[논문]학습효과 증진을 위한 조명설계에 대한 기초연구

이붕주

doi:10.5762/kais.2020.21.4.518

학습효과 증진을 위한 조명설계에 대한 기초연구
Basic Research on Lighting Design for Learning Effect 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.4, 2020년, pp.518 - 524

초록
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본 연구에서는 수학영역, 언어영역 및 창의영역에서 학습효과 증진을 위한 교육용 조명체험실의 조명설계를 위한 기초연구를 진행하였다. 조명환경을 직접 체험할 수 있는 공간 내부는 실험자가 자연스럽게 공부할 수 있는 환경으로 설계하였고, 실험 진행 중 설정조명 외의 다른 색의 영향을 최대한 받지 않도록 외부의 빛은 완벽히 차단하였다. LED조명의 색온도와 조도를 변화시키면서 동일한 방식으로 조명변화에 따른 뇌파의 변화를 분석하였다. 이때 사용되어진 뇌파 분석기는 EMOTIV사(社)를 활용하였다. 가변 RGB LED조명에서 색을 변화시키며 상황별에 따른 실험자의 뇌파를 측정하고, 가변 색온도 LED조명에서는 색온도(3000[K], 4500[K]. 6000[K])와 빛의 세기(50%-250[lux], 70%-350[lux], 100%-500[lux])의 값을 변화시키며 상황별에 따른 실험자의 뇌파를 측정하였다. 그결과, 수리영역의 경우 색온도가 높은 경우가 집중도가 좋은 결과를 보였고 6000[K]의 색온도와 350[lux]의 조도인 조명환경에서 집중도가 가장 높은 결과를 얻었다. 언어영역의 경우 4500[K]의 색온도와 500[lux]조도일때 최적조건이고 창의영역의 경우 3000[K]의 색온도와 500[lux]의 조도일 때 최적 조명환경 조건을 얻었다. 감성조명이 가능한 LED조명원을 활용하는 경우 얻어진 색온도와 조도를 기준하여 조명 환경을 설계한다면 언어, 수리, 창의학습시 집중도가 높아짐을 알았다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study conducted basic research on an LED lighting design to improve the learning effect from brain wave analysis. The ideal environments of mathematics, language, and creative region can be different. Inside the space where the lighting environment can be experienced directly, the test subject consisted of common elements. Other lighting was blocked completely in controlled lighting conditions. The brain waves were analyzed according to the change in color temperature and illumination. The analyzer used was fabricated by EMOTIV Company. In the variable RGB LED light, the color of the light was measured, and the brain wave of each subject was determined. LED lights have variable color temperature (3000 [K], 4500 [K]. 250 [lux], 70% -350 [lux], 100% -500 [lux]). As research results, the highest concentration in a mathematics study was in the general condition of a high color temperature, in which the optimal condition was a 6000[K] color temperature and 350[lux] illumination. The optimal condition for a language study was a 4500[K] color temperature and 500[lux] illumination, and that of the creative study was 3000[K] color temperature and 500[lux] illumination. Overall, the possibility of emotional ability and concentrated learning efficiency can be improved by the LED lighting design with the color temperature and illumination.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Demension of lighting design room
그림 Fig. 2. Experimental flow chart about brainwaves
그림 Fig. 3. Brainwave tester
표 Table 1. Brain waves characteristics in mathmatics region
표 Table 2. Brain waves characteristics in language region
표 Table 3. Brain waves characteristics in creative region
표 Table 4. Brain waves characteristics in rest region
그림 Fig. 4. Low-beta brainwave with color temperature and illumination in mathmatics region
그림 Fig. 5. Low-beta brainwave with color temperature and illumination in language region
그림 Fig. 6. Alpha brainwave with color temperature and illumination in creative region
그림 Fig. 7. Alpha brainwave with color temperature and illumination in rest region

