MZ 세대를 위한 스마트 무릎 보호대 융합디자인을 위한 기초연구

Ⅰ. 서론

Covid-19코로나로 인한 사회적 거리두기로 실내 스포츠 활동이 어려워짐에 따라 시작된 MZ세대의 등산, 바이크, 클라이밍, 캠핑, 골프 등 야외스포츠 활동이 급격히 늘어나고 있다. 서울대학교 소비트렌드분석센터는 2021년 트렌드 키워드 10가지 중 하나로 오늘 하루 운동이라는 뜻의 ‘오하운(Your Daily Sporty Life)’을 제시하였으며, SNS에는 ‘오하운’과 ‘오운완(오늘 운동 완료)’이라는 키워드를 통해 다양한 스포츠에 입문해 배우고 인증하는 소통 방식이 대두되고 있다(Kim et al., 2020). 2030세대 주도로 각광을 받고 있는 생활스포츠 활동은 체력 증진과 정신건강 측면에서 이로우나, 활동 중 충격이나 외상으로 인해 골절, 파열 등의 상해를 야기 시키며, 특히 스포츠안전재단의 <2019년 스포츠 안전사고 실태조사>에 따르면 생활체육인 7,725명은 연간 평균 2.7회의 부상 경험을 겪고 있으며, 발목(21.2%), 무릎(16%), 손목(15.2%) 순으로 부상 빈도가 높았다(Sportsafety, 2020). 주 부상 종류는 인대 손상인 염좌, 뼈 손상인 골절, 관절이 이탈된 탈구 등의 형태로 나타나며, 손상 정도에 따라 수술, 주사치료, 물리치료 등의 처치가 이루어지고 꾸준한 재활치료를 권장한다(Heo, 2020). 일례로 등산의 경우, 평소 걸을 때보다 등산 시 체중의 2배-3배, 하산 시 7배-10배의 하중이 무릎, 발 등 다리 부위에 전달되어 십자인대, 발목인대 등의 부상에 주의가 필요하다. 특히, 이러한 무릎 관련 부상을 치료하기 위해서는 수술, 석고붕대 등 치료 및 환부를 압박하고 고정해서 빠른 치료 및 추가 부상을 방지하는 무릎 보호대 착용까지 수개월에 걸친 처치가 필요하다(Kim, 2021; Lee, 2017).

이러한 이유로 무릎 보호대의 중요성이 부각되고, MZ 세대의 각종 생활스포츠 참여율이 증가하고 이에 따라 무릎 부상도 증가하고 있으나, 이를 타겟으로 반영한 디자인 솔루션은 미비하여 무릎 보호대의 디자인은 대체적으로 치료와 고정의 목적성에 부합하도록 획일화 되어 있다. 무릎 보호대 관련 선호도를 조사해 디자인을 제안한 선행연구가 있으나, 조사대상이 20대와 60대 노년층의 의견이 혼합되어 있고, 착용자 수요 중심의 심미적 측면을 고려한 디자인은 미비하여 이와 관련된 새로운 디자인 및 기술에 대한 소비자 의견 수렴이 필요하다(Oh & Oh, 2021; Park & Koo, 2020). 이에 본 연구는 생활스포츠 시 무릎 부상의 치료와 예방 단계에서 활용되는 무릎 보호대의 개념 및 유형에 대해 살펴보고, 기존 무릎 보호대의 개선점 도출과 MZ세대의 사용자 취향을 고려하기 위해 질적 연구를 진행한다. 이를 통해 MZ세대의 외향적 취향을 중심으로 기존 무릎 보호대의 개선점 및 착용자의 편의성을 고려한 디자인을 제안하고자 한다. 또한, 예방과 재활을 위한 형태 안정성이라는 무릎 보호대의 기본 착용 목적에 부합하도록 활동 시에도 유지되는 고정성과 편리한 착용성을 도모하기 위한 기능적 요소 충족을 위한 아이디어를 접목하고자 한다. 본 연구는 사전 인터뷰를 통한 디자인 요소 도출, 3D 가상 프로토타입 개발을 활용한 혼합 연구로 진행되며, 기존 상용화되어 있는 무릎 보호대의 현황 및 특성을 분석하고 개선안을 반영한 디자인 설계를 전개하고자 한다. 연구문제는 다음과 같다.

