지난 시간까지 빛의 파장과 종류 및 UV에 대해 자세히 알아봤는데요.
다음으로 태양광의 UV를 인공적으로 생성 가능한 UV램프에 대해 알아보겠습니다.
UV 램프란 투명한 석영관 좌우에 전극이 있고, 내부에 수은, 금속 할라이드 첨가물(METAL ADDITIVE), 버퍼가스(주로 Ar, Xe, He등을 사용한다)를 넣고, 양단을 실링한 구조로 되어 있습니다.
전극은 열전자가 잘 방출되고 유점이 높은 텅스텐 소재를 주로 사용하며 램프 종류에 따라 산화바륨, 산화 이트륨, 산화 스트론듐, 산화칼슘 등 열전자 방사 계수가 낮은 물질을 도핑(Dopping)하여 열전자 방출을 원활히 하는 구조로 설계하는게 기본입니다.
석영관 내부는 초고진공으로 내부의 불순물을 제거한 후 적당량의 수은과 발광물질을 수mg – 수십 mg 넣고 아르곤 가스 또는 아르곤가스와 다른 불활성 가스의 혼합가스를 혼입한 후 배기관을 팁 오프(tip – off : 밀봉 처리하는 것과 유사) 처리합니다.
파워 서플라이 2차 측 2 단자와 램프 전극에서 나오는 전선을 연결하면 UV 램프가 점등되어 UV(자외선)이 나옵니다. 이 때 램프에서 자외선이 나오는 것을 어떤 물질이나 물체가 나오는 게 아니라, 전자기파라는 형태의 에너지가 석영관을 투과하여 나오므로 “방사 : Radiate “라고 표현합니다.
램프에서 자외선이 나오는 전자기파 에너지는 빛 알갱이(입자 : Photon)이며, 이 빛 알갱이가 일정한 진폭으로 파(波 : wave)를 이루면서 램프 밖으로 방사됩니다.
태양광의 UV를 인위적으로 생성 가능한 UV램프 발명은 획기적인데 아쉽게도 램프 점등 시 엄청난 고온의 열을 방출합니다.
램프 중심온도가 5000도나 가까이 된다니 말다한거죠. 이같은 점은 UV램프의 결정적인 단점인데 UV램프를 활용 가능한 곳이 한정되는 이유 중 하나입니다. 하지만 너무 걱정하지 마세요. 나중에 설명할 UV-LED를 사용하면 열로 인한 공정상의 문제는 대부분 해결 가능하니깐요.
모든 uv 램프는 가동 시에 입력 에너지의 70-80%의 열이 발생합니다. UV 램프에서 열이 발생하는 이유는 램프 내부에 고온 플라즈마가 형성되는데 이 플라즈마 코아의 온도가 4500-5200 ℃입니다. 이렇게 발생한 열은 전도, 복사, 대류에 의해 램프를 싸고 있는 석영관, 반사 갓, 피 경화물의 온도를 복합적으로 높이게 됩니다.
UV램프에서 열이 발생하는 것은 UV램프에서 UV를 발생시키기 위한 기본 메커니즘이지만 이렇게 발생한 높은 열은 UV경화기를 사용하는 입장에서는 아무런 도움이 안되며 플라스틱, 전자부품, 광학 필름 등 열에 취약한 재질을 경화함에 있어 결정적인 문제가 됩니다.
UV램프에서 열이 발생하는 메커니즘을 좀 더 자세하게 설명하겠습니다.
① UV 램프를 점등하면 전극에서 열전자가 방출되고, 이 전자는 램프 내부의 수은 원자의 최외각 전자와 충돌하여 전자가 궤도에서 이탈하고, 전자를 잃어버린 수은 원자는 + 전하를 띤 이온이 됩니다. 이 때, 램프내부는 전자와 + 전하의 수은 원자 이온이 균형을 이루면서 전기적으로 부도체인 공간이 도체로 변합니다.
② 전극에서는 계속적으로 열전자가 방출되고 전리되지 않은 수은 원자는 계속 전자를 잃고 수은 이온이 되면서 램프 내부에 완전한 플라즈마가 형성되면서 중심 온도가 4500-5200℃로 높아집니다. 고온 플라즈마 상태를 계속 유지하려면 코아의 내부 온도가4500~5200℃ 사이로 쭉 유지가 되어야하는데 이 때에만 UV를 계속 방사할 수 있습니다. 그래서 UV램프는 UV-LED와 달리 즉시 점등이 힘들고 점등 후 대기 시간(Cool Time)이 필요하게 됩니다.
이렇게 램프 내부의 온도가 높아지는 이유는 수은 원자의 최외각 전자가 전극에서 방출된 전자와 충돌 후 원래 궤도로 복귀하면서 자기가 받은 에너지를 전자기파의 형태로 방출하기 때문인데요. 이 전자기파의 파장이 100-380nm이면 자외선, 380-780nm이면 가시광선, 780nm 이상이면 열선이 됩니다.
물리, 화학과 관련한 용어가 너무 많이 나와 머리 속이 복잡하시죠?
UV램프를 직업 설계하는 게 아니면 UV램프에서 왜 고온이 발생하는지에 대한 이유만 아셔도 충분합니다.
그럼 다음 시간에는 UV응용 분야 중 하나인 UV경화에 대해 알아보겠습니다.
