JP7593325B2 - ポリイミド樹脂組成物、ポリイミドワニス及びポリイミドフィルム - Google Patents
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Description
画像表示装置において、表示素子から発せられる光がプラスチック基板を通って出射されるような場合、プラスチック基板には無色透明性が要求され、さらに、位相差フィルムや偏光板を光が通過する場合(例えば、液晶ディスプレイ、タッチパネル等)は、無色透明性に加えて、光学的等方性が高い(即ち、Rthが低い)ことも要求される。
(1)ポリイミド樹脂/支持体を含む構成体を得て、その後支持体側からレーザーを照射することにより、ポリイミド樹脂界面をアブレーション加工することにより、ポリイミド樹脂を剥離する方法(例えば特許文献1を参照)。レーザーの種類としては、固体(YAG)レーザー、ガス(UVエキシマー)レーザーがあり、308nm等のスペクトルが用いられる。
(2)支持体に樹脂組成物を塗工する前に、支持体に剥離層を形成し、その後ポリイミド樹脂膜/剥離層/支持体を含む構成体を得て、ポリイミド樹脂膜を機械的に剥離する方法(例えば特許文献2を参照)。剥離層としては、パリレン(登録商標、日本パリレン合同会社製)、酸化タングステンを用いた方法や、植物油系、シリコーン系、フッ素系、アルキッド系の離型剤を用いた方法等がある。また、上記(1)に記載のレーザー照射を併用する場合もある。
特許文献3の方法では、電子素子を形成する際には、接着力を低減させないように接着層が水分と接触するのを防ぐために、接着層が露出する箇所を封止する封止層を形成する必要があった。一方、電子素子を形成した後で電子デバイスを剥離する際には、接着層に水分を接触させるために、剥離前に封止層を除去する必要があった。したがって、特許文献3の方法は全体的に煩雑なプロセスであった。さらに、水分に接触させるために湿度90%以上の高湿度環境下に設置する必要があり、水分率のコントロールが難しく、安定的な剥離性を確保することが難しいという課題があった。さらに特許文献3で使用されたポリイミドは分子内電荷移動相互作用の強いフェニレンジアミンを用いていることから着色しやすいため透明性が低く、またポリマー分子が配列しやすい構造であることから、光学的等方性の低いものであった。
このように、前記の方法によれば、損傷や剥離層の追加、ポリマーの特性によって、フィルムの無色透明性や光学的等方性等の光学的特性が低下し、歩留まりも悪化する傾向にあった。
そこで、本発明は、無色透明性及び光学的等方性に優れ、更に基板からの剥離性に優れるフィルムを形成することができるポリイミド樹脂組成物、並びに該ポリイミド樹脂組成物を含むポリイミドワニス及びポリイミドフィルムを提供することを課題とする。
<1> ポリイミド樹脂と、少なくとも2つのオキサゾリル基を有する架橋剤とを含むポリイミド樹脂組成物であって、前記ポリイミド樹脂が、テトラカルボン酸二無水物に由来する構成単位A及びジアミンに由来する構成単位Bを有するポリイミド樹脂であり、構成単位Bが、スルホニル基を構造中に有するジアミンに由来する構成単位(B-1)と、下記式(b-2)で表される化合物に由来する構成単位(B-2)とを含む、ポリイミド樹脂組成物。
(式(b-2)中、Xは単結合、置換若しくは無置換のアルキレン基、カルボニル基、エーテル基、下記式(b-2-i)で表される基、又は下記式(b-2-ii)で表される基であり、pは0~2の整数であり、m1は0~4の整数であり、m2は0~4の整数である。ただし、pが0の場合、m1は1~4の整数である。)
(式(b-2-i)中、m3は0~5の整数であり;式(b-2-ii)中、m4は0~5の整数である。なお、m1+m2+m3+m4は1以上であり、pが2の場合、2つのX及び2つのm2~m4のそれぞれは独立して選択される。)
<2> 構成単位(B-2)が、下記式(b-21)で表される化合物に由来する構成単位(B-21)である、上記<1>に記載のポリイミド樹脂組成物。
<3> 構成単位(B-1)が、下記式(b-11)で表される化合物に由来する構成単位(B-11)、下記式(b-12)で表される化合物に由来する構成単位(B-12)、及び下記式(b-13)で表される化合物に由来する構成単位(B-13)からなる群から選ばれる少なくとも1つである、上記<1>又は<2>に記載のポリイミド樹脂組成物。
<4> 構成単位Aが、下記式(a-1)で表される化合物に由来する構成単位(A-1)、及び下記式(a-2)で表される化合物に由来する構成単位(A-2)からなる群から選ばれる少なくとも1つを含む、上記<1>~<3>のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物。
<5> 構成単位Bが、下記式(b-3)で表される化合物に由来する構成単位(B-3)を更に含む、上記<1>~<4>のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物。
(式(b-3)中、Z1及びZ2はそれぞれ独立に、酸素原子を含んでもよい2価の脂肪族基、又は2価の芳香族基を示し、R1及びR2はそれぞれ独立に1価の芳香族基又は1価の脂肪族基を示し、R3及びR4はそれぞれ独立に1価の脂肪族基を示し、R5及びR6は、それぞれ独立に1価の脂肪族基又は1価の芳香族基を示し、m及びnはそれぞれ独立に1以上の整数を示し、mとnとの和は2~1000の整数を示す。但し、R1及びR2の少なくとも一方は1価の芳香族基を示す。)
<6> 構成単位Bが、下記式(b-4)で表される化合物に由来する構成単位(B-4)を更に含む、上記<1>~<5>のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物。
<7> 前記架橋剤が、少なくとも2つのオキサゾリル基が結合した芳香環又は芳香族複素環を含む化合物である、上記<1>~<6>のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物。
