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혜란 당
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1 ISSN(print) (4): , December 2016 < 초청논문 > Performance Optimization of Blue-light Blocking Lens Through Analysis of Blue Light Emitted from LED Light Sources Younghyun Son, Seok-Jun Yang, Chang Jin Kim, Gyeong Sun Lee, Su Mi Choi, Young Guk Yu, Sang-Young Oh, Mi-Sun Jung, A-Ra Jo, and Eun Jung Choi* Dept. of Optometry, Konyang University, Daejeon 35365, Korea (Received September : Revised November 12, 2016: Accepted November 17, 2016) Purpose: We have suggested the way to improve performance of blue-light blocking lens through the analysis of blue light emitted from LED light sources and compared the performance of blue-light blocking lenses commercially distributed in domestic market. Methods: A total of 17 blue-light blocking lenses and a total of 41 LED light sources were used in the study. The light spectral distributions of LED light sources were measured using illuminance spectrometer. The blue-light distribution of each LED light source was calculated from the product of blue-light hazard function and the light spectral distribution of LED light source. The peak wavelength and the full width of half maximum of the blue-light distribution of each LED light source were calculated using the Gaussian curve fitting. Results: The blue-light distributions of all light sources could be well fitted to the Gaussian curve. The hazard induced by the blue light of LED light sources was found to be averagely the greatest at the wavelength of 450 nm. However, the reflectance of domestic and foreign blue-light blocking lenses was found to be averagely the greatest at 431 nm and 448 nm, respectively. Conclusions: It is necessary to design the blue-light blocking using Gauss fit curve with the peak wavelength of 450 nm and the full width of half maximum of nm in order to block the blue light emitted from LED light sources optimally. In this respect, it may be better to change design of the blue-light blocking for some of blue-light blocking lenes. Key words: LED, Blue light hazard function, Photobiological safety, Photobiological exposure limit, Photobiological retinal injury, Blue-light blocking lens 서론광생물학적노출한계 (photobiological exposure limit) 를넘어서는광학적복사 (optical radiation) 에노출되면, 광화학적망막손상 (photochemical retinal injury) 에의해시력이저하되고실명되기도하며, 연령관련황반변성 (agerelated macular degeneration, AMD) 또한가속되는것으로도알려져있다. [1-4] 이러한광학적복사에의한광화학적망막손상의위험을청색광위험 (blue light hazard) 이라한다. [5,6] 과거청색광위험에대한주의나경고는산업용 의료용등과같은고출력광원을다루는전문직종사자나용접 조명등을취급하는직업군종사자들에게그위험성을알리고, 그에상응하는조치를취할수있도록하기위함이었다. [7,8] 하지만 LED의실용화와더불어청색광위험이널리알려지기시작하면서전세계유명안경렌즈제조업체 는물론, 국내안경렌즈제조업체에서도청색광차단렌즈에대한연구와개발에많은투자를기울이고있다. 