KR101615431B1

KR101615431B1 - 폴리이미드 및 이를 이용한 필름

Info

Publication number: KR101615431B1
Application number: KR1020140058607A
Authority: KR
Inventors: 박효준; 정학기
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2016-04-25
Also published as: WO2015174567A1; JP2017514972A; KR20150131643A; JP6353931B2

Abstract

본 발명은 폴리이미드 필름에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디아민과 산 이무수물이 중합된 폴리아믹산을 이미드화하여 얻어지는 폴리이미드에 있어서, 상기 산 이무수물로 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함함으로써, 폴리이미드의 우수한 물성을 그대로 유지하면서, 낮은 유전율을 나타내는 무색투명한 폴리이미드 필름을 제공할 수 있어, 액정 표시 소자나 반도체에 있어서의 보호재료, 절연재료 등의 전자재료, 광도파로 등의 광통신용 재료로서 유용하다.
<화학식 1>

Description

폴리이미드 및 이를 이용한 필름{Polyimide and Film thereof}

본 발명은 폴리이미드 및 이를 이용한 필름에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리이미드의 우수한 물성은 그대로 유지하면서, 우수한 열적 안정성과 낮은 유전율을 나타내는 동시에 광투과성이 우수한 폴리이미드 및 이를 포함하는 폴리이미드 필름에 관한 것이다.

일반적으로, 폴리이미드는 높은 기계적 강도, 내열성, 절연성, 내용제성 등을 가지고 있기 때문에, 액정표시소자나 반도체에 있어서의 보호재료, 절연재료, 컬러필터 등의 전자재료로서 널리 사용되고 있다. 또, 최근에는 광도파로용 재료 등의 광통신용 재료나, 휴대전화의 기판으로서의 용도도 기대되고 있다.

최근, 이 분야의 발전은 눈부시고, 그것에 대응하여 사용되는 재료에 대해서도 점점 고도의 특성이 요구되고 있다. 즉, 단순히 내열성, 내용제성이 우수할 뿐만 아니라, 투명성 등 용도에 따른 성능을 다수 겸비하는 폴리이미드가 요망되고 있다.

종래 범용되고 있는 방향족 테트라카르복실산 이무수물과 방향족 디아민과의 중축합 반응에 의해 얻어지는 전방향족 폴리이미드는 짙은 호박색을 띠고 착색하기 때문에, 높은 투명성이 요구되는 용도에 있어서는 문제가 생긴다. 또한, 전방향족 폴리이미드는 높은 유전율을 가지고 있기 때문에 투명성과 저유전율을 요구하는 전자재료로는 사용되기에 한계가 있다.

투명성을 실현하는 하나의 방법으로서, 지환식 테트라카르복실산 이무수물과 방향족 디아민과의 중축합 반응에 의해 폴리이미드 전구체를 얻고, 당해 전구체를 이미드화함으로써, 비교적 착색이 적고 고투명성의 폴리이미드가 얻어지는 것이 알려져 있다(일본특허 공고평2-24294호 공보, 일본특허 공개소58-208322호 공보).

또한, 최근에는 1,2,3,4-시클로펜타테트라카르복실산 이무수물(이하, CPDA 이라고 약기함)을 모노머로 사용하여 제조된 폴리이미드를 유기일렉트로 루미네센스(이하, 유기 EL이라고 약기함) 소자의 가스 배리어막으로서 이용하는 것이 검토되고 있다(일본 특허 공개2006-232960호 공보).

그러나, 이와 같은 방법으로 제조된 폴리이미드는 중합도가 낮고 내열성이라는 점에서 개량의 여지가 있을 뿐만 아니라, 광학특성이 반드시 충분하다고는 할 수 없었다.

본 발명의 주된 목적은 폴리이미드의 우수한 물성은 그대로 유지하면서, 우수한 열적 안정성과 낮은 유전율을 나타내는 동시에 광투과성이 우수한 폴리이미드 및 이를 포함하는 폴리이미드 필름을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 디아민과 산 이무수물이 중합된 폴리아믹산을 이미드화하여 얻어지는 폴리이미드에 있어서, 상기 산 이무수물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리이미드를 제공한다.