<8> 前記架橋剤が、少なくとも2つのオキサゾリル基が結合したベンゼン環を含む化合物である、上記<1>~<7>のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物。
<9> 前記架橋剤が、1,3-ビス(4,5-ジヒドロ-2-オキサゾリル)ベンゼンである、上記<1>~<8>のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物。
<10> 上記<1>~<9>のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物が有機溶媒に溶解してなるポリイミドワニス。
<11> 上記<1>~<9>のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物中の前記ポリイミド樹脂が前記架橋剤により架橋されてなる、ポリイミドフィルム。
本発明のポリイミド樹脂組成物はポリイミド樹脂と架橋剤とを含む。以下、本発明におけるポリイミド樹脂及び架橋剤について説明する。
なお、本発明のポリイミド樹脂組成物が無色透明性、光学的等方性といった光学特性を維持しつつ、剥離性に優れる理由は定かではないが、主鎖にスルホニル基を有するジアミンモノマー由来の屈曲したポリマー分子構造によりイミド間のスタッキングが阻害され、光学的等方性等の光学特性に優れ、得られるポリイミドフィルムの残留応力を低くすることができるため、剥離性に優れると考えられる。
本発明のポリイミド樹脂組成物に含まれるポリイミド樹脂は、テトラカルボン酸二無水物に由来する構成単位A及びジアミンに由来する構成単位Bを有し、構成単位Bが、スルホニル基を構造中に有するジアミンに由来する構成単位(B-1)と、下記式(b-2)で表される化合物に由来する構成単位(B-2)とを含む。
(式(b-2)中、Xは単結合、置換若しくは無置換のアルキレン基、カルボニル基、エーテル基、下記式(b-2-i)で表される基、又は下記式(b-2-ii)で表される基であり、pは0~2の整数であり、m1は0~4の整数であり、m2は0~4の整数である。ただし、pが0の場合、m1は1~4の整数である。)
(式(b-2-i)中、m3は0~5の整数であり;式(b-2-ii)中、m4は0~5の整数である。なお、m1+m2+m3+m4は1以上であり、pが2の場合、2つのX及び2つのm2~m4のそれぞれは独立して選択される。)
構成単位Aは、ポリイミド樹脂に占めるテトラカルボン酸二無水物に由来する構成単位である。
構成単位Aとしては、下記式(a-1)で表される化合物に由来する構成単位(A-1)、及び下記式(a-2)で表される化合物に由来する構成単位(A-2)からなる群から選ばれる少なくとも1つを含むことが好ましく、構成単位(A-2)を含むことがより好ましい。構成単位(A-2)を含むことで、無色透明性と光学的等方性を向上させることができ、残留応力も低減することができる。
一方、特に無色透明性と耐熱性の点からは、構成単位(A-1)を含むことがより好ましい。
構成単位Aは、構成単位(A-1)及び(A-2)に加えて、両末端酸無水物変性シリコーンに由来する構成単位(A-3)を含んでもよい。
前記両末端酸無水物変性シリコーンとしては、下記式(a-3)で表される化合物が好ましい。
(式(a-3)中、
R31~R36は、それぞれ独立して、炭素数1~20の一価の炭化水素基であり、
L31及びL32は、それぞれ独立して、単結合又は炭素数1~20の二価の炭化水素基であり、
Z31及びZ32は、それぞれ独立して、炭素数1~20の三価の炭化水素基であり、
n3は、1~200である。)
炭素数1~20の一価の炭化水素基としては、炭素数1~20のアルキル基、炭素数3~20のシクロアルキル基、炭素数6~20のアリール基、炭素数7~20のアラルキル基、炭素数2~20のアルケニル基等が挙げられる。
炭素数1~20のアルキル基としては、炭素数1~10のアルキル基が好ましく、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t-ブチル基、ペンチル基、及びヘキシル基が挙げられる。炭素数3~20のシクロアルキル基としては、炭素数3~10のシクロアルキル基が好ましく、例えば、シクロペンチル基及びシクロヘキシル基が挙げられる。炭素数6~20のアリール基としては、炭素数6~10のアリール基が好ましく、例えば、フェニル基及びナフチル基が挙げられる。炭素数7~20のアラルキル基としては、炭素数7~10のアラルキル基が好ましく、例えば、ベンジル基及びフェネチル基が挙げられる。炭素数2~20のアルケニル基としては、炭素数2~10のアルケニル基が好ましく、例えば、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、及びブテニル基が挙げられる。
炭素数1~20の二価の炭化水素基としては、炭素数1~20のアルキレン基、炭素数3~20のシクロアルキレン基、炭素数6~20のアリーレン基等が挙げられる。
炭素数1~20のアルキレン基としては、炭素数1~10のアルキレン基が好ましく、例えば、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、及びヘキシレン基が挙げられる。
炭素数3~20のシクロアルキレン基としては、炭素数3~10のシクロアルキレン基が好ましく、例えば、シクロブチレン基、シクロペンチレン基、シクロヘキシレン基、及びシクロヘプチレン基が挙げられる。
炭素数6~20のアリーレン基としては、炭素数6~10のアリーレン基が好ましく、例えば、フェニレン基及びナフチレン基が挙げられる。
式(a-3)におけるZ31及びZ32は、それぞれ独立して、好ましくは、下記式(a-3-i)で表される基、下記式(a-3-ii)で表される基、下記式(a-3-iii)で表される基、及び下記式(a-3-iv)で表される基からなる群より選ばれる。
構成単位Aが構成単位(A-3)を更に含むことによって、フィルムの残留応力を低く維持しながら、無色透明性を向上することができる。
