폴리이미드(PI)에 대한 종합 가이드: "병목 현상 소재"

1. 폴리이미드 - 소개

폴리이미드는 이미드 고리를 특징으로 하는 고성능 고분자 소재입니다.견고한 분자 사슬 구조로 인해 우수한 기계적 특성을 제공합니다.또한 내열성 폴리머로서 일반적으로 550℃에서 단기간 동안 주요 물리적 특성을 유지하고 330℃에 가까운 온도에서 장기간 사용할 수 있습니다.폴리이미드 수지는 반세기 동안 산업화되어 첨단 기술 분야에서 엔지니어링 플라스틱 및 복합 재료의 매트릭스로 중요한 역할을 담당해 왔습니다.
폴리이미드는 내방사선성, 내식성, 고온 및 저온 저항성, 화학적 안정성, 기계적 특성 및 유전 특성이 우수합니다.탄소섬유, 아라미드 섬유와 함께 우리나라 첨단산업 발전을 제한하는 3대 "병목 현상"의 고분자 소재 중 하나로 간주됩니다.PI의 종합적인 성능은 고성능 폴리머 소재 피라미드의 최상위에 위치하며 항공우주, 전자, 운송, 에너지, 국방 등 수많은 첨단 기술 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

2. 폴리이미드 - 고유한 특성

PI는 분자 내에 이미드기(-R-CO-NH-CO-R'-)를 함유한 복소고리형 고분자로 현재까지 종합 성능이 가장 높은 고분자 중 하나이다.PI는 -200~300℃의 장기간 작동 온도 범위에서 높은 온도 저항(열분해 온도 ≥ 500℃)과 낮은 온도 저항(최저 -269℃)을 나타냅니다.열팽창 계수는 10⁻⁵~10⁻⁻ ℃⁻²에 불과합니다.1000Hz에서의 유전상수는 4.0이고 유전손실은 0.004~0.007에 불과하며 체적 저항률은 10⁵ Ω·m으로 F~H 절연으로 분류됩니다.인장 강도는 100~400 MPa이고 섬유 탄성률은 이론적으로 탄소 섬유(700 GPa)에 이어 두 번째인 500 GPa에 도달할 수 있습니다.또한 방사선 저항성, 난연성, 자기소화성, 생체 적합성 등의 장점이 있습니다.PI의 전반적인 성능은 고성능 폴리머 재료 피라미드의 최상위에 위치합니다(그림 2 참조).

그림 2. 고성능 폴리머 소재 피라미드

폴리이미드의 독특한 특성은 다음과 같이 요약될 수 있습니다.

(1) 열분해 온도

열중량 분석에 따르면 완전 방향족 폴리이미드의 초기 분해 온도는 일반적으로 약 500℃입니다.비페닐이무수물과 p-페닐렌디아민으로 합성된 폴리이미드는 열분해 온도가 600℃로 현재까지 가장 열적으로 안정한 고분자 중 하나입니다.

(2) 고온 저항

400℃ 이상의 온도를 견딜 수 있으며, -200~300℃의 장기 작동 온도 범위와 뚜렷한 융점이 없습니다.

(3) 극저온 저항

절대 온도 4K(-269℃)의 액체 수소에서 부서지기 쉬운 상태로 유지되는 등 극저온을 견딜 수 있습니다.

(4) 기계적 성질

충전되지 않은 폴리이미드의 인장 강도는 100 MPa 이상입니다.Kapton 폴리이미드 필름의 강도는 250MPa이고 Upilex-S 폴리이미드 필름은 530MPa에 이릅니다.엔지니어링 플라스틱으로서 탄성률은 일반적으로 3-4GPa입니다.러시아 연구원들은 공중합 폴리이미드에서 방사된 섬유가 5.1-6.4 GPa의 강도와 220-340 GPa의 모듈러스를 달성할 수 있다고 보고했습니다.이론적 계산에 따르면 피로멜트산 이무수물과 p-페닐렌디아민으로 합성된 폴리이미드 섬유는 탄소 섬유에 이어 두 번째로 최대 500 GPa의 모듈러스를 달성할 수 있습니다.

