KR20200018954A

KR20200018954A - 굴절률 조절이 가능한 나노입자, 이를 포함하는 광산란층, 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20200018954A
Application number: KR1020180094434A
Authority: KR
Inventors: 이헌; 성영훈
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2038-08-13
Also published as: KR102144987B1

Abstract

본 명세서는 요철이 있는 주형 상에 산란입자가 포함된 레진을 코팅하는 제1단계; 및 상기 레진을 기판 상에 부착하는 제2단계;를 포함하는 광산란층의 제조방법을 개시한다. 상기 광산란층의 제조방법은 상기 레진 상에 평탄화층을 적층하는 제3단계; 및 상기 평탄화층을 평탄화하는 제5단계;를 더 포함할 수 있다. 본 발명은 정밀한 패턴을 가지는 광산란층을 염가로, 높은 재연성을 확보하며, 기판 상에 광산란층을 적층할 수 있는 광산란층 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 광산란층 제조방법은 추가적인 장비의 구비 없이도 대량생산이 용이하다는 장점을 제공한다.

Description

굴절률 조절이 가능한 나노입자, 이를 포함하는 광산란층, 및 그 제조방법 {Refractive index adjustable nano particle, Light scattering layer comprising the same, and Method for producing the same}

본 발명은 굴절률 조절이 가능한 나노입자, 이를 포함하는 광산란층, 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로, 굴절률의 조절이 가능한 나노입자 및 상기 나노입자의 굴절률 조절방법, 굴절률 조절이 가능한 나노입자가 포함된 광산란층 및 상기 광산란층의 제조방법, 상기 광산란층을 포함하는 발광장치에 관한 것이다.

복수의 층을 포함하는 발광장치에 있어서, 발광효율을 개선하기 위하여 각 층간의 굴절률 차이를 줄일 필요가 있다. 가령 복수의 층을 포함하는 발광장치의 일 예시로서, OLED의 경우 상술한 바와 같이 그 발광효율을 개선하고자 동일한 접근방법이 적용될 수 있다.

OLED의 양극 및 음극에 전압을 인가하면 각각 정공과 전자가 생성된다. 이 때, 생성된 정공과 전자의 결합에 따른 광의 생성 효율을 내부양자효율이라고 한다. 반대로, 상기 생성된 광이 외부로 방출되는 효율은 외부양자효율로 정의된다. 각 층을 구성하는 소재의 개발 및 구조개선을 통하여, 80%를 상회할 수 있는 것으로 알려진 내부양자효율에 비하여, 외부양자효율은 20% 내외인 것으로 알려져 있다.

한편, 외부양자효율이 내부양자효율보다 낮은 대표적인 이유로서, 각 층 간 굴절률 차이에 따른 전반사를 고려할 수 있다. 발광층에서 생성된 광은 대부분이 전반사에 의하여 기판 밖으로 나오지 못한 채 측면으로 빠져나가거나, 심지어 체류중인 일부 층에서 흡수될 수 있다.

종래, 양극과 유리기판의 경계면에서 발생하는 전반사가 외부양자효율을 감소시키는 중요한 요인 중 하나로 지목되었으며, 이를 줄이고자 하는 노력이 지속되었다. 대표적인 방식으로, 상기 유리기판 상에 요철구조를 형성하는 방법이 알려져 있다. 요철구조를 형성함으로써 광의 입사각을 감소시켜 전반사를 억제하는 것이다.

요철구조를 형성하는 구체적인 방식으로서 리소그래피(lithography) 공정 또는 진공 증착/열처리 공정을 이용하여 나노구조체를 형성한 다음 식각시켜 요철 구조를 형성하는 방법이 제시된 바 있다. 비슷하게, 은 박막을 증착하고 고온에서 응집시킨 후 실리콘 산화막을 건식 식각하는 방법 또한 제시된 바 있다.

그러나, 상술한 방법들은 공정이 복잡하고 고가의 장치 및 한정적인 재료를 사용해야 한다는 단점이 있다. 더불어, 그 패턴의 종류 또한 제한적이며, 결정적으로 굴절률의 조절자체는 불가능하다는 한계점이 있다. 그 결과, 다양한 종류의 대면적 기판의 양산에는 어려움이 있다.

한국공개특허 제10-2016-0021109호

본 발명은 상술한 문제점 등을 해결하기 위하여 안출된 것이다. 따라서, 본 발명은 굴절률의 조절이 가능한 나노입자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 나노입자를 포함하여 굴절률의 조절이 가능한 광산란층 및 그 제조방법을 제공하는 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 다양한 종류의 발광장치에 적용이 가능한 굴절률의 조절방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 명세서는 열분해성 유기고분자인 코어; 코어의 표면을 코팅하며, 무기고분자인 쉘;을 포함하며, 코어-쉘 구조를 가지는 나노입자를 개시한다.