なお、本明細書において、芳香族テトラカルボン酸二無水物とは芳香環を1つ以上含むテトラカルボン酸二無水物を意味し、脂環式テトラカルボン酸二無水物とは脂環を1つ以上含み、かつ芳香環を含まないテトラカルボン酸二無水物を意味し、脂肪族テトラカルボン酸二無水物とは芳香環も脂環も含まないテトラカルボン酸二無水物を意味する。
構成単位Aに任意に含まれる構成単位(A-1)及び(A-2)以外の構成単位は、1種でもよいし、2種以上であってもよい。
構成単位Bは、ポリイミド樹脂に占めるジアミンに由来する構成単位であって、スルホニル基を構造中に有するジアミンに由来する構成単位(B-1)と、下記式(b-2)で表される化合物に由来する構成単位(B-2)とを含む。
(式(b-2)中、Xは単結合、置換若しくは無置換のアルキレン基、カルボニル基、エーテル基、下記式(b-2-i)で表される基、又は下記式(b-2-ii)で表される基であり、pは0~2の整数であり、m1は0~4の整数であり、m2は0~4の整数である。ただし、pが0の場合、m1は1~4の整数である。)
(式(b-2-i)中、m3は0~5の整数であり;式(b-2-ii)中、m4は0~5の整数である。なお、m1+m2+m3+m4は1以上であり、pが2の場合、2つのX及び2つのm2~m4のそれぞれは独立して選択される。)
なお、式(b-2-i)及び(b-2-ii)中、「*」は結合位置を示す。
式(b-11)で表される化合物は、ビス(3-アミノフェニル)スルホン(3,3’-DDS)であり、式(b-12)で表される化合物は、ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン(BAPS)であり、式(b-13)で表される化合物は、ビス[4-(3-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン(BAPS-M)である。
本発明の組成物に用いられるポリイミド樹脂が、式(b-11)、式(b-12)及び式(b-13)で表される化合物からなる群から選ばれる少なくとも一つのジアミン由来の構成単位を含むことで、得られるポリイミドフィルムの無色透明性及び光学的等方性が向上する。
スルホニル基を有するジアミンを用いることでポリマー分子鎖の屈曲性に影響し、ポリイミドフィルムの剥離性に影響を及ぼすものと考えられる。さらに、ジアミン中のスルホニル基は分子内電荷移動を阻害し、電子の共役を阻害するためポリイミドフィルムとした際の無色透明性及び光学的等方性が向上するものと考えられる。
構成単位B中における構成単位(B-2)の比率は、好ましくは5~85モル%であり、より好ましくは5~80モル%であり、更に好ましくは10~50モル%であり、より更に好ましくは15~30モル%である。
構成単位B中における構成単位(B-1)及び(B-2)の合計の比率は、好ましくは50モル%以上であり、より好ましくは70モル%以上であり、更に好ましくは90モル%以上である。構成単位(B-1)及び(B-2)の合計の比率の上限値は特に限定されず、即ち、100モル%である。構成単位Bは構成単位(B-1)と構成単位(B-2)とのみからなっていてもよい。
なお、式(b-3)において、[ ]によって並列記載されている2以上の異なる繰り返し単位は、それぞれランダム状、交互状又はブロック状のいずれの形及び順序で繰り返されていてもよい。
2価の飽和脂肪族基としては炭素数1~20のアルキレン基が挙げられ、例えば、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ヘキサメチレン基、オクタメチレン基、デカメチレン基、ドデカメチレン基等が例示できる。
2価の不飽和脂肪族基としては、炭素数2~20のアルキレン基が挙げられ、例えば、ビニレン基、プロペニレン基、末端に不飽和二重結合を有するアルキレン基が例示できる。
酸素原子を含む脂肪族基としては、アルキレンオキシ基、エーテル結合を有する脂肪族基が挙げられる。
2価の芳香族基としては炭素数6~20のアリーレン基、炭素数7~20のアラルキレン基等が例示できる。Z1及びZ2における炭素数6~20のアリーレン基の具体例としては、o-フェニレン基、m-フェニレン基、p-フェニレン基、4,4’-ビフェニリレン基、2,6-ナフチレン基等が挙げられる。
式(b-3)におけるZ1及びZ2としては、特に、トリメチレン基、p-フェニレン基が好ましく、トリメチレン基がより好ましい。
式(b-3)のR1、R2、R5及びR6における1価の芳香族基としては、炭素数6~20のアリール基、炭素数7~30であり、かつアルキル基で置換されたアリール基、炭素数7~30のアラルキル基等が例示できる。1価の芳香族基としては、アリール基が好ましく、フェニル基がより好ましい。
式(b-3)におけるR1及びR2の少なくとも一方は1価の芳香族基を示すが、R1及びR2がともに1価の芳香族基であることが好ましく、R1及びR2がともにフェニル基であることがより好ましい。
式(b-3)におけるR3及びR4としては、炭素数1~6のアルキル基が好ましく、メチル基がより好ましい。
式(b-3)におけるR5及びR6としては、1価の脂肪族基が好ましく、メチル基がより好ましい。
(式(b-31)中、m及びnは式(b-3)のm及びnとそれぞれ同義であり、好ましい範囲も同様である。)
式(b-3)におけるm及びnはそれぞれ独立に1以上の整数を示し、m及びnの和(m+n)は2~1000の整数を示す。m及びnの和は、好ましくは3~500の整数、より好ましくは3~100、更に好ましくは3~50の整数を示す。
式(b-3)におけるm/nの比は、好ましくは5/95~50/50、より好ましくは10/90~40/60、更に好ましくは20/80~30/70である。
なお、官能基当量とは、官能基(アミノ基)1モルあたりの式(b-3)で表される化合物の質量を意味する。
なお、本明細書において、芳香族ジアミンとは芳香環を1つ以上含むジアミンを意味し、脂環式ジアミンとは脂環を1つ以上含み、かつ芳香環を含まないジアミンを意味し、脂肪族ジアミンとは芳香環も脂環も含まないジアミンを意味する。
