KR102064340B1 - 라이트 가이드 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 빛이 조사되는 광원부; 광원부와 인접하게 마련되어 광원부로부터 조사되는 빛을 전달하는 유효부; 및 광원부와 유효부 사이에 유효부보다 큰 두께를 가지고 유효부와 연결되도록 마련되어 광원부로부터 조사되는 빛을 유효부로 전달하는 도입부를 포함하는 라이트 가이드 장치을 제공하여, 라이트 가이드의 도입부 입사 광량을 증가시켜 라이트 가이드의 빛의 균일도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

라이트 가이드 장치{LIGHT GUIDE DEVICE}
본 발명은 라이트 가이드 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 라이트 가이드의 도입부 입사 광량을 증가시켜 라이트 가이드 내에 빛의 균일도를 향상시킬 수 있는 라이트 가이드 장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차용 램프에는 헤드램프, 안개등, 방향지시등, 브레이크등, 후진등 등이 있다.
헤드램프는 차량의 전방으로 빛을 조사하여 야간 주행 중 전방 시야가 확보되도록 한다. 안개등은 안개가 낀 흐린 날 운전자의 시야 확보를 돕는다. 방향지시등, 브레이크등, 후진등은 램프의 점등을 통해 다른 차량이 이를 인식하도록 한다.
이러한 자동차용 램프는 통상 전구에서 조사된 빛이 전방으로 조사됨으로써 식별력을 제공하는 것이지만, 최근에는 외관형상 향상을 위해 자동차용 램프의 내부에 라이트를 안내하는 라이트 가이드 장치가 채택되고 있다.
라이트 가이드 장치는 균일한 점등 필링 구현을 통해 디자인 고급화 및 완성차 캐릭터 조형을 통한 디자인 아이덴티티를 구현하기 위하여 사용되며, 라이트 가이드의 두께 단면 형상, 뒷면 컷의 크기 형상을 제어하여 전면부 이미지를 동일하게 제어한다.
그런데, 이러한 종래의 라이트 가이드 장치에 있어서는, 도입부에서 입사한 빛이 점차 약해지며, 이로 인해 도입부 인근은 밝지만 도입부로부터 멀어질수록 어두워지는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 라이트 가이드의 도입부 입사 광량을 증가시켜 라이트 가이드의 빛의 균일도를 향상시킬 수 있는 라이트 가이드 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 빛이 조사되는 광원부; 상기 광원부와 인접하게 마련되어 상기 광원부로부터 조사되는 빛을 전달하는 유효부; 및 상기 광원부와 상기 유효부 사이에 상기 유효부보다 큰 두께를 가지고 상기 유효부와 연결되도록 마련되어 상기 광원부로부터 조사되는 빛을 상기 유효부로 전달하는 도입부를 포함하는 라이트 가이드 장치를 제공한다.
상기 도입부는, 상기 광원부로부터 상기 유효부로 향하는 방향을 따라 점진적으로 직경이 작아질 수 있다.
상기 도입부의 길이는 상기 도입부의 두께 증가에 따른 광량 증가와 탈출 추가각 발생에 따른 광량 감소를 비교하고 이에 기초하여 광량이 증가되는 값으로 산출될 수 있다.
상기 도입부의 길이는 반사 횟수 증가에 따른 광량 감소를 더 고려하여 산출될 수 있다.
상기 도입부는, 중심 단면의 외곽선이 상기 유효부 외곽선의 연장선과 이루는 각 θ2가 0° < θ2 ≤ 2.86° 범위일 수 있다.
상기 도입부의 길이는 다음의 수식에 의하여 산출될 수 있다.
x = (b-a)/ (2*tan(θ2))
여기서, x는 도입부의 길이, a는 유효부의 직경, b는 도입부의 직경.
본 발명의 라이트 가이드 장치에 따르면, 라이트 가이드의 도입부 입사 광량을 증가시켜 라이트 가이드의 빛의 균일도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적 라이트 가이드 장치 내에서 빛의 이동 경로를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 라이트 가이드 장치에서 라이트 가이드의 두께 및 길이에 따른 광밀도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1의 라이트 가이드 장치에서 라이트 가이드의 두께 및 길이에 따른 광량을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이트 가이드 장치의 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 4의 라이트 가이드 장치의 도입부 및 유효부의 길이에 따른 광량을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 4의 라이트 가이드 장치의 도입부 길이에 따른 탈출 추가각을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
발명의 설명에 앞서, 라이트 가이드 장치의 기본 원리 및 설계 목적을 설명한다.