청색광차단렌즈는일반적으로착색법이나코팅법으로제조한다. [9] 착색청색광차단렌즈에서는착색물질에의해청색광이흡수되면서청색광의일부가차단된다. 청색광차단율은착색시간이나착색용액의농도등을통해조절할수있는데, 코팅청색광차단렌즈에서와는달리상의질저하를유발시키는흐리고번지는미광 (stray light) 으로인한잡음상 (noise image) 이발생되지않기때문에높은청색광차단율의렌즈를제조할수있다. 하지만흡수선의선폭이넓어광화학적망막손상을거의일으키지않는대역의가시광선까지도차단되므로시감투과율이낮은렌즈가많은편이다. [9] 코팅청색광차단렌즈에서는한면이나양면에있는반사코팅층에의해청색광이반사되면서청색광의일부가차단된다. 청색광차단율은반사코팅에사용되는물질, 두께, 층수등을통해제어할수있는데, *Corresponding author: Eun Jung Choi, TEL: , ejchoi@konyang.ac.kr 393

2 394 Younghyun Son, Seok-Jun Yang, Chang Jin Kim, Gyeong Sun Lee, Su Mi Choi, Young Guk Yu et al. Table 1. Spectral distribution of blue-light hazard function Wavelength (nm) Blue-light hazard function Wavelength (nm) Blue-light hazard function Wavelength (nm) Blue-light hazard function Wavelength (nm) Blue-light hazard function Fig. 1. Blue-light hazard function. 반사코팅의반사율이높아질수록흐리고번지는미광으로인한잡음상이증가하여상의질이저하되므로청색광차단율을높이는데한계가있다. [10] 하지만적절한반사코팅설계를통하여반사광의피크파장과선폭을효과적으로제어할수있으므로광화학적망막손상을집중적으로유발시키는파장대를선택적으로차단시킬수있고, 따라서대체로시감투과율이높은렌즈를제조할수있다. [9] 효과적인청색광차단렌즈를제조하기위해서는광원에서방출되는광학적복사중 [8], 청색광위험을유발시키는유해한청색광을선택적으로차단시킬수있는청색광차단설계가요구된다. 이를위해서는우선청색광위험함수에대한이해가필요하다. 청색광위험함수 (blue light hazard function, BLHF) B(λ) 란청색광위험도즉, 광학적복사에의한광화학적망막손상의위험도를파장에따라나타낸분포를말한다. 이분포는자외선에서부터적색광 (0~700 nm) 에이르기까지넓게퍼져있으며, 위험도가가장큰파장대는 435~440 nm이고, 이파장대를벗어나면낮다 (Table 1, Fig. 1). [8,11] 가시광선의색상분류관점에서보면 [12] 자색광 (400 nm) 과청색광 (460 nm) 사이에집중되어있기때문에보랏빛이감도는청색으로보인다. 국제표준에따르면광원에서방출되는광화학적망막손상을유발시키는유해한청색광분포 S B (λ) 는광원의분광분포 S(λ) 에청색광위험함수 B(λ) 를가중하여산출한다. [13] S B ( λ) = B( λ) S( λ) (1) 이 S B ( λ) 를효과적으로차단시킬수있는청색광차단렌즈의개발을위해서는 S B ( λ) 에대한전문자료나연구결과가요구되지만이를찾아보기어렵다. 본연구에서는청색광차단렌즈의개발및성능최적화에요구되는 LED 광원에대한유해한청색광분포를조사하고이를최적으로차단시킬수있는청색광차단설계의기준을제시한다. 그리고이결과를바탕으로시중에서유통되고있는코팅청색광차단렌즈가청색광을효과적으로차단시키도록최적화되어있는지검토한다. 본연구의결과가현장에적용되어보다고품질의청색광차단렌즈를개발하고성능을최적화하는데활용될수

3 Performance Optimization of Blue-light Blocking Lens Through Analysis of Blue Light Emitted from LED Light Sources 395 있기를기대한다. 대상및방법 1. 대상사용된광원은일상생활에서흔히접할수있는모니터, 스마트폰, 노트북, 실내외조명등을포함한 41종의 LED 광원이다. 사용된렌즈는 17종 ( 국내 10종, 국외 7종 ) 의굴절력 0.00 Dptr인코팅청색광차단렌즈이다. 2. 방법광원의분광분포 S(λ) 는 Topcon사의분광조도계 (IM- 1000) 로측정하였으며, 렌즈의반사율 R(λ) 은 Shimadzu사의분광광도계 (UV-50) 로측정하였다. 모든측정은환경적방해요소를제거하기위하여암실에서수행하였다. 광원의청색광분포 S B ( λ) 는식 (1) 에따라 S(λ) 에 B(λ) 를가중하여구하였고 [13], 아래와같은가우스분포 (Gauss distribution) 를이용하여분석하였다. 1 y = y e σ 2π ( λ λ B ) σ 2 여기서 λ B 는피크파장 (peak wavelength) 을, σ는표준편차를나타낸다. 가우스분포의선폭혹은반폭치 (full width (2) Fig. 2. Peak wavelength λ B and full width of half maximum Δλ B in Gaussian curve. of half maximum, FWHM) Δλ B 는식 (3) 을이용하여 σ로부터구하였다 (Fig. 2). Δλ B = 2σ ln4 결과및고찰 1. LED 광원의분광분포 S(λ) Fig. 3에 41종의 LED 광원에대한분광분포 S(λ) 의일부를 B(λ) 와함께나타내었다. 이때 S(λ) 의최대값이 1이되도록환산하여그렸다. 각 LED 광원에서방출되는청색 (3) Fig. 3. Blue-light hazard function(blhf) B(λ) and light spectral distributions S(λ) for LED light sources.

