최근 자외선 차단제의 사용이 증가하면서 자외선 차단제 도포로 인한 자극성 피부염, 접촉 피부염, 광알레르기성 또는 광독성 피부염 등의 보고가 증가하고 있어 피부에 자극이나 알레르기 반응, 독성을 나타내지 않는 적절한 천연소재 자외선 차단제의 개발에 대한 필요성이 증대되고 있다. 이에 본 연구에서는 새로운 자외선 차단제 개발을 위한 기초 자료를 확보하기 위하여, 국내산 해조류 중의 자외선 흡수 물질의 분포를 조사하였다. (중략)
남극에 생육하는 5종의 홍조류(Curdiea racouitzae, Gigartina skottsbergii, Mazzaella obovata, Myriogramme manginii, Palmaria decipiens)를 대상으로 인공 중파 자외선과 태양광선에 대한 종별 생리적 반응을 광합성이라는 파라미터를 사용하여 조사 연구하였다. 실험실연구 결과, 종간에 중파 자외선에 대한 내성 차이가 확인되었으며 이러한 차이는 각 종들이 채집되기 전에 서식하고 있었던 수심과 매우 밀접한 관계가 있어서 20-30m의 수심에서 채집된 M. manginii와 P. decipiens의 자외선 내성이 다른 종들에 비하여 작게 나왔다. 본 연구 결과는 서식지 주변의 광환경이 해조류의 자외선 내성을 결정해 주는 한 요인이라는 가설을 입증해주었을 뿐 아니라 형광 변화를 이용한 광합성 측정법은 자외선 내성을 타진하는데 있어서 매우 신속하고 비파괴적인 방법으로 이용될 수 있음을 입증하였다. 두 종의 흥조류(M. manginii, P. decipiens)를 대상으로 태양광선 하에서의 광합성 효율을 관찰한 결과, 정오에 최저 광합성을 보인 반면 저녁에는 광합성 능력이 회복되는 현상을 나타내었다. 이같은 동적인 광저해 현상(dynamic photoinhibition)은 일종의 광적응 능력으로서 식물이 비교적 강한 태양광선에 노출된 지역에 성공적으로 서식하는데 크게 기여하는 것으로 사료된다. 본 연구에서는 또한 태양광선내 중파자외선 포함 유무에 따라 광합성 회복 속도에 차이가 나는 것을 볼 수 있었는데 중파자외선이 포함된 태양 광선 하에서는 광합성의 회복이 느린 반면, 중파 자외선이 제거된 조건에서는 광합성이 비교적 빨리 회복되는 것을 관찰할 수 있었고 이는 중파 자외선이 광합성 회복 기작을 지연시키는 작용을 한 것으로 해석될 수 있다. 야외에서 자외선 민감성을 비교한 결과, P. decipiens가 M. manginii에 비하여 자외선 내성이 큰 것으로 나타났는데, 두 종 공히 조간대로부터 조하대 상부까지 서식하는 종임에도 불구하고 이러한 내성차이를 보인 이유는 자외선 흡수물질의 정량적인 차이에 기인한다고 할 수 있다. M. manginii와 P decipiens에서 발견된 자외선 흡수물질의 양은 약 1:2 정도의 비율을 보였는데 이러한 정량적 차이가 자외선 민감성에 기여한 것으로 사료된다. 본 연구에서는 또한 계절별 그리고 채집 수심별로 자외선 흡수물질의 정량적 차이를 발견할 수 있었는데 태양광선이 풍부한 여름철에 그리고 고광량이 도달되는 수심 얕은 곳에 서식하는 개체가 더욱 많은 양의 자외선 흡수물질을 함유한 것으로 나타났다.
