건축에서 빛의 성질 - 빛의 개념과 장단점

시각적 속성표현

1. 빛과 조명

• 빛은 광자의 흐름이며, 광자는 복사 에너지의 최소 단위의 입자이다.
• 진공상태에서 모든 광자는 같은 속도로 움직인다.
• 빛의 속도는 영구히 변하지 않으며, 광자의 움직임과 연동한 진동이 있다.
• 진동률은 상당한 범위로 다양하다.

• 이것이 서로 다른 타입의 복사광을 분류하여 파장띄를 형성한다.
• 가시광선 영역이 망막에 들어오면 들어온 광자 에너지가 망막의 광수용기를 자극해서 뇌의 시각피질에 감각 반응을 일으킨다. 이것은 1옥타브의 범위, 301-760 나노미터의 아주 좁은 영역이다.
• 인접한 파장은 적외선 (IR)과 적외서(UV) 영역이다.

2. 광속과 조도

• 가시광선 영역은 백광을 프리즘에 통과시키거나 회절격자 반사시킴으로써 볼 수 있습니다.
• 색상들이 모두 균등한 밝기로 보이지 않고 중간 부분의 파장영역이 가장 밝게 보이며 양 끝으로 갈수록 밝기가 줄어듭니다.
• 그림의 종 모양의 곡선은 보통을 가진 사람들의 명소 적응상태에서 전형적인 시각반응을 나타냅니다.
• 빛이 표면에 입사하면, 복사 에너지의 밀도는 단위 면적당 에너지(W/m2)으로 측정하고 이는 순수 물리적 양입니다.
• 복사에너지는 광속이라고 하며 ㄹ멘으로 나타내고 입사되는 복사에너지의 밀도를 lux로 나타내며 1lux는 lumen/m2(Lumens는 물리적 양이 아니라 정신물리학적 양입니다.)
• 1924년 이래로 전형적인 시각 반응은 국제 표준으로 정의되어서 어떤 관찰자가 세계 어떤 장소에서 측정하든 똑같은 lux 값을 가지게 됩니다. (원래lumen과 lux 단위는 관찰자의 시각 반응을 측정한 값입니다.)
• 그림의 곡선은 V커브라고 하고 파장과 함수관계를 표현(파장을 ㅅ로 표현)
• 색맹이나 색약 등의 시각 문제가 있는 사람은V 곡선과 다른 반응입니다.

 

3. 반사율(Reflectance)

• 1m2당 1루멘은 1럭스에[ 해당(조도의 단위)
• 입사된 빛에 대한 반사된 빛의 비율은 표면의 반사율
• 백분율(0~100%)또는 계수(0~1)로 표시

• 빛나는 표면이 높은 반사율을 가지고 있을 것이라고 혼돈하면 안됨
• 일반적으로 백색 벽을 반사율 0.8이상으로 유지하는 것은 어려운 반면, 새로 칠한 매트(무광택) 백색 페인트는 0.95의 반사율을 가짐
• 중간 정도 밝기의 색깔이 0.5 정도의 반사율을 가질 것이라고 생각할 수 있지만 0.2 근처의 값을 가짐
• 어떤 페인트 제조사는 그들의 페인트 차트에 반사율 값을 적기도 함
• 방의 표면의 반사율 값은 조명 디자인에서 중요한 요소입니다.

4.  발산도(Exitance)

• 조도(E)가 표면에 입사되는 빛을 나타낸다면, 표면으로부터 나가는 빛을 측량한 것을 발산도라고 한다.
• 발산도는 반사된 빛, 투과된 빛, 또는 스스로 발광하는 재료로부터 발산되는 빛과 관계
• 불투명이나 발광하지 않는 재료에서 조도와 발산도의 관계의 M=E x R
• 이 단위는 빛을 받은 표면을 측정할 때 사용합니다.
• 미술 전시관에서 전시 작품에 들어오는 빛을 측정하는 것이 일반적인 작업이며 전형적인 시작 작용에 맞춰져 있는 휴대용 조도계를 사용합니다.

5.  광도(Luminous intensity)

• 광원으로부터 단위거리만큼 떨어진 곳에서 빛의 방향에 수직으로 놓인 단위면적을 단위시간에 통과하는 빛의 양입니다.
• 단, 광원의 퍼짐이 관측거리에 비해서 무시할 수 없을 만큼 커서 점광원으로 볼 수 없는 경우에는 광도 대신 휘도라는 양을 쓴다.

