KR102287612B1 - 재귀반사 구조 및 이를 이용한 재귀반사 시트 - Google Patents

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Abstract

재귀반사 구조 및 이를 이용한 재귀반사 시트가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 재귀반사 구조는 입사 광선을 입사면으로 재귀반사(retroreflect)시키는 적어도 하나의 코너-큐브; 및 상기 코너-큐브의 상기 입사면 상에 적어도 일부가 적층되며, 상기 입사면과 평행한 하면, 및 상기 하면과 밑각을 형성하는 경사면으로 이루어지는 적어도 하나의 프리폼(freeform) 유닛을 포함한다.

Description

재귀반사 구조 및 이를 이용한 재귀반사 시트{Retroreflection structure and retroreflection sheet using the same}
본 발명은 재귀반사 구조 및 이를 이용한 재귀반사 시트에 관한 것으로, 특히, 교통 신호 및 안정성 분야들에서 적용되는 코너-큐브를 이용한 재귀반사 시트에 관한 것이다.
일반적으로 재귀반사는 잘 알려진 광학 현상이며, 현재 광범위한 응용분야를 갖는다. 이론적으로 재귀반사는 정각 코너-튜브 구조체에 의해 생성될 수 있다. 그러나, 많은 실제 응용분야들에서, 유한한 발산(divergence)을 갖는 불완전한 재귀반사, 즉, 유사-재귀반사가 정각 코너-큐브에 의해 발생된 정각-재귀반사보다 더 바람직하다. 예를 들면, 교통 신호 및 안전성 응용분야들에 대하여, 교통 신호로 지향된 자동차의 헤드라이트가 헤드라이트 램프, 즉, 광원 대신에 운전자의 머리를 향해야 하기 때문에, 유사-재귀반사는 정각-재귀반사 대신에 필요하다. 유사-재귀반사에서, 관찰 각에 의해 표시되는 관찰 방향은 입사각으로 매개변수화된 광선 조사 방향에 평형하지 않다.
교통 신호가 정각 코너-큐브 어레이들로 이루어진 경우, 교통 신호들에 대하여 필요한 유사-재귀반사 기능은 달성될 수 없다. 따라서, ASTM(American Society for Testing and Materials) 표준에 따르면, 교통 신호 응용분야의 성능은 -0.5° 내지 1°의 관측 각에서 -4° 내지 30°의 입사각에 대한 유사-재귀반사 효율을 측정함으로써 평가된다. 따라서, 수직 방향을 따른 유사-재귀반사 제어가 교통 신호 응용분야들에서 필요하다.
현재, 이와 같은 유사-재귀반사 특성들은 제조 제어시 통계적 변이성(statistical variation) 또는 코너-큐브 제조시 완전성으로부터 인공 편차들로 구현된다.
한편, 도로 교통 표지판, 안전 장구 등에 보편적으로 사용되는 재귀반사 시트는 코너-큐브의 어레이로 이루어진다. 이 때, 코너-큐브는 광원으로부터 (kx, ky, kz)의 방향으로 입사된 광선을 (-kx, -ky, -kz)의 방향으로 되돌려 반사하는 대표적인 재귀반사 구조이다.
정각-재귀반사 현상은 광원으로부터 발생한 광선을 광원으로 다시 정확히 되돌려 보내기 때문에, 자동차 헤드라이트로부터 방출된 광선을 반사하여 운전자의 눈으로 향하게 해야 하는 재귀반사 시트의 목적에는 부합하지 않는 측면이 존재한다. 이를 위해 재귀반사 효율을 증가시키기 위한 많은 연구가 진행되었지만 정확히 원하는 각도와 세기로 재귀반사 광선을 내보내는 것은 지금까지 불가능하였다.
또한, 최근 몇 년간, 태양광, LED조명, 3D 디스플레이 등 많은 광학 분야에서는 혁신적인 성능을 갖는 임의의 프리폼 소자를 광학계에 접목하는 연구 또한 활발히 이루어지고 있으나, 재귀반사의 특성을 제어하는 것이 용이하지 않았다.
