KR20170079668A - 하드 코팅용 수지 조성물 및 이의 경화물을 코팅층으로 포함하는 하드코팅 필름 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분자 구조내에 지환식 에폭시기를 알콕시 실란; 실란의 Q 구조를 갖는 알콕시 실란; 및 알콕시 금속 화합물을 포함하는 화합물들에 의해 화학 결합된 실록산 수지를 포함하는 하드 코팅용 수지 조성물 및 이의 경화물을 코팅층으로 포함하는 하드코팅 필름에 관한 것이다.
Description
본 발명은 하드 코팅용 수지 조성물 및 이의 경화물을 코팅층으로 포함하는 하드코팅 필름에 관한 것이다.
일반적으로 각종 전자제품의 윈도우, 컴퓨터용 터치 스크린, 렌즈, 자동차 선루프, 광학 스크린, 도광판 및 LED 전면판 등과 같은 광학적 기능성 제품을 비롯한 중요한 상업적 제품들의 소재로는 유리가 단연 독보적으로 사용되어 왔다. 그러나, 유리는 무겁고, 깨지기 쉬우며 제품 가공시 불량률이 상당히 높다는 단점을 동시에 지니고 있어, 이러한 유리의 단점을 극복할 수 있는 소재에 대한 검토가 다방면에서 이루어지고 있는 상황이다.
이와 같은 상황 속에서 투명 고분자 필름은 광학 및 투명 디스플레이 산업의 핵심소재로 많은 활용이 되고 있으며, 특히 그 경량성 및 가공 용이성으로 인해 디스플레이 산업에서 유리를 대체한 소재로 부상하고 있다. 하지만 고분자 필름은 유리에 비해 표면 경도가 낮고, 이로 인해 내마모성이 부족하다는 단점이 존재하여 고분자 필름의 표면 경도를 향상시키기 위한 고경도 코팅, 즉 하드 코팅 기술이 중요한 이슈로 거론되고 있다.
하드 코팅에 사용되는 재료는 크게 유기, 무기, 유무기 복합재료로 나뉘는데, 유기재료는 유기물의 특성상 유연성, 성형성을 장점을 가지고 있지만 표면경도가 낮다는 단점을 가지고 있고, 무기재료는 높은 표면경도와 투명성의 장점을 가지고 있지만, 유연성 및 성형성이 저조하다는 단점을 가지고 있다. 이에 따라 두 재료의 장점을 모두 가진 유무기 복합재료는 현재 많은 각광을 받고 있고, 다양한 연구가 진행되고 있지만, 아직 두 가지 재료의 장점을 모두 구현하기는 미흡한 실정이다.
통상, 하드 코팅용에 사용되고 있는 코팅제로는 광 또는 열경화형 코팅제가 존재한다. 광경화형 코팅제는 열경화형 코팅제 보다 짧은 시간에 경화가 가능할 뿐 아니라, 상온 경화가 가능하여 각종 플라스틱 제품들의 표면보호 코팅제로 사용되고 있다. 이와 같은 코팅제가 광학용으로 유용하게 적용되기 위해서는 경도와 더불어 필름과의 부착력이 우수해야 하며, 컬(Curl) 현상 및 레인보우(rainbow) 현상 등이 없어햐 하는 조건이 따른다. 특히, 컬 현상의 경우 대량생산인 Roll to Roll 공정진행에서 큰 단점으로 작용할 수 있고, 제품으로 제공시에도 향후 내구성에 문제를 일으킬 수 있으므로 각별히 요구되는 물성이다.
광 또는 열 경화형 코팅제를 광학용 제품에 적용한 종래 기술로서, 대한민국 공개특허 2010-0041992호는 자외선 경화성 폴리우레탄 아크릴레이트계 올리고머를 포함하는 고경도 하드코팅 필름 조성물을 제공하고 있다. 상기 특허는 컬 현상을 최소화하고 광간섭에 의한 레인보우 현상을 해소하였다는데 의의가 있으나, 하드코팅 필름으로서 낮은 표면경도의 한계까지는 극복하지 못하였다.
또한, 국제 공개특허공보 WO2013-187699호를 통해 지환식 에폭시기를 포함하는 고경도 실록산 수지 조성물과 그의 제조방법 및 상기 경화물을 포함하는 광학필름이 제안되기도 하였다. 상기 종래 기술은 9 H의 높은 경도를 달성하였으나, 단일 단량체의 사용과 양이온 개시제의 사용으로 인한 내후성이 문제가 될 수 있으며, 컬 현상에 따른 문제가 발생할 수 있는 것으로 나타났다.
