KR20040101595A - 나노 컴포지트 기체 투과 방지막을 구비한 디스플레이패널용 플라스틱 필름 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디스플레이 패널로 사용되는 플라스틱 필름 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 제조방법은 (a) 클레이 입자를 알킬 암모늄으로 유기화시키는 단계; (b) 상기 유기화된 클레이 입자를 열경화성 수지 단량체와 혼합하여 균일 혼합물을 준비하는 단계; (c) 상기 균일 혼합물을 플라스틱 필름 표면에 코팅하는 단계; 및 (d) 상기 플라스틱 필름 표면에 형성된 코팅막을 열경화시키는 단계;를 포함한다. 본 발명에 따른 제조방법으로 형성된 디스플레이용 플라스틱 필름의 기체 투과 방지막은 알킬 암모늄으로 유기화된 나노 크기의 클레이 미립자가 고분자 매트리스 내에 균일하게 분산되어 있으므로, 필름의 광학적 특성을 거의 저하시키지 않으면서도 양호한 기체투과 방지 성능을 나타낼 수 있으며, 필름의 내스크래칭성과 ITO 전극의 부착성을 향상시킬 수 있다.

Description

나노 컴포지트 기체 투과 방지막을 구비한 디스플레이 패널용 플라스틱 필름 및 그 제조방법 {A plastic film for display panel having a nanocomposite gas barrier layer and manufacturing method thereof}
본 발명은 디스플레이 패널로 사용되는 플라스틱 필름 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기체 투과 방지막이 코팅된 디스플레이 패널용 플라스틱 필름 및 그 제조방법에 관한 것이다.
디스플레이 패널은 전자계산기, 전자시계, 자동차 네비게이션, 사무자동화 기기, 휴대전화, 노트북 컴퓨터 및 정보통신 단말기 등의 표시장치에 널리 사용되고 있는데, 예를 들어 액정표시장치는 내부에 투명전극과 배향막을 형성시켜 대향시킨 상부 패널 및 하부 패널 사이에 액정이 주입된 구조로 되어 있다.
종래에는 이와 같은 디스플레이 패널은 유리로 이루어진 패널을 사용하였다. 그러나, 유리패널은 투명성을 좋으나 유리의 특성상 내충격성이 부족하여 충격에쉽게 파손되며 박형화하는데 한계가 있을 뿐만 아니라, 단위 부피당 무게가 커서 경량화하는데 한계가 있다. 따라서, 최근에는 내충격성이 우수하고 경량화가 가능한 플라스틱 투명필름으로 이루어진 패널이 유리패널을 점차 대체하고 있다. 즉, 플라스틱 필름 소재의 디스플레이 패널은 유리 소재의 디스플레이 패널에 비해 두께는 약 1/3(0.7㎜ 두께의 유리 대비), 중량은 약 1/5정도이며 내충격성 또한 우수하다.
그러나, 플라스틱 필름은 유리에 비하여 산소 및 수증기 투과성이 크므로, 액정 주입, 고온공정 및 냉각 등 주위 환경의 온도변화와 압력변화에 의해 수증기 및 산소 기체가 투과하여 기포가 발생하거나 액정을 산화시켜 디스플레이의 품질을 저하시킬 우려가 있다. 따라서 디스플레이에 사용되는 플라스틱 필름의 이러한 단점을 보완하기 위하여 플라스틱 투명필름 표면에 기체 투과 방지막을 형성하므로서 수증기나 산소 기체가 투과하는 것을 최소화시키고 있다.
디스플레이 패널용 플라스틱 투명필름 위에 적용되는 기체 투과 방지막은 산소 및 수증기에 대한 투과 방지성 외에도, 높은 빛 투과율과 표면경도, 내열성 등이 요구되는데, 일반적으로 산화규소(SiOx), 산화알루미늄(AlxOy), 산화탄탈륨(TaxOy), 산화티타늄(TiOx) 등과 같은 투명한 무기물을 사용한다.
