KR20180046273A - 조명장치 및 이를 포함하는 차량램프 - Google Patents

조명장치 및 이를 포함하는 차량램프 Download PDF

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이무성
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Abstract

실시 예는, 일 측에서 타 측으로 연장된 도광부재; 및 상기 도광부재의 일 측에 배치되는 발광소자를 포함하고, 상기 도광부재는 내부에 복수 개의 산란입자를 포함하고, 상기 도광부재의 일 측과 타 측에서의 산란입자 농도는 중간지점에서의 산란입자 농도보다 높고, 상기 중간지점은 상기 도광부재의 전체 길이의 1/2 지점인 조명장치 및 이를 포함하는 차량램프를 개시한다.

Description

조명장치 및 이를 포함하는 차량램프{Light device and Lamp unit for vehicle using the same}
실시 예는 조명장치 및 이를 포함하는 차량램프에 관한 것이다.
최근 발광다이오드(LED)가 자동차 광원에 채택되면서 다양한 형상과 광학 효과를 지닌 기능성 조명구현이 가능해졌으며, 이런 발광다이오드 자동차 조명을 장착한 차량의 수는 폭발적으로 성장할 것으로 예상된다.
현재 자동차용 발광다이오드 조명시스템의 경우, 다양한 자동차 운행조건 (방수, 방염, 충격, 진동, 엔진, 히터, 및 냉각기 영향)에서 작동할 수 있도록 내구성, 신뢰성 향상뿐만 아니라 저가격화, 낮은 전력소모, 보다 콤팩트한 폼팩터, 명암비, 색상정확도 등의 측면에서 개선이 요구되고 있다.
이 중 차세대 자동차 광원으로 연구되고 있는 방법 중 하나는 램프 모양으로 라이트 가이드(도파관)를 가공한다. 이후, 발광다이오드 광원을 가이드의 끝단 또는 측면에 배치하여 발광다이오드에서 방출된 광을 가이드 내부로 진행시키면서 진행광의 일부를 가이드의 측면으로 방출시켜 선형램프를 제작하는 방식이다.
그러나 가이드의 끝단에 발광다이오드를 배치하는 경우 광출력이 충분하지 못하여 고휘도 램프의 제작이 어렵고, 가이드의 측면에 다수의 발광다이오드를 배치하는 경우 램프의 균일성이 저하되는 문제점이 존재한다.
실시 예는 광 균일도가 우수한 조명장치 및 이를 포함하는 차량램프를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 조명장치는, 일 측에서 타 측으로 연장된 도광부재; 및 상기 도광부재의 일 측에 배치되는 발광소자를 포함하고, 상기 도광부재는 내부에 복수 개의 산란입자를 포함하고, 상기 도광부재의 일 측과 타 측에서의 산란입자 농도는 중간지점에서의 산란입자 농도보다 높고, 상기 중간지점은 상기 도광부재의 전체 길이의 1/2 지점일 수 있다.
상기 도광부재는, 상기 일 측에서 중간지점으로 갈수록 상기 산란입자의 농도가 낮아지는 제1영역, 및 상기 중간지점에서 상기 타 측으로 갈수록 상기 산란입자의 농도가 높아지는 제2영역을 가질 수 있다.
상기 도광부재의 타 측에서의 산란입자 농도는 상기 일 측에서의 산란입자 농도보다 높을 수 있다.
상기 도광부재 상에 형성되는 파장변환층을 포함할 수 있다.
상기 도광부재는 일 측에서 타 측으로 갈수록 두께가 얇아질 수 있다.
상기 도광부재는 광을 방출하는 출사면과 광을 반사하는 반사면을 갖고, 상기 출사면과 반사면은 서로 마주보게 배치될 수 있다.
실시 예에 따르면, 도광부재의 길이방향으로 균일한 광이 출사될 수 있다.
또한, 자동차 램프를 레이저 다이오드 광원과 결합된 라이트 가이드로 구현함으로써, 기존 발광다이오드 광원에 비하여 우수한 발광특성 및 균일성을 확보할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조명장치의 개념도이고,
도 2는 광이 외부로 출사되는 과정을 보여주는 도면이고,
도 3은 길이방향으로 산란입자의 농도 변화를 측정한 그래프이고,
도 4는 도 3의 농도 분포를 갖는 조명장치의 광속밀도를 측정한 그래프이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 조명장치의 개념도이고,
도 6은 길이방향으로 변화하는 두께를 측정한 그래프이고,
도 7은 도 6의 두께 변화를 갖는 조명장치의 광속밀도를 측정한 그래프이다.
본 실시 예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시 예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 각각의 실시 예로 한정되는 것은 아니다.
