KR20180079553A - 복합재료 폐기물을 이용한 탄두회수기 - Google Patents

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한주엽
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Abstract

본원 발명은 산업용 섬유 및 이를 이용한 복합재료의 제조 또는 폐기과정에서 발생하는 페기물을 활용하여 제작되는 환경오염방지 목적의 탄두회수기에 대한 것으로 보다 구체적으로는 산업용 섬유 및 이를 이용한 복합재료의 제조 또는 폐기과정에서 발생하는 위빙 셀비지(weaving selvage), 복합재료 제조공정 중 코팅(coating) 공정, 라미네이트(laminate) 공정 중 발생하는 폐기물 또는 프리프레그(pre-preg) 및 섬유강화복합재 매트릭스(FRP matrix)로 이루어지는 소재의 폐기물(Waste)을 재활용(Recycle)하여 고도내구성을 가지는 섬유복합 플레이트를 구성하고 이를 다수 겹 배열하는 방법으로 내부 이격공간의 밀도차이를 이용하여 탄환의 운동에너지를 감소시켜 탄두를 회수하는 장비로 국내 부대의 실탄사격 훈련 등으로 발생하는 환경오염을 방지하는 친환경 기술에 대한 것이다.

Description

복합재료 폐기물을 이용한 탄두회수기{Bullet head collecting apparatus using waste of composite materials}
본원 발명은 산업용 섬유 및 이를 이용한 복합재료의 제조 또는 폐기과정에서 발생하는 페기물을 활용하여 제작되는 환경오염방지 목적의 탄두회수기에 대한 것이다.
보다 구체적으로는 산업용 섬유 및 이를 이용한 복합재료의 제조 또는 폐기과정에서 발생하는 위빙 셀비지(weaving selvage), 복합재료 제조공정 중 코팅(coating) 공정, 라미네이트(laminate) 공정 중 발생하는 폐기물 또는 프리프레그(pre-preg) 및 섬유강화복합재 매트릭스(FRP matrix)로 이루어지는 소재의 폐기물(Waste)을 재활용(Recycle)하여 고도내구성을 가지는 섬유복합 플레이트를 구성하고 이를 다수 겹 배열하는 방법으로 내부 이격 공간의 밀도차이를 이용하여 탄환의 운동에너지를 감소시켜 탄두를 회수하는 장비로 국내 부대의 실탄사격 훈련 등으로 발생하는 환경오염을 방지하는 친환경 기술에 대한 것이다.
탄두를 회수하는 장치는 일반적으로 실내 실탄사격장에 볼 수 있는데, 일반적인 설계 방법은 UHSS(Ultra High Strength Steel) 및 방탄철판 등을 경사각으로 배열하여 탄환의 충돌에 의하여 파편이 튀지 않도록 설계되어 있다. 그러나 이와 같은 설계방법은 탄환의 충돌에서 발생하는 납 등의 중금속 미세입자 발생에 대비한 별도의 환풍기가 설치되어야 하며, 사용 가능한 탄환은 소총탄은 불가능하고 모두 권총탄환으로 제한되어 있는 단점이 존재한다. 실제로 권총탄환과 소총탄환의 위력은 매우 큰 차이점이 존재하는데, 권총탄환은 구경이 크고(일반적으로 9mm), 질량이 높으며(8g), 총구속도가 낮고(약 300~350m/s) 충돌까지 공기와의 마찰에 의한 운동에너지 감소로 탄두회수가 어렵지 않으나, 소총탄환의 경우 구경이 작고(5.56mm) 뾰족하며, 질량이 낮고(3.6g), 총구속도가 매우 높고(1Km/s 이상), 강선(회전)에 의하여 공기와의 마찰에 의한 운동에너지 감소가 최소화되어 있기 때문에 일반적인 9mm 권총의 유효사거리는 보통 25m인 반면, 5.56mm 소총의 유효사거리는 약 400m, 최대사거리 2.4Km로 그 위력에 큰 차이가 있기에 탄두를 방탄하거나 회수하는 것은 매우 어려운 기술이다
