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실험에 사용된 플라스틱 렌즈는 아릴-디글리콜-카보네이트 재질 렌즈(일도광학, Korea)였으며, 착색 여부만이 다르고 재질 및 굴절률 등 나머지 특성은 모두 동일한 착색 렌즈와 투명 렌즈였다. 착색 렌즈와 투명 렌즈는 각각 무 코팅, 하드 코팅, 멀티 코팅, 미러 코팅이 되어 있었으며, 착색 렌즈의 색상은 회색이었다(Table 1).

모든 렌즈는 육안검사를 통해 흠이나 긁힘, 왜곡 등 표면 상태의 이상 여부를 확인한 후 실험에 사용하였다. 렌즈를 고온건조기(WOF-155, DAIHAN Scientific, Korea)에서 25, 50, 75, 100^oC의 온도로 4시간 동안 처리하였다. 열처리된 렌즈는 최소 1시간 이상 상온에서 식혔으며, 발생할 수 있는 이물질 제거를 위해 증류수를 이용하여 세척하고 물기를 완전히 제거한 후 실험을 진행하였다. 실험은 온도 조건 당 3개의 렌즈를 각각 사용하였다.

실험 결과는 평균±표준편차로 나타내었으며 SPSS 18.0 for Window를 사용하여 통계 분석하였다. 같은 온도에서 코팅된 투명 렌즈와 착색 렌즈의 경도 차이는 Mann-Whitney test를 실시하였으며, 같은 코팅에서의 온도별 경도 및 투과율 변화는 선형회귀분석을 이용하여 분석하였다. 유의확률이 0.05 미만일 경우 통계적으로 유의한 상관관계가 있다고 판단하였다.

25^oC에서의 표면 부착력 등급은 하드 코팅, 멀티 코팅, 미러 코팅된 투명 렌즈 모두 5B로 나타났다. 50^oC에서 하드 코팅된 투명 렌즈의 표면 부착력 등급은 여전히 5B였으나 멀티 코팅 및 미러 코팅된 투명 렌즈의 표면 부착력 등급은 4B로 낮아졌다. 75^oC와 100^oC에서 하드 코팅, 멀티 코팅, 미러 코팅된 투명 렌즈의 표면 부착력 등급은 모두 4B였다. 착색 렌즈의 경우 25^oC에서의 하드 코팅, 멀티 코팅, 미러 코팅된 렌즈의 표면 부착력 등급은 모두 5B였으며, 50, 75, 100^oC에서는 모든 코팅 렌즈의 표면 부착력 등급이 4B로 낮아졌다(Table 2).

표면 부착력 등급 평가를 통해 50^oC의 열 스트레스에 의해서도 코팅막의 변화가 나타남을 알 수 있었다. 50^oC의 열 스트레스에서도 표면 부착력 변화가 나타나지 않은 렌즈는 하드 코팅된 투명 렌즈였으며, 착색 렌즈의 경우에는 하드 코팅이 되어 있다하더라도 표면 부착력이 감소하는 것으로 나타났다. 멀티 코팅 및 미러 코팅된 렌즈의 경우는 50^oC의 열 스트레스에서 착색 렌즈뿐만 아니라 투명 렌즈도 표면 부착력의 변화가 나타났으며, 100^oC의 열 스트레스에서도 표면 부착력 등급은 변함없이 4B를 유지하여 열 스트레스에 의한 표면 부착력의 변화는 4B이하로 낮아지지 않음을 확인하였다(Table 2).

본 연구 결과를 통해 하드 코팅막의 경우는 착색 렌즈가 투명 렌즈보다 열에 의한 표면 부착력 손상이 더 많음을 알 수 있었으며, 멀티 코팅막과 미러 코팅막의 경우 부착력 등급 평가에서는 착색 렌즈와 투명 렌즈 간에 차이가 없음을 알 수 있었다.

