KR20150068958A - 복합 방탄 레이돔 벽 및 이의 제조 방법 - Google Patents

복합 방탄 레이돔 벽 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20150068958A
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루이스 콜락
마크 미로츠니크
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디에스엠 아이피 어셋츠 비.브이.
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Abstract

복합 레이돔 벽 구조물(10)은 방탄 특성 및 레이더 투명성을 모두 나타내고, 방탄성 내부 고체인 무-공극 코어(12) 및 외부 반사 방지성(AR) 표면층(14-1, 14-2)을 포함하며, 상기 코어는 상기 외부 AR 표면층 사이에 끼워져 있다. 방탄 코어(12)는 테이프 및/또는 섬유로 형성된 각을 이루며 바이어스된 일방향성 폴리에틸렌 단층의 압축 스택일 수 있다. 면 시트(16-1, 16-2) 및/또는 하나 이상의 임피던스 매칭층을 방탄 코어(12) 및 하나(또는 둘 다)의 외부 AR 층에 선택적으로 위치시켜 상기 코어를 AR 표면층(들)에 결합시키고/결합시키거나 레이돔 벽 구조물을 레이더 시스템과 관련된 전송 및 수신 진동수로 선택적으로 튜닝할 수 있다.

Description

복합 방탄 레이돔 벽 및 이의 제조 방법{COMPOSITE ANTIBALLISTIC RADOME WALLS AND METHODS OF MAKING THE SAME}
본 발명은 레이더 안테나를 포함하는 레이더 시스템에 유용하게 이용될 수 있는 레이돔에 관한 것이다. 본 발명의 레이돔은 방탄 특성 및 전자기 전송 특성을 모두 가짐으로써, 탄도 위협에 노출될 수 있는 레이더 시스템, 예컨대 다양한 전투 차량, 선박, 항공기 상에 탑재된 레이더 시스템에서의 특정 용도로 사용된다.
레이돔은 레이더 시스템, 즉 레이더 안테나를 포함하는 시스템용의 전자기 커버(cover)이며, 이는 환경 요소 및 위협으로부터 시스템을 보호하는 데, 예컨대 시스템을 바람, 비, 우박 등에 대해 차폐시키는 데 사용된다. 레이돔의 중요한 요건은 레이돔이 레이돔을 통과하는 레이더파에 실질적으로 악영향을 미치지 않을 뿐만 아니라 반사된 레이더파가 레이돔을 통하여 다시 유입되어 레이더 안테나에 의해 수신된다는 것이다. 그러므로, 레이돔은 원칙적으로 두 가지의 중요한 특성, 즉 환경 요소에 대한 충분한 구조적 일체성 및 내구성과 적절한 전자기 투명성(즉, 레이돔을 통한 레이더파의 만족스러운 전송 효율을 제공하는 적절한 전자기 성능)을 가져야 한다.
레이돔의 전자기 성능은 전형적으로 레이더파가 레이돔을 통과하는 방향의 반사, 왜곡 및 감쇠를 최소화하는 레이돔의 능력에 의해 측정된다. 전송 효율은 레이더파에 대한 레이돔의 가시 투명성과 유사하며, 시스템상에서 레이돔 커버를 사용하지 않을 때 측정된 레이더의 전송 전력의 백분율로서 표시된다. 레이돔은 전자기 장치로서 간주될 수 있기 때문에, 레이돔을 튜닝하여 전송 효율을 최적화할 수 있다. 레이돔의 튜닝은 레이돔 벽의 두께 및 그의 조성을 포함하는 여러 가지 요인에 따라 관리된다. 예컨대, 각각 레이더 시스템에 의해 전송되거나 수신되는 파동 진동수의 함수인 결정된 유전 상수 및 손실 탄젠트를 갖는 물질을 조심스럽게 선택함으로써, 레이돔을 튜닝할 수 있다. 잘 튜닝되지 않은 레이돔은 레이더파가 다양한 방향에서 감쇠되고, 산란되며, 반사되어 레이더 신호의 품질에 악영향을 미칠 수 있다.
기능을 잘 수행하는 것으로 확인된 종래의 레이돔 벽은 A-샌드위치 구조로서 지칭된다. A-샌드위치 레이돔 벽은 팽창된 코어, 예컨대 일반적으로 에폭시/유리섬유 라미네이트를 함유하는 도형재(facings)에 의해 결합된 허니콤(honeycomb) 또는 발포체 함유 코어를 포함하는 복합 패널을 포함한다. 전체 샌드위치 구조, 코어 및 도형재의 두께는 레이더파의 근접(near) 입사각에 대해 약 1/4 파장의 두께이다. 이러한 A-샌드위치 레이돔 벽은, 예컨대 유럽특허 제 0 359 504호 및 제0 470 271호, 영국특허 제633,943호, 제821,250호 및 제851,923호, 미국특허 제2,659,884호, 제4,980,696호, 제5,323,170호, 제5,662,293호, 제6,028,565호 및 제6,107,976호, 및 미국공개특허 제2004/0113305호에 개시되어 있다.
이러한 공지된 A-샌드위치 구조는 적절한 전자기 투명성을 나타내고, 레이더 시스템을 일반적인 환경 위협으로부터 차폐시키는 데 충분한 구조적 일체성을 제공하지만, 방탄 보호를 제공하지 않는다. 물론, 레이더 시스템을 이용하는 다양한 전투 차량(예컨대, 보병 전투 차량, 유인 및 무인 항공기, 및 해군 군함)이 적군으로부터의 탄도 위협에 잠재적으로 노출된다는 것은 자명하다. 그러므로, 적절한 전자기 투명 특성뿐만 아니라 적절한 방탄 특성을 갖는 레이돔 벽 구조물이 제공될 수 있다면 매우 유익할 것이다. 본 발명의 양태는 이러한 개선점을 제공하고 있다.
