KR102624780B1 - 오손-방지를 위한 산란을 갖는 uv led 도파관 시스템 - Google Patents

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엘비라 요한나 마리아 파울루센
바르트 안드레 살터스
휴고 요한 코르넬리센
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 제1 면(1001) 및 제2 면(1002)과 함께 제1 면(1001)과 제2 면(1002) 사이에 구성된 방사선 투과성 재료(1005)를 포함하는 도파관 요소(1000)로서, 방사선 투과성 재료(1005)는 UV 방사선에 대해 투과성이고, 방사선 투과성 재료(1005)는 방사선 투과성 재료(1005)와는 다른 조성의 상(1010)에 대한 매트릭스 재료이고, 상(1010)은 매트릭스에서 영역들(1110)로서 이용 가능하며, 영역들(1110)은 50 내지 1500 nm의 범위로부터 선택된 평균 입자 반경들(r1)을 갖고, 방사선 투과성 재료(1005)의 1*104 내지 1.5*108 / ㎣의 범위로부터 선택된 평균 영역 농도를 갖는, 도파관 요소(1000)를 제공한다.

Description

오손-방지를 위한 산란을 갖는 UV LED 도파관 시스템
본 발명은 예컨대, 특히 광원과 조합하여, 오손-방지(anti-fouling)를 위해 사용될 수 있는 도파관 요소(waveguide element)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 도파관을 포함하고 또한 광원을 포함하는 오손-방지 시스템(또는 생물오손-방지(anti-biofouling) 시스템)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 오손-방지 시스템 또는 생물오손-방지 시스템을 포함하는 물체에 관한 것이다.
생물오손-방지를 위한 시스템들이 당업계에 알려져 있다. 예를 들어 WO2014/188347호는 보호 표면이 액체 환경 내에, 특히 물 또는 기름 환경 내에 적어도 부분적으로 잠겨 있는 동안의, 보호 표면의 오손-방지의 방법을 기술하며, 이 방법은 오손-방지 광을 제공하는 단계; 보호 표면에 매우 근접하게 광학 매체를 제공하는 단계로서, 광학 매체는 실질적으로 평탄한 방출 표면을 갖는, 상기 광학 매체를 제공하는 단계; 오손-방지 광의 적어도 일부를 광학 매체를 통해 보호 표면에 실질적으로 평행한 방향으로 분포시키는 단계; 및 보호 표면으로부터 멀어지는 방향으로 광학 매체의 방출 표면으로부터 오손-방지 광을 방출하는 단계를 포함한다.
WO2015/000756호는 광 투과성 고체 캐리어 재료, 및 상기 캐리어 재료 중에 분산된 질화 붕소의 산란 입자들을 포함하는 도광 부재(light-guiding member)를 기술한다. 도광 부재는 광 입력 표면을 통해 도광 부재 내로 광을 방출하도록 배열된 고체 광 방출 요소를 포함하는 광 방출 배열에 채용된다. 광은 광 출력 표면의 적어도 일부를 통해 아웃커플링(outcoupling)되도록 도광 부재 내에서 안내될 수 있다. 이 광 방출 배열은 물 및 다른 유체의 UV 살균을 위한 간단하고 효율적인 조명 장치를 제공한다.
생물오손 또는 생물학적 오손(biological fouling)(본 명세서에서 또한 "오손" 또는 "생물오손"으로 나타냄)은 표면 상에의 미생물, 식물, 조류(algae), 및/또는 동물의 축적이다. 생물오손 유기체들의 종류는 매우 다양하며, 따개비 및 해초의 부착을 훨씬 넘어 확대된다. 몇몇 추정에 따르면, 4000가지를 넘는 유기체를 포함한 1700가지를 넘는 종(species)이 생물오손의 원인이다. 생물오손은 생물막 형성 및 박테리아 부착을 포함하는 미세 오손(micro fouling), 및 보다 큰 유기체의 부착인 거대 오손(macro fouling)으로 나뉜다. 유기체가 정착하는 것을 방지하는 것을 결정하는 별개의 화학적 특성 및 생물학적 특징으로 인해, 이들 유기체는 또한 경질 또는 연질 오손 유형으로 분류된다. 석회질(경질) 오손 유기체는 따개비, 피각화 이끼벌레, 연체동물, 다모류 및 다른 서관충, 및 얼룩무늬 홍합을 포함한다. 비-석회질(연질) 오손 유기체의 예는 해초, 히드로충, 조류 및 생물막 "점액(slime)"이다. 이들 유기체는 함께 오손 군집체(fouling community)를 형성한다.
몇몇 상황에서, 생물오손은 상당한 문제를 일으킨다. 기계가 작동을 멈추고, 물 입구가 막히고, 배의 선체가 증가된 항력을 겪는다. 따라서, 오손-방지의 주제, 즉 오손을 제거하거나 오손이 형성되는 것을 방지하는 공정이 잘 알려져 있다. 산업 공정에서, 생물 분산제(bio dispersant)가 생물오손을 제어하는 데 사용될 수 있다. 제어가 부족한 환경에서, 유기체는 살생물제를 사용한 코팅, 열처리 또는 에너지의 펄스로 사멸되거나 억제된다. 유기체가 부착되는 것을 방지하는 무독성 기계적 전략은 미끄러운 표면을 갖는 재료 또는 코팅을 선택하는 것, 또는 단지 불량한 고정점을 제공하는 상어 및 돌고래의 피부와 유사한 나노스케일 표면 토폴로지(topology)의 생성을 포함한다. 배의 선체 상의 생물오손은 항력을 크게 증가시켜서, 연료 소비를 증가시킨다. 연료 소비량의 최대 40%의 증가가 생물오손에 기인할 수 있는 것으로 추정된다. 대형 유조선 또는 컨테이너 수송선이 하루 최대 €200.000의 연료를 소비할 수 있기 때문에, 효과적인 생물오손-방지 방법으로 상당한 절감이 가능하다.
놀랍게도, UV 방사선을 효과적으로 사용하여 해수 또는 호수, 강, 운하 등의 물과 접촉하는 표면 상의 생물오손을 실질적으로 방지할 수 있는 것으로 보인다. 이에 따라, 특히 자외선 광 또는 방사선(UV)을 사용하는 광학적 방법에 기초한 접근법이 제시된다.
충분한 UV 광으로 대부분의 미생물이 사멸되거나, 비활성 상태로 되거나, 번식할 수 없게 되는 것으로 보인다. 이러한 효과는 주로 UV 광의 총 선량(dose)에 의해 좌우된다. 소정 미생물의 90%를 사멸시키는 전형적인 선량은 10 mWh/m2이다(특히 영구적으로 적용됨).
종래 기술의 도파관은 생물오손을 방지하거나 감소시키는 데 있어서 원하는 것보다 덜 효율적인 것으로 보인다. 따라서, 바람직하게는 추가로 전술한 결점들 중 하나 이상을 적어도 부분적으로 제거하는, 대안적인 도파관, 또는 그러한 도파관을 포함하는 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 태양이다.
(놀랍게도) 클리어(투명) 실리콘이 UV 방사선을 출사 표면으로 수송하는 매체로서 사용되는 경우, 생물오손을 감소시키거나 방지함에 있어서의 효율이 바람직한 것보다 낮은 것으로 보였다. 따라서, 고도로 투명한 도파관 또는 광학 매체가 바람직한 것으로 보이지만, 이는 실제로는 덜 유용한 것 같다. 놀랍게도 효율은 도파관 내에 입자들을 도입할 때 증가될 수 있는 것으로 보이지만, 또한 이 효과는 특히 제한된 범위의 입자 크기 및 제한된 범위의 입자 농도 내에서 얻어지는 것으로 보인다.
따라서, 본 발명은 제1 태양에서 방사선 투과성 재료(또한 "광 투과성 재료" 또는 "재료"로 나타내어질 수 있음)를 포함하는 도파관 요소(또한 "도파관" 또는 "도광체" 또는 "광학 매체" 또는 "요소"로 나타내어질 수 있음)를 제공하며, 방사선 투과성 재료는 UV 방사선에 대해 투과성이고, 방사선 투과성 재료는 방사선 투과성 재료와는 다른 조성의 상(phase)에 대한 매트릭스 재료이고, 상은 매트릭스에서 영역들(본 명세서에서 때때로 또한 "입자들"로 나타내어짐)로서 이용 가능하고, 영역들은 특히 50 내지 1500 nm의 범위로부터 선택된 평균 입자 반경들(r1)을 갖고, 특히 방사선 투과성 재료의 1*104 내지 1.5*108 / ㎣의 범위로부터 선택된 평균 영역 농도(average region concentration)를 갖고, 실시예들에서 특히 0.00003 내지 3 vol.%의 범위로부터 선택된, 특히 0.0001 내지 1 vol.%의 범위로부터 선택된, 훨씬 더 특히 0.0005 내지 0.5 vol.%, 예를 들어 0.0005 내지 0.2 vol.%의 범위로부터 선택된 영역들의 체적 분율(volume fraction)을 갖는다. 또한, 특히 도파관 요소는 제1 면(face) 및 제2 면을 포함하며, 이때 방사선 투과성 재료가 제1 면과 제2 면 사이에 구성된다. 방사선 투과성 재료는 특히 방사선 투과성 재료에 대한 매트릭스로서 구성된다.
그러한 도파관은 제1 면 및 제2 면 중 하나 이상에 걸친 광원의 광, 특히 UV 방사선의 효율적인 분포를 허용할 수 있다. 이러한 방식으로, 도파관은 효율적인 오손-방지 요소로서 사용될 수 있다. 하나 또는 둘 모두의 면을 통해 UV 방사선이 커플 아웃될 수 있으며, 이는 생물오손의 제거 또는 생물오손 또는 생물오손 성장의 억제로 이어질 수 있다.
따라서, 추가 태양에서 본 발명은 또한 UV 방사선을 제공하도록 구성된 광원 및 본 명세서에 한정된 바와 같은 도파관 요소를 포함하는 생물오손-방지 시스템(본 명세서에서 또한 "시스템" 또는 "생물오손-방지 시스템"으로 나타내어짐)을 제공하며, 광원 및 도파관 요소는 방사선 투과성 재료를 통한 UV 방사선의 적어도 일부의 전파, 및 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나로부터의 후속 방사(emanation)를 위해 구성된다.
그러한 시스템은 생물오손의 방지 또는 감소를 위해 사용될 수 있다. 면(들) 중 하나(또는 둘 모두)로부터 방사되는 방사선은 생물오손의 제거 또는 생물오손 (성장)의 억제를 위해 사용될 수 있다. 방사선 그 자체는 예를 들어 생물오손으로부터 클린 상태로 되거나 생물오손에 대해 보호될 표면에 그러한 오손-방지 방사선을 제공함으로써 사용될 수 있다. 그러나, 또한 제1 면 및/또는 제2 면은 물체의 외부 표면으로서 사용될 수 있으며, 이에 의해 생물오손에 덜 취약할 수 있는 대안적인 표면을 물체에 제공할 수 있다. 방사선은 도파관의 형상에 따라 하나 이상의 면으로부터, 또한 본 명세서에 나타내어진 제1 및 제2 면보다 더 많은 면으로부터 출사할 수 있다는 점에 유의한다. (오손-방지 방사선을 제공하기 위해) 도파관으로부터 UV 방사선이 출사할 수 있는 면 또는 면의 일부가 본 명세서에서 또한 "UV 방사선 출사 면"으로 나타내어진다.
