1. 연구 협의체 구성 및 아이디어 창출

아이디어의 창출을 위하여 다양한 분야의 전문가들이 협의체를 구성하고 정기적인 회의를 통해 제작 아이디어를 교환하였다. 대학 내 사전 지식이 충분하다고 판단된 전문가로 교수, 대학원생, 임상영양사로 이루어진 협의체를 구성하였다(Table 1). 개발 용기를 적용하고자 하는 대상자인 치매노인에 대한 임상영양 관리과정에 관한 전반적인 지식이 있는 식품영양학 전공 교수 1명과 식품의 맛과 물성 조절 및 식품용기에 대한 전공을 한 식품영양학과 교수 1명 및 대학원생인 임상영양사 1명을 주축으로 영양학적 근거 타당성을 논의하였다. 해당 구성원들은 치매노인의 영양상태 증진 및 중재시도에 관련한 선행연구 고찰, 현재 동향 및 외국 자료를 탐구하여 치매노인에게 인지능력을 향상하며 식품 섭취량을 증진할 수 있는 용기를 개발하기 위한 디자인을 고안하였다. 아이디어 창작물의 실제 제작을 위하여 기계공학전공 교수 1명 및 설계 전담 엔지니어를 섭외하였으며 초기 아이디어가 구체적으로 출력이 가능하도록 3차원 모델링 작업 및 자문을 담당하였다. 또한 시제품을 사용하여 여러 종류의 음식 혹은 물 또는 수분보충제를 담아 제공할 때 식품안전성과 식품위생에 큰 위험이 없어야 하므로 출력 소재의 안정성 및 식품 용기로서의 안전성과 물질 취급에 관한 안전관리를 담당하기 위하여 화학 전공 교수 1명이 자문단으로 참가하여 정기적인 피드백을 제공하였다. 협의체 구성원은 담당 분야별로 아이디어 개발 계획을 착수하였고 2019년 9월부터 11월까지 2주마다 1회씩 정해진 날짜에 모여 담당 주제의 아이디어 회의를 진행하여 초기 설계 계획의 틀을 잡았다. 브레인스토밍 기법을 사용하여 각자의 아이디어를 최대한 수용하고 효과적으로 치매노인을 위한 영양중재 도구로서의 기능을 수행할 개발 용기의 다각적 측면에 대해 토의하였다. 브레인스토밍 기법 중 본 연구에서는 각 개인이 아이디어 개발작업을 진행하고 중간마다 회의를 진행하는 하이브리드 브레인스토밍[12]을 적용하였다.

Table 1
Professional experties and roles of committee members

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2. 드로잉 스케치 및 초기 입체모형 제작

개발 모델인 식품섭취 용기는 교육 교구의 특성을 갖고 동시에 영양보충 식품섭취 혹은 수분보충을 위한 용기로서의 기능을 고려하여 제작할 것을 합의하였다. 인지기능이 저하된 노인에게 숫자놀이를 통해 인지기능을 자극하는 등의 교구로서의 효과를 갖추면서도 음식에 대한 흥미를 유발할 수 있는 모형을 개발하기 위해 시중에 개발된 유아 교구 모델들의 특성을 탐색하였다. 영양학적 측면을 고려하여 보충식을 섭취할 때를 잊지 않으면서도 섭취하는 동안 숫자놀이를 통해 인지기능을 자극하는 다양한 이점이 있을 것으로 의견이 수렴된 포도송이 디자인을 구상하였으며, 이를 ‘3D 프린팅 포도 용기’라 칭하였다(Fig. 1a). 또한 식품위생을 고려하여 뚜껑을 여는 방식의 용기모양을 구상하였다. 결정된 아이디어를 초기 디자인 설계를 위한 2D 데이터로 표현하기 위하여 우선 볼펜을 이용한 드로잉 스케치 작업을 진행하였다(Fig. 1b). 설계엔지니어에게 아이디어를 효과적으로 전달하기 위해서 국산 백색 점토(천사점토, ㈜도너랜드, 대한민국)를 활용하여 입체 형태를 제작하였다. 아이디어 토의를 바탕으로 결정된 디자인을 점토로 제작한 결과물을 Fig. 1c에 나타내었다.

