균제도

왜 배우는가: 균제도는 조명 설계의 품질을 평균 조도만으로 판단하지 않게 하는 기준이다. 실무에서는 사무실 작업면과 도로 노면의 고르기를 확인하는 데 쓰이고, 시험에서는 용어 정의와 구분 설명으로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제126회 1교시 8번, 제116회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에는 다음 정의를 쓴다.

균제도는 조명 대상 면의 최소 조도(또는 휘도)를 평균값으로 나눈 비율로, 빛이 고르게 분포하는 정도를 나타내는 지표다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 균제도(Uniformity)
• 최소조도
• 평균조도
• 휘도균제도
• 전반조명
• 도로조명
• 평균노면휘도
• 시인성

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 균제도는 방이나 도로가 어디든 비슷하게 밝은지를 따지는 수치다. 한쪽만 밝고 다른 쪽이 어두우면 눈은 명암 차이에 계속 적응해야 하므로 피로가 쌓이고, 어두운 곳의 물체는 잘 보이지 않는다.

정식 정의는 다음과 같다. 균제도는 기준면 위 조도의 고르기를 나타내는 비율이며, 기준면에서 가장 낮은 조도를 기준면의 평균 조도로 나눈 값으로 정의한다.

$U_0 = \frac{E_{min}}{E_{av}}$

여기서 E_{min}은 기준면의 최소 조도(lx), E_{av}는 기준면의 평균 조도(lx)다. 최소값은 평균보다 클 수 없으므로 균제도는 항상 1 이하이며, 1에 가까울수록 고르다. 실내 전반조명에서는 작업면 전체를 기준면으로 잡고, 격자 위 측정점의 조도를 평균하여 E_{av}를 구한다.

도로조명에서는 조도 대신 노면 휘도를 쓴다. 운전자는 노면에서 반사된 빛의 휘도로 장애물을 보기 때문이다. 이때는 휘도균제도를 다음과 같이 쓴다.

$U_0 = \frac{L_{min}}{L_{av}}$

여기서 L_{min}은 최소 노면 휘도(cd/㎡), L_{av}는 평균노면휘도(cd/㎡)다. 운전 방향으로 길게 보는 세로 균제도는 최소 휘도를 최대 휘도로 나눈 L_{min}/L_{max}로 따로 평가한다.

균제도를 정리하면, 실내에서는 조도의 비로, 도로에서는 휘도의 비로 나타내는 것이 기본이다. 두 경우 모두 값이 클수록 고르다는 뜻이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 조명 설계는 평균 조도만 기준에 맞추는 방식이었다. 평균이 기준을 넘어도 책상 모서리나 통로 구석이 어두우면 작업 효율과 안전이 떨어진다. 그래서 평균 조도와 함께 균제도를 규정하게 되었다.

사무실에서는 조명이 고르지 않을 때 VDT 화면과 주변 서류 사이의 휘도 대비가 커진다. 이 대비는 눈 피로와 글레어를 일으키는 원인이 된다. 균제도 관리는 글레어 방지와 직접 이어지므로 설계 단계에서 함께 검토해야 한다. 사무실 작업면의 균제도는 관련 기준이 정한 값 이상을 기준으로 삼는 경우가 많다.

도로에서는 야간 운전자가 노면 휘도의 차이로 장애물을 본다. 노면 휘도가 얼룩지면 암부 구간에서 시인성이 떨어져 사고 위험이 커진다. 그래서 도로조명 설계기준은 평균노면휘도와 휘도균제도를 함께 정하고, 등급에 따라 최소 휘도 비율을 제한한다. 도로조명 휘도균제도는 등급에 따라 관련 기준이 정한 값 이상으로 두는 경우가 많다.

에너지 절약 측면에서도 균제도가 필요하다. 평균 조도만 높이면 전력이 낭비되고 글레어도 커진다. 따라서 평균을 필요 이상으로 올리지 않고, 균제도를 확보하는 방향으로 광원 배치를 정한다. 빛을 필요한 면에 고르게 배분하는 설계가 에너지 절약과 쾌적성을 함께 얻는 방법이다.

설계 과정에서는 광속법으로 평균 조도를 먼저 구하고, 측정점별 계산으로 최소 조도를 확인하여 균제도를 검토한다. 평균 조도 계산과 조도 측정 방법이 균제도 검토의 기초가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

균제도는 평균 조도와 최소 조도의 비로 정의된다. 조명 설계에서 면 위 밝기가 고르게 분포해야 눈의 순응이 쉽고 작업 오차와 피로가 줄어들기 때문에 이 비를 설계 기준으로 쓴다.

균제도의 원리는 단순하다. 최소값이 평균값에 가까울수록 비가 1에 가까워져 밝기 차가 작다는 뜻이다. 비가 작으면 어두운 점이 생겨 시작업 불량과 사고 위험이 커지고, 주변과의 밝기 대비 변화로 눈이 쉽게 피로해진다. 따라서 균제도는 조도의 크기와 별개로 분포의 질을 나타내는 지표다.

일반 사무실의 작업면 균제도는 다음 절차로 구한다.

• 작업면을 격자로 나누고 측정점을 정한다.
• 각 측정점의 조도를 측정하거나 계산한다.
• 측정값에서 평균 조도 E_{av}와 최소 조도 E_{min}을 구한다.
• 균제도 U_0를 계산하고 설계 기준과 비교한다.

$U_0 = \frac{E_{min}}{E_{av}}$

E_{min}은 최소 조도(lx), E_{av}는 평균 조도(lx)이며 U_0는 무차원이다. 도로조명은 조도 대신 노면 휘도를 쓴다. 노면 전체 균제도 U_0와 차로 중심선을 따라 본 종방향 균제도 U_l을 함께 본다.

$U_0 = \frac{L_{min}}{L_{av}}, \qquad U_l = \frac{L_{min}}{L_{max}}$

L_{av}는 평균 노면 휘도, L_{min}과 L_{max}는 측정 구간의 최소·최대 휘도(cd/㎡)다. U_l은 운전자가 주행 중 느끼는 밝기 변화를 나타내므로 눈부심과 어두운 구간의 발생 여부 판단에 쓴다.

위 흐름에서 판정이 기준에 미달하면 등기구 간격이나 배광을 바꾸고 격자를 다시 계산한다. 이 되먹임 과정이 실제 설계에서 가장 많이 반복되는 부분이다.

5. 관련 법령·기준·표준

균제도의 기준은 적용 대상에 따라 다르다. 작업장 조도는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 작업 종류별 기준 조도를 먼저 만족하고, 그 위에 균제도를 검토한다. 도로조명은 「도로조명시설 설치 및 관리에 관한 조례」를 두는 지방자치단체가 등급을 정하고, 등급별 평균 노면 휘도와 휘도 균제도를 조례 별표로 지정하는 방식이다. 국제 기준으로는 CIE의 도로조명 기준이 널리 쓰인다.

사무실 작업면 균제도 기준은 다음과 같다. 사무실 작업면의 균제도는 관련 기준이 정한 값 이상을 기준으로 삼는 경우가 많다. 이 값은 작업면 격자의 최소 조도를 평균 조도로 나눈 값으로 판정한다.

도로 노면 휘도 균제도 U_0는 관련 기준이 정한 값 이상을 기준으로 한다. 종방향 휘도 균제도 U_l은 관련 기준이 정한 값 이상을 기준으로 한다. 두 값은 등급에 따라 달라지므로 적용 등급의 조례 별표 값을 우선한다.