최현석
(Hyun-Seok Choi†)
1†iD
조우진
(Woojin Cho*)
2iD
방석오
(Seok-Oh Bang*)
2iD
박현목
(Hyun Mok Park*)
2iD
권기태
(Ki-Tae Kwon**)
3iD
노진성
(Jin-Sung Rho**)
3iD
신상욱
(Sang-Wuk Shin**)
3iD
임종민
(Jong-Min Lim**)
3iD
-
(Senior Researcher, Digital Convergence Headquarters, KIEL Institute, Korea)
-
(Senior Researcher, KIEL Institute, Korea)
-
(Principal Researcher, KIEL Institute, Korea)
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Key Words
CIE S 026, Circadian rhythm, Human centric lighting, Melatonin, Non-visual
1. 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
빛은 시각에 필수적일 뿐만 아니라 시각적 이미지에 의존하지 않는 인간의 건강, 웰빙 등 생물학적 활동에 영향을 주는 중요한 인자로 알려져 있으며 빛에
의한 이러한 효과를 비이미지 형성(non-image forming, NIF) 효과 또는 비시각적(non-visual) 효과라고 한다[1].
비시각적 효과는 빛의 스펙트럼 전력분포, 노출 타이밍, 지속시간에 따라 영향의 정도가 달라지며 일주기리듬(circadian rhythm)의 위상을
변화시켜 수면과 각성의 주기를 결정하고 호르몬, 체온 등의 변화를 통해 일주기리듬 조절에 영향을 미친다.
빛에 의한 인간의 생물학적 영향과 관련한 비시각적 특성은 인간의 눈 망막에 존재하는 광수용체의 자극에 의해 유발되는데 밝기와 색상을 구별하는 원추세포(cone
cell), 명암을 구별하는 간상세포(rod cell)와 같은 고전적인 광수용세포 이외에 추가로 발견된 멜라놉신(melanopsin) 광색소를 포함한
감광신경절세포(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs)를 기반으로 한다[2,3].
인간중심조명(Human centric lighting, HCL)은 조명의 다양한 목적 중에서 조명의 생물학적 영향 즉, 비시각적 효과에 중점을 둔
조명을 의미하며, 비시각적 효과는 편안한 분위기 연출로 정서적 안정과 스트레스를 줄이는 정서적 측면과 인지기능을 향상시켜 작업능률을 높이는 신체·정신기능
측면, 일주기 리듬 최적화로 수면장애, 우울증 등 다양한 병변을 예방하는 건강 측면 등이 포함된다[4].
게다가, 최근 연구들은 멜라놉신을 포함한 감광신경절세포(ipRGC)의 존재를 통해 비시각적(non-visual) 광반응이 인간의 생리·심리적 기능에
직접적인 영향을 미친다는 사실을 입증하였다.
이러한 비시각적 반응은 수면-각성 주기, 호르몬 분비, 체온 조절, 인지 기능 및 정서 안정 등 다양한 일주기리듬(circadian rhythm)의
조절과 밀접하게 연관된다. 특히, 조도(illuminance)과 상관색온도(Correlated Color Temperature, CCT)는 ipRGC를
통한 멜라노픽(melanopic) 자극 수준에 영향을 주며, 이는 멜라토닌 억제, 각성도, 수면의 질 등 건강 및 생산성과 직결된다[5]. 그러나 현재 시판되는 실내조명 제품은 주로 시각적 기능(밝기, 색상 등)에 초점을 맞추고 있어, 비시각적 효과에 대한 체계적 분석과 표준화가 아직
미흡하다 할 수 있다.
따라서 본 연구의 목적은 다양한 실내조명 제품의 광량 및 상관색온도 변화에 따른 비시각적 광특성을 실험적으로 비교·분석함으로써, 인간중심조명의 구현에
필요한 기초자료를 제공하는 데 있다. 이를 통해 향후 실내조명 설계에서 시각적 성능뿐 아니라 일주리리듬 동기화 및 건강 증진에 기여할 수 있는 비시각적
조명기준 마련을 목표로 한다.
