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문제 정의
- 4 부위를 선정하여 평균 의복 표면 온도를 산출한 이유는 의복들 간의 차이를 좀 더 정확하게 비교하기 위해서였다.
- 기존의 써모그래피 이미지는 원하는 점이나 사각형의 ROI(range of interest) 범위 안에서의 표면 온도 값이나 분포도만을 알 수 있을 뿐이기 때문에 본 연구에서는 외부의 환경온도를 배제하고 의복 자체 안에서 관심 있는 영역을 다양하게 추출하여 의복 자체 변인만을 정량적으로 분석해 보고자 하였다. 이를 통하여, 써모그램 이미지를 관련 연구에 보다 적극적으로 활용 가능한 가를 검토하는 동시에 의복 평가용 써모그램의 이미지 프로세싱이나 소프트웨어 개발을 위한 기초 자료를 제공하는 데에 목적이 있다.
- 기존의 써모그래피 이미지는 원하는 점이나 사각형의 ROI(range of interest) 범위 안에서의 표면 온도 값이나 분포도만을 알 수 있을 뿐이기 때문에 본 연구에서는 외부의 환경온도를 배제하고 의복 자체 안에서 관심 있는 영역을 다양하게 추출하여 의복 자체 변인만을 정량적으로 분석해 보고자 하였다. 이를 통하여, 써모그램 이미지를 관련 연구에 보다 적극적으로 활용 가능한 가를 검토하는 동시에 의복 평가용 써모그램의 이미지 프로세싱이나 소프트웨어 개발을 위한 기초 자료를 제공하는 데에 목적이 있다.
제안 방법
- 그러나 본 실험에서는 여유분이 다른 실험 의복을 인체에 착용시켰을 때 실험 의복에 따라 인체에 밀착되는 정도가 상 · 하 · 좌 · 우로 달라졌기 때문에 이를 반영하기 위해 앞에서는 왼쪽 가슴과 오른쪽 배 부위, 뒤에서는 오른쪽 견갑과 왼쪽 허리 부위, 총 4부위를 선정하여 평균 의복 표면 온도 산출식에 이용하였다.
- 실험은 [그림 2]와 같이 먼저 피험자를 20℃, 65%RH로 조절된 인공 기후실에 입실시키고, 40분 동안 안정시켰다. 그리고 무작위로 선택된 의복을 착용시킨 후 써미스터 센서를 상체 4점(왼쪽 가슴, 오른쪽 배, 오른쪽 견갑 하각, 왼쪽 허리 뒤)에 해당하는 의복 표면 부위에 부착한 후 30분 동안 피험자가 평형 상태에 도달하도록 하였다. 최종적으로 피험자의 앞과 뒤에서 열화상 카메라를 이용하여 써모그램 영상을 촬영하였다.
- 본 연구를 통해 도출한 써모그램의 분석 결과를 검증하기 위하여 의복 표면에 써미스터 센서(Thermo Metrics., Inc.)를 부착하고 의복 표면 온도를 측정하였다. 써미스터 센서는 의복 표면 중 4 부위에 부착하였고 (식 1)를 이용해 의복표면 온도의 대표값을 구하였다.
- 본 연구에서는 의복의 여유분 변화가 의복의 단열력에 미치는 영향을 써멀 마네킨을 이용한 단열력 측정과 착의 상태의 인체에 대한 적외선 열화상 카메라를 이용한 의복 표면 온도 분석을 통하여 둘 사이의 관계를 파악하였다. 두 가지 실험에서 모두 패턴의 여유분을 달리하여 의복의 부피를 점차 증가시킨 4개의 조끼를 대상으로 하였다.
- 실험 의복은 인체에 피트 되는 정도에 따른 단열력과 의복 표면 온도의 변화를 알아보기 위하여 여유분이 다르게 설계하여 제작하였다. 직물은 광목(무게: 303g/m2)을 사용하였으며 조끼 형태로 설계하였다.
