KR102319338B1 - 흐르는 용액을 이용한 유기재료 정제장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온성 액체를 포함한 흐르는 용액을 이용한 유기재료 정제장치에 관한 것으로, 진공 챔버 내부 천정에 부착되어 유기재료를 승화시키는 승화부; 상기 승화부의 하부에 배치되어 상기 승화부에서 분사되는 승화기체를 흐르는 용액으로 포집하는 포집부; 상기 포집부의 하부에 승하강 가능하게 배치되어 상기 포집부에서 흘러나온 용액을 수집하는 수집부; 및 상기 포집부와 수집부 사이에 배치되고, 상기 수집부 안의 용액을 상기 포집부로 퍼올려서 순환시키는 순환부를 포함한다.

Description

흐르는 용액을 이용한 유기재료 정제장치 및 방법{Apparatus and Method for Purifying Organic Material using Flowing Solution}

본 발명은 유기재료 정제장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 진공 챔버 내에서 이온성 액체를 포함한 흐르는 용액을 이용하여 유기전계 발광소자 등의 유기전자 소자에 사용되는 전도성 유기재료를 고순도로 정제하는 데 적합한 유기재료 정제장치 및 방법에 관한 것이다.

유기 전계 발광(EL; Electroluminescence) 소자, 유기 반도체 소자, 유기 광전 변환 소자, 유기 센서 소자 등 전자 소자에 유기재료를 사용하는 예가 점점 증가하고 있으며, 이로 인해 유기 전자 소자 제조의 원료로 사용하기 위한 고품질의 유기재료를 저비용으로 제공하는 것이 점점 중요해지고 있다.

특히, 유기 전계 발광 소자의 전자 주입층(Electron Injection Layer), 전자 전달층(Electron Transfer Layer), 정공 주입층(Hole Injection Layer), 정공전달층(Hole Transfer Layer), 발광층(Emission Layer), 유기 광전변환 소자의 광 흡수층, 유기 반도체 소자의 유기 반도체층 등에 사용되는 전도성 유기재료는 불순물이 포함되어 있으면 유기 전자 소자의 성능에 심각한 악영향을 주게 되므로, 적어도 99% 이상, 바람직하게는 99.9% 이상의 고순도로 정제하는 과정이 반드시 필요하다.

현재, 유기 전계 발광 소자 등 유기 전자 소자 제조에 사용되는 고순도의 전도성 유기재료를 실용화 가능한 수준으로 대량 정제하기 위한 방법으로는 논문[HJWagner, el al, Journal of Materials Science, 17, 2781(1982)]에 개시된 승화정제법이 통상적으로 사용되고 있다. 승화정제법은 전도성 유기재료와 그 안에 포함된 불순물들의 승화점 차이를 이용한 정제방법으로, 진공 상태로 유지되는 관 내부의 길이 방향 일단부에 배치된 전도성 유기재료를 승화점 이상으로 가열하여 승화시키고 관 내부의 길이 방향 타단부 영역에서 전도성 유기재료가 냉각되어 재결정화되도록 함으로써 불순물이 제거된 고순도의 전도성 유기재료를 얻는 방법이다. 관 외부에 배치된 복수 개의 히터를 이용하여 관의 길이 방향으로 온도 구배를 형성하게 되면 전도성 유기재료와 그 안에 포함된 불순물이 재결정화되는 위치가 달라지게 되므로 전도성 유기재료와 불순물을 분리해내는 것이 가능하다.

