※ 디자이너지만, 빛에 대한 궁금증을 더할수록 과학적인 설명이 필요하다.
이 내용은 필립스 교육자료와 기타 개인자료를 종합하여 정리한 자료이다.
과학자가 아니기때문에 다소 잘못된 설명이 있을 수도 있다. (관련 리플을 달아주면... 조치를 취하겠음.)
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빛은 크게 자연광과 인공광 두가지로 나눌 수 있다.
자연에서 만들어지는 자연광은 태양, 별, 번개 등이 있고, 인공적인 방법에 의해 다양한 인공광원(램프)를 만들 수 있다.
자연광
자연조명에는 태양, 달, 별, 생물발광 등에 의한 빛이 있으며,
우리는 태양만을 조명광원으로 쓰고 이를 '자연광' 이라고 한다.
자연광의 가장 큰 특성은 끈임 없이 움직이고 있다는 것, 그것을 통한 다양성이다.
자연광의 색채는 하루에도 여러 번 시간에 따른 변화와, 대기의 청명한 정도에 따라,
주변 물체와 상황에 따라 상호반사작용으로 다양한 변화가 있다.
"끈임없는 움직임.. 그리고 다양성"
이러한 변화를 통한 자연광의 매커니즘을 알기 위해서는 세 가지 요소가 적용된다.
(위의 내용은 다양한 연구를 통해 재정리가 필요하다고 필자는 생각한다.)
빛의 강약(조도), 빛의 색(색온도), 빛의 높이(태양의 위치)이다.
빛의 밝기와 색온도, 사물의 그림자의 길이에 따라 우리는 시간의 흐름을 인지한다.
(빛변화에 따른 라이트텍스츄어 현상은 따로 다루겠다)
» 빛의 밝기
자연광의 밝기 변화는 대체로 시간에 따라 완만하게 변화한다.
'낮'은 순수한 빛, 밝고 전진하는 느낌이 들며, '밤'은 그늘, 어두움, 가려숨겨지거나 후퇴하는 느낌이 든다.
밝음과 어두움은 낮과 밤의 속성이며, 그 밖에 의미들과 감서적인 측면이 크게 작용한다.
자연광은 날씨와 계절의 영향을 받기 때문에 밝기의 섬세한 변화가 이루어진다.
밝기 변화는 주관적인 지각 요소로 주변 환경에 의해 영향을 받는다.
예를 들면 주변이 어두울 경우 주어진 영역이 더 밝아 보이고,
보색으로 둘러싸여 있는 경우 주어진 색채가 더 선명하게 보인다.
그것은 터널 또는 영화관으로 들어갈 때, 주변 환경에 의해 눈은 빛의 민감성을 통해
암순응과 명순응을 경험하게 되고, 이것은 빛을 받는 면의 조밀도를 나타내는 조도와
발광면의 빛나는 정도 또는 표면(마감재료)에 의해 눈으로 되돌아오는
빛의 세기인 휘도의 상관관계로 중요한 요소이다.
(이부분은 추후에 따로 챕터를 나누어 다루겠다.)
» 빛의 색온도
색은 색은 파동에너지인 빛 중에 존재하지만, 빛 그자체는 아니다. 적은 양의 빛으로는 색을 지각하기 어렵지만, 반면 매우 밝은 빛에서도 색을 지각하기 어렵다. 이렇게 본다면 밝기는 색보다 기본적인 요소라고 할 수 있으며, 색은 빛에 의해 좌우된다고 볼 수도 있다.
[※참고로 색 표시계 (color system)은 현색계 (color appeareance system)와 혼색계(color mixing system)이 대표적이고,
현색계는 물체의 색체로, 색지각을 기초로 하며 먼셀 색표시계가 있다. 혼색계는 빛의 색으로 색감각을 기초로 하며 CIE 색표시계가 있다.]
광원과 색의 관계를 보면, 두가지 측면이 고려되고 있다.
한가지는 광원이 내는 빛의 색이 어떠한가를 말하는 색온도(color temperature)와
광원으로 비추어진 물체의 색이 얼마나 잘 재현되는가를 말하는 연색성(color rendering)을 들 수 있다.
자연광의 색온도는 태양으로부터 나오는 직사일광과 하늘에서 나오는 천공광에 의해 시간의 흐름과
계절의 변화에 따라 다양한 색온도를 나타낸다.
» 빛의 움직임
자연광은 시간과 계절에 따라 태양의 위치와 고도가 변한다.
빛의 위치는 사물의 명암과 입체감을 결정하는 요소이다.
자연광은 대부분 인간이 변화를 느낄 수 없을 정도로 천천히 움직이기 때문에,
민감해 하지 않고 자연스럽게 받아들인다.
이러한 움직임은 시간의 개념을 포함한다.
자연은 정지함이 없이 항상 움직이므로, 자연광도 늘 변화하는 모습으로 나타난다.
자연광과 건축공간의 각도에 따라 개구부를 통해 빛과 그림자가 공간에 드리워지게 되며,
그것은 빛의 양과 질에 따라 달라지게 되며, 공간에 생기 있는 느낌을 주게 된다.
인공광
태양광에 가장 가까운 색을 인공적으로 만든 광원으로,
이는 열을 이용한 '열방사' 기체 반응을 통하는 '방전'이 있다.
열방사 Thermal radiators 는 온도가 상승함에 따라 전자기 방사선을 방출하는 사체를 열방사선이라고 하고,
열방사선의 대표적인 예로는 1987년 에디슨이 발명한 백열등이 있다. 이것은 전기 조명시대의 시작이다.
