3D 프린팅 기술을 활용한 TPE 소재의 사이클 장갑 적용 가능성 연구

Abstract

본 연구는 3D 프린팅 기술을 활용한 TPE 소재의 사이클 장갑 적용 가능성을 확인하는 것에 목적을 두고 있다. 사이클 장갑 손바닥 쿠션 개발을 위해 허니콤 구조를 적용하여 충격 완화 기능을 확인하고자 하였으며, 허니콤 크기 및 셀 두께 조절을 통해 그 차이점을 분석하고, 사이클 장갑 손바닥 쿠션으로 적절한 허니콤 구조 크기를 도출하고자 한다. 또한 장시간 착용에도 쾌적하고 통기성이 우수한 손등 소재를 개발하기 위해 3D 프린팅 내부 채움 구조 및 밀도 조절을 통해 적절한 출력 조건을 확인하고자 한다. 연구 방법은 다음과 같다. 사이클웨어 선행 연구 및 사이클 온라인 커뮤니티를 통해 사이클 장갑 조사를 실시하여 이를 기반으로 연구에 사용될 시판장갑을 선정하였다. 연구장갑 개발을 위해 전반적인 디자인은 시판장갑과 유사하게 설계되었으며, 손바닥 쿠션과 손등 메시 부분은 3D 프린팅 출력물로 제작되었다. 사이클 장갑 손바닥 쿠션 개발을 위해 허니콤 구조를 적용하여 충격 완화 기능을 확인하고자 하였으며, 허니콤 크기 및 셀 두께 조절을 통해 그 차이점을 분석하고, 사이클 장갑 손바닥 쿠션으로 적절한 허니콤 구조 크기를 도출하고자 한다. 또한 장시간 착용에도 쾌적하고 통기성이 우수한 손등 소재를 개발하기 위해 3D 프린팅 내부 채움 구조 및 밀도 조절을 통해 적절한 출력 조건을 확인하고자 한다. 손바닥 쿠션은 충격 시험, 손등 소재는 인장 강도 시험을 진행하여 각각 손바닥 쿠션 및 손등 소재 적합성을 확인하였고, 사이클 장갑을 개발한 후, 착의 평가와 기능성 평가를 통해 실제 활용 가능성을 확인하고자 한다. 결과는 다음과 같다. 첫째, 연구대상자의 사이클 활동 현황 및 사이클 장갑 착용 현황을 분석하였다. 연구대상자 모두 1년 이상의 사이클 경력을 가지는 20~30대 여성으로, 현재 착용하는 장갑에 대해 전반적으로 보통 수준으로 평가되었지만, 내구성에 관해서는 낮게 평가되었다. 또한 사이클 장갑 구매 시 외적인 부분이 많이 고려된다는 점도 확인되었다. 둘째, 시판장갑, 연구장갑 1, 연구장갑 2 세 종류의 장갑에 대해 맞음새, 착용감외관, 전반적인 만족감의 4가지 항목으로 착의 평가를 진행하였다. 대부분의 항목에서 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았지만, 착용감 세부 항목 중 전체적인 착용 만족감에서 유의한 차이가 나타났다. 세 장갑 중 연구장갑 2가 4점대의 ‘적당하다’는 평가를 받은 것으로 확인되었다. 각 평가 항목의 평균 점수를 살펴본 결과, 외관 항목을 제외한 나머지 항목에서 연구장갑 2가 다른 장갑들보다 높게 평가되었다. 이는 연구장갑 2의 3D 프린팅된 부분의 외관 및 미적 효과는 개선이 필요하지만, 3D 프린팅된 손등 메시 소재와 손바닥 쿠션의 착용감은 사이클 장갑으로서의 활용 가능성을 시사한다. 셋째, 기능성 평가는 장갑을 착용하고 사이클을 주행하면서 느껴지는 착용감 및 기능성을 평가하였다. 핸들 잡는 동작, 주행 동작, 착탈의 동작, 전반적인 만족감 4가지 항목으로 평가되었다. 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았지만, 세부 항목 중 손등 면 두께감 및 통풍 기능성에서 유의한 차이가 나타났다. 연구장갑 1과 연구장갑 2가 4점대의 ‘적당하다’는 평가를 받았으며, 이는 3D 프린팅된 손등 소재가 메시 소재를 대체할 가능성을 확인해 주었다. 넷째, 세 장갑에 대한 종합평가를 진행한 결과, 연구장갑 2가 전반적으로 긍정적인 평가를 받았다. 이에 비해 연구장갑 1은 손바닥 쿠션 부분이 단단하여 불편하다는 의견이 다수 나타났으며, 세 장갑 중 평가 점수가 가장 낮았다. 다섯째, 3D 프린팅에 대한 인식과 3D 프린팅 기술이 적용된 사이클 장갑에 대한 연구 대상자의 의견을 수집하기 위해 인터뷰를 진행하였다. 인터뷰 결과, 12명의 연구 대상자 모두 3D 프린팅에 대해 기본적인 이해를 가지고 있었으며, 대부분은 3D 프린팅 사이클 장갑에 대해 긍정적인 반응을 보였다. 특히 착용감과 통기성에서 긍정적인 평가를 받았지만, 외관, 세탁의 용이성, 손바닥 쿠션의 딱딱함 등은 개선이 필요하다는 의견이 제시되었다. 본 연구에서는 3D 프린팅 기술을 활용하여 사이클 장갑을 개발하고, 착의 평가 및 기능성 평가를 진행하였다. 연구 결과, 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았으며, 추가적인 연구를 통해 더 많은 변수와 조건을 검토할 필요가 있을 것으로 사료되지만 본 연구를 통해 3D 프린팅을 이용한 TPE 소재의 사이클 장갑이 실제로 적용 가능함을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 제품의 용도나 개인의 선호도에 맞춰 허니콤 구조의 크기와 두께를 조절하여 제작한다면, 맞춤형스포츠용품으로서의 응용 가능성이 높다고 판단된다. 특히, 내부 채움 구조로 출력된 손등 소재는 유연성과 통기성이 뛰어나 메시 소재를 대체할 수 있는 가능성을 보여주었다. TPE 소재의 유연한 특징은 움직임이 많은 장갑 소재에 적합하여, 향후 관련 제품 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것이라 기대한다.;This research explores possibilities for applying thermoplastic elastomers (TPEs) processed with 3D printing technology to cycling gloves. For research purposes, glove samples were created adopting the honeycomb structure to make the palm cushion pad to test shock tolerance. The samples were created with varying sizes of the honeycomb structure and thicknesses of the cells that comprise the honeycomb structure to analyze the samples’ gaps and identify the honeycomb structure’s ideal size for the palm cushion pad. Samples were also utilized to test different infill patterns and density levels of 3D-printed materials to ultimately define a suitable set point range for 3D printing for a well-ventilated cover for the back of the hand that remains pleasant on the skinfor long-hour wears.The research process was as follows, commercially available cycling gloves were selected via preliminary research on cycling wears and based on information on online cycling communities. Sample cycling gloves adopted a design similar to the commercial gloves selected. The palm cushion pad and the mesh that covers the back of the hand of the sample gloves were created with 3D printing technology. The palm cushion was tested for impact and the back of the hand was tested for tensile strength to confirm the suitability of the palm cushion and back of the hand, respectively. After developing the cycling gloves, fit and performance testing on the sample gloves by the participants followed to