KR102013809B1 - 자연광 led 조명 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

자연광 led 조명 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

자연광 LED 조명 장치 및 그 제어 방법에 대해 개시한다. 본 발명에 따른 자연광 LED 조명 장치는 복수의 채널로 구분되어 각각 채널별로 구동되는 복수의 LED 조명모듈을 포함하는 LED 조명 유닛, 계절 및 시간대별 태양광 데이터와 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용하여 각 채널별 LED 조명모듈을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 조명 제어부, 및 채널별 제어 신호에 응답하여 각 채널별 LED 조명모듈로 공급되는 구동 전압을 스위칭함으로써, 각 채널별 LED 조명모듈의 온/오프 구동 타이밍을 제어하는 조명 모듈 구동부를 포함하는바, 최대한 자연광에 가까운 조명을 세분화된 절기와 정확한 시간대 별로 구분해서 다양한 구동 모드로 제공할 수 있다.

Description

자연광 LED 조명 장치 및 그 제어 방법{NATURAL LIGHT LED LIGHTING DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 계절 및 시간대별 태양광 데이터와 이를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용하여 복수의 채널로 구동되는 LED 조명 기구들을 제어함으로써, 자연광에 최대한 일치하는 조명을 제공할 수 있는 자연광 LED 조명 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
현대의 주거환경이 발달함에 따라 실내조명은 기존의 형광등이나 할로겐 램프 등에 의한 백색 조명에서 실내의 조명 색상, 즉 색 온도를 다양하게 표현하여 인테리어 조명의 고급화가 진행되고 있다 특히, 고급화된 인테리어 조명의 가장 대표적인 조명기기로 발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode)를 광원으로 하는 조명장치를 적용하고자 하는 노력이 꾸준히 진행되고 있다.
근래에는 상기의 LED를 광원으로 하는 조명장치로 자연광에 최대한 가까운 조명을 제공하기 위한 노력 또한 진행되고 있다. 일반적으로, 노인이나 장애인 등의 사회적 약자들은 실내 공간에 상주하는 기간이 길기 때문에 자연광에 노출되는 시간은 상대적은 적을 수밖에 없다. 이에, 태양광 등의 자연광에 노출이 적은 사회적 약자들을 위해서도 자연광에 최대한 가까운 조명을 제공하기 위한 조명기기들이 제안 및 개발되고 있다.
종래의 자연광 조명들은 웜 화이트(Warm White) 색상을 발광하는 LED 모듈과 쿨 화이트(Cool White) 색상을 발광하는 LED 모듈을 복수개씩 조합해서 태양광과 유사한 색온도를 구현하는데 초점이 맞추어져 있다.
하지만, 복수의 웜 화이트 및 쿨 화이트 LED 모듈들로 색 온도만 태양광과 구현하는 경우 조명 광의 파장 분포나 단파장 비율 등은 전혀 고려될 수 없는 문제가 있었다. 즉, 태양광과 유사하게 색 온도를 구현하여 눈으로만 자연광 효과를 보일 수 있을 뿐 실제로는 자연광으로서의 효율이 저하되어, 활동성이나 수면 등의 생체 리듬에 영향을 줄 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 계절 및 시간대별 태양광 데이터와 이를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용하여 복수의 채널로 구동되는 LED 조명 기구들을 제어함으로써, 자연광에 최대한 일치하는 조명을 제공할 수 있는 자연광 LED 조명 장치 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 자연광 특성 프로파일을 기반으로 하여 각각의 채널 단위로 구동되는 LED 조명 모듈별로 파장 분포, 단파장 비율, 색 온도가 혼합 제어함으로써, 그 효율성이 향상된 자연광 LED 조명 장치 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 이루기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 LED 조명 장치는 복수의 채널로 구분되어 각각 채널별로 구동되는 복수의 LED 조명모듈을 포함하는 LED 조명 유닛, 계절 및 시간대별 태양광 데이터와 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용하여 각 채널별 LED 조명모듈을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 조명 제어부, 및 채널별 제어 신호에 응답하여 각 채널별 LED 조명모듈로 공급되는 구동 전압을 스위칭함으로써, 각 채널별 LED 조명모듈의 온/오프 구동 타이밍을 제어하는 조명 모듈 구동부를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 이루기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 LED 조명 장치의 제어 방법은 복수의 채널로 구분되어 각각 채널별로 구동되는 복수의 LED 조명모듈을 포함하는 LED 조명 유닛의 구동방법을 제공함에 있어서, 계절 및 시간대별 태양광 데이터와 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용하여 각 채널별 LED 조명모듈을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계, 및 조명 모듈 구동부의 스위칭 구조를 이용해서 채널별 제어 신호에 따라 각 채널별 LED 조명모듈로 공급되는 구동 전압을 스위칭함으로써, 각 채널별 LED 조명모듈의 온/오프 구동 타이밍을 제어하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같은 다양한 기술 특징을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 LED 조명 장치 및 그 제어 방법은 계절 및 시간대별 태양광 데이터와 이를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용하여 복수의 채널로 구동되는 LED 조명 기구들을 제어함으로써, 자연광에 90% 이상 일치하는 조명을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 자연광 특성 프로파일을 기반으로 하여 각각의 채널 단위로 구동되는 LED 조명 모듈별로 파장 분포, 단파장 비율, 색 온도가 혼합 제어함으로써, LED 조명 모듈의 최대 약점인 퍼센트 플리커를 5%이하로 줄일 수 있다.
