[논문]국가대표 컬링 대표팀 지원을 위한 컬링 패드 성능 시험 시스템 개발

김태완; 이상철; 길세기

doi:10.15207/jkcs.2020.11.10.025

국가대표 컬링 대표팀 지원을 위한 컬링 패드 성능 시험 시스템 개발
Development of a curling pad performance test system to support Korea curling team 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.11 no.10, 2020년, pp.25 - 30

김태완 (한국스포츠정책과학원 스포츠과학연구실) , 이상철 (한국스포츠정책과학원 스포츠과학연구실) , 길세기 (한국스포츠정책과학원 스포츠과학연구실)

초록
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본 연구에서는 국가대표 컬링(curling) 선수들이 사용하는 컬링 패드(pad)의 성능을 평가 할 수 있는 시험 장비를 개발 하였다. 개발된 장비는 얼음을 생성 할 수 있는 수조, 수조에서 생성된 얼음 표면에 패드를 밀착시켜 스위핑(sweeping, 패드 왕복 운동)을 수행 할 수 있는 패드 구동 장치 및 얼음 속 온도를 측정 할 수 있는 측정 장치로 구성되었다. 수조와 구동 장치는 챔버(chamber) 형태의 구조물 내부에 설치하여, 챔버 내부 공기의 온도와 습도 조절이 가능하도록 제작 하였다. 개발된 시스템을 이용하여 8종의 컬링 패드에 대하여 스위핑 수행 시 얼음 속 온도 변화를 관찰한 결과, 컬링 패드에 따라 서로 다른 온도 변화가 관찰되었다. 실험을 통하여 관찰된 얼음 온도 상승이 빠른 패드와 선수들이 선호하는 패드가 일치하여, 연구에서 수행한 컬링 패드 스위핑에 의한 얼음 온도 변화를 측정하는 시험방법이 패드의 성능을 가늠하는 유효한 방법임을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a test system which can test performance of curling pad was developed to support Korea curling team. The developed system consists of a water tank, a mechanical pad driving system that can perform sweeping movement using a curling pad on surface of ice made by the water tank, and temperature sensors monitoring ice and air temperatures. To control the temperature of ice and humidity/temperature of air around the ice, all system are installed in a chamber that can isolate the developed system from external environment. Eight kinds of curling pads were tested using the developed system. Test result showed that each curling pad revealed different rate of ice temperature increasing. The pad with the highest rate of ice temperature rising was found to be the same as the most preferred pad by the athletes. Therefore, it was confirmed that the method of measuring change of ice temperature by the sweeping performed in this study is an effective method to test the performance of the pad.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. System structure of the developed curling pad performance test system.
그림 Fig. 2. Pictures of the multi purpose actuator doing ice surface cutting and curling pad sweeping.
그림 Fig. 3. Monitor screen of the main control systeme
그림 Fig. 4. Variation of ice temperatures positioned beneath 10 mm from ice surface for each test pads.
표 Table 1. Rate of ice temperature variations positioned beneath 10 mm from ice surface for each test pads.

AI 본문요약
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문제 정의

현재 WCF의 컬링 패드 규격에는 이러한 부분이 반영되어 있지 않아, 패드 소재에 대한 열전도율 등에 대한 규정이 존재하지 않는다. 따라서 본 연구에서는 컬링에서 사용되는 브러시 패드의 성능을 평가하고 그 중 우수한 제품을 선택하여 사용할 수 있는 객관적인 시험 방법을 제시하기 위해서, 현재까지 이론적으로 확립된 스위핑에 따른 얼음 온도 변화를 측정 할 수 있는 시스템을 구축 하였다[4-7].
본 연구에서는 동일한 조건에서 다양한 패드에 대한 스위핑 실험을 수행하기 위해서, 얼음의 온도를 제어 할 수 있는 수조를 제작하고, 수조 위에 패드를 이용하여 자동으로 스위핑 동작의 구현이 가능한 다목적 구동 장비를 설치하였다. 패드 성능 평가 실험은 수조에 얼음을 생성하면서 패드 스위핑 지점 얼음 표면으로부터 아래 방향 얼음 속 약 10 mm 지점에 온도 센서를 장착하여, 패드 스위핑 시 발생하는 얼음의 온도 변화를 관찰하는 방법으로 수행 하였다.