Fig. 1
Idea development process

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3. 3D 모델링 및 3D 데이터 변환작업

고안된 아이디어를 구현하여 실제 시제품으로 제작하기 위하여 3D 프린팅 기술을 적용하였다. 3D 프린팅 기술은 개인의 니즈를 충족시키며 소규모 맞춤 제작에 적합하다고 알려져 있으며, 다양한 산업분야에 적용이 가능하고 고안한 디자인을 직접 확인할 수 있어 생산 공정과 소요 시간을 단축시킬 수 있다는 장점이 있기에[13, 14] 해당 용기 제작을 위한 적합한 기술로 판단되었다. 본교 내 여러 업체들과 협업 경험이 있는 3D 모델 설계 전문 연구실(순천향대학교 CAE및 정밀가공 연구실)을 섭외하고 제작 협의와 발주 과정을 논의하였다.

4. 용기의 제공량 설정

용기가 식품 또는 수분 보충의 다양한 목적으로 쓰일 수 있는 점을 고려하여 용기에 최대 제공할 수 있는 용량의 단위는 부피(mL)로 설정하였다. 수분보충을 위한 기준을 설정하기 위하여 한국인영양소섭취기준(Dietary Reference Intakes for Koreans: KDRIs 2015) 및 선행연구를 참고하여 적정한 수준을 설정하고 창작 과정에 반영하였다.

5. 3D 프린팅 모델링 및 어셈블리 조건 설정

개발 협의는 총 3회에 걸쳐 이루어졌고 합의된 요구사항을 바탕으로 엔지니어의 설계 작업이 진행되었다. 매 중간 출력물 제작 시 연구진이 함께 모여 회의를 진행하여 보완점을 발견하고 이에 따른 수정사항을 요구하는 방식으로 진행되었다. 3D 디자인 모델링 작업을 위해 3D CAD 소프트웨어인 SolidWorks (Dassault Systemes, France) version 2016[15]이 사용되었다. 출력에 사용된 3D 프린터는 FDM (Fused Deposition Modeling) 출력방식 프린터인 DP200 (Sindoh, 2017)을 사용하였다. 어셈블리(assembly, 조립) 공정은 3D 모델링 작업 시 디자인의 연결부위가 발생하는 경우 사용하는 기능으로서, 연결 부분의 교섭(마찰부위 발생) 여부를 사전에 파악하여 적절한 수치 설정이 가능하게 하는 과정을 칭한다[16]. 따라서 복잡한 디자인일수록 모든 부품을 빠짐없이 디자인 한 후 반드시 해당 공정을 미리 수행하여 조립 시 실수를 범하지 않고 각 부분의 매끄러운 연결이 가능토록 해야 한다.

6. 출력용 필라멘트 결정

3D 프린팅 출력 소재는 흔히 필라멘트라 칭하며 FDM 방식에 주로 쓰이는 필라멘트 소재로는 플라스틱인 경우가 많다. FDM 방식은 기기 자체의 예열 과정을 통해 필라멘트를 녹이고 3D 디자인에 따라 층층이 쌓아올리는 적층과정을 통해 출력을 완성한다. 본 연구에서는 창작물이 식품을 담는 용기로 사용되기에 각별히 취급 시 안전을 갖춰야 했으므로 협의체 구성위원인 화학 전공 교수의 피드백을 통해 유해물질 검사인준이 확인되어 식품위생과 안전에 있어 안전하다고 판단된 옥수수 전분 소재로 만든 PLA (PolyLactic Acid) 필라멘트가 사용되었다[17, 18].

1. 최초 디자인 설계를 통한 아이디어 구현 가능성 확인

브레인스토밍 과정을 통해 용기는 포도 모양으로 고안되었다. 이렇게 모양이 고안된 이유는 치매 환자가 인지기능의 소실로 먹는 것 자체를 잊는 기억 소실의 문제를 해소하기 위함이다. 따라서 해당 모델은 작업 치료 시 효과가 높은 숫자 놀이를 수행함과 동시에 먹는다는 감각을 지속적으로 자극하기 위한 디자인이다. 또한 용기 안에 담긴 음식을 흥미롭게 인식할 수 있도록 하였다. 아이디어 창출 회의를 통해 제작된 드로잉 스케치 등의 2D 디자인과 수작업으로 제작된 점토 모형을 확인한 엔지니어가 최초로 설계한 3D 모델 디자인은 Fig. 2와 같다.

