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KR20080070924A - 가교화된 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법 - Google Patents

가교화된 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20080070924A
KR20080070924A KR1020070008810A KR20070008810A KR20080070924A KR 20080070924 A KR20080070924 A KR 20080070924A KR 1020070008810 A KR1020070008810 A KR 1020070008810A KR 20070008810 A KR20070008810 A KR 20070008810A KR 20080070924 A KR20080070924 A KR 20080070924A
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South Korea
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polyimide film
crosslinked
polyamic acid
acid
film
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KR1020070008810A
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이중규
원동영
김도경
김민주
Original Assignee
에스케이씨 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 가교화된 공중합 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 주 반복단위가 둘 이상의 -CO- 또는 -O- 작용기를 갖는 설폰산 유도체에 의해 가교화된 폴리아미드산으로부터 유도된 가교화된 본 발명의 폴리이미드 필름은 우수한 열적 치수 안정성과 내열성을 가지며, 흡습율 및 흡습팽창계수가 낮고, 탄성률이 높아, 가요성 배선판 등의 전자재료 분야에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

가교화된 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법 {CROSSLINKED POLYIMIDE FILM AND PREPARATION THEREOF}
본 발명은 전자재료에 유용한 가교화된 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 전자재료나 기기의 진보에 따라, 사용되는 폴리이미드 필름에는 내열성, 절연성, 내용매성 등의 기본적인 특징뿐만 아니라 보다 다양한 특징이 요구되고 있다.
그 중 하나로서, 폴리이미드 필름을 사용할 수 있는 환경이 보다 가혹한 조건, 예를 들면 고온·다습한 환경에 노출되는 자동차 내부의 회로 기판, 자동차 내부의 배선 피복용, 항공기 내부의 온도차가 심한 부위에 사용되는 배선 피복용의 경우, 필름 본체가 가혹한 환경 조건 하에서 높은 안정성을 가질 것이 요구된다. 여기서, 필름 본체의 "가혹한 환경 조건 하에서의 안정성"이란, 예를 들면 고온, 저온 양쪽 모두의 온도 변화에 대한 안정성, 고온 고습 상태 등의 열악한 환경하에서의 안정성을 의미한다.
한편, 가요성 배선판과 같은 금속 적층 배선판에는, 폴리이미드 필름 표면에 미세한 금속 배선층을 형성하는 공정 뿐 아니라, 폴리이미드 필름 자체에도 미세하게 가공을 하는 공정이 실시되어 왔다. 이 때문에, 폴리이미드 필름 자체도 미세 가공에 적합한 물성을 가질 것이 요구되고 있다.
최근 전자재료나 기기의 진보에 따라, 사용되는 폴리이미드 필름에 요구되는 또 다른 특징은 가열이나 인장에 대한 치수 변화를 작게 하는 것이다. 즉, 전기·전자 기기의 소형화에 따라 이에 사용되는 가요성 배선판의 배선 패턴이 세밀화되면서, 가열이나 인장에 대한 치수 변화가 작은 폴리이미드 필름이 요구된다. 가열에 대한 치수 변화는 선팽창계수가 작을수록 작아지고, 인장에 대한 치수 변화는 탄성율이 높을수록 작아진다.
일반적으로 높은 탄성율 및 낮은 열팽창계수의 폴리이미드 필름을 제조하기 위해서, 예를 들면 피로멜리트산 이무수물이나 파라페닐렌디아민 등을 포함하는 강직하면서 직선성이 높은 단량체가 사용된다. 그러나, 그 결과 얻어지는 필름은 유연성이 부족하고, 가요성 배선판에 필요한 절곡 가능 성질이 손상되며, 흡습율, 흡습팽창계수도 커지는 문제가 발생된다. 또한, 폴리이미드 필름을 예를 들면 반도체 패키지 용도에 사용하는 경우, 상기 특성에 부가적으로 낮은 흡습율 및 흡습팽창계수가 요구된다.
또한, 폴리이미드 필름 상에 형성되는 가요성 배선판 용도의 배선 패턴은 미세 패턴화가 진행되고, 그 결과 미세 패턴이 형성될 수 있는 박막 금속을 적층한 폴리이미드 필름이 요구되고 있다. 상기 요구를 만족시키기 위한 방법으로, 열가소 성 폴리이미드계 접착제 또는 에폭시계 접착제 등의 접착제로 폴리이미드 필름 표면에 얇은 동박을 적층하는 방법이 제시되었으나, 이 방법은 미세패턴에 적합한 박막 구리의 적층이 곤란하였다.
