KR20240053229A - 폴리이미드 필름 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20240053229A
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Abstract

본 발명은 항복 강도가 138 MPa 이상이고, 유리전이온도가 370℃ 이상인 내열성 및 기계적 특성이 우수한 폴리이미드 필름 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

폴리이미드 필름 및 그 제조방법{Polyimide film and manufacturing method thereof}
본 발명은 우수한 내열성과 기계적 특성(항복강도 및 항복점)을 가지는 폴리이미드 필름 및 그 제조방법에 관한 것이다.
폴리이미드(polyimide, PI)는 강직한 방향족 주쇄와 함께 화학적 안정성이 매우 우수한 이미드 고리를 기초로 하여, 유기 재료들 중에서도 최고 수준의 내열성, 내약품성, 전기 절연성, 내화학성, 내후성을 가지는 고분자 재료이다.
폴리이미드 필름은 전술한 특성들이 요구되는 다양한 전자 디바이스의 소재로서 각광받고 있다.
폴리이미드 필름이 적용되는 미소 전자 부품의 예로는 전자제품의 경량화와 소형화에 대응 가능하도록 회로 집적도가 높고 유연한 박형 회로기판을 들 수 있으며, 폴리이미드 필름은 특히 박형 회로기판의 절연필름으로 널리 이용되고 있다.
상기 박형 회로기판은, 절연필름 상에 금속박을 포함하는 회로가 형성되어 있는 구조가 일반적이며, 이러한 박형 회로기판을 넓은 의미로서 연성 금속박 적층판(Flexible Metal Foil Clad Laminate)이라 지칭하고 금속박으로 얇은 구리판을 이용할 때에는 보다 좁은 의미에서 연성 동박 적층판(Flexible Copper Clad Laminate; FCCL)으로 지칭하기도 한다.
연성 금속박 적층판의 제조 방법으로는, 예를 들면 (i) 금속박 상에 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산을 유연(casting), 또는 도포한 후, 이미드화하는 캐스팅법, (ii) 스퍼터링(Sputtering)에 의해 폴리이미드 필름 상에 직접 금속층을 설치하는 메탈라이징법, 및 (iii) 열가소성 폴리이미드를 통해 폴리이미드 필름과 금속박을 열과 압력으로 접합시키는 라미네이트법을 들 수 있다.
특히, 메탈라이징법은 예를 들어, 20 내지 38 ㎛ 두께의 폴리이미드 필름상에 구리 등의 금속을 스퍼터링하여, 타이(Tie)층, 시드(Seed)층을 순차적으로 증착함으로써 연성 금속박 적층판을 생산하는 방법이며, 회로 패턴의 피치(pitch)가 35 ㎛ 이하인 초미세회로를 형성시키는데 유리한 점이 있으며, COF(chip on film)용 연성 금속박 적층판을 제조하는데 널리 사용되고 있다.
이러한 연성 금속박 적층판에 사용되는 폴리이미드 필름은 높은 내열성 및 기계적 특성을 가져야 하므로, 우수한 내열성 및 기계적 특성이 양립할 수 있는 폴리이미드 필름이 절실히 요구되고 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-1375276호 대한민국 공개특허공보 제2016-0002402호
이에 본 발명은 우수한 내열성과 기계적 특성(항복강도 및 항복점)을 동시에 가지는 폴리이미드 필름 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 항복 강도가 138 MPa 이상이고,
유리전이온도가 370℃ 이상인,
폴리이미드 필름을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 상기 폴리이미드 필름과 전기 전도성의 금속박을 포함하는, 연성 금속박 적층판을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 연성 금속박 적층판을 포함하는, 전자 부품을 제공한다.
본 발명은 이무수물산 및 디아민 성분의 조성비, 반응비 등이 조절된 폴리이미드 필름을 제공함으로써, 내열성, 항복점 및 항복강도 특성이 모두 우수한 폴리이미드 필름을 제공하여 폴리이미드 필름의 공정성을 개선시킬 수 있다.
이러한 폴리이미드 필름은 우수한 특성의 폴리이미드 필름이 요구되는 다양한 분야, 예를 들어, 메탈라이징법에 의해 제조되는 연성 금속박 적층판 또는 이러한 연성 금속박 적층판을 포함하는 전자 부품에 적용이 가능하다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 "이무수물산"은 그 전구체 또는 유도체를 포함하는 것으로 의도되는데, 이들은 기술적으로는 이무수물산이 아닐 수 있지만, 그럼에도 불구하고 디아민과 반응하여 폴리아믹산을 형성할 것이며, 이 폴리아믹산은 다시 폴리이미드로 변환될 수 있다.
