KR20110068060A

KR20110068060A - 복층구조 윈도우 스크린

Info

Publication number: KR20110068060A
Application number: KR1020090124888A
Authority: KR
Inventors: 신재관; 문재웅; 정진배
Original assignee: 주식회사 이엔에프테크놀로지
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-06-22

Abstract

유리막 층과 투명성 플라스틱 층을 포함하는 구성을 갖는 윈도우 스크린은 내구성, 내스크래치성, 부착성, 내오염성, 투과도 등이 우수하여 휴대용 전자기기의 디스플레이에 적용하기에 매우 적합하다.

디스플레이, 윈도우, 유리, PMMA, 폴리실라잔

Description

복층구조 윈도우 스크린{MULTI-LAYER WINDOW SCREEN}

본 발명은 휴대용 전자기기의 디스플레이 등에 사용되는 복층구조 윈도우 스크린에 관한 것이다.

최근 휴대폰과 같은 휴대용 전자제품에는 차세대 UI(user interface)를 실현하기 위한 터치스크린 기능의 적용이 증가하고 있다. 터치스크린은 손가락, 터치펜, 기타 도구 등에 의한 접촉을 통해 발생하는 접촉신호를 감지함으로써 접촉위치를 알아내는 기능을 하는 것으로서, 그 기능의 목적상 외부와의 적접적인 접촉이 빈번하게 이루어진다.

도 1은 터치 스크린 구조의 대표적인 일례를 나타낸 것으로서, 터치스크린은 액정디스플레이(LCD)와 같은 디스플레이 디바이스(11)와 접촉신호를 감지하는 센서필름(12) 및 외부와 접촉되는 윈도우 스크린(13)으로 구성된다.

터치스크린에서 외부와 직접적인 접촉이 일어나는 윈도우 스크린 표면은 기기 작동을 위한 물리적 접촉이 수없이 반복되어도 견딜 수 있는 내구성이 요구된다. 또한 다양한 생활 스크래치에 노출되기 때문에 사용 기간이 늘어남에 따라 미세 스크래치가 발생하여 윈도우 표면에서의 난반사로 인한 광특성이 나빠지며, 이 는 투과도를 감소시키고 외부요인으로 쉽게 오염되는 원인이 되기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위해 투명성과 내구성을 갖춘 윈도우 소재가 필요하다.

이러한 요구를 충족시키기 위해서는 경도가 높은 유리를 윈도우 소재로 사용하는 방법과 가공성이 우수한 투명성 플라스틱 소재를 사용하고 경도를 높이기 위해 하드코팅하는 방법이 있다.

윈도우 소재로 유리를 사용할 경우 연필경도는 1kg 하중 7H 이상이기 때문에 생활 스크래치에 우수한 특성을 보이며 높은 투과도로 인해 선명한 화면을 구현할 수 있고 방오성과 내화학성이 좋아 윈도우의 내구성이 증가한다. 또한 흡습성이 1 x 10^-4g/m² _·day로 매우 낮기 때문에 수분 투과로 인한 기기 오작동 요인을 최소화할 수 있다. 하지만 유리는 파손의 우려가 있으며 외부충격에 위해 쉽게 깨질 수 있기 때문에 반드시 강화유리를 사용하여야 한다.

현재 상용화 되고 있는 강화유리의 휴대폰 윈도우 스크린용 제조 공정은, 일반 소다라임 유리를 윈도우 스크린 규격에 맞게 물분사(water jet) 방식으로 절단하고 스피커나 카메라 렌즈를 위한 추가 가공공정을 실시하는 것으로 수행된다. 크랙을 방지하기 위해 그라인딩 작업을 통하여 절단면의 응력을 감소시켜야 하며, 이후 가공된 유리표면의 Na를 K 이온으로 치환하는 화학강화 등을 통해 표면의 강도를 높이는 공정을 통하여 강화유리 윈도우 스크린이 생산된다.

