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자외선

전자기파 스펙트럼에서 보라색 띠에 인접한, 사람의 육안에는 보이지 않는 영역이다.

자외선(紫外線, ultraviolet, UV) 혹은 넘보라살[1]은 가시광선보다 짧고 엑스선보다는 긴 100~400 나노미터의 파장을 가진 전자기파다. 10에서 100 나노미터 사이의 파장은 극자외선이라고 불리며 연엑스선과 일부 특성을 공유한다. 자외선 방사선은 햇빛에 존재하며 태양에서 나오는 전체 전자기 방사선 출력의 약 10%를 구성한다. 또한 전기 아크, 체렌코프 효과, 그리고 수은등, 태닝 램프, 블랙라이트와 같은 특수 조명에서도 발생한다.

휴대용 자외선 램프 (UVA 및 UVB)
전기 아크에 의해서도 자외선이 발생한다. 아크 용접사는 광각막염과 심한 일광화상을 방지하기 위해 보호 안경을 착용하고 피부를 가려야 한다.

자외선의 광자는 약 3.1에서 12 전자볼트로 가시광선의 광자보다 더 큰 에너지를 가지며, 이는 원자를 이온화하는 데 필요한 최소 에너지 부근이다.[2]: 25–26  장파장 자외선은 그 광자에 충분한 에너지가 부족하여 이온화 방사선으로 간주되지 않지만,[3] 화학 반응을 유도하고 많은 물질이 빛을 내거나 형광을 발하게 할 수 있다. 화학적 및 생물학적 효과를 포함한 많은 실용적인 응용은 자외선이 유기 분자와 상호작용하는 방식에서 파생된다. 이러한 상호작용은 분자의 궤도 전자를 더 높은 에너지 상태로 들뜨게 하여 잠재적으로 화학 결합을 끊는 것을 포함할 수 있다. 대조적으로, 더 긴 파장 방사선의 주요 효과는 이러한 분자의 진동 또는 회전 상태를 들뜨게 하여 온도를 높이는 것이다.[2]: 28  단파장 자외선은 이온화 방사선이다.[3] 결과적으로 단파장 자외선은 DNA를 손상시키고 접촉하는 표면을 멸균한다.

인간에게 피부가 자외선에 노출되었을 때 나타나는 익숙한 효과는 선탠과 일광화상이며, 피부암 위험도 증가한다. 태양에서 생성되는 자외선의 양은 대기에서 대부분의 빛을 걸러내지 않는다면 지구가 육상 생명체를 유지할 수 없음을 의미한다.[4] 121 nm 미만의 더 에너지가 넘치고 짧은 파장의 "극"자외선은 공기를 매우 강력하게 이온화하여 지면에 도달하기 전에 흡수된다.[5] 그러나 자외선(구체적으로 UVB)은 인간을 포함한 대부분의 육상 척추동물에서 비타민 D 형성을 담당하기도 한다.[6] 따라서 자외선 스펙트럼은 생명체에 유익한 효과와 해로운 효과를 모두 가지고 있다.

가시광선의 하한 파장은 관습적으로 400 nm로 간주된다. 자외선은 일반적으로 인간이 볼 수 없지만, 400 nm는 날카로운 차단선이 아니며 이 범위에서 파장이 짧아질수록 점점 더 보이지 않게 된다.[7] 곤충, 조류 및 일부 포유류는 근자외선(NUV), 즉 인간이 볼 수 있는 것보다 다소 짧은 파장을 볼 수 있다.[8]

가시성

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인간은 일반적으로 시각을 위해 자외선을 사용할 수 없다. 척추동물의 인간 눈의 수정체와 1986년 이후 생산된 수술용 삽입 수정체는 300~400 nm의 근자외선 파장 범위의 대부분의 방사선을 차단하며, 더 짧은 파장은 각막에 의해 차단된다.[9] 인간은 또한 자외선에 대한 색 수용체 적응이 부족하다. 망막의 광수용체는 근자외선에 민감하지만 수정체가 이 빛의 초점을 제대로 맞추지 못해 자외선 전구가 흐릿하게 보이게 된다.[10][11] 수정체가 없는 사람들(무수정체증으로 알려진 상태)은 근자외선을 희끄무레한 파란색 또는 보라색으로 인식한다.[7] 근자외선 방사선은 곤충, 일부 포유류 및 일부 새들에게 보인다. 새들은 자외선에 대한 네 번째 색 수용체를 가지고 있으며, 이는 더 많은 자외선을 투과시키는 눈 구조와 결합하여 작은 새들에게 "진정한" 자외선 시각을 제공한다.[12][13]

역사와 발견

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"자외선(Ultraviolet)"은 가시광선 중 가장 높은 진동수를 가진 보라색 너머의 색(보라색 밖)이라는 의미이다(라틴어 ultra, "너머"). 자외선은 보라색 빛보다 높은 진동수(따라서 더 짧은 파장)를 갖는다.

자외선 방사선은 1801년 2월 독일 물리학자 요한 빌헬름 리터가 가시 스펙트럼의 보라색 끝 바로 너머에 있는 보이지 않는 광선이 보라색 빛 자체보다 염화 은에 적신 종이를 더 빨리 어둡게 만드는 것을 관찰하면서 발견되었다. 그는 Annalen der Physik에 아주 짧은 서신으로 이 발견을 발표했으며[14][15] 나중에 화학적 반응성을 강조하고 전년도에 가시 스펙트럼의 다른 쪽 끝에서 발견된 "열선"과 구별하기 위해 이를 "(탈)산화 광선"(독일어: de-oxidierende Strahlen)이라고 불렀다. 곧이어 더 단순한 용어인 "화학선"이 채택되었고, 일부 사람들은 이 방사선이 빛과 완전히 다르다고 주장했지만(존 윌리엄 드레이퍼는 이를 "티토닉 광선"이라고 명명했다[16][17]), 19세기 내내 인기를 유지했다. "화학선"과 "열선"이라는 용어는 결국 각각 자외선과 적외선 방사선으로 대체되었다.[18][19] 1878년에 박테리아를 죽임으로써 얻는 단파장 빛의 살균 효과가 발견되었다. 1903년까지 가장 효과적인 파장은 약 250 nm인 것으로 알려졌다. 1960년에 자외선 방사선이 DNA에 미치는 효과가 확립되었다.[20]

공기 중의 산소에 의해 강하게 흡수되어 "진공 자외선"이라고 이름 붙여진 200 nm 미만 파장의 자외선 발견은 1893년 독일 물리학자 빅토르 슈만에 의해 이루어졌다.[21] 자외선을 UVA, UVB, UVC로 구분하는 것은 1932년 8월 17일 코펜하겐의 크리스티안스보르성에서 열린 제2회 국제 빛 회의 위원회에서 "만장일치"로 결정되었다.[22]

하위 유형

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가장 광범위하게 10~400 나노미터로 정의되는 자외선 방사선(UVR)의 전자기 스펙트럼은 ISO 표준 ISO 21348에서 권장하는 여러 범위로 세분화될 수 있다.[23]

명칭 광자 에너지 (eV, aJ) 비고/기타 명칭
약어 파장 (nm)
자외선 A 3.10–3.94
0.497–0.631		 장파 자외선, 블랙라이트, 오존층에 흡수되지 않음: 연자외선.
UVA 315–400
자외선 B 3.94–4.43
0.631–0.710		 중파 자외선, 대부분 오존층에 흡수됨: 중간 자외선; 도르노(Dorno) 방사선.
UVB 280–315
자외선 C 4.43–12.4
0.710–1.987		 단파 자외선, 살균 자외선, 짧은 파장에서 이온화 방사선, 오존층과 대기에 의해 완전히 흡수됨: 경자외선.
UVC 100–280
근자외선 3.10–4.13
0.497–0.662		 조류, 곤충, 물고기에게 보임.
NUV 300–400
중자외선 4.13–6.20
0.662–0.993
MUV 200–300
원자외선 6.20–10.16
0.993–1.628		 짧은 파장에서 이온화 방사선.
FUV 122–200
수소
라이먼-알파		 10.16–10.25
1.628–1.642		 121.6 nm, 10.20 eV에서의 스펙트럼선.
H Lyman‑α 121–122
극자외선 10.25–124
1.642–19.867		 일부 정의에 따라 완전히 이온화 방사선; 대기에 의해 완전히 흡수됨.
EUV 10–121
Far-UVC[24][25][26][27] 5.28–6.20
0.846–0.993		 살균력이 있지만 피부 바깥층에 강하게 흡수되어 살아있는 조직에 도달하지 않음.
200–235
진공 자외선 6.20–124
0.993–19.867		 대기 중의 산소에 의해 강하게 흡수되지만, 150–200 nm 파장은 질소를 통해 전파될 수 있음.
VUV 10–200

