KR102248994B1

KR102248994B1 - 고내열 폴리아믹산 용액 및 폴리이미드 필름

Info

Publication number: KR102248994B1
Application number: KR1020150091870A
Authority: KR
Inventors: 민웅기; 박효준; 정학기; 홍기일
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2021-05-07
Also published as: CN106536597A; US10538665B2; TWI535760B; JP6715406B2; JP2017519884A; EP3162838A1; KR20160002386A; EP3162838A4; US20170233575A1; TW201602168A

Abstract

본 발명은 고내열 폴리아믹산 용액 및　폴리이미드 필름에　관한　것으로서, 디아민 총 함량 기준 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 화합물을 1mol% 내지 10mol% 포함하는 디아민 화합물과 디안하이드라이드의 중합물을 포함하는 폴리아믹산 용액과 이의 이미드화물로서 주쇄와 주쇄 사이가 아미드 결합으로 가교된 폴리이미드를 포함하여 열 치수안정성이 향상된 폴리이미드 필름을 제공할 수 있다.

Description

고내열 폴리아믹산 용액 및 폴리이미드 필름{Polyamic acid solution having high heat-resistance properties and Polyimide film}

본 발명은 고내열 폴리아믹산 및 폴리이미드 필름에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 카르복실산이 도입된 디아민을 사용하여 중합된 폴리아믹산 용액과 이열 치수 안정성이 향상된 고내열 폴리이미드 필름에 관한 것이다.

폴리이미드는 다른 범용 수지나 엔지니어링 플라스틱에 비해 우수한 내열성, 기계적 특성, 전기적 특성을 나타내므로, 전기, 전자 부품을 비롯하여 기타 고내열 특성이 요구되는 제품의 제조에서 유용한 소재로 유용하게 사용되고 있다. 특히, 이러한 물성으로 인하여, 폴리이미드 수지는 자동차 재료, 항공소재, 우주선 소재 등의 내열 첨단소재 및 절연코팅제, 절연막, 반도체, TFT-LCD의 전극 보호막 등 전자재료 등 광범위한 분야에 사용되고 있고, 최근에는 광섬유나 액정 배향막 같은 표시재료 및 필름 내에 도전성 필러를 함유하거나 표면에 코팅한 투명전극필름으로도 이용되고 있다.

일반적으로, 폴리이미드는 디안하이드라이드와 디아민을 용매 중에서 중합하여 폴리아믹산을 합성하고, 이를 가열하여 탈수 및 고리화 반응을 통해 폴리이미드를 합성하거나, 탈수화제를 이용하여 화학적 탈수방법에 의하여 탈수 및 고리화 반응을 이용하여 폴리이미드를 합성한다.

상기 폴리이미드 합성 원리를 이용하여 폴리이미드 필름을 제조하는 방법으로는 폴리이미드 전구체인 폴리아믹산 유도체를 캐리어 플레이트에 도포하고 경화시켜 폴리이미드 필름을 얻는 캐스트(cast)법이 일반적이다. 상기 캐스트(cast)법은 수지 용액을 캐리어 플레이트에 도포하는 공정, 수지 중의 용제를 제거하는 건조공정, 폴리이미드 전구체 수지로부터 폴리이미드로 변환하는 이미드화 공정으로 이루어진다.

한편, 폴리이미드는 필름으로 제조시 내열성 등의 물성이 우수하나, 강직한 막대 구조로서 필름을 형성하기가 어렵고 깨지기 쉬워 제조가 까다롭다. 특히 파라페닐렌디아민과 피로멜리틱산 디안하이드라이드를 포함하는 조성의 경우 지지체 위에 도포를 하고 열처리할 경우 발포가 되거나 제막 및 박리가 되지 않는 문제도 종종 발생한다. 또한, 폴리이미드 필름은 고온에서 온도변화를 주게 되면 필름의 특성상 수축이나 팽창이 일어나는데, 그 변화의 폭이 항상 일정한 것이 아니어서, 열적 치수안정성을 필요로 하는 분야에서는 사용이 제한되어 왔다.

이에 따라, 폴리이미드 필름이 최근 활발히 적용되고 있는 디스플레이 소자의 기판으로 사용될 경우에는, 고온공정에서의 열적안정성이 전제되어야 한다. 즉, 일반적으로 디스플레이 소자의 기판으로 통용되는 유리(glass)기판의 경우, 열팽창계수가 4ppm/℃정도이므로, 유리기판을 대체하기 위해서는 폴리이미드 필름의 경우 열팽창계수가 적어도 10ppm/℃이하는 만족하여야 한다.