이러한 강화유리 윈도우 스크린은 유리 특성상 복잡한 형상의 가공이 어렵고 불량률이 높아 제조단가가 매우 높다. 더욱이 휴대용 전자기기는 디자인 주기가 짧고 제품종류가 다양하기 때문에 가공단계가 복잡하고 불량률이 많은 화학강화유리는 양산성에 문제가 있다. 또한 강화유리를 사용하는 윈도우 스크린은 무겁기 때문에 휴대용 전자기기의 경량화에 부합하지 않으며 강화유리가 충격에 의해 깨질 경우 유리파편에 의한 안정성이 우려되고 있다.

투명성 플라스틱 소재는 그 종류가 다양하고 가공성이 좋아 윈도우 소재로 가장 많이 사용되고 있다. 대표적인 플라스틱 소재로는 PC, PMMA, PET류의 투명성 플라스틱 소재가 사용되고 있으며, 이들은 가공성이 우수하여 디자인 변화에 민첩하게 대응할 수 있고 소재의 가격이 저렴하고 무게가 가볍고 투명성이 좋아 대량 생산에 많은 장점을 갖고 있다. 하지만 이러한 플라스틱 소재는 연필경도가 1kg 하중 H 이하이기 때문에 스크래치에 취약한 단점을 갖고 있다.

투명성 플라스틱소재에 내스크래치 특성을 향상시키기 위해 다양한 종류의 물질과 방법으로 하드코팅을 하고 있다. 종래의 하드코팅 방법으로는 폴리우레탄, 폴리에스테르, 아크릴 수지를 원료로 하는 UV 코팅이 있으며, UV 코팅제의 구성은 올리고머, 모노머, 광중합 개시제를 비롯한 다양한 첨가제로 이루어져 있고, UV 램프를 통하여 자외선을 조사하여 경화를 시키는 방법을 사용한다. UV 코팅을 이용한 하드코팅의 장점은 코팅액의 단가가 저렴하고 다양한 용도의 코팅액이 상용화되었으며 UV 램프 조사에 의해 빠른 시간 내에 경화가 되기 때문에 양산성이 우수하다는 것이다.

하지만, UV에 의해 코팅된 하드코팅막의 경도는 2H 미만 수준이며, 이는 다양한 생활스크래치 요소로부터 윈도우를 보호하기에는 부족함이 많다. 코팅막의 두께는 5 내지 25 ㎛ 이상으로 코팅막의 두께가 증가할수록 경도는 높아지지만 부착성이 떨어지고 크랙이 발생할 수 있으며, 코팅막의 두께를 5㎛ 이하로 코팅할 경우 코팅막의 평탄도가 감소하는 특징이 있고 내마모 특성을 나타내기 어렵다. 유기물 구조로 되어있는 코팅막은 내화학성에도 취약한 문제점을 갖고 있다. 또한 사용기간이 늘어남에 따라 지속적인 자외선 노출에 의해 황변현상이 일어나는 등 내구성에 많은 보완이 필요한 실정이다.

한편, 일본 특허공개 평4-364239호는 다관능 아크릴레이트 등의 광경화성 도료를 이용하여 형성된 하드코팅층을 개시하고 있으며, 이는 가교밀도를 증가시켜 내마모성은 향상되지만 단관능에서 다관능 모노머로 교체되었을 뿐 유기물 수지가 갖고 있는 내화학성에 대한 문제를 극복하지 못하였다.

한국 특허공개 제2006-63244호는 특정의 실란 커플링제로 처리되는 콜로이달 실리카를 함유하는 아크릴레이트계 조성물에 의한 코팅막을 개시하고 있으며, 이는 10㎛ 이하로 코팅하여도 투명성, 표면경도, 및 내마모성을 향상시킬 수 있지만, 코팅층의 수축성이 취약하여 구부림이나 온도변화와 같은 외부 충격에 의해 크랙, 탈착이 발생하는 문제가 있는 것으로 나타났다.