제안 방법

얼음 생성에는 비교적 긴 시간(24 ∼ 72 시간) 이 소요되기 때문에 제어실 외부에서도 얼음 생성과 챔버 내부 공기 온도에 대한 확인이 필요하여 인터넷을 통해 제어가 가능한 시스템을 설치하였다. CCTV 제어 시스템은 챔버 내부 상황 확인을 위해 설치된 CCTV 카메라를 제어하며, 전용 DVR(digital video recorder)과 결합되어 챔버 내부 상황을 확인 할 수 있도록 하였다. 설치된 CCTV 카메라는 HD(high definition) 카메라이며, 챔버 가동 시 자동으로 녹화를 시작하게 된다.
개발 시스템은 얼음을 생성하기 위한 냉동 장비, 시험 장치(챔버) 내부 공기의 온도와 습도를 조절하기 위한 공조 장비, 스위핑 동작 구현을 위한 다목적 구동 장비, 얼음/공기 온도와 습도 측정을 위한 측정 장비 및 제어 시스템으로 구성 된다. 제어 시스템을 제외한 모든 장비는 얼음 생성을 위한 수조가 설치된 챔버 내부에 설치되었으며, 제어 시스템은 별도의 제어실(control room)에 설치하여 제어실 내에서 모든 장비의 제어가 가능하도록 구현 하였다.
구현된 시스템을 이용하여 8종류(A ∼ H)의 컬링 패드에 대하여 성능 평가 시험을 실시하였다.
본 실험 수행 전에 사전 실험을 통하여 스위핑에 따른 온도 변화를 관찰 할 수 있는 조건을 확인한 결과, 최소 약 40초 이상 스위핑을 수행해야 얼음 속에 설치된 온도 센서를 통해 온도 변화가 감지됨을 확인할 수 있었다. 따라서 실험에서는 각 패드에 대하여 수직 하중 약 98 N(10 kg 무게추 이용), 스위핑 거리 약 100 mm, 초당 1회 왕복 스위핑의 조건에서 약 44초 동안 스위핑을 수행 하면서 얼음 속에서 발생한 온도 변화를 관찰 하였다. 아래 Fig.
또한 다목적 구동 장비를 이용한 패드 스위핑 실험시에는 5 ∼ 45 kg의 무게추를 장착한 상태에서 약 0.05 ∼ 0.3 m 의 거리를 최대 초당 약 3회 왕복 운동이 가능 하도록 제작 하였다.
구현된 시스템을 이용하여 8종류(A ∼ H)의 컬링 패드에 대하여 성능 평가 시험을 실시하였다. 성능 평가 시험은 시험 대상 패드의 스위핑에 따른 얼음 온도 변화를 측정하는 방식으로 수행 되었다. 시험을 위해서 챔버 내의 시험 환경(얼음 온도, 얼음 표면 상태, 주변 공기 온도 및 습도)을 동일하게 유지한 상태에서, 각 시험 대상 패드를 동일한 조건(속도, 이동거리, 횟수 및 수직 하중)으로 스위핑을 실시하면서, 스위핑 동작이 수행되는 얼음표면으로부터 10 mm 아래 지점에 설치된 온도 센서에서 측정되는 온도를 관찰 하였다.
5 ℃ ∼ - 7 ℃)에 약 1 ℃ 의 여유를 두고 실험 온도를 선정하여 실험을 실시하였다. 시험 대상 컬링 패드 8종은 위 조건이 유지된 상태의 챔버 내부에 실험 전 24시간 동안 보관하여 모든 패드의 상태가 동일하게 유지 된 상태에서 실험을 수행하였다.
성능 평가 시험은 시험 대상 패드의 스위핑에 따른 얼음 온도 변화를 측정하는 방식으로 수행 되었다. 시험을 위해서 챔버 내의 시험 환경(얼음 온도, 얼음 표면 상태, 주변 공기 온도 및 습도)을 동일하게 유지한 상태에서, 각 시험 대상 패드를 동일한 조건(속도, 이동거리, 횟수 및 수직 하중)으로 스위핑을 실시하면서, 스위핑 동작이 수행되는 얼음표면으로부터 10 mm 아래 지점에 설치된 온도 센서에서 측정되는 온도를 관찰 하였다. 시험에 사용된 컬링 패드는 대표팀에서 사용하는 제품을 8종을 선정하였으며, WCF 공인 제품 7종 (B ∼ H)종과 WCF 공인 제도가 시행되기 전에 사용되었던 1종 (A) 신제품을 구입하여 사용 하였다.
