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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.1 pp.43-51
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.1.43

Bulletproof Performance of Hybrid Plates using a Composite Laminated with Abalone Shell Fragments

Jeoung Woo Kim1†, Dae Won Kang1, Jong Gyu Paik2, Youngki Youk3, Jeong Ho Park4, Sang-Mo Shin1,5
1Center for Applied Life Science, Hanbat National University, Daejeon 34158, Republic of Korea
2Agency for Defense Development, Daejeon 34186, Republic of Korea
3Mirijagae Co., Pocheon 11139, Republic of Korea
4Department of Chemical and Biological Engineering, Hanbat National University, Daejeon 34158, Republic of Korea
5Department of Creative Convergence Engineering, Hanbat National University, Daejeon 34158, Republic of Korea
Corresponding author
E-Mail : j2wookim@naver.com (J. W. Kim, Hanbat Nat’l Univ.)
November 14, 2018 December 12, 2018 December 12, 2018

Abstract


Nacre of abalone shell features a “brick-and-mortar” microstructure, in which micro-plates of calcium carbonate are bonded by nanometers-thick layers of chitin and proteins. Due to the microstructure and its unique toughening mechanisms, nacre possesses an excellent combination of specific strength, stiffness and toughness. This study deals with the possibility of using nacre fragments obtained from abalone shell for making a bulletproof armor system. A composite plate laminated with abalone shell fragments is made and compression and bend tests are carried out. In addition, a bulletproof test is performed with hybrid armor systems which are composed of an alumina plate, a composite plate, and aramid woven fabric to verify the ballistic performance of nacre. The compressive strength of the composite plate is around 258.3MPa. The bend strength and modulus of the composite plate decrease according to the plate thickness and are about 149.2MPa and 50.3 GPa, respectively, for a 4.85 mm thick plate. The hybrid armor system with a planar density of 45.2 kg/m2, which is composed of an 8 mm thick alumina plate, a 2.4 mm thick composite plate, and 18 layers of aramid woven fabric, satisfy the NIJ Standard 0101.06 : 2008 Armor Type IV. These results show that a composite plate laminated with abalone shell fragments can be used for a bulletproof armor system as an interlayer between ceramic and fabric to decrease the armor system’s weight.



전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판 제작 및 이를 이용한 하이브리드 판재의 방탄특성

김정우1†, 강대원1, 백종규2, 육영기3, 박정호4, 신상모1,5
1한밭대학교 생명현상융합연구센터, 2국방과학연구소, 3미리자개, 4한밭대학교 화학생명공학과, 5한밭대학교 창의융합학과

초록


    Ministry of National Defense

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    전복껍질은 독특한 내부구조에 기인한 우수한 기계적 특성 때문에 오랫동안 연구의 대상이 되어 왔다. 전복 껍질의 내부는 유기물과 육각형판 형태의 아라고나이트 결정상인 탄산칼슘 미세절편(micro-plate)이 모르타르와 벽 돌 역할을 하면서 층층이 쌓인 진주층 구조로 이루어져 있다. 너비 5~10 μm, 두께 0.5 μm 정도 크기의 아라고 나이트 미세절편 사이에 두께 20 nm 미만의, 주로 키틴 (chitin)과 단백질로 이루어진 유기물 막이 접착제 역할 을 하고 있다. 진주층의 약 95 %를 차지하는 아라고나 이트 미세절편은 강도가 우수한 반면 파괴인성이 낮고, 나머지 5 %를 차지하는 유기물 막은 연성이고 강도가 약 하다. 그렇지만 이들로 이루어진 진주층은 강도와 인성 이 적절한 조화를 이루어 뛰어난 기계적 특성을 나타낸 다. 진주층의 파괴인성, 압축강도, 굽힘강도, 인장강도, 탄 성계수 중 어느 하나의 특성도 공업용 세라믹의 최고값 에는 미치지 못 하지만 강도와 인성의 균형은 금속이나 폴리머에 필적할 만한 수준이다.1-4) 특히 균열(crack)의 전 파에 대한 소재의 저항력을 나타내는 파괴인성이 매우 크다. 균열의 전파가 진주층 구조에 의해 갈지자형으로 일어날 뿐만 아니라 추가적으로 특유의 고장력화 원리 (toughening mechanism)가 있기 때문이다.1,4) 진주층의 파괴인성은 진주층을 이루지 않은 단순한 탄산칼슘 결 정의 100배 이상으로, 인간이 만든 공업용 세라믹, 공업 용 폴리머, 심지어 일부 금속합금에 버금간다. 전체적인 성능에서 보면 인간이 만든 어떤 소재도 세라믹 성분이 차지하는 비율이 95 % 정도로 높은 상태에서는 진주층 과 같은 성능을 보이지 못 한다. 여기에 더하여 진주층 의 비중은 2.7 정도로, 금속이나 세라믹에 비해 상대적 으로 작다.

