KR101936946B1 - 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치 및 이를 이용한 시험 방법 - Google Patents
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Abstract
태양광 투과가 가능한 유리 창호를 가진 실내 환경에서 진행되는 화학소재 및 제품의 광열화를 가속 재현 시험하기 위한 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 있어서, 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프를 구비하고, 상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프가 태양 자외선 영역 및 단파장 가시광선 파장 대역인 295 내지 400 nm 에서 실내광의 평균 광파워 스펙트럼에 대한 모사성을 갖기 위하여, 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도 합을 100 %로 할 때, 실내 광열화를 모사하는 장치의 광원은 320 nm 이하의 단파장 자외선 비중은 1% 미만이며, 360 nm 이상의 장파장 자외선 비중은 80 % 초과의 적분 자외선 조사 강도를 갖는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치가 제시된다.
Description
본 발명은 주간(daylight) 실내 태양광 자외선 모사(이하 실내 광열화 모사)시험 장치 및 이를 이용한 시험 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 소재의 실내 광열화 특성을 신속하고 정확하게 모사할 수 있는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치 및 이를 이용한 시험 방법에 관한 것이다. 대표적인 적용분야는 가전제품 등 관련 제품의 감성품질에 대한 요청 및 장기 내광성 수요에 대응하기 위한 것으로서 현실모사 재현성을 확보하면서 시험 가속성을 향상시키기 위한 촉진 내광성 시험 분야이다.
대부분의 실내 공간에는 환기 및 조명 등을 위해 외부 유리창을 갖고 있으며, 이 경우 사무실과 가정 등 실내 환경에서 플라스틱 등 화학소재에 대한 광열화를 유발시키는 주된 광원은 유리창을 투과하여 실내에 조사된 태양광이라고 알려져 있다. 이에 비하여 LED나 형광등과 같은 실내의 조명용 인공 광원은 발광되는 광파워 스펙트럼에 존재하는 자외선의 상대적인 조사강도가 미미하거나 사실 상 존재하지 않는 경우가 대부분이며, 백색 광을 만들어 내는 가시광선 영역에서도 장기간 누적된 조사강도가 실내에 투과된 태양광 대비하여 현저히 낮기 때문에 장기간 동안 인공 광원에 근접하여 사용되는 경우 등의 특별한 사례를 제외하고는 인공 광원에 의한 화학소재의 광열화 유발 효과는 무시할 수 있다.
플라스틱 등의 화학소재가 장기간 옥외 환경에 노출되어 진행되는 경시 광열화에 있어 주요한 열화 유발 인자는 빛, 열 그리고 수분 노출이며 이 중에서도 자외선이 가장 유력한 열화 유발 인자로 알려져 있다. 옥외 환경과 달리 실내 환경에서는 상대적으로 온도 변화가 크지 않고, 강수에 의한 직접적인 수분 노출도 없는 경우가 대부분이기 때문에 실내 환경에서 발생하는 경시 광열화를 재현하기 위한 촉진 광열화 시험에서 자외선의 실내 태양광 자외선 모사성이 갖는 중요성은 더욱 증가하게 된다.
이런 의미에서 실내 환경을 모사하기 위한 촉진 시험용 광원의 특성을, 창유리를 통과한 실내 태양광 자외선에 대한 특성과 일치시키는 것은 실내 환경을 위한 광열화 가속시험에서 가장 중요한 요소이다. 화학소재는 분자구조에 따라 고유한 자외선-가시광선(UV-VIS) 흡수 스펙트럼을 갖고 있으며, 각각의 자외선 흡수 특성에 따라 자외선 발광 광원에 대응하는 광열화의 특성이 다르게 나타나기 때문에 사용 환경에서 주어지는 광파워 스펙트럼과 일치하는 인공 광원을 사용하는 촉진 내광성 시험 만이 동일한 광열화 결과를 재현할 수 있게 된다. 이는 태양광의 광원 스펙트럼과 해당 화학소재의 자외선 흡수 특성의 중첩에 따른 활성화 스펙트럼이 실질적인 광열화의 특징을 결정하기 때문이다. 실내 태양광의 광원 스펙트럼과 불일치한 자외선 스펙트럼을 가진 인공 광원은 실제 사용환경에서 주어지는 광열화와는 불일치한 활성화 스펙트럼을 만들기 때문에 실제의 광열화 메커니즘을 따르지 못하는 오류를 유발하게 된다.
사용 환경에서 화학소재의 광열화를 유발하는 실제 광원의 자외선 광파워 스펙트럼과 종래의 실내 환경 하의 광열화를 모사하기 위해 사용된 시험기용 인공광원(예를 들어, 카본-아크 램프, 자외선 형광 램프, 메탈-할라이드 램프 및 제논-아크 램프 등)의 자외선 광파워 스펙트럼의 불일치에 의한 오류 발생의 원인으로 여러가지가 지적될 수 있다. 그 중 가장 중요한 원인으로는, 시험기의 자외선 광원이 만들어 내는 광파워 스펙트럼이 실내 태양광 자외선의 광파워 스펙트럼과 일치하지 못함으로써 발생되는 열화 메커니즘의 불일치를 들 수 있다.
이러한 문제점에 대하여 최근 제논-아크 램프를 사용하는 경우에는, 특정한 창유리(window glass) 필터를 조합하여 태양광 모사성을 향상시키려는 시도들이 진행되고 있다. 이는 글로벌 자동차 제조업체 및 제논-아크 내광성 시험기 제조업체를 중심으로 기존의 창유리 필터의 자외선 차단 특성을 310 nm 이하 차단에서 320 nm 내지 325 nm 이하 차단하는 것으로 변경하는 것을 주된 내용으로 포함한다. 이러한 변화는 종래의 제논-아크 램프를 사용함에 있어 실내 태양광 자외선은 물론 옥외 태양광, 즉 태양 직사광에서도 포함하고 있지 않은 295 nm 이하의 단파장 자외선을 포함하고 있기 때문에 이를 차단하기 위한 단파장 자외선 제거 필터를 사용하여 왔으나, 종래에 사용된 단파장 제거 필터 만으로는 실내 자외선 모사가 충분하지 못했다는 것으로부터 유래하고 있다.
또 다른 열화 요소로서, 실제 사용 환경에서 화학소재의 장기 열화를 결정하는 요소 중의 하나는 열 또는 온도의 영향이다. 자외선을 포함하는 빛과 열은 화학소재의 경시 열화의 메커니즘과 속도를 결정함에 있어 상호 시너지 효과를 갖고 있다는 것이 알려져 있기 때문에, 실제의 열화 재현성을 확보할 수 있는 촉진 내광성 시험은 자외선 광파워 스펙트럼의 현실모사성 뿐만 아니라 자외선 조사강도와 온도가 미치는 상호 영향이 현실 모사적으로 제공되어야 한다.
종래의 대표적인 촉진 내후성 시험기로서, 태양광 자외선 모사성이 우수한 것으로 평가받는 제논-아크 램프를 사용한 시험기들은 광원의 적외선 발생량이 높아 조사 강도에 따른 온도 제어 능력에 일정한 한계를 갖고 있다. 최근 내후성 시험의 소요 기간을 단축하기 위하여 자외선 조사강도를 높이는 촉진내후성 시험법이 기술적으로 주목 받고 있지만, 이러한 경우 자외선 조사강도를 증가시키는 것과 비례하여 전체적인 램프 발열량이 높아지기 때문에 시편 표면 온도 및 시험기 내부의 공기 온도 제어는 더욱 어렵게 된다. 이러한 문제점으로 종래의 촉진내후성 시험기는 광원의 적외선 스펙트럼 상의 현실모사성 부족과 함께 초촉진을 위한 고강도 자외선 조사를 위한 온도 제어에 어려움이 있어 왔다.
도 1은 종래의 대표적인 실내 광열화 시험방법인 제논-아크 램프에 창유리 필터를 조합하여 시험하는 방법(ISO 4892-2, Method B) 및 중심 피크 파장이 351 nm인 자외선 형광 램프를 사용하는 UVA 351 자외선 형광 램프 시험 방법(ISO 4892-3, Method B)의 자외선 영역 스펙트럼을 실내 태양광을 대표하는 자외선 영역 스펙트럼에 비교한 것이다. 종래 방법의 경우 자외선 영역의 모사성을 향상시키기 위해서는 기존 자외선 차단 필터 외에 새로운 자외선 차단용 광학 필터를 추가하여 사용하기도 하지만, 자외선 차단용 광학 필터 적용에도 불구하고 전체 자외선 영역에서 현실모사성을 완전하게 확보하기에는 한계가 있어 왔다. 이렇게 추가적인 자외선 차단용 광학 필터를 적용할 경우에는 광조사 방향에 따른 스펙트럼 왜곡이 발생할 수 있어서, 장치 설계에 제한이 따르며 시험에 따른 소모성 부품에 대한 경제적 부담이 발생하게 된다.
