I. 서 론
1. 연구의 배경 및 목적
2. 연구의 범위와 방법
II. 이론적 배경
1. 힐링증진을 위한 실내환경 디자인 요소
2. 실내환경디자인요소에 대한 EEG 선행연구
III. 연구방법
1. 실험 참여자
2. 실험자극물 제작
3. 실험환경 및 절차
4. 뇌파데이터 측정 및 분석
IV. 연구결과
1. 뇌파의 자극별, 채널별 분포
2. 실내환경디자인 자극물의 자극 전-후 뇌파반응 차이
3. 실내환경 요인에 따른 뇌파 차이 분석
4. 뇌파반응과 힐링 증진에 대한 심리적 반응 비교
V. 논의 및 결론
1. 힐링을 증진시키는 심리적 반응과 뇌파의 생리적 이완 반응의 개념적 차이
2. 두뇌 부위와 이완-각성 반응
I. 서 론
1. 연구의 배경 및 목적
스트레스와 우울증 등 정신건강에 대한 사회적 관심의 증가하고 COVID-19 감염병의 팬데믹으로 실내에 머무는 시간이 많아짐에 따라 실내환경에서의 안정과 힐링 디자인에 대한 필요와 관심이 높아지고 있다. 건강보험심사평가원(2022)의 자료에 따르면, 최근 국내 우울증 및 불안장애 환자수는 2017년 대비 30% 이상 크게 증가하였는데, 그중 20대의 비중이 가장 많이 증가하였다. 이러한 젊은층의 우울증 증가는 대인관계 및 사회생활의 어려움, 이로 인한 삶의 포기 등 다양한 개인적, 사회적 문제로 확장되므로(Hong, 2017) 이에 신체적인 건강 뿐 아닌 심리적 정신적 힐링의 필요성이 대두된다.
사용자의 힐링과 정서적 안정을 위해서는 무엇보다 공간 속에서 생활하는 사용자가 공간환경에 대해 어떻게 느끼고 인지하는지에 대한 탐구가 선행되어야 한다. 환경심리학자들은 사회적 병폐의 문제가 나타나는 현대사회에 보편적으로 필요한 환경이 치유환경이라고 언급하며, 신체적, 정신적 안정상태로의 회복을 돕는 치유환경 구축의 필요성을 주장한다(Oh & Park, 2019). 이러한 회복과 치유를 도모하는 환경디자인은 주로 자연환경의 이용이나 자연요소를 활용한 디자인을 제안해 왔지만 힐링(치유)를 위한 환경은 이러한 자연요소 이외에도 공간환경의 설계요소에 대한 잠재력을 내포하고 있어(Kim & Ha, 2022) 다양한 환경디자인 요소에 대한 분석이 필요하다.
특히 일상의 거주 및 생활을 위한 환경에서 힐링을 증진시키기 위한 실내환경의 디자인 속성에 대한 연구가 중요하며 이러한 요소들은 동시에 지각되므로 각각의 효과를 좀 더 명확히 규명할 필요가 있다. 이를 위해 주관적인 심리적 반응과 객관적인 신체 생리적 반응을 함께 고려한 다각적인 분석이 필요하다. 한편 대부분의 선행연구에서는 실내환경디자인 요소인 색채(Kim & Park, 2021; Lee & Kim, 2020; Park & Park, 2019; Shin & Kim, 2017; Lee & Park, 2015), 조도(Kim et al., 2019; Kim, 2019; Lee et al., 2016; Lee & Lee, 2015; Kim et al., 2014), 천장높이(Yeom et al., 2021b; Kim & Choo, 2021) 등 단일요소에 대한 효과검증이 진행되고 있으며, 2가지 요소로는 색채와 조도에 따른 심리반응(Lee et al., 2020), 색채와 천장높이에 따른 사용자의 회복감(Kim & Ha, 2022) 정도로써, 여러 변수들을 고려한 종합적인 실내환경에 대한 반응을 다루지 못한 한계를 보인다. 특히 힐링에 미치는 실내환경요소에 대한 사용자의 심리.생리 반응의 통합적인 검토가 필요하므로 본 연구에서는 이러한 선행연구와의 차별성을 두고자 한다.
이에 본 연구에서는 선행연구를 통해 파악한 3가지 변수들인 조도, 색채, 바이오필리아의 조합으로 구성한 8개의 실내공간 자극물에 대한 사용자의 생리반응인 뇌파실험과 심리반응인 설문조사를 종합하여 힐링증진에 도움이 되는 실내환경디자인 요소의 속성을 밝히는 것을 연구의 목적으로 한다.
2. 연구의 범위와 방법
본 연구에서는 힐링의 개념을 스트레스로부터 회복되고 편안함을 느끼는 것으로 개념적 범위를 한정하여 연구를 진행하였다. 연구의 방법은 뇌파측정과 설문조사이다. 인간행태에 관한 연구는 그동안 설문과 관찰에 의한 조사방법이 주를 이루었으나 신경건축에 기초한 EEG 실험연구에 대한 관심이 증가하며 환경분야에서도 적용되고 있다. 신경건축은 근거기반 디자인에 기초하고 있으며 여기에는 사용자의 반응을 과학적이고 객관적으로 측정하고 증명하기 위해 뇌파나 시선추적, 심박동수 등의 심리생리반응에 근거한 새로운 방법론으로 활용되고 있다(Kim & Ha, 2022).
본 연구에서는 총 8개의 자극물 이미지를 개발하여 이를 모니터를 통해 보여주고 이에 대한 참여자의 뇌파측정과 설문조사를 진행하였다. 뇌파반응은 선행연구를 통해 힐링 혹은 치유의 과정에 밀접한 관련이 있다고 여겨지는 각성에 대한 이완을 나타내는 RAB지표를 관찰하였으며 이를 통해 향후 힐링증진을 위한 실내환경디자인의 발전 방향을 모색하고 힐링이 필요한 공간계획 시 유의미한 기초자료를 제공하고자 한다. 이를 위한 구체적 연구의 질문은 다음과 같다.
1) 각 자극물에 대한 뇌파반응 (RAB 지표)의 채널별 분포 어떠한가?
2) 자극물에 대한 자극 전-후 뇌파반응의 차이는 어떠한가?
3) 실내환경요인(조도의 고저, 색상의 유무, 바이오필리아 자연요소/인공요소)에 따른 뇌파차이는 어떠한가?
