KR20110008876A - 엘이디 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘이디(LED) 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈에 관한 것으로서, 유리나 아크릴계 플라스틱 또는 PMMA 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지되 내부 전체가 채워지는 몸체를 갖는 렌즈구조체이며; 상기 렌즈구조체는 광원인 LED의 발산광이 입사되는 법선방향에 형성되어 렌즈구조체의 내측 표면을 이루게 되고 산과 골의 형태를 갖되 중심부분에 고드름과 같은 광조정돌부를 형성시킨 좌우 대칭구조이며 비구면으로 형성되는 아이시클 비구면 내면과, 상기 렌즈구조체의 외측 표면을 이루게 되는 구면 또는 비구면에 의한 외면을 포함하여 이루어지는 기술구성이 개시된다.

본 발명은 아주 간단한 구조를 가지면서도 광확산 유니트로서 작용하여 실내 조명장치에 적용시 실내조명으로서의 효율을 최대로 이끌어낼 수 있고 비구면을 활용하므로 광확산 각도를 임의로 자유롭게 조율할 수 있으며, LED광원에 대해 면광원 조정을 행하여 동일 면적당 동일 밝기로 고르게 컨트롤하여줄 수 있고, 기존 LED 사용에 따른 눈부심 현상을 없앨 수 있으며 고른 밝기를 유도할 수 있다.

조명유니트, 확산광, 비구면 내면, 아이시클형, 광조정돌부, 내부 반사/굴절

Description

엘이디 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈{ICICLE TYPE LIGHT ADJUSTING LENS FOR LED ILLUMINATION DEVICE}

본 발명은 엘이디(LED) 조명장치의 광분포 조정용으로 사용하기 위한 광 조정렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아주 간단한 구조이면서도 실내 조명장치에 적용시 실내조명으로서의 효율을 최대로 이끌어낼 수 있도록 광확산용 디퓨저(diffuser)로서 기능할 수 있도록 하며 고른 밝기로 컨트롤하여줄 수 있도록 한 엘이디 조명장치용 아이시클형(icicle type) 광 조정렌즈에 관한 것이다.

일반적으로 조명장치는 각종 광원을 이용하여 주변을 밝게 비춰주기 위한 것으로, 최근 조명장치를 비롯한 산업전반에 걸쳐 광원으로 LED의 적용이 활발히 이루어지고 있을 뿐만 아니라 LED의 효과적인 사용을 위한 조명계의 연구 또한 활발히 진행되고 있다.

도 1은 종래 LED 조명장치의 일 실시예를 나타낸 것으로서, 광원으로 사용되는 LED칩(30)에 1차 렌즈(10)가 커버된 상태의 패키지형 파워LED와 상기 1차 렌즈 위에 올려지는 2차 렌즈(20)를 포함하는 구성으로 이루어지며, LED칩(30)에서 발광하는 빛이 지향성을 갖도록 1차 렌즈(10) 및 2차 렌즈(20)의 렌즈부를 통해 발산광을 조정하게 된다.

하지만, 도 1에서와 같은 구조를 갖는 종래 LED 조명장치에 사용되는 광 조정렌즈는 LED광원의 직진광을 유도하기 위한 구조로서, 이를 채택하여 종래 LED 조명장치를 실내조명용으로 사용하기에는 상당히 비효율적이라 할 수 있고, 종래기술에서는 광원인 LED칩(30)을 포함하는 1차 렌즈(10)와 2차 렌즈(20)가 항상 짝이 맞아야 하는 구조적 설계 및 상호 매칭되는 제품으로 기존 유통되고 있는 LED칩에 적용하기 어려울뿐더러 광 손실이 큰 구조적인 단점을 가지고 있으며 전반적인 광 조정효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, LED 특유의 중심부 광 집중력을 갖게 하는 것으로 종래 문제점으로 지적되고 있는 반짝거림에 의한 눈부심 현상을 제거하지 못하고 있으며, 광 조정의 어려움으로 고른 밝기를 유도하지 못하는 문제점이 있었다.

나아가, 종래 LED 조명장치의 광 조정 유니트로 사용되는 렌즈(10)(20)는 빛의 반사작용 또는 굴절작용의 어느 하나만을 이용하므로 광 조정을 위한 자유도가 낮아 광 조정효율이 떨어지는 문제점이 있었으며, 구조가 매우 복잡한 문제점이 있었다.

