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중심두께 1.9 mm, 굴절률 1.498, 굴절능 0.00 D인 CR-39 렌즈와 렌즈착색용 황색분말염료(Opti-Safe Lens Dye C250-61 YELLOW, Phantom, USA)를 사용하여 염색착색법으로 11개의 황색착색렌즈를 다음과 같이 제조하였다. 우선, CR-39를 계면활성제로 깨끗이 세척한 후 정수기로 정수한 미지근한 물 1 l에 0.5 g의 염료를 녹여 착색용액을 제조하였다. 제조한 착색용액을 착색용기에 붓고 중탕용 항온조에 담근 다음, 온도를 90oC로 가열한 상태에서 일정하게 유지시켰다. 착색시간은 0.5 min, 1 min, 2 min, 3 min, 5 min, 10 min, 15 min, 20 min, 30 min, 45 min, 60 min으로 설정하여 총 11개의 황색착색렌즈를 제조하였다. 착색을 하는 동안 소량의 동일한 온도와 농도를 갖는 착색용액을 주기적으로 보충해줌으로써 착색과정에서 발생할 수 있는 증발이나 농도의 변화를 최소한으로 억제하고자 하였다.^[15]

제조한 11개의 황색착색렌즈들에 대한 가시광선 범위(380~780 nm)에서의 분광투과율(spectral transmittance) t(λ)은 Shimadzu사의 UV-Vis 분광광도계(UV-2450, Japan)로 측정하였다. 시감투과율 τ과 청색광차단율 R_BL은 식 (1)과 (2)를 이용하여 계산하였다.^[9] 식 (2)의 우측에 있는 두 번째 항은 ANSI Z80.3:2010, EN 1836:2005/A1;2007, KS B ISO 13666:2004 등에서 규정하고 있는 청색광투과율(blue light transmittance)을 나타내는 식이다.^[8-10]

여기서 S(λ)은 CIE 표준광원 D65에 대한 분광분포(the spectral distribution of the standard illuminant D65), V(λ)은 주간시에서의 시감효율(the visibility function of the average human eye for daylight vision), B(λ)는 청색광위험함수(blue light hazard function), 그리고 λ는 파장(nm)이다.^[9]

Fig. 1에 착색하지 않은 렌즈(no-tinted)와 11개의 황색착색렌즈들에 대한 가시광선 범위(380~780 nm)에서의 분광투과율 t(λ)을 나타내었다. 착색하지 않은 렌즈에 대한 분광투과율은 가시광선 전 범위에 걸쳐 거의 일정한데 이는 렌즈의 전면과 후면에서의 반사에 기인하는 것으로 착색된 렌즈에서도 동일하게 나타난다. 반면, 황색착색렌즈들에 대한 분광투과율은 약 500 nm 이하의 단파장 영역에서 급격히 감소하고 있다. 분광투과율에서의 이러한 감소는 착색염료에 의한 광흡수(light absorption)에 기인하는 것으로 흡수되는 대역의 색상이 자색광(400 nm) 및 청색광(460 nm) 영역이기 때문에 렌즈는 그 보색인 황색을 띠게 된다.^[16]

Fig. 1. 
Spectral transmittances of no-tinted lens and a total of 11 yellow-tinted lenses.

측정한 분광투과율 t(λ)과 식 (1)을 이용하여 착색하지 않은 렌즈와 총 11개의 황색착색렌즈들에 대한 각 착색시간에서의 시감투과율 τ을 구하였고,^[17] Fig. 2에 그 결과를 ●으로 나타내었다.

Fig. 2. 
Relationship between tinted time and luminous transmittance for no-tinted lens and a total of 11 yellowtinted lenses.

Fig. 2에 따르면 τ은 착색하지 않았을 때 즉, t = 0.0 min일 때 τ = 92.6%, t = 0.5 min일 때 91.7%, t = 1 min일 때 τ = 91.2%, t = 2 min일 때 τ = 90.3%로 착색 초반에는 급히 감소하다가 t = 10 min일 때는 τ = 87.5%로 그 감소세가 둔화되면서 t=60 min일 때 τ = 82.3%에 이른다. 이처럼 τ은 착색 초반에는 급격히 감소하다가 착색시간이 증가함에 따라 그 추세가 점차 둔화되는 특징을 보이고 있다.