4) 뇌파반응과 힐링을 증진시키는 심리적 반응과의 관계는 어떠한가?
II. 이론적 배경
1. 힐링증진을 위한 실내환경 디자인 요소
힐링과 관련된 실내환경디자인 요소는 색채, 조도, 바이오필리아, 공간형태 등이 있으며 실내환경을 구성하는 요소로서 공간에 대한 인식과 만족, 행위의 유발 등에 직접적으로 영향을 미치며(Lyu, 2001) 시각적으로 인지된다.
색채는 인간이 태어나면서 생리적 측면에서 반사적으로 반응하는 인지 요소로 외부의 물리적 환경 요소에 대한 대응과 순응 속에서 생리적으로 지각된다(Shin & Kim, 2017). 색채에 대한 관심과 연구는 매우 중요한 영역으로(Shin & Kim, 2016) 사람들은 실내공간 속에서 색채요소에 대해 심리적 영향을 밝히고 있다. 힐링과 관련된 색채 연구에서 Clarke & Costall(2008)은 녹색과 파란색은 안정, 평안, 낮은 불안 수준과 편안한 감정 특성과 관련이 있다는 것을 발견하였다. Yildirim et al.(2011)은 차가운 색상은 “넓음”과 “편안함”에 더 관련이 있고 차가운색과 무채색은 더 차분하고 평화로운 감정을 불러일으킴을 발견하였다. Oh(2019)는 초록, 파랑 등의 한색계열 색채에서 심박수 감소 등 스트레스 감소의 생리반응을 발견하여 치유환경을 위한 색채로 한색을 제안하였다. Kim & Park(2021)은 편안한 휴게 활동 지원을 위해서 벽면에 밝은톤을 적용하여 ‘밝고, 가벼운’ 감성을 전달할 수 있어야 함을 지적하였다.
조도관련 연구에서는 색온도, 조도와 관련한 연구들이 진행되어졌다. You(2018)는 유연함이나 힐링을 필요로 하는 공간에는 색온도가 낮은 빛에 의한 조명이 적합함을 제시하였으며, Kim(2019)은 고령자를 대상으로한 연구에서 공간의 조도가 고령자의 심리에 직접적인 영향을 미치며 높은 조도인 1000lx에보다 600lx에서 심신의 안정도가 높아짐을 규명하였다. Jee & Kim(2014)은 명상이나 편안함을 위해 LED조명의 낮은 색온도인 3000K가 바람직함을 주장하였다. Shin et al.(2013)은 휴식과 편안한 상태를 필요로 하는 활동에서는 색온도 3,600K, 조도 240lx에서 이완도가 증가하는 경향을 발견하여 낮은 색온도 및 낮은 조도가 휴식과 같은 이완 활동에 적합하다는 기존의 연구결과와 유사한 경향성을 제시하였다.
한편, 힐링에 영향을 미치는 바이오필리아에 대한 초기 연구로서 Ulrich(1984)는 수술에서 회복된 환자들 중 숲을 볼 수 있는 환자는 벽돌벽을 본 환자에 비해 입원기간이 짧고 진통제가 덜 필요함을 증명하였고, Sternberg(2009)는 자연전망을 가진병원 환자가 그렇지 않은 환자보다 빨리 치유된다는 것을 발견하였다. Yeom et al.(2021)는 인공적 바이오필리아 요소로서 녹색벽에 대한 피험자의 심리적, 생리적 반응을 측정하고 녹색벽의 크기에 따른 이완효과를 분석하였는데, 작은 녹색벽은 피험자의 정신적 스트레스와 피로를 감소시킴을 발견하였다. Keum (2021)은 청소년의 스트레스 완화를 위해 교육공간을 구성하는 디자인에서 산, 나무, 하늘이 잘 보이고 바람이 통하는 큰 창문과 같은 직접적인 자연경험에 대한 선호가 높았음을 파악하였다. 한편 바이오필릭 디자인은 치유에 영향을 주는 자연의 속성에 관한 것이지만, 직접적인 자연을 공간에 두거나 전망 뿐 아니라, 자연의 특성을 인공적인 디자인에 적용한 것도 포함한다(Ryan et al., 2014).
이처럼 선행연구를 통해 색채, 조명, 바이오필리아는 힐링에 영향을 미치는 실내환경디자인 요소이며, 생리실험을 통한 근거를 규명하는 연구도 활발히 진행되고 있음을 알 수 있다. <Table 1> 이상의 선행연구 결과를 토대로 자극물의 기준을 선정하였다. 색채는 한색(녹색, 파란색)이 편안함을 주는 색채로 제시되어 유채색의 대표색으로 녹색을 선정하였다. 조도에 대해서는 낮은 조도와 조명의 낮은 색온도가 편안함, 휴식, 안정감에 적합하여 본 연구에서는 공간의 조도가 낮은 경우와 높은 경우로 설정하였다. 다만 특정 조도로 설정하지는 않고 상대적으로 밝은, 어두운 공간으로 설정하였다. 바이오필리아는 치유와 스트레스 완화에 도움을 주는 요소로 자연요소와 인공요소 모두를 포함하고 있어 본 연구에서도 이 두 요소인 자연, 인공 바이오필리아 요소를 포함하였다.
Table 1.
