빛의 단위

[미스터엘이디]

 태양광을 이야기 하던, LED를 말하던...  눈으로 감지 할 수 있는 빛에 대해... 특히

 빛의 단위에 대해 쉽게 몇 자 올려 보겠습니다.

    (단번에 이해를 해 버리고, 혹 기억을 반납해 버렸을 때는 언제든지 까페 접속해서 열람하세욤~) 

      자주보면 익숙해 집니다.ㅎㅎㅎ

 빛을 발생하는 원천이 있고,  이 빛을 수신하는 물체가 있겠지요. 그리고 이 광경을 보는 사람이 있습니다.

 ● 빛의 생산자 입장에서. 시간당 생산하는 빛의 량   ===>  단위 루멘 (lumen, lm)

                                       = 광속 (luminous flux)

                                      1 스테라디안 (steraian) 당 나오는 빛의 세기 ===>  단위 칸델라 (candela, cd)

                              = 광도 (luminous intensity)                                          *보통 1cd = 촛불 1개 밝기

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                   1 라디안 : 원의 조각에서 호의 길이= 반지름 되는 각도를 말함

                  스테라디안(sr) : 구에서 원뿔모양의 조각의 둥근표면의 면적=반지름의 제곱 되는 각도를 말함.

구의 표면적 = 4x파이xR^2 = 4πr²

빛의 량(루멘)은 한 광원에서 빛을 360도 방향으로 낸다면,

광원에서 1 m 구의 안쪽 표면에 비치는 총량과 같다.

=> 빛의 밝기 x 4π배가 되는 것임.

                        즉 광도 1 cd 의 점광원이 360도 방향으로 빛을 낸다면

                        이 광원이 내는 광속의 양(시간당 빛의 량)은 4파이 루멘= 4*3.14 = 12.57 루멘이 됨

                        하지만 360도 밝혀주는 광원은 별로 없으므로 각도를 대입하면
                       1 lm = 2파이 x cd x (1-cos(Θ/2))    ,  Θ (theta) 는 빔의 각도

                        빔의 각도가 줄어들면,  광속(빛의 양)의 변화 없이도 광도(빛의 세기)=cd 가 증가

● 빛의 수신자 입장 , 단위 면적당 비추는 밝기   ===>  단위 룩스 ( lux , lx)

                          = 조도

                          (1 루멘)의 광원이 (1미터) 떨어진 면을 비출 때,  단위면적당 밝기가 (1 룩스 ) 

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                               100루멘의 광원이 반구형으로 빛을 낸다고 가정하면 ,

                               1미터 반지름의 반구의 표면적은  4πr² /2  = 6.82 ㎡ 
                                = 이 면에 비추는 조도는  100루멘/6.82 ㎡  = 14.6 lm/㎡ = 14.6 lux 가 됩니다.

                               조도는 거리의 제곱에 반비례 하므로 , 거리가 멀어지면 그 제곱수 만큼 낮아지고,

                                                                                  반대로 거리가 가까워지면  제곱수만큼 밝아지게 됩니다.

                               이 광원에서 5m 거리에서 조도를 측정하면  100/6.82/5^2 = 0.58 lux 가 되고
                                                 0.5 m 로 가까운거리는 100/6.82/0.5^2 = 58.6 lux 가 됩니다.

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                              광원이 모든 면을 균일하게 비춘다면, 같은 거리에서 측정한 값을 조도라고 말 할 수 있습니다. 

                              그러나 반사경이나 콜리메이터를 사용한 라이트의 경우 특정 부분만 밝게 하였기 때문에

                              한 지점에서 (특히 중심 스팟) 측정한 조도값을 라이트의 조도라고 말 할 수 없습니다.

                              원칙적으로 1미터 거리에서 비추고 1 제곱미터 면적의 모든 지점의 밝기를 측정하여 평균값을

                        내야 하지만 이것이 쉽지 않아 보통 면적을 9등분하여 각각의 조도값을 평균하여 표시합니다.