한국 특허등록 제10-0643186호는 LCD 패널을 보호하기 위해 투명성 플라스틱 소재를 5 내지 100 ㎛ 두께의 UV 접착제를 이용하여 200 내지 1000 ㎛의 강화유리막에 접합하여 윈도우의 스크래치성을 향상시키는 것을 개시하고 있으나, 이는 플라스틱보다 두꺼운 유리판을 접합시킴으로써 슬림화 경량화를 실현할 수 없으며 종류가 다양하고 디자인 변화가 빠른 디스플레이 윈도우에 적용하기에는 양산성에 문 제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 유리의 가공성, 경량화 및 안전성 불량에 대한 문제점과 투명성 플라스틱 소재의 경도, 내스크래치 및 내화학성 불량에 대한 문제점을 해결하기 위하여, 유리와 투명성 플라스틱 소재의 장점을 조합하는 새로운 윈도우 스크린을 제공하는 것이다.

상기 목적에 따라, 본 발명은 유리막 층 및 상기 유리막 층 상에 형성된 투명성 플라스틱 층을 포함하는 구성을 갖는 윈도우 스크린을 제공한다. 상기 유리막 층은 실리콘 산화물로 이루어지며 두께가 0.1 내지 5 ㎛인 것이 바람직하고, 상기 투명성 플라스틱 층은, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 및 폴리이미드(PI)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 수지로 이루어지며, 두께가 100 내지 4,000 ㎛ 범위인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르는 윈도우 스크린은, 제조공정이 간단하면서도 유리와 플라스틱 소재의 장점을 고루 조합하여 내스크래치성, 내오염성, 투명성, 가공성, 경량성, 안전성 등이 우수하다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따르는 윈도우 스크린은, 도 2에서 볼 수 있듯이, 투명성 플라스틱 층(21)과 유리막 층(22)을 포함하는 구조로 이루어진다.

상기 투명성 플라스틱 층은, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 및 폴리이미드(PI)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 수지로 이루어지며, 두께가 100 내지 4,000 ㎛ 범위인 것이 바람직하다.

또한, 상기 유리막 층은 실리콘 산화물로 이루어지며 두께가 0.1 내지 5 ㎛ 범위인 것이 바람직하다. 유리막 층의 두께가 0.1㎛ 이하일 경우에는 경도 및 내마모 특성이 취약할 수 있으며, 5㎛ 이상일 경우에는 내스크래치성이 우수하지만 크랙 발생이나 재질의 뒤틀림 현상을 유발할 수 있으며 공정단가가 높아져 상업적으로 불리할 수 있다.

본 발명에서 실리콘 산화물을 주성분으로 하는 유리막 성분을 투명성 플라스틱 소재에 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 다양한 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 졸-겔법, 진공증착법, 폴리실라잔 코팅법 등을 사용할 수 있으며, 이 중 폴리실라잔 코팅법이 가장 바람직하다.

졸-겔법은 유동성을 띤 액상의 졸이 가수분해에 의해 응축되고 이를 겔화시켜 실란올 화합물을 산화시켜 유리막을 형성하는 방법으로서, 출발물질의 정제에 의해 높은 순도의 유리막을 균일하게 형성할 수 있다. 특히 투명성 플라스틱 소재에 열적 변형을 주지 않는 낮은 온도에서 박막을 입히는 것이 가능하다.

진공증착 장비를 이용한 유리막 코팅은 이온빔을 이용한 스퍼터링 방법으로서, 투명성 플라스틱 소재의 불순물을 제거하고 플라스틱 소재의 열변형온도 이하인 70℃의 온도 및 1 x 10^-5Torr의 고진공 조건하에서 전자빔과 산소 가스를 이용하여 유리막을 형성할 수 있으며, 0.1 내지 3 ㎛까지 공정 조건을 조절하여 원하는 두께로 유리막을 형성할 수 있다.

