1.1 연구의 필요성

현대 조명기술의 발달로 인공조명이 급격히 보급됨에 따라, 사람들의 야간 업무나 여가 활동의 자유는 크게 증가하였다. 그러나 인간 활동의 자유도와 활동 범위의 확대는 필요 이상의 빛 방출로 인해 빛공해(light pollution) 문제를 심화시키고 있다^[1]. 빛공해는 눈부심, 생체 리듬 교란, 수면 장애, 암 발생 등에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며 동물의 번식 능력 저하, 조류의 충돌에 의한 사망사고 증가, 식물의 개화 시기 교란 등 지구 생태계에 많은 피해를 유발시키는 것으로 알려져 있다^[2]. 뿐만 아니라, 필요 이상의 공간에까지 침투하는 빛을 생성시키는 것은 불필요한 전력을 사용함으로써 탄소 배출 증가 등 다양한 부정적인 영향을 동반한다^[3]. 이는 빛공해 저감 연구가 환경, 보건의 차원을 넘어 에너지의 비효율적 사용, 나아가서는 지구 환경의 문제로까지 이어져 있음을 의미한다. 국내에서는 2012년 『인공조명에 의한 빛공해 방지법』이 제정된 이후 인공조명이 환경 및 사용자에 친화적으로 사용될 수 있도록 사회적인 노력이 이루어지고 있다^[4].

과다한 인공조명의 설치에 따른 문제점을 개선하기 위해 지역적인 빛공해의 현황 파악, 빛공해를 평가하는 방법 또는 빛공해 평가에 필요한 정보를 효과적으로 얻기 위한 기술적인 방법 등에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있다^[5-7]. 또한, 조명기구와 관련해서는 제작된 조명기구가 적용될 경우 발생할 수 있는 빛공해 등의 문제점을 사전 예측평가하거나 기존 등기구에 차광판을 설치할 때의 효과 등이 연구되고 있다^{[8, 9]}. 그러나 조명 기구 설계의 최적화를 통한 근본적인 문제해결을 위한 연구는 더 심도있게 진행될 필요가 있다.

본 연구에서는 다양한 용도 중에서 제한적인 지향각을 필요로 하는 조명의 경우, 반사판의 개선을 통해 배광 분포를 최적화하는 방안을 제안하고자 한다. 특히 난간 설치형 보도등을 대상으로 빛공해와 비효율적인 전력 사용을 저감시키면서도 보행자 친화적 환경을 제공하는 방안에 대하여 논의하고자 한다.

1.2 연구의 목적 및 방법

근래 거주환경의 개선과 함께 공원 등의 조성이 늘어나고 있으며 특히 야간 산책이나 운동 등을 위한 시설이 많이 조성되고 있는 점에 착안하여 본 연구는 산책로 보도등에 주목하였다. 산책로 보도등은 야간에 공원 산책, 운동, 레크리에이션을 즐기는 보행자를 대상으로 하므로 보행자에게 안전한 조명 환경을 제공하는 기능 뿐 아니라 근접한 자연 환경을 고려하여 빛공해가 최소화되어야 한다. 또한 효율 및 장수명의 특성으로 광원의 주류가 된 LED와 같은 점광원의 경우, 보행자의 눈에 직접광이 입사되면 눈부심으로 인한 불편함을 유발할 뿐 아니라 심한 경우에는 주변 인지 능력의 감소로 오히려 보행자의 안전을 해칠 수 있다. 그러므로 보행자의 근접 거리에 위치하는 산책로용 보도등의 경우에는 빛공해와 눈부심 방지를 모두 고려하여야 한다.

본 연구에서는 『KS C 7658』의 보행자에 대한 조명 기준인 보도의 중심 선상에서 노면으로부터 1.5m 높이인 연직면상의 최소 조도가 수평면 평균 조도의 1/5배, 통행량이 적은 도로에서 보행자를 위한 도로 노면의 평균 조도 3lux, 균제도 0.15 이상인 LED 조명의 반사판 구조의 개발을 목표로 하였다. 산책로용 조명의 기준은 조명의 설치 장소에 따라 상이한 기준을 적용되며 평균 조도 10lux, 균제도 0.2 이상을 요구되기도 한다.

