Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 7 pp. 483-489, 2017 https://doi.org/10.5762/kais.2017.18.7.483 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 김성욱, 전상희, 박재우 * 국방기술품질원품질경영본부전투물자센터 A Study of Enhancing Reliability for Determining the Resistance to Surface Wetting by Imaging Process Sung-wuk Kim, Sang Hee Chun, Jae Woo Park * Forces Support Systems Center, Quality Management Bureau, Defense Agency for Technology and Quality (DTaQ) 요약본연구의목적은직물의발수도판정 (KS K 0590) 시이미징기반의판별을통해서측정신뢰도를향상하는것으로한다. 이를수행하기위하여가장먼저우리는 Java 기반의이미지처리프로그램을통해서발수도판정표준표를정량화하였다. 이때모든이미지의처리과정은미국립보건원 (NIH) 에서개발한오픈소프트웨어인 Image J를사용하였다. 발수도판정표준표 (standard spray test rating) 에대한이미지처리과정은면적측정기법을통해서수행하였으며, 이를통해서정량화한결과, 습윤면적비수치를기반으로하는손쉬운판정기준을확보할수있었다. 또한실제직물에있어서이미징기반의발수도판정을도입하기위한최적화처리기법을도출하기위하여형광물질을사용하였다. 형광이미지를도입하여문턱값 (Threshold) 조절과 2치이미지 (Binary Image) 변환등의과정을통해서발수도판정을위한데이터처리과정을진행하였다. 본연구의결과물은향후직물의발수도판정 (KS K 0590) 에있어서기존의정성적인분석법에서탈피하여정량적인측정신뢰도향상을위한방안으로적용할수있으리라판단된다. Abstract The purpose of this study was to propose useful suggestions for enhancing reliability to determine the resistance against surface wetting, KS K 0590, by an imaging process. We validated the standard spray test rating chart for determining quantification standard using JAVA script-based imaging process program. All of the acquired images were processed with the image software, Image J (NIH, Nethesda, MD, USA). The study results are as follows.we established the surface area measurement-based quantitative criteria for determining resistance to surface wetting. The standard spray test rating chart was converted into a numerical standard which leads easy-to-determine ratings. We also validated the procedure for imaging treatment by analyzing quantitative data. We introduced the fluorescence image for determining ratings by enabling threshold settings and binary image conversion as an optimal imaging process. It is expected that imaging-based determination for resistant to surface wetting will serve as an accurate and reliable method for KS K 0590. Keywords : Imaging Process, KS K 0590, Quantification, Resistance to Surface Wetting, Spray Test 1. 서론 최근스포츠, 레져활동이증가하며아웃도어의류등에적용하는투습방수소재의사용이크게증대되었으 며, 극한환경에서작전을수행하기위한군용섬유제품에도투습방수소재가다양하게적용되고있다. 투습방수소재는외부로부터물이침투하는것을막아비나눈에젖지않음과동시에착용자내부에서발생하는땀이 * Corresponding Author : Jae Woo Park (Defense Agency for Technology and Quality, DTaQ) Tel: +82-2-961-1503 email: nickpjw@dtaq.re.kr Received March 9, 2017 Accepted July 7, 2017 Revised (1st May 29, 2017, 2nd July 6, 2017) Published July 31, 2017 483