    진주층 구조를 방탄소재로 응용하려는 많은 연구가 있 었다. 그럼에도 불구하고 아직까지 진주층 구조를 가진 소재의 방탄특성에 대한 결과는 찾아보기 어렵다. 대부 분의 연구가 진주층 구조를 모사하기 위한 새로운 나노 공정 개발을 목표로 하였지만4,5) 아직까지 성공적이지 못 하기 때문이다. 실제로 대면적에 걸쳐, 미세절편 사이의 접착물질의 두께를 나노미터 스케일로 유지하면서 마이 크로미터 스케일의 미세절편을 벽돌벽처럼 3차원으로 균 일하게 배열할 수 있는 기술은 아직 없다.

    뛰어난 비강도 및 파괴인성을 가진 진주층을 방탄소재 로 사용할 경우 우수한 방탄특성을 얻을 수 있을 것으 로 기대된다. 본 연구에서는 전통 자개 공정을 활용하 여 전복껍질로부터 메소절편을 직접 채취한 후 에폭시 를 이용하여 합판 형태로 접착함으로써 최초로 진주층 으로 이루어진 복합소재를 제작하였다. 복합소재의 방탄 성능은, 복합소재 합판을 알루미나(Al2O3) 판과 아라미드 직물 사이의 중간재로 사용한 하이브리드 형태의 방탄 시스템을 제작하여 평가하였다. 최근의 고성능 방탄시스 템은 일반적으로 알루미나 등의 고경도 세라믹 판에 인 장강도가 큰 아라미드 직물 등의 연질물질을 적층한 하 이브리드 형태로 이루어져 있으며,6-8) 여기에 여러 가지 물질을 추가 적층함으로써 방탄 성능을 만족시키면서 무 게나 부피를 감소시키는 방향으로 연구가 진행되고 있 다.9-12) 앞 단의 세라믹은 탄환의 속도를 감속시키고 탄 환을 파손시키는 역할을 하며, 뒤 단의 연질물질은 탄 환 및 부서진 탄환 조각의 남은 운동에너지를 흡수하는 역할을 담당한다. 세라믹 판이 너무 두꺼우면 방탄시스 템이 무거워지고 반대로 너무 얇으면 탄환을 파괴할 수 없기 때문에, 세라믹과 후면재 두께를 적절히 선택해야 한다. 진주층의 우수한 기계적 특성에 힘입어 복합소재 합판이 세라믹 판의 두께 일부를 대체할 수 있으면 전체 방탄시스템의 무게를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

    2. 실험 방법

    2.1 전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판 제작

    복합소재 합판은 전통 자개 공정을 활용하여 제작하였 다. Fig. 1은 전복껍질로부터 시작하여 복합소재 합판을 제작하기 위한 공정순서 개념도이다.13) 국내산 전복껍질 을 세척한 다음 다이아몬드 휠을 이용하여 불필요한 부 분을 절단, 또는 연마하여 제거함으로써 Fig. 2(a)와 같 이 한 변이 1.5~3 cm 크기의 삼각형 형태의 전복껍질 메 소절편을 채취하고, 이 메소절편을 자체 제작한 센터리 스(centerless) 방식의 원통연삭기를 이용하여 90~100 °C 로 가열하면서 연마하여 Fig. 2(b)와 같은 두께 0.30 mm 내외의 얇고 평탄화된 삼각패를 얻었다. 사용된 연삭숫 돌(1,200 방)의 다이아몬드 입도는 9 μm이었다. 평탄화 된 삼각패는 대부분 진주층으로 이루어져 있으며 진주 층 특유의 무지개빛 색깔을 보인다. 이후 다수 개의 삼 각패를 이웃한 삼각패끼리 서로 조금씩 겹치도록 빈틈 없이 배열한 다음 먼저 한쪽 면에 에폭시와 경화제 혼 합용액을 바르고 가압, 가열 상태에서 경화시킨 후 이 어서 원통연삭기를 이용하여 냉각수를 흘리면서 연마하 였다. 같은 작업을 다른 쪽 면에 대해서도 진행하여 Fig. 2(c)와 같이, 전복껍질 메소절편과 에폭시로 이루어진 복 합소재 박판을 제작하였다. 박판의 두께는 연마 가공에 의해 조절하였다. 에폭시 및 경화제는 (주)국도화학의 비 스 페놀계 에폭시 레진(YD127)과 변성 지환족 아민 경 화제(KH818b)를 사용하였다. 복합소재 박판 제작 시 에 폭시 경화는 압력 0.03 MPa, 온도 80 °C 조건에서 4시 간 진행하였다.

