KR102251517B1 - 폴리아믹산 용액, 폴리이미드 필름, 및 이를 포함하는 영상 표시 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무색 투명 폴리이미드 수지 및 이를 이용한 폴리이미드 필름에 관한 것으로, 디아민계 모노머 및 디안하이드라이드계 모노머로부터 유래되는 반복단위를 포함하고, 상기 디아민계 모노머는 카르도 구조의 디아민계 모노머를 포함함으로써, 우수한 복굴절 및 신율, 낮은 열팽창계수 특성을 가지는 무색투명 폴리아믹산 용액 및 폴리이미드 필름에 관한 것이다.

Description

폴리아믹산 용액, 폴리이미드 필름, 및 이를 포함하는 영상 표시 소자 {POLYAMIC ACID, POLYIMIDE FILMS, AND DISPLAY DEVICE COMPRISING THEREOF}
본 발명은 폴리아믹산, 폴리이미드 필름, 및 이를 포함하는 영상 표시 소자에 관한 것이다.
일반적으로 폴리이미드(PI) 필름은 폴리이미드 수지를 필름화한 것으로, 폴리이미드 수지는 방향족 디안하이드라이드와 방향족 디아민 또는 방향족 디이소시아네이트를 용액 중합하여 폴리아믹산 유도체를 제조한 후, 고온에서 폐환 탈수시켜 이미드화하여 제조되는 고내열 수지를 일컫는다.
이와 같은 폴리이미드 필름은 뛰어난 기계적, 내열성, 전기절연성을 가지고 있기 때문에 반도체의 절연막, TFT-LCD의 전극 보호막 플랙시블 인쇄 배선 회로용 기판 등의 전자재료에 광범위한 분야에서 사용되고 있으며 최근에는 얇고 가벼우며 휘거나 구부릴 수 있는 Foldable한 디스플레이분야에서 주목받고 있다.
Foldalbe한 디스플레이를 구현하기 위해서는 기존의 유리 기판 대신 유연성을 지닌 새로운 소재의 기판을 요구하는데, 이러한 유연한 특성을 구현하기 위해서는 -O-, SO2-, -CH2- 등과 같은 유연한 사슬 격자를 갖는 단량체를 사용하거나 p-위치가 아닌 m-위치로의 연결된 굽은 구조의 단량체를 사용할 경우 매우 높은 기계적 특성을 나타낼 수 있지만 폴리이미드가 갖는 본연의 고내열 특성 감소하는 문제가 있으며 다음과 같은 특허를 통해 확인할 수 있다.
일본특허 2010-1780349호 및 20078/010494호에는 지환식 단량체 및 플루오렌 구조를 함유하는 폴리이미드 중합에 대한 내용이 기재되어 있는데 이는 우수한 투명성을 갖지만 열적 및 기계적 특성의 저하를 가져오는 결과를 보였고 미국특허 제4595548호, 제4603061호, 제4645824, 제4895972호, 제5218083호, 제5093453호, 제5218077호, 제5367046호, 제5338826호. 제5986036호, 제6232428호 및 대한민국 특허공개공보 제2003-0009437호에는 -O-, -SO2-, CH2- 등의 연결기와 p-위치가 아닌 m-위치로의 연결된 굽은 구조의 단량체이거나 -CF3 등의 치환기를 갖는 방향족 디안하이드라이드 이무수물과 방향족 디아민 단량체를 사용하여 열적 특성이 크게 저하되지 않는 한도에서 투과도 및 색상의 투명도를 향상시킨 신규 구조의 폴리이미드를 제조한 보고가 있으나, 기계적 특성, 내열성, 복굴절 측면에서 OLED, TFT-LCD, 플렉시블 디스플레이 등의 표시소자 소재로 사용하기에는 부족한 결과를 보였다.
따라서 본 발명에서는 종래의 투명 폴리이미드 막이 가지고 있는 광학특성을 유지하며 내열성 및 기계적특성을 개선하여 Foldable 디스플레이 소재로 사용하기에 적합한 폴리아믹산, 폴리이미드 필름을 얻는 것을 목적으로 한다.
이에 본 발명은 종래의 투명 폴리이미드 막의 광학특성을 유지하며 내열성 및 기계적 특성을 개선해 Foldable 디스플레이 소재에 활용할 수 있는 더욱 우수한 폴리아믹산 및 폴리이미드 필름을 제조하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 상기 폴리이미드로 제조된 폴리아믹산 및 필름을 통해 Foldable 디스플레이 기판 소재를 제공하는데 있다.
