KR20120067769A - 집광 플레이트 및 이를 이용한 조명 시스템 - Google Patents

Abstract

집광 플레이트 및 이를 이용한 조명 시스템이 개시된다. 보다 상세하게는 본 발명은 적어도 하나 이상으로 구비되는 광원과, 광원에서 방사되는 광을 확산시키기 위한 확산 플레이트 및 확산 플레이트를 통해 확산된 광을 집광시켜 방출하기 위한 집광 플레이트를 포함하여 광원에서 방사되는 광을 집광하여 방출하되 상기 광의 방출 경로를 조절하기 위해 집광 플레이트의 양면 또는 일면에 볼록하게 형성되는 마이크로 렌즈 어레이를 형성한 것을 특징으로 하는 조명 시스템에 관한 것이다.

Description

집광 플레이트 및 이를 이용한 조명 시스템{Light Collecting Plate and Illumination System using The same}

본 발명은 집광 플레이트 및 이를 이용한 조명 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은, 광원에 발광된 광의 조도를 향상 시키고 시야각을 조절하여 측면 눈부심 현상을 완화시킬 수 있는 집광 플레이트 및 조명 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 점광원 특히 LED의 경우는 발광되는 광의 방사각이 매우 크기 때문에 광범위한 영역을 조사하는 역할 또는 가까운 거리를 조명하는 역할에 주로 사용된다. 즉, LED를 이용하여 원거리의 국부적인 영역을 조사하는 경우 효율적으로 광을 사용하지 못하는 문제가 있었다.

이에 종래의 조명 시스템에서 점광원(LED)등을 이용하는 경우 다수의 LED에서 발광되는 광을 확산시키기 위해 LED에서 발광되는 광의 방출경로에 확산 플레이트 또는 확산 플레이트와 보조 확산시트를 사용하였다. 그러나, 이러한 종래의 조명 시스템에서는 확산 플레이트 및 보조 확산시트로 인해 LED에서 방출된 광이 분산되어 조도 저하 및 넓은 시야각으로 인한 측면 눈부심 현상이 발생되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명에서는 점광원(LED)을 사용하는 조명 시스템에서 발생하는 상술한 문제점으로부터 착안하여 조도 향상 및 시야각 조절이 가능한 집광 플레이트 및 이를 이용한 조명 시스템을 제안하고자 한다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 관점으로부터 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 점광원(LED)을 사용하는 조명 시스템에서 발생하는 조도 저하 및 넓은 시야각으로 인한 측면 눈부심 현상을 방지할 수 있는 집광 플레이트 및 조명 시스템을 제공함에 있다.

상술한 기술적 과제와 관련하여, 본 발명에서는 광원에서 방사되는 광을 집광하여 방출하기 위해 광의 방출 경로를 조절하는 마이크로 렌즈 어레이가 구비된 집광 플레이트 및 이러한 집광 플레이트를 사용하는 조명 시스템에 대한 설명이 개시된다.

그러나, 본 발명의 기술적 과제는 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 집광 플레이트는 광원에서 방사되는 광을 집광하여 방출하기 위한 집광 플레이트로서, 상기 광의 방출 경로를 조절하기 위해 적어도 하나 이상의 렌즈가 상기 집광 플레이트의 일면 또는 양면에 형성된다.

여기서, 상기 렌즈는 상기 집광 플레이트의 일면 또는 양면에 볼록하게 형성되는 것이 좋다. 즉, 여기의 렌즈는 볼록렌즈와 유사한 형상으로 형성되어 확산된 상태로 진입하는 광을 집광하여 출력할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 렌즈는 미세한 크기를 갖는 마이크로 사이즈 렌즈의 배열로 형성되는 마이크로 렌즈 어레이(MLA, Micro Lens Array)인 것이 더욱 바람직하다.

나아가, 상기 렌즈는 상기 집광 플레이트의 면을 기준으로 한 높이(H)와 상기 렌즈의 직경(D)의 비율(H/D)을 0.4 ~ 0.8로 하는 것이 좋다.

