KR101694997B1 - 조명 유닛용 렌즈 - Google Patents

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KR101694997B1 KR1020100033042A KR20100033042A KR101694997B1 KR 101694997 B1 KR101694997 B1 KR 101694997B1 KR 1020100033042 A KR1020100033042 A KR 1020100033042A KR 20100033042 A KR20100033042 A KR 20100033042A KR 101694997 B1 KR101694997 B1 KR 101694997B1
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엘지이노텍 주식회사
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    • F21K9/00Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21LIGHTING
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • G02B2003/0093Simple or compound lenses characterised by the shape

Abstract

실시예는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빛이 조사되는 면에서 효율적인 조도 분포를 가능하게 하는 조명 유닛용 렌즈에 관한 것이다. 실시예에 따른 렌즈는, 각각 입사면과 출사면을 갖는 복수의 개별렌즈부; 및 상기 복수의 개별렌즈부가 배열되는 렌즈베이스;를 포함하며, 상기 출사면의 형상은 XY Polynomial 표면이고, 상기 출사면의 중심부는 상기 XY Polynomial 표면에서 베이저(Bezier) 곡선으로 형성된 입체를 빼낸 오목한 형상을 갖고, 상기 베지어 곡선으로 형성된 입체를 상기 입사면과 상기 출사면의 중심을 통과하는 광축 방향에서 바라본 형상은 직사각형이고, 상기 출사면을 통하여 출사되는 광의 조사면에서의 조도분포가 근사 직사각형이다.

Description

조명 유닛용 렌즈 {LENS FOR A LIGHTING UNIT}
실시예는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빛이 조사되는 면에서 효율적인 조도 분포를 가능하게 하는 조명 유닛용 렌즈에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 전력 소모가 낮고, 수명이 길어 저 비용으로 운용할 수 있기 때문에, 각종 전자 부품이나 전광판, 조명 장치 등의 광원으로 응용되고 있다. 또한 렌즈를 추가적으로 구비하여 의도하는 배광 특성을 달성하고자 하는 조명 장치가 당업계에 존재하고 있다. 일반적으로 조명 장치용 렌즈는 넓은 조사면을 갖도록 빛을 확산시키기 위한 것과 좁은 조사면에 높은 조도의 빛을 집중시키기 위한 것이 있다.
넓은 면적의 발광면을 갖고 있는 조명 장치를 제외하면, 조명 장치의 대부분은 점광원과 같은 특성을 지니고 있다. 다시 말해서, 조명 장치로부터 빛이 조사되는 조사면에서의 조도 분포는 균일하지 않으며, 대부분의 경우에 원형을 이루고 있다. 이 경우에 특정 면적의 공간을 밝게 하기 위해서는 여러 개의 조명 장치를 사용하게 되며, 조사면의 조도 분포가 원형이므로 각각 다른 조명 장치로부터 조사되는 빛이 서로 겹치게 되어 특정 면적의 공간을 밝게 하는데 있어서 전력 낭비를 초래할 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 각 조명 장치 사이의 거리를 넓히게 되면 각각의 원형의 조사면 사이에 빛이 도달하지 않는 사각 지대가 발생하게 된다. 따라서 특정 면적의 공간을 밝게 하는데 있어서, 조명 장치로부터 빛이 조사되는 조사면이 사각형에 가까울수록, 조사면 전체의 휘도가 균일할수록, 그 조명 장치는 효율이 뛰어나게 된다.
따라서 본 발명은 조사면의 휘도를 목표 휘도로 맞추면서도, 전력 소모를 최소화 할 수 있는 효율적인 조명 장치에 필요한 렌즈를 제공하는데 목적이 있다.
실시예에 따른 렌즈는, 각각 입사면과 출사면을 갖는 복수의 개별렌즈부; 및 복수의 개별렌즈부가 배열되는 렌즈베이스;를 포함하며, 출사면의 형상은 XY Polynomial 표면이고, 출사면의 중심부는 XY Polynomial 표면에서 베이저(Bezier) 곡선으로 형성된 입체를 빼낸 오목한 형상을 갖고 베지어 곡선으로 형성된 입체를 입사면과 출사면의 중심을 통과하는 광축 방향에서 바라본 형상은 직사각형이고, 출사면을 통하여 출사되는 광의 조사면에서의 조도분포가 근사 직사각형이다.
실시예에 따른 렌즈는, 각각 입사면과 출사면을 갖는 복수의 개별렌즈부; 및 복수의 개별렌즈부가 배열되는 렌즈베이스를 포함하며, 출사면은 다음의 <수학식 2>를 만족하는 표면에서 다음의 베지어(Bezier)곡선 1 및 2로 형성된 입체를 빼낸 오목한 형상을 갖고, 상기 베지어 곡선으로 형성된 입체를 입사면과 출사면의 중심을 통과하는 광축 방향에서 바라본 형상은, 직사각형이다.
<수학식 2>
Figure 112010022931372-pat00001
여기서,
Figure 112016070502588-pat00002
, z는 렌즈베이스에서 출사면까지의 높이, D는 출사면의 폭, r은 출사면의 곡률반경, k는 원추계수(conic constant), Cj는 xm yn 의 계수값. 단, j=((m+n)2 +m+3n)/2+1, D는 상기 입사면의 폭 또는 상기 출사면의 폭, r은 상기 입사면의 곡률반경 또는 상기 출사면의 곡률반경이며, m+n≤10
<Bezier 곡선 1>
Figure 112010022931372-pat00003
단, 상기 베지어(Bezier)곡선 1은 베지어(Bezier)곡선 1 및 2를 만족하는 오목부를 XZ평면으로 자른 단면의 형상이다.
<Bezier 곡선 2>
Figure 112010022931372-pat00004
단, 상기 베지어(Bezier)곡선 2는 베지어(Bezier)곡선 1 및 2를 만족하는 오목부를 YZ평면으로 자른 단면의 형상이다.
실시예는 조사면에서의 빛이 닿지 않는 사각 지대를 최소로 하기 위한 조명 장치에서 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
실시예는 이미 충분히 높은 조도를 달성했음에도 사각 지대를 없애기 위하여 불가결하게 각 조명 장치로부터 나오는 빛이 겹치게 되는 영역을 줄일 수 있는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
실시예는 기존의 조명 장치에 비해 낮은 전력을 소모하면서도 같은 면적의 공간을 목표 조도로 맞출 수 있는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
실시예는 조명 장치로부터 빛이 조사되는 조사면에서의 조도 분포가 근사 직사각형의 분포를 보이는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
실시예는 별도의 기구물을 이용하지 않고도 원하는 조도 분포로 조명할 수 있는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
실시예는 가로등, 옥외등과 같은 실외등의 광 분포 및 조도 분포를 개선시켜 줄 수 있으며, 가로등, 옥외등의 간격을 고려한 조도 분포를 갖는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
도 1은 제 1실시예에 따른 조명 유닛을 나타낸 측 단면도.
도 2는 도 1의 발광부의 측 단면도.
도 3은 도 1의 발광부의 평면도.
도 4는 도 1의 발광부의 다른 예.
도 5는 도 1의 발광부의 또 다른 예.
도 6는 도 1의 발광부의 또 다른 예.
도 7는 도 1의 갭부재를 나타낸 측 단면도.
도 8은 도 1의 갭부재의 사시도.
도 9는 도 1의 갭부재의 평면도.
도 10은 도 1의 갭부재의 저면도.
도 11은 도 1의 갭부재의 다른 예의 사시도.
도 12는 도 1의 갭부재의 다른 예의 평면도.
도 13은 도 1의 갭부재의 다른 예의 저면도.
도 14은 조도 분포가 원형인 경우의 조사면을 나타낸 도면.
도 15은 조도 분포가 정사각형인 경우의 조사면을 나타낸 도면.
