KR20110113521A - 조명 유닛용 렌즈 - Google Patents

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KR20110113521A
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Abstract

실시예는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빛이 조사되는 면에서 효율적인 조도 분포를 가능하게 하는 조명 유닛용 렌즈에 관한 것이다. 실시예에 따른 렌즈는, 면을 가로지르는 고랑면 및 고랑면의 양측에 형성되는 프리즘면을 포함하며 광축에 수직한 원형 입사면; 및 입사면을 통해 입사된 광을 굴절시켜 출사하는 출사면을 포함한다.

Description

조명 유닛용 렌즈 {LENS FOR A LIGHTING UNIT}
실시예는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빛이 조사되는 면에서 효율적인 조도 분포를 가능하게 하는 조명 유닛용 렌즈에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 전력 소모가 낮고, 수명이 길어 저 비용으로 운용할 수 있기 때문에, 각종 전자 부품이나 전광판, 조명 장치 등의 광원으로 응용되고 있다. 또한 렌즈를 추가적으로 구비하여 의도하는 배광 특성을 달성하고자 하는 조명 장치가 당업계에 존재하고 있다. 일반적으로 조명 장치용 렌즈는 넓은 조사면을 갖도록 빛을 확산시키기 위한 것과 좁은 조사면에 높은 조도의 빛을 집중시키기 위한 것이 있다.
넓은 면적의 발광면을 갖고 있는 조명 장치를 제외하면, 조명 장치의 대부분은 점광원과 같은 특성을 지니고 있다. 다시 말해서, 조명 장치로부터 빛이 조사되는 조사면에서의 조도 분포는 균일하지 않으며, 대부분의 경우에 원형을 이루고 있다. 이 경우에 특정 면적의 공간을 밝게 하기 위해서는 여러 개의 조명 장치를 사용하게 되며, 조사면의 조도 분포가 원형이므로 각각 다른 조명 장치로부터 조사되는 빛이 서로 겹치게 되어 특정 면적의 공간을 밝게 하는데 있어서 전력 낭비를 초래할 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 각 조명 장치 사이의 거리를 넓히게 되면 각각의 원형의 조사면 사이에 빛이 도달하지 않는 사각 지대가 발생하게 된다. 따라서 특정 면적의 공간을 밝게 하는데 있어서, 조명 장치로부터 빛이 조사되는 조사면이 사각형에 가까울수록, 조사면 전체의 휘도가 균일할수록, 그 조명 장치는 효율이 뛰어나게 된다.
따라서 본 발명은 조사면의 휘도를 목표 휘도로 맞추면서도, 전력 소모를 최소화 할 수 있는 효율적인 조명 장치에 필요한 렌즈를 제공하는데 목적이 있다.
실시예에 따른 렌즈는, 면을 가로지르는 고랑면 및 고랑면의 양측에 형성되는 프리즘면을 포함하며 광축에 수직한 원형 입사면; 및 입사면을 통해 입사된 광을 굴절시켜 출사하는 출사면을 포함한다.
실시예에 따른 렌즈는, 광축과 수직한 원형 입사면 및 입사면을 통해 입사된 광을 굴절시켜 출사하는 출사면을 포함하는 렌즈에 있어서, 입사면은 광을 외측으로 퍼지게 하는 광 확산면; 및 조사면 중심 영역에서의 조도를 보상해 주고, 입사면의 중심을 지나며 광 확산면의 길이방향으로 형성된 조도 강화면을 포함한다.
실시예에 따른 렌즈는, 광축과 수직한 원형 입사면; 및 입사면을 통해 입사된 광을 굴절시켜 출사하는 출사면을 포함하는 렌즈에 있어서, 렌즈로부터 출사된 광에 의해 비추어지는 면에서의 조사영역이 근사 직사각형을 이루고, 근사 직사각형의 긴 변의 길이가 광원으로부터 조사면까지의 높이의 2.5배, 근사 직사각형의 짧은 변의 길이가 광원부터 조사면까지의 높이의 1.6배, UP/RT 가 0.88 인 것을 특징으로 한다.
실시예는 조사면에서의 빛이 닿지 않는 사각 지대를 최소로 하기 위한 조명 장치에서 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
실시예는 이미 충분히 높은 조도를 달성했음에도 사각 지대를 없애기 위하여 불가결하게 각 조명 장치로부터 나오는 빛이 겹치게 되는 영역을 줄일 수 있는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
실시예는 기존의 조명 장치에 비해 낮은 전력을 소모하면서도 같은 면적의 공간을 목표 조도로 맞출 수 있는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
실시예는 조명 장치로부터 빛이 조사되는 조사면에서의 조도 분포가 근사 직사각형의 분포를 보이는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
실시예는 별도의 기구물을 이용하지 않고도 원하는 조도 분포로 조명할 수 있는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
실시예는 가로등, 옥외등과 같은 실외등의 광 분포 및 조도 분포를 개선시켜 줄 수 있으며, 가로등, 옥외등의 간격을 고려한 조도 분포를 갖는 조명 장치에 사용되는 조명 유닛용 렌즈를 제공할 수 있다.
도 1은 제 1실시예에 따른 조명 유닛을 나타낸 측 단면도.
도 2는 도 1의 발광부의 측 단면도.
도 3은 도 1의 발광부의 평면도.
도 4는 도 1의 발광부의 다른 예.
도 5는 도 1의 발광부의 또 다른 예.
도 6는 도 1의 발광부의 또 다른 예.
도 7는 도 1의 갭부재를 나타낸 측 단면도.
도 8은 도 1의 갭부재의 사시도.
도 9는 도 1의 갭부재의 평면도.
도 10은 도 1의 갭부재의 저면도.
도 11은 도 1의 갭부재의 다른 예의 사시도.
도 12는 도 1의 갭부재의 다른 예의 평면도.
도 13은 도 1의 갭부재의 다른 예의 저면도.
도 14는 조도 분포가 원형인 경우의 조사면을 나타낸 도면.
도 15는 조도 분포가 정사각형인 경우의 조사면을 나타낸 도면.
도 16은 입사면이 프리즘면만으로 구성되고 출사면이 평평한 렌즈의 측단면도.
도 17은 도 16의 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포를 나타낸 도면.
도 18은 입사면이 프리즘면만으로 구성되고 출사면이 구면렌즈 형상인 렌즈의 측단면도.
도 19는 도 18의 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포를 나타낸 도면.
도 20은 도 18의 렌즈를 포함한 조명 유닛에 의한 조도 분포를 나타낸 도면.
도 21은 입사면이 프리즘면과 고랑면으로 구성되고 출사면이 구면렌즈 형상인 렌즈의 사시도.
도 22는 입사면이 프리즘면과 고랑면으로 구성되고 출사면이 구면렌즈 형상인 렌즈의 평면도.
도 23은 입사면이 프리즘면과 고랑면으로 구성되고 출사면이 구면렌즈 형상인 렌즈의 측단면도.
도 24는 도 1의 조명 유닛의 LED로부터 방출된 광의 광경로를 나타낸 도면.
도 25는 도 21의 렌즈를 사용한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포를 나타낸 도면.
도 26은 도 21의 렌즈를 사용한 조명 유닛에 의한 조도 분포를 나타낸 도면.
