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새로운 고기능 조명시스템 LED Resource - I


새로운 고기능 조명시스템.pdf



1. 개요

○ 주거용이나 상업용 건물의 실내 및 실외 조명은 조명장치의 기능 향상과 함께 인테리어성에 대한 중요성이 커지고 있다. 이와 같이 건물 내의 조명에 대한 관심이 커짐에 따라 건축가 및 인테리어 디자이너들은 조명시스템을 건물이나 실내를 차별화하는 수단의 하나로 활용하고 있다.


○ 최근의 조명시스템은 종래의 직접조명 중심에서 간접조명의 적용 확대와
조명에 대한 밝기, 각도, 색상 등에 대한 조절과 같은 기능 확대에 대한 요구가 커지고 있다. 또한 천정이나 벽에 돌출되지 않게 설치하는 등 조명시스템에 대한 인테리어성 향상을 요구하고 있다.


○ 이러한 사용자의 요구는 최근 적용이 빠르게 확대되고 있는 LED(Light
Emitting Device)의 여러 장점을 활용함으로써 충족시킬 수 있다. 향후 형광등이나 백열등과 같이 크기가 큰 램프를 사용한 종래의 조명시스템은 빠른 시일 내에 LED 조명으로 대체될 것으로 예상된다.


○ 그러나 LED 적용 조명시스템은 눈부심(glare) 현상을 방지하고 소비자의
다양한 요구를 만족시키기 위해 빛의 반사(reflection), 굴절(refraction)등을 위한 여러 종류의 광학부품을 사용해야 한다. 이로 인해 조명시스템의 구조는 복잡하게 되어 부품사용에 대한 유연성이 떨어지고 시스템 크기가 커지는 등 문제가 발생한다.


○ 이러한 문제를 해결하기 위해 이 발명은 조명시스템 내 광 가이드(light
guide)와 광 공급수단(means capable of providing light) 그리고 광 성형수단(means for shaping light)을 효과적으로 구성한다. 이에 따라 이 발명에 의한 조명시스템은 기능의 고급화와 함께 인테리어성과 유연성을 갖는다.




2. 기술현황


○ 실내 또는 외부 조명에 있어서 가능한 눈에 거슬리지 않도록 조명시스
템에 대한 요구가 커지고 있다. 이에 따라 건축가와 실내 디자이너들은 조명으로써 건물이나 실내를 차별화할 수 있다. 일반적으로 사용되는 형광등은 5㎝ 정도의 두께를 갖는다. 이러한 형광등은 3~5년 내에 LED조명으로 대체될 것으로 예상된다.


○ 사무환경에 있어서 근무위치에는 직접조명이 필요하고 일반 조명에는
간접조명이 필요하다. 근무자의 생산성 및 만족도 향상에 영향을 끼치는 조명환경을 개선하기 위해 간접조명과 직접조명이 가능한 조명기구가 도입되었다. 조명효과를 정량화하는 것은 어렵지만 상당한 효과가 있는 것으로 알려지고 있다.


○ 또한 사무실 조명에 맞는 조준각(collimation angles)은 일반적으로
2×45도이다. 이러한 각도로 빛을 조준함에 따라 눈부심 현상이 감소된다. 또한 눈부심 현상을 감소시키기 위해 방출각도가 65도를 넘는 빛의 휘도(luminance)는 1000cd/㎡ 미만이어야 한다.


○ 눈부심 방지 규격에 대응하여 LED 조명시스템에는 빛 조준을 위해 굴절과
내부전반사(TIR, Total Internal Reflection)를 이용한 광학부품과 반사조준기(collimator)를 사용한다. 이 광학부품은 LED에 근접 배치하여 시스템 크기를 축소한다. 그러나 이 부품에 의해 시스템 구조는 복잡하게 되고 여러 타입의 LED 사용에 대한 유연성이 떨어진다.


○ 일반적으로 광원으로부터 먼 거리로 빛을 조준하는 광학시스템은 여러
타입의 LED를 사용하는 데 있어 보다 유리하다. 그러나 이때에 조명시스템과 광학시스템 간의 거리가 길어 빛이 퍼진다. 일반적으로 빛이 퍼지는 경우에는 크고 두꺼운 조준기가 필요하고, 이로 인해 조명시스템의 외관은 나빠진다. 따라서 이와 같은 종래 시스템의 문제를 해결한 개선된 조명시스템이 필요하다.




3. 발명의 내용

○ 이 발명은 종래의 조명시스템 문제를 개선한 새로운 조명시스템을 제공한다. 이 발명에 의한 조명시스템은 서로 마주보는 제1면과 제2면을 갖는 광 가이드와 광 공급수단 그리고 광 공급수단으로부터 공급된 빛의 형태를 만드는 성형수단을 포함한다.

