KR101999925B1 - 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물 및 폴리스티렌(ps) 광확산판 제조 방법 - Google Patents

광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물 및 폴리스티렌(ps) 광확산판 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물 및 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물을 위한 폴리스티렌 수지, 광확산 발광 안료, PLA(PolyLactic Acid) 플라스틱 복합체, 코어 러버(core rubber), 시드 러버(seed rubber)를 제조하는 제 1 단계; 및 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물을 용융시켜 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 제조 과정, 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 적층 과정, 적층된 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 수분을 제거를 위한 건조 과정, 입자가 서로 엉켜 결합하도록 건조된 입자에 고온 증기 공급에 따른 성형 완료 과정으로 이루어지는 폴리스티렌(PS) 광학판(110)을 생성하는 제 2 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 광확산판의 유연성을 높이고, 무게를 줄일 뿐만 아니라, 발광 효과를 극대화하도록 하는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 광확산판을 적층 형태를 통해 기계적 강도를 높일 뿐만 아니라, 조성물의 함유 비율 조절을 통해 충격 강도, 인장 및 굴곡 강도 그리고 탄성율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Description

광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물 및 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법{Polystyrene resin composition for optical diffuser plate, method for manufacturing polystyrene optical diffuser plate using the same}
본 발명은 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물 및 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 광확산판의 유연성을 높이고, 무게를 줄일 뿐만 아니라, 발광 효과를 극대화하도록 하기 위한 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물 및 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법에 관한 것이다.
광확산판은 형광램프나 발광다이오드 등의 조명장치로부터 조사되는 빛을 광확산시키면서 외부로 출사하는 투명 또는 반투명한 광투과성 조명 커버이다. 상기 광확산판은 그의 표면에 광고를 위한 그림이나 문구, 도안 등이 새겨진 얇은 필름이 부착되거나 그 자체가 특정한 글자나 그림 등의 형상을 가질 수 있다.
또한, 광고장치 외에도 형광등이나 스탠드등, 가로등, 인테리어 조명등과 같은 조명장치에도 광확산판이 사용되며, 액정디스플레이장치(LCD)의 백라이트 유닛(BLU : Back Light Unit)에도 광원으로부터 빛을 광확산시키는 데에도 광확산판이 사용된다.
이러한 통상의 광확산판들은 광확산판의 주원료에 무기계 입자, 스티렌계나 아크릴계 중합체 입자 등을 부분적으로 가교한 폴리머미립자를 광확산제로서 첨가하는 방식으로 제작되나, 투명성 및 발광효과가 보장되어야 하나 투명성 및 발광효과 향상시 제작비용이 올라가거나, 기계적 물성 특히 강도가 떨어지는 한계점이 있어 왔다.
대한민국 특허출원 특허출원번호 제10-2012-0101039호 "광확산판용 수지 조성물, 이를 포함하는 광확산판 및 그 제조방법(Resin composition for a light diffusion plate, a light diffusion plate containing the same and manufacturing method thereof)"
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광확산판의 유연성을 높이고, 무게를 줄일 뿐만 아니라, 발광 효과를 극대화하도록 하기 위한 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물 및 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 광확산판을 적층 형태를 통해 기계적 강도를 높일 뿐만 아니라, 조성물의 함유 비율 조절을 통해 충격 강도, 인장 및 굴곡 강도 그리고 탄성율을 향상시키도록 하기 위한 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물 및 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물을 이용한 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법은, 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물을 위한 폴리스티렌 수지, 광확산 발광 안료, PLA(PolyLactic Acid) 플라스틱 복합체, 코어 러버(core rubber), 시드 러버(seed rubber)를 제조하는 제 1 단계; 및 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물을 용융시켜 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 제조 과정(S21), 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 적층 과정(S22), 적층된 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 수분을 제거를 위한 건조 과정(S23), 입자가 서로 엉켜 결합하도록 건조된 입자에 고온 증기 공급에 따른 성형 완료 과정(S24)으로 이루어지는 폴리스티렌(PS) 광학판(110)을 생성하는 제 2 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 제조 과정(S21)은, 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)을 구성하는 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 형성하기 위해 압출장치를 이용해 압출하여 압출 용융물을 형성시, 250 내지 270 ℃의 온도에서 용해시키며, 용용상태의 압출 용융물을 통과시 T-die 방식으로 필름 타입의 폴리스티렌 필름인 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 형성하며, 다이의 출구에 부착된 냉각장치를 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물 및 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법은, 광확산판의 유연성을 높이고, 무게를 줄일 뿐만 아니라, 발광 효과를 극대화하도록 하는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물 및 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법은, 광확산판을 적층 형태를 통해 기계적 강도를 높일 뿐만 아니라, 조성물의 함유 비율 조절을 통해 충격 강도, 인장 및 굴곡 강도 그리고 탄성율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물을 이용한 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)의 단면도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물을 이용한 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물을 이용한 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)을 구비한 LED 조명기구(100)를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물을 이용한 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)의 단면도를 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물을 이용한 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물을 이용한 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)을 구비한 LED 조명기구(100)를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, LED 조명기구(100)는 폴리스티렌(PS) 광확산판(110), 방열 기능 하우징부(120)를 포함하며, 도시되진 않았지만, 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)의 배면에는 LED 어레이부가 형성된다.