한편, 종래 LED 조명장치에서는 광 조정 유니트로 적용되는 2차 렌즈(20)의 상면으로 마이크로렌즈(40)를 다수 배열하여 광확산 등의 광분포 조정을 수행하고 있으나 부가적 구조 및 많은 소재(마이크로렌즈)를 사용하여야 하므로 LED 조명장 치가 구조적으로 복잡해지거나 제품단가가 많이 올라가는 문제점이 있었으며, 종래에는 광집중이나 광확산 등 LED의 발산광 조정에 대해 상당한 어려움 및 애로점이 있었으며, 광분포를 임의대로 자유롭게 조율하는데 어려움이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점 등을 감안하여 안출된 것으로서, 아주 간단한 구조를 가지면서도 실내 조명장치에 적용시 실내조명으로서의 효율을 최대로 이끌어낼 수 있도록 하며, 비구면을 활용하여 광확산 각도를 임의로 자유롭게 조율할 수 있도록 하고 중앙부분 내측의 효율적인 구조설계를 통해 내부 반사와 굴절을 이용하여 LED광원의 파워가 강한 중심 광을 좌우측 주변으로 퍼뜨릴 수 있도록 광확산 및 광분포를 조정할 수 있도록 함으로써 동일 면적당 동일 밝기로 고르게 컨트롤하여줄 수 있도록 한 엘이디 조명장치용 아이시클형 광학렌즈를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 LED 특유의 중심부 광 집중 및 반짝거림에 의한 눈부심 현상을 없애거나 최소화시킬 수 있도록 광확산 유니트로서 기능할 수 있도록 하며 실내조명용도의 근거리 조사에 적합 및 고른 밝기를 유도할 수 있도록 한 엘이디 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈를 제공하는데 있다.

본 발명은 기존 유통되는 LED칩 등에 용이하게 장착하여 사용할 수 있도록 하며, 모자형 방사패턴을 만들어 낼 수 있는 구조설계 및 실내조명으로서의 효율을 최대화시킬 수 있도록 한 엘이디 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈를 제공하는데 있다.

본 발명은 엘이디(LED) 조명장치용 광학렌즈에 있어서,

유리나 아크릴계 플라스틱 또는 PMMA 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지되 내부 전체가 채워지는 몸체를 갖는 렌즈구조체이며; 상기 렌즈구조체는 광원인 LED의 발산광이 입사되는 법선방향에 형성되어 렌즈구조체의 내측 표면을 이루게 되고 산과 골의 형태를 갖되 중심부분에 고드름과 같은 광조정돌부를 형성시킨 좌우 대칭구조이며 비구면으로 형성되는 아이시클 비구면 내면과, 상기 렌즈구조체의 외측 표면을 이루게 되는 구면 또는 비구면에 의한 외면을 포함하는 구성인 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈구조체는 아이시클 비구면 내면 중심에 형성시킨 광조정돌부의 끝단이 렌즈구조체에 장착되는 LED의 상면에 직접적으로 닿게 하거나 최대한 근접되게 돌출 형성시키는 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈구조체는 직교좌표계에서 모자형 방사패턴을 형성하도록 광분포를 조정하게 되고, LED의 발산광에 대해 구좌표계에서 방패형 방사패턴을 형성하도록 광분포를 조정하게 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 아주 간단한 구조를 가지면서도 광확산 유니트로서 작용하여 실내 조명장치에 적용시 실내조명으로서의 효율을 최대로 이끌어낼 수 있으며 비구면을 활용하므로 광확산 각도를 임의로 자유롭게 조율할 수 있다.

본 발명은 LED광원에 대해 면광원 조정을 행하여 동일 면적당 동일 밝기로 고르게 컨트롤하여줄 수 있고, 특히 LED 특유의 중심부에 집중되는 광을 좌우로 퍼뜨리면서 파워를 키워주는 구조설계로 기존 LED의 조명시 발생되는 반짝거림에 의한 눈부심 현상을 없애거나 최소화시킬 수 있으며 실내조명용도의 근거리 조사에 적합 및 고른 밝기를 유도할 수 있다.

본 발명은 기존 유통되는 LED칩에도 용이하게 장착하여 사용할 수 있으며, 본 발명에서의 광조정부분과 LED광원 발산부(LED칩)와는 1대 1의 대응 크기로 구성할 수 있어 콤팩트한 크기로 제작할 수 있을뿐더러 마이크로렌즈의 배열 등 광 조정을 위한 별도의 부가적인 적용이 필요없게 되고 광분포밀도가 중간에 끊김없이 연속적으로 형성되며, LED의 발산광에 대해 미세하게 컨트롤 조정 및 자유도를 높일 수 있어 직교좌표계에서 모자형 방사패턴을 만들어 낼 수 있고 실내조명유니트로서 조명효율을 최대화시킬 수 있는 아주 유용한 효과가 있다.