특정 실시 예에서 설명된 사항이 다른 실시 예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시 예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시 예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 특정 실시 예에서 구성 A에 대한 특징을 설명하고 다른 실시 예에서 구성 B에 대한 특징을 설명하였다면, 구성 A와 구성 B가 결합된 실시 예가 명시적으로 기재되지 않더라도 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조명장치의 개념도이고, 도 2는 광이 외부로 출사되는 과정을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 실시 예에 따른 조명장치는, 일 측(21)에서 타 측(22)으로 연장된 도광부재(20), 및 도광부재(20)의 일 측(21)에 배치되는 발광소자(10)를 포함한다.
도광부재(20)는 길이방향으로 광을 가이드 할 수 있는 다양한 종류가 적용될 수 있다. 예시적으로 도광부재(20)는 소정 길이를 갖는 도파관일 수 있다. 도광부재(20)는 휘어져 다양한 모양을 형성할 수 있다.
도광부재(20)는 내부에 복수 개의 산란입자(P1)를 포함한다. 산란입자(P1)는 광을 산란시키는 물질이면 제한 없이 적용 가능하다. 도광부재(20)의 일 측(21)과 타 측(22)에서의 산란입자 농도는 중간지점(C1)에서의 산란입자 농도보다 높게 제어할 수 있다. 중간지점(C1)은 도광부재(20)의 전체 길이의 1/2 지점이다.
도광부재(20)는 일 측(21)에서 중간지점(C1)으로 갈수록 산란입자의 농도가 낮아지는 제1영역(A1), 및 중간지점(C1)에서 타 측(22)으로 갈수록 산란입자의 농도가 높아지는 제2영역(A2)을 포함할 수 있다. 이 경우 광 균일도를 향상시킬 수 있다.
발광소자(10)는 도광부재(20)의 일 측에 배치되어 광을 출력한다. 발광소자(10)는 레이저 다이오드 일 수 있다. 레이저 다이오드(Laser Diode)는 발산각 조절이 용이하고, 직진성이 뛰어난 장점이 있다.
레이저 다이오드는 높은 광출력으로 인해 단일 칩만으로도 램프에 필요한 충분한 광 파워를 공급할 수 있다. 따라서, 구동회로 및 광학계를 단순화할 수 있는 장점이 있다.
레이저 다이오드 기반의 자동차 램프는 기존 발광다이오드 램프에 비해 휘도의 균일성을 향상시킬 수 있으며, 소형화와 경량화에 유리한 장점을 갖는다. 이와 함께 심미적인 관점을 고려한 램프 디자인(굴곡의 적용, 폭의 변화, 광휘도의 조절)을 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다.
도광부재(20)는 휘어서 다양한 모양으로 가공할 될 수 있으므로, 자동차용 램프를 구현하는 기본적인 구조가 된다. 이 때 램프의 종류나 모양에 따라 균일한 광속밀도(luminous flux density)를 갖거나 혹은 필요에 따라 길이방향으로 광속밀도를 조절할 수 있어야 한다.
조명장치는 막대 혹은 봉 형태의 도광부재(20)에 대해 한 쪽 끝에서 광을 주입하고, 주입된 빛이 반대쪽 끝으로 진행하면서 도광부재(20)의 측면으로 방출되는 형태를 갖게 된다.
도광부재(20)는 기본적으로는 광을 전파하는 도파로이므로 측면을 통한 광추출이 효율적으로 일어나지 않을 수 있다. 도광부재(20)에서 광을 추출하기 위해서 도광부재(20)의 한 쪽 면에 패턴을 삽입하거나 또는 도광부재(20) 내에 산란입자(P1)를 주입하는 방법을 사용될 수 있다.
이 때, 산란입자(P1)의 종류 및 농도에 따라 도광부재(20)의 길이방향으로의 광속밀도 분포와 배광패턴이 달라지게 된다. 이를 자동차 램프로 이용하기 위해서는 원하는 광속밀도의 프로파일 및 광의 진행 및 수직방향으로의 배광패턴의 조절 등을 구현할 수 있어야 한다.
실시 예에서는 산란입자(P1)를 첨가한 도광부재(20) 구조에서 균일한 광속특성을 얻어낼 수 있는 구조 및 조건을 제시한다.
통상적으로 균일한 광속밀도를 갖는 선형광원이 가장 활용도가 높으므로, 이 목적을 위한 산란입자(P1) 농도분포에 대해 설명한다. 하지만 용도에 따라 선형광원의 광속밀도를 의도적으로 변화시킬 때도, 동일한 방법을 적용하여 도광부재 설계가 가능할 수 있다.
도광부재(20)에서 산란입자(P1)의 농도가 낮으면 도광부재의 후단에서 높은 광속밀도를 얻을 수 있으며, 농도가 높으면 도광부재의 전단에서 광속밀도가 높아질 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 산란입자(P1)의 농도를 광의 진행방향을 따라 변화시키거나 또는 두께를 변화시켜 균일한 광 추출을 유도할 수 있다.
도광부재(20)는 발광소자(10)의 빛을 수광하여, 전파, 산란, 경계면에서의 반사, 투과 등의 과정을 거쳐 외부로 방출하는 매개체로서 기능한다. 따라서, 도광부재(20)의 설계에 따라 1차원 광원의 광속분포를 변화시킬 수 있으며, 광학 시뮬레이션을 통해 산란원 농도 변화에 따른 도광부재(20) 진행방향에서 광속분포의 변화를 결정할 수 있다.
도 2를 참고하면, 도광부재(20) 내부로 진행하는 광(L1)은 산란입자(P1)에 의해 광 경로가 바뀌고, 이 중 일부는 도광부재(20)의 측면으로 출사될 수 있다. 이때, 도광부재(20)의 일 측면(23)은 광 출사면일 수 있고 타 측면(24)은 반사면일 수 있다. 반사면은 광이 반사될 수 있도록 별도의 코팅층을 구비하거나 반사 패턴이 형성될 수 있다.
