KR20100124975A - 고효율의 광확산 고분자 필름 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고효율의 광확산 고분자 필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 수준의 광투과율과 광확산성을 양립하여 얻을 수가 있고 코팅이나 압출과 같은 비교적 간단한 방법을 통해 수득이 가능한 고효율의 광확산 고분자 필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 고효율의 광확산 고분자 필름은 0.001 내지 0.5의 낮은 굴절율(refractive index) 값의 차이를 갖는 2종의 서로 다른 비상용성 고분자(immiscible polymer)로서 광투과 매질인 제 1 고분자와 광산란 입자인 제 2고분자를 포함하고, 상기 제 1 고분자 100중량 대비 30내지 70중량부의 상기 제 2 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하고, 또한 고효율의 광확산 고분자 필름의 제조방법은 코팅 또는 압출을 통해 상기 제 1 고분자는 연속상을 이루고 상기 제 2 고분자는 분산상을 이루도록 고분자 필름을 제조하는 것을 특징으로 한다.
광투과율, 광확산성, 양립, 굴절율, 고분자, 연속상, 분산상
Description
본 발명은 고효율의 광확산 고분자 필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 수준의 광투과율과 광확산성을 양립하여 얻을 수가 있고 코팅이나 압출과 같은 비교적 간단한 방법을 통해 수득이 가능한 고효율의 광확산 고분자 필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 빛과 물질의 상호작용에 있어서 자연 현상에 존재하는 광산란 현상, 즉 구름이나 우유, 사람의 세포조직 같은 균질한 매질과 입자 사이에 존재하는 빛의 산란현상의 원리를 고찰해 볼 때, 광확산 특성을 발현할 수 있는 상업적인 재료를 구성하는 광투과성 매질과 광산란 입자간의 굴절율(refractive index)의 차이 외에도 중요하게 단면형태학(cross section morphology), 즉 빛을 산란시키는 입자의 크기, 입자의 분율에 따라 빛의 전파특성이 영향을 받아 종국에는 빛의 투과성과 확산성이 서로 밀접하게 상쇄적인 영향을 준다는 과학적 사실을 기초로 이를 극복하기 위해 시도된 많은 고안들이 있었지만, 아직 빛의 투과성과 산란성을 높은 수준에서 양립시킬 수 있는 고분자재료의 구조에 관한 고안은 이루어지지 않 고 있는 실정이다.
상기 단면형태학을 이용한 광확산 원리의 널리 알려진 이론은 Rayleigh(1899)와 Mie(1908)이론이며, 이 중 산란 현상이 산란되는 입자의 크기가 빛의 파장보다 작을 경우에는 Rayleigh이론에 따르고 빛의 파장보다 클 경우에는 Mie이론을 따른다. 빛의 파장변환을 수반하지 않는 광확산을 위해서는 Mie이론에 따라 산란입자를 입사광의 파장보다 크게 설계하게 되며 이에 따라 종래의 기술은 공통적으로 최적화된 산란입자의 크기와 분율을 설계하는 데 초점이 맞추어져 왔다.
또한, 광확산 매질의 내부구조를 제어함으로써 광확산을 이용한 최초의 제품은 유리를 사용한 조명기구인데, 1933년 Henry가 유리의 표면거칠기를 조절하는 경우보다 내부구조의 결정형태를 조절하는 경우 최소 30배 이상의 광확산 강도를 얻을 수 있다는 실험 및 이론적 근거(diffusing glass for illumination, the 85th meeting of the American Chemical Society, 1933)를 제시하였고, 이로부터 대부분의 조명기구는 유리패널 가공시 냉각과정에서 유리 내부의 결정구조를 제어하는 방식으로 생산이 이루어지고 있다.
현대에는, 고분자필름을 직접 이용하는 분야로서, LCD, LED와 같은 광표시소자의 발달로 선택적인 광원을 사용하면서 이의 효율을 올리고자 복합적인 부품 구성을 통해 광투과성 및 광확산효율을 올리고자 하는 노력들이 이루어져 왔는데, 예로 들면, 도광판, 확산시트, 프리즘시트와 같은 여러 장의 고분자필름들을 복합적 으로 구성하여 LCD backlight unit을 구성하는 방식이다. 최근에는 이러한 복잡한 구성을 간단한 구성으로 복합화시키는 고안들이 잇따르고 있는 것이 사실이며, 점차 실용화가 확대되고 있는 형편이다.
