[논문]방탄소재 활용을 위한 SLS 유리의 이온교환 효과

김태윤; 심규인; 최세영

방탄소재 활용을 위한 SLS 유리의 이온교환 효과
Effect of SLS Glass for Bulletproof Materials by Ion Exchange Technique 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.13 no.1, 2010년, pp.114 - 119

Abstract ▼ AI-Helper

There are a number of studies on chemically strengthened glass. Most of them are strengthened in molten salt bath below transformation range of glass. This research is distinguished from the aforementioned studies in that single $KNO_3$ powder was used by employing screen printing technique. In this study soda-lime-silicate(SLS) glasses for bulletproof glass application with various thicknesses were used. The maximum value of the bending strength is 791MPa heat treated at $480^{\circ}C$, which is about 4.3 times higher than the parent glass, which is the highest strength of all soda-lime glasses. In this study, it is also observed that Vickers hardness increased to $657H_v$, which is about 15% higher than the parent glass($568.7H_v$) and fracture toughness was not changed. Depth profiles measured by electron probe micro analyzer(EPMA) showed a correlation between the migrations of $K^+$ ions with bending strength of ion exchanged glasses.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 방탄소재로의 활용을 위해 유리의 강화법 중 하나인 이온교환에 의한 화학적 강화법을 사용하여 시판중인 SLS 판유리에 KNO₃ 분말을 도포 하여 열처리를 통한 유리 내의 Na⁺ 이온과 질산칼륨의 K⁺ 이온을 교환시켜, 이온 강화된 시편의 bending strength, surface hardness, 침투 이온의 depth profile 등의 기계적 성질 및 광 투과율 등의 광학적 성질에 대해서 조사하였다.

제안 방법

480℃에서 30분간 처리한 경우, 그래프를 통해 0～11μm, 11～27μm, 27μm 이후 영역으로 나뉘어 응력이 발생하였음을 알 수 있었고, 이를 strain viewer를 통해 확인하였다.
480℃에서 이온교환 한 유리의 강도, 경도, 파괴인성은 각각 791MPa, 657Hv, 0.7337MPa√m으로, 모유리와 비교 했을 때 430%, 16%, 2% 씩 증강하였다.
SLS유리를 결정화 후 이온교환 시켰을 때 기계적특성의 변화량을 확인하기 위해서 575℃(144h), 650℃ (0.5h) 동안 결정화 시킨 SLS 유리(3.5mm)를 최대 경도 값을 나타낸 480℃(10min)에서 KNO3분말을 사용하여 도포법으로 이온교환 시켰다.
따라서 높은 방호 능력을 가지면서 광 투과성 및 기계적 성질을 향상시키기 위해 이온교환으로 Soda- Lime-Silicate(SLS) 유리를 강화시켰다.
모유리(KCC, 3.5mm, Korea) 및 KNO₃ 분말(Ducsan, Extra Pure, Korea)을 사용하여 도포법으로 양면을 5 mm씩 적층하여 이온교환을 실시하였다.
열처리 시간에 따른 이온의 침투 깊이를 알아 보기 위해 EPMA(JXA-8900R, JEOL, Japan)를 이용하여 표면에서부터 이온의 침투 깊이를 측정하였다.
유리 표면의 내마모성, 내긁힘성을 조사하기 위해 Microhardness Tester(MXD-CX3E, Matsuzawa, Japan)를 이용하여 500g의 하중으로 압입 후 10초간 유지하였다.
이온 교환에 따른 SLS 유리의 광 투과율 변화를 확인하기 위해 UV/VIS/NIR spectrometer(Jasco, V-570, Japan)를 사용하여 200～800nm 파장 범위에서 scan speed 400nm/min으로 광 투과율을 측정하였다.
이온교환 온도와 시간은 480～490℃에서, 0～30분까지 10분 간격으로 열처리 하였다.
이온교환 후 SLS 유리를 3mm × 4mm × 36mm으로 절단하여 Bending Strength Tester(H-10K, Hounsfield, U.K)를 사용해 3점 굽힘 강도를 측정하였다.

성능/효과

이온교환의 유지시간 변화에 따른 광투과율 역시 큰 변화가 없었다. 가시광 영역에서 모유리(SLS glass)와 480℃에서 30분간 이온교환 시킨 SLS 유리의 광 투과율은 약 90% 였다.
따라서 이온 교환 시 열처리 유지 시간을 길게 하는 것 보다 짧은 시간 동안 최적 온도에서 이온교환 하는 것이 더 효과적임을 알 수 있다.
따라서 표면의 이온 교환양은 많아 졌으나 기울기가 완만해짐을 나타내었고 이는 기계적 성질에 영향을 주었다.
7337MPa√m으로, 모유리와 비교 했을 때 430%, 16%, 2% 씩 증강하였다. 또한 이온교환에 의한 광 투과율(89～90%)의 감소는 거의 없어 투명 방탄소재로 사용할 수 있음을 확인하였다.
열처리 온도에 따른 이온교환 후의 경도는 480℃에서 가장 높은값을 나타내었고, EPMA 결과와 비교해볼 때, 경도는 이온의 침투 깊이와 무관하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투명 방탄재료는 어떤 재료인가?	투명 방탄재료는 양호한 광 투과 특성을 가지면서 특정 수준의 방호능력을 갖춘 특수 visual windows이며 외부의 물리적 충격에 대한 관통을 방지하여 승무원들의 운행 및 임무를 수행가능 하도록 생명을 보호하고, 탑재되어 있는 고가의 장비를 보호 할 수 있는 재료로 연구 개발이 계속되었다.
	SLS 유리는 어떤 화합물로 구성되는가?	SLS 유리는 생산되는 유리 중에 가장 일반적인 형태의 유리로 73% SiO2, 14% Na2O, 9% CaO, 0.15% Al2O3, 0.03% K2O, 4% MgO, 0.02% TiO2, 0.1% Fe2O3의 화합물로 구성되어 있다. 열적 성질로는 유리전이 온도(Tg) 와 결정화 온도(Tc)가 각각 564℃, 670℃이며, 열팽창 계수(α)는 9.
	이온교환법이 투명 방탄재 생산 시 유용할 것으로 판단되는 근거는?	이온교환 방법으로 도포법을 사용한 것은 열처리시이온반경이 큰 K+ 이온이 유리내의 Na+ 이온과 치환 되어 유리 표면에 압축 응력층의 형성으로 기계적 성질의 향상이 기대되고, 이온 교환으로 강화할 유리면에 파우더 도포 시 선택이 가능하여 대량 생산이 용이하여, 투명 방탄재 생산 시 유용할 것으로 판단되었기 때문이다.

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원문보기 상세보기
H. J. Kim, M. K. Lee, S. Y. Choi, A Study on the Transparent Armor Materials with High Efficiency Nano Ceramics(Contract No. : UD080040GD), 2nd-Year Research Report of Agency for Defense Development, 2009.

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