(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-08
(45)【発行日】2024-07-17
(54)【発明の名称】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
(51)【国際特許分類】
C08L 79/08 20060101AFI20240709BHJP
C08K 5/353 20060101ALI20240709BHJP
C08G 73/10 20060101ALI20240709BHJP
【FI】
C08L79/08 Z
C08K5/353
C08G73/10
(21)【出願番号】P 2021540715
(86)(22)【出願日】2020-08-05
(86)【国際出願番号】 JP2020029989
(87)【国際公開番号】W WO2021033544
(87)【国際公開日】2021-02-25
【審査請求日】2023-06-07
(31)【優先権主張番号】P 2019150508
(32)【優先日】2019-08-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004466
【氏名又は名称】三菱瓦斯化学株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002620
【氏名又は名称】弁理士法人大谷特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】安孫子 洋平
(72)【発明者】
【氏名】石井 健太郎
(72)【発明者】
【氏名】三田寺 淳
【審査官】中川 裕文
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2019/151336(WO,A1)
【文献】特開2013-040301(JP,A)
【文献】国際公開第2017/169646(WO,A1)
【文献】国際公開第2017/221776(WO,A1)
【文献】特開2017-071193(JP,A)
【文献】特開2016-222797(JP,A)
【文献】国際公開第2019/211972(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C08G 73/00- 73/26
C08K 3/00- 13/08
C08L 1/00-101/14
C08J 5/18
CAplus/REGISTRY(STN)
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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)を含み、構成単位Bが下記式(b-1)で表される化合物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、
構成単位B中における構成単位(B-1)の比率が80~95モル%であり、
構成単位B中における構成単位(B-2)の比率が5~20モル%である、ポリイミド樹脂組成物。
【化1】
(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。)
【化2】
(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。)
【請求項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、請求項1に記載のポリイミド樹脂組成物。
【化3】
【請求項3】
構成単位A中における構成単位(A-1)の比率が40モル%以上である、請求項1又は2に記載のポリイミド樹脂組成物。
【請求項4】
構成単位Aが、下記式(a-2)で表される化合物に由来する構成単位(A-2)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。
【化4】
【請求項5】
構成単位Aが、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。
【請求項6】
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。
【請求項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。
【請求項8】
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9】
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10】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は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に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、ポリイミド樹脂は優れた耐熱性を有することから、電気・電子部品等の分野において様々な利用が検討されている。例えば、液晶ディスプレイやOLEDディスプレイ等の画像表示装置に用いられるガラス基板を、デバイスの軽量化やフレキシブル化を目的として、プラスチック基板へ代替することが望まれており、当該プラスチック基板として適するポリイミドフィルムの研究が進められている。このような用途のポリイミドフィルムには無色透明性が求められる。
【0003】
ガラス支持体やシリコンウェハ上に塗布したワニスを加熱硬化してポリイミドフィルムを形成すると、ポリイミドフィルムに残留応力が生じる。ポリイミドフィルムの残留応力が大きいと、ガラス支持体やシリコンウェハが反ってしまうという問題が生じるため、ポリイミドフィルムには残留応力の低減も求められる。
【0004】
ところで、ポリイミドフィルムが基板として適するためには、無色透明性及び低残留応力だけでなく、耐薬品性(例えば耐酸性、耐アルカリ性、耐溶媒性)も重要な物性である。例えば、ポリイミドフィルムをITO(Indium Tin Oxide)膜形成用の基板として用いた場合、ポリイミドフィルムにはITO膜のエッチングに用いられる酸に対する耐性が求められる。ポリイミドフィルムの耐酸性が不十分であると、フィルムが黄変して無色透明性が損なわれるおそれがある。
【0005】
また、ポリイミドフィルムを製造する際に使用するガラス板等の支持体(ポリイミドワニスを塗布する支持体)の洗浄には、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液等のアルカリ水溶液が主に使用される。アルカリ水溶液による洗浄は、ガラス板等の支持体上にポリイミドフィルムが製膜された状態でも行われる可能性がある。したがって、ポリイミドフィルムにはアルカリに対する耐性も求められる。
【0006】
さらには、ポリイミドフィルム上に各種TFT等の電子回路を形成する過程では、NMP等の有機溶媒が使用されることがあり、ポリイミドフィルムには有機溶媒に対する耐性も求められている。
【0007】
一方で、ポリイミド樹脂組成物をポリイミドフィルムに加工した後には、塗布等に使用した配管や装置を洗浄する必要がある。装置を十分に洗浄するためには、ポリイミド樹脂組成物は使用する洗浄液(例えば、東京応化工業株式会社製の「OK73シンナー」や、NMP等の各種有機溶媒)に対する溶解性も求められ、耐溶媒性と洗浄性という相反する性能が求められている。
