KR102224506B1 - 폴리아믹산 조성물, 폴리아믹산 조성물의 제조 방법 및 이를 포함하는 폴리이미드 - Google Patents

폴리아믹산 조성물, 폴리아믹산 조성물의 제조 방법 및 이를 포함하는 폴리이미드 Download PDF

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Abstract

본 출원은 폴리아믹산 조성물, 폴리아믹산 조성물의 제조 방법 및 이를 포함하는 폴리이미드에 관한 것으로서, 낮은 유전율과 내열성 및 고온 등 가혹조건에서의 기계적 특성을 동시에 구현할 수 있는 폴리아믹산 조성물, 폴리아믹산 조성물의 제조방법 및 이를 포함하는 폴리이미드를 제공한다.

Description

폴리아믹산 조성물, 폴리아믹산 조성물의 제조 방법 및 이를 포함하는 폴리이미드{POLYAMIC ACID COMPOSITION, METHOD FOR PREPARING POLYAMIC ACID COMPOSITION AND POLYIMIDE COMPRISING THE SAME}
본 출원은 폴리아믹산 조성물, 폴리아믹산 조성물의 제조 방법 및 이를 포함하는 폴리이미드에 관한 것이다.
폴리이미드(polyimide, PI)는 강직한 방향족 주쇄를 기본으로 하는 열적 안정성을 가진 고분자 물질로 이미드 고리의 화학적 안정성을 기초로 하여 우수한 강도, 내화학성, 내후성, 내열성 등의 기계적 특성을 가진다.
최근에는 각종 전자기기가 박형화, 경량화 및 소형화됨에 따라 가볍고 유연성이 우수한 박형의 폴리이미드 필름을 회로기판의 절연소재 또는 디스플레이용 유리기판을 대체할 수 있는 디스플레이 기판으로 사용하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다.
폴리이미드는 절연 특성, 낮은 유전율과 같은 뛰어난 전기적 특성으로 전자, 통신, 광학 등 광범위한 산업 분야에 적용되고 있으나, 일정 수준 이하의 유전율을 구현하는 것은 기술적인 한계를 가진다.
종래 기술은 상기 유전 특성을 구현하기 위해 불소계 입자를 첨가제로서 폴리이미드 수지와 배합하여 사용하였지만, 이 경우 유전율은 크게 감소시킬 수 있지만, 폴리이미드 수지와의 상용성 및 분산성 문제로 인해 필름의 내열성 및 기계적 특성을 저하시키는 문제를 발생시킨다. 따라서, 유전율과 내열성 및 기계적 특성을 동시에 만족시키는 폴리이미드를 제공하는 것이 중요한 기술적 과제이다.
본 출원은 낮은 유전율과 및 고온 등 가혹 조건에서의 기계적 특성을 동시에 구현할 수 있는 폴리아믹산 조성물, 폴리아믹산 조성물의 제조방법 및 이를 포함하는 폴리이미드를 제공한다.
본 출원은 폴리아믹산 조성물에 관한 것이다. 본 출원의 폴리아믹산 조성물은 디아민 단량체 및 디안하이드라이드 단량체를 중합 단위로 포함한다. 일 예시에서, 본 출원의 폴리아믹산 조성물은 비불소계 디아민 단량체 및 비불소계 디안하이드라이드 단량체를 중합 단위로 포함하고, 불소계 디아민 단량체 및 불소계 디안하이드라이드 단량체 중 적어도 하나를 중합 단위로 포함할 수 있다. 상기 폴리아믹산 조성물이 상기 단량체를 중합 단위로 포함한다는 것은 폴리이미드로 경화 전에 각 단량체 간에 중합 반응이 일어난 상태를 의미한다. 상기의 폴리아믹산 조성물은 경화 후 유전율이 3.0 이하일 수 있고, 또한, 경화 후 500℃에서의 저장 탄성률이 300MPa 이상일 수 있다. 상기 유전율의 상한은 특별히 제한되지 않고, 2.95, 2.93, 2.9, 2.88, 2.86, 2.84, 2.82, 2.8 또는 2.78일 수 있고, 유전율의 하한은 1 또는 1.5일 수 있다. 상기 500℃에서의 저장 탄성률의 하한은 320MPa, 350 MPa, 380 MPa, 400 MPa, 420 MPa, 450 MPa, 480 MPa, 500 MPa 또는 530 MPa 이상일 수 있고, 상한은 1000 MPa 또는 700 MPa 이하일 수 있다. 또한, 상기 폴리아믹산 조성물은 경화 후 100℃에서의 저장 탄성률이 3200MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 100℃에서의 저장 탄성률의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 3300 MPa, 3350 MPa, 3400 MPa, 3500 MPa, 3800 MPa, 4000 MPa, 4200 MPa, 4500 MPa, 4700 MPa 또는 4800 MPa 이상일 수 있고, 상기 저장 탄성률의 상한은 10000 MPa 또는 7000 MPa 이하일 수 있다. 본 출원의 폴리아믹산 조성물은 상기 단량체를 포함함으로써, 경화 후 낮은 유전율과 내열성 및 고온에서의 기계적 특성을 동시에 만족시킬 수 있는 폴리이미드를 제공할 수 있다.
