KR101207517B1 - 엘이디 가로등의 조명효율 향상을 위한 엘이디 광확산렌즈 - Google Patents

엘이디 가로등의 조명효율 향상을 위한 엘이디 광확산렌즈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈에 관한 것으로서, 광 입사내면과 광 출사외면의 자유곡면을 최대한 활용함으로써 가로등의 광원으로 사용되는 LED의 발산광에 대해 X축 방향과 Y축 방향으로의 모든 방향 광 조정을 자유롭게 실시할 수 있고, 이를 통해 모든 방향 광 방사 조정이 가능한 디퓨저(diffuser)로서 기능 및 가로등에 적합한 면광원 솔루션을 제공할 수 있어 광이 조사되는 방향의 근거리부터 원거리까지 균일한 밝기를 이끌어낼 수 있고, 8차선의 도로를 균일한 밝기로 조사할 수 있는 등 타겟 영역의 대형 면적을 균일하게 커버하는 하이 파워의 가로등 전용으로 적용할 수 있으며, LED 가로등의 조명효율을 향상시킬 수 있는 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈에 관한 것이다.

Description

엘이디 가로등의 조명효율 향상을 위한 엘이디 광확산렌즈{LED light diffusing lens for improving illumination efficiency of LED street lamp}
본 발명은 엘이디(발광다이오드; 이하 "LED"라 한다.)를 광원으로 갖는 엘이디 가로등 전용의 광확산렌즈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가로등의 광원인 LED에 대해 X축 방향과 Y축 방향으로의 모든 방향 광 조정을 제어함으로써 모든 방향 광 방사 조정이 가능한 디퓨저(diffuser)로서 기능하게 하여 가로등에 적합한 면광원 솔루션을 제공할 수 있도록 하며 근거리부터 원거리까지 균일한 밝기를 이끌어낼 수 있도록 한 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈에 관한 것이다.
일반적으로 가로등은 도로나 보도 같은 길에서 운전자나 보행자의 시야 확보를 통한 사고예방 및 범죄예방을 위해 길 가장자리에 설치되는 것으로서, 그 용도에 따라 표지등, 도로등, 보안등으로 구분된다 할 것이다.
종래 가로등의 광원으로는 할로겐램프, 수은등, 메탈할라이드램프, 나트륨등 등이 많이 사용되었으나, 전력소비가 크고 발광효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해, 최근에는 전력소비가 낮고 긴 수명을 갖는 LED를 가로등의 광원으로 적용한 LED 가로등이 제안되고 있으나, LED는 빛의 직진성이 강한 특성으로 점광원의 방사형태를 갖는 것으로서, 도 1에서 보여주는 바와 같이, 빛에너지의 방사형태가 주변에 비해 중심부분에 집중되는 가우시안 분포를 이루게 되는데, 이는 중심 광이 주변에 비해 너무 강하므로 인해 반짝거림에 의한 눈부심 현상 및 빛 공해(light pollution)를 일으킨다.
이에 따라, LED의 광원에 대해 광 분포를 확산 조정하여 줌으로써 빛에너지의 방사형태를 면광원으로 유도함은 물론 눈부심 현상 및 빛 공해의 단점을 보완하기 위한 노력들이 이루어지고 있는데, 그 대표적인 예로 광확산렌즈를 들 수 있다 할 것이다.
그러나, 현재까지 개발되어 적용되고 있는 대부분의 LED 광확산렌즈는, 점광원인 LED에 대해 광확산을 통해 면광원의 형태로 광 조정하여 유도하기는 하나, 광 조정된 LED의 빛에너지 방사형태는 도 2에서 보여주는 바와 같이, 램버시안 분포를 이루게 하는 것이 대부분으로 여전히 중심 광이 주변에 비해 강하게 작용하고 있음을 나타내고 있음은 물론 고른 밝기를 유도하지 못함을 나타내고 있다.