폴리이미드의 열팽창계수 또는 열치수안정성에 관한 기술의 일예로는, 국내특허공개 10-2012-0073909호에 기재된 발명('고온에서의 열적 치수안정성이 우수한 폴리이미드 필름 및 그를 이용한 디스플레이 소자용 기판')과 국제공개특허 WO2010/113412호에 기재된 발명(발명의 명칭 '저열팽창성 블록 폴리이미드 및 그의 전구체, 및 그 용도') 등을 들 수 있다.

이에 본 발명은 고내열 필름을 형성하는 데 유용한 고내열 폴리아믹산 용액을 제공하고 나아가 열 치수 안정성이 우수한 폴리이미드 필름을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 바람직한 일 구현예에서는, 디아민 화합물과 디안하이드라이드 화합물의 중합물을 포함하고, 상기 디아민 화합물은 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 화합물을 전체 디아민 화합물 총몰수 기준으로 1mol% 내지 10mol%로 포함하는 것인 폴리아믹산 용액을 제공한다.

상기 일 구현예에 의한 폴리아믹산 용액에 있어서, 상기 중합물은 디아민 화합물과 디안하이드라이드 화합물을 1:0.95 내지 1:1 몰비로 반응시켜 얻어진 것일 수 있다.

상기 일 구현예에 의한 폴리아믹산 용액에 있어서, 상기 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 화합물은 1,3-디아미노벤조산(DABA), 3,5-디아미노프탈릭산(DAPA), 및 4,4-디아미노바이페닐-3,3-디카르복실산(DATA)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 종 이상의 것을 포함할 수 있다.

상기 일 구현예에 의한 폴리아믹산 용액에 있어서, 상기 디아민 화합물은 방향족 디아민 화합물을 전체 디아민 화합물 총 몰수 기준으로 90mol% 내지 99mol%로 포함하는 것일 수 있다.

상기 일 구현예에 의한 폴리아믹산 용액에 있어서, 상기 방향족 디아민 화합물은 옥시디아닐린 (ODA), 파라페닐렌디아민 (pPDA), m-페닐렌디아민 (mPDA), p-메틸렌디아닐린 (pMDA) 및 메타메틸렌디아닐린 (mMDA)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 종 이상의 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

상기 일 구현예에 의한 폴리아믹산 용액에 있어서, 상기 디안하이드라이드 화합물은 피로멜리틱산 디안하이드라이드(1,2,4,5-벤젠 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(PMDA)), 벤조페논 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BTDA), 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA), 비스카르복시페닐 디메틸 실란 디안하이드라이드(SiDA), 옥시디프탈릭 디안하이드라이드(ODPA), 비스 디카르복시페녹시 디페닐 설파이드 디안하이드라이드(BDSDA) 및 술포닐 디프탈릭안하이드라이드(SO₂DPA)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

상기 일 구현예에 의한 폴리아믹산 용액에 있어서, 상기 중합물은 중량 평균 분자량이 100,000 내지 150,000인 것일 수 있다.

상기 일 구현예에 의한 폴리아믹산 용액에 있어서, 상기 폴리아믹산 용액은 점도가 50 내지 200ps인 것일 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 상기 일 구현예들에 의한 폴리아믹산 용액의 이미드화물이며, 주쇄와 주쇄 사이가 아미드 결합(-CONH-)으로 가교된 폴리이미드을 포함하는, 폴리이미드 필름을 제공한다.

상기 일 구현예에 의한 폴리이미드 필름은 50 내지 500℃ 온도범위에서 측정된 열팽창계수가 5ppm/℃ 이하이고, 다음 식 1로 정의되는 열팽창계수 증가지수가 10 이하인 것일 수 있다.

<식 1>

열팽창계수 증가지수 = 2^nd CTE / 1^st CTE

상기 식에서, 1^stCTE는 TMA-method법에 따라 50 내지 500℃ 온도범위에서 1차 측정하여 얻어진 열팽창계수 값이고, 2^ndCTE는 1차 측정된 시편을 상온으로 냉각한 후 1차 측정에서와 동일한 조건으로 2차 측정하여 얻어진 열팽창계수 값이다(단, 1^stCTE ≤ 2^ndCTE를 만족한다).

