KR102533247B1 - 명암비 개선용 광학필름, 이를 포함하는 편광판 및 액정표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학필름에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표시장치의 명암비를 개선시키는 광학필름, 이를 포함하는 편광판 및 액정표시장치에 관한 것이다.

Description

명암비 개선용 광학필름, 이를 포함하는 편광판 및 액정표시장치{Optical film for enhancing contrast ratio, polarizing plate comprising the same, and liquid crystal display apparatus comprising the same}
본 발명은 광학필름에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표시장치의 명암비를 개선시키는 광학필름, 이를 포함하는 편광판 및 액정표시장치에 관한 것이다.
액정표시장치는 백라이트 유닛에서 나온 광이 액정패널을 통해 출사됨으로써 작동된다. 따라서 액정표시장치의 화면 중 정면에서는 명암비(contrast ratio, CR)가 우수하나, 측면 쪽은 정면 대비 명암비가 좋지 않은 것이 일반적이다.
이를 해결하기 위해서 액정패널 또는 액정 구조를 변형시켜 측면에서의 명암비를 높이기 위한 시도가 있다. 다만, 측면 명암비를 높일수록 정면 명암비는 저하될 수밖에 없다. 따라서 측면 명암비를 높이되 정면 명암비의 감소를 최소화시키는 것이 필요하다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 액정표시장치를 구성하는 광학필름에 수지 굴절율차와 미세 광학패턴을 가공하는 방법 등이 다양한 방법으로 연구되고 있다. 그러나 액정표시장치가 점차 대면적화 되는 상황에서 대면적화된 광학필름에 미세 광학 패턴을 형성시키는 것은 쉽지 않은 상황이다. 특히 수십 나노미터에서 수십 마이크론 사이의 미세 패턴을 균일하게 대면적에 구현하는 것은 실질적으로 불가능 하며, 상업적 양산이 가능한 수율을 확보하면서 대면적으로 구현하는 것은 매우 어려운 문제이다.
공개특허공보 제 2002-0050698호
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 명암비 특히 정면 명암비와 측면 명암비를 동시에 향상시켜서 시인성을 향상시킬 수 있는 광학필름, 이를 포함하는 편광판 및 액정표시장치를 제공하는데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 매트릭스, 및 상호 수직하는 x축, y축 및 z축 중 x축 방향이 길이방향이 되며 y축 및 z축 중 어느 하나 이상의 방향에서 정분산된 다수 개의 폴리머 분산체를 구비하는 광학층을 구비하고, y-z 평면인 광학층 절단면에서 상기 폴리머 분산체의 너비가 200㎚ 이하인 명암비 개선용 광학필름을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 다수 개의 폴리머 분산체는 2개 이상의 폴리머 분산체가 z축 방향으로 하나의 열을 지어 배열되는 어레이를 다수 개 형성하도록 정분산되고, 다수 개의 어레이는 y축 방향으로 각각이 나란하게 이격하여 배열을 가질 수 있다.
또한, 각각의 어레이 내 폴리머 분산체의 개수는 서로 같도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 다수 개의 어레이는 어레이 내 폴리머 분산체 개수가 상이한 제1어레이와 제2어레이를 포함하며, 상기 제1어레이와 제2어레이는 y축 방향으로 소정의 패턴으로 반복적으로 배열될 수 있다.
또한, 인접하는 어레이 간의 y축 방향 간격은 100 ~ 200㎚일 수 있다.
또한, 하나의 어레이 내 폴리머 분산체 간의 z축 방향 간격은 30 ~ 100㎚일 수 있다.
또한, 상기 매트릭스와 상기 폴리머 분산체는 서로 직교하는 3개의 축 중 어느 2개의 축 방향에 대한 굴절율의 차이가 0.05 이하이고, 나머지 1개의 축방향에 대한 굴절율의 차이가 0.1 이상일 수 있다.
또한, y-z 평면인 광학층 절단면에서 전체 폴리머 분산체 중 z축 방향인 폴리머 분산체의 두께가 70 ~ 200㎚ 일 수 있다.
또한, 상기 광학필름은 헤이즈가 20% 이하이며, 상기 광학층은 두께가 100㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명은 시인 측인 액정패널 상부에 배치되는 편광판으로서, 상기 편광판은 흡수편광자, 및 상기 흡수편광자의 광 출사면 상에 배치되는 본 발명에 따른 광학필름을 포함하는 편광판을 제공한다.
또한, 본 발명은 액정 셀 및 적어도 상기 액정 셀의 광 출사면 상 배치되는 본 발명에 따른 편광판을 포함하는 액정표시장치를 제공한다.
본 발명의 광학필름은 휘도 저하가 없거나 최소화된 상태로 명암비 특히 정면 명암비와 측면 명암비를 동시에 향상시켜서 시인성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 의한 광학필름은 이러한 효과를 발현하기 위해서 구비된 폴리머 분산체가 육안으로 시인되는 것이 방지되며, 휘선보임 현상이나 빛샘 등의 부작용도 함께 방지될 수 있음에 따라서 광원 어셈블리와 같은 액정표시장치의 부품으로 널리 사용될 수 있으며, 이외에 유리창, 각종 편광조명 산업전반에 응용될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 여러 실시예에 따른 광학필름의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필름 내 광학층에 구비된 폴리머 분산체의 길이방향 배열을 예시한 모식도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필름 내 광학층에 구비된 폴리머 분산체의 너비 및 두께를 정의하기 위해 예시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광판의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치의 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필름을 제조하기 위한 제조장치 일부의 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다. 또한, 도면에 나타난 일 구성의 크기, 형상, 개수 등에 의해 본 발명이 제한되지 않는다. 일예로, 도 1 및 도 2에 도시된 다수 개의 폴리머 분산체 형상, 개수, 각각의 크기는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐이며, 매트릭스의 두께와 폴리머 분산체 간의 크기 대소 비율이 도면에 따르는 것은 아님을 밝힌다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 광학필름(1000)은 매트릭스(110) 및 상기 매트릭스 내 위치하는 다수 개의 폴리머 분산체(120)를 포함하는 광학층(100)을 구비한다.
