KR20130084333A - 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치 및 방법 - Google Patents
발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 기술에 관한 것으로, 플라스틱, 고무, 페인트 등의 고분자 소재 및 유기 소재, 유기-무기 복합소재 또는 이들 소재가 포함된 부품 및 제품들에 대한 태양광의 자외선 광열화 특성을 신속하게 예측하고 평가하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 기존의 광열화 시험방법에서 널리 사용하는 크세논-아크 광원과 같이 자외선 영역에서는 태양광과 유사하고, 장파장의 가시광선과 적외선 영역에서는 메탈링 광원과 같이 조사강도가 낮은 광파워 스펙트럼을 갖는 발광 플라즈마 광원을 사용함으로써 태양광에 대한 광열화 재현성을 확보하는 동시에 시편 과열 없이 고강도의 자외선 조사가 가능하도록 할 수 있다. 이를 통해 일반적으로 사용되는 크세논-아크 광원에 의한 광열화 시험 방식에 의해 구현되는 광열화 촉진시험의 약 3~30 배에 해당하는 초촉진의 가속성을 구현할 수 있으며, 초촉진 시험방법에서 흔히 수반되는 문제점인 수분 침해 효과 부족을 보완하기 위해 초음파 진동 수조에 의한 침지 조건을 병행 사용하는 방법을 제공함으로써, 소재 특성에 따른 다양한 가속시험 조건을 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 태양 광열화를 모사하는 자외선과 가시광선이 포함된 빛에 의한 광열화 시험을 효과적으로 수행할 수 있는 촉진식 광열화 시험 또는 내후성 시험 기술에 관한 것으로서, 특히 단기간 내에 소재 및 제품의 광열화에 의한 열화 및 고장을 평가 또는 예측하기 위한 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 플라스틱, 고무, 페인트 도막 등을 형성하는 고분자 소재 및 유기 소재는 탄소, 수소, 질소, 산소 등의 유기원소가 공유결합 형태로 결합된 거대분자를 주성분으로 포함하는 특징을 갖고 있으며, 금속 소재 및 세라믹 소재에 비하여 빛과 열 등의 열화인자에 상대적으로 취약한 열화 특성을 갖는다. 크립이나 피로, 응력 완화(stress relaxation)와 같은 물리적 열화 현상은 분자 간 결합 파괴나 분자 간 이동에 기초하는 경우가 많지만, 자외선과 같이 빛에 의한 화학적 열화는 분자 내 결합의 파괴를 수반하는 경우가 대부분이다.
자외선에 의한 고분자의 열화는 고분자 주사슬의 파괴 에너지에 해당하는 광 에너지를 고분자가 흡수할 때 발생하며, 이에 해당하는 파괴 에너지를 결합 해리 에너지라 부른다.
이러한 결합 해리 에너지는 퍼옥사이드 구조의 (O-O) 결합과 같은 약한 결합 에너지로부터 수산화기의 (O-H) 결합과 같은 강한 결합까지 다양한 분자 결합 상태에 의존하며, 고분자 주사슬을 구성하는 탄소-탄소 결합이나 탄소-수소 결합의 경우에는 83 kcal/mol 이상의 비교적 높은 결합 해리 에너지를 갖는다.
따라서 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같이 탄소-탄소 결합이나 탄소-수소 결합 만으로 이루어진 고분자 소재는 비교적 양호한 내광성을 기대할 수 있으나, 실제로는 이에 못 미치는 내광성을 갖는다. 이러한 결과에 대한 원인으로는 여러 가지 이유가 추정될 수 있으나 분자 구조 상의 문제로는 반복되는 중합 단량체의 불규칙 반응이나 부반응으로 형성된 비닐 및 비닐리덴 구조와 같은 불규칙 결함 구조에 위치한 알릴 위치의 탄소-수소 결합이나 사슬 구조에 위치한 3차 탄소의 탄소-수소 결합이 상대적으로 낮은 해리 에너지를 갖는 이유가 제기될 수 있다. 그러므로 동일한 분자 구조로 대표되는 고분자 소재 간에도 이러한 내부 결함의 종류나 양에 따라 내광성은 차이가 나게 된다.
상기한 분자 구조의 차이에 따른 광열화의 차이는 동일한 빛에 대하여 고분자 소재 또는 유기 소재의 분자 구조가 다를 때에도 나타나지만, 역으로 동일한 분자 구조를 갖는 고분자 소재 또는 유기 소재에 가해지는 빛의 특성이 다를 때에도 달라짐을 의미한다. 따라서 촉진 광열화 및 내후성 시험에서는 시험 장치에 사용하는 빛의 특성이 실제 태양광의 특성과 얼마나 일치하는지 여부에 따라 옥외 태양광에 의한 광열화 현상을 얼마나 정확히 재현 또는 예측하는지 여부에 있어 가장 중요한 기술적 특성이 된다.
태양으로부터 지구 표면에 도달하는 복사 에너지는 자외선과 가시광선 그리고 적외선에 이르는 다양한 파장의 빛으로 구성되어 있다. 이러한 태양광의 성분에 대한 구분은 자외선, 가시광선, 적외선으로 파장대역을 특정한 기준으로 나누어 구분하는 것일 뿐, 서로 다른 3 종류의 빛이 각각 지표면에 도달한다는 의미는 아니다. 실제로 태양광은 넓은 파장대역에 걸쳐 있는 특징적인 연속 스펙트럼을 갖고 있을 뿐, 3 종류의 빛으로 구분할 수 있는 어떠한 단속도 갖고 있지 않다.
태양의 표면 온도는 보통 5,780 K로 알려져 있으며, 태양 복사의 광파워 스페트럼 역시 5,780 K의 흑체가 갖는 연속 스펙트럼과 유사한 파장 분포를 갖는다. 그러나 이러한 태양 복사는 지구 대기권을 통과하면서 반사, 산란, 흡수 등의 과정을 통해 변화된 상태로 도달하기 때문에 지구 대기권 밖의 성층권에 도달하는 태양 복사 에너지와는 일치하지 않는다.
그 중 가장 큰 변화를 보여주는 파장 대역이 지구 오존층에서 많은 양이 걸러지는 단파장 자외선 영역이다. 따라서 대기권 외계에서 존재하는 200 ~ 295 nm 영역의 단파장 자외선은 대부분 제거되어 지표면에 도달하는 태양 복사 에너지는 295 nm 이상의 빛만 포함하게 된다.
이러한 특성 때문에 태양 복사 에너지에 포함된 단파장 자외선 영역의 양은 태양 복사의 대기권 통과 방식에 따라서도 영향을 받으며, 해수면으로부터의 고도와 지표면에 비치는 태양 고도에 따라서 대기권 통과에 대한 영향이 다르게 나타나게 된다.
이와 같이 태양 복사 에너지가 지표면에 도달할 때, 태양광의 광파워 스펙트럼은 지역과 기후에 따른 영향을 받게 되므로 태양 복사에 포함된 자외선의 함량과 광파워 특성은 지역과 계절, 날씨와 시간대에 따라 변화하지만 편의 상 임의의 기준으로 표준화되어 사용된다. 세계조명위원회(CIE)가 시험 목적의 태양광을 모사하는 표준 광원의 기준으로 제정한 Publication CIE 85-1989에 의하면 태양 복사의 자외선, 가시광선, 적외선의 함량비는 대표적으로 각각 6.8 %, 55.4 %, 37.8 % 이다.
태양 복사에 포함되어 지표면에 도달하는 자외선은 가장 짧은 파장에 해당하는 UVB 영역(280 ~ 315 nm)의 단파장 자외선 성분은 약 3 %에 불과하지만, 이 UVB 영역의 빛은 상대적으로 강한 광양자 에너지를 갖고 있기 때문에 광량이 작더라도 고분자 및 유기 소재의 광열화에는 강한 효과를 발휘할 수 있어 태양광의 모사를 위한 인공 광원의 특성으로서 중요하게 여겨지고 있다.
고분자 소재와 같은 유기소재에 조사된 자외선이 화학적 열화에 영향을 미치기 위해서는 소재에 조사된 자외선 에너지의 흡수가 일어나야 하는데, 이는 본질적으로 해당 유기소재의 고유한 자외선 흡수 특성에 의존하게 된다. 이러한 특성은 기본적으로 화학적인 분자구조에 의존하는 성질이며 고분자 소재의 종류마다 상이한 흡수 특성을 갖게 된다. 일반적으로 많은 고분자 소재의 자외선 흡수 스펙트럼의 양상은 300 nm 부근의 단파장 영역에서 흡수율이 높아지고, 400 nm 부근의 장파장 영역에서 흡수율이 낮아지는 경향을 보이지만 그 양상은 고분자 소재마다 상이하기 때문에 일반화하기 어렵다.
이와 같이 상이한 자외선 흡수 스펙트럼을 갖는 고분자 소재에 태양광 등의 특정 광파워 스펙트럼을 갖는 광원이 조사될 때, 특정 파장의 광 에너지를 고분자의 결합기가 흡수하여 분해 및 반응으로 진행되는 화학적 열화가 진행되므로 태양광 등의 특정 광원에 대한 활성화 스펙트럼이 존재하게 된다.