이러한 무기물 기체 투과 방지막은 일반적으로 졸-겔법, 플라즈마 화학증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 스퍼터링(sputtering)등의 진공증착법을 이용하여 플라스틱 필름 표면에 코팅한다. 이들 코팅 방법은 공통적으로 플라스틱 필름의 표면에 100㎚ 두께 이하의 박막층을 형성하여 필름의 광학적 특성에 손상을 주지 않으면서, 기체 투과를 감소시키는 특징을 갖는다.
그러나, 필름 표면에 약간의 크랙(crack)이나, 구멍, 돌출부, 이물질 등이 존재하는 경우, 플라스틱 필름에 이와 같은 무기물 기체 투과 방지막을 그대로 코팅하면 이러한 결점부를 통하여 기체 통과가 이루어져 막의 기체 차단성을 저하시키는 문제점이 있다. 또한, 무기물 기체 투과 방지막을 그대로 코팅시 유기 필름과 무기막 사이의 접착력이 크지 않아 무기막과 유기막의 탄성계수(modulus of elasticity) 차이에 따른 박리의 문제점이 발생한다. 즉, 폴리에테르술폰 필름의 경우 탄성계수가 3.7㎬인 반면 이산화규소의 경우는 70㎬, 알루미나의 경우는 350㎬ 이상의 값을 갖는다. 따라서, 무기물 기체 투과 방지막이 코팅된 플라스틱 필름이 외부의 힘에 의해 휨(bending) 작용을 받을 경우, 기체 투과 방지막과 플라스틱 필름의 계면에서 큰 내부 응력(internal stress)의 차이를 보이고, 그 차이가 크면 클수록 계면에서는 보다 큰 전단응력(shearing force)을 받는다. 이러한 전단응력의 차이는 기체 투과 방지막과 플라스틱 필름 사이에 접착력이 약할 경우 막의 박리를 유발하게 된다. 이러한 현상의 발생은 곧 기체 투과 방지막 기능의 상실을 의미한다.
따라서, 이러한 현상을 방지하기 위하여 클레이(clay) 입자를 고분자 수지 내에 나노 크기로 분산하여 디스플레이 패널용 플라스틱 필름 표면에 코팅하므로서 유기-무기 혼합물로 이루어진 기체 투과 방지막을 형성하는 방법이 제안되었다. 가시광의 파장보다 훨씬 작은 나노 크기로 분산된 클레이 입자들은 필름의 광투과성을 저하시키지 않으면서도 기체가 고분자 매트릭스 내를 통과하는 것을 방해하여 필름에 대한 기체의 투과성을 저감시키는 역할을 한다. 클레이의 이러한 역할이 극대화되기 위해서는 미세화된 클레이 미립자가 기체 투과 방지막에 나노 크기로 균일하게 분산되어야 하는데, 클레이 입자를 나노 사이즈로 박리하여(exfoliation) 고분자 수지 내에 균일하게 분산시킨 막을 형성하기 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여, 나노 사이즈의 클레이 미립자가 고분자 수지에 균일하게 분산된 나노 컴포지트로 이루어진 기체 투과 방지막을 필름 표면에 형성하므로서 필름의 광학적 특성을 거의 저하시키지 않으면서도 양호한 기체투과방지 성능을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 필름의 내스크래칭성과 ITO 전극의 부착성을 향상시킬 수 있는 디스플레이 패널용 플라스틱 필름 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1은 층상구조를 갖는 클레이 입자가 알킬 암모늄으로 유기화되는 반응을 나타낸 모식도이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 플라스틱 필름 및 그 표면에 코팅된 기체 투과 방지막을 구비하는 디스플레이 패널용 플라스틱 필름으로서, 상기 기체 투과 방지막이 열경화성 수지에 알킬 암모늄으로 유기화된 클레이 나노 미립자가 균일하게 분산된 나노 컴포지트로 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널용 플라스틱 필름을 제공한다.
