[논문]방탄헬멧의 방탄시험방법 개선에 관한 연구

구승환; 김경민; 박중화; 송승환

doi:10.7469/jksqm.2019.47.2.283

방탄헬멧의 방탄시험방법 개선에 관한 연구
A Study on Improvement of Ballistic Testing Method for Combat Helmet 원문보기

品質經營學會誌 = Journal of Korean society for quality management, v.47 no.2, 2019년, pp.283 - 294

구승환 (국방기술품질원) , 김경민 (국방기술품질원) , 박중화 (국방기술품질원) , 송승환 (국방기술품질원)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: Although the development of bulletproof helmets continues to be carried out, little has been improved in testing methods. Therefore, in this study, we studied the improvement of the test method of the domestic bulletproof helmet. Methods: The causes of head damage in the battlefield and the trends of bulletproof helmet development in developed countries were analyzed. In addition, improvements were derived by comparing the test methods of bulletproof helmet in Korea and the United States. Results: The results of the improvement by comparing the test methods of bulletproof helmet in Korea and the United States are as follows First, it is an addition to the scope of environmental treatment. Second, it is an addition to the level of protection. Third, the addition of the level of protection by impact. Conclusion: This study considered testing methods to prevent head injuries to shocks that cannot be identified by conventional methods. In addition, it considered testing methods for various threats by improving protection performance to advanced countries' levels.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1. Compare of NIJ Standard
표 Table 2. Evolution of Combat Helmet for USA
표 Table 3. Helmet Test Matrix
표 Table 4. Helmet Sections
표 Table 5. Comparing Test Methods between Korea and USA and Improvement Plan

AI 본문요약
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문제 정의

STANAG 2920의 규격명은 ‘Ballistic Test Method for Personal Armour Materials and Combat Clothing’으로 개인 방호 및 탄도 위협에 대한 전투의류의 보호 수준을 측정하기 위한 것을 목적으로 한다(STANAG 2920).
STANAG은 ‘Standardization Agreement’의 약자로 NATO 협의체 구성원 간의 장비들에 대한 프로세스, 프로시저, 용어 및 조건 등을 기술하고 있다. 각 NATO 회원국은 STANAG을 비준하고 자국 내 군사 분야 적용하고 있으며, 회원국 간 군사용품을 다른 회원국에 저장, 지원이 가능하도록 표준화 하는데 목적이 있다. STANAG 2920의 규격명은 ‘Ballistic Test Method for Personal Armour Materials and Combat Clothing’으로 개인 방호 및 탄도 위협에 대한 전투의류의 보호 수준을 측정하기 위한 것을 목적으로 한다(STANAG 2920).
본 연구는 그간 방탄헬멧의 방탄시험을 진행하는 과정에서 획득한 해외 방탄시험 규격과 요구조건을 검토하고 국내의 시험방법과 비교하여 방탄헬멧의 시험방법을 개선하기 위해 진행되었다. 따라서 본 연구에서는 해외에서 요구되는 방호성능을 바탕으로 국방규격과 비교하여 개선이 필요한 부분과 추가 제언을 서술하였다. 그간 우리나라는 미국의 MIL Standard(군사 표준)나 NIJ Standard(미 법무성 사법연구소 표준)에 대한 기초적인 이해와 전문가가 부족한 실정에서 일부 시험방법을 인용하여 적용해 왔기 때문에 시험 방법에 대한 심도 있는 고민이 부족한 실정이었다.
본 연구는 국내 방탄헬멧 시험방법의 개선점에 대해 연구하였다. 해외에서는 신규 헬멧을 개발함과 동시에 시험 규격에 대한 다양한 연구를 수행하고 있지만 우리나라는 방탄헬멧의 개발은 수행되고 있는 반면, 시험방법에 대한 연구는 과거의 상태를 유지하고 있는 실정이다.
국방기술품질원은 2017년 방탄시험에 대한 한국인정기구(KOLAS : Korea Laboratory Accreditation Scheme)의 인정을 획득하여 방탄성능시험을 운영하고 있다. 본 연구는 그간 방탄헬멧의 방탄시험을 진행하는 과정에서 획득한 해외 방탄시험 규격과 요구조건을 검토하고 국내의 시험방법과 비교하여 방탄헬멧의 시험방법을 개선하기 위해 진행되었다. 따라서 본 연구에서는 해외에서 요구되는 방호성능을 바탕으로 국방규격과 비교하여 개선이 필요한 부분과 추가 제언을 서술하였다.
그간 우리나라는 미국의 MIL Standard(군사 표준)나 NIJ Standard(미 법무성 사법연구소 표준)에 대한 기초적인 이해와 전문가가 부족한 실정에서 일부 시험방법을 인용하여 적용해 왔기 때문에 시험 방법에 대한 심도 있는 고민이 부족한 실정이었다. 본 연구에서는 실제 방탄성능시험을 운영하면서 획득한 노하우를 바탕으로 국내 방탄헬멧 시험방법의 개선점을 제시하고 나아가 방탄헬멧의 군사요구도 작성에 유용한 정보를 제공하고자 한다.
PASGT 헬멧, ACH 헬멧, LWH 헬멧 및 MICH 헬멧은 케블라 섬유를 사용하였으며, 최근에는 UHMWPE(Ultra high molecular weight polyethylene)과 Carbon fiber를 혼합한 하이브리드(HYBRID) 기법을 사용하고 있다. 본 연구에서는 현재 운용중인 미국의 ACH 헬멧을 중심으로 살펴보고자 한다.
NIJ Standard는 각 번호별로 방호대상에 대한 항목이 구분되는데, 0101은 방탄복과 삽입되는 방탄판, 0106은 방탄헬멧, 0108은 방탄소재에 대한 규격이다. 이외에도 방검시험 등 다양한 규격이 존재하지만 본 연구에서는 개인용 방호장비에 대한 시험규격을 대표적으로 살펴보기로 한다. 일반적으로 NIJ Standard는 각 등급을 Level 로 구분하며, 권총탄에 대한 방호수준을 IIIA 이하로, 소총탄에 대한 방호수준을 III 이상으로 구분하고 있다.
이처럼 해외에서는 PASGT 헬멧을 개선한 ACH 헬멧을 개발하기 위해 다양한 위협과 외상 등을 분석하여 요구 성능을 제시하고 이를 시험하기 위한 방법을 연구하였다. 이제 우리나라도 방탄헬멧의 성능향상을 위한 시험방법의 개선에 관한 연구가 필요하다.

