변색렌즈의 특성과 변색원리

변색렌즈를 뜻하는 photochromic은 형용사로 ‘광호변성(光互變性)의 또는 광변색성의’란 뜻이고, 명사로는 ‘광호변성 물질 또 광변색성물질’이란 뜻이다.

풀이하면 햇빛을 쬐면 변색 또는 착색(darkening)되고, 햇빛이 차단되면 퇴색(fading)되어 원상태로 복귀되는 광화학적가역반응(光化學的可逆反應)을 일으키는 화합물을 말한다.

이런 물질이 들어있는 렌즈를 속칭 변색렌즈라고 부르는데 그러나 감광(感光)렌즈 또는 조광(調光)렌즈라고 부르는 것이 옳다.

최초의 변색렌즈인 유리감광렌즈는 1960년경 코닝(corning)에 의해서 소개되었다. 그 후 오늘날 유통되고 있는 성능을 가진 유리변색렌즈를 개발하기까지에는 무려 10년 이상 걸렸다.

한편 최초의 플라스틱 감광렌즈는 1970년대에 소개되었으나 1990년 최초의 변색렌즈 트랜지션스렌즈(Transitions™ lens)가 나오기 전까지 개발이 늦어진 실제 원인은 카메라 필름과 같이 합성수지재료에 광변색 재료인 염화은(AgCl), 브롬화은(AgBr) 등을 넣을 경우 착색과 퇴색의 광화학적 가역반응이 일어나지 않기 때문이다.

그래서 은 화합물 대신에 플라스틱렌즈 재료에 광변색성염료를 첨가하거나 염색해서 광변색렌즈를 만들게 되었는데, 이 렌즈는 자외선에 의해서 쉽게 피로(성능저하)를 일으켜서 유리변색렌즈와 똑같은 성능을 유지할 수 없었다. 지난 수십 년에 걸쳐 플라스틱 변색렌즈의 피로는 유리렌즈의 그것과 비교될 만큼 크게 개량되어 현재는 SunSensors™, Transitions™ lens 등과 같은 광변색 플라스틱렌즈가 발매되고 있다.

그러나 광변색 플라스틱렌즈의 광변색 과정은 유리렌즈 속에서 일어나는 광변색 매커니즘과는 다르다.

광변색 유리렌즈는 유리 속에 들어있는 감광성 물질인 염화은, 브롬화은, 요오드화은(AgI) 등의 미세한 결정(800~1500nm)이 자외선 또는 청색광에 노출될 때 광화학적 반응에 의해서 미립자(微粒子)상태의 금속 은(銀)이 유리 속에서 석출되어 착색(darkening)에 관여하는데 대하여 광변색 플라스틱렌즈는 Spiroxazines(스피로사아진), Spropyrans(스피로피란) 및 fulgides(펄지이드)와 같은 감광성 염료가 사용되며 자외선을 받으면 착색되고 제거하면 퇴색된다.

다시 말하면 유리변색렌즈는 금속화합물인 감광성 할로겐화은을 이용하고, 플라스틱렌즈는 유기화합물인 광변색 염료를 이용한다.

전자는 은(silver)의 광화학적 산화•환원반응을 이용한 변색반응이고, 후자는 염료분자 구조의 일부가 광화학반응에 의하여 변환되는 것을 이용한 변색반응이다.

플라스틱렌즈의 변색작용을 일으키는 자외선역 파장은 유리렌즈가 필요로 하는 것보다 통상적으로 더욱 독특하다.

Spiroxazines의 변색반응 매커니즘은 Spropyrans의 그것과 유사하다. 그 분자들이 UV 복사선에 노출되었을 때 분자의 일부분이 회전하는데 그것은 재료를 착색(darkening)시키고 강력하게 UV와 청색광 파장을 흡수한다.

그러나 빛이 없어지면 염료가 본래의 분자구조로 되돌아 가게 되어 재료는 본래의 투과율을 가질 때까지 퇴색하게 된다.<계속>