편광 현미경과 의료용 카메라를 이용하여 코팅막이 파열된 부분을 확대하여 관찰한 결과 부착력 평가에서 동일한 등급이 나타났더라도 실제 표면의 손상 정도는 다른 것으로 확인되었다. 투명 렌즈와 착색 렌즈 모두 하드 코팅 막에 비해 멀티 코팅막, 미러 코팅막에서 열 스트레스에 대한 박막 손상 범위와 정도가 더 큰 것으로 관찰되었다(Table 3, 4). 멀티 코팅막과 미러 코팅막은 날카로운 칼로 그은 선 주변으로 박막이 손상됨을 육안으로 확인할 수 있었으며, 하드 코팅막에 비해 온도가 증가할수록 박막 손상 정도의 차이가 더 큰 것으로 나타났다. 특히 미러 코팅막의 경우는 다른 코팅에 비해 은색 박막의 벗겨짐이 더 확연한 것으로 나타났다. 투명 렌즈와 착색 렌즈의 박막 손상 범위와 정도를 비교한 결과로는 투명 렌즈에 비해 착색 렌즈의 손상이 더 많은 것으로 관찰되어 열 스트레스에 대한 안정성이 투명 렌즈와 착색 렌즈에서 다르게 나타나며 코팅막에 따라서도 다르게 나타남을 알 수 있었다.

Thermal stress (oC)	Type of coating
	Hard	Multi-layered	Mirror
25
50
75
100

Thermal stress (oC)	Type of coating
	Hard	Multi-layered	Mirror
25
50
75
100

25^oC에서의 무 코팅된 투명 렌즈의 경도는 15.86±0.52 kgf/mm², 착색 렌즈의 경도는 15.25±0.70 kgf/mm²로 측정되었다. 무 코팅된 투명 렌즈의 경우 25^oC를 기준으로 한 50, 75, 100^oC에서의 경도 값을 백분율로 환산한 결과 최대 경도 변화가 1.7%p로 나타나 온도에 따른 경도의 차이는 미미한 것으로 나타났다. 그러나 무 코팅된 착색 렌즈에서는 경도 차이가 최대 7.6%p까지 나타나 렌즈 착색과 정에서의 착색제 사용으로 인해 열에 대한 플라스틱 렌즈 경도의 안정성이 떨어지게 되었다는 것을 확인할 수 있었다(Table 5).

25^oC의 열 스트레스에서 하드 코팅, 멀티 코팅, 미러 코팅 각각의 경도 값은 투명 렌즈와 착색 렌즈 모두 코팅 종류와 상관없이 유사하였다. 25^oC에서의 경도 값에 대한 50^oC에서의 하드 코팅, 멀티 코팅, 미러 코팅된 투명 렌즈와 착색 렌즈의 경도 변화는 최대 4.5%p로 나타나 큰 변화가 없는 것으로 확인하였다. 그러나 75^oC에서의 경도 측정값은 25^oC에 비해 투명 렌즈의 경우 하드 코팅에서 3.3%p, 멀티 코팅에서 11.0%p, 미러 코팅에서 12.0%p, 착색 렌즈의 경우 하드 코팅에서 11.1%p, 멀티 코팅에서 18.0%p, 미러 코팅에서 22.0%p 변화하는 것으로 나타나 열스트레스로 인해 렌즈의 경도가 영향을 받았으며, 영향의 정도는 투명 렌즈보다 착색 렌즈에서 크게 나타난다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 변화는 100^oC의 열 스트레스에서 더욱 커져 투명 렌즈의 경우 하드 코팅에서 11.5%p, 멀티 코팅에서 18.7%p, 미러 코팅에서 24.8%p, 착색 렌즈의 경우 하드 코팅에서 16.5%p, 멀티 코팅에서 26.6%p, 미러 코팅에서 32.9%p 변화되는 것으로 나타났다(Table 5).