본 발명의 각 나노입자에 있어서, 코어는 열처리에 의하여 중공을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 나노입자에 있어서, 나노입자의 중심으로부터 코어 대 쉘의 두께비는 10 : 1 내지 3 : 1 사이인 것이 바람직하다.

한편, 본 명세서는 균일한 패턴의, 경화된 레진; 레진의 내외부에 분산되며, 본 발명의 복수의 나노입자;를 포함하는 광산란층을 추가로 개시한다.

본 발명의 각 광산란층에 있어서, 레진은 실록산(siloxane), MSQ(methyl silsequioxane), HSQ(hydrogen silsequioxane), THPS(perhydropolysilazane), 폴리실라잔(polysilazane) 중 하나 이상의 물질인 것이 바람직하며, HSQ(hydrogen silsequioxane)인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 광산란층에 있어서, 레진 및 나노입자의 질량비는 1 : 0.1 내지 1 : 1 사이인 것이 바람직하다.

한편, 본 명세서는 기판을 준비하는 제1단계; 나노입자가 내외부에 분산된 레진에 패턴을 형성하는 제2단계; 레진의 표면을 경화하는 제3단계; 레진을 열처리 하는 제5단계;를 포함하고, 나노입자는 열분해성 유기고분자인 코어; 코어의 표면을 코팅하며, 무기고분자인 쉘;을 포함하며, 코어-쉘 구조를 가지는 광산란층의 제조방법을 추가로 개시한다.

본 발명의 각 광산란층의 제조방법에 있어서, 제5단계를 통하여 나노입자는 중공을 포함하는 중공입자가 되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 광산란층의 제조방법에 있어서, 나노입자의 중심으로부터 중공인 코어 및 쉘의 두께비는 10 : 1 내지 3 : 1 사이인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 광산란층의 제조방법에 있어서, 제2단계의 레진 및 나노입자의 질량비는 1 : 0.1 내지 1 : 1 사이인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 광산란층의 제조방법에 있어서, 제3단계는, 특정 패턴이 음각된 몰드 상에 레진을 코팅하고, UV-O₃를 사용하여 레진의 표면을 경화하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 광산란층의 제조방법에 있어서, 제5단계는 400℃ 내지 600℃에서 열처리 하는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 본 명세서는 본 발명의 광산란층의 제조방법에 따라 제조되며, 파장이 450nm인 전자기파에 대하여 굴절률이 1.30 내지 1.42 사이인 광산란층을 추가로 개시한다.

본 발명을 활용함으로써, 당해 분야의 통상의 기술자는 그 사용 목적에 따라 적절한 정도로 광산란층의 굴절률을 조절하는 것이 가능해진다.

또한, 상술한 바와 같은 굴절률의 조절을 통하여, 그 종류에 특별히 제한되지 아니하고 발광장치의 외부양자효율을 향상시키는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 나노입자 및 상기 나노입자를 포함하는 광산란층의 제조방법을 요약한 흐름도이다.
도 2은 본 발명의 나노입자의 함량변화에 따른 광산란층의 굴절률 변화를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 나노입자가 포함되지 않은 광산란층의 SEM 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 나노입자가 포함된 광산란층의 SEM 사진이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다"등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다.

<본 발명의 나노입자>

본 발명의 열분해성 유기고분자로서 PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(polystyrene), PMMA(poly(methyl methacrylate)), PBMA(poly(butyl methacrylate)), PVC(polyvinyl chloride), PVA(polyvinyl alcohol), PC(polycarbonate), PET(polyethylene terephthalate) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 고려할 수 있다.

한편, 본 발명의 쉘을 구성하는 무기고분자는 600℃ 온도조건에서 구조가 변형되지 않는 무기고분자이면 충분하며, 구체적인 예시로서, TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, Zr₂O₃, Fe₂O₃, ZnO₂, SnO₂로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 고려할 수 있다. 다만, 본 발명의 나노입자는 열분해성 고분자를 코어로서 포함한다는 점이 특장점이며, 쉘인 무기고분자는 내부의 열분해성 고분자가 분해되어 만들어진 부산물이 쉘 밖으로 배출될 수 있는 조성이면 충분하다.

