WO2019221342A1 - 비스말레이미드계 수지 및 카본 블랙을 포함하는 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법 - Google Patents

비스말레이미드계 수지 및 카본 블랙을 포함하는 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2019221342A1
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polyimide
carbon black
bismaleimide
resin
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김기훈
이길남
최정열
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에스케이씨코오롱피아이 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a polyimide film comprising a bismaleimide-based resin and carbon black and a method for producing the same.
  • Polyimide (PI) is a polymer material having thermal stability based on a rigid aromatic backbone, and has excellent mechanical strength, chemical resistance, weather resistance, and heat resistance based on the chemical stability of an imide ring.
  • polyimide has attracted much attention as a highly functional material that can be used in microelectronics and optical fields based on excellent electrical properties such as insulation and low dielectric constant.
  • the polyimide may be used as a film that is attached to or added to a circuit to provide electrical insulation to the circuit and at the same time protects the circuit against moisture, a light source, an impact, and the like.
  • the film protecting the circuit may be referred to as a coverlay in a narrow sense, and the polyimide film may be It can be preferably used for the coverlay.
  • a process of mixing and evenly dispersing carbon black in a polyamic acid as a precursor is essential. If the carbon black is not evenly dispersed in this process, problems such as poor shielding or surface defects may occur. In essence, carbon blacks differ in physical / chemical properties from polyamic acids or polyimides and are therefore not easily blended and / or dispersed in polyimides or polyamic acids.
  • the manufacturing process of the circuit may include a drill process, a plating process, a desmear process, a washing process, and the like, and the polyimide film may be exposed to the basic solution during the above process. At this time, when the polyimide film is slightly decomposed or modified by the basic solution, the carbon black contained therein may be largely dropped.
  • the shielding may be lost with the removal of the black tint from the coverlay, and the weight and thickness reduction may be accompanied as well as the surface due to the dropping of the carbon black, so that the function as the coverlay may be significantly degraded.
  • the polyimide film comprises a bismaleimide-based resin and carbon black, and is prepared to contain a preferred amount of bismaleimide-based resin and a preferred amount of carbon black.
  • the bismaleimide-based resin may improve the miscibility and / or dispersibility of carbon black in the polyamic acid that is a precursor of the polyimide film.
  • the bismaleimide-based resin can act usefully to suppress the dropping of carbon black.
  • the present invention has a substantial object to provide a specific embodiment thereof.
  • the present invention provides a polyimide film comprising at least 5 parts by weight of bismaleimide-based resin and carbon black, based on 100 parts by weight of the polyimide resin, the polyimide resin.
  • the present invention provides a method of making the polyimide film.
  • the present invention provides a coverlay comprising the polyimide film and an electronic device comprising the coverlay.
  • dianhydrides are intended to include precursors or derivatives thereof, which may technically not be dianhydrides, but nevertheless will react with diamines to form polyamic acids. This polyamic acid can be converted back to polyimide.
  • diamine is intended to include precursors or derivatives thereof, which may not technically be diamines, but will nevertheless react with dianhydrides to form polyamic acid, which polyamic The acid can be converted back to polyimide.
  • any pair of upper range limits whether or not a range is disclosed separately, or It is to be understood that this disclosure specifically discloses all ranges that may be formed to the desired value and any lower range limit or desired value.
  • range of numerical values is mentioned herein, unless stated otherwise, the range is intended to include the endpoint and all integers and fractions within that range. It is intended that the scope of the invention not be limited to the particular values mentioned when defining the range.
  • polyimides are vulnerable to base components, such as degradation or denaturation when exposed to a base environment.
  • the polyimide film containing carbon black is not only difficult to manufacture but also more vulnerable to the base component due to the dropping of carbon black as described above. Accordingly, there is a need for 'base resistance' improvement of polyimide films, especially polyimide films comprising carbon black.
  • the basic resistance means that the polyimide film is not easily decomposed and / or denatured even when exposed to a base environment. Since the thickness of the polyimide is reduced during decomposition and / or modification, the basic resistance is determined based on the thickness reduction. can do.
  • test method (a) is defined as follows as a method for evaluating the basic resistance of the polyimide film.
  • the test method (a) may comprise the following steps:
  • the thickness reduction rate according to the test method (a) may be expressed by calculating the percentage change in thickness after exposure to the thickness of the flexible circuit board sample measured before exposure to NaOH solution. That is, the thickness reduction rate can be seen as a quantitative value for the base resistance.
  • the thickness reduction rate by the test method (a) can be approximately 35% to 45%.
  • a thickness reduction rate of more than 30% may be judged to be substantially difficult to commercialize the polyimide film.
  • the polyimide film of the present invention comprising a bismaleimide-based resin together with carbon black may have a thickness reduction rate of 30% or less, specifically 28% or less, and more specifically 26% or less, according to the test method (a). And improved base resistance compared to conventional polyimide films.
  • the bismaleimide-based resin is present in the polyimide film in at least one state selected from the following.
  • the first state facilitates the mixing and / or dispersing of the carbon black in the polyamic acid that is a precursor of the polyimide film. This may advantageously act on the manufacturing processability of the polyimide comprising carbon black.
  • carbon black is not easily mixed and / or dispersed, there may be the following problem.
  • manufacturing processability when the carbon black is not evenly dispersed and concentrated in a part, there may be a problem that a surface defect of the film is caused by forming a protruding portion in the film forming process.
  • base resistance large dropout of carbon black may occur due to decomposition or denaturation of the polyimide resin when exposed to a base component at a site where carbon black is concentrated.
  • the content of the carbon black is relatively low in other parts except for the part, so that the shielding performance may be deteriorated when the entire polyimide film is viewed.
  • Carbon blacks tend not to be easily dispersed upon simple mixing with polyamic acid.
  • the bismaleimide-based resin may be relatively miscible with the polyamic acid. Therefore, the above-described problem can be solved by the first state where the carbon black can be seen as encapsulated by the bismaleimide-based resin.
  • Bismaleimide-based resins are also known as resins excellent in chemical resistance.
  • Bismaleimide-based resins dispersed in a polyimide film together with carbon black have a large decomposition and / or modification of the polyimide resin by a base component between the carbon black and the polyimide resin based on the excellent chemical resistance inherent therein. It can be suppressed.
  • bismaleimide-based resins tend to have low hygroscopicity, which may help delay the infiltration of the base component into the polyimide film or reduce the amount of penetration of the base component. Accordingly, the first state can minimize the dropping of carbon black by, for example, the base component, and this can effectively work to improve the basic resistance of the polyimide film.
  • the bismaleimide-based resin may play a major role in lowering the moisture absorption rate of the polyimide film, and by delaying and / or inhibiting penetration of a base component or the like that may promote the decomposition of the polyimide resin in addition to moisture by lowering the moisture absorption rate. It can also help.
  • the polyimide film of the present invention may have a moisture absorption of less than 2%.
  • the bismaleimide-based resin may be physically entangled with the polymer chain of the polyimide resin.
  • the bismaleimide-based resin can hinder the penetration of the base component, and can effectively act to improve the basic resistance of the polyimide film.
  • the bismaleimide-based resin may also serve to fix carbon black to the polymer chain of the polyimide resin. It can act positively to minimize the dropout of carbon black.
  • the third state is that at least a portion of the bismaleimide-based resin is chemically bound to at least a portion of the polymer chain of the polyimide resin, and may provide advantages similar to the second state.
  • the polyimide film of the present invention comprising a bismaleimide-based resin together with carbon black may have improved base resistance based on the above-described advantages.
  • the above advantages may be expressed when the content of the bismaleimide-based resin is at a certain level, but if it exceeds this, the mechanical properties of the polyimide film may be drastically reduced. That is, it is important to include an appropriate amount of bismaleimide-based resin so that the mechanical properties and the foregoing advantages of the polyimide film are compatible.
  • the bismaleimide-based resin may be included in 5 parts by weight to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polyimide resin. This will be clearly demonstrated later.
  • the bismaleimide-based resin should be selected in a limited range so that the above advantages can be expressed and the mechanical properties of the polyimide film can be reached to a desired level. Emphasize again.
  • Bismaleimide-based resins that can be used in the present invention include, but are not limited to, 4,4'-bismaleimidodiphenylmethane, 2,4-bismaleimidotoluene 4,4-methylene diphenylene, 4,4 ' At least one monomer selected from the group consisting of -dicyclohexyl methane and 1,3'-phenylene bismaleimide may be polymerized resin.
  • this is only an example to help the implementation of the invention, it is a matter of course that a substance known in the art can be used in consideration of the desired properties, effects.
  • the carbon black may be included in an amount of 1 part by weight to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the polyimide resin.
  • the polyimide film of the present invention including carbon black may have a light transmittance of 5% or less in the visible light region.
  • the light transmittance is increased so that the polyimide film may not have a desired level of shielding property, and when it exceeds the above range, a portion of the carbon black may aggregate and cause defects on the surface of the film. In addition, excessively contained carbon black may adversely affect the mechanical properties of the polyimide film.
  • the average particle diameter of the carbon black may be 0.1 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the polyimide resin of the present invention may be derived from polyamic acid.
  • the polyamic acid may be a polymerized dianhydride monomer and a diamine monomer.
  • the polyimide resin of the present invention may further include a filler for improving physical properties or processability thereof. Detailed examples thereof will be described in detail in the embodiments to be described later.
