동작센싱 스마트레깅스 프로토타입 개발

1. 서 론

기술의 발달과 생활수준의 향상으로 인간의 평균 수명이 연장되고 고령화 사회로 변화하면서 사회 전반적으로 건강에 관한 관심이 증대하고 예방적 건강관리의 중요성이 확대되고 있다. 또한, 비대면 문화의 확산과 기술의 발전은 개인화된 다양한 헬스케어 상품 및 서비스에 대한 필요성과 소비욕구를 촉진시키고 있다(Song et al., 2020). 스마트폰의 사용이 일반화되면서 스마트폰과 디지털 헬스케어 기기를 연동하여 실시간으로 사용자의 생체신호와 운동정보 수집이 가능하게 되었으며, 수집한 정보를 분석하고 의미를 해석하여 사용자가 건강을 관리할 수 있게 되었다(Roh, 2016).

디지털 기기를 이용한 개인 건강관리에 대한 사회적 수요가 증가하면서 생체신호 획득과 과학적 운동 코칭을 위한 스마트 의류에 대한 시장도 확대되고 있다(Cho et al., 2006). 스마트 의류는 일상적 착용을 통해 사용자의 생활습관 및 활동을 파악하고 실시간으로 생체신호를 모니터링할 수 있으며 동작을 센싱하여 비대면 헬스케어 서비스가 가능하게 한다(Chae et al., 2009). 전체 스마트의류의 세계시장규모는 2019년 1.64억달러에서 2024년 5.28억달러로 연평균 26.2% 성장할 것으로 예상하며 특히 헬스케어와 스포츠 피트니스 분야에서 성장이 두드러질 것이라고 전망하고 있다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2021).

일반적으로 스마트의류는 인간과 컴퓨터기기가 상호작용할 수 있도록 접속되는 경계에서 작용하는 인터페이스 구성 요소로서 의복으로서 기본적인 용도를 넘어 인체 신호를 감지하고 정보를 처리하며 반응을 작동시킴으로써 상호접속을 제공할 수 있는 새로운 의복이다(Cho et al., 2006). 단순히 전자 장치를 옷에 덧대어 부착하는 웨어러블 컴퓨팅 시스템에 비해 스마트 의류는 전자 장치의 기능을 섬유 형태의 센서와 신호선을 활용하여 구현하는 의복으로, 필요한 전자 기능을 수행함과 동시에 의복의 쾌적정, 내구성, 편의성, 세탁성, 심미성 등을 동시에 만족해야 한다(Cho et al., 2006). 스마트의류의 구현을 위해서는 전기 전도성 특수소재 및 초소형 IC(집적회로), 센서, 네트워크, 제어, 저장, 신호처리 등에 관련된 기술이 필요하며 외부 컴퓨팅 단말 연결을 통해 다양한 기능을 수행할 수 있어야 한다(Good Information).

국내외 건강관리 및 스포츠 분야의 스마트의류 개발 사례를 살펴보면 스포츠웨어 기업 Polar는 운동선수의 기량을 향상시킬 수 있도록 심박수 모니터링 및 GPS 트래킹 기능을 제공하는 Polar Team Pro Shirt를 출시하였다. Athos는 옷에 부착된 센서를 통해 실시간 운동자의 신체 데이터를 모니터링하고 모바일 앱으로 전송하여 효율적이고 안전하게 운동할 수 있도록 정보를 제공하는 스마트의류를 개발하였으며, 스마트 요가팬츠인 Nadi X는 요가복 내에 부착된 센서가 자세 교정이 필요한 부위에 진동을 주어 운동의 효율성을 높이고 지속적으로 자세교정 정도를 모니터링 할 수 있도록 하고 있다(Dehghani & Pashna, 2022). 이처럼 스포츠 분야의 스마트 의류는 개인 스포츠 트레이너의 역할을 대신할 수 있도록 발전하고 있음을 알 수 있다.

