가열에 의한 플라스틱 렌즈의 변화 연구
조현국·문병연
강원대학교 안경광학과
투고일(2011년 8월 3일), 수정일(2011년 9월 6일), 게재확정일(2011년 9월 17일)
···
목적: 가열에 의한 플라스틱 렌즈의 변화를 연구하고자 하였다. 방법: −2.00D의 플라스틱 렌즈를 60−100oC의 온 도로 가열한 후 렌즈 굴절력의 변화, 표면 상태의 변화, 투과율의 변화를 조사하였다. 결과: 70oC에서 1시간, 75oC 에서 10분, 100oC에서 10초가 렌즈 표면의 변화를 일으키는 시작점으로, 가열온도가 높을수록, 중굴절률렌즈보다 고 굴절률렌즈에서 균열이 더 심하게 발생되었다. 투과율은 균열의 정도가 심해짐에 따라 감소되었다. 결론: 70oC이상 의 가열은 렌즈에 변형을 발생시킬 수 있으므로 안경사는 착용자의 작업환경을 고려하여 적절한 렌즈를 추천하여 야 하며, 착용자가 안경 사용에 주의를 기울일 수 있도록 안내를 해야 할 것이다.
주제어: 플라스틱 렌즈, 균열, 가열
···
서 론
안경렌즈는 시력교정 및눈의 건강에 중요한의료용구
이다
. 1930
년대 이후 아크릴산계 수지인MMA(methyl
methacrylate)
와CR-39(Columbia resin)
라 불리는ADC (allyl diglycol carbonate)
가소개된이후해마다수요가증가하여유리렌즈를대체하여 왔다[1]
.
최근에는대부분플라스틱렌즈가사용되어사용율이약
70~80%
에이르는것으로알려져있으나실제로사용되는 비율은그보다훨씬
더높을것으로예상된다[2]
. CR-39
계열의렌즈사용은중굴절률과고굴절률을갖는렌즈의보급으로감소되고있다
.
유리렌즈와비교하여 플라스틱렌즈는가벼워착용감이 좋으며
,
염색과탈색이 가능하고,
잘깨지지 않는장점이있다
.
그러나플라스틱렌즈는표면경도가약해잘긁힐수있다는단점이있어서이것을해소하기위해렌즈표면에 고경도의실리콘계수지막을입히는공정을거친다
.
이것을하드코팅
(hard coating)
이라고하며,
주로담그기(dipping)
법에의한 처리를한다[3-5]
.
또한가시광선의투과율향상과고스트상의발생방지를위해하드코팅막위에불화마 그네슘
,
불화세륨,
산화알루미늄,
산화지르코늄 등을진공증착시키는 부가적인 다층의 반사방지막코팅
(
멀티코팅)
을하게된다[4-6]
.
이러한하드코팅과멀티코팅은박리되지않아야하며
,
변색되거나갈라지지않아야한다.
또 플라스틱렌즈는 열에의해 팽창되거나 변형될수 있어서사우
나
,
여름철자동차안,
그외고온의작업환경은렌즈에열손상을발생시켜굴절력을비롯한다른특성에영향을미 칠 수 있을 것이다
.
일반적으로 플라스틱렌즈의 최고 사용온도는
60
−100
oC
정도인 것으로 알려져 있다[7].
본 연구에서는 플라스틱 렌즈에 열을 가한 후 굴절력
,
표면상태
,
투과율등렌즈 및코팅막에서발생되는변화를살펴보았다
.
재료 및 방법
국내 시중에서 유통되고 있는 굴절력 −
2.00
디옵터(diopter)
의하드코팅과멀티코팅이된렌즈로,
굴절률1.55
의중굴절률렌즈
2
개사제품(A, B products),
굴절률1.60
의 고굴절률렌즈
2
개사제품(C, D products)
을 이용하여온도에따른렌즈의변화를살펴보았다
.
모든렌즈들은외관검사를 통하여흠
,
긁힘,
왜곡,
맥리,
투명도등의 이상유무를 확인하였다
.
또한ASTM D 3359
방법에의한코팅막의 부착력을측정하였으며[8]
,
모두사용에 문제가없는5B
로 관찰되었다.
렌즈의가열방법은각각 온도
60
oC, 70
oC, 75
oC, 100
oC
의 물속에담근다음시간에따라변화를측정하였다
.
또한 −
15
oC
로 냉동조건에서도 렌즈의 변화를살펴보았다.
렌즈에 균일하게 열이 가해지도록 하기 위해 물의 양을 충분히하였으며
,
온도가안정화된것을확인한후렌즈를교신저자연락처: 문병연, 245-907강원도삼척시도계읍황조리 3번지 강원대학교안경광학과
TEL: 033-540-3412, FAX: 033-540-3419, E-mail: bymoon@kangwon.ac.kr
<초청논문>
248
조현국·문병연담그고가열하였다
.
