KR101448897B1 - 정전기 방지 기능을 가진 ｌｅｄ 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판에 관한 것으로. 그 목적은 종래 폴리카보네이트계 광확산판에 비해 저렴한 생산단가를 가지면서도 사용후 재활용이 가능하고, 성형시 변형률이 적어 가공성이 좋고, 제조후에는 LED 광원의 열에 의한 광확산판 재질 변형률이 적고 투명도가 우수하면서도 광직진성이 좋고, 표면에 코팅된 PEDOT계 필름층에 의해 정전기에 의한 외부 오염물질의 고착을 방지할 수 있는 폴리프로필렌계 광확산판을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 폴리 프로필렌-1 헥센 공중합체와 실리카로 조성된 폴리프로필렌계 광확산 수지 조성물이 성형 가공된 폴리프로필렌계 광확산 수지판과; PEDOT, 폴리우레탄 바인더, 아이소프로필 알콜, 계면활성제, 글라이콜 용매로 조성된 PEDOT계 전도성 고분자 조성물이 폴리프로필렌계 광학산 수지판의 표면에 코팅되어 정전기 발생을 억제토록 형성된 PEDOT계 필름층;으로 구성된 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판을 발명의 특징으로 한다.

Description

정전기 방지 기능을 가진 ＬＥＤ 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판{Polypropylene-based light diffusion plate having anti static electricity for LED lighting}
본 발명은 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판에 관한 것으로, 자세하게는 저렴한 생산단가를 가지면서도 사용 후 재활용이 가능한 폴리프로필렌계 광확산수지판 표면에 정전기 발생을 억제하여 내오염성을 개선시킬 수 있는 PEDOT계 전도성 고분자 조성물을 박판 코팅시킨 필름층을 가진 폴리프로필렌계 광확산판에 관한 것이다.
최근 각국 정부, 지자체, 회사 및 가정 등은 날로 증가하고 있는 지구온난화 및 이상기온 현상을 발생시키는 온실가스의 배출량을 줄이기 위한 다양한 노력을 기울이고 있는데 그 중 한 분야가 조명분야이다.
일반적으로 조명에 사용되는 필라멘트 조명은 전력소모율이 높아 이산화탄소배출량이 높고, 이에 비해 전력소모량이 낮은 형광등 역시 수은을 이용한 광원이어서 환경 친화적이지 않다는 구조적 문제점이 있다.
이 때문에 종래 조명기구에 비해 자연광에 가깝고 에너지 절감효과가 뛰어나며 중금석을 사용하지 않아 친환경적이면서 반영구적으로 사용할수 있는 LED 조명이 최근 각광 받고 있다.
LED(발광다이오드)는 P형과 N형 반도체의 접합구조를 가지고, 전압을 인가하면 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드갭(band gap)에 해당하는 에너지의 빛을 방출하는 광전자 소자이며, 반응시간이 일반 전구에 비하여 빠르고, 소비전력이 20% 수준으로 낮아 최근 들어 고효율의 조명수단을 포함하여 다방면에 활용되고 있다.
보다 상세히 살펴보면 조명용LED는 양쪽 전극에서 주입된 정공과 전자가 발광층에서 합쳐져 들뜬 에너지상태인 여기자를 생성하고 여기자가 안정되며 내놓는 빛을 이용한 발광체로 발광물질의 종류에 따라 유기LED와 무기LED로 분류할 수 있다.
유기LED는 발광물질을 유기분자 혹은 고분자로 사용한 LED를 말하며 색이 아름다우며 점, 선, 면광원으로 사용될수 있으나 현재 연구수준에선 청색계열의 연구가 미비하고 생산기반시설이 비싸며 공기에 의한 산화로 인하여 수명이 짧은 단점을 가지고 있어 조명으로 사용하기엔 적절하지 못하다.
이에 반해 무기 LED는 발광물질을 무기물로 사용하여 빛의 직진성이 심하며 열을 발생시킨다는 단점이 있으나 빛이 밝으며 생산이 쉽고 다양한 색의 표현이 가능하여 조명으로 이용하기 위한 연구가 진행되어 현재 무기LED를 이용한 광원이 개발, 발전되고 있다. 무기 LED를 이용하면 도 5와 같이 RGB색상을 조합(a)하거나 청색광이나 자외선을 형광판에 쬐는 방식(b),(c)으로 백색광이 나오는 LED를 구현할수 있다.
이와 같은 발광다이오드를 이용한 투광조명은 다수의 고휘도 발광다이오드를 기판에 조립한 모듈을 광원으로 활용하고 있으며, 간판이나 구조물 조명, 다리 등의 조명수단으로 활용되고 있는 실정이다.
다만, 이러한 고휘도 발광다이오드는 직진성이 강하고 휘도가 높기 때문에 적절한 광확산판을 사용하여 조명의 휘도를 줄이게 된다. 광확산판은 LED 광원의 모습을 은폐하는 동시에 광원으로부터 나오는 빛을 균일하게 확산시키는 용도로 사용된다.