일반적으로, 본 발명의 복합 레이돔 벽 구조물은 방탄성 내부 고체인 무-공극 코어 및 외부 반사 방지성(AR) 표면층들을 포함하고, 상기 코어는 상기 외부 AR 표면층들 사이에 끼워져(sandwitch) 있다. 특정 양태에 따르면, 하기에서 보다 자세히 설명되는 바와 같이, 방탄 코어는 각을 이루며 바이어스된(angularly biased) 일방향성 폴리올레핀(예컨대, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌, 특히 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)) 단층의 압축 스택을 포함한다. 면(face) 시트 및/또는 하나 이상의 임피던스 매칭(matching) 층을 선택적으로 방탄성 코어 및 하나(또는 둘 다)의 외부 AR 층 사이에 위치시켜 상기 코어를 AR 표면층에 결합시키고/결합시키거나 레이더 시스템과 관련된 전송 및 수신 진동수로 레이돔 벽 구조물을 선택적으로 튜닝할 수 있다.
본 발명의 양태는, 그의 현재 바람직한 예시적 양태의 하기 상세한 기재를 주의 깊게 고려해 보면 보다 명확해 질 것이다.
도 1은 본 발명의 한 양태에 따른 레이돔 벽 구조물의 단면도이다.
도 1a 및 1b는 각각 도 1의 레이돔 벽 구조물에 이용되는 반사 방지성(AR) 층을 보다 자세히 도시한다.
도 2는 하기 실시예 1에 따라 수행된 본 발명의 한 양태에 따른 레이돔 벽 구조물 및 다른 비교 레이돔 벽 구조물에 대한 전송 손실(dB) 대 진동수(GHz)의 그래프이다.
도 3a 및 3b는 도 2에 도시된 종래의 비-방탄 레이돔 허니콤 복합 벽 구조물 및 본 발명의 한 양태에 따른 방탄 레이돔 벽 구조물의 입사각(도)에 대한 진동수(GHz)의 전송 손실(dB)을 도시한 것이다.
도 4 및 5는 하기 실시예 2에 따라 수행된 본 발명의 한 양태에 따른 레이돔 벽 구조물 및 다른 비교 레이돔 벽 구조물에 대하여 각각 전송 손실(dB) 대 진동수(GHz), 및 전송 전력(%) 대 진동수(GHz)의 그래프이다.
복합 레이돔 벽 구조물은 일반적으로 2 내지 40 GHz의 진동수에서 90% 이상의 전자기 전송 효율을 나타낸다. 그러므로, 본 발명의 특정 양태에 따르면, 2 내지 40 GHz의 진동수 범위에서 0.5 dB 이하의 전송 손실이 발생한다.
상기 기재된 레이더 투명성뿐만 아니라, 본 발명에 따른 레이돔 벽 구조물은 방탄 특성, 특히 미국 법무부(NIJ) 스탠다드(Standard) 레벨(Level) III의 방탄 특성을 나타낸다. 이러한 방탄 특성은 약 2800 fps(약 847.0 m/s)의 V50 및 약 3.37 × 103 내지 약 3.52 × 103 J의 운동 에너지를 갖는 7.62 mm, 150 그레인(grain)(9.6 그램)의 전체 금속 재킷(FMJ) 탄환에 대해 레이돔 벽 구조물에 의한 보호를 제공한다.
몇몇 바람직한 양태는 각을 이루며 바이어스된 일방향성 폴리에틸렌 단층의 압축 스택을 포함한다. 각을 이루며 바이어스된 일방향성 폴리에틸렌 단층의 스택은 일방향성 폴리에틸렌 테이프, 특히 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)으로 형성된 테이프의 형태일 수 있다.
몇몇 양태에 따른 반사 방지성(AR) 외부 표면층은 서브파장 표면(subwavelength surface; SWS) 구조물, 예컨대 SWS 구조물은 X-밴드 진동수(8 내지 18 GHz)에 적합한 오목 요철 구조를 나타내기 위해(예컨대 레이저를 통해) 미세 가공된 폴리프로필렌 필름을 포함한다.
다른 기능층은 방탄 코어 및 AR 표면층 사이에 개재될 수 있다. 예컨대, 강화 수지 매트릭스(예컨대, 사이아네이트 에스터 수지, 에폭시 수지 등)를 포함하는 하나 이상의 면 층(face layer)이 코어와 각각의 AR 표면층 사이에 개재될 수 있다. 상기 면 층에서의 수지 매트릭스의 강화 성분은 유리, 흑연, 탄소, 및 섬유, 메쉬, 미립자 또는 다른 형태의 유사-구조의 강화 필러를 포함할 수 있다. 몇몇 바람직한 양태는 유리-강화 사이아네이트 에스터 수지 매트릭스로 형성된 면 층을 포함한다.
레이돔 벽 구조물이 레이더 시스템과 관련된 레이더 안테나를 보호하기 위한 레이돔의 일부로서 형성되는 경우, 레이돔 벽 구조물은 임의의 형태로 제공될 수 있다. 그러므로, 벽 구조물은 평평하거나 구부러질 수 있다. 일반적으로, 레이돔 및 그와 관련된 벽 구조물은 볼록하게 구부러질 수 있다.
본 발명의 복합 레이돔 벽 구조물은 방탄성 및 레이더 투명 특성을 모두 나타낸다. 그러므로, 레이돔 벽 구조물은 레이돔, 예컨대 레이더 안테나를 보호하는 전형적인 돔-형태의 구조물을 형성하는 데 유용하게 사용될 수 있다. 레이돔은 평평하거나 첨두형(ogival) 등일 수 있으나, 일반적으로 돔-형태가 바람직하다. 레이돔은 항공기, 자동차, 항해 선박 및 지상 배치 설치물 상에서 발견된다.
상기 기재된 바와 같이, 본 발명의 복합 레이돔 벽 구조물은 일반적으로 방탄성 내부 고체인 무-공극 코어 및 상기 코어를 끼워 넣는 외부 표면층을 포함한다. 코어의 AR 표면층에 대한 결합을 강화시키고/강화시키거나 레이돔 벽 구조물을 레이더 시스템과 관련된 전송 및 수신 진동수로 선택적으로 튜닝하기 위하여 방탄 코어와 하나(또는 둘 다)의 외부 AR 표면층 사이에 하나 이상의 다른 기능층이 선택적으로 위치할 수 있다.
