KR100468052B1

KR100468052B1 - 지방족 고리계 측쇄를 갖는 액정배향막용 폴리아믹산 유도체

Info

Publication number: KR100468052B1
Application number: KR10-2001-0060354A
Authority: KR
Inventors: 이미혜; 최길영; 원종찬; 김용운; 김효주; 유효진; 박동원; 오재민; 이범진
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2005-01-24
Also published as: KR20030027250A

Abstract

본 발명은 특정 구조의 지방족 테트라카르복실산이무수물 단량체와 지방고리계 측쇄기를 갖는 방향족 디아민 단량체를 포함시켜 용액중합하여 제조된 것으로 내열성, 용해성, 표면강도특성, 투명성 및 액정의 수직 배향성이 우수한 신규 폴리아믹산 유도체에 관한 것이다.

Description

지방족 고리계 측쇄를 갖는 액정배향막용 폴리아믹산 유도체{Polyamic acid derivatives with alicyclic substituent}

일반적으로 폴리이미드 수지라 함은 방향족 테트라카르복실산 또는 그 유도체와 방향족 디아민 또는 방향족 디이소시아네이트를 축중합한 후, 이미드화하여 제조되는 고내열성 수지를 일컫는다.

폴리이미드 수지는 사용된 단량체의 종류에 따라 여러가지의 분자구조를 가질 수 있으며, 일반적으로 방향족 테트라카르복실산 성분으로서는 피로멜리트산이무수물(PMDA) 또는 비프탈산무수물(BPDA)를 사용하고 있고, 방향족 디아민 성분으로서는 파라-페닐렌디아민(p-PDA), 메타-페닐렌디아민(m-PDA), 4,4-옥시디아닐린 (ODA), 4,4-메틸렌디아닐린(MDA), 2,2-비스아미노페닐헥사풀루오로프로판(HFDA), 메타비스아미노페녹시디페닐설폰(m-BAPS), 파라비스아미노페녹시디페닐설폰(p-BAPS), 1,4-비스아미노페녹시벤젠(TPE-Q), 1,3-비스아미노페녹시벤젠 (TPE-R), 2,2-비스아미노페녹시페닐프로판(BAPP), 2,2-비스아미노페녹시페닐헥사풀루오로프로판(HFBAPP) 등의 방향족 디아민을 사용하여 중축합시켜 제조하고 있다.

대부분의 폴리이미드 수지는 불용, 불융의 초고내열성 수지로서 다음과 같은 특성을 가지고 있다: (1) 뛰어난 내열산화성, (2) 높은 사용가능온도, (3) 약 260℃의 장기 사용 가능온도와 약 480℃의 단기 사용 가능온도를 나타내는 우수한 내열특성, (4) 내방사선성, (5) 우수한 저온특성, (6) 우수한 내약품성 등.

그러나 폴리이미드 수지는 상기한 바와 같은 특성을 갖고 있음에도 불구하고, 전하이동착체(charge transfer complex)의 형성에 기인한 가시광선 영역에서의 낮은 광투과도로 인하여 투명성이 요구되는 분야에의 적용이 매우 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 다양한 종류의 주쇄형 지방족 폴리이미드 수지들이 제조되어, 액정배향막 등 우수한 광투과성이 요구되는 분야에 응용되고 있다. 현재까지 개발된 지방족 고리기가 주쇄에 도입된 액정배향막용 폴리이미드 수지는 선경사각의 발현을 위해 긴 알킬 사슬이 측쇄로 도입되어 사용되고 있으나, 수직배향형 액정배향막으로서의 사용을 위해서는 선경사각이 충분하지 않는 등의 문제를 안고 있다.

본 발명자들은 지방족 고리계 산이무수물인 1,2,3,4-시클로부탄 테트라카르복실산 이무수물(CBDA), 1,2,3,4-시클로펜탄 테트라카르복실산 이무수물(CPDA), 5-(2,5-디옥소테트라히드로퓨릴)-3-메틸시클로헥산-1,2-디카르복실산무수물(DOCDA), 4-(2,5-디옥소테트라히드로퓨릴-3-일)-테트랄린-1,2-디카르복실산무수물(DOTDA), 바이시클로옥텐-2,3,5,6-테트라카르복실산이무수물(BODA)과 피로멜리트산이무수물, 벤조페논테트라카르복실산이무수물, 옥시디프탈산이무수물, 비프탈산이무수물 및 헥사플루오르이소프로필리덴디프탈산이무수물 등의 방향족 테트라카르복실산이무수물의 혼합물과 지방족 고리계 측쇄기를 갖는 방향족 디아민으로 부터 새로운 구조의 수직 배향형 폴리아믹산들을 제조하였으며, 이들을 경화하여 제조한 폴리이미드 유도체들이 우수한 내열성, 투명성 및 액정의 수직 배향성을 나타냄을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은, 우수한 내열성, 투명성 및 액정의 수직 배향성을 갖는 지방족 고리계 측쇄를 갖는 수직 액정배향막용 폴리아믹산 유도체를 제공하는 데 있다.