본 명세서에서 "디아민"은 그의 전구체 또는 유도체를 포함하는 것으로 의도되는데, 이들은 기술적으로는 디아민이 아닐 수 있지만, 그럼에도 불구하고 디안하이드라이드와 반응하여 폴리아믹산을 형성할 것이며, 이 폴리아믹산은 다시 폴리이미드로 변환될 수 있다
본 명세서에서 양, 농도, 또는 다른 값 또는 파라미터가 범위, 바람직한 범위 또는 바람직한 상한 값 및 바람직한 하한 값의 열거로서 주어지는 경우, 범위가 별도로 개시되는지에 상관없이 임의의 한 쌍의 임의의 위쪽 범위 한계치 또는 바람직한 값 및 임의의 아래쪽 범위 한계치 또는 바람직한 값으로 형성된 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 이해되어야 한다.
수치 값의 범위가 본 명세서에서 언급될 경우, 달리 기술되지 않는다면, 그 범위는 그 종점 및 그 범위 내의 모든 정수와 분수를 포함하는 것으로 의도된다. 본 발명의 범주는 범위를 정의할 때 언급되는 특정 값으로 한정되지 않는 것으로 의도된다.
본 명세서에서 수치범위를 나타내는 "a 내지 b" 및 "a~b"에서 "내지" 및 “~”는 ≥ a이고 ≤ b으로 정의한다.
본 발명의 일 구현예에 의한 폴리이미드 필름은 항복 강도가 138 MPa 이상이고, 유리전이온도가 370℃ 이상일 수 있다.
한편, 상기 폴리이미드 필름의 항복 강도는 150 MPa 이하이고, 유리전이온도는 380℃ 이하 일 수 있다.
예를 들어, 상기 폴리이미드 필름의 항복 강도는 138 MPa 이상, 140 MPa 이상, 145 MPa 이상일 수 있다.
일 구현예에 있어서 상기 폴리이미드 필름의 항복점은 2.4% 이상일 수 있다.
한편, 상기 폴리이미드 필름의 항복점은 2.6% 이하일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 폴리이미드 필름은 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드(BPDA), 피로멜리틱디안하이드라이드(PMDA) 및 벤조페논테트라카복실릭디안하이드라이드(BTDA)를 포함하는 이무수물산 성분과, 파라페닐렌 디아민(PPD), m-톨리딘(m-tolidine) 및 옥시디아닐린(ODA)를 포함하는 디아민 성분을 포함하는 폴리아믹산 용액을 이미드화 반응시켜 얻어질 수 있다.
즉, 상기 폴리이미드 필름은 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드, 피로멜리틱디안하이드라이드, 벤조페논테트라카복실릭디안하이드라이드, 파라페닐렌 디아민, m-톨리딘 및 옥시디아닐린로 이루어진 중합체에서 유래된 폴리아믹산을 이미드화 반응시켜 얻어질 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 이무수물산 성분의 총함량 100 몰%를 기준으로, 상기 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드의 함량이 15 몰% 이상 30 몰% 이하이고, 상기 피로멜리틱디안하이드라이드의 함량이 30 몰% 이상 50 몰% 이하이며, 상기 벤조페논테트라카복실릭디안하이드라이드의 함량이 25 몰% 이상 45 몰% 이하일 수 있다.
예를 들어, 상기 이무수물산 성분의 총함량 100 몰%를 기준으로, 상기 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드의 함량이 20 몰% 이상 25 몰% 이하이고, 상기 피로멜리틱디안하이드라이드의 함량이 35 몰% 이상 45 몰% 이하이며, 상기 벤조페논테트라카복실릭디안하이드라이드의 함량이 30 몰% 이상 45 몰% 이하일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 디아민 성분의 총함량 100몰%를 기준으로, 상기 파라페닐렌 디아민의 함량이 45 몰% 이상, 60 몰% 이하, 상기 m-톨리딘의 함량이 10 몰% 이상, 25 몰% 이하이며, 상기 옥시디아닐린의 함량이 20 몰% 이상, 40 몰% 이하일 수 있다.
예를 들어, 상기 디아민 성분의 총함량 100몰%를 기준으로, 상기 파라페닐렌 디아민의 함량이 50 몰% 이상, 60 몰% 이하, 상기 m-톨리딘의 함량이 10 몰% 이상, 15 몰% 이하이며, 상기 옥시디아닐린의 함량이 25 몰% 이상, 35 몰% 이하일 수 있다.
본 발명의 파라페닐렌 디아민은 강직한 모노머로 파라페닐렌 디아민의 함량이 증가함에 따라서 합성되는 폴리이미드는 더욱 선형의 구조를 가지게 되고, 폴리이미드의 기계적 특성 및 내열성의 향상에 기여할 수 있다.