    복합소재 합판은 각각의 박판의 표면에 에폭시와 경화 제 혼합용액을 바른 후 여러 장 적층시키고 압력 0.03 MPa, 온도 80 °C 조건에서 4시간 동안 압착하여 제작 하였다. 초기 단계에서 온도가 올라가면 에폭시의 유동 성이 좋아져서 에폭시가 눌린 박판들 사이를 채우게 되 고, 남은 여분의 에폭시는 모두 밖으로 흘러나오게 된 다. 이후 에폭시가 경화하면서 박판들을 접합한다. Fig. 2(d)는 이렇게 제작된 두께 10 mm 복합소재 합판의 사 진이다.

    복합소재 합판의 두께는 적층한 박판의 수와 연마 가 공을 통하여 조절이 가능하다. 본 연구에서는 이후의 방 탄시험 시편 제작 공정을 단순화하기 위하여 크기가 120 cm × 140 cm인 박판 6장으로 복합소재 합판(이후 6겹 판 재)을 제작하여 기본 부품으로 사용하였다. 6겹 판재의 두께는 최종 연마 가공을 거친 후 0.80 ± 0.05 mm가 되 도록 하였다.

    방탄시험 시편 제작에 사용된 총 40장의 6겹 판재의 두께를, 버니어 캘리퍼스를 이용하여 측정한 결과 평균 0.823 mm, 표준편차는 0.025 mm 이었다. 무작위로 2장 의 6겹 판재를 선택하여 1 cm× 1 cm 크기로 잘라서 만 든 총 296개 조각들의 두께 및 무게를 측정하여 밀도 를 계산하였다. 두께의 평균 및 표준편차는 각각 0.804 mm, 0.013 mm이었고 밀도의 평균 및 표준편차는 각각 2.409 g/cm3, 0.054 g/cm3이었다. 측정 시료의 크기가 작 아지면서 두께 측정값이 줄어들었는데, 이는 판재의 두 께가 균일하지 않아 버니어 캘리퍼스로 측정할 때 시료 의 가장 두꺼운 부분이 측정되었기 때문이다. 밀도로부 터 전복껍질 및 에폭시의 함량을 계산하였다. 이 때 전 복껍질의 밀도는 천연진주의 밀도와 같다고 가정하고 천 연진주의 밀도값 2.71 g/cm3를 사용하였고, 에폭시 밀도 는 측정된 값인 1.20 g/cm3를 사용하였다. 계산 결과 전 복껍질과 에폭시의 함량은, 부피 기준으로 각각 80.1 %, 19.9 %로 나타났다.

    2.2 방탄시험 시편 제작 및 방탄시험

    방탄시험 시편 제작에 사용하기 위해 6겹 판재를 이 용하여 두께가 다른 복합소재 합판을 제작하였다. Fig. 36겹 판재 3장을 에폭시로 접착한 합판의 구성 모 식도이다. 이 때 에폭시 성분이 완전히 경화되도록 모 든 합판에 대해 압력 0.06 MPa, 온도 135 °C 조건에서 1.5시간 동안 열처리하였다.