KR 2011-0099633 A
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 경사면을 갖는 프리폼 유닛을 이용하여 코너-큐브의 유사-재귀반사를 용이하게 발생시킬 수 있는 재귀반사 구조 및 이를 이용한 재귀반사 시트를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 입사 광선을 입사면으로 재귀반사(retroreflect)시키는 적어도 하나의 코너-큐브; 및 상기 코너-큐브의 상기 입사면 상에 적어도 일부가 적층되며, 상기 입사면과 평행한 하면, 및 상기 하면과 밑각을 형성하는 경사면으로 이루어지는 적어도 하나의 프리폼(freeform) 유닛을 포함하는 재귀반사 구조가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 프리폼 유닛은 상기 입사 광선에 대한 관측 각이 증가하도록 상기 입사 광선을 유사-재귀반사시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 밑각의 크기는 상기 관측 각에 비례하여 증가하도록 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 밑각은 0.1~3°일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프리폼 유닛은 상기 하면과 평행한 상면을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 상면의 폭은 유사-재귀반사 광선의 세기에 반비례하여 감소하도록 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 상면의 폭은 0㎜보다 크고 1㎜이하일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 코너-큐브의 입사면에 대한 상기 프리폼 유닛의 경사면의 면적 비율은 유사-재귀반사 광선의 세기에 비례하여 증가하도록 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 코너-큐브의 입사면에 대한 상기 프리폼 유닛의 경사면의 면적 비율은 0%보다 크고 60% 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프리폼 유닛의 수는 유사-재귀반사 광선의 세기에 비례하여 증가하도록 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프리폼 유닛은 원뿔, 원뿔대, 반구형, 및 삼각 프리즘 형상, 다각형 뿔대 중 적어도 하나의 형상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프리폼 유닛은 상기 하면이 상기 코너 큐브의 상기 입사면에 내접하는 원형상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프리폼 유닛 및 상기 코너-큐브는 동일하거나 유사한 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기와 같은 재귀반사 구조를 갖는 재귀반사 시트가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 재귀반사 시트는 상기 코너-큐브가 다수 배열된 코너-큐브 어레이; 및 상기 프리폼 유닛이 다수 배열된 프리폼 유닛 어레이를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프리폼 유닛은 상기 코너-큐브의 배열과 무관하게 등간격으로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프리폼 유닛 어레이는 적어도 하나의 프리폼 유닛이 상기 코너-큐브 어레이의 각각의 코너-큐브 내에 포함되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 재귀반사 구조 및 이를 이용한 재귀반사 시트는 코너-큐브에 적층되는 프리폼 유닛의 구조적인 파라미터들을 조정함으로써, 유사-재귀반사의 발산 각(또는 관측 각) 및 효율(세기 또는 전력)과 같은 유사-재귀반사의 특성을 용이하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 개략적 구성도이다.
도 2는 도 1의 유사-재귀반사 유닛의 기하학적 파라미터를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 개략적 구성도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 개략적 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 원리를 설명하기 위한 코너-큐브의 개략적 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조에 대한 재귀반사 광선을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 밑각의 변화에 따라 재귀반사 광선을 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 밑각의 변화에 따라 재귀반사 광선을 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 유사-재귀반사 구조의 밑각에 대한 관찰 각의 특성 관계를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 유사-재귀반사 구조의 상면 폭에 대한 재귀반사 광선의 전력의 특성 관계를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 프리폼 유닛의 수의 변화에 따라 재귀반사 광선을 측정한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 시트의 밑각에 대한 근거리의 재귀반사 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 시트의 밑각에 대한 원거리의 재귀반사 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 최대 효율 면적 비율을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 시트의 개략적 구성도이다.
도 17은 도 16의 변형예에 따른 유사-재귀반사 시트의 개략적 구성도이다.
도 18은 도 16의 다른 변형예에 따른 유사-재귀반사 시트의 개략적 구성도이다.
도 19는 도 16의 또 다른 변형예에 따른 유사-재귀반사 시트의 개략적 구성도이다.
도 20은 도 16의 또 다른 변형예에 따른 유사-재귀반사 시트의 개략적 구성도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 개략적 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 개략적 구성도이다. 도 2는 도 1의 유사-재귀반사 유닛의 기하학적 파라미터를 나타낸 단면도이다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조(100)는 코너-큐브(110) 및 프리폼 유닛(120)을 포함하며, 코너-큐브(110) 및 프리폼 유닛(120)은 동일하거나 유사한 굴절률을 가질 수 있다.
코너-큐브(110)는 입사 광선을 입사면으로 재귀반사(retroreflect)시킬 수 있고, 예를 들면, 정각 코너-큐브일 수 있으며, 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 이러한 코너-큐브(110)는 입사 광선에 대하여 세 면에 반사되어 각각의 면의 법선 벡터의 방향으로 재귀반사되는 특성을 갖는다.
프리폼 유닛(120)은 코너-큐브(110)의 입사면 상에 적어도 일부가 적층되며, 입사 광선에 대한 관측 각이 증가하도록 입사 광선을 유사-재귀반사시킬 수 있다. 또한 프리폼 유닛(120)은 입사면과 평행한 하면(122), 하면(122)과 평행한 상면(124), 및 하면(122)과 밑각(φ)을 형성하는 경사면(126)으로 이루어지며, 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 여기서, 상면(124)은 필요에 따라 없을 수도 있다.
여기서, 유사-재귀반사 구조(100)의 유사-재귀반사의 특성, 예를 들면, 발산 각 및 효율은 도 2에 도시된 바와 같은 프리폼 유닛(120)의 구조적 파라미터를 조정함으로써 제어될 수 있다. 예를 들면, 관측 각 또는 발산 각을 증가시키기 위해 프리폼 유닛(120)의 밑각(φ)의 크기를 증가시킬 수 있고, 유사-재귀반사 광선의 세기 또는 전력을 증가시키기 위해 프리폼 유닛(120)의 상면(124)의 폭(m)을 감소시키거나, 코너-큐브(110)의 입사면에 대한 프리폼 유닛(120)의 경사면(126)의 면적 비율을 증가시키거나, 하나의 코너-큐브(110) 상에 적층되는 프리폼 유닛(120)의 수를 증가시킬 수 있다.
이와 같이, 프리폼 유닛(120)의 설계는 유사-재귀반사의 원하는 특성에 따라 결정될 수 있다. 예를 들면, 밑각(φ)의 크기는 관측 각에 비례하여 증가하도록 결정될 수 있고, 상면(124)의 폭(m)은 유사-재귀반사 광선의 세기에 반비례하여 감소하도록 결정될 수 있으며, 이때, 상면의 폭(m)은 0.1~1㎜일 수 있다. 또는, 상면(124)의 폭(m)은 0보다 크고 하면(122)의 폭 이하일 수 있다.
