KR20230076066A - 살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발 - Google Patents

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Abstract

살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발이 개시된다. 개시된 압전 에너지 하베스팅 신발은, 신발 깔창 또는 신발 밑창에 배치되는 복수의 압전 소자; 자외선 파장의 빛을 조사하는 복수의 자외선 LED; 및 상기 압전 소자의 전력 생성 여부에 따라서, 사용자가 신발을 착용하여 보행하고 있는 워킹 모드 및 상기 사용자가 신발을 미착용하고 있는 레스트 모드 중 하나로 현재 모드를 판단하고, 상기 현재 모드에 따라서, 상기 자외선 LED의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발{PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTING SHOES WITH STERILIZATION FUNCTION}
본 발명은 압전 소자를 포함하는 압전 에너지 하베스팅 신발에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발에 관한 것이다.
근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스팅(energy harvesting)이라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지 하베스팅 기술은 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하며, 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
이러한 에너지 하베스팅 기술의 한 종류로서, 압전 소자를 이용한 압전 에너지 하베스팅 기술이 개발되고 있는데, 이는 반복적으로 전달되는 외부 압력을 압전 소자를 이용하여 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 압전 소자는 기계적인 힘을 받았을 때 전기 에너지를 발생시키거나, 또는 전기적 에너지를 받았을 때 기계적인 변형을 일으킬 수 있는 물질로서, 수정, 세라믹(납-지르코니아-티타늄), AIN, LiNbO3, LiTaO3, ZnO, GaN 등과 같은 물질이 이용될 수 있다. 또한 압전체는, 폴리머를 이용하여 필름 형태로 유연하게 제조될 수도 있다.
압전 소자를 이용하는 에너지 하베스팅 기술은 기계적 에너지를 제공받을 수 있는 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근에는 신발에 압전 에너지 하베스팅 기술을 적용하여 다양한 기능을 제공하기 위한 연구 개발이 진행되고 있다.
관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1195372호, 제10-2337371호가 있다.
본 발명은, 내부를 살균할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 신발을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은, 사용자의 땀 배출량에 따라 살균을 제어하는 압전 에너지 하베스팅 신발을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 깔창 또는 신발 밑창에 배치되는 복수의 압전 소자; 상기 압전 소자에 의해 생성되는 전력을 이용하는 복수의 자외선 LED; 및 상기 압전 소자의 전력 생성 여부에 따라서, 사용자가 신발을 착용하여 보행하고 있는 워킹 모드 및 상기 사용자가 신발을 미착용하고 있는 레스트 모드 중 하나로 현재 모드를 판단하고, 상기 현재 모드에 따라서, 상기 자외선 LED의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발이 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 압전 소자에서 생성된 전력과 자외선 LED를 이용하여, 신발 내부를 살균할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 사용자의 땀 배출량에 따라 자외선 LED의 동작을 제어하여, 효율적으로 신발 내부를 살균할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 땀 배출량 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발을 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 신발(100)은, 복수의 압전 소자(110), 복수의 자외선 LED(120) 및 제어부(130)를 포함한다. 그리고 실시예에 따라서, 배터리(140)를 더 포함할 수 있다.
복수의 압전 소자(110)는 사용자가 신발(100)을 착용한 상태에서 발생하는 외력을 전기 에너지로 변환한다. 사용자가 보행중에 발생하는 외력이 효과적으로 압전 소자(110)에 인가될 수 있도록, 압전 소자(110)는 신발(100)의 깔창 또는 밑창에 배치된다. 압전 소자(110)에서 생성된 전기 에너지는 배터리(140)에 저장되고, 배터리에 저장된 전기 에너지는 필요시 자외선 LED(120)로 공급될 수 있다.
복수의 자외선 LED(120)는 신발 내부로 자외선 파장의 빛을 조사하여 신발 내부를 살균한다. 복수의 자외선 LED(120)는 압전 소자에 의해 생성되는 전력을 이용하여, 빛을 조사할 수 있다. 복수의 자외선 LED(120)는 신발의 여러 부분 중, 사용자의 발등이 닿는 뱀프(vamp, 101) 부분에 배치될 수 있으며, 자외선 파장의 빛이 신발의 재료로 침투하여 살균 성능이 극대화될 수 있도록, 신발 내부는 빛을 흡수하는 어두운 계열의 색, 예컨대 검정색일 수 있다.
제어부(130)는 사용자의 압전 에너지 하베스팅 신발(100) 착용 상태를 판단하고, 판단 결과에 따라, 자외선 LED(120)의 동작을 제어한다. 일실시예로서 제어부(130)는 압전 소자의 전력 생성 여부에 따라서, 사용자가 신발(100)을 착용하여 보행하고 있는 워킹 모드(walking mode) 및 사용자가 신발(100)을 미착용하고 있는 레스트 모드(rest mode) 중 하나로 현재 모드를 판단하고, 현재 모드에 따라서 자외선 LED(120)의 동작을 제어할 수 있다.
