폴리이미드(polyimide, PI) 이란?

폴리이미드(polyimide, PI)는 고분자의 한 종류로서 이미드(imide) 작용기를 주쇄에 가지는 분자를 통칭한다.

이미드 작용기는 두 개의 아실(acyl) 작용기가 질소 원자에 결합한 구조이다. 많은 경우 아민(amine)과 카복실산 무수물(carboxylic anhydride)기 간의 축합 반응을 통해 폴리이미드를 합성한다.

 

 

 

1950년대부터 산업적으로 대량 생산되기 시작하였다. 폴리이미드는 이미드의 화학적 안정성을 기초로 하여 우수한 기계적 강도, 내화학성, 내열성을 가진다. 특히 내열성은 폴리이미드를 연료 전지, 태양 전지, 메모리, 디스플레이 등의 다양한 응용에 사용하게 한 주요 물성이다. 폴리이미드는 특히 좋은 절연 특성 및 낮은 유전율의 전기적 특성을 보인다. 따라서 전자 기기에서부터 광학 분야에 이르기까지 중요한 고분자 재료로 쓰인다. 무기물 대신 폴리이미드와 같은 유기물을 사용함으로써 제품의 경량화 및 소형화가 가능하다는 장점이 있다. 유리 기판을 대체할 수 있는 가볍고 유연성이 있는 기판 재료로 폴리이미드를 연구하고 있다.

 

 

흔히 알려진 폴리이미드로 파이로멜리트산 이무수물(pyromellitic dianhydride)과 4,4'-옥시다이아닐린(4,4'-oxydianiline) 단량체 간의 축합 중합으로 합성하는 캡톤(Kapton)을 들 수 있다.

주쇄의 화학 구조에 따라 폴리이미드를 다음과 같이 분류하며, 포화 탄화수소 및 불포화 탄화수소 폴리이미드로 나눈다.

 

 

방향족 폴리이미드는 디스플레이 소재 등 광학 분야에서 사용되는데 본질적으로 짙은 갈색을 나타내는 경우가 많아 기존의 유리 기판을 대체하기에는 광학적 특성에서 제약이 있었다. 이러한 색깔은 이미드 주쇄 내에 존재하는 카복실산 무수물기가 전자받개(electron-acceptor)로, 다이아민기가 전자주개(electrondonor)로 작용하면서 전하 이동 컴플렉스(charge transfer complex (CTC))를 형성하는 것으로 설명할 수 있다. 주쇄에 있는 방향족의 공명 구조(resonance structure)의 수가 증가하면 π 전자의 전이가 쉬워지고 에너지 준위는 낮아져 가시광선 영역의 빛을 흡수하게 된다. 이에 따라 그의 배색인 황색 및 적색을 띠게 되면서 짙은 갈색으로 보인다.

폴리이미드의 본질적인 색을 제거하기 위해서는 π 전자의 밀도를 감소시켜 폴리이미드의 구조에 변화를 줄 필요가 있다. 그러나 이러한 구조 변화로 인하여 폴리이미드의 장점인 열적/기계적 내구성을 감소시키기도 한다. 따라서 최근 들어 폴리이미드가 가지는 본래의 열적/기계적 내구성을 유지하면서 투명한 폴리이미드 필름을 제작하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 전략 중 하나는 alicyclic (aliphatic + cyclic) 구조를 주쇄에 도입하는 것이다. 예로써 사이클로뷰테인(cyclobutane), 사이클로헥세인(cyclohexane), 카르도(cardo) 작용기(예: 다이페닐사이클로섹세인(diphenylcyclohexane), 아다만테인(adamantane))를 들 수 있다. 또 하나의 전략은 전기음성도가 큰 플루오린(F)이나 설폰(sulfone) 치환기를 도입하는 것이다. 다른 전략으로써 비대칭 혹은 뒤틀린 구조를 가지며 단단한 작용기를 도입하기도 한다. 예로써 비대칭으로 치환체가 달린 바이페닐(biphenyl) 혹은 다이페닐 에터(diphenyl ether) 작용기를 들 수 있다.