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문제 정의
- 본 연구는 표면 코팅 기술을 이용한 자외선 차단 렌즈에 관한 연구이며 플라스틱 렌즈의 하드코팅과 동시에 진행함으로써 공정을 단순화하고 효과적인 플라스틱 렌즈 생산을 도모하는데 있다. 이를 위해서 렌즈의 기능성이 부여된 유-무기 하이브리드 하드코팅의 성분과 배합 및 코팅 조건으로 적용 가능한 자외선 흡수제와 용제를 선정하고 하드코팅과 동시에 자외선 차단 코팅을 실시하여 렌즈의 자외선 차단성과 렌즈의 표면평가를 실시하였다.
- 자외선 차단제로는 UV P, UV 329, UV 531 등을 사용하였다. 우선 두 종류의 시트에는 안정제로 UV 흡수제가 들어 있을 수 있으므로이를 확인하거나 자외선 효과를 알 수 없는 자외선 영역에서의 흡수가 일어나는 경우 자외선 코팅을 하지 않을 목적으로 투과도를 측정하였다. 우선 코팅되지 않은 PMMA와 PC 시트에 대한 투과도 측정은 그림 3 과 같다
제안 방법
- 중에서 용해도가 낮고 용액 중 유색을 띠는 UV 326를제외하였다. 400-780nm를 투과도를 100%로 기준하고 자외선을 UV-A, UV-B 및 UV-C로 나누어 차단 효과를 비교하였으며, 한편 눈부심의 원인이 되는 청색광 영역 380-400nm에서도 비교하여 그 결과 그림 6과 표 2로 나타내었다.
- CR 렌즈에 자외선 차단 코팅을 하여 표면 물성을 평가하였고 그 결과는 표 3과 같다. 평가에서 부착력과 내약품성과 내온수성은 우수하나 외관상 잔금현상, 불투명성 및 줄무늬 현상을 보였으며 흡수제의 함량이 적을수록 표면이 비교적 균일하고 잔금이나 줄무늬 현상이 적었다.
- 보였다. PMMA의 경우 380-2501皿에서 자외선의 흡수가 적어 자외선 차단 처리가 필요한 것으로 판단되어 유- 무기 하이브리드 코팅에 의한 자외선 차단효과를 살펴보았다. 우선 자외선 흡수제를 MEK에 녹여 용액을 만들고 여기에 하드 코팅액을 혼합하여 자외선 흡수제가 0%, 0.
- 부착력 평가는 ASTM D 3359 방법으로 코팅의 박리 정도에 따라 박리가 없다면 5B, 5%미만은 4B, 5-15%는 3B, 15-35%는 2B, 35-65%는 1B, 65%초과는 0B로 평가하였다. 내마모성 평가는 steel wool어】 의한 방법으로 렌즈의 면에 400g하중과 7회 왕복 움직인 다음 육안관찰로 긁힘이나 흠이 없다면 1등급, 긁힘이 3개 이상이면 2등급, 그 외는 3등급으로 구분하여 평가하였으며, 연필경도 측정은 KS M ISO 15184 기준하여 렌즈 표면에 lKg의 하중과 5회 왕복 후 평가하였다. 내온 수성 평가는 코팅된 렌즈를 95-10bC에서 15분 동안증류수 침수시킨 후 코팅 층의 거품, 균열, 벗겨짐을 평가하였고, 내약품성에 대한 평가는 도료 등의 평가 방법을 적용하여 아세톤 또는 에탄올로 적신 천으로 50 회 문지르는 방법으로 하였다.
- 내마모성 평가는 steel wool어】 의한 방법으로 렌즈의 면에 400g하중과 7회 왕복 움직인 다음 육안관찰로 긁힘이나 흠이 없다면 1등급, 긁힘이 3개 이상이면 2등급, 그 외는 3등급으로 구분하여 평가하였으며, 연필경도 측정은 KS M ISO 15184 기준하여 렌즈 표면에 lKg의 하중과 5회 왕복 후 평가하였다. 내온 수성 평가는 코팅된 렌즈를 95-10bC에서 15분 동안증류수 침수시킨 후 코팅 층의 거품, 균열, 벗겨짐을 평가하였고, 내약품성에 대한 평가는 도료 등의 평가 방법을 적용하여 아세톤 또는 에탄올로 적신 천으로 50 회 문지르는 방법으로 하였다.
