기술의 발전으로 웨어러블 디바이스에서 제공할 수 있는 서비스와 기능이 많아짐에 따라 산업분야뿐만 아니라 일상생활에서도 필수적이게 되고 있다. 특히 이어폰과 같이 귀에 착용하는 웨어러블 디바이스에 대한 일반 소비자의 수요는 2019년 기준 $14.5 billion에서 2020년에는 두 배가 넘는 $32.7 billion의 규모로 성장했으며 2024년까지도 꾸준히 성장할 것으로 예측된다(Rimol, 2021).

무선이어폰은 귀에 착용함으로써 발생하는 장점을 갖고 있다. 인간의 귀는 다른 신체부위와 다르게 정적이다. 착용자가 뛰거나 다양한 행동을 해도 그것에서 비롯되는 간섭은 팔, 다리와 같은 다른 신체부위에 비하면 상대적으로 없는 편이다. 따라서 착용자의 Accelerometer, gyroscope, audio와 같은 데이터를 노이즈 없이 수집하기 용이하며, 스마트워치와 같은 다른 웨어러블 디바이스에 비해 착용자의 정확한 데이터 수집이 가능하다. 또한 귀라는 위치적 특징은 인간의 머리, 입의 움직임을 모니터링 할 수 있게 해준다. 이러한 가능성은 이어폰이 단순히 음악듣기 통화하는 것 뿐만 아니라 착용자의 운전습관 모니터링, 맥락을 고려한 알림 기능, 심박수 측정 등 다양한 편의 기능을 제공해 줄 수 있게 해준다(Kawsar et al., 2018).

이러한 편의 기능을 쾌적하게 사용하기 위해서는 착용감이 매우 중요하다. Ban and Jung (2020) 연구에 따르면 귀는 인간의 인체 변수 중에서도 특히 개인차가 심한 것으로 나타난다. 그럼에도 불구하고 이어폰 시장의 64%를 차지하는 애플, 삼성, 샤오미의 제품들을 살펴보면 모두 단일 사이즈로 제공되고 있다. Maximilian Pasche (1993) 연구에 따르면 제품의 복잡성(complexity)이 낮아질수록 판매자의 입장에서 재료 공급의 흐름을 원활히 할 수 있고 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다고 한다. 이러한 장점을 고려하더라도 이어폰이 단일 사이즈로 제공될 경우 일부의 착용자들은 통증이나 고정의 어려움 등의 이슈를 겪고 있다. 그 중에서도 Ear Carnal에 직접 삽입하는 팁형이 아닌 귀의 Cavum Concha에 걸치는 오픈형 타입이 출시되고 있지만 최적의 착용감을 위해 참고할 수 있는 Cavum Concha의 형태와 이어폰 설계 변수간의 관계에 대한 연구는 미비되어 있는 상태다.

1.1 Wireless open-type earbuds’ design specifications and ear-related variables

먼저 시장에 출시된 다양한 제품들을 조사하여 오픈형 무선이어폰의 형태와 그에 대응하는 신체 변수에 대해서 살펴보았다. 무선이어폰 설계 변수로는 크게 Length, Width, Depth, 세 가지가 존재하며 귀에 직접적으로 대응하는 변수들은 Cavum Concha 영역에 해당한다(Figure 1). 대응하는 지점은 다음과 같다. Length는 Cavum Concha Height (CACH), Width는 Cavum Concha Width (CACW)와 Distance between Tragus and Antitragus (DBTA)에 대응하고, Depth는 Cavum Concha Depth (CACD)에 대응한다. Cavum Concha 영역에 대한 측정 방법은 Table 1에서 나타나는 바와 같다.

