1. 서 론

국내 안마의자 시장은 중장년층 고객중심에서 전 연 령대 제품으로 확대되어 가고 있는 가운데 2018년 시장 규모는 10년 동안 30배 증가된 7,000억 원에 이르고 있 다[5].

그러나 대다수 관련 중소업체들은 소수 메이저 기업 의 시장독점 속에서 중소기업간 과다경쟁으로 인해 경영 난에 봉착하고 있다. 이러한 상황에서 관련 기업이 생존 해 나가기 위해서는 꾸준한 연구개발 및 차별화된 신제 품 개발이 요구되어지고 있다.

대부분의 안마의자는 진동 모터 또는 음파진동을 이 용한다. 진동 모터방식은 진동모터의 회전축에 부하물 등의 무게를 한쪽으로 쏠리게 설계하여 회전 시 생기는 회전 불균형(편심)에 따른 진동에 의한, 주로 ‘타격’의 역 할을 통해 마사지를 구현하고 있다[3]. 그러나 이 방식은 구동부의 구동축에 물리적인 기능 정도만 발휘한다는 단 점을 가진다.

한편 음파진동은 물체의 진동이 균일하던 매질(공기)에 부분적으로 압력 변화를 일으켜서 종파의 형태로 진동시 키는 것이다[13]. 음파진동방식은 최적화된 주파수(Hz)를 음파진동모듈에 통과시켜 생성된 자연스럽고 부드러운 파형의 진동을 인체에 전달하여 혈관개선 및 근육강화에 도움을 주는 것으로 나타났다[1, 12]. 이 방식은 지압점에 부드러우면서도 정확히 안마를 해주기 때문에 고객의 선 호도가 높지만 판스프링의 잦은 고장으로 고객의 클레임 도 많이 발생하고 있다. 따라서 핵심부품인 판스프링의 재질 및 구조적인 특성을 고려한 최적설계가 요구된다.

이에 본 연구에서는 제품개발을 시도한 기존연구[2, 9] 를 참고하여 음파진동 방식을 이용하는 L사 안마의자제 품의 성능개선을 위한 효율적인 판스프링 구조를 도출하 고자 한다. 이를 통해 판스프링이 장착된 음파진동모듈 의 내구성을 강화하고 더 나아가 음파진동모듈이 설치된 음파진동 안마의자의 내구성 향상과 제품의 신뢰성 확보 를 통하여 고객만족 제고를 도모하고자 한다.

2. 이론적 배경

2.1 용어설명

2.1.1 신뢰성 시험(Reliability Test)

신뢰성 시험은 성능(가속) 수명시험을 통해 제품의 고 장여부를 판단하는 시험으로 MTBF(Mean Time Between Failures, 평균고장간격)와 MTTF(Mean Time To Failure, 고장까지의 평균시간)을 구한다.

2.1.2 STS 301의 기계 화학적 특성

(1) Chemical Composition

본 연구에 사용된 판스프링 재료 STS(STainless Steel) 301은 STS 304에 비해 저Ni, Cr 및 고N성분으로 조질 압연 (skin pass rolling, 調質壓延)에 의해 고강도화가 가능하 며 철이나 알루미늄에 대비 뛰어난 고온강도 및 내식성 을 가진다. 따라서 경량화, 안정성 및 경제성을 필요로 하는 철도차량, 자동차부품, 가전부품, 전자기기부품 및 스프링성이 요구되는 부품에 널리 사용된다[3]. 판스프링 재질에 대한 화학조성은 <table 1>과 같다.

(2) Mechanical Properties

STS 301 재질은 물성치에 따라 세 가지 등급(H, EH, SH)이 있다. 본 연구에서는 음파진동모듈의 구조적 특성 을 고려하여 H등급의 재질을 선정하였다. 판스프링의 재 질에 대한 기계적 특성은 <table 2>와 같다.

