플라스틱렌즈의 염색

1. 개설

안경렌즈에 부가가치를 보태기 위한 방법에는 2가지가 있다. 하나는 반사방지코팅이고, 다른 하나는 수지재료를 염색하는 것이다. 전자는 광학적 이론을 바탕으로 진공증착장치를 이용해서 소정의 두께로 렌즈의 표면을 코팅하는 것이고, 후자는 미적감각을 토대로 수지재료를 염색하는 것이다. 염색을 잘하기 위해서는 고도로 숙련된 기술을 요하나, 최근에는 모든 data가 프로그램화 되어 이미 컴퓨터에 입력되어 있으므로 모든 작업공정은 컴퓨터 시스템에 의해서 이뤄진다.

렌즈의 염색작업은 옷감을 염색할 때 이용되는 똑같은 기본적인 방법이 사용되는데 염색할 때에는 염색 pots에 렌즈를 담근다. 이와 같이 렌즈를 염색할 때는 절대적인 시스템 콘트롤이 없으며, 현대식 자동화된 장비를 이용한다 할지라도 모든 작업은 숙련된 기술자가 조정한다.

실제로 플라스틱렌즈 재료를 염색 하기 위해서는 일련의 염료가 들어있는 높은 온도의 염색 pots를 사용한다. 렌즈를 염색할 때에는 필요한 염색 두께에 따라 일정시간 동안 염색 pots에 담근다. 염색의 말미에서 렌즈를 들어올린 다음 세척한다.

이것은 하나의 단순한 공정처럼 생각할지 모르나 예술이라고 말했듯이 여러 가지 까다로운 문제가 개입된다. 이러한 까다로운 문제는 염색 pots의 농도, 필요로 하는 염색층의 깊이, 염색액의 노화와 온도 등이 관계하는데 어느 것이나 충분히 콘트롤 되지 않고 변화한다.

2. 색조의 희석(Tint dilution)

이론적으로 렌즈가 염색 pot에 잠겨 있는 시간은 염색층의 깊이를 조정한다. 즉, 렌즈가 염색 pots에 있는 시간이 길어지면 길어질수록 더 많은 염료를 흡수하게 되어 결과적으로 더욱 진하게 염색된다. 그러나 렌즈를 염색할 때 마다 소량의 염료는 염색 pots에서 렌즈 소재로 이동하므로 염료의 농도는 묽어지고 약화된다. 따라서 염색액중의 염료농도가 점차 희석되면 렌즈를 염색하는데 걸리는 시간은 보다 더 길어진다.

염색 pots의 염료 농도 변화는 매우 느리게 진행되므로 필요로 하는 색조로 염색하는데 걸리는 시간은 빠르게 변하지 않는다. 결과적으로 침지시간은 변화되며 일정불변의 요소는 아니다.

3. 증발(Evaporation)

염색 pots의 염료농도는 계속적인 렌즈의 염색으로 농도가 떨어질지라도 염색액의 일정한 증발로 염색효과는 어느 정도 보상된다. 염색 pots의 온도는 끓는 점 가까이 유지해야 하며, 어느 정도의 염색액은 항상 손실된다. 실제 작업온도는 종종 변하게 되고, 염색 pots 역시 열어 놓는 시간이 일정하지 않으므로 증발률을 정확하게 측정할 수 없다.

4. 색조 농·담의 정도(Shade)

또 하나의 변수는 색조의 농담이다. 염색할 수 있는 색상이 무수한 까닭에 그 색상을 내기 위한 염색 pots를 모두 준비할 수는 없다. Brown과 grey color와 같은 주요한 색조를 염색하기 위해서는 별도의 염색 pots가 필요하나, 사용 빈도가 낮은 색상에 대해서는 각기 다른 기본색을 가진 염색 pots에 연속적으로 침지시켜서 최종 컬러를 얻게 된다. 예를 들면 청과 황의 염료가 들어 있는 염색 pots를 이용해서 렌즈를 침지시키면 청색, 황색 및 녹색의 3색을 얻을 수 있다.

5. 재료의 성분과 경도(Material composition and hardness)

렌즈의 재료 그 자체는 노화, 재고 장치기간, 제조방법, 특히 제조할 때 경화속도(중합속도)로 인해서 변질된다. 재고로 보관중인 finished uncut lens는 최근에 만든 렌즈보다 엷은 색조를 띄게 된다. 또, 새로 연마한 렌즈와 재고렌즈, 또는 오래 묵은 렌즈와 새 렌즈라면 재질의 차이점 식별이 육안으로 가능하다.

