KR101367956B1 - 다층 플라스틱 기판 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 접합된 2장의 플라스틱 필름을 중심으로 양면에, 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 가스배리어층 및 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층이 적층된 다층 플라스틱 기판으로서, 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 및 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 중 적어도 한 층은, 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 유기실란, 폴리카프로락톤, 폴리테트라하이드로퓨란, 에폭시 및 자일렌 글라이콜 중 1종 이상을 포함하는 조성물로 형성된 다층 플라스틱 기판 및 이의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은, 다층구조를 갖는 플라스틱 기판 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 우수한 가스 차단 특성, 높은 표면 경도 및 수분 차단 특성을 구현할 수 있는 다층 플라스틱 기판 및 이의 제조방법에 관한 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 가지나, 충격에 약하여 잘 깨지고 밀도가 높아서 무거운 단점이 있다.
최근 액정이나 유기 발광 표시 장치, 전자종이에 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 치수 안정성, 기존의 유리 기판에 사용되는 공정 기기와 호환성을 가지는 높은 기계적 강도, 에칭 공정에 견딜 수 있는 내화학성, 높은 광투과도 및 적은 복굴절율, 표면의 내스크래치성 등의 특성이 요구된다.
그러나, 이러한 조건들을 모두 만족하는 고기능성 고분자 기재 필름(고분자 필름과 고분자-무기물 복합 필름 포함)은 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 하드코팅층을 코팅하는 과정을 거치는데, 이러한 다층 구조로 제조할 때의 문제점은 고분자 기재와 가스 배리어층 사이의 큰 선팽창 계수 차이에 따른 고분자 기재의 변형과 무기 박막의 크랙 및 박리가 발생할 수 있다. 따라서, 각층의 계면에서의 응력을 최소화할 수 있는 적절한 다층 구조의 설계와 코팅 층간의 접착성이 매우 중요하다고 할 수 있다.
미국의 바이텍스(Vitex Systems)사는 고분자 기재 필름에 단량체 박막을 형성하고, 여기에 자외선(UV)을 조사하여 중합반응시켜 고분자화(고체화한 유기층)하고, 그 위에 스퍼터링 방법으로 무기박막을 성막하는 과정을 반복하여 여러층의 유기-무기층을 제조하였고, 우수한 가스 차단성을 가진 유연한 기판을 제조하였다. 그러나, 비록 상기 방법으로 우수한 가스 차단성을 가진 제품을 얻을 수는 있지만, 낮은 선팽창 계수가 요구되는 디스플레이의 용도로써는 적합하지 않으며, 이에 대한 해결책에 대하여도 제시하지 못하고 있다.
또한, 미국특허 제6,465,953호에서는 산소와 수증기에 민감한 유기 발광 기기에 플라스틱 기판을 사용하기 위해, 유입되는 산소 및 수증기와 반응할 수 있는 게터 입자들의 플라스틱 기판에 분산시키는 방법을 제시하였다. 상기 게터 입자들의 크기는 발광되는 특성 파장의 크기보다 충분히 작고 분산이 골고루 되어 발광되는 빛이 산란되지 않고 기판을 투과할 수 있어야 한다. 또한, 상기 방법은 플라스틱 기판에 무기물로 이루어진 가스 배리어막을 코팅함으로써 유입되는 산소와 수증기의 양을 최소화하고자 하였다. 그러나, 상기 방법은 100 내지 200 nm 크기의 나노 입자를 골고루 분산시켜서 기판을 제조하기 어렵고 산소와 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.
미국특허 제6,322,860호에서는 반응 압출하여 제조한 1 mm 두께 이내의 폴리글루타이미드 시트의 한족면 또는 양면에 경우에 따라 실리카 입자등을 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, 상기 방법은 몇몇 특수한 경우에만 산소투과율과 수증기 투과율이 액정 표시장치에 이용할 수 있을 정도록 작을 뿐, 유리대체용 기판으로 사용하기 위해 필수적으로 요구되는 낮은 선팽창계수와 우수한 치수안정성에 대해서는 여전히 개선되지 않았다.
미국특허 제6,503,634호는 유기-무기 하이브리드인 ORMOCER와 산화규소층을 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. 상기 방법은 산소, 수증기 투과율이 코팅하기 전의 코분자 기재에 비해 상당히 감소하여 포장재의 재료로 사용될 수 있는 가능성을 제시하였으나, 선팽창 계수와 치수안정성 개선에 대한 언급은 없다.
본 발명의 목적은, 우수한 가스 차단 특성을 제공할 수 있으며, 높은 표면 경도 및 수분 차단 특성이 우수한 다층 플라스틱 기판 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 다층 플라스틱 기판 및 상기 기판을 포함하는 전자장치에 관한 것이다.
하나의 예로서, 본 발명에 따른 다층 플라스틱 기판은,
접합된 2장의 플라스틱 필름을 중심으로 양면에,
제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층;
가스배리어층; 및
제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층이 적층되고,
상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 및 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 중 적어도 한 층은, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 유기실란, 폴리카프로락톤, 폴리테트라하이드로퓨란, 에폭시 및 자일렌글라이콜로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 포함하는 조성물로 형성된 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
(R1)m-Si-X(4-m)
화학식 1에서, X는 서로 같거나 다를 수 있으며, 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 아실옥시, 알킬카보닐, 알콕시카보닐, 또는 -N(R2)2이고, 여기서 R2는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬이고,
R1은 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 아릴알킬, 알킬아릴, 아릴알케닐, 알케닐아릴, 아릴알키닐, 알키닐아릴 그룹, 할로겐, 치환된 아미노, 아마이드, 알데이드, 케토, 알킬카보닐, 카르복시, 머캅토, 시아노, 하이드록시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시카보닐, 설폰산, 인산, 아크릴옥시, 메타크릴옥시, 에폭시 또는 비닐기이고,
m은 1 내지 3의 정수이다.
하나의 예로서, 화학식 1의 정의 부분에서, 산소 또는 -NR3(여기서 R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬)가 라디칼 R1과 Si 사이에 삽입되어 -(R1)m-O-Si-X(4-m) 또는 (R1)m-NR2-Si-X(4-m)의 구조를 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 플라스틱 기판은 낮은 선팽창 계수와 우수한 연필 경도를 제공할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 다층 플라스틱 기판은 ASTM D696 조건에서 측정시 선팽창 계수가 20 ppm/K 이하일 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 다층 플라스틱 기판은, 200 g의 하중을 가하는 ASTM D3363 조건에서 연필경도가 4H 이상 또는 5H 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 다층 플라스틱 기판은, 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 및 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 중 적어도 한 층은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속알콕시드를 더 포함할 수 있다.