【0008】
特許文献1には、低残留応力のフィルムを与えるポリイミド樹脂として、テトラカルボン酸成分として4,4’-オキシジフタル酸二無水物を用い、ジアミン成分として数平均分子量1000のα,ω-アミノプロピルポリジメチルシロキサン及び4,4’-ジアミノジフェニルエーテルを用いて合成されたポリイミド樹脂が開示されている。
【0009】
特許文献2には、カルボキシル基を有する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が開示され、当該ポリイミド樹脂組成物によって、良好な透明性と高硬度を有する膜の形成が可能であると記載されている。
【0010】
しかし、特許文献1では、耐薬品性及び洗浄性について何ら記載されていない。また、特許文献2では、溶剤(N,N-ジメチルアセトアミド)に対する耐性は評価されておらず、洗浄性や残留応力も何ら検討されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【文献】特開2005-232383号公報
【文献】特開2016-222797号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
上述のように、ポリイミドフィルムには無色透明性や低残留応力、耐薬品性が要求されるが、優れた耐熱性を維持しながら、それら特性を向上させることは容易ではない。
本発明が解決しようとする課題は、耐熱性、無色透明性、耐薬品性及び洗浄性に優れ、更に残留応力が低いフィルムの形成が可能な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にある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明者らは、特定の構成単位の組み合わせを含むポリイミド樹脂と特定の架橋剤とを含むポリイミド樹脂組成物が上記課題を解決できることを見出し、発明を完成させるに至った。
【0014】
即ち、本発明は、下記の<1>~<11>に関する。
<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)を含み、構成単位Bが下記式(b-1)で表される化合物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。
【化1】
(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。)
【化2】
(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。
【化3】
<3> 構成単位A中における構成単位(A-1)の比率が40モル%以上である、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B中における構成単位(B-1)の比率が35~95モル%であり、
構成単位B中における構成単位(B-2)の比率が5~65モル%である、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Aが、下記式(a-2)で表される化合物に由来する構成単位(A-2)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。
【化4】
<6> 構成単位Aが、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。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、耐熱性、無色透明性、耐薬品性及び洗浄性に優れ、更に残留応力が低いフィルムを形成することができる。
【発明を実施するための形態】
【0016】
[ポリイミド樹脂組成物]
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。
【0017】
<ポリイミド樹脂>
本発明のポリイミド樹脂は、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)を含み、構成単位Bが下記式(b-1)で表される化合物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。
【化5】
(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。)
【化6】
(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。)
【0018】
(構成単位A)
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って、下記式(a-1)で表される化合物に由来する構成単位(A-1)を含む。
【化7】
【0019】
式(a-1)で表される化合物は、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である。構成単位Aが構成単位(A-1)を含むことによって、フィルムの無色透明性及び耐熱性が向上する。
【0020】
構成単位A中における構成単位(A-1)の比率は、好ましくは40モル%以上であり、より好ましくは50モル%以上であり、更に好ましくは60モル%以上である。構成単位(A-1)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Aは構成単位(A-1)のみからなっていてもよい。
【0021】
構成単位Aは、構成単位(A-1)以外の構成単位を含んでもよい。
構成単位Aは、構成単位(A-1)に加えて、下記式(a-2)で表される化合物に由来する構成単位(A-2)を更に含むことが好ましい。
【化8】
【0022】
式(a-2)で表される化合物は、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA)であり、その具体例としては、下記式(a-2s)で表される3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(s-BPDA)、下記式(a-2a)で表される2,3,3’,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(a-BPDA)、下記式(a-2i)で表される2,2’,3,3’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(i-BPDA)が挙げられる。3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物は、本発明のポリイミドフィルムの残留応力を低下させることができるため好ましい。
【化9】
【0023】
構成単位Aが構成単位(A-1)及び構成単位(A-2)を含む場合、構成単位A中における構成単位(A-1)の比率は、好ましくは40~95モル%であり、より好ましくは50~90モル%であり、更に好ましくは55~85モル%であり、構成単位A中における構成単位(A-2)の比率は、好ましくは5~60モル%であり、より好ましくは10~50モル%であり、更に好ましくは15~45モル%である。
