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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 상관색온도별로 LED 조명의 밝기를 다양한 속도로 변화시켜 재실자의 밝기 인식과 작업 수행 시 불편함에 대해 주관평가를 수행함으로써, 다양한 상관색온도별 조광속도에 따른 재실자의 밝기 인식과 작업 수행 시 불편함을 정량적으로 분석하여, 재실자의 심리 및 생리 상태가 고려된 적절한 조광제어를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 피험자들을 대상으로 실험을 통해 주관평가를 수행하였으며, 객관성을 높이기 위하여 주변의 빛이 모두 차단된 공간에서 가변 상관색온도 기능이 있는 LED 조명기구를 사용하여 실험을 진행하였다. 다음 그림 1은 실험장소로 사용된 강의실의 모습을 간략하게 나타낸 것이다.
제안 방법
- 1) 상관색온도에 의한 밝기 인식의 명확한 차이를 알아보기 위해 6,400K과 2,700K의 높은 상관색온도와 낮은 상관색온도를 설정하였다.
- 2) 상관색온도별로 조광감소율을 5.0%, 10.0%, 15.0%, 20.0%, 30.0%로 설정하여 조광제어 속도를 변화시키고, 그에 따른 밝기 변화의 인식정도와 작업 수행 시 불편함에 관한 주관평가를 수행하였다.
- 2,700K의 최대 작업면 조도는 576lx, 6,400K의 최대 작업면 조도는 583lx로 설정하여 상관색온도별 최대 작업면 조도의 오차율 약 1.2%내에서 실험을 진행하였다. 다음 그림 4는 상관색온도별로 조광비율에 따라 조명기구 직하에서 측정한 작업면의 조도 변화이며, x축은 조광율을 의미하며 y축은 작업면 조도를 나타낸다.
- 각 상관색온도별로 조광감소율을 5.0%, 10.0%, 15.0%, 20.0%, 30.0%로 설정하였다. 재실자는 10초 동안 조광율 20%감소 구간까지 밝기변화를 인지하지 못한다는 선앵연구[13]를 토대로 본 실험의 최소 조광감소 5%를 기준으로 3초의 조광감소속도를 설정하여 조광율이 100.
- 다양한 조명제어 환경에서 적절하게 조광을 제어하기 위하여 조광제어 속도를 최소 1.7%/s에서 최대 10.0%/s까지 변화시켜 피험자의 밝기 변화 인식에 대한 주관평가를 수행하였다. 연구결과 조광제어 속도와 관계없이 조광율 75.
- 본 연구는 2가지 상관색온도(2,700K, 6,400K)별 LED 조명의 밝기를 5초 동안 유지시키고 3초 동안 낮추어가며 실험을 진행하였다. 밝기가 변하는 3초 동안 실험에서 설정한 조광감소율(5%, 10%, 15%, 20%, 30%)에 따라 조광제어 속도를 변화시켜 실험을 진행하였으며, 피험자의 밝기 변화 인식 정도와 시각적 불편함에 관한 주관평가를 수행하였다. 주관평가에 대한 결과는 다음과 같다.
- 본 연구는 2가지 상관색온도(2,700K, 6,400K)별 LED 조명의 밝기를 5초 동안 유지시키고 3초 동안 낮추어가며 실험을 진행하였다. 밝기가 변하는 3초 동안 실험에서 설정한 조광감소율(5%, 10%, 15%, 20%, 30%)에 따라 조광제어 속도를 변화시켜 실험을 진행하였으며, 피험자의 밝기 변화 인식 정도와 시각적 불편함에 관한 주관평가를 수행하였다.
- 본 연구에서는 LED 조명기구의 특정 상관색온도 구현 및 조광제어를 위하여 다양한 측정 장비를 사용하였다. 조도계(T-10)는 작업면 조도를 측정하는데 사용되었으며, 조광제어를 위해 256단계로 조절이 가능한 조광제어 소프트웨어가 활용되었다.
