KR20210003609A - 산무수물 화합물 제조방법, 이를 이용한 산무수물 화합물, 폴리이미드계 고분자, 고분자 필름, 및 디스플레이 장치용 기판 - Google Patents

산무수물 화합물 제조방법, 이를 이용한 산무수물 화합물, 폴리이미드계 고분자, 고분자 필름, 및 디스플레이 장치용 기판 Download PDF

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KR20210003609A
KR20210003609A KR1020190079623A KR20190079623A KR20210003609A KR 20210003609 A KR20210003609 A KR 20210003609A KR 1020190079623 A KR1020190079623 A KR 1020190079623A KR 20190079623 A KR20190079623 A KR 20190079623A KR 20210003609 A KR20210003609 A KR 20210003609A
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이민욱
박찬효
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 부분적인 가수분해 단계와 이미드화 단계의 2단계로 진행되는 신규한 구조의 산무수물 화합물 제조방법, 이를 이용한 산무수물 화합물, 폴리이미드계 고분자, 고분자 필름, 및 디스플레이 장치용 기판에 관한 것이다.

Description

산무수물 화합물 제조방법, 이를 이용한 산무수물 화합물, 폴리이미드계 고분자, 고분자 필름, 및 디스플레이 장치용 기판{PREPARATION METHOD OF ACID ANHYDRIDE COMPOUND, ACID ANHYDRIDE COMPOUND, POLYIMIDE-BASED POLYMER, POLYMER FILM, AND SUBSTRATE FOR DISPLAY DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 우수한 투명성과 함께 안정적인 내열특성을 구현할 수 있는 산무수물 화합물 제조방법, 이를 이용한 산무수물 화합물, 폴리이미드계 고분자, 고분자 필름, 및 디스플레이 장치용 기판에 관한 것이다.
디스플레이 장치용 기판 시장은 대면적이 용이하고 박형 및 경량화가 가능한 평판 디스플레이(Flat Panel Display; FPD) 위주로 급속히 변화하고 있다. 이러한 평판 디스플레이에는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display; LCD), 유기 발광 표시 장치(Organic Light Emitting Display; OLED) 또는 전기 영동 소자 등이 있다.
특히, 최근 들어서는 이러한 평판 디스플레이의 응용과 용도를 더욱 확장하기 위해, 상기 평판 디스플레이에 가요성 기판을 적용한 소위 플렉서블 디스플레이 소자 등에 관한 관심이 집중되고 있다. 이러한 플렉서블 디스플레이 소자는 주로 스마트 폰 등 모바일 기기를 중심으로 적용이 검토되고 있으며, 점차로 그 응용 분야가 확장되어 고려되고 있다.
특히, 방향족 폴리이미드 수지는 대부분 비결정성 구조를 갖는 고분자로서, 강직한 사슬 구조로 인해 뛰어난 내열성, 내화학성, 전기적 특성, 및 치수 안정성을 나타내며, 플렉서블 디스플레이에 적용가능한 가요성을 가질 수 있어, 전기/전자 재료로 널리 사용되고 있다.
그러나, 폴리이미드 수지는 이미드 사슬 내에 존재하는 Pi-전자들의 CTC (charge transfer complex) 형성으로 인해 짙은 갈색을 띠어 투명성을 확보하기 어려운 한계가 있어, 플렉서블 전자기기 기술은 값싸고 굽히기 쉬우면서도 투명한 특성을 갖는 전자소자 및 시스템을 만들기 위해 발전해 왔다.
구체적으로, 폴리이미드 수지 합성에 사용되는 단량체 화합물에, 전자끌개 효과를 부여할 수 있는 트리플루오루메틸기(-CF3)를 치환기로 도입하여, 이미드 사슬 내에 존재하는 Pi-전자들의 CTC (charge transfer complex) 형성을 억제함을 통해 투명성을 확보하는 방안이 제안되었다.
그러나, 트리플루오루메틸기(-CF3)를 치환기로 도입한 폴리이미드는 충분한 내열성을 확보하기 어려워 이를 플라스틱 기판으로 사용할 경우, 플라스틱 기판에 형성된 금속층을 열처리할 때 플라스틱 기판이 열에 의해 손상될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 트리플루오루메틸기(-CF3)를 치환기로 도입한 폴리이미드는 열팽창계수가 높아, 이를 플라스틱 기판으로 사용할 경우, 플라스틱 기판에 형성된 금속박막에 휨(Warpage)이 발생하는 문제점이 있다.
이에, 우수한 투명성과 함께 안정적인 내열특성을 구현할 수 있는 폴리이미드 합성용 산무수물 단량체 화합물의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 우수한 투명성과 함께 안정적인 내열특성을 구현할 수 있는 폴리이미드 합성용 산무수물 화합물 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 산무수물 화합물 제조방법로부터 합성된 산무수물 화합물을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 산무수물 화합물로부터 합성된 폴리이미드계 고분자를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 폴리이미드계 고분자를 이용한 고분자 필름, 및 디스플레이 장치용 기판을 제공하기 위한 것이다.
본 명세서에서는, 테트라카르복시산 2무수물의 부분 가수분해 반응으로 테트라카르복시산 1무수물을 제조하는 단계; 및 상기 테트라카르복시산 1무수물과 디아민 화합물의 이미드화 반응단계;를 포함하는, 산무수물 화합물 제조방법이 제공된다.
본 명세서에서는 또한, 하기 화학식4로 표시되는 구조를 갖는 산무수물 화합물이 제공된다.
[화학식4]
Figure pat00001
상기 화학식4에서, X3 및 X4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 4가의 유기기이고, Y2은 치환 또는 비치환된 2가의 유기기이다.
본 명세서에서는 또한, 상기 산무수물 화합물과 디아민 화합물의 결합물을 포함하는, 폴리이미드계 고분자가 제공된다.
본 명세서에서는 또한, 상기 폴리이미드계 고분자의 경화물을 포함하는, 고분자 필름이 제공된다.
본 명세서에서는 또한, 상기 고분자 필름을 포함하는, 디스플레이 장치용 기판이 제공된다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 산무수물 화합물 제조방법, 이를 이용한 산무수물 화합물, 폴리이미드계 고분자, 고분자 필름, 및 디스플레이 장치용 기판에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서에서 명시적인 언급이 없는 한, 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 '포함'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
그리고, 본 명세서에서 '제 1' 및 '제 2'와 같이 서수를 포함하는 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용되며, 상기 서수에 의해 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위 내에서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로도 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소는 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 중량평균분자량은 Agilent mixed B 칼럼을 이용하여 Aters사 alliance 2695 기기를 이용하여, 평가 온도는 40 ℃이며, Tetrahydrofuran을 용매로서 사용하였으며 유속은 1.0 mL/min의 속도로, 샘플은 1 mg/10mL의 농도로 조제한 다음, 100μL 의 양으로 공급하며, 폴리스티렌 표준을 이용하여 형성된 검정 곡선을 이용하여 Mw 의 값을 구하였다. 폴리스티렌 표준품의 분자량은 2,000 / 10,000 / 30,000 / 70,000 / 200,000 / 700,000 / 2,000,000 / 4,000,000 / 10,000,000의 9종을 사용하였다.