<화학식 1>

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 디아민은 p-페닐렌디아민, m-페닐렌디아민, 2,5-디아미노톨루엔, 2,6-디아미노톨루엔, 1,3-비스(4,4'-아미노페녹시)벤젠, 4,4'-디아미노-1,5-페녹시펜탄, 4,4'-디아미노비페닐, 3,3'-디메틸-4,4'-디아미노비페닐, 3,3'-디메톡시-4,4'-디아미노비페닐, 4,4'-디아미노디페닐에테르, 4,4'-디아미노디페닐메탄, 2,2'-디아미노디페닐프로판, 비스(3,5-디에틸-4-아미노페닐)메탄, 디아미노디페닐술폰, 디아미노벤조페논, 디아미노나프탈렌, 1,4-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 1,4-비스(4-아미노페닐)벤젠, 9,10-비스(4-아미노페닐)안트라센, 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 4,4'-비스(4-아미노페녹시)디페닐술폰, 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]프로판, 2,2'-트리플루오로메틸-4,4'-디아미노비페닐 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 방향족 디아민; 1,4-디아미노시클로헥산, 1,4-시클로헥산비스(메틸아민), 4,4'-디아미노디시클로헥실메탄(MCA), 4,4'-메틸렌 비스(2-메틸 사이클로헥실아민)(MMCA) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 지환식 디아민; 및 에틸렌디아민(EN), 1,3-디아미노프로판(13DAP), 테트라메틸렌디아민, 1,6-헥사메틸렌디아민(16DAH)), 1,12-디아미노도데칸(112DAD) 및 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 지방족 디아민으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 디아민은 1,6-헥사메틸렌디아민(16DAH), 1,12-디아미노도데칸(112DAD), 4,4'-디아미노디시클로헥실메탄(MCA) 및 4,4'-메틸렌 비스(2-메틸 사이클로헥실아민)(MMCA)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 산 이무수물은 2,2-비스(3,4-디카르복시페닐)헥사플루오로프로판 디안하이드라이드(6FDA), 4-(2,5-디옥소테트라하이드로푸란-3-일)-1,2,3,4-테트라하이드로나프탈렌-1,2-디카르복실릭 디안하이드라이드(TDA), 피로멜리틱산 디안하이드라이드(1,2,4,5-벤젠 테트라카르복실릭 디안하이드라이드, PMDA), 벤조페논 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BTDA), 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA), 옥시디프탈릭 디안하이드라이드(ODPA), 비스카르복시페닐 디메틸 실란 디안하이드라이드(SiDA), 비스 디카르복시페녹시 디페닐 설파이드 디안하이드라이드(BDSDA), 술포닐 디프탈릭안하이드라이드(SO₂DPA), 사이클로부탄 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(CBDA), 이소프로필리덴이페녹시 비스 프탈릭안하이드라이드(6HBDA), 비사이클로[2.2.2]-7-옥텐-2,3,5,6-테트라카르복실산 디안하이드라이드(BTA)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예는 상기 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 필름을 제공한다.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 폴리이미드 필름은 필름 두께 10 ~ 100㎛를 기준으로 550nm에서의 투과도가 80%이상이고, 1GHz의 유전상수가 3.3 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면 폴리이미드의 우수한 물성을 그대로 유지하면서, 낮은 유전율을 나타내는 무색투명한 폴리이미드 필름을 제공할 수 있어, 액정 표시 소자나 반도체에 있어서의 보호재료, 절연 재료 등의 전자재료, 광도파로 등의 광통신용 재료로서 유용하다.

도 1은 실시예 1 내지 4에서 제조된 폴리이미드 필름의 FTIR 스펙트럼 그래프이다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 디아민과 산 이무수물이 중합된 폴리아믹산을 이미드화하여 얻어지는 폴리이미드에 있어서, 상기 산 이무수물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리이미드 및 상기 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 필름에 관한 것이다.

<화학식 1>

일반적으로, 지방족 폴리이미드는 방향족 폴리이미드에 비해 분자내 낮은 밀도와 양극성 그리고 분자간 또는 분자내 낮은 전하이동특성을 띄기 때문에 높은 투명성과 낮은 유전율을 가지고 있고, 이로 인해 광전자 공학 및 층간 절연막 물질로 많은 주목을 받고 있다.

이에, 본 발명에서는 높은 투명성과 낮은 유전율 특성을 가지고 있는 지방족 폴리이미드를 제조하기 위해 질소를 함유하는 N-아세틸레이티드-1,2-에틸렌디아민-이숙신산 무수물(N-acetylated-1,2-ethylenediamine-disuccinic anhydride: 화학식 1로 표시되는 산 이무수물)을 합성한다.

본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 산 이무수물은 분자 내부에 하나 이상의 질소 원자를 함유함으로써, 질소 원자의 고립 전자쌍으로 인해 분자 내부 또는 분자간 사슬의 상호작용이 생기게 되고, 이를 이용해 폴리이미드가 가지는 고유의 우수한 특성을 유지하면서 폴리이미드의 가용성과 기계적 강도를 크게 개선시킬 수 있다.

본 발명에 따른 산 이무수물은 알킬화 반응과 탈수 폐환반응의 두 단계로 간단하면서 용이하게 제조할 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 산 이무수물의 제조방법은 염기촉매 존재하에서 화학식 2로 표시되는 화합물을 N-알킬화 반응시켜 화학식 3으로 표시되는 화합물을 생성한 다음, 상기 생성된 화학식 3으로 표시되는 화합물을 탈수제 존재하에서 탈수 폐환반응시켜 하기 화학식 1로 표시되는 산 이무수물을 제조한다.

전술된 본 발명에 따른 산 이무수물의 제조방법을 요약하면, 반응식 1과 같다.

[반응식 1]

먼저, 반응식 1에 나타난 바와 같이, 화학식 3으로 표시되는 화합물은 화학식 2로 표시되는 화합물(L-aspartic acid)을 염기촉매 존재하에서 N-알킬화하여 얻어진다.

