KR20150139146A - 반사율이 개선된 반사편광필름 및 그를 채용한 액정디스플레이용 백라이트 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반사율이 개선된 반사편광필름 및 그를 채용한 액정디스플레이용 백라이트 유닛에 관한 것이다.
본 발명의 반사편광필름은 매트릭스 내 섬유상 성분이 길이방향으로 매립된 섬유배향 복합재로 이루어지되, 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 조절하여 반사율을 최적화할 수 있으며, 그 섬유배열 구조에 따라, 우수한 반사효율과 편광효율을 구현함으로써, 종래의 반사형 편광필름을 대체 가능하고, 다른 분야의 광학 소자로도 유용하게 적용할 수 있다.

Description

반사율이 개선된 반사편광필름 및 그를 채용한 액정디스플레이용 백라이트 유닛{REFLECTION POLARIZED LIGHT FILM IMPROVED REFLECTIVITY AND BACKLIGHT UNIT FOR LIQUID CRYSTAL DISPLAY}
본 발명은 반사율이 개선된 반사편광필름 및 그를 채용한 액정디스플레이용 백라이트 유닛에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 매트릭스 내 섬유상 성분이 길이방향으로 매립된 섬유배향 복합재로 이루어지되, 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 조절하여 반사율을 최적화할 수 있으며, 그 섬유배열 구조에 따라, 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 조절하여 우수한 반사율을 구현하는 반사편광필름 및 그를 채용한 액정디스플레이용 백라이트 유닛에 관한 것이다.
표시패널은 전자계산기, 전자시계, 자동차 네비게이션, 사무자동화기기, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 및 정보통신 단말기 등의 표시장치에 널리 사용되고 있다.
이러한 표시장치 중 액정표시장치는 자체적으로 발광을 하지 못하기 때문에 백라이트 유닛과 같은 별도의 광원을 필요로 하게 된다. 백라이트 유닛은 램프, 반사판, 도광판, 확산판, 프리즘 필름 및 휘도 강화 필름을 구비하고 이의 상부에 액정표시패널이 배치되게 된다.
백라이트 유닛에 구비된 휘도 강화 필름은 프리즘 필름으로부터 출사되는 광의 손실을 줄여 액정표시장치의 휘도를 증가시키기 위한 필름으로서, DBEF(Dual brightness enhancement film) 필름이 대표적이다. 즉, 상기 DBEF 필름에 무편광이 입사되면, 하나의 광은 투과되고 다른 나머지 광은 반사되도록 함으로써, 광의 리사이클링을 통해 투과방향으로의 빛의 양을 증가시키는 기술이다.
이에, DBEF 필름은 박막 형태의 반사형 편광필름으로서, 광의 횡파가 액정 디스플레이 패널의 하부 편광판에 흡수되는 것을 방지하여 액정표시장치의 휘도를 강화시켜주는 역할을 수행하도록 한다.
이러한 DBEF 필름은 다수의 폴리머 필름이 적층된 구조로서, 가시광 영역의 특정 파장(λ)을 갖는 광을 기준으로 각층이 상기 파장(λ)의 1/4만큼의 광학적인 두께가 되도록 설계되어 있다.
따라서, 가시광의 넓은 파장 영역에서 투과 및 반사를 통한 휘도 향상 효과를 얻기 위해서는 총 400∼800층의 폴리머 필름이 적층되어야 한다. 따라서, DBEF 필름은 이러한 두께 제어와 수백층의 폴리머 필름의 적층에 따르는 기술적 어려움을 가진다.
실제로, 대한민국특허 제432457호에 개시된 반사편광필름의 실시예를 살펴보면 광학층의 적층수가 수백층으로 이루어짐을 확인할 수 있다.
또한, 액정표시장치는 전계의 인가와 광원으로부터 전달되는 빛 중 특정 방향의 편광을 이용하여 영상을 표시한다. 이러한 이유로 일반적인 액정디스플레이의 구성은 한 쌍의 흡광성 편광기들 사이에 액정 및 전극 매트릭스가 배치되어 있는 구조를 갖는다.
그러나, 종래의 액정디스플레이의 편광기는 광원으로부터 전달되는 빛 중 어느 한 방향의 편광(이하에서는 "P편광 "이라고 함)은 통과시키고 다른 방향의 편광(이하에서는 "S편광 "이라고 함)에 대해서는 흡수하여 소멸시키는 특성을 가지고 있기 때문에, 빛의 손실에 의한 디스플레이장치의 휘도가 현격하게 떨어지고, 전력낭비의 원인이 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 대한민국특허 제432457호에서는 광학 캐비티와 액정어셈블리 사이에 반사편광필름이 설치되는 휘도 향상 디바이스를 개시하고 있다.