한국산학기술학회논문지제 18 권제 7 호, 2017 나수증기를투과시켜체온조절을도움으로써쾌적감을유지할수있도록개발되어져왔다. [1] 이러한투습방수소재는투습성능과방수성능의상이한성질을동시에충족시키기위해재질, 라미네이팅방법등에따라다양한기능성제품들이개발되고있으며, 제조방법에따라투습방수소재의물리적성질의차이가확연하게나타나기도한다. 이러한다양한투습방수제품들은사용자의용도에적합한지여부를판단하기위해여러가지측면으로평가되고있다. [2.3] 가장많이사용하고있는투습방수소재의물리적성능평가방법은크게쾌적성과방수성으로분류할수있다. 쾌적성을평가하기위해투습도시험을대표적으로사용하고있으며, 방수성은발수도, 내수도등으로시험하여평가하고있다. 투습도는투습방수소재를기준으로수증기의농도차에따른이동수준을확인하는시험방법으로 KS K 0594 를적용하고있으며, 내수도는외부에서가하는물의압력에따른누수여부를확인하는것으로 KS K ISO 811 시험법을적용하고있다. 투습도와내수도는모두시험결과치가높을수록투습성능또는방수성능이우수하다고판단할수있다. 발수도는물의침투에대한저항성을의미하는것으로 KS K 0590 직물의발수도시험방법 : 스프레이법을적용하여판별하고있다. 스프레이법은다른방식에비해서간편하고시험조작이단순하다는장점이있지만, 판정표준표 (standard spray test rating) 와육안으로비교후, 등급이나점수로판별하기때문에동일한결과에대해서판정자별로서로다른등급을내릴수있는가능성을항시내포하고있다. [4] 따라서투습방수소재의성능평가에있어서투습도, 내수도와같이정량화된수치를기반으로하지않는발수도의객관적인평가방법과정량적판정기준의확립은측정신뢰도향상을위한방안으로적용할수있다. 이에본연구에서는발수도판정시이미징기반의판별을통해서기존의정성적인분석법에서탈피하여정량적인분석을기준으로측정신뢰도향상을위한방안으로의도입을제안한다. 2. 본론 2.1.1 재료및기구본연구에서사용한화학관련시약들은 Sigma Aldrich 사에서구매하였으며, 이미지획득에는고해상도디지털일안반사식 (DSLR, Digital Single Lens Reflex) 카메라 (K5 II S, Pentax) 가사용되었다. 획득한이미지처리에는 Image J 프로그램 (NIH, USA) [5] 이사용되었다. 2.1.2 발수판정표준표정량화발수판정표준표를정량화하기위해서먼저판정표준이미지를관련국내외규격 (KS K 0950 [4], ISO 4920 [6], AATCC 22 [7], JIS L 1092 [8]) 의전자배포본 (PDF 파일 ) 을통하여획득하였다. 획득된이미지는 Image J 프로그램을통해문턱값 (threshold) 조절과 2치이미지 (binary image) 생성으로등급에따른면적수치비율을정량화하였다. 2.1.3 형광이미지정량화발수도판정을위한형광이미지획득을위해형광물질은 FITC(Fluorescein isothiocyanate) 를사용하였으며, 용매로증류수를이용하여 0.01 mg/ml의농도로희석하여사용하였다. FITC 형광을여기 (Excitation) 시키기위하여 LED 기반의휴대용자외선 (UV) 조명 ( 소비전력 5W) 을적용하였으며, 발광 (Emission) 이미지는암실에서디지털일안반사식카메라를통해서획득하였다. 획득된이미지는 Image J 프로그램을통해이미지형태 (type) 변환, 문턱값 (threshold) 조절, 2치이미지 (binary image) 생성과정처리를진행하였다. 2.1.4 접촉각측정형광용액과증류수의접촉각 (contact angle) 은친수성및소수성표면에서각각비교이미지를획득하여 Image J 프로그램내플러그인을통해서측정하였다. 친수성표면은 slide glass를 1분동안플라즈마처리 (Femto Science, Korea) 한것을사용하였으며, 소수성표면은 PDMS(polydimethylsiloxane) Sylgard 184의 oligomer와 curing agent를질량비 10:1로희석하여 95 에서제작한것을사용하였다. 표면에형광용액과증류수 10 μl를각각의표면에위치한후, 단면에서의이미지를획득하였다. 2.1 연구방법 484
2.2 발수도판정표준표정량화 2.2.1 이미지분석 발수판정표준표정량을위해서사용된이미지는국내외관련규격인 KS K 0950, ISO 4920, AATCC 22, JIS L 1092의전자배포본에서추출하였다. (Table 1) Table 1. Domestic and International standards for determination of resistance to surface wetting Standard Number Standard Title Country KS K 0590 Test method for resistance to surface wetting: Spray method Korea AATCC 22 Water repellent test USA JIS L 1092 Testing methods for water resistance Japan to surface ISO 4920 Determination of resistance to surface wetting(spray test) ISO 국내외발수도관련규격에서판정을위한표준표로사용되는것은모두동일하게 AATCC 22 내 STANDARD SPRAY RATINGS 를기준을적용하고있었으며, 이는다음과같았다. (Fig. 1) (c) Fig. 1. The standard spray test rating chart in KS K 0590:2008 Fig. 1에서각등급별이미지를사용하여분석을진행하였다. 