또한, 코너-큐브(110)의 입사면에 대한 프리폼 유닛(120)의 경사면(126)의 면적 비율은 유사-재귀반사 광선의 세기에 비례하여 증가하도록 결정될 수 있고, 예를 들면, 코너-큐브(110)의 입사면에 대한 프리폼 유닛(120)의 경사면(126)의 면적 비율은 0%보다 크고 100% 이하일 수 있다. 즉, 코너-큐브(110)의 입사면 전체를 경사면(126)으로 덮을 수도 있다. 효율적인 면을 고려한다면, 0%보다 크고 60%이하인 것이 바람직하다.
또한, 프리폼 유닛(120)의 수는 유사-재귀반사 광선의 세기에 비례하여 증가하도록 결정될 수 있다.
또한, 프리폼 유닛(120)은, 본 실시예에서는 부등변 사각형의 형상을 갖지만, 이에 한정되지 않고, 경사면을 갖는 임의의 형성, 예를 들면, 원뿔, 원뿔대, 반구형, 및 삼각 프리즘 형상, 다각형 뿔대 중 적어도 하나의 형상일 수 있다. 특히, 프리폼 유닛(120)은 하면이 코너-큐브(110)의 입사면에 내접하는 원형상일 수 있다.
또한, 프리폼 유닛(120)은 도 1(a)의 A-A' 선을 따라 취한 단면도(b)에 도시된 바와 같이, 코너-큐브(110) 상에 다수개가 적층되도록 어레이 형태로 구성될 수 있지만, 프리폼 유닛(120)의 수 및 코너-큐브(110)에 대한 상대적인 위치는 원하는 특성에 따라 변경될 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 유사 형태의 유사-재귀반사 구조를 설명한다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 개략적 구성도이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 개략적 구성도이다.
유사-재귀반사 구조(300)는 도 1과 유사하게 두 개의 코너-큐브(310)와, 코너-큐브(310)의 입사면에 적층된 가로 방향의 부등변 사각형 형상을 갖는 프리폼 유닛(320)을 포함한다. 여기서, 도 3(a)의 B-B' 선을 따라 취한 단면도(b)와 같이 프리폼 유닛(320)은 하나의 코너-큐브(310) 상에 2개가 적층되도록 도시되지만, 그 수는 유사-재귀반사의 원하는 특성에 따라 변경될 수 있다. 이러한 유사-재귀반사 구조(300)는 후술하는 바와 같이, 유사-재귀반사가 정각-재귀반사에 대하여 세로 방향의 상하에 형성될 수 있다.
도 4(a)에 도시된 바와 같이, 유사-재귀반사 구조(400)는 도 3의 유사-재귀반사 구조(300)와 비교하여, 프리폼 유닛(420)의 방향만 상이하도록 구성될 수 있다. 즉, 프리폼 유닛(420)은 코너-큐브(410)에 대하여 세로 방향으로 적층된 부등변 사각형 형상을 가질 수 있다. 여기서, 도 4(a)의 C-C' 선을 따라 취한 단면도(b)와 같이, 유사-재귀반사 구조(400)는 후술하는 바와 같이, 유사-재귀반사가 정각-재귀반사에 대하여 가로 방향의 양측에 형성될 수 있다.
도 4(c)에 도시된 바와 같이, 유사-재귀반사 구조(400')는 프리폼 유닛(420')이 가로 및 세로 방향 모두에 대하여 부등변 사각형의 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 이 때, 유사-재귀반사는 정각-재귀반사에 대하여 가로 및 세로 방향 양측에 형성될 수 있다. 이와 같이 다양한 형태로 프리폼을 형성할 경우, 관측각의 분포를 자유롭게 조절할 수 있기 때문에, 사용 환경에 따라 대응이 가능하다.
이하, 도 5 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조를 이용한 유사-재귀반사의 원리를 설명한다. 즉, 이하에서는 유사-재귀반사의 발산 각(또는 관측 각) 및 효율(세기 또는 전력)이 프리폼 유닛의 구조적 파라미터들을 조정함으로써 변경할 수 있는 원리를 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 원리를 설명하기 위한 코너-큐브의 개략적 구성도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
먼저, 재귀반사 시트는, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 코너-큐브(50)의 어레이로 형성될 수 있다. 코너-큐브(50)는 도 5(a)의 D-D' 선을 따라 취한 단면도(b)와 같이, 상면을 입사면으로 하는 삼각형 형상을 갖는다.
