KR101930254B1 - 주름구조 및 고굴절률 나노입자를 포함한 외부 광 추출용 필름 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 OLED 조명 기판 겉면에 부착하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 필름을 제공하되, 좀 더 간소화되고 저비용 및 높은 생산성을 지니는 공정으로 상기 필름을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 유연성이 있는 투명필름(기판 내지 시이트로 불리울 수 있다) 위에 주름구조를 형성한 광 추출용 기판을 제공하며, 상기 주름구조는 DVB(Divinylbenzene)와 광 경화제 그리고 나노입자를 혼합한 혼합용액을 만들어 상기 기판에 도포하고 불활성 가스 또는 질소 가스를 퍼징하면서 자외선을 조사하여 경화시켜 주름구조체를 형성한 광 추출용 필름을 제공하였다.

Description

주름구조 및 고굴절률 나노입자를 포함한 외부 광 추출용 필름{External Light Extraction Film with Wrinkle Structure and high refractive index nanoparticles}

본 발명은 OLED 조명의 외부 광 추출을 강화하기 위한 필름에 관한 것이다.

OLED는 디스플레이 구현뿐 아니라 차세대 조명으로도 주목받고 있다. 평판형과 플렉서블형 모두 제조되고 있으며, 특히 OLED 조명은 눈부심과 발열이 없는 빛감과 더불어 쉽게 구부러지는 특성을 이용하여 디자인 감각을 살릴 수 있는 장식성이 우수하다는 장점을 갖는다. OLED 소자의 내부에서 생성된 빛을 외부로 추출해내기 위해 소자의 봉지 기판이나 베이스 기판에 요철 구조를 형성하거나 마이크로렌즈 어레이를 형성한다. 이러한 투명 요철 구조는 빛을 산란시켜 소자 내부에 빛이 머물지 않고 외부로 나올 수 있는 경로를 더욱 효율적으로 제공한다. 기판 자체를 요철 구조화하기보다 마이크로렌즈 어레이 필름을 기판에 부착하여 사용하는 것도 고려된다. 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 시이트 형태의 필름을 OLED 겉면에 부착하여 외부 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 공개특허 10-2016-0033921호는 OLED에 적용될 수 있는 주름 구조체 필름을 제공한다. 산란을 일으킬 수 있는 입자를 포함시켜 코팅하여 주름구조체를 갖는 필름을 제작하는 기술을 개시하나, 이는 제작 공정 자체가 고비용 구조를 이룬다.

또한, 주름구조가 빛의 산란을 일으키기도 하지만, 주름 구조 안에 들어간 빛이 전반사 현상 등으로 주름 구조 안에 가두어질 수 있는 문제가 발생된다.

따라서 본 발명의 목적은 OLED 조명 기판 겉면에 부착되거나 기판 자체로 사용될 수 있으며, 광 추출 효율을 더욱더 향상시킬 수 있는 필름을 제공하되, 좀 더 간소화되고 저비용 및 높은 생산성을 지니는 공정으로 상기 필름을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 유연성이 있는 투명필름(기판 내지 시이트로 불리울 수 있다) 위에 주름구조를 형성한 광 추출용 기판을 제공하며, 상기 주름구조는 DVB(Divinylbenzene)와 광 경화제 그리고 나노입자를 혼합한 혼합용액을 만들어 상기 기판에 도포하고 불활성 가스 또는 질소 가스를 퍼징하면서 자외선을 조사하여 경화시켜 주름구조체를 형성한 광 추출용 필름을 제공하였다.

상기에서 나노입자는 금속산화물로 이루어지고, 상기 혼합용액 중 무게 비로 2 내지 10 wt% 포함되게 하였다.

또한, 광 경화제는 액상용 광 경화제를 사용하였고, 상기 나노입자의 굴절률은 기판의 굴절률보다 큰 물질로 된 것을 사용하여 굴절률 차이로 인한 전반사 현상을 이용하여 빛을 기판 외부로 추출되게 하였다.

상기에서, 질소 또는 불활성 가스를 퍼징하면서 자외선을 조사함으로써 불규칙하면서도 다양한 형태의 주름구조체가 형성되며, 기판 전체를 통해서 보면 균일한 분포의 주름구조가 형성된 광 추출용 필름을 제공한다.

