본 연구의 공기 재킷은 인체 부위별 공기량 조절이 가능하도록 공기 주입구가 별도로 달린 10개의 구획으로 구분되었다(Table 1, Fig. 1). 각 구획의 내부에 주입된 공기가 새지 않도록 재킷의 겉감과 안감 소재로 모두 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane, TPU) 필름을 사용했으며, 소형 공기주입기를 이용하여 각 부위의 공기 입구를 통해 공기를 주입한 후 주입구 뚜껑을 닫아 공기가 유지될 수 있도록 디자인하였다. 공기를 넣지 않은 상태에서 측정한 재킷의 총질량은 848 g이었으며, 공기를 100% 채운 경우의 질량도 848 g으로 동일했다. 즉, 본 연구에서 개발한 재킷의 무게는 중량(using a balance)이 아니라 1기압 상온에서 측정된 질량(using a scale)을 의미한다. 공기불투과성 소재인 폴리우레탄을 겉감과 안감으로 사용하였기 때문에 이로 인해 유발될 수 있는 불쾌감을 최소화하기 위해 각 겨드랑 부위에 원형 환기구(지름 약 3 mm)를 두 개씩 만들었다. 각 구획에 공기를 다 채운 경우 상체 움직임이 불편할 수도 있기 때문에 동작성 저하를 최소화하기 위해 재킷의 전체길이는 엉덩이를 덮지 않는 허리 길이로 디자인하였다. 공기주입형 재킷과 동일한 디자인과 동일한 소재의 재킷을 별도로 제작한 후 내부에 공기 대신 일정량의 구스 다운을 채운 다운 재킷을 추가 제작하였다. 실제 국내 시판되는 다운 재킷의 경우 겉감과 안감은 주로 나일론이나 폴리에스테르인 반면, 본 연구에서는 공기주입형 재킷과의 비교를 위해 겉감과 안감 모두 나일론이나 폴리에스테르보다 무거운 폴리우레탄 소재를 사용한 다운 재킷이 사용되었다.

Fig. 1. 
Construction of air-filled jacket(upper illustrations) and sample jackets(lower photos).

서멀 마네킹 보온력 측정에 사용한 실험의복 조건은 총 여섯 가지였다(Table 2). Table 2의 여섯 가지 의복 조건 중, 6번 조건은 5번 조건과 동일한 100% 다운 재킷이나 마네킹 착장방식이 다른 경우로, 재킷의 허릿단 부위를 공기 불투과성 테이프를 이용하여 서멀 마네킹의 허리 부분 표면에 붙인 조건이다. 이는 허리 부위로부터 다운 재킷 안쪽으로 들어가는 공기의 흐름을 막아 보온력 증가 여부를 확인하고자 하였다. 즉, 1~5번 조건의 경우 재킷 디자인 특성상 허리 부위로부터 재킷 내부로의 공기 흐름이 자유로운 반면, 6번 조건의 경우 허리 부위를 통한 공기의 흐름이 최소화되었다. 공기 주입형 재킷이 아닌 다운 재킷에 대해 6번 조건을 추가한 이유는, 일상적으로 착용되는 다운 재킷의 경우 허리단 부분이 외기에 오픈되지 않고 어느 정도 조여지도록 디자인되어 있기 때문이며, 본 연구에서는 허릿단 조임 여부에 따른 보온력 차이도 확인하고자 하였다.

