KR100536919B1 - 기능성 신발 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보행을 통하여 발생되는 운동에너지를 이용하여 물리에너지를 생성시키고 이러한 에너지를 이용하여 물리치료 기능이 구비되도록 한 신발에 관한 것으로, 외부에서 가해지는 외력에 의해 순간적인 전류 및 전압을 발생시키는 압전소자로 이루어진 전원발생부와; 전도성 재질로 이루어지고, 인체 내부의 기관들과 연결되는 발바닥의 신경점들이 위치되는 부위에 형성되는 복수개의 지압부; 그리고 상기 전원발생부와 지압부 사이에 연결되어 생성된 전류 및 전압을 지압부로 전달하기 전도부;를 포함하여 구성되어, 보행중에 가해지는 외력에 의하여 발바닥의 특정 신경점들의 물리적 지압과 미세전류의 전도가 동시에 이루어지는 기능성 신발을 제공하는데 있다. 따라서 본 발명에 따르면, 지압부를 통하여 물리적자극, 자기력 및 미세전류가 복합적으로 작용되어 신경점들을 자극함으로써 혈액순환이 보다 원활히 이루어지고, 인체 내부의 기관들에 영향을 미치게 되어 건강이 증진되는 효과가 있다.

Description

기능성 신발{functional shoes}

본 발명은 신발에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보행을 통하여 발생되는 운동에너지를 이용하여 물리에너지를 생성시키고 이러한 에너지를 이용하여 물리치료 기능이 구비되도록 한 신발에 관한 것이다.

최근에는 생활수준의 향상과 수요자의 다양한 욕구에 의해 다양한 디자인을 가진 수많은 종류의 신발이 제조되고 있으며, 또한 각 기능에 따른 특수신발 역시 다양하게 출시되고 있다. 따라서 신발은 단순히 발을 보호하기 위한 하나의 수단에서 점차 벗어나 여러 가지 기능을 구비한 하나의 장치로 발전하고 있다. 일예를 들어 특수작업자들을 위한 안전화, 뒷굽이 없는 다이어트슈즈 및 당뇨환자용 신발 등은 각 용도에 맞게 그 기능성을 부각시킨 신발로써, 점차 이러한 기능성 신발들의 생산량이 증대되는 추세에 있다.

한편, 동양의학에 따르면 손과 발에는 인체의 각 기관과 상호작용하는 경혈점들이 분포하고 있고, 이러한 손과 발에 연결된 각 경혈점들을 지압하거나 자극을 가함으로써, 상기 경혈점들과 연결된 인체 내부의 기관들에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 이러한 손과 발에 분포한 경혈점들을 이용하여 간접적이고 보조적인 인체치료를 위한 방법으로 널리 사용되고 있다. 일예를 들어 최근에 선풍적인 인기를 끌고 있는 수지침, 족침 등이 그 대표적인 예로써, 인체내부의 특정 기관과 연결된 손과 발의 각 경혈점들을 침으로 자극하여 치료를 수행하고 있는 것이다.

또한, 인체치료를 위한 외부자극으로는 침과 더불어 지압, 뜸, 저주파, 자기장 및 전기자극 등 여러 가지가 사용되고 있으며, 침 및 지압 등은 직접적으로 신경을 자극함으로써 신경운동의 활동성을 강하게 하는 반면에, 저주파 및 자기장 등은 직접적인 신경자극보다는 인체내부로 투과되어 특정 목적의 치료를 수행하게 된다. 이러한 외부자극을 통한 치료방법은 동양의학에서 출발하여 사용되었으나, 현재는 그 효과가 실질적으로 입증되어 동,서양 의학을 불문하고 여러 가지 다양한 방법들을 통하여 사용되고 있다.

이러한 다양한 방법들을 이용한 여러 가지 물리적 기구가 성행하고 있으며, 이러한 방법들을 신발에도 응용하여 많이 이용되고 있는 실정이다. 종래 가장 보편적인 것으로는 신발 내측에 덧되는 안창의 표면을 불규칙적으로 만들어 발바닥 지압을 위한 신발들이 널리 사용되고 있으며, 그 이외에도 많은 종류의 기능성 신발들이 사용되고 있는 실정이다.

또한, 인체에 유익한 도움을 주는 외부자극으로는 전기 및 저주파를 이용한 신발들을 살펴보면, 한국실용신안공고공보 제 1987-5561호에 방전전극장치를 한 신발이 개시되어 있다. 상기 종래기술에 따르면, 압전소자에 가해지는 압력에 의하여 발생되는 전류를 도선에 의하여 연결된 방전극을 통하여 전파되도록 하고 있다.

상기 기술에 따르면, 압전소자에 의한 전류가 발바닥을 통하여 전도된다고 하고 있으나, 실제로는 전기가 거의 통전되지 못하는 문제점이 있다. 즉, 압전소자는 외력에 대응한 변화에 의하여 전압이 변하는 일종의 축전지 역할을 수행하며, 반대로는 외부에서 전원을 가했을때, 압력의 변화를 일으킨다. 전자로는 압력의 변화를 이용하는 것으로 가스레인지의 점화장치 등에 사용되고 있으며, 후자로는 이러한 압력변화를 이용하여 가속도기 등의 전자 기기에 응용되고 있다. 상술한 종래기술에서는 전류를 이용한다고 하고 있다. 그러나, 통상의 압전센서에서 발생되는 전류는 수 피코암페아(pA) 정도로써 극히 미약하고 상대적으로 발바닥 표면의 저항은 적게는 수백오옴(Ω)에서 많게는 수메가오옴(㏁)에 이르므로, 상기 발생되는 미세전류로는 발바닥 표면을 통하여 내부로 거의 전달되지 못하는 문제점이 있다.