본 발명의 각 나노입자에 있어서, 코어는 열처리에 의하여 중공을 포함하는 것이 바람직하다. 열분해성 유기고분자는 열처리 과정에서 라디칼 메커니즘(Radical mechanism) 등의 반응경로를 경유하여 완전히 열분해될 수 있다. 한편, 후술하는 바와 같이, 열분해성 유기고분자는 그 열분해(Thermal Degradation)온도가 400℃ 내지 600℃ 사이인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 중공입자인 나노입자의 구체적인 일 예로서, 본 발명의 각 광산란층에 있어서, 나노입자의 중심으로부터 중공인 코어 및 쉘의 두께비는 10 : 1 내지 3 : 1 사이인 것이 더욱 바람직하다. 코어의 두께비가 10 이상인 경우, 쉘의 두께가 지나치게 얇아 열분해성 고분자의 분해과정에서 쉘의 파괴가 유도될 수 있으며, 그 결과 공극의 균일한 모양이 훼손될 수 있다. 반대로 코어의 두께비가 3 미만인 경우, 코어의 상대적인 부피가 지나치게 적어, 본 발명의 나노입자의 포함에 따른 광산란층의 굴절률 변화가 미미할 수 있다.

나노입자의 직경은 가시광선에 해당하는 전자기파의 반파장 보다 작은 것이 산란을 최대화 할 수 있다는 관점에서, 본 발명의 나노입자의 직경 분포는 10nm 내지 100nm 사이인 것이 바람직하다. 또한, 상기 산란입자의 굴절률은 상기 산란입자가 포함된 레진의 굴절률과 ±0.05 이상 차이가 나는 것이 바람직하다. 상기 레진의 굴절률과 산란입자의 굴절률의 차이가 ±0.05 이하인 경우에는 상기 레진 내에서 상기 산란입자에 의한 추가적인 굴절이 미미하여 광추출효율의 증가를 기대하기 어렵다.

<본 발명의 광산란층>

한편, 본 명세서는 균일한 패턴의, 경화된 레진; 레진의 내외부에 분산되며, 본 발명의 복수의 나노입자;를 포함하는 광산란층을 추가로 개시한다. 이하에서는 각각의 구성에 대하여 더욱 상세히 서술한다.

용액 상태의 레진을 복수의 공정을 거쳐 경화하여 본 발명의 광산란층에 포함되는 레진을 얻게 된다. 특히, 특정한 패턴이 형성된 몰드 상에 레진을 균일하게 도포하고, 상기 레진을 경화시킴으로써, 특정한 패턴이 표면에 형성된 레진을 수득할 수 있다. 레진의 구체적인 경화방법은 후술하는 <본 발명의 광산란층의 제조방법>을 준용한다.

한편, 상기 레진의 표면에 형성된 '균일한 패턴'은 일정한 형상의 구조(이하 '반복단위'라 칭한다.)가 반복되는 패턴을 의미한다. 가령, 일 예시로서, 반복단위가 원뿔형인 경우, 본 발명의 균일한 패턴은 반복단위인 원뿔이 일정한 간격으로 반복되는 패턴을 의미한다. 반복단위의 구체적인 예시로서, 삼각뿔, 사각뿔, 다각뿔, 원뿔, 반구, 돔 등을 열거할 수 있다. 또한, 균일한 패턴의 일 예로서 모스아이(Moth-eye) 패턴을 포함할 수 있다. 특히, 모스아이 패턴이 적용된 경우, 계면에서 굴절률의 변화가 완만하여 반사가 최대로 억제될 수 있다. 한편, 반복단위 간의 간격에는 특별한 제한이 없다.

한편, 본 발명의 레진에 포함되는 나노입자는 열분해성 유기고분자인 코어; 코어의 표면을 코팅하며, 무기고분자인 쉘;을 포함하며, 코어-쉘 구조를 포함한다. 열분해성 유기고분자는 그 열분해(Thermal Degradation)온도가 400℃ 내지 600℃ 사이인 것이 바람직하다.

특히, 본 발명의 코어에 포함되는 열분해성 유기고분자의 예시로서 PS, PE가 일정한 비율로 혼합된 경우를 고려할 수 있다. PS의 열분해온도는 대략 350℃이고, PE의 열분해온도는 약 450℃이다. 따라서, 가열조건을 적절히 선택함으로써 PS만을 열분해하거나, PE까지 열분해하는 것이 가능하다. 이는, 본 발명의 나노입자에 포함된 열분해성 유기고분자가 가열조건에서 분해되는 정도를 조정하여, 분해결과 만들어지는 중공의 부피를 조절할 수 있음을 의미한다.

본 발명의 중공입자인 나노입자의 구체적인 일 예로서, 본 발명의 각 광산란층에 있어서, 나노입자의 중심으로부터 중공인 코어 및 쉘의 두께비는 10 : 1 내지 3 : 1 사이인 것이 더욱 바람직하다. 코어의 두께비가 10 이상인 경우, 쉘의 두께가 지나치게 얇아 열분해성 고분자의 분해과정에서 쉘의 파괴가 유도될 수 있으며, 그 결과 공극의 균일한 모양이 훼손될 수 있다. 반대로 코어의 두께비가 3 미만인 경우, 코어의 상대적인 부피가 지나치게 적어, 본 발명의 나노입자의 포함에 따른 광산란층의 굴절률 변화가 미미할 수 있다.