상기 다수 개의 폴리머 분산체(120)는 일 방향으로 긴 로드형 또는 섬유형과 같은 형상을 가질 수 있다. 이에 따라서 다수 개의 폴리머 분산체(120)는 분산체(120) 길이방향 주축과 상기 주축에 수직이 되는 횡단면의 횡축 길이 간 비율인 종횡비가 10 초과, 다른 일예로 100 초과, 1,000 초과, 10,000 초과, 100,000 초과일 수 있다. 상기 횡축길이는 상기 단면의 형상이 원인 경우 원의 직경을 의미하고, 단면이 원이 아닌 경우 수직단면의 둘레를 잇는 두 선분 중 길이가 가장 큰 선분의 길이를 의미한다. 또한, 광학층(100)의 y-z 평면인 절단면을 기준으로 한 폴리머 분산체(120)의 단면형상은 원 또는 타원일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 같이 폴리머 분산체는 y-z 평면인 광학층(100) 절단면을 기준으로 너비(W1,W2)가 200㎚ 이하, 바람직하게는 150 ~ 200㎚일 수 있으며, 이를 통해서 명암비 개선효과를 발현할 수 있으며, 만약 150nm 이하로 작아지게 되면 가시광 영역의 반사효율이 급격히 떨어지므로 명암비 개선 효과를 발현하기 어려울 수 있다. 여기서 폴리머 분산체 너비란 z 축방향에서 폴리머 분산체를 바라보았을 때 2차원 상에 투영된 너비(W1,W2)를 의미하며, y-z 평면인 광학층(100) 절단면에서 폴리머 분산체의 장축길이와는 구별됨을 밝혀둔다. 만일 폴리머 분산체의 너비가 200㎚를 초과 시 광학필름을 투과하는 광에 의해서 폴리머 분산체가 육안으로 시인될 수 있으며, 명암비 개선효과가 적거나 발현되지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 보다 향상된 명암비 효과를 달성하기 위하여 y-z 평면인 광학층(100) 절단면을 기준으로 폴리머 분산체의 두께(d1,d2)가 200㎚ 이하, 보다 바람직하게는 70 ~ 200㎚일 수 있다. 광학필름(1000) 하부를 통해 투과되는 광은 매트릭스(110)와 다수 개의 폴리머 분산체(120) 간의 계면에서 반사, 투과 등의 광변조가 발생하는데, 반사, 투과되는 서로 다른 광학경로를 갖는 광 간에 보강간섭, 상쇄간섭이 발생하면서 일부 광은 광학필름 상부를 투과해 출사되며, 다른 일부는 상쇄간섭을 통해 소실되고, 나머지는 광학필름의 하부면이나 측면으로 출사될 수 있다. 따라서 광학필름(1000)의 하방에서 입사하는 광이 100% 상방으로 출사하기 어렵고 이로 인해 명암비나 휘도가 저하될 수 있는데 폴리머 분산체의 두께가 200㎚ 이하를 만족함을 통해 명암비 및 휘도 저하를 방지하기 유리하다. 또한, 만일 폴리머 분산체의 두께 70㎚ 미만일 경우 명암비 개선 효과가 저하될 우려가 있다. 여기서, 폴리머 분산체의 두께(d1,d2)란 y-z 평면의 광학층(100) 절단면에서 폴리머 분산체의 단면을 놓고 볼 때, 광학층(100) 두께방향에 해당하는 z축 방향에 평행한 상기 폴리머 분산체 단면의 둘레를 잇는 선분 중 가장 긴 선분의 길이를 의미한다.
한편, 다수 개의 폴리머 분산체(120)는 상호 수직하는 세 개의 x축, y축 및 z축 중 x축 방향이 길이방향이 되도록 상기 매트릭스(110) 내 배열된다. 다만, 여기서 x축 방향이 길이방향이 되도록 배열된다는 것은 모든 폴리머 분산체(120)의 길이방향이 x축과 평행하도록 배열됨을 의미하지는 않고, 폴리머 분산체(120)의 길이방향이 되는 주축의 방향이 y축, z축 보다 x축 방향에 가까움을 의미한다.
이에 대하여 도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면, 광학층(100)의 x-z 평면에서 제1폴리머 분산체(123)는 길이 방향이 x축 방향과 평행하게 배열되나, 제2폴리머 분산체(121) 및 제3폴리머 분산체(122)는 길이 방향이 z축 방향으로 소정의 각도 기울어져 배열될 수 있다. 또한, 도 4에 도시하지 않았으나 폴리머 분산체는 y축 방향으로도 소정의 각도 기울어져 배열될 수 있음을 밝혀둔다. 단, 여기서 소정의 각도는 일예로 (±)45°미만, (±)35°미만, (±)25°미만, (±)15°미만, (±)10°미만, (±)5°미만, (±)3°미만, (±)1°미만일 수 있다.