또한, 전류가 발바닥을 통과하더라도 그 효과는 거의 없는 문제점이 있다. 즉, 상술한 구조에서는 단 하나의 방전극을 통하여 전류가 전도되도록 구성되어 있고, 전류의 전도 특성상 최단거리로 이동하므로 하나의 방전극을 통해 흐르는 전류는 다른 방전극의 최단 거리인 직선 경로로 이동하므로, 발에 미치는 전류의 효과는 거의 없게 되는 문제점이 있다. 이러한 문제점들로 인하여 현재까지 상기 구조는 전혀 실용성이 없어 사용되지 못하고 있는 실정이다.

또한, 한국 등록실용신안(등록번호 20-274120호)에 따르면, 물리치료기능이 구비된 신발이 개시되어 있다. 상기 개시된 내용에 따르면, 신발 내부에 전원공급부에 의해 공급되는 전원에 의하여 저주파가 발생되도록 하는 것이다. 그러나, 상기 신발에 따르면, 다음과 같은 여러 문제점이 있어 실 생활에 적응될수 없는 것이 단점이다.

첫째, 전원공급부로 건전지 혹은 외부에서 충전되어 전원이 공급되는 구조로 이루어져 있다. 상기와 같은 구조하에서는 전원의 교환 및 충전 등의 불편함이 있어 실 사용에는 곤란한 문제점이 있다.

둘째, 제어부, 저주파출력부 및 저주파발진부 등의 복잡한 구조로 이루어져 있다. 이는 일반적으로 사용되는 저주파발생기가 통째로 신발 내부에 설치되는 것으로 실지 신발 내부에 이러한 장치를 설치할 공간이 부족할 뿐만 아니라 구조가 복잡하여 외부의 충격등에 쉽게 고장 날 수 있는 문제점이 있다.

셋째, 복잡한 구조로 이루어진 상기 저주파 발생기의 제조원가는 고가이므로 신발단가의 상승을 야기시킬 뿐만 아니라 무게 또한 무거워 신발전체의 무게를 무겁게 하는 문제점이 있다. 이러한 무거운 신발은 보다 가볍게 이루어지는 신발구조에 역행하는 추세로써 실지 현실에서는 전혀 적용될 여지가 없는 문제점이 있다.

또한, 현재 출시되고 있는 신발들은 단순한 하나의 기능들만 구비하고 있으며, 그 효과 역시 미미한 실정이다. 따라서 복합적인 기능을 구비하고 의료적으로 사용될 수 있는 신발들이 출시된다면, 신발은 단순한 발을 보호하기 위한 도구가 아니라, 일상적인 생활을 통하여 자연적으로 인체에 여러 가지 유익한 치료의 보조적인 도구로 사용될 수 있을 것이다.

따라서 본 발명은, 상기의 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 복합적인 다 기능을 가지는 물리치료가 가능한 신발을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명은, 사람의 운동에 의해 발생되는 힘을 이용하여 자체 전기에너지를 생성시키고, 이를 이용하여 여러 가지 물리적 에너지로 변환시킴으로써 영구적인 에너지 생성이 가능한 신발을 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 발바닥에 분포하는 신경부분중 인체의 각 기관과 연결되는 특정부위의 신경부분에 물리적 에너지를 직접 작용시킴으로써, 인체에 유익한 자극을 신경을 통하여 전달되는 신발을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1특징에 따르면, 외부에서 가해지는 외력에 의해 순간적인 전류 및 전압을 발생시키는 압전소자로 이루어진 전원발생부와; 전도성 재질로 이루어지고, 인체 내부의 기관들과 연결되는 발바닥의 신경점들이 위치되는 부위에 형성되는 복수개의 지압부; 그리고 상기 전원발생부와 지압부 사이에 연결되어 생성된 전류 및 전압을 지압부로 전달하기 전도부;를 포함하여 구성되어, 보행중에 가해지는 외력에 의하여 발바닥의 특정 신경점들의 물리적 지압과 미세전류의 전도가 동시에 이루어지는 기능성 신발을 제공하는데 있다. 그리고 바람직 하기로는 상기 지압부는 자석으로 이루어져 지압부를 통하여 자기에 의한 자극이 더 제공되도록 하고, 상기 전원발생부는 가해지는 순간외력이 30kg 내지 150kg에 대응하여 1 내지 60 ㎂의 순간전류와 1 내지 500V의 순간전압이 발생되도록 하여 발바닥의 뒷굽부분이 위치되는 부위에 형성되어 지압부가 전기적으로 를 병렬연결 또는 직렬연결 되도록 한다. 또한 상기 전원발생부는 각 지압부의 하부에 개별적으로 형성되고, 전도부는 전원발생부와 각 지압부를 개별적으로 연결되도록 한다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 신발에 있어서, 신발본체와; 외부에서 가해지는 외력에 의해 순간적인 전류 및 전압을 발생시키는 압전소자로 이루어진 전원발생부와, 전도성 재질로 이루어지고 인체 내부의 기관들과 연결되는 발바닥의 신경점들이 위치되는 부위에 형성되는 지압부, 그리고 상기 전원발생부와 지압부 사이에 연결되어 생성된 전류 및 전압을 지압부로 전달하기 전도부를 포함하여 이루어지는 안창;으로 구성되어 신발본체에 탈착이 이루어지도록 하거나, 신발본체와 일체로 이루어지는 바닥창에 직접 형성되도록 하는데 다른 기술적 요지가 있다.

이하에서는 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 신발을 도시한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 도시한 도 1을 참조하여 발바닥에 의한 신경분포를 설명하기로 한다. 도시된 도 1은 인체의 내부 각 기관과 연관성을 가지는 발바닥의 신경점 부위를 나타내고 있다. 이러한 신경점 분포는 서양의학에서는 아직 학문적으로 명확하게 증명되지는 않았지만, 동양의학에서는 널리 알려져 사용되고 있으며, 족침, 발 마사지 등의 형태로 실지 일상생활에서 현재 널리 이용되고 있다. 상기 도면에 따르면, 인체의 각 내부 기관과 연결되는 신경점들이 분포되는 위치가 나타나 있다. 예를들어 당뇨병환자의 경우, 인슐린 분비의 문제로 인하여 야기되므로, 상기 신경분포점들 중 췌장에 해당되는 부위를 자극함으로써 보조적인 도움을 주며, 소화장애가 있을시에는 위부분에 해당하는 신경점들을 자극하게 된다. 이러한 동양의학에 기초한 상기 신경분포 도면은 널리 알려져 있어 이하 자세한 설명은 생략하기로 한다.

