조명 설계

왜 배우는가: 작업장 조명은 작업수행도를 바로 좌우하는 환경 요인이다. 광속·조도·광도를 구분하지 못하면 설계 기준을 잘못 적용하게 되고, 휘광을 고려하지 않으면 시성능 저하와 피로가 생긴다. 이 개념은 조명 관련 문항의 출발점이다.

출제 이력: 제103회 3교시 6번, 제97회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

조명 설계는 작업 대상을 정확하고 편안하게 볼 수 있도록 빛의 양과 분포를 정하는 일이다.

핵심 키워드는 광속, 조도, 광도, 휘도, 휘광, 대비, 반사율이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 조명은 빛을 얼마나 내는지, 그 빛이 면에 얼마나 세게 닿는지, 그 빛이 어느 방향으로 얼마나 세게 나가는지를 나눠 보는 일이다. 세 가지는 서로 다른 물리량이므로 답안에서 섞으면 감점이 된다.

• 광속(luminous flux)은 광원이 내는 빛의 총량이다. 단위는 lm(루멘)이다.
• 광도(luminous intensity)는 특정 방향으로 나가는 단위 입체각당 빛의 세기다. 단위는 cd(칸델라)다.
• 조도(illuminance)는 면에 들어오는 광속의 밀도다. 단위는 lx(럭스)이며 1lx = 1lm/m²다.

광속과 조도의 관계는 다음과 같다.

$E = \frac{F}{A}$

여기서 E는 조도(lx), F는 광속(lm), A는 면적(m²)이다. 광속은 광원 자체의 양이고, 조도는 그 빛이 면에 닿은 결과다. 같은 광원이라도 거리가 멀어지면 조도는 떨어진다.

점광원에서는 조도가 거리의 제곱에 반비례한다.

$E = \frac{I}{d^2}$

여기서 I는 광도(cd), d는 거리(m)다. 광도가 같아도 거리가 두 배가 되면 조도는 4분의 1이 된다.

광속과 광도의 관계도 중요하다. 1lm 광원을 1sr(스테라디안) 범위로 모으면 광도는 1cd가 된다. 같은 빛을 1/2sr로 좁히면 광도는 2cd가 된다. 광속은 그대로이고 빛이 좁아져 밝아진다.

휘도(luminance)는 면이 특정 방향에서 보이는 밝기다. 단위는 cd/m²이다. 같은 조도라도 반사율이 높은 면은 휘도가 높아 더 밝게 보인다.

휘광(glare)은 과도한 휘도나 휘도 대비 때문에 불편하거나 시성능이 떨어지는 현상이다. 불쾌 휘광은 시력을 떨어뜨리지 않고 불편만 주며, 장애 휘광은 실제로 보는 능력을 떨어뜨린다. 대비(contrast)는 대상과 배경의 휘도 차이를 나타내며, 주변 휘도가 대상보다 지나치게 크면 대상이 실루엣처럼 묻힌다.

3. 등장 배경과 필요성

조명은 작업수행도를 바로 좌우하는 환경 요인이다. 조도가 낮으면 작은 글자나 미세한 결함을 놓치고, 높아도 눈부심 때문에 피로와 두통이 생긴다. 그래서 조도만 올리는 방식은 답이 되지 못하며, 밝기의 양·분포·방향을 함께 설계해야 한다.

시각 효율은 주변 휘도와 대상 휘도의 비에 좌우된다. 최대 시각 효율은 주변 휘도가 대상 휘도에 대해 관련 기준이 정한 비율일 때 나온다. 이 범위를 벗어나면 대상이 묻히거나 주변이 지나치게 밝아 피로가 생긴다.

현대 작업은 VDT 화면, 정밀 검사, 소형 부품 조립처럼 대비가 낮은 시각 작업이 늘었다. 이런 작업에서는 휘광과 대비를 함께 다루는 설계가 필요하다. 조명 기준을 설계 단계에서 정하면 사후 보완 비용을 줄일 수 있다.

작업 대상이 작을수록, 배경과의 대비가 낮을수록 필요한 조도가 높아진다는 것이 기본 원리다. 시험에서는 이 원리를 바탕으로 조명 수준과 휘광 대책을 함께 쓰는 것이 핵심이다.

4. 구성요소·원리·절차

조명 설계는 작업면에 필요한 빛의 양을 정하고, 빛이 나아가고 반사되는 경로를 조절해 눈이 과제를 정확하고 편하게 보도록 하는 일이다. 빛을 다루는 양은 세 가지로 구분해야 한다. 세 양을 섞어 쓰면 정의와 단위가 모두 틀린다.

