[논문]자연광과 LED조명색채 비교분석을 통한 가을빛 LED감성조명 색채 연구

양정순

doi:10.5207/jieie.2011.25.11.001

문제 정의

본 연구는 인간이 가장 편안함을 느끼는 자연광과 가장 유사한 LED 빛 환경을 구현하는 것을 목표로 실험 진행하였다. 또한 본 연구와 더불어 계절별 대표 LED조명색채 개발되어 태양광이 없는 지하공간 혹은 실내공간에 적용하여 LED조명의 심미적 생리적 기능을 높일 수 있는 빛환경 개발 가능성을 제시하고자한다.
또한 자연광과 LED조명의 동일한 빛을 추출하는 것은 광원의 특성이 다르므로 불가능하다. 본 실험에서는 인간의 시각 또는 감성적으로 자연광과 가장 유사한 LED감성조명 색채를 도출하는 것이 연구의 목표이다.
본 연구는 인간이 가장 편안함을 느끼는 자연광과 가장 유사한 LED 빛 환경을 구현하는 것을 목표로 실험 진행하였다. 또한 본 연구와 더불어 계절별 대표 LED조명색채 개발되어 태양광이 없는 지하공간 혹은 실내공간에 적용하여 LED조명의 심미적 생리적 기능을 높일 수 있는 빛환경 개발 가능성을 제시하고자한다.
본 연구는 자연광을 기준으로 LED감성조명 색채를 제시하여 자연광에 맞추어 진화되어 생활하는 인간에게 가장 쾌적한 LED 빛의 색채를 제시하고자 한다. 특히 가을 자연광과 LED조명 색채 비교를 통해 ‘가을빛’¹⁾ LED감성조명 색채를 도출하여 데이터베이스로 활용됨을 목적으로 한다.
자연광과 LED조명의 동일한 빛을 추출하는 것은 광원의 특성이 다르므로 불가능하다. 본 연구에서는 인간의 시각 또는 감성적으로 자연광과 가장 유사한 LED감성조명 색채를 도출하기 위한 가을빛 LED 감성 조명을 연구하였다.
색온도의 경우 자연광 CIE색도그림에서 Planckian 곡선과 시간별 같은 비율로 Planckian곡선 형태를 이루지만 도출된 LED조명의 경우 곡선에 근접해 있지만 평형을 이루는 곡선을 유지하지는 못했다. 시간대별 인공광 연출을 위해서는 Planckian곡선과 평행한 조명색 연출이 필요한 것을 이번 실험을 통해 알게 되었다.
실험을 위한 구성물은 자연광이 비춰지는 라이트박스A와 LED조명 라이트박스B, 그리고 색채전문가로 이루어진 피험자들의 측색 및 평가를 하는 공간 구조물의 세 가지이다. 자연광 라이트박스A와 LED조명 라이트박스B를 나란히 배치하여 LED와 자연광의 빛환경 변화를 암막에서 비교 평가하는 실험으로 진행된다. 피험자와 기구 사이의 거리는 1[meter]이며 피험자 주위에는 외부 빛을 차단하였다.
특히 가을 자연광과 LED조명 색채 비교를 통해 ‘가을빛’1) LED감성조명 색채를 도출하여 데이터베이스로 활용됨을 목적으로 한다.