2.2 기존연구 고찰

최동희[6]는 토끼를 대상으로 음파진동기가 순환계 활 성화에 도움이 됨을 보였다. 김상훈[8]은 부상과 근육 발 달저해 요인이 비교적 적으며, 실시간으로 균형적인 근 력의 발현을 유도할 수 있도록 하는 새로운 근육 균형발 달 운동방법을 제안하고 음파전신진동운동기기 시스템 과 표면 근전도 기반의 실시간 바이오피드백 시스템을 설계 및 제작하였다. 전재윤[7]은 쇽 업쇼버의 피스톤 너 트 체결력과 피스톤 판스프링의 두께가 감쇠력에 어떤 영향을 주는지 확인하기 위해 피스톤 너트 체결력과 피 스톤 판스프링의 두께를 달리하여 쇽업쇼버의 감쇠력을 측정하였다. 고수정 등[10]은 밸브에 장착되는 원형 판스 프링의 소재, 두께, 반경을 고정변수로, 원형 판스프링 내부 패턴의 너비를 설계변수로 설정하여 유한요소해석 및 검증시험에 대한 연구를 수행하였다. 이종진 등[11]은 스마트 폰 등에 사용되는 수평 선형 진동모터에서 운동 자의 가이드 역할을 하는 판스프링의 유한요소 해석을 통하여 진동 가속 및 스프링 수명 시간을 측정하였다. 박 우진 등[14]은 자동 부하전환 전력개폐기에 사용되는 중 첩 판스프링의 충격 피로해석을 통하여 내구수명을 예측 하였다.

이와 같이 판스프링에 관한 기존의 연구는 판스프링 의 수명을 예측하거나 고장 및 파손의 원인분석에 초점 을 두고 있다. 그러나 본 연구에서는 구조해석 및 수명시 험을 통하여 판스프링의 파손 및 고장원인을 분석하고 이를 최적화된 판스프링의 구조를 도출한다.

3. 연구 설계 및 방법

3.1 연구 설계

음파진동모듈은 <Figure 1>과 같이 안마의자 내부에 구동 어셈블리에 장착이 되며 음파진동은 USB로부터 음 원을 제공 받아 음파구동 전용 PCB(Printed Circuit Board)를 통해 구동이 된다. 음파진동모듈의 핵심부품인 판스프링은 음원주파수에 의한 안마볼의 상하운동을 지 속적으로 하는데 얇은 두께와 높은 강도를 가져야 한다. 판스프링은 <Figure 2>와 같이 음파진동모듈의 하우징 4 포인트에 고정이 되며 한 곳이라도 손상이 있으면 탄성 을 유지할 수 없어 제 성능을 발휘하지 못한다. 또한 판 스프링의 균열 및 파손은 원하는 주파수를 출력할 수 없 으며 이상 소음이 발생하여 음파진동 안마의자의 전체적 인 고장원인이 되므로 판스프링의 최적설계에 따른 내구 성 확보가 필요하다. 기존의 판스프링의 경우 재질이 약 하여 수명이 짧고 주파수 출력이 50-60Hz에 불과하다.

본 연구에 사용된 판스프링은 STS(STainless Steel) 301 로 만들어 기존 것 보다 강한 재질을 가지며 두께도 얇다. 외경과 두께는 각각 40mm, 0.5mm를 가진 총 5개 판스프 링의 형상을 대상으로 실험을 진행한다.

3.2 연구방법

본 연구에서는 <Figure 3>과 같이 5개 형상의 판스프 링을 대상으로 순차적으로 실험을 진행하였다. 즉, 먼저 Model-1 형상의 판스프링이 목표수명에 이르기 전에 파 손되면 구조변경을 한 Model-2로 실험하고 Model-2가 파손되면 Model-3로 실험을 전개하는 식으로 Model-5까 지 실험을 수행하였다. 이러한 실험진행 순서를 구체적 으로 설명하면 다음과 같다.

첫째, 판스프링이 장착된 음파진동모듈을 안마의자에 설치하고, 안마의자에 <Figure 4>와 같이 80kg의 인형(부 하)을 앉힌다.

둘째, 음파진동모듈 제어 PCB를 활용하여 USB로부터 음원(100Hz 주파수)을 입력받아 음파진동모듈로 출력하 여 수명시험을 실시한다.

