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문제 정의
- 1차 실험은 형상기억합금 스프링을 제작하기 전에 시판 아웃도어 의복의 의복 내 미세기후 측정을 통하여 적절한 형상기억합금 스프링의 반응 온도를 제시하고자 하는 목적으로 실시하였다.
- 대한 연구는 미비한 수준이다. 따라서 본 연구에서는 환경 온도에 따라 가변적으로 보온성을 부여하는 정지 공기층을 형성하기 위해 형상기억합금을 이용한 지 능형 의복의 프로토타입 개 발을 그 목적으로 하고 있으며, 이의 적합성과 사용가능성을 살펴보기 위해 아웃도어 시장의 큰 부분을 차지하는 등산용 의복을 실험의복으로 선정하였다. 형상 기억 합금이 외부 온도에 적절히 반응할 수 있도록 스프링을 제작하고 이를 실험의복에 부착하였으며 시판되는 등산용 아웃도어 의복과 인공기후실 내에서 의복 내 미세기후와 착용자의 쾌적성을 비교·분석하였다.
- 본 연구는 겨울철 등산환경하에서 등산활동에 적합한 의복시스템을 제안하기 위하여 의복시스템 내가변적 보온성을 부여하고, 온도 변화에 따른 의복 내공 기층을 형성하도록 이방향 형상기억효과를 갖는 형상기억합금을 적용하여 지능형 의복을 제안하고 그 효과를 고찰하였다.
- 한랭환경하에서 형상기 억합금 스프링이 반응하여야 하는 최적의 온도를 설정하기 위해 피험자 실험을 실시하였다. 피험자는 키 180cm, 체중 93kg의 25세 된 건장한 남성으로 실험의복을 착용하고 온습도센서(MSR12 Signal Data Recorder, MSR Electronics GmbH, Switz-erland)를 등쪽 견갑골 사이와 의복 레이어별로 동일한위치에 부착하였으며<Fig.
제안 방법
- 피험자는 키 180cm, 체중 93kg의 25세 된 건장한 남성으로 실험의복을 착용하고 온습도센서(MSR12 Signal Data Recorder, MSR Electronics GmbH, Switz-erland)를 등쪽 견갑골 사이와 의복 레이어별로 동일한위치에 부착하였으며<Fig. 1>, 온도 17℃, 14℃, 11 ℃,8℃, 5℃로 설정된 인공기후실에서 피부온 및 의복 내미세기후를 측정하고 주관적 감각을 평가하였다. 이때 상대습도는 50±5%로 고정하였다.
- 2차 본 실험은 1차 실험에 의거해 제작된 형상기억합금 스프링을 부착한 실험의복을 시판 아웃도어 의복과 함께 착용한 후, 의복의 객관적 보온성 및 주관적 쾌적성 측정을 통해 형상기억합금 스프링을 부착한 의복과 시판 아웃도어 의복을 비교·분석하였다.
- , 2006). 40℃에서 0℃,이에서 40℃까지 내려가고 올라가면서 형상기억합금의 이력을 3번 반복 측정하여 평균으로 나타내었다.
- 0을 이용한 Wilcoxon signed-rank tests. 시간에 따른 유의차가 있는지 검정하였다. 모든 그래프는 평균값 그래프로 표기하였다.
- 실험의복은 가을겨울용 아웃도어 의복에 대한 시장조사를 통해 3 레이어 시스템으로 된 제품을 선정한 후제작한 베스트를 zip-up shirt와 outer jacket 사이에 착용하여 총 4 레이어 시스템으로 구성하였다. 의복 시스템을 구성하는 각 레이어의 특성은<Table 1>과 같다.
- 피험자는 상온에서 30분간 안정한 뒤 인공기후실로 들어가 실험을 실시하였으며 , 형상기 억합금 스프링의 반응 온도 결정 실험 결과를 토대로 인공기후실의 환경을 온도 5±0.5℃, 상대습도 40±5%로 설정하였다. 피험자는 인공기후실에서 10분간 안정을 취한 뒤 트레드밀(J4F, Tunturi Oy Ltd.
