1. 서 론
2. 연구방법
2.1. 실험용 의복 특성
2.2. 서멀 마네킹을 이용한 보온력 평가
2.3. 인체 착용 실험을 통한 완제품의 성능평가
3. 연구결과
3.1. 기류 및 동작에 따른 의복의 보온력
3.2. 인체 착용 평가: 귀내온 및 피부온
3.3. 인체 착용 평가: 총발한량, 증발열 손실, 건조열 손실, 심박수
3.4. 인체 착용 평가: 의복내 온·습도
3.5. 인체 착용 평가: 정신·심리적 반응
4. 고 찰
4.1. 의복의 열손실 증가는 재킷의 측면 환기 디자인보다는 바람 및 인체 움직임에 의해 더 영향을 받는다
4.2. 아웃도어 재킷의 측면 환기 디자인 유무가 전신의 체온조절 반응에 유의미한 영향을 주지 못한다
4.3. 재킷의 측면 환기 디자인 차이는 국소 부위 의복내 온·습도 변화에 유의한 영향을 미칠 수 있다
4.4. 겨드랑 아래 수직 환기와 위팔 뒷 부분 수직 환기 디자인 간 주관감에서 차이가 존재한다
4.5. 효과적인 방열을 위한 아웃도어 재킷의 환기 디자인 제안
5. 결 론
1. 서 론
항온동물인 인간의 체온은 체내에서 만들어지는 열과 외기로 방출되는 열 간의 균형을 통해 유지된다. 산열은 체내 주요 장기 및 근육에서의 대사 활동을 통해 생산되며, 생산된 체열은 전도, 대류, 복사, 증발 과정을 통해 외부로 손실된다. 옷은 방열 과정에서 인체와 환경 간 열교환의 중간 매개체로서, 산열량이 외기로의 방열량보다 큰 경우 효과적인 방열을 방해하는 요인이 되기도 한다. 특히, 봄 가을철 실외에서 스포츠 레저 활동을 수행하는 동안 착용하는 아웃도어 웨어는 외피에 방풍이나 방수(발수) 기능이 추가되기 때문에 소재의 수분 및 공기 투과도가 낮아지게 된다. 의복의 소재 변경만으로는 의복내 쾌적성 향상이 제한적이며, 열 및 수분 배출을 위해서는 동작에 따라 의복 내부의 땀이나 습기를 외부로 방출할 수 있는 통기구의 적용이 필요하다(Lim, Roh, Yoo, & Kim, 2009). Lee, Shin과 Lee (2016)는 하절기 해군 함상복을 착용하고 더운 환경에서 냉방 환경으로 이동하여 휴식하는 동안에도 등 부위 의복내 습도가 여전히 86%RH 이상 유지됨을 보고하면서, 등 부위 의복내 습도를 낮출 수 있는 통풍구나 절개선, 혹은 메쉬 소재와 같은 환기 디자인 요소 적용이 필요하다고 하였다.
의복의 개구부를 통한 방열은 크게 대류에 의존한다. 정지 자세일 경우 방열은 의복내 미세기후의 온도 차이에 의한 자연 대류(Natural convection)에 의해, 인체를 움직이거나 외기에 바람이 존재하는 경우에는 강제 대류(Forced convection)에 의해 열이 손실된다. 팔다리를 반복적으로 움직일 때 발생하는 의복내 공기의 환기 효과를 ‘풀무 효과’ 라고 하며, 이것이 강제 대류의 주요 원천이다. 이 효과는 목둘레, 소매단, 밑단과 같은 기존 개구부 뿐만 아니라 의도적으로 설계된 환기구(vent)를 통해서도 발생한다. Vokac, Koppe, Keul과 Volf (1973)에서는 운동 중 의복내 공기층의 온도와 습도는 크게 증가하지 않는 반면, 운동 종료 직후 휴식 시 급격히 상승하는 의복내 미세기후의 온·습도 반응을 보고하면서 이러한 역설적 현상을 풀무 현상에 의한 강제 대류의 증거로 제시하였다.
아웃도어 재킷의 측면 환기구 디자인은 운동 중 의복내 공기층의 대류를 증가시켜 열과 수증기 확산을 촉진하는 대표적 설계 요소로 알려져 있다. 환기구의 풀무 효과는 환기구의 위치, 형태, 사이즈, 옷의 맞음새(의복내 미세공기층의 두께), 착용자의 움직임 종류, 바람의 유무에 따라 달라질 수 있다. Satsumoto, Wang, Hasebe와 Ishikawa (2000)는 핫플레이트를 이용하여 의복 내 풀무 효과를 모사하는 실험을 수행하였고 그 결과 의복 소재의 공기 투과도 수준이 풀무 효과에 미치는 영향은 미미하였으나, 의복내 공기층의 두께는 유의미한 영향을 주어 의복내 공기층이 5‒10 mm일 때 대류에 의한 열 손실 효과가 가장 크다고 하였다. 이처럼 의복의 환기 성능을 높이기 위한 공기층 확장 방법으로 어깨 아래에 스페이서(spacer) 구조물을 넣고, 어깨 부위에 환기 패널을 배치하는 설계를 제안한 연구도 발견된다(Ho, Fan, Newton, & Au, 2016). 특히, Ho et al.(2016)은 스페이서 블록을 어깨 아래 삽입하여 의복과 피부 사이의 공기층을 확장한 티셔츠에 다양한 환기 패널을 배치한 후, 서멀 마네킹을 이용해 환기 기능을 평가한 결과 의복내 공기층의 확장은 열 및 수분 전달을 일정 수준 향상시킬 수 있음을 확인하였으나 환기 효율은 환기 패널의 위치, 서멀 마네킹의 자세(서기/걷기), 바람의 존재 여부와 같은 요소에 크게 좌우되었다고 보고하였다. Ho, Fan, Newton과 Au (2008)은 발한 서멀 마네킹을 사용한 실험을 통해, 티셔츠 양쪽 측면 수직 환기 패널이 무풍 조건에서 양팔 운동 시 효과적인 환기를 제공하였으나, 가슴·등·겨드랑이의 환기 패널의 환기 효과는 크지 않았다고 하였다.
이처럼 의복내 환기 효과를 이해하기 위해 서멀 마네킹이나 CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델을 이용하여 의복 내 공기 흐름과 보온력을 정량적으로 분석한 연구들은 다수 존재하나, 이러한 연구들 대부분 정지 상태를 기준으로 하기 때문에 인체의 움직임에 의한 의복내 환기 효과를 충분히 반영하지 못하며, 또한 서멀 마네킹 기반 모델링을 사용하였기 때문에 실제 인체 피부의 발한에 의한 습도 증가를 고려하지 못한다는 한계를 가진다. Ding, Zhang과 Chen (2023)은 운동 강도에 따른 상의와 하의 부위별 환기 선호도를 비교하였으나 상의(재킷)의 부위별 환기를 분석하지는 않았다. Salsabila, Kim과 Lee (2023)에 따르면 우리나라 중앙 119 구조본부 소방대원용 화학보호복과 방열복의 인체 착용 평가를 열 중성 환경에서 수행하였음에도 불구하고 보호복 착용 30분 이내에 보호복 상체 부위 의복내 습도는 모두 90%RH 이상까지 상승할 정도로 발한으로 인한 습도 상승 효과가 현저했다. 또한 COVID-19 감염병 대응 의료진용 전신 보호복(Level D)을 착용한 경우에도 환경온이 25°C 였음에도 가벼운 수준의 동작을 시작한 지 25분 이내에 등 부위 의복내 습도는 평균 90%RH 이상으로 상승하였다(Kwon et al., 2022). 개구부가 없는 전신 밀폐형 보호복을 착용하고 일정 동작을 수행하는 경우 외기 환경온이 높지 않음에도 불구하고 인체 발한으로 인해 보호복 내 미세 공기층의 습도는 30분 이내 90%RH 이상까지 상승할 정도로 빨리 포화된다. 즉, 의복내 미세기후에 미치는 피부 발한의 영향이 상당히 크다는 점에서 의복 환기 효과 평가 시 실제 인체 착용을 통한 분석이 중요할 것이다.