본 명세서 불소계 디아민 단량체 및 불소계 디안하이드라이드 단량체는 분자 구조 내에 불소 원자를 포함한 단량체를 의미할 수 있다. 상기 불소 원자는 상기 단량체 내에 다양한 위치 및 구조로 포함될 수 있으며, 이는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 불소계 디아민 단량체 및 불소계 디안하이드라이드 단량체는 분자 구조 내에 적어도 하나 이상의 퍼플루오르알킬기를 포함할 수 있다. 상기 퍼플루오르알킬기는 예를 들어, 퍼플루오르메틸기일 수 있다. 본 출원은 상기 불소계 단량체를 중합 단위로 포함함으로써, 종래에 첨가제로서 불소계 입자를 포함하던 것과는 달리, 입자의 상용성 및 분산성 문제 없이 상기 첨가제 없이도 유전율을 낮출 수 있으며, 이에 따라 내열성 및 기계적 특성을 함께 구현할 수 있다.
본 출원의 구체예에서, 상기 불소계 디아민 단량체 및 불소계 디안하이드라이드 단량체는 서로 중합되지 않을 수 있다. 즉, 본 출원의 폴리아믹산 조성물은 상기 불소계 디아민 단량체와 불소계 디안하이드라이드 단량체는 서로 반응하지 않으며, 전체 중합 단위에서 서로 직접 만나지 않을 수 있다. 종래 기술은 불소계 첨가제를 이용하여 유전율을 낮추었고, 본원 발명은 불소계 단량체를 이용하지만, 불소계 첨가제 없이 불소계 단량체 만을 사용하는 경우에 유전율을 충분히 낮추는 것에 한계가 있다. 다만, 본 출원은 단량체의 중합 방법 및 중합 순서를 조절함으로써, 유전율을 충분히 낮추면서도 경화 후 내열성 및 기계적 특성을 함께 구현할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 불소계 디아민 단량체 및 불소계 디안하이드라이드 단량체의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서, 상기 불소계 디아민 단량체 및 불소계 디안하이드라이드 단량체는 2 이상의 벤젠 고리를 가질 수 있다. 일 예시에서, 상기 불소계 디아민 단량체는 예를 들어, 상기 벤젠 고리의 수소가 치환되어 퍼플루오르알킬기를 가질 수 있다. 또한, 일 예시에서, 상기 불소계 디아민 단량체는 두 개의 벤젠 고리를 연결하는 알킬렌기에 전술한 퍼플루오르알킬기를 가질 수 있다. 또한, 하나의 예시에서, 상기 불소계 디안하이드라이드 단량체는 벤젠 고리의 수소가 치환되어 퍼플루오르알킬기를 가질 수 있고, 또한, 일 예시에서, 두 개의 벤젠 고리를 연결하는 알킬렌기에 전술한 퍼플루오르알킬기를 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 불소계 디아민 단량체는 전체 디아민 단량체 100몰%에 대하여 45 내지 98몰%, 48 내지 95몰% 또는 49 내지 92몰%의 범위 내로 포함될 수 있다. 또한, 상기 불소계 디안하이드라이드 단량체는 디안하이드라이드 단량체 100몰%에 대하여 5 내지 60몰%, 8 내지 57 몰% 또는 9 내지 55몰%의 범위 내로 포함될 수 있다. 한편, 상기 불소계 디아민 단량체 및 불소계 디안하이드라이드 단량체의 총 함량은 전체 단량체를 100몰%라고 했을 때, 20 내지 70몰%, 23 내지 60 몰%, 30 내지 58 몰%, 35 내지 55 몰% 또는 42 내지 53 몰%의 비율로 포함될 수 있다. 본 출원은 상기 단량체의 함량비를 조절함으로써, 경화 후 폴리이미드의 우수한 유전 특성, 내열성 및 기계적 특성을 구현할 수 있다.
본 명세서에서 상기 폴리아믹산 조성물은 상기 폴리아믹산 용액과 동일한 의미로 사용될 수 있다.