이때, 도광부재(20)는 파장변환층(30)이 형성되어 출사된 광의 색이 변화할 수 있다. 예시적으로, 발광소자에서 방출된 광은 자외선 또는 청색 파장대의 광이나, 최종적으로 방출된 광은 청색, 녹색, 적색 등으로 다양하게 변화할 수 있다.
도 3은 길이방향으로 산란입자의 농도 변화를 측정한 그래프이고, 도 4는 도 3의 농도 분포를 갖는 조명장치의 광속밀도를 측정한 그래프이다.
도광부재(20)는 굴절률이 1.49인 아크릴 막대를 사용하고, 산란입자(P1)로는 굴절률이 1.41이고 직경이 6μm인 실리콘 입자(Tospearl)를 사용하였다. 아크릴 막대의 길이는 300 mm이며, 단면은 가로, 세로가 각 10 mm인 정사각형 형태이다.
광은 왼쪽 끝에서 입사하여 오른쪽으로 진행한다. 제작상의 편의를 위해 불연속적인 산란입자(P1)의 농도를 가정하고, 총 10개의 구간에서 농도를 변화시켰다. 측정은 중간지점을 기준으로 설정하였다(거리 0).
도 3을 참고하면, 제1구간(A11)은 도광부재(20)의 일 측을 포함하는 구간이고 약 0.07중랑%의 산란입자가 분산된다.
제2구간(A12)은 산란입자(P1) 농도가 제1구간(A11)보다 낮고, 제3구간(A13)은 산란입자(P1) 농도가 제2구간(A12)보다 낮고, 제4구간(A14)은 산란입자(P1) 농도가 제3구간(A13)보다 높고, 제5구간(A21)은 산란입자(P1) 농도가 제4구간(A14)보다 높을 수 있다. 이때, 중간지점(C1)은 제4구간(A14)과 제5구간(A21)의 경계지점일 수 있다.
즉, 중간지점(C1) 이전에 산란입자(P1)의 최저 농도 구간에 도달하고, 이후 농도가 상승할 수 있다. 따라서, 제1영역(A11 내지 A14)에서의 총 산란입자의 농도는 제2영역(A21 내지 A26)에서의 총 산란입자의 농도보다 낮다.
제6구간(A22)은 산란입자(P1) 농도가 제5구간(A21)보다 높고, 제7구간(A23)은 산란입자(P1) 농도가 제6구간(A22)보다 높고, 제8구간(A24)은 산란입자(P1) 농도가 제7구간(A23)보다 높고, 제9구간(A25)은 산란입자(P1) 농도가 제8구간(A24)보다 높을 수 있다.
그리고, 제10구간(A26)은 산란입자(P1) 농도가 제9구간(A25)보다 낮을 수 있다. 즉, 제9구간(A25)의 산란입자 농도가 가장 높을 수 있다.
도 4를 참고하면, 시뮬레이션 결과 주어진 산란입자(P1) 농도 프로파일의 경우 전체 길이의 90% 이상 영역에서 ±10% 이내의 광속밀도 변화를 보임을 확인하였다. 광이 주입되는 제1영역의 산란입자(P1) 농도를 더 높이는 경우 제1영역에서 광속밀도를 더 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 조명장치의 개념도이고, 도 6은 길이방향으로 변화하는 두께를 측정한 그래프이고, 도 7은 도 6의 두께 변화를 갖는 조명장치의 광속밀도를 측정한 그래프이다.
산란입자(P1)를 이용한 선형광원의 또 다른 형태로는 산란입자(P1)의 농도를 일정하게 유지하고, 도광부재(20)의 두께를 조절하여 균일한 광속밀도를 확보하는 방법이다.
도광부재(20)의 일 측(21)은 광량이 커서 광추출을 억제하기 위해 두께를 증가시키지만, 타 측(22)는 광량이 약해지므로 광추출을 향상시키기 위해 두께를 감소시켜 균일한 광속밀도를 얻을 수 있다.
이 구조에 대한 광학 시뮬레이션에서는 도광부재(20)는 굴절률이 1.49인 아크릴 막대를 사용하였고, 산란입자(P1)로는 굴절률이 1.41인 2μm 크기의 Tospearl 입자를 사용하였다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 균일한 광속밀도를 얻기 위한 도광부재(20) 두께조절 시뮬레이션 결과로서 두께가 전반부에서는 일정한 값을 유지하다가 후반부에서 포물선 형태로 감소하는 모양일 때 가장 좋은 결과를 얻음을 보여준다. 다만 이 경우 광속밀도가 ±10% 이내로 균일한 영역은 전체 길이의 70% 정도로 감소하게 된다.
또한, 산란입자(P1)의 주입은 도광부재(20)의 출광면에서 빛이 방출되는 발산각을 조절할 수 있게 한다. 레이저를 광원으로 사용하게 되면 레이저 출력광의 직진성으로 인해 광방출이 매우 어려워지며, 이를 해결하기 위해 도광부재(20)의 하부 또는 측면에 패턴을 삽입할 수도 있지만 이 경우 대부분의 빛이 거울반사 조건을 만족하는 특정 각도로만 방출되어 눈부심을 유발할 수 있다.
그러나 패턴을 통해 광을 추출하더라도 도광부재(20)에 일정량의 산란입자(P1)를 주입하면 레이저 광을 산란시켜 균일한 거울반사 조건을 회피할 수 있으므로, 넓은 발산각으로 광을 추출할 수 있다. 넓은 발산각은 관찰자의 눈부심을 방지하고, 여러 방향에서 균일한 광세기를 볼 수 있도록 하여 자동차 램프의 표시 기능성을 향상시키게 된다.
10: 발광소자
20: 도광부재
P1: 산란입자