이때, 상기 N-알칼리화 반응에서 사용되는 염기촉매로는 가격 및 취급 용이성 측면에서 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화바륨, 수산화칼슘, 수산화알루미늄 및 수산화마그네슘으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 물질에 따른 이온 전화 및 교환율에 따라 자유롭게 선택하여 사용할 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서는 반응태양으로서 반응기질 자체를 용매로 하는 것이 바람직하지만, 다른 반응용매를 사용하는 것도 가능하다. 이때, 반응용매로는 반응을 저해하지 않는 것이면 특별히 제한되지 않고, 그 일 예로 1,4-다이옥산, 톨루엔, NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMAc(dimethylacetamide), 1,2-다이브로모에탄 등일 수 있다.

이와 같이 생성된 화학식 3으로 표시되는 화합물은 탈수제(dehydrating agent)가 투입됨으로써, 탈수 폐환반응으로 화학식 1로 표시되는 지방족 산 이무수물이 제조된다. 이때, 상기 탈수 폐환반응은 40 ~ 100℃에서 4 ~ 28시간 동안 수행하는 것으로, 100℃ 또는 28시간을 초과하는 경우에는 촉매 및 용매의 증발로 인해 수율이 떨어지고, 40℃미만으로 반응을 진행할 경우에는 반응시간이 증가하거나, 충분한 반응이 진행되지 않아 수율이 저하될 수 있다.

상기 탈수제는 무수 아세트산, 피리딘, 이소퀴놀린 및 트리에틸아민 등과 같은 3차 아민으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 효율면에서 무수 아세트산 및/또는 피리딘을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탈수제의 함량은 화학식 3으로 표시되는 화합물 1몰에 대하여, 2몰 이상일 수 있으며, 바람직하기로는 2 내지 10몰로 사용할 수 있다. 탈수제가 화학식 3으로 표시되는 화합물 1몰에 대하여 2몰 미만으로 사용할 경우, 충분히 반응이 일어나지 않아 수율이 저하되고, 10몰을 초과하여 사용하는 경우에는 필요 이상의 양이 들어가므로 비용 문제가 발생될 수 있다.

전술된 반응 후, 생성된 화합물을 통상적인 방법으로 여과한 다음, 건조시켜 화학식 1로 표시되는 산 이무수물을 제조한다.

이상 설명한 본 발명의 화학식 1로 표시되는 산 이무수물은 디아민과 중축합 반응에 의해 폴리아믹산을 제조한 다음, 열 또는 촉매를 사용한 탈수 폐환반응에 의해 폴리이미드로 제조할 수 있다. 이때, 상기 디아민: 산이무수물의 당량비는 1 : 1인 것이 바람직하다.

상기 디아민은 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래 폴리이미드 합성에 사용되고 있는 각종 디아민을 사용할 수 있다. 그 구체적인 예로는 p-페닐렌디아민, m-페닐렌디아민, 2,5-디아미노톨루엔, 2,6-디아미노톨루엔, 1,3-비스(4,4'-아미노페녹시)벤젠, 4,4'-디아미노-1,5-페녹시펜탄, 4,4'-디아미노비페닐, 3,3'-디메틸-4,4'-디아미노비페닐, 3,3'-디메톡시-4,4'-디아미노비페닐, 4,4'-디아미노디페닐에테르, 4,4'-디아미노디페닐메탄, 2,2'-디아미노디페닐프로판, 비스(3,5-디에틸-4-아미노페닐)메탄, 디아미노디페닐술폰, 디아미노벤조페논, 디아미노나프탈렌, 1,4-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 1,4-비스(4-아미노페닐)벤젠, 9,10-비스(4-아미노페닐)안트라센, 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 4,4'-비스(4-아미노페녹시)디페닐술폰, 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]프로판, 2,2'-트리플루오로메틸-4,4'-디아미노비페닐 등의 방향족 디아민; 1,4-디아미노시클로헥산, 1,4-시클로헥산비스(메틸아민), 4,4'-디아미노디시클로헥실메탄(MCA), 4,4'-메틸렌 비스(2-메틸 사이클로헥실아민)(MMCA) 등의 지환식 디아민; 에틸렌디아민(EN), 1,3-디아미노프로판(13DAP), 테트라메틸렌디아민, 1,6-헥사메틸렌디아민(16DAH)), 1,12-디아미노도데칸(112DAD) 등의 지방족 디아민 등을 들 수 있다. 또한 이들 디아민은 단독으로, 또는 2종류 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.