현재 국내외 시판되는 봄 가을용 아웃도어 재킷의 경우, 측면 겨드랑 부위 아래쪽 수직 지퍼 환기 디자인이 가장 일반적이나, 이를 응용한 사선 환기 디자인 등 다양한 디자인의 환기 지퍼들이 적용된 아웃도어 재킷들도 다수 판매되고 있다. 환기 패널이 있는 스포츠 의류는 매우 흔하지만, 이러한 패널이 열 및 수분 전달을 정량적으로 어떻게 개선하는지, 재킷용 환기 패널의 디자인이 실제 착용자의 열 쾌적성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구는 부족하다. 이에 본 연구에서는 현재 시판 아웃도어 재킷에 사용되는 대표적인 측면 환기 디자인을 수집한 후, 환기 디자인에 따른 완제품의 물리적 · 생리적 성능을 비교 분석하였다. 1단계 연구로 자연 대류와 강제 대류에 의한 열 손실 효과를 정량화하기 위해 서멀 마네킹을 이용하여 정지 및 걷기 상태에서 아웃도어 재킷의 보온력을 측정하였다. 정지 및 걷기 상태에서 얻어진 보온력의 차이를 통해 의복내 생성된 강제 대류에 의한 열 손실을 정량적으로 분석하였다. 다음 단계로 피부 발한에 의한 증발열 손실 효과를 종합적으로 평가하기 위해 인체 착용 평가를 수행하였다.
2. 연구방법
2.1. 실험용 의복 특성
아웃도어 재킷 시장 조사를 통해 현재 시판 중인 아웃도어 재킷에 적용되고 있는 측면 환기 디자인 3종을 선정하였다: (1) 겨드랑 부위 수직 지퍼 벤트(Underarm vent zippers, 지퍼 길이 33 cm, 한 쪽 개구부 이론적 최대 면적 272 cm2, 실제 팔 가동 범위에서 최대 면적 약 160 cm2), (2) 위팔 부위 뒷면에서 아래 방향으로 만들어진 수직 지퍼 벤트(Upper-arm rear vent zippers, 지퍼 길이 34 cm, 한 쪽 개구부 이론적 최대 면적 272 cm2, 실제 팔 가동 범위에서 최대 면적 약 116 cm2), (3) 앞 가슴 부위에서 겨드랑 사선 방향으로 만들어진 지퍼(Diagonal chest vent zippers, 지퍼 길이 34 cm, 한 쪽 개구부 이론적 최대 면적 272 cm2, 실제 팔 가동 범위에서 최대 면적 약 62 cm2)(Figure 1). 모든 환기 디자인은 좌우에 대칭적으로 적용되었다. 본 실험을 위해 동일 소재 및 동일 디자인이면서 환기 디자인만 다른 아웃도어 재킷을 직접 제작하였고, 대조군으로 환기 디자인을 적용하지 않은 아웃도어 재킷을 사용하여 총 4종의 실험용 아웃도어 재킷을 실험 의복으로 선정하였다(Figure 1). 아웃도어 재킷의 소재는 PFAS free 발수 가공이 적용된 3L 폴리우레탄 membrane을 갖는 폴리에스테르 100%(P20D jersey backer)였으며, 직물의 두께는 0.22 mm, 재킷 완제품(4종 평균±SD)의 중량은 337±16 g이었다. 실험에 사용된 아웃도어 재킷의 사이즈는 단일 사이즈(L)로 통일하였다. 아웃도어 재킷 겉감 소재의 투습도는 0.0086±0.0001 g·m-2·h-1(KS K 0594, 2021; 염화칼슘법으로 3회 반복 측정), 공기투과도는 104±0 mm/s(KS K ISO 9237, 2017; TEXTSET FX 3300, Textest Instruments, Switzerland; 3회 반복 측정)였다.
2.2. 서멀 마네킹을 이용한 보온력 평가
아웃도어 재킷의 보온력 실측을 위해 성인 남성형 서멀 마네킹(Newton, 20 부위, Temperature Measurement_ Thermometrics, USA)을 이용하였다(Figure 2). 측정 시 모든 측면 환기 지퍼는 다 열어 놓은 상태를 유지하였다. ISO 9920(2009)을 기준으로 인공기후실의 기온 21°C, 습도 50%RH, 기류 < 0.15 m/s로 유지하였고, 서멀 마네킹의 20부위 표면 온도는 모두 33°C로 설정하였다. 아웃도어 재킷 4종의 보온력은 무풍, 정지 상태에서 측정되었다. 아웃도어 재킷에 실험용 기본 의복(티셔츠, 팬티, 긴바지, 양말, 운동화)을 모두 착장한 앙상블 조건에서의 보온력은 무풍과 유풍 환경(기류 2 m/s)에서 서멀 마네킹 정지 상태와 걷기 상태(45 steps/min, 1.9 km/h)에서 각각 측정되었다. 각 조건에 대해 3회 반복 측정한 후 3회 평균값을 각 조건의 대푯값으로 정하였다(의복 앙상블 4종 × 운동 조건 2개 [정지/걷기] × 기류 조건 2개 [무풍/유풍] × 3회 반복 측정 = 총 48회 측정; 단일 재킷 4종 × 정지 × 무풍 × 3회 반복 = 총 12회 측정). 나상 시 서멀 마네킹의 보온력은 무풍과 유풍 환경에서 정지와 걷기 상태로 측정되어 총 4조건에서 얻어졌다. 1회 측정은 60분을 기준으로 하였다. 서멀 마네킹을 이용한 의복의 보온력은 ISO 9920(2009)에 따라 계산되었다. [Eq. 1]에서 얻어진 열저항값(R)을 보온력 단위(clo)로 환산하기 위해 [Eq. 2]를 사용하였다.
Rct: 열 저항(m2·°C·W)
TS: 마네킹의 표면온도(°C)
Ta: 마네킹을 둘러싼 공기의 온도(°C)
Q/A: Area weighted heat flux(W/m2)
2.3. 인체 착용 실험을 통한 완제품의 성능평가
2.3.1 피험자 특성
인체 착용 평가에는 건강한 성인 남성 8명(25.4±2.8 세, 키 173.2±4.6 cm, 몸무게 69.6±10.1 kg, 1.86±0.1 m2, BMI 23.1±2.6, 체지방률 16.1±6.5%)이 참여하였다. 적정 피험자 수는 G-Power 프로그램을 이용해 반복측정 분산분석을 기준으로 산정하였다. 효과 크기 f = 0.5, 유의수준 α = 0.05, Power = 0.8, Measurement = 4 times, 구형성 보정계수 0.8을 가정하였을 때 필요한 최소표본수는 8명으로 산출되었다. 체지방률은 체성분 분석기(InBody 970, InBody, Korea)를 이용하여 측정되었으며, 체표면적은 Lee, Choi와 Kim (2008)의 식을 이용하여 계산되었다. 상의 사이즈 100을 착용하는 유사한 체격의 피험자로 한정하여 선발하였다. 피험자에게는 실험 참여 전 실험 내용에 대해 충분한 설명을 제공하였고, 자발적으로 동의한 경우에만 실험에 참여하였다. 본 연구는 서울대학교 생명윤리위원회의 승인을 받았다(IRB No. 2510/002-033).
