KR100277411B1 - 렌즈 금형 처리 방법 및 처리 - Google Patents

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에드문드씨.라스트렐리
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워필드 마크
존슨 앤드 존슨 비젼 케어, 인코포레이티드
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Abstract

단량체로 채워서 렌즈 중합을 일으키기 전에 대안렌즈 금형 피스의 한 표면중 적어도 한부분에 가속전자를 지향시키는 장치 및 방법이 제공된다. 특히, 코로나 처리전극에 의하여 이온화된 산소를 발생시키면 처리한 금형 피스에 중합체의 부착성이 충분히 증가한다는 것을 알게되었다. 양호한 실시예에서, 렌즈 금형의 볼록한 수형 피스 주위의 플랜지가 코로나 처리되므로, 렌즈 중합후 금형 피스가 분리될때 렌즈 캐비티를 둘러싸는 과다한 중합된 재료의 플래슁이 볼록한 수형 피스 플랜지에 부착되며, 이때 렌즈는 오목한 암형 피스와 함께 제거된다.

Description

렌즈 금형 처리 방법 및 장치
제1a도 내지 제1c도는 본 발명에 의하여 변경된 액체/고체 표면 상호작용의 특성 및 그 측정수단을 도시한 도면.
제2도는 수형(male) 금형 공작물과 함께 본 발명의 전극의 확대단면도.
제3도는 다수의 수형 금형 피스를 처리하기 위해 제2도의 전극을 포함하는 본 발명의 장치의 단면도.
제4도는 결합된 한쌍의 금형 피스의 단면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
12 : 접촉각 14 : 액체 방울
16 : 기판 20 : 수형 금형 피스
24 : 전극 26 : 대향 전극
32 : 절연 지지체 34 : 장착판
[발명의 배경]
본 발명은 렌즈를 생산하는 금형으로부터 성형된 대안(對眼)렌즈(ophthalmic lens ; 눈에 관한 모든 렌즈를 총칭하여 언급함)의 개량된 제거방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 하이드로겔 콘택트 렌즈(hydrogel contact lens)와 같은 성형된 대안렌즈에 적합하며, 또한 의안렌즈(intraocular lens)와 같이 다른 소형의 고정밀 대안렌즈에도 적합하다.
콘택트 렌즈나 또는 소프트 의안렌즈와 같이, 각막 또는 눈내에 착용하기 위한 소프트 대안렌즈는 여러가지 기술로서 제조될 수 있다. 콘택트 렌즈는 회전금형에서 단량체 재료를 스핀 주조한 다음에 모양이 만들어진 재료를 중합시킴으로써 제조될 수 있다.
콘택트 렌즈와 의안렌즈를 제조하는데 사용된 다른 방법은 재료의 피스(piece)를 정밀 절삭하고 다음에 폴리싱(polishing) 하여 렌즈로써 사용하는 방법이다.
최근에 소프트 콘택트 렌즈 및 소프트 의안렌즈의 성형에 대해 관심이 높아지고 있다. 이러한 기술은 종래의 렌즈 제조 방법에 비해 반복성 및 속도에서 유리한 이점을 가진다. 이러한 렌즈를 성공적으로 성형하는 기술은 라센(Larsen) 씨에게 허여된 미국 특허 제4,495,313호 및 제4,640,489호와, 라센씨 및 그밖의 사람에게 허여된 미국 특허 제4,889,664호, 제4,680,336호 및 제5,039,459에서 얻을 수 있다. 이러한 특허들은 특별히 희석제의 사용을 기술하였는데, 이 물질은 성형 공정중에 물대신에 사용되고 성형이 완료된 후에 물로 대체되었다. 이 기술의 장점은 이렇게 제조된 렌즈의 광학성, 치수 및 형상이 희석제를 사용하지 않는 방법에 비해 급격하게 변하지 않는다는 것이다.
또한, 폴리스티렌 또는 폴리프로필렌으로 제조된 것과 같은 금형에서 단량체 또는 단량체 혼합물을 형성함으로써 대안렌즈를 성형하는 기술이 공지되어 있다.