스마트의류 관련 연구로는 변형, 압력 센서, 온도, 습도 센서, 전기화학 센서, 유연한 전도성 전극, 와이어 및 유연한 전력 장치를 포함한 탄소 기반 유연 장치의 제조, 작동 메커니즘, 성능 및 응용 프로그램을 검토하고 논의한 연구(Kim & Ryoo, 2019), 심전도(ECG)센서, 근전도(EMG)센서, 호흡센서, 온도센서, 3축 가속도계로 신체 자세와 활동을 의류에서 수집하는 장치를 개발하여 생체신호를 모니터링한 연구(Tsai et al., 2014), 모바일 웨어러블 헬스케어 모니터링 의류의 문제점을 보완하기 위해 전도성 패브릭 센서와 Ag-AgCl 전극을 사용하여 심전도 신호를 기록하고 분석하여 휴대폰에서 손쉽게 심전도와 맥박신호를 표시할 수 있도록 개발한 연구(Kim et al., 2010), 나노 웹 기반의 전도성 고분자를 이용한 전기 전도성 텍스타일을 개발하여 스마트 의류에 적용 가능하도록 한 소재 연구(Jang et al., 2018)등이 있다.

그러나 현재 시장에 소개되고 있는 대부분의 스마트의류는 획득할 수 있는 건강 관련 데이터가 맥박, 걸음수, 이동 거리 등으로 한정적이고, 디자인적인 측면에서도 소비자의 기대 수준에 미치지 못하고 있다. 또한 개인 운동 코칭과 관련된 디지털 디바이스 시장은 확대되고 있지만, 온라인과 연동된 운동 코칭 스마트 의류는 개발 되지 않고 있는 상황이다. 만약 개인이 운동할 때 동작, 호흡, 맥박, 체온 등 생체신호를 모두 획득하여 데이터화할 수 있다면, 새로운 온라인 운동 시장을 형성하여 개인별 맞춤형 헬스케어 시스템을 구축할 수 있으며 건강 관련 사회비용을 최소화 하고 융합 서비스 산업으로도 발전할 수 있을 것으로 보여진다.

온라인 운동 코칭 스마트 의류의 개발을 위해서는 호흡, 심박, 체온, 동작 등의 생체 신호를 획득할 수 있는 센서 기술, 신호를 처리하는 기기부, 연결선, 이를 통합하는 제작 기술, 인터페이스 디자인 기술 등 융합적인 연구 개발이 필요하다. 뿐만 아니라 내구성, 착용감, 세탁성을 향상시키기 위한 연구가 필요하며 사용자의 편의성과 안전성에 관한 검증, 심미적 디자인에 관한 고려가 이루어져야 한다. 따라서 스마트의류 관련 연구는 섬유, 정보기술, 인문과학, 디자인 연구를 통합한 다학제적 접근이 필요하다고 하겠다(Cho et al., 2008).

본 연구는 온라인 운동 코칭 스마트 의류 개발을 위한 기초 자료를 제공하기 위하여 동작센싱 스마트레깅스 프로토타입 개발하고 평가하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해서 첫째, 인체의 움직임에 방해가 되지 않으면서 동작을 정확히 센싱할 수 있는 섬유형 동작센서를 제작하며, 둘째, 운동 동작 시 활동에 방해가 되지 않으면서 센서의 기능을 극대화할 수 있는 위치의 선정과 부착 방법을 고찰한다. 셋째, 온라인 운동 코칭용 스마트레깅스 프로토타입을 개발한다. 넷째, 프로토타입의 사용성과 외관에 대한 사용자 평가를 진행하여 검증하고자 한다.

2. 이론적 배경

2.1. 헬스케어 및 스포츠용 스마트의류

전 세계적으로 산업화와 고령화가 진전됨에 따라 건강생활 실천, 수명 연장 등이 상대적으로 중요한 가치로 인식되면서 스포츠 인구가 크게 증가하고 있다. 최근 체육과학연구원과 서울대학교의 연구에 따르면, 매주 1~2회 규칙적으로 스포츠 활동을 할 경우 국가 전체적으로 연간 16조원의 경제효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 뇌졸중, 당뇨병, 동맥질환 등 주요 질병의 발병률을 최대 16%까지 낮출 수 있다고 보고되었다(Haghi & Stoll, 2017). 이를 위해 올바른 운동방법의 보급을 통한 건강생활 실천의 보편화가 매우 중요한 사회적 수요로 등장하였으며, 헬스케어의 확산을 국가의 중요한 정책목표로 인식되고 있다(Korea Health Promotion and Development Institute, 2020). 개인의 운동 참여율을 높이기 위한 실천 방법으로 운동량, 시간과 같은 목표를 설정하고, 각 개인의 특성에 맞춰서 운동할 수 있도록 관리하는 것이 필수적이다. 과학적인 운동 관리는 각 개인의 체력에 대한 정확한 정보를 확보하는 것으로부터 시작된다고 볼 수 있다. 온라인을 통한 개인 건강관리 및 운동 코칭에 대한 수요가 늘어나면서, 국내에서도 여러 업체에서 운동 및 스포츠 분야에 응용할 디지털 기기를 개발하고자 하는 시도가 지속적으로 추진되고 있으나, 주로 전자 및 센서 기술을 중심으로 한 측정 장비의 개발에 머물고 있다(Small and Medium Business Technology Information Promotion Agency [SMBTIPA], 2021).

