KR101050415B1 - 위상차 필름 성형 장치 및 방법 - Google Patents

위상차 필름 성형 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

액정표시장치의 시야각 특성을 개선하기 위한 위상차 필름의 성형 장치 및 방법이 개시된다. 상기 필름 성형 장치는, 필름을 형성하는 고형분과 상기 고형분을 용해시키는 캐스팅 용매로 이루어진 캐스팅 원액이 필름의 형태로 성형되는 베이스 플레이트, 및 상기 캐스팅 원액을 베이스 플레이트 상부에 펼침으로써, 캐스팅 원액을 소정 두께(A)의 캐스팅 필름으로 성형하는 도프 어플리케이터를 포함하는 필름 캐스팅 장치; 상기 캐스팅 필름이 이송되며, 연신되는 캐스팅 필름의 잔류 용매 농도를 계산하기 위하여, 캐스팅 필름의 연신 전 두께(B)를 측정하는 필름 두께 측정기; 및 두께가 측정된 캐스팅 필름이 이송되며, 캐스팅 필름을 연신하는 연신기를 포함한다.
위상차 필름, 성형, 캐스팅, 필름 두께, 잔류 용매 농도

Description

위상차 필름 성형 장치 및 방법{Apparatus and method for forming retardation film}
본 발명은 필름 성형 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 액정표시장치의 시야각 특성을 개선하기 위한 위상차 필름의 성형 장치 및 방법에 관한 것이다.
액정표시장치(LCD)는 대표적인 평판 표시장치의 하나로서, 백라이트(back light)에서 방출된 빛이 이방성을 가지는 액정재료 및 편광판을 통과하므로, 액정표시장치의 정면에서는 양호한 화상을 얻을 수 있지만, 측면에서 보면 표시 성능이 저하되는 시야각 의존성을 가진다. 이와 같은 시야각 의존성을 개선하기 위하여 위상차 필름이 사용되고 있다. 위상차 필름은 직선 편광을 타원 편광이나 원 편광으로 변환하거나, 어떤 방향의 직선 편광을 다른 방향으로 변환하는 기능을 하며, 이러한 기능을 이용하여, 액정표시장치의 시야각, 콘트라스트 등을 개선할 수 있다. 상기 위상차 필름은, 통상 셀룰로오스 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에테르설폰 수지 등으로 이루어진 플라스틱 필름을 1축 또는 2축 연신하여 제조되며, 이와 같은 연신에 의해서, 굴절율의 이방성, 즉, 복굴절이 발생하여, 위상차 필름으로서 사용될 수 있다.
상기 위상차 필름의 광학적 성능은, 특정 파장에서, 위상 지연축 방향(면 내에서 굴절율이 최대가 되는 방향)의 굴절율과 위상 진행축 방향(면내에서 위상 지연축 방향과 직교하는 방향)의 굴절율의 차이와 위상차 필름의 두께의 곱에 의해서 산출되는 위상차값에 의해 정해진다. 그러나, 상기 위상차값은 소위 파장 의존성(파장분산 특성)과 시야각 의존성(시야각 특성)이 있으므로, 위상차 필름의 상기 특성들을 적절히 조절하여, 액정표시장치에 적용하여야 한다. 위상차 필름의 파장분산 특성은 필름의 재질에 따라 다르며, 예를 들면, 폴리카보네이트, 폴리에테르설폰 등으로 제작된 위상차 필름은 파장이 커짐에 따라 위상차값이 감소하는 특징을 가지고(정파장 분산특성), 셀룰로오스 수지는 파장이 커짐에 따라 위상차값이 증가하는 특징을 가진다(역파장 분산특성). 한편, 위상차 필름의 시야각 특성은, 위상차값의 각도 의존성에 의한 것으로, 일반적으로 위상차 필름의 연신 상태에 따라 달라진다. 연신에 의해, 연신 방향의 굴절율(nx), 필름 면내에서 연신 방향에 직교하는 방향의 굴절율(ny), 및 두께 방향의 굴절율(nz)이 발생하고, 그 값에 의해서 위상차 필름의 시야각 특성이 결정된다.
