크리스마스 전구를 사용한 분광 측정

이 글에서는 Ocean insight의 고속 Ocean FX 분광기를 사용하여 백열전구와 LED 조명의 깜박임, 색상 및 기타 스펙트럼 특성을 확인하는 방법을 설명합니다.

연말 연시에는 어디를 가든 주변이 매혹적인 조명으로 가득한 것을 볼 수 있습니다. 다채롭고 반짝이는 조명들은 즐거운 분위기를 주기도 합니다. 그래서 이번에는 크리스마스 조명의 분광학적 특성에 대해 알아보려 합니다.

LED는 낮은 전력 요구량, 높은 효율 및 밝은 색의 장점을 갖고 있어 조명으로 많이 사용되고 있습니다. 하지만 여기서 LED가 같은 용도로 쓰이는 백열전구와 어떤 차이점이 있는지 의문을 가질 수 있습니다. 모든 사람들이 단순히 효율적인 측면만 고려하여 조명을 선택하지는 않을 것입니다. 다음은 조명으로 사용되는 다양한 색의 LED와 백열전구의 방사조도, 깜박임 및 색상을 확인하는 과정에서 발견한 내용을 설명합니다.

※ 실험방법

Ocean-FX-VIS-NIR 분광계(350-1000nm)

FOIS-1 적분구

600µm Vis-NIR 섬유

오션뷰 소프트웨어

위 제품을 사용하여 20개의 다색 백열전구 및 LED 조명을 테스트했습니다(그림 1). Ocean FX는 초당 최대 4,500회의 스캔을 할 수 있기 때문에 조명의 빠른 깜박임을 측정하는 데 적합합니다. 방사측정으로 보정된 HL-3P-INT-CAL 광원을 참조로 사용하여 절대 스펙트럼 복사 플럭스(uW/nm)에서 각 색상의 전구 3개에 대한 스펙트럼 데이터를 측정했습니다. 

OceanView의 ‘processed mode’를 사용하여 Ocean FX 분광기 스펙트럼 데이터의 세기가 나노미터 당 마이크로와트 (uW/nm)로 나오도록 수정했습니다.

그림 1. Ocean FX 분광기

위에서 언급했듯이, 빠른 스캔 속도로 검출기를 포화시키지 않고 고휘도의 LED 조명을 측정할 수 있기 때문에 Ocean FX로 실험을 진행했습니다. 또한 분광기의 스캔 속도가 빠르기 때문에 각 LED 스트링에서 나오는 파란색 전구의 깜박임(출력 변동과 관련된 시간에 따른 밝기 변화)을 정성적으로 평가하는 것이 가능합니다. LED 및 백열전구 스트링의 각 색상에 대한 정량적 색상 측정도 진행했습니다.

※ 실험 결과: 백열전구 vs LED 크리스마스 조명의 스펙트럼 데이터

크리스마스 조명으로 쓰이는 백열전구는 NIR의 짧은 파장 영역 >700nm에서 가장 강한 세기를 가진 넓은 영역의 스펙트럼을 보여줍니다(그림 2). 해당 파장 영역의 빛은 인간의 눈으로 볼 수 있는 범위를 벗어나 열을 발생시키기 때문에 작동 중에 전구가 따뜻해집니다. 실제로 미국 에너지부에 따르면 백열전구가 방출하는 에너지의 90%가 열입니다.

그림 2. 백열전구의 스펙트럼; 강도가 가장 높은 700nm 이상의 파장 영역에서 열 발생

또한 백열전구의 스펙트럼은 high pass광학 차단 필터를 사용했을 때의 스펙트럼과 비슷해 보입니다. 이러한 스펙트럼 모양은 백열전구에 아름다운 색을 입히는 유리 덮개에서 비롯됩니다. 유리 덮개는 원하는 파장을 전달하는 광학 필터의 역할을 합니다.

LED 조명 스트링은 NIR의 짧은 파장 영역 >700nm에서 신호가 없으며, 좁은 영역의 방출 스펙트럼을 갖기 때문에 오랜 시간 작동한 후에도 전구가 차갑게 유지됩니다(그림 3). 또한, LED는 백열전구보다 발열량이 적을 뿐만 아니라 에너지 효율이 높습니다. 절대 스펙트럼 복사 플럭스를 백열전구의 전력과 비교했을 때, LED는 훨씬 더 높은 강도를 보였습니다. 이렇게 신호의 강도 차이가 발생하는 이유는, 발광 필라멘트에서 원하는 파장을 선택하기 위해 필터를 사용하는 것이 아니라, LED 전구가 전구로부터 직접 색상을 생성하기 때문입니다.