[화학식 2]
M-(R4)z
화학식 2에서, M은 알루미늄, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 나타내며, R4는 서로 같거나 다를 수 있으며, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알콕시, 아실옥시 또는 하이드록시기이고, z는 3 또는 4의 정수이다.
예를 들어, 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 및 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 중 적어도 한 층은, 금속, 유리분말, 다이아몬드분말, 실리콘옥시드, 클레이, 칼슘포스페이트, 마그네슘포스페스트, 바리움설페이트, 알루미늄 프루오라이드, 칼슘실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 바리움실리케이트, 바리움카보네이트, 바리움히드록시드 및 알루미늄실리케이트로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 충진제; 용매; 및 중합촉매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층과 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 각각의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 0.1 내지 50 ㎛ 범위일 수 있다.
상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층과 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 표면 평탄도는 각각 0.1 내지 1.2 Ra일 수 있다.
상기 가스 배리어층은 SiOx(여기서, x는 1 내지 4의 정수), SiOxNy(여기서, x 및 y는 각각 1 내지 3의 정수), Al2O3 및 ITO로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 무기물로부터 형성될 수 있다.
상기 가스 배리어층의 두께는 5 내지 1000 nm 범위일 수 있다.
상기 플라스틱 필름은 단일 고분자, 2종 이상의 고분자 블랜드 및 유기 또는 무기 첨가물이 함유된 고분자 복합 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 물질로 형성될 수 있다. 상기 2장의 플라스틱 필름은 각각의 두께가 10 내지 2000 ㎛ 범위일 수 있다.
본 발명은 상기 2장의 플라스틱 필름 사이에 형성된 접합층을 더 포함할 수 있으며, 상기 접합층은 아크릴계 접착제 또는 열접착방법에 의해 형성될 수 있다. 상기 접합층의 두께가 0.1 내지 10 ㎛ 범위일 수 있다.
본 발명은 전술한 다층 플라스틱 기판을 포함하는 전자장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 a) 플라스틱 필름의 한쪽 면에 유기 혹은 유기-무기 하이브리드 조성물을 코팅하고 경화하여 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을 형성하는 단계;
b) 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 상에 가스 배리어층을 형성하는 단계;
c) 상기 가스 배리어층 상에 유기 혹은 유기-무기 하이브리드 조성물을 코팅하고 경화하여 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을 형성하여 다층 필름을 형성하는 단계;
d) 상기 a) 단계 내지 상기 c) 단계의 과정을 반복하여 상기 c) 단계와 동일한 구종의 다층 필름을 1종 더 제조하는 단계; 및
e) 상기 c) 단계 및 상기 d) 단계에서 제조한 각 다층 필름의 층이 형성되지 않은 각각의 플라스틱 필름 면을 서로 접합하여 대칭 구조를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 a) 단계 및 상기 c) 단계 중 적어도 한 단계에서 사용하는 유기-무기 하이브리드 조성물은, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 유기실란, 폴리카프로락톤, 폴리테트라하이드로퓨란, 에폭시 및 자일렌글라이콜로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 포함하는 조성물로 형성되는 다층 플라스틱 기판의 제조방법을 제공한다.
[화학식 1]
(R1)m-Si-X(4-m)
화학식 1에서, X는 서로 같거나 다를 수 있으며, 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 아실옥시, 알킬카보닐, 알콕시카보닐, 또는 -N(R2)2이고, 여기서 R2는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬이고,
R1은 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 아릴알킬, 알킬아릴, 아릴알케닐, 알케닐아릴, 아릴알키닐, 알키닐아릴 그룹, 할로겐, 치환된 아미노, 아마이드, 알데이드, 케토, 알킬카보닐, 카르복시, 머캅토, 시아노, 하이드록시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시카보닐, 설폰산, 인산, 아크릴옥시, 메타크릴옥시, 에폭시 또는 비닐기이고,
m은 1 내지 3의 정수이다.
하나의 예로서, 상기 화학식 1의 정의 부분에서, 산소 또는 -NR3(여기서 R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬)가 라디칼 R1과 Si 사이에 삽입되어 -(R1)m-O-Si-X(4-m) 또는 (R1)m-NR2-Si-X(4-m)의 구조를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 유기-무기 하이브리드층 형성용 조성물이 하기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 금속알콕시드를 더 포함하는 다층 플라스틱 기판의 제조방법을 제공한다.
[화학식 2]
M-(R4)z
화학식 2에서, M은 알루미늄, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 나타내며, R4는 서로 같거나 다를 수 있으며, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알콕시, 아실옥시 또는 하이드록시기이고, z는 3 또는 4의 정수이다.
하나의 예로서, 상기 유기-무기 하이브리드층 형성용 조성물은 금속, 유리분말, 다이아몬드분말, 실리콘옥시드, 클레이, 칼슘포스페이트, 마그네슘포스페스트, 바리움설페이트, 알루미늄 프루오라이드, 칼슘실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 바리움실리케이트, 바리움카보네이트, 바리움히드록시드 및 알루미늄실리케이트로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 충진제; 용매; 및 중합촉매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층과 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 각각의 두께가 0.1 내지 50 ㎛인 다층 플라스틱 기판의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 e) 단계의 접합방법이 아크릴계 접착제를 이용하거나 열경화를 이용한 접착방법일 수 있다.
본 발명에 따르면, 우수한 가스 차단 특성을 제공할 수 있으며, 높은 표면 경도 및 수분 차단 특성 또한 우수한 다층 플라스틱 기판 및 이의 제조방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 한 예에 따른 다층구조의 플라스틱 기판의 단면구조를 간략히 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다층 플라스틱 기판의 제조 공정을 간략히 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다층 플라스틱 기판의 제조 공정을 간략히 나타낸 도면이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 다층 플라스틱 기판은,
접합된 2장의 플라스틱 필름을 중심으로 양면에,
제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층;
가스배리어층; 및
제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층이 적층되고,
상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 및 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 중 적어도 한 층은, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 유기실란, 폴리카프로락톤, 폴리테트라하이드로퓨란, 에폭시 및 자일렌글라이콜로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 포함하는 조성물로 형성된 구조일 수 있다.
