KR101094923B1 - 프리즘 광가이드 및 이를 사용하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프리즘 광가이드 및 이를 사용하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평판 형이고 전면의 특정 위치에서 입사된 광을 프리즘 광가이드 내부에 수직 및 수평으로 프리즘 광가이드 내부로 입사시켜 다수의 직각 프리즘을 이용하여 최종적으로 측면으로 광을 집합 유도하여 집광효율을 극대화시키거나 측면으로부터 광을 입사시켜 넓은 전면의 특정 부위에 입사된 광을 분할 유도하여 산광을 효과적으로 수행함과 동시에 집광 및 산광을 효율적으로 수행하도록 입사 또는 출사되는 광을 집광 또는 발산시키는 광학부를 더 포함하여 집광 및 산광 모두에 활용 가능하고 공간 활용성을 높이며, 견고성, 취급의 용이성, 두께의 감소 및 제작원가도 절감할 수 있는 프리즘 광가이드 및 이를 사용하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 전면 입사광의 측면 집합 또는 측면 입사광의 전면 분배가 용이하고 일정한 지지강도를 갖도록 전체적인 두께가 일정하고 길이방향으로 강도가 보강되어 취급이 용이하고 구조가 간단하여 제작과 설치가 용이하며, 평판 형이어서 부피가 크지 않아 다양하게 응용할 수 있고, 제조비용도 저렴한 효과를 얻을 수 있다.

Description

프리즘 광가이드 및 이를 사용하는 방법{Prism Light Guide and method for using that}

본 발명은 프리즘 광가이드 및 이를 사용하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평판 형이고 전면의 특정 위치에서 입사된 광을 프리즘 광가이드 내부에 수직 및 수평으로 프리즘 광가이드 내부로 입사시켜 다수의 직각 프리즘을 이용하여 최종적으로 측면으로 광을 집합 유도하여 집광효율을 극대화시키거나 측면으로부터 광을 입사시켜 넓은 전면의 특정 부위에 입사된 광을 분할 유도하여 산광을 효과적으로 수행함과 동시에 집광 및 산광을 효율적으로 수행하도록 입사 또는 출사되는 광을 집광 또는 발산시키는 광학부를 더 포함하여 집광 및 산광 모두에 활용 가능하고 공간 활용성을 높이며, 견고성, 취급의 용이성, 두께의 감소 및 제작원가도 절감할 수 있는 프리즘 광가이드 및 이를 사용하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 광의 일 형태인 태양에너지를 이용하는 방법으로는 태양전지를 통해 전기를 생산하는 태양광 발전, 태양열 집열관 또는 집열판을 이용하여 태양열을 흡수하고 이를 온수 생산이나 난방에 활용하는 태양열 집열, 태양광 자연채광 모듈 또는 반사판을 이용하여 조명이나 식물생장 또는 광촉매에 활용하거나 자연 채광하는 태양광 자연채광 등이 있다.

주지하다시피, 광의 일 형태인 태양에너지를 최대로 활용하기 위해서는 태양광을 효율적으로 집광하여야 하며 이를 위해 다양한 태양광 집광장치가 사용되는데, 집광장치의 광 집적도는 태양광발전, 태양열 집열, 태양광 자연채광 등 이용방법이 무엇이든지 간에 태양 에너지의 효율과 직결된다.

태양광 집광장치는, 포인트 집중 디쉬 타입(point-focus dish type), 포인트 집중 프레넬 렌즈 타입(point-focus Fresnel lens type), 선형 집중 프레넬 렌즈 타입(linear-focus Fresnel lens type), 그리고 헬리오스테트 타입(heliostat type), 그레고리안 / 카세그레인 집광계, 홀로그래픽 프리즘시트를 이용한 집광 등으로 구분되며, 여타 무수히 다양한 방법이 공지되어 있나 궁극적으로는 집광렌즈와 집광거울을 병합한 광학계를 이용하게 된다.

전술한 종래 태양광 집광장치는 통상적으로 태양광 발전설비의 발전량/ 태양열 집열/태양광 자연채광 양의 증가를 위해서 태양광 집광장치 구조의 대형화가 불가피한데, 대형으로 제조함에 있어 비용이나 구조적인 면에서 많은 제약이 발생되므로 투자대비 경제성을 기대하기가 매우 곤란하다.

따라서 집광을 통하여 태양 에너지 효율을 높이는 한편, 무엇보다도 중요한 투자 대비 경제성을 확보하도록 좁은 면적으로 집광하는 기술적인 대안이 매우 필요하다고 할 수 있다.

한편, 집광된 태양광을 광케이블에 입사시켜 특정 위치로 보낸 후에 이를 활용하기 위해서는 산광이 필요한 경우가 있다. 예를 들면 지하실 등의 자연조명에 이용하기 위해서는 고도로 집속되어 전달된 태양광을 확산시켜야 하는데 이를 위해서는 넓은 면적에 광을 분할하여 조사되도록 해야 할 필요가 있다.

