JP6849196B2 - 高強度透明ポリアミドイミド及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本願は、2016年6月1日付の韓国特許出願第10−2016−0068134号、2016年6月1日付の韓国特許出願第10−2016−0068150号、2016年6月1日付の韓国特許出願第10−2016−0068165号及び2016年6月1日付の韓国特許出願第10−2016−0068171号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたあらゆる内容は、本明細書の一部として含まれる。
本発明は、無色透明でありながらも、高強度の機械的特性を示すポリアミドイミド及びその製造方法に関する。
ポリイミド(polyimide、PI)は、比較的結晶化度が低いか、ほぼ非結晶性構造を有する高分子であって、合成が容易であり、薄膜フィルムを作ることができ、硬化のための架橋基が不要であるという長所だけではなく、透明性、剛直な鎖構造によって優れた耐熱性と耐化学性、優れた機械的物性、電気的特性及び寸法安定性を有している高分子材料であって、現在、自動車、航空宇宙分野、柔軟性回路基板、LCD用液晶配向膜、接着及びコーティング剤などの電気、電子材料として広く使われている。
しかし、ポリイミドは、高い熱安定性、機械的物性、耐化学性、そして、電気的特性を有している高性能高分子材料であるにも拘らず、ディスプレイ分野に使用するための基本的な要件である無色透明な性質を満足させず、また、熱膨張係数をさらに下げなければならないという課題が存在する。例えば、デュポン社から販売されているKaptonの熱膨張係数は、約30ppm/℃程度と低い熱膨張係数値を示しているが、これも、プラスチック基板の要求条件には及ぼしていない。したがって、現在、ポリイミドの基本的な特性を保持しながら、光学的特性と熱履歴変化とを最小化するための研究が多く進められている。
一般的に、芳香族ポリイミドの場合、濃い褐色の固有な色を帯びているが、その理由は、イミド主鎖内に存在するベンゼンのπ電子が、鎖間の結合によって発生する電荷遷移複合化(charge transfer complex、以下、CT−complexと称する)理論で説明可能であり、これは、イミド(imide)構造内にσ電子、π電子、非結合(nonbonding)非共有電子対が存在するので、電子の励起が可能であるためである。
一般的なポリイミドの場合には、400nm以下の波長から500nmの間の可視光線領域の光を吸収することによって、その配色であるyellow〜redの色を帯びる。したがって、芳香族ポリイミドの短所であるCT−complexを下げるためには、この主鎖内にトリフルオロメチル(−CF)、スルホン(−SO)、エーテル(−O−)のような電気陰性度が比較的強い元素を導入することによって、π電子の移動を制限して、共鳴効果を下げる方法があり、また、ベンゼンではないオレフィン系環状(cycloolefin)構造を導入することによって、主鎖内に存在するπ電子の密度を減少させて、無色透明なポリイミドフィルムを製造することができる。
一方、ポリアミドイミドの場合、耐熱性、機械的強度、電気的特性などに優れているために、従来から電気、電子、機械、航空分野などの工業用材料として広く使われている。また、一般的なポリイミドとは構造自体が異なり、ポリアミドイミドは、有機溶剤に可溶であるものが多く知られており、エナメルニス(enamel varnish)、電気絶縁用のコーティング剤、塗料など溶液成形が必須的な用途としても使われている。
しかし、ディスプレイ分野に使用するためには、より低い熱膨張係数を有し、高い溶解度、透明度及び熱的安全性を有するフレキシブルディスプレイ用ポリマーの開発が必要である。
本発明が解決しようとする課題は、透明性及び機械的強度が向上したポリアミドイミドを提供するところにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、前記ポリアミドイミドを製造する方法を提供するところにある。
本発明のさらなる課題は、前記ポリアミドイミドで製造された高強度透明ポリアミドイミドを提供するところにある。
本発明は、前述した技術的課題を解決するために、下記化学式1aで表される反復構造と化学式1bで表される反復構造とを共に含むポリアミドイミドを提供する。
[化学式1a]
Figure 0006849196
[化学式1b]
Figure 0006849196
前記化学式1a、化学式1bにおいて、Xは、テトラカルボン酸二無水物から誘導された下記化学式2の4価の有機基であり、
[化学式2]
Figure 0006849196
は、下記化学式3の化合物から誘導される2価の有機基であり、
[化学式3]
Figure 0006849196
前記化学式3において、Zは、ヒドロキシル基(−OH)、−Cl、−Br、−F、−Iから選択されるハライド基、炭素数1〜5のアルコキシ基(−OR)から選択される1つであり、Y、Yは、ジアミンから誘導された2価の有機基であるが、少なくとも1つは、下記化学式4の2価の有機基を含み、
[化学式4]
Figure 0006849196
前記化学式4において、前記R、Rは、それぞれ独立して−F、−Cl、−Br及び−Iからなるハロゲン原子、ヒドロキシル基(−OH)、チオール基(−SH)、ニトロ基(−NO)、シアノ基、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜4のハロゲノアルコキシ、炭素数1〜10のハロゲノアルキル、炭素数6〜20のアリール基から選択される置換体であり、Qは、単一結合、−O−、−CR1819−、−C(=O)−、−C(=O)O−、−C(=O)NH−、−S−、−SO−、フェニレン基、及びこれらの組合わせからなる群から選択されるものであり、この際、前記R18及びR19は、それぞれ独立して水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、及び炭素数1〜10のフルオロアルキル基からなる群から選択されるものである。
また、本発明は、前記ポリアミドイミドを製造する方法を提供する。
本発明の他の課題を解決するために、前記ポリアミドイミドを含むポリアミドイミドフィルムを提供する。