다음으로 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)의 제조 방법은 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물을 위한 폴리스티렌 수지, 광확산 발광 안료, PLA(PolyLactic Acid) 플라스틱 복합체, 코어 러버(core rubber), 시드 러버(seed rubber)를 준비하는 단계(S10), 폴리스티렌 수지, 광확산 발광 안료, PLA(PolyLactic Acid) 플라스틱 복합체, 코어 러버(core rubber), 시드 러버(seed rubber)를 함유한 마스터 배치를 포함하는 원료를 용융하여 성형하여 폴리스티렌(PS) 광학판(110)을 생성하는 단계(S20)를 포함할 수 있다.
투명한 내충격성 중합체 또는 수지형의 조성물은 수많은 공업분야에서 크게 요구되는 재료이다. 폴리스티렌은 투명도를 갖는 수지로, 광확산에 적합하나 잘 깨지기 쉬우므로 진공성형한 광택을 가진 판 또는 덮개로 사용할 경우에 내구성을 보장할 수가 없다. 폴리스티렌과 같은 수지에 내충격성을 증진시키기 위하여 폴리스티렌 매트릭스(matrix) 내에 고체의 고무입자를 분산시키든지 폴리스티렌 매트릭스내에 분산된 폴리스티렌을 함유한 고무입자를 분산시키는 방법으로 폴리스티렌에 PLA(PolyLactic Acid) 플라스틱 복합체, 코어 러버(core rubber), 시드 러버(seed rubber)를 미리 설정된 중량비율로 첨가하였다.
이러한 기술로서 중합체조성물의 내충격성을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 투명도에 있어서 폴리스티렌 수지만으로 형성된 광확산판에 비해 투명도 감쇄율을 5% 이내로 보장하기 위해 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물을 성형하여 압출되는 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)을 형성하기 위한 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)에 대한 내충격성 및 투명도를 증가시키기 위해 MD 방향과 TD 방향으로 배향(配向)시켜서 투명도가 증진된 생성물을 얻을 수 있다. 이러한 방식으로 중량을 갖거나 두꺼운 부품으로 폴리스티렌(PS) 광확산판용(110)이 제품화될 경우에는 불투명도 증가를 억제하고 내충격성을 향상시킬 수 있다.
폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 제조를 위한 단계(S20)의 보다 구체적인 실시예로, 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 제조 과정(S21), 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 적층 과정(S22), 적층된 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 수분을 제거를 위한 건조 과정(S23), 입자가 서로 엉켜 결합하도록 건조된 입자에 고온 증기 공급에 따른 성형 완료 과정(S24)을 포함할 수 있다.
여기서 단계(S21)에 있어서, 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)을 구성하는 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 형성하기 위해 압출장치를 이용해 압출하여 압출 용융물을 형성하는데, 여기서 250 내지 270 ℃의 온도에서 용해시키는 것이 바람직하다. 이후, 용용상태의 압출 용융물을 통과시 T-die 방식으로 필름 타입의 폴리스티렌 필름인 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 형성하며, 다이의 출구에 부착된 냉각장치를 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 냉각시킨다. 냉각시 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)에 대한 냉각을 수행한 뒤, 냉각을 위해 가이드 롤러로 전달한다. 여기서 사용되는 냉각장치는 펠티어 소자와 온도 센서, 그리고 아두이노 기판을 활용하여 미리 설정된 온도 범위로 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)에 대한 온도를 제어할 수 있다. 그리고 온도 설정 범위는 실온 상태에 해당하는 가이드 롤러에 의한 냉각과 압출 용융물에 대한 다이에 의한 T-die 방식을 이용해 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 생성 직후의 온도 차를 고려하여 4℃ 내지 6℃ 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 이후, 가이드 롤러에 의해 냉각된 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 연신장치로 안내되며, 가이드 롤러에 의해 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)에 대한 연신 장치로의 이송을 수행하면서, 가이드 롤러의 전체 길이 설정에 따른 실온 상태에서 열안정화 과정을 제공할 수 있다.
