수은 증기, 발광 다이오드(LED), 엑시머는 각각 다른 자외선 경화 램프 기술입니다. 이 세 가지 모두 잉크, 코팅제, 접착제, 압출 제품 등의 가교를 위한 다양한 광중합 공정에 사용되지만, 자외선 에너지를 생성하는 메커니즘과 그에 따른 스펙트럼 출력 특성은 완전히 다릅니다. 이러한 차이점을 이해하는 것은 응용 분야 및 제형 개발, 자외선 경화 광원 선택 및 통합에 매우 중요합니다.
수은 증기 램프
전극 아크 램프와 무전극 마이크로파 램프는 모두 수은 증기 램프의 한 종류입니다. 수은 증기 램프는 밀폐된 석영관 내부에서 소량의 원소 수은과 불활성 기체가 기화되어 플라즈마를 형성하는 중압 가스 방전 램프의 일종입니다. 플라즈마는 전기를 전도할 수 있는 매우 높은 온도의 이온화된 기체입니다. 아크 램프의 경우 두 전극 사이에 전압을 가하거나, 가정용 전자레인지와 유사한 방식으로 무전극 램프를 밀폐된 공간이나 캐비티 안에서 마이크로파를 발생시켜 플라즈마를 생성합니다. 기화된 수은 플라즈마는 자외선, 가시광선 및 적외선을 포함하는 광범위한 스펙트럼의 빛을 방출합니다.
전기 아크 램프의 경우, 인가 전압이 밀폐된 석영관에 에너지를 공급합니다. 이 에너지는 수은을 기화시켜 플라즈마를 생성하고, 기화된 원자에서 전자를 방출합니다. 방출된 전자 중 일부(-)는 램프의 양극인 텅스텐 전극(애노드)(+)으로 흘러 UV 시스템의 전기 회로로 들어갑니다. 전자를 잃은 원자는 양전하를 띤 양이온(+)이 되어 램프의 음전하를 띤 텅스텐 전극(캐소드)(-)으로 이동합니다. 이동하는 동안 양이온은 기체 혼합물 내의 중성 원자와 충돌합니다. 이 충돌로 인해 중성 원자에서 양이온으로 전자가 이동합니다. 양이온은 전자를 얻으면서 에너지가 낮아집니다. 이 에너지 차이는 석영관에서 바깥쪽으로 방출되는 광자로 방출됩니다. 램프에 적절한 전력이 공급되고, 올바르게 냉각되며, 수명 내에 작동된다면, 새로 생성된 양이온(+)이 지속적으로 음극(캐소드)으로 이동하여 더 많은 원자와 충돌하고 자외선을 지속적으로 방출합니다. 전자레인지 램프는 전기 회로 대신 마이크로파(무선 주파수, RF)를 사용한다는 점을 제외하면 전기 램프와 유사한 방식으로 작동합니다. 전자레인지 램프는 텅스텐 전극이 없고 수은과 불활성 가스가 들어 있는 밀봉된 석영관으로만 구성되어 있기 때문에 일반적으로 무전극 램프라고 불립니다.
광대역 또는 광범위 스펙트럼 수은 증기 램프의 자외선 출력은 자외선, 가시광선 및 적외선 파장을 거의 동일한 비율로 포함합니다. 자외선 영역에는 UVC(200~280nm), UVB(280~315nm), UVA(315~400nm) 및 UVV(400~450nm) 파장이 혼합되어 있습니다. 240nm 미만의 파장에서 UVC를 방출하는 램프는 오존을 발생시키므로 배기 장치 또는 필터가 필요합니다.
