KR20080055713A - 나노실리카입자를 포함하는 유기-무기하이브리드 코팅제,이로 형성된 버퍼층을 갖는 플라스틱 기판 및 그 제조방법 - Google Patents
나노실리카입자를 포함하는 유기-무기하이브리드 코팅제,이로 형성된 버퍼층을 갖는 플라스틱 기판 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 케이지 구조를 갖는 경화성 작용기로 표면 개질된 나노 실리카 입자를 포함하는 유,무기 하이브리드 코팅제, 이로 형성된 버퍼층을 갖는 플라스틱 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴녹산(Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS)계 무기화합물, 임의의 경화성 수지 및 광개시제를 포함하는 플렉서블 기판용 코팅제, 이로 형성된 버퍼층을 포함하는 플라스틱 기판 및 베이스 필름에 본 발명의 유,무기 하이브리드 코팅제를 코팅하는 단계; 상기 코팅된 코팅제를 경화하여 버퍼층을 형성하는 단계; 및 버퍼층위에 차단막을 증착하는 단계를 포함하는 플라스틱 기판 제조방법이 제공된다. 본 발명의 코팅제를 구성하는 POSS는 유기작용기를 갖는 무기실리카 나노입자로서 유기물과의 상용성이 뛰어나, 코팅제에 보다 많은 양으로 배합가능하며 유,무기 하이브리드에 의하여 무기성분과 유기성분의 열팽창율에 대한 우수한 완충효과를 나타낸다. 따라서, 본 발명의 POSS를 포함하는 유,무기 하이브리드 코팅제로 형성된 버퍼층을 갖는 플라스틱 기판은 균열, 박리 및 변형이 방지되고 개선된 열안정성, 공정성, 기체투과도, 표면경도 및 기체투과 차단막과의 친화성을 나타낸다.
폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴녹산, 유,무기하이브리드, 플렉서블 디스플레이 플라스틱 기판, 균열 및 박리 방지, 열안정성
Description
본 발명은 표면 개질된 나노 실리카 입자를 포함하는 유기-무기 하이브리드 코팅제, 이로 형성된 버퍼층을 갖는 플라스틱 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 케이지 구조의 표면 개질된 나노 실리카 입자를 포함하는 코팅제, 이로 형성된 버퍼층을 갖는 열안정성 및 기판 공정성이 개선된 플라스틱 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
정보통신기술의 지속적인 발전으로, 현재 유리가 사용되는 평판 디스플레이 시대에서 향후에는 플렉서블 디스플레이 시대로 진화할 것으로 예상된다. 유리기판 대신 플라스틱기판을 사용하게 되므로써 플렉서블 디스플레이는 종래의 디스플레이에 비하여 얇고, 가볍고, 플렉서블하며, 다양한 형태로의 가공이 가능하다.
따라서, 현재의 평판 디스플레이에 비하여 경량 박형화된 플렉서블 디스플레이는 가공이 용이하고, 저가격화를 실현할 수 있는 롤-투-롤 연속공정을 통한 양산성 확보라는 많은 장점을 갖는다.
그러나, 이를 실현하기 위해서는 선결조건으로 유리기판의 물성에 상응하는 플라스틱기판 소재의 개발이 요구된다. 현재 개발된 플라스틱 기판소재는 내열성, 수분/산소 차단성 및 공정성면에서 유리기판에 비해 열등한 물성을 보인다.
상기한 플렉서블 디스플레이용 플라스틱 기판은 기판공정 및 사용에 요구되는 물성을 부여하기 위해 일반적으로 도 1에 도시한 바와 같이 크게 3가지의 층을 포함한다. 즉, 플렉서블 디스플레이용 플라스틱 기판은 (1) 기판의 근간이 되는 100~200 ㎛ 두께의 베이스 필름(base film), (2) 산소/수분 차단성을 부여하기 위한 수십 nm 두께의 기체차단막 및 (3) 상기한 두층 사이의 물성차이로 인한 기판 필름의 크랙 생성등을 방지하기 위해 두 층사이에 존재하는 수 ㎛ 두께의 버퍼층으로 이루어진다.
베이스 필름으로는 높은 투광성, 디스플레이 공정 온도를 견딜 수 있는 우수한 내열성 및 낮은 열팽창율을 갖는 고분자 필름이 사용된다. 현재까지는 내열성이 우수한 폴리에테르설폰 (PES), 폴리카보네이트 (PC), 폴리이미드 (PI), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리아크릴레이트(PAR), 폴리에텔렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에스테 르(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리노르보넨 등이 플라스틱 기판용 베이스필름으로 응용 가능성이 있는 소재로 소개되어 있다.
그러나, 상기한 고분자 필름은 투습율 및 투산소율이 유리에 비해 매우 높아서, 수분과 산소에 약하므로 디스플레이 소자용으로 사용하기에는 매우 부적합하다.
