KR102468411B1 - 광 흡수 또는 광 방출을 위한 광기계 시스템 및 상응하는 방법 - Google Patents

광 흡수 또는 광 방출을 위한 광기계 시스템 및 상응하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 - 정적 프레임 구성요소(10) - 입사광(80)을 포착하고 투과광(90)을 투과시킬 수 있는 하나 이상의 광학 층(41, 42)을 포함하는 광학 장치(40), 여기서 상기 광학 장치는 상기 정적 프레임 구성요소(10)의 내부 및 외부로부터 입사광(80)을 포착할 수 있도록 배치되고, - 투과광(90)을 흡수하거나 입사광(80)을 방출할 수 있는 복수의 광 흡수/방출 구성요소(51, 52)를 포함하는 광 흡수/방출 기판(50), - 상기 광 흡수/방출 기판(50)에 대해 상기 광학 장치(40)의 상기 층들(41, 42) 중 적어도 하나를 또는 그 반대로 이동시키기 위한 이동 메커니즘(60)을 포함하고, 여기서, 상기 이동 메커니즘(60)은, 투과된 광(90)이 광 흡수/방출 기판(50)에 의해 최적으로 흡수되거나 광 흡수/방출 기판(50)에 의해 방출된 입사광(80)이 광학 장치(40)에 의해 최적으로 전달될 수 있는 방식으로, 하나 이상의 병진 구성요소(65, 65')를 통해 광학 장치(40)의 층 또는 광 흡수/방출 기판(50) 중 적어도 하나를 상기 정적 프레임 구성요소(10)에 대해 병진 운동시키도록 배열되고, 및 상기 이동 메커니즘(60)은 하나 이상의 가이드 구성요소(26, 26')를 추가로 포함하고 상기 하나 이상의 가이드 구성요소(26, 26')는 상기 병진 구성요소(65, 65')의 자유도를 제한하는, 광을 흡수하거나 광을 방출하기 위한 광기계 시스템(1)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전술한 광기계 시스템을 이용하여 광을 흡수 또는 광을 방출하는 대응하는 방법에 관한 것이다.

Description

광 흡수 또는 광 방출을 위한 광기계 시스템 및 상응하는 방법
본 발명은 광학 시스템의 기술 분야, 보다 구체적으로는 광기계 시스템의 기술 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 흡수 광 또는 방출 광을 위한 광기계 시스템 및 상응하는 방법에 관한 것이다. 이러한 광기계 시스템은 특히 태양 전기 생산용 태양 전지 패널(solar panel)의 생산뿐만 아니라 LED와 같은 광원을 기반으로 하는 조명 기구의 광 출력을 제어하는 데 유리한 방법으로 사용될 수 있다.
광전지(photovoltaic cell; PV cell)는 가시광선을 직류(DC)로 변환하는 특수 반도체 다이오드이다. 일부 PV 셀은 적외선(IR) 또는 자외선(UV) 복사를 DC 전기로 변환할 수 있다. 광전지는 상용 전력(utility power)의 대체 에너지원으로 중요성이 증가하고 있는 태양 전기 에너지 시스템의 핵심 부분이다.
태양 에너지에서 전기로의 전환 효율을 높이는 것은 태양 전기의 비용을 낮추고 연료와 같은 다른 에너지원과 경쟁할 수 있도록 하는데 바람직하다. 그러나 표준 실리콘 태양 전지의 효율은 약 20-25%로 제한된다. 다중 접합(multi-junction) 태양 전지를 기반으로 하는 대체 광전지 기술은 훨씬 더 효율적이지만(40% 이상의 효율을 달성함), 직접 대체품으로 사용하기에는 너무 비싸다.
저렴한 고효율 광전지를 사용하기 위해 제안된 하나의 해결책은 소위 집광형 태양광 발전(Concentrated Photo voltaics, CPV)이다. CPV 시스템은 표면적이 작은 광전지에 입사 광선을 집중시켜 재료의 전반적인 비용을 감소시킨다. 이 기술 덕분에 최고의 기존 태양 전지 기술을 사용할 수 있게 된다. 태양광의 집중은 생성된 전력의 양을 감소시키지 않고 광전지에 의해 커버되는 전체 표면적을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 태양 집광장치(solar concentrator)는 렌즈 또는 거울과 같은 광학 부품을 사용하여 추가 비용 절감 효과를 제공한다. 결과적으로 CPV 시스템은 실리콘으로 만들어진 기존의 광전지보다 적은 생산 비용으로 전기를 생성할 수 있다.
CPV 시스템의 주요 단점은 에탕듀(etendue)의 원칙에 의하여, 빛 집중 계수(concentration factor)가 높을수록 각도 수용도(angular acceptance)가 낮아진다는 것이다. 낮과 밤의 태양의 움직임은 두 축을 따라 입사각, 즉 방위각(azimuthal angle)과 고도각(elevation angle)의 큰 변화를 초래한다. 고정 배향을 갖는 종래의 집광장치(concentrator)는 따라서 이러한 변화를 수용하기 위한 넓은 허용 각을 요구하며, 따라서 상대적으로 작은 집중 계수를 달성할 것이다. 중요한 집중 계수를 달성하기 위해 CPV 시스템을 태양에 정확하게 정렬시키기 위한 태양 추적 시스템이 필요하다.
태양 추적기(Solar tracker)는 태양광 패널, 반사경, 렌즈 또는 기타 광학 장치가 태양으로 향하게 하는 데 사용되는 장치이다. 하늘의 태양 위치는 계절과 시간에 따라 변하기 때문에 추적 시스템을 사용하여 에너지 생산을 극대화한다. 비용, 정교함 및 성능의 다양한 태양 추적기가 있다. 추적기의 두 가지 기본 범주는 단일 축 및 이중 축입니다. 단일 축 태양광 추적기는 수평 또는 수직축을 가질 수 있다. 이중 축 태양 추적기는 수평 및 수직축을 모두 가지며, 따라서 하늘의 거의 모든 위치에서 태양의 겉보기 동작을 추적할 수 있다.
그러나 외부 단일 축 및 이중 축 추적기는 크고 무겁고 구조가 매우 복잡하다. 그들은 빈번한 유지 보수가 필요하고 풍하중(wind load)이나 습도와 관련된 신뢰성 문제가 있다. 또한 크기, 무게 및 폼 팩터로 인해 이러한 추적기는 옥상에 설치할 수 없기 때문에 제한된 공간으로 인해 높은 효율이 핵심인 주거용 시장을 위한 태양 전지 패널의 필요성을 해결할 수 없다.
한편, LED 패널은 에너지 효율 및 신뢰성 측면에서 점차적으로 다른 유형의 광원으로 대체하고 있다. 본질적으로, LED 패널은 넓고 오히려 평면 기판 상에 분포된 복수의 준-정규소스(quasi-punctual source)를 갖는 분포된 광원이다. 각각의 개별 광원을 움직이거나 기울이는 것은 실용적이지 않다. 전체 패널을 옮기거나 기울이면 공간이 많이 필요하고 강력한 모터 및 복잡한 기계가 필요하다. 따라서 천정에 매입된 조명기구와 같은 모든 사용 사례에는 적용할 수 없다.
따라서, 이동하는 외부 소스(예를 들어, 태양)에 의해 방출되는 입사광을 추적하고 흡수하기 위해 또는 내부 광원 (예를 들어, LED 어레이)에 의해 방출된 광선(light beam)의 지향성 및 방향을 조정하기 위해 고효율 및 넓은 수용 각을 갖는 광기계 시스템이 필요하다.
더욱이, 태양 전지판 또는 평면 조명 기구로의 집적에 적합한 방식으로 제한된 체적 내에서만 움직이는 광기계 시스템(optomechanical system)이 필요하다. 보다 구체적으로, 이것은 시스템이 회전하지 말아야 하고, 단거리 스트로크(shorts stroke)의 변형(translation)으로만 움직여야 함을 의미한다.
