디스플레이 백플레인 공정 #02 — PI ① 유리 위에 만드는 플렉시블 기판: 재료와 구조

접히는 스마트폰이 처음 나왔을 때, 많은 사람이 같은 질문을 했습니다. "화면이 어떻게 접히지? 유리 아닌가?" 답은 간단합니다 — 접히는 화면의 기판은 유리가 아니라 플라스틱 필름입니다. 그런데 흥미롭게도, 그 필름을 만드는 공장은 여전히 유리판 위에서 작업을 시작합니다. PI 편의 첫 회인 이번 편은 그 역설에서 출발해 재료(왜 폴리이미드인가)와 구조(왜 두 층인가), 그리고 액체가 필름이 되는 화학까지 다룹니다. 코팅·건조·경화의 실제 공정과 장비는 다음 편(3편)입니다.

유리는 기판이 아니라 '운반대'다

디스플레이 팹의 모든 장비 — 코터, 노광기, 증착기 — 는 단단하고 평평한 판을 옮기고 고정하도록 설계되어 있습니다. 두께 10㎛ 안팎, 종이 한 장의 10분의 1쯤 되는 흐물거리는 필름은 이 장비들 사이를 혼자 돌아다닐 수 없습니다. 그래서 업계가 찾은 답이 "유리 위에 필름을 만들어서, 다 끝나면 떼어낸다"는 전략입니다.

유리판 위에 액체 상태의 폴리이미드를 발라 굳히면, 유리에 밀착된 얇은 필름 기판이 생깁니다. 그 위에서 트랜지스터와 발광층까지 전부 만든 다음, 마지막에 유리 뒷면에서 자외선 레이저를 쏘아 필름만 떼어냅니다 — LLO(Laser Lift-Off)입니다. 레이저가 유리를 투과해 PI와 유리의 계면만 순간적으로 분해하면 완성된 패널이 필름째 떨어져 나오고, 다 쓴 캐리어 유리는 회수되어 재사용됩니다. 유리는 처음부터 끝까지 '기판 행세'를 하지만 실제로는 공정 동안만 필름을 붙드는 운반대인 셈입니다.

왜 굳이 이런 우회로를 택할까요. 굽힘을 받는 판의 표면 변형률은 두께 t와 굽힘 반경 R에 대해 대략 다음과 같습니다.

표면 변형률 ε ≈ 두께 t ÷ (2 × 굽힘 반경 R)

반경 3mm로 접는다고 두면 두께 0.5mm 유리의 표면 변형률은 8.3%입니다 — 유리는 0.2% 근처에서 이미 깨지므로 성립하지 않습니다. 같은 유리를 30㎛까지 갈아도 0.50%로 무기 재료의 파괴 변형률 위입니다. 반면 10㎛ 폴리이미드는 0.167%이고, 고분자라 이 정도는 탄성 영역에서 흡수합니다. 즉 "접힌다"는 성질의 대부분은 재료가 아니라 두께에서 나오고, 캐리어 유리는 "만드는 동안은 딱딱하게, 다 만들고 나면 얇게"라는 모순을 시간으로 푸는 해법입니다.

왜 하필 폴리이미드인가

기판이 될 플라스틱의 조건은 가혹합니다. 이후 공정에서 수백 ℃의 열을 여러 번 견뎌야 하고, 각종 용제·산·염기에 안정적이어야 하며, 수십만 번 접혀도 갈라지지 않아야 합니다. 흔한 플라스틱(PET 등)은 100~200℃ 부근에서 변형되기 시작하므로 탈락입니다.

후보 재료를 유리전이온도 기준으로 늘어놓으면 선택지가 얼마나 좁은지 한눈에 보입니다. 백플레인 공정에는 PI 자신의 경화(3편), 탈수소(4편), 결정화(6편)만 해도 400℃ 이상이 여러 번 등장합니다.

