JP2010518222A - ポリイミド製造方法およびこれにより製造されたポリイミド - Google Patents

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Abstract

【課題】
【解決手段】本発明は耐熱性および加工性に優れたポリイミドの製造方法に関し、より詳しくは、低温における硬化にも十分な機械的強度を有し、加工性に優れて金属積層板の絶縁フィルム、プリント基板用またはハードディスク用のカバーレイフィルムなどで用いられるポリイミドの製造方法およびこれによって製造されたポリイミドに関する。
【選択図】なし

Description

本発明は耐熱性および加工性に優れたポリイミドの製造方法に関し、より詳しくは、低温における硬化にも十分な機械的強度を有し、加工性に優れて金属積層板の絶縁フィルム、プリント基板用またはハードディスク用のカバーレイフィルムなどで用いられるポリイミドの製造方法およびこれによって製造されたポリイミドに関する。
本出願は2007年2月9日に韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10−2007−0013857号の出願日の利益を主張し、その内容の全ては本明細書に含まれる。
ポリイミド樹脂は、ポリイミドフィルムと金属薄板または金属箔が互いに固着されて形成されるフィルム型(薄板型)の可撓性ポリイミド金属積層板、フレキシブルプリント基板またはハードディスク用のカバーレイフィルムなどに用いられている。前記可撓性ポリイミド金属積層板の一例として、5〜20μm程度の銅箔と2〜100μm程度のポリイミド樹脂層を積層して、製造したフレキシブル銅箔積層板がある。このような可撓性ポリイミド金属積層板は露光、現象、およびエッチングなどの過程を介して金属薄板に所定の回路パターンが形成されるように加工されることによって、金属薄板にリード線が形成された個々のIC(Integrated Circuit)パッケージに分離可能なテープオートメイテッドボンディング(TAB)製品、フレキシブルな接続ケーブルなどとして、電子機器、デジタルカメラまたは携帯電話機などに広く用いられている。
前記可撓性ポリイミド金属積層板は、ポリイミド樹脂フィルムと金属薄板とを接着剤を用いて貼り付けるラミネーティング法によって得られた3層構造の金属積層板と、金属薄板の一面に接着剤なしでポリイミドが接着された2層構造の金属積層板がある。2層構造の金属積層板は、3層構造の金属積層板と比較して、耐熱性、ファインピッチ化、軽薄化、および多層化に有利であるため需要が急速に増加している。このような2層構造の可溶性ポリイミド金属積層板の製造方法のうちの一例として、ポリイミド樹脂前駆体であるポリアミド酸溶液をコーティングし、それを加熱してイミド化するキャスティング法が挙げられる。
前記ラミネート法とキャスティング法による可撓性ポリイミド金属積層板の製造において、一般的に可撓性ポリイミドは、ポリイミド樹脂の前駆体溶液のポリアミド酸溶液を250℃以上の温度で硬化することによってイミド化を実施してポリイミド樹脂を製造することができる。しかし、ポリイミド樹脂の製造は高温の熱処理のために生産効率を高めようとすれば熱設備が大型化されるという問題がある。
また、従来のポリイミド樹脂の製造方法は溶液状態でイミド化を進め、イミド化が終了した後にメタノールなどの溶媒に沈殿させ、固体を得る方法として、加工のためには固体を再び溶媒などに溶かす過程が必要な問題点がある。
本発明者らは、ポリイミドの製造工程中にポリアミド酸溶液に触媒を添加すれば低温でもポリイミドを製造することができるという事実を明らかにし、ポリイミドが耐熱性、および加工性に優れていることを確認して本発明を完成した。
したがって、本発明の目的は触媒を用いて低温でもイミド化が可能なポリイミドの製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記の方法を用いて製造されたポリイミドを提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明は、a)二酸無水物、ジアミン、および溶媒を用いてポリアミド酸溶液を製造するステップと、
b)前記ポリアミド酸溶液に触媒を添加するステップと、
c)前記触媒を含むポリアミド酸溶液をコーティングするステップと、
d)前記コーティングされたポリアミド酸溶液を乾燥、および硬化してイミド化するステップと、を含むポリイミドの製造方法を提供する。
また、本発明は前記ポリイミドの製造方法によって製造されたポリイミドを提供する。
