KR20170047803A - 유기형광염료를 포함하는 광전환 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛 및 디스플레이 장치 - Google Patents

유기형광염료를 포함하는 광전환 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛 및 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 출원은 투명 기판; 및 상기 투명 기판의 일면에 구비되고 고분자 매트릭스 및 상기 고분자 매트릭스 중에 분산된 1종 이상의 유기형광염료를 포함하는 적어도 하나의 광전환 필름을 포함하고, 상기 고분자 매트릭스는 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자를 포함하는 것인 광전환 소자, 백라이트 유닛 및 디스플레이 장치에 관한 것이다.

Description

유기형광염료를 포함하는 광전환 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛 및 디스플레이 장치{LIGHT CONVERSION DEVICE COMPRISING ORGANIC FLUORESCENCE DYE AND BACKLIGHT UNIT AND DISPLAY APPARATUS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 근자외선에서 가시광선 영역에서 선택되는 파장의 빛을 광원으로부터 흡수하여 특정 파장(색)의 가시광선으로 변환하는 광전환 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛 및 디스플레이 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 유기형광염료를 포함하는 광전환 소자 및 이를 구비한 백라이트 유닛 및 디스플레이 장치와 관련된다.
일반적으로 형광체는 외부로부터 빛이나 전기 등의 형태로 에너지를 흡수하여 고유한 파장의 빛을 내는 발광물질로, 형광체를 구성하는 성분 및 발광기구에 따라 무기형광체, 유기형광염료, 나노결정 형광체 등으로 구분할 수 있다.
최근 이와 같은 형광체들을 활용하여 광원의 스펙트럼을 수정하려는 노력이 다양하게 시도되고 있다. 이는 광원으로부터 나오는 빛의 특정 파장 일부를 형광체가 흡수하고 이를 가시광선 영역에 있는 보다 긴 파장의 빛으로 변환하여 출사시키는 것으로, 형광체의 발광특성에 따라 출사된 빛의 밝기와 색순도, 색재현성 등을 크게 향상시킬 수 있다.
무기형광체는 황화물, 산화물, 질화물 등의 모체와 활성제 이온으로 구성되며 물리적, 화학적 안정성이 우수하고 높은 색순도를 재현할 수 있어 고품질의 디스플레이 장치에 응용될 수 있으나 형광체의 가격이 매우 비싸고 발광효율이 낮으며, 특히 400 nm 이상의 근자외선 또는 청색 영역에서 여기되어 발광하는 형광체의 개발이 제한적이라는 단점이 있다.
수 나노미터 크기의 Ⅱ-Ⅳ족 또는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 입자로 이루어진 나노결정 형광체는 유기형광염료와 달리 입자의 크기에 따라 형광파장이 달라지는데, 입자의 크기가 작아질수록 짧은 파장의 빛을 내며, 크기를 조절하여 원하는 파장의 가시광선 영역을 모두 표현할 수 있다. 또한 나노결정 형광체는 일반적인 유기염료에 비해 흡광계수가 100~1000배 크고 양자효율도 높으므로 매우 강한 형광을 발생시키고 특히 전도대의 바닥진동상태에서 가전자대의 바닥진동상태로의 전이만을 관찰하므로, 형광파장이 거의 단색광을 나타낸다. 그러나, 높은 원재료 단가로 인해 가격 경쟁력을 확보하기 어렵고 특히 열이나 산소 등에 취약하다는 단점이 있다.
이에 반해 유기형광염료는 무기형광체에 비해 발광 스펙트럼이 다양하고 양자효율이 우수하며 특히 가격이 저렴한 장점이 있어 광전환 소자로 활용할 가치가 충분하다. 하지만 유기형광염료를 통과하는 빛의 변환효율과 변환된 빛의 세기를 높이기 위해서는 농도를 높여야 하는데 이러한 경우 농도에 의한 소광 현상을 피할 수 없고, 특히 열이나 빛에 대한 안정성이 떨어지는 것으로 알려져 있다.
한국 출원 공개 제2000-0011622호
본 출원의 실시상태들은 유기형광염료를 포함하는, 내구성 및 변환효율이 우수한 광전환 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛 및 디스플레이 장치를 제공한다.
본 출원의 일 실시상태는 투명 기판; 및 상기 투명 기판의 일면에 구비되고 고분자 매트릭스 및 상기 고분자 매트릭스 중에 분산된 1종 이상의 유기형광염료를 포함하는 적어도 하나의 광전환 필름을 포함하고, 상기 고분자 매트릭스는 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자를 포함하는 것인 광전환 소자를 제공한다.
본 발명자들은 유기형광염료의 내광성을 저해시키는 주요 인자가 단일항 산소(singlet oxygen)이며 단일항 산소의 생성을 최소화 하는 것이 내광성을 향상시키기 위하여 필요하다는 사실을 밝혀내었다. 단일항 산소는 바닥상태의 삼중항 산소가 유기형광염료의 삼중항 전자(triplet exciton)으로부터 에너지를 제공받아 형성되는데, 단일항 산소는 불안정한 상태이며 매우 반응성이 강해서 주위에 있는 유기형광염료의 산화 반응 및 분해 반응을 촉진시킬 수 있다.
