[논문]색온도별 LED 조명에 의한 색상별 색보임에 대한 주관평가 연구

김현선; 김유신; 최안섭

doi:10.5207/jieie.2011.25.2.043

문제 정의

그러나 이러한 색온도별 LED 조명의 분광분포에 따른 색보임에 관한 연구는 없는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 색온도별 LED 조명에 의한 색상별 색보임을 분석하고자 기존광원인 형광램프에서의 색보임을 기준으로 색상별 색보임 차이를 분석하였다. 또한 각 상황에서 색상별 휘도값을 측정하여 주관평가의 결과와 측정 휘도값의 상관관계를 분석하였다.
본 논문에서는 LED 조명에 의한 색보임을 평가하고자 다양한 색온도 및 물체의 기본 색상들에 대한 임상실험 및 휘도측정을 실시하였다. 이는 동일조도 하에서 휘도값이 높은 색온도가 특정 색상을 잘 나타낸다는 기본원리에 대한 주관평가의 결과와 측정 휘도값의 상관관계를 분석하고자 하였다.
본 연구는 현재 가장 널리 사용되고 있는 형광램프에 의한 색지의 색보임을 기준으로 LED 조명의 색온도 변화에 따른 색보임을 비교·평가하고자 다음과 같은 방법으로 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 임상실험의 결과와 비교하고자 색온도별 LED 조명에 의한 색상별 휘도를 측정하였다(표 8). 이때 5 point 측정 결과는 5 point에서 측정한 각각의 휘도값의 평균값을 나타낸 것이다.
본 논문에서는 LED 조명에 의한 색보임을 평가하고자 다양한 색온도 및 물체의 기본 색상들에 대한 임상실험 및 휘도측정을 실시하였다. 이는 동일조도 하에서 휘도값이 높은 색온도가 특정 색상을 잘 나타낸다는 기본원리에 대한 주관평가의 결과와 측정 휘도값의 상관관계를 분석하고자 하였다.
또한 각 상황에서 색상별 휘도값을 측정하여 주관평가의 결과와 측정 휘도값의 상관관계를 분석하였다. 이를 통해 공간 내 색보임을 효과적으로 나타내기 위한 LED 조명의 색온도 선정을 목적으로 한다.

가설 설정

- 붉은색 계통의 색상은 장파장 영역, 푸른색 계통의 색상은 단파장 영역에 해당한다. 이를 위의 결과와 함께 표 3의 분광분포와 비교해 보면 장파장 영역의 에너지량이 많은 낮은 색온도의 광원일수록 붉은색 계통의 색상에서, 단파장 영역의 에너지량이 많은 높은 색온도의 광원일수록 푸른색 계통의 색상에서 평가항목 및 휘도의 결과값이 높게 측정됨을 알 수 있다.

