KR101813310B1 - 폴리이미드계 필름 형성용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 폴리이미드계 필름 - Google Patents

폴리이미드계 필름 형성용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 폴리이미드계 필름 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 투과도와 함께 고내열성 및 기계적 물성을 갖는 폴리이미드계 필름 제조용 조성물에 관한 것으로, 상기 폴리이미드계 필름 제조용 조성물은 하기 화학식 4의 구조를 갖는 폴리이미드 또는 그 전구체와 용매를 포함하여 이루어지며, 상기 용매는 25℃에서의 분배계수(LogP 값)가 양수인 것이다.
[화학식 4]
Figure 112014053685613-pat00050

상기 화학식 4에서, X 및 Z는 본 명세서 중에서 정의한 바와 동일하다.

Description

폴리이미드계 필름 형성용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 폴리이미드계 필름{COMPOSITION FOR FORMING POLYIMIDE-BASED FILM AND POLYIMIDE-BASED FILM PREPARED BY USING SAME}
본 발명은 개선된 투과도, 초고 내열성 및 내화학성을 갖는 폴리이미드계 필름 형성용 조성물에 관한 것이다.
플렉서블 디바이스는 일반적으로 고온의 TFT(thin film transistor) 공정 기반에서 제조되고 있다. 플렉서블 디바이스의 제조시 디바이스내에 포함되는 반도체층, 절연막 및 배리어층의 종류에 따라 공정 온도가 달라질 수 있지만, 통상 TFT 공정시 300 내지 500℃ 정도의 온도가 필요하다. 그러나, 이러한 공정온도를 견딜 수 있는 폴리머 재료는 극히 제한적이며, 내열성이 우수한 것으로 알려진 폴리이미드가 주로 사용되고 있다.
고온 공정을 수반하는 플렉서블 디바이스는 고온에서의 내열성이 요구되는데, 특히 LTPS(low temperature polysilane) 공정을 사용하는 OLED(organic light emitting diode) 디바이스의 경우 공정온도가 500℃에 근접하기도 한다. 그러나 이러한 온도에서는 내열성이 우수한 폴리이미드라 하더라도 열분해가 되기 쉽다.
따라서, 플렉시블 디바이스 제조를 위해서는 가수분해가 방지되어 우수한 내화학성 및 저장안정성을 나타낼 수 있고, 충분한 기계적 특성과 함께, 고온에서 우수한 열안정성을 나타낼 수 있는 폴리이미드의 개발이 필요하다.
한국특허등록 제1175812호 (2012.08.14 등록) 한국특허등록 제1167483호 (2012.07.13 등록)
본 발명의 목적은 개선된 투과도, 초고 내열성 및 내화학성을 갖는 폴리이미드계 필름을 제조할 수 있는 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 조성물을 이용하여 필름을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 폴리이미드계 필름을 이용하여 제조된 소자용 기판 및 이를 포함하는 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 폴리이미드계 필름 형성용 조성물은, 하기 화학식 4의 구조를 갖는 폴리이미드 또는 그 전구체와 용매를 포함하여 이루어지며, 상기 용매는 25℃에서의 분배계수(LogP 값)가 양수인 것이다.
[화학식 4]
Figure 112014053685613-pat00001
상기 화학식 4에서,
X는 하기 화학식 3a 내지 3c 중 어느 하나의 입체구조를 갖는 지환족 4가 유기기이고,
Figure 112014053685613-pat00002
Z는 하기 화학식 5의 2가 유기기이며,
[화학식 5]
Figure 112014053685613-pat00003
상기 화학식 5에서,
Y는 -CO-NH- 를 포함하고,
R1내지 R3은 각각 독립적으로 할로겐기, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기, 탄소수 1 내지 4의 할로알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이며,
a 내지 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, 그리고
m은 0 내지 3의 정수이다.
상기 용매는 탄소수 2 이상의 알킬기로 치환된 3차아민 일 수 있다.
또, 상기 용매는 탄소수 2 내지 6의 알킬기를 2개 이상 갖는 3차아민일 수 있다.
또, 상기 용매는 N,N-디에틸아세트아마이드, N,N-디에틸포름아마이드, N-에틸피롤리돈 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.
상기 폴리이미드는 하기 화학식 4a 또는 4b의 구조를 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 4a]
Figure 112014053685613-pat00004
[화학식 4b]
Figure 112014053685613-pat00005
본 발명은 또한, 하기 화학식 1의 산 이무수물과 하기 화학식 2의 다이아민계 화합물을 용매 중에서 중합반응 후 이미드화하여 제조한 폴리이미드를 포함하며, 상기 용매는 25℃에서의 분배계수(LogP 값)가 양수인 것인 폴리이미드계 필름을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112014053685613-pat00006
[화학식 2]
Figure 112014053685613-pat00007
상기 화학식 1 및 2에서,
X는 하기 화학식 3a 내지 3c 중 어느 하나의 입체구조를 갖는 지환족 4가 유기기이고,
Figure 112014053685613-pat00008
Y는 -CO-NH- 를 포함하며,
R1내지 R3은 각각 독립적으로 할로겐기, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기, 탄소수 1 내지 4의 할로알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
a 내지 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, 그리고
m은 0 내지 3의 정수이다.
