1/29 1-1. 기초사항 빛 : 입자설과파동설 (Maxwell, Plank, Einstein, Kirchhoff 등 ) 인공빛 자연주광 ( 晝光 : 낮에보는밝은햇빛 ) 과같도록 photon( 光子 ) : 일정진동수로진동하며빛의속도로진행 Heisenberg 불확정성의원리 (uncertainty principle) : 입자의위치와운동량을동시에정확히아는것은불가능하다. 확률적인처리 복사 ( 방사, radiation) : 전자파의형태로전달되는 energy 복사속 (radiant flux) : 단위시간에한면에전달되는 energy 분광복사속 : 단위파장내의복사속 Spectrum : 복사를파장또는주파수의순서로배열한것 우주선-r선-x선-자외선-빛 ( 가시광선 )-적외선-radar-FM-AM-교류전력파 파장짧고 파장길고 주파수높고 살균, 화학 온열 주파수낮고 보남파초노주빨 A : ( 주파수 ) ( 파장 ), ( 빛의속도 ) 광속 (luminous flux) : 복사속을육안을보아빛으로느끼는감각을크기로나타낸것, 단위 광속 시감도 복사속 최대시감도를나타내는파장 : 1 555[nm]( 발광효율 : 680 비시감도곡선 3800A o 555m 7600A o 그림 6 비시감도곡선
n2rsisid2/29 호도법 : (radian) 입체각 : (steradian) 원뿔의입체각, r rdd r l r n rd 그림 8 원뿔의입체각 그림 7 구띠의입체각 구의입체각
3/29 광도 응고점의백금의표면 에서수직으로나오는광도의 점광원 : 투사하는거리에비하여크기가작은광원으로, 보통광원의크기보다 10배이상의거리를비추는경우는점광원으로취급함. 점광원은크기는작지만공 ( 구형 : 입체 ) 으로취급함. 인점광원의전광속
4/29 [4] 조도 (illumination) ; 작업면에어느크기의광속입사? 단위면적당입사광속 미소면 입사광속 에 1 의광속입사 에 1 의광속입사 일정한광속, 수직으로 또는 평균조도 ( 조명설계시 ) 구면의조도 E [cd] : 역자승의법칙 r 그림 9 구면의조도
5/29 기울어져들어오는경우,,, r A' ; 입사각여현의법칙 : 면과수직인선 ( 법선 ) 과광선이이루는각 A 그림 10 입사각여현의법칙 법선조도,, 수평면조도 수직면조도 r h E n E h E v d 그림 11 수평면조도
6/29 [5] 휘도 (brightness) : 눈부심, 겉보기면적 ( 점광원 구, 형광등 직사각형 ), 투영면적, (A'= 겉보기면적 ), nit, stilb 더많이씀, 전구, frost전구 휘도차 da da'=da cos 그림 12 휘도와투영면적
7/29 [6] 광속발산도 (luminous emittance) 반사광이나투과광등 2차광속에의한광속밀도, 물체인식과관련, 조도와같은단위, 같은면에대해서는조도를계산한다음반사율또는투과율등을고려한광속발산도를계산함. radlux, apostilb lambert 조도 인면의반사율이 일때반사광에의한광속발산도 조도 인면의투과율이 일때반사광에의한광속발산도 완전확산면 모든방향의휘도가같은면휘도, 광속발산도 * 반사율, 투과율, 흡수율, 전체입사광속, 반사광속, 투과광속및흡수광속을각각 라하면, 이고 F F F F 그림 13 반사율, 흡수율및투과율의관계 ex) 반사율, 면적, 광속 입사, 반사광에의한광속발산도 반사광에의한휘도 ex) 투과율, 면적,,,
8/29 [7] 발광효율 (luminous efficiency) : 광원의복사속 광속 최대시감도 555 680 2200, 30 백열전구 6 [8] 전등효율 (lamp efficiency) 소비전력 광속 복사속 () + 전도 + 대류 + >,
