The selection factors of the protective clothing against the NBC agents are the protection(chemical, biological, TIMs), duration, weight/comfort, dexterity/mobility, size, visibility, cleaning and unit cost, etc. To develop the NBC protective clothing, we should need to review about the design conce...
The selection factors of the protective clothing against the NBC agents are the protection(chemical, biological, TIMs), duration, weight/comfort, dexterity/mobility, size, visibility, cleaning and unit cost, etc. To develop the NBC protective clothing, we should need to review about the design concepts of the protective materials(shell and liner fabric) and form. This paper identify an important factors for the protective materials and form, and presents design strategies for important factors based on the evaluation results of the materials and the form.
The selection factors of the protective clothing against the NBC agents are the protection(chemical, biological, TIMs), duration, weight/comfort, dexterity/mobility, size, visibility, cleaning and unit cost, etc. To develop the NBC protective clothing, we should need to review about the design concepts of the protective materials(shell and liner fabric) and form. This paper identify an important factors for the protective materials and form, and presents design strategies for important factors based on the evaluation results of the materials and the form.
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문제 정의
본 연구에서는 미래병사체계 응용연구와 연계하여 화생방보호의 신규 소재의 선택적 접근방안 및 새로운 형상개발을 통해 열피로도 및 Bellow effect 저감 방안을 제시하고자 한다.
이 항목들은 섬유의 직조과정에서 밀도나 재직 방법에 따라 달라진다. 본 연구에서는 열피로도에 영향을 미치는 많은 요소들 중 섬유 기공도에 따른 수증기저항성을 평가하였다. 시험 결과 열피로도는 평균기공크기에 따른 섬유 내 함기율이 적을수록 투습저항성은 낮아진다(Table 4).
특히 미래병사체계에서는 방호성능의 최적화, 주변 장비와의 간섭배제, 열적피로도 저감이 동시에 고려되어야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 3D 스캔을 통해 보호의의 크기를 판단하고, 두건 및 목, 허리부분 등 Bellow effect에 취약한 부분을 보완하기 위한 설계를 진행하였다. 또한 신규 디자인의 열적스트레스 지수를 기존의 보호의와 비교평가 하였다.
착용과 세탁과정에서 가장 변화가 심한 항목은 액체발유도이다. 착용에 의한 물성저하는 운용성에 따라 달라지기 때문에 본 연구에서는 세탁방법에 의한 발유도 변화를 관찰했다. Fig.
제안 방법
Fig. 7에서 두께가 증가할수록 모의 작용제의 투과율이 낮다는 것에 착안하여, 소재를 PU로 국한하고 두께별로 수증기 및 DMMP 투과율, 그리고 실작용제의 투과량을 측정하였다. Table 6에 결과에 나타난 바와 같이, PU 재질의 선택투과막은 두께가 증가할수록 수증기 투과율, DMMP 투과율 및 실작용제의 투과량은 감소한다.
또한 디자인의 열적스트레스 지수는 써멀마네킨을 이용하여 평가하였다. Fig. 8에 보이는 바와 같이 보호의 2종(현용보호의, 신규디자인)에 대해 각각 방독면, 보호장갑 및 보호덧신을 써멀마네킨에 장착하고 동일한 환경조건으로 열적스트레스 지수 시험을 실시했다. 시험결과 신규디자인(보호의 재질의 두건 일체형, 조임끈 적용)이 현용보호의(부틸 재질 두건, 조임끈 없음)에 비해 단열성은 9 % 감소하고, 열적스트레스지수는 약 11 % 이상 증가되어 착용성이 향상된 것으로 판단된다(Table 9).
이에 따라 본 연구에서는 국내에서 수급이 용이하고, 안정적인 제조가 가능한 우레탄계, 아크릴계, 플루오르계를 적용하여 단층 또는 복합 층의 선택투과막을 제조하였으며, 미군 보고서에 일부 적용된 Nafion 소재를 비교 시험 대상으로 하였다. Table 5에 나타난 바와 같이 소재 종류, 두께, 기공특성들이 서로 상이한 13종의 멤브레인을 획득하여 모의 작용제(DMMP), 수증기 투과율을 시험하였다. 국내에서 획득 가능한 소재들 두께는 단일막의 경우 약 10～20 μm 이내이고, 복합소재들도 최대 50 μm 였다.
이에 따라 본 연구에서는 3D 스캔을 통해 보호의의 크기를 판단하고, 두건 및 목, 허리부분 등 Bellow effect에 취약한 부분을 보완하기 위한 설계를 진행하였다. 또한 신규 디자인의 열적스트레스 지수를 기존의 보호의와 비교평가 하였다.