또한, 최대한 자연광에 가까운 조명을 세분화된 절기와 정확한 시간대 별로 구분해서 다양한 구동 모드로 제공함으로써, 실외 활동이 적은 사회적 약자들이 생체리듬을 조절하고 수면 유도 및 숙면을 취할 수 있도록 하는 등 다양한 편의를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자연광 LED 조명 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 조명 제어부를 구체적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 조명 제어부의 LED 조명 유닛 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 전자동 모드로 설정된 조명 제어부의 LED 조명 유닛 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 일일 자동 모드로 설정된 조명 제어부의 LED 조명 유닛 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 수면 예약 모드로 설정된 조명 제어부의 LED 조명 유닛 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 수동 모드로 설정된 조명 제어부의 LED 조명 유닛 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 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.
이하 본 발명에 따른 자연광 LED 조명 장치 및 그 제어 방법에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자연광 LED 조명 장치를 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시된 자연광 LED 조명 장치는 AD 컨버터(200), 조명 제어부(300), 조명 모듈 구동부(400), LED 조명 유닛(500), 및 리모트 콘트롤러 등의 통신 단말기(600)를 포함한다.
구체적으로, AD 컨버터(200)는 외부의 전원부(100)로부터 공급되는 정격전원을 LED 조명 유닛(500)의 구동 전압 레벨로 가변하고, 가변된 구동 전압을 조명 모듈 구동부(400)로 공급한다.
LED 조명 유닛(500)은 복수의 채널별로 구분되어 각 채널별로 구동되는 복수의 LED 조명모듈(501 내지 504)을 포함해서 구성된다.
각각의 채널로 구분된 복수의 LED 조명모듈(501 내지 504)은 웜 화이트(Warm White), 쿨 화이트(Cool White), 적색, 녹색, 청색을 발광하는 LED 중 적어도 하나의 LED를 포함하도록 조합해서 구성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504)에는 웜 화이트 LED 또는 쿨 화이트 LED와 함께 적색, 녹색, 청색을 발광하는 LED가 조합되어 구성될 수 있다.
이에, 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504)은 조명 제어부(300)와 조명 모듈 구동부(400)의 구동 제어에 따라 가시광선 380nm ~ 780nm 중 어느 한 대역, 단파장 446nm ~ 477nm 중 어느 한 대역, 및 색온도 3500K ~ 6500K 중 어느 한 범위에 각각 포함되는 조명 광을 출사한다. 여기서, 가시광선과 단파장 대역의 비율은 계절 및 시간대에 따라 최대한 자연광과 유사해지도록 태양광 데이터를 참조하여 적절히 조화를 이루도록 설정됨이 바람직하다.
한편, 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504)은 적어도 하나의 LED 조합 구조 외에 방열판, 구조 렌즈, 반사판, 및 구동전압 입력단 구조를 더 포함하여 구성될 수 있다.
조명 제어부(300)는 계절 및 시간대별 태양광 데이터와 이를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용해서 LED 조명 유닛(500)에 구성된 복수의 LED 조명모듈(501 내지 504)을 개별적으로 각각 제어하기 위한 채널별 제어 신호를 생성한다. 그리고 생성된 각 채널별 제어신호를 조명 모듈 구동부(400)로 전송한다. 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504)을 개별적으로 각각 제어하기 위해 채널별 제어 신호를 생성하는 기술에 대해서는 이후에 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
통신 단말기(600)는 적외선 등의 무선 통신을 수행하는 리모트 콘트롤러, 또는 블루투스(Bluetooth)나 와이파이(Wi-Fi) 등의 무선 통신을 수행하는 모바일 단말기로 구성될 수 있다. 사용자는 통신 단말기(600)를 이용해 자연광 LED 조명 장치의 구동 모드를 설정 또는 변경할 수 있다. 또한, 사용자는 통신 단말기(600)를 이용해 수동으로 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504)별로 출사되는 조명 광의 발광 시간, 타이머, 색온도, 파장분포, 단파장 비율 등을 선택적으로 조절할 수 있다.
조명 제어부(300)는 사용자로부터 설정되는 구동 모드, 예를 들어 수동 모드, 전자동 모드, 일일 자동모드, 수면 예약 모드별로 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504)을 개별적으로 제어하기 위해 채널별 제어 신호를 생성하여 조명 모듈 구동부(400)로 전송할 수 있다.
구체적으로, 조명 제어부(300)는 사용자로부터 설정되는 구동 모드에 맞게 계절 및 시간대별 태양광 데이터와 이를 기초로 설정된 제어 함수들을 참조하여, 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)을 각각 제어하기 위한 채널별 제어 신호를 생성한다.