이에 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 제 1 구현예는 방향족 디아민계 모노머 및 방향족 디안하이드라이드계 모노머로부터 중합되고, 상기 방향족 디아민계 모노머는 카르도 구조의 디아민계 모노머를 포함하며, 상기 카르도 구조의 디아민계 모노머는 그 함량이 방항족 디아민계 모노머의 총 몰에 대하여, 10 내지 30 몰% 포함되는 것이다.
상기 제 1 구현예에 따른 카르도 구조의 디아민계 모노머는 9,9-비스(4-아미노페닐)플로오렌 (FDA), 9,9-비스(3-클로로-4-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(3-메틸-4-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(3-메틸-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(4-아미노-3-플로오로페닐)플로오렌(FFDA), 4,4-(9H-플로오렌-9-일리딘) 비스페닐아민 (FBPA), 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플로오렌, 9,9-비스 (4-2-하이드록시에톡시)페닐)플로오렌, 및 9,9-비스(6-하이드록시-2-나프틸)플로오렌으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 제 1 구현예에 따른 상기 디안하이드라이드계 모노머는 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드 (3,3,4,4-Biphenyltetracarboxylic dianhydride, BPDA), 옥시 디프탈릭 디안하이드라이드 (4,4'-oxydiphthalic anhydride, ODPA), 및 시클로부탄 테트라카르복실릭 디안하이드라이드 (Cyclobutane-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydride, CBDA) 으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 제 1 구현예에 따른 디아민계 모노머는 비스 트리플루오로메틸 벤지딘(2,2'-bis(trifluoromethyl)benzidine, TFDB), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐)헥사플루오로프로판(HFBAPP), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐)술폰(BAPS), 비스(4-(3-아미노페녹시)페닐)술폰(BAPSM), 4,4’-디아미노디페닐술폰(4DDS), 3,3’-디아미노디페닐술폰(3DDS), 2,2-비스(4-(4-아미노페녹시)페닐 프로판), 및 4,4’-디아미노디페닐프로판(6HDA)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.
또한 본 발명의 바람직한 제2 구현예는 방향족 디아민계 모노머로부터 유래된 단위구조와 방향족 디안하이드라이드계 모노머로부터 유래된 단위구조를 포함하는 것인 폴리이미드 필름으로서, 상기 방향족 디아민계 모노머는 카르도 구조의 디아민계 모노머를 포함하며, 상기 카르도 구조의 디아민계 모노머는 그 함량이 방항족 디아민계 모노머의 총 몰에 대하여, 10 내지 30 몰% 포함되는 것이다.
상기 제 2 구현예에 따른 카르도 구조의 디아민계 모노머는 9,9-비스(4-아미노페닐)플로오렌 (FDA), 9,9-비스(3-클로로-4-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(3-메틸-4-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(3-메틸-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(4-아미노-3-플로오로페닐)플로오렌(FFDA), 4,4-(9H-플로오렌-9-일리딘) 비스페닐아민 (FBPA), 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플로오렌, 9,9-비스 (4-2-하이드록시에톡시)페닐)플로오렌, 9,9-비스(6-하이드록시-2-나프틸)플로오렌 등으로 구성된 군에서 선택되는 1종인 것일 수 있다.
상기 제 2 구현예에 따른 상기 디안하이드라이드계 모노머는 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드 (3,3,4,4-Biphenyltetracarboxylic dianhydride, BPDA), 옥시 디프탈릭 디안하이드라이드 (4,4'-oxydiphthalic anhydride, ODPA), 및 시클로부탄 테트라카르복실릭 디안하이드라이드 (Cyclobutane-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydride, CBDA) 으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 제 2 구현예에 따른 디아민계 모노머는 비스 트리플루오로메틸 벤지딘(2,2'-bis(trifluoromethyl)benzidine, TFDB), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐)헥사플루오로프로판(HFBAPP), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐)술폰(BAPS), 비스(4-(3-아미노페녹시)페닐)술폰(BAPSM), 4,4’-디아미노디페닐술폰(4DDS), 3,3’-디아미노디페닐술폰(3DDS) 및 2,2-비스(4-(4-아미노페녹시)페닐 프로판), 4,4’-디아미노디페닐프로판(6HDA)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 제 2 구현예에 따른 폴리이미드 필름은 두께 10~50μm에서의 550nm에서 측정한 투과도가 87% 이상이며, 황색도가 5.0 이하인 것일 수 있다.