Figure 1. Method for cavum concha dimension determination and design specifications of open-type earbuds

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이전 연구에서는 착용감에 대한 이어폰의 설계 변수인 Width는 유의한 효과가 있는 것으로 나타났고 다른 Height와 같은 변수들은 유의한 효과가 없는 것으로 나타났으며 착용자의 Cavum Concha Width를 제외한 다른 신체 변수는 유의한 효과가 없는 것으로 나타났다(Lee et al., 2016). 하지만 실제로 시장에 존재하는 이어폰들의 형태를 분석해보면 이어폰의 Depth에 따라서 제품의 가장 돌출된 부위인 Height와 Width가 CACW, CACH에 압박을 가하는 지점이 달라지기 때문에 본 실험에서는 이어폰의 Depth에 대응하는 인체 변수로 CACD를 추가하였다. 또한 무선이어폰 착용감에 대한 소비자 인터뷰를 진행한 결과 주로 Tragus나 Anti-Tragus의 영역에서 통증이 발생한다는 점을 알게 되었고 따라서 DBTA를 추가하였다.

2.1 Mock-up design

착용에 문제가 발생하는 구간을 도출하여 무선이어폰의 프로토타입의 설계 변수를 선정하기 위해 36명에 대한 CACH, CACW, CACD, DBTA의 측정 값과(Table 2) 이어폰 시장의 64%를 차지하는 애플, 삼성, 샤오미 이어폰들의 설계 범위를 참고하고(2019, November 19), 무선이어폰을 소지한 소비자들을 대상으로 한 정성 인터뷰 조사를 통해 Height와 Width는 13~20mm, Depth는 6~16mm의 설계 범위를 도출했다.

2.2 Anthropometric measurement

본 실험에서는 무선이어폰을 소지하고 착용해본 경험이 있는 한국인 성인 남녀 20대와 30대, 36명의 피실험자를 모집하여 Cavum Concha 영역에 대한 인체측정을 실시했다. 버니어 캘리퍼스를 이용해 피실험자의 오른쪽 귀의 CACH, CACW, CACD, DBTA를 측정하였으며(Staab, 2017), 측정 시 마스크, 모자 등 귀에 압력이 가해지는 요소를 통제하여 측정을 진행하였다. 측정된 자료는 Table 3에 나타난 바와 같이 유의수준 0.05에서 모두 정규성을 유지하였다.

2.3 Experimental design

완전요인배치법(Full Factorial Design)으로 3개의 설계 변수를 실험할 경우 n3이며 각 변수가 5수준으로 고정될 때에 53으로 총 125회의 실험이 필요하다. 완전요인배치법보다 적은 횟수로 실험이 가능한 반응표면법(Response surface methodology)의 중심합성법(Central composite design)을 통해 실험을 설계할 경우 훨씬 적은 실험 횟수로 반응 변수에 영향을 주는 요인을 찾을 수 있다(Box et al., 2005). 또한 반응표면법을 이용하여 실험을 설계할 경우 설계 변수와 반응 변수간의 밝혀져 있지 않거나 복잡한 형태를 갖는 최적화 문제를 해결해야 하는 경우 유용한 최적화 방법이라고 할 수 있으며(Jeon et al., 2010), 기존 알려져 있지 않은 주요인과 교호작용에 대해 통계적으로 탐색할 수 있는 Factor Screening을 할 수 있기 때문에 본 실험에서 적합한 방법으로 고려된다(Cheng and Wu, 2001).

2.4 Research variables

3개 요인을 갖고 있는 중심합성법을 통해 실험을 설계하면 축점(Axial point)의 알파 값(α)은 1.682이며 꼭지점(Factorial point), 중심점(Center Point)을 포함하여 각 요인은 -α, -1. 0, 1, α에 맞춰 5가지 수준의 범위를 갖게 된다(Varshosaz et al., 2010). 이어폰 설계 변수인 Height와 Wdith의 수준은 12.636, 14, 16, 18, 19.363 (mm)로 되고 Depth는 5.954, 8, 11, 14, 16.046 (mm)로 된다. 본 Minitab 15 프로그램을 활용해 반응표면법의 중심합성법을 적용하고 꼭지점, 중심점, 축점을 고려한 20개의 실험을 설계하여 실험에 대응하는 무선이어폰 목업을 준비했다(Figure 2).