자외선 스펙트럼의 서로 다른 부분에서 사용하기 위해 여러 고체 상태 및 진공 장치가 탐구되어 왔다. 많은 접근 방식이 가시광선 감지 장치를 조정하려고 시도하지만, 이들은 가시광선에 대한 원치 않는 반응과 다양한 불안정성을 겪을 수 있다. 자외선은 적절한 광다이오드와 자외선 스펙트럼의 다른 부분에 민감하도록 조정될 수 있는 광음극에 의해 감지될 수 있다. 민감한 자외선 광전자 배증소자를 사용할 수 있다. 자외선 방사선 측정을 위해 분광기와 방사계가 제작된다. 실리콘 검출기는 전 스펙트럼에 걸쳐 사용된다.[28]

진공 자외선

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진공 자외선(VUV) 파장(200 nm 미만)은 공기 중의 분자 산소에 의해 강력하게 흡수되지만, 150–200 nm 주변의 긴 파장은 질소를 통해 전파될 수 있다. 따라서 과학 기구는 고가의 진공 챔버 없이 산소가 없는 대기(순수 질소 또는 더 짧은 파장의 경우 아르곤)에서 작동함으로써 이 스펙트럼 범위를 사용할 수 있다. 중요한 예로는 (반도체 제조를 위한) 193 nm 포토리소그래피 장비와 원이색성 분광기가 있다.[29]

VUV 기기를 위한 기술은 수십 년 동안 태양 천문학에 의해 크게 추진되었다. VUV를 오염시키는 원치 않는 가시광선을 제거하기 위해 광학 장치를 사용할 수 있지만, 일반적으로 검출기는 비 VUV 방사선에 대한 반응에 의해 제한될 수 있으며, 태양광 차단 장치의 개발은 중요한 연구 분야였다. 실리콘 다이오드에 비해 고차단 광음극을 가진 넓은 밴드갭 고체 상태 장치나 진공 장치가 매력적일 수 있다.

극자외선

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극자외선(EUV 또는 때때로 XUV)은 물질과의 상호작용 물리학의 전환을 특징으로 한다.[30]: 2  약 30 nm보다 긴 파장은 주로 원자의 바깥쪽 원자가 전자와 상호작용하는 반면, 그보다 짧은 파장은 주로 속껍질 전자 및 핵과 상호작용한다. EUV 스펙트럼의 긴 쪽 끝은 30.4 nm에서의 현저한 He+ 스펙트럼선에 의해 설정된다. EUV는 대부분의 알려진 물질에 의해 강력하게 흡수되지만, 수직 입사에서 EUV 방사선을 약 50%까지 반사하는 다층 광학계를 합성하는 것이 가능하다. 이 기술은 1990년대에 NIXT 및 MSSTA 사운딩 로켓에 의해 개척되었으며, 태양 영상을 위한 망원경을 만드는 데 사용되어 왔다. 극자외선 탐사선 인공위성도 참조하라.

경자외선과 연자외선

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일부 소스에서는 "경자외선(hard UV)"과 "연자외선(soft UV)"의 구분을 사용한다. 예를 들어, 천체물리학의 경우 경계는 라이먼 한계(파장 91.2 nm, 바닥 상태에서 수소 원자를 이온화하는 데 필요한 에너지)에 있을 수 있으며, "경자외선"이 더 에너지가 넘친다.[31] 동일한 용어가 미용학, 광전자 등 다른 분야에서도 사용될 수 있다. 경자외선/연자외선 사이 경계의 수치는 유사한 과학 분야 내에서도 반드시 일치하지는 않는다. 예를 들어, 한 응용 물리학 간행물은 경자외선과 연자외선 영역 사이의 경계로 190 nm를 사용했다.[32]

태양 자외선

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다양한 고도에서의 오존 수치(DU/km) 및 자외선 방사선의 각 대역 차단: 본질적으로 모든 UVC는 대기 중의 이원자 산소(100~200 nm) 또는 오존(삼원자 산소, 200~280 nm)에 의해 차단된다. 이후 오존층이 대부분의 UVB를 차단한다. 한편, UVA는 오존의 영향을 거의 받지 않으며 대부분 지면에 도달한다. UVA는 지구 대기를 투과하는 자외선의 거의 전부를 차지한다.

매우 뜨거운 물체는 자외선을 방출한다(흑체 방사 참조). 태양은 10 nm에서 엑스선과 교차하는 극자외선을 포함하여 모든 파장의 자외선을 방출한다. (O형 및 B형과 같은) 매우 뜨거운 항성은 태양보다 비례적으로 더 많은 자외선을 방출한다. 지구 대기 꼭대기의 우주에 있는 햇빛(태양 상수 참조)은 진공에서 약 1400 W/m2의 총 강도 중 약 50%의 적외선, 40%의 가시광선, 10%의 자외선으로 구성된다.[33]

대기는 태양이 하늘에서 가장 높을 때(천정) 태양 자외선의 약 77%를 차단하며, 짧은 자외선 파장에서 흡수가 증가한다. 태양이 천정에 있을 때 지표면에서의 햇빛은 44%의 가시광선, 3%의 자외선, 나머지는 적외선이다.[34][35] 지구 표면에 도달하는 자외선 중 95% 이상이 장파장인 UVA이며, 소량이 UVB다. UVC는 거의 지구 표면에 도달하지 않는다.[36] 대기를 통과한 후 자외선에 남아 있는 UVA와 UVB의 비율은 구름의 양과 대기 조건에 크게 좌우된다. "부분적으로 구린" 날에는 구름 사이로 보이는 푸른 하늘 조각들도 (산란된) UVA와 UVB의 근원이며, 이는 하늘의 해당 부분에서 나오는 가시 푸른 빛과 동일한 방식으로 레일리 산란에 의해 생성된다. UVB는 또한 식물 호르몬 대부분에 영향을 미치기 때문에 식물 발달에 중요한 역할을 한다.[37] 완전히 흐린 동안 구름으로 인한 흡수량은 구름의 두께와 위도에 크게 좌우된다.[38]

UVC의 짧은 대역과 태양에서 생성되는 훨씬 더 에너지가 넘치는 자외선은 산소에 의해 흡수되며, 자외선 광분해에 의해 생성된 단일 산소 원자가 산소 분자와 반응할 때 오존층의 오존을 생성한다. 오존층은 대부분의 UVB와 공기 중의 일반 산소에 의해 이미 차단되지 않은 UVC의 나머지 부분을 차단하는 데 특히 중요하다.

차단제, 흡수제 및 창문

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자외선 흡수제는 재료의 자외선 열화(광산화)를 줄이기 위해 자외선을 흡수하는 유기 재료(중합체, 페인트 등)에 사용되는 분자다. 흡수제 자체도 시간이 지나면서 퇴화할 수 있으므로 풍화된 재료의 흡수제 수준을 모니터링하는 것이 필요하다.

자외선 차단제에서 아보벤존, 옥시벤존[39] 및 옥틸메톡시신나메이트와 같이 UVA/UVB 광선을 흡수하는 성분은 유기 화학적 흡수제 또는 "차단제"다. 이들은 이산화 타이타늄 및 산화 아연과 같은 자외선 방사선의 무기 흡수제/"차단제"와 대조된다.[40]

의류의 경우, 자외선 보호 지수(UPF)는 자외선 차단제의 차단 지수(SPF) 등급과 유사하게 직물의 보호가 있을 때와 없을 때 일광화상을 일으키는 자외선의 비율을 나타낸다. 표준 여름용 직물의 UPF는 약 6이며, 이는 자외선의 약 20%가 통과한다는 것을 의미한다.[41]

스테인드글라스에 부유하는 나노입자는 자외선이 이미지 색상을 변화시키는 화학 반응을 일으키는 것을 방지한다.[42] 한 세트의 스테인드글라스 색상 참조 칩은 2019년 ESA 화성 탐사선 임무를 위한 컬러 카메라 보정에 사용될 계획인데, 화성 표면에 존재하는 높은 수준의 자외선에도 변색되지 않고 유지될 것이기 때문이다.[43]

창유리와 같은 일반적인 소다석회 유리는 UVA에 부분적으로 투명하지만 짧은 파장에는 불투명하여 350 nm 이상의 빛은 약 90% 통과시키지만 300 nm 이하의 빛은 90% 이상 차단한다.[44][45][46] 한 연구에 따르면 자동차 유리는 주변 자외선의 3~4%를 통과시키며, 특히 자외선이 380 nm보다 큰 경우에 그러했다.[47] 다른 유형의 자동차 유리는 335 nm보다 큰 자외선 투과를 줄일 수 있다.[47] 석영유리는 품질에 따라 진공 자외선 파장까지도 투명할 수 있다. 결정질 석영과 CaF2, MgF2와 같은 일부 결정은 150 nm 또는 160 nm 파장까지 잘 투과한다.[48]

우드 유리(Wood's glass)는 약 9%의 산화 니켈(II)을 함유한 짙은 청보라색의 바륨-나트륨 규산염 유리로, 비밀 통신을 위해 가시광선을 차단하기 위해 제1차 세계 대전 중에 개발되었다. 320 nm에서 400 nm 사이와 더 긴 적외선 및 간신히 보이는 빨간색 파장에 투명하여 적외선 주간 통신과 자외선 야간 통신을 모두 가능하게 한다. 최대 자외선 투과율은 수은등의 파장 중 하나인 365 nm이다.

