2.1 빛의 비시각적 효과와 M-EDI 권고 기준

빛은 시각적 인지를 가능하게 할 뿐만 아니라, 비시각적 측면에서 호르몬, 행동, 기분, 생체리듬을 조절하여 수면의 질과 업무 수행 능력 향상에 기여하는 것으로 알려져 있다^[7]. 이러한 비시각적 반응은 빛이 ipRGCs에 존재하는 감광성 단백질인 멜라놉신을 자극함으로써 발생한다^[8].

멜라놉신은 기존의 시각 체계와 달리 약 480nm 파장의 청색광 영역에서 가장 민감하게 반응하므로, 기존의 포토픽 조도(photopic illuminance)는 비시각적 자극을 정량화하는 데 한계를 가진다. 이러한 한계를 보완하기 위하여 CIE S 026:2018 국제 표준은 ipRGCs의 영향을 정량화할 수 있는 SI 호환 측정 시스템을 정의하였으며, 그 핵심 지표가 M-EDI이다^[9,10]. M-EDI는 식 (1)에서와 같이 재실자의 눈높이(약 1.2m)에서 측정한 수직 조도(Ev)에 MDER (Melanopic Daylight Efficacy Ratio)을 곱하여 산출한다. MDER은 동일한 조도에서 특정 광원이 제공하는 멜라노픽 자극을 표준 주광(D65)과 비교한 비율이다^[6,7,9].

주간 동안 권장되는 최소 M-EDI는 250lx이며, 이는 일주기 리듬 조절, 신경내분비 기능, 인지 성능 및 전반적인 웰빙 향상에 필요한 수준이다^[9]. M-EDI 확보를 위해서는 가능한 경우 주광을 우선적으로 활용해야 하며, 필요시 청색광이 풍부한 인공조명으로 보완할 수 있다^[5,9]. 또한 광원의 상관색온도(CCT)가 높을수록 MDER 값이 증가하므로, 높은 CCT의 광원을 사용하여 M-EDI 수준을 높일 수 있다^[8].

2.2 직·간접 조명의 시각적 및 비시각적 효과

M-EDI는 Ev에 의하여 결정되므로, 배광 특성을 조절할 수 있는 직·간접 조명 방식은 비시각적 효과에 중요한 영향을 미친다. 또한 직·간접 조명은 공간의 시각적 쾌적성과 주관적 인식에도 영향을 미치는 요소이다. 이에 본 절에서는 이와 관련된 선행 연구를 고찰하였다.

Houser et al. (2002)은 사무공간에서 수평 조도를 일정하게 유지한 상태로 직·간접광 비율을 조절한 결과, 간접광 비율이 증가할수록 공간이 더 밝고 넓게 지각되며, 60% 이상 간접광 조건이 선호된다고 보고하였다^[11]. de Vries et al. (2021)의 연구에서도 개방형 사무실에서 간접광 비율이 높을수록 매력도·쾌적성·밝기 인식이 향상되며, 천장에 균일하게 분포된 간접광이 가장 긍정적으로 평가된 것으로 나타났다. 다만 이러한 선호도에는 뚜렷한 개인차가 존재하였다^[12].

Shin et al. (2015)은 직·간접 조명이 직접 조명보다 쾌적한 감성을 유도하고, 정서적 반응과 이완 상태를 반영하는 세타파 활동을 유의하게 증가시킨다고 하였다^[13]. Lu et al. (2019)은 간접광 비율이 높을수록 공간감과 환경 선호도가 증가하지만, 인지 성능과 피로에 대해서는 유의한 영향이 없다는 결과를 제시하였다^[14]. Fostervold & Nersveen (2008) 역시 사무실 근로자를 대상으로 한 연구에서 직·간접광 비율이 인지 성능, 피로, 스트레스, 웰빙에 장기적으로 유의한 영향을 미치지 않는다고 보고하였다^[15].

최근에는 비시각적 효과에 대한 분석도 이루어지고 있다. Safranek et al. (2023)은 미국 정부 청사에 직·간접 조명을 적용하여 비시각적 효과 권고 기준의 충족 가능성을 시뮬레이션하였다. 그 결과, 눈부심 억제와 충분한 수직 조도 확보를 동시에 만족시키기 어려우며, 권고 기준을 충족하기 위해서는 IES 기준(300lx)의 약 3배 수준의 조도가 요구된다는 점을 확인하였다^[16].

종합하면, 선행 연구들은 직·간접 조명 조건에서 간접광이 시각적 쾌적성을 향상시키는 효과를 반복적으로 확인하였으나, 인지 성능과 피로에 대해서는 일관된 결론이 도출되지 않았다. 또한 비시각적 효과에 대한 정량적 분석은 아직 제한적인 실정이다.