즉, 종래의 LED 광확산렌즈는 광 조정효율이 크게 떨어지는 것이며, LED의 발산광 조정에 대해 상당한 어려움이 존재함을 입증하는 것이다.
특히, 종래 LED 가로등에도 상술한 바와 같은 광확산렌즈가 적용 또는 계속적으로 제안되고 있으나, 근거리만 밝고 원거리는 어두운 기존의 형태를 크게 벗어나지 못하고 있고, 여전히 점광원 형태의 솔루션에 머물러 있는 수준이다.
덧붙여, 종래 광확산렌즈를 갖는 LED 가로등은 LED 광원에 대해 1차적으로 광 조정을 수행하는 1차렌즈를 더 포함하고 있는 구성이 많은데, 구조적으로 복잡해질뿐더러 경제적이지 못하며, 광확산렌즈를 적용함에 있어 내부 자유곡면을 제대로 활용하지 못하므로 인해 여전히 조명효율을 높여주지 못하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점 등을 감안하여 안출된 것으로서, 가로등의 광원인 LED에 대해 X축 방향과 Y축 방향으로의 모든 방향 광 조정을 제어함으로써 모든 방향 광 방사 조정이 가능한 디퓨저(diffuser)로서 기능하게 하여 가로등에 적합한 면광원 솔루션을 제공할 수 있도록 하며 광이 조사되는 방향의 근거리부터 원거리까지 균일한 밝기를 이끌어낼 수 있도록 한 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 내면과 외면의 자유곡면을 최대한 활용함으로써 8차선의 도로를 균일한 밝기로 조사할 수 있는 등 타겟 영역의 대형 면적을 균일하게 커버하는 하이 파워의 가로등 전용으로 적용할 수 있는 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈를 제공하는데 있다.
본 발명은 광원인 LED를 가로등에 적용함에 있어 선택 자유도를 가질 수 있어 LED 사용에 제한적이지 않도록 하고, LED 광원을 1차 조정하는 1차렌즈를 사용하지 않으면서도 LED 가로등의 조명 효율 및 에너지 효율을 최대로 구현할 수 있도록 하며, LED의 빛에너지 방사형태를 면광원으로 유도함은 물론 눈부심 현상 및 빛 공해의 단점을 개선할 수 있도록 한 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈는, 전체가 폴리머 계열로 이루어지되 X축선상으로 축대칭 구조를 형성하고 Y축선상으로 비대칭 구조를 형성하는 몸체를 가지며;
상기 몸체는 그 중심부에 광원인 LED의 발산광이 입사되는 법선방향에 대해 오목하게 파여진 형태의 곡면을 통해 LED에서 확산이 되어 나오는 약한 광을 모아 집중시켜줄 수 있도록 X축선상으로"
Figure 112011030004812-pat00001
"형상으로 형성되고 Y축선상으로 "
Figure 112011030004812-pat00002
"형상으로 형성되는 내측라인의 광 입사내면과;
상기 광 입사내면의 바깥쪽에 위치하여 몸체의 외측라인을 형성하되 상기 광 입사내면에 의해서 집중된 광들을 다시 확산시켜 타겟 영역의 전체면적에 걸친 광균일도를 맞출 수 있도록 X축선상으로"
Figure 112011030004812-pat00003
"형상으로 형성되고 Y축선상으로 "
Figure 112011030004812-pat00004
"형상으로 형성되는 광 출사외면; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 몸체는 1.4≤n≤1.65 범위의 굴절률(n) 조건을 만족하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 몸체는 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 싸이클로올레핀코폴리머(COC) 중에서 1종이 선택 사용될 수 있다.
