KITECH 생산기술 전문지

플렉서블 디스플레이 및 웨어러블 디바이스 산업이 급격히 성장함에 따라, 더 가볍고 얇고 휴대성이 뛰어난 접이식 디스플레이 기기의 개발 필요성이 증가하고 있다. 기존 디스플레이의 깨지기 쉬운 무기 유리 기판을 투명하고 무색의 고분자 플라스틱 기판으로 대체하려는 시도들이 있다. 디스플레이 기기의 품질을 보장하기 위해 고분자 기판은 우수한 광학 투명성, 기계적 강도, 접힘 신뢰성 등 여러 특성들을 만족해야 한다. 특히 플렉서블 디스플레이 기술분야에서 투명 고분자 필름들은 초고온의 필름 트랜지스터 제조공정 (~400℃) 하에서도 우수한 기판특성을 유지할 수 있는 높은 열 안정성이 필수적으로 요구된다.
폴리이미드(polyimide, PI)는 Dupont사의 주도 하에 1950년부터 대량생산된 고기능성 고분자 재료로, 우수한 내열성, 내화학성, 기계적 특성을 두루 갖추고 있다. 또한 낮은 유전율과 뛰어난 절연특성을 가져 전기, 전자, 광학 분야에까지 각광받는 고분자 재료이다. 폴리이미드의 우수한 안정성은 강직한 방향족 구조와 이미드 고리로 구성된 주쇄 구조와, 사슬간의 강한 상호작용에 의한 전하이동복합체(Charge Transfer Complex; CTC) 구조 형성으로부터 기인한다. 하지만 이 CTC 구조는 가시광선 영역의 빛을 흡수하기 때문에 폴리이미드가 특유의 짙은 황갈색을 띠게 하며, 낮은 광학 투과도로 투명성을 요구하는 플렉서블 디스플레이 분야에 활용을 제한시킨다. 이에 대한 대안으로 최근 연구되고 있는 것이 투명 폴리이미드(Colorless Polyimide; CPI) 필름이다. 투명 폴리이미드는 주쇄 분자구조의 개질을 통해 사슬간의 CTC 형성 정도를 조절하고, 광학 투과도를 크게 향상시킨 고분자이다. 다만, CTC 감소는 결과적으로 폴리이미드 사슬 간의 상호작용을 약화시키기 때문에 높은 투명성과 기계적 강도는 상충관계(trade-off)에 있고, 이에 따라 까다로운 분자설계 전략이 요구된다. 밀도함수이론(Density Functional Theory; DFT) 및 분자동역학(Molecular Dynamics; MD) 시뮬레이션은 폴리이미드 합성에 앞서 연구자가 설계한 단위구조로부터 폴리이미드의 광학특성, 열적특성을 예측할 수 있기 때문에 연구 시행착오를 최소화하고, 효율적인 분자설계를 가능케 한다. 본문에서는 투명 폴리이미드의 원리를 설명하고 분자 설계, 모델링을 포함한 연구동향을 다루고자 한다.

키워드 투명폴리이미드, 폴리이미드, 분자설계, 시뮬레이션