KR102092890B1 - 광학 필름, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광학 부품 - Google Patents

광학 필름, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광학 부품 Download PDF

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Abstract

600 nm 이하의 면내 위상차(Ro) 및 4000 nm 이상의 두께 방향 위상차(Rth)를 갖고, 면내 서로 수직하는 제 1 방향 및 제 2 방향을 정의할 때, 85℃ 및 24시간 조건에서 상기 제 1 방향의 열수축률(s1)이 0.8% 이하이고, 상기 제 1 방향의 열수축률(s1)에 대한 상기 제 2 방향의 열수축률(s2)의 비율(s2/s1)이 1.1 내지 10인, 광학 필름, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광학 부품이 제공된다.

Description

광학 필름, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광학 부품{OPTICAL FILM, PREPARATION METHOD THEREOF AND OPTICAL COMPONENT COMPRISING SAME}
이하 구현예들은 수축률이 제어된 광학 필름, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광학 부품에 관한 것이다.
최근 들어 액정 표시장치(liquid crystal display, LCD)에 대한 수요가 급증하면서, 이의 필수 부품이라 할 수 있는 편광판에 관한 관심도 함께 높아지고 있다. 편광판은 여러 방향으로 진동하면서 입사되는 자연광을 한쪽 방향으로만 진동하는 빛으로 편광시키는 역할을 하며, 일정한 투과광을 제공하고 투과광의 색조를 변화하기 위한 필수 부품이다.
편광판은 편광자의 일면 또는 양면에 보호 필름이 적층된 구조를 가지며, 이때 편광자로는 주로 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA) 필름이 사용된다. 또한 보호 필름으로는 주로 트리아세틸셀룰로오스(triacetyl cellulose, TAC) 필름이 많이 사용되었다. 한편, 액정표시장치(LCD)는 그 기능 및 용도가 다양해짐에 따라 보다 가혹한 환경에서도 정상적으로 작동할 수 있을 것이 요구되고 있다. 그런데 트리아세틸셀룰로오스(TAC)는 수분에 취약하고 내구성이 좋지 않아서 위와 같은 요구를 충족하지 못한다는 문제점이 있다.
이에 최근에는 일본 공개특허공보 제2011-532061호 및 제2010-118509호와 같이, TAC 필름을 폴리에스테르 소재의 필름으로 대체하려는 시도가 많이 이루어지고 있다. 특히 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름은 기계적 물성, 내약품성, 수분 차단성 등이 우수하기 때문에 이러한 요구를 만족할 수 있다.
일본 공개특허공보 제2011-532061호 일본 공개특허공보 제2010-118509호
종래에 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 폴리에스테르 수지를 이용하여 저위상차의 광학 필름을 구현할 경우, 수축율이 상승하여 이를 편광자 보호 필름에 적용할 경우, 고온에서 수축이 발생하여 기판과 합지된 가장자리부가 들뜸으로써 신뢰성이 저하되었다(도 3 참조).
한편 수축률을 낮추기 위해 광학 필름의 제조 과정에서 열고정 온도를 높일 경우, 면내 위상차가 상승하여 편광자 보호 필름으로 적용 시에 무지개 얼룩을 발생시키게 된다.
이에 본 발명자들이 연구한 결과 필름의 제조 과정에서 열고정 온도를 높이지 않고도 이완에 의해 폭 방향의 수축률을 조절할 경우 들뜸을 억제할 수 있음을 발견하였다.
따라서, 이하의 구현예들은 고온에서 수축에 의한 들뜸이 발생하지 않으면서도 위상차에 의한 무지개 얼룩을 발생시키지 않는 광학 필름, 이를 간단한 공정에 의해 제조하는 방법 및 이를 포함하는 광학 부품을 제공하고자 한다.
일 구현예에 따르면, 600 nm 이하의 면내 위상차(Ro) 및 4000 nm 이상의 두께 방향 위상차(Rth)를 갖고, 면내 서로 수직하는 제 1 방향 및 제 2 방향을 정의할 때, 85℃ 및 24시간 조건에서 상기 제 1 방향의 열수축률(s1)이 0.8% 이하이고, 상기 제 1 방향의 열수축률(s1)에 대한 상기 제 2 방향의 열수축률(s2)의 비율(s2/s1)이 1.1 내지 10인, 광학 필름이 제공된다.
다른 구현예에 따르면, 폴리에스테르 수지를 포함하는 필름을 연신하는 단계; 상기 연신된 필름을 열고정하는 단계; 상기 열고정된 필름을 온도 강하 조건에서 어닐링하는 단계; 및 상기 어닐링된 필름을 냉각하는 단계를 포함하고, 상기 어닐링 단계에서 상기 열고정된 필름을 이완하는, 상기 광학 필름의 제조방법이 제공된다.
또 다른 구현예에 따르면, 편광자; 및 상기 편광자의 적어도 일 면에 인접하는 상기 광학 필름을 포함하는, 광학 부품이 제공된다.
상기 구현예에 따른 광학 필름은, 면내 서로 수직하는 제 1 방향 및 제 2 방향의 열수축률을 특정 범위로 조절하여 수축에 의한 들뜸이 발생하지 않으면서, 면내 위상차가 낮아서 편광자 보호 필름으로 적용 시에 무지개 얼룩을 발생시키지 않을 수 있다.
구체적으로, 상기 광학 필름은 제조 과정에서 열고정 온도를 높이지 않고도 어닐링 단계에서 이완을 실시하여 폭 방향의 열수축률을 낮춤으로써 들뜸을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 낮은 면내 위상차를 구현할 수 있어서 무지개 얼룩을 방지할 수 있다.
또한, 상기 구현예에 따른 광학 필름은 인장강도, 연필경도 등의 기계적 물성이 우수하여 내구성이 좋다.
