Ⅰ. 서 론
최근 스마트폰, 컴퓨터 등 디지털 기기의 사용이 급격히 증가함에 따라 디지털 눈피로(digital eye strain)와 청색광(blue light)의 시각적 영향에 대한 관심이 높아지고 있다.1-3) 청색광(400~500 nm)은 높은 에너지를 가지며, 장시간 노출 시 눈부심 증가, 대비감도 저하, 망막의 광화학적 손상 및 수면-각성 주기 변화 등을 유발할 수 있다.4,5)
이를 감소시키기 위해 청색광 차단 렌즈(blue-light-blocking lens)가 보조수단으로 널리 활용되고 있으나,6-8) 청색광 영역을 선택적으로 차단하는 분광 투과 특성은 색 지각(color perception), 색상 구분 능력(color discrimination) 및 색 재현성(color rendering)의 변화를 초래할 수 있다.9-11) 특히 정밀한 색상 판별이 요구되는 작업 환경에서는 이러한 색 왜곡(color distortion)에 대한 객관적인 평가가 필수적이다.
색 지각은 광원의 분광분포에 크게 의존하므로,12) 청색광 차단 렌즈의 색 왜곡을 정확히 평가하기 위해서는 다양한 조명 환경에서의 분석이 필요하다. 국제조명위원회(Commission Internationale de l'Éclairage, CIE)의 대표적인 표준광원 중 D65는 자연광(태양광), F10은 실내 삼파장 형광등, A는 난색 백열등 환경을 대표하므로 광원 환경에 따른 색 지각 영향을 비교하기에 적합하다.13,14)
선행 연구에 따르면 청색광 차단 렌즈의 시력 보호 및 디지털 눈 피로 감소 근거는 아직 제한적이며 색 재현성 연구가 필요하다는 지적이 있다.2) 착용 시 청색 영역의 색 대비감도 감소 및 색상 배열 오류 증가가 보고되었고,15-17) 장기 착용 시 일부 단파장 영역의 지속적인 색 좌표 이동이나 CIE L*a*b* 색 공간에서의 색차 증가가 관찰되었다.1,18)
반면, 일반적인 차단율에서는 임상적으로 유의한 색각 이상을 유발하지 않는다는 보고도 존재한다.16) 그러나 기존 연구 대부분은 D65 단일 광원이나 디스플레이 환경에 국한되어 있으며, 다양한 표준광원 환경에서 CIE L*a*b* 색 좌표 이동과 인접 색상 간 색 차를 동시에 객관적·정량적으로 분석한 연구는 매우 부족하다. 또한 임상적 평가는 착용자의 주관 및 조명 변수에 영향받아 렌즈 자체의 고유한 색 왜곡을 절대 비교하는 데 한계가 있었다.
따라서 본 연구에서는 분광광도계를 이용해 D65, F10, A 표준광원 조건에서 청색광 차단 렌즈 장착 전·후 Farnsworth D-15 색상 칩의 CIE L*a*b* 색 좌표 이동량(color coordinate shift, )과 인접 색상 칩 간 색차(color difference, )를 객관적으로 측정하였다. 이를 통해 광원의 분광 특성에 따른 색 왜곡 및 색상 구분 능력 변화를 정량적으로 평가하고, 청색광 차단 렌즈의 임상적 평가 및 시기능 연구를 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
Ⅱ. 대상 및 방법
연구에 사용된 렌즈는 시중에서 널리 사용되는 청색광 차단 코팅이 적용된 단초점(single vision) 무도수(plano)의 굴절률(refractive index) 1.56인 플라스틱 렌즈로, 렌즈 표면에 적용된 다층 간섭(multilayer interference) 코팅을 통해 400~500 nm 영역의 단파장 청색광을 선택적으로 반사되도록 설계되었으며, 자외선 차단 기능과 하드 코팅(hard coat), 발수(hydrophobic) 코팅이 기본 적용되어 일상적인 시생활 환경에서 사용되는 안경렌즈이다.
청색광 차단 렌즈의 광학적 특성은 UV-Vis 분광광도계(UV-2450, Shimadzu, Japan)를 이용하여 380~780 nm 파장 범위에서 5 nm 간격으로 투과율(transmittance)을 측정하였고, 이로부터 산출된 렌즈의 광 투과율(luminous transmittance)은 97.1%, 청색광 차단율(blue-light-blocking rate)은 18.4%이었다.19) 투과율 곡선은 Fig. 1에 제시하였다.
