KR100958287B1 - 내구성이 우수한 편광 소자, 편광판 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 염색 단계, 가교 단계, 연신 단계로 이루어지는 편광소자 제조 방법에 있어서, 상기 단계들 중 하나 이상의 단계에 인을 함유한 첨가제를 투입하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 편광소자의 제조방법에 관한 것이다.
이때 상기 인을 함유한 첨가제는 인산, 제 1 인산 칼륨, 제2 인산 칼륨, 제2인산 마그네슘, 제1인산 나트륨, 제1 인산 암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 그 함량은 첨가되는 용액의 전체 중량을 기준으로 0.01 중량% ~ 15중량 %인 것이 바람직하다.
본 발명의 경우와 같이 인을 함유한 첨가제를 투입하여 편광 소자를 제조하면, 첨가제에 함유된 인에 의해 요오드와 고분자 매트릭스의 가교가 견고해져 내구성 특히 내열성이 우수한 편광 소자를 제조할 수 있다.
편광판, 편광 소자, 내구성
Description
본 발명은 편광소자 및 편광판의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액정 표시 장치, 유기 발광 표시 장치, PDP(플라즈마 디스플레이 패널) 등의 화상 표시 장치에 사용될 수 있는 내구성이 우수한 편광 소자 및 편광판의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 화상 표시 장치에 사용되는 편광판은 밝고, 색의 재현성이 좋은 화상을 제공하기 위해서, 높은 투과율과 높은 편광도를 겸비할 것이 요구된다. 이러한 편광판은 종래, 폴리비닐알콜(PVA)계의 필름을 2색성 요오드 또는 2색성 염료 등을 사용하여 염색하고, 일축 연신 등의 방법에 의해 배향시킴으로써 제조되고 있다.
종래에는 편광판을 사용한 화상 표시 장치가 전자 계산기나 시계 등 소형 제품에 주로 사용되었으나, 최근에는 텔레비젼, 모니터, 자동차 계기판, 각종 사무용, 공업용 기계들의 표시판 등 거의 모든 산업 분야에서 사용되고 있다. 이처럼 사용 영역이 확대됨에 따라, 고온, 고습 등 가혹한 조건에서 장시간 사용해야 하는 경우도 많아졌다. 따라서 이러한 환경에서도 그 기능을 발휘할 수 있도록 열 안정성 및 내구성이 우수한 편광판을 개발할 필요가 있다.
종래에 편광판의 내구성을 형상시키기 위해 사용되던 방법으로는, 폴리비닐알콜계 필름 자체의 개질을 통하여 내구성을 향상시키는 방법, 승화성 있는 요오드계 편광자 대신 비승화성 이색성 염료를 사용하는 방법 등이 있었다.
이중 첫 번째 방법은 폴리비닐알콜(이하 PVA)의 개질로 인하여 요오드 또는 이색성 염료가 고분자 매트릭스 상에 충분히 흡착되지 않아 편광도가 낮아지거나, 매트릭스의 개질에 의해 투과도가 떨어지는 문제점이 발생할 수 있으며, 두번째 방법은 PVA 연신시 배향 조절이 어려워 충분한 편광도를 얻을 수 없다는 문제점이 있다.
한편, 일본 특허공개공보 2002-35512호에는 편광판의 내구성을 향상시키는 또 다른 방법으로, 적당한 양의 아연을 함유한 PVA 필름을 이용하여 편광소자를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 상기 특허에 의하면, 아연을 첨가하여 편광 소자를 제조하면, 편광판의 내구성이 향상되어 고온에서 발생하는 크로스 니콜(Cross Nicols)의 적색 변색(장파장 광의 편광 불량)을 방지할 수 있다고 한다. 그러나 상기 발명 역시 편광자를 건조시킬 때 붕산이 석출되어 외관 불량을 야기할 수 있다는 문제점이 존재한다.
이에 본 발명은 편광도와 투과도 등을 저하시키지 않고, 외관 불량이 발생하지 않으며, 고온 조건에서 투과도, 편광도, 색상 등이 유지되는 내구성이 우수한 편광 소자 및 편광판의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명자들은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 연구를 거듭한 결과, 편광판 제조 시에 인을 함유한 첨가제를 투입하면, 인에 의해 요오드와 고분자 매트릭스의 가교가 견고해져 내구성 특히 내열성이 우수한 편광판을 제조할 수 있다는 것을 알아냈다.
