KR101520377B1 - 서카디언 조도계 - Google Patents
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Abstract
사람의 시각으로 인지할 수 없으나 인체의 생체에 영향을 미치는 비시각적 조도인 서카디언 조도를 검출할 수 있는 서카디언 조도계가 개시된다. 상기 서카디언 조도계는, 광원으로부터 입사되는 빛의 시각적 조도값 검출하는 시각 조도계; 상기 광원의 종류에 따른 서카디언 작용 계수(Circadian Action Factor: CAF) 또는 서카디언 복사 효능(circadian efficacy of radiation: CER) 및 복사 발광 효능(luminous efficacy of radiation: LER) 값을 저장하는 저장부; 및 상기 시각적 조도값과 상기 광원의 종류에 따른 상기 광원의 종류에 따른 서카디언 작용 계수 또는 서카디언 복사 효능 및 복사 발광 효능 값을 이용하여 하기 식과 같이 서카디언 조도값을 연산하는 연산부를 포함한다.
[식]
서카디언 조도값(blm/m2) = 서카디언 작용 계수(blm/lm) X 시각적 조도값(lm/m2)
= (서카디언 복사 효능값(blm)/복사 발광 효능값(lm)) X 시각적 조도 값(lm/m2)
[식]
서카디언 조도값(blm/m2) = 서카디언 작용 계수(blm/lm) X 시각적 조도값(lm/m2)
= (서카디언 복사 효능값(blm)/복사 발광 효능값(lm)) X 시각적 조도 값(lm/m2)
Description
본 발명은 서카디언(circadian) 조도계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사람의 시각으로 인지할 수 없으나 인체의 생체에 영향을 미치는 비시각적 조도인 서카디언 조도를 검출할 수 있는 서카디언 조도계에 관한 것이다.
최근, 많은 바이오 및 의료 관련 연구 그룹은 백색 인공 조명에 의해 방출되는 빛의 스펙트럼 프로파일이 인간의 서카디언 생리학, 경계 및 인지 능력 레벨에 영향을 미친다고 보고하고 있다. 서카디언 리듬은 450 내지 470nm 주위의 단색(monochromatic) 청색광 인근에서 가장 민감하다. 대부분의 백색 인공 광원으로부터 방출되는 청색광에 노출되는 것은 멜라토닌을 억제하는 것으로 알려져 있다. 멜라토닌은 항산화 및 항암 특성을 갖는 생물학적 화합물로 널리 알려져 있다. 또한, 멜라토닌 분비를 조절하는 것은 인간의 생체 시계와 서카디언 리듬을 조절하는 중요한 요소 중 하나라는 사실이 알려져 있다. 최근의 몇가지 발견은 밝은 인공광이, 계절적 정서 장애(Seasonal Affective Disorder: SAD), 우울증, 시차, 파킨슨씨 병을 가진 환자의 수면 장애, 교대 근무와 관련된 건강 결과 및 인간 생체 시계의 재설정 등의 치료와 같은 많은 치료 응용 분야에 사용될 수 있다는 것이 확인되었다. 일반적인 백색 인공 램프가 밝은 광 치료(bright light treatment) 수단의 부가적인 기능을 갖는다면, 그 주변 사람들의 기분, 활력, 경계 및 생산성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 인공 광원으로부터 제공되는 밝은 빛의 건강 효과는 장단점을 갖는다. 서카디언 관점에서, 인체 건강에 미치는 밝은 빛의 부정적인 영향은 인간에 대한 긍정적인 효과만큼이나 중요할 수 있다는 점이 고려되어야 한다.
인체 내부의 수면/각성 주기, 즉 서카디언 리듬은, 아침/점심의 노출 증가, 저녁의 단파장 청색 광에 대한 노출 및 밤의 서카디언 어둠에 대한 노출에 적응하도록 설정되었다. 최근 Falchi 등은 인공 조명이 자연적인 프로세스를 변경하고 멜라토닌 생산을 방해하며, 서카디언 리듬에 지장을 주는다는 점을 보고하였다. 결론적으로, 저녁 및 밤에 청색광에 노출되는 것은 건강에 유해할 수 있다. 또한, 청색광은, 주광 및 어둠의 자연적인 주기에 의존하는 생체 프로세스를 방해함으로써 생명체에 영향을 미치는 정도가 매우 크다는 것이 보고되었다. 따라서, 건강한 밤시간대 조명 환경을 조성하기 위해 저녁 이후에는, 청색광이 풍부한 빛을 회피하여야 한다. 인간 건강에 대한 인공 조명의 긍정적인 영향뿐만 아니라 부정적인 영향의 메커니즘이 미래에 완전하게 설명될 수 있다면, 인공 조명 하에서 최적의 건강 및 웰빙을 위한 백색 램프의 빛 관리가 매우 중요해질 것이다. 그러므로, 인공 조명과 인체 건강의 연결 관계에 대한 더 세밀한 광테라피 연구는, 모든 조명 환경에 대해 개선된 디자인을 유도하여 광방사에 대한 인간 반응을 더욱 완벽하게 이해하게 할 수 있다. 불행하게도, 지금까지, 단일 패키지 백색 형광체 변환 LED(phosphor converted LED: pc-LED) 램프, 백열 램프, 형광 램프, 금속 할로겐 램프, 고압 나트륨 램프와 같은 실내외 환경에서 현재 사용되는 거의 모든 종류의 인공광의 스펙트럼 파워 분포(Spectra Power Distribution: SPD) 및 청색 영역은 특정 상관 색온도에 고정된다. 서카디언 리듬을 조절하여 인간 건강을 향상시키기 위해, 백색 인공 조명의 발광 스펙트럼의 분포 및 강도를 관리하는 것은 불가능하다. 최근, 일부 보고는, 광 공해의 양을 감소시키기 위한 노력으로 낮은 조도의 야외 조명 응용을 위한 고체 상태 이색(dichromatic) LED 램프로부터 스펙트럼 파워 분포(SPD)의 최적화를 위한 가이드라인을 제안하였다. 그러나, 지금까지 조정 가능한 백색 LED 광원을 이용하여 비시각적 서카디언 효과, 시각적 성능 및 컬러 품질을 최적화하기 위해 실제 고체 상태 LED 램프의 SPD를 조정하는 통합적인 접근법은 존재하지 않는다.