상기 제 2 구현예에 따른 폴리이미드 필름은 두께 10 ~ 50㎛를 기준으로 열변형해석법(TMA-Method)에 의해 50~300℃에서 2회 반복하여 측정한 평균 선팽창 계수(CTE)가 35ppm/℃ 이하인 것일 수 있다.
상기 제2 구현예에 따른 폴리이미드 필름은 532nm에서 측정한 평균복굴절이 0.030 이하인 것일 수 있다.
아울러 본 발명의 바람직한 제3 구현예는 상기 폴리이미드 필름을 포함하는 영상 표시 소자이다.
본 발명에 따르면, 필름이나 막 형성 후, 투명 폴리이미드의 무색투명성을 유지하며 개선된 기계적 특성 및 고내열성을 통해 Foldable 디스플레이의 기판소재 외에도 반도체 절연막, TFT, LCD 절연막, 광통신용 재료, 태양전지용 보호막등 과같이 우수한 광학특성과 함께 열 안정성 및 Folding성이 요구되는 다양한 분야에 용이한 폴리아믹산 및 폴리이미드를 제공할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 방향족 디아민계 모노머 및 방향족 디안하이드라이드계 모노머로부터 중합되고, 상기 방향족 디아민계 모노머는 카르도 구조의 디아민계 모노머를 방향족 디아민계 모노머의 총 몰에 대하여 10 내지 30 몰%를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리아믹산과, 이를 탈수폐환하여 제조된 필름을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 제1 구현예로, 방향족 디아민계 모노머 및 방향족 디안하이드라이드계 모노머로부터 중합되고, 상기 방향족 디아민계 모노머는 카르도 구조의 디아민계 모노머를 포함하며, 상기 카르도 구조의 디아민계 모노머는 그 함량이 방항족 디아민계 모노머의 총 몰에 대하여, 10 내지 30 몰% 포함되는 것을 특징으로 하는 폴리아믹산 용액을 제공한다.
본 발명은 방향족 디아민계 모노머의 총 몰에 대하여 카르도 구조의 디아민계 모노머가 10 내지 30 몰%로 포함된 방향족 디아민계 모노머와 방향족 디안하이드라이드를 중합하여 제조된 폴리아믹산을 탈수폐환시켜 폴리이미드 필름으로 제조한다.
무색투명한 광학성을 유지하며 개선된 기계적특성과 고내열성을 획득할 수 있다. 만약 카르도 구조의 디아민계 모노머가 10 몰% 미만으로 사용되면 본 특허에서 사용하는 원료의 조합 중 상대적으로 Rigid한 구조의 CPI 수지에서는 충분한 저복굴절성을 나타내지 못하고, 상대적으로 Flexible한 구조의 CPI 수지에서는 충분한 내열성 및 열적 안정성을 갖지 못한다. 또한, 카르도 구조의 다이민계 모노머가 30 몰%를 초과하여 사용되면 중합도가 떨어져 높은 분자량을 얻기 어려우며 필름이 전반적으로 Brittle해지는 경향을 보일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 카르도 구조의 디아민계 모노머는 9,9-비스(4-아미노페닐)플로오렌 (FDA), 9,9-비스(3-클로로-4-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(3-메틸-4-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(3-메틸-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(4-아미노-3-플로오로페닐)플로오렌(FFDA), 4,4-(9H-플로오렌-9-일리딘) 비스페닐아민 (FBPA), 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플로오렌, 9,9-비스 (4-2-하이드록시에톡시)페닐)플로오렌, 및 9,9-비스(6-하이드록시-2-나프틸)플로오렌 으로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다. 바람직하게는 FDA, 및 FFDA가 사용되는 것이 내열성 및 복굴절 개선과 광학적 측면에서 좋다.
본 발명에서 사용되는 다른 디아민으로서 비스 트리플루오로메틸 벤지딘(2,2'-bis(trifluoromethyl)benzidine, TFDB), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐)헥사플루오로프로판(HFBAPP), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐)술폰(BAPS), 비스(4-(3-아미노페녹시)페닐)술폰(BAPSM), 4,4’-디아미노디페닐술폰(4DDS), 3,3’-디아미노디페닐술폰(3DDS) 및 2,2-비스(4-(4-아미노페녹시)페닐 프로판), 4,4’-디아미노디페닐프로판(6HDA)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있고, 내열성 및 투과도로 대변되는 광학적 측면에서 TFDB가 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 디안하이드라이드는 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드 (3,3,4,4-Biphenyltetracarboxylic dianhydride, BPDA), 옥시 디프탈릭 디안하이드라이드 (4,4'-oxydiphthalic anhydride, ODPA), 및 시클로부탄 테트라카르복실릭 디안하이드라이드 (Cyclobutane-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydride, CBDA)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다. 바람직하게는 BPDA가 사용되는 것이 내열성과 연신율을 동시에 개선한 면에서 바람직하다.