이러한 고분자 소재마다 자외선 흡수 스펙트럼이 상이함으로써 갖게 되는 활성화 스펙트럼의 다양성은 결과적으로 자외선 또는 단파장 가시광선 영역의 광 파워 스펙트럼이 다른 광원에 의한 광열화 시험 간 불일치를 유발하는 주된 원인이 된다. 이것이 태양광의 광파워 스펙트럼과 일치하지 않는 인공광원을 사용한 광열화 시험 결과가 실제 태양광에 의한 시험 결과와 불일치하는 가장 근본적인 이유이다. 특히 광열화에 직접적인 영향을 주는 자외선 영역에서 태양광과 인공광원 간의 광파워 스펙트럼의 일치 여부가 중요하기 때문에 고분자 소재 및 유기 소재의 광열화 시험에서 인공광원의 선정과 특정 파장 영역의 자외선을 제거하는 필터의 사용 특성이 기술적인 중요성을 갖게 된다.
그러나 현재 개발된 인공광원 중 태양광과 완전히 일치하는 광파워 스펙트럼을 갖는 광원은 존재하지 않는다. 흔히 태양광의 모사 시험에 채택되는 크세논-아크 램프나 메탈-할라이드 글로벌 램프 조차도 필터 사용없이 태양광에 일치시키기는 불가능하며, 적절한 필터를 사용하는 경우에도 전체 영역은 물론 자외선 영역에서도 태양광 파워 스펙트럼과 완벽하게 일치시키는 것은 불가능하다. 그렇기 때문에 현실적인 선택은 보다 광열화에 심각한 영향을 미치는 단파장 자외선이라도 태양광과 일치하도록 태양광에 포함되어 있지 않은 단파장의 자외선을 제거할 수 있는 자외선 필터를 사용하는 방법이다.
상기한 바와 같이 종래 기술에 의한 인공광원에 있어서는, 자외선 전체 영역에서 인공광원의 광파워 스펙트럼을 태양광의 광파워 스펙트럼과 완전하게 일치시키는 것은 사실상 불가능하기 때문에 보다 강한 열화 작용을 일으키는 단파장 자외선을 태양광과 일치시키려는 연구가 수행되고 있다.
그러나 이러한 기술적 노력에도 불구하고 태양광에 대한 모사 시험을 위한 인공광원은 크세논-아크 광원이나 메탈-할라이드 글로벌 램프 등으로 제한되고 있으며, 기타 고압 및 저압 수은 램프, 션샤인 카본-아크 램프, 자외선 형광 램프, 자외선 발광 다이오드 램프(특허문헌 1 내지 2 참조), 일부 메탈-할라이드 램프(특허문헌 3 참조) 등은 자외선 영역의 빛을 발광하지만 전체적인 광파워 스펙트럼이 태양광과 상이하여 태양광을 모사하는 용도에는 적합하지 않다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명의 실시예는, 단기간 내에 플라스틱, 고무, 페인트, 코팅, 접착제, 오일, 종이 등의 고분자 소재 및 유기 소재, 유기-무기 복합소재 또는 이들 소재가 포함된 부품 및 제품이 자외선이나 가시광선 등의 빛에 의해 나타나는 광열화 특성을 예측 및 평가할 수 있는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예는, 자외선과 가시광선은 풍부하게 포함하되 적외선을 거의 포함하지 않아 열열화 또는 열손상을 최소화하면서 초촉진의 광열화 가속시험을 가능하게 할 수 있는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예는, 자외선 및 단파장 가시광선은 풍부하지만 적외선을 거의 포함하지 않는 발광 플라즈마 램프를 광열화 시험 광원으로 이용하여 단기간 내에 소재 및 제품의 광열화에 의한 열화 및 고장을 평가 또는 예측할 수 있는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치는, 태양 광열화를 모사하는 자외선과 가시광선이 포함된 빛에 의해 소재 또는 제품의 광열화에 의한 열화를 측정하는 촉진식 광열화 시험 장치에 있어서, 적어도 하나의 발광 플라즈마 램프를 사용하여 광을 조사하는 광 조사 장치와, 상기 광 조사 장치로부터 발광된 빛을 모아 상기 소재 또는 제품에 대한 시편의 표면 상에 균일하게 조사하는 집광 장치와, 상기 시편을 고정시키고, 일정한 위치에 고정되거나 회전하는 시편 홀더를 포함할 수 있다.
그리고 상기 촉진식 광열화 시험 장치는, 복수의 발광 플라즈마 램프와 각각 연결되어 조사되는 빛을 상기 시편 홀더가 포함된 시편 실에 조사하며, 내부 면의 자외선 반사율이 90% 이상인 소재로 형성된 파이프 형태의 광 파이프와, 상기 시편 실을 포함하며, 상기 복수의 광 파이프가 다각형 또는 원형 형태의 각 면에 수직으로 삽입되어 상기 시편 홀더 면에 상기 복수의 발광 플라즈마 램프의 광이 조사되도록 배치된 시편 실 격벽과, 상기 시편 홀더의 외부에서 물을 분사시켜 상기 시편에 물을 분무하는 물 분사 노즐과, 상기 시편 실의 온도와 습도를 조절하는 공조 장치를 포함할 수 있다.
그리고 상기 광 파이프는, 상기 시편 실 삽입 단면 또는 양 단면에 김 서림 방지제 또는 발수 코팅제로 코팅된 석영 유리 판재로 마감된 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 촉진식 광열화 시험 장치는, 상기 시편 홀더를 물이 채워진 수조로 이동 또는 하강시켜 초음파 진동 수조에 시편을 일정시간 동안 침수시키는 침지 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치는, 제어 명령을 입력 받는 사용자 인터페이스와, 상기 제어 명령을 토대로 촉진식 광열화 시험을 수행하고 시편 표면에 조사되는 자외선 강도를 특정 파장 또는 파장 범위 대역에서 측정을 수행하는 제어부와, 상기 제어부의 제어하에 적어도 하나의 발광 플라즈마 램프를 이용하여 태양 광열화를 모사하는 자외선과 가시광선이 포함된 광을 조사하는 광 조사 장치와, 상기 시편을 고정시키고, 상기 시편에 광이 균일하게 조사되도록 상기 제어부의 제어하에 일정한 위치로 이동하여 고정시키거나, 회전하는 시편 홀더를 포함할 수 있다.
그리고 상기 광 조사 장치는, 복수의 발광 플라즈마 램프와 연결되어 상기 시편 홀더가 포함된 시편 실에 광을 투과시키고, 다각형 또는 원형 형태의 시편 실 격벽의 각 면에 수직으로 삽입된 파이프 형태의 광 파이프 또는 막대 형태의 투광 봉을 포함할 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 상기 시편 실의 온도 및 습도를 조절하는 공조 장치를 제어하고, 주기적 또는 연속적으로 자외선 조사량을 측정하는 자외선 조도계로부터 자외선 조사량을 전달 받아 일정한 자외선 조도가 유지되도록 상기 광 조사 장치를 제어할 수 있다.
그리고 상기 촉진식 광열화 시험 장치는, 상기 제어부의 제어하에 상기 시편 홀더를 물이 채워진 수조로 이동 또는 하강시켜 초음파 진동 수조에 시편을 일정시간 동안 침수시키는 침지 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 방법은, 촉진식 광열화 시험 장치의 제어부에서 사용자 인터페이스로부터 제어 명령을 전달 받은 과정과, 상기 제어 명령을 토대로 적어도 하나의 발광 플라즈마 램프를 이용하여 태양 광열화를 모사하는 자외선과 가시광선이 포함된 광을 시편에 조사하는 과정과, 상기 시편이 고정된 시편 홀더를 일정한 위치에 고정하거나 회전시키는 과정과, 상기 시편 홀더가 위치한 시편실의 온도, 습도 및 자외선 조사량을 확인하여 기 설정된 기준으로 조절하는 과정을 포함할 수 있다.
그리고 상기 시편에 조사하는 과정은, 집광장치에서 상기 적어도 하나의 발광 플라즈마 램프로부터 발광된 빛을 모아 시편의 표면 상에 조사하는 과정을 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치 및 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치 및 방법에 의하면, 발광 플라즈마 램프를 이용함으로써, 기존의 크세논-아크 램프 등으로는 구현하기 어려운 높은 자외선 조사 강도의 초촉진 광열화 시험 방법을 제공할 수 있으며, 이는 기존의 개방 불꽃 카본-아크 램프나 메탈링 램프 등의 자외선 발광 램프와는 달리 자외선과 단파장의 가시광선 영역에서 태양광과 유사한 광파워 분포를 갖기 때문에 보다 정확하게 태양 광열화를 모사하는 촉진식 가속시험 방법을 제공할 수 있다.
그리고 발광 플라즈마 램프는 크세논-아크 램프보다 적외선의 포함 비중이 낮기 때문에 촉진성을 향상시키기 위해 자외선 조사강도를 높임에 따라 수반되는 집열 효과를 효과적으로 억제하여 보다 정확한 광열화 메커니즘이 재현되도록 시편 온도를 조절하는데 편리한 수단을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 광열화 가속시험에서 수분 침해 효과가 필요한 시료를 위한 초음파 진동 수조에 시편을 침지하는 방법을 제공함으로써, 산화방지제나 광안정제와 같은 첨가제에 의해 광열화 내구성이 좌우되는 고분자 소재 및 제품들의 광열화 가속시험에서 필드 재현성을 향상시키는 방법으로 사용될 수 있다.
