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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 도로조명으로 설치된 LED광원의 광학특성을 분석하여 빛공해 발생여부 및 도로조명기준 만족여부를 검증하는 것이다. 이를 위하여 LED교체사업이 진행된 4개의 간선도로의 기존 메탈광원과 LED광원으로 교체시의 배광특성, 국내외 도로조명기준 비교 분석을 통해 검증을 실시하였다.
- 본 연구는 4개의 서울시 간선도로 조명을 기존의 메탈할라이드 광원에서 LED광원으로 교체했을 때의 배광 및 빛공해 평가를 실시하여 도로조명으로써의 LED광원 특성을 분석하였다.
제안 방법
- KS도로조명기준과 비교분석을 하기 위한 휘도 및 균제도는 LMK Mobile Advanced 대면휘도계로 측정하였다<;그림 2>. LMK 휘도계는 하드웨어는 캐논 EOS 550D 카메라와 Sigma 18-50mm 렌즈로 구성되며, 측정된 이미지는 LMK LabSoft 분석프로그램을 이용하여 휘도 및 균제도를 분석할 수 있게 된다.
- 본 연구에서는 LED교체사업이 진행된 우정국로(왕복6차로), 서소문로(왕복6차로), 양화로(왕복8차로), 통일로(왕복8차로)등 총 4개의 도로를 선정하였다. LED조명의 광학 특성 및 빛공해 평가는 기존광원과 LED광원의 광학 측정을 통하여 기존광원과 LED광원의 도로조명(KS A 3701) 부합여부를 파악하고, 배광곡선(상향광속 및 후사광속)을 측정하여 기존광원 대비 LED광원의 광속 감소율을 분석하였다. 마지막으로 북미조명학회(IESNA)의 BUG등급(후사광, 상향광, 눈부심)을 기존광원과 LED광원과 비교분석하여 빛공해 여부를 평가하였다.
- KS도로조명기준과 비교분석을 하기 위한 휘도 및 균제도는 LMK Mobile Advanced 대면휘도계로 측정하였다<그림 2>. LMK 휘도계는 하드웨어는 캐논 EOS 550D 카메라와 Sigma 18-50mm 렌즈로 구성되며, 측정된 이미지는 LMK LabSoft 분석프로그램을 이용하여 휘도 및 균제도를 분석할 수 있게 된다. LMK의 휘도 측정범위는 0.
- LED조명의 광학 특성 및 빛공해 평가는 기존광원과 LED광원의 광학 측정을 통하여 기존광원과 LED광원의 도로조명(KS A 3701) 부합여부를 파악하고, 배광곡선(상향광속 및 후사광속)을 측정하여 기존광원 대비 LED광원의 광속 감소율을 분석하였다. 마지막으로 북미조명학회(IESNA)의 BUG등급(후사광, 상향광, 눈부심)을 기존광원과 LED광원과 비교분석하여 빛공해 여부를 평가하였다.
- 1- 140,000 cd/㎡이다. 배광곡선 분석은 각각의 조명기구들의 IES파일을 Optic Works 조명 시뮬레이션 프로그램에 입력하여 조명기구의 상향광, 전방광, 후사광의 배광분포를 각각 분석하였다.
- 따라서 본 연구의 목적은 도로조명으로 설치된 LED광원의 광학특성을 분석하여 빛공해 발생여부 및 도로조명기준 만족여부를 검증하는 것이다. 이를 위하여 LED교체사업이 진행된 4개의 간선도로의 기존 메탈광원과 LED광원으로 교체시의 배광특성, 국내외 도로조명기준 비교 분석을 통해 검증을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 LED교체사업이 진행된 우정국로(왕복6차로), 서소문로(왕복6차로), 양화로(왕복8차로), 통일로(왕복8차로)등 총 4개의 도로를 선정하였다. LED조명의 광학 특성 및 빛공해 평가는 기존광원과 LED광원의 광학 측정을 통하여 기존광원과 LED광원의 도로조명(KS A 3701) 부합여부를 파악하고, 배광곡선(상향광속 및 후사광속)을 측정하여 기존광원 대비 LED광원의 광속 감소율을 분석하였다.
- 우정국로와 서소문로는 세미컷 형태의 250W 메탈 등에서 우정국로는 세미컷 형태의 140W LED광원으로, 서소문로는 세미컷 형태의 170W LED광원으로 교체되었다. 양화로와 통일로는 기존의 컷오프 형태의 양화로 250W 메탈광원, 통일로 350W 메탈광원에서 약 200W의 컷오프 형태의 LED등으로 교체되었다.