상기 휘도 향상 디바이스의 편광 분리 원리는 광학 캐비티로부터 액정어셈블리로 향하는 빛 중 P편광은 반사편광필름을 통과하여 액정어셈블리로 전달되도록 하고, S편광은 반사편광필름에서 광학 캐비티로 반사된 다음 광학 캐비티의 확산반사면에서 빛의 편광 방향이 무작위화된 상태로 반사되어 다시 반사편광필름으로 전달되는 작용에 의해 결국에는 S편광이 액정어셈블리의 편광기를 통과할 수 있는 P편광으로 변환되어 반사편광필름을 통과한 후 액정어셈블리로 전달되도록 하는 것이다.
상기 기술에 의해 광원으로부터 발생된 빛의 손실과 함께 전력 낭비를 줄일 수 있으나, 종래 휘도 향상 디바이스의 반사편광필름은 굴절율이 상이한 평판상의 등방성 광학층과 이방성 광학층이 교호적으로 적층되고, 이를 신장처리하여 입사편광의 선택적 반사 및 굴절 투과에 최적화 될 수 있는 각 광학층간의 광학적 두께 및 굴절율을 갖도록 제작되기 때문에, 반사편광필름의 제작공정이 복잡하다는 문제점이 있다.
특히, 반사편광필름의 각 광학층이 평판 구조를 가지고 있기 때문에, 입사편광의 광범위한 입사각 범위에 대응하여 P편광과 S편광을 분리하여야 하기 때문에, 광학층의 적층수가 과도하게 증가하여 제작의 어려움이 가중되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 종래 반사편광필름의 문제점을 개선하고자 노력한 결과, 매트릭스 내 섬유상 성분이 길이방향으로 매립된 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름을 제공하되, 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 조절하는 섬유배열 구조에 따라 반사율을 최적화함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 매트릭스 내 섬유상 성분이 길이방향으로 매립된 섬유배향 복합재로 이루어지되, 상기 섬유상 성분의 배열구조에 따른 반사율이 개선된 반사편광필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 반사편광필름의 제조방법 및 그를 채용한 액정디스플레이용 백라이트 유닛을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 매트릭스 내 섬유상 성분이 길이방향으로 적어도 2층 이상 매립된 섬유배향 복합재로 이루어지되, 상기 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분이 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)의 규칙적인 섬유 배열로 반복된 반사편광필름을 제공한다.
또한, 본 발명의 바람직한 제1실시형태의 반사편광필름은 섬유배향 복합재 내 적어도 2층 이상의 섬유상 성분이 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)으로 층간 정렬 배열된 반복구조이다. 이때, 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)이 100nm 이하로 층간 정렬 배열되어 우수한 반사율과 넓은 반사율의 대역폭(bandwidth)을 구현한다.
본 발명의 바람직한 제2실시형태의 반사편광필름은 섬유배향 복합재 내 적어도 2층 이상의 섬유상 성분이 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)으로 층간 교호 배열된 반복구조이다. 이때, 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)은 25nm 내지 5㎛ 이하의 배열로 층간 교호 배열된 구조로서, 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)의 넓은 조절범위 내에서 우수한 반사율과 넓은 대역폭(bandwidth)의 반사율을 구현한다.
또한, 본 발명의 바람직한 제3실시형태의 반사편광필름은 섬유배향 복합재 내 적어도 2층 이상의 섬유상 성분이 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)으로 층간 중첩 배열된 반복구조로서, 상기 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)이 3 내지 5㎛ 이하의 간격으로 층간 중첩 배열된 것이다.
본 발명의 제1실시형태 및 제2실시형태의 반사편광필름의 경우, 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분의 단면이 구 또는 타원의 원형단면; 또는 세모 또는 네모의 다각형단면;에서 선택되는 단독 또는 그 조합에 의해 혼합 배열된다.
본 발명의 제3실시형태 및 제2실시형태의 반사편광필름은 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분의 단면이 연속적으로 좁고 넓게 형상화되어, 장축이 단축길이보다 긴 직육면체 단면형상을 가진다.
또한, 이상의 반사편광필름 내 섬유배향 복합재는 섬유상 성분의 길이방향에 대한 수직방향으로의 굴절율이 매트릭스 수직방향 굴절율 대비 높거나 동일하게 매치된 것이다.
더욱 바람직하게는 상기 섬유배향 복합재에 있어서, 매트릭스로부터 섬유상 성분의 길이방향으로의 굴절율이 고-저-고(HIGH-LOW-HIGH)로 반복 배열된 다층의 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 반사편광필름에서, 매트릭스 길이방향과 섬유상 성분의 길이방향간의 굴절율차가 0.01 이상인 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분은 10 내지 90중량% 비율로 매립되는 것이다.
나아가, 본 발명은 이상의 다층의 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름을 채용한 액정디스플레이용 백라이트 유닛을 제공한다.
본 발명에 따라, 매트릭스 내 섬유상 성분이 길이방향으로 매립된 섬유배향 복합재로 이루어지되, 상기 섬유상 성분의 배열구조의 최적화에 따라 반사율이 개선된 반사편광필름을 제공할 수 있다.