    복합소재 합판의 기계적 특성을 평가하기 위하여 한밭 대학교 공동실험실습관에 의뢰하여 압축시험 및 굽힘시 험을 진행하였다. 압축시험은 만능시험기(Instron 5982)를 사용하였고 ASTM C-773 규격을 기준으로 진행하였다. 굽힘시험은 마이크로재료시험기(Instron 5848)를 사용하였 고, ASTM C1341-13 규격을 기준으로 진행하였다.

    복합소재 합판이 포함된 방탄시험 시편을 제작하였다. 제작된 방탄시험 시편 형태는 Fig. 4와 같다. 경도는 알 루미나보다 떨어지지만 파괴인성이 우수한 진주층의 특 징을 감안하여, 앞면의 알루미나 판과 뒷면의 아라미드 직물 사이에 복합소재 합판이 중간재로 들어간 하이브 리드 형태이다. 알루미나 판과 복합소재 합판의 크기는 100 mm × 100 mm이고 아라미드 직물의 크기는 305 mm × 305 mm이었다. 알루미나 판은 (주)삼양컴텍 제품으로, 1,600 °C에서 소결하여 제작하였고 밀도는 3.90 ± 0.05 g/ cm3이었다. 아라미드 직물은 (주)효성의 Alkex 제품으로, 섬도는 1,500d이었다. 알루미나 판과 복합소재 합판, 그 리고 아라미드 직물 18겹 사이사이에 EVA 접착필름을 넣고 적층한 후 autoclave 장비를 이용하여 125 °C, 80 psi 조건에서 90분 성형하였다. 성형 후 아라미드 직물 18 겹의 두께는 6.3 ± 0.2 mm이었고, 제품 사양에 따라 계 산된 면밀도는 8.2 kg/m2이었다.

    방탄시험 시편을 구성하는 알루미나 판과 복합소재 합 판의 두께는 Table 1과 같다. 알루미나 판과 아라미드 직 물로만 이루어진 시편 A그룹과 D그룹의 알루미나 두께 는 각각 8 mm, 10 mm이었다. 시편 B그룹과 C그룹은 8 mm 두께의 알루미나 판과 아라미드 직물 사이에 두께 2.4 mm 및 4.8 mm의 복합소재 합판을 삽입하였다. 이때 알루미나의 두께는 구성된 하이브리드 형태에서 탄환이 시편을 관통하는 임계두께 부근으로 설정하였다. 복합소 재 합판의 두께는 복합소재 합판이 알루미나 판의 두께 2 mm를 대체할 때 무게 차이가 크게 나지 않도록, 즉 전체시편의 면밀도가 비슷하도록 설정하였다. 전체시편의 면밀도는 A, B, C, D 그룹 각각 39.4 kg/m3, 45.2 kg/m3, 51.0 kg/m3, 47.2 kg/m3이었다.

    방탄시험은 방탄분야 국제공인시험기관인 (주)삼양컴텍 방탄시험소에 의뢰하여, NIJ Standard 0101.06 : 2008 Armor Type IV 규격을 기준으로 진행하였다. Level IV 규격은 현재 쓰고 있는 방탄복 방호력의 최대 수준이며 저격총에 사용되는 철갑탄을 방호할 수 있는 수준이다. 탄두 무게가 10.6 g이고 구경이 7.62 mm인 m2 AP 탄 을 사용하였고, 시험 총포는 30-06 스프링필드, 기준 탄 속은 878 m/s이었다. 시편을 점토판에 붙인 후 사격을 진 행하고 시편관통 여부 및 후면변형 정도를 확인하였다 . 후면변형 정도는 점토판에 형성된 움푹 들어간 자국의 깊이를 재서 측정하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판의 미세조직