본 명세서에서, "치환"이라는 용어는 화합물 내의 수소 원자 대신 다른 작용기가 결합하는 것을 의미하며, 치환되는 위치는 수소 원자가 치환되는 위치 즉, 치환기가 치환 가능한 위치라면 한정되지 않으며, 2 이상 치환되는 경우, 2 이상의 치환기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서에서 "치환 또는 비치환된" 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 시아노기; 니트로기; 히드록시기; 카르보닐기; 에스테르기; 이미드기; 아미드기; 1차 아미노기; 카르복시기; 술폰산기; 술폰아미드기; 포스핀옥사이드기; 알콕시기; 아릴옥시기; 알킬티옥시기; 아릴티옥시기; 알킬술폭시기; 아릴술폭시기; 실릴기; 붕소기; 알킬기; 시클로알킬기; 알케닐기; 아릴기; 아르알킬기; 아르알케닐기; 알킬아릴기; 알콕시실릴알킬기; 아릴포스핀기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환 또는 비치환되거나, 상기 예시된 치환기 중 2 이상의 치환기가 연결된 치환 또는 비치환된 것을 의미한다. 예컨대, "2 이상의 치환기가 연결된 치환기"는 바이페닐기일 수 있다. 즉, 바이페닐기는 아릴기일 수도 있고, 2개의 페닐기가 연결된 치환기로 해석될 수도 있다.
본 명세서에 있어서, 방향족(aromatic)은 휘켈 규칙(Huckels Rule)을 만족하는 특성으로서, 상기 휘켈 규칙에 따라 다음 3가지 조건을 모두 만족하는 경우를 방향족이라고 정의할 수 있다.
1) 비어있는 p-오비탈, 불포화 결합, 홀전자쌍 등에 의하여 완전히 콘주게이션을 이루고 있는 4n+2개의 전자가 존재하여야 한다.
2) 4n+2개의 전자는 평면 형태 이성질체를 구성하여야 하고, 고리 구조를 이루어야 한다.
3) 고리의 모든 원자가 콘주게이션에 참여할 수 있어야 한다.
본 명세서에 있어서, 다가 작용기(multivalent functional group)는 임의의 화합물에 결합된 복수의 수소 원자가 제거된 형태의 잔기로 예를 들어 2가 작용기, 3가 작용기, 4가 작용기를 들 수 있다. 일 예로, 사이클로부탄에서 유래한 4가의 작용기는 사이클로부탄에 결합된 임의의 수소 원자 4개가 제거된 형태의 잔기를 의미한다.
본 명세서에 있어서, 할로겐기의 예로는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 있다.
본 명세서에 있어서, 알킬기는 알케인(alkane)으로부터 유래한 1가의 작용기로, 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 상기 직쇄 알킬기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 20인 것이 바람직하다. 또한, 상기 분지쇄 알킬기의 탄소수는 3 내지 20이다. 알킬기의 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, n-프로필, 이소프로필, 부틸, n-부틸, 이소부틸, tert-부틸, sec-부틸, 1-메틸-부틸, 1-에틸-부틸, 펜틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, tert-펜틸, 헥실, n-헥실, 1-메틸펜틸, 2-메틸펜틸, 4-메틸-2-펜틸, 3,3-디메틸부틸, 2-에틸부틸, 헵틸, n-헵틸, 1-메틸헥실, 옥틸, n-옥틸, tert-옥틸, 1-메틸헵틸, 2-에틸헥실, 2-프로필펜틸, n-노닐, 2,2-디메틸헵틸, 1-에틸-프로필, 1,1-디메틸-프로필, 이소헥실, 2-메틸펜틸, 4-메틸헥실, 5-메틸헥실, 2,6-디메틸헵탄-4-일 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다. 상기 알킬기는 치환 또는 비치환될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 할로 알킬기는 상술한 알킬기에 할로겐기가 치환된 작용기를 의미하며, 할로겐기의 예로는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 있다. 상기 할로알킬기는 치환 또는 비치환될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 아릴기는 아렌(arene)으로부터 유래한 1가의 작용기로, 특별히 한정되지 않으나 탄소수 6 내지 20인 것이 바람직하며, 단환식 아릴기 또는 다환식 아릴기일 수 있다. 상기 아릴기가 단환식 아릴기로는 페닐기, 바이페닐기, 터페닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 다환식 아릴기로는 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트릴기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 아릴기는 치환 또는 비치환될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 아릴렌기는 아렌(arene)으로부터 유래한 2가의 작용기로, 이들은 2가의 작용기인 것을 제외하고는 전술한 아릴기의 설명이 적용될 수 있다. 예를 들어, 페닐렌기, 바이페닐렌기, 터페닐렌기, 나프탈렌기, 플루오레닐기, 파이레닐기, 페난트레닐기, 페릴렌기, 테트라세닐기, 안트라센닐기 등이 될 수 있다. 상기 아릴렌기는 치환 또는 비치환될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 본 명세서에서, 헤테로 아릴렌기는, 탄소수는 2 내지 20, 또는 2 내지 10, 또는 6 내지 20 이다. 이종원자로 O, N 또는 S를 함유한 아릴렌기로, 2가의 작용기인 것을 제외하고는 전술한 헤테로아릴기의 설명이 적용될 수 있다. 상기 헤테로 아릴렌기는 치환 또는 비치환될 수 있다.
본 명세서에서,
Figure pat00002
, 또는
Figure pat00003
는 다른 치환기에 연결되는 결합을 의미한다.
본 명세서에서, 직접결합 또는 단일결합은 해당 위치에 어떠한 원자 또는 원자단도 존재하지 않아, 결합선으로 연결되는 것을 의미한다.
1. 산무수물 화합물 제조방법
발명의 일 구현예에 따르면, 테트라카르복시산 2무수물의 부분 가수분해 반응으로 테트라카르복시산 1무수물을 제조하는 단계; 및 상기 테트라카르복시산 1무수물과 디아민 화합물의 이미드화 반응단계;를 포함하는, 산무수물 화합물 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명자들은 상기 일 구현예의 산무수물 화합물 제조방법과 같이, 테트라카르복시산 1무수물이 중간체로 얻어지는 2단계의 다단계 반응을 통해 산무수물 화합물 내에 이미드 작용기를 도입함으로써, 보다 온화한 조건에서 높은 수율로 목표한 구조의 산무수물 화합물을 합성할 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하고 발명을 완성하였다.
종래, 이미드 작용기가 도입된 산무수물 화합물을 제조시, 테트라카르복시산 2무수물과 디아민 화합물의 단일단계반응을 진행시키는 경우, 테트라카르복시산 2무수물에 함유된 무수물 작용기와, 디아민 화합물에 함유된 아미노기의 반응을 통해 이미드환이 생성되기위해서는 200 ℃ 이상의 고온에서 반응이 진행되어야 했고, 반응 수율도 60%이하로 낮아 반응의 효율성이 감소하는 문제가 있었다.
반면, 상기 일 구현예의 산무수물 화합물 제조방법에서는 제1단계 반응을 통해 테트라카르복시산 1무수물을 중간체로 얻고, 상기 테트라카르복시산 1무수물에 함유된 카르복시기와 디아민 화합물에 함유된 아미노기의 반응을 통해 이미드환을 생성하는 반응이 100 ℃ 이하의 저온에서 진행됨에서, 90% 이상의 높은 수율을 확보할 수 있음을 확인하였다.
이처럼, 산무수물 화합물 내에 이미드 작용기가 도입되면, 산무수물 화합물을 디아민 화합물과 반응시켜 폴리이미드계 고분자를 합성시, 높은 이미드화율을 확보할 수 있어, 우수한 투명성 및 안정적인 내열 특성을 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 산무수물 화합물 제조방법은 테트라카르복시산 2무수물의 부분 가수분해 반응으로 테트라카르복시산 1무수물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 테트라카르복시산 2무수물은 4개의 카르복시기를 갖는 테트라카르복시산에서 2개의 물분자가 탈수되어 2개의 고리형 무수물 작용기가 함유된 화합물로서, 구체적으로 하기 화학식1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식1]
Figure pat00004
상기 화학식1에서, X1는 치환 또는 비치환된 4가의 유기기이다.
보다 구체적으로, 상기 화학식1에서, X1은 하기 화학식5로 표시되는 4가의 유기기 중 하나일 수 있다.