본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 및 도 3에서와 같이, 본 발명에 의한 엘이디(LED) 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈(100)는 유리나 아크릴계 플라스틱 또는 광투과성이 우수한 폴리메 틸메타크릴레이드(이하 "PMMA"라 한다.) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지되 내부 전체가 채워지는 몸체를 갖는 렌즈구조체(110)로 구성된다.

상기 렌즈구조체(110)는 광원으로 사용할 LED를 수용하여 배치하기 위한 것으로 LED의 발산광이 입사되는 법선방향 하측단부에 중심을 기준으로 좌우 대칭되게 형성되는 요홈단턱부(111)와, 상기 요홈단턱부(111)의 내측에서 상측방향으로 연장 형성되고 산과 골의 형태로 대략 "M"자형 구조를 갖게 하되 중심부분에 고드름과 같은 광조정돌부(112a)를 형성시킨 좌우 대칭구조의 비구면으로 구비되는 아이시클(icicle) 비구면 내면(112)과, 상기 요홈단턱부(111)의 외측에서 상측방향으로 연장 형성되는 구면 또는 비구면에 의한 외면(113)을 포함하는 구성으로 이루어진다.

이때, 상기 요홈단턱부(111)는 LED의 광원발산부(예를 들면, LED칩)를 수용할 수 있는 형태이면 어떠한 구조적 형태이든 무방하다 할 것이다.

상기 렌즈구조체(110)의 아이시클 비구면 내면(112)은 렌즈구조체의 내측 표면을 형성하는 것으로서 LED의 발산광이 입사되기 시작하는 부분이면서 요홈단턱부(111) 상에 장착되는 LED의 발산광에 대해 실제 확산광 유니트로 기능하게 되는 광분포 조정부분이며, 상기 고드름과 같이 형성시킨 광조정돌부(112a)를 통해 LED의 발산광에 대해 내부 반사(reflection)와 굴절(refraction)의 동시작용을 유도하고 광조정돌부(112a)를 제외한 LED측 방향에서 오목면을 갖는 좌우측부(112b)(112c) 내면에서는 LED의 발산광에 대해 굴절시킴으로써 LED의 발산광을 면광원이 되게 고르게 광 확산시키도록 조정하게 된다.

여기서, 상기 렌즈구조체(110)에 장착되는 장착 LED의 상면이 위치되는 부분을 수평기준면(A)이라고 할 때, 상기 아이시클 비구면 내면(112) 중심에 형성되는 고드름과 같은 광조정돌부(112a)는 하측방향으로 돌출되는 길이의 끝단이 수평기준면(A)에 직접적으로 닿거나 최대한 근접되게 위치되도록 돌출시킴이 바람직하다.

부연하면, 수평기준면(A)과 렌즈구조체(110)의 광조정돌부(112a) 끝단과의 사이에는 0~0.3mm의 간격 배치가 가장 바람직하다 할 수 있으며, 이는 LED의 중심부 발산광에 대해 반드시 광조정돌부(112a)의 어느 한 지점을 경유 및 부딪치게 함으로써 반사 및 굴절을 유도하여 광분포 조정효율을 높일 수 있도록 하고 이를 통해 전체적으로 고른 밝기 및 파워를 키워 전체면적에 걸쳐 밝기를 증대시킬 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 상기 아이시클 비구면 내면(112)은 비구면으로 형성함에 따라 내면의 굴곡각 조정 등 형상구조를 용이하게 설계변경할 수 있어 LED의 발산광에 대해 광분포를 임의대로 자유롭게 조율할 수 있게 된다.

상기 렌즈구조체(110)의 외면(113)은 렌즈구조체의 외측 표면을 형성하게 되고 아이시클 비구면 내면(112)을 통해 광확산 및 광 조정된 상태의 LED 광원을 앞방향으로 투과시켜 빛을 보내는 기능을 담당하게 된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 의한 엘이디 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈(100)는 광원인 LED의 발산광에 대해 광분포를 확산 조정하여 점광원이 아닌 면광원 처리하는 광 조정 유니트로서 실내조명용으로 적합하게 활용하기 위한 것이다.

한편, 아래의 표 1은 본 발명에 의한 아이시클형 광 조정렌즈(100)에 대한 비구면 데이터를 나타낸 것으로서, 이해를 돕기 위해 광 조정렌즈(100)의 형상을 비구면 데이터와 함께 개략적으로 도시하였다.