재료	유리전이온도(Tg)	선팽창계수	백플레인 기판 적격성
PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)	67~81℃	—	불가 — 건조 단계도 못 넘김
PC(폴리카보네이트)	147℃	65~70 ppm/K	불가 — 광학 부품용
디스플레이 기판용 PI	390℃ 이상	10~40 ppm/K	적합 — 사실상 유일한 선택
무알칼리 유리(참고)	변형점 600℃대	약 3.2 ppm/K	적합하나 접히지 않음

PET·PC의 값은 공개된 물성 자료를(PET · PC), PI의 값은 플렉시블 디스플레이 기판용 폴리이미드 특허가 청구항에서 직접 규정한 범위를 옮긴 것입니다(US 11,472,922 B2). 유리의 3.2 ppm/K는 5편 열응력 계산에서 쓴 값과 같습니다.

이 조건을 사실상 유일하게 만족하는 고분자가 폴리이미드(PI, Polyimide)입니다. 폴리이미드는 1960년대 상용화 이래 '가장 뜨거운 곳'에서 일해 온 재료로, 내열성의 뿌리는 분자 구조에 있습니다 — 사슬 안에 방향족 고리와 이미드 고리가 번갈아 박혀 있어 사슬이 뻣뻣하고 고리를 끊는 데 큰 에너지가 듭니다. 같은 이유로 폴리이미드는 녹여서 성형할 수 없습니다. 녹기 전에 분해되기 때문입니다. 이 성질이 뒤에서 볼 "액체로 시작할 수밖에 없는" 이유가 됩니다.

극단적인 사례도 있습니다. 대형 적외선 우주망원경의 태양 차양막은 알루미늄을 증착한 폴리이미드 필름 5겹입니다. 한 면은 영하 200℃ 이하, 반대 면은 태양빛을 정면으로 받는 환경에서 망원경을 지키는 재료로 폴리이미드가 선택됐습니다(Sunshield 공식 해설).

차양막용 폴리이미드 멤브레인 샘플. 사진: Wikimedia Commons (CC BY 2.0)

기판용 PI의 사양서 — 숫자로 읽기

"내열성이 좋다"는 말만으로는 재료를 살 수 없습니다. 아래는 앞서 인용한 특허가 명세서·청구항에서 직접 제시한 값들입니다.

항목	규정 범위	왜 이 값인가
유리전이온도	390℃ 이상	경화 400℃와 이후 열처리를 견뎌야 함
선팽창계수(100~350℃)	10~40 ppm/K, 22 이하 선호	유리 캐리어와의 응력을 줄이기 위함
탄성계수	3~8 GPa	얇아도 취급 중 늘어나지 않아야 함
필름 두께	5~10㎛	굽힘 변형률과 취급성의 타협점
두께 방향 위상차	200~600 nm	편광판 아래에서 색 틀어짐을 막기 위함
바니시 고형분	15~20 중량%	코팅 가능한 점도와 두께의 절충
경화 조건	5℃/분 승온, 80℃ 30분 → 400℃ 30분	용매 배출과 이미드화의 분리

여기서 선팽창계수를 낮추라는 요구와 위상차를 관리하라는 요구는 서로 충돌합니다. 선팽창계수를 낮추려면 사슬을 곧게 펴 면 방향으로 정렬시켜야 하는데, 정렬된 필름은 복굴절을 갖기 때문입니다(Polymer 321, 128085 (2025)).

완성품을 사 오지 않는다 — 바니시라는 액체

디스플레이 기판용 PI는 완성된 필름을 사다 붙이는 것이 아닙니다. 바니시(varnish)라고 부르는 액체 전구체를 유리에 직접 발라 그 자리에서 필름으로 만들어냅니다. 액체로 시작해야 이물 없는 초평탄 표면을 얻을 수 있고 — 나노미터 두께의 트랜지스터를 쌓으려면 표면 거칠기부터 나노미터급이어야 합니다 — 무엇보다 폴리이미드는 녹지 않기 때문입니다.