따라서 상기 구현예에 따른 광학 필름, 이를 포함하는 광학 부품은 수축 특성 및 광학 특성이 우수하고, 가혹한 환경에서도 정상적으로 작동할 수 있기 때문에 액정 표시장치, 유기전계발광 표시장치 등의 다양한 제품에 적용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 광학 필름의 제조 공정 진행에 따른 필름 폭의 변화를 나타낸 것이다
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 광학 필름의 제조 공정 진행에 따른 필름 폭의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래의 광학 필름을 편광자 보호 필름으로 적용 시에 수축에 의해 들뜸이 발생하는 것을 나타낸 것이다.
도 4는 필름의 폭 방향으로의 변위 및 폭 중심을 설명하기 위한 도식이다.
도 5는 실시예 3 및 비교예 3에 따른 광학 필름의 폭 방향 변위에 대한 면내 위상차의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 일 구현예에 따른 편광판의 단면도를 나타낸 것이다.
도 7은 일 구현예에 따른 액정 표시장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 8는 일 구현예에 따른 유기전계발광 표시장치의 단면도를 나타낸 것이다.
이하 구현예에서 설명되는 각 필름, 패널, 또는 층 등이 각 필름, 패널, 또는 층 등의 "상(on)" 또는 "하(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "하(under)"는 직접(directly) 또는 다른 구성요소를 개재하여 간접적으로(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 물성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
[광학 필름]
일 구현예에 따른 광학 필름은, 600 nm 이하의 면내 위상차(Ro) 및 4000 nm 이상의 두께 방향 위상차(Rth)를 갖고, 면내 서로 수직하는 제 1 방향 및 제 2 방향을 정의할 때, 85℃ 및 24시간 조건에서 상기 제 1 방향의 열수축률(s1)이 0.8% 이하이고, 상기 제 1 방향의 열수축률(s1)에 대한 상기 제 2 방향의 열수축률(s2)의 비율(s2/s1)이 1.1 내지 10이다.
위상차
상기 광학 필름은 면내 위상차(Ro)가 600 nm 이하, 500 nm 이하, 400 nm 이하, 300 nm 이하, 또는 200 nm 이하일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 무지개 얼룩의 발생을 최소한으로 줄일 수 있다.
또한, 상기 광학 필름은 최소 면내 위상차(Romin)가 200 nm 이하 또는 150 nm 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 광학 필름의 최소 면내 위상차는 120 nm 이하, 100 nm 이하, 85 nm 이하, 75 nm 이하, 또는 65 nm 이하일 수 있다.
한편 상기 광학 필름의 면내 위상차의 하한값은 0 nm일 수 있고, 또는 광학 특성과 기계적 물성의 균형을 위해 상기 면내 위상차(Ro)의 하한값을 10 nm 이상, 30 nm 이상, 또는 50 nm 이상으로 할 수 있다.
또한, 상기 광학 필름은 두께 방향 위상차(Rth)가 4,000 이상, 5,000 nm 이상 또는 5,500 nm 이상일 수 있다.
또한, 상기 광학 필름은 최대 두께 방향 위상차(Rthmax)가 6,000 nm 이상, 예를 들어, 6,500 nm 이상, 예를 들어, 7,500nm 이상, 예를 들어, 8,000 nm 이상, 예를 들어, 8,500 nm 이상일 수 있다.
상기 두께 방향 위상차는 두께 40 ㎛ 내지 50 ㎛ 기준으로 한 측정값일 수 있다. 상기 범위 내일 때 분자의 배향도가 커서 결정화가 촉진되어 기계적 물성 면에서 바람직하다. 또한 두께 방향 위상차(Rth)가 클수록 면내 위상차(Ro)에 대한 두께 방향 위상차(Rth)의 비(Rth/Ro)가 커지기 때문에 무지개 얼룩을 효과적으로 억제할 수 있다.
한편, 상기 광학 필름에서 무지개 얼룩을 없애기 위한 두께 한계 및 비용을 고려하여, 상기 두께 방향 위상차(Rth)의 상한값을 16,000 nm 이하, 15,000 nm 이하, 또는 14,000 nm 이하로 할 수 있다.
여기서 상기 면내 위상차(in-plane retardation, Ro)는, 필름의 평면 내의 직교하는 2개의 축(도 4 참조)의 굴절률의 이방성(△nxy＝｜nx-ny｜)과 필름 두께 d(nm)의 곱(△nxy×d)으로 정의되는 파라미터로서, 광학적 등방성 또는 이방성을 나타내는 척도이다. 또한, 상기 최소 면내 위상차(Romin)는 필름의 평면 내의 복수 지점에서 면내 위상차(Ro)를 각각 측정하였을 때, 가장 낮게 측정된 값을 의미한다.
또한 두께 방향 위상차(thickness direction retardation, Rth)란, 필름 두께 방향의 단면에서 봤을 때의 2개의 복굴절인 △nxz(＝｜nx-nz｜) 및 △nyz(＝｜ny-nz｜)에 각각 필름 두께 d를 곱하여 얻어지는 위상차의 평균으로 정의되는 파라미터이다. 또한, 상기 최대 두께 방향 위상차(Rthmax)는 필름의 평면 내의 복수 지점에서 두께 방향 위상차(Rth)를 각각 측정하였을 때, 가장 높게 측정된 값을 의미한다.
일 구현예에 따른 필름 제조 공정에 의하면, 필름의 폭 중심에서 최소 면내 위상차 및 최대 두께 방향 위상차가 나타날 수 있다. 따라서, 필름의 최소 면내 위상차 및 최대 두께 방향 위상차는 필름의 폭 중심에서 측정한 값일 수 있다. 본 명세서에서 '폭 중심'은 도 4에 도시된 바와 같이 폭 방향(TD) 및 길이 방향(MD)으로 연신한 뒤의 필름이 갖는 폭의 중간 지점(A, B)으로 정의될 수 있다. 상기 필름에는 하나의 폭 중심만이 존재하는 것이 아니고, 측정 지점에 따라 무한대로 설정할 수 있다. 한편, 제조 이후 다양한 형태로 재단된 최종 필름의 폭 중심은, 최초 필름(재단 이전의 필름)의 폭 중심과 일치하지 않을 수 있고, 이러한 경우에는 필름의 폭 중심에서 최소 면내 위상차 및 최대 두께 방향 위상차가 나타나지 않을 수 있다.