폴리아믹산 용액의 제조에 사용될 수 있는 디안하이드라이드 단량체는 방향족 테트라카르복실릭 디안하이드라이드일 수 있으며, 상기 방향족 테트라카르복실릭 디안하이드라이드는 피로멜리틱 디안하이드라이드(또는 PMDA), 3,3',4,4'-바이페닐테트라카르복실릭 디안하이드라이드(또는 BPDA), 2,3,3',4'-바이페닐테트라카르복실릭 디안하이드라이드(또는 a-BPDA), 옥시디프탈릭 디안하이드라이드(또는 ODPA), 디페닐설폰-3,4,3',4'-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(또는 DSDA), 비스(3,4-디카르복시페닐)설파이드 디안하이드라이드, 2,2-비스(3,4-디카르복시페닐)-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로페인 디안하이드라이드, 2,3,3',4'- 벤조페논테트라카르복실릭 디안하이드라이드, 3,3',4,4'-벤조페논테트라카르복실릭 디안하이드라이드(또는 BTDA), 비스(3,4-디카르복시페닐)메테인 디안하이드라이드, 2,2-비스(3,4-디카르복시페닐)프로페인 디안하이드라이드, p-페닐렌비스(트라이멜리틱 모노에스터 애시드 안하이드라이드), p-바이페닐렌비스(트라이멜리틱 모노에스터 애시드 안하이드라이드), m-터페닐-3,4,3',4'-테트라카르복실릭 디안하이드라이드, p-터페닐-3,4,3',4'-테트라카르복실릭 디안하이드라이드, 1,3-비스(3,4-디카르복시페녹시)벤젠 디안하이드라이드, 1,4-비스(3,4-디카르복시페녹시)벤젠 디안하이드라이드, 1,4-비스(3,4-디카르복시페녹시)바이페닐 디안하이드라이드, 2,2-비스〔(3,4-디카르복시 페녹시)페닐〕프로페인 디안하이드라이드(BPADA), 2,3,6,7-나프탈렌테트라카복실산 디안하이드라이드, 1,4,5,8-나프탈렌테트라카르복실릭 디안하이드라이드, 4,4'-(2,2-헥사플루오로아이소프로필리덴)디프탈산 디안하이드라이드 등을 예로 들 수 있다.
상기 디안하이드라이드 단량체는 필요에 따라, 단독 또는 2 종 이상을 조합하여 이용할 수 있지만, 본 출원은 전술한 결합 해리에너지를 고려하여, 예를 들면, 피로멜리틱 디안하이드라이드(PMDA), 3,3',4,4'-바이페닐테트라카르복실릭 디안하이드라이드(s-BPDA) 또는 2,3,3',4'-바이페닐테트라카르복실릭 디안하이드라이드(a-BPDA)를 포함할 수 있다.
또한, 폴리아믹산 용액 제조에 사용될 수 있는 디아민 단량체는 방향족 디아민으로서, 이하와 같이 분류하여 예를 들 수 있다.
1) 1,4-디아미노벤젠(또는 파라페닐렌디아민, PDA), 1,3-디아미노벤젠, 2,4-디아미노톨루엔, 2,6-디아미노톨루엔, 3,5-디아미노벤조익 애시드(또는 DABA) 등과 같이, 구조 상 벤젠 핵 1개를 갖는 디아민으로서, 상대적으로 강직한 구조의 디아민;
2) 4,4'-디아미노디페닐에테르(또는 옥시디아닐린, ODA), 3,4'-디아미노디페닐에테르 등의 디아미노디페닐에테르, 4,4'-디아미노디페닐메테인(메틸렌디아민), 3,3'-디메틸-4,4'-디아미노바이페닐, 2,2'-디메틸-4,4'-디아미노바이페닐, 2,2'-비스(트라이플루오로메틸)-4,4'-디아미노바이페닐, 3,3'-디메틸-4,4'-디아미노디페닐메테인, 3,3'-디카복시-4,4'-디아미노디페닐메테인, 3,3',5,5'-테트라메틸-4,4'-디아미노디페닐메테인, 비스(4-아미노페닐)설파이드, 4,4'-디아미노벤즈아닐라이드, 3,3'-디클로로벤지딘, 3,3'-디메틸벤지딘(또는 o-톨리딘), 2,2'-디메틸벤지딘(또는 m-톨리딘), 3,3'-디메톡시벤지딘, 2,2'-디메톡시벤지딘, 3,3'-디아미노디페닐에테르, 3,4'-디아미노디페닐에테르, 4,4'-디아미노디페닐에테르, 3,3'-디아미노디페닐설파이드, 3,4'-디아미노디페닐설파이드, 4,4'-디아미노디페닐설파이드, 3,3'-디아미노디페닐설폰, 3,4'-디아미노디페닐설폰, 4,4'-디아미노디페닐설폰, 3,3'-디아미노벤조페논, 4,4'-디아미노벤조페논, 3,3'-디아미노-4,4'-디클로로벤조페논, 3,3'-디아미노-4,4'-디메톡시벤조페논, 3,3'-디아미노디페닐메테인, 3,4'-디아미노디페닐메테인, 4,4'-디아미노디페닐메테인, 2,2-비스(3-아미노페닐)프로페인, 2,2-비스(4-아미노페닐)프로페인, 2,2-비스(3-아미노페닐)-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로페인, 2,2-비스(4-아미노페닐)-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로페인, 3,3'-디아미노디페닐설폭사이드, 3,4'-디아미노디페닐설폭사이드, 4,4'-디아미노디페닐설폭사이드 등과 같이, 구조 상 벤젠 핵 2개를 갖는 디아민;
