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문제 정의
- 본 연구에서는 가장 최근 자료라고 할 수 있는 산업자원부의 Size Korea 프로젝트[2]의 3차원 머리 측정 데이터를 사용하여 한국인 얼굴에 적합한 반면형 마스크의 계면(interface) 설계를 할 수 있는 방법론으로서, 조소 모형 제작을 통한 계면 설계 방법론을 제안하고자 하였다.
제안 방법
- 그러나 마스크 밀착면 설계를 위해서는 3차원 곡면 모델이 필요하지만, 본 연구에서 사용된 24가지 변수는 길이와 너비 데이터이다. 24가지 길이및 너비 데이터를 사용하여 3차원 머리 조소 모형 제작은 조소를 전공한 전문가에게 의뢰하였다. 그러나 머리 조소 모형의 경우, 24개 변수의 치수는 만족시키지만 제작자에 따라 모양과 형태가 다를 수 있다는 한계 점을 가지고 있다.
- 24개 얼굴관련 인체측정 변수들의 평균값을 이용하여 두상 조소 모형을 제작하였으며, [그림 2]에 제시되어 있다.
- 한돈희 등의 연구와 같은 3차원 얼굴 스캔을 통한 CAD 작업 방법론과 비교하여 본 연구 방법론의 장점으로는 1) 한국인 인체치수조사사업[2]과 같은 많은 양의 데이터를 활용할 수 있다는 점이다. 3차원 얼굴 스캔을한 다음 CAD 프로그램을 사용하는 방법론에서는 수십 명의 참여자 얼굴 변수만 활용할 수 있으나, 본 연구 방법론에서는 1536명의 측정변수를 활용하였다.2) 또한, 얼굴 조소 모형의 제작 방법론을 사용하면, 제작된 마스크 프로토타입을 조소 모형에 부착하여 얼굴과의 밀착 도를 정성적으로 빠르게 확인하여 수정할 수 있다.
- 먼저 한국인 두상 평균 모형을 조소를 이용 하여 제작하였으며, 조소 모형을 바탕으로 마스크 계면 석고 모형을 추출하였다. 계면 석고 모형을 3차원으로 스캔하여 3차원 계면 모델링을 하였으며, 이를 바탕으로 최종적으로 rapid prototyping 기기를 이용하여 반면형 마스크 프로토타입을 제작한 다음 밀착도 검사를 수행하였다.
- 마스크와 얼굴의 밀착 곡선 기본 형태는 위에서 제작된 한국인 남자 머리 조소 모형에 중간 크기의 기존 마스크를 씌우고, 마스크와 얼굴 모델이 접촉하는 곡선을 조소용 칼을 사용하여 표시하였다. 표시된 부분 주위를 유토를 사용하여 틀을 만들었다.
- 연구의 전체적인 진행 과정이 다음 [그림 1]에 제시 되어 있다. 먼저 한국인 두상 평균 모형을 조소를 이용 하여 제작하였으며, 조소 모형을 바탕으로 마스크 계면 석고 모형을 추출하였다. 계면 석고 모형을 3차원으로 스캔하여 3차원 계면 모델링을 하였으며, 이를 바탕으로 최종적으로 rapid prototyping 기기를 이용하여 반면형 마스크 프로토타입을 제작한 다음 밀착도 검사를 수행하였다.
- 3차원 조소 모형 제작은 조소를 전공한 전문가에게 의뢰하였다. 먼저, 24가지 변수 값에 대한 설명을 하고, 머리 조소 모형을 제작하도록 하였으며, 완성된 조소 모형을 실측하여 24가지 변수 값에 부합하는지 확인하였다.
- 밀착도 검사를 위해 2명을 대상으로 간단한 밀착도 검사를 수행하였으며, 제작된 프로토타입의 밀착도가 기준에 부합하였다(밀착도 계수 평균 = 109.3). 그러나 6가지 측정 프로토콜 중 정상 호흡 상태에서만 진행된점 및 대상자가 2명이라는 점은 본 연구의 한계점으로 판단된다.
