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KR100544518B1 - 광손실을 최소화한 프리즘 필름 - Google Patents

광손실을 최소화한 프리즘 필름 Download PDF

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KR100544518B1
KR100544518B1 KR1020050013694A KR20050013694A KR100544518B1 KR 100544518 B1 KR100544518 B1 KR 100544518B1 KR 1020050013694 A KR1020050013694 A KR 1020050013694A KR 20050013694 A KR20050013694 A KR 20050013694A KR 100544518 B1 KR100544518 B1 KR 100544518B1
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KR
South Korea
Prior art keywords
prism
layer
film
particles
bottom layer
Prior art date
Application number
KR1020050013694A
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English (en)
Inventor
정우철
박종민
김창건
Original Assignee
주식회사 코오롱
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 주식회사 코오롱 filed Critical 주식회사 코오롱
Priority to KR1020050013694A priority Critical patent/KR100544518B1/ko
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Abstract

본 발명은 액정 디스플레이 장치(Liquid Crystal Display)에 사용되는 프리즘 필름에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 액정 디스플레이 장치의 백라이트 유닛에 사용되어, 광원으로부터 액정 디스플레이 패널에 전달되는 광의 이용 효율을 증가시켜 화면에 구현되는 화상의 휘도를 보다 증가시키며, 화면 전체에 걸쳐 균일한 양질의 화상을 구현할 수 있도록 하기 위하여 광손실을 최소화한 프리즘 필름에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은 투명기재층; 상기 투명기재층의 일면에 광투과성 재료로 형성되고, 복수개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층; 및 상기 투명기재층의 이면에 광투과성 중합체 재료로 형성된 저면층을 포함하고, 상기 각 층들은 상기 프리즘층이 가장 높은 굴절률을 갖고, 상기 저면층이 가장 낮은 굴절률을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 프리즘 필름을 제공한다.
본 발명은 낮은 굴절률을 갖는 저면층 및 상기 저면층에 포함된 입자에 의하여 광경로를 제어하여 전방 휘도를 향상시키고, 프리즘 필름의 전반사의 영역에서도 빛이 배출되도록 광효율을 극대화하여 광손실을 최소화시켜 균일한 광원을 제공하고 광원의 이용 효율을 증대시킬 수 있으며, 또한 입자에 의한 저면층의 돌출부를 통하여, 외부의 충격, 진동 및 마찰에 의한 프리즘층의 구조의 손상 및 프리즘 필름 이면의 손상을 방지하고, 접촉면을 줄임으로써 마찰정전기로 인한 이물 부착을 방지하여 손상에 강하여, 공정 중 불량을 줄이고, 액정 디스플레이 장치로 조립되어 사용될 경우 프리즘 필름의 손상이나 이물부착을 방지하여 균일하고 양호한 화질 구현이 가능하게 할 수 있다.
액정 디스플레이, 프리즘 필름, 휘도, 굴절률, 입자

Description

광손실을 최소화한 프리즘 필름{PRISMATIC FILM FOR MINIMIZING LOSS OF LIGHT SOURCE}
도 1은 본 발명의 바람직한 한 형태를 나타낸 사시도,
도 2는 도 1의 A-A 단면도,
도 3은 직각이등변삼각형 프리즘 구조물의 수직축선에 대해 입사되는 빛의 각도와 프리즘 밖으로 배출(혹은 전반사)되는 빛의 각도와의 상관관계를 굴절률에 따라 표시한 그래프이다.
[도면의 주요부분에 대한 설명]
10 : 프리즘 필름 20 : 프리즘층
25 : 보강층 30 : 투명기재층
40 : 저면층 41 : 입자
45 : 돌출부
본 발명은 액정 디스플레이 장치(Liquid Crystal Display)에 사용되는 프리즘 필름에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 액정 디스플레이 장치의 백라이트 유닛에 사용되어, 광원으로부터 액정 디스플레이 패널에 전달되는 광의 이용 효율을 증가시켜 화면에 구현되는 화상의 휘도를 보다 증가시키며, 화면 전체에 걸쳐 균일한 양질의 화상을 구현할 수 있도록 하기 위하여 광손실을 최소화한 프리즘 필름에 관한 것이다.
산업 사회가 고도의 정보화 시대로 발전함에 따라 다양한 정보를 표시 및 전달하기 위한 매체로서 전자 디스플레이 장치의 중요성은 나날이 증대되고 있다. 종래에 널리 사용되어 오던 CRT(Cathode Ray Tube)는 설치 공간상의 제약이 커서 대형화가 힘들다는 한계 때문에, 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP), 전계 방사 디스플레이(FED) 및 유기EL과 같은 다양한 평판 디스플레이 장치로 대치되고 있다. 이러한 평판 디스플레이 장치 중에서, 특히, 액정 디스플레이 장치(LCD)의 경우, 액정과 반도체 기술이 복합된 기술 집약적 장치로서 얇고, 가벼우며 소비 전력이 낮은 장점으로 인해, 그 구조 및 제조 기술이 연구 개발되어 왔고, 현재 노트북 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터의 모니터, 휴대용 개인 통신 장치(PDA 및 휴대폰) 등 기존에 액정 디스플레이가 널리 사용되었던 영역뿐만 아니라, 대형화 기술도 점점 그 한계를 뛰어넘고 있어, HD(High Definition) TV급의 대형 TV에까지 응용되고 있는 등 디스플레이의 대명사였던 CRT를 대체 가능한 새로운 디스플 레이 장치로 각광받고 있다.