즉 본 발명은 상기와 같은 카르도구조의 디아민계 모노머, 다른 종류의 디아민계 모노머와, 디안하이드라이드계 모노머를 중합하여 폴리아믹산 용액을 제조한다. 상기 카르도 구조의 디아민계 모노머는 FDA가, 다른 종류의 디아민계 모노머는 TFDB가, 디안하이드라이드계 모노머는 BPDA가 사용될 때, 가장 최적의 내열성 및 기계적 물성을 얻게되는 것이다.
디아민계 모노머 총 몰에 대하여 Cardo구조의 디아민계 모노머를 10 내지 30 몰%로 포함시켜 중합시킴으로써, 비스 트리플루오로메틸벤지딘 (TFDB)와 3,3',4,4'-비페닐테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA)의 고분자 주 사슬에 대해 측면결합을 유도해 국부적인 입체장애를 일으켜 열적 안정성을 유지하며 투명성 및 광학적 등방성 개선에 기여하는 역할을 할 수 있는 것이다.
상기 디안하이드라이드와 디아민의 중합반응을 위한 용매(중합용 용매)로는 폴리아믹산을 용해하는 용매이면 특별히 한정되지 않는다. 공지된 반응용매로서 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트 중에서 선택된 하나 이상의 극성용매를 사용한다. 이외에도 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름과 같은 저비점 용액 또는 γ-부티로락톤과 같은 저흡수성 용매를 사용할 수 있다.
전술된 디안하이드라이드와 디아민을 1:1 당량비로 하여, 반응온도 -10 ~ 80℃, 반응시간 2 ~ 48시간 동안, 질소 또는 아르곤 분위기에서 중합하여 폴리아믹산을 제조할 수 있다. 용매의 함량에 대하여 특별히 한정되지는 않으나, 적절한 폴리아믹산 용액의 분자량과 점도를 얻기 위하여 중합용 용매(제1 용매)의 함량은 전체 폴리아믹산 용액 중 50 ~ 95중량%가 바람직하고, 더욱 좋게는 70 ~ 90중량%인 것이 보다 바람직하다.
본 발명은 상기 폴리아믹산 용액을 이미드화하여 필름을 제조한다. 폴리아믹산 용액의 이미드화시키는 방법으로는 열 이미드화법과 화학 이미드화법 또는 열이미드화법과 화학이미드화법을 병용하여 적용할 수 있다.
상기 열이미드화법은 폴리아믹산 용액을 지지체상에 캐스팅하여 40 ~ 300℃의 온도범위에서 서서히 승온시키면서 1 ~ 8시간 가열하여 폴리이미드 필름을 얻는 방법이다.
상기 화학이미드화법은 폴리아믹산 용액에 아세트산무수물 등의 산무수물로 대표되는 탈수제와 이소퀴놀린, β-피콜린, 피리딘 등의 3급 아민류 등으로 대표되는 이미드화 촉매를 투입하는 방법이다. 이러한, 화학이미드화법에 열이미드화법 또는 열이미드화법을 병용하는 경우, 폴리아믹산 용액의 가열 조건은 폴리아믹산 용액의 종류, 제조되는 폴리이미드 필름의 두께 등에 의하여 변동될 수 있다.
상기 열이미드화법과 화학이미드화법을 병용하는 경우의 폴리이미드 필름 제조예를 보다 구체적으로 설명하면, 폴리아믹산 용액에 탈수제 및 이미드화 촉매를 투입하여 지지체상에 캐스팅한 후 80 ~ 200℃, 바람직하게는 100 ~ 180℃에서 가열하여 탈수제 및 이미드화 촉매를 활성화함으로써 부분적으로 경화 및 건조한 후, 200 ~ 300℃에서 5 ~ 400초간 가열함으로써 폴리이미드 필름을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상기 수득된 폴리아믹산 용액으로부터 다음과 같이 폴리이미드 필름을 제조할 수도 있다. 즉, 수득된 폴리아믹산 용액을 이미드화한 후, 이미드화한 용액을 제2 용매에 투입하고 침전, 여과 및 건조하여 폴리이미드 수지의 고형분을 수득하고, 수득된 폴리이미드 수지 고형분을 제1 용매에 용해시킨 폴리이미드 용액을 이용하여 제막공정을 통하여 얻을 수 있다.
