[논문]방탄헬멧의 노화인자에 관한 연구 : 고온 환경 처리를 중심으로

박호연; 구승환

doi:10.5762/kais.2020.21.6.332

방탄헬멧의 노화인자에 관한 연구 : 고온 환경 처리를 중심으로
A Study for Aging Factor of Bulletproof Helmet : High Temperature Treatment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.6, 2020년, pp.332 - 339

박호연 (국방기술품질원) , 구승환 (국방기술품질원)

초록
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본 연구는 방탄헬멧의 저장 수명을 설정하기 위한 선행연구로 방탄헬멧의 노화인자에 대해 고찰해보았다. 방탄헬멧의 노화인자를 추정하기 위해 미군 방탄헬멧 구매요구서상의 환경 처리, 재료의 재질 등에서 공통적으로 요구하는 환경 처리에 관한 내용을 고려하여 '온도' 인자가 방탄헬멧의 수명에 가장 많은 영향을 미칠 것이라는 가설을 수립하였다. 이 가설을 검증하기 위해 방탄헬멧의 고온 가속 환경 처리를 수행하고 아레니우스 식을 적용하여 고온에 따른 수명을 산출하였다. 본 연구의 결과로 방탄성능과 고온 환경 처리 간 음(-)의 상관관계를 확인했으며, 아레니우스 모델을 활용하여 수명을 도출해냄으로써 노화인자로서의 온도의 영향성은 크지 않음을 확인하였다. 본 연구의 한계점으로 시험 대상이 가지고 있는 특수성(군수품)으로 인해 다양하고 많은 시료수를 확보하지 못했다는 것을 들 수 있다. 하지만 방탄헬멧의 수명 관련 연구가 진행되지 않았음을 고려할 때 이에 대한 선행연구를 수행했다는 데에서 본 연구가 시사하는 바가 크다고 할 수 있으며, 한국군 방탄헬멧 규격의 개선에 대한 검토 자료로서 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was a prior study to establish the shelf life of bulletproof helmets, considered the aging factor of bulletproof helmets. To estimate the aging factor of bulletproof helmets, we established a hypothesis that the 'temperature' factor would have the greatest impact on the shelf life of the bulletproof helmet, considering the environmental treatment of the American army's bulletproof helmet's materials. To verify the hypothesis, high temperature acceleration environmental treatment of bulletproof helmets was performed, and the Arrhenius formula was applied to calculate the shelf life. The study result confirmed the negative correlation between bulletproof performance and high temperature, and the influence of temperature as an aging factor was not significant by deriving life by using the Arrhenius model. The limitation of this study is that we couldn't obtain enough samples due to the specificity (miliary supplies) of the test subjects. However, given that the life-related research on bulletproof helmets has not been carried out, this research has great implications and could be used as a reference for improving the Korean Army's bulletproof helmet specifications.

주제어

표/그림 (19)

표 Table 2. Comparison of Conditioning Method between ACH and BH-2000
표 Table 1. Characteristics of Korean Ballistic Helmet
그림 Fig. 1. Aging Factors of Ballistic Helmet
그림 Fig. 2. Research Model
그림 Fig. 3. High Temperature Range in MIL-STD-810H
표 Table 3. Comparison of Conditioning Method
표 Table 4. Ballistic Helmets at which Conditioned Each Temperature
그림 Fig. 4. DSC Curve of UHMWPE
그림 Fig. 5. Normal Distribution of Ballistic Helmet's V₅₀
표 Table 5. Ballistic Helmet's V50 for Research
그림 Fig. 6. Graph for V₅₀ Median Value of Sample Group
그림 Fig. 7. Graph for V₅₀ Sorted by Std. Error of Sample Group
그림 Fig. 8. Graph for V₅₀ Sorted by Std. Error of Sample Group in Severe Condition
표 Table 6. Median Value of Each Sample Group's V₅₀
표 Table 7. Each Group's Average V₅₀ Sorted by Standard Error
그림 Fig. 9. Shelf Life Equation and Graph for Ballistic Helmet
표 Table 8. Each Group's Average V₅0 Sorted by Standard Error in Severe Condition
표 Table 9. Quadratic Equation of Each Temperature
표 Table 10. Ballistic Helmet's Shelf Life at 25℃, 30℃, 40℃

