KR100682821B1 - 광변색 렌즈용 코팅액 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시력 보호용 광변색 렌즈의 코팅액 조성물에 관한 것으로서, 코팅액 조성물 100중량부를 기준으로 실리콘-실리카-실란 화합물 20 ~ 90중량부, 아민기를 포함하고 있는 아크릴 수지 4 ~ 38중량부 및 메틸에틸케톤에 분산시킨 캡슐화된 광변색 염료 5 ~ 41중량부를 포함하고 있으며, 간단한 제조공정하에서 짧은 시간 안에 광변색 렌즈를 제조할 수 있도록 해준다.

광변색 렌즈, 실리콘-실리카-실란 화합물, 캡슐화 된 광변색 염료, 아민기를 포함하고 있는 아크릴 수지.

Description

광변색 렌즈용 코팅액 조성물{Composition of coating materials for color changeable lens to the light}

본 발명은 시력보호용 광변색 렌즈용 코팅액 조성물에 관한 것이다.

야외 활동시에 유해한 자외선으로부터 눈을 보호해주는 광변색성 렌즈는 가시광선과 함께 유입되는 자외선을 광변색 염료의 에너지원으로 사용하여서 자외선을 흡수하는 동시에 렌즈의 색상을 무색에서 유색으로 변화시켜준다.

이와 같은 방식의 렌즈를 조광렌즈라 하며 또 다른 이름으로는 미국 코닝사의 이름을 따서서 코닝렌즈 라고도 부른다. 현재 제작되어 판매되고 있는 대부분의 광변색 렌즈는 주재료인 폴리머들과 광변색 염료를 혼합하여 금형에서 캐스팅 방법으로 제조하고 있다.

상기 식에서 X는 하이드록시, 글리시독시, 이민, 디클로로트리옥사진옥시를 나타내며 R은 탄소수 1내지 30의 알킬을 나타내고 있다.

광변색 염료의 특징은 자외선이 조사 되면 상기한 바와 같이 구조적 변화를 생성시켜야하므로 수지 내에 이에 합당한 공간을 확보해야만 하였으나 고 밀도의 수지를 사용하는 경우에는 공간 확보가 어려웠기 때문에 코팅 된 도막의 강도와 내 스크래치 성을 높이는데는 많은 제약이 있었다.

캐스팅 방법으로 생산된 렌즈는 상술한 바와 같이 광변색 염료가 활동 할 수 있는 공간을 확보해야만 하였으므로 렌즈 자체의 강도가 약해지는 문제가 있었으며 렌즈의 두께를 일정 이상 얇게 만들 수 없다는 단점이 있었다.

이에 대하여 코팅 방법으로 생산 할 경우에는 렌즈 자체의 강도에는 문제가 없었으나, 광변색 염료의 전기적 특성때문에 수소이온(H+), 수산기이온(OH-) 등 극성을 가지고 있는 물질들을 사용할 수가 없었다. 따라서 기존의 코팅 방법으로 제조한 렌즈들은 도막의 접착성이 문제가 되었고, 그중에서 폴리 아크릴 수지 및 폴리우레탄 수지를 사용 한 것은 도막의 강도가 좋지 못하였으므로 코팅을 여러번 할 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

일반적으로 코팅방법으로 제조한 렌즈의 코팅층은 총 4개의 층을 가진다. 제 1층은 렌즈를 보호할 수 있는 하드 코팅 층이며, 제 2층은 렌즈에 다양한 색상을 부여하는 착색층으로서 광변색 염료가 포함되는 층이다. 제 3층은 빛 반사를 제거하는 멀티 코팅층이며, 제 4층은 렌즈의 기능성을 부가시키는 기능성 코팅층이다.

이와 같은 방식으로 제조하는 코팅액에 대하여서는 미국특허출원번호 제 60/344,167 호에 기술 되어 있으며, 광변색 염료와 아크릴 레이트 계열의 수지를 이용하여 만든 안경 렌즈용 필름은 미국특허번호 제 6,913,357 호에 기술되어 있다.

