KR20140125116A

KR20140125116A - 색 조절이 가능한 기계적 발광 복합필름 및 이의 색 조절방법

Info

Publication number: KR20140125116A
Application number: KR1020130042870A
Authority: KR
Inventors: 정순문; 이수근; 송성규
Original assignee: 재단법인대구경북과학기술원
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-10-28
Also published as: WO2014171592A1; KR101501525B1

Abstract

색 조절이 가능한 기계적인 방식으로 발광하는 복합필름 및 이의 색 조절방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예들은 가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 적어도 2개 이상의 응력발광 재료와, 상기 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료의 혼합물로 구성되되, 상기 적어도 2개 이상의 응력발광 재료 중 제1 응력발광 재료의 제1 발광 스펙트럼과 상기 제2 응력발광 재료의 제2 발광 스펙트럼은 서로 상이한 것을 특징으로 한다.

Description

색 조절이 가능한 기계적 발광 복합필름 및 이의 색 조절방법 {Color tunable mechanoluminescent composite film and method for tuning color of the same}

본 발명은 발광 복합필름에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 색 조절이 가능한 기계적인 방식으로 발광하는 복합필름 및 이의 색 조절방법에 관한 것이다.

기계적인 방식으로 발광하는 현상, 즉 재료에 힘을 가함으로써 발생하는 빛은 Mechanoluminescence (기계적 발광; triboluminescence, fractoluminescence, deformation-luminescence 등을 포함하는 상위 개념) 라는 이름으로 오랫동안 알려져 왔으나, 현재까지도 발광의 원리가 확실하지 않을 뿐만 아니라 학문적인 흥미로서만 다루어지고 있는 실정이다.

예를 들어, 진공상태에서의 스카치 테이프 박리현상에 의한 X-ray 방출 (Camara et al. Nature 2008) 및 초음파에 의한 자외선 방출 (Eddingsaas et al. Nature 2006)등이 학문적으로는 큰 반향을 일으켰으나 마찰이나 파괴에 의해 빛이 발생한다는 근본적인 문제점으로 인해 산업적 응용 가능성은 매우 낮다고 할 수 있다.

이러한 산업 응용에 관한 문제점을 해결하기 위해 일본 산업종합기술연구소(AIST)의 Xu 그룹은 마찰이나 파괴라는 현상으로 인해 발생하는 triboluminescence 및 fractoluminescence 대신에 일부 재료에서의 탄성(elastic) 또는 소성(plastic) 변형으로 빛이 발생하는 deformation luminescence라는 비파괴(non-destructive) 기계적 발광 현상을 일부 응력 센서 등에 응용하고자 하였다.

이러한 기계적 발광 현상을 실제 다양한 산업에 응용하기 위해서는 밝기, 수명 및 색 조절이 매우 중요한 요소인데 현재까지는 재료 자체가 가지는 한계로 인해 많은 연구가 진행되지 못하였다. 특히, 재료에서 발현되는 광의 밝기 및 수명(또는 재현성)의 한계로 인해 색 조절에 대한 기술 개발은 전무하다고 할 수 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 적어도 2개 이상의 응력발광 재료를 응력전달 재료와 균일하게 혼합하여 2종류 이상의 색을 독립적으로 조절하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 색 조절이 가능한 기계적 발광 복합필름은 가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 적어도 2개 이상의 응력발광 재료와, 상기 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료의 혼합물로 구성되되, 상기 적어도 2개 이상의 응력발광 재료 중 제1 응력발광 재료의 제1 발광 스펙트럼과 상기 제2 응력발광 재료의 제2 발광 스펙트럼은 서로 상이한 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 제1 및 제2 발광 스펙트럼의 강도는 상기 제1 및 제2 응력발광 재료의 양에 기초하여 독립적으로 조절될 수 있다.

일 실시예로서, 상기 제1 응력발광 재료와 상기 제2 응력발광 재료의 혼합비가 변경됨에 따라 상기 기계적 발광 복합필름에서 발현되는 색이 조절될 수 있다.

