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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 다양한 밝기에서 단일칩 LED조명과 RGB 멀티칩 LED 조명이 어떠한 특성과 차이를 갖는지 비교 · 분석하여 스마트 LED조명시스템에 대한 적용성을 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 스마트 LED조명시스템에 적용이 용이한 RGB 멀티칩 LED조명과 단일칩 LED조명의 백색광에 대한 주관평가를 실시하였다. 실험은 각각의 조명을 바라보며 밝기, 선호도, 유사성을 비교하는 주관평가와 각각의 조명 아래에서의 색 보임을 평가하는 주관평가로 구성된 두 개의 파트로 나누어 진행하였다.
- 연구 결과 RGB 멀티칩에 비하여 백색 LED의 경우가 연색지수나 광 효율에서 우수한 특성을 나타내었으며 배광특성은 RGB 멀티칩이 좀 더 넓게 나타났다[2]. 이외에도 현재 RGB 멀티칩의 효율이나 연색지수 관련 연구와 단일칩 LED의 Color quality 연구는 많지만 RGB 멀티칩의 Color quality 관련 연구가 미흡하므로 이에 대한 연구를 중점적으로 하고자 한다[7-8].
제안 방법
- 그 다음으로 단일칩 LED와 RGB 멀티칩 LED가 각각 구현된 환경에서의 색 보임을 평가하기 위하여 8가지 색지에 대해 밝기, 자연스러움, 선명함 및 선호도 항목을 통한 색 보임 주관평가를 진행한 후 실제 연색지수와 색 보임이 상관관계가 있는지를 비교 · 분석하였다.
- 두 조명기구의 색온도를 일치시키기 위해 분광계(Spectrometer MMS1)를 이용해 단일칩 LED의 색좌표를 측정하였다. 그 다음으로 단일칩과의 색차가 MacAdam ellipses 5 step 범위를 만족시키는 RGB 멀티칩 LED 의 색좌표를 구현하기 위한 RGB 각각의 광량조합비 율을 산출하였고 산출한 값을 적용하여 색좌표를 측정하였다. 그 결과 3,000K에서 단일칩 LED의 색좌표는 x=0.
- 그림 6과 같이 실험 환경은 배경조도를 0lx로 고정시키고 암순응을 시킨 후 RGB 멀티칩 LED와 단일칩 LED로 구성된 두 개의 조명기구 아래에 8가지 색상의 색지를 놓고 동일한 조도, 동일한 색온도(색좌표)로 동시에 점등하였다. 이 때에 피험자는 조명기구 아래 놓인 색지를 바라보면서 설문지를 작성하도록 하였다.
- 피험자는 20~30대의 색약과 색맹이 없는 남, 여 5명으로 구성되었고 주변광의 영향을 배제하기 위해 창이 없는 공간에서 주관평가를 실시하였다. 두 조명기구의 색온도를 일치시키기 위해 분광계(Spectrometer MMS1)를 이용해 단일칩 LED의 색좌표를 측정하였다. 그 다음으로 단일칩과의 색차가 MacAdam ellipses 5 step 범위를 만족시키는 RGB 멀티칩 LED 의 색좌표를 구현하기 위한 RGB 각각의 광량조합비 율을 산출하였고 산출한 값을 적용하여 색좌표를 측정하였다.
- 두 조명기구의 휘도를 50, 100, 150, 200, 250cd/m²로 무작위로 바꿔가면서 위와 같은 실험을 반복하였다.
- 1장과 동일한 광량조합비율을 사용하여 색 보임 실험을 진행하였으며 모든 조도에서의 색좌표가 MacAdam ellipses 5 step을 만족하였다. 또한 실험에 사용된 색지는 평균 연색지수 Ra를 산출하는 TCS(Test Color Samples)01에서 TCS08까지의 Munsell 색상에 최대한 유사한 계열의 색을 사용하였으며 각각의 색과 색에 대한 조명기구의 연색지수는 아래 표 1과 같다. 색지 아래에 나타난 값은 각각 색상과 명도, 채도의 값을 나타내며 위의 값은 연색지수를 산출하는 TCS의 색상값이고 아래는 실험에 사용한 색지의 색상 값이다.
