본 논문은 LED감성조명장치를 개발하여 뇌파 파장과 조명의 색온도 변화에 따른 상관관계를 뇌파실험을 통해 측정하였다. 이를 위해 장치개발을 통한 열 해석과 뇌파실험의 두 부분으로 실험을 하였다. LED감성조명장치의 모듈은 메탈 PCB에 Chip LED를 배치하여 COMSOL Multiphysics로 열 해석 결과 LED와 PCB의 경계면 온도는 약 $80^{\circ}C$이며, PCB의 바닥면까지는 약 $50^{\circ}C$까지 변화함을 검증 하였으며, 결과적으로 실 제작의 근사치에 가까운 방열설계가 가능함이 확인 및 적합한 조명기구로 판정되었으며, 뇌파측정을 위해 색온도를 $2,300^{\circ}K$, $4,000^{\circ}K$, $6,000^{\circ}K$ 세가지 조건으로 피 실험자의 기본상태(휴식, 주의력, 집중력)를 측정 하였으며 그 결과 색온도가 낮을수록 편안함과 안락함을 느낀다는 것을 검증 할 수 있었다. $4,000^{\circ}K$의 조건으로 실험을 했을 때 주의력의 지수가 약간 높아짐을 볼 수 있는데 이는 $4,000^{\circ}K$가 우뇌의 기능을 활성화 시킬 수 있는 추론이 가능하며 $6,000^{\circ}K$이상에서는 일반 형광등 아래의 색온도와 유사함으로 상태가 변화되지 않았음을 알 수 있었다.
본 논문은 LED감성조명장치를 개발하여 뇌파 파장과 조명의 색온도 변화에 따른 상관관계를 뇌파실험을 통해 측정하였다. 이를 위해 장치개발을 통한 열 해석과 뇌파실험의 두 부분으로 실험을 하였다. LED감성조명장치의 모듈은 메탈 PCB에 Chip LED를 배치하여 COMSOL Multiphysics로 열 해석 결과 LED와 PCB의 경계면 온도는 약 $80^{\circ}C$이며, PCB의 바닥면까지는 약 $50^{\circ}C$까지 변화함을 검증 하였으며, 결과적으로 실 제작의 근사치에 가까운 방열설계가 가능함이 확인 및 적합한 조명기구로 판정되었으며, 뇌파측정을 위해 색온도를 $2,300^{\circ}K$, $4,000^{\circ}K$, $6,000^{\circ}K$ 세가지 조건으로 피 실험자의 기본상태(휴식, 주의력, 집중력)를 측정 하였으며 그 결과 색온도가 낮을수록 편안함과 안락함을 느낀다는 것을 검증 할 수 있었다. $4,000^{\circ}K$의 조건으로 실험을 했을 때 주의력의 지수가 약간 높아짐을 볼 수 있는데 이는 $4,000^{\circ}K$가 우뇌의 기능을 활성화 시킬 수 있는 추론이 가능하며 $6,000^{\circ}K$이상에서는 일반 형광등 아래의 색온도와 유사함으로 상태가 변화되지 않았음을 알 수 있었다.
The purpose of this experiment is to analyze the basic status of brain. Which are consist of rest, attention and concentration, of the brain by measuring the temperature of color by changing RGB color after manufacturing LED-illumination stand. Basic status (rest, attention and concentration) of exp...
The purpose of this experiment is to analyze the basic status of brain. Which are consist of rest, attention and concentration, of the brain by measuring the temperature of color by changing RGB color after manufacturing LED-illumination stand. Basic status (rest, attention and concentration) of experimenter were measured temperature of colors having three difference temperature like as $2,300^{\circ}K$, $4,000^{\circ}K$ and $6,000^{\circ}K$. The results was shown that experimenter feels more comfortable and relaxation by decreasing the temperature of color. For example we can see the little increase of concentration index at $4,000^{\circ}K$ condition and we can estimate that right brain can be more activated at the $4,000^{\circ}K$ condition. But we can not find out any different at the $6,000^{\circ}K$ condition. Main cause of no difference from the color temperature was the similarity of color temperature under the general fluorescent lamp. And interface temperature of radiant heat design results LED and PCB was approximately 80 degrees to COMSOL Multiphysics, and changed until approximately 50 degrees until a floor plane of PCB, and verification as arranged chip LED to metal PCB, and it was possible, and a near radiant heat design was confirmed to an approximate value of, as a result, acid manufacture.
The purpose of this experiment is to analyze the basic status of brain. Which are consist of rest, attention and concentration, of the brain by measuring the temperature of color by changing RGB color after manufacturing LED-illumination stand. Basic status (rest, attention and concentration) of experimenter were measured temperature of colors having three difference temperature like as $2,300^{\circ}K$, $4,000^{\circ}K$ and $6,000^{\circ}K$. The results was shown that experimenter feels more comfortable and relaxation by decreasing the temperature of color. For example we can see the little increase of concentration index at $4,000^{\circ}K$ condition and we can estimate that right brain can be more activated at the $4,000^{\circ}K$ condition. But we can not find out any different at the $6,000^{\circ}K$ condition. Main cause of no difference from the color temperature was the similarity of color temperature under the general fluorescent lamp. And interface temperature of radiant heat design results LED and PCB was approximately 80 degrees to COMSOL Multiphysics, and changed until approximately 50 degrees until a floor plane of PCB, and verification as arranged chip LED to metal PCB, and it was possible, and a near radiant heat design was confirmed to an approximate value of, as a result, acid manufacture.