일 실시예로서, 상기 제1 및 제2 응력발광 재료에 가해지는 기계적인 에너지의 전달 주기가 변경됨에 따라 상기 기계적 발광 복합필름에서 발현되는 색이 조절될 수 있다.

일 실시예로서, 상기 응력전달 재료는 가시광 영역에서 투과도가 80% 이상인 탄성 유기재료인 것이되, 상기 탄성 유기재료는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS)와, 실리콘 고무와, UV 경화 에폭시 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 기존 학문적 연구에 국한되어 있던 기계적 발광 현상을 산업으로 응용분야를 확대시킬 수 있다. 본 실시예들은 색 조절을 통한 조명 및 디스플레이로의 응용이 가능하며, 이 외에도 인공피부 등과 같은 바이오, 이미징에도 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 색 조절이 가능한 기계적 발광 복합필름의 내부 구성을 도시한 구성도.
도 2는 200cpm(cycle per minute)의 인장-복원 속도에서 본 발명에 따른 복합필름에서 발생하는 광의 스펙트럼 특성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 복합필름을 구성하는 응력발광 재료의 조성비에 따라 발광색이 변화되는 양상을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 복합필름을 구성하는 응력발광 재료의 조성비에 따른 스펙트럼이 변화되는 양상을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 복합필름을 구성하는 응력발광 재료에 가해지는 응력의 발생 주기를 변경할 때 발광 스펙트럼이 변화되는 양상을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 복합필름을 구성하는 응력발광 재료의 다양한 조성비에서 응력발광 재료에 가해지는 응력의 발생 주기를 변경할 때 발광 스펙트럼이 변화되는 양상을 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 8에 도시된 다양한 색상을 갖는 글자 패턴을 포함하는 복합필름을 제조하는 일 방법을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 응용 예에 따라 다양한 색상을 갖는 글자 패턴을 포함하는 복합필름을 도시한 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 색 조절이 가능한 기계적 발광 복합필름의 내부 구성을 도시한 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 색 조절이 가능한 기계적 발광 복합필름은 가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 적어도 2개 이상의 응력발광 재료와, 상기 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료의 혼합물로 구성된다. 여기서, 상기 적어도 2개 이상의 응력발광 재료 중 제1 응력발광 재료의 제1 발광 스펙트럼과 상기 제2 응력발광 재료의 제2 발광 스펙트럼은 서로 상이한 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 실시예에 따르면 두 종류의 응력발광 재료를 탄성력 있는 유기재료(응력전달 재료)에 균일하게 혼합함으로써 두 종류의 색을 독립적으로 조절하는 원리를 기본으로 한다.

도 1에서 상기 2개의 응력발광 재료로는 녹색 광을 발현하는 구리 도핑된 황화아연(copper-doped zinc sulfide(이하, Zns:Cu))과, 적색 광을 발현하는 구리, 망간 도핑된 황화아연(이하, ZnS:Cu,Mn)이 응력을 상기 발광 재료에 전달하는 응력전달 재료로는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS)을 사용되지만, 이에 한정되지는 않는다.

다른 실시예로서, 상기 응력발광 재료로는 ZnS:Mn, ZnS:Cu,Mn, ZnS:Cu,Pb, ZnS:Cu,Pb,Mn, MgF2:Mn, La2O2S:Eu, Y2O2S:Cu, EuD4TEA, EuD4TEA+1.25 mL DMMP, ZnS:Cu,Cl, ZnS:Cu,Mn,Cl, SrAl2O4:Eu, SrAl2O4:Ce, SrAl2O4:Ce,Ho, SrMgAl6O11:Eu, SrCaMgSi2O7:Eu, SrBaMgSi2O7:Eu, Sr2MgSi2O7:Eu, Ca2MgSi2O7:Eu,Dy, CaYAl3O7:Eu(Ba,Ca), TiO3:Pr3+, ZnGa2O4:Mn, MgGa2O4:Mn, Ca2Al2SiO7:Ce, ZrO2:Ti, ZnS:Mn,Te 등이 사용될 수 있으며, 유기재료(응력전달 재료)로는 PDMS를 포함하여 광학적으로 투명(가시광 영역에서 투과도 80%이상)하며 내구성이 강한 실리콘 고무나 UV curable epoxy 등도 폭넓게 사용될 수 있다.