도 16은 도 15는 렌즈가 없는 LED 조명 장치의 공간상 광분포도.
도 17은 렌즈가 없는 LED 조명 장치의 조도 분포도.
도 18은 렌즈의 평면도.
도 19은 개별렌즈부(147)의 측단면도.
도 20은 FTE Calculator에 따른 조사면의 조도 분포를 나타낸 도면.
도 21는 실험례 1의 개별렌즈부를 통해 출사되는 광경로를 나타낸 도면.
도 22은 실험례 1의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포도.
도 23은 실험례 1의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 조도분포도.
도 24는 실험례 2의 개별렌즈부를 통해 출사되는 광경로를 나타낸 도면.
도 25은 실험례 2의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포도.
도 26은 실험례 2의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 조도분포도.
도 27는 실험례 3의 개별렌즈부를 통해 출사되는 광경로를 나타낸 도면.
도 28은 실험례 3의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포도.
도 29은 실험례 3의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 조도분포도.
도 30는 실험례 4의 개별렌즈부를 통해 출사되는 광경로를 나타낸 도면.
도 31은 실험례 4의 출사면을 정의하는데 사용되는 XZ 평면상의 베지어(Bezier)곡선
도 32는 실험례 4의 출사면을 정의하는데 사용되는 YZ 평면상의 베지어(Bezier)곡선
도 33은 실험례 4의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포도.
도 34은 실험례 4의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 조도분포도.
도 35는 실험례 5의 개별렌즈부를 통해 출사되는 광경로를 나타낸 도면.
도 36은 실험례 5의 출사면을 정의하는데 사용되는 베지어(Bezier)곡선
도 37은 실험례 5의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포도.
도 38은 실험례 5의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 조도분포도.
도 39는 제 2실시예에 따른 조명 유닛을 나타낸 측 단면도.
도 40는 제 3실시예에 따른 조명 유닛을 나타낸 측 단면도.
도 41은 제 4실시예에 따른 조명 유닛을 나타낸 측 단면도.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 특별한 언급이 없으면, 렌즈(140)가 있는 쪽을 위, 발광부(101)가 있는 쪽을 아래로 상정한다. 도면에서 공간을 표시하는 좌표축이 함께 도시된 경우에는 우선적으로 좌표축을 기준으로 설명하기로 한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 제 1실시예에 따른 조명 유닛(100)을 나타낸 측 단면도이며, 도 2는 도 1의 발광부(101)의 측 단면도, 도 3은 도 1의 발광부(101)의 평면도, 도 4는 도 1의 발광부(101)의 다른 예, 도 5는 도 1의 발광부(101)의 또 다른 예며, 도 6는 도 1의 발광부(101)의 또 다른 예이다.
도 1을 참조하면, 조명 유닛(100)는 발광부(101), 갭(Gap) 부재(130), 및 렌즈(140)를 포함한다. 조명 유닛(100)는 일정 간격으로 배치된 가로등, 옥외등과 같은 실외등에 장착되어, 실외등의 정면과 가로등, 옥외등 사이의 영역에 대해 적절한 광 분포와 조도 분포로 조명할 수 있다.
발광부(101)는 기판(110) 위에 복수의 LED(120)가 탑재되며, 복수의 LED(120)는 렌즈(140)의 개별렌즈부(147)의 입사면(S1) 아래 위치한다.
기판(110)은 알루미늄 기판, 세라믹 기판, 메탈 코아 PCB, 일반 PCB 등을 포함할 수 있다. 또한, 기판(110)은 빛을 효율적으로 반사하는 재질로 형성되거나, 표면은 빛이 효율적으로 반사되는 색, 예를 들어 백색, 은색 등으로 형성될 수 있다. 복수의 LED(120)는 백색 LED를 포함하며, 또는 레드 LED, 블루 LED, 그린 LED와 같은 유색의 LED를 선택적으로 이용할 수 있다. LED(120)의 발광 각도는 120°~ 160°또는 램버티안(Lambertian-완전확산면) 형태를 포함할 수 있다.
발광부(101)의 기판(110)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 소정 직경(D1)의 원판 형상이며, 직경(D1)은 갭부재(130) 아래에 수납될 수 있는 폭으로 형성될 수 있다. 기판(110)의 일측 외주면에는 플랫부(114)가 형성될 수 있으며, 플랫부(114)는 조명 유닛(100) 부품 간의 결합 위치를 식별하거나 회전 방지기능을 수행할 수 있다.
기판(110) 상에는 복수의 나사 구멍(113)이 형성될 수 있으며, 나사 구멍(113)에 나사가 삽입되어 기판(110)이 가로등, 옥외등과 같은 기구물에 체결되거나, 기판(110)이 조명 유닛(100)의 케이스에 체결된다. 여기서, 나사 구멍(113)에는 나사가 아닌, 리벳, 후크 등이 삽입되어도 무방하다. 기판(110)이 복수의 나사 구멍(113)을 갖지 않을 수도 있다.
도 3의 발광부(101A)는 기판(110) 위에 8개의 LED(120)를 배열한 형태로서, 예컨대 기판(110)의 중심에서 소정의 반지름을 갖는 원주 상에 일정한 간격으로 8개의 LED(120)를 배열할 수 있다.
도 4의 발광부(101B)는 기판(110) 위에 10개의 LED(120)를 배열한 형태로서, 예컨대 기판의 중심에서 소정의 반지름을 갖는 원주 상에 일정한 간격으로 8개의 LED(120)를 배열하고, 원주의 안쪽 영역에 2개의 LED가 배치된 예를 나타낸다.
도 5의 발광부(101C)는 기판(110) 위에 12개의 LED(120)를 배열한 형태로서, 예컨대 기판의 중심에서 소정의 반지름을 갖는 원주 상에 일정한 간격으로 8개의 LED(120)를 배열하고, 상기 원주 보다 작은 반지름을 갖는 동심원의 원주 상에 일정한 간격으로 4개의 LED(120)를 배열한 예를 나타낸다.
도 6 에 도시된 발광부(101D)는, 도 5와 비교했을 때, 작은 원주 상의 LED(120) 전체가 기판의 중심을 기준으로 45°각도로 회전한 위치에 배열될 수도 있다.
기판(110) 위에서의 LED(120)의 배열 형태 및 그 개수는 광도, 광 분포, 조도 분포에 따라 달라질 수 있으며, 실시 예의 기술적 범위 내에서 변경될 수 있다. 도면 또는 명세서 등에서 특정 LED(120) 배열을 갖는 특정 발광부(101A, 101B, 101C, 101D)를 명시하지 않고, 발광부(101)라는 용어를 사용하면, 이러한 여러가지 배열을 가진 발광부를 대표하는 명칭으로 사용하는 것이다.
도 7은 도 1의 갭부재(130)를 나타낸 측 단면도, 도 8은 도 1의 갭부재(130)의 사시도, 도 9는 도 1의 갭부재(130)의 평면도, 도 10은 도 1의 갭부재(130)의 저면도, 도 11은 도 1의 갭부재(130)의 다른 예의 사시도, 도 12는 도 1의 갭부재(130)의 다른 예의 평면도이고, 도 13은 도 1의 갭부재(130)의 다른 예의 저면도이다.
도 1 및 도 7 내지 도 13을 참조하면, 갭부재(130)는 중심방향으로 하향 경사면이 형성되는 링 형상의 반사부(132)및, 반사부(132)와 동심원을 이루며 하방으로 연장되는 링 형상의 벽부(131)를 포함한다. 또한, 갭부재(130)는 전체적으로 납작한 링 형상을 취하게 되므로 반사부(132)의 내경을 지름으로 하는 개구부(133)를 갖게 된다.
