KR101109581B1 - 엘이디 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엘이디(LED) 광확산용 확산형 아이시클타입 광 조정렌즈에 관한 것으로서, 유리재질 또는 PC, PMMA, COC 중에서 1종이 선택되는 비결정형 폴리머재질로 이루어지되, 내부 전체가 채워지는 몸체를 갖는 좌우 대칭구조의 렌즈구조체이며; 상기 렌즈구조체는 몸체의 내측라인을 형성하며 산과 골이 깊게 패인 형태로 중심부분에 광조정돌부가 형성되는 아이시클 내면과, 몸체의 외측라인을 형성하며 반구형의 구조배치에서 중심부분을 완만하게 함몰시켜 광확산의 확장을 유도하기 위한 광확산 확장유도부가 형성되는 광확산 외면을 포함하며; 상기 아이시클 내면과 광확산 외면에 의한 내부 반사와 굴절의 이중 처리로 광확산을 조정할 수 있도록 구성한 엘이디(LED) 광확산용 확산형 아이시클타입 광 조정렌즈에 관한 것이다.

Description

엘이디 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈{WIDE ICICLE TYPE LIGHT ADJUSTING LENS FOR DIFFUSING LIGHT OF LED}
본 발명은 엘이디(LED)에서 발생되는 광을 확산시키기 위한 광 조정렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LED 특유의 반짝거림을 최소화시키면서 내부 반사와 굴절의 이중 처리를 통해 광확산을 유도 및 확산되는 광이 고른 밝기를 갖도록 균일하게 컨트롤하여줄 수 있도록 하며, LED에 대해 실외조명의 공원등 또는 백라이트 용도로 유용하게 사용할 수 있도록 광확산의 확장형 디퓨저(diffuser)로서 기능하게 한 엘이디 광확산용 확장형 아이시클타입(icicle type) 광 조정렌즈에 관한 것이다.
최근 조명장치를 비롯한 산업전반에 걸쳐 광원으로 LED를 사용하는 경우가 많아지고 있으며, 이에 따라 LED를 효과적이면서 효율적으로 사용하기 위한 각 산업분야에서의 연구 또한 활발히 진행되고 있다.
한편, LED에서 발생되는 광(光)은 직진성의 특성을 갖는 것으로서, 주변에 비해 중심부분에 광 분포가 집중되는 광학특성으로 반짝거림에 의한 눈부심 현상을 초래하는 단점을 지니고 있다.
이러한 광 분포 집중 및 눈부심의 단점을 보완하기 위해 LED의 광 분포를 조정하여주는 광확산 조정렌즈가 개발 및 LED와 결합되어 사용되고 있다.
하지만, LED의 광을 확산시키도록 컨트롤하여주는 종래 광확산 조정렌즈는 광 손실이 발생되는 문제점은 물론 반짝거림에 의한 눈부심 현상을 제거하지 못하고 있고 고른 밝기를 유도하지 못하는 등 전반적으로 광 조정효율이 떨어지는 문제점이 있었으며, 광확산 등 LED의 발산광 조정에 대해 상당한 어려움이 있었다.
특히, LED는 실내조명용, 실외조명용, 백라이트용 등 각 산업분야에 다양하게 사용되고 있는데, 각각의 용도별 광분포 조정에 따른 안정된 광학특성이 요구됨에도 불구하고 단순히 광 조정렌즈만을 결합하여 사용하는데 만족하고 있어 산업발전을 기대할 수 없을 뿐만 아니라 각각의 사용 용도에 맞는 조명효율을 최대한으로 끌어올리지 못하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점 등을 감안하여 안출된 것으로서, LED 특유의 반짝거림을 최소화시키면서 내부 반사와 굴절의 이중 처리를 통해 광확산을 유도 및 확산되는 광이 고른 밝기를 갖도록 균일하게 컨트롤할 수 있도록 하고, 광확산의 확장형 디퓨저(diffuser)로서 기능하도록 함으로써 LED의 발산광에 대해 넓은 화각(80~100도)을 형성하도록 광분포를 조정할 수 있도록 하며, 이를 통해 LED를 실외조명장치의 공원등 또는 백라이트용으로 사용할 수 있는 광학특성 및 안정감을 부여할 수 있도록 한 엘이디(LED) 광확산용 확장형 아이시클타입(icicle type) 광 조정렌즈를 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 LED 발산광에 대해 중장거리 조사에 맞는 넓은 화각을 형성하도록 광확산을 조정 및 전체적으로 광균일도를 유지할 수 있도록 함으로써 공원등을 비롯한 실외조명으로서의 조명효율을 극대화시킬 수 있도록 한 엘이디 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈를 제공하는데 있다.
