완벽한 착용감. 보호력. 편안함. 3D 기술 덕분에 이 안면 마스크에는 모든 것이 있습니다.

과제: 세계 최고의 어린이용 마스크 제작

솔루션: Artec Eva 3D 스캐너, 3D 프린팅, 액체 실리콘 고무 오버 몰딩, Artec Studio, Pro Engineer 및 Rinoceros 소프트웨어

결과: Artec Eva를 사용한 3D 스캐닝은 실리콘 밸리의 한 아버지가 공기 오염과 바이러스로부터 어린이를 보호하기 위한 최상의 마스크를 발명하는 데 도움을 주었습니다.

2020년 8월. 코로나바이러스 대유행의 와중에 미국 서부 지역에서 산불이 번지면서 Kevin Ngo가 그가 작업했던 다른 어떤 것보다 자신에게 중요한 제품의 디자인을 결정하는 데 단 몇 주 남았습니다.

개발하는 데 2년이 걸린 Kevin의 독특한 창작물은 자신의 세 자녀뿐만 아니라 다른 초등학생을 바이러스와 대기 오염으로부터 보호하기 위한 것입니다. 그리고 빠르고 정확한 3D 스캐닝은 현재까지 Kevin의 가장 중요한 개인 프로젝트인 Flo Mask를 지원해 주는 기둥 중 하나입니다.

Flo Mask는 재사용이 가능한 차세대 어린이용 초미세 여과 마스크입니다. 이 마스크의 강점은 세계적인 제품 디자이너가 4세에서 12세까지의 어린이에게 완벽하게 맞도록 설계한 독특한 필터와 맞춤형 개스킷입니다. 미국에서 제작된 이 필터는 공기 중 입자를 0.1미크론까지 걸러냅니다. Nelson Labs의 독립적인 테스트 결과, Flo Mask 필터는 바이러스의 99.8% 이상을 차단하여 FDA(미국 식품의약국)의 통기성 표준을 600% 초과하는 것으로 나타났습니다.

어린이를 위한 최고의 마스크를 디자인하면서 개발된 기술을 바탕으로 Kevin은 이제 성인용 마스크를 만들고 있습니다. 그는 미국 보건복지부–BARDA(Biomedical Advanced Research and Development Authority)에서 시작한 Mask Innovation Challenge: Building Tomorrow’s Mask 경연 대회에 참가했습니다.

이 과제는 호흡기 질환 병원균으로부터 보호하기 위해 일반 대중이 착용할 대량 생산이 가능하고 사용 당 비용이 낮은 장치를 위한 혁신적이고 효과적인 디자인을 개발하는 것입니다. Kevin의 Air Flo Labs, LLC는 결승전에 진출하여 거액의 상금을 놓고 계속 경쟁하고 있습니다. 올해 말에 최대 5명의 우승자가 발표되어 총 $400,000의 상금을 나누어 받게 됩니다.

Nelson Labs에서 검증한 대로 Flo Mask의 실리콘 개스킷은 독특한 필터가 FDA 통기성 표준을 600% 능가하는 동시에 물리적 편안함을 제공합니다.

시작

개념은 기존 시장의 부족에서 비롯되었습니다. Kevin은 "성인을 위한 훌륭하고 보호력이 강한 N95 마스크가 있지만, 그 당시에는 어린이를 위한 어떤 옵션이 없었습니다. 여기서 아이러니한 것은 가장 취약한 것에 대한 솔루션이 없다는 것입니다"라고 말했습니다. 자신의 자녀들을 안전하게 보호할 마스크를 찾기 위해 고군분투하면서, Kevin은 마스크를 발명하기 시작했습니다.

Flo Mask 프로젝트는 캘리포니아에서 기록상 가장 치명적이고 파괴적인 산불이 난 2018년 여름에 구체화하기 시작했습니다. 2020년에는 상황이 더욱더 안 좋았습니다.

“아이들은 메스꺼움을 느끼고 정말 심한 두통을 앓으며 학교에서 집으로 돌아옵니다. 학교는 N95 마스크가 있더라도 아이들이 몸에 맞지 않기 때문에 착용시키지 않았으며 이로 인해 아이들이 계속 독성 공기를 들이마시게 된다고 말하며 우리에게 이메일을 보냈습니다“라고 말했습니다.