바니시의 정체는 폴리이미드의 전 단계 물질인 폴리아믹산(PAA, Polyamic Acid)을 유기 용매에 녹인 용액입니다. 대표적인 용매가 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)로, 폴리이미드 코팅은 통상 NMP 같은 비양성자성 용매에 녹인 폴리아믹산 용액 형태로 도포됩니다. 이 용액에서 고형분은 소수이고 대부분이 용매입니다 — 특허는 고형분을 15~20 중량%(더 바람직하게는 15~18%)로 규정하며, 고형분 15% 바니시를 슬릿 코팅으로 도포하는 실시예를 그대로 기재합니다(US 11,472,922).

이 숫자는 곧바로 공정 조건으로 번역됩니다. 밀도 차이를 무시하고 환산하면 고형분 15%짜리 바니시로 건막 10㎛를 얻으려면 습막을 66.7㎛(10 ÷ 0.15)로 발라야 합니다. 고형분 18%면 55.6㎛, 20%면 50.0㎛입니다. 다음 편에서 "약 70㎛를 발라 10㎛를 남긴다"는 수치가 나오는 것은 이 나눗셈의 결과입니다.

즉 바르는 액체의 8할가량은 날아갈 용매입니다. 고형분을 더 올려 습막을 얇게 하면 편할 것 같지만, 고형분이 오르면 점도가 급격히 올라 슬릿 노즐로 균일하게 밀어내기 어려워집니다. 특허가 상한을 20%로 못박은 이유입니다.

액체가 필름이 되는 화학 — 이미드화

폴리아믹산 자체가 이미 고분자입니다. 무수물기 두 개를 가진 이무수물(dianhydride)과 아민기 두 개를 가진 디아민(diamine)을 용매 속에서 만나게 하면 상온에서도 두 단량체가 번갈아 이어지며 긴 사슬이 됩니다. 이 사슬에는 카복실기와 아마이드기가 짝지어 매달려 있습니다 — 아직 고리가 닫히지 않은 '미완성 폴리이미드'입니다. 여기에 열을 가하면 두 가지 일이 순서대로 일어납니다.

• 용매 증발 — 용액의 8할을 차지하던 용매가 날아가고 고형분만 남습니다. NMP는 끓는점이 약 202℃인 고비점 용매라(N-Methyl-2-pyrrolidone), 상온에서 쉽게 마르지 않고 상당한 온도까지 올려야 비로소 빠져나갑니다.
• 이미드화(imidization) — 카복실기와 아마이드기가 물 한 분자를 내놓으며 고리를 닫는 축합 반응입니다. 이 고리가 완성되어야 비로소 '폴리이미드'가 되고, 특유의 내열성과 호박색이 나타납니다.

여기서도 산수를 해 볼 수 있습니다. 고전적인 PMDA-ODA 계를 예로 들면 폴리아믹산 반복단위의 분자량은 418.36이고, 이미드화로 반복단위당 물 두 분자(36.03)가 빠져나갑니다 — 고형분 질량의 8.61%가 물이 되어 증발한다는 뜻입니다. 용매와 별개로, 이미 굳은 듯 보이는 막 안에서 또 한 번 물이 생성되어 빠져나가는 것입니다.

이 '나중에 생기는 물'이 공정을 까다롭게 만듭니다. 표면이 먼저 치밀해진 뒤 안쪽에서 물이 만들어지면 빠져나갈 길이 없어 기포나 미세 균열이 됩니다. 그래서 경화 프로파일은 용매를 뺄 구간과 고리를 닫을 구간을 일부러 온도로 분리합니다 — 특허의 "80℃ 30분 → 400℃ 30분"이 그 가장 단순한 형태입니다.