또한, 발광 플라즈마 램프는, 개방불꽃 카본-아크 램프는 물론 일반적인 크세논-아크 및 메탈링 램프 수명보다 휠씬 긴 램프 수명을 갖고 있기 때문에 시험 중의 빈번한 램프 교체에 따른 시험 재현성의 부족 문제를 피할 수 있으며, 그만큼 장비 운영 비용에 대한 부담을 덜 수 있다. 통상 크세논-아크 램프 및 메탈링 램프의 수명이 1,500 시간인데 반하여 이 발광 플라즈마 램프는 최소 5,000 시간 이상의 수명을 가지며, 보편적으로는 10,000 시간 이상의 수명을 갖기 때문에 안정적인 장비 운영이 가능하다. 이러한 발광 플라즈마 램프의 특징은 강한 자외선 조사강도를 사용하는 촉진시험 조건에서 장기간의 광열화 시험을 수행할 때 이점이 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 방식은 획기적인 시험기간 단축으로 제품 개발 기간의 단축과 개발 비용의 절감 효과를 얻을 수 있게 할 뿐 아니라, 필드 열화 및 고장 메커니즘의 정확한 재현으로 제품 품질 및 수명 향상을 위한 정확한 가속 시험 방식을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치의 구조를 도시한 구조도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치의 구조를 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치의 동작 절차를 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 램프의 태양광에 대비한 광 파워 스펙트럼을 도시한 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치의 구조를 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치의 동작 절차를 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 램프의 태양광에 대비한 광 파워 스펙트럼을 도시한 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
본 발명의 실시예는, 단기간 내에 고분자 소재 및 유기 소재, 유기-무기 복합소재 또는 이들 소재가 포함된 부품 및 제품이 자외선이나 가시광선 등의 빛에 의해 나타나는 광열화 특성을 예측 및 평가하기 위한 것으로서, 자외선과 가시광선은 풍부하게 포함하되 적외선을 거의 포함하지 않아 열열화 또는 열손상을 최소화하는 초촉진 광열화 가속시험을 수행하기 위한 것이다.
현재 태양광 모사 시험에서 일반적으로 선택할 수 있는 광원은 크세논-아크 광원과 메탈-할리이드 글로벌 램프가 있지만, 이들 광원에 의한 광열화 시험은 실제 지표면에 도달하는 태양광의 자외선의 조사강도와 유사한 수준으로 제한된다는 문제점을 갖는다.
즉, 태양광에는 고분자 소재의 광열화에 중요한 작용을 하는 자외선 외에도 가시광선과 적외선을 다량 포함하고 있기 때문에 이들 광원으로 높은 수준의 조사강도를 사용하는 경우, 수반되는 강한 집열 효과 때문에 열에 약한 고분자 소재가 자외선 보다는 열에 의하여 열화되거나 열변형이 일어나는 문제점을 발생시키게 된다. 이러한 효과 때문에 일반적인 촉진식 광열화 시험에서는 주간(daylight) 평균 자외선 기준 광량의 3배에 해당하는 115 W/m2 (300 ~ 400 nm 범위 기준) 이하의 조사강도를 사용한다.
이러한 문제점 때문에, 태양광 모사성이 높은 인공광원을 사용한 광열화 시험에서는 높은 자외선 조사강도를 사용한 초촉진 광열화 가속시험의 수행이 불가능하였다. 단위 면적에 조사되는 자외선 조사강도를 높이기 위하여 동일 지점에 조사되는 광원 램프를 여러개 겹쳐서 설치하거나 시료 거치대를 광원 램프에 가깝게 밀착시키는 방법 등이 시도되기도 하지만, 이는 광원에서 조사되는 자외선 조사강도를 증가시키기 위한 방법일 뿐 상기한 열열화 및 열손상을 피할 수 있는 방법을 제공하지는 못하므로 일반적으로 사용되지 못하고 있다.
이에 반하여 고압 및 저압 수은 램프, 메탈-할리이드 램프의 일부는 가시광선 및 적외선의 비중이 낮으면서도 매우 높은 수준의 자외선 조사강도를 발생시키는 특징을 갖고 있기 때문에 고분자소재에 대해 열열화 또는 열손상 없이 고강도의 자외선을 조사하는 초촉진 시험의 수행이 가능하다.
그러나 이러한 램프를 사용한 장비는 고분자 소재의 광열화에 영향을 미치는 자외선 영역 및 단파장 가시광선 영역의 광파워 스펙트럼이 태양광의 스펙트럼과 크게 차이가 나기 때문에 태양광에 의해 발생하는 광열화를 그대로 재현하지 못하는 문제를 갖고 있어 그 사용과 결과 활용에 큰 제약이 따른다. 일반적으로 이러한 광원으로 만들어진 시험장치는 태양광에 의한 광열화를 예측하기 위한 용도보다는 단순한 내자외선성을 비교 평가하는 용도에 국한되고 있다.
그러므로 고분자 소재를 포함한 유기소재 및 유기소재를 포함한 제품의 광열화 시험은 태양광에 대한 모사성은 갖고 있지만 고강도의 자외선 조사에는 부적절한 크세논-아크 및 메탈-할라이드 글로벌 램프와 고강도의 자외선 조사에는 유리하지만 태양광에 대한 모사성이 부족한 수은 램프 및 메탈링 램프로 구분할 수 있다. 이와는 별도로 고강도의 자외선 조사에도 부적절하고 태양광에 대한 모사성도 부족한 자외선 형광 램프 및 자외선 발광 다이오드 램프 등도 고분자 소재의 광열화 시험의 광원으로 사용되고 있다.
이와 같이 다양한 램프들이 태양광에 의한 고분자 소재의 광열화를 모사 또는 시험하는 용도로 사용하는 이유는 각 램프가 갖고 있는 다양한 특징과 장?단점이 존재하기 때문이지만, 초가속의 광열화 시험에 적합한 초촉진 광열화 장치에 사용될 수 있는 고강도의 자외선 조사 특성과 태양광 모사에 적합한 광파워 특성을 동시에 갖고 있는 광열화 시험장치는 매우 드물다.
이에 본 발명의 실시예에서는 상기와 같은 크세논-아크 램프 및 메탈-할리이드 글로벌 램프가 갖고 있는 초촉진 광열화 시험 장치 적용에 대한 문제점과 고압 및 저압 수은 램프, 자외선 형광 램프 등이 갖고 있는 태양광에 대한 모사성 부족의 문제점을 동시에 보완하여, 태양광에 의한 광열화 모사성을 유지하면서 초촉진의 초가속 시험이 가능하도록 하는 것으로서, 자외선 및 단파장 가시광선은 풍부하지만 적외선을 거의 포함하지 않는 발광 플라즈마 램프를 광열화 시험 광원으로 이용하여 단기간 내에 소재 및 제품의 광열화에 의한 열화 및 고장을 평가 또는 예측할 수 있다.
이러한 발광 플라즈마 램프를 광열화 시험기의 광원으로 사용하여, 일반적인 크세논-아크 램프 및 메탈-할라이드 글로벌 램프로 구현하기 어려운 180 W/m2 이상의 고강도 자외선이 포함된 빛을 조사하는 초촉진 광열화 가속시험 장치를 제공할 수 있다.
여기서 W/m2 는 자외선 조도 단위로서 300 ~ 400 nm의 자외선 범위에서의 자외선 조사 강도를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치의 구조를 도시한 구조도이다.
도 1을 참조하면, 촉진식 광열화 시험 장치(100)는 발광 플라즈마 램프(110), 물 분사 노즐(120), 시편 홀더(130), 시편실 격벽(140), 석영 유리 판재(150), 광 파이프(160) 등을 포함할 수 있다.
발광 플라즈마 램프(110)와 연결된 광 파이프(160)를 광 조사장치라 칭하며, 광 파이프(160)는 자외선 반사용 알루미늄 판재로 제작된 가로 6 cm × 세로 6 cm × 길이 18 cm 크기로서, 각 8개씩 사용할 수 있다.
발광 플라즈마 램프(110)와 광 파이프(160)는 각각 1개씩 대응하여 연결된 상태로 8각형 모양으로 배치될 수 있다. 시편실 격벽(140)은 8각형 모양으로서, 중앙에 시편실을 포함하며, 기 설정된 두께로 제작되어 각 면에 광 파이프(160)가 수직으로 삽입된 구조로 구성될 수 있다. 이때, 시편실 격벽(140)은 구현 방식에 따라 8각형 외에 다른 다각형 또는 원형 형태로의 구성이 가능하다.
발광 플라즈마 램프(110)는 8각형의 바깥쪽에 위치하고 광 파이프(160)의 끝부분은 각각 정 8각형의 고리로 틈 없이 연결될 수 있다. 이 8각형의 광 파이프(160)에서 시편실 쪽 출구는 모두 김서림 방지제가 코팅된 석영 유리 판재(150)로 마감되어 막혀 있는 구조를 갖는다. 이에 광 파이프(160)로부터 조사되는 광은 시편실에 원형으로 조사될 수 있다. 18 cm 길이의 광 파이프(160)는 출구로부터 7 cm 길이까지는 시편 실 내부와 외부를 구분하는 스테인레스 철판 재질의 벽면에서 돌출되어 시편 실 내부에 위치하며, 나머지 11 cm는 시편 실 외부의 기계실에 놓여진다.