제안 방법

2010년 10월 중 맑은날 혹은 구름이 약간 낀 날 5일을 임의 선택하여 시간별 자연광과 LED조명색채 비교분석하여 LED조명 색채 값을 설정하였다. 도출된 가을 5일간 시간대별 LED조명색채 데이터는 다음 표 3과 같다.
자연광과 가장 유사한 LED조명색채를 찾기 위해, 자연광 스펙트럼과 LED조명 스펙트럼의 비교 실험을 실시하였다. 2010년 10월의 맑은날 5일간을 임의로 지정하여 오전 7시, 오전 10시, 13시, 16시, 18시에 색채 조명전문가 3인이 자연광과 유사한 LED조명 색을 선별한 후 지식경제부에서 제시한 중급이상의 이화여자 대학교 색채디자인연구소 소속 색채 조명관련 전문가 5인이 색재현도 평가, 감성평가 및 선호도조사를 진행하여 가을빛 LED감성조명 색채를 도출하였다.
① 실험위치와 일출, 일몰시간을 확인하여 실험 가능 시간을 검토하였다.
② 각 실험시간의 하늘의 사진을 촬영하여 실험 날의 날씨와 기상상태를 기록하였다.
⑤ 도출된 RGBcWwW값의 색채로 연출된 라이트 박스B의 LED 조명과 자연광 라이트박스A와의 색구현정도를 GretagMacbeth사의 24개 칼라칩(Color Checker)을 이용하여 5인의 색채전문가들이 평가한다.
⑥ 분광휘도계 미놀타 CS1000를 이용하여 자연광 라이트박스A와 LED조명 라이트박스B의 표준 white의 색좌표(x,y) 및 색채스펙트럼을 제시하여 비교 분석한다.
⑦ 자연광 라이트박스A와 LED조명 라이트박스B의 빛을 색채전문가들의 선호도 조사 및 감성어휘 평가, 자연광 유사성 설문조사를 통해 가을 자연광 기반 LED감성조명색채를 추출하여 제시한다.
도출된 LED조명색채로 연출된 라이트박스B의 LED 조명 빛을 색채전문가들이 감성평가 및 선호도 조사, 자연광과 유사한 색상 추출 등의 설문조사를 통하여 각 시간대 가을빛 LED감성조명을 추출하였고 결과는 표 5와 같다.
둘째, 실험환경을 구축하였다. 자연광이 비춰지는 라이트 박스A 및 LED 조명이 비춰지는 라이트 박스B 설치하였다.
또한 자연광 라이트박스A는 태양의 고도에 따른 입사각의 변화로 그림자 등이 지지 않게 윗면과 옆면을 타공하여 태양의 입사각에 따른 개구부 변화를 줄 수 있도록 하였다. 라이트박스A와 라이트박스B의 경우 12T MDF에 외부는 블랙, 내부는 반사율이 86[%]인 매트 화이트 도료로 그림 6과 같이 마감하였다.
분광휘도계 미놀타 CS1000를 이용하여 자연광 라이트박스A와 LED조명 라이트박스B의 표준white의 색좌표(x,y) 및 색채스펙트럼을 제시하여 비교 분석하였다. 자연광의 분광분포 색채 스펙트럼의 경우 가시광선 범위 380∼780[nm]의 분포가 고르게 반사되고 있으나 LED조명의 경우 RGB소자의 색을 중심으로 반사율이 높은 것을 알 수 있다.
색채전문가들이 감성평가 및 선호도 조사, 자연광과 유사한 색상 추출 등의 설문조사를 통하여 각 시간대 가을빛 LED감성조명을 추출하였다.
셋째, 자연광과 LED조명의 라이트 박스 빛 색채 비교 및 LED조명색채 데이터 제시하여 가을빛 LED조명 색채값을 도출하였다.
첫째, 자연광과 LED조명색채 비교 분석을 위해 우선 가을 자연광을 분석하였다. 시간별 스펙트럼 및 분광분포와 색, 휘도를 조사 분석하였다.
우선 추출된 각 시간대의 LED조명 빛을 연출하여 분광휘도계 미놀타 CS1000를 이용하여 CIE색도그림에 x, y의 지점을 표기하였다. 시간대별 선호 조명색채(오른쪽)와 비선호 조명색채(왼쪽)를 그림 10과 같이 CIE색도그림에 표기해 보았다.
이러한 실험방법으로 자연광과 LED조명색채 비교분석을 통해 가을빛 LED감성조명색채를 도출하였다.
자연광 라이트박스A와 LED조명 라이트박스B를 설치하고 상부에 고급 조명기구에 주로 쓰이는 유백색 폴리카보네이트 디퓨져(투과율 60∼65[%])를 설치하였다. 자연광 라이트박스A는 디퓨져 위에 자연광을, LED조명 라이트박스B는 디퓨져 위에 R(red) G(green) B(blue)와 wW(warm white), cW(cool white)로 구성된 각 72개 LED패키지 삽입한 LED조명기구를 설치하였다. LED 소자는 0-255범위에서 광량을 조절 가능하다.
자연광 라이트박스A와 LED조명 라이트박스B를 설치하고 상부에 고급 조명기구에 주로 쓰이는 유백색 폴리카보네이트 디퓨져(투과율 60∼65[%])를 설치하였다.
자연광과 가장 유사한 LED조명색채를 찾기 위해, 자연광 스펙트럼과 LED조명 스펙트럼의 비교 실험을 실시하였다. 2010년 10월의 맑은날 5일간을 임의로 지정하여 오전 7시, 오전 10시, 13시, 16시, 18시에 색채 조명전문가 3인이 자연광과 유사한 LED조명 색을 선별한 후 지식경제부에서 제시한 중급이상의 이화여자 대학교 색채디자인연구소 소속 색채 조명관련 전문가 5인이 색재현도 평가, 감성평가 및 선호도조사를 진행하여 가을빛 LED감성조명 색채를 도출하였다.
첫째, 자연광과 LED조명색채 비교 분석을 위해 우선 가을 자연광을 분석하였다. 시간별 스펙트럼 및 분광분포와 색, 휘도를 조사 분석하였다.
도출된 가을 5일간 시간대별 LED조명색채 데이터는 다음 표 3과 같다. 표 3에서 도출된 LED색채 데이터값을 자연광과 LED조명색채의 이미지 비교 및 CIE의 색도그림에 따른 색좌표, 색채 스펙트럼, 분광분포의 다각적인 분석을 진행하였다. 그 분석 내용은 표 4와 같다.
표 4와 같이 도출된 RGBcWwW값의 색채로 연출된 라이트박스B의 LED 조명과 자연광 라이트박스A와의 색구현정도를 GretagMacbeth사의 24개의 칼라 칩(Color Checker)을 이용하여 8인의 색채전문가들의 평가하였다. 색채의 유사정도에 따라 5점 척도 (전혀다름 1 - 2 - 3 유사 - 4 - 5 같음)로 평가 진행하였다.
표 5와 같이 각시간대별 감성평가의 경우 감성형용사의 반응에 관한 설문조사를 진행하였다. 실험을 통해 8가지의 감성어휘 평가 항목의 완만한 그래프의 형상이 있는 경우 선호도 조사에서 좋은 점수를 획득했음을 알 수 있었다.

