조명(Illumination Engineering)빛빛 : 전자파(ElectromagneticWave)빛의 성질복사(radintion)및복사속( radintion flux)광속[lm]시감도 [lm/W]비시감도[lm/W]순응퍼킨제 효과광도(Luminous intensity)조명에서 가장 중요한것1. 발광: -온도복사(열복사) : 온도상승에 따라서 나타나는 발광 현상 ex)백열전구1. 발광: -루미네센스(냉광) : 온도복사 이외의 나머지를 뜻함 ex)형광등,수은등...전자파(Electromagnetic Wave)란 매우 광범위한 주파수 영역에 걸친다시감도 곡선(빛에대한 파장대)에선 최대값이 황색 영역이다- 연속 스펙트럼: 태양, 백열전구 -> 전 파장에 걸쳐 분광 스펙트럼주로 고체,액체의 온도복사(열복사)로 나타남- 선스펙트럼: 수은등, 나트륨등, 네온광등 -> 특정 파장 번위에서 고유 선 스펙트럼원자의 발광,흡수에 수반되는 불연속적인 선원자의 운동이 자유로운 기체에서 나타남원자의 종류, 에너지 준위에 의해 결정됨- 밴드 스펙트럼: 형광등 -> 여러개의 선 스펙트럼이 모여 띠 모양을 형성- 스펙트럼의 색깔색깔파장(λ)주파수()광자에너지(E)보라(410nm영역)380~450nm668~798THz2.75~3.26eV파랑(454nm영역)450~495nm606~668THz2.50~2.75eV초록(555nm영역)495~570nm526~606THz2.17~2.50eV노랑(587nm영역)570~590nm508~526THz2.10~2.17eV주황(600nm영역)590~620nm484~508THz2.0~2.10eV빨강(657nm영역)620~750nm400~484THz1.6~2.0eV스펙트럼태양광: 전체 파장에 스펙트럼이 다 나타남형광등:특정 파장대에 선 스펙트럼이 띠를 나타냄,세개의 파장대에 의해 빛이 나타남1. 복사(radintion): 빛은 파장에 따라 특성이 다른 전자파이며, 전자파 에너지가 공간에 전파되는 현상2. 복사속( radintion flux) = 방사속 : 파동의 형태로 공간을 전파하는 전자파가 단위시간당 운반하는 에너지- 어떤면을 단위시간에 통과하는 복사에너지의 양(단위: [W] = [J/s]- 사람의 눈과는 무관- 광원의 방사속 Ф[J/s]- 백열등: 100[W],80[W]등 기타 , 형광등 : 40[W],23[W]등 기타눈으로 볼수있는 복사속 : 백열등 10[W], 형광등 9[W]광속(lm)- 복사속을 눈으로 보아 빛으로 느낄수 있는 크기- 가시범위의 복사속은 눈의 감도를 기준으로 측정(380nm-760nm)- 기호:F , 단위 : 루멘(lumem, lm) , F=Q/t [lm]- 복사속: 사람의 눈에 관계없이 전자파가 단위시간당 운반하는 에너지- 광속 : 사람의 눈에 의해 빛으로 확인됨- 크게보면 광원의 방사속 Ф[J/s] -> 그중 눈에 보이는 광속은 F[lm]ex) 100V/100W백열등의 광속 F = 1230lm , FL-20S 형광등 100V/20W의 광속 F = 1600[lm]광속과 광량과의 관계- 광속: 단위 시간당 통과하는 빛의 광량- 광량: 광속의 시간 적분(lumen-hour: lm-h) -> 광량 Q=F*t[lm*h]- 미소시간 dt[h]동안 통과한 빛의 양을 dQ[lm-h]라 하면, 광속 [F]는대표적 광원의 광속(lm)- 백열전구 40W : 350- 주광색 형광등 40W : 2500- 백색 형광등 40W : 3000- 3파장 