변색 안경렌즈, 자외선을 막기 위한 필수 다양한 광원으로부터 우리 안구를 보호하는 기능성 선글라스 렌즈의 필요성과 외부자극에 의해 물체의 색이 가역적으로 변화하는 현상인 변색을 이용한 선글라스 렌즈의 필요성이 대중화되고 있다.
광변색성이란? 광변색성(photochromism)은 분자나 결정의 흡광 특성이 광의 작용에 의해 단일의 화학종(a)이 화학적 결합상태가 다른 이성체(b)로 변경되면서 색이 변화되며 이들 변화가 가역적으로 변화하는 현상이다.
광변색 안경렌즈의 가시적 변화 일반적으로 광변색 물질은 자외선에 노출될 경우 착색이 된다. 가시광선을 조사하게 되면 본래의 엷은 색을 띠게 된다. 자외선에 의해 물질이 자극되어 화학적 또는 물리적으로 분자 구조에 변화가 일어나고, 가시적으로는 색의 변화가 일어난다.
코팅 변색 안경렌즈 왜 좋은가? 광변색 안경렌즈를 만드는 방법은 렌즈 제조 과정에 광변색 물질을 혼합시키는 방법과 광변색 물질을 침투 시키는 방법, 표면 코팅에 의한 광변색 안경렌즈를 제조하는 방법 등이 나온다.
우리의 눈은 빛의 변화에 적응하기 위해 동공이 넓어지고 가늘게 떠지는 등의 안구 주변부의 반복적인 불수의 운동이 일어나고, 이는 자각적으로 느끼지는 못하지만 눈의 피로를 가중시킨다. 또한 외부의 태양광선에 자주 노출될 경우 시력감퇴나 백내장 같은 안과 질환을 일으키는 것은 물론이고 65세 이상 노인의 실명 원인이 되기도 한다. 이러한 눈의 피로나 안과질환은 눈에 입사하는 과도한 빛의 양에 좌우되며, 이를 방지하기 위해 야외활동 시 선글라스나 광 변색 안경 등으로 자외선 등의 빛의 양을 줄여 외부의 태양빛으로부터 눈을 보호하는 역할을 한다.
그러나 선글라스는 들어오는 특정 파장의 빛을 선택적으로 흡수하거나 투과시키므로 운전할 때 표지판이나 신호등의 혼란과 같은 위험한 상황을 야기할 수 있다. 따라서 다양한 광원으로부터 우리 안구를 보호하는 기능성 선글라스 렌즈의 필요성과 외부자극에 의해 물체의 색이 가역적으로 변화하는 현상인 광변색 렌즈의 필요성이 대중화되고 있다. 광변색 렌즈란 렌즈에 색이 없다가 자외선을 흡수하면 색이 변하는 렌즈를 말한다. 또한 눈이 힘들게 활동 할 필요가 없어 하루 종일 눈의 긴장을 풀고 편안한 상태를 유지할 수 있다.
초창기의 광변색 렌즈는 할로겐이 들어 있는 유리 렌즈였으나 최근에는 광변색 물질이 들어있는 플라스틱 렌즈가 주를 이뤘다. 정확히 광변색 안경렌즈는 1960년대 처음 개발됐다. 1989년 렌즈 제작 업체인 '트랜지션스'가 처음으로 플라스틱 광변색 안경렌즈를 출시하면서부터 시장이 활성화됐다고 한다.
광변색 안경렌즈는 렌즈 속의 광변색 분자가 빛을 받아 분자구조가 변하고 이 현상으로 인해 렌즈의 색이 변하는 것이다. 플라스틱 변색 안경 렌즈를 최초로 개발한 '트랜지션스'의 광변색 렌즈를 기준으로 그 원리를 살펴 본다면 트랜지션스의 렌즈는 유기 염료 계열인 블루피리도옥사진(blue pyridobenzoxazines)와 인데노 나프토피란(indeno naphthopyrans)을 렌즈에 주입해 이들 광변색 염료가 자외선에 노출되면 기존 화학 결합이 깨지고 새롭게 배열된다. 이 배열은 긴 파장을 흡수하는 분자구조로 바뀌면서 렌즈가 어두워진다고 설명한다. 반대로 자외선이 없을 때는 기존의 분자구조로 돌아오게 되면서 다시 투명하게 변한다.