1.2 이론적 배경
(1) 시각과 비시각적 광반응의 구분
인간의 망막에는 원추세포(cone cell), 간상세포(rod cell) 외에 ipRGC라는 제3의 광수용세포가 존재하며, 이들은 명소시(Photopic)
조건에서는 555nm, 암소시(Scotopic) 조건에서는 507nm, 멜라놉신을 포함하는 ipRGC에서는 약 480nm ~ 490nm 파장 영역에서
가장 민감하게 반응한다. ipRGC는 뇌의 시교차상핵(Suprachiasmatic Nucleus, SCN)으로 신호를 전달하여 일주기리듬을 조절하고,
멜라토닌 분비, 체온, 기분 및 인지능력 등 다양한 생리적 반응에 관여한다. 이와 같이 빛이 시각 이미지 형성과 무관하게 생리적 기능에 미치는 영향을
비이미지형성(Non-Image Forming, NIF) 효과라 한다[6].
(2) 상관색온도와 광량의 역할
상관색온도(Correlated Color Temperature, CCT)는 스펙트럼 전력분포(Spectral Power Distribution, SPD)와
직결되며, 특히 청색광 비중이 높은 색온도에서는 ipRGC의 멜라노픽 억제 반응을 증폭시킨다. 반대로 낮은 색온도에서는 멜라토닌 분비 반응을 촉진하여
휴식과 수면에 유리한 환경을 조성한다.
조도는 ipRGC의 자극 강도를 결정하며, 일정 수준 이상의 조도가 확보되어야 멜라토닌 억제 및 각성 유도 효과가 나타난다[7,8].
(3) 인간중심조명과 표준화 동향
2015년 독일 표준화연구소 DIN은 눈을 통해 전달되는 빛의 비시각적 효과를 정의하는 DIN SPEC 5031-100 “Definition and
calculation of melanopic sensitivity function” 표준을 최초로 제정하고 이를 기반으로 유럽연합 EU에서는 2017년,
CEN/TR 16791 “Definition and calculation of spectral sensitivity functions”을 제정하였다.
국제표준 단계에서는 2018년 국제조명위원회 CIE에서 빛의 비시각적 효과를 감지하는 데 기여하는 5가지 광수용체의 광학방사능력을 정량화하여 CIE
S 026 “CIE system for metrology of optical radiation for ipRGC-influenced responses
to light”을 제정하여 인간중심조명에 대한 비시각적 광특성에 대한 평가기반을 구축하였다.
2022년, 국제표준화기구 ISO(International organization standardization)는 감광신경절세포 ipRGC의 광 반응과
관련한 다양한 연구와 CIE 표준 및 지침 등 과학적 검증 결과를 바탕으로 빛에 의한 비시각적 영향을 조명시스템에 적용 및 설계·평가에 활용하기 위하여
ISO/CIE TR 21783 “Light and lighting – Integrative lighting – Non visual effects”표준을
제정하였다[9].
이와 같이, 조명산업은 에너지 효율 중심에서 건강·웰빙 지향의 인간중심조명으로 확장되어 가는 추세이다[10]. 국제조명위원회(CIE)와 ISO는 ipRGC 반응을 고려한 비시각적 광특성 측정 지표(예: Melanopic EDI, MDER 등)를 제시했으며,
WELL Building Standard 및 UL 24480 가이드라인은 건축 및 실내환경에서 멜라노픽 등가조도(Equivalent Melanopic
Lux, EML)나 일주기 자극(Circadian Stimulus, CS)을 기준으로 조명성능을 평가하도록 권고하고 있다[11-13].
다시 말해, 색온도와 조도의 변화가 인간의 일주기리듬 및 건강에 미치는 영향을 정량적으로 규명하는 것은 차세대 조명 설계와 표준화의 핵심적인 정량지표가
되어 있다는 것이다.
따라서 본 연구에서는 이러한 국제 표준 지표들을 적용하여, 국내 상용 조명제품을 대상으로 조도·색온도 변화에 따른 비시각적 성능을 측정비교하고 고찰함으로써
기존 연구를 보완하고, 향후 인간중심조명 설계지침 마련에 기여하고자 한다.