따라서, 도 1에 도시한 바와 같이 버퍼층 및 가스 차단성을 개선하기 위해 투습율 및 투산소율이 작은 무기물로 형성된 두께 100nm 이하의 기체차단막의 형성이 요구된다. 기체차단막은 일반적으로 산화규소, 산화알루미늄, 산화탄탈륨, 산화티타늄등과 같은 무기물로 형성되며, 이러한 무기물은 플라즈마 화학증착법(PECVD), 스퍼터링법, 증착법 같은 건식방법으로 적용된다. 현재까지 보고된 기체 차단막에 대한 연구결과에 의하면, 상기한 무기차단막은 필름의 광학적 성질에는 영향을 주지 않으면서 기체투과도를 획기적으로 감소시킬 수 있었으며, 현재 배리어(차단)코팅을 갖는 기판의 액체 및 기체의 내침투성은 디스플레이 소자에서 요구되는 수준에 도달한 것으로 알려져 있다.
그러나, 현재 플렉서블 플라스틱 기판을 제조함에 있어서 유기물인 고분자 베이스 필름과 무기물인 배리어(차단)층과의 큰 물성차이로 인하여 공정중에 발생하는 코팅응력 및 접착성이 저하되고 이로 인한 기판의 크랙 발생 및/또는 코팅층의 박리가 문제시 된다. 현재, 기판으로 주로 사용되는 고분자 소재의 열팽창율 (CTE: (coefficient of thermal expansion))은 20 ~ 70 ppm/℃인데 비하여 무기물층의 CTE는 수 ppm/℃로 매우 작아서, 기판공정조건에 노출되면 베이스 필름과 차단막의 열팽창율 차이로 인하여 크랙이 형성되거나 및/또는 박리되는 문제가 발생하며, 이 현상은 기체차단성을 높이기 위해 무기박막의 구조를 치밀하게 할수록 더욱 심각해 진다. 도 1과 같은 다층구조로된 플렉서블한 플라스틱 기판이 벤딩될 경우, 기판에 가해지는 내부 스트레스(σ)는 하기 수학식 1과 같이 정량화 할 수 있다.
[수학식 1]
상기 식에서, Es 및 Ec는 각각 베이스필름과 차단막의 Young의 모듈러스(Young’s Modulus), νs는 베이스필름의 푸아송비(poisson’s ratio), hs 및 hc는 각각 베이스필름과 차단막의 두께이며, R1은 벤딩시 차단막의 반경, R2는 벤딩시 베이스필름의 반경을 나타낸다.
따라서, 탄성율 및 열팽창계수의 차이로 인한 유기물층인 베이스 필름과 무기물층인 차단막의 계면사이의 응력을 감소시키기 위해서 유기 베이스 필름과 무기 물층 사이에 유기층(베이스필름)과 무기층(차단막)의 상이한 물성을 상호보완 및 완충할 수 있는 유기-무기하이브리드 소재로된 버퍼층을 형성하므로써 플라스틱 기판의 물성을 효과적으로 제어를 할 수 있다.
미국 바이텍스사의 PCT/US 2003/013235는 플렉서블 베이스 필름상에 다층의 배리어 코팅을 함으로써 가스에 대한 우수한 차단성을 갖도록 하는 플라스틱 기판 제조방법에 대한 것이다. 상기 특허에서 플라스틱 기판은 차단막과 유기재(도 1의 버퍼층에 해당)를 다층으로 교대로 적층하여 제조된다. 상기 특허에서 유기재는 중합가능한 불포화유기재를 하부기재에 증착한 후 광경화시켜 형성되며, 무기질 화합물은 포함되지 않는다.
아이컴포넌트사의 한국공개특허 2003-0079112는 0.5 ~ 4.5 중량%의 무기계 실란화합물 및 아크릴계 올리고머를 포함하는 유,무기하이브리드 코팅제에 대한 것으로, 상기 특허출원에서 무기계 실란화합물로는 비닐기를 갖는 폴리디메틸실록산에 비닐 Q수지가 분산된 고분자, 비닐메톡시실록산 고분자(VMM-010-100GM), 10% 메틸기를 갖는 폴리페닐메틸실세스퀴녹산 고분자, 페닐실세스퀴녹산과 폴리디메틸실록산의 공중합체, 폴리메틸실세스퀴녹산, 3-트리에톡시실릴프로필 이소시아네이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상이 사용된다. 상기 한국공개특허 2003-0079112에서 사용되는 폴리알킬 실세스퀴녹산 고분자 구조의 구조식은 하기 화학식 1에 나타낸 바와 같다. 상기 특허에서 사용되는 실란화합물은 하기 화학식 1에 나타낸 바와 같은 래더(ladder)형 실란이 사용된다.
[화학식 1]
(단, 상기 화학식 1에서 R은 알킬기 또는 방향족기이다.)