한편, 상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 조명 시스템은, 적어도 하나 이상으로 구비되는 광원과, 상기 광원에서 방사되는 광을 확산시키기 위한 확산 플레이트 및 상기 확산 플레이트를 통해 확산된 광을 집광시켜 방출하기 위한 집광 플레이트를 포함한다.

여기서, 상기 집광 플레이트는 상기 광원에서 방사되는 광을 집광하여 방출하되 상기 광의 방출 경로를 조절하기 위해 적어도 하나 이상의 렌즈를 상기 집광 플레이트의 일면 또는 양면에 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 조명 시스템 및 집광 플레이트에 지칭된 광원은 발광다이오드(LED, Light Emitting Diode)를 가정한 것일 수 있음에 유의하여야 한다.

본 명세서의 기재사항으로부터 파악되는 본 발명에 따른 집광 플레이트 및 이를 이용한 조명 시스템에 의하면, LED와 같은 점광원에서 발광되는 광을 집광하여 출력할 수 있기 때문에 종래의 문제점으로 지적되었던 조도 저하의 문제. 넓은 시야각에 의한 측면 눈부심 문제를 유발하지 않는다.

또한 본 발명에 따르면, 점광원에서 발광된 광의 방출 경로를 집광 플레이트에 구비되는 렌즈에 의해 제어함이 가능하기 때문에 사용자가 심리적 불쾌감을 느끼지 않는 범위로 광의 조도를 조절할 수 있다.

도 1은 종래의 조명 시스템에 관한 설명을 위해 도시한 도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 집광 플레이트를 도시한 도,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 조명 시스템을 도시한 도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 여기의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소에 바로 연결될 수도 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있음을 의미한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

본 발명에 대한 설명 전에 종래의 조명 시스템에 대한 설명을 개시한다.

도 1은 종래의 조명 시스템에 관한 설명을 위해 도시한 도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 조명 시스템(100)은 (a) 확산 플레이트(110)만 포함하는 경우와 (b) 확산 플레이트(110)와 보조 확산시트(120)를 포함하는 경우로 나뉜다. 즉, 종래의 조명 시스템(100)은 다수의 LED(10)가 배치되고 LED(10)에서 방사되는 광의 진행경로에 확산 플레이트(110) 또는 확산 플레이트(110)와 보조 확산시트(120)가 배치된 구조이다.

확산 플레이트(110)는 그 내부에 규칙적 또는 불규칙적으로 분포된 복수의 확산 비드(미도시)를 포함하고 있어 LED(10)로부터 입사되는 광을 확산시킨다. 보조 확산시트(120)는 확산 플레이트(110)의 상부면에 부착되는 시트로서 확산 플레이트(110)에서 확산된 광을 더욱 고르게 확산시키기 위해 구비되는 것으로 확산 플레이트(110)와 대별되는 기능은 없다.

이와 같이, 종래의 조명 시스템(100)은 비교적 방사각이 넓은 LED(10)에 의해 방사된 광을 확산 플레이트(110), 또는 확산 플레이트(110) 및 보조 확산시트(120)에 의해 더욱 확산하여 조명하므로 상술한 바와 같이 조도가 저하되고 넓은 시야각을 형성하여 조명 시스템(100)의 측면에서 관측 시 눈부심을 유발한다.

이하에서는 종래의 조명 시스템(100)이 갖는 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명에 따른 집광 플레이트 및 조명 시스템에 대한 설명을 개시한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 집광 플레이트를 도시한 도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 집광 플레이트(200)는 렌즈(220)를 포함한다. 이하의 설명에서는 설명의 편의를 위해 집광 플레이트(200)의 평탄한 면을 베이스 플레이트(210)로 지칭하여 설명하기로 한다.