바람직하게, 상기 LED 광확산렌즈는 가로등에 적용시 가로등의 수직 폴(pole) 축에 대해 10~30도의 기울기를 형성하도록 기울기 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 광 입사내면과 광 출사외면의 자유곡면을 최대한 활용함으로써 가로등의 광원으로 사용되는 LED의 발산광에 대해 X축 방향과 Y축 방향으로의 모든 방향 광 조정을 자유롭게 실시할 수 있고, 이를 통해 모든 방향 광 방사 조정이 가능한 디퓨저(diffuser)로서 기능 및 가로등에 적합한 면광원 솔루션을 제공할 수 있어 광이 조사되는 방향의 근거리부터 원거리까지 균일한 밝기를 이끌어낼 수 있고, 8차선의 도로를 균일한 밝기로 조사할 수 있는 등 타겟 영역의 대형 면적을 균일하게 커버하는 하이 파워의 가로등 전용으로 적용할 수 있으며, LED 가로등의 조명효율을 향상시킬 수 있는 유용한 효과가 달성될 수 있다.
본 발명은 LED를 광원으로 적용함에 따른 눈부심 현상 및 빛 공해의 단점을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 광원인 LED를 가로등에 적용함에 있어 선택 자유도를 가질 수 있어 LED 사용에 제한적이지 않고, LED 광원을 1차 조정하는 1차렌즈를 사용하지 않으면서도 본 발명의 LED 광확산렌즈 하나만으로 LED 가로등의 조명 효율 및 에너지 효율을 최대로 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 LED 광원에 대한 일반적인 빛에너지 방사형태를 보인 도면.
도 2는 종래 광확산렌즈에 의해 광 조정되는 LED 광원의 방사형태를 보인 도면.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈를 나타낸 외형 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 도 3에서 X-X의 X축선상에서 바라본 LED 광확산렌즈의 정단면도.
도 5는 본 발명에 의한 도 3에서 Y-Y의 Y축선상에서 바라본 LED 광확산렌즈의 측단면도.
도 6은 본 발명에 의한 LED 광확산렌즈에 있어 Y축선상의 단면 구조에서 보았을 때 광 조정형태를 나타낸 예시도.
도 7은 본 발명에 의한 LED 광확산렌즈에 있어 Y축선상의 단면 구조에서 보았을 때 광선 추적상태를 보인 시뮬레이션 데이터.
도 8은 본 발명에 의한 LED 광확산렌즈에 의해 LED의 광원이 광 조정되는 방사형태를 보인 배광곡선을 나타낸 방사패턴.
도 9는 본 발명에 의한 LED 광확산렌즈를 광원인 LED와 결합하였을 때의 광분포밀도 및 방사패턴을 나타낸 시뮬레이션 데이터.
도 10은 본 발명에 의한 LED 광확산렌즈(100)를 적용하여 LED를 8차선 도로 기준 가로등으로 사용하였을 때의 광분포밀도를 나타낸 시뮬레이션 데이터.
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 발명의 실시예에 의한 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈(100)는 LED가 광원으로 사용되는 가로등 전용의 LED 디퓨저(diffuser)로서 기능하도록 한 것으로서, 면광원 솔루션을 제공함은 물론 광이 조사되는 방향의 근거리부터 원거리까지 균일한 밝기를 이끌어낼 수 있도록 하여 가로등의 사용목적에 맞는 광학특성 및 안정감을 구현할 수 있도록 한 것이다.
이와 같은, 본 발명의 실시예에 의한 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈(100)는 도 3 내지 도 5에서와 같이, 전체가 폴리머(Polymer) 계열로 이루어지되 X축선상으로 축대칭 구조를 형성하고 Y축선상으로 비대칭 구조를 형성하는 몸체(110)를 가지며; 상기 몸체(110)는 그 중심부에 광원인 LED의 발산광이 입사되는 법선방향에 대해 오목하게 파여진 형태의 곡면을 통해 LED에서 확산이 되어 나오는 약한 광을 모아 집중시켜줄 수 있도록 X축선상으로"
Figure 112011030004812-pat00005
"형상으로 형성되고 Y축선상으로 "
Figure 112011030004812-pat00006
"형상으로 형성되는 내측라인의 광 입사내면(120x)(120y)과;
상기 광 입사내면(120x)(120y)의 바깥쪽에 위치하여 몸체(110)의 외측라인을 형성하고, 상기 광 입사내면(120x)(120y)에 의해서 집중된 광들을 다시 확산시켜 타겟 영역의 전체면적에 걸친 광균일도를 맞출 수 있도록 X축선상으로"
Figure 112011030004812-pat00007
"형상으로 형성되고 Y축선상으로 "
Figure 112011030004812-pat00008
"형상으로 형성되는 곡면의 광 출사외면(130x)(130y); 을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 몸체(110)를 구성하는 폴리머 계열로는 폴리카보네이트(Poly Carbonate; PC), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate; PMMA), 싸이클로올레핀코폴리머(Cyclo Olenfin Copolymer; COC) 중에서 1종을 선택 사용할 수 있다 할 것이다.