여기서, 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 방향 벡터 k inc = (kx,ky,kz)를 갖는 광선이 코너-큐브의 입사면(P1P2P3) 상에 입사되면, 입사 광선은 코너-큐브의 직각 경사면들에서 순차적으로 3번 반사되고, 방향 벡터 k ref = -(kx,ky,kz)로 입사면으로부터 빠져나간다. 이 때, 광선은 코너-큐브 내에서 라운드 트립(round trip)하기 때문에, 나가는 위치는 입사 위치로부터 도 5(c)에 도시된 바와 같이, Δr만큼 조금 시프트된다. 이러한 위치 시프트(Δr)는 코너-큐브의 입사각, 입사 위치, 및 치수와 같은 다양한 구조적 파라미터들에 의존할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조(600)는 유사-재귀반사를 발생하기 위해 코너-큐브(620) 및 그 상에 적층된 얇고 투명한 1차원 주기적 부등변 사각형 형상의 프리폼 유닛(610)으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유사-재귀반사 생성의 메커니즘은 유사-재귀반사 구조(600)의 입사-반사 면 쌍의 조합에 관점에서 이해될 수 있다. 프리폼 유닛(620)의 각각의 입사면으로 입사하고 코너-큐브(610)의 유효 재귀반사 면적으로 전송된 광선이 코너-큐브(610) 내부에서 계속 이동하여 프리폼 유닛(620)으로 반사된다고 가정한다. 이 때, 광선의 입사 및 반사 지점들은 공간 시프트만큼 떨어질 수 있다. 즉, 광선의 입사 및 반사 지점들은 공간 시프트를 갖는 프리폼 유닛(620)의 동일 면 상에 있을 수 있거나 서로 떨어진 평행하지 않은 면들 상에 존재할 수 있다. 전자의 경우, 광선은 완전하게 재귀반사되지만, 후자의 경우에 광선의 유사-재귀반사가 유도된다. 이와 같이, 입사-반사 쌍들의 순열을 설정할 수 있고, 재귀반사 유형들을 분류할 수 있는데, 도 6에 도시된 바와 같은 가능한 경우를 고려할 수 있다
아래의 표 1과 같이, 정각-재귀반사에 대한 F1-F1, F2-F2, 및 F3-F3의 3가지의 가능한 입사-반사 조합들, 및 유사-재귀반사에 대한 총 6가지 경우들을 고려할 수 있다.
경우 입사 반사 재귀반사
1 F1 F1 정각
2 F1 F2 유사
3 F1 F3 유사
4 F2 F1 유사
5 F2 F2 정각
6 F2 F3 유사
7 F3 F1 유사
8 F3 F2 유사
9 F3 F3 정각
광선의 입사 및 반사 면들 양자가 동일 면, 예를 들어, F1인 경우, 반사된 광선은 입사 광선과 평행하고, 이는 정각-재귀반사의 경우이다. 반대로, 입사면이 F1이고 반사 면이 면 F2이 경우, 자유 공간으로 반사된 광선은 입사 광선과 평행하지 않고, 이는 유사-재귀반사의 경우이다. 또한, 정각-재귀반사에 대하여 유사-재귀반사의 벗어난 정도는 입사 및 반사 면들의 면 법선 벡터들의 방향 차이에 의존하는데, 면 법선 벡터들은 부등변 사각형 유닛의 밑각들 및 높이를 조정함으로써 제어될 수 있다.
이하, 예를 들면, 1°의 유사-재귀반사 각에 대한 최적 유사-재귀반사 구조의 객관적 설계를 위해, 기하학적 광학 시뮬레이션에 따른 결과의 유사-재귀반사 패턴들을 조사함으로써, 유사-재귀반사의 특성과 유사-재귀반사 구조의 구조적 파라미터 사이의 관계를 살펴본다.
먼저, 시뮬레이션 조건은 다음과 같다. 다수의 프리폼 유닛으로 이루어진 프리폼 유닛 어레이를 코너-큐브의 입사면에 대하여 수직 또는 수평 방향으로 적층하고, 프리폼 유닛 및 코너-큐브의 굴절률, 프리즘 유닛 어레이의 주기, 규칙적인삼각형 코너-큐브의 에지 크기는 각각 1.5, 0.2㎜, 및 2.4㎜로 설정하였다. 여기서, 프리폼 유닛은 삼각형 프리즘 형상을 갖기 때문에, 상면의 폭(m)이 0인 경우에 해당된다. 표 1의 경우 3 및 7에 따르면, 2개의 유사-재귀반사 광선들은 위의 구성들에 의해 발생된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조에 대한 재귀반사 광선을 측정한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 밑각의 변화에 따라 재귀반사 광선을 측정한 그래프이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 밑각의 변화에 따라 재귀반사 광선을 측정한 그래프이며, 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 유사-재귀반사 구조의 밑각에 대한 관찰 각의 특성 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 세로 방향의 프리폼 유닛에 대한 재귀반사 광선의 측정 결과, 중앙의 정각-재귀반사에 대하여 가로 방향의 양측에 유사-재귀반사가 나타난다. 또한, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 가로 방향의 프리폼 유닛에 대한 재귀반사 광선의 측정 결과, 중앙의 정각-재귀반사에 대하여 세로 방향의 상하에 유사-재귀반사가 나타난다.
도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 프리폼 유닛의 밑각(φ)을 프리폼 유닛의 제어 파라미터로서 선택된 경우의 측정 결과에 따르면, 프리폼 유닛의 밑각(φ)에 변화에 따른 유사-재귀반사의 발산 각에 상당한 변화가 명백하게 관찰된다. 즉, 도 8의 가로 방향 프리폼 유닛 어레이 대하여, 정각-재귀반사의 상하에서 발생하는 유사-재귀반사는 프리폼 유닛의 밑각(φ)이 0.25도에서 0.40도로 순차적으로 증가함에 따라 정각-재귀반사로부터 더 멀리 떨어져 발생하는데, 이는 유사-재귀반사의 발산 각이 증가함을 의미한다. 또한, 도 9의 세로 방향 프리폼 유닛 어레이에 대하여, 정각-재귀반사의 좌우에 발생하는 유사-재귀반사는 프리폼 유닛의 밑각(φ)이 0도에서 0.45도로 순차적으로 증가함에 따라 정각-재귀반사로부터 더 멀리 떨어져 발생하는데, 이는 유사-재귀반사의 발산 각이 증가함을 의미한다.