- 우리가 조명을 이용할 때에는 조명을 직접 바라보는 경우도 있고 조명 아래에서 생활하거나 상품을 바라보는 경우 등이 있기 때문에 각각의 경우를 나누어 두 종류의 실험을 진행하였다. 먼저 동일한 휘도와 색온도에서 밝기, 선호도 및 유사성항목에 대해 주관평가를 진행하였다. 그 다음으로 단일칩 LED와 RGB 멀티칩 LED가 각각 구현된 환경에서의 색 보임을 평가하기 위하여 8가지 색지에 대해 밝기, 자연스러움, 선명함 및 선호도 항목을 통한 색 보임 주관평가를 진행한 후 실제 연색지수와 색 보임이 상관관계가 있는지를 비교 · 분석하였다.
- 본 연구는 S대학교 대학원생 10명을 대상으로 S사의 36EA 단일칩 LED와 S사의 36EA RGB 멀티칩 LED로 각각 구성된 두 개의 LED 조명박스에 대하여 색온도 3,000K, 6,000K일 때 동일한 휘도에서 밝기, 선호도, 유사성항목의 설문조사를 실시하였다. 피험자는 20~30대의 색약과 색맹이 없는 남, 여 5명으로 구성되었고 주변광의 영향을 배제하기 위해 창이 없는 공간에서 주관평가를 실시하였다.
- 본 연구는 S대학교 대학원생 10명을 대상으로 진행되었고 단일칩 LED와 RGB 멀티칩 LED 두 개의 조명기구 아래에 위치한 색지의 색 보임에 대하여 색온도 3,000K, 6,000K일 때 동일한 조도에서 밝기, 선명함, 자연스러움, 선호도 항목의 설문조사를 실시하였다. 피험자의 구성과 실험실의 조건은 3.
- 본 연구에서는 3.1장과 동일한 광량조합비율을 사용하여 색 보임 실험을 진행하였으며 모든 조도에서의 색좌표가 MacAdam ellipses 5 step을 만족하였다. 또한 실험에 사용된 색지는 평균 연색지수 Ra를 산출하는 TCS(Test Color Samples)01에서 TCS08까지의 Munsell 색상에 최대한 유사한 계열의 색을 사용하였으며 각각의 색과 색에 대한 조명기구의 연색지수는 아래 표 1과 같다.
- 실험 환경은 배경조도를 0lx로 고정시키고 암순응을 시킨 후 두 개의 조명기구를 동일한 휘도, 동일한 색온도(색좌표)로 동시에 점등하였다. 이때에 10초 동안 조명기구를 바라보게 한 후 설문지를 작성하도록 하였다.
- 본 연구에서는 스마트 LED조명시스템에 적용이 용이한 RGB 멀티칩 LED조명과 단일칩 LED조명의 백색광에 대한 주관평가를 실시하였다. 실험은 각각의 조명을 바라보며 밝기, 선호도, 유사성을 비교하는 주관평가와 각각의 조명 아래에서의 색 보임을 평가하는 주관평가로 구성된 두 개의 파트로 나누어 진행하였다. 먼저 두 개의 조명을 바라보며 주관평가를 한 결과 3,000K에서는 RGB 멀티칩 조명이 더 밝고 선호도가 높게 평가되었으며 6,000K에서는 단일칩 조명이 더 밝고 선호도가 높은 것으로 평가되었고 6,000K의 높은 색온도에서 유사성이 낮은 것으로 나타났다.
- 따라서 본 연구에서는 다양한 밝기에서 단일칩 LED조명과 RGB 멀티칩 LED 조명이 어떠한 특성과 차이를 갖는지 비교 · 분석하여 스마트 LED조명시스템에 대한 적용성을 평가하고자 하였다. 우리가 조명을 이용할 때에는 조명을 직접 바라보는 경우도 있고 조명 아래에서 생활하거나 상품을 바라보는 경우 등이 있기 때문에 각각의 경우를 나누어 두 종류의 실험을 진행하였다. 먼저 동일한 휘도와 색온도에서 밝기, 선호도 및 유사성항목에 대해 주관평가를 진행하였다.
- 그림 6과 같이 실험 환경은 배경조도를 0lx로 고정시키고 암순응을 시킨 후 RGB 멀티칩 LED와 단일칩 LED로 구성된 두 개의 조명기구 아래에 8가지 색상의 색지를 놓고 동일한 조도, 동일한 색온도(색좌표)로 동시에 점등하였다. 이 때에 피험자는 조명기구 아래 놓인 색지를 바라보면서 설문지를 작성하도록 하였다. 아래 그림 6과 같이 두 조명기구의 조도를 100lx, 300lx로 무작위로 바꾸고 두 개의 조명기구 위치를 서로 바꿔가면서 위와 같은 실험을 반복하였다.