표 1. 본 발명에 의한 아이시클형 광 조정렌즈의 비구면 데이터

여기, 표 1에서는 외면(113)에 해당하는 R1은 곡률값만을 갖는 것으로 구면으로 형성한 상태를 보여주고 있으며, LED의 발산광에 대해 실제 확산광 유니트로 기능하게 되는 광분포 조정부분인 아이시클 비구면 내면(112)은 비구면으로 형성되 는 것으로서 비구면 곡률값과 비구면 코닉상수(conic constant) 및 비구면 표면계수를 가지고 있음을 보여주고 있다.

이에 의해, 아이시클 비구면 내면(112)에 대한 비구면 코닉상수 및 비구면계수 등을 조정함에 따라 LED의 발산광에 대해 방사경로 및 광분포를 임의대로 자유롭게 조율할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명에 의한 아이시클형 광 조정렌즈(100)를 통한 LED 발산광의 입사에 따른 광 조정의 필드별 방사경로(광선도)를 나타낸 시뮬레이션 데이터로서, 여기 도 4의 필드별 광선도를 참조하면 다음에 나타낸 도 5에서의 각 필드별 광선이 맺히는 도면과 비교분석하여 설명할 수 있는 도면으로, 0.0필드에서 수직방사와 일정 화각의 방사된 빛이 전혀 다른 방향을 향하고 있음을 보여주고 있지만 0.5필드에서 수직방사와 일정 화각범위로 방사된 빛이 중심부 내부 반사 및 굴절로 인해 동일 방향으로 향하여 도 5에서의 형태와 같이 각 필드별로 미세하게 광을 컨트롤 및 효과적인 광량 조절을 수행할 수 있음을 보여주고 있다.

도 5는 도 4에서와 같은 광선도의 형태로 확산광 조정을 행하는 본 발명의 아이시클형 광 조정렌즈(100)를 활용한 각 필드별 조도 래스터(illuminance raster) 시뮬레이션 챠트를 나타낸 것으로, 여기에서 g함수들은 각 필드의 점포인트에서 나오는 LED의 방사에너지가 본 발명의 광 조정렌즈(100)를 투과한 형태이며, 이러한 각 필드별 점에서 방사된 에너지 분포를 각각의 함수로 놓고 이 필드별 발생된 각 에너지 분포를 다음의 수학식 1을 활용하여 적분(조합)하면 도 6에서 보여주는 바와 같이, LED의 총방사에너지 분포도로 나타낼 수 있으며 직교좌표계에서 만들어낼 수 있는 모자형(또는 계단형) 방사패턴을 형성시킬 수 있음을 보여주고 있다.

[수학식 1]

이는 본 발명의 아이시클형 광 조정렌즈(100)가 기존에서는 전혀 실시하지 못한 방식으로 즉, 각 필드별로 미세하게 광을 컨트롤할 수 있음을 나타내는 것이며, 실내 조명장치에 적용시 실내조명으로서의 효율을 최대로 이끌어낼 수 있는 확산광 유니트로서 광 조정을 수행함을 데이터로서 보여주는 것이다.

또한, 도 5의 왼쪽 상부에 도시한 도면에서 보여주는 바와 같이, 본 발명의 아이시클형 광 조정렌즈(100)는 실제 광 조정부분인 아이시클 비구면 내면(112)의 사이즈와 광원인 LED 사이즈를 1:1 사이즈로 대응 형성할 수 있어 광 조정렌즈(100) 및 엘이디 조명장치(제품)의 사이즈 절감은 물론 콤팩트한 구조로 제품을 제작할 수 있게 된다.

한편, 도 7은 본 발명에 의한 엘이디 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈(100)를 통해 광분포 조정된 방사패턴과 광원인 LED 자체의 오리지널 방사패턴을 비교한 그래프로서 상측 그래프는 직교좌표계에서의 방사패턴을 보여주는 것이고 하측 그래프는 구좌표계에서의 방사패턴을 보여주는 것이다.

도 7을 참조하면, 직교좌표계에서의 방사패턴을 비교할 시 LED 광원 자체가 가우시안 확률분포형의 방사패턴을 나타내는 것인데, 본 발명에 의한 아이시클형 광 조정렌즈(100)를 LED 광원의 커버로 씌워 사용하게 되면 각 필드별로 미세하게 LED 발산광을 컨트롤하여 조정하여주므로 광분포밀도가 중간에 끊김없이 연속적으로 형성되는 모자형(계단형) 방사패턴으로 광분포를 조정하여줌을 보여주고 있다.

또한, 구좌표계에서의 방사패턴을 비교할 시 LED 광원 자체는 원형의 방사패턴을 나타내는 것인데, 본 발명에 의한 아이시클형 광 조정렌즈(100)를 통해서 방패형 방사패턴으로 광분포를 조정하여줌을 보여주고 있다.