스포츠과학 분야 연구는 체육대학이나 의과대학을 중심으로 일부 추진되고 있으나 과학적 운동 코칭을 위한 응용 기술의 개발은 활발하게 이루어지고 있지 않는 실정이다. 이러한 응용 기술 개발의 미진함은 실제 사용자의 니즈를 만족시키지 못하는 결과를 초래하고 있다. 운동을 핵심 콘텐츠로 하는 디지털 기기와 스마트 의류의 경우에는 정확한 동작 측정 정보를 통하여 얻을 수 있는 콘텐츠의 제공이 중요한 경쟁 요소이다. 이를 위해서는 센서기술, 제품 통합기술, 인터페이스 디자인 기술이 포함되어야 한다. 개인별 온라인 운동 코칭, 맞춤형 헬스케어 시스템을 위해서는 앞에서 언급한 센서기술, 제품 통합기술, 인터페이스 디자인 기술 등 응용 기술 개발이 필수적이다(SMBTIPA, 2021).

스포츠 및 피트니스 분야의 스마트 의류는 가장 빠른 성장을 보이고 있다(Dehghani & Pashna, 2022). 건강관리, 스포츠를 위한 스마트의류는 피트니스，요가，런닝 등 다양한 운동을 하면서 변화하는 호흡, 체온, 맥박, 혈압, 움직임 등과 같은 생체신호를 측정하고 헬스정보를 획득하여 해당 데이터를 스마트폰으로 실시간으로 전달하고 전용 App을 이용해 분석하여 운동량 정보를 제공하거나 자세를 코칭하여 운동효과를 향상시키는 등의 서비스를 제공하기 위해 개발되고 있다. 이러한 건강관리, 스포츠용 스마트의류 개발은 Table 1과 같이 미국，유럽，일본, 싱가포르 등 다양한 국가들에서 활발히 진행되고 있다(Lee & Lee, 2020).

Table 1.

Smart Clothes development case

Hexoskin과 Sensoria는 블루투스를 사용하여 폐 기능 및 활동 추적용으로 정밀한 ECG 심장 모니터링이 가능한 셔츠를 개발하였고 Cityzen Sciences는 마이크로 센서가 내장되어 있어 착용자의 체온와 심박수, 속도, 위치 및 가속도등 모니터링 할 수 있도록 하였다. Athos는 2012년 설립하여 스마트 웨어러블 의류의 주요 기업으로 성장하였다. 미국의 화학 관련 기업인 DuPont은 2017년 스마트의류기술인 Intexar기술의 스마트 의류용 신축성 전자 잉크 및 필름을 개발하였으며, AiQ Smart Clothing은 2019년 생체 신호 및 인간의 움직임을 얻을 수 있는 반도체와 융합 신축성 섬유 케이블을 융합한 스마트 의류 플랫폼 솔루션을 선보였다. SUPA 키트에는 센서와 데이터가 포함되어 스포츠, 웰빙 및 건강을 위한 스마트 의류를 비롯한 맞춤형 디지털 애플리케이션을 제공 하고 있다. Wearable X는 햅틱의 진동으로 요가자세 교정에 도움을 줄 수 있는 Nadi X를 출시하였다. 영국의 스포츠 기술 업체인 Catapult Sports의 Playertek은 가속도계, GPS, 지자계 센서로 구성된 트래킹 모듈 제품으로 500mAh용량의 배터리를 내장하고 있어 장시간 운동에도 충분한 용량을 제공한다. Komodo AIO 스마트 슬리브 및 AIO MD는 심장 박동, 수면 분석 및 ECG를 포함한 중요한 건강 데이터를 정확하게 수집하여 제공 하도록 웨어러블 디자인으로 개발되었다. OMbra은 심박수, 호흡, 소모 칼로리, 움직임, 노력 수준 및 피로도를 추적하여 착용자가 피로 수준을 평가하여 효율성을 개선하는 데 도움을 준다. 스마트 양말은 온도를 측정하여 다리 상태를 확인, 조치를 취하라는 메시지도 보낸다. HealthWatch 는 d-textile 기술을 활용하여 심박수 감지, 피부 온도, 호흡 및 신체 자세와 함께 ECG 및 더 넓은 바이탈 사인 모니터링이 가능하다(Table 1).