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그림 3. LED의 스펙트럼; 700nm 이상의 파장 영역에서 신호를 보이지 않음

※ 실험 결과: 크리스마스 조명의 깜빡임 특성

교류(AC)로 구동되는 조명은 AC 전원 주파수에 따라 강도의 변동이 나타날 수 있습니다. 변동이 심한 조명 중 하나로 형광등이 있으며, 형광등은 최대 20 %까지 강도의 변동이 발생합니다(이러한 이유로 일부 사람들은 자연광을 선호하기도 합니다.). 사람의 눈은 70 Hz 미만의 주파수에서 강도 변동을 잘 인지하지 못하지만, 최대 200 Hz의 주파수에서 일부 사람들은 눈의 피로와 두통을 느낄 수 있고 심한 경우에는 시력 저하로 이어질 수 있습니다. 이 외에도 빛의 깜빡임으로 인해 발작, 메스꺼움 등 건강상의 다른 영향을 줄 수도 있습니다.

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빛의 깜박임을 분석할 때 마주하는 어려움 중 하나는 깜박이는 시간의 척도에 대한 광원을 특성화 할 수 있는 계측기가 부족하다는 것입니다(종종 사람의 눈으로 인식하는 것보다 빠름). 하지만 Ocean FX를 사용하면 초당 4,500번의 스캔 속도로 전 영역 대(이번 실험에서 350-1000nm)를 측정할 수 있기 때문에 사람의 눈으로 인지할 수 없는 깜박임을 확인할 수 있습니다.

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백열전구 및 LED 조명의 파란색 전구에 대해 깜빡임을 확인할 수 있었습니다. (일부 장식 조명과 달리 실험에서 사용한 조명은 깜박이도록 설계되지 않았습니다). 깜박임이 시각적으로 관찰되지는 않았지만, 그림 4, 5의 스펙트럼은 백열등과 LED전구 사이의 극적인 차이를 보여줍니다. 예를 들어, 각 그림에서 서로 다음 y축 범위를 관찰해보면 전구에 대해 측정된 강도 변화는 크게 다릅니다. 청색 백열 전구는 1-1.75 uW/nm, LED는 0-700 uW/nm의 변동을 나타냅니다.

그림4. 파란색 백열전구는 시간의 지남에 따라 강도가 거의 변하지 않아 깜박임 특성이 낮음.

그림5. 강도 변동이 눈으로 보이지 않지만, 파란색 LED전구의 스펙트럼 출력은 파란색 백열전구보다 더 높은 깜박임을 나타냄.

또한, LED에서 일관된 강도의 진동이 관찰되는 반면, 백열전구는 무작위적인 변동을 나타냅니다. 이러한 차이는 전구 자체의 특성과 관련이 있으며 설정의 차이와는 관련이 없습니다. 백열전구에 사용되는 필라멘트는 LED만큼 전류 변화에 민감하지 않습니다. 두 측정 모두 동일한 AC 전원에 연결된 상태에서 동일한 설정 및 매개변수로 진행되었습니다. 이 실험에서는 깜박임에 대한 정성적 평가를 제공하지만 유사한 유형의 고속측정을 사용하여 깜박임에 대한 정량적인 평가를 제공할 수도 있습니다.

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※ 실험 결과: 크리스마스 조명의 색상 측정

크리스마스 조명의 아름다움은 다양한 조명 줄의 색상에서 옵니다. 우리의 눈은 조명을 녹색, 파란색, 주황색, 노란색 등으로 보지만, 빛의 정확한 색상을 결정하려면 정량적 분광 측정이 필요합니다.

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당사는 색상을 포함한 다양한 조면 매개변수를 특성화하는데 유용한 여러 분광기를 제공합니다. 백열전구와 LED전구의 정량적 색상 값은 표1에 나와있습니다. 이러한 값은 CIE 색도 다이어그램의 한 위치에 매칭되어 세가지 기본색상의 가중치 합계로 색상을 정의할 수 있습니다. CIE 색상 공간을 사용하여 색상을 분류하는 복잡한 시스템을 단순화하기 위해 파란색은 낮은 x, y 값으로 표시되고 녹색은 높은 y값으로, 빨간색과 주황색은 높은 x 값으로 표시됩니다. 같은 색 전구에 대한 값의 큰 차이에서 알 수 있듯이 정략적 색상은 훨씬 더 정확한 색 측정입니다.

표1. 백열등, LED 크리스마스 조명에 대한 정략적 색상 측정

※ 결론

몇 가지 구성요소로 구성된 콤팩트 시스템을 사용하여 사람의 눈으로 인식할 수 없는 특성을 포함하여 크리스마스 조명에 대한 다양한 매개변수를 측정했습니다. OceanInsight 분광기 및 악세서리를 사용하여 다양한 빛의 특성을 측정할 수 있습니다.

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