KR102537609B1

KR102537609B1 - 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구 및 이를 포함하는 램프

Info

Publication number: KR102537609B1
Application number: KR1020220102970A
Authority: KR
Inventors: 변두진; 유민재
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2023-05-26
Also published as: GB202312550D0; US20240063011A1; DE102023122044A1; GB2623412A

Abstract

태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구로서, 자외선 투과가 가능한 구 또는 봉 모양의 전구 커버; 및, 상기 전구 커버 내에 포함된 제1 발광 물질과 제2 발광물질;을 포함하고, 상기 제1 발광 물질이 수은(Hg) 및 요오드화 수은(HgI₂) 중 1종 이상을 포함하고, 상기 제2 발광 물질이 황(S₈)을 포함하며, 상기 전구에서 발광되는 빛이 자외선과 가시광선의 경계 영역인 395 내지 455 nm 범위에서 최대 광파워 강도를 나타내고, 290 내지 400 nm 범위의 자외선 영역에서 동일한 자외선 선량으로 비교될 때, 400 내지 850 nm 범위의 가시광선 및 적외선 영역의 적분 강도는 표준 태양광 스펙트럼(ASTM G173, AM 1.5G)의 가시광선 및 적외선 영역의 적분 강도에 비해 1/5 선량 이하로 조사되는 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구,및 이러한 전구를 구비하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프가 제시된다.

Description

태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구 및 이를 포함하는 램프{Light emitting plasma lamp bulb for solar UV simulation and lamp comprising the same}

본 발명은 태양 자외선 모사성을 갖는 무전극 플라즈마 램프용 전구 및 이를 포함하는 램프에 관한 것으로서, 전구를 구성하는 전구 커버의 크기와 모양, 그리고 내부에 포함되는 발광 물질의 구성과 함량, 비율을 태양 자외선을 모사하기에 적합하도록 최적화된 기술을 제공한다.

본 발명은 인류를 포함한 지구상의 대다수 생물과 인류가 사용하는 도구와 제품에 가해지는 태양광 노출, 그중에서도 태양 자외선 노출을 실내의 장치에서 구현하고자 할 때 사용되는 태양 자외선 발생 장치에 사용되는 고출력의 무전극 발광 플라즈마 램프용 전구에 대한 것이다.

태양 자외선은 실내의 세탁물을 위한 자연광 모사에 의한 살균 장치로 사용될 수 있고, 비타민 D 생성을 위한 썬텐 및 실내에서 태양 자외선을 증강하는 보조 조명 장치로 사용될 수 있다.

또한 태양 자외선 노출에 의한 열화를 시험하기 위한 촉진내후성 시험장치로도 사용될 수 있으며, 광화학 반응을 이용하는 반응 장치 및 광경화 장치의 광원으로 사용될 수 있다.

이외에도 태양 자외선 조명이 필요한 실내 온실 및 생태 환경 조성 장치, 수생 어류 및 식물을 위한 수족관 등에도 사용될 수 있다.

통상의 자외선 램프는 아르곤 가스가 충전된 전구 내부에 수은을 봉입하여 전극에서 방출된 열전자가 아르곤 가스를 매개로 발광하면, 수은 가스가 여기 상태에서 비연속적 파장 스펙트럼을 갖는 자외선을 방출하는 특징을 나타내는데, 이는 저압 수은 램프, 고압 수은 램프, 메탈-할라이드 램프, 자외선-형광 램프 등 대부분의 자외선을 방출하는 램프들이 갖는 공통적인 특징이다.

그러나 태양 자외선은 290 내지 400 nm의 자외선 영역에서 장파장으로 갈수록 광파워가 강해지는 특징적인 연속 스펙트럼을 갖기 때문에, 통상의 수은을 발광 물질로 이용하는 자외선 램프들이 나타내는 비연속 자외선 스펙트럼은 태양 자외선을 모사하기에 부적합하다.

기존의 자외선 램프는 대부분 전극 사이의 아크 방전을 이용하여 수은 증기를 여기 상태로 이온화하는 과정에서 발생하는 빛을 이용하는 원리로 수은 외에 불활성 가스인 네온, 아르곤, 제논 등을 점등 보조용 이온화 물질로 사용한다.

고압 수은 램프 등이 상기한 수은 증기의 이온화에 의한 발광 특성을 이용하는 대표적인 사례이며, 이의 발광 효율과 연색성을 개선하기 위하여 나트륨, 스칸듐, 인듐, 토륨 등의 금속의 할로겐 화합물을 첨가한 것이 메탈-할라이드 램프이다.

자외선 형광 램프 역시 필라멘트로 이루어진 전극 사이의 불활성 가스와 수은 가스의 이온화에 의한 자외선 발광 원리는 동일하다.

이와 같이 대부분의 자외선 램프는 전극의 아크 방전에 의한 수은 가스의 이온화 과정에서 발생하는 자외선을 이용하는 특징이 있으나, 태양 자외선이 갖는 광파워 스펙트럼에 대한 모사성은 부족하여, 태양 자외선 영역 만을 모사하는 자외선 전구 기술은 아직 완성된 기술을 보여주지 못하고 있다.

현재 태양광 노출에 의한 소재 열화를 시험하는 촉진내후성 시험 장치에 사용되는 램프는 제논-아크 램프, 카본-아크 램프, 메탈-할라이드 램프, 고압 수은 램프, 자외선-형광 램프 등으로 자외선 외에 가시광선과 적외선 비중이 높은 제논-아크 램프 및 메탈-할라이드 램프 등은 전체 발광 스펙트럼에서 차지하는 자외선의 비중이 낮기 때문에 자외선 램프로 사용하기 어렵다.

이와 같이 자외선의 비중이 낮은 램프는 출력 대비 자외선 발광 효율이 낮기 때문에, 고출력의 태양 자외선을 요구하는 용도에 적합하지 못하다. 따라서 자외선 발광 효율이 높은 램프가 요구되지만 종래의 고압 수은 램프, 카본-아크 램프, 자외선-형광 램프, 메탈링 램프 등의 자외선 발광 효율이 높은 램프들은 여전히 태양 자외선에 대한 모사성 부족 문제를 해결하지 못하고 있다.

한편, 고주파 방전을 이용한 무전극 플라즈마 광원은 고출력, 고효율, 장수명 등의 특징을 갖는 이른바 "21세기의 램프"로서 1994년 미국의 Fusionlighting사에서 첫 제품이 출시된 이후 엘지전자, 태원전기산업, 룩심(Luxim) 등 국내외 몇몇 업체에서 연색성이 높은 가시광선 연속 스펙트럼을 갖는 조명용 램프의 상용화에 성공하였다.

이러한 무전극 플라즈마 광원의 주 발광물질로는 황, InBr, CsBr 등을 사용하며, 자외선 성분 없이 조명에 필요한 가시광선 중심의 우수한 연색성이 발휘되는 발광 특성을 갖는다.

이는 태양광 전체 스펙트럼에서 가장 모사성이 우수한 램프로 여겨지고 있는 제논-아크 램프가 태양광에는 포함되어 있지 않은 275nm 이하의 단파장 자외선을 포함하는 것과 대비되는 특징이다.

이러한 특징은 어둠을 밝히는 조명으로서 태양광에 의한 자연적 색감을 인공적으로 나타내게 할 수 있으면서, 제논-아크 램프 등과는 달리 자외선과 적외선의 비중이 낮은 가시광선 위주의 백색 광원이라는 장점이 조명 용도로 부각 될 수 있는 부분이다.

그러나 단순한 조명 용도 외에는 가시광선 외에 자외선과 적외선이 포함된 자연의 태양광과는 광파워 스펙트럼이 다르다는 상기한 특징 때문에 현재까지 개발된 조명용 플라즈마 램프는 전체 스펙트럼 영역에서 태양광 모사가 필요한 용도뿐만 아니라 태양 자외선을 모사하는 장비 용도에도 적합한 특성을 갖지 못하였다.

즉, 가시광선 위주의 조명 광원으로 개발된 무전극 플라즈마 램프는 태양광 전체 스펙트럼에 대한 모사성이 필요하거나, 태양 자외선 스펙트럼 모사성이 필요한 장비의 광원으로는 사용되기 어려웠다.

예를 들어, 태양광의 전체 스펙트럼의 특징을 모사하는 용도로는 태양전지의 성능을 평가하는 솔라 시뮬레이터, 태양 복사환경을 시험하는 솔라 시뮬레이션 챔버 등의 시험 장치용 광원을 대표적 사례로 들 수 있고, 태양 자외선 영역만의 스펙트럼 모사성을 필요로 하는 용도로는 촉진내후성 시험 장치의 자외선 광원을 대표적 용도로 들 수 있다.

태양 자외선을 모사하는 램프가 사용되는 활용 예로는 플라스틱, 태양전지 소재, 도료, 의약품, 화장품 등 다양한 소재에 대한 내광성 및 내후성 시험 외에도, 동식물 생육 환경 조성에 필요한 태양 자외선 폭로, 자외선에 의한 살균 및 의료용 장치, 경화기 및 노광기 등의 자외선을 이용한 생산 공정 시설, TiO₂ 광촉매 활성화 등의 광화학 반응 장치 광원 등의 다양한 분야를 예로 들 수 있다.

이러한 용도로 사용 가능한 태양 자외선 모사용 인공광원은 제논-아크 램프, 자외선 형광 램프, 메탈 할라이드 램프 등이 있으며, 이들 광원의 분광 스펙트럼을 도 1과 도 2에 표시하였다.

