2.1 피험자

본 실험에서 피험자는 운전 면허증을 소지한 20대 운전자를 대상으로 모집을 실시하였다. 모집 대상 중 지원자 40명에 대해 기본적인 신체검사 항목인 신장, 체중, 혈압, 맥박 등을 검사하여 건강상태를 확인하였고, 개인 면담을 통해 생활 주기 상태를 확인하고 약물을 미복용 중인 남․여 각 10명의 피험자를 선정하였다.

선정된 피험자들에게는 실험 종료 전까지 건강 상태나 신체 리듬을 유지하기 위해 무리한 운동이나 과로, 과식, 음주, 흡연, 약물복용 등을 금지하도록 권유하였다. 또한, 본 실험에 참여하기 전 최근의 개인 생활패턴을 조사하고, 실험참가 여부를 판별하기 위해 실험자와 연락이 가능하도록 하였고, 실험자는 수시로 피험자의 건강 상태를 확인하였다.

본 실험에 참가를 희망하는 피험자들에게는 실험에 관한 전반적인 내용 및 주의 사항을 설명하였고, 자발적으로 실험 동의서를 작성토록 하였다. 또한, 실험 중 실험자는 피험자에게 외부 자극으로 인한 심리․정신적 불안감을 최소화시키기 위하여 최대한 안정적이고 편안한 상태로 응대하였다.

실험에 참가한 피험자의 신체 치수와 한국인 평균 신체 치수를 Table 1에 나타내었다.

2.2 실험방법

실험은 부산광역시 소재 부경대학교 용당캠퍼스에서 진행하였다. 외기온도가 다소 낮은 겨울 오전 시간대에 일사의 영향이 없고, 유동인구가 적은 그늘진 장소에서 실험을 실시하였다. 실험용 승용차는 국산 중형 승용차 중 은색 2,000cc를 대상으로 하였다.

국내 보급용 승용차의 경우 난방 모드는 실내 공기의 온도를 조절하는 온풍난방 모드와 운전자의 신체 부위에 직접 난방 할 수 있는 열선시트 난방 모드가 대부분이다. 본 실험에서는 난방 모드 별로 온풍난방 모드, 열선시트 난방 모드, 온풍+열선 시트 난방 모드로 구분하여 3 Case를 실시하였다. 본 실험을 진행하는 동안 운전자의 심리반응을 평가하기 위해 주관 설문 응답을 실시하였으며, 생리반응에 대한 평가를 위해 뇌파와 심전도를 실시간으로 측정하였다.

Fig. 1에서는 실험 계통도를, Fig. 2에서는 실험 전경을 보여준다. Fig. 3에 실험 스케줄을 나타내었다.

피험자는 본 실험 전 설정온도 24℃인 재실 공간에서 현재 신체 상태에 대한 응답지를 작성하고, 실험자는 피험자의 기본 건강상태를 확인하도록 하였다. 인터뷰를 통하여 심리적 안정 상태를 재확인하였으며, 피험자의 신체․심리 상태를 파악한 후 실험 가능 여부를 판별한 후 생리신호 센서를 부착하였다. 30분 동안 피험자의 신체 부위에 뇌파와 심전도 센서를 부착한 후, 승용차 실내 온․습도 센서와 데이터 측정 장비가 정상적으로 작동하는지를 확인한 후 피험자를 야외에 주차된 실험용 승용차에 탑승하도록 하였다.

본 실험에서 온풍 모드는 실험 대기실 온도와 같은 24℃로 고정시키고, Auto 모드에서 진행하였다. Auto 모드는 주로 하부 취출부에서 급기되는 다리 부위의 하향 취출이며, 상부 취출부에서도 약풍의 급기가 수평 방향으로 취출된다. 상부 취출부에서 급기되는 기류로 인한 환경적 변수를 최소화시키기 위하여 취출구 방향은 피험자의 피부에 닿지 않는 운전석 외측으로 고정시켰다. 환기 모드는 외기도입이 가능하도록 ‘on’ 상태에서 실험을 진행하였다. 피험자에게는 실험 중 온풍 모드 설정에 대한 자율적 조작을 금지시켰고, 열선 시트 가동 시 열선으로 인한 열적 불쾌감이 유발될 경우 열선시트 온도 조절은 자율적으로 조작 가능하도록 하였다. 또한, 실험 중 불편한 사항이나 실험 중단을 자유롭게 신고할 수 있도록 하였다. 피험자들의 착의량은 1.1~1.3 clo 이며, 활동량은 운전석에 앉아 가벼운 움직임만 하는 상태이므로 1.1 MET로 가정하였다.

