KR101247948B1

KR101247948B1 - 장갑차량용 층상이종장갑재

Info

Publication number: KR101247948B1
Application number: KR1020100074554A
Authority: KR
Inventors: 이건철
Original assignee: 이건철
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2013-04-02
Anticipated expiration: 2030-08-02
Also published as: KR20120012545A

Abstract

본 발명은 장갑차량용 층상이종장갑재에 관한 것으로, 탄소나노튜브 강화 세라믹 재료가 핫 프레싱되어 성형된 탄소나노튜브 강화 세라믹층과; 상기 탄소나노튜브 강화 세라믹층의 하면에 접합제를 통해 가열 가압되어 접합된 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체로 이루어진 CNTRPCP층과; 상기 CNTRPCP층의 하면에 접합제를 통해 가열 가압되어 접합된 탄소나도튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체로 이루어진 CNTRPUP층과; 상기 CNTRPUP층의 하면에 접합제로 가열 가압되어 접합되고, 충격을 흡수하여 후면파쇄와 딱지파쇄를 방지하는 스폴라이너층(Spall Liner Layer)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장갑차량용 층상이종장갑재를 제공한다.
본 발명에 따르면, 층상이종장갑재를 통해 충격에너지의 단계적 감소를 유도할 수 있어 성형작약탄이나 기관포 등으로부터 장갑차가 쉽게 파괴되지 않고 방호할 수 있으며, 중량 조절이 가능하고, 엔진을 끄고 기도비닉을 유지하기에 적당하여 공격성능도 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

Description

장갑차량용 층상이종장갑재{Light Weight Layered Nano-Composites Hybrid Armor Material For Armored Vehicles}

본 발명은 장갑차량용 층상이종장갑재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전장에서 기계화 보병들이 승차 또는 하차 상태에서 함께 기동하며 전투를 하는 ICV(Infantry Combat Vehicle) 또는 IFV(Infantry Fighting Vehicle) 등의 보병전투차 및 해병대원들의 상륙작전에서 해병대원들이 승차한 채로 해안에 상륙한 후에도 적의 화력에 직접적으로 노출되지 않도록 승차상태로 해안의 적 저지선을 돌파할 수 있고 상륙 성공 후 내륙으로 전진할 때 해병들이 승차 또는 하차상태에서 같이 기동하며 전투를 수행할 수 있는 AAVP7-A1(Assault Amphibious Vehicle Personnel:상륙돌격장갑차) 또는 이것을 대체하기 위한 EFV(Expeditionary Fighting Vehicle:원정전투차)의 구조소재 및 장갑소재로 적어도 휴대용 RPG-7에서 발사된 성형작약탄이나 수호이 Su-25, Su-34 대전차 공격용 및 근접지원용 공격기에 장착된 GSh-6-30 30mm 기관포에 의해 승무원들과 탑승한 병력을 포함한 차량 전체가 완전히 파괴되는 것을 방지하도록 개발된 장갑차량용 층상이종장갑재에 관한 것이다.

일반적으로, 장갑차는 차체를 내탄성(耐彈性)이 있는 금속재료로 제작한 무장 군용 차량으로서, 미군을 기준으로 하면 육군의 보병전투차는 25mm 기관포 및 12.7mm 중기관총, 7.62mm 경기관총과 같은 무기를, 해병대의 상륙돌격장갑차는 40mm 유탄기관총 및 12.7mm 기관총과 같은 무기를 포탑(砲塔)에 장착하고 있다.

이러한 장갑차는 야전에서 적의 포탄, 총알 등의 다양한 공격으로부터 승무원 및 탑재장비를 보호하면서 특정 전투 전술 임무를 수행해야 하기 때문에 방호력은 필수적이고, 특히 적의 공격이 점차 증대됨에 따라 장갑방호는 고경도화, 경량화, 다기능화가 요구되고 있다.

기존 장갑소재는 주로 미국을 중심으로 한 선진국에서 개발 적용되고 있으나 주로 단일재를 중심으로 실용화되었기 때문에 모든 위협요소에 효과적으로 대처할 수 없었다. 왜냐하면 단일금속 장갑재의 경우 방호력 증가를 위해서는 두께를 증대시키는 방법 밖에 없는데, 두께증가는 곧 중량증가를 초래하고 이는 기동성능저하, 연료소모과다 등 유사시 방호력은 물론 전투력을 급격히 떨어뜨리는 중요한 요인되되기 때문이다.