도 27은 FTE Calculator에 따른 조사면의 조도 분포를 나타낸 도면.
도 28은 실험례 5의 렌즈를 사용한 조명 유닛에 의한 공간상 광분포를 나타낸 도면.
도 29는 실험례 5의 렌즈를 사용한 조명 유닛에 조도 분포를 나타낸 도면.
도 30은 제 2실시예에 따른 조명 유닛을 나타낸 측 단면도.
도 31은 제 3실시예에 따른 조명 유닛을 나타낸 측 단면도.
도 32는 제 4실시예에 따른 조명 유닛을 나타낸 측 단면도.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 특별한 언급이 없으면, 렌즈(140)가 있는 쪽을 위, 발광부(101)가 있는 쪽을 아래로 상정한다. 도면에서 공간을 표시하는 좌표축이 함께 도시된 경우에는 우선적으로 좌표축을 기준으로 설명하기로 한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 제 1실시예에 따른 조명 유닛(100)을 나타낸 측 단면도이며, 도 2는 도 1의 발광부(101)의 측 단면도, 도 3은 도 1의 발광부(101)의 평면도, 도 4는 도 1의 발광부(101)의 다른 예, 도 5는 도 1의 발광부(101)의 또 다른 예며, 도 6는 도 1의 발광부(101)의 또 다른 예이다.
도 1을 참조하면, 조명 유닛(100)는 발광부(101), 갭(Gap) 부재(130), 및 렌즈(140)를 포함한다. 조명 유닛(100)는 일정 간격으로 배치된 가로등, 옥외등과 같은 실외등에 장착되어, 실외등의 정면과 가로등, 옥외등 사이의 영역에 대해 적절한 광 분포와 조도 분포로 조명할 수 있다.
발광부(101)는 기판(110) 위에 복수의 LED(120)가 탑재되며, 복수의 LED(120)의 배열 형태는 다양하게 변경될 수 있다.
기판(110)은 알루미늄 기판, 세라믹 기판, 메탈 코아 PCB, 일반 PCB 등을 포함할 수 있다. 또한, 기판(110)은 빛을 효율적으로 반사하는 재질로 형성되거나, 표면은 빛이 효율적으로 반사되는 색, 예를 들어 백색, 은색 등으로 형성될 수 있다. 복수의 LED(120)는 백색 LED를 포함하며, 또는 레드 LED, 블루 LED, 그린 LED와 같은 유색의 LED를 선택적으로 이용할 수 있다. LED(120)의 발광 각도는 120°~ 160°또는 램버티안(Lambertian-완전확산면) 형태를 포함할 수 있다.
발광부(101)의 기판(110)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 소정 직경(D1)의 원판 형상이며, 직경(D1)은 갭부재(130) 아래에 수납될 수 있는 폭으로 형성될 수 있다. 기판(110)의 일측 외주면에는 플랫부(114)가 형성될 수 있으며, 플랫부(114)는 조명 유닛(100) 부품 간의 결합 위치를 식별하거나 회전 방지기능을 수행할 수 있다.
기판(110) 상에는 복수의 나사 구멍(113)이 형성될 수 있으며, 나사 구멍(113)에 나사가 삽입되어 기판(110)이 가로등, 옥외등과 같은 기구물에 체결되거나, 기판(110)이 조명 유닛(100)의 케이스에 체결된다. 여기서, 나사 구멍(113)에는 나사가 아닌, 리벳, 후크 등이 삽입되어도 무방하다. 기판(110)이 복수의 나사 구멍(113)을 갖지 않을 수도 있다.
도 3의 발광부(101A)는 기판(110) 위에 8개의 LED(120)를 배열한 형태로서, 예컨대 기판(110)의 중심에서 소정의 반지름을 갖는 원주 상에 일정한 간격으로 8개의 LED(120)를 배열할 수 있다. 8개의 LED(120)는 원주상이 아닌, 타원상에 배치되거나, 사각형으로 배치되어도 무방하다.
도 4의 발광부(101B)는 기판(110) 위에 10개의 LED(120)를 배열한 형태로서, 예컨대 기판의 중심에서 소정의 반지름을 갖는 원주 상에 일정한 간격으로 8개의 LED(120)를 배열하고, 원주의 안쪽 영역에 2개의 LED가 배치된 예를 나타낸다.
도 5의 발광부(101C)는 기판(110) 위에 12개의 LED(120)를 배열한 형태로서, 예컨대 기판의 중심에서 소정의 반지름을 갖는 원주 상에 일정한 간격으로 8개의 LED(120)를 배열하고, 상기 원주 보다 작은 반지름을 갖는 동심원의 원주 상에 일정한 간격으로 4개의 LED(120)를 배열한 예를 나타낸다.
도 6 에 도시된 발광부(101D)는, 도 5와 비교했을 때, 작은 원주 상의 LED(120) 전체가 기판의 중심을 기준으로 45°각도로 회전한 위치에 배열될 수도 있다.
도 3내지 도 6에서 제시된 LED(120)배열은 예시적인 것이고, 필요로 하는 조사면의 형태에 따라 원주 상에 배열된 LED(120) 사이의 간격이 반드시 일정한 간격이 아닐 수도 있고, 기판(110) 위에서의 LED(120)의 배열 형태 및 그 개수는 광도, 광 분포, 조도 분포에 따라 달라질 수 있으며, 실시 예의 기술적 범위 내에서 변경될 수 있다. 도면 또는 명세서 등에서 특정 LED(120) 배열을 갖는 특정 발광부(101A, 101B, 101C, 101D)를 명시하지 않고, 발광부(101)라는 용어를 사용하면, 이러한 여러가지 배열을 가진 발광부를 대표하는 명칭으로 사용하는 것이다.
도 7은 도 1의 갭부재(130)를 나타낸 측 단면도, 도 8은 도 1의 갭부재(130)의 사시도, 도 9는 도 1의 갭부재(130)의 평면도, 도 10은 도 1의 갭부재(130)의 저면도, 도 11은 도 1의 갭부재(130)의 다른 예의 사시도, 도 12는 도 1의 갭부재(130)의 다른 예의 평면도이고, 도 13은 도 1의 갭부재(130)의 다른 예의 저면도이다.
도 1 및 도 7 내지 도 13을 참조하면, 갭부재(130)는 중심방향으로 하향 경사면이 형성되는 링 형상의 반사부(132)및, 반사부(132)와 동심원을 이루며 하방으로 연장되는 링 형상의 벽부(131)를 포함하한다. 또한, 갭부재(130)는 전체적으로 납작한 링 형상을 취하게 되므로 반사부(132)의 내경을 지름으로 하는 개구부(133)를 갖게 된다.
반사부(132)는 LED(120)로부터 방출된 광이 소멸되지 않고 외부로 반사될 수 있도록 하여 조명 장치의 광효율을 높여줄 수 있다. 반사부(132)의 상부쪽으로 광이 방사되므로, 반사부(132)는 광의 상방향 출사를 돕게 된다.
반사부(132)의 저면은 발광부(101)의 상면 둘레와 접촉하고, 벽부(131)의 내주면은 발광부(101)의 외주면과 접촉하게 되어, 발광부(101)는 갭부재(130)에 안착된다. 발광부(101)가 갭부재(130)에서 윗방향으로 이탈되는 것을 방지하기 위해 반사부(132)의 내경을 벽부(131)의 내경 및 발광부(101)의 외경보다 작게 하는 것이 바람직하다.