- 안경렌즈로 주로 사용되는 플라스틱 렌즈 소재인 CR 39에 대한 자외선 차단 코팅을 실시하였다. 4%의 자외선 흡수제를 배합한 코팅에서 자외선 차단 효과는 특히 UV-A영역에서는 15.
- 앞서 실시한 플라스틱 시트 PMMA의 경우 4% 자외선 흡수제에 대하여 자외선 차단 효과가 나타난 것을 토대로 일반 굴절력을 갖는 CR 39 렌즈에 대해 자외선 흡수제를 사용하여 렌즈에 코팅을 실시하고 자외선 차단과 표면물성을 평가하였다. 자외선 흡수제 .
- PMMA의 경우 380-2501皿에서 자외선의 흡수가 적어 자외선 차단 처리가 필요한 것으로 판단되어 유- 무기 하이브리드 코팅에 의한 자외선 차단효과를 살펴보았다. 우선 자외선 흡수제를 MEK에 녹여 용액을 만들고 여기에 하드 코팅액을 혼합하여 자외선 흡수제가 0%, 0.5%, 4% 들어 있는 코팅액을 제조한 다음 흐름 코팅(flow coating)에 의해 코팅하고 80°C에서 예비경화을 거쳐 140P에서 열경화한 다음 자외선 차단 효과를 비교하였다. 400-780nm를 투과도를 100%로 기준하고 자외선을 I.
- 유-무기하이브리드 코팅을 자외선 차단 기능의 렌즈에 적용하기 위하여 자외선 차단제를 선정하고 이에 맞는 렌즈의 선택과 용제의 선택, 코팅조건으로 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 렌즈 생산을 도모하는데 있다. 이를 위해서 렌즈의 기능성이 부여된 유-무기 하이브리드 하드코팅의 성분과 배합 및 코팅 조건으로 적용 가능한 자외선 흡수제와 용제를 선정하고 하드코팅과 동시에 자외선 차단 코팅을 실시하여 렌즈의 자외선 차단성과 렌즈의 표면평가를 실시하였다.
- 자외선 차단 코팅으로 우선 PMMA와 PC 플라스틱 시트에 적용하였다. 자외선 차단제로는 UV P, UV 329, UV 531 등을 사용하였다.
대상 데이터
- 자외선 흡수제가 코팅액에 대한 용해도를 측정한 결과 1% 미만으로 코팅액에 녹지 않아서 사용할 수가 없었다. 따라서 자외선 흡수제에 대한 용매효과를 높이기 위해 MEK를 사용하였다. UV 329와 531은 MEK에 대한 용해도는 5% 이상으로 높았으나 UV P와 UV 326은 그 이하로 용해도가 좋지 못했다.
- 유-무기 하이브리드 재료로써 methyltrimethoxysi lane(MTMS)은 Lancaster제품, 3-glycidoxypropyl- trimethoxysilane(GPTMS 또는 GLYMO) 은 Dow Corning 제품, tetraethyl orthosilicate(TEOS) 는 Junsei Chemical제품, 에탄올, 염산, 아세톤, 메틸 에틸 케톤(M^K)은 덕산화학제품을, 증류수는 탈 이온화된 것을 사용하였다. 자외선 흡수제[8, 9]로 2-(2-Hy droxy-5-methyl phenyl) benzotri azole(UV P), 2-(2'-Hydroxy-3'-tert-butyl-5'-methylphen yl)-5-chlorobenzotriazole(UV326), 2-(2'-Hydroxy-5'-tert-octylphenyl)-benzo triazole (UV 329) 및 2-Hydroxy-4-octoxy benzophenone (UV 531)은 (주)정우인터내날 제품을 사용하였다.
