KR100932617B1 - 수분흡수성 접합제 조성물, 수분흡수성을 갖는 다층플라스틱 기판, 및 그 제조 방법 - Google Patents

수분흡수성 접합제 조성물, 수분흡수성을 갖는 다층플라스틱 기판, 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수분흡수성 접합제 조성물, 수분흡수성을 갖는 다층 플라스틱 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 반응성 실리콘기가 포함되어 수분흡수성이 우수한 접합제로 접합된 플라스틱 필름과; 상기 각각의 플라스틱 필름의 양면에 대칭적으로 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 및 가스 배리어층이 순서에 관계없이 1회 이상 반복하여 적층된 다층 플라스틱 기판 및 그 제조 방법에 대한 것이다.
본 발명의 다층 플라스틱 기판은 헤이즈, 가스 배리어성, 광투과도 등의 물성이 우수할 뿐만 아니라, 수분흡수성 접합제 조성물 채용에 따라 우수한 수분흡수성을 갖는다.
플라스틱 기판, 접착성 수지, 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 가스 배리어층

Description

수분흡수성 접합제 조성물, 수분흡수성을 갖는 다층 플라스틱 기판, 및 그 제조 방법{Adhesive Composition with Moisture Uptake, Multi-layered Plastic Substrate Having Moisture Uptake, and Fabrication Method Thereof}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 플라스틱 기판을 나타낸 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 플라스틱 필름
115 : 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층
120 : 가스 배리어층
125 : 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층
130 : 반응성 실리콘기가 포함된 접합제
본 발명은 수분흡수성 접합제 조성물, 수분흡수성을 갖는 다층 플라스틱 기판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 낮은 헤이즈값과 가스 배리어성, 광투과도 등의 물성이 우수할 뿐만 아니라, 우수한 수분흡수성을 갖는 다층 구조의 플라 스틱 기판 및 그 제조 방법에 대한 것이다.
표시 장치, 액자, 공예, 용기 등에 사용되는 유리 기판은 작은 선팽창계수, 우수한 가스 배리어성, 높은 광투과도, 표면 평탄도, 뛰어난 내열성과 내화학성 등의 여러 장점을 가지고 있으나, 충격에 약하여 잘 깨지고 밀도가 높아서 무거운 단점이 있다.
최근, 액정이나 유기 발광 표시 장치, 전자 종이에 대한 관심이 급증하면서 이들 표시 장치의 기판을 유리에서 플라스틱으로 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 즉, 플라스틱 기판으로 유리 기판을 대체하면 표시 장치의 전체 무게가 가벼워지고 디자인의 유연성을 부여할 수 있으며, 충격에 강하며 연속 공정으로 제조할 경우 유리 기판에 비해 경제성을 가질 수 있다.
한편, 표시 장치의 플라스틱 기판으로 사용되기 위해서는 트랜지스터 소자의 공정 온도, 투명 전극의 증착 온도를 견딜 수 있는 높은 유리전이 온도, 액정과 유기 발광 재료의 노화를 방지하기 위한 산소와 수증기 차단 특성, 공정 온도 변화에 따른 기판의 뒤틀림 방지를 위한 작은 선팽창계수와 치수안정성, 기존의 유리 기판에 사용되는 공정 기기와 호환성을 가지는 높은 기계적 강도, 에칭 공정에 견딜 수 있는 내화학성, 높은 광투과도 및 적은 복굴절율, 표면의 내스크레치성 등의 특성이 요구된다.
그러나, 이러한 조건들을 모두 만족하는 고기능성 고분자 기재 필름은 존재하지 않으므로, 고분자 기재 필름에 여러 층의 기능성 코팅을 하여 상기 물성을 만족시키려는 노력이 행해지고 있다.
대표적인 코팅층의 예로서는, 고분자 표면의 결함을 줄이고 평탄성을 부여하는 유기 평탄화층, 산소와 수증기 등의 가스 차단을 위한 무기물로 이루어진 가스 배리어층, 표면의 내스크레치성 부여를 위한 유기 또는 유기-무기 하드 코팅층 등을 들 수 있다.
종래의 많은 다층 플라스틱 기판의 경우, 고분자 기재에 무기물 가스 배리어층을 코팅하고, 가스 배리어층 위에 하드 코팅층을 형성하는 과정을 거치는 데, 이러한 다층 구조로 제조할 때의 문제점은 고분자 기재와 가스 배리어층 사이의 큰 선팽창계수 차이에 따른 고분자 기재의 변형과 무기 박막의 크랙, 및 박리가 발생할 수 있다는 점이다. 따라서, 각 층의 계면에서의 응력을 최소화할 수 있는 적절한 다층 구조의 설계와 코팅층 간의 접착성이 매우 중요하다고 할 수 있다.