6.  휘도(Luminance)

• 시야 내에서 여러 가지 다른 요소로부터 들어오는 빛을 다루는 또 다른 광량 측정법을 휘도라고 부릅니다.
• 휘도의 정의는 광원으로부터 특정한 방향에서 일정한 영역으로 투사되는 빛의 세기를 말하며 단위면적당 칸델라로 나타냅니다.
• 휘도계는 인간의 시각 시스템과 연관이 되므로 측량자의 눈앞에 놓고 측량할 광원으로 향하게 하여 측정하면 광원으로부터의 빛이 휘도계의 수광부에 모이게 되고 그 양을 측정합니다.
• 휘도값은 측정점에 따라 특정값을 가지게 되고 광택이 있는 표면에서 휘도는 측정점이 조금만 바뀌어도 상당한 변화를 나타냅니다.
• 휘도계는 전시 작품과 그것을 보았을 떄의 배경과의 대비, 인쇄된 활자와 배경사이 등의 밝기 대비를 정밀하게 측정합니다.

 

인간의 빛에 대한 반응

1. 빛에 대한 적용

• 인간의 시각은 상당한 범위의 빛과 반응 : 맑은 여름의 태양광에서 달빛조차 없는 별빛까지 주위 환경을 볼 수 있음 : 이 환경광의 차이는 천만대 일 정도까지 납니다.
• 이러한 차이에 적응할 수 있게 하기 위한 독립된 시각 시스템 : 망막내의 광수용기는 간상체와 추상체 두 개의 유형으로 구성됩니다.
• 간상체는 추상체보다 더 민감하고 훨씬 수가 많고 하나의 단일한 유형이며, 추상체는 3개의 유형으로 나뉘며 망막에 상당히 불균등하게 분포됩니다.

• 같은 방식으로 작용: 빛에 반응하는 영역에 광색소를 만들어내고 그 광색소는 가시광선의 특정파장의 광자를 흡수합니다. 흡수된 에너지는 광수용기를 자극하여 신경계를 자극하고, 동시에 광색소를 표백
• 빛의 양이 줄어들면 광색소를 재생산하는 속도가 표백 속도를 넘어서게 되어 광수용기가 더 민감
• 이러한 상황이 지속되면 색소 생산과 표백이 균형 상태에 도달
• 이러한 방법으로 광수용기는 빛이 강한 환경에서 시야 내에서 대비되는 비교적 적은 빛을 탐지하는 것이 가능합니다.
• 이 적응과정은 미술관 관람객이 빛의 양이 상당히 적어지는 영역에 들어갈 때 디테일과 색상을 분간하는 감각을 일시적으로 잃고 나서 점차 적응하는 과정입니다.

-photopic(주간시), mesopic(박명시), scotopic(암소시)

• 암소 범위에서 적응할 때, 망막에 들어오는 복사에너지는 추상체를 자극하기에 충분치 않아서 시각은 전적으로 간상체에 의존 : 젊은 사람의 기준으로 이 범위에서 완전히 적응하는데 40분까지 걸림(여기서 완전 적응이란 광색소가 완전하게 생산되고 간상체가 최고의 감도로 작용할 때)
• 간상체는 모두 똑같은 광색소를 가지고 있으므로, 색깔을 구분할 수 없고, 단지 밝기의 차이만 볼 수 있음: 망막 당 일억 이천 개의 간상 수용기가 신경계통에 무리지어서 감도를 높이는 역할을 하고 있음에도 불구하고 해상도는 상당히 낮음, 간상체는 망막의 중앙에 위치하지 않으므로 보고 싶은 작은 영역에 집중해서 관찰하는 것이 불가능합니다.
• 박명시에는 간상체와 추상체 모두 작용. 불빛이 밝아짐에 따라, 추상체는 서서히 작용하기 시작하고 간상체는 점점 작용을 멈춤.
• 시야의 휘도가 3cd/m2(대략 10lm/m2의 발산도) 이상일 때 추상체가 완전히 시작을 책임
• 주간시에는 적응과정이 훨씬 더 빨리 일어나며, 빛이 늘어나는데 적응하는 것보다 빛이 줄어드는데 적응하는 것이 더 오래 걸리며 관찰자의 연령이 높을수록 적응과정이 더 오래 걸림

2.  빛의 색성질

• 색 조명이 종종 장식의 목적으로 사용되지만 이는 대상물체의 색감을 이해하는 목적에서 아무런 역할을 못합니다.
• 빛의 색특성을 묘사하기 위한 두 개의 이론 : 색 온도와 연색성
• 백색 광원도 아주 다양한 종류 : 시원한이라고 표현하는 청백, 따뜻하다고 표현하는 황백이나 주황백
• 조명의 색깔을 간단하게 묘사할 때, 따뜻한, 중간인, 또는 시원한 등으로 분류합니다.
• 이 정의를 더 자세히 묘사할 때 색온도를 사용: 금속재료를 가열하면 빛을 발생 : 처음에는 탁한체리 적색에서 점점 주황-적색으로, 종국에는 밝은 흰색을 뛰게됩니다.
• 과학자들은 이론적인 '흑체'의 개념을 사용
• 상관색온도는 흑체가 발산하는 색깔이 광원의 색깔과 가장 가까워 질 때의 흑체의 절대 온도 값