이와 같은 위상차 필름의 특성은, 필름의 제조에 사용되는 수지 또는 필름의 재질 및 상태에 따라 현저히 달라진다. 한편, 상기 위상차 필름은 용매 캐스팅(solvent casting) 방식으로 제조되는 경우가 많은데, 용매 캐스팅 방식으로 필름을 제조할 경우, 필름 내 잔류 용매의 함량(농도)이 일정한 상태에서 연신이 이루어져야, 원하는 위상차값을 가지는 위상차 필름을 제조할 수 있다. 그러나, 상기 용매 캐스팅법에 일반적으로 사용되는 메틸렌클로라이드(Methylene Chloride: MC) 등의 유기용매는 휘발성이 강하므로, 잔류 용매의 농도 조절이 용이하지 않다. 따라서, 현재는 캐스팅(casting)된 필름을 샘플링하여, 건조 전후의 필름 질량을 비교함으로써, 연신 전 잔류 용매의 농도를 산출하고 있다. 그러나, 상기 방법으로는, 필름 내 잔류 용매의 농도를 실시간으로 확인할 수 없으므로, 연신공정의 잔류 용매 농도를 정밀하게 조절할 수 없는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 필름 내 잔류 용매의 농도를 실시간으로 확인할 수 있는 필름 성형 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 원하는 위상차값을 가질 뿐만 아니라, 물리적 특성이 균일한 위상차 필름을 성형하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 필름을 형성하는 고형분과 상기 고형분을 용해시키는 캐스팅 용매로 이루어진 캐스팅 원액이 필름의 형태로 성형되는 베이스 플레이트, 및 상기 캐스팅 원액을 베이스 플레이트 상부에 펼침으로써, 캐스팅 원액을 소정 두께(A)의 캐스팅 필름으로 성형하는 도프 어플리케이터를 포함하는 필름 캐스팅 장치; 상기 캐스팅 필름이 이송되며, 연신되는 캐스팅 필름의 잔류 용매 농도를 계산하기 위하여, 캐스팅 필름의 연신 전 두께(B)를 측정하는 필름 두께 측정기; 및 두께가 측정된 캐스팅 필름이 이송되며, 캐스팅 필름을 연신하는 연신기를 포함하는 필름 성형 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 필름을 형성하는 고형분과 상기 고형분을 용해시키는 캐스팅 용매로 이루어진 캐스팅 원액을 소정 두께(A)의 캐스팅 필름으로 성형하고, 상기 캐스팅 필름에 포함된 고형분의 두께(C)를 [수학식 1] C = (A x dc x cf)/df에 따라 산출하는 단계(여기서, A는 상기 캐스팅 필름 전체의 두께, dc는 캐스팅 필름의 평균밀도, cf는 캐스팅 원액 중의 고형분 함량, df는 고형분의 밀도를 나타낸다); 상기 캐스팅 필름을 연신 공정으로 이송하고, 연신 전 캐스팅 필름의 전체 두께(B)를 측정하고, 연신 전 캐스팅 필름에 있어서, 고형분에 대한 잔류 캐스팅 용매의 비율(Ps)을 [수학식 2] Ps = ((B-C) x ds)/(C x df)에 따라 산출하는 단계(여기서, ds는 캐스팅 용매의 밀도를 나타낸다); 및 상기 잔류 캐스팅 용매의 비율에 따라, 캐스팅 필름을 연신하는 단계를 포함하는 필름 성형 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 필름 성형 장치 및 방법에 의해, 연신되는 필름의 잔류 용매 농도를 제어하면서, 필름을 연신하여, 위상차 필름의 물리적 특성을 조절할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 필름 성형 장치 및 방법에 의해, 위상차 필름의 개발 및 생산에 있어서, 잔류 용매 농도, 연신비, 위상차값 등의 관계를 용이하게 파악할 수 있고, 그 결과를 위상차 필름의 제조에 신속히 반영할 수 있으므로, 시장의 요구에 신속히 대응하고, 개발 비용을 절감할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필름 성형 장치에 사용되는 필름 캐스팅 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 필름 캐스팅 장치의 X-X선 단면도이다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용되는 필름 캐스팅 장치(film casting applicator, 30)는 베이스 플레이트(32) 및 도프 어플리케이터(dope applicator, 34)를 포함하며, 필요에 따라, 필름 박리용 시이트(36), 커버(38), 지지체(40) 등을 더욱 포함할 수 있다.
