Current Issue

무릎은 평지 보행 시 1.5배, 경사 보행 시 2-3배, 무릎을 구부리고 앉을 경우 4-5배의 체중이 가해지는 부위로 스포츠 및 기타 격렬한 활동에 참여하는 개인에게 부상의 위험이 높다(Blecha et al., 2022; Harvard Health Publishing, 2019). 무릎 부상에는 건염, 인대 파열, 연골 마모, 관절염, 근육 염좌, 근육 긴장 등 많은 원인이 있으며, 운동선수부터 관절염 및 기타 무릎 문제가 있는 사람들에 이르기까지 다수가 고정이나 통증 완화를 위해 무릎 보호대를 사용한다. 무릎 보호대는 무릎 관절을 지지하여 추가 부상을 방지하는 동시에 통증과 부종을 줄이고 수술 후 회복과 무릎 관절의 재활에도 효과가 있다(Braceability, 2015).

통상적으로 무릎 보호대는 착용 시 무릎 관절의 움직임을 보조하며 운동 형상학적 및 운동학적으로 긍정적 효과가 있고, 정상적인 운동기능을 유지하면서 비정상적인 움직임을 예방할 수 있도록 디자인 되어있다(Lee, Choi, & Moon, 2019; Lim, 2007). 현대의 무릎 보호대는 1967년 Dr. McDavid에 의해 측면 무릎 보호대 등장한 이후 Jack Castiglia가 Dr. James Nicholas와 함께 유명 풋볼 선수 Joe Namath를 위한 무릎 보호대를 디자인하고, 1978년 축구선수 Mark Nordquist가 네오프렌을 활용한 무릎 보호대를 제작하는 등 스포츠 산업이 발달하면서 발전 중이며, 노년층 수요까지 더해져 그 시장은 지속적으로 확대되고 있다(Betterbraces, 2014). 특히, 무릎 보호대의 설계방향성은 1970년대부터 사용자 수가 증가함에 따라 미국 정형외과 학회(American Academy of Orthopaedic Surgeons)에서 생체 역학적, 임상적 실험을 통해 1984년 무릎 보호대 세미나에서 5가지 이상적인 설계 조건을 정의하였다(Rovere & Bowen, 1986). 부상자가 아니어도 착용하는 예방용 무릎 보호대를 기준으로 (1) 접촉 및 비접촉 상태에서의 하중에 대한 무릎 강직도 보완, (2) 착용자에 대한 해부학적 적응, (3) 가성비 좋은 내구성, (4) 부상 예방 효과 입증, (5), 타 부위 혹은 타 선수 피해 없이 정상적인 활동 가능이다. 이를 통해 무릎 보호대를 착용할 경우 압력을 20-30% 감소시킬 수 있어 무릎을 움직일 때 통증이나 불편함이 있는 사람들에게 착용이 추천되며, 생활스포츠 이용증가로 인한 무릎 관련 부상과 발병이 증가함에 따라 고객맞춤형 니즈가 증가하고 있다(Blecha et al., 2022; Oh & Kim, 2017).

미국 정형외과 학회에 따르면, 무릎 보호대는 용도에 따라 예방, 기능, 재활 및 언로더/오프로더 무릎 보호대를 포함한 네 가지 범주로 나눌 수 있다(Paluska & McKeag, 2000)<Table 1>. 무릎 인대 손상을 예방해 축구 등 접촉 스포츠를 하는 선수에게 적합한 MCL(내측 측부 인대) 보호와 동시에 무릎 관절이 다시 손상되지 않도록 보호하는 예방적(Prophylactic)무릎 보호대, ACL(무릎전방십자인대) 부상이나 수술 후 추가 지지가 필요할 경우에 착용하여 운동을 하거나 이미 넘어지면서 부상당한 무릎을 고정하는 기능적(Functional)무릎 보호대, 무릎 수술 직후이거나 부상 후 재활하는 동안 잠재적으로 유해한 무릎 움직임을 고정하여 치료된 인대를 보호하고 무릎 관절의 재활 운동을 가능하게 하며 재발이나 부상을 예방하는 재활(Rehabilitative)무릎 보호대, 무릎 관절염이 있는 사람들의 고통을 완화하고 무릎에 가해지는 압력을 줄여서 무릎에 가해지는 스트레스를 줄여주는 주로 힌지(Hinged)형의 언로더(Unloader)무릎 보호대가 있다(Braceability. 2015).