다른 예로, 상대적으로 경량인 알루미늄 합금을 이용하여 장갑재를 개발하여 적용하고 있으나 이는 휴대용 RPG-7에서 발사된 성형작약탄이나 수호이 Su-25, Su-34 대전차 공격용 및 근접지원용 공격기에 장착된 GSh-6-30 30mm 기관포에 의해 승무원 및 탑승병력을 포함한 차량 전체가 완전히 파괴되는 문제가 있으므로 방호력 증대를 위한 새로운 형태의 장갑재가 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 나노테크놀러지가 적용된 복합소재를 이용하여 경량화가 가능하면서 충분한 방호력을 갖출 수 있는 장갑차용 장갑소재를 개발함으로써 충격에너지의 단계적 감소가 가능하고, 이를 통해 효과적인 방호를 달성할 수 있어 장갑차 자체의 파괴를 막고, 탑승자를 보호할 수 있도록 한 장갑차량용 층상이종장갑재를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 탄소나노튜브 강화 세라믹 재료가 핫 프레싱되어 성형된 탄소나노튜브 강화 세라믹층과; 상기 탄소나노튜브 강화 세라믹층의 하면에 접합제를 통해 가열 가압되어 접합된 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체로 이루어진 CNTRPCP층과; 상기 CNTRPCP층의 하면에 접합제를 통해 가열 가압되어 접합된 탄소나도튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체로 이루어진 CNTRPUP층과; 상기 CNTRPUP층의 하면에 접합제로 가열 가압되어 접합되고, 충격을 흡수하여 후면파쇄와 딱지파쇄를 방지하는 스폴라이너층(Spall Liner Layer)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장갑차량용 층상이종장갑재를 제공한다.

이때, 상기 스폴라이너층은 여러 겹으로 적층된 케블러 방탄직물과, 상기 케블러 방탄직물 사이사이에 침습된 충격흡수용 D3o로 이루어진 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 탄소나노튜브 강화 세라믹층의 일부에는 태양전지가 부착되고, 상기 태양전지는 폴리우레탄 투명 방탄재로 보호되며, 상기 폴리우레탄 투명 방탄재의 표면은 빛의 반사를 방지하도록 매트(Mat)처리된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 층상이종장갑재를 통해 충격에너지의 단계적 감소를 유도할 수 있어 성형작약탄이나 기관포 등으로부터 장갑차가 쉽게 파괴되지 않고 방호할 수 있으며, 중량 조절이 가능하고, 엔진을 끄고 기도비닉을 유지하기에 적당하여 공격성능도 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 나노튜브와 마이크로 섬유의 예시적인 설명도이다.
도 2는 본 발명을 설명하기 위한 탄소나노튜브의 예시도이다.
도 3은 본 발명을 설명하기 위한 Bulk Polymer Matrix 안에서 카본나노튜브들의 3-D Random Orientation의 예시도이다.
도 4는 본 발명에 적용된 카본나노튜브 강화 폴리우레탄 고분자 중합체의 예시적인 구조도이다.
도 5는 본 발명에 따른 층상이종장갑재의 구조도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 나노테크놀러지를 이용한 복합소재, 즉 나노 복합소재를 그 대상으로 한다.

여기에서, 나노 복합소재란 단위 길이가 1 Nano-meter=10^-9 인 분야의 소재로서 일반적인 물리법칙이 잘 적용되지 않는 영역이기도 하다.

그래서, 이분야의 복합소재, 즉,나노복합소재는 일반적인 복합소재, 즉, 마이크로 복합소재를 나타내는 영어약어인 FRP(Fibers-Reinforced-Polymer)를 변형한 신조어인 NRP(Nanoparticles or Nanofibers-Reinforcd-Polymer)로 불린다.

나노 복합소재도 마이크로 복합소재와 마찬가지로 강화소재인 Nanofiber와 이를 둘러싸며 NRP의 상당부분을 차지하는 벌크폴리머메트릭스(Bulk Polymer Matrix)라고 불리는 중합체, 즉 열가소성 플라스틱이 있다.

나노 복합소재에 강화재로 첨가하는 나노입자는 나노튜브, 나노클래이 등이 있으며, 나노튜브에는 탄소나노튜브, 보론나노튜브 등이 있다.

본 발명에서는 탄소나노튜브를 이용하는데, 탄소나노튜브는 소재화학 분야에서 Bucky Ball이라고 부르는 흡사 축구공의 형상과도 비슷한 C⁶⁰ 입자에서 파생된 것으로 한쪽에 반구 모양의 C⁶⁰ 입자를 합성하고 그 위로 쭉 길어나게 한 후 다른 한 쪽을 반구형 C⁶⁰ 입자와 같은 형상으로 막은 것이다.

