KR20120078488A - 가스 배리어 필름 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단순한 공정으로 제조되면서도 가스 차단성이 우수한 가스 배리어 필름 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

가스 배리어 필름 및 그 제조 방법{A gas barrier film and a process for preparing the same}
본 발명은 다층 구조로 된 가스 배리어 필름 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래에는, 전자 디바이스를 산소 및 수증기로부터 보호하기 위한 가스 차단 패널로 주로 유리가 사용되어 왔으나, 유연성이 낮고 경량화에 한계가 있으며 내충격성이 낮아 파손될 위험이 높았다. 최근에는 유리 대신, 가스 차단성능이 떨어지지만 유연성 및 내충격성이 뛰어난 플라스틱 필름의 사용이 늘어나고 있는 추세이며, 본 발명은 가스 차단성능이 향상된 필름 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
필름 상에 코팅막을 증착시킴으로써 가스 차단성능을 갖는 필름을 제조하는 다양한 방법들이 공지되어 있다.
예를 들어, 대한민국 특허출원 공개 제10-2010-0045647호에는 플라스틱 기재의 양면에 실리콘계 산화물 코팅층을 진공 증착법을 이용하여 형성함으로써 내습성, 즉 수분 차단성을 갖는 보호필름이 개시되어 있으나, 이 보호필름의 투습도는 10-2g/m2 ?day로 전자 디바이스에 사용되기에는 수분 차단성이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 대한민국 특허출원 공개 제10-2010-0051810호에는 환경에 민감한 장치, 특히 대기 중의 수증기 및 산소, 또는 전자 제품 가공에 사용되는 환경 기체들 또는 액체들의 침투에 의해 열화하기 쉬운 디스플레이 장치를 캡슐화하기 위한 다층 장벽 스택 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 상기 장벽 스택은 폴리머 분리층 및 무기층으로 이루어지며, 상기 무기층들은 진공 증착프로세스를 이용하여 침적된다. 그러나 우수한 가스 차단성능을 갖는 필름을 제조하기 위해서는, 상기 장벽 스택, 즉 유기층 및 무기층을 반복적으로 형성시켜야 하는데, 이는 길고 복잡한 공정을 거쳐야하는 문제점이 있었다.
본 발명은 태양전지용, 디스플레이, 조명용 OLED가 요구하는 수증기 투과도 (10-6g/m2?day 이하)를 가지는 가스 차단 필름을 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명은 향상된 가스 차단성을 가지면서도 제조 공정이 단순하여 공정 조건의 적정한 조합으로 가스 차단성능을 조절할 수 있는 가스 배리어 필름의 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 하나의 과제를 해결하기 위한 수단으로서 가스 배리어 필름은,
플라스틱 필름;
플라스틱 필름 상에 증착되며 발수입자 분산액이 함침된 무기층;
발수입자 분산액 및 무기층 상에 형성된 발수층; 및
발수층 상에 증착된 배리어층;을 포함하여 구성된다.
본 발명의 가스 배리어 필름을 제조하는 방법은,
플라스틱 필름 상에 무기층을 증착시켜 베이스필름을 형성하는 단계;
상기 베이스필름에 발수입자 분산액을 함침시키는 단계;
발수입자 분산액이 함침된 베이스필름 상에 발수층을 형성하는 단계; 및
발수층 상에 진공증착 공정으로 배리어층을 형성하는 단계;
를 포함하여 구성된다.
본 발명의 가스 배리어 필름은 높은 수준의 가스 차단성을 나타내어 식품 및 산업용 포장재 뿐만 아니라, 태양전지, 디스플레이 장치 및 조명용 OLED에 광범위하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 가스 배리어 필름의 제조 방법은 단순한 공정으로 이루어져 있으며, 공정 조건을 적정하게 조합함으로써 가스 차단성능을 다양하게 조절할 수 있어, 공정 효율을 높이고 제조 원가를 절감할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 가스 배리어 필름을 나타낸 도면이다.
이하에서 본 발명의 가스 배리어 필름에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 가스 배리어 필름(100)은,
플라스틱 필름(101);
플라스틱 필름(101) 상에 증착되며 발수입자 분산액이 함침된 무기층(102);
발수입자 분산액 및 무기층(102) 상에 형성된 발수층(103); 및
발수층 상에 증착된 배리어층(104);을 포함하여 구성된다.
상기 플라스틱 필름(101)은, 무기층, 발수층 및 배리어층이 적층되는 기재로서, PET(폴리에스테르), PEN(폴리에틸렌나프탈레이트) 및 PES(폴리에테르설폰)와 같은 폴리머로 이루어질 수 있다.
