세 가지 물리량, 하나가 아니다
"얼마나 밝은가"라는 질문은 각각 고유한 단위 체계를 가진 세 가지 서로 다른 물리량으로 답해진다. 이들 중 어느 것도 기하학이나 표면 재료에 대한 추가 정보 없이는 다른 것으로 변환될 수 없다. 이들을 혼동하는 것—예를 들어, 전구가 "럭스"를 얼마나 생성하는지 묻는 것—은 단위 오류가 아니라 범주 오류다. 왜냐하면 전구의 출력은 완전히 다른 단위로 측정되어야 하기 때문이다.
광속: 광원이 방출하는 것
루멘(lm)은 광원에서 모든 방향으로 방출되는 총 빛의 양을 측정한다. 이는 거리나 빛이 닿는 물질과 무관하다. 전구 박스에 루멘이 표시되는 이유는 이것이 전구 자체만을 설명하는 유일한 수치이기 때문이며, 전구가 놓인 방의 밝기를 나타내는 것이 아니다.
조도: 표면에 도달하는 빛
럭스(lx)는 평방 미터당 루멘이다. 즉, 방출된 빛 중에서 실제로 특정 면적에 도달하는 양이다. 이는 광원의 총 출력, 거리(거리의 제곱에 따라 감소), 입사각에 따라 달라진다. 미국식 단위인 풋캔들(fc)은 평방 피트당 루멘이다. 평방 피트가 평방 미터보다 작기 때문에, 같은 양의 빛이 더 작은 면적에 퍼지면 더 큰 수값을 가진다. 정확히는 1 fc = 10.76391 lx이다. 이는 정확한 관계식 1 ft² = 0.09290304 m² (1 ft = 0.3048 m이므로)로부터 도출되며, 따라서 1 fc = 1 lm/ft² = 1/0.09290304 lm/m² = 10.76391042… lx이다. 조도는 광도계가 측정하는 것이며, 건축 법규와 원예용 조명 가이드에서 명시하는 값이다.
휘도: 표면에서 눈에 도달하는 빛
니트—정식으로는 평방 미터당 칸델라(cd/m²)이지만, "니트"라는 비공식적이지만 거의 보편적인 명칭이 있다—표면에서 방출되거나 반사되어 시청자에게 향하는 빛을 측정한다. 이것이 실제로 표면이 얼마나 밝게 보이는지를 결정한다. 같은 조도에 놓인 두 표면은 매우 다른 휘도를 가질 수 있다. 같은 책상 스탠드 아래의 무광 검은 카드 한 장과 흰 종이 한 장은 같은 럭스를 받지만, 흰 종이는 눈 쪽으로 훨씬 더 많은 빛을 반사하기 때문에 훨씬 밝게 보인다. 니트는 디스플레이 밝기에 사용되는 단위인데, 화면은 주변광을 반사하지 않고 스스로 빛을 방출하기 때문에 조도가 아니라 휘도가 관련 물리량이다.
이들 사이에서 자유롭게 변환할 수 없는 이유
루멘에서 럭스로 가려면 빛이 퍼지는 면적이 필요하다. 이는 단위 자체로는 답할 수 없는 기하학 문제다. 럭스(표면에 도달하는 빛)에서 니트(표면에서 나가는 빛)로 가려면 표면의 반사율이 필요하다. 표면은 받은 빛의 일부만 다시 보낼 수 있기 때문이다. 이상적인 무광("람베르시안") 반사 표면의 경우, 관계식은 다음과 같다:
L = E × ρ ÷ π
여기서 L은 cd/m² 단위의 휘도, E는 럭스 단위의 조도, ρ는 표면의 반사율(0~1)이다. 흰 프린터 용지는 충돌하는 빛의 대략 80%를 반사한다(ρ ≈ 0.8). 전형적인 사무실 조명인 500 lx 아래에서, 그 용지의 휘도는 500 × 0.8 ÷ π ≈ 127 cd/m² — 옆의 노트북 화면보다 눈에 띄게 어두우며, 화면은 방이 500 럭스로만 조명되어도 250–400 니트로 자체 발광한다. 조도는 방 전체를 설명하고, 휘도는 방 안의 특정 표면에서 눈이 실제로 받는 것을 설명한다. 이 둘은 보통 몇 배의 차이를 보인다.
참고 자료: 흔한 조도 수준
| 조건 | 조도 | 풋캔들 |
|---|---|---|
| 보름달, 맑은 밤 | 0.1 lx | ≈0.0093 fc |
| 거실 조명 | 100 lx | ≈9.29 fc |
| 사무실 조명 | 500 lx | ≈46.5 fc |
| 흐린 날의 자연광 | 1,000 lx | ≈92.9 fc |
| 직사광선 | 100,000 lx | ≈9,290 fc |
잘못된 수치가 퍼지는 구체적인 사례
달빛 조도는 그럴듯해 보이는 수치가 실제 측정을 앞지르는 경우의 정말 유용한 예이다. 보름달 조명에 대한 "1 럭스"라는 둥근 수치는 조명 설계 참고자료와 사진 노출 가이드에서 널리 유포된다. 그러나 엄밀한 광도 측정에 따르면 실제 수치는 대략 한 자리 정도 낮다. 생태학자 Travis Longcore의 2017년 에세이 "How bright the moon"은 생태-조명 문헌에서 이런 종류의 오류의 구체적인 사례를 추적했다. 1999년의 한 논문은 75% 조명된 거의 찬 달—보름달도 아니고 반달도 아닌—의 측정된 조도 곡선을 "반달" 조명으로 잘못 표시했다. 이후 적어도 두 논문은 원본 광도 측정 데이터로 돌아가지 않고 이 잘못 표시된 수치를 반복했다. Longcore 자신의 추정치는 지평선 위의 달의 고도와 이상적인 천정값이 아닌 대기 감쇠를 고려한 전형적인 지표면의 보름달 조도는 0.1 럭스에 가깝다. 이것이 위에서 이 사이트가 사용하는 수치이다. 이는 원본 측정을 인용하지 않고 계속 유포되는 후속 자료에서의 "1 럭스"라는 약칭보다 훨씬 낮다.
어떤 특정한 잘못된 표시가 시작됐든 메커니즘은 동일하다. 한 번 숫자가 원본 데이터 없이 검토 논문이나 표에서 반복되면, 그 이후 저자들은 검토 논문을 인용하며 다시 측정하지 않는다. 잘못된 수치, 또는 좁은 조건 하에서만 맞지만 아무도 이를 명확히 하지 않은 수치는 무한정 남아 있다. 이는 이 사이트가 자신의 수치에 적용하려는 주의의 광도-특정 사례이다. 그럴듯한 둥근 수치는 검증된 수치와 같지 않다.
올바른 단위 선택하기
단위를 선택하기 전에 실제로 무엇을 측정하는지 묻자. 광원의 총 출력: 루멘. 표면에 도달하는 빛: 럭스 또는 풋캔들. 눈에 보이는 표면 또는 자체 발광 디스플레이의 밝기: 니트. 셋 중 어느 것도 다른 것으로 대체될 수 없다. 왜냐하면 각각이 다른 물리적 질문에 답하기 때문이다.