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 LED 조명의 조도, 색온도에 따른 뇌파특성과 그에따른 학습효율을 알아보기 위해 실제로 책상에 앉아 공부를 할 수 있는 실험공간을 설계하고, 천장면에 색, 조도, 색온도 조절이 가능한 LED 조명을 설치하였다. 조명환경을 직접 체험할 수 있는 공간 내부는 피험자가 자연스럽게 공부할 수 있는 일상적인 요소로 구성하고, 실험 진행 중 설정조명 외의 다른 색의 영향을 최대한 받지 않도록 외부의 빛들은 일제히 차단하였다.
본 연구는 실내 공간, 특히 학습에 관한 LED 조명의 효율성에 대해 인지하고, 그에 따른 적절한 LED 조명을 고찰하고자 한다. 일반적으로 중·고등학생들은 많은 시간을 교실에서 보내고 있다.
본 연구에서는 학습에 도움이 될수 있는 조명설계를 위해 조명의 광특성과 광에 대한 뇌파분석을 통해 학습효과를 증진할수 있는 방안을 제안하고자 한다. 결과 도출시 기준 뇌파는 수리와 언어영역의 학습의 경우 로우베타파(Low-Beta)이며, 창의영역과 쉬는 시간에 필요한 뇌파는 알파파(Alpha)로 기준 하였다.
본 연구의 목적은 학습효과 증진을 위한 교육용 조명 체험실의 시스템 구축을 위한 기초연구로 LED조명 등기구의 광특성을 확인하고, 광특성 변화에 따른 인간의 감성 및 뇌파를 통한 특성을 파악하고, 최적의 학습효율을 위한 최적화 조명설계 조건을 제시하고자 한다.
이러한 실험결과를 통해 학습효과 증진을 위한 조명설계에 대한 기본적인 원리에 도움을 주고자 한다.

제안 방법

여기서 뇌파 측정 시 Theta파 또한 측정이 되었으나 기억력, 초능력, 창의력, 집중력, 불안해소 등 많은 다양한 상태와 관련되어 있다고 보고되고는 있으나, 연구자들마다 실험프로토콜과 피험자 특성이 조금씩 달라 각 대뇌피질 부위별 증감의 방향이 일치하지는 않는 등 아직은 표준화된 결과들이 다소 부족한 상태이므로 제외하였다. 각 색온도에 따른 조도, RGB의 뇌파데이터를 합산하면 100이 나오도록 조정하였으며, 이를 바탕으로 분석을 하였다. 수리영역과 언어영역에서는 논리적인 분석력과 복잡한 계산처리 시 나타나는 Beta파 중 Low-beta파를 최우선으로 판단하였으며, 창의영역에서는 안정되고 편안한 상태일수록 생각의 깊이가 증가한다고 판단하여 Alpha파를 최우선으로 판단하였다.
뇌파의 측정은 가변 RGB LED 조명으로 영역별 시험문제를 피험자에게 주어 실험을 진행한다. 순서는 3000[K]색온도부터 6000[K]색온도 순으로 진행을 하며 수리영역, 언어영역, 창의영역 순으로 문제지를 풀게 한다.
순서는 3000[K]색온도부터 6000[K]색온도 순으로 진행을 하며 수리영역, 언어영역, 창의영역 순으로 문제지를 풀게 한다. 다음으로 가변 RGB LED조명으로 영역별 시험문제를 피험자에게 주어 실험을 진행한다. 순서는 RED색부터 WHITE색 순으로 진행을 하며 수리영역, 언어영역, 창의영역 순으로 문제지를 풀게 한다.
피험자가 기본 정보를 입력하는 동안 뇌파측정기를 실험자에게 장착한 후 뇌파 신호가 정상적으로 관찰되는지 확인하였다. 실험은 조명이 꺼진 상태에서 암순응(1분) 후 빛을 켜 순응시킨 뒤(1분) 조명 아래에서 제시된 수리영역, 언어영역, 창의영역으로 진행 후(각 영역 당 1분) 조명을 달리해 가며 총 18번 반복하였다. 총 실험 시간은 240분 내외였다[7-9].
자극 조명 색상은 RED, ORANGE, YELLOW, GREEN, SKY, BLUE, PURPLE, REDDISHPURPLE, WHITE, OFF 의 색으로 실험하였고, 색온도로는 3000, 4500.
조명 상황의 뇌파 반응을 측정하여 높은 집중력을 요하는 상황에서 어떠한 조명색상과 색온도가 실험자에게 가장 적합한지 알아보고자, 실험 시작 전 주의사항에 대한 것들을 확인하고 실험에 대한 설명과 함께 나이, 성별, 시력 및 색약/색맹 여부를 포함한 기본적인 개인 정보 설문을 진행 하였다. fig.
조명체험실에서 실험을 한 뇌파 데이터를 바탕으로 하여 각각의 데이터를 0.1 [ms]를 기준으로 1∼100, 101∼200, 201∼300, 301∼400, 401∼500으로 나누어 분기별 평균을 낸 후 전체 비율을 alpha파, Low-beta파, High-beta파, Gamma파로 나눈 자료이다.
2은 정확한 실험을 위해 실험절차를 나타낸 것이다. 피험자가 기본 정보를 입력하는 동안 뇌파측정기를 실험자에게 장착한 후 뇌파 신호가 정상적으로 관찰되는지 확인하였다. 실험은 조명이 꺼진 상태에서 암순응(1분) 후 빛을 켜 순응시킨 뒤(1분) 조명 아래에서 제시된 수리영역, 언어영역, 창의영역으로 진행 후(각 영역 당 1분) 조명을 달리해 가며 총 18번 반복하였다.
뇌파특성의 신뢰성 확보를 위하여 쉬는 기간에 대한 뇌파특성을 본 결과를 표4에 나타내었다. 휴식 데이터 분석에는 어떠한 과목을 접하던 안정되고 편안한 상태를 유지해야 한다고 판단하여 언어영역 후 휴식, 수리영역 후 휴식, 창의영역 후 휴식의 세 가지 데이터를 평균내서 분석하였다. 그 결과 휴식 시 색온도 3000[K], 조도 350[lux]에서 RGB RED에서 가장 많은 Alpha파가 측정되었다.