도 1은 일반적 라이트 가이드 장치 내에서 빛의 이동 경로를 설명하는 도면이고, 도 2는 도 1의 라이트 가이드 장치에서 라이트 가이드의 두께 및 길이에 따른 광밀도를 나타내는 그래프이며, 도 3은 도 1의 라이트 가이드 장치에서 라이트 가이드의 두께 및 길이에 따른 광량을 나타내는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 라이트 가이드 장치(10)에서는 매질이 다른 두 물질의 경계면에서 일어나는 빛의 전반사를 이용하여 광파이프를 따라 빛을 유도하며 유도 중 광추출 옵틱(Optic)을 이용하여 특정 광선을 전면부로 향하도록 한다. 이때 전면부로 나가는 광량을 유사하도록 설계하여, 전체 라이트 가이드(12)의 발광 이미지를 균일하도록 설계한다.
경계면에서 일어나는 빛의 전반사는 스넬의 법칙에 따라 이루어진다.
스넬의 법칙은 다음의 수식으로 나타낸다.
Figure 112013041598791-pat00001
여기서, n1, n2는 각각 두 매질의 굴절률이고, θ1, θ2는 각각 입사각과 굴절각을 나타낸다.
임계각은 광섬유 내에서 빛이 투과되지 않고 반사되어 전달되기 위한 최소의 필요각이다. 만약 입사각이 임계각보다 작다면, 빛은 굴절된 상태로 투과되어 계속 진행될 것이고, 반대로 입사각이 임계각보다 크다면 두번째 매질로 입사한 빛은 첫번째 매질로 재입사하게 된다. 즉, 매질의 경계가 거울과 같이 빛을 반사하게 되는데 이를 전반사라고 한다.
일반적으로 라이트 가이드(12)로 사용되는 폴리 카보네이트(Poly Carbonate) 재질은 굴절률이 약 1.586이다. 이를 적용하여 라이트 가이드(12) 내부의 전반사 임계각은 스넬의 법칙에 따라 계산해보면 약 40도가 된다.
따라서 도 1에서 라이트 가이드(12) 내부에서 외부로의 입사각 90-θ2는 40도 이상이어야 라이트 가이드(12) 내부에서 전반사가 일어난다.
다시 스넬의 법칙에 따라 공기(소한 매질, n1=1)에서 라이트 가이드(12, 밀한 매질, n2=1.586)로 광원부(11)의 빛이 입사할 때 광원부(11)의 방사각 중 0~65도 사이의 빛만 라이트 가이드(12) 내로 입사 후 전반사하게 된다. 이 범위 외의 빛은 라이트 가이드(12)를 투과하여 손실된다.
라이트 가이드(12)는 그 두께에 따라 다음과 같은 특성을 가진다.
첫째로 라이트 가이드(12)는 두께가 두꺼울수록 많은 광원부(11)로부터 많은 광량을 확보할 수 있고, 둘째로 라이트 가이드(12)는 두께가 두꺼울수록 단면의 광밀도가 낮아진다.
도 2 및 도 3을 참조하면 라이트 가이드(12)의 두께가 두꺼울수록 확보되는 광량은 증가하고, 단면의 광밀도는 낮아지는 것을 알 수 있다.
이러한 특성상 라이트 가이드(12)는 길이 방향 끝부부분으로 갈수록 광추출 옵틱(Optic)이 커지게 되며 라이트 가이드(12)의 전체 길이 또한 제한받는다.
따라서, 라이트 가이드(12)의 도입부에 두께가 두꺼운 라이트 가이드(12)를 사용하여 광원부(11)로부터 큰 광량을 추출하고, 실제 라이트 가이드(12)의 유효부에서는 얇은 라이트 가이드(12)를 사용하여 광밀도를 높이는 것이 본 발명의 특징이며 설계 목적이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이트 가이드 장치의 개략적인 단면도이고, 도 5는 도 4의 라이트 가이드 장치의 도입부 및 유효부의 길이에 따른 광량을 나타낸 그래프이며, 도 6은 도 4의 라이트 가이드 장치의 도입부 길이에 따른 탈출 추가각을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이트 가이드 장치(1)는, 빛이 조사되는 광원부(100)와, 광원부(100)와 인접하게 마련되어 광원부(100)로부터 조사되는 빛을 전달하는 유효부(200)와, 광원부(100)와 유효부(200) 사이에 유효부(200)보다 큰 두께를 가지고 유효부(200)와 연결되도록 마련되어 광원부(100)로부터 조사되는 빛을 유효부(200)로 전달하는 도입부(300)를 포함한다.