이때, 연신장치는 가이드 롤러를 통과한 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 박막 필름이 되도록 눌러 잡아당기는 연신을 수행한다. 보다 구체적으로, 연신시 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)에 대한 가열, 가압 상태에서 넓이 방향의 연신을 수행함으로써, 최종 생산물인 폴리스티렌 필름에 대한 연신 전후의 면적 비율이 1 : 2.3 내지 2.8 배가 증가하도록 한다. 그리고, 연신시 가열 온도는 350 내지 362℃, 가압 상태는 330 내지 380mbar 상태이며, 폴리스티렌 필름의 두께를 0.5mm 내지 1mm로 생산시 바람직하게는 351 내지 353℃, 352 내지 354mbar 상태에서 수행하는 것이 바람직하다.
한편 폴리스티렌 필름의 두께를 0.5mm 내지 1mm로 생산을 위한 연신시 상술한 바람직한 온도 범위 내인 가열 온도는 351 내지 353℃에서 행하여져야 한다. 353℃보다 온도가 높아지는 경우 분자의 자유도가 높아져 분자의 배향이 잘 이루어지지 않는다. 또한, 351℃보다 낮아지는 경우에는 연신이 잘 이루어지지 않고 폴리스티렌 시트가 연신되지 못하고 끊어지는 현상이 일어난다.
또한, 폴리스티렌 시트에 대한 연신 후 열안정화 과정 사이에 폴리스티렌 시트에 대한 연성화와 함께 테두리부에 대한 메쉬 공정에 따라 도 3과 같이 다이아몬드 형상 구조, 그물 형상, 사각형 형상을 갖는 균일한 격자 구조(메쉬 구조)(112)를 형성할 수 있다. 이와 같은 메쉬 구조를 형성함으로써, 광확산판의 최종 생산시 유연성을 제공하고, 무게를 획기적으로 줄일 수 있다.
상술한 단계(S21)에서 생성된 폴리스티렌 시트에 대해서 겹겹이 적층한 뒤(S22), 수분을 제거하는 건조 단계(S23)에 있어서 건조 장치에서 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)이 적층된 상태로 가하는 온도는 대략 110 내지 125℃ 내외이고, 압력은 1.5 내지 2.5bar(kg/cm2)이며, 대략 2 내지 3시간의 건조를 통해 경화된다.
그리고, 건조 단계(S23)에 따라 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)의 건조된 입자에 고온 증기를 공급하여 입자가 서로 엉켜 결합되게 하는 성형단계(S24)로 이루어지고, 상기 성형 단계를 수행하기 전에 코팅 단계를 더 수행할 수 있다.
한편 성형단계(S24)에서 고온 증기 분사시, 다단계로 형성되어 연신된 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)의 수축율을 최소화하는 것이 바람직하다. 이를 위해 다단의 고온 증기 공급관을 통해 분사하는 고온 증기의 온도 및 압력을 조절하여 수축율을 최소화하도록 조절할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 제 1 고온 증기 공급관에서는 상대적으로 강한 압력(0.7 내지 0.9 bar(kg/cm2) 이상) 및 높은 온도(170℃ 내지 185℃)의 스팀을 분사하고, 제 1 고온 증기 공급관에서는 상대적으로 중간 정도 압력(0.5 내지 0.7 bar(kg/cm2) 내외)의 스팀을 분사하며, 제 1 고온 증기 공급관에서는 상대적으로 약한 압력(0.3 내지 0.5bar(kg/cm2) 이하)의 스팀을 분사하여 수축율을 줄여 표면상태가 균일한 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)이 형성되어 불량률을 현저히 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로, 단계(S12)와 단계(S13) 사이의 투명의 유리 섬유를 함침시킴으로써, 보강재 또는 충진재로 활용함으로써, 첨가되는 보강재 또는 충진재의 양을 그리 크게 늘리지 않고도, 충격강도, 인장 강도, 탄성 및 내열성 등의 물성을 일정 수준 이상으로 유지 또는 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)에서 MD 방향과 TD 방향으로 배향시, MD 방향과 TD 방향으로의 수축율의 차이를 크게 줄일 수 있으며, 성형 이후에 나타나는 형상 수축에 따른 뒤틀림 또는 휨 현상(Warpage 현상)을 최소화할 수 있다.