- 코팅의 방식이 아닌 모노머 형태로 현재 일반 플라스틱에 적용되는 자외선흡수제 중에서 선택하였다. 이런 기준으로 벤조트리아졸계의 UV P, UV 326, UV 329와 벤조페논계인 UV 531을 선택하였고 이 물질들에 대해 광학적 흡수상태를 그림 2로 나타내었다.
- 적용하였다. 자외선 차단제로는 UV P, UV 329, UV 531 등을 사용하였다. 우선 두 종류의 시트에는 안정제로 UV 흡수제가 들어 있을 수 있으므로이를 확인하거나 자외선 효과를 알 수 없는 자외선 영역에서의 흡수가 일어나는 경우 자외선 코팅을 하지 않을 목적으로 투과도를 측정하였다.
- 것을 사용하였다. 자외선 흡수제[8, 9]로 2-(2-Hy droxy-5-methyl phenyl) benzotri azole(UV P), 2-(2'-Hydroxy-3'-tert-butyl-5'-methylphen yl)-5-chlorobenzotriazole(UV326), 2-(2'-Hydroxy-5'-tert-octylphenyl)-benzo triazole (UV 329) 및 2-Hydroxy-4-octoxy benzophenone (UV 531)은 (주)정우인터내날 제품을 사용하였다. 플라스틱 시트로 polymethyl methacrylate(PMMA)와 polycarbonate(PC)는 Atofina Korea, Ltd.
- 자외선 흡수제로 벤조트리아졸계의 UV P, UV 326, UV 329를, 벤조페논계로 UV 531을 선정하였다. 흡수제는 사용할 용제에 용해도가 좋아야한다.
- 플라스틱 시트로 polymethyl methacrylate(PMMA)와 polycarbonate(PC)는 Atofina Korea, Ltd. 제품을 사용하였고, 플라스틱 렌즈는 굴절률이 1.50 인 CR-39렌즈로 직경 72mm, 두께 2.02_2.12mm인 평면 렌즈로 국내산 (주)대명 제품을 사용하였다. 안경렌즈는 코팅하기 전 에탄올과 탈지면을 이용하여 먼지나 자국을 제거한 다음 상온에서 건조한 후 사용하였다.
- 코팅된 안경렌즈의 평가에서 투과율측정은 UV/VIS spectrophotometer(일본산, SHIMADZU 1650), 내마모성은 내마모성 측정기(한국산, K사)로, 경도는 연필 경도 측정기(한국산, S사)를 사용하였다. 부착력 평가는 ASTM D 3359 방법으로 코팅의 박리 정도에 따라 박리가 없다면 5B, 5%미만은 4B, 5-15%는 3B, 15-35%는 2B, 35-65%는 1B, 65%초과는 0B로 평가하였다.
- 그 선택 기준으로 플라스틱 렌즈에 적용 가능하여야 하며, 하드코팅 공정과 함께 적용 가능한 용해도와 자외선 흡수가 적정 농도에서도 일어나야 한다. 코팅의 방식이 아닌 모노머 형태로 현재 일반 플라스틱에 적용되는 자외선흡수제 중에서 선택하였다. 이런 기준으로 벤조트리아졸계의 UV P, UV 326, UV 329와 벤조페논계인 UV 531을 선택하였고 이 물질들에 대해 광학적 흡수상태를 그림 2로 나타내었다.
이론/모형
- 측정기(한국산, S사)를 사용하였다. 부착력 평가는 ASTM D 3359 방법으로 코팅의 박리 정도에 따라 박리가 없다면 5B, 5%미만은 4B, 5-15%는 3B, 15-35%는 2B, 35-65%는 1B, 65%초과는 0B로 평가하였다. 내마모성 평가는 steel wool어】 의한 방법으로 렌즈의 면에 400g하중과 7회 왕복 움직인 다음 육안관찰로 긁힘이나 흠이 없다면 1등급, 긁힘이 3개 이상이면 2등급, 그 외는 3등급으로 구분하여 평가하였으며, 연필경도 측정은 KS M ISO 15184 기준하여 렌즈 표면에 lKg의 하중과 5회 왕복 후 평가하였다.
