2.1 피험자

피험자는 운전면허증을 소지하고, 운전경험이 있는 20대 성인남성을 대상으로 하여 모집하였고, 40명의 지원자 중 맥박, 혈압 등을 확인하여 신체․정신적으로 질환이 없는 건강한 20명의 피험자를 선별하여 실험을 진행하였다. 실험은 주간 시간대인 오전 11시부터 오후 5시까지 피험자 1명 당 2시간씩 하루에 3명의 피험자를 대상으로 진행하였다. 각 피험자는 동일한 실험일자를 피하고 총 2회의 실험을 실시하였다.

본 실험은 실험 전 실험에 참가한 모든 피험자들에게 실험에 관한 전반적인 내용을 설명하였으며, 실험에 참가한 피험자들의 자발적인 실험 동의서 작성 및 제출 후 실험을 진행하였다. 본 실험의 피험자들에게는 실험기간 전부터 실험이 끝날 때까지 규칙적인 생활을 하도록 권유하였고, 무리한 운동이나 과로, 과식, 음주, 흡연, 약물복용 등을 금하도록 교육시켰다. 또한, 신체나 개인사정으로 인하여 실험일정에 무리가 있을 때에는 즉시 실험자에게 연락을 취하도록 하여 실험 일정의 변동을 최소화시켰고, 타 피험자에게 영향을 끼치지 않도록 피험자들의 상태를 수시로 관리하였으며, 실험 당일 실험자는 피험자가 안정을 유지할 수 있도록 편안하게 응대하였다.

본 실험에 참가한 20명의 피험자 중 생리신호 분석시 노이즈가 관측되거나, 피부온도 센서 접촉 불량으로 인해 데이터가 누락된 피험자를 제외하고 맑은 날과 흐린 날 각 5명의 피험자를 대상으로 실험 데이터를 분석하였다.

table 1에 선별된 피험자의 평균 신체 치수와 한국인 표준 신체 치수를 비교하여 나타내었다.

2.2 실험방법

본 실험은 6월 중에 실시하였고, 여름철 운전자가 야외에 주차된 승용차에 탑승하여 에어컨 가동시 열쾌적성을 생리반응을 통해 평가하기 위한 실험으로, 주변 환경에 영향을 받지 않는 개방된 공간인 야외 주차장에서 실험을 진행하였다. 실험대상 승용차는 G사의 T모델 2,000 cc 국내 중형 은색 승용차이다.

피험자가 실험을 위해 실험실에 도착하면 피험복으로 착의 한 후 26℃, 50%의 실내 조건인 항온항습실에 먼저 입실하도록 하였다. 입실 후 피험자에게 생활습관에 대한 설문지를 작성하도록 하고 기본적인 건강상태를 확인하였다. 실험자는 30분간 피험자의 건강상태 이상 유무를 확인한 후 피험자와 인터뷰를 통해 신체․심리 상태를 파악하여 실험 진행여부를 판단하였다. 피험자가 실험에 동의하면 피험자에게 뇌파 센서를 10분간 부착하였고, 야외 주차장에 설치된 대기실로 이동 후 10분간 심전도 센서와 피부온도 센서를 부착하여 데이터 수집 기기 및 장치의 가동상태를 확인 한 후 본 실험을 진행하였다. Fig. 1에 실험 개략도와 실험 스케쥴을 나타내었고, Fig. 2에서 실험 전경을 보여주고 있다.

본 실험시 승용차 실내 에어컨의 작동모드는 피험자가 에어컨의 풍량과 풍향을 자유롭게 조작할 수 있도록 수동모드로 진행하였다.

table 2는 측정 장비와 측정 요소를 보여준다. 측정요소로는 크게 환경 측 요소와 인체 측 요소로 구분하였으며, 환경 측 요소로는 일사량, 외기 온․습도, 실내온․습도, 급기 풍속, 급기 온도를 측정하였고, 인체 측 요소로는 생리반응 측정을 위한 뇌파, 심전도와 평균피부온도를 측정하였다.

뇌파는 국제적으로 명명된 10～20전극배치법을 이용하여 전두엽 머리 표면 위에 4 ch(Fp1, Fp2, F3, F4, REF’, GND’)을 부착하여 뇌파를 측정하였고, 심전도는 표준사지 유도법에 의해 왼쪽 팔목(LA), 오른쪽 팔목(RA), 왼쪽 발목(LL), 오른쪽 발목(RL)에 측정전극을 부착하여 3 ch 신호를 측정하였다.

