라이트 튜브

섬네일|전반사, 중공 라이트 튜브
섬네일|전반사, 아크릴 블록

라이트 튜브(, 또는 태양광 파이프(solar pipes), 튜브형 천창(tubular skylights) 또는 선 터널(sun tunnels)으로도 알려져 있음)는 조명 목적으로 자연광 또는 인공광을 전송하거나 분배하는 구조물이며, 광 도파관의 한 예이다.

채광에 적용될 때, 튜브형 채광 장치, 선 파이프, 선 스코프 또는 채광 파이프로도 불린다. 이들은 반사면으로 빛을 가두는 중공 구조물과 전반사를 통해 빛을 가두는 투명한 고체로 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있다. 비결상 광학의 원리는 이들을 통한 빛의 흐름을 지배한다.

 종류 
섬네일|2012년 하계 올림픽 핸드볼 경기장인 코퍼 복스는 에너지 사용을 줄이기 위해 라이트 튜브를 사용한다.

 IR 라이트 튜브 
맞춤형 적외선 라이트 파이프, 중공 도파관 및 균질기를 제조하는 것은 간단하지 않다. 이는 이러한 튜브가 고도로 연마된 금 적외선 반사 코팅으로 안감 처리되어 있기 때문인데, 이 코팅은 매우 부식성이 강한 환경에서 이 튜브를 사용할 수 있을 만큼 두껍게 도금될 수 있다. 카본 블랙은 적외선 빛을 흡수하기 위해 라이트 파이프의 특정 부분에 적용될 수 있다(광자학 참조). 이것은 적외선 빛을 파이프의 특정 영역으로만 제한하기 위해 수행된다.

대부분의 라이트 파이프는 둥근 단면으로 생산되지만, 라이트 파이프는 이 기하학적 형태에만 국한되지 않는다. 정사각형 및 육각형 단면은 특수 응용 분야에 사용된다. 육각형 파이프는 가장 균질화된 유형의 적외선 빛을 생성하는 경향이 있다. 파이프는 직선일 필요는 없다. 파이프의 굽힘은 효율성에 거의 영향을 미치지 않는다.

 반사 재료를 사용한 라이트 튜브 

최초의 상업용 반사 시스템은 1850년대 런던의 폴 에밀 샤푸이스가 다양한 형태의 경사 거울 디자인을 사용하여 특허를 내고 판매했다. 샤푸이스 유한회사의 반사경은 1943년 공장이 파괴될 때까지 계속 생산되었다. 이 개념은 1986년 호주의 솔라튜브 인터내셔널에 의해 재발견되고 특허를 받았다. 이 시스템은 주거 및 상업용으로 널리 판매되었다. 다른 채광 제품들은 "선스코프", "태양광 파이프", "라이트 파이프", "라이트 튜브", "튜브형 천창" 등 다양한 일반명으로 시장에 나와 있다.

고도로 반사성이 높은 재료로 안감 처리된 튜브는 건물의 지붕이나 외벽에 위치한 입구 지점부터 시작하여 빛을 건물 내부로 유도한다. 라이트 튜브는 (예를 들어 잠망경과는 대조적으로) 이미징을 위한 것이 아니므로 이미지 왜곡은 문제가 되지 않으며 "방향성" 빛의 감소로 인해 여러 면에서 장려된다.

입구 지점은 일반적으로 가능한 한 많은 햇빛을 튜브 안으로 모으고 반사하는 기능을 하는 돔 (큐폴라)으로 구성된다. 많은 장치에는 추가적인 방향성 빛을 튜브 아래로 모으는 데 도움이 되는 방향성 "컬렉터", "반사경" 또는 심지어 프레넬 렌즈 장치도 있다.

1994년 로런스 버클리 국립연구소 (LBNL)의 창문 및 채광 그룹은 연중 다양한 태양 및 하늘 조건에서 실내 전체의 채광 분포와 휘도 기울기의 균일성을 개선하고 4.6-9.1m 거리에서 채광 조도를 높이기 위해 일련의 수평 라이트 파이프 프로토타입을 개발했다. 라이트 파이프는 기존 측광 창문이나 천창보다 깊은 곳으로 햇빛을 반사하여 비교적 작은 입구 유리를 통해 채광을 수동으로 운반하도록 설계되었다.