미국의 바이텍스(Vitex Systems)사의 고분자 기재 필름에 단량체 박막을 형성하고, 여기에 자외선(UV)을 조사하여 중합 반응시켜 고분자화(고체화한 유기층)하고, 그 위에 스퍼터링 방법으로 무기 박막을 성막하는 과정을 반복하여 여러 층의 유기-무기층을 제조하였고, 우수한 가스 차단성을 가진 유연한 기판을 제조하였다. 그러나, 비록 위의 방법에 의해 우수한 가스 차단성을 가진 제품을 얻을 수는 있지만, 낮은 선팽창 계수가 요구되는 디스플레이의 용도로써는 적합하지 않으며, 이에 대한 해결책에 대하여도 제시하지 못하고 있다.
미국 등록특허 제6,465,953호에서는 산소와 수증기에 민감한 유기 발광 기기에 플라스틱 기판을 사용하기 위해, 유입되는 산소 및 수증기와 반응할 수 있는 게터 입자들을 플라스틱 기판에 분산시키는 방법을 제시하였다. 게터 입자들의 크기 는 발광되는 특정 파장의 크기보다 충분히 작고 분산이 골고루 되어 발광되는 빛이 산란되지 않고 기판을 투과할 수 있어야 한다. 또한, 이러한 방법은 플라스틱 기판에 무기물로 이루어진 가스 배리어막을 코팅함으로써 유입되는 산소와 수증기의 양을 최소화하고자 하였다. 그러나, 이러한 방법은 100 내지 200 nm 크기의 나노 입자를 골고루 분산시켜서 기판을 제조하기 어렵고 산소 및 수증기와 반응할 수 있는 게터 입자들을 다량 함유시키기 위해 플라스틱 기판의 두께가 두꺼워야 하며 플라스틱 기판 위에 무기물 가스 배리어막이 직접 코팅되기 때문에, 온도 변화에 의해 가스 배리어막에 크랙이나 박리가 일어날 가능성이 많다.
미국 등록특허 제6,322,860호에서는 반응 압출하여 제조한 1 mm 두께 이내의 폴리글루타이미드 시트의 한쪽면 또는 양면에 경우에 따라 실리카 입자 등을 포함하는 가교가 가능한 조성물(다관능기 아크릴레이트계 모노머 또는 올리고머, 알콕시실란 등과 이들의 혼합물)을 코팅한 후 이를 광경화 또는 열경화시켜 가교 코팅막을 제조하고, 그 위에 가스 배리어막을 코팅한 후, 경우에 따라 다시 가교 코팅막을 배리어막에 코팅하여 표시장치용 플라스틱 기판을 제조한 바 있다. 그러나, 이러한 방법은 액정 표시장치에 잔존하는 수분 혹은 배리어막을 투과한 수분을 제거하지 못하며, 결과적으로 액정 표시장치의 수명을 단축시킨다. 또한 몇몇 특수한 경우에만 산소투과율과 수증기 투과율이 액정 표시장치에 이용할 수 있을 정도로 작을 뿐, 유리 대체용 기판으로 사용하기 위해 필수적으로 요구되는 낮은 선팽창 계수 및 우수한 치수안정성은 여전히 개선되지 않았다.
미국 등록특허 제6,503,634호에는 유기-무기 하이브리드인 ORMOCER와 산화규 소층을 한 고분자 기재 위에 또는 두 고분자 기재의 가운데 층에 코팅하여 산소 투과율이 코팅하기 전의 고분자 기재의 1/30 이하, 수증기 투과율이 코팅하기 전의 고분자 기재의 1/40 이하인 다층 필름을 제시하였다. 그러나, 이러한 방법은 산소, 수증기 투과율이 코팅하기 전의 고분자 기재에 비해 상당히 감소하여 포장재의 재료로 사용될 수 있는 가능성을 제시하였으나, 선팽창계수 및 치수안정성 개선에 대한 언급은 없다.
일본 공개평 제10-016142호에는 고분자 필름에 금속산화물층, 폴리실라잔으로부터 형성된 세라믹스층 및 알콕시실란의 부분가수분해물로 되는 경화층을 순차적으로 적층시킨 가스배리어성 적층 필름을 제시하였다. 그러나, 이 경우 고분자 필름에 금속산화물이 직접 적층되어 있으므로 선팽창계수의 차이에 의한 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 헤이즈 및 가스 배리어성, 광투과도 등의 물성 뿐만 아니라 수분흡수율이 우수한 수분흡수성 접합제 조성물, 이를 채용한 다층 구조의 플라스틱 기판 및 그 제조 방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 반응성 실리콘기가 포함된 수분흡수성 접합제 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 반응성 실리콘기가 포함된 접합제로 접합된 2장의 플라스틱 필름과; 상기 접합된 2장의 플라스틱 필름의 양면에 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 및 가스 배리어층이 1회 이상 반복하여 적층된 다층 플라스틱 기판을 제공한다.