본 발명에서는 폴리스티렌 수지, 광확산 발광 안료, PLA(PolyLactic Acid) 플라스틱 복합체, 코어 러버(core rubber), 시드 러버(seed rubber)를 함유한 마스터 배치를 형성함으로서 폴리스티렌 수지의 함량을 미리 설정된 중량으로 용이하게 조절하여 최종 제품의 용도에 따른 물성 조정이 가능하다.
본 발명에서 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물의 중량평균 분자량은 150,000 내지 250,000g/mol 이상, 용융지수는 5 내지 15g/5분(250℃)인 것이 바람직하며, 그 밖에 분자량 분포(PI)가 5.5 이상이며, 용융강도가 120 mN 이상인 것이 바람직하다.
즉, 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성의 용융지수가 55g/5분(ASTM D1238, 250℃) 미만이면 성형 과정에서 충분한 가공성을 확보하기 어려울 수 있으며 높은 점도로 조성물의 분산을 방해할 수 있다. 또한, 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성의 용융지수가 15g/10분(ASTM D1238, 250℃) 초과이면 낮은 점도로 인해 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)이 적절한 충격 강도를 갖기 어려울 수 있으며 그외 인장 및 굴곡 강도 그리고 탄성율에 저하를 초래할 수 있다.
한편, 도 2에서 단계(S11)의 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물을 위한 폴리스티렌 수지, 광확산 발광 안료, PLA(PolyLactic Acid) 플라스틱 복합체, 코어 러버(core rubber), 시드 러버(seed rubber)를 준비하는 과정에 대해서 구체적으로 살펴보도록 한다.
먼저, 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)을 구비한 LED 조명기구(100)에서 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)은 LED 어레이부 등으로 형성되는 광원부의 광원 조사 방향의 전단에 위치함으로써, 광원으로부터 직접 조사된 광원 또는 LED 패키지의 구조에 따라 1차 여기된 광원이 산란되어 나오거나 내부에서 굴절에 의해 반사되어 조사되면, 입산된 광원에 대해 산란 또는 여기 등의 과정을 거쳐 외부로 투과시키기 위해 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)은 난연성 재질로, 재생 폴리스티렌에 탄소섬유와 난연제를 첨가한 재생 폴리스티렌 수지를 활용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예로, 재생 폴리스티렌 수지의 제조시 폴리스티렌 100 중량부에 대해서 대비 2.1 내지 2.3 중량부 사이 소량의 알칼리성물질이 함유될 수 있으며, 건조 정도에 따라 1.2 내지 1.3 중량부 사이 소량의 아세톤이 함유될 수 있다. 이에 재생 폴리스티렌은 수분과 유분 및 불용성 잡물까지 제거된 상태이므로, 용융에 의한 성형방법 등을 통해 종래의 재생폴리스티렌에서와 같은 문제없이 다양한 분야에 재활용함으로써, 알칼리성을 띠게 되는 수분이 아세톤 및 폴리스티렌 겔과 상용성이 떨어져 자연스럽게 상하층으로 분리되는 현상을 이용하여, 알칼리의 첨가에 의해 아세톤에 용해된 수분은 제거되고, 폴리스티렌은 수분과 혼합되지 않고 아세톤에 의해 안정적으로 가소화가 이루어짐으로써, 유동성 겔을 형성할 수 있다.
이러한 폐합성수지인 재생 폴리스티렌에 미리 설정된 소량의 탄소섬유를 첨가 혼합하여 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP, Garbon Fiber Reinforced Plastic)인 폴리스티렌 수지를 수득하게 되는데, 탄소섬유 강화 폴리스티렌 수지는 철보다 강하고 알루미늄보다 가벼우며 녹슬지 않고 가공성이 우수하다는 장점이 있다.
