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사용한 광원은 차량용 램프로 널리 이용되고 있는 HAL 램프, HID 램프, LED 램프로 각각 8가지씩 총 24가지이다. HAL 램프 8가지는 HAL_1, HAL_2, ⋯ , HAL_8로, HID 램프 8가지는 HID_1, HID_2, ⋯ , HID_8로, LED 램프 8가지는 LED_1, LED_2, ⋯ , LED_8로 각각 표기하였다. 각 램프에 대한 주요 특성으로 색좌표(color coordinate, CIExy)와 색온도(correlated color temperature, CCT)를 Table 1에 제시하였다.

측정과 분석은 다음과 같은 방법으로 하였다.^[14] 총 24가지의 차량용 램프의 분광분포 S(λ)는 분광복사조도색차계(spectral irradiance colorimeter, SPIC-200, Everfine)를 이용하여 가시광선 범위(380~780 nm)에서 5 nm 간격으로 수집하였다.

각 램프에 대한 청색광 분포 S_B(λ)는 램프의 분광분포 S(λ)에 광학적 복사의 파장에 따른 광화학적 망막손상의 위험도를 나타내는 청색광 위험함수(blue light hazard function) B(λ)를 가중하여 구하였다(식 (1)).^[19]

식 (1)을 이용하여 구한 S_B(λ)를 회귀분석하기 위하여 식 (2)와 같은 가우스 분포(Gaussian distribution)를 이용하였다.^[14]

이러한 분석과정으로부터 야간운전자용 안경렌즈에 요구되는 청색광 분포, 그리고 이 분포에 대한 피크파장(peak wavelength) λ_B, 선폭(line width) 혹은 반폭치(full width of half maximum, FWHM) Δλ_B를 구하였다. 여기서 Δλ_B은 표준편차 σ로부터 구하였다(식 (3)).^[14]

IEC 62471에 따르면 광원에 대한 청색광 위험은 광원의 분광복사휘도(spectral radiance)를 측정하고, 여기에 청색광 위험함수를 가중하여 청색광 위험의 지표가 되는 청색광 복사휘도(blue light radiance)를 구한 후, 위험군 분류(risk group classification from IEC 62471) 기준에 따라 평가하도록 규정되어 있다.^[8] 하지만 본 연구에서 구하고자 하는 것은 차량용 램프에 대한 청색광 분포의 형태, 그에 해당하는 피크파장 ^λ_B 및 선폭 Δλ_B 이기 때문에 분광복사조도색차계를 이용한 광원의 분광분포 측정만으로도 충분하였다.

24가지 차량용 램프를 대상으로 가시광선 범위(380~780 nm)에서 측정한 S(λ) 중의 일부를 램프별로 3가지씩 Fig. 2(a)~(c)에 제시하였다. 각 램프에 대한 S_B(λ)와 그에 대한 피크파장 λ_B, 그리고 이 파장을 중심으로 한 선폭 Δλ_B만이 관심의 대상이기 때문에 각 램프에서 방출되는 광량 즉, S(λ)의 면적은 중요하지 않다. 이에 Fig. 2에서 S(λ)을 그릴 때는 각 램프에 대한 S(λ)의 면적이 모두 1이 되도록 환산하여 그렸다.

Fig. 2. 
(a), (b), and (c) show three representative spectral distributions S_B(λ) of HAL lamps, HID lamps, and LED lamps, respectively. (d) shows the spectral distributions S_B(λ) of HAL_1 lamps, HID_7 lamp and LED_1 lamp.

각 램프에 대한 S(λ)의 특징을 살펴보면 다음과 같다.