한편, 본 발명의 각 광산란층에 있어서, 레진 및 나노입자의 질량비는 1 : 0.1 내지 1 : 1 사이인 것이 바람직하다. 나노입자의 질량비가 1이상인 경우, 레진 내에 과량의 나노입자가 함유되어, 광산란층의 규칙적인 패턴형성이 이루어지지 않을 수 있으며, 표면의 발생이 현저할 수 있다. 반대로 나노입자의 질량비가 0.1 미만인 경우, 나노입자가 미량 함유되어, 본 발명의 나노입자의 포함에 따른 광산란층의 굴절률 변화가 미미할 수 있다.

<본 발명의 광산란층의 제조방법>

도 1은 본 발명의 나노입자 및 상기 나노입자를 포함하는 광산란층의 제조방법을 요약한 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 광산란층의 제조방법은 크게 기판을 준비하는 단계; 광산란층에 패턴을 형성하는 단계; 기판 상에 광산란층을 인쇄하는 단계; 및 열처리를 통해 광산란층을 경화하고, 굴절률을 조절하는 단계;로 추상화될 수 있다.

더욱 구체적으로, 본 명세서는 기판을 준비하는 제1단계; 나노입자가 내외부에 분산된 레진에 패턴을 형성하는 제2단계; 레진의 표면을 경화하는 제3단계; 표면이 경화된 레진을 기판 상에 인쇄하는 제4단계; 인쇄된 레진을 열처리 하는 제5단계;로 세분화할 수 있으며, 나노입자는 열분해성 유기고분자인 코어; 코어의 표면을 코팅하며, 무기고분자인 쉘;을 포함하며, 코어-쉘 구조를 가지는 광산란층의 제조방법을 추가로 개시한다. 이하에서는 각 단계를 상세히 설명한다.

본 발명의 광산란층의 제조방법에 있어서, 기판이란 그 일면에 광산란층이 인쇄되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 기판은 석영, 유리, 실리콘, 사파이어 및 금속 박막으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 본 발명에 따른 조건으로 광산란층의 인쇄가 가능한 형태의 표면 물성을 가지는 기판은 무엇이든 가능하다. 가령, 본 발명의 기판은 곡면형상일 수 있으며, 투명하거나 불투명할 수 있다.

본 발명의 광산란층의 제조방법에 있어서, 나노입자가 내외부에 분산된 레진에 패턴을 형성하는 단계는 다음과 같이 묘사될 수 있다. 우선, 패턴이 형성된 PDMS(Polydimethyl siloxane), h-PDMS 또는 PVA(Polyvinyl acetate) 등의 몰드 상에, 레진을 코팅한다. 이하에서는 레진의 패턴 형성과 관련하여 더욱 상세하게 설명한다.

구체적으로, 본 발명에 사용되는 몰드의 일면에 규칙적인 패턴을 형성하는 방법으로서, 산화(oxidation), 증착(evaporation), 에칭(etching) 포토리소그래피(photolithography), 포토레지스트 몰드(Photoresist mold) 및 전기도금(electroplating) 중의 적어도 어느 하나 이상의 기법을 이용하는 것이 가능하며, 그 방법에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 몰드는 일회 제작하면 반복적으로 사용이 가능하므로 요철을 구비하기 위하여 요구되는 비용이 유리기판 상에 직접 식각(蝕刻)하는 방법에 비하여 현저히 적다.

한편, 레진의 코팅 방식으로는 특별한 제한이 없으며, 스핀 코팅(spin coating), 슬릿 코팅(slit coating), 딥핑 코팅(dipping coating), 플로우 코팅(flow coating), 스프레이 코팅(spray coating), 액적 도포(droplet dispensing) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법을 활용할 수 있다.

가령, 본 발명의 레진을 몰드 상에 스핀 코팅하는 일 방식으로서, 본 발명의 나노입자가 포함된 레진을 나노패턴이 형성된 몰드 상에 2,000 ~ 10,000rpm으로 30 ~ 60초간 스핀코팅함으로써 도포하고, 1,000 ~ 3,000nm의 두께로 막을 형성하도록 할 수 있다. 이 때, 레진의 농도가 지나치게 묽을 경우에는, 광산란층의 형성이 어려울 뿐만 아니라 레진에 포함된 나노입자가 레진으로부터 용출될 수 있다. 반대로, 레진의 농도가 지나치게 진한 경우에는 스핀 코팅의 방식을 적용할 수 없다. 따라서, 스핀코팅을 활용하는 경우, 본 발명의 레진의 농도는 전체 용액의 중량 기준으로 10중량% 내지 40중량% 사이인 것이 바람직하다.