착색시간과 시감투과율 사이의 관계를 대표할 수 있는 맞춤곡선 τ(t)은 착색렌즈 제조 시 시감투과율의 제어나 착색공정의 자동화 등에 유용하게 사용할 수 있다.^[15] 이러한 맞춤곡선 τ(t)을 도출하기 위하여 이중지수감소곡선(double exponential decay curve)을 시험곡선(test curve)으로 각 착색시간에서의 시감투과율을 회귀분석(regression analysis) 하였다.^[15,18] 그 결과 식 (3)과 같은 착색시간과 시감투과율 사이의 관계를 대표하는 맞춤곡선 τ(t)을 얻을 수 있었다. 이러한 맞춤곡선 τ(t)을 Fig. 2에 실선(ㅡ)으로 나타내었다.

식 (2)로부터 계산한 각 착색시간에서의 청색광차단율 R_BL을 ○으로 표시하여 Fig. 3에 제시하였다.

Fig. 3에 따르면 R_BL은 착색하지 않았을 때 즉, t = 0.0 min일 때 R_BL= 7.6%, t = 0.5 min일 때 R_BL= 29.6%, t =1 min일 때 R_BL = 39.6%, t = 2 min일 때 R_BL = 55.0%로 착색 초반에는 급격히 증가하다가 t = 10 min일 때는 R_BL = 80.5%로 그 증가세가 둔화되면서 t = 60 min일 때는 R_BL= 93.3%에 이르러 렌즈로 입사하는 청색광의 대부분을 차단한다. 이처럼 R_BL은 착색 초반에는 급격히 증가하다가 착색시간이 증가함에 따라 그 추세가 점차 둔화되는 특징을 보이고 있다.

Fig. 3. 
Relationship between tinted time and blue light blocking ratio for no-tinted lens and a total of 11 yellow-tinted lenses.

착색시간과 청색광차단율 사이의 관계를 대표할 수 있는 맞춤곡선 R_BL(t)이 주어지면 목표로 하는 청색광차단율을 갖는 렌즈를 제조하는데 소요되는 시간을 추정할 수 있다. 이 때문에 청색광차단렌즈의 개발에 있어서 R_BL(t)을 찾아내는 일은 중요하다. 이러한 맞춤곡선 R_BL(t)을 도출하기 위하여 착색시간과 시감투과율 사이의 관계를 대표할 수 있는 맞춤곡선을 도출할 때와 마찬가지로 이중지수감소곡선을 이용한 회귀분석을 시도하였다. 그 결과 식 (4)와 같은 착색시간과 청색광차단율 사이의 관계를 대표하는 맞춤곡선 R_BL(t)을 얻을 수 있었다. 이러한 맞춤곡선 R_BL(t)을 Fig. 3에 실선(ㅡ)으로 나타내었다.

청색광차단렌즈의 성능을 결정하는 가장 중요한 두 변수는 청색광차단율 R_BL과 시감투과율 τ이다.^[9] 단지 청색광 차단만을 생각하여 R_BL을 높이려는 설계에만 집중한다면 그만큼 렌즈를 통과하는 광량이 줄어들기 때문에 시감투과율 τ이 감소한다. 따라서 R_BL과 τ을 적절한 수준에서 조정하는 과정이 필요한데, 이를 위해서는 R_BL과 τ 사이의 관계를 대표할 수 있는 맞춤곡선 τ(R_BL)이 요구된다. 이러한 청색광차단율과 시감투과율 사이의 관계를 대표할 수 있는 맞춤곡선을 도출하기에 앞서 앞 절에서 산출하였던 R_BL과 그에 대응하는 τ를 ■으로 표시하여 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4에 따르면 R_BL=7.6%일 때 τ = 92.6%, R_BL= 29.6%일 때 τ = 91.7%, R_BL = 39.6%일 때 τ = 91.2%, R_BL = 55.0%일 때 τ = 90.3%로 착색 초반에는 서서히 감소하다가 R_BL= 80.5%일 때 τ = 87.5%로 그 감소세가 커지면서 R_BL= 93.3%일 때 τ = 82.3%에 이른다. 이처럼 τ은 R_BL이 증가함에 따라 서서히 감소하다가 점차 그 감소세가 커지는 특징을 보이고 있다.

Fig. 4. 
Relationship between blue light blocking ratio and luminous transmittance for no-tinted lens and a total of 11 yellow-tinted lenses.