반사부(132)는 LED(120)로부터 방출된 광이 소멸되지 않고 외부로 반사될 수 있도록 하여 조명 장치의 광효율을 높여줄 수 있다. 반사부(132)의 상부쪽으로 광이 방사되므로, 반사부(132)는 광의 상방향 출사를 돕게 된다.
반사부(132)의 저면은 발광부(101)의 상면 둘레와 접촉하고, 벽부(131)의 내주면은 발광부(101)의 외주면과 접촉하게 되어, 발광부(101)는 갭부재(130)에 안착된다. 발광부(101)가 갭부재(130)에서 윗방향으로 이탈되는 것을 방지하기 위해 반사부(132)의 내경을 벽부(131)의 내경 및 발광부(101)의 외경보다 작게 하는 것이 바람직하다.
이와 동시에 갭부재(130)는 기판(110)과 렌즈(140) 사이를 일정 간격(G1)으로 이격시켜 준다. 간격(G1)은 기판(110) 상에 배열된 LED(120)의 두께 보다 크거나 같기 때문에 렌즈(140)가 LED(120)를 압박하지 않으며, 렌즈(140)와 기판(110) 사이에는 공간(105)이 형성되어 발광 각도 및 광 분산을 유도할 수 있다.
또한 갭부재(130)는 발광부(101)의 저면을 제외한 다른 면과 조명 유닛의 케이스 등 다른 부재가 직접 접촉하는 것을 방지하며, 갭부재(130)를 절연재료로 형성하면 갭부재(130)와 발광부(101)는 절연이 된다. 이에 더불어 발광부(101)의 저면에 절연재질의 방열패드를 밀착하여 접촉시키면, 결국 발광부(101)는 전기적 쇼트, EMI, EMS 등의 문제 발생을 방지할 수 있으며, 내전압 특성을 우수하게 할 수 있다.
공간(105)에는 실리콘 또는 실리콘 수지 재질이 채워질 수 있다. 개구부(133)를 통하여 발광부(101)의 LED(120)가 노출되며, 갭부재(130)의 상면에는 렌즈(140)의 엣지(144)가 배치된다.
갭부재(130)의 일측면에는 플랫부(134)가 형성될 수 있으며, 플랫부(134)는 조명 유닛(100) 부품 간의 결합 위치를 식별하거나 회전 방지기능을 수행할 수 있다. 자세히 설명하기 위해, 도 3 내지 도 6에 도시된 발광부(101)의 기판(110)처럼 기판(110)의 일측면에 플랫부(114)가 형성되고, 도 8 내지 도 13에 도시된 갭부재(130)처럼 갭부재(130)에도 플랫부(134)가 형성된 실시예를 상정한다. 도 10 및 도 13을 참조하면, 갭부재(130)의 플랫부(134)의 외측면 뿐만 아니라 내측면도 평평하므로, 결국 두개의 플랫부(114, 134)가 맞닿은 채로 기판(110)이 갭부재(130)에 끼워지게된다. 벽부(131)의 내주면과 기판(110)의 외주면은 일면이 평평하기 때문에 서로간에 회전하거나 위치가 뒤틀어지지 않게 된다.
반사부(132)는 벽부(131)의 상면에서부터 개구부(133)의 중심을 향해 소정 경사를 갖고 연장된다. 즉, 반사부(132)는 갭부재(130)의 개구부(133)의 외측 둘레에 소정 경사 각도(θ1)로 경사진다. 반사부(132)의 내측 개구부(133)는 도 8 내지 도 10에 도시된 것과 같이, 소정 직경(D2)을 갖는 원 형상으로 형성될 수 있다.
LED(120)에서 나온 빛 중에서 반사부(132)에 닿는 빛은 반사부(132)의 경사면에서 반사되어, 렌즈(140)를 통과하여 외부로 출사된다. 따라서 반사부(132)를 포함하지 않은 통상적인 갭부재에 비하여 광효율을 향상시켜주는 효과도 추가적으로 갖게 된다. 본 실시예에 따른 갭부재(130)가 통상적인 갭부재에 비하여 내전압 특성을 향상시킨다는 것은 이미 살펴본 바 있다.
도 11 내지 도 13에 도시된 것과 같이, 갭부재(130)는 기판(110)에 연결되는 전선 또는 전극(미도시)이 통과할 수 있는 전극통과부(135)를 가질 수도 있다.
도 8내지 도 13에서는 플랫부(134)를 가진 갭부재(130) 만이 도시되었고, 플랫부(134)를 갖는 갭부재(130)가 바람직한 실시예이다. 다만, 플랫부(134)가 없이 전체적으로 원형인 갭부재(130)는 부품간에 회전하거나 위치가 뒤틀어질 수 있지만, 이러한 단점을 제외하고는 이상에서 설명한 실시예의 갭부재(130)가 갖는 광효율 향상 및 내전압 특성 향상의 효과를 모두 갖게 되며, 따라서 플랫부(134)가 있는 갭부재(130)만을 한정하여 설명한 것이 아니라, 최선 실시예를 설명한 것으로 이해 해야 할 것이다.
렌즈(140)의 형상 및 구조에 대한 설명에 앞서, 본 발명과 관련하여 게시되는 실시예에서 제시되는 렌즈(140)는 일반적으로 가로등, 옥외등 등 실외 조명에 장착되는 조명 유닛(100)에서 사용되는 렌즈(140)이므로, 이러한 렌즈(140)에서 효율적인 조도 분포는 어떤 것인지 먼저 알아볼 필요가 있다.
<효율적인 조도 분포 및 광분포>
도 14은 조도 분포가 원형인 경우의 조사면을 나타낸 도면이고, 도 15은 조도 분포가 정사각형인 경우의 조사면을 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15을 참조하면, 조명 유닛(100)으로부터 광이 조사되는 조도 분포의 형태가 정사각형을 이루게 되는 경우가, 원형이 되는 경우에 비하여, 빛이 겹치게 되어 낭비되는 빛(A2)도 줄일 수 있고, 사각 지대(A3)도 줄일 수 있으며, 조명이 비출 필요가 없는 영역에 조사되는 빛(A1)도 줄일 수 있으므로 효율이 뛰어난 것을 나타내고 있다.
원형의 조도 분포를 갖는 조명 유닛(100)을 사용하는 가로등, 옥외등과, 정사각형의 조도 분포를 갖는 조명 유닛(100)을 사용하는 가로등, 옥외등을 비교해본다. 전자에 비해 후자가 인접한 가로등 사이의 조도 분포 또는 인접한 옥외등 사이의 조도 분포를 개선시켜 줄 수 있고, 사각 지대(A3)를 줄이거나 제거할 수 있기 때문에 전자에서 보다 후자에서 가로등 또는 옥외등 간의 간격을 넓힐 수 있다. 또한 필요한 조도를 달성하기 위해 필요한 가로등 또는 옥외등의 수를 줄일 수 있게 되므로 유지·관리·운용비용을 절감할 수도 있다. 단, 조명 유닛(100)이 반드시 가로등, 옥외등에만 사용될 필요는 없으며, 실내등의 용도로도 얼마든지 사용가능하다.
도 15 에서는 직사각형 중에서도 정사각형의 조도 분포를 나타낸 예를 설명하였으나, 길을 비추는 가로등, 옥외등처럼 폭은 좁고 길이가 긴 조사면을 비추는데는 정사각형이 아닌 직사각형의 조도 분포를 갖는 것이 더 유리하다. 따라서, 조명 유닛(100)이 사용되는 용도에 따라서 직사각형 또는 정사각형의 조도 분포 중 어느 일방이 타방에 비하여 유리할 수 있다.
도 16는 렌즈가 없는 LED 조명 장치의 공간상 광분포도이고, 도 17은 렌즈가 없는 LED 조명 장치의 조도 분포도이다.