도 6은 일반적인 광확산판의 작용 및 적용사례를 보인 예시도인데, LED조명은 다수의 고휘도 발광 다이오드를 기판에 조립한 모듈을 사용하여 광원으로 사용한다. 고휘도 발광다이오드는 직진성이 강하고 휘도가 높기 때문에 적절한 광확산판(시트)를 사용하여 균일한 조도를 형성하여 밝은 색상을 형성하여 조명으로 사용한다. 그 이유는 LED 조명에 사용된 발광다이오드는 산란된 빛이 그대로 눈에 들어와 기판의 패턴이 상부 그림처럼 그대로 보이게 되는데 이러한 기판에 하부 그림처럼 광확산판을 사용하면 하부 그림과 같이 패턴이 사라진 균일한 조명을 얻을 수 있게 된다.
최근 광확산판의 성능을 높이기 위한 연구가 여러방면으로 진행되고 있다.
국내 기업 중 제일모직은 LCD컴퓨터 백라이트 유닛 제작 업체로 빛을 확산시키는 광확산판의 일면이나 양면에 합성수지계 접착제에 아주 작은 미크론 단위의 크기를 갖는 빛 확산입자를 혼합하여서 만든 빛 확산제를 일정간격으로 인쇄하여 형성되는 빛 확산층을 두게하는 기술을 연구하고 있는데, 이러한 기술은 상기 빛 확산층을 커버하도록 형성되며, 노출표면은 요철면으로 형성되어 빛을 굴절 및 반사시키는 엠보싱층을 더 포함하여 구성된다.
또 다른 국내 기업인 지엘코리아는 엘이디 조명장치의 광원으로부터 방출된 빛이 확산판에 형성된 소정 크기를 갖는 기포에 의해 산란되면서 퍼지게 되는 확산판을 제조하는 기술을 가지고 있는데, 이러한 광확산판은 조망장치 전면에 걸쳐 균일하게 빛이 확산됨과 더불어, 우수한 광투과도를 제공하는 효과가 있다.
또한 외국 기업으로 테이진(teijin)은 노트북 컴퓨터나 공간절약형의 데스크탑 PC의 보급, 액정 디스플레이의 큰 화면화에 수반해, LCD용 광확산판을 제작 판매하고 있는데, 이러한 확산판은 높은 면 휘도(輝度)나 넓은 시야각을 가져 그 기능을 발휘시키기 위해서는 확산판의 기재 필름에도 종래품 이상의 광선 투과율, 광확산성 및 광선의 주축을 필름면과 수직 방향을 향하는 기능이 요구를 충족시키는 제품을 연구하여 돌기를 부여하기 위한 수지 비즈와의 접착성의 개량을 목표로 높은 광확산성이 있어 시야각을 크게 할 수 있는 광확산 시트용 필름의 실현을 목표로 하여 종래품보다 뛰어난 광확산성, 전광선 투과율을 겸비해, 가시광선 영역에서 반사율의 작은 수지를 개발하고 있다. 특히 광확산판의 뒷 편면에는 다수개의 돌기가 설치되어 도광판과의 스팅 현상을 방지해, 액정 디스플레이의 휘도 얼룩짐을 억제하는 구조가 큰 특징이다.
상기와 같은 다양한 방식의 광확산 기술이 연구되고 있지만 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 광확산판 재질은 폴리카보네이트(Polycarbonate)계 광확산판이다. 이러한 폴리카보네이트 소재는 광투과성, 내충격성, 내열성등이 뛰어나기 때문에 광범위하게 사용되고 있다.
하지만 폴리카보네이트계 광확산판은 가격이 비싸고 재활용이 불가능하다는 단점과, 제조과정에서 다량의 CO2가 발생하여 지구온난화의 주범인 온실가스가 발생하여 환경오염을 유발한다는 문제점이 있어 점차 폴리카보네이트계 광확산판의 대체재가 필요한 실정이다.
한편, 상기와 같은 폴리카보네이트(Polycarbonate)계 광확산판을 포함한 대부분의 광확산판에서 발생하고 있는 또 다른 문제점으로는 광확산판 표면에 발생하는 정전기에 의한 외부 오염물질의 고착 때문에 내오염성에 취약하다는 단점이 있어서 광확산판의 성능을 아무리 좋게 개선시켜도 시간이 경과할수록 오염도가 높아져 광확산 성능이 저하된다는 문제점이 있다.