이에, 본 발명은 비시각적 서카디언 효과, 시각적 성능 및 컬러 품질을 최적화하기 위한 인공 조명 장치에 적용되어 비시각적 서카디언 효과를 물리적으로 측정할 수 있는 서카디언 조도계를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
광원으로부터 입사되는 빛의 시각적 조도값 검출하는 시각 조도계;
상기 광원의 종류에 따른 서카디언 작용 계수(Circadian Action Factor: CAF) 또는 서카디언 복사 효능(circadian efficacy of radiation: CER) 및 복사 발광 효능(luminous efficacy of radiation: LER) 값을 저장하는 저장부; 및
상기 시각적 조도값과 상기 광원의 종류에 따른 상기 광원의 종류에 따른 서카디언 작용 계수 또는 서카디언 복사 효능 및 복사 발광 효능 값을 이용하여 하기 식과 같이 서카디언 조도값을 연산하는 연산부를 포함하는 서카디언 조도계를 제공한다.
[식]
서카디언 조도값(blm/m2) = 서카디언 작용 계수(blm/lm) × 시각적 조도값(lm/m2)
= (서카디언 복사 효능값(blm)/복사 발광 효능값(lm)) × 시각적 조도 값(lm/m2)
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 서카디언 복사 효능값은 하기 식에 의해 결정될 수 있다.
[식]
(Kc: 서카디언 복사 효능값, Kc0: 최대 스펙트럼 서카디언 효능(spectral circadian efficacy) 값(= 683 blm/W), S(λ): 상기 광원의 복사속(radiant flux), C(λ): 서카디언 스펙트럼 효율 함수)
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복사 발광 효능값은 하기 식에 의해 결정될 수 있다.
[식]
(K: 복사 발광 효능값, K0: 최대 스펙트럼 발광 효능(spectral luminous efficacy) 값(= 683 lm/W), S(λ): 상기 광원의 복사속(radiant flux), V(λ): CIE 스펙트럼 발광 효능 함수)
본 발명에 따르면, 비시각적 서카디언 효과를 계량할 수 있는 서카디언 조도값을 조명 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 멜라토닌(melatonin) 억제/분비, 색상 인지/재현을 위한 높은 색상 품질, 에너지 절약을 위한 높은 효율성 및 백색 LED 조명 시장에 대한 조정 가능한 성능지수를 달성하기 위한 요구들을 만족시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 서카디언 조도계의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 서카디언 조명 장치의 블록 구성도이다.
도 3은 인공 광원의 시각적 성능과 색상 품질 및 서카디언 성능에 관련된 성능지수를 요약한 도면이다.
도 4은 C(λ): 서카디언 스펙트럼 효율 함수 (Gall et al.), V(λ): CIE 스펙트럼 발광 효능 함수를 도시한 도면이다.
도 5는 전체 스펙트럼 영역의 형광등과 청색 LED의 시각적 조도의 함수로서, 상대적인 시각적 성능 및 상대적인 멜라토닌 억제를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 서카디언 조명 장치의 블록 구성도이다.
도 3은 인공 광원의 시각적 성능과 색상 품질 및 서카디언 성능에 관련된 성능지수를 요약한 도면이다.
도 4은 C(λ): 서카디언 스펙트럼 효율 함수 (Gall et al.), V(λ): CIE 스펙트럼 발광 효능 함수를 도시한 도면이다.
도 5는 전체 스펙트럼 영역의 형광등과 청색 LED의 시각적 조도의 함수로서, 상대적인 시각적 성능 및 상대적인 멜라토닌 억제를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 서카디언 조도계(10)는, 시각 조도계(12)와, 저장부(13) 및 연산부(14)를 포함하여 구성된다.
