KR20150064564A - 플렉서블 섬유 기판의 제조방법 - Google Patents

플렉서블 섬유 기판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리에스테르 단독 또는 폴리에스테르와 무기물 미립자의 혼합물을 용융방사하여 미연신 섬유를 수득하는 단계; 상기 미연신 섬유를 연신하여 연신 섬유를 수득하는 단계; 상기 연신 섬유를 열 고정시켜 원사를 수득하는 단계; 상기 원사를 직조하여 직물을 수득하는 단계; 및 상기 직물을 가열 및 가압 공정에 의해 평탄화하는 단계를 포함하는 플렉서블 섬유 기판의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 제조방법으로 제조된 플렉서블 섬유 기판은 소정의 재료로 이루어진 섬유의 직물을 기반으로 하기 때문에 유연성이 우수하고, 피부 접촉감이 우수하여 웨어러블 디스플레이(wearable display)에 적용이 가능하다. 또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 플렉서블 섬유 기판은 섬유를 구성하는 소정의 재료, 섬유 제조시 도입되는 연신 과정 및 열 고정 과정, 그리고 섬유의 직조 후 도입되는 평탄화 과정과 같은 다양한 인자의 조합에 의해 향상된 평활도, 열 안정성 및 치수 안정성을 가지므로, 전자 소자 등을 실장하는 고온 공정에 적용이 가능하다.

Description

플렉서블 섬유 기판의 제조방법{Manufacturing method of flexible fiber substrate}
본 발명은 플렉서블 섬유 기판의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 열 안정성 및 치수 안정성이 우수한 플렉서블 섬유 기판의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 액정 및 OLED 등의 표시소자에 대해서는 경박화, 대형화에 더하여 장기신뢰성, 형상의 자유도, 곡면표시 등 더욱 고도한 특성이 요구되고 있다. 기존의 평판 디스플레이 기판으로 사용되는 유리기판은 0.7 ㎜ 내외의 두께로 박막이다. 하지만 박막의 특성상 유리기판은 깨지기 쉽고 모바일 디스플레이로 사용되거나 대형의 디스플레이에 적용되는 경우 추가의 보호필름이 요구된다. 특히, 휴대용 컴퓨터, 휴대전화 등 휴대용 전자기기의 발달에 따라 무겁고 두꺼우며, 깨지기 쉽고 휘어지기 어려운 종래의 유리기판에 대한 대안으로서 플라스틱 소재의 플렉서블 기판(flexible substrate)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 플렉서블 기판의 플라스틱 소재로는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌설포네이트, 폴리옥시메틸렌, 폴리아릴레이트 등이 일반적으로 사용되고 있으며, 상기 플라스틱 소재를 필름 형태로 성형하여 플렉서블 기반으로 이용하고 있다.
그러나, 필름 형태의 플라스틱 기판은 내열성 및 내용제성이 유리기판에 비해 떨어지는 문제점이 있고, 특히 열팽창 게수(coefficient of thermal expansion)가 상대적으로 크기 때문에 전자 소자의 실장과 같은 고온 공정에서 기판의 변형 및 손상 또는 기판과 기판 접속부의 박리 현상 등을 야기할 염려가 있다.
따라서, 소정의 유연성을 가지면서 동시에 열 안정성 및 치수 안정성이 우수한 플렉서블 기판을 개발하는 것이 요구된다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소정의 유연성을 가지며, 동시에 평활도, 열 안정성 및 치수 안정성이 우수한 플렉서블 기판의 제조방법을 제공하는데에 있다.