국내 특허공개공보 공개번호 10-2007-0108021(2007.11.08.) 국내 특허공개공보 공개번호 10-2009-0020704(2009.02.26.) 국내 특허공개공보 공개번호 10-2005-0070289(2005.07.07.) 국내 등록특허공보 등록번호 10-0518909(2005.09.27.) 국내 등록특허공보 등록번호 10-0755010(2007.08.28.) 국내 실용신안공개공보 공개번호 20-2010-0007480(2010.07.22.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 종래 폴리카보네이트계 광확산판에 비해 저렴한 생산단가를 가지면서도 사용후 재활용이 가능하고, 성형시 변형률이 적어 가공성이 좋고, 제조후에는 LED 광원의 열에 의한 광확산판 재질 변형률이 적고 투명도가 우수하면서도 광직진성이 좋고, 표면에 코팅된 PEDOT계 필름층에 의해 정전기에 의한 외부 오염물질의 고착을 방지할 수 있는 폴리프로필렌계 광확산판을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 폴리 프로필렌-1 헥센 공중합체와 실리카로 조성된 폴리프로필렌계 광확산 수지 조성물이 성형 가공된 폴리프로필렌계 광확산 수지판과;
PEDOT, 폴리우레탄 바인더, 아이소프로필 알콜, 계면활성제, 글라이콜 용매로 조성된 PEDOT계 전도성 고분자 조성물이 폴리프로필렌계 광학산 수지판의 표면에 코팅되어 정전기 발생을 억제토록 형성된 PEDOT계 필름층;으로 구성된 것을 특징으로 하는 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판을 제공함으로써 달성된다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 PEDOT계 전도성 고분자 조성물은 PEDOT(폴리 3-4 에틸렌디옥시티오펜) 59 ~ 70 wt%, 폴리우레탄 바인더 12 ~ 15wt%, 아이소프로필 알콜 15 ~ 25wt%, 계면활성제 0.1 ~ 0.3wt%, 글라이콜 용매 1.5 ~ 2 wt%로 조성될 수 있다.
또한 바람직한 실시예로, 상기 PEDOT계 전도성 고분자 조성물은 0.8 ~ 1.3% 용액으로 희석 후, 폴리프로필렌계 광확산 수지판 표면의 적어도 어느 일측면에 박판 코팅시킬 수 있다.
또한 바람직한 실시예로, 상기 폴리프로필렌계 광확산 수지판의 두께는 1 ~ 5mm로 형성하고, PEDOT계 필름층의 두께는 0.09 ~ 0.1mm로 형성할 수 있다.
또한 바람직한 실시예로, 상기 계면활성제는 4-(1,1,3,3-Tetramethylbutyl)phenyl-polyethylene glycol을 사용할 수 있다.
또한 바람직한 실시예로, 상기 글라이콜 용매는 에틸렌 글라이콜을 사용할 수 있다.
또한 바람직한 실시예로, 상기 폴리프로필렌계 광확산 수지 조성물은 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체 95 ~ 98 wt%, 실리카 2 ~ 5wt%로 조성될 수 있다.
또한 바람직한 실시예로, 상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체는 하기 화학식에 따라 프로필렌 (X) 90 ~ 95%, 1-헥센(Y) 5 ~ 10wt%로 조성되어 공중합될 수 있다.
[화학식]
Figure 112013045683037-pat00001
또한 바람직한 실시예로, 상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체는 평균 중량분자량이 25,000 ~ 30,000인 것을 사용할 수 있다.
또한 바람직한 실시예로, 상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체는 용융온도(Tm) 109.5 ~ 151.7℃이고, 결정온도(Tc)는 109.5 ~ 116.8℃인 것을 사용할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 정전기 방지 기능을 가지는 폴리프로필렌계 광확산판은 종래 광확산판의 주된 재료로 사용되는 폴리카보네이트 재질 대비 80% 정도의 비용이 소용되어 저렴하게 생산할수 있어 제조단가를 획기적으로 낮출수 있어서 LED가 사용되는 휴대폰, BLU를 제외한 상업용 조명, 주거용 조명, 도로 조명, 자동차 헤드라이트 등 전체 LED 시장의 절반에 육박하는 분야에 적용 가능하다는 경제적인 장점과,
또한 사용후에는 폴리카보네이트와 달리 재활용이 가능하고, 제조시 온실가스를 절 발생하여 친환경적이라는 장점과,
또한 용융점과 재결정온도가 높아 성형시 변형률이 적어 가공성이 좋고, 제조후에는 LED 광원의 열에 의한 광확산판 재질 변형률이 적고 투명도가 우수하면서도 폴리카보네이트에 비해 광 직진성이 좋아 폴리카보네이트를 대체할 수 있다는 장점과,
또한 폴리프로필렌계 광확산 수지판 표면에 PEDOT계 전도성 고분자 조성물이 박막 코팅되어 정전기 발생을 방지하여 먼지 등의 이물질 고착을 방지함으로써 LED 조명기구의 유지보수 비용과 시간을 절감할 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 폴리프로필렌계 광확산판을 보인 예시도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체의 분자식이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 광확산 수지 조성물 고분자칩을 압출 성형하는데 사용되는 이축압출기를 보인 예시도이고,
도 4는 본 발명의 광확산판 및 비교대상 광확산판의 조도 측정 조건을 보인 예시도이고,
도 5는 백색 LED의 구현방식을 보인 예시도이고((a) RGB 색상 조합, (b)청색LED+형광체, (C)자외선LED+형광체),
도 6은 일반적인 광확산판의 작용 및 적용사례를 보인 예시도이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 폴리프로필렌계 광확산판을 보인 예시도이다. 도시된 바와 같이 폴리프로필렌계 광확산판은 폴리프로필렌계 광확산 수지판(1)과, 폴리프로필렌계 광학산 수지판 표면의 적어도 어느 일측면에 박판 코팅되어 정전기 발생을 억제하는 PEDOT계 필름층(2)으로 구성된다.