도 1은 종래의 대표적인 광열화 시험방법인 제논-아크 램프에 주광 필터를 조합하여 시험하는 방법(ISO 4892-2, method A) 및 중심 피크 파장이 340 nm인 자외선 형광 램프를 사용하는 UVA 340 자외선 형광 램프 시험 방법(ISO 4892-3, type IA), 365 nm의 중심 피크 파장을 갖는 자외선 LED 램프의 자외-가시광선 영역 스펙트럼을 옥외 태양광의 자외-가시광선 영역 스펙트럼과 비교한 것이다.

도 1에 따르면, 290 내지 400 nm 범위의 태양 자외선 영역에서 태양 모사성 광파워 스펙트럼을 나타내는 인공광원은 제논-아크 광원뿐이며, 이조차도 자외선-가시광선 경계 영역인 390 내지 420 nm 사이에서부터는 차이가 크게 벌어지고, 특히 800 nm 이상의 적외선 영역에서는 태양광 모사성이 크게 저하되어 복사 열원으로 작용하는 적외선 비중이 증가하는 문제를 가지고 있다.

적외선 비중이 높은 제논-아크 광원의 이러한 문제점은 제논-아크 램프의 조사강도를 올리면 복사열이 지나치게 높게 전달되어 고온 노출에 취약한 화학물질 및 화학소재들의 열손상 및 열변형이 유발되어 시험 수행을 어렵게 하는 주된 원인이 된다.

반면에 자외선 영역의 빛만 발광하는 자외선 형광 램프 및 자외선 LED 램프의 경우에는 도 1에서 볼 수 있듯이 가시광선 및 적외선이 포함되지 않는 순수한 자외선 빛만을 발광하는 장점이 있지만 태양 자외선 전체 영역에서의 광파워 스펙트럼을 모사하지 못하는 중요한 단점이 있다.

따라서 자외선 형광 램프는 태양 자외선 영역의 빛 중에서 장파장 자외선 영역이 지나치게 부족하고, 자외선 LED 램프의 경우에는 발광 특성이 좁은 파장 영역에만 제한되고, 단파장 자외선 영역이 지나치게 부족한 문제점이 있다.

이러한 문제점 때문에 이들 자외선 램프들은 실제 태양 자외선에 의한 자연 열화를 모사함에 있어 전반적인 기술적 한계를 갖고 있으며, 특히 자연 열화의 현상이 자외선 파장에 민감한 의존성을 갖고 있는 경우에는 활용하기 어렵게 된다.

또한, 자외선-형광 램프와 자외선 LED 램프는 충분한 면적의 촉진내후성 시험을 수행하는 장비 광원으로 사용하기에 출력이 낮은 문제점도 가지고 있다.

때문에 이러한 저출력의 자외선 램프를 촉진내후성 시험에 사용하기 위해서는 여러 개의 램프를 사용해야 하는 단점 외에도 높은 조사강도를 요구하는 초촉진 시험에는 적용이 불가능한 문제점을 갖는다.

자외선 램프들의 이러한 문제점 때문에 도출된 기술은 도 2에 표시한 것과 같은 메탈-할라이드 또는 메탈링 램프이다.

도 2에는 현재 초촉진 내후성 시험장치에 활용되고 있는 295 nm 이하의 자외선을 제거하는 광학 필터가 사용된 메탈-할라이드 램프의 자외-가시광선 스펙트럼을 옥외 태양광 파워 스펙트럼과 비교한 것이다.

기존의 자외선 형광 램프 및 자외선 LED 램프와는 달리 295 내지 400 nm 범위에서 다양한 파장의 광파워를 발생시키는 것을 볼 수 있으며, 일부 400 nm 이상의 가시광선도 발생시키고 있다.

이 램프는 전반적으로 자외선 비중이 높은 장점을 나타내고 있기 때문에 현재 높은 자외선 조사강도를 사용하는 초촉진 내후성 시험 장비에 사용되고 있으나, 중요한 태양 자외선에 대한 광파워 모사성이 부족한 문제점을 극복하지 못하였다.

도 2에서 보면, 현재 초촉진 내후성 시험에 사용되는 메탈-할라이드 램프는 광학 필터를 사용했음에도 불구하고 295 내지 400 nm의 태양 자외선 영역에서의 태양 자외선 모사성이 광파워 스펙트럼의 특징으로서 크게 미흡함을 알 수 있다.

이 램프는 태양 자외선 영역에서 고르게 다양한 파장의 광파워를 발생시킨다는 장점 때문에 초촉진 내후성 시험 장치의 광원으로 개발되었으나, 태양 자외선 영역에서 광파워 스펙트럼의 태양 모사성이 부족하다는 한계 때문에 내후성 시험 장치로의 사용이 일반화되지 못하는 한계를 보이고 있다.

고주파 방전을 이용한 무전극 플라즈마 광원과 관련된 기술분야에서는 수은, 인듐, 갈륨(J. Korean Ind. Eng. chem., Vol. 16, No. 4, August 2005, 570-575) 또는 요오드화 지르코늄, 요오드화 란타늄(한국 등록번호 10-0832396) 등을 주 발광물질로 사용하여 자외선 발광 특성을 얻은 사례가 있다.

그러나 이는 290 내지 400 nm 범위의 태양 자외선 모사와는 다른 영역의 불연속적 스펙트럼을 만드는 것이어서, 자외선 파장 범위가 태양 자외선 영역을 벗어나고, 또한 태양 자외선에 대한 모사성이 없어 내후성 시험 광원으로는 사용되기 어렵다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 고출력, 고효율, 장수명 등 무전극 플라즈마 광원의 장점을 그대로 살리면서, 290 nm에서 400 nm까지의 태양광 자외선 스펙트럼 모사성이 매우 뛰어나고, 대부분의 자외선 램프 활용에서 불필요하며, 열에 취약한 화학 및 생화학 소재의 열손상을 유발할 수 있는 복사 열원인 장파장 가시광선과 적외선의 비중을 크게 낮춘 태양 자외선 모사 전용의 새로운 전구로서, 고주파 방전을 이용한 무전극 플라즈마 광원용 전구를 제공하는 것이다.

이는 종전 무전극 플라즈마 램프를 적용한 광열화 시험장치 기술(KR 10-1936946 B1)에서 사용했던 광원이 보여준 가시광선과 적외선의 비중이 여전히 높아서, 자외선 램프로 분류하기 어려웠던 특성과 구별되는 것이다.

도 3은 미국 ASTM G173 규격에서 정의된 AM 1.5G에 해당하는 표준 태양광 스펙트럼에 대비하여 종래 기술(KR 10-1936946 B1)과 본 발명의 실시예 1의 플라즈마 램프 간 광파워 스펙트럼을 비교한 것이다.

여기서 볼 수 있듯이 종래 기술은 290 ~ 400 nm 파장의 태양 자외선 영역에서 태양광과 같이 단파장에서 장파장으로 갈수록 광파워가 강해지는 연속 스펙트럼을 보여주는 특징을 나타내고 있으나 400 ~ 650 nm 파장의 가시광선 영역에서 태양광 못지 않은 강한 가시광선을 포함하고 있음을 알 수 있다.

따라서 종래 기술의 광원은 태양 자외선 이 포함된 가시광선 중심의 백색 광원으로 구분할 수 있으며, 이러한 특징은 자외선 전용 광원으로 구분할 수 없는 특징이 된다.

본 발명은 종래 기술이 650 nm 이상에서 비로서 태양광 파워보다 낮아지는 특성을 보이는 것에 비하여, 410 nm 이상의 자외선-가시광선 경계에서부터 급격하게 광 파워가 낮아지고 800 nm 이상에 도달해서는 의미있는 수준의 광파워는 거의 발생되지 않는 것을 알 수 있다.

이러한 특징으로 본 발명은 상기한 종래 기술이 충분히 이루지 못한 가시광선 및 적외선 영역의 광파워 저감을 획기적으로 달성하는 특징을 보여준다.

또한 본 발명은 종래 기술에서 적용했던, 325 ~ 340 nm 영역에서 나타나는 특징적인 광파워 강하 현상이 제거된 스펙트럼을 보여줌으로써 태양 자외선 모사성을 보다 향상시킨 것을 알 수 있다.

단, 본 발명은 자외선 차단 필터를 사용하지 않는 경우 270 ~ 320 nm 영역에서 태양 자외선보다 높은 수준의 광 파워를 나타낼 수 있으므로, 통상의 제논-아크 램프 또는 메탈-할라이드 램프에서 태양광을 모사하기 위해 사용되는 통상의 주광 필터(daylight filter)를 사용함으로써 해당하는 영역(270 ~ 320 nm)의 광파워를 저감 또는 차단할 수 있는 특징을 제공한다.

또한 종래 기술이 제공하지 못하던 본 발명의 기술 중 하나는 램프 하나당 제공하는 자외선 광 출력이다.

종래 기술이 사용하던 램프는 0.5 kW급 이하의 전력이 사용되는 상대적으로 저출력인 플라즈마 램프였으며, 거기에 더해 가시광선 비중이 여전히 높은 광원이었기 때문에 램프 하나로 얻을 수 있는 자외선 광량은 더욱 부족했으며, 이로 인해, 한 장치에 4개 또는 8개의 램프를 동시에 사용하여야 하는 어려움이 있었다.