셋째, 목표수명을 1,000시간으로 설정하고 총 수명시험 25%, 50%, 75%, 100% 각 시점에서 판스프링의 파손(깨 짐) 및 주파수 측정시험을 실시하여 고장이 확인되면 구조 해석을 통한 구조변경을 실시한다. 여기서 목표수명 1,000 시간은 L사가 당초 개발 시 고려했던 안마의자의 수명 5 년, 일 평균사용시간 30분(30분×365일×5년 = 912.5시간) 을 고려하여 다소 높게 설정한 것이다.

주파수 측정시험은 <Figure 5>와 같이 가속도 센서 (Acceleration Sensor)를 이용하여 음파진동모듈의 진동을 센싱하고 센서신호제어기(Sensor Signal Controller)를 통 해 가속도 센서에서 받은 진동 데이터를 오실로스코프로 (Oscilloscope)로 전송한다. 오실로스코프 활용하여 진동 파형을 분석하고 측정결과를 모니터링 및 저장한다.

넷째, 목표수명에 도달된 판스프링의 최적구조 형상에 대해서는 임계 작동주파수를 확인하기 위하여 작동주파 수를 110Hz부터 10Hz 간격으로 상승시키면서 수명시험 을 수행하고 판스프링의 파손 및 고장 여부를 확인한다.

4. 연구결과

4.1 각 모델에 대한 구조해석

판스프링의 형상에 따른 구조해석을 수행하고 응력 집 중부위를 파악하여 그 부위에 대해서는 응력이 분산될 수 있는 구조로 설계를 변경하여 응력 집중부위를 최소화하였 다. 응력에 대한 분석은 구조해석 프로그램에서 제공하는 Von-Mises 응력(등가 응력)을 추출하여 수행하였다. Von- Mises 응력은 물체의 각 지점에서 응력 성분들에 의한 비틀 림 에너지를 표현한 것으로 연성재료인 금속재료의 해석에 서 가장 많이 사용되며 물체의 파괴를 예측하는 기준으로 가장 널리 사용되고 있다.

4.1.1 Model-1의 구조해석

<Figure 6>은 Model-1에 대한 파손사진이다. 파손은 수 명시험 25% 지점에서 발생하였으며, 판스프링 고정부위와 다리 분기점 부분이 취약부위로 확인되었다. <Figure 7>은 Model-1의 구조해석에 따른 응력분포도이다. <Figure 6>에 서 보는 바와 같이 판스프링의 몸통 부분으로부터 뻗어 나오는 다리 분기점에서 응력이 가장 많이 발생되어 분기 점 부분에 ‘R’(= Radius) 값을 증가시켜 응력을 분산하였다.

4.1.2 Model-2의 구조해석

<Figure 8>은 Model-2에 대한 파손사진이다. 파손은 수 명시험 50%지점에서 발생하였으며, 판스프링 고정부위 와 다리연결 부위가 취약한 것으로 확인되었다. <Figure 9>는 Model-2의 구조해석에 따른 응력분포도이다. 판스 프링의 고정부위의 응력을 분산하기 위하여 다리 바깥쪽 부위를 원형구조로 하였고 고정부위 및 다리부위의 강도 를 높이기 위하여 폭을 넓게 하였다.

4.1.3 Model-3의 구조해석

<Figure 10>은 Model-3에 대한 파손사진이다. 파손은 수명시험 50%지점에서 발생하였으며, 판스프링의 다리 끝단지점과 바깥쪽 원형구조가 만나는 지점이 파단되어 취약한 것으로 확인되었다. <Figure 11>은 Model-3의 구 조해석에 따른 응력 분포도이다. 판스프링의 탄성을 높 이기 위하여 다리부위 끝단을 고정점 사이에 배치하였으 며 고정점은 좌우 대칭구조로 설계를 변경하였다.