  • Preparing a first composition by mixing a first organic solvent, carbon black, and a bismaleimide-based resin;
  • Preparing a second composition comprising a polyamic acid by mixing and polymerizing a dianhydride monomer and a diamine monomer to a second organic solvent;
  • the carbon black and bismaleimide-based resin in the polyimide film can be induced to exist in at least one state selected from:
  • the bismaleimide-based resin in the polyimide film may be induced to exist in the first state coated on the surface of the carbon black.
  • the preparing of the first composition may be performed by a milling process.
  • the milling can be considered using, but not limited to, bead milling methods. Bead milling can be effectively stirred even when the flow rate of the mixture is low, which is advantageous in dispersing carbon black. It should be understood that this is only an example to assist in the practice of the invention.
  • Non-limiting examples of the first organic solvent that can be used in the preparation of the first composition is a solvent capable of dispersing the carbon black but dissolving the polyamic acid when mixed with the second composition, in particular an aprotic It may be an magnetic polar solvent.
  • Non-limiting examples of the aprotic polar solvent include amide solvents such as N, N'-dimethylformamide (DMF) and N, N'-dimethylacetamide (DMAc), p-chlorophenol, o-chloro Phenol solvents such as phenol, N-methyl-pyrrolidone (NMP), gamma butyrolactone (GBL), and Diglyme (Diglyme), and the like. These may be used alone or in combination of two or more thereof.
  • amide solvents such as N, N'-dimethylformamide (DMF) and N, N'-dimethylacetamide (DMAc)
  • p-chlorophenol o-chloro Phenol solvents
  • o-chloro Phenol solvents such as phenol, N-methyl-pyrrolidone (NMP), gamma butyrolactone (GBL), and Diglyme (Diglyme), and the like.
  • the polyamic acid may be prepared by a polymerization reaction of at least one diamine monomer and at least one dianhydride monomer in an organic solvent.
  • polymerization of the said polyamic acid is aromatic diamine, It can classify as follows, for example.
  • 1,4-diaminobenzene or paraphenylenediamine, PDA
  • 1,3-diaminobenzene 2,4-diaminotoluene
  • 2,6-diaminotoluene 3,5-diaminobenzo
  • Diamines having one benzene ring in structure such as Ik acid (or DABA) and the like, include diamines having a relatively rigid structure;
  • diaminodiphenyl ethers such as 4,4'-diaminodiphenyl ether (or oxydianiline, ODA), 3,4'-diaminodiphenyl ether, and 4,4'-diaminodiphenylmethane (Methylenediamine), 3,3'-dimethyl-4,4'-diaminobiphenyl, 2,2'-dimethyl-4,4'-diaminobiphenyl, 2,2'-bis (trifluoromethyl ) -4,4'-diaminobiphenyl, 3,3'-dimethyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-dicarboxy-4,4'-diaminodiphenylmethane , 3,3 ', 5,5'-tetramethyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, bis (4-aminophenyl) sulfide, 4,4'-di
  • the dianhydride monomer that may be used for the polymerization of the polyamic acid may be an aromatic tetracarboxylic dianhydride.
  • the aromatic tetracarboxylic dianhydride is pyromellitic dianhydride (or PMDA), 3,3 ', 4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride (or s-BPDA), 2,3 , 3 ', 4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride (or a-BPDA), oxydiphthalic dianhydride (or ODPA), diphenylsulfone-3,4,3', 4'-tetracar Cyclic dianhydride (or DSDA), bis (3,4-dicarboxyphenyl) sulfide dianhydride, 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) -1,1,1,3,3, 3-hexafluoropropane dianhydride, 2,3,3 ', 4'- benzophenonetetracarboxylic dianhydride, 3,3', 4,4'-benzophenonetetracarboxylic dian
  • the second organic solvent is not particularly limited as long as it is a solvent in which the polyamic acid may be dissolved.
  • the second organic solvent may be an aprotic polar solvent.
  • Non-limiting examples of the aprotic polar solvent include amide solvents such as N, N'-dimethylformamide (DMF) and N, N'-dimethylacetamide (DMAc), p-chlorophenol, o-chloro Phenol solvents such as phenol, N-methyl-pyrrolidone (NMP), gamma butyrolactone (GBL), and Diglyme (Diglyme), and the like. These may be used alone or in combination of two or more thereof.
  • amide solvents such as N, N'-dimethylformamide (DMF) and N, N'-dimethylacetamide (DMAc)
  • p-chlorophenol o-chloro Phenol solvents
  • o-chloro Phenol solvents such as phenol, N-methyl-pyrrolidone (NMP), gamma butyrolactone (GBL), and Diglyme (Diglyme), and the like.
  • the solubility of the polyamic acid may be adjusted by using an auxiliary solvent such as toluene, tetrahydrofuran, acetone, methyl ethyl ketone, methanol, ethanol or water.
  • an auxiliary solvent such as toluene, tetrahydrofuran, acetone, methyl ethyl ketone, methanol, ethanol or water.
  • the second organic solvent which can be particularly preferably used for preparing the second composition of the present invention may be N, N'-dimethylformamide and N, N'-dimethylacetamide, which are amide solvents.
  • the polyamic acid prepared as described above may have a weight average molecular weight of 150,000 g / mole or more and 1,000,000 g / mole or less, in detail, 260,000 g / mole or more and 700,000 g / mole or less, and more specifically 280,000 g / mole. Or more and 500,000 g / mole or less.
  • the polyamic acid having such a weight average molecular weight may be preferable for the production of a polyimide film having more excellent heat resistance and mechanical properties.
  • the weight average molecular weight of the polyamic acid may be proportional to the viscosity of the precursor composition including the polyamic acid and the organic solvent, so that the weight average molecular weight of the polyamic acid may be controlled in the above range by adjusting the viscosity.
  • the viscosity of the precursor composition is proportional to the content of polyamic acid solids, specifically the total amount of dianhydride monomers and diamine monomers used in the polymerization reaction.
  • the weight average molecular weight does not represent a linear one-dimensional proportional relationship with viscosity, but is proportional in the form of a logarithmic function.
  • the range in which the weight average molecular weight can be increased is limited, but when the viscosity is too high, the precursor composition is discharged through the die in the film forming process of the polyimide film. At the same time, it may cause a problem of fairness due to pressure rise inside the die.
  • the second composition of the present invention may include 15 wt% to 20 wt% of polyamic acid solids and 80 wt% to 85 wt% of an organic solvent, in which case the viscosity is 90,000 cP or more and 300,000 cP or less, in detail. Can be at least 100,000 cP to 250,000 cP. Within this viscosity range, the weight average molecular weight of the polyamic acid may fall within the above range, and the second composition may not cause problems in the film forming process described above.
  • a filler may be added in the production of the polyamic acid for the purpose of improving various properties of the film such as the slidability, thermal conductivity, conductivity, corona resistance and loop hardness of the polyimide film derived from the second composition.
  • the filler to be added is not particularly limited, but preferred examples thereof include silica, titanium oxide, alumina, silicon nitride, boron nitride, calcium hydrogen phosphate, calcium phosphate, mica, dicalcium phosphate, barium sulfate, calcium carbonate and the like.
  • the average particle diameter of a filler is not specifically limited, It can determine according to the polyimide film characteristic to modify and the kind of filler to add.
  • the average particle diameter of the filler may be from 0.05 ⁇ m to 100 ⁇ m, in particular from 0.1 ⁇ m to 75 ⁇ m, more preferably from 0.1 ⁇ m to 50 ⁇ m, in particular from 0.1 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the modifying effect is insignificant, and if it exceeds this range, the filler may significantly impair the surface property of the polyimide film or cause a decrease in the mechanical properties of the film.
  • the amount of the filler added is 0.01 to 100 parts by weight, preferably 0.01 to 90 parts by weight, more preferably 0.02 to 80 parts by weight, based on 100 parts by weight of the precursor composition.
  • the addition method of a filler is not specifically limited, Of course, any well-known method can be used.
  • the imidization of the step of obtaining the polyimide film may include casting the precursor composition on a support and drying to prepare a gel film, and then imidating the gel film to form a polyimide film. have.
  • thermal imidation method As a specific method of such imidation, the thermal imidation method, the chemical imidation method, or the compound imidation method which uses the said thermal imidation method and the chemical imidation method together is mentioned as an example, About these, the following non-limiting example is mentioned. It will be described in more detail through.
  • the said thermal imidation method removes a chemical catalyst and induces an imidation reaction to heat sources, such as a hot air and an infrared dryer,
  • the gel film may be heat-treated to obtain a polyimide film.
  • a gel film can be understood as a film intermediate which has self-support at an intermediate stage with respect to the conversion from polyamic acid to polyimide.
  • the precursor composition is cast in the form of a film on a support such as a glass plate, aluminum foil, endless stainless belt, or a stainless drum, and then the precursor composition on the support 50 °C to 200 °C, Specifically, the drying may be performed at a variable temperature ranging from 80 ° C to 150 ° C.
  • a process of stretching the gel film may be performed to adjust the thickness and size of the polyimide film obtained in the subsequent heat treatment process and to improve orientation, and the stretching may be performed in the machine transport direction (MD) and the machine transport direction. It may be performed in at least one direction of the transverse direction (TD) with respect to.
  • MD machine transport direction
  • TD transverse direction
  • the gel film thus obtained is fixed to a tenter and then heat treated at a variable temperature ranging from 50 ° C. to 500 ° C., specifically 150 ° C. to 500 ° C. to remove water, residual solvent, and the like remaining in the gel film. Nearly all amic acid groups can be imidated to obtain the polyimide film of the present invention.