이렇듯, 분자간 치밀한 네트워크를 형성하여 하드 코팅층의 표면경도를 향상시키면, 수축성이 증가하여 컬 및 크랙이 발생하는 문제가 발생하고, 컬과 크랙을 해소하면 표면경도의 한계를 극복하지 못한다는 문제가 발생한다. 따라서 컬이 없으며, 가공 용이성을 갖는 고경도 코팅 재료의 개발은 고분자 필름의 보다 광범위한 활용을 위해서도 절실히 필요한 상황이다.
이에 본 발명은 지환식 에폭시가 포함된 알콕시 실란, TEOS(Tetraethyl orthosilicate)와 같이 실란의 Q구조가 포함된 알콕시 실란, 그리고 알콕시 금속 화합물이 화학 결합을 이루고 있는 실록산 수지를 포함하는 하드 코팅용 수지 조성물을 제공하고, 상기 수지 조성물의 경화물을 코팅층으로 포함함으로써, 경도, 밀착성 및 내마모성 등이 우수한 하드코팅 필름을 제공하고자 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 제 1 구현예는 하기 화학식 1로 표시되는 알콕시 실란; 하기 화학식 2으로 표시되는 알콕시 실란; 및 하기 화학식 3으로 표시되는 알콕시 금속 화합물을 포함하는 화합물들에 의해 화학 결합된 실록산 수지를 포함하는 하드 코팅용 수지 조성물이다.
<화학식 1> R1 nSi(OR2)4 -n
<화학식 2> Si(OR3)m
<화학식 3> M(OR4)x
단, 상기 화학식 1 내지 3에서 R1은 지환식 에폭시기를 포함하는 C1 내지 C3의 선형 알킬기이고, R2 내지 R4는 C1 내지 C4의 선형 또는 분지형 알킬기이며, M은 알루미늄, 티타늄 및 아연 중 선택된 1종 이상의 금속원소, n은 1 내지 3의 정수, m은 4, x는 2 내지 4의 정수이다.
또한, 본 발명은 기재필름; 및 상기 기재필름의 적어도 일면에 형성되며, 하드 코팅층으로서 상기 제 1 구현예의 하드 코팅용 수지 조성물의 경화물을 포함하는 하드코팅 필름을 바람직한 제 2 구현예로 한다.
본 발명에 따르면 지환식 에폭시기를 갖는 알콕시 실란에 실란의 Q구조를 갖는 알콕시 실란과 알콕시 금속화합물을 함께 도입함으로써, 경화 시 표면경도 향상과 최소한의 컬 발생을 구현할 수 있는 하드 코팅용 수지 조성물을 제공할 수 있다. 특히, 본 발명의 하드 코팅용 수지 조성물은 실란의 Q구조를 포함함으로써 지환식 유기물의 중합반응시 가교가 치밀하게 이루어져 우수한 표면경도를 확보할 수 있고, 알콕시 금속 화합물에 의해서는 분자간 공간을 확보함으로써 경화 시 컬 현상이 최소화되므로, 필름 표면상에 경화물로 형성하여 우수한 성능의 하드코팅 필름을 제공할 수 있다.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 알콕시 실란; 하기 화학식 2으로 표시되는 알콕시 실란; 및 하기 화학식 3으로 표시되는 알콕시 금속 화합물을 포함하는 화합물들에 의해 화학 결합된 실록산 수지를 포함하는 하드 코팅용 수지 조성물이다.
<화학식 1> R1 nSi(OR2)4 -n
<화학식 2> Si(OR3)m
<화학식 3> M(OR4)x
단, 상기 화학식 1 내지 3에서 R1은 지환식 에폭시기를 포함하는 C1 내지 C3의 선형 알킬기이고, R2 내지 R4는 C1 내지 C4의 선형 또는 분지형 알킬기이며, M은 알루미늄, 티타늄 및 아연 중 선택된 1종 이상의 금속원소, n은 1 내지 3의 정수, m은 4, x는 2 내지 4의 정수이다.