대상 데이터

LED 소자는 0-255범위에서 광량을 조절 가능하다. LED소자는 (주)루미마이크로 제품이고 LED조명은 (주)알에프텍에서 제작된 조명기기(LMETP553WHX-HC)이며 LED 소자와 패키지의 사양은 다음 표 2와 같다.
실험 위치는 위도 37.560400, 경도 126.944119의 서대문구 대현동 11-1번지 이화여자대학교 국제교육관 건물 앞에서 실시되었다.
실험을 위한 구성물은 자연광이 비춰지는 라이트박스A와 LED조명 라이트박스B, 그리고 색채전문가로 이루어진 피험자들의 측색 및 평가를 하는 공간 구조물의 세 가지이다. 자연광 라이트박스A와 LED조명 라이트박스B를 나란히 배치하여 LED와 자연광의 빛환경 변화를 암막에서 비교 평가하는 실험으로 진행된다.

성능/효과

2YR)과 회색계열(N)에서 색차이를 많이 느끼는 것으로 보여진다. 24개의 색채 칩 중에 2가지 칩만이 유사범위를 밖의 색에 위치에 전반적으로 도출된 가을빛 LED감성 조명 색채의 색재현 정도가 만족스러운 결과라고 판단하였다.
White계열 LED조명, 혹은 RGB만을 이용한 LED조 명보다는 본 실험과 같이 RGBcWwW의 LED조명이 LED조명색채의 질이 높아짐을 알 수 있었다. 일반 실내조명용 RGB LED조명은 색온도를 통한 조명색채 제시보다는 분광분포를 통한 색계열의 흰색, 즉 파장으로 제시하여 LED조명을 일반 실내조명 사용시 더욱 풍성한 빛 환경을 제공할 수 있을 것이라 판단하였다.
넷째, 제시된 LED조명색채를 지식경제부에서 제시한 기준에 준하는 중급이상의 색채전문가들이 색재현도 비교 및 감성 평가, 선호도 조사를 통해 가을빛 LED감성조명을 도출하였다.
실험을 통해 8가지의 감성어휘 평가 항목의 완만한 그래프의 형상이 있는 경우 선호도 조사에서 좋은 점수를 획득했음을 알 수 있었다. 또한 각 시간대별 선호 빛과 자연광과 유사 빛은 항상 일치하지 않음을 알 수 있었다.
또한 조명기구 개발시 백색광의 색온도 표시보다는 CIE색도그림 상의 색좌표에 의한 제시와 같은 조명색채 값을 제시하는 것이 구체적이고 정확한 표현이라고 판단하였다. 조명디자인 관련 전문가들의 커뮤니케이션 과정에서 명확성을 높이기 위해 LED조명 기구 회사등 개발인은 색온도 보다는 스펙트럼, 분광분포 또는 색도그림 좌표상의 색좌표 제시된다면 소통의 오류를 줄일 수 있을 것이다.
색채전문가들의 육안을 통해 5일간의 자연광과 유사한 빛환경을 설정하여 색채전문가의 24개 칼라 칩을 이용한 색재현정도 평가와 감성어휘를 통한 감성반응 평가를 토대로 선호도 조사를 한 결과 시간대별 가을빛 LED감성조명은 7시의 가을빛은 R67 G103 B127 cW0 wW0, 10시의 경우 R255 G255 B255 cW255 wW0, 13시는 R0 G179 B255 cW255 wW195, 16시는 R114 G207 B198 cW60 wW74 그리고 18시는 R0 G31 B62 cW90 wW0으로 도출되었다.
실험 과정을 통해 실내조명으로 주로 사용하는 백색광 연출시 섬세하고 풍부한 빛환경을 위해 white LED를 이용한 조명보다 RGBcWwW의 조합을 통한 연출이 효과적임을 알 수 있었다. 다양한 소자의 결합을 통한 LED조명은 자연광과 같이 폭넓은 색 범위의 빛을 구현할 수 있다.
실험과정에서 18시의 빛의 경우 예상과 달리 같은 시간 가을 하늘의 낯은 색온도의 빛이 아닌 높은 색 온도의 빛이 연출됨을 알 수 있었다. 이는 여러 가지 가능성이 있으나 태양의 고도가 낮아짐에 따라 실험 대상공간에 직접광이 아닌 주변 산과 같은 지형에 따른 빛의 각도에 따른 원인이라 판단된다.
표 5와 같이 각시간대별 감성평가의 경우 감성형용사의 반응에 관한 설문조사를 진행하였다. 실험을 통해 8가지의 감성어휘 평가 항목의 완만한 그래프의 형상이 있는 경우 선호도 조사에서 좋은 점수를 획득했음을 알 수 있었다. 또한 각 시간대별 선호 빛과 자연광과 유사 빛은 항상 일치하지 않음을 알 수 있었다.
CIE색도그림을 통해 흰색계열의 빛이라도 색의 붉은정도와 푸른정도 그리고 노란정도, 즉 색온도를 알 수 있다. 실험을 통해 Blue계열의 485[nm]의 파장대의 빛은 선호하지 않고 550[nm], 570[nm] 파장대의 빛을 선호한다는 것을 알 수 있었다.
White계열 LED조명, 혹은 RGB만을 이용한 LED조 명보다는 본 실험과 같이 RGBcWwW의 LED조명이 LED조명색채의 질이 높아짐을 알 수 있었다. 일반 실내조명용 RGB LED조명은 색온도를 통한 조명색채 제시보다는 분광분포를 통한 색계열의 흰색, 즉 파장으로 제시하여 LED조명을 일반 실내조명 사용시 더욱 풍성한 빛 환경을 제공할 수 있을 것이라 판단하였다.
자연광 기반 LED조명 스펙트럼을 통해 빛의 색의 질을 높이기 위해서는 분광분포곡선이 완만해야 한다는 것을 알 수 있었다. LED조명의 분광분포곡선이 완만해지기 위해서는 다양한 파장대의 빛의 소자가 추가되어야하며 특히 480[nm] 파장대 cyan계열의 소자가 필요하다고 판단한다.