構成単位Bに任意に含まれる構成単位(B-1)~(B-4)以外の構成単位は、1種でもよいし、2種以上であってもよい。
ポリイミド樹脂は、ポリイミド鎖(構成単位Aと構成単位Bとがイミド結合してなる構造)を主たる構造として含むことが好ましい。したがって、ポリイミド樹脂中に占めるポリイミド鎖の比率は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、更に好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは99質量%以上である。
イエローインデックス(YI)は、厚さ10μmのフィルムとした際に、好ましくは5.0以下であり、より好ましくは4.0以下であり、更に好ましくは3.0以下である。
残留応力は、好ましくは25.0MPa以下であり、より好ましくは24.0MPa以下であり、更に好ましくは22.0MPa以下である。
厚み位相差(Rth)の絶対値は、厚さ10μmのフィルムとした際に、好ましくは100nm以下、より好ましくは60nm以下、更に好ましくは35nm以下である。この範囲であると光学的等方性に優れる。
ガラス転移温度(Tg)は、好ましくは250℃以上であり、より好ましくは270℃以上であり、更に好ましくは280℃以上である。
引張弾性率は、好ましくは2.0GPa以上であり、より好ましくは2.5GPa以上であり、更に好ましくは2.6GPa以上である。
引張伸び率は、好ましくは5%であり、より好ましくは6%以上であり、更に好ましくは7%以上であり、より更に好ましくは10%以上である。
引張弾性率及び引張伸び率が前記の範囲であると、加工時にフィルムの基板からの剥離性が良好となる。
なお、本発明における上述の物性値は、具体的には実施例に記載の方法で測定することができる。
本発明において、ポリイミド樹脂は、上述の構成単位Aを与える化合物を含むテトラカルボン酸成分と、上述の構成単位(B-1)を与える化合物及び上述の構成単位(B-2)を与える化合物を含むジアミン成分とを反応させることにより製造することができる。
構成単位(A-3)を与える化合物としては、両末端酸無水物変性シリコーン(例えば、式(a-3)で表される化合物)が挙げられるが、それに限られず、同じ構成単位を与える範囲でその誘導体であってもよい。当該誘導体としては、両末端酸無水物変性シリコーンに対応するテトラカルボン酸及び当該テトラカルボン酸のアルキルエステルが挙げられる。構成単位(A-3)を与える化合物としては、両末端酸無水物変性シリコーン(即ち、二無水物)が好ましい。
テトラカルボン酸成分に任意に含まれる構成単位(A-1)を与える化合物及び構成単位(A-2)を与える化合物以外の化合物は、1種でもよいし、2種以上であってもよい。
同様に、構成単位(B-2)を与える化合物としては、式(b-2)で表される化合物が挙げられるが、それに限られず、同じ構成単位を与える範囲でその誘導体であってもよい。当該誘導体としては、式(b-2)で表されるジアミンに対応するジイソシアネートが挙げられる。構成単位(B-2)を与える化合物としては、式(b-2)で表される化合物(即ち、ジアミン)が好ましい。
ジアミン成分は、構成単位(B-2)を与える化合物を、好ましくは5~85モル%含み、より好ましくは5~80モル%含み、更に好ましくは10~50モル%含み、より更に好ましくは15~30モル%含む。
ジアミン成分は、構成単位(B-1)を与える化合物及び構成単位(B-2)を与える化合物を合計で、好ましくは50モル%以上含み、より好ましくは70モル%以上含み、更に好ましくは90モル%以上含み、特に好ましくは99モル%以上含む。構成単位(B-1)を与える化合物及び構成単位(B-2)を与える化合物の合計の含有量の上限値は特に限定されず、即ち、100モル%である。ジアミン成分は構成単位(B-1)を与える化合物と構成単位(B-2)を与える化合物とのみからなっていてもよい。
構成単位(B-3)を与える化合物としては式(b-3)で表される化合物が挙げられるが、それに限られず、同じ構成単位を与える範囲でその誘導体であってもよい。当該誘導体としては、式(b-3)で表されるジアミンに対応するジイソシアネートが挙げられる。構成単位(B-3)を与える化合物としては、式(b-3)で表される化合物(即ち、ジアミン)が好ましい。
ジアミン成分は、構成単位(B-3)を与える化合物を、好ましくは1~25モル%含み、より好ましくは2~20モル%含み、更に好ましくは3~15モル%含み、より更に好ましくは5~15モル%含み、より更に好ましくは7~15モル含む。
構成単位(B-4)を与える化合物としては式(b-4)で表される化合物が挙げられるが、それに限られず、同じ構成単位を与える範囲でその誘導体であってもよい。当該誘導体としては、式(b-4)で表されるジアミンに対応するジイソシアネートが挙げられる。構成単位(B-4)を与える化合物としては、式(b-4)で表される化合物(即ち、ジアミン)が好ましい。
ジアミン成分は、構成単位(B-4)を与える化合物を、好ましくは1~50モル%含み、より好ましくは5~45モル%含み、更に好ましくは5~40モル%含み、より更に好ましくは10~40モル%含み、より更に好ましくは10~30モル%含む。また、特に残留応力を低減させる観点からは、好ましくは1~50モル%含み、より好ましくは10~50モル%含み、更に好ましくは20~40モル%含む。
ジアミン成分に任意に含まれる構成単位(B-1)を与える化合物及び構成単位(B-2)を与える化合物以外の化合物は、1種でもよいし、2種以上であってもよい。
具体的な反応方法としては、(1)テトラカルボン酸成分、ジアミン成分、及び反応溶剤を反応器に仕込み、室温~80℃で0.5~30時間撹拌し、その後に昇温してイミド化反応を行う方法、(2)ジアミン成分及び反応溶剤を反応器に仕込んで溶解させた後、テトラカルボン酸成分を仕込み、必要に応じて室温~80℃で0.5~30時間撹拌し、その後に昇温してイミド化反応を行う方法、(3)テトラカルボン酸成分、ジアミン成分、及び反応溶剤を反応器に仕込み、直ちに昇温してイミド化反応を行う方法等が挙げられる。