대상 데이터

자극 조명 색상은 RED, ORANGE, YELLOW, GREEN, SKY, BLUE, PURPLE, REDDISHPURPLE, WHITE, OFF 의 색으로 실험하였고, 색온도로는 3000, 4500. 6000[K]의 색으로 실험하였다.
천장면의 4개의 가변 RGB LED조명과 2개의 가변색온도 LED조명은 가로×세로(1280m×3m)크기로 총 4개를 배치하였다.

데이터처리

뇌파측정 도구로는 EMOTIV社 의 뇌파 분석기를 이용하며, 분석 결과가 나온 데이타값으로 선행연구를 통한 비교, 분석 단계를 진행한다. fig.

성능/효과

본 연구에서는 학습에 도움이 될수 있는 조명설계를 위해 조명의 광특성과 광에 대한 뇌파분석을 통해 학습효과를 증진할수 있는 방안을 제안하고자 한다. 결과 도출시 기준 뇌파는 수리와 언어영역의 학습의 경우 로우베타파(Low-Beta)이며, 창의영역과 쉬는 시간에 필요한 뇌파는 알파파(Alpha)로 기준 하였다.
휴식 데이터 분석에는 어떠한 과목을 접하던 안정되고 편안한 상태를 유지해야 한다고 판단하여 언어영역 후 휴식, 수리영역 후 휴식, 창의영역 후 휴식의 세 가지 데이터를 평균내서 분석하였다. 그 결과 휴식 시 색온도 3000[K], 조도 350[lux]에서 RGB RED에서 가장 많은 Alpha파가 측정되었다.
White(RGB) LED 조명을 기준할 때 조도와 색온도표를 보면 수리영역과 언어영역에서는 Low_beta파의 비율이 색온도 4500 [K], 조도 500[[lux]에서 가장 높게 나타났으며, 창의영역에서는 Alpha파의 비율이 색온도 3000[K], 조도 500[Lux]에서 가장 높게 나타났다. 색변화에 따른 특성을 보면 수리 영역에서는 PURPLE이 Low_beta파의 비율이 가장 높게 나타났고, 언어 영역에서는 Low_beta파의 비율이 ORANGE에서 가장 높게 나타났으며, 창의영역에서는 Alpha파의 비율이 PURPLE 가장 높게 나왔다.
각 색온도에 따른 조도, RGB의 뇌파데이터를 합산하면 100이 나오도록 조정하였으며, 이를 바탕으로 분석을 하였다. 수리영역과 언어영역에서는 논리적인 분석력과 복잡한 계산처리 시 나타나는 Beta파 중 Low-beta파를 최우선으로 판단하였으며, 창의영역에서는 안정되고 편안한 상태일수록 생각의 깊이가 증가한다고 판단하여 Alpha파를 최우선으로 판단하였다. 휴식기 또한 이와 같은 이유로 Alpha파를 최우선으로 판단하였다.
6000[K]일 때는 조도가 증가함에 따라 Low-beta가 점차 감소하다가 일정한 값을 유지한다는 것을 알 수 있다. 실험 결과의 값도 4500[K]의 색온도 일 때와 500[lux]의 조도일 때 가장 높은 Low-beta의 값이 나와 학습에 필요한 높은 집중력을 요구할 수 있다는 것을 유추할 수 있다.
6000[K]일 때는 조도가 증가함에 따라 Alpha가 다소 감소하다가 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 실험 결과의 값은 3000[K]의 색온도 일 때와 250[lux]의 조도 일 때 가장 높은 Alpha의 값이 나와 휴식을 안정적으로 취할 수 있다는 것을 유추할 수 있다.
6000[K]일 때는 조도가 증가함에 따라 Alpha가 일정하게 낮은 값을 유지하다가 점차 증가하는 것을 알 수 있다. 실험 결과의 값은 3000[K]의 색온도 일 때와 500[lux]의 조도 일 때 가장 높은 Alpha의 값이 나와 학습에 필요한 높은 집중력을 요구할 수 있다는 것을 유추할 수 있다. 실험 결과와 선행연구와 오차가 있는 부분은 창의영역에 대한 평가로 지필학습을 통한 실험으로 조도의 증가에 따른 Alpha값 증가를 생각할 수 있다.
따라서, 수리영역에 필요한 색온도 조명은 6000[K]의 조도는 400[lux]임을 도출하였다. 언어영역에서는 색온도에 따른 조도의 영향도를 봤을 때 조도가 커짐에 따라 색온도가 커지는 4500[K] 일때의 500[lux] 일 때 지배적인 것으로 나타났다. 창의 영역에서는 색온도는 낮으면서도 조도가 높은 결과가 도출되었다.
이를 분석한 결과 백색광을 기준할 때, 색온도에서는 수리 영역에서는 높은 색온도에 따른 로우베타비율이 좀 더 크게 나왔다. 또, 조도에 따른 변화는 뚜렷하지 않는 것으로 확인하였다.