넓이 47 mm, 높이 67 mm, 두께 3 mm 크기의 직사각형으로 사출된 플라스틱 시편은 8각형의 홀더에 총 8개가 수직하게 놓여지는 시편 홀더(130)에 고정되며, 8각형의 시편 홀더(130)는 8각형의 광 파이프(160) 출구, 즉 석영 유리 판재(150)와 거의 맞닿을 정도로 가깝게 위치하여 분당 1 ~ 10 회전의 일정속도로 회전하는 회전식 홀더를 형성할 수 있다. 이에 시편 홀더(130)가 회전하는 경우, 발광 플라즈마 램프(110)로부터의 광이 원의 내부 방향으로 조사되도록 원형으로 배치할 수 있다.
즉, 회전식 홀더는 시편 홀더의 손잡이 또는 기둥(132)을 회전축으로 하는 허브(hub) 구조로서, 시편 홀더의 손잡이 또는 기둥(132)의 저부에는 방사형 구조물 또는 시편 홀더 받침(134)으로 시편 홀더(130)의 저부가 연결될 수 있다. 이를 통해 시편 홀더(130)의 손잡이 또는 기둥(132)이 회전함에 따라 방사형 시편 홀더 받침(134)으로 연결된 각 시편 홀더(130)가 동시에 회전할 수 있다.
시편 홀더(130) 주변에는 조사되는 빛이 가려지지 않는 위치에 물을 분사하는 물 분사 노즐(120)과 압축 공기를 분사하는 노즐을 장착하고, 시편 홀더(130)는 상하로 이동할 수 있도록 공기압에 의한 이동 장치로 구성될 수 있다. 시편 홀더(130)는 빛이 조사되는 시간에는 위쪽으로 이동되어 초점이 맞추어진 광이 조사되는 위치에 놓이고, 물이 채워진 수조에 침수되는 시간에는 아래쪽으로 이동하여 침지 위치에 놓일 수 있다.
이러한 시편 홀더(130)의 이동은 제어부(200)의 운용프로그램에 의해 주어진 시간 동안 위치하도록 자동 조절된다. 침지 시험이 진행되는 아래쪽의 수조에는 온도 조절 기능과 초음파 진동 기능이 부착되어 있어, 원하는 온도로 초음파 진동 시험을 침지 중에 수행할 수 있다.
시편 홀더(130)가 위치한 시편 실은 공조 장치를 통해 온도와 습도가 조절되도록 고안되었으며, 시편의 표면 온도를 직접 측정할 수 있도록 T-타입의 불소수지계 전선형 온도센서가 부착될 수 있다. 또한 시편 표면과 같은 평면에 위치하도록 자외선 조도계를 부착하여 시편 표면에 조사되는 자외선 조사량을 측정할 수 있다.
한편, 광 조사장치는 다른 방식으로 구성할 수 있다. 즉, 발광 플라즈마 램프, 액체 광통로(light guide) 및 로드형 균일화 집광장치(즉, 석영 유리 재질의 투광 봉)로 구성된 광 조사장치를 사용할 수 있다. 이 조사 장치의 집광장치를 넓이 47 mm, 높이 67 mm, 두께 3 mm 크기의 직사각형으로 사출된 플라스틱 시편 정중앙에 고정시키고 시편 표면으로부터 약 7 cm 거리에 빛의 상이 잘 맺혀지도록 집광장치 렌즈의 초점을 맞추어 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치의 구조를 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 촉진식 광열화 시험 장치(100)는 제어부(200), 전원부(202), 사용자 인터페이스(204), 광 조사 장치(206), 공조 장치(208), 침지 장치(210), 자외선 조도계(212), 시편 홀더 구동부(214) 등을 포함할 수 있다.
구체적으로 전원부(202)는 촉진식 광열화 시험 장치(100) 내 각 기능 블록들에 전원을 공급할 수 있다. 사용자 인터페이스(204)는 촉진식 광열화 시험 장치(100)를 구동하는 사용자와 유무선 네트워크를 통해 연동하는 것으로서, 사용자 단말기 등을 통해 제어 명령을 입력 받을 수 있으며, 입력된 제어 명령을 제어부(200)로 전달할 수 있다.
제어부(200)는 각 기능 블록들을 제어하며, 촉진식 광열화 시험 장치(100)를 구동할 수 있는 운용프로그램을 포함할 수 있다. 운용 프로그램은 촉진식 광열화 시험을 수행하는 것으로서, 광 조사 장치(206), 공조 장치(208), 침지 장치(210), 자외선 조도계(212), 시편 홀더 구동부(214) 등을 제어할 수 있다.
먼저, 제어부(200)에서는 발광 플라즈마 램프(110)가 포함된 광 조사 장치(206)를 발광시켜 시편에 광이 조사되도록 제어할 수 있다. 공조 장치(208)는 시편 실에 설치된 온도 조절 장치 및 습도 조절 장치를 포함할 수 있으며, 주기적으로 온도 및 습도를 측정한 제어부(200)로 전달하고, 제어부(200)의 제어 하에 온도 및 습도를 조절할 수 있다.
온도 및 습도 조절 방식에는 순환식 냉각 장치를 이용하여 강제 송풍을 수행하거나, 수분을 분무하는 방식이 있으며, 챔버 외부의 공기를 흡입한 후 순환식 냉각 장치 내 냉동기 또는 열교환기 등을 통하여 냉각된 공기를 시편으로 송풍하는 방식이 수행될 수도 있다. 이는 촉진식 광열화 시험 장치(100)와 순환식 냉각 장치를 연동한 후, 제어부(200)의 제어를 통해 수행할 수 있다.
침지 장치(210)는 제어부(200)의 제어하에 시편 홀더(130)를 하강시켜, 물이 채워진 수조로 이동시키게 된다. 자외선 조도계(212)는 시편 표면에 조사되는 자외선 조사량을 주기적 또는 연속적으로 측정하여 측정된 값을 제어부(200)로 전달할 수 있다.
예를 들어, 자외선의 조사 강도의 매 광열화 시험이 시작되는 시점과 종료되는 시점 사이에 자외선 조도계(212)에서 검량을 수행하여 이를 제어부(200)로 전달할 수 있으며, 이에 제어부(200)에서는 그 평균값을 적용하거나 피드백 방식의 광 조사 장치(206)의 자동 조절을 통해 광열화 시험 기간 중 일정한 자외선 조도가 유지되도록 제어할 수 있다.
시편 홀더 구동부(214)는 제어부(200)의 제어하에 시편 홀더(130)를 일정한 속도로 회전시키거나, 공기압 제어를 통한 상승 및 하강을 수행할 수 있다. 즉, 침지 시험 시 시편 홀더 구동부(214)에서는 침지 장치(210)와 연동 상태에서 시편 홀더를 하강시켜 시편이 침수되도록 구동할 수 있다.
이러한 촉진식 광열화 시험 장치(100)의 동작방식은 도 3을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치의 동작 절차를 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 300단계에서 촉진식 광열화 시험 장치 내 전원부(202)의 스위치가 on 된 경우, 제어부(200) 및 각 기능 블록에 전원공급을 수행하여 촉진식 광열화 시험 장치를 구동하게 된다.
이후 302단계에서 사용자 인터페이스(204)는 사용자로부터 제어 명령을 전달 받은 경우, 이를 제어부(200)로 전달하게 되며, 이에 제어부(200)에서는 전달 받은 제어 명령을 토대로 광열화 시험을 수행하게 된다.
즉, 304단계에서 제어부(200)는 광 조사 장치(206)를 구동하여 발광 플라즈마 램프(110)에서 광이 조사되도록 제어하고, 기 설정된 광열화 시험 방식 또는 입력 받은 제어 명령에 따라 시편 홀더 구동부(214)의 구동 여부를 판단하여 구동이 필요한 경우는 308단계에서 일정 시간 단위로 회전시키거나, 상하 이동을 수행하게 된다.
이후, 310단계에서는 공조 장치(208) 및 자외선 조도계(212)로부터 온도, 습도, 자외선 조사량 등을 제어부(200)에서 전달 받게 되며, 전달 받은 값을 토대로 기 설정된 환경 유지를 위해 공조 장치(208) 및 광 조사 장치(206)를 제어하여 온도 조절, 습도 조절 및 자외선 조사량 조절 등을 수행하게 된다.
이를 통해 314단계에서는 광열화를 통한 시편의 변화를 확인하여 열화 및 고장 여부를 평가 또는 예측하게 된다.
한편, 자외선과 가시광선은 풍부한 대신 적외선의 비중은 낮은 발광 플라즈마 램프는 연색지수 94 이상의 고연색성을 가지며, 태양광과 유사한 5,300 K 이상의 색 온도를 제공하는 램프이다. 또한 발광 플라즈마 램프는 태양광과 같이 300 nm 부근의 단파장 자외선 영역의 강도가 가장 낮고 장파장 쪽으로 갈수록 점차 높아져서 500 nm 부근의 단파장 가시광선 영역의 강도가 가장 높으며, 600 nm 이상에서는 급격히 낮아져 750 nm 이상의 적외선 영역의 강도는 태양광 또는 크세논-아크 광원의 강도보다 크게 낮은 특성을 제공하는 램프이다.