또한, 상기에 있어서, DVB(Divinylbenzene)와 액상용 광 경화제는 1:1 내지 10의 질량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 광 추출용 필름의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기에 있어서, 자외선 램프는 100mW/cm² 에서 450mW/cm² 사이인 것을 사용하고, 조사시간은 30초 내지 10분인 것을 특징으로 하는 광 추출용 필름의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기에 있어서, 주름구조체 형성용 혼합용액을 필름 위에 도포하기 전에 코로나 방전으로 표면 개질 처리되는 것을 특징으로 하는 광 추출용 필름의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 좀 더 간소화되고 저비용 및 높은 생산성을 지니는 공정으로 상기 필름을 제작할 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 마이크로렌즈가 구비된 필름에 비해, 고굴절률의 나노입자와 주름구조에 의한 광 산란 및 굴절 효과가 더욱 향상되어 광 추출 효율이더 높고 롤투롤 장비를 이용하여 제조되기 때문에 생산성이 매우 높다.

또한, 본 발명에 따르면, 단순히 주름 구조만을 구비한 필름에 비해, 고굴절률의 나노입자를 포함하기 때문에 주름 구조에 입사한 빛이 주름 구조 안에 가두어지는 현상을 방지하여 광 추출 효율을 더욱더 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 광 추출용 필름을 제작하는 과정을 개략적으로 설명하는 개요도이다.
도 2는 본 발명의 광 추출용 필름을 제조하기 위한 롤투롤 장치에 대한 구성도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 광 추출용 필름을 제작하는 과정과 그 구조가 개략적으로 나와있다.

먼저, 유연성이 있는 투명필름을 준비한다. 예를 들면, PET와 같은 소재로 된 투명필름일 수 있다.

상기 투명필름에 도포할 혼합용액을 다음과 같이 제조한다.

DVB와 액상용 광 경화제 그리고 나노입자를 혼합한 주름용액을 제조하되, DVB와 액상용 광 경화제는 1:1 내지 10의 질량비로 혼합하고, 여기에 금속산화물 나노입자를 혼합한다. 이때, 주름용액 전체 무게 비에서 나노입자가 차지하는 비율이 10wt%를 넘지 않게 한다. 예를 들면, 주름용액 전체 무게 비에서 2 내지 10wt%를 나노입자로 구성한다. 나노입자는 주름구조에 의한 광 추출 외에 주름구조에 고립된 빛을 추가적으로 추출하기 위한 것이므로 필요이상 과량을 사용할 필요가 없으며, 과량의 사용은 필름의 무게 증가 등의 역효과가 있을 수 있다.

본 발명에서 사용한 액상용 광 경화제의 제조사는 놀랜드(미국회사), 큐앤탑(국내회사) 등이 있으며, 액상용 광 경화제의 성분은 우레탄 아크릴레이트이며, 광 개시제 성분이 포함되어 있다.

나노입자는 금속산화물로 구성된 것으로서 굴절률이 주름구조와 투명필름에 비해 더 높은 고굴절률의 것을 선택하여야 한다. TiO₂, WO₃, CuO, ZnO, AgO, SnO₂ 등을 들 수 있다. 나노입자의 크기는 특별한 제한은 없고 나노사이즈 입도를 나타내면 된다. 예를 들면, 10 내지 1000nm 일 수 있다.

상기와 같이 제조된 주름용액을 투명 필름에 도포하면, 고체 광 경화제를 혼합하여 도포하는 경우에 비해 뭉침현상 없이 균일하게 도포된다.

도포 후, 질소 또는 불활성 가스를 퍼징하면서, 자외선을 조사하여 건조하여 경화시키면 그 과정에서 주름구조체가 형성된다. 주름구조체는 불규칙적이면서도 전체적으로는 균일하게 형성되어 광 추출 효율을 향상시킨다.

하나의 주름을 이루는 볼록부의 폭은 대략 2.5 내지 3.5um 사이에서 다양하게 나타났고, 높이는 대략 1um 내외로 전체적으로는 거의 균일하지만 개별적인 주름구조는 매우 다양하였다. 다양한 주름구조는 거의 모든 파장 대역에 대해 광 추출 효과를 나타낼 수 있다. 주름구조에 의해 빛이 더욱 빈번히 산란 되고 굴절되어 빛의 외부 추출이 향상되지만, 주름 구조 안에 입사된 빛이 주름 구조 안에 가두어지는 현상이 발생될 수 있다. 본 발명에서는 고굴절률을 갖는 나노입자들을 소량 포함시킴으로써, 주름 구조 안에 자리 잡은 나노입자가 주름구조 안에 고립된 빛을 더 추출해내게 하였다. 즉, 고굴절율을 갖는 구형의 나노입자는 주름구조 내에 갇힌 빛을 나노입자 내부로 입사되게 하고 투과되게 함으로써 주름 구조에서 탈출시킨다. 결과적으로 주름 구조만으로 구성된 경우보다 더욱 광 추출 효율을 높이게 된다. 도 1에는 본 발명에 따라 제작된 광 추출용 필름과 그 확대사진이 함께 도시되어 있다. 확대사진을 통해 주름구조에 나노입자들이 자리하고 있음을 볼 수 있다.