상기 폴리이미드계 필름은 두께 10 내지 15㎛에서 두께 방향의 위상차값(Rth)이 500nm 이상인 것일 수 있다.
또, 상기 폴리이미드계 필름은 100 내지 350℃에서의 열팽창계수가 50ppm/K 이하인 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 폴리이미드 또는 그 전구체를 포함하는 폴리이미드계 필름 형성용 조성물을 제조하는 단계; 그리고
상기 폴리이미드계 필름 형성용 조성물을 기판의 일면에 도포하고 경화한 후, 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하며,
상기 폴리이미드는 하기 화학식 1의 산 이무수물과 하기 화학식 2의 다이아민계 화합물을 25℃에서의 분배계수(LogP 값)가 양수인 용매 중에서 중합반응 후 이미드화하여 제조한 것인 폴리이미드계 필름의 제조방법을 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112014053685613-pat00009
[화학식 2]
Figure 112014053685613-pat00010
상기 화학식 1 및 2에서,
X는 하기 화학식 3a 내지 3c 중 어느 하나의 입체구조를 갖는 지환족 4가 유기기이고,
Figure 112014053685613-pat00011
Y는 -CO-NH- 를 포함하며,
R1내지 R3은 각각 독립적으로 할로겐기, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기, 탄소수 1 내지 4의 할로알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
a 내지 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, 그리고
m은 0 내지 3의 정수일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 소자용 기판은, 상기한 폴리이미드계 필름을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 소자는, 상기한 폴리이미드계 필름을 포함할 수 있다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 폴리이미드계 필름은 개선된 투과도, 초고 내열성 및 내화학성을 나타낸다. 그 결과 상기 폴리이미드계 필름은 태양전지, 유기발광다이오드, 반도체 소자, 또는 플렉서블 디스플레이 소자 등 다양한 소자에서의 기판으로서 유용하다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 모든 화합물 또는 작용기는 특별한 언급이 없는 한 치환되거나 비치환된 것일 수 있다. 여기서, '치환된'이란 화합물 또는 작용기에 포함된 적어도 하나의 수소가 할로겐 원자, 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 할로겐화알킬기, 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 하이드록시기, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기, 카르복실산기, 알데히드기, 에폭시기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 술폰산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 치환기로 대체된 것을 의미한다.
또한 본 명세서에서 '이들의 조합'이란 특별한 언급이 없는 한, 둘 이상의 작용기가 단일결합, 이중결합, 삼중결합, 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기(예를 들면, 메틸렌기(-CH2-),에틸렌기(-CH2CH2-),등), 탄소수 1 내지 10의 플루오로알킬렌기(예를들면, 플루오로메틸렌기(-CF2-),퍼플루오로에틸렌기(-CF2CF2-)등), N, O, P, S, 또는 Si와 같은 헤테로 원자 또는 이를 포함하는 작용기(구체적으로는, 분자내 카르보닐기(-C=O-), 에테르기(-O-), 에스터기(-COO-), -S-, -NH- 또는 -N=N- 등을 포함하는 헤테로알킬렌기)와 같은 연결기에 의해 결합되어 있거나, 또는 둘 이상의 작용기가 축합, 연결되어 있는 것을 의미한다.
본 발명은 하기 화학식 1의 산 이무수물과 하기 화학식 2의 다이아민계 화합물로부터 유래된 폴리이미드 또는 그 전구체와 용매를 포함하되, 상기 용매가 25℃에서의 분배계수(LogP 값)가 양수인 것인 폴리이미드계 필름 형성용 조성물 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112014053685613-pat00012
[화학식 2]
Figure 112014053685613-pat00013
상기 화학식 1 및 2에서,
X는 하기 화학식 3a 내지 3c 중 어느 하나의 입체구조를 갖는 지환족 4가 유기기이고,
Figure 112014053685613-pat00014
Y는 -CO-NH- 을 포함하며,
R1내지 R3은 각각 독립적으로 할로겐기, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기, 탄소수 1 내지 4의 할로알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
a 내지 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, 그리고
m은 0 내지 3의 정수일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 상기한 폴리이미드계 필름의 제조방법은, 폴리이미드 또는 그 전구체를 포함하는 폴리이미드계 필름 형성용 조성물을 제조하는 단계; 상기 폴리이미드계 필름 형성용 조성물을 기판의 일면에 도포하고 경화한 후, 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하며, 상기 폴리이미드는 상기 화학식 1의 산 이무수물과 상기 화학식 2의 다이아민계 화합물을 25℃에서의 분배계수(LogP 값)가 양수인 용매 중에서 중합반응 후 이미드화하여 제조한 것이다.
본 발명은 또한 상기한 폴리이미드계 필름의 제조에 유용한 하기 화학식 4의 구조를 포함하는 폴리이미드를 제공한다:
[화학식 4]
Figure 112014053685613-pat00015
상기 화학식 4에서,
X는 하기 화학식 3a 내지 3c 중 어느 하나의 입체구조를 갖는 지환족 4가 유기기이고,
Figure 112014053685613-pat00016
Z는 하기 화학식 5의 2가 유기기이며,
[화학식 5]
Figure 112014053685613-pat00017
상기 화학식 5에서, Y는 -CO-NH- 을 포함하며,
R1내지 R3은 각각 독립적으로 할로겐기, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기, 탄소수 1 내지 4의 할로알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
a 내지 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, 그리고
m은 0 내지 3의 정수일 수 있다.
