KR100842440B1 - 칼라필터 기능을 갖는 고분자 기판과 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플렉시블 디스플레이나 터치스크린에 사용하는 고분자 기판과 이의 제조 방법에 관한 것으로, 염료나 안료가 든 혼합 용매에 고분자를 녹여 고분자 레진을 제조하고 레진을 고분자 필름 기재의 표면에 후막화하여 가시광 영역에서 좋은 칼라필터 기능을 갖고, 동시에 높은 광투과율을 갖는 기능성 기판을 얻는 것이다.
즉, 고분자 중합체를 가시광 흡수 염료나 안료가 들어 있는 혼합 용매에 녹여 고분자 레진을 만들고 이를 고분자 필름 기재의 표면에 후막으로 입혀 저온 건조시킴으로써 칼라필터의 기능을 갖게 하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 디스플레이, 터치패널용 고분자 기판과;
가시광을 흡수하는 염료나 안료를 지방족 탄화수소 유도체나 방향족 탄화수소 유도체인 혼합용매에 용해시켜 유기염료나 유기안료 용액을 제조하는 공정과, 유기염료나 유기안료 용액에 아크릴계, 카보네이트계, 에스테르계 등의 고분자 중합체를 녹여 액상의 다기능 고분자 레진을 제조하는 공정과, 이것을 고분자 필름 기재의 표면에 후막으로 입혀 저온 건조하는 공정과, 이것에 산화물로 된 실리카 확산방지층과 산화인듐주석 투명전극을 진공 증착법에 의해 형성하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 기판 제조방법에 관한 것이다.
플렉시블 디스플레이, 터치스크린, 칼라 필터, 고분자 기판, 염료, 안료
Description
도 1은 플렉시블 디스플레이의 일반적인 구조 단면도.
도 2는 터치스크린의 일반적인 구조 단면도.
도 3은 종래의 고분자 기판의 단면도.
도 4는 본 발명의 칼라필터 기능을 갖는 고분자 기판의 단면도.
도 5는 본 발명의 고분자 기판(제조실시예 1)의 광투과 특성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1, 1': 전면 고분자 필름 기재 2, 2': 확산 방지층
3, 3': 투명 전극 4: 발광층
5: 적색 형광체 6: 녹색 형광체
7: 청색 형광체 8: 금속전극
8': 연성 인쇄 회로 9, 9': 배면 고분자 필름 기재
10: 구동 회로 11, 11': 표시광
100: 돗트 스페이서(Dot Spacer) 101: 디스플레이 모듈
102: 칼라필터층
본 발명은 플렉시블 디스플레이(Flexible Display)이나 터치스크린(Touch Screen)에 사용하는 기능성 고분자 기판과 이의 제조 방법에 관한 것으로, 고분자 필름 기재의 표면에 염료나 안료가 첨가된 고분자 레진을 코팅함으로써 기판의 기능뿐만 아니라, 광의 투과 스펙트럼을 최적화하여 색순도를 개선시키는 칼라필터의 기능을 동시에 갖도록 한 것이다.
일반적으로 차세대 디스플레이로 알려진 유기 전계발광소자(OLED), 플라스틱 LCD 등과 같은 플렉시블 디스플레이에 적용될 수 있는 표시소자(도 1)의 구조는 소자에 따라서 다소 차이는 있으나 다음과 같은 기본적인 구조를 갖는다. 즉, 전면 고분자 필름 기재(1)와 배면 고분자 필름 기재(9) 사이에 진공증착법이나 후막인쇄법으로 형성한 투명전극(3)과 금속전극(8)과, 진공증착법이나 후막인쇄법으로 형성하여 가시광을 내는 발광층(4)으로 구성된다. 전면 고분자 필름 기재(1)와 투명전극(3) 사이에는 확산방지층(2)을 형성하여 고분자 필름내의 이온들이나 대기중의 산소나 수증기들이 투명전극(3)으로 확산 이동되어 투명전극(3)의 전기적 특성이 변하거나 소자 내부로 침투하여 소자의 특성을 변화시키는 것을 방지한다. 발광층(4)은 기본적으로 적색 형광체(5), 녹색 형광체(6), 및 청색 형광체(7)로 구성되어 투명전극(3)과 금속전극(8)에 직류 혹은 교류가 구동회로(10)에 의해 인가될 때 적색 형광체(5), 녹색 형광체(6), 및 청색 형광체(7)가 여기, 완화되어 가시광을 냄으로써 화상이나 정보를 나타낼 수 있다. (플라스틱 LCD의 경우에는 발광층(4)에서 발생하는 삼색광 대신에 백라이트에서 나오는 삼색광을 이용한다. 백라이트는 소자의 아래, 즉 도 1의 배면 고분자 필름 기재(9) 아래에 위치하지만 도 1에서는 표시하지 않았음.) 구동회로(10)는 정보표시를 위해 평판표시 소자의 두 전극 사이에 펄스신호를 인가시켜 주는 전자회로이고, 표시광(11)은 표시소자의 발광층(4)에서 발생하여 소자의 바깥으로 빠져나오는 가시광선(빨강, 파랑, 초록빛과 이들의 혼합된 빛)을 나타낸다.