마지막으로, 신뢰성이 있고, 연장된 수명 동안 최소한의 유지 보수를 요구하는 시스템에 대한 필요성이 남아있다. 예를 들어, 태양 전지 패널의 경우 수명이 20년 이상인 시스템이 필요하다. 조명 어플리케이션의 경우 일반적으로 수명이 태양 전지 패널에 비해 짧지만 듀티 사이클(duty cycle)이 높아질 수 있으므로 비슷한 요구 사항이 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 공지된 시스템 및 방법의 전술한 단점이 완전히 극복되거나 또는 적어도 크게 감소되는 새로운 광기계 시스템 및 대응하는 광 흡수 또는 광 방출 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 목적은 특히, 외부에서 발생되고 내부적으로 발생된 입사광의 방향을 최적으로 포착 및 변경할 수 있는 광 기계 또는 광 흡수 또는 광 방출 방법을 제안하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 외부 또는 내부 소스로부터의 입사광을 포획하고, 최적으로 흡수 또는 방출될 수 있는 방식으로 투과광(transmitted light)의 경로를 변경하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 흡수를 최대화하거나 원하는 방출 패턴을 달성하기 위하여 투과 광의 방향성 및 흡수된 광의 방향 및 수렴도(degree of convergence)를 조절하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이들 목적은 두 독립항의 구성요소를 통해 특히 달성된다. 또 다른 유리한 실시 예는 종속항 및 상세한 설명을 따른다. 본 명세서에서 상이한 실시 예들에서 개시된 특징들은 또한 당업자에 의해 쉽게 결합될 수 있다.
특히, 제1양태에서, 본 발명의 목적은
- 정적 프레임 구성요소
- 입사광(incident light)을 포착하고 투과광(transmitted light)을 투과시킬 수 있는 하나 이상의 광학 층(optical layer)을 포함하는 광학 장치, 여기서 상기 광학 장치는 상기 정적 프레임 구성요소의 내부 및 외부로부터 입사광을 포착할 수 있도록 배치되고,
- 투과광을 흡수하거나 입사광을 방출할 수 있는 복수의 광 흡수/방출 구성요소를 포함하는 광 흡수/방출 기판,
- 상기 광 흡수/방출 기판에 대해(relative to) 또는 그 반대로 상기 광학 장치의 상기 층들 중 적어도 하나를 이동 시키기 위한 이동 메커니즘을 포함하고,
여기서, 상기 이동 메커니즘은, 투과된 광이 광 흡수/방출 기판에 의해 최적으로 흡수되거나, 또는 광 흡수/방출 기판에 의해 방출된 입사광이 상기 광학 장치에 의하여 최적으로 전달될 수 있는 방식으로, 하나 이상의 병진 구성요소를 통해 광학 장치의 층 또는 광 흡수/방출 기판 중 적어도 하나를 상기 정적 프레임 구성요소에 대해 병진 운동 시키도록 배열되고,및
상기 이동 메커니즘은 상기 하나 이상의 병진 구성요소의 자유도를 제한할 수 있는 하나 이상의 가이드 구성요소를 추가로 포함하는, 광을 흡수하거나 광을 방출하기위한 광기계 시스템에 의하여 달성된다.
본 발명에 따라, 외부에서 생성되고 내부적으로 생성된 입사광을 최적으로 포착하여 전송하는 것이 가능하다. 본 발명은 또한 이전에 제안된 해법들에 대하여 입사광을 흡수하는 더 높은 효율을 달성하고, LED 패널들과 같은 평면 조명기구들로부터의 광 출력의 방향 및 수렴도를 정확하게 제어하도록 한다. 이들 예에서, 광 흡수 구성요소는 태양 전지이고, 과 방출 구성요소는 LED와 같은 광원이다.
본 발명의 광기계 시스템이 태양광 및 태양 전지와 함께 사용될 때, 본 발명은 태양 전지의 전체 표면적이 본 발명의 기술된 광기계 시스템을 포함하지 않는 시스템에 비해 상당히 감소될 수 있기 때문에 비용을 현저히 감소시킬 수 있다. 따라서, 고효율의 태양 전지를 사용할 수 있으므로 시스템의 효율이 향상되고 비용이 많이 들지 않는다. 상기 광기계 시스템은 입사 태양빛의 입사각에 관계없이 태양 전지에 고효율로 입사 태양 빛이 전달되도록 한다.
본 발명의 광기계 시스템이 광 방출 구성요소, 예를 들어 LED와 함께 사용될 때, 본 발명은 광 방출 구성요소에 의해 방출된 광을 포착하고 상기 투과된 광의 배향 및 수렴도를 조정할 수 있게 한다.
바람직한 일 실시 예에서, 하나 이상의 병진 구성요소의 자유도를 제한할 수 있는 하나 이상의 가이드 구성요소가 광학 장치와 광 흡수/방출 기판의 상대 위치를 상기 이동 메커니즘에 의해 정확하게 조절하고, 더욱 구체적으로는 광학 장치와 광 흡수/방출 기판 사이의 상대 회전을 회피하거나 최소화할 수 있는 방식으로 배치된다. 이는 광학 장치와 광 흡수/방출 기판의 상대적인 이동이 회전 없이 단지 병진 이동(translation)에서만 일어나는 것을 보장하는 이동 메커니즘을 가질 수 있게 한다.
바람직한 일 실시 예에서, 상기 광학 장치는 정적 프레임 구성요소의 전면에 부착되어, 상기 광 흡수/방출 기판 및 이동 메커니즘을 완전히 둘러싸는 폐쇄된 박스를 함께 형성하여, 환경적 요인(예를 들어 기계적 충격, 풍하중 또는 습도)에 의한 영향을 최소화환다.
추가의 일 실시 예에서, 상기 광학 장치는 외부 조건이 변할 때 (예를 들어, 온도 변화) 정적 프레임 구성요소 및 상기 광학 장치에 의해 정의된 폐쇄 공간 내에서 과도한 압력 상승 및/또는 응축(water condensation)이 발생하는 것을 방지하는 배출 시스템을 포함한다. 따라서 시스템의 수명 및 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 예에서, 상기 가이드 구성요소는 정적 프레임 구성요소와 제1병진 구성요소 사이 또는 제1병진 구성요소와 제2병진 구성요소 사이에 부착된다. 보다 구체적으로, 상기 시스템은 제1가이드 구성요소, 제2가이드 구성요소, 정적 부착 요소(static attachment element), 중간 병진 구성요소(intermediate translation element) 및 모바일 부착 요소(mobile attachment element)를 포함하는 가이드 모듈(guiding module)을 더 포함하며, 상기 가이드 모듈은 제1가이드 구성요소가 정적 프레임 구성요소에 결합된 정적 부착 요소 및 중간 병진 구성요소 사이에 부착되도록 배열되며; 제2가이드 구성요소는 제1가이드 구성요소의 쌍(pair)에 수직인 축을 따라 배치되고, 상기 중간 병진 구성요소와 상기 병진 구성요소에 결합된 모바일 부착 요소 사이에 부착된다. 위에서 설명한 가이드 구성요소의 특정 배열로 인해, 상기 가이드 모듈은 2개의 직각 축 상에서 상기 병진 구성요소를 안내할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 가이드 구성요소 중 중 적어도 하나는 가요성 가이드 구성요소(flexible guiding element), 예를 들어 스프링 또는 리프 스프링이다. 기계적 변형에 기초한 가요성 가이드 구성요소는 마찰을 포함하지 않으며 마모를 겪지 않기 때문에 (예를 들어, 본 발명의 광기계 시스템과 같이) 높은 신뢰성 및 긴 수명을 요구하는 기계 시스템에 유리하다. 또한 상이 움직임에 수직인 방향의 강성과 작은 변위를 수행할 때의 정밀도가 특히 이러한 유형의 시스템에 적합하다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 광기계 시스템은 광학 장치와 광 흡수/방출 기판 사이에 배치된 하나 이상의 슬라이더(slider)를 더 포함한다. 상기 하나 이상의 슬라이더는 그 양단 중 어느 한쪽에 고정되고 다른 쪽에는 슬라이딩될 수 있거나, 양단 상에서 미끄러지도록(slide) 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 슬라이더는 일단(one end)에서 광학 장치에 고정되고 다른 단부에서 광 흡수/방출 기판상에 슬라이딩될 수 있거나, 또는 그 반대일 수 있다. 스프링과 같은 사전-구속 구성요소(pre-constraining element)를 상기 슬라이더와 동일한 축에 배치하여 상기 슬라이더가 항상 슬라이딩하는 표면과 접촉하도록 할 수 있다. 적절한 수의 슬라이더를 사용하면, 광학 장치와 광 흡수/방출 기판 사이의 거리가 상기 광기계 시스템의 전체 표면에 걸쳐 정확하고 신뢰성 있게 보존될 수 있다. 또한, 광학 장치의 표면에 수직인 축 상의 광기계 시스템의 강성이 크게 증가하여, 이동 메커니즘의 다른 가이드 구성요소에 대한 강성 요구를 낮춘다.