개인별 온라인 코칭, 맞춤형 헬스케어 시스템이 과학적으로 이루어지기 위해서는 개인의 생체신호와 운동 동작과 같은 정확한 정보의 수집과 분석이 무엇보다 중요한데(Kim et al., 2015), 현재 제공되고 있는 서비스는 주로 사용자로부터 얻은 데이터를 스마트폰의 앱을 통해서 분석하고 이 정보를 다시 사용자에게 제공하는 방식이다. 그러나 앞으로는 각각의 사용자로부터 획득된 정보를 수집하고 분석하여, 코칭할 수 있는 시스템과 연결하고 개인이 원하는 방식으로 피드백 받고 인터넷을 통해서 공유하며 인공지능과 빅데이터 기술을 활용하여 보다 진보된 형태의 개인별 맞춤형 헬스케어 시스템으로 발전할 것으로 보인다. 각 사용자에게 맞춤형 서비스를 제공하는 것은 물론이고 이러한 시스템을 통해서 획득한 데이터를 기반으로 새로운 융합산업 서비스를 개발하여 국가 경제에 기여할 수 있으며 건강 관련 사회비용을 최소화 할 수 있을 것으로 기대된다(Wang et al., 2018).

3. 연구방법

3.1. 프로토타입 개발

스마트레깅스 프로토타입을 개발하고 평가하기 위하여 Ko et al.(2018)의 연구을 기반으로 동작센싱 센서를 제작하고, 프로토타입을 개발하였다. 센서의 성능과 내구성은 저항 측정을 통해 평가하였다. 개발을 위한 기본 설계 및 평가 기준을 수립하기 위하여 예비 실험을 계획, 실행하여 프로토타입 레깅스에 부착할 스트레인 센서의 방향과 하체 동작에 따른 체표의 길이 변형을 측정하였다. 체표의 길이 변형이 가장 큰 부위의 표면적 데이터를 추출하여 평균값과 최대값으로 정리하였다. 이렇게 얻어진 예비실험 결과값을 바탕으로 센서 측정 부위를 도출하고 레깅스를 제작하였다. 연구 절차는 다음과 같다(Fig. 1).

Fig. 1.

Research procedure.

3.2. 착용성 평가

제작된 프로토타입의 착용성 평가를 위하여 레깅스 착용에 익숙한 남성 3명, 여성 3명을 공개모집하여 착의 후 운동동작을 수행하게 한 후 설문을 실시하였다. 착의 평가 설계 및 착용성 평가 문항은 Park and Lee(2018), Hong(2017)의 선행연구를 참고하였다. 착용성 평가항목은 Hong(2017)의 ‘사이클용 스마트 재킷의 성능 개선 연구’를 참고하여 작성하였다. 평가 항목은 외관 및 활동성 5항목, 수용성 2항목, 안전성 2항목, 사용 편의성 3항목, 작동 기능성 5항목으로 분류하여 매우 불만족 1점∼매우만족 5점으로 5점 리커트 척도로 평가하였다. 착용성 평가 기간은 4월 20일 에서 6월 30일까지이며, 스마트의류의 사용성과 외관 평가를 위하여 피험자들은 피트니스 운동이나 요가를 일주일에 2회 정도 참여하는 20대~40대 일반인들로서, 레깅스 착용에 익숙한 남성 3명, 여성 3명을 착의평가자로 하였다(Table 2).

Table 2.