결론적으로 도 10에 도시된 바와 같이, 유사-재귀반사의 발산 각 또는 관찰 각은 수평 격자 프리폼 유닛 어레이 및 수직 격자 프리폼 유닛 어레이 양자에 대하여 유사하게, 즉, 프리폼 유닛 어레이의 방향에 상관없이 프리폼 유닛의 밑각(φ)에 비례하여 증가하는 것으로 나타났으며, 따라서, 유사-재귀반사의 발산 각 또는 관찰 각은 프리폼 유닛의 밑각(φ)에 의해 제어될 수 있다는 것이 입증된다. 여기서, 관측각의 제어를 위해서는 밑각(φ)은 0.1~3°인 것이 바람직하다. 만약 밑각(φ)이 0.1°미만일 경우에는 정각-재귀반사가 이루어지고, 밑각(φ)이 3°이상일 경우는 표준을 넘어서서 광범위한 재귀반사를 이뤄 휘도와 같은 재귀반사 특성을 저하시킨다.
다음으로, 유사-재귀반사의 발산 각 및 전력 양자의 제어에 대하여 살펴본다. 여기서, 유사-재귀반사 패턴은 코너-큐브 쌍의 유효 재귀반사 면적과 관련될 수 있다. 즉, 프리폼 유닛의 상면의 폭(m)을 가변하면서 유사-재귀반사의 전력을 측정한 결과, 프리폼 유닛의 밑각(φ)이 고정되기 때문에 유사-재귀반사가 일어나는 위치는 일정하지만 경사면의 넓이 변화, 즉, 프리폼 유닛의 상면의 폭(m)을 가변함에 따라 유사-재귀반사 광선의 세기 또는 전력이 변하며, 그 결과가 도 11에 도시된다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 유사-재귀반사 구조의 상면 폭에 대한 재귀반사 광선의 전력의 특성 관계를 나타낸 그래프이이다.
수평 격자 프리폼 유닛 어레이에 대한 도 11(a) 및 수직 격자 프리폼 유닛 어레이에 대한 도 11(b)에 도시된 바와 같이, 프리폼 유닛의 상면의 폭(m)이 증가할수록 정각-재귀반사의 효율은 증가하지만, 유사-재귀반사의 효율은 점진적으로 감소한다. 이는, 정각-재귀반사와 유사-재귀반사의 전력의 합이 일정하기 때문에, 프리폼 유닛의 상면의 폭(m)에 영향을 받는 정각-재귀반사와 유사-재귀반사 사이의 트레이드-오프 관계를 나타낸다. 여기서, 프리폼 유닛의 상면의 폭(m)이 0인 경우, 즉, 프리폼 유닛의 도 7과 같은 삼각 프리즘 형상인 경우, 유사-재귀반사의 전력이 가장 높은 것을 알 수 있다. 그러나, 표 1의 경우들 1 및 9로 분류된 정각-재귀반사들이 우세하게 되기 때문에, 입사된 면들(F1 및 F2)은 유사-재귀반사의 증가가 제한되고, 이러한 트레이드-오프 관점에서, 유사-재귀반사의 전력비는 약 30%의 상한값으로 제한된다.
결론적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 프리폼 유닛의 상면의 폭(m)이 유사-재귀반사의 성능을 제어할 수 있는 파라미터라는 것이 입증된다.
다음으로, 프리폼 유닛 어레이의 개수에 따른 유사-재귀반사 패턴의 관계를 규명하기 위해 프리폼 유닛의 상면의 폭(m)이 0인 삼각 프리즘 형상의 프리폼 유닛의 개수를 증가시키면서 재귀반사 광선의 분포를 측정하였으며, 그 결과는 도 12에 도시된다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 프리폼 유닛의 수의 변화에 따라 재귀반사 광선을 측정한 그래프이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 프리폼 유닛 어레이가 간격이 좁을수록, 즉, 프리폼 유닛의 수가 증가할수록 두 개의 코너-큐브의 유효 재귀반사 면적과 유사한 형태가 되기 때문에, 유사-재귀반사 전력이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 프리폼 유닛의 경사면이 코너-큐브의 유효 재귀반사 면적과 비슷해야 전력이 커질 수 있음을 알 수 있다.
다음으로, 상술한 바와 같은 유사-재귀반사 구조를 갖는 유사-재귀반사 시트에 대하여 일정 거리(d) 만큼 떨어진 포인트-방식 광원으로부터 광선이 입사된 경우, 반사되는 광선을 측정하였다. 이 때, 포인트-방식 소스는 유사-재귀반사 시트를 덮기에 충분히 넓은 원뿔 형상의 발산 방사 프로파일을 가지며, 유사-재귀반사 시트로부터 반사된 광선을 반구형 폴라 검출기로 측정하였고, 폴라 검출기는 방향성 코사인 벡터 공간에서 각도 스펙트럼 프로파일을 분해할 수 있다.