그리고 이러한 추세의 대표적인 구성원리는 고분자로 이루어진 광투과 매질과 광산란 입자간의 굴절율 차이를 크게 제어함으로써 적은 입자 분율로도 높은 광산란에 의한 광확산 효율을 꾀하는 방식이다. 그러나 상기 단면형태학을 제어하는 데 있어서 광산란 입자들의 불균일한 분산으로 인해 휘도와 휘도의 균일성 그리고 색상 균일도가 떨어지는 문제점을 근본적으로 극복하기가 힘들다는 점은 종래의 기술이 가지고 있는 한계로 인식되고 있으며, 이러한 점을 뒷받침하는 별도의 과학적 접근결과로서 최근에 Barthelemy는 Nature지를 통해 빛은 소위 'Levy flight'로 불리우는 광확산 거동을 갖는다는 점을 발표함으로써(A Levy Flight for Light, 2008.05, Nature), 결과적으로 높은 굴절율의 차이를 이용하는 광학 재료에서는 광투과성과 광산란성이 단면형태학에 의존적인 거동을 갖기 때문에 균일한 광확산 효율을 얻기 위해서는 단면형태학에 따른 광확산 거동의 해석에 따른 새로운 광학재료에 대한 연구가 뒤따라야 함을 알게 해 주었다.
물론, 광섬유(optical fiber)의 경우에는 높은 굴절율의 차이를 단면형태학적 제어를 통해 성공시킨 대표적 사례로서 상기와 같은 광표시 소자와는 다른 측면이 있으며, 또한 광학적 비선형성을 의도적으로 유발시켜 이를 이용하는 광기록용 소자나 집광소자, 그리고 전광소자(all optical device)와 같은 경우에 있어서는 상기 본 발명에서 주장하고자 하는 사례들과는 다르다고 하겠다.
상기와 같은 사실에도 불구하고, 종래의 산업적인 기술들은 광확산 재료를 고안하는 데 있어서, 각자 차별화된 방법들로 여전히 공통적으로 높은 굴절율의 차를 이용하는 원리에만 의존적인 경향을 보이고 있으며 이를 통해서, 빛의 투과성과 산란성을 동시에 확보하기 위한 여러 가지 고안들이 시도되어 왔지만 아직까지도 전광투과율(직진되어 나오는 빛의 투과율)과 헤이즈(Haze; 광산란에 의한 광확산 효율의 지표)가 동시에 90%를 넘는 재료는 보고되지 않고 있다.
최근에 와서는, 상기와 같은 고안방식에서 탈피하여 고분자의 광투과성 매질에 광산란 입자를 첨가하지 않고 고분자필름이나 고분자시트의 표면에 집광 또는 확산을 유도할 수 있는 돌출구를 양각 또는 음각으로 표면화하는 방식이 보고되고 있다. 그러나 이러한 방식의 가장 큰 문제점은 실용적인 관점에서 일관적인 광품질을 유지하기가 매우 힘들다는 점이다. 즉 이를 제조하는 과정을 보면 소위 표면각인방식(imprint)을 이용하는데, 구체적 설비로서 고분자를 그러한 필름이나 시트로 제조하기 위한 성형장치(mold roll)에 양각을 하여 고분자의 원료를 통과시키면서 UV조사에 의해 고분자필름으로 성형하는 방식이며, 따라서 고분자의 특성상 성형장치에서 경화 후에 쉽게 박리되지 못하는 문제로 인해 품질상의 한계를 보이게 되며, 또한 박리를 쉽게 하기 위해 별도의 첨가물을 사용할 경우에는 본래의 설계 품질치가 구현되지 못하는 단점이 있고, 대면적의 광표시 소자를 위한 제조의 문제로 인해 장치의 유지 및 보수비용이 따라오지 못하는 점도 단점으로 지적되고 있다. 게다가 더욱 중요하게는 이러한 방식으로 새로운 고안을 실용화한다고 해도 실제 산업계에서의 낮은 요구수준은 만족할 수 있을지 모르지만 앞서 제기한 광투과성과 광확산성이 근본적으로 양립하기는 힘든 수준에 머무르고 있다.
이외에도, 가장 최근에는 고분자 필름내에 다량의 기포(air)를 산입하여 상기 문제를 근본적으로 극복하려는 시도가 이루어지고 있는데, 이러한 경우에 있어서는 광투과율의 최대치는 기존 수준인 45%선에서 75%선까지 대폭 향상이 되고 헤이즈 또한 80% 이상으로 높아지는 결과치를 보여주고 있어 특히 최근의 LED backlight unit과 같은 부품에 유용하게 사용되어질 것이 기대되고 있으나 균일한 크기의 기포생성이 어려워 부분적으로 백색광의 파장변환이 따르는 등 그 근본적인 한계에서 벗어나지 못하고 있으며, 더욱 중요하게는 단면형태학적으로 고분자 필름내에 기포가 다량 함유됨으로 인해서 광원하에서 오랫동안 사용시간이 이루어질 경우에는 고분자의 내열성이 감소되는 문제가 있고 또한 인접한 기포들 사이의 경계이동이 이루어져 실제 품질이 유지되기에는 한계가 있다.