또한, 최근에는 야간에 가족 단위로 공원 산책로, 수변 데크로 등을 이용하는 경우가 증가하고 있어 아동 보행자의 이용 또한 증가하고 있다. 아동과 성인이 혼재된 경우에는 판단의 여지가 있지만, 적어도 성인 보행자만 또는 아동 보행자만 이용하는 경우에는 보행자의 신장을 고려하여 적절한 배광 특성을 제어한다면 보행자의 편의성을 더욱 향상시킬 수 있을 것이다. 성인을 기준으로 설계된 조명은 아동 보행자를 기준으로 하면 눈부심을 느낄 수 있고 나아가 아동 보행자의 시력 방해를 일으킬 수 있다. 즉, 아동 보행자와 성인 보행자가 눈부심을 느끼는 높이가 달라지므로 후사광의 비율은 낮은 상태로 유지하면서도 아동 보행자만 또는 성인 보행자만 이용하는 경우에서 안면 인식광의 분포 높이를 조절함으로써 보행자의 눈부심을 최소화하고 야간 통행의 안전성을 향상시킬 수 있을 것이다. 이러한 성능을 구현하기 위해 가장 쉽게 고려할 수 있는 방법은 인식되는 보행자의 조건에 따라 반사판의 각도를 기계적으로 제어하는 장치를 추가할 수 있지만, 기계적인 동작을 하는 기구부의 추가는 산책로 환경을 고려하면 내구성, 유지 편의성 등을 고려하면 바람직하지 않고 후사광이나 노면광의 분포 영역이 종속적으로 변하는 문제가 있을 것이다. 본 연구에서는 비대칭 반사판의 설계 개념을 이용하여 후사광에 미치는 영향을 최소화하면서도 안면인식광의 높이를 제어할 수 있는 반사판 설계 가능성을 검토하였다.

먼저 빛공해 저감 기능을 가진 현재 기술의 산책로용 보도등을 중심으로 반사판의 동작 특성을 파악하고 비유효광 및 빛공해를 최소화하기 위한 개선 방향에 대해 전산모사를 수행하여 최종 구현된 성능을 확인하였다. 전산모사에 사용된 소프트웨어는 ray-tracing기반의 조명설계 프로그램인 LightTools(Synopsys, 미국)를 사용하였으며 설계의 방향과 이를 구현하기 위한 구조의 개념을 중심으로 살펴보았다.

3.1 후사광 특성 개선

전술한 비대칭 구조의 반사판은 하부 반사면이 차광판의 역할과 상부 다중반사면의 램버시안 반사를 통한 빛을 전면으로 배광하는 역할을 하고 있다. 하부 반사면의 길이를 증가시키면 후사광을 차단하는 기능은 증가하겠지만 단순한 길이의 증가는 반사판의 크기를 증가시키는 결과를 얻게 된다. 그러나 단순히 하부 반사면의 길이를 증가시키지 않고 경사도가 다른 하부 반사면을 배치하면, 즉 하부 다중반사면을 설치하면 반사판 설계의 자유도가 증가하므로 배광특성을 개선하는데 더 효과적일 것으로 예상할 수 있다.

반사판 설계의 과정에서 상부나 하부의 경사면의 길이나 방향을 조정할 때 마다 전체적인 광분포가 영향을 받게 되므로 어떤 수치가 최적인지를 결정하는 것은 너무 많은 경우의 수가 존재한다. 이러한 이유로 본 논문에서는 반복된 시행착오와 수정(trial and error)을 통해 얻은 결과의 전체적인 방향에 대해서만 논의 하고자 한다.

Fig. 8은 후사광과 눈부심을 동시에 저감하기 위한 반사판에서 빛의 경로를 대략적으로 예상하기 위해 광원으로부터 방출된 빛이 경면반사할 경우의 분포를 예상한 것이다.

Fig. 8. Predicted optical paths according to the specular reflection characteristics of a reflector for backlight and glare reduction

빛공해와 범죄에 대한 불안감 모두를 저감하기 위한 산책로용 경관 조명은 램버시안 반사 특성을 가지는 반사판을 적절히 설계함으로써 얻을 수 있지만, 램버시안 반사의 특성에 따라 배광 결과를 직접적으로 예측하는 것은 용이하지 않다. 그러므로 본 연구에서는 경면 반사에서 예상되는 빛의 경로를 이용하여 최종 목표로 하는 광분포보다 상당히 좁게 설계하고 전산모사를 통해 배광 특성이 원하는 특성을 만족하는지 판단하는 과정을 반복하여 설계하였다. 이러한 특성은 상부와 하부 반사면이 여러 경사를 가지도록 다중면의 길이와 경사를 조정하고 결과를 확인하는 과정을 반복하였다. Fig. 9는 상・하부 모두 다중반사면을 가지는 비대칭 반사판이 설치된 LED 조명의 배광곡선과 조도 분포를 전산모사한 결과이다.

Fig. 9. Simulation results of luminous intensity and illuminance distributions for lighting using an asymmetric Lambertian reflector with multi-layered upper and lower reflective surfaces

하나의 하부 반사면을 가진 반사판 특성을 예측한 Fig. 4의 조도 분포와 비교하면, 다른 경사의 하부 반사면을 추가하면 Fig. 9에서와 같이 감소된 후사광이 전면으로 배광됨에 따라 후사광은 감소하고 노면 조명광은 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 비교적 넓은 범위에서 안면인식광이 분포하여 다양한 신장을 가진 보행자에 적합한 특성을 보이고 있다. 조명을 지나는 연직선을 기준으로 70°～180°로 방출되는 유효광 분포 효율은 Fig. 5의 구조가 82.6%인데에 비해 89.3%로 증가하였다.

