앞 편에서 우리는 재료를 봤습니다 — 고형분 15~20%의 폴리아믹산 용액, 그리고 그것이 이미드화를 거쳐 필름이 되는 화학이었죠. 이번 편은 그 액체가 실제로 유리 위에서 필름이 되기까지의 공정과 장비입니다. 동작은 셋뿐입니다 — 바르고, 말리고, 굽는다. 그런데 그 사이사이에 세정과 검사가 끼어들면서 공정 구간이 길어집니다.
전체 흐름 — 같은 사이클을 두 번
공정도를 펼치면 눈에 띄는 것이 두 가지입니다. 첫째, 세정이 세 번이나 나옵니다. 둘째, 이 전체 사이클이 두 번 반복됩니다 — 앞 편에서 본 PI 2층 구조 때문입니다. 1차 PI를 만들고 배리어를 덮은 뒤, 같은 순서를 한 번 더 돌려 2차 PI와 배리어를 올리고, 마지막에 버퍼층까지 쌓아야 다음 공정으로 넘어갑니다.
세정이 잦은 이유는 단순합니다. 액체를 다루는 공정은 그 자체가 파티클 발생원이기 때문입니다. 배관·밸브·챔버 벽 어디서든 미세한 입자가 떨어질 수 있고, 그 입자 하나가 다음 층 아래 갇히면 영원히 못 고치는 결함이 됩니다. 층을 올리기 전 표면을 비우는 일이 다음 층의 품질을 결정합니다.
① 바르다 — 슬릿 코팅
대면적 유리 위에 수십 ㎛ 두께의 액막을 균일하게 펴는 일은 생각보다 어렵습니다. 회전력으로 액을 퍼뜨리는 스핀 코팅은 원판 웨이퍼에는 유효하지만 한 변이 미터급인 사각 유리에는 쓸 수 없습니다. 그래서 등장한 방식이 슬릿 코팅(slit/slot-die coating)입니다 — 유리 폭만큼 긴 노즐의 가는 틈으로 용액을 일정 유량으로 밀어내며 노즐이 유리 위를 훑습니다.
| 방식 | 액을 펴는 힘 | 대면적 사각 기판 | 재료 손실 | 주 결함 |
|---|---|---|---|---|
| 스핀 코팅 | 원심력 | 부적합(모서리 처짐·비산) | 매우 큼 | 스트리크·에지 비드 |
| 슬릿(슬롯다이) 코팅 | 펌프 압력 + 이송 | 적합 — 현행 표준 | 작음(도포량 = 필요량) | 가로 줄무늬·리빙 |
| 롤 코팅 | 롤 간 압착 | 가능하나 접촉식 | 중간 | 롤 자국·접촉 오염 |
| 스프레이 코팅 | 분사 액적 | 가능(요철에 강함) | 큼(오버스프레이) | 액적 자국·두께 산포 |
슬릿 코팅이 표준이 된 결정적인 이유는 도포량이 곧 필요량이라는 점입니다. 스핀 코팅은 부은 액의 대부분을 원심력으로 날려 버리지만, 슬릿 코팅은 펌프가 밀어낸 양이 그대로 막이 됩니다. 값비싼 바니시를 다루는 공정에서 이 차이는 곧 원가입니다.
여기서 앞 편의 "고형분 15~20%"가 숫자로 돌아옵니다. 액막을 약 70㎛ 두께로 바르지만(그것도 2분할로 나누어), 용매가 날아간 뒤 남는 필름은 2층 합산 10㎛ 안팎입니다. 부피의 8할가량이 사라지는 셈이죠. 그래서 코팅 두께의 작은 편차가 최종 필름에서도 비율 그대로 남습니다 — 그래서 코팅 두께의 균일도가 곧 최종 필름의 균일도가 됩니다.
두께를 정하는 것은 결국 나눗셈이다
슬릿 코팅의 습막 두께는 놀랄 만큼 단순한 식으로 정해집니다. 노즐이 밀어내는 부피 유량을 도포 폭과 이송 속도로 나눈 값입니다.