9/29 1-2. 전등 발광 온도복사 : 백열전구 luminescence : 형광등, 수은등, 나트륨등, * 추세 : 온도 ( 효율, 고온재료 ) 복사가아닌쪽으로 온도복사 (1) 흑체 (black body) - 백금흑, 탄소 입사하는복사에너지를완전흡수하는물체 ( 반사, 투과없음 ) (2) Stefan - Boltzmann's law 흑체, 온도, 단위표면적에서단위시간당의복사에너지 W, (3) Wien's displacement law( 변위법칙 ) 최대분광복사가일어나는파장은온도에반비례, ex) 555nm, (4) Planck's radiation law 물체가방사하는복사속의파장마다의에너지, 식 복잡 : 불필요 (5) 각종온도복사온도 : 임의복사체의복사속이어떤온도의흑체의복사속과같을때흑체의온도를그물체의복사온도색온도 : 임의복사체의광색이어떤온도의흑체의광색과같을때흑체의온도를그물체의색온도휘도온도 : 임의복사체의휘도가어떤온도의흑체의휘도와같을때흑체의온도를그물체의휘도온도복사온도 < 진온도, 휘도온도 < 진온도, 색온도 > 진온도
10/29 1-2-3. 전구 (1) 전구의구조 (a) 유리구 : 점등온도고려, 과열되지않는크기 ( 소용량 : 연결, 소오다석회유리, 대용량 : 경질붕규산유리 (pirex)), 휘도줄이기위하여불소화합물 ( ) 로부식 frost 전구 ( 로휘도감소 ) 또는실리카분말을내면코팅처리 ( 빛의확산면증가 ) stem : 붕규산유리사용배기관 : 유리구의배기및가스봉입 (b) base : 합금, bipost 형 (c) anchor : 필라멘트지지, 내열, 내진, 몰리브덴선 (d) 도입선 : 외부도입선 ( 구리 ), 봉착부도입선 ( 유리와팽창계수동일, dumet 선, 철, 니켈합금선에구리를두껍게피착시킴 ), 내부도입선 : 또는 또는구리선에니켈을피착 ) (e) filament : 텅스텐, 융해점高, 고유저항적당히클것, 고온승화성小 흑화小, 가는선으로가공가능직선형 진공전구 ( 소용량 ) coil형 단일 coil형, gas 入이중 coil형 (f) filled gas( 봉입가스 ) gas 損 : 진공전구 가스손없음승화억제 gas 봉입 ( 등의불활성 gas + 질소 ( 방전가능성을없애기위함 )) filament 주위의 gas 대류 filament 냉각 손실 gas 損을줄이려면 gas와 filament 접촉부위를작게 : 이중코일형필라멘트 gas 압력 : 점등시 1 기압 760[], 상온소등시 ~ 기압 (g) getter : 진공후남아있는수분, 산소 filament 산화 getter가수분, 산소와먼저반응 수명증가 이하 ( 진공전구 ) : ( 적린 ) 이상 : ( 질화바륨 )
11/29 (2) 텅스텐전구의특성 Aging : 새전구작동시광속, 전류, 효율등의과도현상이없어질때까지동정특성 (performance) : aging이끝난후사용함에따라 filament가승화하면서광속, 전류, 효율등이감소하는과정전압특성 : 전압변화 filament 온도변화 전류, 수명, 광속, 효율변화 수명 :, 광속 : 참고 : 에서 ( 전압의변화량 ), ( 특성의변화량 ) 라면, 이항정리에서 인경우 이므로, ex) 에서 인전구를 에서점등했을때광속은?, 또는 수명 : filament 단선때까지의점등시간 maximum 1000h 효율과수명은반비례 (7승정도) 전구의시험 : KS 100V 일반조명용구조시험 : 50%, 유리구홈, 정격구조초특성시험 : 90%, 소비전력, 광속, 효율 동정특성시험 : 과전압으로실시 수명 이후실험수명시험 : 과전압으로실시, 15% 불량 base 접착강도시험 : 비틀림