서로 다른 프리폼 유닛의 밑각(φ)을 갖는 4개의 유사-재귀반사 시트에 대하여 유사-재귀반사 시트로부터 광원까지의 거리(d)를 200㎜ 및 20000㎜로 한 경우 폴라 검출기에 의해 측정된 재귀반사 광선의 패턴을 도 13 및 도 14에 각각 도시한다. 여기서, 프리폼 유닛은 코너-큐브의 입사 면 상에서 수평으로 배열된 경우이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 시트의 밑각에 대한 근거리의 재귀반사 패턴을 나타낸 그래프이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 유사-재귀반사 시트의 밑각에 대한 원거리의 재귀반사 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 13에서, 광원은 5x5 매트릭스 구성으로 이루어지며, d=200㎜의 거리 및 240x240㎜의 크기로 특정된 소스에 대하여, φ=0(도), φ=1(도), φ=2(도), 및 φ=3(도)와 같이 밑각(φ)을 변화시키면서 폴라 검출기에서 광선 스펙트럼을 측정하였다.
상술한 바와 같이, 프리폼 유닛의 밑각(φ)이 0인 경우에는 유사-재귀반사가 발생하지 않고, 밑각(φ)이 0이 아닌 경우, 유사-재귀반사가 발생하는 것으로 나타난다. 특히, 프리폼 유닛이 코너-큐브의 입사 면 상에서 수평으로 배열되기 때문에, 유사-재귀반사는 정각-재귀반사에 대하여 수직 방향을 따라 발생된다.
실제로, 광원은 코너-큐브로 매우 멀리 떨어지기 때문에 유사-재귀반사 시트에 의한 입체각의 범위는 좁아진다. 거리 d=20000㎜를 갖는 경우의 반사 광선 스펙트럼은 도 14에 도시된다. 이 때, 입사 광원의 각도 대역폭은 0.5°보다 작게 설정된다. 도 14에서, φ=0(도), φ=0.5(도), φ=1.0(도), 및 φ=1.5(도)와 같이 밑각(φ)을 변화시키면서 폴라 검출기로 광선 스펙트럼을 측정하였다.
도 14(a)는 프리폼 유닛의 밑각(φ)이 0인 경우로서, 코너-큐브 만에 의한 정각-재귀반사만 발생한다. 도 13과 유사하게, 프리폼 유닛의 밑각(φ)이 증가함에 따라 확장된 패턴의 유사-재귀반사 광선이 확인되는데, 이는 유사-재귀반사 시트의 전체 면적에서 유사-재귀반사의 발생에 기인한다. 따라서, 밑각(φ)에 대한 미세한 조정에 의해 반구형 검출기 상의 반사 광선 패턴의 수직방향 연장을 제어할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
이상에서와 같이, 유사-재귀반사가 발생하는 프리폼이 부착된 코너-큐브에서, 프리폼 유닛의 경사면 각도, 즉, 밑각(φ)이 증가할수록 유사-재귀반사 광선의 위치를 통해 획득한 관측 각도 증가하고, 입사면의 평면 넓이가 증가할수록, 즉, 프리폼 유닛의 상면의 폭(m)이 감소할수록 유사-재귀반사 광선의 전력이 증가한다는 사실에 기반하여 최적의 유사-재귀반사 구조 또는 유사-재귀반사 시트를 원하는 특성에 대하여 용이하게 설계할 수 있다.
이하, 유사-재귀반사의 최적 효율을 나타낼 수 있는 경우에 대하여 설명한다. 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 최대 효율 면적 비율을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 바와 같이, 유사-재귀반사 효율은 코너-큐브의 입사면에 대한 프리폼 유닛의 경사면의 면적 비율이 높을수록 증가할 수 있다. 따라서, 경사면의 면적 비율의 최대치는 도 15(a)에 도시된 바와 같이 원뿔의 형상(152')이며, 코너-큐브의 입사면의 삼각형에 내접하는 원인 경우이다. 즉, 도 15(b)에 도시된 바와 같이, 밑면이 코너-큐브의 입사면의 삼각형에 내접하는 원으로 하는 원뿔인 경우, 경사면의 면적 비율이 가장 크다. 이 때, 코너-큐브의 입사면에 내접하는 원의 경우, 도 15(c)를 참조하여 연산할 수 있다. 이 경우, 코너-큐브의 입사면에 대한 경사면의 최대 면적 비율은 약 60%이다. 따라서, 유사-재귀반사의 특성에 따라, 프리폼 유닛의 형상은 도 15(a)에 도시된 바와 같이, 상면의 폭(m)이 없는 원뿔 형상으로부터 일정한 폭(m)을 갖는 원뿔대 형상까지의 범위에서 필요에 따라 결정될 수 있다.
상술한 바와 같은 유사-재귀반사 구조를 이용하여 유사-재귀반사 시트를 구성할 수 있다. 이하, 유사-재귀반사 시트에 대하여 설명한다.
도 16 내지 도 20을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유사-재귀반사 시트를 상세히 설명한다. 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 시트의 개략적 구성도이고, 도 17은 도 16의 변형예에 따른 유사-재귀반사 시트의 개략적 구성도이다.