다양한 유형의 광변색 화합물이 합성되어 왔으나 이들은 일반적으로 구조적 유사성이 없다. 초기에 본 분야에서 많은 관심을 끌어 온 광변색 화합물은 1,3,3-트리메틸-인돌리노벤조 스피로피가 있다. 이 화합물을 보완하기 위한 광가변색 화합물들이 다양하게 소개되었으며 대표적으로는 미국특허번호 제 4,215,000 호 및 제 4,342,668 호에 개시된 스피로옥사진 화합물이다. 이외에 스피로피란 또는 나프토피란과 같은 피란 유도체, 펄자이드, 아크리돈 및 나프타센 퀴논 등이 공지되어 있다.

현재 생산되고 있는 광변색 렌즈는 광변색 화합물과 단량체를 혼합하여 금형틀에 넣어 경화시키는 방법으로 생산하고 있으나 이는 렌즈 자체의 강도가 떨어지며 고 굴절율 렌즈를 제조하는데 어려움이 있기 때문에 아닐디글리콜카보네이트 렌즈(CR-39 렌즈)에만 적용이 가능하여 다양한 제질의 렌즈 생산에 어려움이 있다. 또한 코팅방식으로 렌즈를 생산할 경우 코팅을 3번에서 4번 정도를 해야하므로 작업조건이 어렵고 생산 효율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

따라서 본 발명은 다양한 재질의 렌즈에 코팅할 수 있어서 다양한 렌즈 완제품을 생산 할 수 있고, 렌즈가 가지고 있는 강도를 그대로 유지 할 수 있도록 하는 코팅액 조성물을 제공하는데 그 기술적 과제를 두고 있다. 또 본 발명은 하드 코팅 내에 광변색 염료를 혼합하여 코팅할 수 있게 함으로서 종래의 1층과 2층의 역할을 한번의 작업으로 대신할 수 있게 함으로서 렌즈제품의 생산성을 향상시키는데 또 다른 기술적 과제를 두고 있다.

또 본 발명은 제조가 간단하며 바인더의 변화로 다양한 굴절율의 렌즈에 적용 시킬 수 있는 코팅액 조성물을 제공하는데 또 다른 기술적 과제를 두고 있다.

현재 생산되고 있는 광학용 투명렌즈의 종류로는 아닐디글리콜카보네이트(CR-39)렌즈, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)렌즈, 및 폴리카보네이트(PC)렌즈들이 있다.

이중 CR-39렌즈는 시력 보정용은 물론이거니와 선글라스와 기타의 광학 렌즈로 사용되고 가장 많이 판매되고 있으며, PC렌즈와 PMMA렌즈는 선글라스용과 산업용 렌즈로 사용되고 있다. 또한 유리렌즈도 있으나 현재는 사용되고 있지 않다.

본 발명은 투명 기제인 CR-39렌즈 또는 PMMA렌즈 또는 PC 렌즈용 하드코팅액 조성물로서, 조성물 총 100 중량부를 기준으로 a) 실리콘-실리카-실란 화합물 20~90 중량부 b) 아민기를 포함 하고 있는 아크릴 수지 4~38 중량부 c) 메틸에틸케톤(MEK)에 분산시킨 캡슐화 된 광변색 염료 5~41 중량부를 포함하는 광변색 렌즈용 코팅액 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 의한 코팅액 조성물은 상기 재질의 렌즈들에 코팅 및 경화되어 광변색 투명 렌즈를 제공한다.

〈광변색 염료의 구조변화〉

상기 식에서 X는 하이드록시, 글리시독시, 아민, 디클로로트리옥사진옥시를 나타내고, Ar은 아르곤이다.

광변색 화합물인 스피로린, 스피로옥사진 및 아조 화합물로 구성된 광변색 염료는 자외선에 노출이 되면 위와 같은 형태로 구조가 변화된다. 고유한 구조 중 이온화 기로 결합된 부분이 끊어지면서 구조적 형태가 변화 되어 착색 상태로 된다. 본 발명에서는 이런 광변색 염료의 구조적 변화를 자유롭게 만들고 자외선 이외의 다른 자극에 영향을 최소하여 자외선 이외에는 반응 하지 못하도록 폴리에스테르 캡슐(capsule) 안에 광변색 염료를 수용한 통상의 캡슐화 된 염료를 사용하였으며 MEK에 3%정도의 농도로 분산시킨 것을 사용하였다.