- 본 연구에서는 설정 조광감소율에 따라 1초당 변화된 조광율을 기준으로 조광제어 속도를 1.7%/s, 3%/s, 5.0%/s, 6.7%/s, 10.0%/s로 설정하여 피험자의 밝기 인식 및 시각적 불편함에 관한 연구를 진행하였다. 다음 표 5는 조광제어 속도에 따른 밝기 인식에 관한 결과이며, 표 6은 조광제어 속도에 따른 피험자의 작업 수행 시 불편함을 느낀 구간에 대한 결과이다.
- 본 연구에서는 실험공간을 6,400K과 2,700K로 설정하고, 다양한 조광제어 속도를 설정하여, 상관색온도별 조광제어 속도에 따른 재실자의 밝기 변화 인식 및 시각적 불편함을 느끼는 조광율을 알아보았으며, 연구에 대한 방법은 다음 아래와 같다.
- 상관색온도별로 조광을 감소시킬 때, 피험자의 밝기 인식과 작업 수행 시 느낄 수 있는 시각적 불편함에 대한 분석을 수행하였다. 다음 그림 5는 상관색온도별 조광제어에 따른 밝기 인식 정도를 나타낸 것이다.
- 본 실험은 조광 제어에 따른 공간의 가변성이 존재하며, 가변성이 존재하는 실험 공간에서 피험자가 연속적인 행위를 수행한다는 특성을 가지고 있으므로, 단순한 밝기 인식 및 선호도 조사와 같은 주관평가에 주로 사용되는 side-by-side test나 photo-image test 보다는 가변성이 존재하는 조명환경에서 재실자의 행위 및 작업 수행에 따른 밝기 인식 및 선호도 조사에 사용되는 field test를 통한 순차비교가 적당하다고 판단하였다. 실험에 대한 분석 방법으로 기존 선행연구에서는 5점, 7점 척도법과 같은 분류법을 사용하여 재실자의 심리 측정을 통한 분석을 수행하였으나, 본 논문에서는 재실자의 인식 및 심리에 따른 조광율을 파악하기 위하여 시간을 측정하고 분석하였다.
- Houser et al.의 논문에서는 형광램프의 분광분포 차이에 의한 재실자의 밝기 인식 및 색보임에 관한 연구를 수행하기 위하여 side-by-side test를 통한 동시비교방법으로 실험을 진행하였고 설문조사 방식을 통한해 분석을 진행하였다[7]. 또 다른 Houser et al.
- 0%로 설정하였다. 재실자는 10초 동안 조광율 20%감소 구간까지 밝기변화를 인지하지 못한다는 선앵연구[13]를 토대로 본 실험의 최소 조광감소 5%를 기준으로 3초의 조광감소속도를 설정하여 조광율이 100.0%인 상태에서 5초 동안 밝기를 유지시키고 3초 동안 조광감소율에 따라 조도를 낮춰 조광감소 속도를 다르게 함으로써 실험공간의 밝기를 변화시켰다. 상관색온도별 조광감소 속도에 따라 실험공간의 밝기가 변화하는 동안 피험자는 책읽기 등의 시작업을 수행함으로써 작업면 이외의 조명기구 및 실험공간을 바라보지 않게 하였다.
- 피험자가 시작업을 수행하는 동안 조광제어 속도를 변화시켜 작업 수행 시 느낄 수 있는 시각적 불편함에 대한 주관평가를 수행하였다. 연구결과 조광제어 속도와 관계없이 조광율 55.
- 상관색온도별 조광감소 속도에 따라 실험공간의 밝기가 변화하는 동안 피험자는 책읽기 등의 시작업을 수행함으로써 작업면 이외의 조명기구 및 실험공간을 바라보지 않게 하였다. 피험자는 밝기 변화를 인지하였을 때와 작업 수행 시 불편함을 느낀 시간을 기록하였고 상관색온도별 조광감소 속도에 따라 5번의 실험을 수행하여 총 10번의 실험을 수행하였다. 다음 표 3은 조광제어 방법과 조광감소율에 따른 조광 제어 속도를 나타낸다.
