< 연구결과요약서 > 과제명 빛반사로인한화면시청의어려움해결 STEAM R&E 연구결과보고서 ( 빛반사로인한화면시청의어려움해결 ) 연구목표 TV 화면에서반사되는빛의양을줄여수업시간에 TV를보다원활하게활용할수있도록개선한다. 이론적배경및선행연구 건축외장용판유리의표면거칠기에따른광산란특성에관한연구 ] 논문에서건물의커튼월현상을해결하기위해판유리의거칠기를다양하게해서실험을진행했을때 표면거칠기가증가할수록반사율은증가하고, 투과율은감소하는것으로나타났다 라는결과를알게되었다. 여기서반사율이증가한다는것은정반사와난반사를모두합친전체적인반사율을말하는것으로, 정반사량은줄어들고대신난반사양이증가하게되어투과율또한감소하게됨을의미하는것이다. 이를바탕으로 OHP필름에사포질을많이할수록빛의투과도가낮을것이라고가설을설정하였다. 2017. 11. 30. 예일여자고등학교 연구내용 연구주제선정 ( 목적및필요성 ) 본교는최근수업시설의첨단화로모든교실및특별교실에다양한디스플레이설비가갖춰져 있고, 따라서수업시간과동아리등에서교실내설치된 TV 화면을이용하는경우가많다. 그러나 수업시간에 TV 를이용해서수업을할때면, 창문등에서빛이비춰져화면이잘안보이는어려움 을겪는경우가많다. 많은학생들이수업자료를확인하는데문제를느끼며수업에집중할수 없었다. 연구방법 표면의거칠기에따른투과율의조도차이확인 각도에따른반사율의조도차이확인 표면의요철의크기와투과율확인 연구활동및과정 표면의거칠기에따른투과율의조도차이확인 가. 목적 : 표면거칠기와빛의투과율사이의관계를알아보아난반사를이용해눈부심현상을방지할 수있는지파악한다. 나. 실험도구 : 사포 (600 방 ), 42 인치모니터, 칠판지우개손잡이, OHP 필름 (A4, 투명, 두께 0.1mm) 7 장, Science# for window( 조도센서 ), 암실 * 테이프, 양면테이프, 절연테이프 ( 검은색 ) 1 OHP 필름의표면을 600 방사포로문지른다. ( 각각 0 번,2 번,4 번,6 번,8 번,10 번 ) 2 0 번문지른필름을모니터에밀착시켜서붙인다. 3 조도측정기 (Science # for window) 를모니터로부터 50cm 떨어진곳에고정시킨다. 4 바닥에검은전지를깔고, 모니터와스마트폰주위에암실을설치한다. 5 조도를 0.2 초간격으로 5 초간측정한다. 6 과정 2~5 를다른 OHP 필름으로반복한다. 각도에따른반사율 가. 목적 : 각도를달리하며표면거칠기와빛의반사율사이의관계를알아본다. 나. 실험도구 : 사포 (600 방 6 번,10 번 ), OHP 필름 (A4, 투명, 두께 0.1mm)6 장, 손전등, 암실 *, 테이프 1 OHP 필름 (400 방사포로 0 번, 6 번, 10 번문지른것 ) 을모니터에부착한다. 2 OHP 필름을기준으로 20cm 거리에양쪽으로 30, 45, 60, 되는위치를표시한다.