또한, 본 발명은
(a) 플라스틱 필름의 일면에 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 및 가스 배리어층을 1회 이상 반복하여 적층하는 단계;
(b) 상기 단계 a)와 동일한 구조의 다층 필름을 1종 더 제조하는 단계; 및
(c) 상기 단계 a) 및 b)의 각각의 플라스틱 필름의 타면을 반응성 실리콘기가 포함된 접합제를 매개로 서로 접합하여 대칭 구조를 형성하는 단계
를 포함하는 대칭 구조를 갖는 다층 플라스틱 기판의 제조 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 수분흡수성 접합제 조성물은, a) 분자 내에 1개 이상의 중합성 아크릴 또는 메타아크릴기를 갖는 중량평균분자량 100 내지 1,000의 범위의 유기화합물의 모노머, 및 분자 내에 1개 이상의 중합성 아크릴 또는 메타아크릴기를 갖는 중량평균분자량 1,000 내지 500,000의 범위의 화합물로 구성된 접합제; b) 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 반응성 실리콘기가 포함된 화합물; 및 c) 광개시제를 포함한다.
(R1-O)m-Si-X(4-m)
상기 식에서, R1은 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 아릴알킬, 알킬아릴, 아릴알케닐, 알케닐아릴, 아릴알키닐, 알키닐아릴, 알콕시, 알콕시카보닐, 아크릴알킬, 메타아크릴알킬, 또는 비닐알킬이고, X는 서로 같거나 다를 수 있으며, 중합성 이중 결합을 갖는 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 바람직하게는 비닐, 아크릴, 및 메타아크릴기를 포함하는 탄소수 1 내지 12의, 알콕시, 아실옥시, 알킬카보닐, 알콕시카보닐, 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬이고, m은 1 내지 3의 정수이다. 특히, 메톡시실란, 및 에톡시실란 등의 알콕시실란으로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 반응성 실리콘기가 포함된 접합제 조성물에는 상기 a)의 접합제가 조성물 전체에 대하여 99.99 중량부 이하, 바람직하게는 50 내지 99.99 중량부; 상기 b)의 반응성 실리콘기가 포함된 화합물이 75 내지 85 중량부, 바람직하게는 80 중량부; 및 상기 광개시제가 0.01 내지 5 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기한 범위에서 본 발명의 유의적인 수분흡수제로서의 역할을 수행하게 된다.
본 발명의 다층 플라스틱 기판은, 상기 반응성 실리콘기가 포함된 수분흡수성 접합제로 합지된 두 개의 플라스틱 필름을 중심으로 순서에 관계없이 1회 이상 반복 적층된 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층; 및 가스배리어층이 대칭 구조를 갖도록 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을, 상기 플라스틱 필름과 상기 가스 배리어층 사이에 위치시키고, 또한 상기 가스 배리어층 위에 반복 적층 형성할 경우에도 최상층 전면에 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을 각각 위치시켜 대칭 구조를 형성하면 층간 선팽창계수 차이를 최소화하고 층간 접착 력을 향상시킬 수 있다.
상기 플라스틱 필름은 단일 고분자, 2종 이상의 고분자 블렌드, 및 유기 또는 무기 첨가물이 함유된 고분자 복합 재료로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있으며, 그 두께는 10 내지 2,000 ㎛ 의 필름 또는 시트 형태인 것이 바람직하다. 상기 고분자의 바람직한 일례로, 본 발명의 플라스틱 기판이 액정 표시 장치의 기판으로 사용되는 경우, 박막 트랜지스터와 투명 전극을 형성하는 제조 공정이 200 ℃ 이상의 고온에서 이루어지기 때문에 이러한 고온에 견딜 수 있는 고 내열성을 가지는 고분자가 요구된다. 상기한 특성을 가지는 고분자로는 폴리노보넨, 아로마틱 플로렌 폴리에스터, 폴리에테르설폰, 비스페놀에이폴리설폰, 폴리이미드 등을 들 수 있다. 또한, 최근의 고온 기판 공정 온도를 저온으로 내리는 연구가 진행되면서 150 ℃ 부근의 온도까지 사용할 수 있는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리아릴레이트, 폴리카보네이트, 환상형 올레핀 공중합체 등의 고분자를 사용할 수 있다.
또한, 상기 플라스틱 필름으로는 고분자에 나노 물질을 분산시킨 것으로, 유기 또는 무기 첨가물이 함유된 고분자 복합 재료를 사용할 수도 있다.
상기 고분자 복합 재료로는 클레이 나노 물질이 고분자 매트릭스에 분산된 폴리머-클레이 나노 복합체를 들 수 있다. 상기 폴리머-클레이 나노 복합체는 클레이의 작은 입자 크기(< 1 ㎛)와 큰 종횡비의 특성으로 인해 기존에 사용되던 유리 섬유 등의 복합체에 비해 적은 양의 클레이로 고분자의 기계적 물성, 내열성, 가스 배리어성, 치수안정성 등의 물성을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기한 물성들을 향상시키기 위해서는 층상 구조의 클레이 층을 벗겨내어 고분자 매트릭스에 잘 분산시키는 것이 중요한데, 이를 만족하는 것이 상기 폴리머-클레이 나노 복합체이다.