따라서 인공광 혹은 자연광 여부를 떠나서 집광과 산광을 효율적으로 수행하는 광가이드가 다수 공지되어 있으나 높은 효율로 전면에 입사하는 광을 측면으로, 혹은 측면에서 입사시킨 광을 전면에 골고루 확산시키는 데는 문제점이 있어 왔다.

본 출원인은 이러한 대안의 하나로 “측면 태양광 집광기(10-2010-0004153, 선출원)를 개시한 바 있다.

그러나 선출원은 전면으로 입사되는 평행한 태양광을 집광하는데 있어 다수의 렌즈 및 거울 집광 모듈이 배열 조합된 집광부와, 반사부가 다단으로 구비되고 집광부 하면 또는 상면에 하나의 측면부재를 두고 집광부가 1차 집광한 집속 태양광을 반사부를 통해 측면으로 반사하고 집광하여 태양광 집광장치의 집광 효율을 높일 수 있도록 하였고, 측면에서 인공광원을 조사할 경우에도 균일하게 전면으로 광을 산광하게 할 수 있는 개선안이었으나, 측면 반사부가 다단으로 다수 형성됨으로 인하여 측면부재의 두께가 차이나고, 측면 반사부를 제작하는 소재에 따라서는 반사부를 일정하게 지지하는 강도를 확보하기 어려울 뿐만 아니라 지지하는 강도를 보강하기 위해 측면부재의 두께를 증가시켜야 하는 단점이 있으며, 길이방향으로 기다란 형상의 경우 길이방향으로의 구부러짐 강도가 약하여 취급적용성이 미흡하고, 만약 두께를 보강하지 않으면 얇은 부분에서의 반사부 형성 및 취급까지도 용이하지 않아 불량 발생은 물론 제작 원가가 상승, 취급비용이 증가하는 등의 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 전면 입사광의 측면 집합(집광) 또는 측면 입사광의 전면 분배(산광)가 용이하고 일정한 지지강도를 갖도록 전체적인 두께가 일정하며 길이방향으로 강도도 보강되어 취급이 용이하고 제작이 간편하여 제작원가를 더욱 줄일 수 있어 투자대비 경제성을 대폭 증대시킬 수 있는 프리즘 광가이드 및 이를 사용하는 방법을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.

상기 목적은 2개의 직각프리즘이 ‘V'형상을 갖도록 결합되어 한 쌍을 이루고, 다수 쌍이 일 직선상에 배열되되 상기 한 쌍의 직각프리즘 일측 빗면 일부에는 광이 입사되거나 혹은 출사되는 광 입출부가 형성된 상단 프리즘과; 상기 상단 프리즘의 하측에 간격을 두고 상기 상단 프리즘을 구성하는 직각프리즘의 두 배 크기 또는 2 개로 밀착되어 형성되거나 일체로 형성된 직각 프리즘이 역삼각형 형태로 대응되도록 배열된 하단 프리즘으로 구성되어 광 입출부를 통해 내부로 입사된 광이 상단 프리즘 및 하단프리즘의 전반사에 의해 측면으로 유도되거나 또는 측면에서 내부로 입사된 광이 상단 프리즘 및 하단프리즘의 전반사에 의해 유도되어 광 입출부로 출사되는 것을 특징으로 하는 프리즘 광가이드에 의해 달성된다.

상기 광 입출부에는 광을 입사 받아 평행광 형태로 바꾸어 내부에 입사시키거나 또는 내부로부터 전달된 평행광을 발산하도록 출사시키는 단위 선형 시준기를 일체로 더 구비하는 것을 특징으로 하며, 상기 상단 프리즘과 하단 프리즘은 V'자형이 연달아 이어져 있는 시트 형태이거나 혹은 특정 두께의 평탄한 시트에 일정 거리만큼씩 간격을 두고‘V'자형 단면 형상의 것이 반복 형성되는 형태를 갖되, 상기 각 'V'자형 단면 형상의 빗면은 상하 서로 평행하게 유지되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 상단 프리즘의 상부 또는 상기 하단 프리즘의 하부에는 단위 광학모듈이 더 구비되되,

상기 단위 광학모듈은 광의 입사 위치에 따라 광을 집속하거나 발산시키는 단위 선형 집·산광부재와; 상기 단위 선형 집·산광부재의 광축과 일치하고, 단위 선형 집·산광부재를 통해 집속된 집속광을 다시 좁은 폭을 가지는 선형 평행광 형태로 상기 광 입출부를 통해 입사시키거나 혹은 광원을 통해 측면으로 입사된 광을 광 입출부를 통해 전달받아 단위 선형 집·산광부재를 거쳐 상부로 발산하도록 단위 선형 집·산광부재에 입사시키는 단위 선형 시준기로 구성된 것을 특징으로 하며, 상기 광 입출부에도 상기 광 입출부에 일체로 형성된 단위 선형 시준기와 광축이 일치하도록 형성되어 광의 입사 위치에 따라 광을 집속하여 단위 선형 시준기로 입사시키거나 상기 광 입출부의 단위 선형 시준기로부터 출사되는 광을 발산시키는 단위 선형 집·산광부재가 더 구비될 수 있다.