이러한 발광 플라즈마 램프를 광원으로 선택한 촉진식 광열화 시험 장치(100)는 하나의 램프를 단독으로 사용하거나 복수의 램프를 함께 사용하는 방법으로 사용될 수 있으며, 단독으로 사용되는 경우에는 자외선을 손실없이 집광할 수 있는 광학용 볼록 렌즈 또는 반사경을 사용할 수 있다.
복수의 램프를 사용하는 경우에도 볼록 렌즈나 반사경을 사용하여 설계된 조사 부위에 빛이 모이도록 집광할 수 있다. 그러나 복수의 램프를 사용하는 경우에는 상기한 볼록 렌즈나 반사경의 사용 없이 램프의 적절한 배치만으로 설계된 조사 부위에 빛을 조사시키는 방법이 사용될 수 있다.
0.5 kW급 이하의 소출력 발광 플라즈마 램프를 사용하는 경우에는, 기존 광열화 시험용 램프의 출력보다 상대적으로 광출력이 작기 때문에 여러 개의 램프를 한꺼번에 사용하여도 단위 면적에 대한 강한 자외선 조사 강도를 얻기는 어렵다. 따라서 이러한 발광 플라즈마 램프를 채택하여 촉진성이 높은 고강도의 자외선 조사가 가능한 초촉진 가속시험장치를 구현하기 위해서는 반사 튜브나 반사 갓, 집광 렌즈 등을 사용하여 램프에서 발광된 빛이 좁은 면적에 모아지도록 집광하는 방법을 병행할 때 바람직한 성능을 구현할 수 있다. 이러한 집광 장치를 도입할 때, 중요한 점은 모아진 빛이 시편의 표면상에서 균일한 조사 강도를 나타내야 한다는 것이다.
일반적인 렌즈 방식 또는 반사 갓에 의한 집광은 집광된 빛이 한 점 또는 한 원호 상에 모이지게 되기 때문에 균일한 조사강도를 얻는데 어려움이 있으며, 특히 원형이나 타원형의 굴곡 구조를 갖는 일반적인 볼록 렌즈 또는 반사 갓, 원통형의 튜브 등에서 이러한 초점에 모아진 집광이 나타나기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서 발광 플라즈마 램프의 집광 장치로서 사각 파이프 형태의 광 파이프 또는 사각 막대 형태의 투광 봉을 통해 빛을 균일하게 집광하는 방법이 적합할 수 있다.
이때 사각 파이프 형태의 광 파이프 또는 사각 막대 형태의 투광 봉은 광이 정사각형으로 조사될 수 있도록 정사각형의 투과 단면을 갖는 것이 바람직하며, 램프 하나 당 광 조사 면적은 400 mm2 이상에서 40,000 mm2 이하로 조절되는 것이 바람직하다. 이 이하의 조사면적에 대한 집광은 조사강도를 재현성 있게 유지하기 어렵고, 작은 면적에 대한 국부적인 집열 효과에 때문에 시편 표면 온도 제어가 상대적으로 어려운 단점이 있어 광열화에 대한 재현성을 확보하기 어렵게 된다.
반대로 이 이상의 조사면적에 대한 집광은 촉진 가속시험을 위한 집광으로서의 의미를 살릴 수 없을 정도로 낮은 자외선 조사강도를 나타낼 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 가장 바람직한 조사면적은 650 mm2 이상에서 10,000 mm2 이하로 조절되는 것이다.
광 파이프와 투광 봉의 길이는 정사각형의 광투과 단면의 한 축 길이를 기준으로 최소 1 배에서 최대 10 배의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 이보다 짧을 때에는 조사 면적 전체에 대한 광조도 균일성이 부족해지는 문제가 있으며, 이보다 길 때에는 전체적인 광조도가 약화되는 문제점이 있다.
광 파이프의 내부 면은 자외선 반사율이 최소 90 % 이상인 소재가 사용되어야 하며, 이러한 소재로는 정반사 또는 확산반사 가능을 가진 알루미늄 판 또는 필름, 폴리테트라플로오루에틸렌과 같은 불소계 고분자 또는 황산 바륨 코팅제 등이 사용되는 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 자외선 반사 코팅층이 처리된 석영 유리판이 사용될 수도 있다. 이러한 자외선 반사 코팅은 300 ~ 500 nm의 자외선과 단파장의 가시광선에 대한 반사율이 최소 90 % 이상 되어야 하며, 600 nm 이상의 장파장 가시광선과 적외선에 대한 반사율은 30 % 이하(즉, 70% 이상 투과)인 것이 바람직하다.
광 파이프의 양 단면에는 자외선 투과도가 우수한 석영 유리 재질의 렌즈 또는 일정 두께의 석영 유리 판재가 사용될 수 있으며, 판재로 사용되는 경우에는 특정 영역의 자외선을 걸러내기 위한 필터 기능을 부여한 판재가 사용될 수 있다. 또한 시편에 조사되는 방향에 놓여지는 판재 면에는 시편에 가해지는 미세한 수분 입자나 물방울이 매달려 빛의 진행을 왜곡하는 것을 방지하기 위한 김서림 방지(anti-fog) 코팅이나 발수 코팅을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 적외선 제거 효과를 증대시키기 위해서는 광 파이프의 양 단면을 밀폐된 석영유리 판재로 밀봉하고 내부에 자외선 투과성이 우수한 유체 또는 증류수를 채워, 순환식 냉각 장치로 해당하는 유체의 온도를 조절하는 방법이 사용될 수 있다.
이때, 발광 플라즈마 램프에서 발광되는 빛을 일반적인 원형의 볼록렌즈나 반사갓을 사용하여 집광한 후 사용하는 방법도 활용 가능하다. 이 경우 한 개 또는 여러 개의 볼록렌즈로 집광된 빛이나 원형의 반사 갓을 볼록렌즈와 함께 사용할 수 있다.
집광시킨 빛은 이미 언급된 광 파이프나 투광 봉을 통과하면서 초점에 집중되는 빛을 분산시키는 균일화 과정을 거치는 것이 바람직하다. 이러한 분산 과정은 산란을 유도하는 분산 필터를 사용하거나 광 파이프 내부에 산란 반사 기능을 가진 반사경을 사용하는 방법 등이 사용될 수 있다.
또한 이러한 초점에 볼록렌즈나 반사갓을 이용하여 초점에 집광된 빛을 시료 표면까지 전송하는 방법으로는 상기한 광 파이프 또는 투광 봉 외에 자외선 투과가 가능한 석영유리 재질의 광섬유 또는 액상 화합물이 채워진 광통로(light guide)가 사용될 수 있다. 광통로는 광 파이프나 투광 봉과 달리 일정 수준의 허용 범위 내에서 곡선으로 변형시키거나 굴곡 시킬 수 있는 장점이 있기 때문에 램프와 시료 사이의 위치 설정에서 장치 제작에 유리한 조건을 제공할 수 있다.
한편, 시편 조사 부위의 온도 제어는 통상의 블랙판넬온도(BPT) 제어 방식에 의한 온도 제어도 가능하지만 일반적인 태양광의 자외선 조사강도보다 휠씬 높은 수준의 자외선을 조사하기 때문에 빛이 조사되는 시편 표면을 직접 측정하여 시편 온도를 조절하거나 시편 표면 온도와는 무관하게 챔버 온도(CHT)로 측정하여 조절하는 것이 바람직할 수 있다.
여기에서 시편의 표면 온도 조절 범위는 상온에서 110 ℃까지 이지만, 보다 바람직한 온도 조절 범위는 30 ~ 85 ℃의 범위이다. 시편의 표면 온도는 동일한 챔버 온도와 동일한 램프의 조사 강도에서도 시편의 재질과 색상에 따라 열을 축적 또는 전도 및 방사하기 때문에 달라진다. 따라서 초촉진 광열화 가속시험 장치에서 조절되는 블랙 판넬 온도는 실제 태양광의 조사에 의하여 도달되는 블랙 판넬의 온도와는 다르게 나타나게 된다.
그 이유는 본 발명과 같이 적외선 비중이 크게 낮은 빛을 조사했을 때 도달되는 시편의 표면 온도와 자외선 조사 강도를 기준으로 같은 강도의 태양광을 조사했을 때 도달되는 시편의 표면 온도는 달라지기 때문이다.
상기한 이유에서 초촉진 광열화 시험에서 주어지는 시편의 표면에 대한 온도 조절은 실제 시편의 표면 온도와는 무관하게 시험장치의 일부로 조립되는 블랙판넬의 온도계로 조절되는 것보다는 직접 시편 표면의 온도를 측정하여 조절하는 것이 보다 정확하다.
이때 시편 표면 온도를 측정하기 위한 온도 센서는 T-타입의 불소수지계 케이블로 코팅된 전선형 센서가 바람직하다. 그러나 본 발명의 시편 표면 온도 측정이 상기한 T-타입 및 전선형 센서로 한정되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 시편 표면 온도 및 챔버 온도는 시험장치 내부의 자연적인 대류 조건 하에서 조절되거나 강제 송풍 및 수분 분무에 의하여 이루어질 수 있으며, 가장 바람직하기로는 시편 표면에 송풍되는 공기의 양을 조절하여 이루어지는 강제 송풍 방식이다. 이 방식은 시편 표면 온도가 챔버 온도보다 높을 때 시도될 수 있는 방법으로 거의 대부분의 경우에 적용 가능하다.