AI 본문요약
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문제 정의

방탄복과 방탄판의 환경 처리에서 실시하는 고온처리는일종의 가속수명시험에 관한 것으로 방탄헬멧의 소재가 방탄복과 방탄판의 소재와 유사하기 때문에 본 연구에서는 미군 규격, 타 방탄류 제품 규격에서 시험하는 고온 환경처리를 노화인자로 선정하여 연구를 진행하고자 한다.
이러한 내용을 종합하여 판단해볼 때, 우선적으로 ‘온도’ 인자가 방탄헬멧의 수명에 가장 많은 영향을 미칠 것으로 판단된다.따라서 본 연구는 방탄헬멧의 고온 가속 환경 처리를 수행하고 아레니우스 식을 적용하여 고온에 따른 수명주기를 산출하고자 한다. 본 연구를 토대로 한국군 방탄헬멧규격의 환경 처리 조건에 대한 고찰과 방탄헬멧 수명에영향을 미치는 노화인자 연구가 수행될 수 있을 것이다.
본 연구는 방탄헬멧의 저장 수명(Shelf Life)을 설정하기 위한 선행연구로 방탄헬멧의 노화인자에 대해 고찰해보았다. 방탄헬멧의 노화인자를 추정하기 위해 미군ACH 방탄헬멧에서 요구하는 환경 처리와 재료의 재질,MIL-STD-810, 가속수명시험 등에서 공통적으로 요구하는 환경 처리에 관한 내용을 고려하여 ‘온도’ 인자가 방탄헬멧의 수명에 가장 많은 영향을 미칠 것이라는 가설을 수립하였다.
본 연구에서는 고온 가속 환경처리가 방탄헬멧의 수명에 미치는 영향을 분석하고자 방탄헬멧을 환경처리(가속노화)하면 방탄성능 값(V₅₀, Ballistic Limit)을 살펴보았다.
본 연구에서는 방탄헬멧 제작업체의 생산능력 현황을먼저 분석하였다. 그 이유는 업체 공정능력을 산출함으로써 헬멧의 품질 수준(방탄성능) 및 편차를 사전에 파악하기 위함이다.
본 연구에서는 한국군 방탄헬멧 규격서에 명기되어 있는 제원을 알아보고, 한국군 방탄헬멧과 미군 방탄헬멧구매요구서의 환경 처리 조건 및 타 방탄류 제품인 방탄복과 방탄판의 환경 처리 조건을 비교하였다. 한국군 방탄헬멧 주요 제원은 Table 1과 같다.
즉, 시료 수 36개에 대한 회귀분석은 가설 판단에 제한이 있을수 있다는 점이다. 하지만 전술하였듯 방탄헬멧의 수명관련 연구가 진행되지 않았음을 고려할 때 이에 대한 선행연구를 수행했다는 데에서 본 연구가 시사하는 바가크다고 할 수 있다. 추후 연구에서는 충격, 일광 등의 다양한 노화인자를 적용하여 진행한다면 의미 있는 결과가나올 것으로 사료된다.

가설 설정

H0 : 고온 가속 환경 처리는 방탄헬멧의 수명에 음(-)의 영향을 미칠 것이다.
방탄헬멧의 노화인자를 추정하기 위해 미군ACH 방탄헬멧에서 요구하는 환경 처리와 재료의 재질,MIL-STD-810, 가속수명시험 등에서 공통적으로 요구하는 환경 처리에 관한 내용을 고려하여 ‘온도’ 인자가 방탄헬멧의 수명에 가장 많은 영향을 미칠 것이라는 가설을 수립하였다.
아레니우스 선도를 활용하여 수명 예측식을 도출한 후 Table 10과 같이 25℃, 30℃, 40℃에서의 수명을 산출하였다. 수명 산출결과 25℃에서 204.4년이라는 높은 값이 산출되었기 때문에 고온 환경 처리가 방탄헬멧의 수명에 영향을 미칠 것이라는 가설(H₀) 은 기각되었다.

