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문제 정의
- 기존의 활동에 따른 적합한 조명에 관련된 연구 들을 보면 LED광원을 이용한 국부조명의 CCT(Correlated Color Temperature)의 변화가 작업자의 시작업 성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여 2종류의 LED와 1종류의 형광광원을 선정하여 대학생 30명을 대상으로 오류수정 작업과 읽기 작업에 대한 정확도 및 소요시간을 평가하였다[6]. LED 감성조명 장치를 이용하여 뇌파 파장과 조명의 색온도 변화에 따른 상관관계를 뇌파실험을 통해 측정하였으며, 피실험자의 기본상태(휴식, 주의력, 집중력)를 LED조명의 색온도(2,300K, 4,000K, 6,000K) 변화를 통해 뇌의 기본 상태를 분석하였으나 경향성을 보는 정도에 그치고 있으며, 활동에 따른 고려는 되고 있지 않다[7].
- 본 논문에서는 뇌파를 통해 각 활동유형에 맞는 LED조명의 조도와 색온도의 변화가 실제 집중도(attention level)나 이완도(relaxation level)에 얼마나 영향을 미치는지에 대하여 정량적이고 통계적인 분석을 수행하였다.
- 본 연구의 목적은 LED조명의 색온도 ․ 조도 변화가 업무의 수행능력과 휴식수준을 향상시킬 수 있는지에 관하여 사람들의 뇌파반응을 분석하여 평가하는 것에 목적을 두었다. 대학생들을 대상으로 LED조명이 설치된 공간에서 휴식과 집중활동에 대한 과제를 수행하였으며 지정된 조명의 색온도, 조도의 변화에 따라 뇌파가 어떻게 변화하는지에 대해 분석하였다.
가설 설정
- 또한 각 실험에서의 분산도 동일하지 않고, 실험에 따라 차이를 보였다. 따라서 본 연구에는 활동기반조명과 일반조명을 두 개의 독립표본으로 가정하였으며, student t-검증을 위한 자유도 계산을 (n1 -1) +(n2 -1) = n1 +n2 -2로 계산하여 20으로 사용하였다. 여기서 n1 ,n2는 각 독립표본의 표본 수를 의미한다.
- 본 실험에서는 활동기반조명과 일반조명을 비교 실험하였으며, 동일한 사람에 활동기반 조명 환경과 일반조명환경에서 작업을 수행하였으나, 활동기반조명의 뇌파측정 결과와 일반조명에서의 뇌파측정 결과는 연관관계가 없다고 가정하였다. 이를 위하여 활동기반조명과 일반조명의 제시순서를 임의로 설정되게 하였으며, 사용자는 활동기반조명인지 일반조명인지를 알지 못하고 실험에 임하였다.
제안 방법
- 1) LED조명 제어프로토콜인 DMX512를 기반으로 한 제어 프로그램을 통하여 LED 광천장 룸의 색온도와 조도를 제어하여, 휴식조명(relaxation lighting), 집중활동조명(attention lighting), 일반조명(normal lighting)의 세 가지 조명상태에 적합한 조도와 색온도가 나오는 제어 값을 설정하고 저장한다.
- 2) 피험자들을 대상으로 뇌파장비를 이용하여 휴식활동, 집중활동의 두 가지 활동에 대하여, 일반조명 조건과 활동기반 조명조건(휴식조명 조건, 집중활동 조명 조건)의 경우에 대한 무작위 순위로 실험을 진행한다. 각각의 활동에서 주어진 조명 조건에서 4분간의 실험시간과 1분간의 대기시간(break time)이 있으며, 동일한 활동에 대하여 일반조명과 활동기반조명이 무작위 순위로 적용되었다.
- 3) 각각의 활동에 대하여 활동기반조명 조건과 일반조명 조건에서의 집중도와 이완도 분포를 획득하여 분석한다.
- DMX512 프로토콜은 RS-485 인터페이스로 설계되었으며, 250Kbps의 속도로 최대 512개의 조명을 제어할 수 있으며, 각 조명 컨트롤러는 3채널의 8비트 PWM(Pulse Width Modulation)을 사용하여 빨강, 초록, 파랑에 대해 각각 제어하여 컬러를 구현하였다.