보다 구체적으로 상기 화학식 1의 R1에 포함된 지환식 에폭시기는 C3 내지 C8의 지환형 알킬기에 의해 이루어진 지환구조를 갖는 것이 바람직하다. 다만, C3 내지 C5 지환형일 경우 분자간 간격 감소로 컬 현상이 발생할 수 있고, C7 내지 C8의 지환형일 경우 에폭시 경화 반응이 늦게 진행될 수 있어, 경화 속도나 컬 특성 개선 측면에서 C6의 지환식 에폭시기인 것이 바람직하나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 화학식 1이 에폭시계 모노머인 것은 낮은 경화 수축율을 가지고 있어 컬 발생을 억제하면서도 우수한 표면경도를 확보할 수 있다는 측면에서 매우 의미 있다. 만약 화학식 1이 아크릴계 모노머라면 빠른 경화속도와 높은 경도를 나타낼 수 있으나, 수축율이 높아 컬 발생 확율이 높아질 수 있다. 또한, 화학식 1이 이소시아네이트계 모노머라면, 탄성율이 높아 유연성이 뛰어나며 이에 따라 컬 발생 확률은 적으나, 낮은 표면경도를 나타낼 수 있다.
이에 반해 본 발명은 화학식 1이 에폭시계 모노머임에 따라 이소시아네이트기 대비 표면경도가 높으며, 아크릴기 보다 낮은 경화 수축율을 가지고 있어 컬 발생을 억제할 수 있는 것이다. 특히, 본 발명의 화학식 1은 지환식 에폭시계 모노머임에 따라 선형 에폭시계 모노머보다 경화시 분자간 공간 확보가 유리하므로 본 발명의 하드 코팅용 수지 조성물은 경화수축이 억제되어 컬 발생을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
이로써, 본 발명의 상기 실록산 수지는 광중합 또는 열중합 시 다양한 분자량의 실록산 분자들이 치밀하게 가교를 이루는 것이 가능해지므로, 이에 기인하는 높은 경도의 하드 코팅 경화물을 제공할 수 있게 되는 것이다.
본 발명에서 상기 화학식 1로 표시되는 알콕시 실란은 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리메톡시실란, 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리에톡시실란 및 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리프로폭시실란 중 선택된 적어도 하나인 것이 보다 바람직할 수 있다.
그리고 상기 화학식 2로 표시되는 알콕시 실란은 분자 구조내에 실란 Q 구조 즉, Si에 알콕시 관능기가 없는 하기 <구조식 1>과 같은 화학 결합 구조를 포함함으로써, 우수한 경도를 확보할 수 있다.
<구조식 1>
즉, 유리의 분자 구조에서 찾아 볼 수 있는 Q구조를 분자 구조내에 포함함에 따라 본 발명의 수지 조성물은 경화시 유리와 유사한 단단함을 구현할 수 있게 되는 것이다.
이때, 본 발명에서 상기 화학식 1로 표시되는 알콕시 실란 및 화학식 2로 표시되는 알콕시 실란은 몰 비율이 99:1 내지 20:80인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 85:15 내지 45:55인 것이 고경도를 확보하면서 중합 시 Gelation을 방지하는데 용이하다. 만약, 화학식 1의 화합물이 단독으로 사용될 경우, 연필경도 4H이상의 물성은 구현되기 어려우며, 화학식 2의 화합물이 상기 범위를 초과하여 존재할 경우 중합시 Gelation 발생 우려가 있어 중합 컨트롤이 곤란하게 된다.
다만, 화학식 1의 화합물과 화학식 2의 화합물만을 이용하여 실록산 수지를 제조할 경우, 경화시 경화수축에 의한 컬 발생이 필연적으로 따를 수 있다. 이에, 본 발명의 실록산 수지는 상기 화학식 3으로 표시되는 알콕시 금속 화합물을 더 포함하여 화학결합을 이루는 것이 바람직하다. 상기 알콕시 금속 화합물은 알콕시 실란과 화학 결합하여, 분자 구조내에 금속 원소를 포함함으로써, 분자간 공간을 보다 확보할 수 있고 이에 따라 경화수축을 최소화하여 컬 발생을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 화학식 3으로 표시되는 알콕시 금속 화합물은 상기 화학식 1로 표시되는 알콕시 실란 및 화학식 2로 표시되는 알콕시 실란의 합 총 100몰%에 대해 0.1몰% 내지 5.0몰% 포함되는 것이 좋다. 알콕시 금속 화합물이 상기 범위에 미치지 못할 경우 컬 억제 효과가 미미할 수 있고, 반응 온도를 낮추거나 빠른 시간내에 중합을 중지하면 5.0몰% 금속 화합물까지 첨가가 가능하다. 다만, 5.0몰%을 초과하여 포함될 경우 겔화가 급속히 진행됨에 따라 수지의 점도가 빠른 속도로 상승할 가능성이 높아지고, 강한 내용제성으로 가공성이 현저히 떨어질 수 있며, 충분히 반응시킬 수도 없어 최종적으로 표면경도 개선의 폭이 크지 못할 수 있다. 이에 상기 알콕시 금속 화합물은 0.2몰% 내지 3.0몰%로 포함되는 것이 보다 바람직할 수 있다.