• 이는 광원이 실재 그 온도를 가지고 있다는 뜻이 아니고, 단지 발산하는 빛의 색깔을 묘사하는데 쓰입니다.
• 광원의 상관색온도가 3300에서 5000K일 때 중간색을 띄고 3300K 이하는 따뜻한 색으로 약간 노란색을 발산하고, 5500K 이상의 시원한 색은 약간 푸른색(Tc=T-273.15)
• 연색성은 조명이 색조를 가진 표면들이 어떻게 보이는가
• 낮에 햇빛이 들어오는 방에서 상관색 온도가 2200K인 백열등을 켰을 때, 눈에 띄는 노란색을 발산함을 알 수 있습니다. 하지만 저녁때 방에 들어오면 전체의 공간은 그 백열등에 의해서만 밝혀져서 따뜻한 빛이 있다는 것은 느낄지 몰라도 뚜렷한 노란색은 느끼지 못합니다. 우리가 적응하는 빛의 색깔이 우리 주위의 사물들의 자연스러운 모습에 영향을 주기 떄문입니다.
• 1965년 국제 조명위원회는 광원을 분류하는 연색평가지수를 내놓았습니다.
• 지수의 등급은 아주 간단히 100점을 기준으로 점수를 부여하는 체계하는 체계처럼 보이나, 연색성은 복잡한 현상이므로 조명의 연색성은 이 단순한 방법으로 적절히 정의할 수 없고 지수를 결정하는 방법도 간단하지 않습니다.

 

1.  표면성질

• 불투명한 물체의 표면에 빛이 입사하게 되면, 일부는 반사하고 일부는 흡수됩니다.
• p(반사율)+a(흡수율)=1.0
• 우리에게 재료 등의 시각정보를 주는 것은 반사된 요소
• 고체는 분자로 서로 엉켜서 만들어진 집합체이고 각 분자들 사이에 공간이 있어서 광자가 고체의 경계에 도착하면 분자 사이를 가기도 하고 물체의 표면에 도달합니다. 일부 광자는 물체의 분자에 흡수되지만 복수의 반사를 통해 표면으로부터 다시 나옵니다.
• 입사광의 일부는 그림(확산반사, 또는 등방성 재발산처럼 표면으로부터 다시 나오는 확산광, 입사광이 들어오는 방향과 관계 없이 구 모양의 공간이 분배됩니다.
• 이 경우, 표면으로부터 나와서 어떤 방향으로 반사되는 빛은 투영되는 영역과 불변하는 관계를 가지며, 어떤 각도에서 보든지 같은 휘도를 가진다. 이것은 완전 무광 혹은 완전 확산 표면의 성질이다.

• 확산 반사된 빛과 입사광을 비교하면 그 빛의 공간분포 뿐만 아니라 스펙트럼 분포도 다릅니다.
• 색소는 특정 영역의 파장을 흡수하고 나머지는 반사할 수 있는 물질입니다.
• 그 색의 색상도 (채도)가 높을수록 흡수 과정에서 그 색에 해당하는 파장을 선택하는 정도가 높아집니다.
• 그림은 전형적인 스펙트럼 반사곡선입니다.
• 무색의 입사광의 스펙트럼이 재배치되어 색소가 가지고 있는 색깔의 성격을 알 수 있음을 볼 수 있습니다.
• 이러한 성격의 반사를 가리켜 등방성 재발산(완전 확산반사)라고 하고 이러한 특징을 보여주며 윤택이 전혀 없는 표면을 완전 무광입니다.

• 다른 형태의 반사를 일반적으로 정반사
• 평평한 표면에서 정반사는 그림처럼 일반적인 반사의 원칙이 적용
• 이런형태의반사는두가지의형태로발생
• 매끈한 전도성 표면에 입사하는 빛은 표면에 광자가 들어오지 못하고 반사하게 되고 모든 가시광선 영역의 파장에서 반사율이 높은 물질을 거울이라고 함
• 알루미늄이나 크롬 등의 금속을 광택처리하면 거울과 같은 성격
• 어떤금속은짧은파장에대해낮은반사율을가지고반사광에뚜렷한색을가지게한다.그 효과가 작은 것부터 나열하면, 금, 황동, 구리의 순서
• 정반사의또다른형태는입사광이액체나액체성의재료의표면에입사할때일어날수있는데 일부는 재료를 투과하고 일부는 표면에서 일반 반사
• 물의분자는고체와달리단단히연결되어있지않고탄성결합되어있기때문에광자가속도는 줄어들지만 물체를 투과
• 어떤 물질은 온도가 낮아짐에 따라 액체 분자구조가 바뀌지 않으면서도 마치 고체처럼 점성이 높은 상태로 변함. 유리와 투명 플라스틱이 여기 해당되며 과냉액체 혹은 무정형 고체라고 하고, 액체의 투명성과 고체의 딱딱한 성질을 다 가지고 있음
•  이외에 투명한니스나라커,왁스가여기해당되며이물질들을대상물표면에바르면표면 의 광학적 성질을 바꾸어서 확산반사와 분명히 다른 빛 반사 분포를 보여준다.