상기 폴리프로필렌계 수지판(1)을 구성하는 수지 조성물은 폴리 프로필렌-1 헥센 공중합체 95 ~ 98 wt%, 실리카 2 ~ 5wt%로 조성하되, 상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체는 프로필렌 90 ~ 95%, 1-헥센 5 ~ 10wt%로 조성되어 공중합된 것을 사용한다.
상기와 같은 조성한 이유는 프로필렌과 1-헥센을 공중합함으로써 좋은 열 안정성과 광확산판에 사용되기 좋은 투명도를 가지게 되며, 또한 이러한 공중합체의 광확산이 효과적으로 일어나게 하기 위하여 광확산제로 실리카(SiO2)를 첨가하였다.
상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체는 도 2에 도시된 화학식에 따라 프로필렌 (X) 90 ~ 95%, 1-헥센(Y) 5 ~ 10wt%로 조성되어 공중합된 것이다.
폴리프로필렌-1 헥센 공중합체는 단량체(Monomer)인 프로필렌과 1 헥센이 중합된 평균 중량분자량 25,000 ~ 30,000의 공중합체이다. 도면 중 X는 Propylene + 1-Hexene 공중합체에서 프로필렌(Propylene)이 90 ~ 95wt%의 중량%를 가지도록 투입되는 모노머 수이고, Y는 1-헥센(1-Hexene)이 5 ~ 10wt%가 가지도록 투입되는 단량체(monomer) 수이다.
상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체의 중합방법은 기본적으로 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 중합 공정으로 미쯔이 공법이며, 현탁중합(Slurry 중합) 중의 한 종류이다. 중합시 촉매는 배위중합 촉매를 사용하므로, 개시제는 없으며, 공촉매로 알킬알루미늄을 사용하며, 대표적으로 Tri-ethyl Aluminum을 사용하고 폴리프로필렌 중합시 조촉매로 외부전자주게(Donor)를 사용하며, CMDMS(Cyclo Methyl Di-Methyl Silane)을 사용하여 중합한 것으로 한 실시예에 따라 촉매 1당, 공촉매 10~15g, 조촉매 1~2g 사용하였다.
상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체를 구성하는 프로필렌은 기존 광확산재인 폴리카보네이트가 재활용이 불가능하고, 제조과정에서 다량의 CO2가 발생하는 문제점을 해결하기 위한 것으로 폴리카보네이트보다 저가이며, 재활용이 가능하고 공중합체 제조시나 광확산판 성형시 녹는점과 재결정 온도가 높아 LED 광원 또는 기타 광원에 의한 변형률이 낮아 광확산판의 내구성이 좋기 때문에 폴리카보네이트를 대체하기 위해 사용되는 물질이다.
또한 1-헥센(1-Hexene)은 LED조명용 광확산 수지의 투명도를 증진시키기 위해 사용되는 물질이다. 즉, 프로필렌만으로는 투명도가 약하여 광확산판으로 사용하기에 문제가 있어 이를 해결하기 위해 1-Hexene을 프로필렌과 공중합체를 형성하였다.
상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체에서 1 헥센의 혼합비율을 한정한 이유는 5 wt% 미만일 경우, 비록 열안정성은 우수하지만 매우 불투명하기 때문에 조도가 좋지 않았으며, 10 wt%를 초과할 경우 너무 투명하여 LED 조명이 비칠 수 있는 단점이 있고, 열안정성 또한 매우 떨어지기 때문이다.
열안정성은 광확산판 제조시 LED광에 의한 열변형과 관계있는 것으로 열에 약하면 쉽게 변형되어 내구성이 떨어져 상품 가치가 없어지게 되고, 변형에 따른 LED 광원의 불균일한 투과가 이루어져 광 직진성이 떨어지므로 중요한 요소이다.
예시적으로 프로필렌이 95wt%이고, 1 헥센이 5wt% 조성시 용융온도(Tm)는 158.7℃이고 결정온도(Tc)는 116.8℃이다. 또한 프로필렌이 90wt%이고, 1 헥센이 10wt% 조성시 용융온도(Tm)는 151.7℃이고 결정온도(Tc)는 109.5℃로 용융온도는 150℃보다 높고, 결정온도 역시 109℃보다 높아 최소한 100℃까지는 딱딱한 고체 상태를 유지하고 있어서 LED광원 열에 장시간 노출시에도 쉽게 변형되지 않아 되어 상품 가치가 높게 된다. 참고로 종래 광확산재로 사용되는 폴리카보네이트의 용용온도는 140℃ 까지이다. 따라서 본 발명의 용융온도가 훨씬 높음을 알 수 있다.
또한 상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체와 실리카 간의 혼합비율을 한정한 이유는 2 wt%보다 적을때는 너무 조도가 높아 광확산 성질이 떨어지고, 5wt% 보다 많으면 종래 광확산재인 폴리카보네이트보다 조도가 너무 낮아 LED 조명의 성능을 떨어뜨리기 때문이다.