3) 1,3-비스(3-아미노페닐)벤젠, 1,3-비스(4-아미노페닐)벤젠, 1,4-비스(3-아미노페닐)벤젠, 1,4-비스(4-아미노 페닐)벤젠, 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 1,4-비스(3-아미노페녹시)벤젠(또는 TPE-Q), 1,4-비스(4-아미노페녹시)벤젠(또는 TPE-Q), 1,3-비스(3-아미노페녹시)-4-트라이플루오로메틸벤젠, 3,3'-디아미노-4-(4-페닐)페녹시벤조페논, 3,3'-디아미노-4,4'-디(4-페닐페녹시)벤조페논, 1,3-비스(3-아미노페닐설파이드)벤젠, 1,3-비스(4-아미노페닐설파이 드)벤젠, 1,4-비스(4-아미노페닐설파이드)벤젠, 1,3-비스(3-아미노페닐설폰)벤젠, 1,3-비스(4-아미노페닐설폰)벤젠, 1,4-비스(4-아미노페닐설폰)벤젠, 1,3-비스〔2-(4-아미노페닐)아이소프로필〕벤젠, 1,4-비스〔2-(3-아미노페닐)아이소프로필〕벤젠, 1,4-비스〔2-(4-아미노페닐)아이소프로필〕벤젠 등과 같이, 구조 상 벤젠 핵 3개를 갖는 디아민;
4) 3,3'-비스(3-아미노페녹시)바이페닐, 3,3'-비스(4-아미노페녹시)바이페닐, 4,4'-비스(3-아미노페녹시)바이페닐, 4,4'-비스(4-아미노페녹시)바이페닐, 비스〔3-(3-아미노페녹시)페닐〕에테르, 비스〔3-(4-아미노페녹시)페닐〕에테르, 비스〔4-(3-아미노페녹시)페닐〕에테르, 비스〔4-(4-아미노페녹시)페닐〕에테르, 비스〔3-(3-아미노페녹시)페닐〕케톤, 비스〔3-(4-아미노페녹시)페닐〕케톤, 비스〔4-(3-아미노페녹시)페닐〕케톤, 비스〔4-(4-아미노 페녹시)페닐〕케톤, 비스〔3-(3-아미노페녹시)페닐〕설파이드, 비스〔3-(4-아미노페녹시)페닐〕설파이드, 비스 〔4-(3-아미노페녹시)페닐〕설파이드, 비스〔4-(4-아미노페녹시)페닐〕설파이드, 비스〔3-(3-아미노페녹시)페닐〕설폰, 비스〔3-(4-아미노페녹시)페닐〕설폰, 비스〔4-(3-아미노페녹시)페닐〕설폰, 비스〔4-(4-아미노페녹시)페닐〕설폰, 비스〔3-(3-아미노페녹시)페닐〕메테인, 비스〔3-(4-아미노페녹시)페닐〕메테인, 비스〔4-(3-아미노페녹시)페닐〕메테인, 비스〔4-(4-아미노페녹시)페닐〕메테인, 2,2-비스〔3-(3-아미노페녹시)페닐〕프로페인, 2,2-비스〔3-(4-아미노페녹시)페닐〕프로페인, 2,2-비스〔4-(3-아미노페녹시)페닐〕프로페인, 2,2-비스〔4-(4-아미노페녹시)페닐〕프로페인(BAPP), 2,2-비스〔3-(3-아미노페녹시)페닐〕-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로페인, 2,2-비스〔3-(4-아미노페녹시)페닐〕-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로페인, 2,2-비스〔4-(3-아미노페녹시)페닐〕-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로페인, 2,2-비스〔4-(4-아미노페녹시)페닐〕-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로페인 등과 같이, 구조 상 벤젠 핵 4개를 갖는 디아민.
상기 디아민 단량체는 필요에 따라, 단독 또는 2 종 이상을 조합하여 이용할 수 있으며, 본 출원은 전술한 결합 해리 에너지를 고려하여, 예를 들면, 1,4-디아미노벤젠(PPD), 1,3-디아미노벤젠(MPD), 2,4-디아미노톨루엔, 2,6-디아미노톨루엔 또는 4,4'-메틸렌디아민(MDA)를 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 폴리아믹산 조성물은 전체 중량을 기준으로 고형분을 15 내지 40 중량% 포함할 수 있다. 본 출원은 상기 폴리아믹산 조성물의 고형분 함량을 조절함으로써, 점도 상승을 제어하면서 경화 과정에서 다량의 용매를 제거해야 하는 제조 비용과 공정 시간 증가를 방지할 수 있다.
본 출원의 폴리아믹산 조성물은 저점도 특성을 갖는 조성물일 수 있다. 본 출원의 폴리아믹산 조성물은 23℃ 온도 및 1s-1의 전단속도 조건으로 측정한 점도가 10,000cP 이하, 9,000 cP 이하일 수 있다. 그 하한은 특별히 한정되지 않으나, 500 cP 이상 또는 1000 cP 이상일 수 있다. 상기 점도는 예를 들어, Haake 사의 Rheostress 600을 사용하여 측정한 것일 수 있고 1/s의 전단 속도, 23℃ 온도 및 1 mm 플레이트 갭 조건에서 측정한 것일 수 있다. 본 출원은 상기 점도 범위를 조절함으로써, 우수한 공정성을 갖는 전구체 조성물을 제공하여, 필름 또는 기판 형성 시 목적하는 물성의 필름 또는 기판을 형성할 수 있다.
