KR102215047B1

KR102215047B1 - 용융압출식 분산형 편광필름 제조장치

Info

Publication number: KR102215047B1
Application number: KR1020190121248A
Authority: KR
Inventors: 조덕재
Original assignee: 조덕재
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2021-02-15

Abstract

본 발명은 편광 기능자가 함유된 수지 조성물를 다른 성분의 수지 내부에 연속 내지 불연속으로 한 방향으로 일정하게 배향시켜 분산 형태로 유지시킨 편광필름,편광필름의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
본 발명의 편광 기능자가 함유된 수지 조성물을 분산 형태로 다른 수지에 존재시킴으로서 편광필름의 스킨층에 별도의 보호필름을 부착할 필요가 없으며 용융 압출식으로 편광필름을 제조하는 것이 가능하다.
수지 내부에 균일하게 편광 기능자를 분산시키므로 인해 편광필름의 얼룩 등을 개선시키는데도 유리하다.
용융 압출식 제조방법으로 인한 환경오염 등을 획기적으로 개선하는 것이 가능하다.
또한 분산형 용융 압출식 편광필름은 기존의 편광필름의 생산 방식인 습식이 아닌 건식으로 각 수지의 건조기, 편광자의 용해 설비,용융 압출기, 종향향 연신설비(MDO), 횡방향 연신설비(TDO) 등의 특징에 관한 것이다.

Description

용융압출식 분산형 편광필름 제조장치{Dispersion type polarizing film manufacturing equipment}

본 발명은 열가소성 수지(A) 내부에, 이색성 염료(B)가 함유된 수지(C)가 연속 혹은 불연속적으로 분산된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 편광필름의 제조장치에 관한 것이다.보다 상세하게는 용융 압출공정을 통해 이색성 염료(B)를 함유한 수지(C)가 열가소성 수지(A)의 내부에 분산되며,건식 연신 공정을 통해 이색성 염료(B)가 배향되고,배향된 이색성 염료(B)를 함유한 수지(C)가 바늘 모양의 침상 형상으로 열가소성 수지(A)의 내부에 연속 내지 불연속적으로 랜덤하게 일정 방향으로 분산된 것을 특징으로 하는 편광필름의 제조장치에 관한 것으로써 열가소성 수지(A)를 건조하는 공정,수지(C)를 건조하는 공정,이색성 염료(B)를 용매(D)에 용해하는 공정,이색성 염료(B)를 수지(C)에 분산시키는 공정 , 이색성 염료(B)가 함유된 수지(C)가 열가소성 수지(A)에 분산되도록 혼합,용융,압출하는 공정, 필름을 성형하는 공정,종방향 또는 횡방향으로의 일축 또는 이축연신하는 공정,열처리공정,권취공정을 모두 갖는 것을 특징으로 하는 분산형 용융 압출 편광필름의 제조장치에 관한 것이다.

현대 사회의 디스플레이 기술은 브라운관,프로젝터,플라즈마디스플레이(PDP),액정디스플레이(LCD),유기발광다이오드(OLED) 등으로 발전을 거듭해왔다. 그 중에서 액정디스플레이는 원리상 반드시 두 장의 편광필름을 사용해야하며,유기발광다이오드도 명암비를 높이기 위해 한 장의 편광필름을 사용하고 있다.
편광필름에는 크게 염료형 편광필름과 이색성염료를 사용한 편광필름으로 구분할 수 있다. 최근에는 이색성염료 즉 요오드를 사용한 편광필름이 주류를 이루고 있다. 이색성 염료 편광필름의 제조방법은 폴리비닐알코올수지를 이용한 무연신필름을 제조하고, 이것을 30 내지 60℃에서 요오드,요오드화칼륨 혹은 요오드화아연이 용해되어 있는 수조에서 함침과 연신을 하여 요오드가 편광자 역할을 하도록 한다.이 과정에서 폐수가 발생하기도 한다.
또한 편광자를 보호하기 위해 보호필름과 위상차필름을 부착한다. 보호필름으로서는 TAC필름,PMMA필름,COP필름,PET필름이 대표적으로 사용된다. 보호필름은 별도의 공정을 통해 제조된다. 필름의 특성에 따라 별도의 점착 또는 접착제를 사용하기도 한다.
이런 다단계 제조공정은 높은 제조원가뿐만 아니라 각 필름들의 품질을 관리해야 한다.
이에 본 발명자는 이런 문제들을 해결할 수 있는 방법으로서 열가소성 수지(A) 내부에, 이색성 염료(B)가 함유된 수지(C)가 연속 혹은 불연속적으로 분산된 형태로 구성된 발명을 할 수 있었다.수지(C)가 열가소성 수지(A)에 분산되어 존재함으로서 열가소성 수지(A)는 이색성 염료가 함유된 수지(C)의 운반체 역할을 할 뿐 아니라 보호필름의 수지와 성분이 같거나 유사하게 함으로서 일체형 편광필름을 제조할 수 있는 공정 및 제조장치를 발명할 수 있었다.

