KR101053656B1 - 광확산 필름 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평판 디스플레이나 조명기기 등에 사용되는 광확산 필름 및 그 제조방법에 관한 것으로서, (a) 광투과성 매트릭스 고분자로 이루어진 필름; 및 (b) 상기 필름의 내부에 위치하며, 가시광선 파장의 최소값보다 큰 평균직경을 갖는 섬유로 된 평면상의 부직포를 포함한다. 본 발명의 광확산 필름은 광 투과율과 광확산 성능이 양호하며, 내재된 부직포로 인하여 기계적 특성이 향상된다.

섬유*부직포*광확산*필름*가시광선

Description

광확산 필름 및 그 제조방법{A diffusing film and manufacturing method thereof}

본 발명은 평판 디스플레이나 조명기기 등에 사용되는 광확산 필름 및 그 제조방법에 관한 것이다.

다양한 분야에서 입사된 빛을 투과 및 확산시키는 광확산 필름이 사용되고 있다. 예를 들어, 멀티미디어 기술이 발달함에 따라 LCD, OLED와 같은 평판 디스플레이의 용도가 노트북 컴퓨터 모니터에서 데스크탑 컴퓨터 모니터, 티브이(TV) 등으로 확대되고 있는데, 이러한 평판 디스플레이에는 광확산 필름을 구비한 백라이트 유니트가 채용된다. 또한, LED 램프와 같이 실내외 조명 및 옥외 간판에 사용되는 조명기기에도 전구가 보이지 않으면서 빛을 잘 투과시키는 광확산 필름이 사용된다.

도 1은 액정표시소자를 구성하는 백라이트 유니트에 있어서, 에지-라이트식 백라이트 유니트의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 통상적인 백라이트 유니트(10)는 형광램프와 같은 광원(12)과, 광원(12)으로부터 출사되는 빛을 산란시켜 균일화시키는 도광판(14)과, 도광판(14)과 액정패널(16) 사이에 배치되어 액정패널(16)로 입사되는 빛의 균일도를 증가시키는 광확산 필름(18)과, 도광판(14)을 사이에 두고 광확산 필름(18)의 대향면에 배치되어 광원(12)으로부터 발생된 빛의 외부로 노출되는 것을 방지하기 위한 반사판(20)과, 광확산 필름(18)으로부터 출사되는 빛의 진행 경로를 변화시키고 빛의 휘도를 도출하기 위한 한 장 또는 두 장의 프리즘 쉬트(22) 및 프리즘 쉬트(22)를 보호하기 위한 보호 쉬트(24)를 구비한다.

이와 같이 백라이트 유니트 등에 사용되는 광확산 필름(18)은 통상적으로 투명 기재필름(19) 표면에 광확산 비드(17)가 분산된 투명 수지로 이루어진 광확산 코팅막(21)이 형성되어 이루어지거나(도 2a), 투명 기재필름(19) 내부에 광확산 비드(17)가 분산되어 이루어진다(도 2b). 대안적으로, 투명 기재필름 표면을 엠보 형태의 패턴으로 형성함으로서 광확산 효과를 부여하는 방법이 사용되기도 한다(미도시).

본 발명의 목적은 새로운 형태의 광확산 필름 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 다른 목적은 광 투과율과 광 확산 성능이 양호하며, 기계적 특성이 향상된 광 확산 필름 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 광확산 필름은,

(a) 광투과성 매트릭스 고분자로 이루어진 필름; 및

(b) 상기 필름의 내부에 위치하며, 가시광선 파장의 최소값보다 큰 평균직경을 갖는 섬유로 된 평면상의 부직포를 포함한다.

본 발명의 광확산 필름에 있어서, 광투과성 매트릭스 고분자로는 폴리카보네이트, 폴리에테르술폰, 폴리메틸메타아크릴레이트, 경화된 아크릴 수지, 경화된 에폭시 수지 등이 이용될 수 있고, 부직포를 구성하는 섬유는 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아미드이미드, 폴리우레탄, 폴리아크릴로니트릴 등으로 제조될 수 있다.