이러한 액정 디스플레이(LCD) 장치는 액정 자체가 발광을 할 수 없기 때문에 장치의 후면에 별도의 광원을 설치하여, 각 화소(pixel)에 설치된 액정을 통해 통과광의 세기를 조절하여 계조(contrast)를 구현한다. 이를 보다 구체적으로 살펴보면, 액정 디스플레이 장치는 액정 물질의 전기적 특성을 이용하여 빛의 투과율을 조절하는 장치로, 장치 뒷면의 광원 램프에서 발광하여 각종 기능성 프리즘 필름 또는 시트를 통과하여 균일도와 방향성이 제어된 빛을 컬러 필터를 통과시켜 적, 청, 녹(R, G, B)의 색상을 구현하도록 하고, 전기적인 방법으로 각 화소의 계조(contrast)를 제어하여 화상을 구현하는 간접 발광 방식의 디스플레이 장치로서, 광원을 제공하는 발광 장치는 액정 디스플레이 장치의 휘도 및 균일도 등 화질을 결정하는 중요한 부품이다.
상기 발광 장치로는 백라이트 유닛(BLU)이 널리 사용되고 있으며, 백라이트 유닛은, 냉음극형광램프(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp) 등의 광원을 사용하여 방출되는 빛을 순차적으로 도광판, 확산 시트 및 프리즘 필름을 통과시켜 액정 패널에 도달하게 한다. 여기서, 도광판은 광원으로부터 방출되는 광이 평면 형태인 액정 패널의 전면에 분포되도록 전달하며, 확산 시트는 화면 전면에 걸쳐 균일한 광세기를 얻을 수 있도록 하며, 프리즘 필름은 확산 시트를 거친 다양한 방향의 광선을 관측자가 화상을 인식하기에 적합한 시야각(θ) 범위 내로 변환되도록 하는 광 경로 제어 기능을 수행한다. 또한, 도광판의 하부에는 액정 패널로 전달되 지 못하고 경로를 벗어난 광을 다시 반사하여 이용될 수 있도록 함으로써 광원의 이용 효율을 증가시키기 위한 반사판이 구비된다.
본 발명은 특히 프리즘 필름에 관한 것으로, 화면을 보는 사용자는 주로 화면의 정면에 있게 되므로, 프리즘 필름은, 확산 시트를 통과하여 다양한 방향으로 확산된 빛의 경로를 제어하여, 디스플레이 장치의 정면 휘도가 증대될 수 있도록 하여 보다 밝고 선명한 화상을 구현하게 한다.
미국특허 공보 제2,248,638호, 제4,497,860호, 미국특허 공보 제4,805,984호, 미국특허 공보 제4,906,070호 및 대한민국 특허출원 제1986-0009868호에는 백라이트유닛의 밝기를 높이기 위해 특수한 광학 구조물을 가진 필름을 제시하고 있는데, 한쪽 면에 구조화 표면을 가지고 그 반대는 매끄러운 면을 갖는 것을 특징으로 한다. 구조화된 표면은 나란히 배열된 복수의 이등변삼각형 프리즘이 매끄러운 면과 약 45°의 각을 이루며 선형 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 장치가 제안된 것이다.
한편, 미국 특허공보 제4,542,449호에는 선형 배열된 복수개의 프리즘층을 갖는 프리즘 필름을 두 장을 적층하는 구성으로서, 각각의 프리즘 배열이 직교하도록 혹은 일정 각으로 배향되도록 위치시킨 것으로, 한쪽 면에 복수의 이등변 프리즘이 선형 배열되어 있으며, 다른 한 쪽에는 매끄러운 면을 가지며, 상기 이등변 프리즘의 경사면은 상기 매끄러운 면과 약 45°의 각을 이루도록 되어 있는 프리즘 필름 2장이 약 90°로 배열되어, 서로 겹쳐 사용함으로써 편광 기능과 함께 정면 휘도 증가 효과를 제공하는 구성이 개시되어 있으며, 이러한 배열을 통해 정면휘도가 높아짐이 증명되어 현재 이러한 배열로 주로 사용하고 있다.
이러한 프리즘 필름은 백라이트 유닛에서 배출되는 다량의 광원을 정면으로 배출시켜 휘도를 높이고, 따라서 광원을 추가로 설치하지 않고도 종래의 백라이트 유닛보다 휘도가 높게 제작될 수 있다.
즉, 백라이트 유닛에서 정면으로 배출되는 광원은 프리즘층에서 두 번의 전반사 과정을 거쳐 백라이트 유닛으로 되돌아와 재활용되고, 백라이트 유닛에서 정면 이외의 방향으로 배출되는 광원은 프리즘층에서 굴절되어 정면으로 배출되도록 해준다.
일반적으로 백라이트 유닛에서 배출되는 총 광량 중에 정면에 대해 0°~30°로 배출되는 광량은 약 60%이고, 약 35%는 30°~70°로 배출되는 광량을 가지고 있다. 따라서 백라이트 유닛에서 정면으로 배출되는 60%에 해당되는 광량은 프리즘 필름에서 전반사되고 측면으로 배출되는 35%에 해당되는 광량은 프리즘 필름에서 굴절되어 정면으로 배출되는 것이다. 여기에서, 전반사되는 광원은 매질이 서로 다른 공기층, 투명기재층, 프리즘층을 빈번하게 통과하면서 광손실을 갖게 된다. 이는 백라이트 유닛의 대부분의 광원이 전반사하게 되므로 광효율적인 측면에서 많은 손실을 갖게 되는 것이다. 전반사되어 되돌아온 빛은 백라이트 유닛의 내부의 반사 재질에 따라 또 다른 광손실을 갖기도 한다. 따라서 백라이트 유닛의 내부 반사율을 향상시켜야 하는 문제가 있다.
