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문제 정의
- 각 피시험자들은 보행에 앞서 바닥재의 특정 부위를 인위적으로 딛지 않도록 교육하여 강제보행에서와 같은 문제가 발생하지 않도록 하였다.
- 따라서 정상보행에 따른 바닥재의 마모와 기계적인 마모방법을 비교 평가하고 이를 통하여 기계적 마모방법이 보행마모를 대변할 수 있는지를 찾고자 하였다. 또한 미끄럼 저항값 변화의 원인을 찾기 위해 표면 거칠기 변화와 표면의 습윤성(wettability) 변화를 정량적으로 측정하였다.
가설 설정
- 1은 표준 모래(KS L 5100)를 담은 나무상자와 마모대상이 되는 세라믹타일(상부 사진참조)로 만든 보행로를 보여주는 그림이다. 각 바닥재 및 모래상자는 중심 간격이 600 mm로 ISO의 기준 보폭의 가장 짧은 보폭으로 정하였다. 피시험자는 약 50분 보행 후 10분 정도 휴식하도록 하였으며 각 바닥재는 100,000보가 될 수 있도록 실험하였다.
제안 방법
- . 따라서 바닥재가 마모되는데 영향을 가장 크게 미칠 것으로 판단되는 뒤꿈치의 상대운동을 모사할 시험장치를 제작하였다. 따라서 본 연구에서 제작한 가속 마모시험기는 기존의 연구결과에서 제안한 장치14)를 토대로 본 연구에 적합하게 수정하여 제작하였다.
- 따라서 바닥재가 마모되는데 영향을 가장 크게 미칠 것으로 판단되는 뒤꿈치의 상대운동을 모사할 시험장치를 제작하였다. 따라서 본 연구에서 제작한 가속 마모시험기는 기존의 연구결과에서 제안한 장치14)를 토대로 본 연구에 적합하게 수정하여 제작하였다.
- 정상보행과 가속마모 방법에 따른 바닥재 마모 현상을 비교 평가하였고 이를 통하여 가속마모 방법이 보행마모를 대변할 수 있음을 확인하였다. 또한 마모에 따른 마찰계수 변화의 원인을 찾기 위해 표면 거칠기 변화와 표면의 습윤성(wettability) 변화를 정량적으로 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 따라서 정상보행에 따른 바닥재의 마모와 기계적인 마모방법을 비교 평가하고 이를 통하여 기계적 마모방법이 보행마모를 대변할 수 있는지를 찾고자 하였다. 또한 미끄럼 저항값 변화의 원인을 찾기 위해 표면 거칠기 변화와 표면의 습윤성(wettability) 변화를 정량적으로 측정하였다.
- 2 N/cm의스프링 및 스토퍼로 구성된 하중부로 이루어져 있다. 또한 젖은 상태에서 발생하는 마모 현상을 구현하기 위해 바닥재와 마모편 사이에 물을 일정하게 공급할 수 있도록 하였다.
- 피시험자는 약 50분 보행 후 10분 정도 휴식하도록 하였으며 각 바닥재는 100,000보가 될 수 있도록 실험하였다. 또한 피시험자들의 첫 번째 보행자와 마지막 보행자에게 계수기를 지급하여 1회전(한바퀴)마다 계수를 하도록 하여 최종 보행횟수를 확인하였다.
- 마모 전 표면, 보행마모 및 가속마모 후 표면에 동일한 용량의 액적을 부착시킨 후 최대한 짧은 시간(0.5초 이내) 동안 액적의 접촉 면적을 측정하였다. 이는 시간에 따라 액적의 접촉면적이 변할 수 있기 때문이다17).
- 바닥재의 표면 습윤성을 확인하기 위하여 일정 유량을 토출할 수 있는 마이크로 피펫(Thermo, Finnpipette F1, 1-10 µL)으로 표면에 최대한 천천히 액적을 부착(sessile droplet)시킨 후 디지털 현미경으로 촬영하여 액적의 직경을 측정하였다.
- 이러한 문제에도 불구하고 전체적인 마찰계수 감소 경향이 매우 유사하고 가속마모 750회 및 보행마모100,000보의 마찰계수 값이 통계적으로 유의하게(p<0.05)나타났기 때문에 본 실험결과에서는 가속마모 150회를 보행마모 20,000보로 환산하여 평가하였다.