- 이 마네킨은 ASTM F 1291-90에 의거하여 만들어진 것으로 15부분으로 나누어져 있고, 각 부위별로 전력이 공급되며 독립적으로 온도가 제어 가능하다. 실험은 써모그램 촬영 환경과 동일한 인공 기후실에서 김명주, 최정화(1997)가 제시한 한국 남성 평균 피부온을 써멀 마네킨 내부에 설정하고 피부온이 일정하게 유지되도록 전력을 공급시킨 후, 실험하고자 하는 의복을 입히고 1분 간격으로 30분간 마네킨의 피부온, 기온, 소비된 전력량 등을 기록하였다.
- 이때 실험 의복의 여유분을 0.5cm에서 2cm로 변화시킨 이유는 의복내 공기층의 양이 어느 한계 이상으로 증가하게 되면 공기층내의 대류현상에 의해 단열력이 감소한다는 선행연구에 근거하여 이를 검증해 보고자 여유분 변인을 설정하였다. 패턴 설계시 사용된 치수는 가슴둘레 98cm, 엉덩이 둘레 95cm 이었고, [그림 1]에 여유분의 변화에 따른 조끼의 패턴 구성을 나타내었다.
- 조끼 부분을 추출한 것은 써모그램에서의 온도 분석 프로그램이 일반적으로 환경 온도를 포함하고 있거나 ROI(range of interest)를 설정하여도 사각형으로 조절하게 되어 있어서 어깨부분과 같이 복잡한 형상을 포함하고 있는 의복의 경우 의복 자체만의 성능을 온전히 비교하는데 방해가 되기 때문이었다. 이에 따라 조끼와 환경의 경계면에서도 외부 환경 부분을 배제한 조끼 내부 픽셀만을 선택하여 분석하였다.
- 그러나 현재 의복의 평가에서 적외선 열화상 카메라를 통한 영상이 의복 표면 온도 분포를 가시적으로 쉽게 보여주기 때문에 많이 활용되고 있기는 하나, 이를 좀 더 적극적으로, 정량적으로 활용하기 위한 노력은 상대적으로 미진하다. 이에 본 연구에서는 선행연구(이예진 외, 2002; Lee et al., 2007)에서 사용된 조끼 형태의 의복을 대상으로 패턴 변화에 따른 의복의 부피를 변화시키면서 적외선 열화상 이미지를 촬영하여 실제 착의 상태에서의 의복표면 온도 분포에 어떤 현상이 일어나고 있는지를 정량적으로 분석하고, 이를 써멀 마네킨으로 실험한 단열력과 비교하였다.
- 이에 본 연구에서는 얻어진 영상을 IR Image Analyzing Software를 통해 그레이스케일로 전환하는 이미지 프로세싱 작업을 거쳐 Inspector 2.2(Matrox Electronic System, Ltd.)를 이용해 분석하였다. [그림 4]는 실험을 통해 측정된 써모그램의 영상과 이미지 해석을 위한 그레이스케일 전환, 조끼 부분 추출 및 분석의 전 과정을 도시한 것이다.
- 그리고 무작위로 선택된 의복을 착용시킨 후 써미스터 센서를 상체 4점(왼쪽 가슴, 오른쪽 배, 오른쪽 견갑 하각, 왼쪽 허리 뒤)에 해당하는 의복 표면 부위에 부착한 후 30분 동안 피험자가 평형 상태에 도달하도록 하였다. 최종적으로 피험자의 앞과 뒤에서 열화상 카메라를 이용하여 써모그램 영상을 촬영하였다.
대상 데이터
- 남성 기본 패턴의 조끼(V2)를 기준으로 기본 패턴에서 옆선으로 2.4cm 줄이면서 뒤 중심에 1.5cm 다트를 준 조끼(V1), 기본 패턴에서 옆선 방향으로 0.5cm 여유분을 준 조끼(V3), 기본 패턴에서 옆선 방향으로 2cm 여유분을 준 조끼(V4)로 구성 하였으며, 여밈은 앞으로 하여 벨크로를 이용하였다.
