본 연구에서는 여름철 자동차 안과 같이 고온의 환경에 노출될 가능성이 큰 착색렌즈의 열 스트레스에 대한 저항성을 평가하기 위해 일정 온도에서 일정 시간동안 열처리한 후 투명렌즈와 착색렌즈 코팅막의 변화를 알아보았다.
하드코팅, 멀티코팅, 미러코팅으로 각기 다른 3종의 코팅막을 가진 allyldiglycolcarbonate (ADC렌즈, CR-39) 재질의 투명렌즈와 무코팅, 하드코팅, 멀티코팅, 미러코팅으로 각기 다른 4종의 코팅막을 가진 allyldiglycolcarbonate 재질의 회색 착색 플라스틱 렌즈를 연구대상으로 하였으며, 각 착색렌즈를 25 ℃, 50 ℃, 75 ℃ 및 100 ℃의 온도로 설정된 고온건조기에서 4시간 동안 각 온도로 급격하게 열처리 한 후 코팅막의 부착력, 표면 경도, 광투과율, 성분 변화, 표면 변화를 분석하였다.
코팅막의 부착력을 평가하였을 때 25 ℃에서 처리된 하드코팅, 멀티코팅, 미러코팅 투명렌즈 및 착색렌즈의 표면 부착력 등급은 5B였으며, 50 ℃의 열 스트레스가 주어졌을 때 하드코팅된 투명렌즈의 표면 부착력 등급은 5B로 변화가 없었으나, 멀티코팅 및 미러코팅된 투명렌즈와 하드코팅, 멀티코팅 및 미러코팅된 착색렌즈는 4B로 50 ℃의 열 스트레스에 의해서도 코팅막의 부착력에 문제가 발생하였다. 75 ℃ 및 100 ℃의 열 스트레스가 가해졌을 때의 코팅막 부착력은 모든 코팅막의 투명렌즈와 착색렌즈 모두 표면 부착력 등급이 4B였다. 코팅막 부착력 평가에서 하드코팅의 경우 투명렌즈가 착색렌즈보다 열에 의한 스트레스에 조금 더 안정적인 것으로 나타났다. 미러코팅 렌즈의 경우 평가등급은 하드코팅 및 멀티코팅 렌즈와 동일하게 평가되었으나 표면 세부 관찰 결과에서 다른 코팅에 비해 박막의 손상 범위와 정도가 더 큰 것으로 나타났다. 또한, 모든 코팅막에서 열 스트레스가 클수록 코팅 박막의 손상 정도의 차이가 더 커져 은색 박막의 벗겨짐이 더 확연하게 나타났다.
코팅막의 표면 경도를 평가하였을 때 25 ℃에서 처리된 투명렌즈의 경우는 하드코팅이 멀티코팅과 미러코팅보다 표면 경도가 작았다. 착색렌즈 무코팅렌즈의 표면 경도가 하드코팅, 멀티코팅 및 미러코팅 렌즈에 비해 작았으며, 하드코팅에 비해 멀티코팅의 표면경도가 더 컸다. 75 ℃ 및 100 ℃ 에서는 멀티코팅, 미러코팅 렌즈가 하드코팅 렌즈보다 표면 경도가 더 낮았다. 열 스트레스가 커질수록 투명렌즈와 착색렌즈의 표면 경도가 작아지며, 미러코팅이 가장 큰 폭으로 변하였으며, 하드코팅이 가장 작은 폭으로 변하였다. 또한 모든 코팅막에서 투명렌즈보다 착색렌즈가 열 스트레스에 의한 표면 경도 감소폭이 더 컸다.
투명렌즈와 착색렌즈의 가시광선 투과율을 평가하였을 때 25 ℃, 50 ℃, 75 ℃ 및 100 ℃로 열처리된 모든 경우에서 하드코팅, 미러코팅된 렌즈보다 멀티코팅된 렌즈의 가시광선 투과율이 높았으며, 미러코팅된 렌즈의 가시광선 투과율이 가장 낮았다. 열 처리 온도에 따른 광투과율의 변화는 투명렌즈의 멀티코팅과 미러코팅, 착색렌즈의 무코팅, 멀티코팅, 하드코팅, 미러코팅에서 통계적으로 유의한 변화가 있었다.
