[논문]의복 소재 변경에 따른 인체 열상신호 변화 특성

장인중; 배지열; 이남규; 곽휘권; 조형희

doi:10.9766/kimst.2019.22.5.644

의복 소재 변경에 따른 인체 열상신호 변화 특성
Variation of Human Thermal Radiation Characteristics Applying Different Clothing Materials 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.5, 2019년, pp.644 - 653

장인중 (연세대학교 기계공학부) , 배지열 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 이남규 (연세대학교 기계공학부) , 곽휘권 ((주)한화시스템) , 조형희 (연세대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

With the development of themal observatory device(TOD), thermal camouflage system has been applied not only to the weapon system but also to the combat suit for soldiers. In this paper, the characteristic of thermal radiation of human body depending on the clothing material properties was analyzed through numerical simulations. The bioheat equation with thermoregulatory model was solved to obtain the realistic surface temperature of human body and these results are combined with the emissivity of human skin and clothing in order to calculate the thermal signature from the human body. According to each thermal resistance of clothing, the optimal background radiance which makes contrast radiance intensity(CRI) be lowest is different. Also, the average CRI variation per thermal resistance change is about twice as much as the case of evaporative resistance change.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. (a) Analyzed human model and indication of covered(blue)/uncovered(gray) part, skin layer structure of (b) covered and (c) uncovered parts
표 Table 1. Comparison of mean skin temperature between simulation and experiment (Young et al.^[3])
표 Table 2. Cases of numerical simulation for evaluating clothing property effects on human thermal signature
그림 Fig. 2. For different thermal resistance of clothing, (a) temperature distribution of outermost human skin temperature and (b) temperature of outer skin and clothing for human body parts
그림 Fig. 3. Change of thermoregulation phenomena inside the human body for different thermal resistance of clothing. (a) Sweating and evaporation and (b) blood temperature and normalized skin blood flow
그림 Fig. 4. For different evaporative resistance of clothing, (a) temperature distribution of outermost human skin temperature and (b) temperature of outer skin and clothing for human body parts
그림 Fig. 5. Change of thermoregulation phenomena inside the human body for different evaporative resistance of clothing. (a) Sweating and evaporation and (b) blood temperature and normalized skin blood flow
그림 Fig. 6. Comparison of radiance intensity for different (a) thermal resistance and (b) evaporative resistance

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 의복 소재를 변경함에 따라서 달라지는 열물성 중에서도 열저항 및 투습저항이 사람의 열상신호에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 실제에 가까운 열상신호 도출을 위해 장인중 등^[3]에서 확립한 적외선 신호 도출 방법을 적용하여 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 의복 물성 변화에 따라 달라지는 인체의 8-12 μm 파장대역 확산방사강도를 계산하고 이와 함께 배경조건 변화를 고려하여 인체의 배경대비 복사강도를 제시함으로써 인체의 열상신호를 평가하였다.
이에 따라 다양한 의복 소재에 대해 인체의 적외선 신호 변화특성을 예측하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 의복 소재 변경에 따라 달라지는 열물성 중에서 열저항 및 투습저항의 변화에 따라 달라지는 인체 표면온도를 도출하여 이를 도대로 인체에서 발생하는 열상신호를 계산하였다. 도출된 적외선 신호를 가상의 낮/밤의 배경조건과 병치하여 의복 물성에 따른 배경 대비 적외선 신호 특성을 파악하였다.