도 17을 참조하면, 렌즈가 없는 LED 조명 장치의 조도 분포는 원형을 이루는 것을 알 수 있으며, 도 16를 참조하면, 공간상 광분포는 물방울 또는 풍선의 형상을 이루는 것을 알 수 있다. 이는 렌즈가 없는 LED 조명 장치에 한정되는 현상이 아니라, 통상적으로 하나의 발광 소자를 포함하는 조명 장치 또는 여러 개의 발광 소자가 동심원 상에 배치되거나 밀집하여 배치된 조명장치를 구동하는 경우에도 마찬가지의 공간상 광분포와 조도분포를 보이게 된다.
공간상 광분포가 도 16의 경우처럼 물방울 또는 풍선의 형상이라면 광원의 바로 아래부분이 집중적으로 밝게 비춰지게 되고, 중심의 원형 영역을 벗어나는 즉시 급격하게 어두워지게 된다. 이렇게 조도 차이가 극명하게 되면 그러한 조명 장치에 의해 조명 되는 공간에 있는 사람은 눈의 피로를 쉽게 느끼게 될 수 있으며, 균일하지 않은 광분포로 인하여 업무 효율의 저하를 초래할 수도 있다.
따라서 공간상 광분포는 원뿔에 가까운 근사 원뿔의 형상을 취하는 것이 바람직하다. 이러한 경우에 조사면의 중앙부위로 너무 광이 집중되지도 않고, 조도가 지나치게 높아지지 않으며, 전체적으로 광이 균일하게 분포되어 조명 장치의 아래에 있는 사람의 눈의 피로를 덜어주기 줄 수 있다.
이후 실험례 1 내지 실험례 7에 대한 실험데이터를 통하여, 실시예의 렌즈(140)가 효율적인 공간상 광분포와 조도 분포를 보이는 것을 확인해 본다.
< 효율적인 조도 분포 및 광분포를 보이는 렌즈의 형상 >
도 18은 렌즈의 평면도이고, 도 19은 개별렌즈부(147)의 측단면도이다.
도1, 도 18 및 도 19를 참조하면, 발광부(101) 위에는 렌즈(140)가 배치된다. 렌즈(140)는 렌즈베이스(146), 개별렌즈부(147) 및 엣지(144)를 포함한다. 자세히 설명하면, 렌즈베이스(146)에 복수개의 개별렌즈부(147)이 배열되고, 렌즈베이스(146)의 둘레에는 엣지(144)가 형성된다. 도 18처럼, 엣지(144)와 렌즈베이스(146)의 사이에는 경계가 형성될 수도 있으나, 도 1처럼 경계가 없이 이어질 수도 있다. 그리고, 개별렌즈부(147)는 입사면(S1)과 출사면(S2)을 포함한다. 렌즈(140)는 투광성 재질을 이용하여 사출 성형될 수 있으며, 그 재질은 글래스, PMMA(Poly methyl methacrylate), PC(Polycarbonate) 등과 같은 플라스틱 재질로 구현될 수 있다.
입사면(S1) 또는 출사면(S2)은 구면 렌즈 또는 XY Polynomial 표면 렌즈로 형성되거나, 구면 렌즈 또는 XY Polynomial 표면 렌즈에서 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 빼낸 형상으로 형성될 수도 있다. 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 빼내는 것의 의미는, 차후에 설명할 베지어(Bezier)곡선으로 입체를 형성한 후에, 개별렌즈부(147)의 출사면(S2)의 중심부에서 형성된 입체를 빼내는 것으로서, 결국, 개별렌즈부(147)의 출사면(S2)의 중심부에 오목부가 구비되는 것을 의미한다.
XY Polynomial 표면 렌즈의 형상과 베지어(Bezier)곡선은 광 분포 및 조도 분포를 고려하여 선택할 수 있다. XY Polynomial 표면 렌즈와 베지어(Bezier)곡선에 대한 자세한 설명은 차후에 하도록 한다.
도 18 및 도 19를 참조하여, 입사면(S1) 또는 출사면(S2)이 구면 렌즈, XY Polynomial 표면 렌즈, XY Polynomial 표면 렌즈에서 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 빼낸 형상의 렌즈인 경우에 대해 자세히 설명한다. 도 18 및 도 19에서, D1는 입사면(S1)의 폭, r1은 입사면(S1)의 곡률반경, D2는 출사면(S2)의 폭, r2은 출사면(S2)의 곡률반경을 나타낸다.
구면 렌즈 형상의 입사면(S1) 또는 출사면(S2)을 나타내는 식은 다음의 <수학식 1>과 같다.
Figure 112010022931372-pat00005
<수학식 1> 에서,
Figure 112010022931372-pat00006
의 관계를 만족하며, z는 렌즈베이스(146)에서 입사면(S1) 또는 출사면(S2)까지의 높이, D는 입사면(S1) 또는 출사면(S2)의 폭, r은 입사면(S1) 또는 출사면(S2)의 곡률반경을 나타낸다. D는 D1 또는 D2 이며, r은 r1 또는 r2 이다.
XY Polynomial 표면 렌즈의 형상의 입사면(S1) 또는 출사면(S2)을 나타내는 식은 다음의 <수학식 2>과 같다.
Figure 112010022931372-pat00007
<수학식 2> 에서,
Figure 112010022931372-pat00008
의 관계를 만족하며, z는 렌즈베이스(146)에서 입사면(S1) 또는 출사면(S2)까지의 높이, D는 입사면(S1) 또는 출사면(S2)의 폭, r은 입사면(S1) 또는 출사면(S2)의 곡률반경, k는 원추계수(conic constant), Cj는 xm yn 의 계수값이다. 여기서, j=((m+n)2 +m+3n)/2+1 이고, D는 D1 또는 D2 이며, r은 r1 또는 r2 이다. 그리고, m+n≤10 을 만족한다.
<수학식 1>을 만족하는 입사면(S1) 또는 출사면(S2)의 형상이면 어떠한 구면이라도 가능하며, <수학식 2>를 만족하는 입사면(S1) 또는 출사면(S2)의 형상이면 어떠한 XY Polynomial 표면이라도 가능하다. <수학식 2>의 우변 첫번째 항은 비구면을 나타내는 항이며, 원추계수 k의 값에 따라 비구면의 형상이 달라지는데, k=0일 때는 구, -1<k<0 일 때는 타원, k=-1일 때는 포물선, k<-1일 때는 쌍곡선, k>0일 때는 편구면이 된다.
출사면(S2)이 <수학식 1> 및 <수학식 2>를 만족하는 경우는 수없이 많으며, 제1 내지 3 실험례를 통해 검토하기로 한다. 그리고 실험례 4 및 실험례 5는 XY Polynomial 표면 렌즈에서 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 빼낸 형상의 렌즈에 대한 실험례이다.
도 31을 참조하면, Z축의 각 눈금은 0.2133mm를 나타내고, 따라서 Z가 0일 때 X는 0.1mm이고, Z가 1.92일 때 X는 3.8108mm이다. Z축 눈금은 등간격이다. 도 32를 참조하면, Z축의 각 눈금은 0.2133mm를 나타내고, 따라서 Z가 0일 때 Y는 3.3566 mm이고, Z가 1.92일 때 Y는 8.9592mm이다. Z축 눈금은 등간격이다. 도 36을 참조하면, Z축의 각 눈금은 0.22969mm를 나타내고, 따라서 Z가 0일 때 X는 0.05106mm이고, Z가 2.0672일 때 X는 4.1966이다. Z축 눈금은 등간격이다.
실험례 4의 출사면(S2)은 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 XY Polynomial 표면 렌즈의 형상의 렌즈에서 빼면 형성되며, 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체는 광축(Z축) 방향에서 보았을 때 직사각형의 길쭉한 틈과 같이 보이고, 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 XZ평면으로 자른 단면은 도 31의 형상이고, 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 YZ평면으로 자른 단면은 도 32의 형상이다.
