자외선(UV) 센서의 분광 부정합

분광 부정합은 UV 센서의 실제 분광 감응도와 이상적인 사각형 가중 함수 사이의 차이를 의미합니다. 광학 필터는 이상적인 차단 및 통과 대역을 갖지 못하기 때문에 필터가 장착된 모든 센서에서 발생합니다. 그 결과, 특정 램프에 맞춰 교정된 센서는 스펙트럼이 다른 광원에서는 체계적으로 벗어난 값을 보이게 됩니다.

조도계와 달리, UV 센서는 서로 다른 스펙트럼과 서로 다른 분광 범위에 맞게 설계됩니다. UV 센서가 원하는 분광 감응도를 갖도록 하기 위해, 제조사별 광학 필터를 사용하여 분광 감응도를 조정합니다.

아래 이미지는 자외선 방사를 측정하는 데 일반적으로 사용되는 UV 센서 또는 복사계의 구조를 보여줍니다. 이 센서는 여러 개의 광학 필터와 포토다이오드로 구성됩니다. 그 외의 전기 부품, 증폭 및 아날로그-디지털 변환 과정은 여기에 표시되지 않았습니다.

이상적으로는 감도 곡선이 일정한 직사각형 가중 함수에 대응해야 합니다. 그러나 실제로는 편차가 발생하며, 이를 이른바 분광 불일치(spectral mismatch)라고 합니다. 이는 센서의 실제 감도와 이상적인 가중 함수 간의 차이를 나타냅니다. 

이러한 편차의 원인은 필터가 적용된 모든 UV 센서에서 공통적으로 나타나는데, 사용되는 광학 필터가 이상적인 차단 및 통과 범위나 "무한히" 가파른 필터 경사면을 갖지 않기 때문입니다. 포토다이오드 또한 전형적인 분광 감도를 나타냅니다. 

분광 감도의 영향

분광 감도는 모든 UV 센서가 가지는 고유한 장치 특성입니다. 동일 유형의 센서는 유사한 특성을 보이지만, 제조사, 유형 및 분광 범위에 따라 서로 다른 센서는 크게 차이가 날 수 있습니다.
UV 센서의 측정값은 광원의 방출 스펙트럼에 크게 좌우됩니다. 특정 광원(예: 수은등 또는 UV LED)에 맞춰 교정된 센서는 다른 광원을 사용할 경우 상당한 편차를 나타낼 수 있습니다.
 

분광 불일치의 결과는 광원에 따른 측정 불확도로 나타납니다. 예를 들어 센서가 광대역 램프로 교정되었지만 협대역 UV LED와 함께 사용되는 경우, 표시값이 실제 유효값과 수십 퍼센트까지 차이가 날 수 있습니다. 이러한 편차는 재현 가능하며, 따라서 체계적인 성격을 가집니다.

분광 불일치의 예

UV 센서는 실제 가중 함수(회색)를 가지며, 이상적인 곡선(검정색)은 균일한 응답을 나타냅니다.

400 nm LED의 경우 상대 감도는 1.0입니다.
425 nm LED의 경우 상대 감도는 0.9로 감소합니다.

따라서 표시값은 약 10 % 작게 나타납니다. RMD 복사계와 같은 최신 측정 장치는 해당 램프 유형(예: 400 nm 또는 425 nm)이 올바르게 선택된 경우 이러한 영향을 내부적으로 보정합니다.

분광 불일치를 줄이는 방법

1. 광원 의존형 교정
Opsytec에서는 자외선(UV) 센서를 해당 애플리케이션에 실제로 사용되는 램프 또는 LED에 맞추어 교정합니다. 이를 위해 실험실에는 다양한 산업용 UV 광원이 준비되어 있어, 원하는 분광 범위에 정확히 맞추어 교정을 조정할 수 있습니다.

2. 수학적 보정
최신 복사계에서는 교정 계수를 센서에 직접 저장할 수 있습니다. UVA LED의 경우 365 nm, 청색 LED의 경우 450 nm와 같이 적절한 교정 범위를 측정 장치에서 간단히 선택하면 됩니다. 구형 시스템이나 외부 시스템의 경우 Opsytec에서 보정 계수를 산출하여 교정 인증서에 명시해 드립니다.

3. 분광복사계 사용
분광복사계는 전체 스펙트럼을 측정하므로 필터 곡선으로 인한 불일치는 제거되지만, 미광과 파장 교정은 여전히 불확도 요인으로 남습니다. 파장별 교정을 통해 편차는 계산으로 보정됩니다. UVpad 및 UVpad E 모델은 특히 이동식 사용에 적합합니다.

정밀 UV 측정을 위한 중요성

따라서 불일치를 파악하고 보정하는 것은 신뢰할 수 있는 UV 측정의 전제 조건이며, 특히 UV LED 시스템과 같이 협대역이거나 분광적으로 가변적인 광원을 사용하는 애플리케이션에서 더욱 중요합니다. 요청 시 Opsytec은 실제 사용되는 광원을 기준으로 교정을 수행합니다.

단 하나의 UV 램프만 측정하는 경우, 분광 불일치는 매우 잘 보정할 수 있습니다. 램프 또는 애플리케이션을 명시하는 것만으로 충분합니다.