광원의 복사에너지가 물질에 입사하면, 그 물질의 고유한 특성에 따라 그 에너지의 일부는 흡수되고 나머지는 반사되거나 투과된다. 물질을 구성하는 분자가 빛을 흡수하면 그 빛의 파장에 따른 복사에너지에 의하여 열적 반응이나 광화학적 반응을 일으킨다. 특히 자외선복사에 의한 광화학적 작용은 물질의 변퇴색과 같은 광화학적 열화를 초래한다. 물질에 손상이 일어나면 그 물질의 가치상실 뿐 아니라, 손상된 것을 다시 복원하기 쉽지 않기 때문에 이에 대한 적절한 조명 환경을 마련하여 손상의 최소화나 보존에 많은 노력을 기울여야 한다. 본 연구에서는 자외선에 의한 광화학적 손상과 그 방호에 대하여 살펴보고, 전시조명용으로 많이 사용되는 인공광원과 자연주광을 대상으로, 이들 광원들이 방출하는 복사조도와 자외선을 포함하는 광복사량을 측정하고 그 결과를 분석하였다.
본 연구는 자외선 흡수제로 사용되는 benzophenone계(group) 및 높은 굴절률과 화학적, 물리적으로 매우 안정한 물질로 알려진 $TiO_2$를 기존의 재료에 첨가하여 자외선 차단 기능을 가진 고분자 재료를 중합하였다. 중합 결과 생성된 고분자의 자외선 흡수 정도를 기존의 재료들과 비교하였으며, 제조된 콘택트렌즈의 함수율, 굴절률 및 광투과율등의 기본적인 물성을 측정하였다. 측정 결과, 자외선 흡수제를 첨가한 콘택트렌즈의 굴절률과 함수율은 각각 1.430~1.440, 35.0~45.0의 값들로 나타나 기존의 콘택트렌즈와 비슷한 결과를 나타내었다. 또한 각 파장대별 광투과율에서는 자외선 흡수제를 넣지 않은 콘택트렌즈에서는 UV-A, UV-B, 가시광선 투과율이 각각 89%, 88%, 89%로 나타나 자외선 투과율이 매우 높았으나, 2-hydroxy-4-methoxy-benzophenone와 2,4-dihydroxy-benzophenone을 첨가한 콘택트렌즈의 경우, 각각 UV-A 0%, UV-B 6%의 투과율을 나타내어 자외선 차단 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 $TiO_2$를 첨가한 콘택트렌즈의 경우, 각각 UV-A 6%, UV-B 51%의 투과율을 나타내어 자외선 차단 효과가 다소 있는 것으로 나타났다. 가시광선 투과율은 모두 77~89%로 콘택트렌즈의 가시광선 투과율의 조건에 만족함을 알 수 있었다.
산업활동의 부산물인 chlorofluorocarbons(CFCs)와 같은 물질들의 대기권 유입으로 오존층의 파괴가 극심해짐에 따라 자외선의 지표유입량이 증가되는 추세를 보이는데, 특히 중파자외선의 증가는 DNA, 단백질, 지질 등에 의한 흡수를 통하여 생물학적 폐해를 야기할 수 있다는 점에서 주목된다. 최근 측정 결과 우리나라 동해안에서 해수표면에 도달되는 중파자외선 광량의 1%가 수심 l0 m까지 침투하는 것으로 나타났는데, 이는 해양생태계 생산성의 대부분이 해양 수심의 상위 2.5%에 해당되는 투광대에 의존한다는 점을 감안할 때 자외선에 의한 막대한 생태학적 폐해를 예견하게 해준다. 실내배양실험 연구에서 중파자외선은 대형해조류의 생장 및 광합성을 억제하고 광합성 색소를 파괴하는 등의 생물독성학적 효과를 보였다. 반면, 자외선의 피해로부터 해조류를 보호해 주는 몇 가지 기작이 밝혀진 바 있는데, 어린시기의 갈조류 다시마는 청색광에 의한 광재활성화 능력을 함유한 것으로 보이고, 한국산 녹조 구멍갈파래와 홍조 도박류에서는 자외선을 강하게 차단하는 흡수물질이 형성됨을 알 수 있었다. 그러나 이러한 적응기능들이 해조류에서 보편적으로 나타나는 것인지에 대해서는 좀 더 연구가 필요하다. 해양생태계는 대기 중 CO$x_2$를 이용하여 1년에 약 100 Gt의 유기물질을 생산해내고, 인류가 소비하는 식품의 30%를 제공한다는 점에서 자외선에 의한 생물량의 감소는 해조류 뿐만 아니라 먹이망에 의해서 복잡한 연결구조를 지닌 생태계 전체의 붕괴를 야기할 수 있는 심각한 사안이라고 할 수 있다. 따라서, 자외선에 대한 피해를 연구 평가하여 전략을 세우고 이를 예측하는 예보시스템을 개발할 필요성이 절실히 부각된다.