따라서, 또 추가의 태양에서 본 발명은 또한 물체 표면 및 본 명세서에 한정된 바와 같은 생물오손-방지 시스템을 포함하는 물체를 제공하며, 상기 생물오손-방지 시스템의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나는 상기 물체 표면의 적어도 일부로서 구성되고, 제1 상태에서 생물오손-방지 시스템은 제1 면 및 제2 면 중 상기 적어도 하나로부터 방사되는 UV 방사선을 제공하도록 구성된다. 용어 "제1 상태에서"는 본질적으로 고정된 조건을 갖는 적어도 하나의 설정이 있음을 나타낸다. 일반적으로, 그러한 제1 상태는 시스템이 사용 중인 상태이다. 따라서, 용어 "제1 상태"는 또한 "온 상태"를 지칭할 수 있다. 시스템이 제어가능할 경우, 상이한 "온 상태들"이 있을 수 있다. 그러한 실시예에서, 제1 상태, 제2 상태, 및 선택적으로 추가의 상태들이 있을 수 있다. 이는 예컨대 (계속해서) 가변적인 조건들로 사용 중일 수 있는 시스템들에 대해 그러할 수 있다. 여기서, 용어 "조건"은 예컨대 소스 광의 광의 세기를 지칭할 수 있다.
위에 명시된 바와 같이, 본 발명은 특히 추가로 또한 후술되는 바와 같이 시스템에 사용될 수 있는 도파관 요소를 제공한다. 도파관은 제1 면 및 제2 면을 포함한다. 원칙적으로, 도파관은 본질적으로 원형의 단면을 가질 수 있다. 그러한 예에서, 제1 및 제2 면은 또한 도파관의 직경을 정의할 수 있다. 그러나 일반적으로, 도파관은 플레이트-유사 형상 또는 비임-유사 형상, 특히 플레이트-유사 형상을 가질 수 있지만, 도파관은 반드시 본질적으로 평탄하지는 않다. 도파관은 만곡될 수 있다. 예를 들어, 도파관은 만곡된 하나 이상의 면을 포함할 수 있거나, 도파관은 가요성 재료를 포함할 수 있고 도파관이 만곡된 표면에 적용되기 때문에 (동작 위치에서) 만곡될 수 있거나, 기타 등등이다. 도파관은 실시예들 중 대부분에서 플레이트-유사 또는 비임-유사 형상을 가질 수 있으므로, 도파관은 제1 면 및 제2 면을 갖는 것으로 정의된다. 제1 면 및 제2 면은 도파관의 두께 또는 높이를 정의할 수 있다. 도파관 요소는 0.1 내지 500 mm, 예를 들어 0.5 내지 500 mm, 예컨대 1 내지 200 mm, 예를 들어 2 내지 100 mm, 예컨대 2 내지 20 mm의 범위로부터 선택된, 제1 면과 제2 면 사이의 거리에 의해 정의되는 두께(h1)를 가질 수 있다. 섬유-유사 도파관이 적용될 경우, 이 두께는 섬유-유사 도파관의 직경을 지칭할 수 있다(또는 선택적으로 길이가 직경보다 작을 경우, (또한) 길이를 지칭할 수 있다).
위에 명시된 바와 같이, 도파관은 제1 면과 제2 면 사이에 구성된 방사선 투과성 재료를 포함한다. 실제로, 방사선 투과성 재료는 예컨대 실리콘 슬래브(slab) 또는 다른 방사선 투과성 재료의 슬래브와 같은 제1 면 및 제2 면을 제공할 수 있다. 따라서, 예컨대 방사선 투과성 재료의 플레이트가 대향하여 배열된 면들로서 제1 면 및 제2 면을 정의할 수 있다.
방사선 투과성 재료는, 특히 하나의 면으로부터 다른 면으로의 물의 이동이 본질적으로 0이라는 점에서, 예를 들어 대기압 및 실온에서 도파관의 0.01 mg/일(day)/m2 미만, 예를 들어 심지어 1 ㎍/일/m2 미만, 예컨대 특히 0.1 ㎍/일/m2 이하의 점에서, 물에 대해 본질적으로 불투과성이다. 따라서, 재료 및 두께는 본질적으로 물이 도파관을 통해 투과될 수 없도록 선택될 수 있다.
대조적으로, 광은 재료를 통해 투과될 수 있는데, 그 이유는 도파관이 윈도우(window)로서 기능할 수 있기 때문이다. 따라서, 도파관 요소는 방사선 투과성 재료를 포함한다. 도파관은 특히 UV 방사선에 대해 투과성이다. 따라서, 기본적으로, UV 방사선이 요소의 면들 중 하나에서 제공될 때, UV 방사선의 일부가, 선택적으로 (다중) 산란 후에, 도파관을 통해 투과되고, 도파관으로부터 출사할 것이다(예컨대 다른 면에서). 따라서, 도파관은 특히 유리, 석영, (용융) 실리카, 실리콘, 플루오로중합체 등과 같은 방사선 투과성 재료를 포함하고, 특히 방사선 투과성 재료는 실리콘 및 플루오로중합체 중 하나 이상을 포함하고, 특히 방사선 투과성 재료는 실리콘, 예컨대 웨커(Wacker)로부터의 루미실(Lumisil), 특히 루미실 400 또는 유사한 재료를 포함한다. 따라서, 도파관 요소는 방사선 투과성 재료, 즉 UV 방사선에 대해 투과성인 재료를 포함한다.
도파관은 반드시 모든 파장에 대해 투과성은 아니고 또한 반드시 모든 방사선에 대해 전적으로 투과성은 아니다. 따라서, 도파관은 UV 방사선의 적어도 일부에 대해 투과성이다. 특히, 도파관은 오손-방지 방사선의 적어도 25%, 예를 들어 적어도 50%, 예를 들어 적어도 75%, 예컨대 적어도 90%를 투과시키도록 구성된다. 다시 말해서, 광원은 (그러한 방식으로) 도파관에 대해 구성되고(선택적으로 광원은 도파관 내에 매립됨) 도파관은 도파관에 제공되는 방사선의 총 광자 수의 적어도 25%가 또한 도파관으로부터 출사하도록 선택된다. 투과율 또는 방사선 투과성은 제1 세기를 갖는 특정 파장의 방사선을 재료에 제공하고 재료를 통한 투과 후에 측정되는 그러한 파장에서의 방사선의 세기를 그러한 특정 파장에서 재료에 제공되는 방사선의 제1 세기와 관련시킴으로써 결정될 수 있다(또한 문헌[E-208 and E-406 of the CRC Handbook of Chemistry and Physics, 69th edition, 1088-1989] 참조).
특정 실시예에서, 상기 방사선에 의한 수직 조사(irradiation)하에서, 재료의 1 mm 두께 층을 통한, 특히 심지어 재료의 5 mm 두께 층을 통한, 파장의 또는 파장 범위 내의, 특히 방사선의 소스에 의해 발생되는 방사선의 파장의 또는 파장 범위 내의 방사선의 투과율이 적어도 약 50%, 예를 들어 적어도 약 75%, 예를 들어 심지어 적어도 약 80%일 때 재료가 투과성인 것으로 간주될 수 있다.
또 추가로, 방사선 투과성 재료는 방사선 투과성 재료와는 다른 조성의 상에 대한 매트릭스 재료이며, 여기서 상은 매트릭스에서 영역들로서 이용 가능하다. 여기서, 용어 "상"이 사용되는데, 예컨대 유중수 상(water-in-oil phase)과 같은 맥락에서 유사하게 또한 사용된다. 따라서, 일종의 상중상(phase-in-phase)이 제공되며, 이때 전자의 상은 다른 재료를 지칭하고, 후자의 상은 실리콘 등과 같은 매트릭스 재료를 지칭한다.
영역들 내의 물질의 조성은 특히 주위의 매트릭스 재료와는 상이할 수 있다. 영역들은 기체 충전된 공동(cavity), 액체 충전된 공동을 포함하거나, 고체 재료로 본질적으로 이루어질 수 있다. 영역들은 비교적 작은 영역들이고 입자들로 또한 나타내어질 수 있다. 영역들은 불규칙하게 형상화될 수 있지만, (가장 작은 치수에 대한 가장 큰 치수의) 가장 큰 종횡비(aspect ratio)는 (수)평균적으로 10보다 작을 것이고/것이거나 가장 작은 종횡비는 (수)평균적으로 0.1보다 클 것이다. 용어 "치수"는 길이, 폭, 높이, 및 직경을 지칭할 수 있다. 영역이 완벽하게 구형인 경우, 종횡비는 가장 작은 치수와 가장 큰 치수 또는 둘 모두가 직경이므로 1이다(실제로 가장 작은 치수 또는 가장 큰 치수는 없고, 직경만 있으므로). 일반적으로, 입자들은 (본질적으로) 구형의 입자들로 간주될 수 있다. 영역들(또는 입자들)은 50 내지 1500 nm의 범위로부터 선택된, 특히 100 내지 1250 nm의 범위로부터 선택된, 예를 들어 350 내지 1200 nm의 범위로부터 선택된 평균 입자 반경들(r1)을 갖는다. 따라서 용어 "반경"은 본질적으로 등가 구형 반경을 지칭한다(예컨대 등가 구형 직경(또는 ESD)의 정의와 유사함). 불규칙하게 형상화된 물체의 등가 구형 반경은 등가 체적의 구의 반경이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 영역들(또는 입자들)은 방사선 투과성 재료의 1*104 내지 1.5*108 / ㎣의 범위로부터 선택된, 예를 들어 5*104 내지 1*107 / ㎣의 범위로부터 선택된, 예컨대 1*105 내지 1.5*106 / ㎣의 범위로부터 선택된 평균 영역 농도를 갖는다. 따라서, 예로서 방사선 투과성 재료의 1 ㎣는 200 nm의 1.5*107개 입자를 포함할 수 있거나, 방사선 투과성 재료의 1 ㎣는 1200 nm의 1.5*105개 입자를 포함할 수 있거나, 기타 등등이다. 이러한 방식으로, 투과율과 광 아웃커플링 간에 균형이 발견될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기술된 발명에서 면들 중 하나 또는 둘 모두에서 커플 아웃된 방사선은 가장 강하고 가장 효과적으로 분포될 수 있으며, 그에 의해 더 적은 수의 광원을 허용할 수 있는데, 이는 에너지 및 (다른) 자원들을 절약한다.
특정 실시예에서, 영역들은 평균 입자 반경들 r1(nm 단위) 및 범위 c1 = a*(10b)*(xd)에 의해 정의되는 평균 영역 농도 c1(/㎣ 단위)을 가지며, 상기 식에서 0.5≤a≤4이고; 7≤b≤15이고; -3.0≤d≤-1.0이고; x=r1이고; 50 nm ≤r1≤ 1500 nm, 더 특히 100 nm ≤r1≤ 1000 nm이다.
영역들의 체적 분율은 실시예들에서 약 0.00003 내지 3 vol.%, 예컨대 약 0.0003 내지 1.5 vol.%, 예를 들어 0.003 내지 0.5 vol.%, 예컨대 0.01 내지 0.2 vol.%의 범위로부터 선택될 수 있다.
여기서, 용어 "평균(average)" 및 "평균(mean)"은 특히 요소들(예를 들어 여기서 영역들)의 수에 기초한 수평균 및 평균값을 지칭할 수 있다.
실시예들에서, 하나 이상의 영역이 적어도 80% vol.%의 기체, 또는 심지어 본질적으로 100 vol.%의 기체로 이루어진다. 따라서, 작은 공극(void)이 기체로 충전되는데, 특히 전적으로 기체로 충전될 수 있으며, 이는 그에 의해 일종의 기체 입자를 제공한다. 특정 실시예들에서, 복수의 영역, 예를 들어 모든 영역들 중 적어도 50%가 적어도 80% vol.%의 기체, 특히 100 vol.%의 기체로 이루어지거나, 심지어 모든 영역들 중 본질적으로 100%가 그러하다. 100 vol.% 미만의 기체가 작은 공극에 포함되는 경우, 나머지는 예컨대 물과 같은 액체일 수 있다. 기체는 공기, 또는 질소 가스, 또는 이산화탄소 등일 수 있다. 용어 "기체"는 또한 공기 등과 같은 기체 혼합물을 지칭할 수 있다. 기체 공극은 도파관의 제조 동안에, 예를 들어 실리콘 또는 다른 중합체의 제조 동안에 도입될 수 있다.
