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문제 정의
- 개발 센서가 적용된 시제품의 유통, 보관 환경 조건에 따른 표시 데이터의 유효성 및 작동 내구성을 평가하고자 하였다. 작동성능 평가는 3가지 환경조건(table 1)에서 평가하였으며, 각 환경조건에서 2시간 이상의 간격으로 온습도를 15회 반복 측정하여 측정값이 (±3)℃, (±5) %R.
- 이를 위해 본 연구에서는 공기의 접촉이 많은 크림화장품의 단점을 개선하고, 변질 방지를 통한 사용기간 향상 및 편익 증대를 위해 밀폐작동구조 토출 방식 및 IoT 접목기술 등을 통하여 내구성과 기능성 그리고 사용성이 편리한 스마트한 화장품 용기를 개발하였다. 또한, 전용 어플리케이션을 통해 변질되는 상태를 사용자가 인지하도록 함으로써 소비자의 안전성 및 편익을 증대하고자 하였다.
- 이를 위해 본 연구에서는 공기의 접촉이 많은 크림화장품의 단점을 개선하고, 변질 방지를 통한 사용기간 향상 및 편익 증대를 위해 밀폐작동구조 토출 방식 및 IoT 접목기술 등을 통하여 내구성과 기능성 그리고 사용성이 편리한 스마트한 화장품 용기를 개발하였다. 또한, 전용 어플리케이션을 통해 변질되는 상태를 사용자가 인지하도록 함으로써 소비자의 안전성 및 편익을 증대하고자 하였다.
- 크림제형 화장품의 상태를 용기 외부에 표시하여 사용자에게 정보를 제공할 수 있는 스마트 패키징 디자인을 개발하고자 하였다. 센서 및 PCB 기판의 적용을 위해서 크래들형의 화장품 용기를 디자인하였으며, 화장품용기에 센서 및 PCB가 사용됨으로써 상승할 생산 단가의 영향을 최소화하기 위하여 리필형 용기로 구성하였다.
- 화장품 내용물의 모니터링이 가능한 화장품 스마트 패키징을 제작하기 위하여 화장품 업계 실무자를 대상으로 경험 및 선호도를 조사하였다. 대부분의 설문자가 화장품 사용 시 유통기한 준수를 위해 기한을 확인하며, 보관환경에 의한 화장품 내용물의 변질이 빈번한 것을 확인하였다.
제안 방법
- 용기의 감압누설시험은 KCA S TM C2 「감압누설시험방법」에 따라 화장품 용기의 정상조립 상태에서 용기, 마개, 펌프, 팩킹 등 접촉부의의 밀착상태 또는 균열 등을 감압 시 액의 누설여부로 평가하였다. 0~100 kPa을 유지할 수 있는 진공건조기에 화장품 용기를 넣고, 진공도를 약 33.7 kPa로 조절한 상태로 10분간 유지하여 감압누설시험을 실시하였다.
- pH 센서의 작동성은 72시간 후 상온조건에서 pH 4, 7, 10의 버퍼용액을 10회 반복 측정하여 측정값이 (±1) 이내로 정상 작동하는지 확인하였다.
- 각 환경조건에서 72시간동안 방치 후 센서의 이상여부를 확인하기 위해 상온에서 버퍼용액 3종(pH 4, 7, 10)의 pH를 10회 반복 측정하였다. pH 측정 결과, 모든 측정치가 설정 조건인 (±1) 이내로 측정되었으며, 각 버퍼용액의 pH 결과의 표준편차가 0.
- 개발 화장품 용기에 대하여 보관 및 유통 환경에서의 내구성을 확인하기 위하여 내열성 및 내한성을 평가하였다. 내용물이 충진된 상태의 용기에 대하여 (2 ± 3)℃와 (45 ±3)℃의 조건에서 각각 평가하였으며, 7일 이후의 내용물 및 용기의 수축·팽창에 의한 변화, creep 현상, 작동불량이 발생하지 않았다.
- 개발한 화장품 스마트 패키징 디자인에 적용할 수 있도록 센서를 적용하여 PCB 기판을 설계·디자인하였다.
- KCA S TM C5 「용기의 내열성 및 내한성 시험방법」에 준하여 용기의 내열성 및 내한성을 평가하였다. 규정 용량의 내용물을 용기에 충전하고 정상 캡핑한 다음 규정 온도의 냉장고 및 항온조에 7일간 방치하여 내용물 및 부재료의 수축 및 팽창에 의한 변화, creep 현상에 의한 변형 및 기능저하 여부를 확인하였다.
