Ⅰ. 서 론
현재 사용되는 플라스틱 재질의 안경렌즈 위에는 여러 층의 박막이 코팅되어 있다. 유리렌즈처럼 표면 을 단단하게 하기 위해서 플라스틱 안경 렌즈 위에 하드코팅을 하며, 그 위에 안경렌즈의 투과율을 증가 시키기 위해서 반사방지막(antireflective coating, AR)코팅을 하고, 최근에는 반사방지막 코팅위에 전 도성 물질인 Indium Tin Oxide(ITO)를 코팅하여 정 전하 방지 효과 뿐만 아니라 전자기파를 흡수하는 전 자파 차폐를 하며, 또한 물이 안경렌즈 코팅 면에 달 라붙지 않게 발수 코팅을 한다.
안경렌즈 위에 있는 여러 층의 코팅 막인 하드코팅 막, AR 코팅막, ITO 막, 발수막은 안경렌즈에서 박 리되지 아니하여야 하고, 긁히지 않고, 변색되거나 갈라져서는 안 된다. 하드 코팅의 경우 렌즈 면에 잘 밀착 되어야 하고 AR 코팅막이 잘 밀착되도록 해야 하며, 잔금이 생기는 것을 방지할 수 있도록 충분한 신축성이 있어야 한다. 또한 긁힘에 견디도록 경도가 크고 두께가 충분히 두꺼워야 하며,1) 하드코팅막의 두께는 1.5~3.5 μm 이다. 그러나 AR 코팅 막과 ITO 코팅 막과 발수 막은 각각 300~400 nm, 수 nm, 10~20 nm의 두께로2~3) 하드코팅 막에 비해 두께가 매우 얇아 안경렌즈 박막 외부 요인에 의해 민감하게 반응하리라 여겨진다. 특히, 안경렌즈가 고온에 노출 되었을 때 코팅 박막에 미치는 영향을 조사한 결과 80℃ 이상의 열 충격을 받았을 때 AR 멀티코팅과 수 막 코팅이 손상됨이 보고된 바가 있다.4)
안경렌즈 표면에 먼지나 기름기와 같은 얼룩이 묻 었을 경우, 안경렌즈 표면을 세척하는 방법으로 일반 적으로 가정에서는 안경수건을 사용하여 이물질을 제 거하며, 안경원에서는 초음파 세척기를 이용하여 초 음파 세척 후 안경수건으로 세척한다. 초음파 세척기 를 사용하여 안경렌즈 세척 시 장시간 초음파 세척을 사용하면 안경렌즈 박막에 손상을 주리라고 여겨진 다. 현재 안경렌즈 코팅 장비가 고급화와 자동화로 인해 코팅 박막 질이 과거에 비해 매우 좋아져 박막 손상을 과거보다 덜 걱정해도 되지만 AR 코팅 박막 손상을 막기 위해 초음파 세척기 사용을 가급적 피하 라고 언급되어 있으나,5) 이에 관한 연구는 아직 발표 된 적이 없다.
Ⅱ. 실험 방법
안경렌즈는 시중에 판매되는 렌즈 중에 AR 코팅과 ITO코팅과 발수코팅을 한 렌즈 중에서 투과율이 크 고 접촉각이 큰 조건을 만족하는 국내 렌즈들(K광학 회사 렌즈, J광학회사 렌즈, E광학회사 렌즈, H광학 회사 렌즈)과 일본 H광학회사 렌즈로 실험을 하였으 며, 이 안경렌즈들은 비슷한 경향의 실험결과를 보였 다. 이중 투과율이 98% 이상이고 접촉각(본 연구에서 는 안경렌즈 곡면에서 접촉각)이 90° 이상인 일본 H 광학회사 렌즈의 실험 데이터를 본 연구에서 고찰하 였으며, 렌즈의 굴절력은 –3.50D이고 굴절률은 1.60 이다.