열 스트레스에 의한 착색렌즈의 하드코팅, 멀티코팅, 미러코팅막의 성분변화를 LIBS(laser-induced breakdown spectroscopy)로 분석하였다. PCA(principle component analysis) 프로그램을 통한 분석시 각 코팅막의 화학원소 조성이 확연히 달랐다. 즉, 하드코팅의 구성원소는 C, Sb, Si, Na, K, 멀티코팅의 구성원소는 C, Si, Mn, Zr, Na, O, 미러코팅의 구성원소는 C, Si, Ti, Zr, Cr, Na이었다. C의 농도로 평균화하여 원소별 상대 농도를 분석하였을 때 열 스트레스가 높을수록 하드코팅은 15% ~ 63%, 멀티코팅은 60 ~ 121%, 미러코팅은 9% ~ 33% 정도의 낮은 농도를 보여 열 스트레스에 의해 착색렌즈 코팅막 표면의 원소에 변화가 초래되었음을 유추할 수 있었다.
각 코팅막의 열 처리에 의한 표면 변화를 관찰하였을 때 25 ℃와 50 ℃로 처리하였을 때는 투명렌즈와 착색렌즈의 하드코팅, 멀티코팅, 미러코팅 렌즈 표면의 변화가 나타나지 않았으나, 75 ℃ 열처리부터 멀티코팅 및 미러코팅 착색렌즈 표면에서 육안으로 확인할 수 있는 정도의 코팅막의 균열이 있었으며, 그 정도는 75 ℃보다 100 ℃에서 더 크게 나타났다. 멀티코팅 및 미러코팅 투명렌즈 표면의 코팅막 균열은 착색렌즈의 경우 보다 높은 온도인 100 ℃의 열 스트레스에서만 육안으로 확인할 수 있었다.
본 연구를 통하여 착색렌즈는 자외선 광투과율만을 제외하고는 모두 열 스트레스에 의해 손상을 받아 가시광선 광투과율, 부착력, 표면경도, 성분변화, 표면변화에서 변화가 나타났으며 열 스트레스가 높을수록 무코팅 렌즈보다 코팅된 렌즈의 손상도가 더 높은 것을 알 수 있었다. 또한 투명렌즈 역시 가시광선 광투과율, 부착력, 표면경도, 표면변화에서 열 스트레스에 의한 손상도가 나타났지만 손상도의 정도는 투명렌즈보다 착색렌즈가 더 높았다. 착색렌즈의 경우는 투명렌즈보다 여름철 차안과 같이 일상생활에서 열 스트레스를 더 많이 노출되어 있을 뿐만 아니라 착색공정 중의 표면변화와 착색제 물성으로 인해 투명렌즈와는 다른 부착력을 가지게 되므로 착색렌즈의 안정성 평가가 투명렌즈와는 다른 조건에서 이루어져야 함을 제안함과 동시에 사용자들이 착색렌즈를 보관할 때 과도한 열 스트레스를 받지 않도록 주의해야함을 제안한다.

This study is to confirm the changes of tinted lenses coating film after heating for a certain period of time at a certain temperature to evaluate the resistance on the thermal stress of the tinted lenses that have higher possibility to be exposed to the environment of high temperature such as the inside of the car in the summer. The transparent plastic lenses with alllyl diglycol carbonate (ADC lens, CR-39) having three types of coating films as hard coated, multi-coated and mirror coated film and the gray tinted plastic lenses with alllyl diglycol carbonate having four types of coated films as non-coated, hard coated, multi-coated and mirror coated films were supposed to be the research subject and each tinted lens was placed in the in the high temperature dryer for four hours set as 25 ℃, 50 ℃, 75 ℃ and 100 ℃ rapidly at each temperature and adhesion of the coating film, surface hardness, light transmittance and composition changes and surface change after heating treatment were analyzed.
