I.Introduction

발에는 인체를 지지하고 모든 체중을 받쳐주며, 보행 시 충격을 흡수하고 분산시 키는 완충 역할을 할 수 있도록 수많은 인대, 골격, 근육들이 접합, 배열되어 있다. 발바닥의 뼈들은 체중 을 분산시키기 위해 활같이 휘어져 아치를 형성하고 있으며, 발 아치와 지면사이의 공간은 에어펌프의 역 할을 하여 보행 시 충격을 완화하고, 체중이 한 부분 에 집중되지 않게 분산시킨다(Kim, 2001; Kim, 2003; Park et al., 2009). 발아치의 형태가 비정상적이면 걸 을 때 발의 피로감이 증가하고, 균형 감각이 떨어져 운동 능률이 저하된다. 정상적인 발아치의 높이는 2.3cm 정도이며, 정상보다 발아치가 낮으면 평발, 높 으면 오목발로 분류된다(Jang, 2012).

평발은 발아치가 비정상적으로 낮아지거나 소실되 어 발바닥 안쪽이 편평하게 변형된 상태로, 아치를 통한 충격 흡수가 어려워 몸 전체에 피로감을 주며, 장시간 보행 시 통증을 느낀다(Flatfoot, n.d.). 나이가 들면서 나타나는 노화, 체중 증가, 생활 습관 등으로 발아치 유지를 돕는 힘줄과 뼈를 받쳐주는 근육 및 인대가 퇴화하면서 아치가 내려앉게 되어 발볼이 넓 어지고, 발바닥이 평평해져 평발의 비율이 증가하게 된다. 평발은 정상발에 비해 중족부에서 발과 바닥과 닿는 접지 면적이 많기 때문에 보행 장애가 나타나게 되는데, 평발에 인솔을 삽입하면 정상발과 유사한 발 아치의 형태가 만들어지면서 정상적인 접지 면적이 형성되고, 발 전체로 압력 분산이 되어 정상 보행이 가능하게 된다(Kim, 2011).

의학 분야에서는 의사의 문진과 방사선 사진 촬영 으로 발바닥을 이루는 뼈와 관절의 각도로 평발을 진 단하는데 비해, 신발 및 신발 보조용품 분야에서는 정상발과 평발의 분류를 위해 지면과 닿는 발 바닥면 의 2D 이미지를 수집하여 분석하는 방법이 주로 사 용된다. 기존에는 잉크를 묻힌 발을 족문기에 올려놓 고, 발바닥 지문을 찍어 중족부의 형태를 분석하거나 (Coughlin & Kaz, 2009; Kang, 2012; Kim, 2001; Kim, 2003; Kim, 2011), 아크릴 판 아래에 평판스캐 너를 놓고 발바닥면의 2D 이미지를 스캔하는 방법이 주로 사용되었다(Kim, 2013; Park, 2005). 최근에는 기존의 잉크를 사용한 발 지문 측정 방법을 보완하 여, 3D 발 스캔 데이터로부터 디지털 발 지문을 수집 하는 방법이 시도되고 있으며(Lee, Lin, & Wang, 2014), 기술이 발전할수록 발바닥 데이터의 수집은 3D 스캐 닝 기반으로 발전할 것으로 예상된다.