(5) 내가수분해성

폴리이미드는 묽은 산에 상대적으로 안정적이지만 대부분의 품종은 가수분해, 특히 알칼리성 가수분해에 그다지 저항성이 없습니다.이렇게 불리해 보이는 특성은 폴리이미드와 다른 고성능 폴리머에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 즉, 알칼리 가수분해를 통해 원료에서 이무수물과 디아민을 회수하는 능력입니다.예를 들어, Kapto 필름의 복구율은 90%에 달할 수 있습니다.구조를 변형하면 120°C의 물에서 500시간 동안 끓인 후에도 상당한 가수분해 저항성을 갖는 품종을 얻을 수도 있습니다.그러나 다른 방향족 폴리머와 마찬가지로 폴리이미드는 진한 황산, 질산 및 할로겐에 대한 내성이 없습니다.

(6) 내산성 및 내용제성

폴리이미드는 광범위한 용해도 스펙트럼을 가지고 있습니다.구조에 따라 일부 품종은 모든 유기 용매에 거의 녹지 않는 반면, 다른 품종은 사수소, 아세톤, 클로로포름, 심지어 톨루엔 및 메탄올과 같은 일반적인 용매에 용해됩니다.다른 방향족 폴리머와 마찬가지로 폴리이미드는 진한 황산, 질산 및 할로겐에 대한 내성이 없습니다.

(7) 열팽창계수

폴리이미드의 열팽창 계수는 2x10⁻⁵ ~ 3x10⁻⁵ °C⁻²인 반면, 비페닐형 폴리이미드의 열팽창 계수는 금속과 비슷한 10⁻⁶ °C⁻¹에 도달할 수 있습니다.일부 품종은 심지어 10⁻⁷ °C⁻¹에 도달할 수도 있습니다.

(8) 방사선 저항

폴리이미드는 높은 내방사선성을 나타냅니다.이 필름은 5×10^7 Gy의 양을 흡수한 후에도 강도의 86%를 유지합니다.폴리이미드 섬유는 1×10⁸ Gy의 전자를 조사한 후에도 강도의 90%를 유지합니다.

(9) 유전특성

폴리이미드는 우수한 유전 특성을 가지고 있습니다.일반적인 방향족 폴리이미드의 유전율은 약 3.4입니다.폴리이미드에 불소, 큰 측기 또는 나노 규모의 공기 분산을 도입하면 유전 상수를 약 2.5로 줄일 수 있습니다.유전손실은 10⁻³, 유전강도는 100~300 kV/mm, 체적저항률은 1017 Ω·cm이다.이러한 특성은 넓은 온도 및 주파수 범위에 걸쳐 높게 유지됩니다.

(10) 난연성

자기소화성: 폴리이미드는 일반적으로 자발적으로 연소되지 않거나 연소를 촉진하지 않으므로 고온 환경에서 사용하기에 매우 안전합니다.낮은 연기 방출: 폴리이미드는 고온 연소 시 연기 방출이 극히 낮아 화재 시 연기 및 유독 가스 방출을 줄이는 데 도움이 됩니다.높은 숯 잔여물: 고온 연소 후 폴리이미드의 숯 잔여물은 일반적으로 50% 이상이므로 화재가 더 이상 확산되는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

(11) 생체적합성

폴리이미드는 무독성이며 식기 및 의료기기 제조에 사용할 수 있으며 수천 번의 멸균 주기를 견딜 수 있습니다.일부 폴리이미드는 생체적합성도 뛰어납니다.예를 들어, 혈액 적합성 테스트에서는 용혈성이 없고 체외 세포독성 테스트에서는 무독성입니다.

3. 폴리이미드 - 응용

범용 플라스틱 및 엔지니어링 플라스틱의 일반적인 가공 모델에는 공급업체가 베이스 수지를 제공하고, 베이스 수지를 제조업체에서 다양한 제품으로 가공하여 시장에 공급하는 방식이 포함됩니다.하지만 PI 관련 업체들은 대부분 소재 합성과 제품 성형을 통합해 제품을 시장에 직접 공급하고 있다.PI 제품은 필름, 슬러리, 수지, 섬유, 폼, 복합재(표 1) 등 다양한 형태로 제공되며 제품 유형의 다양성이 매우 높아 최고의 폴리머 소재 중 하나입니다.

