KR101052890B1 - 확산 굴절과 확산 반사 기능을 겸비한 하이브리드 태양광 확산체가 구비되는 태양광 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 조명 장치에 관한 것으로서, 특히 광섬유에 의해 전송된 태양광을 조명으로 이용하는 장치로서, 조명 공간의 천정에 설치되는 지지체와; 상호 간에 일정 간격 이격된 상태로 상기 지지체에 관통 결합되는 복수 개의 광섬유와; 상부에서 하부로 갈수록 폭이 증가하는 형상으로 이루어지되, 상기 광섬유 단부와 일정 간격 이격되는 상단에는 태양광을 확산 굴절시키기 위한 입사홈이 형성되고, 그 외주면에는 태양광을 확산 반사시키기 위한 반사면이 형성되는 확산 렌즈가 상기 광섬유의 개수와 동일하게 구비되어 상기 지지체의 하방에 결합되는 하이브리드 태양광 확산체와; 상기 지지체의 하면에 결합되는 반사 시트를; 포함하여 이루어지는 기술적 특징이 있다.
이에 따라, 본 발명은 입사홈 및 반사면이 구비되는 태양광 확산체를 이용하고, 이에 반사 시트와 측면 반사체를 부가 이용함으로써 일정한 배광 각을 가지며 광섬유 단부로부터 출사되는 태양광이 조명 공간 전체에 균일하게 확산될 수 있도록 해주는 이점을 가진다.

Description

확산 굴절과 확산 반사 기능을 겸비한 하이브리드 태양광 확산체가 구비되는 태양광 조명 장치{Day-lighting apparatus which having hybrid ray-diffuser}
본 발명은 태양광 조명 장치에 관한 것으로서, 특히 광섬유에 의해 전송된 태양광을 조명으로 이용하는 장치로서, 조명 공간의 천정에 설치되는 지지체와; 상호 간에 일정 간격 이격된 상태로 상기 지지체에 관통 결합되는 복수 개의 광섬유와; 확산 판과, 상부에서 하부로 갈수록 폭이 증가하는 형상으로 이루어져 상기 확산 판에 복수 개가 일정 간격 이격되어 위치하되 상기 광섬유 단부와 일정 간격 이격되는 상단에는 태양광을 확산 굴절시키기 위한 입사홈이 형성되고 그 외주면에는 태양광을 확산 반사시키기 위한 반사면이 형성되는 확산 렌즈가 상기 광섬유의 개수와 동일하게 구비되어, 상기 지지체의 하방에 결합되는 하이브리드 태양광 확산체와; 상기 지지체의 하면에 결합되는 반사 시트를; 포함하여 이루어지는 태양광 조명 장치에 관한 것이다.
자연광으로서 태양광을 일정 크기 이하로 집속한 다음에 이를 조명 공간으로 전송하기 위하여 유리 재질, 또는 플라스틱 재질로 이루어지는 광섬유가 통상적으로 사용된다. 광섬유는 코어와 상기 코어보다 굴절율이 낮은 매질로 이루어지는 클래드로 구성되며, 일단부로 입사되는 태양광은 코어와 클래드의 경계면에서 전반사된 다음에 타단부를 통해 조명 공간으로 출사된다. 태양광을 조명으로 이용하는 장치에 있어 상당한 고가임에도 불구하고 광 전송 수단으로 광섬유를 사용하는 주된 이유는 전송 과정에서 광손실을 최소화할 수 있기 때문이다.
그러나, 광섬유가 광 전송 과정에서의 광손실을 최소로 하는 장점이 있는 반면에, 전반사를 이용하는 광섬유의 특성상 수광 각도가 일정 크기 이하로 제한되는 단점이 있다. 광섬유 일단부로 입사하는 태양광에 대한 수광 가능 각도가 제한된다는 것은 광섬유 타단부로 출사되는 태양광의 각도 역시 제한된다는 것을 의미하기 때문에, 광섬유 단부를 통해 출사되는 태양광은 조명 공간의 특정 지점으로 집중되는 문제가 있다. 광섬유의 출사광 편중 현상은 광섬유가 가지는 근원적인 문제로서 관련 업계에서는 확산 렌즈를 도입하여 이러한 문제를 해결하고자 시도하고 있는데, 대한민국 등록특허 제0401363호, 대한민국 등록실용신안 제0318554호 가 그 예이다.