습막 두께 h = 유량 Q ÷ (도포 폭 w × 이송 속도 v)
8세대급 유리(2.2m × 2.4m, 면적 5.28㎡)에 습막 33.3㎛를 한 번 바른다고 두고(2분할이므로 건막 5㎛에 해당) 임의의 이송 속도를 예로 넣어 보면 이렇게 됩니다.
| 이송 속도(예시)필요 유량 | 2.5m 도포 시간 | 1회 도포량 | |
|---|---|---|---|
| 50 mm/s | 3.66 mL/s (약 220 mL/분) | 48.0초 | 176 mL |
| 100 mm/s | 7.33 mL/s (약 440 mL/분) | 24.0초 | 176 mL |
| 150 mm/s | 10.99 mL/s (약 660 mL/분) | 16.0초 | 176 mL |
도포량은 속도와 무관하게 176 mL로 같습니다. 두 번 바르면 352 mL, 유리 한 장에 우유팩 3분의 1쯤을 붓는 셈입니다. 그중 살아남는 고형분은 건막 5㎛ 한 층 기준 약 37g에 불과합니다(PI 밀도 1.4 g/㎤ 가정). 나머지는 전부 뒤 공정에서 증발시켜 회수해야 할 용매입니다.
이 식이 알려 주는 더 중요한 사실은 두께가 유량에 정비례한다는 것입니다. 유량이 3% 흔들리면 건막도 3% 흔들려, 10㎛ 목표에서 ±0.3㎛가 어긋납니다. 속도 역시 마찬가지여서, 이송축의 가감속 구간에서 속도가 흔들리면 그 자리에 그대로 두께 띠가 생깁니다. 코팅 장비의 사양서가 "유량 안정도"와 "이송 속도 편차"를 앞세우는 이유가 여기에 있습니다.
물론 유량과 속도를 마음대로 조합할 수는 없습니다. 노즐과 기판 사이에 매달린 액체 다리 — 코팅 비드(coating bead) — 가 안정하게 유지되는 조합의 범위가 정해져 있기 때문입니다. 유량이 너무 적거나 속도가 너무 빠르면 비드가 끊어지고, 그 아래로는 아무리 조건을 맞춰도 막이 이어지지 않습니다. 이 저유량 한계(low-flow limit)와 최소 습막 두께는 슬롯다이 코팅 연구의 오랜 주제입니다("Minimum wet thickness in extrusion slot coating," Chemical Engineering Science 47, 1703 (1992) · "Low-flow limit in slot coating: Theory and experiments," AIChE Journal 46, 1907 (2000)). 안정 영역을 벗어나면 리빙(ribbing)이나 주기적 줄무늬 같은 결함이 나타나며, 운전 한계를 정리한 리뷰가 그 지도를 제공합니다("A review of the operating limits in slot die coating processes," AIChE Journal 62, 2508 (2016)).
급소는 펌프다
- 도포량은 유량 × 이동 속도로 결정됩니다. 그래서 유량을 만들어 내는 펌프가 이 공정의 심장입니다.
- 펌프의 압력이 미세하게 출렁이면(맥동, pulsation) 그 리듬이 그대로 두께의 줄무늬가 됩니다.
- 앞의 나눗셈이 그 이유입니다 — 유량의 주기적 변동은 두께의 주기적 변동으로 1:1 대응합니다.
- 고점도 용액에서는 유로 안에 갇힌 기포가 결함으로 이어지기도 합니다(ACS Applied Materials & Interfaces 16, 11890 (2024)).
그래서 펌프 방식마다 성격이 갈립니다. 튜브를 눌러 액을 미는 비접촉 방식(동축·병렬·경질 튜브형)은 액이 기계 부품에 직접 닿지 않아 파티클 위험이 낮지만, 용량과 내압에 한계가 있습니다. 반면 시린지형은 응답성과 압력 안정성이 가장 좋고 용량 제한이 사실상 없지만, 액이 실린더·실링과 접촉하므로 파티클 관리가 까다롭습니다. 어느 쪽이든 액과 닿는 오링과 실링은 시간이 지나면 마모되고, 그 마모가 곧 파티클의 출처가 됩니다.
