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LCD 휘도향상 필름 Ⅰ
휘도향상 필름 기술 및 개요
TFT-LCD는 CRT에 비해 상대적 고가임에도 불구하고, 평판디스플레이 시장에서 지속적으로 주도권을 형성하고 있는 상황에서 국내의 TFT-LCD산업은 세계적인 선발기업들을 보유하고 있어, 유리한 위치를 선점하고 있다. 그러나 그 기술적인 측면을 들여다보면 관련 부품소재분야에서 우리나라가 시장을 주도하고 있지 못하고 있는 것이 사실이다.
자료출처 : 한국과학기술정보연구원
세계적으로 평면 디스플레이 시장은 급격하게 성장하고 있으며, 특히 LCD의 경우 국내업체가 세계를 선도하고 있다. 그러나 국내 LCD 모듈에 적용되는 각종 소재 및 전자 필름의 대부분은 일본, 미국 등지에서 상당량이 수입되고 있는 상황이다. 즉, 시장지배력, 생산능력, 양산기술 등에서는 세계적인 평가를 받고 있으면서도, 부품·소재 분야에서는 일본의 무기화 전략에 대한 대책마련이 시급하다고 볼 수 있다.
TFT-LCD용 광학필름은 이와 같은 상황에 직접적으로 노출되어 있는 핵심 소재로서, 선광원인 백라이트의 형광램프 광원을 면광원 형태로 바꾸어 주는 기능성 필름이며, 필름의 투과율, hazeness, 광확산 균일도 등의 광학적 특성 및 표면 무결함이 요구되는 하이테크 제품이다.
광학필름은 최근까지 일본에서 수입되어 오다가 2001년 SKC에서 광확산필름의 생산을 개시하여 수입을 대체하고 있으나, 고기능성 제품이나 핵심원료 등은 아직도 대외의존도가 매우 높게 나타나고 있다. 또한, 광확산필름을 포함한 광학필름 제품군은 LCD의 발전 속도에 맞추어 사용자의 요구 사항이 수용된 제품을 공급하여야 하는 기술 변화에 민감한 제품으로서, 시장 변화에 즉각 대처해야하는 특성이 있다.
TFT-LCD는 CRT에 비해 상대적 고가임에도 불구하고, 평판디스플레이 시장에서 지속적으로 주도권을 형성하고 있는 상황에서 국내의 TFT-LCD산업은 세계적인 선발기업들을 보유하고 있어, 유리한 위치를 선점하고 있다. 그러나 그 기술적인 측면을 들여다보면 관련 부품소재분야에서 우리나라가 시장을 주도하고 있지 못하고 있는 것이 사실이다. LCD의 다른 부품을 개발한 후에 일본에 소재한 제조사에 필름을 원하는 형태로 주문 제작하여 적용시키는 것은 시간적인 누수가 과다하며 문제 발생시, 신속한 대처에 상당한 애로를 갖고 있기 때문이다. 한편 TFT LCD의 가격경쟁력의 확보에 관련 부품·소재의 가격 경쟁력이 필수불가결한 전제조건이기 때문에, 이 분야의 원가경쟁력이 있는 제품의 원활한 국내생산은 매우 중요하다. 다행히, 국내업체에서 2001년부터 생산을 시작하였지만 기술은 선진국에 미치지 못하고 있고, 여전히 해결되어야 할 문제점이 많은 상황으로 국내업계의 발전이 요구되는 분야라고 하겠다.
본 보고서에서는 LCD 휘도향상 필름에 대한 개요 및 기술개발 동향을 분석하고, 이에 따른 시장동향을 살펴보도록 하겠다.
LCD 휘도향상 필름의 개요 및 특성
가. 휘도 향상 기술의 개요
휘도란 단위면적(m2)당 광원에서 나오는 빛의 세기(Cd)를 나타내는 것으로 디스플레이의 성능을 좌우하는 주요인자이며 광원의 세기를 높이는 방법과 휘도향상용 광학필름을 사용하여 디스플레이의 휘도를 높일 수 있다. 디스플레이용 광학필름은 액정디스플레이(LCD; liquid crystal display), 유기발광다이오드(OLED; organic light-emitting diodes), 플라즈마 표시패널(PDP;plasma display panel)용으로 분류된다.