상기 무기층(102)은, 플라스틱 필름에 수증기와 같은 가스 차단성능을 부여하기 위한 것으로서, 금속 산화물을 주성분으로 하며, 두께는 1~50㎛이 바람직하다. 상기 무기층의 두께가 1㎛ 미만이면 가스 차단성능이 떨어지고, 50㎛를 초과하여도 더 이상의 가스 차단성능 개선 효과를 나타내지 않으며 공정 속도 가 저하되어 공정 효율이 떨어지는 단점이 있다.
상기 무기층에 함침되는 발수입자 분산액은, 상기 무기층 내에 형성된 결함부를 채워 상기 무기층의 가스 차단성을 향상시키며, 발수 기능을 나타내기 위하여 함침되는 것으로서, 상기 발수입자 분산액은 낮은 표면에너지를 갖는, 즉 낮은 표면 장력을 갖는 물질들인, 실리콘계 화합물 또는 불소계 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 발수층(103)은, 후술한 바와같이 가스 차단성능을 발휘하는 배리어층을 통과한 수분의 침투를 방지하기 위한 것으로서, 상기 발수입자 분산액과 마찬가지로 낮은 표면 장력을 갖는 실리콘계 화합물 또는 불소계 화합물로 이루어질 수 있다. 또한 상기 발수층의 두께는 10~100㎛가 바람직하며, 두께가 10㎛ 미만이면 수분의 침투 방지 기능이 떨어져 발수층으로서의 역할을 하지 못하고, 두께가 100㎛ 초과하여도 더 이상의 발수성능 개선 효과를 나타내지 않으며 공정 속도가 저하되어 공정 효율이 떨어지는 단점이 있다.
상기 배리어층(104)은 상기 발수층 상에 형성되어 내구성을 향상시키며 가스 차단성능을 부여하고, 치밀도가 높아 필름의 광투과도를 일정 수준이상으로 유지시키며, 유연성이 뛰어나 플렉시블 디바이스용으로 사용되기에 적합하다. 상기 배리어층의 두께는 50~300nm가 바람직하며, 두께가 50nm 미만이면 가스 차단성능이 떨어지고, 두께가 300nm을 초과하는 경우에는 광투과도를 저하시키며 상기 배리어층의 증착 공정 시간을 상승시켜 공정 효율을 떨어뜨린다. 또한 상기 배리어층은 SiOx, AlOx과 같은 금속 산화물 또는 SiNx, AlNx, SiOxNy, AlOxNy와 같은 금속 질화물을 주성분으로 한다.
다음으로, 본 발명의 가스 배리어 필름을 제조하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명의 가스 배리어 필름을 제조하는 방법은,
플라스틱 필름 상에 무기층을 증착시켜 베이스필름을 형성하는 단계;
상기 베이스필름에 발수입자 분산액을 함침시키는 단계;
발수입자 분산액이 함침된 베이스피름 상에 발수층을 형성하는 단계; 및
발수층 상에 진공증착 공정으로 배리어층을 형성하는 단계;
를 포함하여 구성된다.
상기 베이스필름을 형성하는 단계는, 플라스틱 필름에 수증기와 같은 가스 차단성능을 부여하기 위한 단계로서, 플라스틱 필름 상에 무기층을 열증착시키는 식으로 수행된다. 상기 무기층은 그 상부에 위치한 배리어층 및 발수층을 통과한 극미량의 수분의 침투를 방지하기 위한 것이므로 비교적 증착 속도가 빠르고 단순한 공정인 열증착 공정으로 형성된다. 이때 형성된 무기층은 치밀도가 떨어져 결함부가 형성되는데, 이 결함부는 가스가 침입할 수 있는 통로로 이용될 수 있다.
상기 베이스필름에 발수입자 분산액을 함침시키는 단계는, 전술한 대로 무기층에 형성된 결함부를 채우기 위해 수행되는 단계로서, 실리콘계 화합물 또는 불소계 화합물로 이루어진 발수입자의 분산용액을, 오토클레이브 내와 같은 고온, 고압 조건에서 베이스필름에 액상함침시키는 식으로 수행된다. 상기 발수입자 분산액의 발수입자 농도는 0.1~15 중량%가 바람직하며, 농도가 0.1 중량%보다 낮으면 발수성능이 떨어지고, 농도가 15 중량%보다 높으면 발수입자 분산액의 점도가 올라가 상기 결함부 내로의 함침이 원활하지 못한 단점이 있다.
상기 발수층을 형성하는 단계는, 상부에 위치한 배리어층의 가스 차단성능을 향상시키기 위해 수행되는 단계로서, 실리콘계 화합물 또는 불소계 화합물로 이루어지는 0.1~15 중량% 발수 용액을 가수분해 및 축중합 반응시켜 졸 용액으로 제조하고, 그 졸 용액을 도포한 후 열처리하는 식으로 수행된다. 이와 같은 졸겔코팅법 외에도 스핀코팅과 같은 공지된 유기물 코팅 공정을 채택하여 상기 발수층을 형성할 수도 있다.
