I. Introduction

국민건강영양조사 자료의 분석에 따르면 만 50세 이상 골다공증 유병률은 여자 40.1%, 남자 7.0%로 나타났다(Kim, Kim, & Cho, 2015). 여성은 50세를 전후로 폐경기가 시작되고, 이 후 급격히 골다공증이 진행되어 50세 이후부터 골다 공증성 골절 발생률이 증가한다(Kanis et al., 2001). 골다공증으로 인해 뼈의 강도가 약해지면 골절이 일 어날 가능성이 높고, 특히 노인은 넘어지거나 주저앉 는 단순 낙상으로도 고관절 및 무릎 골절이 발생할 수 있다. 고관절 주위 골절은 노인의 활동성이나 기능적 인 측면에서 매우 중요할 뿐만 아니라, 이로 인한 활 동성 장애가 삶의 질과 사망률에 많은 영향을 미치므 로 낙상 시 골절을 예방할 수 있는 충격보호패드가 필 요하다.

보호대 관련 연구로는 상용화된 패드의 충격완화 성 능을 비교한 연구(Choi, Hoffer, & Robinovitch, 2010;Van Schoor, Van der Veen, Schaap, Smit, & Lips, 2006), 에어백 형태의 충격완화장치에 관한 연구(Park & Kim, 2012), 시판 보호패드에 대한 사용 특성 및 착용 특성을 평가한 연구(Jeon, Park, You, & Kim, 2014), 노년여성의 체형분석 및 유형화에 따른 힙프로 텍터 패턴설계에 대한 연구(Jeon, Park, You, & Kim, 2016) 등이 이루어진 바 있다.

현재 개발된 충격보호대는 고관절 골절 예방 효과 는 있지만, 불편한 착용감 및 착탈의 어려움으로 인해 노인들이 상시 착용하는 것에는 한계가 있다(Kannus, Sievänen, Palvanen, Järvinen, & Parkkari, 2000;O’Halloran et al., 2005). 따라서 노인들의 일상생활동 작을 반영한 충격보호 성능 및 인체적합성이 높은 낙 상충격 보호의류를 개발하기 위해서는 인체의 동작 특성을 파악하고, 동작에 따른 체표길이 변화를 고려 한 가변적인 구조 및 형태를 가지는 충격보호패드를 설계하는 것이 필요하다.

한편, 3D 프린팅은 기존 제거방식의 밀링이나 절 삭 등의 공정과는 달리 디지털 설계데이터에 따라 한 층씩 소재를 쌓아가면서 부품을 제조하는 적층가공 (additive manufacturing: AM) 방법으로, 3차원 모델 링 정보에 따라 비교적 간편하고 효율적으로 입체적 인 물체를 획득할 수 있어 4차 산업혁명에서 중요한 기술로 인식되고 있다. 최근 들어 3D 프린팅 기술의 지속적인 발전에 따라 고정밀 3D 프린터가 기계, 생 체의학, 식품, 건축, 패션산업 등에서 활발하게 이용 되고 있다. 특히 패션 분야는 의류, 넥타이, 모자 및 다양한 패션 액세서리를 3D 프린터로 제작할 수 있는 기술에서 시작하여, 개개인이 컴퓨터를 활용하여 패 션 제품을 디자인하고 오픈소스를 활용하여 자신만의 아이템을 제작할 수 있는 시대가 열렸다(Jeong, 2016;Kim, Kim, & You, 2020;Kim, Lee, Kim, & Jun, 2015;Oh & Suh, 2017;Park, Park, Lee, & Lee, 2014;Seo, 2015).