삭제

본 발명은 열가소성 수지(A)내부에, 이색성 염료(B)가 함유된 수지(C)가 연속 혹은 불연속적으로 분산된 형태를 갖는 편광필름을 발명함으로서 이색성 염료의 염색과 별도의 보호필름 제조 공정이 필요하지 않고, 단일의 용융 압출공정과 건식 연신공정을 통해 획기적인 원가절감과 얼룩 등의 품질이 우수한 편광필름을 제공하기 위한 제조장치에 관한 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위해서는 열가소성 수지(A)의 물성 특히 광학적 특성이 편광필름에 적합한 투과율과 굴절율을 가져야 한다. 편광필름의 재료로 사용 가능한 수지로는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA),트리아세틸셀롤로스(TAC),폴리프로필렌(PP),사이클로올레핀폴리머(COP),폴리에틸렌테레프탈레이트(PET),폴리카보네이트(PC),아몰포스폴리에칠렌테레프탈레이트(APET),폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT),폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT),폴리에틸렌나프탈레이트(PEN),폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG),폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG),사이클로올레핀코폴리머(COC),폴리아크릴레이트(PA),폴리스타이렌(PS),폴리에스테르술폰(PES),폴리에틸렌(PE),실리콘 수지,변성 에폭시 수지 등이 있다.이색성 염료로는 요오드,요오드화칼륨,요오드화아연 등이 검정된 재료로 사용될 수 있다. 이색성 염료가 함유된 수지(C)의 성분은 이색성 염료의 배향이 쉽게될 수 있는 올레핀 계열의 수지가 좋으며 특히 기존 편광필름에 사용되고 있는 폴리비닐알코올(PVA)이 가장 좋다.폴리비닐알코올(PVA)의 경우에는 녹는 점과 열분해 온도의 차이가 거의 없으므로 글리세린,디글리세린,트리글리세린 등의 가소제를 사용함으로서 용융가공온도를 낮추어 열분해를 방지할 수 있다.
편광필름에서는 빛의 굴절 차이을 최대한으로 줄일 필요가 있다. 일반적으로 2종 이상의 수지가 블랜딩되어 있을 때는 수지와 수지 사이에 계면이 형성되고 각 수지의 굴절율 차이가 클 때에는 계면에서 일부 광의 반사가 일어나고, 이는 빛의 손실로 나타난다. 이를 줄이기 위해서는 각 수지의 굴절율 차이를 없애거나 최소한으로 하는 것이 좋다. 따라서 이색성 염료를 함유한 수지를 폴리비닐알코올(PVA)로 한다고 가정하면 폴리비닐알코올의 굴절율이 1.50 정도이므로 이와 굴절율이 같거나 비슷한 트리아세틸셀룰로스(TAC,굴절율 1.50),폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA,굴절율 1.49),폴리프로필렌(PP,굴절율 1.47),사이클로올레핀폴리머(COP,굴절율 1.50)등에서 하나 이상의 수지를 선택하는 것이 좋다.
용융 압출공정에서 폴리비닐알코올의 열분해를 최소한으로 줄이기 위해서는 폴리비닐알코올의 열분해 온도 220℃ 보다 낮은 온도에서 용융 압출이 가능한 수지가 좋다. 여기에는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA),폴리프로필렌(PP),사이클로올레핀폴리머(COP),아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET) 등이 좋다. 위에서 언급한 편광필름의 광학적,열적 특성을 감안하면 열가소성 수지(A)로는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)가 최적이고,이색성 염료로서는 요오드,요오드화칼륨,요오드화아연 등에서 하나 이상으로 선택하여 사용할 수 있다.이색성 염료를 사용할 때에는 글리세린,디글리세린,트리글리세린 등에 용해하여 사용하는 것이 좋다. 용해할 때에는 용해되는 농도를 높이기 위해 요오드,요오드화칼륨,요오드화아연 등의 혼합비를 조절할 필요가 있다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서 사용하는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)수지가 대표적인 수지이지만 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)도 아크릴 수지의 일부이므로 아크릴 수지에 대해 상세 설명한다.

아크릴계
본 발명에서 사용하는 아크릴계 수지는 아크릴레이트계 단량체를 중합하여 제조되는 수지를 의미하며, 주쇄에 고리 구조를 포함하지 않는 것을 특징으로 한다.
아크릴레이트계 단량체로는 주쇄에 고리 구조가 없는 것으로, 메틸메타아크릴레이트,메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트,,부틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 메타크릴레이트,라우릴 메타크릴레이트,벤질 메타크릴레이트로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
또한 필요에 따라 아크릴계 수지는 스타이렌계 단량체 등을 추가로 포함할 수 있다. 아크릴계 수지의 유리전이온도는 90 내지 120℃ 이다. 유리전이온도가 90℃ 미만이 되면 필름의 열적 안정성이 떨어지게 된다. 아크릴계 수지의 중량평균분자량은 90,000 내지 160,000 g/mole이다. 중량평균분자량이 90,000 g/mole 미만이되면 필름 공정 중에 파단 발생이 잦아 공정 조건 정립에 문제가 많을 뿐 아니라 기계적 물성이 떨어지는 문제가 있다. 중량평균분자량이 160,000 g/mole 초과가 되면 압출 가공이 어렵게 된다.

폴리비닐알코올(PVA)수지
폴리비닐알코올(PVA) 수지는 필름,시트 등의 각종 성형물 원료로 사용되고 있고,이들의 성형물에는 폴리비닐알코올 수지의 유연화를 목적으로 각 종 가소제가 사용되고 있다. 가소제의 성능으로서는 (1) PVA수지를 유연하게 하여 압출시 가공온도를 낮게하여 열분해를 방지하는 것 (2) 휘발성이 적고 장기간 기능을 보유할 것 (3) PVA와의 상용성과 광학 굴절율 특성이 비슷하여 광학 특성을 좋게 유지하는 것 등이 있다. PVA의 가소제로서는 글리세린이 상기의 기능을 비교적 잘 만족시키지만 디글리세린,트리글리세린 등을 사용할 수도 있다.
글리세린의 함유량은 PVA수지 100 중량부에 대해서 글리세린이 8 중량부 이상을 함유하는 것이 좋다. 글리세린, 디글리세린 및 트리글리세린 등은 단독 혹은 2가지 이상으로 사용할 수 있다.
PVA의 중합도는 특히 제한은 없지만 중합도 100 이상 10,000 이하가 바람직하다. 특히 분산용으로 사용함으로 일반적인 PVA필름에 비해 낮은 중합도의 PVA 수지를 사용하는 것도 가능하다.
비누화도는 90 mole% 이상이 바람직하지만 99.0 mole% 이상이 편광도에 좋으며 더욱 바람직하게는 99.9 mole% 이상이 좋다.

이색성 염료
일반적인 편광필름 제조방법에서는 PVA미연신필름을 이색성 염료인 요오드, 요오드칼륨,요오드아연 등이 용해되어 있는 온수 상태에서 팽윤,염색 시키는 방법을 취한다. 따라서 요오드,요오드칼륨,요오드아연 등을 물에 용해시켜 사용한다. 용융 압출공법에서는 물을 사용할 수 없으므로 물 대신 글리세린,디글리세린,트리글리세린 등에서 한가지 이상의 물질에 용해시켜 사용한다. 이 때 용해성을 향상시키기 위해 가소제의 온도를 올리는 방법과 요오드와 요오드칼륨,요오드아연 등의 혼합 비율을 조정해서 사용할 수 있다. 요오드(A)와 요오드칼륨(B)의 비율(B/A)은 1.0 내지 100 이하가 좋다.