본 발명에서 상기 실록산 수지 형성 반응은 상기 화학식 1, 2 및 3의 화합물 간의 가수분해와 축합반응을 통해 이루어지며, 상온에서 진행될 수 있으나, 반응을 촉진하기 위해서 50℃ 내지 120℃에서 1시간에서 120시간 동안 교반할 수도 있다. 또한, 상기 반응시 가수분해와 축합반응을 진행하기 위한 촉매로서, 염산, 아세트산, 불화수소, 질산, 황산 요오드산 등의 산 촉매, 암모니아, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화바륨, 이미다졸 등의 염기 촉매 및 Amberite 등 이온교환수지가 사용 될 수 있으며, 이들 촉매는 단독으로 사용될 수도 있으나 이들을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 촉매의 양은 특별히 제한 되지 않으나, 실록산 수지 100 중량부 기준 0.0001 내지 약 10 중량부를 첨가할 수 있다.
상기 가수분해와 축합반응이 진행되면, 부산물인 알코올이 생성되는데 이를 제거함으로써 역반응을 줄여 정반응을 보다 빠르게 진행할 수 있으며 이를 통한 반응속도 조절이 가능하다. 이와 같이 축합반응에 의해 합성된 상기 실록산 수지는 가교시 분자간 공간이 확보되므로 경화 수축에 의한 컬 현상을 방지할 수 있으며, 실란의 Q 구조에 의한 치밀한 가교가 가능하므로 경화시 높은 표면 경도를 구현할 수 있게 된다.
이로써 제조된 상기 실록산 수지는 중량평균 분자량이 중량평균 분자량이 3000 내지 50000 이고, 다분산 지수(PDI)가 1.5 내지 7.0인 것이 바람직하다. 이때, 분자량 및 분자량 분포도(PDI, Mw/Mn)는 겔 투과 크로마토그래피(GPC) (Waters사 제품, 모델명 e2695)에 의해 폴리스티렌 환산 중량평균분자량(Mw) 및 수평균분자량(Mn)을 구한 것을 적용한 값이다. 보다 구체적으로는 측정하는 중합체 1%의 농도가 되도록 테트라히드로푸란에 용해시켜 GPC에 20㎕ 주입하되, 1.0mL/분의 유속으로 유입하였고, 30℃에서 분석을 수행하였다. 또한, 컬럼은 Waters사 Styragel HR3 2개를 직렬로 연결하였고, 검출기로는 RI 검출기 (Waters사 제품, 2414)를 이용하여 40℃에서 측정하였다.
한편, 본 발명의 하드 코팅용 수지 조성물은 상기 실록산 수지 이외에도 실록산 수지의 중합을 위해 개시제를 추가적으로 포함할 수 있으며, 개시제로는 예를 들어 유기금속염 등의 광중합개시제, 아민, 이미다졸 등의 열중합 개시제, 또는 양이온 중합제를 사용할 수 있다. 다만, 개시제의 첨가량은 수지 조성물 총 100중량부에 대해 약 0.5 내지 5 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 0.5 중량부 미만으로 포함되면 충분한 경도를 얻기 위한 하드코팅 층의 경화 시간이 증대되어 효율성이 저하되며, 5 중량부를 초과할 경우 하드코팅 층의 황색도가 증대되어 투명한 코팅 층을 얻기가 어려워질 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 하드 코팅용 수지 조성물은 실록산 수지는 중합반응으로부터 기인하는 산화반응을 억제하기 위해 산화방지제 또는 레벨링제를 추가적으로 포함할 수 있으며, 특별한 기능발현이나 필요에 의해 계면 활성제도 추가적으로 포함할 수 있다. 특히, 상기 실록산 수지의 점도를 제어하여 가공성을 더욱 용이하게 함과 동시에 코팅막의 두께를 조절하기 위해 유기용매를 더 첨가할 수 있다.