실험 Case별 30분간 본 실험이 진행되었으며, 뇌파와 심전도의 생리신호는 실시간으로 저장하였다. 실험 중에는 뇌파와 심전도의 생리신호 분석 시간을 고려하여 매 5분마다 주관 설문 응답을 실시하였고, 피험자의 안면부를 열화상 카메라를 사용하여 촬영하였다. 30분 실험 후 피험자의 경직된 신체 상태를 완화시키기 위해 10분의 휴식시간을 가졌고, 승용차 실내 환기를 위해 문을 개방시켰다.

Table 2에 실험 장비와 측정 요소를 나타내었다. 환경 측 요소와 인체 측 요소로 구분하였고, 환경 측 요소는 외기 온․습도, 승용차 실내 온․습도, 실내 급기 온도를 측정하였다. 인체 측 요소는 피험자의 생리반응을 살펴보기 위해 뇌파와 심전도를 측정하였으며, 열화상 카메라를 이용하여 피험자 안면부의 피부온도를 측정하였다. 측정된 데이터는 각 실험 Case 간 상관관계를 분석하기 위하여 T-test를 실시하였다.

3.1 실험환경

Fig. 4에 실험 Case별 실내 온도 변화를 나타내었다. 온풍난방 모드 시 10분경부터 실내 온도는 24℃가 나타났고 10.7℃ 상승하였다. 열선시트 난방 모드는 17.3℃의 실내 온도를 보임으로써, 온풍난방 유․무에 따라 6.7℃의 실내 온도 차가 발생하였다. 따라서 열선시트 난방 모드는 온풍난방 모드 보다 실내의 낮은 온도로 인해 운전자의 추위 우려의 가능성이 확인되었다.

Fig. 5는 승용차 실내 난방 시 실내 상대습도를 보여준다. 온풍난방 모드와 온풍과 열선시트 난방 모드를 동시에 작동하였을 경우 상대습도는 21%를 나타내었고, 열선시트 난방 모드는 38%의 상대습도가 나타났다. 실내 온도 변화로 인해 상대습도에서도 온풍난방 유․무에 따라 17%의 상대습도 차가 발생하였고, 이는 온풍난방 시 실내 온도 상승으로 인한 상대습도의 감소 때문으로 판단된다.

열선시트 난방 모드의 경우 실내 온도 변동은 2.4℃로 온풍난방 모드 보다 작은 온도 변화폭과 낮은 실내 온도, 높은 상대습도가 조성되어 승용차 실내 열환경에서 차이가 발생함으로, 온풍난방 모드와 심리․생리 반응을 비교하여 운전자의 온열 쾌적성을 평가하고 겨울철 쾌적한 승용차 실내 난방 모드 제안이 필요할 것으로 사료된다.

3.2 심리반응

심리반응은 매 5분마다 주관설문 응답 시 온열감과 쾌적감에 대한 신고를 분석하였다. 온열감 신고는 Fig. 6, 쾌적감 신고는 Fig. 7과 같다.

실험 Case 별 온열감 신고에서 승용차 실내 난방 시 5분 이내에 모든 Case에서 중립 상태에 도달하였고, 온풍+열선시트 난방 모드 시 ‘덥다’는 신고가 가장 많이 확인되었다. 열선시트 난방 모드 시 실내의 낮은 온도로 인해 운전자의 ‘서늘함’에 대한 가능성은 온열감 신고에서 탑승 후 15분까지 온풍난방 모드 보다 높게 나타남으로써, 냉기에 대한 열적 불쾌감을 느끼지 못하는 것으로 확인되었다.

쾌적감 신고에서는 온풍난방 모드에서 가장 낮은 쾌적감을 보이고, 이는 온풍으로 인해 운전자 중 90%가 ‘건조하다’고 신고하였기 때문이다. 열선시트 난방 모드의 경우 온풍난방 모드 보다 높은 쾌적감 신고가 나타났고, 승용차 실내 환경의 건조한 특성이 열적인 심리적 반응에 의해 온열 쾌적성에 영향을 미친다는 사실을 확인할 수 있다. 따라서, 겨울철 승용차 실내 쾌적성을 높이기 위해서는 열적 조건뿐만 아니라 습도 조절이나 외기 도입을 통한 실내 환기가 필요할 것으로 사료된다.