또한, 상술한 다수 개의 폴리머 분산체(120)는 상호 수직하는 x축, y축 및 z축 중 y축 및 z축 중 어느 하나 이상의 방향에서 정분산된다. 즉, 광학층(100)의 y축 및 z축 방향 단면에서 다수 개의 폴리머 분산체(120)는 인접한 분산체 간 간격이 일정하거나, 및/또는 분산된 분산체 분산 패턴이 일정하도록 배열되며, 본 발명은 이와 같은 배열을 정분산인 것으로 정의한다. 이때, 폴리머 분산체의 크기, 형상은 모두 동일할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니며, 서로 상이한 형상 및/또는 크기를 가지면서 이들의 크기, 형상을 고려해서 폴리머 분산체가 일률적인 패턴으로 분산된 것도 정분산에 포함될 수 있음을 밝혀둔다.
본 발명의 일 실시에에 의하면, 도 1에 도시된 것과 같이 다수 개의 폴리머 분산체(120)는 2개 이상의 폴리머 분산체가 z축 방향으로 하나의 열을 지어 배열되는 어레이(A1,A2)를 다수 개 형성하고, 다수 개의 어레이(A1,A2)가 y축 방향으로 각각이 이격되어 나란하게 배열되는 형태로 정분산 될 수 있다.
이때, 하나의 어레이(A1,A2) 내 폴리머 분산체의 개수는 모든 어레이(A1,A2)에서 모두 동일할 수 있다. 또는, 도 2에 도시된 것과 같이 적어도 어느 하나의 어레이 내 폴리머 분산체의 개수는 다른 어레이 내 폴리머 분산체의 개수와 상이할 수 있다. 즉 상기 다수 개의 어레이(A3,A4)는 어레이 내 폴리머 분산체 개수가 상이한 제1어레이(A3)와 제2어레이(A4)를 포함하며, 제1어레이(A3)와 제2어레이(A4)는 y축 방향으로 소정의 패턴을 가지도록 반복적으로 배열될 수 있고, 일 예로 도 2에 도시된 것과 같이 제1어레이(A3)와 제2어레이(A4)는 교호적으로 반복 배열될 수 있다. 또는 다른 일예로 도 2와 다르게 제1어레이(A3) 몇 개가 y 축 방향으로 연속 배열된 뒤 1개의 제2어레이(A4) 또는 몇 개가 y 축 방향으로 연속 배열되는 패턴이 반복적으로 형성될 수도 있다.
한편, 다수 개의 어레이 상호 간의 간격은 모두 동일하거나 이들 간격이 소정의 규칙적 패턴을 가지도록 상이하게 구성될 수도 있다. 이때, 인접하는 어레이 간의 y축 방향 간격은 100 ~ 200㎚, 보다 바람직하게는 150 ~ 200㎚일 수 있으며, 이를 통해서 보다 향상된 명암비 개선효과를 달성할 수 있고, 더불어 폴리머 분산체가 시인측에서 육안으로 시인되거나 및/또는 빛샘이나 휘선보임이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 만일 간격이 100㎚ 미만일 경우 투과되어야 하는 빛의 광량이 급격히 줄어들어 휘도 저하의 우려가 있고, 200nm를 초과 시 빛샘, 휘선보임이 발생할 수 있고, 명암비 개선 효과가 저하되거나 패턴이 시인될 우려가 있다.
또한, 하나의 어레이 내 폴리머 분산체 간의 z축 방향 간격은 1 ~ 200㎚, 보다 바람직하게는 30 ~ 100㎚, 보다 더 바람직하게는 40 ~ 100㎚일 수 있다. 만일 z축 방향 간격이 200㎚를 초과 시 명암비 개선 효과가 미미하거나 발현되기 어려울 수 있다. 또한, 만일 z축 방향 간격이 1㎚ 미만 시 제조공정에서 폴리머 분산체 흐름 간에 합쳐짐이 발생해 목적하는 정분산 패턴을 구현하기 어려울 수 있다.
또한, 하나의 어레이를 형성하는 2개 이상의 폴리머 분산체 각각의 크기와 형상은 동일할 수 있다. 또한, 다수 개의 어레이 중 어느 하나의 어레이 내 폴리머 분산체의 크기 및/또는 형상이 다른 어레이 내 폴리머 분산체의 크기 및/또는 형상과 상이할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 매트릭스(110)와 매트릭스 내부에 포함되는 폴리머 분산체(120) 간에는 복굴절 계면이 형성될 수 있고, 이를 통해서 명암비를 향상시키는 효과를 달성하기에 유리하다. 이를 위해 상기 매트릭스(110)와 폴리머 분산체(120)는 복굴절 계면을 형성하여야 하므로 상기 매트릭스(110)가 광학적 등방성인 경우, 폴리머 분산체(120)는 복굴절성을 가질 수 있고, 반대로 상기 매트릭스(110)가 광학적으로 복굴절성을 갖는 경우에는 폴리머 분산체(120)는 광학적 등방성을 가질 수 있다. 구체적으로 상기 폴리머 분산체(120)의 x축 방향의 굴절율이 nX1, y축 방향의 굴절율이 nY1 및 z축 방향의 굴절율이 nZ1이고, 매트릭스(110)의 굴절율이 nX2, nY2 및 nZ2일 때, nX1과 nY1 사이의 면내 복굴절이 발생할 수 있다. 더욱 바람직하게는 매트릭스(110)와 폴리머 분산체(120)의 X, Y, Z축 굴절율 중 적어도 어느 하나가 상이할 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리머 분산체의 길이방향이 X축인 경우 Y축 및 Z축 방향에 대한 굴절율의 차이가 0.05 이하이고, X축향에 대한 굴절율의 차이가 0.1 이상일 수 있다. 만일 모든 축에서 굴절율 차이가 0.05 이하인 경우 명암비 개선 및 시야각 향상의 효과를 달성하기 어려울 수 있다. 또한, X 축 이외에 다른 두 축 중 적어도 하나의 축 역시 굴절율 차이가 0.1 이상 발생할 경우 선형 모아레 문제가 발생할 수 있고, 이러한 문제가 발생한 부분에서 광투과량이 저하될 수 있어서 휘도저하를 유발시킬 수 있는 우려가 있다.