그러나 현재의 표시소자용 형광체의 기술 수준은 완벽한 적, 녹, 청색의 재현에 이르지 못하고 있다. 특히, OLED는 적색 형광체(5), 녹색 형광체(6), 및 청색 형광체(7)에서 나오는 빛의 스펙트럼 폭이 매우 넓어 색순도를 떨어뜨리게 되므로 형광체의 색순도에 대한 대폭적인 개선이 요구된다. LCD의 경우에도 백라이트에서 발생하는 삼색광은 형광체를 여기시켜 얻기 때문에 색순도에는 근본적인 문제점을 지니고 있다.
이처럼 OLED용 형광체는 자체적으로 색순도에 문제가 있고, LCD와 같은 경우도 백라이트용 형광체에 근본적인 색순도 문제를 내포하고 있다.
색순도를 개선하여 표시품질을 향상시키는 방법으로 제시되는 것이 칼라필터이다. 유리를 기판으로 사용하는 종래의 평판 표시소자의 경우에는 전면 유리기판과 투명전극 사이에 적색 칼라필터와 녹색 칼라필터 및 청색 칼라필터를 스크린 프린팅이나 전기영동법 등의 방법으로 각각 후막소성하여 형성한 뒤 칼라필터 사이에 흑색 유전체를 채우는 방법으로 형성된다.
일반적으로 적색 칼라필터의 재료로는 철산화물 무기안료이며 녹색 및 청색 칼라필터의 재료로써는 코발트산화물 무기안료가 사용된다. 스크린 프린팅의 경우, 이러한 무기 안료를 에틸셀루로우즈 등의 저온 분해성의 수지와 부틸카르비톨아세테이트 등의 유기용제에 섞어 페이스트를 만든 후 적, 녹, 청색 칼라필터를 순차적으로 3회에 걸쳐 후막 소성하여 형성한다.
이와 같은 종래의 방법에 의해 형성되는 표시소자용 칼라필터는 유리를 기판으로 사용하기 때문에 3번의 후막소성이라는 고온 열공정을 거쳐 제조될 수가 있었다. 그러나 고분자 필름을 기재로 사용하는 플렉시블 디스플레이에서는 열공정 과정에서 전면 고분자 필름 기재(1)나 투명전극(3)의 열적, 전기적 특성의 변화를 초래할 수 있으며 투명전극(3)과의 화학적인 반응이 일어나 소자의 수명을 단축시킬 수 있는 문제점이 있다. 따라서 가급적이면 저온 공정으로 고분자 기재 위에 칼라필터층을 확보할 수 있는 방법이 필요하다.
한편 도 2에 나타낸 터치스크린의 구조에서도 전면 고분자 필름 기재(1'), 확산방지층(2'), 투명전극(3')은 플렉시블 디스플레이에서와 동일하거나 유사한 재료와 구조로 구성이 된다. 다만, 배면 고분자 필름 기재(9') 위에 형성된 연성 인쇄 회로(8')에 의해 디스플레이 모듈(101)을 제어해서 가시광(11')을 통과시키는 것이 다를 뿐이다. 돗트 스페이서(100)는 전면 고분자 필름 기재(1')와 배면 고분자 필름 기재(9')를 분리하는 역할을 하고 있다. 이와 같은 터치스크린에서 디스플레이 모듈(101)은 LCD나 OLED 등이 사용되므로 앞에서 언급한 형광체나 백라이트에서 발생하는 빛의 색순도 문제는 여전히 피할 수 없다.
일반적으로, 디스플레이에서나 터치스크린에서 칼라필터층을 형성하게 되면 소자의 휘도가 40% 이상 감소하게 된다. 따라서 칼라필터층을 통과하는 빛의 투과특성을 최대로 살려서 소자 밖으로 빠져나오는 가시광(11, 11')의 휘도 감소를 최소화하는 것이 요구되고 있다.