상기 특허출원에서는 약 5중량% 미만의 무기물을 포함하는 유·무기 하이브리드 코팅제가 사용된다. 그러나, 상기 수학식 1에서 제시하고 있는 바와 같이, 다른 특성을 갖는 이웃 층간의 내부 스트레스는 각 층간 물질의 열팽창율 및 모듈러스가 유사할수록 최소화할 수 있으므로 가능한한 무기물 필러가 다량 첨가될 수 있는 재료가 베이스 필름과 배리어층(기체 차단막)의 물성완충에 바람직한 것이다.
따라서, 베이스 필름과 기체 차단막의 내부스트레스로 인한 플라스틱 필름의 크랙 및 박리 문제를 해결하기 위해서 무기질 필러를 보다 많은 양으로 포함하는 버퍼층용 코팅제의 개발이 요구된다.
본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하기 위한 연구결과 본 발명을 완성하게 되었으며, 이에 본 발명의 목적은 유기물과 무기물의 물성완충에 효과적인 유기-무기 하이브리드 코팅제를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 크랙 및 박리가 방지되고 열안정성 및 공정성이 우수한 플라스틱 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 크랙 및 박리가 방지되고 열안정성 및 공정성이 우수한 플라스틱 기판 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면,
폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴녹산(Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS)계 무기화합물 95~99.9중량% 및 광개시제 0.1~5중량%를 포함하는 유,무기 하이브리드 코팅제가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면,
폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴녹산(Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS)계 무기화합물 95~99.9중량% 및 광개시제 0.1~5중량%를 포함하는 유,무기 하이브리드 코팅제로 형성된 버퍼층을 포함하는 플라스틱 기판이 제공된다.
본 발명의 또 다른 견지에 의하면,
베이스 필름에 폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴녹산(Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS)계 무기화합물 95~99.9중량% 및 광개시제 0.1~5중량%를 포함하는 유,무기 하이브리드 코팅제를 코팅하는 단계;
상기 코팅된 코팅제를 경화하여 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층위에 무기차단막을 증착하는 단계;를 포함하는 플라스틱 기판 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 코팅제에 일 성분으로 사용되는 POSS는 유기작용기를 가진 무기실리카 나노입자로서 유기물과의 상용성이 뛰어나, 코팅제에 보다 많은 양으로 배합가능하며 유,무기 하이브리드에 의하여 무기성분과 유기성분의 열팽창율에 대한 우수한 완충효과를 나타낸다. 따라서, 본 발명의 POSS를 포함하는 유,무기 하이브리드 코팅제로 형성된 버퍼층을 갖는 플라스틱 기판은 균열, 박리 및 변형이 방지되고 개선된 열안정성, 공정성, 기체투과도, 표면경도 및 기체투과 차단막과의 친화성을 나타낸다.
본 발명자들은 TFT공정 가능한 플라스틱 기판을 개발하기 위한 연구결과, 유기물인 고분자 베이스(원판) 필름과 무기물인 기체 차단막사이의 열팽창율, 모듈러스등 물성의 큰 차이를 보완할 수 있는 유,무기하이브리드 코팅층을 유기물인 고분자 베이스 필름과 무기물인 기체 차단막 사이에 형성하므로써, 열이력후 플라스틱 기판의 무기질 차단막의 크랙생성 및 박리가 현저하게 감소됨을 발견하였다.
유기 고분자 베이스 필름과 무기 차단막 사이에 게재되는 코팅층(이하, '버퍼층'이라함)은 폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴녹산(polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS)계의 나노실리카 입자를 포함하는 유기성분과 무기성분이 하이브리드된 코팅제로 형성된다. 본 발명의 코팅제에 일성분으로 사용되는 POSS는 유기 작용기를 갖는 것으로 유기물과의 상용성이 우수하며, 나노 실리카 입자로서 무기물의 특성을 가지며, 광학적 투광성이 우수한 물질이다. 따라서, POSS를 포함하는 유,무기 하이브리드 코팅제로 플라스틱 기판에 버퍼층을 형성하므로써, 플라스틱 기판의 투광성이 유지되며, 유기 베이스 필름과 무기 차단막의 물성이 완충되어 균열 및 박리가 방지되며, 열안정성 및 공정성이 우수한 플라스틱 기판, 구체적으로는 플렉서블한 디스플레이용 플라스틱 기판을 얻을 수 있다.
본 발명의 코팅제에 유,무기하이브리드 필러로 사용되는 폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴녹산은 하기 화학식 2와 같이, 크기 1-3nm의 실리카 케이지(silica cage)구조를 가진 실리카이다. POSS는 잘 제어된 케이지형 3차원 나노 실리카로서 유기작용기를 가지며 화학적 및 열적으로 매우 안정하므로 분자수준에서 고분자 사슬의 움직임을 제어할 수 있다.