본 발명은 염색 단계, 가교 단계, 연신 단계로 이루어지는 편광소자 제조 방법에 있어서, 상기 단계들 중 하나 이상의 단계에 인을 함유한 첨가제를 투입하는 것을 그 특징으로 한다.
이때 상기 인을 함유한 첨가제는 인산, 제 1 인산 칼륨, 제2 인산 칼륨, 제2인산 마그네슘, 제1인산 나트륨, 제1 인산 암모늄인 것이 바람직하고, 상기 인을 함유한 첨가제의 함량은 첨가되는 용액의 전체 중량을 기준으로 0.01 중량% ~ 15중량 %인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 편광소자의 양 측면에 보호 필름을 접착시킴으로써, 내구성이 우수한 편광판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기의 제조 방법에 의해 제조되며, 인을 함유한 내구성이 우수한 편광판에 관한 것이다.
이하에서는 본 발명에 따른 편광 소자 및 편광판 제조 방법을 구체적으로 살펴보기로 한다.
편광 소자 제조 방법
(1) 염색 단계
먼저 폴리 비닐 알코올계 필름을 요오드 또는 염료로 염색한다.
상기 염색 단계는 이색성을 갖는 요오드 분자 또는 염료를 폴리 비닐 알코올계 필름에 염착시키기 위한 것으로, 상기 요오드 분자 또는 염료 분자는 편광판의 연신 방향으로 진동하는 빛은 흡수하고, 수직 방향으로 진동하는 빛은 투과시킴으로써, 특정한 진동 방향을 갖는 편광을 얻을 수 있도록 해준다.
일반적으로 염색은 폴리 비닐 알코올계 필름을 요오드 용액에 함침시킴으로써 이루어진다. 본 염색 단계에서 요오드 용액의 온도는 일반적으로 20℃ 내지 50℃이며, 함침 시간은 10 내지 300초 범위이다. 한편 상기 요오드 용액으로 요오드 수용액을 사용하는 경우, 요오드와 요오드 이온, 예를 들면 용해 보조제인 요오드화 칼륨 등을 함유하는 수용액을 사용할 수 있다. 이때 상기 요오드 수용액에서 요오드의 농도는 0.01~ 0.5중량% 정도, 요오드화 칼륨의 농도는 0.01 내지 10 중량 % 정도인 것이 바람직하다.
(2) 가교 단계
상기 염색 단계에 의해 요오드 분자 또는 염료 분자가 폴리 비닐 알코올계 필름에 염착되면, 붕산, 보레이트 등을 이용하여 상기 요오드 분자 또는 염료 분자를 폴리 비닐 알코올계 필름의 고분자 매트릭스 위에 흡착되도록 한다. 요오드 분자가 고분자 매트릭스 위에 제대로 흡착되지 않으면 편광도가 떨어져 편광판이 제 역할을 수행할 수 없기 때문이다.
가교 방법으로는 폴리비닐 알코올계 필름을 붕산 수용액 등에 침적시켜 수행하는 침지법이 일반적으로 사용되지만, 필름에 붕산 수용액을 분사하는 도포법이나 분무법에 의해 수행될 수도 있다.
침지법을 이용하여 가교 단계를 진행할 경우, 이에 사용되는 붕산 수용액의 붕산 농도는 2 내지 15 중량% 정도, 특히 3 내지 10중량 %인 것이 바람직하며, 붕산 수용액의 온도는 20℃ 이상, 특히 30 내지 85℃ 인 것이 바람직하다. 또한, 함침 시간은 일반적으로 100 내지 1200초, 특히 200 내지 500초인 것이 바람직하다.
한편, 상기 붕산 수용액에 요오드화 칼륨 등을 첨가함으로써, 상기 붕산 수용액에 요오드 이온이 포함되도록 할 수도 있다. 이와 같이 요오드 이온이 함유된 붕산 수용액을 사용할 경우, 가시광의 모든 파장 영역에 대하여 대략적으로 일정한 흡광도를 제공하는 뉴트럴 그레이 편광자를 얻을 수 있다.
