KR101008230B1 - 편광필름 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 편광필름 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 25℃, 65%RH에서 24시간 방치한 편광필름에 대해 50℃에서 진공건조법으로 측정한 수분의 무게 비로써 정의되는 수분흡수율이 0.5 내지 5.7%인 편광필름을 개시하며, 이는 편광효율 및 투과도는 일정 수준 유지하면서 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

편광필름 및 그의 제조방법{Polarizing film and Manufacturing method for the same}

도 1은 실시예 1 내지 4에 따라 각기 다른 농도의 부탄테트라카르복시산으로 가교된 편광필름에 대한 내구성 실험 결과 그래프이고,

도 2는 실시예 5 내지 8에 따라 각기 다른 농도의 시트르산으로 가교된 편광필름에 대한 내구성 실험 결과 그래프이다.

본 발명은 편광필름 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수분흡수율이 낮은 특성을 가져 궁극적으로는 수분에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 이색성 염료계 편광필름과 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

1928년 E.H. Land에 의해 처음으로 연구된 편광필름은 공업적인 용도로는 활용이 극히 제한되었다. 그러나 현대 산업사회가 고도의 정보화 시대로 발전함에 따라 본격적으로 그 수요가 증대되고 있다. 이는 전자 디스플레이의 중요성이 증대됨에 따른 결과라 하겠다.

현재 시판 중인 편광필름은 그 종류와 성능에 따라 여러 종류로 분류가 가능 한데, 첫째로는 요오드계 편광필름으로서 주로 고투과 고편광 특성을 갖는 고선명 LCD용 편광필름으로서, 투명한 PVA 필름에 가시광 영역의 빛 흡수 능력을 부여하기 위해 높은 이색성을 갖는 요오드를 사용한 필름을 말한다. 현재까지 LCD에 사용되는 편광필름의 대부분은 요오드계 편광필름이다. 두 번째로는, 요오드의 승화성으로 인한 내구성의 문제점을 해결하고자 연구되어진, 염료계 편광필름을 들 수 있다. 이것은 고온 및 고습도 조건에서도 광학특성의 변화가 적은 고내구성 편광필름으로서 내구성이 높은 장점으로 인해 높은 내구성을 요구하는 LCD 등에 사용되고 있다. 또한 염료계 편광필름의 경우 색깔의 조절이 비교적 용이하기 때문에 다양한 색의 편광필름을 제조할 수 있으며 이는 선글라스 등의 분야에도 사용되고 있다. 세 번째로는 위상차 편광필름이라 불리고 있는 고속응답형 액정 디스플레이(STN-LCD : Super Twisted Nematic LCD)용에 주로 사용되는 편광필름이다. 이는 편광필름에 어떤 특성을 갖는 위상차 필름을 어떤 각도로 적용하느냐에 따라 매우 다양한 제품이 만들어진다. 위상차 필름은 액정에서 발생되는 위상차를 보정해주는 필름이며 현재로는 폴리카보네이트계 재질의 위상차 필름이 주로 사용되고 있다. 네 번째로 투과 특성과 반사 특성을 동시에 갖는 반투과 반사형 편광필름을 들 수 있다. 반투과성 편광필름은 이동기기의 디스플레이에서 가장 중요한 요소 중의 하나인 소비 전력 효율에 관여하는 것으로, 이는 소비전력이 높으면 제품의 사용시간이 짧아지는 문제점이 있기 때문에 이동기기의 LCD에서도 소비전력이 높은 기존의 투과형 제품 대신에 외부의 빛을 활용하는 반사형 기능을 첨가하여 반투과형 LCD에 사용되는 하판용 재료로 사용되는 기능성 필름이다. 이러한 반투과성 필름은 사용하는 재 료와 특성 값에 따라 다양한 종류가 있다. 점착제에 안료를 첨가하여 투과율을 조절한 제품(ST type)과 굴절률이 다른 고분자 박막을 수백층 쌓아 만드는 제품(TDF, 3M사) 등을 들 수 있다. 다섯 번째로, 고반사 반투과 편광필름은 최근 STN-LCD에서 소비전력을 줄이고 디스플레이의 외관을 좀더 깨끗하게 보이도록 하기 위해서 기존 안료를 사용한 반투과 편광필름 대신 금속증착 필름을 사용하여 반사율을 높이고 확산 점착제를 사용하여 외관을 깨끗하게 개선한 편광필름이다. 여섯 번째로 표면반사를 방지한 편광필름(AG/AR)을 들 수 있다. 표면반사방지는 AG(Anti-glare) 가공과 AR(Anti-reflection) 가공의 두 가지가 있다. AG 가공은 필름의 표면에 불규칙한 면을 형성함으로써 외부 빛을 표면에서 난반사시켜 반사방지효과를 나타내며, AR 가공은 굴절율(Reflection index)이 다른 여러 층의 박막을 증착법이나 코팅법에 의해서 필름의 표면에 형성함으로써 반사방지 효과를 나타낸다. 일반적으로 반사방지 가공을 하지 않은 편광필름의 반사율은 약 4% 이며, AG 필름은 반사율이 약 2%, AR 필름은 반사율 1% 미만의 값을 갖는다. 마지막으로 반사형 편광필름이 있는데, 이것은 일반 요오드계 편광필름에 금속증착반사 필름을 합지하여서 만든 제품으로서, 반사형 LCD에 사용한다.