이러한 재질의 변화는 실제 렌즈 그 자체의 품질에는 영향을 주지 않으나 종종 염색의 깊이와 색상에 영향을 미친다. 렌즈를 염색할 때 어느 정도의 색상균형을 맞추기 위해서는 여러 가지 염색 pots에서의 담그는 시간을 달리하면 된다. 종종 렌즈 1매(때로는 양쪽)의 색상이나 깊이를 약간 변화시키기 위하여 다른 염색 pots에 담궈야 한다. 이것은 염색 기술자의 경험이 가장 중요한 것으로 색상에 대한 안목이 없으면 염색을 더욱 난처하게 만들고 엉뚱한 염색을 하게 된다.

Finished uncut lens의 보관실의 실내 온도는 렌즈의 변질을 막기 위하여 20±1℃로 유지한다. 안경원에서 재고렌즈의 누적은 렌즈 변질을 초래하므로 필요 이상의 재고를 확보하는 것은 좋지 않다.

6. 산화(Oxidation)

Finished color에 영향을 주는 마지막 원인은 점진적인 염색액의 산화이다. 산화는 염색액이 일단 대기에 노출되면 일어나며 서서히 불그스름한 색이 나타난다. 따라서 착색되는 컬러에 영향을 미친다. 비교적 짧은 기간 사용한 후에 염색액은 버리고 새로 탄 액으로 교체한다.

이러한 산화는 다량의 렌즈가 염색된다면 잘 식별되지 않는다. 다량의 렌즈 염색은 아주 빨리 염색 pots의 농도를 떨어뜨리게 하므로 염색특성에 어떤 변화를 일으키기 전에 액을 교체해야 한다. 그러나 작은 량을 염색하는 안경원에서는 이러한 산화의 변화를 유의하고 유용한 염색효능이 끝나기 전에 액을 교체해야 한다.

7. 색조의 type(type of tint)

현재 가능한 색조 범위는 다음과 같다.

1) 단색(single color)

2) 그래쥬에이티드 컬러(graduated color/gradated color)

3) 자외선 흡수(UV absorbing)

4) 청색광 차단(blue blockers)

5) 의학적 용도(medical uses)

6) 특수용도(VDU uses)

1) 단색렌즈 (single colors)

단색은 보통 미용적으로 사용하는데 적당하며, 또는 직업적이거나 치료목적으로 빛을 약하게 하는데 크게 이용된다. 단색렌즈는 인공광과 해변 등에서의 강한 빛 아래서 작업과 관련된 일반적인 긴장 문제와 강한 에너지의 빛을 약화시키는데 적당하다.

2) 그래쥬에이티드 컬러(graduated color lens/gradated color lens)

렌즈의 상단이 진하게 염색되고, 하단으로 내려 갈수록 점차적으로 엷게 염색된 렌즈를 graduated color lens라고 말한다. 이 렌즈는 미용적으로도 사용할 수 있고, 시력교정용으로도 사용할 수 있다. 미용상 선글라스에 극적인 효과를 부가할 뿐만 아니라 옥외에서 독서를 하거나 운전할 때에도 적합한 시력교정용렌즈이다 <그림1 참조>.

3) 자외선 흡수(UV-absorbing) 렌즈

자외선을 흡수하는 색조렌즈는 지표면에 도달되는 높은 에너지 수준의 자외선이 인체에 해롭다는 것이 널리 알려지면서 지난 몇 년 동안 많이 이용되고 있다. 특히 고도의 눈이 쌓인 곳에서 스키를 타거나 등반할 때 사용되는 렌즈는 보다 진해야 한다.

고지(高地)에서 투사되는 자외선 양은 지표면의 대기에서 보다 훨씬 높다. CR-39렌즈 소재(소재 자체가 380nm까지 흡수)에 자외선 흡수제의 첨가는 연한 황색의 색조를 내는데, 약 10~15%의 visual absorption을 가지고 있어서 자외선의 투과를 사실상 zero까지 감소시킨다.

뿐만 아니라 380~400nm의 짧은 파장의 청색광을 약화시킨다. 최근 자외선 흡수제는 누르스름한 빛깔을 띄지 않고 투명한 빛깔을 낸다. 자외선 색조는 추가적인 visual absorption을 하도록 더욱 진한 색조의 overlaid로 사용하거나, 또는 자외선 염료의 누르스름한 빛깔을 은폐시키려 할 때 자주 이용된다.