단일항 산소의 생성을 억제하기 위해서 외부로부터의 산소 공급을 차단하는 배리어층의 도입이 검토되었으나, 배리어층만으로는 그 효과가 충분하지 않고, 충분한 효과를 제공할 수 있는 배리어층을 제공하기 위한 시도는 제조 원가의 상승을 야기하므로 바람직하지 않다. 따라서 산소의 투과율이 낮은 고분자 바인더 수지를 유기형광염료와 혼합하여 광전환 필름을 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 디스플레이나 조명으로서의 적용을 위한 투과율을 함께 고려하여 광전환 필름의 고분자 매트릭스로서 PMMA, SAN 등의 바인더가 일반적으로 사용될 수 있다.
그러나, 상기와 같은 종류의 바인더를 사용하는 경우에도, 필름 형성 단계에서 혼입된 산소 및 외부로부터 지속적으로 투과되는 산소는 피할 수 없으며, 유기형광염료로부터 생성된 삼중항 전자에 의해 단일항 산소가 생길 수 밖에 없다. 본 명세서에 기재된 실시상태들에 따르면, 유기형광염료가 분산된 광전환 필름의 고분자 매트릭스에 산 성분을 일정 함량으로 포함함으로써 외부 산소의 유입을 차단함과 동시에 단일항 산소의 수명을 짧게 하여 유기형광염료를 단일항 산소로부터 효과적으로 보호하여 내광성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 있어서, 산 성분이란 고분자 중합시 사용된 산기를 포함하는 단량체를 의미한다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자는 산성분을 1 내지 20 중량% 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자는 (메트)아크릴계 단량체 및 산기를 포함하는 단량체를 포함하는 공중합체이다. 상기 (메트)아크릴계 단량체로는 알킬기로 치환된 (메트)아크릴계 단량체가 사용될 수 있으며, 예컨대 메틸아크릴레이트 또는 메틸메타크릴레이트가 사용될 수 있다. 상기 산기를 포함하는 단량체로는 아크릴산 또는 메타크릴산이 사용될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 중합체 또는 공중합체가 단량체를 포함한다는 것은 단량체가 당기술분야에 알려진 중합 공정에 의하여 중합되어 중합체 내에 결합된 상태를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에 있어서 "(메트)아크릴계 단량체"는 아크릴계 단량체와 메타크릴계 단량체를 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 산기를 포함하는 단량체는 카르복실산기를 포함한다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자는 메틸메타크릴레이트 및 상기 메틸메타크릴레이트 100 중량부에 대하여, 산기를 포함하는 단량체 1 내지 25 중량부를 포함하는 메타크릴계 공중합체이다. 상기 메타크릴계 공중합체는 상기 메틸메타크릴레이트와 공중합가능한 단량체, 예컨대 아크릴계 단량체 또는 아크릴로니트릴계를 더 포함할 수 있다. 상기 메틸메타크릴레이트와 공중합가능한 단량체는 상기 메틸메타크릴레이트 100 중량부에 대하여 1 ~ 25 중량부로 포함될 수 있다. 상기 아크릴계 단량체로는 메틸아크릴레이트나 에틸아크릴레이트와 같은 알킬아크릴레이트가 사용될 수 있다.
이와 같은 메타크릴계 공중합체는 상기 범위의 단량체들을 포함하는 경우 잔류단량체가 적을 뿐 아니라 내화학성이 뛰어나고, 높은 광투과율을 보일 뿐 아니라 내열성이 우수하다.
상기 메타크릴계 공중합체가 메틸아크릴레이트와 같은 아크릴계 단량체를 포함하는 경우 열분해성이 향상될 수 있다.
상기 메타크릴산은 메틸메타크릴레이트100 중량부에 대하여, 1 ~ 25 중량부로 포함될 수 있으며, 구체적으로 4 ~ 15 중량부로 포함될 수 있다. 1 중량부 이상으로 사용되는 경우엔 내열성이 우수하고, 25 중량부 이하로 사용되는 경우에는 중합 안정성이 우수하고 카르복실기로 인한 수분 흡습성이 증가를 방지할 수 있다. 상기 범위에서 메타크릴산을 함유하였을 때 공중합체의 유리전이온도(Tg)가 높아져 우수한 내열성을 갖는 공중합체를 제공할 수 있다.
상기 메타크릴계 공중합체는 사슬이동제 및 분산 안정제를 포함하여 중합을 수행할 수 있다.
전술한 메타크릴계 공중합체는 당기술분야에 알려져 있는 반응 재료 및 조건을 이용하여 공중합함으로써 제조될 수 있다. 예컨대, 전술한 메타크릴계 공중합체는 기존의 자유라디칼 중합법을 이용하여 괴상중합, 용액중합, 현탁중합, 유화중합으로 제조될 수 있으며, 이물에 의한 오염을 최소화하기 위해서는 괴상중합이나 현탁중합이 바람직하다. 라디칼 개시제를 사용한 현탁 중합법은 반응열을 효과적으로 분산시킬 수 있으며, 온도제어가 비교적 간단한 장점이 있다. 상기 메타크릴계 공중합체는 중합개시제를 포함하여 중합할 수 있으며, 중합개시제로는 과산화물 개시제나 아조계열 개시제를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 2,2'-아조비스 이소부티로니트릴을 사용할 수 있다.