상기 유기용매의 첨가량은, 특별히 제한되지 않으며, 사용 가능한 유기용매로는, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸부틸케톤, 사이클로헥사논 등 케톤류, 또는 메틸셀로솔브, 부틸셀로솔브 등의 셀로솔브류, 또는 에틸에테르, 디옥산 등의 에테르류, 이소부틸알코올, 이소프로필알코올, 부탄올, 메탄올 등 알코올류, 또는 디클로로메탄, 클로로포름, 트리클로로에틸렌 등의 할로겐화 탄화수소류, 또는 노르말 헥산, 벤젠, 톨루엔 등의 탄화수소류 등으로 이루어진 용매로부터 선택된 1종 이상이 있을 수 있다.
나아가, 본 발명은 기재필름; 및 상기 기재필름의 적어도 일면에 적층되며, 상기 하드 코팅용 수지 조성물을 경화하여 제조한 코팅층을 포함하는 하드코팅 필름을 제공할 수 있으며, 본 발명에 의한 하드코팅 필름은 경도, 밀착성, 내마모성 등의 물리적 특성이 우수하며, 제조 및 가열 처리시 발생하는 컬, 가공시 굴곡에 의한 갈라짐 및 벗겨짐 등과 같은 현상을 방지할 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 하드코팅 필름은 코팅층이 형성된 방향으로 ASTM D3363 측정 기준, 5H 내지 9H의 표면 경도를 나타낼 수 있고, 100mm X 100 mm의 면적 기준, 25℃ 및 50% RH 조건에서 24시간 방치 후, 수평 바닥으로부터 필름의 모서리가 이격되는 최대 컬(Curl) 값이 30mm일 수 있어 디스플레이 보호용 필름으로 특히 적합하게 적용될 수 있다.
본 발명에서는 광중합 또는 열중합 경화 전, 별도의 열처리를 통해 표면을 균일하게 하는 공정을 더 수행할 수 있는데, 이와 같은 추가 열처리를 통해서 하드 코팅층의 경도를 더욱 향상시킬 수 있다. 이때, 광 중합의 경우 상기 열처리는 기재에 따라 40℃ 이상 약 200℃ 이하의 온도에서 2분 내지 60분간 수행될 수 있고, 열중합의 경우 기재에 따라 60℃ 이상 약 300℃ 이하의 온도에서 2분 내지 60분간 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또, 열처리 이후 광중합은 50mJ/cm2 이상 20,000mJ/cm2 이하, 보다 바람직하게는 200mJ/cm2 이상 5,000mJ/cm2 이하에서 수행하는 것이 경도를 충분히 확보하면서도 황변 발생을 보다 억제할 수 있는 측면에서 유리할 수 있다.
상기 하드코팅 수지 조성물을 기재에 도포하는 방법으로는 스프레이, 딥코팅, 스핀 코팅, 다이 코팅, 콤마 코팅, 스크린코팅, 잉크젯 프린팅, 패드 프린팅, 나이프 코팅, 키스 코팅, 바 코팅 및 그라비아 코팅 중에서 선택되는 어느 하나의 방법에 의해 코팅이 이루어질 수 있고, 기재 종류나 용도 등에 따라 하드코팅 수지 조성물로 형성된 하드코팅 층의 두께를 용이하게 조절할 수 있으며, 본 발명에서는 2 내지 60㎛, 바람직하게는 10 내지 30㎛ 두께에서 하드코팅 필름의 경도와 굴곡성을 동시에 확보할 수 있다.
반드시 이에 한정되는 것은 아니나, 본 발명에서 상기 기재필름은 폴리에틸렌설포네이트(PES) 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름, 폴리카보네이트(PC) 필름, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 필름, 설린(Surlyn, 미국의 BFGoodrich사 제조) 및 폴리이미드(PI) 필름 등을 포함하는 유기 합성 수지 필름을 단독 또는 2이상 적층한 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 하드 코팅용 수지 조성물은 목적에 따라서는 유리, 수정, 글래스 웨이퍼 및 실리콘 웨이퍼 등과 같은 무기 기재에도 도포되어 하드 코팅층을 형성할 수도 있다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 실시예 및 비교예에서 화학식 2로 표시되는 알콕시 실란을 TEOS만 사용한 이유는 TEOS가 가격이 싸고 구하기 쉽기 때문일 뿐, 이외의 다른 알콕시기를 사용하더라도 중합생성물의 분자구조에 Q구조를 갖게되는 것은 동일하다.