상기 폴리머-클레이 나노 복합체에 사용될 수 있는 고분자로는 폴리스타이렌, 폴리메타아크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리아릴레이트, 폴리카보네이트, 환상형 올레핀 공중합체, 폴리노보넨, 아로마틱 플로렌 폴리에스터, 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 에폭시레진, 다관능성아크릴레이트 등이 있으며, 클레이로는 라포나이트, 몬모릴로나이트, 메가디트 등을 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명의 다층 플라스틱 기판에 있어서, 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층은 플라스틱 필름과 가스 배리어층 간의 큰 선팽창계수의 차이를 완화시키고, 유기물과 무기물의 조성을 적절히 조절함으로써 플라스틱 필름과 가스 배리어층 간의 접착력을 향상시킬 수 있는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층은 플라스틱 필름의 표면을 평탄화할 수 있어 가스 배리어 층의 증착시 형성되는 결함을 최소화할 수 있고, 이로 인해 낮은 저항을 이룰 수 있으며, 가스 배리어층의 크랙을 방지하는 보호층의 역할을 할 수 있다. 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층이 최외면층으로 사용되는 경우에는 다층 플라스틱 기판에 내화학성과 내스크레치성을 부여할 수 있다.
이때, 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층은, 예컨데 분자 내에 2개 이상의 중합성 불포화기를 갖는 유기화합물의 모노머, 또는 분자 내에 2개 이상의 중 합성 불포화기를 갖는 중량평균분자량 100 이상 1,000 이하의 올리고머; 및 분자 내에 1개 이상의 중합성 불포화기를 갖는 중량평균분자량 1,000 이상 500,000 이하의 유기화합물을 함유하는 코팅용 조성물을 자외선 경화 방법 단독으로 혹은 열경화 방법과 함께 사용하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층은, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택되는 유기실란 부분 가수분해물: 및/또는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택되는 금속알콕사이드 부분 가수분해물을 경화시켜 형성할 수 있다.
M-(R3)z
상기 식에서, M은 알루미늄, 지르코늄, 및 티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 나타내며, R3은 서로 같거나 다를 수 있으며, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬기, 알콕시기, 아실옥시기, 및 하이드록시기로부터 선택되며, Z는 3 또는 4의 정수이다.
상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 두께는 0.1 내지 50 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 두께가 0.1 ㎛보다 얇을 경우에는 핀홀 결함으로 인한 장애를 받기 쉽고, 후에 누설 전류가 나타나는 제한을 겪게 되며, 또한 상기 두께가 50 ㎛를 초과할 경우에는 경화중 필름의 뒤틀림 현상이 발생할 수 있으며, 표면 요철 형성의 문제가 있다.
상기 가스 배리어층은 수분 및 산소 등의 가스를 차단할 수 있는 것으로서 작은 선팽창 계수를 가지는 고밀도 무기물 층인 것이 바람직하다.
상기 가스 배리어층은 산화금속, 또는 질화금속으로 이루어진 것일 수 있으며, 예컨데 SiOx(여기서, x는 1 내지 4의 정수), SiOxNy(여기서, x 및 y는 각각 1 내지 3의 정수), Al2O3, 및 ITO로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 무기물로부터 형성될 수 있다. 이때, 상기 가스 배리어층은 그 두께가 5 내지 1,000 nm인 것이 바람직하다. 상기한 범위에서 층상 산란체의 분산 상태가 충분하고, 가스 배리어성 발현의 일 요건인 미로 효과나 가스 배리어층의 균질성이 우수하며, 크랙 등의 결함의 발생을 방지할 수 있다.
이상과 같은 구조를 갖는 본 발명의 다층 플라스틱 기판은 수분과의 반응률이 60% 이상이므로 종래의 표시장치용 기판과는 달리 우수한 수분흡수성을 갖는다.
본 발명의 다층 플라스틱 기판의 제조 방법은,
(a) 플라스틱 필름의 일면에 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 및 가스 배리어층을 적층하는 단계;
(b) 상기 단계 a)와 동일한 구조의 다층 필름을 1종 더 제조하는 단계; 및
(c) 상기 단계 a) 및 b)의 각각의 플라스틱 필름의 타면을 반응성 실리콘기가 포함된 접합제를 매개로 서로 접합하여 대칭 구조를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 단계 (a)의 플라스틱 필름은 용액 캐스팅 방법이나 필름 압출 공정을 통해 제조될 수 있으며, 제조 후 온도에 따른 변형을 최소화하기 위해 유리 전이 온도 부근에서 수초에서 수분 간 짧게 어닐링하는 것이 좋다. 어닐링 이후에는 코팅성 및 접착성을 향상시키기 위해 플라스틱 필름 표면에 프라이머 코팅을 하거나 코로나, 산소 또는 이산화탄소를 사용한 플라즈마 처리, 자외선-오존 처리, 반응 기체를 유입한 이온빔 처리 방법 등으로 표면 처리를 할 수도 있다.