또한, 도 1은 종래 촉진내후성 시험기들에서 실내 태양광 모사를 위해 적용한 자외선 영역의 광파워 스펙트럼을 실내 태양광을 대표하는 광파워 스펙트럼과 비교하여 놓은 것이다. 창유리 필터를 적용한 제논-아크 광원의 경우에는 실제의 평균적인 실내 태양광 스텍트럼으로 간주할 수 있는 Kodak의 실측 평균 실내광 스펙트럼은 물론 국제조명위원회의 기준에 따른 표준 실내 태양광 스펙트럼에 비해서도 단파장 스펙트럼의 비중이 높게 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 실내광을 모사하는 것으로 여겨지는 자외선 형광램프(UVA-351) 경우에는 350 nm 보다 짧은 파장의 자외선 비중은 지나치게 높고 360 내지 370 nm 보다 긴 파장의 자외선 비중은 지나치게 낮다는 것을 확인할 수 있다.
참고로, 도 1에서 실측 평균 실내광의 스펙트럼은, KODAK의 Bugner 등이 Rochester, London, Los Angeles 및 Melbourne의 4개 도시 32곳의 실내 환경에서 수 개월간 측정하여 제시한 평균 스펙트럼이다 (Survey of Environmental Conditions Relative to Display of Photographs in Consumer Homes, Photofinishing technology 2004, pp.21-26). 또한, 표준 실내 태양광의 스펙트럼은, 국제조명위원회(CIE)가 두께 10 mm의 일반 건축용 단일 창유리 20종에 대한 평균 투과율 스펙트럼(CIE 2009 ID 65)을 ASTM G 173의 표준 태양광에 적용한 광파워 스펙트럼이다 (Proposal for an Indoor Daylight Illuminant, Katalin Gombos 등, COLOR research and application, Volume 34, Number 1, February 2009, pp.18-25).
이러한 차이를 자외선 영역을 파장 영역별로 세분하고 정량화하여 표 1에 나타내었다. 표 1은 실내 태양광과 종래기술의 영역별 자외선 스펙트럼 분포를 나태낸 것이며, 수치는 적분 조사강도이며 단위는 %이다.
자외선 모사성에 근본적인 한계가 있어 예비적인 시험용으로 주로 사용되는 자외선 형광램프(UVA-351)의 경우는 비교예에서 생략하였다. 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도의 합을 100 %로 할 때, 실내 태양광의 경우 320 nm 이하 단파장 자외선의 비중이 1% 미만이고, 340 nm 이하 단파장 자외선의 비중은 5% 미만인 반면 대표적인 종래 기술인 ISO 4892-2 방법에 의한 창유리 필터 제논광의 경우 각각 1% 및 10%를 초과하여 단파장 자외선의 비중이 과도하게 높아서 단파장 자외선에 의존하는 열화 메커니즘을 과장하여 유발할 우려가 있으며, 상대적으로 360 nm 이상의 장파장 자외선은 실내 태양광의 경우 80% 초과로 높은 비중을 갖고 있지만 종래 기술의 경우에는 대부분 70% 미만으로 작은 비중을 갖는다.
| 영역(nm) | 실측 평균 태양광 | 표준 실내 태양광 | 창유리 필터 제논광 |
| 300-320 | 0.0 | 0.0 | 1.4 |
| 320-340 | 3.4 | 1.5 | 9.4 |
| 340-360 | 10.8 | 17.2 | 21.2 |
| 360-380 | 43.2 | 38.9 | 30.1 |
| 380-400 | 42.6 | 42.5 | 38.0 |
제논-아크 램프의 경우에는 자외선-가시광선-적외선에 분포된 전체 광파워 스펙트럼에서 자외선의 비중이 6% 이내이기 때문에 자외선 조사강도를 높이기 위한 고강도의 광량을 집광하여 조사하는 경우, 과도한 복사열이 시편 표면에 전달되어 열에 약한 화학 및 생물소재의 경우 원치 않는 열변형이나 열열화에 의한 열적 손상이 발생하는 문제점이 발생하게 된다. 이러한 문제를 회피하기 위해서 자외선은 투과시키고 가시광선 및 적외선은 차단하는 자외선 차단용 광학 필터를 사용하여 시편 표면에 조사되는 복사열을 저감하려는 시도는 상업적으로 추가적인 장치를 부착시켜야 하는 설계상의 번거로움이 발생하고 필터에서 차단된 복사열을 효과적으로 챔버 외부로 배출시키기 위한 챔버 공간의 분리 및 열배출 시스템 설계가 부가되는 문제점이 있으며, 결과적으로 챔버 내부의 온도를 관리하기 위한 어려움이 더욱 심화되게 된다.
반면에 자외선 형광 램프를 사용하는 촉진내후성 시험기인 경우에는 가시광선 및 적외선의 열원은 포함되어 있지 않기 때문에 열적 손상에 대한 어려움을 회피할 수 있지만 램프 특성상 고출력 발광이 어렵고, 출력은 낮고 길이가 길거나 분산된 형태의 램프 형태를 갖고 있기 때문에 자외선의 집광 설계가 어려우므로 초촉진을 위한 고강도 자외선을 얻기 어려운 문제가 있다. 자외선 형광 램프를 사용하는 시험기의 경우에는 상대적으로 좁은 광파워 스펙트럼 대역을 갖는 근본적인 특성 때문에 널은 파장 대역의 태양광 자외선을 모사하기 힘든 한계를 갖고 있다.
따라서 상기 종래의 광원 어느 경우도 태양광 자외선 영역에서의 실내광 모사성을 갖고 있으면서 동시에 열원으로 작용하는 가시광선과 적외선의 비중은 낮은 실내 태양광에 의한 초촉진 광열화 시험기에 최적화된 광원으로서의 특성을 만족하고 있지 못하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 플라스틱 등과 같은 화학소재가 실내의 태양광 자외선에 장기간 노출되었을 때 나타나는 광열화 특성을 신속 정확하게 예측 및 평가할 수 있는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치 및 그 장치를 사용하는 시험 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서는 유리창을 투과하여 실내에 조사된 태양광에 의한 화학소재의 열화를 가속 모사하려는 시험 장치 및 시험 방법을 제공하는 것을 목적으로 하므로 필드 환경에 대한 기준, 즉 실내 태양광의 기준을 명확히 하고 이를 신속 정확하게 가속 재현할 수 있는 실시예를 제공하려 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예들의 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치가 제공된다.
제1 구현예는,
태양광 투과가 가능한 유리 창호를 가진 실내 환경에서 진행되는 화학소재 및 제품의 광열화를 가속 재현 시험하기 위한 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 있어서,
실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프를 구비하고,
상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프가 태양 자외선 영역 및 단파장 가시광선 파장 대역인 295 내지 400 nm 에서 실내광의 평균 광파워 스펙트럼에 대한 모사성을 갖기 위하여, 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도 합을 100 %로 할 때, 실내 광열화를 모사하는 장치의 광원은 320 nm 이하의 단파장 자외선 비중은 1% 미만이며, 360 nm 이상의 장파장 자외선 비중은 80 % 초과의 적분 자외선 조사 강도를 갖는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 관한 것이다.
제2 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프는;
상기 램프가 포함된 광원부에 별도의 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않고도, 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도 합을 100 %로 할 때, 320 nm 이하의 영역은 1% 미만이며, 360 nm 이상의 영역은 80 % 초과의 적분 자외선 조사 강도를 갖는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 관한 것이다.
제3 구현예는, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,
상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프는; 별도의 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않고, 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도 합을 100 %로 할 때, 그 중에 320 nm 미만의 영역은 1.0 % 미만, 320 nm 이상 340 nm 미만의 영역은 1.0% 이상 5.0% 미만, 340 nm 이상 360 nm 미만의 영역은 5.0% 이상 18.0% 미만, 360 nm 이상 380 nm 미만의 영역은 25.0% 이상 45.0% 미만, 380 nm 이상 400 nm 미만의 영역은 40.0% 이상 60.0% 미만의 적분 조사강도를 각각 갖는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 관한 것이다.
제4 구현예는, 제1 구현예 내지 제3 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프는;
종래의 태양광 모사 램프에 비해 500 nm 이상의 가시광선 및 적외선 발광 특성이 저감된 특징으로, 500 nm 이상 800 nm 미만의 가시광선 및 적외선 적분 조사강도에 대한 300 nm 이상 400 nm 미만의 자외선 적분 조사강도의 비율이 25 % 이상인 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 관한 것이다.
제5 구현예는, 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치는;
실내광의 자외선 분광 분포 모사성이 있고 500 nm 이상의 가시광선 및 적외선 이 저감된 광원부;
상기 광원부로부터 조사된 광을 시편에 균일하게 조사하는 광조사부;
상기 시편을 고정하거나 광원과 등거리를 유지하면서 회전하게 하는 시편부;
상기 시편의 표면 및 주위의 습도를 제어하는 습도 조절부; 및
상기 시편의 표면 및 주위의 온도를 광 조사강도에 연동하여 제어하는 온도 조절부;를 포함하는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 관한 것이다.
제6 구현예는, 제5 구현예에 있어서,
상기 광조사부가 광통로 및 집광장치 중 1종 이상을 포함하는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 관한 것이다.
제7 구현예는, 제6 구현예에 있어서,
상기 광통로는 상기 시편부 폭의 1.7배 내지 2.3배의 길이를 가지며, 310 nm에서 65 % 이상의 정반사율을 갖는 반사 소재로 형성되는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 관한 것이다.
