KR20110008522A - 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LED를 가로등에 적용하여 도로에 조명하는 경우 운전자의 피로도 감소와 안전을 위한 눈부심 방지, 조명 대상 지역의 지정, 지정된 조명 대상 지역의 균등조명을 하기 위해 LED를 배치하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법은 도로에 하나의 가로등으로 조명하고자 하는 지역을 직사각형으로 구획하고, 상기 직사각형 조명지역의 꼭짓점에 가로등을 설치하되,

상기 가로등의 상부에 설치되는 각도조정이 가능한 곡선판 또는 평판에 다수의 엘이디를 서로 다른 각도(가로등과 엘이디 조명이 향하는 점 사이의 각도)로 조명하도록 종횡의 매트릭스 형태로 배치하는 것을 특징으로 한다.

엘이디 가로등, 균등조명, 배치방법, 각도조정 곡선판

Description

엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법 {Arranging Method of LED for Uniform Luminance of LED Street Lamp}

본 발명은 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LED를 가로등에 적용하여 도로에 조명하는 경우 운전자의 피로도 감소와 안전을 위한 눈부심 방지, 조명 대상 지역의 지정, 지정된 조명 대상 지역의 균등조명을 하기 위해 LED를 배치하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 도로에는 많은 가로등이 설치되는데, 종래 가로등에는 할로겐 램프, 수은 램프 및 메탈할라이드 램프, 및 나트륨 램프 등이 사용되어 왔으나, 상기 램프들은 램프의 종류에 따라 소비 전력의 차이를 보이기는 하나, 발광 효율과 대비하여 상당히 많은 전력을 소비한다.

따라서, 상기한 램프들을 가로등에 적용하여 사용하는 경우, 불필요한 전력소모가 가중되는 문제점이 갖는다.

또한, 상기한 램프들은 일체화된 전자 안정기에 의해서 점등됨으로써, 전자 안정기가 노후화되어 불안전 동작을 하게 되거나, 또는 램프의 수명이 다할 경우에 일체화된 전자 안정기와 램프를 동시에 교체해 주어야 하는 문제점이 갖는다.

따라서, 상기한 램프의 사용에 따른 전력 소비의 문제점을 해결하고 램프 수명의 연장 및 램프의 교체를 간단하게 하기 위한 방안으로서, 가로등에 엘이디(LED; light emitting diode)를 적용하기 위한 노력들이 계속되어 왔다.

상기 엘이디는 종래의 램프들에 비해 소형이고, 수명은 길며, 전기에너지가 빛 에너지로 집적 변환하기 때문에 전력이 적게 들고 효율이 좋다.

한편, 가로등의 경우 도로관계법령상 여러 가지 조건을 충족하여야 한다.

예를 들어 일정한 범위의 조사영역에 균일한 조도로 조명하여야 하고, 가로등이 조사하고자 하는 대상범위 이외의 영역에는 사람이나 농작물에 장애가 되지 않도록 빛이 차단되어야 한다.

예컨대 도로면에 인접한 농작물에 가로등 불빛이 조명되는 경우 농작물의 생육에 지장을 주게 된다.

또한, 가로등의 불빛이 직접 운전자에게 직사되는 경우 눈부심에 의해 운전을 방해하기도 하고, 특히 도로의 밝기가 가로등에서 멀어짐에 따라 어두워져 수많은 가로등이 설치된 도로를 운전하는 경우 운전자가 눈으로 느끼는 빛의 세기가 계속 변하여 운전자의 눈이 쉽게 피로해지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가로등으로 조명하고자 하는 도로의 지역에만 균등하게 조명하도록 엘이디를 배치함으로써 조명에 사용되는 에너지의 효율을 높일 뿐 아니라 균등 조명에 의해 운전자의 피로감을 줄여 안전 운전이 가능하게 하며, 조명 지역 이외에는 조명이 되지 않게 하여 가로등 주변 농작물의 피해를 최소화할 수 있는 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법은 도로에 하나의 가로등으로 조명하고자 하는 지역을 직사각형으로 구획하고, 상기 직사각형 조명지역의 꼭짓점에 가로등을 설치하되,

상기 가로등의 상부에 설치되는 각도조정이 가능한 곡선판 또는 평판에 다수의 엘이디를 서로 다른 각도(가로등과 엘이디 조명이 향하는 점 사이의 각도)로 조명하도록 종횡의 매트릭스 형태로 배치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법은도로에 하나의 가로등으로 조명하고자 하는 지역이 곡선일 경우 해당 곡선에 맞게 곡선형으로 구획하고, 상기 곡선형 조명지역의 꼭짓점에 가로등을 설치하되,

상기 가로등의 상부에 설치되는 각도조정이 가능한 곡선판 또는 평판에 다수의 엘이디를 서로 다른 각도(가로등과 엘이디 조명이 향하는 점 사이의 각도)로 조 명하도록 종횡의 매트릭스 형태로 배치하는 것을 특징으로 한다.