2.3.2 실험 환경 및 실험 의복 조건
인체 착용 평가는 기온 24.8±0.3°C, 습도 54±2%RH로 유지되는 인공기후실에서 진행되었다. 실험용 재킷 4종은 측면 환기 디자인(Underarm vent, Upper-arm rear vent and Chest vent)을 제외한 전체 외관 디자인, 앞 여밈, 주머니 등은 모두 동일하였다. 인체 착용 평가 시 기본 의복으로 피험자들은 동일한 팬티(면 100%), 반팔 티셔츠(면 100%), 긴 바지(면 100%), 양말(면 100%), 운동화를 착용하였다. 운동화를 제외한 기본 의복과 아웃도어 재킷의 총 중량은 1,030±23 g이었다. 실험 참여 순서와 피험자 내 변동에 의한 영향을 최소화하기 위해 피험자들은 라틴방격법에 따른 순서대로 참여하였다. 일주기리듬에 의한 영향을 최소화하기 위해 모든 실험은 동일한 오전 시간대에 수행되었다.
2.3.3 실험 프로토콜 및 실험과정
1회 실험은 총 60분(10분 간 의자에 앉은 상태로 휴식, 30분 간 트래드밀 위에서 운동, 20분 간 의자에 앉은 상태로 회복)으로 구성되었다(Figure 3). 피험자는 실험 준비실에 도착한 직후 탈수 방지를 위해 생수 330 ml를 먼저 마신 후, 실험용 속옷과 실험용 가운으로 환복하고 신장, 체중, 인체 체성분을 측정하였다. 이후 실험 준비실에서 귀내온 센서, 일곱 부위 피부온도 센서, 가슴과 등, 겨드랑 부위 의복내 온습도 센서를 부착하였고, 가슴 중앙에 심박수 측정용 벨트를 부착하였다. 모든 센서들을 부착한 후 실험 기본 의복(반팔 티셔츠, 긴 바지, 팬티, 양말) 및 아웃도어 재킷을 착용하였고, 인공기후실로 이동하였다. 인공기후실에 들어가 등받이가 없는 의자에 앉은 자세로 10분 간 휴식을 취한 후 트래드밀 위에 올라가 30분 간 운동을 수행하였다. 30분 간의 운동은 트래드밀 위에서 10분 걷기(4 km/h), 10분 간 빠른 속도로 걷기(6 km/h), 10분 간 보통 속도로 뛰기(8 km/h)로 구성되었다. 운동 종료 직후 다시 의자에 앉은 자세로 20분간 회복하였다. 회복 시 전반 10분 간 피험자들은 앉은 상태로(Recovery 1), 후반 10분 간은 전면 유풍 환경(2 m/s) (Recovery 2)에 노출되었다. 60분 실험 동안 아웃도어 재킷의 겨드랑 부위, 윗 팔 부위, 가슴 부위 지퍼는 모두 개방되었다. 트래드밀 위에서 운동을 하는 동안 피험자들은 아웃도어 재킷에 연결된 후드를 착용하였으며, 초기 안정과 운동 종료 후 회복기에는 후드를 착용하지 않았다(Figure 3). 초반 10분 안정기와 운동 종료 직후 회복 20분 간 피험자들은 양 팔을 의자 팔걸이에 걸어 아웃도어 재킷의 개구부가 열린 상태를 유지하였다.
2.3.4 측정항목
귀내온 측정을 위해 귀내온 전용 센서를 센서에 표시된 깊이(약 2‒3 cm)까지 피험자 스스로 왼쪽 귀 내부에 삽입하도록 하였으며, 귓바퀴 위에 솜과 거즈를 부착하여 외기의 영향을 최소화하였다. 귀내온은 써미스터 및 데이터 로거(LT-8A, Gram Corporation, Japan)를 사용하여 5초 간격으로 자동 기록되었다. 피부온은 이마, 가슴, 아래팔, 손등, 넓적다리, 종아리, 발등의 일곱 부위에서 전용 피부온도 센서 및 동일한 데이터 로거를 사용하여 5초 간격으로 연속 기록되었다. 심박수는 가슴에 두르는 벨트 형식의 수신기와 손목에 차는 시계 형식의 무선 데이터 로거를 사용하여 1초 간격으로 연속 기록되었다(H10, Polar Electro, Finland). 총발한량 추정을 위해 실험 전과 실험 직후 나상 시 몸무게(팬티와 실험 가운만 착용한 상태)를 인체천칭(F150S, Sartorius, Germany, resolution 1 g)을 이용하여 각 3회 반복 측정하였으며, 평균값을 체중 대푯값으로 사용하였고, 실험 전후 체중의 차이를 총발한량으로 간주하였다. 실험용 아웃도어 재킷을 포함한 실험복의 실험 전 건조 시 중량과 실험 직후 중량은 동일한 천칭을 사용하여 재킷에 흡수된 땀량을 추정하였다. 의복내 온습도는 가슴 중앙, 윗 등 중앙과 겨드랑 부위 최내층에서 5초 간격으로 연속 기록되었다(TR-72wb, T&D, Japan).
정신·심리적 반응으로 전신과 겨드랑 부위에서의 한서감, 온열쾌적감, 습윤감에 대해 응답하도록 하였다. 한서감은 9점 척도(–4: 매우 춥다, –3: 춥다, –2: 서늘하다, –1: 약간 서늘하다, 0: 보통이다, +1: 약간 따뜻하다, +2: 따뜻하다, +3: 덥다, +4: 매우 덥다)를 사용하였으며, 온열쾌적감은 7점 척도(–3: 매우 불쾌하다, –2: 불쾌하다, –1: 약간 불쾌하다, 0: 보통이다, +1: 약간 쾌적하다, +2: 쾌적하다, +3: 매우 쾌적하다), 습윤감은 7점 척도(–3: 매우 건조하다, –2: 건조하다, –1: 약간 건조하다, 0: 보통이다, +1: 약간 습하다, +2: 습하다, +3: 매우 습하다)를 사용하였다. 모든 정신·심리적 측정 척도는 0.5점 단위로 응답 가능하도록 구성하였다.
2.3.5 데이터 분석
실험 결과는 평균과 표준편차(Mean±SD)로 제시하였으며, SPSS 23(SPSS, Inc., Chicago, IL)을 사용하여 분석했다. 귀내온 및 피부온, 심박수, 의복내 온·습도는 운동 시작 직전 마지막 안정기 3분(6‒9분) 동안 평균값, 각 운동기 마지막 3분(16‒19분, 26‒29분, 36‒39분) 동안의 평균값, 회복기 중간 3분(46‒49분) 및 마지막 3분(56‒59분) 동안의 평균값을 각 구간별 대푯값으로 간주하였다. 인체 건조열 손실(dry heat loss)은 평균피부온도(Mean Tsk)와 기온(Ta), 각 의복의 총보온력(IT)을 이용하여 추정하였고[Dry heat loss = (Mean Tsk ‒ Ta)/IT] 증발열 손실은 총발한량에서 의복에 흡수된 수분량을 뺀 증발량을 바탕으로 계산하였다(물 1 kg의 증발 잠열 = 540 kcal). 네 가지 실험 조건 간의 통계적 차이는 반복측정 분산분석으로 분석한 후 유의한 항목에 대해 Bonferroni correction 사후검정을 실시했다. 범주형 척도를 이용한 비모수 항목들에 대하여는 Friedman 검정을 실시한 후, 조건별 차이는 Wilcoxon signed-rank test로 분석했다. 통계적 유의수준은 P < 0.05로 정하였다.