Claims (11)

  1. 일 측에서 타 측으로 연장된 도광부재; 및
    상기 도광부재의 일 측에 배치되는 발광소자를 포함하고,
    상기 도광부재는 내부에 복수 개의 산란입자를 포함하고,
    상기 도광부재의 일 측과 타 측에서의 산란입자 농도는 중간지점에서의 산란입자 농도보다 높고,
    상기 중간지점은 상기 도광부재의 전체 길이의 1/2 지점인 조명장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도광부재는,
    상기 일 측에서 중간지점으로 갈수록 상기 산란입자의 농도가 낮아지는 제1영역, 및
    상기 중간지점에서 상기 타 측으로 갈수록 상기 산란입자의 농도가 높아지는 제2영역을 갖는 조명장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 도광부재의 제1영역의 총 산란입자 농도는 상기 제2영역에서의 총 산란입자 농도보다 낮은 조명장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도광부재 상에 형성되는 파장변환층을 포함하는 조명장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도광부재는 일 측에서 타 측으로 갈수록 두께가 얇아지는 조명장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도광부재는 광을 방출하는 출사면과 광을 반사하는 반사면을 갖고, 상기 출사면과 반사면은 서로 마주보게 배치되는 조명장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반사면은 요철 패턴을 갖는 조명장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 도광부재는 길이방향으로 구분된 제1구간 내지 제10구간을 포함하고,
    상기 제1구간은 상기 도광부재의 일 측을 포함하고,
    상기 제2구간은 상기 산란입자 농도가 상기 제1구간보다 낮고,
    상기 제3구간은 상기 산란입자 농도가 상기 제2구간보다 낮고,
    상기 제4구간은 상기 산란입자 농도가 상기 제3구간보다 높고,
    상기 제5구간은 상기 산란입자 농도가 상기 제4구간보다 높고,
    상기 제6구간은 상기 산란입자 농도가 상기 제5구간보다 높고,
    상기 제7구간은 상기 산란입자 농도가 상기 제6구간보다 높고,
    상기 제8구간은 상기 산란입자 농도가 상기 제7구간보다 높고,
    상기 제9구간은 상기 산란입자 농도가 상기 제8구간보다 높고,
    상기 중간지점은 상기 제4구간과 제5구간의 경계지점인 조명장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제10구간은 상기 산란입자의 농도가 상기 제9구간보다 낮은 조명장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 각각의 구간 내에서 상기 산란입자의 농도는 일정한 조명장치.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 조명장치를 포함하는 차량 램프.
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KR1020160141322A KR20180046273A (ko) 2016-10-27 2016-10-27 조명장치 및 이를 포함하는 차량램프

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