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본 연구에서는 색상, 제조공정 및 미러코팅 유무의 차이를 가진 4 종류의 광변색렌즈가 사용되었다(Table 1).

사용된 광변색렌즈 중 A, B 및 D 렌즈의 중심두께는 2.4 mm로 동일하였고, C 렌즈의 경우는 1.5 mm이었다. 굴절률의 경우는 A, B 및 D 렌즈는 1.56로 동일하였고, C 렌즈의 경우는 1.60이었다. D 렌즈는 반사 및 흡수되는 파장 변화에 따른 차이를 최소화하기 위해 금속 미러코팅이 적용된 렌즈이었다.

온도 및 조도의 변화가 광변색과정에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 모든 과정에서 온도는 23.1±0.5^oC, 조도는 1353.3±4.7 Lux로 일정하게 유지되도록 하였으며, 395~405 nm 파장대의 자외선광원(MINI LED LAMP 9W, Neo Nail, Poland)의 위치는 렌즈로부터 35 mm의 수직높이에 위치하도록 하였다. 4종의 광변색렌즈에 자외선광원을 각각 일정시간동안 노출시킨 후, 착색의 경우는 광원에 노출된 후 5초 간격으로 최대 40초까지 카메라(EOS 750D, Cannon, Japan)로 사진을 촬영하였으며, 퇴색의 경우는 광원을 제거하고 처음 9분까지는 90초의 간격으로, 이후 45분까지는 180초 간격으로 사진을 촬영하였다. 이 때 카메라의 각도와 거리에 따른 오차를 최소화하기 위해 촬영시간 동안 위치의 변동이 없도록 하였다. 광투과율 측정은 착색 및 퇴색의 사진 촬영이 모두 종료된 후 동일한 조건에서 다시 자외선광원에 조사시킨 후 실시하였으며, 광투과율의 측정 소요시간이 착색 및 퇴색과정 시 사진촬영에 소요되는 시간에 비하여 길어 최대 변색이 나타난 40초까지 10초 간격으로 Transmission meter(TM-1, Topcon, Japan) 로 측정하였다.

착색 및 퇴색양상을 촬영한 광변색렌즈의 사진을 이미지파일로 변환한 후 렌즈 중앙 1 × 1 cm² 면적의 색 농도를 ‘Quantity One’ 프로그램(Quantity One 4.6, Bio-Rad, USA)으로 분석하였다. 광변색렌즈의 색상 농도는 0(흰색)~255(검정색)까지의 수치로 나타내었으며, 일정시간 동안 착색 및 퇴색된 정도의 수치 변화를 255에 대한 상대적 비율로 나타내어 분석하였다. 제조공법에 따른 광변색렌즈 간의 착색 및 퇴색양상 비교는 가장 널리 유통되는 색상^[12]이며 기본공법인 모노머공정법으로 제조된 렌즈 A를 기준으로 비교하였다.

자외선광원의 조사 및 제거 이후 동일 시간대에서의 렌즈 종류별 착색 및 퇴색 농도의 차이에 대한 통계적 유의성은 Kruskal-Wallis 검정으로 평가하였으며, 동일 광변색렌즈의 시간차이에 따른 색상농도의 차이 사후 검정은 Mann-Whitney 방법으로 실시하였다. 모든 검정의 유의확률은 0.05 미만일 경우 통계적으로 유의한 차이가 있다고 판단하였다.

4종의 광변색렌즈 간의 비교 시 색상 차이에 따른 착색 및 퇴색 양상의 비교는 렌즈 A(회색)와 B(갈색)의 분석을 통하여 알아보았다.

자외선 노출 후 시간에 따른 광변색렌즈의 변색과정을 매 5초 간격으로 사진촬영하여 비교하였다(Fig. 1). 광변색렌즈는 자외선노출 후 5~10초 정도의 빠른 시간 내에 변색이 진행되어 10초를 초과한 시간 대에서는 사진 상으로는 뚜렷한 변색의 진행을 인지하기 쉽지 않았다.

