KR101829667B1 - 조도 제어 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사람의 시각으로 인지할 수 없으나 생체 일주기 리듬에 영향을 미치는 비시각적 조도 정보를 검출하고, 그에 따라 사용자 주변의 조도 환경을 제어할 수 있는 조도 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 조도 제어 장치는, 휴대단말기나 사용자가 착용 가능한 웨어러블 장치에 구비되는 조도 센서; 조도 센서에서 연산된 제2조도값을 이용하여 광원 장치로부터 출력되는 광의 조도를 제어하기 위한 조도제어정보를 생성하는 조도 제어부; 및 조도 제어부에서 생성된 조도제어정보에 따라 광원 장치로부터 출력되는 광의 조도를 조절하여 구동하는 조도 구동부를 포함한다.
본 발명에 따른 조도 제어 장치는, 휴대단말기나 사용자가 착용 가능한 웨어러블 장치에 구비되는 조도 센서; 조도 센서에서 연산된 제2조도값을 이용하여 광원 장치로부터 출력되는 광의 조도를 제어하기 위한 조도제어정보를 생성하는 조도 제어부; 및 조도 제어부에서 생성된 조도제어정보에 따라 광원 장치로부터 출력되는 광의 조도를 조절하여 구동하는 조도 구동부를 포함한다.
Description
본 발명은 조도 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사람의 시각으로 인지할 수 없으나 생체 일주기 리듬에 영향을 미치는 비시각적 조도 정보를 검출하고, 그에 따라 사용자 주변의 조도 환경을 제어할 수 있는 조도 제어 장치에 관한 것이다.
최근, 많은 바이오 및 의료 관련 연구 그룹은 인공 백색 조명에 의해 방출되는 광의 스펙트럼 프로파일이 생체의 일주기 리듬에 미친다고 보고하고 있다. 생체 일주기 리듬은 450 내지 470nm 주위의 단색(monochromatic) 청색광 인근에서 가장 민감하다. 이는 인공 백색 광원으로부터 방출되는 청색광이 멜라토닌을 억제하기 때문이다. 여기서, 멜라토닌은 항산화 및 항암 특성을 갖는 생물학적 화합물로서, 인간의 생체 리듬을 조절하는 중요한 요소 중 하나로 알려졌다. 예를 들어, 멜라토닌의 분비량이 증가하면, 생체 시계는 밤으로 판단하고, 반대로 멜라토닌의 분비량이 감소하면, 생체 시계는 낮으로 판단할 수 있다.
한편, 최근에는 청색 LED를 기반으로 형광체를 주입한 고효율 백색 LED 전등이 일상에 사용되고 있다. 이러한 고효율 백색 LED 전등은 청색 LED를 기반으로 제작되기 때문에 자연광에 비하여 청색이 더 많이 포함되어 있다. 이로 인해, 사용자가 밤에 실내에서 활동하기 위해 고효율 백색 LED 전등을 사용하는 경우, 자연광에 비해 더 많이 청색 빛에 노출됨으로써 인체 내부에서 멜라토닌 분비량이 증가하지 않게 되며, 이에 따라 사용자의 생체 일주기 리듬에 이상이 생기는 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 일 예로, 청색 광의 방출량을 조절할 수 있는 장치가 지속적으로 연구되고 있다. 하지만, 조명의 청색 광 방출량을 조절할 수 없는 경우에는 이러한 장치를 사용하기 어려울 뿐만 아니라, 설치된 조명의 개수가 증가할수록 설치 비용이 증가하는 등의 문제점이 존재한다.
한편, 종래의 생체 일주기 리듬에 따른 조명의 조도를 제어하는 기술의 일 예로서, 공개특허 제10-2015-0138385호에 따른 일주기성 신경내분비 기능을 보호하기 위한 조명 시스템이 있다. 상기 공개특허는 종래의 LED와 상이한 스펙트럼 부분을 증가시키는 것으로서, 원치 않는 파장 부분을 노치 필터에 의해 감쇠시킨 백생광을 제공한다. 즉, 상기 공개특허는 낮엔 필터링되지 않은 광을 제공하고 밤엔 필터링된 광을 제공한다. 구체적으로, 상기 공개특허는 자색, 청색, 녹색, 황색, 적색 파장에 대한 개별 파장 LED칩들을 사용하는 조명에서 밤시간에는 청색 LED를 오프시키고, 색상을 보상하기 위하여 자색 LED칩의 스팩트럼을 높이는 구성을 포함한다.
하지만, 상기와 같은 종래기술은 '조명'에만 적용할 수 있을 뿐이고, 스마트폰이나 텔레비전, 모니터 등의 LED 광원을 이용하는 기타 장치에 적용하기 어려운 문제점이 존재한다. 특히, 생체 일주기 리듬은 단순히 낮과 밤으로만 구분되지 않고 시간에 따라 변화되는 특성이 있으므로, 상기 종래기술은 이와 같은 특성을 반영하지 못한 문제점이 존재한다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여, 사용자의 생체 일주기 리듬에 영향을 주는 비시각적 조도 정보를 물리적으로 측정할 수 있는 할 수 있는 조도 제어 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 하루를 낮과 밤으로 이분하지 않고, 시간대별로 생체 일주기 리듬에 따라 조명을 제어할 수 있는 조도 제어 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 사용자의 생체 일주기 리듬과, 사용자 주변의 광의 시각적 조도 및 컬러 품질을 최적화할 수 있도록, 사용자 주변의 광원을 조절하는 조도 제어 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 조명뿐만 아니라, LED를 광원으로 사용하는 디스플레이 장치 등에도 적용 가능한 조도 제어 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 센서는, 광에 대한 시각적 조도 정보인 제1조도값과, 생체 일주기 리듬에 영향을 주는 비시각적 조도 정보인 제2조도값을 각각 측정하는 조도 센서로서, (1) 입사광으로부터 제1조도값을 검출하는 조도 검출부, (2) 제1조도값을 제2조도값으로 변환하기 위한 변환계수값과, 제1조도값과 제2조도값의 상관관계정보를 각각 저장한 센서 저장부, (3) 제1조도값, 변환계수값 및 상관관계정보를 이용하여 제2조도값을 연산하는 조도 연산부를 포함한다.