가열전후렌즈의굴절력은 자동렌즈미터
(CLM-3100P, Huvitz, Korea)
를사용하여0.01
디옵터간격으로 측정하였다
.
각측정지점에서굴절력을3
회측정하여 중간값을 측정값으로 하였다
.
투과율은UV/Vis Spectrometer(X-ma 2000, Human, Korea)
를 사용하여1
nm
간격으로700 nm
에서350 nm
까지파장에따라각렌즈에 대해
3
회씩측정하였다.
각 조건별로2
장의 렌즈를대상으로하였으며
,
렌즈2
장의평균값을 사용하였다.
결과의분석은
SPSS(Ver. 12.0 for windows)
를이용하였으며,
p<0.05
일 때유의한것으로판단하였다.
또한투과현미경(CH30, Olympus, Japan)
을사용하여 가열에의한렌즈표면의균열상태를 ×
40
배율로관찰하였다.
결과 및 고찰
영하
15
oC
에서10
일(240
시간)
동안냉동한결과굴절력,
투과율
,
렌즈표면에서변화가발생되지않았으며, 60
oC
에서2
시간
30
분동안가열하였을때에도역시변화가없었다. 70
oC
로 가열할 경우1
시간, 75
oC
에서는10
분,
그리고100
oC
에서는10
초의가열로표면의변화가보이기시작하였다
.
따라서표면의변화가시작되는시간과온도의상관관계는
Fig. 1
로보여질수있을것으로생각된다.
가열온도가증가할수록내열시간은지수함수적으로급격히감소 한다
.
Table 1
은가열전후의평균굴절력의차이를보여준다.
렌즈미터에서렌즈의상
,
하,
좌,
우의4
개의 방향으로광학중심점
(OC),
광학중심점에서5 mm
떨어진지점(R
1),
광학중심점에서
10 mm
떨어진지점(R
2)
에서굴절력을 측정하였으며
,
각지점에서측정된굴절력의평균값을그지점의측정값으로하였다
.
광학중심점에서5 mm, 10 mm
떨어진 지점의굴절력을 측정하기 위해 프렌티스 공식[9]을
사용하였으며
, 5 mm
지점의굴절력은렌즈미터에서수평방향프리즘굴절력이
1
∆(
수직방향0
∆)
또는수직방향프리즘 굴절력이
1
∆(
수평방향0
∆)
이되도록 하여굴절력을측정하였다
.
가열전과후의굴절력차이는(
가열전굴절력-
가열후 굴절력)
으로 계산하였으며, (
−)
의차이값은 가열후굴절력이작아졌음을
, (+)
차이값은굴절력이커졌음을나타낸다
.
측정결과가열전후굴절력의(+), (
−)
방향변화에대한경향은없었다
.
굴절력의변화는중굴절률렌즈보다는 고굴절률렌즈에서
,
또70
oC
보다는100
oC
에서 차이가 더큰 것으로 보이며
, 100
oC
로10
초동안 가열한 경우중굴절률 렌즈와 고굴절률 렌즈의 변화량에는 유의성
(p<0.05)
이있었다.
그러나평균변화량차이가가장큰경우가
C
제품에서0.038D
이었고,
최대차이도0.06D
이하의작은값이므로
,
가열전후 굴절력의차이는임상적으로 의미있는 값은아닌것으로생각된다
.
Fig. 2
는 중굴절렌즈(A
제품)
의가열 후표면을 확인한사진이다
. 70
oC
에서1
시간, 75
oC
에서10
분, 100
oC
에서10
초 동안의 가열로렌즈 표면에서 균열이 시작되는 것을 볼 수있다
.
선이많을수록 균열이많은 것으로,
또 선이굵고선명할수록균열이크고깊으며
,
렌즈의투명도가떨어지는 것으로 볼 수있다
. 70
oC
에서1
시간(a), 75
oC
에서10
분(b)
가열한렌즈의균열은육안으로는확인이잘되지않았지만
100
oC
에서10
초(c)
가열한 렌즈는 육안으로 확인할 수 있었다
.
균열이 시작되는시점이 비슷하더라도,
가열온도가높을수록 균열이크고깊어지며 급속히진행
Fig. 1. Exponential curve for crack initiation time according to heating temperature.
Table 1. Mean power differences between before and after heating of lens
Temp.
