紫外線は、インク、接着剤、金型の UV 硬化などの産業プロセスから、芸術における UV 蛍光に至るまで、さまざまな特殊用途に不可欠なツールです。 ただし、製品から放射される UV の量と方向、および特定の用途に対して十分か、適切か、または過剰かを定量化して理解することは、困難な場合があります。
この記事では、UV エネルギーを定量化して測定する方法の基本について説明し、さまざまなアプリケーションの UV-A 放射照度の推定値をいくつか提供します。 また、UV 放射照度仕様の解釈方法についても説明します。
紫外線の測定が難しい理由
人間として、私たちは白色光が「明るい」かどうかを直感的に理解するために視覚システムに依存しています。 目に見える日光ではなく目に見えない紫外線に関心があるとしても、夏の日に明るい日差しを見るために視覚に頼ることさえあり、外出する前に日焼け止めを塗ることを忘れないでください.
実際、私たち人間は、紫外線の存在や強さを視覚的に感知することはまったくできません。 これにより、UV の測定と定量化がはるかに難しくなり、経験的な読み取りを得るために測定デバイスに依存する必要があり、もちろん、誰もが高価な UV 放射測定機器を購入する予算を持っているわけではありません. さらに、多くの UV ランプ メーカーは UV 出力に関する詳細な仕様を提供していないため、性能を比較することはほとんど不可能です。
難しさはありますが、UV 仕様の背景を少し知っておくと、正しいセットアップを確実に行うことができ、最終的には時間、手間、お金を節約できます。 まず、UV の測定方法と測定単位の意味の基本概念について説明します。
UV-A の測定と定量化の方法
UV を特徴付ける最も基本的で便利な方法は、放射照度値によるものです。 概念的には、放射照度は特定の表面に当たる UV エネルギーの量を示し、特定のアプリケーションに対して UV 強度が不十分か、十分か、または過剰かを決定する主要な決定要因の 1 つです。
UV 放射照度を測定する最も一般的な方法の 1 つは、1 平方メートルあたりのワット数 (W/m²) です。 たとえば、1 平方メートルあたり 5 ワットの放射照度値は、合計 5 ワットの UV エネルギーが 1 平方メートルの領域に降り注いでいることを示しています。 放射照度が高いほど、紫外線レベルが高くなります。 ある意味では、放射照度は、表面に当たる UV エネルギーの密度として理解することもできます。
その他の一般的な測定基準には、平方センチメートルあたりのミリワット (mW/cm²) や平方センチメートルあたりのマイクロワット (µW/cm²) などがあります。 マイクロワットは、ミリワットの 1000 分の 1 です。 mW/m² の値に 1000 を掛けると、同等の放射照度 (µW/cm²) が得られます。
参照のベースライン フレームとして、正午の日照は 10 mW/cm² 以上を提供しますが、間接日光は 1.0 ～ 2.0 mW/cm² を提供します。
UV 放射照度の値は、特定の表面ポイントに当たる UV エネルギーの量に関するものであり、特定の UV ランプの強度とは同じではないことに注意してください。 たとえば、すべての方向に UV を放射する 20W 蛍光ブラックライトは、UV 出力を狭いビームに集中させる 5W UV 懐中電灯よりも、特定のスポットでの UV 放射照度が低くなる場合があります。
紫外線の照度は？
必要な UV 放射照度の量は、意図したアプリケーションが蛍光または硬化のいずれを伴うかによって異なります。 蛍光アプリケーションは、紫外線エネルギーに依存して、塗料、染料、鉱物、その他の有機材料などのさまざまな物体の蛍光を誘発します。 「ブラックライト効果」の多くは蛍光に依存しています。 一方、硬化は、UV エネルギーの「照射量」を受けた結果、材料が物理的変化を受ける化学プロセスです。 接着剤や樹脂硬化などのほとんどの工業プロセスは、このカテゴリに分類されます。
これら 2 つのタイプのアプリケーションの背後にある物理学の根本的な違いにより、UV 放射照度の要件も大きく異なります。
基本的な紫外蛍光効果の場合、通常、0.01 mW/cm² の放射照度値で蛍光が見え始めるのに十分であり、0.05 mW/cm² の値で蛍光色が実際に飛び出し始めます。
UV 硬化の場合、必要な UV 放射照度は材料やメーカーによって異なりますが、一般的に蛍光用途よりも桁違いに高くなります。 下限では、初期硬化 (所定の位置に固定するため) に 5.0 mW/cm² が必要ですが、上限では 50 mW/cm² 以上が必要です。
これらはあくまで一般的なガイドラインであり、特定の UV 放射照度の要件は製品やメーカーによって大きく異なることに注意してください。
アプリケーションでの UV-A 放射照度にどの程度の許容範囲があるかに関しても考慮事項があります。 蛍光アプリケーションでは、UV 放射照度が不十分であると、対象物が希望どおりに明るく表示されない場合があります。 一方、硬化用途に不十分な UV 放射照度は、硬化時間が遅くなったり、硬化性がまったくないことを意味します。
UV ランプの強度が十分かどうかを判断する方法
これまで、紫外線にさらされる材料の観点から、UV-A 放射照度のニーズについて説明してきました。 次に、UV ランプ製品の UV 放射照度仕様を理解し、それらがアプリケーションに十分かどうかを判断する方法について説明します。