3. 연구결과
3.1. 기류 및 동작에 따른 의복의 보온력
표준 조건(기온 21°C, 습도 50%RH, 기류 < 0.1 m/s, 정지 상태)에서 네 가지 재킷의 보온력(IT)은 0.81‒0.83 clo로 유사한 수준을 보였다. 표준 조건에서 앙상블의 보온력(IT)은 1.37‒1 44 clo, 표준 환경에서 걷기 동작을 수행한 경우 앙상블의 보온력은 1.09‒1.10 clo 로 네 가지 의복 조건 간 큰 차이를 보이지 않았다(Table 1). 유풍 조건에서도 유사한 경향이 발견되었다. 그러나 동작 및 기류에 의한 보온력 저하는 현저하여, 나상 시 서멀 마네킹을 둘러싼 공기의 보온력(Ia)은 무풍 정지 상태에 비해 무풍에서 걷기 동작을 수행하는 동안 13% 감소하였고, 무풍 정지 상태에 비해 유풍 정지 상태에서의 보온력은 62% 감소하였다. 앙상블 조건에서 전면 기류(2 m/s) 노출 시 보온력 감소는 네 가지 의복 조건 간 큰 차이 없이 정지 상태에서 48±2% 감소하였고, 걷기 동작일 경우 42±1% 만큼 감소하였다. 걷기에 의한 보온력 감소율은 무풍 상태에서는 네 조건 평균 23±1%, 유풍 상태에서는 평균 14±4%로 걷기에 의한 감소율보다 전면 기류에 의한 보온력 감소율이 두 배 이상 컸다(Figure 4).
Table 1.
Thermal insulation (IT) of four jackets and ensembles under different air speed and activities (Unit: clo)
3.2. 인체 착용 평가: 귀내온 및 피부온
인공기후실에서 수행된 인체 착용 평가 결과 귀내온과 평균 피부온에서 네 가지 실험 조건 간 유의한 차이는 발견되지 않았다(Table 2, all Ps > 0.05). 귀내온은 운동 중 약간 상승하나 운동 종료 시 36.4‒36.5°C 범위를 보였으며, 회복기 후반에는 안정기 수준으로 돌아갔다. 반면 평균 피부온은 운동 중 유지 혹은 감소하다가 운동 종료와 함께 상승하였으며, 회복기 후반(2 m/s 기류 노출)에는 다시 감소하여 초기 안정기 수준 혹은 그 이하로 하강하였다(Table 2). 이마, 가슴, 아래팔, 손등, 넓적다리, 종아리, 발등 부위 피부온도 네 조건 간 통계적으로 유의한 차이 없이 유사한 경향을 보여주었다. 다만, 넓적다리 온도 및 종아리 온도는 운동 종료 직후 회복 전반기 (Recovery 1) Control 조건에서 가장 높은 값을 보여 주었으나 통계적으로 유의한 수준은 아니었다(넓적다리 온도 P = 0.076, 종아리 온도 P = 0.060). 일곱 부위 피부온도 중 안정 시에는 이마 온도가 가장 높았으나, 운동 종료 직후 회복 전반기에는 발등 온도가 가장 높았다(Table 2).
Table 2.
Auditory canal and skin temperatures during rest, exercise, and recovery at 25°C with 54%RH (unit: °C)
3.3. 인체 착용 평가: 총발한량, 증발열 손실, 건조열 손실, 심박수
체중변화량으로 추정된 총발한량은 네 조건에서 각각 266±66 g/h(Control), 246±30 g/h(Underarm vent), 253±50 g/h(Upper arm rear vent), 263±53 g/h(Chest vent)로 조건 간 유의한 차이는 없었다(P = 0.567). 총 발한량 중 증발된 양은 247±56 g/h, 235±24 g/h, 241±43 g/h, 246±6 g/h으로 네 조건 간 유의한 차이 없이(P = 0.825), 총발한량의 93%, 96%, 95%, 94%가 증발하였다. 인체 증발열 손실은 각 조건별 평균 71, 68, 70, 71 kcal·m-2·h-1 였다. 평균피부온과 기온, 의복의 총보온력을 이용하여 계산된 각 의복 조건별 회복 전반기(무풍 시) 건조열 손실은 65, 66, 66, 64 kcal·m-2·h-1 로 의복 조건별 큰 차이 없이 유사한 수준이었다. 심박수는 운동 종료 마지막 3분 간 141±13 bpm, 140±15 bpm, 141±14 bpm, 140±12 bpm, 회복 후반부 3분 간 83±9 bpm, 84±10 bpm, 84±11 bpm, 83±11 bpm 으로 네 조건 간 유의한 차이는 발견되지 않았다.
3.4. 인체 착용 평가: 의복내 온·습도
가슴과 등 부위 의복 내 온도는 네 가지 의복 조건 간 유의한 차이가 없었으나, 겨드랑 부위 의복내 온도는 의복 조건 간 차이를 보여 전면 유풍이 있는 회복 후반기(Recovery 2)에 Underarm vent 조건에서 Control보다 유의하게 낮은 의복내 온도가 관찰되었다(Table 3, Figure 5E, P = 0.002). 가슴과 등 부위, 겨드랑 부위 의복내 온도 모두 운동 시작과 함께 점점 감소하다가 운동 종료 직후 무풍 회복기에서 급한 증가를 보여 운동 중 의복내 풀무 효과가 관찰되었다. 전면 유풍이 있는 회복 후반기에는 세 부위 모두 대류열 손실 증가로 인한 의복내 온도 감소가 관찰되었다.
Table 3.