이때, 상기 변환계수값은, (1) 생체 일주기 리듬의 작용을 나타내는 제1계수값, (2) 일주기 복사의 효능을 나타내는 제2계수값, (3) 복사 발광의 효능을 나타내는 제3계수값 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 상관관계정보는 하기의 [제1식] 또는 [제2식]에 대한 정보를 포함할 수 있다.
[제1식]
(제2조도값) = (제1조도값) X (제1계수값)
[제2식]
(제2조도값) = [(제2계수값) / (제3계수값)] X (제1조도값)
한편, 상기 제2계수값은 하기의 [제3식]에 의해 결정될 수 있다.
[제3식]
(Kc: 제2계수값, Kc,max: 최대 스펙트럼 일주기 효능값, S(λ): 광원의 복사속, C(λ): 일주기 스펙트럼 효율 함수)
또한, 상기 제3계수값은 하기의 [제4식]에 의해 결정될 수 있다.
[제4식]
(K: 제3계수값, Kmax: 최대 스펙트럼 발광 효능값, S(λ): 광원의 복사속, V(λ): CIE 스펙트럼 효율 함수)
본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치는, (1) 휴대단말기나 사용자가 착용 가능한 웨어러블 장치에 구비되며, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 조도 센서, (2) 조도 센서에서 연산된 제2조도값을 이용하여 광원 장치로부터 출력되는 광의 조도를 제어하기 위한 조도제어정보를 생성하는 조도 제어부, (3) 조도 제어부에서 생성된 조도제어정보에 따라 광원 장치로부터 출력되는 광의 조도를 조절하여 구동하는 조도 구동부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치는 조도 제어부로부터 생성된 조도제어정보를 조도 구동부와 송수신하는 제어 통신부를 더 포함할 수 있다.
한편, 조도 제어부는 광원 장치로부터 출력되는 광의 제1조도값과 제2조도값을 서로 독립적으로 조절하기 위한 조도제어정보를 생성한다.
특히, 조도 제어부는 제2조도값과 멜라토닌 억제지수값 사이의 대응관계에 대한 정보인 변환정보와, 조도 센서에서 연산된 제2조도값을 각각 이용하여 조도제어정보를 생성한다.
구체적으로, 상기 조도 제어부는, (1) 변환정보 및 멜라토닌 억제지수값에 대한 시간대별 설정값인 멜라토닌 억제지수 설정값을 각각 저장한 조도 저장부, (2) 조도 센서에서 연산된 제2조도값과 조도 저장부에 저장된 변환정보를 이용하여 조도 센서에서 연산된 제2조도값에 대한 멜라토닌 억제지수값인 멜라토닌 억제지수 계산값을 도출하고, 도출된 멜라토닌 억제지수 계산값과 조도 저장부에 저장된 멜라토닌 억제지수 설정값을 비교하여 멜라토닌 억제지수 비교값을 추출하며, 추출된 멜라토닌 억제지수 비교값을 이용하여 조도제어정보를 생성하는 조도 분석부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 조도 제어부는, (1) 제2조도값에 대한 시간대별 설정값인 일주기 조도 설정값을 저장한 조도 저장부, (2) 조도 센서에서 연산된 제2조도값과 조도 저장부에 저장된 일주기 조도 설정값의 비교하여 일주기 조도 비교값을 추출하고, 추출된 일주기 조도 비교값을 이용하여 조도제어정보를 생성하는 조도 분석부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 조도 제어부는 제1조도값 및 제2조도값을 이용하여 조도제어정보를 생성하되, (1) 제1조도값에 대한 시간대별 설정값인 시각 조도 설정값 및 제2조도값에 대한 시간대별 설정값인 일주기 조도 설정값을 각각 저장한 조도 저장부, (2) 조도 센서에서 검출된 제1조도값과 조도 저장부에 저장된 시각 조도 설정값을 비교하여 시각 조도 비교값을 추출하고, 조도 센서에서 연산된 제2조도값과 조도 저장부에 저장된 일주기 조도 설정값을 비교하여 일주기 조도 비교값을 추출하며, 추출된 시각 조도 비교값 및 일주기 조도 비교값을 이용하여 조도제어정보를 생성하는 조도 분석부를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 조도 제어 장치는 생체 일주기 리듬에 영향을 주는 비시각적 조도 정보를 계량한 조도값을 제공함으로써, 저비용으로 쉽게 사용자의 생체 일주기 리듬을 관리할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 조도 제어 장치는 비시각적 조도값을 조절하기 위한 제어 정보를 실시간으로 제공할 수 있으므로, 시간대별로 생체 일주기 리듬에 따라 조명을 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 조도 제어 장치는 발광 장치에서 출력되는 광의 시각적 조도값과 비시각적 조도값을 독립적으로 조절하는 제어 정보를 제공할 수 있으므로, 사용자의 생체 일주기 리듬과, 사용자 주변의 광의 시각적 조도 및 컬러 품질을 동시에 최적화할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명에 따른 조도 제어 장치는 조명 장치뿐만 아니라 LED를 광원으로 사용하는 디스플레이 장치 등에도 적용하여 사용자 주변 광의 조도를 생체 일주기 리듬에 맞게 조절할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 센서(10)의 블록 구성도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치(20)의 블록 구성도를 나타낸는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 센서(10)에서 광이 획득되는 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 제2조도값과 멜라토닌 억제지수(Melatonin Suppression Value ; MSV) 사이의 대응관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 하루의 시간대별로 요구되는 시각 조도 설정값(붉은색 그래프) 및 일주기 조도 설정값(파란색 그래프)의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 인공 광원의 시각적 성능과 색상 품질 및 서카디언 성능에 관련된 성능지수를 요약한 도면이다.
도 7은 C(λ): 서카디언 스펙트럼 효율 함수 (Gall et al.), V(λ): CIE 스펙트럼 발광 효능 함수를 도시한 도면이다.