연구성과 3 조도센서를모니터에서 20cm 거리에고정시킨다. 4 30 45, 60 ( 입사각 ) 위치에서지지대를이용해손전등을세우고손전등을 OHP 필름에비춘다. 5 조도를 0.2 초간격으로 5 초간측정한다. 6 표면의거칠기와반사율사이의관계를알아본다. 표면의요철의크기와투과율 가. 목적 : 표면의요철의크기와투과율사이의관계를알아본다. 나. 실험도구 : 사포 (600 방 1 장, 1000 방 1 장 ), 칠판지우개손잡이, OHP 필름 (A4, 투명, 두께 0.1mm) 2 장, science# for window( 조도센서 ), 테이프, 양면테이프, 절연테이프 ( 검은색 ), 커터칼, 자, 가위, 42 인치모니터, 멀티탭, USB 포트 1 OHP 필름의표면을 1 장은 600 방사포로, 1 장은 1000 방사포로문지른다. ( 각각 4 번씩 ) 2 600 방사포로문지른필름을모니터에밀착시켜서붙인다. 3 조도측정기 (Science # for window) 를모니터로부터 20cm 떨어진곳에고정시킨다. 4 바닥에검은전지를깔고, 모니터와조도센서주위에암실을설치한다. 5 조도를 0.2 초간격으로 5 초간측정한다. 6 과정 2~5 를 1000 방사포로문지른 OHP 필름으로반복한다. 연구결과 표면의거칠기에따른투과율실험 - ( 평균 ) 투과율 = 투과광조도 / 입사광조도 필름번호입사광의조도 (lux) 투과광조도 (lux) 투과율 (%) 2 26 86.66 4 25 83.33 6 30 25 83.33 8 22 73.33 10 19 63.33 - 결론 : OHP 필름의표면거칠기가증가할수록투과율이감소했다. 각도에따른반사율실험 입사각 ( ) 입사광의조도 (lux) 6 번반사광조도 (lux) 10 번반사광조도 (lux) 6 번반사율 (%) 10 번반사율 (%) 1 30 27 14 12 51.85 44.44 2 45 148 60 46 40.54 31.08 3 60 340 41 38 12.05 11.17 - 결론 : OHP 필름의표면거칠기가증가할수록반사율이감소했다. 표면의요철의크기와투과율 입사광조도 (lux) 600 방투과광조도 (lux) 1000 방투과광조도 (lux) 600 방투과율 (%) 1000 방투과율 (%) 29 21 24 72.41 82.75 투과광의조도평균투과율 이다. 입사광의조도 주요어 - 결론 : 표면의요철의크기가커질수록투과율이커졌다. 표면의요철의크기에따른선명도차이측정 가. 목적 : 디스플레이화면의거칠기를다르게한후, 다수관측자를통해주관적인선명도느낌과선호도를 조사하기위해서화질평가를시행한다. 나. 방법 JND(Just noticeable difference) 는자극의상대식별에있어 50% 보다더높은확률로판단할수 있는자극차이이다. 대부분의화질분석은테스트시스템과유사한참고시스템을비교하는과정을 포함하는데이것은화질차이의중요성을이해하는데중요하며, 이때사용되는것이 JND 이다. 옳은응답의확률은 가되고, 감지확률은 가된다. 이때감지확률이바로 JND 가된다. 본설문은예일여고학생및교직원 50 명을대상으로본교 5 층복도에서진행하였다. 평가항목 선명도 번 호 1 분류 선명도 - color 평가영상 선호도결과 600 방 1000 방 6 44 2 가독성 11 39 - 결과 : 선명도 -color 는 76%JND, 가독성은 56%JND 으로 1000 방사포로문지른 OHP 필름으로 본영상이더선명했다. 시사점 이번연구활동을통해평소에쉽게접할수없었던반사율이나투과율과같은새로운주제에 관한정보 ( 선행연구조사 ) 들을찾아보며데이터수집능력이향상되었다. 뿐만아니라조별활동을 통해실험을설계하고실행해보면서서로의사소통하는능력을갖추게되었다. 본연구는일반교과교실내에서사용되는화면곡률이없는일반 LED 디스플레이를대상으로 빛반사로인한화면시청의어려움해결하고자하였고, 학교의위치나교실내디스플레이의 방향에따라연구결과의적용이제한이있을수있다. 향후계획 학급 TV 에맞는사이즈로제작하여실제수업때활용해원만한수업이진행되도록하고, 이후 다른학급에도보급하여실효성을입증한다. TV 외의다른전자기기의디스플레이장치에연구결과를적용해사람들이전자기기를보다 편하게쓸수있게한다. 전자기기제조기업에실험결과를바탕으로한디스플레이화면의눈부심방지에대한아이디어를 제공할수있다. 빛 빛의반사 반사율 난반사 정반사 투과율 디스플레이장치 필름 필름