종래 기술은 부족한 광파워 때문에 광통로 및 로드형 집광장치를 사용하는 것이 불가피하였으며, 그렇게 하여 램프 1개 당, 31 cm²의 작은 조사 면적을 시험하는 것에 만족해야 했으므로, 다수의 시편을 동시에 시험하는 보편적인 촉진내후성 시험에는 적용하기 어려운 한계를 갖고 있었다.

그러나 본 발명은 최소 1 kW급 이상의 소비전력을 사용하는 램프에 적용되며, 가장 적합하게는 1.5 kW에서 6 kW급 범위의 소비전력을 사용하는 램프에 최적화되어 사용될 수 있다.

여기에 더하여 본 발명은 종래 기술 대비 가시광선과 적외선 비중은 크게 감소시키고 반대로 자외선의 비중은 획기적으로 높여서, 결과적으로 발생하는 광출력 대비 자외선 광량이 높아지는 효과를 통해 5 kW급 이상의 고출력 램프에 적용되면 2,500 cm²의 조사 면적에 대해 300 ~ 400 nm에 해당하는 자외선을 최대 600 W/m² 이상까지 조사할 수 있는 효과를 보여준다.

이 면적은 종래 기술의 한 개 램프가 조사하는 조사 면적 31 cm²의 80배에 해당하는 것으로, 동일한 크기의 시편을 사용한다면 램프 하나당 1개의 시편을 시험하던 종래 기술의 한계를 한 개의 램프로 최대 80개의 시편까지 동시에 시험할 수 있는 것을 의미하는 것이다.

또한 본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 개발 과정에서 발생했던 빛의 깜박거림이나 흔들림이 없고, 석영 전구의 열변형이 유발되지 않도록 전구 커버의 표면 온도를 공기 냉각에 의해 안정적으로 유지하는 제어 기술이 포함되는 특징을 갖는, 태양 자외선 모사성이 우수한 무전극 플라즈마 광원용 자외선 전구를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예들의 실내 태양광 자외선 모사 시험 장치가 제공된다.

제1 구현예에 따르면,

태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구로서,

자외선 투과가 가능한 구 또는 봉 모양의 전구 커버; 및, 상기 전구 커버 내에 포함된 제1 발광 물질과 제2 발광물질;을 포함하고,

상기 제1 발광 물질이 수은(Hg) 및 요오드화 수은(HgI₂) 중 1종 이상을 포함하고,

상기 제2 발광 물질이 황(S₈)을 포함하며,

상기 전구에서 발광되는 빛이 자외선과 가시광선의 경계 영역인 395 내지 455 nm 범위에서 최대 광파워 강도를 나타내고,

290 내지 400 nm 범위의 자외선 영역에서 동일한 자외선 선량으로 비교될 때, 400 내지 850 nm 범위의 가시광선 및 적외선 영역의 적분 강도는 표준 태양광 스펙트럼(ASTM G173, AM 1.5G)의 가시광선 및 적외선 영역의 적분 강도에 비해 1/5 선량 이하로 조사되는 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구가 제공된다.

제2 구현예에 따르면, 제1 구현예에 있어서,

상기 전구 커버의 내부 직경이 30 내지 50 mm 범위 이내일 수 있다.

제3 구현예에 따르면, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,

상기 제2 발광 물질이 상기 전구 커버 내용적 당 0.05 내지 0.5 mg/cm³ 범위의 함량으로 포함될 수 있다.

제4 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제3 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,

상기 제1 발광 물질로 포함되는 수은 또는 수은과 요오드화 수은의 혼합물의 함량이 무게비로 사용된 황 함량의 10배 내지 30배일 수 있다

제5 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,

상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구가 1 kW 이상의 소비전력을 갖는 고출력의 고주파 에너지, 보다 적절하게는 1.5 KW 이상에서 6.0 kW 이하의 소비전력을 갖는 고출력의 고주파 에너지로 발광물질을 이온화시켜 플라즈마 상의 여기 상태에서 연속 스펙트럼의 태양 자외선을 모사하는 빛을 방출시킬 수 있다.

제6 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제5 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,

상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구가 300 nm 이하의 단파장 자외선을 차단하는 주광 필터를 적용하여,

태양 자외선 파장 범위의 적분 면적(W/m²)을 기준으로 290 내지 320 nm 미만의 영역은 2.6 내지 7.9 % 범위 이내이며, 320 내지 360 nm 이내의 영역은 28.2 내지 39.8 % 범위 이내이고, 360 내지 400 nm 영역은 54.2 내지 67.5 % 범위 이내로 조절될 수 있다.

제7 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제6 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,

상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구는 자외선과 가시광선의 경계 영역인 395 내지 455 nm에서 최대값을 갖고, 800 내지 2,450 nm 범위의 적외선 영역의 적분 조사강도의 비율이 800 nm 이하의 자외선 및 가시광선 영역의 적분 조사강도에 대해 5% 이하일 수 있다.

제8 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제7 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,

상기 수은과 요오드화 수은이 동시에 사용되는 경우의 상기 수은과 요오드화 수은의 혼합비는 무게비로 1:0.2 내지 1:5 범위일 수 있다.

제9 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제8 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,

상기 방전가스가 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 가스 중의 어느 하나 이상의 가스 물질일 수 있다.

제10 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제9 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,

상기 방전가스는 5 내지 300 torr 범위의 충전 압력으로 포함될 수 있다.

제11 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제10 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,

상기 전구 커버가 석영 또는 합성 석영으로 이루어질 수 있다.

제12 구현예에 따르면,

제1 구현예 내지 제11 구현예 중 어느 한 구현예의 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구를 구비하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프가 제공된다.

제13 구현예에 따르면, 제12 구현예에 있어서,

상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프가 상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구의 외부 표면 온도가 900 ℃ 이하로 유지되도록 고안된 램프 모듈을 구비할 수 있다.

제14 구현예에 따르면, 제13 구현예에 있어서,

상기 램프 모듈이 상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구의 표면 온도를 900 ℃ 이하로 유지되도록 전구 커버 연결 봉과 플라즈마 램프 도파관 사이의 틈새 또는 전구 주위를 둘러싼 반사갓에 고안된 틈새를 통해 전구 표면으로 국부적인 송풍과 배기가 이루어지는 공냉식 냉각장치를 구비할 수 있다.

제15 구현예에 따르면, 제13 구현예 또는 제14 구현예에 있어서,

상기 램프 모듈이 상기 전구 외부 표면 온도를 측정 또는 감지하는 온도계 또는 온도 센서를 구비하여, 상기 전구 외부 표면 온도를 제어하고, 온도 제어에 이상 현상이 발생할 때에는 냉각장치를 제외한 램프 전원을 차단하는 응급 정지 기능을 발휘할 수 있다.

제16 구현예에 따르면, 제12 구현예 내지 제15 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,

상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프가 소비 전력 기준으로 1 kW 이상 6 kW 이하의 고출력 발광 플라즈마 램프에 적용될 수 있다.

제17 구현예에 따르면, 제12 구현예 내지 제16 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,

상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프가 태양 자외선 모사성을 활용한 살균 장치, 자외선 형광을 위한 광학 및 검사 장치, 자외선 광반응을 이용한 화학 반응 및 수지 경화 장치, 태양 자외선에 의한 광열화 시험 장치, 동·식물 및 미생물 생육 환경 조성 장치, 비타민 D 생성을 위한 생활 건강, 또는 의료 장치에 적용될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 화학소재가 태양광 자외선에 의해 유발되는 장기간의 광열화에 의한 경시변화를 단시간 내에 예측 및 평가할 수 있는 태양광 자외선 모사 시험 광원 및 장치를 제공할 수 있다.

구체적으로, 종래의 제논-아크 광원 방식의 내후성 시험장치로는 통상적으로는 290 내지 400 nm의 태양 자외선 파장 범위에서 60 W/m²의 조사강도로 시험하는 것이 다수의 국제표준에서 제안되어 있고(ISO-4892-2, Method A), 상대적으로 높은 가속성을 발휘하도록 고안된 장비인 경우에도 시편 표면에서 발생하는 열손상의 우려 때문에 전술한 290 내지 400 nm의 자외선 파장 범위를 기준으로 최대 180 W/m²까지의 자외선 조사강도를 최대값으로 적용하는 것에 그치고 있었다. 이와 비교하여, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 290 내지 400 nm의 자외선 파장 범위를 기준으로 1,200 W/m² 이상의 조사강도까지 시험온도 제어가 가능한 상태로 여러 개의 시편이 적용된 시편부 전체에 균일한 자외선 광조사에 의한 촉진 광열화 시험을 제공할 수 있다.

실시예의 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 아래의 도 4에 표시하였다.

각 시험 장치에 사용된 광원의 자외선 조사 강도를 증가시킬수록 시편 수광부 위치에 놓여진 블랙패널온도계(BPT, ℃)의 표면 온도가 증가하는 것을 알 수 있으며, 특히 종래 기술에 의한 제논-아크 광원의 시험기는 자외선 조사강도 증가에 따른 블랙패널온도의 상승 기울기가 매우 급격하게 상승하고 있어 가속성 향상을 위하여 자외선 조사 강도를 크게 올리는 것은 장치적으로 수행 가능하더라도 고온의 복사열에 의한 열손상이 발생하는 많은 화학 및 생화학 소재에 있어 적용이 불가능함을 알 수 있다.

일 예로 가장 많이 사용되는 플라스틱의 한 종류인 폴리에틸렌은 열변형온도가 85 ℃ 부근으로 도 4에서 보듯이, 통상의 시험온도에서 높은 조사강도를 사용하는 제논-아크 램프에 의한 촉진내후성 시험은 시험 중의 시편 열변형 발생으로 적용이 불가능하다.