  • the polyimide film obtained as described above may be heated to a temperature of 400 ° C. to 650 ° C. for 5 seconds to 400 seconds to further cure the polyimide film, and may remain in the obtained polyimide film. This may be done under a predetermined tension to relieve stress.
  • the chemical imidization method is a method of promoting imidization of an amic acid group by adding a dehydrating agent and / or an imidizing agent to the precursor composition.
  • the term "dehydrating agent” means a substance that promotes a ring-closure reaction through dehydration to polyamic acid, and includes, but is not limited to, aliphatic acid anhydride, aromatic acid anhydride, N, N ' -Dialkylcarbodiimide, halogenated lower aliphatic, halogenated lower patty acid anhydride, aryl phosphonic dihalide, thionyl halide and the like.
  • aliphatic acid anhydrides may be preferred in view of ease of availability and cost, and non-limiting examples thereof include acetic anhydride (AA), propion acid anhydride, and lactic acid anhydride. These etc. can be mentioned, These can be used individually or in mixture of 2 or more types.
  • imidizing agent means a substance having an effect of promoting a ring-closure reaction with respect to polyamic acid, and may be an imine-based component such as aliphatic tertiary amine, aromatic tertiary amine, and heterocyclic tertiary amine. Can be. Of these, heterocyclic tertiary amines may be preferable in view of reactivity as a catalyst. Non-limiting examples of heterocyclic tertiary amines include quinoline, isoquinoline, ⁇ -picolin (BP), pyridine, and the like, and these may be used alone or in combination of two or more thereof.
  • imine-based component such as aliphatic tertiary amine, aromatic tertiary amine, and heterocyclic tertiary amine.
  • heterocyclic tertiary amines may be preferable in view of reactivity as a catalyst.
  • Non-limiting examples of heterocyclic tertiary amines include quino
  • the addition amount of a dehydrating agent exists in the range of 0.5-5 mol with respect to 1 mol of amic acid groups in polyamic acid, and it is especially preferable to exist in the range of 1.0 mol-4 mol.
  • the addition amount of the imidating agent is preferably in the range of 0.05 mol to 2 mol, and particularly preferably in the range of 0.2 mol to 1 mol with respect to 1 mol of the amic acid group in the polyamic acid.
  • the composite imidation method which further performs a thermal imidation method can be used for manufacture of a polyimide film.
  • the complex imidation method includes a chemical imidization method of adding a dehydrating agent and / or an imidizing agent to the precursor composition at a low temperature; And a thermal imidization process of drying the precursor composition to form a gel film and heat treating the gel film.
  • the type and amount of the dehydrating agent and the imidizing agent may be appropriately selected according to the above-described chemical imidization method.
  • the precursor composition containing a dehydrating agent and / or an imidizing agent is cast in a film form on a support such as a glass plate, an aluminum foil, an endless stainless belt, or a stainless drum, and then onto the support.
  • the precursor composition is dried at varying temperatures in the range from 50 ° C. to 180 ° C., specifically 80 ° C. to 180 ° C.
  • chemical converting agents and / or imidating agents can act as catalysts so that amic acid groups can be rapidly converted to imide groups.
  • a process of stretching the gel film may be performed to adjust the thickness and size of the polyimide film obtained in the subsequent heat treatment process and to improve orientation, and the stretching may be performed in the machine transport direction (MD) and the machine transport direction. It may be performed in at least one direction of the transverse direction (TD) with respect to.
  • MD machine transport direction
  • TD transverse direction
  • the gel film thus obtained is fixed in a tenter and then heat-treated at a variable temperature in the range of 50 ° C. to 500 ° C., specifically 150 ° C. to 300 ° C. to remove water, catalyst, residual solvent, etc. remaining in the gel film, Nearly all remaining amic acid groups can be imidated to obtain the polyimide film of the present invention.
  • the dehydrating agent and / or the imidizing agent may act as a catalyst so that the amic acid group may be rapidly converted to the imide group, thereby enabling high imidation ratio.
  • the polyimide film obtained as described above may be heated to a temperature of 400 ° C. to 650 ° C. for 5 seconds to 400 seconds to further cure the polyimide film, and may remain in the obtained polyimide film. This may be done under a predetermined tension to relieve stress.
  • a bismaleimide-based resin 0.21 g of 'Compimide 200' manufactured by Evonik and 71.45 g of carbon black were mixed with 213.42 g of DMF, and then charged into a bead milling machine to prepare a first composition.
  • the average particle diameter of carbon black was 0.4 micrometer.
  • the second composition was prepared by stirring for 1 hour while maintaining the temperature to prepare a polyamic acid polymerized to a final viscosity of 250,000 cP.
  • the film was peeled off the SUS plate, fixed to the pin frame, and transferred to a high temperature tenter.
  • the film was heated from 200 ° C. to 600 ° C. in a high temperature tenter, cooled at 25 ° C., and separated from the pin frame to prepare a polyimide film having a thickness of about 13 ⁇ m.
  • a polyimide film having a thickness of about 13 ⁇ m was prepared by the same method as Example 1 except for changing the addition amount of carbon black and bismaleimide-based resin as shown in Table 1 below to prepare the first composition according to Preparation Example 1-1. It was.
  • the addition amount of carbon black was changed as shown in Table 1 below, except that the first composition was prepared according to Preparation Example 1-1. A polyimide film was prepared.
  • a polyimide film having a thickness of about 13 ⁇ m was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of the carbon black and the bismaleimide-based resin was changed as shown in Table 1 below to prepare the first composition according to Preparation Example 1-1. Prepared.
  • the polyimide films prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6 were subjected to a base resistance test according to the test method (a) described above, and the thickness reduction rate of each polyimide film was calculated. It is shown in Table 2 below (the first thickness is the thickness before the support in NaOH solution, the second thickness is the thickness after the support in NaOH solution).
  • the examples including the bismaleimide-based resin in the scope of the present invention showed a relatively excellent base resistance.
  • Comparative Example 1 which does not include bismaleimide-based resins, showed the lowest base resistance, which shows that the inclusion of bismaleimide-based resins mainly plays a role in improving the base resistance.
  • the polyimide films of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6 were cut into squares having a size of 5 cm * 5 cm to prepare specimens, and the cut specimens were ovens at 50 ° C. After drying for 24 hours or more, the weight was measured, and the weighted specimen was immersed in water at 23 ° C. for 24 hours, and then weighed again. The difference between the obtained weights was expressed as%, and the moisture absorption rate was measured. The results are shown in Table 3 below.
  • Comparative Example 1 which does not contain a bismaleimide-based resin, exhibited the lowest hygroscopicity.
  • the light transmittance of the polyimide film was measured in the visible region using the HunterQual ColorQuesetXE model, and the results are shown in Table 4 below.
  • Comparative Examples 4 to 6 in which carbon black was included too little outside the scope of the present invention, showed a markedly high light transmittance.
  • Example 1 Tensile strength (kgf / cm 2 )
  • Example 2 230
  • Example 3 225
  • Example 4 225 Comparative Example 7 170
  • Comparative Example 7 in which the bismaleimide-based resin is excessively included outside the scope of the present invention has a very poor tensile strength.
  • Examples 1 to 4 showed good tensile strength despite the inclusion of bismaleimide-based resins.
  • the polyimide film of the present invention can be compatible with the desired level of mechanical properties and the preceding base resistance, hygroscopicity and light transmittance.
  • the polyimide film according to the present invention has been described above sufficiently that the base resistance can be improved by including bismaleimide-based resin together with carbon black.
  • the bismaleimide-based resin may be relatively miscible with the polyamic acid and may be easily mixed with and / or dispersed in the polyamic acid when coated on the carbon black.
  • Bismaleimide-based resins also have excellent chemical resistance, and based on this, it is possible to suppress decomposition and / or modification of the polyimide resin by the base component between the carbon black and the polyimide resin.
  • the bismaleimide-based resin may delay the phenomenon of the base component penetrating into the polyimide film or reduce the amount of penetration of the base component based on its hygroscopicity.
  • the manufacturing method according to the present invention has a substantial advantage in enabling the implementation of the polyimide film described above.

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Abstract

본 발명은 폴리이미드 수지, 상기 폴리이미드 수지 100 중량부에 대해 5 중량부 이상의 비스말레이미드계 수지 및 카본 블랙을 포함하는 폴리이미드 필름을 제공한다.

Description

비스말레이미드계 수지 및 카본 블랙을 포함하는 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법
본 발명은 비스말레이미드계 수지 및 카본 블랙을 포함하는 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
폴리이미드(polyimide, PI)는 강직한 방향족 주쇄를 기본으로 하는 열적 안정성을 가진 고분자 물질로, 이미드 고리의 화학적 안정성을 기초로 하여 우수한 기계적 강도, 내화학성, 내후성, 내열성을 가진다.
뿐만 아니라 폴리이미드는 절연특성, 낮은 유전율과 같은 뛰어난 전기적 특성에 기반하여 미소 전자 분야, 광학 분야 등에 사용될 수 있는 고기능성 재료로 크게 각광받고 있다.
미소 전자 분야의 예로서, 휴대용 전자기기 및 통신기기에 포함되는 고집적 회로 등을 들 수 있다. 폴리이미드는 회로에 부착 또는 부가되어 상기 회로에 전기적 절연성을 제공함과 동시에, 수분, 광원, 충격 등에 대해 회로를 보호하는 필름으로서 이용될 수 있다.
이와 같이 회로를 보호하는 필름으로는 다양한 예들이 존재할 수 있지만, 필름의 일면 또는 양면에 접착층이 형성되어 있는 복합 필름의 경우, 좁은 의미에서 커버레이(coverlay)로 지칭할 수 있고, 폴리이미드 필름은 상기 커버레이에 바람직하게 이용될 수 있다.