다음, 도시된 도 2는 본 발명에 의한 신발의 개념도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 신발은 크게 세 부분으로 이루어지며, 이를 살펴보면, 신발의 특정 위치에 형성되는 전원발생부(100)와, 상기 발생된 전기에너지를 필요로 하는 위치로 이동시키기 위한 전도부(200) 그리고, 상기 변환된 에너지를 발바닥의 특정 부위의 신경점에 전달하는 지압부(300)의 세부분으로 이루어진다.

먼저, 전원발생부(100)를 설명하기로 한다. 상기 전원발생부(100)는 외부에서 가해지는 힘에 의해 전기에너지를 생성시키는 압전소자를 이용한다. 이러한 압전소자를 구동시키기 위한 동력원으로는 사용자의 걷기, 뛰기 등의 사용자의 운동에 기인한다. 즉, 사용자가 신발을 착용하고 사용하는 도중에 발바닥을 통해 전달되는 압력을 이용하는 것이다. 따라서 상기 전원발생부(100)는 신발을 이루는 바닥창 또는 안창에 위치하면 족하고, 그 위치는 신발의 뒷굽 부분이나, 전방부분의 바닥면 어느것이나 가능하다. 물론 뒷굽부분에 위치시 가장 많은 압력이 작용되므로 생성되는 전기에너지의 양은 가장 클것이다.

상기 전원발생부(100)는 가해지는 압력에 의하여 전기에너지를 생성시킬 수 있는 것으로 도시된 도3에서는 압전소자(piezoelectric element)를 나타내고 있다. 상기 압전소자는 외부에서 압력이 가해졌을때, 전압 및 전류를 발생시키며, 이러한 압전소자에 의해 발생되는 전압의 세기 및 전류의 양은, 기본적으로 외부에서 가해지는 힘에 의해 비례적으로 증가한다. 그리고, 압전소자의 재질, 소자의 크기, 및 형태에 따라 다르지만 전압은 수볼트에서 수천볼트의 순간전압 형성이 가능하나, 통상적으로 전류의 양은 극히 미미한 수 피코암페어(pA)것으로 알려져 있다. 따라서 전류의 양이 미미함에 따라 상기 발생되는 전류의 양으로는 효과적인 전기 자극을 수행할 수가 없게 된다. 따라서 본 발명에서는 전기자극으로써 유용한 정도의 미세전류인 수마이크로 암페어(㎂) 이상의 전류를 발생시키고, 상기 미세전류가 비교적 저항이 큰 발바닥을 통하여 인체 내부로 전도될 수 있도록 비교적 높은 순간전압인 수십 내지 수백 볼트(V)가 형성되도록 하는 것이 필요하다. 그 이유는 다음과 같다.

전류의 경우 인체에서는 약 0.06mA 정도의 미세전류가 흐른다고 알려져 있으며, 건강 상태에 따라 이러한 미세전류의 강도가 다르다고 알려져 있으며, 통상적으로 신체가 나빠지면 미세전류의 양이 훨씬 적게 흐르는 것이 임상적으로 알려져 있다. 따라서 이러한 인체에 자극이 될 수 있는 정도의 크기를 가지는 미세전류를 외부에서 자극함으로써 신체 내부의 바란스에 기여할 수 있게 된다. 또한, 인체의 감각 수준에 따라 약간씩 정도의 차이는 있으나, 통상적으로 1mA 정도의 전류는 충분히 지각할 수 있다고 알려져 있으며, 장시간 전류의 통전은 별로 바람직 하지 않다고 알려져 있다. 따라서 발바닥을 통해 공급되는 전류는 1mA보다는 훨씬 적은 수 내지 수십 마이크로암페어(㎂) 정도의 크기면 족할 것이고, 이러한 전류는 지속적 흐름이 아닌 순간 순간 단속적으로 흘러 자극으로써 역할을 수행하는 것이 바람직하다. 그리고 가장 바람직 하기로는 순간전류가 인체내부 전류인 60㎂이하로 전달되어 장시간 사용되더라도 인체에 부작용이 없는 정도의 미세전류가 흐르는 것이 좋다.

그리고, 상술한 바와 같이, 발바닥의 표면저항은 500Ω 내지 수㏁에 이르는 것으로 알려져 있다. 인체의 상태에 따라 다르나, 건조상태에서는 수㏁의 저항을 나타내고 완전히 젖은 경우에는 약 500Ω 정도의 저항을 나타낸다고 알려져 있다. 따라서 수메가오옴(㏁)의 높은 저항일 경우에는 이러한 저항을 극복하고 발바닥을 통하여 미세전류가 인체 내부로 통전되기 위해서는 순간적인 높은 전압이 필요로 하게 된다. 일 예로 발바닥의 저항이 5㏁일 경우 10㎂의 전류가 통전되기 위해서는 순간전압이 50V 이상이 되어야 한다. 또한, 이러한 높은 전압은 자극으로써의 역할도 수행할 수가 있게 된다. 즉, 인체 내부에서 문제가 되는 것은 과도한 전류의 흐름이므로 미세전류의 양이 적정하다면 어느정도의 높은 전압은 미세전류가 발바닥을 통하여 인체 내부로 쉽게 전달되도록 하는 자극역활을 수행하게 되는것이다.

따라서 본 발명에서 사용되는 압전소자는 외부에서 가해지는 압력에 의하여 수 내지 수십 마이크로암페어(㎂), 바람직 하기로는 60㎂이하의 순간전류가 형성되고, 그때 가해지는 순간전압은 수 내지 수백볼트(V), 바람직하기로는 500V 이하의 전압이 형성되는 것이 좋다.