탄두회수 기술에 관하여는 다양한 특허가 있는데, 군사적 목적상 좁은 지역에서 탄약을 소비하는 국내 실정상 군인과 일반인 및 일부 업체가 관련 장비를 개발하고 있으나, 탄두의 특성상 내구성 구현과 원가절감이 최대의 기술적 난제가 존재하고 있다. 일반적인 탄두회수장치는 폐타이어나 고무소재를 활용하여 상자 및 블록형태로 구성하고 이를 탄착지역에 배치하는 방법으로 70~80%의 확률로 탄두를 회수한다고 하지만, 여기에는 내구성의 취약문제뿐만 아니라 기술적 위험성이 있는데 실제 사격에서는 탄도궤적을 확인하기 위한 예광탄이 5발당 1발이 포함되어 있기 때문에 폐타이어 및 고무소재를 활용한 탄두회수 방법은 탄착지역에 화재를 발생시킬 위험성이 있고 폐타이어 소재의 경우 화재 발생 시 진화하기 매우 어려운 추가적인 문제가 있다.
한편, 신소재섬유 시장의 성장에 맞춰 슈퍼섬유소재 또한 그 생산량과 시장성이 급성장하면서 물리적 강도, 내화학성을 기반으로 다양한 용도 전개가 활성화되고 있으나, 이러한 장밋빛 전망의 반대편에는 재활용 또는 폐기할 수 없는 초고분자량 섬유폐기물의 처리에 대한 문제가 잠재되어 있는 실정이다. 고가의 슈퍼섬유 폐기물을 재활용하여 부직포 및 연마제품의 첨가재료로 활용하는 기술개발이 진행된 사례가 있었으나, 여기에 사용할 수 있는 섬유폐기물은 폐기 소재의 규격이 동일해야 한다는 조건과 기타 성분이 함유되지 않아야 한다는 조건을 충족해야 하기 때문에 라미네이트(Laminate), 코팅(Coating), 프리프레그(Pre-Preg) 섬유강화복합재 매트릭스(FRP Matrix) 등 일반적인 제품의 생산과정에서 발생하는 폐기물은 재활용할 수 없는 단점을 가지고 있어 현실적인 실효성이 매우 낮다. 대표적인 슈퍼섬유 소재는 파라-아라미드(Para-Aramid), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 및 탄소섬유 등이 있는데, 이러한 소재는 특정강도 부분에서 높은 기능성을 발휘하는 특징이 있으나, 약점이 존재하기 때문에 일반적으로 단일소재 형태보다는 복합소재(Complex Material)방식으로 설계되어 적용되는 것이 일반적이며, 그렇기에 제품화 공정과정에서 불순물이 포함되지 않은 재활용 가능한 폐기물의 생성비중은 매우 낮다는 한계가 있다. 예로서 파라-아라미드(Para-Aramid) 소재는 내광성과 내화학성이 낮아 특수 코팅을 해야 하며, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 소재는 내열성이 취약하여 필름 적층(Film Laminate)공정 및 기타 코팅처리 공정이 필요하며, 탄소섬유 소재는 전반적인 기계적 물성이 타 소재에 비하여 매우 우수하나 선팽창계수가 매우 낮아 에폭시 수지를 매트릭스로 하여 복합재료를 구성하는 것이 상식적인 제품화 공정이다. 결론적으로 꿈의 신소재라 불리는 슈퍼섬유소재는 결함을 보환하기 위한 복합재료 기술이 상존하고 경량 복합재료 신소재라는 장밋빛 시장전망의 반대편에는 썩지도 타지도 재활용되지도 않는, 거대한 산업폐기물의 처리에 대한 난제가 잠재되어 있는 현실이다.
