JP6470298B2 - イオン性液体を用いた有機素材精製方法および精製装置 - Google Patents

イオン性液体を用いた有機素材精製方法および精製装置 Download PDF

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Description

本発明は、イオン性液体を用いた有機素材精製方法および精製装置に係り、さらに詳しくは、有機EL(electroluminescence)素子の発光体或いは輸送体として使用可能な低分子有機素材の高純度化のためのイオン性液体を用いた有機素材精製方法および精製装置に関する。また、本発明は、上述したような精製方法によって精製された有機素材に関する。
有機EL素子は、仕事関数の大きい透明な陽極と仕事関数の低い陰極金属との間に複数の薄い有機薄膜層で構成されており、発光原理は、素子に順方向に電圧を加えると、陽極電極では正孔が有機層に注入され、陰極では電子が注入されて発光層で再結合して光を出すディスプレイである。有機ELは、情報化時代に要求される高品位パネル特性、たとえば低消費電力、広い広視野角、高速の応答速度、広い駆動温度範囲などをすべて持っており、また、比較的製作工程が単純であって既存のフラットパネルディスプレイを超える低価格化の実現を期待することができるという利点を持っている。
有機EL素子の発光特性に影響を及ぼす要因として、有機素材の純度がある。有機素材中に不純物が混入している場合、その不純物がキャリアのトラップになったり消光の原因になったりして、発光強度および発光効率が低下する。よって、不純物を除去するために、有機素材を精製する必要がある。
有機素材は、素材の合成後、化学的な方法を用いた精製工程を経るが、このような化学的な精製工程としては、再結晶(recrystallization)、蒸留(distillation)およびカラムクロマトグラフィー(column chromatography)などを挙げることができる。このような化学的精製工程を経ると、目標とする化合物の純度を99%以上に引き上げることができる。
有機素材の精製方法としては、一般に、溶媒を用いた再結晶または昇華による再結晶方式が使用される。溶媒を用いた再結晶は、有機素材を大量に精製することができるという利点があるが、溶媒を用いるため、溶媒が有機結晶中に入りやすいという欠点がある。すなわち、有機結晶中に入った溶媒が不純物として作用して発光特性を低下させるという問題点がある。
他の精製方法としては、高性能液体クロマトグラフィー(HPLC:High Performance Liquid Chromatography)などのクロマトグラフィー方式があるが、このようなクロマトグラフィー方式で精製を行う場合、単純な化学的精製工程に比べてより高い純度を達成することができる。ところが、このようなクロマトグラフィー方式は、ほとんどが分析用にのみ用いられているのが実情であり、大量生産の材料精製用に用いられるには不適な工程とされている。
有機発光材料は一般に昇華精製法を用いて精製される。昇華(sublimate)は、相平衡図における3重点以下の温度と圧力で発生する固体−気体相間の転移現象を指す。常圧で加熱すると熱分解される物質であっても、3重点以下の低い圧力では、比較的高い温度でも分解されない状態が維持される。このような性質を利用して、温度勾配の制御が可能な昇華装置内で、合成された物質を加熱して物質が分解されていない状態で昇華点の異なる不純物と分離する操作を「真空昇華法(vacuum sublimation method)」という。このような真空昇華法は、純粋な物理的方法であって、補助試薬の使用やそれ以外の化学的方法によらないため、試料の汚染がなく、高純度精製が可能であるという利点を持っており、有機EL素子用有機素材の精製に有用な方法として知られている。
現在までに最も広く使われる有機素材の超高純度精製方式としては、傾斜加熱式真空昇華精製法(vacuum train sublimation purification method)がある。この方式では、長い管状の真空に近い状態のチャンバーを多数の加熱領域に分け、各加熱領域に対して高温から低温へ傾くように加熱することにより、温度勾配を形成させる。このようなチャンバー内で昇華する材料の昇華点の差を用いて、一定の加熱領域で析出した材料のみを取る方式を採用している。
一般に、従来の真空昇華精製法では次の工程条件を適用している。
(1)加熱領域は、3〜9の領域に分けている。少ない数の領域分割の場合は、単に高温、中温、低温の方式を取っており、多数の領域分割の場合は、試料を取る領域以外に、各領域の温度勾配の範囲内で加熱温度を設定している。
(2)試料ローディング領域は真空ポンプの反対位置に設定する。
(3)材料の特性によって偏差を示すものの、キャリアガスを流す前の初期チャンバー圧力は10−2〜10−6torr(133×10−2〜133×10−6Pa)の範囲であり、キャリアガスを流す側の圧力は0.1〜数torr(数百Pa)の範囲を維持するように調節する。キャリアガスは反応性のない高純度の窒素ガスまたはアルゴンガスを使用する。
(4)試料のローディングは、キャリアガスの移動ができるように、なるべく管径の1/2を超えないようにする。この際、ボート状のローディング機構を使用することもある。
従来の真空昇華精製法でキャリアガスを使用する目的は、真空昇華状態の試料の流れを良くすることにある。すなわち、真空に近い状態でキャリアガスがない場合には、昇華した試料分子の流れが良くないため、試料ローディング領域からあまり近い領域の壁面に固体粒子が析出する現象を示す。したがって、従来の真空昇華精製工程では、キャリアガスの使用が基本工程条件となっている。
しかし、このような従来の真空昇華精製法は、幾つかの欠点を示している。従来の真空昇華精製法の最も大きい問題点は、キャリアガスにより超高純度物質の結ばれた一定の領域が汚染することである。つまり、キャリアガスは、試料がロードされた領域にロードされている原試料を飛散させ、実際に形成された超高純度物質が析出する領域の汚染を引き起こす傾向がある。また、既に形成された超高純度物質の析出領域を漸進的に第3領域へ移動させる現象も起こしている。
キャリアガスは、このような工程上良くない役割だけでなく、大量に試料をロードした場合には、装備にも無理を与え、昇華した試料の一部が真空ポンプを汚染させる現象を引き起こす。このような現象を防止するためのトラップ装置を高容量の構造で設置しても、依然として真空ポンプの性能を低下させたりする。
従来の真空昇華精製法の他の欠点は、真空ベンチング(venting)時の飛散現象である。真空ベンチング時には窒素ガスをチャンバー内に入れることにより圧力を常圧にするが、この場合、チャンバー内で精製工程済みの各試料間の飛散現象が起こることがある。このような現象は、精製用ガラス管(または、水晶管)の両方が開いている場合にさらに加重されるが、これにより、既に精製しておいた物質さえも汚染することが頻繁である。
まとめると、昇華精製法の場合、有機素材の昇華点の差を用いて原料物質を純度の高い有機素材に精製することができる利点があるものの、次のように様々な問題点を引き起こした。
(1)精製過程が昇華−逆昇華を繰り返す過程中に有機物質の相当量がキャリアガスと一緒に排気として消失するので、出発物質に比べて最終精製物質の収率が非常に低いだけでなく、真空ポンプを汚染させる問題点が生じる。
(2)高真空下でキャリアガスを注入する過程で、精製されていない原始試料を飛散させて汚染させるだけでなく、精製後に精製された有機素材を回収するために真空をベンチングする過程で、精製済みの各試料間で飛散現象が発生するおそれがあって、得ようとする有機素材の最終純度を低下させる問題点がある。
(3)精製工程が完了した後、精製物質を回収するために、全体システムの真空雰囲気を常圧に回復させた後、全体システムを停止させなければならないので、自動化が難しい。
(4)このため、反復的な精製工程が必要であるから、消費エネルギーが多く、これは最終的に有機素材のコストが上昇する問題点として作用する。
そこで、本発明は、前述したような従来技術の問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、不純物の含まれている有機素材を昇華点まで加熱して有機素材の昇華ガスを形成した後、前記有機素材の昇華ガスを、流動するイオン性液体に接触、捕集および溶解させて再結晶化させることにより、不純物と高純度の有機素材を簡単に大量に分離精製生産することができる、イオン性液体を用いた有機素材精製方法および精製装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、上述したような精製方法によって精製された有機素材を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係るイオン性液体を用いた有機素材精製方法は、不純物の含有された有機素材を昇華させる昇華段階と、前記有機素材の昇華気体と流動するイオン性液体とを接触させて前記昇華気体を捕集する捕集段階と、前記イオン性液体に捕集されて溶解する前記昇華気体のうち、精製対象の有機素材を先ず過飽和させ、再結晶化した有機素材を生成する再結晶化段階とを含む。
また、本発明によれば、前記捕集段階で、前記イオン性液体は、前記昇華気体の飛散経路を横切って配置された多数のブレードの表面に沿って流動することを特徴とする。
また、本発明によれば、前記再結晶化段階では、前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液を前記多数のブレードの表面に沿って再循環させる再循環段階をさらに含むことを特徴とする。
また、本発明によれば、前記多数のブレードは、垂直軸を中心に等角度で配置され、前記イオン性液体が前記ブレードの表面に沿って下方に流動することを特徴とする。
また、本発明によれば、前記多数のブレードは、水平軸を中心に等角度で配置され、回転しながら前記イオン性液体を流動させることを特徴とする。
また、本発明によれば、前記捕集段階で、前記イオン性液体は、前記昇華気体の飛散経路を横切って落下流動することを特徴とする。
また、本発明によれば、前記再結晶化段階では、前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液を、前記昇華気体の飛散経路を横切って再循環させる再循環段階をさらに含むことを特徴とする。
また、本発明によれば、前記再循環段階では、前記再結晶化した有機素材を分離して回収し、前記混合液を循環させることを特徴とする。
また、本発明によれば、前記捕集段階で、前記イオン性液体は、前記昇華気体の飛散経路を横切って配置された一つ以上の回転ロールの表面に塗布されて流動することを特徴とする。
また、本発明によれば、前記回転ロールの表面からドクターブレードを用いて、前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液を剥がす段階をさらに含むことを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明に係るイオン性液体を用いた有機素材精製装置は、不純物の含有された有機素材を昇華させる昇華部と、前記昇華部に連通するように配置され、前記有機素材の昇華気体と流動するイオン性液体とを接触させて前記昇華気体を捕集する捕集部とを含み、前記捕集部では、前記イオン性液体に捕集されて溶解する前記昇華気体のうち、精製対象の有機素材を先ず過飽和させ、再結晶化した有機素材を生成することを特徴とする。
