KR20020026752A - 보온용 가열 장치를 내장한 신발 및 그 가열 장치 - Google Patents

Abstract

유연성 등 기계적 특성이 우수한 고분자 물질로 이루어진 충진재 속에 Pb(Zr,Ti)O₃계 물질로 이루어진 압전체가 산포되어 있는 형태의 압전부가 있고, 내열성 충진재 속에 발열선이 내장되어 있는 형태의 발열부가 있다. 발열선의 양끝은 각각 압전체의 양극 배선과 연결되어 있다. 이렇게 하면, 사람의 움직임에 따라 압전부에서 생성되는 전력을 발열부에 전달하여 오옴열을 발생시킴으로써 효율적으로 신발을 가열 보온할 수 있고, 신발이 휘어지더라도 압전부가 파괴되지 않고 원상을 유지할 수 있어서 압전에 의한 보온 효과를 계속 유지할 수 있다.

Description

보온용 가열 장치를 내장한 신발 및 그 가열 장치{a shoe having a heater for keeping warmth and a heater thereof}

본 발명은 보온용 가열 장치를 내장한 신발 및 그 가열 장치에 관한 것으로서, 특히 압전을 이용하여 전기 에너지를 발생시키고 이를 발열에 사용하는 보온용 가열 장치를 내장한 신발 및 그 가열 장치에 관한 것이다.

우리 나라와 같이 4계절을 가지고 있거나 일년중의 대부분이 추운 겨울인 극지방 등에서는 겨울철에 옥외 활동을 원활하게 하기 위하여 신발의 보온에 대한 필요성이 대단히 높다. 옥외에서 장시간 활동해야 하는 사람들의 경우 동상 예방을 위하여 신발 보온의 필요성이 크며, 특히 겨울철에 군인들의 군화 보온은 전투력과도 직결된다.

그런데 겨울철에 발을 보온하기 위한 방법으로 종래에는 두꺼운 양말을 싣는다거나 신발을 만드는 재료를 방한성이 우수한 것을 사용하는 등에 그치고 있다. 좀더 진보한 신발 보온 방법으로 제시된 것으로 신발굽의 마찰력을 이용하는 방법(미국 특허 No. 382,681), 공기 압축에 의한 열생성을 이용하는 방법(미국 특허 No. 1,272,931), 인체의 하중의 변화(기계적 에너지)를 전기적 에너지로 변환하는 압전 소자를 이용하는 방법(미국 특허 No.3,493,986) 등이 있다. 그러나 신발굽의 마찰력을 이용하는 방법과 공기 압축에 의한 열생성을 이용하는 방법은 신발에 기계적 장치가 포함되어야 하기 때문에 대량 생산이 곤란하고, 제조단가가 비싼 것은 물론 보온 효율 또한 낮다. 압전 소자를 이용하는 방법으로 제시된 미국 특허 No.3,493,986에서는 압전 재료로 세라믹 재료를 사용할 경우에는 휨강도와 취성이 약하기 때문에 신발이 휘어질 때 압전 재료가 쉽게 깨지는 문제점이 있고, 압전 재료로 고분자 재료를 사용하는 경우에는 효율이 낮고 신발의 온도가 증가함에 따라전기적 특성이 열화되는 등의 문제점이 있다. 이러한 문제점으로 인하여 이러한 방법들은 실제 신발에 적용되지 못하고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 압전 소자의 단점을 극복하여 변환 효율이 높고 기계적 특성이 우수한 압전을 이용한 가열 장치와 이를 채용한 신발을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가열 장치를 내장한 신발의 측면도이고,

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치의 전원부의 일부에 대한 사시도이고,

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치의 단면도이고,

도 4a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치의 단면도이고,

도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치의 코일 배치도이고,

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치의 압전체 분포도이고,

도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치의 압전체 분포도이다.

이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 압전체와 충진채를 혼합한 콤포지트형의 압전부를 형성한다.

구체적으로는, 상하면을 가지는 충진재층, 상기 충진재층 속에 산포되어 있으며, 양끝이 각각 상기 충진재층의 상면과 하면 외부로 노출되어 있는 압전체, 상기 압전체로부터 전기에너지를 전달받아 열에너지로 변환하는 발열부를 포함하는 신발 보온용 가열 장치를 마련한다.