構成単位A中における構成単位(A-1)及び(A-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%以上であり、特に好ましくは99モル%以上である。構成単位(A-1)及び(A-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Aは構成単位(A-1)と構成単位(A-2)とのみからなっていてもよい。
【0024】
構成単位Aが構成単位(A-2)を更に含むことによって、残留応力が更に低下する。
また、構成単位Aが構成単位(A-2)を更に含むことによって、フィルムの波長308nmにおける光線透過率が小さくなる。近年、樹脂フィルムが積層された支持体における当該支持体と当該樹脂フィルムを剥離する方法として、レーザーリフトオフ(LLO)と呼ばれるレーザー剥離加工が注目を浴びている。波長308nmにおける光線透過率が小さいほど、波長308nmのXeClエキシマレーザーによるレーザー剥離性に優れる。
【0025】
構成単位Aは、構成単位(A-1)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)を更に含むことが好ましい。
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。
【化10】
(式(a-3)中、
R
1~R
6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、
L
1及びL
2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、
Z
1及びZ
2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、
nは、1~200である。)
【0026】
式(a-3)におけるR1~R6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。
【0027】
R1~R6は、それぞれ独立して、好ましくは、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、及び炭素数2~20のアルケニル基からなる群より選ばれ;より好ましくは、炭素数1~10のアルキル基、炭素数3~10のシクロアルキル基、炭素数6~10のアリール基、炭素数7~10のアラルキル基、及び炭素数2~10のアルケニル基からなる群より選ばれ;更に好ましくは、炭素数1~10のアルキル基、炭素数6~10のアリール基、及び炭素数2~10のアルケニル基からなる群より選ばれ;特に好ましくは、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、ヘキシル基、フェニル基、ナフチル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、及びブテニル基からなる群より選ばれ;最も好ましくはメチル基、エチル基、フェニル基、及びビニル基からなる群より選ばれる。
【0028】
式(a-3)におけるL1及びL2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。
【0029】
L1及びL2は、それぞれ独立して、好ましくは、単結合、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、及び炭素数6~20のアリーレン基からなる群より選ばれ;より好ましくは、単結合、炭素数1~10のアルキレン基、炭素数3~10のシクロアルキレン基、及び炭素数6~10のアリーレン基からなる群より選ばれ;更に好ましくは、単結合、炭素数1~10のアルキレン基、及び炭素数6~10のアリーレン基からなる群より選ばれ;特に好ましくは、単結合、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、ヘキシレン基、フェニレン基及びナフチレン基からなる群より選ばれ;最も好ましくは、単結合、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、及びフェニレン基からなる群より選ばれる。
【0030】
式(a-3)におけるZ
1及びZ
2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る。
Z
1及びZ
2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。
【化11】
【0031】
式(a-3-i)で表される基はコハク酸残基であり、式(a-3-ii)で表される基フタル酸残基であり、式(a-3-iii)で表される基は2,3-ノルボルナンジカルボン酸残基であり、(a-3-iv)で表される基は5-ノルボルネン-2,3-ジカルボン酸残基である。なお、式(a-3-i)~(a-3-iv)中、「*」は結合位置を示す。
【0032】
式(a-3)におけるnは、1~200である。nは好ましくは3~150であり、より好ましくは5~120である。
【0033】
両末端酸無水物変性シリコーンの市販品として入手できるものとしては、信越化学工業株式会社製の「X22-168AS」、「X22-168A」、「X22-168B」、及び「X22-168-P5-8」、並びにゲレスト社製の「DMS-Z21」等が挙げられる。
【0034】
構成単位Aが構成単位(A-1)及び構成単位(A-3)を含む場合、構成単位A中における構成単位(A-1)の比率は、好ましくは50~99モル%であり、より好ましくは60~98モル%であり、更に好ましく70~97モル%であり、構成単位A中における構成単位(A-3)の比率は、好ましくは1~50モル%であり、より好ましくは2~40モル%であり、更に好ましく3~30モル%である。
構成単位A中における構成単位(A-1)及び(A-3)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%以上であり、特に好ましくは99モル%以上である。構成単位(A-1)及び(A-3)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Aは構成単位(A-1)と構成単位(A-3)とのみからなっていてもよい。
【0035】
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。
【0036】
また、構成単位Aは、構成単位(A-1)に加えて、構成単位(A-2)及び構成単位(A-3)の両方を更に含むことも好ましい。
構成単位Aが構成単位(A-1)、構成単位(A-2)、及び構成単位(A-3)を含む場合、構成単位A中における構成単位(A-1)の比率は、好ましくは50~90モル%であり、より好ましくは60~85モル%、更に好ましくは65~80モル%であり、構成単位A中における構成単位(A-2)の比率は、好ましくは5~30モル%であり、より好ましくは5~25モル%であり、更に好ましくは5~20モル%であり、構成単位A中における構成単位(A-3)の比率は、好ましくは1~25モル%であり、より好ましくは2~20モル%であり、更に好ましくは3~15モル%である。
構成単位A中における構成単位(A-1)~(A-3)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%以上であり、特に好ましくは99モル%以上である。構成単位(A-1)~(A-3)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Aは構成単位(A-1)と構成単位(A-2)と構成単位(A-3)とのみからなっていてもよい。