제안 방법

1) 동일한 조명박스 두 개를 제작하여 조명박스 중앙에 각각 형광램프와 Bar Type의 LED 조명을 설치하였다.
2) 피험자에게는 각 조명박스 내에 놓인 색표지를 동시에 비교할 수 있도록 하여 색보임 및 선호도, 감성이미지 차이를 평가하도록 임상실험을 진행하였다.
3) 색온도별 LED 조명에 의한 각 색상별 색표지의 휘도를 측정하였다.
각 조명은 조명제어 소프트웨어를 통해 256단계로 밝기 조절하여 200[lx]를 기준으로 약 ±2[%]가 되도록 유지하였다.
피험자는 2807[K]과 6230[K]의 형광램프와 LED 조명을 동시에 비교하여 형광램프를 기준(보통:0)으로 하여 LED 조명을 상대적으로 평가한 것으로 7점 스케일 평가법을 사용하였다(매우 : 3, 보통 : 0, 전혀 : -3). 감성이미지 평가를 위한 평가어휘는 관련 선행연구에서 제안한 평가어휘를 바탕으로[15-17], 색보임에 영향을 받는다고 생각되는 감성평가 항목으로 3쌍의 어휘(밝은-어두운, 선명한-흐릿한, 자연스러운-부자연스러운)를 추출하였다.
그리고 제작한 조명박스를 통해 형광램프와 LED 조명에 의한 물체의 색상별 평가를 위하여, 전문가용 색표집에서 대표색상 5가지를 선정하였다. 대표색상은 표 2와 같이 먼셀의 주요 5색인 Red, Yellow, Green, Blue 및 Purple로 하였다.
피험자는 그림 1과 같이 두 개의 조명박스 정중앙으로부터 약 1,014[mm] 떨어진 위치에서 평가하였다. 그리고 형광램프를 기준으로 LED 조명의 항목별 상대적 평가를 위하여 임상실험 및 휘도측정을 하였다. 우선 임상실험은 동일 조도 하의 기준광원인 형광램프와 비교광원인 LED 조명을 설치한 두 개의 조명박스를 나란히 배치하여 피험자가 비교·평가하는 방식으로 진행되었다.
기준광원과 비교광원의 상대적 평가를 위하여 형광램프와 LED 조명이 설치된 조명박스를 나란히 배치하여 실험을 진행하였다. 기준광원이 온백색과 냉백색일 때로 구분하여 LED 조명의 색온도 변화에 따른 특정색의 색보임, 밝기, 선명함, 자연스러움, 선호도의 평가로 나누어 표 6과 7에 나타냈다.
다음 단계로 각 색상의 파장영역별 반사율에 의한 밝기를 알기 위해 임상실험과 동일한 조건으로 휘도측정을 실시하였다. 피험자와 동일한 거리에서 약 1,200[mm]의 높이(사람이 앉았을 때의 시선높이)에 고정된 휘도계를 통해 측정하였다[18-19].
이 때 밝기, 선명함, 자연스러움과 같은 감성이미지 평가는 기존의 관련 선행연구 결과를 바탕으로 관련어휘를 선정한 것이다. 다음으로 색온도별 LED 조명으로 색상별 색지를 조명 후, 각각의 휘도를 측정하여 이를 임상실험의 결과와 비교하였다. 이때 휘도 측정은 임상실험과 동일한 조건으로 진행하였다.
따라서 본 논문에서는 색온도별 LED 조명에 의한 색상별 색보임을 분석하고자 기존광원인 형광램프에서의 색보임을 기준으로 색상별 색보임 차이를 분석하였다. 또한 각 상황에서 색상별 휘도값을 측정하여 주관평가의 결과와 측정 휘도값의 상관관계를 분석하였다. 이를 통해 공간 내 색보임을 효과적으로 나타내기 위한 LED 조명의 색온도 선정을 목적으로 한다.
본 연구는 우선 현재 일반적으로 사용되는 형광램프의 색보임을 기준으로 색온도별 LED 조명의 색보임에 대한 주관적 반응을 평가·분석하였다.
우선 임상실험은 동일 조도 하의 기준광원인 형광램프와 비교광원인 LED 조명을 설치한 두 개의 조명박스를 나란히 배치하여 피험자가 비교·평가하는 방식으로 진행되었다.
본 연구에서 수행한 임상실험과 휘도측정의 결과를 비교하면 표 9와 같다. 이때 임상실험의 색보임과 밝기의 항목별로 크기가 큰 순(가장 큰 값부터 세 번째로 큰 값까지)으로 나타내어 비교하였다. 평가항목 중 색보임과 밝기의 항목만을 휘도와 비교한 것은 두 평가항목이 휘도와 가장 관련이 있기 때문이다.
이때 주변 색과 주변광의 영향을 최소화하고자 조명박스 내·외부색은 검정색으로 통일하였으며, S대학교의 창이 없는 강의실에서 실험을 진행하였다.
대표색상은 표 2와 같이 먼셀의 주요 5색인 Red, Yellow, Green, Blue 및 Purple로 하였다. 이를 평가하는 항목은 인간의 시각기능 및 심리적 반응을 고려하여 색보임, 밝기, 선명함, 자연스러움, 선호도의 평가로 구분하였으며, 7점 스케일을 이용하였다.
제작한 조명박스에 형광램프와 Bar Type의 LED 조명을 중앙에 배치하여 밝기를 조절하면서 실험을 진행하였다. 이때 주변 색과 주변광의 영향을 최소화하고자 조명박스 내·외부색은 검정색으로 통일하였으며, S대학교의 창이 없는 강의실에서 실험을 진행하였다.
우선 임상실험은 동일 조도 하의 기준광원인 형광램프와 비교광원인 LED 조명을 설치한 두 개의 조명박스를 나란히 배치하여 피험자가 비교·평가하는 방식으로 진행되었다. 피험자는 2807[K]과 6230[K]의 형광램프와 LED 조명을 동시에 비교하여 형광램프를 기준(보통:0)으로 하여 LED 조명을 상대적으로 평가한 것으로 7점 스케일 평가법을 사용하였다(매우 : 3, 보통 : 0, 전혀 : -3). 감성이미지 평가를 위한 평가어휘는 관련 선행연구에서 제안한 평가어휘를 바탕으로[15-17], 색보임에 영향을 받는다고 생각되는 감성평가 항목으로 3쌍의 어휘(밝은-어두운, 선명한-흐릿한, 자연스러운-부자연스러운)를 추출하였다.
다음 단계로 각 색상의 파장영역별 반사율에 의한 밝기를 알기 위해 임상실험과 동일한 조건으로 휘도측정을 실시하였다. 피험자와 동일한 거리에서 약 1,200[mm]의 높이(사람이 앉았을 때의 시선높이)에 고정된 휘도계를 통해 측정하였다[18-19]. 휘도측정은 그림 2와 같이 설정하였다.