비드를 안정시키는 또 하나의 손잡이는 비드 뒤쪽을 약하게 감압하는 것입니다. 노즐 상류 쪽에 미세한 부압을 걸면 액체 다리가 뒤로 당겨져 안정 영역이 넓어지고, 같은 유량에서 더 얇은 막을 더 빠르게 바를 수 있습니다("The Effect of Bead Vacuum on Slot Die Coating," International Polymer Processing 24, 157 (2009)). 코팅이 "액을 짜서 바르는 일"이 아니라 압력의 균형을 잡는 일인 이유입니다.
액과 닿는 모든 것이 관리 대상
용액 공급 계통은 원액 공급 → 교반·탈포(진공 탱크) → 다단 필터 → 펌프 → 노즐로 이어집니다. 중간의 탈포가 특히 중요한데, 용액 속 기포가 그대로 코팅되면 필름의 구멍이 되기 때문입니다. 폴리아믹산 용액을 감압 하에서 탈포한 뒤 도포하는 절차는 특허 실시예에도 그대로 기재되어 있습니다(EP 2186848 A1).
배관과 밸브의 재질도 관리 항목입니다. NMP 같은 강한 유기 용매에 부풀거나 녹아 나오면 그 자체가 오염원이 되므로, 액과 닿는 부분은 불소수지 계열 배관(PTFE 등)과 퍼플루오로엘라스토머(FFKM) 계열 실링재(FFKM)로 구성합니다. 두 재료 모두 불소를 포함한 사슬 구조 덕분에 내화학성이 뛰어나고, 진공·저오염 용도로는 저아웃가싱 등급이 따로 요구됩니다. 챔버 내부를 바깥보다 약간 높은 압력으로 두면 외부 공기가 빨려 들어오지 못합니다. 반대로 도어처럼 마찰이 일어나는 부위는 그 자체가 입자를 만드는 자리입니다.
② 말리다 — 감압 건조를 두 단계로
코팅 직후의 액막은 대부분이 용매입니다. 이대로 뜨거운 오븐에 넣으면 표면부터 급히 굳어 껍질이 생기고, 그 아래 갇힌 용매가 나중에 끓어오르며 표면을 뚫습니다 — 얼룩과 기포의 지름길입니다. 그래서 오븐 전에 감압 건조(VCD, Vacuum Chamber Dry)를 둡니다.
원리는 끓는점이 압력을 따라 내려간다는 사실입니다. 앞 편에서 본 대로 NMP의 상압 끓는점은 약 202℃지만, 압력을 낮추면 훨씬 낮은 온도에서도 끓습니다. 얼마나 내려갈까요. 클라우지우스-클라페이롱 관계식에 트루턴 규칙으로 추정한 기화 엔탈피(88 J/mol·K × 475K ≈ 41.8 kJ/mol)를 넣어 계산하면 대략 다음과 같습니다(Clausius–Clapeyron · Trouton's rule).
| 챔버 압력 | NMP 끓는점(추정) | 공정에서의 의미 |
|---|---|---|
| 1,013 mbar (상압) | 약 202℃ | 고온 오븐이 아니면 안 마름 |
| 101 mbar | 약 117℃ | 저온 예비 건조 영역 |
| 10 mbar | 약 58℃ | 거의 상온에서 활발히 증발 |
| 1 mbar | 약 14℃ | 감압 건조가 실제로 쓰는 영역 |
표의 마지막 줄이 감압 건조를 두 단계로 나누는 이유를 설명합니다. 표가 보여주는 것은 압력을 두 자릿수 낮추면 끓는점이 상온 근처까지 내려온다는 사실입니다. 다만 한 번에 깊이 내리면 증발이 급해져 표면이 거칠어질 수 있으므로, 감압을 단계로 나누는 설계가 나옵니다. 감압 건조 장치 특허가 배기 유량을 두 단계 이상으로 나누어 막의 주변부 형상을 잡으면서 두께 균일성을 유지한다고 명시하는 것도 같은 맥락입니다(US 6,966,949 B2).