캡슐화 된 염료는 모든 유기용제들에 대하여 분산이 가능하다. 그러나 현재 시판중인 렌즈들은 고분자 물질로 되어진 제품이어서 용제 사용에 제한적 일 수밖에 없다. 용해력이 좋은 용제를 사용할 경우에는 헤이즈(haze)현상을 일으킬 수도 있으며 코팅액 수지와 상용성이 없다면 코팅시에 무지개띠와 같은 간섭 현상이 일어 날 수 있고 건조 조건 또한 달라 질수가 있다.

본 발명에서는 사용한 수지와 헤이즈현상을 일으키지 않으며 건조 시간이 빠르고 각 수지들과의 상용성이 가장 좋은 메틸에틸케톤을 사용해서 캡슐화된 염료를 분산시켰다. 상기 메틸에틸케톤은 렌즈 자체의 재질을 눈에 보이지 않을 정도로 녹여서 도막의 접착력을 높이고 있다. 그러나 용제의 양이 과다할 경우에는 헤이즈 현상이 발생하므로 주의하여야 한다.

본 발명에서 사용하고 있는 바인더 성분 중에서 실리콘은 저온과 고온에서 모두 안정하므로 기후 변화가 심한 야외 활동에서 사용이 용이하다. 또한 실리콘은 인체에 무해하여 인체접촉이 빈번한 안경 등의 제품에 사용하는데 문제가 없다.

또 실리콘은 연성이 좋고 적당한 탄성을 가지고 있어 자체 복원성이 좋으나 경도와 스크래치성에 문제가 있었다. 이러한 문제는 실리카와 실란 화합물을 1~30nm 크기로 만들어 실리콘 바인더 내에 분산을 시켜 연필 경도를 최대 5H 이상 향상되게 하였다.

만약 실리카만을 사용할 경우에는 경도는 매우 좋아지나 연성이 떨어져 렌즈 가공시 미세한 크랙이 발생되었지만 실란 화합물을 적당량 분산을 시켜 경도와 함께 연성 문제를 개선하였으며 렌즈 표면의 크랙 현상도 막을 수 있었다.

본 발명에서 사용하고 있는 주 바인더는 실리콘 화합물인 폴리실세스퀴옥산(polysilsesquioxane)에 내 마모성과 내 스크래치성을 강화시키기 위해 실리카를 분산 시켰으며 렌즈의 연성을 개선하기 위하여 실란 화합물을 분산시켰다. 상기 실란 화합물은 유기 바인더와 무기 바인더를 연결 시켜주는 역할을 할 뿐만 아니라 코팅액의 연성을 도와주는 역할도 하고 있다.

본 발명에서 사용한 아민기를 포함하고 있는 아크릴 바인더는 다음의 구조식에 표시한 바와 같이 상기 아민기가 실리콘의 경화를 촉진 시키는 역할을 하는 한 편 아크릴 바인더 내의 작용기에 의해서 투명한 렌즈 기제에 밀착력을 강화시켜준다. 또 본 발명에서는 급격한 온도 변화에도 밀착력을 유지할 수 있도록 산가를 가지고 있는 접착력 보강제를 소량 첨가 하면 밀착력이 개선 될 수 있다.

다 음

상기 식에서 R1, R2, R3, R4 는 아민기, n은 1내지10의 정수이다.

상기 아크릴 바인더는 2액형 습기 경화용 실리콘-아크릴레이트계열 수지이다.

본 발명의 코팅 조성물을 투명렌즈 기제(아닐디글리콜카보네이트, 폴리카보네이트 등)에 디핑 법, 스핀코트 법, 스프레이 코트 법 등과 같은 방법으로 코팅을 하였고, 90℃ ~ 150℃에서 30분 ~ 2시간동안 경화시켰다. 그러나 투명 렌즈의 기제의 재질에 따라서 일반적으로 100℃ ~ 120℃ 에서 30분 ~ 60분 경화시키는 것이 좋다.

