예 1
840 denier의 섬도를 갖는 아라미드 섬유(코오롱 인더스트리 주식회사, 헤라크론® HF 100)를 경사 및 위사로 이용하여 평직을 수행함으로써 아라미드 직물을 제조하였다. 상기 아라미드 직물의 경사밀도 및 위사밀도는 각각 105 본/cm이었다. 상기 직물을 약 60℃에서 Na2CO3를 포함하는 정련제로 처리하고, 수세 및 건조시켰다.
이어서, 정련 처리된 상기 직물을 발수제에 침지시켰다. 상기 발수제는 3중량%의 하이드록실레이티드 퍼플루오로알킬에틸 아크릴레이트 코폴리머, 3중량%의 폴리비닐아세테이트, 3중량%의 톨루엔 디이소시아네이트, 0.3중량%의 디프로필렌 글리콜, 0.3중량%의 사과산, 및 90.4중량%의 물을 포함하였다. 발수제가 함침된 직물을 약160℃에서 60초 동안 열처리함으로써 아라미드 직물을 완성하였다. 상기 아라미드 직물은 200 g/㎡의 면밀도를 가졌다.
<탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트의 제조>
제조예 2
400 denier의 섬도를 갖는 탄소 방적사를 경사 및 위사로 이용하여 평직을 수행함으로써 탄소 방적사 직물을 제조하였다. 상기 탄소 방적사 직물의 경사밀도 및 위사밀도는 각각 173 본/cm이었다.
이어서, 48중량%의 페놀 수지, 48중량%의 폴리비닐부티랄 수지, 및 4중량%의 디옥틸프탈레이트(dioctyl phthalate: DOP)를 포함하는 폴리머 필름을 상기 탄소 방적사 직물과 제조예 1에서 만든 아라미드 직물 사이에 넣은 상태에서 약 50℃로 유지되는 챔버를 통과시킨 후 약 160℃로 가열된 롤러를 이용하여 가압함으로써 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트를 완성하였다. 상기 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트는 380 g/㎡의 면밀도를 가졌다.
제조예 3
전술한 제조예 2에 예시된 것과 동일한 방법으로 160 g/㎡의 면밀도를 갖는 탄소 방적사 직물을 제조하였다.
<초고분자량 폴리에틸렌 일방향성 원단의 제조>
제조예 4
1500 denier의 섬도를 갖는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유[디에스엠(DSM)사, Dyneema®]의 다발을 공통 평면 상에서 실질적으로 일방향으로 정렬한 후 접착제를 스프레이 방식으로 코팅함으로써 제1 및 제2 섬유층들을 각각 제조하였다. 이어서, 상기 제1 및 제2 섬유층들을 약 90°의 각도로 교차접합함으로써 초고분자량 폴리에틸렌 일방향성 원단을 완성하였다. 상기 초고분자량 폴리에틸렌 일방향성 원단은 140 g/㎡의 면밀도를 가졌다.
<실시예들>
실시예 1
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 30매 및 제조예 2를 통해 제조된 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트 1매를 도 1에 도시된 바와 같이 순차적으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.38 kg/㎡이었다.
실시예 2
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 28매, 제조예 2를 통해 제조된 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트 2매를 도 3에 도시된 바와 같이 순차적으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.36 kg/㎡이었다.
실시예 3
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 26매, 제조예 2를 통해 제조된 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트 3매를 순차적으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.34 kg/㎡이었다.
실시예 4
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 23매, 제조예 4를 통해 제조된 초고분자량 폴리에틸렌 일방향성 원단 10매, 및 제조예 2를 통해 제조된 탄소 방적사 직물을 포함한 복합 시트 1매를 순차적으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.38 kg/㎡이었다.
실시예 5
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 31매 및 제조예 3을 통해 제조된 탄소 방적사 직물 1매를 순차적으로 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.36 kg/㎡이었다.
<비교예>
비교예 1
제조예 1을 통해 제조된 아라미드 직물들 32매만을 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 6.4 kg/㎡이었다.
비교예 2
제조예 4를 통해 제조된 초고분자량 에틸렌 일방향성 원단들 36매만을 적층한 후 다이아몬드 스티칭 방법을 통해 서로 결합시킴으로써 방탄소재를 완성하였다. 방탄소재 전체의 면밀도는 5.04 kg/㎡이었다.
비교예 3
위 비교예 1에 의해 얻어진 방탄소재의 일 면 상에 100 g/㎡의 면밀도를 갖는 폴리프로필렌 필름을 접착시켰다.
상기 실시예들 및 비교예들에 의해 제조된 방탄소재들 각각의 방탄성능 및 후면변형 특성, 그리고 상기 제조예들을 통해 각각 제조된 방탄재들의 착용감을 다음의 방법들로 각각 측정하였고 그 결과를 아래의 표 1 및 표 2에 나타내었다.
