1.1 연구 배경

자외선 유수 살균장치는 자외선 램프를 물이 흐르는 관로에 설치하여 상·하수 속의 박테리아나 바이러스 등 병원성 미생물을 사멸시키는 장치이다. 염소 소독시 처리수에 남아있는 염소로 인해 발생된 트리할로메탄이 생태계에 영향을 끼치고 있어 이를 대체할 기술로 자외선을 사용한 유수 처리 기술이 각광받고 있다.

자외선 살균은 세포의 유전 정보를 갖는 유전자를 손상함으로 인해 복제능력을 잃게하는 ‘생물의 불활성화’를 통해 살균력을 발휘한다. 하지만 자외선에 의해 불활성화된 세균이 가시광선이나 근적외선에 노출되면 손상이 회복되는 ‘광 회복 현상’이 발생하여 시간이 흐름에 따라 살균이 제대로 되지 않는 문제가 있다. 이러한 광 회복 현상을 예방하기 위해서는 충분한 세기의 자외선을 균일하게 조사하는 것이 필요하다⁽¹⁾.

종래의 자외선 살균장치는 수은 램프를 사용하고 있으나, 램프의 짧은 교체 주기와 파손 위험성, 수은 폐기물 등의 문제 때문에 LED 광원으로 교체되고 있는 실정이다. 하지만 UV LED를 사용하는 살균장치의 경우 LED의 출력이 낮아 UV Lamp에 비해 살균을 위해 필요한 목표 자외선 조사량에 도달하는데 장시간이 필요해 흐르는 물을 살균하기 어렵다는 문제점 있다.

1.2 자외선 조사량 및 장치 설계 기준 설정

자외선 조사량은 살균 대상이 되는 미생물이 흡수하는 자외선 에너지 총량을 의미한다. 자외선을 이용한 유수살균방식의 가장 중요한 핵심은 살균대상물, 피조사물질에 일정 정도 이상의 자외선을 조사시켜 살균하는 것으로 살균하고자 하는 미생물의 종류에 따라 사멸시키는데 필요한 자외선 조사량이 다르기 때문에 이를 기준으로 설계를 진행하여야 한다.

본 연구에서는 국내 하수처리장의 법적기준을 고려하여 대장균의 99.9 % 살균에 필요한 자외선 조사량 6,600 μW/cm²을 기준으로 광학계를 설계하고자 한다. Table 1에 미생물 종류에 따른 99.9 % 살균에 필요한 자외선 조사 강도를 나타내었다.

자외선 유수처리장치의 자외선 총 조사량을 구하는 식은 다음과 같다.

여기서 I는 관로에서 최소 자외선 강도이고, t는 유체가 살균장치를 통과하는데 소요되는 시간이다.

본 논문에서는 유수처리장치 튜브의 입구 및 출구 노즐 직경 15 mm, UV 램프 직경 25 mm, 길이 1000 mm, 유리관의 직경 30 mm 일 때 유체(물)가 입구로부터 출구까지 걸리는 시간이 0.8 sec라고 정의하였다.⁽³⁾ 따라서 0.8 sec 동안 대장균 99.9 % 살균을 위한 총 자외선 조사량인 6,600 μW/cm² 이상이 되도록 설계하고자 한다.

1.3 연구 목표

본 논문의 연구 목표는 UV-C LED를 이용하여 병원균 살균에 필요한 자외선 조사량을 단시간에 만족하고, 높은 조도 균일도를 가지는 유수살균장치의 조명 광학계의 설계 방안을 연구하는 것이다. 광학계의 체적을 최소화 함과 동시에 목표 조도를 만족하는 광학계 모듈을 설계하고, 이를 배열하여 프로그램을 통해 구현한 실제 유수살균환경에 적용하여 Table 2에 나타낸 목표 값을 만족하고자 한다.