시각 조도계(12)는 광원(11)으로부터 방출되는 빛에 의한 시각적 조도값을 검출하는 요소이다. 이 시각 조도계(12)는 당 기술 분야에 알려진 다양한 형식의 조도계를 채용할 수 있다. 시각 조도계(12)에서 출력되는 시각적 조도값은 인간의 눈으로 인지할 수 있는 빛에 따른 조도값이다.
저장부(13)는 시각 조도계(12)에서 출력되는 시각적 조도값으로부터 비시각적인 서카디언 조도값을 산출하기 위해 필요한 정보들을 저장한다. 저장부(13)에 저장되는 정보는 광원(10)의 종류에 따른 서카디언 작용 계수(Circadian Action Factor: CAF) 또는 서카디언 복사 효능(circadian efficacy of radiation: CER) 및 복사 발광 효능(luminous efficacy of radiation: LER) 값이 될 수 있다. 서카디언 조도값을 구하기 위해 저장부(13)에 저장된 다양한 값들에 대해서는 후술하기로 한다. 한편 저장부(13)는 다양한 광원의 종류 별로 광원의 종류에 따른 서카디언 작용 계수 또는 서카디언 복사 효능 및 복사 발광 효능 값을 저장할 수 있으며, 외부로부터 사용자의 광원 선택을 위한 입력을 제공받을 수 있다.
연산부(14)는 시각 조도계(12)에서 출력되는 시각 조도값과 저장부(13)에 저장된 제공된 광원 종류 별 서카디언 작용 계수 또는 서카디언 복사 효능 및 복사 발광 효능 값을 이용하여 서카디언 조도값을 연산할 수 있다. 서카디언 조도값의 연산에는 하기 식 1이 사용될 수 있다.
[식 1]
서카디언 조도값(blm/m2) = 서카디언 작용 계수(blm/lm) X 시각적 조도값(lm/m2)
= (서카디언 복사 효능값(blm)/복사 발광 효능값(lm)) X 시각적 조도 값(lm/m2)
상기 식 1에서 괄호 내에는 해당 인자의 단위가 기재된다.
상기 식 1에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 서카디언 조명 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 서카디언 조명 장치(20)는, 상기의 서카디언 조도계(10)와, 서로 다른 색상을 출력하는 복수의 단색 광원을 포함하는 백색 광원(21)과, 복수의 단색 광원에 색상 별로 구동 전력을 각각 제공하는 구동부(22) 및 상기 서카디언 조도계(10)에서 측정된 백색 광원(21)의 서카디언 조도값이 사전 설정된 범위를 벗어나지 않도록 백색 광원(21) 내 복수의 단색 광원 별로 제공되는 상기 구동 전력의 크기를 결정하는 구동 제어부(23)를 포함하여 구성된다.
서카디언 조도계(10)는 전술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 서카디언 조도계로서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 서카디언 조명 장치(20)에서는 백색 광원(21)에서 출력되는 빛에 의한 서카디언 조도를 측정할 수 있다.
백색 광원(21)은 서카디언 조도의 조정을 위해 서로 다른 색상을 출력하는 복수의 단색 광원을 포함할 수 있으며, 복수의 단색 광원에서 출력되는 단색광의 혼합을 통해 백색을 생성할 수 있게 된다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에서 적용되는 백색 광원(21) 단색 광원을 색상 별로 제어할 수 있게 하여 혼합된 백색광 중 특정 색상의 성분이 더 강하게(더 많이) 또는 더 약하게(더 적게) 빛을 출력하도록 제어될 수 있다.
백색 광원(21)의 일례로서 본 발명자들이 기 출원한 한국특허출원 제10-2011-0083436호에 개시된 “멀티칩 백색 LED 소자”가 있다. 기 출원한 한국특허출원 제10-2011-0083436호에는 장파장 통과 필터를 씌운 복수 색상의 형광체 변환 LED를 통해 백색광을 출력하는 멀티칩 백색 LED 소자가 상세하게 기재되고 있다. 상기 한국특허출원 제10-2011-0083436호는 본 발명에 참조로서 삽입된다.
상기 한국특허출원 제10-2011-0083436호를 참조하면, 백색 광원(21)은, 복수개의 단색 LED 칩에서 조사되는 광의 혼합을 통해 백색광을 구현하는 멀티칩 백색 LED 소자로 구현된다. 이 때,상기 복수개의 단색 LED 칩 중 적어도 하나 이상의 칩이, 청색광원; 상기 청색광원의 상부에 구비되며, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 500 내지 700nm 범위의 광을 방출하는 형광체; 및 상기 형광체의 상부에 형성되며, 청색광은 반사시키고 500 내지 700nm 범위의 광은 투과시키는 장파장 투과필터;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 500 내지 700nm 범위의 광은 호박색, 황색, 녹색 또는 적색일 수 있다.
또한, 상기 형광체는 황색, 호박색, 녹색 또는 적색 형광체일 수 있다.
또한, 상기 장파장 투과필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층되어 있는 반복층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 반복층의 최상부층과 최하부층은 제3박막을 형성하며 상기 최상부층 및 최하부층 중 적어도 하나의 층의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/80 ~ 1/4.4 광학두께가 될 수 있으며, 상기 최상부층과 최하부층 사이의 반복층을 구성하는 제1박막 및 제2박막은 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/3 ~ 1/5 광학두께를 가질 수 있고, 상기 반복층 중 상기 제3박막에 인접한 층은 제1박막이 될 수 있다.
