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채원 미
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1 Polymer(Korea), Vol. 36, No. 5, pp ISSN X(Print) ISSN (Online) 폴리에스터필름의광투과도향상에대한연구 김시민 *, ** 박수영 **, * 코오롱인더스트리, ** 경북대학교고분자공학과 (2012년 4월 24일접수, 2012년 5월 5일수정, 2012년 5월 7일채택 ) Study on the Improvement of Light Transmittance of Polyester Film Si-Min Kim*, ** and Soo-Young Park**, *212 Gongdan-dong, Gumi-si, Gyungsangbuk-do , Korea **Department of Polymer Science, Kyungpook National University, #1370 Sangyuk-dong, Buk-gu, Daegu , Korea (Received April 24, 2012; Revised May 5, 2012; Accepted May 7, 2012) 초록 : 평판디스플레이에사용되는 PET 필름의광학적특성을알아보기위하여필름표면굴절률, 필름표면조도및필름내부입자가광투과율에미치는영향을알아보았다. 필름표면에굴절률이낮은코팅층을형성함에따라필름의광투과율이향상되었고, 최대의광투과율을가지는코팅두께가있음을확인하였다. 표면거칠기의영향에대해서는표면조도를나타내는 Ra 를입사파장의 1/4 이하로조절한경우광손실이발생되지않았다. 필름내무기입자는입사된광의흡수및산란을발생시켜광손실을증가시켰다. Abstract: Poly(ethylene terephthalate) (PET) base films with high light transmittance have been used for the substrate of various functional films in the flat panel display. The effects of the reflective index of coated films, the roughness of the film surface and the content of inorganic silica particles on the light transmittance were studied in this article. Light transmittance was increased by coating a water soluble resin with a low reflective index at an optimum thickness. The roughness of the film did not affect light transmittance when the Ra of the film surface was less than a quarter of the wavelength of incident light. Inorganic silica particles decreased light transmittance due to their absorbance and scattering of the incident light. Keywords: polyester film, light transmittance, refractive index, surface morphology, inorganic particle. 서 평판디스플레이 (flat panel display, FPD) 의부품소재로서 PET 필름은다양한기능성필름들의기판필름으로사용되고있다. FPD 시장의지속적인성장에따라이러한기능성필름들과그기판으로사용되는 PET 필름역시수요가확대되고있다. FPD 중액정디스플레이 (liquid crystal display, LCD) 는광원에서조사된빛을다양한기능성필름을통과시켜균일한편광화된빛으로바꾸고이를액정을통과시켜화면에표시하는디스플레이이다. 광원에서출발한빛은다양한기능성필름을통과하는과정과편광화과정에서발생하는광손실로인해사람의눈에인식되는광효율이 10% 이하로낮아지게된다. 이러한낮은광효율을향상시키기위하여여러방법이제시되고있다. 광원자체의밝기를향상시 론 To whom correspondence should be addressed. psy@knu.ac.kr 키는방법으로는광원을 cold cathode fluorescent lamp (CCFL) 에서 light emitting diode(led) 로변경하는방법이있으며각종기능성필름에서의광손실을최소화하는방법들도연구되고있다. FPD 에사용되는기능성필름들에는백라이트유니트에사용되는필름들과편광판에사용되는필름으로구분할수있다. 이중백라이트유니트에사용되는기능성필름은광확산필름, 프리즘필름 (prism film), 프리즘보호필름, 반사필름및휘도향상필름으로구성된다. 광확산필름은광원에서조사된빛의밝기를디스플레이전면에균일하게분산시키는기능을하며, 프리즘필름은다양한각도에서입사된빛을디스플레이의수직방향으로방출되도록하는기능을한다. 또한프리즘보호필름은삼각형모양의프리즘코팅층을외부의물리적자극으로부터보호하는기능을하며, 반사필름은화면의반대방향으로향하는광원의빛을화면방향으로반사시켜광의효율을향상시킨다. 휘도향상필름은디스플레이에사용된기능성필름의계면에서반사되 662