4.1.4 Model-4의 구조해석

<Figure 12>는 Model-4에 대한 파손사진이다. 파손은 수명시험 75%지점에서 발생하였으며, 판스프링의 몸통 으로부터 뻗어 나오는 다리 분기점이 파단되어 취약한 것으로 확인되었다.<Figure 13>은 Model-4의 구조해석에 따른 응력분포도이다. 판스프링의 다리부위의 바깥쪽 원 형구조를 제거하고 다리부위를 2단 구조로 변경함으로 써 응력분산과 탄성을 높였다.

4.1.5 Model-5의 구조해석

<Figure 14>는 Model-5에 대한 사진이다. 2단 구조의 다리부분의 폭을 달리하여 탄성 및 응력을 분산시킴으로 써 수명시험 100% 지점까지 파손 없이 정상 작동되었다. <Figure 15>는 Model-5의 구조해석에 따른 응력 분포도 이다. 판스프링의 다리부위 2단 구조에 대하여 다리 폭 을 달리함으로써 탄성을 더 높임과 동시에 응력을 더 효 과적으로 분산시키는 효과를 얻을 수 있었다.

4.2 구조해석 결과

상기와 같은 판스프링의 구조해석 결과를 설계에 반영 하고 시험편을 제작하여 수명시험과 주파수 측정시험을 수행하였다. 각 모델에 대한 수명시험 결과는 <Figure 16> 과 같다. 최초 설계된 Model-1은 목표수명의 25% 지점에서, Model-2와 Model-3은 목표수명의 50%지점에서, Model-4 는 목표 수명의 75%지점에서 판스프링이 파손되었으나 Model-5는 최종목표 수명에 도달되어 L사에서 목표로 한 설계라 할 수 있다. 또한 Model-5는 <Figure 17>과 같이 100Hz의 주파수를 입력하였을 때 일정하게 100Hz 주파수 로 출력되고 있음을 보여주고 있다.

4.3 주파수 변경에 따른 성능시험 결과

상기와 같이 목표수명에 도달된 Model-5의 판스프링 형상에 대하여 임계 주파수를 확인하고자 작동주파수를 110Hz부터 10Hz 간격으로 상승하면서 추가 수명시험을 수행하였다. <Figure 18>과 같이 작동 주파수 110Hz부터 130Hz까지는 모두 목표 수명(1,000시간)에 도달하였으나 140Hz에서는 목표 수명의 75%시점에서, 150Hz에서는 목 표수명의 50%지점에서 판스프링이 파손되었다. 따라서 본 연구에서 도출된 판스프링의 임계주파수는 130Hz인 것으로 확인되었다.

5. 결 론

음파진동모듈방식의 안마의자제품의 품질은 판스프링 의 성능과 직결되고 있으나 판스프링의 잦은 고장으로 고객의 클레임이 많이 발생하고 있다. 이에 본 연구에서 는 음파진동모듈 개선을 위한 효율적인 판스프링 구조를 도출하고자 하였다.

이를 위해 음파진동 안마의자에 설치되는 음파진동모 듈용 판스프링의 구조형상에 따른 응력집중 발생부위 분 석을 위한 구조해석을 수행하고 해석결과를 설계에 반영 하였다. 설계된 형상에 대하여 수명시험을 수행하고 목 표수명(1,000 시간)의 25%, 50%, 75%, 100%시점에서 판 스프링의 파손여부를 확인하고 고장여부를 판단하였다. 그 결과, 판스프링의 구조형상을 보완 및 변경함에 따라 즉, 응력의 분포도를 얼마나 반영하였는지에 따라 수명 이 달라짐을 확인하였으며, 이를 설계에 반영하여 기존 보다 더 우수한 성능을 가진 판스프링 구조를 도출할 수 있었다. 또한 저 주파수에서 보다 고 주파수에서의 운전 시 더 많은 작동빈도가 발생하여 판스프링의 파손에 영 향을 준다는 것도 확인할 수 있었다.

그러나 본 연구에서 가장 우수한 것으로 나타난 Model-5가 최적구조라 확신하기에는 부족한 측면이 있다. 따라서 앞 으로 다양한 분석을 통해 최적의 판스프링 구조를 찾기 위한 지속적인 연구와 함께 발마사지나 두피관리 기기개 발 시에도 활용하는 방법을 모색할 필요가 있다.