전달 행렬 방법과 capacitance-voltage 특성, 그리고 측정된 광응답 스펙트럼을 이용하여 Schottky 다이오드 UV-A와 B 광검출기에 사용되는 GaN, $Al_{0.2}Ga_{0.8}N$ 등의 반도체 및 Schottky 접촉 금속 Ni의 물질특성인 흡수계수(absorption coefficient)를 추출하였다. 입사된 빛이 반도체의 공핍영역에서 흡수되는 양을 구하고, 이로부터 각 파장에서의 광응답 특성을 얻는 과정을 컴퓨터 프로그램으로 구현하였다. 그리고, 계산 값을 측정치와 비교하여 각 파장에서 GaN, $Al_{0.2}Ga_{0.8}N$, Ni의 흡수계수를 얻을 수 있었다. 추출된 흡수계수를 이용하여 자외선 광검출기의 광응답을 높이는 설계 방안을 모색하였다. Ni의 흡수계수가 크기 때문에 광응답을 결정하는 주요 요소는 Ni 전극의 두께이다. 따라서 Schottky 접촉 금속 Ni의 두께를 줄이고, 공핍 영역의 크기를 늘릴 수 있다면 광응답 특성이 더욱 향상된 광검출기의 실현이 가능해질 것이다.
반응물과 생성물이 자외선 및 가시광선 영역에서 빛을 흡수하는 경우 시료의 농도 및 화학반응의 특성을 평가하는데 자외선가시광선분광법을 사용할 수 있다. 하지만 고농도와 높은 반응 온도 조건에서는 자외선가시광선분광법을 사용하는데 한계가 존재한다. 색을 가지고 있는 시료의 촉매 반응을 색상 분석으로 농도 및 조성을 외부에서 수집한 이미지를 분석하여 자외선가시광선분광법에서 동일한 결과를 얻을 수 있다. Resazurin은 촉매 및 환원제에 의해 resorufin으로 환원되며 농도에 따라 적색변광이 일어나며 카메라를 통해 수집하여 분석할 수 있다. 색상 분석을 위한 색공간은 CIE L*a*b*를 사용하였고 소프트웨어를 통해 각각의 색상좌표 값을 추출하고 각 시료의 농도를 분석하였다. 시료의 농도와 촉매 반응에 대해 색공간을 이용한 분석법과 자외선가시광선분광법의 결과와 비교하여 제시된 방법의 유효성을 확인할 수 있다. 더욱이 색상 분석을 통한 농도 분석에서는 자외선가시광선분광법과 다르게 흡수파장이 중복이 있는 경우에도 디콘볼루션 없이 독립적으로 두 물질의 농도 측정이 가능하다.
오존은 온도가 높고 태양 빛이 강한 여름철에 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds)과 질소화합물(NOx)의 광 화학 반응으로 생성되는 이차적 공해물질(Secondary Air Pollutant)이다. 성층권에 존재하는 오존은 피부암을 유발시키는 강한 자외선을 차단하고 흡수하는 고마운 존재이지만, 급속한 산업발달로 다량의 공해물질유출로 인해 생성된 지표면상의 오존은 대단히 유독해서 높은 농도에서 장시간 호흡 시 호흡기관의 장애는 물론이고 치사까지 이르게 하는 것으로 알려져 있다. (중략)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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