KR101737321B1 - 집광 조명장치 - Google Patents

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Abstract

집광 조명장치에 관한 발명이 개시된다. 개시된 집광 조명장치는: 광원과 반사부재로 이루어지는 제1배열부 및 광원과 반사부재로 이루어지고, 제1배열부의 외측으로 n번째 배열되며, 제1배열부와 동일 초점을 갖는 제n배열부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

집광 조명장치{CONDENSING LIGHTING DEVICE}
본 발명은 집광 조명장치에 관한 것으로서, 복수의 광원의 빛을 하나의 초점으로 모을 수 있어 총 광량이 높고, 예열시간없이 즉시 가동될 수 있으며, 긴 수명을 갖는 집광 조명장치에 관한 것이다.
종래의 가로등 또는 보안등 등은 주로 수은등이나 나트륨등을 광원으로 사용하여 조명을 하게 함으로써 밝기에 비하여 에너지 소비가 크다는 문제점과 수명이 짧아 시간경과에 따라 광량이 급격하게 저하되어 주기적인 관리가 필요하게 되었다.
특히 위에 열거한 등은 수은가스를 이용하고 있으므로 폐기시 환경오염의 원인으로 작용하는 문제점을 갖고 있었다. 최근에는, 발광 다이오드(LED)를 이용한 조명장치의 개발이 시도되고 있었으나, 효과적으로 이용되지 못하고 있다.
통상적인 전구를 이용한 램프와 마찬가지로, LED램프 역시 발광하는 LED의 후면부에 반사경을 설치하여 외부로 조사되는 빛의 지향성을 높이는 구조가 일반적으로 사용되고 있으며, 이에 더해 LED의 전방에 렌즈를 구비하여 빛의 집중도를 높이는 방식도 사용되고 있다.
이러한 종래의 LED램프는 LED 보호를 위해 투광커버 전체를 볼록렌즈 형태로 하거나 LED의 위치 및 배열과 무관하게 배열된 다수의 렌즈가 요철 형성된 구조로 이루어졌기 때문에, 빛의 집중도가 떨어지고, 제조비용 및 제품 소형화 면에서도 불리한 문제점이 있었다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제2006-0102796호 (2006.09.28., 발명의 명칭 : 고휘도 발광 다이오드를 이용한 조명장치) 가 있다.
본 발명의 목적은 복수의 광원의 빛을 하나의 초점으로 모을 수 있어 총 광량이 높고, 예열시간없이 즉시 가동될 수 있으며, 긴 수명을 갖는 집광 조명장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 집광 조명장치는: 광원과 반사부재로 이루어지는 제1배열부 및 광원과 반사부재로 이루어지고, 상기 제1배열부의 외측으로 n번째 배열되며, 상기 제1배열부와 동일 초점을 갖는 제n배열부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제n배열부는 상기 제1배열부의 중심축을 동축으로 하는 원주방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1배열부의 반사부재는 상기 제1배열부의 광원을 중심으로 회전 대칭형상으로 형성되고, 상기 제n배열부의 반사부재는 상기 제n배열부의 광원을 중심으로 회전 비대칭형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제n배열부 광원들은 상기 제n배열부에 위치한 이웃 광원과 사잇각 θn간격으로 배치될 때, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015028405076-pat00001
또한, 상기 반사부재가 xy평면에 있다고 할 때, 상기 제1배열부의 광원을 원점이라 하고, 상기 제n배열부에 위치한 임의의 광원과 y축이 이루는 각을 an 이라 하며, 상기 원점과 상기 제n배열부에 위치한 임의의 광원간의 거리를 hn이라 하고, 상기 제n배열부 중 y축 선상에 있는 광원과 상기 원점간의 거리를 Dn이라 했을 때, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015028405076-pat00002
또한, 상기 반사부재의 반경을 r, 상기 제1배열부의 광원을 원점이라 하고, 상기 원점과 상기 제n배열부에 위치한 임의의 광원간의 거리를 hn이라 했을 때, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015028405076-pat00003
또한, 상기 제1배열부의 광원의 수량을 L1, 상기 제n배열부의 광원의 수량을 Ln 이라 했을 때, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015028405076-pat00004
또한, 상기 제n배열부 광원의 중심축과, 상기 제n배열부의 광원과 대응되는 반사부재의 중심축 사이의 각도를 θ, 상기 제1배열부 광원의 빛이 초점을 맺는 집광면까지의 거리를 d, 상기 제1배열부의 광원과 상기 제n배열부의 광원의 거리를 hn이라고 하면, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015028405076-pat00005
또한, 상기 제1배열부 반사부재의 중심축을 x축이라 하고, x축에 수직한 축을 y축이라고 할 때, y축의 최대값을 b, 상기 제1배열부 광원과 상기 제1배열부 반사부재의 원점간의 거리를 a, 상기 제1배열부 광원의 빛이 초점 맺는 집광면까지의 거리를 2c라 했을 때, 다음 두 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015028405076-pat00006