먼저이미지처리과정에대한절차를정립하였으며, 정립된순서로는 1 이미지형태변환 (Image type conversion) 2 이미지문턱값조정 (Threshold adjustment) 3 2치이미지변환 (Binary image conversion) 4 픽셀분석 (pixel analysis) 의순서로처리하였다. (Fig. 2) Fig. 2. Imaging process for the standard spray test rating chart (Class III case) Image type conversion Threshold adjustment (c) Binary image conversion and pixel analysis 1번과정에서최종결과물로적용된형태는 8-bit gray scale 이미지였다. gray scale은 RGB ( 적녹청, Red-Green-Blue) 로저장된이미지정보를흑백으로단순화하여손쉬운처리를가능하게하며, 8-bit는픽셀당 intensity value를 2의 8승 (2 8 ) 으로표현하기때문에 0에서부터 255의값을갖게된다. 0에서부터 254까지의값은습윤부분 ( 흑색 ) 을의미하며, 255는비습윤부분 ( 백 485
한국산학기술학회논문지제 18 권제 7 호, 2017 색 ) 을의미하기때문에 16비트 (2 16 ) 나, 32비트 (2 32 ) 이미지에비해서손쉬운이미지처리가가능하다. 2번과정은변환된이미지에서 2치이미지변환을위한중간과정으로서, 0에서부터 254 사이의값을갖는픽셀을구분하는과정이다. 이를조정후 3번과정인 2 치이미지를생성하여, 오직 0( 흑, 습윤부분 ) 과 255( 백, 비습윤부분 ) 의정보만을갖게된다. 이를통해서오직습윤된부위만을선택하여 4번과정을거쳐해당되는픽셀의면적을계산하고, 이를전체면적과의비율로변환하였다. 2.2.2 발수도판정표준표정량화도출된이미지처리과정을통해서모든등급별이미지를분석하여습윤부위의 pixel을분석한결과는다음과같았다. (Table 2) Table 2의정량화결과를각등급별습윤면적비그래프로도시화한결과는 Fig. 3와같다. 1급 (50) 의경우에는습윤면적부위가 54.6 % 를차지하고있었으며, 2 급 (70) 의경우에는 32.5 %, 3급 (80) 은 12.1 % 였다. 4급 (90) 과 5급 (100) 의경우습윤면적비에서는타등급간차이에비해미세한차이 (0.78 %) 를보여주어정량화판별시오류가나타날가능성이존재하나, 규격에서언급하고있는 5급 (100) 의조건이 표면에부착또는습윤이없는것 (KS K 0590:2008) 또는 No water droplets clinging to the surface fibrils(aatcc Technical Manual 22-2005) 이므로이는완전한발수의경우에만해당되기때문에사실상 0 % 의습윤면적에만해당한다고볼수있다. 따라서본결과를토대로판단하였을때, 본연구에서는처음으로발수도판정을위한정량기준을수립할수있었다. Table 2. Image analysis of the standard spray test rating chart for all classes Class(Score) Wetted area pixel No. Class 1(50) 23940 Total pixel No. Wetted area ratio (%) 54.60 Class 2(70) 14247 32.49 Class 3(80) 5319 43850 12.13 Class 4(90) 350 0.80 Class 5(100) 8 0.02 2.3 이미지기반정량화기법 2.3.1 가시광선기반이미지정량화우리가평상시획득하는이미지 ( 사진 ) 는가시광선중에서특정물질에서반사된파장의빛을카메라의 CCD(Charge-coupled device) 또는 CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) 에서전기신호로변환하여 RGB(Red, Green, Blue) 정보로표현한것이다. 이렇게획득된이미지를발수판정표준표정량화에서정립하였던이미지프로세스 (Fig. 2) 와동일하게진행하였을때, 물방울에의해반사된빛, 직물의패턴에따른음영차등에대한이유로 2치이미지를획득하는데어려움이발생하였다. (Fig. 4) (c) Fig. 4. Imaging process for visible light image Original image Image type conversion (c) Binary image conversion Fig. 3. Quantification of the standard spray test rating chart 따라서이러한점들은, 가시광선기반의이미지를이용하여발수도측정을위한정량화기법적용이어렵기때문에, 이미지획득방식에대한전반적인재조정이필요하였다. 486