이로 인해, 접착제를 사용하지 않는 금속 적층판의 제조 방법으로서, 폴리이미드 필름 표면에 스퍼터링 장치 또는 금속 증착 장치를 사용하여 금속 박막을 폴리이미드 필름 표면에 형성하고, 그 상부에 구리 도금층을 형성시키는 방법이 많이 사용되었다. 상기 방법에 따르면 금속층은 1 ㎛ 이하의 두께에서 수십 ㎛ 이상의 두께까지 변화시킬 수 있어, 특히 미세패턴에 최적인 두께의 금속층을 제조할 수 있다.
그러나, 이러한 금속 증착 또는 스퍼터링 방법에서는, 금속과 폴리이미드 필름 상의 금속층과 폴리이미드 필름과의 박리 강도가 폴리이미드 필름의 종류 또는 조성에 따라서 크게 다르기 때문에, 일반적으로 금속의 증착 또는 스퍼티링 전에, 전처리로서 NaOH처리, 진공에서의 플라즈마 처리, 상압 플라즈마 처리, 상압 코로나 처리, 샌드 블라스트 처리 등의 표면 개질이 필요하다. 이러한 전처리는 초기 박리 강도의 향상에는 매우 효과적이지만, 폴리이미드 표면을 파괴하게 되어 장기간 안정적인 박리 강도를 발현하지 못하는 등의 문제가 있다. 따라서, 필름과 금속과의 박리 강도를 향상시키고, 상기 표면 개질 처리 후에도 높은 박리 강도가 발현되면서 그 박리 강도가 장기간 안정적으로 지속될 수 있는 폴리이미드 필름이 요구되고 있다.
높은 탄성율, 낮은 열팽창계수, 낮은 흡습율 및 낮은 흡습팽창계수를 겸비한 폴리이미드 필름을 얻기 위해 여러 가지 검토가 행해지고, 예를 들면 분자구조 중의 이미드기의 양을 감소시키고, 장쇄의 단량체를 사용하는 검토가 행해지고 있다.
일본 특허공개 평11-54862호 및 일본 특허공개 제2001-72781호에는, 장쇄의 단량체로서 p-페닐렌비스(트리멜리트산 모노에스테르산 무수물)을 사용하여, 흡습율, 흡습팽창계수를 저하시키는 것을 목적으로 한 폴리이미드 필름이 개시되어 있다. 그러나, 상기 문헌에 기재된 폴리이미드 필름은 내환경 시험에 대한 안정성이 부족하고, 특히 금속을 직접 적층시키는 경우 금속 접착 강도의 유지율에 문제가 있다.
일본 특허공개 평9-328544호에는, 산 성분으로 피로멜리트산 이무수물 또는 3,3'-4,4'-벤조페논테트라카복실산 이무수물을 사용하고, 디아민 성분으로 파라페닐렌디아민 또는 4,4'-디아미노디페닐에테르를 사용하여 얻어지는 폴리이미드를 포함하는 폴리이미드 필름이 개시되어 있다. 이 폴리이미드 필름은 2.62 내지 3.69%의 비교적 큰 흡습률 및 16.8 내지 29.8ppm의 비교적 큰 흡습팽창계수를 갖는다.
또한, 일본 특허공개 평9-235373호에는, 비페닐테트라카복실산 이무수물, 피로멜리트산 이무수물, 파라페닐렌디아민, 4,4'-디아미노디페닐에테르를 사용한 폴리이미드 필름이 개시되어 있다. 그러나, 이 폴리이미드 필름은 고온에서 큰 열팽창계수를 갖는다는 문제가 있었다.
치수 안정성을 향상시키기 위해 폴리이미드 필름의 등방성을 부여하는 방법이 일본 특허공개 소60-190314호 및 특허공개 평8-81571호에 개시되어 있다. 상기 문헌에 따르면, 필름의 주행방향(즉, 기계적 방향, MD)과 폭 방향(TD)의 물성 차이 를 제어하는 것이 가능하지만, 단부에서 45도 방향으로 배향되는 경우 배향 주축 방향과 그것에 수직인 방향의 물성 차이가 해소되지 않는다는 문제점이 있다.
또한, 일본 특허공개 평5-237928호는 폴리이미드 필름을 텐터(tenter)-프레임(frame)에 고정시킨 후 가열 연신시키는 방법을 개시하고 있지만, 제조 공정에 번잡한 연신 장치가 필요하고 겔 필름(gel film)이 형성되는 과정, 즉 드럼 등의 지체상에서 경화/건조될 때의 수축 현상을 제어하는 방법은 제시하지 못하고 있다. 또한, 이 방법으로 얻어지는 필름은 1000m 이상의 폭으로 생산될 경우 중앙부가 고정단으로부터 멀어져 중앙부와 단부에서의 배향정도가 커져서, 결국 방향에 따른 치수 안정성이 불량해진다.
