황색착색렌즈를 이용한 착색 청색광차단렌즈의 분석과 평가 방법에 관한 고찰

서 론

435~400 nm를 중심으로 선폭 약 60 nm 정도의 가우스 분포와 유사한 형태를 띠는 빛에 광생물학적 노출한계(photobiological exposure limit) 이상으로 노출되면 광화학적 망막손상(photochemical retinal injury)으로 인해 시력이 약화되고 심하면 실명에도 이르는 것으로 보고되고 있다.^[1-5] 색상의 관점에서 볼 때 이 대역의 빛은 자색광(400 nm)과 청색광(460 nm) 사이에 있어서 보랏빛이 감도는 푸른빛을 띤다. 이 때문에 이 대역의 빛을 청색광(blue light)이라 부르며, 이로 인해 발생되는 광화학적 망막손상의 위험을 청색광 위험(blue light hazard)이라 한다.^[1,6-8]

이러한 청색광의 일부를 차단할 목적으로 개발된 시력보호용 렌즈가 청색광차단렌즈(blue light blocking lens)인데 제조법에 따라 코팅 청색광차단렌즈와 착색 청색광차단렌즈로 구분한다. 김 등은 시중에서 유통되고 있는 국내 외 41종의 코팅 청색광차단렌즈 및 착색 청색광차단렌즈에 대한 청색광차단율(blue light blocking ratio, R_BL)과 시감투과율(luminous transmittance, τ)을 국제표준에 따라 측정하고 장단점을 비교하였다. 이에 따르면 대부분의 코팅청색광차단렌즈는 착색 청색광차단렌즈와 비교할 때 청색광차단율이 낮기는 하지만 시감투과율이 높고 색상이 무색에 가까워 일상에서 착용하는데 무리가 없다. 착색 청색광차단렌즈는 코팅 청색광차단렌즈만큼 시감투과율을 높이기는 어렵지만 고스트 이미지(ghost image)라고 불리는 반사상이 생기지 않기 때문에 입사되는 청색광의 대부분을 차단시킬 수 있을 만큼 높은 청색광차단율의 렌즈를 제조할 수 있고, 이용할 수 있는 착색염료 또한 많기 때문에 다양한 색상의 구현이 가능하다.^[9] 정 등은 일상에서 널리 사용되고 있는 다양한 용도와 색상의 LED 조명을 대상으로 청색광 위험의 지표가 되는 청색광 복사휘도(blue light radiance)를 측정한 후, IEC 62471의 청색광 위험군 분류(risk group classification from IEC 62471) 기준에 따라 분류하면서 청색광 노출로부터 시력을 보호하기 위해서는 가급적 CCT가 낮은 조명을 사용하거나 CCT가 높은 조명을 사용해야 한다면 확산판이 부착된 제품이나 혹은 밝기를 낮추어 사용할 것을 권장하였다.^[10] 손 등은 다양한 LED 광원을 대상으로 청색광 분포(blue light distribution)를 조사하고, 일상에서 널리 사용되고 있는 LED 광원들에서 방출되는 청색광은 평균파장 450 nm에서 가장 위험도가 크고 그 선폭은 27 nm인 가우스 분포를 갖는다는 것을 밝혀냈다. 그리고 국외 브랜드 청색광차단렌즈는 LED 광원에서 방출되는 청색광을 효과적으로 차단시킬 수 있도록 설계되었지만, 국내 브랜드 청색광차단렌즈는 그렇지 못한 경우가 많다는 점을 통계적으로 입증하면서 국내 브랜드 청색광차단렌즈의 일부는 청색광차단설계의 변경이 요구된다는 실험결과를 발표하였다.^[1] 하지만 이러한 꾸준한 연구에도 불구하고 아직 해결해야 할 문제들은 산적해 있으며, 그 가운데에서도 특히 착색청색광차단렌즈와 관련된 연구는 매우 미흡한 실정이어서 집중적이면서 심도 있는 논의가 요구된다.

이러한 필요성을 반영하는 차원에서 본 연구에서는 착색 청색광차단렌즈의 개발 및 성능 극대화에 유용하게 활용할 수 있는 방안에 대하여 논의하고자 한다. 이를 위하여 염색착색법으로 총 11개의 황색착색렌즈(yellow-tinted lens)를 제조하였고 분광투과율을 측정한 후, 착색시간과 시감투과율, 착색시간과 청색광차단율, 청색광차단율과 시감투과율 사이의 관계를 대표할 수 있는 맞춤곡선(fitting curve)을 도출하였다. 그리고 이들 맞춤곡선들로부터 이끌어낼 수 있는 청색광차단렌즈 개발 및 성능향상과 관련된 청색광 차단설계, 성능제어, 성능평가, 분석기법 등에 대하여 논의를 하였다. 본 연구에서의 방법과 결과는 환경문제로 발생되는 황사나 미세먼지 등과 관련된 시인성 연구 및 모델의 개발 등에 유용하게 적용될 것이며, 또한 인공수정체로 사용되는 황색안내렌즈(yellow intraocular lens)의 특성을 조사할 때는 물론 야간운전자용 렌즈의 개발이나 평가에도 폭넓게 활용할 수 있다.^[11-14] 본 연구를 계기로 보다 다양한 성능과 기능을 갖춘 착색렌즈와 관련된 다방면의 연구가 진행될 수 있기를 기대한다.