이미드화 진행도는 적외선 분광(FTIR)으로 확인합니다. 이미드 고리 고유의 흡수 피크가 자라고 아믹산 피크가 줄어드는 비율로 이미드화율을 계산합니다. 같은 단량체를 써도 결합 이성질체가 다르면 고리가 닫히는 속도와 필요 온도가 달라지므로(Polymer Journal 22, 725 (1990)), 조성이 바뀌면 온도 프로파일도 함께 손봐야 합니다. 결국 PI 공정은 건조가 아니라 기판 위에서 고분자 합성 반응을 완결짓는 화학 공정입니다.

유리와 필름의 동상이몽 — 열팽창 불일치

이제 사양표의 선팽창계수 10~40 ppm/K가 왜 중요한지 계산할 차례입니다. 400℃에서 경화를 마친 PI는 유리에 붙은 채 상온까지 식습니다. PI는 많이 줄어들려 하고 유리는 조금밖에 안 줄어드는데 붙어 있으니 마음대로 줄어들 수 없고, 그 억눌린 수축이 곧 필름 안의 인장 응력입니다. 5편의 열응력 식을 재료가 둘인 경우로 확장하면 이렇게 됩니다.

필름 응력 σ ≈ [ E / (1 − ν) ] × (α_필름 − α_유리) × ΔT

PI의 탄성계수는 표에서 3~8 GPa였으므로 중간값 5 GPa, 고분자의 통상 푸아송비 0.34, 유리 3.2 ppm/K, 온도차는 400℃에서 25℃까지 375K로 두고 계산했습니다.

PI 선팽창계수	유리와의 차이	응력(E=5GPa)	E=3~8GPa 범위	0.5mm 유리의 휨 반경
10 ppm/K	6.8 ppm/K	약 19.3 MPa	11.6~30.9 MPa	—
20 ppm/K	16.8 ppm/K	약 47.7 MPa	28.6~76.4 MPa	약 8.3 m
30 ppm/K	26.8 ppm/K	약 76.1 MPa	45.7~121.8 MPa	—
40 ppm/K	36.8 ppm/K	약 104.5 MPa	62.7~167.3 MPa	약 3.8 m

마지막 열은 스토니(Stoney) 식으로 구한 캐리어 유리의 휨 반경입니다 — 0.5mm 유리 위 10㎛ PI의 인장 응력이 유리를 얼마나 오목하게 휘게 하는지입니다. 40 ppm/K짜리 PI를 쓰면 곡률 반경이 3.8m까지 작아지고, 한 변이 2m가 넘는 대형 유리에서 이 정도 곡률은 반송 로봇의 흡착과 노광기의 초점에 직접 영향을 줍니다.

특허가 "40 ppm/K 이하, 가능하면 22 이하"로 단계적으로 조인 이유가 여기 있습니다. 응력은 선팽창계수 차이에 선형이므로 40에서 20으로 줄이면 응력도 절반 이하(104.5 → 47.7 MPa)가 됩니다(J. Applied Polymer Science 34, 815 (1987)). 다만 대가가 따릅니다. 사슬을 뻣뻣하게 만들수록 필름은 잘 늘어나지 않고 물러져, 접힐 때 응력을 흡수하지 못하고 균열이 갑니다. 그래서 실제 조성은 강직한 골격과 유연한 연결기를 섞어 중간값을 찾습니다.

한 층이 아니라 샌드위치 — 적층 구조

왜 이렇게 겹겹이 쌓을까요. 이유는 셋입니다.

첫째, OLED는 수분에 극도로 약합니다. 유기 발광 재료는 미량의 수분·산소와 만나면 화소가 죽어 검은 점(다크 스팟)이 됩니다. 유리는 그 자체로 완벽한 차단재지만 플라스틱인 PI는 수분을 조금씩 통과시킵니다. 그래서 PI 위에 치밀한 무기막을 덮어 통로를 끊습니다(Flexible OLED).

둘째, 결함의 확률 게임입니다. 한 층의 막에는 미세한 이물이나 핀홀이 생깁니다. 두 벌로 쌓으면 결함이 관통하려면 두 층의 결함이 정확히 같은 자리에 겹쳐야 하고, 그 확률은 각 층 확률의 곱이 되어 급감합니다 — 한 층에서 1만분의 1이라면 두 층 동시에는 1억분의 1입니다.