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문제 정의
특히 알루미늄 베이스 기판은 알루미늄의 특성으로 높은 열전도성과 경량성 등을 살린 고밀도 실장기판이며, 에어컨의 인버터용 기판, 통신용 전원용 기판과 산업용도면에서의 사용실적이 높다는 점에서도 파워 LED용 기판의 열 설계에 가장 적합하다고 본다[2]. 본 논문에서는 White LED를 사용하여 조명의 색온도 변화에 의한 LED감성조명장치를 개발하여 시각 인지를 통한 두뇌의 기본상태 분석을 한다. 두뇌의 기본상태분석은 모든 인간이 가지고 있는 기본적인 정신적 항상성을 뇌가 얼마나 잘 자기조절해서 만들어내는가를 분석하는 것이며, 인간은 각성상태에서 휴식, 주의력, 집중력이라는 세 가지 기본 정신 상태를 가지고 있으며, 건강한 사람은 이 세 가지 상태를 자유롭게 필요에 따라 잘 조절할 수 있다.
제안 방법
해석결과 아래의 그림 3 (a)는 LED와 PCB를 직교하는 가상의 연장선을 생성하여 그 부분의 온도변화를 확인한 것이며, (b)는 확인한 결과에 따른 온도변화를 연장선의 Arc-length 즉 좌표에 따라 온도변화를 그래프 형태로 나타낸 것이다. 그 결과 LED와 PCB의 경계면 온도는 약 80℃로 해석 되었으며 PCB의 바닥면까지는 약 50℃까지 변화하여, 뇌파 측정 실험을 하는데 적합한 조명으로 판정되어 실험을 지속하였다[7].
측정 시 외부 소음을 차단하기위해 최대한 방음 설정을 하여 측정을 하였다. 그 후 기본상태분석을 통해 휴식, 주의력, 집중력을 분석한다. 수치는 100%기준으로 하여 뇌파측정 프로그램의 1분간의 측정시간동안 피 실험자의 휴식, 주의력, 집중력 %가 상승한다.
표 3은 뇌파별 주파수 영역의 의식 상태이다. 뇌파측정 시 측정되는 주파수 영역을 통해 피 실험자의 상태를 분석한다.
본 논문에서는 LED감성조명의 색온도 2,300°K, 4,000°K, 6,000°K가 인간의 실제 생활에서 느끼는 감성적, 학습적 측면에서 영향을 미친다[3]는 점을 고려하여 색온도 2,300°K, 4,000°K, 6,000°K 순차적 변화를 통해 피 실험자의 기본상태를 통한 감성적 측면을 분석하는 LED조명의 색온도 변화에 따른 뇌의 기본상태 분석을 한다.
본 실험에서는 LED조명의 색온도 변화를 두뇌의 감성적 측면에서 기본상태 분석과 열 해석을 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 실험은 LED감성조명장치를 개발하여 RGB Color를 조정하여 색온도를 구한 후 뇌의 기본상태 분석(휴식, 주의력, 집중력)을 한다.
그러나 감성조명장치의 개발을 위해 무엇보다도 열문제가 야기된다. 열이 높아지면 모듈의 수명이 감소되며, LED소자에 손상 발생을 초래하므로 먼저 열 해석을 수행하기 위해 PCB기판의 열 설계를 진행한다. LED감성조명장치의 모듈소재로 메탈 베이스 기판은 기존의 수지기판과 세라믹 기판의 특성에 더하여 높은 열전도성, 손쉬운 가공성, 자기차폐성, 내열충격성 등 금속의 특성을 살린 기판이라고 말할 수 있다.
피 실험자는 분석하는 동안 같은 화면을 1분 동안 응시하며, 말을 하거나 움직여서는 안 되며 말을 해서도 안 된다. 측정 시 외부 소음을 차단하기위해 최대한 방음 설정을 하여 측정을 하였다. 그 후 기본상태분석을 통해 휴식, 주의력, 집중력을 분석한다.
대상 데이터
03을 통해 RGB Color의 비율을 적절히 변화시켜 얻은 색온도 값이다. 이 값을 기준으로 남성10여 명 중 뇌파측정을 통해 최적의 상태를 가진 1명을 표본으로 실험을 실시한다. 온도 25±1℃, 30분 간격으로, 측정 시간은 오후 16～18시 사이에, 물 이외에는 가급적 음식물 섭취를 금하였다.
미시적 관점에서 보면 물질 내 원자나 분자의 상호작용에 의해 열이 전달되며, 즉 원자 격자의 진동과 자유전자의 이동에 의해 인접한 분자에 에너지를 전달하는 열 유동률은 매질의 물성 값인 열전도계수 k에 좌우되며, 열전도 법칙인 Fourier’s law을 적용하였으며, Fourier’s law은 수식(1)이다.