なお、本発明は前記ポリイミドを含む金属積層板を提供する。
さらに、本発明は前記ポリイミドを含む金属積層板のカバーレイを提供する。
本発明に係るポリイミドの製造方法は、ポリアミド酸溶液をコーティング後に硬化してイミド化を進めるため、ポリイミドを得るために固体を再び溶媒に溶かす過程が不要となり、ポリイミドを得るための過程を短縮することができる。また本発明の方法に係るポリイミドは、低温における硬化にも十分な機械的強度を有しながら、加工性に優れて生産効率が高まる長所があり、また耐熱性、および加工性に優れて金属積層板の絶縁フィルム、プリント基板用またはハードディスクのカバーレイフィルムなどに容易に用いることができる。
本発明は、
a)二酸無水物、ジアミン、および溶媒を用いてポリアミド酸溶液を製造するステップと、
b)前記ポリアミド酸溶液に触媒を添加するステップと、
c)前記触媒を含むポリアミド酸溶液をコーティングするステップと、
d)前記コーティングされたポリアミド酸溶液を乾燥および硬化してイミド化するステップと、を含むポリイミドの製造方法を提供する。
本発明において、a)は二酸無水物、ジアミン、および溶媒を用いてポリアミド酸溶液を製造するステップである。ポリアミド酸溶液はそれぞれ下記式(1)で表される二酸無水物、および下記式(2)で表されるジアミンを用いて、当技術分野に知られている方法で製造することができる。
Figure 2010518222
前記式(1)において、X1は、
Figure 2010518222
からなる群から選択される1種以上であり、
前記Y1およびY2は、それぞれ独立してまたは同時に、直接結合、−O−、−CO−、−S−、−SO2−、−C(CH32−、−CONH、−(CH2)n1−、−O(CH2)n2O−、−COO(CH2)n3OCO−、およびハロゲンからなる群から選択され、
ここで、n1、n2、およびn3は、それぞれ独立して1〜5の整数である。
Figure 2010518222
前記式(2)において、X2は、
Figure 2010518222
からなる群から選択される1種以上であり、
前記Y1およびY2は、それぞれ独立してまたは同時に、直接結合、−O−、−CO−、−S−、−SO2−、−C(CH32−、−CONH、−(CH2)n1−、−O(CH2)n2O−、−COO(CH2)n3OCO−、およびハロゲンからなる群から選択され、
ここで、n1、n2、およびn3は、それぞれ独立して1〜5の整数である。
具体的に、前記ポリアミド酸溶液の製造方法は、前記式(2)で表されるジアミン化合物のうち1種以上を溶媒に溶解させ、この溶液に前記式(1)で表される二酸無水物のうち1種以上を添加して反応させることで製造することができる。前記ジアミンと二酸無水物の反応は0〜5℃で24時間行うことが好ましい。この時、二酸無水物とジアミンを1:0.9〜1:1.1のモール費で混合することが好ましい。前記二酸無水物に対してジアミンのモール費が0.9未満または1.1を超過すれば、分子量が低下して機械的物性に優れたポリイミドの製造が難しくなり、粘度が低下することでコーティング、および様々なプロセスが難しくなることがある。
具体的に前記二酸無水物には、PMDA(ピロメリト酸二無水物)、BPDA(3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物)、BTDA(3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物)、ODPA(4,4’−オキシジフタル酸無水物)、BPADA(4,4’−(4,4’−イソプロピルビフェノキシ)ビフタル酸無水物)、6FDA(2,2’−ビス−(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン酸二無水物)、およびTMEG(エチレングリコールビス(無水物−トリメリテート)からなる群から選択された1種以上を用いることができるが、これらにのみ限定されることはない。
前記ジアミンには、p−PDA(p−フェニレンジアミン)、m−PDA(m−フェニレンジアミン)、4,4’−ODA(4,4’−オキシジアニリン)、3,4’−ODA(3,4’−オキシジアニリン)、BAPP(2,2−ビス(4−[4−アミノフェノキシ]−フェニル)プロパン)、TPE−R(1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン)、およびm−BAPS(2,2−ビス(4−[3−アミノフェノキシ]フェニル)スルホン)などからなる群から選択された1種以上を用いることができるが、これらにのみ限定されることはない。