본 발명에 따른 디스플레이 패널용 플라스틱 필름에 있어서, 열경화성 수지로는 에폭시 수지 또는 불포화 폴리에스테르 수지를 사용할 수 있고, 클레이 미립자로는 소듐 몬모릴로나이트인 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 (a) 클레이 입자를 알킬 암모늄으로 유기화시키는 단계; (b) 상기 유기화된 클레이 입자를 열경화성 수지 단량체와 혼합하여 균일 혼합물을 준비하는 단계; (c) 상기 균일 혼합물을 플라스틱 필름 표면에 코팅하는 단계; 및 (d) 상기 플라스틱 필름 표면에 형성된 코팅막을 열경화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널용 디스플레이 패널용 플라스틱 필름의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 디스플레이 패널용 플라스틱 필름의 제조방법과 이에 따라 제조된 필름에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 디스플레이 패널용 플라스틱 필름의 제조방법은 다음과 같다,
먼저, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지와 같은 열경화성 수지에 혼합할 클레이 입자를 알킬 암모늄으로 유기화시킨다. 소듐 몬모릴로나이트와 같은 클레이는 층상구조를 갖는데, 전술한 바와 같이 이러한 클레이는 에폭시와 같은 열경화성 수지 단량체와의 친화성이 크지 않으므로, 단순히 열경화성 수지 단량체에 첨가하여 혼합할 경우 필름에 균일하게 분산시키기 어렵다. 본 발명에서는 클레이 입자를 유기화제인 알킬 암모늄으로 유기화시키므로서 열경화성 수지 단량체와의 친화성을 증대시켜 이와 같은 문제점을 해결하였다. 도 1은 층상구조를 갖는 소듐 몬모릴로나이트 클레이 입자가 알킬 암모늄(C18-NH3 + )으로 유기화되는 반응을 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 클레이 입자에 존재하는 소듐 이온(도 1의 a)은 알킬 암모늄(C18-NH3 + )으로 치환(도 1의 b)되며, 이에 따라 클레이는 열경화성 수지 단량체와의 친화성이 증대되어 열경화성 수지 단량체와 혼합시 균일한 분산이 이루어질 수 있다. 또한, 알킬 암모늄(C18-NH3 + )에 의해 클레이의 층간 간격이 약 1 nm에서 3 nm로 증가하여 열경화성 단량체가 쉽게 클레이의 층간으로 들어갈 수 있는 여건이 마련된다.
이어서, 유기화된 클레이 입자를 열경화성 수지 단량체와 혼합하여 균일 혼합물을 준비한다.
그런 다음, 균일 혼합물을 플라스틱 필름 표면에 코팅한다. 디스플레이 패널용 필름은 광학특성이 우수한 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer) 등의 열가소성 고분자 수지와 에폭시, 불포화 폴리에스터 등의 열경화성 고분자 수지 등으로 제조될 수 있는데, 특히 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)를 사용하는 것이 바람직하다.
이어서, 플라스틱 필름 표면에 형성된 코팅막이 열경화되어 고형의 기체 투과 방지막이 형성될 수 있도록 가열한다. 열경화성 수지 단량체로서 에폭시 단량체를 사용하는 경우, 경화반응을 위한 경화제로는 통상적으로 페닐렌 디아민과 같은 디아민계 화합물 등이 이용된다. 에폭시의 경화반응이 진행될 때 산이 존재하면 에폭시 단량체의 경화 반응이 촉진이 된다. 따라서, 알킬 암모늄으로 유기화된 클레이는 전술한 바와 같이 층간 간격이 증가하여 에폭시 단량체가 쉽게 클레이 층간으로 들어 갈 뿐만 아니라 알킬 암모늄에 존재하는 수소이온이 층간에 들어온 에폭시들의 경화반응을 촉진시킨다. 이에 따라, 클레이 층간에서의 에폭시 경화반응이 클레이 입자 바깥에서의 경화반응보다 빠르게 유도되므로, 경화 반응에 의하여 클레이 층을 넓어지게 되어 결국 클레이 층들의 박리 현상이 일어나게 된다. 이와 같은 현상은 열경화성 수지 단량체로서 불포화 폴리에스테르 단량체를 사용하는 경우에도 동일하게 나타난다.