또한, 녹색 및 적색 광을 발현하는 재료만으로 국한되지 않고 색좌표 상에 표시할 수 있는 다양한 발광 색을 발현하는 발광재료를 사용하여 넓은 영역의 색조절을 하는 것에 본 발명의 발명적 사상을 찾을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 색 조절이 가능한 복합필름을 제작하기 위해서는 향상된 기계적 발광 강도 및 수명의 재료 특성이 보장되어야 한다. 이를 위해, 본 발명의 실시예에서는 응력전달 재료로서 탄성력이 매우 강하고 내구성이 좋은 투명 PDMS를 사용할 수 있다.

상기 PDMS는 응력전달 재료로서 아래와 같은 3가지의 장점이 있다.

1. PDMS는 계면에너지(interfacial free energy)가 낮기에 응력발광 재료와 혼합되는 경우 상기 응력발광 재료와 접착하지 않는다. 응력발광 재료와 응력전달 재료가 강한 접착을 이루고 있을 경우 여러 변형 상태에서 접착면이 미끄러짐에 따라 계면상태가 파괴되는 현상이 발생할 수 있는데 PDMS의 경우 응력발광 재료의 표면에 악영향을 미치지 않고 안정적으로 반복적인 응력을 전달할 수 있다.

2. PDMS는 광학적으로 투명하기 때문에 기계적 발광한 빛이 외부로 광손실 없이 그대로 전달될 수 있다.

3. PDMS는 내구성이 강하기에 장시간 반복적인 응력을 가해도 파괴가 일어나지 않는다.

도 2는 200cpm(cycle per minute)의 인장-복원 속도에서 본 발명에 따른 복합필름에서 발생하는 광의 스펙트럼 특성을 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 외부에서 가해진 기계적 에너지에 의해 Zns:Cu 응력발광 재료에서는 녹색 광의 기계적 발광스펙트럼이, ZnS:Cu,Mn 응력발광 재료에서는 적색 광의 기계적 발광스펙트럼이 관찰된다.

전술한 구성을 갖는 복합필름에서 발현되는 광의 색 조절을 위한 일 실시예로서, 상기 복합필름을 구성하는 2개 이상의 응력발광 재료의 조성비를 변경하는 방법이 제안된다. 실제 실험에 있어서 상기 Zns:Cu와 상기 ZnS:Cu,Mn를 적색:녹색(O:G)의 비율로 혼합하였으며, 그 비율은 10:0, 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 0:10이 되도록 하였다. 또한 전체적인 발광재료와 PDMS의 비율은 7:3으로 유지하였다.

본 복합필름에서 방출되는 기계적 발광의 광학적 특성을 관찰하기 위하여 인장-복원(stretching-releasing) 시스템을 사용하였으며 그 결과가 도 3에 도시된다.

도 3은 본 발명에 따른 복합필름을 구성하는 응력발광 재료의 조성비에 따라 발광색이 변화되는 양상을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, O:G 비율에서 G(녹색) 비율이 증가함에 따라 상기 복합필름에서 발현되는 광의 색은 적색에서 녹색으로 변화함을 알 수 있다. 상기 복합필름에서 발현되는 광의 스펙트럼 역시 G 비율이 증가함에 따라 녹색에 해당하는 스펙트럼의 강도가 증가하는 것을 도 4에서 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 복합필름에서 발현되는 광의 색 조절을 위한 다른 실시예로서, 상기 복합필름에 가해지는 기계적인 에너지의 전달 주기(또는, 인장-복원률)를 변경하는 방법이 제안된다. 즉, 복합필름에 응력을 얼마나 빨리 가해주는지에 따라 발현되는 광의 색이 달라지게 된다. 이를 도 5 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 복합필름을 구성하는 응력발광 재료에 가해지는 응력의 발생 주기를 변경할 때 발광 스펙트럼이 변화되는 양상을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 인장-복원률이 200cpm에서 500cpm으로 증가할 경우, 발광 스펙트럼이 좌측으로 시프트(blue shift)되는 것을 알 수 있다. 이는 ZnS:Cu에서 Cu의 도핑위치가 다양한 에너지 준위에 위치하기 때문이다. 즉, 응력 변화율이 커질수록 높은 에너지의 파장대의 빛이 방출된다.