편광필름의 층 구성
편광필름의 층 구성은 액정의 하편광판의 경우 편광자를 구성하는 코어(core)층,하부의 편광자 보호층, 상부의 위상필름층으로 구성되며,상편광판의 경우에는 코어층,하부의 위상차필름, 상부의 보호필름층으로 구성된다. 편광필름의 광학 특성에 따라 상하부의 보호필름과 위상차필름의 재질을 같은 재질로 할 수도 있고, 다른 종류의 필름을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 PMMA재질로 설계를 하였다. 공압출의 경우에는 코어층이 존재하고 상하에 스킨층이 존재할 때 스킨층의 두께를 동일하게 할 때 생산이 안정된다. 상하 스킨층의 두께를 달리할 경우에는 필름 제조 공정 통과시에 컬(curl)이 발생하여 공정이 안정될 수 없다. 최근에는 편광자의 두께가 5 내지 7㎛까지 얇아져도 편광도를 충분히 달성할 수 있게 되었다. 스킨층의 두께도 공압출의 경우에는 1㎛ 이하도 가능하다. 스킨층의 두께는 사용되는 LCD의 조건에 따라 달리할 수 있다. 즉 모바일과 테블릿PC 등에서는 두께를 얇게 하는 것도 가능하다. 모니터용과 TV용은 두께에 대한 제한이 상대적으로 적다.편광필름의 전체 두께는 7 내지 300㎛이 적정하다.

이색성 염료가 함유된 수지(C)와 열가소성 수지(A)
요오드,요오드화칼륨,요오드화아연 등의 이색성 염료가 함유된 수지(C)는 폴리비닐알코올(PVA)이 검정된 수지이다. 요오드등이 PVA에 함침되고 PMMA수지와 같이 용융 압출기를 통해 압출된다. 이 때 스킨층의 PMMA수지와 같이 공압출되므로 PVA함량이 너무 높으면 코어층과 스킨층과의 이종 수지 영향으로 계면에서 박리 현상이 나다난다. 이를 해결하기 위해서는 PVA수지의 함량을 코어층에 존재하는 전체 수지의 함량 대비 부피 기준으로 50% 이하가 적당하다. 즉 PMMA를 기본바탕(sea)으로 하고 그 내부에 PVA가 섬(island)형태로 존재하면 박리 현상을 없앨 수 있다. 즉 부피 기준으로 50% 이하 더 좋기로는 45% 이하가 되면 좋다.
또한 용융 압출시에는 이색성 염료 함유 수지 PVA가 PMMA와 같이 블랜딩되므로 그 모양은 부정형 형상를 갖는다. 이것이 연신 과정을 거치고 냉각 고정이 되면 편광필름 내부에 바늘 모양의 침상 형상으로 일정 방향으로 분산되어 존재하게 된다. 그 길이는 용융 압출기의 조건에 따라 차이가 있고 연신 비율에도 영향을 받는다. 본 발명자가 확인 것으로는 2.0㎛ 이상이 된다.

위상차필름과의 합지
편광필름은 그 사용 목적에 따라 여러가지 표면 처리 과정을 거칠 수 있다. 그 첫번째가 위상차필름과의 합지이다. 광학 특성의 차이로 다른 종류의 위상차필름을 합지할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 위상차필름의 종류에는 PMMA필름,TAC필름,COP필름,PET필름 등이 있다.

편광필름의 표면 처리
편광필름의 표면에 있어서는 외부의 빛으로 인한 비침 현상을 방지하여 보는 시야를 좋게하는 비침방지( ANTI-GLARE),반사에 의한 명암비(CONTRAST RATIO) 저하 방지를 위한 반사방지(ANTI-REFLECTION),저반사(LOW-REFLECTION) 처리,액정 배열을 보호하기 위해 먼지 발생을 방지하는 대전방지(ANTI-STASTIC) 처리,편광필름의 표면을 보호하기 위한 하드코팅(HARD COATING) 등의 처리를 할 수 있다. 비침방지를 위한 코팅은 아크릴 계열 혹은 폴리카보네이트 계열의 수지를 물,알코올,메틸에틸케톤 등의 용매에 녹인 다음 실리카겔 혹은 아크릴,실리콘,스타이렌 등의 유기 구형 입자를 혼합하여 필름 표면에 코팅을 하고 건조하여 일부 부분을 수지 표면으로 돌출시켜 빛을 난반사 시킴으로서 비침을 방지할 수 있다. 이 때 표면 처리 조건에 따라 자외선(UV) 경화제를 사용할 수 있으며 자외선 처리 공정을 거치기도 한다.
반사방지 방법으로서는 하드코팅이나 비침방지 처리를 한 필름 표면에 고굴절성 수지와 저굴절성 수지를 반복하여 코팅함으로서 다층 굴절율 차이에 의한 빛의 간섭,내부 소멸에 의한 저반사 기능을 달성할 수 있다. 저반사를 위한 방법으로서는 하드코팅 처리된 필름의 표면에 단층 저굴절율 수지를 코팅함으로서 빛의 간섭 효과로 저반사 기능을 달성할 수 있다. 금속 혼합 수지의 습식 코팅 방식도 가능하다. 필름의 표면 처리를 위해 입자를 솔벤트와 바인더에 혼합하여 사용할 때 무정형의 무기 계열 입자를 사용기도 하지만, 정확한 굴절율 제어를 위해서는 유기 입자를 사용하는 것이 좋다. 유기 입자 중에서도 입자 크기의 분포도가 균일할수록 바인더와 솔벤트의 설계가 용이하다. 입자는 구형 타입이 좋으며 아크릴 계열,실리콘 계열,폴리스타일렌 계열 등이 대표적이다. 본 발명에서는 스킨층 수지의 굴절율을 감안하면 아크릴 계열이 더욱 바람직하다. 입자의 크기는 편광필름의 요구 물성에 따라 차이가 있지만 0.1 내지 20㎛이 좋다.
본 발명의 편광필름은 LCD 패널,OLED 패널에 사용할 수 있으며,최종 제품인 LCD 제품,OLED 제품에 사용 될 수 있다.