실험은 컬링 경기가 수행되는 경기장의 조건인 얼음표면으로부터 1.5 m 지점의 공기 온도는 약 4 ∼ 6 ℃ 및 동일 위치에서 습도는 약 50%가 되도록 조절한 상태에서 수행 되었다.
얼음 생성에는 비교적 긴 시간(24 ∼ 72 시간) 이 소요되기 때문에 제어실 외부에서도 얼음 생성과 챔버 내부 공기 온도에 대한 확인이 필요하여 인터넷을 통해 제어가 가능한 시스템을 설치하였다.
이는 실제 컬링 경기장의 얼음 표면 온도 측정 결과, 냉각관의 위치와 사용하는 얼음 온도 제어기에 따라 관리 온도 보다 높거나 낮은 온도가 관찰되어, 관찰된 가장 낮은 온도(약 –6.5 ℃ ∼ - 7 ℃)에 약 1 ℃ 의 여유를 두고 실험 온도를 선정하여 실험을 실시하였다.
제어 시스템은 수조의 얼음 온도를 제어하는 냉동기 제어 시스템, 챔버 내부 공기 온도를 조절하는 공조 제어 시스템, 챔버 내부 CCTV (closed circuit television) 카메라를 제어하는 CCTV 제어 시스템 및 챔버 내부의 모터 제어와 데이터 수집을 수행하는 주 제어 시스템으로 구성 된다.
개발 시스템은 얼음을 생성하기 위한 냉동 장비, 시험 장치(챔버) 내부 공기의 온도와 습도를 조절하기 위한 공조 장비, 스위핑 동작 구현을 위한 다목적 구동 장비, 얼음/공기 온도와 습도 측정을 위한 측정 장비 및 제어 시스템으로 구성 된다. 제어 시스템을 제외한 모든 장비는 얼음 생성을 위한 수조가 설치된 챔버 내부에 설치되었으며, 제어 시스템은 별도의 제어실(control room)에 설치하여 제어실 내에서 모든 장비의 제어가 가능하도록 구현 하였다. 챔버 내부에는 카메라를 설치하여 제어실에서 챔버 내부 관찰이 가능하도록 하였으며, 전체 시스템의 통합과 사용자 화면은 LabVIEW를 이용하여 개발 하였다.
1 ∼ 1000 samples/sec 로 조절이 가능하며, 사용자의 지정에 따라 저장 기간을 조절 할 수 있다. 주 제어 시스템은 챔버 내부의 구동 장치를 운전할 수 있기 때문에 시스템의 안전성을 고려하여 제어실 외부에서 접근이 불가능 하도록 하였다. 아래 Fig.
챔버 내부 공기는 온도는 – 15 ∼ 20 ℃ 사이에서 조절 가능하며, 별도의 제습기를 이용하여 습도조절이 가능하도록 하였다.
챔버 내에는 수조에서 생성되는 얼음의 온도와 챔버 내부 공기 및 습도를 측정하기 위해서 RTD 1000 온도 센서 25개와 습도 센서 2개를 설치하였다. 챔버 내부에 설치된 각종 측정 장비의 전원 공급 장치, 앰프 및 모터 제어기는 밀폐된 형태의 수납함을 제작하여 수납함 내부에 장착하였으며, 수납함 내부에는 히터를 장착하여 저온의 챔버 내부 에서도 각종 전자 기기 성능 저하 및 기능 상실을 방지 하였다. 다음 Fig.
제어 시스템을 제외한 모든 장비는 얼음 생성을 위한 수조가 설치된 챔버 내부에 설치되었으며, 제어 시스템은 별도의 제어실(control room)에 설치하여 제어실 내에서 모든 장비의 제어가 가능하도록 구현 하였다. 챔버 내부에는 카메라를 설치하여 제어실에서 챔버 내부 관찰이 가능하도록 하였으며, 전체 시스템의 통합과 사용자 화면은 LabVIEW를 이용하여 개발 하였다. 아래의 Fig.
본 연구에서는 동일한 조건에서 다양한 패드에 대한 스위핑 실험을 수행하기 위해서, 얼음의 온도를 제어 할 수 있는 수조를 제작하고, 수조 위에 패드를 이용하여 자동으로 스위핑 동작의 구현이 가능한 다목적 구동 장비를 설치하였다. 패드 성능 평가 실험은 수조에 얼음을 생성하면서 패드 스위핑 지점 얼음 표면으로부터 아래 방향 얼음 속 약 10 mm 지점에 온도 센서를 장착하여, 패드 스위핑 시 발생하는 얼음의 온도 변화를 관찰하는 방법으로 수행 하였다.