일 구체예에서, 본 출원의 폴리아믹산 조성물은 경화 후 중량평균분자량이 10,000 내지 100,000g/mol, 15,000 내지 80,000 g/mol, 18,000 내지 70,000 g/mol, 20,000 내지 60,000 g/mol, 25,000 내지 55,000 g/mol 또는 30,000 내지 50,000 g/mol의 범위 내일 수 있다. 본 출원에서 용어 중량평균분자량은, GPC(Gel permeation Chromatograph)로 측정한 표준 폴리스티렌에 대한 환산 수치를 의미한다.
본 출원은 상기 폴리아믹산 조성물이 유기용매를 포함할 수 있다. 상기 유기 용매는 폴리아믹산이 용해될 수 있는 유기 용매라면 특별히 한정되지는 않으나, 하나의 예로서 비양성자성 극성 용매(aprotic polar solvent)일 수 있다.
상기 비양성자성 극성 용매는 예를 들어, N,N'-디메틸포름아미드(DMF), N,N'-디에틸포름아미드(DEF), N,N'-디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸프로판아미드(DMPA) 등의 아미드계 용매, p-클로로페놀, o-클로로페놀 등의 페놀계 용매, N-메틸-피롤리돈(NMP), 감마 브티로 락톤(GBL) 및 디그림(Diglyme) 등을 들 수 있고, 이들은 단독으로 또는 2종 이상 조합되어 사용될 수 있다.
본 출원은, 경우에 따라서 톨루엔, 테트라히드로푸란, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메탄올, 에탄올, 물 등의 보조적 용매를 사용하여, 폴리아믹산의 용해도를 조절할 수도 있다.
하나의 예시에서, 상기 유기 용매는 예를 들어, N-메틸-피롤리돈(NMP) 일 수 있다.
한편, 본 출원의 폴리아믹산 조성물은 접동성, 열전도성, 도전성, 코로나 내성, 루프 경도 등의 필름의 여러 가지 특성을 개선할 목적으로 충전재가 포함될 수 있다. 첨가되는 충전재는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 실리카, 산화티탄, 알루미나, 질화규소, 질화붕소, 인산수소칼슘, 인산칼슘, 운모 등을 들 수 있다.
상기 충전재의 입경은 특별히 한정되는 것은 아니며, 개질하여야 할 필름 특성과 첨가하는 충전재의 종류에 따라서 결정할 수 있다. 상기 평균 입경은 0.05 내지 20 ㎛, 0.1 내지 10 ㎛, 0.1 내지 5 ㎛ 또는 0.1 내지 3 ㎛일 수 있다. 본 명세서에서 평균 입경은 특별히 달리 규정하지 않는 한, D50 입도 분석에 따라 측정한 평균 입경일 수 있다.
본 출원은 상기 입경 범위를 조절함으로써, 개질 효과를 충분히 유지하면서도 표면성을 손상시키지 않고 기계적 특성을 저하시키지 않을 수 있다.
또한, 본 출원은 충전재의 첨가량에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니고, 개질하여야 할 필름 특성이나 충전재 입경 등에 의해 결정할 수 있다. 본 출원에서, 상기 충전재의 첨가량은 폴리이미드 수지 100 중량부에 대하여 0.01 내지 10 중량부, 0.01 내지 5 중량부, 또는 0.02 내지 1 중량부일 수 있다. 본 출원은 상기 함량을 조절함으로써, 충전재의 개질 효과를 충분히 유지하면서도 필름의 기계적 특성을 손상시키지 않을 수 있다.
상기 충전재의 첨가 방법은 특별히 한정되는 것은 아니고, 동종 업계의 공지의 방법을 이용할 수도 있다.
본 출원은 또한, 폴리아믹산 조성물의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법은 전술한 폴리아믹산 조성물의 제조 방법일 수 있다.
일 예시에서, 상기 제조 방법은 불소계 디아민 단량체의 양측 아민기에 2개의 비불소계 디안하이드라이드 단량체를 중합시키는 제1단계; 상기 중합된 비불소계 디안하이드라이드 단량체에 비불소계 디아민 단량체를 추가로 중합시키는 제2단계 및 상기 중합된 비불소계 다아민 단량체에 불소계 또는 비불소계 디안하이드라이드 단량체를 추가로 중합시키는 제3단계를 포함할 수 있다. 또한, 본 출원의 제조 방법은 불소계 디안하이드라이드 단량체의 양측 안하이드라이드기에 2개의 비불소계 디아민 단량체를 중합시키는 제1단계; 상기 중합된 비불소계 디아민 단량체에 비불소계 디안하이드라이드 단량체를 추가로 중합시키는 제2단계 및 상기 중합된 비불소계 디안하이드라이드 단량체에 불소계 또는 비불소계 디아민 단량체를 추가로 중합시키는 제3단계를 포함할 수 있다. 본 출원은 상기 세 단계의 중합 단계를 통해, 불소계 디아민 단량체와 불소계 디안하이드라이드 단량체가 서로 반응하지 않게 할 수 있으며, 이로써, 우수한 유전율과 함께 내열성 및 기계적 특성을 구현할 수 있다.