상기 단위 선형 집·산광부재는 단위 선형 집광 볼록렌즈, 단위 선형 집광 프뢰넬 렌즈, 단위 선형 집광 비구면 렌즈, 단위 선형 집광 그린렌즈, 단위 선형 집광 화이버 옵틱 테이퍼, 배면창이 구비된 단위 선형 집광 그레고리안 광학거울, 배면창이 구비된 단위 선형 집광 카세그레인 광학거울, 단위 볼록 집광렌즈/단위 프뢰넬렌즈/단위 비구면 렌즈/발산 그린렌즈/단위 화이버옵틱 테이퍼/단위 그레고리안 광학거울/단위 카세그레인 광학거울 각각의 선형배열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 단위 선형 시준기는 단위 선형 시준 볼록렌즈, 단위 선형 시준 오목렌즈, 선형 시준 그린렌즈, 선형 시준 오목렌즈, 시준용 기다란 광섬유, 선형 시준 화이버 옵틱 테이퍼, 선형 시준 실린더 렌즈, 시준 그린렌즈/시준 볼록렌즈/시준 오목렌즈/시준 광섬유/ 볼 렌즈와 시준 광섬유로 이루어진 제2집광 어셈블리의 선형배열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 상단 프리즘 또는 하단 프리즘은 투명한 아크릴, 폴리카보네이트, 내열성이 좋은 폴리이미드, 유리, 파이렉스, 석영유리, 실리콘 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 프리즘 광 가이드의 사용방법은 프리즘 광 가이드로 입사되는 광의 위치를 상단 프리즘 상부에서 상단 프리즘을 향하게 하고 출사되는 광의 위치를 프리즘 광 가이드의 측면이 되게 하여 광을 집광하는 집광기로 사용하거나 혹은 상기 집광기로 사용되는 집광 반대 경로로 광을 조사하여 상단 프리즘 상부로 광이 확산되게 출사하는 산광기로 사용하는 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 효율적인 전면 입사광의 측면 집합 또는 측면 입사광의 전면 분배가 용이하고, 일정한 지지강도를 갖도록 전체적인 두께가 일정하며, 길이방향으로 강도가 보강되어 취급도 용이하고 제작이 간편하여 제조비용도 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 프리즘 광 가이드의 기본 개념을 설명하기 위한 예시도
도 2는 본 발명에 따른 프리즘 광 가이드의 집광 개념을 설명하기 위한 단면도
도 3은 본 발명에 따른 프리즘 광 가이드의 산광 개념을 설명하기 위한 단면도
도 4는 광학부가 더 포함된 본 발명에 따른 프리즘 광 가이드의 기본 개념을 설명하기 위한 예시도
도 5는 광학부가 더 포함된 본 발명에 따른 프리즘 광 가이드의 기본 개념을 설명하기 위한 단면도
도 6은 단위 선형 집·산광부재의 일실시 예인 단위 선형 그레고리안 광학거울, 단위 선형 카세그레인 광학거울의 단면도
도 7은 본 발명에 따른 2개의 프리즘 광 가이드를 이용, 점 집광하는 개념을 설명하기 위한 예시도

이하 본 발명에 따른 프리즘 광 가이드에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 프리즘 광 가이드(1)는, 2개의 직각프리즘이 ‘V'형상을 갖도록 결합되어 한 쌍을 이루고, 다수 쌍이 일직선상에 배열되되 일측 빗면에는 광이 입사되거나 혹은 출사되는 광 입출부(31)가 형성된 상단 프리즘(32a)과; 상기 상단 프리즘의 하측에 간격을 두고 상기 상단 프리즘을 구성하는 직각프리즘의 두 배 크기 또는 2 개로 밀착되어 형성되거나 일체로 형성된 직각 프리즘이 역삼각형 형태로 대응되도록 배열된 하단 프리즘으로 구성으로 구성된다.

다만, 상기 하단 프리즘(32b)에는 광 입출부(31)가 형성되지 않는 구조를 가져야 한다.

보다 상세하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 프리즘 광 가이드(1)는 광 입출부(31)가 형성된 상단 프리즘(32a)이 연달아 혹은 일정거리만큼 이격되게 배열되어 다수 형성되고, 그 하단에는 하단 프리즘(32b)이 형성되는데, 하단 프리즘(32b)의 빗면이 상단 프리즘(32a)의 빗면에 각각 평행하도록 대응되게 형성된다.