상기 화학식 2에서 R은 C1-C8의 직쇄형, 분지쇄형 또는 고리형 알킬기, 페닐 및 나프틸과 같은 방향족기 및 히드리도디메틸실로실 (hydridodimethylsiloxyl)기로 구성되는 그룹으로 선택된 일종일 수 있으며; 혹은 상기 R중 하나는 노르보닐, (메트)아크릴레이트, 스티렌, 에폭시, 이소시아네이트, C1-C8 알코올, 티올, 실란티올, 비닐, 아민, 실란, C1-C8 알콕시 실란, 할로겐(F,Cl,Br,I)화 실란, 페놀, 할라이드(F,Cl,Br,I), C1-C8 카르복시산, 니트릴, C-C8 에스테르기로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, 나머지 R은 C1-C8의 직쇄형, 분지쇄형 또는 고리형 알킬기, 페닐 및 나프틸과 같은 방향족기 및 히드리도디메틸실로실 (hydridodimethylsiloxyl)기와 같은 비반응성기로 구성되는 그룹으로 선택된 일종일 수 있다.
상기 화학식 2의 R그룹으로 선택되는 C1-C8 알킬의 구체적인 예로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 옥틸, 시클로펜틸, 시클로헥실, sec-부틸. iso-부틸, tert-부틸, iso-옥틸 등과 같은 이들의 이성질체를 포함하는 것으로 이해된다.
상기 R 그룹중 하나가 노르보닐, (메트)아크릴레이트, 스티렌, 에폭시, 이소시아네이트, C1-C8 알코올, 티올, 실란티올, 비닐, 아민, 실란, C1-C8 알콕시 실란, 할로겐(F,Cl,Br,I)화 실란, 페놀, 할라이드(F,Cl,Br,I), C1-C8 카르복시산, 니트릴, C-C8 에스테르기로 구성되는 반응성 그룹(경화성 작용기를 갖는 그룹)으로부터 선택되는 경우에, POSS 광경화등과 같은 후반응에 직접 관여할 수 있다. 따라서, 이와 같이 POSS에 상기 반응성 그룹을 갖는 경우에 본 발명의 조성물에는 별도의 경화성 수지가 필수적으로 포함되지 않을 수 있다.
본 발명의 코팅제는 POSS 95 ~ 99.9중량% 및 광개시제 0.1~5중량%로 배합될 수 있다. 이 경우에 광개시제의 함량이 5중량%를 초과하면 광반응 제어가 어렵고 또한, 잔류 광개시제로 인하여 필름의 물성이 나빠지며, 광개시제 양이 0.1중량% 미만이면 광개시제의 양이 충분하지 않아서 광경화반응 시간이 너무 길어지거나 광반응 효율성이 낮아져서 필름의 성형성 및 강도가 약해지므로 바람직하지 않다.
상기 화학식 2의 POSS에서 R은 상기한 바와 같이 모두 C1-C8의 직쇄형, 분지 쇄형 또는 고리형 알킬기, 페닐 및 나프틸과 같은 방향족기 및 히드리도디메틸실로실 (hydridodimethylsiloxyl)기로 구성되는 그룹으로 선택되는 비반응성 유기 그룹일 수 있으며, 이러한 유기기에 의해 유기물/고분자와의 상용성 및/또는 용매에 대한 용해도가 향상된다. 또한, 상기 R중 하나는 반응성(경화성) 그룹이고 나머지는 상기 비반응성 그룹일 수 있다. R그룹중 하나가 반응성 그룹인 경우, 이러한 반응성 그룹에 의하여 중합반응 또는 곁가지 치환반응이 일어난다. 또한, 상기 POSS의 유기 작용기에 의해 POSS는 유기물과 우수한 상용성을 나타내므로 본 발명의 유,무기 하이브리드 코팅제는 보다 많은 양의 POSS를 포함할 수 있으며, 따라서, 종래의 코팅제에 비하여 베이스 필름과 무기 차단막의 열팽창률이 보다 효과적으로 제어된다.
본 발명의 코팅제에 별도의 광경화성 수지가 반드시 배합되어야 하는 것은 아니지만, 필요에 따라 임의로 광경화성 수지 바인더가 추가로 첨가될 수 있다. 특히, 광경화성 수지는 POSS의 R 그룹이 모두 비반응성 그룹인 경우에 코팅제에 배합하여 사용하는 것이 바람직하다. 광경화성 수지가 배합되는 경우에, 광경화성 수지는 상기 코팅제에 POSS계 무기화합물과 광경화성 수지의 총 중량을 기준으로 최대 98중량%, 바람직하게는 2 ~ 98중량%로 배합될 수 있다. 광경화성 수지 바인더 함량이 2 중량% 미만인 경우에는, 경화 후에 코팅가공성 및 필름물성이 저조하고 크랙이 발생될 수 있으며, 첨가량이 98 중량%를 초과하면 유·무기 완충제의 역할에 불충분한 문제가 있다. 코팅제에 별도의 광경화성 수지가 배합되는 경우에, 광개시제 는 POSS계 무기화합물 및 광경화성 수지를 포함하는 코팅제의 총 중량에 대하여 0.1 ~ 5중량%로 배합된다.