また、本発明によれば、前記捕集部は、前記昇華部に連通するように連結されたハウジングと、前記昇華気体の飛散経路を横切って前記ハウジング内に配置された多数のブレードと、前記ブレードの表面に沿って流動するように前記イオン性液体を供給するイオン性液体供給手段と、前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液、および前記再結晶化した有機素材を貯蔵する貯蔵手段とを含むことを特徴とする。
また、本発明によれば、前記イオン性液体供給手段は、前記混合液を前記貯蔵手段から前記多数のブレードの表面に沿って再循環させる再循環手段をさらに含むことを特徴とする。
また、本発明によれば、前記多数のブレードは、前記ハウジング内の垂直軸を中心に等角度で配置されることを特徴とする。
また、本発明によれば、前記多数のブレードは、前記ハウジング内の水平軸を中心に等角度で配置されて回転することを特徴とする。
また、本発明によれば、前記捕集部は、前記昇華部に連通するハウジングと、前記昇華気体の飛散経路を横切って落下するように前記イオン性液体を供給するイオン性液体供給手段と、前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液および前記再結晶化した有機素材を貯蔵する貯蔵手段とを含むことを特徴とする。
また、本発明によれば、前記イオン性液体供給手段は、前記混合液を前記貯蔵手段から再循環させ、前記昇華気体の飛散経路を横切って落下させる再循環手段をさらに含むことを特徴とする。
また、本発明によれば、前記再循環手段は、前記貯蔵手段内の前記混合液と前記再結晶化した有機素材を前記貯蔵手段の外部へ排出した後、前記再結晶化した有機素材を分離して回収し、前記混合液を再循環させる回収手段をさらに含むことを特徴とする。
また、本発明によれば、前記捕集部は、前記昇華部に連通するように連結されたハウジングと、前記昇華気体の飛散経路を横切って前記ハウジング内に配置された一つ以上の回転ロールと、前記回転ロールの下部に配置され、前記イオン性液体を前記回転ロールの表面に供給するイオン性液体貯蔵部とを含むことを特徴とする。
また、本発明によれば、前記回転ロールの一側部には、前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液を前記回転ロールの表面から剥がすドクターブレードが設置されていることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明の有機素材は、上述したような精製方法によって精製された有機素材であって、前記有機素材の表面が、前記イオン性液体に起因する成分によって保護されることを特徴とする。
本発明は、昇華段階で発生した昇華気体を運搬させて逆昇華させる工程が不要である。よって、従来の昇華精製法で使用していた不活性キャリアガスによる精製試料の汚染問題を根本的に封鎖するという利点がある。
また、本発明は、昇華段階で発生した昇華気体を失うことなく、全てのイオン性液体に接触させて捕集し溶解させるので、精製過程で有機素材を外部に亡失することなく全て精製させることができるため、精製収率を95%以上に高めることができる。
また、本発明は、不純物が過飽和して再結晶化するまでは、対象の有機素材のみがイオン性液体に優先的に再結晶化して析出するので、精製される有機素材の純度を一気に99.95%以上に画期的に高めることができる。
また、本発明は、不純物と一緒に有機素材が溶解したイオン性液体を回収した後、別途精製工程を経て、本発明のイオン性液体に再利用することにより、イオン性液体を環境にやさしい溶媒として使用するのは勿論のこと、精製コストを低減させることができる。
また、本発明は、装置の容量を調節して大量のイオン性液体を用いてイオン性液体中に過飽和度の限界まで有機素材を投入することにより、有機素材を大量に精製することができるため、精製コストを大幅節減することができる。
本発明の第1実施例に係るイオン性液体を用いた垂直型有機素材精製装置の構成関係を示す分解斜視図である。 本発明の第1実施例に係るイオン性液体を用いた垂直型有機素材精製装置の構成関係を示す結合斜視図である。 図2に示した有機素材精製装置の一部を切り取った結合斜視図である。 図3に示したブレードの構成関係を具体的に示す詳細図である。 図1に示した昇華手段の結合関係を具体的に示す詳細図である。 図5に示した昇華手段のローディングボートの交替方式を示す詳細図である。 図1に示した駆動モーターの駆動方式およびハウジングの上端の結合関係を示す詳細図である。 図3に示した回収手段に集積部材をさらに備えた状態を示す概念図である。 図1に示した捕集手段の変形例を有する有機素材精製装置の一部を切り取った結合斜視図である。 図1に示した捕集手段の他の変形例を有する有機素材精製装置の一部を切り取った結合斜視図である。 本発明の第2実施例に係るイオン性液体を用いた水平型有機素材精製装置の構成関係を示す概念図である。 本発明の第3実施例に係るイオン性液体を用いたスプレー型有機素材精製装置の構成関係を示す概念図である。 本発明の第4実施例に係るイオン性液体を用いたロール型有機素材精製装置の構成関係を示す概念図である。 本発明に係るイオン性液体を用いた有機素材精製方法のフローチャートである。 水平型有機素材精製装置を製作するための設計図である。 図15に示した水平型有機素材精製装置を用いた精製前後のHTL素材に対する大気暴露時間によるRaman PL特性の変化を測定して示すグラフである。 図15に示した水平型有機素材精製装置を用いた精製前後のHTL素材に対する大気暴露時間によるPL特性の変化を測定して示すグラフである。 図15に示した水平型有機素材精製装置を用いた精製前後のHTL素材に対する大気暴露時間による表面形状の変化を撮影して示すSEM(×1k)の写真である。 図15に示した水平型有機素材精製装置を用いて精製された有機素材の特徴を示すXPSのグラフである。 精製された有機素材を120℃で1分間熱処理した後、XPSで表面組成を分析して示すグラフである。
以下、添付図面に基づいて、本発明に係るイオン性液体を用いた有機素材精製方法および精製装置の好適な実施例を詳細に説明する。
イオン性液体(ionic liquid)は、陽イオンと陰イオンのイオン結合からなる塩などの物質であって、100℃以下で液体状態として存在し、高温でも安定的に液体として存在し、蒸気圧がほぼ0に近いため、「Green solvent」と呼ばれながら環境にやさしい溶媒として多くの関心を集めている。また、イオン性液体は、様々な無機物、有機物、高分子物質を溶解させることができ、疎水性、溶解性、粘度、密度などの物理化学的特性を容易に変化させることができるため、「Designer Solvent」とも呼ばれ、理論的には1018種以上の合成が可能であって溶媒としての無限の潜在力を持っている。すなわち、イオン性液体は、既存の有機溶媒が持たない様々な特性を示すだけでなく、ユーザーの目的に合う溶媒を選択して合成することができるという大きな利点を持つ。(イオン性液体の最新の研究動向1−Overview、仁荷大学超精密生物分離技術研究所、イサンヒョン、ハソンホ)
一方、イオン性液体は、陽イオンと陰イオンの構造変化を介して、不揮発性、不燃性、熱的安定性、高いイオン伝導度、電気化学的安定性、高い沸点などの物理化学的特性を容易に変化させることができるため、多機能性の「デザイナー溶媒」として脚光を浴びている。このようなイオン性液体は、酵素の活性と安定性を増大させることができ、分離過程も容易に実現することができ、環境的/経済的な面でも好ましいしため、今後、イオン性液体は多くの分野にわたって広く使用できるのである。(Thi Phuong Thuy Pham、Chul−Woong Cho、Yeoung−Sang Yun、「Environmental fate and toxicity of ionic liquids:A review」、Water Research、44、2010、pp.352〜372)
この実施例に係るイオン性液体としては、化学式1の1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(1−Butyl−3−methylimidazolium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide)(BMIM TFSI)を用いるか、或いは化学式2の1−オクチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(1−Octyl−3−methylimidazolium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide)(OMIM TFSI)を用いることができる。または、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(1−Ethyl−3−methylimidazolium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide)(EMIM TFSI)を用いることもできる。
前述したようなイオン性液体(BMIM TFSI、OMIM TFSI、EMIM TFSI)は、不揮発性有機溶媒であって、イオン性液体中で有機(organic)物質と不純物が溶解−再結晶化を数多く繰り返す過程で、過飽和度にさらに速く到達する有機素材が優先再結晶化するメカニズムにより、様々な有機素材の精製および再結晶化に使用可能である。
一方、BMIM TFSI、OMIM TFSI、EMIM TFSIは、低融点(low melting point)、低蒸気圧(low vapor pressure)、不燃性(nonflammable)、有機分子イオンの構成(consist of organic molecular ions)、陰−陽イオン間の組み合わせ割合の調節性質(controllable properties by combinations of anions and cations)などの特性を持っている。
この実施例に係るイオン性液体は、有機素材の精製および再結晶化に使用されるものであって、100〜120℃、10−7Torr(133×10−7Pa)においても液相で安定して真空工程でも溶媒として利用可能である。
一方、OLEDを構成する核心材料としては、電荷輸送用素材(正孔注入層、正孔輸送層、電子注入層、電子輸送層)と発光用素材(蛍光材料、リン光材料およびそれぞれのドーパント)に大別することができる。このようなOLEDは、その総厚さが100〜200nm程度であって非常に極超薄膜で構成される。一方、電荷輸送用素材の中でも、正孔伝達物質としては、NPB(N,N’−bis(naphthalen−1−yl)−N,N’−bis(phenyl)−benzidine)、TPD(N,N’−Bis−(2−methylphenyl)−N,N’−bis(phenyl)−benzidin)、NPD(N,N’−Di(naphthalen−1−yl)−N,N’−dibenzylbenzidine)、CuPc(Copper Phthalocyanine)、MTDATA(4,4’,4’’−tris(2−methylphenylamino)triphenylamine)などのものがあり、電子伝達物質としては、Alq3(Tri−(8−hydroxy−chinolinato)−aluminium)、DTVBi(4,4−Bis(2,2−diphenyethen−1−yl)−diphenyl)などの化合物があり、また、発光用物質としては、Alq3やクマリン(coumarine)誘導体、キナクリドン(quinacridone)誘導体、ルブレン(rubrene)などがある。