이때, 상기 프리즘 광 가이드(1)의 형상은 상단 프리즘 및 하단프리즘이 연달아 밀접하게 배열될 경우 그 단면이 마치 ‘V'자형이 연달아 이어져 있는 시트 형태이고, 도 2의 (b) 및 (c)에 도시한 바와 같이 일정거리만큼 이격되어 배열될 경우에는 마치 특정 두께의 평탄한 시트에 일정 거리만큼씩 간격을 두고‘V'자형 단면 형상의 것이 형성되는 것이며, 모든 경우에 있어서 각 'V'자형 단면 형상의 빗면이 서로 평행하게 유지되는 형태를 갖는다.

이러한 구성과 구조에서는 인접하여 좌우 대응되는 프리즘은 입사된 광을 전반사시켜 측면으로 이동시키는 작용을 하고, 상하로 대응되는 상단 프리즘은 입사된 광을 상하로 주고받으면서 프리즘에 의한 광의 진행 방해를 제거하는 작용을 하고 이들 다수가 배열로 형성되어 측면으로 광을 최종 가이드하게 된다.

아울러, 길이방향으로 길게 형성된‘V'자 단면 형상의 프리즘 광 가이드(1)는, 길이방향으로는 구부러짐에 매우 견고하여 기다란 프리즘 광 가이드(1), 예를 들면 수평 블라인드 슬랫의 대용으로 사용할 수 있는데 수평 블라인드 슬랫은 통상 슬랫의 길이가 2 ~ 3 미터이고 양 측단에 거치되는 구조여서 'V'자와 같은 요철형상이 아닌 평탄한 구조일 경우 구부러질 수 있으나 본 발명의 프리즘 광 가이드(1)는 구부러짐에 매우 강한 구조를 가지므로 대용하기에 적당하다.

또한 도시하지는 않았지만, 상단 프리즘(32a)과 하단 프리즘(32b)을 별도의 시트에 각각 형성하여 별개로 제조한 후 상호 결합하여 일체화시키거나 혹은 처음 제조시부터 상단 프리즘(32a)과 하단 프리즘(32b)을 하나의 몸체로 형성할 수 있으며, 입사되는 광에 대하여 프리즘 광 가이드(1)에 사용되는 물질의 굴절률이 일정하다는 것을 전제로 하며, 광 입출부(31)를 통해 프리즘 광 가이드(1) 내부로 유입되는 광은 수직 혹은 수평방향으로 평행광 형태로 입사되며 최대한 난반사 없이 입사된다.

한편, 하나의 광 입출부(31)는 상단 프리즘(32a)의 단면 빗면 일부분에 길이방향으로 마치 경사면의 일부에 수평 및 수직면이 형성되어 계단이 하나 형성되는 것처럼 형성되며 수평 및 수직면은 광이 투과되도록 평탄하고, 광 입출부(31) 위치는 하나의 상단 프리즘(32a) 빗면을 높이 방향으로 분할하여 중복되지 않게 빗면의 길이 방향으로 형성되기 때문에 상단 프리즘(32a) 빗면의 특정 부위 즉, 각각 높이 단차가 다른 광 입출부(31)에 입사된 선형 평행광은 다수의 프리즘 빗면의 특정 높이 부위로만 최초 유입된 후 전반사되어 측면으로 전진하게 된다.

따라서, 특정 폭의 광이 전진하는 독립적인 경로, 즉 광 채널을 형성하게 되며, 그 폭은 광 입출부(31)의 계단 높이 혹은 계단 수평 폭만큼의 부위에서 프리즘 광 가이드(1) 내부로 각각의 집속된 광이 유입되도록 하는 역할을 하므로 반사방지 코팅 혹은 반사방지 구조를 가지는 것이 바람직하고 수직방향으로의 입사하는 광을 전반사시켜 수평으로 입사시키기 위해 역삼각형 형태의 작은 직각 프리즘으로 형성될 수 있다.

이에 따라, 다수의 광 입출부(31)로 동시에 입사된 평행광은 프리즘 광 가이드(1)에 의해 측면으로 집광 즉, 다수의 광 입출부(31)에 동시 유입되는 광(11b)은 각각 다른 광 채널을 가진 채, 상단 프리즘(32a) 및 하단 프리즘(32b)에 의해 전반사되어 점진적으로 측면으로 유도된다.

이때, 상단 프리즘(32a)의 빗면 일부분에 형성된 광 입출부(31)에서는 전반사가 발생할 수 없으나 광 입출부(31)에 최초로 입사된 광은 독립적으로 형성된 좌우 광 채널 중 하나의 광 채널을 통해 측면으로 전반사되므로 다른 광 채널 즉, 다른 광 입출부(31)로 유입된 광 채널과 겹치지 않아 모든 광 채널에 입사된 광은 도 2의 (a)와 같이 측면으로 전진하게 된다.