- 피험자는 실험을 진행하는 동안 실험공간에서 책을 읽는 작업을 수행하였다. 피험자의 밝기 인지에 대한 명확한 차이를 보기 위하여 실험공간에서 구현 가능한 가장 낮은 상관색온도 2,700K와 가장 높은 상관색온도 6,400K 실험환경을 설정하였으며, 다음 그림 3은 실험공간에서 구현된 상관색온도의 분광분포이다.
- 피험자는 실험을 진행하는 동안 실험공간에서 책을 읽는 작업을 수행하였다. 피험자의 밝기 인지에 대한 명확한 차이를 보기 위하여 실험공간에서 구현 가능한 가장 낮은 상관색온도 2,700K와 가장 높은 상관색온도 6,400K 실험환경을 설정하였으며, 다음 그림 3은 실험공간에서 구현된 상관색온도의 분광분포이다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 LED 조명기구는 다음 그림 2와 같은 형태이며, 2,700K과 3,700K, 5,200K, 6,400K의 상관색온도를 나타내는 4가지 소자로 이루어져 있다. 이 LED 조명기구는 소자간의 조합을 통해 최소 상관색온도 2,700K에서 최대 상관색온도 6,400K까지 구현 가능하며, 본 실험에 사용된 LED 조명기구는 정전류방식으로 조광제어된다
- 실험에 대한 분석을 진행하는데 있어 일정한 경향성이 없는 피험자들의 데이터를 제외하여 최종 20명의 유효 표본 집단을 구성하여 분석을 진행하였다. 성별은 남자 12명과 여자 8명으로 구성되었다. 또한 유효 표본 집단의 나이는 18세 부터 32세 까지 평균연령 약 23세로 이루어져 있다.
- 주관평가는 색맹 및 색약이 없는 건축공학과 학부생과 대학원생을 대상으로 수행되었다. 실험에 대한 분석을 진행하는데 있어 일정한 경향성이 없는 피험자들의 데이터를 제외하여 최종 20명의 유효 표본 집단을 구성하여 분석을 진행하였다. 성별은 남자 12명과 여자 8명으로 구성되었다.
- 본 실험에 사용된 LED 조명기구는 다음 그림 2와 같은 형태이며, 2,700K과 3,700K, 5,200K, 6,400K의 상관색온도를 나타내는 4가지 소자로 이루어져 있다. 이 LED 조명기구는 소자간의 조합을 통해 최소 상관색온도 2,700K에서 최대 상관색온도 6,400K까지 구현 가능하며, 본 실험에 사용된 LED 조명기구는 정전류방식으로 조광제어된다
- 본 연구에서는 LED 조명기구의 특정 상관색온도 구현 및 조광제어를 위하여 다양한 측정 장비를 사용하였다. 조도계(T-10)는 작업면 조도를 측정하는데 사용되었으며, 조광제어를 위해 256단계로 조절이 가능한 조광제어 소프트웨어가 활용되었다. 또한 실험공간의 상관색온도 측정을 위하여 분광계(Spectrome ter)를 사용하였다.
- 주관평가는 색맹 및 색약이 없는 건축공학과 학부생과 대학원생을 대상으로 수행되었다. 실험에 대한 분석을 진행하는데 있어 일정한 경향성이 없는 피험자들의 데이터를 제외하여 최종 20명의 유효 표본 집단을 구성하여 분석을 진행하였다.
데이터처리
- 5-b) 상관색온도에 따른 시각적 불편함에 대한 결과를 비교 · 분석하였다.
- field test를 통해 주관평가를 수행한 연구로, 김수영의 논문에서는 청천공 조건에서 조광제어 시스템 적용시 조도변화에 대한 시각적 만족도를 분석하기 위하여 field test를 통한 순차비교를 진행하였고, 7점 척도법을 사용하여 재실자의 심리를 분석하였다[11]. Akashi et al.
- 의 논문에서는 상관색온도에 따른 재실자의 선호도 및 밝기 인식에 대한 주관평가를 진행하였다. 실험방법은 photo-image test를 통한 동시비교 방법을 사용하여 간접비교를 수행함과 동시에 field test를 통한 순차비교를 통해 실제 조명환경에서의 직접비교를 진행함으로써 연구의 객관성을 높였다[10].