본 발명에 따른 집광 조명장치는 광원을 LED로 하여 예열시간없이 즉시 가동될 수 있다.
또한 본 발명은 수명을 길게 할 수 있으며, 각 배열부에 구비되는 복수의 광원의 빛이 하나의 초점으로 모일 수 있게 하여 총 광량이 높은 조명장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 포커싱을 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 반사부재 구성조건을 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 배열을 보인 도면이다
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 배열조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 배열조건 만족여부를 보인 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 반사부재 틸트조건을 보인 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 반사부재를 보인 정면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 반사부재를 보인 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 집광 조명장치의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 포커싱을 보인 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 반사부재 구성조건을 보인 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 배열을 보인 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 배열조건을 설명하기 위한 도면이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 배열조건 만족여부를 보인 도면이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 반사부재 틸트조건을 보인 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 반사부재를 보인 정면도이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치의 반사부재를 보인 측단면도이다.
도 1 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치(100)는 제1배열부(110) 및 제n배열부(120)를 포함한다.
제1배열부(110)는 광원(L)과 반사부재(R)로 이루어지며, 정중앙에 위치된다. 제n배열부(120)는 제1배열부와 같이 광원(L)과 반사부재(R)로 이루어지고, 제1배열부(110)의 외측으로 n번째 배열되며, 제1배열부(110)의 초점과 같은 초점을 갖는다. 제n배열부(120)는 제1배열부(110)의 중심축을 동축으로 하는 원주방향으로 배열된다. 보다 자세하게, 도 1에서 도시된 바와 같이 본 실시예의 제n배열부(120)는 제1배열부(110)의 중심축을 중심으로 링형상으로 배열된다.
여기서, 제n배열부(120)는 제1배열부(110)의 외측 둘레에 점진적으로 형성되는 2, 3, 4,...n번째 배열되는 배열부를 의미하는 것으로, 본 실시예에 따른 조명장치(100)는 제1배열부(110)와 동축을 갖는 링 형상의 배열부가 2개 이상 배열된 구조를 갖는다.
본 실시예에서는 도 1에서 도시된 바와 같이 제n배열부(120)가 제1배열부(110)의 외측에 배치되는 제2배열부(120)와, 제2배열부(120)의 외측에 배치되는 제3배열부(120)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다. 여기서, 설명의 편의를 위해 제2배열부(120)와 제3배열부(120)는 동일한 도면부호로 인용하지만, 첨부된 도면 등을 보면 두 개의 배열부는 각각 외측으로 연이어 배치되어 있음을 알 수 있다. 또한, 본 실시예에서 제n배열부(120)는, 제1배열부(110)의 외측에 배치되는 제2배열부(120)와, 제2배열부(120)의 외측에 배치되는 제3배열부(120)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 제3배열부(120)의 외측에 배치되는 제4, 제5, 제6배열부 등을 더 구비할 수도 있는 등 다양한 변형 실시가 가능하다.
제1배열부(110)의 반사부재(R)는 광원(L)을 중심으로 회전 대칭형상으로 형성되며, 제n배열부(120)의 반사부재(R)는 광원(L)을 중심으로 회전 비대칭형상으로 형성된다. 본 실시예에서 광원(L)은 LED를 포함한다. 이처럼 본 실시예에서는 제1배열부(110)를 중심으로 제n배열부(120)에 복수의 광원(L)이 배치됨으로써, 밝은 조명을 구현할 수 있다.
