KR100591302B1 - 연속식 회전 코팅을 이용한 수직 배향 액정필름 제조 방법및 광학 필름의 시야각 개량 방법 - Google Patents

연속식 회전 코팅을 이용한 수직 배향 액정필름 제조 방법및 광학 필름의 시야각 개량 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액정표시장치용 광학필름의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 편광필름, 위상차 필름 및 배향막으로 이루어진 다층 박막을 소정 크기로 절단한 후, 네마틱 액정 코팅액을 상기 다층 박막에 회전 코팅 후 경화하는 STN 또는 CSTN 액정표시장치용 광학필름의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 상기 회전 코팅 및 경화 공정을 반복적으로 수행하여, 상기 편광 필름에 배향막 및 액정 경화 층을 가진 다층의 코팅막을 도입할 수 있을 뿐만 아니라, 10 ㎛ 이하의 초박막으로 제조할 수 있다. 이와 더불어, 절단 공정을 미리 수행함에 따라 원하는 부분만을 코팅할 수 있어 제조비가 저감되는 효과가 있다.
광학필름, 편광 필름, 네마틱 액정, 수직 배향, 회전 코팅, 광시야각

Description

연속식 회전 코팅을 이용한 수직 배향 액정필름 제조 방법 및 광학 필름의 시야각 개량 방법{FABRICATING METHOD OF VERTICALLY-ALIGNED LIQUID CRYSTAL LAYER USING SEQUENTIAL-TYPE SPIN-COATING AND AN IMPROVEMENT METHOD OF THE VIEWING ANGLE OF OPTICAL FILM}
도 1은 일반적인 액정표시장치를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 상기 도 1의 A영역을 확대한 확대단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 광학필름의 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 광학필름의 제조공정을 도식한 모식도이고,
도 5a, 5b 및 5c는 각각 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 3에서 얻어진 광학필름의 위상축 및 진상축에 대한 경사각에 따른 위상차의 변화를 나타내는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 3에서 얻어진 광학필름의 45도 입사각에 의한 전방위 위상차의 변화를 나타내는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 3에서 얻어진 광학필름의 파장 분산성의 변화를 나타내는 그래프이고,
도 8a는 실시예 1, 비교예 1 및 3에서 얻어진 광학필름의 단일 투과율을 나타내는 그래프이고,
도 8b는 실시예 1, 비교예 1 및 3에서 얻어진 광학필름의 교차 투과율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 제조시간의 단축 및 대형 크기의 편광 필름의 양산에서 발생하는 수율 증가를 통해 생산성을 극대화할 수 있고, 균일한 코팅을 통해 광학 특성이 우수한 시야각을 구비한 광학필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 광학필름은 광시야각이 개선된 STN 및 C-STN 액정표시장치를 제공한다.
액정(Liquid Crystal) 물질의 복굴절성으로 인해 액정 표시 장치를 보는 위치에 따라 빛이 느끼는 굴절률의 차이가 생긴다. 구체적으로 정면에서 벗어난 위치에서 볼 때의 빛의 양과 색 특성이 정면에서 볼 경우와 크게 달라지며, 이로 인하여 시야각에 따라 대비비(contrast ratio)의 변화, 색상 변이(color shift), 계조 반전(gray inversion) 등의 현상이 발생한다.
일반적으로, 액정 표시 장치는 전계 생성 전극이 각각 형성되어 있는 두 기판을 두 전극이 형성되어 있는 면이 마주 대하도록 배치하고 두 기판 사이에 액정 물질을 주입한 다음, 두 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장에 의해 액정 분자를 움직이게 함으로써, 이에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 화상을 표현하는 장치이다.
도 1은 일반적인 액정표시장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 액정표시장치(800)는 한쌍의 투명 패널(520, 540) 사이에 액정셀(560)이 구비된 액정표시패널(500), 입사광을 편광하여 출사하기 위한 제1 및 제2 광학필름(610, 630) 및 상기 광을 발생하여 상기 액정표시패널(500)로 제공하기 위한 백라이트 어셈블리(700)를 포함한다.
상기 액정표시패널(500)의 상부에는 상기 제1 광학필름(610)이 위치하고, 상기 액정표시패널(500)과 상기 백라이트 어셈블리(700) 사이에는 상기 제2 광학필름(630)이 개재된다.
상기 제1 및 제2 광학필름(610, 630)은 입사광을 서로 직교하는 두 가지의 성분으로 나누고, 상기 두 가지의 광 성분 중에서 하나의 광 성분만을 투과하여 광의 투과 방향을 일정하게 해주는 역할을 한다. 즉, 상기 제1 및 제2 광학필름(610, 630)은 입사광 중에서 상기 제1 및 제2 광학필름(610, 630)이 가지고 있는 편광축과 동일한 방향으로 진동하는 광은 흡수하고, 그 이외의 방향으로 진동하는 광은 투과한다. 이때, 상기 제1 광학필름(620)의 편광축과 상기 제2 광학필름(620)의 편광축은 서로에 대해 수직을 이룬다.