When evaluating the adhesion of the coating film, the grade of the surface adhesion of hard coated, multi-coated, mirror coated lenses, transparent lenses and tinted lenses was 5B and when the 50 ℃ of the thermal stress is applied, the grade of the surface adhesion is 5B, not changed, however, that of multi-coated and mirror coated transparent lenses, hard coated and multi-coated and mirror coated tinted lenses was 4B, and the adhesion of the coating film with the thermal stress at 50 ℃ caused a problem. When the thermal stress with 75 ℃ and 100 ℃ were applied, the grade of the surface adhesion of was 4B for the transparent lenses and tinted lenses of all coated films in the aspect of the adhesion of the coated film. In the evaluation of the coated film adhesion, the transparent lenses were more stable than the tinted lenses if the coated film is hard coated. In case of the mirror coated lenses, the evaluation grade was the same as the hard coated and multi-coated lenses, however, as a result of the detailed observation of the surface, the range and the degree of damage of a thin coating is larger than other types of coating. As the heating stress of all coating film is larger, the difference of thin coating’s damage became larger and the silver thin coating has a tendency to be peeled out.
When evaluating the surface hardness of the coating film, the surface hardness of hard coated transparent lenses treated at the temperature of 25 ℃ was smaller than that of multi-coated and mirror coated lenses, and the surface hardness of tinted non-coated lenses is smaller than hard coated, multi-coated and mirror coated lenses, and the surface hardness of multi-coated lenses was larger than the hard coated lenses. At the temperature of 75 ℃ and 100 ℃, the surface hardness of multi-coated and mirror coated lenses was lower than hard coated lenses. As the thermal stress becomes larger, the surface hardness of transparent lenses and tinted lenses become smaller, and the mirror coated lenses was changed in the largest range, and the hard coated lenses was changed in the smallest range. In addition, the transparent lenses in all coated films were changed in a smaller range than the tinted lenses in the aspect of the surface hardness by the thermal stress.
When evaluating the visible light transmission of transparent lenses and tinted lenses, the visible light transmission in all cases of the heating treatment at the temperature of 25 ℃, 50 ℃, 75 ℃ and 100 ℃ was higher in multi-coated lenses than hard coated, and mirror coated lenses, and the visible light transmission rate of mirror coated lenses was the lowest. The changes of light transmission according to the heating treatment temperature were statistically meaningful in multi-coated and mirror coated lenses of transparent lenses, and non-coated, multi-coated, hard coated, and mirror coated of the tinted lenses.
Component changes of hard coated, multi-coated and mirror coated film of the tinted lenses by thermal stress are analyzed as LIBS(laser-induced breakdown spectroscopy). When analyzing through PCA(principle component analysis) program, the chemical elemental composition of each coating film was prominently different. The constituent elements of hard coating were C, Sb, Si, Na, and K, and the constituent elements of multi-coating were C, Si, Mn, Zr, Na, and O, and the constituent elements of mirro rcoating were C, Si, Ti, Zr, Cr, and Na. When analyzing relative density by equalizing the density of C, as the thermal stress is higher, 15% to 63% of hard coating, 60% to 121% of multi-coating, and 9% to 33% of mirror coating showed lower density and the changes of elements on the surface of the tinted lenses coating film by thermal stress can be inferred.
When observing the surface changes by heating treatment of each coating film, the surface changes of hard coated, multi-coated and mirror coated lenses of transparent lenses and tinted lenses with heating treatment at the temperature of 25 ℃ and 50 ℃ were not shown, however from the heating treatment at the temperature of 75 ℃, the visible crack of the coated film by the naked eye could be found on the surface of multi-coated and mirror coated of tinted lenses and it was more definitely seen at the temperature of 100 ℃. The crack of the coated film on the surface of multi-coated and mirror coated transparent lenses could be seen by the naked eyes at the temperature of 100 ℃ with heating stress which is higher temperature than the case of the tinted lenses.
Through this study, the tinted lenses showed the changes in visible light transmission rate, adhesion, surface hardness, the components and the surface by the thermal stress except for the transmission rate of ultraviolet rays, and as the thermal stress is higher, coated lenses get more damaged than the non-coated lenses. In addition, transparent lenses also showed damage by thermal stress in the visible light transmission rate, adhesion, surface hardness, surface changes, and the tinted lenses showed higher damage than the transparent lenses. Tinted lenses were more easily exposed to the thermal stress than transparent lenses in a daily life such as being exposed in the car in the summer and tinted lenses have different adhesion compared with transparent lenses due to the surface changes in coloring process and the feature of the coloring agent and so the stability evaluation of the tinted lenses is suggested to be conducted in different conditions from transparent lenses and should be carefully treated not to be exposed to excessive thermal stress when the tinted lenses are stored by the users.