본 출원의 구체예에서, 먼저, 불소계 디아민 단량체의 양측 아민기에 2개의 비불소계 디안하이드라이드 단량체를 중합시키는 제1단계에 이어서 진행되는 상기 제2단계는 상기 2개의 비불소계 디안하이드라이드에 2개의 비불소계 디아민 단량체가 중합되는 것을 포함할 수 있다. 또한, 이어서, 상기 제3단계는 상기 2개의 비불소계 디아민 단량체에 2개의 불소계 또는 비불소계 디안하이드라이드 단량체가 중합되는 것을 포함할 수 있다. 또한, 이어서, 상기 제조방법은 상기 2개의 불소계 또는 비불소계 디안하이드라이드 단량체에, 상기 제2단계까지 중합된 중합 단위가 추가로 중합되는 것을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제2단계까지 중합된 중합 단위는 불소계 또는 비불소계 디안하이드라이드를 매개로해서 서로 연결될 수 있다. 본 출원은 상기와 같은 중합 방법 및 이로써 생성되는 중합 순서를 조절함으로써, 저유전 특성과 함께 내열성 및 기계적 특성을 동시에 구현할 수 있다.
마찬가지로, 불소계 디안하이드라이드 단량체의 양측 안하이드라이드기에 2개의 비불소계 디아민 단량체를 중합시키는 제1단계에 이어서 진행되는 제2단계는 2개의 비불소계 디아민 단량체에 2개의 비불소계 디안하이드라이드 단량체가 중합될 수 있다. 또한, 이어서, 제3단계는 2개의 비불소계 디안하이드라이드 단량체에 2개의 불소계 또는 비불소계 디아민 단량체가 중합될 수 있다. 또한, 이어서, 상기 제조방법은 상기 2개의 불소계 또는 비불소계 디아민 단량체에, 상기 제2단계까지 중합된 중합 단위가 추가로 중합될 수 있다. 즉, 상기 제2단계까지 중합된 중합 단위는 불소계 또는 비불소계 디아민 단량체를 매개로해서 서로 연결될 수 있다. 본 출원은 상기와 같은 중합 방법 및 이로써 생성되는 중합 순서를 조절함으로써, 저유전 특성과 함께 내열성 및 기계적 특성을 동시에 구현할 수 있다.
일반적으로, 폴리아믹산 용액의 제조는 예를 들어, 디아민 단량체 전량을 용매 중에 넣고, 그 후 디안하이드라이드 단량체를 디아민 단량체와 실질적으로 등몰 또는 과량이 되도록 첨가하여 중합하는 방법 또는 디안하이드라이드 단량체 전량을 용매 중에 넣고, 그 후 디아민 단량체를 디안하이드라이드 단량체와 실질적으로 등몰 또는 과량이 되도록 첨가하여 중합하는 방법 등을 사용한다. 이러한 방법은 상기 본 출원의 제조방법에도 사용될 수 있다.
본 출원은 또한, 상기 폴리아믹산 조성물의 경화물인 폴리이미드에 관한 것이다. 일 예시에서, 상기 폴리이미드는 전술한 폴리아믹산 조성물 또는 그 제조방법으로 제조된 전구체 조성물의 경화물일 수 있다.
또한, 본 출원은 상기 폴리이미드를 필름 또는 시트 형태로 포함하는 폴리이미드 필름일 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원은 폴리이미드 필름의 제조방법에 관한 것이다. 본 출원은 상기 폴리아믹산 조성물을 지지체에 제막하고 건조하여 겔 필름을 제조하는 단계; 및 상기 겔 필름을 경화하는 단계를 포함하는, 폴리이미드 필름의 제조방법을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기한 폴리아믹산 조성물을 이미드화하여 폴리이미드 필름을 제조하는 방법에 대해서는, 종래 공지된 방법을 사용할 수 있다.
이러한 이미드화의 구체적인 방법으로는 열 이미드화법, 화학 이미드화법 또는 상기 열 이미드화법과 화학 이미드화법을 병용하는 복합 이미드화법을 예로 들수 있으며, 이들에 대해서는 이하의 비제한적인 예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.
본 출원은 낮은 유전율과 및 고온 등 가혹 조건에서의 기계적 특성을 동시에 구현할 수 있는 폴리아믹산 조성물, 폴리아믹산 조성물의 제조방법 및 이를 포함하는 폴리이미드를 제공한다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
교반기 및 질소 주입·배출관을 구비한 500 ㎖ 반응기에 질소를 주입시키면서 N-메틸-피롤리돈(NMP)을 투입하고 반응기의 온도를 30℃로 설정한 후 디아민 단량체로서 불소계 단량체인 2,2-bis(4-aminophenyl)hexafluoropropane(APHF) 및 디안하이드라이드 단량체로서 비불소계 단량체인 Biphenyl-3,4,3',4'-tetracarbonic dianhydride(BPDA)를 투입하여 완전히 용해된 것을 확인한다. 이어서, 디아민 단량체로서 비불소계 단량체인 2,2-Bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl]propane(BAPP)를 투입하고 동일하게 중합 반응을 진행하였다. 이어서, 디안하이드라이드 단량체로서 불소계 단량체인 2,2-bis(3,4-anhydrodicarboxyphenyl) hexafluoropropane(6-FDA)를 투입하고 40℃로 온도를 올려 가열하면서 120 분간 교반을 계속하였다. 이이서, 질소 분위기하에 80℃로 온도를 올려 가열하면서 2 시간 동안 추가적으로 교반을 계속하였다. 동일하게 중합 반응을 진행하여 폴리아믹산 용액을 제조하였다.
