3D프린터 UV 경화기 설계 포인트, 파장 선택부터 열 및 반사 최적화

이번 의뢰는 UV 경화기 개발 프로젝트였습니다. UV 경화기는 우리뿐만 아니라 한국의 어디를 가도 경험이 적은 분야 이기에 쉽지 않았습니다. 단순히 UV를 쏘아 경화를 시키는 장비가 아니라, 원하는 경화 품질과 생산성을 만들기 위해 파장 선택, 용량 산정, 열관리, 이동과 세척 까지 고려 해야 하는 기구 설계 그리고 PCB 까지 전부 연결해서 만들어 내야 하는 제품이었습니다.

사진에 보이는 것처럼 외형은 단정한 원통형이지만, 내부에는 조사 효율, 균일도, 방열, 안전을 동시에 만족시키기 위한 설계 의사결정이 꽤 많이 들어가 있습니다.

■ 이번 프로젝트에서 정리한 UV 경화 파장 표 (세계보건기구)

UV는 크게 UVA, UVB, UVC로 나뉘고, 실제 “경화” 장비에서 가장 많이 쓰는 구간은 UVA입니다. 특히 UV LED 경화는 365, 385, 395, 405nm가 대표 파장입니다.

구분	파장 범위	경화 장비에서의 의미	대표 LED 파장 예	메모
UVA	315–400nm	경화용 광개시제와 매칭이 쉽고, 산업용 UV LED 경화의 표준 구간	365, 385, 395, 405nm	UV LED 경화 “주력”
UVB	280–315nm	특정 수지나 특수 반응에서만 제한적으로 사용	285, 308nm 등	장비 설계 난이도 및 안전 고려가 커지는 편
UVC	100–280nm	주로 살균 목적, 일반 경화기에서는 보통 비주력	265, 275nm 등	경화 목적이라면 재료 호환성부터 다시 검토 필요

■ 경화용 UV LED 대표 파장 선택 가이드

LED 파장	현장에서 자주 쓰는 이유	경화 특성	설계 관점 포인트
365nm	두꺼운 재료에서 침투, 표면 마감 품질 확보에 유리한 케이스가 많음	“깊이 있는 제품”	395 대비 효율이 낮아 발열 부담이 커지기 쉬움,
385nm	침투와 표면 경화의 균형 포지션	“밸런스형”	레진과 광개시제 스펙 확인이 중요,
395nm	부품 조달성, 효율, 속도에서 강점	“속도와 생산성”	산업용 헤드에서 성능 스펙이 풍부,
405nm	가시광 경계라 사용성이 좋고, 빠른 표면 경화 목적에 자주 사용	“표면 쪽 빠르게”	재료가 405에 최적화되어 있는지 확인

■ 경화 크기별 필요한 용량과 전력 손실=발열, 계산식

여기서 “용량”은 챔버의 리터 수만으로 결정되지 않고, 실제로는 조사 면적과 목표 조사강도로 먼저 잡는 게 빠릅니다. 그리고 LED는 전력의 상당 부분이 열로 바뀌기 때문에, 규모가 커질수록 열관리 난이도가 기하급수로 커집니다.

아래는 개발을 위해 만들어 두었던 계산식 입니다.

목표 조사강도 예시: 50, 100 mW/cm² (코팅 및 산업용 LED 경화 논의에서 자주 등장하는 구간)
효율 가정: 395nm 기준 25%, 365nm는 395 대비 효율이 25–30% 낮아진다는 문헌을 반영해 18%로 예시
계산식: 필요 광출력(W) = 조사면적(cm²) × 조사강도(mW/cm²) ÷ 1000

