The purpose of this study was (a) to develop carbon nanotube-based shock absorbers for reducing potentially harmful impact forces and excessive foot pronation, and (b) to briefly determine how the effects of carbon nanotube-based shock absorbers on biomechanical variance during drop landing. A unive...
The purpose of this study was (a) to develop carbon nanotube-based shock absorbers for reducing potentially harmful impact forces and excessive foot pronation, and (b) to briefly determine how the effects of carbon nanotube-based shock absorbers on biomechanical variance during drop landing. A university student(age: 24.0 yrs, height: 176.2 cm, weight: 679.5 N) who has no musculoskeletal disorder was recruited as the subject. Hardness, specific gravity, tensile strength, elongation, 100% modulus, tear strength, split tear strength, compression set, resilience, vertical GRF, and loading rate were determined for each material. For each dependent variable, a descriptive statistics was used for different conditions. The property test results showed that tensile strength, tear strength, split tear strength, compression set, and resilience in carbon nanotube-based shock absorbers were greater than general Ethylene Vinyl Acetate(EVA). These indicated that resistance against variable strength in developed carbon nanotube-based shock absorbers were greater than general EVA. In vertical GRF of CNTC was less than those of EVA during drop landing and loading rate of CNTC was greater than EVA. It seems that the use of CNT can be a effective way of reducing and controlling shock from impact.
The purpose of this study was (a) to develop carbon nanotube-based shock absorbers for reducing potentially harmful impact forces and excessive foot pronation, and (b) to briefly determine how the effects of carbon nanotube-based shock absorbers on biomechanical variance during drop landing. A university student(age: 24.0 yrs, height: 176.2 cm, weight: 679.5 N) who has no musculoskeletal disorder was recruited as the subject. Hardness, specific gravity, tensile strength, elongation, 100% modulus, tear strength, split tear strength, compression set, resilience, vertical GRF, and loading rate were determined for each material. For each dependent variable, a descriptive statistics was used for different conditions. The property test results showed that tensile strength, tear strength, split tear strength, compression set, and resilience in carbon nanotube-based shock absorbers were greater than general Ethylene Vinyl Acetate(EVA). These indicated that resistance against variable strength in developed carbon nanotube-based shock absorbers were greater than general EVA. In vertical GRF of CNTC was less than those of EVA during drop landing and loading rate of CNTC was greater than EVA. It seems that the use of CNT can be a effective way of reducing and controlling shock from impact.
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문제 정의
따라서 본 연구의 목적은 충격 흡수력을 증가시키며 동시에 구조적 특성의 변화를 최소화 할 수 있는 탄소나노튜브를 기반으로 하는 충격흡수제를 개발하기 위해 물리적 특성 비교분석(mechanical property)과 사례 연구를 통해 충격흡수제가 인체의 충격력 조율에 미치는 영향을 살펴보는데 있다.
본 연구는 새로운 소재로 각광 받고 있는 탄소나노튜브와 기존의 EVA소재의 최적의 비율을 찾아내어 역학적 강도와 변형률 모두를 만족할 수 있는 최적의 충격흡수제를 개발하고자 하였다. 또한 이렇게 개발된 탄소나노튜브를 기반으로 하는 발포체가 인체의 충격력 조율에 어떠한 효과가 있는지 알아보았다.
본 연구는 새로운 소재로 각광 받고 있는 탄소나노튜브와 기존의 EVA소재의 최적의 비율을 찾아내어 역학적 강도와 변형률 모두를 만족할 수 있는 최적의 충격흡수제를 개발하고자 하였다. 또한 이렇게 개발된 탄소나노튜브를 기반으로 하는 발포체가 인체의 충격력 조율에 어떠한 효과가 있는지 알아보았다.
본 연구의 2차 실험 피험자는 피로를 유발시킬 수 있는 강도높은 신체 활동을 실험 4주 전부터 금지하였으며, 실험에 앞서10분간 가볍게 워밍업을 실시하였다. 본 연구에서는 점프에 의한 충격력이 가미되지 않은 순수한 수직 지면반력 데이터를 얻고자 하였다. 따라서 피험자는 왼쪽 무릎을 최대한 신전시킨상태에서 오른발을 전방으로 내딛음으로써 피험자의 체중이동에 의한 낙하가 이루어질 수 있도록 유도하였다.
