방송조명에서 LED광원 특성과 조명시스템에 관한 연구 = A study on LED light source characteristics and lighting system in broadcasting lighting

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Abstract

A Study on LED light source Characteristics and Lighting system in Broadcasting lighting

Kim, Young Jin
(Supervisor Park, Goo Man)
Dept. of Broadcasting and Communications Policy
The Graduate School of Public Policy and Information
Technology
Seoul National University of Science and Technology

In this study, we analyzed various characteristics of LED light source which is suitable as a broadcasting light source among the light sources required to express the lighting image in broadcasting image production, and obtained the result that LED light source is suitable as a broadcasting light source. For reliability of the study, we compared it with the tungsten halogen light source which is used as the main light source in the existing broadcasting production site. For study, we set up three research problems such as the light source characteristics of LED lighting fixtures, the LED lighting system, and the broadcasting production environment of LED lighting. Experimental study and comparative study were conducted to solve the research problem and its result is as follows.
As a research result of the LED light source characteristic study, the color rendering property of the A company's LED spotlight was 97[Ra], LED Floodlight was 96.4[Ra] and surface light source was 97.4[Ra] while the LED spotlight of company B was 98[Ra], LED floodlight was 99[Ra] and an LED surface light source was 97.7[Ra]. This result shows that the color rendering property of the LED light source of the company A is lower than that of the color rendering property of the tungsten halogen of 99[Ra] of company B, and the company B approaches the tungsten halogen light source similarly. However, the measurement result shows that the color rendering can be corrected in the image system. Therefore both products are suitable for use as a light source to replace existing tungsten halogen light sources.
The results of the color temperature measurement were that A company's LED spotlight was 2992[K], LED floodlight was 2940[K] and surface light source was 3151[K] while B company's spotlight was 3328[K] and LED floodlight was 3239[K] and surface light source was 3340[K]. As measured color temperature of tungsten halogen of the company A, LED spotlight was 3093[K] and floodlight was 2882[K], which was lower than that of tungsten halogen light of company B while the surface light source of company A is higher and the LED light source of company B is high higher. A company's LED spotlight and floodlight are within the allowable range of color temperature of broadcasting light source, but both A company's LED light source and B company's LED lighting fixture had high color temperature. All of these values are correctable, but it is necessary to improve the color temperature characteristics because it is a value that can affect the color reproduction when picture was taken with a camera with tungsten halogen light source.
The flatness characteristic showed a value that affects the luminance balance when the subject is illuminated as the difference of brightness between D2 and D4 point was 58[lux] in case of A company's spotlight. The flatness of the rest products were measured to be appropriate for the broadcast light source. The color reproducibility test result of the monitor through the camera showed a difference in representation as Yellow-Red and Green-Yel1ow part in the A spot light was shifted to v' side from the reference light source while Red-Magenta and Magenta part of B company's spotlight was shift slightly to u' side. Company A and B's LED floodlight shows a difference in color in the Blue, Blue-cyan, and Cyan-Green portions, and the color reproduction in the rest portions shows high color density. The monitor color reproducibility of the surface light source is similar to that of tungsten halogen in both A and B companies.
As the color reproducibility of the LED light source seen through the vector scope, A company LED spotlight was found to be 1 ~ 2°different for Green, Cyan and Red when compared to tungsten halogen light while B company's spotlight shows slight phase difference in Red-Cyan, But it is generally similar to tungsten halogen. A Company's LED floodlight has a phase difference of 1 ~ 2°from tungsten halogen in the cyan-green color area and a chroma component is high while B company's LED floodlight has a phase difference of about 1°in Cyan-green and Cyan-yellow and chromatic component is high. As for the surface light source, both the A and B company has the difference of 1°from tungsten halogen in Green area. In the case of Company B, it was analyzed that the chromatic component of Green-Yellow color area is higher than that of tungsten halogen.
In the study on the lighting system change of the LED lighting fixtures, it was found that the LED light source has a different configuration from the conventional tungsten halogen lighting system due to its luminous characteristics.
In order to analyze economic feasibility and efficiency, we compared the power consumption and efficiency of LED lighting equipment and tungsten halogen lighting equipment, the price of lighting equipment, and the replacement price of dimmer unit based on KBS-11 studio and found that when being replaced with LED lighting system based on LED light source, the economic feasibility and efficiency of LED lighting fixtures is much higher than tungsten halogen as about 300 million Won can be saved in 5 years considering the electricity bill and dimmer replacement cost although the price of LED lighting equipment is expensive 212% more than tungsten halogen. As for the working efficiency, however, it was found that the installation time for LED lighting was 1.5 to 2 times longer.
As for the changes in the manufacturing environment of LED lighting, the miniaturization, slimness, and being free from fixation of lighting fixtures of lighting fixture based on LED light source was proved to secure diversity of lighting techniques that can not be expressed in existing tungsten halogen through comparing lighting image representation method of LED and tungsten luminaire.
Through experiment and comparison, the results of this study indicate that the characteristics of lighting fixtures based on broadcasting LED light source are suitable for use as a broadcasting light source.
Although LED light source research has been related to architecture and stage lighting in the past, this paper has its meaning as a case study to know what kind of conditions are required for LED light source to be used as broadcasting lighting as it suggests the experiment methods for characteristics of LED broadcasting light source.