높은 조사강도에 의해 발생되는 복사열을 상쇄하기 위해 주변 시험온도를 기존 시험온도 조건보다 크게 낮추는, 예를 들면 영하 온도 부근까지 낮추는 시도도 이루어질 수 있으나, 이러한 시도는 현실 조건과는 부합하지 못하므로, 시험 결과 역시 비현실적 시험 결과를 얻게 되는 문제가 발생한다.

반면에 본 발명의 태양광 자외선 시험 장치(실시예 1)는 매우 높은 자외선 조사강도 수준에서도 열손상 문제가 없는 화학소재의 촉진 광열화 시험이 가능한 온도 제어가 가능함을 확인할 수 있다.(도 4 참조)

종래 기술(KR 10-1936946 B1) 같이 조사 면적 또는 시편 개수를 극단적으로 작게 하여, 주변 공기온도 제어에 의한 시편 온도 조절 효과를 보다 편리하게 도모할 수 있으나, 이는 상대적으로 많은 시편 개수 또는 조사면적을 필요로 하는 상업적 시험의 수용에는 대응할 수 없는 한계가 있다.

종래의 제논-아크 램프나 자외선 형광 램프를 사용하는 촉진내후성 시험장치를 이용하는 내후성 시험의 필드 열화 대비 가속성은 높지 않은 편이기 때문에, 수년 또는 수십년 동안 진행되는 옥외 환경의 화학소재 및 제품에서 발생하는 경시 변화를 예측 평가하기 위해서는 짧게는 1,000 시간, 길게는 10,000 시간 이상까지 장시간의 시험시간이 요구된다.

예를 들어, 온대 기후 지역에서 남향으로 설치된 제품에 대해, 10년간 자외선 노출량을 3,000 MJ/m²으로 계산한다면, 상기한 종래 내후성 장치의 램프를 사용한 60 W/m² 의 자외선 조사강도 시험은 연속 시험에도 불구하고 요구되는 총 시험 시간은 약 14,000 시간(580일)이 된다.

본 발명이 제공하는 태양 자외선 모사성 자외선 램프를 사용하면, 600 W/m² 의 자외선 조사강도로 시편에 대한 열손상의 우려 없이 시험이 가능하므로, 자외선 노출량 3,000 MJ/m²의 시험을 1,400 시간 만에 수행하여 시험시간을 1/10로 단축할 수 있다.

한편, 종래의 자외선 발광 램프, 즉 자외선 형광 램프 또는 메탈 할라이드 램프, 고압 수은 램프 등의 자외선 램프는 시편에 대한 열손상의 우려 없이 조사강도를 올릴 수 있지만, 이 종래의 자외선 램프를 사용하는 내후성 시험장치는 태양 자외선에 대한 광파워 스펙트럼 모사성이 크게 부족하여 화학소재의 광열화 현상에 대한 현실모사성이 부족하게 되므로, 현실모사성이 중요하지 않은 용도로 사용이 제한되는 실정이다.

이에 반하여 본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광 자외선 모사성이 강화된 광원 스펙트럼을 갖는 본 발명의 광원을 사용하는 경우, 촉진 광열화 시험을 위해 자외선 조사강도를 높이는 경우에도 열손상 우려 없이 높은 자외선 조사강도를 사용할 수 있게 됨으로써, 시험시간을 단축시킴과 동시에 광열화에 최적화된 특성을 발휘하여 현실모사적으로 실제의 열화 거동을 재현함으로써, 화학소재의 광열화 시험에 대하여 종래 기술로는 달성할 수 없었던 뛰어난 현실모사성과 촉진 가속성을 구현할 수 있다.

특히, 본 발명이 제공하는 태양 자외선 모사용 전구 및 그 전구를 사용한 플라즈마 램프도 종래 기술이 사용하는 다양한 광학 필터 적용이 가능하므로, 본 발명이 제공하는 태양 자외선에 대한 광파워 스펙트럼 상의 현실모사성에 기초하여 종래 기술에 적용되는 주광 필터 및 다양한 자외선 차단 필터를 적용하여 추가적인 자외선 조절 효과를 부여할 수 있는 특징을 갖는다.

본 발명에 의할 때, 종래 기술로서 상업적으로 유효한 조사면적을 갖는 충분한 크기의 장치에서 높은 조사강도의 자외선 광량을 제공할 수 있는 램프는 고출력의 메탈-할라이드 램프로 제한되고 있다.

그러나 이미 기술된 바와 같이 메탈-할라이드 등의 기존 고출력 자외선 램프는 태양 자외선에 대한 모사성이 부족하여, 자외선을 부분적으로 차단하는 광학 필터를 사용하는 경우에도 태양 자외선 영역 전체 파장에서 태양 자외선을 모사하지 못함으로 태양 광열화를 엄밀하게 재현하는 용도에는 적합하지 못하다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 자외선 모사 시험 광원 및 장치는, 상업적인 용도의 광열화 시험 장치에 있어 사용되고 있는 종래의 제논-아크 램프 및 메탈-할라이드 램프와 같이 여러 개의 시편을 한 개의 램프로 동시에 시험할 수 있는 고출력의 자외선 광량을 제공할 수 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 자외선 모사 광원 특성은 종래의 내후성 시험 장치가 사용하는 어떠한 태양광 모사 광원들에 비해서도 우수한 기술적, 경제적 이점을 제공한다.

본 발명의 전구에 300 nm 이하의 자외선을 차단하는 통상의 주광(Daylight) 필터를 사용하여 형성되는 광원 스펙트럼은 태양광 광원 스펙트럼의 자외선 영역과 일치도가 고도화 되어, 종래에 제논 광원과 주광 필터의 조합에 의해서만 유일하게 구현되던 ISO 4892-2의 table 1에서 규정하는 태양광 자외선 모사 광파워 스펙트럼 분포의 상·하한 허용 범위 이내를 만족할 수 있다.

또한 통상 태양광 전체 파장 대역을 모사하는 제논-아크 램프, 자외선 위주의 빛을 발광하는 자외선 형광 램프 및 메탈 할라이드 램프의 발광 수명이 500 내지 1,500 시간에 불과한데 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 자외선 모사용 전구는 최소 5,000 시간 이상의 수명을 갖는 무전극 플라즈마 램프의 특징을 다른 무전극 플라즈마 램프의 수명 특성과 동일하게 제공한다.

무전극 플라즈마 램프의 전구는 일반적으로는 10,000 시간 이상의 발광 수명을 갖기 때문에 장치 운영이 안정적이며, 장치 운영에 따른 전구 교체 비용을 크게 줄일 수 있는 이점을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기한 본 발명의 특징에 따라 태양 자외선 광파워 스펙트럼에 대한 모사성이 높은 자외선을 고출력 광량으로 제공하는 플라즈마 램프 전용 전구로써, 종래의 촉진 내후성 시험장치에서 달성하기 어려운 초촉진 효과를 발휘할 수 있는 높은 조사강도의 자외선을 유효한 조사면적에 제공할 수 있다.

본 발명은 높은 조사강도의 자외선 조사를 시편에 대한 열변형 또는 열손상 없이 제공할 수 있게 함으로써, 종래 내후성 시험기술 대비 가속성을 크게 향상 시킬 수 있는, 태양 자외선 모사용 전구와 그 전구를 사용한 플라즈마 광원 장치를 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 태양광과 종래 내후성 시험 광원기술의 광 파워 스펙트럼들을 비교한 그래프이다.
도 2는 태양광과 종래 초촉진 내후성 시험 광원기술의 광 파워 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 3은 종래 기술의 발광 플라즈마 램프와 태양 광파워 스펙트럼, 본 발명의 일 실시예의 광파워 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 4 본 발명의 일 실시예와 종래기술의 시험온도(블랙패널온도계의 복사온도) 제어 효과를 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 스펙트럼을 태양 광파워 스펙트럼과 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예의 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프에 사용될 수 있는 램프 모듈의 공냉식 구조 설계를 예시한 모식도이다.

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 발명의 목적은, 태양 자외선을 필요로 하는 산업적 장치 및 제품, 시설 등에 있어 가시광선 및 적외선이 가능한 적게 포함되는 것이 바람직한 용도에 적합하게 사용될 수 있는 고출력의 자외선 전용 전구를 제공하는 것이다.

상세하게는, 본 발명의 전구는 300 nm 이하의 자외선을 차단하는 통상의 주광 필터를 사용하여 형성되는 광원 스펙트럼이 태양광 광원 스펙트럼의 자외선 영역과 일치하여, 화학소재의 광열화를 현실모사적으로 재현할 수 있도록 발명된 특성을 가지며, 복사 열원으로 작용하는 가시광선과 적외선은 획기적으로 저감하여 높은 자외선 조사강도를 사용하는 경우에도 시험편에서 발생할 수 있는 복사열에 의한 열손상을 최소화하면서 가속성이 높은 촉진 광열화 시험을 가능하게 할 수 있는 특징을 갖는다.

또한, 종래 기술(KR 101303691 B1)은 한 개 램프가 작은 시편 한 개를 시험할 수밖에 없는 약 31 cm²의 작은 조사면적을 갖는 것에 반하여, 본 기술은 종래 기술 대비 최대 80배에 해당하는 2,500 cm²의 조사면적에 대해 600 W/m²(300~400 nm 적분 강도 기준)에 해당하는 고광량의 자외선을 조사할 수 있는 상업적 유효성을 갖는다.