[화학식 1]
(R1)m-Si-X(4-m)
화학식 1에서, X는 서로 같거나 다를 수 있으며, 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 아실옥시, 알킬카보닐, 알콕시카보닐, 또는 -N(R2)2이고, 여기서 R2는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬이고,
R1은 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 아릴알킬, 알킬아릴, 아릴알케닐, 알케닐아릴, 아릴알키닐, 알키닐아릴 그룹, 할로겐, 치환된 아미노, 아마이드, 알데이드, 케토, 알킬카보닐, 카르복시, 머캅토, 시아노, 하이드록시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시카보닐, 설폰산, 인산, 아크릴옥시, 메타크릴옥시, 에폭시 또는 비닐기이고,
m은 1 내지 3의 정수이다.
하나의 예로서, 화학식 1의 정의 부분에서, 산소 또는 -NR3(여기서 R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬)가 라디칼 R1과 Si 사이에 삽입되어 -(R1)m-O-Si-X(4-m) 또는 (R1)m-NR2-Si-X(4-m)의 구조를 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 플라스틱 기판은 낮은 선팽창 계수와 우수한 연필 경도를 제공할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 다층 플라스틱 기판은 ASTM D696 조건에서 측정시 선팽창 계수가 20 ppm/K 이하, 18 ppm/K 이하, 16 ppm/K 이하, 12 ppm/K 이하 또는 10 ppm/K 이하일 수 있으며, 경우에 따라서는 0.1 내지 20 ppm/K, 1 내지 20 ppm/K, 5 내지 20 ppm/K, 8 내지 20 ppm/K, 8 내지 16 ppm/K, 8 내지 12 ppm/K, 또는 12 내지 16 ppm/K 범위일 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 다층 플라스틱 기판은, 200 g의 하중을 가하는 ASTM D3363 조건에서 연필경도가 4H 이상 또는 5H 이상일 수 있으며, 경우에 따라서는 3.5 내지 7H, 4 내지 7H, 또는 4 내지 6H 범위일 수 있다.
예를 들어, 상기 다층 프라스틱 기판은 대칭형의 합지된 구조로서, 플라스틱 필름과 가스 배리어층 사이, 및 상기 가스 배리어층 위에 유기-무기 하이브리드 버퍼층을 위치시켜 층간 선팽창계수 차이를 최소화하고 층간 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 다층 플라스틱 기판은 대칭구조를 가지므로, 온도변화에 따라 플라스틱 기판이 한쪽 방향으로 휘지 않게 된다.
본 발명에 따른 다층 플라스틱 기판의 플라스틱 필름은 단일 고분자, 2종 이상의 고분자 블랜드 및 유기 또는 무기 첨가물이 함유된 고분자 복합 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 물질로 형성될 수 있다.
상기 다층 플라스틱 기판이 액정 표시장치의 기판으로 사용되는 경우, 박막 트랜지스터와 투명 전극을 형성하는 제조공정이 200℃ 이상의 고온에서 이루어지기 때문에, 상기 플라스틱 필름에 제조에는 이러한 고온에 견딜 수 있는 고 내열성을 가지는 고분자 사용이 요구된다. 이러한 특성을 가지는 고분자로는 폴리노보넨, 아로마틱 플로렌 폴리에스터, 플로이써설폰, 비스페놀에이폴리설폰 또는 폴리이미드 등을 들 수 있다. 또한, 최근의 고온 기판 공정 온도를 저온으로 내리는 연구가 진행되면서 150℃ 부근의 온도까지 사용할 수 있는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리아릴레이트, 폴리카보테이트 또는 환상형 올레핀 공중합체 등의 고분자를 사용할 수 있다.
또 다른 하나의 예로서, 본 발명에서는 고분자에 나노물질을 분산시킨 플라스틱 필름을 사용할 수도 있다. 이러한 고분자 복합 재료로는 폴리머-클레이 나노복합체가 있으며, 이는 클레이의 작은 입자크기(< 1 마이크론)와 큰 종횡비의 특성으로 인해 기존에 사용되던 유리 섬유 등의 복합체에 비해 작은 양의 클레이로 고분자의 기계적 물성, 내열성, 가스 배리어성, 치수안정성 등의 물성을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 물성들을 향상시키기 위해서는 층상구조의 클레이층을 벗겨내어 고분자 매트릭스에 잘 분산시키는 것이 중요한데, 이를 만족하는 것이 폴리머-클레이 복합체이다.
상기 폴리머-클레이 복합체에 사용될 수 있는 고분자로는 폴리스티렌, 폴리메타아크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리아릴레이트, 폴라카보네이트, 환상형 올레핀 공중합체, 폴리노보렌, 아로마틱 플로렌 폴리에스터, 폴리이써설폰, 폴리이미드, 에폭시레진, 다관능성아크릴레이트 등이 있으며, 클레이로는 라포나이트, 몬모릴로나이트, 메가디트 등을 사용할 수 있다.
상기 2장의 플라스틱 필름의 각각의 두께는 10 내지 2000 ㎛, 10 내지 1500 ㎛, 10 내지 1000 ㎛, 10 내지 600 ㎛, 100 내지 2000 ㎛, 500 내지 2000 ㎛ 또는 900 내지 1500 ㎛일 수 있다. 플라스틱 필름을 상기 두께로 형성함으로써, 요구되는 내열성 및 강도를 만족할 수 있다.
상기 프리스틱 필름은 용액 캐스팅 방법이나 필름 압출 공정을 통해 제조될 수 있으며, 제조 후 온도에 따른 변형을 최소화하기 위해 유리 전이 온도 부근에서 수초에서 수분간 짧게 어닐링 하는 과정을 거칠 수 있다. 어닐링 이후에는 코팅성 및 접착성을 향상시키기 위해 플라스틱 필름 표면에 프라이머 코팅을 하거나 코로나, 산소 혹은 이산화탄소를 사용한 플라즈마 처리, 자외선-오존 처리, 반응 기체를 유입한 이온빔 처리 방법 등으로 표면 처리를 할 수도 있다.
상기 2장의 플라스틱 사이에 형성된 접합층을 더 포함할 수 있으며, 상기 접합층은 아크릴계 접착제 또는 열접합방법에 의해 형성될 수 있다. 그러나 이로 접합층 형성방법이 한정되는 것은 아니다. 접착제를 이용하여 접합층을 형성하는 경우, 그 두께는 특별히 한정되지는 않으나, 형성된 접착층의 두께는 0.1 내지 10 ㎛, 0.3 내지 10 ㎛, 0.4 내지 10 ㎛, 1 내지 10 ㎛, 0.1 내지 8 ㎛ 또는 1 내지 5 ㎛일 수 있다.