또한, 상기 광 입사내면(120x)(120y)과 광 출사외면(130x)(130y)을 포함하는 폴리머 계열에 의한 몸체(110)는 1.4≤n≤1.65 범위의 굴절률(n) 조건을 만족하도록 형성함이 바람직한데, 이는 하이파워의 대형 면적을 커버하는 LED 가로등에 적합한 용도를 갖게 하고 LED 가로등에 대해 안정된 광 조정특성을 발휘되게 한다.
여기서, 상기한 광 입사내면(120x)(120y)의 내측라인 형성을 위해 중심부에 오목하게 함몰 형성되는 요홈형 공간은 칩형 또는 발광다이오드형 타입의 LED를 수용 및 배치할 수 있는 LED 배치공간이 된다.
한편, 도 6은 본 발명에 의한 LED 광확산렌즈에 있어 Y축선상의 단면 구조에서 보았을 때 광 조정형태를 나타낸 것으로서, 도 6의 예시에서와 같이 광 입사내면은 내측라인을 통한 굴절 작용을 통해 광원인 LED에서 확산이 되어 나오는 약한 광을 모아 집중시켜주는 역할을 담당하도록 구성되고, 광 출사외면은 광 입사내면에 의해서 집중된 광들을 외측라인을 통해 반사 및 굴절 작용으로 다시 확산시켜 타겟 영역의 전체면적에 걸친 광균일도를 이루는 역할을 담당하도록 구성된다.
도 7은 본 발명에 의한 LED 광확산렌즈에 있어 Y축선상의 단면 구조에서 보았을 때 광선 추적상태를 보인 시뮬레이션 데이터로서, 내측라인인 광 입사내면에서 광원인 LED에서 확산이 되어 나오는 약한 광을 모아 집중시켜주고 있음을 보여주고 있고, 외측라인인 광 출사외면에서 광 입사내면에 의해 집중된 광들을 다시 확산시켜주고 있음을 보여주고 있다.
본 발명에 의한 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈(100)는 가로등에 적용시 가로등을 지지하는 수직 폴(pole) 축에 대해 10~30도의 기울기를 형성하도록 배치함이 바람직하며, 이는 광확산렌즈(100)의 기울기 배치를 통해 LED 광원의 광 조정 및 가로등에 적합하면서 대형 면적을 균일한 밝기로 커버할 수 있는 유용함을 제공할 수 있도록 한 것이다.
한편, 도 8은 본 발명에 의한 LED 광확산렌즈에 의해 LED의 광원이 광 조정되는 방사형태를 보인 배광곡선을 나타낸 방사패턴으로서, 도 8의 방사패턴에서와 같이, 본 발명에 의한 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈(100)의 작용력에 의해 이중 확산처리의 방사패턴을 갖는 배광을 가지고 있음을 보여주고 있다.
이때, 방사패턴의 하나는 본 발명의 LED 광확산렌즈(100)가 LED의 광원에 대해 X축선상으로 120~130도의 화각으로 광 조정하는 배광을 수행함을 나타내고 있고, 방사패턴의 다른 하나는 본 발명의 LED 광확산렌즈(100)가 LED의 광원에 대해 Y축선상으로 50~60도의 화각으로 광 조정하는 배광을 수행함을 나타내고 있다.