전자는 렌즈를 이용하여 광섬유 단부를 통해 출사되는 태양광을 난반사시키는 구성을, 그리고 후자는 표면이 미세하게 샌딩 처리된 렌즈를 이용하여 광섬유 단부를 통해 출사되는 태양광을 확산시키는 구성을 각각 개시하고 있다. 이들에 의하면 광섬유 단부를 통해 출사되는 태양광이 렌즈에 의해 어느 정도는 확산되어 조명 공간으로 전달될 수 있을 것으로 보인다. 하지만, 이 기술들이 채용하고 있는 렌즈는 통상적인 볼록 렌즈로서(또는 볼록 렌즈의 개량형), 이러한 렌즈 구성으로는 당초 기대하는 만큼의 확산 각도를 현실적으로 구현하기 곤란하기 때문에 현실적으로 이를 해결할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
대한민국 등록실용신안 제0318554호, 대한민국 등록특허 제0401363호, 대한민국 공개특허 제2009-0042756호, 대한민국 등록특허 제0990851호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명은 광섬유 단부로부터 출사되는 태양광을 일정 각도 이상으로 확산 굴절시킬 수 있을 뿐 아니라, 광섬유 단부로부터 출사되는 태양광 중의 일부를 확산 반사시킬 수 있는 태양광 조명 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 주 조명 수단으로서 태양광을 보완할 수 있는 보조 인공 광원이 구비되는 태양광 조명 장치를 제공함에 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 광섬유에 의해 전송된 태양광을 조명으로 이용하는 장치로서, 조명 공간의 천정에 설치되는 지지체와; 상호 간에 일정 간격 이격된 상태로 상기 지지체에 관통 결합되는 복수 개의 광섬유와; 확산 판과, 상부에서 하부로 갈수록 폭이 증가하는 형상으로 이루어져 상기 확산 판에 복수 개가 일정 간격 이격되어 위치하되 상기 광섬유 단부와 일정 간격 이격되는 상단에는 태양광을 확산 굴절시키기 위한 입사홈이 형성되고 그 외주면에는 태양광을 확산 반사시키기 위한 반사면이 형성되는 확산 렌즈가 상기 광섬유의 개수와 동일하게 구비되어, 상기 지지체의 하방에 결합되는 하이브리드 태양광 확산체와; 상기 지지체의 하면에 결합되는 반사 시트를; 포함하여 이루어지는 기술적 특징이 있다.
상기 확산 렌즈는 원뿔 또는 다각뿔 형상 중에 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 확산 렌즈는 외주면이 곡면으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 확산 렌즈의 입사홈은 중앙부가 오목한 형상으로 이루어질 수 있다,
삭제
상기 지지체와 상기 하이브리드 태양광 확산체 사이의 측벽에는 측면 반사체가 구비될 수 있다.
상기 지지체에는 복수 개의 인공 광원이 일정 간격 이격되어 구비될 수 있다.
본 발명은 입사홈 및 반사면이 구비되는 태양광 확산체를 이용하고, 이에 반사 시트와 측면 반사체를 부가 이용함으로써 일정한 배광 각을 가지며 광섬유 단부로부터 출사되는 태양광이 조명 공간 전체에 균일하게 확산될 수 있도록 해준다.
또한, 본 발명은 보조 광원으로 인공 광원을 더욱 부가하는 구성을 제안함으로써 태양광과 인공 광원을 조명 수단으로 함께 운용할 수 있도록 해준다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 조명 장치의 개략적인 외관 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 태양광 조명 장치의 개략적인 단면 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 태양광 조명 장치의 개략적인 작동 구성도.
도 4a는 본 발명에 따른 하이브리드 태양광 확산체의 개략적인 일 구성도.
도 4b는 본 발명에 따른 하이브리드 태양광 확산체의 개략적인 다른 구성도.
도 4c는 본 발명에 따른 하이브리드 태양광 확산체의 개략적인 또 다른 구성도.
도 5 내지 도 7 각각은 본 발명에 따른 태양광 조명 장치의 다양한 조건에 따른 시뮬레이션 결과도.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴본다. 본 발명의 실시예를 상술함에 있어 관련 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 자명한 사항, 그리고 본 발명의 기술적 특징과 무관한 사항에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 조명 장치의 개략적인 외관 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 태양광 조명 장치의 개략적인 단면 구성도이다. 도면에 개시된 것과 같이 본 발명에 따른 태양광 조명 장치(1)는, 지지체(10)와, 광섬유(20), 그리고 하이브리드 태양광 확산체(100)라는 기본 구성을 포함하여 이루어지는 특징이 있다.
상기 지지체(10)는 태양광 조명 장치(1)를 지지하는 몸체가 되는 부분으로서 조명이 필요한 공간의 상부에 설치되는 것이 바람직하며, 이는 통상적으로 건축물의 천정에 해당할 수 있다. 상기 지지체(10)의 외면은 금속 재질 또는 수지 재질 중에 어느 하나를 이용하여 감싸는 구성으로 이루어질 수 있음은 물론이다.
