경화용 UV 램프

UV는 에너지가 높기 때문에 이 높은 에너지를 이용하기 위해 여러 산업분야에서 여러가지 UV 램프가 사용되고 있다.
오존 발생, 살균, UV경화, 광분해, 광합성, 노광, 표면 세정/개질 등 uv의 작용과 목적에 따라 여러가지의 uv 램프가 있다. , 사용하는 용도에 따라 램프의 직경, 길이, 전극의 구조, 베이스(소켓부분)의 모양과 구조가 각각 다르다.

UV의 에너지가 높기 때문에 높은 에너지를 이용하기 위해 여러 산업분야에서 uv 램프가 사용되고 있다.

1. 경화용 UV 램프 구조
1). 석영관 : 직경 15-35mm의 석영관을 사용하여 만들며, 대부분의 램프는 외경 24.5-25mm의 석영관을 사용하여 만든다.

2). 발광 물질 : 램프 내부에는 램프 종류에 따라 수은 혹은 Metal halide salt 라는 발광 물질이 등어 있어서, 좌우의 전극에 전기가 공급되면 수은 혹은 Metal halide가 발광한다.
**수은 혹은 Metal halide salt의 분자가 전자 충격을 받아 외곽 전자가 여기 되었다가 원래의 괘도로 복귀하면서 전자 충돌시 받은 에너지를 전자기파의 형태로 방출하는데 이러한 과정에서 빛이 나오므로 불이 켜지는 과정을 “발광”이라고 한다.

3). 전극 : 램프 내부에는 텅스텐으로 된 전극이 램프 중심을 향하여 1개씩 있다 외부에서 공급되는 전기를 램프 내부로 연결시켜주는 통로이다. 공급된 전기는 전자의 흐름이며, 전기가 공급되면 전극의 끝 부분에서 열전자가 방출되고, 이 열전자는 램프 내부의 수은 원자 궤도의 전자와 충돌하여 원자 궤도의 전자가 여기되었다가 원래 위치로 복귀하면서 에너지를 전자기파의 형태로 방출한다. 이 때 나오는 전자기파 중에서 파장이 100-370nm인 전자기파가 바로 uv이다. 전극은 온도가 2800-3000도로 높아지므로 고온에서 견딜 수 있는 텅스텐으로 만든다. 전극의 핵심은 저온에서 전자를 잘 방출하며, 불순물에 의해 전극이 산화되거나 소손되지 않도록 설계하고, 제작한다.

**.좌우 전극의 끝 부분에서 맞은편 전극의 끝부분 까지의 길이를 극간거리 혹은 발광장(Arc Length)라고 부른다.

4). 버퍼 gas : 석영관의 내부에는 눈에는 보이지 않지만 아르곤, 크세논, 헬리움, 크립톤 등의 완충 가스가 수-수백 Torr 들어 있다. 완충 가스의 종류와 량에 따라 특정한 파장이 두껍게 혹은 얇게 나오고, 점등 전압, 흑화 진행 속도가 달라진다.

5). 베이스 : 램프에는 수백-수천 볼트의 고전압이 인가되므로 전기가 도입되는 부분은 고압에 충분히 견뎌야 하고, 석영관은 유리처럼 잘 깨어지기 쉬운 재질이므로 석영관을 보호할 필요가 있다. 이러한 목적으로 사용되는 것이 램프 베이스이다.
램프 베이스는 보통 세라믹으로 되어 있으며, 황동 혹은 니켈 도금한 황동을 사용하는 램프도 있다.
**램프 베이스는 램프 제조회사별, 램프 모델 별로 수십 수백 가지의 모양과 크기가 있으며, 램프 구입처를 변경할 때는 베이스 모양을 알려 주는 것이 좋다.

6). 전선 : 램프에 전기를 인가해 주는 도체 이다.
램프에는 수백-수천 볼트의 고전압이 인가되는데 안정기(파워 스플라이)에서 나오는 고압 전원을 램프에 연결 시켜 주어야 한다.
**전선은 고전압과 고온을 견딜수 있는 실리콘 전선 혹은 테프론 전선이 사용된다.