4 396 Younghyun Son, Seok-Jun Yang, Chang Jin Kim, Gyeong Sun Lee, Su Mi Choi, Young Guk Yu et al. Fig. 4. Blue-light hazard function(blhf) B(λ) and blue-light distribution S B (λ) of LED light sources. Fig. 5. Analysis of blue-light distribution S B (λ) of LED light sources using the Gaussian curve fitting. 광영역에서의피크파장은 B(λ) 의피크파장인 435~440 nm 와일치하지않고약간장파장이라는것을알수있다. LED 광원에서방출되는유해한청색광분포 S B (λ) 를구하기위해서는 S(λ) 에 B(λ) 를가중시켜야한다 ( 식 (1)). 2. LED 광원의청색광분포 S B (λ) Fig. 4에식 (1) 을이용하여구한 S B (λ) 의일부를 B(λ) 와함께나타내었다. 이 S B (λ) 가실제로 LED 광원에서방출되는광화학적망막손상을유발시키는유해한청색광이다. S B (λ) 에서위험도가가장큰파장을피크파장 λ B 이라하겠다. 그림에서 λ B 은 B(λ) 의피크파장인 435~440 nm와일치하지않고이보다약간장파장이라는것을알수있다. 이와같은이유는, B(λ) 는단지파장에따른상대적인위 험도를나타내는지표일뿐으로, 광원에서방출되는실질적인청색광위험도는식 (1) 에서알수있듯이광원의분광분포 S(λ) 에대한영향이반영되기때문이다. λ B 의정확한값을구하기위해서는 S B (λ) 에대한정량적분석이요구된다. 3. 가우스곡선을이용한청색광분포 S B (λ) 분석 S B (λ) 가실제로광화학적망막손상을유발시키는유해한청색광이라는점을상기하면, 청색광차단렌즈는이분포가잘차단되도록설계되어야한다. S B (λ) 에대한분포, 피크파장, 선폭을도출하기위해 S B (λ) 가가우스분포를따른다고가정하고최소자승법으로분석하였다. 분석된결과중, Fig. 4(a) 의노트북 1과 4(d) 의스마트

5 Performance Optimization of Blue-light Blocking Lens Through Analysis of Blue Light Emitted from LED Light Sources 397 Table 2. Peak wavelength λ B and full width of half maximum Δλ B for a total of 41 LED light sources Source λ B (nm) Δλ B (nm) Source λ B (nm) Δλ B (nm) Monitor Notebook 1 Notebook 2 Lamp 1, white Lamp 2, yellow Lamp 3, yellow Flashlight LED bar 2,700 K LED bar 2,850 K LED bar 3,250 K LED bar 5,000 K LED bar 5,700 K LED bar 6,000 K LED bar 6,500 K LED bar 10,000 K LED bar 10,500 K Blue Green White Head lamp 1 Head lamp Head lamp 3 Head lamp 4 Head lamp 5 Head lamp 6 LED chip 1 LED chip 2 LED chip 3 LED chip 4 LED chip 5 LED chip 6 LED chip 7 Smart phone 1 Smart phone 2 Smart phone 3 Smart phone 4 Smart phone 5 Smart phone 6 Smart phone 7 Smart phone 8 Smart phone 9 Mean±SD ± ±4 폰 1에대한결과를 Fig. 5(a) 와 Fig. 5(b) 에각각나타내었다. 그림에서실선은분석결과로얻어진가우스분포곡선이다. 41종의 LED 광원에대한 S B (λ) 의피크파장 λ B 과선폭 Δλ B 을 Table 2에제시하였다. 노트북 1에서방출되는 S B (λ) 의피크파장 λ B 과선폭 Δλ B 은각각 (λ B, Δλ B ) = ( nm, 25 nm) 이다. 따라서노트북 1에서방출되는청색광을가장최적으로차단하려면 nm를중심으로선폭 25 nm인가우스분포형태로차단설계를해야한다. 마찬가지로스마트폰 1에서방출되는청색광을최적으로차단하려면파장 456 nm를중심으로선폭 nm인가우스분포형태로차단설계를해야한다. 이러한논의는 41종의 LED 광원모두에대하여동일하게적용된다. Table 2에제시된 S B (λ) 의피크파장 λ B 과선폭 Δλ B 에대 한평균은 (λ B, Δλ B ) = (450 nm, nm) 이다. 이는일상의 LED 광원에서방출되는청색광은평균적으로파장 450 nm에서위험도가장크고, 선폭 nm인가우스분포를한다는뜻이다. 따라서일상의 LED 광원에서방출되는청색광을가장최적으로차단시켜줄수있는대표적인청색광차단설계는파장 450 nm를중심으로선폭 nm인가우스분포설계라결론지을수있다. 4. 시중에서유통되고있는국내외코팅청색광차단렌즈에대한고찰앞절의결과를바탕으로시중에서유통되고있는청색광차단렌즈에대하여고찰하였다. 17종의코팅청색광차단렌즈에대한반사율 R(λ) 을측정하였고, 그결과를국내외브랜드로구분하여 Fig. 6에나타내었다. 400~500 nm Fig. 6. Reflectances of various blue-light blocking lenses commercially distributed in Domestic Market.