이와 같이, 종래의 기술은 고분자를 광학재료로 사용하는 데 있어, 특히 광투과성과 광확산성을 동시에 양립하기 어려운 수준에 머무르고 있으며, 실제 실용화 단계에서도 여러가지 문제점과 한계점을 가지고 있어 그 개선의 여지가 절실한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 높은 수준의 광투과율과 광확산성을 양립하여 얻을 수가 있고 코팅이나 압출과 같은 비교적 간단한 방법을 통해 수득이 가능한 고효율의 광확산 고분자 필름 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.
상기 목적은, 0.001 내지 0.5의 낮은 굴절율(refractive index) 값의 차이를 갖는 2종의 서로 다른 비상용성 고분자(immiscible polymer)로서 광투과 매질인 제 1 고분자와 광산란 입자인 제 2고분자를 포함하고, 상기 제 1 고분자 100중량 대비 30 내지 70중량부의 상기 제 2 고분자를 포함하는 고효율의 광확산 고분자 필름에 의해 달성된다.
여기서, 상기 2종의 서로 다른 비상용성 고분자는 상기 제 1 고분자 및 상기 제 2 고분자를 용매로 혼합시킨 다음 상기 용매를 건조시켰을 때 50 내지 200 NTU의 백탁도 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 2종의 서로 다른 비상용성 고분자는 물리적으로 서로 섞이지 않고 상분리가 발생하여 연속상과 분산상의 형태로 이루어지며, 상기 분산상의 형태는 구형 또는 구형에 근접하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제 1 고분자 및 상기 제 2 고분자는 각각 PMMA(poly methyl methacrylate), PS(poly styrene), PC(poly carbonate), 폴리에스테르, 페녹시 수지, 아크릴 수지, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 중에서 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 2종의 서로 다른 비상용성 고분자가 형성하는 단면형태 학의 분산상 또는 연속상의 추가적인 상분리 현상을 방지하고 단면형태학을 고정하기 위해서 상기 제1종 고분자 및 상기 제2종 고분자 100중량 대비 5내지 95중량부의 에너지선 경화형 저분자 아크릴레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적은 상기 고효율의 광확산 고분자 필름을 제조하는 방법으로서, 코팅 또는 압출을 통해 상기 제 1 고분자는 연속상을 이루고 상기 제 2 고분자는 분산상을 이루도록 고분자 필름을 제조하는 것을 특징으로 하는 고효율의 광확산 고분자 필름의 제조방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 높은 광산란 효과와 광투과율을 양립시키기 위해 굴절율값의 차이가 작은 서로 섞이지 않는 2종 이상의 비상용성 고분자의 상분리 현상을 핵심적인 원리로 이용하고 이를 위해 높은 분율의 단면형태학을 조절하는 것을 포함함으로써 광확산 특성에 있어 휘도 및 휘도의 균일도 면에서 요구되는 특성에 맞게 넓은 범위의 설계가 가능한 등의 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 코팅이나 압출과 매우 간단한 방법으로 상기와 같은 광특성을 가진 고분자필름의 제조가 가능함으로써 매우 경제적이고 높은 생산성을 꾀할 수 있으며, 특히 대면적이 요구되는 광표시소자 등에 유용하게 이용 가능한 등의 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 서로 섞이지 않는 비상용성 고분자의 혼합을 통해 연속상과 분산상을 조절함으로써 다양한 광특성의 설계에 활용이 가능하다. 예를 들면, 분산상을 이루는 제 2 고분자의 표면에 파장변환을 일으키는 발색 단(chromophore)을 치환시켜 태양전지용 집광필름에서와 같이 자외선을 근적외선으로 변환시키는 등의 다양한 활용이 가능한 등의 효과를 가진다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
본 발명에 따른 고효율의 광확산 고분자 필름은, 비교적 적은 굴절율값의 차이를 가지면서 열역학적으로 서로 섞이지 않는 2종 이상의 비상용성고분자의 혼합으로 이루어진 고분자필름으로서, 상분리에 의해 단면형태학적으로 각기 연속상과 분산상을 형성하는 구조형성의 방법 및 이를 이용한 고분자필름의 제조방법을 포함한다.