4) 청색광 차단렌즈(blue blockers)

이 type의 색조를 갖는 렌즈는 최근에 출시되었는데 스펙트럼의 청색광역과 관련된 시력의 손실을 감소시키는 렌즈용으로 수요가 일어나고 있다.

자외선보다 약간 긴 파장을 가진 이 빛(380~400nm)은 대기중에서 빛을 산란시켜 시력을 감소시킨다. 그러나 청색파장의 전부가 아니라 거의 대부분을 제거시키면 콘트라스트가 크게 향상된다. 예를 들면 스키할 때 고도에서 콘트라스트를 향상시키는데 좋다.

이러한 타입의 색상은 콘트라스트를 증가시키므로 비행사 특히 글라이더 비행사용으로 적당하며, 높은 콘트라스트는 더욱 뚜렷한 구름의 윤곽을 만들므로, 열의 흐름을 더욱 잘 보이게 한다.

5) 의료용 렌즈(medical use lens)

디자인과 색상면에서 청색광 차단렌즈와 유사한 색조는 망막색소변성증이나 색맹에 꽤 오랫동안 사용해 왔다. 이와 같이 이러한 색조는 특수한 그룹을 만든다. 보통 이러한 색조를 이용하는데 있어서 오렌지 색조를 갖거나 어떤 경우에는 선명한 청색 색조를 갖는다.

6) 컴퓨터 단말기용 렌즈(VDU : visual display unit)

지난 수년동안 몇가지 색조를 갖는 렌즈가 출시되었는데 컴퓨터 단말기와 함께 사용할 수 있도록 특별히 설계되었다. 이러한 렌즈는 주위의 빛의 세기와 눈부심을 감소시키는데 있으며, 동시에 주위의 빛의 세기와 눈부심을 감소시키고 키보드 등에 쾌적한 조도를 유지하는데 있다. 또 몇가지 제품은 컴퓨터단말기 스크린 자체의 밝기와 색이 변화되도록 설계하였다. 농도가 낮은 중성색의 그레이 편광렌즈가 좋다.

8. 장비와 악세사리

이미 수용액에 들어있는 염료에 관하여 설명한 바와 같이 염색온도는 대체적으로 끓는 점에 가까운 일정한 온도록 유지되어야 한다. 보통 염색방법은 여러개의 유리용기나 스테인렌스 스틸 flask 또는 pots에 염색액을 넣고, 이것을 가열액(비열이 높은 용액)이 들어있는 탱크속에 넣고 끓는 점에 가까운 온도로 상승할 때 까지 가열한다.

탱크내에 설치된 투입식 전열기와 자동온도 조절기는 염색액을 정확한 온도로 유지한다.

염색액이 들어있는 pots를 가열시키는 탱크내의 용액(fluid)은 pots에 열이 골고루 전이되도록 해서 액온의 차가 발생되지 않도록 한다. 염색액을 끓는점 가까이 유지할 경우 염료와 렌즈가 작용하는 시간이 짧게 되어 염색시간이 단축된다.

안경원에서 플라스틱 렌즈를 염색할 때 필요한 물품과 소모품은 다음과 같다.

① 가열액을 담는 탱크 : 투입식 전열기, 자동온도 조절기, 150℃ 알콜온도계

② 시계(Timing device)

③ Glass 또는 stainless steel pots/flasks

④ Pot/flask lid : 사용하지 않을 때 증발을 감소시키고 액의 노화(산화)를 방지함

⑤ Lens holder : 보통 pot 및 flask 뚜껑과 같이 제공됨

⑥ pots 가열액 : 물에 비열이 큰 물질(예:글리세린)과 혼합해서 사용

⑦ 농축염료 : 액상 또는 분말형, 다양한 색상

⑧ 증류수 또는 이온화처리된 연수(soft water)

⑨ 세척액 : 수돗물

⑩ 표백제(탈색제) : 염료를 제거하거나, 염색 깊이를 줄일 때 사용

⑪ 산화억제제 : 첨가제. pots 속에 들어있는 염료액에 넣어 사용함. 염료액의 수명을 연장한다.

⑫ 눈금이 새겨진 용기 : mess cylinder

⑬ 노출계, 광도계 : 농도와 자외선 흡수를 점검

따라서 pot의 크기와 pot를 넣는 탱크의 크기와 pot의 수는 염색할 color의 수와 색조 및 작업량에 달려 있다.

각종 규격의 염색기가 각기 다른 회사에서 제작되고 있으므로 용도에 맞춰 적당히 선택한다.