이와 같이 제조된 필름, 예를 들어 200-500㎛ 두께의 필름의 기체 투과 방지막은 알킬 암모늄으로 유기화된 나노 크기의 클레이 미립자가 균일하게 분산되어 있는 나노 컴포지트로 이루어져 있다. 클레이 미립자가 나노 사이즈이므로 입사하는 가시광선의 투과를 방해하지 않아 필름의 광학적 특성을 거의 저하시키지 않으면서도 균일하게 분산된 클레이 층들에 의하여 우수한 기체투과방지 성능을 나타낼 수 있다. 또한, 균일하게 분산된 나노 사이즈의 클레이 미립자는 고분자 필름의 표면경도를 증가시켜 내스크래칭성을 향상시킨다. 한편, 디스플레이용 플라스틱 필름의 일면에는 ITO 전극이 부착되는데, ITO는 유기물인 플라스틱 필름과의 부착성이 좋지 않으나, 클레이 미립자가 포함된 유기-무기 혼합물로 코팅이 된 플라스틱 필름은 ITO 전극의 부착성을 향상시킨다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되어 지는 것이다.
실시예 1
열경화성 수지 단량체로서 Shell사의 EPON-828 에폭시 단량체를 사용하였으며, 경화제로서는 페닐렌 디아민을 이용하였다. 먼저, 알킬 암모늄(C18-NH3 + )으로 유기화된 5phr의 몬모릴로나이트 클레이 입자를 에폭시 단량체에 첨가하고, 60도의 온도에서 물리적 교반을 충분히 실시하였다. 이어서, 진공오븐을 이용하여 수분과 저분자량 불순물을 제거하였다. 여기에 경화제를 첨가하고 충분히 교반한 다음, PES 필름에 코팅하고 가열하여 경화반응을 진행하였다. 경화조건은 80도에서 2시간 동안 반응을 진행시킨 다음, 후경화를 150도에서 2시간 진행하였다. 제조된 필름의 두께는 300마이크론 이었다.
비교예 1
알킬 암모늄(C18-NH3 + )으로 유기화되지 않은 통상적인 클레이 입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 필름을 제조하였다.
전술한 방법으로 제조된 실시예 및 비교예에 따른 필름에 대하여 빛 투과도및 산소 투과도(OTR)를 측정하였으며, 내스크래치성 및 ITO 전극에 대한 부착성은 불량, 보통, 우수의 3등급으로 나누어 평가하였다.
빛 투과도(%) 산소 투과도(cc/㎡·day) 내스크래칭성 부착성
실시예 1 87 10-4cc/m2day 우수 우수
비교예 1 50 10-1cc/m2day 보통 보통
표 1을 참조하면, 본 발명의 기체 투과 방지막을 코팅한 필름이 통상의 기체 투과 방지막을 코팅한 필름보다 빛 투과도, 산소 투과도, 내스크래치성 및 부착성이 우수함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 제조방법으로 형성된 디스플레이용 플라스틱 필름의 기체 투과 방지막에는 알킬 암모늄으로 유기화된 나노 크기의 클레이 미립자가 균일하게 분산되어 있으므로, 필름의 광학적 특성을 거의 저하시키지 않으면서도 양호한 기체투과방지 성능을 나타내며, 필름의 내스크래칭성과 ITO 전극의 부착성을 향상시킨다.

Claims (5)

  1. 플라스틱 필름 및 그 표면에 코팅된 기체 투과 방지막을 구비하는 디스플레이 패널용 플라스틱 필름에 있어서,
    상기 기체 투과 방지막은 열경화성 수지에 알킬 암모늄으로 유기화된 클레이 나노 미립자가 균일하게 분산된 나노 컴포지트로 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널용 플라스틱 필름.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라스틱 필름은 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널용 플라스틱 필름.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열경화성 수지는 에폭시 수지 또는 불포화 폴리에스테르 수지인 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널용 플라스틱 필름.
  4. 제1항에 있어서, 상기 클레이 나노 미립자는 소듐 몬모릴로나이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널용 플라스틱 필름.
  5. (a) 클레이 입자를 알킬 암모늄으로 유기화시키는 단계;
    (b) 상기 유기화된 클레이 입자를 열경화성 수지 단량체와 혼합하여 균일 혼합물을 준비하는 단계;
    (c) 상기 균일 혼합물을 플라스틱 필름 표면에 코팅하는 단계; 및
    (d) 상기 플라스틱 필름 표면에 형성된 코팅막을 열경화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 패널용 디스플레이 패널용 플라스틱 필름의 제조방법.
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