- 본 연구에서는 의복의 여유분 변화가 의복의 단열력에 미치는 영향을 써멀 마네킨을 이용한 단열력 측정과 착의 상태의 인체에 대한 적외선 열화상 카메라를 이용한 의복 표면 온도 분석을 통하여 둘 사이의 관계를 파악하였다. 두 가지 실험에서 모두 패턴의 여유분을 달리하여 의복의 부피를 점차 증가시킨 4개의 조끼를 대상으로 하였다. 여유분의 변화에 따른 의복내 공기층 변화가 써모그램의 온도 분포에 미치는 영향을 보다 정확하면서도 실용적으로 측정하기 위해 3D 이미징 기법과 평균피부온 산출개념을 적용하여 의복 자체의 대표 표면 온도를 산출하였고, 이를 써미스터 센서를 통한 직접 온도 측정 및 써멀 마네킨을 통한 단열력 측정 값과 비교하였다.
- 실험 의복의 써모그램 영상을 얻기 위해 TVS2000MK2 Series(Nippon Avionice Co., Ltd.)를 사용하였다. 피험자는 5명으로 20-26세의 남성이었고, 피험자 들의 신체 사이즈는 <표 1>과 같다.
- 실험 의복은 인체에 피트 되는 정도에 따른 단열력과 의복 표면 온도의 변화를 알아보기 위하여 여유분이 다르게 설계하여 제작하였다. 직물은 광목(무게: 303g/m2)을 사용하였으며 조끼 형태로 설계하였다.
- 5cm에서 2cm로 변화시킨 이유는 의복내 공기층의 양이 어느 한계 이상으로 증가하게 되면 공기층내의 대류현상에 의해 단열력이 감소한다는 선행연구에 근거하여 이를 검증해 보고자 여유분 변인을 설정하였다. 패턴 설계시 사용된 치수는 가슴둘레 98cm, 엉덩이 둘레 95cm 이었고, [그림 1]에 여유분의 변화에 따른 조끼의 패턴 구성을 나타내었다.
- 피험자는 5명으로 20-26세의 남성이었고, 피험자 들의 신체 사이즈는 과 같다.
데이터처리
- (식 3)를 사용하여 5명의 피험자의 열상도를 저온(20～24℃), 중온(24～27℃), 고온(27～31℃)으로 나누어 픽셀 값의 평균 누적치로 비교하였고, 그 결과를 [그림 5] 에 나타내었다. 그림을 살펴보면 의복의 표면온도 중 고온부분이 V1에서 가장 크고, V2, V3는 작아지다가 V4에서 다시 커지고 있음을 알 수 있다.
- 분석 영역은 써모그램상의 의복의 최고 표면온도와 최저 표면 온도(20~31℃) 사이 였으며 이 영역 안에서 1℃ 간격으로 빈도수를 구하여 전체 누적빈도에 대한 영역별 상대값을 추출하였다. 이 개념은 평균 피부온 측정시 전신에 분포하는 무수한 점들을 모두 측정하는 것은 불가능하기 때문에 전신을 몇몇의 구분으로 분할하고 각 구분마다의 대표되는 온도를 측정하여 구분된 체표면적의 전체표면적에 대한 비율을 곱한 후 이 모든 값을 더해서 평균 피부온을 산출하는(田村照子, 1993/1996) 방법을 다음과 같이 도입한 것이다.
- 두 가지 실험에서 모두 패턴의 여유분을 달리하여 의복의 부피를 점차 증가시킨 4개의 조끼를 대상으로 하였다. 여유분의 변화에 따른 의복내 공기층 변화가 써모그램의 온도 분포에 미치는 영향을 보다 정확하면서도 실용적으로 측정하기 위해 3D 이미징 기법과 평균피부온 산출개념을 적용하여 의복 자체의 대표 표면 온도를 산출하였고, 이를 써미스터 센서를 통한 직접 온도 측정 및 써멀 마네킨을 통한 단열력 측정 값과 비교하였다.
