[논문]투명 방탄소재용 보로실리케이트 유리의 이온교환 강화

심규인; 엄형우; 최세영

doi:10.9766/kimst.2013.16.4.507

투명 방탄소재용 보로실리케이트 유리의 이온교환 강화
Strengthening of Borosilicate Glass by Ion Exchange for Lightweight Transparent Bulletproof Windows Materials 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.16 no.4, 2013년, pp.507 - 513

Abstract ▼ AI-Helper

Transparent bulletproof windows play an important role in the munitions industry. The thickness of bulletproof windows including soda-lime silicate(SLS) glass, polyvinyl butyral, poly urethane, main defense(200MD), and safety film was reduced from 40mm to 29mm by adjustment of SLS glass laminated array. Borosilicate glasses generally have lower surface density and more excellent mechanical properties than SLS glass. Borosilicate glass was strengthened by ion exchange in the $KNO_3$ powder. The maximum mechanical properties were observed at $550^{\circ}C$ for 10min. The Vickers hardness, fracture toughness and 3-point bending strength of ion exchanged samples were about $775kg/mm^2$, $1.91MPa{\cdot}m^{1/2}$ and 764MPa each, which are about 27%, 149% and 249% higher than parent borosilicate glass, respectively. The penetration depth of K+ ion at $550^{\circ}C$ for 10min was $59.8{\mu}m$. As a result, the transparent bulletproof windows were predicted to be more lightweight by ion exchange of borosilicate glass. If the SLS glass for bulletproof windows is replaced by ion exchanged borosilicate glass, the bulletproof windows can be expected to be lightweight and thinner.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이번 연구에서는 borosilicate 유리를 이온교환 강화 후, K⁺ 이온의 이온침투 깊이에 따른 기계적 성질 및 광 투과율을 측정함으로써 이온교환 최적 조건을 확보하고, 강화된 borosilicate 유리의 박형화, 경량화 가능성을 평가하여 투명 방탄소재로의 활용 가능성을 확인하였다.

제안 방법

3점 굽힘 강도(3-point Bending Strength)는 UTM (H10K-C, Hounsfield, U.K.)을 이용해서 이온교환된 3×4×36mm3의 borosilicate 유리의 강도를 측정하였다.
80.4SiO2-4.2Na2O-2.4Al2O3-13B2O3의(Product, 3mm, Germany) 조성을 갖는 borosilicate 유리를 3×4×36mm3의 크기로 cutting 후 SiC paper를 사용하여 #400, #1,000, #2,000까지 옆면 및 모서리 polishing을 실시하였다.
고강도 조성의 borosilicate 유리를 강화시키기 위해서 유리를 K⁺ 이온으로 이온교환 시켰다. 이온교환에 의한 유리의 강화는 주로 원자반경이 큰 K⁺ , Cs⁺ , Li⁺ , Rb⁺ 등이 사용되며, 희귀금속을 제외하고, 융점, 이온반경 등의 영향으로 보통 K⁺ 이온이 많이 사용된다^[4～6].
따라서, borosilicate 유리의 이온교환 온도 및 유지시간에 따른 K+ 이온의 침투속도(μm/min)를 바탕으로 기계적 성질(비커스 경도, 파괴인성, 3점굽힘 강도)을 평가하여 이온교환 최적 조건을 확보하는 실험을 진행하였다.
4Al₂O₃-13B₂O₃(mol%)의 조성을 갖는 borosilicate 유리는 화학적 내구성 및 기계적 성질이 우수하여 이화학용 제품으로 많이 사용되며, 현재 사용중인 방탄소재용 SLS 유리를 대체하여 borosilicate 유리를 사용하면, 박형화 및 경량화 방탄소재를 제작할 수 있다. 또한 borosilicate 유리를 이온교환법으로 강화시켜 방탄 소재로 활용하면 일반 SLS 유리를 적층한 완전방호 방탄소재(29mm) 보다 박형화, 경량화 가능할 것으로 판단하여 borosilicate 유리를 선택하였다.
열처리 온도 및 유지시간은 이온교환 후 K⁺이온의 최적 침투깊이를 확보하기 위해서 530～570℃에서 0～20분 동안 유지하였다. 이온교환 온도 및 유지시간에 따른 K⁺ 이온의 침투깊이는 SEM/EDS (S-4200, Hitachi, Japan)를 이용해서 line profile로 측정하였다.
이온교환된 borosilicate 유리의 광 투과율은 UV/VIS spectrophotometer(Jasco, V-570, Japan)으로 측정하였다. 측정 파장은 200～800nm, scan speed는 400nm/min으로 이온교환시 광 투과율을 측정하였다.
이온교환된 borosilicate 유리의 광 투과율은 UV/VIS spectrophotometer(Jasco, V-570, Japan)으로 측정하였다. 측정 파장은 200～800nm, scan speed는 400nm/min으로 이온교환시 광 투과율을 측정하였다.
투명 방탄소재의 박형화, 경량화를 위해서 현재 방탄소재로 사용되는 SLS 유리를 이온교환 강화된 borosilicate 유리로 대체하기 위해서 KNO₃ 분말을 이용하여 도포법으로 borosilicate 유리를 이온교환 강화시켰다. 이온교환 온도 및 유지시간에 따라 응력완화 현상을 피하고 K⁺ 이온의 최적 침투 깊이를 확보하기 위해서 530～580℃, 0～20분간 이온교환을 실시한 결과 550℃, 10분에서 경도, 파괴인성, 강도가 775kg/mm², 1.