Clothing microclimate during rest, exercise, and recovery at 25°C with 54%RH (unit: °C, %RH)
| Variable | Phase | Outdoor jacket condition | P-value | |||
| Control | Underarm vent | Upper-arm rear vent | Chest vent | |||
| Tcl_chest | Rest | 33.0±1.0 | 33.1±1.1 | 32.9±1.0 | 33.2±0.9 | 0.708 |
| Exercise | 32.3±1.0 | 32.3±0.8 | 32.2±1.0 | 32.4±1.1 | 0.923 | |
| Recovery1 | 33.9±0.9 | 34.0±0.6 | 33.9±0.7 | 34.0±1.0 | 0.976 | |
| Recovery2* | 34.9±1.3 | 35.3±0.5 | 35.3±0.5 | 35.3±0.4 | 0.464 | |
| Tcl_back | Rest | 32.7±0.7 | 32.6±0.6 | 32.5±0.6 | 32.9±0.6 | 0.739 |
| Exercise | 32.6±0.8 | 32.7±1.1 | 32.6±1.2 | 32.6±1.1 | 0.976 | |
| Recovery1 | 33.9±0.6 | 34.0±0.8 | 33.9±0.9 | 34.0±0.8 | 0.670 | |
| Recovery2 | 34.9±1.3 | 35.3±0.5 | 35.3±0.5 | 35.3±0.4 | 0.464 | |
| Tcl_armpit | Rest | 33.5±0.9 | 33.7±1.3 | 33.4±0.8 | 33.5±0.6 | 0.903 |
| Exercise | 33.1±1.2 | 32.7±1.1 | 32.5±1.0 | 32.7±0.7 | 0.524 | |
| Recovery1 | 33.8±1.0 | 33.3±0.9 | 33.4±0.7 | 35.6±0.9 | 0.312 | |
| Recovery2 | 32.8±0.8a | 31.5±0.6b | 31.9±0.8ab | 32.1±0.9ab | 0.002 | |
| Hcl_chest | Rest | 48±12 | 44±5 | 47±12 | 49±10 | 0.411 |
| Exercise | 83±7 | 79±5 | 79±8 | 81±7 | 0.046 | |
| Recovery1 | 88±7 | 86±6 | 86±6 | 88±5 | 0.038 | |
| Recovery2 | 79±13 | 75±14 | 74±14 | 78±13 | 0.410 | |
| Hcl_back | Rest | 50±16 | 47±8 | 50±14 | 56±15 | 0.332 |
| Exercise | 90±5 | 89±4 | 88±5 | 88±6 | 0.493 | |
| Recovery1 | 86±6 | 85±5 | 86±4 | 86±6 | 0.857 | |
| Recovery2 | 76±11 | 78±9 | 77±11 | 79±10 | 0.796 | |
| Hcl_armpit | Rest | 45±11 | 44±7 | 44±5 | 48±9 | 0.434 |
| Exercise | 86±7 | 83±6 | 85±6 | 86±6 | 0.532 | |
| Recovery1 | 90±7 | 86±9 | 88±6 | 92±5 | 0.199 | |
| Recovery2 | 79±12 | 64±17 | 71±11 | 79±12 | 0.014 | |
등 부위 의복 내 습도는 네 가지 의복 조건 간 유의한 차이가 없었으나, 가슴과 겨드랑 부위 의복내 습도는 의복 조건 간 차이를 보였다. 가슴 부위 의복내 습도는 운동 종료 시점과 회복 전반기에 Underarm vent 조건과 Upper-arm rear vent 조건에서 Control 조건에 비해 더 낮은 경향이 발견되었고(P < 0.05), 겨드랑 부위 의복내 습도는 의복내 온도와 유사하게 전면 유풍이 있는 회복 후반기에 Underarm vent 조건에서 Control보다 유의하게 낮은 값이 관찰되었다(Table 3, Figure 5F, P = 0.014). 가슴과 등 부위, 겨드랑 부위 의복내 습도는 의복내 온도의 변화 경향과 달리 운동 시작과 함께 점점 증가하다가 운동 종료와 함께 감소하며, 전면 유풍이 있는 회복 후반기에는 다소 빠른 감소를 보였다(Figure 5B, 5D, 5F). 운동 종료 시점에서 가슴과 등, 겨드랑 부위 중 등 부위 의복내 습도는 평균 88‒90%RH로 매우 습한 의복내 환경을 보여 주었으며, 재킷 측면의 vent 유무나 피험자 전면에 바람의 유무와 상관 없이 회복기에도 평균 75%RH 이상을 유지하였다(Table 3).
3.5. 인체 착용 평가: 정신·심리적 반응
전신의 한서감과 온열쾌적감, 습윤감에서 네 가지 의복 조건 간 유의한 차이는 발견되지 않았으며, 운동 종료시점에서 평균적으로 “덥다(3점)”, “불쾌하다(–2점)”, “습하다(2점)”을 보였고, 회복 후반기에는 초기 안정시와 유사한 값으로 회복하였다(Table 4, Figure 6A, 6C, 6E). 반면, 겨드랑 부위의 한서감, 온열쾌적감, 습윤감은 네 가지 의복 조건 간 유의한 차이를 보여, Upper-arm rear vent 조건에서 가장 덜 덥고, 덜 불쾌하고, 덜 습하다는 응답이 얻어졌다(Table 4, Figure 6B, 6D, 6F).
Table 4.
Psychological responses during rest, exercise, and recovery at 25°C with 54%RH
4. 고 찰
본 연구에서는 동일한 길이의 지퍼로 겨드랑 아래, 위팔 뒷 부위, 가슴 부위에 환기 디자인을 배치한 아웃도어 재킷의 착용 효과를 비교 분석하였다. 서멀 마네킹에 의해 측정된 의복의 보온력은 측면 환기 디자인에 따른 차이는 없었지만 전면 바람 및 움직임에 의한 감소가 현저하였고, 인체 착용 평가 결과 귀내온이나 평균피부온, 심박수, 발한량과 같은 전신의 체온조절 반응에서 네 가지 의복 조건 간 유의한 차이는 관찰되지 않았으나, 인체 국소 부위 의복내 온습도 및 국부 주관감에서는 환기 디자인에 따른 차이가 관찰되었다. 특히 겨드랑 부위의 의복내 미세기후의 온도 및 습도는 Underarm vent 조건에서 가장 낮았으나, 겨드랑 부위의 한서감이나 온열쾌적감, 습윤감과 같은 정신·심리적 반응은 Upper-arm rear vent 조건에서 가장 우수하였다. 본 연구에서 얻은 결과에 대한 구체적인 논의는 다음과 같다.
4.1. 의복의 열손실 증가는 재킷의 측면 환기 디자인보다는 바람 및 인체 움직임에 의해 더 영향을 받는다
본 연구 결과 단일의복(Jacket only) 및 한 벌의복(ensemble)의 보온력은 측면 환기 디자인에 따른 차이 없이 유사하였다. 정지 상태에서 실험 의복 4종간 유사한 보온력 수준이 관찰된 것은 측면 환기 디자인 차이가 의복내 자연 대류에 의한 대류열 손실에 유의미한 영향을 미치지 않은 것으로 해석될 수 있다. 마찬가지로 걷기 동작에서도 실험 의복 4종간 유사한 수준의 보온력이 관찰되었기 때문에 본 연구에 사용된 측면 환기 디자인 요소가 강제 대류에 의해 발생되는 풀무 효과도 크게 강화하지는 않는 것으로 해석될 수 있다. 즉, 동일한 길이의 지퍼(33‒34 cm)를 사용하여 상의 측면 다른 위치에 배치한 환기 디자인의 경우 보온력에서 큰 차이는 없다. 반면, 전면 기류(2 m/s)에서 걷기 동작을 수행하는 동안 보온력은 실험 의복 4종 모두 40% 이상(정지 상태 시 48% 감소, 걷기 동작 시 42% 감소)의 감소율을 보였다. Lotens (1993)은 기류 증가에 따라 인체를 둘러싼 공기층의 열저항이 지수함수적으로 감소함을 보여 주었는데, 무풍 환경에서 마네킹 공기층의 열저항은 약 0.16°C· m2·W-1이나 기류를 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s으로 증가시킨 경우 공기층의 열저항은 약 0.06°C·m2·W-1, 0.04°C·m2·W-1, 0.03°C·m2·W-1으로 감소하여, 기류 1 m/s에서 무풍 대비 60% 이상의 감소율을 보고하였다. 서멀 마네킹에 걷기 동작을 추가한 경우 보온력 감소율도 상당하여 무풍 정지 상태에서 약 1.7 clo인 의복의 보온력은 걷기 속도 0.9 m/s(=3 km/h)일 때 1.2‒1.3 clo 수준으로 낮아져 약 25% 정도 보온력 저하가 관찰되었다(Havenith 1999). 본 연구에서도 유풍 나상 시 마네킹의 공기층의 보온력(Ia) 저하는 평균 62%로 매우 컸으며, 전신 의복(ensemble)을 착장한 상태에서 무풍 대비 기류 노출 시 총 보온력의 감소율은 평균 40% 이상, 걷기 동작에 의한 보온력 감소율은 정지 상태 대비 평균 23% 수준으로 기류와 동작의 영향을 보고한 선행연구들과 유사한 감소율을 보였다고 볼 수 있다.
