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문제 정의
- 따라서 본 연구는 인체의 특성을 분석하고 이를 바탕으로 미래병사들에게 적합한 스마트 전투복의 시안을 개발하는 것을 목적으로 한다. 본 연구의 구체적 목표는 첫째, 미래병사의 체형특성과 동작 특성을 분석하고 둘째, 이러한 특성을 고려하여 디지털 기기 배치 방안을 연구하며 셋째, 기기 배치에 따른 전투복의 최적설계 방안을 연구하고 넷째, 현재의 기술로 실현 가능한 전투복의 모형을 제작하는 것이며, 마지막으로 제작된 시제품의 사용성 평가를 실시하고 이를 분석하여 최종 프로토타입 디자인을 산출하는 것이다.
- 미래병사체계는 화기, 피복 및 휴대품에 이르기까지 첨단 기술을 적용하여 장비를 기능화함으로써 미래 정보전의 전술적 환경 속에서 병사의 임무수행능력을 극대화하는 것을 목적으로 한다. 미래병사체계는 5가지 기본전략, 즉 치명성, 지휘통제, 생존성, 임무지속성 및 기동성 향상을 추구하는데, '치명성'은 적을 탐지, 식별, 파괴하는 능력을 의미하며, '지휘통제는 개인, 화기, 장비, 정보 등을 지휘하는 능력이다.
- 따라서 본 연구는 인체의 특성을 분석하고 이를 바탕으로 미래병사들에게 적합한 스마트 전투복의 시안을 개발하는 것을 목적으로 한다. 본 연구의 구체적 목표는 첫째, 미래병사의 체형특성과 동작 특성을 분석하고 둘째, 이러한 특성을 고려하여 디지털 기기 배치 방안을 연구하며 셋째, 기기 배치에 따른 전투복의 최적설계 방안을 연구하고 넷째, 현재의 기술로 실현 가능한 전투복의 모형을 제작하는 것이며, 마지막으로 제작된 시제품의 사용성 평가를 실시하고 이를 분석하여 최종 프로토타입 디자인을 산출하는 것이다.
- 본 연구의 목적은 미래 전장 환경에 적합한 디지털 장치가 내장된 새로운 개념의 스마트 전투복의 디자인 프로토타입을 개발하는 것이었다.
가설 설정
- 본 연구의 디자인 시안 개발에 사용된 컴퓨팅 기기들은 현재 상용화되어 있는 맥산의 Main Board A300와 그에 적합한 기기들이 선정되었다. 와이어의 경우는 착용성과 사용성을 고려하여 최대한 유연한 것으로 정하였다.
제안 방법
- CPU가 PDA형으로 수정됨에 따라 기존 디자인의 안감에 장착되었던 메인보드, 배터리, USB허브, HMD 컨버터, 하프키보드의 기능은 PDA 하나로 통합되어 왼쪽 소매 아래 팔 부위에 장착되었으며, 탈 · 부착이 가능하도록 설계되었다. GPS는 기존과 같이 뒷목 아래 부분에 두도록 하였고, 마우스도 오른쪽 소매 아래 팔 부위에 그대로 장착하였다.
- 다른 기기들에 비하여 크기가 크고, 무게가 무거운 HMD 컨버터는 상부 몸통(Upper Torso)의 가슴 부위에 장착하였고, 목 부분에 이어 -마이크로폰을 위치시켰다. GPS는 동작에 방해되지 않고 메인보드와 연결선이 짧도록 해야 하므로 상부 몸통의 등 부위에 배치했으며, 메인보드는 가장 부피가 크므로 동작에 영향받지 않는 등 아랫부분에 배치하고, 양 옆에는 USB 허브와 배터리를 배치하여 와이어 길이를 단축하였다.
- 계측 자료 분석 결과 나타난 개인차가 심한 부위의 기기들은 위치를 조절할 수 있도록 설계하였으며, 기기를 부착할 때 기기 외부에 방수 소재를 사용하여 침수에 대비할 수 있도록 제작하였다.
- 구성된 문항으로 학군단 학생 17명에게 사용성을 평가하게 하였는데, 먼저 미래 전장 환경에 대해 설명한 후, 10여분 동안 제작된 재킷을 착용하고 움직이거나 기기를 사용해 보도록 하였다. 평가는 구성된 설문지에 대한 응답과 평가 문항에 대한 심층면접이 병행되었고, 면접 내용은 모두 녹취, 기록되 었다.