제어부(130)는 압전 소자(110)에 의해 전력이 생성되는 경우 현재 모드를 워킹 모드로 판단하고, 압전 소자(110)에 의해 전력이 생성되지 않는 경우 현재 모드를 레스트 모드로 판단할 수 있다. 이 때, 사용자가 신발을 착용한 상태에서 보행하지 않는 경우에도 압전 소자에 의해 전력이 생성되지 않기 때문에, 제어부(130)는 미리 설정된 시간동안 압전 소자(110)에 의해 전력이 생성되지 않는 경우 현재 모드를 레스트 모드로 판단할 수 있다. 일예로서, 제어부(130)는 10분동안 전력이 생성되지 않는 경우, 현재 모드를 레스트 모드로 판단할 수 있다.
제어부(130)는 현재 모드가 워킹 모드인 경우, 자외선 LED(120)를 비활성화시키고, 현재 모드가 레스트 모드인 경우, 자외선 LED(120)를 활성화시켜, 자외선에 의해 신발 내부가 살균되도록 할 수 있다. 현재 모드가 레스트 모드로 판단된 이후, 제어부(130)는 미리 설정된 활성화 시간동안 자외선 LED(120)를 활성화시킬 수 있다. 일예로서, 제어부(130)는 현재 모드가 레스트 모드로 판단된 이후 10분동안 자외선 LED(120)를 활성화시킬 수 있다.
또한, 제어부(130)는 워킹 모드가 유지된 시간에 따라 활성화 시간을 조절할 수 있다. 워킹 모드가 유지된 시간이 길수록 사용자가 신발을 오랫동안 착용한 것이므로, 활성화 시간은 워킹 모드가 유지된 시간에 비례하여 결정될 수 있다.
그리고 제어부(130)는 배터리 SOC에 따라, 자외선 LED(120)의 동작을 제어할 수 있다. 배터리 SOC가 미리 설정된 임계 SOC보다 작은 경우, 미리 설정된 활성화 시간동안 자외선 LED가 빛을 조사하기 어려울 수 있으므로, 제어부(130)는 복수의 자외선 LED(120) 중에서 일부 자외선 LED를 선택적으로 활성화시킬 수 있다. 일실시예로서 제어부(130)는 복수의 자외선 LED(120) 중에서 신발의 토캡(toe cap, 102)과 가장 가까이 배치된 자외선 LED를 활성화시켜, 신발 외부로 누수되는 빛의 양을 줄임으로써, 일부 자외선 LED에 의한 살균 효과를 극대화시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 땀 배출량 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 제어부(130)는 사용자의 신발 착용 여부에 따라 자외선 LED(120)의 동작을 제어할 뿐만 아니라, 사용자의 발에서 배출된 땀의 양, 즉 땀 배출량에 따라 자외선 LED(120)의 동작을 제어할 수 있다.
제어부(130)는 일실시예로서, 압전 소자(110)의 출력 전압값에 따라서, 사용자의 발에 의한 땀 배출량을 추정할 수 있으며, 추정된 땀 배출량이 많을수록 자외선 LED(120)가 조사하는 빛의 세기를 높이거나, 활성화되는 자외선 LED(120)의 개수를 증가시킬 수 있다. 땀 배출량은 신발 내부의 습도에 대응될 수 있다.
압전 소자의 출력 전압은 외력이 인가될때마다, 상승하여 피크값을 나타낸 뒤 하강하는 패턴을 보이는데, 피크값은 신발의 수분 상태에 따라 달라질 수 있다. 사용자가 신발을 착용하여 보행하는 동안, 사용자의 발에서 배출된 땀에 의해 깔창이나 밑창에 포함된 수분이 증가하고, 신발 내부의 습도가 증가하면, 깔창이나 밑창의 탄성력이 감소하고, 깔창이나 밑창에 배치된 압전 소자(110)에 인가되는 외력 역시 감소하여, 압전 소자 출력 전압의 피크값은 작아진다. 반대로 사용자의 발에서 땀이 배출되지 않아, 깔창이나 밑창에 포함된 수분이 적은 경우, 즉 깔창이나 밑창이 건조한 경우에는 깔창이나 밑창의 탄성력이 상대적으로 높기 때문에, 깔창이나 밑창에 배치된 압전 소자(110)에 인가되는 외력이 증가하여 압전 소자 출력 전압의 피크값은 높아진다.
따라서, 제어부(130)는 압전 소자의 출력 전압의 피크값 중에서, 제1임계값 이하인 피크값의 개수를 카운팅(S310)하고, 카운팅된 피크값의 개수에 따라서 땀 배출량을 추정(S320)할 수 있다. 제어부(130)는 일실시예로서, 카운팅된 피크값의 개수에 비례하여, 땀 배출량을 추정할 수 있으며, 제1임계값은 깔창이나 밑창이 건조한 상태에서 사용자가 보행하는 동안 발생하는 압전 소자 출력 전압의 피크값에 대응되는 값으로 설정될 수 있다.
