2.1 암순응과 망막의 특성

급격한 조도 변화로 인해 일시적으로 주변 사물이 보이지 않는 현상을 암순응이라 한다. 사람의 눈은 암순응이 발생하면, 명암의 변화에 순응하는 시간이 걸린다. 이는 망막의 원추세포(cone cell)와 막대세포(rod cell)가 시색소를 변화시키고 시각 정보를 뇌에 전송하는 과정에서 시간이 걸리기 때문이다. 암순응은 시색소(visual pigment) 재생에 쓰일 대사 에너지가 필요하고 색소상피와의 물질 교환이 필요하여서, 급격한 밝기의 변화는 순응 현상에 장애를 일으킨다(2).

1865년, 오베르트(Aubert)는 암순응을 처음 설명하였고, 1903년에는 파이퍼(Piper)가 처음으로 암순응을 측정하였다. 파이퍼는 암순응이 주로 막대세포(rod cell)의 기능이라고 주장하였으나, 헥트(Hecht)에 의해 원추세포(cone cell)가 측정되면서 암순응 현상이 명확해졌다(3). 망막에서는 원추세포가 먼저 암순응하고 이어서 막대세포가 천천히 암순응을 한다(4). 원추세포는 높은 조도에서 빛에 반응하여 색상을 감지하고, 시각적 정보를 처리하는 역할을 하며, 막대세포는 낮은 조도에서 빛을 감지하고 명암과 관련된 시각적 정보를 처리하는 역할을 한다(5).

2.2 조도 및 나이가 암순응에 미치는 영향

조도(illuminance)는 암순응에 직접적인 영향을 미치는 요소이다. 급격한 조도의 변화는 망막의 원추세포와 막대세포가 시각 정보를 처리하는 시간을 증가시켜 암순응 진행을 지연시킨다.

Robertson과 Yudkin(6)은 나이가 증가함에 따라 동공 크기가 작아지고 외부 광량도 감소하기에, 노인들은 어두운 조도 환경에 적응하는 것이 약하다고 보고하였다. Jackson 등(7)은 노인들이 어두운 조도에서 시야 확보에 어려움을 겪는 것을 확인하고 눈의 둔화에 관한 연구를 하였다. Ko 등(8)은 연령 10대부터 80대까지 각 20명을 대상으로 어두운 환경에서의 동공의 크기 변화를 연구하였다. Ryu 등(9)은 연령 20대에서 50대까지의 남녀 60명을 대상으로 실험을 하였으며, 연령, 각막 크기, 조도 등의 요인에 따라 어두운 조명에서 동공 크기가 변하는 것을 확인하였다. Kim(10)은 정상적인 남성을 대상으로 암순응 및 명순응 시간에 따른 망막전위도 연구 결과, 암순응 현상이 망막의 기능 손상을 평가하는 중요한 지표라 하였다.

선행연구들은 암순응에 영향을 미치는 나이, 동공 크기, 각막 특성 등의 생리적 요인과 망막의 손상을 평가하는 지표로서 암순응의 중요성을 다루었다. 그러나, 암순응 발생에 필요한 시간이나 조도 범위에 관한 체계적인 연구는 부족한 실정이다. 이에, 선행연구에서 제시된 생리적 요인을 토대로, 암순응이 발생하는 조도 범위와 시간적 특성을 분석하고, 연령별 암순응 차이를 규명하는 연구를 하였다.