또한. m-톨리딘은 특히 메틸기를 포함하는 벤젠 고리 구조를 포함하고 있어서 폴리이미드 필름의 기계적 특성 및 내열성의 향상에 기여할 수 있다.
본 발명의 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드로부터 유래된 폴리이미드 사슬은 전하이동착체(CTC: Charge transfer complex)라고 명명된 구조, 즉, 전자주게(electron donnor)와 전자받게(electron acceptor)가 서로 근접하게 위치하는 규칙적인 직선 구조를 가지게 되고 분자간 상호 작용(intermolecular interaction)이 강화되어, 폴리이미드 필름의 내열성 및 기계적 특성에 영향을 끼치게 된다.
또한, 피로멜리틱디안하이드라이드는 상대적으로 강직한 구조를 가지는 이무수물산 성분으로 폴리이미드 필름에 적절한 탄성을 부여할 수 있다.
폴리이미드 필름이 우수한 기계적 특성 및 내열성을 가지기 위해서는 이무수물산의 함량비가 중요하다. 예를 들어, 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드의 함량비가 감소할수록 상기 CTC 구조로 인한 기계적 특성 및 내열성도 저하될 수 있다.
또한, 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드 및 벤조페논테트라카복실릭디안하이드라이드는 방향족 부분에 해당하는 벤젠 고리를 2개 포함하는 반면에, 피로멜리틱디안하이드라이드는 방향족 부분에 해당하는 벤젠 고리를 1개 포함한다.
이무수물산 성분에서 피로멜리틱디안하이드라이드 함량의 증가는 동일한 분자량을 기준으로 했을 때 분자 내의 이미드기가 증가하는 것으로 이해할 수 있으며, 이는 폴리이미드 고분자 사슬에 상기 피로멜리틱디안하이드라이드로부터 유래되는 이미드기의 비율이 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드 및/또는 벤조페논테트라카복실릭디안하이드라이드로부터 유래되는 이미드기 대비 상대적으로 증가하는 것으로 이해할 수 있다.
즉, 피로멜리틱디안하이드라이드 함량의 과도한 증가는 폴리이미드 필름 전체에 대해서도, 이미드기의 상대적 증가로 볼 수 있고, 이로 인해 기계적 특성 및 내열성의 향상은 기대하기 어려워진다.
반대로, 피로멜리틱디안하이드라이드의 함량비가 과도하게 감소하면 상대적으로 강직한 구조의 성분이 감소하게 되어, 폴리이미드 필름의 탄성이 소망하는 수준 이하로 저하될 수 있다.
이러한 이유로 상기 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드의 함량이 상기 범위를 상회하거나, 피로멜리틱디안하이드라이드의 함량이 상기 범위를 하회하는 경우, 폴리이미드 필름의 기계적 특성 및 내열성이 저하될 수 있다.
반대로, 상기 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드의 함량이 상기 범위를 하회하거나, 피로멜리틱디안하이드라이드의 함량이 상기 범위를 상회하는 경우에도, 폴리이미드 필름의 기계적 특성 및 내열성에 악영향을 끼칠 수 있다.
따라서, 본원의 폴리이미드 필름의 이무수물산 성분인 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드, 피로멜리틱디안하이드라이드 및 벤조페논테트라카복실릭디안하이드라이드의 각각의 함량의 범위와 디아민 성분인 파라페닐렌 디아민, m-톨리딘 및 옥시디아닐린의 각각의 함량의 범위가 본원의 함량 범위를 상회하거나 하회하면, 내열성(유리전이온도) 및/또는 기계적 특성(항복점, 항복강도)이 저하될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 폴리이미드 필름의 상기 폴리이미드는 상기 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드를 포함하는 이무수물산 성분과 상기 m-톨리딘을 포함하는 디아민 성분을 이미드화 반응시켜 얻어진 제1 블록을 포함하는 블록 공중합체일 수 있다.
즉, 상기 폴리이미드는 2 이상의 블록을 포함하는 블록 공중합체일 수 있다.
한편, 상기 제1 블록은 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드로 이루어진 이무수물산 성분 및 m-톨리딘으로 이루어진 디아민 성분의 중합체에서 유래된 폴리아믹산을 이미드화하여 얻어질 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 폴리이미드의 총함량 100 몰%를 기준으로, 상기 제1 블록의 함량이 10 몰% 이상, 16 몰% 이하일 수 있다.