또한, 상기 최상부층 및 최하부층의 두께 중 어느 하나 이상의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/7 ~ 1/9 광학두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 단색 LED 칩은 2개 이상이 될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 단색 LED 칩은 a) 적색 형광체 변환 단색 LED, 녹색 형광체 변환 단색 LED, 청색 LED; b) 적색 LED, 녹색 형광체 변환 단색 LED, 청색 LED; c) 적색 형광체 변환 단색 LED, 호박색 형광체 변환 단색 LED, 녹색 형광체 변환 단색 LED, 청색 LED; d) 적색 LED, 호박색 형광체 변환 단색 LED, 녹색 형광체 변환 단색 LED, 청색 LED; e) 적색 형광체 변환 단색 LED, 황색 형광체 변환 단색 LED, 녹색 형광체 변환 단색 LED, 청색 LED; f) 적색 LED, 황색 형광체 변환 단색 LED, 녹색 형광체 변환 단색 LED, 청색 LED; g) 황색 기반의 형광체 변환 백색 LED, 적색 형광체 변환 단색 LED, 호박색 형광체 변환 단색 LED, 녹색 형광체 변환 단색 LED 또는 h) 황색 기반의 형광체 변환 백색 LED, 적색 형광체 변환 단색 LED, 녹색 형광체 변환 단색 LED;의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 상기 모든 조합에 녹색 기반의 형광체 변환 청록색 LED가 포함될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 단색 LED 칩은 a) 황색 형광체 변환 단색 LED, 청색 LED; b) 녹색 기반의 형광체 변환 청록색 LED, 호박색 형광체 변환 단색 LED 또는 c) 녹색 기반의 형광체 변환 청록색 LED, 적색 형광체 변환 단색 LED; 의 2가지 칩의 조합을 포함할 수 있다.
구동부(22)는 백색 광원(21) 내 복수의 단색 광원에 색상 별로 구동 전력을 각각 제공한다. 구동부(22)에서 제공되는 구동 전력의 크기는 구동 제어부(23)에 의해 결정될 수 있다. 도 2에는 비록 상세하게 도시되지는 않지만, 구동부(22)는 단색 광원에 색상 별로 제공되는 전류 및 전압이 일정하게 유지되는 정전류 및 정전압 제어가 이루어지는 회로를 구비할 수 있다.
구동제어부(23)는 서카디언 조도계(10)에서 측정된 백색 광원(21)의 서카디언 조도값이 사전 설정된 범위를 벗어나지 않도록 백색 광원(21) 내 복수의 단색 광원 별로 제공되는 상기 구동 전력의 크기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 구동제어부(23)는 서카디언 조도에 많은 영향을 미치는 청색 광원에 제공되는 구동 전력을 크게 또는 작게 조정함으로써 서카디언 조도를 사전 설정된 범위로 조정할 수 있다.한편, 서카디언 조도의 사전 설정 범위는 자연 태양광에 의한 서카디언 조도 변화를 모방하도록 변경될 수 있으며, 특히 어두운 야간 시간에 서카디언 조도를 낮게 설정될 수 있게 하여 실제 자연 환경과 유사한 서카디언 조도를 제공하도록 백색 광원(21)을 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 서카디언 조도계 및 서카디언 조명 장치의 이론적 기초가 되는 본 발명자의 연구 및 실험 내용을 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 설명을 통해 본 발명의 작용 및 효과에 대한 더욱 명확한 이해가 이루어질 수 있다.