대상 데이터

시험에 사용된 컬링 패드는 대표팀에서 사용하는 제품을 8종을 선정하였으며, WCF 공인 제품 7종 (B ∼ H)종과 WCF 공인 제도가 시행되기 전에 사용되었던 1종 (A) 신제품을 구입하여 사용 하였다.
챔버 내에는 수조에서 생성되는 얼음의 온도와 챔버 내부 공기 및 습도를 측정하기 위해서 RTD 1000 온도 센서 25개와 습도 센서 2개를 설치하였다. 챔버 내부에 설치된 각종 측정 장비의 전원 공급 장치, 앰프 및 모터 제어기는 밀폐된 형태의 수납함을 제작하여 수납함 내부에 장착하였으며, 수납함 내부에는 히터를 장착하여 저온의 챔버 내부 에서도 각종 전자 기기 성능 저하 및 기능 상실을 방지 하였다.

성능/효과

이는 스위핑에 대한 여러 연구 결과 중 마찰에 의한 얼음 표면 온도변화가 유발하는 얼음 표면의 마찰계수 변화가 실제 현상을 가장 잘 설명하는 이론적 배경이 될 수 있음을 의미하는 것으로 판단된다. 따라서 연구에서 수행한 컬링 패드 성능 평가 방법이 타당함을 확인 할 수 있었다.
실험 시작 시 초기 얼음 온도의 차이를 제외하고는 모든 조건이 동일하다 볼 수 있기 때문에, 이러한 차이는 패드 자체의 마찰열 발생 성능이 타 패드에 비하여 우수한 것에 기인한다고 판단 할 수 있다. 또한 D 패드는 국내외 대부분 국가의 대표팀 선수들이 사용하는 패드로 알려져 있어, 실험 결과와 선수들의 경험에 의한 결과가 일치함을 확인 할 수 있었다.
스위핑이 수행되는 얼음 속 온도 변화를 관찰하기 위해서 얼음 표면으로부터 10 mm 아래 지점에 온도 센서를 설치하였다. 본 실험 수행 전에 사전 실험을 통하여 스위핑에 따른 온도 변화를 관찰 할 수 있는 조건을 확인한 결과, 최소 약 40초 이상 스위핑을 수행해야 얼음 속에 설치된 온도 센서를 통해 온도 변화가 감지됨을 확인할 수 있었다. 따라서 실험에서는 각 패드에 대하여 수직 하중 약 98 N(10 kg 무게추 이용), 스위핑 거리 약 100 mm, 초당 1회 왕복 스위핑의 조건에서 약 44초 동안 스위핑을 수행 하면서 얼음 속에서 발생한 온도 변화를 관찰 하였다.
실험 결과를 보면, 각 패드별 실험 시작 온도가 모두 정확하게 일치하지 않았음을 확인 할 수 있다(- 8.1 ∼- 7.5 ℃).
총 8종류의 패드에 대하여 실험을 수행한 결과, WCF 에서 공인한 패드들 사이에서도 서로 다른 온도 변화율이 관찰되었으며, 가장 높은 온도 변화율을 나타내는 패드와 선수들이 가장 선호하는 패드가 일치하여 연구에서 수행한 패드 성능 평가 방법이 현장 경험과 일치함을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 수행한 패드 평가 방법을 이용하면, 새롭게 지정되는 WCF 공인 패드들에 대한 신속한 성능 평가가 가능하며, 동일한 종류의 패드 중에서도 상대적으로 가장 성능이 좋은 패드를 선별하여 사용 할 수 있을 것으로 기대 된다.