이와 동시에 갭부재(130)는 기판(110)과 렌즈(140) 사이를 일정 간격(G1)으로 이격시켜 준다. 간격(G1)은 기판(110) 상에 배열된 LED(120)의 두께 보다 크거나 같기 때문에 렌즈(140)가 LED(120)를 압박하지 않으며, 렌즈(140)와 기판(110) 사이에는 공간(105)이 형성되어 발광 각도 및 광 분산을 유도할 수 있다.
또한 갭부재(130)는 발광부(101)의 저면을 제외한 다른 면과 조명 유닛의 케이스 등 다른 부재가 직접 접촉하는 것을 방지하며, 갭부재(130)를 절연재료로 형성하면 갭부재(130)와 발광부(101)는 절연이 된다. 이에 더불어 발광부(101)의 저면에 절연재질의 방열패드를 밀착하여 접촉시키면, 결국 발광부(101)는 전기적 쇼트, EMI, EMS 등의 문제 발생을 방지할 수 있으며, 내전압 특성을 우수하게 할 수 있다.
공간(105)에는 실리콘 또는 실리콘 수지 재질이 채워질 수 있다. 개구부(133)를 통하여 발광부(101)의 LED(120)가 노출되며, 갭부재(130)의 상면에는 렌즈(140)의 엣지(144)가 배치된다.
갭부재(130)의 일측면에는 플랫부(134)가 형성될 수 있으며, 플랫부(134)는 조명 유닛(100) 부품 간의 결합 위치를 식별하거나 회전 방지기능을 수행할 수 있다. 자세히 설명하기 위해, 도 3 내지 도 6에 도시된 발광부(101)의 기판(110)처럼 기판(110)의 일측면에 플랫부(114)가 형성되고, 도 8 내지 도 13에 도시된 갭부재(130)처럼 갭부재(130)에도 플랫부(134)가 형성된 실시예를 상정한다. 도 10 및 도 13을 참조하면, 갭부재(130)의 플랫부(134)의 외측면 뿐만 아니라 내측면도 평평하므로, 결국 두개의 플랫부(114, 134)가 맞닿은 채로 기판(110)이 갭부재(130)에 끼워지게된다. 벽부(131)의 내주면과 기판(110)의 외주면은 일면이 평평하기 때문에 서로간에 회전하거나 위치가 뒤틀어지지 않게 된다.
반사부(132)는 벽부(131)의 상면에서부터 개구부(133)의 중심을 향해 소정 경사를 갖고 연장된다. 즉, 반사부(132)는 갭부재(130)의 개구부(133)의 외측 둘레에 소정 경사 각도(θ1)로 경사진다. 반사부(132)의 경사면 위쪽에는 렌즈(140)의 프리즘면(142)이 이격된 채 배치되어 있어서, 경사 각도(θ1) 및 반사부(132)의 폭에 따라 반사 광량이 달라질 수 있다. 반사부(132)의 내측 개구부(133)는 도 8 내지 도 10에 도시된 것과 같이, 소정 직경(D2)을 갖는 원 형상으로 형성될 수 있다.
LED(120)에서 나온 빛 중에서 반사부(132)에 닿는 빛은 반사부(132)의 경사면에서 반사되어, 렌즈(140)를 통과하여 외부로 출사된다. 따라서 반사부(132)를 포함하지 않은 통상적인 갭부재에 비하여 광효율을 향상시켜주는 효과도 추가적으로 갖게 된다. 본 실시예에 따른 갭부재(130)가 통상적인 갭부재에 비하여 내전압 특성을 향상시킨다는 것은 이미 살펴본 바 있다.
도 11 내지 도 13에 도시된 것과 같이, 갭부재(130)는 기판(110)에 연결되는 전선 또는 전극(미도시)이 통과할 수 있는 전극통과부(135)를 가질 수도 있다.
도 8내지 도 13에서는 플랫부(134)를 가진 갭부재(130) 만이 도시되었고, 플랫부(134)를 갖는 갭부재(130)가 바람직한 실시예이다. 다만, 플랫부(134)가 없이 전체적으로 원형인 갭부재(130)는 부품간에 회전하거나 위치가 뒤틀어질 수 있지만, 이러한 단점을 제외하고는 이상에서 설명한 실시예의 갭부재(130)가 갖는 광효율 향상 및 내전압 특성 향상의 효과를 모두 갖게 되며, 따라서 플랫부(134)가 있는 갭부재(130)만을 한정하여 설명한 것이 아니라, 최선 실시예를 설명한 것으로 이해 해야 할 것이다.
렌즈(140)의 형상 및 구조에 대한 설명에 앞서, 본 발명과 관련하여 게시되는 실시예에서 제시되는 렌즈(140)는 일반적으로 가로등, 옥외등 등 실외 조명에 장착되는 조명 유닛(100)에서 사용되는 렌즈(140)이므로, 이러한 렌즈(140)에서 효율적인 조도 분포는 어떤 것인지 먼저 알아볼 필요가 있다.
<효율적인 조도 분포>
도 14은 조도 분포가 원형인 경우의 조사면을 나타낸 도면이고, 도 15은 조도 분포가 정사각형인 경우의 조사면을 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15을 참조하면, 조명 유닛(100)으로부터 광이 조사되는 조도 분포의 형태가 정사각형을 이루게 되는 경우가, 원형이 되는 경우에 비하여, 빛이 겹치게 되어 낭비되는 빛(A2)도 줄일 수 있고, 사각 지대(A3)도 줄일 수 있으며, 조명이 비출 필요가 없는 영역에 조사되는 빛(A1)도 줄일 수 있으므로 효율이 뛰어난 것을 나타내고 있다.
원형의 조도 분포를 갖는 조명 유닛(100)을 사용하는 가로등, 옥외등과, 정사각형의 조도 분포를 갖는 조명 유닛(100)을 사용하는 가로등, 옥외등을 비교해본다. 전자에 비해 후자가 인접한 가로등 사이의 조도 분포 또는 인접한 옥외등 사이의 조도 분포를 개선시켜 줄 수 있고, 사각 지대(A3)를 줄이거나 제거할 수 있기 때문에 전자에서 보다 후자에서 가로등 또는 옥외등 간의 간격을 넓힐 수 있다. 또한 필요한 조도를 달성하기 위해 필요한 가로등 또는 옥외등의 수를 줄일 수 있게 되므로 유지·관리·운용비용을 절감할 수도 있다.
도 15 에서는 직사각형 중에서도 정사각형의 조도 분포를 나타낸 예를 설명하였으나, 길을 비추는 가로등, 옥외등처럼 폭은 좁고 길이가 긴 조사면을 비추는데는 정사각형이 아닌 직사각형의 조도 분포를 갖는 것이 더 유리하다. 따라서, 조명 유닛(100)이 사용되는 용도에 따라서 직사각형 또는 정사각형의 조도 분포 중 어느 일방이 타방에 비하여 유리할 수 있다.
이하에서는, 직사각형 형태의 조도 분포를 달성하기 위한 렌즈(140)의 구조를 차례대로 살펴본다.