D65, F10 및 A 표준광원 환경에서 분광광도계를 이용해 Farnsworth D-15 색상 칩의 CIE L*a*b* 색좌표를 측정하였다(Fig 2). Fig. 2와 같이 표준광원에서 출사된 빛이 샘플 홀더 내 광경로(optical path)를 통해 색상 칩에 조사되고, 반사된 빛이 검출기(detector)로 입사되는 측정경로를 구축하였다. 렌즈를 장착하지 않은 상태에서 기준 색 좌표를 측정한 후(Fig 2. (a)), 광경로 상에 청색광 차단 렌즈를 위치시킨 상태에서 동일하게 재측정하여(Fig 2. (b)) 두 가지 방법 즉, 색 왜곡 특성을 반영하는 색 좌표 이동량(color coordinate shift, )과 색상 구분 능력을 반영하는 인접한 색상 칩(color cap) 사이의 평균 색차(mean color difference, )를 아래와 같이 구하였다.20)
첫째, 색 좌표 이동량()은 D65, F10 및 A 표준광원 환경에서 청색광 차단 렌즈 장착 전·후 Farnsworth D-15 Test 색상 칩의 CIE L*a*b* 색 좌표를 측정한 후, 다음 식 (1)에 따라 산출하였다.
여기서 와 은 렌즈 장착 전의 색 좌표이고, 와 는 렌즈 장착 후의 색 좌표를 나타낸다. 각 색상 칩에서 산출된 색 좌표 이동량의 평균값을 계산하여 광원별 색 왜곡 정도를 비교·평가하였다.
둘째, 색상 구분 능력의 변화는 인접한 두 색상 칩 사이의 평균 색 차를 이용하여 평가하였다. 색 차(color difference, )는 CIE L*a*b* 색 공간에서 다음 식 (2)에 따라 산출하였으며,
여기서 과 는 인접한 두 색상 칩 사이의 색차를 나타낸다. 청색광 차단 렌즈 장착 전·후의 인접한 색상 칩 사이 평균 색차를 비교하여 색상 구분 능력의 변화를 정량적으로 분석하였다.
본 연구의 산출 데이터는 확정적 광학 데이터(deterministic optical data)로 설계되었다. 이를 통해 산출 오차를 최소화하고 데이터 분포의 정밀도와 신뢰성을 확보하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 색좌표 이동() : 색왜곡
청색광 차단 렌즈 장착 전·후의 Farnsworth D-15 Test 색상 칩에 대한 CIE L*a*b* 색 좌표 결과를 Fig. 3의 (a), (b), (c)에 제시하였다.
Fig. 3에서 ▲는 렌즈 장착 전(without lens)의 색 좌표를, ●는 렌즈 장착 후(with lens)의 색 좌표를 나타내며, 두 점을 연결한 선 중 실선은 청색광 차단 렌즈를 장착 전의 색 좌표를, 점선은 장착 후의 색 좌표를 연결한 선이다.
D65 광원(Fig. 3(a))에서는 대부분의 색상 칩이 좌측 상향 방향(a* 감소, b* 증가)으로 이동하여 황록색 방향의 색 왜곡을 보였다. 특히 색상환 상부와 좌측 영역에 있는 색상 칩에서 이동 폭이 비교적 크게 나타났으며, 우측 하단 영역에서는 이동량이 상대적으로 적었다.
F10 광원(Fig. 3(b))에서도 D65와 동일한 황록색 방향의 이동이 관찰되었으나, 전체적인 이동 폭은 세 광원 중 가장 크게 나타났다. 대부분의 색상 칩이 D65보다 더 긴 이동 거리를 보여 평균 색 좌표 이동량이 4.71로 가장 높았다.
A 광원(Fig. 3(c))에서는 다른 광원과 비교하여 이동 폭이 상대적으로 작게 나타났다. 대부분의 색상 칩은 b*축 양(+)의 방향으로 이동하였으나 a*축 변화는 거의 나타나지 않았으며, 우측 영역의 색상 칩에서는 장착 전·후 색 좌표 차이가 상대적으로 작게 관찰되었다.
세 광원을 비교한 결과, 모든 광원에서 b*축 방향의 양(+) 이동이 공통으로 나타나 청색광 차단 렌즈 착용 후 황색 성분이 증가하는 경향을 확인하였다. 그러나 a*축 이동은 광원에 따라 차이를 보여 D65와 F10에서는 녹색 방향(a* 감소)의 이동이 뚜렷하였으나, A 광원에서는 a*축 변화가 거의 나타나지 않았다. 또한 평균 색 좌표 이동량은 F10, D65, A 순으로 나타나 광원의 분광 특성에 따라 색 왜곡 정도가 달라짐을 확인하였다.
