온라인에서 디스플레이의 밝기에 대해 제대로 설명한 글은 찾기 힘들다. 왜냐하면 빛의 밝기에 집중한 대부분의 글은 조명 기구를 위주로 전개되고 있기 때문이다. 특히 프로젝터 밝기 스펙에서 루멘과 안시루멘의 차이점에 대해 궁금해 하는 분들이 많은데 비해, 관련 정보 부족으로 인한 오해도 적지 않다.

이번 컬럼은 지금까지 DP에서 프로젝터 리뷰를 진행하며 박스 기사로 소개한 정보들을 모으고 체계화하여 프로젝터를 포함한 디스플레이 기기들의 밝기 표시 단위에 대해 좀 더 상세하게 설명 드리고자 한다.

나열식으로 용어만 정의하면 전체적인 맥락을 이해하기 힘들다. 기본 용어들 간의 관계성부터 파악해야 밝기와 관련한 정확한 지식을 쌓을 수 있다.

목차는

광도(Luminus Intensity), 광선속(Luminus Flux), 조도(Illuminance), 휘도(Luminanace)라는 기초 용어부터 시작하여
이들의 단위인, 칸델라(Candela), 루멘(Lumen), 럭스(Lux), 니트(Nit)를 설명하고, 이렇게 쌓은 기초 지식을 바탕으로
안시루멘과 루멘의 차이점, 니트, 컬러 밝기(CLO), 풋 램버트에 대한 설명으로 차차 발전시켜 나가고자 한다.

전체적으로 이해하는데 큰 어려움을 없을 터이지만 약간의 수학적 지식이 필요한 부분도 있다.

Luminus Intensity(광도) - 칸델라(cd)
Luminus Flux(광선속) - 루멘(lm)
Illuminance(조도) - 럭스(lx)
luminance(휘도) - 니트(nit)

빛의 밝기를 다루는 4가지 기초 용어부터 알아보기로 하자. 이해를 돕기 위해 일러스트를 아래에 첨부한다.

Luminus Intensity(광도) : 한 마디로 빛의 세기 혹은 빛의 강도다. 광도의 단위는 칸델라 (Candela, cd)로 대략 촛불 하나 정도의 밝기다.
Luminus Flux(광선속) : 빛의 플로우, 빛의 흐름, 빛의 경로다. 하나의 광원에서는 빛이 360도로 퍼지기 때문에 광선속은 하나의 광원에서 나오는 광량자의 총합을 의미한다. (광선속에서 '속'은 속도가 아니라 다발을 의미함) 여기서 빛의 정의는 400~750nm 파장을 가진 가시광선이다. 우리 눈에 보이지 않는 자외선이나 적외선은 포함되지 않는다. 광선속의 단위가 바로 우리에게 익숙한 루멘(lumen)이다.

Illuminance(조도) : 조도란 단위 면적에 떨어지는 빛의 총합이며 단위는 럭스(lux)다. 예를 들어 단위 면적(1m²)에 1000루멘의 프로젝터나 조명을 비추면 조도는 1000럭스다. 만약 여기에 주변광이 300루멘의 밝기로 존재하고 있다면 총 조도는 1300럭스가 된다.
Luminance(휘도) : 단위 면적에서 반사되거나 분출되어 눈에 직접 인지되는 빛의 총합이며 단위는 니트다.

조도와 휘도의 차이점

예컨데 특정 사물의 표면에서 측정한 조도가 1000럭스라고 하자. 조도는 사물의 표면에 닿는 빛의 양이므로, 표면의 재질이나 컬러에 영향을 받지 않는다. 반면 휘도는 표면의 재질이나 컬러에 따라 영향을 받는다. 예컨대 표면이 흑색이면 백색보다 휘도가 훨씬 낮아진다. 1000럭스 조도에서 표면의 반사율이 100%라면 눈에 들어오는 휘도는 1000니트가 되지만, 반사율이 50%라면 1000의 반값인 500니트가 된다.