방탄성능( V 50 ) 및 후면 변형 측정
방탄소재의 파편에 대한 방탄 성능 정도를 간접적으로 나타내는 평균 속도(V50)(㎧)는, MIL-P-46593A에서 규정된 모의 파편탄(fragment simulated projectiles: FSP)을 이용하여 MIL-STD-662F에서 규정된 테스트 방법에 의해 측정되었다. 후면 변형은 NIJ0101.06 버전 Level ⅢA에 적용되고 있는 44 MAG. 탄환을 이용하여 측정하였다.
착용감( softness ) 측정
착용감의 척도로서 개별 방탄재의 뻣뻣한 정도(stiffness)를 의미하는 강연도를 측정하였다. 'Circular bend test'라는 측정 방법이 ASTM D4032-94에 기초하여 수행되었다.
평균속도 (V50)(m/s) 후면변형 (mm)
실시예1 665 35
실시예2 652 38
실시예3 647 42
실시예4 643 39
실시예5 653 41
비교예1 660 40
비교예2 602 39
비교예3 654 39
강연도 (N)
제조예1 15
제조예2 63
제조예3 13
제조예4 120
100, 200, 300, 400: 방탄소재 110, 210, 310, 410: 제1 섬유층
120, 220, 320, 420: 제2 섬유층 230, 330, 431: 제3 섬유층
340, 432: 제4 섬유층 430: 일방향성 원단

Claims (14)

  1. 탄환이 충돌하게 될 전면 및 그 반대 편의 후면을 갖는 방탄소재에 있어서,
    상기 전면 측에 위치한 복수의 제1 섬유층들(fibrous layers); 및
    제2 섬유층을 포함하되,
    상기 제1 섬유층들은 각각은 11 g/denier 이상의 강도(tenacity) 및 200 g/denier 이상의 인장 탄성율(tensile modulus)을 갖는 고강도 섬유의 네트워크(network of high-strength fibers)를 포함하고,
    상기 제2 섬유층은 탄소 섬유의 네트워크(network of carbon fibers)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 아라미드 섬유를 경사 및 위사로 포함하는 직물(aramid woven fabric)인 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 플루오로카본, 가교제 및 경도-강화 수지(hardness-enhancing resin)를 포함하는 발수제로 코팅되어 있되,
    상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고,
    상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트인 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 일방향으로 배열된 다수의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 폴리우레탄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 네트워크는 탄소 방적사(carbon spun yarn)를 경사 및 위사로서 포함하는 직물인 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 네트워크는 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유층은 상기 후면에 배치된 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 후면에 위치한 제3 섬유층을 더 포함하되,
    상기 제3 섬유층은 아라미드 직물을 포함하며,
    상기 제2 섬유층은 상기 제1 섬유층들과 상기 제3 섬유층의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 아라미드 직물이고,
    상기 제1 및 제3 섬유층들의 상기 아라미드 직물들은 플루오로카본, 가교제 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있되, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이며,
    상기 제2 섬유층의 상기 탄소섬유의 네트워크는 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 후면에 위치한 제3 섬유층; 및
    상기 제2 및 제3 섬유층들 사이의 제4 섬유층을 더 포함하되,
    상기 제3 섬유층은 탄소섬유의 네트워크를 포함하며,
    상기 제4 섬유층은 아라미드 직물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고강도 섬유의 네트워크는 아라미드 직물이고,
    상기 제1 및 제4 섬유층들의 상기 아라미드 직물들은 플루오로카본, 가교제 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있되, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이며,
    상기 제2 및 제3 섬유층들의 상기 탄소섬유의 네트워크들은 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 섬유층들 및 상기 제2 섬유층 사이에 위치하며 제3 및 제4 섬유층들을 더 포함하고,
    상기 제1 섬유층들의 상기 고강도 섬유의 네트워크는 아라미드 직물이고,
    상기 제3 및 제4 섬유층들은, 일방향으로 배열된 다수의 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들을 포함하며, 서로 교차접합된 것을 특징으로 하는 방탄소재.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 아라미드 직물은 플루오로카본, 가교제 및 경도-강화 수지를 포함하는 발수제로 코팅되어 있되, 상기 가교제는 이소시아네이트계 화합물이고, 상기 경도-강화 수지는 폴리비닐아세테이트이고,
    상기 초고분자량 폴리에틸렌 섬유들은 폴리우레탄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있으며,
    상기 탄소섬유의 네트워크는 페놀 수지 및 폴리비닐부티랄 수지를 포함하는 조성물로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 방탄소재.
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