したがって、この実施例に係る有機素材原料としてはNPB素材を用いることができる。ここで、NPBは昇華点が180℃以上である。したがって、有機素材原料を収容するローディングボートを200℃以上に加熱すると、昇華する。
一方、OLED素子の製作のために使用される蒸着物質(有機素材原料)は、前記のような物質以外にも様々なものが存在する。つまり、本発明は、OLEDの電荷輸送用素材または発光用素材を構成する様々な種類の有機素材を原料として用いることができる。
ところが、有機素材としては、前述したようなOLED素子の製作のための低分子有機発光素材以外にも、有機TFT素材、有機太陽電池素材、有機半導体素材などがある。よって、本発明は、前述した様々な分野に適用される有機素材の精製に全て利用可能であるが、以下では、OLED用有機素材を一例にして説明する。
以下、添付図面を参照して、本発明に係るイオン性液体を用いた有機素材精製装置の好適な実施例を詳細に説明する。
<第1実施例>
図1および図2は本発明の第1実施例に係るイオン性液体を用いた垂直型有機素材精製装置の構成関係を示す分解斜視図および結合斜視図、図3は図2に示した有機素材精製装置の一部を切り取った結合斜視図、図4は図3に示したブレードの構成関係を具体的に示す詳細図、図5は図1に示した昇華手段の結合関係を具体的に示す詳細図、図6は図5に示した昇華手段のローディングボートの交替方式を示す詳細図、図7は図1に示した駆動モーターの駆動方式およびハウジングの上端の結合関係を示す詳細図、図8は図3に示した回収手段に集積部材をさらに備えた状態を示す概念図である。
図1に示すように、この実施例の有機素材精製装置100は、大きく、不純物の含有されたOLED用有機素材を昇華させる昇華部と、昇華部に連通するように配置され、有機素材の昇華気体と流動するイオン性液体とを接触させて昇華気体を捕集する捕集部とを含んで構成される。ここで、捕集部では、イオン性液体に捕集されて溶解する昇華気体のうち、組成構成の主成分である精製対象の有機素材を先ず過飽和させ、再結晶化した高純度の有機素材を生成する役割を果たす。
図1〜図4に示すように、前記捕集部は、一定の内部容積を有する真空雰囲気のハウジング110と、昇華した有機素材の昇華気体をイオン性液体と接触させて昇華気体を捕集する捕集手段130と、捕集手段130によってイオン性液体に捕集されて溶解する昇華気体のうち、組成構成の主成分である精製対象の有機素材を先ず過飽和させ、再結晶化した高純度の有機素材を生成する再結晶化手段140とを含んで構成される。
図5および図6に示すように、昇華部は、ハウジング110の下部側にそれぞれ連通し、不純物の含有されたOLED用有機素材原料を加熱して昇華させる多数の昇華手段120を含んで構成される。
一方、この実施例の有機素材精製装置100は、昇華手段120、捕集手段130および再結晶化手段140の作動を制御する制御手段(図示せず)をさらに含むことが好ましい。
ハウジング110は、外部と密閉される一定の内部容積を有するものであって、上部側を構成する上部ハウジング111と、上部ハウジング111の下側に結合する下部ハウジング112と、ハウジング110の内部を真空状態にするメイン真空ポンプ113と、ハウジング110の内部の真空度を微調整する補助真空ポンプ114とを含んで構成される。
昇華手段120は、下部ハウジング112に結合する昇華チャンバー121と、昇華チャンバー121の内部に配置され、有機素材原料を収容するローディングボート122と、ローディングボート122を加熱するヒーター(図示せず)とを含んで構成される。
捕集手段130は、ハウジング110の中心軸に沿って設置される中空形状のシャフト131と、シャフト131の周面に沿ってスクリュー状に設置されるブレード132と、シャフト131の上端に結合して動力を提供する駆動モーター133と、シャフト131の内部にイオン性液体を供給するポンプ134と、ブレード132の上面と下面に沿ってイオン性液体を供給するようにシャフト131に形成される多数の供給孔135とを含んで構成される。
以下、図1〜図4を参照して、ハウジング110の構成関係についてより具体的に説明する。
上部ハウジング111は円錐形の形状を有することが好ましい。つまり、上部ハウジング111は、上部から下部側へ行くほどその内径が益々大きくなる円錐形の形状を有することが好ましい。これは、下部ハウジング112の側面に結合する多数の昇華手段120で昇華する有機素材の昇華気体との接触面積を下部側で大きく持つことにより、昇華気体の再結晶化効率を高めるためである。しかし、上部ハウジング111を円錐形の形状に限定する必要はなく、一定の内部容積を有する円筒形や多角筒形などに構成してもよい。一方、上部ハウジング111は、その内部で行われる再結晶化過程などを外部から確認することが可能な多数の透明窓115を有するように構成することが好ましい。つまり、上部ハウジング111は、全体的にステンレス鋼で製作するが、途中に透明窓115を有するように構成すればよい。このとき、透明窓115はガラス材質で構成すればよい。一方、上部ハウジング111は透明なガラス材質で全体的に構成しても構わない。
上部ハウジング111は、上部ハウジング111の内部温度を調節するヒーター(図示せず)をさらに有するように構成される。このとき、ヒーターは、上部ハウジング111を構成するステンレス鋼の表面に設置するが、例えば、面状発熱体を設置して構成すればよい。ところが、上部ハウジング111を透明なガラス材質で全体的に構成する場合には、ヒーターを上部ハウジング111の周面に沿って一定の上下間隔を置いて帯状に設置することが好ましい。これは、ヒーターを上部ハウジング111に設置しても、一定の間隔をおいてハウジング110の内部を観察することができるようにするためである。このように配置されるヒーターは、イオン性液体を加熱し、上部ハウジング111の内部の温度雰囲気を調節して、有機素材の昇華気体がイオン性液体に溶解する溶解度を調節する役割を果たす。
一方、この実施例の有機素材精製装置100は、上部ハウジング111の外側に設置され、透明窓115を介して赤外線(infrared ray)を照射してシャフト131およびブレード132を加熱することにより、上部ハウジング111の内部温度を調節することが好ましい。または、シャフト131およびブレード132の内部に熱線を設置して上部ハウジング111の内部温度を調節することもできる。
下部ハウジング112は、上部ハウジング111の下側に結合するものであって、円筒形の形状に構成される。一方、下部ハウジング112は、その下部側に、有機素材の再結晶化に用いられたイオン性液体、昇華気体が溶解したイオン性液体(混合液)および再結晶化した有機素材を収集する貯蔵槽(貯蔵手段)141を有するように構成される。ここで、貯蔵槽141は、再結晶化手段140の一部の構成要素を構成するように下部ハウジング112の下部の一部分によって形成されるものであって、一定の容積を有するように構成すればよい。一方、貯蔵槽141は、イオン性液体および再結晶化した有機素材がより便利に一箇所に集まるように中心側に向って下方向にテーパーが付いていることが好ましい。
下部ハウジング112は、下部ハウジング112の内部温度および貯蔵槽141などに貯蔵されたイオン性液体および再結晶化した有機素材の温度を調節するヒーター(図示せず)をさらに有するように構成される。このとき、ヒーターは下部ハウジング112を構成するステンレス鋼の表面(下面を含む)に設置するが、例えば、面状発熱体を設置して構成すればよい。
メイン真空ポンプ113は、ハウジング110の内部を真空状態にする役割を果たすものであって、真空配管を介して下部ハウジング112の一側に連通する。補助真空ポンプ114は、ハウジング110の内部の真空度を微調整する役割を果たすものであって、真空配管を介して上部ハウジング111を密閉させる密閉部材117の一側に連通する。各真空ポンプ113、114の真空配管にはスロットルバルブ(throttle valve)218、219がそれぞれ設置される。
以下、図5〜図6を参照して、昇華手段120の構成関係についてより具体的に説明する。
昇華チャンバー121は、下部ハウジング112の内部に連通して結合するものであって、その内部にローディングボート122を収容することが可能な大きさと、有機素材の昇華気体が下部ハウジング112側へスムーズに流動することが可能な構造で構成される。つまり、昇華チャンバー121は、ローディングボート122が位置する下部側は広く、下部ハウジング112の内部に連通する上部側は狭く構成される。
一方、昇華チャンバー121の内部には、ローディングボート122で昇華した有機素材の昇華気体を集めて、一度に下部ハウジング112側へ流動させるシャッター(図示せず)をさらに有するように構成することもできる。また、昇華チャンバー121の外側面には、昇華チャンバー121の内部を加熱してローディングボート122内の有機素材原料をより効果的に昇華させ、昇華した有機素材の昇華気体が昇華チャンバー121の内側面に再結晶化することを予防する面状発熱体などのヒーター(図示せず)をさらに設置することが好ましい。
ローディングボート122は、昇華チャンバー121の下部側に位置するものであって、下部側にヒーター(加熱手段、図示せず)を有するように構成される。また、ローディングボート122は、その上部に精製対象の有機素材原料を入れることが可能な形状を有するように構成される。一方、ローディングボート122は、有機素材原料が均一に加熱されるように、すなわち接触面積が増大するように、多数の突起形状(くし形)や波形状に有機素材原料の収容部を構成してもよい。
ヒーター(加熱手段)は、ローディングボート122内の有機素材原料を昇華させる熱源の役割を果たすものであって、電気的加熱、電磁加熱および電子ビーム加熱方式を含む。例えば、熱蒸着(thermal evaporation)、レーザービーム(laser beam)、マイクロ波(microwave)または磁気性加熱(magnetic heating)方式などを代わりに適用して構成することもできる。上述したようなヒーターとそれ以外の方式を用いて有機素材原料を昇華させるにあたっては、低い温度で昇華点の直前まで加熱した後、1〜5分間の間隔を置いて、昇華点以上に加熱して昇華させることが好ましい。
以下、図1〜図4、図7および図8を参照して、捕集手段130の構成関係についてより具体的に説明する。
シャフト131は、ハウジング110の中心軸に沿って設置されるものであって、中空形状を有する。このとき、シャフト131の上端および下端部分がハウジング110の上部および下部側に回転可能に支持結合される。つまり、シャフト131の上端は、上部ハウジング111の上部を密閉させる密閉部材117に回転可能に支持結合され、シャフト131の下端は、下部ハウジング112の内側面に固定される支持部材136に回転可能に支持結合される。このとき、支持部材136は、有機素材の昇華気体との接触がほとんど発生しないように昇華チャンバー121との連通部分よりも下部側に位置するように設置することが好ましい。