Time Products
70
oC 75
oC 100
oC 100
oC 1 h 10 min 10 sec 20 sec (n=1.55) A
OC
−0.005 0.000
−0.010 0.005 R
10.000
−0.015 0.000
−0.018 R
2 −0.010
−0.005 0.002
−0.020 (n=1.55) B
OC 0.000
−0.005 0.002
−0.008 R
1 −0.015 0.007
−0.005 0.000 R
2 −0.002 0.007 0.005 0.005 (n=1.60) C
OC 0.013 0.002
−0.005
−0.025 R
1 −0.005
−0.005
−0.020
−0.038 R
20.005
−0.007 -0.008
−0.023 (n=1.60) D
OC 0.000 0.002
−0.013 0.032
R
10.002 0.002
−0.010 0.015
R
2 −0.002 0.025
−0.005 0.005
OC: optical center, R
1: 5mm from OC, R
2: 10mm from OC
Fig. 2. Surface images of A products heated at (a) 70oC for 1h, (b) 75oC for 10 min, (c) 100oC for 10 sec, (d) 100oC for 20 sec.
Fig. 3. Surface images of C products heated at (a) 70oC for 1h, (b) 75oC for 10 min, (c) 100oC for 10 sec, (d) 100oC for 20 sec.
250 조현국·문병연
되고
,
온도가낮을수록서서히균열이생기는것으로생각된다
. 100
oC
로10
초가열시 균열이시작이되며,
가열을더지속하면
(d)
균열의양이더많아짐을 볼수있다.
Fig. 3
은고굴절률 렌즈(C
제품)
의가열후표면에대한사진이다
.
중굴절률 렌즈에서와 마찬가지로 균열이 시작되는시점을기준으로가열온도에 따라선이선명해짐으 로써 균열이 크고
,
깊어짐을 알 수 있다.
또한 렌즈를100
oC
로가열했을 때시간이증가됨에따라선이훨씬진하고 선명해짐을 볼 수있다
. Fig. 2
와의비교를 통해 고굴절률 렌즈가중굴절률 렌즈보다더심한균열이생김을 볼 수있다
.
Fig. 4
는4
개제품을100
oC
로20
초동안가열한후표면상태를보여주는 사진이다
.
같은조건으로 가열을하였지만중굴절률 렌즈들
(a, b)
에비해고굴절률렌즈(c, d)
에서선이깊고진하게보임을알수있다
.
이것은70
oC
와75
oC
의 경우에서도마찬가지의 경향을보인다
.
따라서중굴절 Fig. 4. Surface images of lenses heated at 100oC for 20 sec. (a) A products (front side), (b) B products (front side), (c) C products(front side), (d) D products (front side), (e) C products (back side), (f) D products (back side).
률렌즈보다는 고굴절률렌즈들이 균열이심하며
,
내열성이약한것으로생각된다
. 100
oC
로20
초동안가열된고굴절률 렌즈들의 뒷면 표면상태
(e, f)
를 보여주는 사진에서선명한 선은 뒷면의 상태
,
희미하게 보이는 선은 앞면의균열이비춰져보이는상태이다
.
균열은앞뒷면모두에서진행이되지만 앞면에서 균열이좀 더많은 것으로보인 다
.
이것은오목하고볼록한렌즈의기하학적모습과관련이있을것으로생각된다
.
Fig. 5
는100
oC
에서20
초동안가열한중굴절렌즈(A
제품
)
표면의 멀티코팅을 제거한 뒤 표면의상태를 보여주는사진
(b)
이다.
렌즈에아무런 코팅처리가되지 않은경우
(a)
는가열후아무변화없이매끈한표면상태를유지하였지만
100
oC
에서20
초동안가열한렌즈는멀티코팅을제거하더라도렌즈 표면의균열이 보임으로써렌즈의균열 은 렌즈 자체보다는 하드코팅과멀티코팅에서 발생됨을 알수있다
.
이는렌즈,
하드코팅,
멀티코팅소재의열팽창계수차이에의한것으로짐작할수 있다
.
유기물인렌즈소재와하드코팅에비해반사방지막코팅은열팽창계수가 작아서멀티코팅에서 균열이발생되는 것으로알려져있 다
.
그러나멀티코팅에서발생된균열은하드코팅에도바로직접적인 영향을미치는것으로 생각된다[10]
.
Fig. 6
은중굴절률인B
제품(a)
과고굴절률인C
제품(b)
의투과율을 보여주는 그림이다
.
두 제품들 모두70
oC
와75
oC
에서는 가열하기 전과거의 차이가 없었다. 100
oC
로가열시는균열이 많아지고깊이가 깊어짐에따라선명도 가감소하고
,
투과율에서감소가 발생하는것을 알수있다
.