<비대칭 조도 분포를 달성하기 위한 렌즈의 구조 - 프리즘면을 포함한 입사면>
도 16은 입사면(143)이 프리즘면(142)만으로 구성되고 출사면(145)이 평평한 렌즈(140)의 측단면도이고, 도 17는 도 16의 렌즈(140)를 포함한 조명 유닛(100)에 의한 공간상 광분포를 나타낸 도면이다.
도 17 를 참조하면, X축 방향에서 조명 유닛(100)을 정면으로 보았을 때의 광의 분포는 B2과 같이 나타나고, Y축 방향에서 조명 유닛(100)을 정면으로 보았을 때의 광의 분포는 B1와 같이 나타난다. 여기서 B1에 비해서 B2이 더 넓게 분포되는 것은 프리즘면(142)에 의해 광이 Y축 방향으로 확산되기 때문이다. 따라서 이러한 비대칭의 조도 분포는 원형의 조도 분포 보다는 비교적 직사각형에 가깝게 된다. 그러나, 프리즘면(142)이 광을 외측으로 퍼지게 하기 때문에 X축 방향에서 조명 유닛을 보았을 때(B2) 중앙부가 다른 조사면보다 상대적으로 어둡게 된다. 또한 Y축 방향에서 보았을 때(B1)도, 광폭이 좁고, 중앙부가 다른 조사면보다 상대적으로 어둡게 된다.
따라서 이처럼 입사면(143)이 프리즘면(142)만으로 구성되고 출사면(145)이 평평한 렌즈(140)에서는 조도 분포가 균일하지 않게 된다. 또한 복수개의 조명 유닛(100)을 사용하는 경우에는 쓸데없이 빛이 겹치는 부분이 많이 생기게 되고, 빛이 겹쳐서 낭비되는 부분을 줄이려다 보면, 어두운 사각 지대가 생기게 되어 여전히 효율적으로 조명 유닛(100)을 운용하기 어렵게 된다.
따라서 조사면의 중심부에서 약화된 조도를 보상해 줄 수 있는 렌즈(140)의 구조로서 출사면(145)을 구면 렌즈(140)로 형성하는 것에 대하여 살펴본다.
<조사면의 중심부에서 약화된 조도를 보상해 줄 수 있는 렌즈의 구조 - 구면의 출사면을 갖는 렌즈>
도 18는 입사면(143)이 프리즘면(142)만으로 구성되고 출사면(145)이 구면렌즈 형상인 렌즈(140)의 측단면도이고, 도 19는 도 18의 렌즈(140)를 포함한 조명 유닛(100)에 의한 공간상 광분포를 나타낸 도면이며, 도 20는 도 18의 렌즈(140)를 포함한 조명 유닛(100)에 의한 조도 분포를 나타낸 도면이다.
도 17와 도 19를 비교해 보면, 출사면(145)이 평면인 렌즈(140)에 비해서는 Y축에서 보았을 때(B1)의 광의 세기의 향상이 있고, X축에서 보았을 때(B2)는 중심부에서의 광의 세기가 현저히 개선되었음을 알 수 있다. 그러나 여전히 중심부에서의 광의 세기가 약하며, 도 20를 참조하면, 여전히 조사면에서의 조도 분포는 아령 또는 나비 날개와 같은 형태를 보이고 있다. 결과적으로, 프리즘면(142)으로만 구성된 입사면(143)과 구면의 출사면(145)을 갖는 렌즈(140)로는 여전히 직사각형에 가까운 조사 분포를 달성할 수 없기 때문에, 추가적으로 입사면(143)에 고랑면(141)이 형성되어 있는 렌즈(140)에 대해 살펴볼 필요가 있다.
<입사면에 고랑면이 형성되어 있는 렌즈>
입사면(143)에 고랑면(141)이 형성되어 있는 렌즈(140)의 전체적인 구성 및 이러한 렌즈(140)를 포함한 조명 유닛(100)의 구성을 먼저 살펴본다. 도 21은 입사면(143)이 프리즘면(142)과 고랑면(141)으로 구성되고 출사면(145)이 구면렌즈 형상인 렌즈(140)의 사시도이고, 도 22은 입사면(143)이 프리즘면(142)과 고랑면(141)으로 구성되고 출사면(145)이 구면렌즈 형상인 렌즈(140)의 평면도이고, 도 23은 입사면(143)이 프리즘면(142)과 고랑면(141)으로 구성되고 출사면(145)이 구면렌즈 형상인 렌즈(140)의 측단면도이고, 도 24은 도 1의 조명 유닛(100)의 LED(120)로부터 방출된 광의 광경로를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 21 내지 도 23을 참조하면, 발광부(101) 위에는 렌즈(140)가 배치된다. 렌즈(140)는 입사면(143)과 출사면(145)을 포함하며, 입사 측에 고랑면(141) 및 프리즘면(142)이 형성된다. 렌즈(140)의 입사면(143) 둘레에는 원 형상의 엣지(144)가 형성된다. 렌즈(140)는 투광성 재질을 이용하여 사출 성형될 수 있으며, 그 재질은 글래스, PMMA(Poly methyl methacrylate), PC(Polycarbonate) 등과 같은 플라스틱 재질로 구현될 수 있다.
입사면(143)은 광축에 수직하며, 고랑면(141)은 입사면(143)을 가로지르고, 고랑면(141)은 입사면(143)의 중심을 지나는 것이 바람직하다. 도 1 및 도 22를 참조하면, 고랑면(141)은 광축(Z)과 수직한 축(X) 방향으로 형성됨을 알 수 있다. 고랑면(141)을 고랑면(141)의 길이 방향과 수직한 평면(YZ평면)으로 자른 단면은 원호 형상이 될 수 있으며, 이 외에도 포물선, 쌍곡선, 타원의 일부의 형상일 수 있다. 결국 고랑면(141)을 입사면(143)에서 보면, 둥근형상이며, 더 자세하게는 원통을 원통의 길이 방향과 평행한 평면으로 잘랐을 때, 잘려진 원통의 오목한 면의 형상을 취하게 된다. 또한 고랑면(141)의 폭(D4)은 입사면 직경(D6)의 9% ~ 40% 폭으로 형성될 수 있다.
고랑면(141)의 양측에 프리즘면(142)이 형성된다. 프리즘면(142)을 형성하는 각각의 요철은 광 축(Z)에 수직한 축(X) 방향으로 연장되어 형성되어 있으며, 각각의 요철이 고랑면(141)의 길이 방향(X)과 수직하고 광 축(Z)과도 수직한 방향(-Y, +Y)을 따라 차례로 배열된다. 프리즘면(142)을 형성하는 복수의 요철을 고랑면(141)의 길이 방향에 수직한 평면(YZ)으로 잘랐을 때, 각각의 요철의 단면은 삼각형이 된다. 삼각형 요철 패턴의 양 측변(S1,S2)은 길이 및 각도가 서로 동일하거나 다를 수 있다.
또한, 프리즘면(142)의 각각의 요철의 간격은 일정한 간격이거나, 양측 방향(-Y축, +Y축)으로 갈수록 조밀하게 형성되게 형성할 수 있다. 이러한 조밀 정도는 광의 분포에 따라 달라질 수 있다.
