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파장, 자외선, 적외선

초등학교에 다닐 때는 빛이 직진한다고 배운다.
중학교에 다닐 때는 빛은 직진하면서 굴절한다고도 배우다가, 고등학교 물리시간이 되면 갑자기 빛은 입자 (粒子 : Photon)이며, 파(波 : wave)를 이루면서 진행한다고 배운다.
똑 같은 빛을 두고 직진한다고 했다가, 굴절한다고 배우다가, 고등학교 때는 갑자기 빛은 입자라느니 파(波)가 어떻고, 회절과 간섭이 어떻고, 2차 방정식도 완전히 이해하기 어려운데 사인 웨이브(sine wave)가 어떻고,.. 떠들어대니 그놈의 물리라는게 갑자기 골치 아파서 일치감치 포기해 버리는 사람도 많다.
그러나 겁 먹을 건 없다. 물리학도 다 사람이 만들어 놓은 것이고, 여기에서는 알기 쉽게 풀어 서 써 놓았으니까...!
입자, 파장, 파의 개념을 잠깐 짚고 넘어가자.


빛은 직진한다


빛의 굴절

빛은 파(波)이다



빛의 회절

파동의 회절

1. 파장
초등학교에 배운 것 처럼 빛은 직진한다.
그런데 빛을 자세히 관찰하면 단순히 직진만 하는게 아니라, 빛은 직진도 하고, 굴절도 하고, 회절도 하고, 간섭하기도 한다.

빛은 빛 입자가 파도 치듯이 일정하게 움직이는 에너지이다.
에너지를 가진 입자가 램프 유리를 뚫고 밖으로 직진해 나오는게 아니라 마치 파도 치듯이 파(波)의 형태로 램프 밖으로 나온다. 빛 입자(粒子)가 입자가 가진 에너지에 따라 그림5 처럼 파도 치듯 일정하게 움직인다. 파도의 높이와 높이 사이의 거리를 파(波 :Wave)의 길이 즉 파도 모양의 길이(長 : Length) 라는 뜻으로 파장(波長 :Wave Length)이라고 한다.

파(波 :Wave) + 파도 (波 :Wave)의 길이(長 : Length) = 파장(波長 :Wave Length)

빛은 모두 파장(波長)이 똑 같은 줄 알았으나 730-780 nm인 것은 적색(赤色:Red)으로 보이고, 670-730 nm인 것은 주황색으로, 380-430 nm인 것은 보라색(紫色:Violet)으로 보이는 것을 알게 되었다.


자외선은 파장이 짧고, 적외선은 파장이 길다


빛의 파장의 개요와 종류

2. 가시광선
램프를 키면 눈에 비치는 빛을 가시 광선이라고 한다.
램프 밖으로 나오는 빛이 모두 우리 눈에 비치는게 아니다.
옛날에는 모든 빛이 모두 사람 눈에 보이는 줄 알았다. 그러나 모든 빛이 눈에 보이는 것은 아니다. 가시 광선만 눈에 보인다.
국민학교에 다닐 때 배운대로 햇볕을 프리즘에 비추고 뒤에 스크린을 설치하면 스크린에 비치는 빛은 빨,주,노,초,파,남,보라색만 비친다. 이 것은 빛이 각 색갈별로 파장의 길이가 다르고, 각 파장별로 색갈이 다르는 뜻이다. 국민학교 때는 눈에 보이는 가시 광선만 있는 것으로 배우지만, 프리즘으로 분광하면 빛도 빨,주,노,초,파,남,보라색으로 나뉜다는 의미는 빨강, 보라색 이외에도 다른 파장의 빛도 있다는 뜻이다. 중학교 고등학교를 지나면서 이러한 것을 자외선, 적외선이라고 배운다.

빛 입자는 각 입자별로 에너지가 다르다.
어떤 입자는 100nm로 움직이고, 어떤 입자는 400nm로 움직이고, 어떤 입자는 700nm로 움직인다. 10nm-1.000.000nm 범위의 수십 - 수백만 개의 빛 입자(전자기파) 중에서 380nm-780nm의 파장을 가진 빛(입자)만 눈에 보이고, “눈에 보인다”는 의미에서 가시광선(可視光線 :Visible)이라고 부르게 되었다.