ブレード132は、シャフト131の周面に沿ってスクリュー状に設置されるものであって、ハウジング110が円錐形の形状を有することにより、それに対応して上部から下部側へ行くほどその幅が益々大きくなる形で構成される。つまり、ブレード132は、昇華気体の飛散経路を横切ってハウジング110内に配置されるが、ハウジング110内の垂直軸を中心に等角度で配置される。一方、ハウジング110を円筒状に構成する場合には、ブレード132の幅が同じサイズを有するように構成すればよい。一方、ブレード132は、その端部がハウジング110の内側面にほぼ密着できる大きさに形成することが好ましい。つまり、ブレード132が回転時にハウジング110の内側面と接触しながら回転するように構成することが好ましい。これは、ブレード132に沿って流動するイオン性液体をハウジング110の内側面に全体的に塗布させ、かつ、ハウジング110の内側面に再結晶化する有機素材をより効率よく分離回収するためである。
一方、ブレード132は、上部から下部側へ時計回りのスクリュー状を有する。これは、有機素材の昇華気体をハウジング110の下部から上部側へスムーズに流動させるためである。したがって、ブレード132は、有機素材の昇華気体を流動させる流動媒体の役割も果たす。ところが、ブレード132が上述のように構成されることにより、ブレード132の上面および下面に沿って流動するイオン性液体がハウジング110の上部側へ流動しようとする力を受けることができる。しかし、ブレード132の回転に伴う回転力が昇華気体を流動させるには適するが、イオン性液体を流動させるには適さないため、イオン性液体がハウジング110の上部側へ流動するおそれはない。
また、ブレード132は、イオン性液体がハウジング110の上部側へ流動しようとする力をより少なく受けさせるだけでなく、イオン性液体が下部側へ流動することが可能な通路の役割を果たす多数のホール132aをさらに有することができる。また、ブレード132は、イオン性液体がハウジング110の下部側へスムーズに流動するように案内する多数の曲線状溝132bをさらに有することもできる(図4参照)。
一方、ブレード132は、前述した連続的なスクリュータイプの代わりに、上下の間隔をおいてシャフト131に固定される多数のタービンブレードから構成してもよい。つまり、ブレード132を不連続的なタイプに構成することにより、それらの間の空間を介してイオン性液体を下部方向に流動させることができる。このようにブレード132を不連続的なタイプに構成する場合には、イオン性液体の下部側への流動のための前述した多数のホール132aまたは多数の曲線状溝132bを備える必要がない。
駆動モーター133は、シャフト131の上端に結合して動力を提供するものであって、一般なモーターから構成される。ここで、駆動モーター133は、ギア噛み合い構造でシャフト131の上端に結合する(図7参照)。
ポンプ134は、シャフト131の内部にイオン性液体を供給する役割を果たすものであって、外部から供給されるイオン性液体および/または有機素材の再結晶化に用いられたイオン性液体(混合液)を供給する役割を果たす。したがって、ポンプ134には、新しいイオン性液体が流入する流入配管(図示せず)と、イオン性液体を循環させる循環配管と、シャフト131に新しいイオン性液体および/または再利用するイオン性液体を供給する供給配管がそれぞれ接続される。ここで、ポンプ134をはじめとする配管は、イオン性液体をシャフト131の内部を経て、ブレードの表面に沿って流動させるイオン性液体供給手段の役割を果たす。また、ポンプ134などは、貯蔵槽141に収集された混合液を捕集手段130側へ再循環させる再循環手段であって、混合液を昇華気体に繰り返し接触させて、有機素材がイオン性液体中で過飽和して再結晶化するようにする再結晶化手段140の構成要素としても利用される。このとき、供給配管はシャフト131の一側と連通し、循環配管はハウジング110の貯蔵槽141と連通する。一方、再循環手段は、この実施例でのように、ポンプ134をハウジング110の外部に配置した状態で外部を経由して再循環させたが、ポンプなどをハウジング110の内部に配置した状態でシャフト131などを経由して再循環させることもできる。このように内部循環構造で構成する場合には、真空条件を別途考慮する必要がないので、その構成関係を単純化することができるという長所がある。
再循環手段は、貯蔵槽141内の混合液と再結晶化した有機素材を貯蔵槽141の外部へ排出した後、再結晶化した有機素材を分離して回収し、混合液を再循環させる回収手段をさらに含むことができる。このような回収手段は、ポンプ134によって供給配管に沿って供給される混合液の中から再結晶化した有機素材を分離して貯蔵する回収容器137と、回収容器137で分離された混合液を捕集手段130側へ再循環させる循環ポンプ138とを備えて構成される。ここで、回収容器137は、再結晶化した有機素材を濾過や遠心分離などで分離する装置を含んで構成される。上述したような回収手段は、再結晶化した有機素材がイオン性液体の下部に沈殿せずイオン性液体の表面に浮上する或いはイオン性液体中に混合される場合に利用することが適する。
一方、シャフト131には、イオン性液体をブレード132の上面および下面に沿って供給する多数の供給孔135が形成される(図4参照)。このとき、多数の供給孔135は、ブレード132に沿って一定の間隔を置いて形成されるが、ブレード132の上面および下面に沿ってイオン性液体が供給されるようにブレード132の上面および下面に多数形成される。このような多数の供給孔135は、イオン性液体に圧力が加えられることによりイオン性液体を噴射するノズルの役割を果たす。このとき、供給孔135は、拡散ノズルのようにイオン性液体をスプレー式で噴射することができるように構成することが好ましい。
この実施例に係る捕集手段130は、ポンプ134によってイオン性液体がシャフト131の内部に一定の圧力で供給され、駆動モーター133の駆動力によってシャフト131が回転しながらイオン性液体がブレード132の上面および下面に供給されてブレード132の上面および下面とハウジング110の内側面が全体的にイオン性液体で塗布されるようにする。つまり、この実施例の捕集手段130は、イオン性液体を駆動モーター133の駆動力による強制流動方式で供給するように構成したものである。
ところが、捕集手段130を強制流動方式ではなく、重力による非強制流動方式で構成しても構わない。一般に、イオン性液体は一定の大きさの粘性を有する。したがって、このようなイオン性液体の特性を用いて、ブレード132の上面および/または下面に沿ってイオン性液体が流動するようにイオン性液体を供給すればよい。
また、この実施例の有機素材精製装置100は、メイン真空ポンプ113および/または補助真空ポンプ114を介してハウジング110の内部真空度の差を利用し、或いは別個の不活性気体のようなキャリアガスを利用して、昇華気体が上部側へスムーズに移動するように制御することもできる。もしキャリアガスを利用する場合には、ハウジング110の一側および他側にキャリアガス供給源及び排出ポンプをそれぞれ設置すればよい。
一方、この実施例の有機素材精製装置100は、精製されて貯留槽141の下部に析出して沈殿した有機素材を回収する回収手段150と、有機素材原料の収容された新しいローディングボートと有機素材原料の昇華した空のローディングボートとを交替する交替手段160とをさらに有するように構成することができる。
回収手段150は、貯蔵槽141の下端に設けられた連結ライン152に連結される回収筒151と、貯蔵槽141と回収筒151との連結ライン152に一定の間隔を置いて設置され、イオン性液体などが移動しないように制御する2つのバルブ153と、2つのバルブ153の間に設置され、連結ライン152に真空を与える真空ポンプ154とを含んで構成される。このとき、回収筒151は、連結ライン152に対して分離および結合可能に構成される。
したがって、回収筒151には、精製されて析出した有機素材が益々蓄積される。また、回収筒151内に有機素材が一定量たまると、2つのバルブ153を閉鎖し、回収筒151を連結ライン152から分離して有機素材を回収することができる。一方、新しい回収筒151を連結ライン152に連結するにあたっては、まず、新しい回収筒151を連結ライン152に締結した後、回収筒151に隣接したバルブ153を開放させる。次に、真空ポンプ154で連結ライン152に真空を与えた後、残りのバルブ153を開放させればよい。
また、回収手段150は、貯蔵槽141の下部に、再結晶化して沈殿した有機素材を回収筒151に集める集積部材155をさらに有するように構成することができる(図8参照)。ここで、集積部材155は、シャフト131の下端に結合してシャフト131の動力によって回転する。一方、集積部材155としてはスクレイパー(scraper)を用いることができる。前述したような回収手段150は、再結晶化した有機素材がイオン性液体の下部に沈殿する場合に利用することが適する。
交替手段160は、昇華チャンバー121の一側および大気状態の外部に対して選択的に開閉され、新しいローディングボートは投入し、空のローディングボートは回収するチャンバー(Chamber)261と、チャンバー161の内部を真空させる真空ポンプ162と、ハウジング110の一側および大気状態の外部に対して選択的に開閉させるそれぞれの開閉装置163、164とを有するように構成される。
一方、交替手段160は、チャンバー161をLCD装備で一般に採用しているロードロックチャンバー(Load Lock Chamber)で構成し、ロードロックチャンバー内に設置され、ローディングボートをハウジング110、ロードロックチャンバーまたは大気状態の外部へ移動させる移動ロボット(図示せず)を含んでローディングボートを自動的に交替させることもできる。
図9は図1に示した捕集手段の変形例を有する有機素材精製装置の一部を切り取った結合斜視図である。図9に示すように、変形例の捕集手段130Aはシャフト131の周面に沿って設置される複数のブレード132Aを有するが、それ以外の構成要素は捕集手段130と同様に構成される。ここで、ブレード132Aは、垂直方向に配列され、上部から下部側へ時計回りの旋回角を有する。つまり、ブレード132Aは、一側端部から他側端部までの位相差が例えば120°程度の旋回角を持つように構成される。したがって、複数のブレード132Aは、昇華気体の飛散経路を横切ってハウジング110内に配置されるが、ハウジング110内の垂直軸を中心に等角度で配置される。
図10は図1に示した捕集手段の他の変形例を有する有機素材精製装置の一部を切り取った結合斜視図である。図10に示すように、他の変形例の捕集手段130Bは、シャフト131の長さ方向に周面に沿って等間隔で設置される多数のブレード132Bと、多数の供給孔135に連通連結され、シャフト131の内部へ供給されるイオン性液体をブレード132Bの表面および上部ハウジング111の内側面に向かって噴射する多数の噴射パイプ139とを有するが、それ以外の構成要素は捕集手段130と同様に構成される。ここで、ブレード132Bは、シャフト131の長さ方向に周面に沿って等間隔で設置され、かつ、昇華気体の飛散経路上に配置されて回転する。つまり、多数のブレード132Bは、昇華気体の飛散経路を横切ってハウジング110内に配置されるが、ハウジング110内の垂直軸を中心に等角度で配置される。
