KR20170026839A - 고굴절율을 갖는 실리콘계 확산제, 그 제조방법, 이를 포함하는 수지 조성물 및 광학 필름 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학식 1로 표시되는 반복 단위 및 이산화티탄 입자를 포함하며, 굴절율이 1.45 내지 1.50인 실리콘계 확산제와 그 제조 방법 및 이를 포함하는 수지 조성물 및 광학 필름에 관한 것이다.

Description

고굴절율을 갖는 실리콘계 확산제, 그 제조방법, 이를 포함하는 수지 조성물 및 광학 필름{SILICON-BASED DIFFUSER, METHOD FOR PREPARING THEREOF, RESIN COMPOSITION AND OPTICAL FILM COMPRISING THE SAME}

본 발명은 고굴절율을 갖는 실리콘계 확산제, 그 제조방법, 이를 포함하는 수지 조성물 및 광학 필름에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 광 투과율이 우수하여 LED 조명에 적합한 실리콘 확산제, 그 제조방법, 이를 포함하는 수지 조성물 및 광학 필름에 관한 것이다.

실리카나 폴리오가노실세스퀴옥산 미립자와 같은 실리콘계 미립자는 다양한 산업적 목적으로 널리 사용된다. 특히, 폴리오가노실세스퀴옥산 미립자는 3차원 망상의 분자 구조로 되어 있으면서도 각종 고분자 물질이나 유기용매에 대한 상용성이 우수하여 LCD-TV 등에 적용되는 확산판의 확산제로 사용되고 있다.

또한, 최근에는 LED 조명의 스팟(spot) 차폐 목적으로 실리콘계 미립자를 포함하는 확산판을 사용하는 방안이 검토되고 있다. LED 조명에 적용되는 확산판의 경우, TV용 확산판과는 달리 고헤이즈 특성보다는 조명의 휘도를 증대시킬 수 있는 고투과 특성의 확산판이 선호되는 추세이다. 그러나 현재 일반적으로 사용되는 폴리오가노실세스퀴옥산 확산제는 굴절율이 1.43 수준으로 낮아 헤이즈 특성은 우수하나, 수지와의 굴절율 차이가 커 광 투과율이 떨어진다는 문제점이 있다.

한국공개특허 10-2008-0057593호에는 폴리실세스퀴옥산 미립자를 표면처리하여 광 투과율을 개선하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 상기 방법에 따라 제조된 미립자 자체의 굴절율은 여전히 낮은 수준이기 때문에 광 투과율 향상 효과에 한계가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 티탄과 같은 고굴절 물질을 포함하는 모노머와 알콕시 실란계 모노머를 중합시켜 실리콘계 확산제의 굴절율을 향상시키고자 하는 시도가 있었다. 그러나, 상기 방법은 티탄계 모노머의 반응성과 실란 모노머의 알콕사이드의 반응 속도 차이로 인해 중합이 원활하게 이루어지지 않는다는 문제점이 있었다.

확산판의 광 투과율을 향상시키기 위한 다른 방안으로, 실리콘 미립자와 아크릴계 미립자를 혼합하여 사용함으로써 수지와의 굴절율 차이를 감소시키는 방안도 고려될 수 있으나, 이 경우 이종 미립자를 포함함으로 인해 광학 성능이 불균일해질 수 있고, 압출 공정 온도에 제약이 따르며, 황변이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 종래의 실리콘계 확산제에 비해 고굴절율을 가져 수지와 혼합하여 사용하였을 때 광 투과율이 우수한 실리콘계 확산제를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 고굴절율을 갖는 실리콘계 확산제의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 고굴절율을 갖는 실리콘계 확산제를 포함하는 수지 조성물 및 이를 성형하여 제조되는 광학 필름을 제공하는 것이다.

일 측면에서, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위 및 이산화티탄 입자를 포함하며, 굴절율이 1.45 내지 1.50인 실리콘계 확산제를 제공한다.

[화학식 1]

RSiO_1.5-x(OH)_x

상기 [화학식 1]에서, R은 탄소수 1 ~ 6인 알킬기, 비닐기 또는 탄소수 6~20의 아릴기이며, 0 < x < 1.5임.

상기 실리콘계 확산제는 예를 들면, 폴리오가노실세스퀴옥산을 포함할 수 있다.

상기 이산화티탄 입자는 상기 실리콘계 확산제의 내부 및 표면에 존재할 수 있으며, 실리콘계 확산제 전체 중량을 기준으로 2 중량% 내지 7 중량%의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.

