UV 효율, 열, 램프 수명

UV 경화기를 사용하는 업체에서 좋은 램프를 선택하는 것은 매우 중요하다.
uv램프는 기본적으로 내부 온도가 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.
보기에 따라서는 10-20% 의 차이는 사소한 것 같지만, 열은 제품의 열변형을 가져오고, uv 효율을 떨어뜨리므로 램프 사용자 입장에서는 결정적으로 중요하다.

좋은 UV 램프의 기준, 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 UV 램프에서 UV를 발생시키기 위한 기본 메커니즘이고, UV 램프에서 높은 열이 발생하는 것이 가장 큰 문제이다.

그러나 UV 경화기를 사용하는 입장에서는 램프에서 발생하는 열은 전혀 필요가 없다 (필요 없는 정도가 아니라 프라스틱, 전자부품, 광학 필름등을 경화하므로 오히려 백해 무익이다).

 

UV램프의 UV와 열비율

UV	15-20 %
가시광선	10-15%
열	70-80%
합계	100%

 

2. UV 램프 품질 기준
좋은 품질의 제품을 트라블 없이 생산하기 위해서는 좋은 uv램프를 사용하는 것이 매우 중요하다. 좋은 UV 램프에 대한 국제적인 기준은 없지만 외국의 우수한 UV 램프 메이커에서 공통적으로 체크하는 항목은 다음과 같다.
1). uv 효율
2). 열 발생
3). 수명 (Rated Life)
4). 전압. 전류

2.1. UV 효율
투입 전기 1 w에 대한 유효 UV 발생 비율로 단위는 mW/W이다.
UV 램프에 입력되는 전기 1 Watt 당 발광되는 주 파장이 나오는 량을 나타낸다. Uv 램프 종류와 내부의 발광 물질에 따라 체크하는 주 파장이 다르다. 경화용 uv램프의 주 파장은 주로 365nm 살균용 램프는 255nm이다. 주 파장 이외의 부 파장은 램프에서 방사되어도 uv효율로 값어치가 없거나 적다. 중요한 램프별 주 파장과 효율을 측정하는 피크 파장은 다음과 같다.

경화용 uv램프의 uv 효율은 메이커에 따라 다르지만 대략 13-20 %이고 나머지는 대부분 열로 방사된다.

램프에서 동시에 나오는 파장중 주 용도에 필요하지 않은 파장은 전부 에너지 로스(Energy Loss) 이다. 예를 들면 경화용 Uv 램프에서는 발열의 원인이 되는 적외선은 물론 555nm의 가시광선도 에너지 로스이다.
**파장별로 발광되는 uv 효율은 램프 종류 선택시 결정되는 것며, UV 램프가 결정되었을 때는 동일한 램프에서나오는 uv 파장은 바뀌지 않는다. 즉 램프를 처음 끼웠을 때나 수명 말기까지 사용했을 경우에도 램프의 파장은 변하지 않는다.

램프 종류	주 용도	주 파장 (nm)	에너지단위	측정 피크 파장(nm)	Uv 효율(%)
살균 램프	살균	254	mW	250-260	18-30
세정용 uv램프	세정,개질	185-220	mW	172, 185-220	18-30
고압 수은 램프	경화	365	mW	365	13-20
메탈할라이드램프	경화	365	mW	365	13-20
Ga UV램프	후막이나 유색 도료	420	mW	420	13-20
일반 조명 램프	조명	555	mW	555	15-20

각 용도별 uv램프의 파장과 파장별 효율 곡선은 다음과 같다.

용도별 파장과 효율 곡선
* : 일반적인 uv 경화

2.2. 열 발생
Uv 램프는 기본적으로 내부 온도가 3500-5000 ℃의 고온이므로 많은 열이 발생하는 것은 어쩔수 없다. 그러나 램프의 품질에 따라 양광주의 온도가 가능한한 낮으면서 UV 효율이 높은 uv 램프가 품질이 좋은 램프이다. 품질이 좋으면 열이 10-20% 덜 발생하고, uv 효율이 10-20% 많게는 30% 이상 더 높아진다.
좋은 UV 램프는 품질에 따라 열이 10-20% 덜 발생하므로 제품이 현재 받는 온도보다 10-20% 낮출수 있다.
** 현재 제품이 생산 되면서 50℃라면 50℃의 10%는 5도이므로 얼른 생각하기에는 10%의 온도차는 별로 중요하지 않은 것 같지만, 실무에서 5℃의 온도는 제품의 불량을 결정하는 키 포인트가 되는 경우가 많다.