초기에는 빛의 파장(波長)은 모두 똑 같은 줄 알았으나 730-780nm로 파장이 긴 빛은 빨갛게(赤色 : Red) 보이고, 670-730 nm인 빛은 주황색으로, 380-430 nm인 빛은 보라색(紫色:Violet)으로 보이는 것을 알게 되었다

사람은 인류 문명을 창조해 왔고, 자연을 정복해 나갈 만큼 위대하다고 생각하는 사람도 있다. 그러나 사람은 파장이 380nm-780nm로 움직이는 빛의 입자 밖에 볼 수 없을 정도로 미약한 존재에 불과하다. 수십만 가지의 빛의 파장 중에서 380nm-780nm로 움직이는 빛의 입자 밖에 볼 수 없을 정도로 나약한 존재에 불과할 뿐이다.

반면 한낱 미물에 불과한 올빼미는 적외선 범위에서 잘 보고, 나방은 자외선 범위에서도 잘 보인다. 인간이 위대하다고 자만할 게 아니라 하느님 앞에서 좀더 겸허해 질 필요가 있지 않을까?


프리즘을 통한 빛의 분해

3. 적외선
과학이 별로 발전하지 않았을 때는 모든 빛은 눈에 보이는 빛(可視光線 :Visible)만 있는 것으로 알았다. 차츰 분석기술이 발전하면서 적색(赤色:Red) 보다 파장이 훨씬 긴 것도 있고, 보라색(紫色:Violet)보다 파장이 훨씬 짧은 것도 있다는 것을 알게 되었다.
1800년 헤어첼(F.W.Herschel)이, 눈에 보이는 가시 광선 보다 파장이 긴 것이 있는데 이것은 현열효과가 있다는 것을 발견하고, 1835년에 A.Ampere는 이 빛의 입자도 파장의 길이만 길 뿐이고, 가시광선과 거의 같은 전자기파 임을 알아냈습니다.

3.1. 적외선이라고 부르는 사유
적색(赤色:Red)보다 파장이 긴 빛 입자는 분명히 존재하는데 눈에도 보이지 않고 이름 지을 것이 마땅치 않아 임시로 적색(赤色:Red) 밖(外)에 있는 선이라는 뜻으로 적색외의 선(赤色 外線 = 赤外線 )이라고 부르다가, 단어가 너무 길고 부르기가 귀찮으니 짧게 줄여서 적외선(赤色線)이라고 부르게 되다가 나중에 이 단어를 적외선이라고 공식적으로 이름짓게 되었다.
영어로는 “뒤에”, “뒤쪽의”라는 의미의 “Infra””라는 접두사를 적색(Red)앞에 붙여서 적색 밖의 선(赤外線 : Infra Red)라고 부르게 된 것이 오늘날에는 적외선(赤外線 : Infra Red)이라는 단어가 적색보다 긴 파장의 공식 명칭이 되었다.

적색(Red) + “뒤에”, “뒤쪽의(Infra) = 적색(Red) 밖의 선(赤外線 : Infra Red)
적외선(赤外線 : Infra Red)


적외선 파장 영역

3.2. 적외선의 종류
적색 바로 밖에 있는 780-2000nm의 적외선은 적색에 가까이 있으므로 가깝다는 의미의 근(近)자를 붙여 근적외선(近 赤外線 : Near Infra Red)이라고 부르고, 적색보다 매우 먼 곳의 적외선은 적색 보다 “멀다”(遠 : Far)는 뜻의 원(遠)자를 붙여 원적외선(遠 赤外線 : Far Infra Red)이라고 불렀다.
근적외선과 원적외선만 구별하여 연구하다가 보니 2가지의 중간에 성질이 매우 다른 2000-4000nm의 적외선 범위가 있음을 알게 되어 지을 이름이 마땅치 않아 차일 피일하다가 부를게 마땅치 않아 중간에 있는 적외선 즉, 중적외선(中赤外線 : Middle Infra Red)이라고 부르게 되었다.