바람직하게는 매트릭스(110)가 광학적 등방성이고, 폴리머 분산체(120)가 복굴절성을 가질 수 있고, 이를 통해 광학층(100)을 통과하는 투과광의 왜곡을 감소시키고, 컬러변형을 최소화 또는 방지할 수 있는 이점이 있다.
상기 매트릭스(110)는 통상적인 광학필름에 사용되는 재질인 경우 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 코폴리에틸렌나프탈레이트(co-PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리카보네이트(PC) 얼로이, 폴리스타이렌(PS), 내열폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리우레탄(PU),폴리이미드(PI),폴리비닐클로라이드(PVC), 스타이렌아크릴로니트릴혼합(SAN),에틸렌초산비닐(EVA), 폴리아미드(PA), 폴리아세탈(POM), 페놀, 에폭시(EP), 요소(UF), 멜라닌(MF), 불포화포리에스테르(UP), 실리콘(SI) 및 사이크로올레핀 폴리머를 사용할 수 있으며 일예로, 폴리카보네이트(PC) 얼로이 일 수 있다.
또한, 상기 폴리머 분산체(120) 역시 통상적인 광학필름에 사용되는 재질인 경우 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 코폴리에틸렌나프탈레이트(co-PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리카보네이트(PC) 얼로이, 폴리스타이렌(PS), 내열폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리우레탄(PU),폴리이미드(PI),폴리비닐클로라이드(PVC), 스타이렌아크릴로니트릴혼합(SAN),에틸렌초산비닐(EVA), 폴리아미드(PA), 폴리아세탈(POM), 페놀, 에폭시(EP), 요소(UF), 멜라닌(MF), 불포화포리에스테르(UP), 실리콘(SI) 및 사이크로올레핀폴리머를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며,일예로 PEN일 수 있다.
또한, 광학층(100)에 포함되는 폴리머 분산체(120)는 매트릭스(110)와 폴리머 분산체(120) 전체 중량을 기준으로 35 ~ 65중량%, 보다 바람직하게는 40 ~ 65중량% 포함될 수 있다. 만일 폴리머 분산체가 35 중량% 미만으로 구비되는 경우 광학층(100) 내 폴리머 분산체의 밀도가 감소하며, 폴리머 분산체의 크기를 본 발명에 따른 범위로 제어하기 매우 어려워지는 우려가 있다. 또한, 만일 폴리머 분산체가 65중량%를 초과할 경우 매트릭스 및 폴리머 분산체 간 반전이 일어날 수 있는데, 매트릭스가 광학적 등방성 물질일 경우 반전에 따라서 복굴절성인 폴리머 분산체가 매트릭스로 되고, 이로 인해 투과광의 복굴절성으로 인해 광출사에 왜곡이 증가할 수 있다. 또한, 광학층(100)을 투과하는 광이 컬러필터 등의 색변환층을 통과한 광인 경우 시야각이 큰 측면에서 컬러반전, 컬러변형 문제가 발생할 우려가 있다.
한편, 상술한 폴리머 분산체(120)는 착색된 것일 수 있으며, 이를 통해 본 발명이 목적하는 효과를 보다 향상시킬 수 있다. 상기 착색은 염료 및/또는 안료를 통한 것일 수 있다. 상기 염료는 광흡수 기능이 있다고 알려진 공지된 염료일 수 있고, 유기 염료일 수 있으며, 일예로 포르피린계 염료일 수 있고, 이를 통해, 특정 파장대에서만 광을 흡수하는 효과를 낼 수 있다. 또는 상기 안료는 광흡수 기능이 있는 것으로 알려진 공지된 안료일 수 있으며, 일예로 카본블랙일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필름(1000)은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 광학층(100)의 양면에 배치된 스킨층(211,212)을 더 포함할 수 있다. 상기 스킨층(211,212)은 광학층(100)의 기계적 강도를 보완하고, 외부인자로부터 광학층(100)을 보호하는 기능을 담당한다. 이때, 상기 광학층(100)과 스킨층(211,212) 사이에는 별도의 접착층이 더 구비될 수 있으나, 바람직하게는 상기 스킨층(211,212)은 별도의 접착층 없이 광학층(100)과 함께 공압출되어 일체로 형성된 것일 수 있다. 그 결과 접착층으로 인한 광학물성의 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 보다 박형화된 광학필름을 구현하기에 유리하다.
나아가, 종래 광학층을 연신한 후 미연신 스킨층과의 후접착 되는 경우와 달리 본 발명의 일실시예에 포함된 스킨층(211,212)은 광학층(100)과 동시에 공압출된 후 연신공정이 수행되므로 적어도 하나의 축방향으로 연신된 것일 수 있다. 이를 통해 미연신된 스킨층에 비하여 표면경도가 향상되어 내스크래치성이 개선되며 내열성이 향상될 수 있다.