실험례 5의 출사면(S2)은 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 XY Polynomial 표면 렌즈의 형상의 렌즈에서 빼면 형성되며, 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체는 광축(Z축) 방향에서 보았을 때 직사각형의 형상으로 보이고, 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 XZ평면으로 자른 단면과 YZ평면으로 자른 단면은 모두 도 36의 형상이다.
더 자세히 설명하면, 실험례 7의 출사면(S2)의 각각의 X,Y좌표에 해당하는 Z값(Z1)이 있으면, 이에 대응하는 베지어(Bezier)의 동일 X,Y좌표에 해당하는 Z값(Z2)을 뺀값(Z1- Z2)이 실험례 7의 출사면(S2)에서 해당 X,Y좌표에 해당하는 Z값이 된다.
본 발명의 렌즈(140)는 실험례 1 내지 5에서 실험한 특정 수치에 제한되지는 않으며, 이러한 입사면(S1) 또는 출사면(S2)들과 같은 형상과 비율을 가진 렌즈는 모두 본 발명의 렌즈(140)에 해당하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 실시예에 따른 렌즈(140)는 입사면(S1)과 출사면(S2)을 갖는 복수의 개별렌즈부(147)를 가지며, 렌즈베이스(146)를 가진다. 렌즈베이스(146) 외주면에는 엣지(144)가 있을 수 있다. 개별렌즈부(147)는 렌즈베이스(146) 상에 배열된다. 단, 렌즈베이스(146)가 개별렌즈부(147)의 입사면(S1)까지 덮는 것은 바람직하지 않다.
실험례1 내지 5의 공간상 광분포도와 조사분포도 이외에도 렌즈(140)를 사용한 조명 유닛의 효율을 검토할 필요가 있다. 따라서 조명 유닛의 효율과, 광분포도, 조명 유닛(100)의 효율을 검토하기 위해서 FTE Calculator라는 컴퓨터 프로그램을 사용한 시뮬레이션 데이터를 예로 들것이며, 본 컴퓨터 프로그램으로 시뮬레이션을 하는 것의 목적은 에너지스타 인증을 획득하며 조명 유닛(100)의 효율성도 동시에 검증을 하기 위한 것이다. 따라서 이하에서, 에너지스타 인증 및 시뮬레이션 데이터에 대해서 검토한다.
<에너지스타(Energy star)인증 및 조사면의 광효율에 대한 검토>
에너지스타(Energy star)는 미국의 에너지 효율에 대한 국가심벌을 가리키며, 미국의 DOE(에너지성)와 EPA(환경보호국)의 공동 프로그램으로서, 에너지 효율 가이드라인을 만족하는 제품에 "ENERGY STAR"마크를 부착하는 제도이다. 에너지 스타 마크를 획득한 제품에 대한 미국 내 소비자들의 선호도가 높고, 미국 지방자치단체 별로 에너지스타 마크 획득 제품에 대한 메리트가 있기 때문에 에너지스타 인증을 획득하는 것은 제품의 상품성을 높이는데 크게 기여할 수 있다.
에너지스타 인증을 획득한 조명 장치는 조명 하고자 하는 면적을 요구되는 소정의 조도로 밝히는데 더 적은 전력을 사용해도 된다는 것을 의미하며, 필요한 조명 장치의 개수도 줄일 수 있다는 것을 의미하므로 효율 높은 조명 장치라고 할 수 있다.
본 발명과 관련하에 게시되는 실시예에서 제시되는 렌즈(140)는 일반적으로 가로등, 옥외등 등 실외 조명에 장착되는 조명 유닛(100)에서 사용되는 렌즈(140)이므로, 에너지스타 기준 중 카테고리 A의 Outdoor Area & Parking Garage를 만족해야 한다. 본 기준을 만족하는지 여부를 확인하기 위해서 FTE Calculator라는 컴퓨터 프로그램을 사용하게 되며, 당업자라면 본 컴퓨터 프로그램을 용이하게 입수할 수 있을 것은 자명하다.
도 20은 FTE Calculator에 따른 조사면의 조도 분포를 나타낸 도면이다.
도 20을 참조하면, RT는 Rectangular Target, UP는 Uniform Pool, UR은 Uniform Rectangle, Sideward는 +Y,-Y방향의 조도 분포, Forward는 +X방향의 조도 분포, Backward는 -X방향의 조도 분포를 나타낸다. 도 20에서, 각 격자의 폭은 가로세로 모두 10m를 나타낸다. 예를 들어, Sideward가 2.5라면 조사면에서 +Y방향으로 25m, -Y방향으로 25m 사이의 공간에서 조도 분포가 일어나는 것을 의미한다. 에너지스타 기준 중 카테고리 A의 Outdoor Area & Parking Garage에서도 Unshielded를 기준으로 하였고, 광속 출력(Luminaire Output)이 9000루멘(lm)내외의 조명 장치인 경우를 가정한 시뮬레이션 데이터이므로, 이 경우에는 에너지스타를 만족하기 위한 FTE(lm/W)값은 53이 되어야 한다. 입력전력은 120W로 측정하였다. 실험례 중에서도 Uniform Rectangle(UR)이 넓고, 조사면의 Rectangular Target(RT)의 면적에서 Uniform Pool(UP)의 면적이 차지하는 비율(이하, Covered라 한다.)이 높고, Rectangular Target(RT)과 Uniform Rectangular(UR) 모두에서 Forward, Backward, Sideward의 폭이 넓을수록 효율적인 조명 장치이다. 그리고, Forward, Backward, Sideward의 폭 중에서는 Sideward의 폭이 가장 중요하다.
이하, Covered에 대해 자세히 설명하기로 한다. 예를 들어, 조명 장치로부터 방출된 빛이 조사되는 조사 영역 중에서 가장 조도가 높은 최대조도 값을 30이라고 가정하고, 최소조도 값을 1이라고 가정한다. 여기서 30과 1은 절대값이 아니라 두 값의 비율을 나타낸다. 그리고, 조도 값이 1 이상 30 이하를 만족하는 영역(S1)을 특정한다. 그리고, 이렇게 특정된 영역(S1)에서의 평균조도 값이 최소조도 값 1의 6배인 6을 넘는 경우에는 조도값이 1인 영역을 제외한다.
조도 값이 1인 영역을 제외한 후에 가장 낮은 조도값이 1.1이 된다면 조사 영역은 조도 값이 1.1 이상 30 이하를 만족하는 영역(S2)이 된다. 다시(S2)에서의 평균 조도 값이 최소조도 값 1.1의 6배인 6.6을 넘는지 판단하여 6.6을 넘지 않으면 S2를 Uniform Pool(UP)로 특정하게 된다. 만약 6.6을 넘는다면 위와 같은 과정을 평균조도 값이 최소 조도값의 6배를 넘지 않을 때까지 반복하여 Sn을 Uniform Pool(UP)로 특정하게 된다. 이러한 방식으로 특정된 Sn을 둘러싸는 직사각형을 Rectangular Target(RT)라고 한다. 결국 Covered는 (UP/RT)*100 의 값을 나타낸다.
시뮬레이션 데이터는 이러한 전제와 수치를 기준으로 측정하였으나, 조명 장치의 용도, 설치 높이, 입력전압, 출력광도등에 따라서 요구되는 FTE값, Covered 및 효율적인 형상은 달라질 수 있다. 예를 들어, 시뮬레이션에서 사용한 수치는 예시적인 것이므로 이외에도 FTE Calculator에서 Unshielded 타입을 기준으로 측정할 수도 있고, 요구되는 FTE 값도 37, 48, 70등 다른 수치가 될 수도 있다.