도 2에서는 렌즈(220)는 베이스 플레이트(210)의 상부면에 형성된 것이 도시되었으나, 렌즈(220)를 베이스 플레이트(210)의 하부면 또는 양면에 같이 형성하는 것도 가능함은 물론이다. 베이스 플레이트(210)은 폴리카보네이트계 소재를 사용하며, 렌즈(220)는 아크릴계 수지 소재로 굴절율 1.45~1.65 범위 이내인 것이 바람직하나, 광원으로부터 방사되는 광이 투과될 수 있는 소재이면 소재의 제한을 받지 않고 제작될 수 있다. 렌즈(220)는 광원(LED)의 특성상 방사각이 커서 최종적으로 넓은 시야각을 형성시킴을 방지하기 위해 베이스 플레이트(210)에 구비된다. 즉, 렌즈(220)는 볼록한 형상으로 형성되어 광원에서 방사되는 광의 광경로를 포커싱하여 출력한다. 렌즈(220)의 볼록한 형상은 집광 플레이트(200)의 면, 즉 베이스 플레이트(210)을 기준으로 한 높이(H)와 하나의 렌즈(220)의 직경(D)을 비율(H/D)을 0.4 내지 0.8이 되도록 형성하는 것이 바람직하며, 렌즈(220)의 직경은 30μm~80μm 이내로 제작되는 것이 바람직하다. 집광 플레이트(200)를 단면에서 관찰할 때, H/D=0.5인 경우는 완전한 반원의 형상이며, 0.5<H/D≤1인 경우는 베이스 플레이트(210)의 수직방향으로 뽀족하게 돌출된 타원 형상, H/D<0,5인 경우는 베이스 플레이트(21)의 수직방향으로 완만하게 돌출된 타원 형상이 된다. 0.5<H/D≤1인 경우에는 베이스 플레이트(210)를 통과한 광을 강하게 포커싱하게 되어 점점 좁아지는 광경로를 형성하고, H/D<0,5인 경우에는 광을 포커싱하는 정도가 다소 작아 점점 퍼지게되는 광경로를 형성한다. 따라서, 본 발명에서는 조명하고자 하는 용도를 고려하여 렌즈(220)의 형상을 다양하게 제작하여 광경로를 조절하여 최종적으로 조도 및 시야각을 조절할 수 있다. 통상의 조명 용도로 사용되는 경우에는 사용자가 심리적 안정성을 갖게 되는 조도 및 시야각을 위해 0.4≤H/D≤0.8 사이에서 H/D를 결정한다.

또한, 집광 플레이트(200)의 렌즈(220)는 마이크로 사이즈의 렌즈를 복수개로 규칙적 또는 불규칙적으로 배열하여 형성되는 마이크로 렌즈 어레이(MLA, Micro Lens Array)인 것이 바람직하다. 여기서 상기 마이크로 렌즈 어레이는 집광 플레이트(200)의 면적에 대한 상기 렌즈(220)의 밀도 비율이 65%~90% 가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 광원(LED)에서 방사되는 광을 사용자 측으로 출력하기 위해 일종의 필터 역할을 하는 집광 플레이트(200)의 렌즈(220)를 미세한 구조의 마이크로 렌즈 어레이로 형성하게 되면 광을 고르게 출력할 수 있어 고품질의 조명을 실현할 수 있다. 경우에 따라서는 마이크로 렌즈 어레이를 형성함에 있어 렌즈(220)간의 간격을 규칙적으로 형성하여 집광 플레이트(200)의 전체 면에서 고르게 광을 방사할 수 있게 하거나, 마이크로 렌즈(220)간의 간격을 불규칙적으로 형성하여 집광 플레이트(200)의 특정 부분에서는 광을 은은하게(낮은 조도) 다른 부분에서는 광을 집중적으로(높은 조도) 방사하는 것도 가능하다. 물론 마이크로 렌즈(220)간의 간격을 규칙적으로 하는 경우에도 상술한 H/D를 조절하는 것에 의해 집광 플레이트의 전체 면 중 특정부분에서의 조도를 높일 수도 있고 다른 부분에서 조도를 낮추는 것도 가능하다. 상술한 마이크로 렌즈 어레이가 형성된 집광 플레이트(200)의 제작은 임프린팅(imprinting)공법 또는 스탬핑(stamping)공법으로 제작하는 것이 가능하다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 조명 시스템을 도시한 도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 조명 시스템(300)은 광원(10), 확산 플레이트(110) 및 집광 플레이트(200)를 포함한다. 광원(10)은 다양한 종류의 광원이 사용될 수 있으나 일 실시예에서는 LED(10)로 구비된다. 확산 플레이트(110)는 LED(10)에서 방사되는 광을 수용하여 광의 진행방향으로 방사하되 광원(10)과 광원(10) 사이의 이격 공간에 따른 광의 공백을 보상하기 위해 광을 확산시키는 기능을 한다. 확산 플레이트(110)는 도면상 미도시 하였으나 그 내부에 확산 비드를 규칙적 또는 불규칙적으로 함유하여 확산 플레이트(110)에서 출력되는 광의 경로를 분기시킨다.

