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문제 정의
- 본 연구에서는 진주층 구조를 가진 전복껍질의 메소절편을 직접 채취하여 방탄소재의 원료로 사용할 수 있는지 그 가능성을 검토하였다. 전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판을 최초로 제작한 후 기계적 특성을 관찰하였고, 이후 세라믹 판, 복합소재 합판, 아라미드 섬유로 이루어진 하이브리드 방탄시스템의 방탄특성을 관찰함으로써 진주층의 방탄특성을 최초로 확인하였다.
가설 설정
- 밀도로부터 전복껍질 및 에폭시의 함량을 계산하였다. 이 때 전복껍질의 밀도는 천연진주의 밀도와 같다고 가정하고 천연진주의 밀도 값 2.71 g/cm3를 사용하였고, 에폭시 밀도는 측정된 값인 1.20 g/cm3를 사용하였다. 계산 결과 전복껍질과 에폭시의 함량은, 부피 기준으로 각각 80.
제안 방법
- 3 GPa로 감소하였다. 두께 8 mm 알루미나 판과 18겹 아라미드 직물 사이에 두께 2.4 mm인 전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판을 끼워 넣은, 면 밀도 45.2 kg/m2 인 하이브리드 방탄시스템은 NIJ Standard 0101.06 : 2008 Armor Type IV 규격을 여유롭게 만족시켰다. 이 결과는 비강도 및 파괴인성이 좋은 진주층의 장점을 활용하여 세라믹과 아라미드 직물 조합 대신, 세라믹과 아라미드 직물 사이에 복합소재 합판을 중간재로 사용한 하이브리드 방탄 시스템을 제작할 경우 전체 무게를 낮추면서도 최고 수준의 개인방탄 성능을 얻을 수 있다는 가능성을 보여준다.
- 무작위로 2장의 6겹 판재를 선택하여 1 cm × 1 cm 크기로 잘라서 만든 총 296개 조각들의 두께 및 무게를 측정하여 밀도를 계산하였다.
- 측정 시료의 크기가 작아지면서 두께 측정값이 줄어들었는데, 이는 판재의 두 께가 균일하지 않아 버니어 캘리퍼스로 측정할 때 시료의 가장 두꺼운 부분이 측정되었기 때문이다. 밀도로부터 전복껍질 및 에폭시의 함량을 계산하였다. 이 때 전복껍질의 밀도는 천연진주의 밀도와 같다고 가정하고 천연진주의 밀도 값 2.
- 방탄시험 시편 제작에 사용하기 위해 6겹 판재를 이용하여 두께가 다른 복합소재 합판을 제작하였다. Fig.
- 복합소재 박판 제작 시 에폭시 경화는 압력 0.03 MPa, 온도 80 oC 조건에서 4시간 진행하였다.
- 복합소재 합판은 각각의 박판의 표면에 에폭시와 경화제 혼합용액을 바른 후 여러 장 적층시키고 압력 0.03 MPa, 온도 80 oC 조건에서 4시간 동안 압착하여 제작하였다. 초기 단계에서 온도가 올라가면 에폭시의 유동성이 좋아져서 에폭시가 눌린 박판들 사이를 채우게 되고, 남은 여분의 에폭시는 모두 밖으로 흘러나오게 된다.
- 복합소재 합판의 기계적 특성을 평가하기 위하여 한밭대학교 공동실험실습관에 의뢰하여 압축시험 및 굽힘 시험을 진행하였다. 압축시험은 만능시험기(Instron 5982)를 사용하였고 ASTM C-773 규격을 기준으로 진행하였다.
- 이때 알루미나의 두께는 구성된 하이브리드 형태에서 탄환이 시편을 관통하는 임계두께 부근으로 설정하였다. 복합소재 합판의 두께는 복합소재 합판이 알루미나 판의 두께2 mm를 대체할 때 무게 차이가 크게 나지 않도록, 즉 전체시편의 면밀도가 비슷하도록 설정하였다. 전체시편의 면밀도는 A, B, C, D 그룹 각각 39.