Fig. 1. 
Representative photos of coloration and discoloration of photochromic lenses. A. coloring process, B. discoloring process

이에 자외선광원 노출 후 광변색렌즈의 변색에 따른 광투과율의 변화와 광변색렌즈의 색농도를 시간대별로 알아보았다(Fig. 2~4). 광변색렌즈의 자외선 노출 전 광투과율은 렌즈 A, B, C 및 D의 순서대로 각각 88.6±1.5%, 89.9±2.2%, 89.9±0.7% 및 33.0±0.3%로 나타났고, 자외선 노출 10초 후 광투과율은 각각 21.0±1.0%, 23.2±0.7%, 10.9±0.2% 및 15.9±0.4%, 20초 후에는 13.3±0.9%, 15.7±0.3%, 6.7±0.2% 및 11.4±0.4%, 30초 후에는 10.7±0.3%, 12.9±1.0%, 5.1±0.2% 및 9.7±0.7%, 40초 후에는 9.1±0.5%, 11.2±0.2%, 4.2±0.2% 및 8.2±0.2%로 측정되어 변색이 진행됨에 따라 광투과율이 감소하였으며 20초 이후에는 광투과율의 감소가 크지 않음을 알 수 있었다(부록1 참조).

Fig. 2. 
Comparison of coloring and discoloring patterns and visible light transmittance between lens A and B according to lens color. A. coloring process, B. discoloring process. *Significantly different from the scale of lens A at the level of p<0.05 by Kruskal-Wallis test

한편 자외선광원 조사 후 광변색렌즈의 변색정도를 촬영한 사진의 착색농도를 분석하여 비교한 결과(Fig. 2A), 렌즈 A의 자외선 노출 전 색상농도는 108.7±0.9이었으며, 자외선 노출 후 5초 및 10초 때의 색상농도는 각각 221.0±0.6 및 233.2±0.3으로 나타났다. 한편, 렌즈 B의 색상농도는 자외선 노출 전 62.6±0.8에서 자외선 노출 후 5초 및 10초에서 각각 199.2±2.3 및 223.4±0.2로 나타나 노출 10초 후에는 렌즈 A와 B사이의 색상차이를 구분하기 어려웠다. 렌즈 A 및 B의 최대 착색농도를 분석한 결과 각각 244.8±0.8 및 237.1±0.5로 통계적으로 유의한 차이(p = 0.0495 by Kruskal-Wallis test)를 나타내어 렌즈 A가 렌즈 B보다 더 진하게 변색됨을 알 수 있었다. 이러한 렌즈 A와 B의 자외선 노출 후 변색정도를 최대 변색 시를 100%로 하여 상대적으로 비교하여 보면, 렌즈 A의 경우는 5초 이내에 44.0%, 5초에서 10초 사이에 4.8% 추가 변색 증가률을 보인 반면, 렌즈 B의 경우는 5초 이내에 53.6%, 5초에서 10초 사이에 추가적으로 9.5% 변색 증가률을 나타냄을 알 수 있었다(부록2 참조).

Fig. 3. 
Comparison of coloring and discoloring patterns and visible light transmittance between lenses A and C according to manufacturing process. A. coloring process, B. discoloring process *Significantly different from the discoloration of lens A at the level of p<0.05 by the Kruskal-Wallis test

한편 렌즈 A와 B의 40초 동안의 변색을 초당 착색속도로 비교하면 전체 착색속도는 각각 3.40 및 4.36 scale/sec로 큰 차이가 없는 것으로 나타나났으나 0~5초 사이의 착색속도는 각각 22.45 및 27.32 scale/sec로, 5~10초 사이의 착색속도는 2.45 및 4.85 scale/sec로 나타나 자외선 노출 후 초기에는 렌즈 A보다 렌즈 B가 더 빠르게 변색됨을 알 수 있었다(Table 2). 따라서 색상의 단독비교 시에는 렌즈 A가 진하게 변색되었다고 판단할 수 있으나 착색속도와 착색증가률을 종합적으로 고려하면 렌즈 B가 렌즈 A 대비 색상의 변화가 더 크고 속도 또한 빠르다고 판단할 수 있다.