본 발명의 광확산 필름에 있어서, 상기 부직포는 광확산 필름 총 중량을 기준으로 0.1 내지 20중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 섬유의 평균직경은 380~5,000nm인 것이 바람직하다. 부직포를 구성하는 섬유로서 난연섬유를 사용하면 광확산 필름에 난연특성까지 부여할 수 있어 경제적이다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따른 광확산 필름의 제조방법은,

(S1) 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액을 기재 위에 소정 두께로 도포하는 단계;

(S2) 가시광선 파장의 최소값보다 큰 평균직경을 갖는 섬유로 된 평면상의 부직포를 상기 기재 위에 도포된 고분자 용액의 내부로 함침시키는 단계; 및

(S3) 상기 (S2)의 결과물로부터 상기 용매의 비점 미만의 온도에서 용매를 건조시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 제조방법은,

(S1) 경화성 수지 모노머 및 경화제를 용매에 용해시킨 모노머 용액을 기재 위에 소정 두께로 도포하는 단계;

(S2) 가시광선 파장의 최소값보다 큰 평균직경을 갖는 섬유로 된 평면상의 부직포를 상기 기재 위에 도포된 모노머 용액의 내부로 함침시키는 단계; 및

(S3) 상기 (S2)의 결과물로부터 상기 용매의 비점 미만의 온도에서 용매를 건조시키고 상기 경화성 수지 모노머를 경화시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 광확산 필름의 제조방법에 있어서, 상기 (S2) 단계는 필름 내부에 기포가 존재하지 않도록 상기 부직포의 한쪽 끝단부터 순차적으로 함침시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 광확산 필름은 광 확산 기능을 수행하기 위하여 종래의 광확산 비드 대신에 소정 직경 이상의 굵기를 갖는 섬유로 된 부직포라는 새로운 소재를 사용하였다. 이러한 본 발명의 광확산 필름은 광 투과율이 양호하다. 또한, 광확산 성능이 양호하여 빛을 균일하게 분산시킬 수 있으며, 이러한 광원 차폐성으로 인하여 눈부심 방지와 같은 특성이 발현된다. 더불어 내재된 부직포로 인하여 기계적 특성이 향상된다. 부직포를 구성하는 섬유로서 난연섬유를 사용하면 광확산 필름에 난연특성을 용이하게 부여할 수 있어 경제적이다.

또한, 부직포를 구성하는 섬유는 균일하게 분산되어 있으므로, 부직포를 내재한 본 발명의 광확산 필름은 빛을 균일하게 확산시킬 수 있다. 더불어, 본 발명에 따른 광확산 필름의 제조방법은 간단하고 경제적이며, 산업적으로 적용이 용이 하다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 광확산 필름 및 그 제조방법에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 광확산 필름은,

(a) 광투과성 매트릭스 고분자로 이루어진 필름; 및

(b) 상기 필름의 내부에 위치하며, 가시광선 파장의 최소값보다 큰 평균직경을 갖는 섬유로 된 평면상의 부직포를 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광확산 필름(30)은 섬유로 된 부직포(32)가 투명필름(34) 내부에 내재되어 있다. 전기방사 등의 공지 방법에 따라 제조된 부직포는 그 특성상 섬유가 잘 분산된 상태를 나타낸다. 따라서, 후술하는 공정에 따라 부직포를 고분자 용액이나 모노머 용액에 투입하여도 섬유의 분산성은 그대로 유지된다. 부직포는 가시광선 파장의 최소값보다 큰 평균직경을 갖는 섬유로 이루어진다. 섬유의 직경이 가시광선의 파장(380~740nm)보다 커야만, 섬유로 인한 빛의 산란 및 반사가 발생하여 광확산의 충분한 효과를 나타낼 수 있다. 다만, 섬유의 직경이 지나치게 커지면 광 투과율이 저하되므로, 이러한 측면에서, 섬유의 평균직경은 380 내지 5,000nm인 것이 바람직하며, 1,000nm 이하인 것이 더욱 바람직하다.

이러한 부직포를 구비한 필름은 양호한 광 투과율과 광확산 성능을 나타내며, 기계적 물성도 향상된다.

본 발명의 광확산 필름에 있어서, 광투과성 매트릭스 고분자로는 통상적으로 광확산 필름으로서 사용될 수 있는 고분자 재료라면 모두 사용이 가능한데, 예를 들어 폴리카보네이트, 폴리에테르술폰, 폴리메틸메타아크릴레이트, 경화된 아크릴 수지, 경화된 에폭시 수지 등이 광학적 투과율이 양호하면서도 내열성이 우수하여 매트릭스 고분자로서 유용하게 이용될 수 있다.