2. 본 론
2.1 CIE S 026 의 비시각 광특성 지표의 정의
CIE S 026 국제표준 “CIE system for metrology of optical radiation for ipRGC-influenced
responses to light”에서는 인간이 멜라놉신을 함유한 감광신경절세포 ipRGC를 통해 빛의 비시각적 효과를 망막으로 감지하는데 기여하는
5개의 광수용체의 빛 자극 반응에 대한 광학 방사 능력을 설명하기 위해 분광 감도 함수(spectral sensitivity function)와 양(quantity),
측정항목(metrics)을 아래와 같이 정의하였다[13,14].
① α-opic 방사조도
α-opic 방사조도(α-opic irradiance)는 망막으로 입사하는 단위면적당 분광 방사속 중에서 광수용체가 반응하는 광생물학적으로 유효한
방사조도를 의미하며 일반적으로 눈의 광축(가시선)의 바깥 쪽 방향으로 눈의 외부 표면 위치에서 측정한다.
α-opic 작용 스펙트럼(α-opic action spectrum)에 의해 가중되며 단위는 (W/m2)이다.
② 광방사의 α-opic 효율 $ K_{\alpha ,\: v} $
광방사의 α-opic 효율(α-opic efficacy of luminous radiation)는 광속 ɸv 과 α-opic 방사속 ɸa의 비율로
표시되며 각각의 광수용체가 광생물학적으로 얼마나 효율적으로 반응하는지 나타내는 지표이다.
α가 감광신경절세포 ipRGC 광수용체에 영향을 받는 멜라놉신의 경우, MELR(melanopic efficacy of luminous radiation)은
광방사의 melanopic 효율 Kɑ,v로 표시하며 단위는 (W/lm)이다.
여기서, sɑ(λ)는 5개의 α-opic 작용 스펙트럼 중 하나이며 V(λ)는 명소시(photopic vision)에 대한 분광 발광효율함수, Km
은 683 (lm/W) 로 정의된다.
③ α-opic 주광(D65) 효율비 $ \gamma_{v,\: \alpha}^{D65} $
α-opic 주광(D65) 효율비(α-opic daylight(D65) efficacy ratio)는 조명(광원)의 광방사에 대한 α-opic 효율
$ K_{\alpha ,\: v} $와 주광(daylight) D65에 대한 발광방사 α-opic 효율 $ K_{\alpha ,\: v}^{D65}
$ 의 비율을 나타내는 지표이다.
α가 감광신경절세포 ipRGC 광수용체에 영향을 받는 멜라놉신의 경우, MDER(melanopic daylight(D65) efficacy ratio)은
광방사의 melanopic 주광(D65) 효율비 ɤv,ɑD65로 표시하며, CIE 표준광원 D65에서 1의 값을 갖는다.
④ α-opic 등가 주광(D65) 조도 $ E_{v,\: \alpha}^{D65} $
α-opic 등가 주광(D65) 조도(α-opic equivalent daylight (D65) illuminance)는 주어진 조도에 대한 조명(광원)과
동일한 멜라노픽 효능을 갖는 CIE 표준 주광 D65의 조도를 나타낸다.
α가 감광신경절세포 ipRGC 광수용체에 영향을 받는 멜라놉신일 경우에는 MEDI(melanopic equivalent daylight (D65)
illuminance)는 멜라노픽 등가 주광(D65) 조도 $ E_{v,\: \alpha}^{D65} $로 표시하며 계산식은 아래와 같다.
일반적으로 α-opic 등가 주광(D65) 조도는 눈의 광축(가시선)의 외부 표면에서 수직으로 측정하는 것이 일반적이다.
본 연구에서 적용하려는 비시각적 광특성 지표인 광방사 멜라노픽 효율 MELR, 멜라노픽 주과 효율비 MDER, 멜라노픽 주광조도 MEDI 는 CIE
S026 표준에 기반하여 산출되는 핵심지표로 제안되었으며, 각 지표들에 대해서 자세히 살펴보면, 아래와 같이 요약할 수 있다.