그러나, 승화정제법에 의하면 재결정화되어 정제된 전도성 유기재료가 관 내벽에 증착되므로 이를 수작업으로 긁어내어 채취하여야 하고, 일반적으로 전도성 유기재료와 불순물의 승화점 차이가 충분히 크지 않을 뿐만 아니라, 채취 과정에서도 불순물이 혼입되기 때문에 1회 공정만으로는 원하는 정도의 고순도 전도성 유기재료를 얻을 수 없어, 통상 3회 이상 동일한 공정을 반복하여 최종 정제된 전도성 유기재료를 얻는 등 공정이 복잡한 문제가 있다. 또한, 관의 길이 방향 타단부에 연결된 진공펌프에 의한 펌핑 동작 및 가스 분위기 조절을 위해 관 내부로 유입시키는 불활성 가스의 흐름으로 인해 상당량의 전도성 유기재료가 관 내벽에 증착되지 않은 채 유실되고, 이에 더하여 관 내벽에 증착된 전도성 유기재료를 불순물과 섞이지 않도록 채취하는 과정에서도 전도성 유기재료의 손실을 막기 어려워, 결과적으로 정제 수율이 60~70% 정도에 그치는 한계가 있다. 그리고, 기상법의 특성상 고온, 고진공 및 긴 공정 시간이 소요되고, 대량 정제를 위해서는 승화정제기를 대형화하여야 하므로 정제 효율 면에서 한계가 있을 뿐만 아니라, 단결정을 얻기 어렵고, 승화 온도 차이를 이용하는 방법이기 때문에 정제 대상이 바뀌게 되면 안정적인 수율이 얻어지기까지 오랜 기간의 공정 및 장비 최적화가 필요하다는 문제가 있다. 이러한 문제점들은 결국 비용 상승의 원인이 되므로, 승화정제법은 저비용으로 전도성 유기재료를 고순도로 정제하는 데에는 한계가 있는 방법이다.

승화정제법 외의 정제방법으로는 정제하고자 하는 재료를 고온에서 용융시킨 후 결정화하여 정제하는 이른바 용융 결정화(melt crystallization) 방법이 있다. 용융 결정화는 용액 결정화(solution crystallization)와는 달리 용매의 사용이 필요 없고 에너지 소요량이 적다는 장점이 있는 방법이나, 결정화 후 정제된 결정만 분리하는 방법이 난해하여 공정상 어려움이 있을 뿐만 아니라, 용융 과정의 고온에서 변성되기 쉬우므로 전도성 유기재료의 고순도의 정제를 위해서는 적합한 방법이라고 할 수 없다.

용매 하에서 용융 결정화 공정을 진행하는 경우 용융 온도 및 결정화 온도를 다소 낮출 수 있다고 보고되고 있고, 유기 용매 내에서 용융 결정화를 진행할 경우 기상으로부터의 불순물의 혼입은 어느 정도 막을 수 있다. 그러나, 일반 유기용매의 경우 끓는점이 대부분 100℃ 이하로 낮아 전도성 유기재료의 용융 온도 및 고순도 정제를 위한 결정화 온도까지 액상으로 존재하는 유기용매는 찾기 어려울 뿐만 아니라, 액상으로 존재한다고 하더라도 넓은 온도범위에서 온도를 변화시키는 과정에서 유기용매가 휘발하여 유기용매와 유기재료의 성분비를 일정하게 유지하는 것이 사실상 불가능하고, 유기용매와 전도성 유기재료의 반응 등으로 인한 불순물 혼입을 막을 수 없는 문제가 있어, 1회 공정으로 얻어낼 수 있는 순도 및 정제 양에 한계가 있다.

용액결정화의 일례로서, 미국 등록특허 제8,071,813호에 의하면, 강한 수소결합에 의해 열적으로 안정된 유기재료(예컨대, TATB 및 LLM-105 등)는 통상적인 유기 용매에 잘 녹지 않지만 고온에서 극성 반양자성 용매(예컨대 DMSO)에 극히 일부가 녹는다. 만족스런 용해도를 달성하기 위해 고온을 유지하면 유기재료가 변성되는 문제가 있었다. 이를 개선하기 위해 상기 유기재료를 적당한 이온성 액체(Ionic Liquids; ILs)와 접촉시키고 90도 미만으로 유지함으로써 더 많은 양의 유기재료를 용해시켜 재결정화시킬 수 있었다. 이와 같이 일반적인 유기용매에 녹지 않는 유기재료를 이온성 액체에 녹이더라고 10 중량부 미만이어서 대량의 유기재료를 재결정화하는 데는 한계가 있었다.