• (i) HAL 램프 (Fig. 2(a)): 피크는 존재하지 않으며 방출되는 빛의 세기는 파장에 따라 꾸준히 증가한다. 단 파장 영역에서 방출되는 빛의 세기가 약하기 때문에 방출되는 청색광의 양도 적다.
• (ii) HID 램프 (Fig. 2(b)): 여러 개의 피크로 구성되어 있다. 특정 파장에서는 방출되는 빛의 세기가 매우 강하지만, 그렇지 않은 파장에서는 상대적으로 매우 약하다.
• (iii) LED 램프 (Fig. 2(c)): 두 가지 색상을 나타내는 피크로 구성되어 있다. 하나는 청색 LED에서 방출되는 선폭이 좁은 청색광 대역에서의 피크(좌측 피크)이고, 다른 하나는 청색 LED를 둘러싸고 있는 인(phosphorus)에서 방출되는 선폭이 넓은 황색광 대역에서의 피크(우측피크)이다.^[20]
• (iv) HAL, HID, LED 램프에 대한 S(λ)를 동시에 비교하기 위하여 Fig. 2(d)에 대표적인 1가지씩을 제시하였다. Fig. 2(d)에서 청색광 위험 및 눈부심의 원인이 되는 단파장 대역을 비교할 때 각 곡선의 면적을 1로 통일하였다는 점을 상기하면 어떤 광원에서 가장 많은 양의 청색광이 방출되는지를 그림을 통해 대략적으로 짐작할 수 있다. 그림으로부터 어림잡아 비교해보면 청색광을 가장 많이 포함한 램프는 LED 램프이며, 그 다음 HID 램프, HAL 램프 순임을 알 수 있다. 정확한 비교는 이어지는 절에서 식 (1)을 이용하여 S_B(λ)를 구한 후, 식 (2)를 이용한 맞춤(fitting) 분석을 통해 비교할 것이다.

식 (1)을 이용하여 각 램프에 대한 S_B(λ)를 계산하였다. 그 결과들 중의 일부를 Fig. 3(a)~(d)에 나타내었다. 각 그림에서 ▲, ○, ●은 5 nm 간격으로 나타낸 각 램프에 대한 S_B(λ)의 계산값이며, 실선(ㅡ), 파선(---), 점선(···)들은 각 분포가 잘 구분되어 보일 수 있도록 이어준 선이다.

Fig. 3. 
(a), (b), and (c) show three representative blue light distributions S_B(λ) of HAL lamps, HID lamps, and LED lamps, respectively, (d) shows the blue light distributions S_B(λ) of HAL_2 lamps, HID_2 lamp and LED_2 lamp.

각 램프에 대한 S_B(λ)의 특징을 살펴보면 다음과 같다.

• (i) HAL 램프 (Fig. 3(a)): 분포의 모양이 종모양(bell shape)을 띤다. Fig. 1에 제시되어 있는 청색광 위험함수 B(λ)의 모양과 비슷하다.
• (ii) HID 램프 (Fig. 3(b)): Fig. 2(b)에 제시되어 있는 HID 램프에 대한 S(λ)의 특징이 반영되어 있기 때문에 여러 개의 피크들이 나타나 있다. 하지만 전체적으로는 청색광 위험함수 B(λ)의 모양을 유지하고 있다.
• (iii) LED 램프 (Fig. 3(c)) : 분포의 모양이 폭이 좁은 피크 모양을 하고 있다. Fig. 2(c)에 제시되어 있는 LED 램프에 대한 S(λ)의 좌측에 있는 청색광 피크의 특성이 반영되어 있기 때문이다.
• (iv) HAL, HID, LED 램프에 대한 S_B(λ)를 동시에 비교하기 위하여 Fig. 3(d)에 대표적인 1가지씩을 제시하였다. Fig. 3(d)에서 첫째, 분포의 형태를 비교하면 HAL 램프와 LED 램프는 단일 피크로 구성되어 있고, HID 램프는 여러 개의 피크들로 구성되어 있지만 HID 램프의 경우에도 전반적으로는 HAL 램프와 LED 램프의 모양을 유지하고 있다. 둘째, 분포의 선폭을 비교하면 HAL 램프와 HID 램프는 폭이 넓지만, LED 램프는 좁다. 셋째, 분포의 면적을 비교할 때 면적이 각 램프에서 방출되는 청색광의 총량이라는 점을 고려하면 LED 램프의 경우가 가장 면적이 넓기 때문에 LED 램프에서 가장 많은 양의 청색광이 방출되고, 그 다음은 HID 램프, 그리고 HAL 램프에서 가장 적은 양의 청색광이 방출됨을 알 수 있다. 각 램프에 포함된 정확한 청색광 비율은 고찰에서 다룬다.