이와 같이 3D 프린팅 기술이 활성화되면서 충격보 호패드와 관련된 연구도 진행되어 왔다. Park, Jung, and Lee(2017)는 스페이서 패브릭을 구조에 착안하여 육각입체메쉬 구조의 보호패드를 설계하고 필라멘트 소재별 패드의 특성평가를 진행하였다. Park, Jung, and Lee(2018)는 육각입체메쉬의 세부 구조를 다양하 게 설계하고 이에 대한 충격보호성능과 압축특성에 대한 평가를 하였으며, Park, Jung, and Lee(2019)는 육각입체메쉬 보호패드를 인체형상에 맞게 곡면으로 설계하고 이를 의복에 결합하여 착용특성과 충격보호 성능을 검증하였다. 선행연구의 3D 프린팅 보호패드 는 육각의 입체메쉬가 인체의 입체적인 특성을 반영 하였으므로 피트성은 좋았지만 출력 시 서포터를 생 성하여야 하고 이를 제거해야 하는 번거로움이 있었 으며, 육각입체메쉬가 직육면체형 브릿지에 연결되어 있어 인체동작에 따른 체표면 변화에 적응하기에는 제한적인 측면이 있었다.

이에 본 연구에서는 일상생활용 충격보호 팬츠의 보호패드가 동작에 따른 적응성을 갖도록 육각입체메 쉬 구조를 연결하는 브릿지 구조를 다양하게 설계하 고자 한다. 그리고 TPU(thermoplastic polyurethane) 소재의 필라멘트를 사용하여 FDM(fused deposition modeling) 방식의 3D 프린터로 출력한 보호패드의 브 릿지 구조에 대한 특성을 평가한 후, 고관절과 무릎을 보호하도록 기능성과 실용성을 겸비한 3D 프린팅 충 격보호패드를 설계하고 완성된 패드의 충격보호성능 을 평가하는 것을 목적으로 한다.

II. Research Method

1. Bridge design and characteristic evaluation of motion-adaptable fall impact protection pad

낙상충격 보호패드는 기존 연구(Park et al., 2018) 에 근거하여 표면층 사이에 스페이서층이 삽입되어 완충성을 가지는 육각입체메쉬를 기본 단위로 하며, 세부적인 형태는 <Fig. 1>에 나타내었다. 육각입체메 쉬의 크기는 표면층의 육각형 한 변의 크기를 13.1mm 와 10.9mm로 다르게 하여 대형과 소형 2종류로 설계 하였다. 선행연구(Park et al., 2018;Park et al., 2019) 에서 육각입체메쉬는 직육면체 형태의 브릿지에 의해 서로 연결되어 가변성이 부족하였다. 본 연구에서는 패드의 가변성을 향상시키기 위해 육각입체메쉬를 연 결하는 브릿지를 4가지 형태로 디자인하고, 각 타입의 구조변화 치수와 인장신도를 측정하여 유연성과 신축 성이 좋은 브릿지를 선정하고자 하였다. 브릿지는 가 변성을 가질 수 있도록 원형 단면의 라인을 여러 개 배치하되, 측면에서 보았을 때 직선으로 연결하는 I형, 꺾이는 형태의 V형, I형과 V형의 조합인 IV형, V형을 위쪽과 아래쪽에 배치한 VV형으로 설계하였다(Table 1). 4종의 브릿지 형태에서 <Fig. 2>와 같이 육각입체 메쉬의 크기를 대형, 소형으로 나누어 총 8종의 샘플 을 디자인하였다. 3D 모델링을 위해 Rhinoceros 5.0 (Robert McNeel & Associates, USA) 소프트웨어가 사용되었다.

브릿지의 유연성을 평가하기 위해 KS K 0350(ball bursting method)의 표준시험법을 적용하였으며, 볼 버스팅 장치(Instron, USA)에서 원형 3D 프린팅 패드 에 일정한 힘(15N, 30N)을 가했을 때의 구조변화 치 수(mm)를 구하였다. 시험편의 직경은 10.0cm, 두께는 1.0cm로 하였으며, 3회 측정하여 평균값을 산출하였 다(Table 2). 변위 거리가 클수록 브릿지가 더 유연함 을 의미한다.