이제, 각 실험례의 입사면(S1) 및 출사면(S2)의 형상을 특정하고, 각 실험례에 대하여 FTE Calculator를 사용하여 도출된 각종 데이터, 각 실험례의 개별렌즈부(147)를 통해 출사되는 광경로, 각 실험례의 개별렌즈부(147)를 포함하는 렌즈(140)를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포도, 각 실험례의 개별렌즈부(147)를 포함하는 렌즈(140)를 포함한 조명 유닛에 의한 조도분포도를 검토한다. 단, <수학식 2>의 Cj 값은 실질적으로 입사면(S1) 및 출사면(S2)의 형상을 정의하는데 의미가 있는 값만을 선택하였고, 따라서 <수학식 2>의 우변의 두번째 항은 최대 10가지 값에 대하여 합산하였다.
실험례 1은 입사면(S1)에서 D1은 3.7mm, k는 0, r1은 1.85mm, 표면 형상은 구면이다. 출사면(S2)에서 D2는 8.2596mm, k는 1, r2는 6.08mm, 표면 형상은 XY Polynomial, x2 y0 일 때 C2 는 -0.11558, x0 y2 일 때 C2 는 -0.024964, x4 y0 일 때 C4 는 0.008351, x0 y4 일 때 C4 는 -0.0004, x6 y0 일 때 C6 은 -8.83e-5, x0 y6 일 때 C6 은 1.04e-4, x8 y0 일 때 C8 은 -8.40e-6 ,x0 y8 일 때 C8 은 -2.49e-5 , x10 y0 일 때 C10 은 -1.38e-8 , x0 y10 일 때 C10 은 2.35e- 7 이다. 실험례 1은 이러한 입사면(S1)과 출사면(S2)을 만족하는 개별렌즈부(147)에 대한 실험례이고, 이때 Covered는 82%, FTE(lm/W)는 53, FTE(Rectangular Target)의 Forward는 2.7, Sideward는 2.7, Backward는 2.7 이고, FTE(Uniform Target)은 Forward는 2.1, Sideward는 2.1, Backward는 2.1이 되었다.
또한, 도 21은 실험례 1의 개별렌즈부(147)를 통해 출사되는 광경로를 나타낸 도면이고, 도 22는 실험례 1의 개별렌즈부(147)를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포도이고, 도 23은 실험례 1의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 조도분포도이다. 도 22는 도 16에 비해서 공간상 광분포가 훨씬 원뿔형상에 가깝고, 도 23은 도 17에 비해서 훨씬 직사각형에 가까운 조도분포를 보이는 것을 알 수 있다.
실험례 2는 입사면(S1)에서 D1은 3.4mm, k는 0, r1은 1.65mm, 표면 형상은 XY Polynomial, x4 y0 일 때 C4 는 0.024906, x6 y0 일 때 C6 은 0.005506, x8 y0 일 때 C8 은 -0.00038 이다. 출사면(S2)에서 D2는 8.359682mm, k는 1, r2는 6.15mm, 표면 형상은 XY Polynomial, x2 y0 일 때 C2 는 -0.11462, x0 y2 일 때 C2 는 0.008828, x4 y0 일 때 C4 는 0.009039, x0 y4 일 때 C4 는 0.000118, x6 y0 일 때 C6 은 -1.15e-4, x0 y6 일 때 C6 은 2.24e-4, x8 y0 일 때 C8 은 -9.66e-6 ,x0 y8 일 때 C8 은 -1.61e-5, x10 y0 일 때 C10 은 -8.00e-9, x0 y10 일 때 C10 은 7.71e- 8 이다. 실험례 2는 이러한 입사면(S1)과 출사면(S2)을 만족하는 개별렌즈부(147)에 대한 실험례이고, 이때 Covered는 82%, FTE(lm/W)는 54, FTE(Rectangular Target)의 Forward는 3.0, Sideward는 3.1, Backward는 2.9 이고, FTE(Uniform Target)은 Forward는 2.3, Sideward는 2.3, Backward는 2.3이 되었다.
또한, 도 24는 실험례 1의 개별렌즈부(147)를 통해 출사되는 광경로를 나타낸 도면이고, 도 25은 실험례 1의 개별렌즈부(147)를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포도이고, 도 26은 실험례 1의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 조도분포도이다. 도 25는 도 16에 비해서 공간상 광분포가 훨씬 원뿔형상에 가깝고, 도 26은 도 17에 비해서 훨씬 직사각형에 가까운 조도분포를 보이는 것을 알 수 있다.
실험례 3은 입사면(S1)에서 D1은 16.03332mm, k는 0, r1은 1.683mm, 표면 형상은 XY Polynomial, x4 y0 일 때 C4 는 0.276122, x6 y0 일 때 C6 은 -0.04731, x8 y0 일 때 C8 은 0.003276 이다. 출사면(S2)에서 D2는 8mm, k는 1, r2는 5.89mm, 표면 형상은 XY Polynomial, x2 y0 일 때 C2 는 -0.06633, x0 y2 일 때 C2 는 0.054493, x4 y0 일 때 C4 는 0.005709, x0 y4 일 때 C4 는 0.001857, x6 y0 일 때 C6 은 -1.01e-5, x0 y6 일 때 C6 은 -2.42e-4, x8 y0 일 때 C8 은 -2.22e-5 ,x0 y8 일 때 C8 은 -3.53e-5, x10 y0 일 때 C10 은 6.84e-7, x0 y10 일 때 C10 은 1.26e- 이다. 실험례 3은 이러한 입사면(S1)과 출사면(S2)을 만족하는 개별렌즈부(147)에 대한 실험례이고, 이때 Covered는 85%, FTE(lm/W)는 53, FTE(Rectangular Target)의 Forward는 3.0, Sideward는 3.8, Backward는 2.9 이고, FTE(Uniform Target)은 Forward는 2.3, Sideward는 2.9, Backward는 2.3이 되었다.
또한, 도 27는 실험례 1의 개별렌즈부(147)를 통해 출사되는 광경로를 나타낸 도면이고, 도 28은 실험례 1의 개별렌즈부(147)를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포도이고, 도 29은 실험례 1의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 조도분포도이다. 도 28은 도 16에 비해서 공간상 광분포가 훨씬 원뿔형상에 가깝고, 도 29는 도 17에 비해서 훨씬 직사각형에 가까운 조도분포를 보이는 것을 알 수 있다.
실험례 4는 입사면(S1)에서 D1은 16.033mm, k는 0, r1은 1.683mm, 표면 형상은 XY Polynomial, x4 y0 일 때 C4 는 0.276122, x6 y0 일 때 C6 는 -0.04731, x8 y0 일 때 C8 은 0.003276 이다. 출사면(S2)에서 D2는 8mm, k는 1, r2는 5.89mm, 표면 형상은 XY Polynomial에서 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 빼낸 형상이고, XY Polynomial에서 x2 y0 일 때 C2 는 -0.06633, x0 y2 일 때 C2 는 0.054493, x4 y0 일 때 C4 는 0.005709, x0 y4 일 때 C4 는 0.001857, x6 y0 일 때 C6 은 -1.01 e-5, x0 y6 일 때 C6 은 -2.42 e-4, x8 y0 일 때 C8 은 -2.22e-5 ,x0 y8 일 때 C8 은 -3.53e-5 , x10 y0 일 때 C10 은 6.84e-7, x0 y10 일 때 C10 은 1.26e-6 이며, 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 XZ평면으로 자른 단면은 도 31의 형상이고, Z축의 각 눈금은 0.2133mm를 나타내고, 따라서 Z가 0일 때 X는 0.1mm이고, Z가 1.92일 때 X는 3.8108mm이며, Z축 눈금은 등간격이고, 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 YZ평면으로 자른 단면은 도 32의 형상이고, Z축의 각 눈금은 0.2133mm를 나타내고, 따라서 Z가 0일 때 Y는 3.3566 mm이고, Z가 1.92일 때 Y는 8.9592mm이며, Z축 눈금은 등간격이다. 실험례 4는 이러한 입사면(S1)과 출사면(S2)을 만족하는 개별렌즈부(147)에 대한 실험례이고, 이때 Covered는 85%, FTE(lm/W)는 53, FTE(Rectangular Target)의 Forward는 3.2, Sideward는 3.9, Backward는 3.1 이고, FTE(Uniform Target)은 Forward는 2.5, Sideward는 3.0, Backward는 2.4가 되었다.