상기 가스 배리어층은 작은 선팽창 계수를 가지는 고밀도 무기물층으로서, 산소와 수증기 등의 가스를 차단할 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.
이 때, 투명 무기 산화 박막의 경우 핀홀이나 크랙 등의 결함이 존재하면 충분한 산소 및 수증기 차단 효과를 얻기 어렵고 얇은 금속 박막의 경우에는 결점이 없는 수 나노미터 두께의 균일한 박막을 얻기 힘들뿐 아니라 가시관선 영역의 광투과도가 80%를 넘기 어려운 단점이 있다.
이에, 상기 가스 배리어층을 형성하기 위한 증착 코팅 방법으로는 스퍼터링법, 화학 증착법, 이온 플레이팅법, 플라즈마 화학 증착법, 졸-젤법 등을 사용할 수 있다.
상기 방법을 통해 형성된 가스 배리어층의 두께는 5 내지 1000 nm, 20 내지 1000 nm, 10 내지 500 nm, 50 내지 200 nm, 600 내지 1000 nm 또는 600 내지 800 nm일 수 있다. 가스 배리어층을 상기 두께로 형성함으로써, 우수한 가스 차단효과를 구현할 수 있다.
상기 가스 배리어층을 형성하기 위한 무기물은 SiOx(여기서, x는 1 내지 4의 정수), SiOxNy(여기서, x 및 y는 각각 1 내지 3의 정수), Al2O3 및 ITO로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층은 상기 플라스틱 필름과 상기 가스 배리어층 간의 큰 선팽창계수의 차이를 완화시키고, 유기물과 무기물의 조성을 적절히 조절함으로써 상기 플라스틱 필름과 상기 가스 배리어층 간의 접착력을 향상시킬 수 있는 역할을 한다.
상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층은 상기 플라스틱 필름의 표면을 평탄화할 수 있어 상기 가스 배리어 층의 증착 시 형성되는 결함을 최소화할 수도 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 표면의 평탄도 Ra(average of roughness)는 매우 중요한데, 이 층이 평탄하지 않으면 상기 가스 배리어층이 증착될 때, 결함이 발생하고, 결국 배리어성이 나오지 않는 결과를 초래할 수 있다. 따라서, 평탄도 값은 낮으면 낮을수록 배리어성이 증가하는 결과를 나타낸다. 이에 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드 층의 표면 평탄도는 1 nm 내외가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 nm 이내의 평탄도가 좋다. 구체적으로, 평탄도는 0.1 내지 1.2, 0.1 내지 1.0, 0.5 내지 1.2, 0.1 내지 0.5, 또는 0.2 내지 1.0의 Ra 값을 가질 수 있다.
상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층은 상기 가스 배리어층의 크랙을 방지하는 보호층의 역할을 할 뿐 아니라, 상기 가스 배리어층의 결함을 메꾸어 가스 배리어성을 더욱 향상시킨다. 그리고, 내화학성과 내스크레치성을 부여할 수 있고, 투명 전도성 막의 형성 시 우수한 평탄화 기능으로 인해 낮은 전기적 저항을 이룰 수 있는 역할도 할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 가스배리어층인 무기물층에 존재할 수 있는 핀홀, 크랙 등의 결함부분에서 무기물층의 하이드록시기와 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 히드록시간에 수화반응이 일어나서 무기물층의 결함을 치유하여 가스 배리어성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 가스배리어층 위에 적층되는 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 조성물은 상기 플라스틱 필름 위에 코팅되는 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 조성물과 같지만, 유기실란과 금속알콕시드, 충진제의 비율과 코팅되는 두께는 경우에 따라 다를 수도 있다.
상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 평탄도 역시 매우 중요한데, LCD 공정 혹은 OLED 공정에서 사용도는 ITO 같은 소자들이 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층에 직접 증착되므로 이런 소자들은 평탄도가 높으면 전류가 집중되는 현성으로 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 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 표면 평탄도 역시 1 nm 내외가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 nm 이내의 평탄도가 좋다. 구체적으로, 평탄도는 0.1 내지 1.2, 0.1 내지 1.0, 0.5 내지 1.2, 0.1 내지 0.5, 또는 0.2 내지 1.0의 Ra 값을 가질 수 있다.
이러한, 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층과 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 각각의 두께는 0.1 내지 50 ㎛일 수 있다. 즉, 후술할 조성물을 플라스틱 필름 위에 코팅하고 경화한 후, 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층과 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 각각의 두께는 0.1 내지 50 ㎛, 2 내지 10 ㎛, 또는 1 내지 5 ㎛일 수 있다.
이렇게 제조된 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 위에 무기물인 가스 배리어층을 적층하면, 무기물층과 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 사이의 접착력이 우수하고, 무기물층에 의해 가스 배리어 특성이 향상되며, 무기물층 자체의 모듈러스가 높고, 선팽창 계수가 작기 때문에 전체 기판의 기계적 특성 또한, 향상시킬 수 있다.
상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 및/또는 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 유기실란 및 폴리카프로락톤을 포함하는 조성물로 형성된다.
상기 제1의 유기-무기 하이브리드층 및/도는 상기 제2의 유기-무기 하이브리드층은 상기 조성물을 부분적으로 가수분해시켜 졸상태의 용액으로 제조한 후, 이를 플라스틱 필름 위에 코팅하고 경화하여 얻을 수 있다.
상기 코팅방법은 스핀코팅, 롤코팅, 바코팅, 딥코팅, 그라비어 코팅, 스프레이 코팅 등의 방법을 사용할 수 있다.
상기 졸상태의 경화방법은 열경화, UV 경화, 적외선 경화, 고주파 열처리 방법 등을 이용할 수 있다.
상기 유기 실란은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택하여 사용할 수 있으며, 이 때, 1종의 유기실란 화합물을 사용할 경우 가교가 가능해야 한다.