수은 증기 램프의 스펙트럼 출력은 철(Fe), 갈륨(Ga), 납(Pb), 주석(Sn), 비스무트(Bi) 또는 인듐(In)과 같은 소량의 도펀트를 첨가하여 변경할 수 있습니다. 첨가된 금속은 플라즈마의 구성을 변화시키고, 결과적으로 양이온이 전자를 얻을 때 방출되는 에너지에 영향을 미칩니다. 금속이 첨가된 램프는 도핑 램프, 첨가제 램프, 금속 할로겐화물 램프 등으로 불립니다. 대부분의 UV 경화 잉크, 코팅제, 접착제 및 압출 제품은 표준 수은(Hg) 도핑 램프 또는 철(Fe) 도핑 램프의 출력에 맞춰 설계됩니다. 철 도핑 램프는 UV 출력의 일부를 가시광선에 가까운 장파장 영역으로 이동시켜 점도가 높고 안료 함량이 높은 제형의 침투력을 향상시킵니다. 이산화티타늄을 함유한 UV 경화 제형은 갈륨(GA) 도핑 램프에서 더 잘 경화되는 경향이 있습니다. 이는 갈륨 램프가 UV 출력의 상당 부분을 380nm보다 긴 파장 영역으로 이동시키기 때문입니다. 이산화티타늄 첨가제는 일반적으로 380nm 이상의 빛을 흡수하지 않으므로, 백색 조성물을 사용하는 갈륨 램프를 사용하면 첨가제보다는 광개시제가 더 많은 자외선 에너지를 흡수할 수 있습니다.
분광 프로파일은 제형 개발자와 최종 사용자에게 특정 램프 설계에서 방출되는 자외선이 전자기 스펙트럼 전체에 어떻게 분포하는지 시각적으로 보여줍니다. 기화된 수은과 첨가 금속은 고유한 방사 특성을 가지고 있지만, 석영관 내부의 원소 및 불활성 가스의 정확한 혼합 비율과 램프 구조 및 경화 시스템 설계는 모두 자외선 출력에 영향을 미칩니다. 램프 공급업체에서 개방된 공기 중에서 전원을 공급하고 측정한 비통합형 램프의 분광 출력은 적절하게 설계된 반사판과 냉각 장치를 갖춘 램프 헤드에 장착된 램프의 분광 출력과 다릅니다. 분광 프로파일은 자외선 시스템 공급업체에서 쉽게 구할 수 있으며, 제형 개발 및 램프 선택에 유용합니다.
일반적인 스펙트럼 프로파일은 y축에 스펙트럼 복사조도를, x축에 파장을 나타냅니다. 스펙트럼 복사조도는 절대값(예: W/cm²/nm) 또는 임의의 상대값, 정규화된 값(단위 없음) 등 다양한 방식으로 표시할 수 있습니다. 이러한 프로파일은 일반적으로 출력을 10nm 간격으로 그룹화한 선 그래프 또는 막대 그래프로 정보를 표시합니다. 다음 그림 1은 GEW 시스템의 수은 아크 램프 스펙트럼 출력 그래프로, 파장에 대한 상대 복사조도를 보여줍니다.
그림 1 »수은과 철의 스펙트럼 출력 차트.
유럽과 아시아에서는 자외선을 방출하는 석영관을 램프라고 부르는 반면, 북미와 남미에서는 전구와 램프라는 용어를 혼용하여 사용하는 경향이 있습니다. 램프와 램프 헤드는 모두 석영관과 기타 모든 기계적 및 전기적 부품을 포함하는 전체 어셈블리를 지칭합니다.
전극 아크 램프
전극 아크 램프 시스템은 램프 헤드, 냉각 팬 또는 칠러, 전원 공급 장치 및 HMI(인간-기계 인터페이스)로 구성됩니다. 램프 헤드에는 램프(전구), 반사판, 금속 케이스 또는 하우징, 셔터 어셈블리, 그리고 경우에 따라 석영 창 또는 와이어 가드가 포함됩니다. GEW는 석영 튜브, 반사판 및 셔터 메커니즘을 외부 램프 헤드 케이스 또는 하우징에서 쉽게 분리할 수 있는 카세트 어셈블리 내부에 장착합니다. GEW 카세트는 일반적으로 육각 렌치 하나만으로 몇 초 안에 분리할 수 있습니다. UV 출력, 전체 램프 헤드 크기 및 모양, 시스템 기능 및 보조 장비 요구 사항은 적용 분야 및 시장에 따라 다르기 때문에 전극 아크 램프 시스템은 일반적으로 특정 적용 분야 또는 유사한 기계 유형에 맞게 설계됩니다.