이 기술의 실예는 라센씨에게 허여된 미국 특허 제4,565,348호에서 얻을 수 있다. 여기에서 폴리스티렌 금형에 대한 조건이 기재되어 있는데, 즉 금형 피스가 렌즈나 또는 서로가 부착됨으로써 분리하기 위한 불필요한 힘을 요구하지 않도록 물질, 화학적 성질 및 공정이 제어되어야 한다.
상기 폴리스티렌 금형과는 대조적으로, 다른 실예는 세퍼드(Shepherd)씨에게 허여된 미국 특허 제4,121,896호에 기재된 바와 같이 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 금형을 사용한다.
그러나 특별한 문제는, 단량체 또는 단량체 혼합물이 오목한 금형 피스에 비해 과다하게 공급된다는 것이다. 금형을 결합시켜 렌즈를 규정할 때, 과다한 단량체 또는 단량체 혼합물은 금형 캐비티에서 빠져나오고, 하나 또는 양쪽 금형 피스의 플랜지 사이 또는 그위에 정착하여, 형성된 렌즈 주위에서 환형링 또는 플래슁(flashing)을 형성하게 된다.
2개의 금형 피스를 분리시킨 후, 이제 중합된 과다한 재료의 주변 플래슁은 보통 암형(female) 금형 피스에 남아 있게 되고, 이 피스는 렌즈를 유지한다. 렌즈를 수화(水和), 검사, 패키징, 살균등을 더 처리하기 위하여, 암형 금형 피스로 부터 중합된 재료의 플래슁을 제거할 필요가 있다. 플래슁이 렌즈와 함께 암형 금형 피스에 남아 있을 때, 손가락으로 떼어내게 된다.
그러므로, 본 발명의 목적은 렌즈를 유지하는 금형으로부터 사람의 간섭을 받지 않고 주위 플래슁과 함께 대안렌즈를 제거하는 수단을 제공하는데 있다. 본 발명은 원가 절감, 생산량 증가 및 자동화를 가능하게 함으로써 이 부분의 렌즈 제조 공정을 크게 단순화 시킨 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 금형 피스가 분리될 때 플래슁으로부터 대안 렌즈를 분리하기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
[발명의 요약]
상기 목적들은, 단량체와 함께 채워서 렌즈 중합이 이루어지기 전에 한 금형 피스의 한 표면의 일부에 가속 전자를 안내함으로써 표면에너지를 증가시키는 방법 및 장치를 제공함으로써 달성된다. 금형 피스는 하나의 피스에서 다른 피스와 접촉하는 라인을 만드는 에지(edge)를 포함하여서, 두 피스가 결합될 때 이 사이에 캐비티를 만들어 렌즈를 형성하게 된다. 특히, 코로나 처리 전극에 의해 이온화된 산소의 발생은 처리된 금형 피스에 중합체의 부착성을 크게 증가시킨다는 것을 알게 되었다. 양호한 실시예에서, 렌즈 금형의 볼록한 수형(male) 피스 주위의 플랜지는 코로나 처리되어서, 렌즈 중합후 금형 피스가 분리될 때, 렌즈 캐비티 주위를 둘러싸는 과다한 중합 재료의 플래슁이 수형의 볼록한 피스에 접착하며, 반면에 렌즈에서 암형의 오목한 피스가 제거된다.
[양호한 실시예의 설명]
단량체 재료를 성형하여 중합시키는 금형에 중합된 단량체 재료의 부착은 금형재료의 표면에너지와 관련되어 있음을 알게 되었다. 액체의 표면 장력과 유사한 재료의 성질인 표면에너지는 재료의 습윤성을 결정하고, dyne/cm 로서 측정된다.
재료의 표면에너지는 접촉각을 측정함으로써 결정될 수 있다. 고체면에서 액체 방울의 접촉각을 측각기(goniometer)를 사용하여 측정함으로써 표면에너지가 결정될 수 있다. 측정한 접촉각이 작을수록 표면이 습윤성이 높다.