방탄 코어는 가장 바람직하게 서로에 대해 소정의 각도에서 크로스-플라이되고(cross-plied) 압축된 복수의 일방향으로 배향된 공중합체 단층을 갖는 무-공극의 중합체성 고체 물질(예컨대, 폴리에틸렌 및/또는 폴리프로필렌으로부터 선택된 폴리올레핀)이다. 몇몇 바람직한 양태에 따르면, 각각의 단층은 본질적으로 결합 수지가 없는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)을 포함한다.
단층을 형성하는 UHMWPE은 본원에 참조로 포함되는 미국특허 제7,993,715호 및 제8,128,778호에 개시된 테이프의 형태일 수 있다. 바람직하게, 코어를 형성하는데 사용되는 테이프는 2 mm 이상, 보다 바람직하게 5 mm 이상, 가장 바람직하게 10 mm 이상의 너비를 갖는다. 실용성 면에서 제한되나, 테이프는 400 mm 이하, 또는 종종 300 mm 이하, 또는 종종 200 mm 이하의 너비를 가질 수 있다.
테이프는 5 내지 200 g/m2, 종종 8 내지 120 g/m2, 또는 종종 10 내지 80 g/m2의 면적 밀도를 가질 수 있다. 테이프의 면적 밀도는 테이프로부터 알맞게 절단된 표면의 무게를 측정함으로써 결정될 수 있다. 테이프는 120 μm 이하, 종종 50 μm 이하, 및 종종 5 내지 29 μm의 평균 두께를 가질 수 있다. 평균 두께는 예컨대, 테이프의 상이한 단면상에서 현미경으로 측정하고 그 결과를 평균 냄으로써 측정될 수 있다.
테이프를 제조하는데 사용될 수 있는 적합한 폴리올레핀은 특히 에틸렌 및 프로필렌의 단독중합체 및 공중합체이고, 또한 소량의 하나 이상의 다른 중합체, 특히 다른 알켄-1-중합체를 함유할 수 있다.
폴리올레핀으로서 선형 폴리에틸렌(PE)이 선택되는 경우, 특히 양호한 결과가 얻어진다. 본 발명에서 선형 폴리에틸렌은 100개의 탄소 원자당 1개 미만의 측쇄, 바람직하게 300개의 탄소 원자당 1개 미만의 측쇄를 갖는 폴리에틸렌을 의미하되, 여기서 측쇄 또는 분지는 일반적으로 10개 이상의 탄소 원자를 함유한다. 측쇄는, 예컨대 유럽특허 제0 269 151호에 기재된 바와 같이, 2 mm 두께의 압축 성형 필름 상에서 FTIR에 의해 적절히 측정될 수 있다. 선형 폴리에틸렌은 그와 공중합 가능한 하나 이상의 다른 알켄을, 예컨대 프로펜, 뷰텐, 펜텐, 4-메틸펜텐 및 옥텐을, 5 몰% 이하로 추가로 함유할 수 있다. 바람직하게, 선형 폴리에틸렌은 4 dl/g 이상, 보다 바람직하게 8 dl/g 이상의 고유 점도(IV, 135℃에서 데칼린 중 용액에서 측정됨)를 갖는 높은 몰질량을 갖는다. 또한, 상기 폴리에틸렌은 초고몰질량 폴리에틸렌으로 지칭된다. 고유 점도는 Mn 및 Mw와 같은 실제 몰질량 파라미터보다 더 용이하게 측정될 수 있는 분자량에 대한 치수이다. IV와 Mw 사이의 몇몇 경험식이 있으나, 이러한 관계는 분자량 분포에 크게 의존한다. 식 Mw = 5.37 x 104[IV]1.37에 기초하여(유럽특허공개공보 제0 504 954 A1호 참조), 4 또는 8 dl/g의 IV는 각각 약 360 또는 930 kg/mol의 Mw에 상응할 것이다.
또한, 테이프는 무한 벨트의 조합 사이에 중합체성 분말을 공급하고, 상기 중합체성 분말을 그의 융점 이하의 온도에서 압축-성형하며, 생성물인 압축-성형된 중합체를 롤링한 후 인발함으로써 제조할 수 있다. 이러한 방법은, 예컨대 본원에 참조로 포함되는 유럽특허공개공보 제0 733 460 A2호에 기재되어 있다. 또한, 압축 성형은 수송하는 동안 무한 벨트 사이에 중합체 분말을 일시적으로 유지함으로써 수행될 수 있다. 이는, 예컨대 무한 벨트와 관련하여 압축 압반 및/또는 롤러를 제공함으로써 수행될 수 있다. 바람직하게 UHMWPE이 상기 공정에 사용되고, 이는 고체 상태에서 인발될 필요가 있다.
또 다른 바람직한 테이프의 형성 방법은 압출기에 중합체를 공급하는 단계, 테이프의 융점 초과의 온도에서 테이프를 압출하는 단계 및 압출된 중합체 테이프를 인발하는 단계를 포함한다. 폴리에틸렌 테이프는 겔 공정에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 적합한 겔 방사 공정은 예컨대, 영국특허-A-2042414호, 영국특허-A-2051667호, 유럽특허공개공보 제0205960 A호 및 국제특허공개공보 제01/73173 A1호, 및 문헌 ["Advanced Fibre Spinning Technology", Ed. T. Nakajima, Woodhead Publ. Ltd. (1994), ISBN 185573 182 7]에 기재되어 있다. 이러한 공정은 슬릿 압출 다이를 사용함으로써 테이프를 제조하도록 용이하게 수정될 수 있다. 요컨대, 겔 방사 공정은 높은 고유 점도의 폴리올레핀 용액을 제공하는 단계, 상기 용액을 용해 온도 초과의 온도에서 테이프로 압출하는 단계, 테이프를 겔화 온도 미만으로 냉각시켜, 적어도 부분적으로 테이프를 겔화하는 단계, 및 용매의 적어도 일부를 제거하기 전에, 제거하는 동안 및/또는 제거하는 이후에 테이프를 인발하는 단계를 포함한다.