Fig. 10. LED luminaire designed for simultaneous reduction of backlight and pedestrian glare

Fig. 10은 Fig. 9에서 설계된 반사판을 적용한 산책로용 조명의 실제 광분포를 보여준다. 경면 반사를 예상하여 반사판의 구조를 설계하고, 전산모사를 통해 개선된 반사판의 특성을 반영한 결과를 반복적으로 확인하는 과정을 통해 원하는 특성을 갖는 조명의 설계가 가능함을 확인할 수 있다.

3.2 보행자 친화성 개선

성인 보행자용 광원과 아동 보행자용 광원을 다른 경사를 가지는 반사판의 일면에 각각 배치하고, 후사광 특성과 눈부심 특성을 모두 만족할 수 있는 반사판 구조를 설계하는 것도 가능할 것이다. 동일한 반사판을 사용하지만 광원과 반사판의 각도 차이에 기인하는 광분포를 모두 고려하여야 하므로 하부 다중반사판과 상부 다중반사판의 배치의 자유도가 매우 크지만 Fig. 11과 같이 경면 반사를 가정하여 빛의 경로를 개략적으로 설계할 수 있다.

Fig. 11. Predicted optical paths according to the specular reflection of a pedestrian-friendly reflector for simultaneous backlight and glare mitigation; (Left) upper luminaire on, (Right) lower luminaire on

서로 다른 경사면에 배치된 광원 중 어느 광원이 점등되는가에 따라 반사판의 상하 경계에 의해 직접광의 분포 범위가 결정되고 상・하부 다중반사면을 통한 간접광의 분포를 적절히 분포시키면 후사광을 억제하면서도 안면인식광의 분포 범위를 조절할 수 있을 것으로 예상할 수 있다.

Fig. 12. Simulated luminous intensity distribution of a pedestrian-friendly reflector; (Left) upper luminaire on, (Right) lower luminaire on

Fig. 12는 비대칭 반사판의 상부와 하부 다중반사면을 조정하여 얻은 조명에서 하향 조명(아동 보행자용 상부 광원 점등)과 상향 조명(성인 보행자용 하부 광원 점등)이 점등되었을 때의 배광곡선을 전산모사한 결과이다. 하부 광원이 점등된 상향 조명상태의 배광 곡선의 경우, 직접광은 90° 에서 165° 정도로 75°의 조명 각도는 수준을 유지하며, 간접 반사광은 배광각 75°에서 최대 광도 대비 1/8의 값을 가지고 있다. 상부 광원이 점등된 하향 조명상태의 배광 곡선에서 직접광은 120°에서 180°로 직접광이 좀더 노면 쪽으로 지향되어 눈높이가 낮은 보행자에 눈부심에 의한 불편을 최소화할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 각각의 경우 유효광의 광분포 효율은 각각 95.3%와 94.5%로 예상되었다. 보행자의 신장이 다를 경우 유효광의 범위는 다른 범위로 정의될 수 있지만 비교를 위하여 조명을 지나는 연직선을 기준으로 70～180° 범위로 고정하였다.

Fig. 13. Simulated illuminance distribution of a pedestrian-friendly reflector; (Left) upper luminaire on, (Right) lower luminaire on

Fig. 13은 두 가지 조명 상태에서 노면과 연직면에서의 조도 분포를 비교한 것이다. 동일한 반사판에 배치된 두 가지 광원의 선택적 점등만으로도 광 분포의 조절이 가능함을 알 수 있다. 설계된 구조에서 아동 보행자를 위한 조명 환경에서 수평면의 평균 조도는 62.9lux, 균제도 0.21, 동작인식광 영역의 조도는 7.8lux를 보였으며 성인 보행자를 위한 조명 환경에서 수평면의 평균 조도는 58.3lux, 균제도 0.2, 동작인식광 영역의 조도는 7.1lux를 보였다.

Fig. 14. Photographs demonstrating pedestrian-friendly, light-pollution reducing lighting. (Left) illumination for child pedestrians, (Right) illumination for adult pedestrians

Fig. 14는 이러한 개념을 반영하여 제작한 반사판을 가진 조명에서 아동 보행자 또는 성인 보행자의 눈부심을 최소화할 수 있는 조명 상태를 보여준다. 각 보행자의 안면인식광 경계는 각각 1.5m와 0.8m로 설계되었으며, 두 가지 경우 모두에서 후사광은 최소화하여 빛공해를 저감시키면서도 보행자의 신장에 따라 눈부심을 저감시킬 수 있는 기능을 제공할 수 있는 것을 확인할 수 있다^[14]. 그러나 아동 보행자용 조명의 경우 아동의 신장이나 보행 위치에 따라서 더 큰 눈부심이 발생할 가능성이 있으므로, 아동 보행자용 조명의 광원은 성인 보행자용 조명의 LED 광원에 비하여 낮은 광속을 가지도록 설계하는 방안도 함께 고려할 수 있다.