실시예 1.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 365.87g : 2.50g : 40.66mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고, Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社) 0.85g 첨가하여 60℃에서 10시간 동안 교반하였다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 5000, 다분산지수 2.0)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
실시예 2.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 332.61g : 29.69g : 41.87mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고, Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社) 2.13g 첨가하여 60℃에서 10시간 동안 교반하였다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 10000, 다분산지수 2.2)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
실시예 3.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 295.66g : 59.37g : 43.22mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고, Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社) 4.26g 첨가하여 60℃에서 10시간 동안 교반하였다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 15000, 다분산지수 3.0)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
실시예 4.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 184.79g : 146.87g : 47.28mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고, Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社) 12.79g 첨가하여 60℃에서 10시간 동안 교반하였다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 37000, 다분산지수 4.3)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
실시예 5.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 73.91g : 234.37g : 51.33mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고, Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社) 21.32g 첨가하여 60℃에서 10시간 동안 교반하였더니 Gel화되어 컨트롤이 힘들었다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 50000, 다분산지수 6.2)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
실시예 6.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 73.91g : 234.37g : 51.33mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고, Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社) 21.32g 첨가하여 Gel화 방지를 위해 60℃에서 3시간 동안 교반하였더니 Gel화되지 않고 수월하게 실록산 수지(중량평균분자량 3500, 다분산지수 1.8)를 수득할 수 있었다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
실시예 7.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 295.66g : 53.12g : 43.22mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고, Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社) 12.79g 첨가하여 60℃에서 10시간 동안 교반하였다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 28000, 다분산지수 3.2)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
실시예 8.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 295.66g : 601.87g : 43.22mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고, Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社) 0.85g 첨가하여 60℃에서 10시간 동안 교반하였다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 24000, 다분산지수 2.8)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
실시예 9.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 184.79g : 146.87g : 48.54mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고, Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社) 21.32g 첨가하되, 60℃에서 10시간동안 교반할 경우 Gel화되어 컨트롤이 힘들어 교반 시간을 5시간으로 단축하여 반응시켰다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 30000, 다분산지수 5.2)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
실시예 10.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 258.70g : 90.62g : 44.57mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고, Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社) 4.26g 첨가하여 60℃에서 10시간 동안 교반하였다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 18000, 다분산지수 3.9)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
비교예 1.
KBM-403(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 (Sigma-Aldrich社) 350.96g : 2.50g : 40.66mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고 Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社) 0.85g 첨가하여 60℃에서 10시간 동안 교반하였다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 4000, 다분산지수 1.8)를 얻었다. 다음으로, 상기 수득된 실록산 수지에 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
비교예 2.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 295.66g : 60.94g : 43.22mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하여 60℃에서 10시간 동안 교반하였다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 21000, 다분산지수 2.3)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
비교예 3.
KBM-303(Shinetsu社) 및 Titanium isopropoxide (Sigma-Aldrich社), H2O를 365.87g : 4.26g : 40.66mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하고, 60℃에서 10시간 동안 교반하였다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 5000, 다분산지수 2.6)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
비교예 4.
KBM-303(Shinetsu社), TEOS(Sigma-Aldrich社) 및 H2O를 36.96g : 281.25g : 52.68mL의 비율로 혼합하여 500mL 플라스크에 넣은 후 수산화나트륨 0.06g을 촉매로 첨가하여 반응하되, 60℃에서 10시간동안 교반할 경우 Gel화되어 컨트롤이 힘들어 교반 시간을 5시간으로 단축하여 반응시켰다. 이 후, 0.45um 테프론 필터를 사용해 여과하여 실록산 수지(중량평균분자량 48000, 다분산지수 6.8)를 얻었다. 다음으로, 광개시제인 IRGACURE 250(BASF社)를 상기 실록산 수지 100 중량부 대비 3 중량부 첨가하여 하드코팅용 수지 조성물을 얻었다.
<측정예>
상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 10의 하드코팅용 수지 조성물을 기재인 75㎛ 두께의 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름(제조사: 코오롱, 제품명: HP34P)의 일면에 각각 10, 20, 30um으로 두께를 달리하여 코팅한 뒤, 80℃ 오븐에서 30분 동안 건조하고, 자외선 조사장치로 하드코팅 조성물을 도포한 방향에서 80mW/㎠의 조도로 1,000mJ/㎠을 조사한 후, 85℃ 오븐에서 24시간 동안 열처리를 진행하여 하드 코팅 필름을 제조하였다.