그러나 통상 사용되는 압전소자로는 본 발명에서 요구하는 자극으로서의 역할을 수행하기 위한 전류 및 전압의 달성이 곤란하다. 즉, 인체가 보행중에 가해지는 압력에 의하여 압전소자가 작동되어 순간전류 및 순간전압을 생성하게 되나, 생성되는 전류의 양이 피코암페어로써 너무 적어 단순한 압전소자로는 그 달성이 곤란하다. 상술한 바와 같이, 압전소자는 센서 및 변위제어장치로 사용되고 있으며, 이러한 사용시에는 외부에서 가해지는 전류 및 전압 변화에 따른 압전센서의 진동을 이용하는 것이 주이므로 전류의 생성은 거의 고려되진 않는다.

따라서 본 발명에서처럼 외부에서 가해지는 압력에 따른 전류 및 전압을 생성하기 위해서는 압전소자의 변형에 의해 전류 및 전압이 발생되도록 하는것이 필요하다. 본 발명에서 사용되는 압전소자는 PZT계 압전세라믹으로 그 조성은 PbO₂, TiO_2, ZrO_2, MgO, Nb₂O₂ 원료분말을 사용하여 제조하였고, 이 분말을 테이프 케스팅(tape casting)을 통해 세라믹 후막(ceramic sheet)을 제조하였다. 상기 제조된 세라믹 후막을 수십층 적층하고, 상기 적층된 압전체를 소결하여 필요로 하는 압전소자를 제조하였다.

필요로 하는 수십마이크로 암페어(㎂)의 전류를 생성하기 위해서는 압전체는 다음과 같은 조건을 고려하였다.

압전체에서 측정가능하는 압전계수는,

d=(Q/A)/(F/A)=Q/F(Q:압전체에서 발생되는 전하량, A:압전체에서 인가되는 힘을 받는 면적, F:압전체에서 인가되는 힘)

으로 나타낼수 있다.

그리고, 압전계수(d)는 압전체에 인가되는 힘에 의해 발생되는 전하량이다. 예를 들어 50kg의 몸무게를 가진 사람이 보행중 발바닥에 가해지는 압력은 통상 걸을때에는 120%의 정도의 힘이 가해져 60kg 정도의 무게가 가해지고, 빠른 걸음의 경우에는 135%, 달릴때에는 200% 이상의 힘이 가해진다.

따라서 보행시에는 약 60kg의 하중이 가해지므로 발에 가해지는 힘은,

F =ma =60kg X 9.8m/s² 으로 대략 600N 이된다.

그리고, 압전계수(d)가 500pC/N인 PZT계 압전 세라믹에 600N의 힘을 인가할때, 발생하는 전하량은 500pC/N X 600N = 3 X 10^-7C (C: 쿨롱, pC: 피코쿨롱)이다. 발이 지면에 닿아서 힘이 가해지는 시간이 1초라고 하면,

전류(I)= dQ/dT = 3 X 10^-7C /1s =0.3㎂의 순간전류가 발생한다.

따라서 적층형 압전세라믹을 사용할 경우, 외부힘이 인가되는 면적만큼 전하량이 증가하므로 적층층수 만큼 전류가 증가하게 된다. 이론적으로는 100층으로 적층시 약 30㎂의 전류가 발생하게 된다.

이러한 이론의 타당성을 검토하기 위하여 본 발명자는 가로ㅧ세로ㅧ높이가 각각 10mmㅧ10mmㅧ10mm의 크기를 가지는 적층형 압전소자를 이용하여 필드테스트를 수행하였으며, 그 결과는 도 4에 나타내었다. 도시된 바와 같이, 순간적인 약 0.1초동안의 자극으로 약 60kg의 하중을 가했을 경우 464㎂의 전류가 발생하였으며, 30kg의 하중을 가했을 경우에는 158㎂의 순간전류가 발생됨을 알수 있었으며, 이는 본 발명에서 요구하는 발바닥의 특정부위를 자극하기 위해 필요로 하는 순간전류 이상이 발생됨을 알 수 있으며, 충분히 신발에 적용 가능함을 알 수 있었다.

한편, 전기자극으로써의 역할으르 수행하기 위해서는 적절한 순간전압의 발생도 필수요건이다. 필요로 하는 전압은 수 내지 수백볼트(V)가 형성되어야 하며, 본 발명에서는 상기 압전소자가 신발에 적용되는 것이므로, 신발의 장착시 실 조건도 고려되어야 한다. 따라서 신발은 통상적으로 어느정도의 충격을 완화할수 있도록 적당한 탄성을 지니는 합성수지재 재질로 바닥창이 형성되어 있다. 이러한 조건을 고려하여 운동화 바닥창으로 널리 사용되는 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 창에 압전소자를 설치하여 테스트를 수행하였다. 이 경우 도시된 도 5의 결과에서처럼 순수한 압전소자의 경우 경우 순간적인 60kg의 하중을 가했을 경우 약 304V의 순간전압이 발생되었으며, 30kg의 순간 하중을 가했을 경우 약 137V의 순간전압이 발생되었다. 그러나, 신발창에 매설한 후, 실지 보행시 발생되는 압력을 측정해보면, 동일하게 60kg의 하중을 가했을 경우 약 151V의 순간전압이 발생되었으며, 30kg의 순간 하중을 가했을 경우 약 79V의 순간전압이 발생되어 순수한 압전소자 보다는 전압강하가 이루어 짐을 알수 있었다. 이는 상기 신발창이 어느정도 탄력성을 가지므로 가해지는 외력이 어느 정도 흡수되는 결과이나, 상기 결과값은 충분히 미세전류 자극으로써 신발에 적용가능한 것이다.