본 발명은 LED의 발산광을 조정하기 위한 광 조정렌즈에 있어서,
유리재질 또는 PC, PMMA, COC 중에서 1종이 선택되는 비결정형 폴리머재질로 이루어지되, 내부 전체가 채워지는 몸체를 갖는 좌우 대칭구조의 렌즈구조체이며;
상기 렌즈구조체는 몸체의 내측라인을 형성하며 산과 골이 깊게 패인 형태로 중심부분에 광조정돌부가 형성되는 아이시클 내면과,
몸체의 외측라인을 형성하며 반구형의 구조배치에서 중심부분을 완만하게 함몰시켜 광확산의 확장을 유도하기 위한 광확산 확장유도부가 형성되는 광확산 외면을 포함하며;
상기 아이시클 내면과 광확산 외면에 의한 굴절과 내부반사의 이중 처리로 광확산을 조정할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 렌즈구조체는 아이시클 내면 중심에 형성시킨 광조정돌부의 끝단이 렌즈구조체에 장착되는 LED의 상면에 직접적으로 닿게 하거나 또는 최대한 근접되게 돌출 형성시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 아이시클 내면과 광확산 외면은 각각 비구면으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 내부 반사와 굴절작용의 이중 처리를 수행하도록 설계함으로써 LED 발산광에 대해 광확산을 유도함은 물론 확산되는 광을 고른 밝기가 형성되도록 균일하게 컨트롤하여주며, 이를 통해 광확산의 확장형 디퓨저(diffuser)로서 기능하여 LED 발산광에 대해 80~100도 정도의 넓은 화각이 형성되게 광 분포를 조정하여주며, LED를 실외조명장치의 공원등이나 가로등 또는 백라이트용으로 유용하게 사용할 수 있게 하는 광학특성 및 안정감을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 LED 특유의 반짝거림을 최소화시킬 수 있어 눈부심 현상까지 방지하여줄 수 있다.
본 발명은 LED 발산광에 대해 중장거리 조사에 맞는 넓은 화각을 형성시키면서 전체적으로 광균일도를 유지시켜주므로 공원등을 비롯한 실외조명으로서의 조명효율을 극대화시킬 수 있으며, 비구면을 활용하므로 광확산 각도를 임의로 자유롭게 조율할 수 있다.
도 1은 본원출원인에 의한 미공개된 출원기술인 LED 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈를 나타낸 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명에 의한 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈를 나타낸 구성 및 부분 광선 추적도이다.
도 4는 도 2에 의한 본 발명과 도 1의 기술을 비교한 LED 발산광의 입사에 따른 동일한 어느 한 필드에서의 광선 추적도로서, (a)와 (b)는 도 1의 기술에 의한 광선도이고, (c)와 (d)는 본 발명의 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈에 따른 광선도이다.
도 5는 도 2에 의한 본 발명과 도 1의 기술을 비교한 광확산이 조정된 배광곡선을 나타낸 방사패턴 그래프로서, (a)는 도 1의 기술에 의한 방사패턴이고, (b)는 본 발명의 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈에 따른 방사패턴이다.
도 6은 도 2에 의한 본 발명과 도 1의 기술을 비교한 동일 조건하에서의 각 필드별 에너지분포를 나타낸 조도 래스터 챠트로서, (a)는 본 발명의 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈에 따른 조도 래스터 챠트이고, (b)는 도 1의 기술에 따른 조도 래스터 챠트이다.
도 7은 도 2에 의한 본 발명과 도 1의 기술을 비교한 동일 조건하에서의 광 조정된 광분포밀도 및 패턴 안정성을 나타낸 데이터로서, (a)는 도 1의 기술에 따른 시뮬레이션 데이터이고, (b)는 본 발명의 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈에 따른 시뮬레이션 데이터이다.
도 8은 도 2에 의한 본 발명을 적용하여 LED를 실외 공원등으로 사용했을 때의 전체 광분포밀도를 나타낸 도면이다.
본 발명에 대해 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같으며, 이와 같은 상세한 설명을 통해서 본 발명의 목적과 구성 및 그에 따른 특징들을 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.
