JP2020109166A - ポリイミド前駆体組成物及びそれから生じるポリイミドフィルム及びフレキシブルデバイス、ポリイミドフィルムの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、この特許文献1においてはコロイダルシリカの添加量が増えるに従い、光透過率が低下するという課題を有している。このことは、より高い耐熱性を要求する用途において、単にポリイミド前駆体にコロイダルシリカを含有させることでこの要求を満たすというアプローチには限界があることを示唆している。
しかし、この特許文献2に記載されたような脂環構造を有するポリイミドは耐熱性が十分でなく、シースルーOLED向けTFT基板、透過型ディスプレイ向けTFT基板等の特に高温の熱処理が必要な用途においては、熱処理することで着色する等の課題があった。
前記ナノシリカ粒子の平均粒子径が1〜70nmであって、
ナノシリカ粒子をポリイミド前駆体100質量部に対して10〜60質量部含み、
当該ポリイミド前駆体組成物をポリイミドフィルムとしたときに以下の(1)〜(5)を満足することを特徴とするポリイミド前駆体組成物。
(1)室温における黄色度が10以下であること。
(2)400℃で1時間加熱し、更に450℃で1時間加熱後の黄色度が20以下であること。
(3)全光線透過率が85%以上であること。
(4)ヘイズが1未満であること。
(5)1%熱重量減少温度(Td1)が500℃以上であること。
〔1〕前記ポリイミドフィルムの熱膨張係数(CTE)が65ppm/K以下であること。
〔2〕前記ポリイミドフィルムが、308nmの光透過率が5%以下であり、430nmの光透過率が70%以上であること。
〔3〕ポリイミド前駆体は、フッ素原子を含有するジアミンに由来する構造単位を、ジアミンに由来する全構造単位の50モル%以上、好ましくは90モル%以上含み、下記式(1)で表される芳香族酸二無水物に由来する構造単位を、酸二無水物に由来する全構造単位の50モル%以上、好ましくは90モル%以上含むこと。
〔4〕前記ポリイミド前駆体組成物をイミド化して得られるポリイミドフィルム。
〔5〕前記ポリイミドフィルム上に機能層を積層してなるフレキシブルデバイス。
ジアミンに由来する構造単位と酸二無水物に由来する構造単位とを有するポリイミド前駆体と、平均粒子径が1〜70nmのナノシリカ粒子とを含有し、当該ナノシリカ粒子をポリイミド前駆体100質量部に対して10〜60質量部含有するポリイミド前駆体組成物を準備する工程と、
前記ポリイミド前駆体組成物をキャリア基板上に塗布し、加熱処理して、キャリア基板上にポリイミドフィルムを形成する工程と、
この形成されたポリイミドフィルムをキャリア基板から剥離する工程と
を順次行うことにより、以下の(1)〜(5)を満足するポリイミドフィルムを製造することを特徴とするポリイミドフィルムの製造方法である。
(1)室温における黄色度が10以下であること。
(2)400℃で1時間加熱し、更に450℃で1時間加熱後の黄色度が20以下であること。
(3)全光線透過率が85%以上であること。
(4)ヘイズが1未満であること。
(5)1%熱重量減少温度(Td1)が500℃以上であること。
(1)室温における黄色度が10以下であること。
(2)400℃で1時間加熱し、更に450℃で1時間加熱後の黄色度が20以下であること。
(3)全光線透過率が85%以上であること。
(4)ヘイズが1未満であること。
(5)1%熱重量減少温度(Td1)が500℃以上であること。
ここで、前記ポリイミド前駆体については、ジアミンに由来する構造単位と、酸二無水物に由来する構造単位とを有するポリイミド前駆体であって、ポリイミドフィルムにした場合において前記の黄色度(YI)など特性を全て満足するものであればそれぞれ限定されるものではないが、好ましくは、ジアミンの構造単位としては、フッ素原子を含有する芳香族ジアミンを用いることがよく、また、酸二無水物としては、フッ素原子を含有しないものを挙げることができ、好ましくは以下の式(1)に示される芳香族酸二無水物を用いることがよい。