본 발명은 또한 상기한 폴리이미드계 필름을 포함하는 소자용 기판을 제공한다.
본 발명은 또한 상기한 폴리이미드계 필름을 포함하는 소자를 제공한다.
이하, 발명의 구현예에 따른 폴리이미드계 필름 형성용 조성물, 이를 이용한 폴리이미드계 필름 제조방법, 그리고 상기 폴리이미드계 필름을 포함하는 소자용 기판 및 소자에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 하기 화학식 4의 구조를 갖는 폴리이미드 또는 그 전구체와 용매를 포함하여 이루어지며, 상기 용매는 25℃에서의 분배계수(LogP 값)가 양수인 것인 폴리이미드계 필름 형성용 조성물이 제공된다:
[화학식 4]
Figure 112014053685613-pat00018
상기 화학식 4에서,
X는 하기 화학식 3a 내지 3c 중 어느 하나의 입체구조를 갖는 지환족 4가 유기기이고,
Figure 112014053685613-pat00019
Z는 하기 화학식 5의 2가 유기기이며,
[화학식 5]
Figure 112014053685613-pat00020
상기 화학식 5에서,
Y는 -CO-NH- 를 포함하고,
R1내지 R3은 각각 독립적으로 할로겐기, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기, 탄소수 1 내지 4의 할로알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이며,
a 내지 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, 그리고
m은 0 내지 3의 정수이다.
상기 용매의 분배계수는 ACD/Labs 사의 ACD/Percepta platform의 ACD/LogP module을 사용하여 계산될 수 있으며, ACD/LogP module은 분자의 2D 구조를 이용하여 QSPR (Quantitative Structure-Property Relationship) 방법론 기반의 알고리즘을 이용한다. 보다 구체적으로 분배계수 LogP 값은 0.01 내지 3, 또는 0.1 내지 2, 또는 0.1 내지 1 일 수 있다.
상기 분배계수 값이 양수인 경우에는 용매의 극성이 소수성임을 의미하는데, 본 발명자들의 연구에 따르면 상기 용매를 사용하여 폴리이미드 또는 그 전구체의 용액을 제조하고, 이를 이용하여 폴리이미드계 필름은 제조하면 우수한 투명도와 함께 높은 내열성과 기계적 특성을 갖는 필름을 얻을 수 있다는 사실을 발견하였다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 용매는 탄소수 2 이상의 알킬기로 치환된 3차아민일 수 있고, 더욱 바람직하게는 탄소수 2 내지 6의 알킬기를 2개 이상 갖는 3차아민일 수 있다. 더욱 구체적으로 예를 들면, N,N-디에틸아세트아마이드, N,N-디에틸포름아마이드, N-에틸피롤리돈 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.
상기 화학식 4의 폴리이미드는 하기 화학식 1의 산 이무수물과 하기 화학식 2의 다이아민계 화합물을 전술한 용매 중에서 중합반응 후 이미드화하여 제조될 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112014053685613-pat00021
[화학식 2]
Figure 112014053685613-pat00022
상기 화학식 1 및 2에서,
X는 하기 화학식 3a 내지 3c 중 어느 하나의 입체구조를 갖는 지환족 4가 유기기이고,
Figure 112014053685613-pat00023
Y는 -CO-NH- 을 포함하며,
R1내지 R3은 각각 독립적으로 할로겐기, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기, 탄소수 1 내지 4의 할로알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고, 구체적으로는 불소, 메틸기, 메톡시기, 및 트리플루오로메틸기로 이루어진 군에서 선택되는 것이며,
a 내지 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, 그리고
m은 0 내지 3의 정수일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 폴리이미드는 하기 화학식 4a 또는 4b의 구조를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 폴리이미드계 필름은 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
[화학식 4a]
Figure 112014053685613-pat00024
[화학식 4b]
Figure 112014053685613-pat00025
보다 구체적으로, 상기 폴리이미드계 필름은 두께 10 내지 15㎛에서 두께 방향의 위상차값(Rth)이 500nm 이상인 것일 수 있다.
상기 폴리이미드계 필름은 100 내지 350℃에서의 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)가 50ppm/K 이하인 고내열성의 폴리이미드 필름일 수 있다.
상기와 같은 광학적 특성과 함께 고내열성, 우수한 기계적 강도 및 내화학성을 갖는 폴리이미드계 필름은, 상기 화학식 4의 구조를 포함하는 폴리이미드 또는 그 전구체를 포함하는 폴리이미드계 필름 형성용 조성물을 제조하는 단계; 그리고 상기 폴리이미드계 필름 형성용 조성물을 기판의 일면에 도포하고 경화한 후, 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 폴리이미드계 필름의 제조에 사용되는 상기 화학식 4의 구조를 포함하는 폴리이미드는, 상기 화학식 1의 산 이무수물과 상기 화학식 2의 다이아민계 화합물을 용매 중에서 중합반응 후 이미드화하여 제조한 것일 수 있다.