발 지문 데이터를 수집한 선행 연구들을 살펴보면, 동적 발 지문을 찍을 때는 족문기에 오른쪽 발을 얹 고 체중 전체를 오른쪽 발에 옮긴 후, 수 초간 상태를 유지하였다가 천천히 발을 떼어내었을 때 찍힌 발바 닥의 잉크 자국을 사용하고(Coughlin & Kaz, 2009; Kim, 2001; Kim, 2003), 정적 발 지문을 찍을 때는 족문기 위에 발을 올린 상태에서 무릎을 2번 구부렸 다가 핀 후 발을 떼어내어 발바닥 전체에 체중의 압 력이 충분히 가해져 발 지문이 선명하게 찍힐 수 있 도록 한다(Kang, 2012). 그러나 3D 발 스캐너는 오른 쪽 발을 스캐너 안에 넣고 체중을 양쪽 발에 골고루 분산시킨 상태에서 발의 3D 형상을 수집하게 되는데, 이 경우 체중이 분산되기 때문에 족문기로 동적 및 정적 발 지문을 측정한 경우보다 지면과 발바닥이 닿 는 면이 적게 나타난다. 따라서 발아치 유형 분류를 위해 3D 발 형상을 분석할 때 바닥면과 3D 스캔 형 상 데이터가 맞닿은 접지면의 형상만을 관찰하는 것 은 측정 시 가해진 체중의 힘이 다르기 때문에 적합 하지 않다. 이를 보완하기 위해 Lee et al.(2014)은 3D 발 스캔 데이터로부터 디지털 발 지문 데이터를 수집 할 때, 접지면이 아니라 바닥면에서 1.5mm 올라간 수평면을 기준으로 발의 3D 메쉬 표면과 만나는 윤 곽선을 따라 발 지문을 그린 후, AutoCAD 프로그램 에서 치수를 측정하였다. 그러나 3D 스캔 데이터로부 터 2D 발 지문을 수집한 연구가 아직 많지 않아, 발 바닥 면 수집을 위한 수평면의 최적 위치에 대한 더 많은 논의가 필요하다.

수집한 발바닥 데이터에서 발바닥 편평도를 파악 하는 방법 또한 다양하다. 발 지문에서 전족 폭에 대 한 중족 폭 비율을 지수로 나타낸 Chippaux-Smirak Index(CSI)이나 발 지문의 후족 폭에 대한 중족 폭 비 율 지수인 Stahelis Arch Index(SAI)를 사용하기도 하 며(Kang, 2012), 전족부, 중족부, 후족부의 면적을 각 각 측정하고 발바닥 전체의 면적에 대한 중족부 면적 비율인 Arch Index(AI)를 구하기도 한다(Murley, Menz, & Landorf, 2009). 발 안쪽 점과 발뒤꿈치 안쪽 점을 연결한 스탈크선(Stalk line)과 세 번째 발가락과 발뒤 꿈치 중심을 연결한 마이어선(Meyer line)을 긋고, 이 두 선의 이등분선과 발바닥 지문이 닿는 정도에 따라 발의 평발을 판정하는 Meyer & Stalk 방법도 사용된 다(Choi, 2005).

인솔(insole)은 신발 안쪽에서 발을 받쳐주는 중창 부분을 말하며, 발바닥 형태로 제작되는 경우가 대부 분이다(Jang, 2012). 한국 산업 규격의 구두용 조립식 중창규격(KS G 3406: 1994)에 따르면(Korean Agency for Technology and Standards, 2014), 인솔은 평균 체 중을 지탱할 수 있는 충분한 강도와 견고성을 지녀야 하며, 하중을 반복적으로 연쇄 순환시킬 수 있는 탄 력성을 지니고, 보행 시 추진력과 착용 시 안정감을 주어야 한다. 이러한 인솔은 발바닥과 신발 사이에서 착화감을 높이는 쿠션 역할을 하며, 발바닥에 가해지 는 압력 하중을 효율적으로 분산시켜 보행에 도움을 주는 의료 보조 기구의 역할을 한다(Song, Kim, Kim, & Lee, 2016). 보조기구용 인솔은 외적인 요인에 의 하여 변형된 발에 이상적인 발아치를 제공한다. 적합 한 용도의 인솔을 착용하면 변형된 발 뼈, 인대, 근육 등의 구조가 정상적으로 바뀌어 자세를 바르게 유지 하고, 발에 가해지는 충격을 흡수함으로써 발은 물론 몸 전체의 피로감을 감소시킬 수 있다(Park et al., 2009). 발 아치에 쿠션을 주는 기능성 인솔을 착용하 면 족압의 접촉 면적이 높아지고, 근육피로도가 낮아 지며 착용자의 만족도가 높아진다(Min et al., 2016). 국 내 인솔 업체에는 기능성 인솔, 스포츠용, 평발 교정 용, 충격흡수용 인솔 등, 다양한 용도의 제품들을 생 산하고 있으나, 축적된 전문 기술과 정량적 데이터를 기반으로 개발된 제품들이 아니기 때문에 제품의 성 능 및 효과에 대한 신뢰성은 아직 낮은 편이다(Kim, 2015).