– 여기서 광 공급수단은 광 가이드 내의 적어도 한 면에 배치되고 제1방향으로 빛을 공급한다. 광 공급수단에 의해 공급된 빛은 광 가이드를 통해 안내되고 성형수단에 의해 성형된다. 빛의 성형에는 제1방향으로 방출된 광선의 각도를 조절하는 것이 포함된다.

– 이와 같은 방법으로 조명시스템은 성형된 빛을 제1방향으로 공급한다. 이 시스템에서 광 공급수단은 성형수단에 결합시키는 것이 바람직하며, 광 공급수단을 성형수단에 줄을 맞춰 정렬하면 더욱 좋다.


– 이 조명시스템에서 광 공급수단은 도장된 도트(dots), 형광물질을
포함한 도트, 확산기(diffusers), 빛의 굴절․회절(diffracting)․반사를 위한 광학구조 그리고 LED 또는 유기 LED와 이의 혼합물을 포함한다. 또한 이 시스템의 광 성형수단에는 거울(mirror), 렌즈(lens), 마스크(mask) 그리고 이들의 조합이 포함된다.


– 이 조명시스템에서 제1방향은 방출된 빛이 책상이나 대상물 등을 직접
향하는 직접조명을 말한다. 반대로 제1방향은 방출된 빛이 천정이나 반사 스크린 등을 향하는 간접조명을 나타낼 수 있다. 이 조명시스템에서 제1면은 제1방향으로 빛을 공급하고, 제2면은 제2방향으로 빛을 공급한다. 따라서 직접조명과 간접조명이 모두 이루어진다.


– 이 조명시스템은 제2면에서 광 가이드 안으로 빛을 재공급하기 위해
확산기 포일(diffuser foil)을 구성한다. 확산기 포일은 광 가이드에 광학적으로 접촉되지 않는 것이 좋다. 이 결과 제1방향으로 공급되는 빛의 양이 증가한다.


– 이 조명시스템에서 광 공급수단은 제2면에 배치되고, 성형수단은 제1
방향으로 방출된 빛을 성형하기 위한 적어도 1개의 개구부를 갖는 마스크를 포함한다. 여기서 마스크는 제1면에 배치되고 광 공급수단으로부터 공급된 빛은 마스크의 개구부 크기와 형상에 의해 형태가 정해진다. 또한 마스크는 입사한 빛을 제2방향으로 확산 반사한다.


– 이 조명시스템의 실시 예에서 마스크는 재반사 마스크(retro-reflective
mask)를 포함한다. 재반사 면은 광 가이드 쪽을 향한다. 이상적인 재반사기는 마스크 개구부를 통과하지 않은 빛은 모두 광 공급수단에 다시 공급한다. 광 공급수단에서 빛은 다시 산란하고 마스크 개구부를 통과하거나 계속 재반사된다.


– 따라서 모든 빛은 필요한 조명각도와 눈부심 차단각도(cut-off) 이내
에서 직접조명으로 이용된다. 또한 마스크는 직접조명과 다른 색상을 갖는 간접조명을 만들기 위해 형광물질을 포함한다. 형광물질은 광 가이드를 향하도록 구성한다.


– 이 조명시스템의 광 성형수단은 거울을 구성한다. 거울은 광 공급수단이
설치된 면의 반대 면에 설치된다. 거울 구멍은 원형 이외의 다른 모양도 가능하다. 원형인 경우 거울 직경은 방출광의 제1방향과 제2방향의 비율에 영향을 끼친다. 거울은 최대의 내부전반사 효과를 위해 광 가이드와 광학적인 접촉을 하지 않는다. 또한 이 시스템의 광 성형수단은 광 공급수단이 설치된 면에 거울을 구성할 수도 있다.


– 이 조명시스템에서 광 공급수단은 제1면에 배열되고, 성형수단은 제1
방향으로 방출된 빛을 성형하기 위해 렌즈배열(또는 렌즈)을 배치한다. 렌즈는 반지름 내(제1영역)에서 1차 강도(굴절/반사 능력)를 나타내고, 반지름 바깥(제2영역)에서 2차 강도를 갖는다. 렌즈의 강도는 반경에 따라 변하며 반경이 커질수록 증가한다.


– 이 시스템은 렌즈 종류로 투과렌즈를 사용하고, 제1면에 배치한다.
예로 프레넬(Fresnel) 타입 렌즈를 개조하여 사용한다. 내부 제1영역은 프레넬 렌즈로 적용되는 데 비해 외부 제2영역은 개조되며 내부전반사에 의존한다.