한편, 기존 의복에 의복 환기 디자인 요소들을 추가한 경우 보온력이 유의하게 감소되었음을 보고한 선행연구들도 발견된다. Ho 등(2016)는 상의에 환기 패널과 함께 어깨 부위 의복내 공기층 확장을 위해 해당 부위 내부에 스페이서 블록을 추가 배치한 후 보온력을 측정하였는데, 그 결과 유풍 조건의 정지 상태에서 대조군 의복 대비 보온력 7.9% 감소, 유풍 조건의 보행 자세에서 대조군 의복 대비 보온력 8.2%가 감소되었다. 즉, 팔다리를 움직이지 않은 정지 상태에서도 전면 바람만으로 충분한 환기 효과가 유도되었고, 이는 국소 부위 환기 패널과 스페이서 블록과의 조합이 의복의 총열저항을 효과적으로 낮출 수 있음을 시사한다. McQuerry, DenHartog와 Barker (2016a)은 소방복 환기 디자인의 효과를 평가하기 위해 총 다섯 가지 다른 환기 디자인을 적용한 소방복의 열 저항을 평가하였다. 평가 결과, 다섯 가지 환기 디자인 중 수동형 개방 환기 디자인(양팔과 가슴, 양 무릎 부위에 수평형 개구부 설치. 환기구의 총면적 2,501 cm2)이 기존 소방복과 비교하여 열 손실을 향상시키는 데 가장 효과적이었으나, 몇몇 환기 디자인은 열 손실 증가에 효과적이지 못했는데 이는 환기구의 위치와 크기에 기인한다고 분석하였다. McQuerry, DenHartog, Barker와 Ross (2016b)의 연구에서 환기 효과가 적었던 리벳(작은 환기 구멍) 환기 디자인의 경우 겨드랑이와 사타구니 부위에 총 30개의 리벳을 배치하여 전체 환기 면적은 24 cm2에 불과했고, 능동형 지퍼 환기(양쪽 겨드랑과 사타구니 부위) 디자인의 환기구 면적은 161 cm2, 능동형 수직 환기 디자인의 환기구 면적은 354 cm2에 불과했다. Morrissey와 Rossi (2013)는 세 가지 유형의 상의 환기 구조(가슴 지퍼, 등 지퍼, 겨드랑이 지퍼)가 공기투과도가 다른 의복층과 조합될 때 열저항에 어떤 변화를 일으키는지를 보고하였고, 그 결과 환기 디자인과 공기투과도가 높은 의복층이 함께 조합될 경우 높은 풍속의 바람 노출 시 열손실이 10% 이상 감소됨을 발견하였다.
서멀 마네킹을 이용한 이상의 연구들과 본 연구 결과를 종합하면, 국소 환기 디자인 적용을 통해 효과적인 방열 효과를 추출해 내기 위해서는 환기구의 총 면적이 일정 수준 이상이 되어야 하며, 환기 디자인과 함께 내부 공기층의 면적을 확대할 수 있는 스페이서 디자인 추가, 혹은 높은 공기투과도를 가지는 소재를 사용하는 등 복합적인 디자인 적용이 필요함을 알 수 있다. 본 연구에서는 시판 재킷에 사용된 환기구 디자인을 선정하여 비교하였으나, 추후 연구에서는 환기구의 사이즈 및 개수 등을 다양하게 조합하여 최적 환기 디자인을 추출해 낼 필요가 있다. 다양한 환기 디자인들 중 일부는 다른 디자인보다 더 효과적인 것으로 나타나므로, 인체 부위별 움직임 및 발한량을 고려하여 인체 부위별 최적 디자인(수직/수평/사선, 메쉬/지퍼, 겨드랑 아래/등/가슴 부위 등)을 선정할 필요가 있다.
4.2. 아웃도어 재킷의 측면 환기 디자인 유무가 전신의 체온조절 반응에 유의미한 영향을 주지 못한다
인체 착용 평가 결과 귀내온이나 평균피부온, 심박수, 총발한량, 전신의 한서감, 쾌적감, 습윤감 등에서 네 가지 의복 조건 간 유의한 차이가 발견되지 않았다. 의복의 총 보온력과 인체 착용평가에서 얻어진 평균피부온, 총발한량 등으로 추정한 인체 열손실(건조 열손실 + 증발 열손실)에서도 의복 조건 간 유의한 차이 없이 130‒140 kcal·m-2·h-1을 보였기 때문에 타당한 결과로 사료된다. 본 연구에서 피험자들의 에너지 대사량을 측정하지는 못하였으나 인체 착용 평가 중 얻어진 최대 심박수 수준(평균 140 bpm)으로 볼 때 중등강도에서 고강도 사이의 활동을 수행한 것으로 평가되며, 이는 평균 대사량 165‒230 W/m2에 해당한다고 추정해 볼 수 있다(ISO 8996, 2021). 이러한 추정치에 따르면, 네 가지 의복 조건 간 큰 차이 없이 방열량에 비해 산열량이 다소 높은 수준이었기 때문에 귀내온이나 전신 한서감 등이 지속적으로 상승하였다고 볼 수 있다.
McQuerry (2018)는 기온 35°C, 습도 35%RH 환경에서 환기디자인이 적용된 보호복을 입고 5.6 km/h 운동 수행 시 피험자의 심부 체온과 피부온이 대조군에 비해 유의하게 낮고, 의복에 흡수된 땀량도 유의하게 적었으며, 운동 시간도 유의하게 연장되어 환기 디자인 요소 추가 효과가 유의미함을 보고하였다. 하지만 이 시험에 적용된 환기 디자인은 상의 옆 선 전체(겨드랑 부위부터 허리선 부위) 수직 개구부 및 바지 옆선 전체(넓적다리 수준부터 발목 수준까지) 수직 개구부로 환기구의 면적이 상당히 넓었기 때문에 나타난 효과로 볼 수 있다. 한편, Zhang, Li와 Wang (2012)은 목 개구부의 세 가지 사이즈(Tight, Normal, Loose)에 따른 체온조절 반응 차이를 평가하였는데, 세 가지 목 개구부 사이즈 조건 간 직장온과 심박수, 총발한량, 한서감에서 유의한 차이는 없었으나, 가슴 부위 의복내 온습도에서는 차이를 보여 느슨한 조건에 비해 타이트한 조건에서 유의하게 높은 의복내 온·습도가 관찰되었고, 온열 쾌적감에서도 차이를 보여 피험자들은 타이트한 조건에서 가장 불쾌하다고 응답하였다. 종합하면, 본 연구와 같이 30 cm 정도 수직 길이의 양쪽 환기구 추가, 혹은 목 네크라인 확대 수준의 환기 면적 증가는 운동 중 착용자의 전신 체온조절 반응에 유의한 영향을 주지 못하는 것으로 사료된다.
