자외선 살균 원리에 대해서

자외선 살균 원리에 대해서

세균을 포함한 모든 생물의 세포 내에는 유전정보를 담당하는 핵(DNA)이 존재합니다.

자외선은 그 핵 속에 흡수되어 DNA의 유전코드를 파괴합니다.

올바른 DNA 코드를 잃어버린 세균은 대사 증식을 정상적으로 할 수 없게 되어 죽음에 이릅니다.

이러한 원리로 인해 자외선 살균은 일반적으로 균이 "불활성화"한다는 표현이 사용되고 있습니다.

자외선 살균에 필요한 자외선의 양(자외선의 양×초수의 곱)은 균종이나 형태, 존재하는 환경에 따라 다르며 균별로 일람표화되어 있습니다.이 목록을 바탕으로 자외선 램프가 방출하는 자외선량에서 조사 초수를 산출하여 합리적으로 자외선 살균을 할 수 있습니다.

300nm 이하 파장 지역의 자외선이라면 살균 효과가 있지만 DNA에 흡수되기 쉬운 파장의 피크는 265nm와 185nm 두 곳입니다.

185nm의 자외선은 DNA에의 흡수율은 좋지만, 공기중의 산소와, 조사 램프에 사용되는 석영유리에도 흡수되기 때문에, 사용되고 있지 않습니다.

따라서 260nm 전후가 가장 살균작용이 강한 파장을 몰고 옵니다.그래서 피크인 260nm에 가까운 254nm의 자외선을 발광하는 "저압 수은 UV 램프"가 주로 사용됩니다.

최근에는 260nm UV LED가 SET사에 의해 개발되어 DNA를 직격하는 광선으로 주목받고 있습니다.

또한 살균 효과는 파장 300 nm 이하이면 유효하기 때문에, 최근에는 고압 수은 램프와 크세논 램프 등이 사용되기도 합니다.

램프에 사용되는 유리관은 자외선을 투과할 필요가 있으므로 특수유리나 석영유리로 사용됩니다.

자외선(Ultra Violet=UV)

빛은 전자파의 일종으로 파장에 따라 물체에 미치는 작용이 다릅니다.

그래서 파장이 짧은 쪽부터 차례로 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선으로 분류되어 있으며 파장과 반비례하여 에너지가 강해집니다.

일반적으로 「빛」이라고 불리는, 인간의 시각에 밝기를 느끼게 하는 것은, 이 중의 「가시광선」에 해당합니다.

가시광선 이외의 부분은 눈에는 보이지 않지만 열로 느낄 수 있는 적외선이나 엑스레이로 친숙한 X선 등으로 구성되어 있습니다.

자외선은 가시광선보다 파장이 짧은 빛의 총칭으로 약 1~400nm의 파장을 가진 전자파입니다(일반적으로는 특히 100~400nm 파장역을 가리킵니다).

100~280nm의 '단파장(UV-C)', 280~315nm의 '중파장(UV-B)', 315~400nm의 '장파장(UV-A)' 등 3가지로 분류됩니다.

지표에 닿은 것은 UV-A와 UV-B이며, 이 중 90% 이상을 UV-A가 차지하며 UV-C의 대부분은 대기층(오존 등)에 흡수되기 때문에 지표에 도달하지 않습니다.

그러나 UV-B도 오존층의 변화에 영향을 받는다는 점에서 현재 그 증가가 우려되고 있습니다.

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UV-A는?

세포의 물질교체 진행과 관련되며 혈액순환 및 신진대사 등을 촉진하는 효용이 있습니다.

그러나 멜라노사이트를 활성화시켜 검게 변하는 선탠(suntan)을 일으키는 요인이기도 합니다.

UV-B와 비교하면 그다지 급격한 작용은 없지만 장파장의 UV-A는 구름이나 유리창을 통과하기 때문에 UV-B의 20~30배 양이 우리에게 쏟아지고 있습니다.

UV-A는 콜라겐과 엘라스틴이라는 두 섬유를 파괴하는 효소를 증가시키기 위해 늘어짐, 기미, 주름 등의 원인이 됩니다.