다른 특허들이 다루는 문제도 정확히 이 지점입니다 — 액종에 맞춰 증발 속도를 최적화하고 도포면 전체의 증기압 분포를 고르게 유지하는 것(US 8,203,689 B2), 그리고 배기구 부근에서 기포가 생기면 국부적으로 용액이 부풀어 두께가 불균일해지고 그것이 표시 불량으로 이어진다는 것(US 7,437,832 B2). 압력을 "얼마나 낮추는가"만이 아니라 "기판 전면에서 얼마나 똑같이 낮추는가"가 관건입니다.
- 챔버를 어떻게 여닫는가도 품질 문제입니다.
- 개방형은 뚜껑이 통째로 열려 안팎 온도차가 커지고, 벽면에 응축이 생기면 그 방울이 파티클원이 됩니다.
- 게이트 도어형은 옆문으로 기판만 드나들고 챔버 내·외벽을 함께 가열해 온도 편차와 응축을 줄입니다.
- 감압 건조는 '압력 관리'인 동시에 '응축 관리'입니다.
③ 굽다 — 온도의 계단
마지막은 오븐입니다. 앞 편에서 본 것처럼 경화는 건조가 아니라 이미드화 반응을 완결짓는 단계이므로, 온도를 한 번에 올리지 않고 계단을 밟듯 단계적으로 올립니다. 각 계단에서 무엇이 일어나는지, 그리고 그때 막이 어떻게 얇아지는지를 함께 놓으면 프로파일의 의도가 보입니다. 아래 두께는 고형분 15%·습막 66.7㎛로 시작해 최종 10㎛에 이르는 경우를 단순 환산한 값입니다.
| 구간 | 주로 일어나는 일 | 누적 용매 제거 | 막 두께(환산) |
|---|---|---|---|
| 코팅 직후 | — | 0% | 66.7㎛ |
| 감압 건조 | 용매의 저온 증발 | 약 70% | 27.0㎛ |
| 투입 초기 약 80℃ | 열충격 완화·표면 안정화 | — | — |
| 약 300℃ | 잔여 용매 배출, 이미드화 시작 | 약 90% | 15.7㎛ |
| 약 400℃ | 이미드화 완결(고리 닫힘) | 100% | 10.0㎛ |
| 냉각 | 잔류응력 최소화 | — | 10.0㎛ |
각 계단의 근거를 하나씩 보겠습니다.
- 투입 초기 — 상온의 기판을 갑자기 고온에 넣으면 급격한 상변화와 변형이 생깁니다. 적당히 데운 상태에서 시작해 충격을 줄입니다. 앞 편에서 인용한 특허가 5℃/분이라는 느린 승온 속도와 80℃ 예비 유지를 명시한 것과 같은 취지입니다(US 11,472,922 B2).
- 약 300℃ 구간 — 용매 증발. NMP의 끓는점이 약 202℃이므로 이 온도대에서 잔여 용매가 확실히 빠져나갑니다. 감압 건조에서 7할을 뺐다면, 여기서 9할 수준까지 마무리됩니다.
- 약 400℃ 구간 — 이미드화 완결. 고리 닫힘 반응이 끝나고 고분자가 완성됩니다. 이 온도에 도달하고 유지해야 목표 물성이 나옵니다.
- 냉각 — 서서히 식힙니다. 급랭하면 필름과 유리의 열수축 차이만큼 응력이 갇혀 휨·균열의 원인이 됩니다. 앞 편의 계산대로 선팽창계수 차이가 크면 100 MPa급 응력이 걸리므로, 냉각 곡선은 그 응력을 최소화하는 방향으로 설계합니다. 냉각 공기도 청정 필터를 거친 것을 씁니다.