본 발명에서 코팅된 도막의 두께는 1㎛ ~ 50㎛까지 가능하지만 광학제품의 특성상 5㎛ ~ 10㎛ 으로 코팅하는 것이 적당하다.

본 발명은 이하의 실시예로 보다 구체적으로 예시될 것이지만, 본 발명의 보호 범위가 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.

<제조예 1>

메틸트리메톡시실란 6.4g, 글리시독시프로필트리메톡시실란 35.5g, 콜로이달실리카(ABC 나노텍사제, Nanos LS)12.1g, 메틸트리아세톡시실란 0.1g, 이온교환된 물 10g을 넣고 실온에서 16시간 교반하여 반응을 완결시킨 후 이소프로필알콜을 넣고 고형분 20%의 실리콘-실리카-실란 화합물로 되어있는 기본수지A(Base Resin A)를 얻었다.

<제조예 2>

메틸트리메톡시실란 5.6g, 메타아크릴옥시프로필트리메톡시실란 37.3g, 콜로이달실리카(ABC 나노텍사제, Nanos LS)10.1g, 메틸트리아세톡시실란 0.1g, 이온교환된 물 10g을 넣고 실온에서 16시간 교반하여 반응을 완결시킨 후 이소프로필알콜을 넣고 고형분 20%의 실리콘-실리카-실란 화합물로 되어있는 기본수지B(Base Resin B)를 얻었다.

<실시 예 1>

메틸에틸케톤 100g, 캡슐화 된 광변색 염료 3g을 혼합하여 완전히 분산 될 때까지 교반을 한다.

상온에서 기본수지A 140g, 기본수지B 40g 과 애경화학(주) 제품인 아민기를 가진 아크릴 바인더 A-9540 20g, 캡슐화된 광변색 염료 분산액 14g, 점착 보강제인 2-하이드록시에틸메타아크릴레이트(일본 Kaymaer 제품인 PM-2) 10.7g 과 폴리에테르 변성 디메칠폴리실록산 첨가제(독일 BYCHEM 사의 Byk-306) 0.2g, 아크릴레이트 계열의 슬립제인(독일 TEGO 사의 RAD-2200N) 0.4g을 넣고 30분간 교반 하였다.

위와 같은 방법으로 만들어진 코팅액을 (주)포렉스에서 공급 받은 아닐디글 리콜카보네이트(CR-39) 재질의 렌즈에 디핑 방식으로 코팅하여 120℃에서 30분간 건조하였다.

<비교 예 1>

메틸에틸케톤 100g 에 캡슐화 되지 않은 광변색 염료 3g을 완전히 분산 될 때까지 교반 하였다. 상온에서 기본수지A 140g, 기본수지B 40g, A-9540 20g, 캡슐화되지 않은 광변색 염료 분산액 14g, PM-2 10.7g과 Byk-306 0.2g RAD-2200N 0.4g을 넣고 30분간 교반 하였다.

실시 예 1과 같은 방식으로 코팅을 하였다.

<비교 예 2>

상온에서 기본수지A 120g, 기본수지B 60g, 캡슐화 되지 않은 염료 14g 과 PM-2 9g, Byk-306 0.1g, RAD-2200N 0.2g을 혼합하여 30분간 교반하였다.

<실시 예 1>과 같은 방법으로 코팅하였다.

<비교예 3>

대한민국특허출원번호 제 10-2004-0062008 호의 방법으로 코팅액을 제조하였다.

즉, 메틸에틸 케톤 296g, 에틸셀로솔브아세테이트 351g, 아세틸아세톤 164g을 넣고 노베온(주)의 폴리우레탄 에스테인 5778 72g을 첨가한후 약 1시간 교반하였다. 여기에 엘지화학(주)의 폴리에폭시레진 LER-840 26.7g을 넣고 균일해질 때까지 교반하였다. 이어서 광변색 염료 12g 과 자외선 안정화제로서 시바가이기사의 티누빈 144 1.4g을 첨가하였다. 이어서 레벨링제로 TEGO사의 TEGO-410, TEGO-450을 각각 1.57g씩 첨가하였다.