Figure 2. Mock-ups of wireless earbuds

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2.5 Experiment procedure

인체측정 후 피실험자들은 정적인 활동(착석자세에서 책읽기, 모바일 기기 사용, 컴퓨터 사용 등의 테스크)과 동적인 활동(0~5km/h의 속도로 걷기, 뛰기 등의 테스크)을 하며 20개의 목업을 착용하고 각각의 목업에 대해 착용 불편도를 평가하고 착용 선호도를 평가하였다(Table 4). 또한 반복된 목업 착용 실험으로 귀의 피로(Fatigue)를 방지하기 위해 실험 10분 진행 후 약 5분간 착용자가 다음 실험을 진행하기 전까지 충분한 휴식을 취했다(Hearing Aid Centre, 2021).

2.6 Data analysis

본 실험의 목적은 미비된 오픈형 이어폰의 주요 설계 인자를 설정하고 그것에 대응하는 귀 관련 변수를 검토하여 착용감에 영향을 주는 주요인과 교호작용과 그 최적 범위에 대해 연구하는 것이다. 먼저 인체측정을 통해 Cavum Concha 영역의 CACH, CACW, CACD와 DBTA를 측정하고 군집분석을 실시하여 콘차의 유형을 도출하였다.

이후 이어폰 목업 20개에 대한 착용 불편도와 종합 선호도를 평가하였고 반복측도 분산분석(Repeated Measures ANOVA)을 실시하여 불편도와 선호도에 대한 이어폰 목업과 군집 유형에 따른 효과를 검토하였다. 또한 어떤 설계 변수가 불편도와 선호도에 대하여 유의한지 검증하기 위해 개체 내 분석을 통해 Height, Width, Depth의 수준의 효과를 검토하였다.

또한 독립 변수인 Height, Width, Depth와 종속 변수인 착용 불편도와 종합 선호도의 관계를 보기 위해 MiniTab을 통해 반응표면분석을 실시하였다. 먼저 분산분석을 통해 불편도와 선호도에 대한 추정된 회기 계수 중 유의성이 인정되지 않는 항들을 제거하였으며 그 형태는 Equation (1)과 같이 나타났다. 이후 선형회귀모델(Linear regression model), 이차회귀모델(Quadratic regression model)의 유의성을 검토하였다.

3.1 Cluster analysis of cavum concha of Korean adults

착용감에 영향을 주는 Cavum Concha 영역의 특징을 조사하기 위해 CACH, CACW, CACD, DBTA를 대상으로 K - 평균 군집분석을 실시했다. K - 평균 군집분석을 위해 K 값의 범위를 선정하고 최적의 K 값(군집의 수)를 정해야 한다(Likas et al., 2003). 먼저 K의 값을 정하기 전에 계층적 군집분석을 이용해 대략적인 데이터의 구조를 파악하고자 하였다. 계층적 군집분석은 Ward 연결법의 유클리디언 제곱 거리를 기반으로 군집을 형성하였다. 적절한 군집의 수를 결정하기 위하여 스크리 도표와 댄드로그램 기준으로 검토하였으며 K-평균 군집화를 통해 K = 3개에서 5개라는 군집의 적정 범위를 도출하였다. 그리고 이에 따라 K의 값을 각각 3, 4, 5로 변경하여 군집을 실시했고 실루엣 기법을 이용하여 성능을 비교하였다(Lletı et al., 2004). 실루엣 점수를 확인한 결과 K의 값이 3과 5일 때 나타난 0.421, 0.457보다 K의 값이 4일 때 평균 0.541로 K의 값이 높은 성능을 보였다. 특히 K의 값이 4일 때 Table 5에서 보는 바와 같이 군집 1에서 4의 실루엣 값이 0.555, 0.515, 0.542, 0.564로 군집화가 잘 이루어진 것을 확인할 수 있었다.

3.2 Characteristics of categorization of cavum concha

군집분석을 통해 도출한 Cavum Concha는 총 4개 유형으로 분류되었다. 각 군집의 특징을 살펴보면 전체적으로 귀가 작은 형태(군집 1), 둥근 비율을 띄는 형태(군집 2), Width가 발달된 형태(군집 3), Height가 발달된 형태(군집 4)로 나타나며 각 군집에 대한 변수들의 중심 값은(Table 6)과 같다.