광도는 광속을 입체각으로 나눈 값이다. 조도는 면에 들어온 광속을 면적으로 나눈 값이므로 1lx 는 1lm/㎡ 이다. 광속은 광원 전체의 양이고 조도는 면 위의 양이라서, 같은 광원이라도 거리가 멀어지면 조도는 줄고 광속은 그대로다.

조도는 면에 들어온 광속을 면적으로 나눈 값이다.

작업장 조명은 광원, 조명기구, 작업면, 주변면으로 이루어진다. 주변면인 천장·벽·바닥·가구는 빛을 반사해 전체 밝기를 바꾸므로 반사율을 함께 정한다. 반사율은 천장, 벽, 가구·설비, 바닥 순으로 높아야 한다. 벽은 눈높이에서 광택이 나면 휘광의 원인이 되므로 무광이나 반광으로 마감한다.

휘광은 두 가지로 나눈다. 불쾌 휘광은 시야 안의 높은 휘도나 휘도 대비가 만드는 심리적 불편이고, 시력을 바로 떨어뜨리지 않는다. 감능 휘광은 눈부심으로 대상이 잘 보이지 않는 상태다. 두통과 피로는 불쾌 휘광이 오래 이어질 때 생기며, 검사 작업처럼 작은 글자를 오래 보는 일에서 두드러진다.

조명 설계는 다음 순서로 진행한다.

• 과제의 세부 크기와 대비를 파악해 필요한 조도 범위를 정한다.
• 작업면 조도에 맞춰 광원의 광속과 설치 간격을 계산한다.
• 주변면의 반사율을 정하고 천장·벽·바닥 마감을 맞춘다.
• 광원을 눈의 직접 시야 밖에 두고 차광을 붙여 휘광을 줄인다.
• 실측으로 조도와 휘도 대비를 확인하고 필요하면 조정한다.

작업면과 배경의 대비는 휘도로 본다. 같은 조명 아래에서는 휘도가 반사율에 비례하므로 반사율로 계산해도 된다. 광도대비는 (표적 − 배경) ÷ 배경으로 구한다.

배경 반사율이 80%이고 표적 반사율이 10%인 안전표지를 예로 든다. 대입하면 (10 − 80) ÷ 80 = −0.875 이므로 절댓값은 87.5%다. 음의 값은 표적이 배경보다 어둡다는 뜻이고, 크기가 클수록 표적이 눈에 잘 띈다. 표지판 설계에서는 이 대비가 충분한지 확인하고, 배경 반사율을 낮추거나 표적 반사율을 높이는 쪽으로 조정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

작업장 조도는 법령으로 작업 정밀도별 최저 기준을 정한다. 「산업안전보건기준에 관한 규칙」은 작업 장소의 작업면 조도를 작업 종류에 따라 정하고, 설계자는 이 값을 최소 조건으로 쓴다. 조도 기준은 최저 값이므로 설계 목표는 이보다 높게 잡는 것이 일반적이다.

작업면 조도 기준은 초정밀 작업 750럭스 이상, 정밀 작업 300럭스 이상, 보통 작업 150럭스 이상, 그 밖의 작업 75럭스 이상이다.

기준을 정한 뒤에는 휘도비를 본다. 주변과 작업면의 휘도비가 관련 기준이 정한 범위일 때 시각 효율이 가장 높다. 작업면이 주변보다 훨씬 밝으면 주변이 가려지고, 주변이 훨씬 밝으면 불편이 생긴다. 그래서 작업면만 밝히지 말고 주변 밝기를 함께 맞춘다.

반사율은 위 표의 권장 범위를 벗어나지 않도록 마감재를 고른다. 마감재를 바꾸면 반사율과 조도가 함께 바뀌므로, 교체 뒤에는 실측을 다시 한다. 광원을 LED 로 바꾸는 경우에도 같은 원칙이 적용된다.

6. 유형과 비교

조명 방식은 크게 전반조명, 국소조명, 혼합조명으로 나뉜다. 전반조명은 방 전체를 고르게 밝히고, 국소조명은 작업면만 밝힌다. 혼합조명은 두 가지를 함께 써서 전체 밝기와 작업 밝기를 따로 맞춘다.

전반조명은 균일하지만 낭비가 많고, 국소조명은 효율적이지만 주변과의 휘도 차이가 커서 눈이 피로하기 쉽다. 그래서 작업 주변의 밝기를 작업면 밝기에 맞춰 완만하게 두는 설계가 권장된다.