또한, 필름을 대화면 용도의 광학 부품에 적용할 때 유효폭 내에서 면내 위상차의 편차(즉 최대값과 최소값의 차이)가 적은 것이 좋다. 여기서 유효폭이란, 도 4에 도시된 바와 같이, 폭 중심(A)에서 폭 방향(x축)을 따라 양 끝단을 향해 일정 거리 이동한 지점(A', A'') 사이의 거리를 말하며, 예를 들어 폭 중심으로부터 ±1,500 mm, 즉 약 3,000 mm로 정의될 수 있다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 제조 이후 다양한 형태로 재단된 최종 필름의 폭 중심은, 최초 필름(재단 이전의 필름)의 폭 중심과 일치하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 유효폭은 필름에서 최소 면내 위상차가 나타나는 지점으로부터 폭 방향을 따라 양 끝단을 향해 일정 거리 이동한 지점 사이의 거리를 말할 수 있다.
상기 광학 필름은 유효폭 내의 면내 위상차의 편차가 적다. 구체적으로, 상기 광학 필름은 폭 방향 변위에 대한 면내 위상차의 변화량(|ΔRo|/|Δx|)이 0 내지 100 nm/mm일 수 있다. 구체적으로, 상기 광학 필름의 |ΔRo|/|Δx| 값은 0 내지 50 nm/mm, 0 내지 35 nm/mm, 0 내지 25 nm/mm, 또는 0 내지 20 nm/mm일 수 있다. 여기서 폭 방향의 변위(Δx)는 폭 방향(x축) 상의 일정 지점간의 거리(x2-x1)를 의미하고, 면내 위상차의 변화량(ΔRo)은 상기 각 일정 지점에서의 면내 위상차의 차이(Ro2-Ro1)를 의미한다. 상기 범위 내일 때, 필름의 폭이 넓어지더라도 면내 위상차(Ro)가 크게 증가하지 않기 때문에 무지개 얼룩이 생기는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한 상기 광학 필름은 유효폭 내의 두께 방향 위상차의 편차가 적다. 구체적으로, 상기 광학 필름은 폭 방향의 변위에 대한 두께 방향 위상차의 변화량(|ΔRth|/|Δx|)이 1000 nm/3 m 미만, 700 nm/3 m 미만, 또는 500 nm/3 m 미만일 수 있다. 여기서 폭 방향의 변위(Δx)는 폭 방향(x축) 상의 일정 지점간의 거리(x2-x1)를 의미하고, 면내 위상차의 변화량(ΔRth)은 상기 각 일정 지점에서의 면내 위상차의 차이(Rth2-Rth1)를 의미한다.
또한, 상기 광학 필름은 면내 위상차(Ro)에 대한 두께 방향 위상차(Rth)의 비(Rth/Ro)가 10 이상, 15 이상 또는 20 이상일 수 있다. 면내 위상차(Ro)는 작을수록, 두께 방향 위상차(Rth)는 클수록 무지개 얼룩이 생기는 것을 방지하는데 유리하므로 양 수치의 비(Rth/Ro)는 크게 유지되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 광학 필름은 최소 면내 위상차(Romin)에 대한 최대 두께 방향 위상차(Rthmax)의 비(Rthmax/Romin)가 30 이상, 40 이상, 50 이상, 또는 60 이상일 수 있다.
열수축률
상기 구현예에 따른 광학 필름은 면내 서로 수직하는 제 1 방향 및 제 2 방향을 정의할 수 있고, 예를 들어 상기 제 1 방향은 폭 방향(TD)이고 상기 제 2 방향은 길이 방향(MD)일 수 있다.
상기 구현예에 따른 광학 필름은 85℃ 및 24시간 조건에서 상기 제 1 방향의 열수축률(s1)이 0.8% 이하이고, 상기 제 1 방향의 열수축률(s1)에 대한 상기 제 2 방향의 열수축률(s2)의 비율(s2/s1)이 1.1 내지 10이다.
상기 제 1 방향의 열수축률(s1)은 0.7% 이하, 0.6% 이하, 0.5% 이하, 0.4% 이하, 0.3% 이하, 0.2% 이하, 또는 0.1% 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 방향의 열수축률(s1)은 0% 내지 0.8%, 0% 내지 0.6%, 0% 내지 0.4%, 또는 0% 내지 0.2%일 수 있다.
또한, 상기 제 2 방향의 열수축률(s2)은 3% 이하, 2% 이하, 1.5% 이하, 1.2% 이하, 1% 이하, 0.8% 이하, 또는 0.7% 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 방향의 열수축률(s1)은 0.2% 내지 3%, 0.3% 내지 2%, 0.4% 내지 1%, 또는 0.5% 내지 0.8%일 수 있다.
또한, 상기 열수축률의 비율(s2/s1)은 1.2 내지 10, 1.3 내지 10, 1.4 내지 10, 1.5 내지 10, 2 내지 10, 3 내지 10, 4 내지 10, 5 내지 10, 6 내지 10, 또는 7 내지 10일 수 있다.