브릿지의 인장신도(%)를 측정하기 위해 만능시험 기(Instron 5582, Instron, USA)를 사용하여 KS K 0521(strip법)의 표준 시험법을 적용하였으며, 5.0× 15.0×1.0cm의 샘플 패드에 일정한 힘(5N, 10N, 15N) 을 가했을 때 패드의 신장률(%)을 측정하였다(Table 3). 클램프 간격은 50mm, 인장속도는 100mm/min으 로 설정하였으며, 3회 측정하여 평균값을 구하였다.

다양한 형태의 브릿지 샘플 패드는 FDM(fused deposition modeling) 방식의 Cubicon Single(CUBICON Inc., Korea) 3D 프린터에서 노즐온도 230℃, 베드온 도 40℃, 챔버온도 40℃, 내벽속도 50mm/s, 외벽속도 30mm/s, 채우기속도 50mm/s의 조건으로 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane: TPU) 소재의 NinjaFlex^® 필라멘트를 사용하여 출력되었다.

2. Design of motion-adaptable fall impact protection pad

브릿지 설계 및 특성평가 결과를 반영하여 최종 보 호패드의 디자인을 도출하였다. 패드 삽입 시 외관과 착용감 개선을 위해, 패드 기본 단위의 육각형 크기는 소형으로 선택하고 두께를 8.0mm로 줄였으며 표면층 을 연결하는 외곽 쉘 브릿지를 제거하였다. 육각입체 메쉬를 연결하는 브릿지는 특성 평가에서 가장 유연 성이 좋은 것으로 확인된 V자형 브릿지를 적용하였 다. V자형 브릿지는 체표면 변화에 따라 벌어지거나 모여짐으로써 신축성을 가질 수 있도록 설계되었는 데, 브릿지의 형태에서 꺾이는 부분을 좀 더 유연하게 곡선처리하고 브릿지의 길이를 증가시켜 가변성을 향 상시켰다(Fig. 3).

패드는 고관절 부위과 무릎 부위에 삽입되는데, 패 드의 크기와 형태는 선행연구(Park et al., 2019)의 보 호팬츠의 디자인에 따라 고관절 부위는 둥근 형태로 무릎 부위는 육각형 형태로 제작하였다.

고관절 부위의 보호패드의 디자인은 <Fig. 4>에 나 타내었으며, 그 설계과정은 다음과 같다. 패드를 구성 하는 기본단위의 커브를 생성하고 이를 반복하여 평 면 형태로 만들었다(a). 시트형의 커브를 고관절 패드 의 형태에 맞추어 곡면으로 잘라내고, 이를 분리하였 다(b). 패드를 솔리드 형태로 만들기 위해 각 요소에 해당하는 커브에 파이프를 생성하는데, 표면층, 스페 이서층, 브릿지에 해당하는 파이프의 직경이 다르므 로 요소별로 그룹을 형성하여 각각 제어가 가능하도 록 하였다(c). 패드의 두께를 전체적으로 균일하게 유 지하면 패드를 팬츠에 삽입하였을 때 경계 부분의 두 드러짐으로 인해 외관이 나빠지므로, 케이지 편집 기 능을 활용하여 패드 가장자리의 두께가 얇아지도록 조정하였다(d). 표면층과 스페이서층에서는 패드의 가 장자리 두께가 얇게 변형된 상태에서 파이프 기능을 활용하여 솔리드를 형성하였으며(e), 브릿지 부분에서 는 브릿지의 기능성이 유지될 수 있도록 변형 전 기본 두께 상태에서 솔리드를 형성하였다(f). 솔리드로 생 성된 육각입체메쉬와 브릿지를 결합하여 전체 패드를 구성하였다(g). 패드의 크기가 프린터의 출력범위를 벗어나므로, 이를 3개의 부분으로 나누고 경계에 브 릿지 대신에 스냅 버튼과 유사한 형태의 연결 장치를 삽입하여 각 부분을 연결할 수 있도록 설계하였다(h, i). 무릎 부위의 보호패드는 패드의 기본단위를 브릿 지로 연결하여 육각형 형태로 설계하였다. 가장자리 의 두께는 6.0mm로 얇게 조정하였으며, 형태와 크기 는 <Fig. 5>에 나타내었다. 모델링이 완료된 동작 가변 적 충격 보호패드를 3D 프린터로 브릿지 샘플 패드 출력과 같은 조건에서 출력한 모습을 <Fig. 6>에 제시 하였다.