한편, 렌즈 A와 B의 자외선노출 중단 후 퇴색양상을 색농도를 분석하여 비교하였다(Fig. 2B). 자외선노출 중단 시점에서의 렌즈 A 및 B의 색농도는 244.8±0.8 및 237.1±0.5이었고, 90초 후에는 각각 212.5±2.7 및 188.8±6.3로, 180초 후에는 187.1±2.4 및 154.4±6.0로, 270초 후에는 171.6±1.4 및 132.3±7.2로 지속적으로 감소하였다. 자외선노출 중단 시점의 색농도를 100%로 하여 매 90초마다 퇴색된 정도를 상대적으로 나타내어 보면 렌즈 A의 경우는 순서대로 12.7%, 10.0% 및 6.1%이었으며, 렌즈 B는 18.9%, 13.5% 및 8.7%에 나타나 270초까지 지속적으로 퇴색이 진행됨을 알 수 있었다(부록3 참조).

한편 렌즈 A와 B의 2,700초 동안 퇴색을 초당 퇴색속도로 비교하면 전체 퇴색속도는 각각 0.05 및 0.06 scale/sec로 서로 거의 유사한 것으로 나타났으나 0~90초 사이의 퇴색속도는 각각 0.36 및 0.54 scale/sec로, 90~180초 사이의 퇴색속도는 0.28 및 0.38 scale/sec로, 180~270초 사이의 퇴색속도는 각각 0.17 및 0.25 scale/sec로 나타나 자외선 노출 후 빠르게 변색되었던 렌즈 B가 자외선노출 중단 시에도 역시 렌즈 A보다 더 빠르게 퇴색됨을 알 수 있었다(Table 3). 이러한 결과는 퇴색에 따른 렌즈 A와 B의 색농도 비교에서도 관찰할 수 있었다. 즉, 렌즈 A는 115.9± 0.1의 색농도를 나타내는데 소요되는 시간이 2,160초였던 반면, 렌즈 B의 경우는 360초에 이미 동일한 색농도를 나타내었다(Fig. 2B).

이러한 렌즈 A와 B 사이에 존재하는 착색 및 퇴색양상 차이는 각 렌즈에 사용된 염료의 차이에 기인한 것으로 생각되었다. 특정 색상을 만들기 위해서는 먼저 염료의 구조나 구조 내 알킬기의 수 또는 종류를 달리함으로써 적색 또는 주황색과 청색 등의 기본염료를 제조하게 된다. 이러한 기본염료의 혼합으로 회색이나 갈색 등의 색상이 제조되는데 각각의 색을 만드는 염료가 다양할 뿐만 아니라 혼합비율 또한 매우 다양하여 결과적으로는 수많은 색상의 제조가 가능하다. 더욱이 갈색, 검정색의 염료를 활용하여 진하기를 조정하면서 색상을 달리 표현하기도 한다. 따라서 같은 색상이라 하더라도 가해지는 기본원료와 제조공정이 달라지면 조금씩의 차이를 보이게 된다.^[14,15] 염료 제조사, 렌즈 제조사로부터 관련 정보를 모두 제공받지는 못하였으므로 염료의 어떠한 차이가 렌즈 A와 B 사이의 착색 및 퇴색 양상의 차이를 유발하는지 정확하게 알 수는 없으나 렌즈 A의 회색과 렌즈 B의 갈색을 제조하기 위해 사용된 광변색 염료와 그 비율의 차이가 원인으로 작용하였을 것이라 예상되었다.