상기 중합 반응은 제한받지 않으나 2차로 진행될 수 있으며, 일차 중합은 반응온도 70 ~ 100에서 30 ~ 120분 지속함으로써 중합할 수 있으며, 일차 중합 후 100 ~ 130로 승온하여 20 ~ 60분간 지속하여, 2차 중합을 수행할 수 있다.
상기 사슬이동제(chain transfer agent)는 고분자의 분자량을 제어하기 위해서 사용할 수 있으며, 메르캅텐 계열을 사용할 수 있으나, 본 발명의 조건을 만족시키기 위하여 노말옥틸메르캅탄을 사용하는 것이 좋다. 상기 사슬이동제는 상기 단량체 혼합물 100 중량부에 대하여 0.1 ~ 0.5 중량부를 사용하는 것이 공중합체의 물성을 저해하지 않을 수 있다.
상기 분산 안정제로는 폴리비닐알콜 또는 메타크릴산과 메타크릴에스테르계 단량체에서 선택되는 하나 이상의 중합체를 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 분산 안정제는 60 ~ 100% 검화된 폴리비닐알콜 또는 메타크릴산과 메타크릴에스테르계 단량체에서 선택되는 하나 이상의 중합체로 측쇄에 친수성을 부여하는 술폰산기를 가지는 것을 사용할 수 있다. 상기 메타크릴에스테르계단량체의 예로써 메틸메타크릴레이트등을 들 수 있으며, 또한 상기 분산 안정제는 알카리금속염 또는 암모늄염을 포함할 수 있다.
상기 분산 안정제는 단량체 혼합물 100 중량부에 대하여, 0.005 ~ 1 중량부 포함할 수 있으며, 분산 안정제가 0.005 중량부 미만일 경우에는 중합 안정성이 저하될 수 있고, 1 중량부를 초과할 경우에는 입자의 크기가 너무 미세해져서 세척, 건조 공정 중에 유실이 많고 작업성이 떨어질 수 있다. 상기 메타크릴계 공중합체는 또한 분산조력제를 더 포함하여 중합할 수 있으며, 구체적인 예로서 붕산을 사용할 수 있다.
상기 메타크릴계 공중합체는 투명성, 가공성 등의 특성이 손상되지 않으면서, 내화학성 및 내열성이 현저히 향상되어 광전환 필름의 고분자 매트릭스로 유용할 뿐만 아니라, 전술한 바와 같이 외부 산소 유입을 차단함과 동시에 단일항 산소의 수명을 짧게 하여 유기형광염료를 단일항 산소로부터 효과적으로 보호하여 내광성을 향상시키는데 유리하다.
일 예에 따르면, 상기 메타크릴계 공중합체는 중량평균분자량이 10,000 내지 500,000일 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 광전환 소자는 광전환 필름을 2층 이상 포함할 수 있다. 복수의 광전환 필름들이 광원으로부터 입사된 빛을 각각 다른 파장(색)의 빛으로 전환할 수 있으며, 이 경우 광전환 소자는 예컨대 발광 다이오드(LED) 광원으로부터 입사된 빛을 백색광으로 전환하여 출사할 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 광전환 소자에 있어서, 상기 투명 기판이 배리어 필름이거나, 상기 광전환 필름의 적어도 일면에 구비된 배리어 필름을 더 포함한다. 배리어 필름은 상기 광전환 필름을 외부의 수분 또는 산소로부터 차단하는 배리어층을 포함한다.
상기 배리어층으로는 수분 또는 산소를 차단할 수 있는 층이라면 특별히 한정되지 않고 당기술분야에 알려져 있는 것들을 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 배리어 필름으로는 수분 및 산소 중 적어도 하나의 투과도가 10-1 cc/m2/day 이하인 배리어층을 포함한다. 예컨대, 상기 배리어 층은 수분 또는 산소 차단성을 부여하는 알루미늄 산화물 또는 질화물, 및 이온성 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 배리어필름은 버퍼층으로서 졸-겔계, 아크릴계, 에폭시계 및 우레탄계 코팅액 조성물 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 버퍼층을 더 포함할 수도 있다. 상기 광전환 필름의 일면에 구비된 전술한 투명 기판이 상기 버퍼층의 역할을 할 수도 있다.
일 예로서, 상기 배리어 필름은 기재의 일면 또는 양면에 유무기 하이브리드 코팅층, 무기물층 및 유기실란으로 표면개질된 무기 나노입자를 포함하는 보호코팅층을 포함할 수 있다. 여기서 무기물층은 금속 산화물 또는 질화물로 이루어질 수 있다. 상기 무기 나노입자는 알루미나, 실리카, 산화아연, 산화안티모늄, 산화티타늄, 산화지르코늄의 나노입자일 수 있다. 상기 유무기 하이브리드 코팅층은 유기실란을 포함하는 졸 상태의 코팅 조성물을 열 또는 UV에 의해 경화시켜 형성할 수 있으며, 상기 졸 상태의 코팅 용액 조성물은 유기실란과 함께, 경우에 따라 적절한 첨가제, 용매, 중합 촉매 등을 포함할 수 있다.