레이저 절단된 아크릴 패널이 햇빛을 수평 또는 수직으로 향하는 거울 파이프로 재지정하도록 배열되고, 레이저 절단 패널의 삼각형 배열을 가진 빛 확산 시스템이 빛을 방 안으로 확산하는 장치는 브리즈번의 퀸즐랜드 공과대학교에서 개발되었다. 2003년, 베로니카 가르시아 한센, 켄 영, 이안 에드먼즈는 이 개발로 극동경제리뷰 혁신상 동상을 수상했다.

빛 전송 효율은 튜브가 짧고 직선일 때 가장 크다. 길고 각이 지거나 유연한 튜브에서는 빛의 강도 일부가 손실된다. 손실을 최소화하려면 튜브 내벽의 높은 반사율이 중요하다. 제조업체들은 가시광선 범위에서 재료의 반사율이 거의 99.5%에 달한다고 주장한다.

최종 지점(사용 지점)에서는 확산기가 빛을 방 안으로 퍼뜨린다.

최초의 완전 규모 수동 수평 라이트 파이프는 텍사스 A&M 대학교 데이라이트 연구소에서 건설되었으며, 여기서 360도 회전하는 폭 6m, 깊이 10m의 방에서 연간 채광 성능이 철저히 평가되었다. 이 파이프는 99.3%의 정반사 필름으로 코팅되어 있으며, 라이트 파이프 끝에 있는 분산 요소는 87%의 가시 투과율을 가진 4.6m 길이의 확산형 방사 필름으로 구성된다. 이 라이트 파이프는 연중 7.6m에서 10m 사이의 거리에서 300에서 2,500 럭스에 이르는 일관된 조도 수준을 제공한다.

태양광 활용을 더욱 최적화하기 위해 태양의 움직임을 추적하는 태양 추적 장치를 설치하여 주변 환경의 제약이 허용하는 한 하루 종일 햇빛을 라이트 튜브로 향하게 할 수 있으며, 추가 거울이나 빛의 경로에 영향을 미치는 다른 반사 요소가 있을 수 있다. 태양 추적 장치는 밤에 달빛을 포착하도록 설정할 수 있다.

 광섬유 
광섬유는 채광에도 사용될 수 있다. 플라스틱 광섬유를 기반으로 한 태양광 조명 시스템은 2004년 오크리지 국립연구소에서 개발 중이었다. 이 시스템은 2005년 미국 테네시주 과학 에너지 박물관에 설치되었고, 같은 해 Sunlight Direct 회사에 의해 시장에 출시되었다. 그러나 이 시스템은 2009년 시장에서 철수되었다.

일반적으로 섬유의 직경이 작기 때문에 효율적인 채광 장치를 위해서는 태양을 추적하고 빛을 집중시키는 포물선 반사경이 필요하다.
빛 전달을 위한 광섬유는 코어 내에서 가능한 한 많은 빛을 전파해야 한다. 반대로 빛 분배를 위한 광섬유는 클래딩을 통해 빛의 일부가 새어나오도록 설계된다.

광섬유는 Parans Solar Lighting AB에서 판매하는 Bjork 시스템에도 사용된다. 이 시스템의 광섬유는 PMMA(폴리메틸메타크릴레이트)로 만들어졌으며 할로겐이 없는 열가소성 수지인 메골론으로 피복되어 있다. 그러나 이러한 시스템은 상당히 비싸다.

Parans 시스템은 세 부분으로 구성된다. 수집기, 광섬유 케이블, 그리고 실내로 빛을 확산시키는 조명기구. 하나 이상의 수집기는 건물 위나 건물 근처에 직사광선에 잘 노출될 수 있는 곳에 설치된다. 수집기는 알루미늄 프로파일에 렌즈가 장착되어 있고 보호용 유리로 덮여 있다. 이 렌즈들은 햇빛을 광섬유 케이블로 집중시킨다.