본 발명에 의한 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈(200)는, 본원출원인이 도 1에서 보여주는 바와 같은 구조를 갖는 광확산 아이시클형 광 조정렌즈(100)의 미공개된 출원기술[LED의 발산광에 대해 광손실 없이 실내조명장치에 맞는 안정된 광학특성을 발휘하도록 특화시킨 광분포 조정기술에 대한 구성]을 개선 설계함으로써 LED의 발산광에 대해 보다 넓은 화각을 형성하도록 하고 7~15m의 중장거리 조사에 따른 안정된 조명효율을 발휘하여야 하는 실외조명장치의 공원등 또는 전체적인 고른 밝기를 유지하여야 하는 LCD패널 등의 백라이트용 디퓨저(diffuser)로서 기능할 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 의한 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈(200)는, 도 2 및 도 3에서 보여주는 바와 같이, 유리재질 또는 비결정형 폴리머(Amorphous Polymer)재질로 이루어지되, 내부 전체가 채워지는 몸체를 갖는 렌즈구조체(210)로 구성된다.
이때, 상기 비결정형 폴리머재질로는 폴리카보네이트(Poly Carbonate; PC), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate; PMMA), 싸이클로올레핀코폴리머(Cyclo Olenfin Copolymer; COC) 중에서 1종을 선택 사용할 수 있다.
상기 렌즈구조체(210)는 좌우 대칭구조로 형성되는 것으로서, 몸체의 내측라인을 형성하며 아이시클(icicle)형 구조를 갖는 아이시클 내면(220)과, 몸체의 외측라인을 형성하며 중심부가 함몰된 돔(dome)형 구조를 갖는 광확산 외면(230)을 포함하여 이루어진다.
상기 아이시클 내면(220)은 비구면으로 구성되며, 산과 골이 깊게 패인 형태로 대략 "M"자형 구조배치 갖게 함으로써 중심부분에 고드름과 같은 광조정돌부(221)가 형성되도록 구성된다.
상기 광확산 외면(230)은 구면 또는 비구면으로 구성될 수 있으며, 반구형의 구조배치에서 중심부분을 완만하게 함몰시켜 광확산의 확장을 유도하기 위한 광확산 확장유도부(231)가 형성되도록 구성된다.
이때, 도시하지는 않았으나, 광원으로 사용할 LED를 수용하여 배치하기 위한 것으로 사용할 수 있도록 LED의 발산광이 입사되는 법선방향 하측단부에 중심을 기준으로 좌우 대칭되게 형성시킨 요홈 구조의 LED수용부를 렌즈구조체(210)의 하측방향으로 연장시켜 구비할 수 있다 할 것이며, 이 LED수용부는 칩형 또는 발광다이오드형 타입의 LED를 수용할 수 있는 형태이면 어떠한 구조적 형태이든 무방하다 할 것이다.
상기 렌즈구조체(210)의 아이시클 내면(220)은 렌즈구조체의 내측 표면을 형성하는 것으로서 LED의 발산광이 입사되기 시작하는 부분이면서 LED의 발산광에 대해 확산광 유니트로 기능하게 되는 광분포 조정부분으로 1차적 광확산을 통해 눈부심 현상을 최소화하기 위한 것이며, 상기 고드름과 같은 형태로 형성시킨 광조정돌부(221)를 통해 LED의 발산광에 대해 내부 반사(reflection)와 굴절(refraction)의 동시작용을 유도하고 광조정돌부(221)를 제외한 LED측 방향에서 오목면을 갖는 좌우측부(222)(223) 내면에서는 LED의 발산광에 대해 굴절시킴으로써 LED의 발산광을 면광원이 되게 고르게 광 확산시키도록 조정하게 된다.
여기서, 상기 렌즈구조체(210)에 장착되는 장착 LED의 상면이 위치되는 부분을 수평기준면(A)이라고 할 때, 상기 아이시클 내면(220) 중심에 형성되는 광조정돌부(221)는 하측방향으로 돌출되는 길이의 끝단이 수평기준면(A)에 직접적으로 닿거나 최대한 근접되게 위치되도록 돌출시킴이 바람직하다.
부연하면, 수평기준면(A)과 렌즈구조체(210)의 광조정돌부(221) 끝단과의 사이에는 0~0.3mm의 간격 배치가 가장 바람직하다 할 수 있으며, 이는 LED의 중심부 발산광에 대해 반드시 광조정돌부(221)의 어느 한 지점을 경유 및 부딪치게 함으로써 반사 및 굴절을 유도하여 광분포 조정효율을 높일 수 있도록 하고 이를 통해 전체적으로 고른 밝기를 유도할 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 상기 아이시클 내면(220)은 비구면으로 형성함에 따라 내면의 굴곡각 조정 등 형상구조를 용이하게 설계변경할 수 있어 LED의 발산광에 대해 광분포를 임의대로 자유롭게 조율할 수 있게 된다.