광방사 멜라노픽 효율 MELR은 가시광에 대한 멜라노픽 반응 비율을 나타내는 지표로서 광원의 분광 특성에 의해 결정되며, 동일한 조도 조건이라 할지라도
광원 스펙트럼이 상이할 경우 차이를 보일 수 있다.
멜라노픽 주광 효율비 MDER은 CIE에서 정의한 표준광원(D65)의 MELR과 비교한 비율로, 자연광 대비 멜라노픽 반응 효율 수준을 나타내는 지표라
할 수 있으며, MELR과 동일하게 광원 스펙트럼에 의해 영향을 받아 조도 변화에 따른 값의 증감은 발생하지 않는다.
멜라노픽 주광 조도 MEDI는 조도 기반의 멜라노픽 자극량을 나타내는 지표로 MELR이나 MDER값에 실제 조도(Ev)를 곱하여 산출하므로 멜라노픽
자극의 양적인 효과를 평가하는데 적합하여 자극의 정도를 정량화하는 지표로 활용가능하다.
2.2 측정평가의 목적 및 범위
본 연구는 현재 국내 시판 중인 스마트조명제품(SM)과 인간중심조명(HCL) 제품군을 대상으로 하여, 광량 및 상관색온도 변화에 따른 비시각적 광특성을
비교·분석하는 데 초점을 두었다. 측정에 활용한 제품은 총 11종의 조명기기(스탠드형 4종, 천장등 7종)으로 구성되며, 이 중 인간중심조명제품 4종과
일반 스마트조명제품 7종을 포함하고 있다. 조명제품의 일부를 Fig. 1과 같이 나열하였다.
인간중심조명(HCL)은 S사에서 개발한 LED패키지가 적용된 제품이며, 스마트조명제품(SM)은 일반LED패키지가 적용된 제품으로 구분하였으며, 각각의
제품들은 광량 및 색온도 가변이 가능하다. 측정평가에 사용된 조명제품의 광학적 성능은 아래의 Table 1과 같이 정리하였다.
Table 1. Optical performance of illumination samples
|
Sample name
|
Visual lighting properties
|
|
Correlated Color Temperature [CCT]
|
Illuminance [lx]
|
CRI [Ra]
|
CCT [K]
|
|
HCL-ST #1
|
2200K
|
25.033
|
86.8
|
2234
|
|
7500K
|
24.262
|
81.6
|
7508
|
|
HCL-ST #2
|
2700K
|
125.6
|
91.3
|
2735
|
|
HCL-CE #1
|
7500K
|
55.710
|
95.6
|
7897
|
|
HCL-CE #2
|
5000K
|
105.496
|
90.9
|
4855
|
|
5700K
|
104.355
|
87.4
|
5699
|
|
6500K
|
104.751
|
85.5
|
6084
|
|
3500K
|
30.101
|
85.7
|
3430
|
|
4000K
|
40.992
|
91.2
|
4061
|
|
5000K
|
103.230
|
90.9
|
4845
|
|
6500K
|
105.048
|
82.2
|
6721
|
|
SM-ST #1
|
3000K
|
44.698
|
84.7
|
2931
|
|
SM-ST #2
|
3000K
|
32.32
|
83.2
|
3026
|
|
4000K
|
31.57
|
86.6
|
4188
|
|
6500K
|
33.065
|
85.9
|
6179
|
|
SM-CE #1
|
4500K
|
31.978
|
95.9
|
4363
|
|
SM-CE #2
|
3000K
|
65.692
|
84.6
|
3109
|
|
5700K
|
65.796
|
86.6
|
5887
|
|
SM-CE #3
|
4500K
|
59.197
|
96.1
|
4347
|
|
SM-CE #4
|
4000K
|
84.820
|
83.8
|
4160
|
|
5700K
|
90.828
|
83.4
|
5965
|
|
SM-CE #5
|
4500K
|
112.798
|
82.1
|
4273
|
Fig. 1. Lighting family used for comparative analysis
2.3 측정평가 방법
연구원 내 암실환경에서 조명(광원)과 측정기기 간 일정거리(천장등 4m, 스탠드등 1m)에서 100% 출력기준으로 광량 및 상관색온도 가변에 따른
광학적 특성을 측정하여 비교분석하였으며 측정평가 모습은 Fig. 2와 같다.