Category	Purpose	Example
Prophylactic	ㆍ Used mainly by athletes or active individuals who play sports with a lot of contact to protect their knees	<Fig. 1>  Prophylactic Brace (Braceability, n.d.-a)
Functional	ㆍ For patients who have already experienced injuries and need additional support and stability until their knees fully recover	<Fig. 2>  Functional Brace (Desertcart, n.d.)
Rehabilitative	ㆍ It is mainly used to fix knee movement after injury or surgery ㆍ Protect treated ligaments, enable rehabilitation of knee joints, and prevent recurrence or injury	<Fig. 3>  Rehabilitative Brace (Braceability, n.d.-b)
Unloader	ㆍ For patients suffering from knee arthritis or misalignment ㆍ Mainly hinged ㆍ Reducing the amount of pressure or stress applied to the knee and relieving the weight of the knee suffering from arthritis	<Fig. 4>  Rehabilitative Brace (Braceability, n.d.-c)

착용 방법과 형태별 무릎 보호대의 종류는 무릎 보호대 전문 판매 온라인 사이트(Betterbraces; Kneesafe; Ubuy; Wish, n.d.) 조사 결과, 양말처럼 껴서 쓰는 ‘슬리브형’과 벨크로 등을 활용하여 고정하는 ‘스트랩형’, 버클이나 다이얼 등의 잠금장치가 있는 ‘잠금형’으로 구분할 수 있었으며, 예시는 <Table 2>와 같다.

Sleeve type	Strap type	hinged type
<Fig. 5>  Sleeve Brace (SKINFLINT, n.d.)	<Fig. 6>  Strap Brace (SSG, n.d.)	<Fig. 7>  Hinged Brace (ORTHORELIEVE, n.d.)

무릎 패드의 슬리브 또는 스트랩은 면, 네오프렌, 스판덱스, 나일론, 폴리에스터 등과 같은 다양한 재료가 사용되었으며, 충전재는 PU, PE, EVA, PVC 또는 XPS 폼, 나일론 또는 네오프렌 폼, 고무, 플라스틱, 탄소 섬유 또는 기타 내구성 및 고밀도 재료와 같은 재료로 제작 가능했다. 재료뿐만 아니라 패딩의 유형도 홈이 있거나 육각형 또는 버블 유형의 패드로 만들어지거나 이음매가 없는 사례들이 있었다. 잠금장치의 경우, 슬리브형 무릎 보호대는 잠금장치가 없어도 착용 가능하며, 사이즈 조절이 가능한 무릎 보호대의 경우에는 벨크로 또는 버클형태의 조절 가능한 스트랩 또는 잠금장치가 있다.

무릎보호대 소재의 경우, 본체는 메쉬, 네오프렌, 쿨 맥스, 나일론 폴리 합성 섬유, 스트레치 니트, 알루미늄 등이 주로 나타났다. 연결 부위 지지대와 잠금장치로는 벨크로 테이프, 알루미늄 합금 등 금속지지대, 각도 조절 계, 다이얼 등을 활용하였고, 충격 방지용 충전재로 폴리우레탄 폼, 폴리에틸렌 폼, 에틸 비닐 아세테이트 폼, 나일론 폼, 네오프렌 폼, 폴리 염화 비닐 폼, 압축 폴리스티렌폼, 고무, 플라스틱, 젤, 탄소 섬유 등이 사용되고 있다(Betterbraces; Kneesafe; Ubuy; Wish, n.d.).