상기 폴리이미드의 제조에 사용가능한 화학식 1의 산 이무수물은, 상기 화학식 1에서의 작용기 X를 포함하는 시클로헥산 테트라카르복실산 이무수물일 수 있으며, 보다 구체적으로는 하기 화학식 6a 내지 6c로 이루어진 군에서 선택되는 1,2,4,5-사이클로헥산 테트라카르복실산 이무수물의 이성질체일 수 있다.
[화학식 6a]
Figure 112014053685613-pat00026
[화학식 6b]
Figure 112014053685613-pat00027
[화학식 6c]
Figure 112014053685613-pat00028
시클로헥산 테트라카르복실산 이무수물로부터 유래하는 시클로헥산 테트라카르복실산 골격을 갖는 폴리이미드는 고분자량화가 용이하고, 필름 제조시 필름의 유연성이 우수하며, 또, 용제에 대한 용해도가 커 우수한 성형 가공성을 나타낼 수 있으며 고내열, 고투명성, 저유전율, 고인성을 나타낸다.
더 나아가 상기와 같은 입체 구조를 갖는 이성질체는 디아민과의 중합반응성이 높고, 또 관능기인 산무수물기가 공간적으로 떨어져 위치하기 때문에, 입체 장해로 인한 중합 반응성의 저하의 우려가 없다. 그 결과 폴리이미드의 제조시 충분한 중합도로 중합되어 충분한 막 인성을 나타낼 수 있는 고분자량체를 얻을 수 있다.
이에 따라 폴리이미드의 제조시 1,2,4,5-사이클로헥산 테트라카르복실산, 1,2,4,5-사이클로헥산 테트라카르복실산의 에스테르화물, 또는 1,2,4,5-사이클로헥산 테트라카르복실산 염이 사용되는 경우에는, 이성질화 및 무수물화 반응이 선택적으로 더 실시될 수 있다.
한편, 상기 폴리이미드의 제조시 사용가능한 화학식 2의 다이아민계 화합물은, 2개 이상의 방향족 탄화수소기가 아미드 결합(-CO-NH-)에 의해 연결된 구조를 포함하는 다이아민계 화합물일 수 있다. 2개의 방향족 탄화수소
특히 상기 화학식 2의 다이아민계 화합물 중에서 3개 이상의 방향족 탄화수소기가 아미드 결합에 의해 연결된 구조를 포함하는 다이아민계 화합물을 예로 들면 하기 화학식 7a 내지 7i로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다:
Figure 112014053685613-pat00029
상기한 산 이무수물과 다이아민계 화합물은 최종 제조되는 폴리이미드의 물성적 특성을 고려하여 적절한 반응비로 사용되는 것이 바람직하다. 구체적으로는 상기 화학식 1의 산 이무수물 1몰에 대하여 화학식 2의 다이아민계 화합물은 0.9 내지 1.1의 몰비로 사용되는 것이 바람직할 수 있다. 함량비가 상기 범위를 벗어날 경우 제조되는 폴리이미드의 이미드화율 또는 분자량이 낮아져 필름 형성이 어려워질 우려가 있다.
또, 상기 중합 반응은 약 10 내지 30℃ 미만의 온도, 혹은 약 15 내지 25℃의 온도, 혹은 실온에서, 약 0.5 내지 5시간, 혹은 약 1 내지 3시간 동안 중합반응 시킨 후, 약 30 내지 65℃의 온도에서, 혹은 약 40 내지 60℃의 온도에서, 약 5시간 내지 50시간, 혹은 약 10시간 내지 40시간, 혹은 약 20 내지 30 시간 동안 중합 반응을 실시하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 중합 반응의 결과로, 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산이 제조된다.
상기 폴리아믹산은 산 무수물기와 아미노기의 반응에 따른 -CO-NH-기 및―CO-OR기(이때 R은 수소원자 또는 알킬기임)를 포함하는 산 또는 상기 산의 유도체로서, 하기 화학식 8의 구조를 갖는 것일 수 있다:
[화학식 8]
Figure 112014053685613-pat00030
상기 화학식 8에서, X 및 Z는 앞서 정의한 바와 동일하다.
이어서 상기 중합 반응의 결과로 수득된 폴리아믹산에 대해 이미드화 공정이 실시된다. 이때, 상기 이미드화 공정은 구체적으로 화학 이미드화 또는 열 이미드화 방법으로 실시될 수 있다.
구체적으로 화학 이미드화는 무수 아세트산, 무수 프로피온산, 무수 안식향산 등의 산 무수물 또는 이의 산 클로라이드류; 디시클로헥실 카르보디이미드 등의 카르보디이미드 화합물 등의 탈수제를 사용하여 실시될 수 있다. 이때 상기 탈수제는 상기한 산 이무수물 1몰에 대해, 0.1 내지 10몰의 함량으로 사용되는 것이 바람직할 수 있다.
또, 상기 화학 이미드화시 60 내지 120℃의 온도에서의 가열 공정이 함께 실시될 수도 있다.
또, 열 이미드화의 경우 80 내지 400℃ 온도에서의 열처리에 의해 실시될 수 있으며, 이때 탈수 반응의 결과로 생기는 물을 벤젠, 톨루엔, 크실렌 등을 이용하여 공비 제거하는 공정이 함께 실시되는 것이 보다 바람직할 수 있다.