도 8은 전체 스펙트럼 영역의 형광등과 청색 LED의 시각적 조도의 함수로서, 상대적인 시각적 성능 및 상대적인 멜라토닌 억제를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치(20)의 블록 구성도를 나타낸는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 센서(10)에서 광이 획득되는 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 제2조도값과 멜라토닌 억제지수(Melatonin Suppression Value ; MSV) 사이의 대응관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 하루의 시간대별로 요구되는 시각 조도 설정값(붉은색 그래프) 및 일주기 조도 설정값(파란색 그래프)의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 인공 광원의 시각적 성능과 색상 품질 및 서카디언 성능에 관련된 성능지수를 요약한 도면이다.
도 7은 C(λ): 서카디언 스펙트럼 효율 함수 (Gall et al.), V(λ): CIE 스펙트럼 발광 효능 함수를 도시한 도면이다.
도 8은 전체 스펙트럼 영역의 형광등과 청색 LED의 시각적 조도의 함수로서, 상대적인 시각적 성능 및 상대적인 멜라토닌 억제를 도시한 도면이다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 센서(10)의 블록 구성도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조도 센서(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 조도 검출부(11), 센서 저장부(12) 및 조도 연산부(13)를 포함하는 것이 바람직하다.
조도 검출부(11)는 광원(1)으로부터 입사되는 광에 대한 조도 정보를 검출한다. 이때, 조도 검출부(11)에서 출력되는 조도값은 인간의 눈으로 직접 감지될 수 있는 시각적인 조도 정보(이하, 광에 대한 시각적 조도 정보를 "제1조도값"이라고 함)이다. 조도 검출부(11)는 당 기술 분야에 알려진 다양한 방식의 광센서로 구성될 수 있다.
센서 저장부(12)는 생체 일주기 리듬에 대응하는 조도 정보를 산출하기 위해 필요한 정보들을 저장한다. 이때, 센서 저장부(12)에서 출력되는 조도값은 인간의 눈으로 직접 감지될 수 없는 비시각적인 조도 정보로서, 생체 일주기 리듬에 영향을 주는 조도 정보(이하, 생체 일주기 리듬에 영향을 주는 비시각적 조도 정보를 "제2조도값"이라고 함)이다. 구체적으로, 센서 저장부(12)에 저장되는 정보로는 변환계수값과 상관관계정보가 있다. 변환계수값은 제1조도값을 제2조도값으로 변환하기 위한 계수값이며, 상관관계정보는 제1조도값과 제2조도값이 갖는 특정 상관관계에 대한 정보를 나타낸다.
변환계수값은 제1계수값, 제2계수값 및 제3계수값 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 즉, 제1계수값은 광원(1)의 종류에 따른 생체 일주기 리듬의 작용 정도(Circadian Action Factor: CAF)에 대한 계수값을, 제2계수값은 일주기 복사의 효능 정도(circadian efficacy of radiation: CER)에 대한 계수값을 각각 나타낸다. 또한, 제3계수값은 복사 발광 효능 정도(luminous efficacy of radiation: LER)에 대한 계수값을 나타낸다. 저장부(13)에 저장되는 상관관계정보와 기타 상세한 정보들에 대해서는 후술하기로 한다.
특히, 상관관계정보는 하기의 식 1이나 식 2에 대한 정보를 포함할 수 있다.
[식 1]
제2조도값[blm/m2] = 제1조도값[blm/lm] X 제1계수값[lm/m2]
[식 2]
제2조도값[blm/m2] = {제2계수값[blm] / 제3계수값[lm]} X 제1조도값[lm/m2]
상기 [식 1] 및 [식 2]에서 대괄호([ ]) 속에는 해당 인자의 단위를 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 센서(10)는 상기 식 1 및 식 2를 이용하여 최종적으로 제2조도값을 획득할 수 있다. [식 1] 및 [식 2]에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
센서 저장부(12)는 다양한 광원 종류에 따다 다양한 변환계수값을 저장할 수 있으며, 이때 사용자로부터 광원 종류 선택에 대한 입력을 제공받을 수 있다.
조도 연산부(13)는 제2조도값을 연산하는 구성이다. 즉, 조도 연산부(13)는 조도 검출부(11)에서 검출되는 제1조도값, 센서 저장부(12)에 저장된 변환계수값 및 상관관계정보를 이용하여 제2조도값을 도출한다. 이때, 조도 연산부(13)는 상관관계정보로 상기의 식 1이나 식 2에 대한 정보를 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 센서(10)는 센서 통신부를 더 포함할 수 있다. 이때, 센서 통신부는 조도 연산부(13)에서 연산된 제2조도값을 외부로 송신하는 것으로서, 필요에 따라 제1조도값, 변환계수값 및 상관관계정보도 포함하여 송수신할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 센서(10)에서 도출되는 제2조도값, 또는 제1조도값 및 제2조도값은 조도 센서(10) 주변에서 광원으로 작용하는 조명 장치, 디스플레이 장치 등의 조도를 제어하기 위한 제어 장치에 이용될 수 있다.
센서 통신부는 유선 통신 모듈이나, 이동 통신 단말과 무선 통신 시스템 사이 또는 이동 통신 단말들이 위치한 네트워크 사이의 무선 통신을 가능한 하나 이상의 무선 통신 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 통신부는 이동 통신 모듈, 와이파이 송수신 모듈, 블루투스 송수신 모듈, NFC(Near Field Communication) 송수신 모듈, BAN(Body Area Network) 송수신 모듈 및 기타 근거리 통신 송수신 모듈 등을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치(20)의 블록 구성도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 센서(10)에서 광이 획득되는 예를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 조도 센서(10), 조도 제어부(21) 및 조도 구동부(22)를 포함한다. 이때, 조도계(10), 조도 제어부(21) 및 조도 구동부(22)는 하나의 장치에 일체로 마련되거나, 별도의 장치에 각각 마련될 수 있다.