이어서, 제조된 하드 코팅 필름을 대상으로 하여 하기 방법에 따라 물성 평가를 실시하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(1) 표면 경도: 일본 IMOTO사의 연필경도 측정기를 사용하여 ASTM D3363에 따라 180mm/min의 속도로 하중을 750gf로 연필경도를 측정하였다.
(2) 컬 발생: 코팅된 필름을 100mm X 100 mm로 잘라 25℃ 및 50% RH 조건에서 24시간 방치 후, 평면에 위치시켰을 때 각 모서리의 일변이 평면으로부터 이격되는 거리의 최대값으로 측정하였다.
(3) 내마모성: 평면에 20cm X 5cm로 자른 필름을 코팅면이 위로 가게 접착테이프(3M)로 고정시킨 후, #0000 부직포를 감은 봉으로 1kgf의 하중, 15RPM 속도로 1000회 동안 표면을 왕복시켰을 때 스크래치가 발생하는지 여부를 측정하여 스크래치가 발생할 경우 불량, 발생하지 않을 경우 양호로 판단하여 하기 표 1에 반영하였다.
표면 경도 | 내마모성 | 컬(mm)1 ) | |||||||
10um | 20um | 30um | 10um | 20um | 30um | 10um | 20um | 30um | |
실시예1 | 6H | 6H | 7H | 양호 | 양호 | 양호 | 0 | 0 | 0 |
실시예2 | 6H | 7H | 7H | 양호 | 양호 | 양호 | 0 | 0 | 0 |
실시예3 | 6H | 7H | 8H | 양호 | 양호 | 양호 | 0 | 0 | 1 |
실시예4 | 7H | 8H | 9H | 양호 | 양호 | 양호 | 1 | 2 | 2 |
실시예5 | 8H | 8H | 9H | 양호 | 양호 | 양호 | 8 | 10 | 12 |
실시예6 | 8H | 8H | 9H | 양호 | 양호 | 양호 | 9 | 11 | 13 |
실시예7 | 6H | 7H | 8H | 양호 | 양호 | 양호 | 0 | 0 | 1 |
실시예8 | 6H | 7H | 8H | 양호 | 양호 | 양호 | 0 | 0 | 1 |
실시예9 | 7H | 8H | 9H | 양호 | 양호 | 양호 | 0 | 1 | 1 |
실시예10 | 7H | 8H | 8H | 양호 | 양호 | 양호 | 0 | 1 | 1 |
비교예1 | 2H | 2H | 3H | NG | NG | NG | 10 | 15 | 20 |
비교예2 | 6H | 7H | 8H | 양호 | 양호 | 양호 | 13 | 17 | 22 |
비교예3 | 3H | 4H | 5H | NG | NG | NG | 0 | 0 | 0 |
비교예4 | 8H | 9H | 9H | 양호 | 양호 | 양호 | 20 | 25 | 30 |
1) 컬의 경우 ±2~3mm 오차 범위
상기 표 1을 통해 확인할 수 있듯이, 지환식 에폭시기가 아닌 일반 에폭시기를 갖는 알콕시 실란을 사용한 비교예 1 대비 실시예 3 내지 10은 모두 표면 경도와 내마모성이 우수하게 나타났다. 특히, 비교예 1은 알콕시 금속을 첨가했음에도 불구하고 지환식 에폭시기를 갖는 알콕시 실란을 기본적으로 포함하지 않음에 따라 표면 경도는 물론 컬 특성이 크게 개선되지 못하였다. 비교예 2는 TEOS첨가량을 늘려 표면경도를 비교예 1보다는 향상시켰으나 역시 알콕시 금속을 첨가하지 않아 컬 특성은 개선되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이에 반해, 실시예 1 내지 2는 비교예 2 대비 TEOS 첨가량이 적어 경도는 미약하게 낮지만 알콕시 금속을 첨가함에 따라 컬에서 대폭 개선되는 것을 확인하였다.
또한, 비교예 3의 경우 TEOS를 적용하지 않음으로 인해 표면경도와 내마모성이 상대적으로 낮은 것으로 나타났고, 비교예 4의 경우 표면 경도와 내마모성은 충분히 확보될 수 있었으나, TEOS의 비율은 지나치게 높고, 알콕시 금속 화합물은 첨가되지 못하여 컬 특성 개선 효과가 크지 않았다. 이에 반해, 실시예 1 내지 10은 모두 비교예 3 및 4에 비해 표면경도 및 내마모성, 컬 특성이 균형있게 개선된 것으로 확인되었다.