상기 스킨층(211,212)은 광학필름의 지지기능을 수행하기 위하여 통상적으로 사용되는 스킨층의 재질일 수 있고, 바람직하게는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 코폴리에틸렌나프탈레이트(co-PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리카보네이트(PC) 얼로이, 폴리스타이렌(PS), 내열폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리우레탄(PU),폴리이미드(PI),폴리비닐클로라이드(PVC), 스타이렌아크릴로니트릴혼합(SAN),에틸렌초산비닐(EVA), 폴리아미드(PA), 폴리아세탈(POM), 페놀, 에폭시(EP), 요소(UF), 멜라닌(MF), 불포화포리에스테르(UP), 실리콘(SI) 및 사이크로올레핀폴리머를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며 보다 바람직하게는 상술한 매트릭스(110)의 성분과 동일한 재질을 사용할 수 있다.
상술한 광학필름(1000)에서 매트릭스(110)의 두께는 100㎛ 이하, 보다 바람직하게는 80㎛ 이하, 보다 더 바람직하게는 60㎛이하, 더 바람직하게는 50㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 15 ~ 50㎛일 수 있다. 만일 매트릭스(110)의 두께가 100㎛를 초과할 경우 상술한 폴리머 분산체의 크기나, 목적하는 대로 정분산된 경우에도 명암비 및 시야각 개선효과가 미미할 수 있다.
더불어 상기 스킨층의 두께는 5 ~ 20㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 광학필름(1000)은 헤이즈가 20% 이하일 수 있다. 만일 헤이즈가 20%를 초과하면 휘도가 저하로 인해서 본 발명의 목적을 달성하기 어려울 수 있다.
이하 상술한 광학필름(1000)의 제조방법에 대해서 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 광학필름(1000)은 매트릭스 성분 내에 다수 개의 폴리머 분산체 성분이 정분산되도록 매트릭스 성분 및 폴리머 분산체 성분을 압출시키는 단계, 냉각 및 평활화하는 단계, 냉각 및 평활화된 필름을 연신하는 단계, 및 상기 연신된 필름을 열고정하는 단계를 거쳐 제조될 수 있다.
먼저, (1) 단계로서 매트릭스 성분 내에 다수 개의 폴리머 분산체 성분이 정분산되도록 매트릭스 성분 및 폴리머 분산체 성분을 압출시키는 단계를 수행할 수 있다. 이들 각각의 성분은 먼저 혼합된 후 단일의 압출부에 공급되거나 각각의 성분이 개별적으로 독립된 압출부들에 공급될 수 있고, 이 경우 압출부는 2개 이상으로 구성될 수 있다. 또한, 매트릭스 성분 내 폴리머 분산체 성분이 정분산되도록 압출시킬 수 있는 공지의 방법이 적절히 채용될 수 있으며, 일 예로 목적하는 폴리머 분산체의 배열에 맞도록 설계된 해도형 구금을 통해서 매트릭스 성분과 폴리머 분산체 성분을 서로 다른 유로로 압출시켜서 매트릭스 내 폴리머분산체가 정분산되도록 압출시킬 수 있다. 해도형 구금을 이용한 제조방법과 관련해서 본 출원과 동일 출원인에 의한 대한민국 등록특허 제1264274호, 제1340243호, 제1354271호, 제1201553호, 제1201256호, 제1938892호, 제1938893호, 제1906253호 및 제1940327호가 참조로 삽입되며, 본 발명은 이에 대해서 구체적인 설명을 생략한다.
다음으로 본 발명의 (2) 단계로서 냉각 및 평활화하는 단계를 수행할 수 있다. 흐름제어부에서 이송된 필름을 냉각 및 평활화하는 단계로서 통상적인 광학필름의 제조에 이용되는 조건으로 냉각하여 고형화하고 이후 캐스팅 롤공정 등을 통해 평활화 단계를 수행할 수 있다.
다음으로 본 발명의 (3) 단계로 냉각 및 평활화된 필름을 연신하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 연신은 통상의 광학필름에 수행하는 연신공정을 통해 수행될 수 있으며, 이를 통해 매트릭스 성분과 폴리머 분산체 성분 간의 굴절율 차이를 유발시켜 계면에서 광변조 현상을 유발할 수 있다. 상기 연신은 일축연신 또는 이축연신을 수행할 수 있으며, 보다 바람직하게는 일축연신을 수행할 수 있다. 일축연신의 경우 연신방향은 일예로 x축 방향일 수 있다. 또한 연신비는 3 ~ 12배 일 수 있다.
다음으로 본 발명의 (4) 단계로 상기 연신된 필름을 열고정하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 열고정은 통상의 방법을 통해 열고정될 수 있으며, 바람직하게는 180 ~ 200℃ 에서 0.1 ~ 3분 동안 IR 히터를 통해 수행될 수 있다.
도 5를 참조하여 설명하면, 상술한 제조방법을 통해 제조되는 본 발명의 일 실시예에 의한 광학필름(1000)은 편광판(4000)을 구현하는데 구비될 수 있고, 특히 액정패널의 하방에 위치하는 백라이트유닛에 대향하도록 액정패널 광입사면 상에 배치되는 하부 편광판과, 상기 액정패널의 광 출사면 상에 배치되는 상부 편광판 중 상부 편광판으로써 적합하다. 본 발명의 일 실시예에 의한 광학필름(1000)을 상부 편광판의 흡수편광자 광 출사면 상에 배치 시 내부광에 의한 명암비 개선효과가 현저하고 우수한 휘도특성을 달성할 수 있는 이점이 있다.