Subject analysis

제한된 여건으로 인해 보다 많은 착용자를 모집하여 실험을 진행할 수 없었던 점이 아쉽지만 프로토타입을 개발하고 평가한 선행연구를 보면 3-6명을 대상으로 실험하고 기초적인 데이터를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. Hong(2017)의 연구에서는 프로토타입을 제작하여 착의 평가자 3명을 의도표집하여 착의자를 선정하였고 의류학 전공 대학원생 10명이 전문가 외관평가를 진행하였다. Park and Lee(2018)의 연구에서는 표집된 착의 평가자 6명을 대상으로 심층면접을 통해 평가하였다. 본 연구에서는 6명의 평가자를 임의 모집하였고 설문을 통해 착용성을 평가하였다.

실험복은 한국 남성 M 사이즈, 여성 M사이즈로 제작되었고 피험자의 인체치수 측정값은 Table 2와 같다. 피험자들은 별도의 설비가 갖춰진 실험실에서 평가에 들어가기 전에 연구의 목적과 과정에 대해 충분히 설명을 듣고 자발적으로 참여의사를 밝혔다. 피험자는 실험실에 도착하여 10분 정도 안정을 취하고 난 후 센서가 부착된 실험복을 착용한 후 운동자세 모니터링을 위해 무릎 굽히기, 앉기 동작을 수행하였다. 착의 평가는 약 30분가량 소요되었다. 착용성 설문은 Fig. 2와 같이 무릎 굽히기, 앉기 동작을 하고 난후 스마트 레깅스의 기능을 체험하고 착용감을 문항별로 체크하는 방식으로 진행하였다.

Fig. 2.

Smart leggings wearability evaluation; (a) wearing smart leggings, (b) motion monitoring.

4. 연구 결과

4.1. 프로토타입 개발

4.1.1. 동작 모니터링 센서 제작

동작 감지를 위한 스트레인 센서에서 스트레인(strain)은 외부로부터 압력과 같은 영향을 받았을 때 일어나는 변형을 뜻하는 의미로 이때 센서는 외부에서 가해지는 외형적 변형을 전기적인 신호로 감지하는 센서이다(Roh, 2016). 기존의 금속으로 제작된 스트레인 센서의 신축성은 3%미만이므로 의복에 적용되기 위해서는 신축성을 가진 섬유 타입의 스트레인센서가 필요하다. 또한 스마트의류에 적용되는 신축성 스트레인 센서는 첫째, 땀과 세탁으로부터 방수가 가능해야 하며, 둘째, 피부와의 마찰과 세탁시 발생하는 마찰에 내구성이 강해야 하고 셋째, 여러 횟수 착용 후 활동한 후에도 신축성이 유지되어야 한다(Roh, 2016). 본 연구에서는 Ko et al. (2018)의 연구를 참고하여 Fig. 3와 같이 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 전도성 잉크를 이용한 섬유형 센서를 레깅스에 적합하도록 제작하였다. 또한 센서의 성능을 Table 3에서 보는 바와 같이 길이 변화에 따른 저항 값을 측정하였다. MWCNT 센서의 장점은 필요한 모양으로 프린트가 가능하며, 섬유소재가 가지는 특성인 신축성에 적합한 장력을 가지고 있으며 코팅은 방진 방수 기능을 더해준다(Ko et al., 2018).

Fig. 3.

Schematics of the stretch sensor; (a) Top view, (b) Sectional view. (c) Photograph of the stretch sensor, (d) MWCNT strain sensor printing.

Table 3.

Strain sensor resistance change measurement experiment according to length change

Fig. 4에서 보는 바와 같이 늘림 테스트 완료 후 저항값을 측정하고 아래의 계산식을 통해 성능을 확인하였다. 성능 평가 결과는 Fig. 5에서와 같이 계산하여 ±3% 미만의 저항 변화를 보였고 0%-20%의 변형률에서 저항 변화의 펄스는 스트레칭 주기 동안 균일하게 유지 되어 신호 측정의 정확성과 내구성을 검증하였다.

Fig. 4.

Ten thousand times of stretching test of strain sensor.

Fig. 5.

Stretch resistance test formula.