나아가, 도 8은 본 발명에 의한 엘이디 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈(100)를 통한 LED 광원의 광분포밀도를 나타낸 그래프로서, X축선상과 Y축선상에서의 각각의 광분포밀도가 모두 중앙 집중현상 없이 넓은 영역에 걸쳐 방사되는 면광원의 방사형태를 이루고 있음을 보여주고 있다.

도 9는 본 발명에 있어 실사용 거리변화에 따른 패턴 안정성을 보여주는 비교 그래프로서, 여기서 보여주는 4개의 그래프는 2mm, 20mm, 200mm, 3000mm 등 거리변화에 따른 패턴 안정성을 시뮬레이션한 데이터로 거리변화에 관계없이 모두 동일한 형태의 방사패턴을 나타내고 있어 실사용 거리에 변화가 발생된다 하더라도 매우 안정적이면서도 동일한 유형으로 광 조정을 수행하고 있음을 보여주고 있다.

한편, 본 발명에 의한 아이시클형 광 조정렌즈(100)는 주로 실내형 조명장치의 유니트로 활용하고자 하는 것이나, 때로는 도 10의 예시에서와 같이 5*5배열로 전광판 등의 엘이디 조명기구로 활용할 수도 있다 할 것이며, 도 11은 도 10의 전 광판으로 사용한 예시의 래스터(raster) 시뮬레이션 챠트를 나타낸 것으로서 확산광 유니트로 기능하는 본 발명에 의한 아이시클형 광 조정렌즈(100)의 확산작용으로 광선분포를 서로 중첩시킴으로써 하나의 렌즈에서 발생되는 광선처럼 맺히게 하고 고른 밝기로 광분포를 조정 및 동일한 조도분포로 이루어지게 하고 있음을 보여주고 있다.

도 1은 종래 엘이디 조명장치에 적용되는 광 조정렌즈를 나타낸 예시도.

도 2는 본 발명에 의한 엘이디 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈를 나타낸 저부 사시도.

도 3은 본 발명에 의한 엘이디 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명에 의한 아이시클형 광 조정렌즈를 통한 LED 발산광의 입사에 따른 광 조정의 필드별 방사경로를 나타낸 시뮬레이션 데이터.

도 5는 본 발명의 아이시클형 광 조정렌즈를 활용한 필드별 조도 래스터 시뮬레이션 챠트.

도 6은 LED의 각 필드별 점에서 방사된 에너지 분포를 적분 처리하는 상태를 보인 도면.

도 7은 본 발명에 의한 엘이디 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈를 통해 광분포 조정된 방사패턴과 광원인 LED 자체의 방사패턴을 비교한 그래프.

도 8은 본 발명에 의한 엘이디 조명장치용 아이시클형 광 조정렌즈를 통한 LED의 광분포밀도를 나타낸 그래프.

도 9는 본 발명에 있어 실사용 거리변화에 따른 패턴 안정성을 보여주는 비 교 그래프.

도 10은 본 발명에 의한 아이시클형 광 조정렌즈를 사용하여 전광판의 엘이디 조명기구로 활용한 예시를 보인 도면.

도 11은 도 10의 전광판으로 사용한 예시의 래스터 시뮬레이션 챠트.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

110: 렌즈구조체 112: 아이시클 비구면 내면

112a: 광조정돌부 113: 외면

Claims (3)

1. 엘이디(LED) 조명장치용 광학렌즈에 있어서,

   유리나 아크릴계 플라스틱 또는 PMMA 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지되 내부 전체가 채워지는 몸체를 갖는 렌즈구조체이며;

   상기 렌즈구조체는 광원인 LED의 발산광이 입사되는 법선방향에 형성되어 렌즈구조체의 내측 표면을 이루게 되고 산과 골의 형태를 갖되 중심부분에 고드름과 같은 광조정돌부를 형성시킨 좌우 대칭구조이며 비구면으로 형성되는 아이시클 비구면 내면과,

   상기 렌즈구조체의 외측 표면을 이루게 되는 구면 또는 비구면에 의한 외면을 포함하는 구성인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치용 아이시클형 광학렌즈.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 렌즈구조체는 아이시클 비구면 내면 중심에 형성시킨 광조정돌부의 끝단이 렌즈구조체에 장착되는 LED의 상면에 직접적으로 닿게 하거나 최대한 근접되게 돌출 형성시키는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치용 아이시클형 광학렌즈.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 렌즈구조체는 LED의 발산광에 대해 직교좌표계에서 모자형 방사패턴을 형성하도록 광분포를 조정하게 되고, 구좌표계에서 방패형 방사패턴을 형성하도록 광분포를 조정하게 되는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치용 아이시클형 광학렌즈.

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