- 실험 환경은 배경조도를 0lx로 고정시키고 암순응을 시킨 후 두 개의 조명기구를 동일한 휘도, 동일한 색온도(색좌표)로 동시에 점등하였다. 이때에 10초 동안 조명기구를 바라보게 한 후 설문지를 작성하도록 하였다. 두 조명기구의 휘도를 50, 100, 150, 200, 250cd/m²로 무작위로 바꿔가면서 위와 같은 실험을 반복하였다.
- 본 연구는 S대학교 대학원생 10명을 대상으로 S사의 36EA 단일칩 LED와 S사의 36EA RGB 멀티칩 LED로 각각 구성된 두 개의 LED 조명박스에 대하여 색온도 3,000K, 6,000K일 때 동일한 휘도에서 밝기, 선호도, 유사성항목의 설문조사를 실시하였다. 피험자는 20~30대의 색약과 색맹이 없는 남, 여 5명으로 구성되었고 주변광의 영향을 배제하기 위해 창이 없는 공간에서 주관평가를 실시하였다. 두 조명기구의 색온도를 일치시키기 위해 분광계(Spectrometer MMS1)를 이용해 단일칩 LED의 색좌표를 측정하였다.
성능/효과
- 다음 그림 5와 같이 동일한 색온도와 휘도일 때의 밝기, 선호도, 유사성항목에 대하여 주관평가 한 결과 밝기항목은 휘도에 따라 밝기점수가 비교적 비례하게 나타나는 경향을 보였다. 3,000K에서는 높은 휘도에서 RGB 멀티칩 LED의 밝기가 높게 평가되었고 낮은 휘도에서는 단일칩 LED의 밝기가 높게 평가되었다. 6,000K에서는 단일칩 LED의 밝기가 RGB 멀티칩 LED보다 전반적으로 높게 평가되는 경향을 보였다.
- 3,000K에서는 높은 휘도에서 RGB 멀티칩 LED의 밝기가 높게 평가되었고 낮은 휘도에서는 단일칩 LED의 밝기가 높게 평가되었다. 6,000K에서는 단일칩 LED의 밝기가 RGB 멀티칩 LED보다 전반적으로 높게 평가되는 경향을 보였다. 선호도 항목의 경우 전체적으로 휘도가 낮아질수록 선호도가 낮아지는 경향을 보였으며 3,000K에서는 밝기 항목에서 더 높은 점수를 받은 RGB 멀티칩 LED의 선호도가 더 높았고 6,000K 또한 밝기 항목에서 더 높은 점수를 받은 단일칩 LED의 선호도가 더 높게 평가되었다.
- 그 다음으로 단일칩과의 색차가 MacAdam ellipses 5 step 범위를 만족시키는 RGB 멀티칩 LED 의 색좌표를 구현하기 위한 RGB 각각의 광량조합비 율을 산출하였고 산출한 값을 적용하여 색좌표를 측정하였다. 그 결과 3,000K에서 단일칩 LED의 색좌표는 x=0.4455, y=0.3972였고 멀티칩 LED는 x=0.4405, y=0.3951이었다. 6,000K에서 단일칩 LED의 색좌표는 x=0.
- 다음으로 단일칩과 RGB 멀티칩 아래에서의 색 보임 평가를 진행한 결과 색상별 선호도 평가에서 색온도 별로 차이가 있었지만 전반적으로 RGB 멀티칩 아래에서의 색에 대한 선호도가 높은 것으로 나타났다. 그 이유는 수치로 나타나는 연색지수와 사람이 느끼는 색 보임은 차이가 있으며, 연색지수가 높다고하여 특정색의 색보임이 좋다고 할 수 없다[11].
- 대부분의 색에서 RGB 멀티칩의 응답수가 더 높게 나왔는데 특히 선호도 항목에서 TCS01, 02, 07, 08의 붉은색계열은 Light violet을 제외한 모든 색에서 RGB 멀티칩 아래서의 색의 선호도가 높았고 TCS03∼06까지의 푸른색 계열은 3,000K에서는 RGB 멀티칩, 6,000K에서는 단일칩을 더 선호하는 경향이 나타났다.
- 따라서 단일칩과 RGB 멀티칩의 분광분포 중 상대적으로 푸른색의 비율이 높은 멀티칩에 대한 자극이 높아져 이러한 결과가 나타난 것으로 사료된다. 따라서 간접조명, 라이트 테라피와 같은 사람들이 직접적으로 바라보게 되는 조명을 사용할 때에는 색온도에 따라 단일칩 조명과 RGB 멀티칩 조명을 적절하게 선택하거나 두 개의 조명을 함께 사용하여 적용성을 높여야 하고 스마트 조명시스템 및 상점조명과 같은 조명하는 물체의 색이 중요할 때에는 RGB 멀티칩 조명을 사용하는 것이 적절할 것으로 판단되었다. 본 연구는 피험자의 수가 한정적이라는 단점이 있으며 RGB 멀티칩에 Amber등의 색상을 추가한다면 광 효율과 연색지수가 좋은 조명환경을 구현할 수 있을 것으로 예상된다.