6000[K]일 때는 조도가 증가함에 따라 Low-beta가 일정하게 높은 값을 유지하는 것을 알 수 있다. 전반적으로 색온도가 6000[K]일 때 수리영역에서 좋은 결과를 보이고 있으며 미세한 차이지만, 6000[K]의 색온도와 350[lux]의 조도일 때 가장 높은 Low-beta의 값이 나와 학습에 필요한 높은 집중력을 요구할 수 있다는 것을 유추할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서는 학습에 도움이 될수 있는 조명설계를 위해 조명의 광특성과 광에 대한 뇌파분석을 통해 학습효과를 증진할수 있는 방안을 제안하고자 한다, 이에 대한 결과는 어떠한가?	이를 분석한 결과 백색광을 기준할 때, 색온도에서는 수리 영역에서는 높은 색온도에 따른 로우베타비율이 좀 더 크게 나왔다. 또, 조도에 따른 변화는 뚜렷하지 않는 것으로 확인하였다. 따라서, 수리영역에 필요한 색온도 조명은 6000[K]의 조도는 400[lux]임을 도출하였다. 언어영역에서는 색온도에 따른 조도의 영향도를 봤을 때 조도가 커짐에 따라 색온도가 커지는 4500[K] 일때의 500[lux] 일 때 지배적인 것으로 나타났다. 창의 영역에서는 색온도는 낮으면서도 조도가 높은 결과가 도출되었다. 이로부터 창의력에 필요한 색온도 조명은 3000[K]와 조도 500[lux]임을 도출하였다.
	LED 조명이 사용되는 분야는 어디인가?	LED 조명의 경우 감성조명이 가능하며 친환경적인 조명등으로 알려졌으며, 최고 90%의 광전환 효율과 최대 10만 시간에 이르는 수명으로 차세대 조명으로서 각광받고 있다. 이러한 장점 덕분에 LED를 이용한 광원을 활용하여 주거공간, 교통시설, 건물외각, 휴대용 손전등, 전자제품 등에 사용되고 있다.
	LED 조명의 장점은 무엇인가?	LED 조명의 경우 감성조명이 가능하며 친환경적인 조명등으로 알려졌으며, 최고 90%의 광전환 효율과 최대 10만 시간에 이르는 수명으로 차세대 조명으로서 각광받고 있다. 이러한 장점 덕분에 LED를 이용한 광원을 활용하여 주거공간, 교통시설, 건물외각, 휴대용 손전등, 전자제품 등에 사용되고 있다.

참고문헌 (9)

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Jee Soon-Duk Kim Chae-Bogk, "Electroencephalogram Analysis on Learning Factors during Relaxed or Concentrated Attention according to the Color Temperatures of LED Illuminance", Journal of the Korean Institute of Educational Facilities, Vol.21, no. 6, pp. 33-42, 2014 DOI: http://dx.doi.org/10.7859/kief.2014.21.6.033

원문보기 상세보기
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Ayoung Cho, Jincheol Woo, Hyunwoo Lee, Youngho Jo, Mincheol Whang, "A Study on the Relationship between Color and Cardiovascular Parameters", Sci. Emot. Sensib., Vol. 20, no. 4, pp. 127-134, 2017 DOI: https://doi.org/10.14695/KJSOS.2017.20.4.127
Yuda, E., Ogasawara, H., Yoshida, Y., Hayano, "Suppression of vagal cardiac modulation by blue light in healthy subjects", J., Journal of Physiological Anthropology, Vol. 35, no. 1, pp. 24, 2016 DOI: https://doi.org/10.1186/s40101-016-0110-x

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Kim M., K. Ryu, H. W., "The potentiality of color preference analysis by EEG", Science of Emotion & Sensibility, Vol. 14, no. 2, pp. 311-320, 2011

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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