따라서 프리즘 필름에서 재활용되며 손실되는 광원의 효율을 높이기 위해서는 프리즘 필름의 입사면의 투과율을 향상시키고 백라이트 유닛에서 배출되는 광원은 방향을 바꿔줌으로써 프리즘 층에서 전반사되지 않고 배출될 수 있도록 유도해주어야 한다.
그리고 두 장의 프리즘 필름을 교차하여 사용할 때 상단에 배치된 프리즘 필름의 매끄러운 면과 하단에 배치된 프리즘 필름의 프리즘 구조의 꼭지점이 접촉하고 있는 형태로 존재하게 된다. 또한 프리즘 필름은 광확산 필름의 상부에 위치하기도 한다. 광확산 필름은 돌출된 입자를 가진 광기재로써 표면경도가 연필경도 HB 정도로 약하다. 따라서 프리즘 필름의 매끄러운 면과 광확산 필름의 돌출된 입자가 접촉할 때 프리즘 필름의 매끄러운 면의 표면강도가 약하기 때문에 상대적으로 표면경도가 높은 광기재에 눌려 접촉부분이 손상된다. 이 때 물리적인 손상 이외에 손상된 부분으로 인하여 발생되는 광학적 간섭효과인 웨트아웃(Wetout) 현상, 빛의 간섭으로 생기는 무지개 띠 형상의 뉴턴링(Newton's ring) 현상과 같은 광간섭을 일으킬 여지를 남겨두어 광원의 균일도와 선명도에 직접적인 영향을 주는 문제점을 가지고 있다.
또한 종래의 프리즘 필름은 프리즘의 배열이 규칙적이기 때문에 액정 픽셀의 일정한 배열과 결합될 때 간섭효과로 물결무늬가 생기는 무아레(Moire) 현상과 같은 광간섭 이미지가 발생될 수 있는 여지를 남겨놓고 있다. 이는 규칙성이 중첩되는 구조에서는 피할 수 없는 물리적 현상이다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 프리즘 필름의 전반사의 영역에서도 빛이 배출되도록 광효율을 극대화하여 광손실을 최소화시켜 균일한 광원을 제공하고 광원의 이용 효율을 증대시킬 수 있는 프리즘 필름을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 프리즘층으로 사용 가능한 프리즘 필름의 개선된 구조를 제안하여, 외부의 충격, 진동 및 마찰에 의한 프리즘층의 구조의 손상 및 프리즘 필름 이면의 손상을 방지하고, 마찰정전기로 인한 이물 부착을 방지하여 손상에 강하고 우수한 특성을 갖는 프리즘 필름을 제공하기 위한 것이다.
아울러, 본 발명은 상술한 목적을 달성하면서도, 전방 휘도 등 광학적 특성을 함께 개선할 수 있는 새로운 구조의 프리즘 필름을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 투명기재층; 상기 투명기재층의 일면에 광투과성 재료로 형성되고, 복수개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층; 및 상기 투명기재층의 이면에 광투과성 중합체 재료로 형성된 저면층을 포함하고, 상기 각 층들은 상기 프리즘층이 가장 높은 굴절률을 갖고, 상기 저면층이 가장 낮은 굴절률을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 프리즘 필름을 제공한다.
상기 저면층은 굴절률이 1.40 ~ 1.49 인 것을 특징으로 한다.
상기 저면층의 광투과성 중합체 재료는 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 멜라민계 수지 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 저면층은 복수개의 유기 또는 무기 입자들을 포함하며, 상기 입자들의 표면 굴곡을 따라 표면에 돌출부를 형성한 것을 특징으로 한다.
상기 입자는 단분산(monodisperse) 입자로서, 직경이 0.1 ~ 15 ㎛인 것을 특징으로 한다.
상기 유기 입자는 아크릴계 입자, 올레핀계 입자 및 아크릴계와 올레핀계의 공중합체 입자, 다층 다성분계 입자 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 무기 입자는 산화규소, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄 및 불화마그네슘 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 입자들은 상기 저면층의 광투과성 중합체 재료 100 중량부에 대하여 0.1~10중량부 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 저면층의 상기 돌출부의 길이(h)는 상기 입자 직경의 1~50%인 것을 특징으로 한다.
상기 저면층의 상기 돌출부를 제외한 평탄한 부분의 두께(f)는 상기 입자 직경의 50% 이상 100% 미만인 것을 특징으로 한다.
상기 저면층의 입자는 상기 저면층 내에서 단일층 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 프리즘층의 광투과성 재료는 불포화 지방산 에스터, 방향족 비닐 화합물, 불포화 지방산과 그 유도체, 불포화 이염기산(unsaturated dibasic acid)과 그 유도체, 비닐 시아나이드(cyanide) 화합물 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 프리즘층은 평행한 삼각 프리즘의 선형 배열 구조, 사각뿔 프리즘 구조, 원뿔 프리즘 구조, 반구형 프리즘 구조 및 비구형 프리즘 구조 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 투명기재층은 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 폴리카보네이트 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리스틸렌 필름 또는 폴리에폭시 필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 저면층은 대전방지제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 대전방지제는 4차 아민계, 음이온계, 양이온계, 비이온계, 및 플로라이드계 재료 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 한 형태를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A 단면도로서, 본 발명의 프리즘 필름의 바람직한 한 형태를 보다 상세히 도시한 것이며, 빛의 광학특성을 설명한 도면이다.