가설 설정

인체 내부의 혈액온도 또한 데워지므로 Fig. 5(b)의 EL 대비 EH에서 혈액의 온도가 0.2℃ 증가하며 피부 표면의 모세혈관 확장에 따른 혈류량이 94 % 증가한다. 식 (1)에서 혈류 온도가 높고 혈류량이 많을수록 피부로의 전도열전달이 증가하므로 높은 투습저항의 의복을 착용할수록 외부 노출부의 피부온도 또한 증가한다.
1(a)와 같이 의복을 착용한 신체 부분(의복 착용부, Covered)과 의복을 착용하지 않아 외부로 드러난 신체 부분(외부 노출부, Uncovered)로 나뉜다. 각 신체 부분들은 축대칭의 원통 또는 구 형태로 가정하며 다층 구조로 모델링 되었다. 의복 착용부의 경우 Fig.
이에 따라 인체 외부에서 발생하는 대류열전달은 Wang^[10]의 연구를 통해 제시된 인체의 대류열전달 계수를 사용하여 계산하였다. 또한 인체에서 외부로의 복사열전달을 계산하기 위해 인체를 둘러싸고 있는 가상의 육면체벽을 가정하였고 벽의 온도는 대기온도와 같은 20 ℃, 벽의 방사율은 1로 두어 View factor를 고려한 표면 대 표면 복사를 계산하였다. 인체는 1.
또한 인체에서 외부로의 복사열전달을 계산하기 위해 인체를 둘러싸고 있는 가상의 육면체벽을 가정하였고 벽의 온도는 대기온도와 같은 20 ℃, 벽의 방사율은 1로 두어 View factor를 고려한 표면 대 표면 복사를 계산하였다. 인체는 1.8 m/s(6.4 km/h)로 걷고 있다고 가정하여 활동 수준을 3.8 met(220 W/m²)으로 두고 수치해석을 수행하였다.