3.1 시뮬레이션 개요

본 연구는 사무공간에서 조명 조건에 따른 비시각적 효과와 시각적 쾌적성을 정량적으로 비교 분석하기 위하여 Relux(Version 2025.1.8.0) 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션의 목적은 조명기구의 유형(펜던트 조명, 평판 조명), 설치 높이, 펜던트 조명의 직·간접광 비율 변화가 재실자의 눈높이에서의 Ev 및 M-EDI와 시각적 성능 지표(UGR, 조도 균제도)에 미치는 영향을 종합적으로 분석하는 것이다.

모든 시나리오에서는 총 광속 4,100 lm, CCT 4,000 K의 LED 광원을 사용하였으며, 단일 조명기구 1개만을 배치하여 각 조명 조건의 영향을 독립적으로 평가하였다. 비시각적 성능 지표인 M-EDI는 Ev에 MDER을 곱하여 산출하였으며, 본 연구에 적용한 MDER 값은 0.69이다. 이는 WELL Building Standard v1^[17]에서 제시한 4,000 K LED의 Melanopic/Photopic Ratio(M/P Ratio = 0.76)를 기반으로, CIE 표준 환산식(M/P Ratio × 0.9058)을 적용하여 도출하였다^[18]. 시각적 쾌적성 지표인 UGR과 조도 균제도는 모두 Relux의 시뮬레이션 기능을 통하여 산출하였으며, 구체적인 산출 기준은 3.2절에 기술하였다.

최종적으로 M-EDI 250lx 이상의 권고 기준을 만족하면서 시각적 요건도 충족하는 조명 조건을 도출하는 것을 목표로 하였다.

3.2 공간 모델링 및 평가 조건

대상 공간은 가로 2.7m, 세로 3.2m의 소형 사무실로 모델링하였으며, 공간 내부에 책상, 의자, 책장, 수납장을 배치하여 실제 개인 사무공간과 유사한 환경을 구현하였다. 또한 주광의 영향을 배제하기 위하여 창문이 없는 실내 공간으로 설정하고, 인공조명만을 광원으로 사용하였다.

M-EDI 산출을 위한 기준면은 착석 상태의 평균 눈높이(바닥에서 1.2m)를 기준으로 책상 중앙의 정면 수직면(Ev 측정면)에 두었다. 해당 Ev 측정면의 크기는 가로 0.3m × 세로 0.3m이며, 중심점은 바닥에서 1.2m 높이에 위치한다. 또한 작업면 조도 분석을 위하여 책상 상판 전체(바닥 기준 0.75m 높이)를 Eh 측정면으로 설정하였다. Ev 및 Eh 측정면의 구체적인 위치는 Fig. 1에 제시하였다.

시각적 쾌적성 평가를 위한 UGR은 M-EDI 산출과 동일한 조건에서 계산하였으며, 책상 중앙에 착석한 재실자의 눈높이(바닥에서 1.2m)에서 정면을 응시하는 시점을 기준으로 산출하였다. 조도 균제도는 작업면(Eh 측정면, 바닥 기준 0.75m 높이)에서 산출된 평균 조도에 대한 최소 조도의 비율로 평가하였다.

Fig. 1. Location and specifications of vertical(Ev) and horizontal(Eh) illuminance evaluation surfaces

실내 마감재의 반사율은 천장 80%, 벽 50%, 바닥 20%로 설정하였으며, 이는 일반적인 사무공간에서 사용되는 표준 반사율 조건을 참고한 것이다. 환경 설정의 세부 조건은 Table 1과 같으며, 시뮬레이션에 사용된 공간의 3D 모델링 이미지는 Fig. 2에 제시하였다. Fig. 2는 펜던트 조명을 바닥 기준 2.0m 높이에 설치하고 직·간접광 비율을 80:20으로 설정한 사례를 예시로 보여준다.

Fig. 2. 3D model of the simulated office space(example: pendant luminaire mounted at 2.0m with an 80:20 directindirect ratio)

3.3 조명기구 및 시뮬레이션 시나리오

본 시뮬레이션은 Table 2에 제시된 펜던트 조명과 2종의 평판 조명을 대상으로 수행하였다. 펜던트 조명(SP533P)은 직·간접광 비율 변화에 따른 비시각적 조명 성능을 평가하기 위하여, 직접광과 간접광 성분이 모두 일정 수준 이상 확보되어 균형 잡힌 배광 특성을 가진 모델로 선정하였다. 펜던트 조명 시뮬레이션에서는 책상 상부 중앙에 조명기구 1개를 배치하고, 설치 높이를 바닥 기준 1.9m, 2.0m, 2.1m, 2.2m의 네 가지 조건으로 설정하였다.

