초록 ▼

본 과제에서는 외부전극에 의한 램프 구동 방식을 이용하여 기존의 자외선 램프 대비 5배 이상 긴 수명을 가지는 살균용 램프와 이를 효율적으로 구동하기 위한 구동 시스템을 개발하였다. 자외선 램프의 효율을 높이기 위해 램프 설계 변수 최적화 및 공정 개발 그리고 구동 알고리즘 개발 등 이 수행되었다.
1. 자외선 방출 효율 극대화를 위한 램프 설계 변수 최적화
자외선 램프의 설계 변수 최적화는 크게 공정 최적화와 램프 최적화로 나누어 수행하였다. 외부전극 방식을 이용하는 램프는 램프 양 단의 램프 봉입부 형상이 램프의 신뢰

본 과제에서는 외부전극에 의한 램프 구동 방식을 이용하여 기존의 자외선 램프 대비 5배 이상 긴 수명을 가지는 살균용 램프와 이를 효율적으로 구동하기 위한 구동 시스템을 개발하였다. 자외선 램프의 효율을 높이기 위해 램프 설계 변수 최적화 및 공정 개발 그리고 구동 알고리즘 개발 등 이 수행되었다.
1. 자외선 방출 효율 극대화를 위한 램프 설계 변수 최적화
자외선 램프의 설계 변수 최적화는 크게 공정 최적화와 램프 최적화로 나누어 수행하였다. 외부전극 방식을 이용하는 램프는 램프 양 단의 램프 봉입부 형상이 램프의 신뢰성에 큰 영향을 미치며 이는 램프의 수명에 직결되므로 램프 봉입부 형상을 최적화 하는 공정을 개발하였다. 또한 자외선 램프의 자외선 효율을 높이기 위해 가스압, 관경, 외부전극 길이, 외부전극 재질 등의 램프 기본변수 최적화를 진행하였으며, 보호막과 유전체 코팅 등의 특수변수 최적화도함께 진행하여 램프의 자외선 방출 효율을 극대화 하였다.
(1) 램프 봉입부 형상 최적화
자외선 램프는 자외선 투과율이 높은 석영관을 주 재료로 사용하며 석영관의 가공온도가 ${1600^{\circ}C}$에 달하므로 정밀한 봉입 공정이 필요하다. 본 과제에서 개발한 자외선 램프는 관경이 15mm로 고온 토치를 이용한 램프 봉입 시 원주면을 따라 고른 열 전달이 되지 않으면 봉입부 일부에 과도한 함몰이 생겨 취약한 구조가 된다. 이를 해결하기 위해 15mm의 석영관 끝에 관경 6mm의 배기관을 접합한 후, 6mm 배기관을 통해 가스 배기 후 봉입하는 방법을 통해불균일한 열전달에도 안정적인 봉입부 형상을 유지할 수 있는 공정을 개발하였다.
(2) 램프 기본변수 최적화 : 가스압, 관경, 외부전극 길이, 외부전극 재질
램프 최적화의 기본변수인 가스압, 관경, 외부전극 길이, 외부전극 재질에 대한 실험 결과 가 도출되었으며, 이를 통해 자외선 방출 효율을 극대화 할 수 있었다. 가스압에 대한 실험 결과 가스압이 낮을수록 램프 효율이 높아짐을 알 수 있었으나, 너무 낮은 가스압은 램프 신뢰성에 악영향을 주기 때문에 신뢰성이 확보될 수 있는 최저 가스압인 25torr를 채택하였다. 관경
에 대한 실험결과 15mm램프 대비 25mm램프가 효율 29%상승 하였으며 램프의 면적에 따라 램프의 효율이 상승하는 것을 알 수 있었다. 외부전극 길이에 대한 측정 결과, 전극 길이가 50mm에서 90mm로 상승 시 자외선 세기는 약 3배 상승하며 효율도 상승하였다. 외부전극재질에 대한 평가 결과, Al tape이 가장 높은 자외선 세기를 보였다.
(3) 특수변수 최적화 : 보호막 코팅, 유전체 코팅
램프 최적화에 있어 흔히 사용하지 않지만, 적용 시 효과가 클 것으로 판단되는 변수인 보호막 코팅 여부와 유전체 코팅 여부를 특수 변수로 구분하고 이에 대해 평가 하였다. 보호막코팅의 경우 램프 방전 시 램프 내부에서 가속된 이온이 램프 내벽에 충돌할 때 램프 내벽이 침식되거나 이온이 소모되는 현상을 방지할 목적으로 적용하였으며, 평가 결과 신뢰성 향상뿐