이상의 반사편광필름은 반사편광필름을 구성하는 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 조절하여 반사율을 최적화할 수 있으며, 그 섬유배열 구조에 따라, 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 100nm 이하로 조절하거나, 3㎛이상으로 조절하여 우수한 반사율을 확인함으로써, 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 100 nm 이하로 줄이면서 균일하게 섬유배향 복합재를 제조하기 어려운 문제를 보완할 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 반사편광필름의 우수한 반사율과 편광특성을 이용하여, 이를 채용하여 물성이 개선된 액정디스플레이용 백라이트 유닛을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유상 성분이 일방향 정렬 배열로 반복된 구조의 섬유단면에 대한 모식도이고,
도 2는 도 1의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유단면에 대한 SEM 사진이고,
도 3은 도 1의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 층 증가에 대한 반사율 특성결과이고,
도 4는 도 1의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)에 따른 반사율 특성에 대한 광학 시뮬레이션 결과이고,
도 5는 도 1의 섬유배향 복합재로 이루어진 섬유 두께(t)에 따른 반사율 특성결과이고,
도 6은 본 발명의 제2실시형태의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유상 성분이 층간 교호 배열된 구조의 섬유단면에 대한 모식도이고,
도 7은 도 6의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유간 배열구조에 따른 반사율 특성에 대한 광학 시뮬레이션 결과이고,
도 8은 본 발명의 제3실시형태의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유상 성분이 층간 중첩 배열된 구조의 섬유단면에 대한 모식도이고,
도 9는 도 8의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유단면에 대한 SEM 사진이고,
도 10은 도 8의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유간 배열구조에 따른 반사율 특성에 대한 광학 시뮬레이션 결과이고,
도 11은 도 8의 반사편광필름의 편광특성에 관하여 (a) 1장, (b)는 2장 및 (c)는 10장을 올려 측정한 편광특성 결과이고,
도 12는 도 8의 반사편광필름에 대하여 (a) 섬유 배향방향과 (b) 그에 수직방향에서의 반사율 측정결과이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 매트릭스 내 섬유상 성분이 길이방향으로 적어도 2층 이상 매립된 섬유배향 복합재로 이루어지되, 상기 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분이 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)의 규칙적인 섬유 배열로 반복된 반사편광필름을 제공한다.
이에, 본 발명의 바람직한 제1실시형태의 반사편광필름(1)은 섬유배향 복합재(20) 내 적어도 2층 이상의 섬유상 성분(11)이 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)으로 층간 정렬 배열(one-way structure)된 반복 구조이다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태의 반사편광필름에 있어서, 섬유배향 복합재의 섬유상 성분이 일방향 정렬 배열로 반복된 구조의 섬유단면에 대한 모식도이고, 도 2는 도 1의 구조로 실제 제작된 반사편광필름의 섬유배향 복합재의 섬유단면에 대한 SEM 사진이다.
이에, 상기 제1실시형태의 반사편광필름에 대한 반사율 특성결과로서, 도 3은 도 1의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 층 증가에 따른 광학 시뮬레이션(FDTD Solution) 결과로서, 섬유배향 복합재 1 층에서는 반사율의 최대치가 ∼30% 수준인 반면에, 40 층으로 증가할 경우 100%에 근접하는 반사율 특성을 제시하고 있다.
도 4는 도 1의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)에 따른 반사율 특성에 대한 광학 시뮬레이션 결과로서, (a)는 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)이 100 nm 이하의 경우로서, 우수한 반사율 특성을 확인할 수 있다.
(b)의 경우는 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)이 3㎛이상이 경우로서, 반사율의 다소 낮지만 반사율의 대역폭(bandwidth)이 넓어진 반사율 특성을 확인할 수 있다.
이상으로부터, 본 발명의 제1실시형태의 반사편광필름은 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)이 100nm 이하로 층간 정렬 배열되어 우수한 반사율과 넓은 반사율의 대역폭(bandwidth)을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 5는 도 1의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유 두께(t)에 따른 반사율 특성에 대한 광학 시뮬레이션 결과로서, 섬유의 두께(λ/4)가 3배 또는 5배, 즉 홀수배로 증가하는 상황에 대해서 반사율 특성을 확인한 결과, 섬유 두께(t)가 두꺼워질수록 반사율의 대역폭(bandwidth)이 좁게 형성되어 반사율 특성을 저하시킴을 확인할 수 있다.
본 발명의 바람직한 제2실시형태의 반사편광필름(1)은 섬유배향 복합재(20) 내 적어도 2층 이상의 섬유상 성분(11)이 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)으로 층간 교호 배열된 반복구조이다. 이때, 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)은 25nm 내지 5㎛ 이하의 배열로 층간 교호 배열된 구조로서, 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)의 넓은 조절범위 내에서 우수한 반사율과 넓은 대역폭(bandwidth)의 반사율을 구현한다.
도 6은 본 발명의 제2실시형태의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유상 성분이 층간 교호 배열된 구조를 도시한 것이다. 즉, 상기 층간 교호 배열된 구조에서, 홀수열에 대하여 짝수열이 어긋나 있는 배열구조이다.
상기의 구조는 섬유배향 복합재를 통과하는 모든 가시광 영역의 빛이 어떠한 작은 빛샘(leakage)조차 허용치 않고 모두 변조되도록 설계된 것이다.
