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[ 강 의 내 용 ]
강의 주제 : 조명디자인의 양적인 향상의 기준
강의 진행 : 이상원디자인그룹    | 2005/04/06 01:54 | HIT : 9,477 | VOTE : 1,113 |
이상원디자인그룹 - 조명의 양적인 향상의 기준

조명디자인에 있어 양적인 향상의 기준
- 조명 디자인 및 조명 시뮬레이션(컴퓨터 그래픽)에서 참조

조명 디자인 시 특히 조명 프로그램을 사용하는 경우라면 이러한 양적이고 질적인 향상의 기준을 반드시 숙지하여야 할 것입니다. 특히 조명대상공간이 특정의 목적성이나 기능성으로 표현되고 연출되어야 한다면 아래의 내용과 같은 양적인 향상의 기준을 반드시 숙지하여 디자인에 반영하고 보다 나은 결과를 창출하여야 할 것입니다.
 

빛의 밝기 정도를 표현하는 단위인 조도는 광원으로부터 수평면 또는 수직면에 투사되는 광속(램프로부터 단위시간당 발산되는 빛 에너지의 총 양으로 루멘(Lumen)으로 표시)의 양을 말하는 것으로 측정하고자 하는 면이 받고 있는 빛의 밝기를 표시한다. 어떤 특정 공간에서 적정 수준의 밝기를 말할 때 사용되는 단위로 조도가 충분하지 않을 때는 공간에서의 목적과 기능을 제대로 수행할 수 없다. 사람들이 행하는 기능적 또는 심리적인 작업의 능률은 이러한 빛의 밝기에 따라 달라진다. 충분한 조도는 좋은 환경을 만드는 중요하고 기본적인 요소라 할 수 있다.

조명 전문 소프트웨어에서 이러한 양적인 요소는 측정되고 표현된다. 그리고 일반의 그래픽에서도 이러한 적정의 밝기를 표현할 수 있어야 하며, 이는 이미지의 질과 시뮬레이션의 정확성을 평가하는 중요한 요소이다. 또한 이러한 조명 기준은 서로 매우 밀접하게 연관되어 나타나므로 동시에 여러 기준을 만족시킬 수 있어야 할 것이다. 그러기 위해서는 이러한 내용을 충분히 이해한 후 관련 프로그램을 사용해야 할 것이다.

 

1. 수평 조도(Horizontal Illuminance)

  수평 조도는 통상적으로 지면 상부나 혹은 작업면의 위 그리고 지면 상부의 3Foot(1M)에서 측정되는 광속밀도이다.

조명을 받고 있는 공간은 인간 생활이 이루어지는 공간으로서 사람들 시야의 대부분을 차지한다. 때문에, 수평 조도(Eh)라고 부르는 수평면(작업면)상의 조도가 눈의 적응 상태를 결정짓는 핵심 요소가 된다. 이런 이유로 해서 조명을 받고 있는 공간은 공간내의 사람이나 그 공간을 바라보는 사람들의 시각적 배경 역할을 하기 때문에 수평 조도가 중요하다.

단순한 작업에서 복잡하고 세밀한 작업에 이르기까지 공간에서의 시각적 활동은 매우 다양하다. 조명 디자인에서 이러한 모든 공간에서의 수평 조도는 반드시 분석되어야 하며, 공간에서의 적절한 밝기를 판단할 수 있는 기준이 된다. 따라서 주요 공간과 주변 공간에서 최적의 작업 환경을 이룰 수 있도록 수평 조도는 구성되어야 한다. 그리고 수평 조도와 더불어 수직 조도의 분석이 필요한 공간에서는 이러한 두 조도가 상호 연관되어 변화하므로 두 조도를 동시에 만족시키면서 분석하여야 한다.

조명 디자인 프로그램과 일반적인 그래픽에서 수평 조도는 조명 효과를 연출한 렌더링 이미지를 통해서 밝기의 시각화가 이루어진다. 전반적으로 이미지가 너무 밝다거나 어두울 경우에는 수평 조도에 문제가 있다고 판단할 수 있다. 특히 수평의 바닥이나 작업면의 빛의 밝기는 수평 조도의 적정함을 판단할 수 있는 기준이 된다.