    Fig. 5(a)는 복합소재 박판을 5장 적층하여 제작한 복 합소재 합판을 쪼갠 후 단면을 주사전자현미경으로 찍 은 사진으로, 본 연구에서 제작된 복합소재 합판의 전 형적인 단면구조를 보여주고 있다. Fig. 5(b)는 Fig. 5(a) 와 동일한 부위를, 서로 다른 성분을 명암의 차이로 나 타낸 사진이고, Fig. 5(c)(d)는 Fig. 5(a)에 표시된 바와 같이 각각 메소절편의 일부분 및 메소절편과 에폭 시가 만나는 계면을 확대하여 관찰한 사진이다. Fig. 5(a)(b)에서 보듯이 위에서 1번째와 2번째, 그리고 4번째 박판 내에서 두 개의 메소절편이 겹친 부위가 에폭시로 채워져 있는 것이 관찰된다. 이 겹친 부위는 복합소재 박판 제작 과정에서 평탄화된 삼각패들을 빈틈없이 배 열할 때 두 개의 삼각패가 겹쳐져 생긴 부분이다. 두 개 의 삼각패가 겹쳐져 그 부분의 두께가 두꺼워지면 이후 합판 제작 시 박판 사이에 에폭시로 채워지지 않은 커 다란 기공이 생기거나, 에폭시로 채워지더라도 합판의 전 복껍질 함량이 크게 감소하여 합판의 기계적 특성이 저 하될 우려가 있다. 그렇지만 겹친 부위 유무에 관계없 이 각각의 박판이 비교적 일정한 두께를 유지하고 있음 을 확인할 수 있으며, 이는 두 개의 삼각패가 겹쳐진 부 분도 이후의 연마 과정에서 평탄화가 이루어진 것을 의 미한다. 또 각 박판 사이를 에폭시가 채우고 있으며 기 공은 관찰되지 않는다.

    메소절편 내부를 확대하면, Fig. 5(c)와 같은 전형적인 진주층 조직이 확인된다. 또 파괴가 일부 아라고나이트 미세절편을 가로질러 일어나기도 하지만 대부분은 아라 고나이트 미세절편과 유기물의 계면, 또는 유기물 막 내 부를 통하여 일어났음을 알 수 있다. 또 Fig. 5(d)에서 볼 수 있듯이 파괴가 일어난 후에도 메소절편과 에폭시 의 계면에서는 갈라진 부위가 나타나지 않았으며, 이로 부터 메소절편과 에폭시 간의 접착강도는 충분히 강한 것으로 판단된다. 이러한 결과들은 앞에서 살펴 본 복 합소재 합판의 두께 및 밀도 분포 결과와 함께 본 연 구의 복합소재 합판 제작 공정이 진주층의 물성을 드러 내는 데 있어 부족함이 없음을 보여준다.

    3.2 전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판의 압축 시험 및 굽힘시험 특성

    Fig. 6은 두께 10 mm 복합소재 합판의 압축시험 결과 이다. 비교를 위하여, 상온에서 경화시킨 후 135 °C에서 1.5시간 동안 열처리하여 제작한 에폭시 시편을 같이 평 가하였다. 시편의 크기는 바닥면적 7 mm× 7 mm, 높이 10 mm 이었고, 힘은 적층된 메소절편에 대해 수직 방 향으로 가하였다. 에폭시 시편은 1차 항복점이 나타난 후 지속적으로 소성변형이 일어났지만, 복합소재 합판은 항 복이 일어난 직후 파괴가 일어났다. 복합소재 합판의 압 축강도는 평균 258.3 MPa로 나타났다. 진주층의 압축강 도를 측정한 기존 결과를 살펴보면 중간값 기준 220~353 MPa 수준이다.1) 진주층으로 이루어진 메소절편을 에폭 시로 접합하여 복합소재 합판을 제작하더라도 압축강도 는 크게 감소하지 않음을 알 수 있다.

    Fig. 76겹 판재 및 6겹 판재를 3장 또는 6장 적층 하여 제작한 복합소재 합판의 3점 굽힘시험 결과이다. 시 편의 평균 두께는 각각 0.84 mm, 2.45 mm, 4.85 mm 이 었다. 비교를 위하여, 상온에서 경화시킨 후 135 °C에서 1.5시간 동안 열처리하여 제작한 3 mm 두께의 에폭시 시 편을 같이 평가하였다. 복합소재 합판 시편이 에폭시 시 편에 비해 굽힘강도 및 탄성계수는 크고 최대변형률은 매우 적었다. 또 Fig. 7(b)(c)에서 보는 바와 같이 복합소재 합판의 두께가 0.84 mm에서 4.85 mm로 커질 수록 굽힘강도는 평균 221.8 MPa에서 149.2 MPa로, 탄 성계수는 평균 59.8 GPa에서 50.3 GPa로 감소하였다. 이 때 합판의 두께가 증가할수록 굽힘강도 및 탄성계수의 균일도가 두드러지게 향상되었다. 진주층의 굽힘강도 및 탄성계수를 측정한 기존 결과를 살펴보면 중간값 기준 각각 184~223 MPa, 66~69 GPa 수준이다.1) 진주층 메소 절편을 에폭시로 접합하여 복합소재 합판을 제작할 경 우 진주층 자체에 비해 굽힘강도 및 탄성계수가 동일한 수준이거나 또는 약간 감소하는 것은 당연하다고 할 수 있다. 복합소재 합판의 두께가 증가할수록 굽힘강도가 낮 아지는 현상은 복합소재 박판의 제작 도중에 박판 표면 에 형성된 균열 또는 노치(notch)에 기인한 크기효과(size effect)로 판단된다.14-16) 추후 전복껍질 메소절편의 평탄 화 과정에서 생성될 수 있는 균열 및 여러 단계의 연 마 과정에서 형성될 수 있는 노치가 기계적 특성에 미 치는 영향에 대한 체계적인 연구가 필요하다.