2.3 뇌파와 뇌파 주파수

뇌파(electroencephalogram, EEG)는 뇌에서 발생하는 전기적 신호를 의미하며, 머리 표면에 형성되는 공간적인 전위차(potential difference)를 측정한 것이다(11). 뇌파측정은 국제 10-20법(international 10-20 system’52)을 기반으로 하며, 알파파(alpha oscillation), 베타파(beta oscillation), 감마파(gamma oscillation) 등의 주파수 대역으로 나뉜다. 알파파는 눈을 감으면 증가하고, 눈을 뜨면 감소하며, 빛이 완전히 차단된 어두운 방에서도 관찰된다(12). 베타파는 집중, 몰입 및 문제해결 과정에서, 감마파는 시각적 집중, 고도의 인지 과정에서 관찰된다(11). 이러한 뇌파의 특성을 기반으로, 조도 변화에 따른 뇌의 변화 과정을 정량적으로 파악하는 데 뇌파측정을 활용한다. Adolf Beck의 초기연구를 통해 시작된 뇌파측정은 다양한 분야에서 활용되었으며, 조도와 암순응 현상 간 상관관계를 밝히는 도구로 활용되었다. 특히, Kim(13)은 조도 변화에 의한 뇌파 변화를 연구하였고, Heo와 Jeong(14)는 암실인 뇌파검사실의 조도 변화를 주는 연구하였다. Kwon(15)은 조도, 색온도, 조명 방식 등의 변화가 뇌파에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 따라서, 뇌파측정은 조도 변화와 암순응 간의 관계를 이해하는 데 있어 중요한 자료를 제공하며, 인지 및 시각적 적응 과정에 미치는 영향을 분석할 수 있는 효과적인 도구로 활용된다.

2.4 가설설정

선행 연구에 따르면, 나이가 증가함에 따라 동공 크기가 감소하고 외부로부터 광량 유입이 줄기에, 낮은 조도에서 시야 확보에 어려움을 겪는 것으로 확인되었다. 또한, 암순응은 터널 입구와 같이 조도가 급격히 변화는 환경에서 두드러진다. 이러한 조도 변화는 사물을 식별하는 능력에 큰 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이에, 본 연구는 다음과 같은 가설을 설정하였다.

3.1 실험 설계

조도 변화에 따른 연령대별, 암순응 발생 및 물체 인지 시간을 관찰하고 분석하기 위해 다음과 같은 설계를 하였다. 연구의 독립변수는 밝은 조도와 어두운 조도 간의 조도 차이, 그리고 실험참가자의 연령대로 설정하였다.

종속변수는 암순응 발생 여부와 암순응 이후 물체를 인지하는 소요시간으로 설정하였다. 또한, 암순응 발생을 검증하고 정량적으로 분석하기 위해 피실험자의 뇌파 주파수 변화를 보조 지표로 활용하였다.

암순응을 유발하기 위한 밝은 장소의 조도는 실제 산업현장에서 최저 조도 수준으로 준수하고 있는, 산업안전보건법의 75 lx, 150 lx, 300 lx, 750 lx로 설정하였다. 해당 규칙에 따르면, 초정밀작업은 750 lx 이상, 정밀작업은 300 lx 이상, 보통작업은 150 lx 이상, 그 밖의 작업은 75 lx 이상으로 규정되어 있다.

어두운 장소의 조도는 한국산업표준(KS A 3011) 조도 기준의 활동유형 중, 분류 A 어두운 분위기 중의 시식별 작업장의 최저 조도 3 lx와 분류 B 어두운 분위기의 이용이 빈번하지 않은 장소의 최저 조도 6 lx로 설정하였다. 해당 분류 A는 구내식당, 현관 등의 최저 조도이며, 학교에서도 통행이 적은 통로 장소 등의 최저 조도이다. 분류 B는 승강장, 주차장, 외부 통로, 상업 장소 등의 최저 조도이며, 분류 A와 B는 일상에서 접할 수 있는 장소들이다. 또한, 3 lx와 6 lx는 최초 제정된 시점부터 현재까지, KS A 3011의 조도 기준의 최저 조도 기준으로 되어 있다.

실험 설계를 확인하는 예비실험 과정에서, 어두운 장소의 조도를 10 lx로 설정하였을 때, 예비실험에 참여한 피실험자들에게서 암순응이 발생하지 않음을 확인하였다. 이에, 10 lx를 어두운 조도 환경에 포함하여 명확히 확인하고자 하였다. 그리고 실제 암순응으로 인한 사고 사례의 0.5 lx를 어두운 조도 조건에 포함하여 최종적으로 Table 1과 같은 조도 범위를 설정하였다.

Table 1

Dark Adaptation Experimental Illuminance Ranges

3.2 실험환경

실험장은 외부의 빛이 들어오지 않는 암실로 제작하였다. 내부는 빛의 반사를 예방하기 위해 검은색 무광페인트를 칠하였다.