또한, 등산화나 골프화에 쓰이는 ‘보아 시스템(BOA system)’으로 대표되는 톱니바퀴 형태 다이얼 잠금형(Dial lock system)과 와이어 레이스(Wire lace)로 착탈하는 방식의 의료보조기 및 무릎 보호대도 상용화되어 있다. 보아 시스템은 신발을 착용 및 고정하기 위해 운동화 끈을 조이고 푸는 일련의 과정의 용이성 향상을 위해 스노보더용 부츠의 다이얼 방식에 영감을 얻어 개발된 기술로 세밀한 조정이 가능하다. 또한, 카테터를 개발했던 이전 회사에서의 지식으로 부츠뿐만 아니라 의료 보조기 산업까지 접목 가능한 핏을 구현 했으며, 의료용 무릎 보호대의 예시 및 다이얼의 원리는 아래 <Fig. 8>, <Fig. 9>와 같다(Boafit, n.d-a). 이러한 잠금 방식의 무릎보호대의 경우, 다이얼을 누르고 돌리는 방식으로 개인이 원하는 치수만큼 정밀한 착용감의 최적화가 가능하고, 다이얼을 당기면 잠금이 해제되고 잠금 부위를 손으로 당겨서 와이어를 느슨하게 풀 수 있어 편리한 착용성을 위한 솔루션으로 활용 가능할 것으로 여겨진다.

<Fig. 8> 
Braces with Dial Lock System

(boafit, n.d-b)

<Fig. 9> 
Reel-based-Closure System by Boa Technology Inc

(Hammerslag, Mayberry, & Soderberg, 2012)

본 연구는 스마트 웨어러블 기기의 일환으로써 무릎 보호대를 개발하고자 하며, 3D 디자인 개발 프로세스에 대한 이해를 위해 ‘스마트’, ‘3D’, ‘가상’의 키워드 혹은 연구 방법이 포함된 연구를 고찰하였고, 전문 의료 기기 관련 연구 중 사용자 중심의 스마트 웨어러블을 응용한 연구도 함께 분석하였다. 웨어러블에 대한 접근성이 높아지면서 사용자의 움직임을 모니터링 함으로써 재활 및 부상을 예방하는 분야에 대한 연구는 Byne, Rebola & Zeagler(2013)의 eTextile 무릎 보호대 설계에 있어 전문가 인터뷰, 재활 관찰, 참여형 디자인 워크숍 등 사용자 선호도 파악을 위한 디자인 연구 프로세스를 제안한 이후 지속되고 있다. Turner et al.(2021)은 건강한 20대를 대상으로 SRS(Supplemental Restraint System) 센서를 관절 움직임의 정확한 평가를 위해 무릎 보호대 앞 쪽에 부착하여 적합성 조사를 실시하였다. 관성 센서와 데이터 분석 알고리즘을 융합해 착용자의 움직임을 트래킹하여 수술 후 물리 치료 효과를 높이는 웨어러블 디자인 개발 및 착용성 실험 연구도 있었다(Koyuncu, Candan, & Nergis, 2021). 스포츠 분야에서도 배드민턴, 야구 등 종목별 또는 다리, 무릎 등 신체 부위별로 사용자 사전 설문조사, 포커스 그룹 인터뷰 또는 착용자 테스트를 통한 디자인 및 기능의 만족도 연구 등으로 진행되고 있다(Lee, Eom, & Lee, 2015; Oh & Oh, 2021; Park & Koo, 2020; Webster & Roberts, 2009).