각각의 온도에서 동일 코팅된 투명 렌즈와 착색 렌즈에 대해 경도를 비교한 결과 25^oC에서는 0.03~0.61 kgf/mm² 차이가 있었으며, 통계적 유의성은 없는 것으로 나타났다. 50^oC의 경우 무 코팅된 투명 렌즈와 착색 렌즈 사이에 차이가 있는 것으로 나타났으며, 75^oC에서는 미러 코팅에서 1.76 kgf/mm²으로 가장 큰 차이가 나타났으나 통계적 유의성은 각각 1.30 kgf/mm², 1.23 kgf/mm² 차이를 나타낸 하드 코팅과 멀티 코팅에서 나타났다. 100^oC에서는 각각 1.71 kgf/mm², 1.44 kgf/mm²으로 가장 큰 차이를 나타낸 무 코팅과 미러 코팅에서 통계적으로 유의한 경도 차이가 나타났다. 75^oC 이상에서 투명 렌즈와 착색 렌즈 간에 코팅막 별로 통계적으로 유의한 경도 차이가 나타났다. 75^oC에서는 투명 렌즈의 경도가 크게 감소하지 않아 착색 렌즈와 유의한 차이가 있었지만 100^oC에서는 투명 렌즈의 경도도 같이 크게 감소하여 오히려 착색 렌즈와 통계적으로 차이가 나지 않은 경우도 발생하였다(Table 5).

선형회귀분석을 이용하여 같은 코팅에서의 온도별 경도변화를 분석한 결과 무 코팅된 투명 렌즈의 경우 p값이 0.6080, r값이 –0.165로 나타나 온도에 따른 통계적으로 유의한 경도 차이가 없는 것으로 나타났다. 그러나 투명렌즈의 무 코팅을 제외한 모든 투명 렌즈와 착색 렌즈의 코팅에서는 열 스트레스 정도가 커질수록 통계적으로 유의하게 경도가 감소하는 것으로 나타났다. 무 코팅, 하드 코팅, 멀티 코팅, 미러 코팅의 열 스트레스에 따른 경도 변화 추세선 기울기는 투명 렌즈의 경우 각각 –0.049, −0.605, −1.088, −1.405, 착색 렌즈의 경우 각각 –0.364, −0.937, −1.566, −1.937으로 나타나 멀티 코팅과 미러 코팅이 무 코팅과 하드 코팅에 비해 열 스트레스에 의한 경도 변화 폭이 크다는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 1, 2).

Fig. 1. 
Changes in surface hardness of clear lenses by thermal stress.

Fig. 2. 
Changes in surface hardness of grey tinted lenses by thermal stress.

투명 렌즈와 착색 렌즈의 코팅 별 열 스트레스 자극에 의한 가시광선 투과율의 변화는 대체적으로 온도가 높아 질수록 낮아지는 경향을 보였으나 선형회귀분석 결과 무 코팅, 하드 코팅, 미러 코팅된 투명 렌즈의 r값은 각각 –0.151, −0.188, 0.398로 나타나 상관성이 약하며, 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다. 그러나 멀티 코팅된 투명 렌즈의 경우 추세선 기울기 –0.381, 상관계수 −0.666, p값 0.0180으로 나타나 통계적으로 유의한 강한 상관성을 보이며 자극 온도에 따라 가시광선 투과율이 변하는 것으로 나타났다. 착색 렌즈의 경우에는 무 코팅, 멀티 코팅된 렌즈에서 온도 변화에 따라 가시광선 투과율이 통계적으로 유의하게 감소하는 것으로 나타났다. 착색 렌즈의 선형회귀분석 추세선 기울기는 무 코팅 –0.494, 멀티 코팅 –0.802, 상관계수는 각각 –0.667, −0.718으로 나타났으며, 투명 렌즈에서 상관성을 보였던 멀티 코팅과의 비교를 통해 착색 렌즈가 투명 렌즈보다 상대적으로 열 스트레스의 영향을 더 많이 받는 것을 확인할 수 있었다(Table 6). 그러나 투명 렌즈와 착색 렌즈 모두 열 스트레스에 의해 1%p 전후의 미미한 가시광선 투과율 차이가 나타나 실생활에 크게 영향을 줄 만한 정도의 변화는 유발되지 않은 것으로 나타났다.