폴리이미드 시장 규모는 2024년에 54억 6천만 달러에 이를 것으로 예상되며, 예측 기간(2024~2029) 동안 CAGR 6.84%로 성장하여 2029년에는 76억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.
(1) 영화

폴리이미드 필름은 일반적으로 주조 후 PAA 슬러리를 이미드화하여 생산되는 가장 초기에 상용화되고 가장 큰 형태의 PI 제품입니다.기존 PI 필름은 호박색을 띠고 우수한 기계적 특성, 유전 특성, 고온 및 저온 저항성, 방사선 저항성을 갖고 있어 '황금 필름'이라는 명성을 얻었습니다.

PI 필름에는 피로멜리트계 폴리이미드 필름과 비페닐 폴리이미드 필름의 두 가지 유형이 있습니다.DuPont에서 Kapton이라는 상표명으로 생산한 전자는 피로멜리트산 테트라카르복실산 무수물과 디아미노디페닐 에테르로 만들어집니다.Ube Industries, Ltd.에서 상표명 Upilex로 생산한 후자는 비페닐 테트라카르복실산 이무수물과 디페닐 에테르 디아민(R형) 또는 m-페닐렌디아민(S형)으로 만들어집니다.

기술적 관점에서 보면 검정색 PI 필름, 갈색 PI 필름, 투명 PI 필름, 코로나 방지 PI 필름 등 다양한 유형의 PI 필름이 있습니다.후자의 세 가지는 주로 화학적 이미드 방법을 사용하여 제조되며 고급 시장의 주요 응용 품종입니다.

다양한 응용 분야에 따라 PI 필름은 전기 PI 필름, 전자 PI 필름, 열 제어 PI 필름, 항공우주 PI 필름, 플렉서블 디스플레이용 CPI 필름으로 나눌 수 있습니다.

(2) 섬유질

폴리이미드 섬유는 중요한 고성능 섬유입니다.내열성 폴리이미드 섬유는 유기합성섬유 중 하나로 250~350℃에서 사용 가능한 가장 높은 작동 온도를 가지고 있습니다.아라미드, 폴리페닐렌설파이드 섬유에 비해 내광성, 흡수성, 내열성이 우수합니다.고성능 폴리이미드 섬유는 아라미드 섬유의 약 2배에 달하는 강도를 갖고 있어 최고의 기계적 성질을 지닌 유기합성섬유 중 하나입니다.

폴리이미드 섬유의 탄성률은 탄소 섬유에 이어 두 번째로 뛰어나 고급 복합 재료의 보강재로 사용됩니다.또한 고온, 방사성 또는 유기 가스 및 액체, 내화 펠트, 섬유 종이, 방탄 및 난연성 직물을 필터링하는 데 사용하기 위해 로프, 직물 또는 부직포로 짜여질 수 있습니다.가장 잘 알려진 사례는 렌징의 P84 폴리이미드 섬유이다.

(3) 첨단복합재료 매트릭스

항공우주, 항공기, 로켓 등의 구조부품과 엔진부품에 사용됩니다.380℃ 이상에서 수백 시간 사용이 가능하며, 400~500℃의 단기간에도 견딜 수 있어 내열성이 가장 뛰어난 수지계 복합재료입니다.탄소 섬유/폴리이미드 복합재는 항공기 제조 산업에서 널리 사용됩니다.BMI 및 PMR-15와 같은 폴리이미드 매트릭스 재료를 사용한 탄소 섬유 강화 복합재는 항공기 엔진 카울링, 환기 덕트 및 엔진 팬 블레이드를 생산하는 데 사용할 수 있습니다.