상기 단계 (a)의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층은 전술한 재료에 충진제; 용매; 및 중합 촉매를 추가적으로 첨가하여 제조될 수 있다.
상기 충진제는 금속, 유리분말, 다이아몬드분말, 실리콘옥사이드, 클레이, 칼슘포스페이트, 마그네슘포스페이트, 바륨설페이트, 알루미늄 플루오라이드, 칼슘실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 바륨실리케이트, 바륨카보네이트, 바륨하이드록사이드, 및 알루미늄실리케이트로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다.
상기 용매는 통상의 부분 가수분해 반응에 사용되는 용매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 증류수를 사용할 수 있다. 또한, 중합 촉매를 사용할 수도 있으며, 특별히 한정되지는 않으나, 바람직하게는 알루미늄부톡사이드 및 지르코늄 프로폭사이드를 사용할 수 있다.
상기 충진제, 용매, 및 중합 촉매의 사용량은 필요에 따라 첨가되는 것으로서 특별히 한정되지는 않는다.
본 발명에서 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 표면의 평탄도 Ra(average of roughness) 조절은 매우 중요한데, 상기 층이 평탄하지 않으면 배리어층이 증착 될 때 결함이 발생하고, 결국 배리어성이 나오지 않는 결과를 초래한다. 따라서, 평탄도의 값은 낮으면 낮을수록 배리어성이 증가하는 결과를 나타낸다. 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 표면 평탄도는 1 nm 내외가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 nm 이내의 평탄도가 좋다. 구체적으로, 평탄도는 0.1 내지 1.2의 Ra 값을 가질 수 있다.
상기 단계 (a)의 가스 배리어층이 무기물층인 경우, 무기물층과 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 사이의 접착력이 우수하고, 무기물층에 의해 가스 배리어 특성이 향상되며 무기물층 자체의 모듈러스가 높고 선팽창계수가 작기 때문에 전체 기판의 기계적 특성 또한 향상시킬 수 있다.
상기 가스 배리어층을 형성하는 방법은 플라스틱 필름 자체의 산소 투과도와 수증기 투과도가 대개 수십에서 수천 단위의 값을 가지기 때문에, 밀도가 높은 투명 무기물이나 나노미터 단위의 얇은 금속 박막을 고분자 필름 위에 물리적 또는 화학적 방법으로 증착 코팅하여 산소와 수증기를 차단하는 방법이 사용될 수 있다.
이때, 투명 무기 산화 박막의 경우 충분한 수분 및 산소 차단 효과를 얻기 위하여 핀홀이나 크랙 등의 결함을 개선하고, 얇은 금속 박막의 경우 결점이 없는 수 나노미터 두께의 균일한 박막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 가시광선 영역의 광투과도가 80 %를 넘게 하기 위하여, 상기 가스 배리어층의 두께는 5 내지 1,000 nm, 바람직하게는 10 내지 500 nm, 보다 바람직하게는 20 내지 300 nm인 것이 좋다.
상기 가스 배리어층은 증착코팅방법에 의해 형성할 수 있으며, 이때 상기 증 착 코팅 방법으로는 스퍼터링법, 화학 증착법, 이온 플레이팅법, 플라즈마 화학 증착법, 졸-겔법 등을 사용할 수 있다.
상기 가스 배리어층인 무기물층에 존재할 수 있는 핀홀, 크랙 등의 결함 부분이 있는 경우, 무기물 층의 하이드록시기와 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 하이드록시기 간에 수화반응이 일어나서 무기물 층의 결함을 치유하여 가스 배리어성을 더욱 향상시킬 수 있다.
최상층의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 형성용 조성물은 상기 플라스틱 필름 위에 최초로 적층될 수 있는 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 조성물과 같지만, 코팅용 조성물, 유기실란, 및 금속알콕사이드, 충진제의 비율과 코팅되는 두께는 경우에 따라 다를 수도 있다.
상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 형성 방법은 졸 상태의 용액을 스핀코팅, 롤코팅, 바코팅, 딥코팅, 그라비어 코팅, 스프레이 코팅 등의 방법으로 고분자 필름에 코팅하고, 열경화, 자외선 경화, 적외선 경화, 고주파 열처리 방법으로 경화하여 제조할 수 있으며, 경화 후의 두께는 0.1 내지 50 ㎛, 바람직하게는 0.1 내지 20 ㎛, 보다 바람직하게는 0.1 내지 10 ㎛이다. 상기한 범위에서 충분한 내화학성 및 내스크레치성을 부여할 수 있고, 또한 가스 배리어층의 크랙을 방지하는 보호층의 역할을 충분히 수행할 수 있다. 상기 두께가 0.1 ㎛ 보다 얇을 경우에는 충분한 내화학성 및 내스크래치성을 부여할 수 없고, 또한 상기 두께가 50 ㎛를 초과할 경우에는 상기 가스 배리어층의 크랙을 방지하는 보호층의 역할을 충분히 수행할 수가 없는 문제가 있다.