본 발명의 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 폴리에스테르 단독 또는 폴리에스테르와 무기물 미립자의 혼합물을 용융방사하여 미연신 섬유를 수득하는 단계; 상기 미연신 섬유를 연신하여 연신 섬유를 수득하는 단계; 상기 연신 섬유를 열 고정시켜 원사를 수득하는 단계; 상기 원사를 직조하여 직물을 수득하는 단계; 및 상기 직물을 가열 및 가압 공정에 의해 평탄화하는 단계를 포함하는 플렉서블 섬유 기판의 제조방법을 제공한다. 이때, 상기 폴리에스테르는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜(PETG) 및 폴리시클로헥산디메틸렌테레프탈레이트(PCT)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 미립자는 점토 입자, 실리카 입자, 이산화티탄 입자, 탄산칼슘 입자, 산화아연 입자, 티탄산바륨 입자, 탄산바륨 입자, 황산바륨 입자, 산화지르코늄 입자, 규산지르코늄 입자, 알루미나 입자, 산화마그네슘 입자 및 코발트 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 폴리에스테르와 무기물 미립자의 혼합물 내에서 무기물 미립자의 함량은 0.01~1 중량%인 것이 바람직하고, 0.05~1 중량%인 것이 더 바람직하고, 0.05~0.5 중량%인 것이 가장 바람직하다. 또한, 상기 미연신 섬유의 연신 배율은 1.5~4.5배인 것이 바람직하고, 1.5~4배인 것이 더 바람직하며, 2~4배인 것이 가장 바람직하다. 또한, 상기 연신 섬유의 열 고정 온도는 80~200 ℃인 것이 바람직하고, 100~200 ℃인 것이 더 바람직하며, 150~200 ℃인 것이 가장 바람직하다. 또한, 직물은 평직물, 능직물 또는 주자직물에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 가열 및 가압 공정은 캘린더링 공정(calendering process)인 것이 바람직하고, 이때, 캘린더링 공정(calendering process)은 20~180 ℃의 온도 조건 및 1.5~3.5 ㎏f/㎠의 압력 조건에서 진행되는 것이 더 바람직하다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 플렉서블 섬유 기판은 소정의 재료로 이루어진 섬유의 직물을 기반으로 하기 때문에 유연성이 우수하고, 피부 접촉감이 우수하여 웨어러블 디스플레이(wearable display)에 적용이 가능하다. 또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 플렉서블 섬유 기판은 섬유를 구성하는 소정의 재료, 섬유 제조시 도입되는 연신 과정 및 열 고정 과정, 그리고 섬유의 직조 후 도입되는 평탄화 과정과 같은 다양한 인자의 조합에 의해 향상된 평활도, 열 안정성 및 치수 안정성을 가지므로, 전자 소자 등을 실장하는 고온 공정에 적용이 가능하다. 따라서, 본 발명의 제조방법으로 제조된 플렉서블 섬유 기판은 전자회로 인쇄용 또는 전자 소자 실장용으로 사용이 가능하며, 궁극적으로 유기발광 표시장치, 액정 표시장치 등의 기판으로 사용될 수 있다.
도 1은 제조예 1에서 제조한 폴리에틸렌나프탈레이트 원사를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 2는 제조예 1에서 제조한 플렉서블 섬유 기판을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1에서 제조한 원사의 열팽창 계수를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 플렉서블 섬유 기판의 제조방법은 폴리에스테르 단독 또는 폴리에스테르와 무기물 미립자의 혼합물을 용융방사하여 미연신 섬유를 수득하는 단계; 상기 미연신 섬유를 연신하여 연신 섬유를 수득하는 단계; 상기 연신 섬유를 열 고정시켜 원사를 수득하는 단계; 상기 원사를 직조하여 직물을 수득하는 단계; 및 상기 직물을 가열 및 가압 공정에 의해 평탄화하는 단계를 포함한다. 이하, 본 발명에 따른 플렉서블 섬유 기판의 제조방법을 구성 단계별로 나누어 설명한다.
미연신 섬유를 수득하는 단계
본 발명에서 미연신 섬유를 수득하는 단계는 폴리에스테르 단독 또는 폴리에스테르와 무기물 미립자의 혼합물을 용융방사하는 것으로 이루어진다.
이때, 상기 폴리에스테르는 원사로 제조가 용이하고 유연성을 가지는 것이라면 그 종류가 크게 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 폴리에스테르는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜(PETG) 및 폴리시클로헥산디메틸렌테레프탈레이트(PCT)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하고, 유연성, 피부 접촉감 및 원사 제조 적합성 등을 고려할 때 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)에서 선택되는 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 무기물 미립자는 폴리에스테르와 상용될 수 있고 원사의 열 안정성 또는 치수 안정성을 향상시킬 수 있는 것이라면 그 종류가 크게 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 무기물 미립자는 점토 입자, 실리카 입자, 이산화티탄 입자, 탄산칼슘 입자, 산화아연 입자, 티탄산바륨 입자, 탄산바륨 입자, 황산바륨 입자, 산화지르코늄 입자, 규산지르코늄 입자, 알루미나 입자, 산화마그네슘 입자 및 코발트 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하고, 폴리에스테르와의 상용성, 원사의 열 안정성 또는 치수 안정성 향상을 담보하는 측면에서 점토 입자 또는 실리카 입자에서 선택되는 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 폴리에스테르와 무기물 미립자의 혼합물 내에서 무기물 미립자의 함량은 융용방사성 등을 고려할 때 0.01~1 중량%인 것이 바람직하고, 0.05~1 중량%인 것이 더 바람직하고, 0.05~0.5 중량%인 것이 가장 바람직하다.
연신 섬유를 수득하는 단계
본 발명에서 연신 섬유를 수득하는 단계는 미연신 섬유를 소정의 배율로 연신하는 것으로 구성된다. 본 발명에서 미연신 섬유는 연신 과정에 의해 일부 배향 및 결정화가 진행되며, 이로 인해 원사의 열 안정성 및 치수 안정성이 향상된다. 상기 미연신 섬유의 연신 배율은 1.5~4.5배인 것이 바람직하고, 1.5~4배인 것이 더 바람직하며, 2~4배인 것이 가장 바람직하다.