코팅제에 첨가될 수 있는 광경화성 수지로는 다관능성 (메타)아크릴레이트 모노머, 우레탄 아크릴레이트 올리고머 및 에폭시 아크릴레이트 올리고머가 사용될 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2종 이상이 함께 사용될 수 있다.
상기 (메타)아크릴레이트 모노머는 하나 이상의 아크릴레이트기 및/또는 메타아크릴레이트기를 가지며, 이로써 제한하는 것은 아니나, 예를들어, 페녹시에틸(메타)아크릴레이트, 페녹시디에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 페녹시테트라에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 페녹시헥사에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 이소보닐(메타)아크릴레이트, 비스페놀 에톡실레이트 디(메타)아크릴레이트, 에톡실레이트 페놀 모노(메타)아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 200 디(메타)아크릴레이트, 트리프로필렌글리콜 디(메타)아크릴레이트, 트리메틸프로판 트리(메타)아크릴레이트, 트리에틸프로판 트리(메타)아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디(메타)아크릴레이트, 에틸렌옥사이드 부가형 트리에틸프로판트리(메타)아크릴레이트, 펜타에리스리톨 테트라(메타)아크릴레이트, 1,4-부탄디올 디(메타)아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디(메타)아크릴레이트, 에톡실레이티드 펜타에리스리톨 테트라(메타)아크릴레이트, 2-페녹시에틸 (메타)아크릴레이트, 에톡실레이티드 비스페놀 A 디(메타)아크릴레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
상기 광경화성 수지중 우레탄 아크릴레이트 올리고머 및 에폭시 아크릴레이트 올리고머는 코팅제의 물성을 좌우하는 중요한 성분으로 중합반응에 의해 고분자로 되면서 경화주쇄구조를 이루며, (메타)아크릴레이트 모노머는 코팅제에서 점도 및 경화도를 조절하는 역할을 한다. 광경화성 수지로서 (메타)아크릴레이트 모노머와 우레탄 아크릴레이트 및/또는 에폭시 아크릴레이트 올리고머의 혼합물이 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 코팅제의 일성분인, 광개시제로는 특별히 이로써 제한하는 것은 아니나, 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-1-프로판온, 2,4-비스트리클로로메틸-6-p-메톡시스틸-s-트라이진, 2-p-메톡시스틸-4,6-비스트리클로로메틸-s-트리아진, 2,4-트리클로로메틸-6-트리아진, 2,4-트리클로로메틸-4-메틸나프틸-6-트리아진, 벤조페논, p-(디에틸아미노)벤조페논, 2,2-디클로로-4-페녹시아세토페논, 2,2'-디에톡시아세토페논, 2,2'-디부톡시아세토페논, 2-히드록시-2-메틸프로리오페논, p-t-부틸트리클로로아세토페논, 디페닐 (2,4,6-트리메틸벤조일) 포스핀 옥사이드, 비스(2,4,6-트리메틸벤조일) 페닐 포스핀 옥사이드, 2-메틸티오크산톤, 2-이소부틸티오크산톤, 2-도데실티오크산톤, 2,4-디메틸티오크산톤, 2,4-디에틸티오크산톤 및 2,2'-비스-2-클로로페닐-4,5,4',5'-테트라페닐-1,2'-비이미다졸 (2,2'-Bis(2- chlorophenyl)-4,4',5,5'-tetraphenyl-1,2'-biimidazole) 화합물로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2종 이상의 혼합물로 사용될 수 있다. 상기 광개시제의 첨가량은 코팅제 전체 중량을 기준으로, 0.1 내지 5중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 광개시제 첨가량이 0.1 중량% 미만이면 경화가 제대로 진행되지 않거나 경화 속도가 너무 느린 반면, 5중량%를 초과하면 경화도가 너무 높아서 취성이 높아지거나, 반응 후 미반응물로 존재하여 물성을 저하시키는 문제가 있다.