次に、本発明のポリイミド前駆体組成物で使用されるナノシリカ粒子については、ナノサイズの二酸化ケイ素微粒子のことを示すが、透明性、耐熱性の付与の観点から、その平均粒子径が1〜70nmのものを用いる。好ましい下限値は5nmであり、より好ましい下限は8nmである。また、好ましい上限値は60nmであり、より好ましい上限は50nmであり、さらに好ましい上限は25nmである。平均粒子径については、動的光散乱法により測定される重量(個数)平均粒子径として表すことができる。このようなナノシリカ粒子については、公知のものを好ましく使用することができるが、有機溶媒にコロイダルシリカが分散されてなるコロイド溶液を好適に使用することができ、これを前記で得られたポリイミド前駆体の溶液等と混合して本発明の組成物とすることができる。平均粒子径が1nm未満だとポリイミド前駆体の溶液等と混合した際に凝集を起こす恐れがあること、また、70nmを超えるとフィルムの透明性や耐熱性を悪化させる恐れがある。
また、ナノシリカ粒子のコロイド溶液として使用する場合、コロイド溶液中に分散剤を添加してもよい。分散剤としては、例えば、陰イオン系界面活性剤、陽イオン系界面活性剤、非イオン系界面活性剤、両性イオン系界面活性剤、湿潤オリゴマー系、ポリアクリル酸ナトリウム系、変性ポリアクリル酸ナトリウム系、水溶性セルロースグラフト両親媒性コポリマー系、ブロック共重合体系、脂肪酸アマイド系、硫酸エステル系アニオン活性剤系、ポリカルボン酸ポリエステル系、ホスホン酸基および/またはスルホン酸基を含むポリエーテルカルボキシラート櫛形ポリマー系、ポリオキシアルキレンのホスホナート誘導体系等の、公知の有機系分散剤が挙げられる。一方、高温で熱処理した場合における着色を抑える観点から、このような分散剤を使用しないシリカ粒子を使用することが好ましい。なお、本発明のポリイミド前駆体組成物は、当該ナノシリカ粒子以外のフィラーを添加することもできる。
本発明のポリイミドフィルムは、前記した本発明のポリイミド前駆体組成物をイミド化して得られる。イミド化は、熱イミド化法又は化学イミド化法等により行うことができる。熱イミド化は、ガラス、金属、樹脂などの任意の支持基材上に、ポリイミド前駆体組成物を、アプリケーターを用いて塗布し、150℃以下の温度で2〜60分予備乾燥した後、溶剤除去、イミド化のために通常、室温〜360℃程度の温度で10分〜20時間程度熱処理することにより行われる。所望のポリイミドフィルムが得られる場合は、熱処理温度が280℃まででもよい。280℃〜360℃の間に、必要な機械特性に応じて、熱処理温度を変更することも可能である。化学イミド化は、ポリイミド前駆体組成物(ポリアミド酸ともいう。)の溶液に脱水剤と触媒を加え、30〜60℃で化学的に脱水を行う。代表的な脱水剤としては無水酢酸が例示され、触媒としてはピリジンが例示される。熱イミド化は、酸二無水物やジアミンの種類、溶剤の種類の組み合わせを選択すれば、イミド化が比較的短時間で完了し、予備加熱を含め熱処理は60分間以内で行うことも可能である。溶媒に溶解させたポリイミド前駆体組成物溶液として、塗布してもよい。
なお、レーサーリフトオフ法とは、例えば、支持基材としてのガラス上にポリイミド層を形成し、そのポリイミド層上に各種機能層を形成して積層体とした後、ガラス支持材を通して、ポリイミド層の底面にレーザーを照射することにより、ポリイミド層からガラス支持材を剥離して、機能層付きポリイミドフィルムを製造する工法である。