본 발명의 레진은 용액의 형태로 몰드 상에 코팅된다. 한편, 본 발명의 용매는 본 발명의 레진을 용해시킬 수 있으면 충분하며, 특별히 제한되지 않는다. 가령, 본 발명의 용매의 예시로서, 메틸 이소부틸 케톤(Methyl isobutyl ketone), 톨루엔(toluene), n-헥산(n-hexane), N,N-디메틸포름아미드(N,NDimethylformamide), 아세톤(acetone) 및 에탄올(ethanol)과 같은 유기용매의 사용이 가능하다. 한편, 끓는점이 높은 용매를 사용할수록 스핀코팅 과정에서 증발이 천천히 일어나게 되며, 그 결과 고스핀조건에서 코팅이 가능하다. 동일한 관점에서 본 발명의 용매로서 분자간의 수소결합이 가능한 알코올류, 그 중에서도 이소프로필 알코올(i-propyl alcohol)의 사용이 바람직하다.

한편, 레진의 표면을 경화하는 단계는 공지의 UV-O₃ 처리 또는 산소 플라즈마 처리에 의하여 이루어 질 수 있다. 가령, 몰드 상에 코팅된 레진을 UV-O₃ 조건에 노출시키면, 상기 레진의 표면이 우선하여 경화하게 된다. 특히, 표면 경화가 용이하다는 관점에서 본 발명의 레진은 HSQ인 것이 바람직하다. 레진 표면의 경화가 완료되면, 기판 상에 레진을 인쇄하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 제4단계를 실행하는 구체적인 방식으로는 스템핑 방식, 롤투롤 방식 등을 고려할 수 있다. 특히, 롤투롤 방식을 적용함으로써, 곡면인 기판 상에도 광산란층의 인쇄가 가능하다. 이는 본 발명의 광산란층 제작방법이 기판의 물리적 한계에 의하여 특별히 제한되는 것이 아님을 의미한다.

구체적으로, 본 발명의 표면이 경화된 레진을 기판 상에 인쇄하는 제4단계는 1 ~ 10기압의 압력으로 상온 ~ 50℃에서 1 ~ 10분간 가압하여 이루어질 수 있다. 압력이 1 기압 이하일 경우에는, 기판 상에 레진이 충분히 압착되지 않으며, 10 기압보다 높은 경우에는, 본 발명의 광산란층에 형성된 패턴에 영향을 미칠 수 있으며, 일부 패턴의 붕괴를 초래할 수 있다.

한편, 본 발명의 나노입자의 대안으로서 제1단계부터 중공입자를 사용하는 방안을 고려할 수 있다. 다만, 이와 같은 방안을 채용할 경우, 기판 상에 광산란층을 인쇄함에 있어서, 가압조건이 더욱 제한될 수 있다. 즉, 본 발명의 제4단계 이전에 이미 나노입자에 중공이 형성되어 있는 경우, 제4단계에서 가압에 따른 중공입자의 붕괴 및 중공입자의 붕괴에 따른 패턴의 붕괴가 추가로 수반될 수 있다.

반대로, 본 발명의 나노입자를 사용함으로써, 본 발명의 제4단계에는 형성되어 있지 아니하였던 중공이 제5단계에서 비로소 생성되게 하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 광산란층의 제조방법에 있어서, 공극이 균일하게 형성되는 동시에 광산란층의 패턴의 보존이 용이하다는 관점에서, 광산란층의 굴절률 조절의 정확성을 도모할 수 있으며, 본 발명의 나노입자의 사용이 특장점을 가진다.

본 발명의 나노입자는 열분해성 유기고분자인 코어; 코어의 표면을 코팅하며, 무기고분자인 쉘;을 포함하며, 코어-쉘 구조를 가진다. 상기 나노입자에 관한 구체적인 사항은 상기 <본 발명의 나노입자>의 기재사항을 준용하다. 본 발명의 나노입자는 가열에 의하여 비로소 중공입자로 변환될 수 있다.

한편, 본 발명의 각 광산란층의 제조방법에 있어서, 제5단계는 가열을 통하여 레진을 열경화하는 단계이다. UV-O₃ 조건 하에서 표면이 이미 경화된 레진을 가열하면, 그 내부까지 경화가 일어나게 된다. 특히, 레진의 내부가 열경화되는 과정에서, 상기 나노입자의 코어에 해당하는 열분해성 고분자가 산화 등의 과정을 거쳐 분해된다. 열분해성 고분자는 분해되어 기체상으로 레진을 이탈하게 되며, 본 발명의 나노입자는 중심부가 비어있는 중공입자가 된다.