상기 제1 블록의 함량이 본원의 범위를 하회하면, 폴리이미드 필름의 유리전이온도가 낮아져서 내열성이 저하될 수 있다. 또한, 상기 제1 블록의 함량이 본원의 범위를 상회하면, 폴리이미드 필름의 항복점 및/또는 항복강도가 저하될 수 있다.
본 발명에서 폴리아믹산의 제조는 예를 들어,
(1) 디아민 성분 전량을 용매 중에 넣고, 그 후 이무수물산 성분을 디아민 성분과 실질적으로 등몰이 되도록 첨가하여 중합하는 방법;
(2) 이무수물산 성분 전량을 용매 중에 넣고, 그 후 디아민 성분을 이무수물산 성분과 실질적으로 등몰이 되도록 첨가하여 중합하는 방법;
(3) 디아민 성분 중 일부 성분을 용매 중에 넣은 후, 반응 성분에 대해서 이무수물산 성분 중 일부 성분을 약 95~105 몰%의 비율로 혼합한 후, 나머지 디아민 성분을 첨가하고 이에 연속해서 나머지 이무수물산 성분을 첨가하여, 디아민 성분 및 이무수물산 성분이 실질적으로 등몰이 되도록 하여 중합하는 방법;
(4) 이무수물산 성분을 용매 중에 넣은 후, 반응 성분에 대해서 디아민 화합물 중 일부 성분을 95~105 몰%의 비율로 혼합한 후, 다른 이무수물산 성분을 첨가하고 계속되어 나머지 디아민 성분을 첨가하여, 디아민 성분 및 이무수물산 성분이 실질적으로 등몰이 되도록 하여 중합하는 방법;
(5) 용매 중에서 일부 디아민 성분과 일부 이무수물산 성분을 어느 하나가 과량이 되도록 반응시켜, 제1 조성물을 형성하고, 또 다른 용매 중에서 일부 디아민 성분과 일부 이무수물산 성분을 어느 하나가 과량이 되도록 반응시켜 제2 조성물을 형성한 후, 제1, 제2 조성물들을 혼합하고, 중합을 완결하는 방법으로서, 이 때 제1 조성물을 형성할 때 디아민 성분이 과잉일 경우, 제 2조성물에서는 이무수물산 성분을 과량으로 하고, 제1 조성물에서 이무수물산 성분이 과잉일 경우, 제2 조성물에서는 디아민 성분을 과량으로 하여, 제1, 제2 조성물들을 혼합하여 이들 반응에 사용되는 전체 디아민 성분과 이무수물산 성분이 실질적으로 등몰이 되도록 하여 중합하는 방법 등을 들 수 있다.
본 발명에서는, 상기와 같은 폴리아믹산의 중합 방법을 임의(random) 중합 방식으로 정의할 수 있으며, 상기와 같은 과정으로 제조된 본 발명의 폴리아믹산으로부터 제조된 폴리이미드 필름은 본 발명의 효과를 극대화시키는 측면에서 바람직하게 적용될 수 있다.
다만, 상기 중합 방법은 앞서 설명한 고분자 사슬 내의 반복단위의 길이가 상대적으로 짧게 제조되므로, 이무수물산 성분으로부터 유래되는 폴리이미드 사슬이 가지는 각각의 우수한 특성을 발휘하기에는 한계가 있을 수 있다. 따라서, 본 발명에서 특히 바람직하게 이용될 수 있는 폴리아믹산의 중합 방법은 블록 중합 방식일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 폴리이미드 필름의 제조방법은,
비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드 및 m-톨리딘을 유기용매 중에서 중합하여 블록 공중합체의 제1 블록을 포함하는 폴리아믹산을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폴리이미드 필름의 제조방법은 상기 제1 블록을 형성하는 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드 및 m-톨리딘 외에 남은 이무수물산 성분과 디아민 성분을 조합하여 제1 블록 이외에 폴리이미드 필름의 특성 구현을 위해 필요한 추가의 블록을 포함하는 폴리아믹산을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 블록 공중합체의 제1 블록을 포함하는 폴리아믹산이 다른 블록을 포함하는 폴리아믹산에 비하여 먼저 제조될 수도 있고, 다른 블록을 포함하는 폴리아믹산을 먼저 제조한 후에 제1 블록을 포함하는 폴리아믹산이 제조될 수도 있다.
예를 들어, 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드 및 m-톨리딘을 함께 투입하여 제1 블록을 포함하는 폴리아믹산을 제조한 후, 제조된 제1 블록을 포함하는 폴리아믹산에 나머지 블록을 형성하는 이무수물산 성분과 디아민 성분을 정해진 순서로 추가로 투입하고 이미드화하여 블록 공중합체인 폴리이미드를 제조할 수도 있다.