집광 플레이트(200)는 확산 플레이트(110)의 상부면에 부착되어 확산 플레이트(110)에 의해 분산된 광을 집광하여 사용자 측으로 출력한다. 집광 플레이트(220)에 대한 상세한 설명은 도 2를 통해 상술한 바 있으므로 여기서는 별도의 설명을 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 조명 시스템이 조명 시스템을 사용하는 사용자 또는 조명 시스템이 적용된 실내의 재실자에게 불쾌감을 주는 정도를 정량적으로 평가한 결과를 소개하기로 한다.

최근 들어, 유럽 및 미국 등에서 실내 조명을 사용하는 재실자의 쾌적성을 추구하는 경향이 대두되면서 점광원을 이용한 조명에 대하여 눈부심 등으로 인한 불쾌감에 대한 평가 및 이를 규제하기 위한 표준화 VCP(Visual Comfort Probability)법, UGR, DGI(Daylight Glare Index), 휘도 규제법 등이 발표되어 통용되고 있다. 특히, 국외의 경우 대표적으로 UGR(Unified Glare Rating)이 사용되는데, UGR 평가법은 CIE(International Commission on Illumination, 국제 조명 위원회)가 1995년 불쾌글레어의 국제표준화를 위해 제정한 평가법으로 광원을 사람의 눈으로 바라보았을 때 불쾌감을 느끼는 정도를 정량화하여 평가한 값이다.

_여기의 UGR 평가법의 평가식은 하기의 [수학식 1]로 정의된다.

상기 [수학식 1]을 이용하여 산출된 값은 하기의 [표 1]과 같이 7단계의 평가 척도로 나타낸다.

Rating	UGR값
참을 수 없는 (Just Intolerable)	31
불편한 (Uncomfortable)	28
단지 불편한 (Just Uncomfortable)	25
받아들일 수 없는 (Unacceptable)	22
받아들일 만한 (Just Acceptable)	19
감지할 수 있는 (Perceptible)	16
감지할 수 없는 (Imperceptible)	10

상술한 UGR 평가법에 따르면, 조명 시스템에서는 모든 측정 위치에서의 UGR 값이 19이하를 갖는 경우에 사용자에게 불쾌감을 유발하지 않는 조명 시스템으로 평가된다.

종래의 조명 시스템에서는 UGR값이 평균 22.3 이상으로 나타나 재실자의 불쾌감을 유발하는 것으로 측정되었으나, 본 발명에 따른 조명 시스템에서는 마이크로 렌즈 어레이를 갖는 집광 플레이트를 사용하여 조도 향상 및 시야각 조절을 통해 UGR값이 평균 16.6으로 측정되도록 할 수 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 조명 시스템은 재실자의 불쾌감을 충분히 완화시킬 수 있는 것으로 확인되었다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 사상적 범주에 속한다.

10 : 발광다이오드(LED) 110 : 확산 플레이트
200 : 집광 플레이트 210 : 베이스 플레이트
220 : 렌즈 300 : 조명 시스템

Claims (22)