상기 제2실시형태의 반사편광필름은 섬유배향 복합재 1 층에서의 반사율의 최대치가 ∼40% 수준인 반면에, 40 층으로 증가할 경우 100%에 근접하는 반사율 특성을 보인다[미도시].
도 7은 상기 제2실시형태의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)에 따른 반사율 특성에 대한 시뮬레이션(FDTD Solution Ver.8.6.4, Lumerical Co.) 결과를 나타낸 것이다.
그 결과, 제2실시형태의 반사편광필름은 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 (a) 400 nm 이하 및 (b) 600 nm 이상으로 설계된 경우, 전 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)의 조건에서 균일한 반사율 대역폭(bandwidth)을 확인할 수 있다.
이에, 본 발명은 바람직한 제3실시형태의 반사편광필름은 섬유배향 복합재의 섬유상 성분이 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)으로 층간 중첩 배열된 다층구조로서, 상기 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)이 3 내지 5㎛ 이하의 간격으로 층간 중첩 배열된 것이다.
도 8은 본 발명의 제3실시형태의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유상 성분이 층간 중첩 배열된 구조의 섬유단면에 대한 모식도를 나타낸 것으로서, 섬유 폭(w)을 넓히고 이웃하는 섬유간 간격(d)을 줄임으로써 서로 가리워지는 영역(eclipsed region)을 형성하도록 한다.
도 9는 제3실시형태의 구조로 실제 제작된 반사편광필름의 섬유배향 복합재의 섬유단면에 대한 SEM 사진 결과로서, 섬유형상이 길게 잡아 늘려진 구조를 확인할 수 있다.
도 10은 상기 제3실시형태의 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)에 따른 반사율 특성에 대한 광학 시뮬레이션 결과로서,
제3실시형태의 반사편광필름의 구조적 특징을 통해, 500∼550 nm의 파장영역에서 반사율이 현저히 증가하는 결과를 확인할 수 있다. 즉, 도 10 (a)의 경우, 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d) 3∼5㎛로 제작된 섬유배향 복합재가 10층일 경우, 500∼550 nm의 파장영역에서 균일한 반사율 대역폭(bandwidth)을 보이고, (b)의 경우는 층 수가 40층일 경우의 반사율 증가를 제시하고 있다.
상기의 3실시형태의 반사편광필름은 섬유배향 복합재의 섬유간 배열구조에 있어서, 나노미터의 미세한 조절이 아닌 마이크로단위로 올려 설계가능하고, 이때의 층수가 (b) 40층일 경우 100%의 반사율에 근접하나, (a)의 10층일 때 80∼90%의 높은 반사율을 보이므로 필름의 두께를 박막화하면서, 반사율을 높일 수 있다.
도 11은 상기 3실시형태의 반사편광필름의 편광특성에 관하여 (a) 1장, (b)는 2장 및 (c)는 10장을 올려 측정한 편광특성 결과이다. 그 결과 (a) 1장일 때, 37.72%, (b)는 2장일 때, 50.46%이고, (c)는 10장일 때, 92.36%의 편광효율을 측정장비(MCPD-3000)를 통해 확인할 수 있다.
도 12는 상기 3실시형태의 반사편광필름에 대하여 (a) 섬유 배향방향과 (b) 그에 수직방향에서의 반사율을 측정한 결과로서, 층 증가에 따라, 반사율 상승 결과를 두 경우 모두 확인되며, 특히 (a) 섬유 배향방향과 (b) 그에 수직방향에서 반사율 증가를 확인할 수 있다.
이상으로부터, 본 발명의 바람직한 제1실시형태 내지 제3실시형태의 반사편광필름은 편광특성과 반사율 특성이 모두 충족되며, 반사편광필름을 구성하는 섬유배향 복합재의 섬유간 배열을 용이하게 제어가능하고, 그에 따라 반사율을 최적화시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 제1실시형태 내지 제3실시형태의 반사편광필름은 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 조절함으로써, 반사율을 최적화할 수 있다.
이에 바람직하게는 제1실시형태의 반사편광필름은 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 200nm 이하, 더욱 바람직하게는 100nm 이하로 배치하여 입사광의 투과(빛 샘)를 막을 수 있다.
또한, 더욱 바람직하게는 제2실시형태 및 제3실시형태의 반사편광필름은 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 3㎛이상으로 조절하여 우수한 반사율을 확인함으로써, 제1실시형태에서 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 100 nm 이하로 줄이면서 균일하게 섬유배향 복합재를 제조하기 어려운 문제를 보완할 수 있다.
또한, 이상의 제1실시형태 내지 제3실시형태의 반사편광필름에서, 섬유배향 복합재는 매트릭스로부터 섬유상 성분의 길이방향으로의 굴절율이 고-저-고(HIGH-LOW-HIGH)로 반복 배열된 다층인 것을 특징으로 한다.