따라서 외피의 발유도 시험평가는 최소한 n-도데칸 이하의 표면장력을 가지는 탄화수소계 물질을 통해 확인해야 하며, 바람직하게는 n-데칸 이하의 표면장력을 가지는 용액으로 시험해야 한다. 하지만 시험결과처리 시 육안 확인에 의한 개인적인 오차가 발생하기 때문에 접촉각 측정방법에 의해 현재의 기술력으로 도달 가능한 고체임계표면장력 값을 확인하였다.
대상 데이터
선택투과막의 소재는 화학적 안정성을 가지며 막으로 제조된 후 투습성을 갖춘 물질이어야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 국내에서 수급이 용이하고, 안정적인 제조가 가능한 우레탄계, 아크릴계, 플루오르계를 적용하여 단층 또는 복합 층의 선택투과막을 제조하였으며, 미군 보고서에 일부 적용된 Nafion 소재를 비교 시험 대상으로 하였다. Table 5에 나타난 바와 같이 소재 종류, 두께, 기공특성들이 서로 상이한 13종의 멤브레인을 획득하여 모의 작용제(DMMP), 수증기 투과율을 시험하였다.
이론/모형
또한 디자인의 열적스트레스 지수는 써멀마네킨을 이용하여 평가하였다. Fig.
성능/효과
하지만 세제성분에 따라 고체임계표면장력은 달라진다. A세제의 경우 2회 세탁부터 외피의 고체임계표면장력 값이 화학작용제 GD의 액체표면장력보다 큰 값을 보였으며, B 세제는 5회 세탁 이후에도 외피의 고체임계표면장력 값이 화학작용제 GD의 액체표면장력보다 낮은 값을 보였다. 즉, 고체임계표면장력은 세탁의 성분에 따른 영향이 큰 것을 알 수 있었다.
공극량은 인체와 의복사이의 거리를 계측함으로써 각각의 디자인별로 내부 공간을 추론할 수 있다. Table 8에 나타낸 것과 같이 공극률 시험결과 디자인 1(#1, 조임끈이 없는 현용보호의 형태)에 비해 디자인 2(#2, 허리 및 겨드랑이 조임끈 부착된 신규형상)가 측정부위에 따라 다르지만 최소 24 %에서 최대 63 %까지 공극이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
반침투성 소재는 액체상의 작용제 방호를 위해 발수/발유성 부여, 에어로졸 상의 작용제를 방호하기 위한 원단 직조 설계 등으로 침투성 소재에 비해 기능성이 강화되었다. 또한 일반 환경에서 착용하는 동안 방호성능의 지속적인 유지관리를 위해 세탁성이 부여되었으며, 열적피로도 및 중량을 감소시켜 임무수행능력을 향상시켰다. 하지만 침투성/반침투성 소재는 에어로졸상의 작용제를 완벽히 차단하지 못하고, 활성탄의 흡착이 유지되는 기간에만 사용할 수 있다는 한계성을 지니고 있다.
모의 작용제 투과율은 두께가 증가하면 낮아지는 경향성을 보이며, 수증기 투과율은 복합막보다는 단일막일 경우 투과성능이 높아지는 것으로 나타났다(Fig. 7).
액체발유처리는 액체상의 화학작용제가 국소 부위에 급격히 흡수되어 과량 침투함에 따라 내피에 직접적인 타격을 가하게 되어 방호성능이 급격히 상실되는 것을 방지하기 위함이다. 발유도 등급이 높아질수록 고체임계표면장력값이 낮아지며, 화학작용제를 포함한 탄화수소계 유기화합물의 침투를 막아 줄 것으로 판단된다(Table 2).
에 따르면, 보호복의 시스템 평가는 모의작용제(MeS : Methyl Salicylate)를 이용하여 진행하였다. 시스템 평가 결과 운용과정에서 인체의 동적 활동범위가 가장 큰 목과 겨드랑이에서 모의작용제가 다량 투과되었다. 이것은 Bellow effect 때문에 발생되는 현상으로 보호의 상의에 형성된 공기층에 많은 영향을 받는 것으로 파악된다(Fig.
본 연구에서는 열피로도에 영향을 미치는 많은 요소들 중 섬유 기공도에 따른 수증기저항성을 평가하였다. 시험 결과 열피로도는 평균기공크기에 따른 섬유 내 함기율이 적을수록 투습저항성은 낮아진다(Table 4). 향후 개발될 보호의가 미군 최신 규격(MIL-DTL-32102)의 수증기 저항성 값(9.
8에 보이는 바와 같이 보호의 2종(현용보호의, 신규디자인)에 대해 각각 방독면, 보호장갑 및 보호덧신을 써멀마네킨에 장착하고 동일한 환경조건으로 열적스트레스 지수 시험을 실시했다. 시험결과 신규디자인(보호의 재질의 두건 일체형, 조임끈 적용)이 현용보호의(부틸 재질 두건, 조임끈 없음)에 비해 단열성은 9 % 감소하고, 열적스트레스지수는 약 11 % 이상 증가되어 착용성이 향상된 것으로 판단된다(Table 9).