상기 본 발명의 유,무기 하이브리드 코팅제를 구성하는 실세스퀴녹산계 무기화합물, 임의의 경화성 수지 및 광개시제는 용매중에서 배합하여 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 코팅제에서 용매로는 이 기술분야에 일반적으로 알려져 있는 것이 사용될 수 있으며, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 테트라 하이드로 퓨란, 톨루엔, 크실렌, 부틸아세테이트, 아세톤, 메틸 이소부틸 케톤, 메틸에틸케톤, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 펜탄올, 옥탄올, 부톡시에탄올, 헥산, 아세톤, 에틸렌 글리콜, 모노에틸 에테르, 미네랄 스피리트, 헵탄 및 기타 지방족, 지환족, 방향족 탄화수소, 에스테르, 에테르, 케톤등이 사용될 수 있다. 용매의 양이 너무 적으면 코팅제의 농도가 진해져서 코팅할 때 코팅면이 고르지 않게 되며, 코팅면 중간에 코팅제가 뭉쳐서 얇은 코팅이 어렵다. 용매의 양이 너무 많은 경우에도 점도가 너무 작아져 균일한 코팅면을 형성하기 어렵다. 코팅양의 조절 및 용매양에 따른 점도 등은 사용되는 수지의 종류등에 따라 가변적이며, 코팅양의 조절 및 사용되는 수지의 물성등에 따라 용매양을 조절하는 것은 이 기술분야에 일반적으로 알려져 있는 것으로, 용매의 양은 특히 한정되지 않으며, 코팅 제 적용시 필요로 하는 점도에 따라 이 기술분야의 기술자는 용매의 함량을 적합하게 조절할 수 있다.
상기 본 발명의 코팅제는 플라스틱 기판의 베이스 필름(base film)과 무기 차단막의 완충 작용을 하는 버퍼층(buffer layer) 소재로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 코팅제는 투명하고 내스트레치성을 가지므로 플라스틱 기판용 하드코팅(커버코팅), 디스플레이용 광학필름의 하드코팅제 혹은 핸드폰과 같은 휴대용 정보기기의 플라스틱 하우징의 외장코팅제로도 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 제공되는 코팅제는 본 발명의 일 구현으로서, 베이스 필름에 코팅되고 경화되어 플라스틱 필름의 버퍼층 형성에 사용될 수 있다. 상기 베이스 필름(기재)의 예로는 특별히 이로써 한정하는 것은 아니나, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)과 같은 폴리에스테르, 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리설폰, 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리이미드, 폴리에테르에스테르, 폴리에테르아미드, 셀룰로오스 아세테이트, 지방성 폴리우레탄, 폴리아크릴로니트릴, 폴리플루오로카본, 폴리(메타)아크릴레이트, 지방성 또는 사이클릭 폴리올레핀, 또는 이들의 혼합물로된 필름을 들 수 있다. 베이스 필름은 디스플레이 기판용으로 사용하기 적합한 투명한 광학 필름이다.
상기 베이스 필름은 두께가 20 ㎛ ~ 500 ㎛인 것이 사용될 수 있으며, 100 ~ 200 ㎛두께인 것이 좀더 바람직하다. 베이스 필름의 두께가 20 ㎛미만이면 필름을 핸드링하기 어려우며 500㎛을 초과하면 박형 디스플레이로 제조하기에 적합하지 않다.
상기 베이스 필름에 본 발명의 코팅제를 코팅한다. 코팅은 건조된 버퍼층이 통상적으로, 약 1 ~ 50㎛의 두께, 보다 바람직하게는 약 1 ~ 10㎛의 두께가 되도록 한다. 버퍼층의 두께가 약 1㎛ 미만이면 유기층과 무기층과의 버퍼층 역할을 하기에 불충분하며 50㎛를 초과하면 박형 디스플레이 제조에 제한이 된다는 점에서 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 코팅제는 상기와 같은 베이스 필름에 이 기술분야에 일반적으로 알려져 있는 어떠한 코팅방법으로 코팅될 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 바코팅, 스핀코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅등의 방법으로 코팅될 수 있다. 그 후, 코팅층에 자외선을 조사하여 경화시켜 최종적으로 투명한 코팅재(버퍼층)를 형성한다. 상기 버퍼층위에는 일반적으로 알려져 있는 바와 같이, 차단막이 형성된다. 차단막은 플라스틱 기판의 가스 및/또는 수분 차단성이 향상되도록 하는 층으로 투습율 및 투산소율이 작은 무기물을 100nm 이하로 코팅하여 형성한다. 차단막은 일반적으로 산화규소, 산화알루미늄, 산화탄탈륨, 산화티타늄등과 같은 무기물로 형성되며, 이러한 무기물은 플라즈마 화학증착법(PECVD), 스퍼터링법, 증착법등 이 기술분야에 일반적으로 알려져 있는 건식방법으로 버퍼층위에 적용될 수 있다.
상기 본 발명에 따라 제공되는 플라스틱 기판은 베이스 필름과 차단막 사이에 형성된 버퍼층에 의해 베이스 필름과 차단막의 물성이 완충되어 플라스틱 기판의 균열 및 박리가 방지되며, 열안정성, 공정성, 기체투과도, 표면경도 및 기체투과 방지막과의 친화성이 개선된다. 또한, 본 발명의 플라스틱 필름은 투명한 것으로 광학용 기판으로 이용가능하며, 특히, 플렉서블한 디스플레이용 플라스틱 기판으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 제공되는 플라스틱 기판은 유리 대체용 기판으로 사용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예로 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
실시예
1
아크릴로사이클로헥실(acrylocyclohexyl)- POSS 10g을 테트라하이드로퓨란 용매 100ml에 첨가한 후 교반기를 통해 혼합하여 용매 내에 고루 분산시킨다. 다음 트리에틸프로판트리아크릴레이트 모노머 25.8g, 우레탄 아크릴레이트 올리고머 60.2g 및 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-1-프로판온 4g을 첨가하여 충분히 교반하여 코팅용액을 제조하였다.