폴리실라잔을 이용한 형성은 퍼하이드로폴리실라잔 등을 유기 용매에 용해시킨 용액을 투명성 플라스틱 소재에 코팅한 후 수분에 의한 경화과정을 거치는 방법으로서, 대기중에 존재하는 수분에 의해 자연경화로 유리막을 형성할 수 있기 때문에 열변형 온도에 제약이 있는 플라스틱 소재에 적합하다. 또한 양산성을 위해 빠른 경화가 필요하다면 코팅액에 경화를 촉진할 수 있는 촉매를 첨가하는 방법이나 고온다습한 조건으로 경화속도를 증가하는 방법을 적용할 수 있다.

본 발명의 윈도우 스크린은, 유리의 장점인 우수한 내스크래치성, 내구성, 내화학성, 및 투명성에 플라스틱의 장점인 가공성, 안전성, 및 경량성을 접목시켜, 간단한 제조공정으로도 제반 물성이 우수하다.

바람직하게는, 본 발명의 윈도우 스크린은 연필경도가 2H 이상이고, 투습도가 10 g/m²·day 이하이며, 550nm에서의 투과도가 90% 이상이다.

종래와 비교할 때, 종래와 같이 투명성 플라스틱 소재(예: 두께 800㎛ PMMA)에 유기물의 UV코팅제를 이용하여 하드 코팅하면 1kg 하중 조건에서 연필 경도는 2H 미만이지만, 본 발명과 같이 무기질의 유리막이 형성된 PMMA는 동일한 시험조건에서 4H 이상의 고경도 특성을 나타낸다. 또한, 접착성이 매우 우수하여 프라이머(primer) 처리 없이도 후가공시 코팅된 소재의 절단 및 절곡중에 코팅막의 탈착이나 크랙이 발생하지 않으며. 또한 유연성(flexibility)이 좋아서 외부충격에도 유리막이 깨지지 않는 안정성을 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 윈도우 스크린은, 휴대용 전자기기의 디스플레이, 특히 터치패드를 장착하고 있는 전자기기의 윈도우 스크린으로서 사용될 경우 생활스크래치에 내성을 갖는 내구성 등의 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

투명성 플라스틱 소재로서 휴대용 전자기기의 디스플레이 윈도우 스크린 재 질로 가장 많이 사용되고 있는 두께 800㎛의 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 두께 1000㎛의 폴리카보네이트(PC) 시트를 사용하였으며, 코팅전 부착된 파티클과 이물질을 제거하기 위하여 다음과 같이 전처리 작업을 진행하였다. 먼저, 코팅 대상 표면에 부착된 보호필름을 제거하고 이소프로필알콜을 이용하여 보호필름에 의한 접착제와 기타 오염물질을 제거한 후 가스필터가 장착된 질소가스로 파티클 제거 및 건조 작업을 진행하였다. 건조된 필름은 코로나 방전식 제전장치인 이오나이저를 이용하여 정전기를 제거한 뒤 클리닝롤러를 사용하여 코팅 전 소재 표면에 부착된 미세 파티클을 최종적으로 제거하는 것으로 전처리작업을 완료하였다. 전처리작업이 완료된 PMMA 및 PC 시트를 이용하여 하기의 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 4를 수행하였다.

실시예 1. 유리막과 PMMA의 복층구조의 윈도우 스크린의 제조

퍼하이드로폴리실라잔을 자일렌(xylene)과 비방향족류의 용매에 혼합시켜 8% 농도의 퍼하이드로폴리실라잔 용액을 제조하였다. 제조된 용액의 점도는 0.92cPs이고 퍼하이드로폴리실라잔의 질량평균 분자량은 GPC로 측정하여 10,000g/mole 수준이었다.