채널별 제어 신호는 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 색온도, 파장분포, 단파장 비율을 제어하기 위한 디지털 제어 신호이다. 따라서, 채널별 제어신호는 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에 포함된 각 LED별 온/오프 듀티비(Duty ratio) 설정 값, 타이머, 발광 시간정보 등을 포함할 수 있다.
조명 모듈 구동부(400)는 조명 제어부(300)로부터의 채널별 제어 신호에 응답하여 AD 컨버터(200)에서 각 채널의 LED 조명모듈(501 내지 504)로 공급되는 구동 전압을 스위칭함으로써, 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504)별로 온/오프 구동 타이밍을 제어한다.
구체적으로, 조명 모듈 구동부(400)는 조명 제어부(300)의 각 채널별 제어신호에 포함된 각 LED별 온/오프 듀티비(Duty ratio) 설정 값에 따라 각 LED별 PWM 신호(Pulse Width Modulation Signal)를 생성한다. 그리고 각 LED별 PWM 신호에 따라 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)로 공급되는 구동 전압을 스위칭함으로써, 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504)별로 온/오프 구동 타이밍을 제어하게 된다.
도 2는 도 1에 도시된 조명 제어부를 구체적으로 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시된 조명 제어부(300)는 통신부(301), RTC 모듈(302, Real Time Clock Module), 모드 설정 제어부(303), 태양광 DB(304), 제어함수 DB(305), 및 제어신호 생성부(306)를 포함한다.
통신부(301)는 통신 단말기(600)와 근거리 무선 통신을 수행하여 사용자로부터 설정되는 구동 모드에 따라 모드 변환 신호를 생성하여 모드 설정 제어부(303)로 전송한다.
RTC 모듈(302)은 현재 시간 정보(예를 들어, 년, 월, 주, 일, 시간, 분, 초 정보)를 실시간으로 생성하여 모드 설정 제어부(303)로 전송한다.
모드 설정 제어부(303)는 통신부(301)를 통해 사용자로부터 설정되는 구동 모드에 따른 모드 변환 신호를 수신하고, RTC 모듈(302)을 통해서는 실시간으로 현재 시간 정보를 수신한다. 이어, 모드 설정 제어부(303)는 사용자로부터 설정되는 구동 모드에 맞게 계절 및 시간대별 태양광 데이터와 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 참조하여, 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에 포함된 각 LED별 온/오프 듀티비 설정 값을 산출한다.
구체적으로, 모드 설정 제어부(303)는 실시간 또는 미리 설정된 기간 단위로 현재 시간 정보를 확인하고, 실시간으로 사용자의 구동 모드 변경 여부를 확인한다. 그리고 구동 모드가 변경되거나 시간대가 변경되면, 태양광 DB(304)로부터 해당 계절 및 시간대별로 태양광 데이터를 읽어들인다.
태양광 DB(304)에 저장된 계절 및 시간대별 태양광 데이터는 24절기로 구분된 계절 및 현재 날짜의 시간대별 태양광의 파장분포, 단파장 비율, 색온도 정보를 포함한다. 이에, 모드 설정 제어부(303)는 해당 절기 및 시간대별 태양광의 파장분포, 단파장 비율에 대응하여 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 파장분포, 단파장 비율을 제어하기 위한 디지털 제어 신호를 생성한다.
또한, 모드 설정 제어부(303)는 구동 모드가 변경되거나 시간대가 변경되면, 제어함수 DB(305)로부터는 해당 계절(또는, 절기) 및 현재 날짜의 시간대별 태양광 데이터를 기초로한 실험 결과에 따라 실험치로 미리 설정된 제어 함수들을 읽어들인다.
계절 및 시간대별 태양광 데이터는 해당 계절 및 시간대별 태양광의 색온도 정보가 포함하는바, 제어함수 DB(305)에는 해당 계절 및 시간대별 태양광의 색온도 정보에 대응하여 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 색온도를 제어하기 위한 제어함수가 미리 설정된다.
각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되도록 하는 조명 광의 색 온도 값 K는 하기의 수학식 1로 설정될 수 있다.
[수학식 1]
K = 6367 + 0.02132A2 - 7.49B - 19.78A - 0.05688BC - 0.0002722DC2
이에, 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504) 중 제1 조명모듈(501)의 전류 함수 값 A는 하기의 수학식 2로 설정될 수 있다.
[수학식 2]
A = (3.077×104) + 0.02402K2 + (1.212K4×10-9) + (3.835K6 × 10-18) - 42.09K - (1.064K5×10-13) - (7.243K3×10-6)
또한, 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504) 중 제2 조명모듈(502)의 전류 함수 값 B는 하기의 수학식 3으로 설정될 수 있다.
[수학식 3]
B = 70.37K + (1.155K3×10-5) + (1.611K5×10-13) - (5.179×104) - (5.647K6×10-18) - (1.883K4×10-9) - 0.0393K2
그리고 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504) 중 제3 조명모듈(503)의 전류 함수 값 C는 하기의 수학식 4로 설정될 수 있다.
[수학식 4]
C = 10.53K + (3.235K3×10-6) + (6.757K5×10-14) - 4774 - (2.791K6 × 10-18) - (6.565K4 × 10-10) - 0.008376K2
또한, 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504) 중 제4 조명모듈(504)의 전류 함수 값 D는 하기의 수학식 5로 설정될 수 있다.