4.1.2. 센서 위치 선정 및 부착

센서는 동작에 방해가 되지 않으면서 센서의 기능을 극대화할 수 있는 위치에 부착되어야 한다. 동작에 따른 센서의 저항 변화값이 가장 큰 위치를 파악하기 위해 피험자의 사용 근육 움직임에 대한 조사를 바탕으로 센서의 위치와 부착 방향을 정하고 레깅스에 센서를 부착하여 저항값을 비교하였다. 실험 동작은 실험복 레깅스를 착용하고 무릎을 바르게 편 자세에서 무릎을 135도, 90도, 45도, 0도의 각도로 구부렸을 때 무릎과 힙부위의 저항값을 측정하였다. 또한 센서를 붙이는 방향을 사선과 수직 방향으로 나누어 비교하였다. 무릎 센서를 직선, 사선방향으로 부착하고, 엉덩이 센서를 사선, 직선방향으로 부착한 후 무릎을 폈을 때(180도), 135도, 90도, 45도, 0도로 구부렸을 때 체표면의 변화와 저항값을 Table 4과 같이 측정하였다. 무릎과 엉덩이의 저항 값 변화는 Fig. 6와 같다.

Table 4.

Sensor positioning experiment

Fig. 6.

Resistance values changes in knee and hip.

센서의 위치는 Fig. 7과 같이 무릎 부위는 센서의 방향이 사선일 때 스트레치 정도가 큰 결과값을 보이므로 사선으로 위치를 정하고, 엉덩이 부위는 양쪽 엉덩이 중앙에 수직으로 위치를 정하였다. 센서와 기기부를 연결하는 전선은 세탁과 스트레칭이 가능한 기능성 섬유 개발 업체인 Kazhtex의 제품을 사용하였으며, 전선과 MWCNT 센서의 부착 방법은 내구성과 세탁을 고려하여 Fig. 8과 같이 열코팅하였다.

Fig. 7.

Selection of sensor position and orientation; (a) Sensor position, center vertical direction of the hip, (b) Central oblique direction of the knee.

Fig. 8.

(a) Ultra-low resistance stainless steel cable, (b) MWCNT sensor and wire connection, (c) Heat-sealed coating.

센서와 기기를 연결하는 스트레치성 전선을 지그재그 스티치로 고정하고 원단의 내구성 강화와 착용감 개선을 위해 오드람프 봉제기술을 활용하였다. 오드람프 봉제기술은 원단과 피부에 쓸림 현상을 줄여주며 착용감 및 활동성 등이 다른 봉제 방법과 달리 우수하여 동작센싱과 인체 활동을 고려한 스마트 웨어에 적합하다(Fig. 9).

Fig. 9.

Textle-based conductive wire connection method considering stretch.

4.1.3. 스마트 레깅스 디자인 제안

스마트의류가 소비자의 구매에까지 이어지기 위해서는 기능성뿐만이 아니라 심미적 디자인이 매우 중요하다. 스마트 레깅스의 기능을 최대한 살리면서 날씬해 보이고 심플하도록 디자인하였다. 신체의 움직임과 착용감을 고려하여 스판덱스 30% 이상 스트레치 원단 가운데 두께와 스트레치성을 고려하여 Nylon 70%/Spandex 30% 기능성 소재를 사용하였고 무릎 안쪽 부분에 매쉬 원단을 배색처리 하여 땀 배출에 도움을 주고 디자인에 변화를 주었다. 디자인할 때 센서와 기기부의 연결 라인은 끊어지지 않고 연결 되도록 패턴을 설계하였으며 센서를 보호하고 깔끔해 보이도록 두 겹 처리하였다. 기기부의 위치는 호흡과 심박을 측정하기 적합한 복부 위쪽으로 선정하였으며 기기부와 동작센서를 연결한 신호선은 운동 동작 시 근육의 움직임에 영향을 적게 받도록 근육의 바깥쪽으로 배치하였다. 신체의 움직임에도 센서의 감지부분의 위치가 일정하도록 뒷꿈치에 절개선을 넣어 디자인 하였다. 디자인과정은 처음에 아이디어 스케치를 바탕으로 도식화를 제작하였으며 인체 마네킹에 라인테이프를 사용하여 패턴 제작의 아이디어를 시각화하였다. 마네킹에 붙인 라인을 확인하면서 패턴을 제작하고 이를 입력하여 3D로 디자인을 시각화하였다. 전체 균형과 라인의 흐름을 고려하여 패턴 수정을 거쳐 다시 3D로 확인하는 과정을 여러 차례 반복 진행하였다. 전체적으로 패턴설계는 센서의 기능과 착용감을 고려하였고 근육의 형태에 기초한 라인을 사용하였다. 최종 패턴의 이미지는 Fig. 10과 같다.