인공 광원

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"블랙라이트"

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사용 중인 두 개의 블랙라이트 형광등. 긴 관은 F15T8/BLB 18인치, 15와트 관으로, 아래쪽 이미지에서는 표준 플러그인 형광등 기구에 장착된 모습이다. 짧은 것은 F8T5/BLB 12인치, 8와트 관으로, 애완동물 소변 검출기로 판매되는 휴대용 배터리 작동식 블랙라이트에 사용된다.

블랙라이트 램프는 장파장 UVA 방사선을 방출하고 가시광선은 거의 방출하지 않는다. 형광 블랙라이트 램프는 다른 형광등과 유사하게 작동하지만, 가시광선 대신 UVA 방사선을 방출하는 내관 표면의 형광체를 사용한다. 일부 램프는 400 나노미터보다 긴 파장의 거의 모든 가시광선을 차단하는 짙은 청보라색의 우드 유리 광학 필터를 사용한다.[49] 이 튜브에서 나오는 보라색 빛은 자외선 자체가 아니라, 코팅에 의해 걸러지지 않고 빠져나온 수은의 404 nm 스펙트럼선에서 나오는 가시 보라색 빛이다. 다른 블랙라이트는 값비싼 우드 유리 대신 일반 유리를 사용하므로 작동 시 눈에 연한 파란색으로 보인다.

가시광선을 흡수하는 필터 코팅을 백열 전구 외벽에 사용한 백열 블랙라이트도 생산된다. 이것들은 저렴하지만 매우 비효율적이며 전력의 극히 일부만을 자외선으로 방출한다. 자외선 방출 형광체와 우드 유리 외벽을 갖춘 최대 1kW 등급의 수은 증기 블랙라이트는 연극 및 콘서트 디스플레이에 사용된다.

블랙라이트는 불필요한 가시광선을 최소화해야 하는 응용 분야에 사용된다. 주로 자외선에 노출되었을 때 많은 물질이 내뿜는 유색 빛인 형광을 관찰하기 위해 사용된다. UVA / UVB 방출 전구는 태닝 램프 및 파충류 사육과 같은 다른 특수 목적으로도 판매된다.

수은등

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콤팩트 형광등(CF) 형태의 9와트 살균 자외선 전구
정육점의 상업용 살균등

석영유리 관에 수은과 아르곤을 채운 수은등은 253.7 nm와 185 nm의 UVC 대역에서 두 개의 피크를 가진 자외선과 약간의 가시광선을 방출한다. 이 램프에서 생성되는 자외선의 85%에서 90%는 253.7 nm에 있으며, 이는 살균제로서 매우 효과적이다. 이 램프는 또한 추가적인 살균 효과가 있는 오존을 생성하는 데 효과적인 185 nm 자외선을 생성한다.[50] 이러한 튜브는 일반 형광등 튜브의 UVC 전력의 2~3배를 가진다. 이러한 저압 램프의 전형적인 효율은 약 30~40%로, 램프가 소비하는 100와트의 전기당 약 30~40와트의 총 자외선 출력을 생성함을 의미한다. 또한 수은의 다른 스펙트럼선으로 인해 청백색 가시광선을 방출한다. 이 "살균" 램프는 실험실과 식품 가공 산업의 표면 소독에 광범위하게 사용된다.[51]

백열등

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대부분의 가시광선을 흡수하는 필터 코팅이 된 백열 전구로 '블랙라이트' 백열등을 만들기도 한다. 석영유리 외벽을 가진 할로젠등은 일부 과학 기구에서 400에서 300 nm 사이의 근자외선 영역의 저렴한 자외선 광원으로 사용된다. 흑체 스펙트럼으로 인해 필라멘트 전구는 흑체 스펙트럼에 의해 설명되듯이 에너지의 극히 일부만을 자외선으로 방출하는 매우 비효율적인 자외선 광원이다.

가스 방전등

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서로 다른 가스를 포함하는 특수 자외선 가스방전등은 과학적 목적을 위해 특정 스펙트럼선에서 자외선 방사선을 생성한다. 아르곤 및 중수소 아크 램프는 종종 창이 없거나 플루오린화 마그네슘과 같은 다양한 창을 가진 안정적인 광원으로 사용된다.[52] 이것들은 종종 화학 분석을 위한 자외선 분광 장비의 방출원이다.

더 연속적인 방출 스펙트럼을 가진 다른 자외선 광원으로는 (태양광 시뮬레이터로 흔히 사용되는) 제논 아크 램프, 중수소 아크 램프, 수은-제논 아크 램프, 메탈 할라이드 아크 램프 등이 있다.

2000년대 초에 개발된 자외선 광원인 엑시머 램프는 과학 분야에서 사용이 증가하고 있다. 이는 고강도, 고효율 및 진공 자외선까지의 다양한 파장 대역에서 작동하는 장점이 있다.

자외선 LED

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380 나노미터 자외선 LED가 일부 일반적인 가정용품을 형광 발하게 한다.

자외선 영역의 방사선을 방출하도록 발광 다이오드(LED)를 제조할 수 있다. 2019년, 이전 5년 동안의 상당한 진보에 따라 1.0 W 출력에서 50%의 효율을 갖는 365 nm 및 그 이상의 파장을 가진 UVA LED가 출시되었다. 현재 가장 흔한 유형의 자외선 LED는 395 nm와 365 nm 파장으로, 둘 다 UVA 스펙트럼에 속한다. 정격 파장은 LED가 내뿜는 피크 파장이지만, 더 높거나 낮은 파장의 빛도 존재한다.[53]

더 저렴하고 흔한 395 nm 자외선 LED는 가시 스펙트럼에 훨씬 더 가까워 보라색을 띤다. 스펙트럼 더 깊숙한 곳의 다른 자외선 LED는 가시광선을 많이 방출하지 않는다.[54] LED는 자외선 경화 응용, 그림이나 장난감과 같은 야광 물체 충전, 위조지폐 및 체액 감출용 조명과 같은 응용 분야에 사용된다. 자외선 LED는 디지털 인쇄 응용 및 불활성 자외선 경화 환경에서도 사용된다. 2000년대 초반부터 시작된 기술 발전으로 출력과 효율이 향상됨에 따라, 자외선 경화 응용 분야에서 전통적인 자외선 램프를 대체할 수 있는 생존력 있는 대안이 되었으며, 고강도 응용 분야를 위한 새로운 자외선 LED 경화 시스템의 개발은 자외선 경화 기술 분야의 주요 연구 주제다.[55]

UVC LED는 빠르게 발전하고 있지만 효과적인 소독을 검증하기 위한 테스트가 필요할 수 있다. 대면적 소독에 대한 인용은 살균등으로 알려진 비 LED 자외선 광원에 관한 것이다.[56] 또한, 이들은 액체 크로마토그래피 기기에서 중수소 램프를 대체하기 위한 선광원으로 사용된다.[57]

자외선 레이저

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가스 레이저, 반도체 레이저, 고체 레이저를 자외선을 방출하도록 제조할 수 있으며, 전체 자외선 범위를 아우르는 레이저를 사용할 수 있다. 질소 가스 레이저는 질소 분자의 전자 들뜸을 사용하여 대부분 자외선인 빔을 방출한다. 가장 강력한 자외선 선은 파장이 337.1 nm와 357.6 nm다. 또 다른 유형의 고출력 가스 레이저는 엑시머 레이저다. 이들은 자외선 및 진공 자외선 파장 범위에서 빔을 방출하는 데 널리 사용되는 레이저다. 현재 193 nm에서 작동하는 자외선 아르곤-플루오린 엑시머 레이저는 포토리소그래피를 통한 집적 회로 생산에 일상적으로 사용된다. 현재 결맞는 자외선 생산의 파장 한계는 Ar2* 엑시머 레이저의 특징인 약 126 nm이다.