[화학식5]
Figure pat00005
상기 화학식 5에서, R! 내지 R6은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, L1는 단일결합, -O-, -CO-, -COO-, -S-, -SO-, -SO2-, -CR7R8-, -(CH2)t-, -O(CH2)tO-, -COO(CH2)tOCO-, -CONH-, 페닐렌 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며, 상기에서 R7 및 R8는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 할로 알킬기이고, t는 1 내지 10의 정수이다.
보다 구체적으로 상기 X1 는 전자끌개 작용기가 치환된 탄소수 6 내지 30의 4가 방향족 유기기를 포함할 있다. 상기 전자끌개 작용기는 -F, -Cl, -Br, -I, -CF3, -CCl3, -CBr3, -CI3, -NO2, -CN, -COCH3, 또는 -CO2C2H5일 수 있다. 이미드 사슬 내에 존재하는 Pi-전자들의 CTC (charge transfer complex) 형성으로 인해 짙은 갈색을 띠는 한계가 있기 때문에, 트리플루오로메틸(-CF3) 그룹과 같은 강한 전자 끌개 그룹을 도입하여 Pi-전자의 이동을 제한함으로써, 무색 투명한 폴리이미드 수지를 얻을 수 있다.
상기 전자끌개 작용기가 치환된 탄소수 6 내지 30의 4가 방향족 유기기의예로는 4,4´-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride(6FDA)로부터 유래한 하기 화학식 5-1로 표시되는 유기기를 들 수 있다.
[화학식5-1]
Figure pat00006
즉, 상기 화학식1로 표시되는 테트라카르복시산 2무수물의 구체적인 예로는, 4,4´-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride(6FDA)을 들 수 있다.
또는, 상기 화학식1로 표시되는 테트라카르복시산 2무수물의 구체적인 예로는, 피로멜리트산 이무수물(pyromellitic dianhydride, PMDA)을 들 수 있다. 즉, 상기 X1은 하기 화학식 5-2로 표시되는 유기기를 포함할 수 있다.
[화학식5-2]
Figure pat00007
한편, 상기 테트라카르복시산 2무수물은 부분 가수분해 반응을 진행할 수 있다. 상기 테트라카르복시산 2무수물은 물에 대해 높은 반응성을 갖는 2개의 고리형 무수물 작용기를 함유하고 있기 때문에, 가수분해 반응을 진행하여 1개의 고리형 무수물 작용기가 2개의 카르복시기로 전환될 수 있다.
그러나, 상기 일 구현예의 산무수물 화합물 제조방법에서는, 상기 테트라카르복시산 2무수물에 함유된 2개의 고리형 무수물 작용기 가운데, 1개의 고리형 무수물 작용기에서만 가수분해 반응을 부분적으로 진행하여 테트라카르복시산 1무수물을 얻을 수 있다.
즉, 상기 가수분해 반응이 부분적으로 진행되었다함은 테트라카르복시산 2무수물에 함유된 2개의 고리형 무수물 작용기 가운데, 1개의 고리형 무수물 작용기에서만 가수분해 반응을 진행한 것을 의미한다.
상기 테트라카르복시산 2무수물의 부분 가수분해 반응은, 테트라카르복시산 2무수물 1몰에 대하여 물을 1몰 이상 1.5몰 이하로 반응시켜 진행될 수 있다. 이에 다라, 상기 테트라카르복시산 2무수물 1몰 당 함유된 2개의 무수물 작용기중 1개의 무수물 작용기만이 물과 반응을 진행할 수 있다.
상기 테트라카르복시산 2무수물의 부분 가수분해 반응은 유기 용매 하에서 진행될 수 있다. 상기 유기 용매의 구체적인 예로는 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, N-메틸카프로락탐, 2-피롤리돈, N-에틸피롤리돈, N-비닐피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 테트라메틸우레아, 피리딘, 디메틸술폰, 헥사메틸술폭사이드, 감마-부티로락톤, 3-메톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-에톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-부톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 1,3-디메틸-이미다졸리디논, 에틸아밀케톤, 메틸노닐케톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소아밀케톤, 메틸이소프로필케톤, 사이클로헥사논, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디글라임, 4-하이드록시-4-메틸-2-펜타논, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르 아세테이트 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용될 수도 있고, 혼합하여 사용될 수도 있다.
이러한 부분적 가수분해 반응을 통해 얻어지는 테트라카르복시산 1무수물은 하기 화학식2로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식2]
Figure pat00008
상기 화학식2에서, X2는 치환 또는 비치환된 4가의 유기기이다. 보다 구체적으로, 상기 화학식2에서, X2은 상기 화학식5로 표시되는 4가의 유기기 중 하나일 수 있고, 상기 화학식1의 X1에 대해 상술한 내용을 모두 포함할 수 있다.
즉, 상기 화학식2로 표시되는 테트라카르복시산 1무수물의 구체적인 예로는, 하기 화학식2-1로 표시되는 화합물, 또는 하기 화학식2-2로 표시되는 화합물을 들 수 있다.
[화학식 2-1]
Figure pat00009
[화학식 2-2]
Figure pat00010
상기 테트라카르복시산 2무수물의 부분 가수분해 반응에서 얻어지는 테트라카르복시산 1무수물의 수율이 40 % 이상일 수 있다.
또한, 상기 산무수물 화합물 제조방법은 상기 테트라카르복시산 1무수물과 디아민 화합물의 이미드화 반응단계를 포함할 수 있다.
상기 디아민 화합물은, 하기 화학식3으로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식3]
Figure pat00011
상기 화학식3에서, Y1는 치환 또는 비치환된 2가의 유기기이다.
보다 구체적으로, 상기 화학식3에서, Y1 는 전자끌개 작용기가 치환된 탄소수 6 내지 30의 2가 방향족 유기기일 수 있다. 상기 전자끌개 작용기가 치환된 탄소수 6 내지 30의 2가 방향족 유기기는 하기 화학식 6으로 표시되는 2가의 유기기일 수 있다.
[화학식 6]
Figure pat00012
상기 화학식 6에서, R10 및 R11는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 시아노, 나이트릴, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐, 탄소수 1 내지 10의 알콕시, 탄소수 1 내지 10의 플루오로알킬, 또는 탄소수 1 내지 10의 플루오로알콕시이고, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, L2은 단일결합, -O-, -CO-, -S-, -SO2-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -CONH-, -COO-, -(CH2)y-, -O(CH2)yO-, -O(CH2)y-, -NH-, -NH(CH2)y-NH-, -NH(CH2)yO-, -OCH2-C(CH3)2-CH2O-, -COO-(CH2)y-OCO-, 또는 -OCO-(CH2)y-COO-이며, y는 1 내지 10의 정수이고, k 및 m은 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고, n은 0 내지 3의 정수이다.
구체적인 상기 전자끌개 작용기가 치환된 탄소수 6 내지 30의 2가 방향족 유기기의 예로는 2,2'-비스(트리플루오로메틸)-4,4'-비페닐렌기를 들 수 있다.
즉, 상기 디아민 화합물의 구체적인 예로는 2,2'-비스(트리플루오로메틸)-4,4'-비페닐디아민(2,2'-bis(trifluoromethyl)-4,4'-biphenyldiamine), 2,2'-디메틸-4,4'-디아미노벤지딘(2,2'-dimethyl-4,4'- diaminobenzidine), 4,4'-디아미노디페닐 술폰(4,4'-diaminodiphenyl sulfone), 4,4'-(9-플루오레닐리덴)디아닐린(4,4'-(9-fluorenylidene)dianiline), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐) 술폰(bis(4-(4-aminophenoxy)phenyl)sulfone), 2,2',5,5'-테트라클로로벤지딘(2,2',5,5'-tetrachlorobenzidine), 2,7-디아미노플루오렌(2,7-diaminofluorene), 4,4-디아미노옥타플루오로비페닐(4,4-diaminooctafluorobiphenyl), m-페닐렌디아민(m-phenylenediamine), p-페닐렌디아민(p-phenylenediamine), 4,4'-옥시다이아닐린(4,4'-oxydianiline), 2,2'-디메틸-4,4'-디아미노비페닐(2,2'-dimethyl-4,4'-diaminobiphenyl), 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]프로판(2,2-bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl]propane), 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠(1,3-bis(4-aminophenoxy)benzene), 및 4,4'-디아미노벤즈아닐라이드(4,4'-diaminobenzanilide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 방향족 디아민 단량체는 2,2'-비스(트리플루오로메틸)-4,4'-비페닐디아민(2,2'-bis(trifluoromethyl)-4,4'-biphenyldiamine, TFDB) 또는 2,2'-디메틸-4,4'-디아미노벤지딘(2,2'-dimethyl-4,4'- diaminobenzidine)일 수 있다.