제1배열부(110)의 반사부재(R)는 중심축이 제1배열부(110) 광원(L)의 중심축과 동일하고, 제n배열부(120)의 반사부재(R)는 중심축이 제n배열부(120) 광원(L)의 중심축과 틸트되게 형성된다. 즉, 제n배열부(120)의 반사부재(R)가 광원(L)의 중심축을 중심으로 틸트됨으로써, 제1배열부(110)의 광원(L)과 같은 초점으로 집광될 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 조명장치(100)의 배열조건을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 본 실시예에 따른 조명장치(100)는 중앙에 제1배열부(110)가 구비되고, 제1배열부(110)를 중심으로 제1배열부(110)의 주변에 6각형 배열로 배열된다. 이는 단위면적당 많은 광원(L)을 배치할 수 있는 구조이다.
도 5에서 도시된 바와 같이 제n배열부(120) 광원(L)들은 제n배열부(120)에 위치한 이웃 광원(L)과 사잇각 θn간격으로 배치될 때, 다음 식을 만족하여야 한다.
Figure 112015028405076-pat00007
이는 도 6에서 도시된 바와 같이 θn에 대한 조건이 성립할 경우, 육각 형상으로 배열되지만, 불성립할 경우, 중첩영역이 늘어나며 이는 반사부재(R)의 많은 부분이 잘려나간다는 것과 동시에 빈 공간이 많아짐을 의미하며, 이로 인해 효율 저하가 발생된다.
도 5에서 도시된 바와 같이 반사부재(R)가 xy평면에 있다고 할 때, 제n배열부(120)에 위치한 임의의 광원(L)과 y축이 이루는 각을 an이라 하며, 원점과 제n배열부(120)에 위치한 임의의 광원(L)간의 거리를 hn이라 하고, 제n배열부(120) 중 y축 선상에 있는 광원(L)과 원점간의 거리를 Dn이라 했을 때, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015028405076-pat00008
이는 an 의 변화로 인해 hn 에 대한 조건이 성립할 경우, 육각 형상으로 배열되지만, 불성립할 경우 배열 형상이 무너져 빈 공간이 증가한다. 이로 인해 단위 면적 당 배치 가능한 광원(L) 수량이 줄어들어 조명의 밝기 또한 감소된다.
또한, 도 5에서 도시된 바와 같이 반사부재(R)의 반경을 r, 제1배열부(110)의 광원(L)을 원점이라 하고, 원점과 제n배열부(120)에 위치한 임의의 광원(L)간의 거리를 hn이라 했을 때, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015028405076-pat00009
여기서, r> h(n+1) -hn 일 경우, 반사부재(R)간의 중첩 영역이 너무 넓어, 반사부재(R)의 많은 부분이 잘려나가 광 효율 저하가 크게 발생하며, h(n+1) -hn >2.5r일 경우, 반사부재(R)간의 간격이 넓어져 빈 공간이 증가함으로써, 단위 면적당 광원(L) 배치 수량이 감소하여 조명 밝기가 저하된다.
본 실시예에 따른 조명장치(100)는 각 배열부의 광원(L) 수량이 정해져 빈 공간이 최소화되는 조명장치(100)를 제공할 수 있다. 제1배열부(110)의 광원(L)의 수량을 L1, 제n배열부(120)의 광원(L)의 수량을 Ln, 이라 했을 때, 다음 식을 만족하여야 한다.
Figure 112015028405076-pat00010
조명장치(100)는 각각의 반사부재(R)의 형상에 의해 각각의 광원(L)에서 발생하는 빛이 한 초점으로 집광될 수 있다. 이는 도 9에서 도시된 바와 같이 제n배열부(120) 광원(L)의 중심축과 제n배열부(120)의 광원(L)과 대응되는 반사부재(R)의 중심축 사이 각도를 θ, 제1배열부(110) 광원(L)의 빛이 초점을 맺는 집광면까지의 거리를 d, 제1배열부(110)의 광원(L)과 제n배열부(120)의 광원(L)의 거리를 hn이라고 하면, 다음 식을 만족한다.
Figure 112015028405076-pat00011
이와 같이 제n배열부(120)의 반사부재(R)는 각각 제1배열부(110)의 광원(L)의 초점과 같은 초점으로 빛이 집광되도록 틸트되어 형성됨으로써, 다수의 광원(L)을 이용한 높은 집광 효율이 가능하다.
도 3에서 도시된 바와 같이 제1배열부(110) 반사부재(R)의 중심축을 x축이라 하고, x축에 수직한 축을 y축이라고 할 때, y축의 최대값을 b, 제1배열부(110) 광원(L)과 제1배열부(110) 반사부재의 원점간의 거리를 a, 제1배열부(110) 광원(L)의 빛이 초점 맺는 집광면까지의 거리를 2c라 했을 때, 다음 두 식을 만족한다.
Figure 112015028405076-pat00012
도 10은 반사부재(R)를 보인 정면도이고, 도 11은 반사부재(R)를 보인 측단면도이다. 도10과 도 11에서 도시된 바와 같이 각 배열부의 반사부재(R)는 하나의 부품으로 일체로 형성되며, 조립성을 향상시키기 위해 반사부재(R)의 가장자리에는 결속부재가 구비된다. 그리고, 반사부재(R)은 반사율 증가를 위해 표면에 도금 또는 코팅이 형성된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 조명장치에 의하면, 광원을 LED로 하여 예열시간없이 즉시 가동될 수 있으며, 긴 수명을 갖고, 각 배열부에 구비되는 복수의 광원의 빛이 하나의 초점으로 모일 수 있게 하여 총 광량이 높은 조명장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 집광 조명장치 110 : 제1배열부
120 : 제n배열부 L : 광원
R : 반사부재