또한, 위와 유사한 용액결정화의 최근 사례로서, 한국 공개특허 제2019-0037385호 "유기 재료 정제 조성물 및 이를 이용한 유기 재료 정제 방법"은 이온성 액체와 알코올이나 케톤 등의 유기 용매를 중량대비 1.0 ~ 5.0로 혼합한 용매로 유기재료를 정제하는 방법을 제시한다. 이 발명은 극성 차이가 큰 유기 발광재료인 호스트 물질과 도펀트 물질이 유기발광소자에 증착되지 않고 혼합된 채 수거된 일명 "누룽지" 물질에서 호스트 물질을 분리하는 데 사용되지만, 유기용매 재결정법의 단점인 고순도화를 달성하는데 한계가 있다. 그래서 이 발명으로 재결정화된 물질을 사용한 유기발광소자는 급격히 수명이 단축되는 결함이 있다.

이러한 이유로 99.95% 이상의 고순도가 요구되는 전도성 유기재료의 정제방법으로는 이온성 액체를 이용한 용융 재결정법이나, 이온성 액체와 유기용매의 혼합조성물을 이용한 용액결정화법은 사용되지 않고 있으며, 전도성 유기재료의 정제방법을 개선하기 위한 연구의 대부분은 기존의 승화정제법을 개선하는 방향, 가령 관 구조나 히터 배치 등 장치 구조를 개량하여 정제 수율을 향상시키고자 하는 방향이나, 전도성 유기재료를 전처리한 후 정제하는 등의 방향으로 이루어지고 있다. 이러한 접근들은 종래의 정제방법이 가지고 있는 한계를 근본적으로 해결할 수 있는 방법은 아니며, 종래의 정제방법이 가지고 있는 다양한 문제점들을 해결하여 저비용의 간단한 공정에 의해 유기전자소자에 적용할 수 있는 수준으로 전도성 유기재료를 정제할 수 있는 새로운 방법이 요구되고 있다.

그밖에 한국등록특허 제1547096호는 유기소재를 승화시키고, 흐르는 이온성 액체로 상기 승화기체를 포집하여 이온성 액체 내에서 유기소재를 재결정화하는 방법을 제시하고 있다. 이 방법은 승화존이 상향식 소스로 구성되어 다량의 승화기체가 이온성 액체로 포집되기 전에 챔버의 내벽에 증착되어 정제수율을 저하시키고, 포집존은 이러한 상향식 소스에서 발생하는 승화기체를 복잡한 구조의 회전 블레이드, 회전 스크류, 회전 드럼, 또는 스프레이 방식으로 포집하므로 유지보수가 곤란하며, 과포화를 위해 이온성 액체를 진공 챔버 외부로 덕트를 통해 펌핑하여 순환시키는 방식은 유동경로가 길어 진공장비의 구성이 복잡해진다.

US8071813 B2 KR2019-0037385 A KR1574096 B1

HJWagner, el al, Journal of Materials Science, 17, 2781 (1982)

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 정제방법이 가지고 있는 문제점을 해결할 수 있는 새로운 정제장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

구체적으로, 1회의 정제공정만으로도 99% 이상, 바람직하게는 99.9% 이상, 더욱 바람직하게는 99.95% 이상의 고순도 전도성 유기재료를 정제할 수 있는 정제장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 장비의 스케일업이 용이하여 상대적으로 짧은 시간에 많은 양의 전도성 유기재료를 정제할 수 있는 정제 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 통상적인 유기 용매나 이온성 액체 또는 이들의 혼합물에 용해되지 않는 유기소재의 정제방법 및 정제장치를 제공하는 데 있다.

마지막으로, 본 발명의 목적은 유기발광소자의 공통층이나 발광층에 사용되는 신규물질의 적용을 위해 정제 공정의 최적화가 용이하여 다양한 전도성 유기재료에 신속하게 대응할 수 있는 정제 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 이온성 액체를 포함한 흐르는 용액을 이용한 유기재료 정제장치는 진공 챔버 내부 천정에 부착되어 유기재료를 승화시키는 승화부; 상기 승화부의 하부에 배치되어 상기 승화부에서 분사되는 승화기체를 흐르는 용액으로 포집하는 포집부; 상기 포집부의 하부에 배치되어 상기 포집부에서 흘러나온 용액을 수집하는 수집부; 및 상기 포집부와 수집부 사이에 배치되어 상기 수집부 안의 용액을 상기 포집부로 퍼올려서 순환시키는 순환부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 승화부는, 고체상태의 펠릿 또는 파우더 형태의 원료가 저장되는 도가니; 상기 도가니의 외측에 설치되어 상기 도가니를 가열시키는 도가니 히터; 및 상기 도가니에서 승화된 승화기체를 하방으로 분사하는 노즐을 포함하는 소스로 구성된다.