프리즘면(142)은 고랑면(141)과 엣지(144) 사이에 배치된다. 프리즘면(142)은 고랑면(141)의 길이 방향과 수직한 양측 방향 예컨대, 좌/우측(-Y,+Y)으로 배열됨으로써, 좌/우측(-Y,+Y)방향의 광 분포를 증가시켜 줄 수 있다.
출사면(145)은 입사되는 광을 반사하거나 굴절시켜 외부로 출사시켜 줄 수 있다. 출사면(145)은 비구면 렌즈 또는 구면 렌즈로 형성될 수 있고, 이러한 비구면 렌즈 또는 구면 렌즈 형상은 광 분포 및 조도 분포를 고려하여 선택할 수 있다.
출사면(145)에서 외부로 출사되지 않고, 반사된 광은 프리즘면(142), 반사부(132), 기판(110) 상면 중 적어도 하나를 경유하면서 광 방출 각도로 변환되어, 출사면(145)을 투과하게 된다.
도 24을 참조하면, 발광부(110)의 가장 외곽에 위치한 LED(120)로부터 방출된 광(L1,L2,L3) 중에서, L1,L2는 프리즘면(142) 및 출사면(145)을 통과해서 출사되지만, L3는 렌즈(140)의 프리즘면(142)에서 반사되어 차례로 반사부(132), 프리즘면(142), 출사면(145), 프리즘면(142) 등을 거쳐서 결국 광의 임계각이 변화되어 출사면(145)을 통해 방출된다.
발광부(110) 중앙의 LED(120)로부터 방출된 일부 광(L4)은 렌즈(140)의 고랑면(141)을 통해 굴절되어 분산되고 상기 출사면(145)을 통해 외부로 방출된다.
입사면(143)에 고랑면(141)이 형성되어 있는 렌즈(140) 및 이러한 렌즈(140)를 포함한 조명 유닛(100)의 구조를 검토하였으므로, 이하에서 공간상 광분포 및 조도 분포를 검토하기로 한다.
도 25는 도 21의 렌즈(140)를 사용한 조명 유닛(100)에 의한 공간상 광분포를 나타낸 도면이며, 도 26은 도 21의 렌즈(140)를 사용한 조명 유닛(100)에 의한 조도 분포를 나타낸 도면이다. 도 25을 참조하면, X축 방향에서 조명 유닛(100)을 정면으로 보았을 때의 광의 분포는 B2과 같이 나타나고, Y축 방향에서 조명 유닛(100)을 정면으로 보았을 때의 광의 분포는 B1와 같이 나타난다. 여기서 B1에 비해서 B2이 더 넓게 분포되는 것은 프리즘면(142)에 의해 광이 Y축 방향으로 확산되기 때문이다. 그러나, 도 19에서와는 달리 렌즈(140)에는 고랑면(141)이 형성되어 있어서, X축과 Y축에서 각각 보았을 때 공간상 광의 분포가 개선되어 있음을 알 수 있다. 즉, 광축(Z) 주위 영역의 광의 분포가 도 19에 비해서 현저하게 많다. 또한 Y축 방향에서 보았을 때(B1), 도 19 과 비교하면 광폭이 넓고, 조사면에 더 많이 광이 조사되며, X축 방향에서 보았을 때(B2), 도 19와 비교하면 X축 주위에 다른 조사면보다 상대적으로 어두운 구역이 형성되는 현상이 현격하게 줄어들게 된다.
도 26을 참조하면, 렌즈(140)를 통하여 광이 조사되었을 때, 광이 비춰지는 면의 조사영역은 직사각형에 가까운 근사 직사각형의 형상을 취하게 된다. 이러한 형상은 도 20과 같은 아령 또는 리본과 같은 형상과는 분명히 차이가 있다. 도 17에서와 마찬가지로 Y축 방향으로 광이 확산되는 것은 프리즘면(142)에 의한 효과이고, X축 주위 영역이 어둡지 않게 광이 조사되는 것은 고랑면(141)에 의한 효과이다. 도 18에 도시된 렌즈(140)에 비하여, 도 21의 렌즈에 추가적으로 있는 고랑면(141)은 조사면 중심 영역에서의 조도를 보상해 주는 조도 강화면으로서의 역할을 하게 된다.
도 23을 참조하여, 출사면(145)이 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈로 되어 있는 경우에 대해 자세히 설명한다. 여기서 h1은 프리즘면(142)의 두께, h2는 엣지(144)의 두께, h3는 렌즈(140)의 두께, D3은 인접한 프리즘 사이의 간격, D4는 고랑면(141)의 폭, D6는 엣지(144)를 제외한 렌즈(140)의 폭, r은 출사면(145)의 곡률반경, S1은 프리즘면(142)의 단면에서 일면, S2는 프리즘면(142)의 단면에서 타면을 나타낸다. 구면 렌즈 형상의 출사면(145)을 나타내는 식은 다음의 <수학식 1>과 같다.
Figure pat00001
<수학식 1> 에서,
Figure pat00002
의 관계를 만족하며, z는 입사면(143)에서 출사면(145)까지의 높이, D6는 엣지(144)를 제외한 렌즈(140)의 폭, r은 출사면(145)의 곡률반경을 나타낸다.
원추곡면 렌즈 형상의 출사면(145)을 나타내는 식은 다음의 <수학식 2>와 같다.
Figure pat00003
<수학식 2> 에서,
Figure pat00004
의 관계를 만족하며, z는 입사면(143)에서 출사면(145)까지의 높이, D6는 엣지(144)를 제외한 렌즈(140)의 폭, r은 출사면(145)의 곡률반경, k는 원추계수(conic constant)를 나타낸다.
비구면 렌즈 형상의 출사면(145)을 나타내는 식은 다음의 <수학식 3>와 같다.
Figure pat00005
<수학식 3> 에서의 기호는 <수학식 2> 에서와 같고, 추가적으로
Figure pat00006
은 비구면 계수값을 나타낸다.
<수학식 1>, <수학식 2>, <수학식 3> 를 만족하는 출사면(145)의 형상이면 어떠한 구면 또는 비구면이라도 가능하다. 특히 <수학식 2>에서는 원추계수 k의 값에 따라 달라지는데, k=0일 때는 구, -1<k<0 일 때는 타원, k=-1일 때는 포물선, k<-1일 때는 쌍곡선, k>0일 때는 편구면이 된다.
출사면(145)이 이러한 수학식들을 만족하는 경우는 수없이 많으며, 대표적으로 몇 개의 예시를 들어서 각 경우에 따라 조명 유닛의 효율을 검토하기로 한다. 조명 유닛(100)의 효율을 검토하기 위해서 FTE Calculator라는 컴퓨터 프로그램을 사용한 시뮬레이션 데이터를 예로 들것이며, 본 컴퓨터 프로그램으로 시뮬레이션을 하는 것의 목적은 에너지스타 인증을 획득하며 조명 유닛(100)의 효율성도 동시에 검증을 하기 위한 것이다. 따라서 이하에서, 에너지스타 인증 및 시뮬레이션 데이터에 대해서 검토한다.