도 1은 3,5-디아미노 벤젠 사르사사포제닌 에스테르의¹H-NMR 스펙트럼이다.

본 발명은 다음 화학식 1로 표시되는 액정배향막용 폴리아믹산 유도체를 그특징으로 한다.

상기 화학식 1에서 :

은,,,,,,,,,및중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 4가기로서, 반드시 (a), (b), (c), (d) 및 (e) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 4가기를 포함하며;

는,,,,,,,,,,및중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 2가기로서, 반드시 (f)를 포함하며;

n은 1 내지 300 사이의 자연수를 나타낸다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 상기 화학식 1로 표시되는 지방족 고리계 치환기를 갖는 액정배향막용 폴리아믹산 유도체는 테트라카르복실산이무수물 단량체와 디아민 단량체를 용액중합시켜 제조한다.

테트라카르복실산이무수물 단량체로서는 상기 (a) ∼ (e)의 치환기 도입이 가능한 지방족 테트라카르복실산이무수물인 1,2,3,4-시클로부탄 테트라카르복실산 이무수물(CBDA; 화학식 a), 1,2,3,4-시클로펜탄 테트라카르복실산 이무수물(CPDA; 화학식 b), 5-(2,5-디옥소테트라히드로퓨릴)-3-메틸시클로헥산-1,2-디카르복실산무수물(DOCDA; 화학식 c), 4-(2,5-디옥소테트라히드로퓨릴-3-일)-테트랄린-1,2-디카르복실산무수물(DOTDA; 화학식 d), 및 바이시클로옥텐-2,3,5,6-테트라카르복실산이무수물(BODA; 화학식 e) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 지방족산이무수물이필수성분으로 포함된다. 그 밖에도 테트라카르복실산이무수물 단량체로서는 통상적으로 사용되어온 피로멜리트산이무수물, 벤조페논테트라카르복실산이무수물, 옥시디프탈산이무수물, 비프탈산이무수물 및 헥사플루오르이소프로필리덴디프탈산이무수물 등 중에서 선택된 하나 또는 2이상의 방향족 테트라카르복실산이무수물이 포함될 수 있다.

디아민 단량체로서는 상기 (f)의 치환기 도입이 가능한 방향족 디아민이 필수성분으로서 포함되고, 그 밖에도 파라-페닐렌디아민(p-PDA), 메타-페닐렌디아민 (m-PDA), 4,4-옥시디아닐린(ODA), 4,4-메틸렌디아닐린(MDA), 2,2-비스아미노페닐헥사풀루오로프로판(HFDA), 메타비스아미노페녹시디페닐설폰(m-BAPS), 파라비스아미노페녹시디페닐설폰(p-BAPS), 1,4-비스아미노페녹시벤젠(TPE-Q), 1,3-비스아미노페녹시벤젠(TPE-R), 2,2-비스아미노페녹시페닐프로판(BAPP), 2,2-비스아미노페녹시페닐헥사풀루오로프로판(HFBAPP) 등 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 방향족 디아민방향족 디아민이 포함된다.

즉, 본 발명은 폴리아믹산 유도체를 제조함에 있어, 테트라카르복실산이무수물 단량체로서 상기 (a) ∼ (e)로 표시되는 지방족 테트라카르복실산이무수물을 적절한 비율로 혼합사용하여 기계적특성과 내열성의 저하를 최소로 하면서도 인쇄성이 개선된 폴리아믹산 유도체를 제조할 수 있었고, 그리고 디아민 단량체로서 상기 (f)로 표시되는 방향족 디아민을 필수성분으로 함유시켜 우수한 내열성, 광투과성 및 액정의 수직 배향성을 갖는 폴리아믹산 유도체를 제공할 수 있었던 것이다.

