hwp

Journal of the Korean Chemical Society Printed in the Republic of Korea 분광광도법에의한칼라렌즈내염색제에대한흡광도분석 최은정 * 정주현건양대학교안경광학과 ( 접수 2009. 8. 31; 수정 2009. 10. 15; 게재확정 2009. 10. 28) Analysis of for Tinted Dye Absorbed into Tinted Lenses by Spectrophotometric Method Eun Jung Choi* and Ju-Hyun Jung Department of Ophthalmic Optics, Konyang University, Daejeon 302-718, Korea (Received August 31, 2009; Revised October 15, 2009; Accepted October 28, 2009) 요약. 분광광도법으로칼라렌즈내염색제에대한흡광도를연구하였다. 사용된렌즈와염색제는각각 CR-39 플라스틱광학렌즈와 Ons & Lavas 의 Blue 1800 이다. 칼라렌즈내염색제의흡광도는칼라렌즈와 CR-39 렌즈의흡광도의차를이용하여구하였으며, 염색제의평균농도는칼라렌즈와 CR-39 렌즈의질량차로부터구하였다. 칼라렌즈에침투된염색제에대하여도흡광도와평균농도사이에 Beer 법칙이성립하였고, 검정선의기울기로부터흡광계수는 a = 0.983 Lg -1 cm -1 임을알아내었다. 주제어 : 착색염료, 칼라렌즈, 흡광도, 흡광계수, 분광광도법 ABSTRACT. We studied absorbance of tinted dye absorbed into tinted lenses by Spectrophotometric method. Used lenses and tinted dye were CR-39 plastic optical lenses and Ons & Lavas 의 Blue, respectively. values of tinted dye absorbed into tinted lenses were obtained from the differences of absorbance values between tinted lenses and CR-30 lenses. Average concentrations of tinted dye absorbed into tinted lenses were obtained from the mass differences between tinted lenses and CR-30 lenses. The relationship between absorbance and average concentration for tinted dye absorbed into tinted lenses was also confirmed to follow Beer s law. The absorption coefficient calculated from the tangent of the calibration curve was determined to be a = 0.983 Lg -1 cm -1. Keywords: Tinted dye, Tinted lens,, Absorption coefficient, Spectrophotometry 서론현대사회에서는산업의다양화및전문화로인해각산업및직종에따라그에적합한기능성광학렌즈가많이요구되고있다. 특히, 강렬한태양광선에대한보건용이나안질환환자용, 눈부심방지, contrast 향상, 안정피로개선, 미용이나패션용등으로널리사용되는광학적필터용플라스틱칼라렌즈 1 는그사용목적에따라색조나짙기를외부환경에맞게적절히제작해야할필요성 이있기때문에여러연구팀에의해꾸준히연구되고있다. 정등 2 은광흡수율분석에의한플라스틱렌즈의착색연구에서현재광범위하게이루어지고있는착색렌즈의검사법인비색법 (visual colorimetry) 의문제점을지적하고, 이에대한표준화의필요성을제기하였다. 이등 3 은국내에서시판되고있는선글라스들에대한광학적및역학적조사를통하여각렌즈들의한국산업규격에대한적합성여부를조사하였다. 박등 4 은혼합색착색렌즈를 704