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본 발명을 통해 제조된 편광필름은 편광 기능을 하는 코어층과 보호기능을 하는 스킨층을 동시에 공압출함으로서 기존의 제조방법에 비해 월등한 제조원가 절감을 이룰 수 있다. 또한 공압출로 인한 편광필름 제조시 두께 증가로 인해 제조 공정성이 뛰어나며, 편광필름의 전체 두께를 획기적으로 낮출 수 있다. 또한 코어층과 스킨층을 동시에 압출함으로서 편광필름의 품질 관리도 쉽다.
또한 염색 방법으로 제조하지 않고 용융 압출을 통해 생산함으로 폐수가 발생하지 않아 생산 환경도 좋아지며 폐수 발생으로 인한 오염도 없다. 전체 편광필름 두께를 조절하는 것이 가능하므로 위상차필름과의 합지 등에서 유리하며 필름의 표면 처리 작업도 쉽게 할 수 있다.

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대표 도면은 용융 압출식 편광필름의 제조 공정을 나타낸 것이다.①은 열가소성 수지의 건조 공정이다.②는 이색성 염료를 함유할 수지의 건조 공정을 나타낸다.③은 이색성 염료와 용매의 분산 공정이다.④는 용융 공정이며,코어층과 스킨층을 함유하고 있다. ⑤는 T-다이를 통한 압출 공정이다. ⑥은 종연신 공정,⑦은 횡연신 공정 내지 종횡 동시 이축연신 공정, ⑧은 열처리 공정이고,⑨는 권취 공정이다.도 1의 도면도 대표 도면과 동일하다.
도 2의 도면은 용융 압출식 편광필름의 단면을 나타낸 것이다.⑩은 보호층이고,⑪은 열가소성 수지 내부에 요오드 분자를 함유한 수지가 분산된 형태이다.⑫는 편광자층 상부와 하부에 보호층이 배치된 상태이다. ⑬은 요오드 3개 분자,5개 분자를 함유한 수지이며,⑭ ⑮는 요오드가 3개 혹은 5개가 배향되어 일정 방향으로 랜덤하게 분산된 상태이다.
도 3의 도면은 이색성 염료를 함유할 수지와 분산된 이색성 염료를 별도의 용융 공정ⓐ을 통해 용융시키고, 그 후에 PMMA와의 용융 공정④으로 이송되는 것을 나타낸다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
상기에서 서술한 바와 같이 기존의 편광필름은 요오드 입자가 편광성을 내기 위해 3개 원자 연속 배향(I3) 혹은 5개 원자 연속 배향(I5) 형태로 PVA수지 내부에 분산된 형태로 존재한다. 편광성을 내기 위해서는 요오드 배향이 하나의 축 방향으로 균일하게 배향되어야 한다. 이를 달성하기 위한 방법으로 연신을 통하여 PVA 내부에 있는 폴리머 분자와 요오드 분자가 배향되도록 한다. PVA수지는 친수성으로 물에서 쉽게 팽윤되며 연신도 쉽다. 팽윤 상태에서 요오드 분자도 PVA 분자 체인 속으로 진입한다.그러나 PVA 분자량에 따라서는 물 팽윤시에 용해되어 버리는 경우가 있으며,요오드 분자의 밀도가 부위별로 차이가 발생하여 얼룩이 생기는 경우가 많다.
본 발명에서는 용융 압출법에 의한 방법으로 열가소성 수지를 이용한다. 열가소성 수지는 많은 종류가 있지만 편광필름에 사용 가능한 수지는 아크릴계 수지,폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA),트리아세틸셀롤로스(TAC),폴리프로필렌(PP),사이클로올레핀폴리머(COP),폴리에틸렌테레프탈레이트(PET),폴리카보네이트(PC),아몰포스폴리에칠렌테레프탈레이트(APET),폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT),폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT),폴리에틸렌나프탈레이트(PEN),폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG),폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG),사이클로올레핀코폴리머(COC),폴리아크릴레이트(PA),폴리스타이렌(PS),폴리에스테르술폰(PES),폴리에틸렌(PE),실리콘 수지,변성 에폭시 수지 등이다. 본 발명에서 사용되는 편광 기능자 수지는 폴리비닐알코올이 검정된 수지이다.
<편광필름 관련 수지의 굴절율>
편광필름에서 사용되는 수지의 굴절율 차이가 크면 수지와 수지의 계면에서 빛의 반사가 생기고 이는 투과율 저하 및 편광율 저하로 이어져 편광필름으로서의 가치가 떨어진다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 사용되는 수지의 굴절율 차이를 최소한으로 하는 것이 좋다.
PVA의 굴절율이 1.50이므로 굴절율이 1.50 수준이 되거나 비슷한 굴절율을 갖는 수지가 좋다. 여기에 해당되는 수지가 TAC이다.TAC수지의 굴절율은 1.50으로 PVA와 일치하여 광학적으로 탁월하다.하지만 TAC수지의 경우에는 친수성이며 가격이 매우 비싸다는 단점이 있으며, 용융 압출공정에는 적합하지 않다. 다른 수지로 여기에 접근하는 수지가 아크릴 계통의 PMMA수지이다. PMMA는 굴절율이 1.49로 PVA와 거의 유사하며 광 투과율도 94% 정도로 광학용으로는 매우 좋은 재료이다. 이로 인해 PMMA는 도광판,확산판의 재료로 많이 사용된다. PMMA수지는 열가소성 수지로 용융 압출용으로 사용하기에 매우 적합하다.PMMA수지는 유리전이온도가 99℃로 내열성 측면에서도 우수하다.