부직포를 구성하는 섬유는 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아미드이미드, 폴리우레탄, 폴리아크릴로니트릴 등으로 제조될 수 있으며, 그 재료는 특별히 한정되지 않는다. 섬유의 굴절율과 매트릭스 고분자의 굴절율의 차이가 크면 광투과율 저하 및 헤이즈 증가를 유발시킬 수 있으므로, 부직포를 구성하는 섬유는 목적하는 광확산 필름의 스펙에 따라 매트릭스 고분자의 굴절율과 유사하거나 차이가 있는 재료를 선택한다. 특히, 부직포를 구성하는 섬유로서 테트라브로모비스페놀 A, 브롬화 폴리스티렌과 같은 브롬계 난연제 및 실리콘, 멜라민, 인계 난연제 등 공지의 난연제가 첨가된 난연섬유를 사용하면 광확산 성능과 함께 난연특성을 광확산 필름에 부여할 수 있다.

본 발명의 광확산 필름에 있어서, 부직포는 광확산 필름의 내부에 위치하여 표면의 평활도를 해치지 않도록 하는데, 예를 들어 부직포는 광확산 필름 총 중량을 기준으로 0.1 내지 20중량%로 포함되도록 하는 것이 공정상 부직포를 투명필름의 내부에 위치하도록 조정하는데 용이하다. 부직포의 두께는 최종적으로 목적하는 광확산 필름의 두께에 따라 조정하는데, 예를 들어 두께 8~100마이크로미터의 부직포를 사용할 수 있다.

전술한 본 발명의 광확산 필름을 제조하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액을 기재 위에 소정 두께로 도포한다(S1 단계). 고분자 용액이 도포되는 기재로는 필름 형상의 성형틀을 사용하는 것이 바람직한데, 성형틀은 대량생산이 가능하도록 컨베이어 벨트로 연속적으로 이송할 수 있다. 성형틀은 목적하는 형상과 두께를 갖는 광학용 필름을 제조할 수 있도록 소정 크기와 깊이를 갖도록 한다. 매트릭스 고분자의 재료로서 폴리카보네이트 등의 고분자 대신 경화성 아크릴 수지 모노머와 같은 경화성 수지의 모노머를 사용하는 경우, 고분자 용액 대신 경화성 수지 모노머 및 경화제를 용매에 용해시킨 모노머 용액을 사용한다.

예를 들어, 폴리카보네이트와 같은 가소성 고분자를 용매에 5~30중량%의 농도로 용해시킨 다음, 성형틀에 50~1000마이크로미터의 두께로 도포할 수 있다. 대안적으로, 열 또는 광 경화성 모노머가 60중량% 이하로 용매에 용해된 모노머 용액에 경화제를 혼합한 다음, 성형틀에 50~1000마이크로미터의 두께로 도포할 수 있 다.

이어서, 가시광선의 최소파장보다 큰 평균직경을 갖는 섬유로 된 평면상의 부직포를 상기 성형틀에 도포된 고분자 용액(또는 모노머 용액)의 내부로 함침시킨다(S2 단계). 부직포는 고분자 용액의 내부에 위치하도록 조정하여, 용액의 표면에 부직포가 노출되지 않도록 한다. 상기 (S2) 단계는 필름 내부에 기포가 존재하지 않도록 상기 부직포의 한쪽 끝단부터 순차적으로 함침시키는 것이 바람직하다. 이는 컨베이어 벨트에 의해 이송되는 성형틀 위에 위치한 캘린더로부터 부직포의 끝단을 연속적으로 성형틀에 공급함으로서 달성될 수 있다. 부직포의 한쪽 끝단으로부터 순차적으로 고분자 용액(또는 모노머 용액)에 부직포를 함침시키면 기포가 외부로 밀려 나가게 되므로, 부직포 함침으로 인하여 기포가 용액 내부로 유입되지 않는다.