Fig. 1과 같이 안경렌즈를 안경테에 삽입한 후 안 경렌즈를 초음파 세척기 안에 넣고 시간에 따른 안경 렌즈의 박막을 관찰하였다. 초음파 세척기(새한, 100W) 안에 일반 수돗물을 2/3정도 담고 물 중앙에 안경렌즈를 오게끔 안경테를 고정시켰다. 동일렌즈를 30분 간격으로 2시간까지 초음파 세척기를 가동하면 서 안경렌즈의 표면, 광 투과율, ITO 박막 변화, 접 촉각을 관찰하였다.
안경렌즈 표면 관찰은 광학현미경을 이용하였다. 접안렌즈는 10배율을 사용하였고, 대물렌즈는 1배부 터 4배까지 변화하는 줌 렌즈를 사용하였다. 먼저 안 경렌즈 흠집을 40배로 관찰한 후 좀 더 넓은 영역을 관찰하기 위해 30배로 배율을 줄여 관찰했다. 광 투 과율은 Transmittance Meter(Topcon, TM-1)을 이 용하여 280 nm에서 780 nm 파장 영역의 스펙트럼 을 관찰하였다. 발수 박막의 손상을 알기 위해 안경 렌즈 표면의 접촉각을 측정하였으며, 접촉각은 디지 털카메라와 스마트앱을 이용하여 측정하였다. ITO 박막의 손상을 알기 위해 저자가 제작한 그림 2와 같 은 Radio Frequency(RF) 고주파 송수신 장치를 이 용하였다.
RF 고주파 송수신 장치에서 Fig. 2처럼 상단 오른 쪽 부분에 고주파 발생부분과 직사각형의 송신 코일 이 있으며, 코일의 턴 수는 4이다. 직사각형 송신 코 일의 왼쪽 옆에 있는 직사각형 코일은 수신코일로 유 도기전력이 형성된다. 송수신 코일 위에 ITO 코팅된 안경렌즈를 놓고 하단 왼쪽에 있는 전압계로 증폭된 유도기전력의 감소량을 읽는다. 안경렌즈의 ITO 박 막의 두께에 따라 수신 코일에 감지되는 유도기전력 의 감소량이 달라지므로, 이를 이용하여 안경렌즈의 ITO박막 두께 변화를 관찰할 수 있다.3)
Ⅲ. 실험 결과
1. 안경렌즈 표면 관찰
Fig. 3은 안경렌즈 표면을 광학현미경을 사용하여 40배율로 찍은 사진이다. (a), (b)는 각각 안경렌즈에 초음파 세척기를 가하지 않았을 때와 30분간 초음파 세척기를 가했을 때의 안경렌즈 표면 사진이다. 중앙 근처에 있는 점은 렌즈표면 사진을 찍기 위해 렌즈표 면 위에 유성 펜으로 마킹을 한 것으로 이곳에 초점 을 맞추어 사진을 찍었다. 바탕 면에 검은 점들과 흰 점들이 보이는 곳은 안경렌즈 아래에 있는 현미경 받 침대의 위 면이다. 두 그림에서는 렌즈 흠집이 없는 것으로 나타났으며 사진에 나타나지 않은 안경렌즈의 다른 부분들도 흠집이 없는 것으로 확인되었다. (c)는 1시간동안 안경렌즈에 초음파 세척기를 가했을 때 중 앙에 흠집이 길게 나있는 광학현미경 사진으로, 안경 렌즈에서는 코 아래쪽이며 렌즈 안쪽표면이다. 사진 에서 중앙 아래쪽에 나타난 경계선은 안경렌즈와 산 각 경계면이다. (d)는 1시간 30분 동안 초음파 세척 기를 가했을 때 코 아래쪽으로 흠집이 난 안경렌즈의 안쪽표면이다. 1시간 초음파 세척기를 가했을 때 보 다 안쪽표면 흠집이 조금 확대되었고, 또한 바깥쪽 표면에 흠집이 새로 생겼으나 그림에는 뿌옇게 나타 나 보인다. (e)는 1시간 30분 초음파 세척기를 가했을 때 안경 렌즈 코 위쪽에 새로 생긴 흠집(광학현미경 사진에서는 중앙 상부에 위에서 아래로 뻗은 곡선)이 나타나 보인다. (f)는 2시간 초음파 세척기를 가했을 때 코 아래쪽으로 흠집이 많이 확대된 것을 알 수 있 었다. (g)는 2시간 초음파 세척기를 가했을 때 안경 렌즈 코 위쪽에 있는 곡선이 조금 더 길어진 것을 알 수 있다. (h)는 2시간 초음파 세척기를 가했을 때 흠 집이 코 바깥쪽(광학현미경 사진에서는 중앙 위쪽)에 새로 생긴 것을 알 수 있었다.