상기 베이스 플레이트(32)는, 필름을 형성하는 고형분(수지 성분)과 상기 고형분을 용해시키는 캐스팅 용매(solvent)로 이루어진 캐스팅 원액(도프, dope)이 필름의 형태로 성형되는 성형틀의 역할을 한다. 상기 베이스 플레이트(32)는 필름의 캐스팅 성형에 사용되는 통상의 수단으로서, 예를 들면, 유리 등으로 이루어진 다. 상기 캐스팅 원액은 약 15 내지 30중량%의 고형분을 포함하여, 필름으로 성형되기 적절한 점도를 가져야 한다. 상기 고형분으로는, 셀룰로오스아세테이트프로피오닐레이트(CAP), 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 등의 셀룰로오스, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에테르설폰 등 통상의 위상차 필름 형성용 수지가 사용될 수 있고, 상기 캐스팅 용매로는, 메틸렌클로라이드(Methylene Chloride: MC) 등의 유기용매가 사용될 수 있다. 상기 도프 어플리케이터(dope applicator, 34)는, 상기 캐스팅 원액(dope)을 소정 두께의 필름의 형태로 성형하는 장치로서, 예를 들면, 막대 형상의 도프 어플리케이터(34)를 이용하여, 상기 베이스 플레이트(32) 상부에 캐스팅 원액(dope)을 펼침으로써, 캐스팅 원액(dope)을 소정 두께(A)의 필름으로 성형한다. 상기 도프 어플리케이터(34)의 높이, 구체적으로는 상기 도프 어플리케이터(34)와 베이스 플레이트(32)의 간격을 조절하여(setting), 캐스팅(casting) 필름(10)의 두께(A)를 상기 도프 어플리케이터(34)와 베이스 플레이트(32)의 간격과 동일하게 조절할 수 있다.
도 1의 필름 캐스팅 장치(30)에 사용되는 필름 박리용 시이트(36)는, 캐스팅 필름(10)의 양단 하부에 위치하여, 캐스팅 필름(10)의 양단이 베이스 플레이트(32)로부터 용이하게 제거 또는 벗겨(peel-off)질 수 있도록 하기 위한 것으로서, 베이스 플레이트(32)와의 접착력이 작은 종이 시이트(sheet) 등으로 이루어질 수 있다. 즉, 캐스팅 필름(10)의 양단이 필름 박리용 시이트(36) 위에 캐스팅된 후, 필름 박리용 시이트(36)를 이동시켜, 캐스팅 필름(10)을 베이스 플레이트(32) 로부터 용이하게 이탈시킬 수 있다. 상기 커버(38)는, 필름(10) 캐스팅 후, 필름(10)의 표면을 덮어, 캐스팅 용매의 휘발의 방지 또는 조절하는 역할을 한다. 상기 커버(38)의 한 변의 길이는 필름(10)의 길이보다 약간 짧게 하여, 필름(10) 양단의 캐스팅 용매를 상대적으로 빨리 휘발시킴으로써, 캐스팅 필름(10)이 베이스 플레이트(32)로부터 용이하게 이탈되도록 할 수도 있다. 또한, 상기 커버(38)의 다른 변에는 다리 역할을 하는 돌출부가 형성되어, 상기 커버(38)와 필름(10)이 직접 접촉하지 않고, 필름(10)이 벗겨질 수 있는 공간을 제공하도록 되어있다. 상기 지지체(40)는 필름 캐스팅 장치(30)의 높이를 조절하고, 필름 캐스팅 장치(30)의 이동을 용이하게 하기 위한 받침대의 역할을 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필름 성형 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 필름 성형 장치는 필름 캐스팅 장치(30), 필름 두께 측정기(50) 및 연신기(70, tenter)를 포함한다. 도 1에 도시된 필름 캐스팅 장치(30)에서 캐스팅된 필름(10)이, 일련의 공정으로, 필름 두께 측정기(50) 및 연신기(70)로 공급될 수 있도록, 상기 필름 캐스팅 장치(30), 필름 두께 측정기(50) 및 연신기(70)는 단일 스테이지(stage)를 형성한다. 상기 필름 캐스팅 장치(30)의 캐스팅 필름(10)을 필름 두께 측정기(50)로 이송하기 위하여, 캐스팅 필름(10)의 양단을 롤러(52, roller)에 감겨 있는 통상의 필름과 테이프 등을 이용하여 연결하고, 롤러(52)를 회전시키거나, 그와 동시에 필름 캐스팅 장치(30)를 이동시켜, 캐스팅 필름(10)을 베이스 플레이트(32)로부터 박리(peel-off)시키고, 필 름 두께 측정기(50)로 이송한다. 여기서, 상기 필름 캐스팅 장치(30) 전체가 위상차 필름 성형 장치 내에 설치되는 경우, 필름 캐스팅 공정이 필름 성형 장치 내에서 연속적으로 이루어질 수도 있다.