エーテル系溶剤の具体例としては、1,2-ジメトキシエタン、ビス(2-メトキシエチル)エーテル、1,2-ビス(2-メトキシエトキシ)エタン、ビス〔2-(2-メトキシエトキシ)エチル〕エーテル、テトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン等が挙げられる。
また、カーボネート系溶剤の具体的な例としては、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等が挙げられる。
上記反応溶剤の中でも、アミド系溶剤又はラクトン系溶剤が好ましい。また、上記の反応溶剤は単独で又は2種以上混合して用いてもよい。
塩基触媒としては、ピリジン、キノリン、イソキノリン、α-ピコリン、β-ピコリン、2,4-ルチジン、2,6-ルチジン、トリメチルアミン、トリエチルアミン(TEA)、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリエチレンジアミン、イミダゾール、N,N-ジメチルアニリン、N,N-ジエチルアニリン等の有機塩基触媒、水酸化カリウムや水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム等の無機塩基触媒が挙げられる。
また、酸触媒としては、クロトン酸、アクリル酸、トランス-3-ヘキセノイック酸、桂皮酸、安息香酸、メチル安息香酸、オキシ安息香酸、テレフタル酸、ベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸等が挙げられる。上記のイミド化触媒は単独で又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記のうち、取り扱い性の観点から、塩基触媒を用いることが好ましく、有機塩基触媒を用いることがより好ましく、トリエチルアミンを用いることが更に好ましく、トリエチルアミンとトリエチレンジアミンを組み合わせて用いることが特に好ましい。
本発明において、架橋剤は少なくとも2つのオキサゾリル基を有する。即ち、本発明における架橋剤は、分子内に2以上のオキサゾリル基(オキサゾリン環)を有する多官能オキサゾリン化合物である。
オキサゾリル基はカルボキシル基との反応性を有しており、カルボキシル基とオキサゾリル基とが反応すると、以下に示すようにアミドエステル結合が形成される。この反応は、80℃以上に加熱すると特に進行しやすい。
架橋剤は、単独で用いてもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
なお、上記のモル比は、架橋剤に含まれるオキサゾリル基と、ポリイミド樹脂の製造に用いる構成単位(B-2)を与える化合物に含まれるカルボキシル基とのモル比を意味し、架橋剤の添加量と構成単位(B-2)を与える化合物の添加量に基づいて計算される。
本発明のポリイミド樹脂組成物の好適な一態様として、上述のポリイミド樹脂及び上述の架橋剤に加えて、有機溶媒を更に含み、当該ポリイミド樹脂が当該有機溶媒に溶解しているポリイミド樹脂組成物(以後、“ポリイミドワニス”とも呼称する)が挙げられる。
有機溶媒はポリイミド樹脂が溶解するものであればよく、特に限定されないが、ポリイミド樹脂の製造に用いられる反応溶剤として上述した化合物を、単独又は2種以上を混合して用いることが好ましい。
ポリイミドワニスは、重合法により得られるポリイミド樹脂が反応溶剤に溶解した溶液そのものに対して架橋剤を添加したものであってもよいし、又は当該溶液に対して希釈溶剤及び架橋剤を添加したものであってもよい。
本発明のポリイミドワニスの製造方法は特に限定されず、公知の方法を適用することができる。
本発明のポリイミドフィルムは、本発明のポリイミド樹脂組成物中に含まれる上述のポリイミド樹脂が上述の架橋剤により架橋されてなる。即ち、本発明のポリイミドフィルムは、架橋剤を介したポリイミド樹脂同士の架橋物である架橋ポリイミド樹脂を含む。したがって、本発明のポリイミドフィルムは、耐熱性、無色透明性及び耐薬品性に優れ、更に残留応力が低い。本発明のポリイミドフィルムが有する好適な物性値は上述の通りである。
前記ポリアミド酸ワニスに含まれるポリアミド酸は、本発明におけるポリイミド樹脂の前駆体であって、上述の構成単位Aを与える化合物を含むテトラカルボン酸成分と、上述の構成単位(B-1)を与える化合物及び上述の構成単位(B-2)を与える化合物を含むジアミン成分との重付加反応の生成物である。このポリアミド酸をイミド化(脱水閉環)することで、ポリイミド樹脂が得られる。
前記ポリアミド酸ワニスに含まれる有機溶媒としては、本発明のポリイミドワニスに含まれる有機溶媒を用いることができる。
本発明において、ポリアミド酸ワニスは、上述の構成単位Aを与える化合物を含むテトラカルボン酸成分と上述の構成単位(B-1)を与える化合物及び上述の構成単位(B-2)を与える化合物を含むジアミン成分とを反応溶剤中で重付加反応させて得られるポリアミド酸溶液そのものであってもよいし、又は当該ポリアミド酸溶液に対して更に希釈溶剤を追加したものであってもよい。
ポリアミド酸ワニスを乾燥させてポリアミド酸フィルムを得る際の加熱温度としては、好ましくは50~120℃である。ポリアミド酸を加熱によりイミド化する際の加熱温度としては好ましくは200~400℃である。
なお、イミド化の方法は熱イミド化に限定されず、化学イミド化を適用することもできる。
ポリイミドフィルムの厚みは、ポリイミドワニスの固形分濃度や粘度を調整することにより、容易に制御することができる。
実施例及び比較例で得たワニスの固形分濃度及びフィルムの各物性は以下に示す方法によって測定した。
ワニスの固形分濃度の測定は、アズワン株式会社製の小型電気炉「MMF-1」で試料を320℃×120minで加熱し、加熱前後の試料の質量差から算出した。
フィルム厚さは、株式会社ミツトヨ製のマイクロメーターを用いて測定した。
全光線透過率及びYIは、JIS K7105:1997に準拠し、日本電色工業株式会社製の色彩・濁度同時測定器「COH7700」を用いて測定した。