가설 설정

미국의 시험방법 및 관련 연구보고서에 따르면 9mm 권총탄의 위협에 대한 방호수준을 유지할 경우 생존률과 운용성의 적절한 조화가 가능하다고 보고되고 있기 때문에 우리 군에서도 최소한 이를 준용하여 방호수준을 설정할 필요가 있다. 셋째, 충격에 의한 방호수준 추가이다. 전장에서 다양한 폭발로 인한 둔상 발생 확률은 매우 높은 반면 현재 우리나라의 방탄헬멧의 시험에 충격에 의한 방호수준 검증은 없는 실정으로 충격에 대한 방호수준 및 시험방법을 적용할 필요가 있다.
한국과 미국의 방탄헬멧 시험방법을 비교하여 개선점을 도출한 결과는 다음과 같다. 첫째, 환경처리 범위의 추가 이다. 현재 우리나라 시험 규격에서 수행하는 환경처리는 전술한 바와 같이 저온(-32 ℃)에서 24시간 처리하는 것이 전부지만, 여기에 미국 방탄헬멧의 방호기준에 환경에 따른 환경처리 요건을 반영하여 고온(71.

제안 방법

5개 영역에 각각 1발을 사격하는데, 사격위치는 상부 중앙과 좌/우측면(귀 덮개 위로부터 50 mm 지점), 전면(테두리로부터 (85 ± 5) mm 지점에 사격하되 야시경 장착부에서 최소 38 mm 이상 이격) 과 후면(테두리로부터 (75 ± 5) mm 지점)에 사격한다.
가속내후 처리는 AATCC Method 169 규격에 따라 일광, 강우 및 고온 조건을 순환 사이클 형태로 총 48시간 처리 후에 방탄시험을 실시한다. 마지막으로 제품의 저장수명 확인을 위해 가속노화 처리 후 방탄성능 시험을 수행 하며, 가속노화 처리는 ASTM D 1149-07 규격에 따라 고온(40℃), 하중(13.
(2014)은 ACH 헬멧 시험방법에 대해 연구하였는데, 이들은 기존의 헬멧 시험 방법인 파편탄을 사용한 V 50 산출(방호물자의 관통확률이 50%가 되는 임계치를 산출하는 시험) 및 방호한계 시험 (관통여부를 확인하는 시험) 이외에도 9mm 권총탄을 사용한 후면변형 시험방법(P-BFS : Perforation and Back Face Signature Test, 관통이 되지 않아야 함은 물론 장파열 등의 장기 손상을 방지하기 위해 후면 변형까지 측정하는 시험)을 추가로 제안하였다. 또한 헬멧의 5부위(전/좌/우/후/정수리)에 대한 사격위치를 명확화하고 RCC(Right Circular Cylinders, 파편을 형상화 한 것)를 사용한 시험 방법을 제시하였다. Rodriguez-Millan, M.
가속내후 처리는 AATCC Method 169 규격에 따라 일광, 강우 및 고온 조건을 순환 사이클 형태로 총 48시간 처리 후에 방탄시험을 실시한다. 마지막으로 제품의 저장수명 확인을 위해 가속노화 처리 후 방탄성능 시험을 수행 하며, 가속노화 처리는 ASTM D 1149-07 규격에 따라 고온(40℃), 하중(13.6㎏) 부여 및 오존(부분압력 50 mPa) 환경에 72시간 동안 노출 시킨다. 환경처리가 완료된 헬멧은 Table 3에 따라 사격시험을 수행한다.
