스크랩 LED와 밝기 단위

[엠티비매니아]

룩스와 루멘의 차이에 대해서만 설명하기는 좀 그래서

LED와 밝기의 단위에 대해서 설명해봅니다.

아무리 쉽게 설명할려고 해도 접하는 사람에 따라 조금씩 이해의 정도가 다른 부분이라서

관심이 있어서 보다가 막히는 부분이 있으면 그냥 Pass하시고 5번만 찬찬히 읽어보면 조금씩 이해가 됩니다.

그래도 이해가 안되면 10번.. ^^

LED 조명 사업자들은 기존 조명(할로겐, 텅스텐...)보다 전력 절감 효과가 매우 뛰어나다고 선전한다. 정말일까? 궁금하다. 이 해답은 우선 루멘이나 칸델라, 룩스와 같은 조명의 단위를 잘 이해하면 찾을 수 있습니다.

광속의 단위인 루멘(lm)은 광원으로부터 나오는 가시광의 총량이고,

광도의 단위인 칸데라(cd)는 광원으로부터 어떤 방향으로 얼마만큼의 광량이 나가고 있는가를 나타내는 빛의 강도이며,

조도의 단위인 룩스(lx)는 빛이 비쳐지는 단위 면적의 밝기로서 1㎡의 면적위에 1루멘의 광속이 균일하게 조사되고 있을 때가 1 룩스입니다.

쉽게 말해서 루멘은 LED 자체의 총 밝기이고, 칸델라는 우리 눈으로 라이트의 LED를 향해 보았을 때(LED 라이트를 직접 들여다 보면 매우 위험하므로 주의!!) '와 밝다!' 하고 느끼는 밝기이며, 룩스는 라이트로 비출 때 쭈욱 뻗어가 목표 물체에 닿는 밝기라고 할 수 있습니다.

1) 칸델라와 루멘

광원의 총 밝기 루멘과 내 방향에서 봤을 때 느끼는 광원의 밝기 칸델라의 관계는 균일한 패턴일 경우 3차원의 공의 면적을 2차원인 단위 면적으로 표현하기 위해 4π 즉, 12.57이라는 숫자가 필요합니다. 전방향 촛불에서 내 방향으로는 1/12.57 밝기만 느낀다는 뜻이다. 하지만 LED의 경우, Lambertian이나 Batwing, Side-emitter emission pattern 등에 의해 패턴이 달라져 복잡하다.

 (이 부분은 약간 어렵군요)

위의 그래프는 각 그래프의 중심(0도)이 LED의 중심점에서의 밝기고 이에 상대적으로 각을 틀었을때의 밝기를 나타낸 그래프로써 보통 지향각 그래프라고 하는데 이런게 있구나라고만 알면됩니다..

LED 광원으로서 가장 기본적이라 할 수 있는 Lambertian emission pattern에서는 대략 아래와 같은 변환표로서 계산됩니다.

빔각도 : cd/lm
5° : 167.22
10° : 41.82
15° : 18.60
20° : 10.48
25° : 6.71
30° : 4.67
35° : 3.44
40° : 2.64
45° : 2.09

예로서, 20° 빔각도인 1000 칸데라의 LED는 1000 / 10.48 = 95.46 루멘입니다. 사방으로 방출되는 가시 광선의 총량인 루멘보다 원하는 방향으로 집속된 빛을 보는 단위인 칸델라가 그 집속비 만큼 큰 것입니다.

비유로 말하면 95개의 촛불의 후방에 반사경을 달아 1000개의 촛불 밝기로 보는 경우입니다.

이 계산은 http://led.linear1.org/lumen.wiz 에서 해 볼 수가 있습니다.

위 계산에서 칸델라와 루멘값이 같아지는 각도를 구해 보면 위의 경우 약 66°가 얻어지는데 이것으로 점광원이 360°인 반면에 Lambertian emission pattern의 LED 자체는 66° 정도라는 것을 알 수 있으며, 바로 이 점이 기존의 조명보다 LED 조명이 더 효율이 높다고 말할 수 있는 포인트가 됩니다.