Prior Rresearch on Interior Environment Design Elements Related to Healing
| Variables | Authors | Main Results |
| Color | Clarke & Costall (2008) | Green, blue (stable, comfortable, low anxiety level) |
| Yildirim et al.(2011) | Cool colors, achromatic colors (calm and comfortable feelings) | |
| Oh (2019) | Cold colors (green, blue) reduce heart rate, stress, healing environment color | |
| Kim & Park (2021) | Bright tone (bright and light sensibility) | |
| Illuminance | Shin et al. (2013) |
Low color temperature and low illumination (3,600K, 240lx) are suitable for relaxation activities such as rest |
| Jee & Kim (2014) | Low color temperature (3,000K) suitable for meditation and relaxation | |
| You (2018) | Low color temperature (suitable for healing spaces) | |
| Kim (2019) |
Low illumination (600lx) has the highest level of mental and physical stability compared to high illumination (1,000lx) | |
| Biophilia | Ulrich (1984) | Forest (natural biophilia) helps recovery after surgery |
| Sternberg (2009) | Patients who see nature recover faster | |
| Ryan & Browning et al. (2014) |
Biophilic design includes both direct natural elements and artificial elements, all of which have an effect on healing. | |
| Yeom et al. (2021) | Small green walls (artificial biophilia) reduce mental stress and fatigue | |
| Keum (2021) | Experiencing nature (mountains, trees, sky) helps relieve stress |
2. 실내환경디자인요소에 대한 EEG 선행연구
1) EEG의 개념
EEG(Electroencephalogram; 뇌전도)란 “대뇌피질에서 분비되는 신경전달물질을 두피상에 부착된 전극을 통해 추출하고 이를 증폭하여 전극간의 전위변화를 기록한 것”이다(Kim & H, 2022, p.65). EEG는 신체의 중추신경계, 특히 대뇌에 있는 미세한 전기적 흐름을 두피를 통해 전위 차이를 물리적으로 파형 나타내고 종이나 화면을 통해 관찰할 수 있다(Shin & Kim, 2017). 뇌파신호는 주파수 영역에 따라 알파파, 베타파, 세타파, 델타파, 감마파 파형별로 추출되며 각 파형은 고유의 심리적, 신체적 특성을 나타낸다. 이 주파수 영역분석을 통해 인간의 인지, 심리상태와 감정 등을 평가할 수 있다(Kim & Ha, 2022). 힐링과 관련한 이완-각성반응 관련 뇌파의 주요 분석지표는 <Table 2>와 같이 분류할 수 있으며 심리적 안정이나 긍정적인 감정 상태는 이완, 안정, 휴식을 취하고 있는 편안한 상태에서 주로 관찰되는 알파파의 상대적 활성화 정도(RA)로 판별한다. 또한 각성을 나타내는 베타파에 대한 알파파의 비율을 나타낸 RAB도 이완정도를 나타내는 지표로 사용된다.
Table 2.
Analysis Indicator of Brainwave Related to Relaxation- Arousal Responses
2) 실내환경디자인요소에 대한 EEG 선행연구
최근 여러 분야에서 뇌파를 이용하여 사용자의 공간인지와 심리적 반응을 정량화하여 정신작용의 관계를 이해하려는 연구가 증가하고 있으며 이들 연구들은 인간의 감성반응을 분석하거나 이완-각성, 선호도에 대한 반응을 측정한다. 선행연구를 살펴보면 색채, 조도, 바이오필리아, 천장높이 등의 변인에 따른 사용자의 심리적 반응을 뇌파를 통해 규명하고자 함을 알 수 있다<Table 3>.
Table 3.
EEG Research Based on Environmental Design Elements
| Variables | Authors | Theme | Main Results |
Analysis parts of EEG (numer of channel) | EEG indicator |
| Color | Kim & Park (2021) |
Evaluation of color combination images in indoor rest areas for the healing of depression |
By applying the “bright” tone of “R” and “PB,” “bright light” sensibility is delivered. | Fp1, Fp2 (2) | Alpha(α) |
| Park & Park (2019) |
EEG experiment on the image color combinations in residential spaces on the depression characteristics of the elderly |
Normal groups were positive for similar warm color combinations (R-YR) and depressive groups were positive for contrasting cool color combinations (PB-Y). | Fp1, Fp2 (2) | Alpha(α) | |
| Shin &Kim (2017) |
EEG experiment on pure color response |
G(green) is an active color with no awakening and low activity, and the body is physiologically relaxed in green. |
Fp1, Fp2, F3, F4, C3, C4, P3, P4, O1, O2, F7, F8, T3, T4, T5, T6, AFz, Cz, Fz, Pz (20) | RAB, SEF50 | |
| Illuminance | Kim et al (2019) |
EEG characteristics according to indoor space lighting regarding five lighting directions |
F3, F4, AFz, and Fz are channels that greatly influence the activation of relaxation reactions. |
Fp1, Fp2, F3, F4, C3, C4, P3, P4, O1, O2, F7, F8, T3, T4, T5, T6, AFz, Cz, Fz, Pz (20) | RAB |
| Kim (2019) |
Illumination affects the cognitive ability of the elderly |
Highest stability at 600lux, highest concentration, and highest cognitive speed; lowest nervousness, and lowest aggression at 1000lux |
Fp1, Fp2, F3, F4, T3, T4, P3, P4 (8) | RSA, RMB | |
| Lee & Lee (2015) |
Influence of stress on the human body in a color temperature and controllable illuminance environment |
Most relaxed and stable at 300lux 3000K color temperature. The low stress group is the most relaxed and stable at 100lux with a color temperature of 6000K. | Fp1, Fp2 (2) |
RA, RB, RAB | |
| Biophilia | Kim & Gero (2023) |
Exploring the influence of a biophilic design on neurophysiological responses of university students |
RA is high in biophilic environments with green outdoor views, indirectly applied natural design wall elements, and floors. |
Fp1, Fp2, F3, F4, P3, P4, O1, O2 (8) | RA, RB |
| Yeom et al (2021) |
Relaxation effect of green walls by measuring subject's psychological and physiological responses to them |
Compared to the large green wall, the smaller green wall exhibits a visually and spatially higher relaxation effect for the subjects. High RA in the parietal lobe (P7 & P8) and occipital lobe O1 (high relaxation level) |
AF3, AF4, F3, F4, F7, F8, FC5, FC6, T7, T8, O1, O2, P7, P8 (14) | RA | |
| Ceiling height | Kim & Choo (2021) |
Arousal responses of EEG to changes in ceiling height |
The smaller the area, the greater the arousal response to the ceiling height. The ceiling height that induces the least arousal response and induces comfort is 2.5m. There is need to measure the occipital lobe in EEG research |
Fp1, Fp2, F3, F4, P3, P4, O1, O2 (8) | RAB |
| Youm et al (2021) |
Occupant's physiological response according to the increase in ceiling height and spatial length |
Alpha waves appear relatively high, at a height of 3m and gamma waves appear at a height of 9m. The frontal lobe is involved in height-related spatial changes. |
AF3, AF4, O1, O2 (4) | RA, RG | |
|
Color and Ceiling height | Kim & Ha (2022) |
The effects of color and ceiling height on the perceived restorativeness of users |
A stable relaxation reaction in cool color environments with low chroma and high brightness and high ceiling environment |
AF3, AF4, O1, O2 (4) | RA, RB |
|
Material, Lighting color temperature, With/without furniture | Shong (2021) |
EEG analysis of planning standards for setting up personal healing spaces |
Warm YR color series, cedar wood, and color temperature of 3000K lighting were suitable for healing environments if familiar furniture was present |
AF3, AF4, F3, F4, F7, F8, FC5, FC6, T7, T8, O1, O2, P7, P8 (14) |
Performance metrics of 6 detection algorithms |
예를 들어 Kim & Park(2021)은 대학생들을 우울성향에 따라 집단을 구분하여 배색이미지에 대한 감성적 및 생리적 반응에 대한 실증적 데이터를 수집하였고, Park & Park(2019)은 노인거주자의 우울정도에 따라 색채배색 이미지에 대한 생리적, 심리적 반응을 비교분석하고, 색채계획과 우울과의 영향을 규명하였다. Shin & Kim(2017)은 공간환경을 위한 순색반응에 관한 연구를 뇌파실험을 통해 분석하였다.