(3) 연신 단계
연신이란 필름의 고분자들을 일정 방향으로 배향하기 위하여, 필름을 일축으로 잡아늘이는 것을 말한다. 연신 방법은 습식 연신법과 건식 연신법으로 구분할 수 있으며, 건식 연신법은 다시 롤간(inter-roll)연신 방법, 가열 롤(heating roll) 연신 방법, 압축 연신 방법, 텐터(tenter) 연신 방법 등으로, 습식 연신 방법은 텐터 연신 방법, 롤간 연신 방법 등으로 구분된다.
본 발명에서 연신 방법은 특별히 제한되지 않으며, 상기 습식 연신법과 건식 연신법을 모두 사용할 수 있으며, 필요한 경우 이들을 조합하여 사용할 수도 있다.
상기 연신 공정은 상기 염색 공정 또는 가교 공정과 동시에 또는 별도로 진행될 수 있다.
연신 공정이 염색 공정과 동시에 진행될 경우, 상기 연신 공정은 요오드 용액 내에서 수행되는 것이 바람직하며, 가교 공정과 동시에 진행되는 경우라면 붕산 수용액 내에서 수행되는 것이 바람직하다.
(4) 인을 함유한 첨가제 투입 단계
상기 단계들 중 어느 하나 이상의 단계에 인을 함유한 첨가제를 첨가한다. 인을 함유한 첨가제는 상기 염색 단계, 가교 단계, 연신 단계 중 어느 단계에 투입되어도 무관하며, 복수의 단계에 첨가되는 것이 더 바람직하다.
상기 인을 함유한 첨가제는 각 단계에서 미리 만들어진 수용액(즉 염색 단계의 요오드 및 요오드화 칼륨 수용액 또는 가교 단계의 붕산 수용액)에 투입되거나 또는 각 단계의 수용액을 만들 때 요오드 및 요오드화 칼륨 또는 붕산 등과 함께 투입될 수 있다.
상기 인을 함유한 첨가제로는 인산, 제 1 인산 칼륨, 제2 인산 칼륨, 제2인산 마그네슘, 제1인산 나트륨, 제1 인산 암모늄 등을 사용할 수 있으며, 그 함량은 첨가되는 수용액의 전체 중량을 기준으로 0.01 중량% ~ 15중량 %인 것이 바람직하다. 첨가제의 함량이 0.01 중량% 미만인 경우에는 내구성 향상 효과가 미미하며, 15 중량 % 이상인 경우에는 건조 후 표면에 첨가물이 잔존하여 외관 불량을 유발할 수 있기 때문이다.
(5) 건조 단계
PVA 필름의 염색, 가교, 연신 단계가 완료되면, PVA 필름을 오븐에 넣고 건조시켜, 편광 소자를 얻는다.
상기와 같은 방법, 즉 인을 함유한 첨가제의 투입 단계를 포함하는 방법으로 제조된 편광 소자는 그 구성 성분으로 인을 포함하게 된다. 편광 소자에 포함된 인은 요오드와 고분자 매트릭스를 견고하게 가교하는 역할을 하며, 그 결과 인을 포함한 본 발명의 편광 소자는 종래의 편광 소자와 달리 고온 조건 하에서도 투과도, 편광도, 색상의 변화율 등의 광학 물성의 변화가 적은 내구성이 우수한 특징을 갖게 된다.
편광판 제조 방법
상기의 과정을 거쳐 제조된 편광 소자의 양 측면에 접착제를 이용하여 보호 필름을 적층시킴으로써 편광판을 제조한다.
보호필름이란, 편광 소자를 보호하기 위해 편광 소자의 양 측면에 부착하는 투명필름을 말하는 것으로, 트리아세틸셀룰로오즈(TAC)와 같은 아세테이트계, 폴리에스테르계, 폴리에테르술폰계, 폴리카보네이트계, 폴리아미드계, 폴리이미드계, 폴리올레핀계 수지 필름 등을 사용할 수 있다. 한편, 상기 접착제로는 폴리비닐알코올계 수계 접착제를 사용할 수 있다.