조도 센서(10)는 광에 대한 시각적 조도 정보인 제1조도값과, 생체 일주기 리듬에 영향을 주는 비시각적 조도 정보인 제2조도값을 각각 측정하는 조도 센서로서, 도 1에 따라 상술한 구성이다. 즉, 조도 센서(10)는, 도 3에 도시된 바와 같이, LED 광원 장치뿐만 아니라 자연 광, 모니터 또는 모바일 기기의 디스플레이 등 사용자의 주변에 존재하는 모든 광으로부터 제2조도값이나, 제1조도값 및 제2조도값을 도출하여 조도 제어부(21)로 전달한다. 이때, 조도 센서(10)는 사용자가 착용 가능한 시계형, 밴드형 등의 웨어러블 장치나, 스마트 폰, 스마트 패드 등의 휴대용 단말기에 구비되는 것이 바람직하다. 이는 사용자의 현재 위치에서의 정확한 제1조도값 및 제2조도값을 획득하기 위함이다.
특히, 조도 센서(10)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 안경형의 웨어러블 디바이스에 구비되는 것이 가장 바람직하다. 이는 제1조도값과 제2조도값이 사용자의 눈에 입사되는 광을 기준으로 도출되는 것이 가장 정확하기 때문이다.
조도 제어부(21)는 광원 장치로부터 출력되는 광을 제어하기 위한 조도제어정보를 생성하는 구성이다. 조도제어정보는 LED 광원 장치를 비롯한 사용자 주변의 광원 장치에서 출력되는 광의 조도를 조절하기 위한 정보이다. 즉, 조도제어정보는 광원 장치 내 복수의 단색 광원 별로 제공되는 구동 전력의 크기에 대한 정보일 수 있다. 예를 들어, 조도제어정보는 적색, 녹색, 청색 광원 등에 제공되는 구동 전력을 크게 또는 작게 조정하는 구동 전력에 대한 정보일 수 있다.
특히, 조도 제어부(21)는 광원 장치에서 방출되는 광의 제1조도값과 제2조도값을 서로 독립적으로 조절하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 조도 제어부(21)는 방출되는 광의 제1조도값를 조절하기 위한 정보 및 제2조도값를 조절하기 위한 정보를 각각 포함하는 조도제어정보를 생성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 조도 제어부(21)는 광원 장치에서 방출되는 광이 제1조도값을 일정하게 유지하면서 제2조도값을 조절되어 방출되거나, 제2조도값을 일정하게 유지하면서 제1조도값을 조절되어 방출되거나, 제1조도값과 제2조도값을 동시에 조절되어 방출되게 하는 조도제어정보를 생성할 수 있다.
상기와 같이, 조도 제어부(21)가 광원 장치에서 방출되는 광의 제1조도값과 제2조도값에 대한 정보를 각각 포함한 조도제어정보를 도출함에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치(20)는 사용자가 감지하는 시각적 조도와 사용자가 감지하지 못하는 비시각적 조도를 서로 독립적으로 조절하여 사용자의 생체 일주기 리듬을 조절할 수 있다. 예를 들어, 조도 제어부(21)는 광원 장치에서 출력되는 광이 저녁에 제1조도값을 유지시키도록 하여 시각적 밝기는 유지하면서, 동시에 제2조도값은 최소화하도록 제어함으로써, 광원 장치 주변 사용자의 멜라토닌의 분비를 유도하여 사용자의 생체 일주기 리듬을 유지시킬 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치(20)는 광원 장치에서 출력되는 광의 시각적 조도와 비시각적 조도를 서로 독립적으로 조절할 수 있어, 사용자의 생체 일주기 리듬뿐만 아니라, 사용자 주변 광의 시각적 조도 및 컬러 품질을 동시에 최적화할 수 있는 특징이 있다.
한편, 조도 제어부(21)는 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값을 이용하여 조도제어정보를 도출하는 것이 바람직하며, 필요할 경우 조도 센서(10)에서 도출된 제1조도값과 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값을 동시에 이용하여 조도제어정보를 도출할 수 있다. 특히, 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값은 현재 사용자의 생체 일주기 리듬에 영향을 주는 비시각적 조도 정보를 계량한 조도값이므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치(20)는 조도제어정보를 생성하기 위해 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값을 이용하기만 하면 되므로, 기타의 복잡한 과정 없이도 사용자의 생체 일주기 리듬을 조절을 위한 광원 장치의 제어를 보다 쉽게 실행할 수 있으며, 이에 따라 경제적이다.
특히, 조도 제어부(21)는 광에 대한 제2조도값과 멜라토닌 억제지수값 사이의 대응관계에 대한 정보인 변환정보와, 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값을 각각 이용하여 조도제어정보를 생성하는 것이 바람직하다. 사용자의 생체 일주기 리듬 조절을 위해 멜라토닌 억제지수값을 이용하는 과정 및 그에 따른 이점에 대하여는 이하에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 제2조도값과 멜라토닌 억제지수(Melatonin Suppression Value ; MSV) 사이의 대응관계를 나타낸 그래프이다.
사용자의 생체 일주기 리듬은 멜라토닌의 분비 패턴에 따라 결정된다. 즉, 사용자의 생체 일주기 리듬을 유지하기 위해서는 매일 같은 시각에 멜라토닌의 분비 패턴이 일정하게 유지되어야 한다. 한편, 멜라토닌 억제지수는 인간의 생체 내 멜라토닌 분비의 억제 정도를 나타내는 표준화된 지표로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 비시각적 조도인 제2조도값과 일정한 함수 관계를 나타낸다. 이와 같은 대응관계에 대한 정보가 조도 제어부(21)에서 사용하는 변환정보이다. 이러한 변환정보는 제2조도값과 멜라토닌 억제지수 사이의 수식 정보를 갖는 변환수식정보이거나, 제2조도값과 멜라토닌 억제지수값 사이의 매칭 관계에 대한 값들로 이루어진 변환값 테이블 중 어느 하나일 수 있다. 멜라토닌 억제지수값은 생체 내 멜라토닌의 분비 양과 서로 반비례의 관계를 갖는 특징이 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치(20)는 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값을 통해 현재 사용자에게 영향을 주고 있는 멜라토닌 억제지수값을 추출하며, 추출된 멜라토닌 억제지수값을 통해 현재 사용자에게 분비되는 멜라토닌의 양을 추측할 수 있다. 이때, 생체 내 멜라토닌 분비 양이 사용자에게 입사되는 광의 제2조도값에 의해 영향을 받으므로, 생체 일주기 리듬 유지를 위해 현재 시각 사용자에게 필요한 멜라토닌의 분비 양과 추측된 현재 시각 사용자의 멜라토닌 분비 양을 비교한다면, 반대로 생체 일주기 리듬 유지를 위해 필요한 멜라토닌 억제지수값과 추출된 멜라토닌 억제지수값을 비교한다면, 현재 사용자에게 입사되어야 할 광의 제2조도값을 결정할 수 있다. 이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치(20)는 조도제어정보를 생성하기 위해 멜라토닌 억제지수값을 이용하기만 하면 되므로, 기타의 복잡한 과정 없이도 사용자의 생체 일주기 리듬을 조절을 위한 광원 장치의 제어를 보다 쉽게 실행할 수 있으며, 이에 따라 경제적이다.