제안 방법

방탄헬멧의 노화인자를 추정하기 위해 미군ACH 방탄헬멧에서 요구하는 환경 처리와 재료의 재질,MIL-STD-810, 가속수명시험 등에서 공통적으로 요구하는 환경 처리에 관한 내용을 고려하여 ‘온도’ 인자가 방탄헬멧의 수명에 가장 많은 영향을 미칠 것이라는 가설을 수립하였다. 가설을 검증하기 위해 방탄헬멧의 고온가속 환경 처리를 수행하고 아레니우스 식을 적용하여 고온에 따른 수명을 산출하였다.본 연구의 결과로 방탄성능과 고온 환경 처리 간 음(-)의 상관관계를 확인했으며, 아레니우스 모델을 활용하여 수명을 도출해냄으로써 노화인자로서의 온도의 영향성은 크지 않음을 확인하였다.
고온 환경 처리한 방탄헬멧 및 환경 미처리 방탄헬멧에 대해 방탄한계속도를 측정하였고, 그 결과는 Table 5와 같다. 각 시료군 내 편차는 최대 34.
둘째, 90 ℃는 방탄 재료인 UHWMPE를 가속 노화시키는 것에 관한 선행연구를 고찰한 결과를 토대로 적용하였다[9]. 셋째, UHWMPE의 물성이 변하는 임계치가Figure 4와 같이 (120 ~ 130) ℃로 나타났기 때문에 그보다 낮은 100 ℃를 선정하였다.
그 이유는 다른 외적인 요소들을 배제하고 고온 환경 처리의 영향성만을 외생변수로 사용하기위해서이다. 따라서 본 연구에서는 이탈 값을 제거하기위한 방법으로 중앙값, 표준오차를 활용하였다.
22 FSP(FragmentSimulating Penetrator)를 사용하여 방탄성능 시험을진행한다. 마지막으로 방탄성능 시험 결과 값을 활용하여고온 환경 처리가 방탄성능에 미치는 영향을 분석하고,아레니우스 모형을 사용하여 고온 처리에 따른 방탄헬멧 수명을 예측한다. 3가지 온도에서 총 30일 동안 고온 환경 처리를 진행한 방탄헬멧의 수량은 Table 4와 같다.
본 연구에서는 본 모형을 사용하여 방탄헬멧을 3가지온도에서 10일 주기로 30일 동안 가속노화 시켜 방탄한계속도를 측정한 후 각 온도에서의 2차 방정식 그래프(X축: ln t(time), Y축: 방탄한계속도)를 산출한다. 산출된방정식을 활용하여 환경 처리 전 방탄한계속도 값이 규격서 상의 한계치만큼 감소하는데 걸리는 시간을 산출한다.
방탄헬멧의 고온처리를 통한 수명주기를 설정하기 위해 방탄헬멧의 ‘수명’을 정의할 필요가 있다. 본 연구에서는 충격, 빛 등과 같은 외적인 요소들을 제외하고 고온의조건 하에서만 방탄헬멧을 가속노화 시키므로 파손 등의외관상 문제점을 고려하지 않았으며 방탄성능(방탄한계속도(V50))에 초점을 맞춰 수명을 설정하였다. 한국군 방탄헬멧 규격서 상의 방탄한계속도 값이 609.
본 연구의 방법은 환경 처리, 방탄시험, 수명예측 단계로 수행하였으며, 이를 도식화하면 Figure 2와 같다. 먼저 방탄헬멧을 71 ℃, 90 ℃, 100 ℃에서 10일 주기로총 30일 동안 고온 환경 처리를 실시한다.
5) ℃에서 24시간 동안 고온 환경 처리를 실시한 후 방탄성능 시험을 진행하도록 되어있다[7]. 상기 2가지 미군 규격에서 고온 설정을 71 ℃로 규정하고 있기때문에 본 연구에 적용하였다.
아레니우스 선도를 활용하여 수명 예측식을 도출한 후 Table 10과 같이 25℃, 30℃, 40℃에서의 수명을 산출하였다. 수명 산출결과 25℃에서 204.
이탈 값 제거를 위해 ± 2 표준오차(95.45%)를 설정하였으며, 범위 밖의 4.55 %에 해당하는 헬멧의 V50 값을 추출하였다.
먼저 방탄헬멧을 71 ℃, 90 ℃, 100 ℃에서 10일 주기로총 30일 동안 고온 환경 처리를 실시한다. 이후 환경 처리된 방탄헬멧에 17 grain Cal. 22 FSP(FragmentSimulating Penetrator)를 사용하여 방탄성능 시험을진행한다. 마지막으로 방탄성능 시험 결과 값을 활용하여고온 환경 처리가 방탄성능에 미치는 영향을 분석하고,아레니우스 모형을 사용하여 고온 처리에 따른 방탄헬멧 수명을 예측한다.
본 연구에서는 충격, 빛 등과 같은 외적인 요소들을 제외하고 고온의조건 하에서만 방탄헬멧을 가속노화 시키므로 파손 등의외관상 문제점을 고려하지 않았으며 방탄성능(방탄한계속도(V50))에 초점을 맞춰 수명을 설정하였다. 한국군 방탄헬멧 규격서 상의 방탄한계속도 값이 609.6 m/s로 명기되어 있으므로 본 연구에서는 고온처리하기 전의 방탄헬멧 방탄한계속도 값이 고온처리 후 규격서 상의 한계값으로 감소하는데 걸리는 시간을 수명으로 정의한다. 방탄헬멧 규격서 상의 방탄성능을 구현하지 못하는 헬멧은 방호능력을 구현하지 못하기 때문이다.