[수학식 5]
D = (2.127×104) + 0.01959K2 + (1.113K4×10-9) + (3.895K6×10-18) - 31.92K - (1.029K2 × 10-13) - (6.288K3 × 10-6)
여기서, 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)의 전류 함수 값 A ~ D의 총 합은 255이며, A + B + C + D = 255의 조건이 만족되도록 계절 및 시간대별로 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)의 전류 함수 값 A ~ D는 서로 같거나 다르게 변경 설정될 수 있다.
모드 설정 제어부(303)는 전술한 바와 같은, 해당 계절 및 시간대별 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 읽어들여서 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 색 온도를 제어하기 위한 디지털 제어 신호를 추가로 생성한다.
이러한, 디지털 제어 신호는 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에 포함된 각 LED별 온/오프 듀티비(Duty ratio) 설정 값, 타이머, 발광 시간정보, 전류 함수에 따른 전류량 제어값 등을 포함하게 된다.
태양광 DB(304)는 미리 설정된 계절 및 시간대별 태양광 데이터를 저장하고 모드 설정 제어부(303)의 요청에 따라 현재 시간 정보에 상응하는 계절 및 시간대별 태양광 데이터를 공유한다.
제어함수 DB(305)는 모드 설정 제어부(303)의 요청에 따라 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 저장하고, 모드 설정 제어부(303)의 요청에 따라 현재 시간 정보에 상응하는 제어 함수들을 공유한다.
제어신호 생성부(306)는 모드 설정 제어부(303)를 통해 입력되는 디지털 제어 신호, 예를 들어 각 LED별 온/오프 듀티비 설정 값에 대응되도록 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)의 온/오프 기간, 발광 세기, 전류량 등을 개별적으로 제어하기 위한 채널별 제어 신호를 생성 및 출력한다.
도 3은 도 1에 도시된 조명 제어부의 LED 조명 유닛 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3을 참조하여, 조명 제어부(300)의 LED 조명 유닛(500) 제어 방법, 즉 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)과 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에 포함된 각 LED의 제어 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 조명 제어부(300)는 실시간 또는 미리 설정된 기간 단위로 현재 시간 정보를 확인하고(ST1), 실시간으로 사용자의 구동 모드 변경 여부를 확인한다(ST2).
미리 설정된 기간 단위로 LED 조명 유닛(500)을 제어해야 하는 시점이 되거나, 구동 모드 변경 신호가 발생하는 경우에는 태양광 DB(304)로부터 해당 계절 및 시간대별로 태양광 데이터를 읽어들인다.(ST4)
또한, 제어함수 DB(305)로부터는 해당 계절 및 시간대별 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 읽어들인다.(ST5)
그리고 조명 제어부(300)는 해당 계절 및 시간대별 태양광의 파장분포, 단파장 비율에 대한 정보에 대응하여 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 파장분포, 단파장 비율 등을 제어하기 위한 디지털 제어 신호를 생성한다.(ST6)
이와 더불어, 해당 계절 및 시간대별 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용해서 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 색 온도를 제어하기 위한 디지털 제어 신호(일 예로, 전류량 제어 신호)를 추가로 생성한다(ST6).
전술한 바와 같이, 디지털 제어 신호는 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에 포함된 각 LED별 온/오프 듀티비(Duty ratio) 설정 값, 타이머, 발광 시간정보, 전류량 제어 정보 등을 포함하는바, 조명 제어부(300)는 디지털 제어 신호에 따라 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)의 온/오프 기간, 발광 세기, 전류량 등을 개별적으로 제어하기 위한 채널별 제어 신호를 출력한다.
이후, 별도의 조명 모듈 구동부(400)에서는 조명 제어부(300)의 각 채널별 제어신호에 포함된 각 LED별 온/오프 듀티비 설정 값에 따라 각 LED별 PWM 신호를 생성한다. 그리고 각 LED별 PWM 신호에 따라 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)로 공급되는 구동 전압을 스위칭함으로써, 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504)별로 온/오프 구동 타이밍을 제어하게 된다.(ST7)
이와 같은 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504) 제어 및 구동은 통신 단말기(600) 등을 통해 별도의 종료 명령이 입력되기 전까지 반복될 수 있다.(ST8)
도 4는 전자동 모드로 설정된 조명 제어부의 LED 조명 유닛 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
전술한 바와 같이, 조명 제어부(300)는 사용자로부터 설정되는 구동 모드, 예를 들어 수동 모드, 전자동 모드, 일일 자동모드, 수면 예약 모드별로 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504)을 개별적으로 제어하기 위해 채널별 제어 신호를 생성하게 된다.