 

2.3. 수명 (Rated Life)
램프의 수명은 2가지를 기준으로 한다.
1가지는 사용시간에 따라 uv효율이 얼마나 감소하여 uv 유지율이 70% 혹은 80%까지 감소하느냐이고, 다른 1가지는 일정 시간 후에 램프가 켜지지 않는 비율이 50% 혹은 60%인가 하는 것이다.
uv 램프가 불이 켜지기만 한다고 하여 아직 수명이 다되지 않은게 아니고, 비록 불은 켜 진다고 해도 일정 세기 이상의 uv효율이 나오지 않으면 에너지 로스가 많아지고 작업 속도가 낮으므로 생산성이 나쁘게 된다.

좋은 UV 램프일수록 UV유지율이 80%로 높고, 유지율 감소 곡선의 기울기가 완만하다. 역시 좋은 램프일수록 일정 시간(예를 들면 1000시간) 후에 램프가 켜지지 않는 비율이 50% 이하로 낮다.

유감스럽게도 UV 램프를 사용하는 기술자들 중 UV 램프가 켜진다고 아직 수명이 다하지 않았다고 생각하고 계속 사용는 경우도 있다. 일단 수명 시간이 다될수록 UV유지율이 급격히 낮아져서 실제로 UV를 측정해 보면 강도나 에너지가 낮아진다. UV 강도나 에너지가 낮은 상태에서 제품을 계속 생산하면 접착력, 광택, 경도등 불량의 원인 되는 경우가 많아지므로 수명이 다된 램프는 비록 불이 켜 진다고 해도 교체하는 것이 좋다.

 

2.4. 전압. 전류
UV 램프는 각 규격별로 설계시 정격 전압과 전류가 있다.
램프 수명 시간 이내는 물론, 수명 말기 까지 정격 설계 전압과 전류가 유지되어야 한다.
특히 메탈 할라이드 램프의 품질이 좋지 않은 경우 수명 말기에 전압이 급격히 낮아지는 경우가 많은데 원래의 전압보다 많이 낮아지면 안정기에 타입에 따라 2가지 현상이 발생한다. 정전류형 안정기는 전압이 낮을 경우 전류는 일정한데 전압이 낮아지므로 총 전력이 낮아져서 UV 경화가 잘 되지 않아 경화 불량으로 이어진다.
정전력형 안정기에서는 전압이 낮아지면 일정한 전력이 흐르도록 안정기가 설계되어 있으므로 전압이 낮아진 비율만큼 전류가 증가한다. 안정기의 허용전류는 일정한데 전류가 허용치 보다 증가하면 안정기가 타거나 열화(劣化: Degradation)되면서 특성이 계속 나빠진다. 뿐만 아니라 램프에서 열이 증가하므로 제품이 받는 열도 높아져서 열변형이 일어날 수 있다.

2.5. UV 유지율
UV 램프의 사용시간에 따른 UV효율 변화는 각 램프의 품질에 따라 다르지만 대략 다음 그래프와 같은 거동을 나타낸다.
양호한 램프인 경우는 초기 100시간 동안 uv 효율이 약5-10%가량 다소 많이 감소한 후 1000시간 경에 75-80%의 UV 방사율을 유지한다. 한편 품질이 좋지 않은 램프일수록 UV 감소율이 비교적 빨리 감소하여 1000시간 경에는 55-60%로 감소한다.

 

주로 사용하는 경화용 Uv 램프에 효율이 13-20%로 UV만으로 보면 60%이상으로 차이가 많이 나는 이유는 입력되는 전기 에너지로 방출되는 전자가 uv를 발생시키는데만 사용되어야 하는데 엉뚱하게 램프 내부의 불순물 분자와 충돌하여 UV는 발생하지 않고 열로 손실되기 때문이다. 램프 내부에 불순물 농도가 높을수록 효율은 13%보다 훨씬 더 떨어진다. 실제로 사용하고 있는 일부 제품을 수거하여 효율을 측정해 보면 13%보다 훨씬 더 떨어져서 7-8%대인 램프도 있다.
**효율이 7-8%대 보다 더 떨어지면 안정기에서 공급하는 전원으로는 더 이상 방전을 유지하지고 못하므로 램프가 꺼지게 된다.

UV 램프는 일반 조명용 처럼 개발된 역사가 길지 않고, 사용처도 산업체의 코팅, 접착, 인쇄, 표면 개질 등 특수한 산업 분야에만 사용하므로 품질 항목 중의 가장 중요한 uv 효율에 대해 국제적으로 표준화된 측정 방법이나 규정이 아직 없고, uv램프 메이커에서 조차 측정 방법에 대해 표준화가 되어 있지 않고, 작은 메이커에서는 uv 효율에 대한 개념마저 이해 하지 못하고 있는게 국내의 현 주소이며, 몇 개의 uv 램프 메이커에 Uv 램프 효율에 대한 개념이나 uv 효율 측정 방법에 대해 문의해 보면 수준을 금방 알 수 있다.