    이상의 결과로부터 전통 자개 공정을 활용하여 전복껍 질로부터 복합소재 합판을 제작하더라도 전복껍질이 보 유한 기계적 특성을 큰 손실 없이 구현할 수 있음을 확 인하였다. 또 공정 변수 관리를 통해 제작 공정의 재현 성과 품질의 균일도를 제고하는 것도 어렵지 않다고 판 단된다. 진주층 구조를 방탄소재로 응용하려는 연구가 많 았음에도 불구하고 아직까지 성공적이지 못 한 이유로, 대 면적에 걸쳐 균일한 품질을 재현성 있게 얻을 수 있는 공정의 부재를 들 수 있다. 본 연구에서 구축된 제작 공 정은 이러한 한계를 벗어나 진주층의 방탄특성에 대한 기초연구를 가능하게 했다는 데 의미가 있으며, 추가 연 구를 통하여 전복껍질을 방탄소재 및 경량고강도소재로 응용하는 데 도움이 될 것으로 판단된다.

    3.3 전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판을 포함 하는 하이브리드 판재의 방탄특성

    Fig. 8에 방탄시험이 완료된 후 시편 및 시편이 붙어 있었던 점토판의 사진을 나타내었다. Fig. 8(a)는 각 시 편 그룹의 대표적인 전면 사진이다. 동일한 소재로 이 루어진 시편 그룹 간에는 시편이 두꺼울수록 탄환 입사 구의 직경이 더 컸다. 시편 C1 및 D1의 입사구 내부를 확대한 Fig. 8(b)에서 변형된 탄환 파편과 함께 파손된 알루미나 판 또는 복합소재 합판을 관찰할 수 있다. 이 때 알루미나 판의 파손은 알려진 바와 같이7,8) 동심원 형 태로 나타난 반면 복합소재 합판의 파손은 특이하게도 방사형으로 진행한 균열 흔적과 함께 불규칙한 형태로 나타났다. 이는 복합소재 합판이 에폭시로 접착된 전복 껍질 메소절편들의 적층 구조로 이루어져 있어, 탄환이 충격을 준 부위에서 1차 층간 분리가 일어나고 이후 이 분리된 부분이 전파되면서 박리가 일어나기 때문으로 판 단된다.17) Fig. 8(c)는 완전 관통이 일어나지 않은 시편 을 옆에서 관찰한 사진으로, 아라미드 직물 뒷면의 변 형이 관찰된다. Fig. 8(d)는 A, B, C 그룹의 시편 사격 후 점토판에 남겨진 자국을 보이고 있는데, 시편 A2와 A3가 있었던 자리에서만 탄환이 완전 관통한 흔적이 보 인다.

    Table 2 및 Fig. 9(a)에 방탄시험 시편 그룹별로 3발 씩 사격한 후 측정한 후면변형 깊이를 나타내었다. Fig. 9(b)는 B, C, D그룹 시편의 후면변형 깊이를 시편의 면 밀도에 대해 나타낸 그래프이다. 여기서 점선은 후면변 형 깊이의 평균값을 편의상 직선으로 연결한 추세선이 다. 두께 8 mm 알루미나 판과 아라미드 직물로 이루어 진 A그룹은 3개 시편 중 2개가 완전 관통되었고, 나머 지 하나의 시편은 부분 관통되었으며 후면변형 깊이가 46.2 mm이었다. NIJ Level IV 규격이 허용하는 최대 후 면변형 깊이가 44 mm임을 감안하면 A그룹 시편은 3개 모두 허용치를 벗어난 결과이다.