제 1a 도에서, 전형적인 측각기 눈금(10)이 액체 방울 (14)에 의해 형성된 접촉각(12)을 가리키고 있다. 제 1b 도는 90°보다 큰 접촉각(12)을 형성하는 특별한 액체에 대하여 표면 습윤성이 낮은 기판(16)에서의 액체 방울(14)을 도시한다. 제 1c 도에서, 양호한 표면 습윤성을 갖는 액체 방울(14) 및 기판(16)이 도시되어 있다. 제 1b 도와는 대조적으로, 접촉각이 60°보다 작은 재료가 젖어있는 액체 표면 장력을 최소한 10dyne/cm를 초과하는 표면에너지를 가진다.
기판 표면에서 액체의 습윤성이 엄격하게는 기판의 표면에너지의 함수가 아니기 때문에, 기판과 젖어있는 액체와의 차이의 결과보다는, 표면에너지가 습윤성을 가리키기는 하지만, 모든 액체에 대한 접촉각의 절대적 지시기로서만 사용될 수 는 없다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 폴리스티렌 금형이 이타필콘(etafilcon) A로서 58%의 물을 함유하는 하이드로겔 콘택트 렌즈를 형성하기 위해 사용되고, 폴리스티렌은 40dyne/cm의 표면에너지를 갖는다. 실험에서, 이타필콘 A 재료를 위한 프리폴리머(prepolymer)(상기 특성에 기재된 바와 같이 성형 공정중에 물을 대신하는 붕소산 에스테르 희석제와 혼합됨)는 폴리스티렌 표면과 접촉하며, 28°와 30°사이에서 접촉각을 가진다는 것을 알았다.
폴리스티렌 및 다른 플라스틱의 표면에너지를 증가 시키는 방법은 화염처리, 플라즈마 및 화학 에칭, 전기표면 처리를 포함한다. 양호한 실시예에서 사용된 방법은 전기표면 처리이며, 다른 곳에서는 코로나 처리로서 언급되어 있다. 가속전자가 향한 표면에서 중합된 단량체는 처리된 표면에 접착한다는 것을 알았다. 특히, 하이드록시에틸 메타크릴레이트(HEMA), 메타크릴산(MAA), 에틸렌 글리콜 메타크릴레이트(EGDMA) 및 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트(TMPTMA)로 구성되는 단량체가 중합되어서, 이타필콘 A 로써 알려진 이온의 58%의 물을 함유하는 IV족 하이드로겔 중합체를 형성할때, 코로나 처리에 의하여 폴리스티렌 표면을 향하여 기속전자의 방향을 지배하는 고품질의 폴리스티렌으로 제조된 금형 표면에 부착될 것이다. 이러한 효과는 중합체 금형과 상호작용을 하게 되는 전자 이온화 산소에 의해 간접적으로 발생되는 것으로 알려져 있다.
상기 방법을 실시함에 있어서, 장치는 처리를 필요로 하는 영역에 적합한 한세트의 전극과, 고전압 변압기와, 전자 공학 이론에 부합되는 임피던스를 갖는 고주파수 발생기를 포함한다. 작동 주파수는 14 내지 50kV 에서 작동하며 25kHz 까지에 이르는 임피던스를 근거로 하여 조정된다. 고주파수와 고전압의 이러한 조합에 의하여, 전극간의 플라즈마를 상당히 강력하게 만듦으로써 약 38.1mm(1 1/2인치)의 거리와 비교적 짧은 처리시간을 유지할 수 있다.
처리후 상술한 이타필콘 A와 폴리스티렌과의 접촉각은 6°와 12°사이에 있다. 이것은 폴리스티렌에서의 표면에너지가 65와 70dyne/cm 까지 증가하였음을 뜻한다.
다시 제 2 도에 대해 언급하면, 상기 참고자료에 의하여 제작된 폴리스티렌 금형 피스에서 본 발명을 실시하는 특정예가 도시되어 있다. 도면에는 처리용으로 고안된 볼록한 수형 금형 피스(20)가 도시되어 있다. 이러한 수형 금형 피스(20)는 피스 지지체(22)에 의하여 제위치에 유지된다. 이러한 피스 지지체는 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)와 같은 전기 비전도체 재료로 제작되고, 일반적으로 원통형의 모양이다. 피스 지지체(22)의 외부에 있는 전극(24)은 금형 피스(20)에 가까이 있으나 접촉하지는 않는다.