그리고 광 입출부(31)로 유입된 광(11b)은 상단 프리즘(32a) 및 하단 프리즘(32b)에 의해 다단으로 전반사되어 전진하는데, 전반사(total reflection)란 빛이 밀한 매질에서 소한 매질로 입사할 때 빛이 굴절되지 않고 반사되어 진행하는 현상을 말하며, 당업자라면 쉽게 이해할 수 있는 것이므로 자세한 설명은 생략하기로 하며, 프리즘 광 가이드(1)의 내부에서 연속하여 형성된 상단 프리즘(32a) 및 하단 프리즘(32b)에 의해 대부분 평행광 형태로 반사됨으로써 타 상단 프리즘(32a) 및 하단 프리즘(32b)에 의해 방해를 받지 않고 측면까지 전진할 수 있어 효율적으로 측면에 집광된다.

한편 프리즘 광 가이드(1)는 투명한 소재로 제작하되, 상단 프리즘(32a) 및 하단 프리즘(32b)은 소정각도로 공기에 접한 면에서 비스듬히 표면(빗면)이 형성되고 광 굴절율이 낮은 물질층이 더 형성되어 공기가 아니더라도 밀한 매질에서 소한매질로의 전반사 원리가 적용되도록 형성될 수 있으며, 본실시 예에서는 45° 각도로 형성되고 상단 프리즘(32a) 및 하단 프리즘(32b)의 빗면이 접한 소한 매질이 공기인 것을 예시하고 있으며 당업자라면 쉽게 이해할 수 있어 광의 전반사를 형성하는 구조에 대한 추가적인 자세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 프리즘 광 가이드(1)의 재질로는 광 굴절률이 투명도가 좋은 아크릴, 폴리카보네이트, 내열성이 좋은 폴리이미드 등의 플라스틱과 다양한 조성의 투명한 유리, 고릴라 유리, 파이렉스, 석영유리, 실리콘과 같이 광학적으로 투명한 소재가 바람직하며, 본 발명에 따른 프리즘 광 가이드(1)의 광 용도에 따라 소재를 선택적하는 것이 바람직하다. 본실시 예에서는 자외선 차단 플라스틱 렌즈용 모노머를 사용한 UV-400 아크릴계 시트이고, 통상적으로 자외선에 의해 플라스틱은 황변현상이 발생하므로, 태양 UV에 의해 발생하는 황변문제를 해결하기 위해 UV액을 코팅 또는 자외선 차단 모노머를 사용하여 내후성을 담보할 수 있으며, 이러한 태양광 UV에 의한 내후성 증진에 관한 사항은 당업자가 용이하게 실시 가능한 것이므로 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.

통상적으로 광학유리나 플라스틱 광케이블에 사용되는 아크릴계의 플라스틱은 전반사에 의한 미터 당 광 감쇄율이 2~ 5% 미만이므로 거의 모든 광이 측면으로 전달되어 집광되므로 집광효율이 극대화되게 된다.

또한, 프리즘 광 가이드(1)가 투명한 소재라고 하더라도 소재 특성에 따라 전술한 전반사의 원리를 적용하기 곤란한 경우에는 상단 프리즘(32a) 및 하단 프리즘(32b)의 외측에 소정의 반사물질이 코팅될 수도 있다. 여기서, 소정의 반사물질은, 90% 이상의 반사율을 가지는 금속물질을 의미하는 것으로서, 알루미늄, 은, 금, 니켈, 스테인레스 박판 등이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예의 프리즘 광 가이드(1)는 통상적인 리소그라피 공정을 이용하여 제작할 수 있다.

아울러, 광(11b)을 효율적으로 손실없이 평행광 형태로 측면으로 반사시키기 위해서는 상기 광 입출부(31)에 도달하는 광이 최대한 평행광이어야 하고 그 폭이 좁으면 좁을수록 효과적인데, 광이 평행하게 입사되고 동시에 광 입출부(31)에 접촉하는 면적을 줄이면 줄일수록 광 채널이 많아지기 때문이다.

한편, 본 발명의 프리즘 광 가이드(1)는 도 3에 도시한 바와 같이, 측면에 LED광원을 배치하여 고밀도의 광을 프리즘 광 가이드(1)를 통해 상술한 각각의 채널별로 측면에서 입사 후 전반사시켜, 광 입출부(31)를 통해 분할되게 하여 전면으로 출사할 수 있는데, 이때 LED와 프리즘 광 가이드(1) 사이에 LED 로부터 방사되는 광을 평행한 광으로 변환시키는 것이 바람직하다. 일단 평행광이 프리즘 광 가이드(1)의 측면에서 입사되면 광 채널을 통해 전진하는 광은 광 입출부(31)를 통해 전면으로 출사되는 것은 당업자라면 쉽게 이해할 수 있는 것인 바, 이는 앞서 설명한 집광시와 반대 개념인 산광에 해당된다.

그리고 상기 프리즘 광 가이드(1)에 광을 입사시킬 때 태양광과 같이 광밀도를 균일하게 입사시키면 광 입출부(31)를 통해 출사되는 광의 밀도는 프리즘 광 가이드(1) 소재의 광감쇄 비율과, 측면에서의 광 입출부(31)의 이격위치에 따른 광 진행거리 내에서의 광감쇄가 주는 편차를 제외하고는 균일하게 분배되는 효과를 갖게 된다.