본 발명에서는 상기와 같은 방법을 통해 높은 수준의 광투과율과 광확산성을 양립하여 얻을 수가 있으며, 이러한 원리를 고분자필름에 적용하여 코팅이나 압출과 같은 비교적 간단한 방법을 통해 수득이 가능한 장점이 있다. 이렇게 함으로써, 종래의 고분자필름 내에 굴절율값의 차이가 큰 다른 구형 입자를 첨가하는 방법이나 고분자필름이나 시트의 표면에 양각의 돌출구를 형성하는 방법, 그리고 여러 층의 고분자필름과 고분자시트를 복합적으로 쌓아 올려서 광학산 특성을 제어하는 기술 등과 비교할 때 원리적인 측면이나 경제적인 측면에서 탁월한 효과를 기대할 수가 있으며 이로 인해 LCD의 선광원, LED의 점광원, OLED의 면광원 backlight unit 뿐만 아니라, 높은 광확산 수율이 요구되는 태양전지용 확산필름, 그리고 각종 조명기구 등에 유용하게 이용이 가능하다.
본 발명자는 빛과 물질의 상호작용에 있어서 자연 현상에 존재하는 광산란 현상, 즉 구름이나 우유, 사람의 세포조직 같은 균질한 매질과 입자 사이에 존재하는 빛의 산란현상을 주목하였고 이를 기초로 하여 빛의 산란현상을 제어하여 균일하고 높은 광확산특성을 발현할 수 있는 상업적인 재료의 고안에 주목하게 되었다. 고분자를 이용한 광확산성 광학재료의 설계에 있어서 공통적으로 요구되는 중요한 사항은 휘도를 보장할 수 있는 광투과성과 광산란성을 어떻게 양립할 수 있도록 설계하는가 하는 것이다.
이에, 본 발명자는 빛의 투과성과 산란성을 높은 수준에서 양립시킬 수 있는 원리를 고안하던 중, 종래의 기술과는 반대로 고분자 매질(연속상)과 고분자 입자(분산상)간의 굴절율의 차이가 비교적 작으면서 도면 1 및 도면 2와 같이 고분자 입자의 분율이 매우 높을 경우에 오히려 빛의 투과성과 산란성이 동시에 높아진다는 사실을 발견하였고 이를 착안점으로 하여, 빛의 산란성과 투과성이 서로 상쇄되지 않고 양립할 수 있는 고분자재료의 단면형태학 및 이를 형성할 수 있는 독창적인 방법을 창안하기에 이르렀다. 즉, 매질과 입자간의 굴절율값의 차이가 작아 단위 입자의 산란성은 약하더라도 이러한 입자들이 높은 분율에 의해 밀집된 구조(packed or dense structure)를 갖는 단면형태학을 갖게 되면 산란입자의 전체적인 개수(N)가 증가하게 됨으로써 하기의 Rayleigh식을 통해 산란강도가 크게 증가하게 된다. 또한 동시에 개별 입자를 통과하는 빛은 밀집된 입자의 층을 통과하더 라도 굴절율의 차이가 적어 투과성이 크게 저하되지 않는다는 사실을 발견하였다. 이는 매질과 입자간의 계면에서의 반사(reflection)를 줄이면서 동시에 입자의 계면을 늘림으로써 전체적인 광투과성이 저하되지 않으면서도 산란강도는 급격하게 증가하여 광확산성이 매우 높아지게 되는 것으로 파악된다.
[Rayleigh equation]
I : 산란강도, λ : 빛의 파장, β : 편광도(N, 산란자의 개수 x α, 편광도)
또한, 상기와 같이 매질과 입자간의 굴절율 값의 차이가 작은 경우에는, 매질과 입자간의 굴절율 차를 설계하는데 있어서도 매질의 굴절율이 입자의 굴절율보다 높은 경우와 이와 반대로 입자의 굴절율이 매질의 굴절율이 높은 경우 모두 본 발명에서는 성공적인 고안의 결과를 보여주었고, 따라서 본 발명에서는 매질과 입자간의 굴절율값의 차이를 적절한 수준에서 한정할 뿐 값의 대상을 특별한 원리에 의해 한정하지는 않는다.
본 발명은 상기 빛의 투과성과 산란성이 높은 수준으로 양립하는 단면형태학을 갖는 고분자재료를 구현하기 위하여 낮은 굴절율의 차이가 존재하면서 열역학적으로 서로 섞이지 않는 비상용성 고분자(immiscible or incompatible polymer)의 상분리(phase separation)현상을 이용한다. 즉 비상용성 고분자는 물리적인 혼합, 즉 블렌딩(blending)을 시도할 경우 열역학적 자유에너지의 차이에 의해 중량비에 따라 서로 연속상과 분산상으로 상분리가 일어나는데, 대부분의 고분자는 서로 비상용성이며, 그 대표적인 예로는 PS(polystyrene)과 PMMA(polymethylmethacrylate)의 블렌드가 있다. 이러한 비상용성 고분자 블렌드계는 상분리에 의해 적절한 크기를 가진 분산상이 존재함으로써 빛을 산란하게 되고 이러한 현상은 실제 고분자 블렌드의 상분리 구조를 파악하기 위한 DLS(dynamic light scattering)과 같은 측정장비의 원리로도 활용되고 있는 과학적 사실이다.