본 발명의 프리즘 필름(10)은 투명기재층(30)의 일면에 전반사와 굴절기능을 가진 삼각형 프리즘 구조의 프리즘층(20)을 형성하고, 그 이면에 전반사로 손실되는 광원의 효율을 높이기 위한 저면층(40)을 형성하고 있다.
상기 투명기재층(30)으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 폴리카보네이트 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리스틸렌 필름 또는 폴리에폭시 필름 등을 사용할 수 있는데, 주로 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름과 폴리카보네이트 필름이 사용된다. 상기 투명기재층(30)의 두께는 10~1000㎛으로 하며, 보다 바람직하게는 25~600㎛이 좋다. 상기 투명기재층(30)의 두께가 10㎛ 미만이면 기계적 강도 및 열안정성이 취약해지는 문제점이 있고, 1000㎛ 초과인 경우 필름의 유연성이 저하되고 투과광의 손실이 발생할 수 있는 문제가 있기 때문이다.
상기 투명기재층(30)의 일면에 굴절률이 더 높고 투명한 수지로 이루어져 정면 휘도 상승을 위한 삼각형 프리즘 구조의 프리즘층(20)을 형성한다. 상기 프리즘층(20)을 구성하는 물질로는 자외선 경화형 수지 혹은 열경화성 수지를 포함하는 고분자 수지가 사용되는데, 예를 들면, 불포화 지방산 에스터, 방향족 비닐 화합물, 불포화 지방산과 그 유도체, 불포화 이염기산(unsaturated dibasic acid)과 그 유도체, 메타크릴로나이트릴과 같은 비닐 시아나이드(cyanide) 화합물 등이 사용될 수 있다.
상기 프리즘층(20)은 상기 투명기재층(30)보다 굴절률이 높은 물질로 이루어져 있는데, 이는 투명기재층(30)의 굴절률이 더 높은 경우 투명기재층(30) 후면으로부터 입사된 광의 일부가 프리즘층(20) 표면에서 전반사되어 프리즘 구조로 입사되지 못할 수 있기 때문이다. 한편, 상기 저면층(40)은 하기에서 설명하는바와 같이 상기 투명기재층(30)보다 굴절률이 낮은 물질로 이루어져 있다.
본 발명에서의 프리즘층(20)은 도시된 바와 같이 평행한 삼각 프리즘의 선형 배열 구조일 수 있으며, 그 이외에 사각뿔 프리즘 구조, 원뿔 프리즘 구조, 반구형 프리즘 구조 및 비구형 프리즘 구조 중에서 선택될 수 있다. 상기 프리즘층(20)의 구조가 도시된 바와 같이 삼각 프리즘의 선형배열이 사용되는 경우 프리즘 구조의 상부 꼭지각에 따라 전방 휘도와 시야각 내 광세기 분포 등의 광학적 특성변화가 심한데, 상기 삼각 프리즘 구조의 상부 꼭지각은 80°~100°가 바람직하다. 각도 가 80° 미만인 경우 집광에 의한 전방 휘도는 양호하나 시야각 내 광세기 분포가 불량하여 적용하기 어렵고, 100° 초과인 경우 시야각 내 광세기 분포 특성은 양호하나, 전방 휘도가 낮아지는 문제점이 있다.
상기 프리즘층(20)은 상기 삼각형 프리즘 구조와 상기 투명기재층(30)을 접착시키는 역할을 하는 보강층(25)을 포함하는데, 상기 보강층(25)의 두께가 두꺼워질수록 상기 프리즘층(20)과 상기 투명기재층(30)의 접착력이 상승되지만, 너무 두꺼워지면 프리즘 필름(10)의 두께가 상승하게 되므로, 프리즘 필름(10)의 두께에 영향을 주지 않는 범위 내에서 보강층(25)의 두께 조절이 가능하다.
한편, 본 발명에서는 상기 저면층(40)에 사용되는 수지로는 상기 투명기재층(30)과 접착성이 좋으며 저면층(40)에 포함되는 입자(41)들과 상용성이 좋은 수지, 즉, 입자(41)가 수지에 골고루 분산되어 분리되거나 침전이 잘 생기지 않는 것을 사용한다. 이러한 수지로는, 예를 들어, 불포화폴리에스터, 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 이소부틸메타크릴레이트, 노말부틸메타크릴레이트, 노말부틸 메틸메타크릴레이트, 아크릴산, 메타크릴산, 히드록시에틸메타크릴레이트, 히드록시프로필메타크릴레이트, 히드록시에틸아크릴레이트, 아크릴아미드, 메티롤아크릴아미드, 글리시딜메타크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 이소부틸아크릴레이트, 노말부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트의 단독중합체, 이들의 공중합체 또는 삼원 공중합체 등의 아크릴계 수지와, 우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 멜라민계 수지 등을 사용한다.
또한 상기 프리즘 필름(10)의 투과율을 향상시키기 위해서는 상기 저면층(40)의 굴절률이 낮아야 한다. Fresnel법칙에 따르면 서로 다른 매질의 경계면에 수직으로 입사되는 빛의 일부가 반사되어 통과하지 못한다. 여기서 반사되는 빛의 양은 서로 다른 매질의 굴절률의 차이가 커질수록 그 양은 점차 증가하게 된다.