종래에, 서카디언 시스템을 활성화하기 위한 빛의 임계값을 조사한 두 개의 상충된 간행물이 있었다. 하나의 보고는 형광등의 전형적인 사무실 휘도 레벨(x 500 lx)은 멜라토닌 억제 능력의 관점에서 효과가 없다는 것인 반면, 다른 간행물은 낮은 빛 레벨(x 3.5 lx)은 서카디언 시스템에 영향을 미칠 수 있다고 지적하였다. 이 직접적으로 상반된 결과는 관련없는 조도 측정 디멘전 및 측정 시스템 및 다른 측정 기준(orientation)에 의한 것이다. 시각적으로 이상적인 성능지수 및 조도값은 서카디언 시스템에 대해 최대로 영향을 미치는 것들과는 꽤 다르다는 것이 예상될 수 있다. 단위 면적당 표면에 충돌하는 전체 서카디언 광속을 측정하기 위해 새로운 조도의 단위뿐만 아니라 인공조명의 비시각적 서카디언 성능에 관련된 의미 있는 성능지수가 정의될 필요가 있다. 비시각적으로 얼마나 밝은 발광 스펙트럼의 복사가 서카디언 눈 시스템(eye system)에 의해 감지되는지, 그리고 인공 조명 시스템으로부터 비시각 광이 얼마나 밝게 방출되는지를 설명하는 서카디언 방사 효능(Circadian Efficacy of Radiation: CER) 및 서카디언 발광 효능(Circadian Luminous Efficacy: CLE)이 본 발명에서 도입된다. 조도의 정의와 유사한, 서카디언 조도는 인간 서카디언 인지와 상관되도록 서카디언 광도 함수(C(λ))에 의해 입사 광이 표면을 파장-편중되어 얼마나 조사하는지를 계량하는 값으로 정의될 수 있다. 서카디언 조도가, 환경적 차이(예를 들어, 거리, 방향 및 반사 물체의 존재) 및 개인적 차이(예를 들어, 코와 눈의 물리적 구조)를 모두 최소화 함으로써 비시각적 관점에서 정확하게 측정될 수 있다면, 서카디언 인지를 활성화하기 위해 요구되는 최소의 서카디언 조도가 망막에 도달하는 서카디언 광속의 단순한 누적된 양을 측정하는 일련의 의학적 또는 생물학적 실험에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 백색광의 단파장 영역과 인공 광원으로부터의 청색광의 누적의 완벽한 정량적인 제어가 가능하게 하는 것은, 인간 건강 및 웰빙에 대한 인공 조명의 잠재적인 효과를 책임감있게 토의하는데 있어 필수적인 첫번째 단계이다. 이러한 이유로, 서카디언 위험을 감소시키고 시각적 성능 및 서카디언 효과의 측면에서 조명의 성능지수를 최적화하기 위해 개별 인공 조명을 제어 가능하게 하는 것은 매우 중요한 요소라는 점이 반복적으로 언급될 수 있다.
도 3은 인공 광원의 시각적 성능과 색상 품질뿐만 아니라 서카디언 성능에 관련된 가능하고 중요한 모든 성능지수를 요약한 것이다. 모든 성능 지수의 정의 및 필요성에 대한 상세한 설명은 다음의 결과 및 논의 섹션에 포함된다. 현재까지는, 백색 LED를 포함하는 거의 모든 종류의 인공 조명이, 상관 색온도(CCT), 색연성 척도(CRI), 복사 발광 효능(LER) 및 발광 효능(LE)과 같은 우수한 색상 품질 및 높은 시각적 성능에 대한 제한적인 수의 성능 지수를 특정함으로써 최적화 되었다. 도 3에서, 색상, 시각적 및 서카디언 관점에서, 모든 성능 지수는 적절한 성능 값을 달성하는 것이 중요하다.
근래에, 몇몇 원하는 CCT에서 LE 및 CRI를 향상시키고 시각적 성능 및 색상 품질의 측면에서 동적으로 색상 포인트를 제어하기 위한 노력으로, RB,MAB,MGB,MB 4-패키지 백색 LED, 혹은 RB,MAB,MGB,MCB 4-패키지 백색 LED(RB,MAB,MGB,M는 장파장 투과 이색성 필터(LPDF)가 씌워진, 청색 LED에 의해 방출된 빛을 단색의 적색, 호박색 및 녹색 형광체 변환하는 LED(pc-LED)를 나타내며, B는 InGaN 청색 LED를 나타내며, CB는 부분적으로 청록색 형광체 변환된 청색 LED를 나타낸다) 시스템이 개발되었다. 이 4-색 백색 LED 조명은, 설계된 건강한 백색광의 광원으로서 멀티 패키지 백색 LED의 실현가능성을 평가할 수 있도록 몇몇 순수 색상 LED 가운데 색상 혼합이 쉽게 구현 가능하므로 친건강 조명의 좋은 후보로 고려될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상용 광원과 자연 태양광뿐만 아니라 다양한 RAGB 4-패키지 백색 LED의 서카디언 리듬, 시각적 성능 및 색상 품질을 최적화하기 위해 요구되는 모든 구현가능한 성능지수를 보여준다. 또한, 각 색상의 발광 파장 및 강도를 변경하고 세 개의 청색 LED(두 개의 청색 LED 및 하나의 부분 변환된 청록색-청색 LED), 여섯 개의 녹색 LPDF가 씌워진 pc-LED, 네 개의 호박색-황색 LPDF가 씌워진 pc-LED 및 다섯 개의 적색 LPDF가 씌워진 pc-LED로부터 각 색상의 LED의 파장을 선택하면서, RAGB 4-패키지 백색 LED의 광학 성능을 최적화 할 수 있다. 더하여, 우리는 주간 자연광의 스펙트럼 파워 분포와 일치시키며 4-패키지 백색 LED의 서카디언 조도를 조정함으로써 이 조정 가능한 4-패키지 백색 LED의 스펙트럼 파워 분포의 적합성을 논의한다. 현재 상용화된 광원뿐만 아니라 자연광의 색상 품질, 시각적 성능 및 서카디언 성능 특성을 비교함으로써, 건강에 이로우며, 효율적이고, 자연스러우며 조정가능한 4-패키지 백색 LED를 달성하기 위해, 모든 최적화 과정이 수행된다.