前記 溶媒では、通常の有機溶媒を制限なく用いることができ、具体的にはN−メチルピロリジノン(N−methylpyrrolidinone;NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド(N,N−dimethylacetamide;DMAc)、テトラヒドロフラン(tetrahydrofuran;THF)、N,N−ジメチルホルムアミド(N,N−dimethylformamide;DMF)、ジメチルスルホキシド(dimethylsulfoxide;DMSO)、シクロヘキサン(cyclohexane)、アセトニトリル(acetonitrile)、およびそれらの混合物からなる群から選択された1種以上を用いることができるが、これらにのみ限定されることはない。
前記ポリアミド酸溶液のうちポリアミド酸の含有量は、全体のポリアミド酸溶液の総重量に対して10〜30重量%であることが好ましい。ポリアミド酸が10重量%未満であれば不必要な溶媒の使用量が多くなり、30重量%を超過する場合には溶液の粘度が過度に高まって均一に塗布し難いという問題点がある。
また、本発明は必要により上記の化合物以外の二酸無水物およびジアミンを少量添加することができ、塗布や硬化を容易にするために、またはその他の物性を向上させるために消泡剤、ゲル化防止剤、および追加の硬化促進剤などからなる群から選択された1種以上を含むことができる。
本発明において、前記b)はポリアミド酸溶液に触媒を添加するステップである。この時、触媒はポリアミド酸固形分の総重量に対して0.1〜20重量%添加することが好ましい。
前記触媒の含有量が0.1重量%未満であれば硬化過程で硬化温度を低くする効果が低くなり、20重量%を超過すれば触媒の量が全体重量に比べて相対的に多くなってフィルムの物理的性質に影響を及ぼすことがあり、その含有量を超過してもそれ以上の効果を得ることができない。
触媒では、一般的に三級アミン、二級アミン、アゾール、ホスフィン、およびマロノニトリルからなる群から選択された1種以上の化合物を用いることができる。具体的な例として、1,4−ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン、1,8−ジアザビシクロ[5,4,0]−ウンデケン、2,6−ジメチルピペリジン、トリエチルアミン、N,N,N,N’−テトラメチルエチレンジアミン、トリフェニルホスフィン、4−ジメチルアミノピリジン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリオクチルアミン、N,N−ジメチルベンジルアミン、1,2,4−トリアゾール、およびトリイソブチルアミンなどからなる群から選択された1種以上を用いることができるが、必ずこれらにのみ限定されることはない。
本発明において、前記c)は触媒を含むポリアミド酸溶液を金属ベルト、透明導電膜、金属電極がパターニングされて形成された基板などにコーティングするステップである。前記ポリアミド酸溶液のコーティング方法としては、ダイコータ(die coater)、コンマコータ(comma coater)、リバースコンマコータ(reverse comma coater)、グラビアコータ(gravure coater)などを用いることができ、この他にも一般的に当技術分野で用いられる通常のコーティング技術を用いても構わない。
本発明において、前記d)はコーティングされたポリアミド酸溶液を乾燥および硬化してイミド化するステップである。前記乾燥は50〜140℃で2〜60分間行うことが好ましく、硬化は150〜230℃で10〜120分間行うことが好ましい。
本発明の製造方法は、触媒を添加したポリアミド酸溶液を用いることによって250℃未満の低温でイミド化を進めることができる。
また、本発明は前記ポリイミドの製造方法によって製造されたポリイミドを提供する。
前記ポリアミド酸溶液から製造されるポリイミド重合体は、下記式(3)で表される。
Figure 2010518222
前記式(3)において、X1およびX2は、式(1)および式(2)で定義した通りである。
また、本発明は前記ポリイミドを含む金属積層板を提供する。
