KR20140125907A - 기계적 발광 복합필름 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

기계적인 방식으로 발광하는 복합필름 및 이의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예들은 기계적인 자극에 의해 발광하는 복합필름에 있어서, 가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 응력발광 재료와, 상기 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료의 혼합물로 구성되되, 상기 응력전달 재료는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS)인 것을 특징으로 한다.

Description

기계적 발광 복합필름 및 이의 제조방법 {Mechanically-driven light emitting composite film and method for fabricating the same}

본 발명은 발광 복합필름에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기계적인 방식으로 발광하는 복합필름 및 이의 제조방법에 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.

하지만 발광의 모체가 되는 발광재료에 기계적 힘을 전달해 주는 응력전달재료에 있어서 일반적인 UV 경화 폴리머를 사용함으로써 반복적인 응력을 적용시키기가 어려웠으며 결과적으로 수명에 있어서 매우 제한적인 특성을 나타내었다. 또한 현재까지의 기계적 발광에 관한 연구는 대부분 발광재료 자체에 국한되어 왔으며 응력을 전달해 주는 응력전달재료에 관해서는 연구가 전무하다고 할 수 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 새로운 응력전달재료를 사용함으로써 향상된 기계적 발광 강도 및 수명을 갖는 기계적 발광 복합필름 및 이의 제조방법을 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 기계적 발광 복합필름은 가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 응력발광 재료와, 상기 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료의 혼합물로 구성된다.

여기서, 상기 응력전달 재료는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 응력발광 재료와 상기 PDMS의 중량비는 7:3일 수 있다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 응력발광 재료와 상기 PDMS의 혼합물은 70℃의 온도에서 30분 동안 열경화 과정을 거칠 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 면에 따른 기계적인 자극에 의해 발광하는 복합필름을 제조방법은 가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 응력발광 재료와, 상기 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료를 혼합하는 단계; 및 상기 응력발광 재료와 상기 응력전달 재료의 혼합물을 열경화하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 응력전달 재료는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS)인 것을 특징으로 한다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 응력전달 재료로서 탄성력과 내구성이 높은 PDMS를 사용함으로써, 복합필름의 수명이 증가하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합필름 제조방법의 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합필름의 내부 구성을 도시한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 복합필름의 스펙트럼 특성을 실험하기 위한 인장-복원(stretching-releasing) 시스템.
도 4는 다양한 인장-복원 속도에서 본 발명에 따른 복합필름에서 발생하는 광의 스펙트럼 특성을 도시한 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 복합필름의 인장-복원 실험이 200cpm의 속도로 100,000회 반복될 때 스펙트럼 강도 변화를 도시한 도면.
도 6a는 본 발명에 따른 복합필름이 인장될 때, 응력발광 재료 입자에 가해지는 응력 분포를 도시한 도면.
도 6b는 본 발명에 따른 복합필름이 복원될 때, 응력발광 재료 입자에 가해지는 응력 분포를 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.

본 발명에 따른 복합필름은 종래와는 달리 새로운 응력전달 재료를 사용함으로써 향상된 기계적 발광 강도 및 수명을 가지는 것을 특징으로 한다. 종래 UV 경화 폴리머를 응력전달 재료로 사용할 경우에는 응력을 가했을 경우 이에 대한 복원력이 부족하여 반복적인 기계적인 힘에 취약한 문제가 있었다. 본 발명은 이와 같은 문제를 해결하고자 응력전달 재료로서 탄성력이 매우 강하고 내구성이 좋은 투명 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS)을 사용한다.

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.

이하, 도 1을 참조하여 PDMS가 응력전달 재료로 사용되는 복합필름을 제조하는 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합필름 제조방법의 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1에서는 응력발광 재료로서 구리 도핑된 황화아연(copper-doped zinc sulfide(이하, Zns:Cu))이 사용된다. 본 발명에서 사용될 수 있는 응력발광 재료는 도 1에 사용된 재료에 한정되지 않으며 미소변형에 수반하여 발광하는 모든 종류의 재료가 사용될 수 있음은 자명하다. 예컨대, 응력발광 재료는 고도로 구조를 제어한 무기결정골격(모체) 가운데에 발광중심이 되는 원소를 첨가한 무기재료로 할 수 있으며, 모계 재료나 발광중심의 원소 종류를 선택하여 자외선~가시광선~적외선 등 여러 파장영역에서 발광하는 재료가 선택될 수 있다. 대표적인 것으로 녹색발광을 나타내는 유로퓸(Eu) 첨가 알루미나산 스트론튬(Sr_1-xAl₂O₄:Eu_x SAOE)가 있다.

도 1을 참조하면, 먼저 PDMS 용액에 Zns:Cu 분말을 넣고(a), PDMS 입자와 Zns:Cu 입자가 골고루 분포할 수 있도록 잘 섞어준다(b). 이때, 교반기가 사용될 수 있고, Zns:Cu 와 PDMS 혼합물의 중량비는 7:3이 되는 것이 바람직하다.

이후, 상기 Zns:Cu 와 PDMS 혼합물을 70℃의 온도 환경에서 30분 동안 놔두어 열경화 과정을 진행하여 복합필름을 제작한다(c).

전술한 과정을 거쳐 제작된 복합필름의 구성이 도 2에 도시된다. 도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합필름의 내부 구성을 도시한 구성도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합필름은 응력발광 재료와 응력전달 재료를 포함하여 구성된다. 도 2의 (a)에서 응력발광 재료로는 Zns:Cu가 사용되고, 응력전달 재료로는 PDMS가 사용된다.