이렇게 하기 위해서는 전면 고분자 필름 기재(1, 1')의 굴절률과 확산방지층(2, 2’)의 굴절률 사이의 굴절률 값을 갖는 재료를 칼라필터층 재료로 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 경계를 이루는 두 물질의 굴절률을 각각 n1, n2라 하고 광 투과율을 T라고 하면 T = 1 - (n1-n2)2/(n1+n2)2 로 주어지기 때문이다.
본 발명은 플렉시블 디스플레이에서나 터치스크린의 고분자 필름 기재(1, 1'), 확산방지층(2, 2')과 투명전극(3, 3')으로 구성되는 종래의 고분자 기판에 칼라필터 기능을 가지면서 높은 광 투과율이 실현될 수 있는 칼라필터층을 형성하는 기술이다. 즉, 염료나 안료가 든 용매에 고분자 중합체를 녹여 고분자 레진을 제조하고 레진을 고분자 필름 기재의 표면에 저온공정으로 코팅하여 기능성 고분자 후막의 형태로 칼라필터층(102)을 형성함으로써 가시광 영역에서 좋은 칼라필터 기능을 갖고, 동시에 굴절률의 값이 전면 고분자 필름 기재(1, 1')재료의 굴절률과 확산 방지층(2, 2')의 굴절률 사이에 있는 고분자 후막 재료로써 칼라필터층(102)을 형성함으로써 휘도감소를 최소화하는 기능을 갖도록 한 것이다.
본 발명은 단순한 기판으로서의 기능뿐만 아니라 고 투과 광학적 특성을 보이는 칼라필터층(102)을 저온 공정으로 제조하여 열적 화학적 변형이 없는 공정으로 손쉽게 기능성 고분자 기판을 제조하는 데 목적이 있다. 휘도감소를 최소화하는 재료를 사용하여 본 발명에서는 고분자 중합체를 염료나 안료가 들어있는 혼합용매에 녹여 점성을 갖는 기능성 고분자 레진을 제조하고, 기능성 고분자 레진을 바코팅(Bar Coating), 닥터블래이딩(Doctor Blading), 스핀 코팅(Spin Coating), 마이크로 그라비아 코팅(Micro Gravure) 등의 방법으로 고분자 필름 기재의 표면에 후막화한 뒤 실온에서 저온 건조하여 기능성 고분자 후막을 형성해서 플렉시블 표시소자용 칼라필터층을 형성하였다.
본 발명은 가시광선을 흡수하는 염료나 안료를 지방족 탄화수소 유도체나 방향족 탄화수소 유도체인 혼합용매에 용해시켜 유기염료용액 혹은 유기안료용액을 제조하고 유기염료용액 혹은 유기안료용액을 아크릴계, 카보네이트계, 에스테르계 등의 고분자 중합체를 녹여 점액질의 기능성 고분자 레진을 실온에서 간단하게 제조하고 이것을 고분자 필름 기재의 표면에 후막화하여 실온에서 저온 건조함으로서 칼라필터층을 형성하는 기술을 핵심 기술로 하여 기능성 고분자 기판을 제조하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명(도 4)의 기능성 고분자 기판의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
<제조
실시예
1>
파이로메탄(pyrromethene)계, 포르피린(porphyrin)계, 혹은 아조(Azo)계 등의 가시광 흡수 유기염료를 아세톤, 클로르포름, 메틸에틸케톤, 디에틸렌디옥사이드, 테트라하이드로퓨란 등의 지방족 탄화수소 유도체나 클로르벤젠, 클로르페놀, 톨루엔, 크실렌, 사이클로헥사논 등의 방향족 탄화수소 유도체인 용매를 두 가지 이상 소정의 부피 비율로 혼합한 혼합용매에 용해시켜 유기염료용액을 제조한다. 유기염료 용액을 제조하기 위해 사용된 염료의 종류나 수는 사용 목적(적용 소자)에 따라 다를 수 있으며 한 가지 이상의 유기염료를 혼합해서 사용한다. 지방족 탄화수소 유도체와 방향족 탄화수소 유도체의 부피비율은 10:1 ~ 10:2 비율이 적당하다. 혼합한 혼합용매에 용해시켜 제조된 유기염료용액에 아크릴계 고분자 공중합체인 PMMA(Polymethylmethacrylate)나 카보네이트계 고분자 중합체인 PC(Poly Carbonate), 혹은 에스테르계 고분자 중합체인 폴리에스테르(Polyester)를 녹여 액상의 기능성 고분자 레진을 실온에서 제조한다. 고분자에 함유되어 있는 염료의 농도는 50 ~ 10,000 ppm의 범위에 들게 한다.
