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자동렌즈미터(CL-100, Topcon, Japan)를 이용하여 0.25 D 단위로 측정하였고, 각 렌즈 당 3번씩 측정한 후 평균값을 사용하였다.

렌즈의 광투과율은 광투과율 측정기(TM-1, Topcon, Japan)을 사용하였으며 UV-B(280~315 nm), UV-A(315~380 nm), 가시광선(380~780 nm) 범위로 나눠 각 렌즈 당 3번씩 측정한 후 평균내었다.

마이크로 피펫을 이용하여 1 μl의 물을 중심부로부터 2 cm 떨어진 부위의 렌즈표면에 떨어뜨린 후 DSLR 카메라(Canon SX50 HS, Canon, Japan)로 촬영하여 분석하였다.

안경렌즈의 부착력 평가는 ASTM D3359(American Society for Testing and Materials D3359) 방법^[9]을 응용하여 1 mm 격자 간격으로 6×6로 십자형으로 칼집을 내어 일차적 손상을 유도한 후 손상 부분의 코팅 박리정도를 관찰하였다. 코팅의 박리정도에 따라 등급을 총 6등급으로 나누어 부착력을 평가하였다.

안경렌즈의 표면 변화는 주사전자현미경(VEGA3, TESCAN, Czech)을 이용하여 120시간 동안 노출된 –8.00 D 굴절력의 렌즈와 대조군 렌즈를 관찰하였으며 각 렌즈마다 2개 지점을 500배와 2,000배로 촬영하여 비교하였다.

3회 반복한 실험의 결과는 평균±표준편차로 나타내었으며 IBM SPSS Statistics(ver 23.0 for Window)를 사용하여 통계적인 유의성을 분석하였다. 각 조건과 시간에 따른 광투과율과 접촉각 변화 분석은 two-way ANOVA를 사용하였고, p<0.05일 때 통계적으로 유의한 것으로 판단하였다.

조건 1, 2 및 3에서는 노출시간에 관계없이 안경렌즈의 굴절력 변화는 관찰되지 않았다. 조건 4(온도 80^oC, 습도 85%)에서는 노출시간에 따라 굴절력의 변화가 상이하였다. 즉, 24시간 노출된 안경렌즈들은 변화가 없었던 반면, 72시간 노출된 경우에는 –8.00 D 안경렌즈에서 난시 도수의 발생이 관찰되었으며, 120시간 노출된 경우에는 –1.00 D 굴절력에서는 변화가 없었으나, −5.00 D와 –8.00 D 렌즈에서 구면도수가 증가하거나 난시도수가 발생함을 알 수 있었다(Table 2). 조건 4의 노출조건에서 안경렌즈의 굴절력이 높아질수록 굴절력의 변화 또한 커짐을 알 수 있었다.

UV-A 투과율은 온도 및 습도에 대한 노출조건, 노출시간 및 검사한 안경렌즈 굴절력에 관계없이 모두 1%로 나타났다. UV-B와 가시광선 투과율의 경우는 약간의 감소나 증가하는 결과를 보였으나 모든 노출조건에서 통계적으로 유의한 변화는 아니었다(Table 3).

온도 및 습도조건에 안경렌즈를 노출시켰을 때 표면 코팅층의 손상 정도를 알아보기 위하여 접촉각을 측정하였다(Fig. 1). 그 결과 각 굴절력의 안경렌즈는 노출시간이 증가할수록 모든 노출조건에서 접촉각이 통계적으로 유의하게 감소하는 변화를 나타냈었으며(p<0.05 by two-way ANOVA), 상대적으로 낮은 온도의 조건인 조건 1과 2의 경우를 제외하고, 각 조건 별로 통계적으로 유의한 변화가 있음을 확인하였다(Fig. 1). 특히 고온 조건에서 습도가 다른 조건 3과 4를 비교하였을 때, −5.00 D의 경우는 각각의 조건에서 최대 1.01%와 3.34%의 감소를, −8.00 D의 경우는 각각 1.21% 및 6.18%의 감소를 나타내어 동일한 80^oC라 하더라도 상대습도가 높을 때 더 큰 접촉각의 감소를 나타내어 코팅막의 변화가 클 것임을 예상할 수 있었다.