근적외선은 Near Infra Red 이라고 부르려니 귀찮으니 NIR이라고 줄여서 부르고, 중적외선은 Middle Infra Red 이라고 부르니 그것도 힘들어서 “MIR”로 줄여서 부르고, 원 적외선은 Far Infra Red이라고 부르니 혀도 잘 돌아가지 않고 너무 힘드므로 “FIR”이라고 약자로 부르는데, 그것도 좀 어려우니 한글고 원적외선이라고 부른다.

적외선(赤外線 : IR : Infra Red) : 적색 밖(外)의 선

①근적외선(近 赤外線 :N IR : Near Infra Red) 적색에 가까이 있는선
②중적외선(中赤外線 : MIR : Middle Infra Red) : 근적외선과 원적외선 사이의 선
③원적외선(遠 赤外線 : FIR : Far Infra Red) : 중적외선 밖의 4000-100만nm의 적외선

3.3. 적외선의 특징
적색 바로 밖에 있는 780-2000nm의 적외선은 적색에 가까이 있으므로 가깝다는 의미의 근(近)자를 붙여 근적외선(近 赤外線 : Near Infra Red)이라고 부르고, 적색보다 매우 먼 곳의 적외선은 적색 보다 “멀다”(遠 : Far)는 뜻의 원(遠)자를 붙여 원적외선(遠 赤外線 : Far Infra Red)이라고 불렀다.
근적외선과 원적외선만 구별하여 연구하다가 보니 2가지의 중간에 성질이 매우 다른 2000-4000nm의 적외선 범위가 있음을 알게 되어 지을 이름이 마땅치 않아 차일 피일하다가 부를게 마땅치 않아 중간에 있는 적외선 즉, 중적외선(中赤外線 : Middle Infra Red)이라고 부르게 되었다.

적외선은 단위 길이당 진동수가 작으므로(파장이 길므로) 투과력이 좋고, 가시광선 보다는 에너지가 낮지만 적색 바로 다음으로 높은 에너지 준위를 가지고 있어 현열 효과가 아주 뛰어나다.

인류의 문명 발전은 좋고 유용한 것을 더 좋은 쪽으로 이용하고, 나쁜 것을 개선하는 방향으로 발전해 왔다.
근적외선은 에너지 준위가 높고 현열 효과가 우수하므로 제품의 표면 건조에 많이 이용된다. 우리가 사용하는 대부분의 할로겐 램프는 근적외선 램프이다.
적외선이 방사되면, 피가열물에 흡수된 에너지가 피가열물 구성 분자의 운동(진동)을 유발시키고, 진동하는 분자는 마찰로 인하여 열이 발생하는데 이러한 메커니즘이 적외선 가열 원리이다.

원적외선은 투과력이 매우 좋으므로 군사용 야간 투시경이나 원적외선 카메라로 쓰이기도 하고, 통닭을 통째로 익히는 바비큐에 사용하거나, 사람의 표피를 수mm 뚫고 들어가 땀샘에 고여 있는 수분을 데워서 땀이 나게 하는 역할도 하므로 , 원적외선 헬스나 사우나용으로 사용된다.

4. 자외선
분석 기술이 덜 발달했을 때는 빛은 가시광선과 적외선만 있는 줄 알았다.
그런데 1801년 독일의 화학자 J.W.리터가 눈에 보이지 않는 극히 짧은 파장의 빛 입자가 사진 필름을 감광시키는 것을 보고 보라색 보다 더 짧은 파장의 빛 입자도 있다는 것을 발견하게 되었다.

4.1. 자외선의 어원
보라색(紫色 : Violet)보다 훨씬 짧은 파장의 빛(전자기파)을 처음에는 뭐라고 부르는게 마땅치 않았다. 그래서 임시로 보라색(紫色) 밖(外)에 있는 선이라는 뜻으로 자색 밖의 선(紫色 外線)이라고 부르다가 이름이 너무 길고 번거로워 자외선(紫外線)이라고 줄여 불렀다. 영어로는 “극단적인, 극도로, 초(超)」의 뜻을 가진 “Ultra”라는 접두사를 자색(Violet)앞에 붙여서 보라색보다 극히 짧은 자색 밖의 선(紫色 外線 : Ultra Violet) 즉 자외선이라고 부르게 된 것이 오늘날에는 자외선(紫外線 : Ultra Violet)이 일반 명사가 되었고, 오늘날은 이를 줄여서 UV라고 부르게 되었다.