- 기존의 활동에 따른 적합한 조명에 관련된 연구 들을 보면 LED광원을 이용한 국부조명의 CCT(Correlated Color Temperature)의 변화가 작업자의 시작업 성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여 2종류의 LED와 1종류의 형광광원을 선정하여 대학생 30명을 대상으로 오류수정 작업과 읽기 작업에 대한 정확도 및 소요시간을 평가하였다[6]. LED 감성조명 장치를 이용하여 뇌파 파장과 조명의 색온도 변화에 따른 상관관계를 뇌파실험을 통해 측정하였으며, 피실험자의 기본상태(휴식, 주의력, 집중력)를 LED조명의 색온도(2,300K, 4,000K, 6,000K) 변화를 통해 뇌의 기본 상태를 분석하였으나 경향성을 보는 정도에 그치고 있으며, 활동에 따른 고려는 되고 있지 않다[7]. Naoyuki Oi는 실내의 활동유형을 가족모임(gathering), 학습(studying), 휴식 (relaxing), 수면(retiring), 요리(cooking) 그리고 식사(dining) 등 크게 6가지로 구분하였으며 각 활동 유형에서 선호하는 색온도, 조도를 연구하였으며 동일한 실내 공간에서도 어떤 활동을 하느냐에 따라 선호하는 조도 및 색온도에 명확한 차이가 있었다[8].
- LED 조명의 색온도와 조도를 제어하기 위해 그림 2와 같은 DMX512 프로토콜을 이용한 조명 컨트롤러를 제작하여 사용했으며, PC용 전용프로그램을 통해 제어가 가능하다.
- 각 활동모드에 따라 설정된 조명에 대하여 Ocean Optics 社의 HR-4000 분광분석기를 통하여 분광분포 및 색좌표를 측정하였다. 그림 3은 휴식활동에 대한 색도계(chromaticity diagram)을 보여준다.
- 본 논문에서는 뇌파를 통해 각 활동유형에 맞는 LED조명의 조도와 색온도의 변화가 실제 집중도(attention level)나 이완도(relaxation level)에 얼마나 영향을 미치는지에 대하여 정량적이고 통계적인 분석을 수행하였다. 각 활동유형이 따른 LED조명 제어의 영향을 알아보기 위하여 11명의 피험자들을 통하여 활동에 따른 조명과 일반 조명환경에서 뇌파를 비교․분석하여 집중도와 이완도에 있어서 얼마만큼의 변화가 있는지, 통계적으로 유의미한 차이가 있는지를 살펴보았다.
- 2) 피험자들을 대상으로 뇌파장비를 이용하여 휴식활동, 집중활동의 두 가지 활동에 대하여, 일반조명 조건과 활동기반 조명조건(휴식조명 조건, 집중활동 조명 조건)의 경우에 대한 무작위 순위로 실험을 진행한다. 각각의 활동에서 주어진 조명 조건에서 4분간의 실험시간과 1분간의 대기시간(break time)이 있으며, 동일한 활동에 대하여 일반조명과 활동기반조명이 무작위 순위로 적용되었다. 이후에 다른 활동에 대하여 동일한 과정의 측정을 수행한다.
- 본 연구의 목적은 LED조명의 색온도 ․ 조도 변화가 업무의 수행능력과 휴식수준을 향상시킬 수 있는지에 관하여 사람들의 뇌파반응을 분석하여 평가하는 것에 목적을 두었다. 대학생들을 대상으로 LED조명이 설치된 공간에서 휴식과 집중활동에 대한 과제를 수행하였으며 지정된 조명의 색온도, 조도의 변화에 따라 뇌파가 어떻게 변화하는지에 대해 분석하였다.
- 뇌파를 통해 얻어진 데이터는 매 샘플 데이터가 고정되어 있는 것이 아니라 변동이 일어난다. 따라서 각 세션에 대한 집중도와 이완도의 평균값의 변화를 중심으로 분석하였다. 즉 각 피실험자에 대하여, 설정된 조명 및 활동 아래에서 각 세션에서 측정된 집중도와 이완도의 평균값을 각 세션의 실험 결과로 사용하였다.
- 실험조명은 일반조명 환경과 활동기반조명 환경으로 나눌 수 있으며, 활동기반 조명은 휴식활동 조명과 집중활동 조명의 두 가지로 나눌 수 있다. 따라서 측정에 의하여 설정한 조명의 수치 값은 일반조명, 휴식활동용 조명, 집중활동용 조명의 세 가지가 사용되었다.