따라서, 본 발명의 하드코팅 수지 조성물을 이용하여 제조된 하드코팅 필름은 경도, 내마모성 및 컬 특성이 우수하므로, 특히 디스플레이 보호용 필름으로 적합할 수 있다는 것을 실험을 통하여 확인할 수 있었다.
다만, TEOS의 함량이 알콕시 실란 총 합을 기준으로 75몰% 이상이고, 알콕시 금속(Titanium isopropoxide)이 알콕시 실란 총 합에 대해 0.2몰% 내지 5.0몰% 인 실시예 5 및 6은 실시예 1 내지 4 및 7 내지 10 에 비해 경도 및 내마모성은 변화가 없었으나, 컬 특성이 조금 뒤쳐지는 것으로 나타났다. 이에 따라, TEOS의 함량이 알콕시 실란 총 합을 기준으로 17몰% 내지 20몰%고, 알콕시 금속이 알콕시 실란 총 합에 대해 0.2몰% 내지 3몰% 포함인 실시예 3, 7 및 8 이나, TEOS의 함량이 알콕시 실란 총 합을 기준으로 29몰% 내지 52몰%이고, 알콕시 금속이 알콕시 실란 총 합에 대해 1몰% 내지 5.0몰% 포함된 실시예 4, 9 및 10이 보다 바람직할 것으로 분석되었다.
Claims (8)
- 하기 화학식 1로 표시되는 알콕시 실란;
하기 화학식 2으로 표시되는 알콕시 실란; 및
하기 화학식 3으로 표시되는 알콕시 금속 화합물을 포함하는 화합물들에 의해 화학 결합된 실록산 수지를 포함하는 하드 코팅용 수지 조성물.
<화학식 1> R1 nSi(OR2)4 -n
<화학식 2> Si(OR3)m
<화학식 3> M(OR4)x
상기 화학식 1 내지 3에서 R1은 지환식 에폭시기를 포함하는 C1 내지 C3의 선형 알킬기이고, R2 내지 R4는 C1 내지 C4의 선형 또는 분지형 알킬기이며, M은 알루미늄, 티타늄 및 아연 중 선택된 1종 이상의 금속원소, n은 1 내지 3의 정수, m은 4, x는 2 내지 4의 정수이다.
- 제 1 항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 알콕시 실란 및 화학식 2로 표시되는 알콕시 실란은 몰 비율이 99:1 내지 20:80이고,
상기 화학식 3으로 표시되는 알콕시 금속 화합물은 상기 화학식 1로 표시되는 알콕시 실란 및 화학식 2로 표시되는 알콕시 실란의 합 총 100몰에 대해 0.2몰% 내지 5.0몰% 포함되는 것임을 특징으로 하는 하드 코팅용 수지 조성물.
- 제 2 항에 있어서, 상기 상기 화학식 1로 표시되는 알콕시 실란 및 화학식 2로 표시되는 알콕시 실란은 몰 비율이 85:15 내지 45:55인 것임을 특징으로 하는 하드 코팅용 수지 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 실록산 수지는 중량평균 분자량이 3,000 내지 50,000 이고, 다분산 지수(PDI)가 1.5 내지 7.0인 것임을 특징으로 하는 하드 코팅용 수지 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하드 코팅용 수지 조성물은 유기용매, 광개시제, 열개시제, 산화방지제, 레벨링제 및 코팅조제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가물을 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 하드 코팅용 수지 조성물.
- 기재필름; 및 상기 기재필름의 적어도 일면에 형성되며, 하드 코팅층으로서 상기 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 수지 조성물의 경화물을 포함하는 하드코팅 필름.
- 제 6 항에 있어서, 상기 하드코팅 필름은 ASTM D3363 측정 기준, 코팅층이 형성된 방향으로의 표면 경도가 5H 내지 9H인 것임을 특징으로 하는 하드코팅 필름
- 제 6 항에 있어서, 상기 하드코팅 필름은 100mm X 100 mm로 잘라 25℃ 및 50% RH 조건에서 24시간 방치 후, 평면에 위치 시켰을 때 각 모서리의 일변이 평면으로부터 이격되는 거리의 최대 값이 30mm이하인 것임을 특징으로 하는 하드코팅 필름.
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