또한, 최외면층에 적층될 수 있는 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 평탄도 조절 역시 매우 중요한데, LCD 공정 혹은 OLED 공정에서 사용되는 ITO 같은 소자들이 최외면층의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층에 직접 증착되므로, 이런 소자들은 평탄도가 높으면 전류가 집중되는 현상으로 제 기능을 할 수가 없다. 현재 추세는 LCD 보다는 차세대 디스플레이인 OLED에서 더 우수한 평탄도가 요구된다. 따라서, 본 발명은 이러한 조건을 만족할 수 있도록 상기 최외면층의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 표면 평탄도 역시 1 nm 내외가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 nm 이내의 평탄도가 좋다. 구체적으로, 평탄도는 0.1 내지 1.2의 Ra 값을 가질 수 있다.
이상과 같은, 본 발명의 다층 구조의 플라스틱 기판은 선팽창계수가 최대 6.5 ppm/K로 매우 작으며, 산소 투과율이 0.05 cc/㎡/day/atm 미만이고, 수증기 투과율이 0.005 g/㎡/day 미만으로서 우수한 가스 배리어성을 가지며 치수안정성도 우수하다. 따라서, 본 발명의 다층 플라스틱 기판은 종래 표시 장치 등에서 주로 사용되어오던 깨지기 쉽고 무거운 유리 기판을 대체할 수 있어 액정표시장치를 포함하는 화상표시장치에 이용될 수 있으며, 그 밖에 우수한 가스 배리어성이 요구되는 재질로도 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의하여 보다 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 최선의 실시예를 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예만으로 한정되거나 제한되지 않음은 물론이다.
< 실시예 1>
이축 연신 압출공정으로 양면 아크릴 프라이머 코팅하여 제조된 100 ㎛ 두께의 PET(Polyethyleneterephthalate, 상품명 SH38, ㈜ SK) 필름을 150 ℃ 대류 오븐에서 1 분간 열처리하여 잔류 응력을 제거한 후 플라스틱 필름(110)으로 사용하였다.
제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층(115a)을 형성하기 위한 개시물로는 전체 코팅제 조성물 100 중량부에 대하여 테트라에톡시실란 32.5 중량부, 글리시딜옥시프로필트리메톡시실란 64.0 중량부, 아미노프로필트리메톡시실란 0.5 중량부, 알루미늄부톡사이드 2.0 중량부, 및 지르코늄 프로폭사이드 1.0 중량부를 사용하였고, 여기에 증류수 80.0 중량부를 첨가하여 25 ℃에서 24 시간 동안 부분 가수분해 반응하여 졸 상태의 코팅 조성물을 제조하였다. 상기 조성물을 PET의 한쪽 면에 바 코팅하여 50 ℃에서 3분간 용매 건조 후 125 ℃의 대류 오븐에서 1 시간 동안 젤 반응을 진행하였다. 젤 반응 후 알파 스테퍼로 측정한 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층(115a)의 두께는 3 ㎛이었다.
젤 반응이 끝난 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층(115a) 위에 아텍시스템사의 DC/RF 마그네트론 스퍼터기를 사용하여 Ar 가스를 50 sccm을 주입하고 5 mtorr의 압력 하에서 1000 Watt의 RF(13.56MHz) power로 10 분간 증착하여 산화규소(SiOx, x=1.8) 박막(120a)을 증착하였다. SEM으로 관찰한 산화규소막(120a)의 두께는 100 nm이었다.
증착된 산화 규소 박막(120a) 위에 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 (125a)을 형성하기 위해 상기 제조한 하이브리드 코팅 조성물을 바 코팅하여 50 ℃대류 오븐에서 3 분간 용매를 제거하고, 125 ℃의 대류 오븐에서 1 시간 동안 젤 반응을 진행하여 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층(125a)을 형성하고 다층 필름(100a)를 완성하였다. 젤 반응 후 알파 스테퍼로 측정한 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층(125a)의 두께는 3 ㎛이었다. AFM의 상온 태핑모드(tapping mode)로 측정한 유기 혹은 유기-무기 하이브리드 층의 표면 거칠기는 50 ㎛ × 50 ㎛의 측정 면적에서 0.4 nm 이하이었다.
이후, 상기와 동일한 방식으로 다층 필름(100b)을 한번 더 제조하였다.
마지막으로, 우레탄 아크릴레이트 올리고머 50 중량부, 글리시딜메타아크릴레이트 30 중량부, 메타아크릴옥시 프로필 트리메톡시실란 20 중량부, 자외선 개시제인 DAROCURE 1173 2.0 중량부로 이루어진 반응성 실리콘기가 포함된 접착제 조성물을 상기의 과정으로 제조된 다층 필름(100a)의 코팅되지 않은 PET면에 바 코팅한 후, 상기와 동일한 방식으로 제조된 다층필름(100b)과 플라스틱 면을 서로 합지하고 자외선 조사기(DYMAX 2000-EC)로 6 분간 조사하여 접착제 조성물의 경화반응을 유도하여 도 1과 같은 대칭구조의 다층 플라스틱 기판을 제작하였다.
