색이 바뀌는 감광 선글라스의 구조

빛으로 색의 농도가 바뀌는 감광 선글라스

어두운 곳에서는 투명하고, 밝은 곳에서는 착색되는 안경을 감광 선글라스, 혹은 조광 선글라스나 변색 선글라스라고 합니다. 감광 선글라스에 사용되고 있는 렌즈를 감광 렌즈라고 합니다만, 감광 렌즈는 주위의 밝기에 의해 색의 농도가 변화하는 플라스틱이나 유리로 만들어진 렌즈입니다. 유리제든 플라스틱제든, 감광 렌즈의 색의 농도가 바뀌는 것은 자외선의 작용에 의한 것입니다만, 그 구조는 서로 다릅니다. 유리 감광 렌즈는 1964년 미국의 유리 세라믹 제품 제조사인 코닝사에 의해 개발되었습니다. 코닝사는 1879년에 토마스 에디슨이 발명한 전구에 사용하는 유리 용기를 개발하였으며, 1915년에는 이과의 실험 기구용 유리로 친숙한 내열 유리 '파이렉스'를 개발한 회사입니다. 유리제 감광 렌즈에는 은과 염소 등의 할로겐 원소가 첨가되어 있습니다. 감광 렌즈의 소재가 되는 유리를 제조할 때, 유리에 산화은과 할로겐화 알칼리(알칼리 금속의 할로겐화물)를 첨가하여 용융합니다. 이것을 재가열하면 산화은과 할로겐화 알칼리가 반응하여 유리 내에 균일하게 할로겐화은이 자리잡게 됩니다. 할로겐화은은 무색 투명하므로 렌즈 자체는 투명합니다만, 렌즈에 자외선이 닿으면 할로겐화은이 자외선의 에너지로 은과 할로겐으로 분해됩니다. 은은 가시광선을 통과하지 않기 때문에 렌즈 전체가 검게 보입니다. 렌즈의 일부를 덮고 빛을 비추면 사진과 같이 빛이 닿는 부분만 검게 변합니다. 자외선을 차단하면 은과 할로겐이 유리에서 다시 결합하여 할로겐화은이 되고 렌즈는 무색 투명하게 돌아갑니다. 또한 할로겐화 알칼리는 유리에 혼합되어 있기 때문에, 특히 도수가 강한 근시용이나 원시용의 오목 렌즈나 볼록 렌즈에서는, 중심부와 주변부에서 두께가 다르기 때문에 색의 농도에 차이가 생깁니다. 이와 같이 빛의 에너지에 의해 일어나는 화학 반응을 광화학 반응이라고 합니다. 유리 감광 렌즈는 할로겐화은이 무색에서 흑색으로 변하고 무색으로 되돌아가는 광화학 반응을 이용합니다. 이 광화학 반응의 속도는 빠르지 않기 때문에, 유리제 감광 렌즈가 자외선에 닿아 착색되기까지는 몇 분 이상 필요합니다. 반대로 퇴색해 원래의 무색 투명한 상태가 되기까지 몇 분부터 수십분 정도까지 걸립니다. 또한 이 화학 반응은 온도의 영향을 받습니다. 온도가 높으면 할로겐화은의 분해와 은과 할로겐의 결합 반응 속도가 빨라지기 때문에, 겨울보다 여름이 착색되거나 색이 사라지는 시간이 짧아집니다.

플라스틱 감광 렌즈

세계 최초로 판매된 플라스틱 감광 렌즈는 1982년 미국의 아메리칸 옵티컬사가 판매한 'Photolite'라는 제품입니다. 그러나 세계에서 가장 유명한 것은 1991년에 미국의 트랜지션스 옵티컬사가 개발, 판매한 'Transitions'라는 제품입니다. 플라스틱 감광 렌즈에는 할로겐화 알칼리는 사용되지 않지만, 역시 자외선에 닿으면 색이 변화하는 감광 물질이 사용되고 있습니다. 예를 들어 '스피로옥사진'이라고 하는 감광 물질은 무색입니다만, 자외선에 닿으면 메트로시아닌이라고 불리는 구조로 변화해 청색이 됩니다. 자외선을 차단하면 무색의 스피로옥사진으로 돌아갑니다. 초기 플라스틱 감광 렌즈는 플라스틱 소재에 감광 물질이 섞여있었습니다. 그 때문에 유리제 감광 렌즈와 같이, 특히 도수가 강한 렌즈에서는 색의 진함이 불균일하게 변화하였습니다. 현재는 렌즈 표면에 감광성 물질을 코팅하는 방식으로 만들어졌습니다. 이 방법은 렌즈의 중심부와 주변부에서 색 농도 차이를 일으키지 않지만, 렌즈 표면에 깊은 흠집이나 코팅이 벗겨지면 그 부분이 발색되지 않습니다. 플라스틱 감광 렌즈의 광화학 반응은 감광성 물질의 구조 변화로 인한 것이며, 그 반응 속도는 상당히 빠릅니다. 자외선에 닿은지 수십초 정도로 착색되고, 자외선을 차단하면 몇 분 안에 퇴색합니다. 또한 이 광화학 반응도 온도의 영향을 받습니다. 온도가 낮을수록 빨리 착색하고, 퇴색되는데 필요한 시간은 길어집니다. 반대로 온도가 높으면 착색에 필요한 시간이 길어지지만, 퇴색에 필요한 시간이 짧아집니다. 유리제나 플라스틱제나 감광 렌즈는 자외선과 반응하여 색이 바뀌기 때문에, 햇빛이 아무리 강해도 자외선이 닿지 않는 곳에서는 착색하지 않습니다. 예를 들어 날씨가 좋은 날에 자동차를 운전하는 경우에도 선글라스를 사용하기도 하는데, 이 때 디밍 선글라스는 별로 도움이되지 않을 수 있습니다. 최근의 자동차 창유리는 자외선을 통과시키지 않는 유리로 만들어져 있기 때문입니다.

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감광 렌즈는 포토크로미즘 현상

감광 렌즈를 포토크로믹 렌즈라고도 합니다. 포토크로믹은 영어로 '빛을 받아서 착색된다'라는 의미입니다. 그리고 감광 렌즈처럼 빛과의 작용에 의해 물질의 색이 가역적으로 변화하는 현상을 포토크로미즘(광색성)이라고합니다. 이 포토크로미즘이라는 현상은 1867년에 프리체(J. Fritsche)가 보고하고 있습니다. 그는 테트라센이라는 담황색의 방향족 화합물이 빛을 받으면 무색이 되고, 가열하면 원래의 색으로 돌아온다고 논문(Photochromism of tetracene)에서 보고하고 있습니다. 그 후 많은 분자가 광변색을 일으키는 것을 알 수 있었고, 빛으로 발색하는 물질의 연구와 그 이용이 진행되고 있습니다. 포토크로미즘을 발생시키는 물질은 빛으로 분자의 구조를 가역적으로 변화시킬 수 있기 때문에, 빛에 반응하는 분자의 스위치나, 광디스크 등의 기억 매체의 이용에 대한 연구가 활발히 행해지고 있습니다.