서멀 마네킹을 이용한 의복의 보온력은 ISO 9920(2007)에 따라 인공기후실의 환경 온도 20°C, 습도 50%RH, 기류 0.25 m/s 이하에서 서멀 마네킹(Newton, 20 zones, Thermetrics, USA, 체표면적 1.6998 m²) 표면온도를 33°C로 유지하는데 소요되는 전력 소비량으로부터 산출되었다(식 1, 2, 3). 각 의복의 보온력 측정 시 서멀 마네킹의 다른 부위는 비 착의상태(nude)로 유지되었다. 즉, 머리, 손, 다리, 발은 나상으로 유지되었다. 재킷 한 개 당 총 3회씩 측정하여 이를 평균한 값을 각 실험 재킷의 대표 보온력으로 사용하였다. 식 (1)에서 얻어진 열저항값(R)을 보온력 단위(clo)로 환산하기 위해 다음 식 (2)를 사용하였다. 각 의복의 개별 보온력(I_cl) 계산을 위해 총보온력(I_t)과 나상시 보온력을 측정하였으며 식 (3), 나상 시 보온력(Ia)은 0.626 clo로 모두 동일하였다. 보온력 계산은 Serial 법이 아닌, Parallel 법을 사용하였다. Parallel 법(혹은 Global 법)을 사용하여 단일의복(garment)의 보온력을 계산할 때 재킷에 의해 덮이지 않는 모든 부위들(나상으로 공기에 노출된 부위들)의 소비전력량을 함께 고려하여 온전한 인체가 단일 의복을 착용하였을 경우에 해당하는 보온력을 추정하였다(Lee et al., 2011). 즉, ISO 9920(2007)이나 기타 보온력 표준들에서 제시하는 것처럼 의복에 의해 덮이지 않고 외기에 노출된 신체 부위들의 소비전력량도 함께 고려하여 보온력을 계산하였다.

위 식들에서,

R_ct는 열 저항(m²·°C·W^-1),
T_S는 마네킹의 표면온도(°C),
T_a는 마네킹을 둘러싼 공기의 온도(°C),
Q/A는 Area weighted heat flux(W/m²),
I_T는 의복의 총보온력(clo),
I_cl는 의복의 보온력(clo),
I_a는 공기층의 보온력(clo).

본 연구에서 보온력은 재킷 당 3회 측정한 값의 평균을 사용하였고, 3회 측정한 값들의 평균 차이를 측정 오차로 제시하였다. 본 실험에 사용한 서멀 마네킹(이름 “Newton”)은 전술한 바와 같이 20 부위로 나뉘어 조정되는데, 20 부위의 소비전력량을 비교하여 실험 조건에 따른 각 부위별 보온력의 차이를 비교하였다. 본 연구팀은 2005년부터 2020년까지 본 실험에서 사용한 서멀 마네킹(“Newton”)을 이용하여 다양한 겨울철 상의의 보온력을 측정했으며, 이중 다운 재킷 혹은 공기주입형 재킷의 결과 40개를 추출하여 본 실험 결과와 함께 비교하였다. 40개의 보온력 중 공기주입형 재킷의 보온력은 Kim et al.(2015)에 발표되었으며, Kim et al.(2015)에 보고된 5종을 제외한 나머지 35개의 보온력은 한국학술진흥재단 연구보고서(Choi, 2006)에 발표된 바 있다. 추가로, ISO 9920(2007)에서 제공되는 겨울철 상의들 중 다운 재킷의 특성을 갖는 16종의 방한 재킷을 추가하여 총 56종의 보온력을 본 연구결과와 비교 분석하였다. 의복 질량(g)과 개별 의복의 보온력(I_cl, 단위 clo) 간 상관은 Pearson의 상관계수(r)로 분석하였다(p < 0.05).

공기를 50%를 채운 경우 재킷의 보온력(I_cl)은 0.243 clo, 70%를 채운 경우 0.207 clo, 100%를 채운 경우 0.176 clo로, 공기를 전혀 넣지 않은 재킷(Air 0%)의 보온력(0.208 clo)과 비교할 때 각각 16.8%, −0.5%, −15.4%의 변화를 보였다(Fig. 2 Left). 동일 디자인의 재킷에 공기 대신 구스 다운을 채운 경우 보온력은 0.315 clo로 공기를 채운 재킷들에 비해 높았으며, 특히 허리 길이 다운 재킷의 아랫단을 테이프로 밀봉한 경우 보온력은 0.369 clo로 본 연구의 여섯 가지 의복 조건 중 가장 높은 보온력 값을 보였다(Fig. 2 Left). 각 재킷의 보온력을 재킷의 질량당으로 환산하여 비교해 보면, 공기를 전혀 넣지 않은 재킷의 경우 0.245 clo/kg, 공기를 50%를 채운 경우 0.287 clo/kg, 70%를 채운 경우 0.244 clo/kg, 100%를 채운 경우 0.208 clo/kg, 구스 다운을 100% 채운 경우 0.193 clo/kg으로, 다운 재킷보다 공기주입형 재킷의 중량당 보온력은 높게 나타났으며, 이 중 공기를 50% 주입한 경우 가장 높은 보온 효율을 보였다(Fig. 2 Right).