대기 오염과 바이러스로부터 자신의 자녀를 보호하기 위해 Flo Mask를 만든 실리콘 밸리의 아빠 Kevin Ngo.

Kevin은 매일 대기 오염으로 고통받는 것으로 알려진 국가에서 사용할 수 있는 어린이용 호흡기에 대해 철저한 조사를 했지만 아무것도 그의 기대에 미치지 못했습니다. "저는 전 세계에서 판매 중인 모든 종류의 어린이용 마스크를 샀습니다. 우리가 평가한 모든 마스크는 착용감이 좋지 않았거나 불편했거나 효과가 매우 의심스러웠습니다. 대부분의 마스크는 직물로 된 마스크였으며 PM2.5  입자를 필터링하는 데 아무런 도움도 되지 않았습니다”라고 그는 말했습니다.

AR/VR에 대한 폭넓은 배경지식을 가진 Kevin은 어린이를 위한 최고의 안면 마스크 개발을 어디서 시작해야 할지 정확히 알고 있었습니다. 바로 3D 스캐닝이었습니다.

Kevin은 수십 가지의 솔루션을 시도했지만 모든 요구사항을 충족하는 것은 없었습니다. 캡처된 데이터의 질이나 캡처 속도 또는 둘 다 없었습니다.

브레인스토밍 중인 다양한 Flo Mask 디자인 컨셉

Kevin은 "Artec 3D의 장치가 있다고 말한 Indicate Technologies를 알게 되었습니다. 제가 쉬는 날에 전화했더니 들르라고 하더군요”라고 말했습니다.

Artec 3D의 최우수 공식 인증 파트너인 Indicate Technologies의 캘리포니아 사무실은 Kevin의 집에서 차로 15분 거리에 있었기에 그는 얼마 지나지 않아 이 회사의 3D 제품 전문가인 Márcio Adamy를 만날 수 있었습니다. Kevin이 프로젝트의 과제와 3D 스캐너 요구 사항(고속, 해상도 및 정확도)에 관해 이야기하면서 대기 오염 물질의 영향을 받은 가족의 부모이기도 한 Márcio는 모든 징후를 볼 때 하나의 솔루션이 제시된다는 것을 알았습니다. 바로 Artec Eva입니다.

휴대용 구조 광 3D 스캐너(정확도: 최대 0.1mm, 해상도: 최대 0.2mm)인 Artec Eva.

Márcio는 "우리는 Artec Eva가 아이들의 얼굴 스캔 작업을 할 수 있다는 것을 증명하고, Kevin에게 스캐너와 소프트웨어를 사용하는 방법은 물론 가능한 한 빨리하는 몇 가지 방법을 조언하고 요령을 알려주었습니다"라고 말했습니다. Kevin은 이 프로젝트에만 스캐너가 필요했기 때문에 주말에 Artec Eva를 임대하기로 했습니다.

휴대용 3D 스캐너인 Artec Eva는 사람에게 100% 안전한 백색 구조 광을 사용하여 (HD 모드에서) 중대형 물체를 속도로 최대 0.1mm 정확도와 최대 0.2mm 해상도로 빠르게 스캔합니다.

Kevin은 "Márcio가 사용법을 아주 잘 가르쳐 주었기 때문에 스캐너 사용법을 배우는 데 1시간밖에 걸리지 않았습니다"라고 말했습니다.

Artec Eva로 자신의 아들을 스캔하는 Kevin

그 후 두 번의 주말에 걸쳐 Kevin은 샌프란시스코 베이 지역을 오가며 "그가 알고 있는 5살에서 11살까지의 모든 어린이"를 스캔했습니다. 콧대와 크기의 다양성을 설명하기 위해 다양한 3D 데이터를 수집하는 것이 특히 중요했기 때문에 다양한 인종 (아시아 인, 히스패닉, 아프리카계 미국인 및 백인)의 어린이를 스캔하였으며, 전체 머리 스캔을 통해 귀 뒤쪽의 섬세한 피부를 쓸리지 않게 하는 마스크 끈 디자인이 가능했습니다

 머리를 스캔하는 데는 각각 20초 미만의 시간이 걸렸고 스캔 후 정리에는 30초밖에 걸리지 않았습니다. 그는 처음에는 우려했지만 Artec Studio를 실행하기 위해 Windows 노트북을 구매할 필요가 없었습니다. 이 작업에는 자신의 2015년식 Boot Cam 지원이 되는 MacBook Pro를 사용하여 충분히 원활한 스캔 처리를 할 수 있었습니다.