상기 테트라카르복시산 1무수물과 디아민 화합물의 이미드화 반응단계는, 70 ℃ 이상 150 ℃ 이하, 또는 70 ℃ 이상 140 ℃ 이하, 또는 70 ℃ 이상 130 ℃ 이하, 또는 70 ℃ 이상 120 ℃ 이하, 또는 70 ℃ 이상 110 ℃ 이하, 또는 70 ℃ 이상 100 ℃ 이하, 또는 80 ℃ 이상 100 ℃ 이하의 온도에서 진행될 수 있다. 상기 테트라카르복시산 1무수물과 디아민 화합물의 이미드화 반응이 150 ℃를 초과하여 지나치게 높은 온도에서 진행되는 경우, 불용해성 고체 불순물이 수득되는 문제점이 있다.
상기 테트라카르복시산 1무수물과 디아민 화합물의 이미드화 반응은 유기 용매 하에서 진행될 수 있다. 상기 유기 용매의 구체적인 예로는 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, N-메틸카프로락탐, 2-피롤리돈, N-에틸피롤리돈, N-비닐피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 테트라메틸우레아, 피리딘, 디메틸술폰, 헥사메틸술폭사이드, 감마-부티로락톤, 3-메톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-에톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-부톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 1,3-디메틸-이미다졸리디논, 에틸아밀케톤, 메틸노닐케톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소아밀케톤, 메틸이소프로필케톤, 사이클로헥사논, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디글라임, 4-하이드록시-4-메틸-2-펜타논, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르 아세테이트 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용될 수도 있고, 혼합하여 사용될 수도 있다.
상기 테트라카르복시산 1무수물과 디아민 화합물의 이미드화 반응은 이미드화 촉매 존재하에 진행될 수 있다. 상기 이미드화 촉매로서, 피리딘, 트리에틸아민, 피콜린 또는 퀴놀린 등을 사용할 수 있으며, 그 외에도, 치환 또는 비치환의 질소 함유 복소환 화합물, 질소 함유 복소환 화합물의 N-옥시드 화합물, 치환 또는 비치환의 아미노산 화합물, 하이드록실기를 가지는 방향족 탄화수소 화합물 또는 방향족 복소환상 화합물이 있으며, 특히 1,2-디메틸이미다졸, N-메틸이미다졸, N-벤질-2-메틸이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 5-메틸벤즈이미다졸 등의 저급 알킬이미다졸, N-벤질-2-메틸이미다졸 등의 이미다졸 유도체, 이소퀴놀린, 3,5-디메틸피리딘, 3,4-디메틸피리딘, 2,5-디메틸피리딘, 2,4-디메틸피리딘, 4-n-프로필피리딘 등의 치환 피리딘, p-톨루엔술폰산 등을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 테트라카르복시산 1무수물과 디아민 화합물의 이미드화 반응에서 탈수제가 첨가될 수 있으며, 상기 탈수제로서는 아세틱산 무수물 등의 산무수물을 사용할 수 있다.
2. 산무수물 화합물
한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 화학식4로 표시되는 구조를 갖는, 산무수물 화합물이 제공될 수 있다.
상기 화학식4에서, X3 및 X4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 4가의 유기기이다. 보다 구체적으로, 상기 화학식4에서, X1은 X3 및 X4는 각각 독립적으로 하기 화학식5로 표시되는 4가의 유기기 중 하나일 수 있다.
[화학식5]
Figure pat00013
상기 화학식 5에서, R! 내지 R6은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, L1는 단일결합, -O-, -CO-, -COO-, -S-, -SO-, -SO2-, -CR7R8-, -(CH2)t-, -O(CH2)tO-, -COO(CH2)tOCO-, -CONH-, 페닐렌 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며, 상기에서 R7 및 R8는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 할로 알킬기이고, t는 1 내지 10의 정수이다.
보다 구체적으로 상기 X3 및 X4는 각각 독립적으로 전자끌개 작용기가 치환된 탄소수 6 내지 30의 4가 방향족 유기기를 포함할 수 있다. 상기 전자끌개 작용기는 -F, -Cl, -Br, -I, -CF3, -CCl3, -CBr3, -CI3, -NO2, -CN, -COCH3, 또는 -CO2C2H5일 수 있다. 이미드 사슬 내에 존재하는 Pi-전자들의 CTC (charge transfer complex) 형성으로 인해 짙은 갈색을 띠는 한계가 있기 때문에, 트리플루오로메틸(-CF3) 그룹과 같은 강한 전자 끌개 그룹을 도입하여 Pi-전자의 이동을 제한함으로써, 무색 투명한 폴리이미드 수지를 얻을 수 있다.
상기 전자끌개 작용기가 치환된 탄소수 6 내지 30의 4가 방향족 유기기의예로는 4,4´-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride(6FDA)로부터 유래한 하기 화학식 5-1로 표시되는 유기기를 들 수 있다.
[화학식5-1]
Figure pat00014
또는, 상기 X3 및 X4는 하기 화학식 5-2로 표시되는 유기기를 포함할 수 있다.
[화학식5-2]
Figure pat00015
상기 화학식4에서, Y2은 치환 또는 비치환된 2가의 유기기이다.
보다 구체적으로, 상기 화학식4에서, Y2는 전자끌개 작용기가 치환된 탄소수 6 내지 30의 2가 방향족 유기기일 수 있다. 상기 전자끌개 작용기가 치환된 탄소수 6 내지 30의 2가 방향족 유기기는 하기 화학식 6으로 표시되는 2가의 유기기일 수 있다.
[화학식 6]
Figure pat00016
상기 화학식 6에서, R10 및 R11는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 시아노, 나이트릴, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐, 탄소수 1 내지 10의 알콕시, 탄소수 1 내지 10의 플루오로알킬, 또는 탄소수 1 내지 10의 플루오로알콕시이고, p 및 q는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이고, L2은 단일결합, -O-, -CO-, -S-, -SO2-, -C(CH3)2-, -C(CF3)2-, -CONH-, -COO-, -(CH2)y-, -O(CH2)yO-, -O(CH2)y-, -NH-, -NH(CH2)y-NH-, -NH(CH2)yO-, -OCH2-C(CH3)2-CH2O-, -COO-(CH2)y-OCO-, 또는 -OCO-(CH2)y-COO-이며, y는 1 내지 10의 정수이고, k 및 m은 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고, n은 0 내지 3의 정수이다.
구체적인 상기 전자끌개 작용기가 치환된 탄소수 6 내지 30의 2가 방향족 유기기의 예로는 2,2'-비스(트리플루오로메틸)-4,4'-비페닐렌기를 들 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 화학식4로 표시되는 구조는 하기 화학식4-1로 표시되는 구조의 화합물, 또는 하기 화학식4-2로 표시되는 구조의 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 4-1]
Figure pat00017
[화학식 4-2]
Figure pat00018
상기 산무수물 화합물은 상기 일 구현예의 산무수물 화합물 제조방법에서 얻어진 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 다른 구현예의 산무수물 화합물은 테트라카르복시산 2무수물의 부분 가수분해 반응으로 테트라카르복시산 1무수물을 제조하는 단계; 및 상기 테트라카르복시산 1무수물과 디아민 화합물의 이미드화 반응단계;를 포함하는 산무수물 화합물 제조방법에 의해 얻어질 수 있다. 상기 산무수물 화합물 제조방법에 관한 모든 내용은 상기 일 구현예에서 상술한 바와 같다.