아니라 램프 효율도 함께 상승하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 보호막으로 사용된 재료가 램프 내부의 가속 이온과 충돌 시 전자를 방출하는 능력인 2차 전자방출계수가 높은 물질이기 때문인 것으로 판단된다. 유전체 코팅의 경우 석영관의 낮은 유전율을 보상하기 위해 적용하였지만, PDP용 유전체사용 시 자외선 세기가 오히려 떨어지는 등 유전체 효과는 미미한 것으로 평가 되었다.
2. 램프 구동 시스템 개발
외부전극을 이용한 자외선램프는 다수의 램프를 하나의 구동회로를 통해 통시에 점등할 수 있는 특징을 장점으로 하지만 이러한 장점을 극대화 할 수 있도록 램프와의 매칭성을 세밀히 고려한 구동 인버터의 개발이 중요한 과제가 된다. 본 과제에서는 다수의 자외선 램프를 동시에 구동할 수 있는 다등 병렬구동 인번터와 수처리 용량 조절이 가능한 램프 구동 인버터를
개발하였다.
(1) 다등 병렬구동 인버터
20W급 자외선 램프 5등을 동시에 점등할 수 있는 100W급 다등 병렬구동 인버터를 개발 하였다. 이를 통해 다수의 자외선 램프를 사용하는 상하수 살균처리 시설에 있어 시공 및 유지보수의 효율을 높일 것으로 기대된다.
(2) 수처리 용량 조절이 가능한 램프 구동 인버터
출력 주파수를 조절하여 자외선램프 용량을 조절하는 자외선램프용 driving unit 개발 하였다. 이는 상하수 처리장의 수처리 용량이 가변적일 경우 수처리 용량에 맞추어 자외선 램프의 출력을 조절하는 방식으로 수처리 시스템의 전력 효율을 극대화하기 위함이다.
(3) 자외선램프의 수명 평가를 위한 가속 수명 시험 방법 개발
외부전극 방식이 적용되는 램프들의 저온 신뢰성 시험은 대부분 ${0^{\circ}C}$에서 이루어진다. 본 과제에서 개발된 장수명 자외선 램프 또한 Set에 조립된 상태에서 ${0^{\circ}C}$ 이하의 환경에서 구동신뢰성이 확보되어야 한다. 저온 환경 조성은 항온 항습 chamber를 사용하여 자체 저온 실험을 하였다. 실험방법은${0^{\circ}C}$환경에서 점등한 뒤 자외선 세기 저하율을 관찰하는 것으로 측정 주기는 7일로 하였다. 가속수명 평가 기준에 따른 평가 결과 30,000시간 기준 약 90%의 광속 유지율을 보이고 있으며 70% 유지율 기준 50,000 달성이 무난해 보인다.
(4) 램프 효율 및 살균력 평가 결과
본 과제를 통해 개발된 자외선 램프를 세계 최고 수준의 상용 자외선 램프와 비교하여 평가할 결과, 자외선 세기는 45~37% 낮으나 자외선 량은 176~229% 높은 수치를 보였으며, 자외선 방출 효율은 기존 제품 대비 약 5%의 편차를 보여 동등한 수준인 것으로 평가 되었다. 이번에 개발된 자외선 램프는 자외선 세기 관점에서는 기존의 자외선 램프 대비 다소 낮은 값을 보이지만 자외선 조사량 관점에서는 오히려 높은 값을 보이는 것을 알 수 있으며, 결과적으로 세균의 생존율도 기존의 램프 대비 더욱 낮게 유지될 것으로 기대된다.

목차 Contents

• 제출문...1
• 보고서 초록...2
• 요약문...4
• 목차...6
• 제1장 서론...9
• 가. 연구개발의 중요성 및 필요성...9
• 나. 연구개발의 국내외 현황...10
• 다. 연구개발대상 기술의 차별성...13
• 제2장 연구개발의 목표 및 내용...18
• 가. 연구의 최종목표...18
• 나. 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법...18
• 다. 연도별 추진체계...19
• 제3장 연구개발 결과 및 활용계획...20
• 가. 연구개발 결과 및 토의...20
• 나. 연구개발 결과 요약...33
• 다. 연도별 연구개발목표의 달성도...34
• 라. 연도별 연구성과(논문, 특허 등)...34
• 마. 관련분야의 기술발전 기여도...34
• 바. 연구개발 결과의 활용계획...34
• 제4장 참고문헌...36
• Appendix...37