2.1 광원 및 재질 선정

유수 살균장치의 살균 효과는 자외선 파장 중에서도 주로 200 nm~280 nm 사이의 UV-C 영역에 의해 발생한다. 따라서 본 논문에서는 파장 275 nm, 100 mW의 5.2 mm(H) X 5.2 mm(W) 크기를 가지는 UV:ON 사의 LED를 광원으로 선정하였다.

선정한 광원의 파장을 고려하여 렌즈 재질을 선정하였다. 광원이 275 nm의 UV-C 파장을 가지고 있기 때문에 렌즈 재질 선정에 있어 주의가 필요하다. 렌즈는 굴절률, 투과율, 내열성 등을 모두 고려하여 선정되어야 하며, 이 중에서 굴절률은 렌즈의 설계 단계에 적용되는 요소이므로 설계 이전에 렌즈 재질에 대한 선택이 이루어져야 한다⁽⁴⁾.

따라서 본 논문에서는 275 nm에서 투과율 95 %를 가지는 Cytop으로 재질을 선정하였다. Cytop 재질은 전불소계 투광성 고분자로 사출이 가능하기 때문에 제작이 용이하다.⁽⁵⁾하지만 높은 가격대로 인해 광학계 설계시 체적 최소화가 필수로 요구된다. 해당 재질의 파장별 투과율은 Fig. 1.과 같다.

2.2 전반사 렌즈 설계

기하광학 이론에 따르면 밀한 매질에서 소한 매질로 빛이 임의의 각 이상으로 입사될 경우 내부 전반사가 일어나게 된다. 이러한 내부 전반사가 일어나기 시작하는 임의의 각을 임계각 (Critical Angle, θc)라 하며, Glass 내부의 입사광이 유리에서 공기로 즉 밀한 매질에서 소한 매질로 들어가게 될 때 임계각 이하의 입사광은 공기 중으로 투과하게 되고 임계각 이상의 입사광은 내부 전반사가 일어나게 된다.⁽⁷⁾

전반사 렌즈는 앞서 설명한 특성을 이용한 광학계로 광손실이 적어 높은 효율을 가지는 광학계이다. 따라서 넓은 배광 각을 가지는 LED에서 발산되는 빛을 제어하기에 적합하다.

본 논문에서는 LED에서 큰 발산각으로 방출되는 빛을 제어하는 곡면을 A면, 작은 발산각으로 방출되는 빛을 제어하는 곡면을 B면이라고 제시하였으며, 렌즈의 재질을 Cytop으로 적용하고 LightTools의 Swept soild를 사용하여 전반사 렌즈의 A면과 B면을 베지어 곡선으로 구성한 후, 이를 Z 축 방향으로 회전시켜 광학계를 설계하였다. 베지어 곡선은 n개의 점으로부터 얻어지는 n-1개의 곡선으로 시작점과 끝점, 그리고 사이에 위치하는 내부 점의 이동에 의해 얻은 자유 곡선이다. 2차 베지어 곡선의 방정식과 그래프를 아래 식 (2)와 Fig. 2.에 각각 나타내었다.

시작점과 끝점을 설정하고, 각 점을 기준으로 Tangent Angle과 Tangent Length, Weight를 조절하여 평행광을 가지는 렌즈를 설계한 결과, 조사거리 15 mm에서 최대조도 9,476 μW/cm², 광효율 91.7 %, 체적 1,976 mm³을 갖는 것을 확인하였다.

전반사 렌즈와 광원 50개를 16 mm의 간격으로 일렬 배열하고, 균일도를 위해 전반사 렌즈의 표면에 Lambertian Scattering을 추가적으로 적용하였다. 이를 오각 기둥의 PCB 판에 원형 배열하여 시뮬레이션 한 결과를 Table 3에 나타내었다. 실제 유수 살균 환경에서의 조도 균일도를 확인하기 위해 램프를 감싸는 유리관의 재질을 Silica, 유수 살균기 내부 재질을 Water로 설정하고 렌즈 끝단부터 15 mm 떨어진 곳에 Cylinder surface Receiver를 생성하여 시뮬레이션 결과를 확인하였다.