자외선 조사강도가 높게 유지되거나, 열에 민감한 소재의 광열화를 진행할 때에는 시편의 표면 온도를 단순한 송풍 기능만으로는 원하는 온도까지 냉각시키는 것이 부족할 수가 있다. 이런 경우에는 챔버 내부의 공기를 순환하여 송풍시키는 기능 외에 챔버 외부의 공기를 흡입하여 냉동기 또는 열교환기 등을 통하여 냉각된 공기를 시편으로 송풍함으로써, 보다 효율적인 냉각이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 냉동기를 사용하는 경우에는 냉각된 공기의 일부 또는 시편 표면을 냉각시킨 공기를 램프 과열을 억제하기 위한 냉각용 순환 공기로 함께 활용하는 것이 바람직하다.
또한 광열화 조사 중의 수분에 의한 열화 효과를 모사하기 위하여 챔버 내부의 습도를 조절하거나 물을 분사하는 방법을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 이러한 습도 조절 및 물 분사 가능 이외에 온도가 조절된 초음파 수조에 시편을 침수시켜 초음파를 가하는 방법을 이용할 수 있다. 이 방법은 플라스틱이나 필름의 내부로 수분이 침투하는 속도를 증가시킬 수 있고, 표면 부근의 첨가제를 보다 빠르게 이행시켜 제거하는 방법으로 유용하다. 이러한 방법에 의하여 장시간 옥외의 강수 및 결로 현상에 의한 고분자 소재의 수분 침해 효과를 짧은 시간의 촉진식 광열화 가속시험 장비에서 재현할 수 있다.
초음파 수조에 시편이 침수되어 있는 동안에는 자외선 광 조사가 장치적으로 불가능하기 때문에 자동 또는 수동에 의한 방법으로 미리 설정된 시간 동안 자외선 광조사와 초음파 수조 침지가 교차적으로 노출되도록 사이클 시험을 수행하는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에서는 광열화 조사 장치 내에 초음파 수조를 포함하거나 또는 별도의 장비로 제공되는 초음파 수조를 함께 병행 사용할 수 있다.
초음파 수조 내 물의 온도는 4 ℃ ~ 90 ℃의 범위에서 사용하는 것이 바람직하며, 이 범위의 온도보다 낮은 온도에서는 일부분에 물이 얼 수 있으며, 이 범위의 온도보다 높은 온도에서는 시편 표면에 지나치게 많은 기포가 발생하여 재현성이 유지된 시험을 수행하기 어렵고, 내열성이 약한 소재의 경우에는 점진적인 열열화가 진행될 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.
시편은 시편 홀더에 고정된 상태로서, 고정된 램프 및 집광 장치에 맞추어진 광 조사 위치에서 고정형 또는 이동형으로 시험될 수 있다. 한 개의 램프 만으로 시험되는 장치에서는 고정형으로 시험되는 것이 바람직하며, 여러 개의 램프를 사용하는 경우에는 램프마다의 자외선 조사강도에서 편차가 발생할 수 있기 때문에 이를 평균화하기 위한 방법으로 회전식으로 시험되는 것이 바람직하다.
시편 홀더의 회전 방식은 여러 개의 램프를 원형으로 배치하여 광을 원의 내부 면으로 조사되도록 배치하고 광이 조사되는 면을 서로 수직하게 맞대어 사각형에서 수십각형으로 배치한 후, 그에 대응하는 사각형 및 수십각형의 시편 홀더가 회전하는 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 사각형 또는 수십각형의 띠로 만들어진 시편 홀더를 한개의 층으로 볼 때, 여러 층으로 배열된 램프와 집광 장치 및 시편 홀더 구조를 갖게 할 수 있다.
따라서 이러한 회전형의 이동식 홀더를 사용하는 장치에서는 최소 4 개의 시편을 동시에 시험할 수 있으나, 보다 바람직하게는 6 ~ 36개 범위의 시편을 동시에 시험할 수 있는 회전식 홀더를 사용하는 것이다. 이 홀더는 시편을 장착한 상태로 광조사 위치에서 초음파 수조 내로 이동하기 쉬운 구조를 갖는다.
장치 하단에 초음파 수조가 위치하고 상단에 자외선 조사 장치가 위치하도록 고안하는 경우에는 수직 이동 방식으로 시편 홀더 전체가 광조사 위치에서 초음파 수조로 이동하는 자동 장치를 사용할 수 있으며, 수동으로 이동할 경우에는 홀더 전체를 장치 내에서 쉽게 제거하여 초음파 수조에 장착할 수 있는 손잡이를 부착하는 것이 바람직하다.
촉진식 광열화 시험 장치(100)의 광 조사장치를 이용하여 광 조사를 진행한 후, 플라스틱 소재 표면의 광열화는 색차계를 사용하여 ASTM E313 규격에 의한 방법으로 색차(ΔE) 또는 황변지수 변화(ΔYI)를 정반사 성분 포함 또는 배제(SCI 혹은 SCE: Specular Component Included 혹은 Excluded) 모드로 측정을 수행할 수 있다.
이에 하기에서는 촉진식 광열화 시험 장치(100)를 이용한 다양한 방식의 실시예와, 종래기술을 이용한 실시예를 통해 두 기술 방식을 비교하여 설명하도록 한다.
(제 1실시예)
촉진식 광열화 시험 장치(100)를 사용하여 600 W/m2의 자외선 조도가 발광되도록 조사강도를 조절하고 사출용 폴리프로필렌 수지로부터 사출된 시편을 수조 온도 40 ℃에서 초음파 진동 1시간, 초음파 진동 없이 1시간의 반복 주기로 2주간 침지한 후, 챔버 온도 15 ℃, 습도 50 % RH의 조건에서 두 시간 간격으로 20분간 물을 분사하며, 자외선 누적 광량 100 MJ, 300 MJ, 500 MJ에 도달할 때까지 시험하여 표면의 색차 변화량을 측정하였다. 시험 결과 100 MJ에서는 색차 0, 300 MJ에서는 색차 0, 500 MJ에서는 색차 3의 변화를 보였다.
이와 비교하기 위한 비교 실험(비교예1)으로써, 크세논-아크 광열화 시험기를 사용하여 (제 1실시예)에서 사용했던 폴리프로필렌 수지 시편을 SAE J1960 시험 규격에 준한 시험 조건으로, 즉 블랙판넬온도 70 ℃, 습도 50 % RH, 광조사 2 시간/광 조사 없는 물 분사 1 시간의 조건으로 자외선 누적 광량 100 MJ, 300 MJ, 500 MJ에 도달할 때까지 시험하여 표면의 색차 변화량을 측정하였다. 시험 결과 100 MJ에서는 색차 0, 300 MJ에서는 색차 0, 500 MJ에서는 색차 0의 변화를 보여 주었다.
그리고 두번째 비교 실험(비교예2)으로써, 한국건설생활환경시험연구원의 서산 옥외폭로시험장에서 2007년 10월부터 2009년 9월까지 23개월 동안 남향 37°로 고정식 폭로시험대에 (제 1실시예)에서 사용했던 폴리프로필렌 수지 시편을 설치하여 옥외폭로시험을 수행하였다. 시험 기간 중에 관측된 누적 자외선 광량을 이용하여 측정한 색차 변화 값은 100 MJ에서는 색차 0, 300 MJ에서는 1, 500 MJ에서는 3의 변화를 보여주었다.
(제2 실시예)
촉진식 광열화 시험 장치(100)에서 발광 플라즈마 램프, 액체 광통로 및 로드형 균일화 집광장치로 구성된 광 조사장치를 1,200 W/m2의 자외선 조도가 발광되도록 조사강도를 조절하고 사출용 폴리옥시메틸렌 수지로부터 사출된 시편을 챔버 온도 20 ℃, 습도 50 % RH의 조건으로 자외선 누적 광량 100 MJ, 300 MJ, 500 MJ에 도달할 때까지 시험하여 표면의 색차 변화량을 측정하였다. 시험 결과 100 MJ에서는 색차 0, 300 MJ에서는 색차 2, 500 MJ에서는 색차 6의 변화를 보여 주었다.
이에 대한 비교 실험(비교예3)으로서, 크세논-아크 광열화 시험기를 사용하여 120 W/m2의 자외선 조도가 발광되도록 조사강도를 조절하여 (제 2실시예)에서 사용했던 폴리옥시메틸렌 수지 시편을 블랙판넬온도 70 ℃, 습도 50 % RH, 물 분사 없는 광조사 100분/물 분사 있는 광조사 20분의 사이클 조건으로 자외선 누적 광량 100 MJ, 300 MJ, 500 MJ에 도달할 때까지 시험하여 표면의 색차 변화량을 측정하였다. 시험 결과 100 MJ에서는 색차 0, 300 MJ에서는 색차 1, 500 MJ에서는 색차 5의 변화를 보여 주었다.
(제3실시예)
촉진식 광열화 시험 장치(100)를 사용하여 600 W/m2의 자외선 조도가 발광되도록 조사강도를 조절하고 사출용 폴리카보네이트 수지로부터 사출된 시편을 챔버 온도 15 ℃, 습도 50 % RH의 조건에서 두 시간 간격으로 20분간 물을 분사하며, 자외선 누적 광량 100 MJ, 300 MJ, 500 MJ에 도달할 때까지 시험하여 표면의 황변지수 변화량을 측정하였다. 시험 결과 100 MJ에서는 황변지수 6, 300 MJ에서는 황변지수 11, 500 MJ에서는 황변지수 12의 변화를 보여 주었다.