직접 자외선 방출 레이저 다이오드는 375 nm에서 사용할 수 있다.[58] 자외선 다이오드 펌핑 고체 레이저는 세륨으로 도핑된 리튬 스트론튬 알루미늄 플루오라이드 결정(Ce:LiSAF)을 사용하여 시연되었는데, 이는 1990년대 로렌스 리버모어 국립연구소에서 개발된 공정이다.[59] 325 nm보다 짧은 파장은 다이오드 펌핑 고체 레이저에서 상업적으로 생성된다. 자외선 레이저는 또한 저주파 레이저에 주파수 변환을 적용하여 만들 수 있다.[60]

자외선 레이저는 산업(레이저 각인), 의학(피부과 및 각막 절삭술), 화학(MALDI), 무선 광통신, 컴퓨팅(광기억 장치), 집적 회로 제조 등에 응용된다.[61][62]

가변 진공 자외선 (VUV)

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진공 자외선(V-UV) 대역(100~200 nm)은 2개 이상의 장파장 레이저의 합 또는 차 주파수 혼합에 의한 가스에서의 비선형 4광파 혼합에 의해 생성될 수 있다. 생성은 일반적으로 가스(예: 193 nm 근처에서 2광자 공명하는 크립톤, 수소)[63] 또는 금속 증기(예: 마그네슘)에서 수행된다. 레이저 중 하나를 가변형으로 만듦으로써 V-UV를 튜닝할 수 있다. 레이저 중 하나가 가스 또는 증기의 전이와 공명하면 V-UV 생산이 강화된다. 그러나 공명은 또한 파장 분산을 발생시켜 위상 정합이 4광파 혼합의 가변 범위를 제한할 수 있다. 차 주파수 혼합(즉, f1 + f2 − f3)은 위상 정합이 더 넓은 튜닝을 제공할 수 있기 때문에 합 주파수 혼합보다 유리하다.[63]

특히, 수소 또는 크립톤에서 가변 가시광선 또는 근적외선 레이저와 ArF(193 nm) 엑시머 레이저의 두 광자를 차 주파수 혼합하면 100 nm에서 200 nm를 아우르는 공명 강화 가변 V-UV를 제공한다.[63] 실제적으로 플루오린화 리튬 차단 파장 이상의 적절한 가스/증기 셀 창 재료의 부재로 인해 가변 범위는 약 110 nm보다 길게 제한된다. 75 nm까지의 가변 V-UV 파장은 창이 없는 구성을 사용하여 달성되었다.[64]

극자외선 플라스마 및 싱크로트론 광원

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레이저는 극자외선 리소그래피를 위해 13.5 nm에서 비결맞는 극자외선(E-UV) 방사선을 간접적으로 생성하는 데 사용되어 왔다. E-UV는 레이저에 의해 방출되는 것이 아니라 엑시머 레이저에 의해 들뜬 매우 뜨거운 주석 또는 제논 플라스마의 전자 전이에 의해 방출된다.[65] 이 기술은 싱크로트론을 필요로 하지 않으면서도 엑스선 스펙트럼 가장자리의 자외선을 생성할 수 있다. 싱크로트론 광원은 또한 10 nm에서의 자외선과 엑스선 스펙트럼 경계에 있는 파장을 포함하여 자외선의 모든 파장을 생성할 수 있다.

인간 건강 관련 효과

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자외선 방사선이 인간 건강에 미치는 영향은 햇빛 노출의 위험과 이점에 대한 함의를 가지며, 형광등과 건강 같은 문제와도 관련이 있다. 너무 많은 햇빛 노출은 해로울 수 있지만, 적당한 햇빛 노출은 유익하다.[66]

유익한 효과

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자외선(구체적으로 UVB)은 신체에서 생명에 필수적인 비타민 D를 생성하게 한다.[67] 인간은 적절한 비타민 D 수치를 유지하기 위해 약간의 자외선 방사선이 필요하다. 세계보건기구에 따르면:[68]

약간의 햇빛이 건강에 좋다는 점은 의심의 여지가 없다! 하지만 여름철에 일주일에 2~3회, 5~15분 동안 손, 얼굴, 팔을 가볍게 햇빛에 노출하는 것만으로도 비타민 D 수치를 높게 유지하기에 충분하다.

비타민 D는 음식과 보충제를 통해서도 얻을 수 있다.[69] 그러나 과도한 햇빛 노출은 해로운 효과를 낳는다.[68]

피부 질환

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자외선은 특정 피부 질환을 치료하기도 한다. 현대 광선 치료는 건선, 습진, 황달, 백반증, 아토피 피부염 및 국소 피부경화증을 성공적으로 치료하는 데 사용되어 왔다.[70][71] 또한 자외선, 특히 UVB 방사선은 가장 흔한 유형의 피부 세포인 각질 세포의 세포 주기 정지를 유도하는 것으로 나타났다.[72] 이처럼 햇빛 요법은 피부 세포가 평소보다 또는 필요 이상으로 빠르게 분열하는 질환인 건선 및 박탈성 구순염 치료의 후보가 될 수 있다.[73]

해로운 효과

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일광화상 효과(자외선 지수로 측정)는 자외선 파장 범위에 걸친 햇빛 스펙트럼(방사 강도)과 홍반 작용 스펙트럼(피부 민감도)의 곱이다. 방사 강도 밀리와트당 일광화상 생성은 315~295 nm 사이의 근 UVB 파장 사이에서 거의 100배 증가한다.

인간의 경우 자외선 방사선에 과도하게 노출되면 눈의 굴절계와 망막에 급성 및 만성적인 해로운 효과가 나타날 수 있다. 높은 고도에서 위험이 높아지며, 초여름까지 눈이 지면을 덮고 있고 천정에서도 태양 위치가 낮은 고위도 지역에 사는 사람들이 특히 위험하다.[74] 피부, 생체 리듬 시스템 및 면역계도 영향을 받을 수 있다.[75]

다양한 파장의 빛이 인간의 각막과 피부에 미치는 차별적인 효과를 때때로 "홍반 작용 스펙트럼"이라고 부른다.[76] 작용 스펙트럼은 UVA가 즉각적인 반응을 일으키지 않지만, 자외선이 315 nm에서 UVB 대역이 시작되는 지점 부근의 파장에서 광각막염과 피부 붉어짐(피부가 밝은 사람일수록 더 민감함)을 일으키기 시작하여 300 nm까지 급격히 증가함을 보여준다. 피부와 눈은 하부 UVC 대역인 265~275 nm에서 자외선 손상에 가장 민감하다. 더 짧은 파장의 자외선에서도 손상은 계속 발생하지만, 대기를 뚫고 들어오는 양이 적어 가시적인 효과는 크지 않다. WHO 표준 자외선 지수는 주어진 시간과 장소에서 작용 스펙트럼 효과에 대한 자외선 노출에 가중치를 부여하여, 인간 피부에 일광화상을 일으키는 자외선 파장의 총 강도를 널리 알리는 측정값이다. 이 표준은 대부분의 일광화상이 UVA와 UVB 대역 경계 부근의 파장에서 발생함을 보여준다.

피부 손상

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자외선 광자는 생물의 DNA 분자를 다양한 방식으로 해친다. 흔한 손상 사례 중 하나로, 인접한 티민 염기가 "사다리" 건너편 대신 서로 결합한다. 이 "티민 이합체"는 불룩한 부분을 만들고, 왜곡된 DNA 분자는 제대로 작동하지 않는다.

UVB 방사선에 과다 노출되면 일광화상뿐만 아니라 일부 형태의 피부암도 발생할 수 있다. 그러나 붉어짐의 정도와 눈의 자극(대부분 UVA에 의해 유발되지 않음)은 자외선에 의한 직접적인 DNA 손상을 반영하기는 하지만, 자외선의 장기적인 효과를 예측하지는 못한다.[77]

모든 대역의 자외선 방사선은 아교질 섬유를 손상시키고 피부 노화를 촉진한다. UVA와 UVB 모두 피부의 비타민 A를 파괴하여 추가적인 손상을 입힐 수 있다.[78]

UVB 방사선은 직접적인 DNA 손상을 일으킬 수 있다.[79] 이러한 암과의 연관성은 오존 고갈과 오존홀에 대해 우려하는 한 가지 이유다.

피부암 중 가장 치명적인 형태인 흑색종은 대부분 UVA 방사선과 무관한 DNA 손상에 의해 발생한다. 이는 전체 흑색종의 92%에서 직접적인 자외선 특징 돌연변이가 나타나지 않는다는 점에서 알 수 있다.[80] 가끔씩 발생하는 과다 노출과 일광화상은 장기적인 적당한 노출보다 흑색종의 더 큰 위험 요인일 가능성이 크다.[81] UVC는 에너지가 가장 높고 가장 위험한 유형의 자외선 방사선이며 돌연변이 유발 또는 발암성을 가질 수 있는 여러 부작용을 일으킨다.[82]

과거에 UVA는 해롭지 않거나 UVB보다 덜 해로운 것으로 간주되었으나, 오늘날에는 활성 산소와 같은 간접적인 DNA 손상을 통해 피부암에 기여하는 것으로 알려져 있다.[83] UVA는 하이드록실 및 산소 라디칼과 같이 반응성이 매우 높은 화학적 중간체를 생성할 수 있으며, 이는 결과적으로 DNA를 손상시킬 수 있다. UVA에 의해 피부에 간접적으로 발생하는 DNA 손상은 주로 DNA의 단일 가닥 절단으로 구성되는 반면, UVB에 의한 손상은 피리미딘 이합체(티민 또는 사이토신 이합체)의 직접적인 형성과 DNA 이중 가닥 절단을 포함한다.[84] UVA는 전신에 대한 면역 억제 효과가 있으며(햇빛 노출의 면역 억제 효과의 큰 부분을 차지함), 피부의 기저 세포 각질 세포에 돌연변이를 유발한다.[85]

UVB 광자는 직접적인 DNA 손상을 일으킬 수 있다. UVB 방사선은 피부 세포의 DNA 분자를 들뜨게 하여 인접한 피리미딘 염기 사이에 비정상적인 공유 결합이 형성되도록 하여 피리미딘 이합체를 생성한다. DNA에서 자외선에 의해 유도된 대부분의 피리미딘 이합체는 약 30가지의 서로 다른 단백질을 사용하는 뉴클레오타이드 절제 수복이라는 과정을 통해 제거된다.[79] 이 복구 과정을 벗어난 피리미딘 이합체는 프로그래밍된 세포 사멸(세포자살)의 한 형태를 유도하거나 돌연변이로 이어지는 DNA 복제 오류를 일으킬 수 있다.[86]