1. 개요 < 연구결과보고서 > 되었고, 거칠기측정에반사광을이용하는데힌트를얻게되었다. 표면의특성에 따라서로다른표면거칠기표현법을사용하므로본연구의실험설계과정에변인으로 염두해두었다. 연구목적 본교가위치한서울시서북쪽에위치한은평구는다른지역에비해지역개발이더디고, 상업및업무시설이거의없어서울시내 25개자치구중재정자립도가 23위정도로매우낮다. 학원가가형성되지않아사교육보다는공교육및 EBS 의존도가높으며, 진로연계동아리활동과자기주도학습등이활발하게운영되고있다. 최근수업시설의첨단화로모든교실및특별교실에다양한디스플레이설비가갖춰져있고, 따라서수업시간과동아리등에서교실내설치된 TV화면을이용하는경우가많다. < 건축외장용판유리의표면거칠기에따른광산란특성에관한연구 > 라는논문을읽고이연구의결과를디스플레이장치등의전자기기뿐만아니라건축과같이다양한분야에걸쳐서활용할수있으며필요로한다는것을알게되었다. < 적외선난반사를이용한광학식멀티터치스크린구현 > 에대한논문을읽고난반사와산란을이용해손가락의위치를인식할수있다는것을알게되는과정에서난반사와산란을실험에서더폭넓게응용할수있다는것을깨닫게되었다. 연구주제의선정 그러나수업시간에 TV 를이용해서수업을할때면, 창문등에서빛이비춰져화면이 잘안보이는어려움을겪는경우가많다. 많은학생들이수업자료를확인하는데 문제를느끼며수업에집중할수없었다. 일상생활특히수업장면에서시청각수업자료를이용하거나, 발표수업을하는중교실내설치된 TV화면을이용하게될때에창문등에서빛이비춰져화면이잘안보이는어려움을겪는경우가많다. 이를화면거칠기에따른반사와투과의문제로인식하고해결하고자했다. 이번연구를통하여 TV 화면에서반사되는빛의양을줄여수업시간에 TV를보다원활하게활용할수있도록개선하고자한다. 이로써학생들이이용하는디스플레이의집중도를향상시켜학습능력을증진시킬수있을것으로기대된다. 주관적인불편함이아닌모든학생이보편적으로느끼고있는해결이필요한문제임을확인하기위해교내학생을대상으로그림1과같이설문조사를진행했다. 그림2와같이설문결과불편을느낀학생이 74% 로많은비율을차지했고, TV 화면이안보이는현상을해결해야한다고생각하는사람은전체 198명중 113명에달했다. 연구범위 TV가잘보이지않는이유가외부의빛이화면에서반사되기때문이라는것에집중했다. 눈부심현상이일어나는원인을분석하고, 이를방지하기위한방안을물리학적지식과공학기술을융합하여해결하려하였다. 본연구는일반교과교실내에서사용되는화면곡률이없는일반 LED 디스플레이를대상으로빛반사로인한화면시청의어려움해결하고자하였고, 학교의위치나교실내디스플레이의방향에따라연구결과의적용이제한이있을수있다. 2. 연구수행내용 외부전문가의자문없이학생스스로관련논문과선행연구등자료를수집하며연구주제를선정하고범위를설정하였는데, 상의선명도와반사율의적정지점을찾기위해실험을집중하여설계하고진행했다. 이론적배경및선행연구 < 레이저정, 난반사특성을통합한고품위면거칠기측정에관한연구 > 라는논문을 읽고반사광을이용하여측정하는것이외부조건에대하여강인하다는것을알게
연구방법 실험 표면의거칠기에따른투과율의조도차이확인 가. 목적 표면거칠기와빛의투과율사이의관계를파악한다. 나. 실험도구 42인치 LED모니터, Science# for window( 조도센서 ), OHP 필름 (A4, 투명, 두께0.1mm) 7장, 사포 (600방), 칠판지우개손잡이, 제작암실, 테이프, 양면테이프, 절연테이프 ( 검은색 ), 멀티탭, USB포트등 그림 과같이암실을제작하여 LED 모니터에사포를이용해한방향으로요철을만든 OHP 필름을부착하고 MBL 프로그램과그림 4 와같은 MBL( 코리아디지털社 ) 및휴대전화 내장조도센서를이용해조도를측정했다. 표면의거칠기를다르게하여투과율및조도차이를확인하고, 수신부의각도를다르게 하여이에따른반사율을확인, 화면표면의요철의크기를다르게하여투과율을확인하 는실험을각각진행했다. 연구활동및과정 실험과정에서투명테이프로암실제작후빛이들어와서실험시간에따라조도값이달라지므로절연테이프로변경해비교군의조도값을일정하게했다 필름의표면의거칠기를일정한힘으로하지않으면홈깊이가다를수있다는의견이있어서습식칠판지우개와자등을이용해일정한깊이를유지하게했다 처음에는설치의용이한휴대전화의내장센서를이용했으나 데이터의정확도와신뢰도를위해 조도센서를이용해재실험하여측정하였다 < 건축외장용판유리의표면거칠기에따른광산란특성에관한연구 > 란논문에서건물의커튼월현상을해결하기위해판유리의거칠기를다양하게해서실험을진행했을때표면거칠기가증가할수록반사율은증가하고, 투과율은감소하는것으로나타났다. 여기서반사율이증가한다는것은정반사와난반사를모두합친전체적인반사율을말하는것으로, 정반사량은줄어들고대신난반사양이증가하게되어투과율또한감소하게됨을의미하는것이다. 이를바탕으로 OHP필름에사포질을많이할수록빛의투과도가낮을것이라고가설을설정하였다. 1 OHP 필름의표면을 600방사포로문지른다. ( 각각 0번,2번,4번,6번,8번,10번) 2 그림5와같이 0번문지른필름을모니터에밀착시켜서붙인다. 3 조도측정기 (Science # for window) 를모니터로부터 50cm 떨어진곳에고정시킨다. 4 바닥에검은전지를깔고, 모니터와스마트폰주위에암실을설치한다. 5 조도를 0.2초간격으로 5초간측정한다. 6 과정 2~5를다른 OHP 필름으로반복한다.