수집기는 모듈식으로, 필요에 따라 4, 6, 8, 12 또는 20개의 케이블이 제공된다. 각 케이블은 개별 길이를 가질 수 있다. 광섬유 케이블은 높은 수준의 광 품질과 광 강도를 유지하면서 건물 내부로 100미터(30층)의 자연광을 운반한다. 구현 사례로는 카스트룹 공항, 애리조나 대학교, 스톡홀름 대학교가 있다.

비슷한 시스템이지만 유리 광섬유를 사용하는 시스템은 이전에 일본에서 연구된 바 있다.

코닝 사는 파이브런스 빛 확산 섬유를 만든다. 파이브런스는 빛 확산 광섬유 케이블을 통해 레이저를 비춰 빛나는 빛을 내뿜는다.

광섬유는 이미징 응용 분야에서 파이버스코프에 사용된다.

 투명 중공 라이트 가이드 
프리즘 라이트 가이드는 1981년 브리티시컬럼비아 대학교의 물리학 교수인 론 화이트헤드(Lorne Whitehead)가 개발했으며, 빛의 전달 및 분배를 위한 태양광 조명에 사용되었다. 같은 원리를 기반으로 한 대형 태양광 파이프가 2001년 워싱턴 D.C.의 한 로펌 14층 건물의 좁은 안뜰에 설치되었고, 런던에도 비슷한 제안이 있었다. 베를린에도 추가 시스템이 설치되었다.

3M사는 광학 조명 필름을 기반으로 하는 시스템을 개발하고 3M 라이트 파이프를 개발했는데, 이는 길이에 따라 빛을 균일하게 분배하도록 설계된 광가이드로, 미세 프리즘을 포함하는 얇은 필름을 사용하며, 황등과 같은 인공 광원과 관련하여 판매되었다.

고체 코어를 가진 광섬유와 달리 프리즘 라이트 가이드는 공기를 통해 빛을 유도하므로 중공 라이트 가이드라고 불린다.

유럽 연합 집행위원회가 부분적으로 자금을 지원한 ARTHELIO 프로젝트는 1998년부터 2000년까지 태양광과 인공광의 적응형 혼합 시스템을 연구한 것으로, 황등, 태양 추적 장치, 그리고 빛 전달 및 분배를 위한 중공 라이트 가이드를 포함한다.

디즈니는 3차원 인쇄를 사용하여 조명 장난감의 내부 라이트 가이드를 인쇄하는 실험을 했다.

 형광 기반 시스템 
Fluorosolar와 시드니 공과대학교가 개발한 시스템에서는 평면 패널의 두 형광 폴리머 층이 단파 햇빛, 특히 자외선을 포착하여 각각 빨간색과 녹색 빛을 생성하고, 이 빛은 건물 내부로 유도된다. 거기서 빨간색과 녹색 빛은 인공 파란색 빛과 혼합되어 적외선이나 자외선 없이 백색광을 생성한다. 태양 추적 장치나 포물선 반사경과 같은 움직이는 부품 없이 빛을 모으는 이 시스템은 건물 내 어디든 빛을 전달하도록 고안되었다.  자외선을 포착함으로써 이 시스템은 밝지만 흐린 날에 특히 효과적일 수 있는데, 이는 자외선이 햇빛의 가시광선 구성 요소보다 구름에 의해 덜 감소하기 때문이다.

 특성 및 응용 
 태양광 및 하이브리드 조명 시스템 
섬네일|단순한 라이트 튜브, 집광, 전송 및 분배를 보여줌
태양광 라이트 파이프는 기존 천창 및 다른 창문과 비교하여 더 나은 단열 특성과 내부 공간에 사용할 수 있는 더 많은 유연성을 제공하지만, 외부 환경과의 시각적 접촉은 적다.