수은 증기 램프는 석영 튜브에서 360° 전 방향으로 빛을 방출합니다. 아크 램프 시스템은 램프 측면과 후면에 반사판을 사용하여 빛을 모아 램프 헤드 앞쪽 특정 거리(초점)에 집중시킵니다. 이 초점은 조사 강도가 가장 높은 지점입니다. 아크 램프는 일반적으로 초점에서 5~12W/cm² 범위의 광량을 방출합니다. 램프 헤드에서 나오는 자외선의 약 70%가 반사판에서 나오기 때문에 반사판을 깨끗하게 유지하고 주기적으로 교체하는 것이 중요합니다. 반사판을 청소하거나 교체하지 않으면 경화가 제대로 되지 않는 경우가 많습니다.
GEW는 30년 이상 동안 경화 시스템의 효율성을 지속적으로 개선해 왔으며, 특정 용도 및 시장의 요구에 맞춰 기능과 출력을 맞춤화하고 다양한 통합 액세서리 포트폴리오를 개발해 왔습니다. 그 결과, 오늘날 GEW의 상용 제품에는 컴팩트한 하우징 설계, 자외선 반사율을 높이고 적외선을 줄이도록 최적화된 반사판, 저소음 일체형 셔터 메커니즘, 웹 스커트 및 슬롯, 클램쉘 웹 공급 장치, 질소 불활성화, 양압 헤드, 터치스크린 조작 인터페이스, 솔리드 스테이트 전원 공급 장치, 향상된 작동 효율성, 자외선 출력 모니터링 및 원격 시스템 모니터링 기능이 포함되어 있습니다.
중압 전극 램프가 작동할 때 석영 표면 온도는 600°C에서 800°C 사이이며, 내부 플라즈마 온도는 수천 도에 달합니다. 강제 공기 순환은 램프의 적정 작동 온도를 유지하고 방출되는 적외선 에너지를 일부 제거하는 주요 수단입니다. GEW(가스 가열식 공기 순환) 시스템은 이 공기를 음압 방식으로 공급합니다. 즉, 공기가 케이스를 통해 반사판과 램프를 따라 흡입된 후 어셈블리 외부로 배출되어 장비 또는 경화 표면에서 멀리 떨어지도록 합니다. E4C와 같은 일부 GEW 시스템은 액체 냉각 방식을 사용하여 UV 출력을 약간 높이고 램프 헤드의 전체 크기를 줄입니다.
전극 아크 램프는 예열 및 냉각 사이클을 거칩니다. 램프는 최소한의 냉각만으로 점화됩니다. 이를 통해 수은 플라즈마가 원하는 작동 온도까지 상승하고, 자유 전자와 양이온을 생성하며, 전류 흐름을 가능하게 합니다. 램프 헤드가 꺼진 후에도 냉각은 몇 분 동안 계속되어 석영 튜브를 고르게 냉각합니다. 너무 뜨거워진 램프는 재점화되지 않으므로 계속 냉각되어야 합니다. 시동 및 냉각 사이클의 길이와 각 전압 점화 시 전극의 열화 때문에 GEW 전극 아크 램프 어셈블리에는 항상 공압 셔터 메커니즘이 통합되어 있습니다. 그림 2는 공랭식(E2C) 및 수랭식(E4C) 전극 아크 램프를 보여줍니다.
그림 2 »액체 냉각식(E4C) 및 공랭식(E2C) 전극 아크 램프.
UV LED 램프
반도체는 어느 정도 전도성을 지닌 고체 결정질 물질입니다. 반도체는 절연체보다 전기가 더 잘 흐르지만, 금속 전도체만큼 잘 흐르지는 않습니다. 자연적으로 존재하지만 효율이 다소 낮은 반도체로는 실리콘, 게르마늄, 셀레늄 등이 있습니다. 출력과 효율을 높이기 위해 합성된 반도체는 결정 구조 내에 불순물이 정밀하게 함침된 화합물입니다. 자외선 LED의 경우, 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN)이 흔히 사용되는 소재입니다.