일반적으로 편광필름은 PVA에 요오드 또는 이색성 염료로 처리된 편광특성을 가지는 필름을 편광자로 사용하며, 요오드의 높은 승화성과 낮은 내구성으로 인한 필름의 변형을 방지하기 위해 보호층을 형성시킨다.

이색성 염료로 처리된 편광필름의 경우에는 요오드에 비해서 내구성 측면에서 다소 향상되기는 하지만 만족할 만한 내구성 향상이 이루어지지 않고 있으며, 특히 근래 들어서 편광필름을 이용한 디스플레이 장치들이 놓여지는 환경이 차량 실내 등과 같이 고습 환경 하에 놓여질 수 있어서 내구성의 향상이 더욱 요구되고 있는 실정이다.

이와 같이 내구성을 향상시키기 위한 노력의 일환으로 종래에는 염색이 완료된 다음 붕산 등과 같은 PVA 가교제 수용액 중에서 염료를 고착시키는 단계를 더 수행하여 왔다.

그러나, 붕산 등과 같은 PVA 가교제 수용액 중에서 가교된 경우 가교결합력이 약하여 수분 등에 노출되는 경우 염료의 고착상태가 나빠지면서 결과적으로는 편광필름의 내구성이 저하되는 문제가 있었다.

이에, 본 발명은 편광효율 및 투과도를 일정 수준으로 유지하면서 내구성을 향상시킬 수 있는 방안을 모색하던 중, 편광필름의 수분흡수율을 낮춤으로써, 일정 편광효율 및 투과도를 만족하면서도 내구성이 향상됨을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 내구성이 향상된 편광필름을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 목적은 종래의 편광필름에 비하여 편광효율과 투과도가 동등한 정도인 편광필름을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 편광필름은 폴리비닐알코올계 필름의 일축 연신 전, 연신 중 또는 연신 후에 이색성 염료를 염색한 다음, 가교제 수용액 중에서 염료를 고착시켜 얻어지는 편광필름으로서, 25℃, 65%RH에서 24시간 방치한 편광필름에 대해 50℃에서 진공건조법으로 측정한 수분의 무게 비로써 정의되는 수분흡수율이 0.5 내지 5.7%인 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 편광필름은 가교제로서 부탄테트라카르복시산(BTCA) 또는 시트르산 등과 같은 폴리카르복시산, 디메틸올 디하이드록시에틸렌 우레아(Dimethylol dihydroxyethylene urea(DMDHEU)) 등과 같은 환상 요소화합물, 포름알데히드 등과 같은 알데히드화합물 중에서 선택된 1종 이상의 것을 사용하여 얻어진 것임을 그 특징으로 한다.

