콘택트 렌즈에 작용하는 힘의 해석

Analysis on Forces Acting on the Contact Lens Fitted on the Cornea

눈물 층을 사이에 두고 각막 위에 부착되어 있는 콘택트 렌즈(하드렌즈)에는 모세관 현상에 따른 장력이 렌즈 가장 자리에 균일하게 방사형으로 작용한다. 이러한 장력은 렌즈가 각막에 부착되는 힘의 근원이 된다. 렌즈착용 시 자체 무게에 의한 렌즈의 회전과 렌즈가 평형상태에 도달 한 후 각막에 부착되는 힘을 계산할 수 있는 방정식과 이의 수치 계산 컴퓨터 프로그램을 수립하였으며 이 컴퓨터 모델을 사용하여 렌즈 구경, 렌즈 B.C, 눈물의 점성, 눈물 층의 두께 등의 변수가 렌즈의 평형 위치 및 부착력에 미치는 영향을 모사(simulation)하였다. 일정 각막 B.C에서 렌즈 B.C 증가에 따라 눈물 충의 간격은 급격히 증가하는데 비해 렌즈의 직경 증가는 완만한 간격 증가를 수반한다. 렌즈의 B.C가 증가할수록, 즉 렌즈의 곡률이 완만할수록, 렌즈가 각막에 fitting되는 부착력은 급격하게 감소하며 직경 감소는 완만한 부착력 감소를 초래한다. 렌즈가 각막에 부착되는 순간 렌즈의 무게로 인하여 아래 방향으로의 회전 모멘트가 발생하게 되며 이와 동시에 렌즈 위 부분 눈물 층의 간격이 아래 부분보다 좁아지게 되어 위 방향으로 알짜 힘이 작용하게 되며 이에 따른 역방향 모멘트는 중력에 의한 모멘트를 상쇄하게 되어 렌즈는 일정 위치에서 평형 상태에 도달하게 된다. 렌즈 착용에 수반되는 초기 회전각 또는 회전 변위는 렌즈의 B.C가 증가할수록 급격히 증가하는데 비해 렌즈 구경 증가는 변위 증가율이 완만하다.

A mathematical model is proposed to analyze the force; acting on the hard contact lens fitted on the cornea. The model incorporates the nonlinear equations and their numerical solution program, based on the formulations of surface tension force arising from the capillary action in the tear-film layer between the lens and cornea. The model simulates how the adhesion between lens and cornea varies according to the base curves and diameters of the lenses. When the spherical lens is fitted on the spherical cornea it is to rotate downward due to the weight of lens itself until it reaches an equilibrium position along the cornea where the counter(upward) moment caused by net force between the upper and lower portion of the periphery of lens. It is found that both the adhesion and displacement of lens along the cornea, where the gravity of lens balances the capillary-induced upward force, increases rapidly as the base curve of lens increases, i.e., as the lens gets flatter, while the increase in the diameter of lenses has resulted in the less increase in the rotation and adhesion. With the base curve and diameters of lenses being remained constant the increase in surface tension of tear film yields the increase in the adhesion between the cornea and lens while the initial rotation of lens is inversely proportional to the surface tension of the tear film.