9. 염색(Dyeing)

염색하기 전에 지문, 유지성 오염물질을 제거하기 위하여 반드시 세척해야 하는데 이때 methylated spirits와 같은 알콜을 사용하거나 또는 보다 큰 Workshop에서는 초음파세척기를 사용하기도 한다. 또 맨 처음 예비액이 들어 있는 pots에 담그기도 하는데 이렇게 하면 렌즈표면이 훨씬 더 깨끗하게 되고, 렌즈 재료의 표면이온을 약간 변화시켜 렌즈가 염료를 잘 흡착토록 한다.

실제로 렌즈를 염색할 경우 색상을 맞추기 위하여 spring clips를 이용해서 한 조 씩 렌즈의 가장자리를 잡는다. 이렇게 잡으면 렌즈 전면이 완벽하게 염색된다.

그런 다음 염색액이 들어있는 pots에 담그고 최적한 농도로 염색될 때까지 유지한다. 이 과정에서 너무 진하게 염색되면 탈색제가 들어있는 pots에 넣어서 엷은 색조로 탈색할 수 있는데 이때 탈색액도 같은 온도를 유지해야 한다.

염색이 끝난 후에는 렌즈를 세척액중 빨리 담근 다음 수돗물로 씻어야 한다. 이것은 여분의 염료를 제거하고, 염료의 방울이 남게 되어 생길 수 있는 진한 얼룩의 형성을 방지한다.

10. Graduating procedure(또는 Gradating procedure)

플라스틱 렌즈를 단일 색상으로 염색하면서도, 렌즈의 색조가 진한 상단으로부터 시작해서 하단에 이르기까지 색조를 점차적으로 엷게 변화시켜 가면서 염색하는 방법을 graduating procedure 라고 한다. 또한 이렇게 염색한 렌즈는 graduated lens라고 부른다.

한 장의 렌즈에 graduated tint를 갖도록 잘 염색하기란 그리 쉬운 일이 아니다. 렌즈를 염색 pots에 담근 후 천천히 인상해야 하는데 이렇게 하므로서 렌즈의 하단은 pots 속에 보다 오래도록 머물러 있게 되어 더욱 진하게 염색된다. 소정의 색조를 얻기 위해서는 여러차례 렌즈 홀더를 상하로 작동시켜야 한다. 만약 홀더의 작동이 불규칙하면 염색 중 홀더가 각각 다른 위치에서 멈춰서게 되므로 렌즈를 가로지르는 색조밴드가 출현하게 되어 못쓰게 된다.

그러나 기계적인 고장이나 혹은 불규칙적인 작동이 없는 한 두가지 색조로 부드럽게 염색된다. Graduated tint 염색은 손 작업으로는 사실상 불가능하며, mechanical graduating device를 사용하면 훨씬 쉽게 염색할 수 있다. 염색할 렌즈는 수평걸림대의 clips에 고정하며, 이 걸림대는 전기모터로 돌아가는 회전 캠(cam)에 의해서 상하방향으로 염색액의 표면을 오르내린다.

Graduating unit는 렌즈가 잠기는 깊이와 반복작업이 일어나는 속도를 변화시킬 수 있는데 이 조정은 전자식 방법으로 할 수 있다.

Bi-color와 무지개색조의 염색도 유사한 방법이며 순차적으로 다른 dye baths를 이용해서 염색한다.

11. 경질코팅렌즈와 고굴절률렌즈

훨씬 더 복잡한 것은 플라스틱렌즈에 경질코팅하는 것인데 수년동안 연구되어 왔다. 경질코팅렌즈는 아직까지 정상적으로 염색할 수 있으며 비록 소요시간이 길어지더라도 염색은 경질코팅층에 침투시켜야 한다. 이것은 역시 정확한 컬러매치로 진한 염색을 하기 훨씬 어렵다는 것을 의미한다. 이와 똑같은 문제는 더욱 새로운 고굴절률 재료에 응용할 수 있는데 염색하기 더욱 곤란한 고굴절률렌즈에 적용할 수 있다. 대부분의 고굴절률렌즈 재료는 약 80%이상의 흡수(20%는 투과)는 불가능하다.

다른 경우에 있어서 경질코팅 그 자체는 염색할 수 있다. 여기서 염료는 단지 코팅막에 침투되어 염색될 뿐이지 밑에 있는 렌즈 그 자체를 염색하지 않는다. 경질 코팅렌즈에 대한 염색시간은 일반적으로 더욱 신속하다.

(근착외지에서 옮김)