상기 유기실란의 예로는 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디페닐디메톡시실란, 디페닐디에톡시실란, 페닐디메톡시실란, 페닐디에톡시실란, 메틸디메톡시실란, 메틸디에톡시실란, 페닐메틸디메톡시실란, 페닐메틸디에톡시실란, 트리메틸메톡시실란, 트리메틸에톡시실란, 트리페닐메톡시실란, 트리페닐에톡시실란, 페닐디메틸메톡시실란, 페닐디메틸에톡시실란, 디페닐메틸메톡시실란,디페닐메틸에톡시실란, 디메틸에톡시실란, 디메틸에톡시실란, 디페닐메톡시실란, 디페닐에톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, p-아미노페닐실란, 알릴트리메톡시실란, n-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아민프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필디이소프로필에톡시실란, (3-글리시독시프로필)메틸디에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-머캅토프로필트리메톡시실란, 3-머캅토프로필트리에톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필메틸디에톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필메틸디메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, n-페닐아미노프로필트리메톡시실란, 비닐메틸디에톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택하여 사용할 수 있다.
상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 및/또는 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을 형성하기 위한 조성물에 상기 폴리카프로락톤을 첨가함에 따라, 우수한 가스 차단 특성을 갖는 다층 플라스틱 기판을 제조할 수 있다.
이와 같이, 폴리카프로락톤이 첨가됨에 따라, 다층 플라스틱 기판으로서 기본적으로 요구되는 높은 표면 경도, 수분 차단 특성, 및 내화학성을 만족시킬 수 있음은 물론이고, 우수한 가스 차단 특성을 갖는 다층 플라스틱 기판을 제조할 수 있다.
상기 조성물은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 금속알콕시드를 더 포함할 수 있다
[화학식 2]
M-(R4)z
화학식 2에서, M은 알루미늄, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 나타내며, R4는 서로 같거나 다를 수 있으며, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알콕시, 아실옥시 또는 하이드록시기이며, z는 3 또는 4의 정수이다.
제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 및 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 중 적어도 한 층은 금속, 유리분말, 다이아몬드분말, 실리콘옥시드, 클레이, 칼슘포스페이트, 마그네슘포스페스트, 바리움설페이트, 알루미늄 프루오라이드, 칼슘실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 바리움실리케이트, 바리움카보네이트, 바리움히드록시드 및 알루미늄실리케이트로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 충진제; 용매; 및 중합촉매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 및/또는 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을 형성하기 위한 상기 조성물은 유기실란, 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 에폭시 및 자일렌글라이콜로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 포함하며, 금속알콕시드 및/또는 충전제를 더 포함할 수 있으며, 경우에 따라 적절한 첨가제, 용매 및 중합 촉매를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 용매는 통상의 부분가수분해 반응에 사용되는 용매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 증류수를 사용할 수 있다.
상기 중합촉매 역시 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어 알루미늄부톡시드 및 지르코늄 프로폭시드 중 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 충진제, 용매 및 촉매의 사용량은 필요에 따라 첨가되는 것으로서 특별히 한정되지는 않는다.
상기 조성물을 사용하여, 상기 제1의 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층; 또는 상기 제2의 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층; 또는 상기 제1의 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 및 상기 제2의 상기 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을 형성할 수 있으나, 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층과 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 중 어느 한 층은 상기 조성물로 형성하고, 나머지 다른 한층의 경우 폴리카프로락톤 대신 에폭시 또는 폴리테트라히드로푸란(polytetrahydrofuran, PTHF)을 첨가한 것을 제외하고 동일한 조성의 전술한 조성물로 형성할 수도 있다. 여기서, PTHF가 첨가되는 경우 수분 차단 특성을 향상시킬 수 있고, 에폭시가 첨가되는 경우 높은 표면 경도를 제공할 수 있다.
한편, 이러한 본 발명에 따른 다층 플라스틱 기판은 각종 전자장치에 사용될 수 있다. 또한, 이러한 본 발명에 따른 다층 플라스틱 기판은 각종 포장재 및 다양한 용기의 재료로서 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 다층 플라스틱 기판의 제조방법을 제공한다.
하나의 예로서, 상기 다층 플라스틱 기판의 제조방법은,
a) 플라스틱 필름의 한쪽 면에 유기 혹은 유기-무기 하이브리드 조성물을 코팅하고 경화하여 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을 형성하는 단계;
b) 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 상에 가스 배리어층을 형성하는 단계;
c) 상기 가스 배리어층 상에 유기 혹은 유기-무기 하이브리드 조성물을 코팅하고 경화하여 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을 형성하여 다층 필름을 형성하는 단계;
d) 상기 a) 단계 내지 상기 c) 단계의 과정을 반복하여 상기 c) 단계와 동일한 구종의 다층 필름을 1종 더 제조하는 단계; 및
e) 상기 c) 단계 및 상기 d) 단계에서 제조한 각 다층 필름의 층이 형성되지 않은 각각의 플라스틱 필름 면을 서로 접합하여 대칭 구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 a) 단계 및 상기 c) 단계 중 적어도 한 단계에서 사용하는 유기-무기 하이브리드 조성물은, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 유기실란, 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리테트라하이드로퓨란(polytetrahydrofuran), 에폭시 자일렌글라이콜로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 포함하는 조성물로 형성되는 다층 플라스틱 기판의 제조방법:
[화학식 1]
(R1)m-Si-X(4-m)
화학식 1에서, X는 서로 같거나 다를 수 있으며, 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 아실옥시, 알킬카보닐, 알콕시카보닐, 또는 -N(R2)2이고, 여기서 R2는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬이고,
R1은 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 아릴알킬, 알킬아릴, 아릴알케닐, 알케닐아릴, 아릴알키닐, 알키닐아릴 그룹, 할로겐, 치환된 아미노, 아마이드, 알데이드, 케토, 알킬카보닐, 카르복시, 머캅토, 시아노, 하이드록시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시카보닐, 설폰산, 인산, 아크릴옥시, 메타크릴옥시, 에폭시 또는 비닐기이고,
m은 1 내지 3의 정수이다.
하나의 예로서, 화학식 1의 정의 부분에서, 산소 또는 -NR3(여기서 R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬)가 라디칼 R1과 Si 사이에 삽입되어 -(R1)m-O-Si-X(4-m) 또는 (R1)m-NR2-Si-X(4-m)의 구조를 형성할 수 있다.
상기 유기-무기 하이브리드층 형성용 조성물은 상기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 금속알콕시드를 더 포함할 수 있다.
[화학식 2]
M-(R4)z
화학식 2에서, M은 알루미늄, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 나타내며, R4는 서로 같거나 다를 수 있으며, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알콕시, 아실옥시 또는 하이드록시기이고, z는 3 또는 4의 정수이다.