본 연구의 1차 실험에서는 가장 이상적인 소재로 주목받고 있는 탄소나노튜브를 기반으로 하는 충격흡수제를 개발하는데 그 목적이 있다.
본 연구의 2차 실험에서는 최적의 비율로 혼합된 탄소나노튜브를 기반으로 하는 충격흡수제가 인체의 충격력 조율에 어떠한 영향을 미치는지 알아보는데 있었다.
본 연구의 2차 실험은 탄소나노튜브를 기반으로 하는 충격흡수제가 인체에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 하지근골격계에 이상이 없는 1명의 피험자를 대상으로 사례연구를실시하였다. 피험자의 연령은 24.
제안 방법
피험자는 실험 전 상의를 탈의한 후, 체형에 맞는 동일한 제품의 하의 타이즈를 착용하였다. [Figure 4]와 같이 기존 EVA발포체를 부착한 상태와 CNTC를 부착한 상태에서의 드롭 착지동작 시 지면반력 측정을 각각 3초씩, 3회 반복하여 수집이 이루어졌으며, 측정한 자료 중 가장 자연스러운 동작 1회를 선정하여 분석하였다.
① 지면반력기 : 본 연구에서는 지면반력, 부하율(loading rate)과 압력중심의 변위값을 측정하기 위해 지면반력기(AMTI, OR6-5) 1대를 설치하였다. 기본적인 전체 시스템은 센서유닛, 로드셀 구동회로 및 증폭기, 동기화 샘플및 송신모듈, A/D 변환기로 구성되었다.
③ 탄소나노튜브를 활용한 충격흡수제(Carbon NanoTube Composites; CNTC) : 본 연구의 피험자는 1차 실험에서 제작된 충격흡수제와 기존 EVA 발포체를 발앞꿈치(가로 4 cm, 세로8 cm, 두께 1 cm)와 발뒤꿈치(지름 5 cm, 두께 1 cm)에부착하여 드롭 착지동작을 실시하였다(Figure 4).
개발된 CNT(Carbon NanoTube) 함유 발포체와 기존의 EVA 발포체간의 물성 테스트를 실시하여 측정된 항목별 수치와 드롭 착지동작 시 지면반력 변인에 대한 기술통계량(Descriptive statistics)을 제시하였다.
개발된 CNT(Carbon NanoTube) 함유 발포체와 기존의 EVA 발포체간의 물성 테스트를 실시하였으며, 테스트 항목은 Hardness, Specific gravity, Tensile strength, Elongation, 100modulus, tear strength, split tear strength, Compression set, Resilience를 측정하였다.
① 지면반력기 : 본 연구에서는 지면반력, 부하율(loading rate)과 압력중심의 변위값을 측정하기 위해 지면반력기(AMTI, OR6-5) 1대를 설치하였다. 기본적인 전체 시스템은 센서유닛, 로드셀 구동회로 및 증폭기, 동기화 샘플및 송신모듈, A/D 변환기로 구성되었다.
이러한 낙하동작을 반복 연습하여 보다 자유낙하에 가까운 동작이 이루어질 수 있도록 요구하였다. 또한 착지동작에서는 피험자의 오른발이 지면반력기 안으로 착지될 수 있도록 유도하였고, 두 발이 완전히 착지된 후에는 자연스러운 굴곡 동작이 유발될 수있도록 하였다.
본 연구의 1차 실험에서는 개발된 충격흡수제와 기존 EVA발포체와의 물리적 특성을 비교 분석하기 위해 [Table 2]에서제시한 경도계, 비중계, 만능시험기, Aging oven, 반발탄성시험기를 사용하였다.
본 연구의 1차 실험은 한국신발피혁연구소에서 탄소 나노튜브를 활용한 충격흡수제의 제조공정이 진행되었다. 실험전, 발포체제작 시 최상의 교반 및 혼합조건을 위해 금형은 60 ℃ oven에,본 실험에 사용되어질 P액(MP 5460)과 R액(MR 5460)은 67 ℃oven에 각각 보관하였다.
본 연구의 2차 실험 피험자는 피로를 유발시킬 수 있는 강도높은 신체 활동을 실험 4주 전부터 금지하였으며, 실험에 앞서10분간 가볍게 워밍업을 실시하였다. 본 연구에서는 점프에 의한 충격력이 가미되지 않은 순수한 수직 지면반력 데이터를 얻고자 하였다.
0 program(Visol Inc, Korea)을 사용하였다. 수집된 지면반력값은 피험자의 체중을 사용하여 표준화하였다.