본 연구를 위해 전장에서의 두부 외상과 선진국의 방탄헬멧 발전 동향을 분석하였으며 분석된 내용은 다음과 같다. 첫째, 전장에서 두부손상을 입은 환자에 대한 원인을 고찰한 결과 머리 부상이 신체 부위별 부상의 15% ~ 30%를 차지하고 있었으며, 주요 원인으로는 폭발(폭탄, 지뢰, 대포의 파편 포함)로 인한 부상이 가장 많았으며, 비전투적 원인에 의한 외상도 약 50% 수준이었다.
본 절에서는 3장에서 살펴본 미국과 한국의 방탄시험방법 비교 및 4.1절의 두부손상 위협에 따른 방탄헬멧 시험 방법 개선분야를 도출하였다. 도출된 개선 분야는 환경처리 및 방호수준이다.
사격 위치는 헬멧의 외부 표면을 1개의 중앙부(정수리 부분)와 4개의 측면(전면(0°), 좌측(90°), 후면(180°), 우측(270°))으로 구분하여 각 위치의 중앙지점에서 지름 100 mm인 원을 그려 그 내부에 사격한다.
각각 환경 처리를 실시한 헬멧은 환경처리 장비에서 불출한 후 30분 내 방탄시험을 실시한다. 염수 침수는 깊이 36 인치(약 0.91 m)이상의 염수(3% 염화나트륨, 0.5% 염화마그네슘 함유)로 구성된 욕조에서 최소 (3 ~ 4)시간 침수시킨 후, 수분을 닦고 2시간 내에 방탄시험을 실시한다.
또한 지금까지 국내에서 수행된 방탄헬멧 관련 연구는 소재개발에 국한되어 있으며 방탄시험 방법 및 성능에 대한 관련연구는 전무한 실정이었다. 이를 위해 기존의 시험 방법으로는 확인할 수 없는 충격에 대한 두부 손상 및 부상을 방지할 수 있는지 여부를 확인하기 위한 시험 및 방호성능을 선진국 수준으로 향상시키고 다양한 위협에 대한 시험 방법을 고려하였다.

대상 데이터

영국은 ‘HOSDB Body Armor Standards’를 사용하고 있으며 7개의 Level로 구성되어 있다. 사용되는 탄환은 9mm 보통탄과 .357 매그넘, 5.56mm 보통탄, 7.62mm 보통탄, 샷건 12gauge 탄으로 NIJ 규격과 유사하다. 독일의 경우 ‘VPAM BRV 2009’를 사용하고 있으며 14개의 Level로 구성되어 있다.
사용되는 화기는 .22 구경 ∼ 14.5mm 로 구성되어 있으며, 7.62x39mm, 7.62x54R 등의 적성국 탄환에 대한 방호성능까지 규정하고 있다.

이론/모형

여기서 완전관통이란 사격 후 탄자 및 파편에 의해 방탄재 뒤에 설치한 확인판이 관통되어 빛이 통과하는 구멍이 발생하는 경우를 말하며, 부분관통(PP : Partial Penetration)은 완전관통이 아닌 모든 경우를 지칭한다(구승환, 노승민, 송승환, 2018). P-BFS 시험은 미 법무성 사법연구소(NIJ : National Institute of Justice)에서 발행한 NIJ Standard-0101(Ballistic Resistance of Body Armor) 규격에 명시된 시험으로 후면재(Oil Clay)를 사용하여 함몰 깊이를 측정한다. 이는 방탄재가 관통되지 않더라도 방탄재의 후면 변형(충격으로 인한 함몰 등)으로 인해 체내 장기 손상이 발생하지 않도록 하는 것까지 고려함으로써 안정성을 보다 중시하는 시험이라 할 수 있다.