특히, 광학특성 및 전기적 특성 측면에서, 본 발명의 디아민은 1,6-헥사메틸렌디아민(1,6-diaminohexane, 16DAH), 1,12-디아미노도데칸(1,12-diaminododecane, 112DAD), 4,4'-디아미노디시클로헥실메탄(4,4'-methylene bis(cyclohexylamine), MCA) 및 4,4'-메틸렌 비스(2-메틸 사이클로헥실아민)(4,4'-methylene bis(2-methyl cyclohexylamine), MMCA)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 화학식 1로 표시되는 산 이무수물 이외에, 폴리이미드 물성을 저해하지 않는 범위 내에서 2,2-비스(3,4-디카르복시페닐)헥사플루오로프로판 디안하이드라이드(6FDA), 4-(2,5-디옥소테트라하이드로푸란-3-일)-1,2,3,4-테트라하이드로나프탈렌-1,2-디카르복실릭 디안하이드라이드(TDA), 피로멜리틱산 디안하이드라이드(1,2,4,5-벤젠 테트라카르복실릭 디안하이드라이드, PMDA), 벤조페논 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BTDA), 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA), 옥시디프탈릭 디안하이드라이드(ODPA), 비스카르복시페닐 디메틸 실란 디안하이드라이드(SiDA), 비스 디카르복시페녹시 디페닐 설파이드 디안하이드라이드(BDSDA), 술포닐 디프탈릭안하이드라이드(SO₂DPA), 사이클로부탄 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(CBDA), 이소프로필리덴이페녹시 비스 프탈릭안하이드라이드 (6HBDA), 비사이클로[2.2.2]-7-옥텐-2,3,5,6-테트라카르복실산 디안하이드라이드(BTA)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 산 이무수물을 더 포함할 수 있다.

특히 본 발명은 광학적 물성과 유전율을 향상시키는 측면에서 바람직하게는 자유체적을 증가시킬 수 있는 불소가 함유된 2,2-비스(3,4-디카르복시페닐)헥사플루오로프로판 디안하이드라이드(6FDA), 분자내의 분극율 이방성을 낮출 수 있는 aliphatic 혹은 cycloaliphatic계열의 4-(2,5-디옥소테트라하이드로푸란-3-일)-1,2,3,4-테트라하이드로나프탈렌-1,2-디카르복실릭 디안하이드라이드(TDA), 사이클로부탄 테트라카르복실릭 디안하이드라이드 (CBDA), 사이클로펜탄 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(CPDA), 비사이클로[2.2.2]-7-옥텐-2,3,5,6-테트라카르복실산 디안하이드라이드(BTA), 사이클로헥산 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(CHDA), 비사이클로헥산 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(HBPDA) 산 이무수물을 포함할 수 있으며 피로멜리틱산 디안하이드라이드(1,2,4,5-벤젠 테트라카르복실릭 디안하이드라이드, PMDA), 벤조페논 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BTDA), 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA)과 같은 방향족 산 이무수물도 목표로 하는 광학 물성을 저해하지 않는 범위 내에서 첨가하여 사용할 수 있다.

이때, 추가로 포함되는 산 이무수물의 함량은 산 이무수물 총 몰에 대하여, 80mol% 이하, 바람직하게는 10 ~ 50mol%로 투입하는 것이 좋으며, 상기 범위의 함량으로 포함될 경우에는 광학특성과 유전율을 저해하지 않는 범위에서 내열성 향상을 기대할 수 있다.

본 발명의 폴리아믹산을 얻는 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 상기 화학식 1로 표시되는 산 이무수물과 디아민을 공지의 제조방법에 의해 반응, 중합시키면 되는데, 유기 용매중에서 화학식 1로 표시되는 산 이무수물과 디아민을 혼합하고, 반응시키는 방법이 간편하다.

이때, 사용되는 유기용매의 구체예로서는, m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸포름아미드(DMF), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸카프롤락탐, 디메틸술폭시드(DMSO), 테트라메틸요소, 피리딘, 디메틸술폰, 헥사메틸포스포르아미드, γ-부티로락톤 등을 들 수 있다. 이들의 용매는, 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상 혼합하여 사용해도 된다. 또한, 폴리아믹산을 용해하지 않는 용매여도, 균일한 용액이 얻어지는 범위내에서 상기 용매에 가하여 사용해도 된다.

용액 중합의 반응 온도는 -20 ~ 150℃, 바람직하게는 -5 ~ 100℃의 임의의 온도를 선택할 수 있다. 또, 폴리아믹산의 분자량은 반응에 사용하는 화학식 1로 표시되는 산 이무수물과 디아민과의 몰비를 바꿈으로써 제어할 수 있고, 통상의 중축합 반응과 마찬가지로, 이 몰비가 1에 가까울수록 생성하는 폴리아믹산의 분자량은 커진다.

본 발명의 폴리이미드 필름은 이상과 같이 하여 얻어진 폴리아믹산을 지지체에 캐스팅하고 탈수 폐환시켜서 얻어진다. 여기서, 폴리아믹산으로부터 폴리이미드로의 변화율(탈수 폐환율)을 이미드화율로 정의하는데, 본 발명의 폴리이미드의 이미드화율은 100%에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서 1 ~ 100%의 임의의 값을 선택할 수 있다.

본 발명에 있어서, 폴리아믹산을 탈수 폐환시키는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 통상의 폴리아믹산과 마찬가지로, 가열에 의한 폐환이나 공지의 탈수 폐환 촉매를 사용하여 화학적으로 폐환시키는 방법을 채용할 수 있다. 상기 가열에 의한 방법은 80℃에서 300℃까지 단계적으로 승온시킬 수 있다.