제조된 테이프의 인발, 바람직하게 일축 인발은 당업계에 공지된 방법으로 수행된다. 이러한 방법은 적합한 인발 단위 상에서 압출 연신 및 인장 연신을 포함한다. 증가된 기계적 강도 및 강성도를 얻기 위해, 인발은 다단계로 수행될 수 있다. 바람직한 초고분자량 폴리에틸렌 테이프의 경우, 인발은 전형적으로 다수의 인발 단계에서 일축으로 수행된다. 예컨대, 제 1 인발 단계는 3의 연신 인자로 인발하는 것을 포함할 수 있다. 폴리올레핀이 UHMWPE인 경우, 테이프가 120℃ 이하의 인발 온도 동안 9의 연신 인자로, 140℃ 이하의 인발 온도 동안 25의 연신 인자로, 150℃ 이하 및 초과의 인발 온도 동안 50의 연신 인자로 연신되는 다단계 인발 공정이 사용되는 것이 바람직하다. 증가하는 온도에서 다중 인발함으로써, 약 50 이상의 연신 인자에 이를 수 있다. 이는 고강도 테이프를 생성하며, 이에 의해 초고분자량 폴리에틸렌의 테이프의 경우, 1.2 GPa 내지 3 GPa의 강도 범위가 용이하게 얻어질 수 있다.
제조된 인발 테이프는 이와 같이 사용되거나, 원하는 너비로 절단되거나, 인발 방향을 따라 분할될 수 있다. UHMWPE 테이프에 있어서, 면적 밀도는 바람직하게 50 g/m2 미만 및 보다 바람직하게 29 g/m2 미만 또는 25 g/m2 미만이다. 테이프는 바람직하게 0.3 GPa 이상, 더욱 바람직하게 0.5 GPa 이상, 훨씬 더 바람직하게 1 GPa, 가장 바람직하게 1.5 GPa 이상의 인장 강도를 갖는다.
복수의 폴리올레핀 테이프는 단층을 형성하고, 이어서 각각의 단층은 코어를 형성하기 위하여 다른 인접한 단층을 갖는 테이프의 일방향 인발에 대한 바이어스에서 적층된다. 테이프는 중첩 또는 모서리-인접 방식(edge-abutted manner)으로 나란히 위치할 수 있다. 몇몇 양태에 따르면, 각 단층의 테이프는, 예컨대 그의 내용이 본원에 참조로 포함되는 국제특허공개공보 제WO 2006/075961호에 기재되어 있는 바와 같이 직조될 수 있다. 이와 관련하여, 직조된 층은 테이프형 경사(warp) 및 위사(weft)로부터 제조될 수 있고, 이는 테이프형 경사를 공급하여 쉐드(shed) 형성 및 직물 권취를 촉진하는 단계, 상기 경사에 의해 형성된 쉐드에 테이프형 위사(weft)를 삽입하는 단계, 상기 삽입된 테이프형 위사를 낙하된 직물에 침착시키는 단계, 상기 생성된 직조된 층을 귄취하는 단계를 포함하고, 이때, 테이프형 위사를 삽입하는 단계는 위사 테이프를 클램핑에 의해 기본적으로 평평한 상태로 잡고 이를 쉐드를 통해 잡아 당기는 것을 포함한다. 삽입된 위사 테이프를 바람직하게 직물-낙하된 위치에서 침착되기 전에 소정의 위치에서 그의 공급원으로부터 절단한다. 테이프를 직조하는 경우, 직조 공정에서 특수 설계된 직조 요소가 사용된다. 특히 적합한 직조 요소는 그의 내용이 본원에 참조로 포함되는 미국특허 제6,450,208호에 기재되어 있다. 바람직한 직조 구조는 평직, 바스켓직(basket weave), 수자직(satin weave), 크로우-풋직(crow-foot weave)이다. 평직이 가장 바람직하다.
바람직하게, 플라이(ply)의 층에서 위사 방향은 인접한 플라이의 층에서 위사 방향과 소정의 각을 이룬다. 상기 각은 약 90°이다.
또 다른 양태에서, 테이프의 층은 일방향으로 배열된 테이프의 어레이, 즉 공통 방향을 따라 이어지는 테이프를 함유한다. 테이프는 그의 길이를 따라 부분적으로 중첩되나, 그의 길이를 따라 모서리가 인접할 수도 있다. 중첩되는 경우, 중첩 영역은 너비가 약 5 μm 내지 약 40 mm일 수 있다. 바람직하게, 플라이의 층에서 테이프의 공통 방향은 인접하는 플라이의 층에서 테이프의 공통 방향과 소정의 각을 이룬다. 인접하는 단층 사이의 바이어스 각은 약 20 내지 약 160°, 때때로 약 70 내지 약 120°, 경우에 따라 약 90°일 수 있다.
이어서, 테이프는 폴리에틸렌의 융점 미만, 바람직하게 110 내지 150℃ 및 10 내지 100 N/cm2의 압력하에서 압축될 수 있다. 생성되는 단층은 다른 단층과 함께 스택으로 조립될 수 있다.
바람직하게 결합 수지 또는 물질이 없는 바이어스-플라이된 단층의 스택은 증가된 압력 및 상승된 온도 하에서 방탄 코어를 형성하기에 충분한 시간 동안 압축될 수 있다. 몇몇 양태에 따르면, 코어는 서로에 대해 소정의 각으로 압축된 70 내지 280개의 폴리에틸렌 단층을 함유할 수 있다.
단층의 스택은 UHMWPE의 융점 미만의 온도에서 압축될 수 있다. 일반적으로, 단층의 스택을 압축하는 것은 약 90 내지 약 150℃, 때때로 약 115℃ 내지 약 130℃의 압축 온도에서 이루어질 수 있고, 선택적으로 실질적으로 일정한 압력에서 70℃ 미만까지 냉각시킬 수 있다. 압축 온도는 단층의 압축된 스택의 두께가 절반일 때의 온도를 의미한다.
100 내지 180 bar, 때때로 12 내지 160 bar의 압축 압력이 약 40 내지 180분의 압축 시간 동안 이용될 수 있다.