7). 열 반사막 : 램프가 정상적으로 작동하기 위해서는 전극 주위의 온도가 800-900도로 높아야 하고, 이 부근의 온도를 높게 유지해 주어야 한다. 그러나 전극에서 발생된 열은 투명한 석영관을 통하여 외부로 손실되므로 전극이 내각되는데, 전극의 열손실을 방지하기 위해 열을 반사할 수 있는 열 반사막이 필요하다. 열 반사막은 전극 주위 외부에 황색 혹은 백색의 알루미나 혹은 금 박막을 형성시켜 만든다.

한편, Uv 램프에서는 고열이 발생하므로, 램프를 냉각 시키기 위해 차가운 공기를 공급하거나, 주위의 더운 공기를 배출해야 하는데 이때 전극도 지나치게 냉각되어 램프 내부의 수은이 응축되어 찬 석영관의 내벽에 응축하는 현상이 생긴다. 수은이 석영관의 내벽에 응축되면 램프가 제대로 발광되지 않고 희미해 지므로 uv 경화가 되지 않는다. 이러한 현상을 “과냉(過冷 : Overcooling)이라고 하며, 과냉을 막기 위해 전극 외부에 황색 혹은 백색의 “열반사막”이 코팅되어 있다.

2. 경화용 UV 램프의 종류
UV 경화용 uv 램프는 발광되는 파장에 따라 수은 UV 램프, 메탈할라이드 UV 램프, 갈륨 UV 램프 등 3가지가 사용되고 있다.
램프가 켜지면 램프 내부에 있는 발광 물질 종류에 따라 발광되는 파장이 달라진다.
수은이 들어 있으면 수은이 발광하고, Fe가 들어 있으면 철이 발광하고, Ga이 들어 있으면 갈륨이 발광한다. 램프 내부에 수은이 들어 있어서 수은이 주로 발광하면 수은 UV 램프라고 부르고, Fe가 들어 있으면 메탈 할라이드 UV 램프라고 부르고,, Ga이 들어 있으면 갈륨 UV 램프라고한다.
이는 콩 이란 이름은 같아도, 대두, 콩나물 콩, 검은 콩, 완드콩 등 종류가 다른 것과 비슷하다.

2.1. 수은 uv 램프
살균용 UV 램프로서 80년 이상 사용되어 온 램프이고, 경화용 uv 램프로서도 30년 이상 사용되어 왔으며, 지금도 가장 많이 사용되고 있다.

수은은 전리전압이 낮아 방전 시키기가 쉬운 물질이므로 램프의 발광 물질로 수십년간 사용되어 왔다.

수은등(Mercury UV Lamp)은 수은 증기의 방전 특성을 이용한 것이다.
전극에 고전압이 인가되면 전극의 끝 부분에서 전자가 방출되고, 이 전자는 램프 내부의 수은 원자 주위의 전자와 충돌한다. 충돌된 수은의 전자는 에너지를 받았으므로 정상궤도에서 순간적으로 이탈되었다가 다시 원위치로 복귀하면서 자기가 받은 에너지를 내 놓는다. 이 과정을 여기 ”Excited”라고 하며, 여기 되었다가 원래 궤도로 복귀하면서 내 놓는 에너지를 전자기파라고 한다.

전자기파는 입자(Photon)의 파장에 따라 200nm에서 2000nm 까지 여러가지가 있다.
이 중에서 185nm에서 350nm 까지가 uv이다.

전극에서 방출된 전자가 수은 원자 주위의 어떤 궤도의 전자와 충돌하느냐에 따라 방출되는 전자기파의 파장이 달라진다. 램프 내부에 수은을 넣어 만든 램프를 “수은 uv 램프”라고 한다.