현실의 태양광 조사 환경과 달리 300 nm 이하의 단파장 태양광을 일부분 허용하는 종래 시험법(SAE J1960/2527, ASTM G155 Cy.7)은 태양광에는 포함되지 않은 단파장 자외선의 일부를 허용하는 필터 시스템 때문에 시험법의 현실 모사성 부족이 문제가 될 정도로 촉진내후성 시험에서 태양 자외선의 모사성은 중요하다(Accelerated Testing, Ulrich Schulz, European Coatings Tech Files, pp. 119).

이러한 연유로 제논-아크 램프를 사용하는 경우, 태양광 자외선 모사성 향상을 위하여 최근에는 보다 엄밀하게 태양 자외선을 모사하기 위한 특수 주광 필터(Special Daylight Filter, ASTM D7869:2013)를 사용하거나, 태양 자외선 모사성이 높은 새로운 광원을 사용(10-1303691)하려는 시도들이 진행되고 있다.

도 3은 본 발명자들이 종래 발명(한국 등록번호 10-1303691)에서 제공한 무전극 플라즈마 램프의 광파워 스펙트럼과 태양 광파워 스펙트럼을 비교한 것으로, 전술한 290 내지 400 nm 범위의 태양 자외선 파장 영역에서의 광파워 스펙트럼 모사성을 갖추고 있으면서 동시에 태양광에 비해 장파장 가시광선 및 적외선의 광파워가 낮은 특징이 있음을 볼 수 있다.

이러한 특징은 자외선 조사강도를 올려도 그에 대응하는 장파장 가시광선과 적외선의 조사강도는 태양광 및 제논-아크 램프에 비해 덜 올라가기 때문에, 높은 조사강도 시험에서 발생하는 화학소재의 열적 손상 및 열변형을 피할 수 있는 좋은 수단을 제공한다.

따라서 자외선에 비해 가시광선과 적외선 비중이 낮은 본 발명의 램프 특성은 조사강도를 높여서 시험 가속성을 향상시키기 위한 초촉진 시험기술의 요구에 대응하는 램프 특성을 제공하는 것이다.

그러나 도 3의 종래 발명(10-1303691)의 광파워 스펙트럼은 태양광 및 제논-아크 램프 보다는 상대적으로 자외선의 가시광선 및 적외선 대비 비중이 높지만, 여전히 가시광선의 비중은 풍부하여, 이상적인 태양 자외선 모사를 위한 자외선 램프에는 미치지 못함을 볼 수 있다.

또한 종래 기술의 또 다른 문제는 태양 자외선 파장 영역인 290 내지 400 nm 범위에서 태양광 모사성을 해치는 스펙트럼 상의 날카로운 불연속 꺼짐을 보여주는 것이다.

320 내지 340 nm에서 나타나는 이 깊은 꺼짐 현상은 종래 기술이 사용하는 플라즈마 램프의 고유한 특성으로, 자연 태양광의 광파워 스펙트럼에 대한 모사성을 크게 해치는 현상이다.

따라서 이 광원은 320 내지 340 nm의 파장 영역에서 민감한 파장 의존성을 갖는 화학성분의 광열화 및 광화학 반응에서는 태양 자외선을 모사함에 있어 상당한 오류를 유발하는 문제점이 나타날 수 있다.

플라스틱 등의 화학소재가 장기간 옥외 환경에 노출되어 진행되는 경시 광열화에 있어 주요한 열화 유발 인자는 빛, 열 그리고 수분 노출이며 이 중에서도 태양광의 자외선 파장 영역에 해당하는 성분이 가장 유력한 물성 열화의 유발 인자로 알려져 있다.

따라서 옥외 환경을 모사하기 위한 촉진 시험용 광원의 특성을 태양광 자외선에 대한 특성과 일치시키는 것은 옥외 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 시험만이 동일한 광열화 결과를 재현할 수 있게 된다.

이는 태양광의 광파워 스펙트럼과 해당 화학소재의 자외선 흡수 특성의 중첩에 따른 활성화 스펙트럼이 실질적인 광열화의 특징을 결정하기 때문이다.

태양광의 광파워 스펙트럼과 불일치한 자외선 스펙트럼을 가진 인공 광원은 실제 사용 환경에서 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 광열화를 모사하기 위해 사용된 종래의 시험기용 인공광원(예를 들어, 카본-아크 램프, 자외선 형광 램프, 메탈-할라이드 램프 및 제논-아크 램프 등)의 광열화 거동 불일치의 원인으로 여러가지가 지적될 수 있으나, 가장 중요한 요소는 시험 장치에 사용된 광원의 자외선 광파워 스펙트럼이 태양 자외선의 광파워 스펙트럼과 일치하지 못함으로써 발생되는 열화 메커니즘의 불일치이다.

살균, 경화기, 노광기, 광촉매 물질의 활성화 등에 있어, 태양 자외선 환경을 모사하는 것이 기술적으로 중요한 경우에는 예외 없이 이러한 태양 자외선 모사성이 필요하다.

이는 비단 화학소재에 대한 촉진 내후성 시험분야뿐만 아니라, 태양광 자외선 모사가 필요한 인공 일광욕, 파충류 사육, 식물 생육, 각종 살균 등의 경우에 동일하게 적용되는 원리가 될 수 있다.

또 다른 열화 요소로서, 실제 사용 환경에서 화학소재의 장기 열화를 결정하는 요소 중의 하나는 열의 영향이다. 자외선을 포함하는 빛과 열은 화학소재의 경시 열화의 메커니즘과 속도를 결정 함에 있어 상호 시너지 효과를 갖고 있다는 것이 알려져 있기 때문에, 실제의 열화 재현성을 확보할 수 있는 촉진내후성 시험은 자외선 광파워 스펙트럼의 태양 자외선 모사성뿐만 아니라 램프에서 발생하는 복사열이 시험 온도 제어에 미치는 영향까지 고려되어야 한다.

종래의 대표적인 촉진 내후성 시험기로서, 태양 자외선 모사성을 인정받고 있는 제논-아크 램프를 사용한 시험기들은 상대적으로 광원의 적외선 발생량이 높아 복사열에 의한 시험 온도 제어에 어려움이 발생할 수 있다.

내후성 시험 기간을 단축하기 위한 초촉진 시험법의 일환으로, 자외선 조사강도를 높이는 촉진내후성 시험법이 기술적으로 주목 받고 있지만, 제논-아크 램프를 사용하여 자외선 조사강도를 올리는 경우에는, 주어진 시험기 내부 공간에서 램프 발열량이 축적되어 결과적으로 고광량 시험의 온도 제어가 매우 어렵게 된다.

이러한 문제점을 보완하기 위하여, 냉각 장치를 통해 장치 내부 온도를 낮추는 경우에도 램프로부터 직접 복사되는 복사열 때문에 시편 표면의 온도는 열손상이 발생하는 고온까지 상승할 수 있어서, 고강도 자외선을 조사하는 제논-아크 램프의 시험 기술은 복사열 상승에 의해 기술적인 제한이 가해진다.

따라서 종래의 제논-아크 램프를 사용하는 촉진내후성 시험기는 초촉진을 위한 고강도 자외선을 적용하기 어려운 문제가 있어 왔으며, 반대로 자외선 비중이 높은 자외선-형광 램프 및 메탈-할라이드 램프 등은 태양 자외선 모사성이 부족한 문제가 있어 왔다.

표 1은 태양광과 종래기술의 영역별 자외선 스펙트럼 분포를 나타낸 것으로 수치는 적분 조사강도를 % 단위로 표현한 것이다.

	태양광 (ASTM G173)	실시예 1¹⁾	비교예 1²⁾	비교예 2³⁾	비교예 3⁴⁾	비교예 4⁵⁾
구분		LEP1	Xe	10-1303691	UVA340	Metalling
ISO 4892-2 부합 여부^표2)		적합	적합	적합	부적합	부적합
UV/VIS(%)⁶⁾	7.8	83.5	10.5	8.8	700.3	77.7

1) 본 발명의 전구를 사용한 무전극 발광 플라즈마 램프

2) ISO 4892-2, Method A, 주광 필터를 사용한 제논-아크 램프

3) 종래 발명의 무전극 발광 플라즈마 램프(한국특허 1303691)

4) 대표적 자외선 형광 램프(UVA 340)

5) 295nm 차단 필터를 사용한 메탈-할라이드 램프

6) ∑(290∼400 nm)Х100 / ∑(400∼850 nm)

표 2는 ISO 4892-2 Table 1.에 규정된 태양 자외선 성분의 상한 및 하한을 실시예 1, 비교예 1 내지 4에 대해서 비교(적분조사강도, %)한 결과를 나타낸 것이다.

영역(nm)	하한	상한	실시예 1	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
λ<290	0	0.15	0.10	0.01	0.10	0.10	0.15
290≤λ≤320	2.6	7.9	5.9	5.4	6.9	8.0	6.1
320≤λ≤360	28.2	39.8	33.7	38.2	31.9	63.9	26.8
360≤λ≤400	54.2	67.5	60.3	56.4	59.2	27.8	66.9

제논-아크 램프의 경우에는 자외선-가시광선-적외선에 분포된 전체 광파워 스펙트럼에서 자외선의 비중이 낮기 때문에 조사강도를 높이기 위해 전체 광파워 스펙트럼의 빛을 고강도로 조사하는 경우, 과도한 복사열이 시편 표면에 전달되어 열에 약한 화학소재 및 생화학소재의 경우 원치 않는 열변형이나 열열화에 의한 열적 손상이 발생하는 문제점이 발생하게 된다.