- 동작 변화가 큰 부위에는 장치를 부착할 수 없으므로, 움직임이 많은 부위를 제외하고 부착 가능성에 따라 신체를 머리, 얼굴, 어깨, 위팔(어깨에서 팔꿈치까지), 아래 팔(팔꿈치에서 손목까지), 손, 상부 몸통(가슴둘레에서 배꼽위까지), 하부 몸통(배꼽에서 위엉덩이둘레까지), 허벅지, 발등의 10개 구역으로 나누었다 (그림 5).
- 첫 번째 측면은 '착용자와 기기의 물리적 측면에 대한 주요지침'으로 부착위치(placement), 기기의 형태(form language), 착용자의 동작(human movement), 착용자의 신체 공간 인식(human perception of intimate space), 신체치수 변화(size variation), 기기의 탈부착방식(attachment) 등 여섯가지가 제안 되었다. 두 번째 측면은 '착용자와 근접 환경과의 관계에 따른 지침'으로 기기의 구성(containment), 기기의 무게(weight), 물리적 근접성(accessibility), 감각 측면에서의 상호작용(sensory interaction), 온도 쾌적성(thermal comfort), 미적/ 심리적 만족성(aesthetics), 장시간 사용효과(long term effect) 등 7가지가 제안되었다.
- 즉, 계측 대상자들의 체형이 같더라도 앉은 키, 허리 높이, 등 길이, 팔길이 등은 개인 간의 차이가 큰 편이므로, 기기를 재킷에 배치할 때 개인의 체형에 맞게 기기의 위치를 조절할 수 있도록 설계되어야 함을 시사하였다. 따라서 프로토타입 설계 시기기의 위치를 조절할 수 있도록 디자인하였으며, 특히 높이를 조절할 수 있도록 설계하였다.
- 또, 키와 Drop치(가슴둘레-엉덩이둘레)를 기준으로 체형을 범주화한 선행연구⑸를 참조하여 미래병사의 체형을 범주화하였는데, 키는 Petite(159~165cm), Regular(165~175cm), Tall(175~185cm), Very tall(185~195cm)의 네 가지로, Drop치는 마른 체형(YY type, Drop 18~22cm), 역삼각 체형(Y type, Drop 14~18cm), 보통 체형 (A type, Drop 10~14cm), 허리가 굵은 체형(B type, Drop 8~10cm), 배가 나온 체형 (BB type, Drop 4~8cm)의 다섯 가지 범주로 분류하였다. 결과적으로 키와 Drop치 결합에 따라 총 20개(4개 키X5개 Drop치) 체형으로 분류되었다.
- 또한, 방수봉합(seam-seahng)의 봉제법을 택하여 외부 기후로부터 인체를 보호하며, 기들의 안전을 배려하였다. 또한 PDA가 장착되는 왼쪽 소매 아래 팔 부위를 PDA의 부피만큼 크게 디자인하여 움직일 때 편안할 수 있도록 고려 하였다.
- 소재는 현재 전투복과 같은 재질을 사용하였고, PDA 수납용 포켓에는 비닐(vinyl)을 사용하여 외피와 내피를 연결시켰다. 또한, 방수봉합(seam-seahng)의 봉제법을 택하여 외부 기후로부터 인체를 보호하며, 기들의 안전을 배려하였다. 또한 PDA가 장착되는 왼쪽 소매 아래 팔 부위를 PDA의 부피만큼 크게 디자인하여 움직일 때 편안할 수 있도록 고려 하였다.
- 면접 내용을 분석하여 디자인의 문제점을 파악하고, 디자인을 수정하여 최종 디자인 모형을 도출하 였다.
- 미래병사체계에 필요한 디지털 기기를 예측하기 위해 선진국의 개발 현황과 기술 발전 동향을 조사하였고, 각각의 장치들이 부착되기 위해 요구되는 조건들도 분석하였다.
- 범체형 용 전투복 재킷을 구성하기 위해 앞서 개인별 인체 치수 차이가 큰 부위를 밝혀낸 결과 길이와 높이 항목에서 큰 차이를 나타냈으므로 상하 조절 가능한 구조로 설계하였다. 컴퓨팅 기기의 성능과 크기, 위치, 무게 등에 영향을 받지 않는 뒤판을 조절 가능한 구조로 설계하였다.
- 본 연구에서는 한국기술표준원이 공시한 인체계측 기준에 준거하여 본 연구에 필요하다고 판단되는 52개 항목의 치수를 직접 계측하였다. 도구로는 마틴식 계측기와 줄자, 체중기 등을 이용하였으며, 한국기술표준원이 공시한 인체계측방법에 준하여 계측을 실시하였다[7L 조사는 2004년 9월 6일부터 9월 17일 사이에 이루어졌고, 개인별 계측시간은 평균 40분이었다.