또한 피부 세포를 유전자 수준으로 손상시키는 것 외에 피부 면역력도 저하시킵니다.

피부 노화의 원인의 80%는 UV-A를 노출시켜 일어나는 광노화라고 알려져 있습니다.

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UV-B는?

피부 내에 존재하는 7-데히드로 콜레스테롤이라는 물질과 반응하여 비타민 D3를 생성합니다.

그리고 체내에서 콜레스테롤의 일종인 콜레칼시페롤(비타민D3)을 비타민D로 바꾸어 음식 중 칼슘의 흡수효율을 높여줍니다.

비타민D3는 음식물을 통해 섭취한 칼슘을 체내 칼슘으로 재생하는 데 사용되며 치아와 뼈의 형성을 돕고 면역능력을 높이는 역할을 합니다.

비타민D2는 식물, 비타민D3는 동물로부터 섭취할 수 있고 UV-B를 받음으로써 생성되지만 몸에 필요한 비타민D는 하루 15분 정도의 산책으로 충분히 얻을 수 있습니다.

또한 비타민D는 필요한 양 이상 생성되지 않기 때문에 UV-B를 많이 받아도 소용이 없고 강력한 자외선으로 인한 폐해가 더 많습니다.

그러나 UV-A와 마찬가지로 피부 표피에 있는 멜라닌 세포를 활성화시켜 다량의 멜라닌 생성 작용을 하여 선탠(sunburn)을 일으킵니다.

더욱이 UV-B는 에너지가 강하기 때문에 표피세포의 유전자에 손상을 입혀 기미나 피부암의 원인이 됩니다.

또한 311~313nm의 파장을 가진 "너로우 밴드 UV-B"는 피부질환(건선, 백반 등)을 치료하는데 이용되고 있습니다.

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UV-C는?

자외선 중 가장 에너지가 높아 생체에 대한 강력한 파괴력을 가집니다.

그 에너지의 높이 때문에 살균 소독 등에 널리 이용되고 있습니다.

화장실이나 주방, 조리기구 등 위생관리가 필요한 곳에서 볼 수 있는 살균등은 UV-C를 인공적으로 발생시켜 사용합니다.

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자외선의 기본적인 성질은 가시광선과 같습니다.

"자외선의 절대량이나 일사량 중 차지하는 비율은 계절, 시각, 날씨 등에 따라 변화하지만, 대부분 가시광선처럼 건물이나 의류 등에 의해 차단됩니다"

한편 낮에는 그늘이나 실내에서도 밝은 것에서 알 수 있듯이 대기 중 크게 산란합니다.

이중 UV-B는 산란광의 비율이 높습니다.

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태양 고도와 자외선

자외선은 1년 중에는 여름, 하루 중에는 낮 무렵에 지역적으로는 저위도에서 강해집니다.

하루 중 태양 고도가 최대인 시간은 동쪽 지방만큼 빠르고 서쪽 지방일수록 늦어집니다.

계절에 따라 변화하지만, 일반적으로는 12시 30분경입니다.

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오존과 자외선

오존은 자외선을 흡수하는 성질이 있기 때문에, 상공의 오존량이 적게 되면, 지상에 도달하는 유해 자외선은 많아집니다.

상공의 오존량에는 뚜렷한 계절 변화를 보이는 것 외에 날마다 변화합니다.

오존량은 봄에 최대가 되고, 그 후 서서히 감소하여 가을에 최소가 됩니다.

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구름과 자외선

자외선의 강도는 구름의 양이나 구름의 상태에 따라 달라지게 됩니다.

날씨가 맑으면 자외선의 강도는 쾌청한 경우와 거의 동일합니다.

또, 거의 온 하늘을 구름이 덮고 있어도, 약간 흐린 경우에는 쾌청할 때의 약 80~90%의 UV인덱스를 나타내지만, 흐린 경우에는 쾌청할 때의 약 60%에 달합니다.