12/29 (3) 전구의종류와용도 (a) 일반조명용 : 6~12% 효율 (b) 주광 ( 晝光 ) 전구 : 淸色유리구 ( 산화코발트, 산화동 ) 빨간색 30~40% 흡수 주광에가깝게 (c) 투광기용 : 포물면경으로초점집중, 반사경내장형 (d) 자동차용 : 진행용 ( 下향 ), 교차용 ( 上향 ) (e) 적외선전구 : 가열, 건조등에이용, 2400 ~ 2500, 조명용보다약간저온 (f) 할로겐전구 (cyclic 전구 ) 요오드전구저온 () 관벽의승화된 결합 : 투명고온 ( ) : 필라멘트부근 를 filament에돌려줌 (g) 영사용 ( 적은유리구에큰 filament) (h) 섬광전구 : filament + + 산소, filament + 점화 + 산소 ( 빛으로산화 )
13/29 1-2-4. 방전등의기초 (1) Luminescence - 온도복사이외의발광, 냉광 (cold light) 인광 (phosphorescence) : 자극이그친후에도어느정도발광형광 (fluorescence) : 자극이작용할때만발광 (a) 전기 luminescence - 기체나금속증기내의방전에따른발광, 대전입자상호간에원자, 분자등충돌, 네온관, 수은등 (b) 복사 luminescence - 화합물에짧은파장의자극 긴파장의가시광선발광 (stoke's law), 형광등 (c) 열 (d) 음극선 - brown관, oscilloscope (e) pyro, chemi, bio, 결정, 마찰 (2) 방전등에대한법칙 파셴 (Paschen) 의법칙 : 기동전압은기체의압력이높을수록, 전극간격이길수록높다. 페닝 (Penning) 효과 : 불활성기체를약간섞으면방전개시전압이낮아진다. (3) 방전등 : glow 방전 ( 저전류, 저전압 ) 대전류 arc 방전 arc등 고압, 초고압수은등 - 양광주 나트륨등 - 양광주 네온 arc등 - 양광주 탄소 arc등 - 전극 글로우방전등 네온관등 - 양광주 네온전구 - 음극글로우 저압수은등 - 양광주 HD등 (High ntensity Discharge Lamp : 고휘도방전등 ) : 고압및초고압수은 등, 메탈할라이드등, 고압나트륨등, 고압크세논등 (4) 안정기 전류증가 전압증가 : 정특성 ( 금속 ) 전류증가 전압감소 : 특성 ( 기체의방전 ) 방전등 - 정전압전원 전류무한증가 방전등파괴 저항직렬접속 전류증가를저항에서의전압강하로흡수 전류의안정을위한저항 ballast resistance 변압기 - 누설리액턴스를크게 - 단자전압강하
14/29 탄소아크등 순탄소 arc등 - 직류이용, 양극쪽의화구 (crater) 에서 85% 정도의빛이나옴, 20 이하, 교류는극이바뀜 발염아크등 - 전극속에 (Strontium, Cerium, Titanium) 등을섞어서 Pyro luminescence이용 고휘도 arc등 (beck arc lamp) :, 의심을극에넣음. 탐조등
15/29 방전등 1. 수은등 (mercury lamp) : 수은증기중의방전이용, 미량의 을혼합하여기동을쉽게하도록함 (Penning 효과 ) (1) 고압수은등 : 100~760, 가시광선다량복사, 이중관의외관에전도에의한온도강하를막기위해질소봉입, 발광관은일정압력유지를위해 400 정도유지, 기동에 5~8분, 껐다가바로기동하려면 7~10분소요됨. 선 spectrum으로광색나쁨 (2) 초고압수은등 : 10~200기압, 고압수은등에비해서연색성이많이개선됨, spectrum 확인할것, 자외선투과유리구를사용하여지하실등에서태양으로대용하기도함. (3) 저압수은등 : ~, 글로우방전 살균등 : 0.01[], 입력전력의 60% 정도가 2537A 자외선으로바뀜. 저압수은등 : 0.25[], 효율이낮아서조명등으로는부적함, Stroboscope 등으로활용. 형광등의기본이됨.
