STEAM R&E 연구결과보고서

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STEAM R&E 연구결과보고서

(친환경 퍼니치 제작 및 가능성 탐구)

2016. 11. 30.

시흥매화고등학교

< 연구 결과요약 >

과 제 명 ‘친환경 퍼니치’ 제작 및 가능성 탐구

연구목표

최근 무선충전 표준(Qi)을 달고 있는 가구인 퍼니치가 관심을 받고 있는 상황에서 국내에서 이루어지는 2016 경향 하우징 브랜드 페어에서 확인해본 결과, 시판되는 퍼니치를 찾아보기 어려웠다. 이에 따라 목재의 무게를 줄이고 강도를 높이는 친환경 가구를 제작하고, 전통 도료인 옻칠을 적용한 친환경 퍼니치의 제작 및 상품 가능성을 파악하고자 연구를 진행하였다.

연구내용

1. 벌집의 구조를 모방한 구조물 제작 및 강도 측정

: 발사목을 이용하여 다양한 구조물을 제작하고 강도를 측정

- 다양한 형태(기본 구조, 허니콤 구조, 3겹 합판 구조, 트러스 구조, 원형 허니콤 구조)를 적용한 구조물 만들고 강도를 비교함.

- MBL 압력 센서를 이용하여 강도를 측정하고 질량에 따른 효율을 파악함.

2. 옻칠을 적용한 목재의 무선 전력 전송량 및 전자파 차단 확인

: 전자기 유도 방식의 무선 전력 전송 장치를 이용하여 전력의 전송량 확인 가. 전구의 밝기를 이용한 전력 전송량 확인(1차)

- 코일 사이에 20mm 두께의 목재(일반 목재, 옻칠 목재)를 놓고 전류를 흘렸을 때 무선 전력 전송량을 확인함.

- 2차 코일과 연결된 전구의 밝기를 Light sensor로 측정하여 무선 전력 전송량 을 비교함.

나. 코일 사이 물체의 종류에 따른 무선 전력 전송량 확인(2차)

- 코일 사이에 설치한 4mm 두께의 장애물(철판, 유리판, 아크릴 판, 일반 목재, 옻칠한 목재)에 따른 전력 전송량 확인

- 2차 코일과 연결된 전선으로 전송된 전력량을 디지털 전압계(V)를 이용하여 측정하여 비교함.

다. 옻칠에 따른 차폐 유무 확인

- 목재의 처리 방법(일반 목재, 페인트칠 목재, 옻칠 목재)에 따른 상자의 전자파 차단 기능 확인

- 엘리베이터와 같이 사방이 완전히 막힌 상자(가로 18cm × 세로 12cm × 높이 5cm) 안에 스마트폰을 넣고 전화를 걸어서 전파의 차단 여부를 확인함.

3. 칠의 종류의 따른 유해물질 방출량 측정

- 디지털 포름알데히드 측정기를 이용하여 다양한 목재(일반 목재, 페인트칠

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목재, 옻칠 목재)에서 방출되는 포름알데히드의 방출량을 ppm단위로 측정함.

- 작은 방(가로 2m × 세로 3m × 높이 2m, 6m²)을 기준으로 1/10 배율로 축소한 모형을 우드락으로 제작함. 가로 15cm × 세로 20cm 크기의 목재를 넣은 뒤 포름알데히드의 방출량을 측정함. 그 결과를 친환경 가구의 기준과 비교함.

4. 옻칠 가구의 친환경 퍼니치 제작 및 가능성 탐구 가. 무선 전력 전송 패드를 장착한 옻칠 가구 제작

- 허니콤 구조를 가지고 있는 상판을 제작함. 상판에 하부 다리를 연결하여 협탁을 제작함. 가구 전체에 옻칠을 함.

- 상판 내부에 무선 전력 전송 패드를 장착하여 친환경 퍼니치를 완성함.

나. 제작한 옻칠 가구의 전력 전송량 확인

- 옻칠한 판과 아크릴판을 비교하여 옻칠한 퍼니치 가구가 무선충전이 되는지 확인함.

연구성과

원목을 이용하는 가구의 경우 제작과 판매 과정에서 많은 양의 나무를 낭비하게 되는 단점이 있다. 또한 무거운 원목의 경우 운반하는 과정에서 낭비되는 화석 연료의 양도 많다. 친환경 가구의 경우 목재의 생산 및 가공, 가구의 제작, 판매, 유통, 폐기의 전 과정에서 친환경적이어야 한다. 본 연구 결과, 목재의 내부를 빈 공간으로 만들어서 무게를 줄이고 허니콤 구조를 적용하여 강도를 높여서 친환 경 가구를 제작하는 데에 도움을 줄 수 있으며, 친환경 퍼니치를 제작하는 과정에 전통 도료인 옻칠을 적용할 수 있다는 가능성을 확인하였다.

주요어

(Key words) 퍼니치, 옻칠, 무선 전력 전송, 친환경 가구

< 연구 결과보고서 >

1. 개요 □ 연구환경

○ 시흥매화고등학교는 2010년에 과학중점학교로 지정되어 2011년부터 현재까지 과학중 점학교 과정을 진행하고 있으며, 학생들이 과학과 기술의 중요성을 인식하고, 실생활과 관련된 문제 상황을 파악하여 해결할 수 있는 과정을 스스로 구성하고 탐구하는 수업을 진행하고 있다. 현재 우리는 환경과 생물을 좋아하는 학생들이 모여 환경동아리 GOM을 구성하여 항상 연구가 가능한 환경 속에서 탐구 활동을 진행하고 있다.

□ 연구동기

○ 무선 충전 가구 ‘퍼니치(FurniQi)’의 탄생

- IT 업계의 새로운 트렌드로 자리잡고 있는 무선 충전 기능이 모바일 기기 뿐만아니라 가전제품이나 가구 등으로 그 영역을 확장하고 있다. 최근 글로벌 가구 회사로 유명하고 우리나라에 대규모의 판매 시설을 만들면서 많은 한국 대중에게 이름을 알린 이케아 (IKEA)가 무선 충전 가구들을 선보였다. 이러한 가구들은 삼성, LG 뿐만아니라 전세계 전자기기 업체가 무선충전 표준을 정하여 브랜드로 만들어낸 Qi 규격을 준수하고 있다.