광전환 필름과 배리어 필름의 적층 구조는, 배리어 필름 상에 광전환 필름 형성용 조성물을 도포하거나, 점착제 또는 접착제에 의하여 광전환 필름과 배리어 필름을 부착함으로써 형성될 수 있다. 상기 조성물의 도포 후, 필요에 따라 경화 또는 건조가 수행될 수 있다. 배리어 필름이 버퍼층 및 배리어층을 포함하는 경우, 상기 광전환 필름과 배리어 필름의 적층 구조에서는 상기 광전환 필름이 상기 배리어 필름 중 배리어층과 접하도록 배치될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 광전환 필름과 상기 투명 기판 사이에 배리어 필름이 구비될 수 있다. 상기 투명 기판은 상기 배리어 필름의 버퍼층의 역할을 할 수도 있다. 투명 기판 상에 구비된 배리어 필름 상에 상기 광전환 필름 형성용 조성물을 도포함으로써, 투명 기판, 배리어 필름 및 광전환 필름이 적층된 구조를 형성할 수 있다. 이 경우, 투명 기판, 배리어층 및 광전환 필름이 적층된 구조로 형성될 수 있다.
또 하나의 예에 따르면, 상기 광전환 필름의 상기 투명 기판에 대향하는 면의 반대면에 배리어 필름이 구비될 수 있다. 이 경우, 광전환 필름과 배리어 필름 사이에 점착제 또는 접착제층을 형성함으로써, 광전환 필름과 배리어 필름을 부착할 수 있다. 상기 배리어 필름이 배리어층 및 버퍼층으로서 투명 기판을 포함할 수 있다. 이 경우, 광전환 필름, 점착제 또는 접착제 층, 배리어층 및 투명 기판이 적층된 구조로 형성될 수 있다.
또 하나의 예에 따르면, 상기 광전환 필름의 양면에 각각 배리어 필름이 구비될 수 있다. 광전환 필름의 양면에 형성된 각각의 배리어 필름의 구조는 상기 광전환 필름의 각 면에 구비된 배리어 필름에 관한 설명이 적용될 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 광전환 소자는 광원으로부터 입사된 빛을 광전환 필름 내부에서 확산시키는 광확산 입자들을 포함할 수 있다. 상기 광확산 입자들은 1종 이상의 유기형광염료를 포함하는 고분자 매트릭스 속에 분산될 수 있다. 광확산 입자들을 포함하는 광전환 필름은 광전환 뿐만 아니라 형광 확산을 할 수 있는 것으로서, 광전환 형광확산 필름이라고도 할 수 있다. 본 명세서에서는 광확산 입자들을 포함하는 광전환 필름은 광전환 형광확산 필름으로 언급될 수 있다.
상기 광확산 입자들은 광전환 필름의 광전환 효율을 높이기 위한 것으로, TiO2, 실리카 나노 입자들을 포함할 수 있으나, 당기술분야에 알려져 있는 재료들이 1종 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다. 상기 광확산 입자들의 평균 입경은 50 nm 이하일 수 있다. 상기 광확산 입자들은 고분자 매트릭스 중량 대비 0.5~5중량%로 사용될 수 있다.
상기 광전환 형광확산 필름의 적어도 일면에 배리어 필름이 구비될 수 있다. 예컨대, 배리어 필름 상에 광전환 형광확산 필름 형성용 조성물을 도포하여 광전환 형광확산 필름을 형성할 수 있다. 또한, 광전환 형광확산 필름 상에 접착제 또는 접착제 층을 이용하여 별도의 배리어 필름을 부착할 수 있다. 배리어 필름에 관한 설명은 전술한 광전환 필름에서 설명한 내용이 적용될 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 광전환 소자는 상기 투명 기판의 상기 광전환 필름에 대향하는 면의 반대면에 구비된 광추출판을 더 포함할 수 있다. 상기 투명 기판은 배리어 필름일 수 있다. 상기 광추출판과 상기 투명 기판은 점착제 또는 접착제에 의하여 부착될 수 있다. 예컨대, 상기 투명 기판의 상기 광전환 필름에 대향하는 면의 반대면에 구비된 점착제 또는 접착제 층에 의하여 상기 광추출판과 상기 투명 기판이 적층될 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 광전환 소자는 광원으로부터 입사된 빛이 상기 광전환 필름을 통해 전환되어 출사되는 빛을 추출하는 광추출판을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 광전환 필름이 구비된 배리어 필름의 타면에 형성된 점착제/접착제 층이, 광 추출판의 일면과 적층될 수 있다. 상기 광추출판은 전술한 광확산 입자들을 대신에 포함될 수도 있고, 필요에 따라 광확산 입자들을 포함함과 동시에 포함될 수도 있다.
상기 광추출판은 빛의 추출 효율을 향상시키기 위하여, 표면 또는 내부에 산란 구조를 갖거나, 내부에 굴절율이 상이한 2종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 광추출층은 투명 기판 상에 산란입자 및 바인더를 포함하는 조성물을 코팅하고, 건조 또는 경화를 함으로써 제조될 수 있다. 필요한 경우, 상기 산란입자 및 바인더를 포함하는 코팅층 상에 평탄화층이 더 구비될 수도 있다. 또 하나의 예로서, 상기 광추출층은 투명 기재에 마이크로 엠보싱을 통하여 요철 구조를 형성함으로써 제조될 수 있다. 필요한 경우, 상기 요철 구조 상에 평탄화층이 더 구비될 수도 있다.