噴射パイプ139は、イオン性液体をブレード132Bの表面および上部ハウジング111の内側面に均一に噴射するように三角形の形状にブレード132B同士の間に上下に配置される。このような噴射パイプ139には、イオン性液体を噴射する多数の噴射孔139aがそれぞれ形成される。このとき、噴射孔139aは、ブレード132Bの表面および上部ハウジング111の内側面に向くが、拡散ノズルのようにイオン性液体をスプレー式で噴射することができるように構成することが好ましい。
以下、前述のように構成されたこの実施例の有機素材精製装置を用いて有機素材を精製する方法について説明する。
まず、昇華チャンバー121の内部に有機素材原料入りのローディングボート122を設置し、ポンプ134および駆動モーター133を駆動させて、ブレード132の上面および下面とハウジング110の内側面を全体的にイオン性液体で塗布する。その後、メイン真空ポンプ113を用いてハウジング110および昇華チャンバー121の内部を真空化させる。
次に、ヒーターを用いてローディングボート122を有機素材原料の昇華点直前まで加熱した後、1〜5分間の間隔を置いて、昇華点以上に加熱する。すると、有機素材と一部の不純物とが混合した有機素材の昇華気体となる。一方、有機素材の昇華気体が形成される時点からブレード132の上面および下面に沿ってイオン性液体が流動するようにする。つまり、ポンプ134によってイオン性液体がシャフト131の内部に一定の圧力で供給され、駆動モーター133の駆動力によってシャフト131が回転しながらイオン性液体がブレード132の上面および下面に沿って流動するようにする。また、ハウジング110の外側面に設置されたヒーターによって、ハウジング110の内部を有機素材の再結晶化が容易な温度雰囲気に造成する。
このように、イオン性液体はブレード132の上面および下面に沿って流動し、有機素材の昇華気体は、シャッターが開放されると同時に、ハウジング110の内部へ流動してブレード132を経由してハウジング110の上部側へ自然に飛散しながら、イオン性液体と昇華気体とがブレード132の上面及び下面などで接触する。このような接触により、昇華気体は、イオン性液体に捕集された後、益々溶解して再結晶化しながらハウジング110の下部の貯蔵槽41に集まることになる。つまり、イオン性液体に昇華気体が溶解するとき、不純物に比べて精製対象の有機素材の含有量が絶対的に高いため、有機素材が先ず過飽和状態に至って再結晶化が先に始まり、高純度の有機素材として析出する。
一方、上部ハウジング111および下部ハウジング112の外側面に設置されるヒーターを用いて、昇華気体がイオン性液体に溶解する溶解度を調節することができる。それにより、昇華気体に対するイオン性液体の溶解度を調節して、イオン性液体中での有機素材の過飽和度および有機素材の再結晶化速度などの制御が可能である。これにより、再結晶化する過程で不純物の混入を最小限に抑えることができ、このようにイオン性液体中に析出する高純度の有機素材はハウジング110の貯蔵槽141から適切に回収すればよい。
例えば、再結晶化した有機素材がイオン性液体の下部に沈殿する場合には、貯蔵槽141に連結された回収手段150の回収筒151を介して、精製された有機素材を回収すればよい。ところが、再結晶化した有機素材がイオン性液体の下部に沈殿せずにイオン性液体の表面に浮上する或いはイオン性液体中に混合される場合には、貯蔵槽141内の混合液と再結晶化した有機素材を貯留槽141の外部へ排出した後、再結晶化した有機素材を濾過や遠心分離などの方式で分離して回収容器137で回収した後、混合液を循環ポンプ138を用いて捕集手段130側へ再循環させればよい。
一方、ローディングボート122内の有機素材原料がすべて昇華する時点で交替手段160を介して有機素材原料入りの新しいローディングボートで交替し、上述した同一過程を経て有機素材を連続的に精製すればよい。
上述のようにイオン性液体中に析出する高純度の有機素材が回収されると、イオン性液体内には、昇華気体内に含まれていた過飽和度に至るまで溶解した有機素材と少量の不純物が一部残留することになる。また、精製工程が進むにつれてイオン性液体内の不純物の含有量が増加し、一定の時点では不純物成分も過飽和度に至ることになり、再結晶化した有機素材内への不純物の混入が発生することになる。この時点で、精製工程のためのイオン性液体を高純度のイオン性液体で交換することが好ましい。
<第2実施例>
図11は本発明の第2実施例に係るイオン性液体を用いた水平型有機素材精製装置の構成関係を示す概念図である。図11に示すように、この実施例の有機素材精製装置200は、多数のブレードがハウジング内の水平軸を中心に等角度で配置されて回転するように構成したこと以外は、第1実施例の有機素材精製装置100と同様の概念で構成したものである。したがって、この実施例では第1実施例と重複する部分についての説明を省略する。
ハウジング210は、外部と密閉される一定の内部容積を有するものであって、ハウジング210の内部を真空状態にする真空ポンプ211を含んで構成される。昇華手段220は、有機素材原料を収容するローディングボート221と、ローディングボート221を加熱するヒーター(図示せず)とを含んで構成される。そして、捕集手段230は、ハウジング210の水平中心軸に沿って設置されるシャフト231と、シャフト231の周面に沿って設置される複数のブレード232と、シャフト231の一側端部に結合して動力を提供する駆動モーター233とを含んで構成される。
以下、ハウジング210の構成関係についてより具体的に説明する。
ハウジング210は、外部と密閉される一定の内部容積を有するが、一定の長さを有する円筒状に構成することが好ましい。一方、ハウジング210は、その内部にイオン性液体212を貯蔵することが可能な貯蔵槽(貯蔵手段)241の役割を行えるように仕切り板213を有する。したがって、ハウジング210の内部には、ローディングボート221が設置される空間、およびイオン性液体212が貯蔵される貯蔵槽241の空間を持つ。
一方、ハウジング210は、その内部で行われる再結晶化過程などを外部から確認することが可能な多数の透明窓(図示せず)を有するように構成することが好ましい。つまり、ハウジング210は、全体的にステンレス鋼で製作するが、途中に透明窓(図示せず)を有するように構成すればよい。このとき、透明窓はガラス材質で構成すればよい。一方、ハウジング210は透明なガラス材質で全体的に構成しても構わない。
ハウジング210は、ハウジング210の内部温度を調節するヒーター215をさらに有するように構成される。このとき、ヒーター215は、ハウジング210を構成するステンレス鋼の表面に設置するが、例えば面状発熱体を設置して構成すればよい。ところが、ハウジング210を透明なガラス材質で全体的に構成する場合には、ヒーター215をハウジング210の周面に沿って一定の間隔を置いて帯状に設置することが好ましい。これは、ヒーター215をハウジング210に設置しても、一定の間隔をおいてハウジング210の内部を観察することができるようにするためである。
このように配置されるヒーター215は、イオン性液体を加熱し、ハウジング210の内部の温度雰囲気を調節して、有機素材の昇華気体がイオン性液体に溶解する溶解度を調節する役割を果たす。また、ヒーター215は、貯蔵槽241に収集された昇華気体が溶解したイオン性液体(混合液)の温度を調節して、よりスムーズに有機素材が析出して再結晶化するようにする役割も果たす。このようなヒーター215は、多数個に分割構成してそれぞれの温度を制御することもできる。
一方、この実施例の有機素材精製装置200は、ハウジング210の外側に設置され、透明窓を介して赤外線(infrared ray)を照射してシャフト231及びブレード232を加熱することによりハウジング210の内部温度を調節することが好ましい。
また、ハウジング210は、その下部側に仕切り213によって形成され、イオン性液体212を貯蔵する貯蔵槽241を有するように構成される。ここで、貯蔵槽241は、再結晶化手段240の一部の構成要素を構成するように、新規なイオン性液体212および有機素材の再結晶化に用いられたイオン性液体を貯蔵する役割と、昇華気体が溶解したイオン性液体(混合液)と再結晶化した有機素材を収集する収集槽の役割なども果たす。このとき、貯蔵槽241は、ハウジング210の下部の一部分によって形成されるものであって、一定の容積を有するように構成すればよい。一方、貯蔵槽241は、昇華気体が溶解したイオン性液体と再結晶化した有機素材がより便利に一箇所に集まるように中心側に向かって下方向にテーパーが付いていることが好ましい。
真空ポンプ211は、ハウジング210の内部を真空状態にする役割を果たすものであって、真空配管を介してハウジング210の一側と連通する。一方、真空ポンプ211の真空配管にはスロットルバルブ(throttle valve)がさらに設置されることが好ましい。
以下、昇華手段220の構成関係についてより具体的に説明する。
昇華手段220は、ハウジング210の一側に配置され、不純物の含有されたOLED用有機素材原料を加熱して昇華させるものであって、ハウジング210の外側面に設置され、ローディングボート221内の有機素材原料をより効果的に昇華させ、昇華した有機素材の昇華気体がハウジング210の内側面に再結晶化することを予防する面状発熱体などのヒーター222をさらに設置することが好ましい。
ローディングボート221は、ハウジング210の一側の下部側に位置するものであって、下部側にヒーター(加熱手段、図示せず)を有するように構成される。また、ローディングボート221は、その上部に精製対象の有機素材原料を入れることが可能な形態を持つように構成される。一方、ローディングボート221は、有機素材原料が均一に加熱されるように、すなわち接触面積が増大するように、多数の突起形状(くし形)や波形状に有機素材原料の収容部を構成してもよい。
ヒーター(加熱手段)は、ローディングボート221内の有機素材原料を昇華させる熱源の役割を果たすものであって、電気的加熱、電磁加熱および電子ビーム加熱方式を含む。例えば、熱蒸着(thermal evaporation)、レーザービーム(laser beam)、マイクロ波(microwave)または磁気性加熱(magnetic heating)方式などを代わりに適用して構成することもできる。前述したようなヒーターとそれ以外の方式を用いて有機素材原料を昇華させるにあたっては、低い温度で昇華点直前まで加熱した後、1〜5分間の間隔を置いて、昇華点以上に加熱して昇華させることが好ましい。
以下、捕集手段230の構成関係についてより具体的に説明する。
シャフト231は、ハウジング210の水平中心軸に沿って設置されるものであって、一側は仕切り213に回転可能に支持され、他側はハウジング210に回転可能に支持される。
ブレード232は水平方向にシャフト231の周面に沿って設置される。このとき、ブレード232は、一側端部から他側端部までの位相差が例えば120°程度の旋回角を持つように構成される。したがって、多数のブレード232は、昇華気体の飛散経路を横切ってハウジング210内に配置されるが、ハウジング210内の水平軸を中心に等角度で配置される。一方、ブレード232は、その端部がハウジング210の下部の一部区間を除いては、ハウジング210の内側面にほぼ密着できる大きさに形成することが好ましい。つまり、ブレード232が回転時にハウジング210の内側面と接触しながら回転するように構成することが好ましい。これは、ブレード232に沿って流動するイオン性液体をハウジング210の内側面に全体的に塗布させ、かつ、ハウジング210の内側面に再結晶化する有機素材をより効率よく分離回収するためである。