여기서, 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 폴리스티렌 수지를 수득하기 위해 폴리스티렌 97 내지 98 중량비에 탄소섬유 2 내지 3 중량비가 첨가 혼합된 혼합물 100 중량부에 난연제를 0.3 내지 0.5 중량부, 자외선차단제 0.2 내지 0.3 중량부를 첨가 혼합하여, 인장강도가 우수한 폴리스티렌에 파단강도가 우수한 탄소섬유를 첨가 혼합하여 광확산판으로서 요구되는 파단강도를 갖추게 되고, 인화성 물질인 폴리스티렌에 난연성을 부가하여 조명기구에서 열로 인해 발생할 수 있는 화재 등을 억제할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
본 발명에서 난연제는 몰리브덴산 안티몬, 수산화알미늄, 산화몰리브덴, 수산화마그네슘 중 어느 하나 또는 2종 이상 혼합한 것을 사용한다. 특히 수산화알미늄(Al(OH)3)은 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)에 열이 가해져서 350℃ 이상이 되면 미세 다공질이 무수히 많은 활성알루미나로 변화되어 흡착 성능을 가지게 되므로 연소시 발생하는 다이옥신, 염화수소가스(HCl) 등 유해 물질을 흡착하며 열 분해시 흡열 반응을 하여 냉각 효과도 있고 불연성으로서 내수, 내산성이 우수하다. 또한 상기 난연제들을 병용 사용하여 난연 효과의 향상을 기대할 수 있다.
한편, 폴리스티렌(PS) 광확산판(110) 주재 수지에 해당하는 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물은 상술한 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여 PLA(PolyLactic Acid) 플라스틱 복합체 1.5 내지 1.7 중량부, 코어 러버(core rubber) 1.2 내지 1.3 중량부, 시드 러버(seed rubber) 0.7 내지 0.8 중량부, 광확산 발광 안료 12 내지 15 중량부를 혼합하여 형성될 수 있다.
먼저, 본 발명에서 사용되는 PLA 플라스틱 복합체는 제조시, PLA(PolyLactic Acid)와, 캡슐형 나노 분말 입자를 미리 설정된 중량비율로 혼합한 PLA 플라스틱 레진을 활용하는 것이 바람직하다.
여기서, PLA(PolyLactic Acid)는 옥수수 전분을 주원료로 한 천연 식물계 원료로, 합성수지(PC, ABS 등)를 포함하지 않고 자연 조건 하에서 100% 분해될 수 있다. 또한, 다이옥신 등의 유해물질 발생 및 기타 환경오염을 방지할 수 있다. PLA(PolyLactic Acid)는 사출 및 압출 플라스틱에 대한 대체가 가능하며, 범용적인 물적 특성을 가진 획기적 친환경 수지로 모든 범위의 플라스틱(Plastic) 제품화가 가능하다. 한편, PLA(PolyLactic Acid)은 결정성, 자연순환형, 생체적합, CO2 저감 등에 대한 특성을 갖으며, PLA(PolyLactic Acid)는 식물계 원료로 제품의 자연적 분해가 가능한 친환경 소재이다. 보다 구체적으로, 식물계 원료, 젖산, 고분자, 레진(Resin), 제품, 분해의 싸이클 프로세스(Cycle Process)에 의해 자연적 분해가 가능한 특성을 갖는다.
또한, 캡슐형 나노 분말 입자는 250 내지 320㎚의 직경을 갖으며, 최종적으로 생성되는 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)에 사용되는 PLA(PolyLactic Acid) 플라스틱 복합체 내에 균일하게 분포함으로써, 열에 의해 발생하는 황변 현상을 억제하고, 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)을 구비한 LED 조명기구(100)의 테두리면에 형성된 열전도성 소재로 형성된 방열 기능 하우징부(120)로 열을 전달함으로써, 방열 기능 하우징부(120)에 의해 외부로 열을 방출할 수 있다. 여기서, 캡슐형 나노 분말 입자는 알루미늄 금속나노 입자(Al metalnano particle) 내부에 상전이 물질을 캡슐화하여 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 캡슐형 나노 분말 입자에 해당하는 알루미늄 금속나노 입자(Al metalnano particle) 내부에 상전이 물질(Phase Change Material)을 주입함으로써, 상전이 물질의 성질에 해당하는 고체, 용융, 열에너지 흡수, 액체, 응결, 열에너지 방출, 고체로 반복적으로 변함으로써, 열 응집 및 열 광확산성 등에 대한 특성을 제공할 수 있다.