즉, 광확산재는 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체에 첨가되는 실리카가 증가할수록 LED 광원에 대한 은폐성과 확산성을 좋아지게 되지만 동시에 빛의 투과율(전광선투과율)이 낮아지게 되어 휘도의 감소를 가져오고, LED 광원의 수가 많아짐에 따라 광원으로부터 나오는 자외선에 의해 확산판에 황변이 발생하기도 한다. 또한 상기한 수치 구간을 벗어나면 열적 안정성이 나빠져 너무 높아서 제조비가 올라가거나 너무 낮아 광확산판 제조후 재질 변경에 따른 굴곡 등으로 광확산 능력이 떨어져 내구성이 저하 되기 때문이다.
상기 광확산제인 실리카는 광확산 수지의 광 확산이 효과적으로 일어나도록 하기 위해 사용되는 물질이다. 이러한 실리카는 분말 형태로 폴리프로필렌 1 헥센 공중합체 분말과 혼합된다. 실리카는 상용의 실리카를 사용하면 된다.
한편, 상기 폴리프로필렌계 광학산 수지판 표면의 적어도 일측면에 박판 코팅되어 정전기 발생을 억제하는 PEDOT(폴리 3-4 에틸렌디옥시티오펜)계 필름층(2)을 구성하는 전도성 고분자 조성물은 PEDOT(폴리 3-4 에틸렌디옥시티오펜) 59 ~ 70 wt%, 폴리우레탄 바인더 12 ~ 15wt%, 아이소프로필 알콜 15 ~ 25wt%, 계면활성제 0.1 ~ 0.3wt%, 글라이콜 용매 1.5 ~ 2 wt%로 조성된다.
상기 PEDOT(폴리 3-4 에틸렌디옥시티오펜)은 전도성 고분자물질로 투광성이 있어서 폴리프로필렌계 광확산판에 사용시 광확산 성능을 저하시키지 않으면서도 정전기 방지 효과를 가질 수 있는 고분자 물질이다. 혼합비율을 한정한 이유는 59wt% 미만일 경우는 저항이 107 이상 증가하여 대전 방지 효과를 내지 못하는 단점이 있고, 70wt%를 초과할 경우에는 PEDOT의 농도가 짙어짐에 따른 광 투과도가 낮아져 기존 빛 보다 어둡게 나타나는 단점을 보이기 때문이다.
상기 폴리 우레탄 바인더는 상기 폴리프로필렌계 광확산 수지판에 PEDOT계 필름층을 코팅시 함께 조성된 PEDOT 고분자의 분산성을 향상시켜 주고 기질(폴리프로필렌계 광확산판 수지)과의 밀착성을 증가시켜 준다. 혼합비율을 한정한 이유는 12wt% 미만일 경우는 폴리프로필렌계 광확산 수지판과 전도성 고분자 필름층인 PEDOT 계 필름층 사이의 밀착성이 감소하며, PEDOT의 분산도가 낮아 뭉치는 현상을 초래하게 되는 문제점이 있고, 15wt%를 초과할 경우에는 분산은 잘되지만 전도성 고분자인 PEDOT 고분자간의 상호작용을 교란시켜 전도도가 떨어지기 때문이다.
상기 아이소프로필 알콜(Isopropyl Alcohol)은 폴리우레탄 바인더를 적용시키기 위해 사용된다. 혼합비율을 한정한 이유는 15wt% 미만일 경우는 분산성 및 기질과의 밀착성이 감소되는 문제점이 있고, 25wt%를 초과할 경우에는 폴리우레탄 바인더의 표면저항을 증가시키는 문제점이 있기 때문이다.
상기 계면활성제로는 4-(1,1,3,3-Tetramethylbutyl)phenyl-polyethylene glycol solution/(상품명: Triton X 100)을 사용한다. 이러한 계면활성제는 PEDOT계 필름층을 형성하는 코팅 조성물의 용액 안정성과 고른 분산성을 향상 시켜주기 위해 사용되는 것으로, 혼합비율을 한정한 이유는 0.1wt% 미만일 경우 PEDOT 전도성 고분자와 용매인 에틸렌 글라이콜과 아이소프로필 알콜 사이에 분산성이 줄어들어 PEDOT 고분자의 뭉침 현상이 발생하고 0.3wt%를 초과할 경우에는 PEDOT(폴리 3-4 에틸렌디옥시티오펜)계 필름층(2)을 형성하는 조성물 용액의 최적 물성치보다 못한 물성 변화를 가져오기 때문이다.
상기 글라이콜 용매는 비점이 197℃인 고비점 용매로 본 발명에서는 에틸렌 글라이콜(Ethylene glycol)을 사용한다. 이러한 글라이콜 용매는 저항을 감소시켜 전도도를 향상시키는 위한 작용을 위해 사용되는 것으로, 1.5wt% 미만일 경우에는 저항이 증가하여 전도도가 감소하게 되고, 2 wt%를 초과하게 되면 오히려 전도성 고분자의 전자 이동을 방해하여 전도도를 감소시키기 때문이다.
이하에서는 폴리프로필렌계 광확산 수지판과 PEDOT계 필름층을 형성하여 본 발명의 한 실시예에 따른 폴리프로필렌계 광확산판을 제조하는 방법을 살펴본다.
먼저, 상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체와 실리카가 혼합된 광확산 수지 판을 제조하는 방법을 살펴본다.