방탄 코어는, 예컨대 그 내용 전체가 본원에 참조로 포함되는 미국특허 제5,766,725호 및 제7,527,854호와 미국공개특허공보 제2010/0064404호에 보다 자세히 개시된 바와 같이 일방향으로(UD) 배향된 섬유를 함유하는 단층을 추가로 또는 선택적으로 포함할 수 있다. 방탄 코어 내 섬유는 3.5 내지 4.5 GPa의 인장 강도를 가질 수 있다. 섬유는 바람직하게 3.6 내지 4.3 GPa, 보다 바람직하게 3.7 내지 4.1 GPa 또는 가장 바람직하게 3.75 내지 4.0 GPa의 인장 강도를 갖는다. 예컨대, 본원에 참조로 포함된 영국특허 제2042414 A호 또는 국제특허공개공보 제WO 01/73173호에 기재된 바와 같이, 겔 방사 공정에 의해 제조된 폴리에틸렌 필라멘트로 이루어진 고성능 폴리에틸렌 섬유 또는 고도로 인발된 폴리에틸렌 섬유를 사용하는 것이 훨씬 더 바람직하다. 이러한 섬유는 중량이 가벼우면서도 매우 높은 인장 강도를 가지는 이점이 있으므로, 특히 경량 방탄 물품 용도로 매우 적합하다.
단층을 형성하는 UD 섬유는 전체 또는 부분적으로 섬유를 둘러쌀 수 있는 매트릭스 물질에 의해 서로 결합할 수 있어서, 미리 형성된 시트의 취급 및 제조 동안 단층 구조가 유지되도록 한다. 매트릭스 물질을 다양한 형태 및 방법으로 적용할 수 있고, 예컨대 섬유 단층 사이의 필름, 일방향으로 배열된 섬유 사이의 횡방향 결합 스트립, 또는 횡방향 섬유(일방향 섬유에 대해 횡방향)로서, 또는 섬유를 매트릭스 물질로 함침 및/또는 매립시킴으로써 적용할 수 있다.
강성(rigid) 코어의 두께는 방탄 특성에 따라 변할 수 있다. 본원에 기재된 "방탄 특성"은 물품이 2800 fps의 V50을 갖는 7.62 mm, 150 그레인의 전체 금속 재킷(FMJ) 탄환에 대한 미국 법무부(NIJ) 스탠다드 레벨 III의 보호를 달성하는 것을 의미한다. 일반적으로, 코어의 두께는 약 10 mm 내지 약 60 mm, 경우에 따라 약 15 mm 내지 약 40 mm로 변할 수 있다. 몇몇 양태의 코어는 약 25 mm(+/- 약 0.5 mm)의 두께를 가질 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 방탄 코어는 바람직하게 외부 반사 방지성(AR) 표면층의 쌍 사이에 끼워진다. AR 표면층은 원하는 레이더 투명성을 달성하는 물질의 코팅 또는 필름일 수 있다. 몇몇 양태에 따르면, AR 표면층은 X-밴드(8 내지 18 GHz) 진동수에 적합한 서브파장 구조물(SWS)이다.
용어 "서브파장 구조물"("SWS"로 약칭됨)은 입사 방사선의 파장보다 작은 크기를 갖는 표면 요철 격자를 갖는 물질의 층을 지칭한다. 반사 방지성 층은, 예컨대 그 내용 전체가 각각 본원에 참조로 포함되는 문헌[Mirotznik et al., Broadband Antireflective Properties of Inverse Motheye Surfaces, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.58, No.9, September 2010] 및 문헌[Mirotznik et al., Iterative Design of Moth - Eye Antireflective Suraces at millimeter wave Frequencies, Microwave and Optical Technology letters, Vol.52, No.3, March 2010]에 기재된 기술에 따라 제조될 수 있다.
특정 양태에 따르면, 복합 레이돔 벽 구조물의 외부 SWS 층은(예컨대 레이저로) 미세 가공된 약 2 내지 약 10 mm, 때때로 약 4 내지 약 6 mm의 두께를 갖는 폴리프로필렌 필름으로 형성될 수 있다. 특정 양태에 따라, 약 4.5 내지 약 5 mm의 두께를 갖는 폴리프로필렌 필름이 사용될 수 있다.
폴리프로필렌 필름은 일반적으로 원통형의 상부 오목부 및 상기 오목부에 대해 동심으로(concentrically) 위치한 일반적으로 원통형인 하부 개구로 이루어진 복수의 밀집된 오목 요철 구조물을 얻기 위해 레이저 가공될 수 있다. 상부 오목부의 평균 깊이 및 직경은 각각 약 4.0 내지 약 6.0 mm의 범위일 수 있다. 바람직하게, K-밴드 진동수에서, 상부 오목부의 평균 깊이 및 직경은 일반적으로 각각 약 4.64 mm 내지 약 5.16 mm일 수 있다. 하부 개구의 평균 깊이 및 직경은 각각 일반적으로 약 2.5 내지 약 3.0 mm 및 약 4.5 내지 약 5.0 mm일 수 있다. K-밴드 진동수에서, 하부 개구의 평균 깊이 및 직경은 일반적으로 각각 약 4.88 mm 및 약 2.78 mm일 수 있다. 오목 요철 구조물은 약 5.0 내지 7.0 mm, 일반적으로 약 6.0 mm 만큼 서로 이격된 인접한 오목 요철 구조물의 중심을 갖는 복수의 밀집된 오프셋(offset) 행 및 열에 대칭적으로 위치한다.
모스-아이(Moth-eye) 표면은 외부로 돌출하거나 내부로 반전된 오목부일 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 양태에서, 모스-아이 표면은 내부로 반전된 오목부이다. 필수적으로, 모스-아이 표면은 특히 공기(ε(공기) ≒ 1.0)로부터 레이돔의 외부층까지 통과하는 전자기 신호의 전송 효율을 증가시키는 효과적인 유전 상수(ε)를 만든다. 또한, 이는 특별히 튜닝된 유전 특성 및 두께를 갖는 필름의 적층된 층에 의해 달성될 수 있다. 이러한 기술은 광범위한 물질 어레이와 함께 사용될 수 있으나, 가교 결합된 폴리스타이렌 마이크로파 플라스틱(렉소라이트®(REXOLITE®) 폴리스타이렌)을 반전 모스-아이 기술 SWS 구조물과 함께 사용하는 것이 바람직하다. 만족할만하게 이용될 수 있는 또 다른 물질은 3.0 내지 15 범위의 유전 상수를 갖는 낮은 손실 플라스틱 스톡(예컨대, 에코스톡®(ECCOSTOCK®) HiK 물질)이다. 모스-아이 표면은 통상의 기술자에게 공지된 기술에 따라 CNC 기계를 통해 구조물의 원하는 진동수 응답에 의해 결정된 치수로 제조될 수 있다.
