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기술소개

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자외선이란?
간단히 말하면 태양광의 스펙트럼을 프리즘을 통과시켰을 때, 가시광선의 보라색 보다 바깥쪽에 나타나는 눈에 보이지 않는 빛을 말한다. 자외선은 1801년 독일의 화학자 J.W.리터가 자외선이 가지는 사진의 감광 작용[感光作用]에서 처음 발견하였다.
자외선은 약 380∼10nm에 이르는 파장으로 된 넓은 범위의 전자기파의 총칭으로서, 극단적으로 파장이 짧은 자외선은 X선과 거의 구별되지 않는다. 자외선은 화학작용이 강하므로, 적외선을 열선(熱線)이라 하는 것에 대응하여 화학선이라 하기도 한다. 또 파장에 따라 근자외선(파장 290nm 이상), 수정범위(水晶範圍)의 자외선(수정을 투과하는 290∼190nm), 슈만선(190∼120nm), 라이만선(120∼60nm), 밀리컨선(60nm 이하) 등으로 나누거나, 190nm 이하의 파장을 가지는 자외선을 원자외선(遠紫外線)이라고 부르기도 한다.
자외선을 산업에 적용키 위해 인공적으로 만든 것이 자외선 램프이다. 살균에 사용하는 자외선은 UV-C(단파장) 중에서 살균력이 가장 강력한 257.3nm선을 사용한다. 자외선 램프는 유리관 대신 자외선을 효율적으로 투과시키는 석영관을 사용하여 램프의 양 끝에 텅스텐 필라멘트가 있고 필라멘트 외부에 산화바륨, 산화칼슘, 산화 스트론듐 등 열전자를 방사하기 쉬운 물질을 도포하여 열전자 방출을 원활히하는 구조로 설계한다.
석영관 내부를 진공시킨 다음 적당량의 수은과 알곤가스 또는 희유 가스를 충진시킨다. 여기에 2개의 전극에 전류를 흘려 전극을 예열하면 열전자가 방출된다. 이 열전자는 램프 내부의 희유 가스를 매개로하여 방전(점등)이 일어난다. 방전에 의해 관내에 흐르는 전자는 포화상태의 수은 분자와 급격히 충돌하여 수은 고유의 스펙트럼을 방사한다. 이렇게 발생된 자외선을 이용하여 표면 개질, 세정, 살균, UV 경화 등 여러가지의 용도로 사용한다.
많은 물질은 자외선에 대하여 불투명하지만 그 정도는 물질의 종류나, 자외선의 파장에 따라 여러 가지 값을 가진다. 보통의 유리는 매우 파장이 긴 자외선만을 통과시키지만(크라운유리에서는 350nm), 수정이나 형석(螢石) ·암염 등은 대략 190nm까지의 비교적 단파장의 자외선을 잘 통과시키므로 이들 물질이 자외선 분광기 등에 이용되기도 한다.
또 액체 속에서는 물이 자외선에 대한 투명도가 높아서 185nm까지의 자외선을 통과시키며, 250nm의 자외선은 파장이 길므로 비교적 투과도가 좋다. 한편 사람의 피부에 대해서도 긴 파장의 자외선일수록 투과력이 강하여, 390nm보다 파장이 긴 자외선은 진피(眞皮)까지 도달하지만 300nm 이하인 단파장의 자외선은 표피 내에서 차단 된다.
자외선은 화학작용 ·생리작용이 크며, 사진건판을 강하게 감광시킨다. 표백작용이 강하므로 안료 ·염료 등은 햇빛에 포함되어 있는 자외선에 의해 색이 바랜다. 또, 피부가 햇볕에 그을리게 되는 것도 자외선의 화학작용에 의한 것으로서, 파장 325∼290nm의 범위에 있는 자외선은 이 작용[紅斑作用]을 뚜렷하게 나타낸다. 더욱이 자외선에는 살균작용이 있으며, 특히 250nm 부근의 파장을 가진 것은 큰 살균력을 가지고 있어서 1cm2 당 100μW의 강도를 가진 자외선을 1분간 쪼이면 대장균, 디프테리아균, 이질균 등은 99%가 죽는다.
UV 경화란?
자외선을 이용하여 액체 상태의 페인트나 잉크를 딱딱하게 굳힌다, 즉 경화(硬化)한다는 뜻이다.
자외선 경화는 자외선 램프로부터 나오는 자외선의 강한 에너지가 광 개시제에 화학 반응을 개시하는 에너지를 줌으로써 자외선 경화 도료의 주성분이 되기 전 상태인 단량체(모노머:Monomer)나, 주성분이 되기 직전 상태인 중간체(올리고머:Oligomer)를 순간적으로 중합체(폴리머:Polymer)로 만드는 것을 말한다.