도 16(a)에 도시된 바와 같이, 유사-재귀반사 시트(1600)는 코너-큐브가 다수 배열된 코너-큐브 어레이(1610), 및 프리폼 유닛이 다수 배열된 프리폼 유닛 어레이(1620)를 포함할 수 있다. 여기서, 프리폼 유닛(1620)은 도 15에서와 같은 최대 효율을 위한 원뿔 형상을 가지며, 도 16(d)에 도시된 바와 같이, 그 하면은 코너-큐브(1610)의 삼각형에 내접할 수 있다. 이 경우, 도 16(b)에 도시된 바와 같이, E-E'선을 따라 취한 유사-재귀반사 시트(1600)의 단면에서, 프리폼 유닛 어레이(1620)의 프리폼 유닛들 사이가 인접하여 형성될 수 있다. 프리폼 유닛 어레이(1620)는 각각의 프리폼 유닛(1622)이 코너-큐브 어레이(1610)의 하나의 코너-큐브에 내접하도록 형성될 수 있다.
이와 유사하게, 도 17에 도시된 유사-재귀반사 시트(1700)는 코너-큐브 어레이(1710) 상에 원뿔대 형상의 프리폼 유닛 어레이(1720)가 적층된다. 이 경우, 도 16과 달리, 프리폼 유닛의 상면(1726)은 일정한 폭을 갖고 그 양측에 경사면(1724)이 형성될 수 있다. 유사-재귀반사 시트(1700)는 도 16의 유사-재귀반사 시트(1600)와 유사하게 프리폼 유닛 어레이(1720)의 프리폼 유닛의 하면이 코너-큐브의 입사면 삼각형에 내접할 수 있다.
도 18은 도 16의 다른 변형예에 따른 유사-재귀반사 시트의 개략적 구성도이다.
유사-재귀반사 시트(1800)는 이전의 실시예들과 비교하여 코너-큐브 어레이(1810)에 상에 적층되는 프리폼 유닛 어레이(1820)의 형상만이 상이하도록 구성될 수 있다. 이 때, 프리폼 유닛 어레이(1820)는 도 18(a)에 도시된 바와 같이, 프리폼 유닛(1822)이 코너-큐브 어레이(1810)의 코너-큐브의 배열과 무관하게 균일하게 형성되기 때문에, 이전의 실시예들에 비하여 제조가 용이할 수 있다.
도 18(b)에 도시된 바와 같이, 두 개의 코너-큐브 사이에서 예를 들면, 삼등분 정도의 간격으로 코너-큐브 어레이(1810)의 프리폼 유닛이 형성된다. 대안적으로, 도 18(d)에 도시된 바와 같이, 유사-재귀반사 시트(1800')는 프리폼 유닛 어레이(1820')가 원뿔대 형상을 갖는 프리폼 유닛으로 형성될 수 있다.
도 19는 도 16의 또 다른 변형예에 따른 유사-재귀반사 시트의 개략적 구성도이다.
유사-재귀반사 시트(1900)는 도 16의 최대 효율을 갖는 유사-재귀반사 시트(1600)와 유사하게, 코너-큐브의 삼각형 내에 내접하는 원뿔형(1920) 또는 원뿔대 형상(1920')을 갖는 프리폼 유닛 어레이(1920)를 구성하지만, 모든 프리폼 유닛이 코너-큐브의 삼각형에 내접하지 않도록 구성되기 때문에, 도 19(c)에 도시된 바와 같이, 도 16에 비하여 단순한 패턴으로 형성될 수 있다.
도 20은 도 16의 또 다른 변형예에 따른 유사-재귀반사 시트의 개략적 구성도이다.
유사-재귀반사 시트(2000)는 도 20(a)에 도시된 바와 같이, 프리폼 유닛 어레이(2020)의 프리폼 유닛(2022)이 균일하게 등간격으로 구성되면서도, 도 20(b)에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 프리폼 유닛(2022)이 코너-큐브 어레이(2010)의 각각의 코너-큐브 내에 포함되도록 구성될 수 있다. 도 20(c)에 도시된 바와 같이, 유사-재귀반사 시트(2000)는 균일하게 등간격으로 배열된 프리폼 유닛으로 구성될 수 있다.
도 16 내지 도 20을 참조하여 설명된 실시예 및 변형예들은 프리폼 유닛이 원뿔 또는 원뿔대 형상인 경우에 대하여 설명하였으며, 하나 또는 세 개 미만의 프리폼 유닛이 하나의 코너-큐브 내에 포함되는 것으로 설명되었으나, 이에 한정되지 않고, 프리폼 유닛의 크기, 개수 및 코너-큐브에 대한 상대적인 위치는 유사-재귀반사의 원하는 특성에 따라 변경될 수 있다.
상술한 바와 같이, 유사-재귀반사 구조 및 유사-재귀반사 시트는 코너-큐브 상에 적층되는 프리폼 유닛이 경사면을 가지면 그 형상은 임의의 것일 수 있다. 도 21을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 유사-재귀반사 구조의 다른 예들을 설명한다. 도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조의 개략적 구성도이다.
도 21(a)에 도시된 바와 같이, 유사-재귀반사 구조(2100)는 코너-큐브(2110) 상에 적층된 프리폼 유닛(2120)이 삼각형 형상을 가질 수 있으며, 선택적으로 상면(2124) 및 경사면(2126)을 가질 수 있다. 본 실시예에서는 하나의 코너-큐브 내에 하나의 삼각형 프리폼 유닛(2120)이 포함되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 삼각형 프리폼 유닛(2120)의 크기, 개수, 및 코너-큐브에 대한 상대적인 위치는 유사-재귀반사의 원하는 특성에 따라 변경될 수 있다.