또한 휘도는 눈에 들어오는 총 광량을 의미하므로 반사광뿐만 아니라 TV와 같이 직접 빛을 발생하는 사물의 밝기를 표시하는데도 사용된다. 따라서 TV와 모니터의 밝기는 모두 니트 단위로 표시되고 있다.

프로젝터 - 안시루멘, 루멘, 풋 램버트
TV, 모니터 - 니트

루멘 (lumen, lm)
칸델라 (candela, cd)
럭스 (lux, lx)
니트 (nit, nt)

위에서 광선속, 광도, 조도, 휘도의 개념에 대해 알아보았다. 이들의 표시 단위는 각각 루멘, 칸델라, 럭스, 니트다.

루멘 : lm = cd X sr
칸델라 : cd = lm / sr
럭스 : lm/m²
니트 : cd/m²

일단 럭스와 니트는 이해하기 매우 쉽다. 루멘과 칸델라를 단위 면적당으로 표현한 수치일 뿐이다. 칸델라도 이해가 쉬운 편이다. 직관적으로 10 칸델라는 촛불 10개의 밝기로 상상하면 된다.

문제는 광선속의 단위인 루멘이다. 수학적 지식이 살짝 필요하다.

광선속의 단위인 1 루멘(lm)은 1 칸델라(cd)의 광도를 갖는 광원에 의하여 1 스테라디안의 입체각으로 발산되는 광선속의 양으로 정의된다. 즉 하나의 촛불을 둘러싸고 있는 반지름 1m의 가상 구체에 r² 크기의 구멍을 내고 빛의 광량을 측정한 값이다. 좀 더 쉽게 설명하자면 1루멘은 촛불 하나의 전체 밝기가 아니라 1m 떨어진 거리에서 1sr 만큼의 구멍 사이로 보이는 밝기다.

이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

1 lm = 1 cd X 1 sr (스테라디안, steradian)

sr = 1 이므로 1 lm = 1 cd 가 된다.

여기서 스테라디안(sr)이라는 생소한 수학적 용어 등장한다. 스테라디안은 3차원 공간에서 2차원의 면적을 표현하기 위해 고안되었으며 라디안과 마찬가지로 무차원상수다. 아래 그림을 보면 이해가 좀 더 쉽다.

360도로 빛을 발산하는 구체는 총 얼마의 스테라디안 값을 갖는지 알아보자. 구체의 외구 면적을 구하는 공식을 기억하는 분들은 거의 없겠지만 A = 4(pi)r²이다. 즉 구체의 스테라디안의 값은 12.57이다. 다시 말해 밝기 1 칸델라의 광선속은 12.57이다. 하지만 루멘의 정의가 (구체 전체 면적이 아닌) 단위 면적인 1 sr을 통과한 빛의 양이므로 12.57이 아닌 1이 되는 것이다.

▲ 상업용 램프의 밝기는 위와 같이 실제 구체를 만들어 측정한다.

이제 이론적인 설명 부분은 대부분 마쳤다. 실제 적용예를 통해 럭스와 니트에 대해 이해해 보기로 하자. 럭스는 루멘을 단위 면적으로 나눈 값이고, 니트는 칸델라를 단위 면적으로 나눈 값이다. 더 이상 추가 설명이 필요 없다.

그런데 이 수치들이 어느 정도의 밝기를 의미하는지 궁금하지 않을 수 없다. 아래 여러 가지 예시를 적어 놓았으니 해당 수치가 어느 정도의 밝기를 의미하는지 가늠해 보시기 바란다.