상기 일 구현예에 의한 폴리이미드 필름은 또한 ASTM D882 기준 인장강도가 250 내지 350 MPa이고, 탄성율이 7.0 내지 10.0GPa이며, 신율이 13 내지 15%인 것일 수 있다.

본 발명에 따르면 고내열 필름을 용이하게 형성할 수 있도록 하는 고내열 폴리아믹산 용액을 제공할 수 있고, 나아가 이를 이용하여 제조한 폴리이미드 필름은 우수한 열 치수 안정성을 나타낼 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 디아민 화합물과 디안하이드라이드 화합물의 중합물을 포함하고, 상기 디아민 화합물은 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 화합물을 전체 디아민 화합물 총몰수 기준으로 1mol% 내지 10mol%로 포함하는 것인 폴리아믹산 용액을 제공한다.

디아민 화합물과 디안하이드라이드 화합물의 중합물에 있어서, 디아민 화합물로서 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 화합물을 포함하면 얻어진 폴리아믹산 용액으로부터 통상의 방법에 따라 이미드화 및 제막하는 경우 열 치수안정성이 우수한 폴리이미드 필름을 용이하게 얻을 수 있다.

다시 말해, 폴리아믹산 공중합시에 카르복실산 작용기를 갖는 디아민을 사용하면 디아민 화합물의 분자 사슬 내에 포함된 카르복실산 작용기는 직접 다른 디아민과의 중합 반응에 참여하지는 않으나, 중합물 중의 측쇄 사이 사이에 이로부터 유래된 카르복실산 작용기가 잔류하여 이미드화 및 제막하여 폴리이미드 필름을 형성하게 되면 일부의 카르복실산 작용기는 이미드화 과정의 고온에서 열적 분해가 수반되기는 하지만 궁극적으로는 이미드화된 고분자 주쇄와 주쇄 사이에 가교결합과 같은 네트워크 구조, 구체적으로는 아미드 결합(-CONH-)을 형성할 수 있도록 한다.

이와 같이 주쇄와 주쇄 사이가 가교된 폴리이미드의 경우는 가교되지 않은 폴리이미드와 대비하여 내열성, 특히 열 치수안정성이 현저히 향상될 수 있다. 또한 기계적 물성도 개선할 수 있다.

이러한 가교구조를 형성할 수 있도록 하는 카르복실산 작용기를 갖는 디아민은 디아민 화합물 총 몰수 기준 1mol% 내지 10mol% 포함되는 것이 바람직한데, 1mol% 미만으로 첨가될 경우, 주쇄들 간의 연결이 되는 부분(연결점 내지 가교점)이 본래 의도하는 정도와 대비하여 너무 적어서 기대하는 만큼의 물성개선에 한계가 있으며, 10mol%를 초과하면 필름을 형성하는 주쇄의 배열이 의도하는 바와 같이 사다리 타입의 선형 배열이기는 하지만 주쇄간이 서로 연결이 되는 구조가 아닌 그물 구조에 가깝게 되고 이는 고분자 자체의 용해도를 저하시켜 심할 경우 용액 내에서 고형분으로 침전되거나, 국부적으로 가교가 진행되어 필름화시에 필름이 깨지는 문제가 있을 수 있다. 다만, 상기 범위내에서 mol%의 값이 증가할수록 폴리이미드 필름에 반영되는 열치수 안정성이 보다 우수해질 수 있고, 또한 카르복실산 작용기가 필름 내에서 가교되므로 필름 전체의 인장강도와 탄성율이 향상될 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 화합물은 1,3-디아미노벤조산(DABA), 3,5-디아미노프탈릭산(DAPA), 4,4-디아미노바이페닐-3,3-디카르복실산(DATA) 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 종 이상을 포함할 수 있고, 그 중, 4-디아미노바이페닐-3,3-디카르복실산(DATA)를 사용하는 것이 주 사슬에 두개 이상의 가교가능한 작용기를 갖기 때문에 열팽창 계수와 기계적 물성 개선 측면에서 가장 유리할 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 디아민은 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 화합물을 제외한 나머지 90 내지 99mol%가 방향족 디아민 화합물일 수 있다. 상기 방향족 디아민 화합물로는 옥시디아닐린 (ODA), 파라페닐렌디아민 (pPDA), m-페닐렌디아민 (mPDA), p-메틸렌디아닐린 (pMDA) 및 메타메틸렌디아닐린 (mMDA) 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 종 이상의 화합물 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 디아민과 디안하이드라이드는 몰비가 1:0.95 내지 1:1 일 수 있고, 보다 바람직하게는 1:0.96 내지 1:0.99일 수 있고, 가장 바람직하게는 1:0.97 내지 1:0.98일 수 있다. 디아민의 몰수를 1로 기준 하였을 때, 디안하이드라이드의 몰수가 0.95 미만일 경우, 분자량이 작아 필름의 기본 물성이 좋지 못하여 바람직하지 못하고, 1을 초과할 경우 점도가 너무 높아 필름으로 가공할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 디안하이드라이드 화합물은 피로멜리틱산 디안하이드라이드(1,2,4,5-벤젠 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(PMDA)), 벤조페논 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BTDA), 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA), 비스카르복시페닐 디메틸 실란 디안하이드라이드(SiDA), 옥시디프탈릭 디안하이드라이드(ODPA), 비스 디카르복시페녹시 디페닐 설파이드 디안하이드라이드(BDSDA) 및 술포닐 디프탈릭안하이드라이드(SO₂DPA)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.