상기 광섬유(20)는 미 도시된 채광 장치에 의해 획득된 자연광으로서의 태양광을 조명 공간으로 전송하는 수단으로, 상기 지지체(10)를 관통 삽입하여 지지체에 고정 결합된다. 상기 광섬유의 단부(22)는 지지체(10) 하면에서 하방으로 일정 길이만큼 돌출되어 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 광섬유는 통상적인 유리 재질의 광섬유, 또는 플라스틱 재질의 광섬유 중에 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 미설명 도면부호 30은 광섬유가 과도하게 휘어 손상되는 것을 방지하기 위한 탄성 수단으로서 통상적인 스프링이 이에 해당할 수 있다.
상기 하이브리드 태양광 확산체(100)는 광섬유의 단부(22)로부터 출사되는 태양광을 일정 각도 이상으로 확산 굴절 및 확산 반사시키기 위한 수단이다. 상기 하이브리드 태양광 확산체는 확산 렌즈(120)만으로 이루어질 수 있으며, 이와 달리 도면에 개시된 것과 같이 평판 형상의 확산 판(160)과 상기 확산 판에 복수 개의 확산 렌즈(120)가 일정 간격 이격되는 조합 구성으로 이루어질 수도 있다. 양자 경우 모두 확산 렌즈는 광섬유와 동일한 개수로 구성되는 것이 바람직하다. 하이브리드 태양광 확산체가 확산 판 및 확산 렌즈의 조합 구성으로 이루어지는 경우, 상기 확산 판과 확산 렌즈는 일체형으로 이루어질 수 있음은 물론이며, 이와 달리 별개로 구성되어 상호 결합될 수도 있다.
상기 확산 렌즈(120)는 광섬유 단부로부터 일정 각도의 배광 각으로 출사되는 태양광을 보다 넓은 각도로 확산 굴절시켜 조명 공간으로 전달하기 위하여 상부에서 하부로 갈수록 폭이 증가하는 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 예로서 원뿔 또는 다각뿔 구성의 확산 렌즈를 상정할 수 있으며, 도 4a 내지 도 4b 각각에는 사각뿔, 원뿔, 외주면이 일정한 곡면을 가지는 원뿔 구조의 확산 렌즈가 개시되어 있다. 미설명 도면부호 170, 180은 확산 판이다.
또한, 상기 각 확산 렌즈(120)의 상단에는 태양광을 확산 굴절시키기 위한 입사홈(122)이 형성되며, 경사진 외주면에는 태양광을 확산 반사시키기 위한 반사면(126)이 형성된다. 상기 입사홈(122)은 광섬유 단부(22)로부터 출사되는 태양광을 적절하게 확산 굴절시킬수만 있다면 그 형상에 특별히 제한을 두지 않으나, 광섬유 단부로부터 출사되는 태양광이 일정한 배광 각을 가짐을 고려하면 중앙부가 오목한 형상으로 이루어지는 것이 확산 굴절에 유리할 것이다. 상기 반사면(126)은 도포, 증착, 코팅과 같이 관련 업계에 널리 알려진 기술 중의 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다.
입사홈이 형성되는 확산 렌즈의 상단부는 광섬유(22) 단부로부터 일정 간격 이격된 하방에 위치하는 것이 바람직하다. 어느 정도의 간격을 둘 것인지 여부는 광섬유 단부의 직경, 확산 렌즈 상단 직경, 그리고 입사홈의 형상 및 크기 등을 종합적으로 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 상기 하이브리드 태양광 확산체는 수지 재질로 이루어지는 경우를 상정하고 있으나, 적절한 확산 굴절 기능을 담보할 수 있다면 이와 다른 재질로 이루어지더라도 무방하다.
또한, 본 발명은 상기 지지체(10)의 하면에 반사 시트(60)가 구비되는 경우와, 상기 지지체(10)와 하이브리드 태양광 확산체(100) 사이의 측벽에 측면 반사체(70)가 구비되는 경우를 배제하지 않는다. 이들 양자는 태양광 조명 장치(1)에 각기 개별적으로 구비될 수 있음은 물론, 이와 달리 동시에 함께 구비될 수도 있다. 상기 반사 시트(60) 및 측면 반사체(70) 각각은 광섬유 단부(22)로부터 출사되는 태양광 중에서 일정 각도 이상의 배광 각을 가지는 주변부 광들이 확산 렌즈(120)의 반사면(126)에 반사되면 이들 반사된 태양광들을 조명 공간으로 돌려주기 위한 구성이다.
한편, 본 발명은 상기 지지체(10)에 인공 광원(50)이 구비되는 경우도 배제하지 않는다. 인공 광원(50)이 부가되는 경우, 상기 인공 광원들은 광섬유(20)에 의해 전송되어 조명 수단으로 이용되는 태양광의 보조 광원으로 기능하는 것이 바람직하며, 광섬유(20) 사이에 일정 간격 이격되어 복수 개가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 인공 광원은 미도시된 별도의 제어수단에 의해 제어될 수 있으며, 통상적인 엘이디로 이루어질 수 있다.