- 이에 따라 본 연구에서는 시범구간 중 과 같이 우정국로(왕복 6차로), 서소문로(왕복 6차로), 양화로(왕복 8차로), 통일로(왕복 8차선)등 4곳을 선정하였다.
성능/효과
- 1) 기존광원과 LED광원의 KS도로조명기준을 비교 분석한 결과, 노면 평균휘도는 기존광원 사용 시 1개 도로만 충족한 반면, LED광원으로 교체 시 3개 도로에서 기준을 충족하는 것으로 나타났으며, 균제도와 눈부심 기준은 기존광원과 LED광원 모두 기준을 충족하지 못하였지만, LED등이 하향 개선되는 결과를 나타냈다.
- 2) 배광각도에 따른 광속을 북미조명학회의 BUG등급으로 분석한 결과, 모든 도로에서 기존대비 50% 이상의 광속 감소율을 나타냈다. 특히 빛공해를 직접적으로 발생시키는 상향광의 광속이 기존 메탈 광원보다 가장 많이 감소하는 것으로 나타나 LED등이 빛공해를 억제하는 측면에서 기존 광원보다 적합한 것으로 판단된다.
- 2) 전방광이 대지 구획선을 향하도록 조명기구를 설치해서는 안 됨.
- 3배씩 평균노면휘도가 밝아졌다. KS도로조명기준과 비교하여 보면, 우정국로는 상향개선 되었지만, 기준에는 미치지 못하였고, 서소문로, 양화로는 기준미달에서 기준을 만족하는 것으로 개선되었다.
- 메탈광원을 사용하였을 경우, 조명기구 전체광속 대비 후사광의 광속은 평균 43%를 차지하였으며, 상향광은 1%, 눈부심에 대한 광속은 평균 27%를 차지하는 것으로 나타났다. LED광원을 사용하였을 경우도 후사광 37%, 상향광 1%, 눈부심은 24%로 나타났다. 전체적으로는 LED광원을 사용할 경우 후사광은 평균 54% 광속이 감소하며, 눈부심은 50%, 상향광은 68% 감소하여 상향광의 감소율이 가장 큰 것으로 나타났다.
- 1배씩 눈부심지수의 기준을 초과하는 것으로 나타났다. 교체 후에는 기준을 만족하지는 못하였지만 우정국로는 기준보다 1.9배, 서소문로는 1.1배 초과하여 교체 전보다 기준을 초과하는 비율이 감소하였으며, 양화로와 통일로는 교체전과 후에 거의 동일한 눈부심 지수를 나타냈다.
- 눈부심에 대한 배광각도에 따른 광속은 후사광과 상향광과 마찬가지로 LED광원의 광속이 메탈광원보다 감소하는 것으로 나타났다. 우정국로와 서소문로는 눈부심을 평가하는 모든 조사각도(FVH, BVH, FH, BH각도)에서 50%이상의 감소율을 나타내며 우정국로 평균 70%, 서소문로 64%의 광속 감소율을 각각 나타냈다.
- 도로별로 보면, 우정국로의 경우 메탈광원에서 LED광원으로 교체한 경우 후사광, 상향광, 눈부심에 대한 광속이 평균 70% 감소하여 가장 큰 감소율을 나타냈으며, 통일로는 평균 60%, 서소문로와 양화로는 약50%의 감소율을 각각 나타냈다. 즉 총 광속대비 광속비율은 메탈광원과 LED광원의 차이가 적었지만, 광속량과 빛공해를 유발하는 상향광이 메탈광원보다 적게 발광되는 것으로 나타났다.
- 메탈광원을 사용하였을 경우, 조명기구 전체광속 대비 후사광의 광속은 평균 43%를 차지하였으며, 상향광은 1%, 눈부심에 대한 광속은 평균 27%를 차지하는 것으로 나타났다. LED광원을 사용하였을 경우도 후사광 37%, 상향광 1%, 눈부심은 24%로 나타났다.
- 우정국로와 서소문로는 눈부심을 평가하는 모든 조사각도(FVH, BVH, FH, BH각도)에서 50%이상의 감소율을 나타내며 우정국로 평균 70%, 서소문로 64%의 광속 감소율을 각각 나타냈다. 양화로의 경우 FH각도에서 LED광원의 광속이 18% 증가하였지만, 전체적으로는 눈부심의 광속이 평균 40% 감소하였으며, 통일로는 50%로 나타났다.
- 38cd/㎡으로 가장 밝게 나타났다. 우정국로는 LED광원으로 교체 후 2.4배, 양화로와 통일로는 각각 1.3배씩 평균노면휘도가 밝아졌다. KS도로조명기준과 비교하여 보면, 우정국로는 상향개선 되었지만, 기준에는 미치지 못하였고, 서소문로, 양화로는 기준미달에서 기준을 만족하는 것으로 개선되었다.