- Akashi et al.의 논문에서는 조도감소에 따른 재실자의 밝기 인식에 관한 주관평가를 수행하기 위하여 field test를 통한 순차비교를 진행하였고, 5점 척도법을 통한 분석을 수행하였다[12].
성능/효과
- 1) 조광제어 속도에 따른 주관평가 수행 결과 조광 감소 속도 10.0%/s를 제외한 1.7%/s, 3.3%/s, 5.0%/s, 6.7%/s의 경우 조광율 55.0∼ 45.0% 구간에서 피험자들의 과반수가 밝기 변화를 인지하였으며, 조광율 35.0∼25.0 % 구간에서 피험자들의 과반수가 작업을 수행하는데 있어 시각적 불편함을 나타냈다.
- 2) 상관색온도별 주관평가 수행 결과 조광제어 속도 10.0%/s를 제외한 1.7%/s, 3.3%/s, 5.0%/s, 6.7%/s의 경우 낮은 상관색온도(2,700K)에서는 조광율 54.0∼ 46.0% 사이에서 피험자의 과반수가 밝기 변화를 인지하였으며, 조광율 45.0%에서 시각적 불편함을 인식하였다.
- 3) 피험자는 책을 읽는 작업을 수행하는 동안, 색온도 별로 밝기 변화를 인지하였을 때의 시간과 작업 수행 시 불편함을 느꼈을 때의 시간을 기록하였다.
- 0% 구간에서 피험자들의 과반수가 밝기 변화를 인지하였다. 따라서 조광제어 속도 10.0%/s를 제외한 다른 조광 감소 속도에서는 밝기 인지하는데 있어 큰 차이를 보이지 않고, 조광 제어 속도 10.0%/s에서 급격한 밝기 인식이 이루어짐을 알 수 있다.
- 0% 구간에서 피험자들의 과반수가 작업을 수행하는데 있어 시각적 불편함을 나타냈다. 따라서 조광제어 속도 10.0%/s를 제외한 다른 조광 감소 속도에서는 작업을 수행하는데 시각적 불편함을 인지하는데 큰 차이를 보이지 않으며, 조광을 10.0%/s의 속도로 제어했을 때 피험자는 작업 수행시 시각적 불편함을 빠르게 인지하는 것을 알 수있다.
- 본 실험은 조광 제어에 따른 공간의 가변성이 존재하며, 가변성이 존재하는 실험 공간에서 피험자가 연속적인 행위를 수행한다는 특성을 가지고 있으므로, 단순한 밝기 인식 및 선호도 조사와 같은 주관평가에 주로 사용되는 side-by-side test나 photo-image test 보다는 가변성이 존재하는 조명환경에서 재실자의 행위 및 작업 수행에 따른 밝기 인식 및 선호도 조사에 사용되는 field test를 통한 순차비교가 적당하다고 판단하였다. 실험에 대한 분석 방법으로 기존 선행연구에서는 5점, 7점 척도법과 같은 분류법을 사용하여 재실자의 심리 측정을 통한 분석을 수행하였으나, 본 논문에서는 재실자의 인식 및 심리에 따른 조광율을 파악하기 위하여 시간을 측정하고 분석하였다.
- 본 연구에서 피험자들은 일정 작업에 몰입함으로써 밝기 변화에 대하여 민감하게 인식하지 못하는 것으로 나타났으며, 이는 인간의 시감각이 다른 감각기관에 비해 둔감함을 의미한다고 볼 수 있다. 본 연구는 field test를 통한 순차비교방법으로 주관평가를 진행하였으나, 추후 side-by-side test를 통한 동시 비교방법으로 실험을 진행하여 연구의 객관성을 높일 것이다.
- 상관색온도별로 조광을 제어하는데 있어서 속도와 관계없이 과반수의 피험자가 높은 상관색온도 (6,400K)에서 낮은 상관색온도(2,700K)보다 약 8% 정도 더 빨리 밝기 변화를 인지하였으며, 조광제어 속도 10.0%/s에서는 다른 조광제어 속도에 비해 더 빠른 구간에서 밝기 변화 대한 인식이 이루어졌다. 따라서 상관색온도별로 조광을 제어함에 있어 높은 상관색온도의 경우 낮은 상관색온도보다 빠르게 밝기에 대한 변화를 인식된다고 사료된다.