바람직한 가교제 수용액의 농도는 1 내지 20중량%인 것에도 그 특징이 있다.

바람직한 염료의 고착은 100℃ 내지 200℃에서 수행되는 것임을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 편광필름에 관한 것으로서, 구체적으로는 수분흡수율이 0.5 내지 5.7%인 것으로서, 이때 수분흡수율이 0.5% 미만이면 가교밀도가 높아 편광필름의 기계적 물성이 지나치게 저하되고 수분흡수율이 5.7%보다 높으면 편광필름의 내구성 향상이 감소한다.

이때 수분흡수율은 25℃, 65%RH에서 24시간 방치한 편광필름에 대해 50℃에서 진공건조법으로 측정한 수분의 무게 비로써 정의되어진다.

이와 같은 수분흡수율을 만족할 경우 편광필름은 편광효율이 98.8이상이고 투과도는 24.2이상을 유지하면서, 편광효율 기준으로 내구성이 통상 10.3% 이상 향상된다.

상기와 같은 수분흡수율을 만족시키는 방법은 다양한 방법이 가능할 수 있으나, 본 발명에서는 가교제로서 통상 PVA 가교제로 알려진 붕산 또는 붕사 등이 아닌 다른 가교제를 도입하여 염료를 고착화하는 방법을 도입하였다. 즉 완전한 가교를 유도한 것이다.

일반적으로 편광필름의 제조는 폴리비닐알코올계 필름의 일축 연신 전, 연신 중 또는 연신 후에 이색성 염료를 염색한 다음, 이를 가교제 수용액 중에서 고착시키는 과정을 거치는바, 이때 가교제는 염료를 고착시키는 역할을 한다. 그러나 통상적으로 PVA 가교제로서 첨가되어온 붕산이나 붕사 등은 가교결합이 약한 문제가 있다. 이에 본 발명에서는 보다 완전한 가교결합이 이루어질 수 있도록 가교제로서 부탄테트라카르복시산, 시트르산과 같은 폴리카르복시산, 디메틸올 디하이드록시에틸렌 우레아 등과 같은 환상 요소화합물, 포름알데히드 등과 같은 알데히드 화합물을 사용할 수 있다.

이와 같은 가교제 수용액은 농도가 1 내지 20중량% 농도인 것이 바람직한데, 만일 가교제 수용액의 농도가 1중량% 미만이면 가교효과를 볼 수 없고 20중량% 초과면 과도한 가교로 인한 기계적 물성저하 문제가 있을 수 있다.

가교제에 의한 염료 고착은 온도 100 내지 200℃에서 수행되는 것이 바람직한데, 가교제에 의한 염료 고착 온도가 100℃보다 낮으면 가교 효과를 볼 수 없고 200℃ 보다 높으면 무리한 가교온도 조건으로 PVA 필름을 손상시키는 문제가 있을 수 있다.

가교제 수용액 중에서의 침지시간은 특별히 한정되지 않지만, 통상 1초∼15분간, 바람직하게는 5초∼10분간이다. 수용매 이외에, 물과 상용성이 있는 유기용매가 소량 함유되어 있어도 된다.