2 폴리에스터필름의광투과도향상에대한연구 663 는빛을재반사시켜광효율을향상시킨다. LCD 에사용되는다양한기능성필름들은 PET 필름을기판으로하여제조되기때문에광학적으로우수한기능성필름들을제조하기위해서는광투과율이우수한 PET 필름이필수적으로요구된다. PET 필름은투명도및기계적강도가우수하여다양한산업의소재로서활용되어왔다. 1-3 특히 PET 필름을디스플레이용소재로사용하기위해서는 PET 수지를합성하는단계에서부터광학적결함을발생시킬수있는미세한불순물제거가필요할뿐아니라필름제조단계에서는물리적, 열적특성제어, 표면처리를통한기능성부여및광학특성조절등이요구된다. 4-6 Iwamori 등은 PET 필름의표면에굴절률이낮은 fluorocarbon 을코팅하여광투과율을향상시키는보고를하였으나, fluorocarbon 은낮은표면에너지로인해이종물질과의접착력이좋지않아코팅용기판소재로적합하지않았으며, 7 KUM 등은 PET 필름위에실리카입자를첨가함으로써표면조도를높여반사광을감소시키는보고를하였으나, 과도한표면산란으로인해광투과도는증가하지않았다. 8 본연구에서는 PET 필름의표면에수분산고분자를코팅하여굴절률을조절함으로써광투과율을향상시키고자하였으며, 표면의모폴로지및무기입자의함량에따른광투과율변화에대하여연구하였다. 실 원료. Poly(ethylene terephthalate) (PET, 코오롱인더스트리 ) 필름은고유점도가 0.65 인 PET 칩을사용하여제조하였다. 이때필름내입자의함량은무기실리카입자 (Fuji Silysia, SY-310) 를 ppm 을함유한입자칩과순수 PET 칩을적절히혼합하여조절하였다. 코팅액은 PET 필름과기능성코팅층의접착력이우수한폴리아크릴계 (Dow Chemical 사의 Primal 3208), 폴리우레탄계 (Dai-Ichi KoGyo Seiyaku 사의 Elaston H-3), 폴리에스터계 (Goo Chemical 사의 Z-687) 수분산수지를사용하였다. 표면에너지가낮은 PET 필름에표면에너지가높은수분산수지를균일하게코팅하기위해실리콘계습윤제 (Wetting Agent) 인 Q2-5211(Dow Corning) 를사용하였다. Table 1 은사용된수분산코팅제및습윤제를정리한것이다. 시료제조. PET 필름제조 : PET 필름은압출기 (Lab. Tech 험 Engineering Co., Ltd., LE25-30/CV) 를사용하여냉각드럼에서무정형필름을성형한후이축연신기 (Toyoseki, B ) 에서이축연신하여제조하였다. 사용한칩은진공건조기에서 170 o C, 24 시간동안건조하였고, 필름내무기실리카입자의함량이 0, 50, 500 ppm 이되도록입자칩과순수 PET 칩을혼합하였다. 제조된무정형쉬트를유리전이온도이상에서예열한후, 가로와세로방향으로각각 3.5 배연신및열처리 (230 o C, 30 초 ) 하여이축배향된필름을제조하였다. 입자의영향을배제한표면조도가광투과도에미치는영향을알아보기위하여입자를함유하지않은무정형 PET 쉬트를아미노에칭법을사용하여표면을식각한후동일한방법으로연신및열처리하여이축배향된 PET 필름을제조하였다. 아미노에칭법에서는무정형 PET 필름표면을 monoethylamine 20 wt% 수용액에 70 o C 에서접촉시켜접촉시간을달리하여표면조도를조절하였다. 코팅필름제조 : 코팅액을 Bar 코터 (RDS 사 ) 를사용하여 PET 필름표면에코팅하였다. 필름표면에코팅된용액중량이 6.86 g/m 2 이되도록코팅두께를조절하였고, 건조후의약 10~150 nm 코팅두께를얻기위해코팅액농도를증류수를사용하여희석하였다. 희석된코팅액은습윤제 (0.1 wt%) 와함께약 10 분간교반하였다. 코팅된필름은 120 o C 열풍오븐에서 30 초간건조하였다. 측정. 입사광의파장에따른필름의굴절률은 prism coupler (Metricon, 2010/M) 를이용하여측정하였고, 완전건조한필름의밀도는 CCl 4 ( 밀도 1.6 g/cm 3 ) 와 n-heptane( 밀도 0.69 g/ cm 3 ) 로제조한밀도구배관을이용하여측정하였다. 이때순수코팅액의굴절률은코팅액을필름형태로몰드를사용하여필름캐스팅한후굴절률을측정하였다. 코팅액의표면장력은표면장력측정기 (SITA Messtechnik GmbH, SITA pro line t15) 를사용하여측정하였다. 이때 bubble 발생속도 (bubble life time) 에따라액체의표면장력을측정하는 bubble pressure tensiometer 방법을사용하여동적표면장력과정적표면장력을함께측정하였다. PET 필름의광투과율과표면반사율은 UV-Vis spectrophotometer(varian, Cary 5000) 를사용하여측정하였다, 입사빔은필름표면에대하여입사광의각도가 90 도가되도록조절하여 200~800 nm 영역에서측정하였다. 