또한, 도 30는 실험례 4의 개별렌즈부(147)를 통해 출사되는 광경로를 나타낸 도면이고, 도 33은 실험례 4의 개별렌즈부(147)를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포도이고, 도 34는 실험례 7의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 조도분포도이다. 도 33은 도 16에 비해서 공간상 광분포가 훨씬 원뿔형상에 가깝고, 도 34는 도 17에 비해서 훨씬 직사각형에 가까운 조도분포를 보이는 것을 알 수 있다.
실험례 5는 입사면(S1)에서 D1은 16.033mm, k는 0, r1은 1.683mm, 표면 형상은 XY Polynomial, x4 y0 일 때 C4 는 0.276122, x6 y0 일 때 C6 는 -0.04731, x8 y0 일 때 C8 은 0.003276 이다. 출사면(S2)에서 D2는 8mm, k는 1, r2는 5.89mm, 표면 형상은 XY Polynomial에서 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 빼낸 형상이고, XY Polynomial에서 x2 y0 일 때 C2 는 -0.06633, x0 y2 일 때 C2 는 0.054493, x4 y0 일 때 C4 는 0.005709, x0 y4 일 때 C4 는 0.001857, x6 y0 일 때 C6 은 -1.01 e-5, x0 y6 일 때 C6 은 -2.42 e-4, x8 y0 일 때 C8 은 -2.22e-5 ,x0 y8 일 때 C8 은 -3.53e-5 , x10 y0 일 때 C10 은 6.84e-7, x0 y10 일 때 C10 은 1.26e-6 이며, 베지어(Bezier)곡선으로 형성한 입체를 XZ평면으로 자른 단면과 YZ평면으로 자른 단면은 모두 도 36의 형상이고, Z축의 각 눈금은 0.22969mm를 나타내고, 따라서 Z가 0일 때 X는 0.051060mm이고, Z가 2.0672일 때 X는 4.1966mm이며, Z축 눈금은 등간격이다. 실험례 5는 이러한 입사면(S1)과 출사면(S2)을 만족하는 개별렌즈부(147)에 대한 실험례이고, 이때 Covered는 89%, FTE(lm/W)는 58, FTE(Rectangular Target)의 Forward는 3.1, Sideward는 3.8, Backward는 3.1 이고, FTE(Uniform Target)은 Forward는 2.5, Sideward는 3.1, Backward는 2.6이 되었다.
또한, 도 35는 실험례 5의 개별렌즈부(147)를 통해 출사되는 광경로를 나타낸 도면이고, 도 37은 실험례 5의 개별렌즈부(147)를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포도이고, 도 38는 실험례 5의 개별렌즈부를 포함하는 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 조도분포도이다. 도 37은 도 16에 비해서 공간상 광분포가 훨씬 원뿔형상에 가깝고, 도 38는 도 17에 비해서 훨씬 직사각형에 가까운 조도분포를 보이는 것을 알 수 있다.
이러한 실험례를 표로 나타내면 다음의 <표 1>과 같다.
최대조도의 10% 영역의 X축 방향의 최소폭(m) 최대조도의 10% 영역의 Y축 방향의 최대폭(m) FTE(Rectangular Target) FTE(Uniform Rectangle)
Forward Sideward Backward Covered(%) Forward Sideward Backward
1 18 23 2.7 2.7 2.7 82 2.1 2.1 2.1
2 18 24 3.0 3.1 2.9 82 2.3 2.3 2.3
3 22 29 3.0 3.8 2.9 85 2.3 2.9 2.3
4 23 31 3.2 3.9 3.1 85 2.5 3.0 2.4
5 24 31 3.1 3.8 3.1 89 2.5 3.1 2.6
이상의 실험례에서는 개별렌즈부(147)에 대한 실험데이터를 나타냈으나, 도 3 내지 도 6과 같이 발광부(101)의 기판(110)상에 LED(120)가 배열되고, 발광부(101) 상에 복수의 개별렌즈부(147)를 포함하는 렌즈가 배열되는 조명 유닛(100)에 대한 실험데이터도 실험레 1 내지 7의 데이터와 의미있는 차이를 보이지 않는다. 따라서 실험례 1 내지 5를 포괄하는 본 실시예의 조명 유닛(100)은 도 16과는 달리 대체적으로 원뿔 형상의 공간상 광분포를 보이는 것을 확인할 수 있으며, 또한 도 17과는 달리 정사각형에 가까운 조도분포를 보이는 것을 알 수 있다.
그리고, 위의 실험례 중에서 가장 효율적인 경우는 실험례 5이다. 실험례 5에서 FTE(Rectangular Target)의 Forward는 3.1, Sideward 는 3.8, Backward는 3.1로 실험례 4보다 근소하게 작지만 상당히 큰 수치를 보이고, FTE(Uniform Target)의 Forward는 2.5, Sideward 는 3.1, Backward 는 2.6으로 가장 큰 수치를 보이고, Covered는 89%로 가장 높은 수치이고, FTE(lm/W)도 58로 에너지스타 기준을 만족할 뿐만 아니라 가장 높은 수치를 갖고 있다. 따라서 실험례 5에 해당하는 수치를 갖는 렌즈(140)를 사용하는 것이 바람직할 것이다.
그러나, 렌즈(140)의 효율을 평가하는 기준은 이상에서 검토한 것과 같이 Forward, Backward, Sideward의 폭, Covered, FTE(lm/W)값등 여러가지가 있으며, 실험례 5가 모든 기준에서 절대적인 우위를 보이는 것은 아니라는 것도 발견할 수 있다. 따라서 실제 조명 장치가 사용될 때는 Forward, Backward, Sideward의 폭, Covered, FTE(lm/W)값 중에서 어느 한 기준이 특히 더 중요할 수 있으며, 이러한 경우에는 실험례 5 이외의 다른 실험례 또는 이상에서 명시된 실험례 1 내지 실험례 5 이외의 렌즈(140)가 더 우수한 효율을 보일 수 있다
< 조명 유닛(100) 다양한 변형례>
도 39는 제 2실시예에 따른 조명 유닛(100A)을 나타낸 측 단면도이다. 제 2실시예를 설명함에 있어서, 제 1실시예와 동일한 부분에 대해서는 제 1실시예를 참조하며 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 39를 참조하면, 조명 유닛(100A)은 발광부(101), 렌즈(140), 갭부재(130)를 포함한다. 갭부재(130)는 에폭시 또는 실리콘 수지 재질을 사용하고 고리 형태로 형성될 수 있으며, 발광부(101)의 기판(110) 상면의 가장자리와 접촉하고, 렌즈(140)의 엣지(144)의 하면과 접촉한다. 따라서 기판(110)과 렌즈(140)의 사이에 위치하게 되고, 기판(110)과 렌즈(140) 사이를 일정 간격(G1)으로 이격시켜 준다. 갭부재(130)에 의해 형성되는 공간(105)은 발광부(101)의 LED(120)의 광 지향 분포를 개선시켜 줄 수 있다.