3.3 Analysis on effects of design specifications and cavum concha categorizations

반응표면 분석을 실시하기 전 반복측도 분산분석(RM ANOVA)을 통해 착용 불편도와 종합 선호도에 대한 무선이어폰 목업간 콘차의 군집간 효과에 대해 검토하였다. Table 7에서 보는 바와 같이 분석 결과 불편도와 선호도에 대한 무선이어폰 목업과 콘차 군집에 따른 차이는 유의수준 95% 신뢰구간에서 유의확률 p 값이 0.05 미만이므로 모두 유의한 것으로 나타났다.

또한 설계 변수의 개체 내 대비분석을 통해 각 설계 변수의 수준의 증감에 따른 불편도와 선호도의 차이를 검토하였으며 그 결과가 Table 8에 나타나 있다. 불편도를 기준으로 분석을 했을 때 Depth, Height * Concha shape, Width * Concha shape, Width * Depth의 유의확률 p 값이 0.05 미만으로 유의한 것으로 나타났으며 선호도를 기준을 분석했을 때 Height, Width, Depth, Height * Concha shape, Width * Concha shape, Width * Depth * Concha shape의 유의확률 p 값이 0.05 미만으로 유의한 것으로 나타났다(Table 8).

불편도와 선호도에 대한 Depth의 수준에 증감의 효과는 유의확률 p 값이 0.05 미만으로 유의한 것으로 나타난 것은 무선이어폰을 설계할 때 Depth의 수준을 고려하여 설계해야 하는 것으로 볼 수 있다. 또한 선호도를 기준으로 했을 때 Height와 Width의 증감의 효과는 유의했지만 불편도를 기준으로 했을 때는 유의한 차이가 없는 것과 Height * Width의 효과는 유의하지 않는 것을 고려했을 때 이어폰의 형태는 Height나 Width가 일정한 원의 형태를 띄어도 착용 불편도와 선호도에 대해 유의한 차이를 보이지 않을 것으로 보인다.

3.4 ANOVA analysis on a regression model

종속 변수인 불편도와 선호도에 대한 독립 변수인 Height, Width, Depth의 관계를 살펴보기 위해 Minitab을 사용하여 분석을 실시하였다. 먼저 각 불편도와 선호도에 대한 회귀 계수들과 이들의 유의성은 Table 9와 같다. Table 9의 유의성 검토를 통해 유의성이 인정되지 않는 항들을 제거하면 Equation (1)과 같이 나타난다.

또한 분산분석을 통해 불편도와 선호도에 대한 선형회귀모델과 이차회귀모델은 Table 10에서 나타난 바와 같이 유의수준 0.05를 기준으로 각각 0,000**과 0.000**으로 유의하며 주효과와 교호작용 효과 분석을 위한 타당성을 검증하였다. 이후 Height, Width, Depth로 설명할 수 있는 불편도와 선호도의 변동 비율을 의미하는 R2의 비율을 검토하였다. 불편도에 대한 선형회귀모델의 결정 계수(R2)는 71%, 이차회귀모델의 R2는 1%로 모든 모델의 R2는 72%로 나타났고 선호도에 대한 회귀모델에서는 선형모델의 결정 계수(R2) 71%, 이차회귀모델의 R2는 11%로 총 82%이다(Table 10).

Y1(불편도) = 1.99 - 0.508 X3 - 0.0220 X1^2 - 0.0171 X2^2 - 0.0125 X3^2 + 0.0197 X2X3

Y2(선호도) = - 204 + 11.7 X3 - 0.595 X1^2 - 0.455 X2^2 - 0.779 X3^2 (1)

본 실험에서는 기존 미비된 오픈형 이어폰의 설계 변수와 귀 관련 변수들에 대해 검토하고 착용감에 대한 주효과 등의 중요 인자를 규명하였다. 특히 Lee et al. (2016) 연구에서는 오픈형 이어폰의 설계 변수로 Width, Height만을 검토하고 그에 대응하는 귀 관련 변수로는 Cavum Concha Length, Cavum Concha Width, Ear Canal Length와 Ear Canal Width을 선정하였고 착용 실험을 통해 선호도에는 Cavum Concha Width만이 유의 하다고 밝혔다. 본 실험에서는 Cavum Concha Width 뿐만 아니라 Height와 특히 Depth, 그리고 Cavum Concha의 유형별로 유의한 차이가 있다는 결과를 도출하였다.