또한, 제1 블록이 아닌 블록이 포함된 폴리아믹산을 먼저 제조한 후 또는 제1 블록이 아닌 블록이 포함된 폴리아믹산을 제조하는 도중에, 제조된 제1 블록이 아닌 블록이 포함된 폴리아믹산에 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드 및 m-톨리딘을 함께 투입하여 제1 블록을 포함하는 폴리아믹산을 제조할 수도 있다.
한편, 폴리아믹산을 합성하기 위한 용매는 특별히 한정되는 것은 아니고, 폴리아믹산을 용해시키는 용매이면 어떠한 용매도 사용할 수 있지만, 아미드계 용매인 것이 바람직하다.
구체적으로는, 상기 유기 용매는 유기 극성 용매일 수 있고, 상세하게는 비양성자성 극성 용매(aprotic polar solvent)일 수 있으며, 예를 들어, N,N-디메틸포름아미드(DMF), N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-피롤리돈(NMP), 감마 브티로 락톤(GBL), 디그림(Diglyme)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 단독으로 또는 2종 이상 조합해서 사용할 수 있다.
하나의 예에서, 상기 유기 용매는 N,N-디메틸포름아미드 및 N,N-디메틸아세트아미드가 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 폴리아믹산 제조 공정에서는 접동성, 열전도성, 코로나 내성, 루프 경도 등의 필름의 여러 가지 특성을 개선할 목적으로 충전재를 첨가할 수도 있다. 첨가되는 충전재는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직한 예로는 실리카, 산화티탄, 알루미나, 질화규소, 질화붕소, 인산수소칼슘, 인산칼슘, 운모 등을 들 수 있다.
충전재의 입경은 특별히 한정되는 것은 아니고, 개질하여야 할 필름 특성과 첨가하는 충전재의 종류에 따라서 결정하면 된다. 일반적으로는, 평균 입경이 0.05 내지 100 ㎛, 바람직하게는 0.1 내지 75 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 50 ㎛, 특히 바람직하게는 0.1 내지 25 ㎛이다.
입경이 이 범위를 하회하면 개질 효과가 나타나기 어려워지고, 이 범위를 상회하면 표면성을 크게 손상시키거나, 기계적 특성이 크게 저하되는 경우가 있다.
또한, 충전재의 첨가량에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니고, 개질하여야 할 필름 특성이나 충전재 입경 등에 의해 결정하면 된다. 일반적으로, 충전재의 첨가량은 폴리이미드 100 중량부에 대하여 0.01 내지 100 중량부, 바람직하게는 0.01 내지 90 중량부, 더욱 바람직하게는 0.02 내지 80 중량부이다.
충전재 첨가량이 이 범위를 하회하면, 충전재에 의한 개질 효과가 나타나기 어렵고, 이 범위를 상회하면 필름의 기계적 특성이 크게 손상될 가능성이 있다. 충전재의 첨가 방법은 특별히 한정되는 것은 아니고, 공지된 어떠한 방법을 이용할 수도 있다.
본 발명의 제조방법에서 폴리이미드 필름은 열 이미드화법 및 화학적 이미드화법에 의해서 제조될 수 있다.
또한, 열 이미드화법 및 화학적 이미드화법이 병행되는 복합 이미드화법에 의해서 제조될 수도 있다.
상기 열 이미드화법이란, 화학적 촉매를 배제하고, 열풍이나 적외선 건조기 등의 열원으로 이미드화 반응을 유도하는 방법이다.
상기 열 이미드화법은 상기 겔 필름을 100 내지 600 ℃의 범위의 가변적인 온도에서 열처리하여 겔 필름에 존재하는 아믹산기를 이미드화할 수 있으며, 상세하게는 200 내지 500 ℃, 더욱 상세하게는, 300 내지 500 ℃에서 열처리하여 겔 필름에 존재하는 아믹산기를 이미드화할 수 있다.
다만, 겔 필름을 형성하는 과정에서도 아믹산 중 일부(약 0.1 몰% 내지 10 몰%)가 이미드화될 수 있으며, 이를 위해 50 ℃ 내지 200 ℃의 범위의 가변적인 온도에서 폴리아믹산 조성물을 건조할 수 있고, 이 또한 상기 열 이미드화법의 범주에 포함될 수 있다.
화학적 이미드화법의 경우, 당업계에 공지된 방법에 따라 탈수제 및 이미드화제를 이용하여, 폴리이미드 필름을 제조할 수 있다.