- 5℃, 상대습도 40±5%로 설정하였다. 피험자는 인공기후실에서 10분간 안정을 취한 뒤 트레드밀(J4F, Tunturi Oy Ltd. Finland)에서 7.0km/h의 스피드,5%의 경사도로 15분간 러닝, 다시 의자에 앉아 20분간 휴식을 취하고 퇴실하여 10분간 안정을 취하였다(Fig. 6), 15분간의 운동은 등산시 소비되는 운동량(400ipm/hr, 이원자, 윤준식, 2001)을 고려하여 설정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 환경 온도에 따라 가변적으로 보온성을 부여하는 정지 공기층을 형성하기 위해 형상기억합금을 이용한 지 능형 의복의 프로토타입 개 발을 그 목적으로 하고 있으며, 이의 적합성과 사용가능성을 살펴보기 위해 아웃도어 시장의 큰 부분을 차지하는 등산용 의복을 실험의복으로 선정하였다. 형상 기억 합금이 외부 온도에 적절히 반응할 수 있도록 스프링을 제작하고 이를 실험의복에 부착하였으며 시판되는 등산용 아웃도어 의복과 인공기후실 내에서 의복 내 미세기후와 착용자의 쾌적성을 비교·분석하였다.
- 형상기 억합금 스프링의 반응 온도를 설정하여 가변보온성을 가지는 아웃도어 의복을 제안하기 위해 다음의 순서로 실험을 실시하였다.
- 형상기억합금 스프링 부착이 의복의 보온성과 쾌적성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 형상기억합금을 부착하지 않은 것과 부착한 의복 시스템을 각각 착용하고 피부온과 의복 내 미세기후, 주관적 감각을 측정함으로써 보온성과 쾌적성을 비교 평가하였다.
대상 데이터
- 사용된 직물은 의 3rd layer 베스트로 안감 기능을 할 수 있도록 흡수속건 PET로 된 것이며 이들 베스트를 outer jacket의 안쪽에 착용하여 실험 하였다.
- 실험에 참여한 피험자는 20대의 건강한 성인 남성8명(키: 177.7±2.3cm, 체중: 74.0±3.0kg)으로 미세기후측정을 위해 온습도센서(MSR12 Signal Data Recorder, MSR Electronics GmbH, Switzerland)를 등쪽 견갑골사이와 같은 지점의 의복 각 레이어 사이에 부착하였다(Fig. 5).
- 피험자는 키 180cm, 체중 93kg의 25세 된 건장한 남성으로 실험의복을 착용하고 온습도센서(MSR12 Signal Data Recorder, MSR Electronics GmbH, Switz-erland)를 등쪽 견갑골 사이와 의복 레이어별로 동일한위치에 부착하였으며<Fig. 1>, 온도 17℃, 14℃, 11 ℃,8℃, 5℃로 설정된 인공기후실에서 피부온 및 의복 내미세기후를 측정하고 주관적 감각을 평가하였다.
데이터처리
- 온열감, 습윤감 및 쾌적감은 ASHRAE 7점 및 9점 척도를 사용하여 평가하였으며 SPSS 14.0을 이용한 Wilcoxon signed-rank tests. 시간에 따른 유의차가 있는지 검정하였다.
- 의복 내 미세기후 온도와 습도는 매 10초 간격으로 측정되었고 평균 및 표준편차를 통해 t-test로 분석하였다. 온열감, 습윤감 및 쾌적감은 ASHRAE 7점 및 9점 척도를 사용하여 평가하였으며 SPSS 14.
이론/모형
- 제작된 형상기억합금 스프링의 이력을 통한 반응성을 평가하기 위해 40℃에서 0℃까지의 이력을 HCE(Human-Clothing-Environment) simulators. 즉정하였다(Fig.
성능/효과
- 5℃에서 반응을 시작하도록 처리한 형상기억합금 스프링의 반응성을 평가하기 위해 40℃에서 0℃ 까지 온도 변화에 따른 형상기억합금의 길이 변화를측정한 결과 원래의 길이가 6mm였던 것이 온도가 내려갈수록 최대 27mm까지 늘어나는 것으로 나타났지만<Fig. 8> HCE simulator 상에서 의복 레이어별로 위치시켜 단면을 측정한 경우 의복압으로 인해 평균 20mm 높이를 형성하는 것으로 나타났다. 환경 온도가 40℃에서 0℃로 변할 때와 0℃에서 40℃로 변할 때 형상기억합금 스프링의 길이 차이는 최대 4mm로 나타났는데, 이는 마르텐사이트와 오스테나이트 경계 영역에서 반복된 동작으로 미세구조가 전이됨에 따라 차이가 나타나기 때문이다.
- 두 번째 레이어에서는 저온입실 후부터 운동 시작 전까지, 운동 직후 실험 종료까지 형상기억합금을 부착한 의복이 부착하지 않은 의복보다 높은 온도를 가지는 것으로 드러났지만, 통계적으로 유의미함을 보이지 않았다.