싼 가격으로 유명하며 다양한 디자인의 가구를 선보이고 있는 이케아에서 개발된 형태와 다르게, 한국적이면서도 환경 오염에 영향을 덜 끼치는 가구를 제작할 필요가 있다고 생각하였다.

○ 국내 가구 동향 파악

- 최근에 대규모 건축, 가구 가전 박람회를 사전 조사하여 확인한 결과 원목의 가구, 친환경 브랜드, 감각적 디자인을 내세우는 가구들이 대부분이었으며, 퍼니치를 찾아보기 는 어려웠다.

그림 1. 2016 하우징 브랜드 페어 사전조사 - 전시 가구 및 원목 상판이 주를 이룸.

국내 친환경 가구의 선두 주자라고 할 수 있는 리바트의 가구 제작 과정을 조사하여 가구의 생산, 유통, 판매, 제거의 모든 순간에서 친환경으로 이루어져야만 한다는 것을 확인하였다. 목재의 무게를 줄이는 과정이 운송 단계에서 화석 연료를 적게 사용할 수 있는 방안이기도 하며, 가구 제작 과정에서 나무로부터 얻어지는 목재의 양을 줄이면서도 강도가 높은 가구를 제작하는 방법에 대해서 고민하였다. 목재의 양을 줄이기 위해서 판자의 속을 비우고 벌집구조로 빈속을 채워서 강도를 높이고, 목재가 포함되지 않는

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공간에 무선 충전기를 직접 가구에 내장할 수 있는 친환경 가구를 제작할 수 있을 것이라 고 생각하였다. 또한 최근 유럽에게 각광받고 전자파를 차단하는 것으로 알려져 있는 우리 전통의 옻칠 도료를 이용하여 퍼니치를 제작할 수 있는 가능성이 있는지 연구하고자 생각하였다.

□ 연구목적

○ 허니콤 구조물을 제작하고 무게에 따른 강도를 측정할 수 있다.

○ 옻칠을 적용한 목재의 무선 전력 전송량 및 전자파 차단 효과를 확인할 수 있다.

○ 칠의 종류에 따른 유해물질의 방출량을 측정할 수 있다.

○ 옻칠 가구의 친환경 퍼니치를 제작하고 가능성을 확인할 수 있다.

□ 연구범위

연구 범위 진행 단계(월)

STEAM 5 6 7 8 9 10 11

1. 연구 진행 회의 및 이론적 배경 조사 S

2. 전통 옻칠 공예 체험학습 및 자료 수집 A

3. 허니콤 구조물의 제작 및 강도 측정 TEM

4. 옻칠 목재의 무선 전력 전송량 및 전자파 차단 확인 STEM

- 전구의 밝기를 이용한 전력 전송량 확인(1차) ST

- 코일 사이 물체의 종류에 따른 무선 전력 전송량 확인(2차) SEM

- 옻칠에 따른 차폐 유무 확인 ST

5. 목재의 종류의 따른 유해물질 방출량 측정 S

6. 옻칠 가구의 친환경 퍼니치 제작 및 가능성 탐구 STA

- 무선 전력 전송 패드를 장착한 옻칠 가구 제작 SA

- 제작한 옻칠 가구의 전력 전송량 확인 ST

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구 1) 퍼니치(FurniQi)

무선 충전 표준이 가구에 접목된 것을 퍼니치 라고 한다. 가구를 뜻하는 Furniture 와 무선 충전 기술의 표준규격을 의미하는 Qi가 합쳐진 용어이다. Qi란 2008년 네 덜란드의 ‘필립스’사와 일본 ‘소니’사가 주축이 되어 ‘삼성’, ‘LG’ 등 전 세계 150여 개 업체가 참여한 무선 전력 컨소시엄(WPC)의 무선 전력 표준 인증 브랜드다. ‘치

(Chee)’라고 읽고,Qi’로 표기한다.

2008년 설립된 WPC(Wireless Power Consortium)는 2009년 8월, 5W급 무선충전 규격인 ‘Qi 1.0’을 발표하였다. 5W급 무선충전 규격인 ‘Qi 1.0’은 2015년 상반기까지 개정을 거듭하여 전송거리 5mm미만의 거리에서 자기유도 방식으로 스마트폰을 충 전할 수 있는 무선충전 시스템이 상용화될 수 있도록 하였다. 하지만 스마트폰의 사용량이 증가하고 그에 따라 배터리의 용량도 함께 증가함에 따라 고속충전에 대 한 요구가 커지게 되었다. 또한, 전송거리 확장과 코일 간의 정렬에 대한 자유도 확 보에 대한 기술적 제약을 극복하기 위한 노력을 반영하기 위해 2015년 2월 WPC는 스마트폰 무선충전기기에 고속충전 기능을 제공하기 위해 전송전력을 15W까지 증 가시키고, 5mm 미만에 머물렀던 전송거리를 최대 45mm까지 확장시킬 수 있으며, 하나의 인버터로 다수개의 스마트폰을 동시에 충전할 수 있는 다중충전 기능을 제 공할 수 있는 기술적 내용을 포함하는 ‘Qi 1.2’ 규격을 제정하겠다고 발표하였다.

그림 2. 퍼니치

2) 허니콤 구조(honey-comb structure)

벌집 구조라는 뜻으로 가볍고 굽힘이나 압축에 강하기 때문에 종이, 플라스틱판, 알루미늄이나 박판 등에 흔히 채용된다. 벌집의 육각형은 최소한의 재료로 최대한 의 공간을 확보하는 가장 경제적인 구조다. 동시에 가장 균형 있게 힘을 배분하는 안정적인 구조이기도 하다. 정육각형 모양의 구조물은 평면에 서로 붙여놓았을 때 변이 맞닿아 있어 빈틈이 없기 때문이다. 물론 정삼각형, 정사각형도 틈이 생기지 않기는 마찬가지다. 하지만 정삼각형의 경우 벽면을 이루는 재료가 많이 필요하고 공간도 좁다. 또 정사각형은 외부의 힘이나 충격이 분산되지 않아 쉽게 비틀리거나 찌그러져 변형되기 쉽다. 그러나 속이 빈 정육각형은 외부의 힘이 쉽게 분산되는 구조여서 안정적 이다.