다른 실시 예에서, 슬라이딩이 발생하는 표면의 기울기 및/또는 마찰을 감소시키기 위해 상기 슬라이더와 슬라이딩 표면 사이에 몇몇의 중간 슬라이딩 패드가 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 슬라이더가 슬라이딩 패드 상에서 측 방향으로(laterally) 이동할 때, 상기 광학 장치와 광 흡수/방출 기판 사이의 거리는 원하는 곡률에 따라 변하는 방식으로 상기 슬라이딩 패드는 임의의 원하는 곡률(예를 들어, 구의 일부)을 가질 수 있다. 그렇지 않으면, 측 방향 변위는 제어된 수직 변위를 유도한다. 이러한 구성은 광기계 시스템의 효율 및/또는 각도 수용성을 증가시키는데 유리하다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 예에서, 광 흡수/방출 기판에 대한(with reference to) 광학 장치의 상대적인 운동이 만곡된 궤적(예를 들어, 구의 일부)을 따라 가이드 되는 방식으로, 상기 광학 장치는 이중 카디탄 조인트(double cardan joint) 또는 이중 볼 조인트(double ball joint)와 같은 가이드 구성요소에 의해 광 흡수/방출 기판에 직접 부착된다. 이들 가이드 구성요소에 의해 제공되는 직접적인 기계적 링크는 광학 장치와 광 흡수/방출 기판을 서로에 대해보다 정확하게 위치시키는 것을 보장한다. 또한, 곡선형 변위 궤적은 광기계 시스템의 효율 및/또는 각도 수용성을 증가 시키는데 유리할 수 있다.
하나의 또 다른 바람직한 실시 예에서, 상기 광학 장치는 적어도 하나의 광학 층(optical layer)을 포함하며, 상기 광학 층은 하나 또는 복수의 광학 요소(optical element)를 포함한다. 그러나 2 이상의 광학 층이 가능하다. 광학 장치의 하나의 광학 층은 입사광의 경로를 변경하기에 충분하다. 2개 이상의 광학 층은 유리하게 결합되어 광 경로를 변경(집중, 투과, 반사)시키고, 따라서 보다 높은 유연성 및 증가된 정밀도(precision)가 달성될 수 있다. 각각의 광학 층은 하나 이상의 광학 층이 적절하게 조정되고 최적화될 수 있도록 복수의 광학 요소를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 예에서, 상기 광학 장치는 직접 또는 접착층(adhesive layer)에 의해 서로 결합된 2 이상의 광학 층을 포함한다. 이 실시 예에서, 광학 장치의 강성을 증가시키고 기계적 충격 또는 환경오염(먼지 또는 습기와 같은)으로부터 후속하는 광학층을 보호하기 위해, 전면 광학 층 (광 흡수/방출 기판으로부터 가장 먼 것)은 유리 또는 아크릴(PMMA)과 같은 비교적 단단한 재료로 만들어진다. 전면 광학 층(front optical layer)은 일반적으로 (광학 요소가 없이) 평평하지만, 투과된 빛의 경로 또는 분포를 변경하기 위해 패턴화될 수도 있다. 또한, 전방 광학 층은 광전송을 향상시키기 위해 단일 또는 양면 무반사 코팅으로 코팅될 수 있다
다른 실시 예에서, 광학 요소는 거울과 같은 반사형 또는 평면-볼록(plano-convex), 평면-오목(plano-concave), 쌍 볼록(bi-convex), 쌍 오목(bi-concave), 메니스커스(meniscus) 형 및 다항식 형상(polynomial shape)을 갖는 비구면(aspheric) 곡률을 포함하는 렌즈와 같은 굴절형이다. 하나 이상의 변곡점(inflection point)을 포함하는 비구면 곡률(다항식 형상)을 갖는 렌즈와 같은 광학 요소는 각도 수용도를 증가시키고 광학 수차(optical aberration)를 감소시키는 더 높은 설계 자유를 허용한다.
또 다른 실시 예에서, 상기 광학 요소는 금속화(metallization)와 같은 반사 코팅(reflective coating)으로 코팅된다. 이러한 광학 요소는 예를 들어 거울처럼 기능할 수 있다.
하나의 가장 바람직한 실시 예에서, 광 흡수 구성요소는 태양 전지(solar cell)이고 및/또는 상기 광 방출 구성요소는 LED 이다. 상기 태양 전지는 투과광을 흡수 또는 포착하도록 구성되는 반면에, 상기 LED는 입사광을 방출할 수 있다. 통상적으로, 본 발명의 광기계 시스템은 광 흡수 구성요소(즉, 태양 전지) 또는 광방출 구성요소(즉, LED)를 포함하는 광 흡수/방출 기판을 갖는다. 그럼에도 불구하고, 광 흡수/방출 기판이 광 흡수 구성요소와 광 방출 구성요소의 혼합물로 이루어질 수 있는 실시 예를 갖는 것은 물론 배제되지 않는다.
또 다른 바람직한 실시 예에서, 상기 이동 메커니즘은 적어도 하나의 액추에이터 및 제어 시스템(control system)을 포함하여, 상기 광학 장치의 적어도 하나의 광학 층 또는 광 흡수/방출 기판은 병진 운동에서 하나 이상의 자유도(degrees of freedom)로 이동할 수 있다. 따라서 병진 운동은 1, 2 또는 3 자유도로 구성될 수 있다. 병진의 자유도가 높으면 상기 시스템의 정확도 및 민감도가 증가하여, 광 흡수 구성요소(예를 들어 태양 전지)에 의한 광 흡수 또는 광 방출 구성요소(예를 들어 LED)에 의한 광 방출이 최적화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시 예에서, 이동 메커니즘은 동일한 병진 축(translational axis)에 평행하지만 상기 병진 구성요소의 대향 단부에(at opposite end) 배치된 두 개 이상의 액추에이터 및 상기 처음 두 개(first two)에 수직인 방향으로 배치된 하나 이상의 액추에이터를 포함한다. 이러한 구성은 광 흡수/방출 기판과 광학 장치 사이에 상대적인 회전이 없도록 상기 광학 장치에 수직인 축 둘레로의 병진 구성요소의 기생 회전(parasitic rotation)을 제거할 수 있게 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 액추에이터는 전기-기계(electro-mechanical) 액추에이터, 정전기(electro-static) 액추에이터, 압전(piezo-electrical) 액추에이터, 스틱 슬립(stick-slip) 액추에이터 또는 공압 액추에이터이다.
또 다른 실시 예에 따르면, 본 발명의 광기계 시스템은 상기 병진 구성요소의 위치를 모니터하는 피드백 제어 루프(feedback control loop)를 더 포함하고, 상기 피드백 제어 루프는 예를 들어 광학 센서(optical sensor), 자기 센서(magnetic sensor) 또는 광전지 센서(photovoltaic sensor), 또는 이들 센서의 몇 가지 조합이다. 하나 이상의 센서는 광 흡수 또는 광 방출이 최적화될 수 있도록 병진 구성요소, 광학 장치 또는 광 흡수/방출 기판(또는 이들의 조합)의 상대적 또는 절대 위치에 관한 정보를 보고할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 정적 프레임은 적어도 부분적으로 바닥에서 개방되고 가요성 멤브레인(15)은 상기 병진 구성요소를 축방향 및 수직 방향으로 움직일 수 있게 허용하면서 상기 병진 구성요소와 정적 프레임 사이의 갭을 밀봉한다. 이러한 구성에서, 상기 병진 구성요소와 그것과 함께 광 흡수/방출 기판은 열을 대류에 의해 소산되도록 하는 주위 온도에 직접 노출된다.
제2양태에서, 본 발명은
- 입사광을 포착하고 투과광을 투과시키는 단계,
- 투과된 광(90)을 흡수하거나 입사광을 방출시키는 단계,
- 광 흡수/방출 기판에 대해 광학 장치의 광학 층 중 적어도 하나를 이동시키는 단계 또는 그 반대를 포함하고,
여기서, 상기 이동 메커니즘은, 상기 투과광이 광 흡수/방출 기판에 의해 최적으로 흡수될 수 있거나 또는 광 흡수/방출 기판에 의해 방출된 입사광이 상기 광학 장치에 의해 최적으로 전달될 수 있도록, 하나 이상의 병진 구성요소에 의해 광학 장치의 광학 층 또는 광 흡수/방출 기판 중 적어도 하나를 병진 이동시키는 제1태양의 광기계 시스템을 이용하여 광을 흡수 또는 방출하는 방법에 관한 것이다.
