With the increase in various types of electronic devices, people are spending many hours watching mobile displays. However, the light emitted by these displays exerts some adverse influences on users’ visual comfort and preference, and this becomes more severe in a dark environment. Consequently, the problem caused by inappropriate luminance and chromaticity of displays has become a critical issue. In this regard, this study investigates the optimal luminance and chromaticity when viewing mobile displays under low illuminance by balancing physiological comfort and psychological satisfaction. The study involves three procedures as follows.
Firstly, the optimal display luminance was examined by evaluating physiological and psychological responses to diverse levels of luminance. The experimental results indicated that the optimal luminance for first-time viewing of a display differed from the optimal luminance for continuous viewing of a display, and the transition in display luminance between the two viewing conditions should occur slowly. Based on the results, an adaptive luminance model was established in consideration of the time-dependent adaptation of the human visual system. In the model, the display luminance changed gradually with the passage of time spent watching. It began at a luminance of $10 cd/m^2$, and ten seconds later, the luminance started to increase for 20 seconds until it reached $40 cd/m^2$.
Secondly, psychophysical experiments were conducted to examine the optimal display chromaticity by reducing blue light without distorting the perceived quality of displays. The subjects judged perceptibility and acceptability of the displays with different types of content and color composition. As a result, a white tinged with yellow was determined to be the optimal chromaticity, but there was some difference depending on the color composition of the content. A slight chromaticity shift to yellow is recommended if a white covers a majority of the display, whereas a large shift is permitted on a full-color display that has no white point.
Lastly, the effect of the optimal display was validated by measuring the subjects’ physiological responses such as melatonin concentration, body temperature, and heart rate before and after using the different displays. The experimental result was that the display with low luminance and tinged with yellow did not affect users’ circadian rhythm thus it supports restful sleep, and this confirmed the superiority of the optimal display compared with the current display for using smartphones under low illuminance.
We expect that the findings of this study will contribute to the pleasing use of mobile displays by applying to diverse types of visual display terminals, and the optimal display plays a decisive role in the display industry for increasing the design competitiveness of products.
디스플레이 기술이 발전하고 다양한 종류의 VDT (Visual Display Terminal)가 일상 생활에 널리 보급됨에 따라 사용자들이 디스플레이를 사용하는 시간이 점차적으로 증가하고 있다. 최근 연구에 따르면 약 80 %의 사람들이 잠들기 전 불이 꺼진 어두운 방 안에서 스마트폰을 사용한다고 한다. 이러한 상황에서는 주변 밝기에 비해 스마트폰 디스플레이에서 나오는 빛의 휘도가 상대적으로 매우 높으며, 따라서 사용자는 눈부심으로 인한 시각적 피로감을 느끼게 된다. 또한 디스플레이에서 방출되는 청색광 (blue light)은 숙면을 돕는 호르몬의 분비를 저해하여 생체 리듬을 불규칙하게 만들며 심각한 경우 수면 장애를 유발하기도 한다.
이에 본 연구에서는 어두운 환경에서 사용하기 적합한 모바일 디스플레이의 휘도 및 색도를 탐색하고, 이 과정에서 사용자의 생리적인 편안함과 심리적인 만족도 간의 균형을 이루고자 하였다. 연구의 목적을 달성하기 위해 3가지의 단계적 과정이 수행되었으며, 각 단계에 대한 상세한 내용은 다음과 같다.
첫째로, 다양한 밝기를 가진 디스플레이에 대한 사용자들의 생리 및 심리 반응을 평가하여 어두운 환경에서 시청하기 적합한 디스플레이 휘도를 찾아내었다. 그 결과 처음 디스플레이를 볼 때 적합한 휘도와 장시간 디스플레이를 사용할 때 적합한 휘도가 각기 다름을 밝혔으며, 이 둘을 모두 충족시키기 위해서는 휘도가 점차적으로 변화해야 함을 확인하였다. 또한 이를 바탕으로 시간에 따라 주변 밝기에 적응하는 인간의 시각 체계를 고려한 ‘순응형 휘도 모델 (adaptive luminance model)’을 제안하였다. 해당 모델은 사용자가 시각적 편안함을 유지할 수 있도록 $10 cd/m^2$ 의 낮은 디스플레이 휘도를 제시하며 이를 10초 동안 유지한다. 그 후 시각 순응 과정에 맞추어 20초 간 점차적으로 휘도가 증가하고, $40 cd/m^2$ 에 도달하게 되면 변화를 중지하고 그 밝기를 유지한다.
다음으로, 디스플레이 색도에 대한 사용자들의 심리적 허용 범위를 탐색하고 이를 바탕으로 최적 디스플레이 색도를 밝혀내었다. 실험 결과 노란 빛을 띠는 흰색 디스플레이에서의 허용 범위가 가장 크며, 또한 청색광을 가장 많이 줄일 수 있는 것으로 확인되었다. 그러나 이는 디스플레이 상에 제시된 콘텐츠의 색채 구성에 따라 약간의 차이가 존재했다. 흰색이 주를 이루는 디스플레이의 경우 작은 폭의 색도 변화가 권장되는 반면, 백색점이 존재하지 않는 풀컬러 디스플레이에서는 상대적으로 큰 폭의 색도 변화가 허용된다.
마지막으로, 검증 평가를 통해 앞서 찾아낸 디스플레이 휘도 및 색도의 실제적 효과를 확인하였다. 다양한 휘도와 색도의 디스플레이를 사용한 후 사용자의 멜라토닌 분비량, 체온, 심박수를 측정한 결과 노란빛을 띤 저휘도 디스플레이가 사용자의 생체 리듬에 가장 적은 영향을 미친다는 것이 밝혀졌으며, 이는 본 연구 결과 제안된 최적 디스플레이 (optimal display)의 우수성을 입증한다.
본 연구는 다학제적인 접근을 통해 어두운 환경에서 사용하기 적합한 스마트폰의 디스플레이 휘도 및 색도를 제안하였다. 스마트폰 사용이 사용자의 건강에 미치는 영향이 큰 화두가 되고 있는 지금, 본 연구는 보다 편안하고 만족스러운 디스플레이 사용에 큰 기여를 할 수 있을 것이라 생각되며, 또한 연구 결과를 실제 VDT에 적용함으로써 제품의 디자인 경쟁력을 향상시키는 역할을 하게 되기를 기대한다.