투명 렌즈의 UV-A 투과율은 무 코팅이 가장 높고 하드 코팅, 멀티 코팅, 미러 코팅 순으로 낮았으나 열 스트레스에 의한 UV-A 투과율의 변화는 관찰되지 않았다. 온도 변화에 대한 상관성은 무 코팅, 하드 코팅, 멀티 코팅, 미러 코팅에서 각각 −0.052, 0.094, 0.125, 0.134로 나타났다. 착색 렌즈의 UV-A 투과율은 코팅과 상관없이 모든 렌즈에서 전혀 투과되지 않아 0의 값을 보였으며, 열 스트레스에 의해서도 이러한 UV-A 차단은 그대로 유지되는 것으로 나타났다. 열 스트레스에 대한 UV-B 투과율은 투명 렌즈와 착색 렌즈에서 모두 일정한 값으로 유지되었으며, 통계적으로 유의한 변화나 상관성이 나타나지 않았다. 무 코팅, 하드 코팅, 멀티 코팅 투명 렌즈의 UV-B 투과율은 7%, 미러 코팅 투명 렌즈는 5% 전후의 값을 유지하였다. 착색 렌즈의 경우 투명 렌즈보다 UV-B 투과율이 더 낮았으며 모든 코팅 상태에서 1% 전후의 값을 보였다(Table 7).

본 연구에서는 주로 선글라스용으로 사용되는 착색 렌즈가 투명 렌즈에 비해 여름철 장시간 동안 자동차 안에 보관되는 것과 같은 열 스트레스에 노출될 확률이 더 크며, 침지된 염색성분과 안경 렌즈 재질의 열팽창계수 차이로 인해 착색 렌즈에 코팅된 박막의 안정성이 투명 렌즈보다 더 취약할 것으로 생각되어 25, 50, 75, 100^oC에서 4시간 동안 1회 노출시켰을 때 착색 렌즈와 투명 렌즈의 변화를 비교해 보았다. 선행연구에서 동일한 온도 조건에서 열 스트레스를 주었을 때 표면 손상이 관찰되기 시작한 온도는 멀티 코팅 및 미러 코팅된 착색 렌즈의 경우 75^oC였으며, 멀티 코팅 및 미러 코팅된 투명 렌즈의 경우 100^oC였다. 하드 코팅된 투명 렌즈와 착색 렌즈의 경우에는 100^oC에서도 표면 변화가 관찰되지 않았다.^[9] 그러나 동일한 조건으로 처리한 후 표면 부착력을 평가한 본 연구에서 50^oC 열 스트레스가 주어졌을 때부터 하드 코팅된 투명 렌즈를 제외한 모든 렌즈에서 표면 부착력이 저하된 것으로 나타났다. 그러나 하드 코팅된 투명 렌즈도 75^oC 열 스트레스에서는 표면부착력이 저하되었다. 즉, 표면 관찰에서는 손상이 없는 것으로 나타난 온도 조건에서도 표면 부착력의 손상은 발생한다는 것을 확인하였다.

표면 부착력의 평가 등급 부여는 ASTM D3359-97을 기준으로 하여 격자선이 깨끗하면 5B, 5% 미만의 박리가 일어났을 때 4B, 5~15%의 박리가 일어났을 경우 3B로 평가하게 된다.^[10] 본 연구에서 설정된 온도 중 가장 고온인 100^oC 열 스트레스에서의 부착력 평가 등급은 4B로 나타나 실생활에서 발생할 수 있는 온도에 대한 렌즈의 부착력 등급 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 그러나 세부 관찰에서 동일한 4B 등급이라 하더라도 열 스트레스에 의한 손상 정도에는 차이가 있는 것으로 밝혀졌다. 즉, 동일한 등급으로 판정된 하드 코팅막 보다 멀티 코팅막, 미러 코팅막의 박막 손상이 더 컸으며 투명 렌즈에 비해 착색 렌즈의 손상이 더 컸다.