- 본 연구에서는 전통 자개 공정을 활용하여 전복껍질로부터 메소절편을 직접 채취한 후 에폭시를 이용하여 합판 형태로 접착함으로써 최초로 진주층으로 이루어진 복합소재를 제작하였다. 복합소재의 방탄 성능은, 복합소재 합판을 알루미나(Al2O3) 판과 아라미드 직물 사이의 중간재로 사용한 하이브리드 형태의 방탄 시스템을 제작하여 평가하였다. 최근의 고성능 방탄시스템은 일반적으로 알루미나 등의 고경도 세라믹 판에 인장강도가 큰 아라미드 직물 등의 연질물질을 적층한 하이브리드 형태로 이루어져 있으며, 6-8) 여기에 여러 가지 물질을 추가 적층함으로써 방탄 성능을 만족시키면서 무게나 부피를 감소시키는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
- 뛰어난 비강도 및 파괴인성을 가진 진주층을 방탄소재로 사용할 경우 우수한 방탄특성을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 전통 자개 공정을 활용하여 전복껍질로부터 메소절편을 직접 채취한 후 에폭시를 이용하여 합판 형태로 접착함으로써 최초로 진주층으로 이루어진 복합소재를 제작하였다. 복합소재의 방탄 성능은, 복합소재 합판을 알루미나(Al2O3) 판과 아라미드 직물 사이의 중간재로 사용한 하이브리드 형태의 방탄 시스템을 제작하여 평가하였다.
- 85 mm 이었다. 비교를 위하여, 상온에서 경화시킨 후 135 oC에서 1.5시간 동안 열처리하여 제작한 3 mm 두께의 에폭시 시편을 같이 평가하였다. 복합소재 합판 시편이 에폭시 시편에 비해 굽힘 강도 및 탄성계수는 크고 최대변형률은 매우 적었다.
- 6은 두께 10 mm 복합소재 합판의 압축시험 결과 이다. 비교를 위하여, 상온에서 경화시킨 후 135 oC에서 1.5시간 동안 열처리하여 제작한 에폭시 시편을 같이 평가하였다. 시편의 크기는 바닥면적 7 mm × 7 mm, 높이 10 mm 이었고, 힘은 적층된 메소절편에 대해 수직 방향으로 가하였다.
- 62 mm인 M2 AP 탄을 사용하였고, 시험 총포는 30-06 스프링필드, 기준 탄속은 878 m/s이었다. 시편을 점토판에 붙인 후 사격을 진행하고 시편관통 여부 및 후면변형 정도를 확인하였다. 후면변형 정도는 점토판에 형성된 움푹 들어간 자국의 깊이를 재서 측정하였다.
- 시편의 크기는 바닥면적 7 mm × 7 mm, 높이 10 mm 이었고, 힘은 적층된 메소절편에 대해 수직 방향으로 가하였다.
- 본 연구에서는 진주층 구조를 가진 전복껍질의 메소절편을 직접 채취하여 방탄소재의 원료로 사용할 수 있는지 그 가능성을 검토하였다. 전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판을 최초로 제작한 후 기계적 특성을 관찰하였고, 이후 세라믹 판, 복합소재 합판, 아라미드 섬유로 이루어진 하이브리드 방탄시스템의 방탄특성을 관찰함으로써 진주층의 방탄특성을 최초로 확인하였다. 전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판의 압축강도는 258.
- 시편을 점토판에 붙인 후 사격을 진행하고 시편관통 여부 및 후면변형 정도를 확인하였다. 후면변형 정도는 점토판에 형성된 움푹 들어간 자국의 깊이를 재서 측정하였다.
대상 데이터
- 복합소재 합판은 전통 자개 공정을 활용하여 제작하였다. Fig.
- 복합소재 합판이 포함된 방탄시험 시편을 제작하였다. 제작된 방탄시험 시편 형태는 Fig.
- 본 연구에서는 이후의 방탄시험 시편 제작 공정을 단순화하기 위하여 크기가 120 cm × 140 cm인 박판 6장으로 복합소재 합판(이후 6겹 판재)을 제작하여 기본 부품으로 사용하였다.
- 사용된 연삭숫돌(1,200 방)의 다이아몬드 입도는 9 µm이었다.
- 알루미나 판과 아라미드 직물로만 이루어진 시편 A그룹과 D그룹의 알루미나 두께는 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.
- 7은 6겹 판재 및 6겹 판재를 3장 또는 6장 적층하여 제작한 복합소재 합판의 3점 굽힘시험 결과이다. 시편의 평균 두께는 각각 0.84 mm, 2.45 mm, 4.85 mm 이었다. 비교를 위하여, 상온에서 경화시킨 후 135 oC에서 1.