本発明は、透明性を保持しながら、機械的物性と耐熱性とが大きく向上したポリアミドイミドフィルムを提供する。前記ポリアミドイミドは、透明性、耐熱性、機械的強度及び柔軟性に優れて、素子用基板、ディスプレイ用カバー基板、光学フィルム、IC(integrated circuit)パッケージ、粘着フィルム(adhesive film)、多層FRC(flexible printed circuit)、テープ、タッチパネル、光ディスク用保護フィルムのような多様な分野に使われる。
本発明は、多様な変換を加え、さまざまな実施例を有することができるので、特定実施例を図面に例示し、詳細な説明に詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる、あらゆる変換、均等物または代替物を含むものと理解しなければならない。本発明を説明するに当って、関連した公知技術についての具体的な説明が、本発明の要旨を不明にする恐れがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
本明細書において、あらゆる化合物または有機基は、特別な言及がない限り、置換または非置換のものであり得る。ここで、'置換された'とは、化合物または有機基に含まれた少なくとも1つの水素がハロゲン原子、炭素数1〜10のアルキル基、ハロゲン化アルキル基、炭素数3〜30のシクロアルキル基、炭素数6〜30のアリール基、ヒドロキシ基、炭素数1〜10のアルコキシ基、カルボン酸基、アルデヒド基、エポキシ基、シアノ基、ニトロ基、アミノ基、スルホン酸基、及びこれらの誘導体からなる群から選択される置換基に置き換えられたことを意味する。
また、本明細書において、'これらの組合わせ'とは、特別な言及がない限り、2つ以上の作用基が単一結合、二重結合、三重結合、炭素数1〜10のアルキレン基(例えば、メチレン基(−CH−)、エチレン基(−CHCH−)など)、炭素数1〜10のフルオロアルキレン基(例えば、フルオロメチレン基(−CF−)、パーフルオロエチレン基(−CFCF−)など)、N、O、P、S、またはSiのようなヘテロ原子またはそれを含む作用基(例えば、分子内カルボニル基(−C=O−)、エーテル基(−O−)、エステル基(−COO−)、−S−、−NH−または−N=N−などを含むヘテロアルキレン基)のような連結基によって結合されているか、または2つ以上の作用基が縮合、連結されていることを意味する。
ポリイミドは、剛直な芳香族環とイミド結合で構成されて、優れた機械的物性と耐熱性とを示す高分子であって、このような特性に基づいて多くの産業分野で多様な形態で用いられている。しかし、既存のポリイミドは、鎖内、そして、鎖間の電子遷移のために、一部の可視光線領域を吸収して黄変を示し、これは、ディスプレイ用高耐熱透明材料としての可能性を阻害することができる。このような黄変現象は、電荷遷移複合化によって表われ、これは、剛直なポリイミド高分子鎖の重複(packing)が目立つほどさらに深くなって発生することがある。
このような従来の問題を解決するために、下記化学式1aで表される反復構造と化学式1bで表される反復構造とを共に含むポリアミドイミドを提供する。
[化学式1a]
Figure 0006849196
[化学式1b]
Figure 0006849196
前記化学式1a、化学式1bにおいて、Xは、テトラカルボン酸二無水物から誘導される下記化学式2の4価の有機基であり、
[化学式2]
Figure 0006849196
は、下記化学式3の化合物から誘導される2価の有機基であり、
[化学式3]
Figure 0006849196
前記化学式3において、Zは、ヒドロキシル基(−OH)、−Cl、−Br、−F、−Iから選択されるハライド基、炭素数1〜5のアルコキシ基(−OR)から選択される1つであり、Y、Yは、ジアミンから誘導される2価の有機基であるが、少なくとも1つは、下記化学式4の構造を含み、
[化学式4]
Figure 0006849196
前記化学式4において、前記R、Rは、それぞれ独立して−F、−Cl、−Br及び−Iからなるハロゲン原子、ヒドロキシル基(−OH)、チオール基(−SH)、ニトロ基(−NO)、シアノ基、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜4のハロゲノアルコキシ、炭素数1〜10のハロゲノアルキル、炭素数6〜20のアリール基から選択される置換体であり、望ましくは、ハロゲン原子、ハロゲノアルキル基、アルキル基、アリール基及びシアノ基から選択される置換基であり得る。例えば、前記ハロゲン原子は、フルオロ(−F)であり、ハロゲノアルキル基は、フルオロ系原子を含む炭素数1〜10のフルオロアルキル基であって、フルオロメチル基、パーフルオロエチル基、トリフルオロメチル基などから選択されるものであり、前記アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基から選択されるものであり、前記アリール基は、フェニル基、ナフタレニル基から選択されるものであり、より望ましくは、フルオロ原子及びフルオロアルキル基などのフルオロ系原子を含む置換基であり得る。
Qは、単一結合、−O−、−CR1819−、−C(=O)−、−C(=O)O−、−C(=O)NH−、−S−、−SO−、フェニレン基、及びこれらの組合わせからなる群から選択されるものであり、この際、前記R18及びR19は、それぞれ独立して水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、及び炭素数1〜10のフルオロアルキル基からなる群から選択されるものである。
本発明は、ポリイミド主鎖にポリアミドを導入し、この高分子は、ポリイミドと同様に優れた機械的物性と耐熱性とを有し、ポリイミドとの共重合時に、高分子鎖間の重複を防ぎ、電荷転移をより下げて光学的特性を改善させることができる。
一実施例によれば、前記化学式2に含まれた芳香族環の水素は、−F、−Cl、−Br及び−Iからなるハロゲン原子、ヒドロキシル基(−OH)、チオール基(−SH)、ニトロ基(−NO)、シアノ基、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜4のハロゲノアルコキシ、炭素数1〜10のハロゲノアルキル、炭素数6〜20のアリール基から選択される置換体に置換される。例えば、前記ハロゲン原子は、フルオロ(−F)であり、ハロゲノアルキル基は、フルオロ系原子を含む炭素数1〜10のフルオロアルキル基であって、フルオロメチル基、パーフルオロエチル基、トリフルオロメチル基などから選択されるものであり、前記アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基から選択されるものであり、前記アリール基は、フェニル基、ナフタレニル基から選択されるものであり、より望ましくは、フルオロ原子及びフルオロアルキル基などのフルオロ系原子を含む置換基であり得る。