다음은 본 발명에 의한 전도부(200)와 지압부(300)를 설명하기로 한다. 먼저 지압부(300)를 설명하기로 한다. 상기 지압부는 발바닥의 신경점들에 위치되도록 한다. 즉, 도1에 도시된 바와같이, 발바닥의 면에서 인체 내부의 각 기관에 대응하는 신경점들이 형성된 위치에 지압부(300)가 형성되도록 한다. 상기 지압부(300)는 도전성 재질로 이루어지도록 하여, 상술한 전원발생부(100)에서 생성된 전기 에너지가 통전되도록 한다. 따라서 발바닥의 신경점에는 지압부(300)에 의한 물리적인 지압이외에 미세전류에 의한 전기적 자극이 전달될 수 있는 것이다. 그리고 바람직 하기로는 상기 지압부(300)는 자석의 형태를 이루도록 하여 지압부(300) 자체에 의한 자기장이 형성되도록 하는 것도 좋다. 이럴 경우 지압부(300)를 통하여 물리적인 지압과, 미세전류의 통전 그리고 자기장의 형성이 이루어져 복합적인 물리에너지가 가해질 수 있는 것이다. 따라서 상기 지압부(300)를 통하여 전달되는 물리적 자극과 자석에 의한 자기장 그리고 전기자극에 의한 복합적 물리에너지에 의해 발바닥에 위치된 신경점들이 자극을 받게 되어 혈액순환이 원활히 이루어져 인체 내부의 각 기관에 도움을 줄 수가 있는 것이다.

다음, 전도부(200)를 설명하기로 한다. 상기 전도부(200)는 전원발생부(100)에서 발생된 전기에너지를 지압부(300)로 전달하기 위한 일종의 연결부로써, 방식에 따라 병렬 연결 또는 직렬 연결방식으로 이루어질 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 병렬 연결일 경우에는 각 지압부(300)에 걸리는 전압은 동일한 반면에 전류는 분산되어 흐르게 된다. 그리고, 이 경우에 각 개별의 지압부(300)는 압전소자(100)와 개방회로를 형성하게 된다. 즉, 압전소자(100)의 일측에서 나오는 전선(p)이 필요로 하는 지압부의 개수만큼 선로(p1,p2,p3,p4)를 분기하고, 압전소자의 타측에서 나오는 전선(q) 역시 필요로 하는 지압부(300)의 개수만큼 선로(q1,q2,q3,q4)를 분기시킨 후, 각 분기된 선로가 각 지압부(300)의 지압봉에 각각 연결되도록 한다. 즉, 제1지압부(310)의 두개의 지압봉(310a,310b)에 각각 압전소자에서 분기된 선로(p1,q1)이 연결되도록 하고, 제2지압부(320)의 지압봉(320a,320b)에 분기선로(p2,q2)가 연결되도록 하는 것이다. 이와 같은 연결구조는 전체적으로 각 지압부는 병렬연결로 이루어지는 구성이 형성되는 것이다. 따라서 각 지압부에 걸리는 전압은 전체전압(V)가 형성되고, 각 지압부에는 전체전류(I= i1 + i2 + i3 + i4)에서 각각 i1, i2, i3, i4로 나누어진 전류가 흐르게 된다.

한편, 각 지압부(300)는 지압봉에 도선이 연결되어 있으므로 각 지압부(300)는 개방회로를 형성하고 있다. 제1지압부(310)의 경우를 살펴보면, 발바닥이 제1지압부(310)에 접면된 경우, 전류는 일측의 지압봉(310a)에서 발바닥 내부를 통하여 흐르고 다시 타측의 지압봉(320b)으로 흘러나오는 경로를 거치게 된다. 따라서 제1지압부가 위치된 페의 신경점 부위에 집중적인 전류가 흘러 전기자극이 이루어질 수 있게 된다.

위와는 달리 도7에서는 전도부(200)가 직렬연결된 구조를 나타내고 있다. 직렬연결일 경우에는 압전소자(100)의 일측에서 분기된 선로(p)가 각 지압부(300)를 거쳐 압전소자의 타측선로(q)로 연결된 구조를 취하고 있다. 즉, 선로(p)가 제1지압부(310)의 일측 지압봉(310a) 그리고 타측지압봉(310b)에 연결되고, 다시 타측지압봉(310b)에서 나온 선로는 제2지압부(320)의 일측지압봉(320a)에서 타측지압봉(320b)의 순서로 선로가 연결되어 있다. 물론 이 경우 각 지압부(310,320,330,340)의 일측지압봉(310a,320a,330a,340a)과 타측지압봉(310b,320b,330b,340b) 사이에는 전기적 단락이 형성되어 개방회로 구조를 취하고 있다. 따라서 발바닥이 접면될 경우, 발바닥면과 지압봉이 전기적으로 연결되는 폐쇠회로를 구성하여 전류는 각 지압부(300)의 지압봉을 통하여 발바닥의 특정점 부위로 전류를 통할수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 전도부(200)의 연결형태에 따라 각 지압부(300)에 걸리는 순간전압과 순간전류의 변형이 가능해 짐을 알 수있다. 물론 이 이외에도 지압부(300)와 전원발생부(100)의 연결을 매개하는 전도부(200)의 구성을 달리하여 각 지압부(300)가 직렬연결되도록 하는 등 연결형태는 얼마든지 다르게 구성함은 물론이다.

한편, 본 발명에서 이용되는 전류 및 전압은 발바닥에 가해지는 외력에 의해 발생되는 순간적인 값이므로 일정한 형태를 가지는 것이 아니라, 가해지는 외력에 따라 발생되는 전류 밑 전압의 양이 다르며, 교류전류의 형태로 형성된다. 즉, 사람의 체중과 보행의 형태(걷기, 뛰기 등)에 따라 불규칙적이며, 이러한 불규칙적인 압력이 압전소자(100)에 가해질 경우 매 순간 전압 및 전류의 값이 불규칙이다. 즉, 압전소자(100)에서 나오는 전압의 크기는 압력의 크기에 비례하며, 전압파형의 형태도 임펄스형태를 비롯하여 다양한 형태로 발생할 뿐만 아니라 바람직 하지 않은 고조파도 일정정도 형성될 가능성이 있다. 따라서 필요이상의 과도한 전압이 형성될 가능성도 있으며, 이때에는 인체에 부적절한 과도한 전압을 제한하고, 불필요한 고조파 및 기형적인 전압의 형태를 제한할 필요가 있다. 이러한 변환을 위하여 압전소자에서 나오는 전압 및 전류를 변환시키기 위하여 변환부가 필요하며, 이러한 변환부는 여러 가지 형태로 이루어질 수 있으나, 가장 간단한 수동 로패스 필터를 이용하여 전압의 크기 또는 고조파를 제거할 수 있으며, 로패스필터는 다음식을 따른다. f = 1/2πCR(C:컨덴스 ,R:저항)