인체 측 요소 중 피부온도는 직경 0.2 mm T-type 열전대를 사용하여 Hardy and Dubois 7점법(7)을 근거로 신체 7부위(이마, 하박, 손등, 복부, 대퇴, 하퇴, 발등)에 부착하여 측정하였고, 매 10초 간격으로 Data logger에 실시간 저장하였다. 또한, 피부온도 각 측정 부위마다 식(1)과 같이 가중치를 두어 평균 피부온도를 계산하였다. (8)

피험자는 여름철 일반적인 착의량인 0.5 clo이고, 활동량은 운전석에 앉아 가벼운 움직임만 있는 상태이므로 1.1 MET로 가정하였다.

3.1 승용차 내 실내온도 변화

본 연구는 여름철 운전자가 야외에 주차된 승용차에 탑승시 승용차 내부의 열환경에 기초하여 진행되었다. 여름철 야외에 주차된 승용차의 경우 실내 열환경은 일사의 영향을 가장 많이 받아 운전자에게 불쾌감을 유발하는 요인으로 작용한다.

table 3에서는 실험 중 일사량과 탑승시 승용차 실내 온․습도 범위를 보여주고 있으며, 승용차 실내 열환경은 일사량에 큰 영향을 받고 있다는 사실을 확인하였다.

맑은 날과 흐린 날 운전자가 승용차 탑승시 실내온도 범위에서 최대 21.2℃의 온도차가 발생하였으며, 최소 6℃의 실내온도차를 보였다. 이는 실내온도차에 의해 운전자의 탑승 초기 생리반응에 영향을 미칠 것으로 판단되어 일사를 직접 받았던 날을 맑은 날, 태양이 구름에 가려진 날을 흐린 날로 구분하여 분석하였다.

Fig. 3에 실험 중 승용차 실내온도 변화를 나타내었으며, 승용차 탑승과 동시에 에어컨 가동시 날씨별 승용차 내부의 온도차는 13.1℃였고, 에어컨 가동 20분 이후부터는 맑은 날과 흐린 날 비교에서 5℃의 실내온도차를 보였다. 실험 시작 후 10분경 맑은 날은 14.3℃의 온도강하를 보였고, 흐린 날은 8.3℃의 온도강하를 보임으로써, 날씨에 따라 피험자들의 에어컨 조작방법에도 차이가 나타났다.

3.2 뇌파

뇌파는 진동하는 주파수의 범위에 따라 인위적으로 델타파(0.2～3.99 Hz), 세타파(4～7.99 Hz), 알파파(8～12.99 Hz), 베타파(13～29.99 Hz), 감마파(30～50 Hz)로 구분하여 파워스펙트럼 분석을 이용하였다.

뇌파의 파형 중에서 알파파는 긴장이완과 같은 편안한 상태에서 주로 나타나며, 안정되고 편안한 상태일수록 진폭이 증가한다. 베타파는 깨어 있을 때, 말할 때와 같이 모든 의식적인 활동을 할 때 나타나며, 특히 불안한 상태나 긴장시에 우세하게 나타나기도 한다.

본 연구에서는 탑승시 기준으로 베타파에 대한 알파파의 비를 매 5분간의 증감율을 구하여 피험자의 생리적인 상태를 파악하였다. Fig. 4에 α/β의 증감율을 나타내었다.

실험 초기 10분 동안의 증감율을 기준으로 맑은 날의 경우 피험자들은 알파파의 우세로 인해 점차 편안한 상태를 보인 반면, 흐린 날에는 피험자들의 뇌파변화에서 알파파의 감소 또는 베타파의 증가 현상이 발생하여 맑은 날보다 알파파의 비율이 다소 낮게 나타났다.

이는 승용차 내부의 온도가 높게 나타난 맑은 날의 경우 에어컨 가동에 의한 1.4℃/min의 온도강하가 피험자들의 열적 불쾌감을 해소시켜 정신적으로 안정된 상태를 유도하였고, 탑승시 승용차 내부온도가 맑은 날에 비해 10℃ 이상 낮고, 열적 불쾌감이 다소 낮았던 흐린 날의 경우 0.8℃/min의 온도강하로 인한 에어컨의 냉기는 피험자들의 열적 쾌적감을 감소시키는 요인으로 작용한 것으로 판단된다.