前記金属積層板は2層または3層構造を有することができるが、例えば2層構造の可撓性ポリイミド金属積層板はキャスティング法を用いて製造することができる。具体的に説明すれば、まず本発明の触媒を含むポリイミド前駆体溶液のポリアミド酸溶液を金属ベルト上に連続的にキャストする。この時、金属ベルト上にキャストされたポリイミド前駆体溶液の厚さは5〜500μmであることが好ましい。続いて、キャストフィルムを50〜140℃で2〜60分間加熱して、揮発性成分含有量が10〜30重量%の自己支持性の固体フィルムを形成する。次に自己支持性の固体フィルムの両側をレールに沿って移動可能な一対のチェーン上に設けられた複数のフィルムグリップに固定させ、続けて固体フィルムを連続加熱炉に導入する。前記固体フィルムを加熱炉で150〜230℃で10〜120分間加熱してイミド化反応を行うことで揮発性成分が1重量%未満含まれていた1〜100μmの厚さのポリイミドフィルムを製造することができる。しかし、本発明の範囲が上記の方法によって限定されるものではなく、当技術分野の周知の方法を用いて製造することができる。
また、本発明はポリイミドを含む金属積層板のカバーレイフィルムを提供する。
前記金属積層板のカバーレイフィルムの製造は、本発明のポリイミドを用いたことを除いては、当技術分野で周知の一般的なカバーレイフィルムの製造方法を用いて製造することができる。
前述した本発明の方法によって製造されたポリイミドは、低温における硬化によって加工性に優れ、金属積層板の絶縁フィルム、プリント基板用またはハードディスク用のカバーレイフィルムなどに用いることができる。
以下の実施例によって本発明をより詳しく説明する。しかし、以下の実施例は本発明を例示するためのものであって、これらによって本発明の範囲が限定されることはない。
<実施例>:ポリイミドフィルムの製造
<実施例1>
N,N−ジメチルアセトアミド(N,N−dimethylacetamide;DMAc)400gに4,4’−ODA(4,4’−オキシジアニリン)47.6gを溶かした溶液を撹拌しながらPMDA(ピロメリト酸二無水物)52.4gを添加した。この時、溶液は5℃を維持した。24時間撹拌後、触媒でトリエチルアミン5gを添加した後に12時間撹拌した。
前記製造されたポリアミド酸溶液を金属ベルト上に連続的にキャストして、厚さが250μm範囲の溶液フィルムを収得した。続けて、キャストフィルムを80℃で10分間加熱して、揮発性成分含有量が30重量%の自己支持性の固体フィルムを収得した。次に、自己支持性の固体フィルムの両側をレールに沿って移動可能な一対のチェーン上に設けられた複数のフィルムグリップに固定させ、続けて固体フィルムを連続加熱炉に導入した。前記固体フィルムを加熱炉で180℃の温度範囲で60分の間加熱してイミド化反応を行い、25μmの厚さのポリイミドフィルムを製造した。
<実施例2>
触媒でトリフェニルホスフィンを用いたこと以外には実施例1と同じ方法でポリイミドフィルムを製造した。
<実施例3>
触媒で1,2,4−トリアゾールを用いたこと以外には実施例1と同じ方法でポリイミドフィルムを製造した。
<実施例4>
触媒で1,8−ジアザビシクロ[5,4,0]−ウンデケンを用いたこと以外には実施例1と同じ方法でポリイミドフィルムを製造した。
<実施例5>
触媒で1,8−ジアザビシクロ[5,4,0]−ウンデケン2.5gとN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン2.5gを用いたこと以外には実施例1と同じ方法でポリイミドフィルムを製造した。
<実施例6>
N,N−ジメチルアセトアミド(N,N−dimethylacetamide;DMAc)400gにp−PDA(p−フェニレンジアミン)26.9gを溶かした溶液を撹拌しながらBPDA(3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物)73.1gを添加した。この時、溶液は5℃を維持した。24時間撹拌後、触媒でトリブチルアミン5gを添加した後に12時間撹拌した。その後の過程は実施例1と同じ方法でポリイミドフィルムを製造した。
<比較例>:ポリイミドフィルムの製造
<比較例1>
ポリイミドフィルム製造時、触媒を添加しないこと以外には実施例1と同じ方法でポリイミドフィルムを製造した。
<比較例2>
ポリイミドフィルム製造時、触媒を添加せずに350℃で60分間加熱したこと以外には実施例1と同じ方法でポリイミドフィルムを製造した。
<比較例3>
ポリイミドフィルム製造時、触媒を添加しないこと以外には実施例6のような方法でポリイミドフィルムを製造した。
<比較例4>
ポリイミドフィルム製造時、触媒を添加せずに350℃で60分間加熱したこと以外には実施例6のような方法でポリイミドフィルムを製造した。
<実験例>:ポリイミドフィルムの物性測定
<実験例1>:引張率