Figure 112005008758850-pat00001
여기서, R:반사손실, n1: 매질1, n2 : 매질2
예를들어, 공기중에서 굴절률이 1.5인 투명필름으로 입사되는 빛은 계면에서 4%가 반사손실이 발생된다. 그러나, 굴절률이 1.5인 투명필름위에 굴절률 1.45인 층을 형성하면 빛은 계면에서 3.4%의 반사손실이 발생하게 된다. 따라서, 저면층(40)은 매질의 경계면의 굴절률차이가 적어지게 함으로써 빛의 반사손실을 줄여 전 체적으로 투과율을 향상시키는 역할을 해 준다.
직각이등변삼각형 프리즘 구조물의 수직축선에 대해 입사되는 빛의 각도와 프리즘 밖으로 배출(혹은 전반사)되는 빛의 각도와의 상관관계를 굴절률에 따라 표시한 그래프를 나타낸 도 3을 참조하여 설명하면 프리즘 필름을 구성하는 물질의 굴절률이 클수록 전반사가 발생하는 임계각이 커지며, 이 때 빛이 임계각보다 작은 각으로 입사하는 경우, 같은 입사각으로 입사하더라도 더 큰 각도로 배출되고, 임계각보다 큰 각으로 입사하는 경우엔 프리즘 필름을 구성하는 물질의 굴절률이 클수록 작은 각도로 배출된다. 즉, 프리즘 필름을 구성하는 물질의 굴절률이 높을수록 빛이 배출되는 각도가 정면방향에 대해 좁아지므로 정면의 휘도향상 측면에 바람직하지만, 전반사되는 빛은 더욱 많아지게 되어 광손실은 가중된다. 또한, 프리즘 구조물의 수직축선에 대하여 45° 이하의 수직에 가까운 각도로 입사되는 대부분의 광원은 프리즘에서 전반사되어 되돌아간다. 따라서 고성능 프리즘 필름의 개발에 있어서 전반사 역할을 하는 대부분의 광원이 상기의 Fresnel법칙에 적용되므로 저면층의 도입에 의한 계면반사손실을 줄여 투과율을 높여줌으로써 그 상승효과는 커지게 된다.
따라서 상기 투명기재층(30)으로 사용되는 대표적인 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름의 굴절률이 1.49인 것을 고려할 때 상기 저면층(40)은 굴절률이 1.49보다 낮은 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 굴절률이 너무 낮으면 표 면경도가 낮아지고, 품질에 영향을 미칠 수 있으므로 경도가 높은 물성을 포함하는 물질을 사용해야 한다. 본 발명에서는 상기 저면층(40)의 굴절률은 1.40 ~ 1.49인 것이 바람직하다.
또한, 상기 저면층(40)은 폴리에스터나 폴리카보네이트보다 경도가 강한 수지를 사용하여 표면경도를 높여 하부 광기재와의 과도한 밀착을 방지시켜 Wet-out, Newton's ring이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 저면층(40)에는 복수개의 유기 또는 무기 입자(41)들을 포함하고 있다. 상기 입자(41)들은 저면층(40)의 표면에 그 형태대로 돌출되어 저면층(40)의 표면에 돌출부(45)를 형성시켜, 입사면이 수평하지 않은 계면을 가질 수 있도록 만들어주는 역할을 하는 동시에, 광확산의 기능을 더해주면서, 프리즘 필름(10)의 적재 또는 보관 중이나 프리즘 필름(10)을 다른 부품과 조립하는 공정 중에 공정 장치 내의 대향면 혹은 적층된 다른 프리즘 필름(10)과의 접촉면적을 줄임으로써, 낱장으로의 분리, 이동 또는 조립 과정 중에 발생할 수 있는 표면의 손상을 방지한다. 또한 프리즘 필름(10)을 복수 장 겹쳐 사용하는 경우 저면층(40) 하단에 접촉되는 프리즘층(20)의 꼭지점 부분으로 인한 저면층(40)의 손상을 방지하여준다. 즉, 상기 프리즘층(20)의 꼭지점 부분과 상기 저면층(40) 하단의 돌출부(45)와 접촉하게 함으로써 프리즘 필름(10) 서로간의 접촉면적을 줄이고, 입자(41)에 의한 완충 작용이 가능하게 하여, 프리즘 구조 꼭지점 부분의 손상이나 저면층(40)의 표면 손상을 방지하여 준다.
본 발명에서 사용되는 입자(41)들의 대표적인 형태로는 구형, 비구형, 삼각뿔, 정육면체, 다각형 모양의 입자를 사용할 수 있다. 백라이트 유닛에서 가장 많은 광량을 보유한 정면의 빛을 프리즘층(20)에서 빈번하게 전반사시키지 않고 밖으로 배출시키기 위해서는 프리즘 필름(10)의 입사면에 수직인 계면이 많을수록 바람직하다. 따라서 수직인 계면을 많이 갖기 위해서는 정육면체의 입자를 사용할 수 있다. 그러나 정육면체의 입자를 사용할 경우 프리즘 필름(10) 제작시 입자에 의한 요철모양으로 인하여 배치되기 어렵고, 날카로운 형태로 인하여 하부 필름을 손상시킬 수도 있는 단점이 있다. 이에 대해 구형 입자는 표면에 무한대의 접선이 동시에 존재하고, 또한 표면과의 접촉시 점접촉을 유지하기 때문에 마찰손상을 최소화할 수 있으므로, 구형입자를 사용함이 바람직하다.