- 상관색온도별로 조광을 제어하는데 있어서 처음으로 시각적 불편함을 인지한 구간, 과반수가 시각적 불편함을 인지한 구간, 모든 피험자가 시각적 불편함을 나타낸 구간의 경우 모든 조광제어 속도에서 낮은 상관색온도(2,700K)가 높은 상관색온도(6,400K)보다 약 5.0% 정도 빠른 구간에서 시각적 불편함을 나타냈으며, 조광을 10.0%/s로 제어했을 때 피험자는 작업 수행 시 시각적 불편함을 가장 빠르게 인지하는 것을 알 수 있다.
- side-by-side test는 주로 상관색온도와 분광 분포에 따른 재실자의 단순 밝기 인식 및 선호도 조사와 같은 주관평가에 주로 사용되고, photo-image test 는 다양한 실험장면이나 다수의 피험자를 대상으로 진행하는 주관평가에서 많이 사용되며, field test는 가변성이 존재하는 조명환경에서 재실자의 행위 및 작업 수행에 따른 밝기 인식 및 선호도 조사의 실험방법으로 사용된다. 실험의 비교방법 중 순차비교는 동시비교에 비해 상호 조명의 밝기 영향을 최소화할 수 있어 독립적 객관적 평가가 가능하며, 동시비교는 순차비교에 비해 더 적은 시간이 소요되고, 두 조명환경에 대한 차이를 극대화시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.
- 연구결과 조광제어 속도와 관계없이 조광율 55.0∼50.0% 구간에서 피험자들은 작업을 수행하는데 시각적 불편함을 나타내기 시작했다.
- 연구결과 조광제어 속도와 관계없이 조광율 75.0∼70.0% 구간에서 밝기 변화 인지를 시작하였으며, 조광제어 속도 10.0%/s를 제외한 조광제어 속도 1.7%/s, 3.3%/s, 5.0%/s, 6.7%/s에서는 조광율 55.0∼45.0% 구간에서 피험자들의 과반수가 밝기 변화를 인지하였다.
- 이와 같은 결과를 통하여 10.0%/s의 조광제어 속도를 제외한 다른 조광제어 속도에서는 밝기에 대한 인식이 이루어진 후 조광 20.0%에서 모든 피험자가 시각적 불편함을 나타내는 것을 알 수 있다.
- 이와 같은 결과를 통해 높은 상관색온도가 낮은 상관색온도보다 약 8.0% 빠르게 밝기 변화를 인지하는 것을 알 수 있으며, 작업 수행 시 시각적 불편함은 낮은 상관색온도가 높은 상관색온도보다 약 5.0% 빠르게 나타남을 알 수 있다. 이는 작업을 수행하는데 있어 동일한 조도의 밝기 인식에 있어 높은 상관색온도가 낮은 상관색온도보다 밝게 느낀다는 선행연구의 결과[14]와 같이 높은 상관색온도의 경우가 낮은 상관색온도보다 밝기 변화 인식에는 더 민감하며, 작업 수행 시 동일 조도에서 높은 상관색온도를 더 밝게 느낌으로써 낮은 상관색온도에서 더 빠르게 시각적 불편함을 나타냈음을 알 수있다.
- 조광제어 속도 10.0%/s를 제외한 1.7%/s, 3.3%/s, 5.0%/s, 6.7%/s에서는 조광율 35.0∼25.0% 구간에서 피험자들의 과반수가 작업을 수행하는데 있어 시각적 불편함을 나타냈다.
후속연구
- 본 연구에서 피험자들은 일정 작업에 몰입함으로써 밝기 변화에 대하여 민감하게 인식하지 못하는 것으로 나타났으며, 이는 인간의 시감각이 다른 감각기관에 비해 둔감함을 의미한다고 볼 수 있다. 본 연구는 field test를 통한 순차비교방법으로 주관평가를 진행하였으나, 추후 side-by-side test를 통한 동시 비교방법으로 실험을 진행하여 연구의 객관성을 높일 것이다.
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