- 표면 거칠기의 측정은 표면을 1000배 확대하여FOV(Field of View)를 303.28 µm으로, 분해능(resolution)을 0.19 µm로 설정한 상태에서 수행되었다.
- 각 바닥재 및 모래상자는 중심 간격이 600 mm로 ISO의 기준 보폭의 가장 짧은 보폭으로 정하였다. 피시험자는 약 50분 보행 후 10분 정도 휴식하도록 하였으며 각 바닥재는 100,000보가 될 수 있도록 실험하였다. 또한 피시험자들의 첫 번째 보행자와 마지막 보행자에게 계수기를 지급하여 1회전(한바퀴)마다 계수를 하도록 하여 최종 보행횟수를 확인하였다.
대상 데이터
- 바닥재 마모 실험의 피시험자는 20대에서 50대까지 17명(남자 10명, 여자 7명)을 선정하였다. 마모 실험에 사용된 신발은 각 피시험자의 평소 신고 다니는 신발을 그대로착용하도록 하였다.
- 본 연구에서 사용한 가속 마모시험기는 Fig. 2와 같이 20rpm으로 회전하는 원형 바퀴에 마모 지그를 부착하여 제작하였다. 마모 지그는 Table 2와 같은 조건의 연마용 마모편(light grey 7448, ultra fine)을 직경 105 mm PVC 원형관에 부착한 마모부와 바닥과 상대운동 하는 동안 바닥에 약 1 kg의 하중을 가할 수 있도록 굽힘 강성 2.
- 실험에 사용한 액적은 10 µL로 하였으며, 액적을 부착시키기 전 표면은 증류수에 에틸알코올을 50% 첨가한 수용액으로 세척하였다.
데이터처리
- BPT를 이용하여 마모된 바닥재의 미끄럼 저항을 측정할 경우, 시험표면을 각 방향(동서남북)으로 시험하되, 각 방향에 대하여 12회씩 실험을 하여 얻어진 결과 중 최대값과 최소값을 제거하고 나머지 10회를 평균하여 각 방향의 평균 마찰계수로 하였다. 또한 각 바닥재의 전체 마찰계수는 각 방향의 평균 마찰계수를 다시 평균하였다.
- BPT를 이용하여 마모된 바닥재의 미끄럼 저항을 측정할 경우, 시험표면을 각 방향(동서남북)으로 시험하되, 각 방향에 대하여 12회씩 실험을 하여 얻어진 결과 중 최대값과 최소값을 제거하고 나머지 10회를 평균하여 각 방향의 평균 마찰계수로 하였다. 또한 각 바닥재의 전체 마찰계수는 각 방향의 평균 마찰계수를 다시 평균하였다.
이론/모형
- 선택된 영역은 3차원적으로 정밀 측정되었다. 바닥재의 표면 거칠기는 EN ISO 4287에 따라 필터를 거치지 않은 원래의 표면형상을 이용하여 표본 길이 내에서 평균선 위의 최대 높이(Pp)를 사용하였다.
- 실험에 사용한 오염물질은 증류수 한 가지만 사용하였으며 각 실험 전 바닥재의 세척 및 센서의 처리는 기존방법16)에 따랐다.
- 6은 마모 전 바닥재의 표면 거칠기와 가속마모 및 보행마모 후의 바닥재 표면 거칠기 변화를 나타낸 그림이다. 일반적으로 표면 거칠기는 산술 평균 거칠기(Ra)나 10점 평균 거칠기(Rz)를 사용하지만 본 연구에서는 필터를 거치지 않은 원본 표면 형상의 변화를 확인하기 위하여 기초 파라미터(primary parameter, Pp)를 사용하였다. 이러한 파라미터를 사용한 이유는 컷오프 길이에 의한 영향을 배제하기 위해서이다18).