상기 제1 용매는 폴리아믹산 용액 중합시 사용한 용매와 동일한 용매를 사용할 수 있으며, 상기 제2 용매는 폴리이미드 수지의 고형분을 수득하기 위하여 제1 용매보다 극성이 낮은 것을 사용하며, 구체적으로는 물, 알코올류, 에테르류 및 케톤류 중 선택된 1종 이상인 것일 수 있다. 이때 상기 제2 용매의 함량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 폴리아믹산 용액의 중량 대비 5 ~ 25중량%인 것이 바람직하다.
전술된 바와 같이 수득된 폴리이미드 수지 고형분을 여과한 후 건조하는 조건은 제2 용매의 끓는점을 고려하여 온도는 50 ~ 120℃, 시간은 3 ~ 24시간인 것이 바람직하다. 이후 제막공정에서 폴리이미드 수지 고형분이 용해되어 있는 폴리이미드 용액을 지지체상에 캐스팅하여 40 ~ 300℃의 온도범위에서 서서히 승온시키면서 1분 ~ 8시간 가열하여 폴리이미드 필름을 얻는다.
이상에서 설명한 바와 같은 방법으로 얻어지는 폴리이미드 필름의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 10 ~ 100㎛ 범위인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 ~ 50㎛인 것이 좋다.
또한, 본 발명에 따른 폴리이미드 필름은 필름 두께 10㎛를 기준으로, 투과도 87%이상, 황색도가 5.0 이하인 동시에 CTE값이 35ppm/℃ 이하이며, 또한, 본 발명에 따른 폴리이미드 필름은 필름 두께 10 ~ 20㎛를 기준으로, 신율이 15% 이상이므로 Foldable 디스플레이의 기판 소재 혹은 보호층으로 사용되기에 유용하다.
상기 폴리이미드 필름은 복굴절 △n = TE(Transeverse Elictric)- TM(Transverse magnetic)= 0.030 이하인 필름 값을 가진다. 상기 복굴절은 복굴절 분석기(Prism Coupler, Sairon SPA4000)를 이용하여 532nm에서 TE(Transeverse Elictric)모드, TM(Transverse magnetic)모드 각각 3회 측정하여 평균값을 측정한 것이다.
본 발명의 폴리이미드 필름을 Foldable 디스플레이 기판에 적용함으로써 기계적 특성 및 내열성이 우수하고, 광학적 등방성을 가지는 무색투명한 기판을 얻을 수 있다는 좋은 이점이 있다.
최종적으로 본 발명은 상기 폴리이미드 필름을 포함하는 영상 표시 소자를 제공할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명 하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 391.786g을 채운 후에 TFDB 37.467g(0.117mol)을 용해하였다. 그 후, FDA 4.530g(0.013mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, BPDA 38.249g(0.13mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 340poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 10㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 실시예 2>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 393.577g을 채운 후에 TFDB 33.304g(0.104mol)을 용해하였다. 그 후, FDA 9.060g(0.026mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, BPDA 38.249g(0.13mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 270poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 12㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 실시예 3>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 395.368g을 채운 후에 TFDB 29.141g(0.091mol)을 용해하였다. 그 후, FDA 13.590g(0.039mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, BPDA 38.249g(0.13mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 90poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 10㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 실시예 4>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 394.069g을 채운 후에 TFDB 37.467g(0.117mol)을 용해하였다. 그 후, FFDA 4.997g(0.013mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, BPDA 38.249g(0.13mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 298poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 10㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 실시예 5>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 398.143g을 채운 후에 TFDB 33.304g(0.104mol)을 용해하였다. 그 후, FFDA 9.995g(0.026mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, BPDA 38.249g(0.13mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 185poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 11.5㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 실시예 6>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 386.748g을 채운 후에 TFDB 28.020g(0.0875mol)을 용해하였다. 그 후, FFDA 14.416g(0.0375mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, BPDA 36.778g(0.125mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 75poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 9㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 실시예 7>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 380.479g을 채운 후에 TFDB 30.742g(0.096mol)을 용해하였다. 그 후, FDA 8.363g(0.024mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, BPDA 37.225g(0.12mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 220poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 11㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 실시예 8>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 313.630g을 채운 후에 TFDB 30.742g(0.096mol)을 용해하였다. 