상기 편광판(4000)은 흡수편광자(2000) 및 상기 흡수편광자(2000)의 상부에 배치되는 명암비 개선용 광학필름(1000)을 포함하여 구현된다.
상기 흡수편광자(2000)는 서로 직교하는 진동면을 갖는 제1편광 및 제2편광 중, 제1편광(또는 제2편광)은 투과하고 제2편광(또는 제1편광)은 흡수하는 편광자로써, 이러한 광학기능을 갖는 공지된 편광층(2100)을 구비하며, 상기 편광층(2100)은 그 예시로, 폴리비닐알코올 등의 기재필름이 요오드계 성분 또는 이색성 염료로 염착된 것일 수 있다. 또한, 상기 기재에 염착되는 염료 중 하나인 상기 요오드계 성분은 요오드 및/또는 요오드화 칼륨과 같은 요오드계 화합물일 수 있다. 또한 상기 이색성 염료는 분자의 장축방향으로 광범위한 파장에서 큰 흡광도를 가지며, 단축방향으로 흡광도가 극히 작으면서도, 기재가 되는 필름에 친화성이 좋고, 결정영역에도 염색이 가능하며, 기재가 연신될 때 함께 배향되기 쉽고, 색상이 선명하며 시각상의 콘트라스가 크다고 알려진 공지의 이색성 염료의 경우 제한없이 사용될 수 있으므로 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않고, 구체적 설명을 생략한다.
상기 편광층(2100)은 두께가 일예로 10 ~ 200㎛일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 목적에 따라 변경할 수 있다.
또한, 상기 흡수편광자(2000) 편광층(210)을 지지하고 보호하기 위하여 일면 또는 양면에 보호필름(2210,2220)을 구비할 수 있다. 상기 보호필름(2210,2220)은 통상적인 흡수편광필름에 사용되는 보호필름의 경우 제한 없이 사용될 수 있고, 투명성이나 기계적 강도, 열 안정성이나 수분 차폐성 등이 뛰어난 폴리머 등이 바람직하게 채용될 수 있다. 상기 보호필름(2210,2220)은 일예로, 트리아세틸셀룰로오스(TAC)와 같은 아세테이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리에테르술폰계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리올레핀계 수지, 아크릴계 수지, 폴리노르보르넨계 수지 등을 사용할 수 있다. 일예로 상기 보호필름은 광학특성을 고려하여 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 필름을 사용할 수 있다. 또는 내열성, 내습성 측면에서 폴리에스테르계 필름, 구체적 일예로 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름일 수 있다. 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름은 면 내 위상차가 8000nm 이상, 또는 10,000 ~ 15,000nm일 수 있다. 또한, 상기 보호필름(2210,2220)은 두께가 50 ~ 150㎛일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상술한 흡수편광자(2000)와 광학필름(1000) 간 계면에는 별도의 접착층(미도시)을 개재하여 일체로 접합될 수 있다. 상기 접착층은 광학필름 간의 부착에 사용되며, 광학적 특성을 저하시키지 않는 공지된 접착성분을 사용하여 구현될 수 있고, 일예로, 비닐알콜계 폴리머를 포함하는 접착성분의 단독 또는 붕산, 붕사, 글루타르알데히드, 멜라민, 옥살산 등, 비닐알콜계 폴리머의 수용성 가교제의 적어도 1종과 접착성분이 병용된 접착제로 형성된 것일 수 있다. 또한, 상기 접착제는 다른 첨가제나 산 등의 촉매를 배합할 수 있다.
또한, 편광판(4000)은 광학필름(1000) 상에 기능층(1500)을 더 구비할 수 있다. 상기 기능층(1500)은 프라이머층, 하드코팅층, 내지문성층, 반사방지층, 안티글레어층, 저반사층, 초저반사층 등일 수 있다. 또한, 상기 기능층(1500)은 복합기능을 발휘하기 위하여 여러 층이 적층되어 구현될 수도 있다. 상기 기능층(1500)의 두께는 구비되는 기능층의 종류와, 적층수를 고려해 적절히 변경될 수 있으므로 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
또한, 도 6에 도시된 것과 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 편광판(4000)은 액정패널(5000) 하방에 배치되는 백라이트 유닛(7000)에 대향해서 액정패널(5000) 상방, 즉 액정표시장치(8000)의 시인측에 배치될 수 있으며, 구체적으로 흡수편광자 상부에 배치됨으로써 백라이트 유닛(7000)으로부터 출사된 뒤 하부 편광판인 흡수편광자(2000), 액정패널(5000), 상부 편광판 중 흡수편광자를 통과한 내부광의 명암비를 상승시키며, 특히 측면 명암비를 향상시키면서도 정면 명암비의 감소를 방지하거나 최소화시키는 역할을 수행한다. 더불어 액정표시장치(8000_의 시야각을 향상시킬 수 있다.
구체적으로 액정표시장치(8000)는 백라이트유닛(7000), 하부편광판으로써 흡수편광자(2000), 액정패널(5000), 색변환층(5300) 및 상부편광판으로써 편광판(4000) 순으로 배치되어 구현될 수 있다.