추가의 층은 AR 표면층에 대한 코어의 결합을 강화시키고/강화시키거나 원하는 레이더 진동수 범위를 갖는 레이돔 벽 구조물에 임피던스 매칭시키기 위하여 방탄 코어 및 외부 AR 표면층 사이에 이용될 수 있다.
열가소성 접착제를 사용하여 방탄 코어 및 면 시트 사이를 접착시키는 것이 바람직하다. 이오노머 등급의 열가소성 수지, 예컨대 메타크릴산기가 나트륨 이온으로 부분적으로 중성화된 에틸렌/메타크릴산(E/MAA) 공중합체가 특히 바람직하다. 이러한 목적에 바람직한 수지는 설린®(SURLYN®) 8150 나트륨 이오노머 열가소성 수지이다.
방탄 코어 및 면 시트의 표면 결합은 플라즈마 및/또는 코로나 처리 기술에 의해 달성될 수 있다.
AR 층과 방탄 코어 사이에 개재된 강화 수지 매트릭스 층으로 형성된 면 시트가 추가의 층으로 이용될 수 있다. 사이아네이트 에스터 수지 및/또는 에폭시 수지와 같은 수지 매트릭스는 이러한 목적으로 위해 이용될 수 있다. 사이아네이트 에스터 수지는 당업계에 바람직한 전기적 특성 및 열적 특성을 갖는 것으로 공지되어 있다. 사이아네이트 에스터 수지는, 예컨대 본원에 참조로 포함된 미국특허 제3,553,244호에 기재되어 있다. 이러한 수지의 경화는, 특히 미국특허 제4,330,658호, 제4,330,669호, 제4,785,075호 및 제4,528,366호에 기재된 바와 같이, 가열, 특히 촉매의 존재하에서의 가열에 영향을 받는다. 또한, 본 발명의 사이아네이트 에스터 수지는, 예컨대 미국특허 제4,110,364호, 제4,157,360호, 제4,983,683호, 제4,902,752호 및 제4,371,689호에 개시된 사이아네이트 에스터 수지의 블렌드로 이해된다.
바람직하게, 사이아네이트 에스터 수지는 난연성 사이아네이트 에스터 수지, 예컨대 일본특허 제05339342호 및 미국특허 제4,496,695호에 기재된 사이아네이트 에스터 및 브롬화된 에폭시의 블렌드, 또는 폴리(페닐렌 에터)(PPE), 사이아네이트 에스터 및 브롬화된 에폭시의 블렌드이다. 보다 바람직하게, 사이아네이트 에스터 수지는 미국특허 제4,097,455호 및 제4,782,178호에 개시된 브롬화된 사이아네이트 에스터의 난연성 블렌드이거나, 미국특허 제4,782,116호 및 제4,665,154호에 기재된 사이아네이트 에스터와 비스(4-바이닐벤질에터) 또는 브롬화된 비스페놀의 블렌드이다. 또한, 일본특허 제08253582호에 개시된 사이아네이트 에스터와 브롬화된 폴리(페닐렌 에터), 폴리카보네이트 또는 펜타브로모벤질아크릴레이트의 블랜드가 본 발명의 용도에 적합하다.
면 층의 수지 매트릭스를 형성하는데 사용되기에 적합한 에폭시 수지는, 예컨대 코팅 제제의 총 중량을 기준으로 에폭시 단량체 또는 수지를 약 20 중량% 내지 약 95 중량% 포함하는 것일 수 있다. 몇몇 양태는 경화성 코팅 제제 중 약 30 중량% 내지 약 70 중량%의 에폭시 단량체를 포함할 수 있다. 에폭시 수지는 텍사스주 휴스턴 소재의 쉘 케미칼 컴퍼니(Shell Chemical Company)로부터 시판되는 에폰(EPON) 수지, 예컨대 에폰 수지 1001F, 1002F, 1007F 및 1009F와 2000 시리즈 분말 에폰 수지, 예컨대 에폰 수지 2002, 2003, 2004 및 2005가 사용될 수 있다. 에폭시 단량체 또는 수지는 높은 가교 밀도, 약 3 이상의 작용성, 및 250 미만의 에폭시 당량을 가질 수 있다. 본 발명의 양태에 따라 이용될 수 있는 에폭시의 예로는 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼 컴퍼니(Dow Chemical Company)의 에폭시 노볼락 수지 D.E.N. 431, D.E.N. 438 및 D.E.N. 39를 들 수 있다.
또한, 에폭시 수지의 경화제는 에폭시 성분의 약 1 중량% 내지 약 10 중량%의 양으로 첨가될 수 있다. 경화제는 촉매 또는 반응물, 예컨대 다이사이안다이아마이드 반응물일 수 있다. 또한, 코팅 제제의 중량을 기준으로 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 에폭시 용매가 코팅 제제에 포함될 수 있다. 에폭시 용매는 에폭시 단량체 또는 수지를 용해시키거나 그의 점도를 조절하기 위하여 첨가될 수 있고, 트라이에틸포스페이트 및 에틸렌 글라이콜이 바람직하다. 에폭시가 실온에서 액체이거나 코팅 제제의 브롬화된 단량체 또는 계면 활성제 성분이 에폭시 대해 용매 역할을 하는 본 발명의 몇몇 양태에 따르면, 별개의 에폭시 용매가 필요하지 않을 수 있다.
본 발명의 특정 양태에 따른 면 시트는 바람직하게 6.0 이하, 때때로 5.0 이하, 경우에 따라서는 4.0 이하의 유전 상수(ε)를 나타낼 수 있다. 몇몇 양태에 따르면, 면 시트는 유전 상수를 나타낼 수 있다. 바람직하게, 면 시트의 유전 상수(ε)는 약 2.0 내지 약 4.0, 때때로 3.0 내지 3.75일 수 있다. 약 3.5 내지 약 3.7의 유전 상수(ε)를 갖는 유리-강화 사이아네이트 에스터 수지로 형성된 면 시트가 유리하게 이용될 수 있다.