구체적으로, 조도 제어부(21)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 조도 저장부(23) 및 조도 분석부(24)를 포함할 수 있다.
조도 저장부(23)는 변환정보 및 멜라토닌 억제지수값에 대한 시간대별 설정값을 각각 저장할 수 있다. 이때, 멜라토닌 억제지수값에 대한 시간대별 설정값(이하, "멜라토닌 억제지수 설정값"이라고 함)은 시간대별로 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값이 가져야 할 멜라토닌 억제지수값으로서, 생체 일주기 리듬을 유지하기 위해 광원 장치로부터 사용자에게 시간대별로 입사되어야 할 광의 멜라토닌 억제지수값을 의미한다.
또한, 조도 저장부(23)는 제2조도값에 대한 시간대별 설정값을 저장할 수 있다. 이때, 제1조도값의 시간대별 설정값(이하, "시각 조도 설정값"이라고 함)은 시간대별로 조도 센서(10)에서 감지되어야 할 제1조도값으로서, 사용자 주변 광의 시각적 밝기 조절을 위해 광원 장치로부터 사용자에게 시간대별로 입사되어야 할 광의 시각적 조도값을 의미한다.
또한, 조도 저장부(23)는 제1조도값의 시간대별 설정값을 저장할 수 있다. 이때, 제2조도값의 시간대별 설정값(이하, "일주기 조도 설정값"이라고 함)은 시간대별로 조도 센서(10)에서 도출되어야 할 제2조도값으로서, 생체 일주기 리듬 유지를 위해 광원 장치로부터 사용자에게 시간대별로 입사되어야 할 광의 비시각적 조도값을 의미한다.
한편, 조도 저장부(23)는 조도 센서(10)에서 검출된 제1조도값 및 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값을 각각 저장할 수 있다. 이와 같이 조도 센서(10)에서 전달된 제1조도값 및 제2조도값은 현재 사용자에게 입사되는 광에 대한 시각적 및 비시각적 조도 정보를 나타낸다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치(20)는 조도 센서(10에서 검출된 제1조도값을 시각 조도 설정값과 비교함으로써, 또한 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값을 일주기 조도 설정값과 비교함으로써, 각각 조도제어정보를 생성할 수 있다. 이때, 시각 조도 설정값과 일주기 조도 설정값은 일별, 주별, 달별 및 연별 각각 다른 값으로 설정될 수 있다.
조도 분석부(24)는 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값과 조도 저장부(23)에 저장된 변환정보를 이용하여, 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값에 대한 멜라토닌 억제지수값을 도출(이하, 이와 같이 도출된 멜라토닌 억제지수값을 "멜라토닌 억제지수 계산값"이라고 함)한다. 예를 들어, 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값이 200[blx]이며, 이 200[blx]에 대한 변환정보가 40[%]의 멜라토닌 억제지수값과 매칭된다면, 조도 분석부(24)는 40[%]의 멜라토닌 억제지수 계산값을 도출한다. 이때, 멜라토닌 억제지수 계산값은 현재 시각 조도 센서(10)에 입사된 광에 대한 멜라토닌 억제지수값을 나타낸다.
이어서, 조도 분석부(24)는 상기와 같이 도출된 멜라토닌 억제지수 계산값과 조도 저장부(23)에 저장된 멜라토닌 억제지수 설정값을 비교하여 그 비교값(이하, 멜라토닌 억제지수 계산값과 멜라토닌 억제지수 설정값의 비교값을 "멜라토닌 억제지수 비교값"이라고 함)을 추출한다. 이후, 조도 분석부(24)는 상기와 같이 추출된 멜라토닌 억제지수 비교값을 이용하여 조도제어정보를 생성한다. 특히, 멜라토닌 억제 지수 비교값은 멜라토닌 억제지수 계산값과 멜라토닌 억제지수 설정값의 차에 해당하는 값일 수 있다.
예를 들어, 조도 분석부(24)는 추출한 멜라토닌 억제지수 비교값이 음(-)의 값을 가질 경우, 광원 장치로부터 제2조도값이 현재보다 더 큰 값을 갖는 광이 출력되도록 조도제어정보를 생성할 수 있다. 반대로, 조도 분석부(24)는 추출한 멜라토닌 억제지수 비교값이 양(+)의 값을 가질 경우, 광원 장치로부터 제2조도값이 현재보다 더 작은 값을 갖는 광이 출력되도록 조도제어정보를 생성할 수 있다.
또한, 조도 분석부(24)는 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값과 조도 저장부(23)에 저장된 일주기 조도 설정값을 비교하여 그 비교값(이하, 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값과 일주기 조도 설정값의 비교값을 "일주기 조도 비교값"이라고 함)을 추출한다. 이때, 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값은 현재 시각 조도 센서(10)에 입사된 광에 대한 제2조도값을 나타낸다. 이후, 조도 분석부(24)는 추출된 일주기 조도 비교값을 이용하여 조도제어정보를 생성한다. 특히, 일주기 조도 비교값은 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값과 일주기 조도 설정값의 차에 해당하는 값일 수 있다.
예를 들어, 조도 분석부(24)는 추출한 일주기 조도 비교값이 음(-)의 값을 가질 경우, 광원 장치로부터 제2조도값이 현재보다 더 큰 값을 갖는 광이 출력되도록 조도제어정보를 생성할 수 있다. 반대로, 조도 분석부(24)는 추출한 일주기 조도 차이값이 양(+)의 값을 가질 경우, 광원 장치로부터 제2조도값이 현재보다 더 작은 값을 갖는 광이 출력되도록 조도제어정보를 생성할 수 있다.