Fig. 2. Measurement of non-visual optical characteristics of indoor lighting products
본 측정평가에는 CIE 국제 규격을 기반으로 빛의 시각적·비시각적 광특성을 측정할 수 있는 계측장비 (NIF VISION LIGHT ANALYZER)를
측정·분석도구로 사용하였으며, 측정항목은 아래의 Table 2와 같다. (㈜루미바이오텍 사 개발)
Table 2. Specifications of measurement analysis equipment
|
Sensor area
|
Φ = 10nm
|
|
Wavelength range
|
380nm ~ 780nm
|
|
Spectral resolution
|
1nm
|
|
Illuminance range
|
5 ~ 200,000lx
|
|
Integration time
|
~ 100,000ms
|
|
Communication interface
|
RS 485
|
|
|
|
NIF VISION LIGHT ANALYZER를 사용하여 파장범위 380nm ~ 780nm, 1nm 간격으로 각 조명 시료의 시각적 광학특성 측정결과에
5가지 광수용체 반응 민감도에 따른 α-opic 작용 스펙트럼 가중치를 적용하여 비시각적 α-opic 광특성 지표값을 도출하였다.
본 분석에 사용된 비시각적 α-opic 광특성 지표는 광방사의 α-opic 효율, α-opic 주광(D65) 효율비, α-opic 등가 주광(D65)
조도, M/P ratio 등이며 각각의 지표는 위의 수식에 의해 결과를 도출할 수 있으며, 시각/비시각 광특성을 아래의 Table 3과 같이 정리하였다.
Table 3. Measurement of optical characteristics of lighting products
|
Visual properties
|
Non visual properties
|
|
Radiant
|
α-opic irradiance
|
|
Illuminance
|
α-opic efficacy of luminous radiation
|
|
Color index
|
α-opic daylight(D65) efficacy ratio(MDER)
|
|
Color coordinate x, y
|
α-opic equivalent daylight(D65) illuminance(MEDI)
|
|
|
Melanopic/Photopic ratio(M/P ratio)
|
2.4 분석 방법
각 시료의 광학특성 측정 결과를 기반으로 상관색온도, 광량 변화에 따라, 감광신경절세포 ipRGC에 의한 멜라노픽 광특성을 중심으로 광방사의 멜라노픽효율
MELR, 멜라노픽 주광효율비 MDER, 멜라노픽 등가주광조도 MEDI, 멜라노픽 비율 M/P ratio 등을 비교 분석하고, 일반 스마트조명제품
대비 인간중심조명제품의 비시각적 광특성 수준을 평가하였다.
(1) 상관색온도에 따른 비시각적 광특성 분석
각 시료의 광학특성 측정결과를 기반으로 2700 K ~ 6500 K 범위의 각 시료 상관색온도에 따른 광방사의 멜라노픽효율 MELR, 멜라노픽 주광효율비
MDER, 멜라노픽 등가주광조도 MEDI, 멜라노픽 비율 M/P ratio 등 비시각적 광특성을 비교하고 인간중심조명제품 대비 일반 스마트조명제품의
비시각적 광특성 수준을 평가하였다.
이 때, 상관색온도의 범위는 아래의 Table 4와 같이 KS 규격을 따르며 그 범위를 벗어나는 경우 실측정값을 기준 범위로 설정하였다[15].
Table 4. Setting the range of correlated color temperature (K)
|
Correlated color temperature, CCT (K)
|
Range (K)
|
|
6500
|
6530 ± 510
|
|
5700
|
5665 ± 355
|
|
5000
|
5028 ± 283
|
|
4500
|
4503 ± 243
|
|
4000
|
3985 ± 275
|
|
3500
|
3465 ± 245
|
|
3000
|
3045 ± 175
|
|
2700
|
2725 ± 145
|
(2) 광량에 따른 비시각적 광특성 분석
각 시료의 광학특성 측정결과를 기반으로 동일한 상관색온도 범위에서 광량변화에 따른 광방사의 멜라노픽효율 MELR, 멜라노픽 주광효율비 MDER, 멜라노픽
등가주광조도 MEDI, 멜라노픽 비율 M/P ratio 등 비시각적 광특성을 비교하고 인간중심조명제품 대비 일반 스마트조명제품의 비시각적 광특성 수준을
평가하였다.