또 추가의 실시예들에서, 하나 이상의 영역이 적어도 80% vol.%의 물과 같은 액체, 또는 심지어 본질적으로 100 vol.%의 물과 같은 액체로 이루어진다. 특정 실시예들에서, 복수의 영역, 예를 들어 모든 영역들 중 적어도 50%가 적어도 80% vol.%의 물과 같은 액체, 심지어 더 특히 100 vol.%의 물과 같은 액체로 이루어지거나, 심지어 모든 영역들 중 본질적으로 100%가 그러하다. 100 vol.% 미만의 액체가 작은 공극에 포함되는 경우, 나머지는 예컨대 공기와 같은 기체일 수 있다. 용어 "액체"는 또한 물과 에탄올 등과 같은 액체들의 혼합물을 지칭할 수 있다. 액체 입자는 도파관의 제조 동안에, 예를 들어 실리콘 또는 다른 중합체의 제조 동안에 도입될 수 있다.
추가의 실시예들에서, 하나 이상의 영역은 고체 입자들을 포함한다. 특히, 고체 입자들은 방사선 반사성 재료, 예를 들어 특히 UV 방사선에 대해 반사성인 재료를 포함한다. 특정 실시예들에서, 하나 이상의 영역은 이산화 규소, 산화 알루미늄, 이산화 티타늄, 질화 붕소, 산화 마그네슘, 황산 바륨, 탄산 칼슘, 이산화 지르코늄 및 산화 아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고체 입자들을 포함한다. 특정 실시예들에서, 복수의 영역, 예를 들어 모든 영역들 중 적어도 50%가 그러한 입자를 포함하거나, 심지어 모든 영역들 중 본질적으로 100%가 그러하다. 영역들은 고체 재료로 완전히 충전될 수 있거나, 액체 및 기체 중 하나 이상을 또한 포함할 수 있다. 특히, 영역들은 전적으로 고체 재료로 충전된다. 다시 말해서, 입자들은 영역들을 정의한다. 용어 "고체 입자들"은 모두 동일한 재료로 이루어진 입자들, 또는 상이한 재료들로 이루어진 입자들을 지칭할 수 있다. 추가로, 입자들은 또한 위의 재료들 중 2개 이상의 혼합물들을 포함할 수 있다. 따라서, 실시예들에서 영역들은 고체 입자들이다.
다른 재료를 포함하는 다른 상과 같은 다른 상의 존재로 인해, 방사선 투과성 재료를 통해 전파되는 UV 방사선은 산란되며, 이는 더 양호한 분포 및/또는 아웃커플링으로 이어진다. 그러나, 위에 명시된 바와 같이, 영역들의 수 및 치수는 표면들 중 하나 또는 둘 모두에 걸친 양호한 분포와 효율적인 아웃커플링 간에 절충이 발견될 수 있도록 선택된다.
특히, 영역들은 매트릭스 재료와는 상이한 굴절률(또는 상에 대한 상이한 재료들이 적용될 때 굴절률들)을 갖는다. 이는 산란을 향상시킬 수 있다. 따라서, 특정 실시예들에서 방사선 투과성 재료 및 상은 (평균적으로) 특히 0.04 내지 0.8의 범위로부터 선택된, 예컨대 0.06 내지 0.7의 범위로부터 선택된, 0보다 큰 굴절률들의 절대차를 갖는다.
선택적으로, (다른) 실시예들에서 방사선 투과성 재료 및 상은 본질적으로 동일한 재료이지만 상이한 구조들(예컨대 상이한 결정도들, 또는 결정질 및 비결정질 등)을 가질 수 있다.
또한, 도파관 요소가 0.2 내지 30, 특히 0.2 내지 15 mm, 예를 들어 0.5 내지 12 mm의 범위로부터 선택된 헤니에이 그린스테인(Henyey Greenstein) 평균 자유 경로(mean free path)를 갖고, 0.8 내지 0.95의 범위로부터 선택된 헤니에이 그린스테인 이방성 인자(anisotropy factor)를 가질 때 양호한 결과가 얻어질 수 있는 것으로 보인다. 특히, 문헌[L.G. Henyey, J.L. Greenstein, Diffuse radiation in the galaxy, Astrophysical Journal 93:70-83, 1941]이 참조되며, 이는 본 명세서에 참고로 포함된다.
위에 명시된 바와 같이, 본 발명은 또한 UV 방사선을 제공하도록 구성된 광원 및 본 명세서에 한정된 바와 같은 도파관 요소를 포함하는 생물오손-방지 시스템을 제공하며, 광원 및 도파관 요소는 방사선 투과성 재료를 통한 UV 방사선의 적어도 일부의 전파, 및 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나로부터의 후속 방사를 위해 구성된다. 도파관 요소와 UV 방사선을 제공하도록 구성된 광원의 조합은 또한 "UV-방출 요소"로 나타내어질 수 있다. 방사선이 요소로부터 출사하기 때문에, 어구 "후속 방사" 대신에 또한 용어 "(후속) 방출 또는 출사".
실시예들에서, 광원은 도광체 요소로부터 외부에 구성된다. 또 다른 실시예들에서, 광원은 적어도 부분적으로 도파관 요소 내에 구성될 수 있다. 전자의 실시예들에서는, LED 다이와 같은 광 방출 표면이 도파관 요소로부터 외부에 있는 반면, 후자의 실시예들에서는 특히 광 방출 표면(예를 들어 LED 다이)이 도파관 요소 내에 구성된다. 따라서, 그러한 실시예들에서 광 방출 표면은 실시예에서 방사선 투과성 재료와 물리적으로 접촉할 수 있다. 따라서, 특정 실시예들에서 광원은 적어도 부분적으로 도파관 요소 내에 매립되거나, 심지어 전적으로 도파관 요소 내에 매립될 수 있다.
특히, 광원은 광축(optical axis)(O)을 가지며(즉, 광원에 의해 생성된 광의 빔(beam)이 그러한 광축을 갖는다), 여기서 광원은 광축(O)이 제1 면 및 제2 면 중 하나 이상에 수직이도록 구성된다. 이는 광원 광을 수광하는 표면들 중 하나에서 가장 큰 스폿(spot)을 제공할 수 있고 이에 따라 잠재적으로 생물오손을 감소시키거나 생물오손을 방지할 수 있다. 스폿은 실시예들에서 본질적으로 원형일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 광원은 광축(O)이 제1 면 및 제2 면 중 하나 이상에 평행하도록 구성된다. 이는 원형으로부터 벗어나는 스폿으로 이어질 수 있다. 이 스폿은 본 명세서에서 또한 "클린 직경(clean diameter)"으로 나타내어지지만, 스폿은 반드시 완벽하게 원형은 아니다.
특정 실시예들에서, 광원은 UVC 방사선을 제공하도록 구성된다. 또 다른 실시예들에서, UVA, UVB 및 UVC 중 하나 이상의 조합이 제공된다. 아래에 몇몇 추가의 특정 실시예들이 설명된다.
추가의 실시예들에서, 생물오손-방지 시스템은 복수의 광원을 포함하며, 여기서 각각의 광원은 광 방출 표면을 갖고, 광원들은 0.5 내지 100, 예를 들어 1 내지 100 mm, 예컨대 1 내지 50 mm, 예를 들어 5 내지 50 mm, 예컨대 5 내지 25 mm의 범위로부터 선택된, 이웃하는 광 방출 표면들 사이의 최단 거리들(d1)을 갖는다. 특별히 선택된 산란으로, 광원들 간의 거리는 비교적 클 수 있다.
복수의 광원이 적용될 때, 그러한 광원들은 특히 상호 연결된 광원들(또한 아래 참조)을 갖는 격자로, 특히 병렬로 구성될 수 있다. 특정 실시예들에서, 하나 이상의 광원들 모두가 광축들이 하나 또는 둘 모두의 면에 본질적으로 수직이도록 구성된다. 또 다른 실시예들에서, 하나 이상의 광원들 모두가 광축들이 하나 또는 둘 모두의 면에 본질적으로 평행하도록 구성된다. 또 추가의 실시예들에서, 광원들의 2개 이상의 서브세트가 있을 수 있으며, 서브세트 내의 각각의 (하나 이상의) 광원(들)은 광축들이 평행하게 정렬되지만, 상이한 서브세트들의 광원들의 광축들은 비평행(역평행을 포함)으로 구성된다. 예를 들어, 복수의 광원은 광축이 하나 또는 둘 모두의 면에 본질적으로 평행하도록 구성될 수 있고 복수의 광원은 광축이 하나 또는 둘 모두의 면에 본질적으로 수직이도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 그러한 광원들은 상이한 광원들이 교번하여 구성되는 2D 어레이로 구성될 수 있다.
또한 위에 명시된 바와 같이, 본 발명은 또한 물체 표면 및 본 명세서에 한정된 바와 같은 생물오손-방지 시스템을 포함하는 물체를 제공하며, 상기 생물오손-방지 시스템의 제1 면 및 제2 면 중 적어도 하나는 상기 물체 표면의 적어도 일부로서 구성되고, 제1 상태에서 생물오손-방지 시스템은 제1 면 및 제2 면 중 상기 적어도 하나로부터 방사되는 UV 방사선을 제공하도록 구성된다.
위에 명시된 바와 같이, 추가 태양에서 본 발명은 사용 동안 물에 적어도 부분적으로 잠길 수 있는 물체로서, 본 명세서에 한정된 바와 같은 생물오손-방지 시스템을 포함하는, 상기 물체를 제공하며, 생물오손-방지 시스템은 조사 단계 동안에 UV 방사선으로 (i) 상기 물체의 표면의 부분 및 (ii) 상기 표면의 상기 부분에 인접한 물 중 하나 이상을 조사하도록 구성된다. 위에 명시된 바와 같이, 물체는 특히 선박 및 기반시설 물체 등으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 따라서, 실시예들에서, 물체는 움직이지 않는 해양 물체, 움직이는 해양 물체, 예컨대 (동력 설비를 갖춘) 해양 물체, 예를 들어 (동력 설비를 갖춘) 선박, 기반시설 요소, 및 풍차로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 명세서에서, 어구 "사용 동안 물에 적어도 부분적으로 잠기는 물체"는 특히 수중 응용물을 갖는 선박 및 기반시설 물체와 같은 물체를 지칭한다. 따라서, 사용 동안, 그러한 물체는 일반적으로 바다, 호수, 운하, 강, 또는 다른 수로 등에서의 선박과 같이 물과 접촉할 것이다. 용어 "선박"은 예컨대 보트 또는 배 등, 예를 들어 범선(sail boat), 탱커(tanker), 유람선(cruise ship), 요트(yacht), 페리(ferry), 잠수함(submarine) 등을 지칭할 수 있다. 용어 "기반시설 물체"는 특히 댐(dam), 수문(sluice), 수상 플랫폼(pontoon), 석유 굴착 장치(oilrig) 등과 같은, 일반적으로 실질적으로 고정되어 배열되는 수중 응용물을 지칭할 수 있다. 용어 "기반시설 물체"는 또한 (예컨대 해수를 가령 발전소(power plant)로 양수하기 위한) 파이프, 및 (수력) 발전소의 다른 부분, 예를 들어 냉각 시스템, 터빈 등을 지칭할 수 있다. 용어 "표면"은 특히 물과 물리적으로 접촉할 수 있는 표면을 지칭한다. 파이프의 경우에, 이는 내부 파이프 표면 및 외부 파이프 표면 중 하나 이상에 적용될 수 있다. 따라서, 용어 "표면" 대신에, 또한 용어 "오손 표면"이 적용될 수 있다. 또한, 그러한 실시예에서, 용어 "수위선(water line)"은 또한 예컨대 충전 수위(filling level)를 지칭할 수 있다. 특히, 물체는 해양 응용, 즉 바다 또는 대양에서의 또는 그 부근에서의 응용을 위해 구성되는 물체이다. 그러한 물체들은 그들의 사용 동안에 적어도 일시적으로, 또는 실질적으로 항상 물과 적어도 부분적으로 접촉한다. 물체는 사용 동안에 적어도 부분적으로 물(수위선) 아래에 있을 수 있거나, 잠수함 응용에 대해서와 같이 실질적으로 항상 물(수위선) 아래에 있을 수 있다. 본 발명은 예컨대 습윤된 표면을 클린 상태로 유지하는 해양 오손-방지를 위해, 연안 응용을 위해, 바다(해저) 응용을 위해, 시추 플랫폼(drilling platform)을 위해, 기타 등등을 위해 적용될 수 있다.
