칸델라

현행 정의는 2018년 제26차 국제도량형총회(CGPM)에서 확정되었다. 이 정의에 따르면, 1 칸델라(cd)는 진동수 540×10¹² 헤르츠(Hz)를 가진 단일 파장 빛의 발광 효율(Luminous efficacy)이 K_cd = 683 cd·sr·W⁻¹가 될 때의 광도이다.

여기서 기준이 되는 빛의 진동수는 인간의 눈이 가장 민감하게 반응하는 녹색 빛에 해당한다. 이 정의는 빛의 물리적 에너지와 인간의 생물학적 시감도를 연결하는 방식으로, 광도가 단순한 에너지 측정이 아니라 인간의 지각 특성을 반영한 단위임을 명확히 한다. 다른 파장의 빛에 대해서는 비시감도 곡선(luminous efficiency function)에 따른 가중치를 적용하여 광도를 계산한다.

이 정의는 1979년의 이전 정의를 대체하며, 광도의 기준을 흑체 복사가 아닌 플랑크 상수와 같은 기본 물리 상수에 기반한 보다 안정적이고 재현 가능한 방식으로 전환한 2019년 SI 단위계 개정의 일부이다. 일상적으로는 일반적인 촛불이 내는 빛의 세기가 대략 1 칸델라에 해당한다.

1979년 제16차 국제도량형총회(CGPM)에서 채택된 칸델라의 정의는 2018년 현행 정의로 대체되기 전까지 약 40년간 사용되었다. 이 정의에 따르면, 1 칸델라는 진동수 540×10¹² 헤르츠(Hz)의 단색광이 특정 방향으로 스테라디안 당 1/683 와트(W)의 복사 강도로 방출될 때의 광도이다.

이 정의는 빛의 물리적 에너지와 인간의 시감도를 연결하는 방식을 명시적으로 제시했다. 기준이 되는 빛의 파장은 인간의 눈이 가장 민감하게 반응하는 녹색 영역으로, 다른 파장의 빛에 대해서는 비시감도 곡선(luminous efficiency function)에 따라 가중치를 부여하여 광도를 계산하게 된다. 따라서 이 정의는 칸델라가 순수한 물리량이 아닌, 생물학적 반응을 고려한 심리물리학적 단위임을 강조한다.

1979년 정의는 그 이전인 1946년에 제안된 최초의 정의(백금의 녹는점에서의 흑체 복사를 기준)를 대체한 것이다. 고온의 흑체를 실험실에서 구현하고 측정하는 데 따른 실용적 어려움을 해결하고, 더욱 정밀하고 재현 가능한 정의를 도입하기 위한 것이었다. 이 정의는 광도와 광속의 관계를 통해 루멘 등의 유도 단위를 명확히 규정하는 기초가 되었다.

칸델라의 최초 정의는 1946년 국제도량형위원회(CIPM)에서 공식적으로 제안되었다. 이 최초의 정의는 백금의 녹는점(약 1768℃)에서, 1/600000 제곱미터 면적의 흑체가 내는 빛의 광도를 1 칸델라로 규정했다. 이는 당시 기술 수준에서 구현 가능한 가장 안정적인 표준 광원을 기준으로 삼기 위한 선택이었다.

이 정의는 1967년 제13차 국제도량형총회(CGPM)에서 공식 채택될 때까지 기본적인 틀로 사용되었다. 그러나 이러한 고온의 흑체를 실험실에서 정확하게 구현하고 유지하는 것은 기술적으로 매우 어려웠으며, 측정의 정밀도와 재현성에 한계가 있었다.

결국, 복사 측정 기술의 발전과 더욱 정밀하고 보편적인 표준에 대한 요구로 인해, 이 최초의 정의는 1979년 인간의 시감도와 특정 파장의 빛을 기준으로 하는 새로운 정의로 대체되었다. 이 변화를 통해 칸델라는 물리적 측정치일 뿐만 아니라 인간의 생물학적 지각 특성을 반영하는 독특한 SI 기본 단위의 지위를 확고히 하게 되었다.

칸델라의 정의는 단순히 물리적인 빛의 에너지량만을 반영하지 않는다. 인간의 눈이 서로 다른 파장의 빛, 즉 색에 대해 느끼는 민감도가 다르기 때문에, 이 생물학적 특성을 반영하여 광도가 결정된다. 이를 위해 비시감도 곡선이라는 표준화된 함수가 사용된다. 이 곡선은 인간의 평균적인 시각 반응을 나타내며, 특히 555 나노미터 파장의 녹색 빛에 대해 가장 민감하게 반응하도록 설계되어 있다.

따라서 540×10¹² Hz(녹색에 해당)의 기준 파장을 가진 빛은 정의상 가장 효율적으로 인지된다. 반면, 적외선이나 자외선에 가까운 파장대의 빛, 혹은 녹색에서 멀어질수록 인간의 눈은 상대적으로 둔하게 반응한다. 결과적으로 같은 칸델라 값을 내기 위해서는 녹색 빛보다 해당 파장의 빛이 더 많은 물리적 에너지를 방출해야 한다. 이는 칸델라가 순수한 물리 단위가 아닌, 생리광도학적 특성을 내포한 특별한 SI 기본 단위임을 보여준다.