한국산학기술학회 논문지에 실린 '하드코팅에 의한 광변색 플라스틱 렌즈의 제조 및 특성'을 보면 광변색 안경렌즈를 만드는 방법은 렌즈 제조 과정에 광변색 물질을 혼합시키는 방법과 광변색 물질을 침투 시키는 방법, 표면 코팅에 의한 광변색 렌즈를 제조하는 방법 등이 나온다. 주로 사용되는 방식은 렌즈를 만드는 과정에서 광변색 물질을 혼합시키는 방식이다. 광변색 안경렌즈의 제조는 렌즈 중합과정에서 렌즈의 모노머와 광변색 물질을 혼합시키는 body casting(또는 in-mass)공법이 주를 이루고 있다. 이 공법은 변색의 최고 농도가 70~80%를 이를 만큼 우수한 공법으로 평가되고 있다.
그러나 렌즈 제조 공정 전반부의 광변색 물질 혼합 공정과 후반부의 하드코팅 공정의 분리에 따른 변색 물질의 스트레스 가중과 렌즈의 불량률 증가와 같은 약점이 있다. 광변색 물질을 침투(imbibition)시키는 방법은 착색렌즈를 만드는 공정을 그대로 적용 가능한 장점이 있으나 광변색 물질을 침투시키는 추가 공정이 필요하며 이에 따른 환경오염, 광변색의 농도 조절을 위한 온도 및 용액의 농도 통제의 어려움 및 렌즈 기공에 침투 가능한 광변색 물질 선택의 어려움이 있다.
마지막으로 표면 코팅에 의한 광변색 렌즈를 제조하는 방법이 있으나 변색의 농도가 낮은 이유로 잘 적용하지 않았다. 그러나 플라스틱 렌즈는 표면의 경도가 약함으로 이를 보완하기 위해 하드코팅을 하여야 하므로, 따라서 하드코팅 공정에 광변색 물질을 접목한다면 캐스팅 공법이나 침투법과 달리 추가적인 공정이 필요하지 않으며, 환경의 오염성이 적고, 또한 균일한 코팅 표면으로 광변색 농도가 균일할 것이다. 케미안경렌즈의 'photo blue' 제품이 이에 좋은 예다.
변색은 빛, 열, 전기, 용매 등을 자극원으로 하며, 종류에는 열에 의한 열변색(themochromism), 빛 특히 자외선에 의한 광변색(photochromism), 전압에 의한 전기변색(electrochromism) 등의 가역적 변색현상이 있다. 광변색 반응과정은 몇 단계를 거치는 것이 아니라 빛을 받았을 때 즉각적으로 일어나기 때문에 광학적 메모리, 광학적 변환장치 및 영상장치 등 여러 가지 광전자장치에 이용될 가능성이 매우 크며, 현재 광변색 현상을 바탕으로 하는 안경용 광변색 렌즈가 개발돼 있다.
그러나 광변색 물질은 광변색반응이 계속 반복될 경우 변환되는 시간이 점차 길어지거나 최대 변환되는 정도가 감소되는 등의 피로도를 보인다. 광변색 반응은 화학결합의 재배열에 의해 일어나는 일종의 광화학 반응이므로 빛이나 열의 영향으로 결합이 재배열되는 동안 원하지 않는 부반응으로 인하여 피로도가 나타난다. 이러한 부반응물의 간섭에 의해서 광변색 반응이 더욱 더 방해를 받는 것으로 알려져 있으며, 이것은 광변색 효율과 광변색 속도 등과 같은 광변색 물질의 응용성 평가에 의해서 중요한 척도가 된다.
각 제조사들이 강조하는 비교 대상의 기술력의 항목은 변색속도(darkening rate), 퇴색속도(fading rate), 실내 투명도(transparency) 등이다. 광변색 안경렌즈는 자외선의 강도가 강할수록 어둡게 변한다. 참고로 변색의 속도는 온도에 영향을 받는데, 온도가 낮을수록 빨리 변화한다. 지금까지의 광변색렌즈의 변색이나 퇴색에 관한 연구에서 유통되고 있는 광변색렌즈의 변색속도가 60~260sec이며 자외선의 파장과 렌즈 종류에 따라 다르다. 유통되는 대부분의 광변색렌즈는 안경렌즈의 광학적 특성에 대한 정보 외에 광변색에 대한 특성을 파악하기 힘들다. 이에 따라 소비자 니즈, 성향에 맞춰 알맞는 제품을 추천하는 것이 최선의 솔루션이다.
※원본 출처 : 1. preparation and characteristics of photochromic plastic lenses by hard coatings