- 실험 시작 후 피험자는 말을 해서는 안 되고 마인드셋을 만져서는 안 된다는 지시가 주어졌다. 또한 외부 소음을 차단하기 위해 최대한 방음설정을 하여 뇌파측정을 하였다.
- 본 연구는 LED조명을 설치한 조명환경에서 휴식활동(resting activity)과 집중활동(attention activity)에서 LED 조명의 색온도 및 조도의 변화가 사람에게 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 단채널 뇌파측정기를 통하여 측정했으며 다음과 같은 순서로 실험을 진행하였다.
- 각각의 활동에 따른 설정 값은 기존의 활동기반 선호조도에 대한 연구결과[4, 8]에 기반하여 설정되었다. 본 연구에서 집중활동기반 조명은 활동 기반 선호 조도[8] 중에 학습 활동에 적합한 조명의 색온도 및 조도 값을 바탕으로 6600K, 800lx를 설정하였다. 표 1과 표 2에서 R, G, B 값은 주어진 조건의 색온도 및 조도에 적합하도록 제어하기 위하여 PWM 제어를 위하여 사용된 값으로 0∼255 사이의 제어 값을 나타낸다.
- 실험은 LED 광천장 룸 안에서 1명씩 진행하였고, 피험자와 실험자 두 명이 실험실에 들어가 실험을 진행하였다. 실험 전 실험의 준비단계로 실험에 대한 내용을 피험자는 상세히 설명을 들었으며 실험실에 들어간 피험자는 마인드셋을 착용하여 뇌파데이터(raw data, attension level, meditation level)가 나오도록 조정을 하였다. 정확한 뇌파가 나오기 위하여 조명에 적응 할 수 있는 시간 1분을 주었다.
- 실험에서 사용한 색온도, 조도의 값은 아래 표 1 및표 2와 같다. 집중활동 실험에서는 활동기반 조명으로 6,600K, 800lx를 사용하여 일반 실내조명용으로 설정된 4,600K, 500lx에 비하여 높은 색온도와 높은 조도 값을 사용하였다. 휴식활동 실험에서는 활동기반 조명으로 3,600K, 240lx로 일반 실내조명으로 설정된 4,600K, 500lx에 비하여 색온도와 조도 값이 낮은 값으로 설정되었다.
- 1, Tropical Rainforest 으로 4분간 피험자가 눈을 뜬 상태에서 편안한 자세를 취했을 때 들려주었으며 하나의 자극이 끝나고 다음과제로 넘어 갈 때 1분간 눈을 감고 대기시간을 가지도록 하였다. 집중활동 으로는 노트북에 있는 온라인 사격게임을 4분간 수행하게 하였다. 하나의 활동에 대한 실험은 대기 시간을 포함하여 표 5와 같이 약 10분의 시간이 소요 되었다.
- 피실험자는 휴식활동과 집중활동의 두 가지 활동을 수행하였으며, 각각의 활동에서 활동기반조명과 일반조명의 두 가지 조명조건에서 실험을 진행하였다. 측정된 뇌파 신호는 원래의 뇌파 신호(raw data)와 어떤 일에 대한 생각이 모아진 정도를 나타내는 집중도(attention level)와 편안한 정서 상태를 나타내는 이완도(relaxation level) 정보를 얻을 수 있으며, 본 연구에서는 집중도와 이완도 값들을 중심으로 분석하였다. 뇌파를 통해 얻어진 데이터는 매 샘플 데이터가 고정되어 있는 것이 아니라 변동이 일어난다.
- 평가방법으로는 휴식활동과 집중활동을 임의순서로 수행하였으며 일반조명과 활동기반조명 또한 피험자에 따라 임의순서로 제시되었다. 휴식활동으로는 명상을 위한 자연의 소리 VOL.
- 피실험자는 휴식활동과 집중활동의 두 가지 활동을 수행하였으며, 각각의 활동에서 활동기반조명과 일반조명의 두 가지 조명조건에서 실험을 진행하였다. 측정된 뇌파 신호는 원래의 뇌파 신호(raw data)와 어떤 일에 대한 생각이 모아진 정도를 나타내는 집중도(attention level)와 편안한 정서 상태를 나타내는 이완도(relaxation level) 정보를 얻을 수 있으며, 본 연구에서는 집중도와 이완도 값들을 중심으로 분석하였다.
