KR100378529B1 - 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법 및 이를이용한 콜레스테릭 액정 편광막 - Google Patents

네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법 및 이를이용한 콜레스테릭 액정 편광막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법 및 이를 이용한 콜레스테릭 액정 편광막에 관한 것으로, 특히 배향막을 코팅한 PET 필름을 이용하여 경화성 네마틱 액정을 원하는 두께로 코팅하고 배향시킨후 UV광조사에 의해 배상상태를 고정시킴으로서 수평 배향에서부터 수직배향에 이르기까지 다양한 필름을 제조토록 하며, 이를 콜레스테릭 액정 편광막에 적용하여 각도에 따른 급격한 휘도 감소 및 색상의 변화를 보정해 줄 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법 및 이를 이용한 콜레스테릭 액정 편광막에 관한 것이다.

Description

네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법 및 이를 이용한 콜레스테릭 액정 편광막{Fabrication of Quarter-wave Films Using a Liquid Crystal and Application to the CLC Polarizer}
본 발명은 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법 및 이를 이용한 콜레스테릭 액정 편광막에 관한 것으로, 특히 배향막을 코팅한 PET 필름을 이용하여 경화성 네마틱 액정을 원하는 두께로 코팅하고 배향시킨후 UV광조사에 의해 배상상태를 고정시킴으로서 수평 배향에서부터 수직배향에 이르기까지 다양한 필름을 제조토록 하며, 이를 콜레스테릭 액정 편광막에 적용하여 각도에 따른 급격한 휘도 감소 및 색상의 변화를 보정해 줄 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법 및 이를 이용한 콜레스테릭 액정 편광막에 관한 것이다.
일반적으로, 복굴절 retardation 필름은 액정표시장치(LCD)에서 시야각의 보상과 특히 STN mode로 구동되는 LCD의 색을 보상해 주기 위해서 사용되었다.
종래의 많은 복굴절 필름들은 US5136635 특허에서처럼 고분자 필름들을 1축 또는 2축으로 연신하여 원하는 복굴절률(birefringence)을 얻을 수 있었다.
또한 US5743980 특허에서는 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐 알코올(PVA), 폴로스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트와 같은 고분자 물질를 알킬(Alkyle)에 녹인 후 유리판 위에 스핀 코팅을 하고, 열을 가하여 분자를 배열시키고 건조시켜서 retar dation필름을 만들었다.
그러나, 이러한 방법은 원하는 retardation 값을 쉽게 얻기가 힘들뿐 아니라연속공정에 의한 대량생산을 하기가 힘들다. 그리고, 물질의 특성상 필름의 두께 방향으로 굴절률이 더 큰 retaration 필름의 제작은 불가능한 문제점이 있다.
한편, US5853801특허에서는 유기 용제에 녹인 디스코틱 액정을 배향막층을 코팅한 투명한 플라스틱 필름위에 연속적으로 코팅하고 용매를 건조시켜서 디스코틱 액정이 배향막의 정해진 방향으로 정렬해서 고착됨으로써 retardation 필름이 만들어지도록 하고 있다.
그러나, US5853801 특허에서 처럼 디스코틱 액정을 배향막이 코팅된 PET필름에 연속공정으로 코팅하는 경우는 디스코틱 액정의 특성상 positive retardation을 갖는 필름을 제작하기가 불가능한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결코자 하는 것으로,
플라스틱 기재 위에도 코팅이 가능한 광배향물질을 사용하여 PET필름 표면에 박막 코팅하고, 배향막의 배향각도를 UV광조사로 조정하여 그 위에 네마틱 액정을 배향막과 같은 방향으로 배열시키고 코팅 두께클 조절함으로써 원하는 크기의 retardation을 갖는 필름을 연속 공정으로 대량 생산할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명을 적용함에 있어서 retardation 필름 재료로 네마틱 액정을 사용하기 때문에 배향각도에 따른 필름의 굴절률 분포를 쉽게 알 수가 있는 특징을 제공한다.