전술한 평균직경을 갖는 섬유로 된 부직포는 예를 들어 전기방사(electrospinning)법에 의해 준비할 수 있다. 전기방사는 잘 알려진 바와 같이 고분자의 용액이나 용융물에 높은 전압을 인가함으로서 분자 쇄간에 조성된 정전기적 반발력과 음극과 양극 사이에 발생되는 전기장을 이용하여, 직경이 수십에서 수백 nm인 섬유로 이루어진 부직포를 얻는 공정이다. 전압이 인가되기 전에 고분자 용액은 노즐의 끝에서 표면장력 때문에 구형의 방울 형태로 매달려 있다가, 전압이 인가되면서 그 방울의 표면에 전하가 도입되고 일그러지기 시작하며, 전압이 증가하면서 임계전압에 도달하면 방울의 끝 정점부터 분사되어 나간다. 분사체가 집속장치에 도달하기 전에 그 유체의 불안정성은 증가하며, 그 불안정성이 고분자 전하 를 띤 고체섬유 형태로 집속장치에 집속되게 된다. 방사상으로 작용하는 전하의 척력으로 인하여, 단분사는 여러 가닥의 섬유로 나뉘어지게 되고, 방사된 액체는 수집부 판에 도달하기 전에 증발하거나 고화되어 작은 직경의 나노섬유들이 서로 연결된 그물망(web)의 부직포로 얻어진다.

본 발명의 광확산 필름에 내재되는 부직포는 전술한 전기방사법 외에도 스펀본드법, 멜트블로운법 등의 공지된 부직포 제조방법에 따라 마련될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

이어서, 상기 (S2)의 결과물로부터 상기 용매의 비점 미만의 온도에서 용매를 건조시킨다(S3 단계). 용매의 비점 미만의 온도에서 용매를 건조시켜야만 필름에 기포가 생성되지 않는다. 바람직하게는, 용매의 비점 미만의 비교적 높은 온도에서 용매를 1차 건조시킨 후, 잔류된 용매 및 수분은 보다 낮은 온도, 예를 들어 매트릭스 고분자의 Tg 미만의 온도에서 2차 건조시킨다.

고분자 용액 대신 경화성 수지 모노머 및 경화제를 용매에 용해시킨 모노머 용액을 사용한 경우, 용매 건조 후에 열 또는 UV와 같은 광을 가하여 상기 경화성 수지 모노머를 경화시키는 공지의 공정이 필요하다.

전술한 모든 공정이 완료되면, 기재로부터 필름을 탈리하여 광확산 필름을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되어 지는 것이다.

실시예 1

폴리카보네이트 0.5g을 디클로로메탄 9g에 용해시켜 고분자 용액을 준비하였다. 평행한 실험대에서 직경 60mm의 유리 페트리디쉬에 준비한 고분자 용액 5g을 도포하였다. 평균직경 500nm의 폴리비닐알코올 섬유로 구성된 두께 40㎛의 부직포를 40 × 40 mm 크기로 절단하여 한쪽 부분부터 유리 페트리디쉬의 고분자 용액에 접촉시키고 내부 기포를 완전히 제거하면서 서서히 함침시켰다.

이어서, 3시간 동안 상온 건조를 통해 용매를 제거한 후, 고분자-나노섬유의 복합필름을 페트리디쉬에서 분리하였다. 분리된 복합필름을 120℃에서 1시간 동안 건조하여 잔류 용매 및 수분을 완전히 제거하였다. 얻어진 필름의 평균 두께는 약 140㎛이었다.

실시예 2

부직포로서 평균직경 500nm의 폴리아미드이미드 섬유로 구성된 두께 90㎛의 부직포를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 필름을 제조하였다. 얻어진 필름의 평균 두께는 약 150㎛이었다.

실시예 3

아크릴 모노머 고형분이 54.71 wt%인 자일렌과 부틸 아세테이트 혼합액(F/K# 6-2) 40g, 희석액(자일렌)10g과 경화제(GK-100) 3g을 마그네틱바를 이용하여 모노 머 용액을 준비하였다.

150 × 150 mm 유리판에 테프론 이형 필름을 부착하고, 양쪽 끝단에 두께 조절용 250㎛ 두께의 필름을 부착하였다. 이 테프론 이형 필름에 준비한 모노머 용액을 도포한 후 유리 막대를 이용하여 상단에서 하단으로 밀어줌으로써 소정 두께로 조절하였다.

이어서, 평균직경 500nm의 폴리비닐알코올 섬유로 구성된 두께 40㎛의 부직포를 100 × 100 mm 크기로 절단하여 한쪽 부분부터 모노머 용액에 접촉시키고 내부 기포를 완전히 제거하면서 서서히 함침시켰다.