3. Evaluation of the impact protection performance

낙상충격 보호패드의 충격보호성능을 확인하기 위 해, <Fig. 7>과 같이 지면반력기 위에 보호패드를 올려 놓고 6파운드의 볼링공을 일정 높이(15cm, 20cm)에 서 자유낙하시켜 Fz 방향으로 발생하는 힘의 값(N)을 측정하여, 패드가 없을 때의 충격력과 비교하였다. 패 드가 없을 때의 충격력은 기존 연구(Park et al., 2018) 에서 6cm, 9cm, 12cm 높이의 측정값에 보외법을 적용 하여 15cm 높이에서 6,500N, 20cm 높이에서 8,000N 으로 추정하였다. 고관절 패드와 무릎 패드에 대하여 각 높이에서 35회씩 낙하 실험을 반복하였으며, 센서 와 힘판의 손상을 방지하기 위해 6mm 두께의 네오프 렌 원단을 깔고 실험을 진행하였다. 또한 패드가 보호 팬츠에 삽입되어 착장되었을 때의 최종 보호력을 확 인하기 위해, 선행 연구(Park et al., 2019)에 근거하여 보호패드의 외피로 팬츠의 안감과 겉감을 의복의 구 조와 동일하게 구비하여 충격보호성능을 평가하였다.

III. Results and Discussion

1. Bridge design and characteristic evaluation of motion-adaptable fall impact protection pad

육각메쉬의 크기에 따라 대형과 소형으로 나누어 설계한 I형, V형, IV형, VV형 브릿지의 유연성을 평 가하기 위해 볼 버스팅법을 사용하여 일정한 힘에 대 하여 아래쪽 방향으로 시편이 이동한 거리를 측정한 결과는 다음과 같다. 대형 패드는 15N의 하중에서 I형 8.59mm, V형 9.60mm, IV형 5.92mm, VV형 7.29mm 로 나타나 V형의 유연성이 가장 좋은 것으로 확인되 었다. 30N의 하중에서도 동일한 경향성을 보여 V형, I형, VV형, IV형 순으로 유연성이 높은 것으로 나타 났다(Fig. 8). 소형 패드는 15N과 30N의 하중 모두에 서 V형이 가장 변위가 큰 값을 보였으며, I형이 그 다 음으로 높은 값을 보였다. IV형과 VV형은 큰 차이가 없었으며, 다른 유형에 비해 유연성이 좋지 않은 것으 로 확인되었다. 이는 I형과 V형은 단일 층이지만 IV 형과 VV형은 두 층으로 구성되었기 때문에 유연성이 저하된 것으로 판단된다(Fig. 9). V형 브릿지는 대형 과 소형 모두에서 다른 브릿지보다 유연성이 뛰어난 것으로 나타났으며, 따라서 V형 브릿지를 패드에 적 용할 때 인체의 움직임에 잘 적응할 것으로 기대된다.

<Fig. 10>은 5N, 10N, 15N의 하중에서 대형 패드의 브릿지 유형별 인장신도를 측정한 결과이다. 모든 하 중에서 인장신도는 V형, I형, IV형, VV형 순으로 크 게 나타났으며, 하중이 증가함에 따라 인장신도가 선 형적으로 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. <Fig. 11>은 5N, 10N, 15N의 하중에서 소형 패드의 브릿지 유형별 인장신도를 측정한 결과이며, 대형 패드에서 의 결과와 동일하게 모든 하중에서 V형의 인장신도가 가장 크게 나타났다. 따라서 V형 브릿지를 패드에 적 용하면 패드의 신축성을 향상시킬 수 있을 것으로 판 단된다.