상기 유기-무기 하이브리드층 형성용 조성물은 금속, 유리분말, 다이아몬드분말, 실리콘옥시드, 클레이, 칼슘포스페이트, 마그네슘포스페스트, 바리움설페이트, 알루미늄 프루오라이드, 칼슘실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 바리움실리케이트, 바리움카보네이트, 바리움히드록시드 및 알루미늄실리케이트로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 충진제; 용매; 및 중합촉매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층과 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 각각의 두께가 0.1 내지 50 ㎛일 수 있다.
상기 d) 단계에서는 상기 a) 단계 내지 상기 c) 단계의 과정을 반복하여 상기 c) 단계와 동일한 구조의 다층 필름을 1종 더 제조하고, 상기 e) 단계에서는 각 다층필름의 층이 형성되니 않은 플라스틱 필름 면끼리 서로 접합하여 대칭 구조를 이루게 하여 다층 구조의 플라스틱 기판을 제조하게 된다.
여기서, 각각 미리 제조된 2장의 다층 필름을 접합하였으나, 먼저 두 장의 플라스틱 필름을 부착한 후, 두 장이 합지된 플라스틱 필름을 기준으로 대칭구조를 갖도록, 두 장이 합지된 플라스틱 필름의 각 상면에 순차적으로 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 가스배리어층 및 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을 형성할 수 있다.
상기 e) 단계의 접합방법은 아크릴계 접착제를 이용한 접착방법 또는 열접합 방법일 수 있다.
이와 같은 대칭구조의 다층 플라스틱 기판의 제조방법은 플라스틱 필름 간에 서로 합지하는 간편한 공정을 이용함으로써, 생산성을 높일 수 있으며, 저가의 경비로도 우수한 수분 차단 특성을 제공할 수 있으며, 높은 표면 경도 및 가스 차단 특성 또한 우수하고, 수분에 대한 내구성이 우수한 다층 플라스틱 기판을 제조할 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 다층 플라스틱 기판의 단면구조를 나타낸 것이며, 도 2는 이를 제조하는 공정을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다층 플라스틱 기판(100)은 각각 두 층의 플라스틱 필름(110a, 110b), 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층(115a, 115b), 가스배리어층(120a, 120b) 및 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층(125a, 1254b)의 조합을 통해 다층구조를 갖는다. 경우에 따라서는, 상기 두 층의 플라스틱 필름(110a, 110b)은 별도의 접착층(130)에 의해 합지된 구조일 수 있으며, 이를 통해 접착층(130)을 기준으로 대칭 구조를 갖는 다층 플라스틱 기판(100)을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 플라스틱 기판(100)은 다양한 경로를 통해 제작될 수 있다. 하나의 예로서, 도 2를 참조하면, 첫번째 플라스틱 필름(110a) 상에 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층(115a), 가스 배리어층(120a) 및 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층(125a)이 순차 적층된 구조의 다층 플라스틱 기판(100)의 상부 적층체(100a)를 제작할 수 있다. 이와는 별도로 두번째 플라스틱 필름(110b)의 하부에 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층(115b), 가스 배리어층(120b) 및 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층(125b)이 순차 적층되고, 상부에는 접착층(130)이 형성된 구조의 다층 플라스틱 기판(100)의 하부 적층체(100b)를 제작할 수 있다. 그런 다음 접착층(130)을 기준으로 상부 적층체(100a)와 하부 적층체(100b)를 합지시켜 다층 플라스틱 기판(100)을 제작할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
테트라에톡시실란(TEOS) 20중량부, 글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTMS) 10 중량부를 혼합한 후, 여기에 증류수 7 중량부, 에탄올 20중량부 및 HCl 0.01 중량부를 첨가하고, 25℃에서 24시간 동안 부분 가수분해하여 제조한 졸(sol) 상에 에폭시 화합물(상품명 ERL-4221, Dow Chemical) 100 중량부, 촉매인 트리아릴술포니움 헥사플루오로안티모네이트염(triarylsulfonium hexafluoro antimonite salts mixed 50w% in propylene carbonate) 6 중량부를 혼합하여 유-무기 하이브리드 조성물을 제조하였다.
상기 조성물을 PET 필름의 일면에 바 코팅하고 90℃ 대류 오븐에서 5분간 용매를 제거하고 UV 경화하고 150℃ 대류 오븐에서 1시간 열경화시켜 제1의 유-무기 하이브리드층을 형성하였다. 이후, 열경화가 끝난 제1의 유-무기 하이브리드층의 상에 가스 배리어층을 형성하기 위하여 아텍시스템사의 DC/RF 마그네트론 스퍼터기를 사용하여 Ar 가스를 50 sccm을 주입하고 5 mtorr의 압력 하에서 1000 Watt의 RF(13.56MHz) power로 10분간 증착하여 산화규소(SiOx, x=1-4의 정수) 박막을 증착하여 가스 배리어층을 형성하였다. SEM으로 관찰한 산화규소막의 두께는 100 nm이었다. 형성된 가스차단층 위에 다시 유-무기 하이브리드 조성물을 바 코팅한 후 90℃ 대류 오븐에서 5분간 용매를 제거하고 UV 경화한 후 150℃ 대류오븐에서 1시간 동안 열경화하여 제2의 유-무기 하이브리드층을 형성하였다.
또 다른 PET 필름 상에 위와 동일한 방법으로, 제1의 유-무기 하이브리드층, 가스 배리어층 및 제2의 유-무기 하이브리드층을 형성하였다.
위에서 제조된 2 개의 PET 필름에서 각 다층 구조가 형성되지 않은 PET 필름 면을 아크릴계 접착제를 이용하여 서로 접합하여 다층 플라스틱 기판을 제조하였다.
접합이 완료된 다층 플라스틱 기판에 대해서, 알파 스텝퍼로 측정한 제2의 유-무기 하이브리드층 두께는 0.5 ㎛이었다. AFM의 상온 태핑모드(tapping mode)로 측정한 제2의 유-무기 하이브리드층의 표면 거칠기는 50 마이크론 × 50 마이크론의 측정 면적에서 0.4 나노미터 이하이다.
위에서 제조된 실시예 1에 따른 기판은 평평한 바닥에 놓았을 때 굴곡이 없었다. 실시예 1의 플라스틱 기판에 대하여 표시장치용 기판으로서의 주요 요구물성인 광투과도, 산소 투과율, 수증기 투과율, 선팽창계수, 연필경도를 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 상기 각 물성측정 방법은 아래와 같으며 이하 모든 실시예와 비교예에 동일하게 적용하였다.