한국 등록특허공보 KR1262298B. 일본 공개특허공보 JP2006-097932A.
본원 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로, 권총탄환과 소총탄환에 구별 없이 탄두를 할 수 있는 탄두회수기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본원 발명에서는 모래, 고무, 철판을 사용하는 종래의 탄두를 회수하는 기술의 내구성과 원가절감에 대한 문제점을 해결할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.
또한, 최근에 발생되고 있는 산업용 섬유제품의 재활용 폐기 처리에 대한 문제를 해결할 수 있는 섬유복합재료 폐기물의 재활용과 이를 이용한 군 사격장의 환경오염 유발물질인 탄두를 회수하여 환경오염을 방지할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 산업용 섬유제품 제조과정에서 발생하는 원단자투리, 단섬유, 불량품 등의 부산물 및 폐기물(Waste)을 재활용(Recycle)하여 고도내구성을 가지는 섬유복합 플레이트를 구성하고 이를 다수 겹 배열하는 방법으로 내부 이격 공간의 밀도차이를 이용하여 탄환의 운동에너지를 감소시켜 탄두를 회수하는 장비로 국내 부대의 실탄사격 훈련 등으로 발생하는 환경오염을 방지하는 친환경 기술제품을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본원 발명은 권총탄환과 소총탄환에 모두 적용할 수 있어 활용성을 극대화 하는 큰 장점이 있다.
또한, 종래의 철판에 의해 방탄할 시, 충격에 의한 마찰음, 비산하는 중금속등의 오염을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 모래, 철판, 고무 소재를 사용하는 기존에 장비에 문제점인 내구성과 원가비용에 대한 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.
또한, 최근에 야기된 재활용/폐기가 불가능한 초고분자량의 섬유폐기물을 처리할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 탄두회수기의 사시도를 나타낸 것이다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 탄두회수기의 단면도를 나타낸 것이다.
이하, 본원 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 사격 표적의 후방에 설치되는 탄두회수기에 있어서, 사격 표적(10)에 대향하도록 전 후 방향으로 소정의 거리로 이격되어 구성되는 다수의 압축플레이트 모듈(20); 상기 압축플레이트 모듈을 내부에 수납하며 압축플레이트 모듈 간의 이격부위에 대응하도록 하부에 형성된 개구부(30)를 포함하는 상부 하우징; 및 상기 상부 하우징의 하부에 구성되며 상부 하우징의 후면부에서 전면부를 향하여 하방으로 소정의 기울기를 가지는 제1경사면(40)과 상기 경사면과 소정의 각도를 가지며 상방으로 절곡된 제2경사면(50)을 포함하여 구성되는 하부 하우징을 포함하여 구성되는 탄두회수기(100)를 제공한다.
본원 발명에 따른 탄두회수기에 있어서, 상기 상부 하우징의 전면에는 표적지가 설치 또는 고정될 수 있다.
본원 발명에 따른 탄두회수기에 있어서, 상기 압축플레이트 모듈은 섬유강화 복합재료의 폐기물과 이의 재결합에 사용되는 수지의 혼합물을 압축하여 제조될 수 있다.
본원 발명에 따른 탄두회수기에 있어서, 상기 섬유강화 복합재료의 폐기물은 열가소성 섬유복합재료의 폐기물 또는 열경화성 섬유복합재료의 폐기물 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본원 발명에 따른 탄두회수기에 있어서, 상기 섬유복합재료의 폐기물은 위빙 셀비지(weaving selvage), 복합재료 제조공정 중 코팅(coating) 공정, 라미네이트(laminate) 공정 중 발생하는 폐기물 또는 프리프레그(pre-preg) 및 섬유강화복합재 매트릭스(FRP matrix)로 이루어지는 소재의 폐기물을 사용하는 것이 바람직하다.
본원 발명에 따른 탄두회수기에 있어서, 상기 섬유강화 복합재료는 보강섬유로 메타 또는 파라 아라미드 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유 또는 탄소섬유 중 어느 하나가 사용된 것일 수 있다.