다음으로 Fig. 1에 제시되어 있는 청색광 위험함수 B(λ)와 각 램프에서 방출되는 S_B(λ)을 비교해보았다. 앞서 청색광 위험함수 B(λ)란 광학적 복사에 의한 광화학적 망막손상의 위험도를 파장에 따라 나타낸 분포로 위험도가 가장 큰 파장인 435~440 nm에서의 값을 1로 하여 나타낸 상대적인 값이라 하였다.^[14] 따라서 광화학적 망막손상에 가장 큰 영향을 미치는 파장은 435~440 nm이다. 하지만 실제로 각 광원에서 방출되는 S_B(λ)는 식 (1)로부터 계산되므로 S_B(λ)에는 S(λ)의 분광 특성이 반영된다. 그러므로 실제 광원에서 방출되는 광화학적 망막손상에 가장 큰 영향을 미치는 파장은 435~440 nm와 일치하는 것이 아니라 S(λ)의 분광 특성에 따라 단파장 방향 혹은 장파장 방향으로 이동할 수 있다. 이것이 야간운전자용 안경렌즈를 개발하고 성능을 극대화하는 핵심 요소이다.

S_B(λ)이 차량용 램프에서 방출되는 광학적 복사 중 광화학적 망막손상의 원인이 되는 청색광 분포라는 점을 상기하면, 차량용 램프로부터 눈을 보호하고 시인성 향상에 도움을 줄 수 있는 야간운전자용 안경렌즈는 이를 효과적으로 차단할 수 있도록 설계되어야 한다. 정확한 설계기준을 도출하기 위해서는 앞 절에서 구한 각 램프의 S_B(λ)에 대한 맞춤곡선을 구하고, 이로부터 피크파장 λB과 선폭 Δλ_B을 구해야 한다. 여기에서는 S_B(λ)에 대한 분석을 위한 맞춤곡선으로 가우스 분포(Gaussian distribution)를 도입하고, 이를 바탕으로 회귀분석(regression analysis)을 시행하였다. 도출된 결과 중 대표적인 것을 Fig. 4(a)~(c)에 나타내었다.

Fig. 4. 
(a), (b), and (c) show the results of analysis of the blue light distribution S_B(λ) of (a) HAL_2 lamp, (b) HID_2 lamp, and (c) LED_2 lamp using the Gaussian distribution, respectively.

Fig. 4(a)~(c)에서 ●은 식 (1)을 통해 5 nm 간격으로 산출한 S_B(λ)의 값이고, 실선(ㅡ)은 가우스 분포로 회귀분석하여 도출한 맞춤곡선(fitting curve)이다. 맞춤결과로부터 산출된 HAL 램프, HID 램프, LED 램프별로 각 8종씩, 총 24종의 램프에 대한 피크파장 λB와 선폭 Δλ_B의 결과를 Table 2에 정리하였다.

Table 2에 따르면 HAL_2에서 방출되는 S_B(λ)의 맞춤곡선에 대한 피크파장과 선폭은 (λB, Δλ_B) = (452 nm, 63 nm)이다. 이로부터 HAL_2 램프에서 방출되는 청색광을 가장 효과적으로 차단하려면 452 nm를 중심으로 선폭 63 nm인 가우스 분포의 형태로 차단설계를 해야 함을 알 수 있다. 마찬가지로 HID_2의 경우는 (λB, Δλ_B) = (446 nm, 60 nm)이므로 446 nm를 중심으로 선폭 60 nm인 가우스 분포의 형태로 청색광 차단설계를 하면 HID_2에서 방출되는 청색광을 가장 효과적으로 차단할 수 있고, LED_2의 경우는 (λB, Δλ_B) = (438 nm, 22 nm)이므로 438 nm를 중심으로 선폭 22 nm인 가우스 분포의 형태로 차단설계를 하면 LED_2에서 방출되는 청색광을 가장 효과적으로 차단할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 논의는 나머지 모든 램프들에 대해서도 동일하게 적용된다.