이러한 탄소나노튜브는 겉모양으로만 분류하면 표면을 이루는 벽이 한 겹, 즉 낱개로 하나씩 떨어져 있는 탄소나노튜브(SWNT:Single-Walled Nanotubes), 양파처럼 탄소나노튜브 안에 탄소나노튜브가 계속 들어있는 모양으로 벽이 여러 겹인 탄소나노튜브로서 각각의 벽 사이에 마찰이 거의 존재하지 않으므로 바깥쪽 탄소나노튜브에서 안쪽 탄소나노튜브를 쉽게 빼낼 수 있는 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon-Nanotubes), 벽이 한 겹인 탄소나노튜브 여러 개가 붙어서 된 탄소나노튜브 다발(Single-Walled Nanotubes Bundle) 등이 그것이며, 이들 중에서 탄소나노튜브의 우수한 기계적 성질을 이용할 수 있는 것은 낱개로 하나씩 떨어져 있는 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotubes)이다.

이와 같은 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotubes)는 도 1의 예시와 같이, 보통 직경은 D = 1~5 Nano meter(nm)=1~5 X 10^-9 m이며, 길이는 l= 1 micro meter(μm) = 10^-6 m 이고, 200 정도의 l/b 비, 범위가 1.28~1.8 TP(1TP=10⁷P)에 이르는 Young's Modulus가 바로 한 개씩 낱개로 떨어져 있는 탄소나노튜브 각각의 기계적 성질들이다.

이 탄소나노튜브를 벌크폴리머메트릭스인 폴리우레탄에 첨가하여 가볍고 기계적 성질이 우수한 소재를 만들 수 있는데, 폴리우레탄은 이미 오래 전부터 폴리카보네이트, 아크릴 등과 함께 투명방탄장비를 만드는 소재로 쓰여왔다.

폴리카보네이트는 경도가 높은 대신, 즉 굳기가 센 대신에 무겁고 흠집이 나기 쉬우며(특수코팅을 해서 보호합니다.) 유리보다는 덜하지만 쉽게 깨지는 성질, 즉 취성을 가진 소재이기도 하며, 세라믹 같은 소재가 정말 경도가 높기 때문에 탱크의 장갑소재, 병사들이 입는 방탄복의 방탄판 등으로 쓰이고 있지만 높은 속도의 포탄이나 총탄이 충격하면 높은 경도로 이들을 부수어버리는 대신에 세라믹 판 자체도 취성소재라 같이 깨지며 충격에너지를 흡수한다.

결국, 가까운 미래에는 폴리우레탄이 지금의 대표적 투명방탄소재이기도 한 폴리카보네이트를 대체할 예정이며, 폴리우레탄의 우수한 방탄성능을 앞서 설명한 탄소나노튜브의 우수한 기계적 성질과 함께 이용하기 위해서는 폴리우레탄에 탄소나노튜브 일정량을 첨가하여 충분히 섞어서 탄소나노튜브 입자들이 폴리우레탄 전체에 걸쳐 잘 흩어지도록 하면 되고 이렇게 하면 기계적 성질이 놀랍도록 우수해지게 되는데 한 가지 단점이 있다면 투명방탄소재의 성질이 없어진다는 점이다.

본 발명에서는 투명성은 논외로 하고, 이와 같은 조합을 통해 얻어지는 놀랍도록 우수한 기계적 성질을 획득하는 것에 있다.

일반적으로, 섬유강화복합소재(Fibre-Reinforced-Plastic)는 섬유소재로 그 기계적 성질을 강화한 합성수지들로서 가벼운 무게를 가지면서 강한, 즉 우수한 기계적 성질을 가지는 소재들을 말한다.

이때, 강화소재로 쓰이는 대표적인 섬유들은 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 등이며, 이 섬유들을 용기에 감거나 천으로 짜거나 잘게 자르는 방법 등을 이용하여 매트릭스라고 불리는 플라스틱들, 즉 에폭시(Epoxy), 바이닐에스터(Vinylester), 열경화성 폴리에스터수지(Termosetting Polyster) 등과 합쳐서 FRP를 만들며, 매트릭스로 쓰이는 플라스틱으로는 이러한 FRP의 제작 공정에 더 적합한 열경화성을 가진 플라스틱들이 주로 쓰인다.

근래에는 섬유를 배열하고 열과 압력을 가하여 용융된 플라스틱을 침습시키는 과정을 단순화하기 위해 프리프렉(Prepreg)이라는 미리 배열된 섬유와 완전히 굳지 않는 플라스틱을 넓은 테이프처럼 만들어 비닐종이에 붙인 중간제품을 만들어 FRP 제작시 필요한 모양과 섬유배열 방향에 맞춰서 가위나 칼로 잘라 비닐종이만 떼어내고 붙이는 방법을 많이 쓴다.