– 이 시스템은 또한 렌즈 종류로 반사렌즈를 사용한다. 반사렌즈는 광
공급수단으로 배치한 광 가이드 면의 반대 면에 배치한다. 반사렌즈의 경우에도 전술한 대로 프레넬 렌즈를 사용한다.


– 이 조명시스템에서 광선의 성형에는 몇 가지 방법이 적용된다. 예를
들어 난시성(astigmatic) 렌즈로 된 둥근 렌즈로 대체하면 다른 방향을 갖는 다른 형태의 광선을 얻을 수 있다. 난시성 렌즈의 한 가지 예로 한 방향에서만 한 가지 렌즈작용(예: 굴절)을 하는 원통형 렌즈가 있다.


– 이 조명시스템은 광선방향을 바꾸기 위해 성형수단과 관계가 있는
광 공급수단을 변화시킨다. 이런 방식으로 광선의 방향과 초점이 정해지며, 사용자는 광선의 방향과 초점을 조절할 수 있다.


– 비슷한 방법으로 넓은 면적에 대한 조명시스템에서 원하는 위치로
조명의 초점을 맞출 수 있다. 이를 위해 광 공급수단은 성형수단에 대해 우측에서는 오른쪽으로 이동하고, 좌측에서는 왼쪽으로 이동한다. 이에 따라 조명시스템의 측면에서 광선은 안쪽방향을 향한다.


– 직접조명에서 그림자를 줄이기 위해 광 공급수단을 성형수단에 대해
우측에서 왼쪽으로, 좌측에서 오른쪽으로 이동한다. 이에 따라 조명시스템 측면의 광선은 바깥쪽 방향을 향함으로써 그림자가 감소된다.


– 또한 광 공급수단을 변화시키거나 마스크/거울의 개구부나 렌즈
형상과 같은 성형수단의 형상을 변화시킴으로써 광선의 형태가 변한다. 예로 마스크 내의 개구부가 타원형이면 타원형 단면을 갖는 광선이 만들어진다. 광 공급수단과 성형수단의 형상은 원형, 다각형, 사각형 등으로 구성할 수 있다.


– 또한 광선의 폭과 차단각도는 광 공급수단 면적, 광 가이드 두께
그리고 마스크나 거울과 같은 성형수단의 면적에 따라 정해진다. 예로 광 공급수단의 직경이 커지고 개구부 반경이 작아지면 제1방향 광선의 강도는 작아진다.


– 이 조명시스템에서 마스크는 최소 한 개의 구멍을 갖는 반사기를
구성한다. 반사면을 광 가이드 하부로 향하게 하여 시스템 위에 발생하는 밝은 점(bright spots)을 감소시킨다. 확산반사에 대한 반사의 비율을 조절함으로써 제2방향의 간접조명을 요구수준으로 맞출 수 있다.


– 이 조명시스템에서 광선의 폭, 차단각도, 형태, 방향, 초점 및 색상은
전기 및 기계적 방법에 의해 동적으로 조절 가능하다. 예로 타원형광선을 만들기 위해 원형구멍의 동일 마스크 2개를 서로 근접시켜 눈(eye) 모양의 마스크를 만든다. 전기적 방법으로는 온오프 전환식확산기, 반사기, 전기크롬층(electro-chromic layer) 등의 방법을 사용한다.


– 또한 광 가이드가 배치된 제2면을 재반사 시트(sheet)로 씌우는 것이
가능하다. 재반사 톱(top) 시트는 광 공급수단에 부딪친 빛의 방향을 변화시킴으로써 빛은 성형수단으로 공급되지 않고 광 가이드로 되돌아간다. 제2면에 확산 시트를 구성한 조명시스템과 비교하면 이 방식은 빛이 큰 각도에서 성형수단으로부터 빠져나가는 확률을 줄여준다.


– 이 조명시스템은 마스크의 구멍을 폐쇄함으로써 주위조명(ambient
light) 모드로 전환된다. 또한 이 시스템은 마스크를 완전히 투명하게 하거나 확산 톱 시트에 의해 모든 간접 광의 방향을 변경시키는 방법에 의해 직접조명 모드로 동작된다.


– 이 조명시스템은 주(primary) 광원을 포함하고 광 공급수단은 보조
(secondary) 광원을 구성한다. 주 광원에는 LED, 유기 LED, 형광램프등과 이들의 조합을 포함한다.


– 이 조명시스템에서 광 가이드에는 빛이 공급되는 측면부를 갖는다.
여기에 추가 또는 대체 방법으로 주 광원인 사이드방출(side-emitting) LED에서 방출된 빛을 가이드 위에 분산된 오목부위(recess)를 통해 광 가이드 내로 공급한다. 또한 주 광원으로 포워드방출(forward emitting) LED를 사용할 수 있도록 사이드방출 광학부품을 광 가이드에 결합한다.