모노머와 올리고머는 정상상태(1기압, 25도)에서 액체지만, 이 액체가 강력한 전자기파의 일종인 UV라는 강한 에너지를 받음으로써 폴리머로 변화하여 우리가 보기에 외형상 고체로 바뀌면서 원래 목적인 인쇄나 코팅, 혹은 접착 작용을 한다.

액체가 폴리머(Polymer)로 바뀌었다는 의미는 페인트나 잉크처럼 물렁물렁한 액체 상태가 고체처럼 딱딱하게 굳게 된다고 하여 경화, 혹은 Hardening이라고 한다. 물론 물처럼 묽은 상태에서 고체처럼 딱딱하게 말랐다고 하여 건조(乾燥 : Drying)라고도 부르기도 한다.
UV 코팅이나 경화를 하는 실무자들 사이에서는 UV 경화를 “건조”라고 부르는 경우가 많은데 딱딱하게 굳게 되었다고 해서 건조된 것과 유사하여 이렇게 부르기도 하지만, 물리적, 화학적 의미에서 보면 전혀 다른 말이 된다. 경화와 건조는 화학적, 물리적 관점에서 보면 여러 가지 차이가 있다.

UV 경화는 코팅 수지 자체가 모노머, 올리고머, 광개시제, 필러(Filler)를 넣어 만들어서 UV를 받으면 고분자 중합체인 폴리머(Polymer)로 되어 폴리머의 특성인 고체로 된다. UV 경화형 잉크나 UV 경화형 페인트에서는 용제나 시너(희석제)를 사용하지 않으므로 공해 문제가 없다.

UV 경화는 열 경화성 수지나 잉크에 비해 공해 문제가 없다는 점에서 도장, 페인트, 도료, 인쇄 등등 여러 산업에 사용될 뿐만 아니라, 경화 후의 접착 강도, 광택, 내마모성, 광택, 표면 경도 등 여러 가지 우수한 물성 때문에 여러 분야에서 매년 15% 이상 응용이 늘어나고 있다.

UV 경화가 없던 1970년대에는 표면을 경화하기 위해 열풍건조로(oven)에서 열을 가하거나 합성 kettle에서 오랜 시간 동안 건조했다. 이렇게 하던 것을, 에너지가 높은 자외선을 이용하여 순간적으로 표면을 경화 혹은 인쇄한다.
자외선 경화 원리
자외선 경화형 수지에 미량 들어 있는 광 개시제가 UV를 받으면 광중합 반응이 개시되어 수지의 주성분인 단량체(모노머:Monomer)와 중간체(올리고머:Oligomer)가 순간적으로 중합체(폴리머:Polymer)를 이루어 경화된다.
수지의 주성분인 모노머와 올리고머는 분자량이 낮아 액체인데 비해, 경화된 폴리머는 분자량이 높아 고체 상태(즉 딱딱한 상태)이므로 일반인의 눈에는 액체(코팅용 수지 혹은 잉크)가 순간적으로 경화되어 고체(중합체 : 폴리머)가 된 것으로 보인다.
고분자 화학을 전공하지 않은 일반인이 보기에는 물 같은 액체가 딱딱하게 굳어서 고체로 된 것이 마치 액체 상태의 페인트나 잉크 중의 솔벤트나 시너가 증발하고 말라서 건조된 것처럼 보이므로 UV 경화도 “경화”라는 말 대신 “건조”라고 부르기도 하지만, 정확한 뜻은 “UV 경화”다.
자외선 경화의 특징
① 1~10 이내의 매우 짧은 시간에 완전 경화된다.
② 표면 경도가 높아 스크래치에 강하다.
③ 표면 광택이 좋다.
④ 1액형으로 사용 가능하기 때문에 가사 시간이 길고 취급이 간편하다.
⑤ 내열 온도가 낮은 소재에 적합하다.
(ex) 필름, 비닐, 플라스틱, 합성지, 종이
⑥ 무용제 형 도료로서 공해가 거의 없다.
⑦ 전기 절연 특성이 좋다.
ex) PCB
⑧ 설비비가 비교적 싸고, 좁은 공간에 설치 가능하다.
⑨ 생산성이 크게 향상된다.
⑩ 공해방지, 성력화에 기여한다.
UV 경화의 장점
① 저온에서 경화가 가능하다.
-> UV 경화도료는 자외선 조사에 의해 경화되기 때문에 열을 직접 가하지 않는다. 따라서 열가소성 플라스틱, 목재, 종이 등의 가열이 불가능한 소재에도 열 경화형 도료와 동등 이상의 고품질의 도장 혹은 인쇄할 수 있다.