도 2는 상기 도 1의 A영역을 확대한 확대단면도로서, 통상적인 STN 또는 CSTN 액정표시장치에 사용되는 광학필름을 보여주는 단면도로, 이형필름(12)과 보호필름(28) 사이에 제1투명보호필름(20), 편광자(22) 및 제2투명보호필름(24)으로 이루어진 편광필름(26)과, 상기 편광필름(26) 하부에 위상차 필름(16)이 적층되고, 이때 상기 위상차 필름(16)은 편광필름(26)과 보호필름(12)과 제1 및 제2 점착층(14, 18)에 의해 부착된다.
상기한 구조를 가지는 액정표시장치는 액정분자가 면에 따라 일축(네마틱) 배향 하도록 처리한 유리판을 직각으로 교차시켜 배향시키고 그 사이에 액정을 넣으면 액정분자의 배열이 꼬이고(트위스트), 거기에 전압을 가하면 액정분자가 전계방향으로 배열을 전환하여 화상을 구현할 수 있다. 이러한 액정셀을 편향축을 직행시킨 편향판으로 끼우면 전압 OFF시에는 입사광이 통과하고, 전압 ON시에는 입사광을 차단하여 명암의 콘트라스트를 얻을 수 있다.
특히, STN(Super Twisted Nematic), CSTN(Color Super Twisted Nematic) 액정표시장치는 액정이 180도 내지 240도가 비틀려 있기 때문에 두 장의 광학필름이 교차 되어도 암 상태(black state)가 나타나지 않는 장점이 있다. 상기한 STN 및 CSTN 방식의 액정표시장치는 액정의 뒤틀림에 따른 바탕색을 보상하기 위한 위상차 필름이 필수적이다. 상기 위상차 필름은 고분자를 일축 또는 이축 연신하여 제조하고 있어, 연신 방향 및 보는 각도에 따라 시야각이 크게 저하되는 단점이 있다. 최근에는 상기와 같은 시야각 문제점을 해결하고자, 대한민국특허 제2001-64839호에서 배향막을 코팅한 폴리에스테르 필름 상에 경화성 네마틱 액정을 코팅한 편광필름을 언급하고 있다. 상기 편광필름은 기재 필름의 일측은 롤코터에 위치시키고, 코팅롤에 밀착시켜 경화성 네마틱 액정을 코팅한 후, 배향 및 UV 조사하여 제조된다. 상기 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식은 완제품 제조 후 필요한 면적만큼 절단 공정을 거쳐 디스플레이 패널에 장착되고, 나머지 필름이 버려지게 되어 고가의 코팅막을 낭비하는 결과를 초래한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 대량 생산 방식에 적합하도록 광학필름에 코팅막을 용이하게 도입하고, 생산비가 저감되는 액정표시장치용 광학필름의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 경사각에서 색상 변이를 최소화하고, 시야각 특성을 개선할 수 있는 액정표시장치용 광학필름의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 액정표시장치용 광학필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 액정표시장치용 광학필름을 구비한 액정표시장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
a) 편광자와 이의 양쪽에 위치한 투명 보호층으로 구성된 편광필름 상에 위상차필름 및 배향막이 순차적으로 형성된 다층 박막을 소정 크기로 절단하는 단계;
b) 상기 절단된 다층 박막을 연속 회전기에 위치시키는 단계; 및
c) 10 내지 50000 rpm의 회전 조건하에서 연속적으로,
상기 배향막에 네마틱 액정 코팅액을 적하하여 스핀 코팅하고, 상기 코팅된 다층 박막을 건조하고, 상기 건조된 다층 박막을 경화시켜 배향막상에 네마틱 액정필름을 형성하는 단계
를 포함하는 액정표시장치용 광학필름의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제조에 의해 얻어지고, 면 방향 위상차 값이 1 nm 내 지 1000 nm이고, 두께 방향 위상차 값이 1 nm 내지 800 nm인 광학필름을 제공한다.
바람직하기로 상기 광학필름은 STN(Super Twisted Nematic) 또는 CSTN(Color Super Twisted Nematic) 방식의 액정표시장치에 사용된다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 액정표시장치용 광학필름은 액정표시장치에 장착되어 경사각에서 색상 변이를 최소화하고 시야각 특성을 개선할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 STN 또는 CSTN 액정표시장치에 사용되는 광학필름을 보여주는 단면도로, 이형필름(50)과 보호필름(70) 사이에 네마틱 액정필름(54), 배향막(56), 위상차 필름(58)과 제1 및 제2 점착층(52, 60)과, 한 쌍의 투명보호필름(62, 66) 및 편광자(64)로 구성된 편광필름(68)이 형성된다.
상기 편광필름(68)의 편광자(64)는 폴리비닐알콜과 같은 연신된 투명 고분자 필름에 요오드와 이색성 염료가 분산된 것으로, 상기 요요드 및 염료분자의 이색성으로 인해 상기 투명 고분자 필름의 연신방향으로 진동하는 빛은 흡수하고, 수직한 방향으로 진동하는 빛은 투과하는 기능을 한다. 상기 편광자의 기재 필름으로는 폴리비닐알코올 외에 폴리에스테르, 폴리비닐클로라이드, 폴리스타이렌 및 아크릴계 고분자 등이 가능하다.