상기 렌즈구조체(210)의 광확산 외면(230)은 렌즈구조체의 외측 표면을 형성하게 되고 아이시클 내면(220)을 통해 1차로 광확산 및 광 조정된 상태의 LED 광원을 2차에 걸친 내부 반사 및 굴절작용으로 2차 광확산시킴으로써 1차 광확산에 비해 화각을 더욱 넓혀주는 기능을 담당하게 되는데, 보다 넓은 면적으로 균일한 면광원 분포를 유도하여 선형적 광분포를 이루도록 조정하게 된다.
이때, 상기 광확산 외면(230)에 대해서도 구면보다는 비구면으로 형성함이 더욱 바람직하다 할 것인데, 비구면을 통해 외면에 대한 굴곡각 조정 등 형상구조를 용이하게 설계 변경할 수 있도록 하며 LED의 발산광에 대해 광분포를 자유롭게 임의 조율할 수 있도록 한다.
이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 의한 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈(200)는 광원인 LED의 발산광에 대해 광분포를 확산 조정하여 점광원이 아닌 면광원 처리하되 눈부심 현상을 극히 최소화하면서 2차에 걸친 내부 반사 및 굴절작용의 이중 처리로 광확산을 유도하게 되며, 이를 통해 보다 넓은 면적으로 화각을 넓히고 광분포가 조정되는 광원에 대한 광균일도를 유지하여 고른 밝기를 갖게 하는 광 조정 유니트로 기능하게 되며, 실외조명 또는 백라이트 용도로 적합하게 활용할 수 있다.
한편, 아래의 표 1은 본 발명에 의한 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈(200)에 대한 비구면 데이터를 나타낸 것으로서, 이해를 돕기 위해 광 조정렌즈(200)의 형상을 비구면 데이터와 함께 개략적으로 도시하였으며, 아이시클 내면(220)과 광확산 내면(230)은 모두 비구면 처리한 것이다.
표 1. 본 발명에 의한 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈의 비구면 데이터
Figure 112010079156889-pat00001
여기서, 표 1에서는 아이시클 내면(220)과 광확산 외면(230)에 해당하는 R1과 R2는 각각 비구면 곡률값을 가질 뿐만 아니라 비구면 코닉상수(conic constant) 및 비구면 표면계수를 가지고 있음을 보여주고 있다.
이에 의해, 아이시클 내면(220)과 광확산 외면(230)은 비구면 코닉상수 및 비구면계수 등을 조정함에 따라 LED의 발산광에 대해 방사경로 및 광분포를 임의대로 자유롭게 조율할 수 있음을 보여주고 있다.
한편, 도 4는 도 2의 구성을 갖는 본 발명과 도 1의 기술을 비교한 LED 발산광의 입사에 따른 동일한 어느 한 필드에서의 광선 추적도로서, (a)와 (b)는 도 1의 기술에 의한 광선도이고, (c)와 (d)는 본 발명의 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈에 따른 광선도를 보여주고 있다.
여기서, 본 발명에 의한 (c)와 (d)를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 본원출원인에 의한 도 1의 기술[(a)와 (b) 참조)]과 비교할 시 광 조정을 수행하되 본 발명의 광확산 외면(230)이 도 1의 외면(113)에 비해 외측방향으로 광확산을 더 확대시켜 유도하고 있음을 보여주고 있으며, 광확산에 대해 보다 넓은 면적으로 균일한 면광원 분포가 가능하도록 유도함을 보여주고 있습니다.
도 5는 도 2의 구성을 갖는 본 발명과 도 1의 기술을 비교한 광확산이 조정된 배광곡선을 나타낸 방사패턴 그래프로서, (a)는 도 1의 기술에 의한 방사패턴이고, (b)는 본 발명의 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈에 따른 방사패턴을 보여주고 있다.
여기서, 본 발명에 의한 (b)에서의 방사패턴이 도 1의 기술에 의한 (a)에서의 방사패턴보다 더 넓게 분포되어 있음을 확인할 수 있고, 이러한 방사패턴을 통해 배광각도를 확인할 수 있는 바와 같이, 도 1의 기술에 비해 본 발명에 의한 기술이 내부 반사와 굴절의 이중 처리에 따라 80~100도의 화각으로 광확산을 더 유도하고 있음을 보여주고 있습니다.
도 6은 도 2의 구성을 갖는 본 발명과 도 1의 기술을 비교한 동일 조건하에서의 각 필드별 에너지분포를 나타낸 조도 래스터 챠트로서, (a)는 본 발명의 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈에 따른 조도 래스터 챠트이고, (b)는 도 1의 기술에 따른 조도 래스터 챠트를 보여주고 있다.