상술한 과제 해결 수단에 의하면, 조명하고자 하는 도로의 지역에만 균등하게 조명하도록 엘이디를 배치함으로써 조명에 사용되는 에너지의 효율을 높일 뿐 아니라 균등 조명에 의해 운전자의 피로감을 줄여 안전 운전이 가능하게 하며, 조명 지역 이외에는 조명이 되지 않게 하여 가로등 주변 농작물의 피해를 최소화할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 엘이디 배치에 따른 수평거리 및 수직거리의 조사각도를 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이 도로(1)에 조명하고자 하는 지역 즉 조명지역(3)을 정하고 이 조명지역을 균등하게 조명하기 위해, 직선인 도로(1)에서 조명지역(3)이 직사각형으로 정해지고 이 직사각형의 꼭짓점에 가로등(2)이 설치되되, 가로등(2)의 상부에 다수의 엘이디(5)가 종횡의 매트릭스 형태로 배치되는 각도조정 곡선판 또는 평판(4)이 설치된다.

상기 각도조정 곡선판 또는 평판(4)은 임의의 방향으로 휘어짐이 가능하여 각도조정 곡선판 또는 평판(4)에 배치되는 엘이디(5)의 각도(θ)를 임의로 조정할 수 있다.

여기서 h는 가로등(2)의 높이, δ는 가로등 엘이디(5)와 조광중심점 사이의 각도, θ는 가로등(2)과 엘이디(5) 조명이 향하는 점 사이의 각도, x_i는 x축 i번째 점의 x좌표(수평거리), y_i는 y축 j번째 점의 y좌표(수직거리), AOV는 엘이디(5)의 조명이 퍼져나가는 조명각도라 한다.

도 2는 본 발명의 엘이디 배치에 따른 특정 지점의 조도 계산을 설명하기 위한 도면으로서, 임의의 지점인 (i,j)의 엘이디(n,m)에서의 빛의 세기는 I_{i ,j,n,m}이고, (i,j)의 빛의 총 세기는 I_{i ,j}로 가정한다.

도 3은 본 발명에 따른 엘이디의 조명각(AOV)과 수직조도와의 관계를 나타내는 그래프로서, 엘이디(5)의 조명이 그래프와 같이 퍼져나가면서, 조명각이 좁을수록 수직조도 즉, 도로에 수직인 방향으로 반사되는 빛의 세기는 커지고(밝아지고), 조명각이 넓어질수록 수직조도가 어두워짐을 알 수 있다.

여기서

광원에서부터 (i,j)까지의 벡터이고,

엘이디(i,j)로부터 엘이디가 향하는 지점까지의 벡터라고 한다.

빛의 세기는 거리의 제곱에 반비례하므로 거리가 h인 지점, 즉 가로등(2) 바로 아래의 빛의 세기를 I₀라고 놓으면

이다.

또한, 엘이디(5)의 빛의 퍼지는 모양은 도 3의 그래프와 같으므로, 이를 구현하기 위하여 빛의 세기는

에도 비례하게 된다.

또한, 조도가 수직조도이므로 cosθ에 비례하게 된다.

따라서 x,y 좌표가 (i,j)인 곳에서 엘이디 번호가 (n,m)인 엘이디(5)가 비추는 빛의 세기(I_{i ,j,n,m})는 아래의 수학식 1과 같이 구할 수 있다.

상기 수학식 1에서 h와 AOV는 이미 주어진 값이므로

의 값을 알면 빛의 세기를 알아낼 수 있다.

그런데

가 되고,

도 (i,j)에 엘이디가 향하는 곳의 좌표를 대입하면 똑같이 나온다.