다른 측면에서, 본 발명은 (a) 오가노트리알콕시실란과 물을 혼합하여 졸 용액을 형성하는 단계, (b) 상기 졸 용액에 이산화티탄 입자를 혼합하여 혼합액을 형성하는 단계, 및 (c) 상기 혼합액의 pH를 8 내지 11로 유지시켜 졸-겔 반응시키는 단계를 포함하는 실리콘계 확산제의 제조 방법을 제공한다.

상기 오가노트리알콕시실란은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물일 수 있다.

[화학식 2]

R₁Si(OR₂)₃

상기 화학식 2에서 R₁은 탄소수 1 ~ 6의 알킬기, 비닐기 또는 탄소수 6 ~ 20의 아릴기이며, R₂는 탄소수 1 ~ 5의 알킬기임.

또한, 상기 오가노트리알콕시실란과 이산화티탄은 98 : 2 내지 93 : 7 의 중량 비율로 혼합될 수 있다.

상기 본 발명에 따른 실리콘계 확산제 제조방법은, 상기 (c) 단계 이후에 반응액을 여과, 수세 및 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 열가소성 수지, 및 상기 본 발명에 따른 실리콘 확산제를 포함하는 수지 조성물을 제공한다.

이때, 상기 열가소성 수지는, 예를 들면, 폴리카보네이트 수지일 수 있으며, 상기 실리콘계 확산제는 열가소성 수지 100중량부에 대하여 0.1 내지 5중량부의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 수지 조성물을 이용하여 성형된 광학 필름을 제공한다. 상기 광학 필름은 광 투과율이 80% 이상일 수 있다.

본 발명의 실리콘계 확산제는 실리콘 중합 시에 고굴절을 갖는 이산화티탄을 함께 중합함으로써, 종래의 실리콘계 확산제에 비해 상대적으로 높은 1.45 내지 1.50의 굴절율을 갖는다.

이와 같이 고굴절율을 갖는 본 발명의 실리콘계 확산제와 열가소성 수지를 포함하는 수지 조성물을 이용하여 광학 필름을 제조할 경우, 확산제와 열가소성 수지 사이에 굴절율 차이가 적어 광 투과율이 향상되어 고투과 특성이 요구되는 LED 조명에 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 광학 필름은 광학 성능이 균일하고, 황변 등의 문제가 발생되지 않는다.

본 발명자들은 LED 조명에 적합한 고굴절율을 갖는 실리콘계 확산제를 제조하기 위해 연구를 거듭한 결과, 오가노트리알콕시 실란의 중합 시에 이산화티탄 입자를 첨가하여 함께 반응시킬 경우, 종래의 실리콘계 확산제에 비해 높은 굴절율을 갖는 실리콘계 확산제를 제조할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.

이하, 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

실리콘계 확산제의 제조방법

먼저, 본 발명의 실리콘계 확산제의 제조방법에 대해 설명한다.

본 발명의 실리콘계 확산제는 실리콘계 확산제의 원료물질인 오가노트리알콕시실란과 이산화티탄을 혼합한 후 졸-겔 반응을 진행시켜 제조된다.

구체적으로는, 본 발명에 따른 실리콘계 확산제의 제조 방법은, (a) 오가노트리알콕시실란과 물을 혼합하여 졸 용액을 형성하는 단계, (b) 상기 졸 용액에 이산화티탄 입자를 혼합하여 혼합액을 형성하는 단계, 및 (c) 상기 혼합액의 pH를 8 내지 11로 조절하여 졸-겔 반응시키는 단계를 포함한다.

먼저, 오가노트리알콕시실란과 물을 혼합한 후 교반하여 졸(sol) 용액을 형성한다((a) 단계).

이때, 상기 오가노트리알콕시실란은 하기 [화학식 2]로 표시되는 화합물일 수 있다.

[화학식 2]

R₁Si(OR₂)₃

상기 화학식 2에서 R₁은 탄소수 1 ~ 6의 알킬기, 비닐기 또는 탄소수 6 ~ 20의 아릴기이며, R₂는 탄소수 1 ~ 5의 알킬기이다. 바람직하게는, 상기 R₁은 메틸기, 에틸기 또는 페닐기일 수 있으며, 상기 R₂는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 또는 부틸기일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 R₁ 및 R₂는 메틸기일 수 있다.