Kim & Lee(2020)처럼 인체공학적 요소를 고려한 3D모델링과 3D프린팅, 3D버츄얼 프로그램, 스마트 웨어러블을 활용하여 착용자 중심의 시뮬레이션 및 프로토타입을 개발한 연구도 있으나, 착용 성별이나 연령 등 소비자의 특성과 요구사항을 고려한 개발보다는 의료용으로 획일화되어 개발된 경우가 다수이다(Kwon & Kim, 2017). 그러나, MZ세대의 의류, 문화생활, 여행, 생활 스포츠참여도가 증가함에 따라, 스포츠 용품의 패션화에 영향을 입어, 패션에서도 축구 유니폼에서 영감을 얻은 블록코어(Blockcore)와 고프(Gorp)와 놈코어(Normcore)의 합성어로 기능적이고 실용적인 아웃도어 의류를 일상복 및 스트리트웨어 스타일로 자연스럽게 녹여낸 고프코어 등의 트렌드가 등장하고 있다(Ike, 2022; Thomas, 2022). 이와 같은 아웃도어와 스포츠에서 영감을 받은 스타일이 MZ세대를 중심으로 주목받으며 실제 스포츠 제품을 활용한 다양한 스타일링이 나타나고 있다. 이에 본 연구는 주력 소비자로 주목받고 있으며 스포츠에 관심도가 높은 MZ세대를 연구 대상으로 한정하여 진행하고자 한다. 따라서 본 연구는 선행연구의 디자인과 기능성에 대한 설문조사 요인 및 결과를 참고하고, 무릎 보호대 디자인 프로세스 및 디자인 요소에 응용하고자 한다.

생활스포츠를 즐기고 있는 MZ 세대의 디자인 및 기능에 대한 선호도를 조사하고 기존 무릎 보호대의 장점과 문제점 점검 및 자동화 기술 관련 인식을 파악하기 위해 생활스포츠 시 부상 방지를 목적으로 무릎 보호대를 착용했거나 구매 의사 및 관심이 있는 20대 남녀 3명을 대상으로 사전 인터뷰를 실시하였고, 그 인구통계학적 정보는 <Table 3>과 같다. 참여자들의 선정기준은, 3가지 이상의 무릎보호대를 착용한 경험이 있고, 생활스포츠와 패션에 관심도가 있으며, 스마트 기기 및 디자인에 대한 인식도가 높은, MZ세대로 한정하였다. 인터뷰는 가상회의 프로그램(Zoom)을 이용해 2021년 11월 24일부터 2021년 12월 9일까지 진행되었으며, Stake(1995)의 질적연구 방법에 따라 녹화된 내용을 바탕으로 녹취록을 작성하여 의미단위를 추출한 후 범주작업을 거치며 연구자의 개인적 해석이 최소화되도록 하였다. 인터뷰 항목은 선행 연구를 통해 디자인 및 기능적 요소를 추출해 본 연구에 맞게 변형하여 대상자의 인구통계학적 특성, 평소 패션 관심도와 현재 건강상태, 생활스포츠 관련 실태, 무릎 보호대 관련 경험 및 인식과 디자인 및 기능에 대한 선호도로 구성되었다 <Table 4>. 스마트 웨어러블에 대한 인식을 알아보기 위해 자동화 시스템 관련 의견도 함께 녹취하였다.

생활스포츠 실태조사 결과로는 A는 월 1회 등산을 즐기고 있으며 운동 시 종아리 앞ㆍ뒤쪽과 허벅지 뒤쪽에 통증을 느꼈다. B는 주 4회 간단한 조깅과 팔굽혀펴기, 복근우동과 같은 근력 운동을 하고 있으며 종아리 근육에 압박을 가장 많이 받고 특히, 과거 부상 경험으로 인해 겨울철 조깅시 시린 경험을 다수 가지고 있다. C는 월 10회 이상 축구와 테니스를 즐기고 있으며, 허벅지와 종아리에 가장 압박을 받고 있는 가운데, 최근 운동 후 무릎 통증을 호소했다. 또한 상대와의 충돌이 많은 축구를 즐김에 따라 무릎 관련 부상을 다수 경험했다. 무릎 보호대의 필요성은 모두 여기고 있으며, 구매의사도 가지고 있는 가운데, 필요성과 구매의사 모두 없는 참여자도 자동화 관련 기술에 대한 조사 후 적극적으로 구매의사를 밝혔다. 또한 기존 제품 유형별 선호도를 조사했을 때 선정 요소로 고정성을 띄고 있어 이를 통해 무릎 보호대에 대한 관심도와 고정 기능 개선 필요성을 확인할 수 있었다.