一実施例によれば、前記化学式2は、下記化学式2aから化学式2eの構造を有するテトラカルボン酸二無水物から選択されるものであり得る。
Figure 0006849196
前記化学式2に含まれた芳香族環の水素は、−F、−Cl、−Br及び−Iからなるハロゲン原子、ヒドロキシル基(−OH)、チオール基(−SH)、ニトロ基(−NO)、シアノ基、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜4のハロゲノアルコキシ、炭素数1〜10のハロゲノアルキル、炭素数6〜20のアリール基から選択される置換体に置換される。例えば、前記ハロゲン原子は、フルオロ(−F)であり、ハロゲノアルキル基は、フルオロ系原子を含む炭素数1〜10のフルオロアルキル基であって、フルオロメチル基、パーフルオロエチル基、トリフルオロメチル基などから選択されるものであり、前記アルキル基は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基から選択されるものであり、前記アリール基は、フェニル基、ナフタレニル基から選択されるものであり、より望ましくは、フルオロ原子及びフルオロアルキル基などのフルオロ系原子を含む置換基であり得る。
一実施例によれば、前記化学式3は、下記化学式3aのジカルボン酸ジクロリドまたは化学式3bのジカルボン酸であり得る。
[化学式3a]
Figure 0006849196
[化学式3b]
Figure 0006849196
また、本発明は、下記化学式4の構造を含むジアミンを攪拌する段階と、前記ジアミン溶液に化学式2の4価の有機基を含むテトラカルボン酸二無水物及び下記化学式3の化合物を添加して反応させて、ポリアミドイミド前駆体を製造する段階と、前記ポリアミドイミド前駆体をイミド化させる段階と、を含むポリアミドイミドの製造方法を提供する。
[化学式2]
Figure 0006849196
[化学式3]
Figure 0006849196
前記化学式3において、Zは、ヒドロキシル基(−OH)、−Cl、−Br、−F、−Iから選択されるハライド基、炭素数1〜5のアルコキシ基(−OR)から選択される1つであり、
[化学式4]
Figure 0006849196
前記化学式4において、前記R、Rは、それぞれ独立して−F、−Cl、−Br及び−Iからなるハロゲン原子、ヒドロキシル基(−OH)、チオール基(−SH)、ニトロ基(−NO)、シアノ基、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜4のハロゲノアルコキシ、炭素数1〜10のハロゲノアルキル、炭素数6〜20のアリール基から選択される置換体である。
Qは、単一結合、−O−、−CR1819−、−C(=O)−、−C(=O)O−、−C(=O)NH−、−S−、−SO−、フェニレン基、及びこれらの組合わせからなる群から選択されるものであり、この際、前記R18及びR19は、それぞれ独立して水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、及び炭素数1〜10のフルオロアルキル基からなる群から選択されるものである。
一実施例によれば、前記化学式4の化合物は、下記化学式4aから化学式4dの化合物から選択されるものであり得る。
Figure 0006849196
前記ポリアミドイミド前駆体は、下記化学式5a及び化学式5bの反復構造を含み、 下記化学式5aの反復構造をイミド化させることによって、化学式1aのポリイミド反復構造を形成しうる。
[化学式5a]
Figure 0006849196
[化学式5b]
Figure 0006849196
一実施例によれば、前記化学式1aを含む構造のイミド化率は、80〜100%であり、望ましくは、90〜100%のイミド化率でイミド化される。
前記化学式1aから化学式1bにおいて、本発明によれば、前記化学式1aの反復構造と化学式1bの反復構造は、1:1〜1:5のmol比で重合されたものであり、前記化学式1bの反復構造がより過量のmol比で含まれることが望ましく、例えば、1:1.1〜1:5のmol比、より望ましくは、1:1.3〜1:5のmol比で重合される。すなわち、前記化学式2の4価の有機基を含むテトラカルボン酸二無水物及び下記化学式3の化合物が、1:1〜1:5のmol比で重合され、望ましくは、1:1.1〜1:5のmol比、より望ましくは、1:1.3〜1:5のmol比の含量で添加されて、前記化学式4のジアミンと反応してポリアミドイミド前駆体が製造可能である。この際、前記化学式3の化合物が、90mol%以上、望ましくは、80mol%超過の含量で反応する場合には、重合溶液のゲル化(gelation)による粘度上昇によって、フィルムを製造し難いなどの加工性が低下し、これより製造されたフィルムは、均一性が低下して、透明性などの光学的特性に影響を与える。また、前記テトラカルボン酸二無水物が、90mol%以上、望ましくは、80mol%以上、または70mol%超過の含量で含まれる場合には、水分に脆弱なポリアミック酸の構造によって、前駆体の鎖が分解され、これは、フィルムの機械的物性を低下させ得る。
一実施例によれば、本発明によるポリアミドイミドは、ランダムコポリマーであって、その反復構造がランダムに配列された形態であり、このような形態は、鎖内電荷転移を防止し、規則的配列を阻害して、ポリアミドの鎖間の水素結合によって部分結晶化が表われることを最小化させて、より透明なポリアミドイミドフィルムが得られる。
本発明は、既存のポリイミド構造にポリアミドグループを導入することによって、優れた耐熱性と機械的物性とを示すだけではなく、ポリアミドグループによる鎖間の距離増加によって、重複現象による電荷遷移複合化を防止し、これより起因する黄変現象を最小化することによって、高い耐熱性と機械的物性とを保持しながらも、より無色透明なポリアミドイミドを提供することができる。