후속연구

특히 얼음 및 눈에 대한 마찰력의 이론적 배경 확립 연구는, 이를 받침 할 수 있는 실험 연구가 동반되어야 상호 보완적인 연구를 수행 할 수 있으나, 얼음과 눈은 그 생성부터 매우 많은 변수를 가지고 있어 동일한 실험 조건을 생성하는 것 자체가 하나의 연구 주제를 형성 할 수 있을 정도로 방대한 실험 데이터를 요구하고 있다[6, 7]. 따라서 동계 종목 선진국에서도 얼음의 마찰에 대한 연구를 수행하는 전문 실험 시설은 그 사례를 찾아보기 힘들기 때문에, 연구를 통하여 구축된 실험 시설과 이를 이용한 연구는 국내외 얼음 마찰 관련된 연구 수행에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대 된다. 또한 구축된 장비는 동계 빙상 종목에서 중요한 요소로 지목되는 얼음 생성 조건에 따른 얼음 표면 상태와 얼음의 경도 등에 대한 다양한 연구뿐 아니라 일반적인 생활환경에서 얼음 생성 및 이와 관련된 다양한 연구에 활용 가능할 것으로 기대 된다.
총 8종류의 패드에 대하여 실험을 수행한 결과, WCF 에서 공인한 패드들 사이에서도 서로 다른 온도 변화율이 관찰되었으며, 가장 높은 온도 변화율을 나타내는 패드와 선수들이 가장 선호하는 패드가 일치하여 연구에서 수행한 패드 성능 평가 방법이 현장 경험과 일치함을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 수행한 패드 평가 방법을 이용하면, 새롭게 지정되는 WCF 공인 패드들에 대한 신속한 성능 평가가 가능하며, 동일한 종류의 패드 중에서도 상대적으로 가장 성능이 좋은 패드를 선별하여 사용 할 수 있을 것으로 기대 된다.
따라서 동계 종목 선진국에서도 얼음의 마찰에 대한 연구를 수행하는 전문 실험 시설은 그 사례를 찾아보기 힘들기 때문에, 연구를 통하여 구축된 실험 시설과 이를 이용한 연구는 국내외 얼음 마찰 관련된 연구 수행에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대 된다. 또한 구축된 장비는 동계 빙상 종목에서 중요한 요소로 지목되는 얼음 생성 조건에 따른 얼음 표면 상태와 얼음의 경도 등에 대한 다양한 연구뿐 아니라 일반적인 생활환경에서 얼음 생성 및 이와 관련된 다양한 연구에 활용 가능할 것으로 기대 된다.
연구에서 개발된 평가 방법을 이용하여 선수들이 사용 중인 패드에 대한 주기적인 성능 평가 실험을 실시하면, 실험 결과를 이용해서 패드의 교체 필요 여부를 판별 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 패드 사용 시간과 성능 변화에 대한 데이터가 축적 되면, 이를 이용한 패드별 사용 가능 시간 예측(제품 수명)과 패드 성능에 저하가 발생하기 전에 미리 교체하는 예방 정비가 가능해 질 것으로 기대 된다.
5 ℃). 얼음의 온도를 정밀하게 제어하기 위해서는 냉각관과 온도 제어가 필요한 얼음 사이에 거리에 따라 정밀한 온도 제어 방법이 필요하나 연구에서 사용된 상용 제어 시스템에는 이러한 기능이 없기 때문에 발생한 실험상의 제약 사항 이며, 향후 추가 연구에서 해결해야 할 문제로 판단된다.