– 광 가이드는 PMMA(Polymethyl Methacrylate), PC(Poly-Carbonate)
등을 사용하여 평탄하고 두께가 얇은 형상으로 제조되며 긁힘방지층이나 유리층을 포함한다.


– 이 조명시스템은 광 공급수단 어레이(array)를 구성한다. 이 어레이를
구성하는 각 광 요소는 서로 상이한 요소로 구성된다. 또한 이 시스템은 성형수단 어레이를 구성하며 어레이를 구성하는 각 형성 요소는 서로 상이한 요소로 구성된다. 예로 성형요소에 렌즈 또는 거울을 구성하거나 렌즈와 거울을 같이 포함한다.


– 광 공급수단의 크기와 형상 그리고 배치 간격은 각각의 광 공급수단
위치, 즉 제일 가까이 위치한 LED와의 거리에 의존된다. 즉 거리가 멀수록 도트의 크기가 커져야 한다. 이런 방법으로 LED로부터 거리가 멀리 떨어질수록 저하되는 강도를 보상할 수 있다.


– 그런데 이 조명시스템에서 산란 도트(scattering dots)의 크기나 간격은
마스크의 구멍 크기나 간격을 통해 광선의 윤곽에 큰 영향을 미친다. 따라서 이 방법을 적용한 조명시스템은 점등 시에는 균일한 모습의 조명이 가능하지만 소등 시에는 마스크 구멍의 불균일한 크기와 간격이 노출된다.


– 이에 대해 이 시스템은 산란 도트의 크기와 배치를 균일하게 하고,
대신 LED와의 거리에 따라 산란강도를 변화시키는 방식을 적용한다. 여기에는 도트 혼합(dithering), 도트의 흰색도장 두께조절 그리고 샌드블라스트(sand blasted)된 도트 표면의 조도 조절방식이 포함된다.




4. 효과 및 응용

○ 이 발명에 의한 조명시스템은 간접조명과 직접조명이 가능하다. 또한 이 조명시스템은 사용자에 의해 조명 광선의 방향과 초점 등을 조절할 수 있고, 부품에 대한 유연성과 인테리어성이 개선된다.


○ 이 발명에 의한 조명시스템의 구조와 구성요소는 모든 조명분야에서
응용할 수 있다.

출처 : Koninklijke Philips Electronics N.V., “Lighting system”, WO2009087587, pp.1~42



◃전문가 제언▹


○ 생활수준의 향상에 따라 주거나 상업용 건물의 조명은 그 자체의 고유
기능 이외에 인테리어성 측면에 대한 요구수준도 높아지고 있다. 따라서 건축가 및 인테리어 디자이너들은 이런 사용자의 요구 변화에 따라 차별화 측면에서 건물 및 실내조명에 대한 연구에 힘을 쏟고 있다.


○ 최근 조명시스템은 기능면에서도 간접조명의 적용확대, 조명의 밝기,
각도, 색상조절 등으로 기능 요구가 확대되고 있다. 이러한 사용자 요구는 최근 확대 사용되는 LED(Light Emitting Device)의 장점, 특히 콤팩트하고 색상조절이 가능한 장점을 활용하면 쉽게 충족시킬 수 있다.


○ 그러나 LED를 적용한 종래의 조명시스템은 눈부심 현상 방지 및 다양한
기능을 위해 여러 종류의 광학부품을 사용해야 한다. 이로 인해 조명시스템은 복잡해지고 크기가 커져 인테리어성을 저하시키는 등 문제가 발생하고, 이에 대한 개선된 조명시스템이 요구된다.


○ 이를 위해 이 발명에 의한 조명시스템에는 광 가이드(light guide)와 광
공급수단(means capable of providing light), 광 성형수단(means for shaping light) 등 주요 구성요소가 새로운 구조와 방식으로 배치된다.


○ LED는 에너지효율이 높아 지구 환경문제 완화에 기여한다. 그리고 콤팩
트하고 수명이 긴 장점으로 적용기기의 인테리어성과 유지비 절감에 매우 유리하다. 이런 장점으로 향후 모든 분야의 조명시스템은 형광등, 백열등과 같은 종래의 램프로부터 LED로 대체될 것으로 예상된다.


○ 이러한 LED는 생산수량 증가와 함께 신소재 개발과 공정기술 향상으로
가격이 지속적으로 내려갈 것이다. 이에 따라 LED 적용도 가속화될 것이며, 이에 대한 LED 활용분야의 발굴과 활용기술 개발이 필요하다.



Source :  ReSEAT

 





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