한편, 본 발명의 각 광산란층의 제조방법에 있어서, 본 발명의 코어의 열분해를 충분히 유도하면서 동시에 레진의 열경화가 가능하다는 관점에서, 제5단계의 열처리는 400℃ 내지 600℃ 사이에서 이루어지는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 400℃ 미만인 경우, 레진의 내부 열경화가 지연되어 균일한 구조의 형성이 제한될 수 있다. 반대로, 열처리 온도가 600℃ 이상인 경우, 열분해성 고분자가 분해되기 이전에 레진이 경화되어 광산란층 상에 내구성에 영향을 미치는 크랙(Crack)의 발생율이 증가할 수 있다.

본 발명의 중공입자인 나노입자의 구체적인 일 예로서, 본 발명의 각 광산란층의 제조방법에 있어서, 나노입자의 중심으로부터 중공인 코어 및 쉘의 두께비는 10 : 1 내지 3 : 1 사이인 것이 더욱 바람직하다. 코어의 두께비가 10 이상인 경우, 쉘의 두께가 지나치게 얇아 열분해성 고분자의 분해과정에서 쉘의 파괴가 유도될 수 있으며, 그 결과 공극의 균일한 모양이 훼손될 수 있다. 반대로 코어의 두께비가 3 미만인 경우, 코어의 상대적인 부피가 지나치게 적어, 본 발명의 나노입자의 포함에 따른 광산란층의 굴절률 변화가 미미할 수 있다.

또한, 본 발명의 각 광산란층의 제조방법에 있어서, 제2단계의 레진 및 나노입자의 질량비는 1 : 0.1 내지 1 : 1 사이인 것이 더욱 바람직하다. 나노입자의 질량비가 1이상인 경우, 레진 내에 과량의 나노입자가 함유되어, 광산란층의 규칙적인 패턴형성이 이루어지지 않을 수 있으며, 표면의 발생이 현저할 수 있다. 반대로 나노입자의 질량비가 0.1 미만인 경우, 나노입자가 미량 함유되어, 본 발명의 나노입자의 포함에 따른 광산란층의 굴절률 변화가 미미할 수 있다.

<굴절률 조절의 용이성>

본 발명의 굴절률 조절 특성과 관련하여, 나노입자 및 광산란층, 그리고 광산란층의 제조방법은 상기 <본 발명의 광산란층의 제조방법>의 기재사항을 준용한다.

한편, 본 명세서는 기판을 준비하는 제1단계; 나노입자가 내외부에 분산된 레진에 패턴을 형성하는 제2단계; 레진의 표면을 경화하는 제3단계; 레진을 열처리 하는 제5단계;를 포함하고, 나노입자는 열분해성 유기고분자인 코어; 코어의 표면을 코팅하며, 무기고분자인 쉘;을 포함하며, 코어-쉘 구조를 가지는 광산란층의 제조방법을 추가로 개시한다. 특히, 본 발명의 각 광산란층의 제조방법에 있어서, 제5단계를 통하여 나노입자는 중공을 포함하는 중공입자가 되는 것이 바람직하다.

한편, 공극의 부피가 증가할수록 본 발명의 광산란층의 굴절율은 작아지는 경향성을 갖는다. 특히, 본 발명의 나노입자에 포함된 열분해성 유기고분자의 질량비율 및 코어의 상대적인 두께비를 조절함으로써, 상기 제5단계를 통하여 형성될 공극의 부피를 조절할 수 있게 된다. 더불어, 본 발명의 레진 및 나노입자의 질량비를 조절함으로써 본 발명의 광산란층의 굴절율을 조절하는 것 또한 가능하다.

특히, 본 발명의 광산란층의 제조방법을 통할 경우, 공극의 부피를 조절하는 방식을 다양화할 수 있는 동시에, 기판 상에 광산란층을 인쇄하기 위하여 가압하는 과정에서 발생하는 문제점을 최소화할 수 있다. 가령, 본 발명의 광산란층의 제조방법을 통할 경우, 광산란층에 형성된 패턴의 외양변화를 최소화하면서, 공극을 형성하는 것이 가능하다. 즉, 본 발명의 광산란층의 제조방법은 굴절률의 조절범위가 상당하다는 점과 정확한 패턴의 구현이 용이하다는 점에서 특장점을 갖는다.

구체적으로, 본 명세서는 본 발명의 광산란층의 제조방법에 따라 제조되며, 파장이 450nm인 전자기파에 대하여 굴절률이 1.30 내지 1.42 사이인 광산란층을 추가로 개시한다. 다만, 상술한 바와 같은 굴절률의 조절범위는, 광산란층의 소재, 나노입자의 조성, 나노입자의 세부구조 등을 조절함으로써 변화시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면, 제조예, 및 실시예들을 참조하여 본 명세서가 청구하는 바에 대하여 더욱 자세히 설명한다. 다만, 본 명세서에서 제시하고 있는 도면, 제조예, 내지 실시예 등은 통상의 기술자에게 의하여 다양한 방식으로 변형되어 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 본 명세서의 기재사항은 본 발명을 특정 개시 형태에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하고 있는 것으로 보아야 한다.