그림 3. 허니콤 구조(honey comb structure)

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3) 옻칠

옻나무의 수지를 정제해 만든 흑색 도막으로 주로 목재 위에 발라서 목재를 보호 하고 광택을 내는데 쓰인다. 건조하면 다른 것과 섞이지 않으므로 보존상 기능이 매우 우수하다. 이러한 옻칠의 경우 일상용품에 적용되어 주목을 끌고 있는데 그 이유는 바로 전자파 차단 기능을 가지고 있기 때문이다. 연구결과 통영 옻칠 제품 이 유해 전자파를 최대 70%까지 차단할 뿐 아니라 뛰어난 항균력과 항곰팡이 능력 에다 원적외선까지 다량 방사됨이 효능시험을 통해 과학적으로 규명됐다. 통영시는 통영나전칠기의 바탕칠인 옻칠의 효능에 대해 구전과 문헌으로만 전해지는 방습, 살균ㆍ살충력의 객관적, 과학적인 데이터를 확보하기 위해 최근 한국 산업기술시험 원 등을 통해 효능 시험을 실시했다고 밝혔다. 옻칠을 핸드폰케이스에 적용한 제품 이 판매되고 있다.

구채옻칠은 전통옻칠의 효과는 그대로 살리면서 사용성을 높인 개량제품이다. 전 통옻칠과 달리 상온에서 고속건조가 가능하여 일상에서 쉽게 사용가능하고 칠했을 때의 결과물 또한 전통옻칠 그대로의 깊은 색상을 구현할 수 있다. 옻칠의 기능적 장점을 살리면서도 시중의 페인트와 동일한 수준의 색상을 구현할 수 있고 옻칠의 장점을 유지하면서도 시중에서 판매되는 도료의 수준으로 가격을 낮추어 쉽게 구할 수 있다. 습도 및 온도에 의한 변화가 거의 없어 일반인들도 가정 및 공방에서 사 용이 가능하다. 건조시간 또한 제품에 따라 2시간에서 20시간 정도로 일반 옻칠에 비하여 매우 짧다.

그림 4. 전통 옻칠 공예품 및 구채 옻칠

4) 무선전력전송

무선 전력 전송((Wireless Power Transmission: WPT)은 물리적인 도선 없이 전력 을 전송 할 수 있는 기술을 가리킨다. 언제 어디서나 무선 어댑터만 있으면 인터넷 에 접속할 수 있는 와이파이 기술에 비유해 와이파워 라고도 한다.

무선 충전은 휴대폰 등의 소형 전자 제품을 별도의 충전 어댑터나 전원케이블과 연결하지 않고 충전패드 (거치대)에 올려놓기만 하면 자동으로 2차전지가 충전이 되는 기술을 말한다. "비접촉 충전"이라고도 한다. 무선충전은 크게 전자기 유도를 이용하는 것과 자기공명을 이용하는 두 가지로 나뉜다.

그림 5. 무선 전력 전송 장치 및 원리

가) 자기 유도 방식 : 자기유도 방식은 전력 송신부 코일에서 자기장을 발생시 키면 이 자기장이 수신부의 2차 코일에 유도돼 전류를 공급하는 전자기 유도 원리를 이용한 기술이다. 코일이 근접거리에 위치해야 가능한 방식이다. 자기유 도 방식은 전력 전송 효율이 90% 이상으로 매우 높은 장점이 있지만, 수 cm 이상 떨어지거나 송신코일과 수신코일의 중심이 정확히 일치하지 않으면 전력 이 거의 전송되지 않을 정도로 효율이 급격히 저하된다는 문제점이 있다. 콘센 트에 꼽지만 않았을 뿐 유선을 이용한 충전과 마찬가지이다.

나) 자기 공명 방식 : 공진 유도 혹은 자기공명 방식으로 불리는 기술이다. 송신부 코일에서 공진주파수로 진동하는 자기장을 생성해 동일한 공진 주파수로 설계 된 수신부 코일에만 에너지가 집중적으로 전달되도록 하는 것이 공진유도 방식 의 원리이다. 즉, 수 MHz에서 수십 MHz 대역의 주파수를 사용하여 자기적 공 명을 이루어 전력을 전송하는 기술이다. 일으키면서 배터리를 충전하는 방식이 고 자기 공명 방식은 1-2m 떨어진 송수신단에 동일한 주파수로 전력을 보내 충 전을 하는 방식이다.

5) 친환경 가구

친환경 가구란 인체에 무해한 대표적인 성분인 포름알데히드와 휘발성 가스등의 함류량이나 분출량이 극히 미미하여 인체에 무해한 가구를 의미한다. 일반 원목가 구와는 달리 대부분의 가구는 톱밥을 고온·고압으로 쪄내는 가공목재를 사용한다.

이때 사용하는 접착제에서 포름알데히드가 방출된다. 단위 면적당 방산되는 포름알 데히드를 측정해 이를 SE0(~0.3mg/L), E0(0.3~0.5㎎/L), E1(0.5~1.5mg/L) 등급 등으 로 나누는 것을 데시케이터법이라 부른다. 국내에서는 산업부 산하 국가기술표준원 에서 포름알데히드의 방출량 1.5mg/L 이하의 제품에 대해서만 실내 가구용으로 사 용하도록 강제하고 있다. E1 등급의 자재가 이에 해당하는 것으로 한샘, 현대리바 트, 퍼시스 등 국내 유수의 가구업체는 모두 이 기준을 만족하고 있다. 친환경 자재 를 사용하여 만든 친환경 가구들은 여러 심사를 거쳐 친환경 인증마크를 부여받는 다. 환경부에서 지정하는 친환경 인증마크, 국제 기준인 그린가드 마크, IOS 14001 인증마크가 대표적인 친환경 인증마크이다.

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그림 6. 친환경 인증마크, 그린가드 인증마크, IOS 14001 인증마크, KC 등 환경 인증 마크

가) 친환경 재료의 의미

친환경이란 자원을 보호하고 합리적으로 이용하며 자연 환경의 오염과 파괴를 방지하는 행위이며, 인간과 자연에 대한 존중으로 유리한 환경 조건을 만들기 위 한 재료를 친환경 재료라 한다. 즉 자연환경을 보존하고 사용자의 건강을 저해하 지 않는 재료를 의미한다.