2.  세 가지 조명 패턴

• 3차원의 물체가 빛의 흐름을 막게 되면 세 가지 분명한 빚 패턴이 만들어집니다.
• 그늘 패턴 : 물체 표면의 형태(굴곡)에 따라서 입사각이 달라서 표면 발산도가 다양하게 생깁니다.

• 하이라이트 패턴: 물체의 형태 때문에 왜곡된 광원의 이미지가 정반사되어 생기거나, 투명 물체의 내부에서 반사된 이미지 때문에 생깁니다.
• 그림자 패턴은 물체의 볼록한 부분이 다른 부분의 표면이나 다른 인정한 표면에 그림자를 드리움으로써 생긴다.

 

빛에 의한 손상

1. 광화학 작용

• 광화학 작용은 빛에 노출됨으로써 일어나고 시간에 따라 가속화되는 화학 작용이다.
• 이 작용은 노출된 대상이 흡수한 광자의 에너지 때문에 분자 구조에 영구한 변화를 일으킵니다.
• 광자는 파장이 짧을수록 에너지가 높다. 분자마다 서로 다른 에너지 허용한계치를 가지고 있어서 어떤 재료는 자외선 복사에만 영향을 받지만, 또 다른 재료는 자외선과 가시광선 에너지의 영향을 모두 받습니다.
• 이 작용은 다양한 화학 작용에 의해 복잡하게 만들어집니다. 흡수된 광자 에너지가 분자의 결합에너지보다 크면 분자를 분리시키는 광분해가 일어날 수 있씁니다. 일반적으로 300nm이하의 파장을 가지거나, 두 광자가 거의 동시에 들어오면서 두 배의 에너지 효과를 내는 이광자 과정이 일어나는 경우에 발생합니다.

2. 복사열 효과

• 적외선의 광자에너지는 반응성이 가장 높은 작품을 제외한 미술 작품 재료 대부분의 한계보다 낮지만, 노출이 악영향을 미치지 않는다고 생각하면 안 된다.
• 텅스텐 할로겐을 포함한 일부 조명은 가시광선보다 적외선 영역에서 더 많은 복사열을 방출해서 이를 흡수한 에너지가 표면의 온도를 높이게 된다.
• 미술관에서 일정한 온도와 상대습도를 유지하는 목적은 재료를 형태적으로 안정하게 유지하기 위해서다.
• 일교차나 연교차가 있는 곳에서 플라스틱 같은 열팽창 계수가 큰(열에 따른 팽창 수축 정도가 큰) 재료는 주기적인 변화를 겪어서 다른 재로와 접점에 힘을 주게 된다.
•  

빛의 투과

• 유리는 비결정성 고체다. 액체의 물리적 특성을 가지지만 고체처럼 딱딱하고 깨지기 쉽다.
• 특별한 목적을 위한 많은 배합법이 있지만, 소다-라임 유리가 가장 일반적인 유형이고 유 리창에 일반적으로 사용되며, 모래에서 나온 실리카, 석회석을 가열해서 만든 석회, 소다 로 불리는 탄산나트륨으로 구성되어 있다.
• 이 요소들이 1700°의 화로에서 융합하여 액체 상태로 플로우트 욕조 내에 있는 용융주석 에 흘려서 넣은 다음, 600°에서 연속된 리본 모양으로 뽑아낸 후, 유리 용해로를 통해 냉 각시켜 잘라내면 유리가 된다.
• 빛은투명한유리를통과하면서반사와흡수,두가지과정을통해약해진다.흡수로인한 손실은 주로 유리 내부의 불순물 때문에 생긴다.
• 빛이유리내에서긴거리를통과하는경우에사용하는광섬유는상당히높은순도를가 지고 있지만, 불과 몇 mm를 통과하는 유리창의 경우에는 낮은 순도 표준을 사용한다.
• 이 불순물의 주요 요소는 보통 모래에 포함되어 있는 철이다. 순수한 규사(silica sand)는 흰색이지만 매우 드물다. 흔히 볼 수 있는 금모래(golden sand)의 색은 산화철 불순물 때 문에 생기고, 유리 제조에 사용했을 때 유리의 녹색을 띠는 원인이 된다

빛의 분배

광선반(light shelves)

수평으로 설치된 반사판인 광선반을 사용하여 주광이 창 주위만 강하게 비추는 대신, 천장으로 빛을 반사하여 공간 깊은 곳까지 확산광을 제공할 수 있다.

2.빛의 분배

광편향기