본 발명에 따르면, 상기 포집부는, 상기 승화부 아래에 설치되고 하부에 배출포트를 구비한 깔때기 형상의 수렴경사부와, 상기 수렴경사부의 상부 가장자리 내측에 결합되고 상기 순환된 용액을 일시 저장하였다가 상기 수렴경사부 전체에 분배시키는 환형 분배풀을 포함하고, 상기 포집부에서 상기 승화기체를 포집한 순환 용액은 상기 수렴경사부의 배출포트를 통해 상기 수집부로 낙하한다.

본 발명에 따르면, 상기 수집부는, 상기 포집부의 배출포트에서 낙하하는 용액을 수집하는 컨테이너와, 상기 컨테이너를 수용하도록 형성되어 상기 컨테이너를 일정온도로 가열시키는 히팅자켓을 포함하며, 바람직하게는 상기 히팅자켓은 리프트에 의해 순환모드의 상승 위치와 숙성모드의 하강 위치 사이에서 승하강하도록 구성된다.

본 발명에 따르면, 상기 순환부는, 상기 진공 챔버 외부에 설치된 구동모터로 구동되는 스크류축과, 상기 진공 챔버의 천정에 매달려 내부에 상기 스크류축을 수용하는 원통 케이스와, 상기 원통 케이스의 상단부와 연통하여 상기 스크류축으로 상승된 용액을 상기 포집부의 분배풀에 공급하는 분배포트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 순환부는, 상기 진공 챔버 외부에 설치된 구동모터로 구동되는 체인 버킷과, 상기 진공챔버의 측벽에 고정되어 내부에는 주회 운동하는 체인 버킷이 설치된 엘리베이터 본체와, 상기 엘리베이터 본체의 상부와 연통하게 설치되어 상기 체인 버킷으로 상승된 용액을 상기 포집부의 분배풀에 공급하는 분배포트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 흐르는 용액을 이용한 유기재료 정제방법은 진공 챔버 내에서 수집부의 용액을 순환부를 통해 포집부로 퍼 올려 순환시키는 순환단계; 승화부에서 유기재료를 승화시켜 승화부 아래에 위치한 포집부로 분사시키는 승화단계; 상기 포집부의 수렴경사부를 따라 흐르는 용액으로 상기 승화기체를 포집하는 포집단계; 상기 포집부에서 낙하한 용액을 수집부에서 수집하는 수집단계; 및 상기의 순환단계, 승화단계, 포집단계 및 수집단계를 반복하여 순환 용액을 유기소재로 과포화시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 과포화 단계 종료 후 상기 수집부에서 상기 과포화된 용액을 숙성시켜 유기소재를 재결정화시키는 단계; 및 상기 재결정화된 유기소재 결정과 용액을 분리시키는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 포집부의 수렴경사부를 따라 흐르는 용액으로 승화기체를 반복적으로 포집함으로써 순환중인 용액 내에 순차적으로 승화기체가 확산되기 때문에 이온성 액체에 분말상으로 혼합하는 경우 잘 녹지 않는 난용성 유기소재라도 용이하게 용해시킬 수 있다.

또한, 포집부와 수집부를 공간적으로 분리함으로써 포집부에서 승화기체를 포집한 용액이 곧바로 수집부로 이동하므로 포집부의 수렴경사면에서 과도한 증착을 피할 수 있다.

그리고, 순환부의 스크류축의 회전을 통해 용액이 원통케이스 내면과 스크류축 사이의 공간에서 전단력을 받아 포집부의 분배풀로 상승하므로 용액 내의 유기소재 분자들끼리 충돌하여 자가조립(self-assembly)할 확률이 높아져 결정화가 촉진되는 효과가 있다.