반복측도 분산분석 결과 Table 8를 보면 Height * Concha shape, Width * Concha Shape가 유의 하다고 나타났으며 특히 Width가 긴 기기를 착용했을 때 Cavum Concha Height가 긴 군집 4에 비해서 Cavum Concha Width가 긴 군집 3의 불편도와 선호도가 더 좋은 것으로 나타났다. 반대로 Height가 긴 기기를 착용했을 때는 군집 3에 비해 군집 4의 불편도와 선호도가 더 좋은 것으로 나타났다. 하지만 Height * Width의 교호작용은 유의하지 않았고 실험 결과 Height와 Width의 비율이 일정한 목업들의 불편도와 선호도는 군집 별로 크게 차이가 나지 않았으며 오히려 사이즈의 증감에 따른 불편도와 선호도의 차이가 더 큰 것으로 나타났다. 이와 같은 점은 Lee et al. (2016)의 연구 결과와 일치 하였으며 이러한 점을 고려했을 때 이어폰의 형태는 원형이나 타원형으로 제공되어도 두 유형 모두 문제가 없을 것으로 생각된다.

반응표면법 분석 결과 소비자가 가장 선호하는 이어폰의 설계 범위는 Width와 Height는 최소 14~18mm 사이와 Depth는 최대 8mm로 나타났다(Table 11). 특히 각 콘차 유형별 최소 80점 이상의 선호도를 보장할 수 있는 설계 변수의 범위를 도출하기 위해 콘차 유형별 반응표면법 분석을 실시하였다. 군집 1의 Width와 Height는 최소 12mm~최대 14mm 사이, Depth는 6mm 이하, 군집 2의 Width와 Height는 최대 18mm 이하, Depth는 8mm 이하 군집 3의 Width와 Heigh는 최소 14mm 이상 Depth는 최소 5.95mm~최대 8mm 사이, 마지막으로 군집 4의 Width와 Height는 최소 14mm~최대 20mm, Depth는 최소 6mm~최대 8mm로 고려해야 한다(Table 11).

연구 결과 한국인의 Cavum Concha에 대한 기술통계치가 도출되었으며 4가지의 대표 유형이 존재하는 것으로 나타났다. 또한 기존 연구에서는 나타나지 않았던 Cavum Concha Depth와 Distance between Tragus and Anti Tragus에 대한 기술통계치를 도출했으며 무선이어폰 목업 착용 실험을 통해 불편도와 선호도에 대해 이어폰 설계 변수와 Cavum Concha의 유형의 효과는 유의 하다는 결과를 도출했다. 특히 기존 선행된 연구와 달리 본 실험을 통해 이어폰 설계 변수인 Depth와 귀 관련 변수인 CACD, DBTA라는 새로운 주요인들에 대한 효과를 검토할 수 있었다.

본 실험에서는 착용감에 영향을 주는 요인들을 검토하고 적정 설계 범위를 도출했지만 본 실험은 Factor Screening에 가까운 점을 고려하여 이후 추가 실험을 통해 군집 별 최적 설계 지점을 보완해야 한다. 이후 실험에서는 실제 음악을 듣는 활동을 더해 음질 선호도를 고려했을 때 이어폰의 착용감을 크게 해치지 않는 선에서 이어폰이 귀에 얼마나 밀착되고 압박되어야 하는지에 대한 임계 지점을 도출해야 음질만족감과 착용감을 고려한 제품의 설계 범위를 제안할 수 있을 것으로 기대된다.