자외선 방사 - 속성 및 이점

간단한 연혁

독일의 물리학자 Johann Wilhelm Ritter는 1981년 UV 방사를 발견했습니다. 그는 은염화물에 흠뻑 젖신 종이를 보라색 끝의 가시 스펙트럼을 넘어 불가시광선에 노출했을 때 가속 흑화되는 것을 관찰했습니다. 이 광선을 전년도에 가시 스펙트럼의 다른 쪽 끝에서 발견된 '열선'(IR)과 구별하기 위해 그는 이 UV 방사를 관찰한 화학 반응성을 강조한 '산화 광선'이라고 불렀습니다. 이는 19세기의 나머지 기간 동안 널리 사용되었던 '화학선'이라는 용어로 빠르게 대체되었습니다. 최종적으로, 화학선 및 열선 용어는 현재 일반적으로 사용되는 자외선 및 적외선 명칭으로 각각 대체되었습니다.

UV란?

전자기 스펙트럼에서 자외선(UV) 방사는 100nm ~ 400nm 사이의 파장을 갖는 것으로 분류됩니다. 이 파장은 가시광선 파장보다는 짧고 X선 파장보다는 깁니다. UV선은 다음 세 가지로 분류됩니다. UVA는 315nm ~ 400nm 사이의 파장을, UVB는 280nm ~ 315nm 사이의 파장을, UVC는 100nm ~ 280nm 사이의 파장을 제공합니다.

그림 1: UV 파장은 인간이 볼 수 있는 파장 바로 아래의 파장입니다. (이미지 제공: W.S. Badger Company, Inc.)

태양은 100nm ~ 400nm 스펙트럼에서 UV 방사를 방출합니다. 지구 대기의 가장자리에서 태양광선은 약 50%의 적외선(IR), 40%의 가시광선, 10%의 UV선으로 구성됩니다. 태양이 가장 높은 지점의 지구 표면에 도달할 때 태양광선의 구성은 IR 53%, 가시광선 44%, UV 3%입니다. 지면에 도달하는 이 3%의 UV 중 95%는 UVA 이고 5%는 UVB입니다. 물론, 이 비율은 구름의 양과 다른 대기 조건에 따라 다소 달라질 수 있습니다.

UVC 파장의 대부분은 상층 대기의 산소에 의해 흡수되어 오존층에 오존을 생성합니다. 오존층은 대부분의 UVB와 아직 산소에 흡수되지 않은 나머지 UVC를 차단합니다.

인공 UV 방출기

태양이 UV 방사의 유일한 소스는 아닙니다. 이러한 파를 생성하는 여러 인공 장치가 있습니다.

블랙라이트

우리에게 가장 익숙한 UV 생성기는 블랙라이트입니다(그림 2). 일반적인 블랙라이트는 가시광선이 거의 없는 UVA 파를 방출합니다. 예를 들어 형광 블랙라이트는 유리관 내부에 인광 코팅을 사용하여 가시광선 대신 UVA 파를 방출합니다. 더 강력한 수은 증기 블랙라이트는 동일한 원리를 사용하여 주로 콘서트 및 연극 전시를 위해 더 큰 규모로 UVA 방사를 방출합니다.

그림 2: 일반적인 형광 블랙라이트는 UVA 파를 방출합니다.

블랙라이트의 주요 응용 분야는 특정 물질이 UV선에 노출되면 형광이 발생하고 외부의 가시광선이 바람직하지 않은 경우입니다.

단파 UV 램프

단파 UV 램프는 인광 코팅이 없는 형광 튜브로 구성됩니다. UVC 대역에서 253.7nm 및 185nm의 피크를 갖는 UV선은 주로 튜브의 수은으로 인해 방출됩니다. 그러나 253.7nm 방사만 용융 석영 유리관을 통과하는 반면 185nm 파장은 완전히 차단됩니다. 이 램프의 일반적인 효율은 30% ~ 40%이며 이는 기존 형광 램프의 UVC 전력의 2배 ~ 3배에 해당합니다.

이러한 램프의 주요 용도는 실험실 표면, 식품 가공 표면, 상수도를 소독하는 것입니다.

UV 가스 방전 램프

가스 방전 램프에는 특정 스펙트럼 라인에서 UV 방사를 생성하기 위해 선택된 다양한 가스가 포함되어 있으며 특수 과학 응용 분야에 사용됩니다. 이 램프는 화학 분석에 사용되는 UV 분광기 장비에서 주로 사용됩니다.

레이저

레이저는 UV선을 생성하도록 특별히 제조될 수 있습니다. 레이저 기술(가스 레이저, 레이저 다이오드 또는 고체 레이저)과 사용된 재료에 따라 전체 UV 대역을 덮도록 레이저를 만들 수 있습니다.

레이저 조각, 피부과, 각막 절제술, 화학, 통신, 광학 저장 및 집적 회로 제조를 포함하여 UV 레이저에 대한 많은 응용 분야가 있습니다.

발광 다이오드

발광 다이오드(LED)는 특별히 UV선을 생성하도록 제조되고 있습니다. 이 장치는 현재 UV 경화 응용, 살균, 피부 치료 및 화학 분야에서 구성 요소 혼합물을 식별하는 데 사용되고 있습니다.

건강 문제

UV 방사는 인간의 건강에 유익한 영향도 미치고 유해한 영향도 미칩니다. 적절하게 노출되면 유익한 영향을 미치지만 너무 많이 노출될 경우 유해할 수 있습니다.

유해한 영향

과도한 UV 방사(DigiKey에서 UVA LED 주문 가능) 노출은 인간의 눈, 피부, 면역 체계에 유해한 영향을 줄 수 있습니다.