<에너지스타(Energy star)인증 및 조사면의 광효율에 대한 검토>
에너지스타(Energy star)는 미국의 에너지 효율에 대한 국가심벌을 가리키며, 미국의 DOE(에너지성)와 EPA(환경보호국)의 공동 프로그램으로서, 에너지 효율 가이드라인을 만족하는 제품에 "ENERGY STAR"마크를 부착하는 제도이다. 에너지 스타 마크를 획득한 제품에 대한 미국 내 소비자들의 선호도가 높고, 미국 지방자치단체 별로 에너지스타 마크 획득 제품에 대한 메리트가 있기 때문에 에너지스타 인증을 획득하는 것은 제품의 상품성을 높이는데 크게 기여할 수 있다.
에너지스타 인증을 획득한 조명 장치는 조명 하고자 하는 면적을 요구되는 소정의 조도로 밝히는데 더 적은 전력을 사용해도 된다는 것을 의미하며, 필요한 조명 장치의 개수도 줄일 수 있다는 것을 의미하므로 효율 높은 조명 장치라고 할 수 있다.
본 발명과 관련하에 게시되는 실시예에서 제시되는 렌즈(140)는 일반적으로 가로등, 옥외등 등 실외 조명에 장착되는 조명 유닛(100)에서 사용되는 렌즈(140)이므로, 에너지스타 기준 중 카테고리 A의 Outdoor Area & Parking Garage를 만족해야 한다. 본 기준을 만족하는지 여부를 확인하기 위해서 FTE Calculator라는 컴퓨터 프로그램을 사용하게 되며, 당업자라면 본 컴퓨터 프로그램을 용이하게 입수할 수 있을 것은 자명하다.
도 27은 FTE Calculator에 따른 조사면의 조도 분포를 나타낸 도면이다.
도 27을 참조하면, RT는 Rectangular Target, UP는 Uniform Pool, UR은 Uniform Rectangle, Sideward는 +Y,-Y방향의 조도 분포, Forward는 +X방향의 조도 분포, Backward는 -X방향의 조도 분포를 나타낸다. 검토할 시뮬레이션 데이터는 모두 광원이 10m높이에 있을 때 조사면의 조도 분포를 기준으로 하였고, 도 27에서, 각 격자의 폭은 가로세로 모두 10m를 나타낸다. 예를 들어, Sideward가 2.5라면 조사면에서 +Y방향으로 25m, -Y방향으로 25m 사이의 공간에서 조도 분포가 일어나는 것을 의미한다. 에너지스타 기준 중 카테고리 A의 Outdoor Area & Parking Garage에서도 Unshielded를 기준으로 하였고, 광속 출력(Luminaire Output)이 9000루멘(lm)내외의 조명 장치인 경우를 가정한 시뮬레이션 데이터이므로, 이 경우에는 에너지스타를 만족하기 위한 FTE(lm/W)값은 53이 되어야 한다. 입력전력은 120W로 측정하였다. 실시예 중에서도 Uniform Rectangle(UR)이 넓고, 조사면의 Rectangular Target(RT)의 면적에서 Uniform Pool(UP)의 면적이 차지하는 비율(이하, Covered라 한다.)이 높고, Rectangular Target(RT)과 Uniform Rectangular(UR) 모두에서 Sideward의 폭이 넓을수록 효율적인 조명 장치이다. 이하, Covered에 대해 자세히 설명하기로 한다. 예를 들어, 조명 장치로부터 방출된 빛이 조사되는 조사 영역 중에서 가장 조도가 높은 최대조도 값을 30이라고 가정하고, 최소조도 값을 1이라고 가정한다. 여기서 30과 1은 절대값이 아니라 두 값의 비율을 나타낸다. 그리고, 조도 값이 1 이상 30 이하를 만족하는 영역(S1)을 특정한다. 그리고, 이렇게 특정된 영역(S1)에서의 평균조도 값이 최소조도 값 1의 6배인 6을 넘는 경우에는 조도값이 1인 영역을 제외한다.
조도 값이 1인 영역을 제외한 후에 가장 낮은 조도값이 1.1이 된다면 조사 영역은 조도 값이 1.1 이상 30 이하를 만족하는 영역(S2)이 된다. 다시(S2)에서의 평균 조도 값이 최소조도 값 1.1의 6배인 6.6을 넘는지 판단하여 6.6을 넘지 않으면 S2를 Uniform Pool(UP)로 특정하게 된다. 만약 6.6을 넘는다면 위와 같은 과정을 평균조도 값이 최소 조도값의 6배를 넘지 않을 때까지 반복하여 Sn을 Uniform Pool(UP)로 특정하게 된다. 이러한 방식으로 특정된 Sn을 둘러싸는 직사각형을 Rectangular Target(RT)라고 한다. 결국 Covered는 (UP/RT)*100 의 값을 나타낸다.
시뮬레이션 데이터는 이러한 전제와 수치를 기준으로 측정하였으나, 조명 장치의 용도, 설치 높이, 입력전압, 출력광도등에 따라서 요구되는 FTE값, Covered 및 효율적인 형상은 달라질 수 있다. 예를 들어, 시뮬레이션에서 사용한 수치는 예시적인 것이므로 이외에도 FTE Calculator에서 Unshielded 타입을 기준으로 측정할 수도 있고, 요구되는 FTE 값도 37, 48, 70등 다른 수치가 될 수도 있다.
각 실험에서 h1은 1mm, h3은 14.6mm, D6은 45mm로 통일하였으며, 출사면(145)이 구면 렌즈인 경우에 r은 24.64mm, 비구면 렌즈인 경우에 r은 17mm로 하였다. 출사면(145)이 비구면일 때는 쌍곡선에 해당하는 원추 계수를 사용하였고, 비구면 계수값은 실질적으로 렌즈(140)의 형상을 정하는데 의미가 있는 C4,C6,C8만을 적용하였다. 여기서 C4는 -9.7407e-8, C6는 4.1275e-8, C8는 -4.1969e- 12 의 값을 넣어서 실험하였다.
실험례 1은 출사면(145)이 구면렌즈 형상이고, 고랑면(141)이 없으며, 이때 Coverd는 76%, FTE(lm/W)는 53, FTE(Rectangular Target)의 Forward 및 Backward는 1.9, Sideward는 2.6이고, FTE(Uniform Target)은 Forward 및 Backward는 0.9 Sideward는 2.0 이 되었다.
실험례 2는 출사면(145)이 구면렌즈 형상이고, 고랑면(141)의 곡률반경은 5mm, 고랑면(141)의 폭은 8mm이며, 이때 Coverd는 84%, FTE(lm/W)는 58, FTE(Rectangular Target)의 Forward 및 Backward는 1.7, Sideward는 2.6이고, FTE(Uniform Target)은 Forward 및 Backward는 1.3 Sideward는 2.1이 되었다.
실험례 3은 출사면(145)이 비구면렌즈 형상이고, 고랑면(141)이 없으며, 이때 Coverd는 81%, FTE(lm/W)는 55, FTE(Rectangular Target)의 Forward 및 Backward는 1.8, Sideward는 2.5이고, FTE(Uniform Target)은 Forward 및 Backward는 0.9 Sideward는 2.0 이 되었다.