상기 구현예에 따른 광학 필름은 상술한 열수축 특성을 가지므로 편광자 보호 필름으로 적용 시에 고온 조건에서 수축에 의한 들뜸이 발생하지 않을 수 있다. 구체적으로, 편광자로 사용되는 폴리비닐알콜(PVA)은 수축율이 높아 열처리 과정에서 쉽게 휘어지는데, 이를 억제하지 못하면 광학 필름이 우그러져 물결무늬가 생길 수 있고, 이에 따라 반짝이 현상에 의해 시인성이 현저히 떨어질 수 있다. 따라서 상기 구현예에 따른 광학 필름은 상술한 열수축 특성에 의해 편광자의 휨을 막는데 유리하고, 이에 따라 물결무늬, 반짝이 현상, 광학 필름과 편광자 간의 박리, 크랙(crack) 등을 미연에 방지할 수 있다.
광학 필름의 물성
상기 광학 필름의 두께는 10 ㎛ 내지 100 ㎛, 20 ㎛ 내지 60 ㎛ 또는 40 ㎛ 내지 60 ㎛일 수 있다. 일례로서, 상기 광학 필름은 20 ㎛ 내지 60 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 광학 필름은 고온(예: 85℃)에서의 인장탄성율(tensile modulus)이 3.0 Gpa 이상 또는 3.5 Gpa 이상일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 광학 필름을 광학 부품에 도입한 뒤 고온에서 열처리 시에 광학 부품의 휨(curl)을 방지하는데 유리하다.
또한, 상기 광학 필름은 투습도가 10 g/㎡·day 내지 100 g/㎡·day, 10 g/㎡·day 내지 50 g/㎡·day 또는 10 g/㎡·day 내지 30 g/㎡·day일 수 있다.
또한, 상기 광학 필름은 380 nm 파장에서 투과율이 10% 이하, 5% 이하, 또는 3% 이하일 수 있다.
일례로서, 상기 광학 필름은 10 g/㎡·day 내지 50 g/㎡·day의 투습도, 및 380 nm 파장에서 5% 이하의 투과율을 가질 수 있다.
또한, 상기 광학 필름은 표면 경도가 1H 이상, 2H 이상, 또는 3H 이상일 수 있고, 이는 두께 2~4 ㎛의 하드코팅 처리 시의 표면 경도일 수 있다.
따라서, 상기 광학 필름은 편광자 보호 필름으로 사용되어, 액정 표시장치 또는 유기전계발광 표시장치의 제조에 사용될 수 있다.
광학 필름의 조성
상기 광학 필름은 폴리에스테르 수지를 포함할 수 있다.
상기 폴리에스테르 수지는 디카르복실산과 디올이 중축합된 단일중합체 수지 또는 공중합체 수지일 수 있다. 또한, 상기 폴리에스테르 수지는 상기 단일중합체 수지 또는 공중합체 수지가 혼합된 블렌드 수지일 수 있다.
상기 디카르복실산의 예로는 테레프탈산, 이소프탈산, 오르토프탈산, 2,5-나프탈렌디카르복실산, 2,6-나프탈렌디카르복실산, 1,4-나프탈렌디카르복실산, 1,5-나프탈렌디카르복실산, 디페닐카르복실산, 디페녹시에탄디카르복실산, 디페닐설폰카르복실산, 안트라센디카르복실산, 1,3-사이클로펜탄디카르복실산, 1,3-사이클로헥산디카르복실산, 1,4-사이클로헥산디카르복실산, 헥사하이드로테레프탈산, 헥사하이드로이소프탈산, 말론산, 디메틸말론산, 석신산, 3,3-디에틸석신산, 글루타르산, 2,2-디메틸글루타르산, 아디프산, 2-메틸아디프산트리메틸아디프산, 피멜산, 아젤라인산, 세바스산, 수베르산, 도데카디카르복실산 등이 있다.
또한, 상기 디올의 예로는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 헥사메틸렌글리콜, 네오펜틸글리콜, 1,2-사이클로헥산디메탄올, 1,4-사이클로헥산디메탄올, 데카메틸렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 2,2-비스(4-하이드록시페닐)프로판, 비스(4-하이드록시페닐)설폰 등이 있다.
바람직하게는, 상기 폴리에스테르 수지는 결정성이 우수한 방향족 폴리에스테르 수지일 수 있고, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지를 주성분으로 할 수 있다.
일례로서, 상기 광학 필름은 PET 수지를 약 85 중량% 이상 포함할 수 있고, 보다 구체적으로 90 중량% 이상, 95 중량% 이상, 또는 99 중량% 이상 포함할 수 있다. 다른 예로서, 상기 광학 필름은 PET 수지 이외에 다른 폴리에스테르 수지를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 광학 필름은 약 15 중량% 이하의 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 수지를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 광학 필름은 약 0.1 중량% 내지 10 중량%, 또는 약 0.1 중량% 내지 5 중량%의 PEN 수지를 더 포함할 수 있다.
상기 광학 필름은 연신된 필름인 것이 결정성이 높아 기계적 물성이 우수한 점에서 바람직하다. 구체적으로, 상기 광학 필름은 2축으로 연신된 폴리에스테르 필름일 수 있으며, 예를 들어 길이 방향(MD) 및 폭 방향(TD)에 대해 각각 2.0 내지 5.0의 연신비로 연신된 필름일 수 있다.
또한 상기 광학 필름은 폴리에스테르를 주성분으로 함으로써, 가열, 연신 등을 거치는 제조 과정에서 결정화도가 상승하고, 인장강도 등의 기계적 물성이 향상될 수 있다.
예를 들어, 상기 광학 필름은 결정화도가 35% 내지 55%일 수 있다. 상기 범위 내일 때 인장강도 등의 기계적 물성이 우수하면서도 과도한 결정화가 방지될 수 있다. 또한, 상기 광학 필름은 연필경도가 5B 이상인 것이 바람직하다. 상기 범위 내일 때 외부로부터 편광자를 보호하는데 무리가 없을 수 있다.
[광학 필름의 제조방법]
상기 광학 필름의 제조방법은 폴리에스테르 수지를 포함하는 필름을 연신하는 단계; 상기 연신된 필름을 열고정하는 단계; 상기 열고정된 필름을 온도 강하 조건에서 어닐링하는 단계; 및 상기 어닐링된 필름을 냉각하는 단계를 포함하고, 상기 어닐링 단계에서 상기 열고정된 필름을 이완한다.