한편, 본 발명에 따른 복합필름에서 색 조절은 전술한 2가지의 방법을 혼용할 수도 있다. 이를 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 6은 본 발명에 따른 복합필름을 구성하는 응력발광 재료의 다양한 조성비에서 응력발광 재료에 가해지는 응력의 발생 주기를 변경할 때 발광 스펙트럼이 변화되는 양상을 설명하기 위한 도면이다.

도 6에는 본 발명에 따른 복합필름을 후막무기 EL로 제작하고, 전기적 진동자(electrical frequency)를 가해줌으로써, 높은 응력변화율(500cpm 이상)에 대한 색 변화 및 스펙트럼 변화 결과를 간접적으로 측정한 결과가 도시된다.

도 6을 참조하면, Zns:Cu, Mn의 스펙트럼(a)은 진동수가 변함에 따라 일정하게 유지되는 것에 비해, Zns:Cu의 스펙트럼(b,c,d,e,f)는 진동수가 높아짐에 따라 좌측으로 변이하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 결국 색 좌표상에서 방출되는 광이 Blue shift되는 것을 의미한다. 또한, 'Zns:Cu, Mn' : 'Zns:Cu'(O:G)의 조성비에 따라 발현되는 광의 스펙트럼이 달라지는 것을 확인할 수 있다.

한편, Zns:Cu, Mn만이 응력발광 재료로 사용되는 경우에는 진동수가 변함에도 불구하고 스펙트럼이 일정하게 유지되는데, 이는 Zns:Cu, Mn에서 Cu의 경우에는 증감제(sensitizer)로서만 작용하기 때문에, 비록 Cu에 다양한 에너지 준위가 있더라도 Mn은 일정한 상(state)를 유지하기 때문이다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 복합필름에서 이를 구성하는 응력발광 재료의 조성비뿐만 아니라, 상기 복합필름에 가해지는 응력의 주기를 다양하게 변화시켜줌으로써 넓은 색 조절 범위를 구현할 수 있다.

본 발명에 따른 복합필름에 갖는 전술한 특징(조성비 또는 응력발생 주기에 따라 스펙트럼 변화)을 응용한 예를 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다. 도 7은 도 8에 도시된 다양한 색상을 갖는 글자 패턴을 포함하는 복합필름을 제조하는 일 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 응용 예에 따라 다양한 색상을 갖는 글자 패턴을 포함하는 복합필름을 도시한 도면이다.

도 8과 같은 다양한 색상 패턴을 갖는 글자를 구현하기 위해 도 7에 도시된 바와 같이, 복합필름을 스크린 인쇄 기법을 이용하여 제작하였다. 먼저 유리 기재 상에 실크 스크린 인쇄를 위한 마스크를 일정 패턴으로 형성하고, 마스크 상에 적어도 2개 이상의 응력발광 재료가 혼합된 도료(paste)를 도포한다(a). 도 7에는 각각 녹색, 주황색, 노랑색을 발현할 수 있도록 제작된 도료(전술한 응력발광 재료 중 2개 이상을 선택하여 혼합)가 사용되었다.

다음으로, 도포된 도료를 스퀴지(밀대)로 밀어 마스크 틈으로 도료가 스며들게 하여 글자 패턴을 형성한다(b). 이후, 형성된 글자 패턴 상으로 응력전달 재료로서 PDMS를 투명 기판으로 적용하고(c), 70℃의 환경에서 30분 동안 경화 과정을 거치게 한다(d). 이후, PDMS의 경화가 완료되면 유리 기재를 분리하여 복합필름을 완성한다(e).