Fig. 2. 
Clothing insulation (clo)(Left) and clothing insulation per clothing weight (clo/kg)(Right).

서멀마네킹의 부위별 열손실은 부위별 소비전력량으로 추정하였는데, 해당 부위의 소비전력량이 클수록 그 부위의 열손실이 크다고 판정하였다. 재킷으로 덮인 부위들 중 실험의복 조건들 간 가장 큰 차이를 보여준 부위는 아래팔과 전면 어깨, 가슴 부위였는데, 이 세 부위들의 경우 여섯 가지 실험의복 조건들 중 다운 재킷 조건에서 가장 낮은 소비전력량을 보여주어 열손실이 가장 적었음을 알 수 있다. 손등의 경우 재킷으로 덮여 있지 않았음에도 다운 재킷을 착용한 경우 가장 낮은 소비전력량을 보여 주어, 다운 재킷 착용에 의해 손 부위의 열손실도 가장 적은 것으로 평가되었다. 배와 등 부위는 실험 의복조건들 간 차이가 상대적으로 적었는데, 이는 허리 길이라는 재킷 디자인 특성상 공기주입형 및 다운 재킷 모두 외기에 열려 있었기 때문이다. 재킷으로 덮이지 않은 머리 부위, 넓적다리, 종아리, 발등의 경우 실험의복 조건들 간 차이가 거의 없었던 반면, 얼굴과 손의 경우 실험의복들 간 차이를 보여 다운 재킷 착용 시 가장 낮은 소비전력량을 보여 주었다(Fig. 3). 추가로, 좌우 유사한 값이 도출되어야 하는 서멀 마네킹의 특성에도 불구하고 엉덩이와 다리 부위의 경우 왼쪽에 비해 오른쪽에서 높은 열손실 값이 관측되었다(Fig. 3). 0.25 m/s 이하의 불감기류로 유지되는 인공기후실의 정중앙에서 측정된 실험 환경 조건을 고려해 볼 때 실험오차라기 보다 서멀 마네킹 기기 자체의 오차일 가능성이 높으나, 본 연구에서는 20부위를 모두 고려한 총보온력을 계산하였으며, 하체 좌우 부위를 비교한 것이 아니라 상체를 커버한 재킷 조건 간 비교를 수행하였기 때문에, 결과 해석에 유의미한 영향을 미치지는 않는 것으로 간주하였다.

Fig. 3. 
Regional power consumption of the thermal manikin.

전술한 바와 같이 ISO 9920(2007) 자료들과 본 연구팀에서 지난 15년 동안 측정한 겨울철 상의 보온력 값(총 56종)에 대해 의복 질량과의 관련을 살펴본 결과, 의복 질량이 증가할수록 보온력이 증가하는 경향이 발견되었으며, 상관계수(r)는 0.476으로 중등 정도의 상관이 관찰되었다(Fig. 4). 본 연구에서 측정된 공기 주입형 재킷들의 경우 기존 상관관계 산점도의 제일 아래쪽에 위치하였고 상관 정도도 매우 약하였는데 이는 본 공기주입형 재킷에 사용된 소재가 경량 직물이 아니라 폴리우레탄 계열의 중량 소재였기 때문이다. 의복의 보온력을 단위질량당으로 환산할 경우, 의복 질량과 의복의 보온력은 매우 강한 음의 상관을 보이는데 이는 옷이 무거워질수록 보온력의 효율이 감소함을 의미한다(Fig. 5). 본 연구에서 개발된 공기 주입형 패딩의 중량은 중등 정도의 무게에 해당하나, 유사한 질량의 겨울용 상의에 비해 보온력은 낮은 편이며, 본 연구에서 사용된 다운 재킷도 공기주입형 재킷의 내외피 소재(동일한 폴리우레탄 소재)로 제작되었기 때문에, 시판되는 다운 재킷들(나일론이나 폴리에스테르 내외피)에 비해 상대적으로 무거운 것으로 평가되었다(Fig. 5).

Fig. 4. 
Relationship between clothing weight and thermal insulation of winter upper garments. Data are from Choi and Lee(2009), ISO 9920(2007), Kim et al.(2015), and Table 3 of the present study.