4.3. 재킷의 측면 환기 디자인 차이는 국소 부위 의복내 온·습도 변화에 유의한 영향을 미칠 수 있다
본 연구에서는 가슴 중앙 부위나 등 중앙 부위의 의복내 온·습도는 양쪽 측면 환기 디자인 차이에 의해 영향을 받지 않은 반면, 겨드랑 부위의 의복내 온·습도는 운동이 종료된 직후 회복기, 특히 전면 바람에 노출된 회복 후반기에 의복 조건별 차이를 보여 네 가지 환기 디자인 중 겨드랑 아래 수직 환기(Underarm vent) 에서 유의하게 낮은 의복내 온도(대조군에 비해 평균 1.3°C 낮음) 및 의복내 습도(대조군에 비해 평균 15%RH 낮음)를 보였고, 나머지 환기 디자인들은 대조군과 유의한 차이를 보이지 않았다. 즉, 겨드랑 아래 33 cm 길이의 수직 지퍼 환기구는 운동 종료 직후 유풍 환경에서 휴식할 경우 대류열 손실 효과가 유의미하며, 바람이 없다면 측면 환기구의 효과는 미미한 것으로 볼 수 있다.
의복내 미세기후에 영향을 미치는 인자로는 의복 재료의 함기성, 통기성, 열전도도, 보온성 등 열 및 수분의 자연 대류에 관련된 성질들과 함께 의복의 형태나, 의복의 사이즈, 착의 방법 등이 있다(Ji, Bae, Jeong, Chung, & Chu, 2001). 특히 의복의 사이즈에 따라 의복내 공기의 양이 결정되는데, 의복 내 공기의 양은 트레이스 가스나 수중 침지법 등 측정 혹은 2D 모델링 법으로 추정되어 왔다. Trace gas법은 주로 통기성이 없는 의복을 사용하여 의복 내 가스 농도 변화로 환기 양상을 평가하는데, 이러한 연구들을 통해 의복 내 환기 속도는 환경온보다는 개구부의 위치, 소맷부리와 개구부의 거리 등에 더 큰 영향을 받으며(Chu & Nakajima, 1997), 환기량은 인체 부위별로 달라 상의 몸통 부분 10.7 리터, 소매 부분 2.5 리터 정도라고 보고된 바 있다(Chu, 2000). 본 연구에서는 의복 조건별 환기량이나 환기 속도를 계산하지는 못했으나, 회복 후반기 유풍 환경에서 환기율(혹은 환기량)은 다른 세 조건에 비해 Underarm vent 조건에서 더 컸을 것이라 추정해 볼 수 있다.
한편 의복 환기구에 따른 의복내 미세기후의 양상을 보고한 선행연구들을 살펴보면 충분한 크기의 환기구를 적용하거나, 최적 공기층 두께에 환기구를 함께 적용한 경우 유의미한 향상 효과가 얻어졌다. Jeon, Park, You와 Kim (2014)은 공군 조종복의 네 개 부위(어깨, 겨드랑, 등판 양쪽 가쪽 수직, 무릎)에 개구부를 만들면서 내측에는 메쉬 소재를 적용하고 외측에는 통기구가 보이지 않도록 덮개 처리한 후 대조군과 의복내 온·습도를 비교하였다. 그 결과 의복내온도는 상완과 하퇴 부위에서 각 0.4°C, 0.9°C 더 낮고, 의복내 습도도 어깨와 하퇴, 상완 부위에서 각 6%, 9%, 5% 더 낮았으며, 전체 발한량은 대조군에 비해 11% 더 적었음을 보고하면서 환기 디자인 추가에 의한 의복 내 미세기후 향상 가능성을 시사하였다. Mei 등(2025)는 전기 작업복 소매 내부 공기층 두께와 환기부 크기를 조절하여 수동적 냉각 성능을 향상하는 방안을 제안하기도 하였다. 겨드랑 부위 의복내 공기층 두께(8, 12, 16 mm)와 환기구 사이즈(0%, 25%, 50%, 75%)를 조합한 총 12개의 곡면 상지 모델을 구축한 후 전산유체역학(CFD)을 기반으로 시뮬레이션 한 결과, 소매 부위 의복내 공기층 16 mm 와 25%의 환기구 사이즈 조합에서 가장 우수한 열 발산 성능이 얻어졌으며(밀폐된 공기층 대비 겨드랑 부위 온도 최대 3.7°C 감소), 실제 기온 30°C에서 인체 착용 실험을 수행한 결과 공기층 16 mm + 환기구 25% 조건에서 운동 후 겨드랑 부위 온도가 대조군 대비 0.5°C 감소된 결과가 얻어졌다.
한편, 일반적으로 알려진 표준 의복내 온도는 32±1°C (Suzuki, 1932; Yamamoto, 1959)이나 본 연구 결과 가슴 부위 안정 시 평균 의복내 온도는 33.0±1°C로 약 1°C 높음을 알 수 있다. 본 연구에서 초기 휴식 시 평균피부온도도 33.3±0.5°C로 가슴부위 의복내 온도와 큰 차이를 보여 주지 않았다(전신 한서감 평균 ‘춥지도 덥지도 않다’~‘약간 서늘하다’ 수준). Natsume, Tokura와 Isoda (1988)도 표준 상태에서 의복내 온도(33.0‒33.7°C)가 기존 표준 의복내 온도보다 명백히 높았다고 보고하였는데, 본 연구와 같이 일상복에 비해 공기투과도나 흡수성이 상대적으로 낮은 합성섬유 소재의 아웃도어 재킷을 착용하는 경우 의복내 온도는 일반적으로 알려진 표준 의복내 온도보다 다소 높을 수 있음을 고려해야 할 것이다.
4.4. 겨드랑 아래 수직 환기와 위팔 뒷 부분 수직 환기 디자인 간 주관감에서 차이가 존재한다
겨드랑 부위 의복내 온습도에서는 겨드랑 아래 수직 환기 디자인 조건에서 온습도 경감 효과가 가장 좋았으나, 겨드랑 부위 한서감이나 쾌적감, 한서감에서는 위팔 뒷 부분 환기 디자인 조건에서 보다 덜 덥고, 덜 불쾌하며, 덜 습하다는 응답이 얻어졌다. 이러한 불일치는 의복내 온습도 센서가 반영하는 겨드랑 부위 미세기후의 면적과 주관감이 반영하는 겨드랑 부위 미세기후의 면적이 다르기 때문에 발생한 차이일 수도 있다. 주관적으로 겨드랑 부위라고 했을 때 위팔의 뒷 부분까지 포함한 감각으로 응답했다면, 보통 뜨거워진 공기는 몸통에서 사지 부위로, 아래에서 위로 상승하기 때문에(“굴뚝 효과”) 겨드랑 아랫 부분 보다 위팔의 뒷 부분이 열려 있을 때 주관적으로 향상된 수준을 감지했을 수도 있다. 팔의 주기적 움직임이 위팔 뒷부분의 개구부를 통한 공기 교환을 촉진하고, 운동 종료 직후 회복 자세에서 양팔을 벌린 자세도 위팔 개구부를 통한 공기 교환을 보다 효과적으로 만들어 주었을 수 있다. 위팔 뒷 부분 환기구 조건에서 피험자들은, 기류 자극이 촉각적으로 전달되어 시원함이나 건조감을 더 강하게 인식할 수 있다. 피부의 시원함 혹은 건조함에 대한 인지는 단순한 피부 온도 변화보다는, 촉각 자극에 의해 강화된다(Toftum, 2004). 따라서 겨드랑 아래 수직 환기구 조건처럼 환기가 체간 중심부에 국한되어 팔 부위에 대한 직접적인 기류 자극이 부족한 경우, 겨드랑 부위의 의복 내 온습도가 낮아졌음에도 착용자가 이를 시원하거나 쾌적하게 인지하지 못할 수 있다.