대상 데이터

그 이유는 업체 공정능력을 산출함으로써 헬멧의 품질 수준(방탄성능) 및 편차를 사전에 파악하기 위함이다. 해당 업체는 근래 5년간 방탄헬멧을 군에납품하였으며, 2018년도에 소재를 교체/생산하였다.2018년도부터 2019년도까지의 방탄성능 시험 결과 값은 Figure 5와 같다.

이론/모형

Figure 7을 토대로 고온 환경 처리와 방탄성능 간 음(-)의 상관관계를 확인할 수 있지만, 영향성을 판단할 수있는 아레니우스 모델을 활용할 수 없다. 따라서 표준오차를 적용한 데이터에서 가혹조건을 부여하여 아레니우스 모델을 활용하였다. 가혹조건은 성능이 낮게 나타난 방탄헬멧을 별도 선별하여 아레니우스 모델을 활용해 짧은 수명주기라도 도출하는 것을 의미한다.

성능/효과

2018년부터 2019년까지 군에 납품한 방탄헬멧의 방탄성능 시험 결과 값의 평균은 717.8 m/s, 중앙값은718.8 m/s로 방탄헬멧 규격 요구조건(609.6 m/s)보다약 17% 정도 높은 것을 확인할 수 있다. 또한 공정능력인 Cp 값도 2.
고온 환경 처리한 방탄헬멧 및 환경 미처리 방탄헬멧에 대해 방탄한계속도를 측정하였고, 그 결과는 Table 5와 같다. 각 시료군 내 편차는 최대 34.5 m/s, 평균 23.8 m/s로 나타나 시료 간 편차가 발생한 것을 알 수 있었다. 따라서 각 시료군 내에서 유사한 성능을 가진 헬멧들을 선별할 필요가 있다.
67보다 높은 값을 가지고 있다. 다만, 방탄한계속도의 최대 값과 최소 값의 편차가 82.0 m/s이며, 최대/최소 값을 제외하더라도 편차가 44.4 m/s로서 동일한공정, 소재로 제작한 제품임에도 불구하고 높은 편차가 발생함을 확인할 수 있다. 이는 본 연구를 위해 생산한방탄헬멧 시료 간에 품질편차가 존재할 수 있음을 의미한다.
고온 가속노화를 통한 수명주기 관련 선행연구를 고찰한 결과 아레니우스(Arrhenius) 모델이 적합하며, 활용빈도가 높은 것을 확인하였다[9][10]. 본 연구는 고온 가속노화를 통해 방탄헬멧의 수명주기를 예측하고자 하는것으로 아레니우스 모델을 사용하는 것이 적절할 것으로사료된다. 아레니우스 식은 화학반응에서 반응속도상수와 온도의 관계를 나타내는 식으로 활성화 에너지 이상의 에너지를 가진 분자들 간의 충돌로 반응이 발생한다는 이론에서 착안하여 만들어진 식이다.
가설을 검증하기 위해 방탄헬멧의 고온가속 환경 처리를 수행하고 아레니우스 식을 적용하여 고온에 따른 수명을 산출하였다.본 연구의 결과로 방탄성능과 고온 환경 처리 간 음(-)의 상관관계를 확인했으며, 아레니우스 모델을 활용하여 수명을 도출해냄으로써 노화인자로서의 온도의 영향성은 크지 않음을 확인하였다.
이러한 내용을 종합하여 판단해볼 때, 우선적으로 ‘온도’ 인자가 방탄헬멧의 수명에 가장 많은 영향을 미칠 것으로 판단된다.
71 ℃, 90 ℃, 100 ℃로 온도를 선정한 이유는 다음과같다. 첫째, 71 ℃는 미군 규격 MIL-STD-810H(Environmental Engineering Condierations AndLaboratory Tests)와 미군 방탄헬멧(ACH) 구매요구서(AR/PD 10-02)[7]에서 정하고 있는 온도이다.MIL-STD-810H의 2.