• 연구문제 1. 기존 무릎 보호대의 문제점은 무엇이며, MZ 세대가 선호하는 디자인 요소는 무엇인가?
• 연구문제 2. 디자인 요소를 고려한 무릎 보호대는 어떻게 설계되는가?
• 연구문제 3. 무릎 보호대의 선택적 착용감을 높일 수 있는 스마트 기술은 무엇이 있는가?

Ⅱ. 이론적 배경

2. 무릎 보호대 유형 및 소재

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).

<Table 1>

Classification of Knee Braces by Purpose

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.

<Table 2>

The Types of Knee Braces by Wearing Method

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.

Ⅲ. 연구 방법

본 연구는 무릎 보호대의 문제점을 도출하고 MZ 세대의 디자인 니즈를 반영한 무릎 보호대 개발 연구로, 디자인 선호도 조사를 위한 질적 연구와 기능적 요소 구현 가능성 확인을 위한 실험이 융합된 혼합연구방법을 실행하였다. 먼저, MZ세대의 생활스포츠 참여율이 증가하고 있으나, 획일화되어있는 무릎 보호대의 디자인 솔루션 제안을 위한 선호도 조사와 고정성 및 맞음 새를 개선할 수 있는 새로운 기술에 대한 의견을 수렴하기 위해 사전 인터뷰를 실시하였고, 인터뷰 내용을 분석한 결과를 바탕으로 디자인 요소를 추출했다. 둘째, 디자인 요소를 바탕으로 CLO 3D 프로그램을 통해 시뮬레이션을 진행 후 무릎 보호대 3D 디자인을 제시하였다. 셋째, 인터뷰와 3D 시뮬레이션을 통해 도출된 다이얼 시스템의 자동화 기능을 접목한 실험을 실시하고 프로토타입을 제안하였다. 이 과정에서 가상 봉제, 텍스처 구현, 시뮬레이션 등을 통해 샘플링이 가능한 CLO 3D를 활용한 디자인 측면 개선 및 다이얼, 형태 변형 후에도 일정 온도의 가열에 의해 본래의 형태로 복귀하는 SMA(Shape Memory Alloy, 형상기억합금) 레이스, 배터리, 모터를 활용한 잠금 방법을 실험 연구하는 방식의 혼합연구 방법을 통해 디자인과 기능적 측면을 개선한 무릎 보호대 디자인을 개발하고자 하였다.

1. 사전 인터뷰: 연구 대상자 및 자료 분석

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.

<Table 3>

Demographic Information of Participants

<Table 4>

Categories of Interview Questionnaires

Ⅵ. 연구결과

3. 사용자 경험을 적용한 디자인 요소

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.

4. 사용자 선호도를 반영한 디자인 솔루션

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.

<Table 5>

Design Solutions

5. 프로토타입 개발

1) 무릎 보호대 3D 디자인 제안

본 연구는 무릎 보호대의 주요 착용 목적인 예방적(Prophylactic)인 면과 재활적(Rehabilitative)인 면을 함께 고려하고, 사전 조사 및 인터뷰 결과를 반영하여 슬리브형, 스트랩형, 잠금형 무릎 보호대를 복합적으로 결합시킨 디자인을 제안하고자 한다. 사용자의 움직임 발생 시 벗겨지거나 흘러내리지 않고, 착용 시에는 사용자 맞춤형의 편안함과 안정적인 고정 상태가 유지되며, 착탈 시의 편리성을 고려하였다.

무릎 보호대의 전반적인 3D 디자인 요소는 <Table 6>과 같다. 얇고 가벼워 휴대하기 적당한 슬리브형 안쪽 한 겹 및 다이얼과 와이어 레이스로 기능적으로 편리한 착탈이 가능한 두께감 있고 고정성이 뛰어난 바깥쪽 한 겹이 세트인 일체형(all-in-one type, 올인원 타입)의 무릎 보호대를 디자인하였다. 고정성과 자동화를 고려한 바깥쪽 한 겹은 재활 목적에 부합하도록 클릭 잠금형 다이얼/SMA와이어 레이스/모터/배터리를 활용하며, 유연성 및 심미성을 고려한 슬리브형인 안쪽 한 겹은 예방적으로 활용 시 중요한 장시간 착용 시 편안함과 바깥쪽 한 겹을 뺀 착용도 가능하도록 한다. 두 겹을 동시에 올인원으로 착용 시, 피부에 직접 닿는 안쪽은 밀착되지만 부드러워 착용감이 좋고, 바깥쪽은 단단하게 고정이 가능하고 착탈이 편리하도록 설계하여 치료와 재활 시 시너지를 내는 것이 가능하도록 디자인하였다.