대상 및 방법

결과 및 고찰

1. 시감투과율

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.

$\[ \tau \left(t\right)=78.2169+{\left(3.5642\right)e}^{-t/2.7914}+{\left(10.6885\right)e}^{-t/62.2075} \]$

(3)

2. 청색광차단율

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.

$\[ R_{BL}\left(t\right)=92.1435+{\left(-49.4386\right)e}^{-t/1.1531}+{\left(-34.2932\right)e}^{-t/9.5303} \]$

(4)

3. 청색광차단율과 시감투과율

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.

$\[ \tau \left(R_{BL}\right)=94.6094+{\left(-1.7942\right)e}^{{-R}_{BL}/-61.6865}+{\left(-1.3901\times {10}^{-7}\right)e}^{{-R}_{BL}/-5.4165} \]$

(5)

결 론

염색착색법으로 11개의 황색착색렌즈를 제조하고 가시광선 범위에서의 분광투과율을 측정한 후, 착색시간과 시감투과율 사이의 관계를 대표하는 맞춤곡선 τ(t), 착색시간과 청색광차율 사이의 관계를 대표하는 맞춤곡선 R_BL(t), 청색광차단율과 시감투과율 사이의 관계를 대표하는 맞춤곡선 τ(R_BL)을 도출하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.

(1) 모든 맞춤곡선들은 이중지수감소곡선으로 잘 표현될 수 있다.

(2) 맞춤곡선 τ(t)과 R_BL(t)을 이용하면 목표로 하는 시감투과율과 청색광차단율의 렌즈를 제조할 때 소요되는 착색시간을, τ(R_BL)을 이용하면 목표로 하는 청색광차단율에서의 시감투과율을 추정해낼 수 있다.

(3) 청색광차단렌즈의 성능을 결정하는 청색광차단율 R_BL과 시감투과율 τ으로 그려지는 R_BL-τ 차트는 다양한 청색광차단렌즈의 성능을 빠르고 간편하게 비교할 수 있는 하나의 방법이 될 수 있음을 제안하였다.

(4) R_BL-τ 차트를 바탕으로 본 연구에서 제조한 황색착색렌즈들과 시중에서 유통되고 있는 코팅 및 착색 청색광차단렌즈를 비교하였다. 이로부터 동일한 청색광차단율 R_BL을 갖는 청색광차단렌즈를 개발할 때는 코팅 청색광차단렌즈가 유리하다는 점, 그리고 본 연구에서 제조한 황색착색렌즈들은 시중에서 유통되고 있는 대부분의 착색 청색광차단렌즈보다 성능이 우수하다는 점을 알아내었다.

렌즈의 종류와 특성의 다양성, 착색염료의 색상과 고유특성, 착색과정에서의 농도, 착색시간, 온도, 주위 환경 등의 차이나 변화 등이 모두 착색렌즈의 성능과 맞춤곡선에 영향을 미치는 중요한 요인들이라는 점에서 본 연구는 여러 면에서 한계가 있다고 할 수 있다. 하지만 오히려 이러한 요인들이 많은 연구의 주제가 될 수 있다는 점을 고려하면 해결해야 할 연구가 많다는 점에서 긍정적인 면이 더욱 많다. 또한, 실제 현장에서 적용하기에 어려운 면도 있을 것이지만 실제로 제조사에서 사용하는 렌즈와 염료의 종류는 한정되어 있고, 착색환경은 적절한 수준에서 통제할 수 있다는 관점에서 보면 현장적용이 가능하다 할 수 있다.

이러한 다양한 요인들과 현장적용의 문제점에도 불구하고 본 연구에서 제시한 맞춤곡선의 이해와 분석기법은 착색렌즈의 제조나 착색 청색광차단렌즈의 개발에 있어서 많은 유용한 정보를 제공해줄 수 있다고 사료된다.

본 연구에서 청색광차단 성능을 비교할 때 다루지 못한 요인들로 색채왜곡으로 인한 색채지각 문제와 코팅 청색광차단렌즈에서 나타나는 고스트이미지 등이 있다. 이러한 요인들 또한 청색광차단렌즈의 성능을 좌우하는 중요한 요소들이기 때문에 본 연구에서 제안한 R_BL-τ 차트법과 더불어 청색광차단렌즈의 성능을 통일적으로 평가할 수 있는 새로운 방법이 개발될 수 있기를 기대한다.

Acknowledgments

본 연구는 지식경제부 및 한국산업기술평가관리원의 산업원천기술개발사업의 일환으로 수행되었음 [10053045, 기후 환경 변화 대응 운전자 시인성 향상을 위한 색온도 변환 스마트 LED 전조등 제품화/표준화 기술 개발].

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