성능/효과
- 58%로 낮게 나타나 청색광의 차단효과도 있는 것으로 나타났다. 380-780nm의 가시광선 영역에서의 투과도는 4% UV531, 4% UV 329, CR 39, 4% UV P가 각각 94.62%, 91.22%, 90.80%, 67.44%로 나타났으며 UV P처리를 제외하고 처리하지 않은 CR 39렌즈보다 높아 자외선 차단 코팅이 자외선 차단 효과는 물론 가시광선 영역의 투과율도 높여주는 것으로 판단된다.
- 4%의 자외선 흡수제를 배합한 코팅에서 자외선 차단 효과는 특히 UV-A영역에서는 15.32% 투과율에서 0.05%까지 감소하는 것으로 나타나 확실한 차단 효과를 보이고 있다. 또한 청색광 영역(380-400nnJ에서 자외선 흡수제가 처리되지 않은 경우의 투과도는 91.
- UV 326는 348mn에서 가장 강한 흡수대를 나타내며 대부분이 250-350nm에서 자외선 흡수하였다. UV 329 또한 벤조트리아졸계로 336nm에서 가장흡수 대가 좋으며 대체적으로 240-340nm에서 자외선흡수가 일어나는 것으로 나타났다. UV531 은 위의 벤조트리아조계열과 달리 289nm에서 흡수가 일어나며 흡수대가 강하지 않은 특징을 보였다.
- 5% 사용한 경우 차단효과가 거의 없는 반면 4%의 경우 대체적으로 효과가 있으며 특히 UV 329의 경우 모든 자외선 영역에서 차단율이 좋은 것으로 나타났다. UV 531의 경우 근자외선 영역보다 원자외선 영역에서 효과가 두드러짐을 알 수 있었고 이 결과는 자외선 차단제 UV 531이 주로 원자외선 영역에서 흡수가 일어나는 것과 일치하는 결과이다. UV P는 전체적으로 자외선 차단 효과를 보이지만 그 효과가 적다는 것을 알 수 있었다.
- UV 531의 경우 근자외선 영역보다 원자외선 영역에서 효과가 두드러짐을 알 수 있었고 이 결과는 자외선 차단제 UV 531이 주로 원자외선 영역에서 흡수가 일어나는 것과 일치하는 결과이다. UV P는 전체적으로 자외선 차단 효과를 보이지만 그 효과가 적다는 것을 알 수 있었다.
- 05%까지 자외선 투과율이 떨어져 확실한 자외선 차단 기능을 갖는 것으로 평가된다. 눈부심의 원인이 되는 청색광 영역에서의 광 흡수는 자외선 흡수제가 처리되지 않은 CR 39에서 91.86%인데 비해 자외선 흡수제가 처리된 렌즈의 경우 평균 31.58%로 청색광 차단효과가 있는 것으로 판단된다.
- 특히 UV 326은 코팅액과 혼합시 쉽게 결정이 생성되는 관계로 자외선 흡수제로 선택으로 부적합하였다. 따라서 이 결과로 볼 때 자외선 차단 코팅액의 농도는 5% 이상은 용해도 문제로 인한 코팅이 어려울 것으로 보여 5% 미만에서 자외선 차단 렌즈 효과를 살펴보았다.
- 05%까지 감소하는 것으로 나타나 확실한 차단 효과를 보이고 있다. 또한 청색광 영역(380-400nnJ에서 자외선 흡수제가 처리되지 않은 경우의 투과도는 91.86%였으며, 처리한 경우의 투과도는 31.58%로 낮게 나타나 청색광의 차단효과도 있는 것으로 나타났다. 380-780nm의 가시광선 영역에서의 투과도는 4% UV531, 4% UV 329, CR 39, 4% UV P가 각각 94.
- 특히 불투명성은 렌즈의 전체 투과도에 영향을 주는 것으로 판단되며 그 결과는 앞서 자외선/ 가시광선 투과도 측정 결과와 일치됨을 보여준다. 연필 경도나 내마모성은 유-무기 하이브리드 하드코팅에 의한 평가보다 한 단계 낮은 것으로 평가되었다.