최근에는 회로에 대한 시각적 보안성, 차폐기능 및 차광기능이 중요하게 부각되면서, 카본 블랙을 함유하여 블랙 색조를 가지는 특수한 폴리이미드 필름이 커버레이의 소재로 각광받고 있다.
블랙 색조를 가지는 폴리이미드 필름을 제조하기 위해서는, 전구체인 폴리아믹산 중에 카본 블랙을 혼합하고 고르게 분산시키는 과정이 필수적이다. 이러한 과정에서 카본 블랙이 고르게 분산되지 않는 경우 차폐기능이 저하되거나 표면 불량이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 본질적으로 카본 블랙은 폴리아믹산 또는 폴리이미드와 물리적/화학적 성질이 상이하여 폴리이미드 또는 폴리아믹산 중에 혼화 및/또는 분산되는 것이 용이하지 않다.
또한, 회로의 제조 과정이 드릴(drill) 공정, 도금 공정, 디스미어(desmear) 공정 및 세척 공정 등을 포함할 수 있으며, 이상의 공정 중에 폴리이미드 필름이 염기성 용액에 노출될 수 있다. 이때 염기성 용액에 의해 폴리이미드 필름이 약간이라도 분해되거나 변성되는 경우, 그에 함유되어 있던 카본 블랙이 대거 탈락될 수 있다.
이러한 이유로 커버레이에서 블랙 색조의 제거와 함께 차폐성이 소실될 수 있으며, 카본 블랙의 탈락으로 인한 표면뿐만 아니라 중량 및 두께 감소가 수반될 수 있어 커버레이로서의 기능이 현저히 저하될 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
발명의 목적은 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 폴리이미드 필름은 비스말레이미드계 수지 및 카본 블랙을 포함하고 있고, 바람직한 함량의 비스말레이미드계 수지 및 바람직한 함량의 카본 블랙을 함유하도록 제조된다.
이러한 일 측면에서 비스말레이미드계 수지는, 폴리이미드 필름의 전구체인 폴리아믹산에서 카본 블랙의 혼화성 및/또는 분산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 염기성 용액 등에 의해 폴리이미드 필름에 불가피한 변성 또는 분해가 유발되더라도, 비스말레이미드계 수지는 카본 블랙의 탈락을 억제하는데 유용하게 작용할 수 있다.
결과적으로 본 발명의 일 측면에 따라 앞선 종래의 문제가 해결될 수 있다.
이에 본 발명은 이의 구체적 실시예를 제공하는데 실질적인 목적이 있다.
하나의 실시양태에서, 본 발명은 폴리이미드 수지, 상기 폴리이미드 수지 100 중량부에 대해 5 중량부 이상의 비스말레이미드계 수지 및 카본 블랙을 포함하는 폴리이미드 필름을 제공한다.
하나의 실시양태에서, 본 발명은 상기 폴리이미드 필름을 제조하는 방법을 제공한다.
하나의 실시양태에서, 본 발명은 상기 폴리이미드 필름을 포함하는 커버레이(coverlay) 및 상기 커버레이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
이하에서는 본 발명에 따른 "폴리이미드 필름" 및 "폴리이미드 필름의 제조방법"의 순서로 발명의 실시양태를 보다 상세하게 설명한다.
이에 앞서, 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 "디안하이드라이드(이무수물; dianhydride)"는 그 전구체 또는 유도체를 포함하는 것으로 의도되는데, 이들은 기술적으로는 디안하이드라이드가 아닐 수 있지만, 그럼에도 불구하고 디아민과 반응하여 폴리아믹산을 형성할 것이며, 이 폴리아믹산은 다시 폴리이미드로 변환될 수 있다.
본 명세서에서 "디아민(diamine)"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 형성될 수 있는 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.
폴리이미드 필름
본 발명에 따른 폴리이미드 필름은,
폴리이미드 수지;
상기 폴리이미드 수지 100 중량부에 대해 5 중량부 이상의 비스말레이미드계 수지; 및
카본 블랙을 포함할 수 있다.
일반적으로 폴리이미드는 염기 환경에 노출되는 경우 분해되거나 변성되는 등 염기 성분에 취약한 편이다. 또한 카본 블랙을 포함하는 폴리이미드 필름은 제조가 까다로울 뿐만 아니라 앞서 설명한 것처럼 카본 블랙의 탈락 때문에 염기 성분에 대해 더욱 취약하다고 할 수 있다. 따라서, 폴리이미드 필름, 특히 카본 블랙을 포함하는 폴리이미드 필름의 '내염기성' 개선이 필요하다.
내염기성이란, 폴리이미드 필름이 염기 환경에 노출되더라도 쉽게 분해 및/또는 변성되지 않는 성질을 의미하며, 분해 및/또는 변성 시에 폴리이미드의 두께가 감소되므로, 두께 감소에 기준하여 내염기성을 판단할 수 있다.
이와 관련하여 내염기성을 평가하기 위한 하나의 예는 염기성 용액에 폴리이미드 필름을 노출시키고, 노출 전후의 필름의 두께 변화를 측정하는 방법이다. 본 발명에서는 폴리이미드 필름의 내염기성을 평가하기 위한 방법으로서 테스트 방법 (a)를 다음과 같이 정의한다. 테스트 방법 (a)는 다음의 단계를 포함할 수 있다:
폴리이미드 필름의 양면을 코로나 처리하는 단계;
폴리이미드 필름, 본딩 시트 및 동박을 순서대로 적층한 후, 핫 프레스를 이용하여 온도 160 ℃에서 30 분간 50 kgf의 압력 하에 접합시킨 후 4*10 ㎝로 재단하여 연성회로기판 시료를 제조하는 단계; 및
상기 연성회로기판 시료의 두께를 측정한 다음, 동일한 시료를 10 % NaOH 용액에 50 ℃에서 100 분간 노출시킨 후 두께를 측정하는 단계.
테스트 방법 (a)에 의한 두께 감소율은 NaOH 용액에 노출시키기 전에 측정한 연성회로기판 시료의 두께 대비 노출시킨 이후의 두께 변화를 백분율로 산출하여 나타낼 수 있다. 즉 두께 감소율은 내염기성에 대한 정량적 수치로 볼 수 있다.
카본 블랙을 포함하는 통상의 폴리이미드 필름의 경우, 테스트 방법 (a)에 의한 두께 감소율이 대략 35 % 내지 45 %일 수 있다. 참고로 30 %를 초과하는 두께 감소율은 폴리이미드 필름의 상용화가 실질적으로 어려운 정도라 판단될 수 있다.
반면에 카본 블랙과 함께 비스말레이미드계 수지를 포함하는 본 발명의 폴리이미드 필름은 테스트 방법 (a)에 의한 두께 감소율이 30 % 이하, 상세하게는 28 % 이하, 더욱 상세하게는 26 % 이하일 수 있으며, 통상의 폴리이미드 필름에 비해 개선된 내염기성을 갖는다.
이에 대해서는 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'을 통해 보다 구체적으로 입증할 것이나, 비스말레이미드계 수지가 하기에서 선택되는 적어도 하나의 상태로 폴리이미드 필름에 존재함에 따른 것으로 추측된다.
(A) 카본 블랙의 표면에 코팅된 제1 상태;
(B) 폴리이미드 수지의 고분자 사슬에 물리적으로 결착된 제2 상태; 및
(C) 폴리이미드 수지의 고분자 사슬에 화학적으로 결착된 제3 상태.
상기 제1 상태는, 폴리이미드 필름의 전구체인 폴리아믹산 중에 카본 블랙의 혼화 및/또는 분산을 용이하게 한다. 이는 카본 블랙을 포함하는 폴리이미드의 제조 공정성에 유리하게 작용할 수 있다.
카본 블랙의 혼화 및/또는 분산이 용이하지 않을 경우에는, 다음의 문제가 있을 수 있다. 제조 공정성 측면에서, 카본 블랙이 고르게 분산되지 않고 일부에 집중되어 있는 경우 필름화 공정에서 돌출 부위를 형성하여 필름의 표면 결함이 유발되는 문제가 있을 수 있다. 내염기성 측면에서는 카본 블랙이 집중된 부위에서 염기 성분에 노출 시 폴리이미드 수지의 분해나 변성에 의해 카본 블랙의 대거 탈락이 발생될 수 있다. 또한, 카본 블랙이 일부에 집중되어 있는 경우, 그 부위를 제외한 다른 부위에는 카본 블랙의 함량이 상대적으로 낮아, 폴리이미드 필름 전체적으로 볼 때 차폐성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
카본 블랙의 경우 폴리아믹산과의 단순 혼합 시 쉽게 분산되지 않는 경향이 있다. 반면, 비스말레이미드계 수지는 폴리아믹산과 상대적으로 혼화되기 용이할 수 있다. 따라서, 카본 블랙이 비스말레이미드계 수지에 의해 캡슐화된 것으로 볼 수 있는 제1 상태에 의해, 상기한 문제가 해소될 수 있다.
비스말레이미드계 수지는 또한 내화학성이 우수한 수지로 알려져 있다. 카본 블랙과 함께 폴리이미드 필름 중에 분산되어 있는 비스말레이미드계 수지는, 그에 내재된 우수한 내화학성을 기반으로 카본 블랙과 폴리이미드 수지 사이에서 염기 성분에 의한 폴리이미드 수지의 분해 및/또는 변성을 크게 억제할 수 있다.
