개념 한 쪽
등을 나누는 기준은 빛을 내는 원리와 빛이 향하는 방향이다. 열로 태우는 등과 방전으로 빛내는 등은 효율이 크게 다르고, 아래로 보내는 빛의 비율에 따라 직접·간접 조명으로 이름이 정해진다. 빛을 고르게 흩뿌리는 면에서는 휘도가 방향과 무관하게 일정하다는 성질도 함께 알아둔다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「방전등」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 조명기구 효율 비교 | 1 | 열복사 방식과 방전 방식 등의 광효율 크기를 가리기 |
| 전반조명 특색 판단 | 1 | 전반조명과 국부조명의 특징을 구분해 맞는 설명 고르기 |
| 완전 확산면의 성질 | 1 | 어느 방향에서 보아도 일정한 양이 휘도임을 묻기 |
조명기구의 효율은 얼마나 적은 전력으로 많은 빛을 내는가를 나타내며 단위는 lm/W다. 백열전구와 자동차전구는 필라멘트를 달구는 열복사 방식이라 전력 대부분이 열로 낭비되어 10~20 lm/W 수준이다. 형광등은 수은 증기에 전류를 흘려 자외선을 만들고 관벽의 형광물질이 이를 가시광선으로 바꾸는 구조라 열 손실이 적어 60~80 lm/W의 높은 효율을 낸다. 탄소아아크등도 효율이 낮은 편이므로 방전등이 열복사 방식의 등보다 효율이 높다고 기억한다.
조명은 빛이 아래·위로 향하는 비율(배광)에 따라 이름이 정해진다. 하향 광속이 90~100%면 직접 조명, 60~90%면 반직접 조명, 위아래가 비슷한 40~60%는 전반 확산 조명이다. 반대로 상향 60~90%는 반간접, 상향 90~100%는 간접 조명이다. 배치 방식으로도 나누는데, 전반조명은 실 전체에 기구를 고르게 배치해 어디나 비슷한 밝기를 만드므로 작업 위치가 바뀌어도 등을 옮길 필요가 없다. 국부조명은 작업하는 곳만 집중적으로 밝히므로 충분한 조도와 좋은 효율을 얻지만 자리를 옮기면 등도 따라 옮겨야 한다.
거친 종이나 스크린처럼 빛을 모든 방향으로 고르게 흩뿌리는 표면을 완전 확산면이라 한다. 램버트 법칙에 따라 방향 θ에서의 광도는 Iθ = I₀cosθ로 방향마다 달라지지만, 비스듬히 보면 겉보기 면적도 A·cosθ로 줄어든다. 휘도는 단위 겉보기 면적당 광도이므로 L = I₀cosθ/(A·cosθ) = I₀/A가 되어 cosθ가 약분되고, 어느 방향에서 보아도 휘도가 항상 같다. 스크린을 비스듬히 봐도 똑같이 밝게 보이는 이유가 이것이다. 완전 확산면에서는 휘도 L과 광속 발산도 R 사이에 L = R/π의 관계가 성립한다.
방전이 시작되는 최소 전압은 파센의 법칙이 설명한다. 방전 개시 전압은 기체의 압력 p와 전극 간 거리 d의 곱(p·d)에 따라 정해지며, p·d가 일정 값일 때 방전 전압이 최소가 된다. 한편 양광주(글로우 방전)는 낮은 압력의 기체에 높은 전압을 걸었을 때 음극 주위가 빛나는 방전으로, 전압은 높고 전류는 작은 특징이 있다. 네온관등은 관 속에 네온·아르곤 같은 기체를 봉입하고 높은 전압을 걸어 양광주 발광으로 빛내는 대표적인 조명등이다.
실의 평균 밝기를 구할 때는 광속법 공식 E = N·F·U/(A·M)을 쓴다. N은 등 수, F는 등 하나의 광속, U는 조명률, A는 면적이고 M은 감광보상율로 등이 낡고 더러워져 어두워진 것을 보상하는 계수다. 감광보상율은 분모에 놓고 나누는 안전계수라는 점이 계산의 핵심이다.
문제 1: 광속 발산도가 2000rlx인 완전 확산면의 휘도를 구한다.
L = R/π = 2000 ÷ 3.14 ≈ 636.6 cd/m²
문제가 요구하는 단위는 cd/cm²이므로 1m² = 10⁴cm²을 이용해 환산한다.
636.6 ÷ 10⁴ ≈ 0.064 cd/cm²
π로 나눈 뒤 단위 환산을 빠뜨리면 637이라는 함정 답을 고르게 되므로 마지막에 요구 단위를 확인한다.
점광원 150[cd]에서 5[m]떨어진 거리에서, 그방향과 직각인 면과 기울기 60° 로 설치된 간판의 조도[lx]는?
정답 ③ · 문제는 점광원에서 5 m 떨어진 기울어진 면의 조도를 구하는 문제이다. 점광원에서 면의 조도는 E = I/d² × cosθ를 적용하며 I=150 cd, d=5 m, θ=60°이므로 먼저 I/d² = 150/25 = 6 lx이고 여기에 cos60°(=0.5)을 곱하면 3 lx가 된다.
기울인 면의 조도는 E=(I/d²)cosθ로 구하며, 150/5²×cos60°=3 lx이다.
광질과 특색이 고휘도이고 광색은 적색 부분이 비교적 많은 편이고 발생광속이 많고 흑화가 거의 일어나지 않는 전등은?
정답 ① · 문항은 고휘도이고 적색 성분이 풍부하며 흑화가 거의 일어나지 않는 전등을 묻고 있다. 할로겐 전구는 할로겐 사이클로 텅스텐 증발물이 필라멘트로 회귀해 흑화가 거의 발생하지 않고 고온에서 고휘도·대광속을 나타내며 적색 성분이 비교적 풍부한 스펙트럼을 가진다.
할로겐 전구는 할로겐 사이클로 흑화가 거의 없고, 고휘도·대광속에 적색 성분이 풍부하다.
구면광도의 평균치가 150[㏅]인 광원으로부터 발산되는 총광속[lm]은 얼마인가?
정답 ④ · 문항은 구면광도의 평균치로부터 총광속을 계산하는 문제이다. 총광속은 평균 구면광도에 구의 전 입체각 4π를 곱한 값이므로 Φ = 4πI = 4×3.14×150 ≈ 1885 lm가 된다.
총광속 = 4π × 구면광도이므로 4 × 3.14 × 150 ≈ 1885[lm]이다.
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