- 평가방법으로는 휴식활동과 집중활동을 임의순서로 수행하였으며 일반조명과 활동기반조명 또한 피험자에 따라 임의순서로 제시되었다. 휴식활동으로는 명상을 위한 자연의 소리 VOL.1, Tropical Rainforest 으로 4분간 피험자가 눈을 뜬 상태에서 편안한 자세를 취했을 때 들려주었으며 하나의 자극이 끝나고 다음과제로 넘어 갈 때 1분간 눈을 감고 대기시간을 가지도록 하였다. 집중활동 으로는 노트북에 있는 온라인 사격게임을 4분간 수행하게 하였다.
대상 데이터
- LED 평판등에 사용된 LED는 RGB Full Color LED이며 WON SEMICONDUCTOR 社의 WF5360-HZ 제품이며 392개의 SMD Top view 형태의 패키지로 R, G, B 각각의 색에 대한 LED가 하나의 패키지에 들어 있는 형태의 LED를 사용하였다. 전면에는 확산판이 부착되어 균제도를 높이도록 하였으며, 하나의 제작된 기본 평판등의 크기는 950×950mm²이다.
- 이 장치는 일반적으로 뇌파를 이용한 집중도 테스트 또는 게임 등에 사용되고 있기는 하나, Rebolledo-Mendez 등의 연구에 따르면 집중도 평가에 대한 신뢰도 검증에서 기존의 다채널 집중도 평가와 유사한 결과를 얻었음이 보고되었다[10]. raw data도 제공되지만 본 연구에서는 측정된 집중도와 명상도 값을 분석대상으로 하였다. 이후에 본 논문에서는 명상도에 해당하는 값을 이완도(relaxation level)로 표시한다.
- 본 연구에 대한 실험은 크기 2600mm x 3700mm 인 LED 광천장 룸에서 수행되었다. 광천장 룸의 내부는 흰색 벽으로 구성되어 있으며 12세트의 LED 평판들을 천장에 설치하였다.
- 본 연구에 대한 실험은 크기 2600mm x 3700mm 인 LED 광천장 룸에서 수행되었다. 광천장 룸의 내부는 흰색 벽으로 구성되어 있으며 12세트의 LED 평판들을 천장에 설치하였다.
- 즉 각 피실험자에 대하여, 설정된 조명 및 활동 아래에서 각 세션에서 측정된 집중도와 이완도의 평균값을 각 세션의 실험 결과로 사용하였다. 본 연구에서는 1초에 하나씩을 샘플을 얻었으며, 4분동안 얻었으므로 240개의 샘플 데이터가 획득되며, 이 샘플데이터의 평균값을 각 세션의 실험결과 값으로 사용하였다. 이렇게 얻은 각각의 피실험자에 대한 일반 조명과 활동기반조명에 있어서 각 세션의 평균값의 변화를 분석하여, 이것이 의미 있는 변화인지를 t-검증을 통하여 분석하였다.
- 실험에 참가한 피험자는 영남대학교 학부 재학 2, 3학년 학생 11명이다. 모든 피험자들은 정상적인 시력과 색맹이 없는 학생들로 이루어 졌으며 피험자들은 실험 전 실험에 대해 충분한 설명을 들은 후 실험에 참가하였다.
- 실험은 LED 광천장 룸 안에서 1명씩 진행하였고, 피험자와 실험자 두 명이 실험실에 들어가 실험을 진행하였다. 실험 전 실험의 준비단계로 실험에 대한 내용을 피험자는 상세히 설명을 들었으며 실험실에 들어간 피험자는 마인드셋을 착용하여 뇌파데이터(raw data, attension level, meditation level)가 나오도록 조정을 하였다.
데이터처리
- 그림 5는 활동 기반 조명 중에 휴식 활동 기반 조명의 경우이고, 그림 7은 집중 활동 기반 조명의 예이다. 각각의 활동에 대하여, 활동기반에 맞춘 조명에 대하여 일반조명(그림 6)과 차이를 비교하였다.
- 본 연구에서는 1초에 하나씩을 샘플을 얻었으며, 4분동안 얻었으므로 240개의 샘플 데이터가 획득되며, 이 샘플데이터의 평균값을 각 세션의 실험결과 값으로 사용하였다. 이렇게 얻은 각각의 피실험자에 대한 일반 조명과 활동기반조명에 있어서 각 세션의 평균값의 변화를 분석하여, 이것이 의미 있는 변화인지를 t-검증을 통하여 분석하였다.