반도체는 현대 전자공학의 핵심 소재이며, 트랜지스터, 다이오드, 발광 다이오드, 마이크로프로세서 등을 구성하는 데 사용됩니다. 반도체 소자는 전기 회로에 통합되어 휴대폰, 노트북, 태블릿, 가전제품, 항공기, 자동차, 리모컨, 심지어 어린이 장난감과 같은 제품 내부에 탑재됩니다. 이 작지만 강력한 부품들은 일상용품을 작동하게 할 뿐만 아니라 제품을 더욱 작고, 얇고, 가볍게 만들고, 가격까지 저렴하게 해줍니다.
LED의 경우, 정밀하게 설계 및 제작된 반도체 소재가 직류 전원에 연결될 때 비교적 좁은 파장 대역의 빛을 방출합니다. 빛은 각 LED의 양극(+)에서 음극(-)으로 전류가 흐를 때만 발생합니다. LED 출력은 빠르고 쉽게 제어할 수 있고 거의 단색광이기 때문에 표시등, 적외선 통신 신호, TV, 노트북, 태블릿, 스마트폰의 백라이트, 전자 간판, 광고판, 대형 전광판, UV 경화 등에 이상적으로 사용됩니다.
LED는 양극-음극 접합(pn 접합) 구조입니다. 즉, LED의 한쪽은 양전하를 띠는 애노드(+)이고, 다른 한쪽은 음전하를 띠는 캐소드(-)입니다. 양쪽 모두 비교적 전도성을 띠지만, 두 전극이 만나는 접합 경계면인 공핍층은 비전도성입니다. 직류(DC) 전원의 양극(+) 단자를 LED의 애노드(+)에, 음극(-) 단자를 캐소드(-)에 연결하면, 캐소드의 음전하를 띤 전자와 애노드의 양전하를 띤 전자 빈자리가 전원에 의해 반발되어 공핍층 쪽으로 밀려납니다. 이것이 순방향 바이어스이며, 비전도성 경계면을 극복하는 효과를 냅니다. 결과적으로 n형 영역의 자유 전자가 p형 영역의 빈자리를 채우게 됩니다. 전자가 경계면을 통과하면서 더 낮은 에너지 상태로 전이됩니다. 그에 따른 에너지 감소는 반도체에서 빛의 광자 형태로 방출됩니다.
결정질 LED 구조를 구성하는 재료와 도핑 물질이 스펙트럼 출력을 결정합니다. 현재 시판되는 LED 경화 광원은 365, 385, 395, 405 nm를 중심으로 하는 자외선 출력을 가지며, 일반적인 허용 오차는 ±5 nm이고, 스펙트럼 분포는 가우시안 분포를 따릅니다. 최대 스펙트럼 복사조도(W/cm²/nm)가 클수록 종형 곡선의 최고점이 높아집니다. 275~285 nm 대역에서 UVC 개발이 진행 중이지만, 출력, 수명, 신뢰성 및 비용 측면에서 아직 상용 경화 시스템 및 응용 분야에 적용 가능한 수준에는 미치지 못합니다.
현재 UV-LED의 출력은 장파장인 UVA 영역으로 제한되어 있기 때문에, UV-LED 경화 시스템은 중압 수은 증기 램프에서 볼 수 있는 광대역 스펙트럼 출력을 방출하지 않습니다. 즉, UV-LED 경화 시스템은 UVC, UVB, 대부분의 가시광선 및 열을 발생시키는 적외선 파장을 방출하지 않습니다. 이러한 특성 덕분에 UV-LED 경화 시스템은 열에 민감한 응용 분야에 더 많이 사용될 수 있지만, 기존의 중압 수은 램프용으로 제조된 잉크, 코팅제 및 접착제는 UV-LED 경화 시스템에 맞게 재조정해야 합니다. 다행히 화학 물질 공급업체들은 이중 경화 기능을 갖춘 제품을 점점 더 많이 개발하고 있습니다. 즉, UV-LED 램프로 경화되도록 설계된 이중 경화 제형은 수은 증기 램프로도 경화될 수 있습니다(그림 3).
그림 3 »LED의 스펙트럼 출력 차트.