- 온열감은 상온 안정기에 해당하는 period H까지 두 의복 시스템 모두 춥지도 덥지도 않다(neutral, 7점) 혹은 춥지도 덥지도 않다(neutral, 7점)와 약간 따뜻하다(slightly warm, 8점)의 중간 상태를 보였지만, 시간이 흐름에 따라 형상기억합금 스프링 부착시 더 따뜻하다고 느끼는 것으로 나타났다. 또한 저온입실 후인 period 4부터 운동 후 안정기인 period 12까지 형상기억합금을 부착한 의복이 서늘하다(cool, 4점)를 가장 낮은 척도로 가진 반면, 형상기억합금을 부착하지 않은 의복은 약간 춥다(slightly cold, 3점)를 가장 낮은 척도로 나타내며 차이를 보였다.
- 63℃ 미세기후 온도가 더 높게 나타나 형상기억합금 스프링이 공기층을 효과적으로 형성시킴으로써 최 내층 체온에 영향을 미쳐 보온성을 발현한 것으로 해석할 수 있었다. 또한 최외층을 제외한 나머지 세 번째 레이어와 두 번째 레이어, 피부온에 해당하는 첫 번째 레이어에서 형상기억합금 부착 의복이 미부착 의복보다 운동 후 휴식기에 더 높은 습도를 가지는 것으로 나타났지 만, 피험자들은 저온입실 후 운동 중을 제외한 모든 period에서 형상기억합금을 부착한 의복 착용시 더 따뜻하고, 더 건조하다고 느끼는 것으로 평가하였다.
- 세 번째 레이어에서는 형상기억합금 스프링을 부착한 의복과 부착하지 않은 의복 사이의 온도 차이가 상온 안정 20분 후로부터 저온 입실 운동 시작 10분까지, 운동 후 휴식기로부터 실험이 끝날 때까지 각각 1.17℃, 1.41℃로 나타났으며 통계적으로도 35분과 77분~85분까지 유의 미 한 것으로 나타났다(p<.05).
- 11>과 같다. 온열감은 상온 안정기에 해당하는 period H까지 두 의복 시스템 모두 춥지도 덥지도 않다(neutral, 7점) 혹은 춥지도 덥지도 않다(neutral, 7점)와 약간 따뜻하다(slightly warm, 8점)의 중간 상태를 보였지만, 시간이 흐름에 따라 형상기억합금 스프링 부착시 더 따뜻하다고 느끼는 것으로 나타났다. 또한 저온입실 후인 period 4부터 운동 후 안정기인 period 12까지 형상기억합금을 부착한 의복이 서늘하다(cool, 4점)를 가장 낮은 척도로 가진 반면, 형상기억합금을 부착하지 않은 의복은 약간 춥다(slightly cold, 3점)를 가장 낮은 척도로 나타내며 차이를 보였다.
- 4℃ 하강한 8℃와 5℃의 환경에서는 피험자가 환경온 노출 후 바로 추위를 느끼는 것으로 나타났다. 이 결과를 토대로 형상기억합금 스프링이 부착될 최외층의 미세기후 온도는 추위를 느끼기 시작하는 24.5℃이며 24.5℃를 형상기억합금 스프링의 반응 온도로 도출하였다.
- 이와 같은 결과로 겨울철 저온환경에 노출되었을 때 운동 중 휴식기에 급격한 체온 저하를 방지하는데 있어 그 의의가 있는 것으로 판단할 수 있으며, 형상기억합금 스프링을 이용한 겨울철 등산복 점퍼를 개발함에 있어 의복 내 보온성과 쾌적성을 동시에 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 첫 번째 레이어, 즉 피부온은 상온과 저온입실 후에 형상기억합금을 부착한 의복과 부착하지 않은 의복의 온도가 거의 같았지만, 운동 직후 휴식기부터 실험 종료까지 0.63℃의 온도 차이를 보였고 형상기억합금을 부착한 의복이 부착하지 않은 의복보다 온도가 높아 체온 변화가 더 적은 것으로 나타났다. 통계적으로도 운동 후 휴식기에 해당하는 61분과 63분 ~85분까지 유의한 것으로 나타났으며 , 따라서 형상기억합금 스프링의 팽창으로 인한 보온효과를 확인할 수 있었다.
- 10>은 형상기억합금 스프링을 부착한 의복과 부착하지 않은 의복의 최외층과 최내층 레이어 습도 변화를 나타낸 것으로 세 번째와 두 번째 레이어는 최내층과 유사한 경향을 나타내 그래프가 겹쳐 보·여서 최내층으로 대표 표기하였다. 최외층 레이어에서의 미세기후 습도는 실험 시작으로부터 상온에서 12분까지 형상기억합금을 적용한 의복 시스템이 미적용 의복보다 낮게 나타났고, 저온입실 후 운동 시작 7분 경과로부터 휴식기와 실험 종료에 이르기까지 형상기억합금을 적용한 의복의 습도가 더 낮은 것으로 나타났다. 특히 운동 시작 후 11분이 경과되었을 때 형상기억합금 적용 여부에 따른 습도 차이는 8.