상기에서 얻은 퍼하이드로폴리실라잔 용액을 RDS사의 #24 바코터(bar coater)를 사용하여, 전처리작업이 완료된 두께 800㎛의 투명성 PMMA 시트 상에, 바코팅하였다. 바코팅에서 바(bar)에 감겨져 있는 와이어의 굵기에 따라 코팅 두 께를 조절할 수 있으며 번호가 증가할수록 도막 두께는 증가한다.

코팅된 폴리실라잔을 60℃ 오븐에서 5분간 건조시킨 뒤 고온다습(80℃, 80%R.H.) 조건에서 10시간 경화시켰다. 경화완료 시점은 푸리에변환 적외선분광기(FT-IR) 장비를 이용하여 확인하였으며, 코팅된 폴리실라잔의 N-H(3370cm^-1) 및 Si-H(2165cm^-1)의 결합이 수분과의 반응으로 NH₃ 및 H₂ 기체로 생성 방출되면서 줄어들고 SiO₂(1042cm^-1) 결합 피크의 검출 정도로 확인하였다. 형성된 유리막의 두께는 1.1㎛이었다.

실시예 2. 유리막과 PC의 복층구조의 윈도우 스크린의 제조

전처리작업이 완료된 두께 1000㎛의 투명성 PC 시트를 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 두께 1.0㎛의 유리막을 형성하였다.

비교예 1. UV 코팅된 PMMA 윈도우 스크린

UV 경화형 하드코팅액을 제조하기 위하여 광개시제(Ciba Geigy사, Darocur 1173) 2중량부, 용매(에틸아세테이트) 30중량부, 및 올리고머 및 모노머 70중량부의 조성으로 혼합시켰다. 이 때, 올리고머로서 경도를 부여하는 용도로 범용적으 로 사용되는 우레탄 아크릴레이트와 모노머로서 2관능기인 1,6-헥산디올디아크릴레이트를 질량비 4:1로 고정한 것을 사용하였다.

상기에서 얻은 코팅액을 바코터(RDS사, #24 bar coater)를 사용하여, 전처리작업이 완료된 두께 800㎛의 투명성 PMMA 시트 상에 바코팅하였다. 진공 플레이트에 소재를 고정시킨 뒤 3m/min의 속력으로 균일한 코팅 작업을 하였고, 60℃ 오븐에서 5분간 건조시킨 뒤 자외선 경화장치를 이용하여 5분간 경화시켰다. 그 결과 두께 18㎛의 유기 폴리머 막이 형성되었다.

비교예 2. UV 코팅된 PC 윈도우 스크린

전처리작업이 완료된 두께 1000㎛의 투명성 PC 시트를 이용하여 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 두께 17㎛의 유기 폴리머 막을 형성하였다.

비교예 3. PMMA 단층구조의 윈도우 스크린

전처리작업이 완료된 두께 800㎛의 투명성 PMMA 시트를 코팅하지 않은 상태로 준비하였다.

비교예 4. PC 단층구조의 윈도우 스크린

전처리작업이 완료된 두께 1000㎛의 투명성 PC 시트를 코팅하지 않은 상태로 준비하였다.

시험예

상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 윈도우 스크린을 80 x 150 mm로 재단하여 샘플을 제작한 뒤, 다음과 같이 평가하여 결과를 표 1 및 2에 나타내었다.

a) 연필경도

KS D 6711 규격에 따라, 하중 1kg, 및 연필심 각도 45°의 조건으로 경도가 낮은 연필부터 사용하여 경도를 측정하였으며, 육안으로 긁힘이나 눌림이 표시되는 시점 전 단계를 코팅면의 경도로 하였다. 미쯔비시 연필을 사용하였으며 경도 단계는 2B → B → HB → F → H → 2H → 3H → 4H → 5H 이다.

b) 내마모성

고무지우개를 하중 1kg로 코팅면에 부착시키고 69회/min의 속도로 2,000회 왕복시켜 표면의 헤이즈(haze) 발생 정도를 관찰하였다.