- 6,000K에서는 Light greyish red의 100lx, Strong yellow green, Moderate yellowish green, Light blue 의 300lx, Light violet에서 단일칩 아래의 색 선호도응답수가 높게 나왔고 나머지 색상에서는 RGB 멀티칩의 응답수가 높게 나오거나 동일한 응답수가 집계되었다. 따라서 같은 색상이더라도 색온도 별로 색 보임의 결과가 반대로 나타나거나 밝기와 선명함 항목에서 RGB 멀티칩의 응답수가 높게 나온 색상이 자연스러움, 선호도 항목에서는 단일칩의 응답수가 더 높게나오는 경향이 나타났다.
- 또한 사람이 느끼는 색 보임에는 심리적 요소와 비시감적인 요소가 작용하는데 실험환경인 암소시에서는 비시감곡선이 단파장쪽으로 이동하므로 전체적으로 푸른색 계열에 대한 비시감이 높아진다[13]. 따라서 단일칩과 RGB 멀티칩의 분광분포 중 상대적으로 푸른색의 비율이 높은 멀티칩에 대한 자극이 높아져 이러한 결과가 나타난 것으로 사료된다. 따라서 간접조명, 라이트 테라피와 같은 사람들이 직접적으로 바라보게 되는 조명을 사용할 때에는 색온도에 따라 단일칩 조명과 RGB 멀티칩 조명을 적절하게 선택하거나 두 개의 조명을 함께 사용하여 적용성을 높여야 하고 스마트 조명시스템 및 상점조명과 같은 조명하는 물체의 색이 중요할 때에는 RGB 멀티칩 조명을 사용하는 것이 적절할 것으로 판단되었다.
- 7%의 응답률로 단일칩의 색 보임이 더 좋게 느껴진다는 결과가 나타났다. 따라서 수치로 나타나는 연색지수와 사람이 느끼는 색 보임은 큰 차이가 있다는 것을 알 수 있었다.
- 0%로 나타났다. 따라서 스마트 LED조명시스템을 적용할 때 RGB 멀티칩 조명을 사용해도 사람들이 느끼기에 큰 불편함이 없을 것으로 사료되어 적용성이 높을 것으로 판단되었다.
- 3%의 응답률로 RGB 멀티칩의 색 보임이 더 좋게 느껴진다는 결과가 나타났다. 또한 단일칩과 RGB 멀티칩의 연색지수 차이가 가장 적은 Strong yellow green은 43.7%의 응답률로 단일칩의 색 보임이 더 좋게 느껴진다는 결과가 나타났다. 따라서 수치로 나타나는 연색지수와 사람이 느끼는 색 보임은 큰 차이가 있다는 것을 알 수 있었다.
- 실험은 각각의 조명을 바라보며 밝기, 선호도, 유사성을 비교하는 주관평가와 각각의 조명 아래에서의 색 보임을 평가하는 주관평가로 구성된 두 개의 파트로 나누어 진행하였다. 먼저 두 개의 조명을 바라보며 주관평가를 한 결과 3,000K에서는 RGB 멀티칩 조명이 더 밝고 선호도가 높게 평가되었으며 6,000K에서는 단일칩 조명이 더 밝고 선호도가 높은 것으로 평가되었고 6,000K의 높은 색온도에서 유사성이 낮은 것으로 나타났다.
- 동일한 색온도와 조도의 조명기구 아래에서의 색 보임에 대하여 주관평가 한 결과를 아래 그림 7에 나타냈다. 먼저 밝기 항목의 경우 3,000K에서는 Dark greyish yellow를 제외한 모든 색에서 RGB 멀티칩 아래에서의 색이 밝게 느껴진다는 응답수가 높게 나왔고 6,000K의 경우 Dark greyish yellow의 100lx와 Strong yellow green을 제외한 모든 색에서 RGB 멀티칩 아래에서의 색이 더 밝게 느껴진다는 응답수가 높게 나왔다. 선명함 항목의 경우 3,000K에서 Strong yellow green의 300lx를 제외한 모든 색에서 RGB 멀티칩 아래의 색이 선명해 보인다는 응답수가 높게 나왔고 6,000K에서는 Strong yellow green을 제외한 모든 색에서 RGB 멀티칩 아래에서 선명해 보인다는 응답수가 높게 나왔다.