また、本発明は、ジアミン構造に、前記R及びRのような電気陰性度が高い置換体を導入することによって、電荷の移動を抑制して、電荷転移をより最小化させて、光学的特性が著しく向上したポリアミドイミドを提供することができる。
例えば、本発明によるポリアミドイミドは、下記化学式1a−1及び化学式1b−1で表される反復構造を含みうる。
[化学式1a−1]
Figure 0006849196
[化学式1b−1]
Figure 0006849196
一実施例によれば、本発明によるポリアミドイミドは、下記化学式6のテトラカルボン酸二無水物をさらに添加して製造可能である。
[化学式6]
Figure 0006849196
前記化学式6において、Xは、脂環族、芳香族環を2個以上含む4価の有機基である。
例えば、前記Xは、炭素数3〜24の脂肪族環または炭素数6〜30の芳香族環を含む4価の有機基であり、例えば、下記化学式6aから化学式6hの4価の有機基が挙げられ、より望ましくは、芳香族環または脂肪族構造が、それぞれの環構造が剛直(rigid)な構造、すなわち、単一環構造、それぞれの環が単一結合で結合された構造またはそれぞれの環が直接に連結された複素環構造を含む4価の有機基であり得る。
Figure 0006849196
前記化学式6aから化学式6hの4価の有機基内の1以上の水素原子は、炭素数1〜10のアルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基など)、炭素数1〜10のフルオロアルキル基(例えば、フルオロメチル基、パーフルオロエチル基、トリフルオロメチル基など)、炭素数6〜12のアリール基(例えば、フェニル基、ナフタレニル基など)、スルホン酸基、及びカルボン酸基からなる群から選択される置換基に置換され、望ましくは、炭素数1〜10のフルオロアルキル基に置換される。
一実施例によれば、化学式6の酸二無水物は、全体酸二無水物の総量、すなわち、化学式2の酸二無水物と化学式6の酸二無水物とを合わせた総量に対して、25mol%以下の含量で含まれ、望ましくは、20mol%以下であり得る。
本発明によるポリアミドイミドにおいて、前記Y、Yは、同じか異なり、Y、Yのうち1つ以上は、必ず化学式4の構造を含むジアミンから誘導されるものである。
また、一実施例によれば、前記化学式4の2価の有機基以外に、炭素数12〜30の脂肪族、脂環族または炭素数12〜30の芳香族の2価の有機基であるか、またはこれらの組合わせ基であって、脂肪族、脂環族または芳香族の2価の有機基が直接連結されるか、または架橋構造を通じて互いに連結された2価の有機基から選択される構造を含むジアミンから誘導されたものである。例えば、炭素数12〜30の単環式または多環式芳香族、 炭素数12〜30の単環式または多環式脂環族、またはこれらのうち、2つ以上が単一結合で連結された構造であり、具体的に、下記化学式7aから化学式7iの2価の有機基のうちから選択される2価の有機基であり得る。
Figure 0006849196
前記化学式7aから化学式7iの2価の有機基内の1以上の水素原子は、炭素数1〜10のアルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基など)、炭素数1〜10のフルオロアルキル基(例えば、フルオロメチル基、パーフルオロエチル基、トリフルオロメチル基など)、炭素数6〜12のアリール基(例えば、フェニル基、ナフタレニル基など)、スルホン酸基、及びカルボン酸基からなる群から選択される置換基に置換され、望ましくは、炭素数1〜10のフルオロアルキル基に置換される。
本発明のポリアミドイミド前駆体の反復構造において、1つ以上の反復構造がフルオロ系置換基を含有する2価の有機基及び/または4価の有機基を含むものであり得る。ここで、'フルオロ系置換基'とは、'フルオロ原子置換基'だけではなく、'フルオロ原子を含有する置換基'をいずれも意味するものである。前記フルオロ系置換基は、炭素数1〜10、望ましくは、炭素数1〜6のフルオロアルキル基であり、全体ポリアミドイミド前駆体の反復構造に対して、30mol%以上、望ましくは、40mol%以上、または60mol%以上に含まれ、最大100mol%、望ましくは、90mol%、または80mol%以下に含まれうる。
前記テトラカルボン酸二無水物及びジカルボン酸またはジカルボン酸クロリドをジアミンと反応させる方法は、溶液重合など通常のポリアミドイミド前駆体の重合製造方法によって実施し、具体的には、ジアミンを有機溶媒中に溶解させた後、結果として収得された混合溶液に、テトラカルボン酸二無水物及びジカルボン酸またはジカルボン酸クロリドを添加して重合反応させることで製造可能である。この際、テトラカルボン酸二無水物及びジカルボン酸またはジカルボン酸クロリドの総量とジアミンは、1:1.1〜1.1:1のmol比、または1:1.05〜1.05:1で混合することが望ましい分子量、機械的物性及び粘度が得られる。
前記反応は、不活性ガスまたは窒素気流下に実施され、無水条件で実行可能である。
また、前記重合反応時に、温度は、−20〜60℃、望ましくは、0〜30℃で実施される。
また、前記重合反応に使われる有機溶媒としては、具体的に、γ−ブチロラクトン、1,3−ジメチル−イミダゾリジノン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、4−ヒドロキシ−4−メチル−2−ペンタノンなどのケトン類;トルエン、キシレン、テトラメチルベンゼンなどの芳香族炭化水素類;エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテルなどのグリコールエーテル類(セロソルブ);酢酸エチル、酢酸ブチル、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、カルビトール、ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジエチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジエチルホルムアミド(DEF)、N−メチルピロリドン(NMP)、N−エチルピロリドン(NEP)、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N,N−ジメチルメトキシアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルホスホルアミド、テトラメチルウレア、N−メチルカプロラクタム、テトラヒドロフラン、m−ジオキサン、P−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、1,2−ビス(2−メトキシエトキシ)エタン、ビス[2−(2−メトキシエトキシ)]エーテル、及びこれらの混合物からなる群から選択されるものが使われる。