도 1은 일 구현예에 따른 광학 필름의 제조 공정 진행을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하여 상기 광학 필름은 원료 수지를 압출하고 예열(S1), 연신(S2), 열고정(S3), 어닐링(S4) 및 냉각(S5)을 거쳐 제조된다.
이때 상기 광학 필름의 원료로 사용되는 폴리에스테르 수지의 조성은 앞서 예시한 바와 같다.
또한 상기 압출은 230℃ 내지 300℃, 또는 250℃ 내지 280℃의 온도 조건에서 수행될 수 있다.
상기 광학 필름은 연신하기 전 일정 온도에서 예열될 수 있다. 상기 예열 온도의 범위는 상기 폴리에스테르 수지의 유리전이온도(Tg)를 기준으로 Tg+5℃ 내지 Tg+50℃ 범위를 만족하고, 이와 동시에, 70℃ 내지 90℃의 범위를 만족하는 범위로 결정될 수 있다. 상기 범위 내일 때, 상기 광학 필름이 연신되기에 용이한 유연성을 확보함과 동시에, 연신 중에 파단되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 연신은 이축 연신으로 수행되며, 예를 들어 동시 이축연신법 또는 축차 이축연신법을 통해 길이 방향(기계 방향, MD) 및 폭 방향(텐터 방향, TD)의 2축으로 연신될 수 있다. 바람직하게는 먼저 한 방향으로 연신한 다음 그 방향의 직각 방향으로 연신하는 축차 이축연신법이 수행될 수 있다.
상기 연신 시의 폭 방향 연신비(d1)는 2.0 내지 5.0 범위이며, 구체적으로 2.0 내지 4.0 범위, 보다 구체적으로 2.9 내지 3.7 범위일 수 있다. 상기 연신 시의 길이 방향의 연신비(d2)는 2.0 내지 5.0 범위이며, 구체적으로 2.0 내지 4.0 범위, 보다 구체적으로 2.8 내지 3.5 범위일 수 있다. 바람직하게는 상기 폭 방향 연신비(d1)와 상기 길이 방향 연신비(d2)는 유사하며, 구체적으로 상기 폭 방향의 연신비에 대한 길이 방향의 연신비의 비율(d2/d1)이 0.7 내지 1.1, 또는 0.8 내지 1.0일 수 있다. 일례로서 상기 연신이 2 내지 4의 폭 방향 연신비(d1) 및 2 내지 4의 길이 방향 연신비(d2)로 수행되고, 상기 폭 방향 연신비(d1)에 대한 상기 길이 방향 연신비(d2)의 비율(d2/d1)이 0.8 내지 1.0일 수 있다. 상기 연신비(d1, d2)는 연신 전의 길이를 1.0으로 했을 때, 연신 후의 길이를 나타내는 비이다.
또한 상기 연신의 속도는 6.5 m/min 내지 8.5 m/min일 수 있으나 특별히 한정되지 않는다.
상기 연신된 필름은 열고정되며, 열고정 시의 온도는 150℃ 내지 220℃, 160℃ 내지 210℃, 또는 180℃ 내지 200℃일 수 있다. 상기 열고정은 5초 내지 1분 동안 수행될 수 있고, 보다 구체적으로, 10초 내지 45초 동안 수행될 수 있다.
상기 열고정된 필름은 온도 강하 조건에서 어닐링(annealing)된다. 구체적으로, 상기 어닐링 시의 온도 강하 속도는 1℃/초 내지 20℃/초, 5℃/초 내지 15℃/초, 또는 5℃/초 내지 10℃/초일 수 있다.
상기 어닐링된 필름은 냉각되며, 상기 냉각 시의 온도는 60℃ 내지 120℃, 60℃ 내지 100℃, 또는 80℃ 내지 120℃일 수 있다. 또한, 상기 냉각은 5초 내지 30초, 또는 5초 내지 20초 동안 수행될 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 열고정이 150℃ 내지 220℃의 온도에서 수행되고; 상기 어닐링이 1℃/초 내지 20℃/초의 온도 강하 속도로 수행되고; 상기 냉각이 60℃ 내지 120℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 구현예에 따른 광학 필름의 제조방법에 따르면, 상기 어닐링 단계는 상기 열고정된 필름을 이완하는 것을 포함한다. 예를 들어, 상기 열고정된 필름은 길이 방향 및/또는 폭 방향으로 이완될 수 있다.
상기 이완은 1% 내지 10%, 2% 내지 7%, 또는 3% 내지 5%의 이완율로 수행될 수 있다. 또한 상기 이완은 1초 내지 1분, 2초 내지 30초, 또는 3초 내지 10초 동안 수행될 수 있다.
일례로서, 상기 이완은 2% 내지 7%의 이완율로 2초 내지 30초 동안 수행될 수 있다.
상기 이완은 1단 또는 2단 이상으로 수행될 수 있다. 일례로서, 상기 이완이 제 1 이완 단계 및 제 2 이완 단계를 포함하고, 상기 제 1 이완 단계 및 상기 제 2 이완 단계에서의 이완율이 각각 2% 내지 3%일 수 있다.
상술한 이완 공정 조건일 때, 열고정 온도를 높이지 않고도 폭 방향의 열수축률을 현저히 낮출 수 있다.
[광학 부품]
상기 구현예에 따른 광학 필름은 광학 부품에 적용될 수 있다.
상기 광학 부품은 상기 구현예에 따른 광학 필름을 포함함으로써 고온에서도 수축에 의한 들뜸을 방지할 수 있고 향상된 광학적 특성을 가질 수 있다.
일 구현예에 따른 광학 부품은 편광자; 및 상기 편광자의 적어도 일 면에 인접하는 상기 광학 필름을 포함한다.