{실시예 및 비교예}

실시예 1. 레진 : 나노입자의 비가 1 : 1인 광산란층

코어가 PE이고, 쉘은 SiO₂인 나노입자를 준비하였다. 코어와 쉘의 두께비는 5 : 1이었다. 상기 나노입자와 HSQ 레진을 질량비 1 대 1로 준비하여, 이소프로필 알코올에 용해하였다. HSQ 레진과 나노입자의 합산 질량은 총 질량 대비 25질량%였다. 나노입자 및 레진이 균일하게 분산되도록 교반자를 넣고 교반하여, 레진이 포함된 용액을 준비하였다.

패턴이 형성된 몰드를 준비하였다. 상기 패턴의 반복단위는 원뿔이었다. 구체적으로 원기둥의 높이는 1.5 μm로 일정하였으며, 원기둥의 밑면의 직경은 2.52 μm 였다. 상기 몰드에 나노입자가 포함된 HSQ 레진을 스핀코팅한 후, UV-O₃ 조건하에서 레진의 표면을 경화시켰다. 그 후, 표면이 경화된 레진을 기판 상에 롤투롤 방식으로 인쇄하여 부착하였다. 인쇄된 레진을 550℃ 어닐링을 통하여, 열경화시켜 실시예 1의 광산란층을 얻었다.

실시예 2. 레진 : 나노입자의 비가 1 : 0.2인 광산란층

실시예 1과 다른 조건은 모두 동일하되, 나노입자와 HSQ 레진의 질량비는 1 대 0.2였다. 용액의 점성을 고려하여, 스핀코팅의 분당회전수 등을 적절히 조절하였다.

실시예 3. 레진 : 나노입자의 비가 1 : 0.1인 광산란층

실시예 1과 다른 조건은 모두 동일하되, 나노입자와 HSQ 레진의 질량비는 1 대 0.1였다. 용액의 점성을 고려하여, 스핀코팅의 분당회전수 등을 적절히 조절하였다.

비교예 1. 레진만이 포함된 광산란층

실시예 1과 다른 조건은 모두 동일하되, 나노입자를 첨가하지 않았다. 용액의 점성을 고려하여, 스핀코팅의 분당회전수 등을 적절히 조절하였다.

굴절률의 조절범위 평가

도 2은 본 발명의 나노입자의 함량변화에 따른 광산란층의 굴절률 변화를 도시한 것이다. 도 2의 가로축은 본 발명의 광산란층에 조사된 전자기파의 파장을 나타내며, 단위는 nm이다. 도 2의 세로축은 본 발명의 광산란층에 조사된 전자기파의 굴절률을 나타낸다. 도 2의 박스는 각각 450nm 파장대역의 전자기파와 550nm 파장대역의 전자기파에 대한 굴절률의 도시를 특정한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 나노입자가 함유되지 아니한 비교예와 나노입자가 최대로 포함된 실시예 1의 굴절율 차이가 0.15(550nm 파장대역) 내지 0.16(450nm 파장대역)에 달하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 실시예 2와 실시예 3의 결과를 참조하면, 본 발명의 나노입자의 함량이 적어질수록 굴절율은 비교예에 가까워지는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 관찰 결과는, 본 발명의 광산란층에 형성된 공극의 부피변화에 상응하는 것이다. 따라서, 상기 관찰결과를 토대로 판단하였을 때, 본 발명의 나노입자의 코어인 열분해성 고분자의 질량 및 코어의 직경 변화에 의해서도 굴절률의 조작이 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 명백하다.

광산란층의 구조평가

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 나노입자가 포함되지 않은 광산란층(비교예 1)의 SEM 사진이다. 도 3a는 본 발명의 비교예의 상면도이고, 도 3b는 본 발명의 비교예의 측면도이다. 도 3a의 좌측상단에 도시된 것은 저축척의 상면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 비교예에 있어서, 원뿔모양의 반복단위를 포함하는 패턴이 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있다. 반복단위의 가장 넓은 지름은 약 2.35μm였으며, 반복단위 사이의 가장 짧은 간격은 약 0.65μm였다. 반복단위의 높이는 1.5μm로 균일하였다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 나노입자가 포함된 광산란층(실시예 3)의 SEM 사진이다. 도 4a는 본 발명의 광산란층인 실시예 3의 상면도이고, 도 4a의 좌측상단에 도시된 것은 저축척의 상면도이다. 도 4b는 본 발명의 광산란층인 실시예 3의 측면도이며, 단면을 절단하여 촬영한 것이다. 도 4a 및 도 4b의 축척은 도 3a 및 도 3b와 동일하다.