- 스마트 의류의 사용성에 관한 선행연구들[3][4][6]에서 도출된 문항들에 병사를 위한 스마트 의류 평가 문항들을 추가하고 문항에 대한 평가를 실시하여, 최종 42문항으로 사용성 평가 문항을 구성하였다.
- 스마트 전투복에 적합한 디지털 기기의 종류와 요구 성능을 바탕으로 인체의 동작 범위와 위치 등을 고려하여 신체 상부착 가능한 위치를 분석하였다.
- 스마트 전투복의 외관은 현재 사용되고 있는 전투복과 같은 디자인으로, 착용자의 필요에 따라 디지털 기기의 휴대 및 착용이 가능하도록 설계되었다 (그림 9). 왼쪽 위 팔에 무전기를 수납할 수 있는 주머니를 부착하고, 아래 팔 부위에 키보드를 배치하였고 덮개를 부착하였다.
- 컴퓨팅 기기는 포켓 형식으로 내피에 수납되도록 부착되었고, 기기의 탈 · 부착이 용이하도록 벨크로를 이용하여 고정하였다. 와이어 경로는 덮개 방식 으로 설계하여 탈 · 부착이 쉽도록 하였다.
- 첨단 장치를 병사 구성품에 적용하고 있는 선진국의 개발 사례를 고찰하고 디지털 기기의 종류와 특성을 분석하여 스마트 전투복에 배치될 기기를 구 성하였다.
- 카네기 멜론 대학은 인체에 디지털 장치를 부착하는 데 있어서 동작 시 착용감 향상을 위한 13가지 항목의 디자인 지침을 제시하였는데, 착용자와 컴퓨팅 기기의 상호작용에 있어 두 가지 측면으로 나 뉜다. 첫 번째 측면은 '착용자와 기기의 물리적 측면에 대한 주요지침'으로 부착위치(placement), 기기의 형태(form language), 착용자의 동작(human movement), 착용자의 신체 공간 인식(human perception of intimate space), 신체치수 변화(size variation), 기기의 탈부착방식(attachment) 등 여섯가지가 제안 되었다. 두 번째 측면은 '착용자와 근접 환경과의 관계에 따른 지침'으로 기기의 구성(containment), 기기의 무게(weight), 물리적 근접성(accessibility), 감각 측면에서의 상호작용(sensory interaction), 온도 쾌적성(thermal comfort), 미적/ 심리적 만족성(aesthetics), 장시간 사용효과(long term effect) 등 7가지가 제안되었다.
- 측정된 인체 치수로 각 측정항목별로 산술평균과 표준편차, 산포도(Scattergram)를 작성하고 이를 분석하였다. 표준편차가 큰 부위와 작은 부위, 산포도에서의 분포 편차가 큰 부위를 밝혀내어 여러 디지털 장치의 부착 형태를 결정하는 기본 자료로 사용 하였다.
- 컴퓨팅 기기 위치는 미래 전장 환경에서 요구되는 디지털 기기의 종류와 요구 성능을 바탕으로 하여 남성용 상의 패턴에 디지털 기기를 배치하여 선정하였다 (그림 10).
- 범체형 용 전투복 재킷을 구성하기 위해 앞서 개인별 인체 치수 차이가 큰 부위를 밝혀낸 결과 길이와 높이 항목에서 큰 차이를 나타냈으므로 상하 조절 가능한 구조로 설계하였다. 컴퓨팅 기기의 성능과 크기, 위치, 무게 등에 영향을 받지 않는 뒤판을 조절 가능한 구조로 설계하였다. 뒤판의 양겨드랑이 밑부분끼리 아치형으로 트임을 주고 그 사이에 펼 수 있는 여분의 안감을 두고 지퍼로 조절할 수 있도록 구성하였다 (그림 11).
대상 데이터
- 계측 대상자는 20대 초반 남성 중 군사훈련 경험이 있는 연세대학교 학군단 후보생에서 선별하였는데, 앞서 예측된 미래병사체형의 범주에 골고루 배치되도록 하였다.
- 기계적인 요소는 드러나지 않도록 한 기존의 외관 개념을 그대로 적용하여 현재 사용되고 있는 전투복 재킷의 외관을 그대로 사용하였다.
- 기기를 감싸는 소재는 투습 · 방수 처리 될 뿐 아니라 기기에서 발생하는 열을 차단시킬 수 있는 홉열 소재를 사용하도록 하였다.