암실 내부에는 조도 조절이 가능한 조명을 밝은 조도환경과 어두운 조도 환경에 각각 설치하였다. 조명기구는 인증번호 XU110002-9001 모델명 TN-300-CDML 백열전구이다. 백열전구는 특성상 점등이 간단하고 광속저하가 적고, 빛의 집광이 쉽고, 점광원에 가깝다. 또한, 백열전구의 동정(performance) 현상 예방을 위해, 피실험자마다 새로운 백열전구로 교체하여 실험하였다.

암순응 실험장소는 Figure 1처럼 가로 7 m × 세로 3 m × 높이 2.5 m로 구성하였다. 암순응으로 인한 사고는 특정 장소나 구조물, 시설물, 물체를 예측할 수 없기에, 식별물체는 기존 건축물에 설치된 폭 3 m × 높이 25 cm의 바닥 단차 경계석을 그대로 사용하였다. 밝은 조도 환경(bright area)에는 뇌파측정 전극을 두피에 부착한 피실험자가 앉아있는 공간이다. 실험을 통제할 수 있는 조작실(control room)은 조광기와 조명을 제어할 수 있는 조작 버튼을 설치하였고, 노트북과 뇌파측정기의 불빛이 실험에 영향을 주지 않기 위해 별도의 공간으로 분리하였다.

Figure 1

Experimental dark adaption room layout.

3.3 실험 장비와 실험참가자

본 연구는 암순응 현상과 조도 변화 간 상관관계를 분석하기 위해 뇌파측정기와 조도계를 사용하였다. 실험 사용한 조도계는 2년마다 국가 표준에 따라 검⋅교정을 완료한 TES 1336A를 사용하였다. 뇌파측정기는 200편 이상의 국내 논문에서 활용하고 검증된 ㈜LAXTHA의 QEEG 32FX 제품을 사용하였다.

실험참가자는 20대에서 60대까지 연령대별로 3명씩 모집하여 총 15명으로 구성하였다. 참가자들은 남녀 구분 없이 모집되었으며, 사전에 실험 절차와 목적에 대하여 충분히 설명한 후, 참가 동의서를 작성한 후, 실험에 참여하였다.

3.4 예비 실험

실험 도중 발생할 수 있는 위험요인을 파악하고, 장비의 작동상태 및 암순응 실험 설계를 확인하고자 예비실험을 하였다. 총 10명의 참가자를 대상으로 어두운 장소의 조도를 다양한 조건으로 변경하여 암순응 발생 여부를 확인하였다. 그 결과, 10 lx에서는 대부분 암순응이 발생하지 않았다. 이를 명확히 확인하고자 본 실험의 어두운 조도 조건에 10 lx를 포함하였다. 또한, 암실에서 장시간 반복 실험이 피실험자들에게 어지럼증과 눈의 피로를 유발하는 것을 확인하였고, 이를 보완하기 위해 암실 밖에 휴게실을 마련하였다.

3.5 실험 절차

본 실험은 국제 표준 시력검사(Landolt C) 거리인 5 m 환경에서 피실험자의 시각 반응을 관찰하였다. 피실험자를 실험실 내부 의자에 앉히고, 국제 10-20법에 따라 전극을 두피에 부착하였다. 전극 부착 시 전도성 젤을 사용해 접촉저항을 최소화하였으며, 측정 정확성을 위해 전극의 부착 상태를 실시간으로 확인하였다.

각각의 조명과 연결된 조광기를 사용하여 실험하고자 하는 조도 범위 근사치로 조도 수준을 맞췄다. 이후, 조도계를 활용하여 실험할 조도 조건으로 설정하였다. 그리고 밝은 조도의 조명을 순간적으로 소등시켜 암순응을 유발하였다. 이 과정에서, 연구자는 소등 시점을 뇌파측정기의 이벤트 마커(event maker)를 사용하여 기록하였다. 암순응 발생 및 식별물체 인지 시간을 측정하기 위해, 뇌파측정기와 연결된 키보드를 피실험자에게 제공하였다. 피실험자는 암순응이 발생하지 않은 시점과 암순응이 발생하고 식별물체를 인지한 시점을 트리거 신호(trigger signal)를 주어 뇌파측정기와 동기화하였다. 피실험자들은 실험에 대한 목적과 설명을 듣고 참가했으나, 피실험자에 의한 트리거 신호는 주관적 판단에 의한 오류가 발생할 가능성이 있다. 이를 보완하기 위해, 본 실험에서는 측정된 뇌파 데이터를 분석하여 신뢰성을 강화하였다.