6 398 Younghyun Son, Seok-Jun Yang, Chang Jin Kim, Gyeong Sun Lee, Su Mi Choi, Young Guk Yu et al. Table 3. Peak wavelengths λ L and maximum reflectances R L for various blue-light reflectance coatings of blue-light blocking lenses commercially distributed in Korean market No. Domestic Foreign λ I (nm) R L (%) λ I (nm) R L (%) Mean±SD 431± ± ± ±1.3 사이에서반사율피크가나타나고있음을알수있다. 이구간에서반사율이최대인파장을반사율피크파장 λ L 이라하겠다. Table 3에 λ L 의값과이파장에서의반사율 R L 을나타내었다. 코팅에의해반사되는빛은곧차단되는빛이라는점을고려하면, Table 3의국내브랜드 No. 1은 λ L =412 nm에서반사율이가장크므로, 412 nm 대역을가장집중적으로차단시키는렌즈이다. 마찬가지로국외브랜드 No. 4는 452 nm 대역을가장집중적으로차단시키는렌즈이다. 이러한해석을바탕으로아래와같은고찰을하였다. (1) 국내외브랜드렌즈의 λ L 사이에유의한차이가있는지알아보기위하여 α=0.05로 t분포에의한통계적검정을실시하였다. 두집단은등분산으로확인되었고 (F=0.041, p=0.842), 이에따른유의확률로 p=0.034(<0.05) 을얻었다. 이로부터유의수준 0.05에서국내브랜드렌즈의반사율피크파장 ( 평균 431±15 nm) 과국외브랜드렌즈의반사율피크파장 ( 평균 448±13 nm) 사이에는서로유의한차이가있다는사실을알게되었다. 이는국내브랜드렌즈와국외브랜드렌즈사이에성능의차이가있음을말해주는것이다. (2) 앞절에서일상의 LED 광원에서방출되는청색광을가장최적으로차단시켜줄수있는대표적인청색광차단설계는파장 450 nm를중심으로선폭 nm인가우스분포설계라하였고, 청색광차단렌즈의반사율피크파장을 λ L =450 nm로설계하는것은청색광차단성능을최적화하는데중요한조건이라하였다. 이러한관점에서국내외브랜드렌즈의평균반사율피크파장 λ L 을각각 450 nm라할수있는지통계적으로검정하여, 국내외브랜드렌즈에대한청색광차단성능최적화여부를검토하였다. 검정값은 450 nm로하였으며, 국내외브랜드렌즈각각에대하여 α=0.05에서단일표본 t 검정을실시하였다. 국내브랜드렌즈의경우, 유의확률은 p=0.003(<0.05) 이었다. 따라서유의수준 α=0.05에서국내브랜드렌즈의반사율피크파장 ( 평균 431±15 nm) 은 450 nm라할수없다. 결론적으로국내브랜드렌즈는일상의 LED 광원에서방출되는청색광을최적으로차단시킬수있는조건을갖추었다고할수없다. 반면, 국외브랜드렌즈의경우, 유의확률은 p=0.610(>0.05) 이었다. 따라서국외브랜드렌즈의반사율피크파장 ( 평균 λ L =448±13 nm) 은 450 nm와차이가있다고할수없다. 결론적으로국외브랜드렌즈는일상의 LED 광원에서방출되는청색광을최적으로차단시킬수있는조건을갖추고있다할수있다. (3) 국내외브랜드렌즈의반사율 R L 사이에유의한차이가있는지알아보기위하여 α=0.05로통계적검정을실시하였다. 두집단은등분산이아닌것으로확인되었고 (F=22.615, p=), 이에따른유의확률로 p=0.204 (>0.05) 을얻었다. 결론적으로국내브랜드렌즈의반사율 (13.1±5.1%) 과국외브랜드렌즈의반사율 (10.8±1.3%) 사이에는유의한차이가없는것으로나타났다. (4) 청색광차단렌즈의측정과관련된문제에대하여논하였다. 흔히, 청색광차단렌즈가청색광을얼마나잘차단하는지시연할때파장 405 nm의레이저포인터를사용하는경우가종종있다. 그런데 Table 1에서알수있듯이 405 nm에서의청색광위험도는 B(λ) 에서위험도가가장큰 435~440 nm와비교할때 20% 정도밖에되지않는다. 게다가실제 LED 광원에서방출되는 405 nm 광선의양은무시할정도이다 ( 대부분의일상의 LED 광원에서최대피크대비 1/100 미만 ). 또한, 일상의 LED 광원에서방출되는청색광의위험도는 405 nm에서가아니라 450 nm 대역에서가장크다. 이러한세가지사실을종합하면 405 nm 대역에서의청색광을얼마나잘차단하는지로청색광차단렌즈의성능을비교하는것은바람직하지못하다는사실을알수있다. 어떤렌즈가다른렌즈보다 405 nm 대역의청색광을잘차단시킨다하더라도 450 nm 대역의청색광을더많이투과시킨다면우수한청색광차단렌즈라할수없을것이다. 우리의경계대상은 LED 광원이지 405 nm 대역의파장을집중적으로방출하는레이저광원이아니다. 따라서청색광차단시연을할때는파장 405 nm 대역의레이저포인터가아닌실제 LED를이용하여시연하는것이타당할것이다.