또는 제어부(130)는 워킹 모드에서 생성된 전력의 누적량에 따라 땀 배출량을 추정할 수 있다. 누적량이 클수록 사용자가 오랜시간동안 보행을 하였거나 사용자의 움직임이 많은 것으로 해석될 수 있으며, 땀 배출량 역시 증가할 것으로 유추될 수 있다. 제어부(130)는 현재 모드가 워킹 모드로 판단된 이후의 배터리 SOC를 이용하여 누적량을 판단할 수 있으며, 배터리 SOC가 높을수록 누적량 역시 많다고 볼 수 있다.
한편, 깔창이나 밑창에 포함된 수분이 증가하더라도, 사용자가 운동을 하는 상황 등 사용자의 움직임이 활발한 상황에서는 압전 소자 출력 전압의 피크값이 제1임계값보다 클 수 있으며, 더 나아가 깔창이나 밑창이 건조한 상태에서 사용자가 보행하는 동안에 발생하는 압전 소자 출력 전압의 피크값보다, 클 수 있다. 따라서 제어부(130)는 압전 소자의 출력 전압의 피크값 중에서, 제2임계값 이상인 피크값의 개수를 카운팅(S310)하고, 카운팅된 피크값의 개수에 따라서 땀 배출량을 추정(S320)할 수 있다. 제2임계값은 제1임계값보다 크며, 깔창이나 밑창이 건조한 상태에서 사용자가 보행하는 동안 발생하는 압전 소자 출력 전압의 피크값보다 클 수 있다.
제어부(130)는 제2임계값 이상인 피크값의 개수에 비례하여, 땀 배출량을 추정할 수 있다. 일실시예로서, 제어부(130)는 제1임계값 이하인 피크값의 개수 또는 제2임계값 이상인 피크값의 개수에 따라서, 땀 배출량을 소, 중, 대, 최대 중 하나로 추정할 수 있으며, 제1임계값 이하인 피크값의 개수와 제2임계값 이상인 피크값의 개수가 서로 동일한 조건에서 제어부(130)는 제1임계값 이하인 피크값이 발생하는 경우보다 제2임계값 이상인 피크값이 발생하는 경우의 땀 배출량이 보다 많은 것으로 추정할 수 있다.
실시예에 따라서, 제어부(130)는 제1임계값 이하이고, 제2임계값 이상인 피크값의 개수를 카운팅하여, 땀 배출량을 추정할 수 있다.
또한 제어부(130)는 압전 소자 출력 전압의 피크값이 제1임계값 이하인 상태에서, 제2임계값 이상인 상태로 변경되는 경우, 땀 배출량을 최대로 추정할 수 있다. 압전 소자 출력 전압의 피크값이 제1임계값 이하인 상태에서, 제2임계값 이상인 상태로 변경되는 경우는, 사용자가 보행중인 경우와 운동중인 경우 모두에서 땀이 발생한 상황에 대응되므로, 제어부(130)는 이러한 상태에서 땀 배출량을 최대로 추정할 수 있다.
현재 모드가 워킹 모드에서 레스트 모드로 변경되는 경우, 제어부(130)는 워킹 모드에서 카운팅된 피크값의 개수를 리셋하고, 현재 모드가 다시 워킹 모드로 변경되는 경우, 피크값의 개수가 리셋된 상태에서 피크값의 개수를 다시 카운팅한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 신발 깔창 또는 신발 밑창에 배치되는 복수의 압전 소자;
    자외선 파장의 빛을 조사하는 복수의 자외선 LED; 및
    상기 압전 소자의 전력 생성 여부에 따라서, 사용자가 신발을 착용하여 보행하고 있는 워킹 모드 및 상기 사용자가 신발을 미착용하고 있는 레스트 모드 중 하나로 현재 모드를 판단하고, 상기 현재 모드에 따라서, 상기 자외선 LED의 동작을 제어하는 제어부
    를 포함하는 살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 현재 모드가 워킹 모드인 경우, 상기 자외선 LED를 비활성화시키고, 상기 현재 모드가 레스트 모드인 경우, 상기 자외선 LED를 활성화시키는
    살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 압전 소자의 출력 전압값에 따라서, 상기 사용자의 발에 의한 땀 배출량을 추정하고, 상기 땀 배출량에 따라서, 상기 자외선 LED의 동작을 제어하는
    살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 압전 소자의 출력 전압의 피크값 중에서, 제1임계값 이하이거나 상기 제1임계값보다 큰 제2임계값 이상인 피크값의 개수를 카운팅하고, 상기 카운팅된 피크값의 개수에 따라서 상기 땀 배출량을 추정하는
    살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 피크값이 상기 제1임계값 이하인 상태에서, 상기 제2임계값 이상인 상태로 변경되는 경우, 상기 땀 배출량을 최대로 추정하는
    살균 기능을 제공하는 압전 에너지 하베스팅 신발.
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