本発明の実施例1〜6および比較例1〜4によるポリイミドフィルムの引張率をASTM D882 91測定方法によって測定し、その結果を表1に示した。
<実験例2>:MIT耐折度(Folding Endurance)
本発明の実施例1〜6および比較例1〜4によるポリイミドフィルムのMIT耐折度をASTM D2176 89測定方法によって測定し、その結果を表1に示した。
<実験例3>:耐熱性(Solder Float)
本発明の実施例1〜6および比較例1〜4によるポリイミドフィルムの耐熱性をIPC TM 650 method 2.4.13A測定方法によって測定し、その結果を表1に示した。
<実験例4>:誘電率
本発明の実施例1〜6および比較例1〜4によるポリイミドフィルムの誘電率をASTM D150測定方法によって測定し、その結果を表1に示した。
Figure 2010518222
表1の結果から分かるように本発明のポリイミドは低温でも十分な強度を有しながら、高温における硬化のような優れた物性を得ることができるため、生産効率が高まるという長所があり、耐熱性および加工性に優れ、金属積層板の絶縁フィルム、プリント基板用またはハードディスクのカバーレイフィルムなどに容易に用いることができる。

Claims (17)

  1. a)二酸無水物、ジアミン、および溶媒を用いてポリアミド酸溶液を製造するステップと、
    b)前記ポリアミド酸溶液に触媒を添加するステップと、
    c)前記触媒を含むポリアミド酸溶液をコーティングするステップと、
    d)前記コーティングされたポリアミド酸溶液を乾燥および硬化してイミド化するステップと、
    を含むポリイミドの製造方法。
  2. 前記二酸無水物は、下記式(1)で表される請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
    Figure 2010518222
    前記式(1)において、X1は、
    Figure 2010518222
    からなる群から選択される1種以上であり、
    前記Y1およびY2は、それぞれ独立してまたは同時に、直接結合、−O−、−CO−、−S−、−SO2−、−C(CH32−、−CONH、−(CH2)n1−、−O(CH2)n2O−、−COO(CH2)n3OCO−、およびハロゲンからなる群から選択され、
    ここで、n1、n2、およびn3は、それぞれ独立して1〜5の整数である。
  3. 前記二酸無水物は、PMDA(ピロメリト酸二無水物)、BPDA(3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物)、BTDA(3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物)、ODPA(4,4’−オキシジフタル酸無水物)、BPADA(4,4’−(4,4’−イソプロピルビフェノキシ)ビフタル酸無水物)、6FDA(2,2’−ビス−(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン酸二無水物)、およびTMEG(エチレングリコールビス(無水物−トリメリテート)からなる群から選択された1種以上のものである請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
  4. 前記ジアミンは、下記式(2)で表される請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
    Figure 2010518222
    前記式(2)において、X2は、
    Figure 2010518222
    からなる群から選択される1種以上であり、
    前記Y1およびY2は、それぞれ独立してまたは同時に、直接結合、−O−、−CO−、−S−、−SO2−、−C(CH32−、−CONH、−(CH2)n1−、−O(CH2)n2O−、−COO(CH2)n3OCO−、およびハロゲンからなる群から選択され、
    ここで、n1、n2、およびn3は、それぞれ独立して1〜5の整数である。
  5. 前記ジアミンは、p−PDA(p−フェニレンジアミン)、m−PDA(m−フェニレンジアミン)、4,4’−ODA(4,4’−オキシジアニリン)、3,4’−ODA(3,4’−オキシジアニリン)、BAPP(2,2−ビス(4−[4−アミノフェノキシ]−フェニル)プロパン)、TPE−R(1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン)、およびm−BAPS(2,2−ビス(4−[3−アミノフェノキシ]フェニル)スルホン)からなる群から選択された1種以上のものである請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