4.5. 효과적인 방열을 위한 아웃도어 재킷의 환기 디자인 제안
본 연구 결과뿐만 아니라 관련 선행연구 결과들을 종합하여 아웃도어 재킷의 환기 디자인 시 고려할 사항 여섯 가지를 제안한다. 첫째, 움직임에 의한 의복내 풀무 효과와 연동된 환기를 유도하기 위해서는 의복 환기구의 사이즈가 충분히 커야 한다. 본 연구에서 적용한 환기 디자인은 재킷의 양쪽 측면 부위(33‒34 cm 지퍼)에만 국한되었기 때문에 전신의 체온조절 반응에 유의미한 효과는 발견되지 않았다. 그러나 하나의 큰 환기구를 만드는 것 보다 가슴이나 등, 겨드랑 부위, 팔 부위 등 여러 부위에 분산 배치하는 것이 방열에 보다 효과적일 것이다. 동시에 팔이나 허리 관절의 움직임을 고려하여 환기구의 크기가 최대로 열릴 수 있도록 배치하는 것도 중요하다.
둘째, 환기구 배치 시 인체 부위별 발한량을 고려하여야 한다. 겨드랑 부위 땀량으로 인해 pit zips 형태의 환기구가 보편적으로 적용되어 왔으나, 전술한 바와 같이 등 부위의 발한량이 상대적으로 높아 보호복 작업자의 등 부위 의복내 습도가 90%RH 이상 상승하기 때문에 등 부위 수평 환기 디자인 적용이 필요하다. Kim(1981)과 Chu, Kato, Kamata와 Nakajima (1994)는 모델링과 시뮬레이션을 통하여 개구부의 크기가 의복의 방열 효과에 미치는 영향이 크지만, 개구부의 위치는 크기보다 더 큰 영향을 미치기 때문에 개구부의 위치 설정이 중요하다고 하였다. 인체 부위에 따라 발한량이 다르므로, 의복 환기는 반드시 각 부위의 발한 특성을 고려하여 디자인 되어야 한다(Ueda, Inoue, Matsudaira, Araki, & Havenith, 2006; Varadaraju & Srinivasan, 2019).
셋째, 의복내 공기 흐름을 고려하여 수평, 수직, 사선 방향, 혹은 복합 방향의 환기 디자인을 적용해야 한다. 의복내 더워진 공기는 위로 상승하기 때문에, 등 부위나 가슴 부위의 환기구는 수평 방향의 열린 형태가 적합하다. 팔의 움직임에 의해 의복내 펌핑이 발생하기 때문에 겨드랑 아래 측면이나 소매 아래 부위는 수직의 긴 개구가 적합하다. 상향 개구와 하향 개구가 동시에 개방되어 있는 경우 방열은 최대가 된다(Choi, Tokura, & Choi, 2001; Cho & Choi, 2013; Kim, 1981).
넷째, 효과적인 환기를 위해 의복내 적정 공기층(예: 12 mm 이상)이 유지되어야 한다. 직물층이 땀으로 피부에 들러붙게 되면 의복내 환기 효과가 차단되며, 일반적인 경우 어깨에 의복 무게가 실려 자연스럽게 드레이프되므로, 어깨 및 가슴/등 상부 부위에서 옷은 피부와 밀착하기 쉽다. 이처럼 피부와 밀착되는 부위에는 스페이서 블록 등을 추가하여 공기층을 유지시켜주는 경우 의복내 환기량은 증가한다(Ho et al., 2016).
다섯째, 환기구 주위에 통기성이 높은 복합 직물 소재를 사용하여 방열 효과를 높일 수 있다. 의복내 공기의 이동은 직물의 공기 투과도 및 수증기 투과도가 높을수록 효율적이다. 아웃도어 재킷의 경우 방풍/방수 특성으로 인해 일반 직물에 비해 공기 투과도 및 수증기 투과도가 낮은 직물(예: 고어텍스 류 합성섬유)을 사용하지만, 지퍼 환기구 주변에 메쉬 소재 등을 복합적으로 사용하여 방열 효과를 극대화 할 수 있다. 또한 윗 등 부위 수평 환기구 주위에 메쉬 직물을 배치한다면 따뜻해진 공기가 보다 효과적으로 순환 방출될 수 있다.
여섯째, 운동 중 및 운동 후 회복기를 구분하여 고려하여 디자인해야 한다. 봄가을 야외 스포츠·레저 활동 중 방풍, 방(발)수, 방충, 보온 등의 목적으로 착용하는 아웃도어 재킷은, 운동 종료 직후, 혹은 중간 휴식기 동안 탈의할 수 있다. 그러나 미관상의 이유로 땀에 젖은 내의 노출을 피하기 위해, 혹은 땀으로 젖은 내의로 인한 ‘after chill’ 효과를 피하기 위해 중간 휴식기에도 탈의하지 않은 채로 있기도 한다. 따라서 재킷에 포함된 환기 디자인들은 운동 수행 중 움직임에 의한 풀무 효과 뿐만 아니라, 중간 휴식기 정지 상태에서 자연 대류에 의한 열 손실 효과 및 미관을 고려하여 디자인되어야 한다. 단, 다양한 복합 환기 구조로 인해 착용자의 움직임이 제한되는 일이 있어서는 안 되며, 이를 위해 의복의 환기 설계에는 인체공학적 평가가 반드시 필요하다.
5. 결 론
본 연구는 시판 아웃도어 재킷에 사용된 환기 디자인에 따른 열 저항 및 체온조절 효과를 정량적으로 분석하였다. 무풍과 유풍 환경에서 서멀 마네킹을 이용한 보온력 측정과 인공기후실에서의 인체 착용 평가 결과를 종합하면 아웃도어 재킷의 측면 환기 디자인 유무가 운동이나 회복 시 전신의 체온조절 반응에 유의한 영향을 미치지는 않았으나, 측면 환기구의 효과적 배치는 팔 부위 의복내 미세기후 조절 및 국부 주관감 향상에 영향을 줄 수 있는 것으로 나타났다. 여러 측면 환기 디자인 중 겨드랑 아래 수직 환기 지퍼가 팔 부위의 열과 습기 제거에 효과적이었으며, 위팔 뒤쪽 부위에 배치된 환기 지퍼는 착용자의 주관감 향상에 기여하였다. 다만 서멀 마네킹으로 측정된 의복의 보온력은 환기구의 유무보다는 전면 기류 혹은 서멀 마네킹의 걷기 추가에 의해 더 큰 영향을 받아 보온력의 현저한 감소가 발견되었다. 아웃도어 재킷 측면 환기 디자인에 의한 긍정적 효과는 운동 초기보다는 운동 종료 시점, 혹은 회복 시점에서 발견되었으며, 회복 시 전면에 바람이 있을 경우 측면 환기 디자인의 방열 효과는 증대되었다. 본 연구 결과를 바탕으로 아웃도어 재킷의 측면 환기 디자인으로 겨드랑 아래 부분과 위팔 뒷 부위를 함께 환기시킬 수 있는 곡선형 복합 환기 디자인을 추천한다. 추가적으로, 등 부위 의복내 습도는 운동 종료 후 회복기에도 매우 높은 수준을 보였으므로 아웃도어 활동 중 등 부위의 의복내 습도를 경감시킬 수 있는 복합 환기 디자인 개발이 요구된다.