より望ましくは、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシドなどのスルホキシド系溶媒、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミドなどのホルムアミド系溶媒、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミドなどのアセトアミド系溶媒、N−メチル−2−ピロリドン、N−ビニル−2−ピロリドンなどのピロリドン系溶媒、フェノール、o−、m−またはp−クレゾール、キシレノール、ハロゲン化フェノール、カテコールなどのフェノール系溶媒、あるいはヘキサメチルホスホルアミド、γ−ブチロラクトンなどが挙げられ、これらを単独または混合物として利用することができる。しかし、これに限定されるものではなく、キシレン、トルエンのような芳香族炭化水素をさらに使用することもでき、また、ポリマーの溶解を促進させるために、前記溶媒に前記溶媒総量に対して約50重量%以下のアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩をさらに添加することもできる。
前記製造方法によって製造されたポリアミドイミド前駆体組成物は、フィルム形成工程時の塗布性などの工程性を考慮して、前記組成物が適切な粘度を有させる量で固形分を含むことが望ましい。一実施例によれば、全体ポリマーの含量が5〜25重量%になるように組成物の含量を調節し、望ましくは、5〜20重量%、より望ましくは、5〜20重量%、または5〜15重量%以下に調節することができる。
または、前記ポリアミドイミド前駆体組成物が、500cP以上、あるいは1,000cP以上、望ましくは、3,000cP以上の粘度を有するように調節するものであり、前記ポリアミドイミド前駆体組成物の粘度は、30,000cP以下、あるいは20,000cP以下、望ましくは、18,000cP以下、または15,000cP以下の粘度を有するように調節することが望ましい。ポリアミドイミド前駆体組成物の粘度が、500cP未満であるか、30,000cPを超過する場合、ポリアミドイミドフィルム加工時に、気泡発生及び表面粗度が良くなくて、光学的特性が低下する。
また、本発明によるポリアミドイミドの分子量は、10,000〜200,000g/mol、あるいは20,000〜100,000g/mol、あるいは30,000〜100,000g/molの重量平均分子量を有するものであり得る。
また、本発明によるポリアミドイミドの分子量分布(Mw/Mn)は、1.1〜2.5であることが望ましい。ポリアミドイミドのイミド化率及び重量平均分子量または分子量分布が、前記範囲を外れる場合、フィルム形成が困難であるか、または透過度、耐熱性及び機械的特性などポリアミドイミド系フィルムの特性が低下する恐れがある。
前記ポリアミドイミド前駆体組成物は、有機溶媒中に溶解された溶液の形態であり、このような形態を有する場合、例えば、ポリアミドイミド前駆体を有機溶媒中で合成した場合には、溶液は得られる反応溶液それ自体でも良く、また、この反応溶液を他の溶媒に希釈したものでも良い。また、ポリアミドイミド前駆体を粉末として得た場合には、それを有機溶媒に溶解させて溶液にしたものでも良い。
また、ポリマー成分の粉末を有機溶媒に溶解して、溶液を製造する時に加熱しても良い。加熱温度は、20〜150℃が望ましく、20〜80℃が特に望ましい。
引き続き、前記重合反応の結果として得られたポリアミドイミド前駆体をイミド化させることによって、透明ポリアミドイミドフィルムを製造することができる。この際、前記イミド化工程は、具体的に化学イミド化または熱イミド化の方法がある。
例えば、前記重合されたポリアミドイミド前駆体溶液に脱水剤及びイミド化触媒を添加した後、50〜100℃の温度で加熱して化学的反応によってイミド化させるか、または前記溶液を還流させながら、アルコールを除去してイミド化させる方法でポリアミドイミドが得られる。
前記化学イミド化の方法で、前記イミド化触媒として、ピリジン、トリエチルアミン、ピコリンまたはキノリンなどを使用し、その他にも、置換または非置換の窒素含有複素環化合物、窒素含有複素環化合物のN−オキシド化合物、置換または非置換のアミノ酸化合物、ヒドロキシル基を有する芳香族炭化水素化合物または芳香族複素環状化合物があり、特に、1,2−ジメチルイミダゾール、N−メチルイミダゾール、N−ベンジル−2−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、5−メチルベンズイミダゾールなどの低級アルキルイミダゾール、N−ベンジル−2−メチルイミダゾールなどのイミダゾール誘導体、イソキノリン、3,5−ジメチルピリジン、3,4−ジメチルピリジン、2,5−ジメチルピリジン、2,4−ジメチルピリジン、4−n−プロピルピリジンなどの置換ピリジン、p−トルエンスルホン酸などを使用することもできる。
前記脱水剤としては、酢酸無水物などの酸無水物を使用してもよい。
または、前記前駆体溶液を基板に塗布し、100〜300℃の条件のオーブンやホットプレート上で熱処理し、また、前記温度範囲内で多様な温度での多段階加熱処理で進行することもできる。
本発明のポリアミドイミド前駆体組成物に含有される前記有機溶媒は、前記重合溶媒と同一なものが使われる。
本発明は、効果に悪影響を与えない範囲であれば、シランカップリング剤、架橋性化合物、イミド化を効率的に進行させる目的のイミド化促進剤などを添加しても良い。
剛直な構造を有するポリイミドの分子構造にポリアミド構造を導入させて、鎖間の距離を増加させて、鎖間の重複を減少させ、ジアミン構造に電気陰性度が高い置換体を結合させて、電荷転移を低下させることによって、機械的特性に優れながらも、無色透明なポリアミドイミドフィルムを製造することができる。