이러한 물과의 접촉으로 인해, 위에 명시된 단점과 함께, 생물오손이 발생할 수 있다. 생물오손은 그러한 물체의 표면의 표면에서 발생할 것이다. 보호될 물체(의 요소)의 표면은 강철을 포함할 수 있지만, 예컨대 목재, 폴리에스테르, 복합재, 알루미늄, 고무, 하이팔론(hypalon), PVC, 유리 섬유 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것과 같은 다른 재료를 선택적으로 또한 포함할 수 있다. 따라서 강철 선체 대신에, 선체는 또한 PVC 선체 또는 폴리에스테르 선체 등일 수 있다. 강철 대신에, 또한 다른 철 재료, 예를 들어 (다른) 철 합금이 사용될 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "오손" 또는 "생물오손" 또는 "생물학적 오손"은 상호교환 가능하게 사용된다. 위에서, 오손의 몇몇 예가 제공된다. 생물오손은 물 속에 있거나 물에 근접하고 일시적으로 물(또는 다른 전기 전도성 수성 액체)에 노출되는 임의의 표면 상에서 발생할 수 있다. 그러한 표면 상에서, 생물오손은 요소가 물 속에 있거나 물 근처에, 예를 들어 수위선 (바로) 위에 있을 때(예컨대 선수파(bow wave)로 인한 것과 같은 튀는 물로 인한 것처럼) 발생할 수 있다. 열대 지방 사이에서는, 생물오손이 수 시간 내에 발생할 수 있다. 중간의 온도에서도, 첫번째 오손(오손의 첫번째 단계)이 수 시간 내에 당류 및 박테리아의 제1 (분자) 수준으로서 발생할 것이다.
생물오손-방지 시스템은 적어도 하나의 UV-방출 요소를 포함한다. 또한, 생물오손-방지 시스템은 제어 시스템(또한 아래 참조), 전기 에너지 공급 장치 등을 포함할 수 있다.
용어 "생물오손-방지 시스템"은 또한, 선택적으로 기능적으로 서로 결합되는, 예를 들어 단일 제어 시스템을 통해 제어되는 복수의 그러한 시스템을 지칭할 수 있다. 또한, 생물오손-방지 시스템은 복수의 그러한 UV-방출 요소를 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 용어 "UV-방출 요소"는 (따라서) 복수의 UV-방출 요소를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 복수의 UV-방출 요소는 선체와 같은 물체의 표면에 연관될 수 있거나, 그러한 표면에 의해 포함될 수 있는 반면에(또한 아래 참조), 예컨대 제어 시스템이 물체 내의 어딘가에, 예를 들어 선박의 제어실 또는 조타실(wheel house) 내에 구성될 수 있다.
오손이 발생될 수 있는 표면 또는 영역은 본 명세서에서 또한 오손 표면으로 나타내어진다. 이는 예컨대 배의 선체 및/또는 광학 매체의 방출 표면일 수 있다(또한 아래 참조). 이를 위해, UV-방출 요소는 생물오손의 형성을 방지하고/하거나 생물오손을 제거하기 위해 적용되는 UV 방사선(오손-방지 광)을 제공한다. 이러한 UV 방사선(오손-방지 광)은 특히 적어도 UV 방사선(또한 "UV 광"으로 나타내어짐)을 포함한다. 따라서, UV-방출 요소는 특히 UV 방사선을 제공하도록 구성된다. 게다가 또, UV-방출 요소는 광원을 포함한다. 용어 "광원"은 또한 2개 내지 20개의 (고체) LED 광원과 같은 복수의 광원과 관련될 수 있지만, 더욱 많은 광원이 또한 적용될 수 있다. 따라서, 용어 LED는 또한 복수의 LED를 지칭할 수 있다. 특히, UV-방출 요소는 복수의 광원을 포함할 수 있다. 따라서, 위에 명시된 바와 같이, UV-방출 요소는 하나 이상의 (고체) 상태 광원을 포함한다. LED는 (OLED 또는) 고체 LED(또는 이들 LED의 조합)일 수 있다. 특히, 광원은 고체 LED를 포함한다. 따라서, 특히, 광원은 UV-A 및 UVC 광 중 하나 이상을 제공하도록 구성되는 UV LED를 포함한다(또한 아래 참조). UV-A는 세포 벽을 손상시키는 데 사용될 수 있는 반면에, UVC는 DNA를 손상시키는 데 사용될 수 있다. 따라서, 광원은 특히 UV 방사선을 제공하도록 구성된다. 본 명세서에서, 용어 "광원"은 특히 고체 광원을 지칭한다. 광원(들)은 또한 고체 레이저(들)를 포함할 수 있다.
특히, 광원 또는 광원들은 LED들이다. 따라서, 실시예에서, 생물오손-방지 시스템은 복수의 광원을 포함하며, 여기서 광원은 LED를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 광원은 고체 레이저를 포함한다.
자외선(UV)은 가시 스펙트럼과 X-선 방사선 대역의 보다 낮은 파장 극한에 의해 경계지어지는 전자기 광의 부분이다. UV 광의 스펙트럼 범위는 정의상 약 100 내지 400 nm(1 nm = 10-9 m)이고, 사람의 눈에 보이지 않는다. CIE 분류를 사용하여, UV 스펙트럼은 3개의 대역, 즉 315 내지 400 nm의 UVA(장파); 280 내지 315 nm의 UVB(중파); 및 100 내지 280 nm의 UVC(단파)로 세분된다. 실제로, 많은 광생물학자들이 흔히 UV 노출에 기인한 피부 영향을 320 nm 초과 및 미만의 파장의 가중된 영향으로서 증명하여, 대안적인 정의를 제공한다.
단파 UVC 대역 내의 광에 의해 강력한 살균 효과가 제공된다. 게다가, 홍반(피부의 붉어짐)과 결막염(눈의 점막의 염증)이 또한 이러한 형태의 광에 의해 유발될 수 있다. 이 때문에, 살균 UV-광 램프가 사용될 때, UVC 누출을 배제하여서 이들 영향을 피하도록 시스템을 설계하는 것이 중요하다. 침지된 광원의 경우에, 물에 의한 UV 광의 흡수는 UVC 누출이 액체 표면 위의 사람에게 문제가 되지 않을 만큼 충분히 강할 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, UV 방사선(오손-방지 광)은 UVC 광을 포함한다. 또 다른 실시예에서, UV 방사선은 100 내지 300 nm, 특히 200 내지 300 nm, 예를 들어 230 내지 300 nm의 파장 범위로부터 선택되는 방사선을 포함한다. 따라서, UV 방사선은 특히 UVC 및 최대 약 300 nm의 파장의 다른 UV 방사선으로부터 선택될 수 있다. 100 내지 300 nm, 예를 들어 200 내지 300 nm의 범위 내의 파장으로 우수한 결과가 얻어진다. 특히, 광원들은 255 내지 290 nm, 예를 들어 260 내지 280 nm의 범위로부터 선택되는 피크 파장을 갖는 광원들일 수 있다.
위에 명시된 바와 같이, UV-방출 요소는 (조사 단계 동안에) 상기 UV 방사선으로 (i) 상기 표면의 상기 부분 및 (ii) 상기 표면의 상기 부분에 인접한 물 중 하나 이상을 조사하도록 구성될 수 있다. 용어 "부분"은 예를 들어 선체 또는 수문(문)과 같은 물체의 표면의 부분을 지칭한다. 그러나, 용어 "부분"은 또한 선체 또는 수문의 표면과 같은 실질적으로 전체 표면을 지칭할 수 있다. 특히, 표면은 하나 이상의 광원의 UV 광으로 조사될 수 있거나 하나 이상의 UV-방출 요소의 UV 방사선으로 조사될 수 있는 복수의 부분을 포함할 수 있다. 각각의 UV-방출 요소는 하나 이상의 부분을 조사할 수 있다. 또한, 선택적으로, 2개 이상의 UV-방출 요소의 UV 방사선을 수광하는 부분들이 있을 수 있다.
일반적으로, 2가지 주요 실시예가 구별될 수 있다. 이러한 실시예들 중 하나는, 적어도 조사 단계 동안에, 광원과 UV-방출 요소 사이에 해수와 같은 물(또는 수위선 위일 때 공기)이 있는 상태에서 표면의 부분이 UV 방사선으로 조사되는 것을 포함한다. 그러한 실시예에서, 이러한 부분은 특히 물체의 "원래" 표면에 의해 포함된다. 그러나, 또 다른 실시예에서, "원래" 표면은 (선박의 선체와 같은) 물체의 "원래" 표면에 부착되는 모듈, 특히 비교적 편평한 모듈로 연장될 수 있음으로써, 모듈 그 자체가 실제로 표면을 형성한다. 예를 들어, 그러한 모듈은 선박의 선체에 연관될 수 있음으로써, 모듈이 표면(의 적어도 일부)을 형성한다. 두 실시예에서, UV-방출 요소는 특히 방사선 출사 표면을 포함한다(추가로 또한 아래 참조). 그러나, 특히 UV-방출 요소가 상기 표면의 부분을 제공할 수 있는 후자의 실시예에서, 그러한 방사선 출사 면은 상기 부분을 제공할 수 있다(그 이유는 제1 부분 및 방사선 출사 면이 본질적으로 일치할 수 있으며; 특히 동일한 표면일 수 있기 때문임).
따라서, 실시예에서, UV-방출 요소는 상기 표면에 부착된다. 또 다른 특정 실시예에서, 생물오손-방지 시스템의 방사선 출사 면은 상기 표면의 부분으로서 구성된다. 따라서, 실시예들 중 일부에서, 물체는 선체를 포함하는 선박을 포함할 수 있고, UV-방출 요소는 상기 선체에 부착된다. 용어 "방사선 출사 면"은 또한 복수의 방사선 출사 면을 지칭할 수 있다(또한 아래 참조).
둘 모두의 일반적인 실시예에서, UV-방출 요소는 (조사 단계 동안에) 상기 UV 방사선으로 상기 표면의 상기 부분에 인접한 물을 조사하도록 구성된다. 모듈 그 자체가 실제로 표면을 형성하는 실시예에서, UV-방출 요소는 적어도, (조사 단계 동안에) 상기 UV 방사선으로 실제로 상기 표면의 부분인 상기 표면의 상기 부분과, 선택적으로 또한 상기 표면의 상기 부분에 인접한 물을 조사하도록 구성된다. 이에 의해, 생물오손이 방지 및/또는 감소될 수 있다.
일 실시예에서, 오손으로부터 클린 상태로 유지될 상당한 양의 보호 표면, 바람직하게는 전체 보호 표면, 예컨대 배의 선체가 살균 광("오손-방지 광"), 특히 UV 광을 방출하는 층으로 덮일 수 있다.
또 다른 실시예에서, UV 방사선(오손-방지 광)은 섬유와 같은 도파관을 통해 보호될 표면에 제공될 수 있다.