최근 소비자들의 생활수준과 건강에 대한 의식수준이 향상되고 쾌적한 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 주거공간을 구성하는 가구재에 관심이 높아지고 있 다. 가구재는 주재료와 부재료로 나뉘는데, 주재료에는 목재(느티나무, 은행나무, 단풍나무, 느릅나무, 소나무 등), 보드류(합판, MDF, HDF, PB 등) 그리고 부재료 에는 도료(페인트, 래커, 바니시, 스테인 등)가 있다. 친환경 도료의 장점은 건강적 측면, 기능적 측면, 환경적 측면, 비용적 측면으로 나누어 볼 수 있는데 건강적인 측면에서는 중금속과 휘발성 유기화합물을 사용하지 않아 인체무해하며, 페인트 의 역한 냄새가 나지 않아 쾌적한 생활공간을 유지할 수 있다.

기능적인 측면에서는 내구성, 내후성, 내알칼리성, 발수성, 통기성이 우수하여 유 해한 곰팡이, 결로, 진드기 등을 예방할 수 있다. 또한 환경적인 측면에서는 물에 분해되는 환경 친화적인 수용성 도료이며, 비용적인측면에서는 일반 도료보다 고 가이나 적은 양으로 넓은 면적을 도장할 수 있어 경제적이다.

그림 7. 페인트의 종류

나) 유기화학물질

가구재에는 Table 1과 같이 많은 유기화학물질이 있지만, 그 중 휘발성 유기화 합물과 포름알데히드가 대표적인 유해화학물질이다. 유기화합물은 실내외 공기 중 에 존재하는 수많은 종류의 유기화합물질로, 오존을 생성시키고 일부 물질은 사람 에게 암을 유발하는 유해물질이다. 포름알데히드는 무색의 자극적인 가스로 기준 농도는 0.1 ppm에서 0.08 ppm 범위에 있으며 그 방출량에 따라 E1, E0, SE0 등급 으로 나뉘어 SE0에 가까울수록 자연 친화적인 소재에 가깝다. 또한, 국내에서는 E1, E0 등급까지 친환경 소재로 인정한다. 포름알데히드는 인체에 대한 독성이 매 우 강하여 공기 중 10ppm미만의 농도만으로도 심한 기관지 자극과 호흡 곤란 등 을 일으키게 되는 발암성 물질이다. 주요발생원인은 합판 제조물, 석유정제물 등에 서 발생하며 최근에는 건축자재에 쓰이는 접착제, 단열재, 실내가구 등에서 발생하 여 문제가 되고 있다.

그림 8. 오염원에 따른 발생원인과 인체에 미치는 영향

□ 연구주제의 선정

○ 연구 문제의 착안점

- 무선 충전 표준이 가구에 접목된 것을 퍼니치라고 한다. 유럽 최대 가전 전시회인

‘IFA 2015’에서 무선 충전기 제품으로 유명한 영국의 폰세일즈맨사가 개발하여 선보인 테이블 퍼니치가 참관객들의 호평을 받았다는 기사를 보게 되었다. 이 회사가 개발하여 선보인 테이블 퍼니치의 경우 테이블의 한 쪽으로 Qi가 호환되는 디바이스를 올려놓을 수 있도록 위치가 새겨져 있으며 이곳에 전자기기를 올려놓았을 때 충전이 된다고 한다. 기사를 접하고 국내에서 열리는 건축 가전가구 전시회를 사전 조사한 결과 국내에서 선보이고 있는 퍼니치는 거의 찾아보기 어려웠다. 따라서 목재의 양을 줄이기 위해 판자의 속을 비우고 벌집구조로 채운 뒤 (중량을 감소시켜 운송을 용이하게 함) 나머지 공간에 무선 충전 기기를 넣는 가구를 개발한다면 테이블, 옷장, 선반, 책상 등 다양한 가구에 이용할 수 있을 것이라고 생각하였다. 최근 셀프 인테리어 열풍으로 인하여 ‘친환경 퍼니치 ’를 DIY 키트로 제작이 가능하다면 창업 아이템으로 이어지는 효과도 볼 수 있을 것이라고 생각하였다.

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그림 9.폰세일즈맨사가 선보인 테이블 퍼니치

- 여비진 아카데미 전통 옻칠 체험 : 여비진 아카데미 전통 옻칠 체험 교실에 참여하여 다양한 작품을 감상하고 옻칠과 관련된 지식을 얻을 수 있었다. 특히 교수진과 대화를 통해서 실험의 오류와 방향을 잡을 수 있었으며, 자문 역할을 맡아서 진행해주기를 요청드리기도 하였다. 옻칠에 대한 지식이 부족하여 필요했던 우리는 직접 전문적으로 옻칠을 사용하는 공방에 가서 옻칠에 대한 지식을 넓히고 체험하였다.

그림 10. 옻칠 횟수 및 색조를 이용한 작품들

○ 학생 주도 관련 선행연구 조사

연도 연구한 인물 주제 연구내용

2008 배지훈, 한정완

달갈판과 폐목재를 재활 용한 친환경 가구디자인 연구

기존의 친환경 가구를 비교 분 석하고 재활용품을 이용한 디 자인을 제시함.

2013 이상일 외 1명 현대가구의 친환경 재료 에 관한 연구

친환경 재료의 의미와 현대가 구의 적용 범위를 연구하고 소 재의 중요성을 설명하고 있음.

2014 송윤섭

전통목가구와 현대소재의 병치 혼합적 특성을 적용한 가구디자인 연구

한국 전통공예양식과 현재소재 를 연구하여 가구 디자인의 새 로운 정체성을 제시하고 있음. 2015 홍서라 외 2명

한국 IKEA 인테리어상품 의 소비자평가 및 선호도에 관한 연구

한국 유통업계와 소비자에게 큰 영향을 미치고 있는 이케아 의 인테리어 상품을 분석함.

○ 학생 활동 기반 연구 주제의 선정과정

1) 과학 기사를 통해 무선 충전 가구 퍼니치를 확인함. → 2016 경향 하우징 브랜드 페어에서 국내 가구에서 퍼니치를 찾아보기 어려움. → 국내에서 개발 과정이 필요하 다고 판단함.