② 경화속도가 빠르다.
-> UV 경화도료의 경화시간은 매우 짧은 시간에 경화되기 때문에, 대형 가열 건조로에서 고온, 장시간을 가열 건조할 필요가 없다.

③ 도료의 성능 및 경화특성이 우수하다.
-> 경도가 높은 도료, 가소성이 풍부한 도료 등 용도에 따라 최적성능을 지니며, 단위 시간에 경화 가능한 도료의 설계가 가능하다.

④ 표면 광택, 경도가 좋다.
-> 제품에 따라 고광택, 무광택, 고경도 도료를 자유롭게 선택할 수 있다.

⑤ 고형분 도료이다.
-> 원칙적으로 고형분이 100%인 도료이기 때문에 용제휘발에 의한 환경오염이 거의 없으며, 후막 도장이 가능하다.

⑥ 에너지가 절감된다.
-> 통상의 가열 건조에 비교하여 에너지 효율이 높고 필요한 시기, 필요한 부분에만 에너지의 투입이 가능하기 때문에 에너지 절감이 가능하다.

⑦ 운전관리가 간단하여 신뢰성이 높다.
-> 스위치의 가동, 중지에 의해 바로 작업의 개시, 정지가 가능하므로 예열 시간 손실이 적고, 고 숙련을 필요로 하지 않는다.

UV 경화의 단점
① 도료 가격이 기존 도료에 비해 아직 고가이다.
② 자외선 조사 설비 등이 구비되어야 한다.
③ 평면이 아닌 각진 부분이나, 요철부분의 경화가 어렵다.
④ UV 램프에서 열이 많이 발생하고, 이 열로 인하여 제품의 열 변형이 가장 큰 문제이며, 열 변형 방지가 어렵고, 고비용이 든다.
⑤ 유색인 경우, 경화 속도가 늦다.
⑥ 두께 차이에 따른 경화 속도 차이가 많이 난다.
UV파장별 용도

자외선은 단위 몰 당 에너지가 강하므로 여러가지 용도로 사용되고 있으며, 각 파장별로 용도가 각각 다르다.
UV램프에서 나오는 파장에 따라 용도를 분류하면 다음과 같다.

1. 산업용 UV 램프
주 작용
파장(nm)
적용 램프
용도 및 분야
오존생성 150~200 UV/O3램프 표면개질,세정
세정 184.9 UV/O3램프 표면개질,세정
살균작용 240~300 살균램프 공기살균, 물살균
UV경화 340~460 고압수은램프, 메탈할라이드램프, 제논 램프, 인쇄제판,도료,잉크경화
광분해 250~450 광 분해용 램프, 기판, LCD, Wafer, 프라스틱, 유리위의 유기물 제거
노광 300-450 노광용 램프 감광제를 노광시킨다.필름 노광기, 새도우 마스크
광합성 340~700 저압UV램프, 고압수은램프 화학물질의 합성


2. 일반 UV 램프

주 작용
파장(nm)
적용 램프
용도 및 분야
살균작용 240~300 살균램프 공기살균,수살균
생체유해작용 200~340 살균램프, 아크용접, 가스용접, 카본아크용접 눈,피부에 상해
홍반작용 250~330 치료용 자외선램프, 태양광 광선과민증 진단
비타민D생성 260~330 건강선용 형광램프 식품,사료등의 비타민D의 첨가
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