에폭시 수지의 유전 상수 및 유전 손실은 일반적으로 동축선 탐침을 사용하는 전자기 무소음실에 위치한 전자기 수송 라인으로 측정될 수 있다. 강화 면 시트의 유전 손실은 바람직하게 0.025 이하, 보다 바람직하게 0.0001 이하이다. 바람직하게, 유전 상수는 0.0001 내지 0.0005이다.
면 시트는 단일 또는 복수의 플라이 필름, 스크림(scrim), 섬유, 도트(dot), 패치(patch) 등의 형태일 수 있다. 면 시트 층은 바람직하게 스크림, 보다 바람직하게 필름의 형태이다. 일반적으로, 면 시트 층은 비경화된 또는 부분적으로 경화된 수지 조성물이 경화되고 본 발명의 물질에 포함되는 복수의 플라이를 통합시키는 공정 동안 추후 방탄 코어의 각각의 면 표면 상에 직접 적용된다. 면 시트는 각각의 외부 AR 표면층과 방탄 코어 사이에 개재되거나 선택적으로 하나의 코어 표면 및 이에 상응하는 인접한 AR 표면층 사이에만 개재될 수 있다.
면 시트를 형성하는 수지 매트릭스는 적절한 섬유 또는 미립자 충전 물질로 강화되는 것이 가장 바람직하다. 그러므로, 면 시트의 수지 매트릭스는 섬유 또는 미립자 유리, 흑연 및/또는 탄소 물질을 포함할 수 있다. 유리 섬유, 예컨대 S-유리 섬유 또는 E-유리 섬유가 바람직하다.
외부 AR 표면층 및 선택적인 임피던스 매칭층은 임의의 통상의 방법에 의해 방탄 코어 상에 조립될 수 있다. 이어서, 조립된 레이돔 벽 프리폼(prefrom)의 다양한 층은, 바람직하게 DSC에 의해 측정된 폴리올레핀의 융점(Tm) 미만의 온도에서 이에 가압함으로써 통합될 수 있다. 유용한 압력은 50 bar 이상, 때때로 75 bar 이상, 및 다른 경우 100 bar 이상의 압력을 포함한다. 통합 온도는 Tm보다 10℃ 낮은 온도 내지 Tm, 경우에 따라 Tm보다 5℃ 낮은 온도 내지 Tm보다 2℃ 낮은 온도일 수 있다. 사용되는 온도는 사이아네이트 에스터 수지의 경화 온도보다 높아야 한다. UHMWPE 테이프가 사용되는 경우 적합한 온도는 120℃ 내지 150℃, 보다 바람직하게 130℃ 내지 140℃이다.
면 시트를 방탄 코어에 접착시키는 것은 면 시트가 적용되는 코어의 표면을 코로나 처리 및/또는 플라즈마 처리함으로써 강화될 수 있다.
본 발명은 청구범위에 기재된 모든 구성의 모든 가능한 조합에 관한 것으로 이해된다. 본원에 기재된 구성이 추가로 조합될 수 있다.
"포함하는"이라는 용어는 다른 요소의 존재를 제외하지 않는 것으로 이해된다. 그러나, 특정 성분을 포함하는 제품에 대한 기재 역시 상기 성분으로 이루어진 제품을 개시하는 것으로도 이해된다. 유사하게, 특정 단계를 포함하는 방법에 대한 기재 역시 상기 단계로 이루어진 방법을 개시하는 것으로도 이해된다.
본 발명은 하기 실시예를 통해 보다 자세히 설명되나, 이에 제한되지 않는다.
실시예
실시예 1
첨부된 도 1은 본 발명의 한 양태에 따른 레이돔 벽 구 조물(10)의 개략적인 단면도이다. 도 1에 나타낸 레이돔 벽 구조물(10)은 외부 AR 표면층(14-1, 14-2) 사이에 각각 끼워진 상기 기재된 통합된 UHMWPE 단층으로 형성된 방탄 코어(12)를 포함한다. 도시된 양태에서 AR 표면층(14-1, 14-2)은 SWS 구조의 가교-결합된 폴리스타이렌 마이크로파 플라스틱(렉소라이트®(REXOLITE®) 1422 폴리스타이렌)으로 형성된다. AR 표면층(14-1, 14-2)은 모스-아이 표면이고, 각각의 표면층(14-1, 14-2)은 오목부 형태의 미세 가공된 서브파장 표면(SWS) 구조를 포함하며, 대표적인 몇몇의 구조는 각각 참조 번호(14-1a, 14-2a)로 나타내었다.
S-유리 강화된 사이아네이트 에스터 물질(16-1, 16-2)의 단일 플라이 면 시트 각각을 방탄 코어(12) 및 각각의 AR 표면 층(14-1, 14-2) 사이에 끼워넣었다.
방탄 코어(12)는 약 25.4 mm의 두께를 갖고, AR 표면층(14-1, 14-2)의 두께는 각각 약 9.525 mm였다. 단일 플라이 면 시트(16-1, 16-2)의 두께는 약 11 mil(약 0.279 mm)였다.
AR 표면층(14-1, 14-2)은 도 1a 및 1b에 나타낸 구조를 가졌다. 이와 관련하여, AR 표면층(14-1)을 도 1a 및 도 1b의 예를 통해 도시하였다. AR 표면층(14-2)도 유사하게 배열되는 것으로 이해된다. 특히, 각각의 SWS 구조물(14-1a)은 일반적으로 원통형인 상부 오목부(14-1b) 및 일반적으로 원통형인 개구(14-1c)를 포함하는 오목부의 형태였다. 일반적으로 원통형인 상부 오목부(14-1b)의 직경 및 깊이 치수 D1 및 d2는 각각 약 5.195 mm 및 약 4.640 mm였다. 하부 개구부(14-1c)의 직경 및 깊이 치수 D3 및 d4는 각각 약 2.778 mm 및 약 4.885 mm였다. 인접한 SWS 구조물(14-1a)을 약 6.00 mm의 D5 만큼 이격시켰다. 도 1a에 나타낸 바와 같이, SWS 구조물(14-1a)은 행을 따라 배열되고, 구조물(14-1a) 각각은 인접한 행의 구조물(14-1a)에 대해 분리 거리 D5의 1/2 만큼 떨어져 있다.