이 때 상기 구형 입자(41)는 단분산(monodisperse) 크기 분포를 갖는 것이 바람직하다. 입자(41)들의 크기 편차가 지나치게 크면 저면층(40) 표면의 돌출부(45)의 높이가 위치에 다라 달라져, 구조적, 광학적 균일도를 해칠수 있게 된다. 즉, 다분산 입자를 사용하게 되면 큰 입자 사이에 작은 입자가 혼입되어 입자에 의한 요철을 가릴 수 있으며, 이는 헤이즈(Haze)를 유발시켜 휘도를 저하시키고 광방출 효율을 저해시킨다. 이 때의 단분산의 의미는 통상 제조업자가 공지하는 기준을 만족하면 어떤 것이든 가능하다.
또한 상기 입자(41)들이 국부적으로 다수가 뭉쳐있거나 입자(41)들이 배열된 층 위에 다른 입자(41)들의 층이 중첩되어 있는 구조이어서는 안되며, 입자(41)와 입자(41) 사이에는 일정정도의 빈 영역이 존재하여야 한다. 즉, 입자(41)들은 투명기재층(30)의 표면상에서 마치 증착(deposition) 공정에 의한 박막 형성의 초기 상태와 유사한 아일랜드 구조 또는 단일층(mono-layer) 구조를 이루고 있는 것이 바람직하다.
상기 입자(41)의 크기는 설계된 저면층(40)의 두께에 따라 달라지지만, 0.1~20㎛ 크기를 갖는 것이 적당하며, 더욱 바람직하게는 0.1~15㎛이 좋다. 입자(41)의 크기가 20㎛ 초과하면 이에 의한 돌출부(45)에 의해 오히려 프리즘 꼭지점의 손상을 초래할 수 있고, 입자(41) 크기가 0.1㎛ 미만이면 손상 방지의 효과를 기대하기 어렵기 때문이다.
상기 저면층(40)의 입자(41)의 크기 분포에 대한 제한은 입자가 배치되지 않은 저면층(40)의 두께(f)와의 관계를 염두하여 설정하는 것이 바람직하다. 상기 돌출부(45)의 길이(h)는 상기 입자(41) 직경의 1~50%로 하는 것이 바람직한데, 상기 돌출부(45)의 길이(h)가 입자직경의 50%를 넘게되면 프리즘 꼭지점이 손상될 수 있고, 입자(41)의 이탈이나 파손이 발생될 수 있기 때문이다. 한편, 상기 돌출부(45)를 제외한 저면층(40)의 평탄한 부분의 두께(f)는 상기 입자(41) 직경의 50% 이상 100% 미만이 바람직하다. 상기 저면층(40)의 두께가 너무 두꺼워 입자(41) 직경보다 크면, 입자(41)가 매몰되어 돌출부(45)가 형성되지 않게 된다.
한편, 상기 입자(41)들은 상기 저면층(40)에 입사되는 광원의 방향에 노이즈(Noise)를 부여함으로써 액정표시장치와 조합시 픽셀간의 규칙성과 프리즘 필름(10)의 규칙성이 짝을 이룰 수 없도록 하므로, 광간섭 현상 중에 하나인 무아레(Moire) 현상을 방지할 수 있다. 상기 입자(41)들이 원활하게 물리적 측면의 성능향상을 높이기 위해서는 상기 입자(41)의 함량은 저면층(40)을 구성하는 수지 100중량부당 0.1~10중량부의 함량으로 제조하는 것이 바람직하다. 상기 입자(41) 함량이 10 중량부를 초과하면 헤이즈 현상이 발생할 수 있고 다량의 입자에 의해 입사계면의 수직계면 감소할 수 있기 때문이다.
본 발명에서는 유기 입자로서 메틸메타크릴레이트, 아크릴산, 메타크릴산, 히드록시에틸메타크릴레이트, 히드록시프로필메타크릴레이트, 아크릴아미드, 메티롤아크릴아미드, 글리시딜메타크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 이소부틸아크릴레이트, 노말부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트 단독 중합체 또는 공중합체의 아크릴계 입자와 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 입자와 아크릴과 올레핀계의 공중합체 입자 및 단일중합체의 입자를 형성한 후 그 층위에 다른 종류의 단량체로 덮어 씌워 만든 다층 다성분계 입자를 사용하며, 무기 입자로서는 산화규소, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄 및 불화마그네슘 등을 사용한다. 상기 유기 및 무기 입자들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 상기 나열된 유기 또는 무기 재질의 입자에 한정되지 않고 본 발명의 주된 목적을 달성할 수 있는 한 다른 공지된 재료로 얼마든지 대치할 수 있음은 당업자에게는 자명하며, 이러한 재질 변경의 경우도 역시 본 발명의 기술적 사상의 범주 내이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 입자(41) 배치는 투명기재층(30)으로 입사하는 광의 경로에 영향을 주어 전방 휘도의 개선에 기여할 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 저면층(40)에 사용되는 수지에 결합제 이외에 대전방지제를 포함하여 마찰에 의한 정전기 발생을 없애 이물이 부착되는 불량을 방지할 수 있다. 이 때 사용할 수 있는 대전방지제로는 4차 아민계, 음이온계, 양이온계, 비이온계 및 플로라이드계 등이 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1-1>
투명기재층으로서 굴절율 1.492, 두께 125㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름을 사용하고,저면층 형성용 광투과성 중합체 재료로서 로릴아크릴레이트 32 중량%, 부틸아크릴레이트 40 중량%, 메틸메타크릴레이트13.5 중량%, 트리플루오로에틸메타크릴레이트 14.5 중량%로 중합하여 평균분자량 50,000이고, 굴절율이 1.477인 아크릴폴리올 90 중량부와, 폴리이소시아네이트 10 중량부를 혼합하여 제조하고, 상기 저면층 형성용 광투과성 중합체 재료를 상기 투명기재층의 일면에 그라비아를 사용하여 도포하고, 120℃에서 60초간 건조하여 경화시킴으로서 상기 투명기재층의 일면에 굴절율이 1.482이고, 두께 2㎛의 저면층을 형성하였다.