본 출원의 실시상태들에 따르면, 유기형광염료가 분산된 광전환 필름의 고분자 매트릭스에 산 성분을 일정 함량으로 포함함으로써 외부 산소의 유입을 차단함과 동시에 단일항 산소의 수명을 짧게 하여 유기형광염료를 단일항 산소로부터 효과적으로 보호하여 내광성을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 11은 본 출원의 실시상태들에 따른 광전환 소자의 적층 구조를 예시한 것이다.
도 12는 유기형광염료로 BODIPY 계열의 녹색 염료를 사용하고, 종래의 PMMA 고분자와 본 발명의 일 예에 따른 PMMA 공중합체를 각각 이용하여 제조된 광전환 필름의 흡수 경시 변화를 나타낸 것이다.
도 13은 유기형광염료로 BODIPY 계열의 녹색 염료를 사용하고, 종래의 PMMA 고분자와 본 발명의 일 예에 따른 PMMA 공중합체를 각각 이용하여 제조된 광전환 필름의 발광 경시 변화를 나타낸 것이다.
도 14 및 도 15는 실시예 및 비교예 2의 흡수 경시 변화와 발광 경시 변화를 각각 나타낸 것이다.
이하, 도면을 기초로 본 출원의 실시상태들을 더욱 상세히 설명한다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 광전환 소자는, 도 1에 예시한 바와 같이, 투명 기판과, 상기 투명 기판 상에 구비된, 1종 이상의 유기형광염료를 포함하는 적어도 하나 이상의 광전환 필름을 포함한다. 상기 투명 기판은 PET 등과 같은 수지를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광전환 소자는 투명 기판과, 상기 투명 기판 상에 도포된 1종 이상의 유기형광염료와 광원으로부터 입사된 빛을 광전환 필름 내부에서 확산시키는 광확산 입자들이 분산된 적어도 하나 이상의 광전환 형광확산 필름을 포함할 수 있다. 여기서 광확산 입자는 TiO2 또는 실리카 입자를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 광확산 입자를 포함하는 광전환 필름의 구조를 도 2에 예시하였다.
상기 광전환 소자는 입사된 빛을 광전환 필름 내부에서 확산시키는 광확산 입자를 대신하여 광추출판을 포함할 수 있다. 상기 광전환 소자는 상기 투명 기판과, 상기 투명 기판의 일면에 구비된, 1종 이상의 유기형광염료를 포함하는 적어도 하나 이상의 광전환 필름과, 상기 투명 기판의 타면에 형성된 점착제/접착제 층에 의해 적층된 광추출판을 포함할 수 있으며, 광추출판을 포함하는 구조를 도 3에 예시하였다. 상기 광추출판은 광전환 필름의 변환효율을 높이기 위한 것으로 당 기술 분야에 알려져 있는 것이면 특별히 제한을 두지 않는다.
상기 광전환 필름 및/또는 광전환 형광확산 필름은 근자외선에서 가시광선 영역에서 선택되는 파장(색)을 포함하는 광원으로부터 입사된 빛을 특정 파장(색)의 빛으로 전환시키는 역할을 한다. 예컨대, 상기 광전환 필름은 LED 광원으로부터 입사된 빛을 백색광으로 전환하여 출사시키는 역할을 할 수 있다. 여기서 상기 광전환 필름 및/또는 광전환 형광확산 필름은 우수한 색순도 및 색재현성을 구현할 수 있는 유기형광염료를 포함할 수 있다. 유기형광염료는 기존의 양자점(Quantum dot, QD)에 비하여 높은 양자효율을 갖고, 원하는 발광파장의 조절이 용이하며, 우수한 색재현율을 달성할 수 있는 발광선폭을 가지며, 가격도 저렴한 장점이 있다.
상기 유기형광염료는 근자외선에서 가시광선 영역에서 선택되는 빛을 흡수하여, 흡수한 빛과 다른 파장의 빛을 출사하는 염료가 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 유기형광염료로는 최대 발광파장이 500~550 nm 사이에 존재하는 녹색 발광 형광염료 및/또는 최대 발광파장이 600~660 nm 사이에 존재하는 적색 발광 형광염료가 각각 1종 이상 또는 동시에 사용될 수 있다. 특별히 제한을 두는 것은 아니나 유기형광염료로는 BODIPY계열, 아크리딘계, 크산텐계, 아릴메테인계, 쿠마린계, 폴리시클릭 방향족 탄화수소계, 폴리시클릭 헤테로 방향족계, 페릴렌계, 피롤계, 피렌계 유도체 등이 바람직하다. 이상의 물질들은 유기형광염료의 일례로 이외에도 다양한 유기형광염료가 사용될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나 바람직하게는 유기형광염료의 반치폭(FWHM)이 60 nm 이하이고 몰흡광계수(molecular absorption coefficient)가 50,000~150,000 M-1cm- 1 인 것이 사용될 수 있다. 바람직하게는 스톡 쉬프트(stokes shift)가 100nm 이하인 것이 사용될 수 있다. 유기형광염료로는 스톡 쉬프트가 작고 형광 효율이 좋은 BODIPY계 또는 페릴렌계 염료가 바람직하다.