GEW의 UV-LED 경화 시스템은 발광 창에서 최대 30W/cm²의 광량을 방출합니다. 전극 아크 램프와 달리 UV-LED 경화 시스템은 빛을 집중시키는 반사판이 없습니다. 따라서 UV-LED의 최대 조사 강도는 발광 창 근처에서 발생합니다. 램프 헤드와 경화 표면 사이의 거리가 멀어질수록 방출된 UV-LED 광선은 서로 발산합니다. 이는 빛의 집중도와 경화 표면에 도달하는 조사 강도를 감소시킵니다. 최대 조사 강도는 가교에 중요하지만, 조사 강도가 높아질수록 항상 유리한 것은 아니며 오히려 가교 밀도 증가를 저해할 수도 있습니다. 파장(nm), 조사 강도(W/cm²), 에너지 밀도(J/cm²)는 모두 경화에 중요한 역할을 하며, UV-LED 광원을 선택할 때 이러한 요소들의 종합적인 영향을 제대로 이해해야 합니다.
LED는 램버트 광원입니다. 즉, 각 UV LED는 360° x 180° 반구 전체에 걸쳐 균일한 전방 출력을 방출합니다. 크기가 약 1mm 정사각형인 수많은 UV LED가 단일 행, 행과 열의 매트릭스 또는 기타 구성으로 배열됩니다. 모듈 또는 어레이라고 하는 이러한 하위 어셈블리는 LED 사이의 간격을 조정하여 간격을 넘어 블렌딩이 잘 되도록 설계되었으며 다이오드 냉각을 용이하게 합니다. 여러 개의 모듈 또는 어레이를 더 큰 어셈블리로 배열하여 다양한 크기의 UV 경화 시스템을 구성합니다(그림 4 및 5). UV-LED 경화 시스템을 구축하는 데 필요한 추가 구성 요소에는 방열판, 발광 창, 전자 드라이버, DC 전원 공급 장치, 액체 냉각 시스템 또는 칠러 및 HMI(인간-기계 인터페이스)가 포함됩니다.
그림 4 »웹용 LeoLED 시스템.
그림 5 »고속 다중 램프 설치를 위한 LeoLED 시스템.
UV-LED 경화 시스템은 적외선 파장을 방출하지 않기 때문에 수은 증기 램프보다 경화 표면에 전달하는 열에너지가 적습니다. 하지만 그렇다고 UV-LED를 저온 경화 기술로 간주해서는 안 됩니다. UV-LED 경화 시스템은 매우 높은 최대 조사 강도를 방출할 수 있으며, 자외선은 에너지의 한 형태입니다. 화학 반응물에 흡수되지 않은 에너지는 경화 대상 부품이나 기판뿐만 아니라 주변 기계 부품까지 가열합니다.
UV LED는 원자재 반도체 설계 및 제조 과정뿐만 아니라 LED를 더 큰 경화 장치에 패키징하는 데 사용되는 제조 방법 및 부품으로 인해 비효율성을 갖는 전기 부품입니다. 수은 증기 석영 튜브는 작동 중 600~800°C의 온도를 유지해야 하지만, LED pn 접합부 온도는 120°C 미만으로 유지해야 합니다. UV LED 어레이에 공급되는 전력의 35~50%만이 자외선 출력(파장에 따라 크게 달라짐)으로 변환됩니다. 나머지는 열로 변환되는데, 원하는 접합부 온도를 유지하고 지정된 시스템 조사량, 에너지 밀도, 균일성 및 긴 수명을 보장하기 위해서는 이 열을 제거해야 합니다. LED는 본질적으로 수명이 긴 고체 소자이므로, 적절하게 설계 및 유지 관리되는 냉각 시스템을 갖춘 대형 어셈블리에 LED를 통합하는 것이 긴 수명 사양을 달성하는 데 매우 중요합니다. 모든 UV 경화 시스템이 동일한 것은 아니며, 부적절하게 설계되고 냉각되지 않은 UV LED 경화 시스템은 과열되어 치명적인 고장을 일으킬 가능성이 더 높습니다.