상기 오가노트리알콕시실란의 함량은 전체 졸 용액에 대하여 5 ~ 50중량% 일 수 있으며, 상기 교반은, 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들면, 80 ~ 250rpm으로 1 ~ 4 시간 동안 수행될 수 있다. 상기와 같은 과정을 통해 졸 용액이 형성되면, 상기 졸 용액에 이산화티탄 입자를 첨가하여 혼합액을 형성한다((b)단계).

상기 이산화티탄 입자는, 오가노트리알콕시실란 : 이산화티탄 입자의 중량비율이 98 : 2 내지 93 : 7, 바람직하게는 98 : 2 내지 95 : 5, 더 바람직하게는 98 : 2 내지 96 : 4가 되도록 첨가되는 것이 바람직하다. 배합비가 상기 범위를 만족할 때, 적절한 굴절율, 즉 1.45 내지 1.50의 굴절율을 갖는 실리콘계 확산제가 제조될 수 있다.

또한, 상기 이산화티탄 입자는, 평균 직경이 10nm 내지 1000nm, 바람직하게는 50nm 내지 800nm, 더 바람직하게는 100nm 내지 500nm 일 수 있다. 이산화티탄 입자의 크기가 상기 범위를 만족할 경우, 이산화티탄 입자가 오가노트리알콕시실란 중합시에 고르게 분산되어 실리콘계 확산제 내부 및 외부에 균일하게 분포될 수 있다.

상기와 같은 방법으로 이산화티탄 입자가 포함된 혼합액이 형성되면, 상기 혼합액의 pH를 8 내지 11, 바람직하게는 9 내지 10으로 조절하여 졸-겔 반응을 진행한다((c) 단계). 혼합액의 pH가 상기 범위를 벗어날 경우에는 반응이 원활하게 진행되지 않는다.

한편, 상기 pH 조절은 혼합액에 염기성 수용액을 첨가함으로써 수행될 수 있으며, 상기 염기성 수용액으로는, 예를 들면, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 수용액, 암모니아 수용액 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 상기 혼합액의 pH는 9 ~ 10으로 조절될 수 있다.

상기 졸-겔 반응이 완료되면 매트릭스를 이루는 폴리실세스퀴옥산의 사슬 사이에 이산화티탄 입자가 삽입되어 있는 형태의 실리콘 라텍스가 형성되게 된다. 상기와 같은 실리콘 라텍스를 포함하는 반응 용액을 여과, 수세 및 건조함으로써, 미립자 형태의 실리콘계 확산제를 수득할 수 있다. 이때, 상기 여과, 수세 및 건조는 당해 기술 분야에 잘 알려진 방법을 통해 수행될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 여과 및 수세는 원심분리기를 이용해 수행될 수 있으며, 상기 건조는 스프레이 드라이어나 스핀 플래쉬 드라이어, 건조 오븐 등을 이용해 수행될 수 있다.

이때, 상기 건조는 실리콘계 확산제 내의 수분 함량이 약 5% 이하, 바람직하게는 3% 이하가 되도록 수행될 수 있다.

실리콘계 확산제

다음으로, 본 발명의 실리콘계 확산제에 대해 설명한다.

본 발명의 실리콘계 확산제는 상기 본 발명의 방법에 따라 제조되며, 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위와 이산화티탄 입자를 포함한다.

[화학식 1]

RSiO_{1 .5- x}(OH)_x

상기 [화학식 1]에서, R은 탄소수 1 ~ 6인 알킬기, 비닐기 또는 탄소수 6~20의 아릴기이며, 0 < x < 1.5이다. 바람직하게는, 상기 R은 메틸기, 에틸기 또는 페닐기일 수 있으며, 더 바람직하게는 메틸기일 수 있다.

보다 구체적으로는, 상기 실리콘계 확산제는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 폴리오가노실세스퀴옥산과 이산화티탄을 포함한다.

이때, 상기 이산화티탄 입자는 상기 실리콘계 확산제의 내부 및 표면에 존재한다. 구체적으로는, 상기 이산화티탄 입자는 폴리오가노실세스퀴옥산이 이루는 3차원 망상 구조 내에 삽입되어 실리콘계 확산제의 표면과 내부에 고르게 분산된 상태로 존재한다.