<Table 6>

3D Design Elements for Knee Braces

무릎 보조대의 구조 및 형태는 무릎 관절을 편안하게 제어할 수 있도록 무릎 앞부분이 개방되어 있는 두 겹의 일체형 디자인으로 설계했으며, 안쪽 한 겹은 흘러내리지 않고 부드럽게 잡아주는 형태를 유지하기 위해 슬리브 형이고, 바깥쪽 한 겹은 사용자 맞춤형 고정 상태를 유지하기 위한 다이얼 클릭 잠금 착탈 형이다. 두 겹의 무릎보호대는 목적에 따라 각 각 활용도 가능하여 제품의 활용도를 높였고, 땀으로 인한 오염 등으로 인한 교체 시에는 피부에 직접 닿는 안쪽 한 겹만 별도로 교체 가능한 구조이다. 유기적인 올인원 타입의 무릎 보호대 제작을 위한 2D 평면 패턴 디자인은 <Fig. 11>와 같다. 안쪽 한 겹은 무릎 움직임시에 불편함을 없애기 위해 원형으로 무릎의 돌출부위를 오픈하고, 봉제선을 최소화하였으며, 바깥쪽 한 겹은 무릎 뒤쪽의 접힘 부위는 곡선형 절개선과 면 분할 처리하고, 전면에서 와이어레이스를 상하 3지점 씩 안정적인 고정이 가능하도록 하였다. 무릎 보호대의 색상의 경우, 사전 인터뷰 결과에 따라 차분하고 안정감 있는 검은색, 회색 등 무늬 없이 간결한 무채색을 선택했고, 소재는 탄탄하고 신축성이 우수하고 무릎 주변 근육에게 적정 수준의 의복압을 유지할수 있는 네오프렌 소재(Neoprene Fabric)를 사용한다. 올인원으로 착용시 안쪽 한 겹은 양말을 신은 듯 편안하고 안정감을 느끼도록 비교적 얇은 네오프렌 소재를 사용하고, 바깥쪽 한 겹은 두께감 있고 탄성도 뛰어난 네오프렌 소재이다. 두 겹의 무릎 보호대는 소재의 두께는 다르나 표면감이 통일성 있는 네오프렌을 사용하고, 그레이~블랙 계열의 무채색을 톤 온 톤(Tone-on-tone)으로 배색하여 통일감을 주며, 의복과 함께 착용했을 때 코디네이션의 한계를 최소화하였다. 봉제 방식은 올인원 두 겹 모두 봉제선 두께를 최소화하기 위해 스포츠웨어에 많이 사용하는 오드람프(Flat-lock Stitch) 방식을 활용했다<Fig. 12-Right>.

<Fig. 11>

Knee Braces 2D Pattern

<Fig. 12>

Flat-lock Stitch (Right)(cloths-product, n.d)

<Table 7>은 2D패턴을 아바타에 적용해 내부 한 겹 착용 시, 바깥쪽 한 겹 착용 시, 올인원으로 두 겹 착용 시의 형태를 순차적으로 구현하였다. 활용한 아바타의 사이즈는 사이즈 코리아(size korea) 7차 한국인 인체 치수 조사사업 최종 보고서에 따라 25-29세 남자의 넙다리중간둘레(537mm), 무릎 둘레(375mm)와 장딴지둘레(386mm)로 설정했다(Size Korea, n.d.).

<Table 7>

Knee Braces 3D Design Process

올인원 무릎 보호대의 전면/측면/후면 착용 모습은 <Table 8>과 같으며, 클릭 잠금형 다이얼의 위치는 <Table 9>와 같이 전면 상단(a), 바깥쪽 측면 상단(b)과 하단(c)의 3가지 부위로 CLO 3D 프로그램을 활용하여 제안하고, 후속 연구에서 시 제품 제작하여 사용자 테스트 후 최종 위치를 선정 할 계획이다.