Fig. 3에서 나타난 색 좌표 이동을 더욱 구체적으로 확인하기 위하여 각 색상 칩의 이동 방향과 이동량을 벡터 다이어그램으로 나타내었다(Fig. 4).
Fig. 4에서 화살표의 시작점은 렌즈 장착 전 색 좌표이며, 화살표 끝은 렌즈 장착 후 색 좌표를 나타낸다. 화살표의 길이는 색 좌표 이동량을 의미하고, 방향은 색 왜곡이 발생한 방향을 의미한다.
Fig. 4(a)의 D65에서는 대부분의 벡터가 좌측 상향(황록색) 방향으로 배열되어 색상 칩 전반에서 유사한 이동 경향을 보여준다. Fig. 4(b)의 F10에서는 D65와 유사한 이동 방향을 유지하면서도 벡터의 길이가 전반적으로 더 길어 가장 큰 색 좌표 이동이 관찰되었다. 반면 Fig. 4(c)의 A에서는 대부분의 벡터가 거의 수직 방향(b*축 증가)으로 배열되어 황색 방향으로의 이동이 우세하였으며, 좌우 a*축 이동은 상대적으로 제한적이었다.
특히, 세 광원 모두에서 15번 색상 칩이 가장 긴 벡터를 보여 가장 큰 색 좌표 이동을 나타냈으며(D65: 6.19, F10: 6.38, A: 5.18), 7~9번 색상 칩은 벡터 길이가 가장 짧아 색 좌표 변화가 상대적으로 적은 영역으로 나타났다.
각 광원별 평균 색 좌표와 색 좌표의 평균 이동량을 구하여 Table 1에 제시하였다.
Table 1에 따르면 광원별 평균 색 좌표 이동량은 D65에서 4.58±1.12, F10에서 4.71±1.05, A에서 3.89±0.95로 나타났다. 평균 색 좌표 이동 방향은 D65와 F10에서는 a*축 음(-)의 방향과 b*축 양(+)의 방향으로 이동 즉, 황록색(yellow-green) 방향의 색 왜곡이 나타났으며, A 광원에서는 a*축 변화는 거의 나타나지 않고, b*축 양(+)의 방향으로 이동하여 황색(yellow) 방향의 색 왜곡을 보였다.
2. 인접한 색상 칩 간 색차() : 색상 구분 능력
청색광 차단 렌즈 장착 전·후의 인접한 Farnsworth D-15 Test 색상 칩 간 평균 색차()를 분석한 결과를 Table 2에 제시하였다.
Table 2는 각 광원에서 인접한 색상 칩 구간별 색차 변화를 나타낸 것이다. 대부분의 색상 칩 구간에서 렌즈 장착 후 색 차가 감소하였으며, 감소 정도는 색상 칩 구간과 광원에 따라 차이를 보였다.
D65 광원에서는 9~10번 색상 칩에서 가장 큰 감소가 나타났으며, 색차는 11.75에서 10.82로 감소하여 는 -0.92를 보였다. 다음으로 3~4번(-0.59), 2~3번(-0.57), 11~12번(-0.50) 구간에서 비교적 큰 감소가 관찰되었다. 반면, 7~8번 구간은 12.03에서 12.08로 0.05 증가하여 유일하게 색차가 증가한 구간으로 나타났다.
F10 광원에서도 9~10번 색상 칩의 감소 폭이 가장 크게 나타났으며, 13.66에서 12.69로 감소하여 는 -0.97을 보였다. 이어 3~4번(-0.58), 11~12번(-0.55), 2~3번(-0.53) 순으로 감소 폭이 크게 나타났으며, 7~8번 구간은 -0.03으로 변화가 거의 없었다.
A 광원에서는 9~10번 구간이 9.40에서 8.73으로 감소하여 는 -0.67로 가장 큰 감소를 나타냈다. 다음으로 11~12번(-0.46), 3~4번(-0.44), 5~6번(-0.42), 6~7번(-0.38) 순으로 감소 폭이 크게 나타났다.
세 광원을 비교한 결과, 모든 광원에서 9~10번 색상 칩 구간이 가장 큰 색차 감소를 나타내는 공통적인 경향을 보였다. 또한 대부분의 색상 칩에서 장착 후 색차가 감소하였으며, 감소 정도는 F10 광원에서 가장 크게, D65와 A 광원에서는 상대적으로 작게 나타났다.
표의 구간별 분석에서도 동일한 경향을 나타냈으며, 특히 9~10번 색상 칩 구간에서 가장 현저한 감소가 반복적으로 관찰되었다. 반면 4~5번, 10~11번, 14~15번 구간은 세 광원 모두 변화량이 비교적 적어 렌즈 장착 전·후 색차가 상대적으로 안정적으로 유지되는 경향을 보였다.