또한, LED광원이 배치된 타면에 추가로 LED 광원을 배치하여 사용하지 않은 광 채널 및 광 입출부(31)를 형성하여 놓으면 더욱 균일한 광이 광 입출부(31)를 통해 전면으로 출사될 수 있다는 것 또한, 당업자에게 자명한 것이므로 자세한 설명은 생략하기로 하며, 이와 같이 본 발명에 따른 프리즘 광 가이드(1)의 광의 입사 위치에 따라 집광기로도 사용할 수 있고, 또 반대로 산광기로도 사용할 수 있으며, 분야를 더 확대하여 확산렌즈나 도광판에도 응용할 수 있는 바, 이러한 점은 본 발명의 중요한 특징 중 하나이다.

한편 도 4에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 프리즘 광 가이드(1)의 전면 혹은 후면에는 전면에 평행광(11a)으로 도달하는 광을 집속하고 가느다란 집속 평행광(11b)을 출사하여 광 입출부(31)로 입사시키거나 측면의 광원으로부터 전달 받아 광 입출부(31)를 통해 출사시키는 광을 산광시키는 광학부(2)를 더 포함할 수 있다.

상기 광학부(2)는 단위 광학모듈(20)이 1차원으로 복수 개 배열로 형성되며, 또한 단위 광학모듈(20)은 전면에 입사되는 평행광(11a)을 집속하거나 전달받은 집속광(11b)을 전면으로 확산시키는 단위 선형 집·산광부재(21)와 단위 선형 집·산광부재(21)의 광축과 일치하고, 단위 선형 집·산광부재(21)에서 출사하는 집속광을 다시 좁은 폭을 가지는 선형 평행광 형태로 프리즘 광 가이드(1)의 광 입출부(31) 쪽으로 출사하거나, 프리즘 광 가이드(1)의 측면에 위치한 LED등 광원으로부터의 고밀도 광을 광 입출부(31)를 통해 전달 받아 단위 선형 집·산광부재(21)를 통해 출사시켜 단위 선형 집·산광부재(21)가 최종적으로 확산시키도록 대응되게 구비되는 단위 선형 시준기(22)로 구성된다.

또한, 광 입출부(31)에 상기 단위 선형 시준기(22)가 일체로 형성될 수 있으며 이때는 상술한 단위 선형 집·산광부재(21)만을 추가하면 되고 단위 선형 집·산광부재(21)의 광축과 일치시켜 일대일 대응시키는 것이 바람직하다.

한편, 상기 단위 광학모듈(20)은 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 단위 선형 집·산광부재(21)로 단위 선형 볼록렌즈가 사용될 수 있고, 단위 선형 시준기(22)로는 단위 선형 시준 볼록렌즈가 사용될 수 있다.

아울러, 단위 선형 시준기(22)로는 단위 선형 시준 볼록렌즈 대신 다른 형태로 다양하게 구현할 수 있는데 이를 테면, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같은 단위 선형 시준 오목렌즈, 도시하지는 않았지만 선형 시준 그린렌즈, 선형 시준 오목렌즈, 시준용 기다란 광섬유, 선형 시준 화이버 옵틱 테이퍼, 선형 시준 실린더 렌즈, 시준 그린렌즈/시준 볼록렌즈/시준 오목렌즈/시준 광섬유/ 볼 렌즈와 시준 광섬유로 이루어진 제2집광 어셈블리의 선형배열 중에서 선택하여 구비할 수 있으며, 그 외에도 시준용도 광학계로는 다수가 공지된 것이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

사실, 단위 선형 집·산광부재(21)의 일실시예로써 단위 선형 볼록렌즈와 그 초점 뒤에 위치하는 단위 선형 시준 볼록렌즈는 케플러 망원경을 이루는 기본 광학계 구성으로 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이고, 단위 선형 시준 볼록렌즈 대신에 초점 앞에 위치하는 단위 선형 시준 오목렌즈를 사용하면, 이는 갈릴레이 망원경을 이루는 기본적인 광학구성이며, 단위 선형 볼록렌즈 대신에 단위 선형 프뢰넬 렌즈, 단위 선형 비구면 렌즈, 단위 선형 그린렌즈, 단위 선형 화이버 옵틱 테이퍼(미도시), 도 6의 (a)에 도시한 바와 같은 배면창이 구비된 단위 선형 카세그레인 광학거울, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같은 배면창이 구비된 단위 선형 그레고리안 광학거울, 단위 볼록 렌즈/단위 프뢰넬렌즈/단위 비구면 렌즈/발산 그린렌즈/단위 화이버옵틱 테이퍼/단위 그레고리안 광학거울/단위 카세그레인 광학거울 각각의 선형배열을 사용할 수 있으며, 그 외에도 다수가 공지되어 있는데다가, 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로 이에 대한 추가적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 이러한 단위 선형 집·산광부재(21) 중에서 단위 볼록 렌즈/단위 프뢰넬렌즈/단위 비구면 렌즈/발산 그린렌즈/단위 화이버옵틱 테이퍼/단위 그레고리안 광학거울/단위 카세그레인 광학거울 각각의 선형배열의 경우, 이에 대응하는 단위 선형 시준기(22)쪽으로 출사되는 집속광(11b)은 점 형태이므로 그 해당 위치에 점 크기의 광 입출부(31)를 형성하는 것만으로도 측면으로 광을 집광하는 것은 주지의 사실이고, 이때 도 7에 도시한 바와 같이, 측면으로 집광된 광은 이어진 선형 직선 형태의 광이 아니라 일정거리가 이격된 점 형태의 집속광(11b)이 선형배열로 된 상태로 측면에 집광되게 된다.