더 나아가 물보다 수십배 이상 점도가 높은 이온성 액체라도 순환부를 통과하면서 순환용액의 벌크 전체가 강제적으로 포집부를 거쳐 순환되므로 스케일업된 장비에서도 유기소재 분자가 벌크 용액 전체에 걸쳐 균일하게 과포화되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 컨테이너가 상승위치에 있는 순환모드에서 작동중인 유기소재 정제장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 환형 분배풀이 수렴경사부의 상부가장자리 내측에 결합되어 있는 포집부의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 순환모드에서 작동중인 유기소재 정제장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 흐르는 이온성 액체를 이용한 유기재료 정제방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 컨테이너가 하강위치로 이동한 숙성모드의 상태를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예의 동작원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 컨테이너가 상승위치에 있는 순환모드에서 작동중인 유기소재 정제장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 분배풀이 결합되어 있는 포집부의 평면도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 순환모드에서 작동중인 유기소재 정제장치를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 흐르는 용액을 이용한 유기재료 정제장치는 승화부(100), 포집부(200), 수집부(300) 및 순환부(400)를 포함한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 승화부(100)는, 고체상태의 펠릿 또는 파우더 형태의 정제원료(crude material)가 저장되는 도가니와, 상기 도가니를 수용하고 상기 도가니를 가열시키는 히터가 매립된 몸체와, 상기 도가니에서 승화된 승화기체를 하방으로 분사하는 노즐(120)을 포함하는 하향식 소스(110)로 구성된다. 상기 소스(110)는 진공챔버(500)의 천정에 고정된다.

이렇게 승화부(100)에서 이루어지는 승화공정을 통해 유기소재와 불순물이 분자 단위로 분리된다. 이러한 불순물의 승화 분리는 정제원료를 유기용매에 용해시키거나 유기용매와 이온성 액체의 혼합액에 용해시켜 분리하는 것보다 효율이 더 우수한 것으로 알려져 있다.

포집부(200)는 승화부(100)에서 확산되는 승화기체를 이온성 액체가 포함된 용액 내에 포집하기 위해 승화기체가 확산되는 하향 경로에 설치되는데, 깔때기 형상으로 형성되어 소스(110) 하부에 설치된 수렴경사부(220), 수렴경사부(220)의 상부 가장자리에 일체로 형성되거나 착탈 가능하게 배치되어 순환 용액(즉, 이온성 액체)이 수렴경사부(220) 전체에 분배되도록 순환 용액을 일시 저장하는 환형 분배풀(210), 및 수렴경사부(220)의 하부에 형성된 배출구(222)에 탈착 가능하게 결합되어 순환 용액이 하부의 수집부(300)로 낙하하게 하는 배출포트(230)를 포함한다. 상기 분배풀(210)의 단면은 U자형이고, 그 저면에는 배출공(212)이 등간격으로 다수 형성되어 있다.

여기서, 승화기체를 용액으로로 포집한다는 것은 결과적으로 승화기체 분자를 이온성 액체가 포함된 용액 내에 확산시키는 것을 의미하며, 동시에 승화로 인한 진공챔버 내의 압력상승을 상쇄하는 것이다.

이와 같은 구성으로 이루어진 포집부(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 분배풀(210)에 공급된 용액이 분배풀(210) 저면의 배출공(212)을 통해 및/또는 분배풀(210)을 넘어 수렴경사부(220)의 경사면을 따라 흐르면서 승화부(100)의 노즐에서 확산된 승화기체를 포집하여 배출포트(230)를 통해 수집부(300)로 낙하하게 된다.

도 1에 도시한 대로, 상기 수집부(300)는, 상기 포집부(200)의 하부 배출구(222)에서 낙하하는 용액을 수집하는 컨테이너(310)와, 상기 컨테이너를 수용하도록 형성되어 상기 컨테이너(310)를 일정온도로 가열시키는 히팅자켓(330)으로 구성된다. 수집부(300)의 상부는 커버(320)로 덮여지고, 커버(320)에는 포집부(200)의 배출포트(230)와 순환부(400)의 원통 케이스(410)를 수용하는 구멍들이 형성된다. 커버(320)는 통상적으로 진공분위기에서 사용되는 테트라플루오린(tetrafluorine) 재질(통상, 테프론이라함)로 구성될 수 있다. 컨테이너(310)의 외측에는 컨테이너(310)를 일정온도로 가열시키는 히팅자켓(330)이 설치된다. 히팅자켓(330)과 컨테이너(310)는 바람직하게 파이렉스나 석영으로 구성될 수 있다. 진공챔버(500) 외부에는 히팅자켓(330)과 컨테이너(310)를 상승 위치와 하강 위치 사이에서 승하강시키는 리프트(350)가 설치된다.