상기 다층의 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름은 매트릭스 길이방향과 섬유상 성분의 길이방향간의 굴절율차가 0.01 이상이 되도록 설계되는 것이 바람직하며, 섬유상 성분의 길이방향으로 고 반사(high reflection), 그의 수직방향에는 저 반사(low reflection)가 유도되도록 함으로써, 수평편광성분은 반사시키고 나머지 수직편광성분은 투과되도록 제어한다.
따라서, 다층의 섬유배향 복합재는 적어도 2층 이상, 바람직하게는 10층 이상, 반사율의 최대치를 구현할 수 있는 시뮬레이션 평가 결과로부터 50층 이상 배열할 수 있다.
본 발명의 바람직한 제1실시형태 및 제2실시형태의 반사편광필름에 있어서, 반사편광필름의 섬유배향 복합재에서, 매트릭스 내 섬유상 성분이 길이방향으로 매립된 경우, 상기 섬유상 단면은 구 또는 타원의 원형단면; 또는 세모 또는 네모의 다각형단면;에서 선택되는 단독 또는 그 조합에 의해 혼합 배열될 수 있다.
또한, 본 발명의 제3실시형태의 반사편광필름에 있어서, 반사편광필름의 섬유배향 복합재에서, 매트릭스 내 섬유상 성분의 섬유단면이 연속적으로 좁고 넓게 형상화된 구조로서, 장축이 단축길이보다 긴 직육면체 단면형상이고, 이러한 구조일 때, 높은 반사편광효율을 확인할 수 있다.
본 발명의 바람직한 제1실시형태 및 제2실시형태의 반사편광필름에 있어서, 반사편광필름의 섬유배향 복합재에서, 매트릭스 내 섬유상 성분이 10 내지 90중량%, 더욱 바람직하게는 30 내지 70중량% 비율로 분산 배열된 것이다. 이때, 섬유상 성분이 10중량% 미만이면, 매트릭스 내에 형성되는 섬유의 분포가 극히 줄어들기 때문에 매트릭스-섬유의 반복적인 경계면에 의한 반사율이 감소하여 오히려 분산에 의한 산란(scattering)이 발생되고, 섬유상 성분이 90중량%를 초과하면, 매트릭스의 형성이 제대로 이루어지지 않아서 섬유상 성분들끼리 융착되는 문제점이 발생한다.
본 발명의 섬유배향 복합재에서, 매트릭스는 등방상 또는 이방상 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 섬유상 성분 역시 등방상 또는 이방상 고분자 수지 사용이 가능하다.
이때, 매트릭스가 이방상일 때 섬유상 성분은 등방상이 바람직하고, 반면에, 매트릭스가 등방상일 때, 섬유상 성분은 이방상이 배치됨으로써, 섬유성 성분의 길이방향에 대한 굴절율을 제어할 수 있다.
구체적으로는, 대부분의 고분자 수지가 시트 성형 후 길이방향으로 연신되면, 길이방향의 굴절율이 증가하는 반면, 상기 길이방향 대비 수직방향의 굴절율이 감소된다.
이에, 섬유상 성분이 등방상이고 매트릭스가 이방상일 때, 매트릭스를 길이방향으로 연신함으로써, 섬유상 성분의 길이방향 굴절율이 매트릭스 길이방향의 굴절율보다 낮게 제어할 수 있다.
또한, 섬유상 성분이 이방상이고 매트릭스가 등방상일 때, 섬유상 성분을 길이방향으로 연신함으로써, 섬유상 성분의 길이방향에 대한 수직방향으로의 굴절율을 매트릭스 수직방향의 굴절율 대비 높거나 동일하게 매치시킬 수 있다.
그러나, 본 발명의 섬유배향 복합재에서, 섬유상 성분의 길이방향 굴절율이 매트릭스 길이방향 굴절율보다 낮게 설계된다면, 매트릭스 및 섬유상 성분 모두가 이방상일 수 있고, 또한 모두 등방상일 수 있을 것이다.
이러한 본 발명의 섬유배향 복합재는 매트릭스와 섬유상 성분으로 채택된 소재별 굴절율에 의해 제어될 수 있다. 즉, 섬유상 성분의 길이방향 굴절율이 매트릭스 길이방향 굴절율보다 낮게 배치되도록 다양한 매트릭스 또는 섬유상 성분의 소재군에서 채택될 수 있다.
일반적으로 이방상 고분자 수지는 연신에 의해 굴절율이 증가하는 성질을 가지는데, 이때 이방상 수지(+Δn)의 굴절율은 1.40 이상이다. 그 일례로는 폴리(1,4-사이클로 헥산디메틸렌 테레프탈레이트)(Tritan, 굴절율 1.55), 폴리(스티렌-코-메타크릴레이트)(SMMA, 굴절율 1.54), 폴리사이클로헥실렌 디메틸렌테레프탈레이트(PCTG, 굴절율 1.56), 글리콜 개질된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PETG, 굴절율 1.57), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, 굴절율 1.575), 펜타에리트리톨 테트라니트레이트(Pentaerythritol tetranitrate, PETN, 굴절율 1.583), 폴리스타이렌(PS, 굴절율 1.59), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN, 굴절율 1.65) 등이며, 이에 한정되지는 않을 것이다.