제3양태에서, 본 발명은 본 발명의 광기계 시스템을 이용하여 빛을 흡수 또는 방출하는 방법에 관한 것으로서, 이동 메커니즘의 기계적 구조는 스탬핑(stamping), 레이저 또는 워터 컷(water cutting)에 의해 단일 블록의 재료(single block of material)로 제조되고 그 다음 최종 형태로 접혀지며 바람직하게는 하나 이상의 조인트(12) 또는 포인트에서 용접(welding) 또는 납땜(soldering)을 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면과 조합된 다음의 상세한 설명으로부터 명백해진다;
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 평면도이다;
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 단면도이며, 여기서 상기 광학 장치(optical arrangement)는 하나의 이동 가능한 광학 층 및 하나의 정적 광학 층을 포함한다;
도 3A는 본 발명의 제3실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 단면도이며, 여기서 광학 장치는 오직 하나의 정적 광학 층만을 포함하고 광 흡수/방출 기판은 이동 가능하다;
도 3B 및 도 3C는 본 발명의 제3실시 예에 따른 광기계 시스템의 이동 메커니즘(shifting mechanism)의 개략적인 단면도이다(도 3a에 대응함);
도 4A는 본 발명의 제4실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 단면도이며, 여기서 상기 광 흡수/방출 기판은 이동 가능하고 상기 광학 장치는 2개의 정적 광학 층을 포함한다;
도 4b는 제5실시 예에 따른 광학 장치의 상세 개략적인 단면도이며, 여기서 상기광학 장치는 직접 함께 결합된 2개의 광학 층으로 구성된다;
도 4C는 제6실시 예에 따른 광학 장치의 상세 개략적인 단면도이며, 여기서
상기 광학 장치는 접착층(adhesive layer)에 의해 함께 결합된 2개의 광학 층으로 구성된다;
도 4D는 이동 가능한 광 흡수/방출 기판 및 상기 광학 장치와 광 흡수/방출 기판 사이에서 일정한 거리를 유지하기 위한 슬라이더 및 사전-구속 구성요소(pre-constraining element)를 포함하는 본 발명의 제7실시 예에 따른 개략적인 단면도이다;
도 4E는 도 4D와 동일한 실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 단면도이지만, 제1광학 층은 슬라이더의 수를 증가시키기 위해 몇 개의 블록으로 구성된다;
도 4F는 제8실시 예에 따른 광기계 시스템의 상세 개략적인 단면도이며, 여기서 상기 슬라이더와 상기 광학 장치 사이에 슬라이딩 패드가 배치된다;
도 4G는 가이드 구성요소(guiding element)에 의해 광학 장치에 직접 부착된 이동 가능한 광 흡수/방출 기판을 포함하는 본 발명의 제9실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 단면도이다;
도 4H는 도 4G와 동일한 실시 예를 나타내지만, 가이드 구성요소에 의해 광학 장치에 직접 부착된 이동 가능한 광 흡수/방출 기판이 이동 메커니즘(shifting mechanism)에 의해 시프트된다;
도 4I는 도 4G와 동일한 실시 예를 나타내지만, 복수의 가이드 구성요소 및 복수의 블록으로 구성된 광학 층을 구비한다;
도 4J는 바닥에 부분적으로 개방된 스태틱 프레임을 포함하는 본 발명의 제10실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 단면도이다;
도 5A 및 도 5B는 외부에서 생성된 입사광을 갖는 본 발명의 제11실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 단면도이다;
도 5C 및 도 5D는 내부에서 생성된 입사광을 갖는 본 발명의 제12실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 단면도이다;
도 6A 및 도 6B는 본 발명의 제13실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 평면도이다;
도 6C는 본 발명의 제14실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 평면도이다;
도 7A 및 도 7B는 본 발명의 제15실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 평면도이다;
도 8은 본 발명의 제16실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 평면도이다;
도 9는 본 발명의 제17실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 평면도이다; 및
도 10은 본 발명의 제18실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 11A, 11B 및 11C는 본 발명의 제19실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 12는 본 발명의 제20실시 예에 따른 광기계 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 광기계 시스템(1)의 개략적인 평면도이다. 상기 광기게 시스템(1)은 광학 장치(optical arrangement)(40), 광 흡수/방출 기판(50) 및 이동 메커니즘(shifting mechanism)(60)을 포함한다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 이 실시 예에서 이동 메커니즘(60)은 병진 구성요소(65), 하나의 액추에이터(25) 및 두 개의 가이드 구성요소(26)를 포함한다. 이 실시 예에서 제1광학 층(41)만을 포함하는 광학 장치(40)는 병진 구성요소(65) 상에 장착되고, 광 흡수/방출 기판(50)은 고정 프레임(10)에 고정된다. 이동 메커니즘(60) 덕분에, 상기 병진 구성요소(65)는 (W)방향을 따라 단지 병진 운동을 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 이동 메커니즘(60)은 1 자유도(degree of freedom)로 병진 구성요소(65)를 이동시키도록 배치된다.
상기 정적 프레임 구성요소(10)는 광기계 시스템(1)의 외부 프레임이다. 일부 실시 예에서, 정적 프레임 구성요소(10)는 전체적으로 광학 장치(40), 광 흡수/방출 기판(50) 및 이동 메커니즘(60)을 둘러싸는 것이 바람직하다. 상기 프레임 구성요소(10)는 알루미늄, 강 또는 스테인리스 강과 같은 금속 재료로 만들어질 수 있다. 외부 프레임은 상업용 또는 거주용 옥상(rooftop)과 같은 공간, 또는 박물관 전시 공간, 사무실 공간 또는 회의실과 같은 실내 천장에 설치할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 광기계 시스템(1)을 도시한다. 이 실시 예에서, 구성요소들(50 및 60)은 정적 프레임 구성요소(10) 및 광학 장치(40)에 의해 형성된 박스 내에 캡슐화된다. 상기 광기계 시스템(1)은 2개의 광학층(41 및 42)을 갖는 광학 장치(40)를 포함한다. 이 제2실시 예에서, 제2광학층(42) 및 광 흡수/방출 기판(50)은 정적 프레임 구성요소(10)에 부착된다. 제2광학층(42)의 부착은 하나 이상의 조인트(12)를 통해 이루어질 수 있다. 이 실시 예에서, 제2광학층(42) 및 광 흡수/방출 기판(50)은 이동 가능하지 않다. 상기 광학 장치(40)의 제1광학층(41)은 병진 구성요소(65) 상에 장착된다. 상기 병진 구성요소(65) 덕분에, 제1광학층(41)은 액추에이터(25)의 작동을 통해 W 방향으로 병진 이동될 수 있다. 가이드 구성요소(26)는 병진 구성요소(65)의 자유도를 제한하여 W의 방향으로 단지 병진 이동만 할 수 있다.
도 3A 내지 도 3C는 본 발명의 제3실시 예에 따른 광기계 시스템(1)을 도시한다. 이 실시 예에서, 광학 장치(40)는 하나 이상의 관절(12)을 통해 정적 프레임 구성요소(10)에 부착됨으로써 이동 가능하지 않은 제1광학 층(41)만을 포함한다. 광 흡수/방출 기판(50)은 병진 구성요소(65) 상에 장착된다. 이동 메커니즘(60)의 병진 구성요소(65)는 하나의 액추에이터(25)에 의해 작동되고 가이드 구성요소(26)에 의해 안내된다. 도 3B 및 도 3C는 도 3A의 개략적인 단면도로부터의 2개의 상세도이다. 상세 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 액추에이터(25) 및 가이드 구성요소(26) 덕분에, 병진 구성요소(65)는 선형 방향(W)으로 이동된다.
도 4A는 본 발명의 제4실시 예를 도시한다. 이 실시 예는 광학 장치(40)가 2개의 광학 층(41, 42)으로 구성된다는 점을 제외하면 도 3A의 실시 예와 유사하다. 이 실시 예에서, 상기 광학 장치(40)의 두 개의 층은 하나 이상의 조인트(12)를 통해 정적 프레임 구성요소(10)에 부착되고, 따라서 이동 가능하지 않다. 상기 광 흡수/방출 기판(50)은 병진 구성요소(65)에 부착된다. 액추에이터(25) 및 가이드 구성요소(26) 덕분에, 병진 구성요소(65) 상에 장착된 광 흡수/방출 기판(50)은 도 3C에 도시된 바와 같이 W 방향으로 병진 이동될 수있다.