- 9> 와 같다. 최외층 레이어에서의 미세기후 온도는 상온에서 30분 안정하는 동안은 거의 같지만, 저온으로 이동 후 운동 8분까지와 운동 후로부터 실험 종료까지 형상기억합금 스프링을 부착한 의복의 온도가 부착하지 않은 의복의 온도보다 각각 1.26℃, 1.31℃ 더 높게 나타났다. 통계적으로도 운동 후 상온 안정기에해당하는 77분~79분, 84분~85분까지 유의미함을 보였다 (p<.
- 쾌적감은 실험 시작부터 실험이 끝날 때까지 형상기억합금 스프링을 부착한 의복이 부착하지 않은 의복보다 쾌적한 것으로 나타났고, 저온입실 후 10분에 해당하는 period 7과 운동 직후인 period 8, 운동 후휴식기 10분에 해당하는 period 10과 퇴실 직후인 period 13에서 유의 수준 p<.05로 형상기 억합금 부착 의복이 미부착 의복보다 쾌적감이 더 좋은 것으로 나타났다.
- 63℃의 온도 차이를 보였고 형상기억합금을 부착한 의복이 부착하지 않은 의복보다 온도가 높아 체온 변화가 더 적은 것으로 나타났다. 통계적으로도 운동 후 휴식기에 해당하는 61분과 63분 ~85분까지 유의한 것으로 나타났으며 , 따라서 형상기억합금 스프링의 팽창으로 인한 보온효과를 확인할 수 있었다. 즉, 최외층이나 세 번째 레이어, 두 번째 레이어에서 운동 후 휴식기에 통계적으로 유의한 온도 차이가 발견되지 않았지만 형상기억합금이 보온효과를 발생시킴으로써 최내층 체온에 영향을 미친것으로 해석할 수 있다.
- 최외층 레이어에서의 미세기후 습도는 실험 시작으로부터 상온에서 12분까지 형상기억합금을 적용한 의복 시스템이 미적용 의복보다 낮게 나타났고, 저온입실 후 운동 시작 7분 경과로부터 휴식기와 실험 종료에 이르기까지 형상기억합금을 적용한 의복의 습도가 더 낮은 것으로 나타났다. 특히 운동 시작 후 11분이 경과되었을 때 형상기억합금 적용 여부에 따른 습도 차이는 8.5%로 가장 높았고, 통계적으로도 운동 후 휴식기에 해당하는 52분~55분, 57분과 60분-61분, 67분~77분까지와 83분~85분까지 유의미함을 나타냈다(p<.05).
- 5℃에서 반응을 시작하는 형상기 억합금 스프링은 최대 27mm 까지 늘어나는 것으로 나타났지만 의복 내 부착시 의 복압과 시료의 무게로 평균 20mm의 높이를 구현하는 것으로 나타났다. 형상기억합금 스프링을 부착한 의복과 부착하지 않은 의복의 착용성능을 비교한 결과, 운동 직후 휴식기로부터 실험 종료까지 최 외층에서 1.31℃, 세 번째 레이어에서 1.41℃, 두 번째 레이어에서 L45℃, 피부온에 해당하는 첫 번째 레이어에서 0.63℃ 미세기후 온도가 더 높게 나타나 형상기억합금 스프링이 공기층을 효과적으로 형성시킴으로써 최 내층 체온에 영향을 미쳐 보온성을 발현한 것으로 해석할 수 있었다. 또한 최외층을 제외한 나머지 세 번째 레이어와 두 번째 레이어, 피부온에 해당하는 첫 번째 레이어에서 형상기억합금 부착 의복이 미부착 의복보다 운동 후 휴식기에 더 높은 습도를 가지는 것으로 나타났지 만, 피험자들은 저온입실 후 운동 중을 제외한 모든 period에서 형상기억합금을 부착한 의복 착용시 더 따뜻하고, 더 건조하다고 느끼는 것으로 평가하였다.
- 환경 온도 변화에 따라 형상기억합금 스프링이 반응하는 온도는 24.5℃로 결정하였으며, 24.5℃에서 반응을 시작하는 형상기 억합금 스프링은 최대 27mm 까지 늘어나는 것으로 나타났지만 의복 내 부착시 의 복압과 시료의 무게로 평균 20mm의 높이를 구현하는 것으로 나타났다. 형상기억합금 스프링을 부착한 의복과 부착하지 않은 의복의 착용성능을 비교한 결과, 운동 직후 휴식기로부터 실험 종료까지 최 외층에서 1.
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