의학의 발전으로 인해 전 세계가 고령화 사회로 접 어들면서, 시니어(senior) 세대의 건강과 삶의 질 향상 은 중요한 이슈이다. 발은 성, 연령, 체형, 보행 습관 에 영향을 받는데, 고령자의 경우 근육 퇴화 및 장기 간의 신발 착용으로 발 변형이 발생한다(Kim, 2013). 노화가 진행되면 발바닥 지방층이 얇아지고 발아치 가 내려가게 되어, 발의 피로를 쉽게 느끼고 여러 종 류의 발 질환을 겪게 된다. 매년 65세 이상 고령자의 30%가 낙상을 경험하는데, 노화로 인한 생리적 요인 이나 질병과 같은 내적 요인뿐만 아니라 부적절한 보 행 보조기 및 신발 착용과 같은 외적 요인이 복합적 으로 상호작용하여 치명적인 낙상을 일으키는 것으 로 보고되고 있다(Lee et al., 2007). 따라서 시니어 세 대의 발 형태를 실증적으로 반영한 인간공학적 인솔 제품의 개발 및 보급이 시급하다.

3D 스캐너와 3D 프린터와 같은 3D IT 기술이 비약 적으로 발달함에, 따라 신발 및 발 연구 분야에서도 3D 시스템이 활발히 적용되고 있다. 2005년 제5차 및 2010년 제6차 한국인 인체치수 조사사업(SizeKorea) 은 전 연령대를 대상으로 3차원 발 스캐너로 수집한 3D 형상 데이터와 자동 계측 프로그램으로 측정한 24개 항목의 발 치수 데이터를 산업체와 학계에 제공 하여, 3D 발 형상 연구가 활발하게 진행되는 기폭제 가 되었다. 3D 발 스캔 형상 데이터와 3D 발 치수를 기 반으로 한 연구는 3D 발 유형 분류(Choi, 2005; Lee & Kwon, 2008; Leem, Bang, & Shin, 2007; Seok & Park, 2007), 3D 스캔 데이터를 이용한 라스트 제작 (Choi, 2015; Lee, 2004; Oh & Kim, 2013; Shi, Yi, Xiong, & Jiang, 2009; Xiong, Zhao, Jiang, & Dong, 2010), 3D 발 형상 분류에 의한 신발 치수체계(Butdee & Tangchaidee, 2008; Kim, 2013; Park, 2005), 3D 형상을 이용한 신발(Song & Kim, 2004) 및 인솔개발 (Park et al., 2009) 등 다양한 분야로 발전하였다. 최 근에는 3D 프린팅 인솔(Kim, 2015; Lim, 2016; Song et al., 2016)이나 3D 프린팅 라스트(Oh, Suh, & Kim, 2016)가 제작되는 등 발 연구 분야에서 3D 프린팅을 통한 연구도 폭넓게 진행되고 있다. 그러나 3D 발 스 캔 데이터를 활용하여 발아치의 곡면 형태를 분석하 고, 이를 제품개발로 연결하는 실증적인 연구는 아직 미비한 실정이다. 한국인 인체치수 조사사업(SizeKorea) 에서는 자동 계측 프로그램을 사용하여 3D 스캔한 발 형상에서 부위별 길이, 둘레, 높이, 너비, 각도 치 수를 측정하고 있지만, 발바닥의 아치의 형상을 파악 할 수 있는 치수는 측정 항목에 포함되어 있지 않다. 3D 발 스캔 데이터를 연구 목적에 맞게 가공하면, 기 존에 발바닥 및 발아치 연구에서 2D 이미지의 발 지 문 자료로만 분석해 왔던 방법적 한계를 극복하고, 3D 발바닥 형상으로부터 3D 좌표 측정과 곡률의 정 량적 분석이 가능해질 것이다.