상기한 디아민 화합물들과 디안하이드라이드 화합물들의 일예는 내열성과 기계적 특성 측면에서 바람직한 일예들이며, 이러한 화합물들에 상기한 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 화합물을 일정 몰비로 병용함으로써 내열성을 극대화하면서도 필름화가 용이하며 기계적 특성 또한 우수한 폴리이미드 필름을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 폴리아믹산 용액은 유기용매로서 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트 중에서 선택된 하나 이상의 극성용매를 포함할 수 있다. 이때, 용매에 잔존하는 수분 함량은 1000ppm 이하인 것이 물성의 저하를 막는 측면에서 바람직하며, 더욱 좋게는 수분함량이 100ppm 이하인 것이 보다 바람직하다. 아울러, 상기 용매의 함량은 필름 가공에 적합한 점도를 얻기 위하여 전체 폴리아믹산 용액 중 50 내지 95중량%가 바람직하고, 더욱 좋게는 70 내지 90중량%인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 폴리아믹산 용액은 중량 평균 분자량이 100,000 내지 150,000 인 폴리아믹산을 포함하는 것이 바람직하며, 점도는　50 내지 200ps인　것이　바람직하다. 본 발명의 폴리아믹산 용액이 상기 분자량과 점도를 만족할 경우 최종적으로 제조된 필름이특히, 디스플레이 소자 기판용으로 사용될 때 공정 내에서 고온의 온도에 노출시　휨이나　뒤틀림이 방지되므로　공정　중　패턴의　오류 및　치수변화를　최소할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상술한 폴리아믹산 용액의 이미드화물이며, 주쇄와 주쇄 사이가 아미드 결합으로 가교된 폴리이미드를 포함하는, 폴리이미드 필름을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 폴리이미드 필름은 카르복실산 작용기를 갖는 디아민이 포함된 디아민 화합물과 디안하이드라이드 화합물의 중합물인 폴리아믹산 용액을 이미드화하여 얻어지는 것으로, 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 중의 카르복실산 작용기는 중합 반응에는 직접적으로 참여하지 않고, 폴리아믹산을 이미드화하는 고온의 공정에서 이미드화되는 주쇄와 주쇄 사이를 가교시키는 역할을 한다. 이때 가교는 아미드 결합을 형성하는 것에 의할 수 있다. 이때 카르복실산 작용기는 일부 고온의 공중 중에서 열적 분해가 일어날 여지도 있으나 실질적으로는 폴리이미드 주쇄와 주쇄 사이에서 아민 작용기와 반응하여 고온에서 가교 반응을 형성한다. 이에 따라, 폴리이미드 필름의 고분자의 가교도가 향상되어 고강도, 고탄성 및 저수축 등의 특성을 나타내며 제막을 용이하게 할 수 있다.

특히, 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 폴리이미드 필름은 50 내지 500℃ 온도범위에서 측정된 열팽창계수가 5ppm/℃ 이하이고, 다음 식 1로 정의되는 열팽창계수 증가지수가 10 이하인 필름이다.