상기 필터링되어 출력되는 값은 R과 C값에 좌우되며, 차단주파수를 낮출려면 R과 C값을 크게 하면 될 것이다. 만일 1차로패스필터로 부족하면 2차 ,3차 로패스필터를 설계하여 가장 적합한 필터링을 할 수 있는 로패스필터를 설계하면 족할 것이다. 따라서 상기 저항과 컨덴스를 적절히 구성함으로써 압전소자에서 나오는 전류 및 전압의 크기를 제한할수 있게 된다. 하지만 대개는 압전소자에서 발생하는 전압은 주파수가 그리 크지 않고, 전류량의 급격한 증가는 이루어지지 않는다. 가해지는 외력에 의한 순간전압 및 순간전류의 값이 불규칙적이라도 이러한 전류 및 전압은 발바닥을 통한 전기자극으로서 작동하므로 인체에 무해하므로 그대로 두어도 좋다. 필요하다면 이러한 전압 및 전류를 필터링하기 위하여 통상 커패시티만을 장착하는 것으로도 충분한 필터링효과를 얻을수도 있을 것이다.

다음, 상기와 같은 개념으로 이루어지는 본 발명을 도시한 구체적인 실시예를 통하여 설명하기로 한다.

제1 실시예

도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 전원발생부(100)가 하나로 이루어 지고 신발 안창(20)에 설치되는 구조를 이루고 있다. 즉, 전원발생부(100), 지압부(300), 전도부(200)가 신발 안창(20)에 형성되도록 함으로써, 모든 신발(10)에 적용이 가능하도록 한것이다. 따라서 먼저 상기 기능부들이 구비된 신발안창(20)을 먼저 설명하기로 한다.

상기 안창(20)의 구조를 살펴보면, 압전소자는 안창의 뒷축부분에 위치되도록 하는데 상기 위치는 신발(10)에서 가장 많은 압력이 가해지는 위치이다. 그리고, 신발(10)의 구조상 상기 뒷굽부분이 가장 여유공간이 커 설치하기가 용이할 뿐 아니라, 또한, 발바닥에서 전달되는 힘을 이용할 수 있는 위치이기 때문이다. 즉, 본 실시예에서는 전원발생을 위한 동력원으로써 보행중에 뒷굽에 의해 가해지는 압력을 이용하는 것이다. 보편적으로 안창(20)을 착용하고 신발(10)을 사용하게 되는 경우 발바닥의 뒷굽이 먼저 지면에 닿고 순차적으로 뒤에서 앞으로 닫는 행동으로 이루어진다. 따라서 가장 많은 압력이 발생하는 부위는 뒷굽부분에 전원발생부(100)가 위치됨으로써 보행에 따른 외력을 최대한 이용할 수 있는 잇점이 있다.

그리고, 상기 전원발생부(100)는, 압전세라믹으로 소결된 형태를 이루므로, 합성수지재 등의 강도가 큰 케이스(100a)내에 설치되도록 한다. 이는 반복적인 충격하중에 의해서도 압전소자(100)의 파손이 방지되도록 함은 물론 발바닥에 의한 외력전달이 용이하도록 하기 위함이다. 즉, 본 발명에서 요구되는 압전소자(100)는, 순간전류가 수 내지 수십 마이크로 암페어(㎂)이고 순간전류가 수 내지 수백볼트(V)의 크기를 가지므로, 다양한 크기와 형태를 가질 수 있으나, 신발 뒷굽의 형상과 설치용이성을 고려하여 수십층 적층된 적층형 압전소자로써 5X5X5mm에서부터 10X10X10mm의 크기를 가지는 것이 바람직하다. 따라서 외부케이스(100a)가 상기 크기보다 다소 크게 형성됨으로써, 발바닥에 의한 외력이 외부케이스(100a)를 통해 압전소자(100)에 전달되도록 함으로써 파손방지와 효과적인 외력전달이 가능해지는 것이다.

안창(20)의 바닥면에는 지압부(300)가 돌출되어 있다. 상기 지압부(300)는, 도1에 도시된 바와 같은, 인체 내부의 각 기관에 대응하는 신경점들이 위치하는 부위에 형성되도록 한다. 본실시예에서는 지압부(300)가 4개로 구성된 경우를 나타낸다. 즉, 제1지압부(310)는 페, 제2지압부(320)는 갑상선, 제3지압부(330)는 심장, 그리고 제4지압부(340)는 신장에 대응하는 위치이다. 물론 상기예에서는 4개만 나타나 있으나, 더 많은 수의 지압부(300)로 이루어지는 것도 가능하다. 상기 지압부(300)는 전도성 재질로 이루어져 후술하는 전도부(200)와 전기적으로 연결된 구조를 이루고 있다. 그리고, 상기 각 지압부(300) 상에 형성된 지압봉은 서로 전기적으로 이격되어 있는 구조를 취하고 있다. 지압부(300)의 각 지압봉에 각각 양극, 음극의 전기적 선로가 연결되어 있어 개방회로 구조를 취하고 있다. 제1지압부(310)의 경우, 발바닥 접면시 발바닥면이 양 지압봉(310a,310b) 사이에 위치되므로 일측 지압봉(310a)을 통한 미세전류가 발바닥을 통해 내부로 전도되고 다시 타측 지압봉(310b)으로 전도되어 전기적 회로가 이루어 지도록 구성되어 있다. 상기와 같이 구성함으로써 발바닥의 특정 지점이 효과적인 전기자극을 받을 수 있게 되는 것이다. 한편, 상기 지압부(300)는 자성물질로 구성되도록 하여 자체적으로 자기를 띠게 하는 것도 가능할 것이다. 이 경우에는 지압부(300)의 상면을 통한 미세전류뿐만 아니라 지압부(300) 자체에서 자기장이 형성되어 상기 자기장에 의한 자기가 발바닥을 통해 전달될 수 있다.