이에 따라, 도 7에서와 같이 측면의 해당 위치에 또 하나의 제 2 프리즘 광 가이드(1‘)를 배치하고 측면에 모인 점 형태의 집속광(11b) 각각의 소정 위치에 광 입출부(31’)를 형성하고 제 1 프리즘 광 가이드(1)의 끝단에서 제 2 프리즘 광 가이드(1‘)의 광 입출부(31’)로 입사되도록 수직으로 꺽어 주면 제 2 프리즘 광 가이드(1‘)의 전단에 단위 선형 집·산광부재(21) 및 단위 선형 시준기(22)없이도 다시 최종적으로 점 형태(11c)로 집광되는 것이고, 이러한 구조에서는 광의 집광이 고도로 수행되게 되는 것이며 제작원가를 획기적으로 줄일 수 있으며 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

이에 따라, 이러한 구조를 광의 일 종류인 태양광 집광에 사용할 경우 전면으로 입사하는 태양광을 집속하는 하나의 단위 볼록렌즈(혹은 프뢰넬 렌즈)에 일대일 대응되도록 태양전지를 설치할 필요 없이, 점 형태의 고도로 집속한 태양광(11c) 위치에 고효율 태양전지를 하나 설치하면 그 발전효율을 매우 높일 수 있음은 물론 태양전지의 숫자 및 소요면적을 획기적으로 줄일 수 있고, 고효율 태양전지는 물론 자연채광 모듈에도 동시에 활용 가능하고, 그 끝단에 전동식 회전 미러를 더 포함할 경우에는 자연채광과 고효율 태양전지를 선택적으로 이용할 수 있어 매우 편리하고 적용성이 높으며, 거꾸로 LED등 자연광을 2차원 전면에 확산시키는 데에도 동시에 활용이 가능한 혁신적인 구조이며 이 또한 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

또한, 상술한 다양한 종류의 단위 선형 집·산광부재(21)의 배열이 앞. 뒷면에 교차 형성된 집광부(2)를 사용할 수 있음은 물론이고 단위 선형 시준기(22) 또한 앞. 뒷면에 교차 형성될 수 있으며, 단위 선형 집·산광부재(21)으로써 단위 선형오목거울에 의한 집광은 선출원과 달리 원리상 전면에 프리즘 광 가이드(1)가 배치되어야 하므로 상단 프리즘(32a), 하단 프리즘(32b)에 의해 오목거울에 태양광이 평행하게 입사되지 않으므로 사용할 수 없으나 산광을 위해서는 사용이 가능하다.

그리고 단위 선형 집·산광부재(21)와 단위 선형 시준기(22)는 일체로 형성된 중실체일 수 있으며, 각각 독립적으로 제작할 경우에는 그 사이에 중공이 형성될 수 있고, 단위 선형 시준기(22)는 광 입출부(31) 상단에 일체로 형성될 수 있으며, 이것 외에 앞서 예시한 다른 집광렌즈 및 광학거울들도 동일하게 적용될 수 있다.

이처럼, 앞에서 설명된 본 발명의 일실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

1: 프리즘 광가이드
2: 광학부
20: 단위 광학모듈 21: 단위 선형 집·산광부재 22: 단위 선형 시준기
31: 광 입사부 32a: 상단 프리즘 32b :하단 프리즘

Claims (9)