광확산 수지판은 일반적으로 중합된 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체를 압출 성형법 또는 사출 성형법이 사용된다. 바람직하게는 사출 성형법을 이용하는 편이 성형품인 광확산 수지판의 치수정밀도가 우수하고, 생산성이 높기 때문에 외형 가공 비용의 저감도 꾀할 수 있다.
압출 또는 사출 성형된 한 실시예에 따른 폴리프로필렌계 광확산 수지판의 두께는 1 ~ 5mm의 범위가 되도록 성형하는 것이 바람직하다. 두께가 1mm 이하이면 LED광의 세기가 너무 강해 광확산 능력을 저하시킬 수 있고, 또한 광확산 수지판의 강도가 약화되어 내구성이 떨어질 수 있다는 문제점이 있고, 5mm 이상이면, 오히려 광투과도를 떨어뜨리기 때문에 LED 광원의 높은 휘도를 얻기 힘들기 때문이다.
광확산 수지판의 형태는 필요에 따라 평판형, 튜브형 또는 돔형 등을 포함한 다양한 형상으로 제조할 수 있다.
상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체의 중합방법은 기본적으로 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 중합 공정으로 미쯔이 공법이며, 현탁중합(Slurry 중합) 중의 한 종류이다. 중합시 촉매는 배위중합 촉매를 사용하므로, 개시제는 없으며, 공촉매로 알킬알루미늄을 사용하며, 대표적으로 Tri-ethyl Aluminum을 사용하고 폴리프로필렌 중합시 조촉매로 외부전자주게(Donor)를 사용하며, CMDMS(Cyclo Methyl Di-Methyl Silane)을 사용하여 중합한 것으로 한 실시예에 따라 촉매 1당, 공촉매 10~15g, 조촉매 1~2g 사용하였다.
상기와 같이 1 ~ 5mm 두께를 가지게 성형된 폴리프로필렌계 광확산 수지판이 준비되면, 그 위에 본 발명에 따라 조성된 PEDOT계 전도성 고분자 조성물을 0.3 ~ 1.3% 용액으로 희석 후, 폴리프로필렌계 광확산판의 바깥쪽 또는 양측에 바코팅하여 얇은 두께(0.09 ~ 0.1mm)의 투명한 막인 PEDOT계 필름층을 형성한다.
PEDOT계 필름층이 형성되면 정전기 발생을 억제하여 내 오염성을 증가된 저렴한 생산단가를 가지면서 재활용 가능하고, 온실가스 배출이 적은 친환경적 광확산판이 제조된다.
또한 상기와 같이 본 발명에 따른 정전기 방지 기능을 가지는 폴리프로필렌계 광확산판이 준비되면 이를 LED등기구에 적용하면 된다. 이때 LED 등기구 형태로는 천장 조명기구 또는 벽면조명기구 등 모든 LED 등기구에 적용할 수 있다.
즉, 생산자의 용도에 맞게 디자인된 조명기구 프레임에 LED 광원(램프)을 설치하고 이 광원과 일정 간격 이격된 지점에 본 발명에 따른 폴리프로필렌계 광확산판을 설치하면 LED 조명기구가 완성된다. 이와 같은 LED 조명기구는 LED 광원의 열에 의한 광확산판 재질 변형률이 적고 투명도가 우수하면서도 폴리카보네이트에 비해 광 직진성이 좋아 폴리카보네이트를 대체할 수 있으며, 더욱이 정전기 발생을 방지하여 먼지 등의 이물질이 표면에 고착되는 것을 방지하게 되어 LED 광원이 시간이 지나도 처음 설치시와 차이가 나지 않는 밝기를 제공할 수 있어서 LED 조명기구의 유지보수 비용과 시간을 절감할 수 있게 된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.
(실시예 1) - Propylene+1-Hexene Copolymer (PP1H)
중합은 공중합으로 두개의 단량체를 반응기 내에 프로필렌 95wt%, 1-Hexene 5wt%의 비율로 중합될 수 있는 조건으로 공급(Feed)한 후 중합하여 폴리프로필렌 수지(고분자) 내에 Hexene 함량이 5wt%가 공중합된 형태로 얻어진다. 중합된 분자식 형태는 도 1과 같다.
이와 같이 공중합된 Propylene95wt%+1-Hexene5wt%(이하 'PP1H-1'라 함)의 용융온도(Tm)는 158.7℃이고 결정온도(Tc)는 116.8℃로 측정되었다.
(실시예 2) Propylene90wt%+1-Hexene10wt% (PP1H-2)
중합은 공중합으로 두개의 단량체를 반응기 내에 프로필렌 90wt%, 1-Hexene 10wt%의 비율로 중합될 수 있는 조건으로 공급(Feed)한 후 중합하여 폴리프로필렌 수지(고분자) 내에 Hexene 함량이 10wt%가 공중합된 형태로 얻어진다. 중합된 분자식 형태는 도 1과 같다.
이와 같이 공중합된 Propylene90wt%+1-Hexene10wt%(이하 'PP1H-2'라 함)의 용융온도(Tm)는 151.7℃이고, 결정온도(Tc)는 109.5℃로 측정되었다.