다음, 전도부(200)를 설명한다. 상기 전원발생부(100)와 각 지압부(200)들 사이의 전기적 연결은 병렬 또는 직렬연결 어느 것이나 가능하나, 압전소자(100)의 동작 특성에 따라 고려하는 것이 좋다. 즉, 압전소자(100)는 기본적으로 외부에서 가해지는 압력에 따라 전류 및 전압이 결정되나, 상술한 바와 같이 각 압전소자의 재질에 따른 전류 및 전압의 발생량이 다르다. 또한 동일 재질이라도 압전소자의 형태와 적층 여부에 따라 전류 및 전압의 발생이 달라지게 된다.

본 실시예에서는 전체적으로 병렬연결되고, 각 지압부(300)가 개방회로를 이루도록 구성되어 있다. 즉, 전원발생부(100)의 일측단자(p)와 각 지압부(300)의 일측 지압봉(310a,320a,330a,340a)이 연결되도록 하고, 전원발생부(100)의 타측 단자(q)와 각 지압부(300)의 타측 지압봉(310b,320b,330b,340b)이 연결된 구조를 취하고 있다. 따라서 각 지압부(300)는 전원발생부(100)와 전체적으로 병렬연결되었으며, 각 지압부(300)의 지압봉 사이는 전기적 단락이 되어 있으므로 발바닥 접면서 전기적 회로가 구성될 수 있는 것이다. 상기와 같은 병렬연결 일경우에는, 각 지압부(300)에 흐르는 전류의 양은 동일하고 전원발생부(100)에서 발생되는 전류의 양이 그대로 각 지압부(300)로 전달되는 반면에, 각 지압부(300)에 걸리는 전압의 양의 합이 전원발생부(100)에서 발생되는 전압이 되는 것이다.

다음, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 의한 기능성 신발의 작용과정을 간단하게 설명하기로 한다.

먼저, 사용자가 상기 신발(10)을 신고 보행할 경우, 매번 걸음걸이 마다 발뒷굽이 먼저 지면에 닿고 앞면이 닫는 순차적인 동작이 반복적으로 이루어진다. 이때, 상기 신발(10)의 뒷축이 지면에 닿으면서 사용자의 체중에 의한 압력이 신발 바닥면으로 전달된다. 상기 가해지는 압력에 의해 압전소자(100)는 순간적으로 전류와 전압의 형성이 이루어진다. 상기 형성된 전류와 전압은 전도부(200)를 통해 발바닥의 특정 부위에 형성된 각 지압부(300)로 전달된다. 실지 체중 약 60kg의 사람이 신발을 신고서 가벼운 종종걸음으로 걸을때, 순간전압을 오실로스코프로 측정한 결과 도9와 같은 순간전압이 측정됨을 알 수 있었다. 상기 그래프에서 나타 나듯이, 순간전압이 약 10V이상으로 발생됨을 알 수 있었으며, 매순간마다 약 2내지 10 마이크로 암페(㎂)의 전류가 흐름을 알 수 있었다.

한편, 상기 지압부(300)에서는 사용자의 걸음걸이마다 지압부(300)가 발바닥의 특정 신경점들을 자극하게 되고, 지압부(300) 역시 자석으로 이루어져 있으므로 자기력이 발바닥을 통하여 신경점들로 전달이 이루어 진다. 이와 동시에 전달된 미세전류는 지압부를 통하여 발바닥의 신경점들을 통하여 인체 내부로 전달되게 된다. 상기 지압부(300)를 통하여 전달되는 전류는 교류의 형태이며, 수 내지 수십마이크로암페어이므로 사용자는 감각적으로 인식하지는 못하나, 이러한 미세전류가 신경점들을 자극하게 된다. 따라서 신경점들에는 지압부에 의한 물리적 압박에 의한 지압과, 자기장에 의한 자기력, 그리고 전달되는 미세전류가 동시에 전달되어 신경점들을 자극하게 되고, 이러한 자극으로 인하여 신경점들과 연결된 인체 내부 각 기관의 활동성을 강화하게 되어 인체에 유익한 효과를 줄 수 있게 된다.

제2 실시예

도10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 신발의 안창(20)에 지압부가 구비되고, 상기 지압부(300) 자체에 압전소자가 구비된 형태를 이루고 있다. 즉, 각각의 지압부(300) 하측에 전원발생부인 압전소자(100)를 매설하고, 각 지압부(100)를 통하여 전달되는 발바닥 압력에 의하여 각 개별 압전소자가 구동되도록 하는 것이다.

이를 위해 각 지압부(100)는 제1실시예에서 상술한 바와 같이, 인체 내부 기관과 연결되는 발바닥의 신경점들이 위치한 부위에 설치되도록 한다. 그리고, 상기 지압부(100)들은 전도성 재질로 이루어지고, 바람직하기로는 자기를 뛴 자석으로 이루어지도록 한다. 상기 지압부(300)의 저면에는 압전소자(100)가 매설되도록 하고, 상기 압전소자(100)는 각 개별의 신경점들에 직접 작용되므로 크기는 상술한 제1실시예에서 보다는 다소 적은 크기로 이루어 질 수 있다. 그리고, 상기 압전소자(100)의 일측단자(p)와 지압부(310)의 일측 지압봉(310a)에 연결하고, 압전소자(100)의 타측단자(q)와 지압부(310)의 타측지압봉(310b)에 연결되도록 구성되어 있다. 따라서 상기 구조에서는 발바닥의 각 지압부(300)에 통해 전달되는 압력에 의해 전류 및 전압이 발생되고, 상기 발생된 전류 및 전압은 직접적으로 지압부(300)를 통해 바로 전달될 수 있게 된다.