駆動モーター233は、シャフト231の一側端部に結合して動力を提供するものであって、一般なモーターで構成される。
一方、この実施例の有機素材精製装置200は、昇華気体が流動する側方経路に向かって下部側にイオン性液体を噴射する噴射手段250と、精製されてハウジング210の貯蔵槽241の下部に再結晶化して沈殿した有機素材を回収する回収手段260と、有機素材原料の収容された新しいローディングボートと有機素材原料の昇華した空のローディングボートとを交替する交替手段270とをさらに有するように構成することができる。ここで、噴射手段250は、昇華気体の飛散経路を横切って落下するようにイオン性液体を供給するイオン性液体供給手段の役割を果たす。
噴射手段250は、ハウジング210の上部外側面との間に一定の収容空間を有する収容部251と、収容部251の内部とハウジング210の内部とを互いに連通させる多数の連通孔252と、収容部251と貯蔵槽241とを互いに連結する連結管253と、連結管253に設置され、貯蔵槽241内のイオン性液体212を収容部251を経て多数の連通孔252を介して昇華気体が流動する側方経路に向かって下部側に噴射するようにするポンプ254とを含んで構成される。ここで、ポンプ254は、貯蔵槽241に収集された混合液を捕集手段230へ再循環させる再循環手段であって、混合液を昇華気体に繰り返し接触させ、有機素材がイオン性液体中で過飽和して再結晶化するようにする再結晶化手段240の構成要素としても利用される。そして、連通孔252は、ポンプ254によってイオン性液体に加えられる圧力に応じてイオン性液体を噴射するノズルの役割を果たす。このとき、連通孔252は、拡散ノズルのようにイオン性液体をスプレー式で噴射することができるように構成することが好ましい。
再循環手段は、貯蔵槽241内の混合液と再結晶化した有機素材を貯蔵槽241の外部へ排出した後、再結晶化した有機素材を分離して回収し、混合液を再循環させる回収手段をさらに含むことができる。このような回収手段は、ポンプ254によって連結管253に沿って供給される混合液の中から再結晶化した有機素材を分離して貯蔵する回収容器255と、回収容器255で分離された混合液を捕集手段230側へ再循環させる循環ポンプ256とを備えて構成される。ここで、回収容器255は、再結晶化した有機素材を濾過や遠心分離などで分離する装置を含んで構成される。前述したような回収手段は、再結晶化した有機素材がイオン性液体の下部に沈殿せずにイオン性液体の表面に浮上する或いはイオン性液体中に混合される場合に利用することが適する。
一方、他の回収手段260は、貯蔵槽241の下端に形成された連結ライン262に連結される回収筒261と、貯蔵槽241と回収筒261との間の連結ライン262に一定の間隔を置いて設置され、イオン性液体などが移動しないように制御する2つのバルブ263と、2つのバルブ263の間に設置され、連結ライン262に真空を与える真空ポンプ264とを含んで構成される。このとき、回収筒261は、連結ライン262に対して分離および結合可能に構成される。
したがって、回収筒261には、精製されて析出した有機素材が益々蓄積される。また、回収筒261内に有機素材が一定量たまると、2つのバルブ263を閉鎖し、回収筒261を連結ライン262から分離して有機素材を回収することができる。一方、新しい回収筒261を連結ライン262に連結するにあたっては、まず、新しい回収筒261を連結ライン262に締結した後、回収筒261に隣接したバルブ263を開放させる。次に、真空ポンプ264で連結ライン262に真空を与えた後、残りのバルブ263を開放させればよい。前述したような回収手段260は、再結晶化した有機素材がイオン性液体の下部に沈殿する場合に利用することが適する。
交替手段270は、ハウジング210の一側及び大気状態の外部に対して選択的に開閉され、新しいローディングボートは投入し、空のローディングボートは回収するチャンバー(Chamber)271と、チャンバー271の内部を真空させる真空ポンプ(図示せず)と、ハウジング210の一側および大気状態の外部に対して選択的に開閉させるそれぞれの開閉装置(図示せず)を有するように構成される。
一方、交替手段270は、チャンバー271をLCD装置で一般的に採用しているロードロックチャンバー(Load Lock Chamber)で構成し、ロードロックチャンバー内に設置され、ローディングボートをハウジング210、ロードロックチャンバーまたは大気状態の外部へ移動させる移動ロボット(図示せず)を含んでローディングボートを自動的に交替させることもできる。
以下、前述のように構成されたこの実施例の有機素材精製装置を用いて有機素材を精製する方法について説明する。
まず、ハウジング210の内部に有機素材原料入りのローディングボート221を設置し、ポンプ254、循環ポンプ256および駆動モーター233を駆動させ、ブレード232の表面とハウジング210の内側面を全体的にイオン性液体で塗布する。その後、真空ポンプ211を用いてハウジング210の内部を真空化させる。
次に、ヒーターを用いてローディングボート221を有機素材原料の昇華点直前まで加熱した後、1〜5分間の間隔を置いて、昇華点以上に加熱する。すると、有機素材と一部の不純物とが混合された有機素材の昇華気体となる。一方、有機素材の昇華気体が形成される時点からポンプ254および循環ポンプ256を作動させて連通孔252を介してイオン性液体を噴射し、かつ、駆動モーター233を作動させてブレード232を回転させて昇華気体をハウジング210の他側方向に流動させる。また、ハウジング210の外側面に設置されたヒーター215を介して、ハウジング210の内部を、有機素材の再結晶化が容易な温度雰囲気に造成する。
このように昇華気体がハウジング210の他側方向に流動しながらブレード232の表面がイオン性液体と接触し、かつ、連通孔252を介して噴射されるイオン性液体と接触する。このような接触によって、昇華気体は、イオン性液体に捕集された後、益々溶解して再結晶化しながらハウジング210の下部の貯槽241に集まることになる。つまり、イオン性液体に昇華気体が溶解するとき、不純物に比べて精製対象の有機素材の含有量が絶対的に高いため、有機素材が先ず過飽和状態に至って再結晶化が先に始まり、高純度の有機素材として析出する。
一方、ハウジング210の外側面に設置されるヒーター215を用いて、昇華気体がイオン性液体に溶解する溶解度を調節することができる。それにより、昇華気体に対するイオン性液体の溶解度を調節して、イオン性液体中での有機素材の過飽和度および有機素材の再結晶化速度などの制御が可能である。これにより、再結晶化する過程で不純物の混入を最小限に抑えることができ、このようにイオン性液体中に析出する高純度の有機素材はハウジング210の貯蔵槽241から適切に回収すればよい。
例えば、再結晶化した有機素材がイオン性液体の下部に沈殿する場合には、貯蔵槽241に連結された回収手段260の回収筒261を介して、精製された有機素材を回収すればよい。ところが、再結晶化した有機素材がイオン性液体の下部に沈殿せずにイオン性液体の表面に浮上する或いはイオン性液体中に混合される場合には、貯蔵槽241内の混合液と再結晶化した有機素材を貯留槽241の外部へ排出した後、再結晶化した有機素材を濾過や遠心分離などの方式で分離して回収容器255で回収した後、混合液を循環ポンプ256を用いて捕集手段230側へ再循環させればよい。
そして、ローディングボート221内の有機素材原料が全て昇華する時点で、交替手段270を介して有機素材原料入りの新しいローディングボートで交替し、上述したような同じ過程を経て有機素材を連続的に精製すればよい。
前述したようにイオン性液体中に析出する高純度の有機素材が回収されると、イオン性液体には、昇華気体中に含まれていた過飽和度に至るまで溶解した有機素材と少量の不純物が一部残留することになる。また、精製工程が進むにつれてイオン性液体内の不純物含有量が増加することにより、一定の時点では不純物成分も過飽和度に至ることになり、再結晶化した有機素材内への不純物の混入が発生することになる。この時点で、精製工程のためのイオン性液体を高純度のイオン性液体と交換することが好ましい。
<第3実施例>
図12は本発明の第3実施例に係るイオン性液体を用いたスプレー型有機素材精製装置の構成関係を示す概念図である。図12に示すように、この実施例の有機素材精製装置300は、一定の内部容積を有する真空雰囲気のハウジング310と、ハウジング310の一側に配置され、不純物の含有されたOLED用有機素材原料を加熱して昇華させる昇華手段320と、昇華した有機素材の昇華気体をイオン性液体と接触させて昇華気体を捕集する捕集手段330と、捕集手段330によってイオン性液体に捕集されて溶解する昇華気体を過飽和させ、再結晶化した有機素材を生成する再結晶化手段340とを含んで構成される。一方、この実施例の有機素材精製装置300は、昇華手段320、捕集手段330および再結晶化手段340の作動を制御する制御手段(図示せず)をさらに含むことが好ましい。
この実施例の有機素材精製装置300は、前記捕集手段330が昇華気体の飛散経路を横切ってカーテン状または様々な形状にイオン性液体を噴射する噴射手段である。つまり、噴射手段が昇華気体の飛散経路を横切って落下するようにイオン性液体を供給するイオン性液体供給手段の役割を果たす。したがって、この実施例の有機素材精製装置300は、捕集手段230が省略され、噴射手段250が一部変更されたこと以外は、第2実施例の有機素材精製装置200と同様に構成される。したがって、この実施例では第2実施例と同様の構成要素についての説明を省略する。
この実施例の捕集手段330は、イオン性液体を噴射する多数のノズルをそれぞれ有する多数の噴射配管331で構成される。このとき、多数の噴射配管331は、昇華気体の飛散経路方向に一定の間隔を置いて設置され、それぞれのノズルを介してカーテン状または様々な形状に上部から下部へ噴射されるイオン性液体が昇華気体と接触するように構成したものである。ここで、多数の噴射配管331は、多数のノズルがジグザグ状に配置され、飛散する昇華気体がイオン性液体にすべて接触して漸進的に捕集されるように構成することが好ましい。
<第4実施例>
図13は本発明の第4実施例に係るイオン性液体を用いたロール型有機素材精製装置の構成関係を示す概念図である。図13に示すように、この実施例の有機素材精製装置400は、一定の内部容積を有する真空雰囲気のハウジング410と、ハウジング410の一側に配置され、不純物の含有されたOLED用有機素材原料を加熱して昇華させる昇華手段420と、昇華した有機素材の昇華気体をイオン性液体と接触させて昇華気体を捕集する捕集手段430と、捕集手段430によってイオン性液体に捕集されて溶解する昇華気体を過飽和させ、再結晶化した有機素材を生成する再結晶化手段440とを含んで構成される。
この実施例の有機素材精製装置400は、前記捕集手段430が昇華気体の飛散経路を横切ってハウジング410内に配置される1つ以上の回転ロール431を備え、再結晶化手段440が回転ロール431の一側部に設置され、イオン性液体に昇華気体が溶解して生成した混合液を回転ロール431の表面から剥がすドクターブレード441を備えるように構成されたこと以外は、第2実施例の有機素材精製装置200と同様の概念で構成したものである。したがって、この実施例では第2実施例と重複する部分についての説明を省略する。