신발제조 분야에서 3D 프린터는 이미 상용화 단계 에 있다. 퓨마(Puma)와 리복(Reebok)은 제품 설계에 소요되는 시간을 단축하기 위해 프로토 타입 제작 시 3D 프린터를 사용하고 있으며("How 3D printing", 2013), 나이키(Nike), 아디다스(Adidas), 뉴발란스(New Balance), 언더아머(Under Armor) 등 해외 주요 신발 브랜드들은 3D 프린팅 스포츠화의 상용화 기술을 보 유하고 있다(Benedict, 2016). 특히 3D 시스템의 상용 화는 맞춤형 인솔 분야에서 부상하고 있다. 과거 인 솔제작은 석고로 발 모형을 뜬 후, 모형에 맞는 인솔 의 높이를 전문가가 결정하여 제작하는 방식이었다. 이러한 수작업 방식은 과정이 복잡하고, 축적된 기술 을 가진 전문가가 필요하며, 많은 제작 시간이 소요 된다. 그러나 3D 스캐너와 3D 프린터와 같은 3D 기 기가 보급되면서 인솔의 제작 과정 단축이 가능하게 되었다. 3D 스캐너를 사용하면 발의 치수를 프레임 단위로 측정하고 정합하여 정밀한 3D 인솔 모델을 생성할 수 있으며, 모델링한 인솔은 3D 프린터를 사 용하며 원하는 소재로 출력할 수 있다(Song et al., 2016). 맞춤형 3D 프린팅 인솔 제조업체인 위브(Wiivv) 는 고객이 스마트 앱을 사용하여 다섯 방향의 발 사진 을 촬영하여 보내면, 사진에서 발 윤곽을 캡처하여 발 아치와 발뒤꿈치에 200개의 포인트를 만들어 맞춤 형 인솔을 모델링하고, 3D 프린터로 제작하여 10일 이내에 완제품을 고객에게 발송한다(Benedict, 2017). 피츠인솔(Phits Insoles)의 맞춤형 인솔 제작 시스템인 Phits Expert Workflow에서는 footscan^®시스템을 사 용하여 개인의 동적 보행 특성과 정적인 발 형태 데 이터를 수집하고, 이를 분석하여 디자인한 인솔을 3D 프린터로 출력한다(Phits, n.d.b). 피츠인솔은 2016 리 우 올림픽에서 12명의 선수들에게 고품질의 맞춤형 3D 프린팅 인솔을 제공하였으며(Phits, 2016), 이러한 맞춤형 인솔은 경기력 향상을 원하는 운동선수뿐만 아니라, 족저근막염 및 중족골에 이상이 있거나, 발 부위에 상해를 입은 사람들이 발의 기능을 회복할 수 있도록 도와준다(Phits, n.d.a). 이와 같이 해외의 경우 디자인 개발 단계에서부터 완제품 제조에 이르기까 지 생산의 모든 단계에서 3D 프린팅 기술이 활용되 고 있으나, 국내에서는 컨셉 디자인 단계에서 3D 프 린터를 사용하는 것이 대부분이다. 국내 제조업의 국 제 경쟁력을 높이기 위해서는 3D 스캐닝과 3D 프린 팅을 연계한 다양한 3D 시스템 콘텐츠를 개발할 필 요가 있다(Oh et al., 2016).

본 연구는 의류산업분야에서 웨어러블(wearable) 제품의 생산에 3D 기술 적용의 가능성을 확인하고 의 류제품에 맞는 효율적인 3D 스캐닝, 3D 모델링, 3D 프린팅의 3D 시스템 제작 프로세스를 제안하고자 하 였다. 이를 위해 시니어 남성의 3D 발 스캔 데이터를 가공하여, 평발의 발 아치에 적합한 인솔의 3D 모델 링을 구현하고, 유연한 재질로 3D 프린팅하여 착용 가능한 시니어 평발용 인솔을 3D 시스템 기반으로 제작하였다. 이와 같은 3D 시스템 프로세스는 기능성 인솔 제품뿐 아니라, 다양한 의류패션분야의 제품설 계에서 활용이 가능하다.