이러한 소재들은 앞서 언급한 것처럼 무게가 가벼우면서 우수한 기계적 성질의 소재가 필요한 최신항공기, 우주선, 최신형군함, Formular-1경주용 자동차 등의 제작에 많이 쓰이고 있다.

그래서, FRP에서는 전체 부피에서 섬유가 차지하는 비율(Volume fraction of Fiber)이 크다. 하지만, 마이크로 사이즈가 아닌 나노 사이즈의 강화소재들이 첨가되는 NRP(Nanoparticles or Nanofibres-Reinforced-Polymer) 나노입자들 또는 나노섬유들, 특히 본 발명에 따른 탄소나노튜브들로 강화된 고분자중합체에서는 도 2와 같이 삽입된 섬유 강화소재 사이의 크기 차이 때문에 탄소나노튜브들의 비표면(Specific Surfaces)들이 마이크로 섬유들 보다 훨씬 큰 비표면(Specific Surfaces)들을 가지게 된다.

이 때문에 벌크폴리머(Bulk Polymer) 중합체에 삽입된 나노 섬유들 주위에 무시할 수 없는 부피를 가진 새로운 층, 즉 도 2의 (A)에서 보여진 것과 같이 물질 자체는 벌크폴리머 중합체와 같으나 그것의 기계적 성질은 나노 섬유의 우수한 기계적 성질에 의해 개선된 층인 난벌크 인터페이스(Non-bulk Interphase)(도 1 참조) 중간층이 생겨난다(도 3 참조).

이와 같이, 탄소나노튜브 강화 중합체(CNTRP:Carbon Nanotubes-Reinforced-Polymer)의 경우 Non-bulk Interphase는 CNTRP 전체의 기계적 성질에 좋은 쪽으로 큰 영향을 끼치게 되는데, 본 발명에서는 1 개의 CNTRP Layer 층 또는 2 개의 CNTRP Layers 층들 또는 다른 탄소나노튜브 강화 재료층(Carbon Nanotubes-Reinforced-Material Layer)을 포함하는데, 이와 같은 구조로 삽입된 탄소나노튜브들을 둘러싸고 있는 무시할 수 없을 정도로 큰 부피비의 Non-bulk Interphase 들을 가진다.

특히, 본 발명은 탄소나노튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체(CNTRPUP:Carbon Nanotubes-Reinforced-Polyurethane-Polymer)를 주된 구성으로 이용하고 있는데, 이때 벌크폴리머로 폴리우레탄을 선택한 이유는 현재 투명장갑재료로 많이 쓰이고 있는 폴리카보네이트보다 더 방탄성능이 우수하기 때문으로 앞서 설명된 한 겹의 벽으로 이루어져 있으며 낱개로 떨어져 있는 탄소나노튜브의 놀라운 기계적 성질을 고려하면 특정한 한 겹의 벽으로 이루어져 있으며 낱개로 떨어져 있는 탄소나노튜브가 벌크폴리머인 폴리우레탄에 골고루 여러 방향을 가리키며 흩어져 있을 경우 이론상의 3-Dimensional Random Orientation Process 와 비슷한 공정을 거친 것과 같은 효과로 인하여 도 3과 같이 모든 방향에 대하여 균질한 방탄성능 및 기계적 성질을 가진 우수한 방탄재료를 만들 수 있음에 착안된 것이다.

무엇보다도, 본 발명은 적탄으로부터 아군 장갑차의 방호능력을 극대화시킬 수 있어야 하는데, 특히 RPG-7에서 발사되는 성형작약탄과, 30mm 기관포탄으로부터차내에 탑승한 기계화보병들 또는 해병대원들과 각 차량들의 승무원들을 방호할 수 있어야 한다.

또한, 장갑차에 공격을 가할 수 있는 다른 소화기 공격들에는 AK-47 소총 및 AKM 소총에서 발사되는 M-43 7.62 × 39mm 소총탄들, SVD 드라구노프반자동 저격총 및 PKM 기관총에서 발사되는 7.62 × 54mm Russian 탄들, NSV 차재(車載) 중기관총 및 Kord 6P50 차재(車載) 중기관총 및 KSV 대물저격총에서 발사되는 12.7 × 108mm (.50 Russian)탄들, RT-20 대물저격총에서 발사되는 20mm 기관포탄 등이 있다.