본 발명에서는 광투과 매질의 역할을 하는 제 1 고분자로서 백색광을 투과하는 투명한 고분자재료는 특별히 한정하지 않고 모두 사용이 가능하다. 주로 가시광선 투과율이 높은 고분자로 PMMA(poly methyl methacrylate), PS(poly styrene), PC(poly carbonate), polyester 등이 사용되며, 내열성이 요구되는 곳에서는 페녹시 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지 등도 사용이 가능하다. 특별히 본 발명에서는 내열성을 고려하여 페녹시 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로 본 발명에서 광산란 입자의 역할을 하는 제 2 고분자로서 상기 제 1고분자와 동일한 성분으로 사용이 가능하며 특별히 한정하지 않는다.
다만, 상기 제 1 고분자와 상기 제 2 고분자는 반드시 서로 섞이지 않는 구조를 가지고 있어야 하며, 이러한 특성으로 인해 물리적으로 혼합시에 상분리가 발생하는 기계적 메커니즘을 가지고 있어야 한다. 예를 들면, PS와 PMMA는 서로 섞이지 않는 대표적인 비상용성 고분자계이며, 에폭시 수지와 아크릴 수지, 페녹시 수지와 아크릴수지, 에폭시 수지와 고무 수지 등도 서로 섞이지 않는다. 또한 대부분의 고분자와 실리콘수지도 서로 섞이지 않는 비상용성 고분자계이다.
또한, 단면형태학의 상분리 구조를 다양하게 구현하기 위해 블록공중합체(block copolymer)를 제 1 고분자 또는 제 2 고분자로 사용할 수도 있다.
다음으로, 상기 제 1, 2 고분자의 비상용성을 알아보려면 다음과 같은 방법을 사용한다. 먼저 상호 용해가 각기 가능한 적절한 용매를 선택한 후 제 1,2 고분자를 혼합하여 용해시킨 후에 유리판 위에 적절한 두께로 코팅을 하고 나서, 용매를 건조 시킨 후 백탁도 또는 혼탁도(turbidity)를 관찰한다. 용매를 건조시킨 후에도 투명한 필름상태를 유지하면 두 고분자는 서로 섞이는 고분자이며, 백탁도가 심할수록 두 고분자는 비상용성으로 판단한다. 본 발명에서 상기 백탁도를 측정하는 방법으로는 터비디티 미터(turbidity meter)를 사용하며, 단위는 Nephelometric Turbidity Units(NTU)를 사용한다. 그리고 투명한 상태의 수준은 5 NTU, 약간 반투명한 상태는 50 NTU, 그리고 매우 불투명한 상태는 500 NTU값의 범위에서 측정이 되며, 본 발명에 따른 고효율의 광확산 고분자 필름에서 상기 제 1,2 고분자의 비상용성에 부합하는 백탁도는 50 내지 200 NTU 에서 선택하는 것이 바람직하다. 백탁도가 50 NTU 미만이면 빛의 산란효과를 거의 얻을 수가 없고 200 NTU 초과이면 빛의 투과 효과를 거의 기대할 수가 없게 되기 때문이다.
또한 본 발명에 따른 고효율의 광확산 고분자 필름에서 상기 제 1 고분자와 상기 제 2 고분자의 굴절율 값의 차이를 설계하는 데 있어서, 연속상에 해당되는 제 1 고분자와 분산상에 해당되는 제 2 고분자의 각각에 대한 특정한 굴절율 값을 한정하지는 않는다. 다만, 상기 제 1 고분자와 상기 제 2 고분자의 굴절율 값의 차이는 0.001 내지 0.5 정도가 바람직하며 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.1 정도이 다. 이는 광투과율과 광산란성을 양립시키는 데 있어서, 상기 제 1 고분자와 상기 제 2 고분자의 중량혼합비를 고려하여 적절하게 선택하여 설계하는 것이 바람직하다. 상기 굴절율 값의 차이가 0.001 미만이면 산란효과를 기대하기 힘들게 되며, 또한 0.5 초과면 굴절율 값의 차이가 지나치게 크게 되어 산란효과로 인해 단면형태학적인 분산상의 함량을 높일 수 없게 되기 때문이다.