화학적으로 폐환하는 방법은, 예를 들면, 피리딘이나 트리에틸아민 등의 유기염기와, 무수 아세트산 등의 존재하에서 행할 수 있고, 이때의 온도는 -20 ~ 200℃의 임의의 온도를 선택할 수 있다. 이 반응에서는 폴리아믹산의 중합 용액을 그대로, 또는 희석하여 사용할 수 있다. 또, 후술하는 방법에 의해, 폴리아믹산의 중합 용액으로부터 폴리아믹산을 회수하고, 이것을 적당한 유기용매에 용해시킨 상태에서 행해도 된다. 이때의 유기용매로서는, 상기 서술한 폴리아믹산의 중합 용매를 들 수 있다.

이렇게 하여 얻어진 폴리이미드(를 포함하는) 용액은, 그대로 사용할 수도 있고, 또, 메탄올, 에탄올 등의 용매를 가하여 폴리머를 침전시키고, 이것을 단리하여 분말로서, 또는 그 분말을 적당한 용매에 재용해시켜 사용할 수 있다. 재용해용 용매는 얻어진 폴리머를 용해시키는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, m-크레졸, 2-피롤리돈, NMP, N-에틸-2-피롤리돈, N-비닐-2-피롤리돈, DMAc, DMF(dimethylformamide), γ-부티로락톤 등을 들 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 얻어진 폴리이미드 필름에 한번 더 열처리 공정에　적용하여 필름 내에 남아 있는 열 이력 및 잔류 응력을 해소함으로써, 안정적인 열안정성을 얻어 우수한 열팽창계수를 가질 수 있다. 열처리를 마친 필름의 잔류 휘발성분은 5%이하이며, 바람직하게는 3%이하이다.

이와 같이 제조된 폴리이미드 필름의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 10 ~ 250㎛의 범위인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 ~ 100㎛인 것이 좋다.

이상에서 설명한 바와 같은 방법으로서, 디아민 및 산 이무수물로 반응시켜 얻어지는 폴리아믹산을 이미드화하여 폴리이미드 및 폴리이미드 필름을 제조할 수 있으며, 이와 같이 제조된 상기 폴리이미드 필름은 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide, DMAc), 디메틸 프탈레이트(dimethyl phthalate, DMP), 디메틸술폭사이드(dimethylsulfoxide, DMSO) 등의 유기 용매에 대한 높은 용해성을 보이면서, 필름 두께 10 ~ 100㎛를 기준으로 550㎚에서의 투과도가 80% 이상이고, 1GHz의 유전상수가 3.3 이하인 물성을 나타낸다.

전술된 바와 같이 본 발명에 따른 폴리이미드 필름은 낮은 유전율을 나타내는 동시에 무색투명하여 액정 표시 소자나 반도체에 있어서의 보호재료, 절연재료 등의 전자재료, 광도파로 등의 광통신용 재료로서의 용도로 유용하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 설명한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

< 제조예 1>

1-1: 화학식 3으로 표시되는 화합물 합성

화학식 2로 표시되는 화합물(L-아스팔릭산) 50.73g(0.38mol)에 수산화칼륨 30ml(50% 수용액), 수산화칼륨 13.94g(0.19mol) 및 증류수 70ml를 혼합하여 1리터의 3구 플라스크에 투입하고, 상기 플라스크에 응축기, 50ml의 등압 드로핑푼넬, 환류 응축기 및 자석교반기를 장착시켰다. 1,2-다이브로모에탄 28ml(50% 수용액)를 주의하면서 상기 플라스크 세번째 목을 통하여 첨가한 다음, 60℃로 가열하여 환류시키고, 여기에 수산화칼륨(24ml, 50% 수용액)을 6시간 동안 드롭와이즈(dropwise)를 수행하면서 계속 환류시켰다. 상기 환류가 완료되면, 물을 플라스크에 추가한 후에 용액을 1시간 동안 환류를 추가 수행하였다. 상기 환류물을 1시간 동안 냉각시키면서 교반을 수행한 다음, 상기 수득된 환류물을 진한 염산으로 pH 3까지 산성화하여 흰색 침전물을 형성시켰다. 상기 흰색 침전물을 여과시키고, 여기에 증류수(225ml)를 첨가한 다음, 수산화나트륨(50% 수용액)로 pH 11로 조정하였다. 상기 pH 11로 조정된 혼합물을 염산으로 pH 3.5로 재조정하여 침전물을 형성시키고 물로 염산을 세척한 후에 65℃에서 진공 건조하였다(17.9g, 수율 30%). 상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 제조방법은 Neal J.A., 등에 의해 보고된 바 있다(Neal J. A., Rose N. J., Inorg Chem , 1968, 7, 2408).

상기 수득된 화학식 3으로 표시되는 화합물에 대하여 녹는점(Buchi, M-560), NMR(¹H와 ¹³C)(JEOL, JNM-LA400) 및 IR(AVATAR, 360 FT-IR)을 각각 측정하였다.