뿐만 아니라, 대표적인 적성국 헬리콥터인 Mi-24에 장착된 Yakushev-Borzov Gatling 기관총의 12.7mm 탄들, 그리고 전세계의 분쟁지역이면 어디든지 쉽게 구할 수 있는 RPG-7 발사기와 이에 사용되는 성형작약탄도 있다.

특히, 성형작약탄의 경우 장갑재를 충격하여 폭발시 구리로 된 라이너가 충격과 같이 함께 녹으면서 8000~9000 m/s의 매우 빠른 속도(약 Mach 25 정도)를 가지는 고온, 고압의 금속(구리)제트가 발생하고, 이 금속제트에 의해 금속장갑이 녹으면서 슬러그가 형성되지만 금속제트가 충분히 강할 경우 슬러그는 유체역학적인 거동을 보이며 옆으로 계속 밀려나고 마침내는 장갑판이 관통되며 내부의 기기 및 승무원에게 피해를 입히고, 장갑판 후면에 후면파쇄(Spall)을 동반하면서 2차 피해를 입히게 된다.

그런데, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체(CNTRPUP:Carbon Nanotubes-Reinforced-Polyurethane-Polymer)로 된 장갑의 경우 방탄성능이 뛰어나지만 열가소성 성질을 가지므로 고열이 약간이라도 전달될 경우에는 치명적이기 때문에 성형작약탄의 금속제트에 극히 취약한 문제를 갖는다.

이와 같이, 금속제트의 높은 열이 약간이라도 탄소나노튜브 강화 고분자중합체로 전달되면 안되기 때문에 TPS(Thermal Protection System)을 이루고 있는 내열물질(Insulation)이 굉장히 중요한 역할을 한다.

그러므로, 금속제트로 녹일 수 없으면서 열전도율이 낮은 재료를 CNTRPUP 앞면에 TPS(Thermal Protection System)으로 배치하는 것이 굉장히 중요하며, 본 발명의 핵심사항이라고 볼 수 있다.

다른 예로, 20mm Mk. 149 APDS(Armor Piercing Discarding Sabot)탄과 전차포에서 발사되는 APFSDS(Armor Piercing Fin Stabilized Discarding Sabot)와 같은고속의 운동에너지탄관통자(Kinetic Energy Penetrator)가 균질방탄재료인 CNTRPUP 에 충격시 CNTRPUP의 경도가 관통자의 경도보다 낮기는 하나 탄소나노튜브로 인성(Toughness)이 강화되어 있으므로 관입이 생기기보다 응력파의 반사로 후면파쇄(Spall)또는 딱지 파쇄(Scabbing) 발생할 수 있으므로 이 현상들로 인하여 발생하는 후면파쇄들이나 딱지 파쇄들에 의해 탑승한 전투원이나 승무원이 부상당하는 것을 막기 위해서는 최신 케블러 방탄직물(Kevlar XP)을 적층하여 용융된 D3o라는 충격흡수재료를 충분히 침습(Fully Soaked and Intercalated)시켜 건조시킨 충분한 두께의 스폴라이너(Spall Liner)가 CNTRPUP의 후면에 부착되어야 한다.

여기에서, D3o는 영국의 D3o Lab.이라는 재료연구소에서 개발한 물질(Non-Newtonian Fluid)로 매우 뛰어난 충격흡수능력을 가지고 있는데, 이 D3o를 용융시킨 후 높은 압력을 가하여 여러 겹의 케블러 방탄직물에 충분히 침습시켜 적층된 케블러 방탄직물들에서의 층과 층 사이, 섬유와 섬유 사이에 생기는 공간들을 용융된 D3o가 충분히 매울 수 있도록 한 후 건조시키면 스폴라이너(Spall Liner)로서의 방탄 성능에 더하여 뛰어난 충격흡수능력을 갖게 할 수 있다.
참고로, D3o는 www.D3o.com을 통해 확인할 수 있고, 입수를 위한 경로로서 D3o Lab사(영국)의 주소는 69 North Street Portslade East Sussex BN41 1DH이며, 전화번호는 +44 (0)1273 418 600이다.

앞서 언급한 성형작약탄에 대한 경우 금속제트에 녹지 않고 열전달율이 낮은 재료인 세라믹 재료를 CNTRPUP의 앞에 배치하면 되나 25mm 기관포나 30mm 기관포의운동에너지탄 관통자의 경우 경도가 높은 세라믹 재료에 충격하면서 관통자(Penetrator)가 파쇄되기는 하나 세라믹 재료가 취성 재료이므로 관통자를 망실시킴과 동시에 세라믹 재료 자신도 부서지면서 충격 에너지의 많은 부분을 흡수하게 된다.