【0037】
構成単位Aに任意に含まれる構成単位(A-1)以外の構成単位は、構成単位(A-2)及び(A-3)に限定されない。そのような任意の構成単位を与えるテトラカルボン酸二無水物としては、特に限定されないが、ピロメリット酸二無水物、9,9’-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)フルオレン二無水物、及び4,4’-(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物等の芳香族テトラカルボン酸二無水物;1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物及び1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物等の脂環式テトラカルボン酸二無水物(ただし、式(a-1)で表される化合物を除く);並びに1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸二無水物等の脂肪族テトラカルボン酸二無水物が挙げられる。
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)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。
【0038】
(構成単位B)
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、下記式(b-1)で表される化合物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。
【化12】
(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。)
【化13】
(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。
【0039】
式(b-1)で表される化合物は、2,2’-ビス(トリフルオロメチル)ベンジジンである。構成単位Bが構成単位(B-1)を含むことによって、フィルムの無色透明性が向上し、残留応力が低下する。
【0040】
式(b-2)で表される化合物の具体例としては、下記式(b-21)~(b-27)で表される化合物が挙げられる。
【0041】
【0042】
式(b-21)で表される化合物の具体例としては、下記式(b-211)で表される化合物、即ち、3,5-ジアミノ安息香酸が挙げられる。
【化15】
【0043】
構成単位(B-2)は、式(b-21)で表される化合物に由来する構成単位(B-21)であることが好ましく、式(b-211)で表される化合物に由来する構成単位(B-211)であることがより好ましい。
【0044】
構成単位Bが構成単位(B-2)を含むことによって、フィルムの耐熱性が向上する。
【0045】
構成単位B中における構成単位(B-1)の比率は、好ましくは35~95モル%であり、より好ましくは40~90モル%であり、更に好ましくは45~85モル%である。
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5~65モル%であり、より好ましくは10~60モル%であり、更に好ましくは15~55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%以上であり、特に好ましくは99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。
【0046】
構成単位Bは、構成単位(B-1)及び(B-2)以外の構成単位を含んでもよい。そのような構成単位を与えるジアミンとしては、特に限定されないが、1,4-フェニレンジアミン、p-キシリレンジアミン、1,5-ジアミノナフタレン、2,2’-ジメチルビフェニル-4,4’-ジアミン、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、2,2-ビス(4-アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’-ジアミノジフェニルスルホン、4,4’-ジアミノベンズアニリド、1-(4-アミノフェニル)-2,3-ジヒドロ-1,3,3-トリメチル-1H-インデン-5-アミン、α,α’-ビス(4-アミノフェニル)-1,4-ジイソプロピルベンゼン、N,N’-ビス(4-アミノフェニル)テレフタルアミド、4,4’-ビス(4-アミノフェノキシ)ビフェニル、2,2-ビス〔4-(4-アミノフェノキシ)フェニル〕プロパン、2,2-ビス(4-(4-アミノフェノキシ)フェニル)ヘキサフルオロプロパン、及び9,9-ビス(4-アミノフェニル)フルオレン等の芳香族ジアミン(ただし、式(b-1)で表される化合物及び式(b-2)で表される化合物を除く);1,3-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン及び1,4-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン等の脂環式ジアミン;並びにエチレンジアミン及びヘキサメチレンジアミン等の脂肪族ジアミンが挙げられる。
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)及び(B-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。
【0047】
ポリイミド樹脂の数平均分子量は、得られるポリイミドフィルムの機械的強度の観点から、好ましくは5,000~100,000である。なお、ポリイミド樹脂の数平均分子量は、例えば、ゲルろ過クロマトグラフィー測定による標準ポリメチルメタクリレート(PMMA)換算値より求めることができる。
【0048】
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)以外の構造を含んでもよい。ポリイミド樹脂中に含まれうるポリイミド鎖以外の構造としては、例えばアミド結合を含む構造等が挙げられる。
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。
【0049】
上記ポリイミド樹脂を含む本発明のポリイミド樹脂組成物は、耐熱性、無色透明性、耐薬品性及び洗浄性に優れ、更に残留応力が低いフィルムを形成することができ、当該フィルムの有する好適な物性値は以下の通りである。
【0050】
ガラス転移温度(Tg)は、好ましくは380℃以上であり、より好ましくは400℃以上であり、更に好ましくは450℃以上である。
全光線透過率は、厚さ10μmのフィルムとした際に、好ましくは88%以上であり、より好ましくは89%以上であり、更に好ましくは90%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。
【0051】
また、上記ポリイミド樹脂の一態様である、構成単位Aが構成単位(A-2)を更に含むポリイミド樹脂を用いることで、更にレーザー剥離性にも優れるフィルムを形成することができ、当該フィルムの有する好適な物性値は以下の通りである。