제8 구현예는, 제5 구현예 내지 제7 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 시편부에 조사되는 광은 290 내지 400 nm의 자외선 적분 조사강도를 기준으로, 30 내지 2,000 W/m2의 자외선 조사강도를 가지는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 관한 것이다.
제9 구현예는, 제5 구현예 내지 제8 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 시편부의 각 영역에 조사되는 광의 최고 조사강도 대비 최저 조사강도의 비는 300 W/m2의 자외선 조사강도를 기준으로 90 내지 110 % 범위인 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 관한 것이다.
제10 구현예는, 제5 구현예 내지 제9 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 온도 조절부는 대류 냉각과 복사 냉각의 혼합 방식이며,
290 nm 내지 400 nm의 자외선 적분 조사강도를 기준으로 30 내지 2,000 W/m2 의 광 조사강도일 때 시편부의 블랙패널온도를 기준으로 35 내지 120 ℃ 온도 범위에서 조정이 가능하며, 시편부의 챔버 공기 온도를 기준으로 25 내지 100 ℃ 온도 범위에서 조정이 가능한 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 관한 것이다.
제11 구현예는, 제1 구현예 내지 제10 구현예 중 어느 한 구현예의 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치를 이용한 실내 태양광 자외선 모사 시험 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 화학소재가 실내 태양광 자외선에 의해 유발되는 장기간의 광열화에 의한 경시변화를 단시간 내에 예측 및 평가할 수 있는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치 및 이를 이용한 시험 방법을 제공할 수 있다.
구체적으로, 종래의 제논-아크 광원 방식의 내후성 시험장치로는 통상적으로는 300 내지 400 nm의 자외선 파장 영역에서 50 W/m2의 조사강도로 시험하는 것이 제안되어 있으며(ISO-4892-2, Method B), 상대적으로 높은 가속성을 발휘하도록 고안된 장비인 경우에도 시편 표면에서 발생하는 열손상의 우려 때문에 300 내지 400 nm의 자외선 파장 영역을 기준으로 최대 160 내지 180 W/m2 수준의 자외선 조사강도를 최대 값으로 갖는 것에 비하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 300 내지 400 nm의 자외선 파장 영역에서 2,000 W/m2 수준까지도 시험온도 제어가 가능한 상태로 시편부 전체에 균일한 자외선 광조사에 의한 실내광 전용의 촉진 광열화 시험을 제공할 수 있다.
한편, 종래의 자외선 발광 램프, 즉 자외선 형광 램프 또는 메탈 할라이드 램프, 고압 수은 램프 등의 자외선 램프를 사용하는 내후성 시험장치는 실내 태양광 자외선 모사성이 크게 부족하여 화학소재의 광열화 현상에 대한 현실모사성이 부족한 것에 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 실내 태양광 자외선 모사성이 강화된 광원 스펙트럼을 갖는 본 발명의 광원을 사용하면 촉진 광열화 시험을 위해 자외선 조사강도를 높이는 경우에도 열손상 우려 없이 높은 자외선 조사강도를 사용할 수 있게 됨으로써 시험시간을 단축시킴과 동시에 실내 광열화에 최적화된 특성을 발휘하여 실내 광열화를 현실모사적으로 재현함으로써 종래 기술로는 달성할 수 없었던 실내 광열화에 대한 뛰어난 현실모사성과 촉진가속성을 구현할 수 있다.
특히 본 발명이 제공하는 실내 태양광에 대한 광파워 스펙트럼 상의 현실모사성은 추가적인 광원의 모사성을 개선하기 위한 자외선 차단용 광학 필터의 사용 없이도 효과에 대한 달성이 가능하다. 종래 기술과 같이 실내 태양광 모사를 위해 복잡한 자외선 차단용 광학 필터 조합을 적용할 경우에는 적외선 및 가시광선 차단에 따른 열 축적과 조사 방향에 따른 자외선 스펙트럼의 파장 이동 등의 스펙트럼 왜곡 현상을 극복할 수 있는 복잡한 장치 설계 및 광학 기술이 필요하게 된다. 따라서 종래 기술로서 상업적으로 유효한 조사면적을 갖는 충분한 크기의 장치에서 광학적 특성을 만족시키기 위해서는 부대 장치 및 온도 조절 장치 설계에 따른 제약 등으로 장치가 비대해지고, 높은 가격의 소모성 부품 사용불가피해지는 등의 문제점을 수반하게 되므로 상업적인 불리함을 갖게 된다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치는, 특정 파장 대의 빛이 투과되는 것을 차단하여 광원에서 발생한 원래의 빛이 갖는 광파워 스펙트럼과 다른 특징의 광파워 스펙트럼을 만들어 내는 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않고, 램프 본래의 고유한 광파워 스펙트럼이 실내 태양광 자외선의 광파워 스펙트럼에 정확히 일치하도록 고안되었다. 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치의 광원 특성은 종래의 어떠한 방식의 내후성 시험 장치가 제공하는 실내 태양광 자외선 모사 시험에 비하여서도 비교할 수 없는 기술적, 경제적 이점을 제공한다.
또한 통상 태양광 전체 파장 대역을 모사하는 제논-아크 램프, 자외선 위주의 빛을 발광하는 자외선 형광 램프 및 메탈 할라이드 램프의 발광 수명이 1,000 내지 1,500 시간에 불과한데 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 시험 장치의 실내 태양광 자외선 광원은 최소 5,000 시간 이상의 수명을 갖는 무전극 플라즈마 램프로서, 보편적으로는 10,000시간 이상의 발광 수명을 갖기 때문에 장치 운영이 안정적이며, 장치 운영에 따른 램프 교체 비용을 크게 줄일 수 있는 이점을 제공한다.
본 발명의 실시예에서는 상기한 본 발명의 특징에 따라 자외선 차단용 광학 필터를 시용하지 않고 광원 고유의 광파워 스펙트럼으로 종래 기술이 제공하는 촉진 내후성 시험장치보다 간편해진 장치 구성으로도 충분히 실내 태양광 자외선에 대한 현실모사성을 달성함과 동시에 높은 자외선 조사강도의 촉진 광열화 시험이 가능한 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치와 시험 방법을 제공함으로써 본 발명의 특징과 효과를 입증하였다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 실측 평균 실내광, 표준 실내 태양과, 창유리 필터 적용 제논광, 및 자외선 형광 램프의 광파워 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치를 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 3은 실내 태양광과 실시예 1 광파워 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 4a 내지 4d는 시험예 4에 의한 광열화 재현시험 결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 실시예 1과 제논-아크 램프의 조사 강도에 따른 복사 과열 제어 효과를 비교한 그래프이다.
도 1은 실측 평균 실내광, 표준 실내 태양과, 창유리 필터 적용 제논광, 및 자외선 형광 램프의 광파워 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치를 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 3은 실내 태양광과 실시예 1 광파워 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 4a 내지 4d는 시험예 4에 의한 광열화 재현시험 결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 실시예 1과 제논-아크 램프의 조사 강도에 따른 복사 과열 제어 효과를 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명자들에 의한 종래 발명(한국 등록번호 1303691)에서 제공한 무전극 플라즈마 램프의 옥외 태양광, 즉 태양 직사광 모사에 적합한 램프와 비교할 때, 본 발명에서는 실내 태양광 모사에 최적화되어 단파장 자외선이 대폭 제거되고 장파장 자외선과 단파장 가시광선 위주의 발광 특성이 발현된 광원을 사용함으로써, 실내 태양광 모사성을 확보함과 동시에 초촉진이 가능하도록 열원으로 작용하는 장파장 가시광선과 적외선의 비중을 낮추는 것이 달성되었다.
본 발명의 목적은, 플라스틱 등의 화학소재가 포함된 다양한 시험 대상이 실내 태양광 자외선에 장기간 노출되었을 때 나타나는 광열화 특성을 신속 정확하게 예측 및 평가하기 위해 광열화를 단기간 내에 가속화하여 시험할 수 있는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치 및 이를 이용한 시험 방법을 제공하는 것이다.
상세하게는, 본 발명은 광원부의 광원 스펙트럼이 실내 태양광 광원 스펙트럼의 자외선 영역과 일치하여, 화학소재의 광열화를 현실모사적으로 재현할 수 있도록 고안된 특성을 가지며, 열원으로 작용하는 장파장 가시광선과 적외선은 획기적으로 저감하여 높은 자외선 조사강도를 사용하는 경우에도 시편에서 발생할 수 있는 열손상을 최소화하면서 가속성이 높은 촉진 광열화 시험을 가능하게 할 수 있는 특징을 갖는 광원부를 이용한 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치 및 이를 이용한 시험 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치는, 태양광 투과가 가능한 유리 창호를 가진 실내 환경에서 진행되는 화학소재 및 제품의 광열화를 가속 재현 시험하기 위한 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 있어서, 실내 투광 태양 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프를 구비하고, 상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프가 태양광 자외선 영역 및 단파장 가시광선 파장 대역인 295 내지 400 nm 에서 실내광의 평균 광파워 스펙트럼에 대한 모사성을 갖기 위하여, 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도 합을 100 %로 할 때, 실내 광열화를 모사하는 장치의 광원은 320 nm 이하의 단파장 자외선 비중은 1% 미만이며, 360 nm 이상의 장파장 자외선 비중은 80 % 초과의 적분 자외선 조사 강도를 갖는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치를 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 2를 참조하면, 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치는 실내 태양 자외선 분광 분포 모사성이 있는 광원부(1), 상기 광원부(1)로부터 조사된 광을 모아 시편에 균일하게 조사하는 광조사부(2); 상기 시편을 고정하거나 이동 또는 회전하게 하는 시편부(3); 상기 시편의 표면 및 주위의 습도를 제어하는 습도 조절부 및 상기 시편의 표면 및 주위의 온도를 광 조사강도에 연동하여 제어하는 온도 조절부(4);를 포함한다.