- 05 g/ cm3 이었다. 아라미드 직물은 (주)효성의 Alkex 제품으로, 섬도는 1,500d이었다. 알루미나 판과 복합소재 합판, 그리고 아라미드 직물 18겹 사이사이에 EVA 접착필름을 넣고 적층한 후 autoclave 장비를 이용하여 125 oC, 80 psi 조건에서 90분 성형하였다.
- 알루미나 판은 (주)삼양컴텍 제품으로, 1,600 oC에서 소결하여 제작하였고 밀도는 3.90 ± 0.05 g/ cm3 이었다.
- 박판의 두께는 연마 가공에 의해 조절하였다. 에폭시 및 경화제는 (주)국도화학의 비스 페놀계 에폭시 레진(YD127)과 변성 지환족아민 경화제(KH818b)를 사용하였다. 복합소재 박판 제작 시 에폭시 경화는 압력 0.
- 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 탄을 사용하였고, 시험 총포는 30-06 스프링필드, 기준 탄속은 878 m/s이었다. 시편을 점토판에 붙인 후 사격을 진행하고 시편관통 여부 및 후면변형 정도를 확인하였다.
이론/모형
- 압축시험은 만능시험기(Instron 5982)를 사용하였고 ASTM C-773 규격을 기준으로 진행하였다. 굽힘 시험은 마이크로재료시험기(Instron 5848)를 사용하였고, ASTM C1341-13 규격을 기준으로 진행하였다.
- 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.
- 복합소재 합판의 기계적 특성을 평가하기 위하여 한밭대학교 공동실험실습관에 의뢰하여 압축시험 및 굽힘 시험을 진행하였다. 압축시험은 만능시험기(Instron 5982)를 사용하였고 ASTM C-773 규격을 기준으로 진행하였다. 굽힘 시험은 마이크로재료시험기(Instron 5848)를 사용하였고, ASTM C1341-13 규격을 기준으로 진행하였다.
성능/효과
- 진주층의 굽힘 강도 및 탄성계수를 측정한 기존 결과를 살펴보면 중간 값 기준 각각 184~223 MPa, 66~69 GPa 수준이다.1) 진주층 메소 절편을 에폭시로 접합하여 복합소재 합판을 제작할 경우 진주층 자체에 비해 굽힘 강도 및 탄성계수가 동일한 수준이거나 또는 약간 감소하는 것은 당연하다고 할 수 있다. 복합소재 합판의 두께가 증가할수록 굽힘 강도가 낮아지는 현상은 복합소재 박판의 제작 도중에 박판 표면에 형성된 균열 또는 노치(notch)에 기인한 크기효과(size effect)로 판단된다.
- 진주층의 압축강도를 측정한 기존 결과를 살펴보면 중간 값 기준 220~353 MPa 수준이다.1) 진주층으로 이루어진 메소절편을 에폭시로 접합하여 복합소재 합판을 제작하더라도 압축강도는 크게 감소하지 않음을 알 수 있다.
- 균열의 전파가 진주층 구조에 의해 갈지자형으로 일어날 뿐만 아니라 추가적으로 특유의 고장력 화 원리 (toughening mechanism)가 있기 때문이다.1,4) 진주층의 파괴인성은 진주층을 이루지 않은 단순한 탄산칼슘 결정의 100배 이상으로, 인간이 만든 공업용 세라믹, 공업용 폴리머, 심지어 일부 금속합금에 버금간다. 전체적인 성능에서 보면 인간이 만든 어떤 소재도 세라믹 성분이 차지하는 비율이 95 % 정도로 높은 상태에서는 진주층과 같은 성능을 보이지 못 한다.
- 20 g/cm3를 사용하였다. 계산 결과 전복껍질과 에폭시의 함량은, 부피 기준으로 각각 80.1 %, 19.9 %로 나타났다.
- 3 MPa 수준으로 나타났다. 굽힘강도는 복합소재 합판의 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 사이에 두께 2.
- 앞에서 살펴본 바에 따르면 복합소재 합판의 굽힘 강도는 두께가 증가할수록 감소하였다. 그 이유가 제작 과정에서 전복껍질 메소절편 표면에 생성된 균열 또는 노치에 기인한 크기효과라면, 복합소재의 파괴인성도 두께가 증가함에 따라 감소할 것이고 결과적으로 합판의 두께 증가에 의한 방탄특성의 변화는 크기효과가 없을 때보다는 줄어들 것으로 생각된다. 추가 연구를 통하여 균열 및 노치의 발생을 억제하거나 또는 크기를 미세하게 함으로써 방탄특성을 개선하는 것이 가능하다고 판단된다.