また、前記ポリアミドイミド系フィルムは、厚さが20〜100μmであり、前記厚さ範囲でヘイズ(Haziness)が2以下であり、望ましくは、1以下、より望ましくは、0.9以下であり、10〜30μmのフィルム厚さ範囲で380〜760nm波長の光に対する透過度が80%以上であり、黄色度(YI)が約7以下、望ましくは、約5以下、より望ましくは、約4以下、あるいは3以下の値を有する無色透明ポリアミドイミドフィルムであり得る。前記のように、優れた光透過度及び黄色度を有することによって、著しく改善された透明度及び光学特性を示すことができる。
また、前記ポリアミドイミド系フィルムは、面内位相差値(Rin)が約0〜100nmであり、厚さ方向の位相差値(Rth)が約200nm以上であるか、あるいは面内位相差値(Rin)が約0〜70nmであり、厚さ方向の位相差値(Rth)が約300nm以上である異方性フィルムであり得る。
また、前記ポリイミド系フィルムは、モジュラス(modulus)が約5.0GPa以上、あるいは約5〜9GPaであり、表面硬度は、鉛筆硬度測定器を用いて測定標準JIS K5400によって、750gfの荷重で鉛筆一本当たり、総3回測定した後、スクラッチ及び押圧程度を測定して硬度を確認し、望ましくは、H以上、より望ましくは、2H以上の表面硬度を有するものであり得る。
したがって、本発明のさらに他の一具現例では、前記ポリアミドイミド共重合体を含む成形品(article)を提供する。
前記成形品は、フィルム、繊維(fiber)、コーティング材、接着材などであり得るが、これに限定されるものではない。前記成形品は、前記共重合体と無機粒子の複合体組成物を使用して乾湿式法、乾式法、湿式法などで形成しうるが、これに限定されるものではない。具体的に、前述したように、前記成形品は、光学フィルムであり、この場合、前記ポリアミドイミド共重合体を含む組成物は、基板上にスピンコーティングなどの方法で適用された後、それを乾燥及び硬化することによって、容易に製造可能である。
本発明によるポリアミドイミドは、剛直な構造による耐熱性、機械的強度などの特性をそのまま保持しながら、優れた無色透明な特性を示して、素子用基板、ディスプレイ用カバー基板、光学フィルム(optical film)、ICパッケージ、粘着フィルム、多層FRC、テープ、タッチパネル、光ディスク用保護フィルムのような多様な分野に使われ、特に、ディスプレイ用カバー基板に適する。
例えば、本発明は、前記ポリアミドイミドフィルムを含むディスプレイ用カバー基板を提供する。
例えば、前記ディスプレイ用カバー基板は、素子保護層、透明電極層、シリコン酸化物層、ポリアミドイミドフィルム、シリコン酸化物層及びハードコーティング層が順次に積層された構造を備えることができる。
一実施例によれば、前記素子保護層は、ポリアミドイミドフィルムの少なくとも一側に含有され、下記化学式10で表されるウレタンアクリレート化合物が含有されたものであり得る。
[化学式10]
Figure 0006849196
前記化学式10において、Rは、それぞれ独立して、ベンゼン基、炭素数1〜5のアルキルベンゼン基、炭素数1〜5のアルコキシベンゼン基、シクロヘキサン基、炭素数1〜5のアルキルシクロヘキサン基、ジフェニルメタン基、ジフェニルエタン基、ジシクロヘキシルメタン基または炭素数1〜10のアルキル基である。
前記ウレタンアクリレート化合物は、重量平均分子量が1,000〜50,000g/molであり、分子当たり平均ウレタン結合が1〜10個存在することがコーティング層の弾性を保持し、適切な硬度を保持して、下部素子の保護側面で望ましい。
一実施例によれば、前記ハードコーティング層は、アルキレート基を含み、イソシアネート基の数が2〜5個であるポリイソシアネートの硬化層であり得る。
前記透明ポリアミドイミド基板は、耐溶剤性または水分透過性及び光学的特性をより向上させうる側面で透明ポリアミドイミドフィルムと硬化層との間に形成されたシリコン酸化物層を含み、前記シリコン酸化物層は、ポリシラザンを硬化させて生成されるものであり得る。
具体的に、前記シリコン酸化物層は、前記透明ポリアミドイミドフィルムの少なくとも一面上にコーティング層を形成する段階以前にポリシラザンを含む溶液をコーティング及び乾燥した後、前記コーティングされたポリシラザンを硬化させて形成されるものであり得る。
本発明によるディスプレイ用カバー基板は、前記素子保護層を含むことによって、優れた反り特性及び耐衝撃性を有しながら、耐溶剤性、光学特性、水分透過度及び耐スクラッチ性を有する透明ポリアミドイミドカバー基板を提供することができる。
本発明のさらに他の一具現例によれば、前記成形品を含むディスプレイ装置を提供する。具体的には、前記ディスプレイ装置は、液晶表示装置(liquid crystal display device、LCD)、有機発光ダイオード(organic light emitting diode、OLED)などが挙げられるが、これに限定されるものではない。
以下、当業者が容易に実施できるように、本発明の実施例について詳しく説明する。しかし、本発明は、さまざまな異なる形態として具現可能であり、ここで説明する実施例に限定されるものではない。
<実施例1>TFMB(1)/BPDA(0.5)_TPC(0.5)
窒素気流が流れる攪拌機内にN,N−ジメチルアセトアミド(N,N−dimethylacetamide;DMAc)200gを満たした後、反応器の温度を25℃に保持した状態でTFMB(2,2'−ビス(トリフルオロメチル)−4,4'−ビフェニルジアミン)21.7gを溶解させる。前記TFMB溶液にBPDA(3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物)10gを同じ温度で添加して、一定時間溶解しながら攪拌する。十分な攪拌がなされた後、温度を0℃に下げ、TPC(テレフタロイルクロリド)7gを添加して、攪拌を進行し続ける。前記反応から製造されたポリアミドイミド前駆体溶液にピリジン(Pyridine)と無水酢酸(Acetic anhydride)とを添加して、十分に攪拌した後、メタノール(Methanol)と水との混合溶液で沈澱を形成させて乾燥させる。乾燥したポリアミドイミド粉末をDMAcに溶解させて、固形分濃度を13%に調節して、ポリアミドイミド前駆体溶液を製造した。
前記組成物溶液をガラス基板に約30μmの厚さにスピンコーティングした。ポリアミドイミド組成物が塗布されたガラス基板をオーブンに入れ、4℃/minの速度で加熱し、300℃で60分間硬化工程を進行させた。硬化工程完了後に、ガラス基板上に形成されたフィルムを取り外してフィルムを製造した。