뿐만 아니라, 비스말레이미드계 수지는 흡습성이 낮은 편이며, 이는 염기 성분이 폴리이미드 필름 내로 침투하는 현상을 지연시키거나, 염기 성분의 침투량을 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 이에 따라 상기 제1 상태는, 예컨대 염기 성분에 의한 카본 블랙의 탈락을 최소화할 수 있고, 이것이 폴리이미드 필름의 내염기성 개선에 유효하게 작용할 수 있다.
달리 말하면 비스말레이미드계 수지는 폴리이미드 필름의 흡습율을 낮추는데 주요하게 작용할 수 있고, 흡습율을 낮춤으로써 수분 외에 폴리이미드 수지의 분해를 촉진할 수 있는 염기 성분 등의 침투를 지연 및/또는 억제하는데도 도움을 줄 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 폴리이미드 필름은 흡습율이 2 % 미만일 수 있다.
상기 제2 상태는, 비스말레이미드계 수지의 적어도 일부가 폴리이미드 수지의 고분자 사슬과 물리적으로 얽혀있는 것일 수 있다. 이 또한 비스말레이미드계 수지가 염기 성분의 침투를 방해할 수 있고, 폴리이미드 필름의 내염기성 개선에 유효하게 작용할 수 있다.
제2 상태는 또한, 비스말레이미드계 수지가 카본 블랙을 폴리이미드 수지의 고분자 사슬에 고정시키는 역할을 할 수 있고, 이에 따라 비스말레이미드계 수지의 함유 및 그로 인한 제2 상태의 발현은 염기 성분에 의한 카본 블랙의 탈락을 최소화하는데 긍정적으로 작용할 수 있다.
상기 제3 상태는 비스말레이미드계 수지의 적어도 일부가 폴리이미드 수지의 고분자 사슬 중 적어도 일부에 화학적으로 결착된 것으로서, 상기 제2 상태와 유사한 이점을 제공할 수 있다.
이처럼, 카본 블랙과 함께 비스말레이미드계 수지를 포함하는 본 발명의 폴리이미드 필름은 상술한 이점에 기반하여 향상된 내염기성을 가질 수 있다.
다만 이상의 이점에도 불구하고 비스말레이미드계 수지를 무조건적으로 많이 함유하는 것은 바람직하지 않다.
구체적으로, 비스말레이미드계 수지의 함량이 일정 수준일 때 앞선 이점이 발현될 수 있지만, 이를 넘어서는 경우 폴리이미드 필름의 기계적 물성이 급격하게 저하될 수 있기 때문이다. 즉, 폴리이미드 필름의 기계적 물성과 앞선 이점이 양립 가능하도록, 적정량의 비스말레이미드계 수지가 포함되는 것이 중요하다.
이에 본 발명에서는 비스말레이미드계 수지가 폴리이미드 수지 100 중량부에 대해 5 중량부 내지 10 중량부로 포함될 수 있다. 이에 대해서는 이후에 명확하게 입증할 것이나, 이와 같이 비스말레이미드계 수지의 함량이 한정적인 범위에서 선택되어야 비로소 앞선 이점이 발현될 수 있는 동시에 폴리이미드 필름의 기계적 물성이 소망하는 수준에 이를 수 있음을 재차 강조한다.
본 발명에서 사용될 수 있는 비스말레이미드계 수지는 비제한적으로, 4,4'-비스말레이미도디페닐메테인, 2,4-비스말레이미도톨루엔 4,4-메틸렌 디페닐렌, 4,4'-디시클로헥실메테인 및 1,3'-페닐렌 비스말레이미드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 단량체가 중합된 수지일 수 있다. 다만, 이는 발명의 실시를 돕기 위한 예시일 뿐이며, 소망하는 특성, 효과를 고려하여 당업계에 공지된 물질을 사용할 수 있음은 물론이다.
상기 카본 블랙은 폴리이미드 수지 100 중량부에 대해 1 중량부 내지 10 중량부로 포함될 수 있다. 이러한 범위 내에서 카본 블랙이 포함된 본 발명의 폴리이미드 필름은 가시광선 영역에서의 광투과도가 5 % 이하일 수 있다.
상기 범위를 하회할 경우, 상기 광투과도가 증가하여 폴리이미드 필름은 소망하는 수준의 차폐성을 가질 수 없고, 상기 범위를 상회할 경우, 카본 블랙 일부가 응집되면서 필름 표면에 결함을 유발할 수 있다. 또한 과다하게 함유된 카본 블랙은 폴리이미드 필름의 기계적 물성에도 부정적으로 작용할 수 있다.
상기 카본 블랙의 평균 입경은 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있다.
상기 평균 입경이 상기 범위로부터 상회하거나 하회할 경우, 앞선 카본 블랙의 함량과 마찬가지의 폐해가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 폴리이미드 수지는 폴리아믹산으로부터 유래될 수 있다. 상기 폴리아믹산은 디안하이드라이드 단량체 및 디아민 단량체가 중합된 것일 수 있다.
상기 디안하이드라이드 단량체 및 디아민 단량체의 상세한 예는 이후 설명하는 실시양태에서 상세하게 기재될 것이다.
본 발명의 폴리이미드 수지는 또한, 이의 물성 또는 공정성 향상을 위한 필러를 더 포함할 수 있다. 이의 상세한 예시들은 이후 설명하는 실시양태에서 상세하게 기재될 것이다.
폴리이미드 필름의 제조방법
본 발명의 폴리이미드 필름의 제조방법은,
제1 유기용매, 카본 블랙 및 비스말레이미드계 수지를 혼합하여 제1 조성물을 제조하는 단계;
제2 유기용매에 디안하이드라이드 단량체 및 디아민 단량체를 혼합하고 중합하여 폴리아믹산을 포함하는 제2 조성물을 제조하는 단계;
상기 제1 조성물과 상기 제2 조성물을 혼합하여 전구체 조성물을 제조하는 단계; 및
상기 전구체 조성물을 이미드화하여 폴리이미드 필름을 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 조성물을 제조하는 단계를 별도로 실시함으로써, 상기 폴리이미드 필름 내에서 카본 블랙과 비스말레이미드계 수지가 하기에서 선택되는 적어도 하나의 상태로 존재하도록 유도할 수 있다:
(A) 카본 블랙의 표면에 코팅된 제1 상태;
(B) 폴리이미드 수지의 고분자 사슬에 물리적으로 결착된 제2 상태; 및
(C) 폴리이미드 수지의 고분자 사슬에 화학적으로 결착된 제3 상태.
바람직하게는 상기 제1 조성물을 제조하는 단계를 별도로 실시함으로써 상기 폴리이미드 필름 내에서 비스말레이미드계 수지가 카본 블랙의 표면에 코팅된 제1 상태로 존재하도록 유도할 수 있다.
한편, 상기 제1 조성물을 제조하는 단계는 밀링 공정에 의해 수행될 수 있다. 상기 밀링은, 비제한적으로 비드 밀링(bead milling) 법의 사용이 고려될 수 있다. 비드 밀링은, 혼합물의 유속이 낮은 경우에도 효과적으로 교반을 할 수 있어 카본 블랙의 분산에 유리한 점이 있다. 단 이는 발명의 실시를 돕기위한 예시일 뿐임을 이해하여야 한다.
상기 제1 조성물을 제조하는 단계에서 사용될 수 있는 제1 유기용매의 비제한적인 예는, 카본 블랙의 분산이 가능하면서도 제2 조성물과 혼합되면 폴리아믹산을 용해시킬 수 있는 용매, 상세하게는 비양성자성 극성 용매(aprotic polar solvent)일 수 있다.
상기 비양성자성 극성 용매의 비제한적인 예로서, N,N'-디메틸포름아미드(DMF), N,N'-디메틸아세트아미드(DMAc) 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.
상기 제2 조성물을 제조하는 단계에 대해 구체적으로 설명한다.
상기 폴리아믹산은 유기용매 중에서, 1종 이상의 디아민 단랑체와 1종 이상의 디안하이드라이드 단량체의 중합 반응으로 제조될 수 있다.
상기 폴리아믹산의 중합에 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 고리 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'-디카르복시-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 고리 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 고리 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 고리 4개를 갖는 디아민. 이들은 소망하는 바에 따라 단독 또는 2 종 이상을 조합하여 이용할 수 있다.
상기 폴리아믹산의 중합에 사용될 수 있는 디안하이드라이드 단량체는 방향족 테트라카르복실릭 디안하이드라이드일 수 있다.
상기 방향족 테트라카르복실릭 디안하이드라이드는 피로멜리틱 디안하이드라이드(또는 PMDA), 3,3',4,4'-바이페닐테트라카르복실릭 디안하이드라이드(또는 s-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. 이들은 소망하는 바에 따라 단독 또는 2 종 이상을 조합하여 이용할 수 있다.
상기 제2 유기용매는 폴리아믹산이 용해될 수 있는 용매라면 특별히 한정되지는 않으나, 하나의 예로서, 비양성자성 극성 용매일 수 있다.
상기 비양성자성 극성 용매의 비제한적인 예로서, N,N'-디메틸포름아미드(DMF), N,N'-디메틸아세트아미드(DMAc) 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.
경우에 따라서는 톨루엔, 테트라히드로푸란, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메탄올, 에탄올, 물 등의 보조적 용매를 사용하여, 폴리아믹산의 용해도를 조절할 수도 있다.
하나의 예에서, 본 발명의 제2 조성물 제조에 특히 바람직하게 사용될 수 있는 제2 유기용매는 아미드계 용매인 N,N'-디메틸포름아미드 및 N,N'-디메틸아세트아미드일 수 있다.