波長308nmにおける光線透過率は、厚さ10μmのフィルムとした際に、好ましくは0.8%以下であり、より好ましくは0.6%以下であり、更に好ましくは0.4%以下である。
【0052】
また、上記ポリイミド樹脂を用いて形成することができるフィルムは機械的特性も良好であり、以下のような好適な物性値を有する。
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3.0GPa以上であり、更に好ましくは4.0GPa以上である。
引張強度は、好ましくは80MPa以上であり、より好ましくは100MPa以上であり、更に好ましくは120MPa以上である。
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。
【0053】
<ポリイミド樹脂の製造方法>
本発明において、ポリイミド樹脂は、上述の構成単位(A-1)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。
【0054】
構成単位(A-1)を与える化合物としては、式(a-1)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(a-1)で表されるテトラカルボン酸二無水物に対応するテトラカルボン酸(即ち、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)、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-1)を与える化合物としては、式(a-1)で表される化合物(即ち、二無水物)が好ましい。
【0055】
テトラカルボン酸成分は、構成単位(A-1)を与える化合物を、好ましくは40モル%以上含み、より好ましくは50モル%以上含み、更に好ましくは60モル%以上含む。構成単位(A-1)を与える化合物の含有量の上限値は特に限定されず、即ち、100モル%である。テトラカルボン酸成分は構成単位(A-1)を与える化合物のみからなっていてもよい。
【0056】
テトラカルボン酸成分は、構成単位(A-1)を与える化合物以外の化合物を含んでもよい。
テトラカルボン酸成分は、構成単位(A-1)を与える化合物に加えて、構成単位(A-2)を与える化合物を更に含むことが好ましい。
構成単位(A-2)を与える化合物としては、式(a-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(a-2)で表されるテトラカルボン酸二無水物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-2)を与える化合物としては、式(a-2)で表される化合物(即ち、二無水物)が好ましい。
【0057】
テトラカルボン酸成分が構成単位(A-1)を与える化合物及び構成単位(A-2)を与える化合物を含む場合、テトラカルボン酸成分は、構成単位(A-1)を与える化合物を、好ましくは40~95モル%含み、より好ましくは50~90モル%含み、更に好ましくは55~85モル%含み、構成単位(A-2)を与える化合物を、好ましくは5~60モル%含み、より好ましくは10~50モル%含み、更に好ましくは15~45モル%含む。
テトラカルボン酸成分は、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(A-1)を与える化合物及び構成単位(A-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。テトラカルボン酸成分は構成単位(A-1)を与える化合物と構成単位(A-2)を与える化合物とのみからなっていてもよい。
【0058】
テトラカルボン酸成分は、構成単位(A-1)を与える化合物に加えて、構成単位(A-3)を与える化合物を更に含むことが好ましい。
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。
【0059】
テトラカルボン酸成分が構成単位(A-1)を与える化合物及び構成単位(A-3)を与える化合物を含む場合、テトラカルボン酸成分は、構成単位(A-1)を与える化合物を、好ましくは50~99モル%含み、より好ましくは60~98モル%含み、更に好ましくは70~97モル%含み、構成単位(A-3)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2~40モル%含み、更に好ましくは3~30モル%含む。
テトラカルボン酸成分は、構成単位(A-1)を与える化合物及び構成単位(A-3)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(A-1)を与える化合物及び構成単位(A-3)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。テトラカルボン酸成分は構成単位(A-1)を与える化合物と構成単位(A-3)を与える化合物とのみからなっていてもよい。
【0060】
テトラカルボン酸成分は、構成単位(A-1)を与える化合物に加えて、構成単位(A-2)を与える化合物及び構成単位(A-3)を与える化合物の両方を更に含むことも好ましい。
テトラカルボン酸成分が構成単位(A-1)を与える化合物、構成単位(A-2)を与える化合物、及び構成単位(A-3)を与える化合物を含む場合、テトラカルボン酸成分は、構成単位(A-1)を与える化合物を、好ましくは50~90モル%含み、より好ましくは60~85モル%含み、更に好ましくは65~80モル%含み、構成単位(A-2)を与える化合物を、好ましくは5~30モル%含み、より好ましくは5~25モル%含み、更に好ましくは5~20モル%含み、構成単位(A-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%含む。
テトラカルボン酸成分は、構成単位(A-1)を与える化合物、構成単位(A-2)を与える化合物、及び構成単位(A-3)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(A-1)を与える化合物、構成単位(A-2)を与える化合物、及び構成単位(A-3)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。テトラカルボン酸成分は構成単位(A-1)を与える化合物と構成単位(A-2)を与える化合物と構成単位(A-3)を与える化合物とのみからなっていてもよい。
【0061】
テトラカルボン酸成分に任意に含まれる構成単位(A-1)を与える化合物以外の化合物は、構成単位(A-2)を与える化合物及び構成単位(A-3)を与える化合物に限定されない。そのような任意の化合物としては、上述の芳香族テトラカルボン酸二無水物、脂環式テトラカルボン酸二無水物、及び脂肪族テトラカルボン酸二無水物、並びにそれらの誘導体(テトラカルボン酸、テトラカルボン酸のアルキルエステル等)が挙げられる。
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。
【0062】
構成単位(B-1)を与える化合物としては、式(b-1)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-1)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-1)を与える化合物としては、式(b-1)で表される化合物(即ち、ジアミン)が好ましい。