본원 발명에 따른 탄두회수기에 있어서, 상기 수지는 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리우레탄(PU) 또는 폴리비닐알콜(PVA) 중 어느 하나일 수 있다.
이하 본원 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에는 본원 발명의 일 구현예에 따른 탄두회수기를 나타내었다. 사격 표적의 후방에 설치되는 탄두회수기는 사격 표적에 대향하도록 전 후 방향으로 소정의 거리로 이격되어 구성되는 다수의 압축플레이트 모듈; 상기 압축플레이트 모듈을 내부에 수납하며 압축플레이트 모듈 간의 이격부위에 대응하도록 하부에 형성된 개구부를 포함하는 상부 하우징; 및 상기 상부 하우징의 하부에 구성되며 상부 하우징의 후면부에서 전면부를 향하여 하방으로 소정의 기울기를 가지는 제1경사면과 상기 경사면과 소정의 각도를 가지며 상방으로 절곡된 제2경사면을 포함하여 구성되는 하부 하우징을 포함하여 구성될 수 있다.
도 1에 표시한 바와 같이 탄두회수기의 인접하는 압축플레이트 모듈의 간격이 사격에 사용되는 탄두의 길이보다 커지도록 배설되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들면 사격에 사용하는 탄두를 인접하는 섬유복합 플레이트의 간극에 삽입했을 때 탄두와 섬유복합 플레이트의 간격이 탄두의 전후로 1mm씩 이격하도록, 압축플레이트 모듈의 간격이 탄두의 길이보다 2mm 이상 커지도록 배치되는 것이 바람직하다.
압축플레이트 모듈은 재활용/폐기가 불가능한 초고분자량의 섬유폐기물로 형성된다. 본원 발명의 바람직한 일 실시 형태에서는 압축플레이트 모듈은 아라미드 소재의 섬유로 여러 겹의 폐 아라미드 소재를 접착제로 겹쳐 압착한 후 하나의 플레이트 형태로 제조될 수 있다.
복수의 압축플레이트 모듈 하방에는 탄두를 회수하기 위한 회수 장치가 배설되어 있다. 이는 상기 압축플레이트 모듈을 내부에 수납하며 압축플레이트 모듈 간의 이격부위에 대응하도록 하부에 형성된 개구부를 포함하는 상부 하우징의 하부에 구성되며 상부 하우징의 후면부에서 전면부를 향하여 하방으로 소정의 기울기를 가지는 제1경사면과 상기 경사면과 소정의 각도를 가지며 상방으로 절곡된 제2경사면을 포함하여 구성되는 하부 하우징을 포함한다.
다음으로 본원 발명의 일구현예에 따른 탄두회수기의 탄두회수 원리에 대해서 설명한다.
사격수가 표적을 향해 탄두를 발사해, 그 탄두가 표적을 통과하여 섬압축플레이트 모듈에 충돌하면, 탄두는 압축플레이트 모듈을 관통한다. 그러나 그때, 압축플레이트 모듈은 탄두에 대해서 그 진행을 저해하는 방향으로 힘을 미친다. 전술한 것처럼 압축플레이트 모듈이 아라미드 소재의 섬유를 압착하여 형성되어 있으므로, 탄두가 충돌해도 탄두를 파손시킬 정도의 경도는 없기 때문에 탄환을 파손시키지 않으면서 탄두의 진행방향에 대하여 강한 저항을 일으킨다.
이러한 저항에 의하여 탄두는 압축플레이트 모듈을 관통할 때마다 그 운동 에너지를 압축플레이트 모듈에 빼앗겨 최종적으로 압축플레이트 모듈에 충돌해도 관통하지 못하고, 하방에 낙하해 탄두를 회수할 수 있게 된다.