청색광차단율과 시감투과율 사이의 관계를 대표할 수 있는 맞춤곡선 τ(R_BL)은 착색렌즈의 개발과 성능 극대화에 유용하게 사용할 수 있으므로 τ(R_BL)을 찾아내는 일 또한 중요하다. 이러한 맞춤곡선 τ(R_BL)을 도출하기 위하여 앞서와 마찬가지로 이중지수감소곡선을 이용한 회귀분석을 시도하였다. 그 결과 식 (5)와 같은 청색광차단율과 시감투과율 사이의 관계를 대표하는 맞춤곡선 τ(R_BL)을 얻을 수 있었다. 이러한 맞춤곡선 τ(R_BL)을 Fig. 4에 실선(ㅡ)으로 나타내었다.

앞의 세절의 결과를 이용하여 청색광차단렌즈의 성능과 관련된 다음과 같은 고찰을 하였다.

(1) τ(t)과 R_BL(t)의 역함수(inverse function)를 이용하면 목표로 하는 시감투과율과 청색광차단율의 렌즈를 제조하는데 걸리는 착색시간을, 그리고 τ(R_BL)을 이용하면 목표로 하는 청색광차단율에서의 시감투과율을 추정해낼 수 있다.

예를 들어, R_BL = 20%을 목표로 한다면 R_BL(t)의 역함수로부터 착색시간은 약 16~17 sec, τ(R_BL)로부터 그 때의 시감투과율은 약 τ = 92%임을 계산해낼 수 있다. 마찬가지로 R_BL= 50%를 목표로 한다면 착색시간은 약 92~93 sec, 그 때의 시감투과율은 약 τ = 90%임을 계산해낼 수 있다.

(2) 착색 청색광차단렌즈의 성능을 제어할 수 있는 방안을 마련할 수 있다. Fig. 2와 Fig. 3에 따르면 τ(t)과 R_BL(t)은 착색 초반에 급격히 변하다가 서서히 둔화된다는 공통적인 특징을 나타내고 있다. 이는 착색시간이 어느 정도 흐르면 τ과 R_BL의 값은 거의 변하지 않음을 뜻하는 것이다. 따라서 착색시간을 길게 하여도 τ과 R_BL의 값을 변화시키는 데는 한계가 있기 때문에 적절한 수준에서 통제하는 것이 좋다.

반면, Fig. 4를 보면 맞춤곡선 τ(R_BL)는 τ(t), R_BL(t)의 추세와는 달리 R_BL이 증가함에 따라 τ가 초반에는 서서히 감소하다가 후반에는 급격히 감소한다는 특징을 보이고 있다. 이는 R_BL을 어느 정도 높여도 τ가 크게 영향을 받지 않음을 말해주는 것이다. 다시 말하면 τ의 큰 손실 없이도 R_BL을 상당히 높일 수 있다는 뜻과 같다.

(1)에서 언급했던 예를 다시 살펴보면 R_BL= 20%일 때 τ = 92%이었는데 R_BL = 50%일 때는 τ = 90%이었다. 즉, R_BL이 30%나 증가하였음에도 불구하고 τ는 불과 2% 밖에 감소하지 않았다. 이는 시감투과율에서의 큰 손실 없이도 청색광차단율을 높일 수 있다는 가능성을 말해주는 사례로 적절한 수준에서 제어하면 착색 청색광차단렌즈의 성능을 극대화할 수 있다.

(3) 맞춤곡선 τ(R_BL)을 이용하면 청색광차단렌즈의 성능을 결정하는 가장 중요한 변수인 R_BL(t)과 τ을 빠르고 간편하게 비교할 수 있다. 본 연구에서는 R_BL(t)과 τ으로 그려지는 도표를 R_BL-τ 차트(R_BL-τ chart)라 하겠다. R_BL-τ 차트를 이용한 청색광차단렌즈의 성능비교는 다음과 같은 절차에 따라 할 수 있다.

(ㄱ) 조사할 청색광차단렌즈들에 대한 가시광선 범위에서의 분광투과율을 측정한 후, 식 (1)과 (2)를 이용하여 τ과 R_BL을 구한다.

(ㄴ) 얻어진 각 청색광차단렌즈들의 좌표 (R_BL, τ)를 R_BL-τ 차트에 표시하고, 표시된 좌표들의 위치를 파악하면서 각 청색광차단렌즈들에 대한 τ과 R_BL의 관계를 비교한다.

(ㄷ) 성능 비교 시에는 다음과 같은 점에 유념하고 평가한다.