- 방탄시험 시편 제작에 사용된 총 40장의 6겹 판재의 두께를, 버니어 캘리퍼스를 이용하여 측정한 결과 평균 0.823 mm, 표준편차는 0.025 mm 이었다. 무작위로 2장의 6겹 판재를 선택하여 1 cm × 1 cm 크기로 잘라서 만든 총 296개 조각들의 두께 및 무게를 측정하여 밀도를 계산하였다.
- 5시간 동안 열처리하여 제작한 3 mm 두께의 에폭시 시편을 같이 평가하였다. 복합소재 합판 시편이 에폭시 시편에 비해 굽힘 강도 및 탄성계수는 크고 최대변형률은 매우 적었다. 또 Fig.
- 1 mm이었다. 알루미나 판의 두께 2 mm 차이에 의해 NIJ Level IV 규격을 기준으로 합격과 불합격이 갈릴 뿐만 아니라 방탄특성 차이가 매우 크게 나타났다.
- 06 : 2008 Armor Type IV 규격을 여유롭게 만족시켰다. 이 결과는 비강도 및 파괴인성이 좋은 진주층의 장점을 활용하여 세라믹과 아라미드 직물 조합 대신, 세라믹과 아라미드 직물 사이에 복합소재 합판을 중간재로 사용한 하이브리드 방탄 시스템을 제작할 경우 전체 무게를 낮추면서도 최고 수준의 개인방탄 성능을 얻을 수 있다는 가능성을 보여준다.
- 또 알루미나 판의 두께를, 탄환이 파손된다는 전제 하에 8 mm 이하로 줄이는 대신 복합소재 합판 및 아라미드 직물의 두께를 최적화함으로써 방탄시스템의 무게를 더욱 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 결과들은 비강도 및 파괴인성이 좋은 진주층의 장점을 살려 현재 사용되고 있는 세라믹과 아라미드 직물 조합 대신, 세라믹과 아라미드 직물 사이에 복합소재 합판을 중간재로 사용한 하이브리드 방탄시스템을 개인방탄 용도로 사용할 수 있다는 가능성을 보여주고 있다.
- 5(d)에서 볼 수 있듯이 파괴가 일어난 후에도 메소절편과 에폭시의 계면에서는 갈라진 부위가 나타나지 않았으며, 이로 부터 메소절편과 에폭시 간의 접착강도는 충분히 강한 것으로 판단된다. 이러한 결과들은 앞에서 살펴 본 복합소재 합판의 두께 및 밀도 분포 결과와 함께 본 연구의 복합소재 합판 제작 공정이 진주층의 물성을 드러내는 데 있어 부족함이 없음을 보여준다.
- 이상으로부터 10 mm 두께의 알루미나를 사용하는 대신 8 mm 두께의 알루미나를 사용하면서 2.4 mm 두께의 복합소재 합판을 덧대면 전체 방탄시스템의 무게를 줄이면서도 NIJ standard가 요구하는 최고의 방탄성능을 만족시킬 수 있다는 결과를 얻었다. 또 알루미나 판의 두께를, 탄환이 파손된다는 전제 하에 8 mm 이하로 줄이는 대신 복합소재 합판 및 아라미드 직물의 두께를 최적화함으로써 방탄시스템의 무게를 더욱 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
- 이상의 결과로부터 전통 자개 공정을 활용하여 전복껍질로부터 복합소재 합판을 제작하더라도 전복껍질이 보유한 기계적 특성을 큰 손실 없이 구현할 수 있음을 확인하였다. 또 공정 변수 관리를 통해 제작 공정의 재현성과 품질의 균일도를 제고하는 것도 어렵지 않다고 판단된다.
- 전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판을 최초로 제작한 후 기계적 특성을 관찰하였고, 이후 세라믹 판, 복합소재 합판, 아라미드 섬유로 이루어진 하이브리드 방탄시스템의 방탄특성을 관찰함으로써 진주층의 방탄특성을 최초로 확인하였다. 전복껍질 메소절편 기반 복합소재 합판의 압축강도는 258.3 MPa 수준으로 나타났다. 굽힘강도는 복합소재 합판의 두께가 0.