한편, 상기 화학 또는 열 이미드화 공정은 피리딘, 이소퀴놀린, 트리메틸아민, 트리에틸 아민, N,N-디메틸아미노피리딘, 이미다졸, 1-메틸피페리딘, 1-메틸피페라진 등의 염기 촉매 하에서 실시될 수 있다. 이때 상기 염기 촉매는 상기한 산 이무수물 1몰에 대해 0.1 내지 5몰의 함량으로 사용될 수 있다.
상기와 같은 이미드화 공정에 의해 폴리아믹산 분자내 -CO-NH-의 H와 -CO-OH의 OH가 탈수하여, 환형 화학 구조(-CO-N-CO-)를 갖는 상기 화학식 1의 폴리이미드가 제조된다.
이때, 제조된 상기 화학식 4의 폴리이미드는 중합 반응시 사용된 유기용매 중에 용해된 용액 상태로 수득되며, 상기 용액 중에는 이미드화되지 않은 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산이 포함되어 있을 수도 있다.
이에 따라, 제조된 폴리이미드 또는 그 전구체는 고체분으로서 분리된 후, 유기용매에 재용해하여 사용될 수도 있고, 또는 수득된 용액 상태 그대로 사용될 수도 있다. 상기 폴리이미드의 분리공정은 상기 결과로 수득된 용액에 메탄올, 이소프로필 에테르 등의 폴리이미드에 대한 빈용매를 첨가하여 폴리이미드를 침전시킨 후 여과, 세척, 건조 등의 공정을 통해 실시될 수 있으며, 또, 이후 재용해 용매로서는 상기 중합반응시 사용된 유기용매와 동일한 것이 사용될 수 있다.
상기와 같은 방법에 의해 제조된 폴리이미드는, 높은 광투과성과 함께 우수한 초고 내열성 및 우수한 내화학성을 갖는 폴리이미드계 필름의 제조가 가능하다. 구체적으로, 상기 폴리이미드는 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산을 포함하는 조성물을 도포하고 500℃ 이상의 온도에서 이미드화를 진행한 후에 IR 스펙트럼의 1350 내지 1400cm-1또는 1550 내지 1650cm-1에서 나타나는 CN 밴드의 적분 강도 100%에 대하여, 200℃ 이상의 온도에서 이미드화를 진행한 후의 CN 밴드의 상대적 적분 강도 비율을 이미드화율이라 할 때, 약 60% 내지 99%, 혹은 약 70% 내지 98%, 혹은 약 75 내지 96%의 이미드화율을 갖는 것일 수 있다.
또, 상기 폴리이미드는 10,000 내지 200,000g/mol, 혹은 20,000 내지 100,000g/mol의 폴리스티렌 환산의 중량평균 분자량 및 1.5 내지 2.5 의 분자량 분포(Mw/Mn)를 갖는 것일 수 있다.
상기 폴리이미드의 이미드화율, 중량평균 분자량 또는 분자량 분포가 상기한 범위를 벗어날 경우 필름 형성이 어려울 수 있거나 또는 투과도, 내열성 및 기계적 특성 등 폴리이미드계 필름의 특성이 저하될 우려가 있다.
또, 상기 폴리이미드는 약 400℃ 이상, 혹은 400 내지 450℃의 유리전이온도를 갖는 것일 수 있다. 이와 같이 우수한 내열성을 갖기 때문에 상기 폴리이미드를 포함하는 필름은 소자 제조 공정 중에 부가되는 고온의 열에 대해서도 우수한 내열성을 나타낼 수 있다. 그 결과, 상기 폴리이미드계 필름을 디스플레이 기판으로 사용하고, 상기 디스플레이 기판 상에서 소자를 제조하는 공정 중에도 휨의 발생 및 기타 소자의 신뢰성 저하 발생을 억제하여 보다 향상된 특성 및 신뢰성을 갖는 소자의 제조가 가능하다. 따라서, 상기 폴리이미드는 OLED 또는 LCD, 전자종이, 태양전지와 같은 전자기기에서의 플렉서블 기판의 제조에 특히 유용하게 사용될 수 있다.
한편, 상기한 제조방법에 따라 제조한 폴리이미드 또는 그 전구체를 이용한 폴리이미드계 필름의 제조에 있어서, 상기 폴리이미드계 필름 형성용 조성물은 상기한 폴리이미드 또는 그 전구체를 유기용매와 혼합하여 제조될 수 있다.
상기 폴리이미드계 필름 형성용 조성물의 제조에 있어서 사용가능한 유기용매는 용액 중합에 의한 폴리이미드 또는 그 전구체의 제조시 사용된 용매와 동일한 것일 수 있다. 다만, 상기 유기용매는 필름 형성 공정시의 도포성 등의 공정성을 고려하여 적절한 상기 필름 형성용 조성물이 적절한 점도를 갖도록 하는 양으로 포함되는 것이 바람직하다. 구체적으로는 상기 폴리이미드계 필름 형성용 조성물이 400 내지 20,000cP의 점도를 갖도록 하는 양으로 포함되는 것이 바람직할 수 있다. 유기용매의 함량이 지나치게 적어 폴리이미드계 필름 형성용 조성물의 점도가 400cP 미만이거나, 유기용매의 함량이 지나치게 많아 폴리이미드계 필름 형성용 조성물의 함량이 20,000cP를 초과할 경우 폴리이미드계 필름 형성용 조성물을 이용한 디스플레이 기판의 제조시 공정성이 저하될 우려가 있다.