3.3 심전도

심전도는 신체표면에서 측정 가능한 심장의 전기적 활성단계를 반영하는 전위차 신호로써, 피험자는 착의, 착석한 상태이므로 심전도 측정시 전극 위치는 팔목과 발목에만 전극을 부착하는 표준사지유도 방식으로 측정하였다.

R-R 간격의 변화를 분석함으로써 자율신경계를 구성하는 교감신경계와 부교감 신경계의 활성양상을 파악할 수 있으므로 신체의 스트레스 상태를 파악할 수 있다. 교감신경의 활성화는 R-R 간격의 느린 변화패턴(Low Frequency)을 유도하고, 부교감신경은 빠른 변화패턴(High Frequency)을 유도하게 된다.

자율신경계에 대한 스트레스 상태를 분석하기 위한 LF/HF의 비를 Fig. 5에 나타내었다.

LF/HF의 교감신경계와 부교감신경계의 비율에서, 맑은 날의 경우 교감 신경계(LF)보다 부교감신경계(HF)의 활성화로 인하여 실험 시작 후 10분간 스트레스 상태가 감소하였다. 이는 높은 승용차 실내온도로 인한 열적 스트레스가 에어컨 가동 이후 감소하였음을 의미하며, 에어컨 가동으로 인한 냉기가 열적 스트레스를 줄여주고 있음을 나타낸다. 흐린 날의 경우 실험 직후부터 점차 증가하는 경향을 보이면서 10분경 LF/HF 값에서 역전현상이 나타났다. 탑승이후 15분경 LF/HF 비율이 모두 증가하는 경향을 보이는 것은 에어컨 냉기로 인해 피험자들 대부분 추위를 느끼는 시점이라 판단된다.

피험자의 쾌적감에 대한 생리 변화 상태를 뇌파와 자율신경계로부터 확인해 본 결과 맑은 날의 경우 열적 불쾌감의 해소로 인하여 알파파의 비율이 높아져서 쾌적감에서 우세하게 나타났지만, 10분 이후 스트레스 증가 현상으로 냉풍을 억제시킬 필요가 있다고 판단된다. 이런 점을 고려하면, 승용차의 실내온도를 미리 낮출 수 있는 예냉시스템 도입이 필요할 것으로 판단된다. 흐린 날의 경우 자율신경계 변화에서 15분간 증가하는 현상을 바탕으로 낮은 온도의 냉기보다는 외기를 도입하는 창문 환기나 외기와 비슷한 온도의 에어컨 가동이 필요할 것으로 사료된다.

3.4 평균 피부온도

평균 피부온도는 인체의 열적 평형성을 대표하는 객관적인 열쾌적 지표이다.

식(1)에서 나타낸 7점법으로 평균 피부온도를 각 부위별로 측정하여 계산하였고, 선행연구(8) 결과로부터 쾌적감을 느끼는 인체의 피부온도는 33～34℃로 알려져 있어서 쾌적영역을 Fig. 6에 표시하였다.

Fig. 6에서는 실험 중 측정된 평균 피부온도를 보여준다. 맑은 날의 경우 실험 시작시점부터 평균 피부온도는 쾌적영역 보다 2℃ 이상 높은 온도가 나타나면서 탑승 이후 5분까지 1.4℃의 급격한 하강 곡선을 나타낸 반면 5분 이후부터 20분까지 15분간 0.9℃의 온도 하강경향이 나타났다. 이는 일사량이 많은 맑은 날의 경우 탑승 초기 강한 에어컨의 냉풍으로 인체 피부로부터 발산되는 열을 빠른 시간에 제거시키고 5분 이후에는 냉풍으로 인한 국소 불쾌감을 해소시키기 위해 점차적으로 풍량을 감소시킬 필요가 있다고 사료된다.

흐린 날의 경우 탑승 초기부터 맑은 날보다 쾌적영역에 근접한 평균 피부온도를 시작으로 10분 이후 쾌적영역 하한선에 가까워져 가는 경향이 나타나 쾌적영역을 벗어날 우려가 있으므로 인체의 피부와 직접 닿는 인체 측 냉방으로 인한 빠른 평균 피부온도 강하보다는 실내 공간 냉방에 중점을 두어 평균 피부온도 하강 기울기를 낮출 수 있는 간접 냉방 모드의 에어컨 작동이 필요할 것으로 판단된다.