Ⅱ.Research Process

본 연구는 3D 시스템을 기반으로, 고령화 사회로 인해 급속히 증가하는 시니어 세대를 위한 평발용 인 솔을 제작하였다. 이를 위해 제6차 한국인 인체치수 조사사업에서 수집한 만 60세 이상 69세 이하 남성 189명의 3D 발 스캔 데이터를 가공하여 발바닥의 수 평단면 이미지를 수집한 후, 정상발과 평발 유형을 분류하고, 유형을 대표하는 평균 피험자를 20명씩 각 각 선정하였다. 선정된 피험자들의 3D 발 스캔 형상 에서 수직단면선을 추출한 후 3D 좌표를 측정하였으 며, 평균 3D 좌표를 각각 연결하여 평발과 정상발의 유형별 발바닥 곡면을 3D 모델링하였다. 정상발과 평 발의 발바닥 곡면은 발아치 형상에서 차이가 있었으 며, 평발 유형의 3D 모델링 곡면 위에 정상발 유형의 3D 모델링 곡면을 중합하여 평발에게 정상적인 발아 치 곡면을 제공하는 3D 인솔을 모델링하였다. 인솔 모 델은 신발 안에 부착이 가능하며 착용 시 보행에 불 편함이 없도록 연질의 아크릴계 레진을 사용하여 SLA 방식의 3D 프린터로 출력하였다. 3D 시스템을 이용 하여 시니어 평발용 인솔 제작을 위한 본 연구 프로 세스는 <Fig. 1>과 같다.

Ⅲ.Methods and Results

1.Collecting data & classitying foot types

1)Collecting 3D foot scan data

본 연구는 2012년 제6차 한국인 인체치수 조사사 업(SizeKorea)에서 수집한 3D 스캔 자료 중 60대 (60~69세) 성인 남성의 3D 발 스캔 데이터를 분석하 였다. 3D 발 형상 스캐닝 및 3D 발 치수 자동계측에 사용된 시스템은 ㈜ K&I Technology System의 Nex Scan2 기종이었으며, 3D 스캔된 발 형상은 포인트 클 라우드(Point Cloud)로 수집된 후 폴리건(Polygon) 형 태로 저장되었다. K&I Technology의 자동계측 프로 그램에 의해 총 24개 항목의 치수가 측정되었으며, 60대 남성의 3D 발 형상 데이터 205개 중에서, 자동 계측 프로그램에서 측정한 총 24개의 발 관련 항목에 대해 측정 항목별 결측치가 없고, 3D 발 형상에 오류 가 없는 189개의 발 스캔 데이터가 연구 자료로 최종 선정되었다.

2)Processing horizontal sections of 3D foot scan data

본 연구에서는 3D 스캔 데이터를 활용하여 평발 유형 분류가 가능하도록 최적의 발바닥 수평단면도 (Horizontal Section, HS)를 구하는 방법을 고안하였 다. Lee et al.(2014)의 선행 연구를 참고하여, 3D 발 데이터를 바닥면에서부터 1mm 간격으로 슬라이싱 하여 XY평면과 평행한 11개의 수평단면도를 추출한 후, 정상발, 평발, 오목발의 유형 분류에 최적인 수평 단면도가 관찰되는 발바닥 높이를 확인하였다. 수평 단면도 추출에는 Rapidform 2004 프로그램을 사용 하였으며, 폴리건 형태의 3D 발 데이터(Fig. 2(a))를 바닥면(XY평면)에서부터 10mm 높이까지 1mm 간 격으로 슬라이싱하여 폴리라인(Polyline) 형태의 발 바닥 수평단면도(Fig. 2(b))를 가공하였다. 총 HS1부 터 HS11까지 11개의 발바닥 수평단면도가 제작되었 다(Fig. 2(c)).

발바닥 수평단면도를 분석한 결과, 선행 연구(Kim, 2001; Kim, 2003)의 발 지문 분석에서 기준으로 사용 한 7개의 기준점과 3개의 기준선이 모두 관찰된 수평 선의 높이는 바닥면에서 2mm 높이의 수평단면도 (HS3)였다. 발아치 유형에 필요한 기준점을 모두 표 시하면서 발아치의 높낮이를 시각적으로 표현하기 위해, 최종적으로 바닥면을 지나는 수평단면도(HS1), 바닥에서 1mm 떨어진 수평단면도(HS2), 바닥에서 2mm 떨어진 수평단면도(HS3)의 3단계로 이루어진 등고선을 발바닥 유형 분석을 위한 데이터로 사용하 였다.