도 21(b)에 도시된 바와 같이, 유사-재귀반사 구조(2100')는 코너-큐브(2110) 상에 적층된 프리폼 유닛(2130)이 사각형 형상을 가질 수 있으며, 선택적으로 상면(2124) 및 경사면(2126)을 가질 수 있다. 본 실시예에서는 하나의 코너-큐브 내에 하나의 사각형 프리폼 유닛(2130)이 포함되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 사각형 프리폼 유닛(2130)의 크기, 개수, 및 코너-큐브에 대한 상대적인 위치는 유사-재귀반사의 원하는 특성에 따라 변경될 수 있다.
도 21(c)에 도시된 바와 같이, 유사-재귀반사 구조(2100")는 코너-큐브(2110) 상에 적층된 프리폼 유닛(2140)이 반구형 형상을 가질 수 있다. 본 실시예에서는 하나의 큐브 내에 두 개의 반구형 프리폼 유닛(2140)이 포함되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 반구형 프리폼 유닛(2140)의 크기, 개수, 및 코너-큐브에 대한 상대적인 위치는 유사-재귀반사의 원하는 특성에 따라 변경될 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 유사-재귀반사 구조 및 이를 이용한 유사-재귀반사 시트는 코너-큐브에 적층되는 프리폼 유닛의 구조적인 파라미터들을 조정함으로써, 유사-재귀반사의 발산 각(또는 관측 각) 및 효율(세기 또는 전력)과 같은 유사-재귀반사의 특성을 용이하게 제어할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100, 300, 400, 600, 2100 : 유사-재귀반사 구조
110, 310, 410, 610, 2110 : 코너-큐브
120, 320, 420, 620, 2120 : 프리폼 유닛
122 : 하면
124, 2124 : 상면
126, 2126 : 경사면
1600, 1700, 1800, 1900, 2000 : 유사-재귀반사 시트
1610, 1710, 1810, 1910, 2010 : 코너-큐브 어레이
1620, 1720, 1820, 1920, 2020 : 프리폼 유닛 어레이
1622, 1722, 1822, 1922, 2022 : 프리폼 유닛

Claims (17)

  1. 입사 광선을 입사면으로 재귀반사(retroreflect)시키는 적어도 하나의 코너-큐브; 및
    상기 코너-큐브의 입사면 상에 적어도 일부가 적층되며, 상기 입사면과 평행한 하면, 및 상기 하면과 밑각을 형성하는 경사면으로 이루어지고, 상기 하면과 평행한 상면을 갖는 적어도 하나의 프리폼(freeform) 유닛을 포함하고,
    상기 프리폼 유닛의 상기 경사면 밑각에 따라 확인되는 유사-재귀반사 광선의 세기는 상기 상면의 폭이 감소할수록 증가하거나, 상기 코너-큐브의 입사면에 대한 상기 프리폼 유닛의 경사면의 면적 비율 또는 상기 프리폼 유닛의 수가 증가할수록 증가하는, 재귀반사 시트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리폼 유닛은 상기 입사 광선에 대한 관측 각이 증가하도록 상기 입사 광선을 유사-재귀반사시키는, 재귀반사 시트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 밑각의 크기는 상기 관측 각에 비례하여 증가하도록 결정되는, 재귀반사 시트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 밑각은 0.1~3°인, 재귀반사 시트.
  5. 입사 광선을 입사면으로 재귀반사(retroreflect) 시키며 서로 대칭 배열된 적어도 두 개의 코너-큐브; 및
    상기 코너-큐브의 입사면 방향에 적어도 일부가 형성되며, 측면이 적어도 일부 경사면으로 이루어지고, 상기 입사면과 평행한 상면을 갖는 적어도 하나의 프리폼(freeform) 유닛을 포함하고,
    상기 프리폼 유닛은 상기 대칭 배열된 두 개의 코너-큐브에 대하여 교차되는 방향으로 배열된 것을 특징으로 하는 재귀반사시트.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 상면의 폭은 0㎜보다 크고 1㎜이하인, 재귀반사 시트.
  8. 삭제
  9. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 코너-큐브의 입사면에 대한 상기 프리폼 유닛의 경사면의 면적 비율은 0%보다 크고 60% 이하인, 재귀반사 시트.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리폼 유닛은 원뿔대, 및 다각형 뿔대 중 적어도 하나의 형상인, 재귀반사 시트.
  12. 삭제
  13. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 프리폼 유닛 및 상기 코너-큐브는 동일한 굴절률을 갖는, 재귀반사 시트.
  14. 삭제
  15. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 코너-큐브가 다수 배열된 코너-큐브 어레이; 및
    상기 프리폼 유닛이 다수 배열된 프리폼 유닛 어레이를 포함하는, 재귀반사 시트.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 프리폼 유닛은 상기 코너-큐브의 배열과 무관하게 등간격으로 구성되는, 재귀반사 시트.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 프리폼 유닛 어레이는 적어도 하나의 프리폼 유닛이 상기 코너-큐브 어레이의 각각의 코너-큐브 내에 포함되도록 구성되는, 재귀반사 시트.
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