이때 이용할 수 있는 재료로는 일반적으로 장갑판으로 많이 쓰이는 산화알루미늄 외에 탄화붕소, 탄화규소 등을 쓸 수 있다.

만약, 이러한 운동에너지탄이 비교적 경도가 세라믹 장갑판보다 많이 낮은 CNTRPUP가 세라믹 장갑의 후면을 받치고 있는 경우 운동에너지탄이 충격했을 경우 경도가 높은 세라믹 판을 통과한 에너지가 경도가 낮은 CNTRPUP에 전달되면서 순간적인 응력에 의한 CNTRPUP층의 함몰, 또는 수축을 유발할 수 있고, 이렇게 된다면 세라믹 장갑판이 안쪽으로 변형을 하게 될 것이기 때문에 이 변형(Deformation)에 의해서 파괴될 수 있다.

이러한 현상을 막기 위해서는 "충격에너지의 단계적인 감소"를 위해 세라믹 장갑판과 CNTRPUP 사이에 CNTRPUP보다 방탄성능은 낮지만 경도가 높은 CNTRPCP(Carbon Nanotubes-Reinforced-Polycarbonate-Polymer:탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체) 층을 배열하여 CNTRPCP가 세라믹 장갑판이 운동에너지탄에 의해 충격되었을 때 후면을 받치고 있는 무른 물체 때문에 발생할 수 있는 큰 변형을 막아 쉽게 부서지는 것을 막을 수 있다.

다시 말해, 이를 통해 "충격에너지의 단계적인 감소"를 구현시킬 수 있게 되는데, 세라믹 장갑판에서 흡수되고 남은 충격에너지의 일부는 세라믹보다 경도는 낮지만 세라믹이 변형에 의해 쉽게 부서지지 않을 수 있도록 후면을 뒷받침해주며 CNTRPUP 보다는 낮은 방탄성능을 가지지만 경도가 더 높고 마찬가지로 우수한 기계적 성질들을 가진 CNRPCP을 통과하며 다시 그 중 일부가 흡수되며, 흡수되고 남은 충격에너지의 일부 경도가 더 낮지만(무른) 기계적 성질이 우수한 방탄재료인 CNTRPUP에의해 다시 일부가 흡수되고, 그래도 남은 충격에너지가 있어서 CNTRPUP 후면에 반사되어 앞서 설명한 대로 후면파쇄와 딱지파쇄를 일으키면 이는 케블러 방탄직물 여러 겹을 겹친 후 미리 용융된 D3o 라는 충격흡수재료를 침습(浸濕)시켜 만든 스폴라이너(Spall Liner)로 피해를 최소화할 수 있게 된다.

한편, 세라믹 재료를 쓰면 성형작약탄으로부터 방호될 수 있으므로 일반적인 금속장갑판과 달리 성형작약탄의 금속제트를 무력화시키기 위한 ERA(Explosive Reactive Armor) 반발장갑타일들을 장갑판의 외면에 붙이지 않아도 된다.

즉, 세라믹 재료의 취성 때문에 장갑판이 같이 부서지는 현상을 막기 위해서는 세라믹 장갑판의 파괴인성(Fracture toughness)를 현저히 증가시켜야 하는데 이에 적합한 방법은 특정한 부피비의 탄소나노튜브 입자들을 세라믹 장갑판 안에 첨가하여 모든 방향을 향하여 골고루 흩어지게 하는 것으로 탄소나노튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체와 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체에서의 경우와 같이 이론적인 3-Dimensional Random Orientation process와 비슷한 효과가 생기게 하여 모든 방향으로 균질하며 탄소나노튜브들의 우수한 기계적 성질들에 의해 파괴인성은 현저히 늘어나고 취성은 줄어들도록 탄소나노튜브 강화 세라믹 재료를 만드는 것이다.

벌크 재료가 폴리우레탄이나 폴리카보네이트인 경우와 달리 세라믹인 경우에는 특정 부피비의 탄소나노튜브들과 세라믹재료의 원료가 되는 분말을 충분히 잘 섞어서 핫 프레싱(Hot pressing)이라는 과정을 통해 필요한 두께의 탄소나노튜브 강화 세라믹 재료를 제작할 수 있는데, 여기에서 핫 프레싱이란 분말 상태의 재료들에 열과 압력을 가해 서로 융합되게 만드는 것을 말한다.

쉽고 빠르게, 그리고 파손부위를 쉽게 교체할 수 있도록 장갑차량을 제작하기 위해서는 지금까지의 설계 및 제작방법과 달리 일정한 모양과 크기로 미리 성형된 층상이종(장갑 및 구조 겸용) 재료(Layered Hybrid (Armor &Structural) Materials)들을 이용하여 장갑차량의 파워트레인(Power Train)과 현수장치들을 제외한 부분들 중 상당한 부분을 조립하여 완성차량을 제조할 수도 있다.