상기 백라이트유닛(7000)은 통상적인 LCD 디스플레이에 채용되는 것일 수 있고, 일예로, 광원, 반사필름, 도광판, 광확산필름, 집광필름, 반사편광필름 등 공지된 구성으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 액정패널(5000)은 액정층(5100) 및 상기 액정층(5100) 상부와 하부를 지지하는 지지판(5210,5220)을 포함하고, 전극라인 등 공지된 구성을 더 포함할 수 있다. 또한, 액정패널(5000)은 VA(vertical alignment) 모드, IPS 모드, PVA(patterned vertical alignment) 모드 또는 S-PVA(super-patterned vertical alignment) 모드를 채용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
한편 본 발명에서는 광학필름의 용도를 액정표시장치를 중심으로 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 프로젝션 디스플레이, 플라즈마 디스플레이, 전계방출디스플레이, OLED 디스플레이 등 평판디스플레이 기술에 널리 사용될 수 있으며, 이에 국한되지 않고, 유리창, 편광을 요구하는 작업조명 등에 널리 응용될 수 있다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예1>
폴리머 분산체 성분(이하 제1성분)으로서 굴절율이 1.65인 PEN과, 매트릭스 성분(이하 제2성분)으로서 테레프탈레이트와 에틸글리콜과 사이크로헥산디메탄올 1:2 몰비로 중합반응한 폴리시클로헥실렌 디메틸렌테레프탈레이트(poly cyclohexylene dimethylene terephthalate, PCTG)를 38중량%, 폴리카보네이트 60 중량% 및 인산염이 포함된 열안정제 2 중량% 포함한 굴절률이 1.58인 폴리카보네이트 얼로이 및 스킨층 성분으로서 매트릭스 성분과 동일한 성분을 각각 도 7의 제1 압출부(220), 제2 압출부(221) 및 제3 압출부(222)에 투입하였다. 제1 성분과 제2 성분의 압출 온도는 295℃로 하고 Cap.Rheometer 확인하여 I.V. 조정을 통해 폴리머 흐름을 보정하고, 스킨층은 280℃온도 수준에서 압출공정을 수행하였다. 상기 제1 성분을 제1 가압수단(230, 가와사키사 기어펌프)로 이송하고 제2 성분 역시 제2 가압수단(231, 가와사키사 기어펌프)으로 이송하였다. 제1 가압수단의 토출량은 각각 순서대로 8.9 kg/h 이고, 제2 가압수단의 토출량은 8.9 kg/h 이다. 이후 도 8과 같은 해도형 압출구금을 이용하여 해도형 복합류를 제조하였다. 구체적으로 해도형 압출구금 중 제4 구금분배판(T4)의 도성분 레이어의 개수는 400개이고, 도성분 공급로의 구금홀의 직경은 0.17mm이며 도성분 공급로의 개수는 각각 25000개 였다. 제6 구금분배판의 토출구의 직경은 15 mm×15 mm 이었다. 3층 구조의 피드블록에서 상기 제3 압출부로부터 스킨층 성분이 유로를 통해 흘러들어 상기 해도형 복합류(매트릭스 폴리머)의 상하면에 스킨층을 형성하였다. 상기 스킨층이 형성된 매트릭스 폴리머를 유속 및 압력구배를 보정하는 코트행거다이에서 퍼짐을 유도하였다. 그 뒤 냉각 및 캐스팅 롤에서 평활화 공정을 수행하고 MD 방향으로 6배 연신하였다. 그 뒤 180℃에서 2분 동안 IR 히터를 통해 열고정을 수행하여 도 2와 같이 폴리머 분산체가 정배열되고, 매트릭스 양면에 스킨층이 구비된 광학필름을 제조하였다. 제조된 광학필름 내 폴리머 분산체 성분의 굴절율은 (nx: 1.88, ny:1.58, nz:1.58)이고 매트릭스 성분의 굴절율은 1.58였으며, 폴리머 분산체들의 너비는 170㎚, 평균두께는 75㎚, 어레이 간 수평방향의 간격은 184㎚, 어레이 내 z축 방향 폴리머 분산체 간 간격은 50㎚ 수준이었다. 또한, 제조된 광학필름 총 두께는 125㎛이며, 양면에 구비된 스킨층 총 두께는 45㎛이었다.
<실시예2 ~ 4>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 제조된 폴리머 분산체의 너비, 분산체 어레이간 간격을 하기 표 1과 같이 변경하여 하기 표 1과 같은 광학필름을 제조하였다.
<비교예1>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 제조된 폴리머 분산체의 너비를 230㎚가 되도록 변경하여 하기 표 1과 같은 광학필름을 제조하였다.
1. 헤이즈
헤이즈 및 투과도 측정기(니폰 덴쇼쿠 고교 코포레이티드(Nippon Denshoku Kogyo Co.) 제품) 분석설비를 이용하여 헤이즈를 측정하였다.
2. 폴리머 분산체의 너비와 두께
실시예 및 비교예의 광학필름의 신장방향을 x축으로 하고, 두께방향을 z축으로 할 때, y-z 평면이 절단된 면이 되도록 수직하게 절단한 후 절단된 면에 대해서 SEM 사진을 촬영하였다. 촬영된 SEM 사진에서 5㎛×5㎛ 영역 내 위치하는 폴리머 분산체의 너비와 두께를 측정하였다.
