재귀반사체(Retro Reflector)는 그 특별한 기능을 살려 도로 교통안전, 특수 블라인드, 광소자 resonator 등 다양한 분야에서 활용 영역이 넓어져 가고 있다. 특히 근래에는 '재귀반사구조체'를 창문의 차양 및 채광 구조물로서 도입하여 조명을 스마트화하는 경우도 제시되고 있다. 이에 본 연구는, 태양광 조절용 구조물로서, 띠구조를 1차원적으로 단순배열한 '주름판형-재귀반사체', St-RR(Strap type-Retro Reflector) 구조를 정의하고, 입사각도에 따라 그 반사광의 특성을 분석하였다. 또한, 이 특성 결과를 용이하게 파악할 수 있도록 시각화한 특성 도표를 고안하였고, 이를 이용하여 각종 태양광 조절 구조물을 보다 정량적으로 설계할 수 있음을 보였다.
재귀반사체(Retro Reflector)는 그 특별한 기능을 살려 도로 교통안전, 특수 블라인드, 광소자 resonator 등 다양한 분야에서 활용 영역이 넓어져 가고 있다. 특히 근래에는 '재귀반사구조체'를 창문의 차양 및 채광 구조물로서 도입하여 조명을 스마트화하는 경우도 제시되고 있다. 이에 본 연구는, 태양광 조절용 구조물로서, 띠구조를 1차원적으로 단순배열한 '주름판형-재귀반사체', St-RR(Strap type-Retro Reflector) 구조를 정의하고, 입사각도에 따라 그 반사광의 특성을 분석하였다. 또한, 이 특성 결과를 용이하게 파악할 수 있도록 시각화한 특성 도표를 고안하였고, 이를 이용하여 각종 태양광 조절 구조물을 보다 정량적으로 설계할 수 있음을 보였다.
Retro-reflectors have been used for a wide range of applications such as traffic safety, special blinds, optical devices, etc. We analyzed the characteristics of the reflected light of a strap retro-reflector as a function of incidence angle. It is expected that various solar control structures may ...
Retro-reflectors have been used for a wide range of applications such as traffic safety, special blinds, optical devices, etc. We analyzed the characteristics of the reflected light of a strap retro-reflector as a function of incidence angle. It is expected that various solar control structures may be designed more quantitatively using the characteristic chart we have prepared.
Retro-reflectors have been used for a wide range of applications such as traffic safety, special blinds, optical devices, etc. We analyzed the characteristics of the reflected light of a strap retro-reflector as a function of incidence angle. It is expected that various solar control structures may be designed more quantitatively using the characteristic chart we have prepared.
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문제 정의
이제 St-RR의 반사광 특성에 대한 광학적 이해와 분석을 위해, 단순한 1차원적 배열구조를 해석적 모델로 선택하여 정량화된 논의를 진행한다. 기본적인 단순 재귀반사체로서, 서로 직각배치된 긴 거울띠 주름구조가 반복되는 배열반사판의 반사특성을 재평가하고, 이 주름구조의 특성각도를 기울여 반복시키는 배열반사판의 반사특성을 확인하고자 한다. 이렇게 정량화된 반사특성은 ‘반사특성 도표’를 통하여 이해하기 용이하게 시각화되었고, ‘베네치안 블라인드’ 등의 날개 기능성 확장을 비롯한 건물의 차양/채광 구조물 설계에의 응용 가능성을 제시한다.
가설 설정
이제, ISRR은 각도 γ에 따라 양쪽 거울띠의 폭이 차이가 심해지게 되므로, 수직입사광에 대해 재귀반사 효율이 100%가 되지 않을 것이다.
제안 방법
γ가 커짐에 따라 완전 재귀효율을 갖는 광축 각도는 θ=2γ로 이동하였으며, 재귀광 및 비재귀광의 출력 효율 및 각도 영역의 변화 거동을 확인하여 그래프로 나타내고, 이를 활용하는 구조체 설계 기법을 제안하였다.
이러한 광입사각은 통상적으로 ‘광축’의 개념으로 표현되기도 하며, ‘완전재귀각도’의 방향축으로 정의한다. 또한, 거울면을 기준으로 입사각을 정의하면 혼동을 유발하게 되므로, 본 RR의 광학면과 수평면, 그리고 수직입사각을 기준으로 입사광의 각도를 정의 하자. 즉, 광학면의 수직선에서 시계 방향으로 기울어진 각을 양의 입사각 θ(Fig.
이제 St-RR의 반사광 특성에 대한 광학적 이해와 분석을 위해, 단순한 1차원적 배열구조를 해석적 모델로 선택하여 정량화된 논의를 진행한다. 기본적인 단순 재귀반사체로서, 서로 직각배치된 긴 거울띠 주름구조가 반복되는 배열반사판의 반사특성을 재평가하고, 이 주름구조의 특성각도를 기울여 반복시키는 배열반사판의 반사특성을 확인하고자 한다.