반면에, 연신에 의해 굴절율이 감소하는 이방성 물질(-Δn)로는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, 굴절율 1.49)가 있다.
또한 굴절율 변화가 적어 등방상 성질을 보이는 고분자 수지로는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN, 굴절율 1.61), 폴리메틸펜텐(TPX RT 18, 굴절율 1.46), 사이클로올레핀폴리머(COP, 굴절율 1.53) 및 불소화 폴리에스테르(Fluorene based polyester: FBP-HX, Osaka Gas Chemicals, JAPAN, OKP850, 굴절율 1.65) 등을 사용하고 있으나, 등방상 고분자 수지의 공지의 물질이라면 한정되지 않고 사용될 수 있다. 이상의 굴절율 특성을 가지는 소재군에서 선택하여 다양한 굴절율 조합에 의해 매트릭스 및 섬유상 성분으로 배치시킬 수 있다.
이상의 반사효율 및 편광효율을 구현하는 본 발명의 반사편광필름은 종래의 반사형 편광필름을 대체 가능하고, 다른 분야의 광학 소자로도 유용하게 적용할 수 있다.
이에, 본 발명은 이상의 다층의 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름을 채용한 액정디스플레이용 백라이트 유닛을 제공한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
매트릭스 성분으로서, 폴리(1,4-사이클로 헥산디메틸렌 테레프탈레이트)(TRITAN, 굴절율 1.55)과 섬유상 성분으로서, 폴리메틸펜텐 폴리머(TPX RT18, 굴절율 1.46)를 사용하고, 상기 매트릭스 성분과 섬유상 성분을 기어펌프를 사용하여 투입비율 7:3의 중량비율로 투입하여 성분간 교차 배열되도록 하여 260∼290℃로 유지된 압출기에 동시에 투입하였다. 상기 압출기에서 매트릭스 성분과 섬유상 성분의 용융물은 섬유상 성분이 도입되는 유로 기구부의 단면이 원형이고, 3808개의 홀로 설계된 노즐을 통과하면서 섬유상 성분을 분산 배열하는 공정을 수행하였다. 이때, 노즐의 온도 295∼300℃ 조건에서 실시되었다.
상기 노즐을 통과한 압출물을 300℃로 유지된 슬릿다이(slit die)를 거쳐 토출하여 냉각롤의 표면과 접촉하여 고화되고, 연속적으로 권취공정에 따른 연신에 의해 시트를 성형하였다. 이때, 상기 권취공정에서 제1권취롤 속도(1st roller speed) 3m/min 속도, 제2권취롤 속도(2nd roller speed) 29m/min 속도 및 제3권취롤 속도(Take-off speed) 29m/min로 연속 통과되면서 섬유상 성분의 길이방향 굴절율이 매트릭스 길이방향의 굴절율보다 낮도록 제어하였다. 상기 시트 성형 건조하여 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름을 제작하였다. 이때, 섬유상 성분의 길이방향과 상기 길이방향에 대해 수직방향을 H-L-H 굴절율 반복구조로 샘플을 제작하였다.
<실시예 2∼3>
상기 실시예 1에서 제조된 섬유배향 복합재의 섬유 층수를 각각 2장 및 3장으로 조절하여 다층의 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름을 제작하였다.
<실시예 4>
매트릭스 성분으로서 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene Naphthalate, PEN, 코오롱 플라스틱사의 NOPLA, 굴절율 1.65) 성분과 섬유상 성분으로서, 트리페닐렌메탄(TRITAN, 굴절율 1.55) 성분간의 투입비율 8:2의 중량비율로 투입하고, 사용각도가 90°인 티다이(T-die, T90)를 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제조하고, 11층의 다층으로 이루어진 섬유배향 복합재를 이용하여 반사편광필름을 제작하였다.
<실시예 5>
상기 실시예 4의 섬유배향 복합재 제조 시, 매트릭스가 이방상이고 섬유상 성분이 등방상일 때, 매트릭스의 길이방향으로 연신하여 섬유상 성분의 길이방향 굴절율보다 매트릭스 길이방향의 굴절율이 높게 제어하여, 매트릭스 길이방향으로부터 섬유상 성분의 길이방향으로 고-저-고(HIGH-LOW-HIGH)의 굴절율로 반복 배열된 8층의 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름을 제작하였다.
이때, 상기 섬유상 성분의 길이방향에 대한 수직방향으로의 굴절율이 매트릭스 수직방향의 굴절율 대비 높거나 동일하게 매치하여, 섬유상 성분의 수직방향으로 저-고-저(LOW-HIGH-LOW)의 굴절율로 반복 배열되었다.
<실시예 6>
상기 실시예 1에서 노즐을 통과한 압출물을 300℃로 유지된 슬릿다이(slit die)를 거쳐 권취하면서 공기를 불어주면서 신속히 냉각 및 경화시키고, 고온 고압 공기에 의해 종방향 및 횡방향으로 연신공정을 한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름을 제작하였다.