이론/모형
- 단열력 측정은 써멀 마네킨(한국섬유개발연구원)을 사용하였다. 이 마네킨은 ASTM F 1291-90에 의거하여 만들어진 것으로 15부분으로 나누어져 있고, 각 부위별로 전력이 공급되며 독립적으로 온도가 제어 가능하다.
성능/효과
- 그 결과 써모그램 이미지를 이용한 의복의 평균 표면 온도는 써미스터 센서를 활용한 4부위의 단순 평균 온도 값보다 패턴의 여유량이 커짐에 따라 대류현상이 일어나고 의복의 단열력이 떨어지는 현상을 더 정확히 반영하였고, 이것은 써멀 마네킨을 활용한 총체적인 단열력의 변화와도 잘 부합하였다. 또한 써모그램은 인체 실험이 가능하고, 세부적인 의복의 방열 분포를 알 수 있어 의복내에서의 열손실 현상 관찰이 용이하며, 인체와 의복의 접촉부위, 양에 대한 분포를 가시적으로 확인할 수 있는 장점이 있었다.
- 그리고 써멀 마네킨으로부터 측정한 단열력 값은 V1에서 V3로 갈수록 커지다가 V4에서 V1보다 더 작아지는 결과를 보인다. 그러므로 의복 표면 온도를 4부위에서 측정하여 4등분하여 평균값을 낸 값보다 전체 열상도를 평균 피부온도를 산출하는 방법으로 의복의 표면 온도를 산출한 방법이 써멀 마네킨을 활용한 단열력의 결과와 더욱 일치하는 것을 알 수 있었다.
- 그 결과 써모그램 이미지를 이용한 의복의 평균 표면 온도는 써미스터 센서를 활용한 4부위의 단순 평균 온도 값보다 패턴의 여유량이 커짐에 따라 대류현상이 일어나고 의복의 단열력이 떨어지는 현상을 더 정확히 반영하였고, 이것은 써멀 마네킨을 활용한 총체적인 단열력의 변화와도 잘 부합하였다. 또한 써모그램은 인체 실험이 가능하고, 세부적인 의복의 방열 분포를 알 수 있어 의복내에서의 열손실 현상 관찰이 용이하며, 인체와 의복의 접촉부위, 양에 대한 분포를 가시적으로 확인할 수 있는 장점이 있었다.
- 또한 표면 대표온도는 의복과 환경간의 열전달 계산 및 모델링 시 필수적인 값으로 의복 자체의 성능 평가시 보다 유용한 요소인데 본 연구를 통해 이도 가능해졌다. 이를 통하여 지속적으로 발전하고 있는 써모그래피를 의복에 적극 활용하기 위하여 대상 의복을 배경에서 분리해 낸 후 대표 표면 온도를 측정하거나 온도 분포도를 분석할 수 있는 프로그램 개발이 필요한 것을 알 수 있었다.
- 특히, 의복 시스템의 단열력을 써멀마네킨을 통해 ‘clo'값으로 대변하는 점을 고려해 볼 때 의복의 표면온도들을 논리적으로 하나의 대표온도로 산출하는 방법을 고안함으로써 의복의 보온성 평가를 정량적으로 비교하는 것이 가능해졌고 써모그램을 이용한 의복의 평가도 간단하게 정량화시킬 수 있었다.
후속연구
- 또한 표면 대표온도는 의복과 환경간의 열전달 계산 및 모델링 시 필수적인 값으로 의복 자체의 성능 평가시 보다 유용한 요소인데 본 연구를 통해 이도 가능해졌다. 이를 통하여 지속적으로 발전하고 있는 써모그래피를 의복에 적극 활용하기 위하여 대상 의복을 배경에서 분리해 낸 후 대표 표면 온도를 측정하거나 온도 분포도를 분석할 수 있는 프로그램 개발이 필요한 것을 알 수 있었다.
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