각각의 조도 범위 실험 종료 후, 피실험자는 밝은 휴게장소로 이동하였다. 피실험자의 휴식시간 동안, 연구자들은 다음 조도 조건에 맞춰 실험환경을 재설정하였다. 또한, 뇌파측정기는 피실험자가 말을 할 때 움직이는 얼굴 근육에 의해 잡음이 발생한다. 이에, 피실험자에게 소리를 발생시키는 신호 장치를 주어, 연구자와 실험준비상태, 완료 여부 및 실험 중단 등을 요청할 수 있게 하였다.

4.1 암순응 발생 및 인지 시간 분석

실험결과는 Figures 2~5에 나타난 것처럼, 조도 차이와 연령대 간 상호작용 효과가 발생하는 경향을 보였다. 이는 독립변수 간 결합에 따라 암순응 발생 및 물체를 인지하는 시간에 영향을 미치는 것을 시사한다.

Figure 2

Perception time after dark adaption at 75 lx.

Figure 3

Perception time after dark adaption at 150 lx.

Figure 4

Perception time after dark adaption at 300 lx.

Figure 5

Perception time after dark adaption at 750 lx.

본 연구에서는 P-value < 0.05를 유의미함의 기준으로 설정하였으며, 통계적 분석을 통해 독립변수인 조도 차이와 연령이 종속변수인 암순응 발생 및 물체 인지 시간에 미치는 영향을 확인하였다. 밝은 조도 75 lx에서 어두운 조도 0.5 lx로 전환하는 조건에서, 60대 피실험자들은 암순응이 발생하고 물체를 인지하는데 평균 4.52 s가 소요되었다. 이는 20대 피실험자들의 평균인 3.8 s보다 길었다(P = 0.00000921 < 0.05). 밝은 조도가 150 lx로 증가하면, 60대는 평균 5.94 s, 20대는 평균 3.67 s의 물체 인지 시간이 관찰되었으며, 암순응 발생 빈도와 인지 시간 모두 연령대가 높을수록 증가하는 경향을 보였다(P = 0.000000711 < 0.05).

밝은 조도가 300 lx일 때는, 60대 피실험자들이 평균 10.56 s, 20대 피실험자들은 평균 8.43 s가 소요되었다(P = 0.00000409 < 0.05). 특히, 750 lx에서는 60대 피실험자들이 평균 28.17 s, 20대는 평균 8.58 s가 소요되었다(P = 0.000147 < 0.05). 이와 같은 결과는 조도 차이가 클수록 연령대별 암순응 발생 및 물체 인지 시간이 증가함을 보여준다.

암순응 발생은 주로 어두운 조도 0.5 lx에서 가장 두드러지게 나타났으며, 연령대에 따라 물체 인지 시간이 크게 차이 났다. 0.5 lx 구간에서 20대는 평균 3.8 s, 30대는 평균 4.1 s, 40대는 평균 6.7 s, 50대는 평균 9.2 s, 60대는 평균 10.5 s가 소요되었다. 어두운 조도 10 lx에서는, 20대 평균 0.41 s, 30대 0.48 s, 40대 평균 0.72 s, 50대 평균 1.03 s, 60대 평균 1.37 s로 어두운 조도 0.5 lx와 비교해 암순응 발생 빈도와 물체 인지 시간이 줄어드는 경향을 보였다. 이는 어두운 조도의 최소 기준을 10 lx로 설정할 경우, 암순응 발생과 물체 인지 시간이 단축되어 작업환경의 안전성이 향상될 수 있음을 시사한다.

Two-way ANOVA 분석 결과, 독립변수인 조도 차이(p < 0.05)와 연령(p < 0.05)이 종속변수인 암순응 발생과 물체인지 시간에 유의미한 영향을 미쳤다. 특히, 조도 차이가 클수록 연령대별 차이가 더 두드러졌으며, 750 lx와 0.5 lx 간 조건에서 60대와 20대의 물체 인지 시간 차이가 가장 컸다. 이러한 결과는 나이가 증가할수록 암순응 발생 및 물체 인지 시간이 증가한다는 첫 번째 가설과 조도 차이가 클수록 암순응 발생과 인지 시간이 증가한다는 두 번째 가설이 입증되었음을 보여준다.