2) 학생 환경 동아리 활동으로 친환경에 관심이 많았음. → 현대 가구의 친환경 제작 과정을 확인함 → 목재의 양을 줄여서 무게를 줄이는 과정이 친환경적인 제작 과정이 라고 함(운송 과정의 연료 절감). → 트러스 구조와 허니콤 구조 등의 외력에 강한 구조를 교내 무한상상캠프 구조물 대회에서 알게 됨. → 목재의 양을 줄이고 트러스 구조와 벌집 구조를 내장한 상판을 제작하고자 함. → 상판의 빈 공간에 무선 전력 전송 패드를 넣기가 용이할 것이라고 판단함.

그림 11. 교내 무한상상캠프 내 발사목을 이용한 구조물 제작 및 강도 측정 과정

3) 최근 유럽 시장에서 각광받고 있는 옻칠 도료를 기사로 확인함 → 전자파 차단 효과가 있으므로 옻칠 가구를 퍼니치로 제작할 경우 영향을 미치는 확인하고자 함.

→ 옻칠과 유사한 전통 도료 중 황칠이 있다는 것을 확인하고 황칠의 효과를 파악하여 옻칠과 비교하고자 함.

화학 교사 자문 : 전통 도료로 옻칠과 황칠이 최근 기사에서 자주 언급이 되고 있음. 하지만 일반 적으로 가격이 비싸서 고등학교 수준에서 쉽게 연구하기 어렵다고 함.

□ 연구 방법

○ 벌집의 구조를 모방한 구조물 제작 및 강도 측정 : 발사목을 이용하여 다양한 구조물을 제작하고 강도를 측정

- 다양한 형태(기본 구조, 허니콤 구조, 3겹 합판 구조, 트러스 구조, 원형 허니콤 구조)를 적용한 구조물 만들고 강도를 비교함.

기법 및 공동지도교사 자문 : 압력 센서를 이용하여 힘(N)을 측정하고 디지털 질량계로 질량(g)을 측정하여 질량 당 힘(N/g)으로 효율을 계산을 계산할 수 있음.

○ 옻칠을 적용한 목재의 무선 전력 전송량 및 전자파 차단 확인 : 전자기 유도 방식의 무선 전력 전송 장치를 이용하여 전력의 전송량 확인

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1) 전구의 밝기를 이용한 전력 전송량 확인(1차)

- 암상자 내에서 2차 코일과 연결된 전구의 밝기를 Light sensor로 측정하여 무선 전력 전송량을 비교함.

문제점 : 암상자 내에서 전구의 밝기를 측정할 때 상자의 구조로 인하여 외부의 빛이 내부로 들어 가서 정확한 측정이 어려움.

지도교사 자문 : 간접적인 방법으로 측정하기보다 직접적으로 측정할 수 있는 방법으로 흔히 물리 실험에서 사용하는 전압계를 이용하여 측정하도록 조언함. 전자파의 차단이라는 것이 어떤 것인지 조언을 구할 수 있는 교사 및 교수를 찾는 것이 좋겠음.

2) 코일 사이 물체의 종류에 따른 무선 전력 전송량 확인(2차)

문제점 : 철판, 유리판, 아크릴 판, 일반 목재, 옻칠 목재의 두께에 미세한 차이가 있음.

공동지도교사 자문 : 실제 옻칠이 전자파를 차단하는지 확실히 알기 위해서는 옻칠 성분 중 자화 를 일으키는 성분이 있는지 알아야함. 전자파의 통과가 어려운 이유가 두께에 있을 수 있음.

3) 옻칠에 따른 차폐 유무 확인

- 목재의 처리 방법(일반 목재, 페인트칠 목재, 옻칠 목재)에 따른 상자의 전자파 차단 기능 확인함.

- 엘리베이터와 같이 사방이 완전히 막힌 상자(가로 18cm × 세로 12cm × 높이 5cm) 안에 스마트폰 을 넣고 전화를 걸어서 전파의 차단 여부를 확인함.

○ 목재의 종류의 따른 유해물질 방출량 측정

- 디지털 포름알데히드 측정기를 이용하여 다양한 목재(일반 목재, 페인트칠 목재, 옻칠 목재)에서 방출되는 포름알데히드의 방출량을 ppm단위로 측정함.

- 작은 방(가로 2m × 세로 3m × 높이 2m, 6m²)을 기준으로 1/10 배율로 축소한 모형을 우드락으로 제작함. 가로 15cm × 세로 20cm 크기의 목재를 넣은 뒤 포름알데히드의 방출량을 측정함.

그 결과를 친환경 가구의 기준과 비교함.

○ 옻칠 가구의 친환경 퍼니치 제작 및 가능성 탐구 1) 무선 전력 전송 패드를 장착한 옻칠 가구 제작

문제점 : 일반 옻칠의 경우 잘 마르지 않는 단점이 있음.

전문가 자문 : 전통 옻칠의 경우 전용 옻칠장이 필요함. 일반적으로 25^oC이상의 온도, 80% 이상의 습도가 유지되는 상태여야 옻이 마르게 됨. 구채 옻칠의 경우 잘 마르지만 생칠에 비해서 우루시 올 성분의 양이 현저히 적음. 옻칠장의 역할을 대체할 것이 필요함.

그림 12. 옻칠장을 대체할 미니 옻칠장 제작

2) 제작한 옻칠 가구의 전력 전송량 확인

□ 연구 활동 및 과정

○ 허니콤 구조물의 제작 및 강도 측정

1) 가설 : 허니콤 구조의 발사목 상판이 질량 당 강도가 높을 것이다.

2) 실험 설계

- 다양한 형태(기본 구조, 3겹 합판 구조, 허니콤 구조, 트러스 구조, 원형 허니콤 구조)를 적용한 구조물 만들고 강도를 비교함.

독립변인

종속변인

통제변인 조작변인

구조물의 두께(7mm), 구조물의 크기(20cm × 10cm)

발사목 상판의 내부 구조 (기본 구조, 3겹 합판 구조, 허니콤 구조, 트러스 구조, 원형 허니콤 구조)

내부구조에 따른 강도의 차이

3) 실험 과정

가) 강도 측정 모형 실험에서 많이 사용되는 발사목을 이용하여 7mm두께의 발사목 상판(기본 구조, 3겹 합판 구조, 허니콤 구조, 트러스 구조, 원형 허니콤 구조)을 제작한다.