실시예
2
POSS 무기화합물로 아크릴로아이소부틸(acryloisobutyl)-POSS를 사용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 코팅제를 제조하였다.
실시예
3
POSS 무기화합물로 메타아크릴로사이클로헥실(methacylocyclohexyl)-POSS를 사용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 코팅제를 제조하였다.
실시예
4
상기 실시예 1에서 얻어진 혼합액을 바-코팅법으로 두께 180㎛인 PET판 위에 5㎛ 두께로 코팅한 후 UV경화장치 내에서 20초간 경화시켜 버퍼층을 형성하였다. 버퍼층이 코팅된 PET 필름에 기체 차단층으로 산화알루미늄을 5nm두께로 증착하였다.
이렇게 제조된 플라스틱 기판의 광학적 특성은 UV-VIS 스펙트로미터로 측정하여 도 2에 나타내었다. 도 2의 그래프에서 알 수 있듯이, 실시예 1의 베이스 필름 및 실시예 1의 방법으로 버퍼층까지만을 형성한 베이스 필름/버퍼층으로된 기판과 견주어 버퍼층에 의한 광학적 특성의 손실이 거의 없었다. 한편, 본 실시예에서 제조된 플라스틱기판 필름의 열적 안정성 및 가공 특성은 상온과 120℃ 사이에서 가열/냉각 사이클을 5회 반복한 후 표면크랙 형성여부를 전자현미경으로 측정하였다. 가열/냉각 사이클을 반복하기 전과 후의 필름표면의 전자현미경 사진을 도 3에 나타내었으며, 도 3의 사진에서 알 수 있듯이, 버퍼층이 형성된 기판은 크랙의 발 생이 전혀 관찰되지 않았다.
비교예
1
버퍼층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 4과 동일한 방법으로 플라스틱 기판을 제조한 후에 동일한 조건에서 열적 안정성을 평가하였다. 가열/냉각 사이클을 반복하기 전과 후의 필름표면의 전자현미경 사진을 도 4에 나타내었으며, 도 4의 사진에서 알 수 있듯이, 가열/냉각을 반복한 후의 플라스틱 필름에서 많은 크랙 생성이 관찰되었다.
실시예
5
상기 실시예 2에서 얻어진 코팅제를 이용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 플라스틱 기판을 제조하여 광학적 투광성 및 열적 안정성을 평가하였다. 본 실시예에서 제조된 플라스틱 기판은 기판의 광학적 투광성 및 열적 안정성평가에서 실시예 4와 동일한 결과를 얻었다.
실시예
6
상기 실시예 3에서 얻어진 코팅제를 이용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 플라스틱 기판을 제조하여 광학적 투광성 및 열적 안정성을 평가하였다. 본 실시예에서 제조된 플라스틱 기판은 기판의 광학적 투광성 및 열적 안정성평가에서 실시예 4와 동일한 결과를 얻었다.
도 1은 플렉서블 기판(flexible substrate)의 측단면도이며,
도 2는 실시예 4에서 제조된 본 발명의 코팅제로된 버퍼층을 갖는 플라스틱 기판과 베이스 필름 등의 광투과도를 비교하여 나타낸 그래프이며,
도 3은 실시예 4에서 제조된 본 발명의 코팅제로된 버퍼층을 갖는 플라스틱 기판의 표면변화를 나타내는 전자현미경 사진(배율 x 200)이며,
도 4는 비교예 1에서 제조된 버퍼층이 없는 플라스틱 기판의 표면변화를 나타내는 전자현미경 사진(배율 x 200)이다.
Claims (12)
- 폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴녹산(Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS)계 무기화합물 95~99.9중량% 및 광개시제 0.1~5중량%를 포함하는 유,무기 하이브리드 코팅제.