상기 광학 장치(40)의 제2광학층(42)은 양호한 광학 특성을 가지므로 높은 광투과율을 허용하며, 광기계 시스템을 기계적 충격 또는 환경오염으로부터 보호하기 위해 우수한 기계적 특성을 갖는다. 예를 들어, 상기 광학층(42)은 유리, PMMA(아크릴) 또는 폴리카보네이트(PC)로 제조될 수 있다. 물론, 이 광학 층을 제조하기 위해 다른 적절한 재료가 또한 사용될 수 있다.
상기 광학 층들과 상기 정적 프레임 구성요소(10) 사이의 열 팽창 계수 불일치를 수용하기 위해서, 플렉서블 팽창 조인트(flexible expansion joint)(12)는 상기 광학 장치(40)의 광학 층(41 및 42)을 정적 프레임 구성요소(10)에 연결하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 광기계 시스템(1)은 하나 이상의 압력 균등화 멤브레인(pressure equalization membrane)로 구성되고, 상기 정적 프레임 구성요소(10)에 통합된 배기 시스템(venting system)(여기서는 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 압력 균등화 멤브레인은 예를 들어 고무 또는 Gore-Tex® 재질로 만들 수 있다. 배기 시스템의 장점은 본 발명의 광기계 시스템이 가장 효율적인 방식으로 기능 할 수 있도록 하기 위해 정적 프레임 구성요소(10) 내에 둘러싸인 공기의 압력 및 습도를 조절하는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 모든 실시 예에서, 상기 광기계 시스템(1)의 광학 장치(40)는 본 발명의 이동 메커니즘(60)으로 인해 외부적 및 내부적으로 생성된 입사광(80) 및 투과 광(90)을 모두 포착할 수 있다는 것을 알아야 한다. 즉, 각 실시 예는 외부에서 생성된 입사광을 포착 또는 흡수하거나 내부에서 생성된 광을 방출하는 데 사용될 수 있다.
도 4B 및 도 4C는 상기 광학 장치(40)가 서로 부착된 두 개의 광학 층(41 및 42)으로 구성되는 본 발명의 제5 및 제6실시 예를 도시한다. 도 4B에서, 2개의 광학 층은 예를 들어 사출 성형에 의해 또는 플라즈마 활성화 공정을 사용하여 함께 직접 결합된다. 2개의 광학 층은 또한 도 4C에 도시된 바와 같이 실리콘 접착제 또는 UV 경화 접착제와 같은 중간 접착층(45)에 의해 함께 결합될 수 있다.
2개의 광학 층(41, 42)의 직접 결합으로 인해, 본 발명의 제7실시 예에 따르면, 하나 또는 복수의 사전-구속 구성요소(28)와 조합하여 도 4D에 도시된 바와 같이, 기판(50)과 광학 장치(40) 사이의 거리는 전체 광기계 시스템에 걸쳐 일정하게 확보하는 복수의 슬라이더(27)를 구현하는 것이 가능하다. 사전-구속 구성요소는 예를 들어 스프링 또는 판 스프링일 수 있다. 상기 슬라이더의 수는 액추에이터(25)의 이동 방향으로 전형적으로 적어도 3개이며, 패널의 크기/표면에 따라 증가한다. 복수의 슬라이더를 수용하기 위해, 상기 광학 장치(40)의 제1광학 층(41)은 도 4E에 도시된 바와 같이 몇 개의 블록으로 이루어질 수 있다.
상기 슬라이더(27)는 필요하다면 마찰을 감소시키기 위해 코팅이 추가된 광학 장치(40)의 층들 중 하나의 표면 상에서 직접 미끄러질 수 있거나, 본 발명의 제8실시 예에 따르면 도 4F에 도시된 바와 같이 편평하거나 곡선인 슬라이딩 패드(29)상에서 미끄러질 수 있다. 상기 슬라이딩 패드(29)의 만곡부(curvature)는 병진 구성요소(65)가 측 방향(laterally)으로 이동할 때 광 흡수/방출 기판(50)과 광학 장치(40) 사이의 거리를 변화 시키는데 사용될 수 있다.
본 발명의 제9실시 예에 따르면, 도 4G에 도시된 바와 같이 광 흡수/방출 기판(50)은 가이드 구성요소(26)에 의해 상기 광학 장치(40)에 직접 부착된다. 이 경우, 가이드 구성요소(26)는 리프 스프링(leaf spring)과 같은 가요성(flexible) 가이드 구성요소 또는 이중 볼 조인트, 이중 자기 볼(magnetic ball) 조인트 또는 이중 범용(universal) 조인트(이중 카르단 조인트)와 같은 임의의 적합한 유형의 가요성 구성요소일 수 있다. 도 4H에 도시된 바와 같이, 선형 액추에이터(25)가 (W)방향으로 병진 구성요소(65)를 밀거나 당길 때, 병진 구성요소(65) 상에 장착된 광 흡수/방출 기판(50) 예를 들어 원의 일부와 같은 만곡된 궤도(W')를 따라 이동한다. 환언하면, 가이드 구성요소(26)는 액추에이터(25)의 직선 운동을 병진 구성요소(65)의 원형 운동으로 변형시킨다. 유사하게, 슬라이더(27)를 갖는 실시 예에 대해, 도 4I에 도시된 바와 같이, 복수의 가요성 가이드 구성요소(26)가 본 실시 예에서 구현될 수 있다. 복수의 가요성 가이드 구성요소를 수용하기 위해, 상기 광학 장치(40)의 제1광학 층(41)은 복수의 블록으로 이루어진다.
도 4J에 도시된 제10실시 예에 따르면, 정적 프레임(10)은 바닥에서 적어도 부분적으로 개방되고 플렉서블 멤브레인(15)으로 대체된다. 이 실시 예에서, 병진 구성요소(65)(및 광 흡수/방출 기판(50))는 주변 온도에 직접 노출되며, 따라서 열은 대류에 의해 소멸될 수 있다. 플렉서블 멤브레인(15)은 병진 구성요소(65)가 측 방향 및 수직 방향으로 움직일 수 있게 하면서, 병진 구성요소(65)와 정적 프레임(10) 사이의 갭을 밀봉한다.
도 5A 및 5B는 광 흡수/방출 기판(50)이 투과광을 흡수할 수 있는 본 발명의 제11실시 예에 따른 개략적인 단면도이다. 상이한 방향으로부터 오는 태양광과 같은 외부 생성 입사광(80)은 광학 장치(40)에 충돌한다. 광학 장치는 하나 이상의 광학 층을 포함할 수 있다. 상기 광학 장치(40)에 의해, 외부에서 생성된 입사광(80)이 포착되고, 투과된 광(90)은 광 흡수/방출 기판(50)의 복수의 광 흡수 구성요소(51) 상에 집중된다. 이 응용에서 "집중"이라는 용어는 기본적으로 빛의 광선이 특정 지점에 초점을 맞춘다는 것을 의미한다.
도 5C 및 도 5D는 광 흡수/방출 기판(50)이 입사광(80)을 방출할 수 있는 본 발명의 제12실시 예에 따른 개략적인 단면도이다. 이 실시 예에서, 상기 광 방출 기판(50)은 광학 장치(40)를 향한 입사광을 방출한다. 상기 광학 장치(40)는 입사광(80)의 경로를 변경하여 제어된 배향 및 수렴 정도를 갖는 투과광(90)을 출력한다. 이를 위해 원하는 조명을 얻기 위해 광 출력을 동적으로 조정할 수 있다.
본 발명에서, 각 개별 광 방출 구성요소로부터의 입사광이 포착되고 투과될 수 있도록, 따라서 조명 장치의 출력의 방향 및 집중의 정도를 제어할 수 있도록, LED 패널 위에 광학 장치(40)를 배치하는 것이 유리한 해결책으로 밝혀졌다. 그러한 구성의 장점은 조명 기구의 광 출력이 조명기구 케이싱 내의 짧은 병진 이동에 의해 배향될 수 있어서 조명 기구 자체를 회전시키거나 기울일 필요가 없다는 것이다.