상기에서 얻어진 고분자 레진을 사용하여 형성될 칼라필터층(102)의 표면을 매끄럽게 하거나 내부의 기포 발생을 억제하기 위해서는 유기염료용액에 디부틸프탈레이트나 디에틸프탈레이트 등의 가소제와 폴리초산비닐과 같은 소포제를 10%이내의 무게비로 고분자 레진에 첨가한다.
점액질의 기능성 고분자 레진을 바코팅(Bar Coating), 닥터블래이딩(Doctor Blading), 스핀 코팅(Spin Coating) , 마이크로 그라비아 코팅(Micro Gravure) 등의 방법으로 PMMA(Polymethylmethacrylate), PET(Polyethylene terephthalate), PC(Poly Carbonate), PES(Poly-ethersulfone), COC(Cyclic Olefin Copolymer) 등의 고분자 필름 기재(1, 1')의 표면에 두께 10 ~ 100 마이크론 정도로 후막화한 뒤 실 온에서 수 분간(3분이내) 건조하여 칼라필터층(102)을 형성한다. 확산방지층(2, 2')은, 실리카(SiO2)와 같은 산화물 재료를 사용하여 스퍼터링, 전자 빔 증착법 등과 같은 통상적인 박막 진공증착 방법으로 두께 30 ~ 100nm 범위로 진공 증착하여 형성하거나, 실리카 성분을 함유한 후막재료를 사용하여 졸-겔, 딥코팅(Dip coating)하여 습식 성막공정으로 형성한다. 투명전극(3)은 산화인듐주석(In2O3:Sn), 산화인듐아연(In2O3:ZnO)과 같은 산화물을 두께 100 ~ 300nm 범위로 스퍼터링, 전자 빔 증착법 등과 같은 통상적인 박막 진공증착 방법으로 진공 증착하여 형성하거나 투명전극 성분이 함유된 후막재료를 사용하여 졸-겔, 딥코팅(Dip coating)하여 습식 성막공정으로 형성한다. 광 투과율의 측면에서 볼 때, 상기의 PET 등의 고분자 기재(굴절률~1.6) 위에 확산방지층(2, 2')으로 사용되는 재료가 통상적으로 실리카(굴절률~1.4)인 점을 고려하면 이들 사이에 형성되는 칼라필터층(102) 재료의 굴절률은 1.5 부근인 것이 앞에서 언급한 광 투과율 공식에 따라서 굴절률 차이에 기인한 휘도 감소를 최소화 할 수 있다. 따라서 상기의 고분자 레진을 제조하는 고분자 중합체로서는 가시광 영역에서 굴절률이 1.5 정도로 알려진 PMMA가 가장 적합하다.
고분자 후막으로 된 칼라필터층(102)은 도 4에서 점선으로 나타내 보이듯이 고분자 필름 기재(1, 1')의 위에 형성하게 할 수도 있다. 이런 경우에도 칼라필터층의 기능은 그대로 유지하게 된다. 광 투과율도 칼라필터층(굴절률~1.5)이 고분자 필름 기재(굴절률~1.6)와 공기(굴절률~1.0) 사이의 굴절률의 값을 가지므로 앞의 공식에 의해 휘도 감소를 최소화시킬 수가 있다.
<제조
실시예
2>
<제조 실시예 1>에서 기술된 내용 가운데 파이로메탄(pyrromethene)계, 포르피린(porphyrin)계, 혹은 아조(Azo)계 등의 가시광 흡수 유기염료 대신에 안트라퀴논(anthraquinone), 프탈로시아닌(phtalocyanine) 혹은 옥사진(oxazine) 등의 유기안료를 한 가지 이상 혼합해서 사용하여 <제조 실시예 1>에서 기술된 동일한 공정으로 칼라필터층(102)를 제조 할 수 있으며, 이 경우에도 <제조 실시예 1>에서와 같은 효과를 얻을 수 있다.