測定はJIS K7361-1準拠し、日本電色工業株式会社製の色彩・濁度同時測定器「COH400」を用いて行った。
b*は、JIS Z8781:2013に準拠し、日本電色工業株式会社製の色彩・濁度同時測定器「COH7700」を用いて測定した。
面内リタデーション(Re)は、日本分光株式会社製のエリプソメーター「M-220」を用いて測定した。測定波長590nmにおける、面内位相差の値を測定した。
厚み位相差(Rth)は、日本分光株式会社製のエリプソメーター「M-220」を用いて測定した。測定波長590nmにおける、厚み位相差の値を測定した。なおRthは、ポリイミドフィルムの面内の屈折率のうち最大のものをnx、最小のものをnyとし、厚み方向の屈折率をnzとし、フィルムの厚みをdとしたとき、下記式によって表されるものである。
Rth=[{(nx+ny)/2}-nz]×d
東洋精機株式会社製の引張試験機「ストログラフEII-L05」を用いてポリイミドフィルムとガラス界面との剥離力を測定した。試験片はサイズが10mm×100mmのガラス板上にポリイミドフィルムが製膜されているものを使用した。あらかじめ一方のフィルム端部を剥離した試験片を装置に水平に設置し、フィルム端部をチャックで挟み、剥離したフィルムとガラスが概ね90°となる角度で引張った際の応力を剥離力とした。なお、引張試験速度は50mm/minとした。
株式会社日立ハイテクサイエンス製の熱機械的分析装置「TMA/SS6100」を用いて、引張モードで試料サイズ2mm×20mm、荷重0.1N、昇温速度10℃/minの条件で、残留応力を取り除くのに十分な温度まで昇温して残留応力を取り除き、その後室温まで冷却した。その後、前記残留応力を取り除くための処理と同じ条件で試験片伸びの測定を行い、伸びの変曲点が見られたところをガラス転移温度として求めた。
1%重量減少温度は、約10mgの試料を対象とし、熱重量分析装置(セイコーインスツル株式会社製「TG/DTA6200」)を用いた。
昇温速度10℃/分の条件下で、常温~450℃まで昇温した際に、100℃時の試料重量100重量%に対して、試料重量が1重量%減少する温度を測定することにより求めた。
なお、空気雰囲気下では空気ガス流量50mL/分、窒素雰囲気下では窒素ガス流量100mL/分の条件下で、それぞれ昇温を行った。
ケーエルエー・テンコール社製の残留応力測定装置「FLX-2320」を用いて、予め「反り量」を測定しておいた、厚み525μm±25μmの4インチシリコンウェハ上に、ポリイミドワニスあるいはポリアミド酸ワニスを、スピンコーターを用いて塗布し、プリベークした。その後、熱風乾燥器を用いて、窒素雰囲気下、350~400℃30分の加熱硬化処理を施し、硬化後膜厚8~15μmのポリイミドフィルムのついたシリコンウェハを作製した。このウェハの反り量を前述の残留応力測定装置を用いて測定し、シリコンウェハとポリイミドフィルムの間に生じた残留応力を評価した。
ガラス板上に製膜したポリイミドフィルムに、室温で溶剤を滴下し、フィルム表面に変化がないかを確認した。なお、溶剤としては、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)を使用した。
耐溶剤性の評価基準は、以下の通りとした。
○:フィルム表面に変化がなかった。
△:フィルム表面にわずかにクラックが入った。
×:フィルム表面にクラックが入った、又はフィルム表面が溶解した。
ガラス板上に製膜したポリイミドフィルムを40℃に温めた混酸(H3PO4(70質量%)+HNO3(10質量%)+CH3COOH(5質量%)+H2O(15質量%)の混合溶液)に4分間浸漬した後、水洗した。水洗後、水分をふき取り、ホットプレートにて240℃で50分加熱して、乾燥した。試験前後でb*を測定し、その変化(Δb*)を求めた。表には、試験後のb*及びΔb*を示す。なお、ここでのb*測定は、ガラス板にポリイミドフィルムを製膜した状態(ガラス板+ポリイミドフィルムの状態)で行った。
引張弾性率及び引張伸び率(引張破壊ひずみ)は、JIS K7161:2014及びJIS K7127:1999に準拠し、東洋精機株式会社製の引張試験機「ストログラフVG-1E」を用いて測定した。チャック間距離は50mm、試験片サイズは10mm×70mm、試験速度は20mm/minとした。
3,3’-DDS:3,3’-ビス(アミノフェニル)スルホン(セイカ株式会社製;式(b-11)で表される化合物)
BAPS:ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン(セイカ株式会社製;式(b-12)で表される化合物)
BAPS-M:ビス[4-(3-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン(セイカ株式会社製;式(b-13)で表される化合物)
3,5-DABA:3,5-ジアミノ安息香酸(日本純良薬品株式会社製;式(b-2)で表される化合物)
X-22-9409:両末端アミノ変性シリコーンオイル「X-22-9409」(信越化学工業株式会社製;式(b-3)で表される化合物)
6FODA:4,4’-ジアミノ-2,2’-ビストリフルオロメチルジフェニルエーテル(ChinaTech Chemical (Tianjin) Co., Ltd.製;式(b-4)で表される化合物)
CpODA:ノルボルナン-2-スピロ-α-シクロペンタノン-α’-スピロ-2”-ノルボルナン-5,5”,6,6”-テトラカルボン酸二無水物(JXエネルギー株式会社製;式(a-1)で表される化合物)
HPMDA:1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物(三菱ガス化学株式会社製;式(a-2)で表される化合物)
1,3-PBO:1,3-ビス(4,5-ジヒドロ-2-オキサゾリル)ベンゼン(三國製薬工業株式会社製)
GBL:γ-ブチロラクトン(三菱ケミカル株式会社製)
TEA:トリエチルアミン(関東化学株式会社製)
ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、冷却管を取り付けたディーンスターク、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mLの5つ口丸底フラスコに、BAPS-Mを28.793g(0.066モル)、3,5-DABAを3.372g(0.022モル)とGBLを125.425g投入し、系内温度70℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌して溶液を得た。
この溶液に、CpODAを35.026g(0.089モル)とGBLを35.026gとを一括で添加し、さらにイミド化触媒としてTEAを0.784g添加した。マントルヒーターで加熱し、約30分かけて反応系内温度を200℃まで上げた。留去される成分を捕集し、回転数を粘度上昇に合わせて調整しつつ、反応系内温度を200℃に保持して4時間還流した。
その後、固形分濃度が20質量%になるようGBLを添加して、反応系内温度を100℃まで冷却した後、約1時間撹拌して均一化した。続いて、得られたワニス100gに1,3-PBOを0.755g(3,5-DABA 1モル%に対して0.5モル%)投入し30分間撹拌して均一化しポリイミドワニスを得た。
続いてガラス板およびシリコンウェハへ、得られたポリイミドワニスをスピンコートにより塗布し、ホットプレートで120℃、15分間乾燥した。その後、大気下、熱風乾燥機中、260℃で60分加熱し溶媒を蒸発させ、厚み10μmのフィルムを得た。
ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、冷却管を取り付けたディーンスターク、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mLの5つ口丸底フラスコに、6FODAを15.007g(0.045モル)、3,3’-DDSを5.564g(0.022モル)、3,5-DABAを6.791g(0.045モル)、X-22-9409を13.670g(0.011モル)とGBLを127.679g投入し、系内温度70℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌して溶液を得た。
この溶液に、HPMDAを27.368g(0.122モル)とGBLを31.920gとを一括で添加し、さらにイミド化触媒としてTEAを0.730g添加した。マントルヒーターで加熱し、約30分かけて反応系内温度を200℃まで上げた。留去される成分を捕集し、回転数を粘度上昇に合わせて調整しつつ、反応系内温度を200℃に保持して4時間還流した。
その後、固形分濃度が20質量%になるようGBLを添加して、反応系内温度を100℃まで冷却した後、約1時間撹拌して均一化した。続いて、得られたワニス100gに1,3-PBOを1.492g(3,5-DABA 1モル%に対して0.5モル%)投入し30分間撹拌して均一化しポリイミドワニスを得た。
続いてガラス板およびシリコンウェハへ、得られたポリイミドワニスをスピンコートにより塗布し、ホットプレートで120℃、15分間乾燥した。その後、大気下、熱風乾燥機中、260℃で60分加熱し溶媒を蒸発させ、厚み10μmのフィルムを得た。
ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、冷却管を取り付けたディーンスターク、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mLの5つ口丸底フラスコに、6FODAを13.853g(0.041モル)、BAPS-Mを8.921g(0.021モル)、3,5-DABAを6.269g(0.041モル)、X-22-9409を13.610g(0.011モル)とGBLを127.099g投入し、系内温度70℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌して溶液を得た。
この溶液に、HPMDAを25.436g(0.113モル)とGBLを31.775gとを一括で添加し、さらにイミド化触媒としてTEAを0.678g添加した。マントルヒーターで加熱し、約30分かけて反応系内温度を200℃まで上げた。留去される成分を捕集し、回転数を粘度上昇に合わせて調整しつつ、反応系内温度を200℃に保持して4時間還流した。
その後、固形分濃度が20質量%になるようGBLを添加して、反応系内温度を100℃まで冷却した後、約1時間撹拌して均一化した。続いて、得られたワニス100gに1,3-PBOを1.384g(3,5-DABA 1モル%に対して0.5モル%)投入し30分間撹拌して均一化しポリイミドワニスを得た。
続いてガラス板およびシリコンウェハへ、得られたポリイミドワニスをスピンコートにより塗布し、ホットプレートで120℃、15分間乾燥した。その後、大気下、熱風乾燥機中、260℃で60分加熱し溶媒を蒸発させ、厚み10μmのフィルムを得た。
ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、冷却管を取り付けたディーンスターク、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mLの5つ口丸底フラスコに、BAPSを14.512g(0.034モル)、3,3’-DDSを8.363g(0.034モル)、3,5-DABAを2.552g(0.017モル)、X-22-9409を6.616g(0.005モル)とGBLを125.448g投入し、系内温度70℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌して溶液を得た。
この溶液に、CpODAを35.161g(0.089モル)とGBLを31.362gとを一括で添加し、さらにイミド化触媒としてTEAを0.619g添加した。マントルヒーターで加熱し、約30分かけて反応系内温度を200℃まで上げた。留去される成分を捕集し、回転数を粘度上昇に合わせて調整しつつ、反応系内温度を200℃に保持して4時間還流した。