녹는점 : 215-217℃(H₂O+MeOH)

¹H NMR (400 MHz, D₂O/KOH) δ 2.38-2.50 (m, 2H, CH₂CO₂), 2.62-2.67 (m, 2H, CH₂CO₂), 2.91-3.01 (m, 4H, CH₂CH₂), 3.55-3.58 (m, 2H, CH), (NH and CO₂H not observed at this pH); Anal. Calcd. for C₁₀H₁₆N₂O₈; C: 41.10, H: 5.52, N: 9.59%. Found: C: 40.97, H: 5.60, N: 9.64%; IR (KBr, cm^-1): 3530 (νO-H), 3422 (νN-H), 3044, 2807, 1723 (νC=O).

1-2: 화학식 1로 표시되는 산 이무수물 합성

실시예 1-1에서 수득된 화학식 3으로 표시되는 화합물 4.96g(17mmol), 피리딘3.18g(35.7mmol) 및 아세틱 안하이드라이드 3.6g(35.7mmol)을 응축기와 자석 교반기가 설치된 50ml 플라스크에 투입하여 60℃에서 24시간 동안 반응을 수행하였다. 반응 완료 후, 반응물을 냉각하고, 여과하였다. 상기 여과된 여과물을 아세틱 안하이드라이드 200ml와 정제된 다이에틸에테르 200ml로 세척하여 진공상태의 오븐에서 40℃에서 건조시킨 후에 아세틱 안하이드라이드 100ml로 재결정을 수행하여 화학식 1로 표시되는 화합물 2.48g을 수득하였다(수율 50%).

상기 수득된 화학식 1로 표시되는 화합물에 대하여, 녹는점(Buchi, M-560)을 측정하였고, NMR(¹H와 ¹³C)(JEOL, JNM-LA400)과 IR(AVATAR, 360 FT-IR)을 각각 측정하였다.

녹는점 : 248-250℃ (Ac₂O)

¹H NMR (400 MHz, d6-DMSO) δ 2.01 (s, 3H, -NCOCH₃), 2.12 (s, 3H, -NCOCH₃), 2.83-2.91 (m, 2H, CH₂CO₂), 3.30 (dd, 2H, overlapped signals, CH₂CO₂), 3.65 (bd, 4H, CH₂CH₂), 4.66-4.60 (m, 2H, CH); ¹³C NMR (100 MHz, d6-DMSO): δ 173.8 (-NCOCH₃), 173.4 (COOCO), 172.9 (COOCO), 59.7 (α-CH), 51.2 (N-CH₂CH₂), 51.0 (N-CH₂CH₂), 37.1 (β-CH₂), 23.3 (-NCOCH₃); Anal. Calcd. for C₁₄H₁₆N₂O₈; C: 49.41, H: 4.74, N: 8.23%. Found: C: 49.32, H: 4.80, N: 8.26%; IR (KBr, cm^-1): 2955, 1869, 1790 (νC=O), 1222, 1196, 1075 (C-O-C).

< 실시예 1 내지 4>

기계식 교반기가 설치된 30ml 3구 플라스크안에 제조예 1에서 수득된 산 이무수물(2.0 mmol)과 m-cresol 4mL를 투입하고, 질소 가스를 서서히 흘려주면서 산 이무수물이 완전히 녹을 때까지 혼합물을 교반하였다. 여기에 표 1에 기재된 디아민(2.0 mmol)과 m-cresol 2ml을 추가적으로 투입한 다음, 플라스크를 60℃까지 가열해주고 2일 동안 교반하였다. 폴리아믹산을 포함하는 중축합 용액의 일부분을 유리판 위에 캐스팅하고, 폴리이미드 필름은 진공 하에서 유리판을 80℃에서 3시간, 200℃에서 1시간 그리고 250℃에서 1시간 열을 가해서 만들어진다. 경화 후, 유연하고 지지체 없는 폴리이미드 필름을 제거하기 위해 유리판을 뜨거운 물에 담궈서 유리판으로부터 필름을 제거하여 두께가 15㎛ 폴리이미드 필름을 제조하였다.

이때 수득된 폴리이미드 필름들은 FTIR(AVATAR 360 FT-IR)을 통해 이미드에서 나타나는 특징적인 1771-1775cm^-1 흡수밴드를 확인할 수 있었다(도 1). 이것은 카보닐기의 비대칭적인 신축진동에 의한 것이고, 1691-1697cm^-1의 것은 카보닐기의 대칭적인 신축진동에 의한 것으로, 방향족 고리의 부재로 인해 이미드 카보닐 그룹의 비공액 구조는 지방족 폴리이미드의 흡수 변화의 원인이 됨을 확인할 수 있다.