성능/효과

1 ℃), 염수 처리 각각의 환경처리 후에 방탄시험을 실시하도록 반영할 필요가 있다. 둘째, 방호수준의 추가에 있어서 추가 탄종의 고려이다. 미국의 시험방법 및 관련 연구보고서에 따르면 9mm 권총탄의 위협에 대한 방호수준을 유지할 경우 생존률과 운용성의 적절한 조화가 가능하다고 보고되고 있기 때문에 우리 군에서도 최소한 이를 준용하여 방호수준을 설정할 필요가 있다.
이러한 부상의 원인은 크게 총탄에 대한 위협과 화포, 지뢰, 박격포, 기타 폭발원 등으로 인한 파편에 대한 위협, 둔상(Blunt Trauma)에 대한 위협으로 분류되었다. 둘째, 선진국의 방탄헬멧 발전 동향을 분석한 결과 미국은 현재 ACH 헬멧, LWH 헬멧과 MICH 헬멧, ECH 헬멧과 FAST 헬멧을 운영하고 있다. 또한 소재는 케블라 섬유에서 UHMWPE(Ultra high molecular weight polyethylene)과 Carbon fiber를 혼합한 하이브리드(HYBRID) 소재를 사용하고 있다.
둘째, 화포, 지뢰, 박격포, 기타 폭발원 등으로 인한 파편에 대한 위협은 DMZ나 평화유지군에서 발생할 수 있다. 급조폭발물(IED : Improvised Explosive Device)을 포함한 파편을 유발시키는 무기들은 다량의 파편을 사용하여 부상을 입히는 동작원리를 가지고 있다.
22 FSP를 사용한 방탄시험 결과 V 50 값이 약 660 m/s로 나타났을 때, 소총탄에 대해서는 어느 수준의 방호 수준을 보일 것인지 살펴볼 필요가 있다. 물론 소재의 특성 및 형상에 따라 결과 값이 다르겠지만 5.56mm 신형보통탄 K100을 사용하여 V 50 값을 산출한 결과는 약 ○○○ m/s로 나타났다. 이는 소총탄으로 인한 피격거리가 ○○○ m 이내일 경우에는 관통당할 확률이 높음을 의미한다.
셋째, 전장에서의 둔상 위협은 추락, 차량 충돌, 차량 내부와의 충격, 낙하산으로 인한 충격, 머리에 대한 둔탁한 충격 등을 모두 포함하는 것으로 어디에서나 발생할 수 있다. 또한 대부분의 폭발은 둔상을 수반할 가능성이 있다 (Bass et.
(2010)은 아프가니스탄과 이라크에서 펼쳐진 OEF(Operation Enduring Freedom), OIF(Operations Iraqi Freedom) 작전과정에서 발생한 외상성 뇌손상 (TBI : Traumatic Brain Injury) 환자를 분석한 결과 머리 부상이 신체 부위별 부상의 15% ~ 30%를 차지한다고 하였다. 주요 원인으로는 폭발(폭탄, 지뢰, 대포의 파편 포함)로 인한 부상이 가장 많았으며, 비전투적 원인에 의한 외상도 약 50% 수준으로 조사되었다. 이러한 부상의 원인은 크게 총탄과 파편, 둔상(Blunt Trauma)의 3가지로 분류할 수 있으며, 우리 군에 대한 위협을 분석한 결과는 다음과 같다.
본 연구를 위해 전장에서의 두부 외상과 선진국의 방탄헬멧 발전 동향을 분석하였으며 분석된 내용은 다음과 같다. 첫째, 전장에서 두부손상을 입은 환자에 대한 원인을 고찰한 결과 머리 부상이 신체 부위별 부상의 15% ~ 30%를 차지하고 있었으며, 주요 원인으로는 폭발(폭탄, 지뢰, 대포의 파편 포함)로 인한 부상이 가장 많았으며, 비전투적 원인에 의한 외상도 약 50% 수준이었다. 이러한 부상의 원인은 크게 총탄에 대한 위협과 화포, 지뢰, 박격포, 기타 폭발원 등으로 인한 파편에 대한 위협, 둔상(Blunt Trauma)에 대한 위협으로 분류되었다.