2.3.2 형광기반이미지정량화형광 (Fluorescence) 이란특정한파장의빛 ( 혹은에너지 ) 을받아들여에너지준위의변화에따라발생하는빛을의미하며, 이를촬영한이미지를형광이미지라고한다. 형광이미지의장점은가시광선과는다르게오직특정파장의빛 (emission light, λ em) 만을방출하기때문에, Fig. 4에서보여졌던간섭현상 ( 반사, 음영등 ) 에영향을받지않는장점이있다. 따라서본연구에서는형광기반의이미지정량화기법을도입하여가시광선이미지분석에서발생하는문제점을해결하기로하였다. 형광물질로선정된것은흔히실험실에서표준형광물질로사용되어지는 FITC(Fluorescein isothiocyanate) 였다. FITC는본래 λ ex = 495 nm / λ em = 519 nm (excitation/emission) 의형광특성을갖고있으나, 자외선조명하에서도충분한형광 ( 발광 ) 이발생하였다. (Fig. 5) FITC가포함된판정액 ( 물 ) 을적용하여발수도판별시고려해야할사항으로는순수한물의물리화학적특성에큰영향을끼치지않아야한다는점이다. 그중에서도직물의발수도에직접적인영향을끼치는인자로서의소수성과친수성은순수한물과동등해야한다. 따라서이를확인하기위해서순수한물과 FITC가포함된판정액의표면에대한접촉각 (contact angle) 측정을통해서 FITC 판정액의적용가능성을확인해보았다. (Fig. 6) 소수성 (hydrophobic) 물질인 PDMS(polydimetylsiloxane) 표면에서의접촉각측정결과, 순수물로구성된판정액과 FITC가포함된판정액에서각각 94.09 와 93.44 를보이는것으로확인되었다. 또한친수성 (hydrophilic) 표면으로제공된플라즈마처리된유리표면에서의접촉각은각각 51.38, 50.83 을보이고있었다. 그리고실제방수원단상에서의접촉각은각각 179.5, 179.0 을보이고있었다. 이러한결과는 FITC가포함된판정액은순수한물의소수성과친수성에영향을끼치지는않으며, 발수도판별시에도섬유원단에영향을미치는물리화학적특성은순수한물과큰차이가없음을확인할수있었기에, 해당표준시험법에충분히사용가능함을확인할수있었다. 이후 FITC가포함된판정액을활용하여형광이미지를획득후, 획득된이미지를발수판정표준표정량화에서정립하였던이미지프로세스 (Fig. 2) 와동일하게진행하였다. 형광이미지에대한각프로세스과정의결과는 Fig. 7과같았다. (c) 에서확인할수있듯이, 완벽하 게 2치이미지로변환할수있었으며, 습윤된부분만선택이가능하였다. Fig. 5. Fluorescence properties of FITC Molecular structure of FITC FITC under visible light (left) and UV light (right) (c) Fig. 6. Drop analysis for contact angle of distilled water (left) and FITC-contained distilled water on hydrophobic, hydrophilic surface and (c) waterproof fabric (c) Fig. 7. Imaging process for FITC fluorescence image Acquired fluorescence image Image type conversion (c) Binary image conversion 참고로판정표준표에서는 8-bit grays scale 이미지내 0의값이흑색으로습윤부위를, 255의값이백색으로비습윤부위를나타내고있으나, 형광이미지에서는형광판정액의습윤부위가밝게빛나는특성이있기때문에반대의현상이나타난다. 따라서 255의값이백색 487
한국산학기술학회논문지제 18 권제 7 호, 2017 으로형광이나타나는습윤부위를의미한다. 이러한실험결과를토대로방수원단과일반보온용원단에대하여형광이미지기반으로원단들의발수도에대한정량분석을진행하였다. 해당원단모두 FITC가포함된판정액을사용하여발수도테스트를진행하였으며, 동일결과를대상으로각각육안판정과형광이미지정량판정을진행하였다. 먼저방수원단의경우에는용액의흡수가완전저지되어일반육안판정에서발수등급 5급 (100) 으로판별이되었으며, 형광이미지분석법또한발수등급 5급에해당하는사항으로식별되었다. (Fig. 8) 보온용원단의경우에는가시광선이미지와비교시형광이미지에서많은면적이습윤되어있는것을확인할수있는데, (Fig. 9, 빨간원표시부분 ) 이는보온용원단의경우그두께로인해서표면에얇게습윤된경우에는습윤부위에서완벽한색깔변화를보여주지않아서육안으로는잘식별되지않았지만, 형광이미지의경우에는표면에얇게습윤된부위까지도확연히파악할수있음을확인하였다. 이러한점은형광이미지기반의판정법이육안판정에비해서정량화의장점을갖고있을뿐만아니라, 미세습윤부위까지도정확하게파악할수있다는장점을보여주고있다. 본연구의결과를통해서, 우리는형광기반의이미지를활용하여가시광선이미지에서는불가능하였던발수도의정량화프로세스의적용가능성을확인할수있었다. 