Kim et al.(2019)은 뇌파실험을 통해 조명 연출에 따른 이완과 각성의 결과를 분석하였고 Kim(2019)은 고령자의 인지력에 미치는 조도의 영향을 분석하였으며, Lee & Lee(2015)는 색온도와 조도가 인체의 생리적 반응에 미치는 영향을 뇌파측정을 통해 분석하였다.
또한 Kim et al.(2023)은 같은 강의실의 비친환경 및 친환경 설계를 경험할 때 알파파 및 베타파를 통계적으로 비교함으로써 바이오필릭 설계의 영향을 탐구하였고, Yeom et al.(2021)는 녹색벽의 이완효과를 뇌파실험을 통해 분석하였다. Kim & Choo(2021)는 천장고 변화에 대한 뇌파의 각성반응의 특성을 분석하였고, Youm et al.(2021)은 천장 높이의 증가와 공간 체류 시간에 따른 재실자의 생리적 반응을 VR과 EEG기기를 사용하여 측정하였다. Kim et al.(2021a)은 산후조리원 개별실의 창면적비에 대한 뇌파의 이완-각성 반응을 분석하여 사용자의 편안함을 유도하는 창면적비의 적용에 대해 제안하였다.
한편 단일 실내환경디자인요소에 대한 뇌파실험 뿐 아니라 두 가지 이상 요소를 조합한 연구들도 일부 진행되었는데, Shong(2021)은 개인용 치유공간 계획기준 설정을 위해 마감재, 색온도, 가구유무에 따른 심리적 상태와 반응을 분석하였다. Kim & Ha(2022)는 실내공간의 색채와 천장높이가 사용자의 회복감에 미치는 영향을 뇌파실험을 통해 분석하였고, Kim et al(2021b)는 공간의 가로세로비, 천장높이, 창면적비가 공간에 미치는 인지적 효과에 대한 뇌파 반응을 측정하여 다양한 건축적 요소가 사용자의 이완-각성 반응에 미치는 영향을 규명하였다. 이들 뇌파관련 선행연구들은 기존연구들이 실내환경에 대해 사용자의 주관적인 인식과 감정들로 평가했던 것과는 달리 객관화된 수치로 평가하였다.
분석된 뇌파부위와 분석지표는 연구의 목적에 따라 다양하게 사용되었음을 알 수 있다. 뇌파분석 부위는 전체채널을 대상으로 하거나, 특정 채널만을 대상으로 한 연구들로 나누어 볼 수 있었으며, 특히 특정채널인 전전두엽(Fp1, Fp2)만을 대상으로 하거나(Kim & Park, 2021; Park & Park, 2019; Lee & Lee, 2015) 후두엽의 측정과 이완효과에 대한 연구들(Kim et al, 2021; Yeom et al, 2021a)도 있고, 여기에 전두엽, 두정엽을 포함한 8개의 채널을 대상으로 한 연구들(Kim, 2019; Kim et al., 2021b; Kim & Choo, 2021)도 있었다. 대뇌에서 일차적으로 시각정보를 담당하는 영역은 후두엽(occipital lobe)이며, 습득된 정보를 이해하고 감정을 제어하며 의사결정에 관여하는 피질은 전전두엽(prefrontal lobe)이다(Ha & Park, 2017).
뇌파분석지표는 힐링에 관련된 이완 각성 상태 측정을 위해 RAB를 분석한 연구들이 많았고, 정서적 안정과 관련된 RA, 각성 및 스트레스와 관련된 RB를 함께 분석한 연구들이 있다. Hwang(2017)은 RAB지표는 RA나 RB만을 단독으로 분석하지 않고 상호비율로 분석되기 때문에 심리적 이완-각성 반응을 좀 더 명확히 확인할 수 있다(Kim et al, 2021, 재인용).
III. 연구방법
1. 실험 참여자
본 연구는 K대학교의 생명윤리위원회 사전승인인 Institutional Review Board를 받아 수행되었다. 연구의 실험참가자로는 신체상태가 정상이고, 색 인지에 대한 불편함(색맹 및 색약)을 가지고 있지 않은 20~30대의 K대 대학생과 대학원생을 대상으로 모집하였다. 뇌파측정을 위해 실험 전날 음주, 실험 당일 카페인 섭취 등 심장에 영향을 주는 음식 및 음료 섭취를 피할 것을 사전에 공지하였다. 실험은 K대학교 실험실에서 2022년 12월 9일부터 14일까지 진행되었다. 모집된 참가자는 남자 6명(약 33%)과 여자 12명(약 67%), 총 18명(평균연령 23.1±4세)이었으며, 주거환경 관련 학과 학생은 총 10명(약 56%)이었다.
2. 실험자극물 제작
본 연구의 실험 자극물은 한국인의 일상생활에서 자주 사용하는 제 3의 공간인 카페를 대상으로 15m×11m 크기의 공간을 Sketch up 2019과 Enscape 3.3.0 소프트웨어를 이용하여 제작하였다<Figure 1>.
선행연구인 Cho et al.(2022)의 연구 결과를 바탕으로 공간구성 요소는 공간의 조도(밝음=H/어두움=L), 색채 (녹색=G/흰색=W), 바이오필릭(자연=N/인공=A)의 세 가지를 선정하였으며 이를 조합하여 총 8개의 자극 이미지를 개발하였다. 자연 바이오필리아 자극물은 왼쪽의 벽에 큰 창문이 있어 밖에 수목 전망을 가지며, 인공 바이오필리아로는 이와 다소 유사하게 느껴지도록 나뭇가지의 자기반복성을 지닌 fractal pattern과 잎을 연상하는 색으로 구성된 벽판넬을 디자인하여 사용하였다.