순환모드에서 상승위치의 수집부(300)는 포집부(200)를 통과한 용액(301)(즉, 승화기체를 포집한 상태의 이온성 액체)을 컨테이너(310)에 수집한다. 승화기체를 포집한 용액이 유기소재로 과포화되는 시점까지 이 용액은 반복해서 순환된다. 순환 용액의 적정 과포화도는 미리 설정된 공정 온도와 압력에서 실험적으로 결정되며, 이에 따라 공정에 사용되는 이온성 액체와 정제원료의 투입량이 정해진다. 바람직하게는 승화부의 도가니에 로딩된 정제원료의 승화가 완료되고 나면 순환 용액이 유기소재로 적절히 과포화되었다고 판단한다.

순환부(400)는 상기 진공 챔버 외부에 설치된 구동모터(440)로 구동되는 스크류축(430)과, 상기 진공 챔버의 천정에 매달려 내부에 상기 스크류축(430)을 수용하고 하단부 일부가 수집부의 컨테이너(310)에 잠기는 원통 케이스(410)와, 상기 원통 케이스(410)의 상단부와 연통하여 상기 스크류축(430)으로 상승된 용액을 상기 포집부의 분배풀(210)에 공급하는 분배포트(420)를 포함한다.

이러한 순환부(400)는 수집부(300)가 상승함에 따라 원통케이스(410)의 하부가 수집부의 커버(320) 구멍을 통과해 컨테이너(310)의 일측에 잠기게 된다. 이 상태에서 순환부의 스크류축(430)이 회전하면서 퍼올려진 용액(301)이 분배포트(420)를 통해 분배풀(210)로 공급되며, 분배풀(210)에 공급된 용액이 분배풀(210) 저면의 배출공(212)을 통해 및/또는 분배풀(210)의 내측벽을 넘어 수렴경사부(220)의 경사면을 따라 배출포트(230)까지 흐르면서 소스(110)에서 분사된 승화기체를 포집하게 된다. 이러한 순환(circulation)이 반복됨에 따라 물에 비해 점성이 수십배 높은 이온성 액체 내에 유기 소재 분자가 균일하게 확산되어 용액 벌크 전체에 순차적인 과포화가 일어난다. 대안으로서 상기 수집부(300)가 승하강 하는 대신에 상기 순환부(400)가 진공챔버의 천정으로부터 승하강 가능하게 구성되어 순환모드와 숙성모드를 전환하도록 구성할 수도 있다.

여기서, 미설명된 도면부호 510은 진공펌프를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 순환모드에서 작동중인 유기소재 정제장치를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기소재 정제장치는 순환부(400a)를 제외한 나머지 구성요소가 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 유기소재 정제장치와 동일하므로 자세한 설명은 상술한 내용으로 대치하기로 한다.

순환부(400a)는 도 3에 도시된 바와 같이 스크류축(430) 대신 버킷 엘리베이터 형태로 구성된다. 이때, 순환부(400a)는 하단부 일부가 컨테이너(310) 내에 잠기고 내부에는 주회 운동하는 체인 버킷(470)이 설치된 엘리베이터 본체(460), 이 엘리베이터 본체(460)의 상부와 연통하게 설치되어 포집부(200)의 분배풀(210)에 순환되는 용액을 공급하는 분배포트(420), 및 컨테이너(310)에서 분배풀(210)로 용액을 퍼올리도록 진공 챔버(500) 외부에서 체인 버킷(470)을 구동시키는 구동모터(도시하지 않음)를 포함한다.

이때, 체인 버킷(470)은 무단형상으로 연결된 한 쌍의 롤러체인(즉, 무단체인)(도시하지 않음)과 한 쌍의 체인에 양측이 지지된 복수의 버킷(472)을 구비하는 구성으로 이루어질 수 있다.