일반적으로 조명의 비시각적 광특성은 상관색온도, 조도, 분광 스펙트럼 등에 따라 차이가 있으며 생물학적 효과를 확인하기 위해서는 조명의 지속시간,
타이밍 등과 함께 조명의 노출 패턴도 함께 고려하여야 한다.
반면, 본 분석에서는 측정된 각각의 조명 시료가 동일한 상관색온도 범위에 있다 하더라도 세부적인 색온도에서 차이가 있고 조도 수준 또한 제조사에서
제공하는 제품 사양에 의해 한계가 있어, 동일한 상관색온도와 조도 조건으로 제품을 상호 비교하기에는 현실적으로 어려움이 있었다. 그리하여, 천장등,
스탠드 등 제품의 용도와 무관하게 조도의 범위를 Table 5와 같이 지정하여 제품 간의 비시각적 광특성 수준을 비교하였다.
Table 5. Setting the range of illuminance
|
Range of illuminance
|
|
~ 50 lux 이하
|
|
50 lux 초과 ~ 90 lux 이하
|
|
~ 90 lux 초과
|
3. 결과 분석
3.1 상관색온도에 따른 비시각적 광특성 분석
총 22개의 측정값에 대하여, 비시각적 광특성을 상관색온도별로 상호 비교하였을 때 광방사의 멜라노픽 효율 MELR, 멜라노픽 주광 효율비 MDER,
멜라노픽 비율 M/P ratio 등은 낮은 색온도에서 높은 색온도로 증가함에 따라 그 값이 비례하여 증가하는 것을 확인하였으며 그 결과를 Fig. 3, 4에 나타냈다. 이러한 결과는 명소시(Photopic vision) 대비 비시각적으로 반응하는 효율의 정도를 나타내는 광방사의 멜라노픽 효율 MELR,
CIE 표준주광 D65 기준의 멜라노픽 주광 효율비 MDER 및 멜라노픽 비율 M/P ratio는 분광 스펙트럼에 따른 상관색온도에 주로 영향을 받음을
알 수 있다.
Fig. 3. Analysis of light efficiency(MELR) with correlation color temperature change
멜라노픽 주광(D65) 효율비 MDER은 조명 광원의 광방사에 대한 멜라노픽 효율 MELR과 상관색온도 6500K를 기준으로 한 CIE 표준광원 D65의
광방사에 대한 멜라노픽 효율 MELR D65의 비율을 의미하는 비시각적 지표로 멜라노픽 효율 MELR이 상관색온도의 증감에 영향을 받는 것과 마찬가지로
멜라노픽 효율비 MDER 또한 상관색온도의 증감 비율에 따라 영향을 받음을 Fig. 5에서 확인할 수 있다.
Fig. 4. Melanographic light efficiency (MELR) with correlation color temperature (CCT)
Fig. 5. Melanographic efficiency ratio of light radiation according to correlation
color temperature
3.2 광량에 따른 비시각적 광특성 분석
조명 시료의 조도 수준에 따라 광방사의 멜라노픽 효율 (MELR)을 비교하였을 때, 각각의 시료는 Fig. 6과 같이 동일한 상관색온도 범위 내에서 광량에 따른 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있으며, 특히 4500 K 범위의 경우에서 시료 SM 4500
K #13 조도 31.978lx에 대한 MELR = 0.987615인 반면 SM 4500 K #11 조도 112.798lx에 대한 MELR = 0.890264로
오히려 그 값이 낮아지는 경향도 보였으며, 그 결과를 Fig. 6에서 확인할 수 있다.