대상 데이터

이온교환에 사용된 KNO₃ 분말(Ducsan, Extra Pure, Korea)은 실험용 고순도(3N, 99.9%) 분말을 사용하였으며, 알루미나 사각 트레이에 KNO₃ 분말을 도포 후 cutting된 borosilicate 유리를 올리고 다시 위를 KNO₃분말로 도포하여 열처리하는 이온교환 도포법을 사용하였다. 열처리 온도 및 유지시간은 이온교환 후 K⁺이온의 최적 침투깊이를 확보하기 위해서 530～570℃에서 0～20분 동안 유지하였다.

데이터처리

비커스 경도(Vickers Hardness, H_V)는 Vickers micro hardness tester(MXD-CX3E, Matsuzawa, Japan)를 이용하여 식 (3)과 같이 계산하였다. 압흔시 하중(P)은 1,000gf로 30초간 유지하였고, 시편당 10번씩 측정하여 평균값을 계산하였다^[1～3].

성능/효과

Fig. 5에서 이온교환 온도 및 시간이 증가하면 가시광 영역에서 일반 borosilicate 유리의 광 투과율 91.6%에서 91.2% 약간 감소하였으며, 최적 이온교환 조건인 550℃, 10분간 이온교환한 borosilicate 유리의 광 투과율은 91.4%로 측정되어, 두께 12.7mm의 최소 광 투과율 조건인 81% 이상으로 투명 방탄소재로 활용 가능한 것으로 확인되었다.
4% 이상으로 투명 방탄소재로 활용 가능하였다. 따라서 유리강화 결과 및 사전 고속충돌 시험결과^[9]를 바탕으로 SLS 유리를 이온교환 강화한 borosilicate 유리로 대체하면 두께를 현재 29mm에서 20mm 이하까지 31% 이상 박형화, 경량화된 방탄소재 제조가 가능할 것으로 판단되며, 차량용 투명 방탄소재뿐 아니라 개인보호장구, 고글 등 다양한 군수분야에 적용 가능할 것으로 판단된다.
따라서, Fig. 3, 4를 통해 응력완화 현상을 확인한 동시에, borosilicate 유리의 이온교환 최적조건 550℃, 10분을 확보할 수 있었으며, 최적 조건에서의 비커스 경도, 파괴인성, 3점 굽힘 강도는 775kg/mm² , 1.91MPa․ m^1/2, 764MPa으로 일반 borosilicate 유리보다 각각 27% 149%, 249% 씩 증가하였다. 또한 이온교환 borosilicate 유리는 현재 방탄소재로 사용되는 SLS 유리보다 기계적 성질이 36%, 166%, 409% 씩 증가하여 방탄소재를 SLS 유리에서 이온교환 강화된 borosilicate 유리로 대체할 경우 방탄소재의 박형화, 경량화가 가능할 것으로 판단된다.
91MPa․ m^1/2, 764MPa으로 일반 borosilicate 유리보다 각각 27% 149%, 249% 씩 증가하였다. 또한 이온교환 borosilicate 유리는 현재 방탄소재로 사용되는 SLS 유리보다 기계적 성질이 36%, 166%, 409% 씩 증가하여 방탄소재를 SLS 유리에서 이온교환 강화된 borosilicate 유리로 대체할 경우 방탄소재의 박형화, 경량화가 가능할 것으로 판단된다.
이는 일반 borosilicate 유리보다 경도, 파괴인성, 강도가 각각 27% 149%, 249% 씩 증가하였고, 현재 방탄소재(40mm)로 사용되는 SLS 유리보다 36%, 166%, 409% 증가하였다. 또한 최적 조건에서 이온교환한 borosilicate 유리의 광 투과율은 91.4% 이상으로 투명 방탄소재로 활용 가능하였다. 따라서 유리강화 결과 및 사전 고속충돌 시험결과^[9]를 바탕으로 SLS 유리를 이온교환 강화한 borosilicate 유리로 대체하면 두께를 현재 29mm에서 20mm 이하까지 31% 이상 박형화, 경량화된 방탄소재 제조가 가능할 것으로 판단되며, 차량용 투명 방탄소재뿐 아니라 개인보호장구, 고글 등 다양한 군수분야에 적용 가능할 것으로 판단된다.
8μm였다. 이는 일반 borosilicate 유리보다 경도, 파괴인성, 강도가 각각 27% 149%, 249% 씩 증가하였고, 현재 방탄소재(40mm)로 사용되는 SLS 유리보다 36%, 166%, 409% 증가하였다. 또한 최적 조건에서 이온교환한 borosilicate 유리의 광 투과율은 91.