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
디아민 종류	1,6-디아미노헥산(16DAH)	1,12-디아미노도데칸(112DAD)	4,4'-메틸렌 비스(사이클로헥실아민)(MCA)	4,4'-메틸렌 비스(2-메틸사이클로헥실아민)(MMCA)

< 실시예 5 내지 21>

기계식 교반기가 설치된 30ml 3구 플라스크안에 제조예 1에서 수득된 제1 산 이무수물과 m-cresol 4mL를 투입하고, 질소 가스를 서서히 흘려주면서 제1 산 이무수물이 완전히 녹을 때까지 혼합물을 교반하였다. 여기에 표 2에 기재된 제2 산 이무수물을 추가 투입하고 완전히 용해시켰다. 이후, 디아민으로 4,4'-메틸렌 비스(사이클로헥실아민)(MCA)(100mmol)와 m-cresol 2ml을 투입한 다음, 플라스크를 60℃까지 가열해주고 2일 동안 교반하였다. 폴리아믹산을 포함하는 중축합 용액의 일부분을 유리판 위에 캐스팅하고, 폴리이미드 필름은 진공 하에서 유리판을 80℃에서 3시간, 200℃에서 1시간 그리고 250℃에서 1시간 열을 가해서 만들어진다. 경화 후, 유연하고 지지체 없는 폴리이미드 필름을 제거하기 위해 유리판을 뜨거운 물에 담궈서 유리판으로부터 필름을 제거하여 두께가 15㎛ 폴리이미드 필름을 제조하였다.

	제1 산 이무수물 함량(mmol)	제2 산 이무수물 종류	제2 산 이무수물 함량(mmol)
실시예 5	90	6FDA	10
실시예 6	70	6FDA	30
실시예 7	50	6FDA	50
실시예 8	90	CBDA	10
실시예 9	70	CBDA	30
실시예 10	50	CBDA	50
실시예 11	90	CHDA	10
실시예 12	70	CHDA	30
실시예 13	50	CHDA	50
실시예 14	90	BTA	10
실시예 15	70	BTA	30
실시예 16	50	BTA	50
실시예 17	90	HBPDA	10
실시예 18	70	HBPDA	30
실시예 19	50	HBPDA	50
실시예 20	90	PMDA	10
실시예 21	90	BPDA	10

< 비교예 1>

실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 필름을 제조하되, 산 이무수물로 피로멜리틱 디안하이드라이드(pyromellitic dianhydride, PMDA)를 사용하여 폴리이미드 필름(두께 15㎛)을 제조하였다.

< 비교예 2>

실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 필름을 제조하되, 산 이무수물로 피로멜릭틱 디안하이드라이드(pyromellitic dianhydride, PMDA)와 디아민으로 4,4'-옥시디아닐린(4,4'-oxydianiline, ODA)을 사용하고, 용매로는 N,N-Dimethyl acetamide로 사용하여 폴리이미드 필름(두께 15㎛)을 제조하였다.

<물성평가>

실시예 및 비교예에서 제조된 폴리이미드 필름을 이용하여, 아래와 같은 방법으로 분자량, 광학특성, 전기적 특성 및 열적 특성을 측정하고, 그 결과를 표 3 에 기재하였다.

(1) 분자량 및 분자량 분포도 측정

겔 투과 크로마토그래피(GPC)(Waters: Waters707)에 의해 폴리스티렌 환산 중량평균분자량(Mw) 및 수평균분자량(Mn)을 구하였다. 측정하는 중합체는 4000ppm의 농도가 되도록 테트라히드로푸란에 용해시켜 GPC에 100㎕를 주입하였다. GPC의 이동상은 테트라히드로푸란을 사용하고, 1.0mL/분의 유속으로 유입하였으며, 분석은 35℃에서 수행하였다. 컬럼은 Waters HR-05,1,2,4E 4개를 직렬로 연결하였다. 검출기로는 RI and PAD Detecter를 이용하여 35℃에서 측정하였다. 또한, 분자량 분포도(PDI)는 측정된 중량평균분자량(Mw)을 수평균분자량(Mn)으로 나누어 산출하였다.

(2) 광투과율 측정

UV분광계 (Konita Minolta, CM-3700d)를 이용하여 550mn 투과도를 측정하였다.

(3) 유전율 측정

Agilent사 E4980A precision LCR meter 기기를 이용하여 측정하였으며 2probe방식으로 상판 골드스퍼터링을 하였다. 1Mhz 주파수, A는 2mm x 2mm 이고, 필름 두께는 각 지점마다 달라서 알파 스탭을 통하여서 각 포인트의 두께를 재어서 계산하였으며, 하판은 ITO 코팅면을 통해서 가운데 필름의 capacitance를 측정하였다. 측정된 값과 정전용량을 이용하여 하기 식 1을 통해서 유전율을 산출하였다.

[식 1]

K = (C×d) /( A×ε_o)

상기 1에서, K는 유전 상수이고, C는 정전용량이며, d는 필름두께이고, A는 시편(필름) 면적(2×2mm)이고, ε_o는 진공상태의 유전 상수 (8.85×10^-12 Fm^-1)임.

(4) 유리전이온도(Tg)측정

Perkin Elmer사의 DSC7 장비를 이용하여 승온 속도 10℃/min으로 50 ~ 300℃까지 2nd Run을 실시하여 2번째 값을 유리전이온도(Tg)로 산출하였다.