이에 대한 비교 실험(비교예4)으로서 크세논-아크 광열화 시험기를 사용하여 (제 3실시예)에서 사용했던 폴리카보네이트 수지 시편을 SAE J1960 시험 규격에 준한 시험 조건으로, 즉 블랙판넬온도 70 ℃, 습도 50 % RH, 광조사 2 시간/광 조사 없는 물분사 1 시간의 조건으로 자외선 누적 광량 100 MJ, 300 MJ, 500 MJ에 도달할 때까지 시험하여 표면의 황변지수 변화량을 측정하였다. 시험 결과 100 MJ에서는 황변지수 5, 300 MJ에서는 황변지수 10, 500 MJ에서는 황변지수 11의 변화를 보여 주었다.
(제 4실시예)
촉진식 광열화 시험 장치(100)에서 발광 플라즈마 램프, 액체 광통로 및 로드형 균일화 집광장치로 구성된 광 조사장치를 사용하여 900 W/m2의 자외선 조도가 발광되도록 조사강도를 조절하고 사출용 아크릴 수지로부터 사출된 시편을 챔버 온도 25 ℃, 습도 50 % RH의 조건에서 두 시간 간격으로 20분간 물을 분사하며, 자외선 누적 광량 100 MJ, 300 MJ, 500 MJ에 도달할 때까지 시험하여 표면의 황변지수 변화량을 측정하였다. 시험 결과 100 MJ에서는 황변지수 0, 300 MJ에서는 황변지수 1, 500 MJ에서는 황변지수 2의 변화를 보여 주었다.
이에 대한 비교 실험(비교예 5)으로서, 메탈링 광열화시험기를 사용하여 600 W/m2의 자외선 조도가 발광되도록 조사강도를 조절하고 (제4실시예)에서 사용했던 아크릴 수지 시편을 블랙판넬온도 70 ℃, 습도 50 % RH의 조건에서 두 시간 간격으로 20분간 물을 분사하며, 자외선 누적 광량 100 MJ, 300 MJ, 500 MJ에 도달할 때까지 시험하여 표면의 황변지수 변화량을 측정하였다. 시험 결과 100 MJ에서는 황변지수 3, 300 MJ에서는 황변지수 8, 500 MJ에서는 황변지수 12의 변화를 보여 주었다.
또한, 이에 대한 다른 비교 실험(비교예6)으로서, 크세논-아크 광열화 시험기를 사용하여 (제4실시예)에서 사용했던 아크릴 수지 시편을 SAE J1960 시험 규격에 준한 시험 조건으로, 즉 블랙판넬온도 70 ℃, 습도 50 % RH, 광조사 2 시간/광 조사 없는 물분사 1 시간의 조건으로 자외선 누적 광량 100 MJ, 300 MJ, 500 MJ에 도달할 때까지 시험하여 표면의 황변지수 변화량을 측정하였다. 시험 결과 100 MJ에서는 황변지수 0, 300 MJ에서는 황변지수 0, 500 MJ에서는 황변지수 1의 변화를 보여 주었다.
상기한 실시예 및 비교예에 따른 시험 결과에서와 같이, 비교예의 시험들에 비하여 실시예의 시험들은 태양광의 자외선 광파워 분포와 유사한 특성의 자외선을 고강도로 조사시키는 가속시험을 수행할 수 있으므로, 종래에 가장 일반적으로 사용되었던 크세논-아크 광열화 시험기로 수행되는 대표적인 시험조건보다 가속성을 10배 이상 향상시킨 초촉진의 가속화된 광열화 시험을 시편 과열의 부작용 없이 수행할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, (제 1실시예)의 시험 결과는 (비교예 1)의 크세논-아크 광원을 사용한 광열화 시험장비로는 약 178일(6개월) 동안 시험되어야 하는 광열화 시험을 동일한 조사 광량을 기준으로 약 12일 만에 수행한 것이다. 필드 재현성을 향상시키기 위해 도입된 초음파 진동 침지 조건을 포함한 총 시험 시간은 26일에 해당하므로 (비교예1)의 시험 시간 178일에 비하면 약 7배의 가속성을 갖는다. 또한 이 시험의 결과는 (비교예 2)의 옥외폭로 시험조건으로 수행된 23개월간의 시험 기간에 비교하면 약 27배의 가속 조건에 해당한다.
또한 (제1실시예)의 시험결과는 (비교예1)의 크세논-아크 광원에 의한 시험결과 보다도 (비교예 2)의 자연 태양광에 의한 옥외폭로 시험결과에 보다 가까운 표면 색차 변화를 보여줌으로써 촉진 가속성이 크게 향상됨은 물론 적절한 시험 조건 설정에 따라 크세논-아크 광원 장치보다도 우수한 필드 재현성이 확보될 수 있음을 보여주고 있다.
(제 2실시예)의 시험은, (비교예 3)의 크세논-아크 광원을 사용한 광열화 시험장비로는 가속 촉진성이 최고치에 가까운 시험조건으로 수행된 시험보다도 10배 빠른 초촉진 시험조건을 구현함으로써 동일한 자외선 조사 광량을 기준으로 60일 간 수행해야 할 시험을 6일 만에 수행하는 가속시험 결과를 보여주고 있다.
또한 (제 2실시예)의 시험결과는 월등히 단축된 시험시간에도 불구하고, (비교예 3)의 크세논-아크 광원에 의한 시험결과로 확인되는 표면 색차 변화와 유사한 변화를 보여줌으로써 본 발명의 초촉진 시험방법 및 시험장비에 의한 자외선 광열화 가속시험이 해당 플라스틱 소재의 광열화에 대해 충분한 재현성을 갖고 있음을 보여주고 있다.
(제 3실시예)의 시험은 (비교예 4)의 크세논-아크 광원을 사용한 광열화 시험장비로 가장 널리 사용되는 자외선 조사 강도를 기준으로 10배에 해당하는 고강도의 자외선을 조사시킨 광열화 가속시험의 결과를 나타낸 것이다. 본 발명의 가속시험 방법 및 장치는 크세논-아크 광원 장치로 178일 간 수행한 시험을 동일한 자외선 조사 광량을 기준으로 12일 만에 수행하게 되어 약 15배에 해당하는 가속시험이 수행되었다.
또한 (제 3실시예)의 시험결과는 비교하기 어려울 정도로 단축된 시험시간에도 불구하고, 비교예 4의 크세논-아크 광원에 의한 시험결과에서 확인된 표면 황변지수 변화와 유사한 변화를 보여줌으로써 본 발명의 초촉진 시험방법 및 시험장비에 의한 광열화 가속시험이 플라스틱소재의 태양 광열화를 모사하는 용도로 충분한 활용될 수 있음을 보여주었다.
(제 4실시예)의 시험은 (비교예 5) 및 (비교예 6)의 메탈링 광원과 크세논-아크 광원을 사용한 광열화 시험장비로 가장 널리 사용되는 자외선 조사 강도를 기준으로 각각 1.5배 및 15배에 해당하는 고강도의 자외선을 조사시킨 광열화 가속시험의 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 가속시험 방법 및 장치는 초촉진 광열화 장치로 사용되는 메탈링 광원 장치로는 12일 간 수행되어야 하고, 일반적인 크세논-아크 광원 장치로는 178일 간 수행되어야 하는 광열화 시험을 동일한 자외선 조사 강량을 기준으로 8일 만에 수행하여 각각 1.5배 및 22배에 해당하는 가속시험을 수행하였다.
또한 (제 4실시예)의 시험결과는 (비교예 5)의 메탈링 광원에 의한 광열화 시험 결과가 크세논-아크 광원에 의한 시험결과와는 다른 표면 황변지수 변화를 보여주어 메탈링 광원 장치를 사용하는 가속시험 방법이 초촉진 가속시험이 가능한 대신 크세논-아크 광원 장치와의 결과 재현성이 크게 차이나는 것에 반하여, 본 발명의 가속시험 방법 및 장치에 의한 시험 결과는 초촉진 가속시험으로도 크세논-아크 광원과 유사한 광열화 시험 결과를 도출할 수 있음을 보여주고 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에서는 태양 광파워 스펙트럼과 유사한 자외선 영역을 갖고 있는 발광 플라즈마 램프를 사용하여 과도한 냉각장치를 사용하지 않고도 시편 표면에서의 열손상 없이 180 ~ 1,800 W/m2에 해당하는 고강도의 자외선을 조사하는 초촉진의 가속 광열화 시험을 구현할 뿐 아니라 단기간의 수분 침해 효과를 구현하는 초음파 진동 수조에서의 침지 효과를 단기간 내에 병행할 수 있다.