その後、固形分濃度が20質量%になるようGBLを添加して、反応系内温度を100℃まで冷却した後、約1時間撹拌して均一化した。続いて、得られたワニス100gに1,3-PBOを0.571g(3,5-DABA 1モル%に対して0.5モル%)投入し30分間撹拌して均一化しポリイミドワニスを得た。
続いてガラス板およびシリコンウェハへ、得られたポリイミドワニスをスピンコートにより塗布し、ホットプレートで120℃、15分間乾燥した。その後、大気下、熱風乾燥機中、260℃で60分加熱し溶媒を蒸発させ、厚み10μmのフィルムを得た。
ステンレス製半月型撹拌翼、窒素導入管、冷却管を取り付けたディーンスターク、温度計、ガラス製エンドキャップを備えた300mLの5つ口丸底フラスコに、BAPSを17.235g(0.040モル)、BAPS-Mを17.252g(0.040モル)、3,5-DABAを3.031g(0.020モル)、X-22-9409を6.771g(0.005モル)とGBLを126.514g投入し、系内温度70℃、窒素雰囲気下、回転数200rpmで撹拌して溶液を得た。
この溶液に、HPMDAを23.486g(0.105モル)とGBLを31.629gとを一括で添加し、さらにイミド化触媒としてTEAを0.731g添加した。マントルヒーターで加熱し、約30分かけて反応系内温度を200℃まで上げた。留去される成分を捕集し、回転数を粘度上昇に合わせて調整しつつ、反応系内温度を200℃に保持して4時間還流した。
その後、固形分濃度が20質量%になるようGBLを添加して、反応系内温度を100℃まで冷却した後、約1時間撹拌して均一化した。続いて、得られたワニス100gに1,3-PBOを0.672g(3,5-DABA 1モル%に対して0.5モル%)投入し30分間撹拌して均一化しポリイミドワニスを得た。
続いてガラス板およびシリコンウェハへ、得られたポリイミドワニスをスピンコートにより塗布し、ホットプレートで120℃、15分間乾燥した。その後、大気下、熱風乾燥機中、260℃で60分加熱し溶媒を蒸発させ、厚み10μmのフィルムを得た。
Claims (10)
- ポリイミド樹脂と、少なくとも2つのオキサゾリル基を有する架橋剤とを含むポリイミド樹脂組成物であって、
前記ポリイミド樹脂が、テトラカルボン酸二無水物に由来する構成単位A及びジアミンに由来する構成単位Bを有するポリイミド樹脂であり、
構成単位Bが、スルホニル基を構造中に有するジアミンに由来する構成単位(B-1)と、下記式(b-2)で表される化合物に由来する構成単位(B-2)とを含み、
前記構成単位(B-1)が、下記式(b-12)で表される化合物に由来する構成単位(B-12)、及び下記式(b-13)で表される化合物に由来する構成単位(B-13)からなる群から選ばれる少なくとも1つである、ポリイミド樹脂組成物。
(式(b-2)中、Xは単結合、置換若しくは無置換のアルキレン基、カルボニル基、エーテル基、下記式(b-2-i)で表される基、又は下記式(b-2-ii)で表される基であり、pは0~2の整数であり、m1は0~4の整数であり、m2は0~4の整数である。ただし、pが0の場合、m1は1~4の整数である。)
(式(b-2-i)中、m3は0~5の整数であり;式(b-2-ii)中、m4は0~5の整数である。なお、m1+m2+m3+m4は1以上であり、pが2の場合、2つのX及び2つのm2~m4のそれぞれは独立して選択される。)
- 構成単位(B-2)が、下記式(b-21)で表される化合物に由来する構成単位(B-21)である、請求項1に記載のポリイミド樹脂組成物。
- 構成単位Aが、下記式(a-1)で表される化合物に由来する構成単位(A-1)、及び下記式(a-2)で表される化合物に由来する構成単位(A-2)からなる群から選ばれる少なくとも1つを含む、請求項1又は2に記載のポリイミド樹脂組成物。
- 構成単位Bが、下記式(b-3)で表される化合物に由来する構成単位(B-3)を更に含む、請求項1~3のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物。
(式(b-3)中、Z1及びZ2はそれぞれ独立に、酸素原子を含んでもよい2価の脂肪族基、又は2価の芳香族基を示し、R1及びR2はそれぞれ独立に1価の芳香族基又は1価の脂肪族基を示し、R3及びR4はそれぞれ独立に1価の脂肪族基を示し、R5及びR6は、それぞれ独立に1価の脂肪族基又は1価の芳香族基を示し、m及びnはそれぞれ独立に1以上の整数を示し、mとnとの和は2~1000の整数を示す。但し、R1及びR2の少なくとも一方は1価の芳香族基を示す。) - 構成単位Bが、下記式(b-4)で表される化合物に由来する構成単位(B-4)を更に含む、請求項1~4のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物。
- 前記架橋剤が、少なくとも2つのオキサゾリル基が結合した芳香環又は芳香族複素環を含む化合物である、請求項1~5のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物。
- 前記架橋剤が、少なくとも2つのオキサゾリル基が結合したベンゼン環を含む化合物である、請求項1~6のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物。
- 前記架橋剤が、1,3-ビス(4,5-ジヒドロ-2-オキサゾリル)ベンゼンである、請求項1~7のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物。
- 請求項1~8のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物が有機溶媒に溶解してなるポリイミドワニス。
- 請求項1~8のいずれか1つに記載のポリイミド樹脂組成物中の前記ポリイミド樹脂が前記架橋剤により架橋されてなる、ポリイミドフィルム。
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