따라서, 실시예에서, 오손-방지 조명 시스템은 광학 매체를 포함할 수 있으며, 여기서 광학 매체는 오손 표면에 상기 UV 방사선(오손-방지 광)을 제공하도록 구성되는, 광섬유와 같은 도파관을 포함한다. UV 방사선(오손-방지 광)이 그것으로부터 출사하는, 예컨대 도파관의 표면은 본 명세서에서 또한 방출 표면으로 나타내어진다. 일반적으로, 도파관의 이러한 부분은 적어도 일시적으로 잠길 수 있다. 방출 표면으로부터 출사하는 UV 방사선(오손-방지 광)으로 인해, 사용 동안에 (해수와 같은) 액체에 적어도 일시적으로 노출되는 물체의 요소가 조사되고 이에 의해 오손-방지될 수 있다. 그러나, 방출 표면 그 자체가 또한 오손-방지될 수 있다. 이러한 효과는 후술되는 광학 매체를 포함하는 UV-방출 요소의 실시예들 중 일부에서 사용된다.
광학 매체를 갖는 실시예들이 또한 WO2014188347호에 기재되어 있다. WO2014188347호의 실시예들은 그들이 제어 유닛 및/또는 물 스위치, 및 본 명세서에 기술된 다른 실시예와 조합가능하기 때문에 본 명세서에 또한 참고로 포함된다.
위에 명시된 바와 같이, UV-방출 요소는 특히 UV 방사선 출사 면을 포함할 수 있다. 따라서, 특정 실시예에서, UV-방출 요소는 UV 방사선 출사 면을 포함하는데, 이때 UV-방출 요소는 특히 상기 UV-방출 요소의 상기 UV 방사선 출사 면으로부터 하류에 상기 UV 방사선을 제공하도록 구성된다. UV 방사선 출사 면은 도파관의 표면일 수 있다. 따라서, UV 방사선은 UV-방출 요소 내에서 도파관 내에 결합될 수 있고, 도파관의 면(의 일부)을 통해 요소로부터 출사할 수 있다. 또한 위에 명시된 바와 같이, 실시예에서, 방사선 출사 면은 선택적으로 물체의 표면의 부분으로서 구성될 수 있다.
특히, (고체) 광원은 적어도 제1 UV 방사선 수준과 제2 UV 방사선 수준 사이에서 제어가능하며, 여기에서 제1 UV 방사선 수준은 제2 UV 방사선 수준보다 크다(그리고 여기에서 제2 UV 방사선 수준은 제1 방사선 수준보다 작거나 심지어 0일 수 있음). 따라서, 실시예에서, 광원은 스위치 오프될 수 있고 (방사 단계 동안에) 스위치 온될 수 있다. 더욱이, 선택적으로 또한 UV 방사선의 세기는 예를 들어 단계적 또는 연속 UV 방사선 세기 제어와 같이, 이들 두 단계 사이에서 제어될 수 있다. 따라서, 광원(및 따라서 그의 UV 방사선 세기)은 특히 제어가능하다.
위에 명시된 바와 같이, 물체 또는 생물오손-방지 시스템은 복수의 방사선 출사 면을 포함할 수 있다. 실시예에서, 이는 복수의 생물오손-방지 시스템을 지칭할 수 있다. 그러나, 대안적으로 또는 추가적으로, 실시예에서, 이는 복수의 UV 방사선 방출 요소를 포함하는 생물오손-방지 시스템을 지칭할 수 있다. 따라서, 그러한 생물오손-방지 시스템은 특히 UV 방사선을 제공하기 위한 복수의 광원을 포함할 수 있다. 그러나, 대안적으로 또는 추가적으로, 실시예에서, 이는 (또한) UV 방사선을 제공하도록 구성되는 복수의 광원을 포함하는 UV-방출 요소를 지칭할 수 있다. 단일 UV 방사선 출사 면을 갖는 UV-방출 요소가 (여전히) 복수의 광원을 포함할 수 있음에 유의한다.
특히, UV-방출 요소가 복수의 광원과 복수의 UV 방사선 출사 면을 포함하되, 특히 그러한 표면 각각이 하나 이상의 광원에 의해 어드레싱되는(addressed) 상태로 포함할 때, 그리고/또는 생물-오손 시스템이 복수의 UV-방출 요소를 포함할 때, 광원의 제어에 의해, 표면의 상이한 부분들을 독립적으로 어드레싱하는 것이 가능하다. 따라서, 상이한 UV 방사선 출사 면들을 물체의 상이한 높이들(이때 높이는 특히 물체의 사용 동안에 규정됨)에 배열함으로써, 그들 부분들만을 UV 방사선으로 실질적으로 조사하는 것만이 가능하며, 이에 대해 상기 부분과 UV 방사선 출사 면 중 하나 이상이 물(수위선) 아래에 있는 것에 적용된다.
따라서, 특정 실시예에서, 생물오손-방지 시스템은 복수의 광원, 복수의 방사선 출사 면, 및 복수의 상기 부분을 포함하며, 여기에서 복수의 광원은 상기 UV 방사선을 상기 복수의 방사선 출사 면을 통해 상기 복수의 부분에 제공하도록 구성되고, 상기 복수의 부분은 물체의 상이한 높이들에서 구성된다. 특히, 제어 시스템은 (고체) 광원을 개별적으로 상기 입력 정보의 함수로서 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 제어 시스템은 광원들을 개별적으로 물(즉, 수위선)에 대한 표면의 부분들의 위치들의 함수로서 제어하도록 구성될 수 있다.
생물오손-방지 시스템은 특히 물체의 부분 또는 이러한 부분에 인접한 물에 UV 방사선을 제공하도록 구성된다. 이는 특히 조사 단계 동안에 UV 방사선이 적용됨을 의미한다. 따라서, 선택적으로 또한 UV 방사선이 전혀 적용되지 않는 기간이 있을 수 있다. 이는 (따라서) 예컨대 UV-방출 요소들 중 하나 이상의 UV-방출 요소의 제어 시스템 스위칭에 기인할 수 있을 뿐만 아니라, 또한 예컨대 주간 및 야간 또는 수온 등과 같은 사전규정된 설정에 기인할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서, UV 방사선은 펄스 방식으로 적용된다.
따라서, 특정 실시예 또는 태양에서, 생물오손-방지 시스템은 사용 동안에 물에 적어도 일시적으로 노출되는 물체의 오손 표면 상의 생물오손을, 상기 오손 표면 또는 그에 인접한 물에 오손-방지 광(즉, UV 방사선)을 제공함으로써 방지하거나 감소시키도록 구성된다. 특히, 생물오손-방지 시스템은 상기 오손-방지 광을 광학 매체를 통해 상기 오손 표면에 제공하도록 구성될 수 있으며, 여기서 UV-방출 요소는 (ii) UV 방사선(오손-방지 광)의 적어도 일부를 수광하도록 구성되는 상기 광학 매체를 추가로 포함하며, 광학 매체는 상기 UV 방사선(오손-방지 광)의 적어도 일부를 제공하도록 구성되는 방출 표면을 포함한다. 또한, 특히 광학 매체는 도파관 및 광섬유 중 하나 이상을 포함하며, 여기서 UV 방사선(오손-방지 광)은 특히 UVB 및 UVC 광 중 하나 이상을 포함한다. 이들 도파관 및 광학 매체는 본 명세서에서 추가로 상세히 논의되지 않는다.
광학 매체는 또한 보호 표면에 적용하기 위한 (실리콘) 포일(foil)로서 제공될 수 있는데, 이때 포일은 오손-방지 광을 생성하기 위한 적어도 하나의 광원, 및 포일에 걸쳐 UV 방사선을 분포시키기 위한 시트-유사(sheet-like) 광학 매체를 포함한다. 실시예에서, 포일은 수 밀리미터 내지 수 센티미터 정도의 크기, 예를 들어 0.1 내지 5 cm, 예컨대 0.2 내지 2 cm의 두께를 갖는다. 실시예에서, 포일은 두께 방향에 수직인 임의의 방향으로 실질적으로 제한되지 않아, 수십 또는 수백 제곱 미터 정도의 크기를 갖는 상당히 큰 포일을 제공한다. 포일은 오손-방지 타일을 제공하기 위해, 포일의 두께 방향에 수직인 두 직교 방향으로 실질적으로 크기-제한될 수 있고; 다른 실시예에서, 포일은 오손-방지 포일의 기다란 스트립을 제공하기 위해, 포일의 두께 방향에 수직인 하나의 방향으로만 실질적으로 크기-제한된다. 따라서, 광학 매체, 및 심지어 UV-방출 요소는 타일 또는 스트립으로서 제공될 수 있다. 타일 또는 스트립은 (실리콘) 포일을 포함할 수 있다. 타일 또는 스트립은 비임 또는 플레이트의 실시예들이다(또한 위 참조).
일 실시예에서, UV-방출 요소는 UV 방사선을 생성하기 위한 광원의 2차원 격자를 포함하고, 광학 매체는 광원의 2차원 격자로부터의 UV 방사선의 적어도 일부를 광학 매체에 걸쳐 분포시켜, 광 모듈의 광 방출 표면으로부터 출사하는 UV 방사선의 2차원 분포를 제공하도록 배열된다. 광원들의 2차원 격자는 치킨-와이어(chicken-wire) 구조, 밀접 패킹된(close-packed) 구조, 행/열 구조, 또는 임의의 다른 적합한 규칙적 또는 불규칙적 구조로 배열될 수 있다. 격자 내의 이웃한 광원들 사이의 물리적 거리는 격자에 걸쳐 고정될 수 있거나, 예를 들어 오손-방지 효과를 제공하는 데 필요한 광 출력 전력의 함수로서 또는 보호 표면 상에서의 UV-방출 요소의 위치(예컨대, 배의 선체 상에서의 위치)의 함수로서 변할 수 있다. 광원의 2차원 격자를 제공하는 이점은, UV 방사선이 UV 방사선 조명으로 보호될 영역에 근접하게 생성될 수 있다는 것, 및 이것이 광학 매체 또는 도광체의 손실을 감소시킨다는 것과 이것이 광 분포의 균질성을 증가시킨다는 것을 포함한다. 바람직하게는, UV 방사선은 일반적으로 방출 표면에 걸쳐 본질적으로 균질하게 분포되며; 이는 오손이 달리 발생할 수 있는 과소 조명 영역(under-illuminated area)을 감소시키거나 심지어 방지함과 동시에, 오손-방지에 필요한 것보다 많은 광으로 다른 영역을 과도-조명하는 것에 의한 에너지 낭비를 감소시키거나 방지한다. 일 실시예에서, 격자는 광학 매체 내에 포함된다. 또 다른 실시예에서, 격자는 (실리콘) 포일에 의해 포함될 수 있다.
또한, 실시예에서, 광학 매체는 보호 표면에 근접하게 배치되고(선택적으로 그에 부착되는 것을 포함함) 자외선 광을 수광하도록 결합될 수 있으며, 여기서 광학 매체는 보호 표면에 수직인 방향으로 두께를 갖고, 두께 방향에 직교하는 광학 매체의 두 직교 방향이 보호 표면에 평행하며, 광학 매체는 자외선 광이 두께 방향에 직교하는 두 직교 방향 중 적어도 하나로 광학 매체 내에서 이동하도록 그리고 광학 매체의 표면을 따른 지점에서, 자외선 광의 각각의 부분들이 광학 매체로부터 출사하도록 자외선 광의 전파 경로를 제공하도록 구성된다.