公知の方法によって、金属膜、無機膜、有機膜等をポリイミド層(フィルム)上に成膜した後、必要に応じて所定の形状にパターニングしたり、熱処理したりする。すなわち、機能層の形成方法については特に制限されず、例えば、スパッタリング、蒸着、CVD、印刷、露光、浸漬など、適宜選択できる。必要な場合、真空チャンバー内などでこれらのプロセス処理を行ってもよい。支持材(ガラス)をポリイミドフィルムから分離するのは、各種プロセス処理を経て機能層を形成した直後であってもよく、形成後の一定期間は支持材と一体状態を保持し、例えば表示装置として利用する直前に剥離して除去してもよい。
一方、レーザーリフトオフ工法により、ガラス支持材を樹脂フィルムから剥離する。UVレーザー光の照射により、ガラス支持材をポリイミド層から剥離する場合、UVレーザー光の波長での透過率が高いと、吸収/剥離層を別に設ける必要があり、生産性が低下する。このレーザーリフトオフ工法では、現在、308nmレーザー装置が一般的に使われている。吸収/剥離層を設けることなく、剥離を行なうためには、ポリイミド自体が308nmレーザー光を十分に吸収する必要があり、この波長域において極力光を透過させないことが望ましい。
(酸二無水物)
・ODPA:4,4'-オキシジフタル酸無水物
・6FDA:4,4'-(2,2'-ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸二無水物
(ジアミン)
・TFMB:2,2'-ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン
(溶剤)
・NMP:N-メチル-2-ピロリドン
・DMAc:N,N−ジメチルアセトアミド
〔フィラー(ナノシリカ粒子)〕
・NMP−ST:N-メチル-2-ピロリドンにコロイダルシリカを分散させてなるコロイド溶液(日産化学株式会社製、シリカ粒子固形分濃度:30wt%;シリカの平均粒子径:12nm)
・DMAC−ST:N,N−ジメチルアセトアミドにコロイダルシリカを分散させてなるコロイド溶液(日産化学株式会社製、シリカ粒子固形分濃度:20wt%;シリカの平均粒子径:12nm)
・OP−1354A ホワイト:N-メチル-2-ピロリドンにコロイダルシリカを分散させてなるコロイド溶液(東洋カラー株式会社製、シリカ粒子固形分濃度:20wt%;シリカの平均粒子径:30nm)
・DMAC−ST−ZL:N,N−ジメチルアセトアミドにコロイダルシリカを分散させてなるコロイド溶液(日産化学株式会社製、シリカ粒子固形分濃度:20wt%;シリカの平均粒子径:80nm)
なお、平均粒子径については、動的光散乱法により測定された散乱光強度基準による調和粒子径(直径)の重量(個数)平均粒子径である。
ポリイミドフィルム(50mm×50mm、厚み:10μm)を、SHIMADZU UV-3600分光光度計にて、300nm〜700nmにおける各波長の光透過率を求めた。また、下記の計算式に基づいてYI(黄色度)を算出した。
YI=100×(1.2879X−1.0592Z)/Y
ここで、X、Y、Zは試験片の三刺激値、JIS Z 8722に規定する。
なお、室温で測定したYIを(YI0)、窒素雰囲気下で400℃1時間加熱後に測定したYIを(YI400)、窒素雰囲気下で400℃1時間加熱し、更に窒素雰囲気下で430℃、1時間加熱処理を行った後に測定したYIを(YI430)、窒素雰囲気下で400℃1時間加熱し、更に窒素雰囲気下で450℃、1時間加熱処理を行った後に測定したYIを(YI450)とした。
フィルムの全光線透過率(T.T.)、HAZE(濁度)は、ポリイミドフィルム(50mm×50mm、厚み10μm)を日本電色製HAZE METER NDH5000でJIS K 7136に準拠して測定した。
窒素雰囲気下で5〜15mgの重さのポリイミドフィルム(厚み:10μm)を、SEIKO製の熱重量分析(TG)装置TG/DTA6200にて一定の昇温速度(10℃/min)で30℃から550℃まで昇温させたときの重量変化を測定し、200℃の重量を基準(0%)として重量減少率が1%の時の温度を1%熱重量減少温度(Td1%)とした。