본 명세서에 있어서, 반치폭은 외부 광원으로부터 흡수한 빛을 다른 파장의 빛으로 전환하여 발광할 때, 발광한 빛의 최대 발광 피크에서 최대 높이의 절반일 때의 발광 피크의 폭을 의미한다. 본 명세서에 있어서, 반치폭은 필름 상태에서 측정된다. 유기형광염료의 필름 상태에서의 발광 피크의 반치폭이란, 용액 상태가 아니고, 상기 유기형광염료 단독으로 또는 반치폭을 측정하는데 영향을 미치지 않는 다른 성분과 혼합하여 필름 형태로 제조한 상태에 광을 조사하여 측정한 것을 의미한다. 더욱 바람직하게는 극성용매에 용해되는 모든 형광염료가 가능하며, 양이온성, 음이온성, 중성 염료로 구분하는 것은 아니나, 양이온성 또는 음이온성 유기형광염료가 보다 바람직하다.
상기 광전환 필름 및/또는 광전환 형광확산 필름으로는 상기 유기형광염료 및/또는 광확산 입자가 분산된 고분자 매트릭스를 포함하는 필름이 될 수 있다. 상기 고분자 매트릭스는 전술한 바와 같이, 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 고분자 매트릭스는 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자만으로 이루어질 수도 있지만, 필요에 따라, 상기 고분자 매트릭스는 다른 바인더 수지, 중합성 모노머 및 중합 개시제 중 적어도 하나를 포함하는 조성물의 경화물을 더 포함할 수 있다. 상기 다른 바인더 수지로는 광경화성 수지, 열경화성 수지, 열가소성 수지 등이 사용될 수 있으며, 수용성 고분자가 사용될 수도 있다. 바인더 수지는 1종 만이 사용될 수도 있으나, 2종 이상이 함께 사용될 수 있다.
상기 광전환 필름 및/또는 광전환 형광확산 필름은 배리어 층이 포함된 배리어 필름 상에 형성될 수 있다(도 4 및 도 5). 도 4 및 도 5에 있어서, 투명기판은 배리어층의 버퍼층 역할을 할 수 있다. 필요에 따라 추가의 버퍼층이 구비될 수도 있고, 투명기판이 생략될 수도 있다. 또한, 상기 광전환 필름 및/또는 광전환 형광확산 필름 상에는 점착제/접착제 층에 의해 배리어 층을 포함한 별도의 배리어 필름과 적층될 수 있다(도 6 및 도 7). 도 6 및 도 7에 있어서, 투명기판은 배리어층의 버퍼층 역할을 할 수 있다. 필요에 따라 추가의 버퍼층이 구비될 수도 있고, 투명기판이 생략될 수도 있다. 여기서 상기 배리어 층은 외부의 수분 및 산소가 필름 내부로 침투하는 것을 차단하는 역할을 한다. 유기형광염료를 포함하는 광전환 필름이 상온 이상의 높은 온도에서 광원으로부터 빛을 받아 다른 파장(색)의 빛으로 전환할 때 필름 내부로 침투하여 존재하는 산소나 수분과 반응하여 상기 필름의 파장, FWHM, 변환효율 등이 시간이 지남에 따라 변할 수 있다. 이에 본 출원의 실시상태에서는 필름의 광 특성 변화를 방지하기 위해 상기 광전환 필름의 일면 또는 양면에 배리어 필름이 적층되어 있다.
상기 배리어층의 산소 및 수분의 투과도는, 예를 들면 각각 10-1cc/m2/day 이하가 될 수 있다. 이는 배리어 필름의 일례로 언급한 것으로, 상기 배리어층의 산소 및 수분 투과도는 이와 다른 값을 가질 수도 있다.
상기 광전환 필름은 광전환 필름의 변환효율을 높이기 위해 광확산 입자 대신 광추출판을 포함할 수 있다. 이에 상기 광전환 필름은 상기 투명 기판과, 상기 투명 기판 상에 도포된 1종 이상의 유기형광염료를 포함하는 적어도 하나 이상의 광전환 필름과, 상기 투명 기판의 타면에 형성된 점착제/접착제 층에 의해 적층된 광추출판을 포함할 수 있다(도 8). 또한 상기 광전환 필름 상에는 점착제/접착제 층에 의해 배리어 층을 포함한 별도의 배리어 필름과 적층될 수 있다(도 9). 도 8 및 도 9에 있어서, 투명기판은 배리어층의 버퍼층 역할을 할 수 있다.
한편 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 복수의 광전환 필름 및/또는 광전환 형광확산 필름들이 순차적으로 배치될 수 있다. 예컨대, 광전환 소자는 투명 기판과, 상기 투명 기판 상에 형성된 배리어 층을 포함하는 배리어 필름과, 상기 배리어 필름 상에 도포된 유기형광염료 1을 포함하는 제1 광전환 필름 또는 제1 광전환 형광확산 필름과, 동일한 방법으로 마련된 유기형광염료 2를 포함하는 제2 광전환 필름 또는 제2 광전환 형광확산 필름을 포함할 수 있다. 상기 제1 광전환 필름 또는 제1 광전환 형광확산 필름과 상기 제2 광전환 필름 또는 제2 광전환 형광확산 필름은 서로 떨어져서 배치될 수도 있고, 서로 접하여 배치될 수도 있다.
예컨대, 광전환 필름들 또는 광전환 형광확산 필름들 사이에는 다른 필름이 개재될 수 있다. 또는, 제1 광전환 필름 또는 제1 광전환 형광확산 필름 상에 마련된 점착제/접착제 층에 의해 제2 광전환 필름 또는 제2 광전환 형광확산 필름과 적층되어 배치될 수 있다.