원사를 수득하는 단계
본 발명에서 원사를 수득하는 단계는 연신 섬유를 열 고정하는 것으로 구성된다. 연신 섬유는 열 고정에 의해 결정화가 더욱 진행되며, 이로 인해 원사의 열 안정성 및 치수 안정성이 향상된다. 상기 연신 섬유의 열 고정 온도는 80~200 ℃인 것이 바람직하고, 100~200 ℃인 것이 더 바람직하며, 150~200 ℃인 것이 가장 바람직하다.
직물을 수득하는 단계
본 발명에서 직물을 수득하는 단계는 원사를 일반적인 기판 형태(예를 들어 판상 형태)로 직조하는 것으로 구성된다. 이때, 직물은 직조하는 방법에 따라 다양한 형태를 가질 수 있으며, 예를 들어 평직물, 능직물 또는 주자직물에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 평직(plain weave)은 날실과 씨실이 서로 번갈아 교차되는 가장 기본적인 조직 또는 이런 조직으로 짠 직물을 지칭하며, 대표적인 평직물로는 태피터,보일,브로드 등이 있다. 능직(twill weave)은 직물 표면에 날실 또는 씨실로 빗방향의 이랑무늬를 형성하는 조직 또는 이런 조직으로 짠 직물을 지칭하며, 일반적으로 조직이 비교적 촘촘하며 질기고 부침(浮沈)의 부(浮)가 길 때에는 광택이 많이 나는 특성이 있다. 주자직(statin weave)은 경사(經絲)나 위사(緯絲)가 직물표면에 많이 나타나게 하는 조직 또는 이런 조직으로 짠 직물을 지칭하며 평직이나 능직에 비하여 직물의 표면이 매우 매끄럽고 광택이 나는 특징이 있다.
직물을 평탄화하는 단계
본 발명에서 직물을 평탄화하는 단계는 직물의 표면에 소정의 열 및 소정의 압력을 가하는 것으로 구성된다. 일반적으로 기판에서 평활도의 불량은 기판 위에 전자 소자를 형성할 때 위해 요소로 작용하는데, 본 발명에 따른 직물은 별도의 평탄화 과정에 의해 향상된 평활도를 가지게 된다. 또한, 본 발명에 따른 직물은 가열 및 가압에 의해 향상된 치수 안정성을 가지게 된다. 이때, 직물의 평활도를 향상시키기 위한 가열 및 가압 공정은 동시에 이루어지는 것이 바람직하고, 예를 들어 캘린더링 공정(calendering process)인 것이 바람직하다. 캘린더(calender)는 여러 개의 가열 로울을 배열한 압연 기계를 말하여, 본 발명에서 캘린더링 공정(calendering process)은 캘린더를 이용하여 직물에 소정의 열과 압력을 동시에 가하여 직물의 표면을 매끄럽게 하는 가공 방법을 의미한다. 본 발명에서 캘린더링 공정(calendering process)의 온도 조건 및 압력 조건은 직물을 형성하는 주성분인 폴리에스테르의 종류에 따라 다양한 범위에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서 캘린더링 공정(calendering process)은 직물의 평활도 향상 효과를 담보하는 측면에서 20~180 ℃의 온도 조건 및 1.5~3.5 ㎏f/㎠의 압력 조건에서 진행되는 것이 바람직하고, 50~180 ℃의 온도 조건 및 2.0~3.5 ㎏f/㎠의 압력 조건에서 진행되는 것이 더 바람직하며, 100~~180 ℃의 온도 조건 및 2.5~3.5 ㎏f/㎠의 압력 조건에서 진행되는 것이 더 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 명확하게 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
1. 플렉서블 섬유 기판의 제조
제조예 1.
폴리에틸렌나프탈레이트 칩을 약 250~290 ℃에서 융융시킨 후 방사하여 미연신 섬유를 수득하였다. 이후, 미연신 섬유를 약 3배의 배율로 연신하여 연신 섬유를 수득하였다. 이후, 연신 섬유를 약 180 ℃에서 열 고정시켜 폴리에틸렌나프탈레이트 원사을 제조하였다. 도 1은 제조예 1에서 제조한 폴리에틸렌나프탈레이트 원사를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다. 이후, 폴리에틸렌나프탈레이트 원사를 평직 방법으로 직조하여 평직물을 제조하였다. 이후, 상기 평직물에 대해 160 ℃의 온도 및 3.0 ㎏f/㎠의 압력 조건에서 캘린더링 공정을 진행하여 표면이 평탄화된 플렉서블 섬유 기판을 수득하였다. 도 2는 제조예 1에서 제조한 플렉서블 섬유 기판을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
제조예 2.