이와 같이, 낮은 흡습팽창계수, 낮은 열팽창계수, 높은 탄성율, 양호한 금속 접착성 등 모두를 충분히 만족시키는 폴리이미드 필름은 아직 개발되어 있지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 치수 안정성이 강화되고, 흡습율 및 흡습팽창계수가 낮고, 탄성율이 높은 폴리이미드 필름을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는,
주 반복단위가 가교화된 폴리아미드산으로부터 유도된, 하기 화학식 1의 구조로 나타내어지는 가교화된 폴리이미드 필름을 제공한다:
Figure 112007008528217-PAT00001
상기 식에서,
A1 내지 A4는 각각 독립적으로 방향족 산 이무수물로부터 유도된 잔기(moiety)이고;
Ar1 내지 Ar4는 각각 독립적으로 방향족 디아민으로부터 유도된 잔기로서, Ar1 및 Ar3은 하나 이상의 -CO- 또는 -O- 작용기를 갖는 방향족 디아민으로부터 유도되며;
B는 둘 이상의 -CO- 또는 -O- 작용기를 갖는 설폰산 유도체로부터 유도된 잔기이고;
x 및 x'는 각각 독립적으로 2 내지 20 범위의 정수이고;
y 및 y'는 각각 독립적으로 2 내지 30 범위의 정수이다.
또한, 본 발명에서는 (a) 방향족 산 이무수물 성분과 방향족 디아민 성분을 유기극성용매 중에서 공중합시켜 폴리아미드산 용액을 얻는 단계, (b) 상기 폴리아미드산 용액에, 둘 이상의 -CO- 또는 -O- 작용기를 갖는 설폰산 유도체를 가교제로서 첨가하여 가교화된 폴리아미드산을 얻는 단계, 및 (c) 상기 가교화된 폴리아미 드산을 경화시켜 겔 필름을 얻고, 이를 가열하는 단계를 포함하는, 상기 가교화된 폴리이미드 필름의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 가교화된 폴리이미드 필름은 고분자 주쇄가 설폰산기를 갖는 가교제 성분에 의해 가교화된 것으로서, 고온(300℃)에서의 열수축률이 낮고, 열팽창계수, 흡습팽창계수 및 흡습률이 낮으며, 탄성률이 높아, 가요성 배선판, COF용 베이스 필름, TAB용 테이프, 고밀도 기록 매체용 베이스 필름 및 PVD 2층 적층판 등의 전자재료로서 매우 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 폴리이미드 필름은 통상적으로 사용되는 방향족 산 이무수물 성분과 방향족 디아민 성분과의 공중합에 의해서 형성된 폴리아미드산으로부터 유도되고, 주 반복단위가 설폰산기를 갖는 가교제 성분에 의해 가교화된 구조를 가지는데, 상기 화학식 1에서, 바람직하게는, A1 내지 A4 및 Ar1 내지 Ar4는 각각 독립적으로 하이드록시, C1-10 알킬, C1-10 알콕시 또는 할로겐 원자로 치환되거나 치환되지 않은 하나 이상의 C6-10 방향족 환 잔기로서, 둘 이상일 경우 환 사이에 임의적으로 S, O, NH, C1-4 알킬렌, CH(OH), CO, SO2 및 C(O)NH 중에서 선택된 하나 이상의 결합을 포함한다.
A1 내지 A4의 대표적인 예는 하기 구조식 (1) 내지 (6)으로 나타내어질 수 있다:
Figure 112007008528217-PAT00002
Ar1 및 Ar3의 대표적인 예는 하기 구조식 (7) 내지 (10)으로, Ar2 및 Ar4의 대표적인 예는 하기 구조식 (11) 내지 (21)로 나타내어질 수 있다:
Figure 112007008528217-PAT00003
Figure 112007008528217-PAT00004
B의 대표적인 예는 하기 구조식 (22) 내지 (25)로 나타내어질 수 있다:
Figure 112007008528217-PAT00005
설폰산 유도체로부터 유도된 잔기 B는 가교화된 폴리이미드 중에 0.01 내지 0.15 중량%의 양으로 포함될 수 있다.
본 발명 폴리이미드 필름의 전구체인 폴리아미드산의 바람직한 중합방법으로는 다음과 같은 방법을 들 수 있다:
(1) 방향족 산 이 무수물과 이에 대하여 과소 몰량의 방향족 디아민 화합물을 유기극성용매 중에서 반응시켜 양 말단에 산 무수물기를 갖는 프리폴리머를 얻고, 이어 전공정에서 방향족 산 이무수물과 방향족 디아민 화합물이 실질적으로 등몰이 되도록 방향족 디아민 화합물을 사용하여 중합시키는 방법,
(2) 방향족 산 이무수물과 이에 대하여 과잉 몰량의 방향족 디아민 화합물을 유기극성용매 중에서 반응시켜 양 말단에 아미노기를 갖는 프리폴리머를 얻고, 이 어 전공정에서 방향족 산 이무수물과 방향족 디아민 화합물이 실질적으로 등몰이 되도록 방향족 산 이무수물을 사용하여 중합시키는 방법,
(3) 방향족 디아민을 유기극성용매 중에 용해하고, 이를 실질적으로 등몰의 방향족 산 이무수물과 반응시켜서 중합시키는 방법,
(4) 방향족 산 이무수물을 유기극성용매 중에 용해 및/또는 분산시킨 후 실질적으로 등몰이 되도록 방향족 디아민 화합물을 사용하여 중합시키는 방법, 및
(5) 실질적으로 등몰의 방향족 산 이무수물과 방향족 디아민 화합물의 혼합물을 유기극성용매 중에서 반응시켜서 중합시키는 방법.