일 예로, 통신 단말기(600) 등에 의해 사용자로부터 전자동 모드로 설정된 경우, 조명 제어부(300)는 실시간 또는 미리 설정된 기간 단위로 현재 시간 정보를 확인하고(ST1), 태양광 DB(304)로부터 해당 계절 및 시간대별로 태양광 데이터를 읽어들인다.(ST4_1) 그리고 제어함수 DB(305)로부터는 해당 계절 및 시간대별 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 읽어들인다.(ST5_1)
이에, 조명 제어부(300)는 실시간 또는 미리 설정된 기간 단위로 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 파장분포, 단파장 비율을 제어하기 위한 디지털 제어 신호를 생성한다.(ST6)
이와 더불어, 해당 계절 및 시간대별 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용해서 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 색 온도를 제어하기 위한 디지털 제어 신호를 추가로 생성한다(ST6).
조명 제어부(300)는 디지털 제어 신호에 따라 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)의 온/오프 기간, 발광 세기 등을 개별적으로 제어하기 위한 채널별 제어 신호를 조명 모듈 구동부(400)로 전송하여, 조명 모듈 구동부(400)에서 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)로 공급되는 구동 전압을 스위칭 제어하도록 한다(ST7).
마찬가지로, 각각의 LED 조명모듈(501 내지 504) 제어 및 구동은 통신 단말기(600) 등을 통해 별도의 종료 명령이 입력되기 전까지 반복될 수 있다.(ST8)
도 5는 일일 자동 모드로 설정된 조명 제어부의 LED 조명 유닛 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
통신 단말기(600) 등에 의해 사용자로부터 일일 자동 모드로 설정된 경우, 조명 제어부(300)는 일일 기간 단위로 리셋되거나, 일일 기간 단위로 구동 모드를 재설정 받을 수 있다.
일일 자동 모드로 설정된 경우, 조명 제어부(300)는 아침, 점심, 저녁, 수면, 점등 예약, 소등 예약 등의 미리 설정된 시간대별로 시간 정보를 확인하고(ST1), 미리 설정된 시간대별로 태양광 DB(304)로부터 태양광 데이터를 읽어들인다(ST4_2). 그리고 제어함수 DB(305)로부터는 미리 설정된 시간대별로 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 읽어들인다.(ST5_2)
이에, 조명 제어부(300)는 미리 설정된 시간대별로 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 파장분포, 단파장 비율을 제어하기 위한 디지털 제어 신호를 생성한다.(ST6)
이와 더불어, 해당 계절 및 시간대별 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용해서 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 색 온도를 제어하기 위한 디지털 제어 신호를 추가로 생성한다(ST6).
조명 제어부(300)는 디지털 제어 신호에 따라 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)의 온/오프 기간, 발광 세기 등을 개별적으로 제어하기 위한 채널별 제어 신호를 조명 모듈 구동부(400)로 전송하여, 조명 모듈 구동부(400)에서 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)로 공급되는 구동 전압을 스위칭 제어하도록 한다(ST7).
도 6은 수면 예약 모드로 설정된 조명 제어부의 LED 조명 유닛 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
통신 단말기(600) 등에 의해 사용자로부터 수면 예약 모드로 설정된 경우, 조명 제어부(300)는 미리 설정된 수면 예약 시간부터 기상 예약 시간대까지 미리 설정된 시간대별로 시간 정보를 확인하고(ST1), 수면 예약 시간부터 기상 시간대까지 태양광 DB(304)로부터 태양광 데이터를 읽어들인다(ST4_3). 그리고 제어함수 DB(305)로부터는 미리 설정된 시간대별로 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 읽어들인다.(ST5_3)
이에, 조명 제어부(300)는 수면 예약 시간부터 기상 시간대까지 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 파장분포, 단파장 비율을 제어하기 위한 디지털 제어 신호를 생성한다.(ST6)
이와 더불어, 해당 계절 및 시간대별 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용해서 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 색 온도를 제어하기 위한 디지털 제어 신호를 추가로 생성한다(ST6).
조명 제어부(300)는 디지털 제어 신호에 따라 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)의 온/오프 기간, 발광 세기 등을 개별적으로 제어하기 위한 채널별 제어 신호를 조명 모듈 구동부(400)로 전송하여, 조명 모듈 구동부(400)에서 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)로 공급되는 구동 전압을 스위칭 제어하도록 한다(ST7).
도 7은 수동 모드로 설정된 조명 제어부의 LED 조명 유닛 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
통신 단말기(600) 등에 의해 사용자로부터 수동 모드로 설정된 경우, 조명 제어부(300)는 실시간으로 표준 조명 데이터를 변경 설정 및 요청할 수 있다. 이에, 통신 단말기(600) 등을 통해 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)의 제어 신호를 입력받을 수 있으며, 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 색온도, 파장분포, 단파장 비율이 실시간으로 제어되도록 할 수 있다.
즉, 통신 단말기(600) 등을 통해 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)의 조명 광 색온도, 파장분포, 단파장 비율이 가변 설정(SS2, SS3)되는 경우, 조명 제어부(300)는 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 파장분포, 단파장 비율을 제어하기 위한 디지털 제어 신호를 생성한다.(ST6)
이와 동시에, 조명 제어부(300)는 미리 설정된 제어 함수들을 이용해서 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)에서 출사되는 조명 광의 색 온도를 제어하기 위한 디지털 제어 신호를 추가로 생성한다(ST5_4).