- 내피의 소재는 면(cotton), 투습.방수 소재인 고어텍스(Gore-tex)와 메쉬(mesh) 소재로 구성하였다.
- 한국기술표준원에서는 1979년부터 1997년까지 4차례에 걸쳐 국민표준체위 조사를 실시해 왔으며, 2004년에는 5차 인체계측, 즉 사이즈 코리아(Size Korea) 사업을 시행하였다. 본 연구가 진행되었던 2004년에는 5차 연구결과가 알려지지 않았으므로, 과거 4차례의 계측 결과로 신체 치수 전반에 걸쳐 연평균 증가율을 도출하여 2015년 이후의 18~24세 남성의 인체 치수를 예측하였다.
- 본 연구의 디자인 시안 개발에 사용된 컴퓨팅 기기들은 현재 상용화되어 있는 맥산의 Main Board A300와 그에 적합한 기기들이 선정되었다. 와이어의 경우는 착용성과 사용성을 고려하여 최대한 유연한 것으로 정하였다.
- 소재는 현재 전투복과 같은 재질을 사용하였고, PDA 수납용 포켓에는 비닐(vinyl)을 사용하여 외피와 내피를 연결시켰다. 또한, 방수봉합(seam-seahng)의 봉제법을 택하여 외부 기후로부터 인체를 보호하며, 기들의 안전을 배려하였다.
- 측정된 인체 치수로 각 측정항목별로 산술평균과 표준편차, 산포도(Scattergram)를 작성하고 이를 분석하였다. 표준편차가 큰 부위와 작은 부위, 산포도에서의 분포 편차가 큰 부위를 밝혀내어 여러 디지털 장치의 부착 형태를 결정하는 기본 자료로 사용 하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 한국기술표준원이 공시한 인체계측 기준에 준거하여 본 연구에 필요하다고 판단되는 52개 항목의 치수를 직접 계측하였다. 도구로는 마틴식 계측기와 줄자, 체중기 등을 이용하였으며, 한국기술표준원이 공시한 인체계측방법에 준하여 계측을 실시하였다[7L 조사는 2004년 9월 6일부터 9월 17일 사이에 이루어졌고, 개인별 계측시간은 평균 40분이었다.
성능/효과
- Network이 가능한 전장환경에서는 스마트 재킷의 착용으로 아군끼리의 의사소통뿐 아니라 적군 판별에도 도움이 될 것이라고 답변하였고, 빠르고 쉬운 정보 습득과 전달의 편리함으로 효율적인 전투를 치룰 수 있을 것이라며 높은 평가를 하였다.
- 또, 키와 Drop치(가슴둘레-엉덩이둘레)를 기준으로 체형을 범주화한 선행연구⑸를 참조하여 미래병사의 체형을 범주화하였는데, 키는 Petite(159~165cm), Regular(165~175cm), Tall(175~185cm), Very tall(185~195cm)의 네 가지로, Drop치는 마른 체형(YY type, Drop 18~22cm), 역삼각 체형(Y type, Drop 14~18cm), 보통 체형 (A type, Drop 10~14cm), 허리가 굵은 체형(B type, Drop 8~10cm), 배가 나온 체형 (BB type, Drop 4~8cm)의 다섯 가지 범주로 분류하였다. 결과적으로 키와 Drop치 결합에 따라 총 20개(4개 키X5개 Drop치) 체형으로 분류되었다.
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4.1과 거 자료의 분석 결과
과거 20년간의 자료 분석 결과 키와 허리 높이, 다리 높이 등의 높이 관련 항목, 그리고 팔길이, 등 길 이 등의 길이 관련 항목들은 증가세에 있는 반면, 허리둘레, 가슴 둘레 등의 둘레 관련 항목들은 감소세에 있는 것으로 나타났다. 따라서 미래병사의 체형은 현재보다 가늘고 긴 체형으로 변화할 것으로 생각되었다.
- 각기기의 요구 성능은 표 1과 같은데, 즉 디지털카메라와 수동 입력장치, 시각 출력장치는 착장자가 볼 수 있어야 하며, GPS와 음성 입력장치는 유연성이 있어야 한다. 또 GPS와 전력공급 장치를 제외한 모든 장치는 동작과 부착 위치에 따라 영향을 받는 것으로 분석되었다.