이러한 주름구조체를 형성함에 있어서, 투명 필름은 세정되고 표면에 용액이 좀 더 잘 부착되도록 표면 개질 처리할 필요가 있다. 그에 따라 본 발명은 투명 필름 표면에 상기 주름용액을 도포하기 전에 코로나 방전 처리하여 표면 개질 효과를 얻도록 하였다.

또한, 도포된 용액의 자외선 조사 경화 시 질소 가스 또는 불활성 가스를 퍼징(purging) 하여 질소분위기 안에서 자외선 조사 경화되게 함으로써 좀 더 역동적인 주름구조체를 형성하도록 하였다. 이러한 가스 퍼징 없이 자외선 조사 경화만으로는 원하는 수준의 요철 구조를 나타내는 주름구조체가 형성되지 않고 상당히 일정한 폭과 형상의 주름구조가 나와 특정 파장에 대해서만 광 추출 효율을 높이는 파장 의존성이 나타난다. 이러한 균일형상의 주름구조는 모든 파장 대역의 빛에 대해 광 추출 효율을 충분히 향상시키기 어렵다. 가스 퍼징과 자외선 조사를 통한 주름구조체 형성은 매우 랜덤한 형상의 주름구조를 형성하여 OLED에 의해 생성된 빛의 모든 파장 대역에 대해 광 추출 효과를 향상시킬 수 있다.

한편, 이러한 주름구조체 형성 필름을 양산하기 위해서는 생산성이 높아야 한다. 그에 따라 본 발명은 도 2와 같은 롤투롤 시스템을 제안하였다.

투명 필름을 유연성이 있는 PET 등의 소재로 제작하고, 롤투롤 장치를 통해 공급하여 코로나 방전에 의한 표면 개질 처리, 마이크로 그라비아 코팅장치에 의한 주름구조형성 혼합용액의 도포, 질소 또는 불활성 가스 퍼징 하에서의 자외선 조사 경화처리 후 권취롤에 감아 주름구조체가 형성된 광 추출용 필름을 얻는 것이다.

이를 위해, 본 발명자들은 롤투롤 시스템에 코로나 방전 장치(100), 마이크로 그라비아 코팅장치(200) 및 자외선 조사실(300)을 포함 시켰다. 자외선 조사실(300)에는 자외선 램프와 가스 퍼징 장치가 설치된다. 롤러는 필요에 따라 다수 설치될 수 있다. 도 2의 설계도는 모든 부재가 도시되어 있어 복잡하므로, 마이크로렌즈 어레이 필름의 경로를 따라 붉은 선과 화살표 등으로 표시하였다.

권출롤(400)의 우측에는 최종적으로 모든 공정을 마친 주름구조체 기판이 감기는 권취롤이 배치된다. 권출롤(400)에는 공정을 실시할 마이크로렌즈 어레이 필름이 감겨있으며, 상단의 작은 보조 롤러를 거쳐 코로나 방전 장치(100) 쪽으로 이송된다. 코로나 방전 장치(100)에 의해 롤러(500)에 감긴 상태로 코로나 방전으로 표면 개질 처리되며, 중간에 여러 개의 보조 롤러들을 설치하여 투명 기판의 경로를 안정화시킨다. 즉, 투명 기판이 장력을 충분히 유지할 수 있도록 군데군데 보조롤러를 설치할 수 있으며, 보조롤러의 개수는 도 2에 도시된 것에 한정되지 않고 마이크로렌즈 어레이 필름의 두께, 장력, 이송 경로의 길이 등에 따라 달리 변형될 수 있다. 코로나 방전 처리에 의해 마이크로렌즈 어레이 필름은 표면이 활성화되어 이후 도포되는 주름구조체 용액의 부착력이 강화된다.