이 때, 상기 발열부는 상기 압전체의 일단과 직접 접촉하고 있고, 상기 압전체의 다른 일단과는 도전선을 통하여 연결되어 있는 도전체판이거나, 내열성 충진재와 상기 내열성 충진재 속에 내장되어 있는 발열선을 포함하고 있고, 상기 발연선의 양단은 각각 상기 압전체의 양단과 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.

또, 상기 압전체는 Pb(Zr,Ti)O₃으로 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 가열 장치를 이용하여 신발의 본체, 상기 본체의 내부 바닥면에 형성되어 있으며 충진재층과 상기 충진재층 속에 산포되어 있으며 양끝이 각각 상기 충진재층의 상하면 밖으로 노출되어 있는 압전체를 포함하는 압전부, 상기 압전부의 아래에 형성되어 있으며 상기 압전부로부터 전기에너지를 전달받아 열에너지로 변환하는 발열부를 포함하는 신발을 제조할 수 있다.

그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 보온용 가열 장치를 내장한 신발 및 그 가열 장치에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가열 장치를 내장한 신발의 측면도이다.

신발(10)의 안쪽 바닥면에 발열부(30)가 형성되어 있고, 발열부(30)의 아래에는 압전부(20)가 형성되어 있다. 압전부(20)는 세라믹 압전체(21)를 기계적 특성이 우수한 고분자 물질 등으로 이루어진 충진재(22)와 혼합시킨 콤포지트(composite) 형태의 압전 소자로 이루어져 있다.

그러면 압전부(20)에 대하여 좀더 구체적으로 살펴본다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치의 전원부의 일부에 대한 사시도이다.

압전부(20)는 얇은 판 형태의 충진재(22)에 기둥형의 압전체(21)가 산재하여 박혀있는 모양을 하고 있다. 여기서 압전체(21)로는 수정, BaTiO₃, 로셀염(Rochelles salt), Pb(Zr,Ti)O₃계의 압전 물질을 사용할 수 있다. 이 중에서 Pb(Zr,Ti)O₃는 수정보다 가격이 저렴하고, BaTiO₃보다 전기적 성능이 우수하며, 로셀염보다 고온에서 사용할 수 있는 장점이 있어서 가장 적합한 재료이다. 압전체(21)의 모양은 도 2에서는 원기둥 모양으로 표현되었으나 그 이외에도 삼각 기둥이나 사각 기둥 등의 다양한 변형이 가능하다. 여기서 압전체(21)는 압전 극성이 동일하게 되도록 배열하는 것이 바람직하다. 즉, 모든 압전체(21)가 윗면이 양극이거나 또는 아래면이 양극이 될 수 있도록 배열하여야 한다.

충진재(22)는 고분자 물질 등으로 이루어져 있는데, 휨강도와 취성 등 기계적 특성이 우수하여 신발이 휘어지더라도 압전부(20)가 깨지거나 파괴되지 않고 원형을 유지할 수 있도록 해 준다.

그러면 이러한 압전 소자를 이용한 신발 보온용 가열 장치에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치의 단면도이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치는 크게 압전부(20)와 발열부(30) 및 외피(41, 42)로 이루어진다. 압전부(20)는 압전체(21), 충진재(22) 및 압전체(21)로부터 생성되는 전기를 발열부(30)로 전달하기 위한 하부 전극 배선(23)으로 이루어진다. 발열부(30)는 도전체판이 그 자체로 발열부(30)의 역할을 하며 동시에 상부 전극 배선으로서의 기능도 한다. 발열부(30)를 이루는 도전체판은 하부 전극 배선(23)과 도전선(50)을 통하여 연결되어 있다. 도전체판은 금속 재료로 형성할 수도 있으나 유연성이 있는 도전 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 외피(41, 42)는 신발 보온용 가열 장치를 감싸는 재료로서 하부 외피(41)는 단열성이 우수한 것이 좋고 상부 외피(42)는 내열성이 우수한 절연 물질로 형성하는 것이 좋다.

이러한 신발 보온용 가열 장치는 사람이 이러한 가열 장치가 내장되어 있는 신발을 신고 움직일 때 가해지는 압력에 의하여 압전체(21)가 전기를 생성하고 이를 에너지원으로 하여 발열부(30)에서 오옴열을 발생시킴으로써 신발을 가열한다.