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。
【0063】
ジアミン成分は、構成単位(B-1)を与える化合物を、好ましくは35~95モル%含み、より好ましくは40~90モル%含み、更に好ましくは45~85モル%含む。
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5~65モル%含み、より好ましくは10~60モル%含み、更に好ましくは15~55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。
【0064】
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)を与える化合物以外の化合物を含んでもよく、当該化合物としては、上述の芳香族ジアミン、脂環式ジアミン、及び脂肪族ジアミン、並びにそれらの誘導体(ジイソシアネート等)が挙げられる。
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。
【0065】
本発明において、ポリイミド樹脂の製造に用いるテトラカルボン酸成分とジアミン成分の仕込み量比は、テトラカルボン酸成分1モルに対してジアミン成分が0.9~1.1モルであることが好ましい。
【0066】
また、本発明において、ポリイミド樹脂の製造には、前述のテトラカルボン酸成分及びジアミン成分の他に、末端封止剤を用いてもよい。末端封止剤としてはモノアミン類あるいはジカルボン酸類が好ましい。導入される末端封止剤の仕込み量としては、テトラカルボン酸成分1モルに対して0.0001~0.1モルが好ましく、特に0.001~0.06モルが好ましい。モノアミン類末端封止剤としては、例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ベンジルアミン、4-メチルベンジルアミン、4-エチルベンジルアミン、4-ドデシルベンジルアミン、3-メチルベンジルアミン、3-エチルベンジルアミン、アニリン、3-メチルアニリン、4-メチルアニリン等が推奨される。これらのうち、ベンジルアミン、アニリンが好適に使用できる。ジカルボン酸類末端封止剤としては、ジカルボン酸類が好ましく、その一部を閉環していてもよい。例えば、フタル酸、無水フタル酸、4-クロロフタル酸、テトラフルオロフタル酸、2,3-ベンゾフェノンジカルボン酸、3,4-ベンゾフェノンジカルボン酸、シクロヘキサン-1,2-ジカルボン酸、シクロペンタン-1,2-ジカルボン酸、4-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸等が推奨される。これらのうち、フタル酸、無水フタル酸が好適に使用できる。
【0067】
前述のテトラカルボン酸成分とジアミン成分とを反応させる方法には特に制限はなく、公知の方法を用いることができる。
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。
【0068】
ポリイミド樹脂の製造に用いられる反応溶剤は、イミド化反応を阻害せず、生成するポリイミドを溶解できるものであればよい。例えば、非プロトン性溶剤、フェノール系溶剤、エーテル系溶剤、カーボネート系溶剤等が挙げられる。
【0069】
非プロトン性溶剤の具体例としては、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、N-メチルカプロラクタム、1,3-ジメチルイミダゾリジノン、テトラメチル尿素等のアミド系溶剤、γ-ブチロラクトン(GBL)、γ-バレロラクトン等のラクトン系溶剤、ヘキサメチルホスホリックアミド、ヘキサメチルホスフィントリアミド等の含リン系アミド系溶剤、ジメチルスルホン、ジメチルスルホキシド、スルホラン等の含硫黄系溶剤、アセトン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン等のケトン系溶剤、ピコリン、ピリジン等のアミン系溶剤、酢酸(2-メトキシ-1-メチルエチル)等のエステル系溶剤等が挙げられる。
【0070】
フェノール系溶剤の具体例としては、フェノール、o-クレゾール、m-クレゾール、p-クレゾール、2,3-キシレノール、2,4-キシレノール、2,5-キシレノール、2,6-キシレノール、3,4-キシレノール、3,5-キシレノール等が挙げられる。
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。
【0071】
イミド化反応では、ディーンスターク装置などを用いて、製造時に生成する水を除去しながら反応を行うことが好ましい。このような操作を行うことで、重合度及びイミド化率をより上昇させることができる。
【0072】
上記のイミド化反応においては、公知のイミド化触媒を用いることができる。イミド化触媒としては、塩基触媒又は酸触媒が挙げられる。
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。
【0073】
イミド化反応の温度は、反応率及びゲル化等の抑制の観点から、好ましくは120~250℃、より好ましくは160~200℃である。また、反応時間は、生成水の留出開始後、好ましくは0.5~10時間である。
【0074】
<架橋剤>
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。
【化16】
【0075】
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カルボキシル基を有することから、本発明のポリイミド樹脂組成物を加熱すると、架橋剤を介してポリイミド樹脂同士が架橋して、架橋ポリイミド樹脂が形成される。このような理由から、フィルムの耐薬品性が向上する。
【0076】
架橋剤は、分子内に2以上のオキサゾリル基を有する多官能オキサゾリン化合物であれば特に限定されず、その具体例としては、1,3-ビス(4,5-ジヒドロ-2-オキサゾリル)ベンゼン、1,4-ビス(4,5-ジヒドロ-2-オキサゾリル)ベンゼン、2,2’-ビス(2-オキサゾリン)、株式会社日本触媒製のK-2010E、K-2020E、K-2030E、2,6-ビス(4-イソプロピル-2-オキサゾリン-2-イル)ピリジン、2,6-ビス(4-フェニル-2-オキサゾリン-2-イル)ピリジン、2,2’-イソプロピリデンビス(4-フェニル-2-オキサゾリン)、2,2’-イソプロピリデンビス(4-ターシャルブチル-2-オキサゾリン)などが挙げられる。
【0077】
架橋剤は、好ましくは少なくとも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り、より好ましくは少なくとも2つのオキサゾリル基が結合したベンゼン環又はピリジン環を含む化合物であり、更に好ましくは少なくとも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り、特に好ましくは1,3-ビス(4,5-ジヒドロ-2-オキサゾリル)ベンゼンである。
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。
【0078】