또한 직·간접광 비율을 독립변수로 제어하기 위하여 제조사에서 제공하는 단일 IES 파일의 광도 분포 데이터를 직접광(0°–90°)과 간접광(92.5°–180°) 성분으로 분리하여 활용하였다. 이 과정에서 분리된 직접광(약 2,583lm)과 간접광(약 1,516lm)의 광속 합(4,099lm)이 원본 광속(4,100lm)과 거의 일치함을 확인함으로써 분리 기법의 타당성을 검증하였다. 시뮬레이션에서는 이 두 파일을 조합하여 직·간접광 비율을 7단계(100:0, 80:20, 60:40, 50:50, 40:60, 20:80, 0:100)로 조절하였다.

평판 조명은 일반 사무공간에서 보편적으로 사용되는 조명 유형이므로, 펜던트 조명의 M-EDI 확보 성능을 평가하기 위한 비교 대상으로 설정하였다. 또한 배광 특성이 Ev에 미치는 영향을 분석하기 위하여 중간 배광(BETA 3)과 넓은 배광(SM065C) 모델을 모두 시나리오에 포함하였다(Table 2 참조). 평판 조명은 천장 중앙에 1개 배치하였으며, 설치 높이는 2.4m, 2.5m, 2.6m, 2.7m의 네 가지 조건을 적용하였다.

본 연구에서는 M-EDI 250lx를 비시각적 효과 평가의 기준값으로 설정하고, 각 시나리오에서 산출된 Ev와 M-EDI를 기반으로 기준 충족 여부를 검토하였다. 또한 펜던트 조명의 설치 높이와 직·간접광 비율 변화가 M-EDI에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 이를 평판 조명 분석 결과와 비교하였다. 시뮬레이션 시나리오와 주요 변수는 Table 3에 요약하였다.

4.1 펜던트 조명의 설치 조건에 따른 비시각 및 시각 지표 분석

본 절에서는 펜던트 조명의 설치 높이와 직·간접광 비율이 M-EDI 값에 미치는 영향을 분석하였다. Fig. 3은 펜던트 조명의 설치 높이(1.9m, 2.0m, 2.1m, 2.2m)와 직·간접광 비율 변화에 따른 M-EDI 값을 나타낸 것이다. 이 결과는 3장에서 기술한 바와 같이 작업면 Eh를 500lx로 정규화한 조건에서 산출되었다.

모든 설치 높이에서 직접광 비율이 증가할수록 M-EDI가 증가하였으며, 설치 높이가 낮을수록 M-EDI가 높게 나타나는 경향이 확인되었다. 총 28개 시나리오 중 M-EDI 250lx 이상을 충족한 경우는 11개였으며, 세부적으로는 설치 높이 1.9m와 2.0m에서 각각 5개(직접광 비율 40% 이상), 2.1m에서 1개(직접광 100%)였고, 2.2m에서는 기준을 충족한 경우가 없었다. 또한 직접광 비율이 20% 이하인 조건에서는 모든 설치 높이에서 M-EDI가 250lx 미만으로 나타나, 간접광 중심의 조건만으로는 비시각적 효과 기준을 충족하기 어려운 것으로 나타났다.

Fig. 3. M-EDI variation according to installation height and direct light ratio

Fig. 4. Illuminance distribution for the pendant luminaire at 2.0m installation height(direct–indirect ratio: 80:20)

Fig. 4는 M-EDI 250lx 이상을 만족한 시나리오(설치 높이 2.0m, 직·간접광 80:20)의 조도 분포를 false color로 시각화한 것이다. 간접광은 천장을 비추어 공간의 밝기감을 향상시키고, 직접광은 작업면과 착석 위치의 조도를 집중적으로 높이는 것을 확인할 수 있다.

한편, 기준을 충족한 11개 시나리오 중 6개는 Eh 500lx를 유지하기 위하여 보정 광속이 조명기구의 정격 광속(4,100lm)을 초과하였다(Fig. 3에서 점선 위에 표시된 ○). 이에 본 연구에서는 조명기구의 정격 광속을 고려하여, 보정 광속이 4,100lm 이하이면서 M-EDI 250lx 이상을 만족하는 5개 시나리오(Fig. 3의 ●)만을 기준 충족 조건으로 정의하였다. 이는 정격 광속 초과가 추가 조명기구 설치나 에너지 소비 증가를 초래할 수 있기 때문이다.

Table 4는 M-EDI ≥ 250lx를 만족한 11개 시나리오의 설치 높이, 직·간접광 비율, M-EDI, 보정 광속 및 효율 지표를 나타낸 것이다. 효율 지표는 광속 1klm당 생성된 M-EDI 값으로, 에너지 소비 대비 비시각적 자극 효율을 평가하는 데 활용될 수 있다.