상기 다른 구현예의 산무수물 화합물은 후술하는 바와 같이, 디아민 화합물과 반응시켜 폴리아믹산 혹은 폴리아믹산 에스테르 중합체를 합성할 수 있고, 폴리아믹산 혹은 폴리아믹산 에스테르 중합체에 대한 열처리반응을 통해 폴리이미드를 합성할 수 있다. 즉, 상기 다른 구현예의 산무수물 화합물은 폴리이미드계 고분자 합성용도로 적용될 수 있다. 이때 상기 폴리이미드계 고분자란, 폴리이미드, 그리고 이의 전구체 중합체인 폴리아믹산, 폴리아믹산 에스테르를 모두 포함한 것을 의미한다.
3. 폴리이미드계 고분자
한편, 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 다른 구현예의 산무수물 화합물과 디아민 화합물의 결합물을 포함한 폴리이미드계 고분자가 제공될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 다른 구현예의 산무수물 화합물의 말단 무수물기(-OC-O-CO-)와, 디아민 화합물의 말단 아미노기(-NH2)의 반응으로 아미노기의 질소원자와 무수물기의 탄소원자간 결합이 형성될 수 있다.
상기 디아민 화합물의 구체적인 예로는 2,2'-비스(트리플루오로메틸)-4,4'-비페닐디아민(2,2'-bis(trifluoromethyl)-4,4'-biphenyldiamine), 2,2'-디메틸-4,4'-디아미노벤지딘(2,2'-dimethyl-4,4'- diaminobenzidine), 4,4'-디아미노디페닐 술폰(4,4'-diaminodiphenyl sulfone), 4,4'-(9-플루오레닐리덴)디아닐린(4,4'-(9-fluorenylidene)dianiline), 비스(4-(4-아미노페녹시)페닐) 술폰(bis(4-(4-aminophenoxy)phenyl)sulfone), 2,2',5,5'-테트라클로로벤지딘(2,2',5,5'-tetrachlorobenzidine), 2,7-디아미노플루오렌(2,7-diaminofluorene), 4,4-디아미노옥타플루오로비페닐(4,4-diaminooctafluorobiphenyl), m-페닐렌디아민(m-phenylenediamine), p-페닐렌디아민(p-phenylenediamine), 4,4'-옥시다이아닐린(4,4'-oxydianiline), 2,2'-디메틸-4,4'-디아미노비페닐(2,2'-dimethyl-4,4'-diaminobiphenyl), 2,2-비스[4-(4-아미노페녹시)페닐]프로판(2,2-bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl]propane), 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠(1,3-bis(4-aminophenoxy)benzene), 및 4,4'-디아미노벤즈아닐라이드(4,4'-diaminobenzanilide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 방향족 디아민 단량체는 2,2'-비스(트리플루오로메틸)-4,4'-비페닐디아민(2,2'-bis(trifluoromethyl)-4,4'-biphenyldiamine, TFDB) 또는 2,2'-디메틸-4,4'-디아미노벤지딘(2,2'-dimethyl-4,4'- diaminobenzidine)일 수 있다.
상기 폴리이미드계 고분자는, 하기 화학식 7로 표시되는 반복 단위, 하기 화학식 8로 표시되는 반복 단위 및 하기 화학식 9로 표시되는 반복 단위로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 반복 단위를 포함할 수 있다.
[화학식 7]
Figure pat00019
[화학식 8]
Figure pat00020
[화학식 9]
Figure pat00021
상기 화학식 7 내지 9에서, R12 및 R13 중 적어도 하나는 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, 나머지는 수소이며, X11 내지 X1- 3는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 하기 화학식 10으로 표시되는 4가의 유기기이며, Y11 내지 Y13은 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 2가의 유기기이다.
[화학식 10]
Figure pat00022
상기 화학식10에서, X3 및 X4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 4가의 유기기이고, Y2은 치환 또는 비치환된 2가의 유기기이다. 상기 X3, X4, Y2에 관한 내용은 상기 다른 구현예의 산무수물 화합물의 화학식4에서 상술한 모든 내용을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 화학식 10으로 표시되는 4가의 유기기는 하기 화학식10-1로 표시되는 구조의 작용기, 또는 하기 화학식10-2로 표시되는 구조의 작용기를 포함할 수 있다.
[화학식 10-1]
Figure pat00023
[화학식 10-2]
Figure pat00024
상기 다른 구현예의 폴리이미드계 고분자는 상기 다른 구현예의 산무수물 화합물에 의한 효과가 그대로 구현될 수 있으며, 구체적으로, 상기 다른 구현예의 산무수물 화합물로부터 유도된 상기 화학식 10으로 표시되는 작용기를 함유할 수 있다.
이와 같이, 상기 화학식 7 내지 9에서, X11 내지 X13이 상기 화학식 10으로 표시되는 4가의 유기기를 사용함에 따라, 상기 다른 구현예의 폴리이미드계 고분자는 우수한 투명성과 함께 안정적인 내열특성을 구현할 수 있다.
상기 폴리이미드계 고분자란, 폴리이미드, 그리고 이의 전구체 중합체인 폴리아믹산, 폴리아믹산 에스테르를 모두 포함한 것을 의미한다. 즉, 상기 폴리이미드계 고분자는 폴리아믹산 반복단위, 폴리아믹산에스테르 반복단위, 및 폴리이미드 반복단위로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 즉, 상기 폴리이미드계 고분자는 폴리아믹산 반복단위 1종, 폴리아믹산에스테르 반복단위 1종, 폴리이미드 반복단위 1종, 또는 이들의 2종 이상의 반복단위가 혼합된 공중합체를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 폴리이미드 반복단위는 상기 화학식6으로 표시되는 반복단위를 포함하고, 상기 폴리아믹산에스테르 반복단위는 상기 화학식7로 표시되는 반복단위를 포함하며, 상기 폴리아믹산 반복단위는 상기 화학식8로 표시되는 반복단위를 포함할 수 있다.
상기 폴리아믹산 반복단위, 폴리아믹산에스테르 반복단위, 및 폴리이미드 반복단위로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 반복단위는 상기 폴리이미드계 고분자의 주쇄를 형성할 수 있다.
상기 화학식 8에서, R12 및 R13 중 적어도 하나가 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, 나머지는 수소일 수 있다. 즉, 상기 화학식8에서, R12가 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, R13이 수소일 수 있다. 또한, 상기 화학식8에서, R13이 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, R12가 수소일 수 있다. 또한, 상기 화학식8에서, R12 및 R13이 탄소수 1 내지 10의 알킬기일 수 있다.
상기 폴리이미드계 고분자의 중량평균 분자량(GPC측정)이 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 10000 g/mol 내지 200000 g/mol일 수 있다.
또한, 상기 폴리이미드계 고분자의 유리전이온도가 400℃이상, 또는 400℃이상 500 ℃ 이하이다.
본 발명에 따른 폴리이미드계 고분자는 강직한 구조에 의한 내열성, 기계적 강도 등의 특성을 그대로 유지하면서, 우수한 무색 투명한 특성을 나타낼 수 있어, 소자용 기판, 디스플레이용 커버기판, 광학 필름(optical film), IC(integrated circuit) 패키지, 전착 필름(adhesive film), 다층 FRC(flexible printed circuit), 테이프, 터치패널, 광디스크용 보호필름 등과 같은 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 특히 디스플레이용 커버기판에 적합할 수 있다.