복합이미드화법의 한 예로 폴리아믹산 용액에 탈수제 및 이미드화제를 투입한 후 80 내지 200℃, 바람직하게는 100 내지 180℃에서 가열하여, 부분적으로 경화 및 건조한 후에 200 내지 400℃에서 5 내지 400 초간 가열함으로써 폴리이미드 필름을 제조할 수 있다.
본 발명은, 상술한 폴리이미드 필름을 포함하는, 다층 필름을 제공한다.
상기 다층 필름은 열가소성 폴리이미드 필름 등의 추가의 폴리이미드 필름을 포함할 수 있다.
본 발명은, 상술한 폴리이미드 필름과 전기전도성의 금속박을 포함하는 연성 금속박 적층판을 제공한다.
사용하는 금속박으로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전자 부품, 전자 기기 등의 용도에 본 발명의 연성 금속박 적층판을 이용하는 경우에는, 예를 들면 구리 또는 구리 합금, 스테인레스강 또는 그의 합금, 니켈 또는 니켈 합금(42 합금도 포함함), 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 금속박일 수 있다.
일반적인 연성 금속박 적층판에서는 압연 동박, 전해 동박이라는 구리박이 많이 사용되며, 본 발명에서도 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 이들 금속박의 표면에는 방청층, 내열층 또는 접착층이 도포되어 있을 수도 있다.
본 발명에서 상기 금속박의 두께에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니고, 그 용도에 따라서 충분한 기능을 발휘할 수 있는 두께이면 된다.
본 발명에 따른 연성 금속박 적층판은, 상기 폴리이미드 필름의 적어도 한면에 금속박이 라미네이트된 구조일 수 있다.
이하, 발명의 구체적인 제조예 및 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 제조예 및 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
제조예: 폴리이미드 필름의 제조
본 발명의 폴리이미드 필름은 다음과 같은 당업계에 공지된 통상적인 방법으로 제조될 수 있다. 먼저, 유기 용매에 전술한 이무수물산과 디아민 성분을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻는다.
이때, 용매는 일반적으로 아미드계 용매로 비양성자성 극성 용매(Aprotic solvent), 예를 들어 N,N'-디메틸포름아마이드, N,N'-디메틸아세트아미드, N-메틸-피롤리돈, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 이무수물산과 디아민 성분의 투입형태는 분말, 덩어리 및 용액 형태로 투입할 수 있으며 반응 초기에는 분말 형태로 투입하여 반응을 진행한 다음, 이후에는 중합 점도 조절을 위해 용액 형태로 투입하는 것이 바람직하다.
얻어진 폴리아믹산 용액은 이미드화 촉매 및 탈수제와 혼합되어 지지체에 도포될 수 있다.
사용되는 촉매의 예로는 3급 아민류(예컨대, 이소퀴놀린, β-피콜린, 피리딘 등)가 있고, 탈수제의 예로는 무수산이 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기에서 사용되는 지지체로는 유리판, 알루미늄박, 순환 스테인레스 벨트 또는 스테인레스 드럼 등을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 지지체 상에 도포된 필름은 건조 공기 및 열처리에 의해 지지체 위에서 겔화된다.
상기 겔화된 필름은 지지체에서 분리되어 열처리하여 건조 및 이미드화가 완료된다.
상기 열처리를 마친 필름은 일정한 장력 하에서 열처리되어 제막 과정에서 발생한 필름 내부의 잔류응력이 제거될 수 있다.
구체적으로, 교반기 및 질소 주입·배출관을 구비한 반응기에 질소를 주입시키면서 DMF를 500 ml 투입하고, 반응기의 온도를 25 ℃로 설정한 후, 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드(BPDA), 피로멜리틱디안하이드라이드(PMDA), 벤조페논테트라카복실릭디안하이드라이드(BTDA), 파라페닐렌 디아민(PPD), m-톨리딘(m-tolidine), 옥시디아닐린(ODA) 및 4,4'-디아미노벤즈아닐리드(4,4'-Diaminobenzanilide, 4,4'-DABA)을 조절된 조성비 및 정해진 순서대로 투입하여 완전히 용해시킨다.
투입 시, 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드와 m-톨리딘을 연속으로 투입하여 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드를 포함하는 이무수물산 성분과 m-톨리딘을 포함하는 디아민 성분을 이미드화 반응시켜 얻어진 제1 블록을 얻을 수 있다.
이후, 질소 분위기 하에서 30 ℃로 반응기의 온도를 올려 가열하면서 120분간 교반을 계속해주어 1차 반응 점도가 800~1,200cP인 폴리아믹산을 제조하였다.
이렇게 제조한 폴리아믹산을 최종 점도 140,000~160,000cP가 되도록 교반시켰다.