실험 각도에따른반사율확인 실험 표면의요철의크기에따른투과율확인 가. 목적 각도를달리하며표면거칠기와빛의반사율사이의관계를알아본다. 가. 목적 표면의요철의크기와투과율사이의관계를알아본다. 나. 실험도구 모니터, 사포 (600 방 6 번,10 번 ), OHP 필름 (A4, 투명, 두께 0.1mm)6 장, 손전등, 암실, 자, 각도기등 나. 실험도구사포 (600방 1장, 1000방 1장 ), 칠판지우개손잡이, OHP 필름 (A4, 투명, 두께0.1mm) 2장, science# for window( 조도센서 ), 테이프, 양면테이프, 절연테이프 ( 검은색 ), 커터칼, 자, 가위, 42인치모니터, 멀티탭, USB포트 1 OHP 필름 (400방사포로 0번, 6번, 10번문지른것 ) 을모니터에부착한다. 2 OHP 필름을기준으로 20cm 거리에양쪽으로 30, 45, 60, 되는위치를표시한다. 3 그림6와같이조도센서를모니터에서 20cm 거리에고정시킨다. 4 30 45, 60 ( 입사각 ) 위치에서지지대를이용해손전등을세우고손전등을 OHP 필름에비춘다. 5 조도를 0.2초간격으로 5초간측정한다. 6 표면의거칠기와반사율사이의관계를알아본다. 1 OHP 필름의표면을각각 600방, 1000방사포로 4회문지른다. 2 그림7과같이 600방사포로문지른필름을모니터에밀착시켜서붙인다. 3 조도측정기 (Science # for window) 를모니터로부터 20cm 떨어진곳에고정시킨다. 4 바닥에검은전지를깔고, 모니터와조도센서주위에암실을설치한다. 5 조도를 0.2초간격으로 5초간측정한다. 6 과정 2~5를 1000방사포로문지른 OHP 필름으로반복한다. 표면의거칠기를증가시킬때빛의반사되는정도가감소하여반사광에따른불편을감소하는것처럼보였으나 화면의선명도가낮아져서화면을읽는데불편함을끼치는것을확인했다 이에따라사용할수있는수준을찾기위해상의선명도선호에대해학생과교사를대상으로설문을진행했다
실험 표면의요철의크기에따른선명도차이측정가. 목적디스플레이화면의거칠기를다르게한후, 다수관측자를통해주관적인선명도느낌과선호도를조사하기위해서화질평가를시행한다. 3. 연구결과및시사점 연구결과 나. 방법 600방과 1000방사포로각각처리한화면두가지 ( 그림8, 그림9) 를동시에보여준후가독성 ( 그림8) 과선명도 ( 그림9) 에대한선호조사를진행했다. 본설문은예일여고학생및교직원 50명을대상으로본교 5층복도에서진행하였다. 표면의거칠기에따른투과율의조도차이에대한실험결과는그림 10 과같다. 필름에 사포질한횟수를증가시킬때투과율은 1 회에 87% 에서 5 회에 63% 가되는것을보아 거칠기가증가할수록투과율이감소함을알수있다. 또한표면거칠기가클수록투과광 의조도가낮아지는경향이나타났는데, 사포질을많이할수록실험자는어두운화면을 보게되는것이다. 이는표면거칠기가클수록투과광이산란되는정도가크기때문이라 고설명할수있다. 다. 분석도구 경북대학교 color&imaging laboratory 에서확인한화질평가도구 JND(Just noticeable difference) 를사용했다. JND 는자극의상대식별에있어 50% 보다더높은확률로판단 할수있는자극차이이다. 대부분의화질분석은테스트시스템과유사한참고시스템 을비교하는과정을포함하는데이것은화질차이의중요성을이해하는데중요하며, 이때사용되는것이 JND 이다. 옳은응답의확률은 가되고, 감지확률은 가된다. 이때감지확률이 JND 가 된다. 한편참고한문헌에서도출한가설과비슷하게표면요철이커질수록빛의투과율이감소할것으로예상했다 요철의크기에비례해서 필름표면의두께를감소시켜투과율이증가하는결과를얻게된것으로보인다