국문 초록 (Abstract)

요 약

제 목 : 방송조명에서 LED광원 특성과 조명시스템에
관한 연구

본 연구는 방송 영상 제작 시 조명 이미지 표현에 필요한 광원 중 LED광원이 방송용 광원으로 적합한지 다양한 특성을 분석하였고, LED광원이 방송광원으로 적합하다는 결과를 도출하였다. 연구의 신뢰성을 위해 기존 방송 제작 현장에서 주요 광원으로 사용하고 있는 텅스텐 할로겐 광원과 비교 분석하였다. 연구를 위하여 LED조명기구의 광원 특성·LED조명 시스템·LED조명의 방송 제작 환경과 같은 세 가지 연구 문제를 설정하였다. 연구 문제를 해결하기 위하여 실험 연구·비교 연구를 병행하였고, 결과는 다음과 같다.
연구 문제인 LED광원 특성 연구 결과에서 연색성은 A사 LED스포트라이트 97[Ra], LED플러드라이트 96.4[Ra], 면광원 97.4[Ra]이고, B사의 LED스포트라이트 98[Ra], LED플러드라이트 99[Ra], LED면광원 97.7[Ra]로 측로 측정되었다. 이러한 결과는 텅스텐 할로겐의 연색성 99[Ra]와 비교하면 A사 LED광원의 연색성이 낮게 나오고, B사는 텅스텐 할로겐 광원에 유사하게 접근하고 있다. 하지만 측정 결과 연색성은 영상시스템에서 보정 가능한 수치이다. 따라서 두 회사 제품 모두 기존 텅스텐 할로겐 광원을 대체할 수 있는 광원으로 사용하기에 적합한 것으로 나타났다.
색온도 측정 결과는 A사 LED스포트라이트 2992[K], LED플러드라이트 2940[K], 면광원 3151[K]이고, B사 스포트라이트 3328[K], LED플러드라이트 3239[K],면광원 3340[K]로 나타났다. 텅스텐 할로겐의 측정 색온도가 스포트라이트는 3093[K], 플러드라이트는 2882[K]이므로 A사 LED스포트라이트가 텅스텐 할로겐광원보다 낮게, 면광원은 높게, B사 LED광원은 모두 높게 측정되었다. A사 LED스포트라이트와 플러드라이트는 방송광원의 색온도 허용 범위에 있지만 A사 LED면광원과 B사 LED조명기구는 색온도가 모두 높게 나타났다. 모두 보정이 가능한 수치이지만 텅스텐 할로겐 광원으로 되어 있는 카메라로 촬영했을 때, 색재현에 영향을 줄 수 있는 수치이므로 색온도 특성 개선이 필요하다는 결론을 도출하였다.
평탄도 특성은 A사 스포트라이트의 경우, D2와 D4지점 간의 밝기 차이가58[lux]로 나타나 피사체를 비추었을 때 휘도밸런스에 영향을 줄 수 있는 수치이다. 나머지 제품의 평탄도는 방송광원에 적합한 것으로 측정되었다.
카메라를 통한 모니터의 색재현성 실험 결과는 A사 스포트라이트에서 Yellow-Red와 Green-Yel1ow쪽 부분이 기준 광원보다 v' 쪽으로, B사의 스포트라이트는 Red-Magenta와 Magenta 부분이 u'쪽으로 미세하게 이동하여 색재현의 차이를 보였다. A사, B사 LED플러드라이트는 Blue·Blue-Cyan·Cyan-Green 부분에서 색상의 차이가 보이고 나머지 부분의 색재현은 색 농도가 짙게 표현되고 있다. 면광원의 모니터 색재현성은 A사, B사 모두 텅스텐 할로겐과 유사한 특성을 보이고 있다.
벡터 스코프를 통해 본 LED광원의 색재현성은 실험 결과, A사 LED스포트라이트는 텅스텐 할로겐광원에 비해 Green·Cyan·Red는 1∼2°차이가 나고 B사 스포트라이트는 Red-Cyan쪽에 약간의 위상 차이가 보이지만 전반적으로 텅스텐 할로겐과 유사한 특성을 보이고 있다. A사 LED플러드라이트는 Cyan-Green 색 영역에서 텅스텐 할로겐과의 위상 차이가 1∼2°있고 크로마 성분이 높게, B사 LED플러드라이트는 Cyan-Green, Cyan-Yellow의 색 영역에서 1°정도 위상 차이가 나고 크로마 성분이 높게 나타나고 있다. 면광원은 A사, B사 모두 Green쪽에 텅스텐 할로겐과 1°정도의 차이가 나고 있다. B사의 경우, Green-Yellow의 색 영역은 텅스텐 할로겐과 비교해서 크로마 성분이 높게 나타나는 것으로 분석되었다.