광원부(100)는 빛을 발생시키는 구성으로, 전구 등이 사용되며 본 실시예에서는 LED를 사용하였다.
유효부(200)와 도입부(300)는 라이트 가이드를 구성하며, 도입부(300)에서 광원부(100)로부터 방사되는 빛을 유입시켜 유효부(200)로 유도하고, 유효부(200)는 이를 안내하여 유효부(200) 내에 마련되는 노치 등과 같은 옵틱에 의하여 전면부로 빛을 균일하게 내보낸다.
본 실시예에서는 직경 10 mm의 도입부(300)와 직경 8 mm의 유효부(200)를 연결한 라이트 가이드를 사용한다.
도입부(300)는, 광원부(100)로부터 유효부(200)로 향하는 방향을 따라 점진적으로 직경이 작아지도록 마련된다. 이에 따라, 도입부(300)의 중심 단면의 외곽선은 경사지게 형성되며, 유효부(200)의 외곽선의 연장선과 이루는 각 θ2를 형성한다.
도 4를 참조하면, 라이트 가이드의 직경이 유효부(200)의 직경인 8 mm로 형성된다면, 2 mm 떨어진 1*1 크기의 광원부(100)에서 라이트 가이드로 입사되는 방사각의 범위는 -60°~ 60°이다. 또한 라이트 가이드의 직경이 도입부(300)의 직경인 10 mm 일 때는 -66°~ 66°이다. 즉, 도입부(300)의 직경이 유효부(200)의 직경보다 크게 형성됨에 따라 도입부(300)를 통하여 입사되는 빛의 방사각 증가량 θ1은 6°이다.
또한, 도 4에서 도입부(300)의 길이(x)에 따라 도입부(300)의 외곽선이 유효부(200) 외곽선의 연장선과 이루는 각 θ2와, 광원으로부터 도입부(300)와 유효부(200)가 만나는 지점을 연결한 선분과 광원으로부터 유효부(200) 외곽선과 나란한 선분이 이루는 각 θ3가 발생한다.
위에서 살펴본 바와 같이 광원부(100)에서 65도 이하로 방사되는 빛은 라이트 가이드의 굴절률이 1.586 일 때 라이트 가이드 내에서 전반사를 이룬다. 도 4에서 표시된 각은 광원부(100)의 방사각이 라이트 가이드 내부로 통과한 후의 각도이다. 따라서, 라이트 가이드 내에서의 입사각이 50°이하이면 라이트 가이드 내에서 전반사가 발생된다.
이를 고려하여, 라이트 가이드가 직경 8 mm의 단일 구성인 경우와 도입부(300)가 10 mm로 마련되었을 때를 대비하여 광량 증가 요인과 감소 요인을 살펴본다.
먼저 광량 증가요인으로는 입사각 증가량 θ1(약 6°)을 통해 라이트 가이드 내로 들어오는 광량이 증가하는 것을 들 수 있다.
광량 감소요인은 크게 두가지로 나눌 수 있다. 먼저, 도 4를 참고하면 도입부(300)에서 도입부(300)가 유효부(200)와 θ2 만큼 경사지도록 마련됨에 따라 도입부(300)의 경계면에서 도입부(300) 밖으로 투과되어 손실되는 빛이 발생한다. 이에 따른 빛의 손실량은 상수 처리 가능하다. 즉, 도 4를 참조하면, 사용 유효각이 50°에서 (50°-θ2)로 감소되는 효과가 도입부(300)에서 발생된다.
두번째 광량 감소 요인으로는, 도 4에서 (50°-θ3-θ2) 각도 영역의 빛은 도입부(300)의 경계면에 반사됨에 따라 반사 각도에 변화가 생겨 라이트 가이드 내에서 반사되는 횟수가 증가한다. 경계면에서 반사되는 빛의 에너지는 1회 반사 당 4% 정도 감소되며, 이에 따라 빛이 라이트 가이드 내에서 멀리 갈수록 에너지 감쇄 효과가 커지게 된다.
이와 같이 광량 증가 요인과 광량 감소 요인을 고려하여 광량이 증가될 수 있는 라이트 가이드의 조건을 찾아본다.
