습식 및 승화 정제

OLED 소재는 각 사용 용도에 맞는 특성을 기본적으로 갖추어야 하며, OLED 소자의 수명이 유기 소재 내에 포함되어 있는 불순물에 크게 영향을 받기 때문에 고순도가 필요하며, 일반적으로는 99.9% 이상의 순도를 요구한다. 따라서, 유기 소재를 정제하기 위한 기술이 중요하며, 유기 소재의 정제는 습식 정제 방법과 건식 정제 방법을 사용한다.

 

습식 정제 방법으로서는 일반적으로 널리 알려져 있는 컬럼 크로마토그래피 및 재결정 등의 방법을 사용하며 고순도를 확보한다. 컬럼 크로마토그래피는 고정상으로 사용하는 충진 물질과 분리하고자 하는 물질 사이의 상호 작용 차이에 의하여 물질을 분리하는 방식으로서 여러 가지 물질이 혼합되어 있을 경우 혼합물 분리에 유용한 방법이다. 그러나, 습식 정제 방법으로는 불순물 제거와 고순도 확보에 한계가 있기 때문에 건식 전제 방법인 승화 정제 방법을 반드시 사용해야 한다. 습식 정제만을 이용할 경우에는 습식 정제시 사용한 용매 등에 의한 불순물 혼입으로 인하여 불순물 제거에 한계가 있다.

 

승화 정제 방법은 유기물을 가열하여 기체화시킨 후 서로 다른 물질이 기체 상태에서 고체 상태로 변화되는 온도가 다른 점을 이용하여 긴 관을 온도가 서로 다른 여러 영역으로 나눈 후 각 영역에서 물질을 고체 상태로 수득하여 물질을 분리하는 방식이다. 일반적으로 진공상에서 승화 정제를 진행하며, 고진공일수록 승화 온도가 낮아지기 때문에 고진공상에서 승화 정제를 진행한다. 관의 길이가 길어지면 길어질수록 물질 분리 능력이 향상되며, 각 영역마다 적절하게 온도를 설정해야 물질 분리가 가능하다. 승화 정제를 통하여 99.9% 이상의 순도 확보가 가능하며, 한번의 승화 정제를 통하여 고순도 확보가 어려울 경우에는 두 번 또는 세 번의 승화 정제 과정을 거치기도 한다. OLED 소자에서 장수명을 구현하고 안정적인 증착 공정을 진행하기 위해서는 반드시 승화 정제를 진행해야 한다.

 

승화 정제기의 구성은 보트, 외부관, 내부관으로 구성되어 있다. 외부관을 가열로를 이용하여 가열하며, 외부관 안쪽에 있는 보트와 내부관도 외부관을 통하여 가열된다. 샘플은 보트에 넣어서 승화 정제를 진행하며, 내부관은 샘플 수득을 쉽게 하기 위하여 각 온도 영역별로 관을 분리하여 사용한다. 온도는 샘플을 기준으로 샘플보다 멀어질수록 순차적으로 낮게 설정하고 샘플은 일반적으로 두 번째 영역에서 고체화되도록 설정하고, 불순물은 마지막 영역에서 고체화되도록 설정한다.

물질의 순도

OLED 소자의 수명은 유기물에 포함되어 있는 불순물에 의하여 크게 영향을 받으며, 불순물이 유기물에 포함될 경우 소자의 수명이 급격히 감소하게 된다. 특히 OLED 소자 내의 유기물 중 발광층에 사용되는 호스트 및 도펀트의 순도가 소자 수명에 가장 큰 영향을 미친다. 반면, 공통층 물질의 경우에는 발광층 물질에 비해서는 상대적으로 소자 특성에 미치는 영향이 적기는 하지만 순도가 높을수록 소자 수명에 유리하다. 유기 물질 내에 포함될 수 있는 불순물로서는 물질 합성 과정을 통하여 유입되는 금속 불순물과 유기물 합성을 통하여 생성되는 부산물이 불순물로 포함될 수 있다.

유기물의 순도 분석

유기 물질의 순도를 측정하는 방법으로서 가장 널리 사용하는 방법은 고성능 액체 크로마토그래피 방법이다. HPLC 액체 크로마토그래피의 일종으로서 충진재가 충진되어 있는 관을 통해 샘플을 녹인 용액을 통과시키고, 샘플과 충진재의 상호 작용에 의하여 샘플이 관을 통과하는 시간이 달라지는 현상을 이용하여 물질을 분리하고 물질의 순도를 정량화하는 방법이다. 사용하는 관이 비극성 물질로 충진된 관일 경우에는 극성 물질이 먼저 나오게 되며, 극성 물질로 충진된 관의 경우에는 비극성 물질이 먼저 나오게 된다. HPLC 분석 방법은 검지기의 신호를 통하여 물질의 정량 분석이 가능하기 때문에 순도 분석 용도로 널리 사용하고 있다. 그러나, 용매에 용해되지 않는 물질의 경우에는 분석하기 어려운 단점이 있다.

ICP 분석

금속 불순물이 포함되어 있는 유기물을 플라즈마 시스템을 이용하여 가열하면 온도가 6000~8000도 정도로 상승하게 되며, 열에너지에 의하여 유기물 내에 포함된 무기 원소들을 높은 에너지 상태로 여기된다. 여기 상태로 전이된 원소들은 다시 낮은 에너지 상태로 돌아가게 되며, 이때 방출되는 에너지를 전류로 전환하여 측정한다. 측정되는 전류값은 샘플의 농도에 비례하고, 원소에 따라 방출되는 에너지가 다르기 때문에 물질 내에 포함된 원소의 종류와 양을 측정 할 수 있다.