예를 들어 소독에 사용되는 검출기의 경우, 저압 수은 램프가 교정 광원으로 자주 사용됩니다. 교정은 예를 들어 200~280 nm 또는 240~290 nm의 분광 범위에서 이루어집니다.

이 유효 스펙트럼은 넓은 파장 범위를 포함하지만, 실제로는 수은 램프의 253.7 nm 선만을 사용하여 이 단일 스펙트럼선에 대한 UV 복사계의 감도를 결정하는 경우가 대부분입니다.

따라서 이 교정의 결과는 특정 동작 조건에 대한 교정값을 제공하지만, 검출기의 분광 감도에 대한 정보는 제공하지 않습니다.

다양한 UV 램프와 UV LED를 측정하고자 하는 경우에는 분광복사계를 권장합니다.
 

더 자세한 내용을 원하시는 독자를 위하여:

교정 기준 및 규격

분광 불일치는 국제 표준, 특히 CIE 220:2016 - UV 복사계의 특성 및 교정 방법에 기술되어 있습니다.
권장 사항은 교정 광원을 실제 애플리케이션의 광원에 가능한 한 가깝게 맞추는 것입니다.

여러 개의 UV 램프 또는 UV LED가 사용되는 애플리케이션의 경우, Opsytec은 방출 스펙트럼을 완전히 측정하고 평가하기 위해 분광복사계의 사용을 권장합니다.
 

생산 라인에서의 연속 모니터링에 있어 샘플링 속도, 센서 대역 및 인터페이스가 어떤 의미를 갖는지는 애플리케이션 페이지 자동화 및 공정 통합을 위한 UV 기술에서 다루고 있습니다.

분광 부정합은 어떻게 계산됩니까?
부정합 계수(mismatch factor) F를 통해 계산됩니다. 이 계수는 측정 광원에 대해 이상적인 분광응답도 함수가 나타내는 값과 실제 센서가 나타내는 값을 서로 연관시키며, 각각 교정 광원을 기준으로 정규화됩니다:
F = [∫E_meas(λ)·s_ideal(λ)dλ / ∫E_meas(λ)·s_real(λ)dλ] · [∫E_cal(λ)·s_real(λ)dλ / ∫E_cal(λ)·s_ideal(λ)dλ]
이를 위해서는 네 가지 값이 필요합니다: 교정 광원의 분광 복사조도, 측정 광원의 분광 복사조도, 그리고 센서의 실제 분광응답도와 이상적 분광응답도입니다. 측정값에는 F가 곱해집니다. 이 편차는 계통적이고 재현 가능하므로, 교정 증명서에 고정 보정 계수로 명시하거나 복사계 내에 교정 범위(calibration range)로 저장할 수 있습니다.

실제로 오차는 얼마나 큽니까?
이는 교정 광원과 측정 광원이 분광적으로 얼마나 떨어져 있는지에 따라 다릅니다. 하나의 센서 응답 곡선 내에서는 흔히 몇 퍼센트 수준입니다: 상대 분광응답도가 400 nm에서 1.0이고 425 nm에서 0.9인 센서의 경우, 425 nm LED에서는 약 10 % 낮게 측정됩니다. 그러나 광대역 램프로 교정된 센서를 협대역 UV LED에 사용하는 경우, 측정값은 실제 가중값과 수십 퍼센트까지 차이가 날 수 있습니다. 이 편차는 재현 가능하며 따라서 계통적입니다 - 보정은 가능하지만 반복 측정으로 상쇄되지는 않습니다.

분광 부정합은 어떻게 보정할 수 있습니까?
세 가지 방법이 있습니다. 첫째, 광원별 교정입니다: 실제로 사용하는 램프 또는 LED에 대해 센서를 교정합니다. 둘째, 계산적으로 보정하는 방법입니다 - 최신 복사계는 교정 계수를 센서 내에 저장하고 기기에서 해당 범위를 선택할 수 있으며, 구형 기기나 타사 시스템의 경우 보정 계수를 산출하여 교정 증명서에 명시할 수 있습니다. 셋째, 분광복사계를 사용하는 방법입니다. 이는 전체 스펙트럼을 측정하므로 원칙적으로 분광 부정합이 발생하지 않습니다. 측정할 광원이 하나인 경우 보정 방식이 매우 잘 작동하며, 다양한 광원을 다루는 경우에는 분광복사계가 안전한 방법입니다.

253.7 nm에서의 교정이 분광응답도에 대해 아무것도 말해주지 않는 이유는 무엇입니까?
이는 단 하나의 동작점만을 확립하기 때문입니다. 소독 분야에서는 흔히 저압 수은 램프가 교정 광원으로 사용되며, 교정은 약 200~280 nm 또는 240~290 nm의 분광 범위를 기준으로 이루어집니다. 실제로는 이 중 거의 253.7 nm 선만이 사용됩니다. 그 결과로 얻어지는 것은 정확히 그 조건에서의 교정값일 뿐이며, 검출기의 분광응답도 형태에 대해서는 아무것도 말해주지 않고, 동일한 분광 범위 내의 다른 광원에도 적용되지 않습니다. 따라서 CIE 220:2016은 교정 광원을 적용 광원과 가능한 한 유사하게 맞추도록 권장합니다.