이러한 구성으로 이루어지는 경우 본 발명의 작동을 도 2 및 도 3을 참조하여 살펴본다. 채광 장치(미도시)로부터 획득된 태양광이 광섬유(20)를 통해 전송되어 최종적으로 지지체(10)에 관통 결합되어 있는 광섬유 단부(22)를 통해 일정 각도의 배광 각을 형성하며 출사된다. 개시된 것과 같이, 광섬유 단부(22)로부터 출사되는 태양광 중에서 중앙부 광속의 대부분은 확산 렌즈(120)의 입사홈(122) 방향으로 집중되며, 태양광 중에서 일정 배광 각 이상을 가지는 주변부 광속은 확산 렌즈(120)의 반사면(126) 방향으로 출사된다.
입사홈(122) 방향으로 출사된 태양광의 대부분은 입사홈 면에서 굴절된 다음 확산 렌즈(120)의 내부를 투과한 다음 확산 판(160)을 거쳐 하방의 조명 공간으로 전달된다. 한편, 입사홈(122) 방향으로 출사된 태양광 중에서 일정 배광 각을 가지는 태양광 일부는 입사홈 면에서 일정 각도 이상으로 굴절되어 반사면(126)을 거쳐 조명 공간으로 전달된다. 즉, 일정한 배광 각을 가지며 광섬유 단부로부터 출사되어 입사홈 방향으로 입사되는 태양광은 확산 렌즈의 입사홈에서 당초 입사 각도보다 더 크게 확산 굴절되고, 이에 따라 입사된 태양광 중 일부는 반사면(126)을 거쳐 조명 공간으로 전달되게 되는 것이다.
일정 각도 이상의 배광 각을 가지며 출사되는 태양광(주변부 광속)은, 공기 중을 그대로 진행하거나 또는 반사면(126)에 의해 반사된 다음에 확산 판(160)을 투과하여 조명 공간으로 전달될 수 있고, 이와 달리 반사면(126)과 반사 시트(60)를 거치거나 또는 반시 시트(60) 및 측면 반사체(70)를 연거푸 거쳐 조명 공간으로 전달될 수 있다. 즉, 일정 각도 이상의 배광 각을 가지며 광섬유 단부로부터 출사되는 태양광은 여러 다양한 루트의 반사 경로로 확산되어 조명 공간으로 전달되는 것이다.
도 5 내지 도 7 각각은 확산 렌즈의 형상, 광섬유 단부로부터 확산 렌즈 상단까지의 거리, 확산 렌즈 높이 및 아랫변(또는 하단 직경) 길이 각각을 (사각뿔, 7㎜, 5㎜, 30㎜), (원뿔, 7㎜, 3㎜, 18㎜), (원뿔 곡면, 7㎜, 5㎜, 30㎜)로 구성하고, 입사 광량을 100,000루멘으로 하여 시뮬레이션을 한 결과를 보여준다. 도면에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 하이브리드 태양광 확산체를 사용하는 경우에는 광섬유 단부를 통해 일정 배광 각으로 출사되는 태양광이 상당한 정도로 확산되어 조명 공간으로 전달되고 있음을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 상술하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양하게 변경 실시될 수 있음은 물론이다.
10 : 지지체 20 : 광섬유
30 : 탄성 수단 50 : 인공 광원
60 : 반사 시트 70 : 측면 반사체
100 : 하이브리드 태양광 확산체 120 : 확산 렌즈
160 : 확산 판

Claims (7)

  1. 광섬유에 의해 전송된 태양광을 조명으로 이용하는 장치로서,
    조명 공간의 천정에 설치되는 지지체와;
    상호 간에 일정 간격 이격된 상태로 상기 지지체에 관통 결합되는 복수 개의 광섬유와;
    확산 판과, 상부에서 하부로 갈수록 폭이 증가하는 형상으로 이루어져 상기 확산 판에 복수 개가 일정 간격 이격되어 위치하되 상기 광섬유 단부와 일정 간격 이격되는 상단에는 태양광을 확산 굴절시키기 위한 입사홈이 형성되고 그 외주면에는 태양광을 확산 반사시키기 위한 반사면이 형성되는 확산 렌즈가 상기 광섬유의 개수와 동일하게 구비되어, 상기 지지체의 하방에 결합되는 하이브리드 태양광 확산체와;
    상기 지지체의 하면에 결합되는 반사 시트를;
    포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 확산 렌즈는 원뿔 또는 다각뿔 형상 중에 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 조명 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 확산 렌즈는 외주면이 곡면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 조명 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 확산 렌즈의 입사홈은 중앙부가 오목한 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 조명 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지체와 상기 하이브리드 태양광 확산체 사이의 측벽에는 측면 반사체가 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 조명 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지체에는 복수 개의 인공 광원이 일정 간격 이격되어 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 조명 장치.

  7. 삭제
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