(4) 엔지니어링 플라스틱

여기에는 열경화성 및 열가소성 재료가 모두 포함되며 성형, 사출 또는 이송 성형이 가능합니다.주로 자기 윤활, 밀봉, 절연, 구조용 재료에 사용됩니다.듀폰의 베스펠(Vespel)로 대표되는 슈퍼엔지니어링 플라스틱은 저온부터 고온까지 매우 넓은 온도 범위에서 장기간 사용이 가능하며 내마모성이 우수합니다.따라서 항공기 엔진 부품으로 사용될 수 있으며 자동차, 위성, 기계 산업에도 적용됩니다.

(5) 코팅

이는 전자기 전선의 절연 바니시 또는 고온 저항 코팅으로 사용됩니다.

(6) 발포 플라스틱

고온 및 초저온용 단열재, 방음재로 사용됩니다.

(7) 분리막

PI 분리막은 다양한 가스쌍(수소/질소, 질소/산소, 이산화탄소/질소, 메탄 등)의 분리, 공기 중의 수분 제거, 탄화수소 공급 가스, 알코올 제거에 사용됩니다.또한 투과증발막과 한외여과막에도 사용할 수 있습니다.폴리이미드의 내열성과 유기용제 저항성으로 인해 유기 액체와 기체의 분리에 특히 중요합니다.

(8) 포토레지스트

일반 포토레지스트와 마찬가지로 감광성 폴리이미드는 광화학 반응 메커니즘에 따라 네거티브 포토레지스트와 포지티브 포토레지스트로 분류될 수 있습니다.이제 PI 포토레지스트는 수성 솔루션으로 개발되어 서브미크론 해상도를 달성할 수 있습니다.안료나 염료와 결합하면 컬러 필터 멤브레인에 사용할 수 있어 처리 단계가 크게 단순화됩니다.현재 Siemens, DuPont, Ciba-Geigy 및 Merck가 모두 이러한 제품을 제공하고 있습니다.

(9) 양성자 수송막

연료전지, 특히 메탄올 연료전지의 멤브레인으로 사용되는 이 제품의 메탄올 투과성은 기존 퍼플루오로설폰산 멤브레인(Nafion)보다 현저히 낮습니다.

(10)광전자재료

수동 또는 능동 도파관 재료, 광 스위치 재료 등으로 사용되는 불소화 폴리이미드는 통신 파장 범위에서 투명합니다.폴리이미드를 발색단 매트릭스로 사용하면 재료의 안정성이 향상될 수 있습니다.

(11) 액정 디스플레이의 정렬

폴리이미드는 TN-LCD, STN-LCD, TFT-LCD 및 미래의 강유전성 액정 디스플레이에서 정렬제로 매우 중요한 역할을 합니다.

(12) 마이크로 전자 장치의 응용

층간 절연을 위한 유전체층으로, 응력을 줄이고 수율을 향상시키기 위한 완충층으로 사용됩니다.보호층으로서 장치에 대한 환경의 영향을 줄일 수 있고 α 입자를 보호하여 장치의 소프트 오류를 ​​줄이거나 제거할 수도 있습니다.

(13) 생체적합성 재료

플루오르화 폴리이미드와 혈액 및 조직의 상용성은 생체 적합성 물질의 응용에 대한 관심을 불러일으켰습니다.PI는 전극, 바이오센서, 약물 전달 시스템, 뼈 조직 대체물, 마스크 또는 인공호흡기, 항균 재료에 널리 사용됩니다.

(14) 접착제

고온 저항성 접착제로 사용됩니다.우수한 고온 기계적 특성, 유전 특성, 내방사선성을 보유하고 있어 항공우주, 정밀 전자 기계 등 첨단 기술 분야에 널리 적용되어 왔습니다.또한 다른 유기 접착제에서 발견되는 내열 온도 하한 문제도 해결했습니다.

(15) 코팅

독특한 구조로 인해 폴리이미드 폴리머 코팅은 열 보호층, 방수 및 습기 방지층, 방사선 방지층 및 기타 절연층으로 자주 사용됩니다.이는 항공우주, 전자, 기계 제조, 건설 등 산업 분야에서 폭넓게 응용됩니다.