- 본 연구에서는 24가지 변수의 평균값을 사용하여, 평균적인 마스크 프로토타입을 제작하였다. 그러나 인체 측정 변수의 범위가 넓고, 다양한 얼굴 형상을 만족시키기에는 한계가 있는 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 반면형 마스크 계면 설계 방법론으로서, 한국인 얼굴 관련 인체측정 변수를 활용하여 얼굴 조소 모형 제작한 다음, 조소 모형의 얼굴 앞면 곡선을 따라 밀착 곡선을 추출하는 방법을 사용하였다.
- 얼굴 안면부의 크기와 형태에 따라 밀착곡선은 다양한 형태를 가질 수 있으며, 기본적으로 마스크 밀착곡선은 사용 대상자의 얼굴 안면부 곡선에 맞도록 설계되어져야 한다. 본 연구에서는 앞 절에서 제작된 평균 두상 조소 모형의 얼굴 안면부 곡선에 맞도록 밀착고선을추출하였다. 보다 상세한 설명은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 한국인 20~59세 남자 머리 관련 24가지 변수의 평균값을 사용하여 한국인 머리의 평균 모델을 제작하였다. 그러나 마스크 밀착면 설계를 위해서는 3차원 곡면 모델이 필요하지만, 본 연구에서 사용된 24가지 변수는 길이와 너비 데이터이다.
- 본 연구의 정량적 밀착계수 측정은 에어로졸을 발생 시키고 마스크 내외의 농도를 측정하여 평가하였다. 테스트 protocol로는 미국 산업안전보건법 29 CFR 1910.
- <표 1>에서 제시된 24가지 변수의 평균을 사용하여 한국인 두상의 평균 모형을 제작하였다. 3차원 조소 모형 제작은 조소를 전공한 전문가에게 의뢰하였다.
- 표시된 부분 주위를 유토를 사용하여 틀을 만들었다. 이렇게 만들어진 밀착 곡선 유토 틀에 석고를 부어 형틀을 만든 다음, 그 석고 형틀에 다시 석고를 부어 마스크와 얼굴의 밀착 모형을 추출하였다.
- 추출된 밀착부 모형을 3차원 스캐닝을 한 다음, 3차원 모델링을 하여 밀착 곡선을 추출하였다. 추출된 3차원 밀착 곡선을 마스크 계면의 3차원 설계 시 사용하였으며, rapid prototyping 기기를 이용하여 최종 프로토타입을 제작하였다.
- 추출된 밀착부 모형을 3차원 스캐닝을 한 다음, 3차원 모델링을 하여 밀착 곡선을 추출하였다. 추출된 3차원 밀착 곡선을 마스크 계면의 3차원 설계 시 사용하였으며, rapid prototyping 기기를 이용하여 최종 프로토타입을 제작하였다.
- 마스크와 얼굴의 밀착 곡선 기본 형태는 위에서 제작된 한국인 남자 머리 조소 모형에 중간 크기의 기존 마스크를 씌우고, 마스크와 얼굴 모델이 접촉하는 곡선을 조소용 칼을 사용하여 표시하였다. 표시된 부분 주위를 유토를 사용하여 틀을 만들었다. 이렇게 만들어진 밀착 곡선 유토 틀에 석고를 부어 형틀을 만든 다음, 그 석고 형틀에 다시 석고를 부어 마스크와 얼굴의 밀착 모형을 추출하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 한국인 20~59세 남자 머리 관련 24가지 변수의 평균값을 사용하여 한국인 머리의 평균 모델을 제작하였다. 그러나 마스크 밀착면 설계를 위해서는 3차원 곡면 모델이 필요하지만, 본 연구에서 사용된 24가지 변수는 길이와 너비 데이터이다. 24가지 길이및 너비 데이터를 사용하여 3차원 머리 조소 모형 제작은 조소를 전공한 전문가에게 의뢰하였다.
- 위에서 제시한 9개 변수를 포함하여 마스크 계면 설계에 중요한 변수라고 판단되는 24개 대상변수들의 평균을 20세~59세 남자(1536명)를 대상으로 구하여 사용하였다( 참조)
- 한국인 안면부에 적합한 마스크의 계면 설계를 위해 국내 가장 최신 자료라고 할 수 있는 산업자원부 기술표준원의 주관 하에 실시한 Size Korea 프로젝트 데이터[2] 중에서 3차원 머리 측정 데이터를 사용하였다. 위에서 제시한 9개 변수를 포함하여 마스크 계면 설계에 중요한 변수라고 판단되는 24개 대상변수들의 평균을 20세~59세 남자(1536명)를 대상으로 구하여 사용하였다(<표 1> 참조)
이론/모형
- 본 연구의 정량적 밀착계수 측정은 에어로졸을 발생 시키고 마스크 내외의 농도를 측정하여 평가하였다. 테스트 protocol로는 미국 산업안전보건법 29 CFR 1910.134에 수록된 6가지 테스트 중 정상 호흡 상태에서의 테스트를 수행하였다. 밀착도 검사에는 남여 각 1명씩 참여하였다.