이때, 상기 이산화티탄 입자는 평균 10nm 내지 1000nm, 바람직하게는 50nm 내지 800nm, 더 바람직하게는 100nm 내지 500nm일 수 있다. 또한, 상기 이산화티탄 입자는 실리콘계 확산제 전체 중량을 기준으로 2 중량% 내지 7 중량%, 바람직하게는 2중량% 내지 5중량%, 더 바람직하게는 2중량% 내지 4중량%의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다. 이산화티탄 입자의 함량이 상기 범위를 만족할 경우, 최적의 굴절율을 구현할 수 있다.

종래의 실리콘계 확산제의 굴절율이 1.43인데 반해, 본 발명에 따른 실리콘계 확산제는 실리콘계 확산제에 포함된 고굴절 물질인 이산화티탄의 존재로 인해 1.45 내지 1.50의 고굴절율을 갖는다. 바람직하게는, 상기 실리콘 확산제는 굴절율이 1.45 내지 1.48, 더 바람직하게는 1.45 내지 1.47 일 수 있다. 이에 따라 열가소성 수지와의 혼합하였을 때, 실리콘계 확산제와 열가소성 수지 사이의 굴절율 차이가 적어져 광 투과율이 향상되게 된다.

상기 실리콘계 확산제는 평균 입경이 0.5㎛ 내지 10㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 10㎛, 더 바람직하게는 1㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 실리콘계 확산제의 평균 입경이 상기 범위를 만족할 경우, 우수한 확산 특성 및 광 투과율을 구현할 수 있다.

수지 조성물

본 발명에 따른 수지 조성물은 열가소성 수지와 상기한 본 발명의 실리콘계 확산제를 포함한다. 실리콘계 확산제에 대해서는 상술하였으므로, 여기서는 열가소성 수지에 대해서만 설명한다.

상기 열가소성 수지는 광학 부재를 제조하기에 적합한 것이면 되고, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 열가소성 수지는 염화비닐계 수지, 스티렌계 수지, 스티렌-아크릴로니트릴계 수지, 아크릴계 수지, 아크릴-스티렌계 수지, 에스테르계 수지 또는 폴리카보네이트 수지 등일 수 있다. 성형성 및 광 특성 등을 고려할 때, 이중에서도 폴리카보네이트 수지가 특히 바람직하다.

한편, 상기 조성물은 열가소성 수지 100중량부에 대하여 실리콘계 확산제를 0.1 내지 5 중량부로 포함할 수 있다. 실리콘계 확산제의 함량이 상기 범위를 만족할 경우, LED 조명용으로 사용하기에 적합한 헤이즈 특성 및 광 투과 특성을 얻을 수 있다.

한편, 상기 수지 조성물에는, 필요에 따라 안정제, 자외선 흡수제, 점도 조절제 등과 같은 첨가제가 더 포함될 수 있다.

한편, 상기 본 발명의 수지 조성물은 당해 기술 분야에 잘 알려져 있는 공지의 방법을 통해 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 수지 조성물은 상기한 열가소성 수지, 실리콘계 확산제 및 첨가제 등을 헨셀믹서, V 블렌더, 텀블러 블렌더 또는 리본 블렌더 등을 통해 혼합한 후 용융 압출하여 펠릿 형태로 제조될 수 있다.

광학 필름

본 발명에 따른 광학 필름은 상기 본 발명에 따른 수지 조성물을 이용하여 제조된다. 이때, 상기 광학 필름의 제조는 당해 기술 분야에 잘 알려진 필름 제조 방법들, 예를 들면, 용액 캐스터법이나 압출법 등을 이용하여 수행될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.

상기와 같이 본 발명에 따른 수지 조성물을 이용하여 제조된 광학 필름은 확산 특성을 가지면서도 광 투과율이 80% 이상으로 우수하여, 고투과 특성이 요구되는 LED 조명에 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

실시예 1 ~ 3 및 비교예 1

메틸트리메톡시 실란 420g을 증류수 2580ml에 분산시키고 1시간 동안 교반하였다. 그런 다음, 평균 입경 300nm의 이산화티탄 입자를 하기 [표 1]에 기재된 함량대로 첨가하여 실리콘계 확산제를 제조하였다. 제조된 실리콘계 확산제의 굴절율은 하기 [표 1]에 기재된 바와 같다.

그런 다음, 폴리카보네이트 수지 100중량부에 실리콘 확산제 1.0 중량부를 혼합하고, 용융, 혼련 압출하여 펠렛을 제조하였다. 이때, 상기 압출은 L/D가 29이고, 직경이 45mm인 이축 압출기를 사용하였다. 제조된 펠렛을 80에서 6시간 건조한 후, 6 oz 사출기에서 사출하여 1.5t 두께의 필름 시편을 제조하였다.