상기 투명 보호필름(62, 66)은 단순히 투명 보호 필름의 형태로 적용될 수 있으며, 경우에 따라 공지된 바의 전자 차폐 처리 및 표면 반사 방지 처리를 하여 사용할 수 있다. 사용가능한 투명 보호필름(62, 66)은 TAC(tri-acetate cellulose), CAB(cellulose acetate butylene), 폴리카보네이트, 폴리비닐클로라이 드, 폴리스타이렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌, 폴리에스터, 환 올레핀계 필름, 비환 올레핀계 필름, 글루코오스(Glucose)계열을 비롯한 단당류, 이당류, 다당류 및 탄수화물 계열의 필름으로 이루어진 그룹 중에서 적절히 선택한다.
상기 위상차 필름(Retardation film, 58)은 STN 및 CSTN 방식의 액정표시장치에 필수적으로 사용되는 것으로, 뒤틀린 구조를 가지는 액정에 대한 보상 역할을 한다. 상기 위상차 필름(58)으로는 통상적으로 사용되는 것이 가능하고 본 발명에서 한정하지 않으며, 일예로 1축 또는 2축 연신된 씨클로 올레핀계 화합물 및 폴리카보네이트계 화합물이 사용된다.
이때 위상차 필름(58)은 이전의 편광필름(68)과의 점착을 위해 상기 편광필름(68)과 위상차 필름(58) 사이에 점착층(60)을 형성한다. 이러한 점착층(60)의 재질은 이 분야에서 통상적으로 사용되는 것이 가능하며 본 발명에서 한정하지는 않으며, 대표적으로, 폴리아크릴레이트, 실리콘, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리에테르 및 이들의 공중합체가 가능하며, 바람직하기로는 아크릴계 고분자를 사용한다.
상기 배향막(56)은 비틀림 구조를 가진 수직 배향형 액정을 일정한 방향으로 배향시키기 위한 것으로, 통상적으로 사용되는 자외선 경화형 수지가 사용된다. 바람직하기로, 상기 자외선 경화형 수지는 (메타)아크릴레이트기, 에테르기, 아미노기, 아크릴로일옥시기 및 메타아크릴로일옥시기, 우레탄기 등 중합성 불포화 결합을 가지는 모노머, 올리고머 또는 프리폴리머를 적당히 혼합한 조성물이 이용된다.
상기 네마틱 액정필름(54)은 네마틱 액정이 형성된 것으로, 상기 배향막(56)과 같은 방향으로 배열하게 되어 음의 위상차 값을 가지게 되어 표시장치의 경사각에서 색상 변이를 최소화하고, 시야각 특성을 개선한다. 상기 네마틱 액정필름(54)을 구성하는 물질로는 통상적인 네마틱 액정이 바람직하다. 이러한 네마틱 액정은 분자의 중심은 무질서하게 위치하고 있으나, 분자의 장축이 대략 같은 방향으로 정돈되어 있어 위치 질서는 없으나 방향 질서를 가지고 있는 특징이 있다. 상기 네마틱 액정물질로는 통상적으로 사용되는 아조메틴(Azometine)계 화합물, 아족시(Azoxy) 화합물, 크라노바이페닐(Cranobiphenyl)계 화합물, 사이클로헥탄 카보닉산 페닐 에테르(Cyclohexane carbonic acid phenyl ether)계 화합물, 시아노 페닐 사이클로헥산(cyano phenyl cyclohexane)계 화합물, 시아노 치환 페닐 피리미딘(cyano substituted-phenyl pyrimidine)계 화합물 및 트란(Tran)계 화합물 등이 사용된다.
상기 네마틱 액정은 층을 형성하기 위해 바인더 용매에 분산된 코팅액으로 제공되며, 바람직하기로 자외선에 의해 쉽게 경화될 수 있는 것을 사용한다. 상기 바인더는 통상적으로 사용되는 액정물질을 포함하고 자외선 경화할수 있는 구조인 아크릴계, 메타아크릴계, 우레탄계, 에스터계, 에폭시계, 이소시아네이트계로 이루어진 화합물 등이 사용되고 용매물질은 톨루엔, 메틸에틸케톤, 사이클로헥사논, 에틸아세테이트, 헥산, 자일렌 등의 무극성 용매가 사용된다. 본 발명에 따른 네마틱 액정 코팅필름(54)을 형성하기 위한 네마틱 액정 코팅액은 직접 제조하거나 시판되는 것을 구입하여 사용할 수 있다.
상기 이형필름(50)은 광학필름의 표면을 보호하여 이송 또는 작업시 이물질에 의한 손상이나 스크래치를 방지하고, 오염으로부터 보호하기 위해 사용되며, 점착층(52)을 통해 네마틱 액정 필름(54)과 용이하게 접착 및 박리됨으로써 편광필름(64) 및 네마틱 액정 필름(54)이 구비된 광학필름이 액정표시장치에 바람직하게 도입된다.
상기 점착층(52)은 전술한 바의 위상차 필름(58)과 접하는 점착층(60)과 동일한 재질이 가능하고, 이형필름(50) 또한 이 분야에서 통상적으로 사용되는 폴리에틸렌테레프탈레이트와 같은 폴리에스테르계 필름, 폴리비닐알콜, 불소수지, 실리콘 또는 폴리올레핀이 가능하다.