분광광도법에의한칼라렌즈내염색제에대한흡광도분석 705 제조하여이에대한광흡수특성과칼라분석을통하여혼합색렌즈제조의표준화가능성을제시하였다. 김등 5 은렌즈염색에사용되는렌즈염색제분말및그용액, 그리고이를이용하여제조된칼라렌즈에대한가시광선영역에서의흡수스펙트럼을측정하여각각이갖는광흡수특성을비교분석을하였다. 임등 6 은제조사별로선글라스렌즈의광학적특성및그차이점을비교조사를하였다. 박등 7 은착색렌즈의 UV 차단효과를분광광도계로조사한후, 이를기준으로시판되고있는 UV 차단기 (UV Tester) 의성능평가를하였다. 정등 8 은칼라분석이론을통하여칼라렌즈제작시착색시간에따른색좌표이동의분광학적특성을조사하였다. 그러나이러한많은연구에도불구하고아직까지칼라렌즈에대한흡광도분석과관련된연구는이루어진바가없다. 본연구에서는 CR-39 플라스틱광학렌즈를칼라렌즈제조에널리사용되는 Ons & Lavas 의 Blue 1800으로착색시켜렌즈에침투된염색제에대한흡광도와농도사이에도 Beer 법칙이성립하는지의여부와그검정선및흡광계수를알아내는데있다. 실험 착색을위해사용된렌즈인 CR-39 플라스틱광학렌즈는피츠버그플레이트글라스 (Pittzburgh Plate Glass Co.) 사의콜롬비아 (Columbia) 연구소에서개발된열경화성수지로가공된중심두께 1.9 mm, 굴절률 1.498, 굴절력 0 Dptr인플라스틱광학렌즈로흔히, CR-39(Columbia Resin-39) 로불리며, 플라스틱칼라렌즈제조에널리쓰이는광학렌즈이다. 이플라스틱광학렌즈에대한합성수지의화학식이름은아릴디글리콜카보네이트 (allyldiglicolcarbonate) 이다. 착색에사용된염색제는칼라렌즈제조에널리사용되는착색용액중의하나인 Ons & Lavas 의 Blue 1800이다. 착색은플라스틱광학렌즈에가장널리이용되는염색착색법을이용하였다. 우선, CR-39 렌즈를초음파세척기로깨끗이세척한후, 제조사에서지정한비율 ( 염색제 : 물 = 1 : 10) 에맞추어착색용액을제조하였다. 제조된 착색용액을착색용항온조에넣고 90 o C로일정하게유지시키고, 착색시간은 30초, 1분, 2분, 3분, 4 분, 5분, 10분, 20분, 30분, 45분, 60분으로설정하여칼라렌즈를제조하였다. 흡광도측정은 Shimadzu 사의 UV-Vis Spectrophotometer(UV-2450) 를사용하였으며, 파장범위는가시광선에해당하는 380 780 nm에서실시하였다. 결과및논의 Fig. 1은 CR-39 렌즈와칼라렌즈제조에널리사용되는염색제중의하나인 Ons & Lavas 의 Blue 1800을이용하여제조한칼라렌즈에대한여러시간에서의파장에따른흡광도를측정한결과이다. 가장강한흡수는 599 nm에서일어나고있으며, 그다음으로강한흡수는 647 nm와 549 nm 순으로일어나고있다. 이러한흡수선들은전이금속이온의외곽에있는 d-전자가착화합물을형성하면서결정장 (crystal field) 의영향을받아이온단독상태일때와는달리에너지준위가갈라지면서형성된에너지준위들을가시광선이흡수되면서나타나는흡수선들이다 9. 위세 549, 599, 647 nm에서의강한흡수가일어나는흡수선들을기준으로한전체적인 FWHM(full width at half maximum) 는약 120 nm로, 540 ~ 660 nm에걸쳐일어난다. 한편, 460 nm를중심으로한약 400 ~ 500 nm 범위의가시광선영역에서는상대적으로흡수가매우적게일어나고있다. 사람의눈이가시광선을 Tinted time 60 min 45 min 30 min 20 min 10 min 5 min 4 min 3 min 2 min 1 min min Fig. 1. Absorption spectra of tinted lenses at various tinted times.