- 6,000K에서는 단일칩 LED의 밝기가 RGB 멀티칩 LED보다 전반적으로 높게 평가되는 경향을 보였다. 선호도 항목의 경우 전체적으로 휘도가 낮아질수록 선호도가 낮아지는 경향을 보였으며 3,000K에서는 밝기 항목에서 더 높은 점수를 받은 RGB 멀티칩 LED의 선호도가 더 높았고 6,000K 또한 밝기 항목에서 더 높은 점수를 받은 단일칩 LED의 선호도가 더 높게 평가되었다. 이로부터 사람들이 더 밝게 느껴지는 조명을 선호한다는 것을 알 수 있었다.
- 다음으로 단일칩과 RGB 멀티칩을 비교한 선행연구로는 정병호 등의 연구에서 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED를 동일한 사양으로 제작하여 방열특성, 전력 및 광 효율, 배광특성 등을 비교하였다. 연구 결과 RGB 멀티칩에 비하여 백색 LED의 경우가 연색지수나 광 효율에서 우수한 특성을 나타내었으며 배광특성은 RGB 멀티칩이 좀 더 넓게 나타났다[2]. 이외에도 현재 RGB 멀티칩의 효율이나 연색지수 관련 연구와 단일칩 LED의 Color quality 연구는 많지만 RGB 멀티칩의 Color quality 관련 연구가 미흡하므로 이에 대한 연구를 중점적으로 하고자 한다[7-8].
- 대부분의 색에서 RGB 멀티칩의 응답수가 더 높게 나왔는데 특히 선호도 항목에서 TCS01, 02, 07, 08의 붉은색계열은 Light violet을 제외한 모든 색에서 RGB 멀티칩 아래서의 색의 선호도가 높았고 TCS03∼06까지의 푸른색 계열은 3,000K에서는 RGB 멀티칩, 6,000K에서는 단일칩을 더 선호하는 경향이 나타났다. 전체 항목의 응답수를 합한 결과 붉은색계열은 RGB 멀티칩의 색 보임이 좋다는 응답이 52.3%로 가장 많았고 푸른색 계열은 RGB 멀티칩의 색 보임이 좋다는 응답이 62.5%로 가장 많았으며, 6,000K에서는 RGB 멀티칩의 응답이 51.7% 단일칩은 27.0%로 나타났다. 따라서 스마트 LED조명시스템을 적용할 때 RGB 멀티칩 조명을 사용해도 사람들이 느끼기에 큰 불편함이 없을 것으로 사료되어 적용성이 높을 것으로 판단되었다.
- 표 1에서 나타낸 색상별 연색지수와 실험 결과를 비교해보면 Light reddish purple의 단일칩과 RGB 멀티칩의 연색지수 차이가 가장 커서 단일칩의 색 보임이 월등히 좋을 것으로 예상했으나 반대로 71.3%의 응답률로 RGB 멀티칩의 색 보임이 더 좋게 느껴진다는 결과가 나타났다. 또한 단일칩과 RGB 멀티칩의 연색지수 차이가 가장 적은 Strong yellow green은 43.
후속연구
- 하지만 RGB 멀티칩 LED는 광량과 효율 면에서 단점이 있고 현재 널리 이용되고 있는 단일칩 백색광과도 물리적 · 광학적 특성 면에서 많은 차이가 있다[2]. 또한 실제 연색지수 값에서는 단일칩 LED와 RGB 멀티칩 LED의 상당한 차이가 있는데 이를 각각 조명환경으로 구현하였을 때 이용자들이 색 보임에 대해 어떻게 느끼는지, 스마트 조명시스템에 적용할 수 있을지에 관한 연구가 필요하다.
- 따라서 간접조명, 라이트 테라피와 같은 사람들이 직접적으로 바라보게 되는 조명을 사용할 때에는 색온도에 따라 단일칩 조명과 RGB 멀티칩 조명을 적절하게 선택하거나 두 개의 조명을 함께 사용하여 적용성을 높여야 하고 스마트 조명시스템 및 상점조명과 같은 조명하는 물체의 색이 중요할 때에는 RGB 멀티칩 조명을 사용하는 것이 적절할 것으로 판단되었다. 본 연구는 피험자의 수가 한정적이라는 단점이 있으며 RGB 멀티칩에 Amber등의 색상을 추가한다면 광 효율과 연색지수가 좋은 조명환경을 구현할 수 있을 것으로 예상된다.
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