연구에서 개발된 평가 방법을 이용하여 선수들이 사용 중인 패드에 대한 주기적인 성능 평가 실험을 실시하면, 실험 결과를 이용해서 패드의 교체 필요 여부를 판별 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 패드 사용 시간과 성능 변화에 대한 데이터가 축적 되면, 이를 이용한 패드별 사용 가능 시간 예측(제품 수명)과 패드 성능에 저하가 발생하기 전에 미리 교체하는 예방 정비가 가능해 질 것으로 기대 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컬링 경기는 무엇으로 승패를 결정하는가?	컬링(curling) 경기는 얼음 위에서 공과 유사하게 생긴 돌(스톤, stone)을 지정된 위치로 던진 후, 지정된 위치에 더 가까이 위치하는 스톤의 숫자로 승패를 결정하게 된다[1]. 경기에서 선수들은 스톤의 이동 경로를 조절하기 위해서 브러시(brush)라 불리우는 얼음 표면을 닦아내는 장비를 이용하고 있으며, 브러시의 사용 방법에 따라 스톤은 직선 또는 곡선 형태의 이동 궤적을 생성하여 상대 팀의 스톤을 회피하거나 충돌하는 다양한 기술을 구사할 수 있게 된다.
	컬링 브러시는 어떻게 구성되어 있는가?	컬링 경기에서 사용되는 장비인 스톤과 브러시 중에서, 스톤은 경기를 운영하는 측에서 관리하기 때문에 선수들이 따로 구매하지 않고 있으며, 개인 장비로 사용하는 브러시만을 선수들이 구매하여 사용하고 있다. 브러시는 얼음과 직접 닿는 부분인 패드(pad)와 손잡이에 해당하는 스틱(stick 또는 handle)으로 구성되어 있으며, 패드는 교체하여 사용하는 소모품에 해당한다. 그러나 패드는 스톤의 진행 방향과 이동 거리를 조절하기 위해서 스톤의 진행 방향 전방의 얼음 표면을 브러시로 닦아 내는 스위핑(sweeping) 동작의 핵심 부품이기 때문에, 패드의 성능은 경기 결과에 많은 영향을 주게 된다.
	세계컬링연맹의 컬링 패드 규격에는 무엇을 지정하고 있는가?	2016년 이전 까지는 패드에 대한 규격(specification)이 없었으며, 세계컬링연맹(World Curling Federation, WCF)에서는 2016년부터 패드에 대한 규격을 제정하고 WCF에서 공인한 패드만을 공식 경기에 사용하도록 하고 있다[2]. WCF의 컬링 패드 규격에는 패드 표면을 감싸는 천의 종류, 방수 처리 및 패드 내부의 폼(form)에 대한 경도 및 외력에 대한 형상 복원 정도만을 지정하고 있다[2]. 따라서 WCF에서 제정한 패드 규격에도 패드의 성능을 객관적으로 판단 할 수 있는 지표 등은 공식적으로 지정되어 있지 않아, 대부분의 선수들은 해외 주요 팀이나 경기 경험이 많은 선수들이 사용하는 패드를 선택하여 사용하고 있다.

참고문헌 (15)

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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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