각 코팅막을 구성하고 있는 성분들은 각기 다른 것으로 알려져 있다. 하드 코팅을 할 경우 실리콘 성분이나 불소화합물 성분을 함유하게 되며, ^[11,12] 멀티 코팅의 경우에는 제작 과정에서의 불화마그네슘, 불화세륨, 산화알루미늄, 산화지르코늄 증착으로 인해 이와 동일한 성분들을 함유하게 된다.^[13,14] 또한, 미러 코팅에는 산화실리콘, 산화티타늄, 산화지르코늄과 같은 성분들이 함유되어 있다.^[15,16] 이처럼 여러 코팅막은 서로 다른 구성 성분들로 구성되어있기 때문에 동일한 열 스트레스를 받더라도 상이한 변화가 나타날 수 있다. 실제로 선행연구에서 열 스트레스에 의한 코팅막 구성 성분의 비율 변화를 알아본 결과 하드 코팅막에서 13~39%, 멀티 코팅막에서 38~56%, 미러 코팅막에서 8~24%의 성분 변화가 나타남을 밝힌 바 있다.^[9] 이러한 성분비의 변화가 렌즈의 열 스트레스에 대한 안정성과 코팅막 부착력 감소에도 영향을 미친 것으로 판단된다.

또한, 열 스트레스에 노출된 착색 렌즈의 경도 감소 역시 이러한 표면 변화 및 성분 함량비 변화와 관련이 있을 것으로 보인다. 그러나 본 연구에서 무 코팅된 투명 렌즈의 경우 열 스트레스가 가해져도 경도의 변화가 나타나지 않는 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 노^[6]의 연구에서 5시간동안 고온에 노출시킨 아릴-디글리콜-카보네이트 재질 투명 렌즈의 경도가 감소한다는 것과 상이한 결과이다. 이러한 결과가 나타난 것은 본 연구에서 코팅막 고유의 특성을 알아보기 위해 무 코팅 또는 하나의 코팅막을 가진 렌즈를 사용한 반면 노^[6]의 연구에서는 하드 코팅과 멀티 코팅이 동시에 코팅된 안경 렌즈를 사용하였기에 코팅막 별열팽창계수의 차이가 다르며, 열 스트레스에 노출된 시간 또한 본 연구보다 더 길었다는 것에서 기인할 가능성이 있다. 투명 렌즈와 착색 렌즈의 하드 코팅은 다른 코팅에 비해 온도 변화로 인한 경도 차이가 적은 것으로 나타났는데 이는 하드 코팅의 경우 가수분해 반응과 중축합 반응을 이용한 sol-gel법에 의해 제조된 유-무기 혼성 코팅제를 사용하며, 이러한 방법에서는 화학적 균일성이 높은 생성물이 만들어지기 때문으로 보인다.^[17,18]

열 스트레스로 인한 코팅막의 가시광선 투과에 대한 안정성 역시 착색 렌즈와 투명 렌즈 간에 차이가 있으며, 착색 렌즈의 안정성이 떨어진다는 것을 확인하였다. 또한, 코팅에 따라서도 차이가 있었으며, 멀티 코팅된 착색 렌즈의 가시광선 투과율이 열 스트레스에 가장 큰 영향을 받았다. 멀티 코팅된 렌즈의 경우 다른 코팅에 비해 열팽창계수가 작으므로 온도 변화에 있어 코팅막이 쉽게 손상 및 제거되었으며,^[19] 이로 인해 렌즈 전후면의 빛 반사율이 증가하였기 때문에 가시광선 투과율의 변화가 가장 컸던 것으로 판단된다. 열 스트레스가 가시광선 투과율에 미치는 영향에 비해 자외선 투과율에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타나 선행연구에서 보고된 바 있는 열 스트레스에 의한 코팅막의 성분 변화가 자외선 차단과 관련 있는 성분의 함유량에는 큰 영향을 미치지 않았다는 것을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다. 그러나 기존 연구들에서는 착색 농도가 진해짐에 따라 투과율이 감소하거나 시력 및 대비감도가 떨어질 수 있으며,^[20,21] 착색 시간이 길수록 반사율과 굴절률이 높아질 수 있다고 하였다.^[22] 따라서, 본 연구에서 확인한 착색 렌즈 코팅막의 특성 변화는 착색 농도에 따라 달라질 수 있으며, 착색 색상 또한 영향을 미칠 수 있다고 예상된다.