프리즘층 형성용 광투과성 재료로서 굴절율이 1.5556인 에폭시아크릴레이트(CN120, 사토머) 39 중량%, 굴절율이 1.5425인 에톡시레이트 비스페놀 A 다이크릴레이트(SR-349, 사토머) 39 중량%, 1,6 헥산다이올 디아크릴레이트(SR-238, 사토머) 7.5 중량%, 굴절율이 1.500인 트리스(2-하이드록시 에틸) 이소시아누레이트 트리아크릴레이트(SR-368, 사토머) 11.5 중량%, BAPO계 광개시제 3 중량%를 혼합하여 굴절율이 1.5412인 조성물을 제조하고, 상기 프리즘층 형성용 광투과성 재료를 프리즘형상(프리즘 꼭지각 90°)이 인각되어있는 프레임 위에 코팅하였다.
그 후, 상기 저면층 형성용 광투과성 중합체 재료가 도포된 상기 투명기재층의 이면과 상기 프리즘층 형성용 광투과성 재료의 코팅층과 접착시키고, 자외선(Fusion, 1인치당 300와트)을 조사하여 프리즘층 형성용 광투과성 재료를 경화시킴으로서 상기 투명 기재층의 이면에 굴절율이 1.560이고, 프리즘 광학구조폭이 50㎛, 프리즘 광학구조 높이가 25㎛, 보강층이 2.5㎛인 프리즘층을 형성하였다.
<실시예 1-2>
저면층 형성용 광투과성 중합체 재료로서 에틸아크릴레이트 29.5 중량%, 메틸메타크릴레이트 47.5 중량%, 부틸아크릴레이트 13 중량%, 2-하이드록시 아크릴레이트 10 중량%로 중합하여 평균분자량 50,000이고, 굴절율이 1.480인 아크릴폴리올을 제조하여 상기 투명기재층의 일면에 굴절율이 1.485이고, 두께 2㎛의 저면층을 형성시키는 것 외에는 상기 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
<비교예 1>
저면층 형성용 광투과성 중합체 재료로서 2-아크릴로일록시 에틸 프탈레이트 40 중량%, 2-하이드록시 3-페녹시 프로필 아크릴레이트 50 중량%, 2-하이드록시 아크릴레이트 10 중량%로 중합하여 평균분자량 50,000이고, 굴절율이 1.510인 아크릴폴리올을 제조하여 상기 투명기재층의 일면에 굴절율이 1.515이고, 두께 2㎛의 저면층을 형성시키는 것 외에는 상기 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
<실시예 2-1>
저면층에 단분산이고, 3㎛ 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 입자를 상기 저면층 형성용 광투과성 중합체 재료 100중량부에 대하여 0.5중량부를 포함하여 제조하는 것 외에는 상기 실시예 1-1과 동일하게 제조하였다.
<실시예 2-2>
저면층에 단분산이고, 3㎛ 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 입자를 상기 저면층 형성용 광투과성 중합체 재료 100중량부에 대하여 0.5중량부를 포함하여 제조하는 것 외에는 상기 실시예 1-2과 동일하게 제조하였다.
<비교예 2>
저면층에 단분산이고, 3㎛ 크기의 폴리메틸메타아크릴레이트 입자를 상기 저면층 형성용 광투과성 중합체 재료 100중량부에 대하여 0.5중량부를 포함하여 제조하는 것 외에는 상기 비교예 1과 동일하게 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예의 물성평가는 후술하는 바와 같이 실시하였으며, 그 평가 결과는 하기 표 1과 같다.
<굴절율평가>
프리즘층 및 저면층의 굴절율 평가 - 상기 각 실시에 및 비교예의 프리즘층 형성용 광투과성 재료 및 저면층 형성용 광투과성 중합체 재료를 상기 실시예 또는 비교예의 광경화 또는 열경화 조건에서 25㎛의 두께로 경화시킨 후에 굴절계(모델명 : 1T, 일본 ATAGO ABBE)를 사용하여 굴절율을 측정하였다.
투명기재층의 굴절율 평가 - 상기 각 실시예 및 비교예의 투명기재층으로 사용되는 PET필름의 굴절율을 굴절계(모델명 : 1T, 일본 ATAGO ABBE)를 사용하여 측정하였다.
<휘도평가(Cd/㎡)>
17인치 액정디스플레이 패널용 백라이트 유닛(모델명 : LM170E01, 대한민국 희성전자제조)에 상기 제조된 실시예 및 비교예의 프리즘 필름 2장을 직교방향으로 적층하여 고정하고, 휘도계(모델명 : BM-7, 일본 TOPCON사)를 사용하여 임의의 13지점의 휘도를 측정하여 그 평균값을 구한다.
<경도측정>
연필경도시험기(일본,주식회사 Yoshimitsu)를 사용하여 500g 하중을 걸고 연필경도를 JIS K5400-1990 8.4.2항에 준거하여 측정하였다.
<광학간섭현상측정>
상기 각 실시예 또는 비교예의 프리즘 필름 2장을 복수의 유리판 사이에 배치하고, 유리판에 압력을 가하여 필름에서 발생되는 과도한 밀착에 의한 광간섭현상(Wet-out, Newton's Ring)을 관찰하여, 각 현상의 발생 정도에 따라 하기와 같이 상대 평가하였다.