이에, 본 발명에서는 상기 (a) ∼ (e)로 표시되는 지방족 테트라카르복실산을 전체 산이무수물에 대하여 10 내지 90 몰% 범위로 사용하고, 상기 (f)로 표시되는 방향족 디아민을 전체 디아민에 대하여 3 내지 99 몰% 범위로 사용하는 것을 그 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 필수 단량체를 사용하여 제조된 본 발명에 따른 상기 화학식 1로 표시되는 폴리아믹산 유도체는 중량평균 분자량(Mw) 10,000 내지 150,000 g/mol 정도, 고유점도 범위 0.3 내지 1.5 dL/g, 유리전이온도 범위 230 내지 400 ℃, 이미드화 온도범위 200 내지 300 ℃, 선경사각(pretilt angle) 4 내지 89.5°의 범위를 가진다. 또한, 본 발명에 따른 폴리아믹산 유도체는 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF),N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 아세톤, 에틸아세테이트와 같은 비양성자성 극성용매를 비롯하여 메타-크레졸과 같은 유기용매에 대해 상온에서 쉽게 용해되는 특성을 가진다. 특히, 테트라히드로푸란(THF), 클로로포름과 같은 저비점 용매 및 감마-부티로락톤과 같은 저흡수성 용매에 대해서도 상온에서 10 중량% 이상의 높은 용해도를 나타낸다. 또한, 이들의 혼합용매에 대해서도 높은 용해도를 나타낸다.

본 발명에 따른 폴리아믹산 유도체는 기존 폴리이미드 수지의 특성을 유지하면서도 용해성 및 액정배향특성 등이 우수하게 나타나므로 각종 전기, 전자, 우주, 항공 등 첨단산업의 핵심 내열소재로 사용할 수 있다.

이와 같은 본 발명은 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

제조예 1 : 3,5-디니트로-벤젠 사르사사포제닌 에스테르(DN-L-SAS)의 제조

교반기, 질소주입장치가 부착된 250 mL의 반응기에 질소가스를 서서히 통과시키면서 3,5-디니트로벤조일 클로라이드 9.2 g(0.04 mole)을 반응용매인 디메틸아세트아미드 50 mL에 용해시킨 후, 질소가스를 통과시키면서 사르사사포제닌 (sarsasapogenine) 20.8 g(0.05 mole)을 넣고, 24시간 동안 환류시켰다. 반응용액을 증류수에 침전시킨 후, 수득된 고체를 메탄올에서 재결정하여, 24.5 g의 5-디니트로-사르사사포제닌 에스테르(DN-L-SAS)을 제조하였다(수율 60%).

제조예 2 : 3,5-디아미노 벤젠 사르사사포제닌 에스테르(DA-L-SAS)의 제조

에탄올 100 mL에 DN-L-SAS 6.1 g(0.01 mole)을 용해시킨 후, Pd/C(5%) 촉매(탄소입자의 표면에 금속 팔라듐을 5%의 양으로 도포한 촉매) 0.5 g과 함께 수소 반응기에 넣은 후, 60 ℃에서 2시간 동안 환원반응을 수행하였다. 반응혼합물을 여과한 후, 반응용매를 감압증류하였다. 에탄올/물 공용매 중에서 재결정하여 2.8 g의 3,5-디아미노 벤젠 사르사사포제닌 에스테르(DA-L-SAS) (수율 50%)을 제조하였다. 수득된 DA-L-SAS의¹H-NMR 스펙트럼을 도 1에 나타내었다.

상기 제조예 2에서 제조한 지방족 고리계 측쇄를 가지고 있는 디아민 단량체로서 DA-L-SAS는 재결정후의 수율이 50% 이상의 수율로 제조가 가능함을 확인할 수 있었으며, 공기 중에서 비교적 우수한 저장안정성을 나타냈다.

실시예 1

교반기, 온도조절장치, 질소주입장치, 적하깔대기 및 냉각기를 부착한 50 mL의 반응기에 질소가스를 서서히 통과시키면서 메틸렌 디아닐린 17.8 g(0.09 mole)과 지방족 고리계 측쇄가 도입된 변성 디아민인 DA-L-SAS 5.5 g(0.01mole)을 반응용매N-메틸-2-피롤리돈에 용해시킨 후, 질소가스를 통과시키면서 고체상의 디옥소테트라히드로퓨릴-3-메틸시클로헥산-1,2-디카르복실산이무수물 13.2 g(0.05 mole)과 피로멜리트산이무수물 10.9 g(0.05 mole)의 혼합물을 서서히 첨가하였다. 이때 고형분 농도(solid content)는 10 중량%로 고정하였으며, 반응온도를 10 ℃ 이하로 유지시키면서 24시간 동안 교반하여 폴리아믹산 용액(DPAA-1)를 수득하였다. 수득된 중합체의 물성을 확인하여 다음 표 1에 나타내었다. 고유점도는 NMP을 용매로 하여 0.5 g/dL의 농도로 30 ℃에서 측정하였다. 수득된 중합체의 물성을 다음 표 1에 나타내었다.