3)Classifying foot arch types; normal, flat, and concave foot

<Fig. 2>에서 추출한 등고선 형태의 수평단면도로 부터 발아치 유형을 정상발, 평발, 오목발로 분류하였 다. 바닥에서 2mm 떨어진 발바닥 수평단면도(HS3) 에서 발볼 내측 바깥 점(1)과 발뒤꿈치 내측 바깥 점 (2)을 지나는 접선(A)과, 발볼 외측 바깥 점(3)과 발뒤 꿈치 외측 바깥 점(4)을 지나는 접선(B)을 그리고, 두 선이 만나는 점(6)을 표시한 후, 이 점과 두 번째 발 가락의 중심(5)을 연결한 직선(C)을 그렸다. 발바닥 수평단면도에 그린 중심선(C)보다 바깥쪽에 발아치 (7)가 있는 경우, 정상발(Fig. 3(a)), 중심선(C)보다 안 쪽에 발아치(7)가 있는 경우는 평발(Fig. 3(b)), 발바 닥 수평단면도에 발아치(7)가 나타나지 않는 경우는 오목발로 분류하였다(Fig. 3(c)). 60대 남성(n=189)의 3D 발 스캔 자료로부터 추출한 발바닥 수평단면도를 분석한 결과, 정상발 139명(73.5%), 평발 50명(26.5%) 으로 분류되었으며, 오목발 유형은 분류되지 않았다.

4)Selecting average subjects by foot types

발 유형별 평균 발바닥 곡면을 구하기 위해, 60대 남성의 정상발과 평발을 대표할 수 있는 피험자들을 각각 20명씩 선정하였다. 발아치 유형 분류에서 정상 발로 분류된 139명과 평발로 분류된 50명의 자동계 측 치수 중에서, 발직선길이(①), 발너비(⑤), 발등높 이(⑩), 발등둘레(⑬)의 치수가 한국인 인체치수 조사 사업의 60대 남성 전체(n=189) 평균값에 가까운 대표 피험자를 각각 20명씩 선정하였다. 선정된 정상발 대 표 피험자(n=20)와 평발 대표 피험자(n=20)의 발 치 수는 <Table 1>과 같았으며, 60대 남성 평균 발 치수와 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 선정된 발 유형별 대표 피험자들의 전체 평균은 발직선 길이 243.46mm, 볼둘레 251.74mm로, 기술표준원의 신발의 치수체계 (KS M 6681 : 2007)에 따르면 245EEE에 해당하였다 (Korean Agency for Technology and Standards, 2012).

2.Analysis of sole surface

1)Measuring 3D coordinates of sole surface

발 유형별 대표 피험자의 3D 발 데이터에서 정량 적 분석이 가능한 3D 좌표 데이터를 얻기 위해, 발바 닥 곡면을 이루는 주요 변곡점을 따라 9개의 수직 단 면 기준선을 설정하고, 각각의 기준선 위에 등 간격 으로 기준점을 총 144개 만든 후, 각 포인트의 3D 좌 표 값을 측정하였다. 3D 발 데이터의 수직 단면선 형 성과 발바닥 곡면 기준선 및 기준점 선정과 측정 방 법은 다음과 같다(Fig. 4).

2)Analyzing 3D coordinates of sole surface by foot types

144개 기준점의 3D 좌표를 측정하고, 유형별 평균 값을 구하여 정상발과 평발 발바닥 곡면의 경향을 전 족부, 중족부, 후족부로 나누어 분석하였다. 3D 좌표 데이터에서 X좌표는 발바닥의 길이, Y좌표는 발바닥 의 너비, Z좌표는 발아치의 높이 경향을 나타내며, 이 중 평발용 인솔 제작에 중요한 요인인 발바닥 아치의 높이를 나타내는 것은 Z방향의 좌표 값이다. 각 라인 별 3D 좌표데이터 분석 결과는 <Table 2>~<Table 4> 와 같다.

발바닥 내측에 위치한 수직기준선 VS1, VS2, VS3의 평균 좌표 값을 살펴보면, VS2에서는 X좌표(P(7)~ P(14), P(20)~P(22))와 Z좌표(P(17)~P(22))에서 정상 발과 평발의 좌표 값이 3mm 이상 차이가 나타났으 며, VS3에서는 X좌표((P(23)~P(26))와 Z좌표((P(33)~ P(38))에서 발 유형 사이에 3mm 이상 차이를 보였다. 특히 VS1~VS9의 모든 기준선들 중 Z좌표 값의 차이 가 이 구간에서 가장 크게 나타나, 평발과 정상발의 편평도 차이가 가장 큰 구간이 발바닥 내측선 VS3임 을 알 수 있었다(Table 2).