이러한 구조를 가지는 액정표시장치용 광학필름의 제조를 각 단계별로 설명할 것이며, 도 4에 도시하였다.
a) 다층 박막 제공단계
단계 a)에서는 소정 크기로 절단되고, 편광필름 상에 위상차 필름 및 배향막이 순차적으로 형성된 다층 박막을 제공한다.
상기 다층 박막은 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식에 의해 편광필름, 위상차 필름 및 배향막을 형성한 후 후속 공정에서 네마틱 액정 코팅층을 형성하기 위해 액정표시장치에 적용 가능한 크기로 절단한다.
이때, 상기 다층 박막은 배향막 형성 후 러빙 장치를 통과하여 후속 공정에서 형성될 액정을 일정한 방향으로 배향시킨다. 이러한 러빙 공정은 이 분야에서 통상적으로 사용되는 방법이 사용되며, 본 발명에서 한정하지 않는다. 러빙 처리 의 조건은, 사용하는 고분자 필름이나 적층하는 플라스틱 필름 또는 천의 종류, 러빙 롤의 직경 또는 롤의 회전수 및 회전 방향, 고분자 필름 또는 러빙 롤의 이동속도 및 고분자 필름에의 러빙 롤의 가압 강도 등에 의해서 다르기 때문에 적절하게 설정된다. 이때 러빙 공정 후에 면에 발생하는 이물질을 제거하기 위한 세정 작업은 공기(air) 및 질소에 의한 건조 세정을 하거나, 편광필름이 용해되지 않고 기화 온도가 낮은 용매 즉, 물, 씨클로 헥산, 헥산 등의 유기 용제로 세정을 실시한다.
b) 스핀 코팅 단계
단계 b)에서는 상기 다층 박막을 배향막이 외측으로 향하도록 연속 회전기에 위치시키고, 상기 배향막의 일면에 네마틱 액정 코팅액을 적하와 동시에 10 내지 50000 rpm, 바람직하기로는 100 내지 10000 rpm의 회전 조건하에 스핀 코팅한다.
이때 상기 코팅 공정에서의 네마틱 액정 코팅액의 점도 및 회전 속도를 조절함으로써 네마틱 액정필름의 두께 및 표면 조도를 균일하게 형성한다. 바람직하기로, 상기 네마틱 액정 코팅액은 1 cps 내지 500 cps의 점도를 가지며, 10 rpm 내지 5000 rpm의 속도로 회전되고 있는 다층 박막에 적하 또는 분무된 후, 2 초 내지 400 초 동안 회전 공정을 수행한다.
상기 네마틱 액정 코팅액의 점도는 막의 두께와 밀접하게 관련하여 상기 점도 이하에서 제조되는 네마틱 액정필름의 두께를 얇게 조절할 수 있으나, 상기 두께가 네마틱 액정필름 전면에 걸쳐 균일하지 못하고 일부 네마틱 액정필름의 두께가 얇게 되는 문제점이 나타난다. 또한, 상기 점도 이상의 네마틱 액정 코팅액을 사용하게 되면, 제조되는 네마틱 액정필름의 두께가 필요 이상으로 두꺼워져 막의 두께 조절이 어렵고, 막의 일부가 두껍게 되는 등의 문제점이 나타난다.
상기 네마틱 액정 코팅액의 점도와 더불어, 코팅 공정에서의 회전 수 또한 막의 두께 및 균일도에 관여하는 바, 회전수가 너무 낮으면 다층 박막 전면에 걸쳐 네마틱 액정 코팅액의 균일한 도포를 이룰 수 없고, 상기 회전수가 너무 높으면 원심력으로 인해 네마틱 액정필름의 중앙부와 외부 영역과의 두께 차이가 나타나 바람직하지 못하다.
이때, 상기 네마틱 액정 코팅액을 도포하기 전에 균일한 박막의 형성 및 코팅 액의 균일한 도포를 위해 코팅되기 전의 다층 박막의 표면 온도를 상온(25 ℃)으로 조절한다. 상기 다층 박막의 표면 온도가 상기 범위보다 낮거나 높은 경우는 낮은 코팅능을 나타내 균일한 코팅막을 형성하기 어렵다.
c) 건조 단계
단계 c)에서는 상기 네마틱 액정 코팅액이 코팅된 다층 박막을 상기 단계 b)와 동일한 회전 조건하에 회전시켜 건조한다.
상기 건조는 다층 박막 상에 도포된 네마틱 액정 코팅액 내에 함유된 용매를 제거하기 위해 수행하며, 전술한 단계 b)와 연속되어 동일한 연속 회전기 상에서 10 rpm 내지 5000 rpm, 바람직하기로는 100 내지 10000 rpm의 회전 속도로 2초 내지 400 초 동안 수행한다.