실시예 2 내지 4 및 6, 및 비교예 1 내지 4 및 6
실시예 1에서, 단량체 및 이의 함량비를 하기 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 2 내지 4 및 6의 폴리아믹산 조성물을 제조하였다. 비교예 1 내지 4 및 6은 단량체 및 이의 함량을 각각 하기 표 1과 같이 변경하고, 디아민 단량체 2종 및 디안하이드라이드 단량체 2종을 동시에 투입한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리아믹산 조성물을 제조하였다.
실시예 5 및 비교예 5
교반기 및 질소 주입·배출관을 구비한 500 ㎖ 반응기에 질소를 주입시키면서 N-메틸-피롤리돈(NMP)을 투입하고 반응기의 온도를 30℃로 설정한 후 디아민 단량체로서 비불소계 단량체인 2,2-Bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl]propane(BAPP) 및 디안하이드라이드 단량체로서 비불소계 단량체인 Biphenyl-3,4,3',4'-tetracarbonic dianhydride(BPDA)를 투입하여 완전히 용해된 것을 확인한다.
이어서, 디안하이드라이드 단량체로서 불소계 단량체인 2,2-bis(3,4-anhydrodicarboxyphenyl) hexafluoropropane(6-FDA)를 투입하고 40℃로 온도를 올려 가열하면서 120 분간 교반을 계속하였다. 이이서, 질소 분위기하에 80℃로 온도를 올려 가열하면서 2 시간 동안 추가적으로 교반을 계속하였다 동일하게 중합 반응을 진행하여 폴리아믹산 용액을 제조하였다.
디아민 디안하이드라이드
BAPP
(몰%)		 APHF
(몰%)		 BPDA
(몰%)		 6-FDA
(몰%)
실시예 1 10 90 90 10
실시예 2 30 70 70 30
실시예 3 50 50 50 50
실시예 4 50 50 70 30
실시예 5 100 0 50 50
실시예 6 75 25 75 25
비교예 1 10 90 90 10
비교예 2 30 70 70 30
비교예 3 50 50 50 50
비교예 4 50 50 70 30
비교예 5 100 0 50 50
비교예 6 75 25 75 25
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 폴리아믹산 조성물을 1,500 rpm 이상의 고속 회전을 통해 기포를 제거하였다. 이후 스핀 코터를 이용하여 유리 기판에 탈포된 폴리아믹산 조성물을 도포하였다. 이후 질소 분위기하 및 120℃의 온도에서 30 분 동안 건조하여 겔 필름을 제조하고, 상기 겔 필름을 450℃까지 2 ℃/분의 속도로 승온하고, 450℃에서 60 분 동안 열처리하고, 30℃까지 2 ℃/분의 속도로 냉각하여 폴리이미드 필름을 수득하였다.
이후 증류수에 디핑(dipping)하여 유리 기판에서 폴리이미드 필름을 박리시켰다. 제조된 폴리이미드 필름의 물성을 하기 방식을 이용하여 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실험예 1 - 두께
제조된 폴리이미드 필름의 두께는 Anritsu사의 필름 두께 측정기(Electric Film thickness tester)를 사용하여 측정하였다.
실험예 2 - 저장 탄성률 측정
동적 기계적분석 (DMA) 기기를 사용하여 폴리이미드 필름의 기계적 거동을 특성화하였다. DMA 조작은 온도 및 시간의 함수로서 작은 진동 변형에 처해진 중합체의 점탄성 응답에 기초하였다 (TA instrument, DMA Q800)
필름을 인장 및 다중 주파수-변형 모드에서 직사각형 시편을 20 ㎜ 폭, 0.01 내지 0.03 ㎜ 두께 및 MD 방향으로의 10 ㎜ 길이의 샘플을 0.33N-m (3 in-lb) 토크 힘으로 고정시켰다. 길이 방향의 정적 힘은 0.1 N이었으며, 이때 자동 인장(autotension)은 125%였다. 필름을 1 ㎐의 주파수에서 5℃/min의 속도로 0℃에서 500℃까지 가열하였다. 100℃ 및 500℃에서의 저장 모듈러스가 표에 기록되어 있다.
실험예 3 - 유전율 및 유전 정접값
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 폴리이미드 필름의 1 GHz에서의 유전율 및 유전 정접을 Keysight사의 SPDR 측정기를 이용하여 측정하였다. 그 결과, 측정된 유전율 및 유전 정접값을 하기 표 2에 나타내었다.