                              이렇게 표시한 조도값을 안시루멘(Ansi-lumen)이라고 하며, 약식표현으로 안시(Ansi) 라고

                              하며, PDP TV나 프로젝터에서 많이 사용하는 단위입니다.

                              구의 표면적은 4πx반지름의 제곱입니다. 이는 4πx스테라디안이라고도 볼 수 있습니다.
                              그러므로 위의 광원은 14.6 lm/m^2 을 다르게 이야기 하면 14.6 lm/sr 이라고 할 수 있습니다.

                              그런데 스테라디안 당 광속의 양이 광도 이므로 이 광원의 광도는 14.6 cd 인것입니다.
                              이 공식에서 보듯이 광도는 거리와는 무관한 단위입니다.

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 LED 의 예를 들어 보겠습니다.

 니찌아의 5mm LED 중 밝은 NSPW 500BS는

 3.6V 20mA 에서 9200 mcd (밀리칸델라)를 내고

 6.5루멘을 낸다고 알려진 NSPW 500CS 는

 3.6V 20mA 에서 18000 mcd 이상을 내는 것으로 되어 있습니다.

 (U bin 의 경우 15500-22000mcd,  V bin 의 경우 22000-31000mcd 를 낸다고 합니다)
 숫자로만 보면 몇년 만에 획기적인 제품인것 같이 보여집니다.

 실제 어느 정도인지 광속을 계산해 보겠습니다.

 500BS 는 9200mcd 40도 입니다  (1/2 이  20도),

 반면 500CS 는 18000mcd 30도 입니다 (1/2 이 15도)
 앞서 각도가 줄어들면 광량의 변화없이도 밝기는 밝아진다고 설명 드렸습니다.

 광속을 계산을 해보면     1 lm = 2π*cd*(1-cos(Θ/2)) 에서

 500BS :    9200 mcd  = 9.2 cd ,   1 lm = 2π*9.2*(1-cos20) =  3.48루멘,

 500CS :  18000 mcd  = 18 cd ,     1 lm = 2π*18*(1-cos15) = 3.85루멘입니다.

 U bin 최고 밝기인 22000mcd 가  4.7루멘,

 V bin 최고 밝기인 31000mcd 가 되어야   6.6루멘이 되는 것입니다.
 이는 광량의 증가는 있었지만,  빔각도를 줄임으로 더 밝게 만들었다는 것을 뜻합니다.

 럭션 : 각도가 140도 라고 하면 약 20000 mcd 정도가  84루멘이 됩니다.

 결국 파워 LED 는 5mm LED 를 크고 넓게 빛을 내도록 만든 것이지

 차원이 다른 조명기술은 아니라는 것입니다.  (물론 발열, 집적, 효율 등 고려해야 할 기술적인 문제는 많을겁니다)

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                 마지막으로 적외선 LED 와 자외선 LED 에 대해 언급 합니다.

                 가끔 이베이등에서 보면 3000mcd 의 IR LED 라고 판매하는 글을 볼 수 있습니다.
                 광도나 광속등은 사람의 눈에서 느껴지는 것을 단위로 만든 것이기 때문에

                 진정한 IR, UV 램프는 0 mcd 이어야 합니다. (눈에 안보이니까요)
                 설령 가시광선이 나온다고 해도 그걸 LED 의 자외선 혹은 적외선 성능인것처럼 표시하는 것은

                 넌센스가 되겠죠.
                 때문에 자외선이나 적외선 램프는 mW 혹은 mW/sr (스테라디안) 으로 표시합니다.

 Wow ~ 어렵습니다.  감도 잘 안옵니다.  그러면 그렇거니 하고 지나가면 됩니다.

  But, 이 정도는 아셔야죠~!!

   ●  광원의 밝기=광속(luminous flux)  단위는 루멘(lumen 혹은 lm)

   ● 광원의 세기=광도(luminous intensity)  단위는 칸델라 (candela 혹은 cd)      ※ 1 cd 촛불 1개 세기

   ● 단위 면적당 비추는 밝기=조도(illuminence)  단위는 룩스 (lux)

   ● 비추는 각도가 줄어 들면 밝아 진다

                        수고하셨슴다~♬