Table 2의 전반적인 추세를 알아보기 위해 Table 3를 제시하였다.
Table 3에 따르면 각 표준광원에서 청색광 차단 렌즈 장착 전·후 인접한 색상 칩 간 평균 색차()를 비교한 결과이다. 모든 표준광원에서 렌즈 장착 후 평균 색차가 감소하는 경향이 관찰되었다.
D65 광원에서는 평균 색차가 7.25±2.58에서 6.94±2.43로 0.31±0.25 감소하였으며, F10 광원에서는 7.81±2.81에서 7.45±2.62로 0.36±0.24 감소하여 가장 큰 감소 폭을 나타냈다. A 광원에서는 7.69±2.94에서 7.38±2.78로 0.31±0.16 감소하였다. 평균 색차는 장착 전과 후 모두 F10, A, D65의 순으로 나타났으며, 청색광 차단 렌즈 장착 후에도 동일한 경향을 유지하였다. 광원별 평균 색차 감소량을 비교하면 F10(-0.36)이 가장 크게 감소하였으며, D65(-0.31)와 A(-0.31)는 동일한 감소 폭을 나타냈다.
이상의 결과를 종합하면, 청색광 차단 렌즈는 색 왜곡과 색상 구분 능력의 특성에 유의한 변화를 초래한다는 선행 연구의 보고를 정량적인 색차 데이터로 밝혀낼 수 있었다.2,7) 다만 본 연구는 단일 상용 렌즈만을 대상으로 수행되었으므로, 향후 렌즈의 차단 방식(흡수식 및 반사식)과 차단율에 따른 비교 연구로의 확장이 필요하다. 또한 현재 보편적으로 사용되는 LED 조명 등 다양한 실내 광원 환경을 고려한 임상 연구가 보완된다면, 청색광 차단 렌즈의 시각적·광학적 특성을 더욱 포괄적으로 이해할 수 있을 것이다. 따라서 정교한 색채 작업이 요구되는 의료, 디자인, 인쇄, 도장 및 색채 검사 분야에서는 작업 광원의 특성과 렌즈의 광학적 성질을 함께 고려하여 적절히 선택하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
Ⅳ. 결 론
D65, F10 및 A 표준광원 환경에서 청색광 차단 렌즈 장착 전·후의 Farnsworth D-15 Test 색상 칩에 대한 CIE L*a*b* 색 좌표를 분석하여, 청색광 차단 렌즈 착용에 따른 색 왜곡과 색상 구분 능력의 변화를 알아보았다.
색 왜곡 정도를 확인할 수 있는 색 좌표 이동량()은 청색광 차단 렌즈 착용 후 모든 표준광원에서 색 좌표는 황색 방향(b* 증가)으로 이동하였으며, D65와 F10 광원에서는 녹색 방향(a* 감소) 이동이 함께 나타나 전반적으로 황록색(yellow-green) 방향의 색 왜곡을 보였다. 평균 색 좌표 이동량은 F10에서 4.71로 가장 크게 나타났으며, D65는 4.58, A는 3.89로 나타나 광원의 분광 특성에 따라 색 왜곡의 정도가 달라짐을 확인하였다.
색상 구분 능력을 확인할 수 있는 인접한 색상 칩 간 평균 색차()는 모든 광원에서 감소하였다. 평균 색차는 D65에서 7.25에서 6.94로, F10에서 7.81에서 7.45로, A에서 7.69에서 7.38로 감소하였으며, 특히 9~10번 색상 칩 구간에서 가장 큰 감소가 나타났다. 이는 청색광 차단 렌즈 착용 색상 구분 능력이 상대적으로 저하될 수 있음을 의미한다.
이상의 본 연구 결과는 청색광 차단 렌즈가 사용 광원의 분광 특성에 따라 색 왜곡 및 색상 구분 능력에 미치는 영향이 상이하며, 특히 F10 삼파장 형광등 조건에서 광학적 변동성이 가장 크게 나타남을 입증한다. 따라서 일상적인 시생활 환경에서는 청색광 차단 렌즈의 착용이 시각적 수행력에 미치는 부작용이 미비할 것으로 사료된다. 다만, 차단 방식과 차단율에 따른 비교 및 보편적 실내 LED 광원을 포함한 후속 임상 연구가 보완된다면 렌즈의 포괄적인 시각적·광학적 특성을 한층 명확히 규명할 수 있을 것이다.