Fig. 10.

(a) Schematic, (b) 3D image and CAD pattern design.

개발된 CAD패턴을 이용하여 3D 디자인으로 컬러 배색의 변화를 시도하였으며 디자인 수정작업을 하였다(Fig. 11).

Fig. 11.

3D Design by CLO.

4.1.4. 프로토타입 제작

스마트 레깅스에 적합한 패턴을 개발하고 CAD 프로그램으로 3D 이미지를 통해 디자인을 미리 확인하는 작업을 거치고 수정 작업을 진행하여 패턴 작업을 마쳤다. 작업 지시서에 따라 원단을 재단하고 센서를 부착하였으며 센서와 전선, 전선과 원단을 Fig. 12와 같이 연결하였다. 봉제는 시접없이 봉제 라인을 연결하도록 오드람프 특수 봉제 기법으로 작업하였다. 센서와 전선 연결은 스트레치되는 부분을 고려하여 지그재그 스티치로 전선과 센서를 부착하고 내구성을 위해 열융착 테이프를 이용하여 코팅하였다. 작업의 과정과 완성된 외관은 Fig. 12와 같다. 기기부(PCB)는 배꼽 부위에 스냅 형태로 탈부착 되도록 설계하였다(Fig. 13). 완성된 스마트 레깅스의 착의 모습은 Fig. 14와 같다.

Fig. 12.

Sewing method; (a) pattern considering the sensor and wire, (b) pattern blocks, (c) sensor adhesion, (d) wire finishing, (e) resistance measurement after sensor attachment.

Fig. 13.

(a) PCB image, (b) Attached to PCB leggings.

Fig. 14.

Smart leggings for online excercise coaching; (a) for women, (b) for men.

4.2. 착용성 평가

의도표집으로 선정된 착의평가자를 프로토타입 스마트 레깅스를 착용한 후 평가를 진행하였고 5단계 리커트 평가 척도를 사용하여 활동성, 수용성, 안전성, 사용 편의성, 작동기능성 측면으로 나누어 Table 5와 같이 정리하였다. 문항에 대한 각각의 평균은 4.0 이상으로 대부분의 문항에서 높게 나타났다. 표본수가 6명으로 매우 적어 통계적으로 유의미하지는 않지만 스마트의류의 프로토타입 개발에 관한 선행연구에서도 소수 피험자가 착의 평가를 진행하고 착용 후 인터뷰 등을 통하여 착용성 평가를 진행한 사례를 참고하여 결과를 해석하였다(Park & Lee, 2018; Hong, 2017).

Table. 5.

Wearability evaluation descriptive statistical analysis result(N = 6)

활동성은 착용 후 활동 시 레깅스의 착용감을 묻는 문항으로 허리의 밀착감, 기기조작, 입고 벗을 때 기기의 방해정도를 묻는 문항으로 구성되어있다. 설문 결과 전체적인 착용감이 좋으며 하이 웨스트 디자인으로 인해 활동 시 허리 말림이 거의 없는 것으로 나타났다. 활동성에 대한 전체적 의견은 ‘만족’, ‘매우 만족‘의 의견이 높게 나타났다. 그러나 활동 시 기기에 대한 문항에서 ’보통‘의 의견이 16.7%로 운동 시 기기의 위치에 대해 대부분 만족하지만 스마트 의류에 부착하는 기기의 크기와 위치가 움직일 때 방해가 되는 것으로 보인다. 수용성에 관한 문항은 일반 레깅스와 스마트 레깅스의 차이점과 기기로 인한 긴장감을 묻는 문항으로 ‘만족(66.7%)’, 첫번째 문항에서 ‘매우 만족(33.3%)’의 비율이 높게 나타났다. 안전성과 사용 편의성 문항의 결과에서도 ‘만족’, ‘매우 만족’ 비율이 높게 나타났으며, ‘인체에 안전한가’를 묻는 문항에서는 ‘매우 만족(83.3%)’의 비율이 가장 높게 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 객관적으로 안전하다고 확대해석 할 수는 없지만 개발된 프로토타입이 일반 레깅스와 크게 다르지 않아 안전하다고 느끼는데 도움을 주는 것으로 보여진다. 이는 Kang & Hyun(2008)의 연구에서 스마트 의류 디자인은 일반 옷과 비슷하게 디자인하는 것이 소비자들의 위험 지각을 낮추는데 도움을 줄 것이라는 의견과 유사하다. 이처럼 일반 레깅스 디자인에서 크게 벗어나지 않으며 기기의 무게감을 줄이고 센서와 전도선의 연결 부위를 편안하게 부착한 디자인이 소비자의 스마트 의류에 대한 거부감을 줄일 수 있을 것으로 보인다. 그러나 작동 기능성 문항에서는 호흡센서의 기능 만족도를 묻는 문항은 ‘매우 만족’이 높게 나타났으나 대부분 항목에서 ‘만족’의 의견이 다수인 것으로 나타났다. 운동 시 인체를 모니터링 할 수 있는 다양한 센서의 개발이 필요할 것으로 보여진다.