또한, Figure 6을 보면 알 수 있듯이, 조도와 연령 간 상호작용 효과가 종속변수에 영향을 미치는 것으로 나타났다(F조도 × 연령(12,80) = 2.53 × 10²⁹, p < 0.001). 특히, 20대와 60대의 물체 인지 시간 차이는 75 lx에서 약 0.72 s였으나, 750 lx에서는 약 19.59 s로 증가했다. 이러한 결과는 조도와 연령이 상호작용을 통해 종속변수에 복합적으로 영향을 미친다는 점을 보여준다.

Figure 6

Age and illuminance interaction.

4.2 뇌파 분석을 통한 암순응 발생 확인

실험에 참여한 피실험자들의 트리거 신호가 실험의 의도와 조건에 부합되었는지를 검증하기 위해 피실험자의 뇌파 데이터를 분석하였다.

실험결과, 조도 구간별로 총 240개의 뇌파 자료가 수집되었으며, 이를 통해 피실험자들의 암순응 발생 여부와 인지 과정을 확인하였다. 이 중, Figure 7은 밝은 조도 750 lx와 어두운 조도 0.5 lx로 전환된 조건에서 60대 피실험자의 뇌파 변화를 보여준 것이다. 알파파는 감소하고 베타파와 감마파는 증가하는 경향이 관찰되었으며, 이는 암순응이 발생하고 피실험자가 물체를 식별하기 위한 집중력을 높이고, 고도의 인지 활동을 수행했음을 의미한다.

Figure 7

EEG changes during dark adaption in 60 s subject.

알파파는 주로 안정상태에서 나타나는 파형으로, 빛이 차단된 암실에서 증가하는 경향이 있다. 이는 외부 시각적 자극이 감소함에 따라 뇌가 안정된 상태로 진입하기 때문이다. 그러나, 암순응이 발생하여 시각적 적응과 물체 인지를 위한 활동이 시작되면, 전두극(frontal pole)영역이 활성화되면서 알파파는 감소하였다. 좌측 전두극 Fp1채널은 시각적 주의 집중 및 논리적 사고와 관련이 있으며, 우측 전두극 Fp2 채널은 시각적 정보처리 등과 관련이 있다. Fp1 채널의 알파파는 소등 전 0.263에서 소등 후 0.180으로, Fp2 채널에서는 0.244에서 0.165로 감소하였다. 이는 암순응이 진행됨에 따라 뇌가 안정상태에서 벗어나 시각적 환경 변화에 적응하고 있음을 시사한다. 이러한, 알파파 감소는 암순응이 발생하여 시각적 자극의 탐색과 처리 과정이 활성화되었음을 간접적으로 확인할 수 있는 지표이다. 이러한 알파파의 변화는 Figure 8의 뇌지도(brain mapping)로 확인할 수 있다.

Figure 8

Alpha brainwave mapping of a subject in their 60 s.

베타파는 주의 상태 및 문제해결 과정에서 활성화되며, 암순응 후 증가하는 경향이 확인되었다. 특히, Fp2 채널의 베타파는 소등 전 0.332에서 소등 후 0.429로 증가하였으며, P3와 P4 채널에서도 유사한 증가가 나타났다. 이는 암순응 후 피실험자가 물체를 인지하기 위해 주의력이 집중된 상태임을 나타내며, Figure 9에서 활성화 상태를 확인할 수 있다.

Figure 9

Beta brainwave mapping of a subject in their 60 s.

감마파는 고도의 인지 활동과 정보처리 과정에서 활성화된다. Figure 7에서 알 수 있듯이, Fp1 채널에서는 0.179에서 0.323으로, Fp2 채널에서는 0.247에서 0.338로 각각 증가하였다. 이는 피실험자가 고도의 인지 활동을 수행했음을 의미한다. 감마파의 변화는 Figure 10에서 확인할 수 있다.

Figure 10

Gamma brainwave mapping of a subject in their 60 s.

이러한 뇌파 분석 결과는 암순응 발생과 물체 인지 과정을 객관적으로 검증할 수 있는 도구로 활용될 수 있음을 보여준다.