아크/LED 하이브리드 램프
기존 기술을 대체하는 새로운 기술이 도입되는 시장에서는 도입에 대한 불안감과 성능에 대한 회의적인 시각이 존재하기 마련입니다. 잠재적 사용자들은 일반적으로 안정적인 설치 기반이 구축되고, 성공 사례가 발표되고, 긍정적인 사용 후기가 널리 퍼지거나, 또는 자신이 알고 신뢰하는 개인이나 기업으로부터 직접적인 경험이나 추천을 받을 때까지 도입을 미루는 경향이 있습니다. 시장 전체가 기존 기술을 완전히 버리고 새로운 기술로 완전히 전환하기 위해서는 확실한 증거가 필요한 경우가 많습니다. 게다가 초기 도입 기업들은 경쟁업체가 유사한 이점을 누리는 것을 원치 않기 때문에 성공 사례를 비밀로 유지하는 경향이 있습니다. 결과적으로, 실제든 과장되었든 실망스러운 이야기들이 시장 전반에 퍼져나가 새로운 기술의 진정한 장점을 가리고 도입을 더욱 지연시키기도 합니다.
역사적으로, 그리고 새로운 기술 도입에 대한 주저함을 극복하기 위한 방안으로, 하이브리드 설계는 기존 기술과 새로운 기술 사이의 과도기적 연결고리로서 자주 활용되어 왔습니다. 하이브리드 시스템을 통해 사용자는 기존 기능을 희생하지 않고도 새로운 제품이나 방법을 언제 어떻게 사용해야 할지 스스로 판단하고 자신감을 얻을 수 있습니다. UV 경화의 경우, 하이브리드 시스템을 사용하면 수은 증기 램프와 LED 기술을 빠르고 쉽게 전환할 수 있습니다. 여러 개의 경화 스테이션을 갖춘 생산 라인의 경우, 하이브리드 시스템을 통해 프레스는 100% LED, 100% 수은 증기 또는 특정 작업에 필요한 두 기술의 혼합 비율로 작동할 수 있습니다.
GEW는 웹 컨버터용 아크/LED 하이브리드 시스템을 제공합니다. 이 솔루션은 GEW의 최대 시장인 협폭 라벨 인쇄를 위해 개발되었지만, 하이브리드 설계는 다른 웹 및 비웹 애플리케이션에도 적용할 수 있습니다(그림 6). 아크/LED 시스템은 수은 증기 또는 LED 카세트를 모두 수용할 수 있는 공통 램프 헤드 하우징을 통합하고 있습니다. 두 카세트 모두 범용 전원 및 제어 시스템을 사용합니다. 시스템 내의 지능형 기능은 카세트 유형을 구분하여 적절한 전원, 냉각 및 사용자 인터페이스를 자동으로 제공합니다. GEW의 수은 증기 또는 LED 카세트는 일반적으로 육각 렌치 하나만으로 몇 초 만에 탈착 및 설치가 가능합니다.
그림 6 »웹용 아크/LED 시스템.
엑시머 램프
엑시머 램프는 준단색 자외선 에너지를 방출하는 가스 방전 램프의 일종입니다. 엑시머 램프는 다양한 파장으로 제공되지만, 일반적으로 172nm, 222nm, 308nm, 351nm를 중심으로 자외선을 방출합니다. 172nm 엑시머 램프는 진공 자외선 대역(100~200nm)에 속하며, 222nm는 UVC(200~280nm)에 해당합니다. 308nm 엑시머 램프는 UVB(280~315nm)를 방출하고, 351nm는 UVA(315~400nm)에 해당합니다.
172nm 진공 자외선은 UVC보다 파장이 짧고 에너지가 더 높지만, 물질 깊숙이 침투하기 어렵습니다. 실제로 172nm 파장은 자외선 경화 조성물의 최상층 10~200nm 이내에서 완전히 흡수됩니다. 따라서 172nm 엑시머 램프는 자외선 경화 조성물의 가장 바깥 표면만 가교시키므로 다른 경화 장치와 함께 사용해야 합니다. 또한 진공 자외선은 공기에 흡수되므로 172nm 엑시머 램프는 질소로 채워진 환경에서 작동해야 합니다.