그림 에서볼수있듯이반사광의조도는거칠기가증가할수록 입사각이증가할수록감소하는모습을보인다 특히사포질의횟수에따른거칠기를 에서 로변화시켰을때반사광이 정도감소하는데 같은조건에서투과광이 감소한것에비해 배이상으로크게영향을받는것으로볼수있다 시사점 TV 화면에서반사되는빛의양을줄여학생들의수업집중도를높임으로써학업능력저하를방지할수있으며, 화면반사의영향을받지않는영역이확장되어교실공간을보다더효율적으로활용할수있을것으로기대된다. 이번연구활동을통해평소에쉽게접할수없었던반사율이나투과율과같은새로운주제에관한정보 ( 선행연구조사 ) 들을찾아보며데이터수집능력이향상되었다. 뿐만아니라연구에참여한학생들은조별활동을통해실험을설계하고실행해보면서서로과학적으로의사소통하는능력을갖추게되었다. 본연구는일반교과교실내에서사용되는화면곡률이없는일반 LED 디스플레이를대상으로빛반사로인한화면시청의어려움해결하고자하였고, 학교의위치나교실내디스플레이의방향에따라연구결과의적용이제한이있을수있다. 4. 홍보및사후활용 학급 TV 에맞는사이즈로제작하여실제수업때활용해원만한수업이진행되도록 하고, 이후다른학급에도보급할수있도록간편한제작키트를보급할수있다. 화면을잘보기위해서는눈부심의원인인반사광이감소하고, 정보를제공하는투과광이증가해야한다. 거칠기가증가할수록반사광과투과광이감소하게되지만비율의차이가있고, 요철의크기가작을수록반사광이감소하므로눈부심을해결하기위해작은크기의요철을횟수를증가시켜화면에부착하는것이좋다는결론을얻었다. 위의실험은빛의밝기만을측정한것이므로실제육안으로선명도를확인하는실험이추가적으로필요했다. 선명도를확인하는실험을추가적으로실행했고, 그림8, 9는선들이복잡하게밀집되어있고, 같은계열의색상들로이루어져있어화면의변화를쉽게비교할수있을것으로예상했기때문에검정에사용했다. 전체적으로는필름의거칠기가증가할수록선들이흐릿하게보이며단색인부분을볼때불균일한홈에의해얼룩지게보인다. 각도가증가할수록앞에서말한부분들이더선명하게보인다. 따라서거칠기를높이는것에는반사율을낮춰눈부심을해결하는데도움이되지만선명도를고려해적절한지점을찾는것이필요했다. 거칠기를 2회로하고 600방과 1000방사포를사용한필름을부착해선호도를조사한결과아래표와같이가독성과선명도모두 1000방필름의 JND가높았다. TV 외의다른전자기기의디스플레이장치에연구결과를적용해사람들이전자기기를보다편하게쓸수있게한다. 전자기기제조기업에실험결과를바탕으로한디스플레이화면의눈부심방지에대한아이디어를제공할수있다. 5. 참고문헌 김주년 (2004), 레이저정ㆍ난반사특성을통합한고품위면거칠기측정에관한연구, 국회도서관, 10-19 제어로봇시스템학회 (2013), 적외선난반사를이용한광학식멀티터치스크린구현, 제어로봇시스템학회국내학술대회논문집 한동훈 (2015), 건축외장용판유리의표면거칠에따른광산란특성에관한연구, 국회도서관, 6-13/35-30/62-63 600 방 1000 방 JND 가독성 11 명 39 명 56% 선명도 6 명 44 명 76%