대상 데이터

그리고 제작한 조명박스를 통해 형광램프와 LED 조명에 의한 물체의 색상별 평가를 위하여, 전문가용 색표집에서 대표색상 5가지를 선정하였다. 대표색상은 표 2와 같이 먼셀의 주요 5색인 Red, Yellow, Green, Blue 및 Purple로 하였다. 이를 평가하는 항목은 인간의 시각기능 및 심리적 반응을 고려하여 색보임, 밝기, 선명함, 자연스러움, 선호도의 평가로 구분하였으며, 7점 스케일을 이용하였다.
본 연구의 실험에 사용된 기준조명은 2807[K]과 6230[K]의 형광램프와 6349[K], 6023[K], 4682[K], 3956[K], 3401[K], 2852[K] 및 2640[K]의 색온도를 가지는 총 7가지의 LED 조명기구를 이용하여 비교하였다. 각 조명은 조명제어 소프트웨어를 통해 256단계로 밝기 조절하여 200[lx]를 기준으로 약 ±2[%]가 되도록 유지하였다.
본 연구의 실험에 사용된 색표지(50×50[mm])를 각각의 조명박스 내 동일 색표지를 중앙에 위치시켰으며, 이때 색표지가 놓인 작업면의 높이는 750[mm]이다.
각 조명은 조명제어 소프트웨어를 통해 256단계로 밝기 조절하여 200[lx]를 기준으로 약 ±2[%]가 되도록 유지하였다. 사용된 Bar Type의 LED 조명기구는 N사의 동일한 소자를 사용하였고, 동일간격으로 배치되었다. 표 3은 실험에 사용된 각 광원의 특성을 나타낸 것이다.
본 연구의 실험에 사용된 색표지(50×50[mm])를 각각의 조명박스 내 동일 색표지를 중앙에 위치시켰으며, 이때 색표지가 놓인 작업면의 높이는 750[mm]이다. 피험자는 그림 1과 같이 두 개의 조명박스 정중앙으로부터 약 1,014[mm] 떨어진 위치에서 평가하였다. 그리고 형광램프를 기준으로 LED 조명의 항목별 상대적 평가를 위하여 임상실험 및 휘도측정을 하였다.
피험자는 색판별에 이상이 없다고 인정되는 총 30명의 건축과 대학원생을 대상으로 하였다. 이중 15명은 기준광원이 온백색(2807[K]) 형광램프인 경우와 나머지 15명은 기준광원이 냉백색(6230[K]) 형광램프인 경우로 구성하였다.
형광램프와 LED 조명을 동시에 비교·평가할 수 있도록 조명박스(W600×D350×H440[mm]) 두 개를 제작하였다.

데이터처리

4) 두 실험을 통하여 휘도 및 임상실험 결과를 비교·분석을 통해 두 값의 상관관계를 분석하였다.
최대값을 비교한 임상실험과 휘도측정의 결과의 객관성을 높이고자 SPSS를 이용하여 단순회귀분석방법을 수행하였다. 단순회귀분석의 결과(표 10)는 다음과 같이 정리하여 나타낼 수 있다.