이와 같이, 본 발명에서는 건조를 회전 공정에 의해 수행함으로써 네마틱 액정 코팅액 내 잔류하는 용매를 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 결과적으로 코팅 물질이 다층 박막의 표면에 더욱 쉽게 흡착되어 건조 공정을 단시간에 완 료시킬 수 있다. 이때, 사용된 용매 및 건조 시간의 단축을 위해, 상기 건조 공정을 상온 내지 85 ℃, 바람직하기로는 상온 내지 60 ℃에서 수행할 수 있다.
d) 경화 단계
단계 d)에서는 상기 단계 b)와 동일한 회전 조건하에 단계 c)에서 얻어진 다층 박막을 경화시켜 다층 박막의 배향상 상에 네마틱 액정필름을 형성한다.
상기 경화는 건조된 네마틱 액정필름을 다층 박막에 완전히 부착시키고 건조 공정에서 미처 제거하지 못한 용매를 완전히 제거하기 위해 수행하며, 이러한 경화 단계 또한 상기 단계 b)의 건조와 마찬가지로 연속 회전기 상에서 10 rpm 내지 5000 rpm, 바람직하기로는 100 내지 10000 rpm의 회전 속도로 2초 내지 400 초 동안 수행한다.
경화는 네마틱 액정 코팅액에 함유된 유기물질 또는 바인더의 종류에 따라 달라지며, 통상적인 자외선, 전자선 또는 X선 등의 방사선을 조사하거나 열을 가하여 수행한다. 그 결과, 제조된 코팅막이 다층 박막의 표면에 안정하게 형성되고, 상기 코팅막의 표면 상태가 막 전면에 걸쳐 균일해진다.
이와 같이, 본 발명은 건조 및 경화 공정을 이전 코팅 공정과 연속하여 회전하여 수행함으로써, 네마틱 액정필름의 흡착과 건조가 동시에 진행되어 다층 박막 상에 도포된 네마틱 액정 코팅액 내의 용매를 원심력에 의해 효과적으로 제거할 뿐만 아니라, 단시간 내에 표면이 균일한 네마틱 액정필름을 제조할 수 있다. 전술한 바의 방법에 의해, 본 발명에서는 네마틱 액정필름을 수십 nm 내지 수십 ㎛의 두께를 가지도록 조절할 수 있어, 초박막을 용이하게 제조할 수 있다.
이에 추가로, 상기 네마틱 액정필름의 상부 층에 반사 방지층, 저반사층, 미반사층, 눈부심 방지층, 저굴절율층, 고굴절율층, 하드 코팅층, 전자파 차폐층 및 대전 방지층으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 코팅막과 같은 다중 코팅막의 도입이 가능하다. 이러한 코팅막은 통상적으로 사용되는 반사 방지액, 저반사액, 미반사액, 눈부심 방지액, 저굴절율액, 고굴절율액, 하드 코팅액, 전자파 차폐액 및 대전 방지액을 이용하여 통상적인 박막 형성 방법에 의해 형성된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 광학필름의 제조방법은 연속식 회전 코팅 방식을 채용함으로써, STN 및 CSTN 방식 액정표시장치에서 코팅층을 형성함으로서 시야각을 개선 할 수 있을 뿐만 아니라 편광필름에 용이하게 도입할 수 있고, 단시간 내 박막의 코팅막을 제조할 수 있어 대량 생산에 적합하다. 또한, 코팅 공정 이전에 편광 필름을 원하는 크기의 면적을 갖도록 절단하여 사용하므로, 종래 롤-투-롤 방식에 채용시 코팅막의 낭비함이 없어 생산 원가가 절감되어 생산성이 크게 향상된다.
더욱이, 고속 회전을 통해 원심력 하에서 코팅액의 흡착 및 성막이 동시에 일어나며, 제조된 코팅막의 조도가 전면에 걸쳐 균일한 특징이 있다. 상기 코팅액의 조성 및 회전수 등을 조절하여 코팅막의 두께의 제어가 용이하다.
본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 액정성 화합물 층은 두께 방향에 대하여 경사에 따른 위상차 값의 변화를 보상할 수 있기 때문에 여러 가지 광학소자에의 응용이 가능하다.
또한 일정방향으로 배향한 액정성 화합물층을 제조된 광학필름에 직접 코팅 을 함으로서 기존 연신 필름을 합지하는 방식에 의해 제조된 광학필름에 비해 박막형 광학필름 제작에 뛰어난 효과를 나타낸다.
또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 액정표시장치용 광학필름에 관한 것이다. 상기 제조된 광학필름의 네마틱 액정필름의 두께는 수십 nm 내지 수 ㎛로 초박막 형태로 제조가 가능하며, 코팅액의 점도 또는 회전수를 설계하여 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 조절될 수 있다.
상기 제조된 광학필름은 면 방향 위상차 값이 1 nm 내지 1000 nm이고, 두께 방향 위상차 값이 1 nm 내지 800 nm를 가지며, STN 및 CSTN 액정표시장치에서 사용되는 적절한 위상차 값을 사용하여 제조할 수 있다.
이러한 광학필름은 도 1에 도시한 바의 액정표시장치에 바람직하게 도입될 수 있으며, 특히 액정표시장치의 상단에 형성될 경우 상기 층에 더하여 반사 방지층, 저반사층, 미반사층, 눈부심 방지층, 저굴절율층, 고굴절율층, 하드 코팅층, 전자파 차폐층 및 대전 방지층으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 코팅막과 같은 다중 코팅막의 도입이 가능하다
이러한 광학필름은 STN(Super Twisted Nematic) 또는 CSTN(Color Super Twisted Nematic) 방식의 액정표시장치에 바람직하게 도입된다.