UVB는 mRNA를 손상시킨다.[87] 이는 피부의 염증과 일광화상으로 이어지는 빠른 경로를 촉발한다. mRNA 손상은 처음에 리보독성 스트레스 반응에서 ZAK-알파로 알려진 단백질을 통해 리보솜에서 반응을 촉발한다. 이 반응은 세포 감시 시스템 역할을 한다. 이러한 RNA 손상 감지에 이어 염증 신호 전달과 면역 세포 모집이 일어난다. 감지 속도가 느린 DNA 손상이 아니라 이것이 UVB 피부 염증과 급성 일광화상을 초래한다.[88]

자외선 방사선에 대한 방어 기제로, 적당한 수준의 방사선에 노출되면 피부의 갈색 색소인 멜라닌의 양이 증가한다(피부 타입에 따라 다름). 이것을 흔히 선탠이라고 한다. 멜라닌의 목적은 자외선을 흡수하여 에너지를 무해한 열로 소산시켜 자외선으로부터 발생하는 직접적 및 간접적인 DNA 손상으로부터 피부를 보호하는 것이다. UVA는 이미 존재하던 멜라닌을 산화시켜 며칠 동안 지속되는 빠른 태닝을 제공하고 멜라닌 세포에서 멜라닌 방출을 촉발한다. UVB는 신체가 더 많은 멜라닌을 생성하도록 자극하기 때문에 발현되는 데 약 2일이 걸리는 선탠을 생성한다.

자외선 차단제 안전성 논쟁

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자외선 차단제 효과의 시연. 왼쪽 이미지는 그의 얼굴을 찍은 일반 사진이다. 오른쪽 이미지는 반사된 자외선 사진이다. 남자의 얼굴 오른쪽 절반에만 자외선 차단제가 발려 있다. 자외선 차단제가 자외선을 흡수하기 때문에 더 어둡게 보인다.

의학 단체에서는 환자들이 자외선 차단제를 사용하여 자외선 방사선으로부터 스스로를 보호할 것을 권장한다. 5가지 자외선 차단제 성분이 생쥐의 피부 종양을 예방하는 것으로 나타났다. 그러나 일부 자외선 차단제 화학 물질은 살아있는 세포와 접촉한 상태에서 빛을 받으면 잠재적으로 해로운 물질을 생성한다.[89][90] 피부 하층부로 침투하는 자외선 차단제의 양은 손상을 입히기에 충분히 클 수 있다.[91]

자외선 차단제는 UVB를 차단함으로써 일광화상을 일으키는 직접적인 DNA 손상을 줄여주며, 일반적인 SPF 등급은 이 방사선이 얼마나 효과적으로 차단되는지를 나타낸다. 따라서 SPF는 "UVB 차단 지수"라고도 불린다.[92] 그러나 이 등급은 일광화상을 직접 유발하지는 않지만 간접적인 DNA 손상을 일으키고 발암성으로 간주되는 UVA에 대한 중요한 보호 기능에 대한 정보는 제공하지 않는다.[93] 여러 연구에 따르면 UVA 필터가 없는 것이 차단제를 사용하지 않는 사람들에 비해 차단제 사용자들 사이에서 흑색종 발생률이 더 높은 원인일 수 있다고 제안한다.[94][95][96][97][98] 일부 차단제 로션에는 UVA 광선을 차단하는 데 도움이 되는 이산화 타이타늄, 산화 아연 및 아보벤존이 포함되어 있다.

멜라닌의 광화학적 특성은 이를 훌륭한 광보호제로 만든다. 그러나 자외선 차단 화학 물질은 들뜬 상태의 에너지를 멜라닌만큼 효율적으로 소산시킬 수 없으며, 따라서 차단제 성분이 피부 하층으로 침투하면 활성 산소의 양이 증가할 수 있다.[99][89][90][100] 각질층을 통해 침투하는 차단제의 양은 손상을 일으키기에 충분할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

2006년에 발표된 Hanson 등의 실험에서 활성 산소(ROS)의 양은 처리되지 않은 피부와 자외선 차단제로 처리된 피부에서 측정되었다. 처음 20분 동안은 자외선 차단제 막이 보호 효과를 나타내어 ROS 종의 수가 더 적었다. 그러나 60분 후에는 흡수된 자외선 차단제의 양이 너무 많아져서 ROS의 양이 차단제로 처리되지 않은 피부보다 처리된 피부에서 더 많았다.[99] 이 연구는 자외선이 차단제가 주입된 살아있는 피부 세포로 침투하는 것을 방지하기 위해 2시간 이내에 차단제를 덧발라야 함을 시사한다.[99]

특정 피부 질환의 악화

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자외선 방사선은 다음을 포함한 여러 피부 상태와 질병을 악화시킬 수 있다.[101] 전신 루푸스 에리테마토수스, 쇼그렌 증후군, 시니어 어셔 증후군, 주사, 피부근염, 다리에 병, 킨들러-웨어리 증후군 및 땀구멍 각화증.[102]

눈 손상

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강한 자외선 광원의 위험을 경고하기 위해 표지판이 자주 사용된다.

눈은 265~275 nm의 하부 UVC 대역에서 자외선에 의한 손상에 가장 민감하다. 이 파장의 방사선은 지구 표면의 햇빛에는 거의 없지만 아크 용접에 사용되는 전기 아크와 같은 인공 광원에서 방출된다. 이러한 광원에 무방비로 노출되면 "용접공 섬광" 또는 "아크 눈"(광각막염)을 유발할 수 있으며 백내장, 익상편 및 검열반 형성으로 이어질 수 있다. 덜하긴 하지만, 310~280 nm의 햇빛 속 UVB도 광각막염("설맹")을 유발하며, 각막, 수정체, 망막이 손상될 수 있다.[103]

보호 안경은 자외선 방사선에 노출된 사람들에게 유익하다. 빛이 측면에서 눈에 도달할 수 있으므로 고산 등반과 같이 노출 위험이 높은 경우 일반적으로 얼굴 전체를 가리는 눈 보호 장구가 필요하다. 등산가들은 대기 필터링이 적고 눈과 얼음의 반사 때문에 평소보다 높은 수준의 자외선 방사선에 노출된다.[104][105] 일반적인 미처리 안경도 어느 정도 보호 기능을 제공한다. 위에서 언급했듯이 유리는 UVA에 투명하고 안경 렌즈에 흔히 사용되는 아크릴 플라스틱은 덜 투명하기 때문에, 대부분의 플라스틱 렌즈가 유리 렌즈보다 더 많은 보호 기능을 제공한다. 폴리카보네이트와 같은 일부 플라스틱 렌즈 소재는 본질적으로 대부분의 자외선을 차단한다.[106]

중합체, 안료 및 염료의 열화

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자외선에 손상된 폴리프로필렌 로프(왼쪽)와 새 로프(오른쪽)

자외선 열화는 햇빛에 노출된 플라스틱에 영향을 미치는 중합체 분해의 한 형태다. 이 문제는 변색이나 퇴색, 균열, 강도 저하 또는 분해로 나타난다. 공격의 효과는 노출 시간과 햇빛 강도에 따라 증가한다. 자외선 흡수제를 첨가하면 이 효과가 억제된다.

폴리에틸렌의 자외선 열화로 인한 카보닐 흡수를 보여주는 IR 스펙트럼

민감한 중합체에는 열가소성 플라스틱과 아라미드 같은 특수 섬유가 포함된다. 자외선 흡수는 사슬 구조의 민감한 지점에서 사슬 분해와 강도 저하를 초래한다. 아라미드 로프가 강도를 유지하려면 열가소성 플라스틱 외피로 보호해야 한다.

많은 안료와 염료는 자외선을 흡수하여 색상이 변하므로, 그림과 직물은 자외선 방사선의 두 가지 흔한 근원인 햇빛과 형광등으로부터 추가적인 보호가 필요할 수 있다. 창유리는 일부 해로운 자외선을 흡수하지만 귀중한 유물은 추가적인 차폐가 필요하다. 예를 들어 많은 박물관은 수채화와 고대 직물 위에 검은 커튼을 쳐둔다. 수채화는 안료 농도가 매우 낮을 수 있어 자외선으로부터 추가적인 보호가 필요하다. 아크릴(플렉시글라스), 라미네이트 및 코팅을 포함한 다양한 형태의 액자 유리는 서로 다른 정도의 자외선(및 가시광선) 보호를 제공한다.[107]

응용

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화학 반응을 일으키고 물질의 형광을 들뜨게 하는 능력 때문에 자외선 방사선은 여러 응용 분야를 갖는다. 다음 표[108]는 자외선 스펙트럼에서 특정 파장 대역의 몇 가지 용도를 보여준다.