이온교환 온도 및 유지시간에 따라 응력완화 현상을 피하고 K+ 이온의 최적 침투 깊이를 확보하기 위해서 530～580℃, 0～20분간 이온교환을 실시한 결과 550℃, 10분에서 경도, 파괴인성, 강도가 775kg/mm2, 1.91MPa·m1/2, 764MPa으로 나타났고, 이 때 K+ 이온의 최적 침투 깊이는 59.8μm였다.
3은 이온교환 시간은 10분으로 유지하고 온도(530～570℃)에 따른 비커스 경도, 파괴인성, 3점 굽힘 강도를 나타낸 그래프이다. 이온교환 온도 및 유지시간이 증가하면 K⁺ 이온 침투속도는 비례하여 증가하지만, Fig. 3의 기계적 성질을 확인한 결과 550℃까지는 기계적 성질이 증가하다가 그 이후에는 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 현상은 이온교환 온도 및 시간이 증가하게 되면 K⁺ 이온의 유리내 침투량이 증가하지만 임계 이온교환량을 넘을 경우, 유리의 망목형성(Network Former) 구조인 Si-O를 K⁺ 이온이 파괴하여, 오히려 응력을 완화시키는 현상이 발생하여 기계적 성질이 감소되는 것이다^[6～8].
4는 550℃의 이온교환 온도에서 0～20분까지 유지 후 기계적 성질을 나타낸 그래프이다. 이온교환 온도를 550℃으로 고정 후, 이온교환 시간을 5분 간격으로 0～20분까지 증가시킨 결과, 10분 까지는 기계적 성질이 증가하지만 이후에는 급격히 감소하는 응력완화 현상을 다시 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방탄유리와 같은 방탄소재는 어떤 규격을 따르고 있는가?	국방산업에서 중요한 소재인 방탄유리(Bulletproof Glass)는 외부의 위협으로부터 인명, 장비를 보호하기 위해서 제작된 강화 유리이다. 방탄소재의 방탄성능 기준은 미국방성의 MIL-G-5485D[1,2] 규격을 따르고 있으며, 성능 평가용 방탄소재의 세부기준은 면적 405×760mm2이며, 50m 거리에서 851m/s의 탄속으로 충돌하는 탄자에 대해 완전방호 및 두께별 광투과율을 만족해야 한다[2]. 현재 방탄유리에 적층되는 소재의 종류에는 일반 창유리 조성의 Soda-Lime Silicate(SLS) 유리와 PVB(Polyvinyl Butyral), PU(Poly Urethane), main defense (200MD), safety 필름 등으로 사전 실험결과 소재의 적층배열 조절만으로 완전방호용 방탄소재의 두께를 40mm에서 29mm까지 박형화가 가능하였다[2].
	borosilicate 유리를 사용할 시 얻을 수 있을 것으로 생각되는 이점은 무엇인가?	2Na2O-2.4Al2O3-13B2O3(mol%)의 조성을 갖는 borosilicate 유리는 화학적 내구성 및 기계적 성질이 우수하여 이화학용 제품으로 많이 사용되며, 현재 사용중인 방탄소재용 SLS 유리를 대체하여 borosilicate 유리를 사용하면, 박형화 및 경량화 방탄소재를 제작할 수 있다. 또한 borosilicate 유리를 이온교환법으로 강화시켜 방탄 소재로 활용하면 일반 SLS 유리를 적층한 완전방호 방탄소재(29mm) 보다 박형화, 경량화 가능할 것으로 판단하여 borosilicate 유리를 선택하였다.
	방탄유리에 적층되는 소재는 무엇이 있는가?	방탄소재의 방탄성능 기준은 미국방성의 MIL-G-5485D[1,2] 규격을 따르고 있으며, 성능 평가용 방탄소재의 세부기준은 면적 405×760mm2이며, 50m 거리에서 851m/s의 탄속으로 충돌하는 탄자에 대해 완전방호 및 두께별 광투과율을 만족해야 한다[2]. 현재 방탄유리에 적층되는 소재의 종류에는 일반 창유리 조성의 Soda-Lime Silicate(SLS) 유리와 PVB(Polyvinyl Butyral), PU(Poly Urethane), main defense (200MD), safety 필름 등으로 사전 실험결과 소재의 적층배열 조절만으로 완전방호용 방탄소재의 두께를 40mm에서 29mm까지 박형화가 가능하였다[2].