	수평균분자량 (×10⁴ g/mol, Mn)	PDI	유전상수 (ε)	광 투과율 (%, 550nm)	Tg (℃)
실시예 1	2.20	1.7	2.66	84	188
실시예 2	2.24	1.6	2.10	87	194
실시예 3	3.3	2.2	3.21	85	222
실시예 4	2.9	1.9	2.88	85	225
실시예 5	3.4	2.3	3.10	84	235
실시예 6	6.3	2.2	3.01	86	237
실시예 7	10.7	2.1	3.21	85	250
실시예 8	5.0	2.5	2.84	83	233
실시예 9	9.5	1.9	2.99	86	240
실시예 10	13.0	1.8	3.12	86	260
실시예 11	4.5	2.6	2.87	85	238
실시예 12	8.8	2.3	2.99	84	245
실시예 13	11.7	2.5	3.14	85	266
실시예 14	3.1	2.7	3.21	84	225
실시예 15	2.9	2.2	3.17	83	239
실시예 16	3.3	2.0	3.04	83	247
실시예 17	4.4	2.1	2.79	84	225
실시예 18	10.5	2.2	2.88	84	241
실시예 19	14.0	2.0	3.01	83	249
실시예 20	5.9	2.2	3.31	82	255
실시예 21	5.0	2.3	3.21	82	248
비교예 1	4.2	2.2	3.8	74	287
비교예 2	25.7	1.9	4.0	68	측정불가

표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 21의 필름은 비교예 1 및 2의 필름에 비해 낮은 유전상수와 높은 투과율을 나타냄을 확인할 수 있었고, 실시예 5 내지 21과 같이 제조예 1의 산 이무수물(제1 산 이무수물)에 일정 몰비의 산 이무수물(제2 산 이무수물)을 추가하여 제조된 필름의 경우에는 비교예 1 및 2에 비해 투과율과 유전율이 우수한 값을 유지하면서도 유리전이온도가 상승하는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

디아민과 산 이무수물이 중합된 폴리아믹산을 이미드화하여 얻어지는 폴리이미드에 있어서, 상기 산 이무수물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것인 폴리이미드.
<화학식 1>
제1항에 있어서, 상기 디아민은 p-페닐렌디아민, m-페닐렌디아민, 2,5-디아미노톨루엔, 2,6-디아미노톨루엔, 1,3-비스(4,4'-아미노페녹시)벤젠, 4,4'-디아미노-1,5-페녹시펜탄, 4,4'-디아미노비페닐, 3,3'-디메틸-4,4'-디아미노비페닐, 3,3'-디메톡시-4,4'-디아미노비페닐, 4,4'-디아미노디페닐에테르, 4,4'-디아미노디페닐메탄, 2,2'-디아미노디페닐프로판, 비스(3,5-디에틸-4-아미노페닐)메탄, 디아미노디페닐술폰, 디아미노벤조페논, 디아미노나프탈렌, 1,4-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 1,4-비스(4-아미노페닐)벤젠, 9,10-비스(4-아미노페닐)안트라센, 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 4,4'-비스(4-아미노페녹시)디페닐술폰, 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]프로판, 2,2'-트리플루오로메틸-4,4'-디아미노비페닐 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 방향족 디아민; 1,4-디아미노시클로헥산, 1,4-시클로헥산비스(메틸아민), 4,4'-디아미노디시클로헥실메탄(MCA), 4,4'-메틸렌 비스(2-메틸 사이클로헥실아민)(MMCA) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 지환식 디아민; 및 에틸렌디아민(EN), 1,3-디아미노프로판(13DAP), 테트라메틸렌디아민, 1,6-헥사메틸렌디아민(16DAH)), 1,12-디아미노도데칸(112DAD) 및 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 지방족 디아민으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리이미드.
제1항에 있어서, 상기 디아민은 1,6-헥사메틸렌디아민(16DAH), 1,12-디아미노도데칸(112DAD), 4,4'-디아미노디시클로헥실메탄(MCA) 및 4,4'-메틸렌 비스(2-메틸 사이클로헥실아민)(MMCA)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리이미드.
제1항에 있어서, 상기 산 이무수물은 2,2-비스(3,4-디카르복시페닐)헥사플루오로프로판 디안하이드라이드(6FDA), 4-(2,5-디옥소테트라하이드로푸란-3-일)-1,2,3,4-테트라하이드로나프탈렌-1,2-디카르복실릭 디안하이드라이드(TDA), 피로멜리틱산 디안하이드라이드(1,2,4,5-벤젠 테트라카르복실릭 디안하이드라이드, PMDA), 벤조페논 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BTDA), 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA), 옥시디프탈릭 디안하이드라이드(ODPA), 비스카르복시페닐 디메틸 실란 디안하이드라이드(SiDA), 비스 디카르복시페녹시 디페닐 설파이드 디안하이드라이드(BDSDA), 술포닐 디프탈릭안하이드라이드(SO₂DPA), 사이클로부탄 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(CBDA), 이소프로필리덴이페녹시 비스 프탈릭안하이드라이드(6HBDA), 비사이클로[2.2.2]-7-옥텐-2,3,5,6-테트라카르복실산 디안하이드라이드(BTA)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리이미드.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 필름.
제5항에 있어서, 상기 폴리이미드 필름은 필름 두께 10 ~ 100㎛를 기준으로 550nm에서의 투과도가 80%이상이고, 1GHz의 유전상수가 3.3 이하인 것을 특징으로 하는 폴리이미드 필름.