다른 태양에서, 본 발명은 또한 사용 동안에 물에 적어도 일시적으로 노출되는 물체의 표면(의 일부)의 (생물)오손-방지 방법을 제공하며, 이 방법은 본 명세서에 한정된 바와 같은 생물오손-방지 시스템을 물체에 제공하는 단계, (물체의 사용 동안에) UV 방사선을 선택적으로 (i) 피드백 신호, 및 (ii) UV 방사선(오손-방지 광)의 세기를 (주기적으로) 변화시키기 위한 타이머 중 하나 이상의 함수로서 생성하는 단계, 및 (조사 단계 동안에) 상기 UV 방사선을 표면(의 부분)에 제공하는 단계를 포함한다. 그러한 피드백 신호는 센서에 의해 제공될 수 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 또한 사용 동안에 물에 적어도 일시적으로 노출될 수 있는 물체에 본 명세서에 한정된 바와 같은 생물오손-방지 시스템을 제공하는 방법을 제공하며, 이 방법은 생물오손-방지 시스템을 물체에 제공하는, 예를 들어 물체 내에 통합시키고/시키거나 물체 표면에 부착시키는 단계를 포함하는데, 이때 생물오손-방지 시스템은 상기 UV 방사선을 물체의 물체 표면의 부분 및 상기 부분에 인접한 물 중 하나 이상에 제공하도록 구성된다.
용어 "상류"와 "하류"는 광 생성 수단(여기에서 특히 광원)으로부터의 광의 전파에 대한 물품 또는 특징부의 배열에 관한 것이며, 여기서 광 생성 수단으로부터의 광 빔 내의 제1 위치에 대해, 광 생성 수단에 더 가까운 광 빔 내의 제2 위치가 "상류"이고, 광 생성 수단으로부터 더욱 멀리 떨어진 광 빔 내의 제3 위치가 "하류"이다.
특정 실시예에서, 광원은 고체 광원(예를 들어 LED 또는 레이저 다이오드)을 포함한다. 용어 "광원"은 또한 2 내지 200개 (고체) LED 광원과 같은 복수의 광원과 관련될 수 있다. 따라서, 용어 "LED"는 또한 복수의 LED를 지칭할 수 있다. 또한, 용어 "광원"은 실시예들에서 또한 소위 칩-온-보드(COB) 광원을 지칭할 수 있다. 용어 "COB"는 특히 인케이싱되지도 연결되지도 않고 PCB와 같은 기판 상에 직접 실장되는 반도체 칩의 형태의 LED 칩들을 지칭한다. 따라서, 복수의 반도체 광원이 동일 기판 상에 구성될 수 있다. 실시예들에서, COB는 단일 조명 모듈로서 함께 구성된 다중 LED 칩이다.
요소 또는 시스템은 반사기, 광학 필터, 추가의 광원 등과 같은 (추가의) 광학체들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 반사기가 광 출사 면 또는 광 출구 면으로서 구성되지 않은 면들로부터 출사하는 방사선을 다시 도파관 내로 방향전환시키는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에서, 특히 제1 면이 (단일) 광 출사 면으로서 예로서 사용된다.
이제 본 발명의 실시예가 첨부 개략도를 참조하여 단지 예로서 기술될 것이며, 첨부 개략도에서 대응하는 도면 부호는 대응하는 부분을 지시한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 몇몇 태양을 개략적으로 도시한다.
도 2a는 산란을 갖지 않는 직접 조명(좌측) 및 산란을 갖지 않는 측면 조명(우측)을 개략적으로 도시한다(또한 도 2c 참조).
도 2b는, 작은 실리콘 두께(약 4 mm)의 경우에, 오손-방지 직경이 직접 및 측면 조명 구성들에 대해 단지 15 내지 20 mm(임계치 10-8 W/㎟)에 불과하다는 것을 보여준다.
도 2c는 산란을 갖는 직접 조명(좌측) 및 산란을 갖는 측면 조명(우측)을 개략적으로 도시한다.
도 2d는 도광체 두께에 대한 직접 조명 및 측면 조명 시스템의 클린 직경을 보여준다. 상이한 산란 평균 자유 경로(mfp: 3 및 30 mm)에 대해 시뮬레이션이 행해진다. 이방성 인자 g = 0.85.
도 2e는 각각 직접 및 측면 조명 시스템에 대한 7 및 5 mm의 도광체 두께에 대한 mfp에 대한 직접 조명 및 측면 조명 시스템의 시뮬레이션된 클린 직경을 보여준다. 이제 이방성 인자 g = 0.85로 헤니에이-그린스테인 모델을 이용하여 시뮬레이션들이 행해진다. 최적의 mfp 파라미터가 발견될 수 있다. mfp 파라미터는 산란 입자 농도에 반비례한다는 점에 유의한다. 시스템당 두 번의 시뮬레이션은 0.991의 g-인자(강한 전방 산란)에 대해 클린 직경이 감소하는 것을 보여준다.
도 2f는 g-인자에 대한 3 mm 두께 및 mfp=3 mm의 측면 조명 시스템의 클린 직경을 보여준다. 2개의 상이한 투과율(85% 및 68.5%/cm)에 대해 시뮬레이션들이 행해진다.
도 2g는 입자 반경 및 농도가 달라지는 측면 조명 시스템에서의 시뮬레이션된 클린 영역을 보여준다. 각각의 주어진 입자 반경에 대해, 최적의 농도가 발견될 수 있다. 미에(Mie) 산란 모델을 이용하여 시뮬레이션이 행해진다. 이 예에서, 입자는 공기로 이루어지고 매체는 실리콘이다. 입자들로서 물 및 질화 붕소를 사용하여 유사한 곡선들이 얻어졌으며, 임계치는 10-8 W/㎟이고 도광체 두께는 8 mm이고, 내부 투과율은 약 68%/cm였다.
도 3a 및 도 3b는 몇몇 시뮬레이션 결과를 개략적으로 도시한다.
개략도들이 반드시 일정한 축척으로 작성된 것은 아니다.
도 1a(및 추가 도면)는 제1 면(1001) 및 제2 면(1002)과 함께 제1 면(1001)과 제2 면(1002) 사이에 구성된 방사선 투과성 재료(1005)를 포함하는 도파관 요소(1000)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 위에 명시된 바와 같이, 방사선 투과성 재료(1005)는 UV 방사선에 대해 투과성이다. 방사선 투과성 재료(1005)는 방사선 투과성 재료(1005)와는 다른 조성의 상(1010)에 대한 매트릭스 재료이며, 여기서 상(1010)은 매트릭스에서 영역들(1110)로서 이용 가능하고 이때 영역들(1110)은 50 내지 1500 nm의 범위로부터 선택된 평균 입자 반경들 r1을 갖는다. 입자들의 직경은 2*r1로 나타내어진다. 투과성 재료는 방사선 투과성 재료(1005)의 1*104 내지 1.5*108 / ㎣의 범위로부터 선택된 평균 영역 농도를 가질 수 있다. 도면 부호 h1은 도파관 요소(1000)의 높이 또는 두께를 나타낸다. 때때로, 도파관 요소는 또한 본 명세서에서 슬래브로 나타내어지고, 높이는 슬래브 높이로 나타내어진다.
도 1b는 본 명세서에 한정된 바와 같은 도파관 요소(1000) 및 UV 방사선(11)을 제공하도록 구성된, 고체 광원과 같은, 광원(10)을 포함하는 생물오손-방지 시스템(200)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 광원(10) 및 도파관 요소(1000)는 방사선 투과성 재료(1005)를 통한 UV 방사선(11)의 적어도 일부의 전파, 및 제1 면(1001) 및 제2 면(1002) 중 적어도 하나로부터의 후속 방사를 위해 구성된다. 예로서, 하나 이상의 미러(1031)가 도파관으로부터 출사하는 방사선을 다시 도파관 내로 반사하도록 구성될 수 있다(특히 방사선이 출사하는 것이 바람직하지 않은 부분들로부터 그러한 방사선이 출사할 때). 반투명 광학 필터가 광원(10)과 도파관 사이에서 사용될 수 있다. 그러한 구성으로, 방사선이 본질적으로 하나 이상의 원하는 면, 여기서는 제1 표면(1001)으로부터만 도파관(1000)으로부터 출사하게 하는 것이 가능할 수 있다.
도파관으로부터 출사하는 방사선은 장치 방사선(201)으로 나타내어진다. 이러한 장치 방사선은 또한 오손-방지 방사선 또는 생물오손-방지 방사선 또는 시스템 방사선으로 나타내어질 수 있다. 장치 방사선(201)은 UV 방사선의 적어도 일부를 포함하지만, 도파관(1000) 내에서의 산란 및 얼마간의 흡수로 인해 스펙트럼 분포는 광원(10)으로부터 직접 출사하는 방사선과는 (약간) 상이할 수 있다. (UV) 방사선이 그것으로부터 출사하는 광원의 면은 광 방출 표면(12)으로 나타내어진다.
또한, 예로서 광원의 상이한 구성들이 개략적으로 도시되어 있다. 광원(10)은 도파관(1000)으로부터 외부에 구성될 수 있다. 그러나, 중간에 도시된 바와 같이, 광원은 또한 도파관 내에 부분적으로 매립될 수 있고, 도 1b의 좌측에 도시된 바와 같이, 광원(10)은 본질적으로 전적으로 도파관(1000) 내에 매립될 수 있다. 또한, 광원(10)의 광축은 광 출사 표면 및/또는 광 입사 표면에 수직으로, 또는 광 출사 표면 및/또는 광 입사 표면에 평행하게 구성될 수 있다. 여기서, 도 1b(및 도 1c)에 개략적으로 도시된 바와 같은 실시예들에서, 제1 표면(1001)은 광 출사 표면 또는 생물오손-방지 표면이고 제2 표면(1002)은 광 입사 표면으로서 구성될 수 있다(도 1b, 우측 광원(10)). 도면 부호 O는 광원(들)(10)의 광축을 나타낸다. 위에 명시된 바와 같이, 도파관은 UV 방사선의 적어도 일부에 대해 투과성이다. 광원(들)(10)의 구성에 따라, 이는 도파관 재료와 영역 농도 및 영역 입자 크기에 조건을 부과할 수 있다. 따라서, UV 방사선(11)의 적어도 일부는 방사선 투과성 재료(1005)를 통해 투과되고 제1 면(1001)(또는 선택적으로 제2 면(1002))으로부터 방사된다.
도 1c는 본 명세서에 기술된 바와 같은 생물오손-방지 시스템(200) 및 물체 표면(2110)을 포함하는 물체(2000)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 상기 생물오손-방지 시스템(200)의 제1 면(1001) 및 제2 면(1002) 중 적어도 하나가 상기 물체 표면(2110)의 적어도 일부로서 구성되며, 여기서 제1 상태에서 생물오손-방지 시스템(200)은 제1 면(1001) 및 제2 면(1002) 중 상기 적어도 하나로부터 방사되는 UV 방사선(11)을 제공하도록 구성된다. 여기서, 다시 제1 표면(1001)이 도파관(1000)의 방사선 출사 표면으로서 선택된다.
대안적인 구성이 또한 가능할 수 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 생물오손-방지 시스템은 또한 물체 표면(2110)으로부터 소정 거리에 도파관(1000)을 갖고, 오손-방지 방사선으로 물체 표면(2110)을 조사하도록 구성될 수 있다(도 1c에서 하부 생물오손-방지 시스템(200)에 대해 도시됨).