한편, 도시하지는 않았으나 발열부(30)가 과열되는 것을 방지할 수 있도록 일정 온도 이상에서는 발열부(30)로의 전력 전달을 차단하는 과열 방지 회로를 설치할 수도 있다.

도 4a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치의 단면도이고, 도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치의 코일 배치도이다.

제2 실시예에 따른 가열 장치 역시 크게 압전부(20), 발열부(30) 및 외피(41, 42)로 이루어진다. 압전부(20)는 압전체(21), 충진재(22), 하부 전극 배선(23) 및 상부 전극 배선(24)으로 이루어지고, 발열부(30)는 발열선(31), 내열성 충진재(32) 및 단열재(33)로 이루어진다. 발열선(31)의 양끝은 각각 도전성 배선(51, 52)을 통하여 하부 전극 배선(23)과 상부 전극 배선(24)과 연결되어 있다. 외피(41, 42)는 가열 장치를 감싸는 재료로서 하부 외피(41)는 단열성이 우수한 것이 좋고 상부 외피(42)는 내열성이 우수한 절연 물질로 형성하는 것이 좋다.

이와 같이 발열부를 내열성 충진재(32) 속에 발열선(31)을 심어 놓은 형태로 형성하면 발열부(30)가 매우 큰 유연성을 가지도록 할 수 있다.

도 4b를 보면, 발열선(31)이 두 개의 소용돌이 모양으로 감겨있다. 그러나 이는 하나의 예시에 불과하고 발열선(31) 배치는 매우 다양한 변화가 가능하다.도 4b에서 a와 b는 발열선(31)의 양끝을 표시한 것으로서 도전성 배선(51, 52)과 연결되는 부분이다.

도 5와 6은 각각 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 따른 신발 보온용 가열 장치의 압전체 분포도이다.

기둥 모양의 압전체(21)는 도 5에서와 같이 신발 바닥면 전체에 고르게 분포시킬 수도 있으나, 도 6에서와 같이 신발 바닥면 중에서 특히 압력을 많이 받는 곳인 발뒤꿈치부와 발의 앞부분에 집중적으로 배치하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 충진재와 압전체를 혼입하여 콤포지트형으로 압전부를 형성하고, 사람의 움직임에 따라 압전부에서 생성되는 전력을 발열부에 전달하여 오옴열을 발생시킴으로써 효율적으로 신발을 가열 보온할 수 있고, 신발이 휘어지더라도 압전부가 파괴되지 않고 원상을 유지할 수 있어서 압전에 의한 보온 효과를 계속 유지할 수 있다.

Claims (5)

1. 상하면을 가지는 충진재층,

   상기 충진재층 속에 산포되어 있으며, 양끝이 각각 상기 충진재층의 상면과 하면의 외부로 노출되어 있는 압전체,

   상기 압전체로부터 전기에너지를 전달받아 열에너지로 변환하는 발열부

   를 포함하는 신발 보온용 가열 장치.
2. 제1항에서,

   상기 발열부는 상기 압전체의 일단과 직접 접촉하고 있고, 상기 압전체의 다른 일단과는 도전선을 통하여 연결되어 있는 도전체판인 신발 보온용 가열 장치.
3. 제1항에서,

   상기 발열부는 내열성 충진재와 상기 내열성 충진재 속에 내장되어 있는 발열선을 포함하고 있고, 상기 발연선의 양단은 각각 상기 압전체의 양단과 전기적으로 연결되어 있는 신발 보온용 가열 장치.
4. 제1항에서,

   상기 압전체는 Pb(Zr,Ti)O₃로 이루어져 있는 신발 보온용 가열 장치.
5. 신발의 본체,

   상기 본체의 내부 바닥면에 형성되어 있으며 충진재층과 상기 충진재층 속에 산포되어 있으며 양끝이 각각 상기 충진재층의 상하면 밖으로 노출되어 있는 압전체를 포함하는 압전부,

   상기 압전부의 아래에 형성되어 있으며 상기 압전부로부터 전기에너지를 전달받아 열에너지로 변환하는 발열부

   를 포함하는 신발.