Fig. 2
The 1^st 3D modeling image

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2. 수치 설계 및 용기 당 식품 제공량 설정

본 용기는 치매노인이 식사를 통해 충분하게 섭취하기 어려운 수분이나 영양소의 보충을 위해 식사 외의 시간에 영양 혹은 수분 보충을 위해 섭취하는 스낵 개념의 식품을 제공하고자 개발되었다. 따라서 충분한 수분 제공을 목표로 하루에 식사 시간 이외에 나누어 섭취할 수 있는 양을 고려하여 6번 보충할 수 있도록 포도 용기의 알맹이 6개를 포함하도록 개발되었다. 연구에 적용 가능했던 3D 프린터의 최적 출력 사양과 보충해야 할 수분의 양을 고려하여 가로와 세로 크기가 각각 20 cm 이하 크기로 제한하여 제작하였다.

외부 오염 방지 등 식품안전과 위생을 고려하여 용기 뚜껑을 설계하도록 요청하였는데 이 과정을 수행하기 위하여 프로그램 상 어셈블리와 각 연결 부분의 매끄러운 조립이 가능한지 여부를 확인하는 단계인 교섭확인 공정이 요구되었다.

이후 진행된 협의과정을 통해 디자인된 용기모양 중 상판 연결부위(포도 잎 부분)의 모서리가 뾰족하여 대상자들이 사용 시 안전에 위험할 수 있겠다는 의견을 수렴하여 둥근 곡선을 최대한 사용하여 디자인 설계를 진행할 것을 요청하였다. 최초 3차원 디자인 설계 후 창작 아이디어와 디자인의 일치됨을 확인하였으며 다음 단계로 영양학적 근거를 갖춘 용기의 제공기준을 설정할 것을 논의하였고 음식을 담을 수 있는 용기의 적정 크기, 높이 및 제공량(mL)을 설정하였다. 특히, 치매환자의 임상 영양학적 관리 측면에서 이들은 식품섭취량 저하뿐 아니라 수분섭취 저조로 인한 탈수가 꾸준한 문제로 보고되고 있기에[19] 개발된 용기가 수분을 보충할 수 있는 용도로 사용될 수 있도록 디자인을 구상하게 되었다.

제공량을 설정하기 위하여 KDRIs 수분 섭취 권고기준을 검토한 결과, 65세 이상 남녀 노인에서 총 수분을 통해 남녀 각각 2,100 mL과 1,900 mL(액체에 대해서는 각각 1,000 mL과 900 mL로 설정) 섭취하도록 권고되고 있으나 노인에게서 수분 섭취 상태는 저조한 경우가 빈번하게 보고되며 시설 재소 중인 노인의 경우 그 부족 정도가 더 심각하다고 꾸준히 보고되고 있다[20, 21]. 충청남도 홍성군 소재 노인장기요양시설에서 행한 선행연구[22]에 따르면 요양시설에서 치매노인의 영양섭취상태 조사 결과 수분의 경우 2015 KDRIs 섭취기준 대비 남자노인에게서 41%와 여자노인에게서 54%의 수준에 그치는 것으로 보고되었는데, 이는 순수한 음식 섭취량을 배제하고서라도 수분 섭취량이 상당히 저조함을 확인할 수 있는 결과였다. 따라서 시설 치매노인의 경우 권고기준에 적합한 수분 섭취를 위하여 적어도 30% 이상의 수분을 더 섭취할 필요가 있다는 사실을 확인하여 용기 제공 후 권장 가이드라인에 반영할 것을 결정하였다. 따라서, 액체에 대한 남녀 권고기준의 평균의 30%인 285 mL를 제공하는 것이 적합하다고 판단되었다.