대부분의 엑시머 램프는 유전체 장벽 역할을 하는 석영관으로 구성됩니다. 이 석영관은 엑시머 또는 엑시플렉스 분자를 형성할 수 있는 희귀 가스로 채워져 있습니다(그림 7). 가스의 종류에 따라 생성되는 분자가 다르며, 생성된 여기된 분자의 종류에 따라 램프에서 방출되는 빛의 파장이 결정됩니다. 석영관 내부에는 고전압 전극이, 외부에는 접지 전극이 설치되어 있습니다. 램프에는 고주파로 펄스 형태의 전압이 인가됩니다. 이로 인해 내부 전극을 통해 전자가 흐르고, 가스 혼합물을 가로질러 외부 접지 전극으로 방전됩니다. 이러한 과학적 현상을 유전체 장벽 방전(DBD)이라고 합니다. 전자가 가스를 통과하면서 원자와 상호작용하여 여기된 또는 이온화된 종을 생성하고, 이 종이 엑시머 또는 엑시플렉스 분자를 생성합니다. 엑시머와 엑시플렉스 분자는 수명이 매우 짧으며, 여기 상태에서 바닥 상태로 분해될 때 준단색 분포의 광자를 방출합니다.
그림 7 »엑시머 램프
수은 증기 램프와 달리 엑시머 램프의 석영관 표면은 뜨거워지지 않습니다. 따라서 대부분의 엑시머 램프는 냉각 없이 작동합니다. 경우에 따라 질소 가스를 이용한 약한 냉각이 필요할 수 있습니다. 램프의 열 안정성 덕분에 엑시머 램프는 즉시 켜지고 꺼지며 예열이나 냉각 과정이 필요하지 않습니다.
172nm 파장의 엑시머 램프를 준단색 UVA-LED 경화 시스템과 광대역 수은 증기 램프와 결합하여 사용하면 무광 표면 효과를 얻을 수 있습니다. 먼저 UVA LED 램프를 사용하여 화학 물질을 겔화합니다. 그런 다음 준단색 엑시머 램프를 사용하여 표면을 중합시키고, 마지막으로 광대역 수은 램프를 사용하여 나머지 화학 물질을 가교시킵니다. 각 단계에 적용되는 세 가지 기술의 고유한 스펙트럼 출력은 어느 한 가지 UV 광원만으로는 얻을 수 없는 유익한 광학적 및 기능적 표면 경화 효과를 제공합니다.
172nm와 222nm의 엑시머 파장은 유해한 유기물질과 유해 세균을 파괴하는 데 효과적이므로, 엑시머 램프는 표면 세척, 소독 및 표면 에너지 처리 분야에 실용적입니다.
램프 수명
램프 또는 전구 수명과 관련하여 GEW의 아크 램프는 일반적으로 최대 2,000시간까지 사용 가능합니다. 하지만 UV 출력은 시간이 지남에 따라 점차 감소하고 다양한 요인의 영향을 받기 때문에 램프 수명은 절대적인 수치가 아닙니다. 램프의 설계 및 품질, UV 시스템의 작동 조건, 그리고 제형의 반응성 등이 중요한 요소입니다. 적절하게 설계된 UV 시스템은 특정 램프(전구) 설계에 필요한 정확한 출력과 냉각을 제공합니다.
GEW에서 공급하는 램프(전구)는 GEW 경화 시스템에서 사용할 때 항상 가장 긴 수명을 제공합니다. 다른 공급처에서 만든 램프는 일반적으로 샘플을 역설계한 것이므로, 동일한 엔드 피팅, 석영 직경, 수은 함량 또는 가스 혼합물을 포함하지 않을 수 있으며, 이러한 요소들은 모두 UV 출력과 발열에 영향을 미칠 수 있습니다. 시스템 냉각과 발열의 균형이 맞지 않으면 램프의 출력과 수명이 모두 저하됩니다. 온도가 낮은 램프는 UV 방출량이 적고, 온도가 높은 램프는 수명이 짧고 표면 온도가 높을 때 변형될 수 있습니다.