형광등 40W : 3500- 고압 나트륨등 40W : 46000시감도[lm/W]- 파장 λ의 에너지가 빛으로써 어느만큼 밝게 느껴지는가를 의미함- 어떤 파장 λ의 복사속을 Ф[W], 이 파장의 광속을 F[lm]이라 하면 시감도[lm/W]=- 최대 시감도: 파장 555[nm]에서 최대가 되고 값은 683[lm/W](주간에서 파장 555nm의 빛이 운반하는 에너지가 1[W]일때 빛의 밝기(광속)은 683[lm])비시감도(Relative luminosity factor)최대시감도를 기준으로 다른 파장의 시감도- λ가 555nm인것을 1로 잡았을때비 시감도는 555nm기준 1이다이때 시감도는 683nm이다- 좌측 두갠 주간의 명소시우측 두갠 야간의 암소시명순응: 어두운곳 -> 밝은곳 으로의 순응 -> 1~2분 이내에 순응암순응: 밝은곳 -> 어두운곳 으로의 순응 -> 10~20분 지나야 물체 식별명순응에서 암순응 상태로 이동시 최대 시감도가 짧은 파장으로 이동하는 현상같은색을 밝은곳에서 볼때와 어두운곳에서 볼때가 다름ex)어두운곳에서-> 청색: 더 밝아보임 적색: 더 어둡게 보임광도[cd]어떤 광원으로부터 나오는 광속 F[lm]의 임의의 방향에 대한 입체각(dω) 밀도를 그 방향에 대한광도라고 함 (정의) (즉 광도란? 광속의 입체각 밀도)
빛과 조명빛 : 조명빛 : 전자파전자파의 성질(파동성)빛의 성질광자(양자)의에너지light emittingdiode[LED]백색 LED구현 방법색 구현 방법조명의 필요성 : 인간의 감지 정보의 87%는 시각자연 조명(주광조명) : 태양광 의한 자연적 현상에 의한 조명[가장 이상적]자연 조명(주광조명) : 시각적 환경, 열적 에너지, 화학적, 생물학적등 모든 부냥에 이용됨인공 조명 : {백열등, 할로겐 램프, 저압/고압 나트륨 램프, 형광등, 메탈 할라이드 램프, 수은램프}-> 기존 조명광원(원소등을 넣던가 압력을 이용해 색상 만듦)인공 조명 : LED, OLED (자체의 RGB를 조절해 색상 만듦)광원 -> 점광원(LED등), 선광원(형광등), 면광원(OLED, 확산판 이용)전자파(Electromagnetic wave) : 매우 광범위한 주파수 영역에 걸침-- 사람이 볼수 있는 전자파의 영역 : 380-780nm- 인체에 유익/무익한 경우 있음- 자외선: 살균, 표백, 형광 작용등 여러 화학반응(=화학선)- 적외선 : 인체의 신진대사에 도움, but 너무 높은 온도는 해로움(모든 물체는 적외선 발산, 원자들의 미소 진동에너지=적외선 영역)1. 반사(Reflection)- 정반사(specular Reflection) : 전자기파는 거울처럼 매끈한 면- 난반사(diffuse Reflection) : 빛이 반사시, 다수의 방향으로 반사- 입사파2. 산란(Scattering)- 전자기파가 진행하다가 만난 물체 표면에서 구조 특성에 따라 사방으로전자기파가 흩어지는 현상- 겉보기엔 평평해 반사만 일어날듯한 물체도 가까이서 무한히 확대시표면이 울퉁불퉁함(=산란 발생)- 맑은날 하늘이 푸른이유 : 단파장일수록 강하게 산란-> 붉은빛(0.71um), 파란빛(0.71um) 즉 파란빛이 더 산란3. 