준비된 최종 폴리아믹산에 촉매 및 탈수제의 함량을 조절하여 첨가시킨 후, 어플리케이터를 이용하여 폴리이미드 필름을 제조하였다.
실시예 및 비교예
하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5에서의 이무수물산 성분 및 상기 디아민 성분의 함량을 조절하여, 제조예에 따라서 폴리이미드 필름을 제조하였다.
또한, 이무수물산 성분 및 상기 디아민 성분의 투입 순서 및 투입량을 조절하여 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 폴리이미드 필름은 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드를 포함하는 이무수물산 성분과 m-톨리딘을 포함하는 디아민 성분을 이미드화 반응시켜 얻어진 제1 블록을 포함하지만, 비교예 4 및 5의 폴리이미드 필름은 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드를 포함하는 이무수물산 성분과 m-톨리딘을 포함하는 디아민 성분을 이미드화 반응시켜 얻어진 제1 블록을 포함하지 않는다.
또한, 비교예 1 내지 3의 폴리이미드 필름의 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드를 포함하는 이무수물산 성분과 m-톨리딘을 포함하는 디아민 성분을 이미드화 반응시켜 얻어진 제1 블록의 함량은 상기 폴리이미드 필름의 총함량 100 몰%를 기준으로, 5 몰% 이상, 8몰% 이하로 포함되었다.
한편, 실시예 1 내지 4의 폴리이미드 필름의 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드를 포함하는 이무수물산 성분과 m-톨리딘을 포함하는 디아민 성분을 이미드화 반응시켜 얻어진 제1 블록의 함량은 상기 폴리이미드 필름의 총함량 100 몰%를 기준으로, 모두 10 몰% 이상, 16 몰% 이하로 포함되었다.
이무수물산 디아민
PMDA BPDA BTDA ODA PPD m-Tolidine 4,4'-DABA
실시예 1 40 20 40 30 58 12 -
실시예 2 40 25 35 30 58 12 -
실시예 3 40 23 37 34 54 12 -
실시예 4 40 20 40 34 56 10 -
비교예1 40 20 40 42 53 5 -
비교예2 42 20 38 45 50 5 -
비교예3 40 20 40 34 58 8 -
비교예4 40 20 40 34 50 8 8
비교예5 40 20 40 37 50 5 8
제조된 폴리이미드 필름의 유리전이온도(Tg), 항복점 및 항복강도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
물성
Tg
(℃)		 항복점
(%)		 항복강도
(MPa)
실시예 1 370 2.53 140.4
실시예 2 373 2.48 145.1
실시예 3 370 2.46 138.2
실시예 4 371 2.43 141.2
비교예1 365 2.47 114.8
비교예2 364 2.70 142.7
비교예3 369 2.54 138.7
비교예4 358 2.72 152.8
비교예5 353 2.86 149.1
(1) 유리전이온도 측정
상기 표 2의 유리전이온도(Tg)는 DMA를 이용하여 각 필름의 손실 탄성률과 저장 탄성률을 구하고, 이들의 탄젠트 그래프에서 변곡점을 유리전이온도로 측정하였다.
(2) 항복점 및 항복 강도 측정
상기 표 2의 항복점 및 항복 강도는 폴리이미드 필름을 15 mm Х 50 mm로 절단하여 시편을 제조하고, ASTM D 882 기준에 의거하되 인장속도를 200 mm/min으로 하여 인장시험기(Instron 5564, Instron社)를 사용해 실온(room temp.)에서 측정하였다.
측정 결과, 실시예 1 내지 4의 폴리이미드 필름은 유리 전이온도가 370℃ 이상이고, 항복점이 2.4% 이상이었으며, 항복강도가 138 MPa 이상이었다.
디아민 성분의 함량이 동일하고, 이무수물산 성분의 함량이 상이한 실시예 1 및 2의 폴리이미드 필름을 비교해 보면, BPDA의 함량이 늘어나고 BTDA의 함량이 감소함에 따라서, 폴리이미드 필름의 유리전이온도가 소폭 상승하고, 항복점은 소폭 낮아지며, 항복강도가 소폭 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1과 실시예 3의 폴리이미드 필름을 비교해 보면, BPDA 및 ODA의 함량을 늘리고, PPD 및 BTDA의 함량이 감소함에 따라서 폴리이미드 필름의 항복점 및 항복강도가 소폭 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 이무수물산 성분의 함량이 동일하고, 디아민 성분의 함량이 상이한 실시예 1 및 4를 비교해 보면, ODA의 함량이 늘어나고 PPD 및 m-tolidine의 함량이 감소함에 따라서, 유리전이온도가 소폭 상승하고, 항복점은 소폭 낮아지며, 항복강도가 소폭 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 실시예 1의 폴리이미드 필름과 비교하여 ODA의 함량을 늘리고, PPD 및 m-tolidine 함량이 줄어든 비교예 1의 폴리이미드 필름은 유리 전이온도가 370℃ 미만이었고, 항복 강도도 138 MPa 미만으로 저하되었다.