전극 아크 램프의 수명은 램프의 작동 온도, 작동 시간, 그리고 시동 횟수에 따라 제한됩니다. 램프를 시동할 때마다 고전압 아크가 발생하여 텅스텐 전극이 조금씩 마모됩니다. 결국 램프는 더 이상 재점화되지 않습니다. 전극 아크 램프는 셔터 메커니즘을 내장하고 있어, 작동 시 자외선 출력을 차단하여 램프 전원을 반복적으로 켜고 끄는 대신 사용할 수 있습니다. 반응성이 높은 잉크, 코팅제, 접착제를 사용하면 램프 수명이 연장될 수 있지만, 반응성이 낮은 제형을 사용하면 램프를 더 자주 교체해야 할 수 있습니다.
UV-LED 시스템은 기존 램프보다 본질적으로 수명이 길지만, UV-LED의 수명 또한 절대적인 것은 아닙니다. 기존 램프와 마찬가지로 UV LED도 구동 강도에 한계가 있으며, 일반적으로 접합부 온도가 120°C 미만으로 유지되어야 합니다. LED를 과도하게 구동하거나 냉각이 부족하면 수명이 단축되어 성능 저하가 가속화되거나 치명적인 고장이 발생할 수 있습니다. 현재 모든 UV-LED 시스템 공급업체가 20,000시간 이상의 최고 수명을 충족하는 설계를 제공하는 것은 아닙니다. 잘 설계되고 유지 관리되는 시스템은 20,000시간 이상 사용할 수 있지만, 품질이 떨어지는 시스템은 훨씬 짧은 시간 내에 고장이 발생합니다. 다행히 LED 시스템 설계는 지속적으로 개선되어 설계가 반복될 때마다 수명이 더욱 길어지고 있습니다.
오존
짧은 UVC 파장이 산소 분자(O2)에 부딪히면 산소 분자(O2)가 두 개의 산소 원자(O)로 분리됩니다. 이렇게 분리된 산소 원자(O)는 다른 산소 분자(O2)와 충돌하여 오존(O3)을 형성합니다. 오존(O3)은 지표면에서 산소 분자(O2)보다 불안정하기 때문에 대기를 떠다니면서 쉽게 다시 산소 분자(O2)와 산소 원자(O)로 분해됩니다. 이렇게 분리된 산소 원자(O)는 배기 시스템 내부에서 다시 결합하여 산소 분자(O2)를 생성합니다.
산업용 UV 경화 공정에서 오존(O₃)은 대기 중 산소가 240nm 이하의 자외선 파장과 반응할 때 생성됩니다. 광대역 수은 증기 경화 광원은 200~280nm 사이의 UVC를 방출하는데, 이는 오존 생성 영역의 일부와 겹칩니다. 엑시머 램프는 172nm의 진공 UV 또는 222nm의 UVC를 방출합니다. 수은 증기 및 엑시머 경화 램프에서 생성되는 오존은 불안정하며 환경에 심각한 문제를 일으키지는 않지만, 호흡기 자극을 유발하고 고농도에서는 독성이 있으므로 작업자 주변에서는 제거해야 합니다. 상용 UV-LED 경화 시스템은 365~405nm 사이의 UVA를 방출하므로 오존이 생성되지 않습니다.
오존은 금속, 타는 전선, 염소, 전기 스파크와 유사한 냄새를 가지고 있습니다. 사람의 후각은 0.01~0.03ppm(백만분율)의 낮은 농도의 오존도 감지할 수 있습니다. 개인과 활동 수준에 따라 차이가 있지만, 0.4ppm 이상의 농도에서는 호흡기 질환 및 두통을 유발할 수 있습니다. 작업자의 오존 노출을 최소화하기 위해 UV 경화 라인에는 적절한 환기 시설을 설치해야 합니다.
UV 경화 시스템은 일반적으로 램프 헤드에서 배출되는 배기가스를 밀폐하여 작업자로부터 멀리 떨어진 건물 외부로 배출할 수 있도록 설계되어 있으며, 배출된 공기는 산소와 햇빛에 의해 자연적으로 분해됩니다. 또는 오존 발생을 방지하는 램프는 오존 생성 파장을 차단하는 석영 첨가제를 포함하고 있으며, 덕트 설치나 지붕에 구멍을 뚫는 것을 피하려는 시설에서는 배기 팬 배출구에 필터를 사용하는 경우가 많습니다.
게시 시간: 2024년 6월 19일