또한 비가 내리고 있는 경우에는 쾌청할 때의 약 30%까지 줄어듭니다.

이러한 값은 날씨를 보고 자외선의 강도의 정도를 추측하는 데 있어서 대략적인 기준이 됩니다.

또한 구름의 상태에 따라서는 구름이 비교적 많아도 햇볕을 받으면 쾌청한 경우보다 큰 UV인덱스가 될 수도 있습니다.

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표고와 자외선

자외선(UVB)은 해발고도 1000m 상승할 때마다 10~12% 증가합니다.

자외선은 상공에서 지상에 도달하는 동안 공기 분자 등에 의해 산란되어 그 강도가 약해집니다.

고도가 높으면 그 지점에서 상공의 대기량이 적기 때문에 자외선은 산란을 받기 어려워지고, 그 지점에서 받는 자외선은 강해집니다.

또한 고도가 높으면 대기를 통과할 때의 오존에 의한 흡수도 줄어들어 자외선이 강해집니다.

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산란되는 자외선

지상에 이르는 빛에는 직사광과 산란광이 있습니다.

직사광은 태양으로부터 직접 지상에 도달하는 빛을 말합니다.

산란광이란 태양에서 오는 도중에 질소·산소 등을 만나 진행방향을 바꾸면서 지상에 도달하는 빛입니다.

자외선의 총량 중 약 6할이 산란광으로, 옥외에서는 태양으로부터 직접 닿는 자외선량과 공기중에서 산란해 닿는 자외선량이 거의 같은 정도입니다.

산란광은 분자나 입자의 사방으로 퍼집니다.

빛이 공기 분자에 의해 산란되는 경우 빛의 파장이 짧을수록 쉽게 산란되는 성질이 있습니다.

맑은 날 하늘이 파랗게 보이거나 우주선에서 본 지구가 파란 것은 가시광선 가운데 파장이 짧은 푸른 빛이 강하게 흩어지기 때문입니다.

자외선은 가시광선보다 파장이 짧기 때문에 더욱 산란되기 쉽습니다.

또한 산란으로 인해 건물 안에서 실외의 10%이하의 자외선이 노출됩니다.

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지표면 반사와 자외선

지표면의 반사율이 높으면 자외선은 강해집니다.

지표면에서의 자외선 반사 비율은 지표면 상태에 따라 크게 다릅니다.

초지나 아스팔트의 반사율은 10%보다 적지만 모래톱에서는 25%, 새눈에서는 80%나 됩니다.

또한 지표면에서 반사된 자외선의 일부는 상공으로 향하며 대기 등에 의해 다시 산란되어 지상으로 향합니다.

즉 지표면의 반사율이 큰 곳에서는 반사율이 작은 곳보다 산란광도 강해집니다.

예를 들어 남극과 같이 1면 설원의 경우, 상공에서의 자외선량은 반사와 산란 효과에 의해 눈이 없다고 가정한 경우와 비교해 40~50% 정도 증가하는 것을 알 수 있습니다.

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자외선 살균의 원리와 장단점

자외선 살균은 오래전부터 연구되어 왔으며 식품, 의료관계 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

자외선의 살균작용은 1901년 독일의 물리학자 허만 스트레이블에 의해 발견되었습니다.

그 후 1936년 미국 GE사에 의해 살균 램프가 개발되어 1960년대 무렵부터 한국에서도 일반에 보급되었습니다.

근래 램프의 효율화, 고출력화에 의해 자외선 살균의 실용성은 한층 높아져 식품 공장이나 제약 공장에서의 살균 공정으로서 불가결한 존재가 되고 있습니다.

LED, 고압수은램프, 무전극램프, 크세논램프 등 새로운 광원이 등장하고 용도도 확실히 넓어지고 있습니다.

또한 자외선과 광촉매의 조합을 통한 새로운 살균 방법도 주목받고 있습니다.

그 외에도 조사한 표면뿐만 아니라 내용물까지 살균(멸균)할 수 있는 기술로서 펄스톡세논 장치가 주목받고 있습니다.