(실시예 3) 열안정성과 투명도
상기 실시예 1, 2와 같은 방법으로 Propylene + 1-Hexene Copolymer를 합성한 후, 열안정성과 투명도를 측정하였다.
Figure 112013045683037-pat00002
열안정성(1 매우불안정 ~ 5 매우안정) 투명성(1 매우투명 ~ 5 매우 불투명)
상기 표 1과 같이 1-Hexene의 함량이 5 wt% 미만이었을 경우, 열안정성은 우수하지만 매우 불투명하기 때문에 조도가 좋지 않았으며, 10 wt%를 초과할 경우 너무 투명하여 LED 조명이 비칠 수 있는 단점이 있었고, 열안정성 또한 매우 떨어짐을 확인하였다.
(실시예 4) 조도 측정
상기 실시예 1, 2와 같은 방법으로 Propylene + 1-Hexene Copolymer를 합성한 후, 광확산제인 실리카를 이용 압출기 내에서의 열을 가하여 물리적인 혼합을 통하여 고분자 칩이 제조하였다. 고분자 제조칩은 도 3과 같은 이축압출기를 사용하여 제조된다. 도시된 Twin Screw Extruder는 BAUTEK社 제품으로 20A , L/D는 40 사용하였다. 보통 200℃ 정도에서 진행하지만 확산성을 높이기 위하여 230℃에서 혼합(블랜딩)하여 제조하였다.
이후 Propylene 95wt% + 1-Hexene 5wt%(PP1H 5wt%)와 Propylene 90wt% + 1-Hexene 10wt%(PP1H 10wt%)를 선택하여 조도 측정을 수행했다. 이때 비교예로 종래 광확산재로 사용되는 폴리카보네이트와 실리카(광확산제)가 포함되지 않은 순수 폴리프로필렌과 본 발명의 수치 조건을 벗어나는 실리카 함량도 함께 측정하였다.
도 4는 실시예 4에서 이용한 본 발명의 광확산 수지판 및 비교대상 광확산판의 조도 측정 조건을 보인 예시도로, 도면에서 A=35mm B=460mm 직경 50mm 조건, LED 200lx에서 측정을 진행하였다. 도면 중 A는 LED 광원이고, B는 조도 센서이고, 직경은 가운데 광확산 수지판이 장치되는 판의 가운데 뚫린 관통홀의 직경을 말한다.
Figure 112013045683037-pat00003
Figure 112013045683037-pat00004
비교예로 쓰인 폴리카보네이트는 [O-R-O-CO]n 형태 고분자로 디옥시화합물과 탄산아릴 등을 원료로써 합성한 신형의 열 가소성 수지이다. 폴리카보네이트는 내열성, 내 노화성이 우수하고 충격에 극히 강해 금속을 대신하는 것으로서 주목받고 있다. 특히 고온에서나 저온에서나 매우 강하며 열 안정성이 우수해 140℃ 까지 견디며, 저온강도도 우수해 -100℃ 이하에서도 강도가 변하지 않으며 내후성이 우수해 가혹한 직사일광, 풍우, 기온변화에도 견딘다. 투명도가 광택을 가지며, 성형수축율이 작고 장기사용중의 시간에 따른 변화도 적다.
하지만 재료의 단가가 비싸고 재활용이 불가능 하다는 치명적인 단점이 있어서 본 발명 폴리프로필렌계 광확산 수지 조성물로 대체하여 실험하였다.
실험결과 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체와 광학산제로 이루어진 본 발명에 따른 광확산 수지 조성물은 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체의 Tm인 151.7℃~ 158.7℃ 보다 높은 160 ~ 161℃의 Tm값을 가지며, PC보다 열적으로 우수한 것을 알 수 있었다.
또한 폴리프로필렌의 투명도를 위하여 1-Hexene과의 공중합체를 형성하였고, 이를 LED조명용 광확산판으로 활용하기 위하여 실리카를 함량별로 상기 표 2, 3과 같이 블랜딩 한 결과, PP1H-2, 실리카 2wt%일 때 가장 좋은 조도를 나타내었지만, PP1H-1보다 열적인 안정성 면에서 조금 떨어짐을 보였다. 여기서 본 발명의 수치한정 구간인 5wt%까지는 폴리카보네이트보다 좋은 조도를 보였다.
또한 PP1H-1, 실리카 2%일 때 좋은 조도를 나타내었으며, 열안정성이 PP1H-2보다 뛰어나고, 여기서 본 발명의 수치한정 구간인 5wt%까지는 폴리카보네이트보다 좋은 조도를 보였다.
이로부터 본 발명의 광확산 수지판은 종래 폴리카보네이트 광확산판과 비교시 조명용 광확산판으로 사용하기 좋은 투명도를 가졌음을 알 수 있다.