本発明のポリイミド樹脂組成物は、架橋剤中のオキサゾリル基とポリイミド樹脂中のカルボキシル基とのモル比(オキサゾリル基/カルボキシル基)が1/8~1/0.5の範囲となるような比率で、ポリイミド樹脂と架橋剤とを含むことが好ましい。前記モル比は、より好ましくは1/6~1/1であり、更に好ましくは1/4~1/2である。
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-1)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-1)を与える化合物の添加量に基づいて計算される。
【0079】
[ポリイミドワニス]
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。
【0080】
ポリイミドワニスは、ポリイミド樹脂を5~40質量%含むことが好ましく、7~30質量%含むことがより好ましく、8~20質量%含むことが更に好ましい。ポリイミドワニスの粘度は50~5000Pa・sが好ましく、100~4000Pa・sがより好ましく、300~3500Pa・sが更に好ましい。ポリイミドワニスの粘度は、E型粘度計を用いて25℃で測定された値である。
【0081】
また、本発明のポリイミドワニスは、ポリイミドフィルムの要求特性を損なわない範囲で、無機フィラー、接着促進剤、剥離剤、難燃剤、紫外線安定剤、界面活性剤、レベリング剤、消泡剤、蛍光増白剤、架橋剤、重合開始剤、感光剤等各種添加剤を含んでもよい。
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。
【0082】
[ポリイミドフィルム]
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。
【0083】
本発明のポリイミドフィルムの製造方法には、ポリイミド樹脂と架橋剤との架橋反応が進行する温度(好ましくは80℃以上、より好ましくは100℃以上、更に好ましくは150℃以上)で架橋する工程を含めば、特に制限はない。例えば、上述のポリイミドワニスを、ガラス板、金属板、プラスチックなどの平滑な支持体上に塗布、又はフィルム状に成形した後、加熱する方法が挙げられる。この加熱処理により、ポリイミドワニス中のポリイミド樹脂と架橋剤との架橋反応を進行させながら、ポリイミドワニス中に含まれる反応溶剤や希釈溶剤等の有機溶媒を除去することができる。前記支持体の表面には、必要に応じて、予め離形剤を塗布しておいてもよい。
【0084】
加熱処理としては、以下の方法が好ましい。すなわち、まず120℃以下の温度で有機溶媒を蒸発させた後、更に有機溶媒の沸点以上の温度で乾燥してポリイミドフィルムを製造することが好ましい。また、窒素雰囲気下で乾燥することが好ましい。乾燥雰囲気の圧力は、減圧、常圧、加圧のいずれでもよい。2段階の温度で乾燥することでフィルム表面が滑らかで欠陥の無いフィルムを得ることができる。また、2段階目の乾燥温度は、特に限定されないが、200~450℃が好ましく、300~430℃がより好ましく、特に好ましくは350~400℃である。この温度範囲で乾燥することで、フィルムの透明性・黄色度が良好となり、更に良好な耐溶媒性が得られる。
【0085】
また、本発明のポリイミドフィルムは、ポリアミド酸及び架橋剤が有機溶媒に溶解してなるポリアミド酸ワニスを用いて製造することもできる。
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-1)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-1)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。
【0086】
ポリアミド酸ワニスを用いてポリイミドフィルムを製造する方法には、ポリイミド樹脂と架橋剤との架橋反応が進行する温度(好ましくは80℃以上、より好ましくは100℃以上、更に好ましくは150℃以上)で架橋する工程を含めば特に制限はなく、公知の方法を用いることができる。例えば、ポリアミド酸ワニスを、ガラス板、金属板、プラスチックなどの平滑な支持体上に塗布、又はフィルム状に成形し、該ワニス中に含まれる反応溶剤や希釈溶剤等の有機溶媒を加熱により除去してポリアミド酸フィルムを得て、該ポリアミド酸フィルム中のポリアミド酸を加熱によりイミド化し、更にポリイミド樹脂と架橋剤とを反応させて架橋することで、ポリイミドフィルムを製造することができる。
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。
【0087】
本発明のポリイミドフィルムの厚みは用途等に応じて適宜選択することができるが、好ましくは1~250μm、より好ましくは5~100μm、更に好ましくは10~80μmの範囲である。厚みが1~250μmであることで、自立膜としての実用的な使用が可能となる。
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。
【0088】
本発明のポリイミドフィルムは、カラーフィルター、フレキシブルディスプレイ、半導体部品、光学部材等の各種部材用のフィルムとして好適に用いられる。本発明のポリイミドフィルムは、液晶ディスプレイやOLEDディスプレイ等の画像表示装置の基板として、特に好適に用いられる。
【実施例】
【0089】
以下に、実施例により本発明を具体的に説明する。但し、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものではない。
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。
【0090】
(1)固形分濃度
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。
【0091】
(2)フィルム厚さ
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。
【0092】
(3)全光線透過率、イエローインデックス(YI)
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。
【0093】
(4)ガラス転移温度(Tg)
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。
【0094】
(5)残留応力
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。
【0095】
(6)引張弾性率、引張強度
引張弾性率及び引張強度は、JIS K7127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×50mm、試験速度は20mm/minとした。
【0096】
(7)耐溶媒性1(PGMEA)
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。
【0097】
(8)耐溶剤性2(NMP)
ガラス板上に製膜したポリイミドフィルムを剥離し、室温でN-メチル-2-ピロリドン(NMP)中に60分浸漬した。評価基準は以下の通りとした。
〇:フィルムは溶解せずに形状を維持していた。
×:フィルムが溶解し形状を維持できなかった。
【0098】
(9)洗浄性
N-メチル-2-ピロリドンとポリイミドワニスを混合し、室温で均一に混ざるかどうかを確認した。洗浄性の評価基準は、以下の通りとした。