- 연필 경도는 4H로 평가되었으며, 한편 내마모성은 모두 나쁜 3등급으로 좋지 않았다. 표면의 균일성은 자외선 흡수제가 UV 531과 UV 329인 경우가 UV P 경우보다 우수하였다.
- 우선 가시영역(380-780nm)에서의 투과도는 자외선 흡수제를 처리하지 않은 CR 39 렌즈에서 90.8%로 나타난 반면 자외선 흡수제를 사용한 코팅에서는 UV P의 경우 전체의 투과성이 67.44%로 상당히 낮은 것으로 평가되었다. 이는 UV P가 코팅 용액 제조 중에 충분한 용해도가 없어 코팅 과정에서 렌즈 표면에 자외선 흡수제가 결정으로 남아 있기 때문이라 판단된다.
- 자외선 차단 효과를 보기 위한 렌즈의 소재를 선택하기 위하여 PMMA, PC렌즈 및 CR 39렌즈에 대해 투과도를 측정한 결과 PMMA의 경우 자외선 투과도가 가장 높았고 그 다음은 CR 39였으며, PC 렌즈의 경우 별도의 자외선 차단을 위한 표면 처리가 필요 없는 것으로 판단된다.
- 자외선 흡수제가 코팅된 CR 39렌즈의 표면 물성을 평가한 결과 부착력, 내약품성 및 내온수성은 모든 자외선 흡수제의 종류와 양에 관계없이 우수하였다. 연필 경도는 4H로 평가되었으며, 한편 내마모성은 모두 나쁜 3등급으로 좋지 않았다.
- 측정에서 PC 시트의 경우 자체만으로도 380nm보다 짧은 파장에서는 자외선을 대부분 차단되는 것으로 보여 별도의 자외선 차단이 필요 없는 것으로 보였다. PMMA의 경우 380-2501皿에서 자외선의 흡수가 적어 자외선 차단 처리가 필요한 것으로 판단되어 유- 무기 하이브리드 코팅에 의한 자외선 차단효과를 살펴보았다.
- 코팅에 의한 자외선 차단 효과는 자외선 흡수제를 0.5% 사용한 경우 차단효과가 거의 없는 반면 4%의 경우 대체적으로 효과가 있으며 특히 UV 329의 경우 모든 자외선 영역에서 차단율이 좋은 것으로 나타났다. UV 531의 경우 근자외선 영역보다 원자외선 영역에서 효과가 두드러짐을 알 수 있었고 이 결과는 자외선 차단제 UV 531이 주로 원자외선 영역에서 흡수가 일어나는 것과 일치하는 결과이다.
- 그 결과는 표 3과 같다. 평가에서 부착력과 내약품성과 내온수성은 우수하나 외관상 잔금현상, 불투명성 및 줄무늬 현상을 보였으며 흡수제의 함량이 적을수록 표면이 비교적 균일하고 잔금이나 줄무늬 현상이 적었다. 특히 불투명성은 렌즈의 전체 투과도에 영향을 주는 것으로 판단되며 그 결과는 앞서 자외선/ 가시광선 투과도 측정 결과와 일치됨을 보여준다.
- 이는 UV P가 코팅 용액 제조 중에 충분한 용해도가 없어 코팅 과정에서 렌즈 표면에 자외선 흡수제가 결정으로 남아 있기 때문이라 판단된다. 한편 UV 53]과 UV 329는 각각 942%와 91.22% 로 투과성이 1-2%로 높게 나타났으며 이 결과는 자외선 차단을 위한 기능성 코팅 이외에 표면의 반사를 줄여 전체 투과도를 높이는 기능도 있다는 것을 보여준다.
- 흡수제의 파장별 차단효과를 알아보기 위하여 흡수대별 파장을 조사한 결과 UV 326은 장파장 영역인 250-350nm에서 UV 531은 240-330nm로 단파장 영역에서 자외선 흡수가 일어나고 그 외 UV 329, UV P 순으로 단파장에서 흡수가 일어났다.
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