이하 실시예는 상기 본 발명에 따른 폴리프로필렌계 광확산 수지판에 PEDOT계 전도성 고분자 조성물을 바코팅하여 완성된 광확산판의 여러 물성 실험을 보인 실시예이다. 이하 실시예들은 비교예로 기존에 사용되고 있는 PC(폴리카보네이트)계 광확산판을 사용하였고, 이로부터 본 발명에 따른 광확산수지판에 전도성 고분자 조성물인 PEDOT계 전도성 고분자 조성물을 바 코팅시의 대전 방지 효과를 알 수 있다. 실험 방법은 전도성 고분자인 PEDOT계 고분자 조성물로부터 1% 희석 용액을 만들고, 광확산수지판 위에 바 코팅을 진행하여 얇은 두께의 투명한 막을 만든 후 다음과 같은 데이터를 측정하였다.
(실시예 5)
Figure 112013045683037-pat00005
상기 표 4에서 PP는 비교예로 사용된 일반적인 PC(폴리카보네이트)광확산판이고, PP 2%는 본 발명의 폴리프로필렌계 광확산 수지판 중 실시예 4의 표2에 개시된 실리카 2%일 때의 광확산수지판에 전도성 고분자 조성물인 PEDOT(1%)계 조성물을 PEDOT 60wt%. Polyurethane Binder 13wt%, Ethylene glycol 1.9wt%, Isopropyl Alcohol 25wt%, 4-(1,1,3,3-Tetramethylbutyl)phenyl-polyethylene glycol solution 0.1 wt%로 조성한 것을 바 코팅한 광확산판을 이용한 실시예이다.
또한 PP 5%는 본 발명의 폴리프로필렌계 광확산 수지판 중 실시예 4의 표2에 개시된 실리카 5%일때의 광확산수지판에 전도성 고분자 조성물인 상기와 같이 조성한 PEDOT(1%)계 조성물을 바코팅한 광확산판을 이용한 실시예이다.
상기 표 4의 PC와 PP는 기본적으로 전류가 통하지 않는 부도체이다. 하지만 그 위에 본 발명에 따른 PEDOT(1%)계 전도성 고분자 조성물 희석액을 코팅하였더니 저항 값이 낮아지는 것을 볼 수 있었다. 이 결과를 보아 대전 방지 효과를 나타낼 수 있다는 것을 알 수 있다.
(실시예 6)
Figure 112013045683037-pat00006
상기 표 5에서 보는 바와 같이 광확산수지판에 전도성 고분자 조성물인 PEDOT(1%)계 조성물을 코팅시 광투과율의 변화가 적음을 알 수 있어서, 광확산수지판의 물성 저하가 적음을 알 수 있다.
(실시예 7)
Figure 112013045683037-pat00007
상기 표 6에서 보는 바와 같이 흐림도의 경우 코팅 전과 후의 차이가 거의 없음을 알 수 있고, 매우 좋은 투명도를 갖고 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (10)

  1. 폴리 프로필렌-1 헥센 공중합체와 실리카로 조성된 폴리프로필렌계 광확산 수지 조성물이 성형 가공된 폴리프로필렌계 광확산 수지판과;
    PEDOT, 폴리우레탄 바인더, 아이소프로필 알콜, 계면활성제, 글라이콜 용매로 조성된 PEDOT계 전도성 고분자 조성물이 폴리프로필렌계 광학산 수지판의 표면에 코팅되어 정전기 발생을 억제토록 형성된 PEDOT계 필름층;으로 구성하되,
    상기 PEDOT계 전도성 고분자 조성물은 PEDOT(폴리 3-4 에틸렌디옥시티오펜) 59 ~ 70 wt%, 폴리우레탄 바인더 12 ~ 15wt%, 아이소프로필 알콜 15 ~ 25wt%, 계면활성제 0.1 ~ 0.3wt%, 글라이콜 용매 1.5 ~ 2 wt%로 조성된 것을 특징으로 하는 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 PEDOT계 전도성 고분자 조성물은 0.8 ~ 1.3% 용액으로 희석 후, 폴리프로필렌계 광확산 수지판 표면의 적어도 어느 일측면에 박판 코팅시킨 것을 특징으로 하는 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리프로필렌계 광확산 수지판의 두께는 1 ~ 5mm로 형성하고, PEDOT계 필름층의 두께는 0.09 ~ 0.1mm로 형성한 것을 특징으로 하는 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 계면활성제는 4-(1,1,3,3-Tetramethylbutyl)phenyl-polyethylene glycol을 사용한 것을 특징으로 하는 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 글라이콜 용매는 에틸렌 글라이콜을 사용하는 것을 특징으로 하는 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리프로필렌계 광확산 수지 조성물은 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체 95 ~ 98 wt%, 실리카 2 ~ 5wt%로 조성된 것을 특징으로 하는 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체는 하기 화학식에 따라 프로필렌 (X) 90 ~ 95%, 1-헥센(Y) 5 ~ 10wt%로 조성되어 공중합된 것을 특징으로 하는 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판.
    [화학식]
    Figure 112013045683037-pat00008

  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체는 평균 중량분자량이 25,000 ~ 30,000인 것을 특징으로 하는 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 폴리프로필렌-1 헥센 공중합체는 용융온도(Tm) 109.5 ~ 151.7℃이고, 결정온도(Tc)는 109.5 ~ 116.8℃인 것을 특징으로 하는 정전기 방지 기능을 가진 LED 조명기구용 폴리프로필렌계 광확산판.












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