실험례 4는 출사면(145)이 비구면렌즈 형상이고, 고랑면(141)의 곡률반경은 2mm, 고랑면(141)의 폭은 4mm이며, 이때 Coverd는 85%, FTE(lm/W)는 58, FTE(Rectangular Target)의 Forward 및 Backward는 1.7, Sideward는 2.5이고, FTE(Uniform Target)은 Forward 및 Backward는 1.3 Sideward는 2.1이 되었다.
실험례 5는 출사면(145)이 비구면렌즈 형상이고, 고랑면(141)의 곡률반경은 5mm, 고랑면(141)의 폭은 8mm이며, 이때 Coverd는 88%, FTE(lm/W)는 60, FTE(Rectangular Target)의 Forward 및 Backward는 1.6, Sideward는 2.5이고, FTE(Uniform Target)은 Forward 및 Backward는 1.3 Sideward는 2.1이 되었다.
실험례 6는 출사면(145)이 비구면렌즈 형상이고, 고랑면(141)의 곡률반경은 9.2mm, 고랑면(141)의 폭은 12mm이며, 이때 Coverd는 83%, FTE(lm/W)는 57, FTE(Rectangular Target)의 Forward 및 Backward는 1.6, Sideward는 2.4이고, FTE(Uniform Target)은 Forward 및 Backward는 1.2 Sideward는 2.0이 되었다.
실험례 7는 출사면(145)이 비구면렌즈 형상이고, 고랑면(141)의 곡률반경은 12mm, 고랑면(141)의 폭은 16mm이며, 이때 Coverd는 89%, FTE(lm/W)는 61, FTE(Rectangular Target)의 Forward 및 Backward는 1.4, Sideward는 2.1이고, FTE(Uniform Target)은 Forward 및 Backward는 1.2 Sideward는 1.7이 되었다.
이러한 실험례를 표로 나타내면 다음의 <표 1>과 같다.
고랑면의 곡률반경/폭
(mm) 		출사면 형상 최대조도의 10% 영역의 X축 방향의 최소폭(m) 최대조도의 10% 영역의 Y축 방향의 최대폭(m) FTE(Rectangular Target) FTE(Uniform Rectangle)
Forward Sideward Backward Coverd(%) Forward Sideward Backward
1 없음 구면 10 22 1.9 2.6 1.9 76 0.9 2.0 0.9
2 5/8 구면 11 22 1.7 2.6 1.7 84 1.3 2.1 1.3
3 없음 비구면 10 23 1.8 2.5 1.8 81 0.9 2.0 0.9
4 2/4 비구면 12 23 1.7 2.5 1.7 85 1.3 2.1 1.3
5 5/8 비구면 12 23 1.6 2.5 1.6 88 1.3 2.1 1.3
6 9.2/12 비구면 14 23 1.6 2.4 1.6 83 1.2 2.0 1.2
7 12/16 비구면 15 20 1.4 2.1 1.4 89 1.2 1.7 1.2
도 28는 실험례 5의 렌즈(140)를 사용한 조명 유닛(100)에 의한 공간상 광분포를 나타낸 도면이고, 도 29은 실험례 5의 렌즈(140)를 사용한 조명 유닛(100)에 조도 분포를 나타낸 도면이다. 도 28를 참조하면, X축 방향에서 조명 유닛(100)을 정면으로 보았을 때의 광의 분포는 B2과 같이 나타나고, Y축 방향에서 조명 유닛(100)을 정면으로 보았을 때의 광의 분포는 B1와 같이 나타난다. 도 29을 참조하면, Y축 방향으로의 조도 분포가 X축 방향의 조도 분포보다 훨씬 넓게 나타나며, 직사각형에 가까운 조도 분포를 보임을 알 수 있다. 도 28과 도 25를 비교하면, 도 28 및 도 25 모두에서 조사면의 중앙 부분에서의 광이 부족하여 어두워지는 현상이 없는 것은 동일하나, 도 25는 광의 경계 영역에 비해서 중앙 부분의 광이 과다하여 전 조사면에 걸쳐서 광이 균일하게 분포되지 않는 것을 알수 있다. 그에 반해 도 28은 조사면의 중앙 부분의 광이 도 25에 비해 적고, 따라서 비교적 전 조사면에 걸쳐서 균일하게 조도 분포가 되는 것을 알 수 있다.
도 28, 도 29 및 이상에서 검토한 실험례 5의 데이터 값을 종합해 볼 때, 위의 실험례 중에서 가장 효율적인 경우는 실험례 5이다. 실험례 5에서 FTE(Rectangular Target)의 Sideward는 2.5이고, FTE(Uniform Target)의 Sideward는 2.1으로 실험례 중에서도 상위 수치를 보이고, Coverd는 88%로 극 상위 수치이고, FTE(lm/W)도 60으로 극상위 수치를 보이고 있다. 따라서 실험례 5에 해당하는 수치를 갖는 렌즈(140)를 사용하는 것이 바람직할 것이다.
그러나, 렌즈(140)의 효율을 평가하는 기준은 이상에서 검토한 것과 같이 Sideward의 폭, Coverd, FTE(lm/W)값등 여러가지가 있으며, 실험례 5가 모든 기준에서 절대적인 우위를 보이는 것은 아니다. 따라서 실제 조명 장치가 사용될 때는 Sideward의 폭, Coverd, TE(lm/W)값 중에서 어느 한 기준이 중요할 수 있으며, 이러한 경우에는 실험례 5 이외의 다른 실험례 또는 이상에서 명시된 실험례 2 및 실험례 4 내지 실험례 7 이외의 렌즈(140)가 더 우수한 효율을 보일 수 있다. 다만, 실외등 중에서 가로등, 옥외등 등에서 사용되는 조명 유닛(100)인 경우에는 구면 또는 비구면 렌즈 형상의 출사면(145)을 가지며, 입사면(143)에 프리즘면(142)과 고랑면(141)이 형성되어 있고, 고랑면(141)의 폭은 렌즈(140)의 입사측 직경의 9% ~ 40% 인 렌즈(140)를 갖는 조명 유닛(100)이 일반적인 조명 유닛에 비해 효율이 높다는 것은 분명하며, 이러한 특징을 갖는 렌즈(140)는 모두 본 발명의 권리 범위에 속한다고 보아야 할 것이다. 또한 가로등, 옥외등 이외의 용도에서도 직사각형에 가까운 조도 분포를 보이는 것이 바람직한 조명 유닛(100)에도 본 실험례의 렌즈(140) 및 이와 균등한 렌즈(140)가 사용될 수 있다.
< 출사면이 구면 또는 비구면 렌즈이고 입사면에 고랑면과 프리즘면을 갖는 렌즈를 사용한 조명 유닛의 실시예 >
도 30는 제 2실시예에 따른 조명 유닛(100A)을 나타낸 측 단면도이다. 제 2실시예를 설명함에 있어서, 제 1실시예와 동일한 부분에 대해서는 제 1실시예를 참조하며 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 30을 참조하면, 조명 유닛(100A)은 발광부(101), 렌즈(140), 갭부재(130)를 포함한다. 갭부재(130)는 에폭시 또는 실리콘 수지 재질을 사용하고 고리 형태로 형성될 수 있으며, 발광부(101)의 기판(110) 상면의 가장자리와 접촉하고, 렌즈(140)의 엣지(144)의 하면과 접촉한다. 따라서 기판(110)과 렌즈(140)의 사이에 위치하게 되고, 기판(110)과 렌즈(140) 사이를 일정 간격(G1)으로 이격시켜 준다. 갭부재(130)에 의해 형성되는 공간(105)은 발광부(101)의 LED(120)의 광 지향 분포를 개선시켜 줄 수 있다.
