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[글로벌이슈기술] UV-C LED 기술에 의한 물의 살균·소독
이름 관리자 waterindustry@hanmail.net 작성일 2017.09.28 조회수 222
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Global Issue Technology 


“수은램프 장착 기존 UV 반응기, LED 시스템에 부적절
아퀴센스 테크, 최신 고효율 ‘UV-C LED’ 기술 개발”
                                                  (자외선 발광다이오드)            

살균에 적합한 250∼280㎚에서 특정 병원균 살균 목표로 다양한 광선 발산
수처리 설계자들, 효율적인 반응기 시스템 설계·제작에 많은 연구개발 필요


 UV-C LED 기술에 의한 물의 살균·소독

(Systems Approach to UV-C LED Water Disinfection)

물·대기 환경의 소독·살균 기술 시장에서 자외선(UV)을 활용한 기술은 중요한 역할을 한다. 이에 UV는 살균 공정을 필요로 하는 분야에 활용도가 늘어나고 있다. 최근에는 기존 UV를 활용한 살균보다 진보된 기술인 ‘자외선 발광다이오드(UV-C LED) 살균기술’이 개발됐다. 이 자료는 UV-C LED 방식의 살균기술을 세계 최초로 개발한 아퀴센스 테크놀로지(AquiSense Technology)사의 기술개발부 이사인 짐 코스만(Jim Cosman)이 기술의 특성 및 향후 개선·보완점에 대해 기술한 것이다. 이 내용을 번역했다.  [자료제공·번역 = 김덕연 본지 편집위원]

 

물속의 미생물 등 유해물질을 살균·소독하는 기술 시장에서 자외선(UV)을 사용하는 기술은 중요한 핵심 역할을 하며 이러한 살균 공정을 필요로 하는 다양한 분야에 사용이 크게 늘어나고 있다. 이에 UV에 의한 살균보다 최신 기술인 ‘자외선 발광다이오드(UV-C LED) 방식의 살균기술’에 대해 검토했다.

UV 기술이 가지고 있는 장점은 첫째, 유해한 화학물질(chemical) 사용 없이 처리가 가능하고(chemical free), 둘째, 화학물질 사용과 동시에 발생되는 몸에 유해한 디부틸프탈레이트(DBP)의 발생이 없다(no DBP). 셋째, UV는 다양한 수인성 미생물 제거에 매우 효과적이며 특히 클로린(chlorine, 염소)에 내성을 가진 크립토스포리디움(Cryptosporidium) 및 지아르디아(Giardia)의 제거도 가능하다(efficient pathogen inactivation).

넷째, 사용 및 유지·보수에 매우 용이한 기술이다. 예전에는 UV 광선 발산 목적으로 가스배출 방식의 수은램프 기술이 수처리 시스템에 사용되었으나, 최근에는 살균에 적합한 파장 범위인 250∼280㎚ 내에서 새로운 형태의 UV 광선을 발산하는 UV-C LED 방식이 개발되어 상용화되고 있다(low maintenance).

 

   
▲ 과거에는 UV 광선 발산 목적으로 가스배출 방식의 수은램프 기술이 수처리 시스템에 사용되었으나, 최근에는 살균에 적합한 파장 범위인 250∼280㎚ 내에서 새로운 형태의 UV 광선을 발산하는 UV-C LED 방식이 개발되어 상용화되고 있다. 사진은 UV 광선을 이용한 정수장.


기존 UV 기술의 장점에 추가하여 ‘UV-C LED 기술’이 가지고 있는 장점은 첫째, 기존 UV 램프에는 수은이 함유되어 있었으나, 이 기술에서는 램프 파손으로 인한 수은 위해물질의 방출이 없다(mercury free). 둘째, 고출력 UV-C LED 사용 및 고도 컨트롤 기술을 사용하여 기존 UV 시스템 대비 설치 부지면적이 작다(compact footprint).

셋째, 이 시스템은 간헐적 유량 변화에도 적절하게 운전 가능하며, 예열시간에 대한 고려 없이 즉각적으로 운전·정지 스위치 조작이 가능하다. 이로써 전력 사용을 줄이고 램프 수명을 연장시킬 수 있다(instant on/off).

넷째, 램프 수명은 전원 운전·정지 사이클 반복에 영향을 받지 않으며, 따라서 램프 사이클 조작에 제한이 없다(unlimited cycling). 다섯째, LED 자체는 열을 물속으로 이동·전파시키지 않기 때문에 램프 자체의 파울링(fouling) 방지가 가능하며 일정한 UV 출력을 보장한다(temperature independent).