광변색렌즈의 제조방식 차이에 따른 착색 및 퇴색양상은 렌즈 A(모노머공정법)와 C(코팅공정법)의 분석을 통하여 알아보았다. 자외선광선 노출에 따른 렌즈 A와 C의 색농도를 5초 간격으로 분석하여 비교한 결과, 렌즈 A의 자외선 노출 0초, 5초, 10초 및 15초 때의 색상농도는 각각 108.7±0.9, 221.0±0.6, 233.2±0.3 및 238.4±0.6이었고 렌즈 C의 색상농도는 동일한 시간 대에서 순서대로 91.6±3.0, 232.5±0.4, 243.2±0.4 및 247.7±0.4로 나타났으며, 노출 20초 후에는 렌즈 A와 C사이에는 큰 색상차이를 보이지 않았다. 렌즈 A 및 C의 최대 착색농도를 분석한 결과 각각 244.8±0.8 및 249.8±0.3로 통계적으로 유의한 차이(p = 0.0495 by Kruskal-Wallis test)를 나타내어 렌즈 C가 렌즈 A보다 더 진하게 변색됨을 알 수 있었다(Fig. 3A). 이러한 렌즈 A와 C의 자외선 노출 후 변색정도를 최대 변색 시를 100%로 하여 상대적으로 비교하여 보면, 렌즈 A의 경우는 5초 이내에 44.0%, 5초에서 10초 사이에 4.8% 추가 변색증가률을 보인 반면, 렌즈 C의 경우는 동일한 시간 대에서 55.3%, 5초에서 10초 사이에 추가적으로 4.2% 추가 변색증가률을 나타냄을 알 수 있었다(부록2 참조). 한편 렌즈 A와 C의 40초 동안의 전체 착색속도는 각각 3.40 및 3.96 scale/sec로 큰 차이가 없었으나, 0~5초 사이의 착색속도는 각각 22.45 및 28.19 scale/sec, 5~10초 사이의 착색속도는 2.45 및 2.14 scale/sec로 나타나 자외선 노출 후 5초 이내에 렌즈 C가 렌즈 A 보다 더 빠르게 변색됨을 알 수 있었다(Table 2).

제조공법이 상이한 렌즈 A와 C를 비교하여 보면, 초기 색농도는 렌즈 C가 통계적으로 유의하게 더 옅으나(p = 0.0463 by Kruskal-Wallis test) 자외선 노출 후 최초 5초 동안 렌즈 C의 빠른 착색속도로 빠르게 변색되며, 최대 착색농도 또한 렌즈 C에서 더 진한 것으로 나타나(p = 0.0495 by Kruskal-Wallis test) 변색속도, 광변색렌즈의 투명도, 변색 후 색상농도 모두 렌즈 C가 렌즈 A보다 더 우수한 것으로 생각되었다.

한편, 렌즈 A와 C의 자외선노출 중단 후 퇴색양상을 색농도를 분석하여 비교하였다(Fig. 3B). 자외선노출 중단 시점에서의 렌즈 A 및 C의 색농도는 244.8±0.8 및 249.8±0.3이었고, 90초 후에는 각각 212.5±2.7 및 230.1±3.4로, 180초 후에는 187.1±2.4 및 205.1±3.0로, 270초 후에는 171.6±1.4 및 171.4±1.5로, 360초에는 161.2±0.6 및 152.8로 감소하였다. 자외선노출 중단 이후 매 90초 이후부터 퇴색정도를 상대적으로 나타내면 렌즈 A는 순서대로 12.7%, 10.0%, 6.1% 및 4.1%이었으며, 렌즈 C는 7.7%, 9.8%, 13.2% 및 7.3%로 나타나 360초까지 지속적으로 퇴색이 진행됨을 알 수 있었다(부록3 참조).

한편 렌즈 A와 C의 전체 퇴색속도를 비교하면 각각 0.05 및 0.06 scale/sec로 서로 거의 유사한 것으로 나타났으나 0~90초 사이의 퇴색속도는 각각 0.36 및 0.22 scale/sec로, 90~180초 사이의 퇴색속도는 0.28 scale/sec로 동일하였고, 180~270초 사이의 퇴색속도는 각각 0.17 및 0.37 scale/sec로, 270~360초에서는 0.12 및 0.21 scale/sec로 나타나 퇴색 초기인 90초까지는 렌즈 A의 퇴색이 빨랐으나, 이 후 540초까지의 시간대에서는 렌즈 C의 퇴색속도가 빠른 것으로 나타났다(Table 3). 따라서 렌즈 A는 117.0±0.5의 색농도를 나타내는데 소요되는 시간이 1,980초였던 반면, 렌즈 C의 경우는 540초에 이미 비슷한 색농도를 나타내었다(Fig. 3B).