< 비교예 1>
실시예 1과 동일한 방식으로 2개의 다층 필름을 제조한 후, 반응성 실리콘기가 포함되지 않은 통상의 접착제(제조사명: CYTEC., 상품명: FA990)를 사용하여 플라스틱 필름면을 합지하여 도 1과 동일한 형태의 플라스틱 기판을 제작하였다.
< 실험예 >
실시예 1 및 비교예 1에 의해 제작된 다층 플라스틱 기판에 대해, 표시장치용 기판으로서의 주요 요구 물성인 수분흡수성, 가스투과율, 광투과도, 및 헤이즈를 측정하였다. 실시예 1의 플라스틱 기판에 대하여 반응성 실리콘기와 수분의 반응성을 측정하여 초기 대비 감소한 메톡시실란의 함량(반응한 메톡시실란의 함량비)을 백분율(%)로 표시하였다.
상기 각 물성 측정방법은 아래와 같으며 모든 실시예 및 비교예에 동일하게 적용하였다.
1) 수분과의 반응성 측정 : IR(infrared microscope ; Digilab FTS-7000/ UMA-600) 기기를 사용하여 제조된 시료를 상대습도(RH)가 90%이고, 60℃로 설정된 오븐에 10일간 방치한 이후, 반응성 실리콘기[메톡시실란(methoxysilane)]의 수분과의 반응성을 IR 특성 peak 함량을 1080(cm-1) 파수(wavenumber)에서의 면적 값으로 측정하여 초기대비 감소한 메톡시실란의 함량을 %로 표시하였다(수분과의 반응율을 표시함).
2) 수증기 투과율: PERMATRAN-W-3/33을 사용하여 ASTM F 1249의 방법으로 100%의 상대습도로 상온에서 48시간 동안 측정하였다.
3) 광투과도: ASTM D1003에 근거하여 각각 Varian사의 UV-분광계를 사용하여 가시광선 영역인 380nm에서 780nm의 범위에서 측정하였다.
4) 헤이즈: Tokyo Denshoku사의 Hazemeter TC-H3DPK로 ASTM D1003의 방법으로 측정하였다.
기재된 모든 물성치는 통계적인 대표성을 가질 수 있도록 최소한 5개 이상의 측정치에 대한 평균값을 나타내었다. 그 실험 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
참고로, 실시예 1에 쓰인 PET 필름 자체의 수증기 투과율은 4.5 g/㎡/day이었다.
구분 수분과 반응률 (반응후/반응전%) 수증기 투과율 (g/㎡/day) 광투과도 (400nm) 헤이즈 (%)
실시예 1 62 <0.005 기기측정범위이하 >　85% <0.3
비교예 1 - 0.02 >85% <0.3
표 1에서, 기기측정범위 : 0.005 g/㎡/day
상기 표 1의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 다층 플라스틱 기판은 우수한 수분흡습성을 보였으며, 헤이즈값 가스 배리어성과 광투과도를 동시에 만족함을 알 수 있다. 반면, 비교예 1에 의해 제조된 다층 플라스틱 기판은 광투과도 85% 이상, 헤이즈 0.3% 이하의 값으로 우수하였으나, 수분과의 반응율은 측정되지 않았으며, 수증기 투과율은 0.2의 값을 나타내어 실시예 1과 비교할 경우 약각 높은 값을 나타내었다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 수분흡수성 접합제가 채용된 다층 플라스틱 기판은, 낮은 헤이즈값과 가스 배리어성, 광투과도 뿐만 아니라 우수한 수분흡수성 등의 특성들을 동시에 만족시키기 때문에 표시 장치용 플라스틱 기 판으로 유리 기판 대신 사용할 수 있으며, 또한 가스 배리어성이 요구되는 포장재와 용기의 재질로서도 매우 유용하게 활용될 수 있다.

Claims (17)

  1. a) 분자 내에 1개 이상의 중합성 아크릴 또는 메타아크릴기를 갖는 중량평균분자량 100 내지 1,000의 범위의 유기화합물의 모노머, 및 분자 내에 1개 이상의 중합성 아크릴 또는 메타아크릴기를 갖는 중량평균분자량 1,000 내지 500,000의 범위의 화합물로 구성된 접합제;
    b) 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 반응성 실리콘기가 포함된 화합물; 및
    c) 광개시제를 포함하는 수분흡수성 접합제 조성물,
    [화학식 1]
    (R1-O)m-Si-X(4-m)
    상기 식에서, R1은 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 아릴알킬, 알킬아릴, 아릴알케닐, 알케닐아릴, 아릴알키닐, 알키닐아릴, 알콕시, 알콕시카보닐, 아크릴알킬, 메타아크릴알킬, 또는 비닐알킬이고, X는 서로 같거나 다를 수 있으며, 중합성 이중 결합을 갖는 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 아실옥시, 알킬카보닐, 알콕시카보닐, 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬이고, m은 1 내지 3의 정수이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응성 실리콘기가 메톡시실란과 에톡시실란 중 선택 된 1종 이상의 알콕시실란 및 에폭시기로 치환된 실리콘옥시로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택되는 것인 수분흡수성 접합제 조성물.