» 백열등
백열등은 필라멘트를 가열한 결과로 빛을 발생시키는 유일한 광원이다.
2700~2800K 사이의 색온도의 백열등은 적외선 복사, 즉 열의 형태로 대부분의 에너지를 방출한다.
에너지의 약 5%만이 가시광선이나 빛으로 변환되어, 점등시 열이 매우 많이 난다.
또다른 형태로 할로겐 백열등이 있으며, 필라멘트의 온도는 3000K으로 백열등에 비해 효율이 2~3배 높다.
» 방전등
기체는 전자기 방사선을 방출하기 위해 만들어질 수도 있으며, 이것은 형광등이나 다른 가스 방전등에서 볼수 있다.
가스를 통해 이동하는 전자의 흐름이 빛을 내는 이유는 자유자재로 흐르는 전자가 기체 원자와 상호작용하기 때문이다.
가스 방전은 저압가스 방전램프와 고압가스 방전램프가 있다.
현재에는 LED의 발전으로 점차 사용하고 있지 않아, 다루지 않기로 한다.
» 형광램프
일부 가스 방전등에서는 생성된 방사선이 모두 가시 범위에 있지는 않다.
예를 들어, 저압 수은등의 경우, 방사선의 가장 중요한 부분은 단지 약간의 청색 가시광선과 결합되어 자외선 범위에 있다. 방출관 내부에 형광 가루를 코팅하여 자외선을 가시광선으로 변환한다(그림 2.3).
이것은 관형 저압 수은등에서 사용되는 과정이다. 그래서 형광등이라는 이름이 붙었다.
자외선을 다른 파장(색상)의 가시광선으로 변환하기 위해 많은 다른 형광 가루가 이용 가능하다.
다른 형광 가루를 다른 비율로 섞음으로써, 다른 색조의 백색 빛을 내는 램프를 만들 수 있다.
이렇게 해서 다른 형광등 색상이 만들어진다.
형광물질에 대해서는 따로 다루기로 한다.
발광다이오드(LED)와 유기발광다이오드(OLED)와 같은 전자소재들이
새로운 광원으로 등장하면서 '전기조명'시대에서 '전자조명'시대로 변화해 왔다.
» Solid-state radiators 고체상태 (반도체를 이용한) 라디에이터
용어에서 알 수 있듯이 고체 상태의 방사기는 고체 상태의 물질 내부에서 빛이 생성되는 광원이다.
이 현상은 1907년에 발견되었고, 이것을 기반으로 한 최초의 실용적인 제품은 1962년에 개발되었다.
사용되는 고체 물질은 일반적인 다이오드 칩과 마찬가지로 소위 p-n 접합부라고 불리는 반도체 물질로,
발광 다이오드라는 LED라는 이름이 붙었다.
» LEDs
LED 칩은 단일 또는 둘 이상의 칩으로 구성된 클러스터에서 사용할 수 있는 작은 포인트 광원이다.
LED 칩이나 클러스터 주변에서는 모든 종류의 광학 재료를 사용하여 빛을 지시하고 가려낼 수 있다.
드라이버와 함께 LED 칩 또는 클러스터가 기존의 램프 베이스가 있는 전구에 캡슐화된 경우 백열등을 직접 교체할 수 있다. 그것을 LED 램프라고 한다.
» White LEDs
단일 LED의 스펙트럼은 항상 좁기 때문에 아직 백색 LED 칩을 생산할 수 없다.
그럼에도 불구하고 흰색 LED 조명은 3 개 이상의 다른 색상의 LED 칩을 결합하여 얻을 수 있다.
일반적인 방법은 적색, 녹색 및 청색 LED 칩을 단일 모듈 또는 시스템에 결합하여 백색광을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 "RGB white light"시스템의 컬러 렌더링은 풀 컬러 스펙트럼의 넓은 영역이 포함되지 않기 때문에 좋지 않다. 각각의 층이 특정한 빛의 색을 내는 단일 다층 LED 칩을 생산하기 위한 연구가 진행 중이다.
따라서 적색, 녹색 및 청색 빛을 내는 단일 LED는 백색 빛을 발생시킬 수 있다.
우수한 연색성을 제공할 때, 특히 중요한 고품질의 백색광은 청색 LED칩을 형광물질과 함께 사용하여, 청색광선의 대부분을 거의 모든 가시광선 스펙트럼에 걸쳐 분산된 다른 파장의 빛으로 변환하여 얻을 수 있다.
LED 기술에서, 이러한 형광 물질을 형광체라고 하며,이 원리에 기초한 백색 LED를 "phosphor-converted white LED (인광체 변환된 백색 LED)"라고 한다.
이러한 백색 형광체 LED의 스펙트럼 전력 분포를 보여주며, 여기서 모든 가시 스펙트럼에서 빛이 방출됨을 알 수 있다.
짧게 정리요약:
자연광은 태양을 기반으로 한 광원으로 끈임없이 움직인다. 자연광의 매커니즘 요소는 밝기, 색온도, 빛의 방위가 있다.
인공광은 열방사와 방전램프, 그리고 LED가 있으며, 얼마나 자연광에 가까운지의 지표가 기준이 된다. 그것은 색온도와 연색성을 기준으로 판단한다.
※ 자연광원에 대한 설명은 논문 [자연광의 변화에 연동하는 디지털 조명 디자인 방법에 관한 연구]를 기반으로 작성함.