제조된필름의표면사진과표면조도는각각 DIC(Leitz Wetzlar GmbH, ORTHOPLAN) 와 3 차원표면조도계 (WYKO, NT2000) 를이용하여측정하였다. Table 1. Specifications of Coating Resins and Wetting Agent Coating resin Wetting agent Maker Rohm & Haas Dai-Ichi KoGyo Seiyak Goo Chemical Dow Corning Grade P3208 Elastron H3 Z687 Q Types Polyacrylate Polyurethane Polyester Modified PDMS Solid content(%) Polymer(Korea), Vol. 36, No. 5, 2012

3 664 김시민 박수영 결과및토론 원료의성질. Figure 1 은 bubble 생성속도에따른표면장력을나타낸그림이다. 모든그래프가약 2 초후에일정한값으로수렴하였다. 습윤제를첨가하지않은필름의수렴된표면장력은폴리에스터계, 폴리우레탄계, 폴리아크릴계의경우각각 58, 55, 51 dyne/cm 로측정되었고, 습윤제를첨가한필름의수렴된표면장력은폴리에스터계, 폴리우레탄계, 폴리아크릴계의경우각각 28, 30, 22 dyne/cm 로측정되었다. 약 50 dyne/cm 이상의표면장력이습윤제를 0.1 wt% 첨가함에따라상당수준낮아져순수 PET 필름의표면장력인 36 dyne/cm 보다작아짐을확인할수있었다. Figure 2 는가시광영역의파장에대한굴절률의변화를나타낸것이다. 파장이길어짐에따라모든필름의굴절률이작아지는것을확인할수있었다. 550 nm 에서폴리아크릴계, 폴리우레탄계, 폴리에스터계의순수코팅제의굴절률과순수 PET 필름의굴절률이각각 1.467, 1.54, 1.605, 1.64 로측정되었다. Table 2 는순수 PET 필름과코팅제의굴절률과밀도를나타낸것이다. 코팅제의밀도가높아짐에따라필름의굴절률이높아지는것을확인할수있었다. 따라서코팅액의굴절률은코팅액의밀도와밀접한관계가있음을알수가있다. Figure 2. Refractive indices of (a) pure PET film and the coating layers of (b) polyester; (c) polyurethane; (d) polyacrylate. 굴절률의영향. Figure 3 은서로다른굴절률을가지는두층에서빛의반사과정을나타낸것이다. 이때코팅된필름의반사율 (R) 은 Fresnel 의광파동론에의해식 (1) 과같이나타낼수있다. 식 (1) 에서 R, n 0, n 1, n 2, 2δ i 는각각반사율, 공기의굴절률, 박막코팅층의굴절률, 기재필름의굴절률, 광경로차를나타낸다. 7-9 투과율 (1-R) 은식 (1) 에서와같이박막코팅층의굴절률 (n 1 ) 이감소함에따라증가함을알수있다. 1 R = ( n 0 + n 1 ) 2 ( n 1 + n 2 ) n 0 n 1 n2 + ( n 0 n 1 ) 2 cos2δ i (1) 최대투과율을가지는필름두께는식 (1) 에서알수가있다. 식 (1) 에서두께와관계되는항은식 (2) 와같이표현되 Figure 1. Surface tensions of (a, d) polyacrylate; (b, e) polyurethane; (c, f) polyester emulsions; (d, e, f) and (a, b, c) are with and without the wetting agent, respectively; (g) the surface tension of the pure PET film. Figure 3. Light reflection between two layers with different refractive index; R, n 0, n 1, n 2, and 2δ i represent refractive indices of air, coating layer, and PET film, and phase difference of beam path, respectively. Table 2. Densities and Reflective Indices of Pure PET Film and Coating Resins Chemicals Oriented poly(ethylene terephthalate) Polyacrylate Polyurethane Polyester Density Refractive index(@550 nm) 폴리머, 제 36 권제 5 호, 2012 년

폴리에스터필름의광투과도향상에대한연구 665 서투과량이최대가되는두께는식 (3) 과같이나타낼수있다. 10-12 2δ 4π i = -----n λ 1 dcosθ 1 λ d = --------------------- 4n 1 cosθ 1 (2) (3) Figure 4.