다음으로, 본 발명에서 사용되는 캡슐형 나노 분말 입자를 미리 설정된 중량비율로 혼합한 PLA 플라스틱 복합체의 사용량이 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대해서 1.5 중량부 미만일 경우 황변 현상이 떨어지는 문제점이 있고, 1.7 중량부를 초과할 경우, 충격강도가 현저히 저하되는 문제점이 있었다.
다음으로, 본 발명에서 사용되는 광확산 발광 안료는 평균 입경이 150 내지 170㎚인 실리콘계 가교입자 및/또는 폴리스티렌수지와 굴절률이 다른 무기계 또는 유기계의 평균 입경이 110 내지 130㎚인 투명입자에 양자점(Quantum dot)을 미리 설정된 중량 비율로 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 양자점은 나노미터 크기의 반도체 물질로서 양자제한 효과를 나타내며, '나노 형광체'로 지칭될 수 있다. 양자점은 여기원으로부터 빛을 흡수하여 에너지 여기 상태에 이르면, 자신의 에너지 밴드 갭에 해당하는 에너지를 방출함으로써 실리콘계 가교입자 및 투명입자에 의해 여기원의 빛(여기광)이 광확산시 파장 변환(변조)시킨다. 여기원은 통상적으로 LED칩 또는 자외선 LED칩을 사용할 수 있다.
한편, 무기계 또는 유기계의 투명입자에 있어서, 무기계 입자로는 탄산칼슘 입자, 황산바륨 입자, 산화티탄 입자, 수산화알루미늄 입자, 실리카 입자, 유리 입자, 마이카 입자, 산화마그네슘 입자, 산화아연 입자를 사용할 수 있고, 유기계 입자로는 아크릴계 가교입자, 실리콘계 가교입자 또는 스티렌계 가교입자를 사용할 수 있으며, 상기 유기계 입자 및 무기계 입자를 단독 또는 2 이상의 것을 혼합하여 사용할 수도 있다. 바람직하기로는 내광성이 우수한 유기계의 아크릴계 가교입자, 실리콘계 가교입자 또는 스티렌계 가교입자를 사용한다.
본 발명에서 광확산 발광 안료 100 중량부에 대해서 평균 입경이 150 내지 170㎚인 실리콘계 가교입자 30 내지 40 중량부, 폴리스티렌수지와 굴절률이 다른 무기계 또는 유기계의 평균 입경이 110내지 130㎚인 투명입자 30 내지 40 중량부에 양자점(Quantum dot)을 20 내지 40 중량부를 혼합하여 사용하는 바, 양자점이 20 중량부 미만인 경우, 광확산 효과가 미미하며, 40 중량부를 초과하면 광확산 효과는 향상되는 반면, 휘도가 저하되므로, 양자점(Quantum dot)은 상기 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 양자점(Quantum dot)은 폴리스티렌 수지와의 상용성 및 분산성을 고려하여 입자 형태로 혼합하는데, 양자점 입자의 평균 입경은 17 내지 19㎚인 것이 바람직하다. 양자점(Quantum dot) 입자의 평균 입경이 17㎚ 미만이면 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)의 황변현상이 발생할 우려가 있고, 19㎚를 초과하면 폴리스틸렌 입자와의 상호 작용시 양자점(Quantum dot) 입자의 크기가 너무 커서 실리콘계 가교입자 및 투명입자와의 분산성 및 혼화성이 떨어져 광확산 효과를 기대하기 어렵다.
또한, 실리콘계 가교입자와 투명입자 간의 중량비는 1 : 1.2 내지 1.3의 비율로 설정하는 것이 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)에 의한 최대발광효과를 나타냈다.
다음으로, 본 발명에서 사용되는 코어 러버는 다층 구조의 러버로서, 후술하는 시드 러버가 고무 단량체로 제조시 공액디엔계 단량체, 에틸렌 불포화성 방향족 화합물 및 필요에 따라 가교제 등을 다단계 그라프트 공중합하여 제조될 수 있다.
이때, 2단계 이상의 다단계 중합에서는 코어 러버에 그라프팅되는 단량체 성분을 각 단계별로 다르게 할 수 있다. 단, 1단계 및 2단계의 단량체 함량은 그라프트 되는 단량체의 종류와 목표로 하는 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)의 산란도를 조절할 수 있다.