<실시예 7>
복굴절성 매트릭스 성분으로서, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN, KOLON, 굴절율 1.61)과 최저의 복굴절성 섬유상 성분으로서, 폴리(스티렌-코-메타크릴레이트(poly(styrene-co-methyl methacrylate), SMMA, SIGMA-ALDRICH, 굴절율 1.54)를 사용하였다. 상기 준비된 수지는 별도의 압출기에서 용융되어 3808개 홀로 설계된 노즐을 통과하면서 섬유상 성분을 분산 배열하는 공정을 수행하였다. 이때, 상기의 성분은 다이(coat-hanger die)의 용융입구에서 합쳐져 다이(coat-hanger die)의 용융 매니폴드를 통과하면서 시트 압출되고, 에어나이프로 불어진 후, 상기 얻어진 시트를 200㎜ 폭의 보다 넓은 필름으로 성형하여 롤로 권취하는 공정을 수행하였다. 이후 연신공정은 연신기를 이용하여 130℃에서 수행하여 복굴절성을 유도하고, 초기 길이의 4회 정도 충분히 연신하여 섬유배향 복합재를 제조하고, 이를 층간 배열하여 10층의 다층으로 이루어진 섬유배향 복합재를 이용하여 반사편광필름을 제작하였다.
<실험예 1> 시뮬레이션 평가 1
상기에서 제조된 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름에 대하여, 입사하는 광의 편광방향과 섬유방향을 나란하게 놓았을 때를 장축이라 하고, 입사하는 광의 편광방향과 섬유방향이 수직일 때를 단축으로 설정하여 반사율을 관찰하였다.
광학 시뮬레이션(FDTD Solution Ver.8.6.4, Lumerical Co.) 프로그래밍을 통해, 상기에서 제조된 섬유배향 복합재의 섬유폭(w)과 섬유간 간격(d)를 각각 100nm로 선정하여 섬유배향 복합재의 층수를 1장에서부터, 10, 20, 40, 60, 80장 다층의 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름의 반사율을 측정하였다.
이에, 도 3은 상기 반사편광필름에서 섬유배향 복합재의 층 증가에 따른 광학 시뮬레이션(FDTD Solution) 결과로서, 섬유배향 복합재 1 층에서는 반사율의 최대치가 ∼30% 수준인 반면에, 40 층으로 증가할 경우 100%에 근접하는 반사율 특성을 제시하고 있다.
또한, 단위 섬유배향 복합재의 섬유폭(w)과 섬유간 간격(d) 각각을 25nm, 100nm, 125nm, 200nm로 설정하여 정렬 배열한 반사편광필름의 반사율을 측정하고, 한편으로는 1㎛, 2㎛, 3㎛ 및 6㎛로 설정하여 층간 정렬 배열하여 제조된 반사편광필름의 반사율을 측정하였다. 그 결과, 도 4에서는 섬유배향 복합재의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)이 100 nm 이하의 경우에서, 우수한 반사율 특성을 확인하였다. 한편, 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)이 3㎛이상인 경우에는 반사율의 다소 낮지만 반사율의 대역폭(bandwidth)이 넓어진 반사율 특성을 확인하였다.
또한, 도 5는 섬유배향 복합재의 섬유 두께(t)에 따른 반사율 특성에 대한 광학 시뮬레이션 결과로서, 섬유의 두께(λ/4)가 3배 또는 5배, 즉 홀수배로 증가하는 상황에 대해서 반사율 특성을 확인한 결과, 섬유 두께(t)가 두꺼워질수록 반사율의 대역폭(bandwidth)이 좁게 형성되어 반사율 특성을 저하시킴을 확인하였다.
<실험예 2> 시뮬레이션 평가 2
광학 시뮬레이션(FDTD Solution Ver.8.6.4, Lumerical Co.) 프로그래밍을 통해, 상기에서 제조된 섬유배향 복합재의 섬유폭(w)과 섬유간 간격(d)를 각각 25nm, 100nm, 125nm, 150nm, 200nm 및 400nm로 설정하여 정렬 배열한 반사편광필름의 반사율을 측정하고, 한편으로는 600nm, 800nm, 1㎛, 2㎛, 3㎛ 및 5㎛로 설정하여 층간 교호 배열하여 제작된 반사편광필름의 반사율을 측정하였다.
그 결과는 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, (a) 400 nm 이하 및 (b) 600 nm 이상으로 설계된 경우, 전 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)의 조건에서 균일한 반사율 대역폭(bandwidth)을 확인하였다.
또한, 상기 층간 교호 배열하여 제작된 반사편광필름은 섬유배향 복합재 1 층에서의 반사율의 최대치가 ∼40% 수준인 반면에, 40 층으로 증가할 경우 100%에 근접하는 반사율 특성을 보였다.
<실험예 3> 시뮬레이션 평가 3
광학 시뮬레이션(FDTD Solution Ver.8.6.4, Lumerical Co.) 프로그래밍을 통해, 상기에서 제조된 섬유배향 복합재의 섬유폭(w)과 섬유간 간격(d)의 각각을 3㎛로 샘플1을 제작하고, 섬유폭(w) 4㎛과 섬유간 간격(d) 2㎛로 샘플2를 제작하고, 섬유폭(w) 5㎛과 섬유간 간격(d) 1㎛로 샘플3을 제작하고, 층간 중첩 배열되도록 한 반사편광필름의 반사율을 측정하였다.