<식 1>

열팽창계수 증가지수 = 2^nd CTE / 1^st CTE

상기 식에서, 1^stCTE는 TMA-method법에 따라 50 내지 500℃ 온도범위에서 1차 측정하여 얻어진 열팽창계수 값이고, 2^ndCTE는 1차 측정된 시편을 상온으로 냉각한 후 1차 측정에서와 동일한 조건으로 2차 측정하여 얻어진 열팽창계수 값이다(단, 1^stCTE≤ 2^ndCTE를 만족한다).

본 발명에서 상기 열팽창계수（CTE, coefficient of thermal expansion）란, 유기 재료가 온도가 증가됨에 따라 분자간 혹은 원자간의 결합 길이의 변화를 수치적으로 나타내는 특성으로서 필름제조시 평균적으로 요구되는　값은 5ppm/℃ 미만이며, 특히 열치수 안정성을 위해서는 상기 식 1로 나타낸 열팽창계수 증가지수가 10 이하로 나타나는 것이 바람직하다. 폴리이미드　필름의　열팽창계수가 5ppm/℃를 초과하거나 열팽창계수 증가지수가 10을 초과할 경우 기판용 필름으로 사용될 때 공정 내에서 고온의 온도에 노출됨에 따라 휨이나 뒤틀림이 발생되기 쉬워 공정　중에 패턴의 오류 및 치수 변화를 일으켜 실제적으로 사용되기에 곤란할 수 있다.

보다 구체적으로 상기 열팽창계수의 측정은 분당 5 내지 10℃의 속도로 50 내지 500℃까지 승온하여 측정하는 것이 바람직하며, 1^st CTE 측정후 열이력을 제거하도록 상온까지 냉각한 후에 바로 2^nd CTE를 측정하여 하는 것이 바람직하다.

상기 및 이하의 기재에서 상온이라 함은 25~50℃로 정의될 수 있다.

또한, 2^nd 열팽창계수는 1^st 열팽창계수와 동일한 측정 조건에서 측정하며, 측정하고자하는 필름 샘플이 외부의 수분으로부터 흡습하는 문제가 생기면 수분이 날아가는 온도 구간에서 수축거동이 발생하기 때문에 CTE 값을 제대로 측정할 수 없는 점에 유의하여야 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 폴리이미드 주쇄와 주쇄 사이가 가교결합됨에 따라 고강도 및 고탄성을 만족하며, 구체적으로는 ASTM D882 기준 인장강도가 250 내지 350 MPa이고, 탄성율이 7.0 내지 10.0GPa이며, 신율이 13 내지 15%인 폴리이미드 필름을 제공할 수 있다.

상기 폴리이미드 필름을 제조하기 위한 방법은 각별히 한정되는 것은 아니며, (a) 디아민 화합물의 총 몰수 기준 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 화합물을 1mol% 내지 10mol% 포함하는 디아민 화합물; 및 디안하이드라이드 화합물을 공중합하여 폴리아믹산 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 폴리아믹산 용액을 지지체에 캐스팅하여 이미드화하는 단계를 거칠 수 있다.

이때, 상기 (a) 단계를 통하여 폴리아믹산 용액을 제조하는 방법은 상술한 바와 같으므로 생략한다. 다만, (a)단계의 공중합시, 반응 온도는 -20 내지 80℃가 바람직하고, 반응시간은 2 내지 48시간이 바람직하다. 또한 상기 공중합 반응은 아르곤이나 질소 등의 불활성 분위기에서 수행하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 (b)단계에서 폴리아믹산 용액을 지지체에 캐스팅하여 이미드화하는 방법으로는 통상적으로 적용되던 방법이면 이에 제한되지 않으며, 열이미드화법, 화학이미드화법, 또는 열이미드화법과 화학이미드화법을 병용하여 적용할 수 있다. 좋기로는 열이미드화법으로만 진행하는 것이 순간적으로 고분자의 분자량, 즉 중합도가 급격히 상승하여 급격한 용해도 감소 즉, 고형화가 이루어져 필름이 부서지는 것을 방지할 수 있는 측면에서 바람직할 수 있다.

최종적으로 제조된 폴리이미드 필름의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 10 내지 20㎛의 범위인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 내지 15㎛일 수 있다.