4 폴리에스터필름의광투과도향상에대한연구 665 서투과량이최대가되는두께는식 (3) 과같이나타낼수있다 δ 4π i = -----n λ 1 dcosθ 1 λ d = n 1 cosθ 1 (2) (3) Figure 4. Transmittance of PET films coated with polyacrylate, polyurethane, and polyester as a function of coating thickness at 550 nm. 는경로차 (2δ i ) 이다. 식 (2) 에서 λ 및 d 는각각입사광의파장및박막코팅층의두께를나타낸다. 식 (1) 에서반사율 R 이최소 ( 투과율이최대 ) 가되기위하여는 cos2δ i =-1, 즉 2δ i =π 의조건을만족하여야한다. 수직으로입사된광 (θ 1 =0) 에대해 일반적으로사람의눈에가장잘인지되는파장인 λ = 550 nm 에서 Table 1 의굴절률 (n 1 ) 을기준으로코팅면에수직으로조사할때광의최대투과율을나타내는코팅층의두께를계산하면폴리아크릴계, 폴리우레탄계, 및폴리에스터계에대해서각각 93.7, 89.3, 85.7 nm 로계산되었다. Figure 4 는 550 nm 의파장에서폴리아크릴계, 폴리우레탄계, 및폴리에스터계에대해서투과율을코팅두께별로측정한결과이다. 순수 PET 필름 (thickness = 0 nm) 의광투과율은일반적으로알려진바와같이 88% 이었으며, 코팅층에대한최대광투과율은폴리아크릴계, 폴리우레탄계, 폴리에스터계가 91.3, 90.3, 89.5% 로각각측정되었다. 광투과율은일정한두께에서최대값을가짐을알수있으며, 폴리아크릴계, 폴리우레탄계, 및폴리에스터계에대해서각각 ~125, ~90, ~90 nm 에서최대광투과율을나타내었다. 이론적으로계산한값보다 Figure 5. Surface images of PET films having Ra = (a) 3.7; (b) 19.3; (c) nm; (d) their transmittances as a function of wavelength. Polymer(Korea), Vol. 36, No. 5, 2012

5 666 김시민 박수영 Figure 6. Surface images of PET films containing (a) 0; (b) 50; (c) 500 ppm silica particles; (d) transmittance of pure PET film and PET film coated with polyacrylate as a function of silica contents. 큰값이관찰되었으나코팅수지별경향은비슷하였다. 이는코팅한수지를건조할때생기는공극등이영향을미친것으로생각된다. 표면조도의영향. 필름의표면조도가광투과율에미치는영향을알아보기위하여서로다른조도의이축배향된필름을사용하여광투과율을측정하였다. 무기입자에의한효과를배제하기위하여무기입자가포함되지않은무정형 PET 쉬트를아미노에칭을실시한후연신및열처리하여이축배향된 PET 필름을제조하였다. Figure 5 는표면조도 Ra 가 3.77, 19.3, 544 nm 인경우의표면사진이다. 가시광선의파장 (400~800 nm) 범위의빛이산란되기위해서는 Ra 가 λ/ 4(100 nm) 보다클때발생한다고알려져있다. Figure 5(d) 는각필름에대해서투과율을측정한결과이다. Ra 가 100 nm 이하인경우 (a, b) 는 90% 의투과율을가졌으나 Ra 가 544 nm 인경우 (c) 는광투과율이 80% 대로낮아짐을알수있다. 따라서매우거친표면을가지는필름은표면산란에의한광손실이심각하게발생하여광투과도가감소하는 것을알수있었다. 무기입자의영향. 연신된 PET 필름의내부에존재하는무기입자는필름의표면조도를증가시켜 Anti-Blocking 성을확보하여필름을롤형태로권취시용이하게하지만광학적특성에서는입사된빛을산란하거나흡수하여광투과도를감소시킨다. Figure 6 은필름내부입자의함량이증가함에따른필름표면사진과폴리아크릴계로코팅한 PET 필름의실리카입자양에따른광투과율을나타낸것이다. 