자외선 발광다이오드(UV-LED)는 수은램프와 동일한 물리적 살균능력을 가지고 있다. 이에 비해 UV-C LED 기술은 고기능·고효율의 다양한 특성을 보유하고 있으며 이와 관련해 수은램프와 기본적인 성능 차이점을 비교하여 UV-C LED 기술 개발에 따른 시스템의 기술적 문제점들을 종합적으로 정리하였다.

 

Ultraviolet light has become a star player in the disinfection world. It is increasingly being used in key applications that require alternative disinfection options. UV disinfection has several advantages including:
1. Chemical free. UV provides physical treatment without the use of harmful chemicals.
2. No DBPs. No risk of harmful disinfection byproducts being generated as with chemical treatment
3. Efficient pathogen inactivation. UV is very effective against a wide range of waterborne pathogens, including chlorine-resistant organisms such as Cryptosporidium and Giardia.
4. Low maintenance. Robust technology that is easy to use and maintain.

Historically, conventional gas-discharge (mercury) lamps were employed in water treatment systems to emit UV light. Recently, a new type of light source(UV LEDs) emitting in the germicidal wavelength range(250 to 285 nm), has been rapidly developing and implemented into small-flow water treatment systems. In addition to the core benefits of UV disinfection technology listed above, UV-C LEDs offer additional benefits, including:
1. Mercury free. Conventional UV lamps contain mercury, but UV LEDs are free of hazardous materials, which eliminates the risk of a mercury spill due to a lamp breakage.
2. Compact footprint. High-power-density UV-C LEDs and advanced controls allow for a much smaller footprint compared to traditional UV systems.
3. Instant on/off. Systems are intermittent-flow friendly and can instantly be switched on and off without any warm-up time requirements. This also enhances power savings and leads to a prolonged lamp life.
4. Unlimited cycling. Lamp life is not impacted by on/off cycles, allowing for unlimited lamp cycling.
5. Temperature independent. LEDs do not transfer heat into the water, thus limiting lamp fouling and ensuring a constant UV output, regardless of water temperature.

On a higher level, LEDs offer the same security of physical disinfection as mercury lamps. It is important, however, to examine the fundamental differences between UV-C LEDs and mercury lamps. New thinking and design approaches are required to fully utilize the potential of this exciting new light-source. An overall systems approach is required to fully harness the enormous potential offered by UV-C LEDs. Below are the key engineering issues associated with UV-C LED system development.

 

UV 광선의 특성 검토 및 구조의 견고성·신뢰도 보유 필요
(Nature of light source, robustness and reliability)

 
설계에서 UV-C LED 기술로의 패러다임 변화에서 나타나는 차이는 램프 간 발산 프로파일의 차이에 의존하고 있다([그림 1] 참조). 이 그림 자체만으로 UV 반응기 설계 변화의 필요성을 쉽게 이해할 수 있다.

 

   
 

수은램프는 기본적으로 원통튜브형으로 설계되지만 UV-C LED에서는 점에 의한 발산 프로파일 기능으로 원통형 모양을 가질 수도 있으나 이는 꼭 필요한 조건은 아니다. 기본적으로 서로 다른 발산의 프로파일을 보유하고 있는 사항 외에 UV-C LED에서의 스펙트럼 출력이 검토되어야 한다. UV 파장에 따른 최대 살균효과의 범위는 260∼270㎚ 사이지만 지금까지는 저전압의 수은램프가 매우 보편적으로 사용되어 왔기 때문에 254㎚가 이상적인 파장으로 인식되어 왔다.

이에 반하여 UV-C LED는 준단색성(quasi-monochromatic, 출력 대부분은 10㎚ 갭 내에 분포)을 특징으로 하며 특정 병원균 살균을 목표로 하는 범위 내 또는 최대 병원균 UV 감도(sensitivity) 범위(255, 265, 275㎚ 등) 내에서 다양한 파장의 형태로 설계될 수 있다. 파장의 적절한 선정을 위한 설계자의 선택은 비용, 수명, 목표로 하는 병원균, UV 살균조사 출력 간의 조합 구성에 따라 항상 변하게 된다.