상기 복합필름이 인장될 때 전계발광(electroluminescence) 및 광발광(photoluminescence)때와 마찬가지로 녹색 광의 기계적 발광이 발생하는 것이 도 2의 (b)에 도시된다. 이와 같은 기계적 발광 특성을 갖는 본 복합필름의 상세한 혼합 상태가 복합필름의 단면을 주사전자현미경(scanning electron microscop)로 촬영한 영상인 도 2의 (c) 및 (d)에 도시된다. 이를 참조하면, 입자의 평균 크기가 25 um 이하인 Zns:Cu 응력발광 재료가 이를 둘러싸는 PDMS 응력전달 재료 층에 골고루 분산되어 있는 것을 알 수 있고, 이로 인해 Zns:Cu 응력발광 재료가 자기들끼리 상호 반응하는 것을 방지할 수 있다.

본 복합필름에서 방출되는 기계적 발광의 광학적 특성을 관찰하기 위하여 인장-복원(stretching-releasing) 시스템을 사용하였으며, 이를 도 3에 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 복합필름은 인장-복원 시스템에서 일정 속도로 인장-복원이 반복된다. 도 4는 다양한 인장-복원 속도에서 복합필름에서 발생하는 광의 스펙트럼 특성을 보여준다. 기계적 발광은 복합필름이 변형하는 순간인 인장시, 그리고 복원시에 각각 1번씩 발생한다.

도 4를 참조하면, 인장-복원 속도에 따라 본 복합필름에서 발생하는 광의 스펙트럼 특성이 달라지는 것을 알 수 있다. 이 실험에서 인장-복원 속도가 200cpm(cycle per minute)에서 500cpm로 증가될 때, 복합필름에서 발생하는 광의 강도(intensity)와 파장 특성을 분석하였다. 도시된 바와 같이, 인장-복원속도가 증가할 수록 광의 강도는 증가한다는 것이 확인되었다. 또한, ZnS:Cu의 전계발광 및 광발광 스펙트럼과 유사한 파장대의 스펙트럼이 관찰되었다.

본 복합필름이 갖는 핵심적인 기술적 사상 중 하나는 탄성력과 내구성이 높은 응력전달 재료를 사용함에 의한 필름의 수명 증가에 있다. 도 5에는 본 복합필름의 인장-복원 실험이 200cpm의 속도로 100,000회 반복될 때 스펙트럼 강도 변화가 도시된다.

실험 결과, 100,000회의 반복적인 인장-복원에도 불구하고 본 복합필름의 외형적인 파괴 현상은 관찰되지 않았으며, 발광 강도 또한 초기 강도와 비교하였을 때 약 35% 정도만 감소한 사실을 알 수 있다. 또한, 장시간의 변형에도 초기 발광 스펙트럼의 형상을 동일하게 유지함으로써, 동일한 수준의 색좌표를 나타내었으며, 이로 인해 색 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다(도 5b 참조).

예컨대, 도 5a에 도시된 바와 같이, 본 복합필름의 초기 발광 강도를 1.0이라고 하였을 때, 그 강도는 대략 25,000회의 인장-복원까지 유지되고 그 이후 서서히 감소하여 100,000회의 인장-복원이 수행된 시점에 오면 대략 0.65 정도의 강도를 갖는 것이 확인되었다.

전술한 바와 같은 100,000회의 반복 실험에도 불구하고 발광 강도가 초기 상태의 65% 정도로 유지되고, 색 변화가 없는 내구 특성은 본 발명이 갖는 효과적인 응력전달 시스템에서 비롯된다. 이를 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 6a는 복합필름이 인장될 때, 응력발광 재료 입자에 가해지는 응력 분포를 도시한 도면이고, 도 6b는 복합필름이 복원될 때, 응력발광 재료 입자에 가해지는 응력 분포를 도시한 도면이다.

예를 들어, 본 복합필름의 인장과 복원은 3차원 가상 공간 상에서 어느 일 방향(이를 x축 방향이라 함)으로 이루어진다고 가정하자. 복합필름이 +x 방향으로 인장될 때에는 각각의 ZnS:Cu 입자들은 y 또는 z축 방향에서 일시적으로 PDMS 층에 의해 응력을 받게 된다. 반면, 복합필름이 ? 방향으로 복원될 때에는 각각의 ZnS:Cu 입자들은 ? 방향으로 응력을 받게 된다.

이와 같이, 본 복합필름의 내구 특성은 인장-복원 조건에서 가해지는 응력의 무지향성(omni- directional)으로 설명될 수 있다. 본 복합필름에서 응력전달 재료로서 사용되는 PDMS로 인해, 응력발광 재료인 ZnS:Cu 입자들은 오직 한 방향에서만 응력을 받게 되는 악 조건을 피할 수 있는 것이다.

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 (4)

1. 기계적인 자극에 의해 발광하는 복합필름에 있어서,
   가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 응력발광 재료와, 상기 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료의 혼합물로 구성되되,
   상기 응력전달 재료는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS)인 것
   을 특징으로 하는 기계적 발광 복합필름.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 응력발광 재료와 상기 PDMS의 중량비는 7:3인 것
   을 특징으로 하는 기계적 발광 복합필름.
3. 기계적인 자극에 의해 발광하는 복합필름을 제조하는 방법에 있어서,
   가해지는 기계적인 에너지에 의해 발광하는 응력발광 재료와, 상기 응력발광 재료에 외부에서 가해지는 기계적인 에너지를 전달하는 응력전달 재료를 혼합하는 단계; 및
   상기 응력발광 재료와 상기 응력전달 재료의 혼합물을 열경화하는 단계를 포함하되,
   상기 응력전달 재료는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS)인 것
   을 특징으로 하는 기계적 발광 복합필름 제조방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 응력발광 재료와 상기 PDMS의 중량비는 7:3인 것
   을 특징으로 하는 기계적 발광 복합필름 제조방법.
   

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