이하 하기 실시예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명할 것이나, 하기 하는 실시예는 본 발명의 일 예시일 뿐 본 발명이 이러한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 네마틱 액정 코팅층이 형성된 광학필름의 제조
먼저, 편광자를 제조하기 위해 25 ℃의 순수에서 폴리비닐알코올을 0.1 m/min로 수세한 후, 32 ℃인 순수에서 동일한 속도로 상기 기재를 팽윤시켰다. 상기 팽윤된 기재를 0.2 m/min의 속도로 35 ℃의 염착조를 통과시킨 다음, 35 ??의 순수로 세척하여 순수 45 ℃인 염착조에서 총 5.0 배의 연신 공정을 거쳤다. 이때, 상기 염착 조액은 순수 53 ℃에 상기 요오드 용액 100 ㎖ 을 투입하여 제조하였다.
다음으로, 상기 연신된 폴리비닐알코올을 37 ℃의 건조조를 통과시킨 후, 절단하여 두께 2.0 ㎛, 폭 4.2 cm, 길이 10 m의 편광자를 제작한 후, 상기 편광자의 양측에 두께 80 ㎛의 트리아세테이트 셀룰로오스 필름(Triacetyl cellulose, TAC)을 폴리비닐알코올 접착제를 이용하여 부착하여 편광필름을 제조하였다.
상기 제조된 편광필름에 테이진(TEIJIN)사의 위상차 필름인 TT-430™을 점착제를 사용하여 합지하였다.
이어, 상기 제조된 필름(두께 240㎛)을 400 mm X 330 mm의 크기로 절단한 다음, 배향막 코팅을 위해 연속식 회전기 위에 위치시켰다. 이때 배향막은 디펜타아크릴로일 아크릴레이트(니뽕 가야꾸 제조 Kayarad D-310)과 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트(니뽕 가야꾸 제조 Kayarad PET-30)를 8:2(무게비)로 혼합한 후, 자외선에 의해 경화시키기 위하여 1-히드록시씨클로헥실 페닐 케톤(시바 스폐셜티 케미컬스 제조 Irgacure 184)를 무게비 0.5%를 사용하여 배향막 코팅액을 제조하였다.
상기 위상차 필름이 형성된 편광 필름 상에 배향막 코팅액 30 ml을 적하시킨 다음, 110 rpm의 속도로 11초 동안 회전 코팅을 수행하였다. 이어서, 25 ℃에서 11초간, 70 ℃에서 11초간 건조하여 용매를 제거하고, 365 nm 자외선을 44초간 조사하여 피막을 경화시켜 1 ㎛ 두께의 배향막을 형성하고 러빙 공정을 수행하여, TAC/편광자/TAC/점착제/위상차 필름/배향막이 순차적으로 형성된 다층 박막을 형성하였다.
상기 얻어진 다층 박막을 연속 회전기에 위치시킨 후 네마틱 액정 코팅액(Merck社, RMS03-015, 33 중량%, 용매: 자이렌) 30 ml를 적하시킨 다음, 110 rpm의 속도로 11초 동안 회전 코팅을 수행하였다.
이어서, 25 ℃에서 12초간 건조 후에 365 nm 자외선을 22초간 조사하여 피막을 경화시켜 1.2 ㎛의 네마틱 액정 코팅층을 형성하였다.
<실시예 2> 네마틱 액정 코팅층이 형성된 광학필름의 제조 2
편광필름에 TEIJIN사 TT-11™을 합지한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 광학필름을 제조하였다. 이때 제조된 네마틱 액정 코팅층의 두께는 1.1 ㎛이었다.
<비교예 1> 연신법에 의해 제조된 위상차 필름의 제조 1
종래 방법인 연신법에 의해 제조된 위상차 필름을 사용하였으며 광학필름과 합지하여 도 2에 도시한 바의 STN 액정표시장치용 광학필름를 제조하였다. 이때 사용된 광학필름의 경우 일본 테이진(TEIJIN)사에서 폴리카보네이트를 연신한 TT-430™ 제품을 사용하여 제작하였다.
<비교예 2> 연신법에 의해 제조된 위상차 필름의 제조 2
일본 테이진사(TEIJIN) 폴리카보네이트 필름인 TT-110™을 사용한 것을 제외 하고 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 광학필름을 제조 하였다.
<비교예 3> 2축 연신법에 의해 제조된 위상차 필름의 제조 3
통상적인 폴리카보네이트 필름을 이축 연신한 필름을 사용한 것을 제외하고 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 광학필름을 제조 하였다.
<시험예 1> 물성 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 광학필름의 특성을 측정하여 하기 표 1 에 도시하였다.