706 최은정 정주현 0.20 0.15 0.10 제가렌즈내부에고루퍼져일정한농도를이룬다고가정하면, 칼라렌즈는렌즈와염색제로이루어진 2성분계의혼합물이라고생각할수있다. 그러면이 2성분계에해당하는칼라렌즈의흡광도 A cl 는염색제의흡광도 A c 와렌즈자체의흡광도 A l 과의합으로표현될수있다. 즉, 5 Acl = Ac + Al (1) 0 Fig. 2. Absorption spectrum of CR-39 lens. Tinted time 60 min 45 min 30 min 20 min 10 min 5 min 4 min 3 min 2 min 1 min min Fig. 3. Absorption spectra of tinted dyes in tined lenses at various tinted times. 파장에따라다음과같은색상즉, Violet(400 nm), Blue(460 nm), Blue-Green(507 nm), Green(530 nm), Green-Yellow(555 nm), Yellow(590 nm), Orange(600 nm), Red(650 nm) 와같이느낀다는점을고려할때, 현재 CR-39 렌즈와칼라렌즈염색제 Ons & Lavas 의 Blue 1800으로제조한칼라렌즈가 Blue 색상을띠는이유는 Green-Yellow~Red 대역의가시광선은강하게흡수하는반면, Blue 대역의가시광선은흡수가미약한데기인하는것임을알수있다. 이제칼라렌즈내에침투된염색제에의한흡광도를구해보기로한다. 이를위해다음과같은두가지가정을한다. 만일, 칼라렌즈내로침투된염색제분자가렌즈를구성하고있는고분자와강한상호작용을일으키지않는다고가정하면, 그리고렌즈내의염색제는렌즈표면으로부터깊이에따라그농도가달라지겠지만이를염색 따라서, 염색제에의한흡광도는칼라렌즈의흡광도와착색전렌즈의흡광도의차 A c = A cl A l 로부터구할수있다. Fig. 2는착색시키지않은 CR 렌즈만에의한흡광도를나타내는그림이다. CR 렌즈의흡광도는단파장인 450 nm 이하일때를제외하고는가시광선전파장에걸쳐거의일정한값인 37( 투과율로환산하면 91.8%) 이다. 가시광선영역에서가장짧은파장인 380 nm에서의흡광도는 0.169( 투과율로환산하면 67.8%) 이다. 착색시간이짧아농도가옅은칼라렌즈의경우는흡광도가작아서 CR 렌즈자체흡광도의영향을크게받지만, 착색시간이길어농도가짙은칼라렌즈의경우에있어서는그영향이크지않다. 예를들어, 착색시간 min의경우, 최대흡수가일어나는 599 nm에서의칼라렌즈의흡광도는 0.102인데, 이값에서 CR 렌즈자체의흡광도인 37을빼면염색제의흡광도는 65로칼라렌즈전체의흡광도의 64% 에불과하지만, 착색시간 60 min의경우에는칼라렌즈의흡광도는 47이므로 37을빼면 10으로, 불과 2.4% 만감소한다. 이는착색시간이짧아서렌즈에침투된염색제의양이적은경우에는렌즈자체의흡광도가큰영향을미침을뜻하는것이다. Fig. 3는식 (1) 즉, Fig. 1에서 Fig. 2를빼서구한칼라렌즈내침투된염색제에의한흡광도를나타내는그림이다. 염색제에의한흡광도의패턴은단파장에서의경우를제외하고는칼라렌즈의흡광도의패턴과동일함을알수있다. 이제칼라렌즈내염색제에의한흡광도를구하였으므로흡광도분석을할수있게되었다. 우선, 극대흡수파장인 599 nm에서의흡광도를착색시간을기준으로그려보기로한다. Fig. 4는 Fig. 3 Journal of the Korean Chemical Society

분광광도법에의한칼라렌즈내염색제에대한흡광도분석 707 0 10 20 30 40 50 60 Tinted time (min) Fig. 4. Relationship between tinted time and absorbance for tinted dyes in tinted lenses. Average concentration (g/l) 0 10 20 30 40 50 60 Tinted time (min) Fig. 5. Relationship between tinted time and average concentration for tinted dyes in tinted lenses. Average concentration (g/l) Fig. 6. Relationship between average concentration and absorbance for tinted dyes in tinted lenses. 으로부터구한것으로칼라렌즈에침투된염색제에의한착색시간에따른극대흡수파장에서의흡광도를나타내는그림이다. 흡광도는착색시간 5 min까지는비교적빠르게증가하다가 10 min 정도부터는점차흡광도의증가율이감소하고있다. 