피험자는 실험 전 상의를 탈의한 후, 체형에 맞는 동일한 제품의 하의 타이즈를 착용하였다. [Figure 4]와 같이 기존 EVA발포체를 부착한 상태와 CNTC를 부착한 상태에서의 드롭 착지동작 시 지면반력 측정을 각각 3초씩, 3회 반복하여 수집이 이루어졌으며, 측정한 자료 중 가장 자연스러운 동작 1회를 선정하여 분석하였다.
데이터처리
지면반력 데이터 분석은 KwonGRF 2.0 program(Visol Inc, Korea)을 사용하였다. 수집된 지면반력값은 피험자의 체중을 사용하여 표준화하였다.
이론/모형
② 드롭 점프를 위해 제작된 플랫폼 : 드롭 점프를 위한 플랫폼은 Bobbert, Huijing와 van Ingen Schenau(1987)의 연구에서 제시한 방법에 의해 넓이 0.7m2와 높이 0.6 m로 제작하여 지면반력기(AMTI OR6-5) 후면 중앙에 설치하였다.전체 실험장비의 배치는 아래와 같다(Figure 3).
성능/효과
따라서, 본 실험 시 개발된 CNT 함유 발포체는 기존의 신발의 충격흡수제로 사용되었던 EVA소재의 분자구조와 물리적 개연성이 있는 것으로 판단된다. 또한, 물성테스트 결과 CNT 함유 발포체는 기존의 일반 발포체에 비해 부드럽고 유연하면서도, 다양한 강도에 대한 저항성은 큰 것으로 사료된다.
2% 감소하였다. 또한 부하율에 있어서도CNTC를 착한 상태가 EVA를 부착한 상태보다 32.8% 감소하였다(Table 5).
따라서, 본 실험 시 개발된 CNT 함유 발포체는 기존의 신발의 충격흡수제로 사용되었던 EVA소재의 분자구조와 물리적 개연성이 있는 것으로 판단된다. 또한, 물성테스트 결과 CNT 함유 발포체는 기존의 일반 발포체에 비해 부드럽고 유연하면서도, 다양한 강도에 대한 저항성은 큰 것으로 사료된다.
본 연구의 결과, 탄소나노튜브가 함유된 발포체의 경우 EVA발포체에 비해 인장강도(tensile strength), 신장률(elongation), 인열강도(tear strength), 스플릿 인열강도(split tear strength), 최대압축률(compression set), 탄성률(resilience)이 증가되어졌다. 또한,드롭 착지동작 시 인체의 지면반력 변인들을 비교해 본 결과,최대 수직 지면반력값에서 CNTC를 부착한 상태가 EVA를 부착한 상태보다 감소하였고, 부하율에서도 CNTC를 부착한 상태가 EVA를 부착한 상태보다 감소한 결과를 보였다.
본 연구의 물성테스트 결과는 탄소나노튜브가 함유된 발포체의 경우 EVA 발포체에 비해 인장강도(tensile strength), 신장률(elongation), 인열강도(tear strength), 스플릿 인열강도(split tear strength), 최대압축률(compression set), 탄성률(resilience)이 높게나타났다. 반면, 표면의 굳기를 나타내는 경도(Hardness), 표준물질의 질량과의 비율을 나타내는 비중(Specific gravity), 그리고물체가 100% 늘어난 상태에서 갖는 응력을 나타내는 100% 인장응력(100% Modulus)은 다소 적게 나타났다(Table 4, Figure 5).
본 연구의 결과, 탄소나노튜브가 함유된 발포체의 경우 EVA발포체에 비해 인장강도(tensile strength), 신장률(elongation), 인열강도(tear strength), 스플릿 인열강도(split tear strength), 최대압축률(compression set), 탄성률(resilience)이 증가되어졌다. 또한,드롭 착지동작 시 인체의 지면반력 변인들을 비교해 본 결과,최대 수직 지면반력값에서 CNTC를 부착한 상태가 EVA를 부착한 상태보다 감소하였고, 부하율에서도 CNTC를 부착한 상태가 EVA를 부착한 상태보다 감소한 결과를 보였다.