참고문헌 (9)

Kim, T. Y., Shim, G. I. and Choi, S. Y., "Effect of SLS Glass for Bulletproof Materials by Ion Exchange Technique", The Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 13, No. 1, pp. 114-119, 2010. 2.
Choi, S. Y., Kim, H. J. and Lee, M. K., Research & Development Report of 1st Stage, Nano Technology Application Center, Agency for Defense Development, 2010.
Kim, Y. H., Shim, G. I., Lim, J. M. and Choi, S. Y., "Fabrication of High Strength Transparent Bulletproof Materials by Ion Exchanged Borosilicate Glass", The Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 13, No. 6, pp. 1121-1126, 2010. 12.
Varshneya, A. K. and Milberg, M. E., "Ion Exchange in Sodium Borosilicate Glass", J. Am. Cera. Soc., Vol. 57, No. 4, pp. 165-169, 1974.

상세보기
Varshneya, A. K., "Kinetics of Ion Exchange in Glasses", J. Non-Cryst. Sol., Vol. 19, pp. 355-365, 1975.

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Varshneya, A. K., "Influence of Strain Energy on Kinetics of Ion Exchange in Glass", J. Am. Ceram. Soc., Vol. 58, No. 3-4, pp. 106-109, 1975.

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Tyagi, V. and Varshneya, A. K., "Measurement of Progressive Stress Buildup During Ion Exchange in Alkali Aluminosilicate Glass", J. Non-Cryst. Sol., Vol. 238, pp. 186-192, 1998.

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Pukh, V. P., "Atomic Structure and Strength of Inorganic Glasses", Physis of the Solid State, Vol. 47, No. 5, pp. 876-881, 2005.

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Choi, S. Y. and Jung, D. T., Research & Development Report of 2nd Stage, Nano Technology Application Center, Agency for Defense Development, 2012.

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