성능/효과
- 3차원 얼굴 스캔을한 다음 CAD 프로그램을 사용하는 방법론에서는 수십 명의 참여자 얼굴 변수만 활용할 수 있으나, 본 연구 방법론에서는 1536명의 측정변수를 활용하였다.2) 또한, 얼굴 조소 모형의 제작 방법론을 사용하면, 제작된 마스크 프로토타입을 조소 모형에 부착하여 얼굴과의 밀착 도를 정성적으로 빠르게 확인하여 수정할 수 있다.
- 밀착도 검사 결과 평균이 109.3으로 ANSI와 OSHA 의 기준치(100)를 고려할 때 밀착된 것으로 판단되었다.
- 한돈희와 최국렬[8]은 150명을 대상으로 10개 얼굴 치수를 측정한 다음, 3가지의 반면형 마스크에 대한 밀착도 검사를 실시하였다. 연구 결과, 한국인은 다른 인종과 결과가 다르게 나타냈으며, 한국인의 얼굴에 알맞은 반면형 마스크 개발을 위해서는 얼굴 치수 중 Bitragion-Subnasale Arc와 Face Width 두 개 치수를 우선 고려해야 한다고 제안하였다. 김강윤 등[1]은 102명을 대상으로 마스크와 접촉되는 얼굴의 10개 포인트를 3차원 좌표로 읽은 후 형상 해석을 하여 밀착도 검사를 위한 3D test panel을 제안 하였다.
후속연구
- 3). 그러나 6가지 측정 프로토콜 중 정상 호흡 상태에서만 진행된점 및 대상자가 2명이라는 점은 본 연구의 한계점으로 판단된다. 따라서 달리기 등 다양한 상태에서의 측정이 필요하며, 다양한 얼굴 크기 및 형태의 피실험자를 사용한 밀착도 평가가 되어야 할 것이다.
- 그러나 6가지 측정 프로토콜 중 정상 호흡 상태에서만 진행된점 및 대상자가 2명이라는 점은 본 연구의 한계점으로 판단된다. 따라서 달리기 등 다양한 상태에서의 측정이 필요하며, 다양한 얼굴 크기 및 형태의 피실험자를 사용한 밀착도 평가가 되어야 할 것이다.
- 그러나 머리 조소 모형의 경우, 24개 변수의 치수는 만족시키지만 제작자에 따라 모양과 형태가 다를 수 있다는 한계 점을 가지고 있다. 따라서 이러한 한계점을 극복하기 위해서는 마스크 계면 설계에서 요구되는 안면부 인체 측정 항목(특히 3차원 곡선 및 굴곡) 개발 연구와 측정을 통한 마스크 설계 변수의 DB 구축 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 추후 연구 방향으로, 본 연구에서는 남성 성인의 데이터를 이용하여 남성 성인을 대상으로 하는 마스크 프로토타입을 제작하였으나, 여성을 포함하여 다양한 연령대에서의 비교 연구도 필요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서는 얼굴 형태(shape)만 고려하였으나, 앞면부의 경직도(stiffness)와 변동(variance)도 함께 고려하고[10], 마스크 밀착면의 고무 유연성을 고려한 설계가 되어야 할 것이다.
- 추후 연구 방향으로, 본 연구에서는 남성 성인의 데이터를 이용하여 남성 성인을 대상으로 하는 마스크 프로토타입을 제작하였으나, 여성을 포함하여 다양한 연령대에서의 비교 연구도 필요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서는 얼굴 형태(shape)만 고려하였으나, 앞면부의 경직도(stiffness)와 변동(variance)도 함께 고려하고[10], 마스크 밀착면의 고무 유연성을 고려한 설계가 되어야 할 것이다.
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