이러한 열가소성 그라프트 공중합체의 제조시 고무 단량체의 사용량이 전체 코어 러버 100 중량부에 대해서 25 중량부 미만일 경우 충격강도의 개선 효과가 미미하고, 35 중량부를 초과할 경우에는 열가소성 그라프트 공중합체와 열가소성 폴리스티렌 수지와의 상용성 부족으로 분산성과 기계적 물성이 떨어지는 문제가 있다.
공액디엔계 단량체, 에틸렌 불포화성 방향족 화합물 및 가교제 등의 종류와 함량 등을 조절하여 코어 러버의 유리전이온도와 굴절률을 조절할 수 있고, 열가소성 폴리스티렌 수지의 종류와 원하는 물성에 따라 변경하는 것도 가능하다. 따라서 공액디엔계 단량체, 에틸렌 불포화성 방향족 화합물 및 이들의 가교에 사용되는 가교제의 함량 등은 본 발명에서 구체적으로 한정하지 않는다.
공액디엔계 단량체는 외부로부터의 충격을 흡수하여 내충격성을 향상시키는 역할을 하며, 예를 들면 부타디엔, 이소프렌 및 클로로이소프렌으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다.
에틸렌 불포화성 방향족 화합물은 코어 고무에 그래프트 공중합되어 열가소성 폴리스티렌 수지 간의 빛의 산란도의 격차를 줄이는 역할을 하며, 동일하게 함으로써 산란도 차이에 의해 발생하는 난반사를 억제, 투명도를 유지시키는 역할을 하는데, 예를 들면 스티렌, 알파메틸스티렌, 이소프로필페닐나프탈렌, 비닐나프탈렌, C1 내지 C3의 알킬기가 치환된 알킬스티렌, 및 할로겐이 치환된 스티렌으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다.
코어 러버 제조 시 가교제를 사용할 수 있으며, 이때 사용되는 가교제는 코어 러버의 가교도를 조절하는 역할을 한다. 가교제의 예를 들면 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 디에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디메타크릴레이트, 아릴메타크릴레이트 및 1,3-부틸렌글리콜디아크릴레이트 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로, 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)을 구비한 LED 조명기구(100)의 종류 즉, 천정형, 벽면형 등 중에서 기계적 물성이 상대적으로 약해도 되는 경우 코어 러버는 폴리스티렌(PS) 광확산판(110) 주재 수지의 조성물로 함유되지 않을 수 있다.
다음으로 본 발명에서 사용되는 시드 러버는 고무류를 이용하여 변성시킨 에폭시수지로서 에폭시기를 가진 물질과 에폭시기에 반응하는 작용기를 가진 고무 단량체 또는 중합체의 반응으로 생성되며, 적어도 두 개 이상의 에폭시기를 함유하고 있음을 조건으로 한다. 이때 고무 단량체로는 부타디엔, 아크릴로니트릴, 스티렌 등이, 고무 중합체로는 아크릴로니트릴부타디엔고무(NBR), 스티렌부타디엔고무(SBR) 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 시드 러버는 아크릴로니트릴부타디엔고무를 사용해서 변성된 에폭시수지가 사용되고 있다.
본 발명에서는 열가소성 폴리스티렌을 조성물에 첨가하여 경화시 수축률을 줄이는 방법 대신 기본 폴리머로 시드 러버를 단독으로 사용하거나 통상의 에폭시수지와 혼용하는 방법에 의해 경화시 수축률을 줄이도록 하고 있다.
이때, 경화제로는 지방족 및 방향족 아민과 폴리아미드류가 사용될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 디시안디아미드(Dicyan diamide)를 경화제로 사용할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 시드 러버는 에폭시기를 가진 물질 45 내지 57 중량%와 에폭시기에 반응하는 작용기를 가진 고무 단량체 또는 중합체 43 내지 55 중량%의 반응으로 중합되어 형성될 수 있으며, 고무 단량체 또는 중합체는 외부로부터의 충격을 흡수하여 내충격성을 향상시키는 역할을 수행하며, 에폭시기를 가진 물질은 폴리스티렌 수지와 고무 단량체 또는 중합체 간의 굴절률을 완화시키는 역할을 수행함으로써, 굴절률 차이에 의해 발생하는 빛의 산란 억제 및 투명한 재질로 형성되는 폴리스티렌 수지의 투명도를 유지시키는 역할을 수행할 수 있다.