한편, 상기 폴리이미드계 필름 형성용 조성물이 폴리이미드의 전구체를 포함하는 경우, 상기 산 이무수물과 다이아민계 화합물을 중합용매 중에서 중합 반응 후 결과로 수득된 폴리아믹산 함유 용액이 사용될 수도 있다.
또, 상기 폴리이미드 또는 그 전구체를 포함하는 폴리이미드계 필름 형성용 조성물은, 통상 폴리이미드계 필름 형성에 사용되는 바인더, 용매, 가교제, 개시제, 분산제 가소제, 점도조절제, 자외선 흡수제, 감광성 모노머 또는 증감제 등의 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
다음으로, 상기에서 제조한 폴리이미드계 필름 형성용 조성물을 기판의 일면에 도포하고 80 내지 400℃ 온도에서 경화한 후, 기판으로부터 분리함으로써 폴리이미드계 필름이 제조된다.
이때 상기 기판으로는 유리, 금속기판 또는 플라스틱 기판 등이 특별한 제한없이 사용될 수 있으며, 이중에서도 폴리이미드 전구체에 대한 경화 공정 중 열 및 화학적 안정성이 우수하고, 별도의 이형제 처리 없이도, 경화 후 형성된 폴리이미드계 필름에 대해 손상없이 용이하게 분리될 수 있는 유리 기판이 바람직할 수 있다.
또, 상기 도포 공정은 통상의 도포 방법에 따라 실시될 수 있으며, 구체적으로는 스핀코팅법, 바코팅법, 롤코팅법, 에어-나이프법, 그라비아법, 리버스 롤법, 키스 롤법, 닥터 블레이드법, 스프레이법, 침지법 또는 솔질법 등이 이용될 수 있다. 이중에서도 연속 공정이 가능하며, 폴리이미드계 수지의 이미드화율을 증가시킬 수 있는 캐스팅법에 의해 실시되는 것이 보다 바람직할 수 있다.
또, 상기 폴리이미드계 필름 형성용 조성물은 최종 제조되는 폴리이미드계 필름이 디스플레이 기판용으로 적합한 두께를 갖도록 하는 두께 범위로 기판 위에 도포될 수 있다. 구체적으로는 10 내지 30㎛의 두께가 되도록 하는 양으로 도포될 수 있다.
상기 폴리이미드계 필름 형성용 조성물의 도포 후, 경화 공정에 앞서 폴리이미드계 필름 형성용 조성물 내에 존재하는 유기용매를 제거하기 위한 건조공정이 선택적으로 더 실시될 수 있다.
상기 건조공정은 통상의 방법에 따라 실시될 수 있으며, 구체적으로 140℃ 이하, 혹은 80 내지 140℃의 온도에서 실시될 수 있다. 건조 공정의 실시 온도가 80℃ 미만이면 건조 공정이 길어지고, 140℃를 초과할 경우 이미드화가 급격히 진행되어 균일한 두께의 폴리이미드계 필름 형성이 어렵다.
이어서, 상기 경화 공정은 80 내지 400℃ 온도에서의 열처리에 의해 진행될 수 있다. 상기 경화 공정은 상기한 온도범위 내에서 다양한 온도에서의 다단계 가열처리로 진행될 수도 있다. 또, 상기 경화 공정시 경화 시간은 특별히 한정되지 않으며, 일 예로서 3 내지 30분 동안 실시될 수 있다.
또, 상기 경화 공정 후에 폴리이미드계 필름내 폴리이미드계 수지의 이미드화율을 높여 상술한 물성적 특징을 갖는 폴리이미드계 필름을 형성하기 위해 후속의 열처리 공정이 선택적으로 더 실시될 수도 있다.
상기 후속의 열처리 공정은 200℃ 이상, 혹은 200 내지 380℃에서 1분 내지 30분 동안 실시되는 것이 바람직하다. 또 상기 후속의 열처리 공정은 1회 실시될 수도 있고 또는 2회 이상 다단계로 실시될 수도 있다. 구체적으로는 200 내지 220℃에서의 제1열처리, 300 내지 380℃에서의 제2열처리를 포함하는 2단계로 실시될 수 있다.
이후, 기판 위에 형성된 폴리이미드계 필름을 통상의 방법에 따라 기판으로부터 박리함으로써 폴리이미드계 필름이 제조될 수 있다.
상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 폴리이미드계 필름은 상기 화학식 4의 폴리이미드를 포함함으로써, 높은 투명성과 함께 고내열성 및 기계적 강도를 나타내며, 또 비등방성을 나타낸다. 그 결과, 상기 폴리이미드계 필름은 OLED 또는 LCD, 전자종이, 태양전지 등 고투명성과 우수한 내열성 및 기계적 강도가 요구되는 소자의 기판으로 유용하다. 구체적으로 상기 폴리이미드계 필름은 상기 폴리이미드계 필름은 두께 10 내지 15㎛에서 두께 방향의 위상차값(Rth)이 500nm 이상, 혹은 700nm 이상인 것일 수 있다. 또, 상기 폴리이미드계 필름은 100 내지 350℃에서의 열팽창계수(CTE)가 50ppm/K 이하, 혹은 40 ppm/K 이하인 것일 수 있다.