1) 광투과도: ASTM D1003에 근거하여 각각 Varian사의 UV-분광계를 사용하여 가시광선 영역인 380에서 780nm의 범위에서 측정하였다.
2) 산소투과율: MOCON사의 OX-TRAN 2/20을 사용하여 ASTM D 3985의 방법으로 상온에서 0%의 상대습도로 측정하였다.
3) 수증기 투과율: PERMATRAN-W-3/33을 사용하여 ASTM F 1249의 방법으로 100%의 상대습도로 상온에서 48시간 동안 측정하였다.
4) 선팽창계수: ASTM D696에 근거하여 열기계분석기(TMA; Thermomechnical Analysis)로 5gf의 응력하에서 분당 10℃로 승온하며 측정하였고, 연필경도는 200 g의 하중 하에서 ASTM D3363의 방법으로 측정하였다.
기재된 모든 물성치는 통계적인 대표성을 가질 수 있도록 최소한 5개 이상의 측정치에 대한 평균값을 나타내었다.
참고로 실시예 1에 쓰인 PET 필름자체의 산소, 수증기 투과율은 각각 25cc/㎡/day/atm, 4.5g/㎡/day이며, 선팽창계수는 22.4 ppm/K 이다.
실시예 2
경화제인 안하이드라이드(ANHYDRIDE)(MH700G, New Japan Chemical) 10 중량부를 추가로 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유-무기 하이브리드 조성물을 제조하였으며 동일한 구조의 다층 플라스틱 기판을 제조하였다. 제조된 다층 플라스틱 기판의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.
실시예 3
테트라에톡시실란 80중량부, 글리시독시프로필트리메톡시실란 10 중량부를 혼합한 후, 여기에 증류수 28 중량부, 에탄올 80중량부 및 HCl 0.04 중량부를 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유-무기 하이브리드 조성물을 제조하였으며 동일한 구조의 다층 플라스틱 기판을 제조하였다. 제조된 다층 플라스틱 기판의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.
실시예 4
콜로이달 실리카(MIBK-ST) 30중량부를 추가로 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유-무기 하이브리드 조성물을 제조하였으며 동일한 구조의 다층 플라스틱 기판을 제조하였다. 제조된 다층 플라스틱 기판의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.
실시예 5
금속알콕시드 [Al(OBu)3] 10 중량부를 추가로 투입하고, 증류수 10 중량부, 에탄올 30 중량부를 투입하며, 콜로이달 실리카(MIBK-ST) 30 중량부를 추가로 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유-무기 하이브리드 조성물을 제조하였으며 동일한 구조의 다층 플라스틱 기판을 제조하였다. 제조된 다층 플라스틱 기판의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.
비교예 1
가스차단층과 제2의 유-무기 하이브리드층을 PET 필름의 일면에만 형성하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다층 플라스틱 기판을 제조하였다. 제조된 다층 플라스틱 기판의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.
비교예 2
2장의 PET 필름을 합지한 구조 대신 1장의 PET 필름 양면에 제1의 유-무기 하이브리드층, 가스 배리어층 및 제2의 유-무기 하이브리드층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다층 플라스틱 기판을 제조하였다. 제조된 다층 플라스틱 기판의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다.
| 산소투과도a) (cc/㎡/day/atm) |
수증기 투과율b) (g/㎡/day) |
선팽창계수 (ppm/K) |
광투과도 (400nm) |
연필경도 (200gload) |
휨 정도 | |
| 실시예 1 | <0.003 | <0.003 | 20 | 88% | 4H | 없음 |
| 실시예 2 | <0.003 | <0.003 | 20 | 86% | 4H | 없음 |
| 실시예 3 | <0.003 | <0.003 | 16 | 88% | 5H | 없음 |
| 실시예 4 | <0.003 | <0.003 | 12 | 86% | 5H | 없음 |
| 실시예 5 | <0.003 | <0.003 | 8 | 88% | 6H | 없음 |
| 비교예 1 | <0.005 | <0.005 | 25 | 89% | 2H | 약간 |
| 비교예 2 | <0.005 | <0.005 | 25 | 89% | 2H | 약간 |
*제조된 다층 플라스틱 기판의 물성을 측정하여 표 1에 나타내었다. 표 1에서, a) 기기 측정 범위는 0.001 cc/㎡/day/atm이고, b) 기기 측정 범위는 0.001 g/㎡/day이다.
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5의 경우에는 비교예 1 및 2와 비교하여, 산소투과도, 수증기 투과도 및 선팽창계수가 낮고, 연필경도는 우수하며, 휨 현상 등의 변형도 되지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 광투과도 측면에서도 큰 차이를 보이지 않는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 광투과도를 저하시키지 않으면서, 낮은 선팽창 계수, 탁월한 치수 안정성에 따른 고온 열변형성의 개선 및 우수한 가스 차단성을 동시에 만족하는 다층 플라스틱 기판을 제공할 수 있다.