상기 실내 태양광 모사 시험 장치의 광원부는 유리창을 투과하여 실내에 조사된 태양광의 자외선 분광 분포 모사성이 있는 광원부이다. 사무실과 가정 등 실내 사용 환경에서 사용하는 화학소재는 옥외 태양광이 아닌, 유리창을 투과하여 실내에 분포하는 투과 직사광과 산란광 및 반사광이 혼합된 성분으로 옥외 태양광과는 구별되는 광파워 스펙트럼을 가진 특징적인 실내 태양광에 의해서 광열화가 진행되므로, 본 발명이 제공하는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치의 광원부는 옥외 태양광 자외선과는 구별되는 실내 태양광 자외선을 모사하기 위한 전용 장치에 활용된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사 장치의 광원부로부터 조사되는 실내 태양광 자외선 모사용 광은, 창호를 통한 외부 태양광 입사가 주 광원으로 포함된 실내 광에 대한 광파워 스펙트럼 모사성이 우수하다. 그 결과, 상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프는 별도의 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않고도, 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도 합을 100%로 할 때, 실내 태양광 자외선 모사 장치의 광원은 320 nm 이하의 단파장 자외선 비중은 1% 이하이며, 360 nm 이상의 장파장 자외선 비중은 80%를 초과하는 적분 자외선 조사 강도를 가질 수 있다.
상세하게는, 상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프는, 별도의 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않고, 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도 합을 100 %로 할 때, 그 중에 320 nm 미만의 영역은 1.0 % 미만, 320 nm 이상 340 nm 미만의 영역은 1.0% 이상 5.0% 미만, 340 nm 이상 360 nm 미만의 영역은 5.0% 이상 18.0% 미만, 360 nm 이상 380 nm 미만의 영역은 25.0% 이상 45.0% 미만, 380 nm 이상 400 nm 미만의 영역은 40.0% 이상 60.0% 미만의 적분 조사강도를 각각 가질 수 있다. 그 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프는, 국제조명위원회(CIE)의 주간(daylight) 실내 조명 표준(CIE 2009 ID 65)과 실측 평균 실내 태양광(Kodak)에 부합하는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치 전용의 광파워 스펙트럼을 제공할 수 있다.
또한, 상기 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치의 광원부로부터 조사되는 실내 태양광 자외선 모사용 광은, 400 nm 이상의 가시광선 및 적외선을 차단하는 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않고도, 종래의 옥외 태양광을 모사하는 램프들에 비해 가시광선 및 적외선 발광 특성이 보다 저감될 수 있다. 예를 들어, 상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프는 500 nm 이상에서 800 nm 미만까지의 가시광선 영역의 적분 조사강도를 분모로 할 때, 300 nm 이상에서 400 nm 미만까지의 자외선 영역의 적분 조사강도를 분자로 계산한 비율이 25% 이상일 수 있고, 이는 전체 발광 성분 중의 자외선 비중이 높은 것에 해당된다.
상기 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치의 광원부는 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프를 구비하고, 구체적으로 고주파에 의하여 발생되는 무전극의 플라즈마 방전을 이용한 광원을 사용할 수 있다.
이 때 상기한 특유의 광파워 스펙트럼을 갖는 광원부의 제작을 위하여 무전극 플라즈마 광원의 발광 물질로는 황을 주성분으로 포함하며, 완충 기체로는 아르곤, 제논, 헬륨 중의 하나 이상이 포함될 수 있다.
종래에는 상기 실내 태양광 자외선을 모사하는 경우에서도, 조사강도 증가시 과도한 열원으로 작용하는 가시광선과 적외선이 저감된 광파워 스펙트럼을 제공하는 부분은 광원과 자외선 차단용 광학 필터와의 조합을 시도하였다.
이와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치의 광원부는 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않으므로 장치 시스템이 단순해지며, 장비 가동에 수반하는 소모성 부품의 유지비 부담을 덜 수 있다. 또한, 자외선 차단용 광학 필터를 사용하는 경우에는 투과되는 파장의 영역대라도 조사강도의 저하가 발생하지만 이와 달리 동일한 자외선 출력의 광원을 높은 효율로 시편 폭로에 활용할 수 있으므로, 상업적으로 제공 가능한 출력의 광원을 사용함에도 상업적으로 의미가 충분한 넓이의 시편 수광부 면적이 확보될 수 있다.
한편, 시험 장치에 사용되는 광원의 실내 태양광 자외선 모사성을 높이기 위하여 제논-아크 광원 등에서 흔히 사용하는 단파장 자외선을 차단하는 자외선 차단용 광학 필터를 사용하는 경우에도 광학계 구조에 따른 필터 성능 및 구조 설계, 내구성, 경제성 등의 문제가 수반할 수 있다. 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않고 램프 고유의 발광 특성이 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 광파워 스펙트럼을 구현하도록 하는 것이 가장 바람직하다. 따라서 본 발명의 일 실시예 따른 실내 태양광 모사용 광 조사 장치는 일체의 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않고, 실내 태양광 자외선 모사성을 달성할 수 있다.
상기 실내 태양광 모사용 광원부의 자외선 광파워 스펙트럼 특성에 대한 수치 한정 범위는 AM 1.5G 표준 태양광 광파워 스펙트럼인 ASTM G 173에 국제조명위원회가 제시한 창유리(CIE ID)의 투과율 스펙트럼을 적용한 것을 기준으로 할 수 있다.
종래의 실내 태양광에 대한 광열화 촉진 시험은 국제표준화기구의 시험표준(ISO 4892-2)의 표 2(창유리 필터를 사용한 제논-아크 램프의 상대적 스펙트럼 복사량)에서 제시하는 실내 태양광 규격을 따르는 경우가 많은데, 이 실내 태양광 규격은 3 mm 창유리를 통과한 직달일사(direct solar radiation)를 대상으로 하여 310 nm 이하의 자외선만을 차단하는 광파워 스펙트럼을 사용하도록 규정하고 있다. 따라서 Kodak이 수행한 여러 국가의 사무실 평균 실내 광파워 스펙트럼에 비하여 단파장 자외선이 풍부한 차이점을 갖는다. 반면 국제조명위원회(CIE)가 두께 10 mm의 일반 건축용 단일 창유리 20 종에 대한 평균 투과율 스펙트럼을 적용하여 제시한 실내 태양광 모델인 CIE 2009 ID 65의 경우에는 325 nm 이하의 자외선은 포함되지 않는 광파워 스펙트럼을 제시하고 있으며 이는 도 1의 실내 태양광 실측 평균 스펙트럼(KODAK에서 측정한 세계 4개 도시 32곳의 실내 태양광 평균 스펙트럼)에 상대적으로 가깝다.
한편, 미국재료시험협회 규격(ASTM D4459) 등을 참조할 때, 제논-아크 광원을 사용하는 종래의 실내 태양광에 의한 광열화 촉진 시험은, 300 내지 400 nm 영역의 자외선 적분 조사강도를 기준으로 36.5 W/m2(420 nm에서 0.8 W/m2)의 자외선 조사강도로 시험하도록 규정하고 있다. 따라서 종래의 실내 태양광 모사를 위한 촉진 광열화 시험에서 사용하고 있는 촉진 가속성은 높지 않은 편이기 때문에, 수년 또는 수십년 동안 진행되는 실내 환경 하에서의 다양한 화학소재 및 제품들에서 진행되는 경시 변화를 예측 평가하기 위해서는 짧게는 500 시간 이상, 길게는 10,000 시간 이상까지도 긴 시험시간이 요구되게 되는 경우가 흔히 발생한다. 예를 들어, 연간 남측 창가에 근접한 실내 환경의 10년간 자외선 노출량을 300 MJ/m2으로 계산한다면, 상기한 36.5 W/m2 의 자외선 조사강도로 연속하여 쉬지 않고 계속 시험한다고 할 때 요구되는 총 시험 시간은 2,283 시간(약 96일)이 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 자외선 모사 장치는, 실측된 실내광 조건에 보다 부합하는 실내 태양광 표준인 국제조명위원회의 규정, CIE 2009 ID 65에 따르는 실내 태양광 자외선 광파워 스펙트럼을 모사할 수 있는 광원부를 제공할 수 있다. 즉 종래 시험 장치 및 시험 방법(시험 표준 또는 규격)들이 제공하지 못하던 국제조명위원회 또는 Kodak이 실측한 국제 실내 조명의 평균 광파워 스펙트럼에 부합하는 현실모사적인 실내 태양광 자외선 조사 장치용 광원을 제공하며, 또한 종래 시험 시험 장치 및 시험 방법들이 제공하던 자외선 조사강도를 보다 획기적으로 높여 제공함으로써 현실모사적 필드 재현성과 함께 촉진 가속성을 동시에 제공할 수 있다.