〇:ポリイミドワニスとNMP混合液が均一に混合した。
×:ポリイミドワニスとNMP混合液が均一に混合せず、析出物が生じた。
【0099】
実施例及び比較例にて使用したテトラカルボン酸成分及びジアミン成分、並びにその略号は以下の通りである。
【0100】
<テトラカルボン酸成分>
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)
s-BPDA:3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(三菱化学株式会社製;式(a-2)で表される化合物)
【0101】
<ジアミン>
TFMB:2,2’-ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン(和歌山精化工業株式会社製;式(b-1)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)
【0102】
<架橋剤>
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)
【0103】
<その他>
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)
【0104】
実施例1
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1Lの5つ口丸底フラスコに、TFMBを25.619g(0.080モル)、3,5-DABAを3.043g(0.020モル)とGBLを161.040g投入し、系内温度70℃、窒素雰囲気下、回転数150rpmで撹拌して溶液を得た。
この溶液に、CpODAを38.438g(0.100モル)とGBLを20.130gとを一括で添加した後、イミド化触媒としてTEAを0.506g、トリエチレンジアミン(東京化成工業株式会社製)0.056g投入し、マントルヒーターで加熱し、約20分かけて反応系内温度を190℃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190℃に保持して2時間還流した。
その後、固形分濃度が10質量%になるようGBLを添加して、反応系内温度を120℃まで冷却した後、更に約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0.167g(3,5-DABA 1モル%に対して0.25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。
続いてガラス板上、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80℃、20分間保持し、その後、窒素雰囲気下、熱風乾燥機中400℃で30分加熱し溶媒を蒸発させ、厚み10μmのフィルムを得た。
【0105】
実施例2
TFMBの量を27.220g(0.085モル)、3,5-DABAの量を2.282g(0.015モル)に変更した以外は、実施例1と同様の方法によりポリイミドワニスを作製し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。
得られたポリイミドワニスを用いて、2段階目の乾燥温度を表1記載の条件に変更した以外は、実施例1と同様の方法によりフィルムを作製し、厚み9μmのフィルムを得た。
【0106】
実施例3
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1Lの5つ口丸底フラスコに、TFMBを25.619g(0.080モル)、3,5-DABAを3.043g(0.020モル)とGBLを156.713g投入し、系内温度70℃、窒素雰囲気下、回転数150rpmで撹拌して溶液を得た。
この溶液に、CpODAを30.750g(0.08モル)とs-BPDA5.884g(0.02モル)とGBLを39.178gとを一括で添加した後、イミド化触媒としてTEAを0.506g、トリエチレンジアミン(東京化成工業株式会社製)0.056g投入し、マントルヒーターで加熱し、約20分かけて反応系内温度を190℃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190℃に保持して2時間還流した。
その後、固形分濃度が10質量%になるようGBLを添加して、反応系内温度を120℃まで冷却した後、更に約1時間撹拌して均一化した。続いて、1,3-PBOを0.173g(3,5-DABA 1モル%に対して0.25モル%)投入し30分間攪拌して均一化し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。
続いてガラス板上、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80℃、30分間保持し、その後、窒素雰囲気下、熱風乾燥機中350℃で20分加熱し溶媒を蒸発させ、厚み10μmのフィルムを得た。
【0107】
実施例4
TFMBの量を28.822g(0.090モル)、3,5-DABAの量を1.522g(0.010モル)に変更した以外は、実施例3と同様の方法によりポリイミドワニスを作製し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。
得られたポリイミドワニスを用いて、実施例3と同様の方法によりフィルムを作製し、厚み10μmのフィルムを得た。
【0108】
実施例5
TFMBの量を17.933g(0.070モル)、3,5-DABAの量を3.652g(0.030モル)に変更した以外は、実施例1と同様の方法によりポリイミドワニスを作製し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。
得られたポリイミドワニスを用いて、実施例3と同様の方法によりフィルムを作製し、厚み9μmのフィルムを得た。
【0109】
比較例1
1,3-PBOを添加しなかった以外は、実施例1と同様の方法によりポリイミドワニスを作製し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。得られたポリイミドワニスを用いて、実施例1と同様の方法によりフィルムを作製し、厚み10μmのフィルムを得た。
【0110】
比較例2
1,3-PBOを添加しなかった以外は、実施例2と同様の方法によりポリイミドワニスを作製し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。得られたポリイミドワニスを用いて、実施例1と同様の方法によりフィルムを作製し、厚み10μmのフィルムを得た。
【0111】
比較例3
1,3-PBOを添加しなかった以外は、実施例3と同様の方法によりポリイミドワニスを作製し、固形分濃度10質量%のポリイミドワニスを得た。得られたポリイミドワニスを用いて、実施例1と同様の方法によりフィルムを作製し、厚み10μmのフィルムを得た。
【0112】
得られたフィルムについて上記の評価を行った。結果を表1に示す。
【0113】
【0114】
表1に示すように、実施例1~5のポリイミドフィルムは、耐熱性及び無色透明性に優れ、残留応力が低く、耐薬品性に優れ、洗浄性も良好なものであった。一方、比較例のポリイミドフィルムは耐溶媒性に劣るものであった。