    알루미나 판과 아라미드 직물로 이루어진 하이브리드 형태의 방탄시스템에 있어서 알루미나 판의 두께는 방 탄특성에 가장 중요한 영향을 미친다.6,8) 알루미나 판은 파괴되면서 입사된 탄환을 파손시키고 탄환의 운동에너 지를 흡수한다. 알루미나 판이 두께울수록 더 많은 에 너지가 흡수된다. 알루미나 판에 의해 흡수되고 남은 총 알의 잔류에너지는 후면재로 사용된 아라미드 직물의 소 성변형을 유발하는데, 이때 아라미드 직물의 두께가 충 분하지 않으면 완전 관통이 일어나게 된다. 아라미드 직 물의 두께가 6.3 mm일 때 알루미나 두께 8 mm는 탄속 878 m/s의 m2 AP 탄의 완전 관통을 방지하기에는 부 족함을 알 수 있다. 한편 두께 10 mm 알루미나 판과 아 라미드 직물로 이루어진 D그룹은 완전 관통된 시편이 하 나도 없이 3개 시편 모두 부분 관통되었고, 후면변형 깊 이는 모든 시편에서 최대 허용치 이하였으며, 후면변형 깊이의 평균값은 38.1 mm이었다. 알루미나 판의 두께 2 mm 차이에 의해 NIJ Level IV 규격을 기준으로 합격 과 불합격이 갈릴 뿐만 아니라 방탄특성 차이가 매우 크 게 나타났다.

    A그룹 시편에 복합소재 합판을 추가한 B, C그룹은 완 전 관통된 시편이 하나도 없이 모든 시편이 부분 관통 되었고, 후면변형의 깊이도 모든 시편에서 허용치 이하 로 나타나 NIJ Level IV 규격을 여유롭게 만족시키고 있다. 또 복합소재 두께가 더 두꺼운 C그룹이 B그룹보 다 후면변형 깊이가 더 적다. 알루미나는 경도가 우수 하지만 파괴인성이 낮아 균열이 잘 전파된다.9,18) 일단 알 루미나 판에 의해 탄환이 파손되고 감속된 상태에서는 비강도 및 파괴인성이 높은 진주층이 탄환의 진행을 저 지하는 데 더 효과적일 수 있으며, 본 결과는 이러한 점 을 뒷받침하고 있다. 여기서 복합소재를 추가하지 않은 경우에 2 mm의 알루미나 두께 차이가 상당한 방탄특성 차이를 나타냈지만, 알루미나 두께를 고정하고 복합소재 합판을 추가한 경우에는 합판의 두께가 증가하여도 방탄 특성의 차이가 그다지 크지 않았다는 점은 흥미롭다. 앞 에서 살펴본 바에 따르면 복합소재 합판의 굽힘강도는 두께가 증가할수록 감소하였다. 그 이유가 제작 과정에 서 전복껍질 메소절편 표면에 생성된 균열 또는 노치에 기인한 크기효과라면, 복합소재의 파괴인성도 두께가 증 가함에 따라 감소할 것이고 결과적으로 합판의 두께 증 가에 의한 방탄특성의 변화는 크기효과가 없을 때보다 는 줄어들 것으로 생각된다. 추가 연구를 통하여 균열 및 노치의 발생을 억제하거나 또는 크기를 미세하게 함 으로써 방탄특성을 개선하는 것이 가능하다고 판단된다.