본 연구의 물성테스트 결과는 탄소나노튜브가 함유된 발포체의 경우 EVA 발포체에 비해 인장강도(tensile strength), 신장률(elongation), 인열강도(tear strength), 스플릿 인열강도(split tear strength), 최대압축률(compression set), 탄성률(resilience)이 높게나타났다. 반면, 표면의 굳기를 나타내는 경도(Hardness), 표준물질의 질량과의 비율을 나타내는 비중(Specific gravity), 그리고물체가 100% 늘어난 상태에서 갖는 응력을 나타내는 100% 인장응력(100% Modulus)은 다소 적게 나타났다(Table 4, Figure 5).
실험결과, 탄소나노튜브가 함유된 발포체는 기존의 일반 스포츠운동화 중창 소재인 EVA에 비해 경도, 비중, 그리고 인장응력은 다소 낮게 나타난 반면, 인장강도(tensile strength), 신장률(elongation), 인열강도(tear strength), 스플릿 인열강도(split tear strength), 최대압축률(compression set), 탄성률(resilience)에서는다소 높게 나타났다. 인장강도는 인장 하중에 의해 시료편이끊어질 때까지의 최대응력을 말하고, 신장률은 물질의 늘어남정도를 뜻 한다.
최대 수직 지면반력 및 부하율에서는 CNTC를 부착한 상태가 기존 EVA를 부착한 상태보다 낮게 나타났다. Lees(1981)는경직된 착지와 유연한 착지와의 비교에서 전자가 후자에 비해짧은 시간 동안에 더 큰 지면반력을 나타냈음을 보고하였다.
최대 수직 지면반력값에서 CNTC를 부착한 상태가 EVA를부착한 상태보다 19.2% 감소하였다. 또한 부하율에 있어서도CNTC를 착한 상태가 EVA를 부착한 상태보다 32.
후속연구
본 연구를 통해 새로운 신소재로 각광 받고 있는 탄소나노튜브를 기반으로 하는 충격흡수제가 충격 완충에 어떤 영향을 미치는지 밝혀낼 수 있을 것으로 생각된다. 더 나아가 하지 근골격계에 발생되어지는 비정상적인 충격력을 최소화하여 운동에 따른 부상을 현저히 줄일 수 있는 새로운 기술 개발을 위한 기초자료로 본 연구의 결과가 아주 유용하게 사용되어질 수 있을 것이다.
따라서 보다 이상적인 물성을 가진 소재 개발을 위해 탄소나노튜브의 교반 비율에 따른 발포체의 물리적 다양성에 더욱초점을 맞추고, 개발된 충격흡수제가 최적의 형태로 신발에 적용될 수 있도록 연구를 보완해야 할 것으로 생각된다. 또한 발자체의 부상 예방과 충격흡수 관점에 국한시켜 연구 개발되는 것이 아니라, 신발 착용 시 하지 관절과 허리의 부상 예방 및트레이닝의 효과 극대화를 위한 방향으로 연구가 이루어져야할 것으로 판단된다.
따라서 보다 이상적인 물성을 가진 소재 개발을 위해 탄소나노튜브의 교반 비율에 따른 발포체의 물리적 다양성에 더욱초점을 맞추고, 개발된 충격흡수제가 최적의 형태로 신발에 적용될 수 있도록 연구를 보완해야 할 것으로 생각된다. 또한 발자체의 부상 예방과 충격흡수 관점에 국한시켜 연구 개발되는 것이 아니라, 신발 착용 시 하지 관절과 허리의 부상 예방 및트레이닝의 효과 극대화를 위한 방향으로 연구가 이루어져야할 것으로 판단된다. 이렇게 개발된 충격흡수제가 적용된 신발이 운동부상 예방을 위한 충격력의 완화뿐만 아니라 엘리트 선수의 운동수행력 향상에 보다 큰 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
이는 향후 신발의 Insole과 Outsole에 개발된 물질이 적용될때 착용 시에는 부드러우면서도 지속적인 착용으로 인한 신발의 변형은 줄여 줄 수 있을 것으로 기대된다. 또한 최초 신발이가지고 있는 충격력의 흡수전략 혹은 에너지 전달체계를 오랜기간 지속시켜 줄 수 있을 것이라 사료되어진다.
이렇게 개발된 충격흡수제가 적용된 신발이 운동부상 예방을 위한 충격력의 완화뿐만 아니라 엘리트 선수의 운동수행력 향상에 보다 큰 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다. 본 실험에서는 최적의 물성을 가진 충격흡수제를 개발하기 위해 주로 기존의 EVA와 탄소나노튜브의 교반 비율과 물리적 특성 테스트에 초점을 맞춰 이루어졌지만, 추후 연구에서는 운동학적, 운동역학적, 그리고 근활성도 비교분석을 통해 이렇게 개발된 탄소나노튜브를 기반으로 하는 충격흡수제가 생체역학적(Biomechanical) 변인에 어떠한 영향을 미치는가에 대한연구 또한 이루어져야 할 것으로 사료된다.