서카디언 및 시각적 성능에 대한 성능지수(figure of merit)
실내외 건축 조명용 새로운 적색, 호박색, 녹색 및 청색(RAGB) 4-패키지 백색 LED 광원을 설계하기 위해, 건축 광원의 전통적인 가치뿐만 아니라 인간에 대한 생물학적이고 행동학적인 노력이 고려되어야 한다. 따라서, 색상 품질, 시각적인 편안함 레벨, 조명 공간의 미적인 감상 및 에너지 절약의 최적화와 같은 새로운 LED 조명에 관련된 전통적인 가치들이 시각적인 자극, 생리 건강, 생태학적 영향의 관점에서 인간의 건강에 대한 최적화와 같은 조명의 건강 가치에 대한 고려의 결합을 통해 촉진되어야 하는 것이 바람직하다. 도 3에 나타난 바와 같이, 새로운 LED 조명 형태의 전통적이고 건강적인 성능을 증대시키고 4-패키지 백색 LED 램프를 포함하는 백색 인공 조명의 모든 광학적 특성을 평가하기 위해, 시각적 성능 및 색상 품질뿐만 아니라 서카디언 성능에 대한 적절한 성능지수(figure of merit)의 정의 및 선택이 설명될 필요가 있다.
백색광의 스펙트럼 파워 분포를 분석함으로써, 임의의 형식의 광원에 대한 서카디언 에너지 효능 및 시각적 에너지 효능에 대한 성능 지수로서 서카디언 복사 효능(circadian efficacy of radiation: CER) 및 복사 발광 효능(luminous efficacy of radiation: LER) 값이 각각 산출되고 선택될 수 있다. 기존에 보고된 것과 같이, CER은 복사속(radiant flux: (S(λ)))에 대한 서카디언 플럭스의 비율로서 정의 될 수 있다.
[식 2]
식 2에서 C(λ)는 서카디언 분광 효율 함수(circadian spectral efficiency function)로서, 멜라토인 조절을 위한 반응 스펙트럼의 데이터에 기반하여 이미 알려진 것과 같이 약 460 nm에서 피크를 갖는다(도 2 참조). Kc0 는 보이지 않는 시스템(non-visual system) 에 대한 최대 분광 서카디언 효능(maximal spectral circadian efficacy) 값(= 683 blm/W)이다. 따라서, CER은 평균의 인간 눈의 서카디언 시스템에 의해 인식되는 경우 발광 스펙트럼이 얼마나 보이지 않는 밝기를 나타내는지 설명하는 파라미터로써 명확하게 정의되었다. 또한, 이미 공개된 기술은 서카디언 플럭스를 계량하기 위한 단위로서 서카디언 루멘(cirlm) 또는 바이오루멘(blm)을 제안하였다. 따라서, CER 및 Kc0 의 제안된 단위는 와트 당 서카디언 루멘 또는 바이오 루멘(cirlm/W 또는 blm/W)이다.
일반적으로, LER은 CIE 포토픽(photopic) 분광 발광 효율 함수(spectral luminous efficiency function) (V(λ))(도 4 참조)와 복사속(radiant flux: (S(λ)))에 대한 광속(luminous flux)의 비를 곱한 것으로 정의된다.
[식 3]
잘 알려진 바와 같이, 와트당 루멘(lm/W)으로 나타나는 LER은 평균의 인간 눈에 의해 인지되는 경우 발광 스펙트럼의 복사가 얼마나 눈으로 볼 수 있는 밝기를 나타내는지 설명하는 파라미터이다. K0 = 683 lm/W는 포토픽 비전(photopic vision)에 대한 분광 발광 효능의 최대값이다. 이미 보고된 바와 같이, 또 다른 성능지수인 서카디언 효과 계수(Circadian Action Factor: CAF)는 LER에 대한 CER의 비율로서 정의된다. 간단하게, 이는 시각적인 반응 단위 당 생물학적 효과를 나타낸다. CAF 값은 인간 건강에 대한 인공 조명용 최적화 도구로서 사용될 수 있다.
[식 4]
CAF (blm/lm) = CER (blm/W)/LER (lm/W)
실제 LED 또는 조명 시스템의 시각적 및 비시각적 성능을 평가하기 위해, 몇몇 성능지수가 고려되어야 한다. 실제 조명의 에너지 효율을 위한 중요한 성능지수가 와트당 루멘(lm/W)로 측정되는 발광 효능(luminous efficacy)이다. 더하여, 각 조명 시스템의 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency: EQE,ηe )이 LER에 대한 발광 효능(ηlm )의 비율로 정의된다. 동일한 논리적 의미를 갖는 것으로, 서카디언 발광 효능(circadian luminous efficacy, ηcirlm )가 각 조명 시스템의 CER 및 EQE의 곱으로 정의된다.
[식 5]
ηe = ηlm / LER
[식 6]
ηcirlm = CER x ηe
발광 효능 및 서카디언 발광 효능의 경우, 스펙트럼 분포 및 와트당 강도를 구하고 해당 성능지수를 산출함에 의해 실제 4-패키지 LED 타입의 대체 조명을 평가하는 것이 가능하다.