이상의 제1, 제2실시예에서는 전원발생부의 구성에 따른 실시예들을 설명하였고, 이러한 구성들을 이용한 신발의 구성은 다양하게 이루어질 수 있다. 즉, 통상적으로 조깅화, 다이어트화 구두 등은 신발의 바닥면에 안창을 별도로 설치하는 구조로 이루어져 있다.

이 경우, 제1실시예, 제2실시예에 의한 구성들처럼 신발안창에 일체적으로 이루어져 있으므로 기존의 신발 제작 공정과는 상관없이 별도 제작되어 기존의 신발 내부에 안창으로 깔고 사용할 수 있게 되는 잇점이 있다.

이와는 달리 신발에 일체적으로 이루어지도록 구성할 수도 있다. 실내화 등의 경우에는 별도의 안창이 없는 경우에는 바닥창에 상기의 구성들을 설치하거나, 또는 운동화 등의 경우 중간창에 상기 구성들을 설치하는 것도 가능할 것이다.

그리고, 전원발생부에서 발생된 전류 및 전압을 지압부로 전달함에 있어 전기적인 구성은 상술한 제1, 제2실시예와 달리 얼마든지 다른 형태로 구성할 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 지압부를 통하여 물리적자극, 자기력 및 미세전류가 복합적으로 작용되어 신경점들을 자극함으로써 혈액순환이 보다 원활히 이루어지고, 인체 내부의 기관들에 영향을 미치게 되어 건강이 증진되는 효과가 있다.

도 1은 인체 내부의 기관과의 연계성을 나타낸 발바닥 경락도.

도 2는 본 발명에 의한 신발의 개념도.

도 3은 본 발명에 의한 압전소자의 실물 사진.

도 4는 본 발명에 의한 압전소자의 외력에 대응한 순간전류의 측정값을 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명에 의한 압전소자의 신발 내부에 설치 전,후에 따라 외력에 대응한 순간전압의 측정값을 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명에 의한 전도부의 구성을 병렬 연결구조를 보인 도.

도 7은 본 발명에 의한 전도부의 구성을 직렬 연결구조를 보인 도.

도 8은 본 발명에 의한 기능성 신발의 단면도.

도 9는 본 발명에 의한 기능성 신발의 보행중 전압변화를 나타낸 도.

도 10은 본 발명에 의한 기능성 신발의 다른 실시예에 의한 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 신발본체 20 : 안창

100 : 전원발생부 p,q :전원발생부단자

200 : 전도부 300(310,320,330,340) : 지압부

310a,320a,330a,340a:지압봉 310b,320b,330b,340b : 지압봉

Claims (12)

1. 신발에 있어서,

   외부에서 가해지는 외력에 의해 순간적인 전류 및 전압을 발생시키는 압전소자로 이루어진 전원발생부와;

   전도성 재질로 이루어지고, 인체 내부의 기관들과 연결되는 발바닥의 신경점들이 위치되는 부위에 형성되는 복수개의 지압부; 그리고

   상기 전원발생부와 지압부 사이에 연결되어 생성된 전류 및 전압을 지압부로 전달하기 전도부;를 포함하여 구성되어, 보행중에 가해지는 외력에 의하여 발바닥의 특정 신경점들의 물리적 지압과 미세전류의 전도가 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 기능성 신발.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 지압부는 자석으로 이루어져 지압부를 통하여 자기에 의한 자극이 더 제공되는 것을 특징으로 하는 기능성 신발.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 전원발생부는,

   가해지는 순간외력이 30kg 내지 150kg에 대응하여 1 내지 60 ㎂의 순간전류와 1 내지 500V의 순간전압이 발생됨을 특징으로 하는 기능성 신발.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 전원발생부는 발바닥의 뒷굽부분이 위치되는 부위에 형성되는 것을 특징으로 하는 기능성 신발.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 전도부는,

   전원발생부와 지압부를 병렬연결시킴을 특징으로 하는 기능성 신발.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 전도부는,

   전원발생부와 지압부를 직렬연결 시킴을 특징으로 하는 기능성 신발.
7. 제 3항에 있어서,

   상기 전원발생부는 각 지압부의 하부에 개별적으로 형성되고, 전도부는 전원발생부와 각 지압부를 개별적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 기능성 신발.
8. 신발에 있어서,

   신발본체와;

   외부에서 가해지는 외력에 의해 순간적인 전류 및 전압을 발생시키는 압전소자로 이루어진 전원발생부와, 전도성 재질로 이루어지고 인체 내부의 기관들과 연결되는 발바닥의 신경점들이 위치되는 부위에 형성되는 복수개의 지압부, 그리고 상기 전원발생부와 지압부 사이에 연결되어 생성된 전류 및 전압을 지압부로 전달하기 전도부를 포함하여 이루어지는 안창;으로 구성되어 신발본체에 탈착이 이루어지고 착용중에 가해지는 외력에 의하여 발바닥의 특정 신경점들의 물리적 지압과 미세전류의 전도가 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 기능성 신발.
9. 신발에 있어서,

   외부에서 가해지는 외력에 의해 순간적인 전류 및 전압을 발생시키는 압전소자로 이루어진 전원발생부와, 전도성 재질로 이루어지고 인체 내부의 기관들과 연결되는 발바닥의 신경점들이 위치되는 부위에 형성되는 복수개의 지압부, 그리고 상기 전원발생부와 지압부 사이에 연결되어 생성된 전류 및 전압을 지압부로 전달하기 전도부가 바닥창의 신발본체에 일체적으로 이루어져 착용중에 가해지는 외력에 의하여 발바닥의 특정 신경점들의 물리적 지압과 미세전류의 전도가 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 기능성 신발.
10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,

    상기 지압부는 자석으로 이루어져 지압부를 통하여 자기에 의한 자극이 더 제공되는 것을 특징으로 하는 기능성 신발.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 전원발생부는 발바닥의 뒷굽부분이 위치되는 부위에 형성되는 것을 특징으로 하는 기능성 신발.
12. 제 10항에 있어서,

    상기 전원발생부는 각 지압부의 하부에 개별적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 기능성 신발.