상기 배리어층을 형성하는 단계는, 상기 발수층의 내구성을 향상시키며 가스 차단성을 향상시키기 위한 단계로서, 스퍼터링, 화학기상증착법(CVD) 및 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)법과 같은 진공증착 공정에 의하여 수행된다.
이어서, 본 발명에 의한 가스 배리어 필름을 제조하는 방법을 바람직한 실시예들 1 내지 4와 비교예 1 및 2를 들어 구체적으로 설명한다.
하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것인 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
1) 베이스필름
베이스필름은 광학용 그레이드의 PET필름 상에 금속 산화물을 증착한다.
2) 무기층에 발수입자 분산액을 함침시킴
상기 베이스필름에 실리콘계 화합물의 고형분이 0.1 중량%인 발수입자 분산액을 진공가압 함침기를 이용하여 함침시킨다.
3) 발수층 형성
상기 발수입자 분산액이 함침된 무기층 상에 실리콘계 화합물이 함유된 발수 용액으로 졸겔 코팅하여 10 ㎛두께의 발수층을 형성시킨다.
4) 배리어층 형성
상기 발수층 상에 SiOx(1.5<x<1.9)를 이용하여 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)법으로 200nm의 배리어층을 증착시킨다.
10 중량%의 발수입자 분산액을 베이스필름에 함침시키는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가스 배리어 필름을 제조한다.
15 중량%의 발수입자 분산액을 베이스필름에 함침시키는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가스 배리어 필름을 제조한다.
비교예 1
무기막에 발수입자 분산액을 함침시키지 않은 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가스 배리어 필름을 제조한다.
비교예 2
발수입자 분산액이 함침된 베이스필름 상에 발수층을 형성하지 않은 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가스 배리어 필름을 제조한다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 의해 각각 제조된 가스 배리어 필름의 수증기 투과도와 같은 성능 평가는 다음과 같은 방법으로 실시였으며, 측정된 결과는 아래의 표 1로 정리한다.
(1) 수증기 투과도
ASTM F 1249기준이며, MOCON사의 Permatran-W 3/33 Model을 이용하여, 38℃, 100% RH에서 측정하였다.
구분 베이스필름에 발수입자 분산액 함침 여부 발수입자
분산액의 농도
(중량%)		 발수층 두께
(㎛)		 수증기 투과도
(g/m2?day)
실시예 1 ○ 0.1 10 8×0-6
실시예 2 ○ 10 50 5×0-6
실시예 3 ○ 15 100 2×0-6
비교예 1 × - 0 12
비교예 2 ○ 0.05 5 7×0-1
표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 필름들은 비교예 1 및 2에 의해 제조된 필름들에 비해, 수증기 투과도가 현저히 낮음은 물론이고 태양전지용, 디스플레이, 조명용 OLED용으로 사용하기에도 우수한 가스 차단성능을 나타냄을 알 수 있다.
100: 가스 배리어 필름
101: 플라스틱 필름
102: 발수입자 분산액이 함침된 무기층
103: 발수층
104: 배리어층

Claims (6)

  1. 플라스틱 필름;
    플라스틱 필름 상에 증착되며 발수입자 분산액이 함침된 무기층;
    발수입자 분산액 및 무기층 상에 형성된 발수층; 및
    발수층 상에 증착된 배리어층;을 포함하여 구성되는 가스 배리어 필름.
  2. 청구항 1에 있어서, 발수입자 분산액이 실리콘계 또는 불소계 화합물을 포함하여 구성되는, 가스 배리어 필름.
  3. 청구항 1에 있어서, 발수층이 실리콘계 또는 불소계 화합물을 포함하여 구성되는, 가스 배리어 필름.
  4. 플라스틱 필름 상에 무기층을 증착시켜 베이스필름을 형성하는 단계;
    베이스필름에 발수입자 분산액을 함침시키는 단계;
    발수입자 분산액이 함침된 베이스필름 상에 발수층을 형성하는 단계; 및
    발수층 상에 진공증착 공정으로 배리어층을 형성하는 단계;
    를 포함하여 구성되는, 가스 배리어 필름의 제조 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 무기층을 플라스틱 필름 상에 열증착시켜 베이스필름을 형성하는, 가스 배리어 필름의 제조 방법.
  6. 청구항 4에 있어서, 발수입자 분산액을 베이스필름에 액상함침시키는, 가스 배리어 필름의 제조 방법.
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