이러한 초촉진 광열화 시험 장치는 모든 소재 및 제품의 광열화(또는 내후성) 시험에 사용될 수 있지만, 특별히 크세논-아크 광원 장치로 30일 이상 장기간의 시험기간이 소요되는 광열화 시험에 앞서 빠른 예비적 검증시험(survey test)이 필요할 때 유용하다. 시험자가 시험하고자 하는 소재 및 제품의 광열화 특성에 맞추어, 본 발명의 자외선 조사 강도를 보다 재현성이 확보되는 적절한 수준으로 선택하고, 기타 초음파 진동 수조에 대한 침지 조건, 시편 표면 온도 조절을 위한 챔버 및 공조 장치의 운전 조건 및 습도 조건, 물분사 조건 등을 최적화하면 보다 재현성이 높은 광열화 가속시험 결과를 획득할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 램프의 태양광에 대비한 광 파워 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 참조번호 400은 발광 플라즈마 램프의 광파워 스펙트럼이며, 참조번호 450은 발광 플라즈마 램프의 광파워 스펙트럼의 조사 강도와 유사한 강도로 증폭시킨 태양광의 광파워 스펙트럼이다.
이에 발광 플라즈마 램프의 광파워 스펙트럼(400)과 태양광의 광파워 스펙트럼(450)을 비교한 결과 플라스틱 소재 등의 광열화에 가장 중요한 파장 영역인 400 nm 이하의 자외선 영역과 400 ~ 500 nm의 단파장 가시광선 영역에서 두 스펙트럼 간에 유사한 분포를 갖는다는 것을 알 수 있다.
또한 600 nm 이상의 장파장 가시광선에서부터 발광 플라즈마 램프의 광파워 스펙트럼(200)은 태양광의 광파워 스펙트럼(250)에 비해 강도가 급격히 낮아져서 800 nm 이상의 적외선 영역에서는 큰 차이를 갖는다는 것을 알 수 있다. 이러한 차이로부터 자외선에 의한 광열화는 태양광과 유사하게 재현시키되, 자외선 조사 강도가 높게 조사되어도 적외선에 의한 집열 효과는 상대적으로 적게 조사된다는 것을 알 수 있다.
한편, 발광 플라즈마 램프는 지표면에 도달하는 태양광에는 포함되어 있지 않은 295 nm 이하의 단파장 자외선을 크세논-아크 광원이나 메탈링 광원에 비해 적게 포함하고 있어서, 엄밀한 파장 재현성이 필요하지 않은 광열화 시험을 위해서는 특별한 자외선 제거 필터를 사용하지 않아도 되는 장점을 제공할 수 있다. 따라서 일반적인 크세논-아크 광원이나 메탈링 광원 장치의 운영에서 큰 비중을 차지하는 필터의 교체 비용이 필요하지 않다는 이점이 있다.
단, 발광 플라즈마 램프의 광파워 스펙트럼(200)은 태양광 파워 스펙트럼(250)과는 달리 327 nm, 412 nm, 453 nm 부근의 광량이 급격히 낮아지는 특징을 갖고 있기 때문에, 이러한 광원의 특징이 문제가 되는 시험의 경우에는 325 nm 및 410 nm 영역에서 예리한 발광 피크를 발휘하는 자외선 발광 다이오드 (UV-LED:Ultraviolet-Light Emitting Diode) 및 가시광선 발광 다이오드(VIS-LED:Visible Spectroscopy-Light Emitting Diode)로 보완하는 방법이 사용될 수 있다. 즉, 도 1의 광조사 장치에 발광 플라즈마 램프(110)와 함께 UV-LED 또는 VIS-LED를 장착할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 발광 플라즈마 램프의 개수나 램프와 시편 간의 거리, 광 파이프 또는 투광 봉의 크기와 길이 등에 따라 조사 부위에 집광되는 자외선의 조사강도를 180 ~ 1,800 W/m2의 범위에서 조절할 수 있다. 물론 180 W/m2 이하의 조사강도로도 조절 가능하지만 이 경우, 초촉진 가속시험의 조건을 충족하기 어려운 문제가 있으며, 반대로 1,800 W/m2 이상의 조사강도로 조절할 경우에는 집광에 수반하여 발생되는 집열 효과 때문에 발생하는 과도한 온도 상승을 억제하거나 조절하는 것이 어렵게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치 및 방법은, 단기간 내에 고분자 소재 및 유기 소재, 유기-무기 복합소재 또는 이들 소재가 포함된 부품 및 제품이 자외선이나 가시광선 등의 빛에 의해 나타나는 광열화 특성을 예측 및 평가하기 위한 것으로서, 자외선 및 단파장 가시광선은 풍부하지만 적외선을 거의 포함하지 않는 발광 플라즈마 램프를 광열화 시험 광원으로 이용하여 단기간 내에 소재 및 제품의 광열화에 의한 열화 및 고장을 평가 또는 예측을 수행한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 촉진식 광열화 시험 장치 110: 발광 플라즈마 램프
120: 물 분사 노즐 130: 시편 홀더
132: 시편 홀더 손잡이 134: 시편 홀더 받침
140: 시편실 격벽 150: 석영 유리 판재
160: 광 파이프
120: 물 분사 노즐 130: 시편 홀더
132: 시편 홀더 손잡이 134: 시편 홀더 받침
140: 시편실 격벽 150: 석영 유리 판재
160: 광 파이프
Claims (10)
- 태양 광열화를 모사하는 자외선과 가시광선이 포함된 빛에 의해 소재 또는 제품의 광열화에 의한 열화를 측정하는 촉진식 광열화 시험 장치에 있어서,
적어도 하나의 발광 플라즈마 램프를 사용하여 광을 조사하는 광 조사 장치와,
상기 광 조사 장치로부터 발광된 빛을 모아 상기 소재 또는 제품에 대한 시편의 표면 상에 균일하게 조사하는 집광 장치와,
상기 시편을 고정시키고, 일정한 위치에 고정되거나 회전하는 시편 홀더
를 포함하는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 촉진식 광열화 시험 장치는,
복수의 발광 플라즈마 램프와 각각 연결되어 조사되는 빛을 상기 시편 홀더가 포함된 시편 실에 조사하며, 내부 면의 자외선 반사율이 90% 이상인 소재로 형성된 파이프 형태의 광 파이프와,
상기 시편 실을 포함하며, 상기 복수의 광 파이프가 다각형 또는 원형 형태의 각 면에 수직으로 삽입되어 상기 시편 홀더 면에 상기 복수의 발광 플라즈마 램프의 광이 조사되도록 배치된 시편 실 격벽과,
상기 시편 홀더의 외부에서 물을 분사시켜 상기 시편에 물을 분무하는 물 분사 노즐과,
상기 시편 실의 온도와 습도를 조절하는 공조 장치
를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치.
- 제 2항에 있어서,
상기 광 파이프는,
상기 시편 실 삽입 단면 또는 양 단면에 김 서림 방지제 또는 발수 코팅제로 코팅된 석영 유리 판재로 마감된 것을 특징으로 하는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 촉진식 광열화 시험 장치는,
상기 시편 홀더를 물이 채워진 수조로 이동 또는 하강시켜 초음파 진동 수조에 시편을 일정시간 동안 침수시키는 침지 장치
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치.
- 제어 명령을 입력 받는 사용자 인터페이스와,
상기 제어 명령을 토대로 촉진식 광열화 시험을 수행하고 시편 표면에 조사되는 자외선 강도를 특정 파장 또는 파장 범위 대역에서 측정을 수행하는 제어부와,
상기 제어부의 제어하에 적어도 하나의 발광 플라즈마 램프를 이용하여 태양 광열화를 모사하는 자외선과 가시광선이 포함된 광을 조사하는 광 조사 장치와,
상기 시편을 고정시키고, 상기 시편에 광이 균일하게 조사되도록 상기 제어부의 제어하에 일정한 위치로 이동하여 고정시키거나, 회전하는 시편 홀더
를 포함하는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 광 조사 장치는,
복수의 발광 플라즈마 램프와 연결되어 상기 시편 홀더가 포함된 시편 실에 광을 투과시키고, 다각형 또는 원형 형태의 시편 실 격벽의 각 면에 수직으로 삽입된 파이프 형태의 광 파이프 또는 막대 형태의 투광 봉
을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 시편 실의 온도 및 습도를 조절하는 공조 장치를 제어하고,
주기적 또는 연속적으로 자외선 조사량을 측정하는 자외선 조도계로부터 자외선 조사량을 전달 받아 일정한 자외선 조도가 유지되도록 상기 광 조사 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 촉진식 광열화 시험 장치는,
상기 제어부의 제어하에 상기 시편 홀더를 물이 채워진 수조로 이동 또는 하강시켜 초음파 진동 수조에 시편을 일정시간 동안 침수시키는 침지 장치
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 장치.
- 촉진식 광열화 시험 장치의 제어부에서 사용자 인터페이스로부터 제어 명령을 전달 받은 과정과,
상기 제어 명령을 토대로 적어도 하나의 발광 플라즈마 램프를 이용하여 태양 광열화를 모사하는 자외선과 가시광선이 포함된 광을 시편에 조사하는 과정과,
상기 시편이 고정된 시편 홀더를 일정한 위치에 고정하거나 회전시키는 과정과,
상기 시편 홀더가 위치한 시편실의 온도, 습도 및 자외선 조사량을 확인하여 기 설정된 기준으로 조절하는 과정
을 포함하는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 방법.
- 제 9항에 있어서,
상기 시편에 조사하는 과정은,
집광장치에서 상기 적어도 하나의 발광 플라즈마 램프로부터 발광된 빛을 모아 시편의 표면 상에 조사하는 과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 플라즈마 광원을 이용한 촉진식 광열화 시험 방법.
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