도 10의 결과에서 확인되는 바와 같이, 도 10 (a)의 경우, 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)로 제작된 섬유배향 복합재 10층일 경우, 500∼550 nm의 파장영역에서 균일한 반사율 대역폭(bandwidth)과 반사율 80∼90%을 보였다. 또한, (b)의 경우는 층 수가 40층일 경우 100%에 가까운 반사율 증가를 확인하였다.
상기 섬유배향 복합재의 층간 중첩 배열된 반사편광필름에 대하여, (a) 섬유 배향방향과 (b) 그에 수직방향에서의 반사율을 측정한 결과를 도 12에 도시하였는바, 층 증가에 따라, 반사율 상승 결과를 두 경우 모두 확인되며, 특히 (a) 섬유 배향방향의 경우, 동일 층수별 (b) 그의 수직방향에서의 반사율 결과와 비교한 결과, 높은 반사율을 보였다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 반사편광필름의 편광특성의 결과 10장의 다층일 때, 92.36%의 편광효율을 측정장비(MCPD-3000)를 통해 확인하였다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 매트릭스 내 섬유상 성분이 길이방향으로 매립된 섬유배향 복합재로 이루어지되, 상기 섬유상 성분의 배열구조의 최적화에 따라 반사율이 개선된 반사편광필름을 제공하였다. 즉, 반사편광필름을 구성하는 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 조절하여 반사율을 최적화할 수 있으며, 그 섬유배열 구조에 따라, 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)을 조절하여 우수한 반사율을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 이상의 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름은 반사효율과 편광효율이 우수하므로, 종래의 반사형 편광필름을 대체 가능하고, 다른 분야의 광학 소자로도 유용하게 적용할 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 반사편광필름의 우수한 반사율과 편광특성을 이용하여, 이를 채용하여 물성이 개선된 액정디스플레이용 백라이트 유닛을 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1: 반사편광필름 11: 섬유상 성분
20: 매트릭스

Claims (13)

  1. 매트릭스 내 섬유상 성분이 길이방향으로 적어도 2층 이상 매립된 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름에 있어서,
    상기 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분이 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)의 규칙적인 섬유 배열로 반복된 것을 특징으로 하는 반사편광필름.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬유배향 복합재 내 적어도 2층 이상의 섬유상 성분이 층간 정렬 배열된 반복구조인 것을 특징으로 하는 반사편광필름.
  3. 제2항에 있어서, 상기 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)이 100nm 이하로 층간 정렬 배열된 것을 반사편광필름.
  4. 제1항에 있어서, 상기 섬유배향 복합재 내 적어도 2층 이상의 섬유상 성분이 층간 교호 배열로 반복구조인 것을 특징으로 하는 반사편광필름.
  5. 제4항에 있어서, 상기 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)이 25nm 내지 5㎛ 이하로 층간 교호 배열된 것을 반사편광필름.
  6. 제1항에 있어서, 상기 섬유배향 복합재 내 적어도 2층 이상의 섬유상 성분이 층간 중첩 배열된 반복구조인 것을 특징으로 하는 반사편광필름.
  7. 제6항에 있어서, 상기 섬유상 성분의 섬유 폭(w)과 이웃하는 섬유간 간격(d)이 3 내지 5㎛ 이하로 층간 중첩 배열된 것을 반사편광필름.
  8. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분의 단면이 구 또는 타원의 원형단면; 또는 세모 또는 네모의 다각형단면;에서 선택되는 단독 또는 그 조합에 의해 혼합 배열된 것을 특징으로 하는 반사편광필름.
  9. 제6항에 있어서, 상기 섬유배향 복합재 내 섬유상 성분의 단면이 연속적으로 좁고 넓게 형상화된 것을 특징으로 하는 반사편광필름.
  10. 제1항에 있어서, 상기 섬유배향 복합재가 매트릭스로부터 섬유상 성분의 길이방향으로의 굴절율이 고-저-고(HIGH-LOW-HIGH)로 반복 배열된 다층구조인 것을 특징으로 하는 반사편광필름.
  11. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스 길이방향과 섬유상 성분의 길이방향간의 굴절율차가 0.01 이상인 것을 특징으로 하는 반사편광필름.
  12. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스 내 섬유상 성분이 10 내지 90중량% 비율로 매립된 것을 특징으로 하는 반사편광필름.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 섬유배향 복합재로 이루어진 반사편광필름을 채용한 액정디스플레이용 백라이트 유닛.
KR1020140067191A 2014-06-02 2014-06-02 반사율이 개선된 반사편광필름 및 그를 채용한 액정디스플레이용 백라이트 유닛 KR101659819B1 (ko)

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KR20070114195A (ko) * 2005-02-28 2007-11-29 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 중합체 섬유 직물을 함유하는 광학 소자
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