상기 광학 부품은 구체적으로 편광판일 수 있다.
도 6은 일 구현예에 따른 편광판의 단면도를 도시한 것이다.
도 6을 참조하여, 일 구현예에 따른 편광판(10)은 편광자(11)와 상기 편광자의 적어도 일 면에 인접하는 광학 필름(12)을 포함한다.
상기 편광자는 여러 방향으로 진동하면서 상기 편광판에 입사되는 자연광을 한쪽 방향으로만 진동하는 빛으로 편광시킨다. 상기 편광자는 요오드 등으로 염색된 폴리비닐알콜(PVA)층일 수 있다. 이때, 상기 PVA층에 포함된 PVA 분자는 일 방향으로 정렬될 수 있다.
[표시장치]
상기 구현예에 따른 광학 부품은 표시장치에 적용될 수 있다.
상기 표시장치는 표시 패널; 및 상기 표시 패널의 상면 및 하면 중 적어도 한면에 배치되는 광학 부품을 포함한다.
이때 상기 광학 부품으로 앞서 설명한 구성을 갖는 광학 부품이 사용된다.
상기 표시장치는 표시 패널의 종류에 따라 액정 표시장치와 유기전계발광 표시장치 등으로 제공될 수 있다.
액정 표시장치
도 7은 일 구현예에 따른 액정 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 7을 참조하면, 일 구현예에 따른 액정 표시장치는 액정 패널(70) 및 백라이트 유닛(80)을 포함한다.
상기 백라이트 유닛은 상기 액정 패널에 광을 출사한다. 상기 액정 패널은 상기 백라이트 유닛으로부터의 광을 이용하여, 영상을 표시한다.
상기 액정 패널(70)은 상부 편광판(10), 컬러필터 기판(71), 액정층(72), TFT (thin film transistor) 기판(73), 및 하부 편광판(10')을 포함한다.
상기 TFT 기판 및 상기 컬러필터 기판은 서로 대향된다. 상기 TFT 기판은 각각의 픽셀에 대응하는 다수 개의 화소 전극들, 상기 화소 전극들에 연결되는 박막 트랜지스터들, 상기 박막 트랜지스터들에 각각 구동 신호를 인가하는 다수 개의 게이트 배선들, 및 상기 박막 트랜지스터들을 통하여 상기 화소 전극들에 데이터 신호를 인가하는 다수 개의 데이터 배선들을 포함할 수 있다.
상기 컬러필터 기판은 각각의 픽셀들에 대응하는 다수 개의 컬러필터들을 포함한다. 상기 컬러필터들은 투과되는 광을 필터링하여, 적색, 녹색 및 청색을 각각 구현할 수 있다. 또한, 상기 컬러필터 기판은 상기 화소 전극들에 대향하는 공통 전극을 포함할 수 있다.
상기 액정층은 상기 TFT 기판 및 상기 컬러필터 기판 사이에 개재된다. 상기 액정층은 상기 TFT 기판에 의해서 구동될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 액정층은 상기 화소 전극들 및 상기 공통 전극 사이에 형성되는 전계에 의해서 구동될 수 있다. 상기 액정층은 상기 하부 편광판을 통과한 광의 편광 방향을 조절할 수 있다. 즉, 상기 TFT 기판은 픽셀 단위로, 상기 화소 전극들 및 상기 공통 전극 사이에 인가되는 전위차를 조절할 수 있다. 이에 따라서, 상기 액정층은 픽셀 단위로 다른 광학적 특성을 가지도록 구동될 수 있다.
상기 상부 편광판 및 상기 하부 편광판 중 적어도 하나는 앞서 설명한 일 구현예에 따른 편광판과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
상기 하부 편광판은 상기 TFT 기판의 하부에 배치된다. 상기 하부 편광판은 상기 TFT 기판의 하부면에 접착될 수 있다.
상기 상부 편광판은 상기 컬러필터 기판의 상부에 배치된다. 상기 상부 편광판은 상기 컬러필터 기판의 상부면에 접착될 수 있다.
상기 상부 편광판 및 상기 하부 편광판의 편광 방향은 서로 동일하거나, 서로 수직할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 상부 편광판 및/또는 상기 하부 편광판은 향상된 성능을 가지는 광학 필름을 포함한다. 이에 따라서, 일 구현예에 따른 액정 표시장치는 향상된 휘도, 화질 및 내구성을 가질 수 있다.
유기전계발광 표시장치
도 8는 일 구현예에 따른 유기전계발광 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 8을 참조하면, 일 구현예에 따른 유기전계발광 표시장치는 전면 편광판(10) 및 유기전계발광 패널(90)을 포함한다.
상기 전면 편광판은 상기 유기전계발광 패널의 전면 상에 배치될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 전면 편광판은 상기 유기전계발광 패널에서, 영상이 표시되는 면에 접착될 수 있다. 상기 전면 편광판은 앞서 설명한 일 구현예에 따른 편광판과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
상기 유기전계발광 패널(90)은 픽셀 단위의 자체 발광에 의해서, 영상을 표시한다. 상기 유기전계발광 패널(90)은 유기전계발광 기판(91) 및 구동기판(92)을 포함한다.
상기 유기전계발광 기판은 픽셀에 각각 대응되는 복수의 유기전계발광 유닛들을 포함한다. 상기 유기전계발광 유닛들은 각각 음극, 전자 수송층, 발광층, 정공 수송층 및 양극을 포함한다.
상기 구동기판은 상기 유기전계발광 기판에 구동적으로 결합된다. 즉, 상기 구동 기판은 상기 유기전계발광 기판에 구동 전류 등과 같은 구동 신호를 인가할 수 있도록 결합될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 구동기판은 상기 유기전계발광 유닛들에 각각 전류를 인가하여, 상기 유기전계발광 기판을 구동할 수 있다.
