UV 램프의 열

uv램프는 내부 온도가 높게 유지되어야 uv가 방사되는 고온 프라즈마이다.
램프의 높은 온도는 3500-5000 ℃의 고온이므로 많은 열이 발생하는 것은 어쩔수 없지만, 램프의 품질에 따라 열과 uv 효율이 달라진다. uv 램프의 품질이 좋으면 열이 10-20% 덜 발생하고, uv 효율이 10-20% 더 높아진다.
열이 많이 발생되는 원인, 이에 대한 대책을 살펴보면 다음과 같다.

1. 경화용 uv 램프 열(Heat)
모든 uv 램프는 가동시에 입력 에너지의 70-80%의 열이 발생한다.
UV 램프에서 열이 발생하는 이유는 램프 내부는 고온 플라즈마가 형성되는데 프라즈마 코아의 온도가 3500-5000 ℃이다. 3500-5000 ℃의 높은 온도가 전도, 복사, 대류에 의해 램프를 싸고 있는 석영관, 반사갓, 피 경화물의 온도를 높이게 된다. 즉 램프에서 열이 발생하는 것은 UV램프에서 UV를 발생시키기 위한 기본 메커니즘이고, UV 램프에서 높은 열이 발생하는 것이 가장 큰 문제이다.

그러나 UV 경화기를 사용하는 입장에서는 램프에서 발생하는 열은 전혀 필요가 없을 뿐만 아니라 프라스틱, 전자부품, 광학 필름등을 경화하는데는 결정적으로 문제가 된다.

 

2. UV 램프에서 열이 발생하는 이유
모든 uv 램프는 가동시에 열이 발생할 수 밖에 없는데 열이 적게 발생하는 uv 램프를 선택하려면 우선 열이 생기는 메커니즘을 알 필요가 있다.
램프에서 열이 발생하는 과정과 그 이유는 다음과 같다.
UV 램프를 점등하면 전극에서 열전자가 방출되고, 이 전자는 램프 내부의 수은 원자의 최외각 전자와 충돌하여 전자가 궤도에서 이탈하고, 전자를 잃어버린 수은 원자는 + 전하를 띤 이온이된다. 램프내부는 전자와 + 전하의 수은 원자 이온이 균형을 이루면서 전기적으로 부도체인 공간이 도체로 된다. 전극에서는 계속적으로 열전자가 방출되고 전리되지 않은 수은 원자는 계속 전자를 잃고 수은 이온이 되면서 램프 내부는 완전한 플라즈마가 형성되면서 코아의 온도가 3500-5000℃로 온도가 높아진다. 고온 프라즈마 상태를 유지하려면 코아의 내부 온도가 3500-5000℃로 유지 되어야 uv를 계속 방사할 수 있다.

램프 내부의 온도가 높아지는 이유는 수은 원자의 최외각 전자가 전극에서 방출된 전자와 충돌후 원래의 궤도로 복귀하면서 자기가 받은 에너지를 전자기파의 형태로 방출하는데 이 전자기파의 파장이 100-380nm이면 자외선, 380-780nm이면 가시광선, 780nm 이상이면 열선이 된다. 수은 원자의 궤도에는 여러 스핀의 전자가 회전하고 있는데 열전자가 어떤 궤도의 수은 원자의전자와 충돌하느냐에 따라 방사되는 파장이 달라지고, 열발생이 많이 되는 궤도의 전자와 열전자가 충돌하는 빈도가 높아질수록 램프 내부의 온도는 높아 진다.

수은 원자의 최외각 전자가 전극에서 방출된 전자와 충돌하여 uv 이외에 가시광선과 열선이 방사되는 것은 uv램프의 기본 메커니즘이므로 구조적으로 열이 많이 발생할 수 밖에 없다. 이러한 과정을 1-2분간 반복하면서 램프 내부 온도가 3500-5000℃로 온도가 높아진다. 램프 내부의 온도가 3500-5000℃로 되고 나서 더 이상 온도가 더 이상 올라가지 않고, 이 열이 램프 외부로 전달된다. 이 열이 램프 밖에 있는 경화할 제품으로 전달되어 제품의 온도가 높아지지 않는다면 램프의 열이 문제될 것도 없다. 그러나 램프가 가동되는 동안 계속하여 전극에서 열전자가 방출되고, 이 전자는 수은 원자의 최외각 전자와 충돌하면서 계속 열을 발생시키므로 문제가 된다. 램프를 1시간 동안 켜둔다면 1시간 동안 전자 충돌이 계속되고, 1시간 동안 계속열이 발생한다.