그 후, FDA 8.363g(0.024mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, CBDA 23.533g(0.12mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 245poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 10㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 실시예 9>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 376.885g을 채운 후에 TFDB 30.742g(0.096mol)을 용해하였다. 그 후, FFDA 9.226g(0.024mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, ODPA 37.225g(0.12mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 185poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 11㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 실시예 10>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 329.588g을 채운 후에 3DDS 23.837g(0.096mol)을 용해하였다. 그 후, FDA 8.363g(0.024mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, BPDA 35.306g(0.12mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 80poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 11㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 실시예 11>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 381.259g을 채운 후에 BAPSM 38.059g(0.088mol)을 용해하였다. 그 후, FDA 7.666g(0.022mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, BPDA 32.364g(0.11mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 105poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 12㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 실시예 12>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 385.123g을 채운 후에 BAPSM 38.059g(0.088mol)을 용해하였다. 그 후, FFDA 8.457g(0.022mol)을 넣고 2시간동안 완전용해 시킨 후, BPDA 32.364g(0.11mol)을 넣었다. 그 후 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 92poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 반응이 종료된 후 수득된 용액을 스테인레스판에 도포한 후, 10~20㎛로 캐스팅하고 80℃의 열풍으로 20분, 120℃에서 20분, 290℃에서 등온 30분 열풍으로 건조한 후, 서서히 냉각해 판으로부터 분리하여 두께가 11㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 비교예 1>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 389.995g을 채운 후에 TFDB 41.630g(0.13mol)을 용해하였다. 그 후, BPDA 38.249g(0.13mol)을 넣고 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 15시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 1980poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 이후 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 두께가 12㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 비교예 2>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 392.218g을 채운 후에 FDA 43.556g(0.125mol)을 용해하였다. 그 후, BPDA 36.778g(0.125mol)을 넣고 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 18시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 1210poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 이후 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 두께가 11㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
< 비교예 3>
반응기로써 교반기, 질소주입장치, 적하깔때기, 온도조절기 및 냉각기를 부착한 500ml 반응기에 질소를 통과시키면서 디메틸아세트아미드(DMAc) 397.603g을 채운 후에 FFDA 46.130g(0.12mol)을 용해하였다. 그 후, BPDA 35.306g(0.12mol)을 넣고 용액의 온도를 상온으로 유지한 후 18시간 반응하였고, 그 결과 고형분의 농도가 17 중량%이고, 점도가 980poise인 폴리아믹산 용액을 수득하였다. 이후 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 두께가 11㎛인 폴리이미드 필름을 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예로 제조된 폴리이미드 필름을 하기의 방법으로 물성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1과 표2에 나타내었다.
(1) 투과도 측정
UV분광계(코티카 미놀타 CM-3700d)를 이용하여 550nm에서 투과도를 3번 측정 하여 평균값을 표 1에 기재하였다.
(2) 점도
Brookfield 점도계(RVDV-II+P)를 25℃에서 6번 또는 7번 scandal을 사용하여 50rpm에서 2회 측정하여 평균값을 측정하였다.
(3) 황색도(Y.I.) 측정
UV분광계 (Konita Minolta, CM-3700d)를 이용하여 ASTM E313규격으로 황색도를 측정하였다.
(4) 복굴절 측정
복굴절 분석기(Prism Coupler, Sairon SPA4000)를 이용하여 532nm에서 TE(Transeverse Elictric)모드, TM(Transverse magnetic)모드 각각 3회 측정하여 평균값을 측정하였다.
(5) 열팽창 계수(CTE) 측정
TMA(TA Instrument사, Q400)을 이용하여 TMA- Method에 따라 2번에 걸쳐 50~250℃에서의 선형 열팽창 계수를 측정하였다. 시편의 크기는 4mm×24mm, 하중은 0.02N으로 승온 속도는 10℃/min으로 하였다.
필름을 제막하고 열처리를 통하여 필름 내에 잔류 응력이 남아 있을 수 있기 때문에 첫 번째 작동(Run)으로 잔류응력을 완전히 제거 후, 두 번째 값을 실측정치로 제시하였다.
(6) 연신율 측정
Instron사의 5967을 사용하여 ASTM-D882의 기준에 맞추어 측정하였다. 시편의 크기는 15mm×100mm, Load cell 1KN, Tension rate를 10mm/min으로 측정하였다.