Fig. 5. 
Relationship between clothing weight and thermal insulation of winter upper garments per clothing weight.

본 연구의 첫 번째 가설인 ‘공기 주입형 재킷의 보온력이 다운 재킷의 보온력보다 높을 것이다’는 기각되었다. 방한의류의 보온력을 결정하는 요인은 옷을 구성하는 소재 자체의 열전도도, 소재 및 옷이 함유하고 있는 공기량, 함유된 공기의 움직임, 소재 및 옷에 함유된 수분량, 옷의 겹침 등으로 이러한 요인들의 상호작용 속에서 인체로부터 전도, 대류, 증발에 의해 열손실이 결정된다. 소재 자체의 열전도도를 살펴보면, 다운의 열전도도는 면이나 폴리에스테르, 울 섬유에 비해 월등히 낮다. 단위 부피당 다운 중량이 증가할수록 열전도도는 2.5 W/m·°C(밀도 약 0.5 kg/m³)에서 0.5 W/m·°C(밀도 약 1.3 kg/m³) 수준으로 낮아지는데(Gao et al., 2007), 그럼에도 공기 자체의 열전도도(0.025 W/m·°C) 만큼 낮아지지는 않는다. 즉, 본 실험 결과 다운 재킷의 보온력이 공기 주입형 재킷의 보온력보다 더 높았던 이유는 다운 소재 자체의 열전도도보다는 다운 및 옷이 함유한 공기량 및 공기의 움직임에서 논의되어야 한다. 특히 의복의 보온력은 최내층 의복의 정지 공기층에 의해 가장 크게 결정된다고 보기 때문에, 동일 디자인, 동일 내외피 소재(폴리우레탄), 동일 사이즈의 재킷 내에 다운을 충전시킨 경우와 공기를 주입시킨 경우 최내층 의복기후 공기층은 공기주입형 재킷보다 다운 재킷에서 더 잘 유지되었다고 해석할 수 있다. 다운 소재의 압축과 복원력은 다른 의류 소재들에 비해 매우 우수하기 때문에 서멀 마네킹에 다운 재킷을 입힌 경우 공기주입형 재킷에 비해 내부 공기층이 상대적으로 덜 파괴되었을 것이라 추측할 수 있으며, 측정을 위해 실험자가 서멀 마네킹에 실제 착탈의를 하는 과정에서도 이러한 점은 쉽게 확인할 수 있었다. 그러나 본 연구에서 측정된 공기주입형 재킷(50% 공기주입)과 다운 재킷의 보온력은 0.07 clo 차이로, 슬리브리스 런닝 셔츠(0.06 clo)나 숏팬츠(0.08 clo), 두꺼운 장갑(0.08 clo), 두꺼운 긴 양말(0.06 clo) 등의 보온력(I_cl)을 고려했을 때 아주 큰 차이는 아니었다. 재킷 안에 착용하는 일반 상의, 내의 상의, 목도리 등으로 충분히 보완 가능한 보온력 차이이다.

한편, 본 연구에서 개발된 공기주입형 재킷의 보온력을 기존 연구들에서 수집된 겨울철 외투 56종의 보온력(평균±SD, 0.52 ± 0.17 clo)(Table 3)과 비교해 보면 본 연구에서 사용된 방한 재킷들의 보온력이 상대적으로 낮은 수준임을 알 수 있다. Baek et al.(2018)이 분석한 겨울철 외의류(패딩 재킷)의 보온력(I_cl) 0.49 ± 0.03 clo와 비교해도 낮은 수준이었다. 본 연구에서 개발된 공기주입형 재킷은 허리까지만 오는 길이로 기존 56종의 겨울 의류들에 비해 짧았다. 재킷의 길이가 짧다는 것은 피복면적 또한 상대적으로 적음을 의미한다(단일의복의 보온력은 피복면적에 비례한다(ISO 9920, 2007; Son & Baek, 1999)). 공기주입형 재킷의 허리 밑단 디자인 또한 A자 형태의 디자인으로 재킷 내부의 공기층이 외기로부터 보호되는 구조가 아니었다는 점을 고려하면 공기주입형 재킷에서 얻어진 상대적으로 낮은 보온력에 대한 설명이 가능하다. 그러나 일정 수준 이상의 바람이 있을 경우 다운 재킷의 보온력은 약 40% 이상 낮아지며(Song & Kwon, 2008b; Song et al., 2012), 몸이 땀으로 젖었을 때 다운 재킷의 보온력은 약 31~67% 감소되고(Shim, 2014), 다운 재킷을 여러 번 세탁할 경우 두께나 중량 손실이 합성 소재에 비해 유의하게 높다는 보고(Kim et al., 2018) 등을 고려해 볼 때, 풍속과 젖음 수준, 세탁 관리 기간 등에 따라 공기주입형 재킷의 보온력이 어떻게 변하는지에 대해서도 후속연구를 통해 평가해볼 필요가 있다.