5. 결 론

본 연구는 비대면 환경에서도 운동 자세를 모니터링하고 코칭할 수 있는 스포츠용 스마트레깅스의 프로토타입을 개발하고 평가하여 스마트의류의 기능성, 편의성, 디자인의 심미성 개선 방안을 제안하였다. 이를 위하여 스포츠용 스마트의류에 관한 선행 연구와 개발 동향을 분석하였으며 운동 자세를 모니터링 할 수 있는 센서를 개발하고 운동 동작과 생체 신호를 측정하도록 센서와 기기부의 위치선정과 디자인 설계, 소재 선정, 패턴 설계 과정을 거쳐 프로토타입을 제작하였다. 개발된 스마트 레깅스 프로토타입에 대한 착용감 테스트와 전문가 평가를 실시하여 스마트의류의 기능성과 디자인을 개선하는 방안을 제시하였다. 이전 스마트의류 개발에 관한 연구를 살펴보면 센서 개발에 관한 연구(Wang et al., 2019), 센서의 부착위치에 관한 연구(Lee, 2020), 스마트의류 디자인에 관한 연구(Park & Lee, 2018) 등으로 세분화되어 있는 경우가 많고 디자인이나 프로토타입 개발에 관한 연구는 센서 성능이나 부착 방법에 대한 자세한 개발 내용이 빠져 있는 경우가 많아 전체적인 디자인과 성능의 개선을 동시에 고려하기에는 한계가 많았다. 본 연구에서는 기능에 부합하는 센서의 선택과 부착 위치와 방법, 심미성을 고려한 디자인 개발과 제작의 전체 프로세스를 보여줌으로써 스마트의류 개발 시 고려해야하는 사항을 제시하였다는데 의의를 둘 수 있겠다.

개인 건강관리에 대한 사회적 수요가 증가하고 생체신호 획득과 과학적 운동 코칭을 위한 스마트의류에 대한 시장도 확대되고 있는 상황에서, 스포츠용 스마트의류 제조를 위한 기초자료로서 의미를 가진다고 하겠다. 그러나 개발된 프로토타입은 하나의 사이즈로 제작되어 제한된 피험자에게 착용하였다는 한계를 지니며, 체형에 따른 비교가 어려웠다. 향후 연구에서는 보다 많은 다양한 체형의 사용자를 대상으로 제작하고 사용성을 비교할 필요가 있다. 또한 동작이 스쿼트와 같은 무릎을 굽히고 앉는 동작에 국한되어 있어 앞으로의 연구에서 보다 다양한 동작을 포함하여 실험하고 디자인에 반영하여야 한다. 호흡과 심박, 체온을 측정하는 벨트 타입의 기기부가 크고 다소 무겁게 느껴지는 것은 기술적으로 개선되어야 할 부분이며 무엇보다 스마트의류가 상용화되기 위해서는 안정성, 내구성, 편의성에 대한 실증적 검증과 기준 마련이 필요하다고 하겠다. 후속연구에서는 본 연구를 기반으로 기능과 디자인 측면에서 개선된 스마트의류를 개발해야 할 것이며, 본 연구가 스마트의류 제품 개발 연구 분야에 도움이 되는 기초 연구로 활용되기를 기대한다.

Acknowledgments

이 논문은 2022년도 정부의 재원으로 한국연구재단의 기본 연구사업의 지원을 받아 수행된 연구임(과제번호: 2022R1F1A1074625).

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