계절성 정동 장애와 관련하여, 라이트 튜브의 추가 설치는 일일 자연광 노출량을 증가시킨다는 점을 고려할 가치가 있을 수 있다. 따라서 이는 과조명 효과를 피하면서 거주자나 직원의 복지에 기여할 수 있다.

인공 조명과 비교하여 라이트 튜브는 자연광을 제공하고 에너지를 절약하는 장점이 있다. 전달되는 빛은 하루 종일 변하는데, 이것이 바람직하지 않을 경우 라이트 튜브는 하이브리드 구성에서 인공 조명과 결합될 수 있다.

일부 인공 광원은 적어도 가시광선 범위에서 햇빛과 유사한 스펙트럼을 가지고 있으며, 낮은 깜빡임을 가지고 있다. 이들의 스펙트럼은 하루 동안 자연광의 변화를 모방하도록 동적으로 변할 수 있다. 이러한 광원의 제조업체 및 판매업체는 자사 제품이 자연광과 같거나 유사한 건강 효과를 제공할 수 있다고 주장한다. 태양광 파이프의 대안으로 간주될 때, 이러한 제품은 설치 비용이 더 저렴할 수 있지만 사용 중에 에너지를 소비한다. 따라서 전체 에너지 자원 및 비용 측면에서 더 낭비적일 수 있다.

더 실용적인 측면에서, 라이트 튜브는 전기 설비나 단열이 필요 없으므로 욕실이나 수영장과 같은 실내 습한 공간에 특히 유용하다. 더 예술적인 관점에서 볼 때, 최근의 발전, 특히 투명 라이트 튜브와 관련된 발전은 건축 조명 디자인을 위한 새롭고 흥미로운 가능성을 열어준다.

 보안 애플리케이션 
선 파이프는 비교적 작은 크기와 높은 광 출력으로 인해 교도소, 경찰 유치장 및 제한된 접근이 필요한 기타 장소와 같은 보안 지향적인 상황에 이상적으로 적용된다. 좁은 직경이며 내부 보안 격자의 영향을 크게 받지 않으므로, 전기 연결이나 탈출 접근을 제공하지 않고도 구역에 주광을 제공하며, 물건이 보안 구역으로 전달되는 것을 허용하지 않는다.

 전자 기기에서 
전자 산업에서 라이트 파이프라고 불리는 이들은 전자 기기에서 빛을 유도하는 데 일반적으로 사용된다.

라이트 파이프의 구성은 미리 만들어진 길이로 잘린 막대로 구성된 간단한 형태부터 고도로 복잡한 맞춤형 성형 또는 가공된 형태까지 매우 다양하다. 라이트 파이프는 일반적으로 아크릴 또는 폴리카보네이트 광섬유, 또는 고체 투명 아크릴 또는 폴리카보네이트 폴리머로 만들어진다. 때로는 다른 투명 플라스틱이 사용되기도 한다. 조명원은 회로 기판 또는 다른 내부 위치의 발광 다이오드에서 장치 인클로저 외부의 표시 기호 또는 버튼으로 향한다.

다양한 색상의 빛은 여러 가지 방법으로 표시될 수 있다. 라이트 파이프 재료에 착색하거나, 색상 라이트 파이프 렌즈를 사용하거나, 단일 색상 LED를 사용하여 영구적인 단일 색상을 생성한다. 여러 색상은 RGB, RGBW 또는 RGBWW LED가 있는 투명 라이트 파이프를 사용하여 표시할 수 있다. 이전 디자인에서는 디스플레이 패널의 표시기에서 동일한 라이트 파이프로 두 개 이상의 개별 색상 LED를 라우팅하여 사용했다.