가교제 수용액 하에서 염료 고착이 완결된 이후로는 통상의 방법에 따라 수세 및 건조를 수행하여 편광필름을 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서 PVA 필름의 종류, 연신방법, 염료의 염색방법 등은 특별히 한정되는 것은 아니나, 일예로서 건식 일축연신에서 사용하는 폴리비닐알콜계 필름에 있어서의 폴리비닐알콜계 폴리머로는 초산비닐을 중합한 후에 비누화한 것, 또는 초산비닐에 소량의 불포화 카르복시산, 불포화 술폰산, 양이온성 모노머 등의 공중합가능한 모노머를 공중합한 것 등을 들 수 있다. 폴리비닐알콜계 폴리머의 중합도는 특별히 제한되지 않고 임의의 것을 사용할 수 있지만, 필름의 물에 대한 용해도를 고려하여 평균중합도 500∼1만이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1000∼6000인 것이다. 또한, 검화도는 75mol% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 95∼100mol%이다. 필름의 두께는 5∼150㎛이고, 바람직하게는 10∼100㎛이다.

건식 일축 연신 방법은 특별히 한정되는 것이 아니나, 일예로 후방 장력을 부여하여 가압 롤에 의해 압연하는 방법, 필름에 후방 장력을 부여시키면서 가열 롤에 접촉시켜 연신시키는 방법, 가열 오븐 내 또는 외에 설치된 롤 사이에서 인장력을 가하면서 연신을 행하는 방법, 가열 롤 사이를 통과시켜 압축연신시키는 등의 가열 롤을 사용하여 연신하는 방법, 텐터 연신기를 사용하여 연신하는 방법 등을 들 수 있다. 연신배율은 2배 이상이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 2∼6배, 특히 바람직하게는 2∼5배이다.

연신시의 가열 롤 또는 오븐 온도는 50∼200℃가 바람직하고, 특히 바람직하게는 60∼150℃이다.

그리고 염료 염색을 위한 염료 함유 수용액의 조성은 통상 물 100중량부에 대해 이색성 염료 0.001∼1중량부이다. 수용액의 온도는 통상 10∼80℃의 범위이다. 침지시간은 특별히 한정되지 않지만, 통상 1초∼10분간, 바람직하게는 5초∼5분간이다. 수용매 이외에, 물과 상용성이 있는 유기용매가 소량 함유되어 있어도 된다.

일축연신은 염료의 염색 이전에 수행되는 것이 바람직하나, 그 이후일수도 있다.

본 발명의 편광 필름의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 1∼80㎛이 일반적이고, 특히 2∼40㎛가 바람직하다.

이하 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실험예 1

미 착색 PVA 필름을 부탄테트라카르복시산 용액에 농도를 달리하여 20℃에서 부탄테트라카르복시산에 대해 0.3몰비의 소듐하이포포스파이트(NaH₂PO₂) 촉매를 함유한 부탄테트라카르복시산(BTCA) 수용액(BTCA 수용액 농도 1 내지 7중량%)에 1분간 침지한 후 90℃에서 5분간 예비건조하고 160℃에서 3분간 가교제를 고착시켰을 경우 수분흡수율, 팽윤비 및 최대연신비를 측정하였고 다음 표 1과 같다. 이때 수분흡수율은 25℃, 65%RH에서 24시간 방치한 편광필름에 대해 50^oC에서 진공건조법으로 측정한 수분의 무게 비이다.

[표 1]

실시예 1

평균중합도 1700, 막두께 약 25㎛인 폴리비닐알코올 필름(니혼고세이사 제품)을 50℃의 이색성 염료 욕조(Solophenyl Black FR, CiBA specialty chemicals 제품, 0.15중량%)에서 2분간 침지하였다. 그 다음 40℃ 붕산수용액 속에서 연신시키고 수세한 후 20℃에서 부탄테트라카르복시산에 대해 0.3몰비의 소듐하이포포스파이트(NaH₂PO₂) 촉매를 함유한 부탄테트라카르복시산(BTCA) 수용액(BTCA 수용액 농도 1중량%)에 1분간 침지한 후 90℃에서 5분간 예비건조하고 160℃에서 3분간 염료를 고착시켜 편광필름을 얻었다.

얻어진 필름에 대해 수분흡수율을 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 3과 같다.