또한 상기 복수의 광전환 필름은 광전환 필름의 변환효율을 높이기 위해 광확산 입자 대신 광추출판을 포함할 수 있다. 도 10에 광추출판의 적층구조를 예시하였다.
복수의 광전환 필름 또는 광전환 형광확산 필름은, 예를 들면 광원으로부터 멀어질수록 긴 발광파장을 가지도록 배치될 수 있다. 예컨대, 도 10 및 도 11에 있어서, 제1 및 제2 광전환 필름 또는 광전환 형광확산 필름은 각각 적색 및 녹색 전환 필름이 될 수 있다. 그 결과 단일 색상의 LED 광원으로부터 흡수한 빛이 복수의 광전환 필름 또는 광전환 형광확산 필름을 통과하면서 백색광으로 전환될 수 있다. 상기 복수의 광전환 필름 또는 광전환 형광확산 필름의 배치는 예시적인 것에 불과하며, 각 광전환 필름 또는 광전환 형광확산 필름의 변환효율을 높이기 위한 배치 및/또는 구조는 당 기술 분야에 알려져 있는 것이면 특별히 제한을 두지 않는다.
도 10 및 도 11에는 각각 광전환 필름과 광전환 형광확산 필름을 2장씩 포함하는 구조가 도시되어 있으나, 필요에 따라 3장 이상의 필름을 포함할 수도 있다.
일 예에 따르면, 본 명세서의 실시상태들에 따른 광전환 필름 제조용 조성물은 유기형광염료, 필요에 따라 광확산 입자, 바인더 수지, 중합성 모노머 및 중합성 개시제를 포함한다. 상기 중합성 모노머는 상기 바인더 수지 중량 대비 10 내지 30% 사용될 수 있다. 유기형광염료는 상기 바인더 수지 중량 대비 0.001 내지 5%로 사용될 수 있다. 상기 중합성 개시제는 필요에 따라 양이 결정될 수 있으며, 전체 조성물의 고형분 중량 대비 0.01 내지 20 중량%로 사용될 수 있다. 상기 광전환 필름 제조용 조성물은 필요에 따라 용매를 더 포함할 수 있으며, 예컨대 바인더 수지가 수용성인 경우 용매로서 물을 사용할 수 있다. 상기 광전환 필름 제조용 조성물은 조성물 전체 용액 중 고형분 함량이 10~40중량%가 되도록 용매, 예컨대 물에 용해되어 사용되는 것이 바람직하다.
여기서 바인더 수지는 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자를 포함한다. 상기 바인더 수지로는 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자만을 이용할 수도 있고, 필요에 따라 다른 종류의 고분자를 더 사용할 수도 있다. 다른 종류의 바인더 수지로는 예컨대 폴리비닐알코올(poly(vinylalcohol)), 폴리알릴아민(polyallyamine) 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 폴리알릴아민으로는 폴리알릴아민(PAA) 또는 폴리알릴아민 하이드로클로라이드(PAH)가 사용될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리비닐알코올은 중량평균분자량(Mw)이 85,000~146,000인 폴리비닐알코올로서 96% 이하로 가수분해된 것이 바람직하다. 상기 폴리알릴아민은 중량평균분자량(Mw)이 58,000~900,000인 것이 바람직하다.
상기 중합성 모노머로는 글리시딜(glycidyl)류가 보다 바람직하며, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 알데히드(aldehyde)류, 디알데히드(dialdehyde)류, 이소시아네이트(isocyanate)류, 알코올(alcohol)류 등이 사용될 수 있다.
광전환 필름을 형성하기 위하여, 상기 조성물을 투명 기판 상에 도포한 후, 필요에 따라 경화 또는 건조를 수행할 수 있다. 상기 조성물 도포후 경화를 수행하는 경우 경화 방법 및 조건은 바인더 수지나 다른 성분들의 종류에 따라 결정될 수 있다.
상기 투명 기판은 PET 등과 같은 수지를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 당기술분야에 알려져 있는 투명 플라스틱 필름 또는 기판이 사용될 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태들에 따른 광전환 소자를 포함하는 백라이트 유닛을 제공한다. 백라이트 유닛은 광전환 소자를 제외하고는 당기술분야에 알려져 있는 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 백라이트 유닛은 엣지형 광원; 상기 엣지형 광원으로부터 받은 빛을 확산시키는 도광판; 및 상기 도광판의 일면에 구비된 광변환 소자를 포함할 수 있다. 또 하나의 예로서, 백라이트 유닛은 직하형 광원 및 상기 직하형 광원의 일면에 구비된 광전환 소자를 포함할 수 있다. 상기 도광판의 광전환 소자에 대항하는 면의 반대면에는 반사판이 구비될 수도 있고, 상기 광전환 소자의 광원 또는 도광판에 대향하는 면의 반대측에는 집광 시트, 휘도 향상시트 등이 추가로 구비될 수 있다.
본 출원의 또 하나의 실시상태는 상기 백라이트 유닛을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다. 디스플레이 장치는 상기 백라이트 유닛 내에 포함되는 광전환 소자를 제외하고는 당기술분야에 알려져 있는 구성을 가질 수 있다. 예컨대, 백라이트 유닛의 일면에 구비된 디스플레이 모듈을 포함할 수 있다. 상기 디스플레이 모듈은 박막트랜지스터 및 컬러필터를 포함하는 액정 모듈일 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 명세서에 기재된 실시상태를 예시한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다.