2. Evaluation of the impact protection performance

<Table 4>와 <Fig. 12>는 동작 가변적 낙상충격 보 호패드의 충격보호성능 실험 결과이다. 15cm, 20cm 높이에서 힘판(force plate) 위의 고관절 패드와 무릎 패드 2종에 대하여 볼링공을 낙하시키고 Fz 방향의 충격력을 35회 반복 측정하여 평균값을 산출하였다. 또한 충격감소 성능을 알아보기 위해 충격력의 감소 비율(%)을 다음 식(1)에 의해 계산하였다. 여기서 F_T 는 보호패드가 사용되었을 때의 충격력(N)이고, F₀는 보호패드가 없을 때의 충격력(N)이다.

15cm 높이에서 고관절 패드 적용 시 측정된 힘의 평 균값은 1,425.1N으로 패드가 없을 때 발생되는 6,500N 의 힘에 비교하여 78.08% 줄어든 것을 알 수 있었고, 무릎 패드 적용 시 충격력은 1,419.9N으로 78.16%만 큼 줄어든 것으로 나타났다. 20cm 높이에서 고관절 패 드 적용 시 충격력의 평균값은 1,988.5N으로 패드가 없을 때의 8,000N에 비해 75.14% 감소된 것을 확인 할 수 있었으며, 무릎 패드 적용 시 충격력은 2,010.8N 으로 74.87% 감소되었음을 알 수 있었다. 선행연구 (Park et al., 2019)에서 충격력 감소가 15cm 높이에서 84.5%, 20cm 높이에서 83.6%로 나타난 것과 비교할 때 다소 충격완화성능이 감소된 것을 확인할 수 있었 다. 이는 패드의 두께가 선행연구에서 10.0mm 두께 였던 것이 본 연구에서 8.0mm로 얇아져서 나타난 결 과로 볼 수 있으며, 패드의 두께가 얇아졌음에도 모든 결과에서 고관절 골절 임계값으로 알려져 있는 2,100N 이하의 값을 보여 본 연구에서 개발한 패드의 충격완 화성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다.

Ⅳ. Conclusion

본 연구에서는 동작 적응성과 기능성이 우수한 충 격보호패드 개발을 위해, 3D 프린팅 기술을 적용하여 패드의 기본 구조인 육각입체메쉬를 연결하는 브릿지 를 설계하고 이에 대한 특성 평가를 수행하였다. 최적 의 브릿지 디자인을 바탕으로 보호팬츠에 적용 가능 한 고관절 패드와 무릎 패드를 최종적으로 디자인하 고 출력하여 충격보호성능을 평가하였다. 연구 결과 를 요약하면 다음과 같다.

이러한 결과를 통해 본 연구에서 개발한 V자형 브 릿지에 의해 연결된 육각입체 메쉬구조의 3D 프린팅 충격보호패드는, 동작에 따른 체표면 변화에 적응이 가능하며 우수한 충격보호성능을 제공하고 있음을 확 인할 수 있었다. 본 연구에서 도출한 패드의 디자인은 고관절 부위와 무릎 부위에 패드가 삽입되는 형태의 일상생활용 충격보호팬츠에 적용될 수 있으며, 추후 의복에 대한 사용자 착의실험을 통해 기능성과 실용 성에 대한 검증이 이루어져야 할 것이다. 또한 본 연 구에서 설계한 브릿지의 구조는 유연하며 신축성을 가지므로 이러한 특성이 요구되는 텍스타일 개발에도 응용될 수 있을 것으로 기대된다.