본 발명에 따른 층상이종재료는 미리 핫 프레싱 방법으로 성형된 탄소나노튜브 강화 세라믹 재료와 위에서 설명된 다른 재료들(CNTRPCP, CNTRPCP, 그리고 케블러 방탄직물을 적층한 후 용융된 D3o 충격흡수재료를 침습(浸濕)시켜서 만든 스폴라이너)을 이용하여 다음과 같이 제조될 수 있다.

먼저, CNTRPCP를 특정한 두께를 가진 판재형으로 만든다.

그 다음, CNTRPUP를 특정한 두께를 가진 판재형으로 만든다.

이어, 상기 CNTRPUP 재료의 후면에 케블러 직물들을 적층하고 D3o 충격흡수재료를 침습시켜 필요한 두께의 스폴라이너(Spall Liner)를 제작하여 판재형의 중간제품을 만든 후 미리 성형된 탄소나노튜브 강화 세라믹 재료의 후면과 맞도록 CNTRPCP, CNTRPUP와 (Kevlar XP + D3o) Spall Liner로 이루어진 중간제품을 정확히 레이저 절단하고, 이들을 에폭시 접합제로 접합한 다음 필요한 만큼의 열과 압력을 가해 단단히 접합하여 최종적인 4개의 방탄재료층으로 이루어진 층상구조의 이종(장갑 및 구조)재료를 제작한다.

즉, 본 발명에 따른 층상구조의 이종장갑재료는 도 5에서와 같이, 탄소나노튜브 강화 세라믹층(100)과, 상기 탄소나노튜브 강화 세라믹층(100)의 하면에 순차접합되는 CNTRPCP층(200) 및 CNTRPUP층(300) 및 상기 CNTRPUP층(300)의 하면에 접합되는 스폴라이너층(400)을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 탄소나노튜브 강화 세라믹층(100)은 미리 핫 프레싱 방법으로 성형되며, 상기 스폴라이너층(400)은 케블러 방탄직물 여러 겹을 겹친 후 미리 용융된 D3o 라는 충격흡수재료를 침습(浸濕)시켜 이루어진다.

이렇게 제조된 증상구조의 이종장갑재료를 이용하여 장갑차량의 차체로 제작하거나 장갑판으로 만들어 이용할 수 있다.

이에 더하여, 본 발명에 따른 장갑차가 적에게 쉽게 발견되지 않고 적의 진행경로에 매복하고 있다가 이를 모르고 지나치는 적의 장갑차량에 기습공격을 가할 수 있으면 더욱 좋다.

이를 위해서는 기도비닉이 요구되는데, 장갑차의 경우 엔진을 구동시키면 엔진에서 발생하는 뜨거운 열 때문에 적의 지상, 항공 또는 인공위성을 이용한 열상센서에 탐지될 수 있고, 스웨덴의 스트릭스 열상유도식 박격포탄과 같은 무기체계로부터 공격받을 수 있다.

또한, 장갑차 내에는 무전기 및 컴퓨터 항법장치, 야간주행을 위한 야시장비 등의 전자기기들이 배치되어 있고, 또 무인포탑이 설치되어 있을 경우 이를 위한 구동장치 및 주야간광증폭 및 열영상 조준장치, 사격통제장치가 설치되며 무장이 25mm 또는 30mm 기관포나 Gatling Gun 게틀링기관포 또는 게틀링 기관총이면 포를 발사하는데도 전기가 요구된다.

예컨대, 아프가니스탄과 같은 곳에서는 산악지형이며 적군의 야간탐지 장비가 없거나 낙후되어 있으므로 미군들은 Surefire사에서 생산되며 무기에 장착되어 탄착점을 비춰주는 HEELLFIRE라는 대형 Weapon Light를 이용한다. 그리고, 야간에는 이 Weapon Light에 적외선 필터를 부착하고 있으며, 전원은 자동차나 장갑차의 배터리에 연결할 수 있도록 12V로 되어 있다.

그렇다면, 이러한 무인사격장치, 웨폰라이트 들을 장갑차량 내부의 배터리에 연결하여 이용하려면 계속 엔진을 돌려서 배터리를 충전해줘야 하며 만약 장갑차가 적의 이동로에 조용히 숨어있다가 공격을 하려면 엔진을 끄고 기도비닉을 유지하며 장갑차량의 차체를 냉각시켜 열상관측기구와 같은 적의 탐지수단에 탐지되지 않으면서도 계속하여 앞에서 언급한 전투장비들을 배터리를 이용해 작동시켜야 함으로 배터리의 전기가 빨리 소진되게 되는 한계를 갖게 된다.