  6. 前記溶媒は、N−メチルピロリジノン(N−methylpyrrolidinone;NMP)、N,N−ジメチルアセトアミド(N,N−dimethylacetamide;DMAc)、テトラヒドロフラン(tetrahydrofuran;THF)、N,N−ジメチルホルムアミド(N,N−dimethylformamide;DMF)、ジメチルスルホキシド(dimethylsulfoxide;DMSO)、シクロヘキサン(cyclohexane)、アセトニトリル(acetonitrile)、および、それらの混合物からなる群から選択された1種以上のものである請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
  7. 前記ポリアミド酸の量は、ポリアミド酸溶液の総重量に対して10〜30重量%である請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
  8. 前記ポリアミド酸溶液は、二酸無水物、ジアミン消泡剤、ゲル化防止剤、および硬化促進剤からなる群から選択された1種以上を含む請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
  9. 前記触媒の量は、ポリアミド酸固形分の総重量に対して0.1〜20重量%である請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
  10. 前記触媒は、三級アミン、二級アミン、アゾール、ホスフィン、およびマロノニトリルからなる群から選択された1種以上のものである請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
  11. 前記触媒は、1,4−ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン、2,6−ジメチルピペリジン、トリエチルアミン、N,N,N,N’−テトラメチルエチレンジアミン、トリフェニルホスフィン、4−ジメチルアミノピリジン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリオクチルアミン、N,N−ジメチルベンジルアミン、1,2,4−トリアゾール、およびトリイソブチルアミンからなる群から選択された1種以上のものである請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
  12. 前記乾燥は、50〜140℃で2〜60分間行う請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
  13. 前記硬化は、150〜230℃で10〜120分間行う請求項1に記載のポリイミドの製造方法。
  14. 請求項1〜請求項13のうちいずれか一項の製造方法によって製造されたポリイミド。
  15. 前記ポリイミドは、下記式(3)で表される請求項14に記載のポリイミド。
    Figure 2010518222
    前記式(3)において、X1は、
    Figure 2010518222
    からなる群から選択される1種以上であり、
    前記Y1およびY2は、それぞれ独立してまたは同時に、直接結合、−O−、−CO−、−S−、−SO2−、−C(CH32−、−CONH、−(CH2)n1−、−O(CH2)n2O−、−COO(CH2)n3OCO−、およびハロゲンからなる群から選択され、
    ここで、n1、n2、およびn3は、それぞれ独立して1〜5の整数であり、
    2は、
    Figure 2010518222
    からなる群から選択される1種以上であり、
    前記Y1およびY2は、それぞれ独立してまたは同時に、直接結合、−O−、−CO−、−S−、−SO2−、−C(CH32−、−CONH、−(CH2)n1−、−O(CH2)n2O−、−COO(CH2)n3OCO−、およびハロゲンからなる群から選択され、
    ここで、n1、n2、およびn3は、それぞれ独立して1〜5の整数である。
  16. 請求項15のポリイミドを含む金属積層板。
  17. 請求項15のポリイミドを含む金属積層板のカバーレイ。
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