도 5는 그래프는 도입부(300)의 길이 x별 길이 방향에 대한 광량을 기존 직경 8 mm 두께의 라이트 가이드와 비교한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 도입부(300)의 길이가 10 mm인 경우 오히려 직경 8 mm 라이트 가이드 단독 사용보다 효율이 더 좋지 않으며, 도입부(300)의 길이가 20 mm 이상일 경우는 전체적으로 약 450mm 구간까지는 기존보다 더 좋은 성능을 보임을 알 수 있다. 즉, 도입부(300)의 길이를 20 mm 미만으로 구성하는 경우에는 광량 감소 요인에 의한 영향이 더 큰 것으로 볼 수 있다.
광량 감소 요인 중 θ2의 값을 탈출 추가각이라는 이름으로 정의하고, 도입부(300) 길이의 변화에 따른 탈출 추가각의 변화를 그래프로 나타내면 도 6과 같다.
탈출 추가각 θ2의 의미는, 도입부(300)의 외곽선이 경사지게 형성됨에 따라 도입부(300) 내의 경계면에서 전반사를 이룰 수 있는 각의 범위도 도 6의 그래프에 나타나는 탈출 추가각, θ2 만큼 작아지는 것을 나타낸다.
예를 들어, 도 6에서 도입부(300)의 길이가 6 mm인 경우 약 10도의 탈출 추가각을 가지며, 이 값 만큼의 방사각을 손실하게 되는 것이다.
도 6의 그래프에서 알 수 있듯이 20 mm 이하의 경우 추가 탈출각이 지수적으로 증가하므로, 도입부(300)의 길이가 20 mm 일 때의 탈출 추가각인 2.86도를 기준으로 도입부(300)의 길이는 탈출 추가각이 2.86도 이하가 되도록 20 mm 이상으로 마련하는 것이 바람직하다.
즉, 라이트 가이드의 유효부(200) 두께를 'a', 라이트 가이드의 도입부(300) 두께를 'b'라고 하였을 때, 도입부(300) 길이 x = (b-a)/ (2*tan(θ2))와 같이 표현되므로, 이 식에서 0°< θ2 ≤ 2.86°범위 내에서 도입부(300)의 길이를 선택한다. 이에 따르는 도입부(300)를 사용하는 라이트 가이드는 450 mm 구간 내에서 광량 증대의 효과를 가져올 수 있다.
이와 같이, 도입부(300)의 길이는 도입부(300)의 두께 증가에 따른 광량 증가와 탈출 추가각 발생 및 에 반사 횟수 증가에 따른 광량 감소를 비교하고 이에 기초하여 광량이 증가되는 값으로 산출한다.
이와 같이, 본 발명의 라이트 가이드 장치(1)에 의하면, 라이트 가이드의 도입부(300) 입사 광량을 증가시켜 라이트 가이드의 빛의 균일도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 라이트 가이드 장치
100 : 광원부
200 : 유효부
300 : 도입부

Claims (6)

  1. 빛이 조사되는 광원부;
    상기 광원부와 인접하게 마련되어 상기 광원부로부터 조사되는 빛을 전달하는 유효부; 및
    상기 광원부와 상기 유효부 사이에 상기 유효부보다 큰 두께를 가지고 상기 유효부와 연결되도록 마련되어 상기 광원부로부터 조사되는 빛을 상기 유효부로 전달하는 도입부를 포함하고,
    상기 도입부는 상기 광원부로부터 상기 유효부로 향하는 방향을 따라 점진적으로 직경이 작아지고,
    상기 도입부의 길이는 상기 도입부의 두께 증가에 따른 광량 증가와 탈출 추가각 발생에 따른 광량 감소를 비교하고 이에 기초하여 광량이 증가되는 값으로 산출되고,
    상기 도입부의 길이는 반사 횟수 증가에 따른 광량 감소를 더 고려하여 산출되는 것을 특징으로 하는 라이트 가이드 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도입부는,
    중심 단면의 외곽선이 상기 유효부 외곽선의 연장선과 이루는 각 θ2가 0° < θ2 ≤ 2.86° 범위인 것을 특징으로 하는 라이트 가이드 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 도입부의 길이는 다음의 수식에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 라이트 가이드 장치.
    x = (b-a)/ (2*tan(θ2))
    여기서, x는 도입부의 길이, a는 유효부의 직경, b는 도입부의 직경.
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