이에, 태양전지들을 장갑차의 외부에 부착하고 내부에 여분의 대용량 리튬-이온 배터리 같은 고성능 배터리를 탑재하여 주간에 계속 이 배터리를 자동으로 충전시키는 형태를 사용할 수 있다.

이 경우, 본 발명에 따른 층상구조의 이종장갑재료를 이용한 블럭을 제작할 때 일부 블럭의 세라믹으로 된 외부 표면에 PCB 기판을 부착하고 태양전지들을 부착하여 태양광을 통한 충전이 가능한 구조를 구현할 수 있다.

이때, 태양전지는 폴리우레탄 투명방탄재를 이용하여 보호할 수 있는데, 폴리우레탄 투명방탄재는 표면 때문에 빛이 반사되어 적에게 쉽게 관측될 수 있으므로 이를 막기 위해 표면을 매트(Mat) 처리하여 빛이 반사되는 것을 막을 수 있다.

물론, 태양전지가 부착된 이종장갑 블럭은 가능한 공격을 덜 받을 수 있도록 장갑차의 상부 무인포탑 뒤쪽으로 배열하고, 양측면의 뒤쪽의 피탄 확률이 적은 부위에 부착하는 것이 바람직하다.

장갑차나 전차의 각 면에 대한 피탄확률은 이미 확률통계이론을 이용하여 장갑차량의 어느 부분의 장갑을 더 부착하여야 하며 어느 부분은 덜 부착해도 되는지 결정하는 방법이 오랜 기간 동안 쓰여왔다.

그러므로, 이 방법을 이용하여 피탄될 확률이 적은 곳들에 태양전지가 부착된 장갑블럭들을 부착하여 주간에는 배터리를 계속 충전시키고 야간에는 작전에 필요한 장비들을 구동시킬 수 있다.

전술한 내용들을 무인포탑 및 포탄의 자동장전장치와 결합하여 수송기를 이용해 분쟁지역에 쉽게 전개할 수 있는 소형, 경량 탱크의 개발에 적용할 수 있다.

100 : 탄소나노튜브 강화 세라믹층
200 : CNTRPCP층
300 : CNTRPUP층
400 : 스폴라이너층

Claims

탄소나노튜브 강화 세라믹 재료가 핫 프레싱되어 성형된 탄소나노튜브 강화 세라믹층(100)과;
상기 탄소나노튜브 강화 세라믹층(100)의 하면에 접합제를 통해 가열 가압되어 접합된 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체로 이루어진 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체(CNTRPCP:Carbon Nanotubes-Reinforced-Polycarbonate-Polymer)층(200)과;
상기 탄소나노튜브 강화 폴리카보네이트 고분자중합체(CNTRPCP:Carbon Nanotubes-Reinforced-Polycarbonate-Polymer)층(200)의 하면에 접합제를 통해 가열 가압되어 접합된 탄소나도튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체로 이루어진 탄소나노튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체(CNTRPUP:Carbon Nanotubes-Reinforced-Polyurethane-Polymer)(300)층과;
상기 탄소나노튜브 강화 폴리우레탄 고분자중합체(CNTRPUP:Carbon Nanotubes-Reinforced-Polyurethane-Polymer)(300)층의 하면에 접합제로 가열 가압되어 접합되고, 충격을 흡수하여 후면파쇄와 딱지파쇄를 방지하는 스폴라이너층(Spall Liner Layer)(400)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장갑차량용 층상이종장갑재.
청구항 1에 있어서;
상기 스폴라이너층(400)은 여러 겹으로 적층된 케블러 방탄직물과, 상기 케블러 방탄직물 사이 사이에 침습된 충격흡수용 D3o(입수처: 영국의 D3o Lab사에서 출시하는 전단농후화 액체 중 하나이며, 홈페이지는 www.D3o.com, 전화번호는 +44 (0)1273 418 600번임)로 이루어진 것을 특징으로 하는 장갑차량용 층상이종장갑재.
청구항 1에 있어서;
상기 탄소나노튜브 강화 세라믹층(100)의 일부에는 태양전지가 부착되고, 상기 태양전지는 폴리우레탄 투명 방탄재로 보호되며, 상기 폴리우레탄 투명 방탄재의 표면은 빛의 반사를 방지하도록 매트(Mat)처리된 것을 특징으로 하는 장갑차량용 층상이종장갑재.