- 눈부심에 대한 배광각도에 따른 광속은 후사광과 상향광과 마찬가지로 LED광원의 광속이 메탈광원보다 감소하는 것으로 나타났다. 우정국로와 서소문로는 눈부심을 평가하는 모든 조사각도(FVH, BVH, FH, BH각도)에서 50%이상의 감소율을 나타내며 우정국로 평균 70%, 서소문로 64%의 광속 감소율을 각각 나타냈다. 양화로의 경우 FH각도에서 LED광원의 광속이 18% 증가하였지만, 전체적으로는 눈부심의 광속이 평균 40% 감소하였으며, 통일로는 50%로 나타났다.
- 후사광은 조명의 조사각도 0～80°(BL, BM, BH)의 광속으로 분석하게 되는데, 우정국로 양화로, 통일로, 서소문로 모두 LED광원이 메탈광원보다 광속량이 감소하는 것으로 나타났다. 우정국로의 LED광원 교체로 인한 감소율이 71%로 가장 높았으며, 양화로와 통일로는 약52%, 서소문로는 35% 감소율을 나타냈다.
- 전사 상향광인 FVH각도(80-90°)에서는 모든 도로에서 LED광원의 광속이 50%이상 메탈광원 보다 감소하는 것으로 나타났으며 후사상향광 BVH각도에서는 LED광원의 광속 감소율이 우정국로와 서소문로는 약85%, 양화로 47%, 통일로 3%로 각각 나타났다.
- LED광원을 사용하였을 경우도 후사광 37%, 상향광 1%, 눈부심은 24%로 나타났다. 전체적으로는 LED광원을 사용할 경우 후사광은 평균 54% 광속이 감소하며, 눈부심은 50%, 상향광은 68% 감소하여 상향광의 감소율이 가장 큰 것으로 나타났다.
- 종합 균제도는 교체전의 경우도 기준을 만족하였지만 LED광원으로 교체한 후에는 서소문로와 양화로는 1.2～1.4배 균제도가 상향되었으며, 우정국로와 통일로는 0.9배, 0.6배씩 감소하였다. 차선 축 균제도의 경우, 교체전의 메탈광원은 대부분 기준미달이었던 반면, 교체 후에는 통일로를 제외한 다른 도로들은 상향 개선되거나, 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 도로별로 보면, 우정국로의 경우 메탈광원에서 LED광원으로 교체한 경우 후사광, 상향광, 눈부심에 대한 광속이 평균 70% 감소하여 가장 큰 감소율을 나타냈으며, 통일로는 평균 60%, 서소문로와 양화로는 약50%의 감소율을 각각 나타냈다. 즉 총 광속대비 광속비율은 메탈광원과 LED광원의 차이가 적었지만, 광속량과 빛공해를 유발하는 상향광이 메탈광원보다 적게 발광되는 것으로 나타났다.
- 6배씩 감소하였다. 차선 축 균제도의 경우, 교체전의 메탈광원은 대부분 기준미달이었던 반면, 교체 후에는 통일로를 제외한 다른 도로들은 상향 개선되거나, 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 2) 배광각도에 따른 광속을 북미조명학회의 BUG등급으로 분석한 결과, 모든 도로에서 기존대비 50% 이상의 광속 감소율을 나타냈다. 특히 빛공해를 직접적으로 발생시키는 상향광의 광속이 기존 메탈 광원보다 가장 많이 감소하는 것으로 나타나 LED등이 빛공해를 억제하는 측면에서 기존 광원보다 적합한 것으로 판단된다.
- 후사광은 조명의 조사각도 0～80°(BL, BM, BH)의 광속으로 분석하게 되는데, 우정국로 양화로, 통일로, 서소문로 모두 LED광원이 메탈광원보다 광속량이 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 시범도로의 경우 기존광원과 LED광원을 동일한 위치에 설치하였다. 추후 LED광원 적용 시 광원의 특성을 고려하여 등주높이, 설치간격 등을 세부적으로 조절한다면 LED광원의 개선효과가 더 클 것으로 판단된다.
- 7, 눈부심지수 최대 허용치 10% 이내로 규정되어있으나, 이 규정치를 지키는 데는 많은 어려움이 있다. 특히 눈부심지수를 10% 이내로 한다는 것은 조명기구의 광학성능이 핵심이나 우리의 기술 수준으로는 이를 달성하기가 그간 쉽지 않았다 앞으로는 눈부심지수의 저감 대책에 대한 연구가 더 필요하다.
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