실시예

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

반응기로서 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 1L 반응기에 질소를 통과시키면서 N,N-디메틸아세타아미드(DMAc) 715g을 채우고, 반응기의 온도를 35℃로 맞춘 후, 디아민 총 몰수(0.405mol, 이하, 실시예 2 내지 3 및 비교예 1 내지 3동일) 99mol%에 해당하는 파라페닐렌디아민(p-PDA) 43.92g을 용해하여 이 용액을 35℃로 유지하였다.

여기에 디아민 총 몰수의 1mol%에 해당하는 4,4-디아미노바이페닐-3,3-디카르복실산(DATA) 1.02g과 디안하이드라이드 총 몰수 30 mol%에 해당하는 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA) 36.18g을 투입 후 2시간 동안 반응 후에 디안하이드라이드 총 몰수 67mol% 에 해당하는 1,2,4,5-벤젠 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(PMDA) 62.60g을 투입 후에 12시간 동안 교반하여 용해 및 반응시켰다. 이때 용액의 온도는 35℃로 유지하였으며, 고형분의 농도는 17중량%이며, 점도가 140ps인 폴리아믹산 용액을 얻었다.

반응이 종료된 후 수득된 용액을 지지체에 도포한 후 두께 20㎛로 캐스팅하고 열풍으로 200℃에서 30분 열처리하여 1차적으로 용매를 제거하고, 300℃에서 1시간, 500℃에서 2분 동안 추가적으로 열풍으로 건조한 다음, 서서히 냉각해 지지체로부터 분리하여, 두께 12㎛인 폴리이미드 필름을 수득하였다.

실시예 2

디아민 총 몰수 기준 95mol%에 해당하는 p-PDA 42.12g 및 5mol%에 해당하는 DATA 5.69g을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 필름을 수득하였다. 다만, 이때 실시예 2의 제조과정에서 얻은 폴리아믹산 용액은 고형분의 농도가 17중량%이고, 점도가 135ps였다.

실시예 3

디아민 총 몰수 기준 90mol%에 해당하는 p-PDA 39.92g 및 10mol%에 해당하는 DATA 10.20g을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 필름을 수득하였다. 다만, 이때 실시예 3의 제조과정에서 얻은 폴리아믹산 용액은 고형분의 농도가 17중량%이고, 점도가 138ps였다.

비교예 1

디아민 총 몰수 기준 99.1mol%에 해당하는 p-PDA 44.40g 및 0.9mol%에 해당하는 DATA 0.93g을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 필름을 수득하였다. 다만, 이때 비교예 1의 제조과정에서 얻은 폴리아믹산 용액은 고형분의 농도가 17중량%이고, 점도가 136ps였다.

비교예 2

디아민 총 몰수 기준 89mol%에 해당하는 p-PDA 39.48g 및 11mol%에 해당하는 DATA 11.22g을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 필름을 수득하였다. 다만, 이때 비교예 2의 제조과정에서 얻은 폴리아믹산 용액은 고형분의 농도가 17중량%이고, 점도가 140ps였다.

비교예 3

디아민 총 몰수 기준 85mol%에 해당하는 p-PDA 39.90g 및 15mol%에 해당하는 DATA 11.398g을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 필름을 제조하고자 하였으나, DATA가 용매에 용해되지 않아 폴리아믹산 용액 자체를 얻을 수 없었다.

비교예 4

N,N-디메틸아세타아미드(DMAc) 727g, 디아민 총 몰수(0.398mol. 이하 비교예 5 동일)의 95mol%에 해당하는 p-PDA 43.14g, 5mol%에 해당하는 4,4'-디아미노 바이페닐(DABP) 4.62g, 30 mol%에 해당하는 BPDA 37.07g 및 67mol% 에 해당하는 PMDA 61.37g을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 필름을 수득하였다. 비교예 4의 제조과정에서 얻은 폴리아믹산 용액은 고형분의 농도가 17중량%이고, 점도가 148ps였다.

비교예 5

상기 비교예 4의 화합물 함량에서 N,N-디메틸아세타아미드(DMAc) 738g, 디아민 총 몰수 기준 90mol%에 해당하는 p-PDA 40.87g 및 10mol%에 해당하는 DABP 9.24g를 변경한 것을 제외하고 비교예 4와 같이 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리이미드 필름을 수득하였다. 비교예 5의 제조과정에서 얻은 폴리아믹산 용액은 고형분의 농도가 17중량%이고, 점도가 125ps였다.