한편, 조도 분석부(24)는 상기 일주기 조도 차이값 외에도, 조도 센서(10)에서 검출된 제1조도값과 조도 저장부(23)에 저장된 시각 조도 설정값을 비교하여 그 비교값(이하, 조도 센서(10)에서 검출된 제1조도값과 시각 조도 설정값의 비교값을 "시각 조도 비교값"이라고 함)을 더 추출할 수 있다. 이때, 조도 센서(10)에서 검출된 제1조도값은 현재 시각 조도 센서(10)에 입사된 광에 대한 제1조도값을 나타낸다. 이에 따라, 조도 분석부(24)는 상기와 같이 추출된 시각 조도 차이값 및 일주기 조도 차이값을 각각 이용하여 조도제어정보를 생성한다. 특히, 시각 조도 비교값은 조도 센서(10)에서 연산된 제1조도값과 시각 조도 설정값의 차에 해당하는 값일 수 있다.
예를 들어, 조도 분석부(24)는 추출된 시각 조도 비교값과 일주기 조도 비교값이 음(-)의 값을 각각 가질 경우, 광원 장치로부터 제1조도값 및 제2조도값이 현재보다 더 큰 값을 갖는 광이 출력되도록 조도제어정보를 생성할 수 있다. 반대로, 조도 분석부(24)는 추출한 시각 조도 비교값과 일주기 조도 비교값이 양(+)의 값을 각각 가질 경우, 광원 장치로부터 제1조도값 및 제2조도값이 현재보다 더 작은 값을 갖는 광이 출력되도록 조도제어정보를 생성할 수 있다.
또한, 조도 분석부(24)는 추출한 시각 조도 차이값이 음(-)의 값을, 추출한 일주기 조도 차이값이 양(+)의 값을 각각 가질 경우, 광원 장치로부터 제1조도값이 현재보다 더 큰 값을 갖고 제2조도값이 현재보다 더 작은 값을 갖는 광이 출력되도록 조도제어정보를 생성할 수 있다. 반대로, 조도 분석부(24)는 추출한 시각 조도 차이값이 양(+)의 값을, 추출한 일주기 조도 차이값이 음(-)의 값을 각각 가질 경우, 광원 장치로부터 제1조도값이 현재보다 더 작은 값을 갖고 제2조도값이 현재보다 더 큰 값을 갖는 광이 출력되도록 조도제어정보를 생성할 수 있다.
이하, 시각 조도 차이값 및 일주기 조도 차이값의 일 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
도 5는 하루의 시간대별로 요구되는 시각 조도 설정값(붉은색 그래프) 및 일주기 조도 설정값(파란색 그래프)의 일 실시예를 나타낸다.
하루의 시간대별로 요구되는 시각 조도 설정값 및 일주기 조도 설정값의 범위는 자연 태양광에 의한 조도 변화를 모방하도록 변경될 수 있으며, 특히 어두운 야간 시간에 제2조도값이 낮게 설정될 수 있게 하여 실제 자연 환경과 유사한 제2조도값을 제공하도록 한다.
도 5를 살펴보면, 시각 조도 설정값은 아침 7시 기상 후 일정 조도인 1000[lx]를 유지하고, 취침 시간인 자정에 0[lx]로 변화한다. 이때, 일주기 조도 설정값은 아침 7시 기상시 1000[blx]에서 아침 10시에 2000[blx] 내외로 점차 증가하게 되고, 이후 점차 감소하여 오후 6시 이후에는 1000[blx] 이하로 변화하며, 취침준비 시간인 밤 10시부터 자정까지는 100[blx] 이하를 유지한 후, 취침 시간인 자정에는 0[blx]로 변화한다.
즉, 기상후 아침 10시까지는 멜라토닌의 분비를 억제할 뿐 아니라 수면 도중 기 생성된 멜라토닌의 양을 감소시키기 위해 일주기 조도 설정값을 점차 증가시킬 수 있고, 이후 오후 6시까지의 활동 시간에는 높은 멜라토닌 억제지수를 가지는 일주기 조도 설정값을 유지시킴으로써 멜라토닌의 분비를 억제할 수 있다.
또, 6시 이후에는 서서히 일주기 조도 설정값을 감소시킴으로써 멜라토닌 억제지수 역시 함께 감소시키고, 특히 취침준비 시간인 취침 2시간 전부터는 멜라토닌 억제지수가 0으로 수렴하게 하는 일주기 조도 설정값으로 조절함으로써 멜라토닌 분비량을 증가시켜 취침이 용이하게 할 수 있다.
사용자의 현재 위치에서의 조도 정보는 날씨, 업무 환경, 조명 등의 주변 환경에 따라 변화할 수 있다. 만일, 사용자의 현재 위치에서의 조도 정보, 즉 조도 센서(10)로부터 검출된 제1조도값과 조도 센서(10)로부터 연산된 제2조도값이, 도 5에 따라 상술한 시각 조도 설정값과 일주기 조도 설정값과 달라, 시각 조도 비교값 및 일주기 조도 비교값의 수치가 높게 나타난다면, 조도 분석부(24)은 광원 장치로부터 그 수치만큼을 감쇄하는 제1조도값 및 제2조값의 광이 출력되도록 조도제어정보를 생성한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 제어 장치(20)는 업무 환경, 조명 등의 주변 환경에 관계없이, 사용자 주변의 광원 장치에 출력되는 광의 조도를 조절해 주며, 이에 따라, 사용자는 외부 요인과 관계없이 일정하게 생체 일주기 리듬을 관리할 수 있다.