두께
(㎛)		 저장 탄성률(MPa) 유전율
(1GHz)		 유전정접
(1GHz)
100℃ 500℃
실시예 1 20 3830 472 2.71 0.0041
실시예 2 22 4750 586 2.70 0.0045
실시예 3 22 4346 527 2.75 0.0042
실시예 4 19 3587 482 2.83 0.0048
실시예 5 20 4851 415 2.94 0.0046
실시예 6 20 3369 393 2.98 0.0053
비교예 1 20 2680 254 3.05 0.0052
비교예 2 22 2168 98 3.11 0.0055
비교예 3 22 3274 175 3.10 0.0055
비교예 4 19 2882 227 3.18 0.0058
비교예 5 20 3930 295 3.21 0.0053
비교예 6 20 4286 230 3.28 0.0061

Claims (19)

  1. 비불소계 디아민 단량체 및 비불소계 디안하이드라이드 단량체를 중합 단위로 포함하고, 불소계 디아민 단량체 및 불소계 디안하이드라이드 단량체 중 적어도 하나를 중합 단위로 포함하며,
    경화 후 1 GHz에서의 유전율이 3.0 이하이고, 500℃에서의 저장 탄성률이 300MPa 이상인 폴리아믹산 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 경화 후 100℃에서의 저장 탄성률이 3200MPa 이상인 폴리아믹산 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 불소계 디아민 단량체 및 불소계 디안하이드라이드 단량체는 분자 구조 내에 적어도 하나 이상의 퍼플루오르알킬기를 포함하는 폴리아믹산 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 불소계 디아민 단량체 및 불소계 디안하이드라이드 단량체는 서로 중합되지 않는 폴리아믹산 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, 불소계 디아민 단량체 또는 불소계 디안하이드라이드 단량체는 2 이상의 벤젠 고리를 갖는 폴리아믹산 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 불소계 디아민 단량체는 디아민 단량체 100몰%에 대하여 45 내지 98몰%의 범위 내로 포함되는 폴리아믹산 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서, 불소계 디안하이드라이드 단량체는 디안하이드라이드 단량체 100몰%에 대하여 5 내지 60몰%의 범위 내로 포함되는 폴리아믹산 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서, 고형분이 15 내지 40%의 범위 내인 폴리아믹산 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서, 23℃ 온도 및 1s-1의 전단속도 조건으로 측정한 점도가 10,000cP 이하인 폴리아믹산 조성물.
  10. 불소계 디아민 단량체의 양측 아민기에 2개의 비불소계 디안하이드라이드 단량체를 중합시키는 제1단계; 상기 중합된 비불소계 디안하이드라이드 단량체에 비불소계 디아민 단량체를 추가로 중합시키는 제2단계 및 상기 중합된 비불소계 다아민 단량체에 불소계 또는 비불소계 디안하이드라이드 단량체를 추가로 중합시키는 제3단계를 포함하는 폴리아믹산 조성물의 제조 방법.
  11. 불소계 디안하이드라이드 단량체의 양측 안하이드라이드기에 2개의 비불소계 디아민 단량체를 중합시키는 제1단계; 상기 중합된 비불소계 디아민 단량체에 비불소계 디안하이드라이드 단량체를 추가로 중합시키는 제2단계 및 상기 중합된 비불소계 디안하이드라이드 단량체에 불소계 또는 비불소계 디아민 단량체를 추가로 중합시키는 제3단계를 포함하는 폴리아믹산 조성물의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 제2단계는 2개의 비불소계 디안하이드라이드 단량체에 2개의 비불소계 디아민 단량체가 중합되는 폴리아믹산 조성물의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 제3단계는 2개의 비불소계 디아민 단량체에 2개의 불소계 또는 비불소계 디안하이드라이드 단량체가 중합되는 폴리아믹산 조성물의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 2개의 불소계 또는 비불소계 디안하이드라이드 단량체에, 상기 제2단계까지 중합된 중합 단위가 추가로 중합되는 폴리아믹산 조성물의 제조 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 제2단계는 2개의 비불소계 디아민 단량체에 2개의 비불소계 디안하이드라이드 단량체가 중합되는 폴리아믹산 조성물의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 제3단계는 2개의 비불소계 디안하이드라이드 단량체에 2개의 불소계 또는 비불소계 디아민 단량체가 중합되는 폴리아믹산 조성물의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 2개의 불소계 또는 비불소계 디아민 단량체에, 상기 제2단계까지 중합된 중합 단위가 추가로 중합되는 폴리아믹산 조성물의 제조 방법.
  18. 제 1 항의 폴리아믹산 조성물의 경화물인 폴리이미드.
  19. 제 18 항의 폴리이미드를 필름 또는 시트 형태로 포함하는 폴리이미드 필름.

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JP2010513591A (ja) 2006-12-15 2010-04-30 コーロン インダストリーズ，インコーポレイテッド ポリイミド樹脂とこれを用いた液晶配向膜およびポリイミドフィルム

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