이론/모형
- 뇌파를 측정하기 위해 사용한 뇌파 측정 장비로 그림 4에서 보여주는 뉴로스카이 社의 마인드셋 (MindSet) 을 사용하였다. 이 뇌파 측정기의 사용방법은 헤드셋과 같이 머리에 착용하여 사용하며 블루투스를 통해 뇌파데이터를 컴퓨터에 전송받아 저장할 수 있다.
성능/효과
- 86보다 조금 높게 나왔다. t-검증 결과 0.70으로 신뢰구간 95%내에서 일반 조명과 비교했을 때, 이완도의 경우에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 하지만 휴식활동을 위한 조명은 이완도를 증가시켰으며, 집중활동 조명에서 이완도가 감소한 것과 비교했을 때, 상대적으로 휴식활동기반의 낮은 색온도 및 낮은 조도가 휴식과 같은 이완 활동에 적합하다는 기존의 연구결과[4, 9]와 유사한 경향성을 보이고 있다.
- 61 더 높게 나왔다. 각 세션에서의 분산을 고려한 t 검증 값 결과 2.12로 전체 22개의 샘플에 대한 검증으로 분석할 때, 이 결과는 95%의 신뢰도 구간을 벗어났으며, 이는 두 조명상황에서 집중도에 있어서는 95%의 신뢰도를 가지고 집중활동 기반 조명이 일반조명에 비하여 차이가 있음을 보여준다.
- 09에 비하여 증가하였으나 t-검증 결과 95%의 신뢰도에서 의미 있는 차이를 보이지 않았다. 따라서 본 실험에서 설정한 3,600K, 240lx의 휴식조명이 이완도 및 집중도에 있어서는 커다란 차이가 나타나지는 않았다.
- 따라서 집중력을 요구하는 활동에서 일반 조명에 비하여 보다 높은 색온도 및 높은 조도를 통하여 집중도를 높임으로 일반조명에 비하여 집중활동 효율을 높일 수 있을 것으로 보인다.
- 본 연구를 통하여 LED 조명의 색온도 및 조도가 집중 및 이완에 얼마나 영향을 미치는지를 뇌파 측정값에 대한 통계적 분석을 통하여 가능함을 보였으며, 이를 기반으로 기존에는 사용자의 설문을 기반으로 이루어졌던 적합한 조명을 찾고자 하는 연구에 대한 보완적인 방법으로 뇌파 분석이 사용될 수 있는 가능성을 보였다.
- 분석결과에 따르면, 업무와 같은 집중도가 필요한 활동에는 색온도 6,000K, 조도 800lx와 같이 높은 색온도 및 높은 조도에서 일반조명인 색온도 4,600K, 조도 530lx에 비하여 집중도가 증가하여 일반 조명 환경보다 적합하다는 것을 알 수 있다.
- 표 3은 각각의 활동 기반 조명 및 일반 조명에 대하여 측정된 x, y 좌표 및 색온도를 보여준다. 실제 분광 분석기를 통하여 측정된 색온도는 목표로 했던 색 온도와 약간의 차이가 있지만, 본 실험에서 요구하는 활동에 따른 조명의 변화를 보이는 데는 충분하므로 실험 결과에는 큰 영향을 미치지 않을 것으로 보았다.
- 휴식과 편안한 상태를 필요로 하는 활동에서 색온도 3,600K, 조도 240lx의 활동기반조명과 일반조명이 이완도에 있어서 이완도가 증가하는 경향성을 보였으나, 통계적으로 유의미한 차이를 보이지는 않았다.
후속연구
- 또한 본 연구에서는 각각의 활동 상태에 대하여 일반 조명 환경과 비교하여 기존의 연구를 통하여 알려져 활동에 따른 특정한 조명의 한 가지 경우에 대하여 실험하였으나, 각각의 활동에 대한 최적의 조명 상태를 알기 위해서는, 특정한 한 가지 조명 조건이 아니라 조명의 조도와 색온도를 단계를 나누어 실험해 봄으로 주어진 활동에 최적의 조건을 찾는 실험을 향후에 할 계획이다.
- 본 연구에서 사용된 뇌파 측정 장치는 건식 단채널 데이터로 보다 향상된 결과를 얻기 위해서는 기존에 사용되던 다채널 뇌파 분석과의 비교 연구를 통한 추가적인 검증이 요구된다.
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