- 내용물이 충진된 상태의 용기에 대하여 (2 ± 3)℃와 (45 ±3)℃의 조건에서 각각 평가하였으며, 7일 이후의 내용물 및 용기의 수축·팽창에 의한 변화, creep 현상, 작동불량이 발생하지 않았다.
- 대한화장품협회의 화장품용기시험법 중 용기의 감압누설, 내열성, 내한성, 낙하, 크로스컷트 시험을 통해 개발한 화장품 스마트 패키징의 내구성을 평가하였다.
- 센서 및 PCB 기판의 적용을 위해서 크래들형의 화장품 용기를 디자인하였으며, 화장품용기에 센서 및 PCB가 사용됨으로써 상승할 생산 단가의 영향을 최소화하기 위하여 리필형 용기로 구성하였다. 또한, 내용물이 외부로 노출되어 산화 또는 변질되는 문제점을 개선하고자 공기 접촉과 오염도를 최소화할 수 있는 방식으로서 회전 토출방식을 적용하였다.
- 모바일 어플리케이션은 화장품 용기내의 PCB와 bluetooth로 연동되어 온도, 습도, pH, 사용빈도, 남은 유통기한이 표시되며, 연동된 화장품의 세부 정보를 확인할 수 있도록 제작하였다.
- 제작한 센서 및 PCB를 적용할 수 있는 스마트 화장품 용기를 설계, 디자인하였고, 제작한 스마트 화장품 용기의 내구성을 확인하였다. 비교적 부피가 큰 센서를 적용하기 위하여 크래들 형태를 적용하였으며, 내용물 용기에 회전토출방식을 적용하여 밀폐성을 높였다. 제작한 화장품 용기의 감압누설, 내열성, 내한성, 낙하, 크로스컷트 시험 결과, 각 시험 후 용기의 변형, creep 현상, 분리, 균열, 파열, 변색 등의 손상이 발생하지 않았으며, 누설 및 작동불량이 발생하지 않았다.
- 사용 및 운송 시의 낙하 안전성을 확인하기 위해 자유낙하시험을 통한 파손, 분리 및 작동불량을 평가하였다. (1.
-
1. 스마트 화장품 선호도 조사
사용자의 화장품 사용 환경에 대한 이해와, 연구방향 설정을 위한 개인의 화장품 사용 환경과 경험을 조사하고자 화장품 업계 실무자를 대상으로 설문조사를 실시하였다.
- 설문조사 결과를 바탕으로 보관환경의 온·습도, 사용빈도, 유통기한, 내용물 제조성분 표시기능을 추가하여 센서· PCB 및 모바일 어플리케이션을 제작하였으며, 기능의 작동성을 확인하였다.
- 크림제형 화장품의 상태를 용기 외부에 표시하여 사용자에게 정보를 제공할 수 있는 스마트 패키징 디자인을 개발하고자 하였다. 센서 및 PCB 기판의 적용을 위해서 크래들형의 화장품 용기를 디자인하였으며, 화장품용기에 센서 및 PCB가 사용됨으로써 상승할 생산 단가의 영향을 최소화하기 위하여 리필형 용기로 구성하였다. 또한, 내용물이 외부로 노출되어 산화 또는 변질되는 문제점을 개선하고자 공기 접촉과 오염도를 최소화할 수 있는 방식으로서 회전 토출방식을 적용하였다.
- 개발한 화장품 스마트 패키징 디자인에 적용할 수 있도록 센서를 적용하여 PCB 기판을 설계·디자인하였다. 어플리케이션을 연결하는 방법 외에 화장품 내용물 및 보관환경의 상태를 용기에서 직관적으로 확인할 수 있도록 LED를 설치하였으며, 크래들에 용기가 놓여있을 때 센서의 측정값에 따라 RGB 컬러로 LED가 점등되는 형태로 설계하였다. 화장품 용기 외관에서 색변화를 통해 직관적으로 확인할 수 있어 보관환경의 상태를 효율적으로 소비자에게 전달할 수 있을 것으로 사료된다.