즉, 네마틱 액정을 적용하는 본 발명을 이용하게 되면, 모든 네마틱 액정이같은 방향으로 정렬을 하면 굴절률은 액정분자의 굴절률과 같은 값이 되므로 배향막의 각도와 필름의 두께만 설계하면 필요한 retardation을 갖는 필름을 만들 수가 있게 되는 것이다.
또한 플라스틱 필름을 사용하는 종래의 retardation 필름에 비해서 같은 retardation을 가지면서도 더 얇은 필름을 제작할 수 있는 장점을 더 제공한다.
도 1은 액정의 배향각도에 따른 필름 Nz값 변화도.
도 2a는 PET 필름 위에서 drawing 방향으로 수평 배향된 네마틱 액정필름 구조도.
도 2b는 수직 배향막이 코팅된 PET 필름 위에 수직 배향된 네마틱 액정필름 구조도.
도 2c는 기울어진 배향된 네마틱 액정 필름 구조도.
도 3a는 네마틱 액정으로 만은 QWP를 실제 CLC 폴로라이저에 적용한 예시도.
도 3b는 네마틱 액정으로 만은 QWP와 보상필름을 실제 CLC 폴로라이저에 적용한 예시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: PET 필름 20: 네마틱 액정
30: CLC 필름 40: LC QWF
50: 리니어 폴로라이저
이하에서 도면을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서는 배향막을 코팅한 PET필름 위에 네마틱 액정을 코팅하고 배향시켜서 원하는 위상차 필름을 연속적으로 제조하는 방법과 제조된 위상차 필름을 CLC Polarizer를 제작할때 λ/4 필름으로 사용하는 것에 관한 기술이다.
참고로 본 발명에 적용되는 네마틱 액정에 대해 설명하기로 한다.
일반적으로 네마틱 액정분자는 막대모양 형태로써 막대방향의 굴절률이 원통방향의 굴절률 보다 큰 값을 갖는 양의 복굴절률 물질이다.
상기 네마틱 액정 분자는 액정분자를 어떻게 배열을 시키느냐에 따라서 전체 시스템의 굴절률 분포는 달라지게 되며, 여러 가지로 응용이 가능해진다.
그 예로 액정분자의 막대 방향을 모두 같은 방향으로 면에 평행하게 배열을 시키면 nx > ny = nz 인 위상차필름를 만들 수 있으며, 액정 분자의 막대 방향이 서로 랜덤(random)하게 면에 평행하게 배열하게 되면 nx = ny > nz 위상차 필름을 만들 수 있다.
그리고 액정 문자의 막대 방향이 면에 수직하게 배열하게 되면 nx = ny < nz인 수직 배향위상차 필름의 제작이 가능하다.
또한 액정 분자의 막대 방향이 모두 같은 방향으로 배열하지만 면에 수평도 수직도 아닌, 기울어져 배향하게 되면 nx> ny > nz 또는 nz > nx> ny 인 위상차 필름을 만들 수 있다.
액정의 배향정도에 따라서 달라지는 필름의 굴절률의 상호관계를 Nz값으로 알 수 있다. 이때, Nz는 다음과 같이 표현되며, Nz = (nx-nz) /(nx - ny), 여기서 nx와 ny는 각각 필름 표면에 평행한 방향으로 측정된 굴절률 값으로 서로 수직 방향으로 측정된 것들이고 nz는 필름 표면에 수직된 방향으로 측정된 굴절률 값이다.
도 1은 액정문자의 배향각도에 따른 Nz값의 변화를 나타내고 있다. 특히, 배향각도가 45°를 넘으면서 Nz값이 음의 값을 갖게 되는데, 이것은 일반적으로 사용되는 필름 연신법에 의해서는 만들어지기 어려운 기술이다.
본 발명에서는 광배향 물질을 사용하여 배향막의 배향각도를 쉽게 조절할 수 있으며, 배향막 위에 코팅한 네마틱 액정들도 배향된 배향막에 의해서 같은 방향으로 배열을 하게 되어, 쉽게 Nz값이 음이 되는 필름을 제조할 수 있다.