물성평가

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 필름을 이용하여, 아래와 같은 방법으로 열팽창계수(CTE) 및 필름의 기계적 물성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1 및 2에 기재하였다.

(1) 열팽창계수(CTE)

TMA(Perkin Elmer사, Diamond TMA)를 이용하여 TMA-Method에 따라 2번에 걸쳐 열팽창계수를 측정하였으며 승온속도는 10℃/min, 100mN의 하중을 가하였다. 이때, 측정하고자 하는 시편의 길이는 폭 4mm, 길이 23mm 재단하여 측정하였다. 1^st CTE 측정시 50℃에서 등온 조건으로 1분간 유지하고 승온 속도는 10℃/min, 100mN의 하중으로 500℃까지 승온하여 CTE를 측정하였다(이를, 필름의 열팽창계수로 정의하며, 또한 측정횟수적 측면에서 1^st CTE로 칭한다). 1^st CTE 측정 완료 5℃/min로 상온까지 냉각한다. 2^nd CTE를 측정하기 위하여 1^st CTE 측정 조건과 동일하게 측정하였으며 2^nd CTE 측정시 50℃에서 등온 조건으로 1분간 유지하고 승온 속도는 10℃/min, 100mN의 하중으로 500℃까지 승온하여 2^nd CTE 를 측정하였다.

상기 및 이하의 기재에 있어서 열팽창계수는 선 팽창계수를 의미하는 것이다.

얻어진 1^st CTE와 2^nd CTE값을 다음 식 1에 대입하여 열팽창계수 증가지수로 산출하였다.

<식 1>

열팽창계수 증가지수 = 2^nd CTE / 1^st CTE

(2) 기계적 물성

Instron사의 5967을 사용하여 ASTM-D882 기준에 맞추어 인장강도, 탄성율 및 신율을 측정하였다. 시편의 크기는 13mm*100mm, Load cell 1KN, Tension rate를 50mm/min으로 시편당 7회 측정하여 최대값 및 최소값을 제외한 평균값으로 측정하였다.

	조성	몰비 (mol%)	점도 (Ps)	1^st CTE (ppm/)	2 ^nd CTE (ppm/)	열팽창계수 증가지수 (%)
실시예 1	pPDA+DATA+BPDA+PDMA	99:1:30:67	140	0.75	3.87	5.16
실시예 2		95:5:30:67	135	1.23	2.59	2.10
실시예 3		90:10:30:67	145	2.37	2.89	1.21
비교예 1	pPDA+DATA+BPDA+PDMA	99.1:0.9:30:67	138	0.35	5.15	14.71
비교예 2		89:11:30:67	136	1.38	15.66	11.34
비교예 3		85:15:30:67	평가 불가
비교예 4	pPDA+DABP+BPDA+PMDA	95:5:30:67	148	0.37	5.98	16
비교예 5	pPDA+DABP+BPDA+PMDA	99:10:30:67	125	0.26	6.53	25

물성측정결과, 상기 표 1에 나타난 바와 같이, 카르복실산 작용기가 도입된 DATA의 함량이 디아민 화합물의 총 몰수 기준 1 내지 10ml%인 경우, 두 번째 측정된 CTE가 그 사용량이 상기 범위를 벗어나는 일예인 비교예 1 내지 3과 대비하여 낮고, 이에 따라 열팽창계수 증가지수 또한 현저하게 작음을 알 수 있다.

더욱이 디아민 단량체로서 DATA와 대비하여 카르복실산 작용기를 갖지 않는 DABP를 사용한 비교예 4 내지 5의 경우 두 번째 측정된 CTE값이 클 뿐만 아니라, 열팽창계수 증가지수 또한 월등히 커짐을 알 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따라 제조된 폴리이미드 필름은 열 치수 안정성이 확보될 것으로 예상되었다.