제안 방법

이에 더하여 배경조건의 영향을 파악하기 위해 세 가지 배경복사 조건을 선정하였다. 낮은 배경복사 조건(I_bg = 37 W/m²sr), 중간 배경복사 조건(I_bg = 42W/m²sr), 높은 배경복사 조건(I_bg = 47 W/m²sr)으로 가상의 배경조건을 선정하였으며 각 배경조건은 밤, 아침/저녁, 낮의 배경복사에너지와 유사하다^[12].
본 연구에서는 의복 소재 변경에 따라 달라지는 열물성 중에서 열저항 및 투습저항의 변화에 따라 달라지는 인체 표면온도를 도출하여 이를 도대로 인체에서 발생하는 열상신호를 계산하였다. 도출된 적외선 신호를 가상의 낮/밤의 배경조건과 병치하여 의복 물성에 따른 배경 대비 적외선 신호 특성을 파악하였다.
수치해석은 RadThermIR 10.4.0을 사용하여 수행하였으며 Bioheat 방정식 및 체온 조절 작용의 해석을 위하여 Human thermal module을 적용한 500분간의 비정상(Transient) 해석을 수행하였다. 수치해석의 타당성검증을 위해 Grid 및 Time step test를 수행하여 격자는 4만개 수준, Time step은 0.
실제에 가까운 열상신호 도출을 위해 장인중 등^[3]에서 확립한 적외선 신호 도출 방법을 적용하여 연구를 수행하였다. 열물성 변화에 따른 정상상태의 의복 및 인체 피부온도를 도출하고 이를 체온조절 작용의 결과로써 설명하였다. 이와 함께 인체 피부 및 의복의 방사율을 고려하여 확산방사강도(Diffuse radiance intensity)를 계산하고 가상의 배경을 설정하여 배경대비복사강도(Contrast Radiance Intensity, CRI)를 제시함으로써 적외선 신호의 정량지표를 제시하고 열물성에 따른 열상신호 특성을 파악하여 군복 저피탐지 측면에서 열물성 선정에 고려해야 할 사항을 제시하였다.
열저항 및 투습저항 물성 변화에 따른 표면온도 특성을 파악한 후 이를 적용하여 8-12 마이크로미터 파장대역의 열상대역 적외선 신호를 계산하였다. 적외선 신호는 TL, TH, EL, EH의 네 가지 경우에 대하여 확산방사강도를 계산하였으며 이 때 의복의 방사율은 0.
열저항 변화에 따른 인체 표면온도 변화를 분석하기 위해 체온 조절 작용을 고려한 비정상 해석을 수행하였다. Fig.
또한 의복 열저항의 증가에 따라 의복 표면온도는 감소하는 반면 인체 피부 온도는 의복 착용부 뿐만 아니라 외부 노출부에서도 증가하는 경향을 나타낸다. 이러한 온도 변화를 분석하기 위해 체온 조절 작용에 대한 분석을 수행하였다.
또한 의복 열저항의 증가에 따라 의복 표면온도는 감소하는 반면 인체 피부 온도는 의복 착용부 뿐만 아니라 외부 노출부에서도 증가하는 경향을 나타낸다. 이러한 온도 변화를 분석하기 위해 체온 조절 작용에 대한 분석을 수행하였다.
이에 더하여 Bioheat의 신진대사 열(q_m), 혈류량(w_bl),피부 표면의 경계조건으로써 Imposed heat으로 직접 주어지는 땀에 의한 증발열을 변화시키는 체온 조절모델을 도입함으로써 실제에 가까운 인체 표면온도분포를 예측하였다. Stolwijk^[6] 및 Fiala 등^[7,8]의 연구로부터 체온 조절 작용 모델의 변수는 총 네 가지이며 식 (2)-(5)로 표현된다.
이에 더하여 배경조건의 영향을 파악하기 위해 세 가지 배경복사 조건을 선정하였다. 낮은 배경복사 조건(I_bg = 37 W/m²sr), 중간 배경복사 조건(I_bg = 42W/m²sr), 높은 배경복사 조건(I_bg = 47 W/m²sr)으로 가상의 배경조건을 선정하였으며 각 배경조건은 밤, 아침/저녁, 낮의 배경복사에너지와 유사하다^[12].
열물성 변화에 따른 정상상태의 의복 및 인체 피부온도를 도출하고 이를 체온조절 작용의 결과로써 설명하였다. 이와 함께 인체 피부 및 의복의 방사율을 고려하여 확산방사강도(Diffuse radiance intensity)를 계산하고 가상의 배경을 설정하여 배경대비복사강도(Contrast Radiance Intensity, CRI)를 제시함으로써 적외선 신호의 정량지표를 제시하고 열물성에 따른 열상신호 특성을 파악하여 군복 저피탐지 측면에서 열물성 선정에 고려해야 할 사항을 제시하였다.
투습저항 변화에 따른 인체 표면온도 변화를 분석하기 위해 체온 조절 작용을 고려한 비정상 해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 열저항 및 투습저항에 따른 열상대역 신호 변화특성을 살펴보기 위해 Table 2와 같이 다섯 개의 수치해석 케이스를 선정하였다. Table 2의 각 수치해석 케이스 중 열저항은 영문자 T로 나타나며 ISO 8996 및 Standard KSU Uniform^[9]에서 봄/가을의 옷차림에 해당하는 0.8 clo (TM)를 기준으로 여름 및 겨울의 옷차림에 해당하는 열저항인 0.4 clo (TL) 및 1.2 clo (TH)를 선정하였다. 투습저항은 영문자 E로 나타나며 ISO 9920으로부터 0.
본 연구에서는 열저항 및 투습저항에 따른 열상대역 신호 변화특성을 살펴보기 위해 Table 2와 같이 다섯 개의 수치해석 케이스를 선정하였다. Table 2의 각 수치해석 케이스 중 열저항은 영문자 T로 나타나며 ISO 8996 및 Standard KSU Uniform^[9]에서 봄/가을의 옷차림에 해당하는 0.
수치해석에 사용된 경계조건은 외부 대기온도 20℃, 대기의 바람 속도는 0.1 m/s, 대기의 상대습도는 60 %이다. 이에 따라 인체 외부에서 발생하는 대류열전달은 Wang^[10]의 연구를 통해 제시된 인체의 대류열전달 계수를 사용하여 계산하였다.
열저항 및 투습저항 물성 변화에 따른 표면온도 특성을 파악한 후 이를 적용하여 8-12 마이크로미터 파장대역의 열상대역 적외선 신호를 계산하였다. 적외선 신호는 TL, TH, EL, EH의 네 가지 경우에 대하여 확산방사강도를 계산하였으며 이 때 의복의 방사율은 0.95, 사람 피부의 방사율은 0.98을 사용하였다^[2]. 열저항이 클수록 의복 표면온도가 낮고 외부 노출부의 피부온도는 높으므로 TH의 경우에 의복 착용부에서 상대적으로 작은 적외선 신호를 나타내는 반면 외부 노출부의 적외선 신호는 더 높다.