- 기본 구조는 7mm 두께의 발사목(20cm × 10cm)이며, 3겹 합판 구조는 두께 가 2mm, 3mm, 2mm 발사목 상판을 목공용 본드로 붙인 것이며, 허니콤 구조는 2mm 두께의 발사목 상판에 3mm의 발사목을 붙인 것이며, 트러스 구조는 내부 를 삼각형으로 붙인 것이고, 원형 허니콤 구조는 3mm 두께의 발사목 상판에 벌 집의 형태로 원형 구멍을 낸 뒤 제작한 것이다.

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그림 13. 기본 구조, 3겹 합판 구조, 허니콤 구조, 트러스 구조, 원형 허니콤 구조

나) 각각의 구조물을 질량계로 질량(g)을 측정한다.

다) MBL 압력센서를 이용하여 강도(N)를 측정한다.

그림 14. 질량 측정(g) 및 강도 측정(N) 장면

시행착오 : 허니콤 구조의 설계 및 제작이 어려움. 발사목을 같은 길이로 하나하나 자르고 도형의 구조를 고려하여 양을 계산하고 각도에 맞춰 붙이는 작업이 번거로움.

교수 자문 : 공장에서 벌집 구조를 적용한 가구를 만들게 되면 공정과정에서 시간이 오래 걸리고, 번거로워 만들려 하지 않을 것임.

해결 방안 : 고민 끝에 나무에 구멍을 뚫는 형식의 허니콤 변형 구조를 만들게 됨. 실제로 허니콤 변형구조를 적용한 제품들이 대중들에게 팔리고 있다고 함.

○ 옻칠을 적용한 목재의 무선 전력 전송량 및 전자파 차단 확인 가. 전구의 밝기를 이용한 전력 전송량 확인(1차)

1) 가설 : 옻칠 목재에서 전구의 밝기가 더 어두울 것이다.

2) 실험설계

- 2차 코일과 연결된 전구의 밝기(lux)를 Light sensor로 측정하여 무선 전력 전송량을 비교함.

그림 15. 옻칠 목재 유무에 따른 빛의 세기(lux) 측정

독립변인

종속변인

코일 사이 거리(2.2cm), 측정 하는 상자의 면적, 센서와 전구 사이의 거리,

센서 종류(조도센서), 장애물의 두께

옻칠의 유무 (전송 방해물 제거, 일반 목재,

옻칠 목재)

목재에 따른 빛의 밝기

시행착오 :

1. 목재가 없는 것은 목재 있을 때보다 상자의 면적이 넓어 수치가 가장 적게 나왔다. -> 두 개의 코일을 한쪽에 두고 같은 면적에서 실험을 진행함.

2. 센서의 위치에 따라 결과가 다르게 나옴 -> 센서를 일정한 곳에 고정시킨 후 측정함.

3. 자기장 센서도 사용하여 자기장의 변화량을 측정하였으나 측정값의 오차가 매우 커서 자기장센 서를 결과에 제시하지 않음.

1) 가설 : 옻칠 목재의 무선 전력 전송에 의한 전구의 밝기가 더 어두울 것이다.

2) 실험설계

- 철판, 유리판, 아크릴 판, 일반 목재, 옻칠 목재를 준비함.

- 코일 사이에 설치한 4mm 두께의 장애물(철판, 유리판, 아크릴 판, 일반 목재, 옻칠 목재)에 따른 전력 전송량 확인

독립변인

종속변인

코일 사이의 거리, 건전지의 전압(7V)

장애물의 종류 (아크릴 판, 철판, 유리판, 일반

목재, 옻칠 목재)

장애물의 종류에 따른 무선 전력 전송량(V)

그림 16. 철판, 유리판, 아크릴 판, 일반 목재, 옻칠 목재

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시행착오 : 측정을 할 때마다 결과가 다르게 나옴. -> 여러 번 측정 후 평균값을 냄.

1) 가설 : 옻칠을 한 상자가 전자파를 차단하여 전화 수신이 되지 않을 것이다.

- 옻칠한 상자의 전자파 차단 기능 확인

- 옻칠이 전자파를 차단한다는 사실을 접하고 옻 속의 어떤 성분 때문에 전자파를 차단하는 것인지를 확인하려 함

2) 실험설계

- 엘리베이터와 같이 사방이 완전히 막힌 상자(가로 18cm × 세로 12cm × 높이 5cm) 안에 스마트폰(갤럭시 A7 2016)을 넣고 전화를 걸어서 전파의 차단 여부를 확인함.

독립변인

종속변인

상자의 크기 (18cm × 12cm × 5cm),

스마트폰의 종류 (갤럭시A7 2016),

도료의 종류 (일반 MDF, 페인트칠 MDF,

옻칠 MDF)

도료의 종류에 따른 수신 유무

그림 17. 목재에 바른 도료 및 측정 과정

시행착오 : 직접 전화를 받아 음질 등은 확인할 수 없었음 -> 수신의 유무만 확인

- 친환경 가구가 되기 위해서는 포름알데히드의 양이 그 기준에 맞아야 하므로 옻칠한 가구에서 방출되는 포름알데히드의 양을 확인함.

1) 가설 : 옻칠한 목재에서 방출되는 포름알데히드의 양이 더 적을 것이다.

2) 실험설계

- 목재에 칠을 3번씩 진행하여 일반 목재, 페인트칠 목재, 옻칠 목재를 준비함.

- 디지털 포름알데히드 측정기를 이용하여 다양한 목재(일반 목재, 페인트칠 목재, 옻칠 목재)에서 방출되는 포름알데히드의 방출량을 ppm단위로 측정함.

- 작은 방(가로 2m × 세로 3m × 높이 2m, 6m²)을 기준으로 1/10 배율로 축소한 모형을 우드락으로 제작함. 가로 15cm × 세로 20cm 크기의 목재를 넣은 뒤 포름알데 히드의 방출량을 측정함. 그 결과를 친환경 가구의 기준과 비교함.