실내 태양광 모사용 광원부의 자외선 스펙트럼 분포 수치 한정의 의미는 국제조명위원회의 표준, CIE 2009 ID 65와 Kodak의 실측 평균 실내 태양광 스펙트럼을 기준으로 정하였다. 3 mm의 얇은 창유리 등을 투과한 직달 태양광을 실내 태양광으로 모사하는 종래의 미국재료시험협회 규격(ASTM D4459) 등은 상기한 실측 조건에 의한 광파워 스펙트럼에 비해 단파장 자외선에 의한 광열화가 과장되기 때문에 비현실적인 광열화가 진행되는 조건이 된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부는 실내 태양광 자외선에 의한 광열화를 촉진 조건으로 수행함에 따라 높은 조사강도의 빛을 조사함에 수반할 수 있는 시편 표면의 복사 과열에 의한 열손상을 억제할 수 있다.
이를 위해서, 상기 광원부는 실내 태양광 자외선 모사를 통한 광열화 재현성을 확보하기 위해 자외선 영역은 실측 실내 태양광 자외선을 잘 모사하도록 일치시키고, 동시에 장파장 가시광선과 적외선 영역의 빛은 실측 실내 태양광 보다 현저하게 낮은 광원을 사용함으로써 시편의 복사 과열 없이 고강도의 자외선 조사가 가능하도록 할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광조사부는 촉진성이 높은 고강도의 자외선 조사가 가능하며, 산업적으로 의미 있는 넓이의 시편부에 대하여 종래 시험장치 및 시험방법이 제공하는 실내 태양광 자외선의 조사강도보다 상기한 획기적으로 높은 조사강도를 균일하게 조사할 수 있는 초촉진 가속시험을 구현하기 위해, 광통로 및 집광장치 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 시편부의 넓이는 900 내지 2,000 cm2 일 수 있다.
상기 광통로 및 집광장치는 반사 튜브나 반사 갓, 집광 렌즈 등을 사용하여 램프에서 발광된 빛이 수광부에 모아지도록 집광시키는 역할을 할 수 있으며 집광장치 없이 직접 조사하는 경우(시편 홀더 프레임 등으로 광원과 등거리에 수광부 배치)도 포함할 수 있다.
이러한 광통로 및 집광 장치를 도입할 때, 중요한 점은 모아진 빛이 수광부 전체 영역에서 시편의 표면상에서 균일한 조사 강도를 나타내야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 시편부의 각 영역에 조사되는 광의 최고 조사강도 대비 최저 조사강도의 비는 300 W/m2의 자외선 조사강도를 기준으로 90 % 이상, 상세하게는 90 내지 110 % 범위일 수 있다. 상기 시험편 거치영역인 수광부에서 최고 조사강도 대비 최저 조사강도의 비가 90 % 이상일 경우는 시험편의 재배치가 필요 없으나, 그 비가 70 % 이상 90 % 미만일 경우는 플라스틱 등의 소재에 대한 제논-아크 광원을 사용한 대표적인 시험법(ISO 4892 및 ASTM G 155)의 규정을 만족하기 위해서 주기적으로 시험편을 재배치할 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 최적화된 집광비로 균일한 수광부 조사와 광원 스펙트럼의 왜곡 방지를 위하여 특유한 광통로 구성을 가지며, 자외선 반사율이 높은 반사 재질을 사용할 수 있다. 상기 광조사부로부터 발생된 빛을 모아 시편에 균일하게 조사하는 광통로의 구성은 선택적으로 사용할 수 있는 반사갓 길이를 포함한 광통로의 길이가 시편부(수광부) 폭의 1.7배 내지 2.3배 사이일 수 있다. 310 nm 에서의 정반사율이 65 % 이상인 반사 소재를 사용할 수 있다.
상기 광통로의 길이나 반사 소재의 정반사율이 이러한 범위를 만족하는 경우, 수광부에 균일한 조사가 가능하고, 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치의 시험 재현성이 개선될 수 있다.
또한 본 발명의 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치는, 촉진 내후성 시험의 필드 재현성 확보를 위해서 광 조사강도 증가에 따른 광열화 가속 효과에 맞는 온도의 영향이 현실모사적으로 제공되도록 하였다. 화학소재의 자외선 광열화는 태양광 자외선에 의한 영향뿐만 아니라 열과 수분에 의한 영향을 동시에 받기 때문에 가속 시험을 위해 자외선 조사강도를 높일 경우 열에 의한 영향도 현실모사적으로 함께 변화하도록 초촉진의 가속 시험조건에 부합하는 온도 조건을 맞출 수 있도록 고안된 온도 조절 장치를 제공할 수 있어야 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 자외선 모사 시험 장치에서는 초가속 시험조건에 알맞은 온도 조절 기능을 구현하는 것을 특징으로 한다. 이를 통해 종래에 통상적으로 사용되는 제논-아크 광원 또는 자외선 형광 광원에 의한 광열화 촉진 시험의 최대 수십 배에 해당하는 초촉진의 가속성을 구현할 수 있다.
이러한 특성을 갖는 광원부를 사용한 촉진식 실내 광열화 시험 장치 및 시험 방법에 있어서 현실 모사성과 시험 가속성을 강화하기 위하여 시편부에 조사되는 자외선 조사 강도가 300 내지 400 nm 영역의 자외선 적분 조사강도를 기준으로 100 W/m2 에서 2,000 W/m2 수준까지 조정할 수 있다.
이 때의 시편부 블랙 패널 온도는 자외선 조사강도에 따라 상온에서부터 시험 대상의 소재의 열변형 온도 또는 유리전이온도 이하까지 조정하여 시험하는 것이 바람직하다.
본 발명의 시험 장치에서 사용되는 시험 대상으로는 각종 플라스틱, 필름, 고무, 페인트, 코팅, 접착제, 오일, 종이 등의 고분자 소재 및 유기 소재, 유기-무기 복합소재 또는 이들 소재가 포함된 부품 및 제품 등이 가능하다.
종래의 대표적인 광열화 시험 장치인 제논-아크 시험 장치에서 자외선 조사량이 풍부하게 조사될 수 있도록 300 nm 이하의 단파장 자외선까지 조사되는 국제표준 시험 규격 상의 옥외 태양광 자외선 모사 시험의 최대 자외선 조사강도는 180 W/m2 이었다. 물론 이 정도의 자외선 조사강도는 광열화를 위한 자외선 조사강도로서는 이례적으로 높은 수준이며, 일반적인 시험장치에서는 제공될 수 없는 특수한 자외선 시험장치에서만 시험이 가능한 조건이다. 특히 실내 태양광 자외선에 의한 광열화를 모사 시험하는 경우에는 이렇게 높은 수준의 자외선 조사를 제공하는 종래의 시험 장치 및 시험 방법이 제공되고 있지 못하다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치는 종래 기술이 제공하지 못하던 실내 태양광 자외선 모사 시험에서 획기적으로 높아진 자외선 조사강도를 제공할 수 있다.
상기 시편 표면과 시편 주위의 온도를 광 조사강도에 연동하여 제어하는 온도 조절부는, 대류 냉각과 복사 냉각의 혼합 방식이며, (300 ~ 400) nm 영역의 자외선 적분 조사강도를 기준으로 (100 내지 2,000) W/m2 범위에 있을 때 시편 수광부 표면의 블랙 패널 온도는 최저 상온에서 최고 120 ℃의 설정 가능한 온도에서 ㅁ3 % 범위에서 일정하게 유지되도록 조정 가능하고, 챔버 온도는 최저 상온에서 최고 100 ℃의 설정 가능한 온도에서 ㅁ3 % 범위에서 일정하게 유지되도록 조정 가능한 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치의 온도 조절부는 시편의 표면 및 시편 주위의 온도를 자외선 조사강도에 연계하여 제어하는 역할을 할 수 있다. 이러한 온도 제어는 통상의 블랙 패널 온도(BPT) 제어 방식에 의할 수도 있고, 블랙 패널 온도 외에 빛이 조사되는 시편 표면을 직접 측정하여 시편 온도를 조절하거나 BPT 또는 시편 표면 온도 측정과 병행하여 챔버 온도(CHT)로 측정하여 조절할 수도 있다.