이에 따라 본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기한 폴리이미드계 필름을 포함하는 디스플레이 기판 및 소자가 제공될 수 있다.
구체적으로는 상기 소자는 가요성 기판을 갖는 임의의 태양전지(예를 들어, 플렉서블 태양전지), 유기발광다이오드(OLED) 조명(예를 들어, 플렉서블 OLED 조명), 가요성 기판을 갖는 임의의 반도체 소자, 또는 가요성 기판을 갖는 유기전계발광소자, 전기 영동 소자 또는 LCD 소자 등의 플렉서블 디스플레이 소자일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1
1R,2S,4S,5R-사이클로헥산 테트라카르복실산 이무수물(PMDA-HS) 15 g을 질소 분위기하에서 무수 DEAc(Diethylacetamide) 40 g에 20분 동안에 걸쳐 용해시켰다. 결과로 수득된 PMDA-HS/DEAc 용액에 다이아민계 화합물로서 화학식 4a의 4-아미노-N-(4-아미노페닐)벤즈아미드(4-amino-N-(4-aminophenyl)benzamide, DABA) 15.2 g을 무수 DEAc 40g에 용해시켜 제조한 DABA/DEAc 용액을 첨가하고 25℃에서 2시간 동안 반응시킨 후, 온도를 40℃로 증가시켜 24시간 동안 반응시켰다. 결과로 수득된 반응 용액에 DEAc를 첨가하여 반응용액의 점도가 10,000 cP가 되도록 고형분 중량%를 조절한 후, 24시간 동안 균일하게 혼합하여 폴리이미드 전구체 용액을 제조하였다.
제조된 폴리이미드 전구체 용액을 20㎛의 두께로 유리 기판에 스핀 코팅하였다. 폴리이미드 전구체 용액이 도포된 유리 기판을 오븐에 넣고 2℃/min의 속도로 가열하였으며, 80℃에서 15분, 150℃에서 30분, 220℃에서 30분, 350℃에서 1시간을 유지하여 경화 공정을 진행하였다. 경화 공정 완료 후에, 유리 기판을 물에 담구어 유리 기판 위에 형성된 필름을 떼어내어 오븐에서 100℃로 건조하였다. 결과로 하기 화학식 4a의 구조를 포함하는 폴리이미드의 필름을 제조하였다.
Figure 112014053685613-pat00031
(4a)
실시예 2
상기 실시예 1에서 DABA 대신에 하기 화학식 7a의 다이아민계 화합물 및 DEAc용매 대신에 N-에틸피롤리돈(N-ethylpyrrolidone, NEP)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 하기 화학식 4b의 폴리이미드를 제조하였다.
Figure 112014053685613-pat00032
(4b)
Figure 112014053685613-pat00033
(7a)
분배계수
먼저, ACD/Labs 사의 ACD/Percepta platform의 ACD/LogP module (여기서, ACD/LogP module은 분자의 2D 구조를 이용하여 QSPR (Quantitative Structure-Property Relationship)방법론 기반의 알고리즘법) 을 사용하여 계산된 25℃에서의 분배계수(LogP 값)는 다음과 같다.
용매 DEF DMF DEAc DMAc NMP NEP
LogP (25℃) 0.05 -1.01 0.32 -0.75 -0.28 0.22
상기 표 1에서, 영문 약어는 아래와 같은 의미이다:
DMAc: N,N-디메틸아세트아마이드(N,N-Dimethylacetamide)
DEAc: N,N-디에틸아세트아마이드(N,N-Diethylacetamide)
DEF: N,N-디에틸포름아마이드(N,N-
DMF: N,N-디메틸포름아마이드(N,N-
NMP: N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone)
NEP: N-에틸피롤리돈(N-ethylpyrrolidone)
실험예 1
상기 실시예에서 제조한 각각의 폴리이미드계 필름에 대하여 하기와 같은 방법으로 투과도, 황변, 위상차값, 유리전이온도(Tg), 1% 열분해온도(Td1%), 열팽창계수(CTE) 등의 물성을 측정하였다.
상세하게는 폴리이미드계 필름의 투과도는 JIS K 7105에 의거하여 투과율계(모델명 HR-100, Murakami Color Research Laboratory 제조)로 측정하였다.
황색도(Yellowness Index, YI)는 색차계(Color Eye 7000A) 를 이용하여 측정하였다.
필름의 면 방향 위상차(Rin) 및 두께 방향 위상차(Rth)는 Axoscan을 이용하여 측정하였다. 필름을 일정한 크기로 잘라 두께를 측정한 다음 Axoscan 으로 위상차를 측정하여 위상차 값을 보상하기 위하여 C-plate 방향으로 보정하면서 측정한 두께를 입력하였다. 이때의 굴절률은 측정하는 폴리이미드의 굴절률을 입력하여 측정하였다.
또 필름의 유리전이온도(Tg), 열팰창계수(CTE)는 TA사의 Q400을 이용하여 측정하였다. 필름을 5x20mm 크기로 준비한 뒤 악세서리를 이용하여 시료를 로딩한다. 실제 측정되는 필름의 길이는 16mm로 동일하게 하였다. 필름을 당기는 힘을 0.02N으로 설정하고, 측정시작 온도는 30℃에서 5℃/min의 속도로 350℃까지 가열하여 300~350℃의 범위에서의 평균값으로서 폴리이미드계 필름의 선열팽창 계수를 측정하였다.