독립변인

종속변인

우드락 박스의 크기 (20cm × 30cm ×20cm),

측정 시간(20분),

목재의 종류

(일반 목재, 페인트칠 목재, 옻칠 목재)

목재의 종류에 따른 포름알데히드 방출량(ppm)

그림 18. 상자 내부, 일반 목재, 페인트칠 목재, 옻칠 목재

시행착오 : 주변 환경에 영향을 많이 받아서 대조군 값이 크게 나타남. -> 2차 실험 실시.

○ 옻칠 가구의 친환경 퍼니치 제작 및 가능성 탐구 가. 무선 전력 전송 패드를 장착한 옻칠 가구 제작

1) 가설: 허니콤 구조와 무선 충전 기능이 있는 퍼니치를 제작할 수 있을 것이다.

2) 실험설계

- DIY 키트로 제작할 방안 모색하기 - 설계도 그리기

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3) 실험과정

가) 나무 다리(가로 27cm × 높이 40cm)와 나무 상판(가로 29cm × 세로 40cm)를 준비하 고 기본 틀을 제작한다.

그림 19. 협탁 기본 틀 제작 과정

나) 허니콤 구조로 만들 2mm 두께의 나무조각을 절단하고 빈틈을 최소로 하기 위해 사포로 간다.

그림 20. 상판 허니콤 구조 제작 과정

나) 허니콤 구조를 넣은 협탁에 구채옻칠을 칠한다.

다) 옻칠 협탁에 무선 충전기를 설치한다.

그림 21. 전통 옻칠 가구 제작 및 무선 충전 패드 장착

시행착오 : 협탁을 생칠로 칠하려 하였지만 옻칠이 마를 수 있는 환경적 요인을 충족시키지 못함.

-> 생칠을 대신하여 구채옻칠을 사용하였다.

나. 제작한 옻칠 가구의 전력 전송량 확인

1) 가설 : 옻칠한 퍼니치에서 무선 충전량에 차이가 없을 것이다.

2) 실험설계

- 옻칠목판과 아크릴판을 무선 충전기에 올려놓고 충전이 되는지 확인한다.

그림 22. 옻칠 목재와 아크릴 판

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 벌집의 구조를 모방한 구조물 제작 및 강도 측정

: 발사목을 이용하여 다양한 구조물을 제작하고 강도를 측정

- 다양한 형태(기본 구조, 3겹 합판 구조, 허니콤 구조, 트러스 구조, 원형 허니콤 구조)를 적용한 구조물 만들고 강도를 비교함.

기본 구조 3겹 합판구조 허니콤 구조 트러스 구조 원형 허니콤 구조 압력강도(N) 562.8 978.6 768.2 273 142

질량(g) 24.78 28.47 26.07 22.56 19.73

효율(N/g) 22.71 34.37 29.47 12.1 7.2

그림 23. 발사목 상판 구조에 따른 질량 당 강도 측정 그래프

- 결과 : 질량(g)은 원형 허니콤 구조가 가장 가벼웠으며, 트러스구조 < 기본 구조 <

허니콤 구조 < 3겹 합판 구조 순으로 나타났다. 압력강도(N)는 3겹 구조가 가장 높게 나타났으며, 허니콤 구조 > 기본 구조 > 트러스 구조 > 원형 허니콤 구조 순으로 나타났다.

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효율(N/g)을 비교해본 결과 3겹 합판 구조 > 허니콤 구조 > 기본 구조 > 트러스 구조

> 원형 허니콤 구조 순으로 좋게 나타났다. 허니콤 구조의 경우 원목에 가까운 기본 구조에 비해서 효율적 측면에서 이점이 있는 것으로 나타났으며, 3겹 합판 구조의 경우 목공용 접착제의 접착력에 의해서 강도가 매우 높아진 것으로 생각된다.

○ 옻칠을 적용한 목재의 무선 전력 전송량 및 전자파 차단 확인

- 옻칠의 경우 전자파를 차단 할 수 있다는 연구결과가 있으므로 전력 전송 유무를 확인

- 전구의 밝기, 디지털 전압기, 차폐 유무, 포름알데히드 방출량 등을 확인

가. 전구의 밝기를 이용한 전력 전송량 확인(1차)

- 2차 코일과 연결된 전구의 밝기를 Light sensor로 측정하여 무선 전력 전송량을 비교함.

빛 차단(대조군) 목재 없음 일반 목재 옻칠 목재

빛의 밝기

(lux) 2.5 84.88 78.24 75.86

빛의 밝기 보정값

(측정값 - 대조군값) 82.38 75.74 73.36

그림 24. 목재의 유무에 따른 빛의 밝기 그래프

- 결과 : 자기 유도 방식 무선 전력 전송 과정에서 1차 코일로부터 2차 코일로 옮 겨진 전력량을 빛의 밝기로 측정하였다. 빛의 밝기가 일반 목재와 옻칠 목재가 큰 차이(2.38 lux)를 보이진 않았으나 코일 사이에 놓인 목재가 옻칠이 되어 있을 때 전송량이 다소 떨어지는 것으로 보인다. 밝기에 따른 전송량의 경우 옻칠의 두께 에 영향을 크게 미치고 있다는 것을 알 수 있었다.

장애물 없음 철판 유리판 아크릴판 일반 목재 옻칠 목재

평균

전송량 (V) 2.610 0 2.408 2.427 2.430 2.412

그림 25. 코일 사이 물체의 종류에 따른 무선 전력 전송량 그래프

- 결과 : 1차 코일과 2차 코일 사이에 장애물이 없는 것이 무선 전력 전송량에서 가장 높게 나타났으나 철판을 제외하고 비슷한 수준의 값을 나타내었다. 특히 일 반 목재와 옻칠 목재 사이에서 자기 유도 방식의 무선 전력 전송량에서 큰 차이 를 보이지 않아서 옻칠을 도료로 사용한 가구에서의 퍼니치 제작에 가능성이 있 음을 확인하였다.

- 엘리베이터와 같이 사방이 완전히 막힌 상자(가로 18cm × 세로 12cm × 높이 5cm) 안에 스마트폰을 넣고 전화를 걸어서 전파의 차단 여부를 확인함.

도료의 종류 일반 나무 상자 옻칠 상자 페인트칠 상자

전파 수신 유무 O O O

- 결과 : 목재로 상자를 제작하여 틈을 은박지로 모두 막아서 전파를 차단하도록

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실험하였으나 3가지 경우 모두 차폐 현상을 보이지 않았다. 옻칠이 전자파를 차단하는 것으로 알려져 있으나 그 효과가 크지 않다는 것을 알 수 있었으며, 명확한 결론을 내리기 위해서는 추가 실험이 필요하다고 판단하였다.