비시각적 시스템을 활성화하기 위해 개별 인공 조명으로부터의 백색 광의 최소량을 결정하려면, 시각 조도 값(visual illuminance value)에 의존하는 대신 조명의 서카디언 조도를 측정하는 것이 중요하다. 조도 측정 방법과 유사하게, 서카디언 조도는 단위 영역 당 표면에 충돌되는 전체 서카디언 광속(circardian luminous flux)을 측정함으로써 획득될 수 있다. 시각 조도(visual illuminance)로부터 서카디언 조도를 측정할 때 유일한 다른 개념은, 서카디언 광속을 산출할 때, CIE 포토픽(photopic) 분광 발광 효율 함수(spectral luminous efficiency function) (V(λ)) 대신 서카디언 분광 효율 함수(circadian spectral efficiency function) (C(λ))를 사용하는 것이다. 단순하게, 서카디언 조도는 식 1과 같이 정의될 수 있다.
[식 1]
서카디언 조도값(blm/m2) = 서카디언 작용 계수(CAF)(blm/lm) × 시각적 조도값(lm/m2)
= (서카디언 복사 효능값(CER)(blm)/복사 발광 효능값(LER)(lm)) × 시각적 조도 값(lm/m2)
임의의 유형의 조명의 서카디언 효과 계수 및 조도를 알고 있다면, 특정 조건 하에서 백색광의 서카디언 조도를 산출할 수 있다. 결론적으로, 단일 인공 조명에 대한 높은 서카디언 효과 계수(CAF: Circadian Action Factor) 및 높은 서카디언 조도값은 동일 조도(즉, 밝기)에서 취득될 수 있음을 명심하여야 한다. 또한, 높은 서카디언 효과 계수(CAF: Circadian Action Factor)를 가질 수 있는 램프 스펙트럼은 서카디언-민감한 하나의 스펙트럼 영역에서 에너지를 집중시키는 잠재력을 가지며, 그 결과 인간 건강에 강한 영향을 미친다.
서카디언 시스템에 대한 성능지수의 도입에 의해, 서카디언 시스템을 구현하기 위한 램프의 능력을 결정하기 위해 서카디언 조도를 사용 가능하게 된다. 도 5는 기공개된 전체 스펙트럼 영역의 형광등과 청색 LED의 시각적 조도의 함수로서, 상대적인 시각적 성능 및 상대적인 멜라토닌 억제값을 나타낸다. 전체 스펙트럼 영역의 형광등 램프와 470nm 청색 LED의 멜라토닌 억제 곡선은 모두 다른 조도 레벨에 위치한다(15 배 수준의 차이). 전술한 바와 같이, 이 도면은, 조도가 서카디언 광생물학적 시스템을 자극하는 빛의 임계량을 결정하는데 적절한 잣대가 아님을 나타낸다. 따라서, 서카디언 조도는 인공 광원이 서카디언 광생물학적 시스템에 얼마나 영향을 미치는지를 측정하는 것으로서 도입되었다. 임의의 유형의 광의 CAF 및 조도와 함께, 식 1에서 백색광의 서카디언 조도는 특정한 조건 하에서 계산될 수 있다. 도 5에는, 전체 스펙트럼 영역의 형광등 램프 및 470 nm 청색 LED 모두로부터의 서카디언 조도의 함수로서, 산출된 멜라토닌 억제 곡선이 추가된다. 광원의 스펙트럼 파워 분포에 기초하여, 전체 스펙트럼 영역의 형광등 램프 및 470 nm 청색 LED의 서카디언 효과 계수(CAF: Circadian Action Factor)는 각각 ~0.6 및 ~7.17 인 것으로 이번 계산에서 가정되었다. 결과적으로, 서카디언 조도의 함수로 표현된 두 멜라토닌 억제 곡선은 시각 조도의 함수로 표현된 멜라토닌 억제 곡선들 사이의 중간 영역을 커버한다. 이는 멜라토닌 억제를 활성화하는 서카디언 조도의 임계 레벨은 램프의 유형에 관계없이 유사한 값을 갖는다는 것을 나타낸다. 결론적으로, 서카디언 시스템에 대한 임계 레벨이 서카디언 조도로 측정된다면, 개별 램프가 건강에 미치는 효과는 서카디언 시스템에 대한 성능지수(CER, CLE 및 CAF)에 의해 분석될 수 있다. 이러한 결과는 다른 유형의 인공 램프 사이에 멜라토닌 억제에 대한 시각적 조도 임계치의 큰 편차 문제를 해결할 수 있다.
도 3은 시각적 성능, 서카디언 성능 및 컬러 품질을 최적화할 때 요구되는 인공 조명의 모든 성능 지수를 요약한 것이다. 따라서, 4-패키지 백색 LED 조명 시스템이 더 넓은 영향에 대한 논의는 램프의 스펙트럼 파워 분포 및 조명 시스템에서 요구되는 모든 성능지수를 조율하여야 한다.