- 0 통신모듈이 포함되어 저전력 설계가 가능하며, RTC(real time clock)가 내장되어 있어 유통기한 설정을 통한 확인이 가능하다. 용기의 소형화 및 PCB의 공간확보를 위하여 pH 센서를 소형화 하였으며, pH 전극부의 길이가 20 mm인 유리제 electrode를 외부제작(Lotus prosuming management, Korea)하여 화장품 용기 크래들에 적용하였다.
- 자유낙하시험을 통해 다양한 형태의 조립 화장품 용기의 운송, 취급 및 사용과정에서 낙하 충격에 의해 발생하는 파손, 분리 및 작동불량에 대해 평가하였다. 낙하시험은 화장품용기시험방법 KCA S TM C12 「낙하 시험방법」에 준하여 평가하였으며, 높이 (1.
- 작동성능 평가는 3가지 환경조건(table 1)에서 평가하였으며, 각 환경조건에서 2시간 이상의 간격으로 온습도를 15회 반복 측정하여 측정값이 (±3)℃, (±5) %R.H. 이내로 정상 작동하는지 확인하였다.
- 제작 시작품의 표면 가공처리 후 용기 소재 및 표면처리의 안정성을 확인하기 위해 크로스컷트를 통해 코팅막의 밀착성을 평가하였다. 크로스컷트 시험결과 코팅막의 박리가 일어나지 않는 것을 확인하였다.
- 제작한 개발 화장품 스마트 패키징의 센서유닛에 대한 환경조건에 따른 작동성능을 확인하기 위하여 3가지 환경조건에서 온습도를 2시간 이상의 간격으로 15회 반복 측정하였다. 각 환경조건에서 온·습도 측정 결과, 모든 측정치가 설정범위인 (±3)℃, (±5)%R.
- 이내로 작동하였고, pH는 (±1) 이내로 측정되어 각 환경조건에서 설정한 기준치 이내로 정상 작동하는 것을 확인하였다. 제작한 센서 및 PCB를 적용할 수 있는 스마트 화장품 용기를 설계, 디자인하였고, 제작한 스마트 화장품 용기의 내구성을 확인하였다. 비교적 부피가 큰 센서를 적용하기 위하여 크래들 형태를 적용하였으며, 내용물 용기에 회전토출방식을 적용하여 밀폐성을 높였다.
- 개발한 스마트 화장품 용기 코팅막 및 도금의 밀착성을 평가하기 위하여 KCA S TM C14 「크로스컷트 시험방법」에 준하여 평가하였다. 커팅간격 1 mm, 간격 수 11줄의 크로스커터를 사용하여 격자무늬로 그은 후 점착테이프로 박리하여 코팅막 분리여부를 통해 코팅막의 밀착성을 평가하였다.
- 크래들을 적용함으로서 내용물 용기 부피의 감소가 가능하여 디자인 구현이 자유로우며, 내용물 용기의 휴대성을 높였다. 크래들은 지정된 장소에 고정되어 사용되어 지므로 교체형 배터리가 아닌 외부전원공급이 가능한 형태로 설계하였다.
- 화장품 내용물의 잔여 사용시간, 온도 및 습도, pH를 측정할 수 있는 센서 및 PCB 기판의 설치공간 확보를 위해 크래들 타입의 디자인을 적용하였다. 크래들을 적용함으로서 내용물 용기 부피의 감소가 가능하여 디자인 구현이 자유로우며, 내용물 용기의 휴대성을 높였다.
- 화장품 사용자 대상 설문조사 결과를 토대로 모바일 어플리케이션에 온습도 환경, 사용빈도 및 유통기한을 표시하였으며, 연결된 화장품의 제조성분을 표시하였다.
- 화장품 스마트 패키징을 위해 온도, 습도, pH 센서를 사용하여 PCB를 설계 및 제작하였다. 온·습도 센서로서 SHT30(Sensirion, Korea)을 사용하였고, MCU(micro controller unit)로서 nRF51822(Nordic Semiconductor, Norway)칩을 사용하였다.
- 따라서 누르는 대신 회전에 의해 액상의 화장품을 배출시킬 수 있는 화장품 용기로 디자인하였다. 화장품 용기 외관의 디자인은 구매의사에 크게 영향하므로4) 용기의 디자인은 스마트 화장품 디자인 재질로서 선호도가 높은 매끄러운 메탈릭 계열의 용기를 적용하였다.5)
대상 데이터
- 온·습도 센서로서 SHT30(Sensirion, Korea)을 사용하였고, MCU(micro controller unit)로서 nRF51822(Nordic Semiconductor, Norway)칩을 사용하였다.