그리고 조명 제어부(300)는 디지털 제어 신호에 따라 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)의 온/오프 기간, 발광 세기 등을 개별적으로 제어하기 위한 채널별 제어 신호를 조명 모듈 구동부(400)로 전송하여, 조명 모듈 구동부(400)에서 각 채널별 LED 조명모듈(501 내지 504)로 공급되는 구동 전압을 스위칭 제어하도록 한다(ST7).
이상, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 LED 조명 장치 및 그 제어 방법은 계절 및 시간대별 태양광 데이터와 이를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용하여 복수의 채널로 구동되는 LED 조명 기구들을 제어함으로써, 자연광에 90% 이상 일치하는 조명을 제공할 수 있게 된다.
또한, 자연광 특성 프로파일을 기반으로 하여 각각의 채널 단위로 구동되는 LED 조명 모듈별로 파장 분포, 단파장 비율, 색 온도가 혼합 제어함으로써, LED 조명 모듈의 최대 약점인 퍼센트 플리커를 5%이하로 줄일 수 있다.
또한, 최대한 자연광에 가까운 조명을 세분화된 절기와 정확한 시간대 별로 구분해서 다양한 구동 모드로 제공함으로써, 실외 활동이 적은 사회적 약자들이 생체리듬을 조절하고 수면 유도 및 숙면을 취할 수 있도록 하는 등 다양한 편의를 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 기타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 외부 전원부
200: AD 컨버터
300: 조명 제어부
301: 통신부
302: RTC 모듈
303: 모드 설정 제어부
304: 태양광 DB
305: 제어함수 DB
306: 제어신호 생성부
400: 조명 모듈 구동부
500: LED 조명 유닛
600: 통신 단말기

Claims (10)

  1. 제1 내지 제4 채널로 구분되어 각각 채널별로 구동되는 제1 내지 제4 채널별 LED 조명모듈을 포함하는 LED 조명 유닛;
    계절 및 시간대별 태양광 데이터와 상기 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용하여 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명모듈을 제어하기 위한 제1 내지 제4 채널별 제어 신호를 생성하는 조명 제어부; 및
    상기 제1 내지 제4 채널별 제어 신호에 응답하여 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명모듈로 공급되는 구동 전압을 스위칭함으로써, 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명모듈의 온/오프 구동 타이밍을 제어하는 조명 모듈 구동부를 포함하고,
    상기 조명 제어부는
    상기 계절 및 시간대별 태양광 데이터에 포함된 태양광 단파장 비율 정보 및 색온도 정보를 현재 시간 정보에 따라 읽어들이고 상기 태양광 단파장 비율 정보 및 색온도 정보에 대응되도록 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명 모듈을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하며,
    상기 조명 제어부는
    상기 읽어들인 색온도 정보에 대응해서 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명 모듈의 전류량이 가변되도록 하기 위해, 상기 읽어들인 색온도 정보에 따라 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명 모듈에 대한 전류 함수 값을 설정 또는 변경함으로써, 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명 모듈의 전류량 제어를 위한 상기 제어 신호를 생성하며,
    상기 조명 제어부는
    상기 읽어들인 색온도 정보의 색온도 값 K에 대응되도록 설정된 하기의 수학식 1 및 수학식 2의 제어함수를 이용해서 상기 색온도 값 K에 대응되는 제1 채널 LED 조명 모듈의 전류 함수 값 A를 설정 또는 변경하고,
    [수학식 1]
    K = 6367 + 0.02132A2 - 7.49B - 19.78A - 0.05688BC - 0.0002722DC2
    [수학식 2]
    A = (3.077×104) + 0.02402K2 + (1.212K4×10-9) + (3.835K6 × 10-18) - 42.09K - (1.064K5×10-13) - (7.243K3×10-6)
    상기 수학식 1 및 하기 수학식 3의 제어 함수를 이용해서 상기 색온도 값 K에 대응되는 제2 채널 LED 조명 모듈의 전류 함수 값 B를 설정 또는 변경하고,
    [수학식 3]
    B = 70.37K + (1.155K3×10-5) + (1.611K5×10-13) - (5.179×104) - (5.647K6×10-18) - (1.883K4×10-9) - 0.0393K2
    상기 수학식 1 및 하기 수학식 4의 제어 함수를 이용해서 상기 색온도 값 K에 대응되는 제3 채널 LED 조명 모듈의 전류 함수 값 C를 설정 또는 변경하고,
    [수학식 4]
    C = 10.53K + (3.235K3×10-6) + (6.757K5×10-14) - 4774 - (2.791K6 × 10-18) - (6.565K4 × 10-10) - 0.008376K2
    상기 수학식 1 및 하기 수학식 5의 제어 함수를 이용해서 상기 색온도 값 K에 대응되는 제4 채널 LED 조명 모듈의 전류 함수 값 C를 설정 또는 변경하고,