상기 폴리이미드계 고분자를 합성하는 방법의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 폴리아믹산의 제조에 통상적으로 사용되는 임의의 디아민 화합물을 상기 다른 구현예의 산무수물 화합물과 반응시켜 아믹산, 아믹산 에스테르, 또는 이의 혼합물로 이루어진 중합체를 제조할 수 있다.
또는 필요에 따라, 추가적인 디아민 화합물 1종 이상, 혹은 산무수물 화합물 1종 이상을 혼합하여 폴리아믹산 공중합체, 폴리아믹산 에스테르 공중합체, 폴리이미드 공중합체를 제조할 수 있다. 또한, 추가적인 디아민 화합물 1종 이상, 혹은 산무수물 화합물 1종 이상을 이용하여 별도의 폴리이미드계 고분자를 중합한 후 상기 다른 구현예의 폴리이미드계 고분자와 혼합하여, 폴리아믹산 중합체 혼합물, 폴리아믹산 에스테르 중합체 혼합물, 폴리이미드 중합체 혼합물을 제조할 수 있다.
상기 반응 조건은 용액 중합 등 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 폴리아믹산의 제조 조건을 참고하여 적절히 조절할 수 있다. 구체적으로는, 디아민을 유기 용매 중에 용해시킨 후, 산무수물 화합물을 첨가하여 중합반응시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 반응은 비활성 기체 또는 질소 기류하에 실시될 수 있으며, 무수조건에서 실행될 수 있다. 또한, 상기 중합반응시 온도는 -20 ℃ 내지 60 ℃, 또는 0 ℃ 내지 30 ℃에서 실시될 수 있다.
또한, 상기 중합반응에 사용될 수 있는 유기용매로는 구체적으로, γ-부티로락톤, 1,3-디메틸-이미다졸리디논, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 4-하이드록시-4-메틸-2-펜타논 등의 케톤류; 톨루엔, 크실렌, 테트라메틸벤젠 등의 방향족 탄화수소류; 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노에틸에테르, 디프로필렌글리콜디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜모노에틸에테르 등의 글리콜에테르류(셀로솔브); 아세트산에틸, 아세트산부틸, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜모노부틸에테르아세테이트, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 에탄올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 카르비톨, 디메틸아세트아미드(DMAc), N,N-디에틸아세트아미드, 디메틸포름아미드(DMF), 디에틸포름아미드(DEF), N-메틸피롤리돈(NMP), N-에틸피롤리돈(NEP), 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, N,N-디메틸메톡시아세트아미드, 디메틸술폭사이드, 피리딘, 디메틸술폰, 헥사메틸포스포르아미드, 테트라메틸우레아, N-메틸카프로락탐, 테트라히드로퓨란, m-디옥산, P-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 비스(2-메톡시에틸)에테르, 1,2-비스(2-메톡시에톡시)에탄, 비스[2-(2-메톡시에톡시)]에테르 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 사용될 수 있다.
한편, 상기에서 얻어진 아믹산, 아믹산 에스테르, 또는 이의 혼합물을 이미드화하여 상술한 상기 화학식 7로 표시되는 반복 단위, 상기 화학식 8로 표시되는 반복 단위 및 상기 화학식 9로 표시되는 반복 단위로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 반복 단위를 포함하는, 폴리이미드계 고분자를 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 이미드화 공정은 화학 이미드화 또는 열 이미드화 방법이 있을 수 있다. 예를 들면, 상기 중합된 폴리아믹산 혹은 폴리아믹산 에스테르 용액에 탈수제 및 이미드화 촉매를 첨가한 후 50 ℃ 내지 100 ℃의 온도로 가열하여 화학적 반응에 의해 이미드화시키거나, 또는 상기 용액을 환류시키면서 알코올을 제거하여 이미드화시키는 방법으로 폴리이미드를 얻을 수 있다.
상기 화학 이미드화 방법에서, 상기 이미드화 촉매로서, 피리딘, 트리에틸아민, 피콜린 또는 퀴놀린 등을 사용할 수 있으며, 그 외에도, 치환 또는 비치환의 질소 함유 복소환 화합물, 질소 함유 복소환 화합물의 N-옥시드 화합물, 치환 또는 비치환의 아미노산 화합물, 하이드록실기를 가지는 방향족 탄화수소 화합물 또는 방향족 복소환상 화합물이 있으며, 특히 1,2-디메틸이미다졸, N-메틸이미다졸, N-벤질-2-메틸이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 5-메틸벤즈이미다졸 등의 저급 알킬이미다졸, N-벤질-2-메틸이미다졸 등의 이미다졸 유도체, 이소퀴놀린, 3,5-디메틸피리딘, 3,4-디메틸피리딘, 2,5-디메틸피리딘, 2,4-디메틸피리딘, 4-n-프로필피리딘 등의 치환 피리딘, p-톨루엔술폰산 등을 사용할 수도 있다.
상기 탈수제로서는 아세틱산 무수물 등의 산무수물을 사용할 수 있다.
또는, 상기 폴리아믹산 혹은 폴리아믹산 에스테르 용액을 기판에 도포하고, 100 ℃ 내지 300 ℃ 조건의 오븐이나 핫 플레이트 위에서 열처리할 수 있으며, 또한 상기 온도범위 내에서 다양한 온도에서의 다단계 가열처리로 진행할 수도 있다.
4. 고분자 필름
한편, 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 다른 구현예의 폴리이미드계 고분자의 경화물을 포함하는 고분자 필름이 제공될 수 있다. 상기 폴리이미드계 고분자의 경화물이란, 상기 폴리이미드계 고분자의 경화공정을 거쳐 얻어지는 물질을 의미한다. 상기 폴리이미드계 고분자에 관한 내용은 상기 다른 구현예에서 상술한 내용을 모두 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 폴리아믹산 반복단위, 폴리아믹산에스테르 반복단위, 및 폴리이미드 반복단위로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한 폴리이미드계 고분자를 이용하면, 우수한 투명성과 함께 안정적인 내열특성을 구현할 수 있는 고분자 필름을 제조할 수 있다.
상기 고분자 필름의 두께가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 0.01 ㎛ 내지 1000 ㎛ 범위내에서 자유롭게 조절 가능하다. 상기 고분자 필름의 두께가 특정 수치만큼 증가하거나 감소하는 경우 고분자 필름에서 측정되는 물성 또한 일정 수치만큼 변화할 수 있다.
상기 고분자 필름은 두께가 0.05 내지 0.15 ㎛인 범위에서 380 내지 760nm 파장의 빛에 대한 투과도가 80% 이상이며, 황색도(YI)가 약 7 이하, 바람직하게는 약 5 이하, 보다 바람직하게는 약 4 이하, 혹은 3 이하의 값을 갖는 무색 투명 폴리이미드 필름일 수 있다. 상기와 같이 우수한 광 투과도 및 황색도를 가짐으로써 현저히 개선된 투명도 및 광학특성을 나타낼 수 있다.
상기 고분자 필름을 합성하는 방법의 예가 크게 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 상기 다른 구현예의 폴리이미드계 고분자를 함유한 고분자 수지 조성물을 기판에 도포하여 도막을 형성하는 단계(단계 1); 상기 도막을 건조하는 단계(단계 2); 상기 건조된 도막을 열처리하여 경화하는 단계(단계 3)를 포함하는, 고분자 필름의 제조 방법을 사용할 수 있다.
상기 단계 1은, 상술한 폴리이미드계 고분자를 함유한 고분자 수지 조성물을 기판에 도포하여 도막을 형성하는 단계이다. 상기 폴리이미드계 고분자를 함유한 고분자 수지 조성물을 기판에 도포하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 스크린 인쇄, 오프셋 인쇄, 플렉소 인쇄, 잉크젯 등의 방법이 이용될 수 있다.