발바닥 중앙부의 수직기준선 VS4, VS5, VS6에서 평발과 정상발의 평균 좌표 값이 3mm 이상 차이를 보 인 구간은 VS4의 X좌표(P(44)~P(46))와 Z좌표(P(53)~ P(57))였으며, 특히 VS4의 중족부 구간(P(53)~P(57)) 의 Z좌표 값 차이는 최대 5.185cm로 나타나, 발 유형 에 따른 발아치의 높이 차이가 큰 부위임을 알 수 있 었다(Table 3).

발바닥 외측부의 수직기준선 VS7, VS8, VS9에서 Z 좌표 값이 3mm 이상 차이를 보이는 구간은 없어, 평발과 정상발의 아치 차이는 없는 것으로 나타났다. 다만, VS8의 전족부, 중족부와 VS9의 중족부의 X좌 표 값에 차이가 있어 정상발이 평발보다 앞쪽에 위치 하는 것으로 나타났다(Table 4).

유형별 발바닥 곡면의 3D 좌표데이터를 종합하면, X좌표에서 3mm 이상 좌표 값의 차이가 나타난 수직 기준선은 VS2, VS3, VS4, VS8, VS9으로, 발바닥의 외측 부위와 내측 부위에서 정상발이 평발보다 크며 발가락과 전족부의 길이가 정상발이 평발보다 길었 다. Y좌표에서 3mm 이상 좌표 값의 차이가 나타난 수직기준선은 없는 것으로 나타나, 평발과 정상발의 발 너비의 차이는 많지 않음을 확인할 수 있었다. 발 바닥 아치 높이 차이를 설명하는 Z좌표의 경우, 3mm 이상 좌표 값의 차이가 나타난 수직기준선은 VS2, VS3, VS4였다. 정상발과 평발의 아치 높이에 따른 위치 차이는 VS2에서 시작되어 VS3의 중족부에서 최 댓값(5.864mm)를 나타냈으며, VS4까지 이러한 경향 이 유지되었다. VS5 이후로는 Z좌표 값의 차이가 크 지 않아 평발과 정상발의 고유한 발바닥 아치 공간은 발 내측선에서부터 첫째발가락선까지인 발바닥 중족 부 안쪽 구간에 위치하고 있음을 알 수 있다.

3.3D modeling

1)3D modeling sole surfaces by foot types

발바닥 3D 좌표데이터로부터 정상발과 평발의 발 바닥 곡면을 3D 모델링하였다. 모델링 과정은 다음과 같다(Fig. 5).

2)3D modeling the insoles for flat feet

발바닥의 아치가 낮아 지면과 닿는 발바닥 면적이 많은 평발의 구조적 문제점을 개선하기 위해서는, 신 발과 발바닥이 맞닿는 부분에 적절한 아치를 제공할 수 있게 보형물을 삽입하여 발의 편평도를 정상발의 수준으로 높여 주어야 한다. 이를 위해 <Fig. 6>(Step.1) 에서 제작한 평발 발바닥 곡면과 정상발 발바닥 곡면 을 중합하여, 편평한 평발의 발바닥 곡면을 정상 곡 률을 가진 발바닥 곡면으로 만들고자 하였다(Fig. 6).

4.3D printing the insoles for flat feet

시니어 평발용 인솔의 3D 프린팅에는 DWS System의 XFAB 3D 프린터가 사용되었다. XFAB 프린 터는 빛에 반응하는 액체에 자외선 레이저를 쏘아 급 속 경화시켜 한 층씩 얇은 막을 형성함으로써 모형을 출력하는 SLA(Stereo Lithography Apparatus) 방식이 다. SLA 방식의 3D 프린터는 고가이나, 다양한 재료 를 사용하여 정밀한 해상도의 출력이 가능하다. 인솔 의 3D 프린팅 사출재료로는 발바닥 면에 가해지는 충격을 충분히 완화시킬 수 있도록, 유연한 고무재질 의 질감을 구현한 연성 아크릴계 레진(DWS System 의 Rubber-like: FLEXA692) 소재를 선정하였다.