  3. 제1항에 따른 수분흡수성 접합제 조성물을 매개로 합지된 2장의 플라스틱 필름과; 상기 접합된 2장의 플라스틱 필름의 양면에 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 및 가스 배리어층이 1회 이상 반복하여 적층된 다층 플라스틱 기판.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다층 플라스틱 기판이 합지된 플라스틱 기판을 중심으로 대칭 구조를 갖는 것인 다층 플라스틱 기판.
  5. 제3항에 있어서, 상기 플라스틱 필름이 단일 고분자, 1종 이상의 고분자 블렌드, 및 유기 또는 무기 첨가물이 함유된 고분자 복합 재료로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택된 것인 다층 플라스틱 기판.
  6. 제5항에 있어서, 상기 단일 고분자 또는 고분자 블렌드를 위한 고분자가 폴리노보넨, 아로마틱 플로렌 폴리에스테르, 폴리에테르설폰, 비스페놀에이폴리설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리아릴레이트, 폴리카보네이트, 및 환상형 올레핀 공중합체로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택된 다층 플라스틱 기판.
  7. 제5항에 있어서, 상기 무기 첨가물이 함유된 고분자 복합 재료는 클레이 나노 물질이 고분자 매트릭스에 분산된 폴리머-클레이 나노 복합체인 다층 플라스틱 기판.
  8. 제7항에 있어서, 상기 고분자 복합 재료에 사용되는 고분자는 폴리스타이렌, 폴리메타아크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리아릴레이트, 폴리카보네이트, 환상형 올레핀 공중합체, 폴리노보넨, 아로마틱 플로렌 폴리에스터, 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 에폭시레진, 및 다관능성아크릴레이트로부터 1종 이상이 선택되고, 상기 클레이로는 라포나이트, 몬모릴로나이트, 및 메가디트로부터 선택되는 것인 다층 플라스틱 기판.
  9. 제3항에 있어서, 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층이, 분자 내에 2개 이상의 중합성 불포화기를 갖는 유기화합물의 모노머, 또는 분자 내에 2개 이상의 중합성 불포화기를 갖는 중량평균분자량 100 이상 1,000 이하의 올리고머; 및 분자 내에 1개 이상의 중합성 불포화기를 갖는 중량평균분자량 1,000 이상 500,000 이하의 유기화합물을 함유하는 코팅용 조성물을 경화시켜 형성한 것인 다층 플라스틱 기판.
  10. 제3항에 있어서, 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층이,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택되 는 유기실란 부분 가수분해물: 또는
    하기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상이 선택되는 금속알콕사이드 부분 가수분해물을 경화시켜 형성된 다층 플라스틱 기판,
    [화학식 2]
    M-(R3)z
    상기 식에서, M은 알루미늄, 지르코늄, 및 티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 나타내며, R3은 서로 같거나 다를 수 있으며, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬기, 알콕시기, 아실옥시기, 및 하이드록시기로부터 선택되며, Z는 3 또는 4의 정수이다.
  11. 제3항에 있어서, 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층이 금속, 유리분말, 다이아몬드분말, 실리콘옥사이드, 클레이, 칼슘포스페이트, 마그네슘포스페이트, 바륨설페이트, 알루미늄 플루오라이드, 칼슘실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 바륨실리케이트, 바륨카보네이트, 바륨하이드록사이드, 및 알루미늄실리케이트로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 충진제; 용매; 및 중합 촉매를 추가적으로 포함하는 조성물로 제조되는 것인 다층 플라스틱 기판.
  12. 제3항에 있어서, 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층은 두께가 0.1 내지 50 ㎛인 다층 플라스틱 기판.
  13. 제3항에 있어서, 상기 가스 배리어층이 SiOx(여기서, x는 1 내지 4의 정수), SiOxNy(여기서, x 및 y는 각각 1 내지 3의 정수), Al2O3, 및 ITO로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 무기물로부터 형성된 것인 다층 플라스틱 기판.
  14. 제3항에 있어서, 상기 가스 배리어층은 두께가 5 내지 1,000 nm인 것인 다층 플라스틱 기판.
  15. (a) 플라스틱 필름의 일면에 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 및 가스 배리어층을 1회 이상 반복하여 적층하는 단계;
    b) 상기 단계 a)와 동일한 구조의 다층 필름을 1종 더 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 단계 a) 및 b)의 각각의 플라스틱 필름의 타면을 제 1항에 따른 수분흡수성 접합제 조성물을 매개로 서로 합지하여 대칭구조를 형성하는 단계
    를 포함하는 제3항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 따른 다층 플라스틱 기판의 제조 방법.
  16. 제3항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 따른 다층 플라스틱 기판을 포함하는 화상표시장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 화상표시장치가 액정표시장치인 화상표시장치.
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