실시예 2

메틸렌 디아닐린 9.9 g(0.05 mole)과 DA-L-SAS 27.5 g(0.05 mole)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 폴리아믹산 수지(DPAA-2)를 수득하였으며, 수득된 중합체의 물성을 다음 표 1에 나타내었다.

실시예 3

메틸렌 디아닐린 1.98 g(0.01 mole)과 DA-L-SAS 49.5 g(0.09mole)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 폴리아믹산 수지(DPAA-3)를 수득하였으며, 수득된 중합체의 물성을 다음 표 1에 나타내었다.

실시예 4

DOCDA 대신 9.8 g(0.05 mole)의 1,2,3,4-시클로부탄테트라카르복실산이무수물(CBDA)를 사용하고, 반응용매로서 NMP와 γ-부티로락톤(5/5 부피비)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 폴리아믹산 수지(CPAA-1)를 수득하였으며, 수득된 중합체의 물성을 다음 표 1에 나타내었다.

실시예 5

DOCDA 대신 9.8 g(0.05 mole)의 CBDA를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 폴리아믹산 수지(CPAA-2)를 수득하였으며, 수득된 중합체의 물성을 다음 표 1에 나타내었다.

실시예 6

DOCDA 대신 9.8 g(0.05 mole)의 CBDA를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일하게 수행하여 폴리아믹산 수지(CPAA-3)를 수득하였으며, 수득된 중합체의 물성을 다음 표 1에 나타내었다.

비교예 1

디아민 단량체로서 19.8 g(0.1 mole)의 메틸렌 디아닐린을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 폴리아믹산 용액(DPAA-0)을 수득하였으며, 수득된 중합체의 물성을 다음 표 1에 나타내었다.

비교예 2

디아민 단량체로서 19.8 g(0.1 mole)의 메틸렌 디아닐린을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일하게 수행하여 폴리아믹산 용액(CPAA-0)을 수득하였으며, 수득된 중합체의 물성을 다음 표 1에 나타내었다.

수득된 폴리아믹산 유도체의 고유점도

구 분	중합체	고유점도(dL/g)
실시예 1	DPAA-1	0.94
실시예 2	DPAA-2	0.72
실시예 3	DPAA-3	0.85
실시예 4	CPAA-1	0.92
실시예 5	CPAA-2	0.87
실시예 6	CPAA-3	0.91
비교예 1	DPAA-0	1.15
비교예 2	CPAA-0	1.30

상기 표 1에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리아믹산 유도체는 모두 밝은 호박색의 투명한 수지로서, 0.3 내지 1.5 dL/g의 고유점도를 가지는 것으로 확인되었으며, 용매주형에 의한 필름성형성 및 기계적 특성이 매우 우수한 것으로 나타났다.

또한, 상기 실시예 1 ∼ 6 및 비교예 1 ∼ 2에서 제조한 폴리아믹산 용액을ITO 유리판 위에 0.05 ∼ 0.2 ㎛의 두께로 스핀 코팅한 후, 230 ℃의 온도에서 30분동안 열경화하여 얻은 폴리이미드 유도체 박막의 특성 평가 결과를 다음 표 2에 정리하였다.

열경화 후 제조된 폴리이미드 유도체의 물성

구 분	폴리아믹산	폴리이미드유도체	유리전이온도(℃)	표면장력(dyne/cm)	연필경도
실시예 1	DPAA-1	DPI-1	325	45	2H
실시예 2	DPAA-2	DPI-2	318	43	H
실시예 3	DPAA-3	DPI-3	305	39	H
실시예 4	CPAA-1	CPI-1	270	34	3H
실시예 5	CPAA-2	CPI-2	265	32	2H
실시예 6	CPAA-3	CPI-3	260	30	2H
비교예 1	DPAA-0	DPI-0	330	50	B
비교예 2	CPAA-0	CPI-0	275	41	HB

상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 지방족 고리계 측쇄가 도입된 본 발명에 따른 폴리아믹산 유도체들로부터 제조된 폴리이미드 박막의 연필경도는 H ∼ 3H 정도로서, 이들이 도입되지 않은 비교예 1 및 2의 폴리이미드에 비해 표면경도가 현저히 개선되었다. 폴리이미드 박막의 표면 장력은 지방족 고리계 측쇄가 도입된 단량체의 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었으며, CBDA가 단량체로 사용된 실시예 4 ∼ 6은 보다 낮은 값을 보여주었다.