16/29 방전등 2. 나트륨등 (1) 저압나트륨등 : 정도, 이중관, 봉입, 대부분의에너지가 D선 (~A ) 에집중되어나옴. 연색성나쁨 이론효율 : 비시감도 76%, 효율 76% 라면, 실제 ~ (2) 고압나트륨등 : ~, 연색성개선 3. Metal - Halide lamp : 수은등에금속할로겐화합물 ( 나트륨 ()-탈륨()-인듐( ), 스칸듐 ()-나트륨-토륨(), 디스프로슘 ()-탈륨-인듐, 주석 () 화합물등에요오드 ()) 혼합 고압수은등의연색성개선, 효율증가 4. Xenon 방전등 : ~기압, 천연주광과비슷한연속 Spectrum 5. Zirconium 방전등 : 점광원 6. EL등 (Electro luminescent lamp) : 면광원용으로개발중
17/29 Glow 방전등 (1) 네온관등 (neon tube) : 양광주, 당 누설변압기, 전류 이하로제한, NEON Sign (2) Neon Lamp : 음극근처의부 ( 負 ) glow이용, 소비전력이작으므로배전반등의표시등, 음극만빛남 ( 직류극성판별용 ), 일정전압에서점화 ( 검전기 ), 빛의점멸성양호 (stroboscope)
18/29 * 형광등 (fluorescent lamp) : 저압수은등을응용 A 자외선 형광물질 ( 광색다양 ) Stoke's law 가시광선 형광물질 : 텅스텐산칼슘, 텅스텐산마그네슘. 붕산카드뮴 ( 핑크 ) 등 주광색 (D : daylight), 백색 (W : white), 핑크 (P), 온백색 (Warm White) 등 효율 : 백열등 3배정도 수명 : 전광속의 80% 로되는시간, 보통 3500~7000 시간 전압특성 : 저전압에서는기동시간이길어져전극손실, 고전압에서는 filament가고온으로되면서수명단축 주파수변화 : ( 증가 ) 리액턴스증가 : 전류감소, 광속저하 ( 감소 ) 리액턴스감소, 전류증가, 수명감소 온도특성 : 주위온도 ~, 관온도 ~ 일때효율좋음온도변화 수은압력변화 나쁨 형광등의흑화 (blackening) : 나쁜안정기, 기동전류과대, 광속감소 flicker : +, - 교류극성의영점때문에빛의명멸이발생. 보통은큰지장없고 2 등짜리한쪽에콘덴서부착위상 빠르게 flickerless 형광등 최고광도 평균광도플리커 평균광도
19/29 역률개선 : 백열전구, 형광등 ~( 안정기때문 ) Q C S 1 Q 1 구하기 : S 2 1 Q 2 2 P 그림 16 역률개선용전력삼각형 진상용병렬콘덴서의용량구하기, + V - L [A] 형광등 + V - [A] 형광등 C [A] 1 [ ] j2fc (a) 개선전 cos1 (b) 개선후 cos2 그림 18 역률개선용병렬콘덴서 의역률을 로개선하는데필요한콘덴서의용량 [] 은? 형광등인경우안정기의소비전력이 정도되므로전체소비전력은, 전류는 이므로개선전형광등의역률은 이고개선후의역률은 이므로
20/29 * 측광및배광 5.1 표준원기 (1차표준기 ) 를통한 의정의 : 백금의응고점 (2042) 에있는편평한흑체표면 1[ ] 에서수직으로나오는광도의 1/60 상용표준전구 : 표준원기사용이불편하므로텅스텐전구를사용, S T ds dt 그림 19 광도측정의원리
21/29 5.5 배광의기초 1. 입체각과평면각 배광곡선 : 광원의중심을지나는평면상의광도분포를나타내는극좌표곡선 (Distribution Curve of Light), 수직배광곡선, 수평배광곡선 배광입체 루소선도 (Rousseau Diagram) : 배광곡선을이용한발산광속계산에사용, 단여기서 S는루소선도의면적 점 ( 구형 ) 광원 :, 원판광원 :, 원통광원 :, [] [cd] 1 2 3 4 [] 1 2 3 4 [cd] 그림 20 점 ( 구형 ) 광원 그림 22 원판광원 [] 1 2 1 2 3 4 3 4 8 7 5 6 5 6 7 8 [cd] 그림 21 원통광원