이는향후발수도에대한객관적인판정기준을도입하는기초연구자료로서활용이가능하리라판단된다. Fig. 8. Spray test result of waterproof fabric visible and FITC fluorescence image 일반보온용원단의경우에는육안판정의시거의발수등급 3급 (70) 에가깝게판정할수있었으며, 형광이미지기반의판별의경우평균면적비가 18.2 ± 2.4 % 로서정량화기준으로는발수등급 3급 ( 면적비약 12.1 %) 과 2급 ( 면적비약 32.5 %) 의사이에위치하는것으로판별되었다. (Fig. 9) Fig. 9. Spray test result of warm fabric visible and FITC fluorescence image 3. 결론본연구는발수도판정에사용되는 KS K 0590 직물의발수도시험방법 : 스프레이법 에대한측정신뢰도향상을위하여이미징프로세스기반의정량화프로세스에대해서고찰하였다. 기존의판별법은육안에의한판정으로부터발생하는판별자에따른판정오차의발생가능성을내포하고있기때문에, 본연구에서제안하는정량적판별법을적용하게된다면, 객관적인판정기준을통해서측정신뢰도향상이가능하리라판단된다. 이에본연구에서는최초로판정표준표를습윤면적에대한정량비를판별하였으며, 형광이미지획득을통한이미지프로세스과정또한제안하였다. 하지만본연구에서제시하는정량적판정기준에서습윤면적수치를이용하여등급판정에적용하기위해서는좀더많은연구가필요할것으로판단된다. 면적기반의정량화판정방식과기존의육안판정방식간의상관관계를회귀분석하기위해서는다양한섬유원단에서반복적인시험과더불어서실제공인시험기관에서의객관적인판정결과를획득하여비교 / 검증하는절차를가져야할것으로판단된다. 이러한점들은추후공인시험기관결과와의비교를위하여분산분석, 측정불확도등의통계적기법을활용하여진행할예정이다. 488
향후본연구를기초자료로하여후속연구를수행하게된다면, 이미징기반의정량화개념이앞으로의발수도판별에대한측정신뢰도향상방법으로서충분히적용될수있으리라생각한다. References 전상희 (Sang Hee Chun) [ 정회원 ] 2011 년 2 월 : 단국대학교대학원파이버시스템공학과 ( 공학석사 ) 2012 년 6 월 ~ 현재 : 국방기술품질원연구원 [1] M. S. Kwon J. kwon, A study on the Dynamic Performance of Waterproof and Breathable Materials, Journal of the Korean Society of Costume, 58, 4, pp. 26-34, 2008. [2] H. S. Shim, The Evaluation of Water Vapor Transport and Waterproofness Properties of the Waterproof and Breathable Fabrics, The Korean Society of Community Living Science, 27, 2, pp. 295-304, 2016. DOI: https://doi.org/10.7856/kjcls.2016.27.2.295 [3] S. H. Moon, Fiber Technology and Industry, pp. 120-126, 2014. [4] Korea Agency for Technology and Standards, KS K 0590:2008 Test methods for resistance to surface wetting : spray method, 2008. [5] J. Pascau, J. M. M. Pérez, Image Processing with Image J, Packt Publication, 2003. [6] International Standard Organization, ISO 4920:2012 Textile fabrics Determination of resistance to surface wetting (spray test), 2012. [7] American Association of Textile Chemist and Colorist, AATCC TM22-2014 Water repellency : spray test, 2014. [8] Japanese Standard Association, JIS L 1092:2009 Testing methods for water resistance of textiles, 2009. < 관심분야 > 섬유공학, 품질경영 박재우 (Jae Woo Park) [ 정회원 ] < 관심분야 > 국방품질경영 ( 화학 / 화생방분야 ) 2005 년 2 월 : 아주대학교생명분자공학부 ( 공학사 ) 2009 년 8 월 : 서울대학교화학생물공학부 ( 공학석사 ) 2015 년 2 월 : 서울대학교멀티스케일기계설계전공 ( 공학박사 ) 2015 년 9 월 ~ 현재 : 국방기술품질원선임연구원 김성욱 (Sung-Wuk Kim) [ 정회원 ] 2014 년 2 월 : 부산대학교유기소재시스템공학과 ( 학사 ) 2014 년 8 월 ~ 현재 : 국방기술품질원연구원 < 관심분야 > 섬유공학, 품질공학 489