후속연구

전술한 바와 같이 무기체계의 발전으로 위협이 다양화되었으나 현재 운용중인 방탄헬멧의 시험방법은 80년의 수준에 머무르고 있기 때문에 이에 대한 개선이 시급한 실정이다. 또한 현재의 국내 시험 방법으로는 확인할 수 없는 충격에 대한 두부 손상 방지 여부를 확인하기 위한 시험을 진행할 필요성이 있으며, 방탄헬멧의 방호성능을 선진국 수준으로 향상(17 grain 파편탄을 670 m/s 이상의 속도에서 방호)시키고 다양한 탄(RCC 등)에 대한 시험 진행을 검토해볼 필요가 있다.
하지만 이러한 시사점에도 불구하고 향후 연구에서 보완해야할 한계점을 가지고 있다. 바로 다양한 환경조건 및 시험기법을 적용한 수치적 분석이 부족했다는 것인데 향후 연구에서는 이러한 점을 고려하여 연구를 수행한다면 좀 더 의미있는 결과가 나타나게 될 것으로 사료된다.
이는 소총탄으로 인한 피격거리가 ○○○ m 이내일 경우에는 관통당할 확률이 높음을 의미한다. 보안 상 정확한 수치를 명기하지는 못했지만, 이러한 문제를 해결하기 위해 위협수준을 어느 수준까지 설정해야 할 것인지에 대한 연구가 추가적으로 필요하다.
본 연구의 시사점 및 의의는 방탄소재에 대한 기술은 발전하고 있는 반면 이를 검증하기 위한 시험방법은 도태되고 있는 실정에서 시험방법의 개선방향을 제시하였다는 점이다. 본 연구 결과를 토대로 국내 방탄성능 시험 수준 향상 및 헬멧 등의 방호물자 군사요구도 작성에 도움이 되었으면 한다. 하지만 이러한 시사점에도 불구하고 향후 연구에서 보완해야할 한계점을 가지고 있다.
본 연구 결과를 토대로 국내 방탄성능 시험 수준 향상 및 헬멧 등의 방호물자 군사요구도 작성에 도움이 되었으면 한다. 하지만 이러한 시사점에도 불구하고 향후 연구에서 보완해야할 한계점을 가지고 있다. 바로 다양한 환경조건 및 시험기법을 적용한 수치적 분석이 부족했다는 것인데 향후 연구에서는 이러한 점을 고려하여 연구를 수행한다면 좀 더 의미있는 결과가 나타나게 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	P-BFS : Perforation and Back Face Signature Test란 무엇인가?	al.(2014)은 ACH 헬멧 시험방법에 대해 연구하였는데, 이들은 기존의 헬멧 시험 방법인 파편탄을 사용한 V 50 산출(방호물자의 관통확률이 50%가 되는 임계치를 산출하는 시험) 및 방호한계 시험 (관통여부를 확인하는 시험) 이외에도 9mm 권총탄을 사용한 후면변형 시험방법(P-BFS : Perforation and Back Face Signature Test, 관통이 되지 않아야 함은 물론 장파열 등의 장기 손상을 방지하기 위해 후면 변형까지 측정하는 시험)을 추가로 제안하였다. 또한 헬멧의 5부위(전/좌/우/후/정수리)에 대한 사격위치를 명확화하고 RCC(Right Circular Cylinders, 파편을 형상화 한 것)를 사용한 시험 방법을 제시하였다.
	방탄시험 방법을 개선하기 위한 연구가 필요한 이유는 무엇인가?	이는 그간 발전된 헬멧의 성능에 비해 시험방법에 대한 개선 노력 및 관련연구가 부족한 실정을 반증하는 결과라 할 수 있다(구승환, 송승환, 박중화, 2018). 무기체계의 살상능력이 향상된 만큼 전력지원체계인 방탄헬멧의 방호수준도 향상되어야 하며, 관련된 시험 방법에 관한 연구도 중요하다. 하지만 국내에서 수행된 방탄헬멧 관련 연구는 소재개발에 국한되어 있으며 방탄시험 방법 및 성능에 대한 관련연구는 극히 드문 실정이다.
	현재 방탄헬멧의 개발 방향은 어떠한가?	미국은 80년대에 PASGT 헬멧을 개발하여 운용해왔으며 현재는 과거의 PASGT 헬멧에서 성능이 개량된 ACH(Advanced Combat Helmet)와 ECH(Enhanced Combat Helmet), 그리고 FAST(Future Assault Shell Technology) 헬멧으로 발전해오고 있다. 최근 미국을 비롯한 선진국이 보유하고 있는 방탄헬멧은 경량화와 방탄성 능의 향상, 여러 환경에서의 방탄성능 검증, 편의성 향상 등의 특성 위주로 개발이 진행되고 있다(구승환, 김경민, 2018). 이렇게 방탄헬멧의 성능이 향상됨에 따라 방탄시험 방법 또한 다양해지고 개선되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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