OLED나 PDP의 경우 광소자를 이용한 자체발광을 사용하므로 광원의 세기를 높여 휘도를 향상시키는 연구개발을 중심으로 이루어지고 있는 반면 LCD는 그 자체가 비 발광형(수광소자)이므로 빛이 없는 곳에서는 사용이 불가능하여 백라이트 유닛(BLU; back light unit)의 각종 필름을 이용하여 휘도 향상을 도모하고 있다. 특히, LCD에서 광원으로부터 나온 빛은 도광판을 거쳐 LCD 패널측에 출사되고 광확산필름을 지나게 되면, 면에 수직한 수평·수직 방향으로 확산이 일어나면서 광휘도는 급격히 떨어지게 되므로 광확산 필름으로부터 나오는 빛을 출광면 정면 이외의 방향으로 나가는 것을 막고 광지향성을 향상시켜 시야각을 좁혀서 백라이트 출광면 정면방향으로의 휘도를 증대시킬 수 있다. 이러한 휘도향상 목적으로 사용되는 필름은 일반적으로 프리즘시트 및 BEF(Brightness enhancement film), DBEF(Dual
Brightness enhancement film) 등으로 통칭하고 있다.
현재 LCD 가격저하와 신기술의 개발에 따라 휘도향상필름은 도광판/프리즘시트, 역프리즘도광판/프리즘시트, 확산시트 3매, 편광판/프리즘 시트 등 복합시트구조로 개발되어 있어 휘도향상과 관련된 프리즘시트 및 BEF 및 DBEF와 관련된 기술을 중심으로 기술하고자 한다.
나. LCD-TV BLU의 구조 및 구성필름
LCD-TV용 BLU(back light unit)의 구조는 직하방식으로 배열된 광원과 광학 부자재 및 구조물로 구성되어 있는데, 광원에 의해 빛이 발산되면 하측에는 광손실을 줄이며 액정화면으로 반사시키는 반사판이 놓여 있고, 상측에는 균일한 면 광을 만들기 위한 확산 플레이트와 확산시트, 다시 확산된 광을 LCD-TV의 광효율 향상을 위하여 집광시키기 위한 휘도 향상시트 등이 몰드 프레임에 탑다운 방식으로 적층 조립되어 있으며, 최하부에는 금속 재질의 커버 버텀이 배치되는 구조로 이루어진다.
이와 같이 LCD-TV용 백라이트 유닛은 빛을 발생시키는 광원 즉, CCFL(Cold cathod fluorescent lamp), EEFL(external electrode fluorescent lamp), LED(Light emitter diode)등과 광특성을 우수하게 하기위한 광학시트로 분류할 수 있고, 광학시트는 광원 에서 발생된 광을 균일하게 확산하기 위해서 사용되는 확산 시트 또는 확산판(LCD-TV의 경우)과 백라이트 광원에서 발생된 광을 효과적으로 사용하여 LCD-TV의 휘도를 향상시키기 위해 사용되는 휘도 향상필름 즉 프리즘시트와 3M사의 DBEF(Double brightness enhancefilm)로 분류할 수 있다.
보통 LCD 백라이트의 광원에서 나온 빛은 도광판 및 확산판을 통과하고 확산필름을 통과하면서 광휘도는 급격히 떨어지는데, 여기서 프리즘시트는 광확산 필름으로부터 나오는 빛을 출광면 정면 이외의 방향으로 나가는 것을 막고 광지향성을 향상시켜 시야각을 좁혀서 백라이트 출광면 정면 방향으로의 휘도를 증대시켜주는 역할을 한다.
프리즘 시트의 구조는 띠 모양의 Micro-Prism이 모재(PET) 상부에 형성된 것으로 중소형 백라이트 유닛에서 수평, 수직 두 장을 한 set로 사용하고, 대형 LCD-TV에는 모니터 및 중소형 LCD에 비해 넓은 광시야각을 요구함으로 수평방향인 프리즘 시트1장과 DBEF(Double brightness enhance film)을 추가하여 사용하는 형태이다.
LCD-TV의 저가 일반사양에는 가격적인 측면을 고려하여 고가의 DBEF를 제거한 상태로 제작하는 경우가 있으며, 프리즘 시트의 종류는 산형태, 프리즘 산각도, 배면처리 등에 따라 집광성, 밀착성, 내스크래치성 등이 다르기 때문에 제품 특성에 맞게 선택 적용하여 사용하고 있다.