상기 온도 조절부는 대류 냉각과 복사 냉각의 혼합 방식으로서 고집광에 따른 복사 과열 억제를 위하여서는 시편 표면에 대류 냉각을 통하여 급속한 온도 제어가 가능하고 챔버 내부의 공기를 순환하여 송풍시키는 기능 외에 챔버 외부의 공기를 흡입하여 냉동기 또는 열교환기 등을 통하여 냉각된 공기를 시편으로 송풍함으로써, 보다 효율적이고 안정적인 냉각이 이루어지도록 할 수 있다. 이와 같이 냉동기를 사용하는 경우에는 냉각된 공기의 일부 또는 시편 표면을 냉각시킨 공기를 램프 과열을 억제하기 위한 냉각용 순환 공기로 함께 순환되도록 활용할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치는 습도 조절부를 구비하며, 이는 자외선 광열화 시험이 자외선 조사강도에만 의존할 뿐 아니라 온도와 수분에 의한 광열화의 시너지 효과가 발생하기 때문에 시험 재현성을 확보하기 위해서 중요하다. 시편 거치 공간의 습도 조절 장치는 광 조사 중일 때 상대습도 40 내지 80%, 암흑 조건에서 상대습도 30 내지 90%로 조정할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치를 이용한 실내 태양광 자외선 모사 시험 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 방법은, 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치의 제어부에서 사용자 인터페이스로부터 제어 명령을 전달 받는 단계; 상기 제어 명령을 토대로 적어도 하나의 발광 플라즈마 램프를 이용하여 실내광의 자외선 분광 분포 모사성이 있고 500 nm 이상의 가시광선 및 적외선이 저감된 광원부의 광을 시편에 조사하는 단계; 상기 시편이 고정된 시편 부를 일정한 위치에 고정하거나 등거리를 유지하면서 회전시키는 단계; 상기 시편의 표면 및 주위의 온도, 습도 및 자외선 조사량을 확인하여 기 설정된 기준으로 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 시편에 광을 조사하는 단계는, 집광장치에서 상기 적어도 하나의 발광 플라즈마 램프로부터 발광된 빛을 모아 시편의 표면 상에 조사하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 시편의 표면 및 주위의 온도, 습도 및 자외선 조사량을 확인하여 기 설정된 기준으로 조절하는 단계에서는, 온도 조절 장치 및 습도 조절 장치에서 주기적으로 온도 및 습도를 측정하여 제어부로 전달하고, 제어부의 제어 하에 온도 및 습도를 조절할 수 있다. 온도 조절 방식에는 순환식 냉각 장치를 이용하여 강제 송풍을 수행하거나, 챔버 외부의 공기를 흡입한 후 순환식 냉각 장치 내 냉동기 또는 열교환기 등을 통하여 냉각된 공기를 시편으로 송풍하는 방식이 수행될 수도 있다. 이는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치와 순환식 냉각 장치를 연동한 후, 제어부의 제어를 통해 수행할 수 있다. 또한, 습도 조절 방식에도 통상적으로, 수분 분무 방식 또는 열 또는 초음파를 이용한 수증기 발생 방식 등이 있으나, 여기에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 시험예 및 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
시험예 1: 파장 영역에 따른 조사 강도의 비율(실내 태양광 자외선 모사성) 평가
실내 태양광과 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치(실시예 1, 실시예 2)에 사용되는 광원부의 영역별 자외선 스펙트럼(적분 조사강도, %) 분포를 분광조도계(Spectroradiometer)로 측정하여 비교한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치(실시예 1)에 사용되는 광원부와 실내 태양광의 자외선 영역에서 적분 조사 강도의 비율을 분광조도계(Spectroradiometer)로 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.
이때, 실시예 1과 2는 발광물질로 황을 주성분으로 포함하며, 완충기체로 아르곤을 사용한 무전극 발광 플라즈마 램프이며, 비교예 1은 ISO 4892-2, Method B, Window Glass Filtered Xenon 이다.
비교예 1은 실내 태양광을 모사하는 대표적인 종래 기술인 국제표준(ISO 4892-2) 방법에 의한 창유리 필터 제논광의 경우에는 실내 태양광을 모사하는 자외선임에도 340 nm 이하의 단파장 자외선이 전체 자외선 조사강도에서 5%를 초과하고 있기 때문에 실제와는 달리 단파장 자외선에 의해 유발되는 열화 메커니즘이 과장되게 유발될 수 있다.
하기 표 2에서 표시된 것처럼, 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도 합을 100 %로 할 때, Kodak에서 실측한 실내 평균 태양광 또는 국제조명기구(CIE)에서 정의한 실내 태양광 표준에서는 340 nm 이하의 단파장 자외선 비율이 5% 미만인 것을 알 수 있다.
도 3에 표시된 실시예의 광파워 스펙트럼이 보여주는 파장별 조사강도 비율도 5% 미만임을 알 수 있다. 또한 실내 태양 자외선을 모사하는 대표적인 종래 기술인 351 nm 자외선 형광램프가 360nm 이상의 장파장 자외선 비중이 매우 낮아서 실내 태양광 자외선 모사성에서 크게 벗어나는 것과 달리, 실시예 1과 실시예 2의 자외선 조사강도는 360 nm 이상의 장파장 자외선 비율로서 실제의 실내 태양광과 같이 80%를 초과하여, 340 nm 이하의 단파장 자외선 비율은 5% 미만이고 360 nm 이상의 장파장 자외선 비율은 80% 이상으로 일치함을 알 수 있다.
| 영역(nm) | 실측 평균 태양광 (적분 조사강도, %) |
표준 실내 태양광 (적분 조사강도, %) |
실시예 1 (적분 조사강도, %) |
실시예 2 (적분 조사강도, %) |
비교예 1 (적분 조사강도, %) |
| 300-320 | 0.0 | 0.0 | 0.9 | 0.8 | 1.4 |
| 320-340 | 3.4 | 1.5 | 2.7 | 3.5 | 9.4 |
| 340-360 | 10.8 | 17.2 | 10.6 | 13.7 | 21.2 |
| 360-380 | 43.2 | 38.9 | 30.0 | 32.2 | 30.1 |
| 380-400 | 42.6 | 42.5 | 55.8 | 49.7 | 38.0 |
시험예
2: 광원의 가시광선 영역, (500 ~ 800) nm, 조사 강도 대비 자외선 영역, (300 ~ 400) nm, 조사 강도의 비율
시험예 1에서 실시된 광원의 가시광선 영역(500 내지 800 nm)의 광파워 스펙트럼의 적분 조사 강도 대비 자외선 영역(300 내지 400 nm)의 적분 조사 강도 비율(%)을 분광조도계(Spectroradiometer)로 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 비교예 1 | |
| 자외선 비율 (%) | 30.5 | 29.7 | 11.8 |
상기 표 2 및 표 3을 참조하면, 본 발명의 실시예 1 및 2의 광원부는 일체의 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않은 상태에서 400 nm 이하의 자외선 적분 조사강도의 비율이 500 내지 800 nm 까지의 가시광선 적분 조사강도에 대비할 때, 자외선 적분 조사강도의 비율이 25 % 이상으로 풍부하며, 이는 비교예, 즉 대표 종래기술인 국제표준(ISO 4892-2)의 창유리 필터를 투과한 태양광의 자외선 비율 12%를 크게 상회하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프는, 별도의 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않고, 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도 합을 100 %로 할 때, 그 중에 320 nm 미만의 영역은 1.0 % 미만, 320 nm 이상 340 nm 미만의 영역은 1.0% 이상 5.0% 미만, 340 nm 이상 360 nm 미만의 영역은 5.0% 이상 18.0% 미만, 360 nm 이상 380 nm 미만의 영역은 25.0% 이상 45.0% 미만, 380 nm 이상 400 nm 미만의 영역은 40.0% 이상 60.0% 미만의 적분 조사강도를 각각 가질 수 있다. 이는, 국제조명위원회(CIE)의 주간 실내 조명 표준(CIE 2009 ID 65)에 부합하는 것을 알 수 있다.
특히 종래 기술을 따르는 시험규격에 의한, 3mm 창유리 필터를 투과한 실내 태양광의 분광 분포와 비교해도 본 발명의 광원이 실시하는 광파워 스펙트럼은 명백히 다른 특성을 나타내며, 시편 표면에 과도한 복사열을 전달하여 열손상을 유발할 가능성이 있는 종래 기술에서 제공하는 높은 가시광선 및 적외선 영역의 조사강도를 획기적으로 감소시켰음을 알 수 있다.
상기 표 2 및 표 3의 결과로부터, 본 발명의 실시예 1 및 2는 실내 태양광 자외선 모사성을 만족하면서도, 촉진 광열화 시험 중에 시편 열손상을 유발할 수 있는 가시광선 및 적외선 함량을 현저히 낮춘 특징적인 광파워 스펙트럼을 나타내고 있음을 알 수 있다.
이는 또한 도 1 및 도 3을 참조하여도, 실시예 1 및 실시예 2의 실내 태양광 자외선 모사 장치의 광원부가 구비한 무전극 플라즈마 광원 장치의 광파워 스펙트럼은 세계조명기구 실내 태양광(CIE ID 투과율) 적용 태양광 및 Kodak의 실측 세계 사무실의 평균 실내광 자외선의 광파워 스펙트럼과 유사성을 보이는 데 반하여, 종래 기술을 따르는 실내 광열화 시험법의 3 mm 창유리 모사 필터를 투과한 제논-아크 램프 및 한국특허 1303691이 실시하고 있는 옥외 태양광을 모사하는 광파워 스펙트럼은 단파장 자외선이 과도하게 포함되어 있음을 알 수 있다.