- 화장품 사용자의 사용 환경과 경험에 대한 조사를 위해 화장품 업계 실무자 80명을 대상으로 설문조사를 실시하였다. 설문 결과를 통해 화장품 구매 시 가격이 주요 구매요소이며, 화장품 용기의 중요 요소로서 외관디자인이 50%, 기능성이 43%의 응답결과를 보였다.
이론/모형
- KCA S TM C5 「용기의 내열성 및 내한성 시험방법」에 준하여 용기의 내열성 및 내한성을 평가하였다. 규정 용량의 내용물을 용기에 충전하고 정상 캡핑한 다음 규정 온도의 냉장고 및 항온조에 7일간 방치하여 내용물 및 부재료의 수축 및 팽창에 의한 변화, creep 현상에 의한 변형 및 기능저하 여부를 확인하였다.
- 개발한 스마트 화장품 용기 코팅막 및 도금의 밀착성을 평가하기 위하여 KCA S TM C14 「크로스컷트 시험방법」에 준하여 평가하였다. 커팅간격 1 mm, 간격 수 11줄의 크로스커터를 사용하여 격자무늬로 그은 후 점착테이프로 박리하여 코팅막 분리여부를 통해 코팅막의 밀착성을 평가하였다.
- 낙하시험은 화장품용기시험방법 KCA S TM C12 「낙하 시험방법」에 준하여 평가하였으며, 높이 (1.00 ± 0.02) m에서 이중 조립캡조건에 따라 10회 낙하하였다.
- 용기의 감압누설시험은 KCA S TM C2 「감압누설시험방법」에 따라 화장품 용기의 정상조립 상태에서 용기, 마개, 펌프, 팩킹 등 접촉부의의 밀착상태 또는 균열 등을 감압 시 액의 누설여부로 평가하였다. 0~100 kPa을 유지할 수 있는 진공건조기에 화장품 용기를 넣고, 진공도를 약 33.
성능/효과
- 뷰티 디바이스들의 스마트화 개발 트렌드에 맞춰 국내에서는 IT 기업이 IoT 융합 가전제품으로서 스마트 화장대 등을 개발하고 있다.3) 스마트 화장품 제품군의 개발 잠재력이 높고, 다양한 고기능성 제품들이 개발됨에 따라 크림제형의 화장품 용기에도 스마트 용기의 개발 필요성이 증대되고 있다.
- pH 측정 결과, 모든 측정치가 설정 조건인 (±1) 이내로 측정되었으며, 각 버퍼용액의 pH 결과의 표준편차가 0.1 이내로 측정되어 센서 작동성능에 이상이 없음을 확인하였다.
- 개발 화장품 용기의 감압누설 평가 결과, 내용물이 충진되어 있는 화장품 용기를 진공건조기에 넣고 약 33.7 kPa의 진공상태로 10분간 유지하였을 때, 용기의 변형, 균열, 파열, 변색, 작동불량 등 용기의 손상이 없었으며 내용물의 누설이 발생하지 않는 것을 확인하였다.
- 화장품 내용물의 모니터링이 가능한 화장품 스마트 패키징을 제작하기 위하여 화장품 업계 실무자를 대상으로 경험 및 선호도를 조사하였다. 대부분의 설문자가 화장품 사용 시 유통기한 준수를 위해 기한을 확인하며, 보관환경에 의한 화장품 내용물의 변질이 빈번한 것을 확인하였다. 설문조사 결과를 바탕으로 보관환경의 온·습도, 사용빈도, 유통기한, 내용물 제조성분 표시기능을 추가하여 센서· PCB 및 모바일 어플리케이션을 제작하였으며, 기능의 작동성을 확인하였다.