서카디언 및 시각적 시스템을 활성화하는데 밝은 주광의 중요한 역할에 비교할 때, 밤의 어두움은 서카디언 및 시각적 시스템에 미치는 영향에 관하여 다른 역할을 한다. 어두운 환경에서, 특히 일부 인공 광원의 CAF 값이 태양광의 그것과 유사한 경우, 감소된 가시광은 시각적인 감각 시스템의 무효(blindness)을 유도하고, 감소된 서카디언 광은 멜라토닌의 분비를 촉진할 수 있다. 밤의 어두움은 시각적 시스템 보다 서카디언 시스템에 더 큰 생물학적 영향을 미친다는 점이 고려될 수 있다. 따라서, 서카디언 빛의 촉진에 대한 적절한 묘사(characterization)는, 임의의 유해한 간섭이 실내 또는 실외 조명에 대한 노출의 어떠한 잠재적인 유해한 건강에 대한 영향을 활성화시키기 이전에 이루어져야 한다. 자연 태양광 하에서 그리고 밤에 어두운 동안 멜라토닌 억제를 활성화하기 위해 요구되는 최소 서카디언 조명 레벨 및 노출이 결정된다면, 이 데이터들은 밝은 빛의 치료(treatment) 및 건강 조명의 목적을 위해 인공 광원을 개발하기 위한 표준 데이터가 될 수 있다. 따라서, 스펙트럼 파워 분포, 전체 광 강도, 태양광의 CAF 값 및 야간 어두움의 최소 자극(stimulus)에 관련된 모든 정보는, 낮 시간 전체의 자연광을 모방하도록 스펙트럼 파워 분포 및 인공 광원의 강도를 제어하기 위해 인공 조명에 간단한 가이드라인 또는 최소 정보를 제공할 수 있다. 따라서, 낮 시간의 태양광을 모방하고 아침 및 밤에 빛의 청색 영역을 제어하는 인공 전기 광의 적절한 노출은 건강한 인간 환경을 위해 매우 중요하다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 서카디언 조도계 11: 광원
12: 시각 조도계 13: 저장부
20: 서카디언 조명 장치 21: 백색 광원
22: 구동부 23: 구동 제어부
12: 시각 조도계 13: 저장부
20: 서카디언 조명 장치 21: 백색 광원
22: 구동부 23: 구동 제어부
Claims (3)
- 광원으로부터 입사되는 빛의 시각적 조도값 검출하는 시각 조도계;
상기 광원의 종류에 따른 서카디언 작용 계수(Circadian Action Factor: CAF) 또는 서카디언 복사 효능(circadian efficacy of radiation: CER) 및 복사 발광 효능(luminous efficacy of radiation: LER) 값을 저장하는 저장부; 및
상기 시각적 조도값과 상기 광원의 종류에 따른 상기 광원의 종류에 따른 서카디언 작용 계수 또는 서카디언 복사 효능 및 복사 발광 효능 값을 이용하여 하기 식과 같이 서카디언 조도값을 연산하는 연산부를 포함하는 서카디언 조도계.
[식]
서카디언 조도값(blm/m2) = 서카디언 작용 계수(blm/lm) X 시각적 조도값(lm/m2)
= (서카디언 복사 효능값(blm)/복사 발광 효능값(lm)) X 시각적 조도 값(lm/m2) - 제1항에 있어서,
상기 서카디언 복사 효능값은 하기 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 서카디언 조도계.
[식]
(Kc: 서카디언 복사 효능값, Kc0: 최대 스펙트럼 서카디언 효능(spectral circadian efficacy) 값(= 683 blm/W), S(λ): 상기 광원의 복사속(radiant flux), C(λ): 서카디언 스펙트럼 효율 함수) - 제1항에 있어서,
상기 복사 발광 효능값은 하기 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 서카디언 조도계.
[식]
(K: 복사 발광 효능값, K0: 최대 스펙트럼 발광 효능(spectral luminous efficacy) 값(= 683 lm/W), S(λ): 상기 광원의 복사속(radiant flux), V(λ): CIE 스펙트럼 발광 효능 함수)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020140014230A KR101520377B1 (ko) | 2014-02-07 | 2014-02-07 | 서카디언 조도계 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR101520377B1 true KR101520377B1 (ko) | 2015-05-15 |
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|---|---|---|---|
| KR1020140014230A KR101520377B1 (ko) | 2014-02-07 | 2014-02-07 | 서카디언 조도계 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101520377B1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109874195A (zh) * | 2018-05-17 | 2019-06-11 | 厦门大学 | 一种有效调控人体昼夜节律的健康照明系统 |
| US10446722B2 (en) | 2017-09-29 | 2019-10-15 | Samsung Electronics Co., Ltd. | White light emitting device |
| WO2024101809A1 (ko) * | 2022-11-07 | 2024-05-16 | 국민대학교 산학협력단 | 써카디언 리듬 분석 장치 및 이의 동작 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100027186A (ko) * | 2007-05-31 | 2010-03-10 | 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. | 조명 및 생리적 자극 제공 방법 및 시스템 |
| KR20120119373A (ko) * | 2011-04-21 | 2012-10-31 | 광전자 주식회사 | 주변 광원과 색온도 판별 기능을 갖는 지능형 조도센서 |
-
2014
- 2014-02-07 KR KR1020140014230A patent/KR101520377B1/ko active IP Right Grant
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