회절(Diffraction)- 담장너머 사람의 말소리를 듣는다- 전자기파가 진행중 장애물 만나면 우회진행(=이동통신 용이)- 저주파 신호가 더 멀리 도달(=주파수 낮을수록 회절성 强)nce)알칼리 금속(수소를 제외한 1족), 알칼리 토금속(2족)등의 증발하기 쉬운 원소 또는 염류를가스의 불꽃불꽃 넣을 때, 금속증기가 발광하는 것을 의미함- 응용 : 발염아크등 불꽃반응참고) 발열 아크등은 염류가 먼저 증발하고 이어 이온화 하여 루미네슨스에 의한 빛을 발생하는데금속염의 종류에 따라 다양한 색상의 불빛을 얻을수 있음예) 칼슘 : 노란색스트론튬과 이트륨(Y) : 빨간색수은,에르븀(Er),사마륨:초록색세륨(Ce) :청백색4-5) 열 루미네슨스(Thermal luminescence)물체를 가열할깨, 같은 온도의 흑체에 비하여 많은복사속을 발산하는 현상을 의미 금감석, 대리석, 형석4-6) 생물 루미네슨스(Bio luminescence)생물체에서의 발광을 의미 반딧물, 야광충, 발광어류, 발광 박테리아4-7) 화학 루미네슨스(Chemi luminescence)황린이 산화할 때 발광하는 것, 화학반응에 의해 직접 생기는 발광을 의미백열전구의 구조- 백열전구 : 온도 복사에 의해 발광하는 광원으로써,저항에 전류가 흐르면 열이 발생하고온도가 높아지면서 빛을 발광하는 광원- 특징 : 온도가 높을수록 발광효율이 좋으므로가급적 온도를 높에 할 필요가 있음- 1879 : 에디슨(탄화된 실)- 1894 : 탄소 필라멘트- 1910 : 쿨리지(텅스텐 필라멘트)1) 유리구 (Bullb)1-1) 유리구의 종류:- 소다 석회 유리 : 연화온도가 680~750℃의 연질유리- 붕 규산 유리 : 연화온도가 770~920 의 결질유리(고용량 전구)1-2) 휘도를 낮추는 방법(유리구)- 유리구 내면에 불화수소, 불화 암모늄, 녹말등의 주성분 수용액으로 부식시킴(forst)=> 맑은 유리구에 비해 휘도를 1/50 ~ 1/80으로 감소 가능- 실리카(sio3)분말 도포 ㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡ>2) 베이스(base)- 전구를 소켓에 접속하기 위하여 유리구에 부착시킨 부분으로,전구에 전류를 도입하는 단자(K.S에 따라 크기 및 규격이 정해짐)- 재료 : 황동 , 알류미늄- 종류 :색형광 고압수은 램프는 파장대는 유사하지만 연속 스펙트럼은 더 많아졌다- 휘도를 크게 하는법 : 전류는 적게 전압과 수은 증기압을 크게함전류는 크게 전압과 수은 증기압을 작게함- 증기압 : 10~200기압- 구조 : 석영관내 1~2[cm] 간격의 두개 전극과 슈운 맟 소량의 아르곤 가스 봉입한 발광관을 다시유리구 외관으로 덮음- 중심온도 : 8000~10000[°C], 관벽은 400~600[°C]- 냉각방법 : 용량이 작은 것-> 공랭식용량이 큰 것, 1[KW]이상 -> 수냉식- 발광 효율 : 40~70[lm/W]- 고 휘도 : 105[cd/cm2]이상- 광색 : 백색광으로 연속 스펙트럼- 응용 : 효율과 광색이 좋고 용량이 크므로 1. 영화 촬영 및 영사기2. 사진 제판용(대용량 수냉식) 에 사용한다.- 메탈 할라이드 램프 (metal halide lamp): - 고압 수은등 + 금속 할로겐 화합물 : 일반 조명용 뿐 아니라 복사용, 광 화학용,식물 육성용, 어업용등으로 널리 사용- 외관 : 고압 수은등과 비슷하다 (단지 금속 할로겐 화합물만 넣은것)- 발광관 안에 수은, 아르곤등의 비활성 가스외에 발광 물질로 금속원소(탈륨,나트륨,인듐,토륨)과금속 할로겐 화합물(요오드화물, 브롬화물)을 조합하여 봉입- 할로겐 화합물의 조합에 의한 금속 특유의 발광들을 이용하여 연색성 개선- 발광관 주변에는 