도 1d는 사용 중에 물(2)에 적어도 부분적으로 잠길 수 있는 물체들(2000)의 실시예를 개략적으로 도시하고 있지만(수위선(13) 참조), 본 발명은 그러한 실시예들로 제한되지 않는다. 선박 또는 수문(또한 아래 참조)과 같은 물체(2000)는, 특히 선체 또는 일부 또는 선체와 같은 물체(2000)의 (외부) 표면(2110)의 일부에 대한 UV 방사선(11)의 적용을 위한, UV-방출 요소, 여기서는 도파관(1000)을 포함하는 생물오손-방지 시스템(200)을 추가로 포함한다. 도 1c를 참조하면, 2개의 실시예가 도시되는데, 여기서 생물오손-방지 시스템(200), 보다 특별히 도파관(1000)은 외측 표면의 일부일 수 있고, 이에 의해 실제로 외측 표면의 일부를 형성하거나(도 1c 상부 부분), 생물오손-방지 시스템(200), 보다 특별히 도파관(1000)은 외측 표면을 조사하도록 구성되지만 반드시 배의 선체와 같은 외측 표면의 일부를 형성하지는 않는다. 예를 들어, 물체(2000)는 선박(2015) 및 기반시설 물체로 이루어진 군으로부터 선택된다. 도면 부호 2015로 지시되는 용어 "선박"은, 도 1d에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 예를 들어 예컨대 보트 또는 배(도 1d의 도면 부호 2000a) 등, 예를 들어 범선, 탱커, 유람선, 요트, 페리, 잠수함(도 1d의 도면 부호 2000d) 등등을 지칭할 수 있다. 용어 "기반시설 물체"는 특히 댐/수문(도 1d의 도면 부호 2000e/2000f), 수상 플랫폼(도 1d의 도면 부호 2000c), 석유 굴착 장치(도 1d의 도면 부호 2000b) 등등과 같은, 일반적으로 실질적으로 정지되어 배열되는 수상 응용물을 지칭할 수 있다.
도 1e는 물체(2000)의 실시예로서의 선박(2015)이 복수의 생물오손-방지 시스템(200) 및/또는 복수의 도파관(1000)을 포함하는 그러한 생물오손-방지 시스템(200)들 중 하나 이상을 포함하는 실시예를 개략적으로 도시한다. 예를 들어 물(수위선)에 대한, 특정한 그러한 생물오손-방지 시스템(200)의 높이 및/또는 도파관(1000)의 높이에 따라, 각자의 생물오손-방지 시스템(200)이 스위치 온될 수 있다. 도 1e는 생물오손-방지 시스템(들)을 제어하도록 구성된 제어 시스템(300)을 개략적으로 도시한다. 그러나, 제어 시스템의 응용은 도 1e의 개략적으로 도시된 실시예로 제한되지 않는다. 용어 "제어하는 것"은 특히 광원의 거동을 결정하거나, 광원의 운영, 특히 이에 따라 세기 및 스펙트럼 분포 중 하나 이상, 특히 적어도 세기를 관리하는 것을 지칭한다.
도 1f는 UV LED와 같은 광원(10)들이 격자로 배열되고 일련의 병렬 연결로 연결되는 치킨-와이어 실시예를 도시한다. LED는 납땜, 접착, 또는 LED를 치킨 와이어에 연결하기 위한 임의의 다른 알려진 전기 연결 기술을 통해 노드(node)에 장착될 수 있다. 하나 이상의 LED가 각각의 노드에 배치될 수 있다. DC 또는 AC 구동이 구현될 수 있다. AC가 사용되는 경우에, 역평행 구성의 한 쌍의 LED가 사용될 수 있다. 당업자는 각각의 노드에서 역평행 구성의 한 쌍 초과의 LED가 사용될 수 있음을 알고 있다. 치킨-와이어 격자의 실제 크기와 격자 내의 UV LED들 사이의 거리는 하모니카 구조를 신장시킴으로써 조절될 수 있다. 치킨-와이어 격자는 (본 명세서에 기술된 도파관과 같은) 광학 매체 내에 매립될 수 있다. 광원들의 광축들은 모두 동일한 방향으로 향하고 있을 수 있지만, 하나 이상의 광축이 또한 하나 이상의 다른 광축에 직교하도록 구성될 수 있고; 추가의 구성이 또한 가능할 수 있다.
오손-방지 시스템들은 실리콘 도광체들 내에 매립된 UV LED들을 구비할 수 있다. 도광체의 기능은 UV 방사선을 LED 소스로부터 더 멀리 오손 표면과 일치하는 도광체의 출사 표면을 향해 수송하는 것이다. 오손으로부터 클린 상태로 유지되는 UV LED마다의 영역은 특히 도광체 내부의 UV LED의 배향에 의존한다: 직접 조명, 출사 표면에 수직인 UV LED의 광축, 또는 측면 조명, 출사 표면에 평행한 광축.
'클린 영역'은 직접 조명 시스템에 대해서는 대칭이고 측면 조명 시스템에 대해서는 비대칭인 것으로 보인다. 용어 '클린 직경'은 '클린 영역'에 대한 다른 용어이고 측면 조명 시스템에 대해 LED의 z-축의 방향으로 측정된다. LED 광축의 z-축의 방향으로 측정된 클린 직경(그 영역이 반드시 완벽하게 원형은 아니기 때문에, 본 명세서에서 클린 영역으로 또한 나타내어짐)이 수직 방향으로보다 약간 작기 때문에, 첫 번째 것이 지정된다(덜 최적의 경우).
또한, 클린 직경은 산란의 양에 의존하는 것으로 보인다. 산란의 양이 너무 낮으면, 큰 클린 영역에 실질적으로 기여하는 (하류) 방사선의 대부분이 최소일 것이다. 산란의 양이 너무 크면, 방사선의 대부분이 LED 부근에서 도광체로부터 출사하고, 클린 직경이 또한 작을 것이다. 가장 큰 가능한 클린 직경에 대한 최적의 산란 파라미터들이 본 명세서에서 정의된다.
클리어(투명한) 실리콘이 UV 방사선을 출사 표면으로 수송하는 매체로서 사용되면, 흡수가 이동 거리를 좌우한다. 이는 UV 방사선의 대부분이 도광체의 (출사) 표면에 도달하기 전에 실리콘에 의해 흡수된다는 것을 의미한다.
실리콘 매체가 적절한 산란 파라미터들을 포함하면, 출사 표면에서의 클린 직경은 점진적인 아웃커플링된(방향전환된) UV 방사선에 의해 증가된다(따라서, 더 큰 직경에서의 로컬 조도가 증가된다).
도 2a는 본질적으로 산란 요소들의 의도적인 도입을 갖지 않는, 실리콘에서의 직접 조명(좌측 그림) 대 측면 조명(우측 그림) 구조를 보여준다. D로 나타내어진, 클린 직경 또는 클린 영역은 도광 및 실리콘의 흡수에 의해 제한된다. 임계각보다 큰 각도의 광선들은 내부 전반사되며 도광체로부터 전혀 벗어나지 않을 수 있다. 출사 표면에서의 클린 직경(10-8 W/㎟의 임계치를 가정)은 슬래브 두께에 의존하고 있고, 직접 및 측면 조명 시스템에 대해 도 2a에 도시되어 있다. 직접 조명 시스템은 충분한 오손-방지 영역을 달성하기 위해 측면 조명 시스템보다 더 두꺼운 실리콘 매체를 필요로 할 것으로 예상되기 때문에, 측면 조명 시스템(도 2a, 우측 참조)에 대해서보다 4 내지 10 mm 더 큰 슬래브 두께(h1)에 대해 직접 조명 시스템에 대한 시뮬레이션들이 행해진다.
도 2b는 산란을 갖는 직접 조명(DL) 및 측면 조명(SL) 시스템을 각각 보여준다. 실리콘 내부의 추가적인 산란 입자들은 방사선이 실리콘에 의해 흡수되기 전에 도광체의 출사 표면에 도달할 수 있게 한다. 또한, 방향전환된 광선들은 광선들이 출사 표면에서 내부 전반사되는 것을 방지한다. 따라서, 조도 레벨들이 도광체의 출사 표면에서 증가될 것이고 클린 직경은 산란을 갖지 않는 경우보다 훨씬 더 클 것이다(도 2a와 도 2c의 출사 표면에서의 클린 직경 D를 비교(시뮬레이션에서의 임계치 10-8 W/㎟)). 그것은 여기서 단일 mfp 및 g를 갖는 HG 산란 함수에 의해 산란을 설명하는 데 충분하다. 도 2b에서, 10 mm의 재료 두께에 대한 68.5%의 (내부) 투과율이 가정된다. 오손-방지 직경은 직접 및 측면 조명 구성에 대해 15 내지 20 mm(임계치 10-8 W/㎟)이며, 여기서 참고 목적으로 실리콘을 입자 없이 평가하였다.
도 2c를 참조하면, 복수의 광원(10)이 사용될 경우에 광축들(O)이 모두 평행하게 구성될 수 있지만 다른 옵션들이 또한 가능할 수 있다. 좌측 실시예에서, 복수의 광원이 사용될 경우, 일반적으로 모든 광원(10)이 유사하게 구성될 수 있으며, 이때 광축들(O)은 면에 수직이다. 우측 실시예에서, 모든 광원(10)이 예를 들어 광축이 좌측으로 향하는 상태로 유사하게 구성될 수 있지만, 선택적으로 하나 이상이 또한 좌측으로 향할 수 있다(즉, 역평행으로 구성됨). 또한, 상이하게 구성된 광원들(10)의 조합, 예를 들어 광축이 면들 중 하나에 수직인 상태로 구성된 서브세트, 및 광축들이 다른 서브세트의 광원들의 광축들에 본질적으로 직교하도록 구성된 서브세트를 갖는 복수의 것이 사용될 수 있다.
도 2d는, 3 mm의 평균 자유 경로에 대해, 클린 직경이 4 mm의 실리콘 도광체 두께를 갖는 직접 조명 시스템 및 측면 조명 시스템 둘 모두에 대해 45 mm 초과로 증가하는 것을 보여준다(도 2b와 비교). 도 2d에서, 68.5%의 내부 투과율이 가정된다. 파선들은 다시 측면 조명(SL) 시스템들을 나타내고; 실선들은 직접 조명(DL) 시스템들을 나타낸다. 시뮬레이션에서, mfp=3(상부 2개의 곡선) 및 mfp=3(하부 2개의 곡선)이 선택되었다. 시뮬레이션들에서 헤니에이-그린스테인 체적 산란 모델을 사용하여, mfp 및 g-인자 둘 모두가 소정 슬래브 두께에 대해 가장 큰 가능한 클린 직경을 달성하기 위해 최적화될 수 있다. 도 2e는 측면 조명 시스템(파선들) 및 직접 조명 시스템들(실선)에서의, 각각, 7 및 5 mm의 슬래브 두께(h1)에 대한 클린 직경 대 평균 자유 경로(mm)를 보여준다. 도 2e는 최적의 것이 2 내지 10 mm(mfp)에서 발견될 수 있음을 보여준다. g-인자는 0.85이고, 더 큰 g-인자에 대해, 클린 직경은 감소한다(적색 곡선들). 도 2f는 최적의 g-인자가 0.85와 0.95 사이에서 발견될 수 있음을 보여준다. 도 2f는 슬래브 높이 h1이 3 mm이고 평균 자유 경로 mfp=3 mm인 측면 조명(SL) 시스템을 보여준다. 실리콘의 투과율은 상부 곡선에 대해 85% / 1 cm 및 하부 곡선에 대해 68.5% / 1 cm로 선택하였다. 도 2g는 실리콘 중 H2O의 입자 밀도(입자/㎣ 단위의 농도)에 대한 클린 영역을 보여준다.
본 발명의 응용들은 특히 습윤된 표면을 클린 상태로 유지하는 해양 오손-방지, 연안, 바다(해저), 시추 플랫폼, 가시광에서도 대략 균일한 아웃커플링을 필요로 하는 임의의 도광체 등을 포함할 수 있다.
따라서, 실시예들에서, 본 발명은 산란 특성으로 오손방지/항균 작용을 달성하기 위해 산란 도광체 매체 내에 매립된 UV 방사선을 갖는 LED 시스템을 포함하는 오손방지/항균 시스템을 제공한다. 특히, 그에 의해 산란 매체의 산란 파라미터들이 도광체의 출사 표면에서 더 큰 오손-방지 영역을 달성하도록 최적화되는 것이 달성된다. 본 발명은 또한 산란 매체가 실리콘 또는 플루오로중합체인 그러한 오손방지/항균 시스템을 제공한다. 또 추가로, 본 발명은 산란 입자들이 매체의 산란 파라미터들을 획득하도록 선택된 입자 크기 및 농도를 갖는 질화 붕소(BN) 또는 황산 바륨(BaSO4) 타입의 것인 그러한 오손방지/항균 시스템을 제공한다.
