자외선(紫外線, ultraviolet, UV)은 가시광선보다 파장이 짧고 엑스선보다 파장이 긴 전자기파이다. 일반적으로 100~400 나노미터(nm)의 파장 범위를 가지며, 10~100 nm 사이의 파장은 극자외선(EUV)으로 따로 분류되기도 한다. 에너지 범위는 약 3.1~12 전자볼트(eV)로 가시광선보다 높은 에너지를 가지며, 단파장 자외선은 이온화 방사선으로 분류된다.
어원
'자외선'이라는 이름은 한자어 '紫外線'(자주색 바깥의 선)에서 유래했으며, 가시광선 스펙트럼에서 보라색(紫) 바깥쪽(外)에 위치한다는 의미를 담고 있다. 영어 명칭 'ultraviolet'은 라틴어 ultra(너머)와 violet(보라색)의 합성어로, 보라색 너머의 빛이라는 뜻이다. 1801년 독일 물리학자 요한 빌헬름 리터(Johann Wilhelm Ritter)가 염화은(AgCl) 종이가 가시광선의 보라색 바깥 영역에서 더 빠르게 감광되는 것을 관찰하여 발견하였다.
분류
자외선은 파장에 따라 다음과 같이 세분화된다.
- UVA (315~400 nm): 장파장 자외선. 지표면에 도달하는 자외선의 약 95%를 차지하며, 오존층에 흡수되지 않고 대부분 지면에 도달한다. 피부 깊숙이 침투하여 콜라겐을 손상시키고 피부 노화를 촉진한다.
- UVB (280~315 nm): 중파장 자외선. 대부분 오존층에 흡수되며, 일부만 지표면에 도달한다. 일광화상, 피부암 유발에 직접적으로 관여하며, 비타민 D 합성에도 관여한다.
- UVC (100~280 nm): 단파장 자외선. 에너지가 가장 높고 살균 효과가 크나, 오존층과 대기에 의해 완전히 흡수되어 지표면까지 도달하지 않는다. 인공 광원(수은등 등)으로 생성되어 살균 용도로 사용된다.
특성
자외선의 광자는 가시광선보다 높은 에너지를 가지고 있어 유기 분자와 상호작용할 때 화학 결합을 끊거나 전자를 들뜨게 할 수 있다. 이로 인해 형광 현상을 유발하고, DNA를 손상시키며, 화학 반응을 촉진한다. 대기 중의 오존층은 200~280 nm 파장의 자외선(UVC와 대부분의 UVB)을 흡수하여 지구상의 생명체를 보호한다.
태양 자외선
태양에서 방출되는 전자기 복사선 중 약 10%가 자외선이다. 지구 대기 상층에서는 태양 자외선의 약 77%가 차단되며, 지표면에 도달하는 자외선 중 95% 이상이 UVA이다. 태양의 천정 고도, 구름의 양, 오존층 상태, 위도 등에 따라 지표면 도달량이 달라진다.
인공 광원
자외선은 다양한 인공 광원으로도 생성된다. 대표적으로 수은등(저압 수은 증기 램프)은 253.7 nm의 UVC를 방출하여 살균 용도로 널리 사용된다. 블랙라이트(blacklight)는 장파장 UVA를 방출하며 형광 관찰용으로 사용된다. 자외선 LED는 UVA 영역(365 nm, 395 nm 등)에서 상용화되어 있으며, 자외선 경화, 위조지폐 감별 등의 용도로 쓰인다. 엑시머 레이저, 제논 아크 램프, 중수소 아크 램프 등도 자외선 광원으로 사용된다.
인간 건강에 미치는 영향
적절한 양의 자외선(특히 UVB)은 피부에서 비타민 D 합성을 촉진하는 필수적인 역할을 한다. 세계보건기구(WHO)는 일주일에 2~3회, 5~15분간 손, 얼굴, 팔을 햇빛에 노출하는 것만으로도 충분한 비타민 D를 얻을 수 있다고 권고한다. 또한 건선, 백반증 등 특정 피부 질환의 광선 치료에도 활용된다.
그러나 과도한 노출은 일광화상, 피부 노화, 피부암(기저세포암, 편평세포암, 흑색종)의 위험을 증가시킨다. 자외선은 피부 세포의 DNA에 직접적인 손상(피리미딘 이합체 형성)을 일으키거나, 활성 산소를 통한 간접적 손상을 유발한다. 눈에도 손상을 주어 광각막염, 백내장, 익상편 등의 원인이 될 수 있다.
응용 분야
자외선은 다양한 산업 및 과학 분야에서 활용된다.
- 살균 및 소독: UVC(특히 254 nm)는 미생물의 DNA를 파괴하여 살균 효과를 나타내며, 식수 처리, 폐수 처리, 공기 정화, 의료 기기 소독 등에 사용된다.
- 포토리소그래피: 반도체 집적 회로 제조 공정에서 193 nm 자외선을 사용한 미세 패턴 형성에 필수적이다.
- 자외선 경화: 잉크, 코팅, 접착제를 빠르게 경화시키는 데 사용된다.
- 분석 화학: 자외선-가시광선 분광법, 형광 분석, 단백질 및 핵산 정량 등에 사용된다.
- 법의학: 체액, 위조 지폐, 문서 감정 등에 활용된다.
- 천문학: 허블 우주망원경 등을 통한 자외선 관측으로 항성의 구성과 성간 물질을 연구한다.
- 곤충 유인: 전기 포충기 등에서 곤충을 유인하는 데 사용된다(파장 365 nm 부근).
생물학적 중요성
많은 곤충, 조류, 일부 포유류는 근자외선(NUV, 300~400 nm)을 볼 수 있어 의사소통, 먹이 탐색, 짝짓기 행동 등에 활용한다. 파충류는 비타민 D 합성과 칼슘 대사를 위해 UVB가 필요하므로, 사육 환경에서 인공 UV 광원이 제공되어야 한다.