즉, 본 발명은 광 입사내면과 광 출사외면의 효과적인 구조배치 설계를 통해 X축선상과 Y축선상의 모든 방향에 대해 광 조정을 제어하고 있음을 보여주고 있으며, 모든 방향 광 방사 조정이 가능한 디퓨저로서 기능하여 LED 가로등에 유용한 광확산렌즈로 기능할 수 있음을 보여주고 있다.
한편, 도 9는 본 발명에 의한 LED 광확산렌즈(100)를 광원인 LED와 결합하였을 때의 광분포밀도 및 방사패턴을 나타낸 시뮬레이션 데이터로서, LED 자체 광원에 비해 X축 방향으로 34m 정도 더 넓게 광을 분포 및 균일도를 형성시킬 수 있음을 보여주고 있고, Y축 방향으로 20m 정도 더 넓게 광을 분포 및 균일도를 형성시킬 수 있음을 보여주고 있다.
도 10은 본 발명에 의한 LED 광확산렌즈(100)를 적용하여 LED를 8차선 도로(폭 32m) 기준 가로등으로 사용하였을 때의 광분포밀도를 나타낸 시뮬레이션 데이터이다.
이때, 도 10의 데이터는 본 발명에 의한 LED 광확산렌즈(100) 10개를 적용한 것으로서, X축 방향과 Y축 방향에 대해 광원인 LED의 광 분포를 조정하고 있음을 보여주고 있고, 넓은 면적에 걸쳐 광균일도를 형성시킴을 보여주고 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의한 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈(100)는 LED가 광원으로 사용되는 가로등 전용의 LED 디퓨저(diffuser)로서 기능함으로써 면광원 솔루션을 제공함은 물론 광이 조사되는 방향의 근거리부터 원거리까지 균일한 밝기를 이끌어낼 수 있는 것이며, 이를 통해 가로등의 사용목적에 맞는 광학특성 및 안정감을 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 기술분야의 당업자에 의하여 수정과 변형 또는 치환이 이루어질 수 있다 할 것이며, 이는 본 발명의 기술적 범위에 속한다 할 것이다.
100: LED 광확산렌즈 110: 몸체
120x,120y: 광 입사내면 130x,130y: 광 출사외면

Claims (4)

  1. 전체가 폴리머 계열로 이루어지되 X축선상으로 축대칭 구조를 형성하고 Y축선상으로 비대칭 구조를 형성하는 몸체를 가지며;
    상기 몸체는 그 중심부에 광원인 LED의 발산광이 입사되는 법선방향에 대해 오목하게 파여진 형태의 곡면을 통해 LED에서 확산이 되어 나오는 약한 광을 모아 집중시켜줄 수 있도록 X축선상으로"
    Figure 112012071519617-pat00009
    "형상으로 형성되고 Y축선상으로 "
    Figure 112012071519617-pat00010
    "형상으로 형성되는 내측라인의 광 입사내면과;
    상기 광 입사내면의 바깥쪽에 위치하여 몸체의 외측라인을 형성하되 상기 광 입사내면에 의해서 집중된 광들을 다시 확산시켜 타겟 영역의 전체면적에 걸친 광균일도를 맞출 수 있도록 X축선상으로"
    Figure 112012071519617-pat00011
    "형상으로 형성되고 Y축선상으로 "
    Figure 112012071519617-pat00012
    "형상으로 형성되는 광 출사외면; 을 포함하여 이루어지되,
    상기 몸체는 1.4≤n≤1.65 범위의 굴절률(n) 조건을 만족하고,
    상기 몸체는 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 싸이클로올레핀코폴리머(COC) 중에서 1종이 선택 사용되는 것을 특징으로 하는 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 LED 광확산렌즈는 가로등에 적용시 가로등의 수직 폴(pole) 축에 대해 10~30도의 기울기를 형성하도록 기울기 배치되는 것을 특징으로 하는 LED 가로등의 조명효율 향상을 위한 LED 광확산렌즈.
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