또, 필름의 기계적 물성(모듈러스, 최고 스트레스, 최고 연신율)을 측정하기 위해 Zwick사의 UTM을 사용하였다. 필름을 가로 5mm, 세로 60mm 이상으로 자른 후 그립 간의 간격은 40mm로 설정하여 20mm/min의 속도로 샘플을 당기면서 측정되는 값을 확인하였다.
또, 내화학성은 실시예 1 및 2의 필름을 가로 세로 30 mm로 절단하여 NEP, DEAc, stripper(LGP202) 그리고 ITO용 etchant 용액 각각에 필름을 담근 다음 60℃에서 30min 방치 후 필름의 상태를 확인하는 방법으로 측정하였다. 용액으로부터 꺼낸 필름을 80℃에서 건조한 후 용해되거나 백탁 또는 치수변화가 생기지 않은 상태이면 Good 이라고 평가하였다.
이상과 같이 측정한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2
두께(㎛) 12.0 12.0
투과도(550nm)(%) 90.1 90
YI(황변) 5.8 8
Rin(nm) 0.33 0.28
Rth(nm) 564 787
Td1%(℃) 480 480
Tg(℃) 406 420
CTE(ppm/K) 28 15
내화학성 Good Good
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2의 폴리이미드계 필름은, 보다 우수한 투명도와 함께 높은 내열성과 기계적 특성을 갖는 필름임을 알 수 있다.
비교예 2: 중합 용매의 종류에 따른 폴리이미드 필름의 물성평가
중합용매로서 하기 표 3에 기재된 용매를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1 및 2에서와 동일한 방법으로 실시하여 폴리이미드계 필름을 제조하고, 제조한 폴리이미드계 필름에 대해 상기 시험예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 물성을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
비교예 1 비교예 2
산이무수물 PMDA-HS PMDA-HS
다이아민 DABA DATA
용매 NMP NMP
두께(㎛) 12 12
투과도(550nm)(%) 90 90
YI(황변) 6.1 8.6
Rin(nm) 0.2 0.1
Rth(nm) 540 730
Td1%(℃) 480 480
Tg(℃) 406 420
CTE(ppm/K) 34 24
내화학성 Good Good
상기 표 2 및 표 3의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리이미드계 필름 형성용 조성물로 제조된 필름은 25℃ 분배계수가 양수인 조건을 충족하는 용매를 사용함으로써, 투과도 및 황색도, 특히 내열성 면에서 보다 우수한 것을 알 수 있다.
이 같은 실험결과로부터 폴리이미드 형성용 단량체의 구성 요건과 함께 중합 용매의 조건 또한 동시에 충족할 경우, 본 발명에 따른 효과의 개선 정도가 현저함을 알 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. 하기 화학식 4a 또는 4b의 구조를 갖는 폴리이미드 또는 그 전구체와,
    [화학식 4a]
    Figure 112017114538240-pat00055

    [화학식 4b]
    Figure 112017114538240-pat00056

    25℃에서의 분배계수(LogP 값)가 양수인 용매를 포함하며, 상기 용매는 N,N-디에틸포름아마이드, N-에틸피롤리돈 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 폴리이미드계 필름 형성용 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 산 이무수물과 다이아민계 화합물을 용매 중에서 중합반응 후 이미드화하여 제조한 하기 화학식 4a 또는 4b의 구조를 갖는 폴리이미드를 포함하며, 상기 용매는 25℃에서의 분배계수(LogP 값)가 양수인 N,N-디에틸포름아마이드, N-에틸피롤리돈 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 폴리이미드계 필름:
    [화학식 4a]
    Figure 112017114538240-pat00057

    [화학식 4b]
    Figure 112017114538240-pat00058
    .
  7. 제6항에 있어서,
    두께 10 내지 15㎛에서 두께 방향의 위상차값(Rth)이 500nm 이상인 폴리이미드계 필름.
  8. 제6항에 있어서,
    100 내지 350℃에서의 열팽창계수가 50ppm/K 이하인 폴리이미드계 필름.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 폴리이미드 또는 그 전구체를 포함하는 폴리이미드계 필름 형성용 조성물을 제조하는 단계; 그리고
    상기 폴리이미드계 필름 형성용 조성물을 기판의 일면에 도포하고 경화한 후, 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하며,
    상기 폴리이미드는 산 이무수물과 다이아민계 화합물을 25℃에서의 분배계수(LogP 값)가 양수인 N,N-디에틸포름아마이드, N-에틸피롤리돈 또는 이들의 혼합물을 포함하는 용매 중에서 중합반응 후 이미드화하여 제조한 것으로서 하기 화학식 4a 또는 4b의 구조를 포함하는 것인 폴리이미드계 필름의 제조방법:
    [화학식 4a]
    Figure 112017114538240-pat00059

    [화학식 4b]
    Figure 112017114538240-pat00060
    .
  12. 제6항에 따른 폴리이미드계 필름을 포함하는 소자용 기판.
  13. 제6항에 따른 폴리이미드계 필름을 포함하는 소자.
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