1. 광원에서 방사되는 광을 집광하여 방출하기 위한 집광 플레이트로서, 상기 광의 방출 경로를 조절하기 위해 적어도 하나 이상의 렌즈를 상기 집광 플레이트의 일면 또는 양면에 형성한 것을 특징으로 하는 집광 플레이트.
2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈는
   상기 집광 플레이트의 일면 또는 양면에 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하는 집광 플레이트.
3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 렌즈는
   마이크로 사이즈 렌즈의 배열에 의한 마이크로 렌즈 어레이(MLA, Micro Lens Array)로 형성하는 것임을 특징으로 하는 집광 플레이트.
4. 제3항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는
   상기 집광 플레이트의 면적에 대한 상기 렌즈의 밀도 비율을 65%~90% 로 하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 집광 플레이트.
5. 제1항에 있어서, 상기 렌즈는
   상기 집광 플레이트의 면을 기준으로 한 높이(H)와 상기 렌즈의 직경(D)의 비율(H/D)을 0.4 ~ 0.8로 하는 것을 특징으로 하는 집광 플레이트.
6. 제1항에 있어서, 상기 렌즈는
   직경을 30μm~80μm 범위로 하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 집광 플레이트.
7. 제1항에 있어서, 상기 집광 플레이트는
   폴리카보네이트계 수지의 소재 및 렌즈는 아크릴계 수지로 굴절율이 1.45~1.65하는 것을 특징으로 하는 집광 플레이트.
8. 적어도 하나 이상으로 구비되는 광원;
   상기 광원에서 방사되는 광을 확산시키기 위한 확산 플레이트; 및
   상기 확산 플레이트를 통해 확산된 광을 집광시켜 방출하기 위한 집광 플레이트를 포함하는 조명 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 집광 플레이트는
   상기 광원에서 방사되는 광을 집광하여 방출하되 상기 광의 방출 경로를 조절하기 위해 적어도 하나 이상의 렌즈를 상기 집광 플레이트의 일면 또는 양면에 형성한 것임을 특징으로 하는 조명 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 렌즈는
    상기 집광 플레이트의 일면 또는 양면에 볼록하게 형성되는 마이크로 사이즈 렌즈의 배열에 의한 마이크로 렌즈 어레이(MLA, Micro Lens Array)인 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
11. 제9항에 있어서, 상기 렌즈는
    상기 집광 플레이트의 면을 기준으로 한 높이(H)와 상기 렌즈의 직경(D)의 비율(H/D)을 0.4 ~ 0.8로 하는 것을 특징으로 하는 집광 플레이트.
12. 제9항에 있어서, 상기 렌즈는
    직경을 30μm~80μm 범위로 하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 집광 플레이트.
13. 제8항에 있어서, 상기 집광 플레이트는
    폴리카보네이트계 수지의 소재 및 렌즈는 아크릴계 수지로 굴절율이 1.45~1.65하는 것을 특징으로 하는 집광 플레이트.
14. 제10항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는
    상기 집광 플레이트의 면적에 대한 상기 렌즈의 밀도 비율을 65%~90% 로 하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 집광 플레이트.
15. 적어도 하나 이상으로 구비되는 광원;
    상기 광원에서 방사되는 광을 집광시켜 방출하기 위한 집광 플레이트를 포함하는 조명 시스템.
16. 제15항에 있어서, 상기 집광 플레이트는
    상기 광원에서 방사되는 광을 집광하여 방출하되 상기 광의 방출 경로를 조절하기 위해 적어도 하나 이상의 렌즈를 상기 집광 플레이트의 일면 또는 양면에 형성한 것임을 특징으로 하는 조명 시스템.
17. 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 렌즈는
    상기 집광 플레이트의 일면 또는 양면에 볼록하게 형성되는 마이크로 사이즈 렌즈의 배열에 의한 마이크로 렌즈 어레이(MLA, Micro Lens Array)인 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
18. 제16항에 있어서, 상기 렌즈는
    상기 집광 플레이트의 면을 기준으로 한 높이(H)와 상기 렌즈의 직경(D)의 비율(H/D)을 0.4 ~ 0.8로 하는 것을 특징으로 하는 집광 플레이트.
19. 제16항에 있어서, 상기 렌즈는
    직경을 30μm~80μm 범위로 하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 집광 플레이트.
20. 제15항에 있어서, 상기 집광 플레이트는
    폴리카보네이트계 수지의 소재 및 렌즈는 아크릴계 수지로 굴절율이 1.45~1.65하는 것을 특징으로 하는 집광 플레이트.
21. 제17항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는
    상기 집광 플레이트의 면적에 대한 상기 렌즈의 밀도 비율을 65%~90% 로 하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 집광 플레이트.
22. 제8항 또는 제15항에 있어서, 상기 광원은
    발광다이오드(LED, Light Emitting Diode)인 것을 특징으로 하는 집광 플레이트.

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