- 화장품의 사용 환경에 대한 설문 결과, 과반 이상의 설문자가 화장품 사용 시 유통기한 확인을 통해 기한을 준수하는 것을 확인하였다. 또한, 화장품을 사용하면서 부작용 사례를 겪은 경우 보관 환경(35%) 및 방법(35%)에 의한 변질사례가 가장 높았으며, 보관 환경 및 변질여부를 확인할 수 있는 제품이 개발된다면 충분히 고려하여 구입할 가능성이 있는 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 개발한 화장품 스마트 패키징 용기, 센서 및 어플리케이션을 통해 화장품의 보관환경, 사용빈도 등을 측정할 수 있었고, 측정 정보를 용기의 색변화 및 어플리케이션을 통해 효율적으로 소비자에게 전달할 수 있을 것으로 사료된다. 소비자 UI/UX 디자인 개발을 통한 어플리케이션 및 용기에 대한 연구가 추가적으로 이루어진다면, 상용화를 통한 다양한 화장품 제품군에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 화장품 사용자의 사용 환경과 경험에 대한 조사를 위해 화장품 업계 실무자 80명을 대상으로 설문조사를 실시하였다. 설문 결과를 통해 화장품 구매 시 가격이 주요 구매요소이며, 화장품 용기의 중요 요소로서 외관디자인이 50%, 기능성이 43%의 응답결과를 보였다. 화장품의 사용 환경에 대한 설문 결과, 과반 이상의 설문자가 화장품 사용 시 유통기한 확인을 통해 기한을 준수하는 것을 확인하였다.
- 제작한 센서의 고온, 상온, 저온의 3가지 환경조건에서의 작동성능을 확인한 결과, 온도 및 습도가 (±3)℃, (±5)%R.H. 이내로 작동하였고, pH는 (±1) 이내로 측정되어 각 환경조건에서 설정한 기준치 이내로 정상 작동하는 것을 확인하였다.
- 비교적 부피가 큰 센서를 적용하기 위하여 크래들 형태를 적용하였으며, 내용물 용기에 회전토출방식을 적용하여 밀폐성을 높였다. 제작한 화장품 용기의 감압누설, 내열성, 내한성, 낙하, 크로스컷트 시험 결과, 각 시험 후 용기의 변형, creep 현상, 분리, 균열, 파열, 변색 등의 손상이 발생하지 않았으며, 누설 및 작동불량이 발생하지 않았다.
- 화장품 내용물의 잔여 사용시간, 온도 및 습도, pH를 측정할 수 있는 센서 및 PCB 기판의 설치공간 확보를 위해 크래들 타입의 디자인을 적용하였다. 크래들을 적용함으로서 내용물 용기 부피의 감소가 가능하여 디자인 구현이 자유로우며, 내용물 용기의 휴대성을 높였다. 크래들은 지정된 장소에 고정되어 사용되어 지므로 교체형 배터리가 아닌 외부전원공급이 가능한 형태로 설계하였다.
- 제작 시작품의 표면 가공처리 후 용기 소재 및 표면처리의 안정성을 확인하기 위해 크로스컷트를 통해 코팅막의 밀착성을 평가하였다. 크로스컷트 시험결과 코팅막의 박리가 일어나지 않는 것을 확인하였다.
- 설문 결과를 통해 화장품 구매 시 가격이 주요 구매요소이며, 화장품 용기의 중요 요소로서 외관디자인이 50%, 기능성이 43%의 응답결과를 보였다. 화장품의 사용 환경에 대한 설문 결과, 과반 이상의 설문자가 화장품 사용 시 유통기한 확인을 통해 기한을 준수하는 것을 확인하였다. 또한, 화장품을 사용하면서 부작용 사례를 겪은 경우 보관 환경(35%) 및 방법(35%)에 의한 변질사례가 가장 높았으며, 보관 환경 및 변질여부를 확인할 수 있는 제품이 개발된다면 충분히 고려하여 구입할 가능성이 있는 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 시험결과를 통해 다양한 유통·보관환경에서의 센서 측정값의 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서 개발한 화장품 스마트 패키징 용기, 센서 및 어플리케이션을 통해 화장품의 보관환경, 사용빈도 등을 측정할 수 있었고, 측정 정보를 용기의 색변화 및 어플리케이션을 통해 효율적으로 소비자에게 전달할 수 있을 것으로 사료된다. 소비자 UI/UX 디자인 개발을 통한 어플리케이션 및 용기에 대한 연구가 추가적으로 이루어진다면, 상용화를 통한 다양한 화장품 제품군에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 어플리케이션을 연결하는 방법 외에 화장품 내용물 및 보관환경의 상태를 용기에서 직관적으로 확인할 수 있도록 LED를 설치하였으며, 크래들에 용기가 놓여있을 때 센서의 측정값에 따라 RGB 컬러로 LED가 점등되는 형태로 설계하였다. 화장품 용기 외관에서 색변화를 통해 직관적으로 확인할 수 있어 보관환경의 상태를 효율적으로 소비자에게 전달할 수 있을 것으로 사료된다.
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