그리고, 상기 폴리이미드계 고분자를 함유한 고분자 수지 조성물은 유기 용매에 용해 또는 분산시킨 것일 수 있다. 이러한 형태를 갖는 경우, 예를 들어 폴리이미드계 고분자를 유기 용매 중에서 합성한 경우에는, 용액은 얻어지는 반응 용액 그 자체여도 되고, 또 이 반응 용액을 다른 용매로 희석한 것이어도 된다. 또, 폴리이미드계 고분자를 분말로서 얻은 경우에는, 이것을 유기 용매에 용해시켜 용액으로 한 것이어도 된다.
상기 유기 용매의 구체적인 예로는 톨루엔, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피롤리돈, N-메틸카프로락탐, 2-피롤리돈, N-에틸피롤리돈, N-비닐피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 테트라메틸우레아, 피리딘, 디메틸술폰, 헥사메틸술폭사이드, 감마-부티로락톤, 3-메톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-에톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 3-부톡시-N,N-디메틸프로판아미드, 1,3-디메틸-이미다졸리디논, 에틸아밀케톤, 메틸노닐케톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소아밀케톤, 메틸이소프로필케톤, 사이클로헥사논, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디글라임, 4-하이드록시-4-메틸-2-펜타논, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르 아세테이트 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용될 수도 있고, 혼합하여 사용될 수도 있다.
상기 고분자 수지 조성물은 필름 형성 공정시의 도포성 등의 공정성을 고려하여 적절한 점도를 갖도록 하는 양으로 고형분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전체 폴리머의 함량이 5 중량% 내지 25 중량%가 되도록 조성물의 함량을 조절할 수 있으며, 바람직하게는 5 중량% 내지 20 중량%, 또는 5 중량% 내지 15 중량%로 조절할 수 있다.
또한, 상기 고분자 수지 조성물이 500cP 이상, 혹은 1,000cP 이상, 바람직하게는 3,000cP 이상의 점도를 갖도록 조절하는 것일 수 있으며, 상기 고분자 수지 조성물의 점도는 30,000cP 이하, 혹은 20,000cP 이하, 바람직하게는 18,000cP 이하, 또는 15,000cP 이하의 점도를 가질 수 있다. 상기 고분자 수지 조성물의 점도가 500cP 미만이거나, 30,000cP를 초과할 경우 필름 가공 시 기포 발생 및 표면 조도가 좋지 않아 광학적 특성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 고분자 수지 조성물 유기 용매 외에 다른 성분을 추가로 포함할 수 있다. 비제한적인 예로, 상기 고분자 수지 조성물이 도포되었을 때, 막 두께의 균일성이나 표면 평활성을 향상시키거나, 혹은 기판과의 밀착성을 향상시키거나, 혹은 유전율이나 도전성을 변화시키거나, 혹은 치밀성을 증가시킬 수 있는 첨가제가 추가로 포함될 수 있다. 이러한 첨가제로는 계면 활성제, 실란계 화합물, 유전체 또는 가교성 화합물 등이 예시될 수 있다.
상기 단계 2는, 상기 고분자 수지 조성물을 기판에 도포하여 형성된 도막을 건조하는 단계이다.
상기 도막의 건조 단계는 핫 플레이트, 열풍 순환로, 적외선로 등의 가열 수단에 의해 실시될 수 있고, 50 ℃ 내지 150 ℃, 또는 50 ℃ 내지 100 ℃ 온도로 수행할 수 있다.
상기 단계 3은, 상기 건조된 도막을 열처리하여 경화하는 단계이다. 이때, 상기 열처리는 핫 플레이트, 열풍 순환로, 적외선로 등의 가열 수단에 의해 실시될 수 있고, 180 ℃내지 300 ℃, 또는 200 ℃ 내지 300 ℃ 온도로 수행할 수 있다.
5. 디스플레이 장치용 기판
한편, 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 다른 구현예의 고분자 필름을 포함하는 디스플레이 장치용 기판이 제공될 수 있다. 상기 고분자 필름에 관한 내용은 상기 다른 구현예에서 상술한 내용을 모두 포함할 수 있다.
상기 기판을 포함하는 디스플레이 장치는 액정 표시 장치(liquid crystal display device, LCD), 유기발광다이오드(organic light emitting diode, OLED), 플렉서블 디스플레이(Flexible Display), 또는 감김 가능 디스플레이 장치(rollable display or foldable display) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 디스플레이 장치는 적용 분야 및 구체적인 형태 등에 따라서 다양한 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어 커버 플라스틱 윈도우, 터치 패널, 편광판, 배리어 필름, 발광 소자(OLED 소자 등), 투명 기판 등을 포함하는 구조일 수 있다.
상술한 다른 구현예의 고분자 필름은 이러한 다양한 디스플레이 장치에서 기판, 외부 보호 필름 또는 커버 윈도우 등의 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로는 기판으로 적용될 수 있다.
예를 들면, 상기 디스플레이 장치용 기판은 소자보호층, 투명 전극층, 실리콘 산화물층, 폴리이미드 필름, 실리콘 산화물층 및 하드 코팅층이 순차적으로 적층된 구조를 구비할 수 있다.
상기 투명 폴리이미드 기판은 내용제성 내지 수분투과성 및 광학적 특성을 보다 향상시킬 수 있는 측면에서 투명 폴리이미드 필름과 경화층 사이에 형성된, 실리콘산화물층을 포함할 수 있으며, 상기 실리콘산화물층은 폴리실라잔을 경화시켜 생성되는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 실리콘산화물층은 상기 투명 폴리이미드 필름의 적어도 일면상에 코팅층을 형성하는 단계 이전에 폴리실라잔을 포함하는 용액을 코팅 및 건조한 후 상기 코팅된 폴리실라잔을 경화시켜 형성되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치용 기판은 상술한 소자보호층을 포함함으로써 우수한 휨특성 및 내충격성을 가지면서, 내용제성, 광학특성, 수분투과도 및 내스크래치성을 갖는 투명 폴리이미드 커버기판을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 우수한 투명성과 함께 안정적인 내열특성을 구현할 수 있는 산무수물 화합물 제조방법, 이를 이용한 산무수물 화합물, 폴리이미드계 고분자, 고분자 필름, 및 디스플레이 장치용 기판이 제공될 수 있다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1: 산무수물 화합물 DA-1의 제조
Figure pat00025
상기 구조의 산무수물 화합물 DA-1은 하기 방법을 통해 제조하였다.
(제1단계)
Figure pat00026
1.5g(3.38mmol)의 4,4´-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride(6FDA), 화합물1)을 200mL의 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹인 후, 25℃ 온도에서 0.085g(4.73mmol)의 물(H2O)을 첨가하고 25 ℃ 온도에서 72시간 동안 교반하였다.
반응 종료 후 상온으로 식히고 헥산을 사용하여 추출하였다. 추출된 유기층은 무수 마그네슘설페이트(MgSO4)로 건조시키고, 감압증류장치를 통해 농축하여 0.78g의 화합물 2를 합성하였다. (수율 50%)
(제2단계)
*
Figure pat00027
0.78g(1.69mmol)의 상기 제1단계에서 얻어진 화합물2와 0.18g(0.56mmol)의 2,2'-Bis(trifluoromethyl)benzidine(TFMB, 화합물3)을 8.4mL의 메틸피롤리돈(NMP) 용매에 녹인 후, 90 ℃ 온도에서 1시간동안 교반하였다. 이후, 0.29g(2.8mmol)의 무수 아세트산(Ac2O)과 0.013g(0.17mmol)의 피리딘을 첨가하여 90 ℃ 온도에서 2시간동안 교반하였다.