전극(24)에서 수형 금형 피스(20)의 대향측에는 일반적으로 대향 전극(26)이 배치된다. 상기 대향 전극도. 대체로 원통형이지만 중공내부를 갖는다. 상기 대향 전극은 수형 금형 피스(20)의 플랜지 영역에 접촉하고, 대체로 전극(24)의 대향위치에서 수형 금형 피스의 후면에 근접하지만 접촉하지는 않는 금형 피스의 볼록한 내부면에까지 연장하는 표면을 갖는다.
이러한 구조가 참고부호(28)로써 도시된 처리 영역으로서 나타나 있다.
전극과 처리 영역간의 공간은 0.0mm와 1.27mm(0.0인치와 0.05인치) 사이의 범위에 있고, 반면에 대향 전극과 수형 금형 피스(20)의 후면과의 사이의 영역은 처리 영역에서 접촉 상태로 부터 약 1.905mm(0.075인치)의 범위에 있다.
이제 제 3 도에 대해 언급하면, 다수의 금형 피스를 처리하기 위하여 다수의 전극 및 대향 전극이 조립체로서 사용되고 있다. 제 2 도에 도시한 바와 같이, 여기서도 피스 지지체(22), 전극(24) 및 대향 전극(26)이 도시되어 있다. 처리용 금형 피스는 도시되어 있지 않다.
또한 제 3 도에 도시된 장치에서는, 장착판(34)에 부착된 절연 지지체(32)뿐만 아니라, 전극(22)에 공통 전압을 공급하는 전기도금판(30)이 있다. 대향 전극은 장착부(36)에 의하여 지탱되고, 조립체는 안내봉(38)에서 이동한다. 안내봉(38)의 운동에 의하여, 장착부(36)는 금형 피스의 삽입 및 제거를 용이하게 허용하면서 전극(24) 및 피스 지지체(22)에 대해 접근 및 후퇴이동 시킬 수 있다.
실제 처리를 수행함에 있어서, 전극은 처리되어야 할 금형 피스의 표면에서 부터 0.25mm와 0.5mm 사이에 배치된다.
중합한 재료를 코로나 처리한 폴리스티렌에 부착시키는 정확한 메카니즘이 알려져 있지 않으나, 전기적 표면 처리의 유효성은 융제(ablation)(표면분화), 중합체의 교차결합, 산화, 수소결합 및 일렉트릿(electret) 형성과 같은 현상에 이론적으로 연결되어 있다. 메카니즘이 불분명하나, 폴리스티렌과 렌즈 중합체간의 부착강도에 영향을 미치는 하나의 변수는 금형 표면의 처리전과 처리중에 존재하는 산소량인 것으로 알려져 있다. 일반적으로, 산소 수준이 낮을수록, 표면에 접착한 산소가 적어지고, 또한 폴리스티렌과 렌즈 중합체간의 부착성도 낮아진다. 이러한 이유때문에, 산소와 폴리스티렌 금형과의 접촉을 처리전에 최소로 줄이는 것이 최선이다.
부착강도에 영향을 미치는 다른 변수들은 전극의 전력, 처리시간, 처리주파수 및 전압이다.
본 발명에서는, 처리전압 10kV, 주파수 20kHz 내지 30kHz, 그리고 최소한 약 0.2초의 주기동안 10와트(W)와 80와트, 바람직하게는 30와트의 전력을 가하면 최선의 결과를 얻는다는 것을 알았다. 대기 분위기에서 전극직경 20.07mm(0.79인치), 전력 22와트 및 처리시간 0.3초를 갖는 양호한 실시예에서, 플래슁의 100%가 볼록한 수형 금형 피스(20)에서 제거되었고, 다만 렌즈의 0.5%만이 볼록한 수형 금형 피스(20)에 의해 부적절하게 유지되어 있었다.
이제 제 4 도에서, 오목한 암형(female) 금형 피스(40)를 포함하는 결합된 금형 피스가 도시되어 있다. 결합된 금형 피스 사이에 렌즈(42)가 있고, 렌즈의 외부에서 주변부와 금형 피스(20, 40)의 플랜지 사이에 플래슁(44)이 있다. 렌즈 및 플레슁에 관하여 코로나 처리(28)에 노출된 영역의 상대위치가 이제 분명하게 나타나 있다.