이러한 인간의 시감도 반영은 광원의 실제 밝기를 평가하는 데 필수적이다. 예를 들어, 에너지 소비는 같지만 파장 구성이 다른 두 개의 LED 조명이 있다면, 비시감도 곡선에 따른 가중 평균을 통해 계산된 칸델라 값이 인간이 실제로 느끼는 빛의 강도를 더 정확히 나타낸다. 이 원리는 조명 공학, 디스플레이, 자동차 헤드라이트 등 다양한 분야에서 광원의 성능을 평가하고 표준화하는 데 적용된다.

칸델라의 정의에서 기준이 되는 빛의 진동수는 540×10¹² 헤르츠(Hz)이다. 이는 인간의 눈이 가장 민감하게 반응하는 파장으로, 색상으로는 녹색에 해당한다. 이 특정 파장을 기준으로 삼는 이유는 광도가 단순한 에너지의 양이 아니라 인간의 시각에 느껴지는 밝기를 정량화하기 위한 단위이기 때문이다.

현행 정의에 따르면, 1 칸델라는 이 기준 진동수를 가진 단일 파장의 빛이 특정 발광 효율 값을 가질 때의 광도로 정의된다. 다른 파장의 빛은 인간의 비시감도 곡선에 따라 상대적인 민감도가 다르기 때문에, 같은 광도를 내기 위해서는 파장에 따라 필요한 복사 강도가 달라진다. 예를 들어, 적외선이나 자외선에 가까운 파장은 같은 칸델라 값을 얻으려면 기준 녹색 빛보다 훨씬 더 많은 에너지를 방출해야 한다.

이처럼 칸델라는 물리학적 측정과 생리학적 반응을 결합한 독특한 SI 기본 단위이다. 기준 파장을 명확히 함으로써 다양한 광원의 밝기를 인간의 지각에 맞춰 일관되게 비교하고 측정할 수 있는 기초를 마련한다.

루멘(기호: lm)은 광속(luminous flux)의 SI 단위이다. 광속은 광원이 모든 방향으로 내보내는 가시광선의 총량을 나타내는 물리량으로, 인간의 눈이 지각하는 빛의 '흐름' 또는 '양'을 정량화한다. 루멘은 칸델라와 입체각의 단위인 스테라디안(sr)으로부터 유도된다. 구체적으로 1 칸델라의 광도를 가진 광원이 1 스테라디안의 입체각 내에서 방출하는 광속이 1 루멘에 해당한다.

광속(루멘)과 광도(칸델라)의 관계는 수식으로 Φ_v = I_v * Ω 로 표현된다. 여기서 Φ_v는 광속(루멘), I_v는 광도(칸델라), Ω은 입체각(스테라디안)이다. 이는 광원의 특정 방향 세기(칸델라)가 아니라, 광원이 전방위로 뿜어내는 빛의 총합을 계산하는 데 유용하다. 예를 들어, 모든 방향으로 균일하게 1 칸델라의 빛을 내는 점광원이 있다면, 구 전체의 입체각(4π 스테라디안)을 통해 총 광속은 약 12.57 루멘이 된다.

루멘은 조명 기구의 밝기를 비교하는 데 일상적으로 널리 사용된다. 전구나 LED 패키지의 포장에는 소비 전력(와트)과 함께 발광 효율(lm/W) 및 총 광속(루멘)이 표기되어 소비자가 밝기를 판단할 수 있게 한다. 그러나 루멘은 빛이 도달하는 표면의 실제 밝기인 조도(럭스, lx)와는 구별된다. 조도는 단위 면적당 도달하는 광속으로, 1 루멘의 광속이 1 제곱미터 면적에 고르게 비출 때의 조도가 1 럭스이다.

럭스(기호: lx)는 조도를 나타내는 SI 단위이다. 조도란 어떤 표면이 받는 빛의 밝기, 즉 단위 면적당 도달하는 광속의 양을 의미한다. 럭스는 1 제곱미터(m²)의 면적에 1 루멘(lm)의 광속이 균일하게 비출 때의 조도로 정의된다. 즉, 1 lx = 1 lm/m² 이다.

이 단위는 빛을 내는 광원 자체의 특성을 나타내는 칸델라(cd)나 광원에서 나오는 총 빛의 양을 나타내는 루멘과 구별된다. 럭스는 빛이 도달하는 '대상'이나 '공간'의 밝기를 측정하는 데 사용된다. 예를 들어, 같은 광원(같은 루멘)이라도 빛을 집중시키면 특정 지점의 조도(럭스)는 높아지고, 빛을 분산시키면 조도는 낮아진다.

일상생활에서의 조도는 다음과 같은 럭스 값으로 나타낼 수 있다. 맑은 날 직사광선 아래는 약 100,000 lx 정도이며, 일반적인 사무실 내부는 300~500 lx, 거실 조명은 100~300 lx, 보름달이 비치는 밤하늘은 약 0.1 lx 정도이다. 건축 및 실내 디자인 분야에서는 작업 환경에 필요한 적정 조도 기준을 럭스로 규정하여 조명 설계의 근거로 삼는다.

럭스는 칸델라에서 유도되는 단위로, 광도(칸델라)에 입체각(스테라디안, sr)을 곱하면 광속(루멘)이 되고, 이 광속을 면적으로 나누면 조도(럭스)가 된다. 따라서 조명 공학, 사진술, 원예, 도로 조명 등 빛의 양을 정량적으로 관리해야 하는 다양한 분야에서 핵심적인 측정 단위로 활용된다.