도 3a는 x-축(대수 스케일) 상에 nm 단위의 반경이 있고 y-축(대수 스케일) 상에 입자/㎣ 단위의 입자 농도가 있는, (MIE) 최적 농도 대 입자 반경을 보여준다. 곡선 A는 실리콘 중의 물 영역들을 나타내고, 곡선 B는 실리콘 중의 공기 영역들을 나타내고, 곡선 C는 실리콘 중의 BN 입자들(영역들)을 나타낸다. 곡선 A + 10%A 및 곡선 C-10%C는 특히 적합할 수 있는 범위를 정의한다. 또한, 각각의 곡선 +/-10%는 특히 적합할 수 있는 특정 재료들에 대한 범위들을 각각 정의할 수 있다. +/-10%A와 같은 표시들 및 유사한 표시들은 10% 더 크거나 작을 수 있는 y 값들을 나타낼 수 있다.
도 3b는 반경이 0 내지 1200 nm로 변하는 x-축을 갖는, 그리고 100 내지 1000 nm의 데이터를 갖는, 체적 분율(VF) 대 입자 크기(nm 단위)를 개략적으로 도시한다. 도 3a에서와 동일한 재료를 사용하였고, 동일한 표시 A 내지 C가 도 3b에 표시되어 있다. 최적의 결과를 달성하기 위해 상대적으로 적은 입자들이 필요하기 때문에 600 nm 아래, 예를 들어 400 nm 아래의 (평균) 입자 크기들이 특정한 관심 대상인 것으로 보인다.
본 명세서에서 예를 들어 "실질적으로 모든 광" 또는 "~으로 실질적으로 이루어진"에서의 용어 "실질적으로"는 당업자에 의해 이해될 것이다. 용어 "실질적으로"는 또한 "전적으로", "완전히", "모두" 등을 갖는 실시예를 포함할 수 있다. 따라서, 실시예에서, 형용사 "실질적으로"는 또한 제거될 수 있다. 적용가능한 경우, 용어 "실질적으로"는 또한 100%를 비롯해, 90% 이상, 예컨대 95% 이상, 특히 99% 이상, 훨씬 더 특히 99.5% 이상에 관련될 수 있다. 용어 "포함하다"는 용어 "포함하다"가 "~으로 이루어지다"를 의미하는 실시예를 또한 포함한다. 용어 "및/또는"은 특히 "및/또는" 전후에서 언급되는 항목들 중 하나 이상과 관련된다. 예를 들어, 어구 "항목 1 및/또는 항목 2" 및 유사 어구는 항목 1과 항목 2 중 하나 이상과 관련될 수 있다. 용어 "포함하는"은 일 실시예에서 "~으로 이루어진"을 지칭할 수 있지만, 다른 실시예에서는 "적어도 규정된 종 및 선택적으로 하나 이상의 다른 종을 포함하는"을 또한 지칭할 수 있다.
또한, 명세서 및 청구범위에 있어서 용어 '제1', '제2', '제3' 등은 유사한 요소들 사이에서의 구별을 위해 사용되고, 반드시 순차적 또는 발생 시간 순서를 기술하기 위한 것은 아니다. 그렇게 사용되는 용어들은 적절한 상황하에서 상호교환가능하고, 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예가 본 명세서에 기술되거나 예시된 것과는 다른 시퀀스로 작동할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 명세서에서의 장치는 특히 작동 동안에 기술된다. 당업자에게 명확할 바와 같이, 본 발명은 작동 방법 또는 작동 중인 장치로 제한되지 않는다.
전술된 실시예는 본 발명을 제한하기보다는 예시하고, 당업자가 첨부된 청구범위의 범위로부터 벗어남이 없이 많은 대안적인 실시예를 설계할 수 있을 것에 유의하여야 한다. 청구범위에서, 괄호 안에 기재된 임의의 도면 부호는 청구항을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 동사 "포함하도록" 및 그의 동사 활용형의 사용은 청구범위에 언급된 것들 이외의 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 문맥이 명확하게 달리 요구하지 않는 한, 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐, 단어 "포함하다", "포함하는" 등은 배타적인 또는 총망라하는 의미와는 반대로 포괄적인 의미, 즉 "포함하지만 이로 제한되지 않는"의 의미로 해석되어야 한다. 요소에 선행하는 단수형 관사("a" 또는 "an")는 복수의 그러한 요소의 존재를 배제하지 않는다. 본 발명은 수 개의 별개 요소를 포함하는 하드웨어에 의해, 그리고 적합하게 프로그래밍된 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다. 수 개의 수단을 열거하는 장치 청구항에서, 이들 수단 중 몇몇이 하드웨어의 하나의 동일한 아이템에 의해 구현될 수 있다. 소정의 수단들이 서로 상이한 종속항들에 열거된다는 단순한 사실이, 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다.
본 발명은 또한 명세서에 기술되고/되거나 첨부 도면에 도시된 특징적인 특징부들 중 하나 이상을 포함하는 장치에 적용된다. 본 발명은 또한 명세서에 기술되고/되거나 첨부 도면에 도시된 특징적인 특징부들 중 하나 이상을 포함하는 방법 또는 공정에 관련된다.
본 특허에서 논의되는 다양한 태양들이 조합되어 추가의 이점들을 제공할 수 있다. 또한, 당업자는 실시예들이 조합될 수 있으며, 또한 2개 초과의 실시예들이 조합될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 특징부들 중 일부가 하나 이상의 분할 출원을 위한 기초를 형성할 수 있다.

Claims (15)

  1. UV 방사선(11)을 제공하도록 구성된 광원(10) 및 도파관 요소(waveguide element)(1000)를 포함하는 생물오손-방지 시스템(anti-biofouling system)(200)으로서, 상기 도파관 요소(1000)는 방사선 투과성 재료(1005)를 포함하고, 상기 도파관 요소(1000)는 제1 면(1001) 및 제2 면(1002)과, 제1 면(1001)과 제2 면(1002) 사이에 구성된 방사선 투과성 재료(1005)를 포함하고, 상기 방사선 투과성 재료(1005)는 상기 UV 방사선에 대해 투과성이고, 상기 방사선 투과성 재료(1005)는 상기 방사선 투과성 재료(1005)와는 다른 조성의 상(phase)(1010)에 대한 매트릭스 재료이고, 상기 상(1010)은 상기 매트릭스에서 영역들(1110)로서 이용 가능하고,
    상기 도파관 요소(1000)는 플레이트-유사(plate-like) 형상을 갖고, 상기 광원(10)은 상기 도파관 요소(1000) 내에 적어도 부분적으로 매립되고, 상기 광원(10) 및 상기 도파관 요소(1000)는 상기 방사선 투과성 재료(1005)를 통한 상기 UV 방사선(11)의 적어도 일부의 전파, 및 제1 면(face)(1001) 및 제2 면(1002) 중 적어도 하나로부터의 후속 방사(emanation)를 위해 구성되는, 상기 생물오손-방지 시스템에 있어서,
    상기 영역들(1110)은, 350 내지 1200 nm의 범위로부터 선택된 평균 입자 반경들(r1)을 갖고, 0.01 내지 0.2 vol.%의 범위로부터 선택된 체적 분율(volume fraction)을 갖는 것을 특징으로 하는, 생물오손-방지 시스템(200).
  2. 제1항에 있어서, 상기 방사선 투과성 재료(1005)는 실리콘 및 플루오로중합체 중 하나 이상을 포함하는, 생물오손-방지 시스템(200).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 영역들(1110)은 적어도 80% vol.%의 기체로 이루어지는, 생물오손-방지 시스템(200).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 영역들(1110)은 적어도 80% vol.%의 물로 이루어지는, 생물오손-방지 시스템(200).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 영역들(1110)은 이산화 규소, 산화 알루미늄, 이산화 티타늄, 질화 붕소, 산화 마그네슘, 황산 바륨, 탄산 칼슘, 이산화 지르코늄 및 산화 아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고체 입자들로 이루어지는, 생물오손-방지 시스템(200).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방사선 투과성 재료(1005) 및 상기 상(1010)은 0.04 내지 0.8의 범위로부터 선택된 굴절률들의 절대차를 갖고, 상기 도파관 요소(1000)는, 0.5 내지 200 mm의 범위로부터 선택된, 제1 면(1001)과 제2 면(1002) 사이의 거리에 의해 정의되는 두께(h1)를 갖고, 상기 방사선 투과성 재료(1005)는 실리콘을 포함하는, 생물오손-방지 시스템(200).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 영역들(1110)은 nm 단위의 평균 입자 반경들(r1), 및 범위 c1 = a*(10b)*(xd)에 의해 정의되는 /㎣ 단위의 평균 영역 농도(c1)를 가지며, 상기 식에서 0.5≤a≤4이고; 7≤b≤15이고; -3.0≤d≤-1.0이고; x=r1이고; 100 nm ≤r1≤ 1000 nm인, 생물오손-방지 시스템(200).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원(10)은 광축(optical axis)(O)을 갖고, 상기 광원(10)은 상기 광축(O)이 상기 제1 면(1001) 및 상기 제2 면(1002) 중 하나 이상에 수직이도록 구성되는, 생물오손-방지 시스템(200).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원(10)은 광축(optical axis)(O)을 갖고, 상기 광원(10)은 상기 광축(O)이 상기 제1 면(1001) 및 상기 제2 면(1002) 중 하나 이상에 평행하도록 구성되는, 생물오손-방지 시스템(200).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원(10)은 UVC 방사선을 제공하도록 구성되는, 생물오손-방지 시스템(200).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 생물오손-방지 시스템(200)은 복수의 광원들(10)을 포함하며, 각각의 광원(10)은 광 방출 표면(12)을 갖고, 상기 광원들(10)은, 1 내지 50 mm의 범위로부터 선택된, 이웃하는 광 방출 표면들(12) 사이의 최단 거리들(d1)을 갖는, 생물오손-방지 시스템(200).
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도파관 요소(1000) 내의 상기 UV 방사선(11)은, 2 내지 10 mm의 범위로부터 선택된, 평균 자유 경로(mean free path)를 갖는, 생물오손-방지 시스템(200).
  13. 물체 표면(2110) 및 제1항 또는 제2항에 따른 생물오손-방지 시스템(200)을 포함하는 물체(2000)로서, 상기 생물오손-방지 시스템(200)의 상기 제1 면(1001) 및 상기 제2 면(1002) 중 적어도 하나는 상기 물체 표면(2110)의 적어도 일부로서 구성되고, 제1 상태에서 상기 생물오손-방지 시스템(200)은 상기 제1 면(1001) 및 상기 제2 면(1002) 중 상기 적어도 하나로부터 방사되는 UV 방사선(11)을 제공하도록 구성되는, 물체(2000).
  14. 제13항에 있어서, 상기 물체(2000)는 움직이지 않는 해양 물체, 움직이는 해양 물체, 기반시설 요소, 및 풍차로 이루어진 군으로부터 선택되는, 물체(2000).
  15. 사용 동안 물에 적어도 일시적으로 노출되는 물체(2000)에 제8항에 한정된 생물오손-방지 시스템(200)을 제공하는 방법으로서, 상기 방법은 상기 생물오손-방지 시스템(200)을 상기 물체(2000)에 제공하는 단계를 포함하며, 상기 생물오손-방지 시스템(200)은 상기 UV 방사선(11)을 상기 물체(2000)의 물체 표면(2110)의 부분(2111) 및 상기 부분(2111)에 인접한 물 중 하나 이상에 제공하도록 구성되는, 방법.
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