착색시간 60 min에서도포화상태에이르지않고있음을알수있다. Fig. 5는칼라렌즈에침투된염색제의질량과렌즈의부피를측정하여구한칼라렌즈내염색제의평균농도 (average concentration, g/l) 를착색시간에대하여나타낸그림이다. 이평균농도의의미는앞서서술하였던바와같이칼라렌즈내에염색제가고루퍼져일정한농도를이룬다고가정한상태에해당하는농도이다. 이때, 칼라렌즈에침투된염색제의질량은, 각렌즈를착색하기전과착색한후의질량을측정한다음, 그차로부터구하였다. 이렇게구한농도-착색시간의관계 Fig. 5와흡광도-착색시간사이의관계 Fig. 4을비교해보면그래프의변화패턴이매우일치하고있음을알수있다. 이러한일치성에대한원인은흡광도-농도의그래프를그려보면이해할수있다. Fig. 6은칼라렌즈에침투된염색제의흡광도와평균농도에대한관계를나타내는그림이다. 그림에서보듯이흡광도와농도의착색시간에따른변화패턴의일치성은흡광도와농도사이에정비례관계가성립하는데기인한것임을알수있다. 이러한비례관계는흡광도와농도사이에성립하는 Beer 법칙을의미하는것이다. 결국, 이러한결과로부터칼라렌즈내부로침투된염색제에대한흡광도와농도사이의관계를설명하고자할때, 칼라렌즈는렌즈와일정한농도로렌즈전체에걸쳐고루퍼져있는염색제로이루어진 2 성분계혼합물이라는가정하에서의분석이유효하다는결론을내릴수있다. 이제칼라렌즈내에침투된염색제에의한흡광계수를구할수있다. Beer 법칙에의하면, 흡광도 A는복사선이용액을통과하는경로길이 (path length) b와흡광화학종의농도 c에정비례 10 하므로다음과같이쓸수있다. A = abc (2) 여기서, a는흡광계수 (absorption coefficient) 이다. 경로길이 b의단위를 cm로, 흡광화학종농도 c의단위를 gl -1 로하면흡광계수 a의단위는 Lg -1 cm -1

708 최은정 정주현 로표현된다. 식 (2) 를이용한검정선 (calibration curve) 의기울기로부터구한칼라렌즈내염색제의흡광계수는 a = 0.983 Lg -1 cm -1 이었다. 그림에서검정선은실선으로나타내었다. 결론 칼라렌즈내염색제에대한연구를위하여가시선흡수분광법실험을하였다. 착색을위해사용된렌즈는 CR-39 플라스틱광학렌즈이었으며, 착색에사용된염색제는칼라렌즈제조에널리사용되는염색제중의하나인 Ons & Lavas 의 Blue 1800 이었다. 칼라렌즈와 CR-39 렌즈의흡광도의차를이용하여칼라렌즈내염색제의흡광도는구하였으며, 칼라렌즈와 CR-39 렌즈의질량차로부터염색제의평균농도를구하였다. 칼라렌즈내에침투된염색제에대한흡광도와평균농도사이에도정비례즉, Beer 법칙이성립하고있음을확인하였고, 수치해석분석을통한검정선의기울기로부터흡광계수는 a = 0.983 Lg -1 cm -1 이었다. REFERENCES 1. KS P4404 (Korean Industrial Standard, Seoul, 1989). 2. Jung, M.; Lee, H.; Won, W.; Kwon, Y. Korean J. Vis. Sci. 2000, 2, 211. 3. Lee, W. J.; Sung, D. Y.; Youk, D. J.; Kang, S. S.; Jang. Y. S.; Park, S. C.; Park, H. J.; Shin, H. S.; Jeon, Y. K. J. Korean Oph. Opt. Soc. 2004, 9, 125. 4. Park, S. A.; Kim, Y. G. Korean Oph. Opt. Soc. 2000, 5, 201. 5. Kim, Y.; Park, S. J. Korean Oph. Opt. Soc. 1999, 4, 65. 6. Lim, H.; Ji, T.; Kim, B. Korean Oph. Opt. Soc. 2000, 5, 193. 7. Park, M. C.; Jung, B. Y. Korean Oph. Opt. Soc. 2002, 7, 129. 8. Jung, B.; Park, K.; Kim, Y. Korean Oph. Opt. Soc. 2003, 8, 53. 9. Nassau, K. The Physics and Chemistry of Color; John Wiley & Sons: New York, 1983; Chap. 5. 10. Skoog, D. A.; Leary, J. J. Principles of Instrumental Analysis: Harcourt Brace College Publishers, San Diego, 1971; Chap. 5. Journal of the Korean Chemical Society