광학현미경으로 관찰했을 때 흠집이 주로 관찰되는 부분은 안경렌즈 코 쪽이며, 안경렌즈 가장자리 부분 이다. 안경렌즈 코 쪽은 초음파 세척기에서는 중앙부 분으로 초음파 발진기 소자가 바로 아래에 있어 초음 파의 세기가 가장 큰 부분으로 초음파의 세기의 영향 을 가장 많이 받는 부분으로 흠집이 생긴 것으로 여겨 진다. 또한 안경렌즈 가장자리는 안경테 안에 안경렌 즈를 삽입할 때 안경렌즈가 stress를 받아 박막의 변 형이 가장 많이 일어나는 부분이 되리라고 여겨진다. 따라서 초음파 세척기를 안경렌즈에 가할 경우 국부 적으로 흠집이 나는 부위는 변형이 많이 일어나는 안 경렌즈 가장자리와 초음파 발진기 바로 위쪽에 위치 하는 부분이 겹치는 곳이라는 것을 유추할 수 있다.
광학현미경에서 흠집으로 보이는 것은 흠집부분이 그 주위보다 반사율이 커 광학현미경에서 구별할 수 있는 것이다. 흠집에서의 반사율이 흠집 주변부보다 반사율이 크다는 것(흠집에서의 투과율을 측정하는 것은 국부적이라서 투과율 측정 장치로 측정할 수 없 지만)은 박막의 AR 코팅이 국부적으로 변형되는 것 으로 추측할 수 있으며, 그 위에 있는 ITO 박막과 발 수 막 코팅도 국부적으로 변형이 일어났을 거라고 유 추할 수 있다.
2. 안경렌즈 접촉각
Fig. 4는 안경렌즈에 초음파 세척기를 하지 않았을 때와 30분 간격으로 초음파 세척기를 했을 때 안경렌 즈 중앙 부분에서의 접촉각을 나타낸 것이다. 안경렌 즈가 평면이 아닌 곡면으로, 약간 휘어있어 접촉각이 실제 접촉각(평면 접촉각)보다 작게 나온다. (a)는 초 음파 세척기를 하지 않았을 때 안경렌즈 표면의 접촉 각으로 94°를 가리킨다. (b), (c), (d), (e)는 각각 30 분, 1시간, 1시간 30분, 2시간 초음파 세척기를 안경 렌즈에 한 후 접촉각을 나타낸 것으로 90°, 89° 88°, 88°를 나타나며, 이를 그래프로 나타낸 것이 Fig. 5이다. 안경렌즈에 초음파 세척기를 하지 않았 을 때 안경렌즈 표면의 접촉각이 94°에서 30분 안경 렌즈에 초음파 세척기를 했을 때 접촉각이 90°로 4° 줄었다. 그 후 1시간 안경렌즈에 초음파 세척기를 했 을 때 89°로 1° 줄고, 1시간 반 안경렌즈에 초음파 세 척기를 했을 때 88°로 1° 줄고, 2시간 안경렌즈에 초 음파 세척기를 했을 때는 88°로 변화가 없었다.