1. 투과율 그래프 : 각 제조된 수직 배향표시 소자용 광학필름의 단일 및 교차 투과율을 측정했다. 투과율 특정은 히타치(HITACHI)사 분광기(spectrophotometer model명 U-3300)를 이용하여 광학필터의 평행 투과율과 교차 투과율을 측정하여 하기 수학식에 의해 편광도를 계산하였으며 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure 112004053582584-pat00001
(Tp : 평행 투과율, Tc : 교차 투과율)
2. 경사각에 따른 광학필름 위상차 변화 측정 및 파장 분산성 측정: 각 제조된 네마틱 액정필름이 형성된 광학필름의 경사각에 따른 위상차 변화, 파장 분산성은 New oji paper사 model명 KOBRA-21ADH를 사용하여 위상축(slow axis)과 진상축(進相軸)에 대해 위상차 변화를 측정했고, 400 nm 내지 800 nm에서의 파장 분산성을 측정했다.
3. 크로스-컷 테스트 : 각 제조된 광학필름의 밀착성은 JIS K5600에 규정된 크로스 컷 시험에 따라 조사했다. 이때 평가는 박리되지 않은 크로스 컷수/전 크로스 컷수에 의해 행했다.
물성 실시예 1 비교예 1 비교예 3
투과율 33.6 33.3 36.1
편광도 22.1 23.8 23.7
크로스-컷 테스트 (접착성) 액정필름/ 배향막 100/100 100/100 100/100
배향막/ 기재 필름 100/100 100/100 100/100
상기 크로스-컷 테스트 및 접착성 테스트는 네마틱 액정 코팅층이 배향막과의 접착성, 배향막과 위상차 필름과의 접착성을 알아보기 위한 것으로, 상기 광학필름 모두 양호한 결과를 얻었다.
광학필름으로 사용되기 위해서는 건열 및 습열 조건 하에 코팅에 의해 형성된 도막이 접착성이 유지됨으로서 종래 습식 코팅법에 의해 제조된 광학필름으로 제작된 광학필름의 경우와 연속식 회전 코팅에 의해 형성된 도막의 경우 크로스-컷 테스트를 통해 기재 필름과 우수한 접착성을 나타내고 있다.
이와 같이, 본 발명의 제조방법은 종래 롤-투-롤 방식에 의해 제조된 광학필름을 구성하는 코팅막의 기능을 충분히 발휘할 수 있으며 기존 방식에 비해 우수한 코팅막이 형성됨을 알 수 있다.
<시험예 2> 광학 특성 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 광학필름의 경사각에 따른 위상차 변화 (A), 입사각에 의한 전방위 위상차 변화(B), 파장 분산성(C), 단일 및 교차 투과율(D) 및 두께 및 면 방향 위상차(E)를 측정하였다. 이러한 특성은 뉴 오일 페이퍼(New oji paper)사의 KOBRA-21ADH를 사용하여 측정하였다.
A : -50 o 내지 50 o 의 경사각에 따른 위상차 변화 측정
도 5a, 5b 및 5c는 각각 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 3에서 얻어진 광학필름의 위상축과 진상축에 대한 경사각에 따른 위상차의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 경사각에 대해 위상차 값이 증가하게 되는데 이에 따라 수직 배향 표시장치의 경사각에서 암 상태의 색변화를 일어난다는 단점을 보상함으로서 시야각을 증가시키는 효과를 나타내고 있다. 또한, 위상축과 진상축의 비교를 통해 기존에 연신에 의해 제조된 광학필름(비교예 1 및 3)의 경우 제조된 필름은 필름의 연신법에 의해 제조되어 위상차를 나타내기 때문에 폭 방향과 길이 방향에 대해 전혀 다른 위상차 변화를 나타내고 있다. 반면에 위상차 필름의 단점을 보완하기 위해 면방향의 위상차 값에는 영향을 주지 않고 두께 방향의 위상차 값을 변화시킬 수 있는 네마틱 액정을 코팅한 경우는 폭 방향과 길이 방향의 차이를 나타내는 연신 위상차 필름의 단점을 보완하여 전 방향에 대해 시야각의 증대 효과가 나타남을 보여 주고 있다.
도 5b 및 도 5c를 참조하면, 진상축과 위상축에 대해 경사각에 따른 위상차 변화를 살펴보면 위상축에 대해 정면에서 경사각이 변화할수록 위상차가 증가하는 반면에, 진상축에 대해 정면에서 경사각이 변화할수록 위상차가 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이는 연신법에 의해 일정한 방향으로 연신을 하여 제조한 필름에서 나타나는 특징이며 이러한 결과로서, 시야각이 저하되는 요인으로 작용한다. 반면에 연신법에 의해 제조된 위상차 필름의 결점을 보완하기 위해 네마틱 액정필름이 균일하게 코팅한 위상차 필름의 경우 진상축과 위상축에 대해 경사각에 따른 위상차 변화가 적어 시야각이 개선됨을 확인하였다.
이러한 결과를 통해 본 발명에 의해 제조된 광학필름이 종래 광학필름에 비해 시야각에 따른 색반전 및 시야각 개선이 우수한 균일성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
B : 45 o 의 입사각에 따른 전방위 위상차 변화 측정
도 6은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 3에서 얻어진 광학필름의 45도 입사각에 의한 전방위 위상차의 변화를 나타내는 그래프이다.