Fig. 6. Radiance and melanographic light efficiency (MELR) analysis
멜라노픽 효율 MELR과 멜라노픽 주광 효율비 MDER은 조도와 무관하게 광원의 스펙트럼 분포에 의해 결정되며 광량 변화에 따른 증감은 나타나지 않았다.
반면 멜라노픽 주광조도 MEDI와 멜라노픽 비율 M/P ratio는 조도와 광원의 스펙트럼 분포의 영향을 동시에 받기 때문에 동일한 스펙트럼 조건이라도
하더라도 조도가 증가하게 되면 멜라노픽 자극량이 증가함을 Fig. 7에서 확인할 수 있다.
멜라노픽 주광 조도 MEDI의 경우 Fig. 8에서 확인할 수 있듯이, (a) 상관색온도 3000 K 범위에서 시료 3000 K #18의 MEDI = 34.5662 및 (c) 상관색온도 4500
K 범위에서 시료 SM 4500 K #13의 MEDI = 23.8136의 측정값을 나타내고 상관색온도와는 무관하게 조명 시료의 조도에 비례하는 것을
확인하였다.
Fig. 7. Melanographic daylighting (MEDI) with color temperature (CCT)
이러한 현상은 멜라노픽 주광 조도 MEDI가 ipRGC의 스펙트럼 감도를 기반으로 조명의 조도 수준에 따라 주로 영향을 받는다는 의미이며, 시각적
영향지표의 광특성과 같이 낮은 조도에서는 낮은 수치의 멜라노픽 주광조도를, 높은 조도에서는 상대적으로 높은 수치의 멜라노픽 주광조도를 갖는다.
Fig. 8. Analysis of illuminance and melanographic illuminance (MEDI)
4. 결 론
다음은 본 측정·평가를 통해 얻은 결과에 대한 요약이다.
(1) 상관색온도에 따른 비시각적 광특성
상관색온도 2200 K ~ 7500 K 범위에서 각 조명 시료의 비시각적 광특성을 분석한 결과, 감광신경절세포 ipRGC의 멜라노픽 민감도에 영향을
받는 광방사의 멜라노픽 효율 MELR, 멜라노픽 주광 효율비 MDER, 멜라노픽 비율 M/P ratio 등은 상관색온도의 증가에 따라 비례적으로 그
값이 증가한다. 또한 동일한 상관색온도이라 할지라도 440nm~490nm 영역의 스펙트럼 구성 비율이 제품별로 상이할 경우, 멜라노픽 방사효율 MELR,
멜라노픽 주광효율비 MDER, 멜라노픽 비율 M/P ratio 등의에서는 큰 차이를 보일 수 있다. 이는 비시각적 반응이 상관색온도보다는 ipRGC의
멜라노픽 반응 파장대의 분광 스펙트럼 특성에 더 직접적으로 영향을 받으므로, 440~490nm 파장대의 에너지 분포가 매우 중요하다 할 수 있다.
(2) 광량에 따른 비시각적 광특성
각 조명 시료의 조도 수준에 따라 비시각적 광특성을 분석한 결과, 감광신경절세포 ipRGC의 멜라노픽 민감도에 영향을 받는 광방사의 멜라노픽 효율
MELR, 멜라노픽 주광 효율비 MDER, 멜라노픽 비율 M/P ratio 등은 조도에 큰 영향을 받지 않는다. 반면, 멜라노픽 주광조도 MEDI는
입사되는 복사조도의 크기에 영향을 받아 조도 증가에 따라 비례적으로 그 값이 증가한다.
상기의 결과를 토대로 비시각 광특성의 수준 및 인간중심조명제품 구현에 필요한 요구성능 결론을 도출할 수가 있다.
첫째, 동일한 상관색온도를 갖는 조명이라도 사용되는 광원(LED 패키지)의 특성 및 출력 등에 의해 분광 스팩트럼은 서로 다른 특성을 가지므로 조명의
비시각적 효과를 극대화한 인간중심조명 제품을 구현하기 위해서는 일주기 기반의 각 상황 또는 특정 목적에 적합한 조명(광원)의 분광 스팩트럼 선택이
매우 중요하다.