따라서 δ는 두 벡터 사이의 각도이므로 스칼라곱(내적)을 이용하면 cosθ를 수학식 2로 구할 수 있다.

여기서

이므로, θ는 수학식 3이 된다.

이렇게 구한 값들을 이용하면 상기 수학식 1에 의해 (I_{i ,j,n,m})을 구할 수 있다.

그리고 엘이디(5)는 각도조정 곡선판 또는 평판(4)에 다수가 매트릭스 형태로 배치되므로 실제 (i,j)에 비추는 한 가로등(2)의 빛의 총 세기(조도)는

이 된다.

도 4는 본 발명의 엘이디 매트릭스 배치에 따른 균등조명의 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 가로등(2)이 직사각형 모양의 조명지역(3)의 꼭짓점에 위치한 상태에서 가로등(2)이 비추는 조명지역(3)을 소정간격의 격자로 나누고, 가로등(2) 상부의 각도조정 곡선판 또는 평판(4)에 엘이디(5)를 격자 형태와 같은 매트릭스 형태로 배치하여, 엘이디(5)가 조명지역(3)을 비추는 것을 보여준다.

이때 엘이디(5)를 θ가 수학식 3의 각도가 되도록 배치하면 조명하고자 하는 특정 지역만 지정하여 조명할 수 있고, 또한 그 조명지역을 균등한 조도로 비출 수 있다.

이하에서는 상술한 각도(θ)를 갖도록 엘이디를 매트릭스 형태로 배치한 가로등 모델을 제작하여 시뮬레이션에 의한 결과에 대해 설명한다.

시뮬레이션을 위한 입력 조건으로 직사각형(16 X 6) 모양의 조명지역에서 꼭짓점에 위치하는 가로등이 1개이고 AOV는 30도, 가로등 높이는 0, 가로등 1개가 담당하는 가로 너비는 16m, 가로등 1개가 담당하는 세로 높이는 6, 한 가로줄에 있는 LED 개수는 16, 한 세로줄에 있는 LED 개수는 6이다.

이에 따라 조명지역을 16 X 6의 격자 형태로 나누고 이에 맞도록 엘이디를 16 X 6의 매트릭스 형태로 각도조정 곡선판 또는 평판에 배치한다.

그리고 시뮬레이션 결과에 의한 출력 화면의 X좌표 크기(픽셀)는 400이고, Y좌표의 크기(픽셀)는 230이다.

도 5a 내지 도 5c는 가로등이 1개인 경우 본 발명을 적용한 시뮬레이션에 의한 도로면, 도로면의 조도 및 조도 단면도이다.

도 5a에서 가로등이 도로에 비추는 곳의 조도에 따라 빛이 들어오지 않는 어두운 곳은 검정, 빛이 들어오는 밝은 곳은 흰색으로 출력되고, 도 5b 및 도 5c에서 각 좌표의 조도가 텍스트 형태로 출력된다.

도시된 바와 같이 빛의 세기가 직사각형의 조명지역에서 조명지역의 오른쪽 가장자리를 제외하고는 조도가 대부분 균일함을 알 수 있다.

도 6a 내지 도 6c는 가로등이 2개인 경우 본 발명을 적용한 시뮬레이션에 의한 도로면, 도로면의 조도 및 조도 단면도이다.

가로등이 2개인 것을 제외하고 상기한 입력조건은 동일하며, 단 시뮬레이션 결과에 의한 출력 화면의 X좌표 크기(픽셀)는 600이다.

도시된 바와 같이 가로등이 2개인 경우에 가로등이 비추는 범위의 겹침으로 인해 약간의 변화가 생김을 볼 수 있다.

좀 더 상세히 설명하면 두 번째 가로등의 바로 아랫부분은 첫 번째 가로등이 비추는 곳이 빛의 퍼짐 현상으로 인하여 두 번째 가로등과 첫 번째 가로등의 빛이 합쳐져서 더욱 조도가 커짐을 볼 수 있고, 두 번째 가로등이 놓이기 직전의 위치는 양쪽 모두에게서 빛을 많이 받지 못해 조도가 작아짐을 볼 수 있으나, 이는 조도를 균일하게 하고자 하는 효과에 큰 영향을 미치지 않으므로 무시할 수 있다.

도 7a 내지 도 7c는 가로등이 3개인 경우 본 발명을 적용한 시뮬레이션에 의한 도로면, 도로면의 조도 및 조도 단면도이다.