후속연구

특히 가을 자연광과 LED조명 색채 비교를 통해 ‘가을빛’¹⁾ LED감성조명 색채를 도출하여 데이터베이스로 활용됨을 목적으로 한다. 또한 이러한 연구과정은 LED조명색채 개발의 새로운 디자인 방법론으로 관련 분야에 기여할 것으로 기대한다.
본 연구과정은 LED감성조명 관련 데이터베이스 구축과 LED조명색채 개발의 방향 제시 및 새로운 디자인 방법론으로 관련분야에 기여할 것으로 기대한다.
LED조명의 RGBcWwW 값으로 도출된 조명색채는 LED조명기구 개발시 LED감성조명 데이터베이스로 활용 가능하다. 이러한 자연광을 기반한 LED감성조명을 통해 쾌적한 빛 환경을 연출하여 이용자들에게 심미적 만족감을 높이는 공간을 제공할 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	감성조명이란 무엇인가?	감성조명은 인간의 심리 생리적인 특성과 문화, 환경, 경험 등을 고려한 빛의 색(color, color temperature)․양(brightness)․질(color rendering index)․조명 방법의 변화를 통해 공간의 목적에 맞는 다양한 조명 연출을 통하여 그 공간을 이용하는 사람의 삶의 질을 높일 수 있는 조명방법이다[9].
	백색 계열 LED조명의 빛을 얻는 법 두 가지는 무엇인가?	일반 실내조명용 LED로 사용되는 백색 계열 LED조명의 빛을 얻는 법 또한 Full color LED조 명과 White계열의 칩을 사용하는 두 가지 방법이 있다. 하나는 RGB의 LED를 적절한 비율로 점등하는 것이고 다른 하나는 Blue 또는 near-UV LED에 형광체를 추가하여 백색계열의 빛을 얻는 방법이다[5]. 그러나 RGB LED와 White계열의 칩의 균형 있는 조합을 통한 백색광이 RGB LED조합에 의한 백색조명보다 연색성이 높다[6].
	LED조명에는 어떠한 것들이 있는가?	LED조명은 Red, Green, Blue의 조합을 통한 Full color LED조명과 색온도 차에 의한 White계열 LED 조명이 있다. 일반 실내조명용 LED로 사용되는 백색 계열 LED조명의 빛을 얻는 법 또한 Full color LED조 명과 White계열의 칩을 사용하는 두 가지 방법이 있다.

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