기술에 숙력된 자는 이해할 수 있듯이, 상기 변수들중 어떤 것이 과다하게 증가하면 볼록한 수형 금형 피스의 렌즈 표면까지 처리되므로, 렌즈가 수형 금형 피스에 부착하게 된다.
타겟 표면에 전극이 방전되는 도중에 산소가 존재하지 않으면, 처리시간을 연장하거나 전력을 더 높여도 타겟표면에 플래슁을 부착시키지 않는다. 요약하면, 코로나 처리가 산소를 이온화시켜서 볼록한 금형 피스의 특정 영역에 접착하여 그 표면을 화학적으로 변화시키는 것으로 생각된다.
처리한 다음 단량체로 채우면, 그때 단량체는 중합을 일으키는 화학적, 열적 또는 자외선수단에 의하여 중합이 이루어지게 된다. 중합화가 완료된 후, 금형쌍의 수형부 및 암형부가 분리되고, 렌즈가 제거된다.

Claims (10)

  1. 오목한 암형 피스 및 볼록한 수형 피스의 2개 피스로 구성되며, 이 피스가 결합될 때 그 사이에서 캐비티를 형성하는 금형에 의하여 성형되는 중합된 대안렌즈를 금형 캐비티 외부에서 렌즈 주위를 둘러싸는 과다한 물질로부터 분리시키는 방법에 있어서, 한 금형 피스 표면의 한부분의 표면에너지를 증가시키는 단계와, 상기 금형의 오목한 암형 금형 피스를 단량체로 채우는 단계와, 단량체를 수용하는 금형의 오목한 암형 피스와 금형의 볼록한 수형 피스를 결합시켜서 금형 캐비티에서 나온 과다한 단량체를 전자가 가속된 금형 재료와 강제로 접촉시키는 단계와, 상기 단량체를 중합시키는 단계와, 금형 피스를 분리시키는 단계를 구비하는 분리방법.
  2. 제1항에 있어서, 금형 피스 표면의 표면에너지를 증가시키는 상기 단계는 하나의 금형 피스를 향하여 전자를 가속시킴으로써 실시되는 분리방법.
  3. 제1항에 있어서, 금형 피스 표면을 향하여 전자를 가속시키는 상기 단계는 하나의 금형 피스의 코로나장(corona field)을 인가함으로써 실시되는 분리방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 코로나장은 이온화된 산소에 표면을 노출시키는 분리방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 코로나장은 2 전극 사이에서 발생된 전기 방전에 의하여 하나의 금형 피스에 인가되는 분리방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 인가된 코로나장의 전력은 10 내지 80 와트의 범위에 있는 분리 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금형의 오목한 암형 금형 피스를 단량체로 채우는 단계는 하이드록시에틸 메타크릴레이트(HEMA), 메타크릴산(MAA), 에틸렌 글로콜 메타크릴레이트(EGDMA) 및 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트(TMPTMA)의 혼합물로 채우는 단계를 구비하는 분리방법.
  8. 제6항에 있어서, 코로나장은 0.2 내지 0.3초의 주기동안 인가되는 분리방법.
  9. 처리한 금형 피스에 플래슁을 남겨두므로써 렌즈를 관련된 플래슁으로부터 분리시키기 위한 대안렌즈 금형의 처리장치에 있어서, 가속전자를 공급하는 수단과, 한 금형 피스 표면의 한부분을 향하여 상기 전자를 지향시키는 수단을 구비하는 처리장치.
  10. 제9항에 있어서, 가속전자를 공급하는 수단 및 금형 표면을 향하여 상기 전자를 지향시키는 수단은, 처리해야할 금형의 표면에 근접하는 전극과, 처리한 표면의 대향측 표면상에 또는 그 부근에 위치한 대향 전극과, 20 내지 30kHz의 주파수에서 10kV의 전압을 가지고 상기 전극 및 대향 전극에 전기적으로 접속된 전력원을 구비하는 처리장치.
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