100, 100a, 100b: 다층 플라스틱 기판
110a, 110b: 플라스틱 필름
115a, 110b: 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층
120a, 120b: 가스 배리어층
125a, 125b: 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층
130: 접착층
110a, 110b: 플라스틱 필름
115a, 110b: 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층
120a, 120b: 가스 배리어층
125a, 125b: 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층
130: 접착층
Claims (17)
- 접합된 2장의 플라스틱 필름을 중심으로 양면에,
제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층;
가스배리어층; 및
제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층이 적층되고,
상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 및 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 중 적어도 한 층은,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 유기실란; 및
폴리카프로락톤, 폴리테트라하이드로퓨란, 에폭시 및 자일렌글라이콜로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 포함하는 조성물로 형성된 것을 특징으로 하는 다층 플라스틱 기판:
[화학식 1]
(R1)m-Si-X(4-m)
화학식 1에서, X는 서로 같거나 다를 수 있으며, 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 아실옥시, 알킬카보닐, 알콕시카보닐, 또는 -N(R2)2이고, 여기서 R2는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬이고,
R1은 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 아릴알킬, 알킬아릴, 아릴알케닐, 알케닐아릴, 아릴알키닐, 알키닐아릴 그룹, 할로겐, 치환된 아미노, 아마이드, 알데이드, 케토, 알킬카보닐, 카르복시, 머캅토, 시아노, 하이드록시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시카보닐, 설폰산, 인산, 아크릴옥시, 메타크릴옥시, 에폭시 또는 비닐기이고,
m은 1 내지 3의 정수이다. - 제 1 항에 있어서,
다층 플라스틱 기판은,
ASTM D696 조건에서 측정시 선팽창 계수가 20 ppm/K 이하이고, 200 g의 하중을 가하는 ASTM D3363 조건에서 연필경도가 4H 이상인 것을 특징으로 하는 다층 플라스틱 기판. - 제 1 항에 있어서,
화학식 1의 정의 부분에서,
산소 또는 -NR3(여기서 R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬)가 라디칼 R1과 Si 사이에 삽입되어 -(R1)m-O-Si-X(4-m) 또는 (R1)m-NR2-Si-X(4-m)의 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 다층 플라스틱 기판. - 제 1 항에 있어서,
제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 및 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 중 적어도 한 층은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속알콕시드를 더 포함하는 다층 플라스틱 기판:
[화학식 2]
M-(R4)z
화학식 2에서, M은 알루미늄, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 나타내며, R4는 서로 같거나 다를 수 있으며, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알콕시, 아실옥시 또는 하이드록시기이고, z는 3 또는 4의 정수이다. - 제 1 항에 있어서,
제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 및 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 중 적어도 한 층은 금속, 유리분말, 다이아몬드분말, 실리콘옥시드, 클레이, 칼슘포스페이트, 마그네슘포스페스트, 바리움설페이트, 알루미늄 프루오라이드, 칼슘실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 바리움실리케이트, 바리움카보네이트, 바리움히드록시드 및 알루미늄실리케이트로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 충진제; 용매; 및 중합촉매 중 적어도 하나를 더 포함하는 다층 플라스틱 기판. - 제 1 항에 있어서,
제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층과 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 각각의 두께가 0.1 내지 50 ㎛인 다층 플라스틱 기판. - 제 1 항에 있어서,
제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층과 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 표면 평탄도는 각각 0.1 내지 1.2 Ra인 다층 플라스틱 기판. - 제 1 항에 있어서,
가스 배리어층은 SiOx(여기서, x는 1 내지 4의 정수), SiOxNy(여기서, x 및 y는 각각 1 내지 3의 정수), Al2O3 및 ITO로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 무기물로부터 형성되는 다층 플라스틱 기판. - 제 1 항에 있어서,
가스 배리어층의 두께는 5 내지 1000 nm 범위인 다층 플라스틱 기판. - 제 1 항에 있어서,
2장의 플라스틱 필름은 각각의 두께가 10 내지 2000 ㎛인 다층 플라스틱 기판. - a) 플라스틱 필름의 한쪽 면에 유기 혹은 유기-무기 하이브리드 조성물을 코팅하고 경화하여 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을 형성하는 단계;
b) 상기 제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 상에 가스 배리어층을 형성하는 단계;
c) 상기 가스 배리어층 상에 유기 혹은 유기-무기 하이브리드 조성물을 코팅하고 경화하여 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층을 형성하여 다층 필름을 형성하는 단계;
d) 상기 a) 단계 내지 상기 c) 단계의 과정을 반복하여 상기 c) 단계와 동일한 구조의 다층 필름을 1종 더 제조하는 단계; 및
e) 상기 c) 단계 및 상기 d) 단계에서 제조한 각 다층 필름의 층이 형성되지 않은 각각의 플라스틱 필름 면을 서로 접합하여 대칭 구조를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 a) 단계 및 상기 c) 단계 중 적어도 한 단계에서 사용하는 유기-무기 하이브리드 조성물은, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 유기실란; 및
폴리카프로락톤, 폴리테트라하이드로퓨란, 에폭시 및 자일렌글라이콜로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 포함하는 조성물로 형성된 것을 특징으로 하는 다층 플라스틱 기판의 제조방법:
[화학식 1]
(R1)m-Si-X(4-m)
화학식 1에서, X는 서로 같거나 다를 수 있으며, 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 아실옥시, 알킬카보닐, 알콕시카보닐, 또는 -N(R2)2이고, 여기서 R2는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬이고,
R1은 서로 같거나 다를 수 있으며, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 아릴알킬, 알킬아릴, 아릴알케닐, 알케닐아릴, 아릴알키닐, 알키닐아릴 그룹, 할로겐, 치환된 아미노, 아마이드, 알데이드, 케토, 알킬카보닐, 카르복시, 머캅토, 시아노, 하이드록시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시, 탄소수 1 내지 12의 알콕시카보닐, 설폰산, 인산, 아크릴옥시, 메타크릴옥시, 에폭시 또는 비닐기이고,
m은 1 내지 3의 정수이다. - 제 11 항에 있어서,
화학식 1의 정의 부분에서,
산소 또는 -NR3(여기서 R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 12의 알킬)가 라디칼 R1과 Si 사이에 삽입되어 -(R1)m-O-Si-X(4-m) 또는 (R1)m-NR2-Si-X(4-m)의 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 다층 플라스틱 기판의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층, 및 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층 중 적어도 한 층은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속알콕시드를 더 포함하는 다층 플라스틱 기판의 제조방법:
[화학식 2]
M-(R4)z
화학식 2에서, M은 알루미늄, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 나타내며, R4는 서로 같거나 다를 수 있으며, 할로겐, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 알콕시, 아실옥시 또는 하이드록시기이고, z는 3 또는 4의 정수이다. - 제 11 항에 있어서,
유기-무기 하이브리드층 형성용 조성물은 금속, 유리분말, 다이아몬드분말, 실리콘옥시드, 클레이, 칼슘포스페이트, 마그네슘포스페스트, 바리움설페이트, 알루미늄 프루오라이드, 칼슘실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 바리움실리케이트, 바리움카보네이트, 바리움히드록시드 및 알루미늄실리케이트로 이루어진 그룹으로부터 1종 이상 선택되는 충진제; 용매; 및 중합촉매 중 하나 이상을 더 포함하는 다층 플라스틱 기판의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
제1의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층과 상기 제2의 유기 혹은 유기-무기 하이브리드층의 각각의 두께가 0.1 내지 50 ㎛인 다층 플라스틱 기판의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
e) 단계는 아크릴계 접착제를 이용하여 각각의 플라스틱 필름 면을 서로 접합하는 것을 특징으로 하는 다층 플라스틱 기판의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 다층 플라스틱 기판을 포함하는 전자장치.
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