본 연구의 두 번째 가설인 ‘공기주입량과 재킷의 보온력은 선형관계를 보일 것이다’는 기각되었다. 본 연구에서는 공기를 50% 수준만 주입한 경우 가장 큰 보온력을 보였으며, 100%를 주입한 경우 오히려 0%를 주입한 경우보다 더 적은 보온력이 관찰되었다. 이와 유사한 결과는 Kim et al.(2015)의 연구에서도 발견되는데, 공기를 꽉 채운 경우 오히려 재킷과 마네킹 피부 간 유지되던 정지 공기층이 부풀어 오른 재킷으로 인해 무너지기 때문인 것으로 해석되었다. 본 연구에서도 측정된 보온력 값으로 유추해 볼 때, 공기량을 70% 주입한 경우 재킷 내피와 마네킹 피부 간 유지되던 정지 공기층이 점점 파괴되기 시작하여, 100%를 주입한 경우 최내 공기층은 거의 모두 파괴된 것으로 해석할 수 있다(실험자가 마네킹 착탈의 시 마네킹의 팔을 넣을 수도 없을 정도로, 또한 재킷의 앞 지퍼를 쉽게 여밀 수 없을 정도로 재킷이 빵빵해짐). 즉, 공기량을 50% 수준으로 채운 경우 재킷 내 확보된 공기량(13,110 cm³)과 함께, 최내 공기층도 효과적으로 유지되어 최고의 보온력을 유지할 수 있었을 것이라 사료되나, 이는 본 실험 조건에 한정되며 추후 공기량 30% 혹은 60%등 보다 세분화된 수준에서의 비교 평가가 필요하다. 공기를 100% 채운 경우 재킷 내 확보된 공기량은 26,219 cm³로 최대였으나 공기량 50% 재킷보다도 보온력이 낮았기 때문에, 50% 수준 재킷 착용 시 확보된 최내층 공기량은 최소 13,109 cm³(= 26,219~13,110 cm³) 이상이었을 것이라 예상해 볼 수 있다. 즉, 공기량 50% 수준의 재킷 착용 시에도 이 부피 이상의 공기가 의복 최내층에 유지되고 있음을 알 수 있다. 요약하면, 공기주입형 재킷의 보온력은 재킷 내부에 확보된 공기 절대량의 함수라기보다, 착용 시 재킷이 피부에 직접 닿지 않을 정도로 재킷의 형상을 유지해줄 수 있는 적정 공기량과 이때 재킷 내피와 마네킹 피부 간 형성되는 최내층 공기량의 함수로 보는 것이 타당하다. 본 연구에서는 0%, 50%, 70%, 100% 수준에서의 비교가 이루어졌으나, 추후 구간을 보다 세분화하여 보온력을 분석해 볼 필요가 있다(예: 30% 공기량에서 50% 공기량에서보다 더 높은 보온력이 측정될 수 있다).