도 1a 및 1b에 나타낸 AR 표면층(14-1, 14-2)을 갖는 도 1의 복합 레이돔 벽 구조물에 약 10 GHz 내지 약 40 GHz의 진동수의 무향실(anechoic chamber) 챔버에서 수직 입사(normal incidence) 방사선을 가하였다. 방사선 전송 손실(dB)을 진동수에 대해 도시하고, 허니콤 코어를 포함하는 통상의 A-샌드위치 구조 레이돔 벽 구조물과 비교하였다. 또한, 도 1의 구조물을 외부 AR 표면층의 부재하에서 시험하였다. 그 결과를 도 2에 나타냈다.
확인되는 바와 같이, 본 발명의 양태는 특정 진동수, 즉 26 내지 40 GHz에서 0.5 dB 미만의 전송 손실을 가졌다. 또한, 본 발명에 따른 양태의 방사선 전송 손실 특성은 26 내지 40 GHz 진동수에서 허니콤 코어를 갖는 당업계의 통상의 A-샌드위치 레이돔 벽 구조물과 비슷하였다.
도 3a 및 3b는 변화하는 방사선 입사각에서 허니콤 코어를 갖는 당업계의 통상의 A-샌드위치 레이돔 벽 구조물과 비교한 도 1에 따른 레이돔 벽 구조물의 전송 손실(dB)을 나타낸다. 확인되는 바와 같이, 레이돔 벽 구조물 둘 다 26 내지 40 GHz의 진동수 범위에서, 전송 손실이 어느 정도 비슷하였다.
실시예 2
도 1a 및 1b에 나타낸 AR 표면층(14-1, 14-2)을 갖는 도 1의 복합 레이돔 벽 구조물에 약 4 GHz 내지 약 40 GHz의 진동수의 무향실 챔버에서 수직 입사 방사선을 가함으로써, 실시예 1을 반복하였다. 그 결과를 도 4 및 5에 나타내었다.
도 4 및 5에서 확인되듯이, 8 내지 18 GHz의 X-밴드 진동수에서, 복합 레이돔 벽 구조물은 0.2 dB 미만의 전송 손실 및 95% 초과의 % 전송 전력을 나타내었다.
본 발명을 현재 가장 실용적이고 바람직한 양태에 관하여 기재하였지만, 본 발명은 기재된 양태에 제한되지 않고, 본 발명의 사상 및 범위 내의 다양한 변형 및 등가물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (21)

  1. 방탄성 고체인 무-공극 내부 코어 및 반사 방지성(AR) 외부 표면층들을 포함하고, 상기 코어가 상기 AR 외부 표면층들 사이에 끼워져 있는(sandwich), 복합 레이돔 벽 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    2 내지 40 GHz의 진동수에서 90% 이상의 전자기 전송 효율을 나타내는 복합 레이돔 벽 구조물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    미국 법무부(NIJ) 스탠다드 레벨(Standard Level) III의 방탄 특성을 나타내는 복합 레이돔 벽 구조물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    방탄 코어가, 각을 이루며 바이어스된(angularly biased) 일방향성 폴리에틸렌 단일층의 압축 스택을 포함하는, 복합 레이돔 벽 구조물.
  5. 제 2 항에 있어서,
    각을 이루며 바이어스된 일방향성 폴리에틸렌 단일층의 스택이 일방향성 폴리에틸렌 테이프 또는 섬유를 포함하는, 복합 레이돔 벽 구조물.
  6. 제 3 항에 있어서,
    폴리에틸렌 테이프가 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)으로 이루어지는, 복합 레이돔 벽 구조물.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 방지성 외부 표면층이 서브파장 표면(subwavelength surface; SWS) 구조물인, 복합 레이돔 벽 구조물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    SWS 구조물이 가교 결합된 폴리스타이렌 필름을 포함하는, 복합 레이돔 벽 구조물.
  9. 제 8 항에 있어서,
    가교 결합된 폴리스타이렌 필름이 약 2 내지 약 10 mm의 두께를 갖는, 복합 레이돔 벽 구조물.
  10. 제 9 항에 있어서,
    가교 결합된 폴리스타이렌 필름이 오목 요철 구조를 나타내도록 미세가공되는, 복합 레이돔 벽 구조물.
  11. 제 10 항에 있어서,
    인접한 오목 요철 구조의 중심이 약 6.0 mm 만큼 서로 이격되어 있는, 복합 레이돔 벽 구조물.
  12. 제 1 항에 있어서,
    코어와 각각의 AR 표면층 사이에 개재된 강화 수지 매트릭스를 포함하는 하나 이상의 면(face) 시트층을 추가로 포함하는 복합 레이돔 벽 구조물.
  13. 제 12 항에 있어서,
    코어와 각각의 AR 표면층 사이에 개재된 강화 수지 매트릭스층을 포함하는 복합 레이돔 벽 구조물.
  14. 제 13 항에 있어서,
    수지 매트릭스 면 층이 섬유 또는 미립자 강화 충전제 물질을 포함하는, 복합 레이돔 벽 구조물.
  15. 제 14 항에 있어서,
    강화 물질이 유리, 흑연 및 탄소 중에서 선택된 하나 이상인, 복합 레이돔 벽 구조물.
  16. 제 1 항에 있어서,
    세라믹 또는 중합체성 물질을 포함하는 하나 이상의 임피던스 매칭(impedance matching) 층을 추가로 포함하는 복합 레이돔 벽 구조물.
  17. 제 1 항에 따른 레이돔 벽 구조물을 포함하는 레이돔.
  18. 제 17 항에 따른 레이돔을 포함하는 레이더 시스템.
  19. 방탄성의 고체인 무-공극 내부 코어를 반사 방지성(AR) 외부 표면층들 사이에 끼워 넣는(sandwitch) 단계를 포함하는, 복합 레이돔 벽 구조물의 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상승된 온도 및 압력하에서 복합 레이돔 벽 구조물을 수득하기에 충분한 시간 동안 코어와 AR 표면층들을 통합시키는(consolidate) 단계를 포함하는, 복합 레이돔 벽 구조물의 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    코어와 AR 표면층들을 통합시키는 단계가 120℃ 내지 150℃의 온도 및 50 bar 이상의 압력에서 실시되는, 복합 레이돔 벽 구조물의 제조 방법.


















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