폴리에틸렌테레프탈레이트 칩 99.9 중량%와 점토(clay) 입자 0.1 중량%로 이루어진 혼합물을 약 250~290 ℃에서 융융시킨 후 방사하여 미연신 섬유를 수득하였다. 이후, 미연신 섬유를 약 3배의 배율로 연신하여 연신 섬유를 수득하였다. 이후, 연신 섬유를 약 180 ℃에서 열 고정시켜 폴리에틸렌테레프탈레이트 원사를 제조하였다. 이후, 폴리에틸렌테레프탈레이트 원사를 평직 방법으로 직조하여 평직물을 제조하였다. 이후, 상기 평직물에 대해 160 ℃의 온도 및 3.0 ㎏f/㎠의 압력 조건에서 캘린더링 공정을 진행하여 표면이 평탄화된 플렉서블 섬유 기판을 수득하였다.
비교제조예 1.
폴리에틸렌테레프탈레이트 칩을 약 250~290 ℃에서 융융시킨 후 방사하여 폴리에틸렌테레프탈레이트 원사를 제조하였다. 이후, 폴리에틸렌테레프탈레이트 원사를 평직 방법으로 직조하여 평직물 형태의 플렉서블 섬유 기판을 수득하였다.
2. 원사의 열팽창 계수 측정
제조예 1, 제조예 2 및 비교제조예 1에서 제조한 원사의 열팽창 게수(coefficient of thermal expansion)를 열역학적 분석장치(Thermomechanical analyzer)로 측정하였다. 구체적으로 원사 한 가닥에 대해 30℃에서 180℃까지로의 온도 변화시 길이 변화를 측정하였고, 이를 통해 열팽창 계수를 계산하였다. 도 3은 본 발명의 제조예 1에서 제조한 원사의 열팽창 계수를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 또한, 하기 표 1에 제조예 1, 제조예 2 및 비교제조예 1에서 제조한 원사의 열팽창 게수(coefficient of thermal expansion)를 나타내었다.
원사 구분 제조예 1 제조예 2 비교제조예 1
열팽창 계수(ppm/℃)l 88.6 141.8 196.1
도 1에서 보이는 바와 같이 본 발명의 원사는 30℃에서 180℃까지로의 온도 변화시 팽창하는 특성을 보였다. 한편, 원사 제조시 원료로 폴리에스테르에 무기물 미립자의 혼입, 연신 과정과 열 고정 과정의 도입에 의해 열 안정성 및 치수 안정성이 향상되는 것으로 나타났다.
이상에서와 같이 본 발명을 상기의 실시예를 통해 설명하였지만 본 발명이 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 본 발명에 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 태양을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 폴리에스테르 단독 또는 폴리에스테르와 무기물 미립자의 혼합물을 용융방사하여 미연신 섬유를 수득하는 단계;
    상기 미연신 섬유를 연신하여 연신 섬유를 수득하는 단계;
    상기 연신 섬유를 열 고정시켜 원사를 수득하는 단계;
    상기 원사를 직조하여 직물을 수득하는 단계; 및
    상기 직물을 가열 및 가압 공정에 의해 평탄화하는 단계를 포함하는 플렉서블 섬유 기판의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 폴리에스테르는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜(PETG) 및 폴리시클로헥산디메틸렌테레프탈레이트(PCT)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 플렉서블 섬유 기판의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 무기물 미립자는 점토 입자, 실리카 입자, 이산화티탄 입자, 탄산칼슘 입자, 산화아연 입자, 티탄산바륨 입자, 탄산바륨 입자, 황산바륨 입자, 산화지르코늄 입자, 규산지르코늄 입자, 알루미나 입자, 산화마그네슘 입자 및 코발트 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 플렉서블 섬유 기판의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 폴리에스테르와 무기물 미립자의 혼합물 내에서 무기물 미립자의 함량은 0.01~1 중량%인 것을 특징으로 하는 플렉서블 섬유 기판의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 미연신 섬유의 연신 배율은 1.5~4.5배인 것을 특징으로 하는 플렉서블 섬유 기판의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 연신 섬유의 열 고정 온도는 80~200 ℃인 것을 특징으로 하는 플렉서블 섬유 기판의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 직물은 평직물, 능직물 또는 주자직물에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플렉서블 섬유 기판의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 가열 및 가압 공정은 캘린더링 공정(calendering process)인 것을 특징으로 하는 플렉서블 섬유 기판의 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 캘린더링 공정(calendering process)은 20~180 ℃의 온도 조건 및 1.5~3.5 ㎏f/㎠의 압력 조건에서 진행되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 섬유 기판의 제조방법.
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