상기 폴리아미드산 합성공정에 사용가능한 유기극성용매는 아미드계 용매로서, 예를 들어, N,N-디메틸포름아미드, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸아세트아미드 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
폴리아미드산을 제조하기 위한 방향족 디아민과 방향족 산 이무수물의 중합반응은 0 내지 60℃, 바람직하게는 5 내지 50℃ 범위에서 수행할 수 있다. 상기 중합방법 (1)과 같이 산 무수물의 말단으로 구성된 폴리아미드산 프리폴리머가 중간체로 사용되는 경우에는, 반응온도를 30℃ 이하, 바람직하게는 10℃ 이하에서 수행하는 것이 좋다. 반응시간은 10시간 이내, 바람직하게는 5시간 이내, 더욱 바람직하게는 3시간 이내가 좋다.
본 발명에서는, 공중합을 통해 형성된 폴리아미드산 용액에, 둘 이상의 -CO- 또는 -O- 작용기를 갖는 설폰산 유도체를 가교제로서 첨가하여 가교화된 폴리아미드산을 얻는데, 이때 상기 가교제를 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.01 내지 0.15 중량%의 양으로 사용하는 것이 바람직하다. 가교반응은 0 내지 60℃, 바람직하게는 10 내지 50℃ 범위에서 1 내지 5시간 동안 수행할 수 있다. 바람직하게는 가교반응시 반응촉매를 사용할 수 있는데, 예를 들어 가교반응이 에스테르 결합인 경우에는 1-[3-(디메틸아미노)프로필]-3-에틸카보디이미드 하이드로클로라이드(EDC)를, 가교반응이 에테르 결합인 경우는 NaH 또는 PPh3을 사용할 수 있다.
상기 가교제로는 N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES), N,N-비스(2-하이드록시에틸)-3-아미노-2-하이드록시프로판설폰산 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명에서는, 폴리아미드산에 가교제를 첨가하는 대신에, 하나 이상의 -CO- 또는 -O- 작용기를 갖는 방향족 디아민 성분과 둘 이상의 -CO- 또는 -O- 작용기를 갖는 설폰산 유도체 가교제를 유기극성용매 중에서 반응시킨 다음, 여기에 방향족 산 이무수물 성분을 첨가하고 공중합시켜 가교화된 폴리아미드산을 얻을 수 있으며, 필요에 따라, 이렇게 얻은 가교화된 폴리아미드산을 다른 또는 같은 종류의 방향족 디아민 및 방향족 산 이무수물을 공중합시켜 얻은 폴리아미드산과 혼합하여 사용할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조된 가교화된 공중합 폴리아미드산은 통상적으로 5 내지 35 중량%, 바람직하게는 10 내지 30 중량%, 더욱 바람직하게는 15 내지 25 중량%의 농도를 갖는 용액이다. 이 폴리아미드산의 바람직한 수평균 분자량(Mn)은 10,000 내지 1,000,000 이고, 점도는 1,500 내지 3,500 Poise(브룩필 드(Brookfield)형 점도계)이다.
폴리아미드산은 이어서 통상의 열 경화법 또는 화학적 경화법에 의해 이미드화되어 가교화된 공중합 폴리이미드로 변환된다. 열 경화법은 탈수제나 이미드화 촉매 등을 사용하지 않고 가열만으로 이미드화 반응을 진행시키는 방법이며, 화학적 경화법은 폴리아미드산 유기용매 용액에 탈수제, 이미드화 촉매 또는 이들 둘 다를 투입하여 반응시키는 방법이다.
이미드화를 열 경화법에 의해 수행하는 경우, 폴리아미드산 용액을 지지판, 가열드럼 또는 연속벨트 등의 지지체 위에 도포하여 막 형상으로 만든 다음, 이를 건조시켜 자기 지지성을 갖는 막(겔 필름)을 얻는다. 이때, 건조는 약 150℃ 이하의 온도에서 약 10 내지 60분간 행하는 것이 바람직하다. 이어서, 상기 막의 단부를 고정하고 가열하여 이미드화시켜 목적하는 폴리이미드 필름을 제조할 수 있다. 가열 온도는 150 내지 600℃ 범위가 바람직하며, 특히 250 내지 500℃가 바람직하다.