이와 같이 처음 30분간 초음파 세척기를 했을 경우 안경렌즈의 접촉각이 4° 줄어드는 현상은 안경렌즈 박막의 맨 바깥층이 발수 층으로 초음파 세척기의 초 음파가 가장 먼저 발수 층에 변형을 주기 때문에 약 간 영향을 받았다고 여겨진다. 초음파가 발수 층에 가해질 경우 발수 박막이 조금씩 손상을 입어 발수 층의 두께가 작아져 접촉각이 작아지리라 여겨진다. 발수 층의 두께에 따라서 접촉각이 달라지는데, 두께 가 얇아지면 접촉각이 작아진다는 보고되어진 연구결 과가 있다.1) 초음파 세척기를 1시간 이상 한 후부터 는 접촉각이 1° 줄거나 변화가 없는 것은 시간에 증 가함에 따라 발수 층의 두께와 표면의 거칠기가 달라 지는데, 발수 층의 두께가 작아짐에 따라 접촉각이 감소하지만 반면에 발수 층 표면의 거칠기가 커지리 라 여겨져 접촉각이 증가하는 경향이 있으므로 결과 적으로 접촉각이 약간의 변화나 또는 변화가 없을 것 으로 여겨진다.
3. 안경렌즈 투과율
Fig. 6은 안경렌즈에 초음파 세척기를 하지 않았을 때(0시간)와 2시간 초음파 세척기를 했을 때의 안경 렌즈 가운데 부분에서의 가시광선 투과율을 나타낸 것이다. 안경렌즈에 2시간 초음파 세척기를 했을 때 의 투과율이 초음파 세척기를 하지 않았을 때보다 파 장 600 nm에서 700 nm 사이에서 약간 떨어지는 것 을 알 수 있으며 그 외 파장 영역에서는 거의 비슷하 다. 0시간과 2시간 사이에 있는 30분, 1시간, 1시간 30분 초음파 세척기를 안경렌즈에 했을 때 안경렌즈 투과율의 변화는 매우 작아 투과율 스펙트럼에서 분 간하기가 어려워 별도로 Fig. 7에 평균투과율을 표시 하였다. 그래프로부터 초음파 세척기를 하지 않았을 경우의 평균투과율은 97.85%이며, 30분 초음파 세척 기를 했을 때 평균투과율은 97.82%이고, 1시간 초음 파 세척기를 했을 때 평균투과율은 97.74%이고, 1시 간 반 초음파 세척기를 했을 때 평균투과율은 97.43%이고, 2시간 초음파 세척기를 했을 경우의 평 균투과율은 96.97%이다. 2시간 초음파 세척기를 했 을 경우의 평균투과율이 초음파 세척기를 하지 않았 을 경우의 평균투과율(97.85%)에 비해서 평균투과율 이 약 1% 떨어지는 것을 알 수 있다. 이러한 약 1% 변화는 안경렌즈가 국부적으로 흠집이 나서 전체적인 투과율에 약간 영향을 미친 것으로 여겨진다.
4. ITO 박막의 두께변화
초음파 세척기를 안경렌즈 표면에 할 경우 13.56 MHz RF 고주파 송수신 장치에 안경렌즈를 놓고 수 신 코일에 유도되는 기전력의 감소량을 관찰함으로써 발수코팅막 아래에 있는 ITO 박막의 두께변화를 통 하여 ITO 박막의 손상을 알아볼 수 있다. Fig. 8은 안경렌즈에 초음파 세척기를 하지 않았을 때(0시간) 와 30분, 1시간, 1시간 30분, 2시간 초음파 세척기를 했을 때의 안경렌즈 전체에서의 유도기전력 감소량이 다. 수신 코일에 유도기전력 감소량은 안경렌즈에 초 음파 세척기를 하지 않았을 때(0시간)는 42(이 수치 는 ITO의 두께 대략 7 nm에 해당한다)이고3), 30분 초음파 세척기를 했을 경우는 44이며, 1시간 초음파 세척기를 했을 경우는 42이며, 2시간 초음파 세척기 를 했을 경우는 41.5이다. 수신 코일에 유도되는 기 전력 감소량의 변화가 최대 2는 기전력 감소량 42에 비해 매우 작은 값으로 안경렌즈의 전체적인 ITO 박 막의 두께변화가 없다고 여길 수 있으며, 국부적인 흠집으로 인한 ITO 막의 손상이 유도기전력의 감소 량에 약간 영향을 줄 수 있으리라 여겨진다.