상기 전면 편광판은 향상된 광학적 특성, 기계적 특성 및 열적 특성을 가지기 때문에, 일 구현예에 따른 유기전계발광 표시장치는 향상된 휘도, 화질 및 내구성을 가질 수 있다.
[실시예]
이하 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하나, 이들 범위로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 3: 폴리에스테르 필름의 제조
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지(SKC사)를 압출기로 약 280℃에서 압출하고, 캐스팅롤로 약 30℃에서 캐스팅하여 미연신 시트(sheet)를 제조하였다. 상기 미연신 시트를 125℃의 온도에서 표 1과 같은 연신비로 길이 방향(MD) 및 폭 방향(TD)으로 연신하였다. 이후, 연신된 시트를 하기 표 1의 온도로 약 13초 동안 열고정하고, 어닐링 및 냉각하여 두께 40㎛의 폴리에스테르 필름을 제조하였다. 이때, 공정 진행 속도(필름 이송 속도)는 70m/분으로 조절하였고, 상기 어닐링 단계에서 약 6℃/초의 속도로 온도를 낮추면서 이완을 수행하였다. 상기 이완은 2.5%씩 2단으로 총 5% 이완을 수행하였다.
비교예 1 내지 3: 폴리에스테르 필름의 제조
폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지(SKC사)를 압출기로 약 280℃에서 압출하고, 캐스팅롤로 약 30℃에서 캐스팅하여 미연신 시트(sheet)를 제조하였다. 상기 미연신 시트를 125℃의 온도에서 표 1과 같은 연신비로 길이 방향(MD) 및 폭 방향(TD)으로 연신하였다. 이후, 연신된 시트를 하기 표 1의 온도로 약 13초 동안 열고정하고, 어닐링 및 냉각하여 두께 52㎛의 폴리에스테르 필름을 제조하였다. 이때, 공정 진행 속도(필름 이송 속도)는 70m/분으로 조절하였고, 상기 열고정 단계의 후반에 이완을 수행하였다. 상기 이완은 2.5%씩 2단으로 총 5% 이완을 수행하였다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 광학 필름의 제조 공정 진행에 따른 필름 폭의 변화를 나타낸 그래프로서, 실시예 1의 경우 어닐링 단계에서 이완이 수행된 반면, 비교예 1의 경우 열고정 후반에 이완이 수행되었다.
시험예 1: 열수축률
필름 샘플을 100 mm x 100 mm로 재단하고 85℃에서 24시간 열처리하여, 열처리 전 및 후의 길이 방향(MD) 및 폭 방향(TD) 각각에 대해 열수축률(%)을 측정하였다.
시험예 2: 들뜸 평가
도 3과 같이 편광자(11)의 일면에 접착제층(15)에 의해 필름 샘플(12)을 부착하고, 편광자(11)의 타면에 접착제층(16)에 의해 TAC 필름(13)을 부착한 뒤, 접착제층(17)을 이용하여 유리 기판(19)에 부착하여 적층체를 얻었다.
상기 적층체를 85℃에서 500시간 처리 후에 유리 기판(19)과의 합지 영역의 가장자리에 들뜸이 발생하였는지 여부를 관찰한 뒤, 아래 기준에 따라 평가하였다.
- 들뜸 없음: 가장자리에 들뜸이 없거나 1mm 미만의 들뜸 발생
- 들뜸 발생: 가장자리에 1mm 이상의 들뜸 발생
시험예 3: 면내 위상차
필름 샘플에 대해서 면내 위상차(Ro), 두께 방향 위상차(Rth) 및 유효폭 내의 면내 위상차(|ΔRo|/|Δx|)을 측정하였다.
먼저, 2매의 편광판을 사용하여 필름 샘플의 배향축 방향을 구하고, 배향축 방향이 직교하도록 4cm x 2cm의 직사각형으로 재단하였다. 면내 위상차(Ro) 및 두께 방향 위상차(Rth)는 위상차 측정기(Axometrics사 제조, Axoscan, 측정파장 550nm)를 이용하여 폭 중심에서 측정하였다. 또한, 위상차 측정기의 기본 데이터인 필름 샘플의 굴절률은 아베 굴절률계(아타고사 제조, NAR-4T, 측정파장 589.3nm)에 의해 측정하였고, 필름의 두께 d(㎛)는 전기 마이크로미터(파인류프사 제조, 밀리트론 1245D)를 사용해서 측정하였다.
시험예 4: 면내 위상차의 변화량
필름 샘플에 대해서 유효폭 전체에서의 면내 위상차(Ro) 및 두께 방향 위상차(Rth)를 측정하고, 이를 바탕으로 폭 방향 변위에 대한 면내 위상차의 변화량(|ΔRo|/|Δx|)(nm/mm)을 계산하였다.
도 5는 실시예 3 및 비교예 3의 광학 필름에 대한 유효폭 전체에서의 면내 위상차(Ro)를 측정한 결과이다. 도 5에서 보듯이, 실시예 3의 광학 필름보다 비교예 3의 광학 필름이 그래프의 기울기(즉 폭 방향 변위에 대한 면내 위상차의 변화량)가 증가하였으며, 이는 비교예 3에서 열고정 온도가 높았기 때문에 광학 필름의 폭 방향의 가장자리에서의 면내 위상차가 상승했기 때문이다.
시험예 5: 무지개 얼룩 평가
필름 샘플을 편광자의 양면에 부착하여 편광판을 구성하였다. 상기 편광판을 표시장치에 적용한 뒤 편광판의 정면과 경사 방향에서 무지개 얼룩 및 색감이 생기는지 육안으로 관찰하여, 하기 기준에 따라 평가하였다.
- 무지개 얼룩 없음: 어느 방향에서도 무지개 얼룩이 관찰되지 않음.
- 무지개 얼룩 발생: 경사 방향에서 관찰했을 때에 무지개 얼이 관찰됨.