그동안은 실제로 66°만 조명해도 충분한 곳에 360° 조명을 해왔으니까 비효율적이었고, 그점을 LED 조명이 파고 든 것입니다. 비유로 말하면, 잔디 물뿌리기에서 그동안은 도로변에 회전식 스프링쿨러를 설치하여 반은 길거리에 버려지고 있었는데 180° 짜리로 바꾸니 물값이 반으로 줄어 들더라 하는 것과 마찬가지죠.

위 계산에서 각도를 360°로 연장하면 12.57이 나옵니다. 점광원이라면 12.57cd 밝기이지만 66° LED이니까 95cd 밝기로 느낀다는 것입니다.

종합해 보면 위의 예는 360° 광원에 반사경을 붙여 66°로 좁은 광원을 만들고, 그 앞에 렌즈를 붙여 20°의 좁은 스포트 광을 얻은 것이라고 보면 됩니다. LED 앞에 20° 렌즈를 붙이면 1000cd이 되고, 10° 렌즈를 붙이면 4000cd 밝기가 되며, 이것이 라이트의 규격에 표시되는 값입니다.

2) 룩스와 루멘

이 둘사이의 관계를 정확히 말하자면
조사면의 밝기 단위인 칸델라와 광원의 밝기 단위인 루멘은 직접적인 관계는 아닙니다.

일반 조명과는 달리 LED 조명에서는 3차원의 균일한 패턴은 의미가 없어 12.57은 전혀 관련 없는 숫자이고, 대신에 Lambertian이나 Batwing, Side-emitter emission pattern, 또는 사용하는 반사경이나 렌즈 등에 의해 강조되는 빛의 패턴이 중요한데 이러한 패턴은 일정한 공식이 없어 정확한 관계를 유추하기가 어렵습니다.

단지 100루멘 LED의 모든 빛이 1m 거리에 있는 1m평방미터 화면에 골고루 비쳤다면 그 면적내 모든 점의 밝기가 100룩스이며 이것이 그의 1/10 면적에 모이면 1000룩스, 1/100 면적 즉 10C㎡에 모이면 10000룩스가 돤다는 개념이다. 따라서 이 집속된 비율을 알지 못하면 룩스에서 루멘을 유추해 낼 수가 없는 것입니다.

예를 들어 어떤 라이트가

- Low Spot 650 Lux
- Low Spill 16 Lux
- High Spot 4520 Lux
- High Spill 112 Lux

이라고 할 때, 이것으로 루멘 값을 계산해 낼 수 있을까? 아마도 반사경이나 렌즈 등의 집속 각도가 주어진다고 해도 Spot(중심광)이나 Spill(주변광)의 정의가 주관적이고, 아마도 최대점의 값일 수도 있으므로 마치 크기나 재질, 또는 특성도 모르는 메가폰으로 들리는 소리만 듣고 그 사람의 성량을 추정하는 것과 마찬가지로 계산으로는 불가능할 것입니다.

라이트 제품 규격은 회사의 판단에 따라 광원 자체의 루멘이나, 보이는 밝기인 칸델라로 표시하거나 아니면 반사경이나 렌즈의 우수성을 자랑하기 위해 20000 룩스처럼 비추는 룩스를 강조하는 것이 아닌가 생각되며, 루멘이 표기 안되어 있을 때에는 해당 LED의 흐르는 전류와 동작 온도로 추정하는 것이 마음 편할 것 같습니다.

끝으로, 루멘, 칸델라, 룩스의 관계를 논하다 뭘로 비유할 수 없을까 생각했는데

학생이 밤새워 시험 공부를 했습니다. 닥치는 대로 다 외웠습니다. 머리 속에 저장된 총량이 곧 루멘!!. 그 날 시험지에 알고 있는 내용을 다 적고. 외운 건 많았어도 막상 시험문제로 나온 건 얼마 안되어 아쉽습니다.. 이처럼 어떤 목적에서 보는 것이 칸델라!!.

그런데 정작 채점되어 점수가 발표되었을 때 실망스러웠습니다.. 자신 있게 썼다고 생각했는데 원하는 답의 초점이 달랐는지 채점이 잘못되었는지 점수는 형편없이 나왔습니다. 이것이 룩스!!

결국 밤새 외운 목적은 점수 잘받기(룩스) 였는데 많이 외우거나(루멘) 많이 쓴 것(칸델라)은 뭐란 말인가?

비유가 오히려 어렵게 만들었나요??

그냥 편하게 읽었으면 좋겠습니다. ^^