<Table 8>

CLO 3D Design for Knee Braces

<Table 9>

Thee Types of Dial Position

2) 무릎 보호대 스마트 잠금 방법 솔루션을 위한 실험

모든 디바이스의 구성 요소는 고형으로, 유연성이 전혀 없어 사용자의 쾌적한 착용감을 해칠 우려가 있으며, 이러한 디바이스는 보호대의 무게를 증가시키는 원인이 되므로 가능한 작고 가볍게 제작하는 것이 중요하다. 또한 신체에 밀접하게 착용하는 전기 디바이스인 만큼 안전성이 무엇보다 최우선되기에 인체 친화적인 재료를 사용하여 제작해야 한다. 디바이스의 구성 요소 중 에너지 저장 장치는 리튬 이온 전지가 높은 에너지 밀도를 바탕으로 시장을 크게 점유하고 있으나, 리튬 이온 전지는 유기계 전해질을 사용함으로 인한 폭발, 누액의 위험성을 가져 안전성의 관점에서 큰 단점을 지니기에 본 연구의 디바이스 디자인에서는 인체 친화적인 아연 이온 전지를 사용하였다. 아연 이온 전지는 여타 전지와 달리 수계 전해질을 사용하는 것이 특징으로 높은 사이클 안정성을 가질 뿐만 아니라 발화 및 폭발의 위험이 전혀 없어 안전하고 저렴하여 차세대 배터리로 각광받고 있으나 낮은 구동 전압으로 인한 낮은 에너지 밀도가 단점으로 지적된다. 본 시스템에서는 단 방향 모터를 통해 와이어를 감는 정도의 작은 힘을 사용하며, 짧고 비정기적인 조작 시간을 가지므로 높은 에너지 밀도보다는 충전 시의 안정성, 그리고 사용상의 안전성이 우선시되므로 아연 이온 전지를 채택하였다. 디바이스의 핵심 부품인 형상기억합금 와이어는 nexmetal社의 Nitinol을 사용하였다. Nitinol은 195 MPa 이상의 높은 항복강도를 가져 안전하게 무릎 보호대를 지지할 수 있고 50℃ ± 10이상의 열을 가하면 빠르게 본래의 형상으로 돌아가는 성질을 지녀 저 용량의 전기 자극으로도 작동 가능한 자동 잠금 장치를 가진 무릎 보호대에 적합한 소재로 고려된다. 모터는 레이스 시스템에 직결되어 형상기억합금 와이어를 감는 가장 기본적인 기계장치다. 다른 요소와는 달리 물리적인 크기를 조절하기 어렵고, 돌출된 형태로 삽입되므로 보호대의 착용감과 심미성을 저해할 우려가 있다. 따라서 모터의 선택에 있어서는 레이스 시스템을 구동할 수 있는 최소한의 힘을 가진 소형 모터를 선택하는 것이 바람직하다. 본 실험에서는 레이스 시스템이 구동되는 최소한의 힘을 확인하기 위해 12W의 출력을 갖는 모터를 사용하였다.

모터에 형상기억합금 와이어를 적용할 수 있을지의 여부를 판단하기 위해 간소화된 실험을 진행하였다. 모터는 드라이버에 연결된 채로 5V 1A의 전력이 공급되었다. 드라이버는 회전 속도를 조절 할 수 있는 게이지가 붙어 있으며, 이를 통해 적정량의 힘을 가할 수 있다. 모터 선단에는 레이스시스템의 내부 톱니에 감긴 와이어가 장착되어 있다. 모터는 0.25W 수준의 낮은 전력에서도 와이어를 잘 풀어냈으며, 레이스 시스템의 톱니와 직결되어 와이어를 균일하게 감아낼 수 있는 잠재력을 증명하였다<Fig. 13>.

<Fig. 13>

Motor Test

또한 형상기억합금을 이용한 잠금 해제 방법도 확인할 수 있었다. 먼저, 형상기억합금의 본래 형태로 돌아가는 속도를 확인하였다. 형상기억합금 와이어를 구부림 없는 일직선 형태로 형태를 기억시킨 뒤 톱니에 감고 50℃ 이상의 열을 가하여 0.5초 만에 와이어가 풀리는 모습을 관찰하였다<Fig. 14>. 아주 낮은 양의 전력을 사용하여 열에 너지를 줄 수 있는 점을 고려하면, 형상기억합금이 전도체인 것을 이용해 회로를 통해 에너지 저장 장치와 연결시켜 모터의 도움 없이 와이어를 푸는 것이 가능할 것으로 사료된다.