또한, 실시예 1의 폴리이미드 필름과 비교하여 ODA의 함량을 늘리고, m-tolidine 함량이 줄어든 비교예 3의 폴리이미드 필름은 유리 전이온도가 370℃ 미만이었다.
비교예 1의 폴리이미드 필름에 비하여 PMDA 및 ODA의 함량을 더욱 늘리고, BTDA 및 PPD의 함량을 더욱 줄인 비교예 2의 폴리이미드 필름은 항복점 및 항복강도가 모두 향상되었지만, 여전히 유리 전이온도가 370℃ 미만이었다.
비교예 3의 폴리이미드 필름은 비교예 1의 폴리이미드 필름에 비하여 유리전이온도, 항복점 및 항복강도가 모두 향상되었지만, 여전히 유리 전이온도가 370℃ 미만이었다.
4,4'-DABA를 포함하고, 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드를 포함하는 이무수물산 성분과 m-톨리딘을 포함하는 디아민 성분을 이미드화 반응시켜 얻어진 블록을 포함하지 않는 비교예 4 및 비교예 5의 폴리이미드 필름은 동일한 이무수물산 성분의 조성비를 가지는 실시예 1 및 실시예 4의 폴리이미드 필름에 비하여, 유리전이온도(370℃ 미만)가 낮아졌다.
따라서, 본원의 적절한 범위 내에서 제조된 실시예 1 내지 4의 폴리이미드 필름은 내열성(유리전이온도) 및 기계적 특성(항복강도 및 항복점)이 모두 우수하였으나, 본원의 적절한 범위를 벗어나는 경우, 내열성 및 기계적 특성을 양립시키기가 어렵다는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 내열성 및 기계적 특성을 가져서 다양한 응용 분야에 적용될 수 있는 폴리이미드 필름은 본원의 적절한 범위 내에서 제조된 폴리이미드 필름임을 확인할 수 있었다.
본 발명인 폴리이미드 필름 및 폴리이미드 필름의 제조방법의 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시예일 뿐, 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

Claims (9)

  1. 항복 강도가 138MPa 이상이고,
    유리전이온도가 370℃ 이상인,
    폴리이미드 필름.
  2. 제1항에 있어서,
    항복점이 2.4% 이상인,
    폴리이미드 필름.
  3. 제1항에 있어서,
    비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드(BPDA), 피로멜리틱디안하이드라이드(PMDA) 및 벤조페논테트라카복실릭디안하이드라이드(BTDA)를 포함하는 이무수물산 성분과, 파라페닐렌 디아민(PPD), m-톨리딘(m-tolidine) 및 옥시디아닐린(ODA)를 포함하는 디아민 성분을 포함하는 폴리아믹산 용액을 이미드화 반응시켜 얻어지는,
    폴리이미드 필름
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이무수물산 성분의 총함량 100 몰%를 기준으로, 상기 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드의 함량이 15 몰% 이상 30 몰% 이하이고, 상기 피로멜리틱디안하이드라이드의 함량이 30 몰% 이상 50 몰% 이하이며, 상기 벤조페논테트라카복실릭디안하이드라이드의 함량이 25 몰% 이상 45 몰% 이하인,
    폴리이미드 필름.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 디아민 성분의 총함량 100몰%를 기준으로, 상기 파라페닐렌 디아민의 함량이 45 몰% 이상, 60 몰% 이하, 상기 m-톨리딘의 함량이 10 몰% 이상, 25 몰% 이하이며, 상기 옥시디아닐린의 함량이 20 몰% 이상, 40 몰% 이하인,
    폴리이미드 필름.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 폴리이미드는 상기 비페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드를 포함하는 이무수물산 성분과 상기 m-톨리딘을 포함하는 디아민 성분을 이미드화 반응시켜 얻어진 제1 블록을 포함하는 블록 공중합체인,
    폴리이미드 필름.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 폴리이미드의 총함량 100 몰%를 기준으로, 상기 제1 블록의 함량이 10 몰% 이상, 16 몰% 이하인,
    폴리이미드 필름.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 폴리이미드 필름과 전기 전도성의 금속박을 포함하는, 연성 금속박 적층판.
  9. 제8항에 따른 연성 금속박 적층판을 포함하는, 전자 부품
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