3. 실험환경 및 절차
실험 장소는 K대 주거환경학과에 위치한 실험실로 전체 공간의 크기는 8.24m×2.88m에 천정고 2.73m이다. 뇌파 실험 공간과 실험 대기 공간은 자바라문으로 구분하여 최대한 뇌파 실험 시 방해받지 않도록 하였다. 또한 실험 공간의 창문쪽은 흡음판넬과 흡음/암막커튼을 설치하여 빛과 소리가 차단될 수 있게 하였다. 실험공간의 천정 조명은 1.28m×0.32m 크기의 50w (5700K) LED 광원 2개이며, 피험자 좌석의 조도는 800lux, 온도는 25도로 설정하였다. 실험공간에는 피험자 눈높이에 적절하게 43인치 크기의 TV 모니터를 설치하였다<Figure 2>.
실험절차는 다음과 같다.
1) 연구원은 실험 참가자에게 실험 절차를 소개하고, 참가자는 실험 동의서에 서명한다.
2) 참가자는 실험 공간 내 모니터 앞 의자에 앉고, 연구원은 실험에 적합한 환경을 준비(냉난방기 끄기, 커튼치기, 자바라문 닫기, 조명 조절)한다. 참가자에게 EEG 장비를 착용시키고 DSI-Streamer-v.1.08.44 프로그램을 통해 EEG 임피던스 체크를 위한 뇌파 Diagnostic 과정을 실시한다. 부착된 19개 센서의 임피던스가 1이하로 떨어진 후 실험이 준비되고, 실험 진행 시 주의사항(최대한 몸과 머리의 편안한 자세 유지 및 신체 활동 자제하기)을 설명한다.
3) 실험 시작과 동시에 EEG 데이터를 기록하기 시작한다. 실험과정은 <Figure 3>과 같으며, 실험기록의 내용은 60초의 눈감기 안정기간과 8개의 실내사진, 8개의 회색사진으로 구성되어 있다. 실험기록 시작 후 60초 동안 참가자가 눈을 감은 상태로 뇌활동을 안정시킨다. 이후 자극물의 관찰시간은 30초이며, 시각잔상과 뇌활동의 지속적인 영향을 방지하기 위해 각 자극물 사이에 20초간의 회색화면을 삽입하였다. 눈감기 안정기간 후에 20초간의 회색화면을 본 상태의 뇌파를 배경뇌파(reference)로 설정하였다.
4) 실험이 끝난 후, 참가자는 실험 준비 구역으로 이동하여 설문조사에 참여한다. 설문조사의 내용은 인구통계학의 기본정보(이름, 성별, 연령, 전공), 시각적 문제가 있는지 여부, 가장 힐링(편안함)을 느끼는 실내이미지, 가장 머물고 싶은 실내이미지 선정 응답을 포함한다.
4. 뇌파데이터 측정 및 분석
1) 뇌파데이터 측정 및 수집
본 실험의 실험장비는 Wearable Sensing사의 건식 EEG인 DSI-24를 사용하였다. 이 기기는 19개의 머리 센서와 귀센서 2개가 포함되어 있다. 국제 10-20형 표준전극법에 따라 Fp1, Fp2, Fz, F3, F4, F7, F8, Cz, C3, C4, T3, T4, T5, T6, Pz, P3, P4, O1, O2, A1, A2에 전극을 배치하였다. Fpz를 그라운드 채널로 사용해 A1과 A2의 평균값을 사용하였으며, 300HZ 샘플링 속도로 뇌파 데이터를 수집하였다<Figure 4>.
데이터 기록은 DSI-24와 유선으로 연결하여 DSI-Streamer- v.1.08.44 소프트웨어를 사용하였다. 참가자들은 컴퓨터와 연결된 43인치 사이즈의 TV 모니터를 통해 보여지는 자극물 이미지를 보며 실험에 참여하였다.
기록된 뇌파 데이터는 (주)락싸의 TeleScan(Ver 3.2) 프로그램의 EOG-Artifact Filtering 기능을 통해 눈움직임 잡파를 제거하하였다. 잡파 제거에 사용된 방법은 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA)이었다.
2) 뇌파데이터 분석 지표
뇌파의 Raw Data를 FFT(Fast Fourier Transform) 변환을 통해 베타파에 대한 알파파의 비율인 Ratio Alpha/Beta (RAB)를 추출하였다. 이후 뇌파 데이터는 정리 후 SPSS를 이용하여 분석하였다. 데이터는 정규분포에 해당하지 않았기 때문에, Wilcox on signed rank test 통계분석을 진행하였다.
IV. 연구결과
1. 뇌파의 자극별, 채널별 분포
8개의 자극에서 각 전극 채널별로 RAB 값을 그래프로 나타낸 것은 <Figure 5>와 같다. 전반적으로 자극 5, 6, 8에서 채널T5, P3, T6에서 높은 RAB값을, 채널 F4, F7, F8에서 낮은 RAB값을 보여주었다.
어떠한 자극에서 RAB 값이 높은지 알아보기 위해 전체 19개 전극 채널에서의 RAB 평균을 <Table 4>과 같이 계산하였다. 그 결과 RAB값은 S5에서 가장 높았고 이후 S8-S6-S2- S7-S4-Ref(배경뇌파)-S3-S1의 순서였다. 배경뇌파의 경우보다 RAB가 높은 자극이 6개, 낮은 자극은 2개였다. 각 자극물의 조도, 색채, 바이오필리아의 구성을 보면 대체로 조도가 낮은 경우 (L로 표기), 무채색(흰색)이 있는 경우 (W로 표기), 인공 바이오필리아가 있는 경우 (A로 표기) RAB가 높은 경향을 볼 수 있다. RAB지표는 베타파에 대한 알파파의 반응, 즉 각성반응에 대한 이완반응의 정도를 측정하는 것으로, RAB값이 높으면 심리적 이완이 되었다고 해석할 수 있다.
Table 4.