시감투과율이 가장 좋은555 nm
에 대해서, B
제품의경우
70
oC
와75
oC
에서 가열된 렌즈는 가열전과 비슷한94.4~95.1%
였지만100
oC
에서10
초동안가열시93%, 20
초가열시
91.6%
로 감소하였다. C
제품의 경우도 가열 전93.7%
에비해70
oC
와75
oC
가열에서는93.4~93.7%
로차이가없었지만
100
oC
로10
초가열에서91.5%, 20
초가열에서
89.3%
로 감소하였다. A
제품과D
제품에 대해서도100
oC
에서20
초동안의가열로각각1.8%, 4.2%
의투과율이 감소되었다
.
본연구에서는
70
oC
이상에서균열이발생되었지만렌즈 Fig. 5. Surface images of A products heated at 100oC for 20 sec.(a) no coated lens, (b) multicoating etched lens.
Fig. 6. Transmittance curves of lenses.
(a) B products, (b) C products.
252
조현국·문병연에따라서는 그이하의 온도에서 균열이발생될 수있을 것이며
,
또렌즈가테에끼워져있다면렌즈가테로 인해압력을받고있는상태이므로그이하의온도에서도 균열 이발생될 수있을것이다
.
또한두께가얇은렌즈의경우열에의해 왜곡도발생되어 굴절력의변화까지도유발될 수있을 것이다
.
균열이 생긴 렌즈를 사용하면 선명도가저하되고난반사가발생될것이며
,
눈의피로도증가와시력저하가 유발될수있을것이다
.
일부렌즈포장지에고온에주의할것을권장하고있지만안경사는안경착용자 에게열에의한렌즈의변형에대한내용을주지시킬필요 가있을것이다
.
내열성이강한국내외브랜드의렌즈가시판되고는있지만많이보급이되어있지않은상황이다[11]
.
안경사는고온의특수한상황을많이접하는안경착용자에 게내열렌즈를소개할필요가있으며
,
주기적으로렌즈의상태를점검하도록안내해야 한다
.
결 론
70
oC
에서1
시간, 75
oC
에서10
분, 100
oC
에서10
초가렌즈표면의변화를일으키는시작점인것으로생각된다
.
가열온도가 높을수록더 심한균열이발생되었고
,
고굴절률의렌즈가중굴절률렌즈보다균열이더심했으며
,
균열에따라투과율이감소되었다
. 70
oC
이상의열에의해렌즈가변형될수 있으므로 고온의상황을 많이접하는 안경착
용자에 대해서는렌즈의선택과안경의사용에더세심한 주의가 필요하다
.
참고문헌
[1] 강현식, “안경재료학”, 5판, 신광출판사, 서울, pp.325- 326(2010).
[2] 김상연, “플라스틱안경렌즈에관한고찰”, 한국안광학회지, 1(1):65-72(1996).
[3] Strawbridge I. and James P. F., “Thin silica films prepared by dip coating”, J. Non-Cryst. Solids, 82(1-3):366-372(1986).
[4] Jalie M., “Ophthalmic lenses & dispensing”, 1st Ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, pp.33-96(1999).
[5] 강현식, “안경재료학”, 5판, 신광출판사, 서울, pp.257- 276(2010).
[6] 장 수, 조재흥, “응용광학”, 4판, 대웅출판사, 서울, pp.211-214(1999).
[7] 김대수, “안경재료학”, 초판, 북스힐, 서울, pp.119-132 (2004).
[8] 유동식, 문병연, 하진욱, “안경렌즈코팅의평가방법에관 한비교연구”, 한국안광학회지, 11(1):7-15(2006).
[9] 성풍주, “안경광학”, 개정6판, 대학서림, 서울, pp.149- 157(2009).
[10] 최혜정, 진가헌, 박문찬, 차정원, 최경서, “안경가공조정 학”, 초판, 대학서림, 서울, pp. 392-401(2004).
[11] 한국안경신문, 제303호, “내열렌즈코팅성능실험해보니…” (2009), http://www.opticnews.co.kr/news/articleView.html?
idxno=12892(2009.08.31).
Study on the Changes of Ophthalmic Plastic Lens due to Heating
Hyun Gug Cho and Byeong-Yeon Moon
Department of Optometry, Kangwon National University
(Received August 3, 2011: Revised September 6, 2011: Accepted September 17, 2011)
Purpose: The changes in properties of plastic lens due to heating was investigated. Methods: Plastic lenses of
−2.00 diopter were heated at 60−100oC, and then changes of refractive power, surface condition and transmittance were examined. Results: It was shown that the changes of lens surface due to heating happened at 70oC for 1h, 75oC for 10 min and 100oC 10 sec, respectively. More serious crack was occurred in high index lens and at higher heating temperature, respectively, and transmittance decreased depending on the extent of the damage on the surface of lens. Conclusions: Heating at temperatures above 70oC drives cracks on the surface of lens.
Optician should recommend an appropriate lens considering the wearer's working conditions and guide for paying attention when they use eyeglasses.
Key words: Plastic lens, Crack, Heating