상술한 열가소성 그라프트 공중합체의 제조 시, 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대해서 시드 러버의 사용량이 0.7 중량부 미만일 경우 내충격성이 저하되는 문제점이 있고, 0.8 중량부를 초과할 경우에는 투명도가 저하되는 문제점이 있다.
종래의 폴리프로필렌 수지 및/또는 폴리스틸렌계 수지를 활용한 광확산판의 특성인 PC(polycarbonate) 광확산, PMMA[Poly(methyl methacrylate)] 광확산에 비해 저렴하므로 선호도가 높고, 제조 단가가 저렴하나 설치시 열에 약하고 광확산에 의한 황변현상으로 인해 발광효과가 떨어지는 문제점을 상술한 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물로 형성된 폴리스티렌(PS) 광확산판(110)이 해결할 수 있는 효과를 제공한다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물을 이용한 폴리스티렌(PS) 광확산판을 구비한 LED 조명기구
110 : 폴리스티렌(PS) 광확산판
111 : 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름
112 : 격자 구조(메쉬 구조)

Claims (2)

  1. 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물을 위한 폴리스티렌 수지, 광확산 발광 안료, PLA(PolyLactic Acid) 플라스틱 복합체, 코어 러버(core rubber), 시드 러버(seed rubber)를 제조하는 제 1 단계; 및
    광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물을 용융시켜 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 제조 과정(S21), 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 적층 과정(S22), 적층된 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 수분을 제거를 위한 건조 과정(S23), 입자가 서로 엉켜 결합하도록 건조된 입자에 고온 증기 공급에 따른 성형 완료 과정(S24)으로 이루어지는 폴리스티렌(PS) 광학판(110)을 생성하는 제 2 단계; 를 포함하고,
    상기 광확산판용 폴리스티렌계 수지 조성물은 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 폴리스티렌 수지 100 중량부에 대하여, PLA(PolyLactic Acid) 플라스틱 복합체 1.5 내지 1.7 중량부, 코어 러버(core rubber) 1.2 내지 1.3 중량부, 시드 러버(seed rubber) 0.7 내지 0.8 중량부, 광확산 발광 안료 12 내지 15 중량부를 혼합한 것이고,
    상기 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 폴리스티렌 수지는 폐합성수지인 재생 폴리스티렌 97 내지 98 중량비에, 2 내지 3 중량비의 탄소섬유를 첨가 혼합한 것이고,
    상기 광확산 발광 안료는 전체 광확산 발광 안료 100 중량부에 대해서 평균 입경이 150 내지 170㎚인 실리콘계 가교입자 30 내지 40 중량부, 폴리스티렌수지와 굴절률이 다른 무기계 또는 유기계의 평균 입경이 110내지 130㎚인 투명입자 30 내지 40 중량부에, 평균 입경이 17 내지 19㎚인 양자점(Quantum dot)을 20 내지 40 중량부를 혼합하여 사용하는 것이고, 상기 실리콘계 가교입자와 투명입자 간의 중량비는 1 : 1.2 내지 1.3의 비율로 혼합되는 것이고,
    상기 PLA 플라스틱 복합체는 PLA(PolyLactic Acid)와, 알루미늄 금속나노 입자(Al metalnano particle) 내부에 상전이 물질을 캡슐화하여, 250 내지 320㎚의 직경을 갖도록 형성한 캡슐형 나노 분말 입자를 혼합한 PLA 플라스틱 레진을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물을 이용한 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111) 제조 과정(S21)은,
    폴리스티렌(PS) 광확산판(110)을 구성하는 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 형성하기 위해 압출장치를 이용해 압출하여 압출 용융물을 형성시, 250 내지 270 ℃의 온도에서 용해시키며, 용용상태의 압출 용융물을 통과시 T-die 방식으로 필름 타입의 폴리스티렌 필름인 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 형성하며, 다이의 출구에 부착된 냉각장치를 폴리스티렌(PS) 광확산판용 필름(111)을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 광확산판용 폴리스틸렌계 수지 조성물을 이용한 폴리스티렌(PS) 광확산판 제조 방법.
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대한민국 특허출원 특허출원번호 제10-2012-0101039호 "광확산판용 수지 조성물, 이를 포함하는 광확산판 및 그 제조방법(Resin composition for a light diffusion plate, a light diffusion plate containing the same and manufacturing method thereof)"

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