この実施例の捕集手段430は、昇華気体の飛散経路を横切ってハウジング410内に配置される1つ以上の回転ロール431と、回転ロール431の下部に配置され、イオン性液体を回転ロール431の表面に供給するイオン性液体貯蔵部432とを含む。ここで、回転ロール431は、その下部側がイオン性液体貯蔵部432に貯蔵されたイオン性液体に浸漬された状態で回転するように設置される。したがって、回転ロール431の表面にはイオン性液体が塗布され、このように塗布されたイオン性液体の表面に昇華気体が接触して捕集され、溶解する。それにより、回転ロール431の表面には、イオン性液体に昇華気体が溶解した混合液が生成する。一方、回転ロール431はハウジング410内に並列に多数配置してもよい。
この実施例の再結晶化手段440は、回転ロール431の一側部に設置され、前記混合液を回転ロール431の表面から剥がすドクターブレード441と、ドクターブレード441によって回収された混合液を収集して有機素材を過飽和させ、再結晶化した有機素材を生成する貯蔵槽442とを含む。一方、再結晶化した有機素材は、貯蔵槽442に連結された別の回収手段450を介して回収すればよい。ここで、回収手段450は第2実施例の回収手段260と同様に構成すればよい。
以下、本発明に係るイオン性液体を用いた有機素材精製方法、およびこの実施例に示された有機素材精製装置を用いて有機素材を精製する方法について説明する。
図14は本発明に係るイオン性液体を用いた有機素材精製方法のフローチャートである。図14に示すように、本発明に係るイオン性液体を用いた有機素材精製方法は、不純物の含有されたOLED(Organic Light Emitting Diodes)用有機素材を昇華させる昇華段階(S510)と、有機素材の昇華気体と流動するイオン性液体とを接触させて昇華気体を捕集する捕集段階(S520)と、イオン性液体に捕集されて溶解する昇華気体を過飽和させ、再結晶化した有機素材を生成する再結晶化段階(S530)とを含んで構成される。ここで、昇華段階(S510)は、精製する有機素材を固体状態から気体に昇華させることや、固体状態からゲル状態、気体状態へ蒸発させることまで包括的に含む。
一方、図1〜図11に示すように、捕集段階(S520)で、イオン性液体は、昇華気体の飛散経路を横切って配置された多数のブレード132、132A、132Bまたは232の表面に沿って流動することができる。さらに具体的には、イオン性液体は、図1〜図10に示すように垂直軸を中心に等角度で配置される多数のブレード132、132Aまたは132Bの表面に沿って下方に流動するか、或いは図11に示すように水平軸を中心に等角度で配置されて回転する多数のブレード232によって流動するか、或いは図12に示すように昇華気体の飛散経路を横切って落下流動することができる。
再結晶化段階(S530)では、図1〜図11に示すようにイオン性液体に昇華気体が溶解して生成した混合液を多数のブレード132、132A、132Bまたは232の表面に沿って再循環させるか、或いは図12に示すように前記混合液を昇華気体の飛散経路を横切って再循環させる再循環段階をさらに含むことができる。一方、再循環段階では、再結晶化した有機素材を回収容器137、255に分離して回収し、混合液を循環させることもできる。
図13に示すように、捕集段階S520で、イオン性液体は、昇華気体の飛散経路を横切って配置された一つ以上の回転ロール431の表面に塗布されて流動することができる。一方、イオン性液体に昇華気体が溶解して回転ロール431の表面に塗布される混合液を、回転ロール431の一側面に位置するドクターブレード441を用いて回転ロール431の表面から剥がして貯蔵槽442に回収する段階をさらに行うこともできる。
以下、本発明で有機素材を連続的に結晶化させて精製する原理について説明する。
有機素材の昇華気体がイオン性液体に捕集された後、溶解して混合液になった後、飽和状態に達すると、飽和溶液になる。このような飽和溶液の後に昇華気体が飽和溶液に捕集されて溶解しながら核が生成し、飽和溶液内の有機素材の分子が核に飛散して核の周りにくっ付いて結晶として成長する。このとき、結晶成長の周辺は他所に比べて濃度が低くなる。つまり、飽和溶液中の分子が結晶成長するにつれてその周辺の濃度が相対的に低くなり、それにより、飽和溶液が、昇華気体が接触溶解できる混合液の状態となる。
一方、本発明の結晶成長の駆動力(driving force)は、常に濃度勾配を持つように維持することである。そのため、本発明では、前述したように2つの方式を利用することができる。
一つ目は、イオン性液体を自体循環させることである。つまり、混合液状態(飽和溶液ではない状態)のイオン性液体を自体循環させ、イオン性液体内に混合液状態、飽和溶液状態および過飽和溶液状態が常に存在しながら、連続的に結晶が成長し得るようにする方式である。この方式は、核の成長速度が昇華気体の供給速度よりも大きいときに適用することができる方式である。
二つ目は、新規イオン性液体を供給することである。つまり、新規イオン性液体を連続的に供給してイオン性液体内に混合液状態、飽和溶液状態および過飽和溶液状態が常に存在しながら、連続的に結晶が成長し得るようにする方式である。この方式は、核の成長速度よりも昇華気体の供給速度が大きいときに適用することが可能な方式である。すなわち、この方式は、過飽和が高まり、昇華気体がイオン性液体に溶解せずに直ちに固体に結晶化することを予防するための方式である。
以下、上述したような本発明のイオン性液体を用いた有機素材精製装置および精製方法を用いた有機素材の精製有無だけでなく、精製された有機素材の特性などについて説明する。
1.有機素材精製装置および精製方法
図15は水平型有機素材精製装置を製作するための設計図である。図15に示すように、水平型有機素材精製装置は、不純物の含有されたOLED用有機素材を昇華させる昇華部と、昇華部と連通するように配置され、有機素材の昇華気体と流動するイオン性液体とを接触させて昇華気体を捕集する捕集部とから構成される。ここで、昇華部は、図11に示した昇華部と同様の概念で構成したものであり、捕集部は、図11に示した捕集部と同様の概念で、ブレードがハウジング(チャンバー)内の水平軸を中心に回転しながら昇華気体がイオン性液体に接触して捕集および溶解して再結晶化するように構成したものである。
前述したような水平型有機素材精製装置を用いて精製実験を行うプロセスは、次のとおりである。まず、大気圧状態で精製対象の有機素材を昇華部に装入し、捕集部にイオン性液体を注入した後、チャンバーを1×10−6Torr(133×10−6Pa)でポンピングする。次に、イオン性液体を加熱し、捕集部のブレードを回転させ、精製対象の有機素材を昇華点に加熱するが、精製対象の有機素材が昇華するように一定の時間維持する。すると、有機素材の昇華気体が飛散してブレードに沿って流動するイオン性液体と接触し、捕集され、溶解して再結晶化する。このような精製工程が完了すると、精製された有機素材を回収し、精製された有機素材とイオン性液体を分離した後、精製された有機素材の表面に残留するイオン性液体を洗浄する過程を行う。
2.有機素材精製装置の実験条件および実験結果
イオン性液体としてはOMIN TFSI(1−Octyl−3−methylimidazorium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide)1Kgを使用し、有機素材としてはHTL素材(DS220)20gを使用した。一方、精製実験を行うにあたっては、有機素材の昇華温度は280℃以上に設定し、イオン性液体の温度は120℃に設定した。そして、圧力を1×10−6Torr(133×10−6Pa)まで減圧した後、昇華を開始し、工程時間を5時間にした。
前述したような条件で精製実験を行う間に、昇華開始30分後からイオン性液体の表面から浮遊物形態の有機素材の結晶が観察された。その後、このような結晶の量が増加することが観察された。つまり、再結晶化して精製された有機素材がイオン性液体の表面に浮遊物として存在することを確認した。これはイオン性液体を用いて有機素材に対する精製が可能であることを意味する。
前述したような精製工程が終了した後、精製された有機素材とイオン性液体との混合物を回収し、精製された有機素材をイオン性液体から分離して洗浄した後、各種分析を行った。
3.精製された有機素材の特性分析
表1のような分析機器を用いて、次の条件で精製された有機素材の特性を分析した。
4.Raman PL測定
精製前後のHTL素材に対する大気暴露時間によるRaman PL特性の変化を測定した。このようなRaman PL測定は、HTL素材の精製前後の大気暴露時間による有機素材の安定性を比較するためのことである。図16は図15に示した水平型有機素材精製装置を用いた精製前後のHTL素材に対する大気暴露時間によるRaman PL特性の変化を測定して示すグラフである。
図16から分かるように、精製前のHTL素材の場合、大気暴露時間が経過するにつれてピーク(peak)の半値幅(FWHM)の変化幅が8cm−1に達したのに対し、精製後のHTL素材の場合、その数値が0.5cm−1程度と非常に安定的であることを確認した。これは、イオン性液体を用いて精製した有機素材の表面がイオン性液体の成分により保護(passivation)されていることを意味する。
5.PL測定
精製前後のHTL素材に対する大気暴露時間によるPL特性の変化を測定した。このようなPL測定は、HTL素材の精製前後の大気暴露時間による有機素材の安定性を比較するためのことである。図17は図15に示した水平型有機素材精製装置を用いた精製前後のHTL素材に対する大気暴露時間によるPL特性の変化を測定して示すグラフである。
図17から分かるように、精製後のHTL素材の発光ピーク(peak)の位置が短波長(460nm→440nm)側へ移動し、かつ、半値幅(FWHM)の値が75nmから50nmに低くなることが分かる。これは精製工程を介して物質の純度が向上したことを意味する。また、精製前のHTL素材の場合、大気暴露時間が経過するにつれて、ピーク位置の変化値が±5nmに達し、半値幅(FWHM)の変化幅が10nmに達したのに対し、精製後のHTL素材の場合、ピーク位置の変化値が±1nm以下であり、半値幅(FWHM)の変化幅が5nm以下であることが分かる。これにより、イオン性液体を用いて精製した有機素材の場合、外部の水分および酸素による物質の特性変化が微々たるものである。これは、イオン性液体を用いて精製した有機素材の表面がイオン性液体の成分によって保護されていることを意味する。
6.SEM測定
精製前後のHTL素材に対する大気暴露時間による表面形状の変化を測定した。このようなPL測定はHTL素材の精製前後の大気暴露時間による有機素材の安定性を比較するためのことである。図18は図15に示した水平型有機素材精製装置を用いた精製前後のHTL素材に対する大気暴露時間による表面形状の変化を撮影したSEM(×1k)の写真である。
精製前のHTL素材は、合成直後の物質であって、98.6%程度の純度を有するものであって、図18に示すように、表面形状から特異な特徴は観察されなかった。ところが、本発明の水平型有機素材精製装置で精製したHTL素材は球状の結晶粒が観察された。このような結晶粒の大きさは5μmの非常に均一なサイズを持った。一方、時間経過に伴う表面形状の変化は大きく観察されなかった。