전반사 렌즈 표면에 Lambertian Scattering을 적용한 광학계는 조사 거리 15 mm에서 최대조도 13,160 μW/cm², 균일도 94.72 %를 갖는다. 이를 앞서 설명한 식 (1)에 대입하여 자외선 총 조사량을 구하면 10,528 μW·sec/cm²이다. 또한 목표 자외선 총 조사량인 6,600 μW·sec/cm²에 도달하기까지 소요되는 시간은 0.5 sec임을 확인할 수 있다. 이는 최대조도, 균일도, 자외선 총 조사량의 목표 성능을 모두 만족함을 보여준다.

하지만 렌즈의 재질이 고가인 Cytop 임을 고려하였을 때, 494,000 mm³의 비교적 큰 체적을 가지는 전반사 렌즈는 본 연구에 적합하지 않다.

2.3 비구면 렌즈 설계

전반사 렌즈보다 적은 체적을 가지고 목표 성능을 만족하는 광학계의 설계가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 식 (3)을 이용한 단면 비구면 렌즈를 도입하였다. 비구면 렌즈란 두 개 이상의 곡률이 존재하는 곡면의 형상으로 구면렌즈를 2, 3매 사용하는 것과 동일하며 특히 구면렌즈에 비해 두께를 비롯한 전체적인 크기를 감소시킬 수 있기 때문에 소형 경량화에 필수적이다⁽⁸⁾.

일반적으로 광축을 중심으로 회전 대칭성 고차 비구면은 다음 방정식으로 표현된다^(8)(9)(10).

여기서, 원추 계수 K는 Table 4과 같이 분류된다.

렌즈의 재질을 Cytop으로 적용하고 렌즈의 Rear Surface를 Polynomial Asphere로 설정하여 광학계를 설계하였다. 여기서, SMD(Surface mounted device) Type의 렌즈임을 고려하여 설계를 진행하였다. 렌즈의 곡률, 코닉 계수, 비구면 계수를 조절하여 넓은 조도 영역을 가지는 렌즈를 설계한 결과 조사거리 15 mm에서 최대조도 7,458 μW/cm², 광효율 83.6 %, 체적 343.95 mm³을 갖는다. 광 효율이 전반사 렌즈 보다 약 8 % 떨어지나 목표 최대조도를 만족하면서 전반사 렌즈와 비교하였을 때 약 82 % 정도의 체적이 감소하였음을 확인하였고 이를 Table 5에 나타내었다.

본 논문에서는 렌즈의 체적 감소와 더불어 조도 균일도 개선을 위해 설계한 비구면 렌즈를 어레이로 구성하여 광학계의 성능 값을 분석하였다. 렌즈와 광원 50개를 16 mm의 간격으로 일렬 배열하고, 균일도를 위해 비구면 렌즈 표면에 Lambertian Scattering을 적용하였다. 이를 오각 기둥의 PCB 판에 원형 배열하여 시뮬레이션한 결과를 Table 5에 나타내었다. 실제 유수 살균 환경에서의 조도 균일도를 확인하기 위해 램프를 감싸는 유리관의 재질을 Silica, 유수 살균기 내부 재질을 Water로 설정하고 렌즈 끝단부터 15 mm 떨어진 곳에 Cylinder surface Receiver를 생성하여 시뮬레이션하고 그 결과를 Table 6에 나타내었다.

비구면 렌즈 표면에 Lambertian Scattering을 적용한 광학계는 조사 거리 15 mm에서 최대조도 11,435 μW/cm², 균일도 92.96 %를 갖는다. 이를 앞서 설명한 식 (1)에 대입하여 자외선 총 조사량을 구하면 9,148 μW·sec/cm²이다. 또한 목표 자외선 총 조사량인 6,600 μW·sec/cm²에 도달하기까지 소요되는 시간은 0.57 sec로 단 시간에 목표량에 도달함을 확인할 수 있다. 이는 광학계 체적 감소와 더불어 최대조도, 균일도, 자외선 총 조사량의 목표 성능을 모두 만족함을 보여준다.