코로나 방전에 의한 전처리를 마친 마이크로렌즈 어레이 필름은 여러 개의 롤러를 거쳐 마이크로 그라비아 코팅장치(200)에 도달한다. 마이크로 그라비아 코팅장치(200)는 마이크로렌즈 어레이 필름을 압착하는 롤러들과 거치시키는 롤러(600) 및 코팅제(주름구조체 형성 용액)를 도포하는 블레이드를 포함한다. 참고로 마이크로 그라비아 인쇄 장치는 상용화되어 있으며, 그에 따라 구입하여 설치할 수 있다.

마이크로 그라비아 코팅장치(200)를 거쳐 주름구조체 형성용 용액이 도포된 마이크로렌즈 어레이 필름은 계속 롤러들을 타고 진행하여 자외선 조사실(300)로 들어간다.

자외선 조사실(300)은 일종의 캐비넷과 같은 형태를 지니며, 롤투롤 시스템 상단부에 설치되어 공간을 절약하도록 구성하였다. 자외선 조사실(300)은 여러 대의 자외선 램프 유닛을 그 천장에 구비하고, 가스 퍼징을 위한 질소 가스 공급원을 그 하단에 구비한다. 질소 또는 불활성 가스를 자외선 조사실 안으로 불어넣어 자외선 조사로 인해 마이크로렌즈 어레이 필름에 도포된 용액제가 경화되면서 매우 다양한 형상의 불규칙적인 주름구조체를 형성하게 한다. 가스 퍼징은 25 내지 100sccm 정도 속도로 할 수 있다.

자외선 램프는 1400mJ/cm²인 것을 사용하였으나 이와 약간 다른 출력인 것(예를 들면, 상기에 있어서, 자외선 램프는 100mW/cm² 에서 450mW/cm² 사이인 것)을 사용할 수 있다. 자외선 조사실(300)에 머물면서 마이크로렌즈 어레이 필름을 경화시켜 주름구조체를 형성하는 데 걸리는 시간은 약 40초 정도였으며, 이러한 시간 역시 약간의 변동성이 있을 수 있으며, 대략적으로 30초에서 최대 10분 정도일 수 있다.

자외선 조사실(300)을 통과한 후, 주름구조체가 형성된 마이크로렌즈 어레이 필름은 권출롤 옆에 배치한 권취롤(700)에 감겨 수집된다.

한편, 투명 필름의 표면이 소수성을 띠는 경우, 코로나 방전 처리는 하지 않을 수 있다. PET 필름을 선택하면 소수성을 나타내므로 코로나 방전처리를 생략할 수 있다. 그외 친수성 표면을 갖는 유연성 투명 필름에 대해서는 코로나 방전에 의한 표면 개질 처리가 유용하다.

이러한 주름구조체 형성 시스템은 대면적 기판에 대해 적용될 수 있고 매우 빠르게 제작될 수 있어 생산성이 우수하다. 즉, 대면적 유연성 광 추출 기판의 제작을 원스탑으로 신속하게 제작할 수 있어 양산에 유리하다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 코로나 방전 장치
200: 마이크로 그라비아 코팅장치
300: 자외선 조사실
400: 권출롤
500, 600: 롤러
700: 권취롤

Claims (6)

1. DVB(Divinylbenzene)와 액상용 광 경화제 및 나노입자를 혼합한 혼합용액을 제조하되, 상기 나노입자는 굴절률이 주름구조와 투명필름에 비해 더 높은 고굴절률의 것을 사용하고, 상기 액상용 광 경화제는 우레탄 아크릴레이트를 사용하고,
   유연성이 있는 투명 필름 위에 상기 혼합용액을 도포하고,
   질소 또는 불활성 가스를 퍼징하면서 자외선을 조사하여 개별적인 주름구조는 불규칙적이면서도 전체적으로는 균일한 형상으로 경화된 주름구조체를 형성하여 다양한 주름구조에 의해 여러 파장 대역에 대해 광 추출 효과를 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 광 추출용 필름의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 나노입자는 혼합용액 전체 무게비에 대해 10wt% 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는 광 추출용 필름의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, DVB(Divinylbenzene)와 액상용 광 경화제는 1:1 내지 10의 질량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 광 추출용 필름의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 자외선 램프는 100mW/cm² 에서 450mW/cm² 사이인 것을 사용하고, 조사시간은 30초 내지 10분인 것을 특징으로 하는 광 추출용 필름의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 주름구조체 형성용 혼합용액을 투명필름 위에 도포하기 전에 코로나 방전으로 표면 개질 처리되는 것을 특징으로 하는 광 추출용 필름의 제조방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 광 추출용 필름.
   
   
   
   
   

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