- 제 1항에 있어서, 상기 폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴녹산(Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS)계 무기화합물은 하기 화학식 2로 나타내어짐을 특징으로 하는 코팅제.[화학식 2]
(단, 상기 화학식 2에서 R은 C1-C8의 직쇄형, 분지쇄형 또는 고리형 알킬기, 페닐 및 나프틸과 같은 방향족기 및 히드리도디메틸실로실 (hydridodimethylsiloxyl)기로 구성되는 그룹으로 선택된 일종이며; 혹은 상기 R중 하나는 노르보닐, (메트)아 크릴레이트, 스티렌, 에폭시, 이소시아네이트, C1-C8 알코올, 티올, 실란티올, 비닐, 아민, 실란, C1-C8 알콕시 실란, 할로겐(F,Cl,Br,I)화 실란, 페놀, 할라이드(F,Cl,Br,I), C1-C8 카르복시산, 니트릴, C-C8 에스테르기로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, 나머지 R은 C1-C8의 직쇄형, 분지쇄형 또는 고리형 알킬기, 페닐 및 나프틸과 같은 방향족기 및 히드리도디메틸실로실 (hydridodimethylsiloxyl)기와 같은 비반응성기로 구성되는 그룹으로 선택된다.) - 제 1항에 있어서, 상기 코팅제는 아크릴레이트 모노머, 우레탄 아크릴레이트 올리고머 및 에폭시 아크릴레이트 올리고머로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종 이상의 광경화성 수지를 추가로 포함함을 특징으로 하는 코팅제.
- 제 3항에 있어서, 상기 아크릴레이트 모노머로는 페녹시에틸아크릴레이트, 페녹시디에틸렌글리콜아크릴레이트, 페녹시테트라에틸렌글리콜아크릴레이트, 페녹시헥사에틸렌글리콜아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트, 이소보닐메타아크릴레이트, 비스페놀 에톡실레이트 디아크릴레이트, 에톡실레이트 페놀 모노아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 200 디아크릴레이트, 트리프로필렌글리콜 디아크릴레이트, 트리메틸프로판 트리아크릴레이트, 트리에틸프로판 트리아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 에틸렌옥사이드 부가형 트리에틸프로판트리아크릴레이트, 펜타 에리스리톨 테트라아크릴레이트, 1,4-부탄디올 디아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 에톡실레이티드 펜타에리스리톨 테트라아크릴레이트, 2-페녹시에틸 아크릴레이트, 에톡실레이티드 비스페놀 A 디아크릴레이트 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 코팅제.
- 제 3항에 있어서, 상기 광경화성 수지로 아크릴레이트 모노머와 우레탄 아크릴레이트 올리고머 및 에폭시 아크릴레이트 올리고머로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종의 혼합물이 사용됨을 특징으로 하는 코팅제.
- 제 3항에 있어서, 상기 광경화성 수지는 폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴녹산 (Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS)계 무기화합물과 경화성 수지의 총중량을 기준으로 최고 98중량%로 상기 코팅제에 추가로 포함됨을 특징으로 하는 코팅제.
- 제 1항에 있어서, 상기 광개시제는 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-프로판온, 2,4-비스트리클로로메틸-6-p-메톡시스틸-s-트라이진, 2-p-메톡시스틸-4,6-비스트리클로로메틸-s-트리아진, 2,4-트리클로로메틸-6-트리아진, 2,4-트리클로로메틸-4-메 틸나프틸-6-트리아진, 벤조페논, p-(디에틸아미노)벤조페논, 2,2-디클로로-4-페녹시아세토페논, 2,2'-디에톡시아세토페논, 2,2'-디부톡시아세토페논, 2-히드록시-2-메틸프로리오페논, p-t-부틸트리클로로아세토페논, 디페닐 (2,4,6-트리메틸벤조일) 포스핀 옥사이드, 비스(2,4,6-트리메틸벤조일) 페닐 포스핀 옥사이드, 2-메틸티오크산톤, 2-이소부틸티오크산톤, 2-도데실티오크산톤, 2,4-디메틸티오크산톤, 2,4-디에틸티오크산톤 및 2,2'-비스-2-클로로페닐-4,5,4',5'-테트라페닐-2'-1,2'-비이미다졸 화합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종 이상임을 특징으로 하는 코팅제.
- 청구항 1항 내지 7항중 어느 한항의 유,무기 하이브리드 코팅제로 형성된 버퍼층을 포함하는 플라스틱 기판.
- 제 8항에 있어서, 상기 기판은 플라스틱 기재; 플라스틱 기재위에 청구항 1항 내지 7항중 어느 한항의 유,무기 하이브리드 코팅제로 형성된 버퍼층; 및 버퍼층위에 차단막을 포함함을 특징으로 하는 플라스틱 기판.
- 제 9항에 있어서, 상기 버퍼층은 두께가 1-50㎛임을 특징으로 하는 플라스틱 기판.
- 제 8항에 있어서, 상기 플라스틱 기판은 투명하고 플렉서블한 디스플레이용 기판임을 특징으로 하는 플라스틱 기판.
- 베이스 필름에 청구항 1항 내지 7항중 어느 한항의 유,무기 하이브리드 코팅제를 코팅하는 단계;상기 코팅된 코팅제를 경화하여 버퍼층을 형성하는 단계; 및버퍼층위에 차단막을 증착하는 단계를 포함하는 플라스틱 기판 제조방법.
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