도 4a를 참고하면, 비교예와 대비하였을 때, 패턴의 반복단위 사이의 간격에는 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. 또한, 광산란층의 표면에 크랙이 발생한 것을 확인할 수 있다. 다만, 이러한 크랙은 두께가 수 nm에 불과하여, 실제 광산란층의 광학적 특성에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

한편, 도 4b를 참고하면, 본 발명의 광산란층 내부에 공극이 분산, 형성된 것을 확인할 수 있다. 공극의 형성에 의하여, 도 2에서 관찰된 것과 같이 광산란층의 굴절률 변화를 유도할 수 있게 된다.

종합하자면, 본 발명의 광산란층 제조방법을 도입하여 염가로 반복적인 패턴을 기판 상에 형성할 수 있으며, 상기 제조방법은 높은 재연성을 확보하고 있다는 점을 간과하여서는 안 된다. 또한, 상기 제조방법은 유연기판, 곡면인 기판, 유기고분자 기판등에도 자유롭게 적용이 가능하여 범용적이다. 추가로, 상기 광산란층 상에 평탄화층을 도입함으로써 디스플레이 장치의 전류효율과 전력효율을 개선할 수 있다. 더불어, 상기 제조방법은 불산 등의 위험물질을 사용하는 단계를 수반하지 않으므로 작업환경 조성의 측면에서 유리하며, 롤투롤 방식 등을 적용가능 하여 추가적인 장비의 구비 없이도 대량생산이 용이하다는 장점이 있다.

Claims

열분해성 유기고분자인 코어;
상기 코어의 표면을 코팅하며, 무기고분자인 쉘;을 포함하며,
코어-쉘 구조를 가지는 것인, 나노입자.
제 1항에 있어서,
상기 코어는 열처리에 의하여 중공을 포함하는 것인, 나노입자.
제 1항에 있어서,
나노입자의 중심으로부터 상기 코어 대 상기 쉘의 두께비는 10 : 1 내지 3 : 1 사이인 것인, 나노입자.
균일한 패턴의, 경화된 레진;
상기 레진의 내외부에 분산되며, 제1항 내자 제3항 중 어느 한 항에 따른 복수의 나노입자;를 포함하는 것인, 광산란층.
제 4항에 있어서,
상기 레진은 실록산(siloxane), MSQ(methyl silsequioxane), HSQ(hydrogen silsequioxane), THPS(perhydropolysilazane), 폴리실라잔(polysilazane) 중 하나 이상의 물질인 것인, 광산란층.
제 5항에 있어서,
상기 레진은 HSQ(hydrogen silsequioxane)인 것인, 광산란층.
제 6항에 있어서,
상기 레진 및 상기 나노입자의 질량비는 1 : 0.1 내지 1 : 1 사이인 것인, 광산란층.
기판을 준비하는 제1단계;
나노입자가 내외부에 분산된 레진에 패턴을 형성하는 제2단계;
상기 레진의 표면을 경화하는 제3단계;
상기 레진을 기판 상에 인쇄하는 제4단계;
상기 레진을 열처리 하는 제5단계;를 포함하고,

상기 나노입자는 열분해성 유기고분자인 코어;
상기 코어의 표면을 코팅하며, 무기고분자인 쉘;을 포함하며,
코어-쉘 구조를 가지는 것인, 광산란층의 제조방법.
제 8항에 있어서,
상기 제5단계를 통하여 상기 나노입자는 중공을 포함하는 중공입자가 되는 것인, 광산란층의 제조방법.
제 9항에 있어서,
나노입자의 중심으로부터 중공인 코어 및 상기 쉘의 두께비는 10 : 1 내지 3 : 1 사이인 것인, 광산란층의 제조방법.
제 8항에 있어서,
상기 제2단계의 레진 및 나노입자의 질량비는 1 : 0.1 내지 1 : 1 사이인 것인, 광산란층의 제조방법.
제 11항에 있어서,
상기 제3단계는,
특정 패턴이 음각된 몰드 상에 상기 레진을 코팅하고,
UV-O₃를 사용하여 레진의 표면을 경화하는 것인, 광산란층의 제조방법.
제 12항에 있어서,
상기 제5단계는 400℃ 내지 600℃에서 열처리 하는 것인, 광산란층의 제조방법.
제 13항의 제조방법에 따라 제조되며,
파장이 450nm인 전자기파에 대하여 굴절률이 1.30 내지 1.42 사이인, 광산란층.