<Fig. 14>

SMA Shape Memory Test

Ⅴ. 결론

본 연구는 MZ세대로 통칭되는 20대-30대의 최근 사회적 트렌드인 ‘오하운’과 같은 키워드에서 보여 지는 생활스포츠 활성화와 이에 따른 무릎 부상 증가에 주목하여 무릎 부상의 예방 및 치료를 위한 무릎보호대의 자동형 프로토타입을 개발하고자 하였다. 사용자 중심 디자인을 위해 MZ세대 대상의 사전 인터뷰를 진행하여 디자인 선호도 및 기존 무릎 보호대의 개선점을 도출하는 질적 연구와 사전 인터뷰, 선행 연구, 시장 조사를 통해 도출한 디자인적 요인과 기능적 요인을 적용한 실험 설계를 진행하는 혼합 연구 방법을 수행하였다. 먼저 이론적 고찰을 통해 무릎 보호대의 개념과 유래에 대해 살펴보고, 무릎 보호대의 유형과 소재에 대해 고찰하였으며, 사전 인터뷰와 디자인 및 실험 설계를 진행하였다. 선행 연구와 사전 인터뷰 결과에 따른 MZ세대의 사용자 중심 디자인 요소를 추출하여 CLO 3D 버추얼 프로그램을 통해 디자인 프로토타입을 제안하고, 아연 이온 전지를 활용한 에너지 저장 장치, 형상기억합금 와이어, 저전력 모터를 활용한 실험으로 무릎 보호대의 잠금 방법 개선을 제안하였다.

생활스포츠를 즐기는 20대 3인을 대상으로 한 사전 인터뷰를 통해 무릎 보호대에 대한 경험 및 인식과 기능 및 디자인 선호도를 사전 조사한 결과, 심플하고, 무채색 위주의 모노톤을 선호하고, 경량의 고신축성 소재를 사용한 기능적이면서도 거부감 없는 올인원 타입을 디자인 솔루션으로 도출하였다. 미학적, 기능적, 기술적 요소를 고려하여 예방과 재활에 복합적으로 활용 가능하도록 안쪽은 슬리브형이고 바깥쪽은 다이얼 잠금형인 일체형(올인원 타입) 무릎 보호대 디자인을 버추얼 이미지로 제안하였다. 목적에 따라 두 겹은 각각 개별로 활용 가능하며, 두 겹을 함께 착용하였을 때 미적으로나 기능적으로 시너지가 나도록 설계하였다. 소재는 가볍고 신축성이 뛰어난 네오프렌을 사용하고, 색상은 그레이, 블랙의 톤 온 톤으로 제안하였다. 무릎 보호대 잠금 방법적인 면에서는 다이얼 레이스 잠금 방법을 활용한 자동화에 초점을 맞추어 실험을 진행하였다. 레이스로 제안하는 SMA의 형상 기억된 형태로 복원되는 속도를 확인하여 작은 양의 전기 에너지원을 활용한 자동화 가능성을 확인하였으며, 아연 이온 전지를 전기에너지로 활용한 소형 단방향 모터를 실험하여 안정적이면서 착용감과 심미성까지 고려한 자동화 디바이스를 제안하였다.

본 연구는 여러 분야의 연구자들과 조율을 통한 융합 연구를 진행하였다는 것에 의의가 있으며, 또한 다양한 분야의 연구자들이 어떤 디자인 프로세스로 진행할 수 있는 지에 대한 방향을 제시하였다는데 의의가 있다. 후속 연구로는 향후 보다 많은 참여자의 다양한 의견을 통한 해석이 필요하며, 대상자의 트렌드 민감도에 따라 차별화된 디자인이 추가로 제안 될 것으로 요구된다. 본 연구의 상용화를 위해서는 CLO 3D로 제안한 무릎보호대 디자인을 활용한 시제품 실물 제작과 사용자 착용 테스트를 통한 실질적인 사용성, 유용성, 심미성, 가치성, 신뢰성 등에 대한 평가 후 다이얼 부착 위치를 선정해야 할 필요가 있다. 끝으로 보다 효과적인 개인 맞춤형 사이즈 조절을 위한 프리셋 기능이 가미된 애플리케이션 개발과 다이얼의 클릭 잠금 자동화, SMA 형태 회복용 에너지를 위한 소형 전기 장치 개발이 향후 과제로 기대된다.

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