RAB Average per Stimuli
<Table 5>는 채널별로 RAB 평균을 정리한 것이다. 가장 높은 채널은 T5이며, 이후 P3, T6, Pz, C4의 순서이고 가장 낮은 채널은 F4, F7, F8이었다. 좌측 측두엽, 좌측 두정엽, 우측 측두엽에서 높은 RAB를 나타냈다.
Table 5.
RAB Average per Channel
전체적인 분포를 보면 측두엽이 가장 높고, 다음은 두정엽, 후두엽, 전두엽과 전전두엽의 순이었다.
2. 실내환경디자인 자극물의 자극 전-후 뇌파반응 차이
베타파에 대한 알파파의 비율이 자극전보다 자극후에 감소했는지 증가했는지를 알아보기 위해 자극 전-후의 뇌파변화의 유의미한 차이를 알고자 대응표본 검증분석을 실시하였다<Table 6>. 총 18명의 RAB 데이터를 SPSS 프로그램에서 정규성 검정 방법인 shapiro wilk test를 실시한 결과 대부분 p<.05로 정규성을 확보하지 못하였으므로 본 데이터 분석에는 비모수적 통계분석 방법이 적절하다고 할 수 있다. 따라서 대응표본의 비모수적방법인 Wilcox on signed rank test(윌콕슨 부호 순위 검정)을 실시하여 배경뇌파(자극 전)와 각 자극을 보는 동안의 뇌파 평균을 비교하였다.
분석결과 6개의 자극물(S1, S3, S5, S6, S7, S8)에서 p<.05 혹은 p<.01 수준에서 배경뇌파와 유의미한 차이를 나타냈다. 즉 총 8개이 자극물 중 6개에서 실내환경디자인 요소가 달라지면 자극 전-후의 각성반응에 대한 이완반응의 정도가 차이를 보이는 것이 검증되었다.
RAB 지표값을 살펴보면 S1은 배경뇌파와 비교시 채널 FP1, FP2, Fz, F7, O1에서 통계적으로 유의미한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 상기의 채널에서 모두 자극 전보다 RAB 수치가 낮아졌다. 즉 S1에서는 배경뇌파 대비 이완이 일어나지 않았음을 알 수 있다. S3의 경우 채널 FP2, Fz에서 유의미한 차이를 나타나며 역시 자극전보다 RAB치수가 낮았다. S5, 6, 8에서는 배경뇌파 대비 이완이 일어난 채널을 발견할 수 있었는데 S5에서는 T6, Pz, 그리고 S6은 Pz, S8은 T4, Pz, P4에서 유의미하게 이완이 일어났다.
3. 실내환경 요인에 따른 뇌파 차이 분석
1) 조도 고저에 따른 분석
실험에 사용된 자극물은 조도, 색상, 바이오필리아 요소의 3가지 요소로 구성되어 있다. 그중 조도에 따라 고조도, 저조도 그룹 각각 4개씩으로 나눌 수 있다. 고조도에는 자극 1, 3, 4, 5가, 저조도에는 자극 2, 6, 7, 8이 포함된다. 다른 두가지 요소는 동일하고 조도만 다른 세트로 1-2, 3-6, 4-7, 5-8의 자극에서의 RAB 지표를 비교하기 위해 Wilcox on signed rank test를 실시하였다. 그 결과 대체적으로 저조도에서 RAB 지표가 높은 경향을 보였다<Table 6>.
예를 들어 (자연, 흰색에) 조도가 낮은 S2에서 조도가 높은 S1보다 FP1, F3, F7, T5에서 RAB가 유의미하게 높았다. 또한 (인공, 흰색에) 조도가 낮은 S6에서 조도가 높은 S3보다 T5, T6, O1, O2에서 RAB가 높았다. 예외적으로 (자연, 흰색에) 조도가 낮은 S7에서 높은 S4보다 F3에서는 RAB가 낮았다. 그러나 더 많은 채널에서 유의미한 차이를 보인 것은 조도가 낮은 경우에 RAB가 높은 경향을 보여, 조도가 낮은 경우에 이완이 일어나는 경향이 있다고 하겠다.
2) 유채색-무채색 여부에 따른 분석
자극물들은 색상에 따라 두 그룹으로 나눌 수 있다. 자극물 1, 2, 3, 6은 벽체에 녹색이 사용되었고 나머지 4, 7, 5, 8은 무채색인 흰색이 사용되었다. 다른 두가지 요소는 동일하고 색상 여부만 다른 세트로 1-4, 2-7, 3-5, 6-8의 자극에서의 RAB 지표를 Wilcox on signed rank test로 비교하였다. 그 결과 대체적으로 흰색이 사용된 자극물에서 RAB 지표가 높은 경향을 보였다<Table 6>.
예를 들어 (자연, 조도가 높고) 흰색벽인 S4에서 녹색벽이 있는 S1보다 채널 Fz, F3, Cz, T5, Pz, O1에서 RAB가 높았다. (인공, 조도가 높고) 흰색인 S5에서 녹색이 있는 S3보다 채널 T5, T6, Pz, P4, O1에서 RAB가 높았다. 반대의 경향은 단 한 채널에서만 발견되었는데, (자연, 조도가 낮고) 흰색인 S7에서 녹색인 S2보다 F8에서 RAB가 낮았다. 이에 대체로 녹색보다 흰색에서 이완이 일어나는 경향이 크다고 하겠다.
Table 6.