보호막을 도포해 관 온도를 일정하게 유지- 전자 방출 물질(전극) : 토륨(Th) 또는 희토류 금속의 산화물- 할로겐화 금속을 봉입한 이유: - 높은 증기압을 얻을수 있음- 고온 상태에서 발광관 재료인 석영과 첨가 금속 반응을 할로겐이 방지함메탈 할라이드 램프의 구조- 노란색 부분에서 발광이 일어남- 봉입 금속 증기의 종류에 따른 각 금속에서의 선 스펙트럼을 이용- 수은등에 비해 방전 개시 전압이 높다 (할로겐이 방전개시 전압을 방해해서 높다)- 발광관 내부 : 시동 보조가스로써 페링 가스(Ne-Ar 또는 Ne-Kr)를 사용- 용량 : 250~400[W]- 색온도 : 4음 시험 , 내구시험 ,내진동 충격시험으로 확인배광에 따른 분류 :- CIE(국제 조명 위원회) : 직접 조명형, 반 직접 조명형, 전반 확산 조명형, 반간접 조명형, 간접 조명형- 미국 : CIE + 1개(직간접형)- 직접 조명 : - 발광속 : 90~100% 아래 방향 , 작업면 직접 조명- 직사광이 직접 눈에 오는 것 방지 : 수평방향에서 30°의 차광각이 필요- 매입형 형광등 기구, 스포트 라이트 기구, 다운라이트(공장, 사무실의 일반적 조명방식)- 장점 : 작업면에 높은 조도 , 벽 이나 천정등의 반사가 없어 에너지 효율이 우수함물체의 입체감을 잘 표현하고, 악센트 조명과 잘 어울린다- 단점 : 주위와의 심한 휘도차 , 짙은 그림자와 눈부심으로 작업자를 괴롭힘천정이 어두워 동굴 같은 조명 환경 , 사람의 인상이 우울하게 보임- 반직접 조명 : - 발산광속 : 60~90% 아래 방향 , 10~40% 위방향- 위 방향의 조도가 반사되어 아래 작업면에 들어가 조도 증가- 밑바닥이 개방 , 갓이 젖빛 유리나 플라ㅡ틱 사용- 모든 실내를 비추므로 실내 마감재의 색상, 질감 고려- 일반 사무실 , 주택의 조명- 장점 : 실내면의 마감재로 인한 확산성의 반사광으로 실내가 전체적으로 균일그림자가 거의 없어 부드러운 분위기 연출- 단점 : 천정 , 벽에서의 빛 흡수로 효율이 저하됨직접 조명기구 보다 작업면의 조도가 낮아짐- 전반확산 조명기구 : - 발산광속 :40~60% 위아래 방향 같은 비율- 전반확산 조명기구 : - 작업면의 조도 : 직접 조사되는 직사광 , 위로 향한 빛의 반사광이 더해짐- 전반확산 조명기구 : - 직접 간접 조명기구 : 전반확산과 배광 비율같음, 수평방향으로 작은 광속 발산고급 사무실 , 상점 , 주택등의 전반 조명에 사용- 장점 : PC 스크린에서 반사 눈부심을 줄임큰 공간에서도 비교적 좋은 에너지 효율실내의 배경 조명과 악센트 조명 사이에 좋은 밸런스입체적인 물체를 그림자 없이 표현- 단점 : 비교적 높은 설치비용과 유지 비용천장이나 벽의 축이 발광면에 평행하게 광원 중심을 지나고,광원 중심축과 수평으로 교차 : 투광등, 디스플레이 측정1. 광원 축과 회전축 평행2. α = 40°3. α = 20°4. α = 0°5. B면에서의 배광 분포2번 축을 기준으로 회전하는것 : α광원에서 발산되는 각도 : β- A , B의 차이점을 잘 알아둘것2-3) C-Planes(C형 배광기) : 측정면 교축이 발광면에 수직하게 광원 중심을 지나고,광원 중심축과 수직으로 교차 : 조명측정 사용- 광원 축과 회전 축 수직- C = 0° - 180°- C = 90° - 270°- γ = 0° - 180°- 조명 광원에 수직으로 놓여져 있는것- 주로 사용 하는 광원가로등의 경우 C-Planes- 가로등은 수직 아래가 아닌 사선으로 조명이 나감(도로를 비추기 위해)2-4) 백열 전구의 배광 곡선- 소켓이 들어가는 부분이 파여져 있음(꼭지 부분)3. 