파장별 uv 가시광선, 적외선

4.2. 자외선의 종류
자외선 역시 보라색 바로 옆에 있는 300-380nm에 있는 것도 있고, 10-250nm로 파장이 극히 짧은 자외선도 있다. 보라색 바로 옆에 있는 300-380nm는 자색에 가까이 있으므로 , 가깝다는 의미의 근(近)자를 붙여 근자외선(近紫外線 : Near Ultra Violet), 보라색보다 먼 곳의 자외선은 “멀다”(遠 : Far)는 뜻의 원자외선(遠紫外線 : Far Ultra Violet라고 불렀다.

특히 자외선은 가시광선이나 적외선에 비해 에너지 준위가 높아서 화학반응을 일으키거나, 균을 죽이거나, 화학 물질을 분해 혹은 합성하여 다른 물질을 만들수 있는 강한 에너지를 가지고 있고, 파장별로 용도도 다르다.

에너지가 센 자외선이 적외선과 똑같이 근자외선, 원자외선 식으로 따라 부르는 것이 너무 자존심이 상하고, 오히려 헷갈리기도 해서 UV-A, UV-B, UV-C 라고 고쳐 부르기로 했는데 어떤 학자들은 처음에 불렀듯이 근자외선, 원자외선이라고 계속 부르기도 한다.

4.3. 자외선의 종류와 용도
자외선은 파장이 짧을수록 에너지는 강하고 침투력은 약하다.

자외선은 가시광선보다 단위 에너지가 높으므로 세균을 죽일 수도 있고, 화학반응을 일으켜서 전혀 다른 물질을 합성할 수도 있으며 심지어 산소를 화학 반응시켜 오존으로 만들 수도 있다.
주로 많이 이용하는 것이 병원, 제약회사, 식품공업에서의 살균용으로 사용하거나, 건강을 위한 선텐, 순간적인 표면 경화, 표면 코팅, 접착에 이용하는 광화학 중합이다.

자외선의 파장의 길이에 따라 자외선을 분류하면 다음과 같고, 파장별 에너지 준위, 침투력, 응용분야를 보면 다음과 같다.

종류
파장(mm)
주요 파장
명칭과 작용
주용도
에너지 준위
(Energy Level)
침투력
(Premeability)
UV-A
355-420
365
화학선
블랙 라이트
Uv 경화 선테닝
약함
강함
UV-B
280-315
296.7. 302
홍반선
화학 반응
중간
중간
UV-C
180-280
184.9.
253.7
오존발생선
살균선
오존발생
살균
uv 세정/개질
강함
약함

4.4. 빛의 파장에 따른 종류와 용도 요약
램프를 켰을 때 나오는 빛은 파장의 길이에 따라 다음과 같이 요약된다.
엄밀하게는 램프를 켰을 때 나오는 모든 에너지를 빛이라고 부르지 않고, 전자기파(電子氣波 : Electro Magnetic Wave)라고 부르며, 전자기파 중에서 눈에 보이는 가시광선만 “빛” 이라고 부른다.

전자기파의 파장의 길이에 따라 에너지 강도, 투과력 및 응용분야를 보면 다음과 같다.

구 분
세분류
파장범위(nm)
에너지 준위(Energy Level)
투과력(Premeability)
주용도
UV-A
355-420
365
화학선 블랙 라이트
Uv 경화 선테닝
약함
X- 선
 
0.01-100
매우높다
very poor
사진 ,무기
자외선
UV-A
UV-B
UV-C
100-380
높다
poor
오전발생
uv 경화,
살균,
광화학반응
가시광선
 
380-780
중간
Middle
조명
적외선
NIR
MIR
FIR
780-2000
2000-4000
4000-100만
낮다
high
건조,난방
사우나,분석
마이크로
웨이브
 
100만 이상
매우낮다
very high
생체 에너지
가열,분석,측정,
통신