도 2a,b,c는 본 발명에 있어서 PET 필름(10) 위에 네마틱 액정(20)이 배열해 있는 모양을 도식적으로 나타낸 것으로써, 도 2a는 배향막이 코팅되어 있지 않은 PET 필름(1)) 위에 네마틱 액정(20)이 필름의 drawing 방향으로 배열되어 있으며 필름의 Nz값은 1 이다.
도 2b는 수직 배향막이 코팅된 PET필름(10) 위에 네마틱 액정(20)이 필름면에 수직으로 배열되어 있으며, 이 필름(10)을 사용하여 CLC필름의 시야각에 따른 retardation을 보상해 줄 수 있다.
도 2c는 수직 배향막을 코팅하고, 편광된 UV 빛을 조사하여 배향각도를 기울여서, 그 위에 네마틱 액정이 배열되어 있는 필름(10)으로 배향각도에 따라서 Nz값이 다양하게 만들어 질 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명을 통해 제작된 필름을 실제로 CLC Polarizer에 적용한 예로써, 그림 3a는 그림 2a에서 처럼 수평배향된 약 1㎛ 두께의 필름을 QWP(quarter wave plate)로 사용한 것이다.
LC(liquid crystal) QWP(40)는 CLC필름(30)의 단파장쪽에 붙어있고, 그 위에 선편광판(linear polarizer, 50)이 점착되어져 있다. 이때 LC QWP의 drawing 방향과 선편광판의 투과축은 135°의 각도를 이루어야 한다.
도 3a와 같은 구조로 CLC Polarizer를 만들때 CLC 필름의 시야각에 따른 retardation 때문에 사각에서는 휘도가 급속히 감소하며, 색상이 변하게 된다.
도 3b는 시야각에 따른 문제점을 해결하기 위한 구조로 CLC필름과 LC QWP사이에 도 2b에서처럼 수직 배향된 필름을 삽입하여 각도에 따른 급격한 휘도 감소 및 색상의 변화를 보정해 줄 수 있다.
즉, CLC필름의 각도에 따른 negative retardation을 수직 배향된 positive retardation 필름으로 retrdation 값을 복원해 줌으로써 전체적으로 볼 때 각도에 따른 retardation 값의 변화가 없어진다.
앞에서 기술한 LC QWP와 수직배향 보상필름의 제작은 PET필름 Roll을 기저필름으로 사용하고, Roll Coater를 이용하여 연속적으로 대량 생산공정을 통해 이루어졌다.
우선 PET 필름을 Coater의 Unwinder에 장착하고, 필름을 건조기와 UV조사기를 통과시켜서 Rewinder에 연결 한다.
건조기의 온도와 풍속을 조건에 맞게 설정을 하고, 준비된 네마틱 액정 용액을 액팬(Pan)에 부어 Coating Roll이 잠기게 한다. Coater를 작동시키고 PET 필름을 Coating Roll에 밀착시켜서 용액이 PET 필름으로 전사되도록 한다.
PET 필름이 Coating Roll을 지나가면서 연속적으로 용액을 묻혀가고, 건조기를 지나면서 용제가 건조되고 UV조사기를 통과하면서 액정들이 고분자화 되어서 필름형태로 PET 필름 위에 고착된다.
그리고 액정 필름을 실제로 사용할 때에는 접착제나 점착제를 액정 필름면에 코팅하고, 다른 필름과 합착(lamination)한 후에 기재로 사용한 PET 필름을 제거하면 된다.
실시예 1
일축 연신으로 제조되고 아무 처리도 되지 않은 깨끗한 PET 필름을 준비하고, 그 위에 roll 코팅방법으로 네마틱 액정물질을 도포하었다. 이때, 네마틱 액정물질로는 경화성 네마틱 액정물질(BASF사)을 사용하였다.
먼저, MEK에 경화성 네마틱 액정물질과 광개시제(LG184,Ciba.Geigy)를 녹여 용액을 제조하였다. 용액 농도는 20wt%이고 광개시제 항량은 5wt% 였다.