상기와 같이 제조된 필름 시편의 광 투과율(TT) 및 휘도를 하기 방법에 따라 측정하였다. 측정 결과는 하기 [표 1]에 기재하였다.

물성 평가 방법

(1) 광 투과율(TT): Nippon Denshoku사의 Haze meter NDH 2000 장비를 이용하여 전광선 투과율(Total Transmission, TT)을 측정하였다.

(2) 휘도(단위:Cd/㎡): 실시예 1~3 및 비교예 1에 따라 제조된 실리콘 확산제를 포함하는 필름 시편을 상기 방법에 따라 각각 5개씩 제조한 다음, 각 시편에 대하여, 휘도를 3번씩 측정하여 평균 휘도값을 구하였다. 동일한 함량의 실리콘 확산제를 갖는 시편들에서 측정된 평균 휘도값 중 최대값과 최소값을 제외한 나머지 평균 휘도값들의 다시 평균화하여 얻어진 값을 휘도로 기재하였다. 이때, 상기 각 시편의 휘도는 Portable Luminometer (Nippon Denshoku, NL-1)으로 측정하였다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1
실리콘 확산제 굴절율	1.45	1.48	1.50	1.43
TiO2 함량 (중량%)	2	5	7	0
TT(%)	80.3	83.4	89.4	75
휘도(Cd/㎡)	800	830	890	650

상기 [표 1]에 기재된 바와 같이, 이산화티탄이 포함된 실리콘계 확산제를 사용한 실시예 1 내지 3의 경우, 광 투과율이 비교예 1에 비해 현저하게 향상되었음을 알 수 있다.

Claims (13)

1. 하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위 및 이산화티탄 입자를 포함하며,
   굴절율이 1.45 내지 1.50인 실리콘계 확산제.
   [화학식 1]
   RSiO_{1 .5- x}(OH)_x
   상기 [화학식 1]에서, R은 탄소수 1 ~ 6인 알킬기, 비닐기 또는 탄소수 6~20의 아릴기이며, 0 < x < 1.5임.
2. 제1항에 있어서,
   상기 실리콘계 확산제는 폴리오가노실세스퀴옥산을 포함하는 실리콘계 확산제.
3. 제1항에 있어서,
   상기 이산화티탄 입자는 상기 실리콘계 확산제의 내부 및 표면에 존재하는 실리콘계 확산제.
4. 제1항에 있어서,
   상기 이산화티탄 입자는 실리콘계 확산제 전체 중량을 기준으로 2 중량% 내지 7 중량%의 함량으로 포함되는 실리콘계 확산제.
5. (a) 오가노트리알콕시실란과 물을 혼합하여 졸 용액을 형성하는 단계;
   (b) 상기 졸 용액에 이산화티탄 입자를 혼합하여 혼합액을 형성하는 단계; 및
   (c) 상기 혼합액의 pH를 8 내지 11로 유지시켜 졸-겔 반응시키는 단계를 포함하는 실리콘계 확산제의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 오가노트리알콕시실란은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물인 실리콘계 확산제의 제조방법:
   [화학식 2]
   R₁Si(OR₂)₃
   상기 화학식 2에서 R₁은 탄소수 1 ~ 6의 알킬기, 비닐기 또는 탄소수 6 ~ 20의 아릴기이며, R₂는 탄소수 1 ~ 5의 알킬기임.
7. 제5항에 있어서,
   상기 오가노트리알콕시실란과 이산화티탄은 98 : 2 내지 93 : 7의 중량비율로 혼합되는 것인 실리콘계 확산제의 제조방법.
8. 제5항에 있어서,
   상기 (c) 단계 이후에 반응액을 여과, 수세 및 건조하는 단계를 더 포함하는 실리콘계 확산제의 제조방법.
9. 열가소성 수지; 및
   청구항 1의 실리콘계 확산제를 포함하는 수지 조성물.
10. 제9항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 폴리카보네이트 수지인 수지 조성물.
11. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘계 확산제는 열가소성 수지 100중량부에 대하여 0.1 내지 5중량부의 함량으로 포함되는 수지 조성물.
12. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항의 수지 조성물을 이용하여 성형된 광학 필름.
13. 제12항에 있어서,
    상기 광학 필름은 광 투과율이 80% 이상인 광학 필름.