만일 전도, 복사, 대류에 의해 램프에서 발생된 열이 램프 내부에 축적된다면 램프는 점등 수분 후에 폭발하거나 녹아내리게 된다. 그러나 uv램프에서 발생된 열은 대부분 전도, 복사, 대류에 의해 램프외부로 전달된다. 램프에서 발생된 열이 심각하게 문제가 되는 것은 uv램프 외부로 전달되는 열이 우리가 UV를 이용하여 경화시키고져 하는 제품의 온도를 상승시켜 열변형을 일으키거나, 제품이 소손되기 때문에 문제이다.

3. UV 램프에서 열이 특히 높게 발생하는 원인
앞의 램프 기본 메커니즘에서 보았듯이 램프를 켜 두는 동안 uv 램프내부에서는 열전자가 계속방출되어 전자 충돌이 계속적으로 생긴다. 그러나 이 정도의 열이라면 심각한 과열이 아니므로 냉각시스템을 잘 갖추면 제품에 데미지를 주지 않고 비교적 제거하기가 쉽다. 대부분 램프 사용 기술자가 겪는 문제는 제품이 열변형 될 정도의 고열이 계속 발생되는 점이다.

UV 램프에서 고열이 계속 발생되는 원인은 여러가지가 있을 수 있으나, 주 원인은 열전자와 O2, H2O, H2원자와의 전자 충돌이다. 원래 열전자는 수은 원자와 충돌하여 UV를 발생하는데 사용되어야 하지만 램프 내부에 수은 이외에 수소가 있으면 수소 원자가 전자를 잘 끌어 당겨서 전자를 소진시켜 버린다. 특히 수소는 전리된 상태에서 +극성을 띠고 있으므로 전자를 특히 잘 끌어당긴다. 열전자는 원래 수은 원자의 궤도 전자와 충돌하여 UV를 발생시켜야 하는데 수소 원자가 열전자를 잘 끌어 당겨 전자를 소비하면서 열을 발생시키고, uv는 발생 시키지 않는다.

uv 램프에는 수은 원자와 아르곤 가스만 존재하여, 전극에서 방출된 열전자가 uv를 발생시키는데만 사용되어야 하는데 엉뚱하게 수소 분자와 충돌하여 UV는 발생하지 않고 열 발생하는데 많은 량의 열전자를 소비하므로 UV 발생 효율은 낮아지고, 온도만 자꾸 올라간다.

4. 열이 적게 나는 램프 제조
UV 램프를 생산하는 데는 순수한 아르곤, 수은, 메탈할라이드 솔트만 들어가야 하지만, 현실적으로 이러한 구성물질 이외에 산소, 수소, 수분, C, H,O 등의 유기 개스가 수 PPM - 수십 PPM 혼입된다. 99.999%의 아르곤 가스인 경우 이미 10PPM의 불순개스를 함유하고 있고, 99.999%의 수은에도 10PPM 정도의 불순물을 포함하고 있고, 수은 Dosing시 불순물이 혼입될 수가 있다. 특히, 메탈할라이드 솔트는 흡습성이 매우 강하여 글로브 박스 내에서 핸들링 하는데 글로브 박스 내부에 수분이 1-2ppm만 있어도 솔트가 상당부분 오염되어 램프 품질에 막대한 영향을 미친다. 열전자가 수은이나 메탈할라이드와 만 충돌하여 대부분의 에너지가 uv를 발생시키는데만 쓰여야 하는데 램프를 생산하는 재료와 공정에서 아르곤, 수은, 메탈할라이드 솔트 이외에 수소, 산소, 수분 등이 불순물이 램프 내부로 들어가서 온도 발새의 원인이 된다.

열이 적게 발생되는 우수한 uv 램프를 생산하기 위해서는 아르곤, 수은, 메탈할라이드 솔트등 램프내부에 들어가는 각 물질의 순도도 잘 관리해야 하지만, 석영관 내부에 반 영구적으로 결합되어 있는 수십 옹스트롱(Å) 두께의 물리적 결합수분도 석영관의 진공 열처리과정에서 완벽히 제거해야 한다. 특히 대부분 국내 램프 메이커에서는 석영관 표면의 물리적으로 결합한 영구 수분에 대한 개념이 부족하고, 석영관을 진공 열처리한 후와 진공 열처리 공정에서 수분이 혼입되는 것을 간과함으로써 램프 내부의 총괄 불순물 농도가 높게 된다.

램프용 원다재에서 발생하는 불순물이던지, 램프 생산 공정에서 혼입되는 불순물이던지 램프 내부에 산소, 수소, 수분, 유기 개스 등의 불순물 농도가 높으면 높을수록 열전자를 소비하여 uv 발생 효율을 떨어트리고, 열발생만 초래한다.

램프에서 열발생을 줄이기 위해서는 다음 2가지의 불순물 혼입을 ppm단위가 아니라 ppb 단위로 줄여야 한다.