22/29 * 조명계산 1. 점광원에의한직사조도및확산조도 ( 반사나투과 ) (1) 1 개 (2) 여러개 덧셈 배광곡선 2. 선광원 : 형광등, Neon-sign, 굵기무시, 직선형광원 휘도,,, n 단위길이당광도 원통광원 그림 23 선광원에서 구하기 (1) 완전확산선광원, A h dz z d r p E h O E v P x 그림 24 가까이있는선광원에의한조도
23/29 (2) 원환광원 단위길이당,, 결과적으로 이됨. A d O a d ad p z E h P 그림 25 원환광원
24/29 3. 면광원에의한직사조도 (1) 면광원 : 보통완전확산면이라가정하고적용.,,, 광속발산도가 이면 완전확산면에서휘도, (2) 완전확산면광원에의한직사조도 ( 입체각투사의법칙, 단위구의법칙 ),, ds e dse ds e cos S e d BdSe r ds o d r 1 ds o d S o ds S P 1 ds P (a) (b) 그림 26 입체각투사의법칙
25/29 (3) 원판광원반지름, 휘도,, S e a,, p, S o x 1 P (4) 구형광원 S 1, 그림 27 원판광원,,, a x r S e 1 S P 그림 28 구형광원
26/29 4. 상호반사에의한조도의증가 반사에의한조도의증가 바닥면의직사조도가 일경우바닥의반사율, 천정의반사율을각각 라면 (1) 평행평면바닥면의조도 천장면의조도 천정 E f E 2 f c E 3 2 f c E 4 3 f c E E f c E 2 2 f c E 3 3 f c 바닥 그림 29 상호반사에의한조도의증가
27/29 1-6. 옥내조명설계 - 수치계산 - 생리, 심리, 심미 조도, 휘도분포, 눈부심, 그늘, 분광분포, 기분, 조명기구의위치와의장, 경제... 1-6-2. 조명방식 1-4-4. 조명기구의종류 : 직접, 반직접, 전반확산, 반간접, 간접 (1) 직접조명 발산광속의 ~를작업면에직접조명, 높은조도, 고효율 ( 전력소모小 ), 휘도차, 눈부심, 그림자, 설계간단, 청소용이, 경제성 (2) 반직접조명 ~ 아래, ~ 천장에윗벽의반사이용 (3) 전반확산조명 직 간접조명작업장이조도를균일 국부조명 (4) 반간접조명 : ~ 위, ~ 아래 (5) 간접조명 : ~ 천장벽의반사이용, 눈부심없음, 그림자없음. (1) 기구의의장 : 단등식, 다등식, 연속열, 평면식... (2) 가구의배광 : 직접, 반직접, 전반확산, 간접, 반간접 (3) 가구의배치전반조명 - 균일조도국부조명 - 특정장소만조명
28/29 1-6-3. 전반조명설계 광속법 (lumen method) 추점법 (point by point method) : 역자승의법칙 (1) 광원의선택 - 광색, 밝음, 보수유지, 수명, 경제 (2) 조명기구의선택 : 작업장의특색, 직사 반사눈부심, 효율유지관리 (3) 조명기구의간격빛배치광원간격, 광원 작업면높이 등과벽사이의간격 (4) 필요한조도의결정 : 사무실, 학교, 주택, 병원, 상점, 기타등에대한추천조도표, (5) 방지수 (room-index) : 빛의이용에관한지수 : 높이, : 가로, : 세로 (6) 조명률의결정 (coefficient of Utilization) 작업면의광속조명률 광원의전광속 등의가설간격, 등기의종류, 감광보상률, 실지수, 반사율을고려한조명률표 (7) 감광보상률 (depreciation factor) : 유지율 (maintenance factor) 수명에다른광속의감소를보상하기위하여설계시 (8) 광원의크기계산광원의개수, 조도, 광원 개의광속 F[lm], 면적, 조명률, 감광보상률,,
29/29 ex) 일반사무실,, 마다기둥 (), 반사율천장및바닥,, 형방 벽, 조명률, 감광보상률,, 도로조명 : 에서항상 ex),