<폴리비닐알코올(PVA) 수지>
PVA수지는 편광필름의 편광자 기능 수지로 검정된 재료이다. 특히 비누화도가 99.9 mol% 이상인 수지는 편광 기능에서 뛰어난 성능을 가진다. 편광필름용으로는 통상적으로 중합도 500 내지 5000이 바람직하다. 특히 중합도 1700 내지 3000 더욱 좋기로는 2100 내지 2700이 좋다.
PVA수지의 비누화도는 높을수록 좋다. 왜냐하면 비누화도가 높으면 높을수록 요오드의 분자 배향이 한 축으로 일정하게 배향되는데 유리하기 때문이다. 일반적으로 비누화도 85 mole% 이상을 추천하지만 최근의 편광필름용 PVA수지의 비누화도는 99.8 mole% 혹은 그 이상이다.
PVA수지는 용융 온도와 열분해 온도가 비슷하여 용융 압출공정에는 맞지 않다. 하지만 가소제의 사용으로 용융 압출기의 온도를 낮추는 것이 가능하다.

<가소제>
PVA의 가소제로서는 다가알코올 에틸렌그리콜,디에틸렌글리콜,트리에틸렌글리콜,폴리에틸렌글리콜,프로필렌글리콜,소비톨(Sorbitol),에틸렌옥사이드, 글리세린,디글리세린,트리글리세린 등이 사용된다. 그 중에서 글레세린 계열이 가장 좋다.글리세린을 한가지 사용할 수도 있지만 두가지 이상을 사용하는 것도 가능하다. 글리세린은 PVA수지 100 중량부 기준으로 2 내지 100 중량부까지 사용할 수 있지만, 5 내지 30 중량부 더욱 좋기로는 15 내지 25 중량부가 좋다. PVA수지의 가소성을 높이기 위해서 경우에 따라서는 100 중량부 이상을 사용할 수 있다. 이럴 경우에는 후공정에서 역기능이 나타날 수 있다. 본 발명에서는 PVA수지를 연속 혹은 불연속 형태의 분산 타입으로 사용함으로 가소제를 많이 사용하는 것도 가능하다. 글리세린의 경우에는 굴절율이 1.47로 PVA와 유사하여 광손실이 상대적으로 작다. 글리세린은 끊는 온도가 290℃로 압출 공정시에 생기는 기포 문제도 상대적으로 적은 장점이 있다.
글리세린은 친수성기인 -OH기를 3개 갖고 있는 물질로 물 대신에 요오드,요오드칼륨,요오드아연 등을 용해시키는 용매로서도 좋은 역할을 한다.

<요오드,요오드칼륨,요오드아연>
이색성 염료 사용 편광필름에서 편광 기능을 수행하는 가장 중요한 물질이 요오드이다. 요오드는 3분자 요오드(I3) ,5분자 요오드(I5) 등으로 PVA분자내에 존재한다. 요오드 단독 물질로는 물이나 글리세린에 녹는 농도가 제한적이므로 요오드와 요오드화칼륨 또는 요오드화아연 등을 혼합하여 사용하면 요오드의 용해율을 높일 수 있다. 요오드와 요오드칼륨의 혼합 비율은 중량 기준으로 요오드화칼륨/요오드를 1.0 내지 500 정도로 하면 좋다. 편광 기능을 향상시키기 위해서는 요오드분자를 한축 방향으로 일정하게 배향시키는 것이 무엇보다도 중요하다.
편광필름에서는 연신된 PVA수지와 요오드의 배향을 유지시키는 것이 매우 중요하다. 따라서 가교 결합제인 붕산을 사용하여 PVA수지를 가교시킴으로서 PVA수지와 요오드 분자의 배향 안정성을 높일 수 있다.

<글리세린, 요오드, 붕산의 혼합 용액>
편광필름의 물성 즉 높은 편광도과 광투과율을 높이기 위해서는 글리세린 요오드 붕산 혼합 용액을 PVA수지 내부에 균일하게 분산시키는 것이 매우 중요하다.본 발명에서는 글리세린 100 중량부에 요오드 중량이 1 내지 3 중량부, 더욱 좋기로는 1.5 내지 2.0 중량부가 좋으며, 요오드화칼륨은 9 내지 27 중량부, 더욱 좋기로는 10 내지 20 중량부가 좋다.붕산은 1.0 내지 3.0 중량부가 좋으며,더욱 좋기로는 1.5 내지 2.5 중량부가 좋다. 요오드,요오드화칼륨,붕산의 용해성을 높이기 위해 혼합 용액의 온도를 30 내지 70℃에서 분산시킨다.

< PVA 내부의 글리세린,요오드,붕산의 함량>
PVA수지의 가소성을 위해 PVA수지 100 중량부에 글리세린 5 내지 50 중량부, 더욱 좋기로는 10 내지 40 중량부 더더욱 좋기로는 15 내지 25 중량부가 좋다.요오드화칼륨은 2 내지 4 중량부가 좋다..요오드는 0.22 내지 0.44 중량부가 좋다. 붕산은 0.25 내지 0.55 중량부가 좋다.

< 건조>
PMMA수지와 PVA수지가 170 내지 180℃ 의 고온에서 용융 압출되므로 수분이 있으면 기포으로 인한 파단 등이 발생할 수 있다.이를 없애기 위해서는 PMMA수지와 PVA수지를 건조하여 수준을 50 ppm 이하로 하는 것이 좋다. 건조 온도는 PMMA수지는 80℃에서 15시간 이상,PVA수지는 70℃에서 20시간 이상 하는 것이 좋다.건조기는 일반적으로 진공 건조기가 좋으며 열풍 건조기를 사용할 수 있다. 잔공 건조기의 경우에는 수분 제거에 효율적이지만 유지 관리 측면에서는 불리하다. 열풍 건조기의 경우에는 설비 투자비가 상대적으로 저렴하고 유지비 측면에서 유리하다. 특히 수지 내부에 있는 기포 내의 수분 제거에는 불리하다