- 이때 합판의 두께가 증가할수록 굽힘 강도 및 탄성계수의 균일도가 두드러지게 향상되었다. 진주층의 굽힘 강도 및 탄성계수를 측정한 기존 결과를 살펴보면 중간 값 기준 각각 184~223 MPa, 66~69 GPa 수준이다.1) 진주층 메소 절편을 에폭시로 접합하여 복합소재 합판을 제작할 경우 진주층 자체에 비해 굽힘 강도 및 탄성계수가 동일한 수준이거나 또는 약간 감소하는 것은 당연하다고 할 수 있다.
- 3 mm일 때 알루미나 두께 8 mm는 탄속 878 m/s의 M2 AP 탄의 완전 관통을 방지하기에는 부족함을 알 수 있다. 한편 두께 10 mm 알루미나 판과 아라미드 직물로 이루어진 D그룹은 완전 관통된 시편이 하나도 없이 3개 시편 모두 부분 관통되었고, 후면변형 깊이는 모든 시편에서 최대 허용치 이하였으며, 후면변형 깊이의 평균값은 38.1 mm이었다. 알루미나 판의 두께 2 mm 차이에 의해 NIJ Level IV 규격을 기준으로 합격과 불합격이 갈릴 뿐만 아니라 방탄특성 차이가 매우 크게 나타났다.
후속연구
- 복합소재 합판의 두께가 증가할수록 굽힘 강도가 낮아지는 현상은 복합소재 박판의 제작 도중에 박판 표면에 형성된 균열 또는 노치(notch)에 기인한 크기효과(size effect)로 판단된다.14-16) 추후 전복껍질 메소절편의 평탄화 과정에서 생성될 수 있는 균열 및 여러 단계의 연마 과정에서 형성될 수 있는 노치가 기계적 특성에 미치는 영향에 대한 체계적인 연구가 필요하다.
- 4 mm 두께의 복합소재 합판을 덧대면 전체 방탄시스템의 무게를 줄이면서도 NIJ standard가 요구하는 최고의 방탄성능을 만족시킬 수 있다는 결과를 얻었다. 또 알루미나 판의 두께를, 탄환이 파손된다는 전제 하에 8 mm 이하로 줄이는 대신 복합소재 합판 및 아라미드 직물의 두께를 최적화함으로써 방탄시스템의 무게를 더욱 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 결과들은 비강도 및 파괴인성이 좋은 진주층의 장점을 살려 현재 사용되고 있는 세라믹과 아라미드 직물 조합 대신, 세라믹과 아라미드 직물 사이에 복합소재 합판을 중간재로 사용한 하이브리드 방탄시스템을 개인방탄 용도로 사용할 수 있다는 가능성을 보여주고 있다.
- 뛰어난 비강도 및 파괴인성을 가진 진주층을 방탄소재로 사용할 경우 우수한 방탄특성을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 전통 자개 공정을 활용하여 전복껍질로부터 메소절편을 직접 채취한 후 에폭시를 이용하여 합판 형태로 접착함으로써 최초로 진주층으로 이루어진 복합소재를 제작하였다.
- 진주층 구조를 방탄소재로 응용하려는 연구가 많았음에도 불구하고 아직까지 성공적이지 못 한 이유로, 대면적에 걸쳐 균일한 품질을 재현성 있게 얻을 수 있는 공정의 부재를 들 수 있다. 본 연구에서 구축된 제작 공정은 이러한 한계를 벗어나 진주층의 방탄특성에 대한 기초연구를 가능하게 했다는 데 의미가 있으며, 추가 연구를 통하여 전복껍질을 방탄소재 및 경량고강도소재로 응용하는 데 도움이 될 것으로 판단된다.
- 그 이유가 제작 과정에서 전복껍질 메소절편 표면에 생성된 균열 또는 노치에 기인한 크기효과라면, 복합소재의 파괴인성도 두께가 증가함에 따라 감소할 것이고 결과적으로 합판의 두께 증가에 의한 방탄특성의 변화는 크기효과가 없을 때보다는 줄어들 것으로 생각된다. 추가 연구를 통하여 균열 및 노치의 발생을 억제하거나 또는 크기를 미세하게 함으로써 방탄특성을 개선하는 것이 가능하다고 판단된다.
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