럭스 (lm / m², 단위 면적당 루멘)

0.001 럭스 : 밤 하늘
0.1 럭스 : 보름달
10 럭스 : 황혼
300 ~ 500 럭스 : 가정, 사무실 등 실내 조명
1.000 럭스 : 흐린 날
10,000 ~ 100.000 럭스 : 햇빛

니트 (cd / m², 단위 면적당 칸델라)

40 ~ 60 니트 : 극장 스크린
100 니트 : 돌비 시네마 스크린
300 니트 : 일반적인 LCD 모니터
500 니트 : 맥북 프로
700 니트 안팎 : OLED TV
1000 니트 안팎 : QLED TV
2,000 ~ 7,000 니트 : 하늘

안시루멘(ANSI Lumen), (LED) 루멘, 그리고 CLO (컬러 밝기)

안시루멘(ANSI Lumen)이란 미표준협회(ANSI)에서 프로젝터의 밝기를 나타내기 위해 개발된 표준 단위다. 한편 루멘 (혹은 LED 루멘)은, 모바일 LED 프로젝터가 일반 시장의 대세가 되면서 업계에서 안시루멘 대신 밝기를 나타내는데 사용하고 있는 단위다.

(LED) 루멘은 제조사가 소비자들에게 안시루멘과 혼동을 일으켜 스펙을 뻥튀기하려는 시도라는 공격적인 의견이 있는 반면, 제조사는 제조사 나름대로 이렇게 표현할 수밖에 없는 충분한 이유가 있어 안시루멘과 함께 루멘에 대해 좀 더 알아 보기로 하자.

참고로 어느 포털의 백과사전에서 안시루멘을 검색해 보면 아래와 같이 정의되어 있다.

"프로젝터 투사의 밝기를 나타내는 미국표준협회(ANSI) 표준에 의한 휘도 측정 단위. 1 안시루멘은 촛불 1개 정도의 밝기와 비슷하다."

본 컬럼의 앞 부분을 읽은 분들이라면 위 정의가 얼마나 말도 안되는지 한번에 알아 볼 수 있을 것이다. ANSI 즉 미표준협회라는 주체에 대한 정보만 맞고 나머지는 모두 틀리다. 휘도(Luminance)가 아닌 조도(Illuminance) 측정이며 안시루멘은 촛불 하나의 밝기인 칸델라와 일말의 관련성도 없다.

안시루멘

안시루멘의 측정방법은 다음과 같다. 섭씨 25도의 완전 암막 환경에서 15분 이상 램프를 예열한 후 프로젝터에서 4:3 비율의 40인치(101.6cm) 스크린으로 화이트빔을 발사한다. 실측은 투사되는 화면을 9개로 분할하고 각 중심점에서 광량을 럭스(조도의 단위 : 루멘/m²)로 계측하여 이들의 평균값을 낸 뒤에 전체 면적을 곱하여 구한다. 보통 중앙부에서 광량이 높고 주변으로 갈수록 광량이 떨어진다. 안시루멘은 스크린의 특성은 고려되지 않고 오직 프로젝터 자체 밝기만 측정한 값이다. (스크린 특성까지 고려한 밝기는 풋 램버트로 조~기 아래 설명을 참조하면 된다.)

LED 루멘

최근 프로젝터 제조사들이 루멘 혹은 LED 루멘으로 표현하는 이유는 위에서 설명한 안시루멘의 측정법이 LED나 레이저와 같은 새로운 광원의 특성을 제대로 반영하지 못하고 있기 때문이다. ANSI Lumen의 측정법을 기술한 ANSI IT7.215 문서를 살펴보면 측정 영상의 화면비의 기본 기준은 4:3이며 15분 이상 램프를 예열해야 한다. 최근에는 사무용 프로젝터도 4:3 화면비가 기본인 모델은 드물며 LED나 레이저 광원은 예열을 한다고 해서 시간에 따른 밝기 특성 곡선이 크게 달라지지 않는다. 세부적이고 정교하기는 하지만 안시루멘 측정 방법은 얼핏봐도 시대에 뒤떨어진 측면이 있다.

안시루멘의 측정법에 대한 LED 프로젝터 제조사들의 불만은 크게 두 가지로 분류할 수 있다.