Result of Wilcox on Signed Rank Test
| Comparison | CH1 | CH2 | CH3 | CH4 | CH5 | CH6 | CH7 | CH8 | CH9 | CH10 | CH11 | CH12 | CH13 | CH14 | CH15 | CH16 | CH17 | CH18 | CH19 | ||
| Fp1 | Fp2 | Fz | F3 | F4 | F7 | F8 | Cz | C3 | C4 | T3 | T4 | T5 | T6 | Pz | P3 | P4 | O1 | O2 | Count | ||
|
Stimuli- reference | S1-REF | -3.157 ** | -2.896 ** | -2.243* | -2.373 * | -2.373 * | 5 | ||||||||||||||
| S2-REF | 0 | ||||||||||||||||||||
| S3-REF | -2.069 * | -2.199* | 2 | ||||||||||||||||||
| S4-REF | 0 | ||||||||||||||||||||
| S5-REF | -2.156 * | -2.548* | 2 | ||||||||||||||||||
| S6-REF | -2.156* | 1 | |||||||||||||||||||
| S7-REF | -2.156 * | 1 | |||||||||||||||||||
| S8-REF | -1.982* | -2.548* | -1.982* | 3 | |||||||||||||||||
| Light | S1-S2 | -2.156 * | -2.243 * | -2.678 ** | -2.156* | 4 | |||||||||||||||
| S3-S6 | -2.199* | -2.548 * | -2.853 ** | -2.678 ** | 4 | ||||||||||||||||
| S4-S7 | -2.678 ** | 1 | |||||||||||||||||||
| S5-S8 | 0 | ||||||||||||||||||||
| Color | S1-S4 | -2.199* | -2.199 * | -2.025* | -2.461* | -2.548* | -2.069* | -2.025 * | 7 | ||||||||||||
| S2-S7 | -2.591 ** | 1 | |||||||||||||||||||
| S3-S5 | -1.982* | -3.027 ** | -2.025* | -2.33 * | -2.025 * | 5 | |||||||||||||||
| S6-S8 | 0 | ||||||||||||||||||||
| Biophilia | S1-S3 | 0 | |||||||||||||||||||
| S2-S6 | -2.33 * | -2.199* | 2 | ||||||||||||||||||
| S4-S5 | -2.156 * | 1 | |||||||||||||||||||
| S7-S8 | -2.069* | 1 | |||||||||||||||||||
| Count | 2 | 2 | 3 | 3 | 0 | 1 | 2 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 5 | 5 | 5 | 0 | 2 | 5 | 1 | ||
3) 자연-인공 바이오필리아 여부에 따른 분석
자극물들은 자연 바이오필리아와 인공 바이오필리아의 적용에 따라 두 그룹으로 구성되었다. 자극물 1, 2, 4, 7은 창밖으로 보이는 자연풍경을 두었고 3, 6, 5, 8은 나뭇가지 모양을 모티브로 하여 규칙적인 패턴을 적용한 벽판넬을 사용한 경우이다. 다른 두가지 요소는 동일하고 자연 혹은 인공 바이오필리아 여부만 다른 세트로 1-3, 2-6, 4-5, 7-8의 자극에서의 RAB 지표를 Wilcox on signed rank test로 비교하였다. 그 결과 몇군데 채널에서 인공 바이오필리아에서 대체로 높은 RAB값이 관찰되었다<Table 5>. 예를 들어 (녹색에 조도가 낮고) 인공 바이오필리아가 적용된 S6에서 자연이 있는 S2보다 채널 T6, O1에서 RAB가 유의미하게 높았다. 또한 (흰색에 조도가 높고) 인공 바이오필리아가 적용된 S5에서 자연이 있는 S4보다 T6에서 RAB가 유의미하게 높았다. (흰색에 조도가 낮고) 인공 바이오필리아가 적용된 S8에서 자연이 있는 S7보다 T5에서 RAB가 유의미하게 높았다. 이러한 결과는 자연으로의 전망이 생각의 환기를 가져오는 등 가벼운 레벨의 각성을 유발할 수 있기 때문으로 추정된다.
4. 뇌파반응과 힐링 증진에 대한 심리적 반응 비교
본 연구에서는 각 자극물에 대한 뇌파측정 실시 직후, 설문조사를 통해 8개의 자극물을 모두 보여주고 가장 힐링을 증진시킨다고 생각하는 자극물과 가장 머물고 싶다고 생각하는 자극물을 각각 1개씩 선택하도록 하였다. 설문조사 시 응답자의 개념 차이를 최소화하고자 힐링을 ‘스트레스로부터 회복되고 편안함을 주는 개념’으로 한정하여 선택하도록 하였다.
그 결과 가장 힐링을 증진시킨다고 느끼는 자극물의 특성과 가장 머물고 싶은 자극물의 특성은 유사한 경향을 보였으나 이러한 심리적인 응답과 뇌파지표인 RAB 평균값간에 유사성은 관찰되지 않았다<Table 7>. 가장 힐링을 증진시킨다고 느끼는 자극물로는 조도가 높고, 흰색을 사용하고, 자연 바이오필리아를 적용한 S4였고, 가장 머물고 싶은 자극물로도 동일하게 나왔다. 그 다음으로는 S1이 선정되었다. 이들 자극물의 실내환경 디자인요소의 속성은 조도가 높고, 자연바이오필리아 요소를 가졌다는 점에서 공통점을 가지며, 색상의 유무만 차이를 보인다. 반면 뇌파지수 상 RAB 수치가 가장 높게 나온 S5는 단 1명의 참가자만이 가장 힐링을 느끼는 공간이라고 응답하였고 머물고 싶은 곳으로는 전혀 선정되지 않았다. 이를 통해 주관적으로 느끼는 힐링이라는 개념과 생리적인 이완과는 일치하지 않음을 알 수 있다.
심리적 선택에 근거한다면 응답자들은 힐링과 머물고 싶은 이미지에 대해 대체로 조도가 높고, 자연 바이오필리아 요소를 가지는 환경을 선택하는 경향이 있다고 해석할 수 있다. 이러한 심리적 선택반응에 비교하여 RAB지표에 근거한 뇌파반응은 상반된 결과이다. 힐링을 느끼는 이미지로 가장 높았던 S4, S1의 RAB값은 6번째로 낮거나, 8번째로 가장 낮았다. 이는 힐링이라는 개념이 심리적 이완반응에 기초를 하지만 완벽히 일치하지는 않는 개념임을 보여주는 것이며, 심리적 선택과 이완-각성 반응에 기초한 뇌파의 생리적 반응에서 차이가 있음을 보여주는 결과로 사료된다.
Table 7.
EEG Response and Psychological Choice
V. 논의 및 결론
뇌파연구는 우리의 무의식 속에 내재된 생리반응을 탐색하여 사용자의 심리상태를 이해하고 활용하는데 의미있는 연구기법이다. 본 연구는 힐링에 영향을 미치는 실내환경디자인 요소 중 조도, 색채, 바이오필리아 요소의 속성을 뇌파의 RAB 지표를 사용하여 분석하고 설문조사를 통한 주관적인 응답을 분석하였다. 이를 바탕으로 한 주요 결과의 요약은 다음과 같다.