이미드화를 화학적 경화법에 의해 수행하는 경우, 폴리이미드산 용액에 첨가되는 탈수제로는 지방족 산무수물, 방향족 산무수물, N,N'-디알킬카보디이미드, 저급지방족 할로겐화물, 할로겐화 저급지방족 화합물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 이 중 지방족 산무수물이 바람직하다. 지방족 산무수물로는 무수초산, 무수프로피온산, 무수부티르산 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 좋다. 상기 탈수제는 폴리아미드산에 대해 1 내지 10몰 당량, 바람직하게는 1.5 내지 8몰 당량, 더욱 바람직하게는 2 내지 5몰 당량의 비율로 사용할 수 있다. 이 범위를 벗어나면 화학이미드화율이 적합한 범위를 하회하거나 지지체로부터의 이형성이 악화될 수 있다.
이미드화를 효과적으로 진행시키기 위해서는, 탈수제와 이미드화 촉매를 동시에 사용하는 것이 바람직하다. 이미드화 촉매로 사용되는 3급 아민으로는 지방족 3급 아민, 방향족 3급 아민, 복소환식 3급 아민 등이 있으며, 이 중 복소환식 3급 아민을 사용하는 것이 바람직하다. 복소환식 3급 아민으로는 퀴놀린, 이소퀴놀린, β-피콜린, 피리딘 등이 있다. 상기 이미드화 촉매는 폴리아미드산에 대해 0.1 내지 2몰 당량, 바람직하게는 0.2 내지 1.8몰 당량, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 1.5몰 당량의 비율로 사용할 수 있다.
화학적 경화법의 경우, 탈수제 및 이미드화 촉매를 폴리아미드산 용액 중에 혼합하고, 이를 지지판, 가열드럼 또는 연속벨트 등의 지지체 위에 도포 또는 캐스팅한 후, 지지체 상에서 50 내지 200℃, 바람직하게는 70 내지 150℃의 온도 범위에서 가열하여 탈수제 및 촉매를 활성화함으로써 부분적으로 경화 및 건조를 수행하여 자기 지지성을 갖는 막(겔 필름)을 얻는다. 이어, 상기 막의 단부를 고정하고, 남은 아미드산을 완전히 이미드화하기 위하여 200 내지 600℃의 온도에서 3 내지 30분 동안 가열하여 탈수 폐환 건조함으로써 목적하는 폴리이미드 필름을 제조할 수 있다. 이때, 상기 온도보다 높거나 시간이 길어지면 필름의 열화가 발생하기 쉽고, 반대로 이 온도보다 낮거나 시간이 짧으면 소정의 효과가 발현되기 어렵다.
상기와 같이 제조된 폴리이미드 필름의 평균 두께는 7.5 내지 125㎛ 범위일 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 가교화된 공중합 폴리이미드 필름은 탄성율이 500 내지 800Kg/㎟, 바람직하게는 500 내지 700Kg/㎟이다. 폴리이미드 필름의 탄성율이 상기 범위보다 낮은 경우, 금속 배선이 형성된 가요성 배선판 표면에 IC, LSI를 적층할 경우 고온으로 가열함으로써 접착시에 필름이 느슨해질 수 있다.
100 내지 200℃에서의 기계적 방향(MD)과 폭 방향(TD)의 평균 열팽창계수에 대해, 본 발명의 폴리이미드 필름은 바람직하게는 1 내지 30ppm/℃, 더욱 바람직하게는 5 내지 20ppm/℃의 값을 갖는다. 열팽창계수가 상기 범위보다 큰 경우에는 금속 배선 간격의 확대가 커지고 접착이 불량해지며, 열팽창계수가 상기 범위 내에 속하면, 예를 들면 온도가 높은 상태에서 금속 적층판 중의 폴리이미드 필름의 알칼리 에칭을 행한 경우에 열팽창에 의한 알칼리 에칭 마스크와의 어긋남을 방지하고, 알칼리 에칭시에 에칭액이 스며드는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 폴리이미드 필름은 300℃에서의 MD 및 TD의 평균 열수축률이 -0.1 내지 1.0%의 범위이다. 상기 범위 내에 속하면, 미세한 배선 상에 IC나 LSI 등의 전자 부품을 실장하기 위해 가열하더라도 필름의 수축률을 허용 범위내로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 폴리이미드 필름의 흡습율은 바람직하게는 3.0% 이하, 더욱 바람직하게는 2.0% 이하, 더욱 더 바람직하게는 1.8% 이하, 특히 바람직하게는 1.5% 이하이며, 흡습팽창계수는 2 내지 20ppm/%RH인 것이 바람직하다. 흡습팽창계수가 상기의 범위 내에 속하면, 예를 들면 폴리이미드 필름상의 금속 배선과 IC 나 LSI를 접착시키는 경우에 접착 불량을 방지할 수 있으나, 흡습팽창계수가 상기 범 위를 초과할 경우에는 필름을 땜납욕 중에 침지시 폴리이미드 필름 내부의 흡수 성분이 방출되고, 흡수량의 변화에 의한 필름 수축이 발생되게 된다. 이 현상은 금속 배선의 어긋남으로 연결되어 단락이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해서, 땜납욕 공정시 습도관리를 철저하게 하는 등의 대책이 강구되고 있지만, 폴리이미드 필름의 흡습에 의한 팽창계수가 작을수록 이 작업을 간소화할 수 있다.