3. 6,000°K에서는 별다른 변화를 찾아내지 못하였으며 그 원인은 일반 형광등 아래의 색온도와 유사함으로 변화되지 않았음을 예측할 수 있었다.
4. 메탈 PCB에 Chip LED를 배치하여 COMSOL Multiphysics 로 시뮬레이션을 통한 결과 LED와 PCB의 경계면 온도는 약 80℃이며, PCB의 바닥면까지는 약 50℃까지 변화한다는 것을 알 수 있었다. 메탈 PCB가 열을 낮추어 파워 LED용 기판에 가장 적합함을 확인 하였으며, 실제적으로 제작하지 않고 시뮬레이션을 통해 근접한 결과 값을 알 수 있었다.
5. 실험을 통해 LED조명의 색온도 변화를 통해 사람이 활동하는 공간에서 긍정적 효과를 확인, LED실내조명으로 활용이 가능하다.
그림 2의 Slice Plot은 모듈단면의 온도변화를 확인하는 과정이다. LED와 PCB의 경계면 온도는 약 80℃이며 PCB의 바닥면까지는 약 50℃까지 변화함을 확인하였다.
일반적으로 휴식은 20∼30%, 주의력 20∼25%, 집중력 20∼25%를 정상범위로 하며 각 지수가 30%이상을 뇌기능의 가장 이상적인 상태로 본다. 가장 이상적인 뇌 기능은 휴식, 주의력, 집중력 이 세 가지가 모두 각각 30%이상이 되고 총 90%이상을 이루었을 때 조건에 가장 적절한 반응을 보이기가 쉽다.
그림 6은 LED Lamp의 색온도를 2,300°K로 하여 1분 동안 화면을 응시하게 한 후 측정된 결과를 3회에 걸쳐 기록하였다. 그 결과 기존의 지수보다 휴식지수가 약간 향상되었음을 확인 할 수 있었으며, 이는 심리적으로 안정되었음을 나타냄으로 우리가 원하는 휴식상태의 최적화를 알 수 있었다. 그러나 주의력, 집중력 부분에서감소는 좌, 우뇌의 활성능력이 반감됐다는 것을 알 수 있었다.
그 결과 기존의 지수보다 휴식지수가 약간 향상되었음을 확인 할 수 있었으며, 이는 심리적으로 안정되었음을 나타냄으로 우리가 원하는 휴식상태의 최적화를 알 수 있었다. 그러나 주의력, 집중력 부분에서감소는 좌, 우뇌의 활성능력이 반감됐다는 것을 알 수 있었다.
메탈 PCB에 Chip LED를 배치하여 COMSOL Multiphysics 로 시뮬레이션을 통한 결과 LED와 PCB의 경계면 온도는 약 80℃이며, PCB의 바닥면까지는 약 50℃까지 변화한다는 것을 알 수 있었다. 메탈 PCB가 열을 낮추어 파워 LED용 기판에 가장 적합함을 확인 하였으며, 실제적으로 제작하지 않고 시뮬레이션을 통해 근접한 결과 값을 알 수 있었다.
색온도를 2,300°K, 4,000°K, 6,000°K 세 가지 조건으로 피 실험자의 기본상태(휴식, 주의력, 집중력)를 측정하였으며 그 결과 색온도가 낮을수록 편안함과 안락함을 느낀다는 것을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근의 조명환경은 무엇을 중시하고 있는가?
최근의 조명환경은 종래의 명시성보다는 공간의 용도나 공간 내의 재실자 행위가 고려된 쾌적성을 중시하고 있다. 조명의 쾌적성 평가는 주로 주관평가가 중심이 된 심리적 측면이 우선되었으며, 인간의 심리적 측면을 객관적으로 평가하는 방법으로 생리지표에 의해 경시적인 변화 또한 객관적으로 측정하려는 연구가 많이 진행되고 있다[1].
감성조명장치의 열문제는 어떠한 영향을 끼치는가?
그러나 감성조명장치의 개발을 위해 무엇보다도 열문제가 야기된다. 열이 높아지면 모듈의 수명이 감소되며, LED소자에 손상 발생을 초래하므로 먼저 열 해석을 수행하기 위해 PCB기판의 열 설계를 진행한다. LED감성조명장치의 모듈소재로 메탈 베이스 기판은 기존의 수지기판과 세라믹 기판의 특성에 더하여 높은 열전도성, 손쉬운 가공성, 자기차폐성, 내열충격성 등 금속의 특성을 살린 기판이라고 말할 수 있다.
감성조명장치의 개발을 위해 어떠한 문제가 야기되는가?
그러나 감성조명장치의 개발을 위해 무엇보다도 열문제가 야기된다. 열이 높아지면 모듈의 수명이 감소되며, LED소자에 손상 발생을 초래하므로 먼저 열 해석을 수행하기 위해 PCB기판의 열 설계를 진행한다.
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