상기 폴리아믹산을 중합하는 방법은 예를 들어,
(1) 디아민 단량체 전량을 유기용매 중에 넣고, 그 후 디안하이드라이드 단량체를 디아민 단량체와 실질적으로 등몰이 되도록 첨가하여 중합하는 방법;
(2) 디안하이드라이드 단량체 전량을 유기용매 중에 넣고, 그 후 디아민 단량체를 디안하이드라이드 단량체와 실질적으로 등몰이 되도록 첨가하여 중합하는 방법;
(3) 디아민 단량체 중 일부 성분을 유기용매 중에 넣은 후, 반응 성분에 대해서 디안하이드라이드 단량체 중 일부 성분을 약 95 몰% 내지 105 몰%의 비율로 혼합한 후, 나머지 디아민 단량체 성분을 첨가하고 이에 연속해서 나머지 디안하이드라이드 단량체 성분을 첨가하여, 디아민 단량체 및 디안하이드라이드 단량체가 실질적으로 등몰이 되도록 하여 중합하는 방법;
(4) 디안하이드라이드 단량체를 유기용매 중에 넣은 후, 반응 성분에 대해서 디아민 화합물 중 일부 성분을 95 몰% 내지 105 몰의 비율로 혼합한 후, 다른 디안하이드라이드 단량체 성분을 첨가하고 연속해서 나머지 디아민 단량체 성분을 첨가하여, 디아민 단량체 및 디안하이드라이드 단량체가 실질적으로 등몰이 되도록 하여 중합하는 방법; 및
(5) 유기용매 중에서 일부 디아민 단량체 성분과 일부 디안하이드라이드 단량체 성분을 어느 하나가 과량이 되도록 반응시켜, 제1 중합물을 형성하고, 또 다른 유기용매 중에서 일부 디아민 단량체 성분과 일부 디안하이드라이드 단량체 성분을 어느 하나가 과량이 되도록 반응시켜 제2 중합물을 형성한 후, 제1, 제2 중합물들을 혼합하고, 중합을 완결하는 방법으로서, 이 때 제1 중합물을 형성할 때 디아민 단량체 성분이 과잉일 경우, 제2 중합물에서는 디안하이드라이드 단량체 성분을 과량으로 하고, 제1 중합물에서 디안하이드라이드 단량체 성분이 과잉일 경우, 제2 중합물에서는 디아민 단량체 성분을 과량으로 하여, 제1, 제2 중합물들을 혼합하여 이들 반응에 사용되는 전체 디아민 단량체 성분과 디안하이드라이드 단량체 성분이 실질적으로 등몰이 되도록 하여 중합하는 방법 등을 들 수 있다.
다만, 상기 방법은 본 발명의 실시를 돕기 위한 예시로서, 본 발명의 범주가 이들로서 한정되는 것은 아니며, 공지된 어떠한 방법을 사용할 수 있음은 물론이다.
이와 같이 제조된 폴리아믹산은 중량평균분자량이 150,000 g/mole 이상 내지 1,000,000 g/mole 이하일 수 있고, 상세하게는 260,000 g/mole 이상 내지 700,000 g/mole 이하일 수 있으며, 더욱 상세하게는 280,000 g/mole 이상 내지 500,000 g/mole 이하일 수 있다.
이러한 중량평균분자량을 갖는 폴리아믹산은, 보다 우수한 내열성과 기계적 물성을 갖는 폴리이미드 필름의 제조에 바람직할 수 있다.
일반적으로 폴리아믹산의 중량평균분자량은, 폴리아믹산과 유기용매를 포함하는 전구체 조성물의 점도에 비례할 수 있는 바, 상기 점도를 조절하여 폴리아믹산의 중량평균분자량을 상기 범위로 제어할 수 있다.
이는 전구체 조성물의 점도가 폴리아믹산 고형분의 함량, 상세하게는 중합 반응에 사용된 디안하이드라이드 단량체와 디아민 단량체의 총량과 비례하기 때문이다. 다만, 중량평균분자량이 점도에 대해 일 차원의 선형적인 비례 관계를 나타내는 것은 아니며, 로그 함수의 형태로 비례한다.
즉, 보다 높은 중량평균분자량의 폴리아믹산을 얻기 위해 점도를 증가시켜도 중량평균분자량이 증가할 수 있는 범위가 제한적인 반면에 점도가 지나치게 높은 경우, 폴리이미드 필름의 제막공정에서 다이를 통한 전구체 조성물 토출 시, 다이 내부의 압력 상승 등으로 인한 공정성의 문제를 야기할 수 있다.
이에 본 발명의 제2 조성물은 15 중량% 내지 20 중량%의 폴리아믹산 고형분 및 80 중량% 내지 85 중량%의 유기용매를 포함할 수 있고, 이 경우 점도가 90,000 cP 이상 내지 300,000 cP 이하, 상세하게는 100,000 cP 이상 내지 250,000 cP일 수 있다. 이러한 점도 범위 내에서 폴리아믹산의 중량평균분자량이 상기 범위에 속할 수 있고, 제2 조성물은 앞서 설명한 제막공정 상의 문제를 유발하지 않을 수 있다.
한편, 상기 제2 조성물로부터 유래되는 폴리이미드 필름의 접동성, 열전도성, 도전성, 코로나 내성, 루프 경도 등의 필름의 여러 가지 특성을 개선할 목적으로 폴리아믹산의 제조 시, 필러를 첨가할 수도 있다. 첨가되는 필러는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직한 예로는 실리카, 산화티탄, 알루미나, 질화규소, 질화붕소, 인산수소칼슘, 인산칼슘, 운모, 제2인산칼슘, 황산바륨 및 탄산칼슘 등을 들 수 있다.
필러의 평균 입경은 특별히 한정되는 것은 아니고, 개질하고자 하는 폴리이미드 필름 특성과 첨가하는 필러의 종류에 따라서 결정할 수 있다. 하나의 예에서, 상기 필러의 평균 입경은 0.05 ㎛ 내지 100 ㎛, 상세하게는 0.1 ㎛ 내지 75 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛, 특히 상세하게는 0.1 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있다.
평균 입경이 이 범위를 하회하면 개질 효과가 미미하고, 이 범위를 상회하면 필러가 폴리이미드 필름의 표면성을 크게 손상시키거나, 필름의 기계적 특성 저하를 유발할 수 있다.
또한, 필러의 첨가량에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니고, 개질하고자 하는 폴리이미드 필름 특성이나 필러 입경 등에 의해 결정할 수 있다.
하나의 예에서, 필러의 첨가량은 전구체 조성물 100 중량부에 대하여 0.01 중량부 내지 100 중량부, 바람직하게는 0.01 중량부 내지 90 중량부, 더욱 바람직하게는 0.02 중량부 내지 80 중량부이다.
필러 첨가량이 이 범위를 하회하면, 필러에 의한 개질 효과가 나타나기 어렵고, 이 범위를 상회하면 폴리이미드 필름의 기계적 특성이 크게 저하될 수 있다. 필러의 첨가 방법은 특별히 한정되는 것은 아니고, 공지된 어떠한 방법을 이용할 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 폴리이미드 필름을 수득하는 단계의 이미드화는, 상기 전구체 조성물을 지지체에 캐스팅하고 건조하여 겔 필름을 제조한 후, 상기 겔 필름을 이미드화하여 폴리이미드 필름을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 이미드화의 구체적인 방법으로는 열 이미드화법, 화학 이미드화법 또는 상기 열 이미드화법과 화학 이미드화법을 병용하는 복합 이미드화법을 예로 들 수 있으며, 이들에 대해서는 이하의 비제한적인 예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.
<열 이미드화법>
상기 열 이미드화 법은, 화학적 촉매를 배제하고, 열풍이나 적외선 건조기 등의 열원으로 이미드화 반응을 유도하는 방법으로서,
상기 전구체 조성물을 건조하여 겔 필름을 형성하는 과정; 및
상기 겔 필름을 열처리하여 폴리이미드 필름을 수득하는 과정을 포함할 수 있다.
여기서, 겔 필름이란, 폴리아믹산으로부터 폴리이미드로의 변환에 대해 중간 단계에서 자기 지지성을 가지는 필름 중간체라 이해할 수 있다.
상기 겔 필름을 형성하는 과정은, 전구체 조성물을 유리판, 알루미늄 박, 무단(endless) 스테인레스 벨트, 또는 스테인레스 드럼 등의 지지체 상에 필름형으로 캐스팅하고, 이후 지지체 상의 전구체 조성물을 50 ℃ 내지 200 ℃, 상세하게는 80 ℃ 내지 150 ℃ 범위의 가변적인 온도에서 건조하는 것일 수 있다.
이에 따라 전구체 조성물에 부분적인 경화 및/또는 건조가 일어남으로써 겔 필름이 형성될 수 있다. 그 다음에 지지체로부터 박리하여 겔 필름을 얻을 수 있다.
경우에 따라서는 이후 열처리 과정에서 수득되는 폴리이미드 필름의 두께 및 크기를 조절하고 배향성을 향상시키기 위하여 상기 겔 필름을 연신시키는 공정이 수행될 수 있으며, 연신은 기계반송방향(MD) 및 기계반송방향에 대한 횡방향(TD) 중 적어도 하나의 방향으로 수행될 수 있다.