이 프로파일이 제대로 돌았는지는 이미드화율로 판정합니다. 적외선 분광으로 이미드 고리 고유 피크와 아믹산 피크의 비를 추적하면 승온 중 반응이 얼마나 진행됐는지 실시간으로 볼 수 있습니다("In situ FTIR analysis for the determination of imidization degree of polyimide precursors," Polymer 238, 124416 (2022) · "Thermal imidization behaviors of poly(amic acid)…," Vibrational Spectroscopy 106, 103007 (2020)). 덜 반응한 막은 겉보기엔 멀쩡해도 이후 열처리에서 뒤늦게 물과 잔류 용매를 토해내 배리어층을 들뜨게 만듭니다.
가열 방식은 복사(radiation)입니다. 석영관 안의 저항선에 전류를 흘려 달아오르게 하면, 그 열이 복사 형태로 유리에 전달됩니다. 접촉 없이 데우므로 오염이 적고, 구역별로 온도를 나누어 프로파일을 만들기도 쉽습니다.
두께가 흔들리는 다섯 가지 길
PI 공정의 불량은 대부분 "두께가 자리마다 다르다"로 수렴합니다. 흥미로운 것은 흔들림의 종류마다 두께가 흔들리는 방향이 다르다는 점이고, 그 방향은 앞의 나눗셈에서 그대로 따라 나옵니다.
두께는 유량을 폭과 속도로 나눈 값이었습니다. 그러니 유량이 시간에 따라 주기적으로 흔들리면 그 주기가 이송 방향을 따라 두께의 주기가 되고, 결과는 이송 방향에 수직인 줄이 됩니다. 반대로 노즐 틈이 폭 방향으로 고르지 않으면 그 자리의 두께가 계속 다르므로, 줄은 이송 방향과 나란해집니다. 이송 속도가 변하는 구간—가감속이 일어나는 시작과 끝—에서는 그 구간에만 두께 띠가 생깁니다.
건조와 용액 쪽은 성격이 다릅니다. 감압이 기판 전면에서 고르지 않으면 증발 속도가 자리마다 달라 배기가 센 쪽으로 치우친 얼룩이 남고, 용액 자체의 점도나 고형분이 변하면 특정 무늬가 아니라 기판 전체의 두께가 통째로 이동합니다. 앞의 넷이 "무늬"라면 마지막은 "수준"입니다.
두께 자체는 엘립소미터 같은 광학 계측으로 잽니다(Ellipsometry). 값을 기판 좌표에 펼쳐 놓으면 위의 다섯 가지가 서로 다른 그림으로 나타납니다.
검사와 리페어 — 만든 것을 믿지 않는다
경화가 끝난 PI 막은 광학 검사를 통과해야 다음 층으로 넘어갑니다. 표면을 스캔해 기포·이물·돌기·두께 얼룩·엣지 상태를 찾아내고, 발견된 결함은 좌표가 기록됩니다(자동 광학 검사, AOI).
왜 이 시점에 검사를 두는지는 뒤에 올 공정을 생각하면 분명해집니다. PI 위에는 배리어가 덮이고, 그 위에 실리콘이 올라가고, 다시 수십 단계가 쌓입니다. 아래층의 결함은 위층으로 그대로 옮겨 가고, 한번 덮이면 되돌릴 수 없습니다. "불량은 뒤 공정으로 갈수록 비싸진다"는 제조업의 격언이 여기서는 물리적 사실이기도 합니다 — PI 단계의 돌기 하나가 트랜지스터를 다 만든 뒤에는 손댈 수 없는 결함이 되기 때문입니다.
무엇이 왜 중요한가
관리 항목은 결국 세 갈래로 모입니다.
- 두께와 균일도 — 기판 두께의 얼룩은 이후 모든 공정의 얼룩으로 증폭됩니다. 코팅 유량·속도, 노즐 갭, 펌프 리플, 감압·경화 프로파일이 전부 이 한 값으로 수렴합니다.