또한, 본 발명에서는 상기 서로 다른 고분자의 물리적인 혼합에 의한 연속상과 분산상을 구성하는데 있어서 분산상의 모양이나 크기를 특별히 한정하지 않는다. 왜냐하면, 본 발명에서는 고분자입자의 밀집도에 의한 단면형태학의 영향과 차별성이 더 우선하며, 분산상의 모양이나 크기를 자유롭게 변경할 수 있다는 점도 본 발명의 취지에 부합하기 때문이다.
또한, 본 발명에서는 상기 제 2 고분자가 형성하는 분산상의 형태가 완전한 구형일 수 있고, 그렇지 않고 단순히 한정할 수 없는 형태의 비이상적인 구형일수도 있다. 이는 상기 제 1 고분자와의 상용성의 정도에 따라 다양하게 나타날 수 있는 것이며, 이로 인해 본 발명이 목적으로 하는 광투과성과 광확산성의 양립특성이 영향을 받지는 않는다. 다만, 단면형태학을 지배하는 중요한 요소로서 제 2 고분자의 분율(volume fraction)이 중요하며 제 2 고분자의 함량에 따라 밀집된 구조를 갖거나 또는 적절히 입자간 거리가 유지되는 형태를 가질 수도 있고 이에 따라 광특성은 달라질 수 있다. 또한 다만, 바람직한 측면에서는 제 2 고분자의 분산상이 구형이나 또는 구형에 가까운 형태를 갖는 것이 바람직하며, 또한 제 2 고분자가 분산상을 이루는 크기가 크게 영향을 주지는 않는 것이 사실이지만 본 발명에서는 구형의 경우 직경이 0.5 내지 50 마이크론 정도가 바람직하며 더욱 바람직하게는 1 내지 10 마이크론이 바람직하다.
또한, 단면형태학을 결정짓는 혼합비에 있어서, 본 발명에서는 상기 제 1 고분자와 상기 제 2 고분자의 혼합비를 결정하는 데 있어서, 상기 제 1 고분자 100중량 대비 상기 제 2 고분자의 함량이 30 내지 70 중량부인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 40 내지 60 정도가 더욱 바람직하다. 또한 이는 두 고분자의 굴절율 값의 차이와 백탁도를 통한 비상용성 정도의 차이를 서로 감안하여 결정되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는 서로 혼합하는 고분자를 2종 이상일 경우에는 특별히 한정하지 않으며, 2종 이상의 고분자를 혼합할 시에는 상기 제 1 고분자와 제 2 고분자의 구성과 특성을 동일하게 따른다. 즉 굴절율값의 차이를 더욱 세분하여 조절할 필요가 있을 경우에 제 3 고분자 또는 제 4 고분자를 추가로 혼합할 시에는 상기 혼합에 따른 원칙과 전체적인 광특성을 고려하여 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 고효율의 광확산 고분자 필름에서는 단면형태학적으로 분산상을 고정시킬 목적으로 에너지선경화가 가능한 불포화그룹을 가진 아크릴레이트 계열의 저분자화합물, 고분자수지 등의 사용이 가능하다. 다만, 반드시 제 1 고분자와 제 2 고분자는 상호 열역학적으로 섞이지 않아야 하며, 굴절율값의 차이가 크지 않아야 한다. 상기 에너지선 경화형 저분자 아크릴레이트의 혼합량은 상기 제 1, 2 고분자의 100중량 대비 5 내지 95중량부를 포함할 수 있으며 바람직하게는 10 내지 70중량부, 더욱 바람직하게는 30 내지 50중량부가 바람직하다.
또한, 상기 제 1,2 고분자의 단면형태학을 고정시킬 목적으로 가교구조를 형성하기 위한 에너지선 경화형 아크릴수지는 이중결합을 가진 아크릴 고분자, 아크릴 올리고머, 아크릴 모노머 등이 있으며 에너지선에 의해 경화가 가능한 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용이 가능하다. 상기 에너지선 경화형 아크릴수지는 적어도 하나의 이중결합을 분자 내에 가지고 있으며, 그 예로서는 일본공개특허공보 No.60(1985)-196956과 No.60(1985)-223139에서 공개된 저분자량 화합물들이 널리 사용된다. 예를 들어, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 테트라메틸올 메탄 테트라아크릴레이트, 펜타에리스리톨 트리아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트와 같은 아크릴레이트 화합물을 포함한다.
나아가, 상기 에너지선경화형 저분자화합물의 경화를 개시하기 위해 광개시제를 사용할 수 있는바, 이러한 광개시제로는, 예를 들어 벤조페논, 아세토페논, 디벤질, 디아세틸, 디페닐 설피드, 아조비스이소부티로니트릴 등이 있을 수 있다. 상기와 같은 광개시제는 에너지선 경화형 저분자화합물의 합계 100중량에 대해 통상적으로 0.5 내지 10 중량부, 바람직하게는 1 내지 5 중량부의 비율로 사용된다.