11개 시나리오 중 가장 높은 효율을 보인 조건은 설치 높이 1.9m, 직·간접광 비율 100:0으로, M-EDI 326.37lx를 3,135lm으로 달성하여 약 104.11lx/klm의 효율을 보였다. 다음으로 높은 효율은 동일한 설치 높이에서 직·간접광 비율 80:20 조건으로, 3,667lm의 보정 광속에서 316.02lx의 M-EDI가 확인되어 약 86.18lx/klm의 효율을 보였다. 이러한 결과는 낮은 설치 높이와 높은 직접광 비율이 상대적으로 적은 광속에서 M-EDI 250lx 이상을 확보하는 데 유리한 조건임을 시사한다.

Table 5는 보정 광속 4,100lm 이하에서 M-EDI 250lx 이상을 만족하는 5개 시나리오의 시각적 성능 지표를 정리한 것이다. Ev/Eh 값은 0.74–0.95로 높게 나타났으며, 이는 충분한 Ev 확보가 M-EDI 향상에 핵심적인 역할을 한다는 것을 보여준다. 균제도는 0.71–0.77로, 사무공간 업무영역 기준(≥ 0.6)을 모두 충족하였다. 반면, UGR은 25.2–25.6으로 분석되어 일반 사무환경의 권고 기준(UGR ≤ 19)을 상회하는 수준이었다. 이는 M-EDI 확보를 위하여 Ev를 증가시키는 조건에서 눈부심 억제를 동시에 달성하기 어렵다고 지적한 Safranek et al. (2023)의 연구 결과와도 일치한다^[16]. 따라서 향후 실제 설계에서는 M-EDI 기준 충족뿐만 아니라 눈부심 완화를 위한 전략도 함께 고려되어야 할 것이다.

4.2 펜던트 조명과 평판 조명의 비시각 및 시각 지표 비교 분석

본 절에서는 사무공간에서 일반적으로 사용되는 평판 조명의 M-EDI 성능을 분석하고, 4.1절의 펜던트 조명 분석 결과와 비교하여 두 조명기구의 특성을 종합적으로 평가하였다. 평판 조명은 펜던트 조명과 달리 직·간접광 비율을 조절할 수 없으며, 배광 특성에 따라 넓은 배광(SM065C)과 중간 배광(BETA 3)의 두 모델을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 설치 높이는 사무공간의 일반적 조건인 2.4m에서 2.7m까지 0.1m 간격으로 설정하였으며, 모든 조건에서 작업면 Eh는 500lx로 정규화하였다.

Table 6은 설치 높이에 따른 M-EDI, Ev​/Eh​, 조도 균제도, UGR 값을 정리한 것이다. 시뮬레이션 결과, 배광 특성이 서로 다른 두 평판 조명 모두 M-EDI 250lx 기준을 충족하지 못하였으며, 최대값은 설치 높이 2.4m에서 SM065C가 196.65lx, BETA 3이 187.68lx로 나타났다. 설치 높이가 증가할수록 M-EDI가 감소하는 경향은 펜던트 조명과 동일하였으나, M-EDI 값은 펜던트 조명보다 낮은 수준에 머물렀다.

Ev/Eh 값은 0.46–0.57로, 펜던트 조명의 0.74–0.95에 비하여 약 40% 낮게 나타났다. 이는 평판 조명이 확산광 중심의 배광 특성을 지니고 있어 Ev 확보에 불리하며, 그 결과 비시각적 효과 유도에 필요한 조건을 충족하기 어려운 것으로 해석된다.

반면 균제도는 0.80–0.87로 양호한 수준을 보였으며, UGR 역시 16.7–19.3으로 사무공간 권고 기준(UGR ≤ 19)을 만족하거나 근접하였다. 시각적 쾌적성 측면에서는 평판 조명이 펜던트 조명보다 상대적으로 우수한 결과를 보였다. 이러한 성능 차이를 비교하기 위하여 핵심 지표를 Table 7에 제시하였다.

Table 7에서 확인할 수 있듯이, 두 조명 방식은 비시각적 효과와 시각적 쾌적성 측면에서 서로 다른 장단점을 나타내었다. 펜던트 조명은 M-EDI 최대값과 Ev/Eh 값에서 평판 조명 대비 각각 약 66%, 67% 높은 수치를 기록하였고, M-EDI 기준(≥ 250lx)을 충족한 조건도 펜던트 조명에서만 5개가 확인되었다. UGR의 경우 평판 조명이 모든 조건에서 권고 기준(≤ 19)을 충족하거나 근접한 수치를 보인 반면, 펜던트 조명은 모든 조건에서 이를 초과하였다. 이러한 상충 관계는 단일 조명 방식만으로는 최적의 사무공간 조명 환경을 구현하는 데 한계가 있음을 보여준다. 따라서 향후 사무공간 조명 설계에서는 두 조명기구의 적절한 조합이 필요할 것으로 판단된다.