	조성	몰비 (mol%)	두께 ()	인장강도 (MPa)	탄성율 (GPa)	신율 (%)
실시예 1	pPDA+DATA+BPDA+PDMA	99:1:30:67	13	260	7.3	15
실시예 2		95:5:30:67	12	310	8.5	14
실시예 3		90:10:30:67	15	330	9.5	13
비교예 1	pPDA+DATA+BPDA+PDMA	99.1:0.9:30:67	11	258	7.2	10
비교예 2		89:11:30:67	13	333	9.6	11
비교예 3		85:15:30:67	평가 불가
비교예 4	pPDA+DABP+BPDA+PMDA	99:5:30:67	13	270	7.2	12
비교예 5	pPDA+DABP+BPDA+PMDA	99:10:30:67	14	280	7.3	11

한편, 기계적 물성 측정결과에 따르면, 상기 표 2에 나타난 바와 같이, 가교반응이 가능한 DATA의 몰 함량이 증가함에 따라 사슬간 형성되는 가교도의 증가로 인해 인장강도와 탄성율 모두 증가함을 확인할 수 있었다. 또한, 카르복실산이 도입된 디아민의 함량이 증가할수록 디아민의 Biphenyl 구조에 의해 필름이 다소 Brilttle해 질 수 있어 신율이 저하되는 경향은 나타났으나 이는 카르복실산이 도입되지 않은 디아민에 비해서는 우수한 수준으로 보였다. 다만, 본 발명의 바람직한 범위에서 벗어날 경우 신율이 급격히 저하되어 기계적 물성이 저하됨을 알 수 있었다.

Claims

디아민 화합물과 디안하이드라이드 화합물의 중합물을 포함하고,
상기 디아민 화합물은 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 화합물을 전체 디아민 화합물 총 몰수 기준으로 1mol% 내지 10mol%로 포함하고,
상기 카르복실산 작용기를 갖는 디아민 화합물은 3,5-디아미노프탈릭산(DAPA) 및 4,4-디아미노바이페닐-3,3-디카르복실산(DATA)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 종 이상을 포함하는 것인 폴리아믹산 용액.
제 1 항에 있어서,
상기 중합물은 디아민 화합물과 디안하이드라이드 화합물을 1:0.95 내지 1:1 몰비로 반응시켜 얻어진 것을 특징으로 하는 폴리아믹산 용액.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 디아민 화합물은 방향족 디아민 화합물을 전체 디아민 화합물 총 몰수 기준으로 90mol% 내지 99mol%로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리아믹산 용액.
제 4 항에 있어서,
상기 방향족 디아민 화합물은 옥시디아닐린 (ODA), 파라페닐렌디아민 (pPDA), m-페닐렌디아민 (mPDA), p-메틸렌디아닐린 (pMDA) 및 메타메틸렌디아닐린 (mMDA)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 종 이상의 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리아믹산 용액.
제 1 항에 있어서,
상기 디안하이드라이드 화합물은 피로멜리틱산 디안하이드라이드(1,2,4,5-벤젠 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(PMDA)), 벤조페논 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BTDA), 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA), 비스카르복시페닐 디메틸 실란 디안하이드라이드(SiDA), 옥시디프탈릭 디안하이드라이드(ODPA), 비스 디카르복시페녹시 디페닐 설파이드 디안하이드라이드(BDSDA) 및 술포닐 디프탈릭안하이드라이드(SO₂DPA)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 화합물 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 폴리아믹산 용액.
제 1 항에 있어서,
상기 중합물은 중량 평균 분자량이 100,000 내지 150,000인 것을 특징으로 하는 폴리아믹산 용액.
삭제
제 1 항의 폴리아믹산 용액의 이미드화물이며,
주쇄와 주쇄 사이가 아미드 결합(-CONH-)으로 가교된 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 필름.
제 9 항에 있어서,
상기 폴리이미드 필름은 50 내지 500℃ 온도범위에서 측정된 열팽창계수가 5ppm/℃ 이하이고, 다음 식 1로 정의되는 열팽창계수 증가지수가 10 이하인 것을 특징으로 하는 폴리이미드 필름.
<식 1>
열팽창계수 증가지수 = 2^nd CTE / 1^st CTE
상기 식에서, 1^stCTE는 TMA-method법에 따라 50 내지 500℃ 온도범위에서 1차 측정하여 얻어진 열팽창계수 값이고, 2^ndCTE는 1차 측정된 시편을 상온으로 냉각한 후 1차 측정에서와 동일한 조건으로 2차 측정하여 얻어진 열팽창계수 값이다(단, 1^st CTE ≤ 2^nd CTE를 만족한다).
제 9 항에 있어서,
상기 폴리이미드 필름은 ASTM D882 기준 인장강도가 250 내지 350 MPa이고, 탄성율이 7.0 내지 10.0GPa이며, 신율이 13 내지 15%인 것을 특징으로 하는 폴리이미드 필름.