성능/효과
- 1) 보행마모와 가속마모에 따른 마찰계수는 통계적으로 유의한 차이가 나타났지만 마찰계수 감소 경향이 매우 유사하였고 100,000보와 750회 의 마찰계수사이에 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않아 가속마모 결과를 이용하여 보행마모를 추정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 2) 마모 전 표면 거칠기는 0 µm에서 35 µm사에서 나타나고 있으나 보행마모 및 가속마모 후 15 µm이상의 큰 거칠기는 거의 없어지고 10 µm미만에서 크게 증가하였다.
- 3) 마모 전 접촉 면적이 14 mm2인 반면 마모 후 접촉 면적이 20 mm2 이상으로 증가하여 마모에 따라 습윤성이 증가하였다.
- 4) 마모에 따른 마찰계수 감소는 표면의 거칠기 감소뿐만 아니라 혼합윤활영역에서 표면의 친수성 증가에 의해 나타나는 것으로 판단된다.
- 가속마모와 보행마모를 비교하면 정확하게 일치하지는 않지만 전체적인 경향으로 보아 150회의 가속마모가 20,000보의 보행마모와 유사한 것으로 판단된다. 그러나 가속마모 150회의 배수와 보행마모20,000보의 배수를 비교하면 통계적으로 유의하게 나타나지는 않고 있다(p>0.
- 따라서 마모되지 않은 세라믹 바닥재 표면은 소수성과 거칠기로 인하여 접촉 면적이 감소하지만, 마모된 바닥재의 경우 표면 거칠기가 감소하여 젖은 면적이 감소하지만반대로 유약의 탈락 및 마모로 친수성 표면이 나타나 접촉 면적이 증가할 것이다. 이러한 두 가지 상반된 영향으로 접촉 면적이 변하기 때문에 마모 후의 마찰계수가 영향을 받은 것으로 판단된다.
- 전체적인 경향으로 마찰계수는 가속마모 횟수 및 보행횟수가 증가함 따라 초기에 조금 낮아지고 일정하게 유지되다 300회 또는 40,000보 부근에서 다시 감소하여 600회 또는 80,000보 정도에서 일정해진다. 이러한 마찰계수의 감소추세는 기존의 가속마모 실험12)에서도 유사하게 나타났다.
- 정상보행과 가속마모 방법에 따른 바닥재 마모 현상을 비교 평가하였고 이를 통하여 가속마모 방법이 보행마모를 대변할 수 있음을 확인하였다. 또한 마모에 따른 마찰계수 변화의 원인을 찾기 위해 표면 거칠기 변화와 표면의 습윤성(wettability) 변화를 정량적으로 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
후속연구
- 현재까지 이러한 미끄럼 저항성 변화를 정확하게 예측하거나 평가할 수 있는 방법 또는 시험 기준이 정립되지 않아 실제로 미끄럼 저항성 변화를 예측하기는 어려운 실정이다. 그러나 기존의 연구들에서 지속가능한 바닥재의 미끄럼 저항 성능평가방법12), 보행마모에 따른 바닥재의 내구성 평가 방법13), 마모에 따른 바닥재 미끄럼 저항 변화 추정법14) 등을 연구하였기 때문에 이를 바탕으로 정량적이고 정성적인 연구를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
- . 그러나 본 연구결과는 보행마모와 가속마모를 상관시켰기 때문에 가속마모를 이용하여 바닥재를 마모시키더라도 보행마모의 특성을 나타낼 수 있을 것으로 판단된다. 또한 앞으로 다양한 바닥재의 마모에 따른 마찰계수 변화를 가속마모를 통하여 추정할 수 있을 것으로 사료된다.
- 그러나 본 연구결과는 한 가지 종류의 마모편만을 사용하였기 때문에 마모편이 달라질 경우 실험결과도 상이하게 바뀔 수 있다. 따라서 보행마모를 추정하기 위해 사용한 가속마모편의 선택에 따라 상이한 결과12)가 나타날 수 있기 때문에 이에 대하여 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 그러나 본 연구결과는 보행마모와 가속마모를 상관시켰기 때문에 가속마모를 이용하여 바닥재를 마모시키더라도 보행마모의 특성을 나타낼 수 있을 것으로 판단된다. 또한 앞으로 다양한 바닥재의 마모에 따른 마찰계수 변화를 가속마모를 통하여 추정할 수 있을 것으로 사료된다.
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