패턴 밀도와 신뢰도를 개선시키는 측면에서, 필름 형성을 위한 가열 단계 및 구리-접합 적층물의 에칭, 세척 및 건조 단계에서의 치수 변화를 제어하기 위해 본 발명의 폴리이미드 필름은 흡습팽창계수가 작고 열팽창계수가 작은 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 가교화된 공중합 폴리이미드 필름은 치수안정성이 강화되고, 열팽창계수, 흡습률 및 흡습팽창계수가 낮고, 탄성율이 높으며, 접착력이 우수하여 가요성 배선판, COF용 베이스 필름, TAB 테이프, 고밀도 기록매체용 베이스 필름 또는 PVD 2층 금속 적층판 등의 전자재료 분야에 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
본 실시예에서는, 반응용기로서 스테인레스 제조 분리형 플라스크를 구비하고, 이 분리형 플라스크 내의 교반 장치로서 2개의 패들 날개를 구비하고, 냉각 장치로서 20.9kJ/분의 냉각 능력을 갖는 장치를 구비한 반응 장치를 사용하여 가교화된 공중합 폴리아미드산을 제조하였다. 중합 반응 중에는 수분의 혼입을 막기 위해 실리카겔을 통과한 탈수된 질소 가스를 0.05L/분으로 유입하였다.
상기 분리형 플라스크에 디메틸포름아마이드(DMF) 용액을 넣고, 여기에 피로멜리트산 이무수물(PMDA)과 4,4-디아미노디페닐에테르(ODA)를 1/1의 비율로 첨가하여 폴리아미드산을 합성하였다. 18.5 중량% 농도의 폴리아미드산 용액에, 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.1 중량%의 N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 디메틸포름아마이드(DMF)에 충분히 녹인 것을 천천히 주입하고 40℃의 온도에서 2시간 동안 가교반응시켰다.
상기에서 얻어진 폴리아미드산 용액에 무수초산(AA) 5몰 당량(폴리아미드산 기준)과 이소퀴놀린(IQ) 1몰 당량(폴리아미드산 기준)을 혼합하여, 그 혼합액을 알루미늄판 상에 균일 두께로 유연 도포하고, 90℃에서 42초, 110℃에서 2분, 130℃에서 3분 12초 동안 단계별로 건조시켰다.
이 후 얻어진 폴리아미드산 도막(겔 필름)을 알루미늄 판에서 박리하여 그 도막을 지지 플레임에 핀으로 고정한 후, 250℃에서 5분, 450℃에서 5분 동안 가열하여 탈수 폐환하여 두께 25㎛의 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
실시예 2
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.05 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
실시예 3
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.03 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
실시예 4
피로멜리트산 이무수물(PMDA), 4,4-디아미노디페닐에테르(ODA) 및 파라페닐렌디아민(PPD)을 4/3/1의 비율로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
실시예 5
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.05 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법을 수행하여 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
실시예 6
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.03 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법을 수행하여 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
실시예 7
피로멜리트산 이무수물(PMDA), 비페닐 테트라카르복실산 이무수물(BPDA), 4,4-디아미노디페닐에테르(ODA) 및 파라페닐렌디아민(PPD)을 3/1/3/1의 비율로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
실시예 8
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.05 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일한 방법을 수행하여 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
실시예 9
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.03 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일한 방법을 수행하여 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
실시예 10
피로멜리트산 이무수물(PMDA), 비페닐 테트라카복실산 이무수물(BPDA), 비스아미노페녹시페닐설폰(BAPS) 및 파라페닐렌디아민(PPD)을 3/1/3/1의 비율로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
실시예 11
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.05 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 10과 동일한 방법을 수행하여 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
실시예 12
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.03 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 10과 동일한 방법을 수행하여 가교화된 폴리이미드 필름을 얻었다.
비교예 1
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 사용하지 않은 것(가교반응을 수행하지 않은 것)을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하 여 폴리이미드 필름을 얻었다.
비교예 2
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.2 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 폴리이미드 필름을 얻었다.