상기 필름 두께 측정기(50)는, 연신되는 캐스팅 필름(10)의 잔류 용매 농도를 계산하기 위하여, 연신 전의 캐스팅 필름(10) 두께(B)를 측정하기 위한 것이다. 상기 필름 두께 측정기(50)로서, 필름의 두께를 측정할 수 있는 통상의 장치가 사용될 수 있으며, 예를 들면, 통상의 접촉식 방식의 두께 측정기, 레이저 등을 이용한 비접촉식 방식의 두께 측정기 등이 사용될 수 있다. 상기 연신기(70)는, 두께가 측정된 캐스팅 필름(10)이 이송되며, 원하는 가로 및/또는 세로 연신비로 필름(10)을 연신하여 필름을 제조하는 장치로서, 통상의 필름 제조용 연신기가 사용될 수 있다. 상기 필름 캐스팅 장치(30), 필름 두께 측정기(50) 및 연신기(70)는 필름(10)으로부터 증발되는 용매의 양을 조절할 수 있도록, 닫힌 시스템(closed system)으로 운영되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 닫힌 시스템 내에, 메틸렌클로라이드(Methylene Chloride: MC) 또는 염소(Cl2) 측정기 등을 설치하여, 공정 중의 용매 농도를 측정하고, 이에 따라, 필름(10)으로부터 용매의 증발 속도를 조절할 수도 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 필름의 성형 방법을 설명한다. 필름 캐스팅 장치(30)에서 캐스팅되는 필름(10)은 고형분(필름을 형성하는 수지 성분)과 상기 고형분을 용해시키는 캐스팅 용매로 이루어지며, 상기 캐스팅 필름(10)의 두께는 고형분의 두께와 캐스팅 용매의 두께의 합과 실질적으로 동일하다. 상기 캐스팅 필름(10) 전체의 두께를 "A", 캐스팅 필름(10), 즉, 캐스팅 원액(dope)의 평균밀도를 dc, 캐스팅 원액(dope) 중의 고형분 함량을 cf, 고형분의 밀도를 df라 하면, 캐스팅 필름(10)에 포함된 고형분의 두께(C)는 하기 수학식 1로 산출될 수 있다.
C = (A x dc x cf)/df
상기 수학식 1에서, 캐스팅 필름의 두께(A)* 캐스팅 원액의 평균밀도(dc)는 단위 길이 및 단위 폭에 대한 캐스팅 필름(10)의 질량이므로, 필름의 두께(A)* 캐스팅 원액의 평균밀도(dc)*고형분 함량(cf)는 단위 길이 및 단위 폭에 대한 고형분의 질량이 되며, 상기 고형분의 질량을 고형분 밀도(df)로 나누면, 캐스팅 필름(10)에 포함된 순수한 고형분의 두께(C)를 얻을 수 있다. 여기서, 상기 필름 두께(A)는 필름 캐스팅 장치(30)의 높이로서 설정값(set)이고, 고형분 함량(cf, 고형분 중량/도프 중량)은 캐스팅 원액(dope)의 제조 농도(통상, 약 15 내지 30중량%, 예를 들면, 18중량%의 고형분 함유)이므로 이미 알려져 있고, 고형분 밀도(df) 역시 물질의 고유값으로써 알려진 값이다(예를 들면, 1.32g/cm3). 또한, 캐스팅 원액의 평균밀도(dc)는 (캐스팅 용매의 함량(cs)x캐스팅 용매의 밀도(ds)) + (고형분의 함량(cf)x고형분의 밀도(df))로부터 산출하거나, 측정하여 알 수 있다. 여기서, 캐스팅 용매의 함량(cs) 및 고형분의 함량(cf)의 합은 1로서, 예를 들어, 캐스팅 원액(dope) 중의 캐스팅 용매의 함량이 30중량%인 경우, cs= 0.3, cf= 0.7이다.