조명 기구들의 배광 곡선4. 배광 곡선4-1. 축대칭 완전 확산 광원광원의 임의의 방향에 대한 광도는 그 방향에서 광원을 보았을때의 투영 면전에 휘도를 곱한 값이 되며완전 확산 광원인 경우는 휘도가 어느 방향에서도 일정1) 구면 광원반지름 r, 휘도 B인 구 광원,어느 방향으로의 투영 면적 πr2, 광도 I [cd] ?=> I = πr2B2) 반구 광원반지름 r, 휘도B인 반구 광원, 방향에 따른투영 면적이 다름I0 = πr2B = InI90 = πr2BIθ = (πr2+πr2cosθ)B = n(l+cosθ)반원 반원 반타원3) 원통 광원반지름 r, 높이 h, 수직원통의 외면 휘도 B수평방향 정투영 면적 : 폭 2r, 높이 h(직사각형)수평광도(In) = 2rhB임의의 방향 θ에서의 광도 Iθ=> Iθ = 2rh*sinθ*B =In*sinθ[cd]4) 평판 광원휘도 B, 면적 S법선 방향의 광도 In = BS이것과 θ각을 이루는 방향의 투영 면적 Scosθ임의의 방향 θ에서의 광도(Iθ)Iθ = BScosθ = Incosθ[cd]5. 배광 곡선과 루소 선도5-1. 루소 선도(R
빛과 조명빛 : 조명빛 : 전자파전자파의 성질(파동성)빛의 성질광자(양자)의에너지light emittingdiode[LED]백색 LED구현 방법색 구현 방법조명의 필요성 : 인간의 감지 정보의 87%는 시각자연 조명(주광조명) : 태양광 의한 자연적 현상에 의한 조명[가장 이상적]자연 조명(주광조명) : 시각적 환경, 열적 에너지, 화학적, 생물학적등 모든 부냥에 이용됨인공 조명 : {백열등, 할로겐 램프, 저압/고압 나트륨 램프, 형광등, 메탈 할라이드 램프, 수은램프}-> 기존 조명광원(원소등을 넣던가 압력을 이용해 색상 만듦)인공 조명 : LED, OLED (자체의 RGB를 조절해 색상 만듦)광원 -> 점광원(LED등), 선광원(형광등), 면광원(OLED, 확산판 이용)전자파(Electromagnetic wave) : 매우 광범위한 주파수 영역에 걸침-- 사람이 볼수 있는 전자파의 영역 : 380-780nm- 인체에 유익/무익한 경우 있음- 자외선: 살균, 표백, 형광 작용등 여러 화학반응(=화학선)- 적외선 : 인체의 신진대사에 도움, but 너무 높은 온도는 해로움(모든 물체는 적외선 발산, 원자들의 미소 진동에너지=적외선 영역)1. 반사(Reflection)- 정반사(specular Reflection) : 전자기파는 거울처럼 매끈한 면- 난반사(diffuse Reflection) : 빛이 반사시, 다수의 방향으로 반사- 입사파2. 산란(Scattering)- 전자기파가 진행하다가 만난 물체 표면에서 구조 특성에 따라 사방으로전자기파가 흩어지는 현상- 겉보기엔 평평해 반사만 일어날듯한 물체도 가까이서 무한히 확대시표면이 울퉁불퉁함(=산란 발생)- 맑은날 하늘이 푸른이유 : 단파장일수록 강하게 산란-> 붉은빛(0.71um), 파란빛(0.71um) 즉 파란빛이 더 산란3. 회절(Diffraction)- 담장너머 사람의 말소리를 듣는다- 전자기파가 진행중 장애물 만나면 우회진행(=이동통신 용이)- 저주파 신호가 더 멀리 도달(=주파수 낮을수록 회절성 强)4. 