본 발명에 의해 제조된 편광판은 편광 소자와 마찬가지로 인을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기한 바와 같이 편광판에 포함된 인은 요오드와 고분자 매트릭스의 가교를 견고하게 함으로써, 편광판의 내구성을 향상시키는 효과를 가져온다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 예를 통하여 본 발명에 의해 제조된 편광판의 투과도, 편광도, 색상 변화량이 고온에서도 크게 달라지지 않음을 보이도록 하겠다. 하기 실시예는 본 발명의 일례에 불과하며, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
비교예 1
0.1중량%의 요오드와 1중량%의 요오드화 칼륨을 함유하는 수용액이 담긴 염착조에 폴리 비닐 알코올 필름을 침지시켜 염색한다.(A. 염색 단계) 염색된 폴리비닐 알코올 필름을 50℃의 5중량%의 요오드화 칼륨이 함유된 3중량%의 붕산 용액에 침지시킨 후, 5배 연신 처리한다.(B. 가교 및 연신 단계) 상기 과정에 의해 얻어진 PVA 편광 소자를 오븐에 넣고 80℃에서 5분간 건조시킨다.
PVA 편광 소자의 건조가 완료되면, 상기 편광 소자의 양 측면에 후지 사의 TAC 필름을 접합시켜 편광판을 제조한다.
실시예
1
상기 염색 단계(A)에서 상기 요오드와 요오드화 칼륨 수용액에 상기 수용액을 기준으로 1중량%의 제1인산 칼륨을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 편광판을 제조한다.
실시예 2
상기 가교 및 연신 단계(B)에서 상기 붕산 수용액에 상기 붕산 수용액을 기준으로 7중량%의 제1인산 칼륨을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 편광판을 제조한다.
실시예 3
상기 염색 단계(A)에서 상기 요오드와 요오드화 칼륨 수용액에 수용액을 기준으로 5중량%의 제1인산 암모늄을 첨가하고, 상기 가교 및 연신 단계(B)에서 상기 붕산 수용액에 각각 수용액을 기준으로 5중량%의 제1인산 암모늄을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 편광판을 제조한다.
실시예 4
상기 가교 및 연신 단계(B)에서 붕산 수용액에 수용액을 기준으로 3중량% 의 인산을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 편광판을 제조한다.
실시예 5
상기 염색 단계(A)에서 요오드와 요오드화 칼륨 수용액에 수용액을 기준으로 0.5중량%의 인산을 첨가하고, 상기 가교 및 연신 단계(B)의 붕산 수용액에 각각 수용액을 기준으로 0.5중량%의 인산을 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 편광판을 제조한다.
시험예
: 내열성 평가
상기 비교예 1과 실시예 1 내지 5의 방법으로 제조된 편광판을 50mm ×50mm 크기로 절단하고, 이를 아크릴계 점착제로 유리에 접합시킨다. 각 편광판의 초기 광학 물성, 즉 단체 투과도(Ts), 직교투과도(Tc), 단체 색상 (a,b) 값을 측정하고, 100℃의 오븐에 500시간 동안 방치한 후 상기 광학 물성을 재측정하여 내열 전/후의 광학 물성을 비교하여 아래 <표 1> 에 나타내었다.
상기 광학 물성은 N&K analyzer(N&K Technology Inc.)로 측정하였으며, 단체 투과도(Ts)와 단체 색상 (a,b)는 편광판 한 장으로 측정하였고, 직교 투과도(Tc)는 한 장의 편광판은 연신된 방향으로, 나머지 한 장은 연신 방향의 직교 방향으로 재단하고, 재단된 편광판 두 장을 흡수축이 90°가 되도록 서로 직교시킨 후, 투과도를 측정하였다.
내열 변화량을 다음과 같이 계산하였다.