그런 다음, convection oven에서 80℃, 1시간 동안 건조한 다음, 120℃에서 1시간 동안 열경화하여 평균두께 150㎛의 필름을 제조하였다.

비교예 1

부직포를 고분자 용액에 함침시키지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 투명필름을 제조하였다. 얻어진 투명필름의 평균 두께는 약 115㎛이었다.

상기 실시예 1~2 및 비교예 1에서 제조된 필름의 광 투과율(550nm 투과율) 및 헤이즈를 Minolta Spectrometer(model: CM3600D)를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.

구분	550nm 투과율(%)	Haze(%)
실시예 1	86.09	84.83
실시예 2	68.93	93.20
비교예 1	89.99	0.39

상기 표 1의 결과에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 부직포가 내재된 실시예 1~2의 필름은 부직포가 내재되지 않은 비교예 1보다 광 투과율이 다소 저하되었으나 양호한 값을 나타냈고, 헤이즈 값이 크게 증가하여 양호한 광확산 기능을 나타냄을 알 수 있다.

또한, 실시예 1 및 실시예 3과 비교예 1의 필름에 대하여 기계적 특성을 측정하여 하기 표 2에 나타냈다.

구분	E-modulus(MPa)	Yield strength(MPa)
실시예 1	3123.4	57.3
실시예 3	3096	73.7
비교예 1	2036.5	36.4

상기 표 1의 결과에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 부직포가 내재된 실시예 1 및 3의 필름은 부직포가 내재되지 않은 비교예 1보다 기계적 특성이 개선되었음을 알 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 용이하게 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 전형적인 에지-라이트식 백라이트 유니트의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 "A" 부분의 확대 단면도로서, 광확산 필름의 구성을 예시한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 광확산 필름을 개략적으로 도시한 단면도이다.

Claims (9)

1. (a) 광투과성 매트릭스 고분자로 이루어진 필름; 및

   (b) 상기 필름의 내부에 위치하며, 가시광선 파장의 최소값보다 큰 평균직경을 갖는 섬유로 된 평면상의 부직포를 포함하고,

   84.83% 내지 93.20%의 헤이즈를 갖는 광확산 필름.
2. 제1항에 있어서, 상기 광투과성 매트릭스 고분자는 폴리카보네이트, 폴리에테르술폰, 폴리메틸메타아크릴레이트, 경화된 아크릴 수지 및 경화된 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광확산 필름.
3. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아미드이미드, 폴리우레탄 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광확산 필름.
4. 제1항에 있어서, 상기 부직포는 광확산 필름 총 중량을 기준으로 0.1 내지 20중량%인 것을 특징으로 하는 광확산 필름.
5. 제1항에 있어서, 상기 섬유의 평균직경은 380 내지 5,000nm인 것을 특징으로 하는 광확산 필름.
6. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 난연제를 더 포함하는 난연섬유인 것을 특징으로 하는 광확산 필름.
7. (S1) 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액을 기재 위에 소정 두께로 도포하는 단계;

   (S2) 가시광선 파장의 최소값보다 큰 평균직경을 갖는 섬유로 된 평면상의 부직포를 상기 기재 위에 도포된 고분자 용액의 내부로 함침시키는 단계; 및

   (S3) 상기 (S2)의 결과물로부터 상기 용매의 비점 미만의 온도에서 용매를 건조시키는 단계를 포함하는 제1항의 광확산 필름의 제조방법.
8. (S1) 경화성 수지 모노머 및 경화제를 용매에 용해시킨 모노머 용액을 기재 위에 소정 두께로 도포하는 단계;

   (S2) 가시광선 파장의 최소값보다 큰 평균직경을 갖는 섬유로 된 평면상의 부직포를 상기 기재 위에 도포된 모노머 용액의 내부로 함침시키는 단계; 및

   (S3) 상기 (S2)의 결과물로부터 상기 용매의 비점 미만의 온도에서 용매를 건조시키고 상기 경화성 수지 모노머를 경화시키는 단계를 포함하는 제1항의 광확산 필름의 제조방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 (S2) 단계는 상기 부직포의 한쪽 끝단부터 순차적으로 함침시키는 것을 특징으로 하는 제1항의 광확산 필름의 제조방법.

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