상기 실시예 및 비교예의 공정 조건, 및 시험 결과를 하기 표 1 내지 3에 정리하였다.
구 분 MD
연신비		 TD
연신비		 열고정
온도(℃)		 이완 위치
실시예 1 3.3 3.53 190 어닐링 단계
실시예 2 3.4 3.64 200 어닐링 단계
실시예 3 3.5 3.71 195 어닐링 단계
비교예 1 3.3 3.53 190 열고정 단계 후반
비교예 2 3.5 3.71 200 열고정 단계 후반
비교예 3 3.3 4.2 240 열고정 단계 후반
구 분 MD
수축율(%)		 TD
수축율(%)		 수축률 비율
(MD/TD)		 들뜸
발생 여부
실시예 1 0.52 0.32 1.63 없음
실시예 2 0.74 0.12 6.17 없음
실시예 3 0.65 0.1 6.50 없음
비교예 1 0.54 0.56 0.96 발생함
비교예 2 0.61 0.58 1.05 발생함
비교예 3 0.35 0.1 3.50 없음
구 분 폭중심에서
Ro (nm)		 폭중심에서
Rth (nm)		 면내 위상차
변화량(nm/mm)		 무지개 얼룩
발생 여부
실시예 1 75 6574 15 없음
실시예 2 124 6745 18 없음
실시예 3 142 7845 17 없음
비교예 1 105 6645 21 없음
비교예 2 245 7125 18 없음
비교예 3 815 8412 80 발생함
상기 표 1 내지 3에서 보듯이, 실시예 1 내지 3의 광학 필름은 열고정 이후 어닐링 단계에서 이완을 수행한 결과 열고정 온도를 높이지 않고도 낮은 TD 수축률을 갖게 되어 들뜸이 발생하지 않았고, 동시에 낮은 면내 위상차를 구현할 수 있어서 무지개 얼룩을 발생시키지 않았다.
반면, 비교예 1 및 2의 광학 필름은 열고정 단계의 후반에 이완을 수행한 결과 TD 수축률이 낮아지지 않아서 들뜸이 발생하였고, TD 수축률을 낮추기 위해 비교예 3에서 열고정 온도를 높인 결과 광학 필름의 면내 위상차가 높아져서 무지개 얼룩을 발생시켰다.
10: (상부) 편광판, 10': (하부) 편광판,
11: 편광자, 12: 광학 필름,
13: TAC 필름, 15, 16, 17: 접착제층,
19: 유리 기판, 70: 액정 패널,
71: 컬러필터 기판, 72: 액정층,
73: TFT 기판, 80: 백라이트 유닛,
90: 유기전계발광 패널, 91: 유기전계발광 기판,
92: 구동 기판,
d: 필름 두께, A, B: 폭 중심,
A', A'', B', B'': 폭 중심에서 이동한 지점,
S1: 예열 단계, S2: 연신 단계,
S3: 열고정 단계, S4: 어닐링 단계,
S5: 냉각 단계.

Claims (15)

  1. 600 nm 이하의 면내 위상차(Ro) 및
    4000 nm 이상의 두께 방향 위상차(Rth)를 갖고,
    85℃ 및 24시간 조건에서 폭 방향(TD)의 열수축률(s1)이 0.8% 이하이고,
    상기 폭 방향(TD)의 열수축률(s1)에 대한 길이 방향(MD)의 열수축률(s2)의 비율(s2/s1)이 1.1 내지 10인, 광학 필름.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폭 방향(TD)의 열수축률(s1)이 0% 내지 0.4%인, 광학 필름.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 길이 방향(MD)의 열수축률(s2)이 0.4% 내지 1%인, 광학 필름.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 필름이,
    폭 방향 변위에 대한 면내 위상차의 변화량(|ΔRo|/|Δx|)이 0 내지 35 nm/mm인, 광학 필름.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 면내 위상차(Ro)가 200 nm 이하인, 광학 필름.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 필름이 20 ㎛ 내지 60 ㎛의 두께를 갖는, 광학 필름.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 필름이 폴리에스테르 수지를 포함하는, 광학 필름.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 필름이
    10 g/㎡·day 내지 50 g/㎡·day의 투습도, 및
    380 nm 파장에서 5% 이하의 투과율을 갖는, 광학 필름.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 필름이 편광자 보호 필름으로 사용되는, 광학 필름.
  10. 폴리에스테르 수지를 포함하는 필름을 연신하는 단계;
    상기 연신된 필름을 열고정하는 단계;
    상기 열고정된 필름을 온도 강하 조건에서 어닐링하는 단계; 및
    상기 어닐링된 필름을 냉각하는 단계를 포함하고,
    상기 어닐링 단계에서 상기 열고정된 필름을 이완하는,
    제 1 항의 광학 필름의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열고정이 150℃ 내지 220℃의 온도에서 수행되고;
    상기 어닐링이 1℃/초 내지 20℃/초의 온도 강하 속도로 수행되고;
    상기 냉각이 60℃ 내지 120℃의 온도에서 수행되는, 광학 필름의 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 이완이 2% 내지 7%의 이완율로 2초 내지 30초 동안 수행되는, 광학 필름의 제조방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 이완이 제 1 이완 단계 및 제 2 이완 단계를 포함하고,
    상기 제 1 이완 단계 및 상기 제 2 이완 단계에서의 이완율이 각각 2% 내지 3%인, 광학 필름의 제조방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 연신이 2 내지 4의 폭 방향 연신비(d1) 및 2 내지 4의 길이 방향 연신비(d2)로 수행되고,
    상기 폭 방향 연신비(d1)에 대한 상기 길이 방향 연신비(d2)의 비율(d2/d1)이 0.8 내지 1.0인, 광학 필름의 제조방법.
  15. 편광자; 및
    상기 편광자의 적어도 일 면에 인접하는 제 1 항의 광학 필름을 포함하는, 광학 부품.
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