3mm×15mmのサイズのポリイミドフィルム(厚み:10μm)を、サーモメカニカルアナライザー(Bruker社製、商品名;4000SA)を用い、5.0gの荷重を加えながら一定の昇温速度で30℃から280℃まで昇温させ、その後5℃/分の速度で冷却し、250℃から100℃までの平均熱膨張係数(熱膨張係数)を求めた。
ガラスからフィルムを剥離する際にフィルムが破けずに100mm×100mmのフィルムを得ることができるものを○、フィルムが破けてしまうものを×とした。
窒素気流下で、2000mlのセパラブルフラスコの中に、101.24gのTFMBを、500gのNMPに溶解させた。次いで、この溶液に、98.86gのODPAを加えた。なお、酸二無水物(a)とジアミン(b)のモル比(a/b)は、1.010とした。この溶液を、40℃で10分間加熱し、内容物を溶解させ、その後、300gのNMPを加え、溶液を室温で24時間攪拌を続けて重合反応を行い、粘度225,000cPのポリイミド前駆体A(粘稠な無色溶液)を得た。
合成例1の溶剤をDMAcに変えたこと以外は、合成例1と同様に重合反応を行い、粘度232,000cPのポリイミド前駆体B(粘稠な無色溶液)を得た。
窒素気流下で、2000mlのセパラブルフラスコの中に、116.66gのTFMBを、500gのNMPに溶解させた。次いで、この溶液に、83.34gの6FDAを加えた。なお、酸二無水物(a)とジアミン(b)のモル比(a/b)は、1.010とした。この溶液を、40℃で10分間加熱し、内容物を溶解させ、その後、300gのNMPを加え、溶液を室温で24時間攪拌を続けて重合反応を行い、粘度134,000cPのポリイミド前駆体C(粘稠な無色溶液)を得た。
(配合例A―1)
合成例1で調製したポリイミド前駆体溶液Aの65g(固形分として13g)に、ナノシリカ粒子として、8.50gのNMP−ST(日産化学株式会社製、シリカ粒子固形分濃度:30wt%;シリカの平均粒子径:12nm)と89.0gのNMPを加えて希釈し、自転・公転ミキサーにて2分間撹拌することでポリイミド前駆体溶液(組成物)A−1を調製した。
配合例A−1の配合に用いたフィラー溶液と溶剤の種類と重量を表2,3に示すものに変更し、配合例A−1と同様の方法でポリイミド前駆体溶液(組成物)A−2〜A−4を調製した。
合成例2で調製したポリイミド前駆体溶液Bの65g(固形分として13g)に8.50gのDMAC−ST(日産化学株式会社製、シリカ粒子固形分濃度:20wt%;シリカの平均粒子径:12nm)と84.6gのDMAcを加えて希釈し、自転・公転ミキサーにて2分間撹拌することでポリイミド前駆体溶液(組成物)B−1を調製した。
配合例B−1の配合に用いたDMAC−STとDMAcの量を表2に示すものに変更し、配合例B−1と同様の方法でポリイミド前駆体溶液(組成物)B−2を調製した。
配合例B−1の配合に用いたフィラー溶液を32.17gのDMAC−ST−ZL(日産化学株式会社製、シリカ粒子固形分濃度:20wt%;シリカの平均粒子径:80nm)とし、ベース樹脂とDMAcの量を表2に示すものに変更し、配合例B−1と同様の方法でポリイミド前駆体溶液(組成物)B−3を調製した。
合成例3で調製したポリイミド前駆体溶液Cの65g(固形分として13g)に8.50gのNMP−ST(日産化学株式会社製、シリカ粒子固形分濃度:30wt%;シリカの平均粒子径:12nm)と89.0gのNMPを加えて希釈し、自転・公転ミキサーにて2分間撹拌することでポリイミド前駆体溶液(組成物)C−1を調製した。
(実施例1)