이러한 문제를 회피하기 위해서 자외선은 투과시키고 가시광선 및 적외선은 선별적으로 차단하는 광학 필터를 사용하면, 시편 표면에 직접 조사되는 복사열을 저감 시킬 수 있으나 이러한 특정 대역 투과(band pass) 필터 사용에 의해 자외선 영역의 광파워 스펙트럼 특성이 왜곡될 수 있으며, 필터에 의해 차단된 복사열에 의한 장치 내 온도 상승은 피할 수 없으므로 시험 온도 제어가 어려워지는 문제점은 근본적으로 회피하기 어렵게 된다.

반면에 자외선 형광 램프를 사용하는 촉진내후성 시험기인 경우에는 발광되는 빛에 가시광선 및 적외선 파장 영역의 빛은 포함하지 않으므로 고강도 복사열에 의한 열적 손상은 회피할 수 있으나, 형광 램프 특성상 고출력 발광이 어렵고 램프 길이가 길어 발광 특성이 구조적으로 분산되는 램프의 형태적 특성 때문에 고강도 자외선을 시험에 적용하기 어려운 문제가 있다.

그러나 자외선 형광 램프의 보다 근본적인 문제는 290 내지 400 nm의 태양 자외선 파장 대역 전체를 모사하지 못하는 태양 자외선 모사성의 한계이다.

도 1의 UVA340 램프의 한 사례처럼 자외선 형광 램프는 313 nm, 340 nm, 351 nm에서 최대값을 갖는 좁은 파장 대역의 자외선 광파워 스펙트럼만을 발광하는 특성 때문에 태양 자외선 파장 대역 전체를 모사하지 못하는 한계를 갖게 되므로, 자외선 파장에 민감한 많은 광열화 메커니즘을 실제의 자연 열화와 같이 재현하지 못하는 문제를 갖게 한다.

따라서 상기 종래의 내후성 시험용 광원들은 태양광 자외선 영역에서의 모사성을 갖고 있으면서, 동시에 고강도 조사에 의한 복사열 때문에 시험 소재에 열손상을 유발하는 가시광선과 적외선의 비중을 충분히 낮출 수 있는, 초촉진 광열화 시험에 필요한 태양 자외선 광원의 요구 조건을 만족하고 있지 못하다.

이렇게 태양 자외선 전체 영역에서 태양광 모사성을 충족하고, 가시광선과 적외선의 비중은 최대한 낮춤으로써 고강도 광조사에 의해서도 열손상에 대한 우려 없이 높은 조사강도로 태양 자외선 조사 효과를 기대하는 본 발명의 특징은, 내후성 시험의 가속성 향상뿐만 아니라, 태양 자외선 노출에 의한 살균, 경화 및 노광, 광화학 반응 등의 여러 분야에 동일 원리로 적용할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 태양 자외선 모사 광원은, 가시광선 및 적외선 영역의 복사 열원이 저감된 태양 자외선 모사 광원으로서, 상기 광원의 광파워 스펙트럼 분포표에서 340 nm의 조사강도를 1로 정규화하였을 때, 역시 340 nm의 조사강도를 1로 정규화한 ASTM G173 기준 태양광의 광파워 스펙트럼과 290 nm 이상에서 400 nm 이하까지의 자외선 영역에서 1 nm 간격의 평균 제곱근 편차(Root Mean Square Deviation)가 특수 주광 필터를 사용한 제논-아크 램프의 0.20에 근접한 0.26의 태양광 자외선 모사성을 갖는 것을 특징으로 한다. 표 3에서는 본 발명의 광원이 제공하는 스펙트럼과 종래 발명의 스펙트럼 간의 태양 자외선 모사성을 비교(자연 태양광에 대비한 평균 제곱근 편차 비교)한 결과를 나타낸 것이다.

	실시예 1	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
구분	LEP1	Xe	종래발명특허(10-1303691)	UVA340	Metalling
평균제곱근편차¹⁾	0.26	0.20	0.37	0.64	1.33

1) 평균 제곱근 편차 산출 공식,

또한 본 발명의 태양 자외선 모사 광원은, 400 nm 이하의 자외선 적분 조사강도 전체 합을 100 % 로 할 때, 290 nm 미만 영역의 적분 조사강도 비율은 0.15 % 이하, 290 nm 이상 320 nm 미만의 영역은 2.6 % 이상 7.9 % 이하, 320 nm 이상 360 nm 미만의 영역은 28.2 % 이상 39.8 % 이하, 360 nm 이상 400 nm 미만의 영역은 54.2 % 이상 67.5 % 이하의 비율을 만족하여 태양광 자외선 스펙트럼에 대한 분광 분포의 모사성을 규정한 국제표준(ISO 4892-2 : 2013)의 상하한 범위에 부합하는 특징을 갖는다.

더하여 본 발명의 태양 자외선 모사 광원은 가시광선 및 적외선을 차단하는 광학 필터 사용 없이도, 400 내지 850 nm 범위의 가시광선 및 적외선 영역의 적분 강도가 표준 태양광 스펙트럼(ASTM G173, AM 1.5G)의 가시광선 및 적외선 영역의 적분 강도에 비해 1/5 선량 이하, 대표적 사례로는 11% 이하의 선량까지 낮게 조사되어 복사 열원이 특별히 저감된 태양 자외선 모사 광원임을 특징으로 한다.

본 발명의 플라즈마 램프는, 가시광선 및 적외선 영역의 복사 열원이 저감된 태양광 자외선 모사 광원으로서, 고주파 방전으로 발광 물질을 플라즈마 상태로 여기시켜 발광하는 무전극 발광 플라즈마 램프를 사용하는 것은 종래 기술의 무전극 플라즈마 램프에 적용된 기술의 범주에 속한다.

따라서 종래 기술의 무전극 플라즈마 램프에서 사용되는 방전가스, 즉 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 가스가 사용될 수 있으며, 특히 아르곤 및 제논 가스를 방전 가스 물질로 사용할 수 있다.

그러나 본 발명은 제1 발광 물질로 수은(Hg) 및 요오드화 수은(HgI₂) 중 1종 이상을 포함하고, 제2 발광 물질로 소량의 황을 혼합하는 고유한 구성을 통해, 종래의 수은 및 황을 발광 물질로 사용한 플라즈마 램프의 발광 스펙트럼과는 다른 독특한 자외선 스펙트럼을 발생시킬 수 있다.

이 자외선 스펙트럼은 종래의 수은 및 황을 발광 물질로 사용하는 플라즈마 램프가 만들어내는 광파워 스펙트럼을 단순히 혼합해서 예상할 수 있는 스펙트럼이 아니며, 본 발명의 태양 자외선 모사성이 우수하게 구현되기 위해서는 본 발명이 제공하는 발광 물질을 구성하는 배합 구성 비율 이내에서 충족될 수 있다.

이하에서, 본 발명이 제공하는 발광 물질 구성에 조건을 상세한 기술한다.

본 발명은 제1 발광 물질로 수은(Hg) 및 요오드화 수은(HgI₂) 중 1종 이상을 포함한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 발광 물질로 포함되는 수은(Hg) 및 요오드화 수은(HgI₂) 중 1종 이상의 함량은 제2 발광 물질로 사용된 황 함량의 무게비로 10배 내지 30배, 또는 10배 내지 20배, 또는 12.5배 내지 18배, 또는 10배 내지 12.5배, 또는 12.5배 내지 30배일 수 있다.

상기 제2 발광 물질로 사용되는 소량의 황은 제1 발광 물질로 사용되는 수은 또는 수은과 요오드화 수은의 혼합물이 나타내는 고유의 태양 자외선 범위를 벗어난 단파장의 자외선 스펙트럼을 태양 자외선 범위로 이동 조절하고, 불연속 스펙트럼을 태양 자외선과 같은 연속 스펙트럼으로 변화시키는 본 발명의 특징적인 효과를 제공할 수 있다.

또한 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 발광물질의 전구 투입 함량은 제2 발광물질인 황 함량의 10 내지 30배일 수 있다. 본 발명이 제공하는 이 함량 범위에서 발광 안정성, 가시광선 및 적외선 배제 특성, 전구 커버 표면 온도의 조절 등에 있어 다양한 효과를 얻을 수 있다.

구체적으로 본 발명의 일 구현예에 따르면, 1 kW급 이상의 고출력 고주파 방전을 이용한 무전극 플라즈마 램프 세트에 적용하기 위한 전구 커버는 30 내지 50 mm의 내부 구경을 갖는 구형 또는 봉형으로 제공될 수 있다. 상기 전구 커버의 내부에 내장되는 발광 물질로는 아르곤 및 제논 가스와 같은 방전 가스와 전술한 제1 발광 물질, 및 제2 발광 물질을 함께 투입될 수 있다.

제1 발광 물질은 수은 및 요오드화 수은 중 1종 이상을 포함할 수 있다.

제1 발광 물질의 함량은 제2 발광 물질의 함량과 연동되며, 그 함량 비율 변화에 따라 스펙트럼 모양, 조사강도 및 전구 표면 온도의 변화가 발생한다.

또한 제1 발광 물질로 수은과 요오드화 수은을 함께 사용하는 경우, 상기 수은과 요오드화 수은의 배합 비율은 자외선 영역의 스펙트럼 형태를 조절하고 전구의 발광 특성을 안정화 시키기 위한 최적 조건을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 수은과 요오드화 수은의 혼합비는 무게비 기준으로 1:0.2 내지 1:5.0, 또는 1:0.2 내지 1:3.0, 또는 1:1 내지 1:2.5, 또는 1:1.5 내지 2.33, 또는 1:0.2 내지 1:2.33, 또는 1:2.33 내지 1:5.0일 수 있다.