- 개인 간편차가 심한 부위를 판별하기 위해 각 부위별로 체형군별로 평균과 표준편차를 구하고 산포도를 그린 결과(그림 1-4), 키가 같더라도 둘레와 너비, 두께 항목에서 개인 간편차가 큰 것으로 나타났는데, 이는 계측 대상자 선정 시각 체형 군에 골고루 분포하도록 배정하였기 때문으로 사료되었다. 또한 같은 키범주 내에서 높이 항목과 길이 항목에서도 차이가 큰 것으로 나타났는데, '앉은 키'의 경우 보통체형 (A type)-보통 키(Regular) 체형 군은 17.9cm의 차이를 보였고, 배가 나온 체형(B type)- 큰 키(Tall) 체형군은 13.4cm의 차이를 보였다. 또 '허리 높이'의 경우 보통체형(A type)-보통 키(Regular) 체형 군은 15.
- 또한 본 연구의 측정 대상인 학군단 후보생 중에는 키가 매우 크고(Very tall) 마른(YY type)체형, 키가 매우 크고(Very Tall) 배가 나온 체형(BB type)체형에 속하는 대상자가 없었고, 키가 작은(Petite)대상자와 배가 나온(BB type) 체형은 실제로 추출할 수가 없었다. 이와 같이 소규모 집단을 체형 분석 대상으로 표집하는 것은 범체형용 스마트 의류형 전투복 재킷을 설계하기 위해서는 추출된 표본이 다양한 유형의 체형에 걸쳐 골고루 분포하여야 하였기 때문이다.
- 본 연구는 소수의 계측 대상자를 상대로 인체계 측을 실시하였고, 2004년 사이즈코리아에서도출 된 정확한 치수를 사용할 수 없어 미래병사의 쳬형을 예측하는데 오차가 있을 수 있다는 한계점을 지니지만, 미래 병사의 체형을 예측하고, 디지털 장치가 부착된 미래형 전투복의 개념을 확립하였으며, 동작에 따른 인체 치수의 변화에 적용할 수 있는 설계안의 기본안을 도출하였다는데 의의가 있다.
- 위치는 현 디자인 시 안에서 키보드가 위치하고 있는 아래 팔로 이동하였다. 이어 마이크는 헬멧을 착용하는 군인들에게 부적절하고, 통합형 헤드셋은 활동에 방해된다는 의견을 수렴하여 무선이어폰과 무선마이크로 수정되었고 위치는 원래의 얼굴 부분이 적절하다고 판단되었다. CPU가 메인보드에서 PDA형으로 디자인이 변경됨에 따라 키보드 역시 하프 키보드에서 ‘PDA형 키보드로 수정 되었다.
- 조사 대상자 모두 재킷을 착용한 상태에서 팔을 자유롭게 움직이는데 아무런 문제가 없다고 응답하였으나, 기기의 무게로 인해 동작에 방해받는 정도는 상대적으로 개인차가 크게 나타났다 특히 등에 수납된 메인보드와 가슴에 내장된 HMD 컨버터는 몸을 구부리거나 사격 동작을 취할 때 방해가 된다고 하였고, 무엇보다 엎드리거나 눕는 경우가 많은 전장 상황에서 이러한 기기들은 큰 방해가 될 뿐만이 아니라 부서지게 되면 인체에 해가 될 것이라 지적되었다.
- 즉, 계측 대상자들의 체형이 같더라도 앉은 키, 허리 높이, 등 길이, 팔길이 등은 개인 간의 차이가 큰 편이므로, 기기를 재킷에 배치할 때 개인의 체형에 맞게 기기의 위치를 조절할 수 있도록 설계되어야 함을 시사하였다. 따라서 프로토타입 설계 시기기의 위치를 조절할 수 있도록 디자인하였으며, 특히 높이를 조절할 수 있도록 설계하였다.
- 무전기가 수납되었던 왼쪽 위팔의 주머니에 분리된 이어폰이 수납되므로 크기가 보다 작아졌으며, 무전기는 앞가슴 주머니로 위치가 변경되었다. 키보드 위치에 PDA형 CPU가 장착됨에 따라 PDA 크기에 맞는 덮개가 부착되었고, 기기가 인체에 밀착되어야 사용하기 편하다는 평가 결과를 반영하여 버클로 밀착도를 조절할 수 있도록 하였다.
후속연구
- 그러므로 미래의 전투보병은 각종 첨단장비들을 신체에 부착하고 전투에 임해야 한다. 미래병사들이 첨단 디지털 기기들을 추가로 휴대하고도 기동성과 움직임에 저해받지 않고, 오히려 정보력 상승으로 더 나은 전투력을 갖추기 위해서는 장치 구성품들을 신체에 최적 조건으로 배열하기 위한 최적 설계 방안이 연구되어야 한다.
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