7 Performance Optimization of Blue-light Blocking Lens Through Analysis of Blue Light Emitted from LED Light Sources 399 결 론 청색광차단렌즈의개발및성능최적화에요구되는 LED 광원에대한청색광분포를조사하고, 이를최적으로차단시킬수있는청색광차단설계의기준을제시하였다. 이결과를바탕으로시중에서유통되고있는코팅청색광차단렌즈가청색광을최적으로차단시키도록설계되어있는지도검토하였다. 그결과다음과같은결론에도달하였다. (1) 일상의 LED 광원에서방출되는광화학적망막손상을유발시키는유해한청색광은평균적으로 450 nm에서가장위험하며, 선폭 nm인가우스분포의형태를띤다. (2) 일상의 LED 광원에서방출되는유해한청색광을가장최적으로차단시켜줄수있는대표적인청색광차단설계는파장 450 nm를중심으로선폭 nm인가우스분포설계이다. (3) 시중에서유통되고있는청색광차단렌즈를통계분석한결과, 국외브랜드렌즈는일상의 LED 광원에서방출되는유해한청색광을최적으로차단시킬수있는조건을갖추고있는것으로나타났지만국내브랜드렌즈는그렇지못한것으로나타났다. 국내브랜드렌즈의청색광성능최적화를위해서는청색광차단설계의변경이필요할것으로사료된다. 본연구의결과가이러한최적화설계에밑거름이될수있기를기대하며, 안경사교육및소비자상담등에도널리활용될수있기를기대한다. REFERENCES [1] International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection. Guidelines on limits of exposure to ultraviolet radiation of wavelengths between 180 nm and 400 nm (incoherent optical radiation). Health Phys. 2004;87(2): [2] International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection. Guidelines on limits of exposure to broad-band incoherent optical radiation (0.38 to 3 µm). Health Phys. 1997;73(3): [3] Rüdiger M, Maria F, Rodney C, Adele G, Kari J, Carmela M et al. Guidelines on limits of exposure to incoherent visible and infrared radiation. Health Phys. 2013;105(1): [4] Taylor HR, Muñoz B, West S, Bressler NM, Bressler SB, Rosenthal FS. Visible light and risk of age-related macular degeneration. Trans Am Ophthalmol Soc. 1990;88: [5] Sliney DH, Freasier BC. Evaluation of optical radiation hazards. Appl Opt. 1973;12(1):1-. [6] Made-in-China.com. Assessment of the unique blue light hazard is critical, com/article/product-industry-knowledge/hxmntgncfqit/ IEC-EN-671-for-LED-Lighting-Products/(16 May 2015). [7] Okuno T, Saito H, Ojima J. Evaluation of blue-light hazards from various light sources. Dev Ophthalmol. 