■ 계산식으로 만들어낸 규모별 광출력과 열부하 예시

규모 (조사면적 예시)	목표 조사강도	필요 광출력	소비전력 @395 (효율 25%)	열부하 @395	소비전력 @365 (효율 18%)	열부하 @365
S (120×120mm, 144cm²)	50 mW/cm²	7.2 W	28.8 W	21.6 W	40 W	32.8 W
S (120×120mm, 144cm²)	100 mW/cm²	14.4 W	57.6 W	43.2 W	80 W	65.6 W
M (200×200mm, 400cm²)	50 mW/cm²	20 W	80 W	60 W	111 W	91 W
M (200×200mm, 400cm²)	100 mW/cm²	40 W	160 W	120 W	222 W	182 W
L (300×300mm, 900cm²)	50 mW/cm²	45 W	180 W	135 W	250 W	205 W
L (300×300mm, 900cm²)	100 mW/cm²	90 W	360 W	270 W	500 W	410 W

표를 보면 아시겠지만, 같은 광출력을 만들더라도 파장이 짧아질수록 효율이 떨어져 열부하가 더 커질 수 있고, 결국 기구설계에서 방열 구조가 제품 성패를 좌우합니다.

■ 크기와 용량은 결국 “조사 면적”과 “열”로 귀결됩니다

경화기는 크기가 커질수록 단순히 LED를 더 붙이면 끝이 아니었습니다. 조사 면적이 늘면 필요한 광출력이 늘고, LED 전력의 많은 부분이 열로 바뀌면서 열부하가 급격히 커집니다. 특히 파장이 짧아질수록 효율이 더 떨어질 수 있어, 같은 성능 목표라도 발열 설계는 더 빡빡해집니다. 그래서 이번 제품은 초기부터 “얼마나 밝게 쏠 것인가”와 함께 “그 열을 어떻게 빼낼 것인가”를 동시에 MVP로 검증하는 방식으로 진행했습니다.

■ 가장 어려웠던 포인트는 LED 발열 과 반사 그 문제에 대한 정의

1) 발열 문제 재정의

UV LED는 생각보다 열이 많이 납니다. 문제의 본질은 “LED가 뜨겁다”가 아니라, LED에서 발생한 열이 밖으로 빠져나갈 경로가 짧고 굵게 설계되어 있느냐였습니다. 열은 결국 접촉면의 열저항, 유로의 병목, 그리고 연속 운전 시 열평형에서의 드리프트로 성능을 깎습니다. 그래서 승부는 부품을 더 붙이는 게 아니라, 열이 이동하는 길을 설계하고, 그 길이 장시간 운전에서도 유지되게 만드는 것이었습니다.

2) 반사 문제 재정의

UV 경화에서 반사는 생각보다 결정적이었습니다. 문제의 본질은 “반사율이 높다”가 아니라, 챔버 안에서 빛이 한번이라도 더 살아남아 그림자 영역까지 도달하도록 광 경로가 설계되어 있느냐였습니다. 빛은 내부에서 다중 반사를 거치며 섞이는데, 반사면의 표면 상태와 오염, 구조물에 의한 차폐가 누적되면 유효 광량과 균일도가 급격히 무너집니다. 그래서 승부는 LED 출력이 아니라, 광이 순환하는 길을 설계하고, 그 길이 오염과 열 환경에서도 유지되게 만드는 것이었습니다.