입자의양이증가함에따라필름의거칠기가증가하고광투과율은감소하는것을알수있었다. Ra 는실리카입자를 0, 50 및 500 ppm 첨가함에따라각각 3.77, 7.39, nm 로측정되었다. 측정된 Ra 는가시광파장 (400~800 nm) 의 1/4 보다작기때문에표면산란효과는발생하지않는영역이었다. 따라서실리카입자첨가에의한광투과율의손실은내부입자에의한빛의흡수및산란에의해발생하는것임을확인할수있었다. 하지만광투과율는 500 ppm 을첨가했을때약 1% 의비교적작은감소를나타내었다. 폴리머, 제 36 권제 5 호, 2012 년

6 폴리에스터필름의광투과도향상에대한연구 667 결 PET 필름의코팅에의한굴절률조절, 필름표면조도, 필름내부입자가광투과율에미치는영향을알아보았다. 투과율을높이기위해서는굴절률이낮은물질을코팅하여야하며, 최대의광투과율을가지는코팅두께가있음을확인하였다. 표면 Ra 를입사파장의 1/4 이하로조절한경우표면산란이발생하지않아광손실이발생하지않음을확인하였다. 또한필름내무기입자는입사된광의흡수및산란을발생시켜, 광손실이증가하였다. 이상과같은결과들을이용하여 FPD 의확산필름, 프리즘필름, 프리즘보호필름등의기판소재로서사용되는 PET 필름의광투과율을향상시켜 FPD 의휘도를향상할수있었다. 감사의글 : 이논문은 2012 학년도경북대학교학술연구비및 2012 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (No ). 론 2. K. Yuki, Saturated Polyester Resin Handbook, Nikkan Kokgyo Shinbun, Tokyo, Y. Mitsuishi, PET Film, Technical Information Institute, Tokyo, J. H. Kim, D. S. Lee, T. S. Park, J. A. Kim, and K. Y. Kim, Polymer(Korea), 19, 353 (1995). 5. S. S. Park, S. S. Lim, and D. G. Kim, Polymer(Korea), 17, 324 (1993). 6. S. S. Park, S. S. Lim, and D. G. Kim, Polymer(Korea), 17, 212 (1993). 7. S. Iwamori and K. Noda, Mater. Lett., 66, 349 (2012). 8. B. G. Kum, Y. C. Park, Y. J. Chang, J. Y. Jeon, and H. M. Jang, Thin Solid Films, 519, 3778 (2011). 9. F. Ideo, The Optical Films for Flat Panel Displays, CMC Press, Tokyo, R. Jurgen and M. Arendt, Introduction to Classical and Modern Optics, Prentice-Hall, New Jersey, J. S. Yoon, Basic Optics, Dasung Press, Seoul, E. Hecht, Optics, 4th edition, Addison Wesley Longman, Boston, 참고문헌 1. T. Yamada, Optimization and Troubleshooting of Processing and Stretching of Film, Technical Information Institute, Tokyo, Polymer(Korea), Vol. 36, No. 5, 2012

00....

00.... Fig. 1 2.5%. 51.5%, 46.0%,.. /, Table 1 (U.V.; Ultraviolet 10-400 nm)/ (NIR; Near Infrared 700 nm - 5 µm) ( TiO 2, WO 3, ZnO, CeO, ATO, Sb 2O 3-ZnO, ITO.) (400 nm - 780 nm). /. Fig. 1.. 23 Table 1. / /