LED조명기구의 조명시스템 변화 연구에서는 LED광원의 발광 특성으로 기존 텅스텐 할로겐 조명시스템과 다른 구성을 가지고 있다는 결과를 알 수 있었다. 경제성과 효율성 분석을 위하여 KBS–11 스튜디오를 기준으로 LED조명기구와 텅스텐 할로겐 조명기구의 소비전력과 효율, 조명기구의 가격, 딤머 유니트의 교체 가격을 비교 연구하여 LED광원을 기반으로 조명시스템으로 대체하였을 경우 텅스텐 할로겐 보다 LED 조명기구의 도입 가격이 212% 비싸지만 전기요금과 딤머 교체 비용을 감안하면 5년 시점에서 약 3억 원이 절약되어 조명 시스템 측면에서는 경제성과 효율성이 텅스텐 할로겐보다 우수한 것으로 나타났다. 다만, 작업 효율성에서 LED가 조명 설치 시간이 1.5∼2배 더 소비 되는 것을 알 수 있었다.
LED조명의 제작 환경 변화는 LED광원을 기반으로 한 조명기구의 소형화·슬림화·탈고정화는 빛과 색 표현의 자율성이 확대되어 기존 텅스텐 할로겐에서 표현하지 못했던 조명기법의 다양성이 확보되었음을 LED조명기구와 텅스텐 조명기구의 조명 이미지 표현 방법의 비교 연구를 통해 증명하였다.
이 연구 결과의 의의는 방송용 LED광원 기반으로 한 조명 장비에 대한 특성을 실험 연구와 비교 연구를 통해 LED광원이 방송용 광원으로 사용하기에 적합한 특성을 가지고 있다는 결과를 도출하였다는 데 있다. 그동안 LED광원 연구는 건축과 무대조명에 관련된 것들이었지만 본 논문은 LED광원이 방송 조명에 정착하기 위해서 어떤 필요조건이 있는지에 대해 연구한 사례이고 LED방송 광원의 특성에 관한 실험 방법을 제시하였다는데 의의를 찾을 수가 있다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 문제 제기 1
• 2. 연구의 목적과 방법 3
• II. 이론적 고찰 6
• 1. 방송광원 6
• 1) 방송광원의 종류와 특성 6
• 2) 텅스텐 할로겐광원 7
• 3) LED광원 7
• 4) 광원의 스펙트럼 분포 특성 10
• 5) CIE 색좌표 12
• 6) 광원의 색온도 특성 14
• 7) 광원의 연색성 특성 16
• 8) 광원의 평탄도 개념 18
• 2. 조명시스템 19
• 1) 조명기구 19
• 2) 방송조명 시스템 20
• 3. 선행 연구 22
• 1) LED광원 특성 연구 22
• 2) LED광원의 조명시스템에 관한 연구 24
• Ⅲ. 실험 및 연구 결과 27
• 1. LED 방송광원 특성 27
• 1) 색온도·연색성·평탄도 측정 실험 및 분석 27
• 2) 색재현성 측정 실험 및 분석 48
• 2. LED 조명시스템 56
• 1) 조명시스템 분석 56
• 2) 경제성·효율성 분석 62
• 3) 제작 환경 시스템 분석 67
• 3. LED조명의 방송 제작 환경 70
• 1) 인물 모델링 표현 방법의 변화 72
• 2) 세트 표현 방법의 변화 74
• 3) 음악 프로그램의 조명이미지 표현 변화 75
• 4) 아날로그에서 디지털 조명으로 77
• Ⅳ. 결 론 78
• 1. 연구 결과 78
• 2. 연구의 한계와 향후 과제 81
• 3. 연구 결과의 제안 82
• 참고문헌 87
• Abstract 90

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