실시예
전체 용액 중량대비 10중량% PMAA 공중합체(메틸메타크릴레이트 90wt%, 메타크릴산 10 중량%, 중량평균분자량(Mw) 148,000(g/mole))가 용매에 녹아 있는 용액에 상기 공중합체 100 중량부 대비 0.3 중량부의 BODIPY계 녹색형광염료를 첨가하여 교반하여 조성물을 제조하고, 이 조성물을 플라스틱 기재 위에 건조 후 두께가 10 마이크로미터가 되도록 도포한 후 140 ℃ 건조 오븐에서 10분 동안 열풍건조시켜 녹색 광전환 필름을 제조하였다.
상기 녹색 광전환 필름을 포함하는 광전환 소자를 청색 광원 상에 배치한 후 60 ℃ 온도에서 청색 LED 백라이트 구동하에서 500시간까지 흡수 경시 변화 및 발광 경시 변화를 측정하여 그 결과를 도 12 및 도 13에 나타내었다. 도 12 및 도 13은 각각 초기 흡수도 및 초기 발광강도를 각각 1로 하였을 때의 상대적인 감소율을 나타낸 것이다.
비교예 1
PMAA 공중합체 대신 PMMA(메틸메타크릴레이트 호모폴리머, sigma-aldrich, 182230)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 광전환 필름을 제조하고, 흡수 경시 변화 및 발광 경시 변화를 측정하여 그 결과를 도 12 및 도 13에 나타내었다.
도 12 및 도 13에 나타난 바와 같이, 일반적인 PMMA에 비하여 산기를 포함하는 실시예 1의 공중합체를 사용한 경우, 경시적인 내광 특성이 크게 개선되었음을 알 수 있다.
비교예 2
메타크릴산의 함량이 25 중량%인 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 실시하였다. 흡수 경시 변화 및 발광 경시 변화를 측정하여 그 결과를 도 14 및 도 15에 나타내었다. 도 14 및 도 15의 실시예는 전술한 실시예의 결과를 표시한 것이다.
도 14 및 도 15에 나타난 바와 같이, 비교예 2에 비하여 실시예의 공중합체를 사용한 경우, 경시적인 내광 특성이 크게 개선되었음을 알 수 있다.

Claims (16)

  1. 투명 기판; 및 상기 투명 기판의 일면에 구비되고 고분자 매트릭스 및 상기 고분자 매트릭스 중에 분산된 1종 이상의 유기형광염료를 포함하는 적어도 하나의 광전환 필름을 포함하고, 상기 고분자 매트릭스는 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자를 포함하는 것인 광전환 소자.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자는 (메트)아크릴계 단량체 및 산기를 포함하는 단량체를 포함하는 메타크릴계 공중합체인 것인 광전환 소자.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 산 성분 1 중량% 이상 25 중량% 미만을 포함하는 고분자는 메틸메타크릴레이트 및 상기 메틸메타크릴레이트 100 중량부에 대하여, 산기를 포함하는 단량체를 1 ~ 25 중량부를 포함하는 메타크릴계 공중합체인 것인 광전환 소자.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 (메트)아크릴레이트계 단량체 및 산기를 포함하는 단량체를 포함하는 공중합체는 아크릴계 단량체 또는 아크릴로니트릴계 단량체를 더 포함하는 것인 광전환 소자.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 아크릴계 단량체 또는 아크릴로니트릴계 단량체는 상기 메틸메타크릴레이트 100 중량부에 대하여 1 ~ 25 중량부로 포함되는 것인 광전환 소자.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 메타크릴계 공중합체는 사슬이동제 및 분산 안정제를 더 포함하는 것인 광전환 소자.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 광전환 필름은 최대 발광파장이 500~550 nm 사이에 존재하는 녹색 발광 형광염료 및 최대 발광파장 600~660 nm 사이에 존재하는 적색 발광 형광염료 중 적어도 하나를 1종 또는 2종 이상 포함하는 것인 광전환 필름.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 유기형광염료는 반치폭(FWHM)이 60 nm 이하이고 몰흡광계수(molecular absorption coefficient)가 50,000~150,000 M-1cm- 1 인 것인 광전환 필름.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 투명 기판이 배리어 필름이거나, 상기 광전환 필름의 적어도 일면에 구비된 배리어 필름이 추가로 구비되는 것인 광전환 소자.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 광전환 필름은 광확산 입자를 더 포함하는 것인 광전환 소자.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 투명 기판의 상기 광전환 필름에 대향하는 면의 반대면에 구비된 광추출판을 더 포함하는 광전환 소자.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 광전환 필름이 2층 이상 포함되는 것인 광전환 소자.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 2층 이상의 광전환 필름은 입사된 빛을 서로 다른 파장의 빛으로 전환하는 유기형광염료를 포함하는 것인 광전환 소자.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 광전환 필름은 광원으로부터 멀어질수록 긴 발광파장을 가지도록 배치된 것인 광전환 소자.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 따른 광전환 소자를 포함하는 백라이트 유닛.
  16. 청구항 15에 따른 백라이트 유닛을 포함하는 디스플레이 장치.
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