성능/효과

- 기준광원과 관계없이 색보임이 높게 평가되는 색온도의 광원에서 선호도 또한 높게 평가되었다.
- 기준광원이 냉백색 형광램프인 경우, 온백색 형광램프와 비교·결과와 비슷하나, Yellow의 경우에서 기준보다 높은 색온도에서 색보임이 좋게 나타났다.
- 임상실험과 휘도측정의 결과를 비교한 결과, 기준광원과 관계없이 Yellow와 Purple을 제외한 대부분의 색상에서 R²(결정계수)값이 0.50이상으로 나타났다.
- 휘도가 색보임 및 밝기에 영향을 미친다는 가설 채택 유무를 결정하는 기준으로 p(유의확률)을 사용할 수 있는데, Yellow와 Purple을 제외한 대부분의 색상에서 유의수준 0.05 미만으로 유의한 것으로 나타났다.
그 결과, 두 실험의 결과값이 정확히 일치하지는 않았으나 각 색상별 주관평가와 휘도 측정값이 높게 나타나는 색온도의 영역이 유사한 것으로 나타났다. 이 중 Blue와 Green 색상의 경우에는 기준광원의 색온도와 상관없이 주관평가와 측정 휘도값의 상관성이 모두 높게 분석되었다.
- 기준광원이 온백색 형광램프인 경우, LED 조명이 기준광원(Test-3)보다 낮은 색온도에서는 Red와 Yellow의 색보임이 좋다. 그리고 기준보다 높은 색온도에서는 Green, Blue 및 Purple의 색보임이 좋은 것으로 나타났다.
또한 단순회귀분석을 통하여 색보임, 밝기의 각 평가항목이 휘도와 관련이 있다는 본 논문의 가설을 채택함으로써 위의 결과들의 객관성을 높일 수 있었다. 그리하여 본 논문의 결과는 실제 색보임이 매우 중요한 공간에서 LED 조명의 색온도를 선택할 시 고려사항이 될 수 있을 것이다.
- Purple 색상의 경우는 Red와 Blue의 혼합색으로서[23], 그 비율에 따라 장파장 성분이 많은 Purple, 단파장 성분이 많은 Purple 색상일 수 있다. 본 연구에 사용된 Purple 색상의 색지의 경우 위의 결과로 보아 장파장 성분이 많은 Purple 색상으로 사료된다.
그 결과, 두 실험의 결과값이 정확히 일치하지는 않았으나 각 색상별 주관평가와 휘도 측정값이 높게 나타나는 색온도의 영역이 유사한 것으로 나타났다. 이 중 Blue와 Green 색상의 경우에는 기준광원의 색온도와 상관없이 주관평가와 측정 휘도값의 상관성이 모두 높게 분석되었다. 그러나 Red와 Yellow 색상의 경우 낮은 색온도의 휘도값이 높게 측정되었음에도 불구하고 일부 결과의 상관성이 낮게 나타났다.
- 붉은색 계통의 색상은 장파장 영역, 푸른색 계통의 색상은 단파장 영역에 해당한다. 이를 위의 결과와 함께 표 3의 분광분포와 비교해 보면 장파장 영역의 에너지량이 많은 낮은 색온도의 광원일수록 붉은색 계통의 색상에서, 단파장 영역의 에너지량이 많은 높은 색온도의 광원일수록 푸른색 계통의 색상에서 평가항목 및 휘도의 결과값이 높게 측정됨을 알 수 있다.

후속연구

또한 단순회귀분석을 통하여 색보임, 밝기의 각 평가항목이 휘도와 관련이 있다는 본 논문의 가설을 채택함으로써 위의 결과들의 객관성을 높일 수 있었다. 그리하여 본 논문의 결과는 실제 색보임이 매우 중요한 공간에서 LED 조명의 색온도를 선택할 시 고려사항이 될 수 있을 것이다.
임상실험의 경우 그 결과값이 LED 조명만의 절대값이 아닌 형광램프의 상대값이기 때문에 오차 발생 가능성을 내포하고 있다. 만약 7개의 조명박스를 통한 서로 다른 7개의 색온도 LED 조명을 동시에 비교하는 주관 평가를 수행할 수 있다면 결과의 객관성을 높일 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	백색 LED의 백색광은 어떻게 구현되는가?	이러한 특징으로 LED 조명은 신광원으로서 다양한 분야에 적용되고 있다. 백색 LED의 경우 청색 LED로부터 방출되는 청색빛을 여기(勵起) 에너지원으로 황색의 형광체를 결합하여 백색이 구현된 것으로, 분광 스펙트럼 상에서 최대 피크치가 청색과 황색의 두 영역에서 발생된다[2]. 이러한 LED의 분광분포는 기존광원과 다르기 때문에, LED 조명에 의한 물체의 색보임은 기존광원에 의한 색보임과 큰 차이를 가져올 수 있다.
	LED 조명에서 공간 내 색보임이 잘 나타나도록 하기 위해서는 무엇을 고려해야 하는가?	LED 조명의 색온도가 달라지면 물체에 입사하는 파장의 비율이 달라져 색보임에 가장 큰 영향을 미치므로, 공간 내 색보임이 잘 나타나도록 하기 위해서는 색상별 적합한 색온도의 고려가 이루어져야 한다. 그러나 이러한 색온도별 LED 조명의 분광분포에 따른 색보임에 관한 연구는 없는 실정이다.

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