반응 종료 후 상온으로 식히고 헥산을 사용하여 추출하였다. 추출된 유기층은 무수 마그네슘설페이트(MgSO4)를 사용하여 건조시키고 감압증류장치를 통해 농축하여 0.52g의 화합물4 산무수물 화합물(DA-1)을 제조하였다. (수율 80%)
실시예 2: 산무수물 화합물 DA-2의 제조
Figure pat00028
상기 구조의 산무수물 화합물 DA-2은 하기 방법을 통해 제조하였다.
(제1단계)
Figure pat00029
테트라하이드로푸란(THF)(400mL) 중의 피로멜리트산 이무수물(pyromellitic dianhydride, PMDA)(43.6g, 200mmol)의 현탁액에, 실온에서 7시간에 걸쳐 수성 THF(25mL의 THF와 5.05mL의 물)를 첨가하였다. 생성된 담황색 용액을 황산나트륨으로 건조시켰다. THF(250mL)를 증발을 통해 제거한 후, 잔사에 헥산(100 mL) 을 첨가하여 생성물을 침전시켰다. 침전물을 여과 제거하고 여액을 냉장고에 밤새 두었다. 생성된 침전물을 여과하여 수집하고 40℃, 진공하에 3시간 동안 건조시켜 피로멜리트산 일무수물(pyromellitic monoanhydride)을 백색 침상 결정으로 수득하였다(28.2562g, 59.8%). 상기 피로멜리트산 일무수물의 NMR 측정결과는 다음과 같다.
1H NMR (500 MHz, 아세톤-d6): δ 8.37 (s, 2H).
(제2단계)
Figure pat00030
디메틸아세트아미드(DMAc)(9.8mL) 중의 TFMB(2,2'-bis(trifluoromethyl)benzidine)(7.51g, 23.4mmol)을 NMP용매 (117 ml)에 녹이고 온도를 90℃로 올렸다. 그리고 피로멜리트산 일무수물(16.6g, 70.4mol)을 첨가하고 1시간 동안 반응시켰다. 이후 수득된 용액에, 90℃에서 피리딘(0.56 ml, 7.04mmol)와 아세트산 무수물(11.1mL, 117 mmol)을 첨가하였다. 생성된 짙은 색상의 용액에 toluene (50 ml)를 넣고 최종생성물을 침전시켜서 산무수물 화합물(DA-2)을 제조하였다. (12.76g, 수율 72%). 상기 산무수물 화합물(DA-2)의 NMR 측정결과는 다음과 같다.
1H NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ 8.62 (s, 4H), 8.11 (s, 2H), 7.92 (d, 2H), 7.75 (d, 2H).
실시예 3: 폴리아믹산 용액 및 폴리이미드 필름의 제조
(1) 폴리아믹산 용액의 제조
2,2'-Bis(trifluoromethyl)benzidine(TFMB)을 무수 N-메틸 피롤리돈(NMP)에 완전히 녹였다. 그리고, ice bath 하에서 상기 실시예1에서 얻어진 산무수물 화합물 DA-1을 상기 용액에 첨가하고 약 16 시간 동안 상온에서 교반하여 폴리아믹산 중합체 P-1을 합성하였다.
상기와 같이 제조한 폴리아믹산 중합체 P-1을 NMP와 n-부톡시에탄올 혼합 용매에 넣고, 25 ℃에서 16시간 교반하여 얻어진 용액을 폴리(테트라플루오로에틸렌) 재질의 기공 사이즈가 0.1 ㎛인 필터로 가압 여과하여 폴리아믹산 용액을 제조하였다.
(2) 폴리이미드 필름의 제조
2.5 cm x 2.7 cm의 크기를 갖는 사각형 유리기판 상에 스핀 코팅 방식으로 상기 실시예 1의 (1)에서 얻어진 폴리아믹산 용액을 0.1 ㎛의 두께로 도포하였다. 이후, 폴리아믹산 용액이 도포된 기판을 80 ℃의 핫플레이트 위에 두어 2분간 건조하였다. 이후, 230 ℃의 오븐에서 15분간 소성(경화)하여 두께 0.1 ㎛의 폴리이미드 필름을 제조하였다.
실시예 4: 폴리아믹산 용액 및 폴리이미드 필름의 제조
상기 폴리아믹산 용액의 제조시, 상기 실시예1에서 얻어진 산무수물 화합물 DA-1 대신 상기 실시예2에서 얻어진 산무수물 화합물 DA-2을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 폴리아믹산 용액 및 폴리이미드 필름을 제조하였다.
<비교예>
비교예1
1.5g(3.38mmol)의 4,4´-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride(6FDA), 0.54g(1.69mmol)의 2,2'-Bis(trifluoromethyl)benzidine(TFMB)를 20mL의 메틸피롤리돈(NMP) 용매에 녹여 교반시킨 후, 170 ℃ 온도에서 4시간 동안 반응시켰다.
반응 종료 후 상온으로 식히고 헥산을 사용하여 추출하였다. 추출된 유기층은 무수 마그네슘설페이트(MgSO4)를 사용하여 건조시키고 감압증류장치를 통해 농축하여 0.52g의 화합물4 산무수물 화합물(DA-1)을 제조하였다. (수율 80%)

Claims (13)

  1. 테트라카르복시산 2무수물의 부분 가수분해 반응으로 테트라카르복시산 1무수물을 제조하는 단계; 및
    상기 테트라카르복시산 1무수물과 디아민 화합물의 이미드화 반응단계;를 포함하는, 산무수물 화합물 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 테트라카르복시산 2무수물은,
    하기 화학식1로 표시되는, 산무수물 화합물 제조방법:
    [화학식1]
    Figure pat00031

    상기 화학식1에서,
    X1는 치환 또는 비치환된 4가의 유기기이다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 테트라카르복시산 1무수물은,
    하기 화학식2로 표시되는, 산무수물 화합물 제조방법:
    [화학식2]
    Figure pat00032

    상기 화학식2에서,
    X2는 치환 또는 비치환된 4가의 유기기이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 테트라카르복시산 2무수물의 부분 가수분해 반응은,
    테트라카르복시산 2무수물 1몰에 대하여 물을 1몰 이상 1.5몰 이하로 반응시켜 진행되는, 산무수물 화합물 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 테트라카르복시산 2무수물의 부분 가수분해 반응에서 얻어지는 테트라카르복시산 1무수물의 수율이 40 % 이상인, 산무수물 화합물 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디아민 화합물은,
    하기 화학식3으로 표시되는, 산무수물 화합물 제조방법:
    [화학식3]
    Figure pat00033

    상기 화학식3에서,
    Y1는 치환 또는 비치환된 2가의 유기기이다.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 테트라카르복시산 1무수물과 디아민 화합물의 이미드화 반응단계는, 70 ℃ 이상 150 ℃ 이하의 온도에서 진행되는, 산무수물 화합물 제조방법.
  8. 하기 화학식4로 표시되는 구조를 갖는, 산무수물 화합물:
    [화학식4]
    Figure pat00034

    상기 화학식4에서,
    X3 및 X4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 4가의 유기기이고,
    Y2은 치환 또는 비치환된 2가의 유기기이다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산무수물 화합물은 제1항의 산무수물 화합물 제조방법에서 얻어진 것을 특징으로 하는, 산무수물 화합물.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 산무수물 화합물은 폴리이미드계 고분자 합성 용도로 사용되는, 산무수물 화합물.
  11. 제8항의 산무수물 화합물과 디아민 화합물의 결합물을 포함하는, 폴리이미드계 고분자.
  12. 제11항의 폴리이미드계 고분자의 경화물을 포함하는, 고분자 필름.
  13. 제12항의 고분자 필름을 포함하는, 디스플레이 장치용 기판.
KR1020190079623A 2019-07-02 2019-07-02 산무수물 화합물 제조방법, 이를 이용한 산무수물 화합물, 폴리이미드계 고분자, 고분자 필름, 및 디스플레이 장치용 기판 KR20210003609A (ko)

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