수은에 대해 요오드화 수은의 혼합비가 증가하면 전체적인 스펙트럼 형태의 장파장 이동 현상이 나타나서 발광이 시작되는 자외선 파장이 보다 장파장 쪽으로 이동하는 현상이 나타남으로 태양 자외선에 포함되어 있지 않는 290 nm 이하의 단파장 자외선을 감소시키는 효과가 있지만 전체적으로 자외선의 비중은 감소하고 가시광선의 비중은 증가하는 현상이 나타남으로, 본 발명이 제공하는 고유한 혼합비 조절을 통해 최적화된 스펙트럼을 얻는 전구를 제조할 수 있다.

이 혼합비 미만으로 사용되는 것은 요오드화 수은의 혼합 효과가 부족하며, 이 혼합비를 초과하는 것은 요오드화 수은 단독으로 사용되는 것과 유사한 스펙트럼 형태를 갖게 할 수 있다.

상기 제2 발광물질은 황을 포함하고, 본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 제2 발광물질은 황일 수 있다. 상기 황은 제1 발광 물질인 수은 및 요오드화 수은의 투입량에 대비하여 무게비로

이상을 사용할 때, 수은 및 요오드화 수은이 고유하게 나타내는 띠 모양의 불연속 스펙트럼을 태양 자외선과 같은 연속 스펙트럼으로 변화시킬 수 있다. 또한 상기 황은 제1 발광 물질인 수은 및 요오드화 수은의 투입량에 대비하여 무게비로 1/10 이하로 사용될 때 황 플라즈마 램프가 나타내는 가시광 위주의 발광 특성을 억제시키고, 태양 자외선 모사성이 높은 자외선 발광 특성을 구현시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 발광 물질과 제2 발광 물질의 조성 및 함량, 배합 비율을 최적화하여 290 내지 400 nm 범위의 태양 자외선에 대한 스펙트럼 모사성이 우수하고, 높은 조사강도에서 시험 소재의 열손상을 유발할 수 있는 복사 열원인 가시광선과 적외선의 비중을 종래 기술보다 크게 낮춘 새로운 태양 자외선 모사용 고출력 무전극 플라즈마 자외선 램프용 전구를 제공할 수 있다.

도 5는 본 발명이 제공하는 태양 자외선 모사 전구와 300 nm 이하의 자외선을 차단하는 주광 필터 적용 여부에 따른 무전극 플라즈마 램프의 광파워 스펙트럼(파란색 및 초록색 실선)을 태양광 표준 광파워 스펙트럼(붉은색 실선)과 비교한 것이다.

도 5에서 파란색으로 표시된 본 발명이 제공하는 태양 자외선 모사용 전구가 제공하는 플라즈마 램프 스펙트럼은 300 nm 이하의 단파장 자외선을 포함하고 있기 때문에 흔히 사용하는 주광 필터(300 nm 이하의 자외선 파장을 차단하는 필터)를 사용하여 초록색으로 표시된 본 발명의 태양 자외선 모사 스펙트럼을 쉽게 제공할 수 있다.

본 발명의 주광 필터를 적용한 초록색의 광파워 스펙트럼은 290 내지 400 nm의 태양 자외선 영역에서 태양 자외선 모사성이 우수하다고 알려진 주광 필터(daylight filter)를 사용한 제논-아크 램프의 태양 자외선 모사성과 유사한 모사성을 나타낸다.

표 1에 나타낸 것과 같이, 도 3의 표준 태양광이 나타내는 광파워 스펙트럼에서 290 내지 400 nm 범위의 자외선은 400 내지 850 nm 범위의 가시광선 및 일부 적외선의 분광 적분 면적에 대한 비율로서 7.8% 이며, 종래 발명의 경우에는 8.8% 인 것에 비해, 본 발명이 나타내는 주광 필터 적용 광파워 스펙트럼은 같은 기준의 자외선 비율이 83.5%에 이를 정도로 높은 특징을 보인다

이는 바꾸어 표현하면, 동일한 양의 자외선을 조사할 때 본 발명의 태양 자외선 모사 전구는 태양 광의 약 11%에 해당하는 적은 양의 가시광선만을 수광한다는 것을 의미한다.

또한, 본 발명의 태양 자외선 모사 전구는 850 nm를 초과하는 적외선 파장 범위의 빛은 거의 포함되지 않기 때문에, 적외선 영역까지 파장 범위를 확대하면 이 태양 자외선 모사 전구의 태양 광 대비 자외선 조사 비중은 더욱 높아진다.

이와 같이 높은 선량의 자외선을 조사해도 동시에 수광하는 가시광선 및 적외선의 비중은 높아지지 않는, 본 발명의 태양 자외선 모사 전구는 고출력 램프에 적용되어 상대적으로 높은 수준의 자외선을 조사하는 초촉진 내후성 및 내광성 시험을 수행하는 용도에 최적화된 성능을 발휘할 수 있다.

태양광 및 태양광을 모사하는 제논-아크 광원의 경우 높은 수준의 자외선을 조사하는 경우 그에 수반하여 가시광선과 적외선의 수광 수준도 함께 상승하기 때문에 복사열에 의한 시편의 열손상 및 열변형이 유발되는 문제점이 발생한다.

폴리에틸렌, ABS 등의 열변형 온도가 상대적으로 낮은 범용 플라스틱에 있어 복사 에너지 흡수율이 높은 검정색 또는 짙은 색을 가진 플라스틱들은 이러한 문제점 때문에 290 내지 400 nm의 자외선 적분면적 기준으로 180 W/m²(3-Sun) 이상의 자외선 선량을 사용하는 촉진 내후성 시험은 종래기술로는 적용이 불가능하였다.

이러한 열변형을 회피하기 위하여 시편 표면을 과도하게 냉각시키는 조건을 사용하는 경우에는 실제 옥외 필드와 같은 광열화가 재현되지 못하는 문제점을 초래하게 된다.(참고 문헌: Journal of Polymers, Vol. 2016, Article ID 6539567, 14 pages, 2016)

본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 본 발명의 일 구현예의 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구를 구비하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프가 제공된다.

본 발명이 제공하는 태양 자외선 모사 전구를 적용한 플라즈마 램프는 자연 태양광 스펙트럼에 대비할 때, 현저히 낮아진 가시광선 및 적외선 영역의 스펙트럼 강도를 확인할 수 있으며, 이는 가시광선 및 적외선을 차단하는 필터를 통해서 얻은 효과가 아니며, 전구 자체의 발광 특성에 따른 것이다.

이러한 발명의 효과로부터 본 발명의 무전극 플라즈마 램프용 전구는 종래 기술이 제공하지 못하던 1 kW 이상의 고강도 자외선 조사를 위한 고출력의 무전극 플라즈마 램프에 적용할 수 있는 태양 자외선 모사용 전구를 제공한다.

본 발명이 제공하는 자외선 전구를 적용한 무전극 플라즈마 램프는 빛의 깜박거림이나 흔들림이 없는 발광 안정성과 열변형이 발생하지 않는 석영 전구 표면 온도 제어에 적합한 특성을 제공하여 1 kW 이상의 고출력의 고주파 방전을 사용하는 무전극 플라즈마 램프에 적용 가능한 자외선 전구를 제공할 수 있다.

상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프는 상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구의 외부 표면 온도가 900 ℃ 이하로 유지되도록 고안된 램프 모듈을 구비할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 구현예의 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프에 사용될 수 있는 램프 모듈의 공냉식 구조 설계를 예시한 모식도이고, 구체적으로 전구 커버의 표면온도를 규정 온도(900 ℃)이하로 냉각시키기 위한 램프 모듈의 공냉식 구조 설계를 예시한 모식도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프는 전구 커버(6), 상기 전구 커버(6)를 고정하기 위한 전구 봉(3), 상기 전구 봉(3)을 내장하는 고주파 도파관(4), 상기 고주파 도파관(4)과 전구 회전 모터(1)를 연결하는 전구 회전축 연결 나사(2)를 구비할 수 있다. 이때, 상기 전구 봉(3)과 고주파 도파관(4) 사이의 연결 틈새에 강제 송풍 장치로 공기를 전구 커버(6) 쪽으로 흐르게 하거나 전구 주위에 설치된 반사갓에 송풍 및 배기를 위한 틈새를 설치하여 전구 주변에 냉각용 공기를 흐르게 하는 공냉식 냉각 방법이 사용될 수 있다. 또한 전구 커버(6)의 외측을 둘러싸는 금속 메쉬(5)가 더 구비될 수 있다.

상기 램프 모듈은 상기 전구 외부 표면 온도를 측정 또는 감지하는 온도계 또는 온도 센서를 구비하여, 상기 전구 외부 표면 온도를 제어하고, 온도 제어에 이상 현상이 발생할 때에는 냉각장치를 제외한 램프 전원을 차단하는 응급 정지 기능을 발휘할 수 있다.

상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프는 소비 전력 기준으로 1 kW 이상 6 kW 이하의 고출력 발광 플라즈마 램프에 적용될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프는 태양 자외선 모사성을 활용한 살균 장치, 자외선 형광을 위한 광학 및 검사 장치, 자외선 광반응을 이용한 화학 반응 및 수지 경화 장치, 태양 자외선에 의한 광열화 시험 장치, 동·식물 및 미생물 생육 환경 조성 장치, 비타민 D 생성을 위한 생활 건강, 또는 의료 장치에 적용될 수 있다.