제조공정의 차이가 있는 렌즈 A와 C 비교 시 자외선노출 중단 후 초반 퇴색속도는 렌즈 A가 우수한 것으로 나타났으나 그 외 전체적인 착색 및 퇴색속도, 색농도의 최댓값은 렌즈 C가 더 우수한 것으로 판단되었다. 렌즈 A는 모노머공정법으로 제조되었으며, 렌즈 C는 제조사 자체기술의 코팅공정법으로 제조되었다. 렌즈 C의 경우는 기존의 디핑 코팅공정과 유사한 Imbibing 공정을 통하여 렌즈를 먼저 제조한 후 렌즈표면 위에 염료층 보호나 강도 강화를 위해 Trans-Bonding™이라는 일종의 하드코팅을 자체 개발하여 적용하였다고 하였다.^[16] 추가적으로 반감기와 온도를 이용한 선행연구에서도 코팅공정법이 모노머공정법보다 비교적 퇴색속도가 빠르다는 결과 값이 도출된 바 있다.^[12,13] 따라서 코팅공정법으로 제조된 광변색렌즈가 모노머공정법으로 제조된 렌즈보다 염료가 안정적이며 더 빠르고 진하게 활성화되는 것으로 예상할 수 있으므로 렌즈 C가 더 적은 부피에서 변색이 일어나기 때문에 착색 및 퇴색속도가 더 빠르고 더 균일하게 분포되어 더 투명하고, 더 짙게 변색되었다고 생각할 수 있겠다.^[17,18]

동일한 색상이어도 배합방법에 따라 다른 염료가 사용될 수 있는데, 회사로부터 렌즈 A와 C 모두 사용한 광변색염료를 제공받지 못하여 명확하게 판단할 수는 없으나 염료나 그 밖에 기능성 코팅의 유무, 렌즈두께에 따른 미세한 색상차이나 자외선 흡수에 대한 민감도 차이 등 다른 변수가 렌즈 A의 빠른 초기 퇴색속도에 관여한 것으로 예측된다. 렌즈 A와 C 사이에는 굴절률 차이가 존재하나 선행연구 결과 다른 변수에 비해 착색 및 퇴색양상에 미치는 굴절률의 영향은 크지 않은 것으로 생각된다.^[15-16,19]

광변색렌즈의 후공정 코팅으로 인한 착색 및 퇴색양상의 비교는 선글라스에 많이 사용되는 미러코팅이 적용된 렌즈 D(미러코팅 추가)를 렌즈 A(기본코팅)와 비교 분석함으로써 알아보았다.

자외선 노출에 따른 렌즈 A와 D의 색 농도를 5초 간격으로 비교분석한 결과, 렌즈 A는 0~20초 사이에 108.7±0.9, 221.0±0.6, 233.2±0.3 및 238.4±0.6으로 나타난 반면, 렌즈 D는 동일시간 대에 238.2±0.1, 232.0±0.1, 235.7±0.1 및 237.9±0.1로 나타났다. 렌즈 D의 경우는 미러코팅으로 인하여 가시광선이 상당량 반사되어 자외선 노출 전에도 색농도가 렌즈 A의 자외선 노출 10초 후에 해당하는 진하기로 측정되었으며, 이후 자외선광선에 노출시키더라도 미러코팅으로 인한 자외선의 반사로 인하여 광변색염료의 포함에도 불구하고 광변색효과가 나타나지 않는 것으로 판단되었다(Fig. 4A, 부록2 참조). 한편 렌즈 A와 D의 착색속도나 퇴색속도, 퇴색양상의 비교는 미러코팅으로 인한 렌즈 D의 미미한 색변화로 인하여 불가능하였다(Table 2, 3, 부록3 참조). 따라서 광변색렌즈에 미러코팅의 적용은 본연의 목적을 상실하게 한다고 사료된다. 그러나 광변색렌즈에 사용되는 광변색염료가 흡수하는 파장 영역이나 미러코팅이 반사하는 파장 영역 또는 반사 정도를 조정한다면 다른 결과가 나타날 수도 있을 것이라 생각되나 이를 뒷받침할만한 추가적인 연구가 요구된다.

Fig. 4. 
Comparison of coloring and discoloring patterns and visible light transmittance between lenses A and D according to mirror coating. A. coloring process, B. discoloring process *Significantly different from the discoloration of lens A at the level of p<0.05 by the Kruskal-Wallis test