셋째, 두께를 나누면 균일도를 잡기 쉽습니다. 10㎛를 한 번에 만들려면 습막이 66.7㎛여야 하지만 두 번에 나누면 매번 33.3㎛면 됩니다. 습막이 두꺼울수록 건조 중 표면과 바닥의 용매 농도차가 커지므로, 절반으로 나누는 것만으로 얼룩 위험이 크게 줄어듭니다.

덧붙여 배리어와 버퍼는 수분만 막지 않습니다. 위에 올라갈 실리콘 막은 400℃가 넘는 열처리를 받는데, PI가 실리콘과 직접 맞닿으면 PI에서 나온 잔류 성분이 실리콘을 오염시킬 수 있습니다. 무기 배리어는 그 사이를 끊는 확산 방지막도 겸합니다(J. Display Technology 11, 666 (2015)).

마지막 관문 — 레이저로 떼어내기

공정이 끝나면 필름을 유리에서 떼어내야 합니다. 물리적으로 잡아당기면 필름이 찢어지거나 소자에 응력이 남으므로, 유리 뒷면에서 자외선 레이저를 쏘아 계면만 분해합니다. 성립 조건은 둘 — 유리는 그 파장을 통과시키고, PI는 그 파장을 표면에서 다 흡수해야 합니다. 자외선 영역에서 두 조건이 동시에 만족됩니다. 폴리이미드는 방향족 고리가 많아 자외선을 강하게 흡수하고 흡수 깊이가 수백 나노미터로 얕아, 에너지가 계면에만 집중되고 위쪽의 트랜지스터와 발광층은 열을 거의 받지 않습니다.

보고된 LLO 조건들은 대체로 100~250 mJ/cm² 구간에 모입니다 — 주름 없이 초박막 PI를 떼어내는 조건으로 약 110 mJ/cm²를(Applied Surface Science 499, 143910 (2020)), 펄스를 겹치지 않고 한 발씩 분리하는 임계로 약 240 mJ/cm²를 보고한 예가 있습니다(Science China Tech. Sci. 62, 233 (2018)). 값이 갈리는 이유는 PI의 조성·두께·빔 분포·겹침 비율이 모두 다르기 때문입니다.

설계자가 쥔 손잡이도 여럿입니다 — 빔 단면을 평평하게(top-hat) 만들어 자리마다 에너지를 같게 하거나(Optics & Laser Technology 142, 107245 (2021)), 유리와 PI 사이에 희생층을 깔아 그 층만 분해되게 하거나(Vacuum 170, 108968 (2019)), 레이저 대신 광대역 섬광을 쓰는 방식(Polymers 13, 546 (2021))이 모두 시도됐습니다. 분리 후 PI 뒷면에는 분해 산물이 남으므로 LLO 직후 뒷면 세정과 보호 필름 부착이 뒤따릅니다.

흔한 오해 셋

• "접히는 화면에는 유리가 안 쓰인다" — 기판은 PI가 맞지만 만드는 동안은 유리 위에 있고, 완성된 화면 맨 위에는 얇은 유리나 무색투명 고분자로 된 커버 윈도우가 다시 올라갑니다. 유리가 사라진 것이 아니라 역할이 바뀐 것입니다(Micromachines 12, 233 (2021)).
• "PI가 유연해서 접힌다" — 절반만 맞습니다. 앞의 변형률 계산대로 같은 재료라도 두꺼우면 안 접힙니다. 유연함의 주된 원천은 두께이고, 재료는 그 얇은 두께에서 반복 변형을 견디는 역할을 맡습니다.
• "PI 필름을 사다 붙인다" — 완성된 필름은 표면 거칠기와 치수 안정성이 트랜지스터 공정을 견디지 못합니다. 구매 명세에 오르는 것은 필름이 아니라 바니시의 점도와 고형분입니다.