이들을 토대로 재귀반사와 비재귀반사의 영역을 구분짓는 경계선(boundary line)을 파악하고, 이 경계의 좌우에 있는 거울면의 면적(광학면에서의 길이)을 기하적으로 구하여 각 반사광의 영역 비율을 구할 수 있다. 입사각의 변화에 따라 기준선의 길이가 바뀌는 것을 고려하여 재귀 반사 길이(RR), 비재귀 반사 길이(NR), 기준선 길이(총 입사 빛의 길이, L)를 정의하여 규격화하였다. 편의상, 좌측 거울면의 길이를 1로 하고, 주어진 입사각 θ의 경우에 두 번 반사되는 재귀 영역과 한 번 반사로 출사하게 되는 비재귀 영역의 경계부를 그림에 나타내었다.
주름판형-재귀반사체(St-RR)의 단위구조 반사체의 기울임 각도 γ에 따라 재귀광/비재귀광 특성을 파악하고 그 거동을 직관화하는 특성 도표를 고안하였다.
성능/효과
(Fig. 2(a), (b)) 재귀광과 비재귀광의 효율은 단위구조체와 입사각의 간단한 기하학적인 투영 면적비를 고려하여 얻을 수 있고, 비재귀광의 각도는 상기 벡터 관계식을 이용하여 얻을 수 있다.
(Fig. 4(a) 참조) 결과적으로, 그래프를 사용하여 대칭이동 하는 분석방식은 비재귀광의 거동을 직관적으로 이해하여 활용할 수 있게 하며, 재귀광의 각도별 효율변화와 기울임에 따른 특성변화의 거동을 직관적으로 나타내주고 있다.
후속연구
[2, 8-10]블라인드의 각 날개(slat)에, 일반적인 반사면을 사용하는 경우에는 차양 응용 시에 투시성이 제한되고 반사광의 폐해가 많이 보고되고 있는 반면, St-RR을 도입하여 적절한 설계와 운용조건을 만족하는 경우에는 날개각도를 제한하지 않고도 재귀반사에 의해 직사광선을 차단할 수 있고, 차양과 채광기능을 우수하게 유지하면서도 동시에 사용자의 가시성을 높일 수 있을 것으로 기대되고 있다.[8-10] 블라인드의 각 날개에 곡면구조와 재귀반사 구조를 복합적으로 도입하여 이러한 기대를 이루어 내고자 노력하는 제품사례(제품 참고자료)도 있으나, 광학적 분석은 아직 정량적이지 못하고, 향후의 날개 설계에는 광학특성의 해석적 분석과 이해가 요구된다.[9, 10]
이렇게 정량화된 반사특성은 ‘반사특성 도표’를 통하여 이해하기 용이하게 시각화되었고, ‘베네치안 블라인드’ 등의 날개 기능성 확장을 비롯한 건물의 차양/채광 구조물 설계에의 응용 가능성을 제시한다.
이와 같이 목적에 맞는 γ를 선택하여, 실내로 비재귀광을 채광하면 천장에 위치시킨 저(低) 확산 반사면 등을 이용하여 실내 조도 개선에 도움을 주므로, 친환경적 건축기술에도 크게 기여하게 될 것으로 판단된다.
재귀반사체를 적용하는 광학구조물의 설계에 본 St-RR의 특성 도표가 널리 활용될 수 있을 것으로 기대하며, 베네치안 블라인드의 날개 설계의 경우, 채광 및 차양을 지능화하는 친환경적 블라인드 시스템의 최적 설계도 가능한 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차양 및 채광용 베네치안 블라인드의 문제점은 무엇인가?
차양 및 채광용 베네치안 블라인드는 여러 개의 날개로 이루어져 있으며, 외부의 직사광을 차단하기 위해서는 태양 고도에 따라 날개의 각도를 회전하여 단순히 가리거나 그림자를 활용하게 된다. 이때, 날개의 기울기가 증가하면서 사용자의 시야를 가려 가시율이 저하되며, 외부의 이웃 사용자에게 반사광으로 눈부심이 유발되는 등의 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하고자 날개 형상을 곡선화 하거나, 1차원적 재귀 반사체를 부분 삽입하는 방법 등으로 특정 태양 고도의 범위에서 날개를 기울이지 않은 채 차양하는 방법도 이미 제안되고 있으나, 해석적 설계기술은 아직 제안되지 않고 있다.
재귀반사란?
재귀반사(Retro reflection)는, 일반적인 단순 거울 반사와 달리, 반사광이 입사광 쪽으로 그대로 되돌아 진행하는 것이다. 서로 직각으로 놓인 거울면 구조체는, 제한된 조건에서 이런 효과를 얻을 수 있으며, 이러한 직각거울 구조를 미세하게 반복배열하여 반사면을 구성하면 다양한 용도의 재귀반사체, RR(Retro Reflector)로서 활용될 수 있다.
St-RR의 기본 단위구조은 무엇인가?
‘주름판형-재귀반사체’, St-RR의 기본 단위구조는 ‘서로 직각배치된 긴 거울띠’이다. 이를 길이방향에 수직하게 자른 단면은 Fig.
참고문헌 (12)
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