또한, 상기 실시예 1 ∼ 6에서 수득된 본 발명에 따른 폴리아믹산 용액들을 감마-부티로락톤에 희석시켜, 상온에서의 용액점도를 20 ∼ 40 cp로 유지시킨 뒤, 박막 코팅(코팅조건; 400 ∼ 4,000 rpm, 25초)한 후, 제작한 액정셀의 특성들을 다음 표 3에 각각 나타내었다. 액정의 배향상태는 편광현미경을 사용하여 육안으로 관찰하였으며, 결정회전법(crystal rotation method)을 이용하여 각 액정셀의 선경사각(pretilt angles)을 측정하였다.

액정 셀의 특성

구 분	배향막	선경사각 (dL/g)	VHR(%) (상온)
실시예 1	DPI-1	4.0	98
실시예 2	DPI-2	7.0	98
실시예 3	DPI-3	75.0	98
실시예 4	CPI-1	88.0	99
실시예 5	CPI-2	88.0	99
실시예 6	CPI-3	89.5	99
비교예 1	DPI-0	2.0	98
비교예 2	CPI-0	2.5	99

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리아믹산 유도체를 이용하여 제조된 액정 셀은 매우 우수한 액정배향성 및 경시안정성을 나타내었다. 선경사각은 4 내지 89.5°정도로서 비교예 1, 2의 경우 보다 증가하였으며, 고분자의 주쇄 구조에 크게 의존하는 경향을 나타내었다. 특히, 실시예 4 ∼ 6의 폴리이미드 수지들은 수직 배향특성을 나타내었으며, 전압보유율은 모두 98% 이상으로서 수직배향형 TFT-TN 및 STN LCD용 액정배향막으로의 사용에 적합한 특성을 나타냄을 확인하였다.

본 발명에 의해 내열성과 기계적 특성이 매우 우수할 뿐만 아니라 우수한 광투과성 및 높은 선경사각을 갖는 새로운 구조의 수직 배향형 액정배향막이 제조되었으며, 이들은 까다로운 전기광학적 특성이 요구되는 TFT-TN 및 STN LCD용 액정배향막 및 각종 첨단 내열구조 재료로 유용함이 확인되었다.

이상에서 본 발명에서는 기재된 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

다음의 (a), (b), (c), (d) 및 (e) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 지방족 4가기와, (f)의 지방족 고리계 측쇄기를 갖는 방향족 2가기가 반드시 포함된 구조를 갖는 것임을 특징으로 하는 다음 화학식 1로 표시되는 액정배향막용 폴리아믹산 유도체 :

[화학식 1]

상기 화학식 1에서 :

은,,,,,,,,,및중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 4가기로서, 반드시 (a), (b), (c), (d) 및 (e) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 4가기를 포함하며;

는,,,,,,,,,,및중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 2가기로서, 반드시 (f)를 포함하며;

n은 1 내지 300 사이의 자연수를 나타낸다.
제 1 항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 폴리아믹산 유도체의 고유점도가 0.3 내지 1.5 dL/g의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 액정배향막용 폴리아믹산 유도체.
제 1 항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 폴리아믹산 유도체의 분자량이 10,000 내지 150,000 g/mol의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 액정배향막용 폴리아믹산 유도체.
제 1 항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 폴리아믹산 유도체의 유리전이온도가 230 내지 400 ℃의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 액정배향막용 폴리아믹산 유도체.
제 1 항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 폴리아믹산 유도체의 선경사각(pretilt angle)이 4 내지 89.5°의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 액정배향막용 폴리아믹산 유도체.
제 1 항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 폴리아믹산 유도체는 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드,N-메틸-2-피롤리돈, 테트라히드로푸란, 클로로포름, 아세톤, 에틸아세테이트, 또는 감마-부티로락톤에 대해 용해특성을 가지는 것을 특징으로 하는 액정배향막용 폴리아믹산 유도체.
제 1 항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 폴리아믹산 유도체의 이미드화 온도범위가 200 ∼ 300 ℃인 것을 특징으로 하는 액정배향막용 폴리아믹산 유도체.