데이터처리

0을 사용하여 수행하였으며 Bioheat 방정식 및 체온 조절 작용의 해석을 위하여 Human thermal module을 적용한 500분간의 비정상(Transient) 해석을 수행하였다. 수치해석의 타당성검증을 위해 Grid 및 Time step test를 수행하여 격자는 4만개 수준, Time step은 0.25분 기준^[3]으로 해석을 수행하였다. Table 1에 실험과 수치해석간의 타당성 검증 결과를 나타내었다.

이론/모형

본 연구에서는 인체의 다층 구조 피부 및 체온 조절작용을 고려한 열전달 현상의 해석을 위해 Fanger^[5]의연구에서 제시된 식 (1)의 Bioheat 방정식을 풀어 피부의 표면온도를 계산하였다.
하첨자 0은 인체의 기초대사만을 고려했을 때 열적으로 평형 상태인 Thermoneutral 일 때의 값이며 하첨자 sk는 표피를 의미한다. 상수 a_cs 및 a_dl은 각 신체 부분에서 혈관의 수축 및 이완의 양을 결정하는 상수로써 Fiala등^[6]의 연구의 값을 사용하였다. SBF 는 SBF₀로 나누어 혈관 확장도로서 제시하였다.
따라서 본 연구에서는 의복 소재를 변경함에 따라서 달라지는 열물성 중에서도 열저항 및 투습저항이 사람의 열상신호에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 실제에 가까운 열상신호 도출을 위해 장인중 등^[3]에서 확립한 적외선 신호 도출 방법을 적용하여 연구를 수행하였다. 열물성 변화에 따른 정상상태의 의복 및 인체 피부온도를 도출하고 이를 체온조절 작용의 결과로써 설명하였다.
1 m/s, 대기의 상대습도는 60 %이다. 이에 따라 인체 외부에서 발생하는 대류열전달은 Wang^[10]의 연구를 통해 제시된 인체의 대류열전달 계수를 사용하여 계산하였다. 또한 인체에서 외부로의 복사열전달을 계산하기 위해 인체를 둘러싸고 있는 가상의 육면체벽을 가정하였고 벽의 온도는 대기온도와 같은 20 ℃, 벽의 방사율은 1로 두어 View factor를 고려한 표면 대 표면 복사를 계산하였다.