주관설문 응답을 이용한 심리반응 분석 결과, 열선시트 난방 모드를 온열감과 쾌적감에서 가장 선호한다는 사실을 확인하였다. 열선시트 난방 모드의 경우 인체 접촉 부위를 직접 가열하는 국부 난방 방식이므로, 실내 공기온도와 습도, 기류 등 인체 주위의 물리적 환경을 대상으로 쾌적성을 평가하는 기존의 온열지표와는 구분하여 온열 쾌적성 평가 시 심리적 요소가 적용된 항목이 필요할 것으로 판단된다.

3.3 생리반응

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 구분되며, 파워스펙트럼 분석기법을 이용하였다. 뇌파의 파형 중에서 알파파는 긴장 이완과 같은 편안한 상태에서 주로 나타나고, 안정․편안한 상태일수록 진폭은 증가한다. 베타파는 의식적인 활동을 할 때 나타나며, 특히 불안한 상태나 긴장 시에 우세하게 나타난다.

심전도는 R-R 간격의 변화를 분석함으로써 자율신경계를 구성하는 교감신경계와 부교감 신경계의 활성양상을 통해 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.⁽⁶⁾

실험결과 분석을 위해 뇌파 및 자율신경계 변화율을 이용하였다. 각 변화율에 대한 정의는 식(1), 식(2)와 같다.⁽⁷⁾

승용차 실내 난방 모드 별 뇌파 반응의 변화율을 Fig. 8에 나타내었고, Fig. 9에서는 심전도 반응에서의 자율신경계 변화율을 보여준다.

뇌파 반응에서 온풍모드 난방 시 실험 시작 15분 후 실내 온도상승으로 인해 열적 편안함은 37% 증가하였으나, 20분경에는 10% 감소하였다. 열선시트 난방 모드와 온풍+열선시트 난방 모드의 경우 탑승 초기 이후 지속적으로 증가하는 경향이 나타났고, 20분간 열적 편안함이 17%와 20% 상승하였다.

자율신경계 반응에서 온풍난방 모드 시 실험 시작 15분 후 열적 스트레스는 23% 증가하였고, 온풍+열선시트 난방 모드에서는 15분 동안 5% 감소하였으나, 20분 경 탑승 시에 비해 23% 상승하였다. 열선시트 난방 모드는 실험 시작 15분 동안 13% 스트레스가 감소하였고, 20분까지 19% 스트레스가 감소되어 스트레스가 지속적으로 감소되는 경향이 나타났다.

뇌파 변화율과 자율신경계 변화율로부터 편안함 감소와 스트레스 상승 요인은 심리반응 결과에서 확인 된 온풍난방 시 실내 상대습도 감소의 영향이 생리 반응에도 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 겨울철 승용차 실내 난방 시 온풍난방 모드는 단시간에 실내 온도를 상승시키는 효과를 얻기 위해 가동시킬 수 있으나, 실내의 건조함으로 인해 운전자에게 불쾌감을 유발함으로 15분 이내에 작동을 정지시키거나 자제할 필요가 있다. 열선시트 모드 난방 시 뇌파와 자율신경계 반응으로 탑승 후 20분간 편안함 상승과 스트레스 감소 상태가 유지되었다. 따라서, 열선시트 난방은 운전자를 안정된 상태로 20분간 유지시켰고, 쾌적 난방 모드로써 적극적으로 활용 가능할 것으로 판단한다.

Table 3은 매 10분마다 운전자의 안면부를 열화상 카메라로 촬영한 사진을 보여준다.

온풍난방으로 인한 실내 온도 상승으로 온풍난방 모드와 온풍+열선시트 난방 모드에서 얼굴 피부온도가 상승되는 상태를 육안으로도 확인 가능하다. 열선시트 난방 모드에서 얼굴 피부온도는 탑승 시 25.7℃를 시작으로, 10분 경 24.4℃로 감소되었으나, 이후 유지된 상태를 확인할 수 있다. 이는 추위로 인해 탑승 초기 안면부 발열에 의한 생리적 반응이고, 시간이 지남에 따라 생리적 반응이 안정된 상태에 도달하는 신체 반응 때문이다. 열화상 촬영에 의한 안면부 피부온도 변화로부터 온풍난방 모드는 실내 온도 상승으로 인한 피부온도 상승을 목적으로 가동시키고, 열선 시트 난방은 심리적 쾌적감과 인체 항상성 유지를 위한 목적으로 가동시킨다면, 운전자의 온열․쾌적감을 극대화 시킬 수 있을 것으로 판단한다.