비교예 3
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 사용하지 않은 것(가교반응을 수행하지 않은 것)을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법을 수행하여 폴리이미드 필름을 얻었다.
비교예 4
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.2 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법을 수행하여 폴리이미드 필름을 얻었다.
비교예 5
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 사용하지 않은 것(가교반응을 수행하지 않은 것)을 제외하고는 실시예 7과 동일한 방법을 수행하 여 폴리이미드 필름을 얻었다.
비교예 6
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.2 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일한 방법을 수행하여 폴리이미드 필름을 얻었다.
비교예 7
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 사용하지 않은 것(가교반응을 수행하지 않은 것)을 제외하고는 실시예 10과 동일한 방법을 수행하여 폴리이미드 필름을 얻었다.
비교예 8
N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES) 분말을 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.2 중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 10과 동일한 방법을 수행하여 폴리이미드 필름을 얻었다.
시험예
상기 실시예 1 내지 12 및 비교예 1 내지 8에서 제조된 폴리이미드 필름들의 각종 성능 평가는 다음과 같은 방법으로 실시하였다.
(1) 열팽창계수 (ppm/℃)
장치: TMA - 2940 (TA사)
온도 프로파일: 20∼400℃
가열속도: 10℃/분
샘플크기: 5 × 20mm
하중: 3g
(2) 흡습팽창계수:식[흡습팽창계수(ppm/%RH) = [(L1-L2) ÷ L1] ÷ (80-30) × 106]
필름 치수 (L1)
방치온도: 50℃
상대습도: 30%Rh
방치시간: 24hr
필름 치수 (L2)
방치온도: 50℃
상대습도: 80%RH
방치시간: 24hr
샘플: 5㎜ × 20㎜, 가중 하중: 3g
(3) 흡습율
폴리이미드 필름을 150℃에서 30분간 건조시켜 중량을 측정하였다(W1). 이어, 이 필름을 24시간 증류수에 침지한 후, 표면의 물방울을 닦고 다시 중량을 측정하였다(W2). 측정된 W1과 W2로부터 식[흡습율(%) = (W2 - W1)/W1 × 100]에 의해 흡습율을 산출하였다.
(4) 인장특성(인장강도, 신도, 탄성율) : ASTM D882
(5) 열수축률
샘플: 15㎝(TD: 필름의 폭 방향) × 25㎝(MD: 필름의 길이 방향)
방치온도: 20℃
방치습도: 60%RH
방치시간: 24hr
폴리이미드 필름을 상기 조건 하에 방치한 후 필름의 4변의 길이를 측정하였다(TD방향의 길이: TD1, TD2, MD방향의 길이: MD1, MD2). 이어, 필름을 알루미늄 호일로 덮고 필름이 중첩되지 않는 것을 확인한 후에 필름을 300℃에서 2시간 동안 가열하였다. 가열 후 필름을 20℃, 습도 60% RH 유지된 챔버에 30분 동안 방치하여 다시 4변의 길이를 측정하였다(TD방향의 길이: TD1', TD2', MD방향의 길이: MD1', MD2'). 측정된 길이들로부터 하기 식에 의해 열수축률을 산출하였다.
TD 방향의 열수축률(%) = [(TD1-TD1')/TD1 + (TD2-TD2')/TD2]/2 × 100
MD 방향의 열수축률(%) = [(MD1-MD1')/MD1 + (MD2-MD2')/MD2]/2 × 100
Figure 112007008528217-PAT00006
상기 표 1의 결과로부터, 본 발명에 따른 실시예에서 제조된 폴리이미드 필름은 100 내지 200℃에서의 기계적 방향(MD)와 폭 방향(TD)의 평균 열팽창계수가 5 내지 20ppm/℃의 범위 내이고, 300℃에서의 MD와 TD의 평균 열수축률이 -0.1 내지 1.0%의 범위에 있으며, 탄성율이 500 내지 700Kg/㎟의 범위 내이고, 흡습율이 3.0% 이하이고, 흡습팽창계수가 2 내지 20ppm/%RH의 범위로서, 비교예에서 제조된 필름과 비교시 물성이 전반적으로 우수함을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 가교화된 공중합 폴리이미드 필름은 우수한 열적 치수 안정성과 내열성을 가지며, 흡습율 및 흡습팽창계수가 낮고, 탄성률이 높을 뿐 아니라, 온도 및 기타 공정조건의 변경에 의한 꼬임, 비틀어짐, 휨 등이 없어, 가요성 배선판 등의 전자 재료 분야에 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (17)

  1. 주 반복단위가 가교화된 폴리아미드산으로부터 유도된, 하기 화학식 1의 구조로 나타내어지는 가교화된 폴리이미드 필름:
    화학식 1
    Figure 112007008528217-PAT00007
    상기 식에서,
    A1 내지 A4는 각각 독립적으로 방향족 산 이무수물로부터 유도된 잔기(moiety)이고;
    Ar1 내지 Ar4는 각각 독립적으로 방향족 디아민으로부터 유도된 잔기로서, Ar1 및 Ar3은 하나 이상의 -CO- 또는 -O- 작용기를 갖는 방향족 디아민으로부터 유도되며;
    B는 둘 이상의 -CO- 또는 -O- 작용기를 갖는 설폰산 유도체로부터 유도된 잔기이고;
    x 및 x'는 각각 독립적으로 2 내지 20 범위의 정수이고;
    y 및 y'는 각각 독립적으로 2 내지 30 범위의 정수이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    A1 내지 A4 및 Ar1 내지 Ar4가 각각 독립적으로 하이드록시, C1-10 알킬, C1-10 알콕시 또는 할로겐 원자로 치환되거나 치환되지 않은 하나 이상의 C6-10 방향족 환 잔기로서, 둘 이상일 경우 환 사이에 임의적으로 S, O, NH, C1-4 알킬렌, CH(OH), CO, SO2 및 C(O)NH 중에서 선택된 하나 이상의 결합을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름.