이와 같이 수득한 겔 필름을, 텐터에 고정한 다음 50 ℃ 내지 500 ℃, 상세하게는 150 ℃ 내지 500 ℃ 범위의 가변적인 온도에서 열처리하여 겔 필름에 잔존하는 물, 잔류 용매 등을 제거하고, 남아 있는 거의 모든 아믹산기를 이미드화하여, 본 발명의 폴리이미드 필름을 수득할 수 있다.
경우에 따라서는 상기와 같이 수득한 폴리이미드 필름을 400 ℃ 내지 650 ℃의 온도로 5 초 내지 400 초간 가열 마감하여 폴리이미드 필름을 더욱 경화시킬 수도 있으며, 수득한 폴리이미드 필름에 잔류할 수도 있는 내부 응력을 완화시키기 위해서 소정의 장력 하에서 이를 수행할 수도 있다.
<화학 이미드화법>
상기 화학 이미드화법은 전구체 조성물에 탈수제 및/또는 이미드화제를 첨가하여 아믹산기의 이미드화를 촉진하는 방법이다.
여기서 "탈수제"란, 폴리아믹산에 대한 탈수 작용을 통해 폐환 반응을 촉진하는 물질을 의미하고, 이에 대한 비제한적인 예로서, 지방족의 애시드 안하이드라이드, 방향족의 애시드 안하이드라이드, N,N'-디알킬카르보디이미드, 할로겐화 저급 지방족, 할로겐화 저급 패티 애시드 안하이드라이드, 아릴 포스포닉 디할라이드, 및 티오닐 할라이드 등을 들 수 있다. 이중에서도 입수의 용이성, 및 비용의 관점에서 지방족 애시드 안하이드라이드가 바람직할 수 있고, 이의 비제한적인 예로서, 아세틱 안하이드라이드(AA), 프로피온 애시드 안하이드라이드, 및 락틱 애시드 안하이드라이드 등을 들 수 있으며, 이들을 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, "이미드화제"란 폴리아믹산에 대한 폐환 반응을 촉진하는 효과를 갖는 물질을 의미하고, 예를 들어 지방족 3급 아민, 방향족 3급 아민, 및 복소환식 3급 아민 등의 이민계 성분일 수 있다. 이중에서도 촉매로서의 반응성의 관점에서 복소환식 3급 아민이 바람직할 수 있다. 복소환식 3급 아민의 비제한적인 예로서, 퀴놀린, 이소퀴놀린, β-피콜린(BP), 피리딘 등을 들 수 있으며, 이들을 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
탈수제의 첨가량은 폴리아믹산 중 아믹산기 1 몰에 대하여 0.5 내지 5 몰의 범위 내인 것이 바람직하고, 1.0 몰 내지 4 몰의 범위 내인 것이 특히 바람직하다. 또한, 이미드화제의 첨가량은 폴리아믹산 중 아믹산기 1 몰에 대하여 0.05 몰 내지 2 몰의 범위 내인 것이 바람직하고, 0.2 몰 내지 1 몰의 범위 내인 것이 특히 바람직할 수 있다.
상기 탈수제 및 이미드화제가 상기 범위를 하회하면 화학적 이미드화가 불충분하고, 제조되는 폴리이미드 필름에 크랙이 형성될 수 있고, 필름의 기계적 강도도 저하될 수 있다. 또한, 이들 첨가량이 상기 범위를 상회하면 이미드화가 과도하게 빠르게 진행될 수 있으며, 이 경우, 필름 형태로 캐스팅하기 어렵거나 제조된 폴리이미드 필름이 브리틀(brittle)한 특성을 보일 수 있어, 바람직하지 않다.
<복합 이미드화법>
이상의 화학 이미드화법에 연계하여, 열 이미드화법을 추가로 수행하는 복합 이미드화법이 폴리이미드 필름의 제조에 이용될 수 있다.
구체적으로 복합 이미드화법은, 저온에서 전구체 조성물에 탈수제 및/또는 이미드화제를 첨가하는 화학 이미드화법 과정; 및 상기 전구체 조성물을 건조하여 겔 필름을 형성하고, 상기 겔 필름을 열처리하는 열 이미드화법 과정을 포함할 수 있다.
상기 화학 이미드화법 과정의 수행 시, 탈수제와 이미드화제의 종류 및 첨가량은 앞선 화학 이미드화법에 설명한 바에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
상기 겔 필름을 형성하는 과정에서는 탈수제 및/또는 이미드화제를 함유하는 전구체 조성물을 유리판, 알루미늄 박, 무단(endless) 스테인레스 벨트, 또는 스테인레스 드럼 등의 지지체 상에 필름형으로 캐스팅하고, 이후 지지체 상의 전구체 조성물을 50 ℃ 내지 180 ℃, 상세하게는 80 ℃ 내지 180 ℃ 범위의 가변적인 온도에서 건조한다. 이러한 과정에서, 화학 전환제 및/또는 이미드화제가 촉매로 작용하여 아믹산기가 이미드기로 빠르게 변환될 수 있다.
경우에 따라서는 이후 열처리 과정에서 수득되는 폴리이미드 필름의 두께 및 크기를 조절하고 배향성을 향상시키기 위하여 상기 겔 필름을 연신시키는 공정이 수행될 수 있으며, 연신은 기계반송방향(MD) 및 기계반송방향에 대한 횡방향(TD) 중 적어도 하나의 방향으로 수행될 수 있다.
이와 같이 수득한 겔 필름을, 텐터에 고정한 다음 50 ℃ 내지 500 ℃, 상세하게는 150 ℃ 내지 300 ℃ 범위의 가변적인 온도에서 열처리하여 겔 필름에 잔존하는 물, 촉매, 잔류 용매 등을 제거하고, 남아 있는 거의 모든 아믹산기를 이미드화하여, 본 발명의 폴리이미드 필름을 수득할 수 있다. 이와 같은 열처리 과정에서도 탈수제 및/또는 이미드화제가 촉매로서 작용하여 아믹산기가 이미드기로 빠르게 전환될 수 있어 높은 이미드화율의 구현이 가능할 수 있다.
경우에 따라서는 상기와 같이 수득한 폴리이미드 필름을 400 ℃ 내지 650 ℃의 온도로 5 초 내지 400 초간 가열 마감하여 폴리이미드 필름을 더욱 경화시킬 수도 있으며, 수득한 폴리이미드 필름에 잔류할 수도 있는 내부 응력을 완화시키기 위해서 소정의 장력 하에서 이를 수행할 수도 있다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
<실시예 1>
제조예 1-1: 제1조성물 제조
비스말레이미드계 수지로서, Evonik사의 'Compimide 200' 0.21 g과 카본 블랙 71.45 g을 213.42 g의 DMF를 혼합한 후, 비드 밀링 머신에 투입하여, 제1 조성물을 제조하였다.
이때, 카본 블랙의 평균 입경은 0.4 ㎛으로 이루어졌다.
편의를 위해, 비스말레이미드와 카본 블랙의 첨가량을, 폴리이미드 수지 100 중량부에 대한 중량부로 정리하여 하기 표 1에 나타내었다.
제조예 1-2: 제2 조성물 제조
1L 반응기에 질소 분위기하에서 DMF를 652.00 g 투입하였다.
온도를 25 ℃로 설정한 다음, 디아민 단량체로서 ODA 70.84 g을 투입하고, 30 분 가량 교반하여 단량체가 용해된 것을 확인한 뒤에 PMDA을 77.16 g을 분할 투입하고 최종적으로 점도 200,000 cP에서 300,000 cP가 되도록 마지막 투입량을 조정하여 투입하였다.
투입이 끝나면 온도를 유지하면서 1 시간 동안 교반하여 최종점도 250,000 cP으로 중합된 폴리아믹산을 포함하는 제2 조성물을 제조하였다.
제조예 1-3: 폴리이미드 필름의 제조
상기 제조예 1-1에서 제조된 제1 조성물 1.22 g에 상기 제조예 1-2에서 제조된 제2 조성물 25.73 g을 혼합하고, 촉매(탈수제 및 이미드화제)로서 이소퀴놀린(IQ) 1.31 g, 아세틱 안하이드라이드(AA) 6.20 g, 및 DMF 4.44 g을 투입한 후, 균일하게 혼합하여 SUS plate(1000SA, Sandvik)에 닥터 블레이드를 사용하여 70 ㎛로 캐스팅하고 100 ℃ 내지 200 ℃의 온도범위에서 건조시켰다.
그 다음, 필름을 SUS Plate에서 박리하여 핀 프레임에 고정시켜 고온 텐터로 이송하였다.
필름을 고온 텐터에서 200 ℃부터 600 ℃까지 가열한 후 25 ℃에서 냉각시킨 후 핀 프레임에서 분리하여 약 13 ㎛ 두께의 폴리이미드 필름을 제조하였다.
<실시예 2> 내지 <실시예 4>
카본 블랙 및 비스말레이미드계 수지의 첨가량을 하기 표 1과 같이 변경하여 제조예1-1에 따라 제1 조성물 제조한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 방법으로 약 13㎛ 두께의 폴리이미드 필름을 제조하였다.
<비교예 1>
비스말레이미드계 수지의 첨가를 제외하고, 카본 블랙의 첨가량을 하기 표 1과 같이 변경하여 제조예1-1에 따라 제1 조성물 제조한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 방법으로 약 13㎛ 두께의 폴리이미드 필름을 제조하였다.
<비교예 2> 내지 <비교예 7>
카본 블랙 및 비스말레이미드계 수지의 첨가량을 하기 표 1과 같이 변경하여 제조예1-1에 따라 제1 조성물 제조한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 방법으로 약 13㎛ 두께의 폴리이미드 필름을 각각 제조하였다.
