빛 이야기 (2) 빛의 단위

빛 이야기 (2) 빛의 단위

빛 이야기 (2) 빛의 단위

빛 이야기 두 번째로 조명에서 사용하는 “빛의 단위”에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 조명에 관련된 일을 하시는 분이라면 일상적으로 다양한 빛의 단위를 사용하게 됩니다. 하지만 가끔 단위에 대한 정의나 기준이 모호해지는 경우가 있습니다. 저도 이 글을 정리하면서 부족한 부분을 정리하고 틀린 부분을 바로 잡을 수 있었습니다.
그럼 빛의 단위에 대해서 정리해 볼까요?

광도(Luminous Intensity)
빛의 방향에 수직한 면을 통과하는 빛의 양을 나타냅니다. 다시 말하면 단위면적을 일정시간 통과하는 광속의 크기에 따라 결정됩니다. 서로 다른 광원을 비교하거나 그 세기를 측정하기 위해 사용되어지는 개념입니다. 단위는 칸델라(cd)를 사용하고 1스테라디안(sr)당 나오는 빛의 세기입니다. 1칸델라는 1촉광에 해당되며, 1촉광을 광속의 개념으로 표시하면 4π lumen이 됩니다.

광도   [출처]삼성디스플레이 뉴스룸

여기서 잠깐!!

스테라디안

빛은 삼차원의 모든 방향으로 방사되므로 공간을 입체각으로 나누어 측정하는 방법이 필요합니다. 입체각은 평면각을 3차원으로 확장한 것으로 눈으로 보이는 면적의 크기를 나타낼 때 사용합니다. 표준단위로 스테라디안(sr)을 사용합니다. 1스테라디안은 구의 반지름의 제곱에 해당하는 입체각을 말합니다. 따라서 구의 표면적은 [4π * 반지름의 제곱]이므로 구는 4π 스테라디안으로 둘러싸여져 있는 것이 됩니다.

스테라디안

광속(Luminous Flux)
광원으로부터 나오는 모든 빛의 총량을 나타내는 단위입니다. 광원에서 발생하는 모든 뱡향의 빛을 합한 값으로 단위는 루멘(lm)을 사용합니다. 1루멘은 1칸델라의 점광원으로부터 1스테라디안으로 방사되는 광속을 말합니다. 따라서 1칸델라(광도)의 점광원에서 방사되는 전체 광속은  4π 루멘이 됩니다.

조명램프 사양

또한, 최근 출시되는 LED 장비는 기존의 램프를 사용하는 장비와 달리 동일한 전력을 사용하더라도 밝기가 다른 경우가 많아 사양에 표시되어 있는 광속을 확인하여 비교해야합니다.

LED 무빙라이트 스펙

빔 프로젝트는 Lumen과는 다르게 ANSI Lumen이라는 단위를 사용합니다. ANSI는 미국 국제 표준협회(American National Standards Institute)의 약자입니다. ANSI Lumen은 1992년에 빔프로젝트의 밝기를 나타내는 단위로 만들어졌습니다. 프로젝트를 40인치 크기로 투사해서 스크린상의 백색 화면을 9개의 동일한 직사각형으로 나눈 뒤 밝기를 평균하여 측정합니다. Lumen은 단순히 램프 자체의 밝기만 나타낼 수 있고 실제 멀리 떨어진 스크린에 투사되는 밝기를 나타낼 수가 없어 프로젝트의 정확한 밝기를 비교하기 위해서는 ANSI Lumen을 확인해야 합니다. 일부 업체에서 보다 높은 값이 나오는 Lumen을 표시하는 경우가 있으니 주의해서 비교해야겠습니다.

빔프로젝트 ANSI Lumen

조도(Illuminance)
일반적으로 빛의 밝기를 측정하는 단위로 가장 많이 사용하는 단위입니다. 광원으로부터 어떤 특정한 면적에 도달하는 광속의 전체 양을 말합니다. 어떤 표면에 들어오는 빛의 밀도를 의미하며 단위로는 룩스(lx)를 사용합니다.

조도 [출처] 삼성디스플레이 뉴스룸

아래의 공식에서 알수 있는 중요한 사실은 광원으로부터 거리가 증가하면 단위 면적당 조도는 거리의 제곱에 반비례하여 감소한다는 것입니다. 조명 업무를 시작하면서 가장 먼저 배운 공식이자 법칙이었습니다. 위의 공식은 광원과 면이 직각으로 마주보고 있을 경우를 가정한 것 입니다. 하지만 실제로 면이 광원과 마주보고 있는 경우는 거의 없습니다. 따라서 조도를 계산할 때 광원과 면의 기울기를 고려해야 합니다. 이를 적용한 것이 램버트 코사인 법칙( Lambert’s Cosine Law )입니다. 한마디로 광원과 조사면의 기울어진 각만큼 조도가 감소한다는 것입니다. 공식은 참고만 하시고 아래 이미지와 같이 빛이 감소한다고 생각하시면 되겠습니다.

램버트 코사인 법칙 [출처 ] Lambert’s Cosine Law, Ocean Optics

휘도(Luminance)
조도가 단위 면적당 얼마만큼 빛이 도달하는가를 나타낸다면 휘도는 주로 빛을 발하거나 반사하는 표현의 밝기를 말합니다. 단위로는 니트(nit)나 cd/㎡을 사용합니다. 조명기구에서 발생된 빛이 직접 눈으로 들어오거나 물체의 표면에 반사된 후에 눈으로 들어오는 빛이 얼마나 밝은 것인가를 나타냅니다.

광도, 광속, 조도, 휘도

인간이 ‘밝다’라고 느끼는 대부분의 상황은 광원에서 나온 빛이 대상에 반사되어 눈으로 들어 빛을 인지하는 것입니다. 마찬가지로 방송에서 카메라를 통해 화면에 표현되는 이미지도 실제로는 조도보다는 휘도 값의 영향을 많이 받는다고 할 수 있습니다. 그럼에도 일반적으로 밝기를 측정하는 단위로 조도를 많이 사용하는 것은 휘도보다 측광이 간편하기 때문입니다. 또한 휘도계보다 조도계의 가격이 저렴한 것도 널리 보급되는 원인 중 하나입니다. 엄밀히 말하면 공간과 표면의 밝기를 조도에만 의존해서 말하는 것은 한계가 있다고 할 수 있습니다. 빛을 받는 물체의 색채나 재질에 따라 고유의 반사 특성과 반사율이 다르기 때문에 조명디자이너는 화면을 연출할 때 조도가 아닌 휘도에 더욱 관심을 기울여야 합니다.

눈에 보이는 색상

카메라가 인식하는 반사율

빛 이야기 두 번째로 “빛의 단위”에 대해 알아보았습니다. 다음 시간에는 빛 이야기 세 번째로 “빛의 성질”에 대해서 이야기를 이어가겠습니다.