그림 1은 조명 시뮬레이션 프로그램에서 적정의 수평 조도값을 산출하고 그에 따른 이미지를 표현한 그림이다. 그림의 수평 조도는 책상의 작업면에서의 수치이다.

CG에서는 보통 수평 조도를 기준으로 하여 작업이 진행된다. 천장에 설치되는 조명에 해당하는 주조명이 알맞게 배치되고, 반사 등의 확산광이 적절히 배치되고 설정된다면 수평 조도의 표현은 효과적으로 이루어 질 수 있다.

 

그림 1. 교실의 작업면 수평조도의 설계 프로세스
 

그림 2. 스키장 슬로프의 전반적인 밝기의 배경이 되는 수평조도의 분석.


2. 수직 조도(Vertical Illuminance)

   수직 조도는 특정 공간의 바닥을 기준으로 1.5미터 높이에서 조도계의 센서를 벽면과 같이 수직으로 하여 측정하는 수직면상의 광속밀도이다.

수직 조도(EV)라고 부르는 수직면상의 조도는 수직으로 된 혹은 여러 면을 가지는 물체를 보는 데 필수적이다. 관찰자가 공간의 구성요소 또는 물체의 어떤 측면을 볼 수 있는지는 관찰자의 시선에 직각인 수직 평면을 잡아 어림해 볼 수 있다. 이러한 수직 조도는 특히 텔레비전이나 영화 화면의 화질에 중대한 영향을 끼친다. 모든 방향에서 최적의 장면을 제공하고 어떤 각도에서도 물체들을 알아볼 수 있게 하려면, 공간의 바닥을 기준으로 높이 1.5미터 지점에 잡은 수직면 상에서 지정된 조도를 보장해야 하다.

실제로 조명 디자인에 있어서 수직 조도는 TV 중계나 영화 촬영을 고려할 경우에 매우 중요한 요소로 반드시 분석되어야 할 사항이다. 이러한 조도 기준은 특히 움직임이 매우 빠르고 조명 대상이 작은 스포츠 경기에 있어서는 매우 엄격하게 지켜져야 한다. 이러할 경우 주카메라와 보조 카메라에 대하여 적정의 수직 조도가 제공되는 지를 파악할 수 있는 TV 조도를 측정하고 분석하여야 한다. TV 조도는 카메라 위치에 따라 달라지며 시공 후 측정 시 조도계의 센서는 카메라를 향한다.

TV 조도

다음 그림은 TV 조도를 측정한 사례이다. 이해에 도움이 될 것이다.

그림 3-1.
국제 경기를 개최하고 방송을 할 수 있도록 주 TV 카메라에 대해 적정의 조도를 제공하는지 분석하는 설계 프로세스.
 

그림 3-2.
국제 경기를 개최하고 방송을 할 수 있도록 보조 TV 카메라에 대해 적정의 조도를 제공하는지 분석하는 설계 프로세스.
 

그림 3. 여러곳에 위치한 TV 카메라에 대한 TV 조도.


사람들 그리고 공간의 구성 요소들의 투시면은 수 많은 수직면을 가지고 있지만 일반적으로 4개의 중요 방향이 충분히 고려되어야 한다. 그리고 수직 조도의 측정 높이는 공간에서의 작업 목적과 성격에 따라 다양하게 변화한다. 예로, 비추고자 하는 대상이 다양한 높이로 그 위치가 변화하거나 존재할 경우에는 수직 1.5미터, 5미터, 10미터의 높이에서 적정의 수직 조도는 측정된다. 이러한 수직 조도는 조명의 설치 높이와 위치, 투사각도, 투사위치, 빛의 확산 등의 복합적인 설계요인과 적정의 수평조도와 긴밀하게 연관되어 설계되어야 하며, 반드시 같은 상황에서 분석되어야 한다.

그림 4. 다양한 높이로 움직이는 조명 대상 물체를 제대로 파악하기 위한 수직조도의 설계.