첫째, 베타파에 대한 알파파의 비율인 RAB는 좌측 측두엽과 두정엽에서 특히 높게 나타났다. (2) 자극 전, 후를 비교해보면 배경뇌파와 6개의 자극에서 (S1, S3, S5, S6, S7, S8)에서 RAB 의 유의미한 차이를 보였다. (3) 이완을 나타내는 RAB는 저조도, 흰색벽, 그리고 인공바이오필리아에서 높은 경향을 보였다. (4) 뇌파 데이터와 힐링을 증진시킨다고 여기는 심리적 반응은 일치하지 않았다. 고조도, 자연바이오필리아로 구성된 이미지를 가장 힐링을 느끼는 이미지로 또한 머물고 싶은 이미지로 응답하였다.
1. 힐링을 증진시키는 심리적 반응과 뇌파의 생리적 이완 반응의 개념적 차이
본 연구에서 힐링을 증진시킨다고 여기는 환경적 특징과 실제 두뇌에서 이완이 일어나는 현상이 일치하지 않음을 발견하였다. 이는 힐링이 편안하고 안정된 환경에서 일어날 수 있지만 어느 정도의 자극을 유발하는 곳에서 일어난다고도 볼 수 있어 생리적, 심리적인 반응의 종합적인 연구가 필요하다고 하겠다. Inverted U-shape이라고 불리는 각성과 기쁨과의 관계를 표현한 이론에서는 중간정도의 적정 각성이 있을 때 즐거운 감정을 느끼는 경향이 보고되고 있다(Berlyne, 1974). 즐거운 감정과 힐링이라는 반응이 동일하지는 않으나 힐링이 긍정적 반응이라는 점을 근거로 할 때 일정부분 유사한 관련되는 부분이 있을 수 있다. 생리적으로 이완이 일어나는 현상은 편안하기 때문으로 볼 수 있으며 이는 다르게 본다면 뇌 활동에 자극이 없어서 뇌를 많이 사용하지 않는 상태로도 볼 수 있다. 그동안 EEG연구에서 힐링은 이완이라는 개념으로 접근을 해왔다면 추후 다양한 자극물을 활용하여 보다 종합적인 연구가 필요해 보인다.
2. 두뇌 부위와 이완-각성 반응
본 실험 결과, 이완-각성을 나타내는 지표인 RAB는 T5, P3, T6 등 측두엽과 두정엽 부위에서 높게 나옴을 발견하였다. 선행연구를 살펴보면 측두엽은 양쪽 귀의 윗 부분에 위치한 부위로 주로 청각정보를 처리하여 말을 이해하고 해석하는데 관여한다고 알려져 있으며 또한 ‘기억, 인지, 대상재인과정’에도 역할을 한다고 한다(Kim, 2021, p.64). 두정엽은 촉각, 근신장 수용기, 관절 수용기 등에서 받아들이는 신체 정보를 처리한다고 알려져 있는데, 특히 뒷부분은 공간인식에 대한 감각을 제공하며 주의집중이나 공간적 주의를 유지할 때 활성화된다(Kim, 2021, p.63). 후두엽은 시각적인 정보를 처리하는 영역으로, 공간정보를 저장하는 작업기억을 담당한다고 알려져 있다(Kim, 2021, p.64).
이완을 나타내는 알파파는 즐거운 공간을 평가할 때 좌-중심부 두정엽과 전두엽 일대에서 활성화됨이 보고되었다(Vartanian et al., 2015). 선행연구를 살펴보면 많은 경우 이완지표를 얻기 위해 전두엽, 후두엽, 두정엽에서 뇌파를 측정한 사례를 볼 수 있는데(e.g. Shin & Kim, 2017; Kim, 2021; Kim & Choo, 2021; Kim wr al., 2021a; Yeom et al., 2021b) 측두엽까지 포함한 연구는 찾아보기 힘들다. 본 연구에서 이완-자극 반응이 측두엽에서도 관찰된 바 앞으로 이 부분을 포함한 종합적인 연구가 필요하다고 하겠다.
연구의 한계로는 첫째, 실험자극물의 노출시간이 결과에 영향이 있을 수 있다는 점이다. 본 연구에서는 선행 EEG연구에서 자극물이 노출된 시간을 검토하여 30초로 설정하였다. 너무 길면 집중력이 떨어지고 졸림현상이 발생할 수 있다는 점을 고려하였다. 그러나 본 실험의 노출시간보다 길거나 짧았을 경우 동일한 결과가 나올지는 알 수가 없어 노출시간에 대한 지속적인 후속 연구가 필요해 보인다. 둘째, 실제 공간에서 조도, 색상, 바이오필리아 조건을 달리하여 뇌파를 측정하지 않고 모니터 스크린을 통해 제시되는 실내이미지에 대한 뇌파측정이었으므로, 실제환경에서의 결과와 차이가 있을 수 있다는 점이다. 실제 환경을 변경하는 것의 현실적 어려움으로 인해 본 연구에서는 렌더링 이미지를 개발하여 사용하였다. 모니터를 바라볼 때는 모니터 외 주변 벽 등의 상황이 영향을 미칠 수 있어 최대한 이의 영향을 줄이고자 실험실은 장식이 없는 흰색벽으로 구성하였다. 가상현실 Head mounted display를 쓰고 주위를 차단하는 방법도 있으나 가상현실 기기와 뇌파 기기를 동시에 착용 시 발생하는 불편함과 이로 인해 야기될 수 있는 뇌파의 영향을 우려하여 본 실험에서는 모니터를 보는 방식으로 진행하였다. 추후 경량의 뇌파 기기를 확보하여 가상현실 기기를 동시에 착용한 실험 진행이 필요하다고 본다.
본 연구는 힐링과 치유에 관련된 기존의 환경디자인 연구가 대부분 단일 환경디자인 요소를 대상으로 한 것에서 나아가 힐링을 증진시키는 종합적인 실내 환경디자인의 요소(조도, 색채, 바이오필리아)의 속성을 파악하였다는 점에서 의의가 있다. 더불어 뇌파측정을 통한 생리적 데이터와 사용자의 심리반응에 대한 종합적인 분석을 통해 근거 중심 디자인을 위한 환경 디자인연구의 방법을 시사하였다. 향후 다수의 실험참여자들을 대상으로 하여 사용자 집단별, 대상공간별 확대를 통해 세분화된 특성을 파악한 후속연구- 힐링에 관여되는 생리적 지표에 대한 검증 연구 수행 - 이 필요할 것으로 판단된다.