이하에서 본 발명이 제공하는 자외선 전구를 제조하는 과정을 상술하지만, 이는 본 발명의 구현 방법에 대한 이해를 돕고자 하는 일례에 불과할 뿐, 본 발명의 본질적 특징이 이 제조 과정에 기초하지는 않는다.

본 발명이 제공하는 자외선 전구 제조에 사용되는 전구 커버 물질은 자외선 램프용 석영 유리를 사용하며, 보다 구체적인 일 사례로는 2 mm 두께로 300 ~ 400 nm의 자외선 파장 대역에서 측정된 광투과도가 (91~94)% 범위인 석영 유리이며 연속 사용이 가능한 최고 온도가 1100 ℃ 이상인 내열 석영 유리이다. 이때 수분 함량(OH 그룹 기준) 30ppm 이하의 고순도 석영이 바람직하다

전구 커버로 성형되는 과정은 다양한 방법이 있을 수 있으나 한 예로 튜브 형태로 가공된 석영 관의 한 부분을 열로 녹여 전구의 크기에 맞는 구로 가공하고, 한쪽은 속이 비어 있지 않은 봉으로 연결하고 반대쪽은 속이 빈 가는 튜브로 연결된 상태의 전구 커버를 만들 수 있다.

전구 커버의 한쪽 튜브 구멍을 통해 계량된 발광 물질 투입 후 아르곤 및 제논 등의 방전가스를 5 ~ 300 torr 범위의 압력으로 충전하고 연결된 튜브를 떼어 구 또는 봉의 형상으로 다듬어 밀봉하면 전구가 제조될 수 있다.

이때 사용되는 튜브의 크기는 최종적으로 제조되는 전구 커버의 크기에 의존하며, 그 한 예로 직경 36 ~ 50 mm 범위의 구형 전구 커버를 제조하기 위해서는 내경 30 ~ 38 mm, 외경 32 ~ 40 mm 범위의 튜브가 적합하게 사용될 수 있다.

가장 적합하게 사용될 수 있는 석영 튜브의 크기는 내경 32 ~ 36 mm, 외경 34 ~ 38 mm의 크기를 가진 경우에 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.

그러나 상기한 튜브 크기는 전구 커버 제조에 사용되는 유리의 재질적 특성 및 제조 장치의 공정 특성, 작업자의 가공 조건에 따라 다르게 선호될 수 있으므로, 본 발명의 기술적 특성을 제한하지 않는다.

구체적으로, 본 발명의 일 구현예인 전술한 실시예 1의 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구의 제조방법은 다음과 같다.

실시예 1의 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구의 제조에 사용되는 전구 커버 물질은 2 mm 두께의 300 ~ 400 nm의 자외선 파장 대역에서 측정된 광투과도가 91 내지 94% 범위이고, 연속 사용이 가능한 최고 온도가 1,100 ℃이고, 수분 함량(OH 그룹 기준) 30ppm 이하인 고순도 석영을 사용하였다.

튜브 형태로 가공된 석영 관의 한 부분을 열로 녹여 전구의 크기에 맞는 구로 가공하고, 한쪽은 속이 비어 있지 않은 봉으로 연결하고 반대쪽은 속이 빈 가는 튜브로 연결된 상태의 전구 커버를 제조하였다. 이때 전구 커버의 직경은 40 mm이었고, 이때 구형 전구 커버를 제조하기 위해서 사용한 튜브는 내경 34 mm, 외경 36 mm이었다.

제1 발광 물질로 수은과 요오드화 수은을 각각 15 mg 및 35 mg 계량하고, 제2 발광물질로 황을 4 mg 계량하여 준비하였다.

전구 커버의 한쪽 튜브 구멍을 통해 상기 준비된 제1 발광 물질 및 제2 발광 물질을 투입한 후 방전가스로 아르곤를 30 torr의 압력으로 충전하고 접합된 튜브를 떼어 구 또는 봉의 형상으로 다듬어 밀봉하여 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구를 제조하였다.

이때, 제조된 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구를 추가로 필터(예를 들어 주광 필터) 없이 그대로 사용하거나, 또한 전술한 바와 같이 제조된 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구에 300 nm 이하의 자외선을 차단하는 주광 필터 제조사:(주)옵트로닉스, 제품명: 300nm cut off LPF )를 적용하여 사용하였다. 이때, 전자의 추가 필터가 적용되지 않은 실시예 1의 램프는 "실시예 1(주광 필터 미적용)"으로, 주광 필터가 적용된 실시예 1의 램프는 "실시예 1(주광 필터 적용)"으로 각각 명명하였고, 이를 도 3 내지 5에 표시하였다.

Claims

태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구로서,
자외선 투과가 가능한 구 또는 봉 모양의 전구 커버; 및, 상기 전구 커버 내에 포함된 방전가스;와 제1 발광 물질과 제2 발광물질;을 포함하고,
상기 제1 발광 물질이 수은(Hg) 및 요오드화 수은(HgI₂) 중 1종 이상을 포함하고,
상기 제2 발광 물질이 황(S₈)을 포함하며,
상기 전구에서 발광되는 빛이 자외선과 가시광선의 경계 영역인 395 내지 455 nm 범위에서 최대 광파워 강도를 나타내고,
290 내지 400 nm 범위의 태양 자외선 영역에서 동일한 자외선 선량으로 비교될 때, 400 내지 850 nm 범위의 가시광선 및 적외선 영역의 적분 강도는 표준 태양광 스펙트럼(ASTM G173, AM 1.5G)의 가시광선 및 적외선 영역의 적분 강도에 비해 1/5 선량 이하로 조사되고,
상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구가 300 nm 이하의 단파장 자외선을 차단하는 주광 필터를 적용하여,
태양 자외선 파장 범위의 적분 면적(W/m²)을 기준으로 290 내지 320 nm 미만의 영역은 2.6 내지 7.9 % 범위 이내이며, 320 내지 360 nm 이내의 영역은 28.2 내지 39.8 % 범위 이내이고, 360 내지 400 nm 영역은 54.2 내지 67.5 % 범위 이내로 조절되는 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구.
제1항에 있어서,
상기 전구 커버의 내부 직경이 30 내지 50 mm 범위 이내인 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구.
제1항에 있어서,
상기 제2 발광 물질이 상기 전구 커버 내용적 당 0.05 내지 0.5 mg/cm³ 범위의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구.
제1항에 있어서,
상기 제1 발광 물질로 포함되는 수은 및 요오드화 수은 중 1종 이상의 함량은 무게비로 사용된 황 함량의 10배 내지 30배인 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구.
제1항에 있어서,
상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구가 1 kW 이상의 소비전력을 갖는 고출력의 고주파 에너지로 발광물질을 이온화시켜 플라즈마 상의 여기 상태에서 연속 스펙트럼의 태양 자외선을 모사하는 빛을 방출시키는 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구.
삭제
제1항에 있어서,
상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구는 자외선과 가시광선의 경계 영역인 395 내지 455 nm에서 최대값을 갖고, 800 내지 2,450 nm 범위의 적외선 영역의 적분 조사강도의 비율이 800 nm 이하의 자외선 및 가시광선 영역의 적분 조사강도에 대해 5% 이하인 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구.
제1항에 있어서,
상기 수은과 요오드화 수은이 혼합물로 사용되는 경우의 상기 수은과 요오드화 수은의 혼합비는 무게비로 1:0.2 내지 1:5 범위인 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구.
제1항에 있어서,
상기 방전가스가 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 가스 중의 어느 하나 이상의 가스 물질인 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구.
제1항에 있어서,
상기 방전가스는 5내지 300 torr 범위의 충전 압력으로 포함되는 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구.
제1항에 있어,
상기 전구 커버가 석영 또는 합성 석영으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구.
제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항의 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구를 구비하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프.
제12항에 있어서,
상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프가 상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구의 외부 표면 온도가 900 ℃ 이하로 유지되도록 고안된 램프 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프.
제13항에 있어서,
상기 램프 모듈이 상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프용 전구의 표면 온도를 900 ℃ 이하로 유지되도록 전구 커버 연결 봉과 플라즈마 램프 도파관 사이의 틈새 또는 전구 주위를 둘러싼 반사갓에 고안된 틈새를 통해 전구 표면으로 국부적인 송풍과 배기가 이루어지는 공냉식 냉각장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프
제13항에 있어서,
상기 램프 모듈이 상기 전구 외부 표면 온도를 측정 또는 감지하는 온도계 또는 온도 센서를 구비하여, 상기 전구 외부 표면 온도를 제어하고, 온도 제어에 이상 현상이 발생할 때에는 냉각장치를 제외한 램프 전원을 차단하는 응급 정지 기능을 발휘하는 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프.
제12항에 있어서,
상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프가 소비 전력 기준으로 1 kW 이상 6 kW 이하의 고출력 발광 플라즈마 램프에 적용되는 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프.
제12항에 있어서,
상기 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프가 태양 자외선 모사성을 활용한 살균 장치, 자외선 형광을 위한 광학 및 검사 장치, 자외선 광반응을 이용한 화학 반응 및 수지 경화 장치, 태양 자외선에 의한 광열화 시험 장치, 동·식물 및 미생물 생육 환경 조성 장치, 비타민 D 생성을 위한 생활 건강, 또는 의료 장치에 적용되는 것을 특징으로 하는 태양 자외선 모사용 발광 플라즈마 램프.