- 기포·이물 — 액 속에 남은 기포는 그대로 필름의 구멍이 되고, 떨어진 입자는 다음 층 아래 갇혀 되돌릴 수 없는 결함이 됩니다. 그래서 교반·탈포·필터로 액을 다스리는 일과 챔버를 깨끗이 두는 일이 곧 막의 품질이 됩니다.
- 용매 잔류와 반응 완결도 — 감압 후 잔류량, 경화 후 이미드화 완결 여부. 덜 마르면 뒤에서 터지고, 덜 반응하면 물성이 안 나옵니다.
앞의 표에서 봤듯 코팅 자체는 수십 초, 감압 건조도 몇 분입니다. 그런데 경화와 검사, 세정, 그리고 그 사이의 대기가 쌓이면 구간 전체의 소요는 그보다 훨씬 길어집니다. 공정 개선의 상당 부분이 "장비를 빠르게"가 아니라 "기다림을 줄이는" 일인 이유입니다.
다음 편
이제 기판이 완성되었습니다. 다음 편(4편)부터는 열처리 장으로 넘어갑니다 — 기판 위에 첫 실리콘 막이 올라간 직후, 그 막 속에 숨어 있는 수소를 미리 빼내야 하는 이유부터 시작합니다. 빼지 않으면 뒤이은 레이저 공정에서 막이 말 그대로 '터집니다'.
참고 자료
- US 6,966,949 B2 — Apparatus and method for drying under reduced pressure, and coating film forming apparatus : 배기 유량을 2단계 이상으로 나누어 주변부 형상과 두께 균일성을 잡는 구성
- US 8,203,689 B2 — Reduced-pressure drying method, method of manufacturing functional film… : 액종별 증발 속도 최적화와 도포면 증기압 분포 균일화
- US 7,437,832 B2 — Reduced pressure drying apparatus : 배기구 부근 기포 → 국부 팽창 → 두께 불균일 → 표시 불량
- EP 2186848 A1 — Process for production of polyimide film, and polyamic acid solution composition : 폴리아믹산 용액의 감압 탈포·예비 건조 실시예
- US 11,472,922 B2 — Polyimide film, flexible substrate using same, and flexible display : 고형분 15~20%, 5℃/분 승온과 80℃→400℃ 2단 경화
- "Minimum wet thickness in extrusion slot coating," Chemical Engineering Science 47, 1703 (1992) : 슬롯 코팅으로 만들 수 있는 최소 습막 두께
- "Low-flow limit in slot coating: Theory and experiments," AIChE Journal 46, 1907 (2000) : 코팅 비드가 끊어지는 저유량 한계
- "A review of the operating limits in slot die coating processes," AIChE Journal 62, 2508 (2016) : 운전 한계와 결함 지도
- "The Effect of Bead Vacuum on Slot Die Coating," International Polymer Processing 24, 157 (2009) : 비드 감압으로 안정 영역을 넓히는 기법
- "Bubble Defect Generation Mechanism in Slot Die Coating of High-Viscosity Fluids," ACS Applied Materials & Interfaces 16, 11890 (2024) : 고점도 용액에서 기포 결함이 생기는 경로
- "In situ FTIR analysis for the determination of imidization degree of polyimide precursors," Polymer 238, 124416 (2022) · "Thermal imidization behaviors of poly(amic acid)…," Vibrational Spectroscopy 106, 103007 (2020) : 승온 중 이미드화율의 실시간 추적
- Clausius–Clapeyron relation · Trouton's rule · N-Methyl-2-pyrrolidone — Wikipedia : 감압 끓는점 표의 계산 근거와 NMP 상압 끓는점(약 202℃)
- Automated optical inspection · Ellipsometry · PTFE · FFKM — Wikipedia : 광학 검사와 두께 계측, 내화학 배관·실링재
- ※ 위 목록 가운데 Wikipedia 문서에서 인용한 부분은 CC BY-SA 4.0 라이선스를 따릅니다.