- 디지털 포름알데히드 측정기를 이용하여 다양한 목재(일반 목재, 페인트칠 목재, 옻칠 목재)에 서 방출되는 포름알데히드의 방출량을 ppm단위로 측정함.

- 작은 방(가로 2m × 세로 3m × 높이 2m, 6m²)을 기준으로 1/10 배율로 축소한 모형을 우드락으 로 제작함. 가로 15cm × 세로 20cm 크기의 목재를 넣은 뒤 포름알데히드의 방출량을 측정함.

그 결과를 친환경 가구의 기준과 비교함.

목재의 종류 목재 없음(대조군) 일반목재 페인트칠한 목재 옻칠한 목재

포름알데히드의

양(ppm) 0.86 0.51 0.69 0.59

- 결과 : 공기 중 포름알데하이드의 양을 측정하는 실험에서 친환경 폐인트칠한 목재에 비해서 전통 옻칠을 한 목재가 있는 쪽에서 더 적은 양의 포름알데하이드가 검출되었 다. 대조군의 값이 비정상적으로 높은데 여러 차례 실험을 진행하면서 대조군 측정 시 오류가 있던 것으로 생각된다.

그림 26. 목재의 종류에 따른 포름알데하이드량 측정 그래프

○ 결론 : 실험결과를 종합해볼 때 목재에 옻칠을 적용했을 경우 무선 전력 전송량에서 소량 줄어들고 있으나 핸드폰 등을 무선 충전하는데 유선과 비슷한 시간 (50% 충전 시 1hr 30min)이 소요되는 것으로 보아서 옻칠을 적용한 퍼니치의 제작이 가능할 것으 로 판단된다. 다만 생칠을 1~2회 실시한 결과이므로 생칠의 두께에 따라서 전송량의

차이가 비례하게 증가하는지 확인할 필요가 있을 것으로 보인다. 또한 상판의 목재량을 감소시키고 강도는 최대한 유지할 수 있는 가구를 제작할 수 있을 것으로 보인다.

실제 가정용 문짝의 경우 허니콤 보드를 적용하여 제작하고 있으므로 이를 이용하는 것도 좋은 방법일 것이라 생각한다. 또한 최신 폰의 경우 무선 충전 기능이 내장되어 있으나 구형폰에 장착할 수 있는 다양한 케이스가 판매되고 있으므로, 가구의 제작 및 판매에서도 사업적으로 긍적적인 측면이 있을 것으로 보인다.

□ 시사점

실험 결과 허니콤 구조를 사용함으로써 목재의 양도 줄이고, 질량도 줄여 가공과 운송단계 에서 쓰이는 목재와 연료의 양을 줄일 수 있는 가능성을 확인하였고, 이 실험의 결과로 옻칠이 전자파를 차단하는 효과는 있지만 그 효과는 미미하다는 것을 알 수 있어 친환경 도료인 ‘옻칠’을 사용하여 무선 충전이 되는 퍼니치를 제작할 수 있는 가능성을 확인하였다.

또한 옻칠을 사용함으로써 우리나라 전통 가구의 특성을 살릴 수 있었으며 무선 충전기능을 접목시켜 현대 트랜드에 걸맞는 가구를 제작 할 수 있었다. 친환경 가구의 경우 목재의 사용량을 줄이고, 친환경 접착제를 사용해야하며, 중량이 가벼울 경우 운송에서 연료의 사용 량이 감소한다. 연구를 통해서 개발한 친환경 퍼니치의 경우 중량을 줄이고 강도를 높여서 친환경 적이며 우리 전통의 옻칠을 적용하여 색감 및 디자인의 향상 효과를 얻을 수 있을 것이다. 또한 옻칠을 적용한 친환경 퍼니치를 제작하는 것의 기초 정보를 제공할만한 연구 결과를 얻어냈다고 확신한다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 사후 활동

○ DIY 키트제작

- 이번 실험에서는 원목으로 가구를 제작하여 중량이 무겁게 되었지만 DIY 키트 제작에 성공한다면 중량이 가볍고 강도가 높은 가구를 제작할 수 있을 것이다. 또한 옻칠의 전자파 차단, 무선 전력 전송 및 차폐와 관련된 추가 실험을 진행하여 전국단위 대회에 나갈 수 있을 것이다.

○ ‘친환경 퍼니치’ DIY 키트의 특허 출원 및 사업화

- 기존의 가구에 비해서 중량이 가볍고 강도가 높은 친환경 퍼니치를 개발하고 DIY 키트화에 성공한다면 키트 디자인의 특허 출원이 가능하다. 이를 바탕으로 학생들이 창업의 아이템으로 제공할 수 있을 것이다.

□ 네트워크 활동

○ 교내 생물·환경 동아리에서 운영하는 카페와 페이스북을 이용해 친환경 가구에 대한 소개 활동과 옻칠을 적용한 친환경 퍼니치를 알리는 활동을 진행할 것이다.

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5. 참고문헌

○ 배지훈 외1명(2008),달걀판과 폐목재를 재활용한 친환경 가구 디자인 연구. 한국디자인 학회 국제학술대회 논문집

○ 송윤섭(2014). 전통 목가구와 현대소재의 병치 혼합적 특성을 적용한 가구 디자인 연구. 한국가구협 회지, 25(4), 268-276.

○ 홍서라 외2명(2015). 한국 IKEA 인테리어 상품의 소비자 평가 및 선호도에 관한 연구. 한국실내디 자인학회 학술대회논문집, 77-80.

○ 이상일, 김정호(2013). 현대 가구의 친환경 재료에 관한 연구. 한국가구학회지, 24(2), 208-216.

○ http://news1.kr/articles/?1824223(이론적 배경 중 리바트 가구)

○http://www.sciencetimes.co.kr/?news(무선 충전 방식의 통합이 이루어져야 퍼니치도 성장 한다 는 이론)

○ http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=102&oid=003&aid=0004099805 (옻칠 전자파 차단 효과)

○ http://news1.kr/articles/?1824223 (이론적 배경 중 리바트 가구)