하나의 덩어리 형태로 구성된 3D 솔리드 모형을 3D 프린터로 한 층씩 출력하기 위해서는, 3D 모델링 형상을 얇은 층 형태로 슬라이싱 변환해야 한다. 3D CAD에서 모델링 후 STL 파일로 저장된 시니어 평발 용 인솔의 3D 솔리드 모델은 3D 프린터용 컴파일 프 로그램인 DWS System의 Nauta+ ver1.2.0을 사용하 여 얇은 슬라이싱 조각으로 분리되었다. 컴파일링된 3D 모형은 3D 프린터로 한 층씩 출력되었다. 본 연 구에서 사용한 XFAB 3D 프린터로 한 번에 출력 가 능한 모델의 크기는 180×180mm이었다. 제작한 평발 용 인솔의 3D 모델 크기는 245×100mm이었기 때문 에 XFAB 프린터로는 한 번에 출력하는 것이 불가능 하였다. 따라서 제한된 플랫폼 크기에 맞추기 위해 인솔을 앞부분과 뒷부분으로 나누어 분할 출력하였 다. 3D 프린터로 모델을 출력하는데 소요된 시간은 총 8~9시간이었다(Fig. 7).

출력된 3D 인솔의 후처리 작업을 진행하였다. 출 력 후 남아 있는 여분의 레진을 제거하기 위하여 알코 올에 담근 후 파우더를 뿌려서 표면의 끈적임을 제거 하였다. 분할 출력된 인솔은 출력 시 사용한 아크릴계 레진을 녹여 접착한 후, 접착 면을 정리하여 최종 완성 하였다. 후처리 단계는 총 6시간 정도가 소요되었다.

완성된 평발용 인솔은 <Fig. 8>과 같다. 고무재질과 유사한 물성을 지닌 검정색 아크릴계 레진을 사용하 여 착용 시 자연스럽게 발바닥 부분이 휘어졌다가 다 시 원래 상태로 회복될 수 있는 굽힘력과 회복력을 지니고 있다. 발바닥 곡면이 반영되었으며, 발바닥에 서 측면으로 올라오는 곡선을 포함한 인솔로 제작되 었다.

Ⅳ.Conclusion

본 연구는 제조업에 새로운 패러다임을 제시하고 있는 3D 프린터를 활용하여 평발을 위한 인솔을 제작 하였다. 3D 스캐너에서 수집된 3D 데이터를 가공하고, 3D CAD 프로그램을 활용하여 3D 모델링을 진행하 고, 제작된 모델을 3D 프린터로 제작하는 과정을 제 안하였다. 연구의 세부 과정 및 결과는 다음과 같다.

본 연구는 3D 스캔데이터를 이용하여 발아치 유형 을 분류함으로써 자동계측 프로그램이 수집하지 못 하는 발아치 곡면의 정보 분석 방법을 제시하였다. 또한, 3D 좌표데이터를 계측하여 형상을 정량화하여 활용하는 방안을 제시하였다. 3D 스캔 데이터는 다양 한 정보를 가지고 있는 데이터로, 연구 목적에 맞게 다양하게 활용할 수 있다는 점을 시사하고 있다. 평발 과 정상발의 형상 차이를 인솔 곡면에 적용한 본 연 구의 3D 시스템 제작 프로세스는 새로운 제품시장의 확대가 가능할 것으로 보이며, 시니어 평발을 위한 인솔뿐 아니라 다양한 연령과 발 유형을 위한 맞춤형 인솔 제작에 적용 가능할 것으로 여겨진다.

본 연구에서 발바닥 밑면뿐 아니라 측면을 모두 감 싸는 일체형 인솔을 제작하였으나, 이는 신발의 종류 및 디자인에 따라 다양하게 호환되지 못하여 제품 착 용 시 한계가 있다. 또한 출력 인솔에 대한 착화 테스 트가 이루어지지 않아, 그 효용성 검증에 대한 추가 연구가 필요한 것으로 여겨진다. 후속연구에서는 발 바닥의 불편 부위의 개별 문제점에 집중하여 탈부착 이 가능한 부분 인솔을 제작하여 그 효과를 검증하면 활용도가 높을 것으로 보인다.