이와 같은 방법으로 가시광 흡수 유기염료를 혼합 솔벤트에 녹여 이것에 고분자 중합체의 하나인 PMMA에 첨가하여 저온 공정으로 PET 필름 기재 위에 후막화 하는 것을 핵심 기술로 하여 제조된 상기 제조실시예 1의 고분자 기판은 도 5에 나타내 보이듯이 파장 400nm ~ 700nm의 가시광영역에서 뛰어난 적색(600nm 이상), 녹색(500nm ~ 550nm), 청색(470nm 이하) 광투과 특성을 확인하였다. 즉, 하나의 컬러필터층(102)으로 삼원색 광만을 선택적으로 통과시키는 기능을 갖는다. 결과적으로 본 발명의 기능성 고분자 기판을 채택한 OLED 소자와 LCD 소자에서 색순도 개선 효과는 표 1과 표 2의 색좌표 측정 결과에서 나타나 보이듯이, 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 모두 대폭 개선되었다.
(표 1) OLED 소자의 색좌표 측정 결과
| 일반적인 투명 기판을 채택한 OLED소자의 색좌표 (x. y) | 본 발명의 기능성 고분자 기판을 채택한 OLED소자의 색좌표 (x. y) | |
| R | (0.608, 0.386) | (0.622, 0.371) |
| G | (0.246, 0.672) | (0.234, 0.677) |
| B | (0.165, 0.286) | (0.158, 0.275) |
(표 2) LCD 소자에서의 색좌표 측정 결과
| 일반적인 투명 기판을 채택한 LCD 소자의 색좌표 (x. y) | 본 발명의 기능성 고분자 기판를 채택한 LCD 소자의 색좌표 (x. y) | |
| R | (0.639, 0.347) | (0.653, 0.331) |
| G | (0.271, 0.626) | (0.244, 0.593) |
| B | (0.142, 0.078) | (0.140, 0.071) |
Claims (7)
- PMMA(Polymethylmethacrylate), PET(Polyethylene terephthalate), PC(Poly Carbonate), PES(Poly-ethersulfone), COC(Cyclic Olefin Copolymer) 중에서 어느 하나로 이루어진 고분자 필름 기재와,상기 고분자 필름 기재의 일면에 피복된 칼라필터층과,상기 고분자 필름 기재의 타면에 또는 상기 칼라필터층 상에, 진공 증착법으로 형성된 제1 산화물로 이루어진 확산 방지층과,상기 확산 방지층 상에 진공 층착법으로 형성된 제2 산화물로 이루어진 투명 전극을 포함하는 고분자 기판으로서,상기 칼라필터층은, 지방족 탄화수소 유도체와 방향족 탄화수소 유도체인 용매를 10:1 ~ 10:2 부피비율로 혼합한 혼합용매에 가시광 흡수 염료 또는 가시광 흡수 안료와 고분자 중합체를 녹여 고분자 레진을 만들고, 이것을 고분자 필름 기재의 표면에 두께 10㎛ ~ 100㎛로 후막으로 입혀 실온에서 건조시킴으로써 형성된 것을 특징으로 하는 고분자 기판.
- 제1항에 있어서,상기 칼라필터층에 사용하는 고분자 중합체는 PMMA인 것을 특징으로 하는 고분자 기판.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 가시광 흡수 염료는 파이로메탄(pyrromethene)계, 포르피린(porphyrin)계, 아조(Azo)계 중에서 선택된 1종 이상의 유기 염료인 것을 특징으로 하는 고분자 기판.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가시광 흡수 안료는 안트라퀴논(anthraquinone), 프탈로시아닌(phtalocyanine), 옥사진(oxazine) 중에서 선택된 1종 이상의 유기 안료인 것을 특징으로 하는 고분자 기판.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1 산화물은 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 기판.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제2 산화물은 산화인듐주석 또는 산화인듐아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 기판.
- 가시광을 흡수하는 염료나 안료를 지방족 탄화수소 유도체와 방향족 탄화수소 유도체인 혼합용매에 용해시켜 유기염료용액이나 유기안료용액을 제조하는 공정과, 유기염료용액이나 유기안료용액에 아크릴계 고분자 중합체인 폴리메틸메타크릴레이트나 카보네이트계 고분자 중합체인 폴리카보네이트, 혹은 에스테르계 고분자 공중합체인 폴리에스테르를 녹여 액상의 고분자 레진을 제조하는 공정과, 이것을 고분자 필름 기재의 일면에 후막으로 입혀 실온에서 건조하여 칼라필터층을 형성하는 공정과, 고분자 필름 기재의 노출된 타면 또는 칼라필터층 상에, 실리카로 된 확산방지층을 진공증착법에 의해 형성하는 공정과, 확산방지층 상에 산화인듐주석이나 산화인듐아연으로 된 투명전극을 진공증착법에 의해 형성하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 기판 제조방법.
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