한편 새로운 UV-C LED 광선에 대한 경험부족으로 제조사들은 장치의 견고성 및 살균조사 능력에 충분한 신뢰를 갖도록 UV-C LED 사용으로 인한 사전 검사를 다양하게 실시하여야 한다. 따라서 UV-C LED 측정·검사용 설비의 사용이 이러한 데이터 산출에 매우 중요한 역할을 한다.

 

Principal design challenge is to understand a completely different light source, at slightly different germicidal wavelengths. Care must be taken to fully characterize its robustness and reliability. A key difference that sets the stage for this paradigm shift in design is the difference in emission profiles between these two lamps(Figure 1). From this diagram alone, it is easy to see the need for a change in UV reactor design geometry.

Mercury lamps require a cylindrical design, whereas UV-C LEDs have a point-source emission profile and may use, but do not require, a cylindrical profile. In addition to having a fundamentally different emission profile, the spectral output of UV-C LEDs must also be examined. With the popularity of low-pressure mercury lamps, 254 nm has been thought of as the ideal wavelength, even though the peak germicidal effectiveness falls between 260 and 270 nm, depending on the specific pathogen.

UV-C LEDs are quasi-monochromatic(majority of output falls within a 10-nm gap) but can be engineered in a variety of wavelengths within the germicidal range to target specific pathogens or the general peak pathogen UV sensitivity(e.g., 255, 265, 275 nm, etc.). The designer’s choice of wavelength is usually dependent upon a combination of cost, lifetime, target pathogen and UV intensity output.

In addition, given the lack of experience with this new innovative light source, manufacturers must extensively pretest UV-C LEDs to be fully confident in the robustness and emission of these devices over time. A UV-C LED measurement and test facility is critical to yield this important data.

 

반응기 설계기술 개발(Reactor design)

 

   
▲ LED가 내장된 파이프의 내부 사진. 수처리 시스템에서 고효율의 UV 반응기를 설계하는 데 보다 많은 연구개발이 있어야 하며, 전체적인 효율을 상세하게 검토하는 것은 반응기 설계의 전제조건이다.

램프의 자외선 조사 프로파일 차이로 인하여 LED 램프가 장착된 처리용 챔버(chamber)는 기존 수은램프에서 사용된 것보다 기본적으로 다른 형태로 구성되어야 한다. 또한 반응기 챔버 내에서 새로운 광선 소스를 효과적으로 분산시키는 방법을 검토해야 한다.

현재 상업용으로 출시된 UV-C LED는 기존 저압용 수은램프의 일반적인 17W(와트) 출력에 비하여 100㎽(밀리와트) 정도의 낮은 출력을 가지고 있다. 따라서 하나의 UV-C LED는 싱글 수은램프처럼 강력하지는 않지만 자체 출력과 출력밀도(유니트 당 출력) 성능은 오랫동안 매우 큰 폭으로 증가되어 왔다.

그 결과 수처리 시스템에서 전체 효율을 보상하거나 유지하기 위하여 고효율의 UV 반응기를 설계하는 데 보다 많은 연구개발이 있어야 한다. 배관용 파이프에 라이닝 도포를 입히는 등 일부 설계 개선이 이루어졌지만 전체적인 효율을 상세하게 검토하는 것은 반응기 설계의 전제조건이다.

이미 UV-C LED 기술은 가시광선 범위의 LED 기술 수준까지 성숙되었으며 우월한 효율성을 가지게 되어 실제로 어떤 형태의 구조로도 설치·운영이 가능하다. 그러나 현재는 반응기 설계가 효율적으로 제작 가능한 경우에만 UV-C LED 시스템이 효율적으로 사용 가능한 점이 문제로 대두되고 있다.

현재 일부 UV-C LED 시스템이 출시되어 있으며 이들은 모두 서로 다른 반응기로 설계되어 있다. 효과적인 반응기 설계 제품은 아직 쉽게 상업화되어 출시되어 있지 않으나 수은램프 시스템보다 더 효율적인 반응기 구조를 설계·형상화하는 데 많은 연구개발이 이뤄지고 있다. 개발과정에 간혹 컴퓨터에 의한 유량 활성화 모델(CFD, computational fluid dynamics)이나 유한요소 분석(finite element analysis) 등 고도의 모델링 툴(tool)이 생물학적 조사량측정(biodosimetry), 광량측정(actinometry) 등 물리적 측정기술과 함께 적절하게 사용되고 있다.