<実施例2>TFMB(1)/BPDA(0.4)_TPC(0.6)
BPDA及びTPCの組成が0.4mol:0.6molであることを除き、実施例1の方法と同様に製造された。
<実施例3>TFMB(1)/BPDA(0.3)_TPC(0.7)
BPDA及びTPCの組成が0.3mol:0.7molであることを除き、実施例1の方法と同様に製造された。
<実験例1>
実施例1から実施例3で製造したそれぞれのポリアミドイミドフィルムに対して、下記のような方法で透過度、黄色度及びヘイズなどのフィルムの光学特性を測定して、下記表1に示した。
Haze Meter HM−150を使用してASTM D1003による方法でヘイズを測定した。
黄色度(Yellowness Index、YI)は、色差計(Color Eye 7000A)を用いて測定した。
フィルムの面方向の位相差(Rin)及び厚さ方向の位相差(Rth)は、Axoscanを用いて測定した。
表面硬度は、鉛筆硬度測定器を用いて測定標準JIS K5400によって、750gfの荷重で鉛筆一本当たり、総3回測定した後、スクラッチ及び押圧程度を測定して硬度を確認した。
Figure 0006849196
前記実施例1から実施例3の結果から、本発明によるポリアミドイミドは、ヘイズ特性及び黄色度特性に優れているだけではなく、硬度特性も、優れているということが分かる。
<実施例4>
表面にOH基が結合された非結晶質シリカ粒子0.03g(0.03wt%)をN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)に分散濃度0.1%に投入し、溶媒が透明になるまで超音波処理を行い、以後、前記実施例3から製造されたポリアミドイミド固形分の粉末100gを670gのN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)に溶かして、13wt%の溶液を得て、このように収得された溶液をステンレス板に塗布した後、340μmでキャスティングし、130℃の熱風で30分乾燥した後、フィルムをステンレス板で剥離してフレームにピンで固定した。フィルムが固定されたフレームを真空オーブンに入れ、 100℃から300℃まで2時間徐々に加熱した後、徐々に冷却して、フレームから分離して、ポリアミドイミドフィルムを収得した。以後、最終熱処理工程として再び300℃で30分間熱処理した。
前記ポリアミドイミドフィルムの一面にポリシラザン(Az Materials社のOPTS25 20wt%)10gをDBE(ジブチルエーテル)10mlに10wt%に溶かした溶液をワイヤで塗布した後、80℃の温度で乾燥して、厚さが0.5μmであるポリシラザン膜を形成した。その後、常温で約5分間放置した後、約250℃の温度で熱硬化させて、厚さが0.5μmであるシリコン酸化物層を形成した。
シリコン酸化物層の一面にポリイソシアネート(Natoco社、KLS−009 55wt%)10gをPGMEA 10mlに溶かした溶液をバーコーターで塗布した後、80℃の温度で乾燥して、厚さ10μmの塗膜を得た。その後、312nm及び365nmの紫外線硬化機を用いて2つの波長を同時に100mW/cmのエネルギーで10秒間照射して、厚さが10μmであるハードコーティング層を形成した。以後、ハードコーティング層が形成されていないシリコン酸化物層の一面にスパッタ(Sputter)を用いてITOを蒸着し、透明電極層を形成した。前記形成された透明電極層の一面にウレタンアクリレート化合物(Natoco社、KLH−100)10gをメチルエチルケトン(MEK)10gに溶解させ、前記ウレタンアクリレート化合物が溶解された溶液をバーコーターで塗布した後、80℃の温度で乾燥して、厚さが10μmである塗膜を得た。前記得られた塗膜上に312nm及び365nmの紫外線硬化機を用いて2つの波長を同時に100mW/cmのエネルギーで10秒間照射して、厚さが10μmである素子保護層を形成して、素子保護層、透明電極層、シリコン酸化物層、ポリアミドイミドフィルム、シリコン酸化物層及びハードコーティング層が順次に積層された構造を有するディスプレイ用カバー基板を製造した。
<特性評価の方法>
下記のような方法で物性を測定して、その結果を表2に示した。
(1)黄色度の測定
黄色度(YI)は、色差計(Color Eye 7000A)を用いて測定した。
(2)水分透過度(g/m/day)の測定
水分透過度機(MOCON/US/Aquatran−model−1)を用いて水分透過度(WVTR)を測定した。
(3)鉛筆硬度の測定
三菱評価用鉛筆(UNI)で電動式鉛筆硬度測定器を用いて1kgの荷重、180mm/minの速度で50mmを5回掻いた後、表面にスクラッチが全くない鉛筆硬度を測定した。
(4)接着性の測定
標準規格(ASTM D3359)でクロスカット後、テーピング(taping)して測定した。
(5)反り特性の測定
直径10mmである円形ツールを挟んで基板の曲げ/開きを、10,000回繰り返して、膜のクラックの有無を肉眼及び顕微鏡で観察して、クラックがなければ、'OK'と表示した。
(6)耐スクラッチ性の測定
スチールウール(Steelwool)を用いて500g荷重、50mm/secの速度で100mmを500回往復で擦った後、肉眼及び光学顕微鏡で傷の個数を測定した。
(7)耐衝撃性の測定
0.7T ガラス(Glass)上に試片を載せ、ガラスから50cmでボール(Ball)を落として、ガラスの損傷及びクラック(Crack)の有無を肉眼及び光学顕微鏡を観察して、微小クラックが観察されなければ、'OK'と表示した。
Figure 0006849196
以上、本発明の内容の特定の部分を詳しく記述したところ、当業者において、このような具体的な記述は、単に望ましい実施態様であり、これにより、本発明の範囲が制限されるものではないという点は明白である。したがって、本発明の実質的な範囲は、下記の特許請求の範囲とそれらの等価物とによって定義される。

Claims (17)

  1. 下記化学式1aで表される反復構造と
    化学式1bで表される反復構造と
    を共に含み、
    4,4'−(hexa−fluoroisopropylidene)diphthalicanhydrideに由来する構造を含まない、
    ポリアミドイミド:
    [化学式1a]
    Figure 0006849196
    [化学式1b]
    Figure 0006849196