■ 경화기 LED 발열 과 반사 설계시 주의 사항

항 목	발열 설계 관점(Heat)	챔버 반사/광학 관점(Optics)	현장에서 자주 생기는 문제	빠른 검증(MVP)
목표정의	LED 접합온도(Tj) 안정화, 장시간 운전 온도 드리프트 최소화	목표 조사강도 및 균일도 확보, 그림자 구역 제거	초반엔 잘 되다가 10~20분 후 성능 급락	30~60분 연속 운전 후 조사강도 및 온도 로그
구조 기본	열이 빠지는 “길”을 짧고 굵게, 접촉열저항 최소화	빛이 순환하는 “길”을 막지 않게, 반사면 시야 확보	방열판 잘 달았는데 챔버가 어두움	방열 구조 추가 전후로 조사강도 비교
소재선택	히트싱크는 Al/Cu, TIM(써멀패드/그리스) 품질이 핵심	내부 반사면은 UV 반사율 높은 금속, 코팅은 내UV 열화 고려	반사면 변색, 오염으로 경화 편차 증가	반사판 샘플별 조사강도 맵핑(간이 지그)
표면처리	도장/아노다이징은 방열에 불리할 수 있음(접촉면 관리)	내부는 확산 반사(매트) vs 정반사(미러) 선택이 균일도에 영향	핫스팟(국부 과경화), 반대로 코너 미경화	미러/헤어라인/샌드블라스트 샘플 비교
공기흐름	팬 위치, 흡기/배기 유로, 먼지 필터는 열저항 요소	공기 흐름이 광학 경로를 가리거나 반사면 오염 유발 가능	먼지로 반사율 저하, 장기 품질 하락	필터 유무, 유로 변경 후 조사강도 변화 확인
LED배치	방열 기준으로 모듈 간 간격, 히트싱크 면적 결정	광학 기준으로 배치, 각도, 거리로 균일도 확보	중앙은 과경화, 가장자리는 덜 됨	LED 각도/거리 스페이서로 3~5조건 테스트
윈도우	도어 주변 열 누설 및 내부 온도 상승 관리	윈도우 투과율(파장대), 반사/흡수, 오염 관리	창이 뿌옇게 변해 조사강도 감소	윈도우 소재별 투과 비교, 오염 전후 비교
차광밀패	외부로 UV 누설 방지, 안전 설계	내부로는 빛이 “새지 않게” 반사면으로 회수	외부 누설 막다가 내부 광로를 막음	누설 차단 전후 내부 조사강도 확인
센싱제어	온도 센서 위치(LED 근접), 과열 보호 로직	광량 피드백(옵션) 또는 주기적 캘리브레이션	같은 세팅인데 결과가 매번 달라짐	온도 1~2점 + 조사강도 측정 포인트 고정
유지보수	팬/필터 교체 주기 설계, 분해 용이성	반사면 청소/교체 용이성, 오염 접근성	시간이 갈수록 경화 시간이 늘어남	청소 전후 조사강도 회복률 측정
최종검증	열 평형 도달 시점, 최고온도, 드리프트	조사강도 맵, 균일도(최대/최소), 그림자 영역	대형 부품에서 일부만 미경화	격자 포인트 측정(예: 5×5)로 맵 만들기

■ 요즘 트렌드, 질소 인러팅은 왜 늘어나나

연구 하면서 알게된 최근 UV 경화 쪽에서 자주 듣는 키워드가 질소 인러팅입니다. 경화 반응에서 산소가 표면 반응을 방해하는 문제가 있고, 이를 줄이기 위해 산소 농도를 챔버안에서 경화하는 방식이 확산되고 있습니다. 표면 품질, 접착, 광택, 경화 속도 개선이 장점이지만, 그만큼 장비는 씰링과 유로 설계, 운영비까지 고려해야 하기 때문에 설계 난이도가 매우 올라갑니다. 이번 프로젝트에서도 해당 트렌드를 별도 분석하면서, “다음 버전에서 옵션화할 것인가”를 판단할 수 있는 기준을 내부적으로 정리 해야만 했습니다.

■ 마무리

이번 UV LED 경화기 개발은 기구설계, 시제품 제작, PCB 제작을 한 번에 연결한 프로젝트였습니다. 파장과 광출력만 맞추는 장비가 아니라, 열과 균일도, 안전과 생산성을 함께 맞추는 “3D프린터 UV 경화기”을 만드는 과정이었습니다. 비슷한 장비를 기획 중이거나, UV 경화 조건 때문에 품질 이슈를 겪고 있다면 파장, 조사강도, 열관리, 그리고 필요하다면 질소 인러팅까지 시스템 관점에서 같이 연구 해보시기를 권해 드립니다.감사합니다.