야간운전 시에는 램프들을 번갈아 접하므로 모든 램프에서 방출되는 청색광을 효과적으로 차단할 수 있는 대표적인 청색광 차단설계의 기준이 필요하다. 앞서 HAL 램프, HID 램프, LED 램프 각각에서 방출되는 S_B(λ)는 모두 가우스 분포로 잘 맞춤되었으므로 청색광 차단설계를 대표하는 분포는 가우스 분포라 할 수 있다. 다음으로 S_B(λ)의 피크파장과 선폭 (λB, ΔλB)을 대표하는 값을 결정한다. 본 연구에서는 청색광 비율 P_B이 반영된 가중평균(weighted average)을 각 램프에 대한 피크파장과 선폭의 대푯값으로 삼았다. 여기서 P_B은 램프에서 방출되는 가시광선 전체의 양 중 청색광이 차지하는 양이다. P_B을 반영한 가중평균을 대푯값으로 택한 이유는 각 램프에 포함되어있는 청색광 비율 P_B이 다를 것이고, 이로 인해 S_B(λ)의 피크파장과 선폭 (λB, ΔλB)이 영향을 받을 것이기 때문이다. 각 램프에 대한 P_B을 구하는 문제는 Fig. 1에서 S(λ)을 도식화할 때 면적을 1로 통일하였으므로 S_B(λ)의 맞춤곡선에 대한 면적을 구하는 문제로 귀결된다. 이러한 방식으로 구한 각 램프에서의 P_B을 Table 2에 제시하였다. 평균적으로 HAL 램프에는 6%, HID 램프에는 23%, LED 램프에는 29% 정도의 청색광이 포함되어 있다. P_B가 반영된 가중평균을 구하는 식은 아래와 같다.^[21]

식 (4)를 통해 구한 각 램프에서의 피크파장과 선폭의 가중평균 (λB¯,∆λB¯)은 HAL 램프는 (452±1 nm, 63±1 nm), HID 램프는 (441±13 nm, 65±18 nm), LED 램프는 (445±16 nm, 23±7 nm)이었고, 24개 램프 전체에 대하여는 (444±6 nm, 44±21 nm)이었다. 표준편차 역시 P_B를 반영하여 계산한 가중표준편차(weighted standard deviation)이다.

HAL 램프, HID 램프, LED 램프의 λB¯이 각각 452 nm, 441 nm, 445 nm라는 것은 HAL 램프, HID 램프, LED 램프에서 방출되는 청색광은 각각 452 nm, 441 nm, 445 nm에서 가장 위험도가 높다는 뜻이다. 그리고 24개 램프 전체에 대하여 λB¯ =444 nm라는 것은 차량용 램프 전체적으로 볼 때 평균적으로 444 nm에서 가장 위험도가 높다는 뜻이다. 야간운전 시에는 세 종류의 램프를 모두 접할 것이라는 점을 상기하면 차량용 램프에서 방출되는 청색광을 효과적으로 차단해줄 수 있는 대표적인 청색광 차단설계의 기준은 24개 램프 전체를 대상으로 P_B가 반영된 λB¯ = 444 nm와 ∆λB¯ =44 nm을 갖는 가우스 분포라 할 수 있다.

본 연구의 결과를 일상생활에서 흔히 접할 수 있는 LED 제품을 대상으로 조사한 손 등^[14]의 연구와 비교해보았다. 이들은 청색광 차단렌즈의 개발 및 성능의 극대화에 요구되는 청색광 차단설계의 기준을 알아보기 위하여 LED 광원이 장착된 41가지의 LED 제품을 대상으로 청색광 분포의 특성을 조사하였다. 그 결과 LED 제품에서 방출되는 S_B(λ)는 모두 가우스 분포로 맞춤되며 피크파장과 선폭의 평균은 (λB¯,∆λB¯) = (450 nm, 27 nm)라고 밝히면서 LED 제품을 대상으로 한 청색광 차단설계의 기준은 λB¯ = 450 nm과 ∆λB¯ =27 nm를 갖는 가우스 분포라고 제안하였다. 이러한 손 등의 청색광 차단렌즈와 본 연구에서의 야간운전자용 안경렌즈 사이의 청색광 차단설계를 비교함으로써 다음과 같은 공통점과 차이점이 있다는 것을 발견할 수 있었다.

• (i) 청색광 차단렌즈와 야간운전자용 안경렌즈를 위한 청색광 차단설계의 기준이 되는 분포는 두 경우 모두 가우스 분포이다.
• (ii) λB¯의 경우, 야간운전자용 안경렌즈가 청색광 차단렌즈보다 6 nm(444–450 = −6 nm) 짧다. 비율로 보면 약 1.3% 작은 것이다.
• (iii) ∆λB¯의 경우, 야간운전자용 안경렌즈가 청색광 차단렌즈보다 약 17 nm(44–27 = 17 nm) 폭이 넓다. 비율로 보면 약 63% 넓은 것이다.