 

Principal design challenge is to increase the overall system efficiency by designing a highly efficient UV reactor. Because of the differences in lamp emission profiles, treatment chambers incorporating LEDs have the potential to be substantially different than those using conventional mercury-based lamps. The designer must find a way to efficiently distribute this new light source within the reaction chamber.

Currently,  commercially available UV-C LEDs have outputs below 100 mW (for a single device, around 3.5 mm2) compared to a 17-W, low-pressure mercury lamp (around 350mm x 15mm). Although single UV-C LEDs are not as powerful as single mercury lamps, their UV-C output and power density (output per unit area) has been increasing exponentially over the last few years.

As a result, more effort must be placed on designing a highly efficient UV reactor to compensate and maintain the overall efficiency of the water treatment system. Some designs may be elegant, such as lining a pipe with LEDs (as shown in Figure 2) but overall efficiency must be the driving premise.

Perhaps once UV-C LED technology has matured to the levels of visible LED technology and are exceptionally efficient, they can be placed in practically any configuration; but for now, UV-C LED systems can only be effective when built around exceptionally efficient reactor designs. There are only a few UV-C LED treatment systems available today, each with a different reactor design. Efficient reactor designs are not easily discovered.

Development teams spend years in designing and validating novel reactor configurations that are more efficient than mercury-lamp-based systems. Advanced modeling tools, such as computational fluid dynamics and finite element analysis, are deployed alongside physical measurement techniques, such as bio-dosimetry and actinometry.

 

발생되는 열의 관리(Thermal management)

 

LED를 사용하는 시스템의 핵심 장점 중 하나는 열이 물속으로 전달되지 않는다는 것이다([그림 2] 참조). LED는 장치의 정면에서 빛을 발산하고 뒷면에서는 열이 발생한다. 반면 수은램프에서는 빛과 열이 동일한 표면에서 발생된다.

 

   
 

한편 UV-C LED에서는 수은램프 보다 더 많은 열이 발생되므로 보다 정확하게 관리되어야 한다. 이러한 관리는 여러 방법으로 가능하나, 시스템의 수명에 영향을 미치므로 효과적인 관리를 수행하기 위해서는 새로운 기술이 필요하다. LED 경계선(junction)에서 높은 온도가 유지되면 LED에서 UV 출력은 줄어들며 시간이 경과함에 따라 살균능력은 감소한다.

따라서 열을 줄이는 기술 및 열 발생에 대한 모니터링을 실시하는 것은 UV-LED를 오랫동안 유지하는 데 매우 중요하다. 사용 환경에 따라 이러한 램프의 사용·교체 주기는 기존 수은램프의 일반적인 연중교체 수요와 비교하여 수년간으로 늘어날 수 있다.

 

Principal design challenge is to manage the heat emitted by UV-C LEDs to ensure long lamp life. One of the key benefits of LED-based systems is that they do not transfer heat into the water(Figure 3). LEDs emit all their light at the front surface of the device and heat at the back surface, whereas mercury lamps emit both light and heat through the same surface.

UV-C LEDs emit more heat than mercury-based lamps, which must in turn be managed correctly. This can be done through a variety of ways and will aid in the longevity of the system. New skill sets or specialists are needed to effectively accomplish this task. If high temperatures are maintained at the LED junction, the UV output of the LED will diminish and over time the disinfection efficacy of the system will reduce.

Implementing thermal heat-reduction techniques and heat monitoring is key to sustaining long-lasting UV LEDs. Depending on usage, the replacement interval of these lamps can be several years compared with annual replacement requirements of conventional mercury lamps.

 

시스템 모니터링 및 유지·보수(System monitoring/troubleshooting)

 

살균 성능에 대한 실시간 모니터링과 알람 신호 발생은 효과적인 UV-C LED 시스템에서 필수적인 사항이다. 또한 어떤 측정항목이 추적 가능하며 어떻게 측정이 실행되는지 파악하는 것은 시스템의 신뢰도를 확립하는 데 중요하다.

스마트 기술에 의한 설계는 램프 상태를 모니터링하고 애로사항 발생, 알람·시스템 정지의 프로토콜(protocol)을 위하여 어떠한 체크포인트가 필요한지 모니터링 하는 기능이 포함된다. 이러한 추적 가능한 기술을 사용함으로써 사용자에게 적절한 측정항목이 실제적으로 일치되고 있음을 확인하며 시스템이 비활성화 수준 및 기대수명 내에 있음을 확인하기 위하여 필요한 툴을 제공한다.