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 적어도 2개 이상의 응력발광 재료와, 상기 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료의 혼합물로 구성되되,
상기 적어도 2개 이상의 응력발광 재료 중 제1 응력발광 재료의 제1 발광 스펙트럼과 상기 제2 응력발광 재료의 제2 발광 스펙트럼은 서로 상이한 것
을 특징으로 하는 색 조절이 가능한 기계적 발광 복합필름.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 발광 스펙트럼의 강도는 상기 제1 및 제2 응력발광 재료의 양에 기초하여 독립적으로 조절되는 것
을 특징으로 하는 색 조절이 가능한 기계적 발광 복합필름.
제1항에 있어서,
상기 제1 응력발광 재료와 상기 제2 응력발광 재료의 혼합비가 변경됨에 따라 상기 기계적 발광 복합필름에서 발현되는 색이 조절되는 것
을 특징으로 하는 색 조절이 가능한 기계적 발광 복합필름.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 응력발광 재료에 가해지는 기계적인 에너지의 전달 주기가 변경됨에 따라 상기 기계적 발광 복합필름에서 발현되는 색이 조절되는 것
을 특징으로 하는 색 조절이 가능한 기계적 발광 복합필름.
제1항에 있어서,
상기 응력전달 재료는 가시광 영역에서 투과도가 80% 이상인 탄성 유기재료인 것이되,
상기 탄성 유기재료는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS)와, 실리콘 고무와, UV 경화 에폭시 중 적어도 하나로 구성되는 것
을 특징으로 하는 색 조절이 가능한 기계적 발광 복합필름.
가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 적어도 2개 이상의 응력발광 재료와, 상기 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료의 혼합물로 구성되는 기계적 발광 복합필름에서 색 조절하는 방법에 있어서,
상기 적어도 2개 이상의 응력발광 재료 중 제1 응력발광 재료의 제1 발광 스펙트럼과 상기 제2 응력발광 재료의 제2 발광 스펙트럼은 서로 상이한 것이되,
상기 제1 응력발광 재료와 상기 제2 응력발광 재료의 혼합비를 변경하는 단계를 포함하는 것
을 특징으로 하는 기계적 발광 복합필름의 색 조절방법.
제6항에 있어서,
상기 응력발광 재료에 가해지는 기계적인 에너지의 전달 주기를 변경하는 단계를 더 포함하는 기계적 발광 복합필름의 색 조절방법.
가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 적어도 2개 이상의 응력발광 재료와, 상기 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료의 혼합물로 구성되는 기계적 발광 복합필름에서 색 조절하는 방법에 있어서,
상기 적어도 2개 이상의 응력발광 재료 중 제1 응력발광 재료의 제1 발광 스펙트럼과 상기 제2 응력발광 재료의 제2 발광 스펙트럼은 서로 상이한 것이되,
상기 응력발광 재료에 가해지는 기계적인 에너지의 전달 주기를 변경하는 단계를 포함하는 것
을 특징으로 하는 기계적 발광 복합필름의 색 조절방법.
가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 제1 응력발광 재료와 상기 제1 응력발광 재료와 상이한 발광 스펙트럼을 갖는 제2 응력발광 재료를 제공하는 단계;
상기 제1 및 제2 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료를 제공하여 복합필름을 형성하는 단계;
상기 복합필름에 제1 주기로 응력을 발생시키는 단계; 및
상기 제1 주기에서 제2 주기로 응력을 변경하는 단계
를 포함하는 기계적 발광 복합필름의 색 조절방법.
제9 항에 있어서, 상기 응력발광 재료를 제공하는 단계는,
상기 제1 응력발광 재료와 상기 제2 응력발광 재료의 혼합비를 변경하는 단계를 포함하는 것
인 기계적 발광 복합필름의 색 조절방법.