<PMMA 내부의 요오드 함유 PVA 수지의 분산>
본 발명의 핵심은 요오드 함유 PVA수지를 PMMA수지 내부에 균일하게 분산시키느냐에 따라 성공 여부가 결정된다. 분산시키는 방법으로서는 두 종류 수지의 점성을 거의 유사하게 하느냐가 매우 중요하다. 특히 PVA수지의 열안정 온도인 180℃ 이하에서 PMMA와의 점성 유사성이 중요하다. 폴리머 점성의 차이가 크면 PMMA 내부에 요오드 함유 PVA의 분산성이 불균일하게 될 수 있다. 분산성 향상을 위해서 요오드 함유 수지의 함량을 코어층 부피기준으로 45% 이하로 하는 것이 좋다.분산성을 올리기 위해서는 이들 폴리머들의 점성을 올리는 것이 좋다. 용융 압출용 PMMA의 중량평균분자량은 100,000 내지 150,000이 적합하다.
용융 압출에서 요오드 함유 PVA 폴리머는 용융 과정에서 무정형 형상으로 분산된다. 이 때 스킨용 폴리머가 PMMA이므로 PMMA가 바탕(Sea)이 되고 요오드 함유 PVA 입자가 섬(Island) 형태가 되어야 박리 현상을 없앨 수 있다.
용융 압출기의 경우에는 분산성이 좋은 트윈 스크류를 사용하는 것이 바람직하지만,싱글 스크류도 사용할 수 있다.

< 스킨층 PMMA 용융 압출>
스킨용으로 사용되는 PMMA수지는 180 내지 190℃로 용융 압출하면 된다. 따라서 용융 압출기는 싱글 스크류 혹은 트윈 스크류 중의 어느 것을 사용해도 무방하다.PMMA 스킨층의 경우에는 싱글 스크류만으로 충분하다.

< 피드블록, T-Die>
피드블록에서 코어층 폴리머와 스킨층 폴리머가 합쳐진다. 용도에 따라 코어층의 두께와 스킨층의 두께를 조절할 수 있다. 코어층의 두께는 편광 기능을 함으로 5 내지 20㎛ 전후가 적당하다. 스킨층의 경우에는 모바일,테블린PC에서는 2 내지 50㎛, 대형 TV용으로는 80 내지 200㎛ 또는 그 이상이 될 수 있다.
피드블록 출구는 원형 타입을 쓸 수도 있지만 스킨층과 코어층의 두께 균일도 향상을 위해서는 직사각형 타입이 유리하다. 또한 피드블록에서 스킨층과 코어층이 균일하게 만나기 위해서는 스킨층 분배판을 행거 타입으로 하는 것이 바랍직하다.

<카렌더 공정>
필름 성형 공정에는 캐스팅 방식과 카렌더 방식이 있다. 캐스팅 방식에는 피닝와이어 등을 사용해야 한다.두께 조절에서는 유리한 점이 있다.
하지만 폴리머 내부에 피닝성 개선을 위한 별도의 첨가제를 쓸 수 있다. 반면 카렌더 방식은 두개의 롤 사이의 간격으로 미연신 필름의 두께를 제어한다. 캐스팅 방식에 비해 두께 균일도가 떨어지지만 별도의 첨가제가 필요없어 광학 특성이 좋아진다. 이 공정을 거치면서 편광자 역할을 하는 요오드 함유 PVA수지는 부정형 형상으로 PMMA수지 내에 분산되어 존재한다.
카렌더 방식의 경우에는 카렌더 롤의 온도 조건이 중요하다. 비결정성 폴리머의 경우에는 유리전이온도에서 10 내지 30℃ 낮게 운전한다.
PMMA의 경우에는 유리전이온도 99℃ 보다 낮은 70 내지 90℃로 운전한다.

< MDO 연신>
MDO(종)연신은 편광필름의 배향을 갖게하는 공정으로 매우 중요하다.예열롤과 연신롤 그리고 냉각롤 등으로 구성된다. 예열롤의 온도는 유리전이온도 내지 ＋40℃ 정도 높일 수 있다.
본 발명에서는 PMMA수지가 주요 공정 제어 수지이므로 예열롤 온도는 90 내지 140℃ 정도로 유지한다.
연신은 롤과 롤 사이에서 일어나며 연신롤은 연신 균일성을 위해 롤직경이 100 내지 300㎜ 정도로 하는 것이 좋다. 롤 직경을 작게할 수록 연신 균일도를 높이기에 유리하다.
냉각은 유리전이온도 이하로 해서 운전한다. 본 발명에서는 99 내지 30℃로 운전한다.

<열고정>
열고정은 텐터를 이용해서 한다. 온도는 유리전이온도보다 20℃ 정도 높은 120 내지 150℃로 한다.

< 엣지 슬릿팅, 와인딩>
엣지의 두꺼운 부분을 슬릿팅하여 제거하고 6인치 플라스틱 지관에 권취한다.
그외에 본 발명필름의 표면 처리 및 다른 종류 필름과의 합지에 대해 설명한다.
< 비침방지 >
통상적인 용도의 비침방지는 아크릴 계통의 수지를 메틸에틸케톤 용매에 용해시키고 여기에 평균 입경 5㎛ 이상의 입자를 혼합하여 코팅하고, 이것을 건조와 자외선 경화 처리를 한다.
고급 제품에서는 평균 입경 5㎛ 이하의 구형 입자를 혼합하며 고해상도 제품에서는 입도 분포가 우수한 5.0㎛ 이하의 구형 유기 입자를 사용한다.
코팅 설비는 마이크로그라비아롤 방식이 적당하다.

< 반사방지,저반사 >
반사방지는 본 발명의 편광필름 상부에 하드코팅 혹은 비침방지 코팅을 한다. 그 위에 고굴절 수지와 저굴절 수지를 3층 이상으로 다층 코팅을 하면 반사율 0.1 내지 0.3% 를 구현할 수 있다. 좋기로는 고굴절 수지와 저굴절율 수지를 5층 정도 하는 것이 좋다. 다층 코팅을 6층 이상으로 하면 반사율은 더욱 낮아지나 코팅 비용이 상승하는 문제가 있다. 저반사는 본 발명의 편광필름 상부에 비침방지 혹는 하드코팅을 한 다음 저굴절 혼합 수지를 코팅하고 자외선 경화를 시킨다. 반사율은 0.7 내지 1.7% 가 일반적이다. 코팅 설비는 컴마 코팅 설비가 바람직하다.