한편, 조도 구동부(22)는 조도 제어부(21)에서 생성된 조도제어정보에 따라 LED 광원 장치를 비롯한 사용자 주변에서 출력되는 광의 조도를 제어하는 구성이다. 특히, 조도 제어부(21)에서 생성된 조도제어정보에 제1조도값 및 제2조도값에 대한 제어 정보가 포함되어 있다면, 조도 구동부(22)는 광원 장치에서 출력되는 광의 제1조도값 및 제2조도값을 독립적으로 조절하는 것이 바람직하다. 이 경우, 광원 장치는 방출되는 광의 시각적 조도와 비시각적 조도가 서로 독립적으로 조절될 수 있게 구성되어야 한다. 광원 장치의 일 예로, LED 광원 장치가 있으며, 이하, LED 광원 장치에 대하여 설명하도록 한다.
LED 광원 장치는 광원부와 구동부를 포함할 수 있다. 광원부는 서로 다른 색상을 출력하는 복수의 단색 광원을 포함할 수 있으며, 복수의 단색 광원에서 출력되는 단색광의 혼합을 통해 백색을 생성할 수 있다. 구동부는 복수의 단색 광원에 색상별로 구동 전력을 각각 제공한다. 이때, 제공되는 구동 전력의 크기는 조도 제어부(21)가 생성하는 조도제어정보에 의해 결정될 수 있다. 또한, 구동부는 단색 광원에 색상 별로 제공되는 전류 및 전압이 일정하게 유지되는 정전류 및 정전압 제어가 이루어지는 회로를 구비할 수 있다. 이때, 조도 제어부(21)는 백색 광원의 복수 단색 광원을 색상별로 제어하여 혼합된 백색광 중 특정 색상의 성분을 더 강하게(더 많이) 또는 더 약하게(더 적게)하여 광이 출력되도록 조도제어정보를 생성할 수 있다.
광원부의 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.
이하, 한국특허출원 제10-2011-0083436호를 참조하여, 광원부에 대하여 설명하도록 한다.
광원부는 복수 개의 단색 LED 칩에서 조사되는 광의 혼합을 통해 백색광을 구현하는 멀티칩 백색 LED 소자로 구현될 수 있다. 이때, LED 광원 장치에 포함된 복수 개의 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, 복수 개의 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.
특히, 광원부는 복수 개의 단색 LED 칩 중 적어도 하나 이상의 칩이 청색광원인 것이 바람직하며, 그 외에도 형광체 및 투과필터 등을 포함할 수 있다. 이때, 형광체는 청색광원의 상부에 구비되며, 청색광원에서 방출된 청색광을 흡수하여 500 내지 700nm 범위의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 또한, 형광체는 황색, 호박색, 녹색 또는 적색 형광체일 수 있다. 한편, 투과필터는 형광체의 상부에 형성되며, 청색광은 반사시키고 500 내지 700nm 범위의 광은 투과시키도록 장파장 필터로 구성될 수 있다. 이때, 상기 500 내지 700nm 범위의 광은 호박색, 황색, 녹색 또는 적색일 수 있다.
구체적으로, 투과필터는 소정의 굴절율을 가지는 제1박막과 상기 제1박막의 굴절율보다 높은 굴절율을 가지는 제2박막이 교대로 반복되어 적층되어 있는 반복층을 포함할 수 있다. 이 경우, 반복층의 최상부층과 최하부층은 제3박막을 형성하며 최상부층 및 최하부층 중 적어도 하나의 층의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/80 ~ 1/4.4 광학두께가 될 수 있다. 또한, 최상부층과 최하부층 사이의 반복층을 구성하는 제1박막 및 제2박막은 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/3 ~ 1/5 광학두께를 가질 수 있으며, 반복층 중 상기 제3박막에 인접한 층은 제1박막이 될 수 있다.
또한, 최상부층 및 최하부층의 두께 중 어느 하나 이상의 두께는 청색광원 반사 밴드 중심 파장 대비 1/7 ~ 1/9 광학두께를 가질 수 있다.
한편, 조도 제어부(21)는 제어 통신부를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 조도 분석부(24)와 조도 구동부(22)는 별도의 장치에 각각 마련될 수 있다. 이때, 제어 통신부는 조도 분석부(24)에서 생성된 조도제어정보를 조도 구동부(22)로 송수신한다.
제어 통신부는 유선 통신 모듈이나, 이동 통신 단말과 무선 통신 시스템 사이 또는 이동 통신 단말들이 위치한 네트워크 사이의 무선 통신을 가능한 하나 이상의 무선 통신 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 통신부는 이동 통신 모듈, 와이파이 송수신 모듈, 블루투스 송수신 모듈, NFC(Near Field Communication) 송수신 모듈, BAN(Body Area Network) 송수신 모듈 및 기타 근거리 통신 송수신 모듈 등을 포함할 수 있다.
또한, 제어 통신부는 상기 조도 센서(10)에 마련된 센서 통신부와 조도 센서(10)에서 연산된 제2조도값을 송수신할 수 있으며, 필요에 따라 제1조도값, 변환계수값 및 상관관계정보도 포함하여 송수신할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 조도 센서 및 이를 이용한 조도 제어 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. 또한, 이하에서는 생체 일주기 리듬을 "서카디언"(circadian)이라 명하도록 한다.
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 6은 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 6에서, 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 6에 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 정의될 수 있다.
[식 3]
[식 3]에서 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). K c,max 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 K c,max 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 7 참조)와 복사속(radiant flux: (S(λ))에 대한 광속(luminous flux)의 비를 곱한 것으로 정의된다.
[식 4]
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. K max = 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 5]
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, η e )이 LER에 대한 발광 효능(η lm )의 비율로 정의된다. 동일한 논리적 의미를 갖는 것으로, 서카디언 발광 효능(circadian luminous efficacy, η cirlm )가 각 조명 시스템의 CER 및 EQE의 곱으로 정의된다.
[식 6]
η e = η lm / LER
[식 7]
η cirlm = CER x η e
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 8] 및 [식 9]와 같이 정의될 수 있다.
[식 8]
서카디언 조도값[blm/m2] = 서카디언 작용 계수(CAF)[blm/lm] × 시각적 조도값[lm/m2]
[식 9]
서카디언 조도값[blm/m2] = {서카디언 복사 효능값(CER)[blm]/복사 발광 효능값(LER)[lm]} × 시각적 조도 값[lm/m2]
즉, [식 8]은 [식 1]에 대응하고, [식 9]는 [식 2]에 대응한다. 따라서, 제1조도값은 시각적 조도값, 제2조도값은 서카디언 조도값, 제1계수값은 서카디언 작용 계수, 제2계수값은 서카디언 복사 효능값, 제3계수값은 복사 발광 효능값에 각각 대응한다.