UVA 방사는 즉각적인 반응을 거의 또는 전혀 일으키지 않지만 UVB 대역의 시작 부분(315nm) 근처의 파장에서 광각막염(눈에 통증이 있는 상태) 및 피부 발적(밝은 피부가 더 민감함)이 발생하기 시작하고 파장이 300nm에 접근함에 따라 손상이 급격히 증가합니다. UVC 대역에서 265nm ~ 275nm 범위의 UV는 눈과 피부에 가장 손상을 줍니다.

UVB 과다 노출은 일광 화상을 유발할 뿐만 아니라 일부 형태의 피부암을 유발합니다.

유익한 영향

UV에 대한 과도한 노출이 나쁜 것처럼, UV 노출을 조절할 수 있다면 건강상의 이점이 있습니다. 자외선 노출의 세 가지 주요 건강상의 이점은 비타민 D 생성, 기분 개선 및 에너지 증가입니다.

비타민 D

적당한 자외선 노출은 비타민 D의 좋은 공급원입니다. 이 비타민은 칼슘 대사, 인슐린 분비, 혈압, 면역 및 세포 증식의 조절을 돕습니다. 비타민 D 수치가 높을수록 혈압이 낮아지는 경향과 함께 심장 질환, 뇌졸중 및 당뇨병 발병률이 낮아집니다.

피부 상태

자외선으로 치료할 수 있는 특정 피부 상태가 있습니다. 현대 광선 요법으로, 현재 습진, 피부염, 구루병, 아토피 및 국소 경피증, 황달, 건선 및 백반증의 성공적인 치료가 가능합니다.

심혈관 및 고혈압

고혈압과 비타민 D 결핍이 있는 환자의 경우 UVB 노출을 통해 혈압을 낮출 수 있는 것으로 나타났습니다. 다른 의학적 실험과 연구에 따르면 비타민 D와 무관한 UV 방사는 측정 가능한 건강상의 이점이 있습니다.

세로토닌

세로토닌 생성은 비타민 D에 의해 촉진되며 그 생성은 신체가 자외선에 노출되는 것과 정비례합니다. 세로토닌 수치 변화는 기분과 행동에 영향을 미칩니다. 인체에 미치는 정확한 영향은 완전히 알려져 있지 않지만 세로토닌은 웰빙, 평온 및 행복의 감각을 제공하는 것으로 생각됩니다.

멜라닌

적당한 UV 노출은 피부의 갈색 색소인 멜라닌의 양을 증가시킵니다(선탠이라고도 함). 멜라닌은 UVA와 UVB를 모두 흡수하여 열로 발산합니다. 이는 직접적 및 간접적 DNA 손상으로부터 피부를 보호합니다.

응용 분야

UV 방사의 특성을 활용하고 사람들의 건강과 웰빙에 많은 이점을 제공하는 여러 응용 제품이 있습니다. 미생물을 죽이고 오염 물질을 제거하는 UV 파의 능력은 오늘날 주요 용도입니다.

공기 정화

실내 환경 오염 물질은 240nm ~ 280nm 범위의 고강도 UVC에 노출되면 분해되는 거의 유기 탄소 기반 화합물입니다. 또한 미생물의 DNA를 파괴할 수 있습니다. 따라서 SETi/Seoul Viosys TUD7MF1B UVC LED(그림 3)와 같은 UVC 방출기를 통과한 순환 공기는 방출기가 배치된 실내의 공기 정화에 도움이 될 수 있습니다. 이 275nm(공칭) UVC LED는 11.5mW의 일반적인 방사 출력을 가진 Star Board 장치로 사용 가능하며 공기 정화를 비롯한 다양한 응용 분야에 적합합니다.

그림 3: 이 SETi/Seoul Viosys UVC LED는 열 엔지니어링을 간소화하는 Star Board 장치로 사용할 수 있습니다. (이미지 제공: SETi/Seoul Viosys)

살균 및 소독

UVC LED는 다양한 살균 및 소독 응용 제품에도 사용할 수 있습니다. 의료 및 생물학 연구실에서 UVC 방사는 다른 기술과 함께 도구와 작업 공간 표면을 살균하는 데 사용됩니다.

UVC 방사의 다른 일반적인 용도에는 폐수 및 도시 식수 처리가 포함됩니다. 생수 보틀러가 제품을 살균하기 위해 사용하기도 합니다. 또한 UVC 방사는 식품 가공 산업에서 미생물을 죽이는 데 사용됩니다. 예를 들어, 과일 주스는 소스를 통과할 때 UVC에 의해 저온 살균될 수 있습니다.

테라피

UV 방사는 정화 및 살균에 유용할 뿐만 아니라 건선 및 백반증(피부 패치가 색소를 잃는 상태)과 같은 상태에 대한 피부 치료 보조제이기도 합니다. 이 경우 유용한 것은 UVC가 아니라 UVB 파장입니다. 이 용도에는 UVB LED가 이상적입니다. 이러한 280nm ~ 315nm 장치는 피부 치료 장치 설계의 기초가 될 수 있습니다. 이러한 장치는 다양한 실장 및 방사 출력 옵션으로 제공됩니다.

결론

UV 방사는 인간에게 유해한 효과와 유익한 효과를 모두 제공합니다. 적절한 설계를 통해, UVB 파와 UVC 파의 유익한 특성을 이용하여 감염으로부터 인간을 보호하고 특정 피부 상태를 치료할 수 있습니다. 이를 위해, DigiKey는 이러한 응용 분야에 이상적이고 다른 UV 보다 설계하기 쉬운 UV LED를 제공합니다.