가로등이 3개인 것을 제외하고 상기한 입력조건은 동일하며, 단 시뮬레이션 결과에 의한 출력 화면의 X좌표 크기(픽셀)는 800이다.

도시된 바와 같이 가로등이 3개인 경우에 첫 번째 가로등의 구역을 제외하고는 조도 그래프의 형태가 가로등 2개인 경우의 두 번째 가로등 영역과 같이 일정해짐을 알 수 있다.

이상의 실시예에서는 도로가 직선으로 이루어져 조명지역이 직사각형인 경우를 예를 들었으나, 도로가 곡선인 경우 조명지역을 해당 곡선에 맞게 곡선형으로 구획하되, 상기 곡선형 조명지역을 소정간격의 격자로 나누고 그 격자의 형태에 맞추어 엘이디를 매트릭스 형태로 배치함으로써 조명지역을 균등조명할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 엘이디 가로등에 엘이디 배치를

의 각도를 갖도록 매트릭스 형태로 배치함으로써 조명하고자 하 는 특정 지역만 조명할 수 있고, 그 조명지역을 균등한 조도로 비출 수 있다.

이에 따라 엘이디 가로등을 제작 설치하면 도로의 운전자의 눈부심을 최소화하고 운전자 피로를 감소시켜 안전 운전이 가능하게 되며, 조명하고자 하는 지역을 지정하여 그곳만 집중 조명되게 하여 조명 효율 즉 에너지 효율을 높일 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에서 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며, 이 역시 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.

도 1은 본 발명의 엘이디 배치에 따른 수평거리 및 수정거리의 조사각도를 설명하기 위한 도면,

도 2는 본 발명의 엘이디 배치에 따른 특정 지점의 조도 계산을 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 엘이디의 조명각(AOV)과 수직조도와의 관계를 나타내는 그래프,

도 4는 본 발명의 엘이디 매트릭스 배치에 따른 균등조명의 예를 설명하기 위한 도면,

도 5a 내지 도 5c는 가로등이 1개인 경우 본 발명을 적용한 시뮬레이션에 의한 도로면, 도로면의 조도 및 조도 단면도,

도 6a 내지 도 6c는 가로등이 2개인 경우 본 발명을 적용한 시뮬레이션에 의한 도로면, 도로면의 조도 및 조도 단면도,

도 7a 내지 도 7c는 가로등이 3개인 경우 본 발명을 적용한 시뮬레이션에 의한 도로면, 도로면의 조도 및 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 도로 2: 가로등

3: 조명지역 4: 각도조정 곡선판(or 평판)

5: 엘이디

Claims (5)

1. 도로에 하나의 가로등으로 조명하고자 하는 지역을 직사각형으로 구획하고, 상기 직사각형 조명지역의 꼭짓점에 가로등을 설치하되,

   상기 가로등의 상부에 설치되는 각도조정이 가능한 곡선판 또는 평판에 다수의 엘이디를 서로 다른 각도(가로등과 엘이디 조명이 향하는 점 사이의 각도(θ))로 조명하도록 종횡의 매트릭스 형태로 배치하는 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 각도(θ)는 수학식 4에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법.

   

   여기서 h는 가로등 높이, x_i는 x축 i번째 점의 x좌표(수평거리), y_i는 y축 j번째 점의 y좌표(수직거리).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 직사각형 조명지역을 소정간격의 격자로 나누고 그 격자의 형태에 맞추 어 엘이디를 매트릭스 형태로 배치하는 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법.
4. 도로에 하나의 가로등으로 조명하고자 하는 지역이 곡선일 경우 해당 곡선에 맞게 곡선형으로 구획하고, 상기 곡선형 조명지역의 꼭짓점에 가로등을 설치하되,

   상기 가로등의 상부에 설치되는 각도조정이 가능한 곡선판 또는 평판에 다수의 엘이디를 서로 다른 각도(가로등과 엘이디 조명이 향하는 점 사이의 각도)로 조명하도록 종횡의 매트릭스 형태로 배치하는 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 곡선형 조명지역을 소정간격의 격자로 나누고 그 격자의 형태에 맞추어 엘이디를 매트릭스 형태로 배치하는 것을 특징으로 하는 엘이디 가로등의 균등조명을 위한 엘이디 배치방법.

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