상기 모든 실시 예에서, 광 흡수/방출 기판(50)은 광학 장치(40)로부터의 투과광(90)을 흡수할 수 있거나, 광 흡수/방출 기판(50)은 광학 장치(40)를 향한 입사광(80)을 방출할 수 있다. 이동 메커니즘(60)은 예를 들어 도 6 내지 도 11에 도시된 바와 같이 여러 가지 상이한 구성에 따라 배열될 수 있다. 이러한 모든 구성들에서, 상기 이동 메커니즘(60)은 광 흡수/방출 기판(50)에 대해 적어도 1 자유도의 병진 이동으로 광학 장치(40)를 이동시킬 수 있거나 그 역으로 이동할 수 있다. 그러한 목적을 달성하기 위해서, 투과된 광(90)이 집중되어 광 흡수/방출 기판(50)에 의해 최적으로 흡수될 수 있는 방식으로 또는 광 흡수/방출 기판(50)에 의해 방출 입사광(80)이 광학 장치(40)에 의해 최적으로 전달될 수 있도록, 이동 메커니즘(60)은 하나 이상의 병진 구성요소(65), 액추에이터(25) 및 가이드 구성요소(26)를 통해, 광학 장치(40) 또는 광 흡수/방출 기판(50)을 정적 프레임 구성요소(10)에 대해 병진 운동 시키도록 배치된다(화살표 참조).
예를 들어, 광 흡수/방출 기판(50)이 태양 전지와 같은 복수의 광 흡수 구성요소(51)를 포함하는 경우, 광 흡수 구성요소(51)에 의해 흡수되도록 상기 광학 장치(40)를 통해 최적의 방법으로 투과광(90)을 포착, 집중 및 투과시킬 수 있다. 한편, 광 흡수/방출 기판(50)이 LED와 같은 복수의 광 방출 구성요소(52)를 포함할 때, 발광 소자(52)에 의해 방출된 입사광(80)은 광학 장치(40)에 의해 재배향되고 재성형되어 최적의 배향 및 형상을 갖는 투과광(90)을 제공한다.
광학 장치(40)의 각 광학 층은 복수의 광학 구성요소(47)를 포함할 수 있다. 광학 요소는 예를 들어 렌즈 또는 거울일 수 있다. 상기 광학 요소는 유리, PMMA(아크릴), PC, 실리콘 또는 기타 투명 또는 반투명 재료로 만들 수 있다. 상기 광학 요소는 또한 금속화(metallization)와 같은 반사 코팅을 갖춘 프리즘일 수 있다. 상기 반사 코팅은 화학 공정으로 적용할 수 있다. 상기 반사 코팅은 광학 구성요소에 접착되거나 접착된 시트로 제조될 수 있다. 대안적으로, 상기 광학 요소는 광 전송을 향상시키기 위해 무반사 코팅으로 코팅될 수 있다.
도 6A는 본 발명의 제13실시 예에 따른 개략적인 평면도이다. 이동 메커니즘(60)은 하나의 액추에이터(25) 및 2개의 가요성 가이드 구성요소(26)를 포함한다. 상기 액추에이터(25)는 일 측면에서 정적 프레임 구성요소(10)에 그리고 다른 측면에서 병진 구성요소(65)에 부착된다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 가요성 가이드 구성요소(26)는 모두 병진 구성요소(65)에 연결된다. 액추에이터(25)가 작동될 때, 상기 병진 구성요소(65)는 도 6B에 도시된 바와 같이 단일 축에서 W 방향으로 병진 운동한다. 이 실시 예에서, 병진 구성요소(65)는 1 자유도로 이동한다.
모든 제시된 실시 예들에서, 제어 시스템에 의해 제어되는 액추에이터(25)는 예를 들어 전기 기계식 액추에이터(예를 들면 스테퍼 모터, DC 모터, 브러시리스 DC 모터), 정전기 액추에이터(electro-static actuator), 압전 액추에이터(piezo-electrical actuator), 스틱 슬립 액추에이터(stick-slip actuator), 공압 액추에이터를 포함한다. 상기 제어 시스템은 마이크로-제어기 또는 마이크로-프로세서를 기반으로 할 수 있다. 예를 들어 광학 센서(optical sensor) 또는 인코더와 같은 자기 센서(magnetic sensor) 또는 태양전지와 같은 태양광 센서(photovoltaic sensor)를 통해 병진 구성요소(65)의 위치가 검출될 수 있도록 피드백 제어 루프가 본 발명의 광기계 시스템(1)에 추가로 도입될 수 있다.
도 6B는 병진 구성요소(65)가 액추에이터(25)에 의해 W 방향으로 이동될 때, 2개의 가요성 가이드 구성요소(26)가 병진 구성요소(65)의 자유도를 제한하는 기능을 한다. 가요성 가이드 구성요소(26)는 예를 들어 스프링 또는 판 스프링일 수 있다. 하나의 가이드 구성요소(26)는 그 효과를 주장하기에 충분할 수 있지만, 둘 이상의 것이 바람직할 수 있는데, 이들은 하나 이상의 가이드 구성요소(26)가 보다 정확하게 병진 구성요소(65)의 이동을 제어하고 제한할 수 있기 때문이다. 리프 스프링(Leaf spring)은 짧은 스트로크를 따라 움직이는 길고 큰 구조물에 특히 적합하다. 이러한 가이딩 시스템이 기계적 변형을 기반으로 할 경우, 피로가 유일한 고장 메커니즘이 된다. 바꾸어 말하면, 가이드 구성요소(26)는 변위가 재료의 탄성 영역 내에서 변형을 수반하는 한 많은 사이클을 유지할 수 있다. 더욱이, 마찰이나 마모가 없기 때문에, 가이드 메커니즘의 가이드 구성요소는 윤활 또는 유지 보수를 필요로 하지 않는다.
본 발명의 제14실시 예에 따라, 도 6C는 3개의 액추에이터(25)를 포함하는 이동 메커니즘을 도시하고, 그 중 2개는 동일한 축(W) 상에 있지만 병진 구성요소(65)의 대향 단부에 평행하게 배치되고, 세번째는 상기 처음 두 개에 수직인 방향이다. 이러한 구성은 축(Z) 둘레의 병진 구성요소(65)의 임의의 기생 회전(parasitic rotation; Y)을 제어 및 취소할 수 있게 한다.
도 7A는 본 발명의 다른 구성을 나타낸다. 제15실시 예에 따르면, 도 7b에 도시된 바와 같이, 가장 안쪽의 병진 구성요소(65')가 W 및 X의 방향으로 이동될 수 있도록 2개의 액추에이터(25)가 수직 방식으로 배열된다. 제1액추에이터(25)는 정적 프레임 구성요소(10)와 가장 바깥쪽의 병진 구성요소(65) 사이에 연결된다. 제2액추에이터(25')는 가장 바깥쪽 병진 구성요소(65)와 가장 안쪽의 병진 구성요소(65') 사이에 연결된다. 이 실시 예에서, 상기 병진 구성요소(65')가 정적 프레임 구성요소(10)에 대해 2 자유도로 움직일 수 있도록 상기 병진 구성요소(65)는 정적 프레임 구성요소(10)에 대해 1 자유도로 움직일 수 있고, 상기 병진 구성요소(65')는 병진 구성요소(65)에 대해 다른 자유도로 움직일 수 있다. 4개의 가이드 구성요소(26)는 병진 구성요소(65, 65')의 자유도를 제한하기 위해 2개의 쌍으로서 함께 기능하는 것을 이 제8실시 예에서 볼 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 가능한 구성을 도시한다. 제16실시 예에 따르면, 상기 액추에이터(25)는 정지 프레임 구성요소(10)와 병진 구성요소(65) 사이에 배치된다. 상기 액추에이터(25)는 각각의 측면 상의 2개의 가이드 구성요소(26)에 의해 측면에 위치한다. 2개의 추가의 가이드 구성요소(26)는 2쌍의 가이드 구성요소(26)가 병진 구성요소(65)의 자유도를 제한하기 위해 함께 기능 하도록 반대 위치에 배치된다. 이러한 유형의 구성은 보다 큰 셋업을 갖는 광기계 시스템에 특히 적합하다.
도 9는 본 발명의 제17실시 예에 따른 광기계 시스템(1)을 도시한다. 액추에이터(25)는 정적 프레임 구성요소(10)의 일 측부에 배치되어, 병진 구성요소(65)가 W 방향으로 이동될 수 있게 한다. 이 실시 예에서는 2개의 연장된 리브(elongated leave)를 갖는 한 쌍의 가이드 구성요소(26)가 도시되어 있다. 상기 가이드 구성요소(26)는 정적 프레임 구성요소(10)와 병진 구성요소(65) 사이에 부착된다.
도 10은 본 발명의 제18실시 예에 따른 광기계 시스템(1)의 다른 가능한 구성을 도시한다. 도 9의 구성과 유사하게, 액추에이터(25) 및 2개의 연장된 리브를 갖는 한 쌍의 가이드 구성요소(26)가 도시되어 있다. 그러나 연장된 리프의 단부는 정적 프레임 구성요소(10) 대신에 중간 병진 구성요소(66)에 연결된다. 이러한 유형의 구성은 안내 정확도를 향상시키고 액추에이터(25)에 가해지는 측 방향 힘을 감소시킨다.