< 대전방지 >
정전기에 의한 모듈 손상 방지를 위해 표면 처리하는 것이며 일반적으로는 니켈 혹은 금이 도금되어 전도성을 가지는 입자를 넣어 코팅한다. 대전방지를 위한 필름의 표면저항은

이다.
.

< 하드코팅 >
편광필름은 액정디스플레이에서 최외각에 위치한다. 따라서 고선명도,내마모성,내스크래치성이 필요하다. 이를 위해 하드코팅을 실시한다.코팅 설비는 자외선 경화 타입이 좋다.

< 내스크래치코팅>
액정 패널의 하부 편광필름은 백라이트유닛과 접하게 되다. 이 때 백라이트유닛의 최상부 필름과의 마찰이 발생하고 편광필름이나 백라이트유닛 필름에 스크래치가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 내스크래치 코팅을 한다. 내스크래치코팅은 아크릴 수지를 메틸에틸케톤 등의 용매에 용해하고 여기에 20㎛ 이하의 입자를 코팅하고 건조 그리고 자외선 처리를 한다. 입자는 20㎛ 이하가 좋지만 2.0 이하의 입자를 사용할 수도 있다. 입자는 아크릴 계통,폴리스티렌 계통 혹은 폴리실리콘 등의 구형 형태가 좋다.

< 반사편광필름 합지>
하부 편광필름과 반사편광필름을 합지함으로서 LCD의 휘도를 더욱 향상시킬 수 있다. 반사편광필름은 다층 반사편광필름일 수도 있고, 분산형 반사편광필름을 사용할 수도 있다.

< 위상차필름과의 합지>
위상차필름은 PMMA필름,TAC필름,COP필름,PET필름 등이 있으며 사용 용도에 따라 상기의 필름과 합지하여 사용하는 것도 가능하다.

< 실시예 1>
<코어용 편광자>
PMMA(LG MMA, IF850)수지를 건조 온도 80℃에서 15시간 건조하여 수운율 50 ppm의 건조 수지를 준비하였다.
PVA(Kuraray, JC-25,검화도 99.98몰%, 중합도 2400)수지를 건조 온도 70℃에서 20시간 건조하여 수분율 50 ppm의 건조 수지를 준비하였다.
글리세린 100 중량부에 요오드 1.7 중량부,요오드화칼륨 15.0 중량부,붕산 2.0 중량부를 50℃에서 용해시킨 혼합 용액을 제조하였다.
상기의 건조된 PMMA수지와 건조 PVA수지 그리고 혼합 용액을 PMMA 100 중량부 기준으로 건조 PVA수지 70 중량부,혼합용액 20 중량부 기준으로 싱글 용융 압출기에 투입하여 170℃ 온도로 용융시켰다.

< 보호용 스킨층>
상기의 건조된 PMMA수지를 180℃의 온도로 싱글 용융 압출기를 통해 용융시켰다.

< 공압출>
상기의 코어용 폴리머와 스킨용 폴리머를 층비가 30 : 40 : 30이 되도록 피드블록과 T-다이를 통해 압출시켰다. 이 때 T-Die의 폭은 2.0 미터로 하였다.

< 카렌더링>
상기 공압출된 폴리머를 3개의 수평 카렌더롤( 폭 2.3 미터 ,지름 450㎜)에 냉각시켰다. 이 때 카렌더 롤의 온도는 80℃로 유지시켰다.
카렌더링 공정에서의 미연된 필름의 두께는 360㎛으로 제어하였다.
카렌더링 공정의 라인 속도는 분당 5.0 미터로 제어하였다.

< 종방향 연신>
상기의 미연신필름을 직경 300㎜인 예열롤 10개를 90 내지 140℃ 범위로 조절하면서 예열하였다. 예열된 필름을 직경 200㎜인 연신롤 두 개를 거쳐 연신하였다. 연신롤 사이의 거리는 15㎜로 하였으며 필름은 연신 전단롤의 상부에서 연신후단롤의 하부를 지나도록 하였다.이 때 연신롤 사이에 적외선 히터를 통해 가열하면서 6배 연신을 하였다. 그 뒤에 8개의 냉각롤을 통해 연신된 필름을 냉각시켰다. 이 때 롤의 온도는 30 내지 120℃로 제어하였다.

< 열고정>
상기의 연신필름을 텐터를 통해 열고정하였다. 텐터의 온도는 30 내지 200℃로 제어하였다

< 엣지 컷팅 및 권취>
상기의 필름을 엣지 컷팅(Edge cutting)하고 6인치 플라스틱 지관에 권취하고 샘플을 채취하여 물성을 평가 하였다.생산된 편광필름의 두께는 60㎛이었다 물성의 결과는 표에서 나타냈다.
<실시예 2>
실시예 1에서 스킨(skin)층과 코어(core)층의 비율을 1:8:1로 하고 미연신필름의 두께를 180㎛으로 생산하였다.나머지 조건은 동일하게 하고 연신후의 필름 두께는 30㎛으로 하였다.
<실시예 3>
실시예 2에서 스킨(skin)층과 코어의 비율을 3:4:3으로 하고 미연신필름의 두께를 180㎛으로 생산하였다. 나머지는 실시예 2과 동일하게 하고 연신후의 필름두께는 30㎛으로 하였다.
<실시예 4>
실시예 3에서 스킨층과 코어층의 비율을 4:2:4로 하고 미연신필름의 두께를 150㎛ 연신 후의 필름 두께를 25㎛으로 하였다.
<실시예 5>
실시예 1에서 글리세린 100 중량부에 요오드 3.4 중량부,요오드화칼륨 30.0중량부,붕산 2.0 중량부를 50℃에서 용해시킨 혼합 용액을 제조하였다. 나머지는 동일한 조건에서 필름을 제조하였다.
<실시예 6>
실시예 5에서 미연신필름의 두께를 180㎛으로 하고 연신 후의 필름 두께를 30㎛으로 하였다.
<비교예 1>
실시예 3에서 스킨층과 코어층의 비율을 11:3:11로 하고 미연신필름 두께를 150㎛,연신 후의 필름 두께를 25㎛으로 하였다.
<비교예 2>
실시예 1에서스킨층과 코어층의 두께비율을 1:8:1로 하고 미연신필름 두께를 360㎛으로 하고,연신 후의 필름 두께를 60㎛으로 하였다.