첫째는 안시루멘 측정에 사용되는 조도계의 정확성에 대한 문제다. 측정에 사용되는 대표적인 모델이 코니카 미놀타의 T-10A인데 이 모델은 수은 램프로 불리는 CCFL 램프의 빔 측정을 기반으로 하고 있기 때문에 LED나 레이저 광원의 에너지 분포를 제대로 측정하기 어렵다는 주장이다. 둘째는 헬름홀츠ㆍ콜라우슈 현상, 보통 HK 이펙트로 불리는 이론에 따라 인간 눈의 인지 특성을 무시하고 있다는 점을 지적한다. HK 이펙트란 컬러의 채도와 순도가 높을수록 인간의 눈은 해당 부분을 더 밝게 인지한다는 이론이다. LED와 레이저에서 투사되는 빔은 CCFL 램프보다 채도와 순도가 높기 때문에 기존 측정법으로 나타난 결과는 프로젝터 밝기 정보를 충분히 반영하지 못한다는 의미다.

즉 LED와 레이저가 점차 대세가 되고 있는 새로운 세상에서 프로젝터에 대한 새로운 밝기 표준측정법이 만들어지기 전까지는 LED / 레이저 광원의 프로젝터들은 기존 안시루멘으로 측정할 경우 스펙 표기에서 손해를 보고 있기 때문에 안시루멘 대신 루멘 혹은 LED 루멘이라 표시하고 있는 것이다.

그런데 안시루멘은 시대에 뒤떨어진 감이 분명히 있기는 하지만 명확한 측정 기준을 가지고 있다. 하지만 루멘은 HK 이펙트라는 아직은 정확히 계량화가 불가한 인간의 인지적 특성을 고려하고 있기 때문에 아직까지는 완벽한 계량화가 불가능하다. 1000 LED 루멘이라는 스펙이 의미하는 바는 안시루멘 측정법의 부족한 부분과 인간의 인지적 특성을 고려하면 1000 안시루멘과 거의 비슷하다는 의미다. HK 이펙트는 채도가 경험상 채도가 높은 밝은 장면에서는 안시루멘과 루멘 단위의 차이는 크지 않다.

제조사별로 기준이 다르지만 현재로서는 대략 루멘을 대략 2.0 안팎으로 나누어 안시루멘으로 환산하고 있다. 1000 LED 루멘은 어두운 장면을 포함하여 전체적으로 보면 1000안시루멘 보다는 밝기가 떨어져 보이지만, 500안시루멘보다는 확실히 밝아 보인다.

CLO (컬러 밝기)

루멘이 LED 프로젝터 제조사들이 안시루멘에 대해 갖는 불만의 표현이라면 CLO (Color Light Output, 컬러 밝기)는 LCD 프로젝터 제조사가 갖는 안시루멘에 대한 불만이라고 볼 수 있다.

위 안시루멘에서 설명했지만 안시루멘은 램프를 15분 이상 가열시킨 후에 화이트빔을 쏘아 측정한다. 즉 프로젝터가 밝기와 관련하여 얻을 수 있는 최고값을 측정하는 방식이다. 안시루멘 측정법 자체가 다양한 현실적 영상을 반영하기 보다는 프로젝터의 가장 밝은 상태인 화이트빔만을 측정하고 있기 때문에 프로젝터 램프의 밝기를 지나치게 단순화하여 측정하는 측면이 있다.

전세계 최대의 3LCD 프로젝터인 엡손은 단순히 화이트빔으로 측정한 안시루멘은 자사의 3LCD 프로젝터들의 밝기와 DLP 프로젝터들의 밝기를 제대로 구분하고 있지 못하다고 주장한다. 따라서 화이트빔 만으로 측정할 것이 아니라 빛의 3요소인 R, G, B 빔을 각각 투사하여 밝기를 측정하고 평균을 내야 한다는 입장이다.