구분 성분 몰비 필름 두께 550nm투과도 Y.I. 선선형열팽창계수
(ppm/)
(㎛) (%)
실시예1 TFDB : FDA / BPDA 0.9 : 0.1 / 1.0 10 87.80 3.66 29.83
실시예2 TFDB : FDA / BPDA 0.8 : 0.2 / 1.0 12 87.88 3.81 31.88
실시예3 TFDB : FDA / BPDA 0.7 : 0.3 / 1.0 10 87.91 3.97 34.12
실시예4 TFDB : FFDA / BPDA 0.9 : 0.1 / 1.0 10 87.66 3.73 31.79
실시예5 TFDB : FFDA / BPDA 0.8 : 0.2 / 1.0 11.5 87.71 3.87 33.37
실시예6 TFDB : FFDA / BPDA 0.7 : 0.3 / 1.0 9 88.07 3.85 34.64
실시예7 TFDB : FDA / ODPA 0.8 : 0.2 / 1.0 11 87.33 4.32 33.02
실시예8 TFDB : FDA / CBDA 0.8 : 0.2 / 1.0 10 88.22 3.72 33.78
실시예9 TFDB : FFDA / ODPA 0.8 : 0.2 / 1.0 11 87.47 3.97 34.37
실시예10 3DDS : FDA / BPDA 0.8 : 0.2 / 1.0 11 88.02 3.93 34.88
실시예11 BAPSM : FDA / BPDA 0.8 : 0.2 / 1.0 12 87.21 4.81 34.91
실시예12 BAPSM : FDA / BPDA 0.8 : 0.2 / 1.0 11 87.33 4.52 33.87
비교예1 TFDB / BPDA 1.0 / 1.0 12 87.47 4.01 28.31
비교예2 FDA / BPDA 1.0 / 1.0 11 88.02 2.03 41.80
비교예3 FFDA / BPDA 1.0 / 1.0 11 88.19 1.39 42.02
구분 Prism Coupler 연신율(%)
TE(transverse electric) TM(transverse magnetic) dn
실시예1 1.6666 1.6396 0.0270 19.01
실시예2 1.6699 1.6449 0.0250 18.75
실시예3 1.6773 1.6558 0.0215 16.03
실시예4 1.6651 1.6351 0.0300 18.88
실시예5 1.6658 1.6427 0.0231 18.02
실시예6 1.6662 1.6456 0.0206 15.99
실시예7 1.6577 1.6346 0.0231 17.70
실시예8 1.6991 1.6781 0.0210 15.34
실시예9 1.6527 1.6302 0.0225 16.20
실시예10 1.6681 1.6444 0.0237 16.27
실시예11 1.6637 1.6395 0.0242 18.72
실시예12 1.6622 1.6401 0.0221 17.40
비교예1 1.6751 1.6117 0.0634 26.10
비교예2 1.7083 1.6811 0.0272 7.08
비교예3 1.6860 1.6605 0.0255 6.05
상기 표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 6의 폴리이미드 필름은 비교예 1 과 비교하였을때, 복굴절 및 투과도와 Y.I로 대변되는 광학성이 개선되었다. 하지만 비교예 2,3 폴리이미드 필름의 물성을 토대로 예측된 결과처럼, 내열성 및 연신율은 다소 감소되었다. 그리고 이는 Cardo 계열 디아민 원료의 몰분율이 높아질수록 감소되는 경향성을 보였다.
그 이유는 Cardo 계열 디아민 원료를 사용하여 고분자 사슬을 중합 할 경우 주로 고분자 주 사슬에 대해 측면결합을 이루고 있어 사슬간의 입체장애가 생기기 쉽기 때문에, 결정화도가 떨어지게 되거나 결합력이 약해져 필름의 연신율이 저하되는 경향을 보이고 이는 비교예 2,3 의 결과를 통해 확인할 수 있었다.
따라서 앞서 설명한 바와 같이 Cardo 구조의 디아민계 모노머는 전체 디아민계 모노머에 대하여 10 ~ 30 mol% 함유되어야 본 발명에서 얻고자 하는 목표에 충분한 내열성 및 연신율 특성을 가질 수 있다.