    [수학식 5]
    D = (2.127×104) + 0.01959K2 + (1.113K4×10-9) + (3.895K6×10-18) - 31.92K - (1.029K2 × 10-13) - (6.288K3 × 10-6)
    여기서, 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명 모듈의 전류 함수 값 A ~ D의 총 합은 255의 조건이 만족되도록 상기 전류 함수 값 A ~ D는 서로 같거나 다르게 변경 설정되며,
    상기 제1 내지 제4 채널의 LED 조명 모듈별로 설정 또는 변경된 전류 함수 값 A, B, C, D에 따라 상기 제1 내지 제4 채널의 LED 조명 모듈별 색온도를 제어하기 위한 전류량 제어값을 각각 설정해서 상기 제1 내지 제4 채널 각각의 LED 조명 모듈별로 전류량을 제어하는,
    자연광 LED 조명 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 채널별 LED 조명모듈은
    웜 화이트(Warm White), 쿨 화이트(Cool White), 적색, 녹색, 청색을 발광하는 LED 중 적어도 하나의 LED를 포함하도록 조합해서 구성되며,
    가시광선 380nm ~ 780nm 중 어느 한 대역, 단파장 446nm ~ 477nm 중 어느 한 대역, 및 색온도 3500K ~ 6500K 중 어느 한 범위에 각각 포함되는 조명 광을 출사하는,
    자연광 LED 조명 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명 제어부는
    사용자로부터 설정되는 수동 모드, 전자동 모드, 일일 자동모드, 수면 예약 모드 중 적어도 하나의 구동 모드에 따라 상기 채널별 제어 신호를 생성하며,
    상기 채널별 제어 신호는 상기 각 채널별 LED 조명모듈에 포함된 각 LED별 온/오프 듀티비(Duty ratio) 설정 값을 포함하는,
    자연광 LED 조명 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 조명 모듈 구동부는
    상기 각 채널별 제어신호에 포함된 상기 각 LED별 온/오프 듀티비 설정 값에 따라 상기 각 LED 조명모듈의 LED 별로 PWM 신호(Pulse Width Modulation Signal)를 생성하고,
    상기 각 LED별 PWM 신호에 따라 상기 각 채널별 LED 조명모듈로 공급되는 구동 전압을 스위칭함으로써, 상기 각 LED별로 온/오프 구동 타이밍을 제어하는
    자연광 LED 조명 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명 제어부는
    상기 태양광 데이터와 상기 제어 함수들을 참조하여, 상기 각 채널별 LED 조명모듈에 포함된 LED별 온/오프 듀티비(Duty ratio) 설정 값을 산출하는 모드 설정 제어부;
    상기 태양광 데이터를 저장하고 상기 모드 설정 제어부의 요청에 따라 상기 현재 시간 정보에 상응하는 계절 및 시간대별 태양광 데이터를 공유하는 태양광 DB;
    상기 모드 설정 제어부의 요청에 따라 상기 제어 함수들을 저장하고 상기 모드 설정 제어부의 요청에 따라 현재 시간 정보에 상응하는 상기 제어 함수들을 공유하는 제어함수 DB; 및
    상기 모드 설정 제어부를 통해 입력되는 각 LED별 온/오프 듀티비 설정 값이 포함되도록 상기 각 채널별 LED 조명모듈을 개별적으로 제어하기 위한 채널별 제어 신호를 생성 및 출력하는 제어신호 생성부를 포함하는,
    자연광 LED 조명 장치.
  6. 제1 내지 제4 채널로 구분되어 각각 채널별로 구동되는 제1 내지 제4 채널별 LED 조명모듈을 포함하는 LED 조명 유닛의 구동방법에 있어서,
    계절 및 시간대별 태양광 데이터와 상기 태양광 데이터를 기초로 설정된 제어 함수들을 이용하여 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명모듈을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    조명 모듈 구동부의 스위칭 구조를 이용해서 상기 채널별 제어 신호에 따라 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명모듈로 공급되는 구동 전압을 스위칭함으로써, 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명모듈의 온/오프 구동 타이밍을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명모듈을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계는 상기 계절 및 시간대별 태양광 데이터에 포함된 태양광 단파장 비율 정보 및 색온도 정보를 현재 시간 정보에 따라 읽어들이고 상기 태양광 단파장 비율 정보 및 색온도 정보에 대응되도록 상기 제어 신호를 생성하며,
    상기 색온도 정보에 대응되도록 상기 제어 신호를 생성하는 단계는
    상기 읽어들인 색온도 정보에 대응해서 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명 모듈의 전류량이 가변되도록 하기 위해, 상기 읽어들인 색온도 정보에 따라 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명 모듈에 대한 전류 함수 값을 설정 또는 변경함으로써, 상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명 모듈의 전류량 제어를 위한 상기 제어 신호를 생성하며,
    상기 색온도 정보에 대응되도록 상기 제어 신호를 생성하는 단계는