도 1에서는 본원 발명의 일 구현예로 압축플레이트 모듈이 6개인 탄두회수기를 표현하였으나 권총탄환 또는 소총탄환 등 탄두의 종류에 따라 압축플레이트 모듈의 개수는 변경이 가능하고, 인접하는 압축플레이트 모듈의 간격이 탄두의 길이보다 커지도록 배설되어 있으면 탄두를 압축플레이트 모듈의 간극에서 원활하게 낙하시킬 수 있다. 또한, 극히 일부의 탄두는 섬유복합 플레이트에 박힌 상태에서 정지하는 일이 있지만, 그 경우는 상부 하우징을 상부를 개봉하여 하부로 회수될 수 있다.
덧붙여 본원 발명의 일 구현예에 따른 압축플레이트 모듈는 탄두로써 5.56mm KM193을 이용해 설계면적 0.5×0.5(m)에서 100,000회의 내구성을 달성할 수 있고, 7.62mm AP를 이용해 설계면적 0.5×0.5(m)에서 50,000회의 내구성을 달성할 수 있다.
이와 같이 본원 발명의 탄두회수기에 의하면 발사된 탄두를 복수의 압축플레이트 모듈을 관통시키면서 그 운동 에너지를 서서히 줄여서 감속시켜 낙하시켜 하방의 탄두 회수 장치로 회수하기 때문에 탄두를 파손시키는 일 없이 효율적으로 회수할 수 있다. 따라서 탄환의 분쇄에 의한 납분진의 발생이 없고 납공해의 발생을 확실하게 방지하는 것이 가능해진다.
또한, 본원 발명의 탄두회수기에 의하면 운동 에너지를 잃은 탄두가 거의 자동으로 하방의 탄환 회수 장치에 낙하해 회수되기 때문에, 탄두의 회수를 매우 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.
10: 사격 표적, 20: 압축플레이트 모듈, 30: 개구부,
40: 제1경사면, 50: 제2경사면, 100: 탄두회수기

Claims (7)

  1. 사격 표적의 후방에 설치되는 탄두회수기에 있어서,
    사격 표적에 대향하도록 전 후 방향으로 소정의 거리로 이격되어 구성되는 다수의 압축플레이트 모듈;
    상기 압축플레이트 모듈을 내부에 수납하며 압축플레이트 모듈 간의 이격부위에 대응하도록 하부에 형성된 개구부를 포함하는 상부 하우징; 및
    상기 상부 하우징의 하부에 구성되며 상부 하우징의 후면부에서 전면부를 향하여 하방으로 소정의 기울기를 가지는 제1경사면과 상기 경사면과 소정의 각도를 가지며 상방으로 절곡된 제2경사면을 포함하여 구성되는 하부 하우징을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄두회수기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 하우징의 전면에는 표적지가 설치 또는 고정되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 탄두회수기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축플레이트 모듈은 섬유강화 복합재료의 폐기물과 이의 재결합에 사용되는 수지의 혼합물을 압축하여 제조되는 것을 특징으로 하는 탄두회수기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재료의 폐기물은 열가소성 섬유복합재료의 폐기물 또는 열경화성 섬유복합재료의 폐기물 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 탄두회수기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 섬유복합재료의 폐기물은 위빙 셀비지(weaving selvage), 복합재료 제조공정 중 코팅(coating) 공정, 라미네이트(laminate) 공정 중 발생하는 폐기물 또는 프리프레그(pre-preg) 및 섬유강화복합재 매트릭스(FRP matrix)로 이루어지는 소재의 폐기물인 것을 특징으로 하는 탄두회수기.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재료는 보강섬유로 메타 또는 파라 아라미드 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유 또는 탄소섬유 중 어느 하나가 사용된 것을 특징으로 하는 탄두회수기.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 수지는 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리우레탄(PU) 또는 폴리비닐알콜(PVA) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄두회수기.
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KR102353149B1 (ko) 2020-07-22 2022-01-18 최학천 탄두 회수 장치

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