제작 시 이용되는 기기 및 장비의 출력사양도 충분히 고려될 필요가 있어 설계담당 엔지니어의 의견 또한 반영하였다. 협의 과정을 통해 영양학적 관점 및 실제 제작 시 사용 여건 등을 고루 반영하기 위하여 최종 시제품 제작에 적합한 조건을 설정하기 위한 주기적인 중간토의과정을 거쳤다. 출력 사양을 고려하여 디자인 크기의 경우 가로와 세로 모두 최대 20 cm를 기준점으로, 높이는 적층(layer-by-layer) 작업의 경우 향후 출력 작업 소요 시간의 효율을 고려하여 결정되었다. 알맹이 1개(hemisphere)당 47.5 mL의 수분제공이 가능하다. 반지름 2.25 cm의 반 구(hemisphere)의 모양을 갖추며 사이 간격을 4 mm로 설정하였다. 용기의 구체적인 수치가 부여된 1차 수정작업 후 3D 디자인 설계 시안은 Fig. 3과 같았다.

Fig. 3
The 2^nd modification 3D modeling image with scale

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3. 교육 교구로서의 작동 및 인지기능 향상을 위한 특성

1차 수정 디자인의 중간 출력물을 확인하여 제품의 크기 및 제공량의 이상이 없는지 확인하고 실제 출력물을 검토하며 보완점을 논의하였다. 개선하고자 했던 2차 수정사항으로는 해당 용기를 사용하여 먹는 행위에 대한 흥미를 유발하며 인지기능이 저하된 대상자들이 먹는다는 행동을 꾸준히 기억할 수 있도록 인지기능을 자극하며 식사 중에도 교육효과를 제공하자는 점이 논의되었다. 제공되는 급식 외에 간식 또는 후식 제공 시 해당 용기를 사용함으로써 포도의 알맹이마다 부여된 숫자(1부터 6까지)를 확인하는 놀이 과정을 통해 인지능력이 저하된 대상자에게 식사 외 영양소 섭취 증진을 늘릴 수 있도록 간식 섭취에 대한 흥미를 돋우면서 숫자를 세는 행위를 통해 뇌의 수행기능을 자극하리라 기대되었다. 포도알은 하나씩 분리되도록 하였고, 향후 환자들이 수분보충을 위해서는 용기를 들고 물을 마시는 것이 아니라 각각의 포도알에 점도증진제가 포함된 수분 보충을 위한 젤리 형태의 보충식이 포함될 수 있도록 포도알을 칸칸이 서로 독립시켰다.

이후 최종적인 디자인(Fig. 4a)을 확정하고 실제 출력을 진행하였다. 최종 협의된 디자인 세부 수정사항을 엔지니어에게 요청하였고 이에 따른 최종 작업에 따라 결정된 시제품의 최적 제작사양(spec)을 Table 2에 나타내었다.

Fig. 4
Final design image and actual output with water supplement jelly

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Table 2
Design specification

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4. 시제품을 이용한 수분보충 방법

본 용기는 치매노인의 식사 중 편리성을 제공하고 영양 상태를 개선할 수 있도록 영양(수분) 보충을 위한 식품섭취용기를 제작한 것이다. 시제품이 완성된 후 실제 환자들에게 수분보충을 위해서 수분을 담을 때 액체 상태 그대로 담을 수 있는 용기는 아니므로, 점도증진제를 첨가하여 젤리 상태로 만든 후 이를 각각의 포도송이에 담아 환자에게 제공하는 형태로 제조하였다(Fig. 4b). 즉, 액체 상태나 식사를 통해 충분히 섭취되지 않는 수분을 식사 외의 시간에 젤리형태의 간식으로 제공할 수 있게 하였다. 따라서 용기를 디자인할 때 충분한 수분 제공을 목표로 하루에 식사 시간 이외에 나누어 섭취할 수 있는 양을 고려하여 6번 보충할 수 있도록 개발한 것이다. 따라서 이 용기는 궁극적으로 수분 혹은 수분에 영양소를 첨가하여 식사 시간 외에 스낵 형식으로 섭취하기 위한 목적으로 개발된 용기로서 포도알이 하나씩 분리되어 있고 환자들은 이 용기를 들고 마시는 것이 아니라 점도증진제가 포함된 수분이나 부족한 영양소 보충하기 위해 포도알 칸칸이 서로 독립된 용기에 젤리 형태의 간식이 담기도록 제작되었다. 점도가 증진된 물을 용기에 부어 섭취가능 여부를 사전 시험해본 결과 지름 약 4.5 cm의 포도송이 용기 안에 든 젤리는 티스푼을 이용하여 섭취가 가능하였으며 하나씩 꺼낼 수 있으므로 섭취에 불편함이 없었다.