이렇게 제조된 용액을 roll 코팅 방법에 의해 PET 필름 위에 박막 도포하고 건조기를 통과시켜 용제를 건조,제거하여 네마틱 액정 물질을 수평배향 시킨 후 UV 광조사에 의해 중합을 진행시켜 수평배향 상태를 고정시키며 필름을 제조하였다.
이때, 코팅 속도는 7 m/min 이었고, 건조 조건은 80℃였으며, UV광조사는 300W (중심 파장 360nm) lamp를 사용하였다.
도 2a와 같이 제조된 수평배향 네마틱 액정필름의 두께는 1㎛ 였으며, 굴절률 측정과 Polarimeter를 사용하여 액정이 수평배향이 되었음을 확인하였다.
측정된 굴절률은, PET 필름의 연신방향으로 Nx = 1.660, 연신의 수직방향과 필름면의 수직방향으로 같은 값인 Ny = Nz = 1.535의 결과를 얻었다.
이 결과는 Polarimeter로부터 측정한 필름의 retardation값, R= 125nm와 잘일치했고, 가시광 영역인 500nm의 λ/4 위상차판 역할을 할 수 있다. 제조된 λ/4 필름은 콜레스테릭 액정 편광판(CLC Polarizer)의 제작에 사용된 폴리카보네이트 (PC)재질의 λ/4 필름 대신에 CLC 필름과 편광판(Linear Polarizer)사이에 위치시켜 제대로 작동함을 확인했다.
실시예 2
광 배향물질을 MEK에 2wt%의 농도를 갖도록 용액을 제조하여 일축 연신으로 제조되고 아무처리도 되지 않은 깨끗한 PET 필름 위에 roll 코팅방법으로 코팅하고, 용제를 건조 시킨 후 UV광조사를 통해서 사각(Oblique)배향성을 갖게 했다.
이때, 건조조건은 75℃였으며 UV 광조사는 중심파장이 360nm인 300W Lamp를사용하였다.
3-펜타논(3-Penthanon)에 경화성 네마틱 액정물과 광개시제(IG184, Ciba-Geigy)를 녹여 농도가 35wt% 인 용액을 제조하였으며, 이때 광개시제 함량은 5w%었다.
이렇게 제조된 용액을 롤(roll) 코팅 방법에 의해 배향막이 코팅된 PET 필름위에 박막코팅하고 건조기를 통과시켜 용제를 건조, 제거하여 네마틱 액정물질을 수직배향 시킨 후 UV광조사에 의해 중합을 진행시켜 수직배향 상태를 고정시키며 필름을 제조하였다.
이때, 코팅 속도는 7m/min 이었고, 건조 조건은 80℃였으며, UV 광조사는 중심파장이 360nm인 300W Lamp를 사용하였다.
도 2b와 같이 제조된 수직배향 네마틱 액정필름의 두께는 5㎛였으며, 굴절률 측정와 Crossed Polariler를 사용하여 필름이 수직 배향 되었음을 확인하였다.
측정된 수직배향 필름의 굴절률은 필름의 표면방향으로 Nx = Ny = 1.535로 균일 하였으며, 필름의 수직방향으로 Nz = 1.668로 가장 큰 값이었다.
이렇게 제조된 수직배향 필름은 CLC Polarizer에서 CLC 필름의 음의 복굴절 (negative birefringence)을 보상하는데 사용할 수 있다.
실시예 3
광배향물질을 MEK에 2wt%의 농도를 갖도록 용액을 제조하여 일축 연신으로 제조되고 아무처리도 되지 않은 깨끗한 PET필름 위에 roll 코팅방법으로 코팅하고,용제를 건조시킨 후 UV광조사를 통해서 사각(Oblique)배향성을 갖게 했다.
이때, 건조조건은 75℃였으며 UV 광조사는 중심파장이 360nm인 300W Lamp를 사용하였다.