evaluate their applicability in real life.The results were as follows: first, the participants’s cycling activity and the utilization of cycling gloves were analyzed. All participants were women in their 20s and 30s with at least one year of cycling experience. When asked to evaluate the cycling gloves the individuals currently utilize, the participants evaluated them as average in overall quality but as poor in durability. Also, this part of the research validated that the aesthetic aspect of cycling gloves is a deciding factor for purchase. Second, a fit test was conducted on a commercial glove, Samples 1 and 2, to evaluate fit, comfort, appearance, and overall satisfaction. While there was no statistically notable gap in scores given to the three gloves, a meaningful gap was observed in the scores given for the overall satisfaction for comfort in the comfort category. Sample 2 received an average score of four (“Good”) for overall satisfaction in comfort under the comfort category.In average score received for each category, Sample 2 received higher average scores in all the categories except appearance. This implies that while Sample 2 requires improvement in appearance and aesthetical features in its 3D-printed parts, the level of comfort evaluated for Sample 2 indicates the applicability of the 3D-printed mesh material for the back of the hand as well as of the 3D-printed palm cushion pad to cycling gloves. Third, a performance test was conducted by assessing the overall fit and functionality of the gloves perceived by the participants as they cycled wearing each of the gloves. The individuals were asked to wear the gloves and evaluate them as they grip the handles of a bike, cycle put on and off the gloves, and for the overall satisfaction. No statistically meaningful gap was found in the results but in scores given for sub-questions on the thickness of the back of the hand of the glove and ventilation. Samples 1 and 2 received scores of four or higher (“Good”), and this indicates the potential for the 3D-printed material for the back of the hand of the sample gloves to replace existing mesh materials utilized in existing commercial cycling gloves. Fourth, Sample 2 received a generally positive evaluation out of the three gloves presented during the research. Multiple comments on Sample 1 pointed out that the palm cushion pad is rigid, making it uncomfortable to wear. Scores for Sample 1 were the lowest in the overall evaluation. Fifth, interviews were conducted on the research participants to study the perception of 3D printing and cycling gloves made with 3D printing technology. The interviews confirmed that all the 12 individuals on the participants have a basic level of understanding about 3D printing, and most of them reacted positively to 3D-printed cycling gloves. The interviewees positively evaluated the level of comfort to wear and ventilation of the 3D-printed gloves utilized in the research. However, they suggested that the gloves need improvement in appearance, ease of washing, and rigidity of the palm cushion pad.In this research, cycling gloves were developed with 3D printing technology and evaluated for their fit and performance. No statistically meaningful gap in evaluation scores was observed in the research results. While the results imply the need for additional research to factor in more variables and conditions, this research validates the applicability of 3D-printed TPEs to cycling gloves. It is deemed that 3D-printed TPEs, with adjustments in the size and thickness of the honeycomb structure in accordance with the purpose of specific products and personal preferences, are highly applicable to bespoke sports accessories. In particular, the back of the hand material printed in an infill pattern is highly flexible with great ventilation, indicating its potential to replace existing commercial mesh materials utilized in cycling gloves. This research revealed that the flexible aspect of TPEs is suitable for sports gloves that should endure frequent movements, establishing a ground for the effective adoption of TPEs in relevant products.