1. 2개의 직각프리즘이 ‘V'형상을 갖도록 결합되어 한 쌍을 이루고, 다수 쌍이 일직선상에 배열되되 상기 한 쌍의 직각프리즘 일측 빗면 일부에는 광이 입사되거나 혹은 출사되는 광 입출부가 형성된 상단 프리즘과;
   상기 상단 프리즘의 하측에 간격을 두고 상기 상단 프리즘을 구성하는 직각프리즘의 두 배 크기 또는 2 개로 밀착되어 형성되거나 일체로 형성된 직각 프리즘이 역삼각형 형태로 대응되도록 배열된 하단 프리즘으로 구성되어 광 입출부를 통해 내부로 입사된 광이 상단 프리즘 및 하단프리즘의 전반사에 의해 측면으로 유도되거나 또는 측면에서 내부로 입사된 광이 상단 프리즘 및 하단프리즘의 전반사에 의해 유도되어 광 입출부로 출사되는 것을 특징으로 하는 프리즘 광가이드.
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 광 입출부에는 광을 입사 받아 평행광 형태로 바꾸어 내부에 입사시키거나 또는 내부로부터 전달된 평행광을 발산하도록 출사시키는 단위 선형 시준기 또는 수평으로 입사하는 광을 수평으로 입사시키기 위한 제3 직각 프리즘을 일체로 더 구비하는 것을 특징으로 하는 프리즘 광 가이드.
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 상단 프리즘과 하단 프리즘은 V'자형이 연달아 이어져 있는 시트 형태이거나 혹은 특정 두께의 평탄한 시트에 일정 거리만큼씩 간격을 두고‘V'자형 단면 형상의 것이 반복 형성되는 형태를 갖되, 상기 각 'V'자형 단면 형상의 빗면은 상하 서로 평행하게 유지되는 것을 특징으로 하는 프리즘 광가이드.
4. 청구항 1에 있어서;
   상기 상단 프리즘의 상부 또는 상기 하단 프리즘의 하부에는 단위 광학모듈이 더 구비되되,
   상기 단위 광학모듈은 광의 입사 위치에 따라 광을 집속하거나 발산시키는 단위 선형 집·산광부재와; 상기 단위 선형 집·산광부재의 광축과 일치하고, 단위 선형 집·산광부재를 통해 집속된 집속광을 다시 좁은 폭을 가지는 선형 평행광 형태로 상기 광 입출부를 통해 입사시키거나 혹은 광원을 통해 측면으로 입사된 광을 광 입출부를 통해 전달받아 단위 선형 집·산광부재를 거쳐 상부로 발산하도록 단위 선형 집·산광부재에 입사시키는 단위 선형 시준기로 구성된 것을 특징으로 하는 프리즘 광 가이드.
5. 청구항 2에 있어서;
   상기 광 입출부는
   상기 광 입출부에 일체로 형성된 단위 선형 시준기와 광축이 일치하도록 형성되어 광의 입사 위치에 따라 광을 집속하여 단위 선형 시준기로 입사시키거나 상기 광 입출부의 단위 선형 시준기로부터 출사되는 광을 발산시키는 단위 선형 집·산광부재가 더 구비된 것을 특징으로 하는 프리즘 광 가이드.
6. 청구항 4, 5항 중 어느 한 항에 있어서;
   상기 단위 선형 집·산광부재는 단위 선형 집광 볼록렌즈, 단위 선형 집광 프뢰넬 렌즈, 단위 선형 집광 비구면 렌즈, 단위 선형 집광 그린렌즈, 단위 선형 집광 화이버 옵틱 테이퍼, 배면창이 구비된 단위 선형 집광 그레고리안 광학거울, 배면창이 구비된 단위 선형 집광 카세그레인 광학거울, 단위 볼록 집광렌즈/단위 프뢰넬렌즈/단위 비구면 렌즈/발산 그린렌즈/단위 화이버옵틱 테이퍼/단위 그레고리안 광학거울/단위 카세그레인 광학거울 각각의 선형배열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리즘 광 가이드.
7. 청구항 2, 4항 중 어느 한 항에 있어서;
   상기 단위 선형 시준기는 단위 선형 시준 볼록렌즈, 단위 선형 시준 오목렌즈, 선형 시준 그린렌즈, 선형 시준 오목렌즈, 시준용 기다란 광섬유, 선형 시준 화이버 옵틱 테이퍼, 선형 시준 실린더 렌즈, 시준 그린렌즈/시준 볼록렌즈/시준 오목렌즈/시준 광섬유/ 볼 렌즈와 시준 광섬유로 이루어진 제2집광 어셈블리의 선형배열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리즘 광 가이드.
8. 청구항 1에 있어서;
   상기 상단 프리즘 또는 하단 프리즘은 투명한 아크릴, 폴리카보네이트, 내열성이 좋은 폴리이미드, 유리, 파이렉스, 석영유리, 실리콘 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리즘 광 가이드.
9. 청구항 1 내지 청구항 5 및 청구항 8에 기재된 어느 하나의 프리즘 광 가이드로 입사되는 광의 위치를 상단 프리즘 상부에서 상단 프리즘을 향하게 하고 출사되는 광의 위치를 프리즘 광 가이드의 측면이 되게 하여 광을 집광하는 집광기로 사용하거나 혹은 상기 집광기로 사용되는 집광 반대 경로로 광을 조사하여 상단 프리즘 상부로 광이 확산되게 출사하는 산광기로 사용하는 것을 특징으로 하는 프리즘 광 가이드의 사용방법.
   

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