2002; 35: [8] Jung MH, Yang SJ, Yuk JS, Oh SY, Kim CJ, Lyu JM, Choi EJ. Evaluation of blue light hazard in LED lightings. 2015;20(3): [9] Kim CJ, Choi SW, Yang SJ, Oh SY, Choi EJ. Evaluation of blue-light blocking ratio and luminous transmittance of blue-light blocking lens based on international standard. J Korean Ophthalmic Opt Soc. 2014;19(2): [10] Yuk JS, Yang SJ, Kim YG, Choi EJ. Effects of stray light in blue-light blocking lens on the quality of image. J Korea Acad Industr Coop Soc. 2016;17(5): [11] KSSN(Korean Standards Service Network). Photobiological safety of lamps and lamp systems-part 2: Guidance on manufacturing requirements relating to non-laser optical radiation safety. KS C IEC 671-2, [12] Benjamin WJ. Borish's Clinical Refraction, 2nd Ed. St. Louis: Butterworth Heinemann Elsevier, 2006;298. [13] British Standards. Personal eye protection - Sunglasses and sunglare filters for general use. BS EN 1836, 1997.

8 400 Younghyun Son, Seok-Jun Yang, Chang Jin Kim, Gyeong Sun Lee, Su Mi Choi, Young Guk Yu et al. LED 청색광분석을통한청색광차단렌즈의성능최적화 손영현, 양석준, 김창진, 이경선, 최수미, 유영국, 오상영, 정미선, 조아라, 최은정 * 건양대학교안경광학과, 대전 투고일 (2016 년 9 월 26 일 ), 수정일 (2016 년 11 월 12 일 ), 게재확정일 (2016 년 11 월 17 일 ) 목적 : LED 광원의청색광을분석하여청색광차단렌즈의성능을향상시킬수있는방법을제시하고, 이를바탕으로시중에서유통되고있는청색광차단렌즈에대한성능을비교하였다. 방법 : 17 종의청색광차단렌즈와 41 종의 LED 광원이사용되었다. 분광조도계를이용하여 LED 광원의분광분포를구하고, 청색광위험함수를가중하여 LED 광원의청색광분포를구한후, 가우스곡선으로맞춤하여각 LED 광원에대한피크파장과선폭을구하였다. 결과 : LED 광원에서방출되는청색광의분포는가우스곡선으로잘맞춤되었다. LED 광원의청색광으로인한위험도는 450 nm 에서가장큰것으로나타났다. 하지만국내및국외브랜드청색광차단렌즈에서의청색광반사율은각각 431 nm 와 448 nm 에서가장큰것으로나타났다. 결론 : LED 에서방출되는청색광을효과적으로차단하기위해서는청색광반사코팅을 450 nm, 선폭 nm 인가우스곡선형태로설계할것이요구되며, 이러한관점에서일부제품은청색광차단설계의변경을고려하는것도좋을것으로사료된다. 주제어 : LED, 청색광위험함수, 광생물학적안전성, 광생물학적노출한계, 광화학적망막손상, 청색광차단렌즈

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DBPIA-NURIMEDIA ISSN(print) 1226-5012 23(1):57-63, March 2018 < 초청논문 > http://dx.doi.org/10.14479/jkoos.2018.23.1.57 A Study on Methods of Analysis and Evaluation of Blue Light Blocking Tinted Lens using Yellow-tinted