한편, 갭부재(130)에는 필요시 형광체가 첨가될 수 있다. 또한 발광부(101)의 기판(110) 상면에는 기판(110)으로 진행하는 광을 반사시켜 주기 위해 반사 물질이 코팅될 수 있다.
도 31은 제 3실시예에 따른 조명 유닛(100B)을 나타낸 측 단면도이다. 제 3실시예를 설명함에 있어서, 제 1실시예와 동일한 부분에 대해서는 제 1실시예를 참조하며, 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 31를 참조하면, 조명 유닛(100B)은 발광부(101)쪽을 향해 아래 방향으로 돌출된 렌즈(140)의 엣지(144A)가 갭부재(130)를 대신하게 된다. 렌즈(140)의 엣지(144A)는 발광부(101)의 기판(110)의 상면 가장자리와 접촉하여 배치될 수 있으며, 또는 발광부(101)의 기판(110)의 상면 가장자리 및 기판(110)의 외주면에 모두 접촉하여 배치될 수 있다.
렌즈(140)의 엣지(144A)는 발광부(101)의 기판(110)과 렌즈(140) 사이를 일정 간격(G1)으로 이격시켜 준다.
발광부(101)과 렌즈(140) 사이의 공간(105)에는 실리콘 또는 에폭시와 같은 수지물이 채워질 수 있으며, 수지물에는 형광체가 첨가될 수 있다.
발광부(101)의 기판(110)은 렌즈(140)의 엣지(144A) 아래에 배치되며, 렌즈 엣지(144A)가 입사면(143)에 대해 단차진 형상이다. 다른 예로서, 기판(110)의 상면 외측 둘레에 돌기를 형성하여, 렌즈(140)와의 간격을 유지시켜 줄 수 있다.
도 32는 제 4실시예에 따른 조명 유닛(100C)을 나타낸 측 단면도이다. 제 4실시예를 설명함에 있어서, 1실시예와 동일한 부분에 대해서는 제 1실시예를 참조하며, 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 32을 참조하면, 조명 유닛(100C)의 발광부(101)의 기판(110) 상에 반사 플레이트(155)가 배치된다. 반사 플레이트(155)는 LED(120)를 가리지 않도록, LED 구멍(155A)을 갖고 기판(110)상에서 LED(120)가 노출된 이외의 영역을 덮도록 배치된다. 따라서, LED(120)로부터 방출된 광의 일부는 반사 플레이트(155)에 의해 반사될 수 있어, 반사 광량을 증가시켜 주며, 광 효율이 개선될 수 있다. 반드시 반사 플레이트(155)가 기판(110)과 별도의 부재일 필요는 없고, 상면의 반사율이 높은 기판(110)을 사용하여 기판(110)의 상면이 반사플레이트(155)를 대체할 수도 있다. 또한 반사 플레이트(155)의 상면에는 확산제가 도포될 수 있다.
기판(110)과 렌즈(140)의 엣지(144) 사이에는 갭부재(153)가 배치되어, 기판(110)과 렌즈(140) 사이는 일정 간격(G1)으로 이격된다. 렌즈(140)와 기판(110) 사이에는 공간(105)이 형성되고, LED(120)로부터 방출된 광은 기판(110)과 렌즈(120) 사이의 공간(105) 내에서 분산되며, 분산된 광은 렌즈(140)의 프리즘면(142) 및 고랑면(141)을 통해 분산될 수 있다.
한편, 나머지 구성은 도 32의 제 4실시예와 같고, 제 4실시예의 갭부재(130) 대신 제 1실시예에서 설명한 갭부재(130)를 사용하는 제 5실시예(미도시)도 있다. 제 5실시예에서는, 제 1실시예에서 설명한 갭부재(130)가 갖는 효과와 동일하게 내전압 특성과 광 효율을 모두 향상시키며, 또한, 제 4실시예에서 사용된 반사 플레이트(155)가 사용되므로 광효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 조명 유닛
101 : 발광부
130 : 갭부재
140 : 렌즈
141: 고랑면
142 : 프리즘면
143 : 입사면
145 : 출사면

Claims (21)

  1. 면을 가로지르는 고랑면 및 상기 고랑면의 양측에 형성되는 프리즘면을 포함하며 광축에 수직한 원형 입사면; 및
    상기 입사면을 통해 입사된 광을 굴절시켜 출사하는 출사면;
    을 포함하는 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고랑면은 둥근 형상인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈를 고랑면의 길이 방향과 수직한 평면으로 자를 때, 프리즘면의 단면은 삼각형인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고랑면의 폭은 상기 입사면 직경의 9% ~ 40% 인 렌즈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈를 통하여 광이 조사되었을 때, 상기 광이 비추어지는 면의 조사영역 형상은 근사 직사각형인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  6. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출사면은 구면인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출사면은 비구면인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  8. 광축과 수직한 원형 입사면 및 상기 입사면을 통해 입사된 광을 굴절시켜 출사하는 출사면을 포함하는 렌즈에 있어서,
    상기 입사면은 광을 외측으로 퍼지게 하는 광 확산면; 및
    조사면 중심 영역에서의 조도를 보상해 주고, 상기 입사면의 중심을 지나며 상기 광 확산면의 길이방향으로 형성된 조도 강화면;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 고랑면은 둥근 형상인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 렌즈를 고랑면의 길이 방향과 수직한 평면으로 자를 때, 프리즘면의 단면은 삼각형인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 고랑면의 폭은 상기 입사면 직경의 9% ~ 40% 인 렌즈.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 렌즈를 통하여 광이 조사되었을 때, 상기 광이 비추어지는 면의 조사영역 형상은 근사 직사각형인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  13. 제 8항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출사면은 구면인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  14. 제 8항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출사면은 비구면인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  15. 광축과 수직한 원형 입사면; 및 상기 입사면을 통해 입사된 광을 굴절시켜 출사하는 출사면을 포함하는 렌즈에 있어서,
    렌즈로부터 출사된 광에 의해 비추어지는 면에서의 조사영역이 근사 직사각형을 이루고, 근사 직사각형의 긴 변의 길이가 광원으로부터 조사면까지의 높이의 2.5배, 근사 직사각형의 짧은 변의 길이가 광원부터 조사면까지의 높이의 1.6배, UP/RT 가 0.88 인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 고랑면은 둥근 형상인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 렌즈를 고랑면의 길이 방향과 수직한 평면으로 자를 때, 프리즘면의 단면은 삼각형인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 고랑면의 폭은 상기 입사면 직경의 9% ~ 40% 인 렌즈.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 렌즈를 통하여 광이 조사되었을 때, 상기 광이 비추어지는 면의 조사영역 형상은 근사 직사각형인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  20. 제 15항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출사면은 구면인 것을 특징으로 하는 렌즈.
  21. 제 15항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출사면은 비구면인 것을 특징으로 하는 렌즈.
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