성능/효과

Fig. 3(a)의 TL 대비 TH에서 분당 땀 흘림 양은 42 % 증가하며 인체에서의 증발열량도 35 % 증가한다. 분당 땀 흘림 양의 증가에 비해 증발 열량의 증가는 상대적으로 적은데, 이는 의복의 존재로 인하여 흘린 땀이 모두 증발하지 못하기 때문이다.
결과적으로 인체의 표면온도, 적외선 신호, CRI 모두 투습저항보다는 열저항의 변화에 대해 민감하게 변화함을 확인하였으며 이로부터 저피탐 군복의 설계 시에는 열저항을 조절함으로써 더 효율적인 CRI 저감이 가능함을 파악하였다.
반면 투습저항을 변화시키는 경우에는 낮은 배경복사와 중간 배경복사 조건에서 비슷한 피탐지성을 보이며 높은 배경복사 조건에서는 음의 대비를 나타낸다. 또한 두 투습저항 간 배경대비 복사강도 값이 큰 차이가 없음을 확인하였다. 즉, 열저항 변화에 따라서는 최적의 피탐지성을 갖는 배경 조건이 달라지는 반면 투습저항 변화에 의해서는 최적 피탐지성을 갖는 배경조건이 크게 변하지 않음을 알 수 있다.
5 W/sr를 나타내었다. 반면 각 투습저항에 따른 인체의 CRI는 가장 낮은 배경복사 조건에서 최솟값을 가지며 각 배경조건에서 투습저항 변화에 따른 평균 CRI 변화는 2 W/sr로 열저항 변화에 따른 CRI 변화의 절반보다 낮음을 확인하였다. 즉 배경조건과 인체의 열상신호 차이를 나타내는 CRI 또한 투습저항 보다는 열저항의 변화에 지배적임을 알 수 있다.
반면 의복 투습저항이 증가함에 따라 의복 표면온도 및 외부 노출부의 피부온도 모두 증가한다. 열저항 변화에 따라 의복 표면온도 변화가 더 두드러지게 나타나며 투습저항의 경우 ISO 9920 기준 평균 투습저항보다 커지는 경우가 작아지는 경우에 비해 표면온도 변화량이 더 큼을 확인하였다.
인체 적외선 신호는 열저항 변화 시에 더 민감하게 변화하는 특성을 나타내었다. 이를 낮과 밤으로 대표되는 배경조건과 비교하였을 때, 투습저항과는 다르게 열저항을 변화시키는 경우 인체의 최적 CRI를 가지는 배경조건이 다르며 각 배경조건에 따른 평균 CRI 또한 투습저항을 변화시키는 경우에 비해 약 2배 이상 민감하게 변화함을 파악하였다.
반면 각 투습저항에 따른 인체의 CRI는 가장 낮은 배경복사 조건에서 최솟값을 가지며 각 배경조건에서 투습저항 변화에 따른 평균 CRI 변화는 2 W/sr로 열저항 변화에 따른 CRI 변화의 절반보다 낮음을 확인하였다. 즉 배경조건과 인체의 열상신호 차이를 나타내는 CRI 또한 투습저항 보다는 열저항의 변화에 지배적임을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적외선 신호 변화특성 예측이 필요한 이유는 무엇인가?	이에 따라 최근 적용되고 있는 항공기, 전차와 같은 대형 무기체계의 적외선 저피탐 뿐만 아니라 병사의 군복에서 발생되는 적외선 신호의 저피탐 까지도 고려하는 것이 병력의 생존성 향상에 필수적이다. TOD는 표적와 배경의 적외선 신호 대비를 탐지에 이용하므로 이를 줄이기 위한 열상대역 저피탐 군복 설계를 위해서는 다양한 의복 소재에 대해 적외선 신호 변화특성을 예측하는 것이 필수적이다. Sitvjenkins 등[1]의 연구에서도 다양한 군복 및 의복을 착용함에 따라서 TOD에 포착되는 열상신호를 다양한 배경조건에 따라 분석하여 열상대역 저피탐성 확보에 활용하였다.
	의복 소재 변경이 적외선 신호에 영향을 주는 이유는 무엇인가?	의복의 물성을 변화함으로써 인체는 외부 환경과의 상호작용이 달라지고 이에 따라 인체는 체온을 일정하게 유지하기 위한 체온 조절 작용인 발열, 땀 흘림, 혈류량 조절 작용을 수행하게 되어 결과적으로 인체 표면온도를 변화시키게 되며 이러한 표면온도의 변화는 인체로부터 나오는 열상대역 적외선 신호에 영향을 주게 된다.
	열상감지장비(Thermal Observatory Device, TOD)란 무엇인가?	현대전에서 군사작전의 성공을 위해서는 적의 감시장비에 탐지되지 않도록 하는 저피탐지가 필수적이다. 탐지장비는 가시광선, 레이더, 근적외선 대역뿐만 아니라 상온의 온도를 가진 모든 물체가 방사하는 8-12마이크로미터의 원적외선 대역을 탐지할 수 있는 열상감지장비(Thermal Observatory Device, TOD)에 이르기까지 다양한 대역을 감시하고 있다. 특히 TOD의 경우 아주 먼 거리에서도 열상대역 신호를 포착하고 탐지 대상을 구별할 수 있는 수준에 이르렀다.

참고문헌 (12)

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T. Kim, T. Kim, J. Bae, D. Jung and H. H. Cho, “Infrared Signature Analysis on Armored Vehicle Applied with Emissivity Controlled Structure,” Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea, Vol. 30, No. 2, pp. 179-184, 2017.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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