한벌의복 혹은 의복조합(clothing ensemble)은 동시에 함께 입혀지는 여러 개의 의복군을 의미하며, 단일의복 혹은 개별의복(clothing item or garment)은 한벌의복의 구성요소로 입혀지는 한 개의 의복을 의미한다(ASTM F1291-16, 2016; ASTM F3426-20, 2020; ISO 9920, 2007). 한벌의복은 사람이 일상적으로 착용하는 의복군을 의미하기 때문에 전신 마네킹을 사용하여 보온력을 측정하는 것이 자연스럽다. 그러나, 본 연구의 공기주입형 재킷과 같이 단일의복을 전신 서멀 마네킹에 착장시켜 보온력을 측정하는 경우 착장된 부위를 제외한 나머지 부위는 공기에 노출되며 이 부위들로부터 열손실이 과도하게 발생할 수 있기 때문에 몇몇 연구자들은 이러한 착장법에 의한 측정이 옳은 방법인가 고민할 수 있다. 이에 서멀마네킹의 20부위(혹은 그 이상의 부위)에서 독립적으로 측정된 소비전력량 중 의복에 의해 덮인 부위만 선별하여 계산하는 경향이 국내연구나 보고서에서 간혹 발견되기도 하는데, 이러한 방법으로 계산하는 경우 기존 보고되는 보온력보다 높은 값이 계산되며 이러한 보온력 증가는 특히 겨울철 방한의류의 보온력 값에서 두드러진다.

일례로, 의복의 보온력을 발표한 몇몇 국내 연구들(Song & Kwon, 2008a; Song & Kwon, 2008b; Song et al., 2012)을 보면 유사한 디자인 및 중량의 의복임에도 ISO 9920(2007)에서 제시하는 의복들에 비해 과도한 보온력을 가지고 있는 것으로 보고되었다. 이러한 값들이 추출된 이유에 대한 고찰은 차치하더라도, 이러한 값들은 독자들에게 큰 혼란을 불러일으킬 수 있다. 서로 다른 종류의 서멀 마네킹을 다른 환경 조건에서 다른 방식으로 측정하는 경우 유발될 수 있는 혼란을 최소화하기 위해 서멀 마네킹을 이용하는 의복의 보온력 측정 방법은 ISO와 ASTM과 같은 표준 기구에서 규정해 왔다. 이는 전 세계 다양한 연구기관에서 서로 다른 서멀 마네킹을 사용하여 보고되는 의복의 보온력 값들의 타당성을 확보하기 위함이다. 이러한 표준화된 방법들에 의하면 단일의복의 보온력을 측정하는 경우에도 한벌의복의 보온력을 측정하는 경우와 동일한 방법으로, 즉, 서멀 마네킹의 모든 부위를 함께 고려하여 계산한다. 다만, 두 가지 예외 사항이 존재한다. 첫 번째 예외는 모자류, 장갑류, 양말/신발류의 보온력을 전신 서멀 마네킹이 아니라 머리나 손, 발의 형태만을 가진 소형 서멀 마네킹을 이용하여 측정하는 경우이다. 인체 특정 부위만을 가진 부위별 마네킹을 사용하면서 전신을 고려할 수는 없다(ASTM F3426-20, 2020). 이때 주의할 점은, 전신 서멀 마네킹을 이용하여 보고된 장갑의 보온력을 손 형태를 갖는 서멀 마네킹을 이용하여 측정된 장갑의 보온력과 비교해서는 안 된다. 그 이유는 전자의 경우 나상(nude)인 전신에 장갑 만을 착용한 경우 인체가 느끼는 따뜻함의 정도를 의미하는 반면, 후자의 경우, 양 손을 전신이라 가정한 상태에서의 장갑 보온력을 의미하기 때문이다(전자 보온력 < 후자 보온력). 두 번째 예외는, 개별보온력(I_cl)이 아니라 총보온력(I_T)에 한정해서, 다양한 디자인 및 형태를 갖는 의복들의 보온력을 정량화한다기 보다, 동일 디자인을 갖는 단일의복에서 소재나 충전재 등의 차이로 인한 보온력 차이를 비교하고자 하는 경우 서멀 마네킹 전신이 아닌 부위별 보온력 계산이 더 정확할 수 있다(ASTM F1291-16, 2016). 그러나 이 경우에도 전신을 고려해서 측정된 값과 비교해서는 안 된다. 특정 의복에 의해 덮인 부위들만의 값으로 해당 단일 의복의 총보온력을 계산하고자 할 경우, 특정 의복에 의해 덮인 마네킹 부위만 선정하여 계산된 부위별 총보온력(I_{T_partial})을 보고하되, 전신을 고려하여 계산된 총보온력(IT-whole body)과 함께 보고하도록 권장되며(ASTM F1291-16, 2016), 의복의 표면적 계산 등의 어려움으로 단일의복의 개별보온력(I_{cl_partial})은 계산하지 않는다.