c) 내스크래치성

스틸울(steel wool, #0000)을 하중 500g으로 코팅면에 부착시키고, 69회/min 속도로 100회 왕복시켜 표면의 스크래치 발생을 관찰하였다.

d) 부착성

KS M ISO 2409 규격에 따라, 가로 세로 1mm 간격으로 커팅시켜 100개의 셀을 형성하였다. 커팅된 셀에 부착성이 우수한 니치반 테이프로 5회 부착 및 탈착을 반복하여 셀 단위 탈착을 관찰하였다. 부착성이 좋고 코팅막의 탈착이 없으면 100/100으로 표기하였으며, 셀의 1/3 이상이 탈착할 경우 불량으로 처리하였다.

e) 내화학성

ASTM D 2792 규격에 따라, 5% 염산, 5% 황산, MEK, 아세톤, 및 DMF를 코팅면에 떨어뜨리고 4시간 동안 실온에서 방치하여 표면의 변화를 관찰하였다.

f) 내오염성

KS M 3332 규격에 따라, 커피, 우유, 간장, 김치국물, 콜라, 케찹, 5% 아세트산, 5% 암모니아수 등을 코팅면에 떨어뜨리고 실온에서 24시간 동안 방치한 뒤, 물로 세정하여 오염여부를 관찰하였다.

g) 투습성

단위 면적당 수분 투습량(g/m² _·day)을 투습량 측정 장비(MOCON사)를 사용하 여 측정하였다.

h) 투과도

UV-분광기를 사용하여 550nm 파장에서의 투과도를 비교하였다.

표 1 및 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 실시예 1 및 2에서 얻은 유리막이 형성된 윈도우 스크린은 비교예 1 내지 4에서 얻은 투명성 플라스틱 단층구조의 윈도우 스크린 또는 UV코팅된 윈도우 스크린에 비해 현저히 우수한 물성을 나타내고 있음을 알 수 있다.

이상, 본 발명을 상기 실시예를 중심으로 하여 설명하였으나 이는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 이하에 첨부한 청구범위 내에서 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.

도 1은 디스플레이용 윈도우 스크린을 갖는 휴대용 전자기기의 대표적인 구조를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에 따르는 복층구조의 윈도우 스크린의 단면도를 나타낸 것이다.

Claims

유리막 층 및 상기 유리막 층 상에 형성된 투명성 플라스틱 층을 포함하는 구성을 갖는 윈도우 스크린.
제1항에 있어서,

상기 유리막 층은, 두께가 0.1 내지 5 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는, 윈도우 스크린.
제1항에 있어서,

상기 투명성 플라스틱 층은, 두께가 100 내지 4,000 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는, 윈도우 스크린.
제1항에 있어서,

상기 유리막 층은, 실리콘 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 윈도우 스크린.
제1항에 있어서,

상기 투명성 플라스틱 층은, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 및 폴리이미드(PI)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 윈도우 스크린.
제1항에 있어서,

상기 유리막 층은, 실리콘 산화물을 이용한 진공증착법, 졸-겔법, 또는 폴리실라잔 코팅법을 통해 상기 투명성 플라스틱 층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 윈도우 스크린.
제6항에 있어서,

상기 폴리실라잔 코팅법은, 퍼하이드로폴리실라잔의 유기용액을 상기 투명성 플라스틱 층에 코팅한 뒤 수분에 의한 경화를 실시하는 것임을 특징으로 하는, 윈도우 스크린.
제1항에 있어서,

상기 윈도우 스크린은, 연필경도가 2H 이상이고, 투습도가 10 g/m²·day 이하이며, 550nm에서의 투과도가 90% 이상인 것을 특징으로 하는, 윈도우 스크린.
제1항에 있어서,

상기 윈도우 스크린은, 휴대용 전자기기의 디스플레이에 사용되는 것을 특징으로 하는, 윈도우 스크린.