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 8은 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 8에는, 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 6은 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.
1: 광원 10: 조도 센서
11: 조도 검출부 12: 센서 저장부
13: 조도 연산부 20: 조도 제어 장치
21: 조도 제어부 22: 조도 구동부
23: 조도 저장부 24: 조도 분석부
11: 조도 검출부 12: 센서 저장부
13: 조도 연산부 20: 조도 제어 장치
21: 조도 제어부 22: 조도 구동부
23: 조도 저장부 24: 조도 분석부
Claims (12)
- 사용자 주변에 구비된 광원 장치에서 출력되는 광의 조도를 제어하는 조도 제어 장치로서,
휴대단말기나 사용자가 착용 가능한 웨어러블 장치에 구비되어 자연 광 및 광원 장치의 광을 포함한 사용자 주변의 광에 대한 조도 정보를 측정하되, 시각적 조도 정보인 제1조도값과, 생체 일주기 리듬에 영향을 주는 조도 정보인 제2조도값을 각각 측정하는 조도 센서; 및
조도 센서에서 측정된 제1조도값과 제2조도값을 각각 이용하여, 광원 장치로부터 출력되는 광의 제1조도값과 제2조도값을 각각 조절하기 위한 조도제어정보를 생성하되, 제1조도값이 일정하게 유지되면서 제2조도값이 조절되게 하거나 제2조도값이 일정하게 유지되면서 제1조도값이 조절되게 함으로써 제1조도값과 제2조도값을 서로 독립적으로 조절하기 위한 조도제어정보를 생성하는 조도 제어부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 조도 센서는,
입사광으로부터 제1조도값을 검출하는 조도 검출부;
제1조도값을 제2조도값으로 변환하기 위한 변환계수값과, 제1조도값과 제2조도값의 상관관계정보를 각각 저장한 센서 저장부; 및
제1조도값, 변환계수값 및 상관관계정보를 이용하여 제2조도값을 연산하는 조도 연산부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치. - 제2항에 있어서,
상기 변환계수값은,
생체 일주기 리듬의 작용을 나타내는 제1계수값;
일주기 복사의 효능을 나타내는 제2계수값; 및
복사 발광의 효능을 나타내는 제3계수값;
중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치.
[청구항 4] (정정)
제3항에 있어서,
상기 상관관계정보는 하기의 제1식 또는 제2식에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치. - 제3항에 있어서,
상기 상관관계정보는 하기의 제1식 또는 제2식에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치.
[제1식]
(제2조도값) = (제1조도값) X (제1계수값)
[제2식]
(제2조도값) = [(제2계수값) / (제3계수값)] X (제1조도값) - 제3항에 있어서,
상기 제2계수값은 하기 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치.
[식]
(Kc: 제2계수값, Kc,max: 최대 스펙트럼 일주기 효능값, S(λ): 광원의 복사속, C(λ): 일주기 스펙트럼 효율 함수) - 제3항에 있어서,
상기 제3계수값은 하기 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치.
[식]
(K: 제3계수값, Kmax: 최대 스펙트럼 발광 효능값, S(λ): 광원의 복사속, V(λ): CIE 스펙트럼 효율 함수) - 제1항에 있어서,
조도제어정보에 따라 광원 장치에서 출력되는 광의 제1조도값과 제2조도값을 독립적으로 조절하여 구동하도록 별도의 장치에 마련된 조도 구동부에 조도제어정보를 송신하는 제어 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 조도 센서는 안경형의 웨어러블 디바이스에 구비되는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 조도 제어부는,
제2조도값과 멜라토닌 억제지수값 사이의 대응관계에 대한 정보인 변환정보와, 조도 센서에서 측정된 제2조도값을 각각 이용하여 제2조도값을 조절하기 위한 조도제어정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치. - 제9항에 있어서,
변환정보 및 멜라토닌 억제지수값에 대한 시간대별 설정값인 멜라토닌 억제지수 설정값을 각각 저장한 조도 저장부를 더 포함하며,
상기 조도 제어부는,
조도 센서에서 측정된 제2조도값과 조도 저장부에 저장된 변환정보를 이용하여 조도 센서에서 측정된 제2조도값에 대한 멜라토닌 억제지수값인 멜라토닌 억제지수 계산값을 도출하고, 도출된 멜라토닌 억제지수 계산값과 조도 저장부에 저장된 멜라토닌 억제지수 설정값을 비교하여 멜라토닌 억제지수 비교값을 추출하며, 추출된 멜라토닌 억제지수 비교값을 이용하여 제2조도값을 조절하기 위한 조도제어정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치. - 제1항에 있어서,
제2조도값에 대한 시간대별 설정값인 일주기 조도 설정값을 저장한 조도 저장부를 더 포함하며,
상기 조도 제어부는,
조도 센서에서 측정된 제2조도값과 조도 저장부에 저장된 일주기 조도 설정값의 비교하여 일주기 조도 비교값을 추출하고, 추출된 일주기 조도 비교값을 이용하여 제2조도값을 조절하기 위한 조도제어정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치. - 제1항에 있어서,
제1조도값에 대한 시간대별 설정값인 시각 조도 설정값 및 제2조도값에 대한 시간대별 설정값인 일주기 조도 설정값을 각각 저장한 조도 저장부를 더 포함하며,
상기 조도 제어부는,
조도 센서에서 검출된 제1조도값과 조도 저장부에 저장된 시각 조도 설정값을 비교하여 시각 조도 비교값을 추출하고, 조도 센서에서 측정된 제2조도값과 조도 저장부에 저장된 일주기 조도 설정값을 비교하여 일주기 조도 비교값을 추출하며, 추출된 시각 조도 비교값 및 일주기 조도 비교값을 이용하여 제1조도값 및 제2조도값을 각각 조절하기 위한 조도제어정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 조도 제어 장치.
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