LCD에 사용되는 편광판의 구조
LCD패널에서 점착제는 주로 편광판을 유리 기판에 붙일때 주로 사용됩니다. 편광판의 구조는 상기그림과 같습니다. 광학용 점착제는 우선 투명해야 하며 탁도(haze)가 낮아야 합니다. 그리고 광학적으로 등방성이어야 하며, 환경조건의 변화에 따른 착색, 변색이 적어야 하며, 이물 및 결점이 없어야 합니다.
PVA 수축에 따른 점착제의 수축 모식도 WV(wide viewing)-TAC
광학용 점착제에서의 요구사항 중에서도 편광필름에서 가장 중요시 되는 것은 빛샘(light leak) 현상을 최소화하는 것입니다. 편광필름은 PVA를 연신하여 편광특성을 나타내기 때문에 수축량도 커지게 됩니다. PVA 아래위로 TAC 필름을 대고 아래 TAC 필름에만 점착제가 있는 상태로 유리에 붙여지게 됩니다. PVA에 수축응력이 발생하게 되면 점착제로 유리와 붙어 있는 TAC 필름에 그 힘이 집중되어 위상차가 발생하게 되어 빛샘 현상이 나타나게 됩니다(상기그림). 이를 최소화 하기 위해서는 점착제의 탄성 제어가 중요합니다.
각종 점착제 샘플의 변형량과 주변 빛샘 평가결과
상기그림에서 점착제의 변형량이 클수록 빛샘 현상이 적은것을 볼 수 있습니다. 이와 관련하여 butyl acrylate, 4-hydroxybutyl acrylate와 모노머를 라디칼 고분자합성을 통해 점착제를 만들어서 편광판의 빛샘 현상을 살펴보아야 합니다.
Tetrahydrofurfuryl acrylate(THFA)와 phenyl maleimid(PMI) 모노머를 사용하여 합성한 점착제가 2.5 인치와 7.0 인치 크기에서 빛샘 현상이 가장 적었는데, 이유로는 THFA는 이 중 가장 낮은 Tg, film(-41.5 ℃)와 탄성을 갖고, PMI는 가장 높은 Tg, film(-4.1 ℃)와 탄성을 갖기 때문으로 판단됩니다. 그 외의 빛샘이 많은 것의 모노머는 중간의 Tg와 탄성값을 갖습니다. 빛샘을 줄이는 중요한 요인은 낮은 Tg의 모노머에서는 높은 stress 완화 작용이고, Tg를 갖는 모노머에서는 높은 수축저항력으로 보입니다. 낮은 Tg에서는 온도 상승에 따라 내구성이 약하므로, 되도록 Tg와 탄성을 높게 설계하는 것이 내구성이 높고 빛샘이 적은 점착제를 합성할 수 있는 방향입니다.
신뢰성 테스트 후 발포의 형상 (a) 푸른색, 붉은색 화살표 수축방향, (b) 기포 확대 현미경 사진
디스플레이는 고온이나 열충격 테스트 등의 신뢰성 테스트를 거치게 되는데 점착제도 영향을 받게 됩니다. 신뢰성 테스트중 발생하는 기포로 인해 외관에 영향을 미치게 되는데 자세한 현미경 사진은 상기그림과 같습니다. 필름의 가장자리가 수축응력을 많이 받게 되므로 기포생성이 두드러짐을 볼 수 있습니다. 이러한 발포는 초기에는 눈에 보이지 않을 정도의 이물에서 시작되는데 발포 발생 과정을 추정해보면 다음과 같습니다. 이물이 점착제와 유리판 사이에 존재하고 그 주변에 점착제 중의 수분, 잔존 용제, 잔존 모노머 등이 모이게 됩니다. 모이게 된 물질은 고온으로 인해 기화가 되어 증기압이 점착제의 응집력보다 커지게 됩니다. 생성된 기포는 위에서 언급한 편광필름의 수축에 의해 확대됩니다.
발포 발생 과정 중에 가장 중요한 것은 이물이 묻지 않도록 공정 환경을 깨끗하게 유지하는 것입니다. 다음은 증기압을 견뎌낼 만큼 응집력을 높이는 것이 중요합니다. 응집력은 점착의 3물성인 tack, peel strength, holding power(또는 creep)중 peel strength와 holding power의 결과로 살펴볼 수 있습니다. 높은 응집력을 위해서는 폴리머의 분자량을 늘리거나 가교도를 높이는 방법이 있습니다. 폴리머의 분자량은 개시제의 양과 밀접한 관계가 있고, 분자량이 커지게 되면 응집력은 커지고점착성능은 줄어들게 됩니다. 하지만 분자량이 너무 커지게 되면 용융점도는 분자량의 3.4승에 비례하여 커지게 되어 유동성이 나빠지고, 접착계면에서의 접촉면적이 작아지게 됩니다. 동시에 기재와의 상호작용이 어렵게 되어 계면파괴(interfacial failure mode)가 일어나기 쉽다. 계면파괴는 점착제의 분리양상 중 하나로써 이 형태로 weak boundary layer(WBL)의 위치를 알 수 있습니다. Cohesive failure mode는 WBL가 PSA안에 존재하는 것으로 응집력(cohesion)이 좋지 않은 것을 알수 있으며, interfacial failure mode는 기재 또는 점착제 표면에 WBL이 존재할 때 나타나는 현상입니다.
응집력을 높이기 위해 경화도를 향상시키는 방법이 제시되는데 초기에 경화도가 작을 경우에는 유동성이 큽니다. Tack은 이와 같은 분자의 유동성에서 주로 기인하게 되므로 가장 큰 값을 갖습니다. 점착력과 응집력은 내부 응집도가 떨어질 때 낮은 값을 갖습니다. 과경화되면 분자의 유동성이 떨어져 낮은 tack 값을 갖게 됩니다. 점착력을 갖기 위해서는 고분자가 유동성을 갖고 기재와의 강한 결합을 이룰 수 있도록 기재 쪽으로 확산해야 합니다. 과경화로 인해 확산이 늦어지게 되면 점착력이 떨어지게 됩니다. 왜냐하면 점착력은 tack과 같이 매우 짧은 시간 안에 측정하는 것이 아니라. 일정한 시간이 흐른 후에 박리강도를 측정하는 것으로, 기재로의 확산 속도가 중요한 요인이 되기 때문입니다.
응집력을 높이는 것과 더불어 발생되는 기체를 줄이기 위해서 관능기 성분을 필요최소한의 양으로 감소시키고 물을 적게 흡수할 수 있는 폴리머를 설계하는 것이 중요합니다.
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