둘째, 비시각적 지표인 광방사의 멜라노픽 효율 MELR, 멜라노픽 주광 효율비 MDER, 멜라노픽 비율 M/P ratio 등은 감광신경절세포 ipRGC의
멜라노픽 민감도에 많은 영향을 받으므로 조명(광원)의 분광 스팩트럼을 ipRGC가 가장 민감하게 반응하는 480nm ~ 490nm 대역에 얼마만큼
분포하느냐가 특정 상황이나 목적에 적합한 조명제품의 비시각 성능에 중요한 요소가 될 수 있다.
현재 국내외적으로 비시각적 광특성에 대한 제품 단위의 성능 규격이나 표준은 존재하지 않으므로 22개 광특성데이터만으로 비시각적 광특성 수준 및 인간중심조명
제품의 비시각적 성능을 비교 평가하는 것은 다소 무리가 있으며, 본 논문의 연구가 신뢰성을 갖기 위해서는 더 많은 제품의 측정 데이터가 축적한다면
유의미한 결과를 얻어낼 수도 있다고 판단한다.
여기에, 본 연구에서는 CIE S 026에서 제시하는 광방사의 멜라노픽 효율 MELR, 멜라노픽 주광 조도 MEDI, 멜라노픽 주광 효율비 MDER,
멜라노픽 비율 M/P ratio 의 지표만으로 평가하였지만, 현재 시점에서는 일주기 기반의 특정 공간·조명·목적·행동 유형에 따른 실내 공간 적용을
위한 설계 지침인 WELL 인증, UL 인증 등에서도 비시각적 광특성의 평가 지표인 일주기 자극 CS(Circadian stimulus), 일주기
광 CLA(Circadian light) 등을 제시하고 있어, 이들도 함께 고려해야 할 것이다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부의 재원으로 디자인산업기술개발 사업의 지원을 받아 수행한 연구 결과임. (No. 20018805)
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Biography
He received his M.S. degree in electrical and electronic engineering from Kangwon
National University, Korea, in 2013. The main research interests are road lighting
design and tunnel lighting design, and he is currently working as a senior researcher
at digital convergence headquarters, KIEL Institute.
He received his M.S. degree in Information and Communication Engineering from DGIST,
Korea, in 2022. The main research interests are Low-power Computing and Computer system
and AI, and he is currently working as a senior researcher at digital convergence
headquarters, KIEL Institute.
He received his M.S. degrees in electrical engineering from Chonnam National University,
Korea, in 2022. Since 2022, he has been a senior researcher at digital convergence
headquarters, KIEL Institute, Korea. His research interests include sensor measurement,
power conversion system, and intelligent system.
He received his Ph.D. and M.S. degrees in Biomedical Engineering, with a concentration
in Electrical and Electronics Engineering, from the Yonsei University College of Medicine,
Seoul, Korea, in 2024 and 2021, respectively. Since 2024, he has been a senior researcher
at the Digital Convergence Headquarters, KIEL Institute, Korea.
He received his B.S. and M.S. degree in electrical engineering from Hoseo University,
Korea, in 2005, 2007, respectively. He is studying for obtain his Ph.D. degree in
Electrical Engineering at Soongsil University, Seoul, Korea. Also, He is currently
working as a principal researcher at digital convergence headquarters, KIEL Insttitute.
He received his MBA degrees from Soongsil University, Korea, in 2012. Since 2021,
he has been a center manager at Digital Conver- gence Research Headquarters, KIEL
Institute, Korea. His research interests include IoT network, intelligent system,
and human centric lighting.
He received his Ph.D., M.S. and B.S. degree in electrical engineering from Hoseo University,
Korea, in 2010, 1998, and 1996, respectively. He is currently working as a principal
researcher at digital convergence headquarters, KIEL Institute, Korea.
He has received degree in electricalengineering from Hoseo University, Korea for B.S.
(1994), M.S.(1996) degree inelectrical engineering from Kwangwoon University, korea
and Ph.D. degree in lighting system from Hoseo University, Korea in 2011. His research
interests are lighting system, light pollution, and digital twin. He is currently
working as a general manager at KIEL Institute.