사진술

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335에서 365 나노미터 사이의 자외선만을 사용하여 찍은 인물 사진

사진 필름은 자외선 방사선에 반응하지만 카메라의 유리 렌즈는 일반적으로 350 nm보다 짧은 방사선을 차단한다. 원치 않는 청색화와 자외선에 의한 과다 노출을 방지하기 위해 야외 사진 촬영 시 약간 노란 자외선 차단 필터가 자주 사용된다. 근자외선 사진 촬영을 위해서는 특수 필터가 사용될 수 있다. 350 nm보다 짧은 파장의 사진 촬영에는 방사선을 흡수하지 않는 특수 석영 렌즈가 필요하다. 디지털 카메라 센서는 색 재현 정확도를 높이기 위해 자외선을 차단하는 내부 필터를 가질 수 있다. 때때로 이러한 내부 필터는 제거될 수 있으며, 외부 가시광선 필터를 통해 카메라가 근자외선 사진 촬영을 할 수 있도록 준비한다. 일부 카메라는 자외선 영역에서 사용하도록 설계되었다.[110]

반사된 자외선에 의한 사진 촬영은 피부의 멍 감지, 문서의 변조 확인 또는 그림의 복원 작업과 같은 응용 분야에서 의학적, 과학적 및 법의학적 조사에 유용하다. 자외선 조명에 의해 생성된 형광 사진은 가시광선 파장을 사용한다.

허블 우주망원경이 자외선으로 본 목성 북극의 오로라

자외선천문학에서 측정값은 성간 물질의 화학적 조성, 그리고 항성의 온도와 조성을 식별하는 데 사용된다. 오존층이 많은 자외선 주파수가 지구 표면의 망원경에 도달하는 것을 차단하기 때문에 대부분의 자외선 관측은 우주에서 이루어진다.[111]

전기 및 전자 산업

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전기 기구의 코로나 방전은 자외선 방출로 감지될 수 있다. 코로나는 절연 열화와 오존 및 질소 산화물 배출을 유발한다.[112]

EPROM(지울 수 있는 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리)은 자외선 방사선에 노출되어 지워진다. 이러한 모듈은 칩 상단에 자외선 방사선을 통과시키는 투명한(석영) 창이 있다.

형광 염료의 용도

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자외선 아래에서 푸른 빛을 내는 무색 형광 염료가 종이와 직물에 형광 증백제로 첨가된다. 이러한 제제에서 방출되는 푸른 빛은 존재할 수 있는 노란 색조에 대응하여 색상과 흰색이 더 하얗게 또는 더 밝게 보이게 한다.

원색으로 빛나는 자외선 형광 염료는 일광 조명 아래에서 색상을 강화하거나 자외선 램프로 비출 때 특수 효과를 제공하기 위해 페인트, 종이 및 직물에 사용된다. 자외선 아래에서 빛나는 염료를 포함하는 블랙라이트 페인트는 여러 예술 및 미적 응용 분야에 사용된다.

자외선 광원 아래에서 볼 때 많은 비자 신용 카드에 새가 나타난다.

화폐 위조나 운전 면허증 및 여권과 같은 중요한 문서의 위조를 방지하기 위해 종이에 자외선 워터마크나 자외선 아래에서 보이는 형광 다색 섬유를 포함할 수 있다. 우표는 자외선 아래에서 빛나는 형광체로 태그되어 우표의 자동 감지와 편지의 방향 분류를 가능하게 한다.

자외선 형광 염료는 많은 응용 분야(예: 생해학 및 법의학)에서 사용된다. 일부 브랜드의 페퍼 스프레이는 뿌려진 공격자의 몸에 쉽게 씻겨 나가지 않는 보이지 않는 화학 물질(자외선 염료)을 남겨 나중에 경찰이 공격자를 식별하는 데 도움을 준다.

일부 유형의 비파괴 검사에서 자외선은 형광 염료를 자극하여 광범위한 재료의 결함을 강조한다. 이러한 염료는 모세관 현상(액체 침투 탐상 검사)에 의해 표면 결함으로 운반되거나, 철 재료의 자기 누설 필드에 걸린 페라이트 입자에 결합될 수 있다(자분 탐상 검사).

분석적 용도

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법의학

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자외선은 정액, 혈액, 침과 같은 체액의 위치를 파악하고 식별하는 데 도움이 되는 범죄 현장의 수사 도구다.[113] 예를 들어, 사출된 액체나 침은 액체가 퇴적된 표면의 구조나 색상에 관계없이 고출력 자외선 광원으로 감지될 수 있다.[114] 자외선-가시광선 미세 분광법은 또한 섬유 및 페인트 칩과 같은 미세 증거와 의문 문서를 분석하는 데 사용된다.

다른 응용 분야로는 다양한 수집품과 예술품의 진위 확인, 위조 화폐 감지 등이 있다. 자외선에 민감한 염료로 특별히 표시되지 않은 재료라도 자외선 노출 시 독특한 형광을 발하거나 단파 자외선과 장파 자외선에서 다르게 형광을 발할 수 있다.

잉크의 대비 강화

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다중 스펙트럼 이미징을 사용하여 파피루스 공관의 타버린 파피루스나 옥시링쿠스의 파피루스, 또는 아르키메데스 팔림프세스트와 같이 읽을 수 없는 파피루스를 읽는 것이 가능하다. 이 기술은 특정 파장의 빛을 캡처하도록 정밀하게 조정된 적외선 또는 자외선 범위의 다양한 필터를 사용하여 읽을 수 없는 문서의 사진을 찍는 것을 포함한다. 따라서 파피루스 표면의 종이에서 잉크를 구별하기 위한 최적의 스펙트럼 부분을 찾을 수 있다.

단순한 NUV 광원을 사용하여 독피지에 희미해진 철 기반 잉크를 강조할 수 있다.[115]

위생 준수

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개인 보호 장비를 착용하고 자외선 아래에서 빛나는 사람
가짜 체액을 이용한 훈련 연습 후, 보건 의료 종사자의 개인 보호 장비를 자외선으로 확인하여 보이지 않는 액체 방울을 찾는다. 이러한 액체에는 치명적인 바이러스나 기타 오염이 포함되어 있을 수 있다.

자외선은 정기적인 청소 및 소독이 실패했을 수 있는 표면에 남아 있는 유기 물질 퇴적물을 감지하는 데 도움이 된다. 호텔 산업, 제조업 및 청결 또는 오염 수준이 점검되는 기타 산업에서 사용된다.[116][117][118][119]

많은 텔레비전 뉴스 조직의 다년생 뉴스 특집에는 탐사 보도 기자가 유사한 장치를 사용하여 호텔, 공중 화장실, 손잡이 등의 비위생적인 상태를 폭로하는 내용이 포함된다.[120] “What's hiding in your hotel room?”. 《ABC News》. 2010년 11월 17일. 2016년 7월 22일에 원본 문서에서 보존된 문서. 

화학

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자외선-가시광선 분광법은 화학에서 화학 구조를 분석하기 위해 널리 사용되는 기술이며, 가장 주목할 만한 것은 공액계다. 자외선 방사선은 종종 주어진 샘플을 들뜨게 하여 형광 방출을 분광 형광계로 측정하는 데 사용된다. 생물학 연구에서 자외선 방사선은 단백질이나 핵산의 정량화에 사용된다. 환경 화학에서 자외선 방사선은 수질 샘플의 미량 오염 물질을 감지하는 데에도 사용될 수 있다.[121]

오염 제어 응용 분야에서 자외선 분석기는 예를 들어 화석 연료 발전소의 연도 가스에서 질소 산화물, 황 화합물, 수은 및 암모니아의 배출을 감지하는 데 사용된다.[122] 자외선 방사선은 자외선 파장에서 기름막의 높은 반사율, 기름 속 화합물의 형광, 또는 물에서의 라만 산란에 의해 생성된 자외선 흡수를 통해 물 위의 얇은 기름 유출 광택을 감지할 수 있다.[123] 자외선 흡광도는 폐수의 오염 물질을 정량화하는 데에도 사용될 수 있다. 가장 일반적으로 사용되는 254 nm 자외선 흡광도는 일반적으로 천연 유기 물질(NOM)을 정량화하기 위한 대리 매개변수로 사용된다.[121] 또 다른 형태의 빛 기반 감지는 들뜸-방출 행렬(EEM)을 사용하여 형광 특성에 기반한 오염 물질을 감지하고 식별한다.[121][124] EEM은 형광체의 빛 방출 및 들뜸의 차이에 따라 서로 다른 NOM 그룹을 구별하는 데 사용될 수 있다. 특정 분자 구조를 가진 NOM은 넓은 범위의 들뜸/방출 파장에서 형광 특성을 갖는 것으로 보고된다.[125][121] 자외선 램프는 또한 일부 광물과 보석 분석의 일부로 사용된다.