    상기 읽어들인 색온도 정보의 색온도 값 K에 대응되도록 설정된 하기의 수학식 1 및 수학식 2의 제어함수를 이용해서 상기 색온도 값 K에 대응되는 제1 채널 LED 조명 모듈의 전류 함수 값 A를 설정 또는 변경하는 단계,
    [수학식 1]
    K = 6367 + 0.02132A2 - 7.49B - 19.78A - 0.05688BC - 0.0002722DC2
    [수학식 2]
    A = (3.077×104) + 0.02402K2 + (1.212K4×10-9) + (3.835K6 × 10-18) - 42.09K - (1.064K5×10-13) - (7.243K3×10-6)
    상기 수학식 1 및 하기 수학식 3의 제어 함수를 이용해서 상기 색온도 값 K에 대응되는 제2 채널 LED 조명 모듈의 전류 함수 값 B를 설정 또는 변경하는 단계,
    [수학식 3]
    B = 70.37K + (1.155K3×10-5) + (1.611K5×10-13) - (5.179×104) - (5.647K6×10-18) - (1.883K4×10-9) - 0.0393K2
    상기 수학식 1 및 하기 수학식 4의 제어 함수를 이용해서 상기 색온도 값 K에 대응되는 제3 채널 LED 조명 모듈의 전류 함수 값 C를 설정 또는 변경하는 단계,
    [수학식 4]
    C = 10.53K + (3.235K3×10-6) + (6.757K5×10-14) - 4774 - (2.791K6 × 10-18) - (6.565K4 × 10-10) - 0.008376K2
    상기 수학식 1 및 하기 수학식 5의 제어 함수를 이용해서 상기 색온도 값 K에 대응되는 제4 채널 LED 조명 모듈의 전류 함수 값 C를 설정 또는 변경하는 단계를 포함하고,
    [수학식 5]
    D = (2.127×104) + 0.01959K2 + (1.113K4×10-9) + (3.895K6×10-18) - 31.92K - (1.029K2 × 10-13) - (6.288K3 × 10-6)
    상기 제1 내지 제4 채널별 LED 조명 모듈의 전류 함수 값 A ~ D의 총 합은 255의 조건이 만족되도록 상기 전류 함수 값 A ~ D는 서로 같거나 다르게 변경 설정되며,
    상기 제1 내지 제4 채널의 LED 조명 모듈별로 설정 또는 변경된 전류 함수 값 A, B, C, D에 따라 상기 제1 내지 제4 채널의 LED 조명 모듈별 색온도를 제어하기 위한 전류량 제어값을 각각 설정해서 상기 제1 내지 제4 채널 각각의 LED 조명 모듈별로 전류량을 제어하는 단계를 포함하는,
    자연광 LED 조명 장치의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 채널별 LED 조명모듈은
    웜 화이트(Warm White), 쿨 화이트(Cool White), 적색, 녹색, 청색을 발광하는 LED 중 적어도 하나의 LED를 포함하도록 조합해서 구성되며,
    가시광선 380nm ~ 780nm 중 어느 한 대역, 단파장 446nm ~ 477nm 중 어느 한 대역, 및 색온도 3500K ~ 6500K 중 어느 한 범위에 각각 포함되는 조명 광을 출사하는,
    자연광 LED 조명 장치의 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 채널별 LED 조명모듈의 제어 신호 생성 단계는
    사용자로부터 설정되는 수동 모드, 전자동 모드, 일일 자동모드, 수면 예약 모드 중 적어도 하나의 구동 모드에 따라 상기 채널별 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 채널별 제어 신호는 상기 각 채널별 LED 조명모듈에 포함된 각 LED별 온/오프 듀티비(Duty ratio) 설정 값을 포함하는,
    자연광 LED 조명 장치의 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 각 채널별 LED 조명모듈의 온/오프 구동 타이밍 제어 단계는
    상기 각 채널별 제어신호에 포함된 상기 각 LED별 온/오프 듀티비 설정 값에 따라 상기 각 LED 조명모듈의 LED 별로 PWM 신호(Pulse Width Modulation Signal)를 생성하는 단계; 및
    상기 각 LED별 PWM 신호에 따라 상기 각 채널별 LED 조명모듈로 공급되는 구동 전압을 스위칭함으로써, 상기 각 LED 별로 온/오프 구동 타이밍을 제어하는 단계를 포함하는,
    자연광 LED 조명 장치의 제어 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 채널별 LED 조명모듈의 제어 신호 생성 단계는
    모드 설정 제어부에서 사용자로부터 설정되는 구동 모드에 맞게 상기 태양광 데이터와 상기 제어 함수들을 참조하여, 상기 각 채널별 LED 조명모듈에 포함된 LED별 온/오프 듀티비(Duty ratio) 설정 값을 산출하는 단계;
    태양광 DB에 상기 태양광 데이터를 저장하고 상기 모드 설정 제어부의 요청에 따라 상기 현재 시간 정보에 상응하는 계절 및 시간대별 태양광 데이터가 공유되도록 하는 단계;
    제어함수 DB에 상기 태양광 데이터를 기초로 설정된 상기 제어 함수들을 저장하고 상기 모드 설정 제어부의 요청에 따라 상기 현재 시간 정보에 상응하는 제어 함수들을 공유하는 단계; 및
    상기 모드 설정 제어부를 통해 입력되는 각 LED별 온/오프 듀티비 설정 값이 포함되도록 상기 각 채널별 LED 조명모듈을 개별적으로 제어하기 위한 채널별 제어 신호를 생성 및 출력하는 단계를 포함하는,
    자연광 LED 조명 장치의 제어 방법.
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