Wet-out : 발생 ← ◎ - ○ - △ - × → 미발생
Newton's Ring : 발생 ← ◎ - ○ - △ - × → 미발생
<프리즘 꼭지점의 손상 정도 측정>
상기 각 실시예 및 비교예의 프리즘 필름 두장을 직교방향으로 배열하여 두장의 표면이 매끈한 SUS430BA판(1T) 사이에 적층시킨 후 고정시키고 하중 500g을 50cm의 높이에서 수직으로 100회 자유낙하시켰을때 1㎝×1㎝의 일정 면적당 손상된 프리즘의 개수를 SEM을 이용하여 측정하였다.
실시예1-1 실시예1-2 비교예1 실시예2-1 실시예2-2 비교예2
굴절율 프리즘층 1.560 1.560 1.562 1.560 1.560 1.560
투명기재층 1.492 1.492 1.492 1.492 1.492 1.492
저면층 1.482 1.485 1.515 1.482 1.485 1.515
휘도(Cd/㎡) 2050 2033 1998 2060 2045 2010
경도 H H HB H H HB
광간섭현상 Wet-out ○ ○ ◎ △ △ △
Newton's Ring ○ ○ ◎ × △ △
프리즘꼭지점손상개수 (개/㎠) 195 199 187 105 85 94
상기 물성평가결과, 본 발명에 따라 투명기재층보다 낮은 굴절률의 저면층과 투명기재층보다 높은 굴절률의 프리즘층을 갖는 실시예들은 휘도, 경도가 우수하였으며, 비교예에 비하여 광간섭 현상이 적게 발생되었고, 특히 입자를 포함한 경우엔 프리즘층의 프리즘 꼭지점 손상개수가 줄었음을 볼 수 있다.
그러나 저면층의 굴절률이 투명기재층보다 높은 비교예들의 경우, 휘도가 낮고 경도가 실시예들에 비하여 약하였으며 광간섭 현상이 많이 발생된 것을 볼 수 있으며, 따라서 광손실이 많이 발생하고 양호한 화질구현이 어려움을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 낮은 굴절률을 갖는 저면층 및 상기 저면층에 포함된 입자에 의하여 광경로를 제어하여 전방 휘도를 향상시키고, 프리즘 필름의 전반사의 영역에서도 빛이 배출되도록 광효율을 극대화하여 광손실을 최소화시켜 균일한 광원을 제공하고 광원의 이용 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 입자에 의한 저면층의 돌출부를 통하여, 외부의 충격, 진동 및 마찰에 의한 프리즘층의 구조의 손상 및 프리즘 필름 이면의 손상을 방지하고, 접촉면을 줄임으로써 마찰정전기로 인한 이물 부착을 방지하여 손상에 강하여, 공정 중 불량을 줄이고, 액정 디스플레이 장치로 조립되어 사용될 경우 프리즘 필름의 손상이나 이물부착을 방지하여 균일하고 양호한 화질 구현이 가능하게 할 수 있다.

Claims (16)

  1. 투명기재층;
    상기 투명기재층의 일면에 광투과성 재료로 형성되고, 복수개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층; 및
    상기 투명기재층의 이면에 광투과성 중합체 재료로 형성된 저면층을 포함하고,
    상기 각 층들은 상기 프리즘층이 가장 높은 굴절률을 갖고, 상기 저면층이 가장 낮은 굴절률을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저면층은 굴절률이 1.40 ~ 1.49 인 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저면층의 광투과성 중합체 재료는 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 멜라민계 수지 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저면층은 복수개의 유기 또는 무기 입자들을 포함하며, 상기 입자들의 표면 굴곡을 따라 표면에 돌출부를 형성한 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 입자는 단분산(monodisperse) 입자로서, 직경이 0.1 ~ 15 ㎛인 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 유기 입자는 아크릴계 입자, 올레핀계 입자 및 아크릴계와 올레핀계의 공중합체 입자, 다층 다성분계 입자 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 무기 입자는 산화규소, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄 및 불화마그네슘 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 입자들은 상기 저면층의 광투과성 중합체 재료 100 중량부에 대하여 0.1~10중량부 포함된 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 저면층의 상기 돌출부의 길이(h)는 상기 입자 직경의 1~50%인 것을 특 징으로 하는 프리즘 필름.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 저면층의 상기 돌출부를 제외한 평탄한 부분의 두께(f)는 상기 입자 직경의 50% 이상 100% 미만인 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 저면층의 입자는 상기 저면층 내에서 단일층 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리즘층의 광투과성 재료는 불포화 지방산 에스터, 방향족 비닐 화합물, 불포화 지방산과 그 유도체, 불포화 이염기산(unsaturated dibasic acid)과 그 유도체, 비닐 시아나이드(cyanide) 화합물 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리즘층은 평행한 삼각 프리즘의 선형 배열 구조, 사각뿔 프리즘 구조, 원뿔 프리즘 구조, 반구형 프리즘 구조 및 비구형 프리즘 구조 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명기재층은 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 폴리카보네이트 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리스틸렌 필름 또는 폴리에폭시 필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 저면층은 대전방지제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 대전방지제는 4차 아민계, 음이온계, 양이온계, 비이온계, 및 플로라이드계 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리즘 필름.
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KR101353845B1 (ko) * 2007-10-29 2014-01-21 코오롱인더스트리 주식회사 표면이 구조화된 광학시트
WO2022212003A1 (en) * 2021-04-02 2022-10-06 Beijing Voyager Technology Co., Ltd. Methods and apparatuses for improved adhesive bonding in a lidar system

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