재료 과학 용도

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화재 감지

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자외선 조사를 받는 동안 화려하게 형광을 발하는 광물 샘플 모음

일반적으로 자외선 탐지기는 탄화 규소 또는 질화 알루미늄을 기반으로 하는 고체 상태 장치나 가스 충전 튜브를 감지 소자로 사용한다. 스펙트럼의 어느 부분에서든 자외선에 민감한 자외선 탐지기는 햇빛과 인공 조명에 의한 조사에 반응한다. 예를 들어 불타는 수소 화염은 185~260 나노미터 범위에서 강하게 방사하고 IR 영역에서는 매우 약하게 방사하는 반면, 석탄 화재는 자외선 대역에서는 매우 약하게 방사하고 IR 파장에서는 매우 강하게 방사한다. 따라서 자외선 탐지기와 IR 탐지기를 모두 사용하여 작동하는 화재 감지기는 자외선 탐지기 단독보다 더 신뢰할 수 있다. 거의 모든 화재는 UVC 대역에서 일부 방사선을 내뿜지만, 태양의 이 대역 방사선은 대기에 의해 흡수된다. 결과적으로 자외선 탐지기는 "태양 블라인드"가 되어 태양 방사선에 반응하여 경보를 울리지 않으므로 실내외 모두에서 쉽게 사용할 수 있다.

자외선 탐지기는 탄화수소, 금속, 황, 수소, 하이드라진 및 암모니아를 포함한 대부분의 화재에 민감하다. 아크 용접, 전기 아크, 번개, 비파괴 금속 테스트 장비에 사용되는 엑스선(가능성은 매우 낮음) 및 방사성 물질은 자외선 감지 시스템을 작동시킬 수준을 생성할 수 있다. 자외선 흡수 가스 및 증기의 존재는 화재로부터 나오는 자외선 방사선을 감쇠시켜 탐지기가 화염을 감지하는 능력에 부정적인 영향을 미친다. 마찬가지로, 공기 중의 오일 미스트나 탐지기 창의 오일 막도 동일한 영향을 미친다.

포토리소그래피

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자외선 방사선은 매우 미세한 해상도의 포토리소그래피에 사용되며, 이는 감광액(photoresist)이라 불리는 화학 물질을 마스크를 통과한 자외선 방사선에 노출시키는 절차다. 노출은 감광액에서 화학 반응이 일어나게 한다. 원치 않는 감광액을 제거한 후, 마스크에 의해 결정된 패턴이 샘플에 남는다. 그 다음 감광액이 남아 있지 않은 샘플 영역을 "에칭"하거나, 증착하거나, 수정하는 단계가 진행될 수 있다.

포토리소그래피는 반도체, 집적 회로 부품 및 인쇄 회로 기판 제조에 사용된다.[126] 전자 집적 회로 제조에 사용되는 포토리소그래피 공정은 현재 193 nm 자외선을 사용하며, 극자외선 리소그래피를 위해 실험적으로 13.5 nm 자외선을 사용하고 있다.

중합체

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빛이 나가거나 들어오기 위해 투명성이 필요한 전자 부품(태양광 패널 및 센서)은 자외선 에너지를 사용하여 경화되는 아크릴 수지를 사용하여 포팅될 수 있다. 장점은 낮은 VOC 배출과 빠른 경화다.

0, 20, 43시간 동안 마감된 표면에 미치는 자외선의 영향

특정 잉크, 코팅 및 접착제는 광개시제와 수지로 조립된다. 자외선에 노출되면 중합이 일어나 접착제가 보통 몇 초 이내에 굳거나 경화된다. 응용 분야에는 유리 및 플라스틱 접합, 광섬유 코팅, 바닥재 코팅, 오프셋 인쇄 시의 자외선 코팅 및 종이 마감, 치과 충전물, 소수성 광 활성화 접착제 및 장식용 손톱 "젤"이 포함된다.

자외선 경화 응용을 위한 자외선 광원에는 자외선 램프, 자외선 LED 및 엑시머 플래시 램프가 포함된다. 플렉소 또는 오프셋 인쇄와 같은 빠른 공정은 반사경을 통해 이동하는 기판과 매체에 집중된 고강도 빛을 필요로 하므로, 전기 아크나 마이크로파로 에너지를 공급받는 고압 수은(Hg) 또는 철(Fe, 도핑) 기반 전구가 사용된다. 저전력 형광등과 LED는 정적 응용 분야에 사용될 수 있다. 소형 고압 램프는 액체가 채워진 또는 광섬유 라이트 가이드를 통해 작업 영역으로 빛을 집중시켜 전달할 수 있다.

중합체에 대한 자외선의 영향은 중합체 표면의 (표면 거칠기 및 소수성) 수정에 사용된다. 예를 들어, 폴리메타크릴산 메틸 표면은 진공 자외선에 의해 매끄럽게 될 수 있다.[127]

자외선 방사선은 접착제를 위한 표면 에너지가 낮은 중합체를 준비하는 데 유용하다. 자외선에 노출된 중합체는 산화되어 중합체의 표면 에너지를 높인다. 중합체의 표면 에너지가 높아지면 접착제와 중합체 사이의 결합이 더 강해진다.

생물학 관련 용도

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공기 정화

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UV-C 빛은 공기를 소독하고 미생물 성장을 방지하여 실내 공기질을 개선하는 방법으로 에어컨 시스템에 사용된다. UV-C 빛은 박테리아, 바이러스, 곰팡이 및 흰곰팡이와 같은 해로운 미생물을 죽이거나 비활성화하는 데 효과적이다. 에어컨 시스템에 통합될 때 자외선은 일반적으로 증발기 코일 근처나 공기 처리기와 같은 영역에 배치된다. 에어컨 시스템에서 UV-C 빛은 시스템 내의 공기 흐름을 조사하여 해로운 미생물이 실내 환경으로 재순환되기 전에 죽이거나 중화하는 방식으로 작동한다. 에어컨 시스템에서의 효과는 빛의 강도, 노출 기간, 공기 흐름 속도 및 시스템 구성 요소의 청결도와 같은 요인에 따라 달라진다.[128][129]

이산화 타이타늄과 UVC 노출을 이용한 광촉매 화학 반응을 사용하여 유기물의 산화는 병원균, 꽃가루 및 곰팡이 포자를 무해한 불활성 부산물로 전환한다. 그러나 이산화 타이타늄과 UVC의 반응은 단순한 경로가 아니다. 수백 가지의 반응이 불활성 부산물 단계 이전에 발생하며 폼알데하이드, 알데하이드 및 기타 VOC를 생성하여 최종 단계로 가는 경로를 방해할 수 있다. 따라서 이산화 타이타늄과 UVC의 사용은 성공적인 결과를 위해 매우 구체적인 매개변수를 필요로 한다. 자외선의 정화 메커니즘은 광화학적 공정이다. 실내 환경의 오염 물질은 거의 전적으로 유기 탄소 기반 화합물이며, 이는 240~280 nm의 고강도 자외선에 노출될 때 분해된다. 단파 자외선 방사선은 살아있는 미생물의 DNA를 파괴할 수 있다.[130] UVC의 효과는 강도와 노출 시간에 직접적으로 비례한다.

자외선은 또한 일산화 탄소 및 VOC와 같은 가스 오염 물질을 줄이는 것으로 나타났다.[131][132][133] 184 nm 및 254 nm에서 방사되는 자외선 램프는 공기가 실내와 램프 챔버 사이에서 재순환된다면 낮은 농도의 탄화수소와 일산화 탄소를 제거할 수 있다. 이 방식은 처리된 공기에 오존이 유입되는 것을 방지한다. 마찬가지로, 공기는 184 nm에서 작동하는 단일 자외선 광원을 통과하여 처리될 수 있으며, 자외선 램프에 의해 생성된 오존을 제거하기 위해 오산화철 위를 통과할 수 있다.

멸균 및 소독

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저압 수은 증기 방전관이 사용하지 않을 때 후드 내부를 단파 자외선으로 가득 채워, 조사된 표면의 미생물 오염 물질을 무균 상태로 만든다.

자외선 램프는 생물학 실험실과 의료 시설에서 사용되는 작업 공간과 도구를 멸균하는 데 사용된다. 상업적으로 이용 가능한 저압 수은등은 방사선의 약 86%를 254 나노미터(nm)에서 방출하며, 265 nm가 살균 효과 피크 곡선이다. 이 살균 파장의 자외선은 미생물의 DNA/RNA를 손상시켜 복제할 수 없게 만들어 (유기체가 죽지 않더라도) 무해하게 만든다.[134] 미생물은 작은 틈새나 다른 그늘진 곳에서 자외선으로부터 보호받을 수 있으므로, 이 램프는 다른 멸균 기술의 보조 수단으로만 사용된다.

UVC LED는 상업 시장에 비교적 새로 등장했으며 인기를 얻고 있다.[135] 단색 특성(±5 nm) 덕분에 이러한 LED는 소독에 필요한 특정 파장을 타겟팅할 수 있다. 이는 병원균마다 특정 자외선 파장에 대한 민감도가 다르다는 점을 고려할 때 특히 중요하다. LED는 수은이 없고 즉시 켜고 끌 수 있으며 하루 종일 무제한 사이클링이 가능하다.[136]

자외선 방사선을 이용한 소독은 폐수 처리 응용 분야에서 흔히 사용되며 도시의 식수 물 처리에서도 사용이 증가하고 있다. 많은 샘물 병입 업체는 물을 살균하기 위해 자외선 소독 장비를 사용한다. 태양광 식수 소독[137]은 자연 햇빛을 사용하여 오염된 물을 저렴하게 처리하기 위해 연구되어 왔다. UVA 조사와 수온 상승이 물 속의 유기체를 죽인다.