한편, 갭부재(130)에는 필요시 형광체가 첨가될 수 있다. 또한 발광부(101)의 기판(110) 상면에는 기판(110)으로 진행하는 광을 반사시켜 주기 위해 반사 물질이 코팅될 수 있다.
도 40은 제 3실시예에 따른 조명 유닛(100B)을 나타낸 측 단면도이다. 제 3실시예를 설명함에 있어서, 제 1실시예와 동일한 부분에 대해서는 제 1실시예를 참조하며, 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 40을 참조하면, 조명 유닛(100B)은 발광부(101)쪽을 향해 아래 방향으로 돌출된 렌즈(140)의 엣지(144A)가 갭부재(130)를 대신하게 된다. 렌즈(140)의 엣지(144A)는 발광부(101)의 기판(110)의 상면 가장자리와 접촉하여 배치될 수 있으며, 또는 발광부(101)의 기판(110)의 상면 가장자리 및 기판(110)의 외주면에 모두 접촉하여 배치될 수 있다.
렌즈(140)의 엣지(144A)는 발광부(101)의 기판(110)과 렌즈(140) 사이를 일정 간격(G1)으로 이격시켜 준다.
발광부(101)과 렌즈(140) 사이의 공간(105)에는 실리콘 또는 에폭시와 같은 수지물이 채워질 수 있으며, 수지물에는 형광체가 첨가될 수 있다.
발광부(101)의 기판(110)은 렌즈(140)의 엣지(144A) 아래에 배치되며, 렌즈 엣지(144A)가 입사면(S1)에 대해 단차진 형상이다. 다른 예로서, 기판(110)의 상면 외측 둘레에 돌기를 형성하여, 렌즈(140)와의 간격을 유지시켜 줄 수 있다.
도 41은 제 4실시예에 따른 조명 유닛(100C)을 나타낸 측 단면도이다. 제 4실시예를 설명함에 있어서, 1실시예와 동일한 부분에 대해서는 제 1실시예를 참조하며, 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 41을 참조하면, 조명 유닛(100C)의 발광부(101)의 기판(110) 상에 반사 플레이트(155)가 배치된다. 반사 플레이트(155)는 LED(120)를 가리지 않도록, LED 구멍(155A)을 갖고 기판(110)상에서 LED(120)가 노출된 이외의 영역을 덮도록 배치된다. 따라서, LED(120)로부터 방출된 광의 일부는 반사 플레이트(155)에 의해 반사될 수 있어, 반사 광량을 증가시켜 주며, 광 효율이 개선될 수 있다. 반드시 반사 플레이트(155)가 기판(110)과 별도의 부재일 필요는 없고, 상면의 반사율이 높은 기판(110)을 사용하여 기판(110)의 상면이 반사플레이트(155)를 대체할 수도 있다. 또한 반사 플레이트(155)의 상면에는 확산제가 도포될 수 있다.
기판(110)과 렌즈(140)의 엣지(144) 사이에는 갭부재(153)가 배치되어, 기판(110)과 렌즈(140) 사이는 일정 간격(G1)으로 이격된다. 갭부재(130)에 의해 형성되는 공간(105)은 발광부(101)의 LED(120)의 광 지향 분포를 개선시켜 줄 수 있다.
한편, 나머지 구성은 도 41의 제 4실시예와 같고, 제 4실시예의 갭부재(130) 대신 제 1실시예에서 설명한 갭부재(130)를 사용하는 제 5실시예(미도시)도 있다. 제 5실시예에서는, 제 1실시예에서 설명한 갭부재(130)가 갖는 효과와 동일하게 내전압 특성과 광 효율을 모두 향상시키며, 또한, 제 4실시예에서 사용된 반사 플레이트(155)가 사용되므로 광효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 조명 유닛
101 : 발광부
130 : 갭부재
140 : 렌즈
147 : 개별렌즈부
S1 : 입사면
S2 : 출사면

Claims (8)

  1. 각각 입사면과 출사면을 갖는 복수의 개별렌즈부; 및
    상기 복수의 개별렌즈부가 배열되는 렌즈베이스;를 포함하며,
    상기 출사면의 형상은 XY Polynomial 표면이고,
    상기 출사면의 중심부는 상기 XY Polynomial 표면에서 베지어(Bezier) 곡선으로 형성된 입체를 빼낸 오목한 형상을 갖고,
    상기 베지어 곡선으로 형성된 입체를 상기 입사면과 상기 출사면의 중심을 통과하는 광축 방향에서 바라본 형상은 직사각형이고,
    상기 출사면을 통하여 출사되는 광의 조사면에서의 조도분포가 근사 직사각형인, 렌즈.
  2. 각각 입사면과 출사면을 갖는 복수의 개별렌즈부; 및
    상기 복수의 개별렌즈부가 배열되는 렌즈베이스;를 포함하며,
    상기 출사면은 다음의 <수학식 2>를 만족하는 표면에서 다음의 베지어(Bezier)곡선 1 및 2로 형성된 입체를 빼낸 오목한 형상을 갖고,
    상기 베지어 곡선으로 형성된 입체를 상기 입사면과 상기 출사면의 중심을 통과하는 광축 방향에서 바라본 형상은 직사각형인, 렌즈.
    <수학식 2>
    Figure 112016070502588-pat00057

    여기서,
    Figure 112016070502588-pat00058
    , z는 렌즈베이스에서 출사면까지의 높이, D는 출사면의 폭, r은 출사면의 곡률반경, k는 원추계수(conic constant), Cj는 xm yn 의 계수값. 단, j=((m+n)2 +m+3n)/2+1, D는 상기 입사면의 폭 또는 상기 출사면의 폭, r은 상기 입사면의 곡률반경 또는 상기 출사면의 곡률반경이며, m+n≤10
    <Bezier 곡선 1>
    Figure 112016070502588-pat00059

    단, 상기 베지어(Bezier)곡선 1은 베지어(Bezier)곡선 1 및 2를 만족하는 오목부를 XZ평면으로 자른 단면의 형상.
    <Bezier 곡선 2>
    Figure 112016070502588-pat00012

    단, 상기 베지어(Bezier)곡선 2는 베지어(Bezier)곡선 1 및 2를 만족하는 오목부를 YZ평면으로 자른 단면의 형상.
  3. 각각 입사면과 출사면을 갖는 복수의 개별렌즈부; 및
    상기 복수의 개별렌즈부가 배열되는 렌즈베이스;를 포함하며,
    상기 출사면은 다음의 <수학식 2>를 만족하는 표면에서 다음의 베지어(Bezier)곡선으로 형성된 입체를 빼낸 오목한 형상을 갖고,
    상기 베지어 곡선으로 형성된 입체를 상기 입사면과 상기 출사면의 중심을 통과하는 광축 방향에서 바라본 형상은 직사각형인, 렌즈.
    <수학식 2>
    Figure 112016070502588-pat00060

    여기서,
    Figure 112016070502588-pat00061
    , z는 렌즈베이스에서 출사면까지의 높이, D는 출사면의 폭, r은 출사면의 곡률반경, k는 원추계수(conic constant), Cj는 xm yn 의 계수값. 단, j=((m+n)2 +m+3n)/2+1, D는 상기 입사면의 폭 또는 상기 출사면의 폭, r은 상기 입사면의 곡률반경 또는 상기 출사면의 곡률반경이며, m+n≤10
    <Bezier 곡선>
    Figure 112016070502588-pat00015

    단, 상기 베지어(Bezier)곡선은 상기 베지어(Bezier)곡선을 만족하는 오목부를 XZ평면으로 자른 단면과 YZ평면으로 자른 단면의 형상.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사면은 상기 출사면 방향으로 오목한, 렌즈.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사면은 구면 또는 비구면인, 렌즈.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사면은 XY Polynomial 표면인, 렌즈.
  7. 삭제
  8. 삭제
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