配合例A−1で得られたポリイミド前駆体溶液A−1をガラス基板(コーニング製E−XG、サイズ=150mm×150mm、厚み=0.7mm)上に、スピンコーターを用いて、硬化後のポリイミド厚みが約10μmになるように塗工した。続いて、120℃で7分間加熱を行った。そして、窒素雰囲気中で、一定の昇温速度(4℃/min)で室温から385℃まで昇温させ、その後室温まで降温し、ガラス基板上に150mm×150mmのポリイミドフィルムを形成し、得られたポリイミドフィルムをガラスから剥離することでポリイミドフィルムA−1を得た。各種特性を表4に示す。
実施例1で用いたポリイミド前駆体溶液A−1を表1〜3に示すものに変更し、実施例1と同様の方法でポリイミドフィルムA、A−2〜A−4、B−1〜B−3、C、C−1を得た。なお、比較例4は合成例3で調製したポリイミド前駆体Cの溶液をそのまま用い、また、比較例5は合成例1で調製したポリイミド前駆体Aの溶液をそのまま用いて、実施例1と同様の操作を施してポリイミドフィルムとしたものである。各種特性を表4及び5に示す。
Claims (8)
- ジアミンに由来する構造単位と酸二無水物に由来する構造単位とを有するポリイミド前駆体と、ナノシリカ粒子とを含有するポリイミド前駆体組成物であって、
前記ナノシリカ粒子の平均粒子径が1〜70nmであって、
前記ナノシリカ粒子をポリイミド前駆体100質量部に対して10〜60質量部含み、
当該ポリイミド前駆体組成物をポリイミドフィルムとしたときに以下の(1)〜(5)を満足することを特徴とするポリイミド前駆体組成物。
(1)室温における黄色度が10以下であること。
(2)400℃で1時間加熱し、更に450℃で1時間加熱後の黄色度が20以下であること。
(3)全光線透過率が85%以上であること。
(4)ヘイズが1未満であること。
(5)1%熱重量減少温度(Td1)が500℃以上であること。 - ポリイミドフィルムとしたときに、更に、以下の(6)を満足する、請求項1に記載のポリイミド前駆体組成物。
(6)熱膨張係数(CTE)が65ppm/K以下であること。 - 前記ポリイミドフィルムが、308nmの光透過率が5%以下であり、430nmの光透過率が70%以上である請求項1又は2に記載のポリイミド前駆体組成物。
- ポリイミド前駆体は、フッ素原子を含有するジアミンに由来する構造単位を、ジアミンに由来する全構造単位の90モル%以上含み、前記式(1)で表される芳香族酸二無水物に由来する構造単位を、酸二無水物に由来する全構造単位の90モル%以上含む、請求項4に記載のポリイミド前駆体組成物。
- 請求項1〜5に記載のポリイミド前駆体組成物をイミド化して得られることを特徴とする、ポリイミドフィルム。
- 請求項6に記載のポリイミドフィルム上に機能層を積層してなるフレキシブルデバイス。
- ポリイミドフィルムの製造方法であって、
ジアミンに由来する構造単位と酸二無水物に由来する構造単位とを有するポリイミド前駆体と、平均粒子径が1〜70nmのナノシリカ粒子とを含有し、当該ナノシリカ粒子をポリイミド前駆体100質量部に対して10〜60質量部含有するポリイミド前駆体組成物を準備する工程と、
前記ポリイミド前駆体組成物をキャリア基板上に塗布し、加熱処理して、キャリア基板上にポリイミドフィルムを形成する工程と、
この形成されたポリイミドフィルムをキャリア基板から剥離する工程と
を順次行うことにより、以下の(1)〜(5)を満足するポリイミドフィルムを製造することを特徴とするポリイミドフィルムの製造方法。
(1)室温における黄色度が10以下であること。
(2)400℃で1時間加熱し、更に450℃で1時間加熱後の黄色度が20以下であること。
(3)全光線透過率が85%以上であること。
(4)ヘイズが1未満であること。
(5)1%熱重量減少温度(Td1)が500℃以上であること。
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