프리즘시트의 제작 방법을 살펴보면, 사출을 이용한 열가압 방식과 감광성 재료를 이용한 방법이 사용되고 있다. 열가압 방식은 필름 재료인 pellet을 투입하고 고온으로 녹인 후 사출 시스템으로 사출하고, 롤에 형성된 패턴을 이용하여 프리즘 형상을 형성하고 보호 필름을 부착하여 제품화 하는 방식으로 이루어진다.
감광성 재료를 이용한 프리즘 시트 제작 기술은 패턴이 형성된 금속롤이나 금형에 자외선 경화 수지액을 도포하고, 자외선을 투과하는 투명수지 필름 기재를 중합시켜 자외선을 조사하여 경화시킨 후 복합필름을 이형 시키고, 프리즘 패턴을 경화하는 수지층을 입히는 공정으로 진행되고 있다.
DBEF의 동작원리는 LCD-TV용 백라이트 광원에서 나온 빛이 확산시트 및 프리즘 시트를 통과하고, LCD의 편광필름에 부딪치면서 한쪽 P편광은 통과하고, 다른 한쪽 S 편광은 반사시켜 P 편광으로 사용하는 원리이다. DBEF필름의 제작 방법은 얇은 특성을 가지는 프리즘 필름과 반사편광필름을 접합하여 제작한다. 3M社에서 제공되는 DBEF-D는 기존의 DBEF필름에 확산기능을 가지는 확산시트가 포함된 형태의 고휘도향상 필름이다.
다. 휘도향상 필름 종류 및 특성
▶ PRISM 휘도 강화필름
프리즘시트의 구조는 띠 모양의 Micro-Prism이 모재 상부에 형성된 것으로 거의 수평·수직 두 장을 한 Set로 사용하고 있으며, 프리즘의 종류는 프리즘 산 형태, 프리즘 산의 각도, 배면처리 등에 따라 집광성, 밀착성, 내스크래치성 등이 다르기 때문에 제품특성에 맞게 선택 적용하여 사용하고 있다.
▶ 반사편광 휘도 강화필름
3M이 제조·판매하고 있는 다층형 편광 미러 휘도 향상필름(DBEF: Dual Brightness Enhancement Film)은 두께가 수백㎛인 A와 B의 다른 2종 고분자층에 유전주축의 굴절률을 완전히 일치시켜 다른 방향의 굴절률이 달라지도록 수백층 겹친 다층광학필름이다. DBEF는 고분자층이 모두 Polyester계로 이루어졌으며 완전한 거울로 기능하게 된다. DBEF를 LCD와 백라이트 사이에 넣음으로써 빛의 반사강도를 최대 60% 향상시킬 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다. 대부분의 LCD TV/모니터, 노트북의 일부, 반투과/투과형의 컬러 휴대 전화에 사용되고 있다. 현재, 단체로 3M의 DBEF, 편광 필름과 붙여 배합한 타입으로 닛토의 NIPOCS가 있다.
▶ 휘도 복합 도광판
도광판은 램프로부터 입사된 빛을 균일한 평면광으로 변환시켜주는 부품으로 램프와 램프 반사기에서 방출된 광선이 램프와의 거리가 먼 곳까지 도달할 수 있도록 해주는 기능을 한다. 가장 일반적으로 사용되는 도광판 재료는 PMMA(Polymethyl Methacrylate)계열이 사용되며 경량화를 위해 비중이 1.01인 환상폴리올레핀계 수지의 Zeonoa 채용이 확산되고 있는 추세이다.
LCD 휘도향상 필름 연구개발동향
LCD용 휘도향상 필름의 경우 프리즘(집광)과 반사형 편광으로 재차 분류할 있는데, 이 중 휘도향상 기능은 그간 업계가 가장 활발하게 기술 개발을 해온 부분이다. 특히 프리즘(집광)의 경우 제조 기술의 향상과 특허 장벽의 경감으로 인해 최근 2~3년간 양산 기업이 세계적으로 20개 이상으로 늘어났다. 이렇게 급작스런 경쟁 상황 악화로 인해 많은 기업들이 고객사의 요구를 수렴하여 좀 더 차별화된 기술 개발 활동에 경주하고 있다. 이러한 기업의 차별화 방안으로 반사형 편광필름 기술 개발, 1매 솔루션 개발 및 마이크로렌즈필름/프리즘복합필름 개발이 주류를 이루고 있다.