Ts(%)=(내열 후 Ts- 내열 전 Ts)/(내열전 Ts)×100
Tc(%)=(내열 후 Tc- 내열 전 Tc)/(내열전 Tc)×100
a(%)=(내열 후 a - 내열 전 a)/(내열 전 a) ×100
b(%)=(내열 후 b - 내열 전 b)/(내열 전 b) ×100
Ts 상대 변화율 = 실시예 Ts(%)/ 비교예 Ts(%)
Tc 상대 변화율 = 실시예 Tc(%)/ 비교예 Tc(%)
a 상대 변화율 = 실시예 a(%)/ 비교예 a(%)
b 상대 변화율 = 실시예 b(%)/ 비교예 b(%)
<표 1>
| 100℃ , 500hr 후 변화량 | ||||
| 단체투과도 | 직교투과도 | |||
| Ts 상대변화율 | 색상a변화율 | 색상b변화율 | Tc 상대 변화율 | |
| 실시예1 | 0.93 | 0.95 | 0.90 | 0.81 |
| 실시예2 | 0.80 | 0.85 | 0.71 | 0.40 |
| 실시예3 | 0.81 | 0.85 | 0.75 | 0.46 |
| 실시예4 | 0.83 | 0.87 | 0.74 | 0.57 |
| 실시예5 | 0.96 | 0.97 | 0.94 | 0.78 |
| 비교예1 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
상기 < 표 1 >에 의하면, 편광판 제조 시 인을 함유한 첨가제를 넣은 실시예 1 내지 5의 방법으로 제조된 편광판의 단체 투과도, 색상, 직교 투과도의 변화율이 비교예의 방법으로 제조된 편광판보다 작다는 것을 알 수 있다. 이처럼 본 발명에 의해 제조된 편광판은 종래의 편광판에 비해 내구성이 우수하여 고온에서 광학 물성의 변화가 작고, 따라서 가혹한 조건에서도 정상적으로 사용될 수 있다.
또한, 인을 함유한 첨가제를 많이 넣은 실시예 2, 3의 단체 투과도, 색상, 직교 투과도의 변화율이 더 작게 나타나, 인을 함유한 첨가제의 함량이 높을수록 편광판의 내구성이 좋아진다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의해 제조된 편광판은 편광 소자 제조 시에 인을 함유한 첨가제를 투입하여, 요오드가 고분자 매트릭스와 견고하여 흡착할 수 있도록 하였다. 그 결과 편광 소자의 내구성이 우수해져, 고온에서도 투과도, 편광도, 색상의 변화가 적은 내구성이 우수한 편광판을 제공할 수 있도록 하였다.
또한 본 발명은 인을 함유한 첨가물의 함량을 한정하여 외관 불량이 발생하지 않고, 투과도 및 편광도가 높은 편광판을 제조할 수 있도록 하였다.
Claims (9)
- 염색 단계, 가교 단계, 연신 단계, 건조 단계로 이루어지는 PVA 필름 편광소자 제조 방법에 있어서,상기 염색 단계, 가교 단계, 연신 단계 중 하나 이상의 단계에 인산, 제 1 인산 칼륨, 제2 인산 칼륨, 제2인산 마그네슘, 제1인산 나트륨 또는 제1 인산 암모늄으로부터 선택되는 인을 함유한 첨가제를 투입하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 PVA 필름 편광 소자 제조방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 인을 함유한 첨가제의 함량은 첨가되는 용액의 전체 중량을 기준으로 0.01중량% ~ 15중량%인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 PVA 필름 편광소자의 제조방법.
- 상기 제1항 또는 제3항의 방법으로 제조되며, 인을 함유한 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 PVA 필름 편광 소자.
- 염색 단계, 가교 단계, 연신 단계, 건조 단계, 보호 필름 부착 단계로 이루어진 PVA 필름 편광판 제조 방법에 있어서,상기 염색 단계, 가교 단계, 연신 단계 중 하나 이상의 단계에 인산, 제 1 인산 칼륨, 제2 인산 칼륨, 제2인산 마그네슘, 제1인산 나트륨 또는 제1 인산 암모늄으로부터 선택되는 인을 함유한 첨가제를 투입하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 PVA 필름 편광판 제조방법.
- 삭제
- 제 5항에 있어서,상기 인을 함유한 첨가제의 함량은 첨가되는 용액의 전체 중량을 기준으로 0.01중량% ~ 15중량%인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 PVA 필름 편광판의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 보호 필름은 아세테이트계, 폴리에스테르계, 폴리에테르술폰계, 폴리카보네이트계, 폴리아미드계, 폴리이미드계 및 폴리올레핀계 수지 필름 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 PVA 필름 편광판의 제조방법.
- 제 5항, 제7항 또는 제 8항 중 어느 하나의 방법으로 제조되고, 인을 함유하는 PVA 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 PVA 필름 편광판.
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