또한, 본 발명에서는 상기와 같은 고분자의 원리를 이용하여 간단하게 고분자필름을 제조할 수 있다. 이는 통상적인 코팅(coating)이나 압출(extrusion)과 같은 종래의 널리 사용되고 있는 생산공정으로 쉽게 대량제조가 가능하며 고분자필름 단독으로 수득을 하거나 또는 투명한 다른 기재상에 박막으로 코팅하는 것도 가능하다. 여기서 다른 기재라 함은, 종래의 폴리에스터 필름이나 아크릴계의 시트, 또 는 전극을 가진 투명한 유리를 포함한다.
상기 고분자필름을 단독으로 수득하거나 다른 기재상에 코팅할 경우에는 필름의 두께를 1 내지 500 마이크론(micron) 정도로 수득하는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 5 내지 100 마이크론, 가장 바람직하게는 10 내지 30 마이크론이 적절하다. 두께가 1 마이크론 이하게 되면 빛의 산란성이 저하되며, 500 마이크론 이상이 되면 코팅의 예후가 좋지 않을 수가 있다. 500 마이크론 이상으로 제조가 필요할 경우에는 슬롯 다이를 이용한 코팅방법이나 압출에 의한 시트로의 제작이 바람직하다. 또한 본 발명에서는 중요하게는, 요구되는 고분자필름의 두께에 따른 광효율의 특성을 고려하여 상기 제 1 고분자와 제 2 고분자의 혼합비와 굴절율값의 차에 대한 설계치를 자유롭게 변경이 가능하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 더 상세히 설명한다.
[실시예]
다음 시료 1, 2 및 3을 표 1의 함량으로 준비하여 광특성을 관찰하였다.
시료 1 : 페녹시수지 코팅 1성분
페녹시수지 : 도토가세이 주식회사, YP-50
TDI : 소켄 주식회사, toluene diisocyanate
시료 2 : 페녹시수지/아크릴레이트수지 혼합코팅 2성분
아크릴레이트수지 : 소켄 주식회사, SK-2147
시료3 : 페녹시수지/아크릴레이트수지/UV경화형 아크릴레이트 혼합코팅 3성분
UV경화형 아크릴레이트 : 알드리치, DPHA(dipenta erithritol hexaacrylate)
Acetophenon : 사이텍 주식회사, IR-18
[표 1]
| Refractive index(n) |
시료-1 | 시료-2 | 시료-3 | |
| Phenoxy resin | 1.50 | 10.5 | 10.5 | 10.5 |
| DPHA | 1.49 | - | - | 5.0 |
| Poly (ethyl acrylate-co- butyl acrylate) |
1.51 | - | 1.6 | 5.5 |
| TDI | 1.56 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Acetophenon | 1.53 | - | - | 0.5 |
| MEK | 1.37 | 19.5 | 25.9 | 41.5 |
| Phenoxy resin/ acryl scatter ratio |
- | 65/35 | 61/39 | 50/50 |
상기 시료 1, 2 및 3의 혼합성분들을 각각 메틸에틸케톤 용매에 넣어 3시간 교반한 후, 두께 135㎛의 폴리테레프탈레이트 필름 기재 상에 도포 후 110℃에서 3분간 건조하여 두께 70㎛의 코팅층을 얻었으며, 시료 3의 경우 아크릴레이트 분산상의 붕괴를 방지하기 위해 UV 경화형 저분자 아크릴레이트를 혼합하여 UV를 조사하였다.
다음으로, 상기 시료 1, 2 및 3의 코팅성분으로 코팅된 코팅층의 백탁도(turbidity meter로 측정), 투과율 및 헤이즈(나까무라 주식회사의 Hazemeter로 측정), 휘도 및CIE(2D color analyzer로 측정)을 측정하고 다음 표 2에 나타내었다.
[표 2]
| 구분 | 백탁도 (NTU) |
전광 투과율 (%) |
Haze (%) | 휘도 (cd/m2) |
색상균일도 CIE(xy) |
| 시료-1 | 15 | 94.68 | 12.63 | 3329 | 0.256/0.257 |
| 시료-2 | 70 | 89.93 | 87.89 | 4842 | 0.298/0.295 |
| 시료-3 | 120 | 92.88 | 98.61 | 5318 | 0.316/0.315 |
상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 우선 백탁도 결과에서는 페녹시수지와 아크릴레이트 수지가 서로 열역학적으로 섞이지 않는 것을 알 수가 있고 이를 이용하여 광특성을 관찰한 결과, 시료-2와 시료-3에서 전광투과율이 크게 저하되지 않으면서 헤이즈는 급격하게 증가된 사실을 알 수가 있었다. 또한 휘도 측면에서 보더라도 우수함을 확인할 수 있었다.