자외선 방사선은 원치 않는 미생물을 죽이기 위해 여러 식품 공정에서 사용된다. 자외선은 고강도 자외선 광원 위로 쥬스를 흐르게 하여 과일 쥬스를 파스퇴르화하는 데 사용될 수 있다. 이러한 공정의 효과는 쥬스의 자외선 흡광도에 달려 있다.

펄스광(PL)은 200에서 280 nm 사이의 UVC가 풍부한 강렬한 광범위한 스펙트럼의 펄스를 사용하여 표면의 미생물을 죽이는 기술이다. 펄스광은 초당 여러 번 플래시를 생성할 수 있는 제논 플래시 램프와 함께 작동한다. 소독 로봇은 펄스 자외선을 사용한다.[138]

박테리아와 곰팡이를 포함한 다양한 병원균에 대한 필터링된 원자외선(222 nm) 빛의 항균 효과는 병원균 성장의 억제를 보여주었으며, 해로운 효과가 적기 때문에 병원 및 장기 요양 시설과 같은 의료 환경에서 신뢰할 수 있는 소독을 위한 필수적인 통찰력을 제공한다.[139] UVC는 또한 SARS-CoV-2 바이러스를 분해하는 데 효과적인 것으로 나타났다.[140]

생물학적

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새, 파충류, 꿀벌과 같은 곤충, 그리고 생쥐, 순록, 개, 고양이와 같은 포유류는 근자외선 파장을 볼 수 있다.[141] 많은 과일, 꽃 및 씨앗은 인간의 색각과 비교할 때 자외선 파장에서 배경과 더 강하게 대조되어 두드러진다. 전갈은 자외선 조명 아래에서 빛을 내거나 노란색에서 녹색을 띠게 되어 이러한 거미류의 방제를 돕는다. 많은 새들이 일반적인 파장에서는 보이지 않지만 자외선에서는 관찰할 수 있는 깃털 패턴을 가지고 있으며, 개, 고양이 및 인간을 포함한 일부 동물의 소변 및 기타 분비물은 자외선으로 훨씬 쉽게 발견할 수 있다. 설치류의 소변 흔적은 감염된 주거지의 적절한 처리를 위해 해충 방제 기술자에 의해 감지될 수 있다.

나비는 성별 인식 및 짝짓기 행동을 위한 통신 시스템으로 자외선을 사용한다. 예를 들어, Colias eurytheme 나비에서 수컷은 암컷을 찾고 식별하기 위해 시각적 단서에 의존한다. 짝을 찾기 위해 화학적 자극을 사용하는 대신, 수컷은 암컷 뒷날개의 자외선 반사 색상에 끌린다.[142] Pieris napi 나비의 경우, 환경에 자외선이 적은 핀란드 북부의 암컷이 남부의 암컷보다 수컷을 유인하기 위해 더 강력한 자외선 신호를 가졌음이 밝혀졌다. 이는 암컷이 내보내는 자외선 신호를 증가시키는 것보다 수컷 눈의 자외선 민감도를 높이는 것이 진화적으로 더 어려웠음을 시사한다.[143]

많은 곤충들이 비행 내비게이션의 참조로 천체의 자외선 파장 방출을 사용한다. 국지적인 자외선 방출기는 일반적으로 내비게이션 과정을 방해하고 결국 비행 곤충을 끌어들일 것이다.

파라과이 차코주에서 딱정벌레를 수집하기 위해 자외선 램프를 사용하는 곤충학자

녹색 형광 단백질(GFP)은 유전학에서 흔히 표지자로 사용된다. 단백질과 같은 많은 물질은 생화학 및 관련 분야에서 관심을 갖는 자외선 대역에서 상당한 빛 흡수 대역을 가진다. 자외선 기능이 있는 분광 광도계는 이러한 실험실에서 흔히 볼 수 있다.

전기 포충기라고 불리는 자외선 트랩은 다양한 작은 비행 곤충을 제거하는 데 사용된다. 그것들은 자외선에 끌려 전기 충격을 사용하여 죽거나 장치와 접촉하면 갇힌다. 다양한 디자인의 자외선 방사선 트랩은 또한 파충류 조사 연구 동안 야행성 곤충을 수집하기 위해 곤충학자들에 의해 사용된다.

치료

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자외선 방사선은 건선 및 백반증과 같은 피부 질환 치료에 도움이 된다. 피부가 과민감한 상태에서 소랄렌을 복용하고 UVA에 노출되는 것은 건선의 효과적인 치료법이다. 소랄렌이 간에 손상을 입힐 잠재성이 있기 때문에 PUVA 요법은 환자의 평생 동안 제한된 횟수만큼만 사용될 수 있다.

UVB 광선 치료는 치료적 이점을 위해 추가 약물이나 국소 제제가 필요하지 않으며 노출만 필요하다. 그러나 광선 치료는 안트랄린, 콜타르, 비타민 A 및 D 유도체와 같은 특정 국소 치료제나 메토트렉세이트 및 소리아탄과 같은 전신 치료제와 함께 사용할 때 효과적일 수 있다.[144]

파충류학

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파충류는 비타민 D의 생합성 및 기타 대사 과정을 위해 UVB가 필요하다.[145] 특히 뼈와 알 생산을 위한 칼슘 활용뿐만 아니라 기본 세포 / 신경 기능에 필요한 콜레칼시페롤(비타민 D3)이 그것이다. UVA 파장은 또한 많은 파충류에게 보이며 야생에서 살아남는 능력뿐만 아니라 개체 간의 시각적 통신에서 중요한 역할을 할 수도 있다. 따라서 전형적인 파충류 사육장에는 많은 포획 종들이 생존하기 위해 적절한 강도 / 스펙트럼의 형광 UV a/b 소스가 제공되어야 한다. 단순히 콜레칼시페롤(비타민 D3)을 보충하는 것만으로는 충분하지 않은데, "도약"하게 되는 완전한 생합성 경로(과잉 복용 위험)가 있으며, 중간 분자 및 대사 산물도 동물의 건강에 중요한 기능을 수행하기 때문이다. 적절한 수준의 자연 햇빛이 인공 광원보다 항상 우수하겠지만, 이는 전 세계의 사육자들에게 불가능할 수도 있다.

높은 수준의 UVa 스펙트럼 출력이 신체의 민감한 부분, 특히 부적절한 UVa/b 소스 사용 및 배치로 인해 실명이 초래되는 눈 부분에 세포 및 DNA 손상을 일으킬 수 있다는 것은 알려진 문제다(광각막염). 많은 사육자들을 위해 적절한 열원을 제공해야 한다는 필요성은 열과 빛 "조합" 제품의 마케팅으로 이어졌다. 사육자들은 이러한 "조합" 빛/ 열 및 UVa/b 발생기를 조심해야 한다. 그것들은 전형적으로 높은 수준의 UVa와 낮은 수준의 UVb를 방출하여 동물의 요구를 충족시키기 어렵게 설정되어 있다. 더 나은 전략은 이러한 요소들의 개별 소스를 사용하여 동물의 최대 이익을 위해 사육자가 배치하고 제어할 수 있게 하는 것이다.[146]

진화적 의의

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초기 생식 단백질과 효소의 진화는 현대 진화 이론 모델에서 자외선 방사선의 덕분으로 여겨진다. UVB는 유전 서열에서 서로 옆에 있는 티민 염기쌍이 함께 티민 이합체로 결합하게 하여 생식 효소가 복사할 수 없는 가닥의 붕괴를 초래한다. 이는 유전적 복제 및 단백질 합성 동안 프레임시프팅으로 이어져 대개 세포를 죽인다. 자외선을 차단하는 오존층이 형성되기 전, 초기 원핵생물이 해수면 근처로 접근했을 때 그들은 거의 예외 없이 사멸했다. 생존한 극소수는 유전 물질을 모니터링하고 뉴클레오타이드 절제 수복 효소에 의해 티민 이합체를 제거하는 효소를 발달시켰다. 현대의 체세포 분열 및 감수분열에 관여하는 많은 효소와 단백질은 복구 효소와 유사하며, 원래 자외선에 의한 DNA 손상을 극복하는 데 사용되었던 효소의 진화된 변형으로 믿어진다.[147]

상승된 수준의 자외선 방사선, 특히 UV-B는 화석 기록에서 대량 멸종의 원인으로 추측되기도 했다.[148]

광생물학

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광생물학은 생물체에서 비이온화 방사선의 유익하고 해로운 상호작용을 연구하는 과학으로, 관습적으로 산소의 제1 이온화 에너지인 약 10 eV를 경계로 나뉜다. 자외선은 에너지 면에서 대략 3에서 30 eV 범위에 걸쳐 있다. 따라서 광생물학은 자외선 스펙트럼의 전부는 아니지만 일부를 다룬다.

같이 보기

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각주

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