Artec Eva를 사용하여 모든 물리적 기능을 충실히 재구성한 Kevin의 자신의 아들에 대한 첫 번째 3D 스캔 시도.

“한 때, 제 아이들의 학교에는 십여 명의 아이들이 있었습니다. Artec Studio의 장점은 나중에 정리를 할 수 있다는 것입니다. 제가 할 일은 어린이들의 머리 뒤에 있는 아티팩트를 잘라내는 것뿐이었습니다. 모든 노이즈를 없애기는 정말 쉬웠습니다”라고 말했습니다.

Artec Studio에서 처리한 후 각 머리 스캔은 Pro Engineer CAD 소프트웨어로 전송되었습니다. Kevin은 "우리는 각 스캔을 입술 끝에 맞춰 정렬했고, 그 결과 모든 모양에 맞는 최적의 단일 크기를 찾았습니다. 스캔을 통해 90% 정도의 형태를 고안할 수 있었습니다. 그런 다음 아이들에게 6차례에 걸쳐 3D 프린팅과 테스트 피팅을 하여 매번 조금씩 조정하고 점차 고해상도 프로토타입을 제작했습니다"라고 말했습니다.

완벽한 개스킷 디자인 작업

디자인 다듬기

계획이 여기까지 진행되면 Kevin과 각자의 분야에서 전문가인 세 명의 친구로 이루어진 그의 팀은 디자인을 다듬어야 했습니다.

Kevin은 "우리는 잠재적인 실리콘 소재가 어떤 느낌일지 시뮬레이션하기 위해 PolyJet 프린팅을 했으며, 이를 통해 우리가 가지고 있는 모양을 확인할 수 있었습니다"라고 말했습니다. 그 다음에 팀은 프로덕션 도구로 이동했습니다. 오버 몰딩 단계에서 액체 실리콘 고무를 플라스틱 부품에 접착하여 공기 중 입자가 침투할 수 있는 유일한 부분인 필터 개구부가 한 조각으로 나타났습니다.

결과적으로 Flo Mask의 부드러운 개스킷은 마스크가 입술에 닿지 않도록 하면서 어린이의 얼굴 윤곽을 완벽하게 나타낼 수 있습니다. 조절 가능한 끈은 귀에 닿지 않게 설계되었으며 끈 상단에는 고무를 대어 끈이 머리에서 미끄러지는 것을 방지했습니다.

Flo Mask 팀은 몇 차례의 CAD 디자인, 3D 프린팅 및 테스트를 거친 후 개스킷의 맞춤 핏을 조정했습니다.

획기적인 필터

적절한 필터를 찾는 것은 Kevin이 전체 프로젝트를 취소하게 할 뻔한 어려운 일이었지만, 통기성이 훌륭한 올바른 필터를 찾는 것은 마스크의 품질에 가장 중요했습니다.

일반적으로 필터는 입자가 통과하지 못하도록 매우 촘촘하게 짜인 섬유로 되어 있습니다. 보호 수준이 높아지면 통기성은 감소합니다. Kevin은 "통기가 잘 되는 필터가 세상에 없는 것 같았지만, 저는 마침내 미국에서 산소 호흡기 필터를 만드는 의료 회사를 발견했습니다"라고 말했습니다.

Spunbond라고 하는 부직포로 만든 산소 호흡기 필터는 다량의 공기 흐름을 유지하면서도 바이러스를 차단하는 데 매우 효율적이라는 것이 입증되었습니다. "이 제품의 제조 공정은 매우 색다릅니다. 섬유를 짜는 것이 아니라 실제로 구멍을 뚫는 것입니다. 그리고 그 과정에서 정전기가 발생하여 유해 미립자와 바이러스를 매우 효율적으로 끌어들일 수 있습니다"라고 설명했습니다.

Flo Mask의 일회용 필터는 최대 8시간 연속으로 사용할 수 있습니다. Kevin은 "연기로 가득한 환경에서는 필터가 더 빨리 채워지므로 더 빨리 교체해야 합니다. 마스크를 착용하고 식품점에만 갈 경우 필터는 며칠 동안 유지됩니다. 마스크의 나머지 부분은 물과 비누로 씻으면 한 시간 안에 마릅니다“라고 설명했습니다.