가. 해외 연구개발 동향
현재, 확산시트와 프리즘시트의 경계가 모호해지고 단지 필름의 수를 줄이기 위한 다양한 방법론이 이슈가 되고 있으며, 프리즘 시트의 모양은 각 공급 업체마다 다르게 나타나는데, 가장 보편적인 형태는 3M의 BEF(bright enhancement film)로 2006년까지 특허권이 유지가 되면서 특허권을 가지고 있었을 때는 시장의 약 80% 이상을 3M BEF 필름이 장악하였다. 그러나 3M과의 특허논쟁을 피하기 위하여 각 업체들은 자기만의 고유한 격자모양을 개발하기 시작 하였고, 대표적인 업체로 대만의 EFUN으로 3M과 특허문제로 법적 분쟁이 발생하기도 하였으나, 현재 자체 개발한 격자모양으로 생산을 하고 있다.
3M의 경우, 기존 프리즘 시트보다 집광성 등이 향상된 DBEF 필름을 생산하여 판매하고 있으며, 높은 휘도 및 온도 조건 하에 작동되는 직하형 디스플레이 장치에서 유용한 UV-흡수형 휘도향상 필름 및 고굴절률 및 반사방지 코팅을 포함하는 광학 필름 등의 기술을 개발하여 특허로 출원하고 있다.
나. 국내 연구개발 동향
현재 BLU에 적용되는 광학필름을 공급 및 개발하는 국내 업체는 LG전자, 신화인터텍, 미래나노텍, SKC하스, 코오롱, 두산전자BG, 도레이새한, 삼성정밀화학, 제일모직, 상보 등 업체들이 있으며 확산시트, 프리즘시트, 보호시트, 반사시트 등 다양한 제품 라인업을 지속하고 있다. 약 2∼3년전만 해도 해외의존도가 높았던 광학필름 분야, 그러나 확산시트와 프리즘시트 기능을 흡수하는 국산 Multi Function Film들이 속속 출시되면서, 2006년과 2007년을 정점으로 국산화율이 크게 확대됐다.
▶ 미래나노텍
2004년 최초로 렌즈 패턴 필름을 개발, 2005년 양산을 시작해 2006년 상반기를 기점으로 프리즘시트와 확산시트의 조합을 렌즈 패턴(Lens Pattern) 필름으로 대체하면서 휘도를 높여, 모니터용 확산시트를 대체하고 TV에 사용되는 광학필름 수를 줄이는데 성공하였다. 프리즘시트의 대안으로 제시된 렌즈패턴 필름은 패널에서 높여야 할 휘도 비용을 절감시켜 주어 원가를 크게 절감시켰다. 2006년에는 국내 대기업과 대만 AUO 등을 통해 시장 점유율을 확대했으며, 이후 보호필름을 결합한 프리즘시트 기반 고기능 복합 시트를 출시하는 등 기술개발을 가속화하고 있다.
▶ 신화인터텍
2006년 9월에 새로운 렌즈 패턴 필름을 개발, 복합필름 구조만으로도 휘도를 3% 이상 추가적으로 올림으로써, 필름 수를 줄여 원가를 절감시킬 수 있는 기술을 개발하였다. 2005년 2월부터 TV용 광학필름 납품을 시작한 후 2007년까지 공격적인 투자를 통해 공급능력을 확보, 현재 확산시트, 프리즘시트, 보호시트, 반사시트 등 광학필름 전 제품군을 공급하고 있다.
▶ 코오롱
직접 인각 방식을 사용하여 ‘LCD BLU용 휘도향상 필름 EverRay LC’를 개발하였으며, 경쟁사 제품에 비해 휘도가 2% 이상 높은 것으로 나타나고 있다. 또한 기계적 강도의 향상과 고온다습한 장소에 오랫동안 노출되면 휘어지는 휘도향상 필름의 물성을 강화하는데 성공함으로써 환경 변화에 강한 제품 개발로 평가되고 있다.
▶ 뉴디스
LS전선으로부터 이전 받은 특허를 바탕으로 LCD용 고휘도 반사평광 필름(CLC) 개발을 본격적으로 진행하고 있다. 현재 BLU에는 20인치 이하 중쪾소형의 경우, 2장짜리 프리즘시트가 사용되고 20인치가 넘는 중쪾대형에는 미국 3M사의 DBEF 1장을 주로 쓰고 있으나, 뉴디스는 소형에서부터 대형에 모두 적용 가능하여, 프리즘 시트 2장이 들어가는 중쪾소형 제품에 CLC 한 장만을 사용해 두께를 줄임으로써, DBEF를 대체할 수 있는 제품을 개발하였다.
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제목: LCD 휘도향상 필름 Ⅰ