<실험예2>
실시예 및 비교예에서 제조된 광학필름에 대해서 상면에 저굴절 코팅 가공을 진행하였다. 준비된 광학필름을 흡수편광자 상면에 합지하고, 흡수편광자 하부면에는 TAC(트리아세테이트 셀룰로오스)가 구비된 편광판을 제조하였고, 제조된 편광판을 시중에 판매되는 LCD의 액정패널 상부 편광판과 교체한 후 이를 대상으로 정면 및 측면 방향 휘도와 명암비를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
이때, 휘도는 실시예 및 비교예에 따른 광학필름이 구비된 편광판으로 상부 편광판 교체 전 없이 해당 LCD에서 측정된 휘도를 100%로 기준하여 실시예 및 비교예에 따른 편광판으로 교체한 후 측정된 휘도를 상대적인 백분율로 표시하였다.
<실험예3>
45인치 TFT-LCD 디스플레이에 백라이트유니트와 편광판 사이에 상기 필름을 위치시며 300니트 밝기의 화이트 구동 상태에서 육안으로 관찰하여 폴리머 분산체가 시인되는지 여부를 평가하였다. 평가결과 폴리머 분산체가 시인되는 경우 ○, 시인되지 않는 경우 ×로 표기했다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 비교예1
두께 전체두께 125 125 125 125 125 125
광학층 80 80 80 80 80 80
스킨층 45 45 45 45 45 45
폴리머분산체 너비(㎚) 170 197 105 174 170 392
두께(㎚) 78 78 75 230 25 75
폴리머 분산체 어레이 간 간격(㎚) 184 160 85 200 450 215
물성 상대휘도
(%)		 White 98 96 92 90 96 87
Black 112 115 121 131 128 127
CR특성(%) 정면 92 90 91 89 90 88
측면
(60°)		 134 132 127 112 101 142
헤이즈(%) 18 19 23 25 19 31
폴리머분산체 시인여부 × × × × × ○
표 1을 통해 확인할 수 있듯이,
폴리머 분산체 너비가 본 발명의 범위를 초과하는 비교예1의 경우 폴리머 분산체가 육안으로 시인되고, 정면 명암비 특성이 실시예들에 대비해 저하되는 것을 알 수 있다.
또한, 폴리머 분산체의 너비가 과소한 실시예3의 경우 실시예1, 2에 대비해 측면 명암비에서 저하가 큰 것을 알 수 있다.
또한, 폴리머 분산체 어레인 간 간격이 200㎚를 초과하는 실시예5의 경우 명암비 개선효과가 미미한 것을 알 수 있다. 한편, 폴리머 분산체 어레이 간 간격이 200㎚인 경우에도, 폴리머 분산체 너비보다 폴리머 분산체 어레이 간 간격이 더 큰 실시예4의 경우 실시예1 ~ 3에 대비해 명암비 개선 정도가 충분치 못한 것을 알 수 있다.

Claims (12)

  1. 매트릭스, 및
    상기 매트릭스 내 상호 수직하는 x축, y축 및 z축에서 x축 방향이 각각의 길이방향이 되도록 정분산된 다수 개의 폴리머 분산체를 구비하는 광학층;을 구비하고,
    상기 광학층의 y-z 평면인 광학층 절단면에서 다수 개의 폴리머 분산체는 2개 이상의 폴리머 분산체가 z축 방향으로 하나의 열을 지어 배열되는 어레이를 다수 개 형성하고, 다수 개의 어레이는 y축 방향으로 각각이 나란하게 이격하여 배열되도록 정분산되며,
    상기 광학층의 y-z 절단면에서 상기 폴리머 분산체의 너비는 200㎚ 이하이며, 인접하는 어레이 간 y축 방향 이격 간격은 100 ~ 200nm인 명암비 개선용 광학필름.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    각각의 어레이 내 폴리머 분산체의 개수는 서로 같도록 구성된 명암비 개선용 광학필름.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수 개의 어레이는 어레이 내 폴리머 분산체 개수가 상이한 제1어레이와 제2어레이를 포함하며, 상기 제1어레이와 제2어레이는 y축 방향으로 소정의 패턴으로 반복적으로 배열되는 명암비 개선용 광학필름.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    하나의 어레이 내 폴리머 분산체 간의 z축 방향 간격은 30 ~ 100㎚인 명암비 개선용 광학필름.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스와 상기 폴리머 분산체는 서로 직교하는 3개의 축 중 어느 2개의 축 방향에 대한 굴절율의 차이가 0.05 이하이고, 나머지 1개의 축방향에 대한 굴절율의 차이가 0.1 이상인 명암비 개선용 광학필름.
  8. 제6항에 있어서,
    인접하는 어레이 간의 y축 방향 이격 간격은 150 ~ 200㎚인 명암비 개선용 광학필름.
  9. 제1항에 있어서,
    y-z 평면인 광학층 절단면에서 전체 폴리머 분산체 중 z축 방향인 폴리머 분산체의 두께가 70 ~ 200㎚인 명암비 개선용 광학필름.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광학필름은 헤이즈가 20% 이하이며, 상기 광학층은 두께가 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 명암비 개선용 광학필름.
  11. 시인 측인 액정패널 상부에 배치되는 편광판으로서, 상기 편광판은
    흡수편광자; 및
    상기 흡수편광자의 광 출사면 상에 배치되는 제1항, 제3항, 제4항 및 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 광학필름;을 포함하는 편광판.
  12. 액정 셀; 및
    적어도 상기 액정 셀의 광 출사면 상 배치되는 제11항에 따른 편광판;을 포함하는 액정표시장치.
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