보통 일반적인 무릎 보호대는 이제 무릎 부위를 감으면서 조이잖아요. 근데 이제 자기가 원하는 대로 조였는데 이게 아무래도 차고 조깅을 하다 보면 이게 조금씩 풀리거나 흘러내리는 경우가 좀 생기거든요. 만약 그런 거를 좀 방지해 줄 수 있다면 저는 충분히 구입할 의사가 있다고 생각을 해요. (B)
(무릎 타박상을 입은 후)보호대를 착용하고 있습니다… 많이 뛰고 나서 마무리 운동을 제대로 안하고 그냥 바빠 가지고 바로 집에 오거나 할 때 운동이 끝나고 몸이 식을 때 무릎이 좀 많이 아파와서 그 다음 날엔 또 잘 걷지 못할 정도가 된 적도 많거든요. 무릎이 너무 아파서 이제 그 다음 날에 일어났을 때 무릎 보호대를 착용하고 생활하고 그런 식으로 했습니다. (C)

MZ세대의 무릎 보호대에 대한 기능 및 디자인 선호도를 알아보기 위해 기존 무릎 보호대의 문제점을 조사하였다. 크게 탈부착/고정, 착탈의성에 대한 문제점을 제시했다. 탈부착/고정의 경우 움직임 발생 시 벗겨지거나 잘 흘러내리며, 사람이 직접 고정해 매 착용 시 느낌이 다르고 번거로워 신체에 오랫동안 처음의 상태가 유지되기를 희망하였다. 또한 시중에 다양하게 존재하는 사이즈에 대해 개개인에 맞는 사이즈 선택에 어려움을 겪으며, 과도한 고정으로 인해 불편한 움직임에 대한 문제점을 가지고 있었다. 착탈의성의 문제로는 입고 벗기가 불편해 올인원 타입을 선호하게 되며, 운동 시 필요한 물건(물통, 수건, 등산 스틱 등)을 들고 있어 손이 자유롭지 못해 어려움을 가지고 있었다. 또한, 불편 사항의 해결책으로 참여자에게 자동화 시스템 관련 의견을 수렴한 결과, 보다 편안한 움직임이 가능할 것으로 기대하고 있었다. 하지만 원하는 위치까지 강약 정도가 잘 적용되는지 기술적 의문을 가지고 있으며, 사용자 맞춤형 고정 상태를 유지하고 기억할 수 있는 프리셋 기능 접목을 희망해 추가적인 개선안도 필요했다.