    이상으로부터 10 mm 두께의 알루미나를 사용하는 대 신 8 mm 두께의 알루미나를 사용하면서 2.4 mm 두께의 복합소재 합판을 덧대면 전체 방탄시스템의 무게를 줄 이면서도 NIJ standard가 요구하는 최고의 방탄성능을 만 족시킬 수 있다는 결과를 얻었다. 또 알루미나 판의 두 께를, 탄환이 파손된다는 전제 하에 8 mm 이하로 줄이 는 대신 복합소재 합판 및 아라미드 직물의 두께를 최 적화함으로써 방탄시스템의 무게를 더욱 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 결과들은 비강도 및 파괴인성 이 좋은 진주층의 장점을 살려 현재 사용되고 있는 세 라믹과 아라미드 직물 조합 대신, 세라믹과 아라미드 직 물 사이에 복합소재 합판을 중간재로 사용한 하이브리 드 방탄시스템을 개인방탄 용도로 사용할 수 있다는 가 능성을 보여주고 있다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 진주층 구조를 가진 전복껍질의 메소절 편을 직접 채취하여 방탄소재의 원료로 사용할 수 있는 지 그 가능성을 검토하였다. 전복껍질 메소절편 기반 복 합소재 합판을 최초로 제작한 후 기계적 특성을 관찰하 였고, 이후 세라믹 판, 복합소재 합판, 아라미드 섬유로 이루어진 하이브리드 방탄시스템의 방탄특성을 관찰함으 로써 진주층의 방탄특성을 최초로 확인하였다.

    전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판의 압축강도는 258.3 MPa 수준으로 나타났다. 굽힘강도는 복합소재 합 판의 두께가 0.84 mm에서 4.85 mm로 커질수록 221.8 MPa에서 149.2 MPa로, 탄성계수는 59.8 GPa에서 50.3 GPa로 감소하였다.

    두께 8 mm 알루미나 판과 18겹 아라미드 직물 사이 에 두께 2.4 mm인 전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합 판을 끼워 넣은, 면밀도 45.2 kg/m2인 하이브리드 방탄 시스템은 NIJ Standard 0101.06 : 2008 Armor Type IV 규격을 여유롭게 만족시켰다. 이 결과는 비강도 및 파 괴인성이 좋은 진주층의 장점을 활용하여 세라믹과 아 라미드 직물 조합 대신, 세라믹과 아라미드 직물 사이 에 복합소재 합판을 중간재로 사용한 하이브리드 방탄 시스템을 제작할 경우 전체 무게를 낮추면서도 최고 수 준의 개인방탄 성능을 얻을 수 있다는 가능성을 보여준다.

    Acknowledgement

    This work was supported by the Agency for Defense Development under the contract UD170042GD. The authors would like to thank Samyang Comtech Co., Ltd. for the specimen preparation and bulletproof test.

    Figure

    MRSK-29-43_F1.gif

    Process flow diagram for composite plate laminated with Abalone shell fragments.

    MRSK-29-43_F2.gif

    Optical images of intermediate outputs during process steps. (a) triangle-shaped fragments obtained from abalone shell. (b) triangle-shaped nacre fragments after flattening. (c) thin composite sheet made of triangle-shaped nacre fragments. (d) 10 mm thick composite plate laminated with many thin composite sheets.

    MRSK-29-43_F3.gif

    Schematic diagram of 2.4 mm thick composite plate made by stacking 3 intermediate composite plates.

    MRSK-29-43_F6.gif

    Compression stress-strain behavior of 10 mm thick composite plate and epoxy plate.

    MRSK-29-43_F4.gif

    Schematic diagram(left) and optical image of mounted armor target(right).

    MRSK-29-43_F5.gif

    SEM images of cross section of composite plate laminated with 5 thin composite sheets. (a) secondary electron image. (b) back scattered electron image for composition. (c) magnified image of the internal structure of nacre fragment. (d) magnified image of the interface between nacre fragment and epoxy.

    MRSK-29-43_F7.gif

    Results of 3p bend test. (a) bending stress-strain behavior of 0.84/2.45/4.85 mm thick composite plates and 3 mm thick epoxy plate. (b) bend strength according to plate thickness. (c) modulus according to plate thickness.

    MRSK-29-43_F8.gif

    Optical images of armor systems after bulletproof test. (a) frontface of specimen A1, B1, C1, and D2. (b) magnified image of bullet entered hole in C1 and D1 specimen. (c) side view of specimen showing backface deformation. (d) clay images showing backface signatures with complete perforation only for specimen A2 and A3.

    MRSK-29-43_F9.gif

    Backface signature after bulletproof test. (a) depth of backface signature of each specimen group. (b) depth of backface signature according to planar density.

    Table

    Thickness of alumina and composite plate for each bulletproof test specimen group.

    Depth of backface signature after bulletproof test.

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