“수은 uv 램프”에서 나오는 파장은 전극 구조, 램프 내부의 압력, 극간 거리, 길이 부하등에 따라 다소 다른데 경화용 수은 uv 램프에서는 다음과 같은 파장이 나온다.
253.7 nm
294.7 nm
296.7 nm
302.2 nm
365   nm
404.6 nm
435.8 nm
546   nm
614   nm
1014  nm

수은 uv 램프의 파장 분포

2.2. 메탈 UV 램프
대부분의 UV 수지는 에너지가 높을수록 경화가 잘 되게 만들어져 있다.
그러나 단파장의 uv는 에너지는 높지만 투과율이 나쁘고, 이에 비해 장파장의 UV는 에너지는 낮지만 투과력이 좋아서 두께가 두꺼운 코팅액이나 유색 코팅일 경우 투과율이 좋으므로 장파장의 UV가 필요한 경우도 많다. 산업현장에서 사용되는 UV 수지는 너무 단파장도 아니고, 단파장도 아닌 uv가 필요하게 되었다.

그러나, 수은 uv 램프는 중간 파장의 자외선은 365nm의 단일 스펙트럼만 나오는 단점이 있어서 이를 개선하기 위해 중간정도의 파장을 많이 내는 방전 물질을 찾던 중 철(鐵 : Iron)이 중간 파장인 365nm 부근에서 여러 파장 범위의 자외선이 많이 낸다는 것을 발견하여, 철을 수은대신 발광 물질로 사용하게 되었고, 이처럼 철과 다른 주석과 같은 금속 첨가물을 넣어 만든 램프를 메탈 할라이드 램프(Metal Halide UV Lamp)라고 한다.

메탈 할라이드 램프(Metal Halide UV Lamp)의 파장은 다음과 같이 365nm 부근에서 매우 여러 개의 파장이 나오므로 여러가지의 파장이 나오는 것이 나무가 우거진 숲처럼 보인다.
**마치 숲처럼 보인다고 해서 ‘숲 같은 스펙트럼(bush like Spectrum) 혹은 “유사 연속 스펙트럼” (Pseudo Continuous Spectrum 이라고 부르기도 한다.

“메탈 할라이드 uv 램프”에서 나오는 파장은 대략 다음과 다음과 같은 파장이 나온다.
302   nm
305.9 nm
319.3 nm
344   nm
344.4 nm
346.6 nm
347.5 nm
349   nm
356.5 nm
358.1 nm
360.8 nm
361.9 nm
363.1 nm
364.7 nm
368   nm
370.5 nm
372   nm
372.2 nm
373.3 nm
373.4 nm
373.7 nm
374.6 nm
374.8 nm
374.9 nm
376.4 nm
381.6 nm
382   nm
382.4 nm
382.7 nm
386   nm
387.9 nm
388.2 nm
388.6 nm
390   nm
393   nm

메탈 UV 램프의 파장 분포

2.3 갈륨 uv 램프

수은 UV 램프는 365nm의 단파장만 많이 나오므로 코팅이나 인쇄시 코팅층의 표면만 경화되고, 코팅 층 깊숙한 내부는 잘 경화되지 않는 문제가 생기게 되었다. 이러한 결점을 보와하기 위해 투과력이 좋은 uv 램프가 필요하게 되었다.
Fe 메탈 램프처럼. Fe 대신 갈륨을 UV 램프 내부에 넣으면 갈륨의 고유한 파장인 403.2 nm, 417.2nm, 425.1nm, 426.2n, 639.6nm의 긴 파장이 나온다.
**갈륨 램프의 403.2 nm, 417.2nm, 425.1nm, 426.2n, 의 긴 파장은 엄밀히는 uv가 아니라 가시광선이지만, 산업현장에서는 uv라고 분류한다.

경화용 갈륨 uv 램프에서는 다음과 같은 파장이 나온다.
403.2 nm
417.2 nm
425.1 nm
426.2 nm
639.6 nm

갈륨 uv 램프의 파장 분포

갈륨 UV 램프는 투과력이 좋아야 하는 유색 잉크나, 코팅층이 두꺼운 목재용, 필름의 노광, 제판, 유색 도료의 경화에 주로 사용된다.