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구 분	필름두께	스킨층 코어층 두께비	혼합용액중 I+KI함량	편광도	투과율
단위	㎛		Wt%	%	%
실시예 1	60	3:4:3	1.7+15.0	99.9	43.1
실시예 2	30	1:8:1	1.7+15.0	99.9	43.0
실시예 3	30	3:4:3	1.7+15.0	99.7	44.1
실시예 4	25	4:2:4	1.7+15.0	97.9	45.2
실시예 5	60	3:4:3	3.4+30.0	99.9	40.3
실시예 6	30	3:4:3	3.4+30.0	99.9	43.1
비교예 1	25	11:3:11	1.7+15.0	96.9	47.4
비교예 2	60	1:8:1	1.7+15.0	99.9	35.1

Claims

열가소성 수지(A) 내부에, 이색성 염료(B)가 함유된 수지(C)가 연속 혹은 불연속적으로 분산되어 일정한 방향으로 배향된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 편광필름의 제조장치로써, 열가소성 수지(A)와 수지(C)를 건조하는 공정,이색성 염료(B)를 용매(D)에 용해하는 공정,이색성 염료(B)를 수지(C)에 분산시키는 공정, 이색성 염료(B)가 함유된 수지를 열가소성 수지(A)에 혼합,용융,압출하는 공정, 필름을 성형하는 공정,종방향 또는 횡방향으로의 일축 내지 이축 연신하는 공정,열처리공정,권취공정을 모두 갖는 것을 특징으로 하는 분산형 용융 압출 편광필름 제조장치.
제1항에 있어서 열가소성 수지(A)는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA),트리아세틸셀롤로스(TAC),폴리프로필렌(PP),사이클로올레핀폴리머(COP),폴리에틸렌테레프탈레이트(PET),폴리카보네이트(PC),아몰포스폴리에칠렌테레프탈레이트(APET),폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT),폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT),폴리에틸렌나프탈레이트(PEN),폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG),폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG),사이클로올레핀코폴리머(COC),폴리아크릴레이트(PA),폴리스타이렌(PS),폴리에스테르술폰(PES),폴리에틸렌(PE),실리콘 수지,변성 에폭시 수지 에서 하나 또는 둘 이상의 수지가 혼합된 것을 특징으로 하는 편광필름 제조장치.
제1항에서 이색성 염료(B)는 요오드,요오드화칼륨,요오드화아연에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 이색성 염료 조성물인 것을 특징으로 하는 제조장치.
제1항에서 수지(C)는 폴리비닐알코올(PVA) 것을 특징으로 하는 제조장치.
제1항에서 수지(A)를 스킨층으로하는 것을 특징으로 하는 제조장치.
제1항에서 이색성염료(B)가 함유된 수지(C)를 별도의 용융기를 통해 용융시키는 것을 특징으로 하는 제조장치.
제1항에서 필름성형은 카렌더링 공정 내지 캐스팅 공정인 것을 특징으로 하는 제조장치.
제3항에서 이색성 염료는 글리세린,디글리세린,트리글리세린에서 하나 또는 둘 이상의 용매에 용해하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 제조장치.
제1항에서 종방향(MD) 또는 횡방향(TD)으로 1축 또는 2축으로 연신시키는 제조장치.
제9항에서 종방향(MD) 연신 온도는 열가소성 수지(A)의 유리전이온도 내지 +40℃로 제어되도록 설계된 것을 특징으로 하는 제조장치.
제9항에서 열가소성 수지로서 아크릴 수지를 사용할 때 연신 예열롤의 온도가 90 내지 140℃로 제어되도록 설계된 제조장치.
제9항에서 연신 예열롤 및 연신롤의 직경이 100 내지 300㎜인 것을 특징으로 하는 제조장치.
제9항에서 냉각롤의 온도가 30 내지 120℃로 제어되도록 설계된 제조장치.
제9항에서 연신롤이 1단 연신 혹은 다단 연신 것을 특징으로 하는 제조장치.
제9항에서 연신롤과 연신롤의 간격(Gap)이 30㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 제조장치.
제1항에서 권치 공정시 지관의 직경이 6인치 이상으로 설계된 것을 특징으로 하는 제조장치.
제16항에서 지관이 플라스틱 재질인 것을 사용하도록 설계된 권치 제조장치.
제1항에서 필름의 하부 즉 백라이트유닛 방향으로 반사편광필름을 접착 또는 점착하도록 설계된 것을 특징으로 하는 제조장치.
제1항에서 액정 방향으로 위상차필름을 접착 또는 점착하도록 설계된 제조장치.
제19항에서 위상차 필름은 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA),트리아세틸셀롤로스(TAC),폴리프로필렌(PP),사이클로올레핀폴리머(COP),폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)에서 하나 또는 둘 이상으로 사용하도록 설계된 제조장치.
제1항에서 패널 상부 편광필름용에 비침방지(ANTI-GLARE)처리 장치가 콤머 코팅장치인 것을 특징으로 하는 제조장치.
제1항에서 상부 편광필름용에 대전방지(ANTI-STATIC)처리 장치가 마이크로그라비아 코팅장치인 것을 특징으로 하는 제조장치.
제1항에서 상부 편광필름용에 하드코팅(HARD COATING)처리가 자외선 경화 장치인 것을 특징으로 하는 제조장치.
제1항에서 상부 편광필름용에 반사방지(ANTI-REFLECTION)또는 저반사(LOW-REFLECTION) 처리 장치가 콤머 코팅장치인 것을 특징으로 하는 제조장치.
제1항에서 상부 편광필름용에 마모방지를 위해 입자를 함유시키는 설비가 마이크로그라비아 방식의 표면 코팅 장치인 것을 특징으로 하는 제조장치.
제25항에서 입자의 성분이 아크릴,폴리스타이렌, 실리콘에서 선택된 하나 또는 둘 이상으로 마이크로그라비아 코팅 방식인 것을 특징으로 하는 제조장치.
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