두꺼운 옷을 입었거나 이럴 때 탈 부착하면은 아무래도 좀 공간이 발생할 수도 있어서 그럴 때 좀 불편할 것 같아요. … 입고 벗기에 편하기 때문에 올인원이 나을 것 같아요. … 손에 물건을 들고 있다거나 그럴 때 뭔가를 지고 있다거나 손이 자유롭지 못할 때 자동으로 되는 게 있다면 좀 더 편하지 않을까요? … 인터넷으로 한번 찾아봤을 때 좀 잘 벗겨지고 헐거워진다는 문제가 있던데 그런게 좀 개선되어야 할 것 같아요. (A)
사용자 신체에 이제 오랫동안 유지할 수 있도록 하는 그런 능력이 중요합니다. … 사람이 직접 차고 하는 거다 보니까 이게 매번 찰 때의 그 느낌이 다를 수밖에 없잖아요. 그래서 내 마음에 든 그 상태가 있을 때 그 상태를 다음번에도 똑같은 그 상태를 유지하고 싶다 하면은 그 정도의 프리셋 정도가 있으면 좋지 않을까 … 또 그 수치를 저장할 수 있는 기능도 있으면 좋을 것 같아요. (B)
탈착을 할 때 보호대를 이제 제가 꼈던 거는 아예 이렇게 벗듯이 보호대를 탈부착 할 때 보호대를 풀어서 발밑으로까지 이렇게 빼는 방식의 보호대를 착용했었거든요. 조금 번거로움이 있었습니다. … 이제 사용자가 이 사이즈가 내 사이즈가 맞다 이렇게 인식이 될 수 있는 게 가장 중요하다고 봅니다. 왜냐하면 자기가 조금 작은 무릎 보호대를 끼고 있는데도 이게 잘 잡아주는구나 이렇게 착각을 할 수도 있기 때문이죠. 사용자는 얼마나 쪼이는 게 딱 좋은 건지 잘 모르기 때문에 그런 사이즈 측면에서 조금 사용자에게 딱 맞을 수 있는 것이 가장 중요하다고 생각합니다. … 신축성만 있으면 얼마든지 찍찍이 굳이 안 붙이고도 잘 할 수 있으면 더 좋겠다는 생각이 듭니다. (C)

사전 인터뷰 내용을 바탕으로 디자인 요소를 추출하여 결과는 <Fig. 10>과 같다.

<Fig. 10> 
Design Factors for Developing Smart Knee Brace

‘고정성’, ‘유연성’, ‘자동화’, ‘심미성’을 주요 요인으로 설정하고, 각 요인을 복합적으로 고려한 디자인 솔루션 및 실험 설계는 다음과 같다. 먼저, 착용 시의 편안함과 개인별 사이즈 호환성을 포함한 ‘고정성’과 ‘유연성’ 요인을 고려하여 무릎 보호대의 잠금 방식으로 유연한 탄성과 형태 회복성을 주요 특징으로 하는 SMA를 기존 제품의 와이어 레이스 대안으로 제안하고, 무릎 보호대의 소재의 소재 및 두께를 복합적으로 디자인한다. ‘유연성’, ‘심미성’ 요인은 무릎 보호대의 소재와 디자인을 인체공학적 패턴과 사전 인터뷰에서 도출한 내용에 기반 한 사용자 중심의 미적 요소를 포함한 디자인을 제안하며, ‘자동화’와 ‘고정성’ 측면에서는 착탈의 편리성을 기반으로 다이얼, 전지, 모터, SMA 등 사용자 맞춤형 자동화 요소를 고려하여 설계한다. 참여자들의 인터뷰 결과는 MZ세대의 고프코어 트렌드와 일맥상통하며, 기능성(고정성, 유연성, 편리성)을 넘어, 기능의 패셔너블함 (스마트폰으로의 자동제어 기술 및 인터렉션, 패션 아이템으로서의 타인의 시선)을 동시에 수반한 디자인 요소로 볼 수 있었다.

참여자 모두 심플한 스타일을 선호하며, 스포티한 감성을 더하는 것에 대한 긍정적으로 대답했다. 색상으로는 검은색과 회색 등 모노 톤(Mono tone)을 추구했고, 무늬는 없는 것을 선호하나 라인, 그리드와 같은 간결한 선 프린팅은 수용한다고 밝혔다. 소재는 잘 흘러내리지 않는 신축성이 좋은 소재와 무게감이 덜 느껴지는 경량 소재를 선호했다. 기존 제품에 대한 인식 조사에서도 알루미늄 등 메탈로 구성된 보호대의 경우 재활의 이미지가 강해 거부감을 느끼고 있었으며, 스트랩형과 신축성이 돋보이는 올인원 타입을 선호하고 있었다. 인터뷰 내용으로부터 도출한 기능적, 디자인적 요소를 고려한 디자인 솔루션은 <Table 5>와 같다.