이러트 라이트 파이프의 구성은 매우 다양할 수 있다. 더 간단한 라이트 파이프 디자인은 직선형 원통형 막대로 만들어지거나, 원통 벽의 부드럽고 균일한 모양을 유지하면서 여러 개의 부드러운 곡선으로 구부러질 수 있다. 또는 유연한 광섬유 라이트 파이프가 사용될 수도 있다. 복잡한 디자인의 성형 또는 가공된 구성은 일반적으로 광섬유와 같이 부드러운 곡선 굽힘을 사용하거나 각진 모서리에서 반사되는 날카로운 프리즘형 접힘을 사용하는 고도로 정교한 형태를 취한다. 여러 개의 라이트 파이프가 종종 단일 플라스틱 조각으로 성형 또는 가공되어, 길고 얇은 라이트 파이프가 모두 제자리에 고정되는 단일의 견고한 구성 요소의 일부이기 때문에 장치 조립이 용이하다.

라이트 파이프 표시기는 전자 제품 제조를 더 저렴하게 만드는데, 이전 방식은 조명될 지점 바로 뒤에 작은 소켓에 작은 램프를 장착하는 것이었기 때문이다. 이는 종종 설치 및 배선에 광범위한 수작업을 필요로 했다. 라이트 파이프는 모든 조명을 단일 평면 회로 기판에 장착할 수 있도록 하지만, 조명은 필요한 곳이면 어디든 위로, 그리고 기판에서 멀리 떨어진 곳으로 향할 수 있다.

 대중문화에서 
 비디오 게임 프랜차이즈 포털은 라이트 튜브를 사용하여 애퍼처 사이언스의 지하 시설에 햇빛을 가져와 하드 라이트로 변환한다.
 신세기 에반게리온에서는 라이트 튜브가 지하 지오프론트에 햇빛을 받을 수 있도록 한다.

 같이 보기 

 애니도릭 조명
 채광 (조명)
 능동 채광
 수동 채광
 데크 프리즘
 그린 빌딩
 조명
 리터 오브 라이트 프로젝트
 과조명
 패시브 하우스
 패시브 태양열 건물 설계
 원격 천창
 프리즘 유리
 튜브리스 천창
 태양 에너지 발전, 특히 태양광 조명 및 건축에서의 태양광 설계 섹션
 제로 에너지 빌딩
 공명기

 각주 

 외부 링크 

 개요 
 Corning Fibrance Light-Diffusing Fiber
 Light Tubes on "Potsdamer Platz" are made by Heliobus AG Switzerland 
 Smart Lighting for a Smart House Study ( PowerPoint Presentation ) 
 Solar lighting and Illumination of Buildings using Light Pipes, Florida Solar Energy Center (at the University of Central Florida)
 Daylighting Using Tubular Light Guide Systems (thesis)
 an overview over light guidance – PDF, HTML
 "A Study of Performance of Light Pipes Under Cloudy and Sunny Conditions in the UK"
 Wayback Archive of; "Sunlight in a tube", World Science, 2005
 A series of technical reference information pages from the UK, referring to installation and mounting information
 "Use of prismatic films to control light distribution", K. G. Kneipp, International Lighting in Controlled Environments Workshop, T.W.Tibbitts (editor), 1994, NASA-CP-95-3309 (with an overview on the piping of light)
 Alexander Rosemann: Hohllichtleiter für Tageslichtnutzung. Pflaum Verlag, München 2002. 
 
 UK based Monodraught SunPipe (and www.sunpipe.info) with extensive technical and reference information
 UK based 
 and www.glidevail.com with extensive technical and reference information
 Using Water as a Light Tube

 햇빛 포착 및 전송에 대한 다른 접근 방식 
 the Japanese approach of "depthscraper" : a rotating mirror planned to throw sunlight deep down into a courtyard.
 Courtyard facade with heliostats in Karl-Scharnagl-Ring Street in Munich, Germany – PDF, HTML
 Heliostats in New York City, USA
 Description, among other topics, of the 3M Solar Optical Products Daylighting Panel
 Listing of patent publications within the CPC class F21S11/00 ("Lighting devices or systems using daylight"), some of which relate to light tubes, for example:
 US patent 4761716
 US patent 6502950
 US patent 6840645

분류:창 (건축)
분류:조명
분류:에너지 절약형 건축
분류:지속 가능한 건축물