물의 살균·소독 공정에 UV-C LED 광선 소스를 이용하는 것은 설계자와 사용자 모두에게 UV 살균에 대하여 기존 생각을 바꿔야 하는 문제를 야기한다. 즉, 기존 수은램프를 활용하는 설계의 기본을 받아들이면서 아날로그 살균에서 디지털 살균으로 전환을 시도하는 과정에서 사고방식의 변화가 필요하다.

따라서 램프 효율에 주안점을 두는 대신 램프 및 반응기 모두의 효율에 의존하는 전체 시스템 효율에 착안하는 것이 보다 더 중요하다. UV-C LED 기술이 보다 더 효율적인 기술이 되기 위해서는 반응기에 대한 설계 개발이 시스템 효율 결정의 중요한 요소가 된다.

기존의 수은램프는 효율적으로 사용되어 왔으며 튜브형태의 반응기 또한 적당하게 효율성이 입증되었다. 그러나 UV-C LED 시스템은 현재 충분히 효율적이지는 않으며 따라서 시스템 효율이 수은램프 기준의 시스템 성능과 동일하거나 상회하는 수준으로 예외적으로 효율이 좋은 반응기가 개발된 경우에 이들을 양립하여 사용해야 한다.

 

Principal design challenge is to understand the critical parameters impacting UV-C LED life and performance and monitoring them effectively. Real-time monitoring of disinfection performance and alarm indication is vital to an effective UV-C LED system. Knowing not only which metrics to track but also how to implement them is critical to ensuring system confidence.

Smart designing includes monitoring the health of the lamp and which checkpoints require error indicators, alarms and system shut-off protocols. This tracking provides the end user with needed tools to ensure proper metrics are met and their system is at the required inactivation levels and life expectancy.

The introduction of UV-C LED light sources to the water disinfection industry challenges both designers and users to change the way they think about UV disinfection. While incorporating some design principles previously utilized with mercury-based lamps, in many cases, a paradigm shift will be required to make the transition from analog to digital disinfection. Rather than focusing on lamp efficiency, it is more important to focus on total system efficiency, which depends both on lamp efficiency and reactor efficiency.

Therefore, while the world waits for UV-C LEDs to become more efficient, reactor design becomes the determining factor in system efficiency. Mercury lamps are moderately efficient and their tube-geometry reactors are also moderately efficient. UV-C LED light sources are currently not as efficient, so they must be paired with exceptionally efficient reactors for the system’s efficiency to equal or exceed that of mercury-based water treatment systems.

 

결어(Conclusion)

 

수은램프가 장착된 기존의 UV 반응기는 LED로 작동되는 시스템에는 적절하지 않다는 것은 많은 설계자들이 인식하고 있다. 환경적 규제에 대응하기 위하여 지속적으로 일정 미생물의 로그방식 제거율(log reduction) 특성을 제공하기 위해 유체학적 측면에서 고도로 진화된 반응기를 필요로 한다. UV-C LED 기술 개발은 매우 빠른 속도로 진행되고 있으므로 LED 램프 효율은 점차 커지고 가격은 떨어지게 될 것이다.

따라서 UV-C LED 기술은 반응기 장치의 효율성 증가에 대한 인식이 없더라도 매우 다양한 분야로 활용될 것이다. 그러나 가까운 장래에는 UV-C LED 장치를 선택할 때 전체적인 시스템 설계 및 효율성이 매우 중요한 요소로 자리 잡을 것이다. 사용자, 규제당국, 수처리 설계자들은 이러한 사항을 인식하고 효율적인 반응기를 개발 제작하는 데 무엇이 필요한지 이해하여야 한다.

 

Many designers have quickly learned that conventional UV reactors utilized for mercury lamps are not suitable for LED-driven systems. Fluid dynamics require a highly advanced reactor in order to provide consistent log reduction for demanding regulations. As UV-C LED development continues to move forward at a rapid pace, the efficiency of LEDs will increase, while prices will decrease.

Therefore, UV-C LEDs will eventually become widely utilized without having to focus on reactor efficiency. For the foreseeable future, however, overall system design is critical when choosing to deploy UV-C LED devices. Users, regulators and water system designers need to be aware of this and understand what it takes to build and evaluate an efficient reactor because, as we know, not all reactors are created equal. 

 

[『워터저널』 2017년 10월호에 게재]

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