    前記化学式1a及び化学式1bにおいて、
    は、テトラカルボン酸二無水物から誘導された下記化学式2の4価の有機基であり、
    [化学式2]
    Figure 0006849196
    は、下記化学式3の化合物から誘導される2価の有機基であり、
    [化学式3]
    Figure 0006849196
    前記化学式3において、
    Zは、ヒドロキシル基(−OH)、−Cl、−Br、−F、−Iから選択されるハライド基、炭素数1〜5のアルコキシ基(−OR)から選択される1つであり、
    、Yは、ジアミンから誘導された2価の有機基であるが、少なくとも1つは、下記化学式4の2価の有機基を含み、
    [化学式4]
    Figure 0006849196
    前記化学式4において、
    前記R、Rは、それぞれ独立して炭素数1〜10のハロゲノアルキルから選択される置換体であり、
    Qは、単一結合、−O−、−CR1819−、−C(=O)−、−C(=O)O−、−C(=O)NH−、−S−、−SO−、フェニレン基、及びこれらの組合わせからなる群から選択されるものであり、
    この際、前記R18及びR19は、それぞれ独立して水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、及び炭素数1〜10のフルオロアルキル基からなる群から選択されるものである。
  2. 前記化学式4の2価の有機基が、下記化学式4aから化学式4dの化合物のうちから選択される1つである
    請求項1に記載のポリアミドイミド:
    Figure 0006849196
  3. 前記化学式1aの反復構造と化学式1bの反復構造が、1:5〜1:1のmol比で重合された
    請求項1または2に記載のポリアミドイミド。
  4. 前記化学式1aの反復構造と化学式1bの反復構造が、ランダムコポリマーの形態で重合された
    請求項1から3のいずれか一項に記載のポリアミドイミド。
  5. 前記化学式1a及び化学式1bが、
    下記化学式1a−1及び化学式1b−1で表される反復構造を含む
    請求項1から4のいずれか一項に記載のポリアミドイミド:
    [化学式1a−1]
    Figure 0006849196
    [化学式1b−1]
    Figure 0006849196
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載のポリアミドイミドを製造するための方法であって、
    下記化学式4の構造を含むジアミン溶液を攪拌する段階と、
    前記ジアミン溶液に、下記化学式2の構造を含むテトラカルボン酸二無水物及び下記化学式3の化合物を添加して反応させて、ポリアミドイミド前駆体を製造する段階と、
    前記ポリアミドイミド前駆体をイミド化させる段階と、
    を含む
    ポリアミドイミドの製造方法:
    [化学式2]
    Figure 0006849196
    [化学式3]
    Figure 0006849196
    前記化学式3において、
    Zは、ヒドロキシル基(−OH)、−Cl、−Br、−F、−Iから選択されるハライド基、炭素数1〜5のアルコキシ基(−OR)から選択される1つであり、
    [化学式4]
    Figure 0006849196
    前記化学式4において、
    前記R、Rは、それぞれ独立して炭素数1〜10のハロゲノアルキルから選択される置換体であり、
    Qは、単一結合、−O−、−CR1819−、−C(=O)−、−C(=O)O−、−C(=O)NH−、−S−、−SO−、フェニレン基、及びこれらの組合わせからなる群から選択されるものであり、
    この際、前記R18及びR19は、それぞれ独立して水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、及び炭素数1〜10のフルオロアルキル基からなる群から選択されるものである。
  7. 前記化学式2の構造を含むテトラカルボン酸二無水物と前記化学式3の化合物とを1:5〜1:1のmol比で添加する
    請求項6に記載のポリアミドイミドの製造方法。
  8. 前記化学式2の構造を含むテトラカルボン酸二無水物及び化学式3の化合物と、
    前記化学式4の構造を含むジアミンが、
    1:1.1〜1.1:1のmol比で反応させる
    請求項6または7に記載のポリアミドイミドの製造方法。
  9. 前記化学式3の化合物が、
    下記化学式3aまたは化学式3bの化合物である
    請求項6から8のいずれか一項に記載のポリアミドイミドの製造方法:
    [化学式3a]
    Figure 0006849196
    [化学式3b]
    Figure 0006849196
  10. 請求項1から5のいずれか一項に記載のポリアミドイミドを含む
    ポリアミドイミドフィルム。
  11. ヘイズが、2以下であり、
    鉛筆硬度が、2H以上である
    請求項10に記載のポリアミドイミドフィルム。
  12. 黄色度(YI)が、5以下である
    請求項10または11に記載のポリアミドイミドフィルム。
  13. 請求項10から12のいずれか一項に記載のポリアミドイミドフィルムを含む
    ディスプレイ用カバー基板。
  14. 前記ディスプレイ用カバー基板が、ウレタンアクリレート化合物を含む素子保護層をさらに備える、
    請求項13に記載のディスプレイ用カバー基板。
  15. 前記ディスプレイ用カバー基板が、素子保護層、透明電極層、シリコン酸化物層、ポリアミドイミドフィルム、シリコン酸化物層及びハードコーティング層が順次に積層された構造を備える
    請求項13に記載のディスプレイ用カバー基板。
  16. 前記ハードコーティング層は、アクリレート基を含み、
    イソシアネート基の数が2〜5個であるポリイソシアネートの硬化層である
    請求項15に記載のディスプレイ用カバー基板。
  17. 前記シリコン酸化物層は、ポリシラザンを含む溶液をコーティング及び乾燥した後、前記コーティングされたポリシラザンを硬化させて形成された
    請求項15または16に記載のディスプレイ用カバー基板。
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