실시예 2 내지 4

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 편광필름을 제조하되, 다만 다음 표 2에 나타낸 바와 같이 첨가된 가교제인 부탄테트라카르복시산 수용액의 농도를 달리하였다.

얻어진 필름에 대해 수분흡수율을 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 3과 같다.

실시예 5 내지 8

상기 실시예 1 내지 4와 동일한 방법으로 편광필름을 제조하되, 다만 가교제로서 시트르산을 사용하여 각각의 실시예 1 내지 4와 같은 가교제 수용액 농도 하에서 편광필름을 제조하였다.

비교예 1

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 편광필름을 제조하되, 다만 염료 고착 과정을 붕산 수용액 속에서 연신시키고 수세하는 과정까지만을 수행하였다.

얻어진 필름에 대해 수분흡수율을 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 3과 같다.

[표 2]

[표 3]

실험예 2

상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1로부터 얻어진 각각의 편광필름에 대해 투과도, 편광효율 및 내구성을 다음과 같은 방법으로 측정하였다.

(1)투과도

UV-visible 스펙트로포토미터(Agilent 845)를 사용하여 필름 한 장의 투과도를 측정하였다.

(2)편광효율(PE)

다음 수학식 1에 의거하여 최대 흡수파장에서 편광효율을 계산하였다.

[수학식 1]

상기 식에서, PE는 편광효율을 나타내고, T_∥는 편광필름 두 장을 평행하게 놓았을 때의 투과도, T_⊥는 편광필름 두 장을 수직하게 놓았을 때의 투과도를 나타낸다.

(3)내구성

55℃, 95% 상대습도를 유지하는 데시게이터에 제조한 편광필름을 넣고 고온 다습한 조건에서 24시간 간격으로 120시간 동안 투과도와 편광효율을 측정하여 가교제에 의한 편광필름의 광학특성을 비교하였다.

투과도 및 편광효율 측정결과는 다음 표 4와 같으며, 내구성 시험결과는 도 1, 도 2 및 표 4에 나타내었다.

도 1은 실시예 1 내지 4에 따른 내구성 실험 결과이고, 도 2는 실시예 5 내지 8에 따른 내구성 실험 결과이다.

[표 4]

상기 표 4, 도 1 및 도 2의 결과로부터, 실시예 1 내지 8에서와 같이 수분흡수율이 2.5 내지 5.7%를 만족하는 편광필름의 경우는 투과도가 약 24.7%이상이고 편광효율이 약 98.7% 이상으로서 붕산을 가교제로 사용한 경우에 비하여 동등 수준이면서, 내구성에 있어서는 붕산을 가교제로 사용한 경우와 비교하여 투과도와 편광효율의 변화량이 적은 것으로 보아 내구성이 향상됨을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 수분흡수율 0.5 내지 5.7% 범위로 만족하는 편광필름은 완전한 가교를 이루어 일정 수준의 편광효율과 투과도를 만족하면서 내구성, 특히 수분에 대한 내구성을 만족하여 고습 환경에 노출되는 디스플레이 장치의 광학필름으로서 유용하다.

Claims (4)

1. 폴리비닐알코올계 필름의 일축 연신 전, 연신 중 또는 연신 후에 이색성 염료를 염색한 다음, 가교제 수용액 중에서 염료를 고착시켜 얻어지는 편광필름에 있어서,

   25℃, 65%RH에서 24시간 방치한 편광필름에 대해 50℃에서 진공건조법으로 측정한 수분의 무게 비로써 정의되는 수분흡수율이 0.5 내지 5.7%이고,

   상기 가교제는 부탄테트라카르복시산, 시트르산, 디메틸 디하이드록시에틸렌 우레아 및 포름알데히드 중에서 선택된 1종 이상의 것임을 특징으로 하는 편광필름.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 가교제 수용액은 1 내지 20중량% 농도인 것을 특징으로 하는 편광필름.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 염료의 고착은 100 내지 200℃에서 수행되는 것임을 특징으로 하는 편광필름.

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