Fig. 1. 
Changes in the contact angle of ophthalmic lenses with different refractive powers according to the exposure conditions.

각 조건에서 노출시킨 안경렌즈의 코팅막에 대한 부착력을 평가하였다(Table 4). 온도와 습도 조건에 노출시키지 않은 대조군의 부착력 등급은 굴절력에 관계없이 모두 5B로 나타났으며, 가장 낮은 온도 및 습도조건인 1에서 24 및 72시간 동안 노출시킨 안경렌즈의 부착력 또한 5B 등급으로 나타났다. 그러나 120시간 동안 조건 1에 노출시킨 –.00 D 안경렌즈의 부착력 등급은 5B이었으나, −5.00 D의 경우는 4.83±0.37B이었고, −8.00 D의 경우는 4.67±0.47B로 측정되었다. 한편, 조건 2에 노출시킨 −1.00 D 렌즈의 경우는 노출시간에 관계없이 4.67±0.47B로 부착력 등급이 일정하였으나, −5.00와 –8.00 D 렌즈의 경우에는 노출시간이 증가함에 따라 부착력 등급이 낮아지는 경향을 나타내었다. 조건 3에 노출시킨 안경렌즈의 부착력은 노출시간과 굴절력에 관계없이 모두 4B 등급으로 나타났다. 설정노출조건 중 온도와 습도가 모두 가장 높은 조건 4의 경우, 다른 조건에 비해 코팅막 손상이 확연하게 나타났을 뿐만 아니라 노출시간의 증가에 따라 코팅막 손상의 정도가 커짐을 알 수 있었다. 즉, 조건 4에서 120시간 동안 노출시켰을 때 –1.00 D 안경렌즈의 부착력 등급은 3.67±0.47B이었고, –.00 D 렌즈의 부착력 등급은 2.67±0.47B, –8.00 D 렌즈의 경우는 3.67±0.47B로 나타났다.

낮은 온도 조건인 1, 2와 높은 온도 조건 3, 4에서의 안경렌즈의 부착력 등급을 비교하였을 때, 상대적으로 높은 온도 조건인 조건 3과 4에서의 부착력 등급은 4B 이하로 나타나 온도가 높을수록 코팅막의 손상이 더 커짐을 알 수 있었다. 또한 동일한 높은 온도인 조건 3과 4에서는 습도가 높아질수록 코팅막의 손상이 심해짐을 알 수 있었다.

온도와 습도 노출조건에 따른 안경렌즈의 파라미터 및 표면의 변화에서 변화를 보였던 120시간의 조건에서 노출된 안경렌즈 표면을 주사전자현미경으로 관찰하여 코팅막의 안정성을 평가하였다. 그 결과, 조건 1과 조건 2에서는 120시간 노출되더라도 대조군과 동일하게 코팅막에 균열이 없는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 낮은 온도 조건인 35^oC에서는 습도에 관계없이 코팅막의 균열이 나타나지 않음을 알 수 있었다.

높은 온도 조건인 3과 4에서 120시간 노출된 안경렌즈의 표면에서는 균열이 관찰되었다. 조건 3에 노출시킨 안경렌즈의 표면에서는 육안으로는 균열이 잘 확인되지 않으나, 500배율로 확대하였을 때 미세한 균열이 관찰되었으며(Fig. 2), 같은 부분을 2000배로 확대하여 관찰하였을 때에는 표면의 균열과 함께 이물질의 존재를 관찰할 수 있었다(Fig. 3). 한편 높은 온도와 습도 조건인 4의 경우는 육안으로 관찰하였을 때에도 표면이 거칠고 이물질이 잘 세척되지 않았으며 균열이 있음을 관찰할 수 있었다. 특히 주변부로 갈수록 코팅막의 균열이 심하게 나타났으며, 조건 3에 노출시킨 렌즈의 경우보다 더 크고 깊은 균열을 관찰할 수 있었다. 따라서 동일한 높은 온도 조건이라면 습도가 높을수록 코팅막의 균열이 크고 깊어지는 것을 알 수 있었다.