여기서, 본 발명에 의한 (a)를 통해 알 수 있는 바와 같이 각 필드별로 광을 컨트롤하고 있음을 보여주고 있고 각 필드의 데이터들이 중첩되면서 (b)에 비해 광균일도를 향상시킬 수 있음을 보여주고 있으며, (b)는 실내 조명등에 적합한 확산광 유니트로서 기능을 보여주는데 비해 본 발명에 의한 (a)는 LED 발산광에 대해 실외조명 또는 백라이트로서 효율을 최대로 이끌어낼 수 있는 광확산용 광확장 유니트로서 광을 균일하게 조정하고 있음을 보여주고 있습니다.
도 7은 도 2의 구성을 갖는 본 발명과 도 1의 기술을 비교한 동일 조건하에서의 광 조정된 광분포밀도 및 패턴 안정성을 나타낸 데이터로서, (a)는 도 1의 기술에 따른 시뮬레이션 데이터이고, (b)는 본 발명의 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈에 따른 시뮬레이션 데이터이다.
여기서, 위쪽의 광분포밀도를 살펴보았을 때, 둘 다 면광원의 방사형태를 이루고 있으나, 오른쪽에 위치된 (b)의 본 발명에 관한 광분포밀도가 X축선상과 Y축선상에서 모두 (a)의 도 1 기술에 비해 중앙 집중현상 없이 더욱 넓은 영역에 걸쳐 면광원의 방사형태를 형성하고 있을 뿐만 아니라 보다 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 광분포를 형성하고 있어 본 발명은 실외 조명용이나 백라이트 조명용으로 더욱 적합한 광확산용 확장형 유니트로서 기능하고 있음을 보여주고 있습니다.
또한, 아래쪽은 60mm, 500mm, 1000mm, 2000mm 등 거리변화에 따른 광분포 패턴 안정성을 시뮬레이션한 데이터로서, 실사용 거리변화에 따른 패턴 안정성을 비교하였을 때, (b)의 본 발명에 관한 데이터가 (a)의 도 1 기술에 비해 보다 넓은 면적으로 분포 및 매우 안정적이면서도 동일한 유형으로 광 조정을 수행하고 있으며 거리가 멀어질수록 균일도가 훨씬 우수해지고 있음을 보여주고 있습니다.
도 8은 도 2의 구성을 갖는 본 발명을 적용하여 LED를 실외 공원등으로 사용했을 때의 전체 광분포밀도를 나타낸 데이터로서, 높이 10m에 설치하고 등 간격을 가로와 세로 20m로 했을 때, 받는 면적이 80m×80m가 되었고 받는 면적의 효율은 전체의 99%를 가지며 40m의 광균일도를 나타냄을 보여주고 있습니다.
또한, 상부 왼쪽의 X축선상 광분포밀도와 오른쪽의 Y축선상 광분포밀도를 살펴보았을 때, 전체적으로 넓은 영역에 걸쳐 광확산 및 광균일도를 구현하고 있음을 보여주고 있습니다.
210: 렌즈구조체 220: 아이시클 내면
221: 광조정돌부 230: 광확산 외면
231: 광확산 확장유도부

Claims (3)

  1. LED의 발산광을 조정하기 위한 광 조정렌즈에 있어서,
    유리재질 또는 PC, PMMA, COC 중에서 1종이 선택되는 비결정형 폴리머재질로 이루어지되, 내부 전체가 채워지는 몸체를 갖는 좌우 대칭구조의 렌즈구조체이며;
    상기 렌즈구조체는 몸체의 내측라인을 형성하며 산과 골이 깊게 패인 형태로 중심부분에 광조정돌부가 형성되는 아이시클 내면과,
    몸체의 외측라인을 형성하며 반구형의 구조배치에서 중심부분을 완만하게 함몰시켜 광확산의 확장을 유도하기 위한 광확산 확장유도부가 형성되는 광확산 외면을 포함하며;
    상기 아이시클 내면과 광확산 외면에 의한 굴절과 내부반사의 이중 처리로 광확산을 조정할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈구조체는 아이시클 내면 중심에 형성시킨 광조정돌부의 끝단이 렌즈구조체에 장착되는 LED의 상면에 직접적으로 닿게 하거나 또는 최대한 근접되게 돌출 형성시키는 것을 특징으로 하는 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 아이시클 내면과 광확산 외면은 각각 비구면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 LED 광확산용 확장형 아이시클타입 광 조정렌즈.
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