또한, 종래 태양광을 모사하는 시험장치의 광원들이 실시하는 기술은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2와는 달리 열원으로 작용하는 가시광선 및 근적외선 영역의 조사강도가 실제 태양광의 광파워 스펙트럼과 같거나 오히려 높은 수준의 조사강도를 갖고 있음을 알 수 있다. 따라서 이러한 종래 기술을 따르는 시험장치에서는 태양광 집광에 의한 촉진 가속성 이상의 촉진 효과를 발휘하는 경우 지나치게 높은 복사열이 시편 표면에 전달되기 때문에, 열손상의 우려가 있는 화학소재들에 대한 광열화 시험을 수행하기 어렵게 된다.
시험예 3: 실시예 1의 시험 장치의 조사 강도 및 조사 균일도 평가
본 발명에 의한 실내 태양광 자외선 모사장치에 무전극 플라즈마 광원을 구비하여 제작된 광원부의 광통로 길이에 따른 시편부의 중앙부의 조사강도 대비 시편부 측면의 조사 균일도의 시험결과를 아래 표 4에 나타내었다. 시편부(수광부)는 폭 30cm의 정사각형이다.
| L/D | 1.0 | 1.3 | 1.7 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | 4.0 | 6.0 |
| 300~400nm의 자외선 영역 스펙트럼에 대한 중앙부 조사 강도 (W/m2) |
602 | 537 | 467 | 423 | 389 | 348 | 302 | 285 |
| 중앙부 대비 측면 80% 위치에서 조사강도 비율(%) | 65 | 83 | 97 | 98 | 99 | 105 | 109 | 112 |
상기 표 4를 참조하면, 본 발명과 같이 점광원을 사용하는 광열화 시험 장치에서 넓은 면적을 가진 시편 수광부의 자외선 조사강도 균일성을 확보하기 위해서는 표 4에서 제시한 것과 같은 광통로의 사용이 효과적이라는 것을 알 수 있다.
상기 표 4의 시험 결과를 보면, 자외선 반사율이 높은 반사판을 사용할 경우에 광통로의 길이가 길어질수록 조사강도는 저하되며 조사 균일성은 향상된다. 따라서 광통로의 길이를 조절함으로써 수광부에 폭로되는 자외선의 조사강도와 균일성이 나타내는 광통로 길이 변화에 대한 상호 반비례 관계 사이에서 최적 설계를 정할 수 있게 된다. 광통로의 넓이에 대한 길이의 비율(L/D)이 일정 값 이상이면 수광부 조사강도의 균일성이 향상되는 정도에 비하여 조사강도의 저하가 비효율적으로 커지며, 장치의 크기도 지나치게 커져 산업상 이용 가능성이 낮아진다.
따라서 최적의 광통로 길이는 정사각형 시편부를 기준으로 할 때, 너비의 1/3에 해당하는 높이의 반사갓을 사용했을 때를 기준으로, 너비 대비 길이(L/D)의 비율이 1.7 내지 2.3 사이의 범위에 있을 때가 적절하다. 또한 정반사판을 이 조건으로 적용했을 때 확산반사판 대비 약 3배 이상의 집광 효과를 기대할 수 있다. 상기 L은 반사갓 하단부터 시편부까지 직육면체 반사통의 길이를 의미하고, D는 직육면체 반사통의 너비를 의미한다.
이때, 시편부 중앙에서 길이로 외곽 80%에 해당하는 지점의 조사강도가 중앙 대비 90% 이상의 조사강도 값을 갖게 된다. 상기 시편부 최 외곽 80%를 벗어나는 수광부 외의 영역은 온도 및 습도 제어 공조를 위한 환풍구 등을 배치함으로써 효율적인 장치 설계로 활용이 가능하다.
시험예 4: 플라스틱 소재에 대한 촉진 광열화 시험
한국화학연구원 내 사무실 실내 환경에서 13년간 사용되어 변색이 발생한 서류함 소재(PS: Polystyrene)에 대한 광열화 재현시험을 수행하였다. 13년간의 자외선 누적 조사량은 신뢰성평가기준인 실내가전 및 모바일 기기-내광성(신뢰성인증센터 공고 제 2017-002호, RS-KORAS-KRICT-002(2017))에 의하여 창유리로부터의 거리 3단계 중 중간 단계인 "1.5m 또는 이동 품목"의 15MJ/m2@300~400nm으로 하여 195MJ/m2@300~400nm로 추정하였고, 실시예 1 및 비교예 1과 2에서는 각 시험법의 방법에 따라 195MJ/m2@300~400nm의 자외선 조사량에 도달할 때까지 각각 3.8일, 45일, 30일 간 시험하였다. 그 결과를 표 5 및 도 4a 내지 도 4d에 나타내었다.
본 발명 실시예 1에 의한 무전극 플라즈마 광원을 적용한 실내 태양광 모사 시험 장치에 의한 시험과 비교를 위하여, 비교예 1에서는 창유리 필터 적용 제논-아크 시험법(ISO 4892-2, Method B)을, 비교예 2에서는 자외선 형광 램프 시험법(ISO 4892-3, Method B)에 의한 시험을 각각 수행하였다.
본 발명의 실시예 1의 시험 결과는, 종래 기술이 제공하는 비교예의 시험 장치보다 동일한 자외선 조사량에 도달하는 시험 시간을 기준으로, 가속성은 10배 정도 빠르며, 필드 고장품에 대한 광열화 재현성은 오히려 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
즉 사무실 실내 환경에서 13년간 조사된 자외선 누적량으로 추정되는 195MJ/m2@300~400nm의 자외선을 조사하는 시험 시간은 표 5의 시험 결과에 표시된 것처럼 실시예 1은 3.8일, 비교예 1은 45일, 비교예 2는 30일이 소요됨으로써 실시예 1의 가속성이 비교예 1 및 2의 가속성에 비해 각각 12배 및 8배 높다는 것을 확인할 수 있다. 또한 열화에 대한 재현성은 색차 변화를 기준으로, 실제의 필드 열화품에 가장 근접한 색차 변화를 보여주며, 보다 중요하게는 색차 변화에 수반한 표면 균열과 같은 오류가 발생하지 않는다는 것이다.
도 4a 내지 4d는 각각 고장품, 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2의 시험 결과를 나타낸 광학사진이다. 도 4a 내지 4d를 참조하면, 시험 후에 측정된 현미경 관찰 사진에서 실시예 1의 열화품 표면에서는 실제의 필드 열화품 표면과 같이 특별한 표면 균열의 징후를 발견할 수 없으나, 비교예 1과 2의 표면에서는 열화에 의해 생성된 미세 균열을 관찰할 수 있었다. 이는 이들 비교예 1과 2의 광열화가 실제 필드에서 주어진 광열화와 다른 열화 메커니즘을 수반하고 있다는 것을 의미하는 것으로, 실제 필드 열화를 예측, 평가함에 있어 비교예 1 및 2에 의한 시험방법이 제공하는 결과의 오류 가능성을 나타내는 것이다.
이와 달리 본 발명의 실시예 1은 빠른 시험 가속성을 보여줄 뿐 아니라 동시에 필드 열화에 대한 정확한 재현 결과를 보여줌으로써, 우수한 필드 재현성까지 함께 제공함을 확인할 수 있다.
| 고장품 | 실시예 1 | 비교예 1 (창유리 필터 제논) |
비교예 2 (UVA 351) |
|
| 시험규격 | - | ISO 4892-2, Method B | ISO 4892-3, Method B | |
| 조사강도 | 600 W/m2@300~400nm | 50 W/m2@300~400nm | 0.76 W/m2nm@340nm | |
| BPT(℃) | 70 | 63 | 50 | |
| 기간 | 13년 | 3.8일 | 45일 | 30일 |
| 가속계수 | 1 | 1250 | 105 | 158 |
| 색차 | 10.7 | 11.2 | 13.6 | 18.5 |
| 균열 | 미발생 | 미발생 | 발생 | 발생 |
상기 표 5에서 고장품은 한국화학연구원 내 사무실 실내 환경에서 13년간 사용되어 변색이 발생한 서류함 소재(PS: 폴리스티렌)을 말하고, 본 발명의 실시예 1은 이러한 실제 고장품과 동일한 고장 모드 및 동일한 고장 메커니즘에 의한 가속재현시험을 구현할 수 있었다.
시험예 7: 복사 과열 제어 효과 평가
상기한 시험예 1에서 기술된 실시예 1의 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치와 종래 기술에 따른 제논-아크 내후성 시험 장치의 자외선 조사 강도에 따른 복사열의 제어 효과를 블랙 패널 온도계로 평가하여, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
각 시험 장치에 사용된 광원의 자외선 조사 강도를 증가시킬수록 수광부 위치에 놓여진 블랙 패널 온도계의 표면 온도가 증가하는 것을 알 수 있으며, 특히 종래 기술에 의한 제논-아크 광원의 시험기는 자외선 조사강도 증가에 따른 블랙패널온도의 상승 기울기가 매우 급격하여 초촉진 가속을 위한 고강도의 자외선 조사는 장치적으로 수행 가능하더라도 시편의 열손상 문제 때문에 실시 불가능함을 알 수 있다. 반면에 본 발명의 실내 태양광 자외선 시험 장치는 매우 높은 자외선 조사강도 수준에서도 열손상 문제가 없는 화학소재의 촉진 광열화 시험이 가능한 온도 제어가 가능함을 확인할 수 있다.