7.XPS測定
XPS測定により、本発明の水平型有機素材精製装置を用いて精製された有機素材の特徴を調査した。図19は図15に示した水平型有機素材精製装置を用いて精製された有機素材の特徴を示すXPSグラフである。
図19に示すように、有機素材の精製に使用されたイオン性液体の陰イオン成分に起因するF、Sの元素が検出された。これはイオン性液体を用いた有機素材精製方法の固有な結果であって、精製工程で再結晶化した有機素材の表面に陰イオンおよび陽イオンが分子レベルで化学的結合をしていることを示す。このように、精製された有機素材の表面がイオン性液体、イオン性液体に起因する成分(イオン性液体を構成する成分)、またはイオン性液体を構成するイオンによって保護されることが分かる。特に、精製された有機素材の表面が化学的に結合した単一分子層の陰イオンによって保護されることが分かる。結論として、精製された有機素材の表面が保護されることにより、上述したように大気暴露による精製された有機素材の特性が安定的に維持されることが分かることができる。このような特徴、すなわち、使用したイオン性液体に起因する特性成分の元素が極微量検出されることは、イオン性液体を用いた精製方法で精製された有機素材の固有の特徴であって、このような特徴を調査することにより、対象の有機素材がイオン性液体を利用した精製法で精製された対象物であるかを判明することができる。したがって、本発明は、このような精製物の特徴を有する有機素材を提供することを含む。
ところが、OLEDパネル製造工程において、イオン性液体に起因するF、S成分が素子工程に混入されると、素子の特性に悪影響を及ぼす可能性がある。よって、素子作製のための蒸着工程の直前に精製された有機素材の表面を保護するイオン性液体に起因するF、S成分を除去する必要がある。
そこで、本発明者が実験してみた結果、有機素材の表面を保護するイオン性液体に起因する成分がアルゴンイオンエッチング(Ar ion etching)または100℃以上の熱処理によって完全に除去されることを確認した。もし、このような不純物が有機素材の内部に存在する場合、このような熱処理や簡単なアルゴンイオンエッチングなどの方法で除去されないので、前述した結果は、イオン性液体に起因した成分は精製された有機素材の表面にのみ極微量存在することを証明する。
図20は精製された有機素材を120℃で1分間熱処理した後、XPSで表面組成を分析したグラフである。図20から分かるように、F、S成分に起因する位置で非常に弱いピークが検出された。これは精製された有機素材の表面に存在するほとんどのF、S成分が熱処理によって除去されたことを意味する。これにより、精製された有機素材を素子工程に投入するまでの流通経路で精製された有機素材を安定的に処理することができることを確認し、素子工程の直前に、適切な前処理を介して、有機素材の表面を保護するイオン性液体に起因する成分を完全に除去することが可能であるから、素子工程で何の悪影響も及ぼさないことを確認した。
以上で、本発明のイオン性液体を用いた有機素材精製方法および精製装置に関する技術事項を添付図面と一緒に述べたが、これは本発明の最も好適な実施例を例示的に説明したものである。したがって、本発明が上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の思想および範囲を逸脱することなく様々な修正および変更を加え得るのは当該技術分野における通常の知識を有する者にとって自明なので、それらの変形例または変更例もまた本発明の特許請求の範囲に属するというべきである。
有機素材としては、OLED素子制作のための低分子有機発光材料以外にも、有機TFT素材、有機太陽電池素材、有機半導体素材などがある。したがって、本発明は、前述した様々な分野に適用される有機素材の精製にすべて利用可能である。

Claims (20)

  1. 不純物含有された有機素材の原料を昇華させる昇華段階と
    前記有機素材の原料の昇華気体と、前記昇華気体を横切って流動するイオン性液体とを接触させて前記イオン性液体中に前記昇華気体を捕集する捕集段階と
    前記イオン性液体に溶された前記昇華気体の有機素材過飽和された溶液から再結晶化した有機素材を生成する再結晶化段階を含イオン性液体を用いた有機素材精製方法。
  2. 前記捕集段階で、前記イオン性液体は、前記昇華気体の飛散経路を横切って配置された多数のブレードの表面に沿って流動することを特徴とする、請求項1に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製方法。
  3. 前記再結晶化段階では、前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液を前記多数のブレードの表面に沿って再循環させる再循環段階をさらに含むことを特徴とする、請求項2に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製方法。
  4. 前記多数のブレードは、垂直軸を中心に等角度で配置され、前記イオン性液体が前記ブレードの表面に沿って下方に流動することを特徴とする、請求項2に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製方法。
  5. 前記多数のブレードは、水平軸を中心に等角度で配置され、回転しながら前記イオン性液体を流動させることを特徴とする、請求項2に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製方法。
  6. 前記捕集段階で、前記イオン性液体は、前記昇華気体の飛散経路を横切って落下流動することを特徴とする、請求項1に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製方法。
  7. 前記再結晶化段階では、前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液を、前記昇華気体の飛散経路を横切って再循環させる再循環段階をさらに含むことを特徴とする、請求項6に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製方法。
  8. 前記再循環段階では、前記再結晶化した有機素材を分離して回収し、前記混合液を循環させることを特徴とする、請求項3または7に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製方法。
  9. 前記捕集段階で、前記イオン性液体は、前記昇華気体の飛散経路を横切って配置された一つ以上の回転ロールの表面に塗布されて流動することを特徴とする、請求項1に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製方法。
  10. 前記回転ロールの表面からドクターブレードを用いて、前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液を剥がす段階をさらに含むことを特徴とする、請求項9に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製方法。
  11. 不純物含有された有機素材の原料を昇華させる昇華部と、
    前記昇華部連通するように配置され、前記有機素材の原料の昇華気体と、前記昇華気体を横切って流動するイオン性液体とを接触させて前記イオン性液体中に前記昇華気体を捕集する捕集部とを含み、
    前記捕集部で前記イオン性液体に捕集された前記昇華気体の有機素材が前記イオン性液体に溶解されて、前記イオン性液体中に再結晶化された有機素材生成されることを特徴とする、イオン性液体を用いた有機素材精製装置。
  12. 前記捕集部は、
    前記昇華部と連通するように連結されたハウジングと、
    前記昇華気体の飛散経路を横切って前記ハウジング内に配置された多数のブレードと、
    前記多数のブレードの表面に沿って流動するように前記イオン性液体を供給するイオン性液体供給手段と、
    前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液、および前記再結晶化した有機素材を貯蔵する貯蔵手段とを含むことを特徴とする、請求項11に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製装置。
  13. 前記イオン性液体供給手段は、前記混合液を前記貯蔵手段から前記多数のブレードの表面に沿って再循環させる再循環手段をさらに含むことを特徴とする、請求項12に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製装置。
  14. 前記多数のブレードは、前記ハウジング内の垂直軸を中心に等角度で配置されることを特徴とする、請求項13に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製装置。
  15. 前記多数のブレードは、前記ハウジング内の水平軸を中心に等角度で配置されて回転することを特徴とする、請求項13に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製装置。
  16. 前記捕集部は、
    前記昇華部に連通するハウジングと、
    前記昇華気体の飛散経路を横切って落下するように前記イオン性液体を供給するイオン性液体供給手段と、
    前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液、および前記再結晶化した有機素材を貯蔵する貯蔵手段とを含むことを特徴とする、請求項11に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製装置。
  17. 前記イオン性液体供給手段は、前記混合液を前記貯蔵手段から再循環させ、前記昇華気体の飛散経路を横切って落下させる再循環手段をさらに含むことを特徴とする、請求項16に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製装置。
  18. 前記再循環手段は、前記貯蔵手段内の前記混合液と前記再結晶化した有機素材を前記貯蔵手段の外部へ排出した後、前記再結晶化した有機素材を分離して回収し、前記混合液を再循環させる回収手段をさらに含むことを特徴とする、請求項13または17に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製装置。
  19. 前記捕集部は、
    前記昇華部と連通するように連結されたハウジングと、
    前記昇華気体の飛散経路を横切って前記ハウジング内に配置された一つ以上の回転ロールと、
    前記回転ロールの下部に配置され、前記イオン性液体を前記回転ロールの表面に供給するイオン性液体貯蔵部とを含むことを特徴とする、請求項11に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製装置。
  20. 前記回転ロールの一側部には、前記イオン性液体に前記昇華気体が溶解して生成した混合液を前記回転ロールの表面から剥がすドクターブレードが設置されていることを特徴とする、請求項19に記載のイオン性液体を用いた有機素材精製装置。
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