본 연구를 통해 새로운 신소재로 각광 받고 있는 탄소나노튜브를 기반으로 하는 충격흡수제가 충격 완충에 어떤 영향을 미치는지 밝혀낼 수 있을 것으로 생각된다. 더 나아가 하지 근골격계에 발생되어지는 비정상적인 충격력을 최소화하여 운동에 따른 부상을 현저히 줄일 수 있는 새로운 기술 개발을 위한 기초자료로 본 연구의 결과가 아주 유용하게 사용되어질 수 있을 것이다.
이는 향후 신발의 Insole과 Outsole에 개발된 물질이 적용될때 착용 시에는 부드러우면서도 지속적인 착용으로 인한 신발의 변형은 줄여 줄 수 있을 것으로 기대된다. 또한 최초 신발이가지고 있는 충격력의 흡수전략 혹은 에너지 전달체계를 오랜기간 지속시켜 줄 수 있을 것이라 사료되어진다.
또한 발자체의 부상 예방과 충격흡수 관점에 국한시켜 연구 개발되는 것이 아니라, 신발 착용 시 하지 관절과 허리의 부상 예방 및트레이닝의 효과 극대화를 위한 방향으로 연구가 이루어져야할 것으로 판단된다. 이렇게 개발된 충격흡수제가 적용된 신발이 운동부상 예방을 위한 충격력의 완화뿐만 아니라 엘리트 선수의 운동수행력 향상에 보다 큰 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다. 본 실험에서는 최적의 물성을 가진 충격흡수제를 개발하기 위해 주로 기존의 EVA와 탄소나노튜브의 교반 비율과 물리적 특성 테스트에 초점을 맞춰 이루어졌지만, 추후 연구에서는 운동학적, 운동역학적, 그리고 근활성도 비교분석을 통해 이렇게 개발된 탄소나노튜브를 기반으로 하는 충격흡수제가 생체역학적(Biomechanical) 변인에 어떠한 영향을 미치는가에 대한연구 또한 이루어져야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
나노기술이란?
나노기술(nanotechnology)은 원자나 분자 단위의 극 미세 물질을 인위적으로 조작함으로써 새로운 성질과 기능을 가진 물질이나 장치를 만드는 것이다. 현재 스포츠 현장에서도 나노기술은 다양하게 적용되어지고 있다.
일반적으로 스포츠 운동화의 중창 부분에 사용되는 재질은?
일반적인 스포츠 운동화의 중창 부분에는 EVA(ethylene vinyl acetate) 또는 합성 고무인 폴리우레탄(polyurethane)과 같은 부드러운 재질의 폼을 주로 사용한다. 이러한 재질의 운동화는 내구성이 약해 반복적인 부하에 탄성력이 현저하게 감소되어진다.
나노 탄소 튜브의 장점은?
특히 강도와 변형률의 상반되는 물질적 특성에 발생되는 문제점을 해결하기 위해 탄소나노튜브(carbon natotube)가 새로운 신소재로 각광 받고 있다. 탄소나노튜브는초강도, 초경량, 초탄성력을 가지며 극도의 신축성과 파괴점에도달하지 않은 상태에서 반복적으로 압축 신장운동을 시킬 수있는 가장 이상적인 소재이다.
참고문헌 (10)
Bobbert, M. F., Huijing, P. A., & van Ingen Schenau, G. J.(1987). Drop jumping II. The influence of dropping height on the biomechanics of drop jumping. Medicine and Science in Sports and Exercise, 19, 339-346.
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Jo, S. C.(1999). Biomechanical analysis of bare foot landing and shod foot landing in dropJump. International Journal of Human Movement Science, 38(3), 715-725.
Lees, A.(1981). Methods of impact absorption when landing from a jump. Engineering in Medicine, 10(4), 207-211. Worthington, OH: Bertec Corporation.
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Suhr, O., Koratkar, N., Keblinski, P., & Ajayan, P.(2005). Viscoelasticity in carbon nanotube composites. Journal of Nature Materials, 4, 134-137.
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