Claims (11)
- 태양광 투과가 가능한 유리 창호를 가진 실내 환경에서 진행되는 화학소재 및 제품의 광열화를 가속 재현 시험하기 위한 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치에 있어서,
실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프를 구비하고,
상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프가 태양 자외선 파장 대역인 295 내지 400 nm 에서 실내광의 평균 광파워 스펙트럼에 대한 모사성을 갖기 위하여, 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도 합을 100 %로 할 때, 실내 광열화를 모사하는 장치의 광원은 320 nm 이하의 단파장 자외선 비중은 1% 미만이며, 360 nm 이상의 장파장 자외선 비중은 80 % 초과의 적분 자외선 조사 강도를 갖고,
상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프는, 별도의 자외선 차단용 광학 필터를 사용하지 않고, 400 nm 이하의 자외선 영역 스펙트럼 전체 적분 조사강도 합을 100 %로 할 때, 그 중에 320 nm 미만의 영역은 1.0 % 미만, 320 nm 이상 340 nm 미만의 영역은 1.0% 이상 5.0% 미만, 340 nm 이상 360 nm 미만의 영역은 5.0% 이상 18.0% 미만, 360 nm 이상 380 nm 미만의 영역은 25.0% 이상 45.0% 미만, 380 nm 이상 400 nm 미만의 영역은 40.0% 이상 60.0% 미만의 적분 조사강도를 각각 갖고,
상기 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치는,
실내광의 자외선 분광 분포 모사성이 있고 500nm 이상의 가시광선 및 적외선 이 저감된 광원부;
상기 광원부로부터 조사된 광을 시편에 균일하게 조사하는 광조사부;
상기 시편을 고정하거나 광원과 등거리를 유지하면서 회전하게 하는 시편부;
상기 시편의 표면 및 주위의 습도를 제어하는 습도 조절부; 및
상기 시편의 표면 및 주위의 온도를 광 조사강도에 연동하여 제어하는 온도 조절부;를 포함하는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 실내 태양광 자외선 모사성을 갖는 발광 플라즈마 램프는,
500nm 이상 800 nm 미만의 가시광선 및 적외선 적분 조사강도에 대한 300nm 이상 400nm 미만의 자외선 적분 조사강도의 비율이 25 % 이상인 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 광조사부가 광통로 및 집광장치 중 1종 이상을 포함하는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 광통로는 상기 시편부 폭의 1.7배 내지 2.3배의 길이를 가지며, 310 nm에서 65 % 이상의 정반사율을 갖는 반사 소재로 형성되는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 시편부에 조사되는 광은 290 내지 400 nm의 자외선 적분 조사강도를 기준으로, 30 내지 2,000 W/m2의 자외선 조사강도를 가지는 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 시편부의 각 영역에 조사되는 광의 최고 조사강도 대비 최저 조사강도의 비는 300 W/m2의 자외선 조사강도를 기준으로 90 % 이상인 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 온도 조절부는 대류 냉각과 복사 냉각의 혼합 방식이며,
290 nm 내지 400 nm의 자외선 적분 조사강도를 기준으로 30 내지 2,000 W/m2 의 광 조사강도일 때 시편부의 블랙패널온도를 기준으로 35 내지 120 ℃ 온도 범위에서 조정이 가능하며, 시편부의 챔버 공기 온도를 기준으로 25 내지 100 ℃ 온도 범위에서 조정이 가능한 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치.
- 제1항의 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치를 이용한 실내 태양광 자외선 모사 시험 방법.
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Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109917116A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-06-21 | 长安大学 | 一种模拟不同工况下的沥青与集料黏附性能测试装置及测量方法 |
| CN111189535A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-05-22 | 旭宇光电（深圳）股份有限公司 | 传感器用的led校准光源和灯具 |
| KR102357703B1 (ko) * | 2021-04-15 | 2022-02-08 | 재단법인대구경북과학기술원 | 풍화가속시험법 적용을 위한 미세플라스틱 제조 장치 |
| CN114354468A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-04-15 | 肇庆宏旺金属实业有限公司 | 用于检测钢板镀层抗紫外线老化的试验装置 |
| CN114455097A (zh) * | 2022-04-13 | 2022-05-10 | 中国飞机强度研究所 | 飞机测试用基于红外光源等效的太阳辐射试验系统及方法 |
| JP2022111087A (ja) * | 2021-01-19 | 2022-07-29 | アトラス マテリアル テスティング テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 人工曝露のための装置における放射線源としてのプラズマランプ |
| KR20220150780A (ko) * | 2021-05-04 | 2022-11-11 | 한국화학연구원 | 기후환경 모사를 이용한 미세플라스틱 물질 제조 방법 및 제조장치 |
| KR102537609B1 (ko) * | 2022-08-17 | 2023-05-26 | 한국화학연구원 | 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구 및 이를 포함하는 램프 |
| WO2023158107A1 (ko) * | 2022-02-21 | 2023-08-24 | 한국화학연구원 | 계절 모사 촉진내후성 시험 서비스 제공 방법, 컴퓨터 프로그램 및 장치 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008216001A (ja) * | 2007-03-02 | 2008-09-18 | Iwasaki Electric Co Ltd | 耐候性試験装置 |
| KR101303691B1 (ko) * | 2012-01-16 | 2013-09-06 | 한국화학연구원 | 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치 및 방법 |
-
2018
- 2018-02-19 KR KR1020180019406A patent/KR101936946B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008216001A (ja) * | 2007-03-02 | 2008-09-18 | Iwasaki Electric Co Ltd | 耐候性試験装置 |
| KR101303691B1 (ko) * | 2012-01-16 | 2013-09-06 | 한국화학연구원 | 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치 및 방법 |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109917116A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-06-21 | 长安大学 | 一种模拟不同工况下的沥青与集料黏附性能测试装置及测量方法 |
| CN111189535A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-05-22 | 旭宇光电（深圳）股份有限公司 | 传感器用的led校准光源和灯具 |
| CN111189535B (zh) * | 2020-01-19 | 2021-02-09 | 广州市轩士佳电子科技有限公司 | 传感器用的led校准光源和灯具 |
| US11830720B2 (en) | 2021-01-19 | 2023-11-28 | Atlas Material Testing Technology Gmbh | Plasma lamp as a radiation source in an apparatus for artificial weathering |
| JP7349516B2 (ja) | 2021-01-19 | 2023-09-22 | アトラス マテリアル テスティング テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 人工曝露のための装置における放射線源としてのプラズマランプ |
| JP2022111087A (ja) * | 2021-01-19 | 2022-07-29 | アトラス マテリアル テスティング テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 人工曝露のための装置における放射線源としてのプラズマランプ |
| KR102357703B1 (ko) * | 2021-04-15 | 2022-02-08 | 재단법인대구경북과학기술원 | 풍화가속시험법 적용을 위한 미세플라스틱 제조 장치 |
| KR102477210B1 (ko) | 2021-05-04 | 2022-12-12 | 한국화학연구원 | 기후환경 모사를 이용한 미세플라스틱 물질 제조 방법 및 제조장치 |
| KR20220150780A (ko) * | 2021-05-04 | 2022-11-11 | 한국화학연구원 | 기후환경 모사를 이용한 미세플라스틱 물질 제조 방법 및 제조장치 |
| CN114354468A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-04-15 | 肇庆宏旺金属实业有限公司 | 用于检测钢板镀层抗紫外线老化的试验装置 |
| CN114354468B (zh) * | 2021-12-09 | 2024-01-16 | 肇庆宏旺金属实业有限公司 | 用于检测钢板镀层抗紫外线老化的试验装置 |
| WO2023158107A1 (ko) * | 2022-02-21 | 2023-08-24 | 한국화학연구원 | 계절 모사 촉진내후성 시험 서비스 제공 방법, 컴퓨터 프로그램 및 장치 |
| KR20230126261A (ko) * | 2022-02-21 | 2023-08-30 | 한국화학연구원 | 계절 모사 촉진내후성 시험 서비스 제공 방법, 컴퓨터 프로그램 및 장치 |
| KR102617921B1 (ko) * | 2022-02-21 | 2023-12-28 | 한국화학연구원 | 계절 모사 촉진내후성 시험 서비스 제공 방법, 컴퓨터 프로그램 및 장치 |
| CN114455097A (zh) * | 2022-04-13 | 2022-05-10 | 中国飞机强度研究所 | 飞机测试用基于红外光源等效的太阳辐射试验系统及方法 |
| KR102537609B1 (ko) * | 2022-08-17 | 2023-05-26 | 한국화학연구원 | 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구 및 이를 포함하는 램프 |
| DE102023122044A1 (de) | 2022-08-17 | 2024-02-22 | Korea Research Institute Of Chemical Technology | Lichtemittierender plasmalampenkolben für solare uv-simulation und lampe, die diesen umfasst |
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