이와 같은 물성을 나타내는 폴리이미드 수지 혹은 필름은 무색투명하며 기계적 특성 및 내열성이 우수하여 향후 Foldable 디스플레이 기판 또는 보호층으로 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 방향족 디아민계 모노머 및 방향족 디안하이드라이드계 모노머로부터 중합되고,
    상기 방향족 디아민계 모노머는 카르도 구조의 디아민계 모노머를 포함하며,
    상기 방향족 디아민계 모노머는 비스 트리플루오로메틸 벤지딘(2,2'-bis(trifluoromethyl)benzidine, TFDB), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐)헥사플루오로프로판(HFBAPP), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐)술폰(BAPS), 비스(4-(3-아미노페녹시)페닐)술폰(BAPSM) 및 4,4’-디아미노디페닐프로판(6HDA)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하고,
    상기 카르도 구조의 디아민계 모노머는 그 함량이 방항족 디아민계 모노머의 총 몰에 대하여, 10 내지 30 몰% 포함되는 것을 특징으로 하는 폴리아믹산 용액.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 카르도 구조의 디아민계 모노머는 9,9-비스(4-아미노페닐)플로오렌 (FDA), 9,9-비스(3-클로로-4-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(3-메틸-4-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(3-메틸-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(4-아미노-3-플로오로페닐)플로오렌(FFDA), 4,4-(9H-플로오렌-9-일리딘) 비스페닐아민 (FBPA), 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플로오렌, 9,9-비스 (4-(2-하이드록시에톡시)페닐)플로오렌, 및 9,9-비스(6-하이드록시-2-나프틸)플로오렌으로 구성된 군에서 선택되는 1종인 것인 폴리아믹산 용액.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 디안하이드라이드계 모노머는 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드 (3,3,4,4-Biphenyltetracarboxylic dianhydride, BPDA), 옥시 디프탈릭 디안하이드라이드 (4,4'-oxydiphthalic anhydride, ODPA), 및 시클로부탄 테트라카르복실릭 디안하이드라이드 (Cyclobutane-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydride, CBDA)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리아믹산 용액.
  4. 삭제
  5. 방향족 디아민계 모노머로부터 유래된 단위구조와 방향족 디안하이드라이드계 모노머로부터 유래된 단위구조를 포함하는 것인 폴리이미드 필름으로서,
    상기 방향족 디아민계 모노머는 카르도 구조의 디아민계 모노머를 포함하며,
    상기 방향족 디아민계 모노머는 비스 트리플루오로메틸 벤지딘(2,2'-bis(trifluoromethyl)benzidine, TFDB), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐)헥사플루오로프로판(HFBAPP), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐)술폰(BAPS), 비스(4-(3-아미노페녹시)페닐)술폰(BAPSM) 및 4,4’-디아미노디페닐프로판(6HDA)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하고,
    상기 카르도 구조의 디아민계 모노머는 그 함량이 방항족 디아민계 모노머의 총 몰에 대하여, 10 내지 30 몰% 포함되는 것을 특징으로 하는 폴리이미드 필름.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 방향족 디아민계 모노머는 카르도 구조의 디아민계 모노머를 포함하며, 상기 카르도 구조의 디아민계 모노머는 9,9-비스(4-아미노페닐)플로오렌 (FDA), 9,9-비스(3-클로로-4-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(3-메틸-4-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(3-메틸-아미노페닐)플로오렌, 9,9-비스(4-아미노-3-플로오로페닐)플로오렌(FFDA), 4,4-(9H-플로오렌-9-일리딘) 비스페닐아민 (FBPA), 9,9-비스(4-하이드록시페닐)플로오렌, 9,9-비스 (4-(2-하이드록시에톡시)페닐)플로오렌, 및 9,9-비스(6-하이드록시-2-나프틸)플로오렌으로 구성된 군에서 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 폴리이미드 필름.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 디안하이드라이드계 모노머는 비페닐 테트라카르복실릭 디안하이드라이드 (3,3,4,4-Biphenyltetracarboxylic dianhydride, BPDA), 옥시 디프탈릭 디안하이드라이드 (4,4'-oxydiphthalic anhydride, ODPA), 및 시클로부탄 테트라카르복실릭 디안하이드라이드 (Cyclobutane-1,2,3,4-tetracarboxylic dianhydride, CBDA) 으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리이미드 필름.
  8. 삭제
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 폴리이미드 필름은 두께 10~50μm에서의 550nm에서 측정한 투과도가 87% 이상이며, 황색도가 5.0 이하인 것을 특징으로 하는 폴리이미드 필름.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 폴리이미드 필름은 두께 10 ~ 50㎛를 기준으로 열변형해석법(TMA-Method)에 의해 50~300℃에서 2회 반복하여 측정한 평균 선팽창 계수(CTE)가 35ppm/℃ 이하인 것을 특징으로 하는 폴리이미드 필름.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 폴리이미드 필름은 532nm에서 측정한 평균복굴절이 0.030 이하인 것을 특징으로 하는 폴리이미드 필름.
  12. 제 5 항 내지 제 7 항, 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 폴리이미드 필름을 포함하는 영상 표시 소자.
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