Flo Mask는세척하기 정말 쉽습니다.

사용자 피드백

Kevin은 “우리 마스크의 모양이 완벽하게 맞지 않는 아이를 아직 못 봤습니다. 5살에서 11살까지의 어린이를 스캔했는데 모양이 너무 좋아서 실제로 4살에서 12살까지 어린이에게도 적용할 수 있었습니다. 우리는 꿈을 넘어섰습니다”라고 말했습니다. 이 시점에서 두 살 정도의 유아도 이 마스크의 혜택을 누릴 수 있었습니다. 

주말에 Kevin은 종종 자녀들을 마스크를 쓰고 축구를하며 시간을 보내는 공원으로 데리고 나갑니다.  Kevin은 “우리 애들은 친구와 함께 뛰어다닐 때 숨을 쉬거나 말하는 데 아무런 문제가 없습니다”라고 말하며, 캘리포니아주 멘로 파크에 있는 Burgess Pediatrics의 공동 설립자인 James Cisco 박사가 자신의 4살짜리 딸이 Flo Mask를 쓰고 있을 때 혈중 산소 수치를 측정한 후 Flo Mask를 지지했다고 덧붙였습니다. 이 소아과 의사는 그 수치가 100%로 측정되자 확신했습니다.

“Flo Mask는 어린이용 마스크의 표준을 높이고 있습니다. 독특한 실리콘 개스킷, 여과 효율성 및 세척 능력은 제가 지금까지 본 것과는 다릅니다”라고 Cisco 박사는 말했습니다.

Nelson Labs에서 테스트하고 검증한 바와 같이 Flo Mask 필터는 최대 0.1미크론까지 효과가 있으며 바이러스를 99.8% 이상 차단합니다.

Flo Mask 개발에 참여한 가족들은 무료로 제품을 받았으며 그 결과에 매우 만족했습니다.

비행기에서 Flo Mask를 시험해 본 5학년 학생인 Patrick은 이 제품이 금방 편해졌다고 말합니다. 그 학생은 “얼굴을 조금 찌그러뜨리기는 했지만 비교적 편안했고 잠시 후 그것을 더는 느낄 수 없었습니다”라고 말했습니다.

“이러한 유형의 마스크는 안경을 쓴 아이들에게 확실히 더 좋습니다. 마스크를 통해 숨을 쉴 때 안경에 김 서림이 생기는 문제가 훨씬 적습니다"라고 학생의 아버지는 덧붙였습니다.

5살과 10살 된 두 자녀를 둔 어머니는 효과와 스타일의 조합을 칭찬했습니다.  

그녀는 "그것은 얼굴 아랫부분을 잘 막아주고, 단단하여 숨을 쉴 때 입 앞에 열린 공간을 확보해 줍니다. 그리고 그것은 스타일 면에서도 단연 돋보입니다"라고 말했습니다.

Flo Masks 현재 구매 가능

2년에 걸쳐 수십 개의 시제품을 제작한 후 Flo Mask는 2020년 12월에 공식적으로 출시되었습니다. 많은 부모가 Amazon에서 마스크에 대한 자녀의 사랑에 대해 열변을 토하는 가운데 미국 전역에서 지금까지 2,000명 이상의 어린이가 Flo Mask를 착용하고 있으며, 여기서 이 마스크는 별 4.5개의 평균 고객 등급을 자랑하고 있습니다.

일회용 필터 5팩이 들어 있는 Flo Mask

Kevin은 “현재의 코로나바이러스 대유행으로 인해 마스크는 그 어느 때보다도 더 필요합니다. 아이들이 학교로 돌아가거나 다시 여행하면서 세상이 다시 열리기 시작하면 사람들은 매우 상징적으로 보이는 마스크를 보게 될 것입니다. 저는 아직 우리가 가진 것과 같이 딱 들어맞는 솔루션을 못 봤으며, 이는 Artec 3D 장비의 놀라운 성능에 대한 확실한 증거입니다. Artec Eva가 없었다면 Flo Mask를 만들 수 없었을 것입니다"라고 말했습니다.