CG(컴퓨터 그래픽)에서 수직 조도는 공간의 구성 요소인 벽과 사물의 측면의 밝기로서 판단할 수 있는 내용이라 하겠다. 특히 공간의 천장고가 높을 경우에는 벽면의 밝기가 다양하게 변화할 것이다. 바닥과 작업공간의 수평면은 밝아 보이는데 벽이나 사물의 측면부위에 심한 어두움이 생겼다면 “공간 내에 충분한 수직 조도가 제공되지 못하고 있다”고 말할 수 있다. 그리고 공간 내에 놓여 있는 물체의 측면의 모습과 질감 등을 파악하는 데는 매우 중요한 요소이므로 반드시 표현되어져야 할 내용이다.

아래의 그림을 참조하면 좀더 쉽게 수직 조도를 이해할 수 있을 것이다. 그림 3-1은 조명의 차단각도(Cut-Off)가 선명하게 벽에 나타나고 있으며 어두우면서도 균일하지 못한 밝기를 보여준다. 반면, 그림 3-2는 전체적으로 밝은 이미지를 제공하며 벽면에 높은 조도와 균일도가 제공되고 있다. 이러할 경우 시각적으로도 매우 좋은 조명을 제공하게 되며, 공간에서의 작업의 효율을 올릴 수 있다.
 

그림 5-1.
 


그림 5-2.

그림 5. 조명 대상 공간에서의 수직조도의 표현과 연출의 방법.


조명 시뮬레이션에서도 그림 5-2와 같은 적정의 조도가 표현되어야 한다. 관찰자의 시점에 따라 카메라 위치에 직각인 모든 구성 요소의 수직 조도의 표현이 충분히 이루어지기 위해서는 주조명의 역할을 하는 조명도 중요하지만 Directional(Distant) Light, Spot Light 그리고 점조명(Omni/Point)에 의해 구성되는 확산광의 역할이 중요하다 하겠다.

아래의 그림은 어떤 공간의 벽면에 시각적인 조명 효과를 표현한 경우이다. 조명효과를 주고자 하는 적정의 위치에 Spotlight를 배치하고 Beam Angle을 표현하고자 하는 범위 내로 조정한다. 그리고 다운라이트의 효과를 표현하기 위하여 Omni(Point) Light를 배치한다. 

그림 6. CG에서 수직면의 조도를 표현.
 

3. 초기 조도 및 유지 조도(Initial and Maintained Illuminance)

    유지 조도(Maintained Illuminance) = 초기 조도(Initial Illuminance) X LLF(빛 손실 요인)

초기(Initial) 조도를 저하시키는 요인으로는 광원, 조명기구, 대기상태, 사용 기간, 유지 보수 등에 의한 변화율에 의해 결정된다. 실제로 조명을 설치해야 하는 환경에서의 등기구의 성능은 잘 제어되는 실험실 환경과는 다를 것이다. 그러므로 이러한 광 손실과 관련된 변수는 디자인 단계에서 충분히 검토하여 공간의 기준에 부합되도록 설계되어야 한다. 디자인 단계에서 제시하는 조도값은 이러한 변수를 고려한 유지 조도에 근거한다. 초기 조도에 근거하여 시뮬레이션을 작성하였을 경우에는 이를 반드시 명기하여야 할 것이다.

컴퓨터 계산(조명 디자인 소프트웨어는 조도치 등의 많은 계산 결과값을 만들어낸다) 에 사용할 수 있는 합리적인 감소치(derating figure)는 정격 램프 루멘의 10 - 15퍼센트로 이를 입력하여 디자인을 한다.

광 손실율(LLF)

광원에서 발생하여 조명 기구를 통해 방사되는 빛은 시간이 지남에 따라 감소하게 된다. 광 손실 비율은 광원의 성질, 발광체의 구성, 운영 요소, 유지 보수 절차 등에 따라 달라진다. 광 손실율은 연구실과 같은 통제된 조건하에서의 광 출력을 실제 조명대상공간 조건에 맞도록 조정하는 역할을 한다.
LLF는 다음을 고려한다.

◈주위 온도 인자(ambient temperature factor:ATF)
형광등 및 발광체의 출력에 대한 주위 온도의 영향은 매우 크다.  설계자는 램프 및 발광체 제조업체로부터 해당 광 출력 데이터를 얻어야 한다. 

◈전압 인자(voltage factor:VF)
램프 소켓에서의 전압은 광원의 광 출력에 지대한 영향을 끼친다. 일반적으로 정격 램프 전압보다 높은 전압을 사용하면 광 출력과 광속 효능(luminous efficacy)이 증가하지만, 램프의 수명은 짧아진다. 공급 전압, 최대 부하에서의 전압 강하, 램프 교체 비용이 적절히 조화를 이루도록 고려하는 것이 중요하다. 