후속연구

추후 연구에서는 충격, 일광 등의 다양한 노화인자를 적용하여 진행한다면 의미 있는 결과가나올 것으로 사료된다. 본 연구는 방탄헬멧의 수명산출관련 연구의 참고사례로써 활용될 수 있을 것이며, 한국군 방탄헬멧 규격의 개선에 대한 검토 자료로서 활용될수 있을 것으로 기대한다.
따라서 본 연구는 방탄헬멧의 고온 가속 환경 처리를 수행하고 아레니우스 식을 적용하여 고온에 따른 수명주기를 산출하고자 한다. 본 연구를 토대로 한국군 방탄헬멧규격의 환경 처리 조건에 대한 고찰과 방탄헬멧 수명에영향을 미치는 노화인자 연구가 수행될 수 있을 것이다.
본 연구의 한계점으로 시험 대상이 가지고 있는 특수성(군수품)으로 인해 다양하고 많은 시료 수를 확보하지 못했다는 것을 들 수 있다. 즉, 시료 수 36개에 대한 회귀분석은 가설 판단에 제한이 있을수 있다는 점이다.
하지만 전술하였듯 방탄헬멧의 수명관련 연구가 진행되지 않았음을 고려할 때 이에 대한 선행연구를 수행했다는 데에서 본 연구가 시사하는 바가크다고 할 수 있다. 추후 연구에서는 충격, 일광 등의 다양한 노화인자를 적용하여 진행한다면 의미 있는 결과가나올 것으로 사료된다. 본 연구는 방탄헬멧의 수명산출관련 연구의 참고사례로써 활용될 수 있을 것이며, 한국군 방탄헬멧 규격의 개선에 대한 검토 자료로서 활용될수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방탄헬멧이란 무엇인가?	방탄헬멧은 전장에서 총탄 및 고폭탄의 파편으로부터 두부를 보호하는 필수 장비이다. 방탄헬멧은 1차 세계대전 이후로 본격적으로 발달되었는데, 초기에는 강철로 헬멧을 제작하였으며, 1942년부터 1980년대 중반까지 고망간강(Hadfield Steel)을 사용한 M1(Steel Pot) 헬멧이 사용되었다.
	방탄헬멧의 수명도래에 따른 교체 및 관리가 이루어지지 않을 경우 발생하는 문제점은 무엇인가?	미군 ACH 방탄헬멧 구매요구서에는 저장 수명(Shelf Life)을 5년으로 명시하고 있으며, 이에 따라 관리가 이루어지고 있으나, 한국군 방탄헬멧 규격에는 별도로 수명이 설정되어 있지 않다. 방탄헬멧의 수명도래에 따른 교체 및 관리가 이루어지지 않을 경우, 전쟁 및 훈련 도중 헬멧의 노화로 인한 파손 등이 발생하여 전투능력을 상실할 우려가 있기 때문에 방탄헬멧의 수명 설정에 관한 연구가 필요하다. 방탄헬멧의 수명 연구를 위해서는 우선적으로 방탄헬멧의 노화인자에 대한 연구가 수행되어야 하지만 관련 선행연구는 전무한 실정이다.
	온도’ 인자가 방탄헬멧에 미치는 영향을 본 연구를 통해서 알 수 있는 것은 무엇인가?	방탄헬멧의 노화인자를 추정하기 위해 미군ACH 방탄헬멧에서 요구하는 환경 처리와 재료의 재질,MIL-STD-810, 가속수명시험 등에서 공통적으로 요구하는 환경 처리에 관한 내용을 고려하여 ‘온도’ 인자가 방탄헬멧의 수명에 가장 많은 영향을 미칠 것이라는 가설을 수립하였다. 가설을 검증하기 위해 방탄헬멧의 고온가속 환경 처리를 수행하고 아레니우스 식을 적용하여 고온에 따른 수명을 산출하였다.본 연구의 결과로 방탄성능과 고온 환경 처리 간 음(-)의 상관관계를 확인했으며, 아레니우스 모델을 활용하여 수명을 도출해냄으로써 노화인자로서의 온도의 영향성은 크지 않음을 확인하였다.

참고문헌 (12)

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상세보기
Amanda L. Forster, Aaron M. Forster, Joannie W. Chin, "Long-term Stability of UHMWPE Fibers", Journal of Polymer Degradation and Stability, Vol. 114, pp. 45-51, April, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2015.01.028

상세보기
Jung-Soo Oh, Bong-Soo Lee, "A Study for Lifespan Prediction of Expansion by Temperature Status", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 19, No. 10, pp. 424-429, 2018. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2018.19.10.424
U.S. Department of Defense, "Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests", MIL-STD-810H, DOD, April. 2014.

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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