도 11A는 본 발명의 제19실시 예에 따른 광기계 시스템(1)의 다른 가능한 구성을 도시한다. 이 예시에서, 광학 장치(40) 및 광 흡수/방출 기판(50)은 명료함을 위해 제거되었다. 파선은 아래에 위치한 이동 메커니즘(60)의 일부 구성요소를 도시하기 위해 병진 구성요소(65)를 절단하여 나타낸다. 이 실시 예에 따르면, 제1쌍의 가요성 가이드 구성요소(26)가 정적 프레임 구성요소(10)에 결합된 정적 부착 요소(11)와 중간 병진 구성요소(66) 사이에 부착된다. 제2쌍의 가요성 가이드 구성요소(26')는 제1쌍의 가이드 구성요소(26)에 수직인 축을 따라 배치되고, 중간 병진 구성요소(66)와 병진 구성요소(65)에 결합된 모바일 부착 요소(67) 사이에 부착된다. 정적 부착 요소(11), 중간 병진 구성요소(66) 및 이동 가능 부착 요소(67)와 함께, 2쌍의 가요성 가이드 구성요소(26 및 26')는 가요성 가이드 모듈(30)을 형성한다. 도 11B 및 도 11C에 도시된 바와 같이, 액추에이터(25)가 작동될 때, 병진 구성요소(65)는 축(W 및/또는 X)을 따라 이동한다. 병진 구성요소(65)가 상기 가이드 모듈(30)의 모바일 부착 요소(67)에 부착되기 때문에, 그의 이동은 가이드 구성요소(26 및 26')에 의해 (중간 병진 구성요소(66)를 통해) 안내된다. 그러한 실시 예의 주된 이점은 가요성 가이드 구성요소(26, 26')가 동일한 두께로 이동 시스템(60)의 보다 높은 강성을 보장하면서 병진 구성요소(65)보다 훨씬 더 작게(더 짧게) 제조될 수 있다는 것이다. 또한, 상기 가이드 모듈(30)은 (예를 들어 CNC 가공에 의해) 단일 블록의 재료로부터 비용 효율적으로 기계 가공될 수 있으므로, 광기계 시스템(1)을 조립하는데 필요한 부품 및 단계의 수를 감소시키고, 그 정확성 및 신뢰성을 증가시킨다.
도 12는 네 개의 가이드 모듈(30)이 병진 구성요소(65) 아래에 배열되어 이에 결합되어 있는 본 발명의 제20실시 예를 도시한다. 도 11A 내지 도 11C와 유사하게, 액추에이터(25)가 작동될 때, 병진 구성요소의 변위(displacement)는 4개의 가이드 모듈에 의해 안내된다. 이 도면에서, 4개의 가이드 모듈은 대칭 방식으로 배치되지만, 더 많은 또는 더 적은 안내 모듈이 다른 패턴에 따라 배치될 수 있다. 이러한 실시 예는 이동 메커니즘(60)의 더 나은 평탄도(planarity) 및 강성을 보장한다.
본 발명의 모든 실시 예에서 도시된 상기 이동 메커니즘(60)은 광학 장치(40)의 광학 층(41 또는 42) 또는 광 흡수/방출 기판(50)을 정적 프레임 구성요소(10)에 대해 1, 2 또는 3 자유도로 병진 이동시킬 수 있으며, 이로 인하여 광 흡수/방출 기판(50)이 집중적으로 투과된 광(90)을 최적으로 또는 내부적으로 생성된 입사광(80)을 광학 장치(40)에 의해 포착되게 하고, 투과된 광(90)의 형태 및 방향성을 제어하도록 변형될 수 있다.
본 발명의 상이한 구성은 광기계 시스템(1)의 병진 구성요소(65)가 예를 들어 수 마이크로미터에서 수 센티미터까지의 작은 스트로크만을 수행하게 한다. 이러한 변위는 전형적으로 광기계 시스템(1)의 외부 크기보다 최소 20배(two orders of magnitude) 이상 작다. 변위는 예를 들어 광학 요소(47)의 크기와 동일한 자릿수(same order of magnitude) 정도의 크기일 수 있다. 변위는 1, 2 또는 3축을 따라 병진 이동으로 제한된다(1, 2 또는 3 자유도 포함). 회전은 하나 이상의 액추에이터(25)의 배열과 결합된 가이드 구성요소(26)의 특정 배치에 의해 차단되거나 취소된다.
이동 메커니즘의 기계적 구조는 스탬핑, 레이저 또는 워터 컷팅을 통해 단일 블록 재료로 제조한 다음 최종 형상으로 접을 수 있으며 하나 이상의 조인트 또는 포인트에서 용접 또는 납땜을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 제조 방법은 유리하게도 수동 단계(manual step)가 거의 또는 전혀 필요하지 않으며, 어셈블리는 완전히 자동화될 수 있고 대량 생산에 적합하기 때문에 훨씬 간단하다. 재료 블록을 하나만 사용하면 기계적 공차(mechanical tolerance)를 훨씬 쉽게 제어할 수 있다. 또한, 시스템의 온도는 더 균일할 수 있다(낮은 열 저항으로). 시스템은 단일 재료로 만들어지기 때문에 재료 간에 원하지 않는 전기 화학적 상호 작용의 위험이 없으며 갈바니 부식과 같은 문제는 피할 수 있다.
"조명기구"는 램프나 밸러스트(ballast)를 위치시키고 보호하기 위해 빛을 분배하도록 설계된 부품과 함께 LED와 같은 조명 애플리케이션을 의미한다. 이 용어는 실제로 조명을 제공하는 램프를 포함하여 조명 장치의 모든 측면을 커버한다.
"최적으로"에 대하여, 초깃값 또는 수의 4분의 1 이상의 값 또는 수를 얻는 것을 의미한다. 예를 들어, "최적으로 흡수"라는 용어는 투과광의 적어도 25%가 광 흡수/방출 기판에 의해 흡수된다는 것을 의미하고, "최적으로 투과"는 입사광의 적어도 25%가 광학 장치에 의해 조정된다는 것을 의미하며, 여기서 투과된 광의 방향 및 수렴 정도가 보다 양호한 흡수 또는 원하는 방출 패턴에서 달성된다. 경우에 따라 값 또는 수는 초기 값 또는 수의 절반 이상인 것을 의미한다.