일반적인 연신법에 의해 제조된 광학필름은 x-y축으로의 연신과 x-z축으로 연신을 함으로서 광학필름의 기능을 나타내는데 이에 따라 폭방향과 길이 방향에 대해 균일하지 않는 성질을 나타내게 된다.
이에 도 6을 참조하면 본 발명에 따른 실시예 1의 광학필름의 경우 비교예 1 및 3과 비교하여 균일도가 좋고, 전방위에 대해 균등한 특징을 나타내고 있다.
C : 파장 분산성 변화 측정
도 7은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 3에서 얻어진 광학필름의 파장 분 산성의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1의 광학필름이 장파장 및 단파장에서 이축 연신법에 의해 제조된 비교예 3의 광학필름과 비교하여 파장 분산성이 우수하여 광 대역 보상 효과가 우수함을 알 수 있다.
D : 단일 및 교차 투과율 변화 측정
도 8a는 실시예 1, 비교예 1 및 3에서 얻어진 광학필름의 단일 투과율을 나타내는 그래프이고, 도 8b는 실시예 1, 비교예 1 및 3에서 얻어진 광학필름의 교차 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1의 광학필름은 비교예 1 및 3의 광학필름과 비교하여 단일 투과율을 유사하였으나, 교차 투과율에 있어서 비교예 1 및 3과 비교하여 비교적 균일한 수치를 나타내었다.
E : 두께 및 면 방향 위상차 측정
상기 실시예 및 비교예의 두께 방향의 위상차와 면방향의 위상차를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
물성 실시예 1 비교예 1 비교예 3
면방향 위상차 384.6 381.5 358.2
두께 방향 위상차 6.8 190.5 73.3
상기 표 2에 따르면, 실시예 1에서 제조한 수직 배향 액정이 코팅된 위상차 필름의 경우 면 방향에 대한 위상차 값은 비교예 1과 비교예 3과 유사한 값을 보여준 반면에 두께 방향의 위상차가 수직 배향 액정의 경우는 두께 방향으로 보상을 해줌으로서 비교예 1의 두께 방향의 위상차에 비해 낮은 값을 나타냄으로서 색반전 및 시야각 보상 특성이 좋음을 나타내고 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 편광 필름에 수직 배향 네마틱 액정을 코팅하여 STN 및 CSTN 방식의 액정표시장치에 사용되는 광학필름, 구체적으로 광학필름을 제작할 수 있으며 색 반전 및 시야각 보상 특성을 회전 코팅 및 경화 공정을 수행하여 용이하게 도입할 수 있다.
특히, 본 발명의 제조방법은 절단 공정을 미리 수행함에 따라 원하는 부분만을 코팅할 수 있어 고액의 액정을 절감할 수 있어 제조비가 절감되는 효과가 있고, 연신법에 의해 제조되는 필름에 비해 회전 코팅을 통해 균일한 박막을 형성하고 일반적인 광학필름 형성 후 합지법에 의해 광학필름을 제조할 경우 보다 직접 편광 필름에 코팅을 함으로서 박막형의 광학필름를 얻을 수 있으며, 제조시간의 단축과 더불어 대형 크기의 광학필름의 양산에서 발생하는 수율 증가를 통한 생산성을 극대화할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. a) 편광자와 이의 양쪽에 위치한 투명 보호층으로 구성된 편광필름 상에 위상차필름 및 배향막이 순차적으로 형성된 다층 박막을 소정 크기로 절단하는 단계;
    b) 상기 절단된 다층 박막을 연속 회전기에 위치시키는 단계; 및
    c) 10 내지 50000 rpm의 회전 조건하에서 연속적으로,
    상기 배향막에 네마틱 액정 코팅액을 적하하여 스핀 코팅하고, 상기 코팅된 다층 박막을 건조하고, 상기 건조된 다층 박막을 경화시켜 배향막상에 네마틱 액정필름을 형성하는 단계
    를 포함하는 액정표시장치용 광학필름의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단계 c)의 네마틱 액정 코팅액은 1 cps 내지 500 cps의 점도를 가지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 광학필름의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 단계 c)의 네마틱 액정 코팅액은 자외선 경화형 액정물질과 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 광학필름의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 c)의 건조는 25 내지 85 ℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 광학필름의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 단계 c)의 네마틱 액정 코팅층의 두께는 10 nm 내지 6000 nm인 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 광학필름의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 c)의 경화는 방사선을 조사하거나, 열을 가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 광학필름의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 단계 c)의 스핀 코팅, 건조 및 경화는 2 내지 400초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 광학필름의 제조방법.
  8. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따라 제조된 액정표시장치용 광학필름.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 광학필름은 면 방향 위상차 값이 1 nm 내지 1000 nm인 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 광학필름.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 광학필름은 두께 방향 위상차 값이 1 nm 내지 800 nm인 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 광학필름.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 광학필름은 추가로 반사 방지층, 저반사층, 미반사층, 눈부심 방지층, 저굴절율층, 고굴절율층, 하드 코팅층, 전자파 차폐층 및 대전 방지층으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 코팅막을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 광학필름.
  12. 제 8항에 따른 광학필름을 포함하는 STN(Super Twisted Nematic) 또는 CSTN(Color Super Twisted Nematic) 방식의 액정표시장치.
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