정리 — 그리고 다음 편

• 플렉시블 기판은 유리 캐리어 위에서 액체로 시작해 그 자리에서 만들어지는 폴리이미드 필름이다.
• 바니시는 폴리아믹산 + NMP, 고형분 15~20% — 건막 10㎛에 습막 50~67㎛가 필요하다.
• 가열은 건조가 아니라 이미드화이며, 반복단위당 물 두 분자(질량의 8.6%)가 추가로 빠져나간다.
• 사양은 Tg 390℃ 이상 · 선팽창계수 10~40 ppm/K · 탄성계수 3~8 GPa · 두께 5~10㎛. 선팽창계수 40 ppm/K면 유리와의 불일치로 100 MPa급 응력이 걸린다.
• 기판은 PI·배리어의 샌드위치이고, 마지막 LLO가 100~250 mJ/cm²로 계면만 분해한다.

다음 편(PI ②)에서는 이 액체를 실제로 유리에 바르고 굳히는 공정과 장비로 들어갑니다 — 슬릿 코터가 대면적 유리를 훑는 법, 진공에서 두 단계로 말리는 이유, 오븐 속 온도의 계단(약 120℃ → 350℃ → 450℃), 그리고 용액을 밀어 보내는 펌프 네 가지가 왜 서로 다른 답을 내는지까지.

참고 자료

• US 11,472,922 B2 — Polyimide film, flexible substrate using same, and flexible display comprising flexible substrate : 본문 사양표의 출처
• EP 2186848 A1 — Process for production of polyimide film, and polyamic acid solution composition : 용액 조성과 감압 탈포
• "Reactivity of Poly(amic acid) Isomers in Thermal Imidization," Polymer Journal 22, 725 (1990) : 이성질체별 고리 닫힘 속도
• "Residual stress and thermal expansion of spun-on polyimide films," J. Applied Polymer Science 34, 815 (1987) : 막의 열팽창과 잔류 응력 실측
• "LTPS TFT Process on Polyimide Substrate for Flexible AMOLED," J. Display Technology 11, 666 (2015) : PI 기판 위 LTPS 공정
• "Laser lift-off systems for flexible-display production," J. Information Display 15, 1 (2014) : LLO 장비의 요구 사항
• "Theoretical and experimental studies of laser lift-off of nonwrinkled ultrathin polyimide film," Applied Surface Science 499, 143910 (2020) (약 110 mJ/cm²) · "Experimental study of laser lift-off of ultra-thin polyimide film for flexible electronics," Science China Technological Sciences 62, 233 (2018) (약 240 mJ/cm²) : 본문 플루언스 범위의 근거
• "Laser lift-off of polyimide thin-film from glass carrier using DPSS laser pulses of top-hat square beam profile," Optics & Laser Technology 142, 107245 (2021) · "Sacrificial layer for laser lift-off process for flexible-display production," Vacuum 170, 108968 (2019) : 평탄 빔과 희생층
• "Investigation of the Chemical Structure of Ultra-Thin Polyimide Substrate for the Xenon Flash Lamp Lift-off Technology," Polymers 13, 546 (2021) · "Ultra-high Tg colorless polyimide film…," Polymer 321, 128085 (2025) · "Transparent and Flexible SiOC Films on Colorless Polyimide Substrate…," Micromachines 12, 233 (2021) : 섬광 분리와 무색투명 PI
• Polyimide · N-Methyl-2-pyrrolidone · PET · Polycarbonate · Flexible OLED — Wikipedia : 비교표 물성값과 NMP 끓는점(약 202℃)
• Sunshield — 우주망원경 공식 해설 : 폴리이미드 멤브레인 5겹 차양막
• 사진: 폴리이미드 테이프 — Wikimedia Commons (Dsimic, CC BY-SA 3.0) · Sunshield 멤브레인 — Wikimedia Commons (CC BY 2.0)