광원의 발광 효율(luminous efficacy)
방출된 모든 광속을 입력된 전체 램프의 전력으로 나눈 값으로서, 와트당 루멘으로 나타낸다.

◈안정기 인자(ballast factor:BF)
형광등과 메탈 할라이드 램프의 광 출력은 사용한 안정기에 따라 달라진다. 

◈램프 기울기 인자(lamp tilt factor:LTF)
메탈 할라이드 램프를 기울여 설치하면 광 출력이 감소하며, 이러한 감소는 메탈 할라이드 램프에서 더 크게 나타난다.  

◈램프 루멘 감쇄(lamp lumen depreciation factor: LLD)
램프의 광 출력은 사용 기간이 경과함에 따라 감소하며, 램프의 종류와 제조업체, 운영 시간 주기에 따라 초기 출력의 30 - 50퍼센트까지 감쇄가 일어날 수 있다. IES 조명 핸드북을 참고 하거나 램프 제조업체에 문의하여 LLD 인자를 찾아낸다. 일부 전자 안정기 시스템을 사용하면 평균 보정 기능이나 피드백 제어를 통해 램프 루멘 출력의 변화를 다양한 정도로 보상할 수 있음에 주목해야 한다.

◈발광체 먼지 감쇄(luminaire dirt depreciation factor: LDD)
발광체에 먼지가 쌓이면 광 출력은 감소한다. LDD는 주변의 대기 환경과 청소 빈도에 따라 달라지는 데 깨끗한 새 발광체가 제공하는 초기 조도와 발광체에 쌓인 먼지 때문에 감소한 조도 사이의 관계를 나타낸다. 주위 환경에 따라 LDD는 달라질 수 있다.

주위 환경의 종류
▶아주 깨끗함  -  주위의 오염 정도가 낮고 근처에 연기나 먼지를 발생시키는 작업이 없음. 교통량이 적음. 일반적으로 주거지나 교외에만 해당됨. 주위의 먼지 농도가 입방미터당 150 마이크로 그램 이하.
▶깨끗함  - 근처에 연기나 먼지를 발생시키는 작업이 없음. 주위의 먼지 농도가 입방미터당 300 마이크로 그램 이하.
▶중간 - 근처의 작업으로 인해 중간 정도의 연기나 먼지가 발생됨. 주위의 먼지 농도가 입방미터당 600 마이크로 그램 이하.
▶더러움 - 근처의 작업으로 인해 발생한 연기나 먼지가 가끔 발광체를 둘러쌀 때가 있음.
▶아주 더러움 - 위와 비슷하지만, 발광체가 일상적으로 연기나 먼지에 둘러싸여 있음.

광 손실율(LLF)은 위에서 설명한 개별 인자들 때문에 발생하는 광 손실을 보정하기 위한 누적 보정 인자이다.

LLF = ATF × VF × BF × LTF × LLD × LDD
 

4. 목표조도(표적 조도-Target Illuminance)

조도설계자가 조명기구를 가동 후 일정시간이 경과되어 도달하고자 하는 설계상의 조도. 이것은 설계자가 시스템이 정격 램프 수명의 50% 또는 100 시간 온도 시험과 같은 어떤 지정된 시간 동안 시스템이 정상 동작된 후에 나올 수 있도록 정한 조도치를 말한다. 실내 스포츠 조명과 실외 스포츠 조명에서 권고한 여러 스포츠들의 조도치들은 램프 정격 수명의 70% 시점에서의 표적 유지 조도값이다. 정밀한 설계를 위해서 최소 유지 조도 대신 표적 조도를 사용한다. 최소 유지 조도는 조명 대상 공간에서 검증하기가 매우 어렵다.
 

일반적인 기준만을 다루었으므로 보다 자세하고 실무에 적용하여 보다 효과적인 작업을 하고자 할 경우에 필요한 내용은 별도 문의 바랍니다.
다음 강의 내용은 조명디자인에 있어 질적인 향상의 기준을 다루고자 합니다.

이상원.

 

 

  
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