위의 식에 따라 계산한 결과 외피의 공기투과도는 39.6 cm/min 전후로 설계하여 보호의를 제작하는 것이 가장 바람직할 것으로 판단되었다(일반적인 보호의의 시편방호성능 기준을 고려할 때 HD = 4.0 μg/cm2 이하, GD = 1.25 μg/cm2 이하임).
이 고체임계표면장력 값을 Zisman plot을 이용하여 외삽한 cosθ = 1 값을 계산한 결과, 현재 기술로 도달 가능한 고체임계표면장력 값은 약 21 mN/m 이었다.
A세제의 경우 2회 세탁부터 외피의 고체임계표면장력 값이 화학작용제 GD의 액체표면장력보다 큰 값을 보였으며, B 세제는 5회 세탁 이후에도 외피의 고체임계표면장력 값이 화학작용제 GD의 액체표면장력보다 낮은 값을 보였다. 즉, 고체임계표면장력은 세탁의 성분에 따른 영향이 큰 것을 알 수 있었다.
후속연구
방호성능에 주로 관련된 요소는 공기투과도와 액체발유도, 기공도 등이 있다. 공기투과도의 조절을 통해 증기상 작용제의 침투속도를 제어하고, 액체 발유도를 통해 액체상의 작용제 침투를 차단할 수 있어야 하며, 에어로졸 방호를 위한 기공크기에 대한 관심 및 연구도 필요하다.
하지만 열피로도는 섬유의 평균기공도 외에 재질, 밀도, 두께, 조직 등 다양한 요소가 관여함에 따라 지속적인 연구개발이 필요할 것으로 판단된다.
향후 개발될 보호의가 미군 최신 규격(MIL-DTL-32102)의 수증기 저항성 값(9.8 m2 Pa/W 이하)을 기준으로 한다면, 평균 기공도는 최소 15.0 μm 이하로 재직하는 것이 바람직할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화생방보호의의 목적은?
화생방보호의는 화생작용제로부터 인체를 보호하고, 지속적인 임무수행이 가능해야 한다. 미국 NIJ(National Institute of Justice)의 지침서에 의하면, 화생방보호의의 선택시 유기물(화학, 생물학, 산업위험물)에 대한 방호력, 방호내구성, 환경조건, 중량/착용감, 기밀성/이동성, 크기, 형태, 세탁성, 훈련성, 제작비용 등을 고려해야 한다[1].
화생방 보호의 소재는 수증기 혹은 공기의 배출 여부에 따라 어떻게 분류되는가?
화생방 보호의 소재는 수증기 혹은 공기의 배출 여부에 따라 크게 불침투성, 침투성, 반침투성, 선택투과성 개념으로 분류된다. 불침투성 소재는 외부에서 유입될 수 있는 모든 종류의 오염물질을 차단하는 개념으로 착용감은 전혀 고려하지 않는다.
불침투성보호의의 주요소재의 단점은 무엇인가?
불침투성보호의의 주요소재는 기체 투과성이 매우 낮은 것으로 알려진 부틸계 고무를 위장원단에 코팅하여 제조함으로써 이화학적 물성이 강하고, 작용제 방호성능이 매우 높은 것으로 알려져 있다. 하지만 착용 후 열적피로도가 급격히 상승함에 따라 임무수행능력이 저하되는 단점을 가지고 있다. 하지만 열피로도의 영향을 거의 받지 않는 한랭기후(러시아 등)에서 여전히 운용 중이며, 그 외 나라에서는 고농도 화학/생물학 오염 발생 시에만 국한적으로 적용되며, 별도의 냉각 및 호흡장치를 부착하여 적용되고 있다.
참고문헌 (7)
Sarah V. Hart, "Guide for the Selection of Personal Protective Equipment for Emergency First Responders", U.S. Department of Justice, pp. 39-43, 2002.
Eugene Wilusz, "Material Technology for Chemical/ Biological Protective Clothing", Natick Soldier Center, 2002.
Eugene Wilusz, "Advanced Material Technologies for Lightweight Chemical/Biological Protective Clothing", Natick Solider Center, 1998.
John W. Castellani, Proceedings of the 13th International Conference on Environmental Ergonomics, ICEE, pp. 122-126, 2009.
Elaina H. Harrison, "Test Results of Air-permeable Saratoga Hammer Suit to Challenge by Chemical Warfare Agents", ECBC-TR-405, 2004.
Stanley H., "Potential Military Chemical/Biological Agent and Compounds", U.S. Army, pp. II-21-38, 2005.
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