Fig. 2. 
Representative surface of ophthalmic lenses after 120h-exposure to temperature and humidity visualized using a scanning electron microscope (×500). A. Baseline, B. Case 1, −8.00 D, C. Case 2, −8.00 D, D. Case 3, −8.00 D, E. Case 4, −1.00 D, F. Case 4, −5.00 D, G. Case 4, −8.00 D

Fig. 3. 
Representative surface image of ophthalmic lenses after 120h-exposure to temperature and humidity taken using a scanning electron microscope (×2000). A. Baseline, B. Case 1, −8.00 D, C. Case 2, −8.00 D, D. Case 3, −8.00 D, E. Case 4, −1.00 D, F. Case 4, −5.00 D, G. Case 4, −8.00 D

본 연구에서는 동일 재질 및 코팅막을 가진 안경렌즈가 온도와 습도가 상이한 조건에 노출되었을 때, 렌즈의 굴절력 및 광투과율의 변화가 발생하며, 노출시간 경과에 따른 접촉각과 부착력의 감소를 통하여 코팅막의 손상을 예상할 수 있었으며, 주사전자현미경을 통한 표면 관찰을 통하여 이를 확인할 수 있었다.

Cho 등^[2]은 70^oC에서 1시간 동안 렌즈 가열하였을 때 표면의 균열을 확인하였고, 이는 온도가 높을수록 더 심해진다고 보고하였는데, 본 연구에서도 고온 노출 시 이와 유사한 양상을 보였다. 또한 고온에 가열된 렌즈의 코팅 박막의 변화를 관찰한 연구^[3]에서 고온 노출 시 접촉각이 감소한다는 결과를 보고한 바 있는데, 본 연구에서도 동일한 양상이 관찰되었다. 접촉각은 발수 코팅층의 소수성 성질로 인하여 표면에 접촉하는 물과의 표면장력 차에 의해서 결정되며 코팅층이 손상될수록 접촉각이 감소하게 된다.^[10] 본 연구 결과, 온도와 습도가 높아질수록 접촉각이 점차 감소하는 경향을 보였으므로, 발수 코팅층이 손상됨을 알 수 있었다. 또한 렌즈의 굴절력 변화는 코팅층의 손상과 함께 티오우레탄 렌즈 재질의 변화^[3,11]에 기인한 결과로 생각되었다. 또한 부착력 등급으로 안경렌즈를 평가하였을 때, 조건 2, 조건 3, 조건 4의 순서대로 부착력 등급이 낮아짐을 확인하였고, 이를 통하여 안경렌즈 하드코팅의 손상을 알 수 있었다. 특히 고온, 고습인 조건 4에서 가장 큰 표면의 변화가 확인되었으므로, 이는 고온으로 인하여 손상된 코팅층의 균열로 수분이 침투하여 반사방지 코팅층과 하드코팅 영역에서 렌즈 변형 및 균열이 확대된 것으로 생각되었다.^[12]

선행연구에서 고온의 환경 조건에서 안경렌즈와 코팅의 변화 정도를 연구한 사례는 있으나 습도까지 고려된 환경에 안경렌즈가 노출되었을 때 렌즈와 코팅의 변화 정도를 연구한 사례는 미미한 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구는 우리나라에서 실제 접할 수 있는 온도와 습도에 기반한 환경 조건 하에서 고굴절률의 안경렌즈와 이의 코팅막에 나타날 수 있는 변화 정도를 실험적으로 증명하였다는 것에 의의를 가진다고 할 수 있겠다.