굴절(Refraction)- 전자기파가 물리적 성분이 다른 재질에 입사 : 재질차이에 의해 진행방향 변화- 수저를 물에 넣었을떄 휘어 보임- 스넬의 법칙 : 전자파는 2매질의 굴절율에 따라 경로는 휨[ n1sinθ1= n2sinθ2 ]- 빛 : 파동성과 입자성의 이중성질- 빛이 매질중을 통과할때, 주파수는 변하지 않으나 속도와 파장은 변화함- 광자, 광량자 : 빛은 연속된 파가 아니라 불연속 입자- 주파수 f[단위:Hz]인 광자 1개가 갖는 에너지 E = hv[단위:J]E = hv[단위:J]이때 h(플랑크 상수) : 6.626176*10-34 [단위:Js] , v : 빛의 진동수[1/s]E = hv[J] =>빛의 진동수 v를 광속/진동수 로 치환해준다= h[Js]*(c[m/s] / λ[m])[J] =>식을 간결하게 줄인다= h*c/λ =>상수들을 대입한다= (6.626176*10-34)*(2.99*108)/λ [J] =>계산한다= 1.986*10-25/λ [J]즉 에너지[E]는 1.986*10-25/λ 줄[J]이 된다1[eV] = 1.60219*10-19[J]이니,E = (1.986*10-25/λ[m])[J] =>위식을 역수 취하면 1J일때 eV가 됨= 1.986*10-25/λ[m] * 1/(1.60219*10-19)eV =>이 식을 계산하고 단위 맞춤E = 1240/λ[nm] [eV] =>골든룰ex) 파장 248nm이면 에너지는 1240/280 = 5[eV]에 해당됨- p-n접합 다이오드- 방출 전기효과(electroluminescence) : 순방향 전압시 단파장광발생 소자(monochromatic light)-좌측 그림에서 와이어 본드를 타고 나간것이 +, -는 연결된 컵 자체가 선이라 보면 됨- 백색(R+G+B) 노란색(G+R) 시안색(G+B) 자홍색(R+B) 중요- 위그림의 양끝의 검은 선은 전원선이다- 전원선은 붉은 동그라미 부분을 집고 있고 각위치는 붉은 선쪽이다- 푸른 빛은 아래 도면의 양쪽에서 나온다(파란선)- 빛을 발생시키는 부분은 InGaNMQW 이고 도면에선 굵은 검은선이다- InGaNMQW 기준 윗부분은 P타입(또한 붉은 빗금선 포함) 아래는 n타입(검은 빗금선 포함)이다- p-n접합 회로처럼 p는 + n은 – 에 연결되있다- +에서 hole이 InGaNMQW가 있는 활성층(멀티 컨터넬)으로 들어가고(초록선)-에서 전자가 활성층으로 들어가서(노랑선) 재결합을 통해 빛이 발생함1. LED칩에서 청색 빛이 나옴(파란선), 또한 황색 형광체(노란 점)이 있다청색LED에다 노란 형광체를 섞어 백색을 만드는 것이 시중에 제일 많이 나와있다2. 자외선 LED(짧은 파장 큰에너지)에는 RGB형광체가 있다.(UV칩과 RGB형광체가 비쌈)이 형광체에 자외선을 가하면 이 에너지를 받아 빛이 발산해 백생광을 만든다3. RGB칩을 3개를 넣어 백색광을 만든다(칩이 3개라 비쌈)4. 보색(서로 반대의 색)의 LED칩을 이용해 백색광을 만들어냄칩이 두개라 당연히 비쌈그냥 무조건 시험에 나온다고 했음1. 전자파의 성질중 파동성 부분에 스넬의 법칙은 전자파 또한 대입이 가능하다전자파에서의 스넬법칙의 정의는 "전자파는 2매질의 굴절율에 따라 경로는 휘고 공식은 n1sinθ1= n2sinθ2 이다.2. 광자의 에너지[E]는 1.986*10-25/λ 줄[J]이다 또한 골든룰은 E = 1240/λ[nm] [eV] 이다3. LED에서의 중요한 색 조합은 : 백색(R+G+B) 노란색(G+R) 시안색(G+B) 자홍색(R+B)이다.