1 광기계 시스템(optomechanical system)
10 정적 프레임 구성요소(static frame element)
12 조인트(joint)
15 유연막(flexible membrane)
25 액추에이터(actuator)
26 가이드 구성요소(guiding element)
27 슬라이드(sliders)
28 사전-구속 구성요소(pre-constraining element)
29 슬라이딩 구성요소(sliding elements)
30 가이드 모듈(guiding module)
40 광학 장치(optical arrangement)
41 제1광학층(first optical layer)
42 제2광학층(second optical layer)
45 접착층(adhesive layer)
47 광학 구성요소(optical element)
50 광 흡수/방출 기판(light absorbing/emitting substrate)
51 광 흡수 구성요소(light absorbing element)
52 광 방출 구성요소(light emitting element)
60 이동 메커니즘(shifting mechanism)
65 병진 구성요소(translation element)
66 중간 병진 구성요소(intermediate translation element)
67 모바일 부착 포인트(mobile attachment point)
70 투명 커버(transparent cover)
80 입사광(incident light)
90 투과광(transmitted light)

Claims (23)

  1. - 정적 프레임 구성요소(10)
    - 입사광(80)을 포착하고 투과광(90)을 투과시킬 수 있는 하나 이상의 광학 층(41, 42)을 포함하는 광학 장치(40), 여기서 상기 광학 장치는 상기 정적 프레임 구성요소(10)의 내부 및 외부로부터 입사광(80)을 포착 할 수 있도록 배치되고,
    - 투과광(90)을 흡수하거나 입사광(80)을 방출할 수 있는 복수의 광 흡수/방출 구성요소(51, 52)를 포함하는 광 흡수/방출 기판(50),
    - 상기 광 흡수/방출 기판(50)에 대해 상기 광학 장치(40)의 상기 층들(41, 42) 중 적어도 하나를 또는 그 반대로 이동시키기 위한 이동 메커니즘(60)을 포함하고,
    여기서, 상기 이동 메커니즘(60)은, 투과된 광(90)이 광 흡수/방출 기판(50)에 의해 흡수되거나 광 흡수/방출 기판(50)에 의해 방출된 입사광(80)이 광학 장치(40)에 의해 전달될 수 있는 방식으로, 하나 이상의 병진 구성요소(65, 65')를 통해 광학 장치(40)의 층 또는 광 흡수/방출 기판(50) 중 적어도 하나를 상기 정적 프레임 구성요소(10)에 대해 병진 운동시키도록 배열되고 및
    상기 이동 메커니즘(60)은 하나 이상의 가이드 구성요소(26, 26')를 추가로 포함하고 상기 하나 이상의 가이드 구성요소(26, 26')는 상기 병진 구성요소(65, 65')의 자유도를 제한하고,
    상기 하나 이상의 병진 구성요소(65, 65')의 자유도를 제한할 수 있는 상기 하나 이상의 가이드 구성요소(26, 26')는 광학 장치(40)와 광 흡수/방출 기판(50)의 상대적인 위치를 상기 이동 메커니즘(60)에 의해 정확하게 조절하고, 광학 장치(40)와 광 흡수/방출 기판(50) 사이의 상대적인 회전을 회피하거나 최소화하는 방식으로 배치되는, 광을 흡수하거나 광을 방출하기 위한 광기계 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학 장치(40)는 상기 광 흡수/방출 기판(50) 및 이동 메커니즘(60)을 완전히 둘러싸는 폐쇄된 박스를 함께 형성하는 정적 프레임 구성요소(10)의 전면(front side)에 부착되는 광기계 시스템(1).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광학 장치(40)는 외부 조건이 변화할 때 정적 프레임 구성요소 및 상기 광학 장치에 의해 정의된 폐쇄 공간 내에서 과도한 압력 상승 또는 응축(water condensation)이 발생하는 것을 방지하는 배출 시스템을 포함하는 광기계 시스템(1).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 구성요소(26)는 상기 정적 프레임 구성요소(10)와 제1병진 구성요소(65) 사이 또는 제1병진 구성요소(65)와 제2병진 구성요소(65') 사이에 부착되는 광기계 시스템(1).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시스템(1)은 제1가이드 구성요소(26), 제2가이드 구성요소(26'), 정적 부착 요소(11), 중간 병진 구성요소(66) 및 모바일 부착 요소(67)를 포함하는 가이드 모듈(30)을 더 포함하고, 여기서 상기 가이드 모듈(30)은 상기 정적 프레임 구성요소(10)에 결합된 정적 부착 요소(11)와 상기 중간 병진 구성요소(66) 사이에서 상기 제1가이드 구성요소(26)가 부착되도록 배열되고; 상기 제2가이드 구성요소는 상기 제1가이드 구성요소(26)의 쌍에 수직인 축을 따라 배치되고, 상기 병진 구성요소(65)에 결합된 모바일 부착 구성요소(67)와 상기 중간 병진 구성요소(66) 사이에서 부착되는 광기계 시스템(1).
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 구성요소(26) 중 적어도 하나는 가요성 가이드 구성요소(flexible guiding element)인 광기계 시스템(1).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가요성 가이드 구성요소(flexible guiding element)는 스프링 또는 리프 스프링인 광기계 시스템(1).
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시스템(1)은 광 흡수/방출 기판(50)과 광학 장치(40) 사이에 배치된 하나 이상의 슬라이더(27) 및 하나 이상의 사전-구속 구성요소(28)를 더 포함하는 광기계 시스템(1).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시스템(1)은 슬라이더(27)와 그들이 슬라이딩하는 표면 사이에서 슬라이딩 패드(29)를 더 포함하는 광기계 시스템(1).
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광 흡수/방출 기판(50)은 이중 카디탄 조인트(double cardan joint) 또는 이중 볼 조인트(double ball joint)와 같은 가이드 구성요소(26)에 의해 상기 광학 장치(40)에 직접 부착되는 광기계 시스템(1).
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광학 장치(40)는 적어도 하나의 광학 층(41)을 포함하고, 상기 광학 층은 복수의 광학 요소(47)를 포함하는 광기계 시스템(1).
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광학 장치(40)는 직접 또는 접착층(45)에 의해 서로 결합되는 2개 이상의 광학층을 포함하는 광기계 시스템(1).
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광학 요소(47)는 거울과 같은 반사형 또는 평면-볼록(plano-convex), 평면-오목(plano-concave), 쌍 볼록(bi-convex), 쌍 오목(bi-concave), 메니스커스(meniscus) 형 및 다항식 형상(polynomial shape)을 갖는 비구면(aspheric) 곡률을 포함하는 렌즈와 같은 굴절 형인 광기계 시스템(1).
  14. 제11항 또는 제13항에 있어서,
    상기 광학 구성요소는 금속화(metallization)와 같은 반사 코팅(reflective coating)으로 코팅되는 광기계 시스템(1).
  15. 제1항에 있어서,
    상기 광 흡수 구성요소(51)는 태양 전지이고 또는 상기 광 방출 구성요소(52)는 LED 인 광기계 시스템(1).
  16. 제1항에 있어서,
    상기 이동 메커니즘(60)의 병진 구성요소(65)는 적어도 하나의 액추에이터(25) 및 제어 시스템을 포함하고, 따라서 상기 광학 장치(40)의 적어도 하나의 광학 층(41, 42) 또는 광 흡수/방출 기판(50)은 병진 운동에서 하나 이상의 자유도(degrees of freedom)로 이동할 수 있는 광기계 시스템(1).
  17. 제16항에 있어서,
    상기 이동 메커니즘(60)은 동일한 병진 축에 평행하지만 상기 병진 구성요소(65)의 대향 단부에 배치된 두 개 이상의 액추에이터(25) 및 상기 처음 두 개(first two)에 수직인 방향으로 배치된 하나 이상의 액추에이터(25)를 포함하는 광기계 시스템(1).
  18. 제16항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액추에이터(25)는 전기-기계(electro-mechanical) 액추에이터, 정전기(electro-static) 액추에이터, 압전(piezo-electrical) 액추에이터, 스틱 슬립(stick-slip) 액추에이터 또는 공압 액추에이터인 광기계 시스템(1).
  19. 제1항에 있어서,
    상기 병진 구성요소(65)의 위치를 모니터하는 피드백 제어 루프(feedback control loop)를 더 포함하는 광기계 시스템(1).
  20. 제19항에 있어서,
    상기 피드백 제어 루프는 광학 센서(optical sensor), 자기 센서(magnetic sensor) 또는 광전지 센서(photovoltaic sensor), 또는 이들 센서의 몇 가지 조합인 광기계 시스템(1).
  21. 제1항에 있어서,
    상기 정적 프레임 구성요소(10)는 적어도 부분적으로 바닥에서 개방되고 가요성 멤브레인(15)은 상기 병진 구성요소(65)를 축방향 및 수직 방향으로 움직일 수 있게 허용하면서 상기 병진 구성요소(65)와 정적 프레임 구성요소(10) 사이의 갭을 밀봉하는 광기계 시스템(1).
  22. - 입사광(80)을 포착하고 투과광(90)을 투과시키는 단계,
    - 투과된 광(90)을 흡수하거나 입사광(80)을 방출시키는 단계,
    - 광 흡수/방출 기판(50)에 대해 광학 장치(40)의 광학 층(41, 42) 중 적어도 하나를 이동시키는 단계 또는 그 반대를 포함하고,
    여기서, 상기 이동 메커니즘(60)은, 상기 투과광(90)이 광 흡수/방출 기판(50)에 의해 흡수될 수 있거나 또는 광 흡수/방출 기판(50)에 의해 방출된 입사광(80)이 광학 장치(40)에 의해 전달될 수 있도록, 하나 이상의 병진 구성요소(65)에 의해 광학 장치(40)의 광학 층(41, 42) 또는 광 흡수/방출 기판(50) 중 적어도 하나를 병진 이동시키는, 제1항에 따른 광기계 시스템(1)을 사용하여 광을 흡수 또는 방출하는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    이동 메커니즘(60)의 기계적 구조는 스탬핑(stamping), 레이저 또는 워터 컷(water cutting)에 의해 단일 블록의 재료로 제조되고 그 다음 최종 형태로 접혀지며, 하나 이상의 조인트(12) 또는 포인트에서 용접(welding) 또는 납땜(soldering)을 포함하는 광기계 시스템(1)을 사용하여 광을 흡수 또는 방출하는 방법.
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