  3. 제 2 항에 있어서,
    A1 내지 A4가 각각 독립적으로 하기 구조들 중에서 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름.
    Figure 112007008528217-PAT00008
    Figure 112007008528217-PAT00009
  4. 제 2 항에 있어서,
    Ar1 및 Ar3가 각각 독립적으로 하기 구조들 중에서 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름.
    Figure 112007008528217-PAT00010
  5. 제 2 항에 있어서,
    Ar2 및 Ar4가 각각 독립적으로 하기 구조들 중에서 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름.
    Figure 112007008528217-PAT00011
    Figure 112007008528217-PAT00012
  6. 제 2 항에 있어서,
    B가 하기 구조들 중에서 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름.
    Figure 112007008528217-PAT00013
  7. 제 1 항에 있어서,
    B가 가교화된 폴리이미드 중에 0.01 내지 0.15 중량%의 양으로 포함되는 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름.
  8. 제 1 항에 있어서,
    폴리아미드산이 5 내지 35 중량%의 농도의 용액 형태인 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름.
  9. 제 1 항에 있어서,
    폴리아미드산의 수평균 분자량(Mn)이 10,000 내지 1,000,000 이고, 점도가 1,500 내지 3,500 Poise(브룩필드형 점도계)인 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름.
  10. 제 1 항에 있어서,
    100 내지 200℃에서의 기계적 방향(MD)와 폭 방향(TD)의 평균 열팽창계수가 5 내지 20ppm/℃의 범위이고, 300℃에서의 MD와 TD의 평균 열수축률이 -0.1 내지 1.0%의 범위인 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름.
  11. 제 1 항에 있어서,
    탄성율이 500 내지 700Kg/㎟의 범위인 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름.
  12. 제 1 항에 있어서,
    흡습율이 3.0% 이하이고, 흡습팽창계수가 2 내지 20ppm/%RH의 범위인 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름.
  13. (a) 방향족 산 이무수물 성분과 방향족 디아민 성분을 유기극성용매 중에서 공중합시켜 폴리아미드산 용액을 얻는 단계,
    (b) 상기 폴리아미드산 용액에, 둘 이상의 -CO- 또는 -O- 작용기를 갖는 설폰산 유도체를 가교제로서 첨가하여 가교화된 폴리아미드산을 얻는 단계, 및
    (c) 상기 가교화된 폴리아미드산을 경화시켜 겔 필름을 얻고, 이를 가열하는 단계 를 포함하는, 제 1 항에 따른 가교화된 폴리이미드 필름의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    단계 (b)에서, 가교제를 폴리아미드산의 중량을 기준으로 0.01 내지 0.15 중량%의 양으로 첨가하는 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름의 제조방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    단계 (b)에서, 가교제를 첨가하여 0 내지 60℃에서 1 내지 5시간 동안 가교반응을 수행하는 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름의 제조방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    단계 (b)에서 첨가하는 가교제가 N,N-비스(2-하이드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산(BES), N,N-비스(2-하이드록시에틸)-3-아미노-2-하이드록시프로판설폰산 및 이들의 혼합물로부터 선택된 것임을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름의 제조방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    단계 (c)에서, 가교화된 폴리아미드산을 열 경화시키거나, 탈수제, 이미드화 촉매 또는 이들 둘 다를 첨가하여 화학적으로 경화시키는 것을 특징으로 하는, 가교화된 폴리이미드 필름의 제조방법.
KR1020070008810A 2007-01-29 2007-01-29 가교화된 폴리이미드 필름 및 이의 제조방법 Ceased KR20080070924A (ko)

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