상기 실시예의 결과를 통해, 본 발명에 따른 고효율의 광확산 고분자 필름은 적은 굴절율 값의 차이를 갖는 서로 다른 비상용성 고분자 혼합물의 상분리 현상에 의해 광투과율 및 광확산성이 양립 가능함을 확인할 수 있었고 시료-3의 경우에는 각각 92%, 98%의 매우 훌륭한 수치를 보여주었다.
따라서, 본 발명에 따른 고효율의 광확산 고분자 필름 및 고분자시트 등은 연속상과 분산상의 낮은 굴절율값의 차이와 분산상의 높은 분율을 가진 단면형태학으로 인해 높은 광투과율과 광산란성을 동시에 갖게 되며 이로 인해 고효율의 광확산성이 요구되는 선광원의 LCD(liquid crystal display) 및 점광원의 LED(light emitting diode), 그리고 면광원의 OLED backlight unit, 태양전지용 필름 그리고 각종 조명 기구의 제조 등에 효과적으로 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예 및 특허청구범위에는 2종의 서로 다른 비상용성 고분자(immiscible polymer)를 청구하였으나, 2종 이상의 서로 다른 비상용성 고분자도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 물론이다. 예컨대 3종의 서로 다른 비상용성 고분자로 이루어진 고효율의 광확산 고분자 필름일 경우 제1종, 제2종 및 제3종의 서로 다른 비상용성 고분자가 0.001 내지 0.5의 낮은 굴절율(refractive index) 값의 차 이를 갖고, 상기 비상용성 고분자 중 제 1종 고분자 100중량 대비 30내지 70중량부의 제 2종 및 제3종 고분자가 포함되는 것이면 본 발명의 권리범위에 속하며, 그 외 본 발명이 이루고자 하는 목적에 부합하는 것이면 본 발명의 권리범위에 포함됨은 당연하다 할 것이다.
도 1은 제 1 고분자의 연속상과 제 2 고분자의 분산상이 갖는 구형의 단면형태학의 개념도.
도 2는 제 1 고분자의 연속상과 제 2 고분자의 분산상이 갖는 구형에 근접한 단면형태학의 개념도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
1 : 제 1 고분자의 연속상
2 : 제 2 고분자의 구형 분산상
3 : 제 2 고분자의 구형에 근접한 분산상
Claims (6)
- 고효율의 광확산 고분자 필름에 있어서,0.001 내지 0.5의 낮은 굴절율(refractive index) 값의 차이를 갖는 2종의 서로 다른 비상용성 고분자(immiscible polymer)로서 광투과 매질인 제 1 고분자와 광산란 입자인 제 2고분자를 포함하고,상기 제 1 고분자 100중량 대비 30 내지 70중량부의 상기 제 2 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고효율의 광확산 고분자 필름.
- 제1항에 있어서,상기 2종의 서로 다른 비상용성 고분자는 상기 제 1 고분자 및 상기 제 2 고분자를 용매로 혼합시킨 다음 상기 용매를 건조시켰을 때 50 내지 200 NTU의 백탁도 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 고효율의 광확산 고분자 필름.
- 제1항에 있어서,상기 2종의 서로 다른 비상용성 고분자는 물리적으로 서로 섞이지 않고 상분리가 발생하여 연속상과 분산상의 형태로 이루어지며, 상기 분산상의 형태는 구형 또는 구형에 근접하는 것을 특징으로 하는, 고효율의 광확산 고분자 필름.
- 제3항에 있어서,상기 제 1 고분자 및 상기 제 2 고분자는 각각 PMMA(poly methyl methacrylate), PS(poly styrene), PC(poly carbonate), 폴리에스테르, 페녹시 수지, 아크릴 수지, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 중에서 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 고효율의 광확산 고분자 필름.
- 제4항에 있어서,상기 2종의 서로 다른 비상용성 고분자가 형성하는 단면형태학의 분산상 또는 연속상의 추가적인 상분리 현상을 방지하고 단면형태학을 고정하기 위해서 상기 제1종 고분자 및 상기 제2종 고분자 100중량 대비 5내지 95중량부의 에너지선 경화형 저분자 아크릴레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고효율의 광확산 고분자 필름.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 고효율의 광확산 고분자 필름을 제조하는 방법으로서,코팅 또는 압출을 통해 상기 제 1 고분자는 연속상을 이루고 상기 제 2 고분자는 분산상을 이루도록 고분자 필름을 제조하는 것을 특징으로 하는, 고효율의 광확산 고분자 필름의 제조방법.
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