상기 캐스팅 필름(10)은 연신 공정으로 이송되며, 이송 과정에서, 캐스팅 용매가 증발하므로, 고형분과 잔류 캐스팅 용매로 이루어진, 연신 전 캐스팅 필름(10)의 전체 두께(B)가 캐스팅 필름의 원래 두께(A) 보다 감소된다. 이때, 연신 전 캐스팅 필름(10)의 전체 두께(B)를 측정하여, 잔류 캐스팅 용매의 비율(Ps), 즉, 고형분에 대한 잔류 캐스팅 용매의 비율을 다음 수학식 2에 따라 산출할 수 있다.
Ps = 잔류 캐스팅 용매의 질량/고형분의 질량 = ((B-C) x ds)/(C x df)
상기 수학식 2에 있어서, ds는 캐스팅 용매의 밀도로서, 용매의 특성에 해당하는 알려진 값이다. 상기 수학식 2에 있어서, 순수한 고형분의 두께(C)는 캐스팅 단계부터 연신 전까지 동일하므로, 고형분의 두께(C) x 고형분의 밀도(df)는 단위 길이 및 단위 폭에 대한 고형분의 질량이며, (연신 전 캐스팅 필름 두께(B)- 고형분의 두께(C)) x 캐스팅 용매의 밀도(ds)는 단위 길이 및 단위 폭에 대한 캐스팅 용매의 질량이 된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 필름 성형 방법에 있어서는, 필름의 연신 직전, 필름의 두께(B)를 1회 측정함에 의하여, 연신되는 필름의 잔류 용매 비율을 간단히 측정할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 필름 성형 장치 및 방법에 의하면, 종래의 시스템과 달리, 캐스팅 필름(10)에 존재하는 용매의 휘발 속도를 제어하여, 잔류 용매의 농도를 일정하게 유지하거나, 상기 잔류 캐스팅 용매의 비율에 따라, 필름의 연신 공정을 진행할 수 있다. 본 발명에 따른 필름 성형 장치 및 방법은 액정표시장치용 편광판 보호 필름, 위상차 필름 등 각종 필름의 제조에 사용될 수 있고, 특히 위상차 필름의 제조에 유용하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필름 성형 장치에 사용되는 필름 캐스팅 장치를 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 필름 캐스팅 장치의 X-X선 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필름 성형 장치를 설명하기 위한 도면.

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  6. 필름을 형성하는 고형분과 상기 고형분을 용해시키는 캐스팅 용매로 이루어진 캐스팅 원액을 소정 두께(A)의 캐스팅 필름으로 성형하고, 상기 캐스팅 필름에 포함된 고형분의 두께(C)를 [수학식 1] C = (A x dc x cf)/df에 따라 산출하는 단계 (여기서, A는 상기 캐스팅 필름 전체의 두께, dc는 캐스팅 필름의 평균밀도, cf는 캐스팅 원액 중의 고형분 함량, df는 고형분의 밀도를 나타낸다);
    상기 캐스팅 필름을 연신 공정으로 이송하고, 연신 전 캐스팅 필름의 전체 두께(B)를 측정하고, 연신 전 캐스팅 필름에 있어서, 고형분에 대한 잔류 캐스팅 용매의 비율(Ps)을 [수학식 2] Ps = ((B-C) x ds)/(C x df)에 따라 산출하는 단계(여기서, ds는 캐스팅 용매의 밀도를 나타낸다); 및
    상기 잔류 캐스팅 용매의 비율(Ps)에 따라, 캐스팅 필름을 연신하는 단계를 포함하는 필름 성형 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11125716A (ja) 1997-10-20 1999-05-11 Nitto Denko Corp 位相差板、その製造方法、楕円偏光板及び液晶表示装置
KR100730415B1 (ko) * 2006-12-20 2007-06-19 제일모직주식회사 광학필름 제조장치 및 이를 이용한 광학필름 제조방법

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