이와같이 만들어진 1차 코팅액(프라이머)를 아닐디글리콜카보네이트 렌즈에 코팅하여 110℃에서 60분간 건조하였다.

그 위에 2차 코팅액인 엘지화학(주)의 ST11MS 실리콘계 하드코팅액을 디핑 방식으로 코팅하여 120℃에서 2시간을 건조시켰다.

<측정 방법>

1) 부착 시험 : 크로스 컷 셀로테이프(OPP)를 이용하여 부착성 시험을 하였다. 1mm의 간 격으로 가로 세로 11개의 선을 그어 100개의 칸 을 만든 후 그 위에 셀로 테이프를 붙이고 5회 반복하여 급격히 떼는 시험을 하였다.

2) 내 스크래치성 : #0000 스틸울을 이용하여 100g 하중으로 3회 반복하여 좌우 왕복을 시킨 후 표면의 상태를 관찰하였다. (○ :표면의 이상이 없을 경우, △ : 표면에 약간의 흠집이 있을 경우, × : 표면의 흠집이 많을 경우)

3) 연필 경도 : H~5H 경도 시험용 연필을 이용하여 1Kg 하중으로 1회 왕복하여 표면의 상태를 본 후 흠집이 발생 될 때까지 연필을 바꾸어 가며 실시하였다.

4) 내 열탕성 시험 : 80℃의 물에 코팅된 렌즈를 넣어 1시간 후 1)번과 같은 부착 시험을 하였다.

5) 5˚ 밴딩 시험 : 코팅된 렌즈를 5˚까지 구부려 코팅 면의 크랙현상을 관찰하였다.(○ : 표면에 크랙이 없을 경우, △ : 표면에 크랙이 조금 발생한 경우, × : 표면에 크랙이 많이 발생한 경우)

6) 도막 두께 : 마이크로메타를 이용하여 도막의 두께를 측정하였다.

7) 색상 변화 : 자외선을 비추었을 때의 색상의 변화를 측정하였다.(○ : 변화가 있을 경우, × : 변화가 없을 경우)

8) 제조 시간 : 렌즈의 하드 코팅이 완전히 끝나는 시간.

표 1.

상기 표에 나타난 바와 같이, 본 발명의 코팅액 조성물로 제조된 광변색 렌즈는 경도가 높으며 접착력이 우수함을 알 수 있다. 또한 일반 하드 코팅액과의 차이가 없음을 보여주고 있다. 그리고 작업 시간이 짧고 작업 방식도 간편함을 할 수 있었다.

본 발명의 코팅액 조성물은 하드 코팅액의 역할을 하므로 여러번의 코팅을 하지 않아도 된다는 장점을 가지고 있으며 기존의 렌즈용 하드 코팅액보다 건조시간이 빠르므로 제조공정이 간단하고 제조에 소요되는 시간을 크게 단축 시킬 수 있 다.

Claims (5)

1. 광변색 렌즈용 코팅액 조성물로서 조성물 총 100 중량부를 기준으로 a) 실리콘-실리카-실란 화합물 20~90 중량부, b) 아민기를 포함 하고 있는 아크릴 수지 4~38 중량부, c) 메틸에틸케톤에 분산시킨 캡슐화 된 광변색 염료 5~41 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광변색 렌즈용 코팅액 조성물.
2. 삭제
3. 제 1항에서 아민기를 포함하고 있는 아크릴 수지는 다음의 구조식을 갖는 것을 특징으로 하는 광변색 렌즈용 코팅액 조성물.

   다 음

   

   (R1, R2, R3, R4 는 아민기, n은 1내지 10의 정수이다.)
4. 제 1항에서 캡슐화된 광변색 염료는 메틸에틸케톤에 3%농도로 분산시킨 것임을 특징으로 하는 광변색 렌즈용 코팅액 조성물.
5. 제 1항 또는 제 3항 중 어느 한 항의 코팅액 조성물을 사용하여 코팅 및 경화시켜서 제조한 광변색 렌즈.