• (i) R_BL과 τ의 두 값이 모두 크면 클수록 청색광은 많이 차단되면서 시감투과율은 높다는 뜻이므로 우수한 성능의 청색광차단렌즈라 할 수 있다. 즉, R_BL-τ 차트에서 우측상단에 위치하는 렌즈에 대해서는 성능이 우수하다고 평가할 수 있고, 좌측하단에 위치한 렌즈에 대해서는 성능이 열악하다고 평가할 수 있다.
• (ii) R_BL이 높아짐에 따라 τ이 감소하는 경향이 있으므로 청색광차단렌즈들의 좌표 (R_BL, τ)들은 좌측상단에서 우측하단 방향으로 대부분 배치될 것이다. 착색시간만을 달리하여 제조한 동일한 색상을 갖는 여러 착색 청색광차단렌즈들의 좌표 (R_BL, τ)들에 대한 기울기가 가파를수록 시감투과율이 급격하게 떨어지는 렌즈이다.

(4) R_BL-τ 차트를 이용하여 3가지 유형의 청색광차단렌즈 즉, 본 연구에서 제조한 황색착색렌즈, 시중에서 유통되고 있는 코팅 및 착색 청색광차단렌즈에 대한 성능을 비교하였다. 이를 위해 시중에서 유통되고 있는 각 코팅 및 착색 청색광차단렌즈들에 대한 가시광선 범위에서의 분광투과율 t(λ)을 측정하였고, 그 결과와 식 (1) 및 (2)를 이용하여 τ과 R_BL을 구한 다음, 각각의 좌표 (R_BL, τ)들을 Fig. 4의 R_BL-τ 차트에 나타내었다. 이때 코팅 청색광차단렌즈는 Δ로, 착색 청색광차단렌즈는 ☆로 나타내었고, 측정한 렌즈들의 개수는 각각 11개와 34개이었다. Fig. 4에 따르면 시중에서 유통되고 있는 청색광차단렌즈들에 대한 좌표 (R_BL, τ)는 황색착색렌즈들에 의해 그려지는 맞춤곡선 τ(R_BL)의 상단에 있기도 하고 하단에 있기도 하다. 여기서 Δ로 표시된 코팅 청색광차단렌즈의 경우는 대부분 10% < R_BL < 25% 및 92% < τ < 98% 범위에, ☆로 표시된 착색 청색광차단렌즈의 경우는 대부분 10% < R_BL < 97% 및 58% < τ < 95% 범위에 분포하고 있다.

Fig. 4를 살펴보면 11개의 코팅 청색광차단렌즈에 대한 좌표 (R_BL, τ)들의 위치는 모두 맞춤곡선 τ(R_BL)의 상단에 위치해 있다. 이는 동일한 R_BL의 값을 갖는 황색착색렌즈와 비교한다면 코팅 청색광차단렌즈가 더 높은 τ을 갖는다는 뜻이다. 따라서 동일한 R_BL을 갖는다면 현재 측정된 11개의 코팅 청색광차단렌즈들이 황색착색렌즈들보다 τ이 더 높은 렌즈라고 평가할 수 있다.

반면, 34개 착색 청색광차단렌즈에 대한 좌표 (R_BL, τ)의 위치를 살펴보면 3개 렌즈의 경우는 맞춤곡선 τ(R_BL)의 상단에, 나머지 31개 렌즈의 경우는 τ(R_BL)의 하단에 위치해있다. 이는 시중에서 유통되고 있는 대부분의 착색 청색광차단렌즈들은 동일한 R_BL을 갖는 황색착색렌즈와 비교한다면 τ이 낮다는 뜻이다. 따라서 R_BL의 관점에서 비교하면 본 연구에서 제조한 황색착색렌즈들이 시중에서 유통되고 있는 착색 청색광차단렌즈들보다 τ이 더 높은 렌즈라고 평가할 수 있다.

Fig. 4에서 시중에서 유통되고 있는 착색 청색광차단렌즈들은 대부분 좌측상단에서 우측하단 방향을 따라 길게 분포되어 있음을 알 수 있다. 이는 R_BL을 높임에 따라 τ에서의 손실이 발생되고 있음을 뜻하는 것이다. 이때 기울기가 가파른 렌즈들에서 τ의 손실이 크다고 해석할 수 있다. 이러한 관점에서 볼 때 본 연구에서 제조한 황색착색렌즈들의 경우는 기울기가 가파르지 않고, 따라서 R_BL이 증가하여도 τ의 손실이 적은 우수한 성능의 렌즈라고 평가할 수 있다.

이처럼 R_BL-τ 차트를 이용하면 청색광차단렌즈에서의 성능을 간편하게 비교할 수 있다. 이에 본 연구에서는 청색광차단렌즈의 성능을 평가할 수 있는 하나의 유용한 방법으로 R_BL-τ 차트법을 제안한다.