Ⅳ. 결 론
안경렌즈를 물이 담긴 초음파 세척기 안에 고정시 킨 후 0시간, 0.5시간, 1시간, 1.5시간, 2시간을 초음 파 세척기를 작동시킨 후 시간에 따라서 안경렌즈 박 막의 변화를 관찰하였다.
광학현미경으로 관찰했을 때 렌즈표면에 초음파 세척기 가동 30분 후에는 아무런 변화가 없었고 1시 간 후에는 국부적으로 흠집부분이 나타났으며 그 후 2시간까지 점점 확대되는 것을 관찰되었다. 흠집이 주로 관찰되는 부분은 안경렌즈 코 쪽이며, 안경렌즈 가장자리 부분이다. 안경렌즈 코 쪽은 초음파 세척기 에서는 중앙부분으로 발진기 소자가 바로 아래에 있 어 초음파의 세기가 가장 큰 부분이다. 또한 안경렌 즈 가장자리는 안경테 안에 안경렌즈를 삽입할 때 안 경렌즈가 stress를 받아 박막의 변형이 가장 많은 부 분이 된다. 초음파 세척기를 안경렌즈에 가할 경우 국부적으로 흠집이 나는 부위는 변형이 많이 일어나 는 안경렌즈 가장자리와 초음파 발진기 바로 위쪽에 위치하는 부분이 겹치는 곳이라는 것을 알 수 있다.
광학현미경에서 흠집으로 보이는 것은 흠집부분이 그 주위보다 반사율이 커 광학현미경에서 구별할 수 있는 것이다. 흠집에서의 반사율이 흠집 주변부보다 반사율이 크다는 것(흠집에서의 투과율을 측정하는 것은 국부적이라서 투과율 측정 장치로 측정할 수 없 지만)은 박막의 AR 멀티코팅이 국부적으로 변형된다 는 것을 알 수 있으며, 그 위에 있는 ITO 박막과 발수 막 코팅도 국부적으로 변형이 일어났음을 알 수 있다.
처음 30분간 초음파 세척기를 했을 경우 안경렌즈 의 접촉각이 줄어드는 현상은 안경렌즈 박막의 맨 바 깥층이 발수층으로 초음파 세척기의 초음파가 가장 먼저 발수층에 변형을 주기 때문에 영향을 받으리라 여겨진다.
2시간 초음파 세척기를 했을 경우의 평균투과율이 초음파 세척기를 하지 않았을 경우의 평균투과율 (97.85%)에 비해서 평균투과율이 약 1% 떨어지는 것 을 알 수 있다. 이러한 약 1% 변화는 안경렌즈가 국 부적으로 흠집이 나서 전체적인 투과율에 약간 영향 을 미치리라 여겨진다.
수신 코일에 유도되는 기전력 감소량의 변화가 매 우 작은 값으로 안경렌즈의 전체적인 ITO 박막의 두 께변화가 없다고 여길 수 있으며, 국부적인 흠집으로 인한 ITO 막의 손상이 유도기전력의 감소량에 약간 영향을 줄 수 있으리라 여겨진다.
따라서 본 연구에 의하면 초음파 세척기로 안경렌 즈를 세척을 할 때 안경렌즈 코팅막이 쉽게 변화하지 는 않지만 장기간 사용 시 안경렌즈 코팅막에 영향을 주므로, 안경렌즈 세척을 위해 초음파 세척기 사용을 가급적 피하는 것이 좋을 거라고 여겨진다.