Claims (9)

  1. 광원과 반사부재로 이루어지는 제1배열부; 및
    광원과 반사부재로 이루어지고, 상기 제1배열부의 외측으로 n번째 배열되며, 상기 제1배열부와 동일 초점을 갖는 제n배열부를 포함하고;
    상기 제n배열부의 광원들은 상기 제n배열부에 위치한 이웃 광원과 사잇각 θn간격으로 배치될 때, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 집광 조명장치.
    Figure 112016101646650-pat00030
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제n배열부는 상기 제1배열부의 중심축을 동축으로 하는 원주방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 집광 조명장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1배열부의 반사부재는 상기 제1배열부의 광원을 중심으로 회전 대칭형상으로 형성되고;
    상기 제n배열부의 반사부재는 상기 제n배열부의 광원을 중심으로 회전 비대칭형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 집광 조명장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 반사부재가 xy평면에 있다고 할 때, 상기 제1배열부의 광원을 원점이라 하고, 상기 제n배열부에 위치한 임의의 광원과 y축이 이루는 각을 an 이라 하며, 상기 원점과 상기 제n배열부에 위치한 임의의 광원간의 거리를 hn이라 하고, 상기 제n배열부 중 y축 선상에 있는 광원과 상기 원점간의 거리를 Dn이라 했을 때, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 집광 조명장치.
    Figure 112016101646650-pat00014

  6. 제 1항에 있어서,
    상기 반사부재의 반경을 r, 상기 제1배열부의 광원을 원점이라 하고, 상기 원점과 상기 제n배열부에 위치한 임의의 광원간의 거리를 hn이라 했을 때, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 집광 조명장치.
    Figure 112015037829616-pat00015

  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1배열부의 광원의 수량을 L1, 상기 제n배열부의 광원의 수량을 Ln 이라 했을 때, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 집광 조명장치.
    Figure 112015037829616-pat00016

  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제n배열부의 광원의 중심축과, 상기 제n배열부의 광원과 대응되는 반사부재의 중심축 사이의 각도를 θ, 상기 제1배열부의 광원의 빛이 초점을 맺는 집광면까지의 거리를 d, 상기 제1배열부의 광원과 상기 제n배열부의 광원의 거리를 hn이라고 하면, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 집광 조명장치.
    Figure 112016101646650-pat00017

  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1배열부의 반사부재의 중심축을 x축이라 하고, x축에 수직한 축을 y축이라고 할 때, y축의 최대값을 b, 상기 제1배열부의 광원과 상기 제1배열부의 반사부재의 원점간의 거리를 a, 상기 제1배열부의 광원의 빛이 초점 맺는 집광면까지의 거리를 2c라 했을 때, 다음 두 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 집광 조명장치.
    Figure 112016101646650-pat00018
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