이 방식으로 측정을 하면 3LCD 프로젝터와 DLP 프로젝터는 CLO에서 큰 차이를 나타낸다. 3LCD 프로젝터는 3개의 LCD 패널을 통해 RGB 3원색을 동시에 투사하지만, DLP는 회전하는 분할된 컬러휠을 통해 컬러를 만들기 때문에 아무래도 화이트가 아닌 각 RGB 투사에서는 불리하다.

실제 동일한 안시루멘일 경우 3LCD 프로젝터가 DLP 프로젝터보다 좀 더 밝게 보이는 것은 사실이다. 이런 이유로 엡손은 기존 안시루멘을 '백색 밝기'로, CLO를 '컬러 밝기'로 스펙에 별도로 표기하고 있다. 다만 CLO는 공인된 규격은 아니고 엡손이 자사 프로젝터의 스펙을 표기할 때만 사용되고 있다.

풋 램버트 (Foot Lamberts, fL) - 스크린과 연계한 프로젝터 밝기 측정법

풋 램버트(fL)는 영화/TV 엔지어협회(SMPTE, Society of Motion Picture and Television Engineers)에서 제안한 광량의 측정 단위 중 하나로, 1 스퀘어 피트 (ft²) 당 1 칸델라 (Candela)의 밝기를 의미한다.

풋 램버트는 프로젝터 자체 밝기뿐만 아니라 스크린 반사율과 스크린의 크기까지 고려하여 계산한다. 안시루멘과는 달리 조도가 아닌 휘도를 측정하기 때문에 프로젝터-스크린 밝기와 관련한 가장 정확한 수치라 할 수 있다. (하지만 최근에는 SI 표준 단위인 니트 단위에 밀려 일반 시장에서는 거의 언급되지 않고 있다.)

극장과 같은 암막 상태에서 스크린 밝기에 영향을 주는 요소에는 총 3가지가 있다.

프로젝터 자체의 밝기
스크린의 게인(반사율)값
스크린의 크기

완벽한 암막 상태가 아니라면 주변광에도 영향을 받는다. 정리하면 홈시어터 프로젝터-스크린에서 밝기에 영향을 주는 요소는 위에서 언급한 3가지에 주변광을 합쳐 총 4가지다. 프로젝터의 밝기, 스크린의 게인값, 스크린 크기, 그리고 주변광.

fL는 프로젝터 안시루멘을 스크린의 크기 (ft²)로 나누고 여기에 스크린의 게인값을 곱하여 계산한다.

fL = ANSI Lumen / 스크린 면적(ft²) X 스크린의 게인값

예컨데 2000안시루멘 프로젝터를 16:9 화면비의 100인치(30 ft²), 1.1 게인의 스펙을 가진 스크린에 투사하면 2000 / 30 X 1.1 = 73.3 fL라는 결과를 얻을 수 있다.

SMPTE에서는 암막 상태의 오픈 게이트 방식(프로젝터 렌즈를 풀로 개방하고 영상 소스를 재생하지 않음)으로 측정한 밝기를 기준으로 극장에서 12 ~ 22 fL를 표준으로 정하고 있으며 16 fL를 권장하고 있다. 이에 따라 실제 극장에서 우리가 볼 수 있는 스크린 밝기는 대략 16 fL 정도이며 홈시어터 프로젝터에서도 마찬가지 기준이 권장되고 있다. 권장 밝기보다 밝으면 소위 말하는 쨍한 화면으로 인해 영상의 임팩트가 느껴지지만 오래 보고 있으면 아무래도 눈이 피곤해질 소지가 있다.

그런데 현실적으로 완전 암막 상태에서 프로젝터를 감상할 수 있는 환경을 만들기가 쉽지 않다. 이렇게 주변광을 어느 정도 허용할 때의 기준은 약 50 fL다. 변환하면 170니트 정도된다. 최근 출시되는 고휘도의 프로젝터들은 16 fL가 아니라 50 fL 이상을 구현할 수 있기 때문에 주변광이 허용되고, 스크린 사이즈를 훨씬 크게 설계할 수 있다는 장점이 있다.