카본 블랙(중량부) 비스말레이미드계 수지(중량부)
실시예 1 1 5
실시예 2 3 7
실시예 3 5 9
실시예 4 7 10
비교예 1 3 0
비교예 2 1 1
비교예 3 7 3
비교예 4 0.3 1
비교예 5 0.5 0.5
비교예 6 12 3
비교예 7 7 15
<실험예 1: 내염기성 테스트>
실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 6에서 각각 제조한 폴리이미드 필름을 앞서 기재한 테스트 방법 (a)에 따라 내염기성 테스트를 실시하였고, 각 폴리이미드 필름의 두께 감소율을 산출하여 하기 표 2에 나타내었다(제1 두께는 NaOH 용액에 담지 하기 전 두께이고, 제2 두께는 NaOH 용액에 담지한 이후의 두께이다.)
제1두께(㎛) 제2두께(㎛) 두께 감소율(%)
실시예 1 13 9.1 30
실시예 2 12.5 9 28
실시예 3 13.2 9.76 26
실시예 4 12.3 9.35 24
비교예 1 13 7.8 40
비교예 2 13 7.93 39
비교예 3 13 8.19 37
비교예 4 12.5 8 36
비교예 5 13 8.19 37
비교예 6 13 8.58 34
상기 표 2에서와 같이, 비스말레이미드계 수지를 본 발명의 범위로 포함하는 실시예들은 상대적으로 우수한 내염기성을 나타냈다.
반면에 비스말레이미드계 수지를 포함하지 않는 비교예 1은 가장 낮은 내염기성을 나타냈으며, 이는 비스말레이미드계 수지의 포함 여부가 내염기성 향상에 주요하게 작용함을 반증한다.
또한, 본 발명의 범위에서 벗어나 너무 적은 량의 비스말레이미드계 수지를 포함하는 비교예들은 실시예 대비 내염기성이 좋지 못함을 알 수 있다.
<실험예 2: 흡습율 테스트>
ASTMD 570 방법에 의거하여 실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 1 내지 비교예 6의 폴리이미드 필름을 크기 5 ㎝ * 5 ㎝의 정방형으로 절단하여 시편을 제조하고, 절단된 시편을 50 ℃의 오븐에 24 시간 이상 건조한 후 무게를 측정하였으며, 무게를 측정한 시편을 24 시간 동안 23 ℃의 물에 침지한 후 다시 무게를 측정하고, 여기서 얻어진 무게의 차이를 %로 나타내어 흡습율을 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
흡습율(%)
실시예 1 1.7
실시예 2 1.3
실시예 3 1.5
실시예 4 1.4
비교예 1 3.0
비교예 2 2.5
비교예 3 2.3
비교예 4 2.6
비교예 5 2.7
비교예 6 2.2
실혐예 2의 결과 카본 블랙과 비스말레이미드계 수지를 본 발명의 범위로 포함하는 실시예들은 상대적으로 우수한 흡습율을 나타냈다.
반면에 비스말레이미드계 수지를 포함하지 않는 비교예 1은 가장 낮은 흡습율을 나타내었다.
한편, 카본 블랙 및 비스말레이미드계 수지 중 적어도 하나가 본 발명의 범위에서 벗어나서 과도하거나 소량으로 포함된 비교예들은 흡습율이 좋지 못함을 알 수 있다.
<실험예 3: 광투과율 테스트>
HunterLab사의 ColorQuesetXE 모델을 이용하여 가시광 영역에서 ASTM D1003에 제시된 방법에 의해 폴리이미드 필름의 광투과율을 측정하였고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
다만, 카본 블랙 함량에 따른 광투과율의 변화를 인과적으로 판별할 수 있는 실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 4 내지 비교예 6의 폴리이미드 필름에 대해서 수행하였다.
광투과율(%)
실시예 1 5
실시예 2 3
실시예 3 1
실시예 4 0.5
비교예 4 50
비교예 5 30
비교예 6 20
실혐예 3의 결과, 카본 블랙을 본 발명의 범위로 포함하는 실시예들은 매우 우수한 흡습율을 나타냈다.
반면에 카본 블랙이 본 발명의 범위를 벗어나 너무 적게 포함된 비교예 4 내지 비교예 6는 현저히 높은 광투과율을 나타냈다.
<실험예 4: 인장강도 테스트>
실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 7의 폴리이미드 필름에 대해 인장강도 테스트를 실시하였다. 인장강도는 KS6518 에 제시된 방법에 의해 측정하였다. 결과는 하기 표 5에 나타냈다.
인장강도(kgf/cm2)
실시예 1 230
실시예 2 230
실시예 3 225
실시예 4 225
비교예 7 170
실험예 4의 결과로부터, 비스말레이미드계 수지가 본 발명의 범위를 벗어나 과도하게 포함된 비교예 7은 인장강도가 매우 불량한 것을 알 수 있다. 반면에 실시예 1 내지 실시예 4는 비스말레이미드계 수지를 포함함에도 불구하고, 양호한 인장강도를 나타내었다.
이상의 결과로부터 본 발명의 폴리이미드 필름은 기계적 물성과 앞선 내염기성, 흡습성 및 광투과도가 소망하는 수준으로 양립할 수 있음을 알 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 폴리이미드 필름은 카본 블랙과 함께 비스말레이미드계 수지를 포함함으로써, 내염기성이 향상될 수 있음을 이상에서 충분히 설명하였다.
정리하면, 비스말레이미드계 수지는 폴리아믹산과 상대적으로 혼화되기 용이할 수 있으며 카본 블랙에 코팅되면 폴리아믹산 중에 카본 블랙의 혼화 및/또는 분산을 용이하게 할 수 있다.
비스말레이미드계 수지는 또한 내화학성이 우수한 바, 이를 기반으로 하여 카본 블랙과 폴리이미드 수지 사이에서 염기 성분에 의한 폴리이미드 수지의 분해 및/또는 변성을 억제할 수 있다.
뿐만 아니라, 비스말레이미드계 수지는 이의 흡습성에 기반하여 염기 성분이 폴리이미드 필름 내로 침투하는 현상을 지연시키거나, 염기 성분의 침투량을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법은, 상기한 폴리이미드 필름의 구현을 가능하게 하는데 실질적인 이점이 있다.

Claims (16)

  1. 폴리이미드 수지;
    상기 폴리이미드 수지 100 중량부에 대해 5 중량부 이상의 비스말레이미드계 수지; 및
    카본 블랙을 포함하는 폴리이미드 필름.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비스말레이미드계 수지가 상기 폴리이미드 수지 100 중량부에 대해 5 중량부 내지 10 중량부로 포함된 폴리이미드 필름.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카본 블랙이 상기 폴리이미드 수지 100 중량부에 대해 1 중량부 내지 10 중량부로 포함된 폴리이미드 필름.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 카본 블랙의 평균 입경이 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛인 폴리이미드 필름.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비스말레이미드계 수지가 하기에서 선택되는 적어도 하나의 상태로 존재하는 폴리이미드 필름:
    (A) 카본 블랙의 표면에 코팅된 제1 상태;
    (B) 폴리이미드 수지의 고분자 사슬에 물리적으로 결착된 제2 상태; 및
    (C) 폴리이미드 수지의 고분자 사슬에 화학적으로 결착된 제3 상태.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 비스말레이미드계 수지는 4,4'-비스말레이미도디페닐메테인, 2,4-비스말레이미도톨루엔 4,4-메틸렌 디페닐렌, 4,4'-디시클로헥실메테인 및 1,3'-페닐렌 비스말레이미드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 단량체가 중합된 수지인 폴리이미드 필름.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폴리이미드 수지는 폴리아믹산으로부터 유래되고,
    상기 폴리아믹산은 디안하이드라이드 단량체 및 디아민 단량체가 중합된 폴리이미드 필름.
  8. 제1항에 있어서,
    가시광선 영역에서의 광투과도가 5 % 이하인 폴리이미드 필름.
  9. 제1항에 있어서,
    테스트 방법 (a)에 의한 두께 감소율이 30 % 이하인 폴리이미드 필름.
  10. 제1항에 있어서,
    흡습율이 2 % 미만인 폴리이미드 필름.
  11. 제1항에 따른 폴리이미드 필름을 제조 하는 방법으로서,
    제1 유기용매, 카본 블랙 및 비스말레이미드계 수지를 혼합하여 제1 조성물을 제조하는 단계;
    제2 유기용매에 디안하이드라이드 단량체 및 디아민 단량체를 혼합하고 중합하여 폴리아믹산을 포함하는 제2 조성물을 제조하는 단계;
    상기 제1 조성물과 상기 제2 조성물을 혼합하여 전구체 조성물을 제조하는 단계; 및
    상기 전구체 조성물을 이미드화하여 폴리이미드 필름을 수득하는 단계를 포함하는 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 조성물을 제조하는 단계는 밀링 공정에 의해 수행되는 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2 조성물은 실리카, 산화티탄, 알루미나, 질화규소, 질화붕소, 인산수소칼슘, 인산칼슘, 운모, 제2인산칼슘, 황산바륨 및 탄산칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 필러를 더 포함하는 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 이미드화는, 상기 전구체 조성물을 지지체에 캐스팅하고 건조하여 겔 필름을 제조한 후, 상기 겔 필름을 이미드화하여 폴리이미드 필름을 형성하는 단계를 포함하는 제조방법.
  15. 제1항에 따른 폴리이미드 필름을 포함하는 커버레이(coverlay).
  16. 제15항에 따른 커버레이를 포함하는 전자 장치.
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