前に説明したように、UV 放射照度は、特定のポイントにどれだけの UV エネルギーが落ちるかを示すため、私たちが気にする指標です。 これにより、その量の UV エネルギーがアプリケーションに十分かどうかを判断できます。
UV ランプの出力と UV 出力はもちろん重要ですが、UV ランプの向きと問題の材料までの距離がさらに重要です。 放射光と紫外線の逆二乗則により、距離は特に重要です。距離が 2 倍になると、放射照度は 4 分の 1 に減少します。
以下は、Waveform Lighting の UV LED 製品の例と、さまざまな設置シナリオでの UV 放射照度レベルの決定にどのように役立つかを示しています。
最初の例は、わずか 12 度の狭いビームで 365 nm の UV 光を放出する UV 懐中電灯です。 下のチャートは、UV ビームの軸に沿ったさまざまなポイントで測定された放射照度の値を 1 フィート間隔で示しています。
懐中電灯から比較的近い 12 インチの距離で、29.5 mW/cm² の放射照度値が測定されました。これは、多くの UV 硬化アプリケーションには十分な高さですが、ビーム角度が狭いため、主にスポット硬化アプリケーションにのみ役立ちます。 また、距離が増加すると、UV 放射照度値も増加し、逆二乗法則が一般に成立することもわかります。光源から 48 インチに到達するまでに、UV 放射照度値は 2.1 mW/cm² しか得られません。
2 番目の例では、20W 365 nm UV フラッド ライトを見ていきます。 その名前が示すように、フラッド ライトは「フラッド」パターンで光を放射します。これは、狭いビームの懐中電灯よりもはるかに広いビームです。
下の図は、UV フラッド ライトが投影される表面に沿ったさまざまなポイントで UV 放射照度を測定するための一般的な設定を示しています。 UV 放射照度を決定する 2 つの距離コンポーネントがあることがわかります。1 つ目はランプからの垂直距離で、2 つ目はビーム パターンの中心からの距離です。
上記の UV 懐中電灯の例で見たように、UV ランプから遠ざけると、UV 放射照度が低下します。 UVフラッド ランプについては、ランプからのさまざまな距離ごとに個別のチャートを公開しています。
以下は、UV ランプから 6 フィートの垂直距離での UV 放射照度パターンのチャートです。 ビームの中心で、23 µW/cm² の UV 放射照度値を測定します。 放射状のリングは、この中心点からの距離と、各正方形内で測定されたさまざまな UV 放射照度値を示しています。
このチャートから、6 フィートの距離に取り付けられた UV フラッド ライトは、基本的な蛍光効果には十分な 11+ µW/cm² の UV 放射照度で約 20 平方フィートの領域をカバーできると結論付けることができますが、この取り付け高さでは、 ほとんどの場合、UV 硬化アプリケーションには適していません。
波長の間違いに注意！
ここまでは、UV-A 放射照度の量について説明してきましたが、必ずしもその質についてではありません。 UV-A の品質を見るとき、主に波長に関心があります。
UV-A 放射は、波長が 320 nm から 400 nm の間の任意の種類の電磁放射として広く定義されています。 この範囲内のすべての波長は UV-A の定義に該当しますが、すべての波長が蛍光効果の生成や硬化プロセスの開始に有効というわけではありません。 水銀と蛍光ブラック ライトは、広い範囲の波長で発光する傾向がありますが、それらが発光する主な波長の 1 つは 365 nm です。
その結果、多くの製品は 365 nm 放射照度レベル付近で設計/最適化されているか、少なくとも特徴付けられています。 購入した UV 硬化接着剤が 365 nm で 20 mW/cm² を要求するとします。 たとえば、UV LED の波長が 395 nm の場合、接着剤の特性は 395 nm ではなく 365 nm であるため、放射照度の値はほとんど意味がありません。 これは、間違った色の可視光を使用してランプを設計することに似ています。そもそも色がオフであるため、強度は実際には重要ではありません。
最終的な考え
UV-A アプリケーションに適した UV ランプを見つけることは、最初は困難な作業のように思えるかもしれませんが、一歩一歩確実に克服できます。 まず、アプリケーションに応じて、アプリケーションに必要な UV 放射照度値の概算を取得します。 多くの蛍光効果は低い UV 放射照度値で発生しますが、UV ベースの硬化にはさらに多くの効果が必要になる場合があります。
次に、信頼できる UV 放射照度データを提供する評判の良いサプライヤーから UV ランプ製品を見つけます。 データは、ランプ自体の電力定格と同じくらい重要であるため、ランプからの距離を指定する必要があります。
最後に、UV ランプが正しい波長を放出していることを確認します。 多くの LED ベースの UV ランプは UV 光を放出すると主張していますが、実際にはエネルギーの多くが UV-A のテールエンド近くにあり、可視紫光に隣接しています。
これらの 3 つの基本的なガイドラインを確認できれば、プロジェクトに適した UV ソリューションを見つけることができます。