3-펜타논(3-Penthanon)에 경화성 네마틱 액정물과 광개시제(IG184, Ciba-Geigy)를 녹여 농도가 35wt% 인 용액을 제조하였으며, 이때 광개시제 함량은 5w%였다.
이렇게 제조된 용액흘 롤(roll) 코팅방법에 의해 배향막이 코팅된 PET 필름위에 박막코팅하고 건조기를 통과시켜 용제를 건조, 제거하여 네마틱 액정물질을 사각배향(Oblique aligning)시킨 후 UV광조사에 의해 중합을 진행시켜 배향상태를 고정시키며 필름을 제조하였다.
이때, 코팅속도는 6m/min 이었고, 건조조건은 80℃였으며, UV 광조사는 중심파장이 360nm인 300W Lamp를 사용하였다.
도 2c와 같이 제조된 사각배향 네마틱 액정필름의 두께는 4㎛였으며, 굴절률 측정와 Crossed Polariler를 사용하여 필름의 배향각도를 구할 수 있었다. 측정된 사각배향필름외 굴전률은 필름의 표면방향으로 Nx = 1.549, Ny = 1.535이고 필름의 수직방향으로 Nz = 1.650이었다.
이 값으로부터 제조된 필름의 네마틱액정의 배향이 수직에서 약 20˚기울어져 있음을 알 수 있다. 그리고 굴절률과 두께로부터 계산한 필름의 retardation 값은 R = 56nm이며, 이 값은 가시광 영역의 λ/4 필름으로 사용하기에는 부족한 값으로 Polarimeter로 확인을 할 수는 없었다.
이렇게 제조된 사각배향 필름은 CLC Polarizer에서 CLC 필름의 음의 복굴절 (negatlwebirefringence)을 보상하는데 사용할 수도 있고, 코팅 두께를 조절하여 λ/4 필름 역할을 가진 보상필름으로도 사용이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명을 이용하게 되면 배향막을 코팅한 PET 필름을 이용하여 경화성 네마틱 액정을 원하는 두께로 코팅하고 배향시킨후 UV광조사에 의해 배상상태를 고정시킴으로서 수평 배향에서부터 수직배향에 이르기까지 다양한 필름을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 배향막을 코팅한 필름을 사용하여 경화성 네마틱 액정을 원하는 두께로 코팅하고 배양시킨후 UV광 조사에 의해 배향상태를 고정시켜 리타데이션이 조절된 필름을 제작하는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름의 제작방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    네마틱 액정을 배향시키기 위해서 PET 필름위에 배향막을 코팅한 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    네마틱 액정을 배향시키기 위해서 PET 필름을 연신비가 크게 한쪽 방향으로 연신한 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름의 제작방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    복굴절률(△n=ne-no)이 0.01∼0.2인 네마틱 액정을 사용한 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    배향막의 기울기(tilt)를 조절하여 필름의 Nz=(nx-nz)/(nx-ny)값을 1보다 작거나 같게 만드는 것이고, 이때 nx는 네마틱 액정이 배향된 방향으로 필름 표면에서의 굴절률 값이고, ny는 필름 표면에서 nx와 수직되는 방향으로 굴절률 값이고, nz는 필름표면에 수직되는 방향으로의 굴절률 값인 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    복굴절 필름의 두께를 조절하여 CLC 편광막의 λ/4(quarter wave) 필름으로 사용하는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    λ/4필름의 리타데이션이 100∼200㎚인 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법.
  8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    네마틱 액정을 수직 배향시켜서 CLC 편광막의 보상필름으로 사용토록 배향막의 기울기를 90°로 하여 제작하는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법.
  9. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    네마틱 액정의 Nz값이 음수가 되게 하여 CLC 편광막의 λ/4필름과 보상필름을 동시에 만족하는 필름으로 사용토록 배향막의 기울기를 45˚~ 90°로 제작하는 것을 특징으로 하는 네마틱 액정을 이용한 복굴절 필름 제작방법.
  10. 제 1 항의 방법을 통해 제작되는 복굴절 필름을 삽입하여 제조되는 것을 특징으로 하는 콜레스테릭 액정 편광막.
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