이렇게 버킷 엘리베이터 형태로 구성된 순환부(400a)는 버킷(472)의 개구부가 위로 향한 자세로 상승할 때 컨테이너(310) 내에 수집된 용액(301)을 내부에 담은 후, 버킷 엘리베이터의 최상부에서 체인이 상향에서 하향으로 방향전환할 때 버킷(472)의 개구부가 하향으로 반전되면서 내부에 담긴 용액(301)을 쏟아내고, 이렇게 버킷(472)에서 쏟아진 용액(301)이 엘리베이터 본체(460) 상부에 형성된 분배포트(420)를 통해 분배풀(210)로 공급되면, 분배풀(210)에 공급된 용액이 분배풀(210) 저면의 배출공(212)을 통해 및/또는 분배풀(210)을 넘어 수렴경사부(220) 내측 표면을 따라 배출포트(230)까지 흐르면서 소스(110)에서 분사된 승화기체를 포집하게 된다.

이하, 도 4의 흐름도를 참조하면서 정제공정을 설명한다.

(1) 준비단계

컨테이너(310)에 일정량의 이온성 액체를 주입하고, 커버(320)를 닫는다. 이와 동시에 승화부(100)의 소스(110)에 적당량의 정제원료를 로딩한다. 이후, 진공챔버(500)를 닫고 리프트(350)로 수집부(300)를 상승시킨다. 진공펌프(510)를 가동시켜 컨테이너(310) 내의 이온성 액체를 퍼지시킨다. 이러한 퍼지를 통해 이온성 액체 내의 용존 이물질을 진공챔버(500) 밖으로 배기시킨다. 이온성 액체를 퍼지시키는 도중에 이온성 액체를 적정온도로 가열하면서 순환부의 스크류축을 역회전시켜 컨테이너에 담긴 용액을 위아래로 뒤섞어줌으로써 퍼지 효율을 제고할 수 있다. 진공챔버 내의 진공도는 바람직하게 유기소재의 승화에 적합한 압력까지 적어도 10^-5 ~ 10^-6 torr 까지 서서히 상승시킨다.

(2) 순환단계(S100)

이온성 액체가 퍼지된 후 순환부(400)의 스크류축(430)을 정회전 가동시킨다. 이렇게 순환부(400)의 가동으로 인해 컨테이너(310)에서 퍼지된 용액(301)이 순환부(400)를 거쳐 포집부(200)의 분배풀(210)로 공급되어 수렴경사부(220)의 경사면을 흘러 내려간 후 컨테이너(310)에 수집되고, 컨테이너(310)에 수집된 용액(301)이 포집부의 분배풀(210)로 반복해서 순환된다(도 1 및 도 3의 화살표 참조).

(3) 승화단계(S200)

용액(301)이 반복적으로 정상 순환될 때 승화부(100)의 소스(110)를 정제원료의 승화온도로 가열하여 도가니에 로딩된 정제원료를 승화시킨다. 이때, 승화부(100)의 소스(110)는 승화기체가 소스(110) 내부에서 노즐(120)을 통해 포집부의 수렴경사부(220)을 향해 전방향으로 하방 분사되도록 한다. 한편, 승화단계에서의 정제원료의 승화량은 이온성 액체의 순환온도에 맞춰 적정한 과포화가 이루어지도록 준비단계에서 도가니에 적당량이 로딩되도록 한다. 이때, 적정한 과포화란 용액의 숙성 중 적절한 핵형성이 일어나 결정성장이 이루어지는 용해량을 의미하며, 유기소재의 원료에 따라 조정될 수 있다.

(4) 포집단계(S300)

도 2에 도시한 대로, 포집단계에서 승화기체는 수렴경사부(220)의 경사면을 따라 층상으로 흐르는 용액(301)의 계면에 증착되어 포집된다. 이때, 용액(301)은 깔때기 형상의 수렴경사부(220) 중앙 배출구(222)를 향해 중력 이동하면서 계면에 증착된 유기소재가 물리적으로 뒤섞이며 용액(301) 내부로 확산되는 효과가 있다.

(5) 수집단계(S400)

승화기체를 포집한 용액은 수집부 커버(320)에 뚫린 구멍에 삽입된 배출포트(230)를 거쳐 수집부(300)의 컨테이너(310)에 수집된다. 포집부(200)의 배출포트(230)를 거쳐 컨테이너(310)에 수집된 용액(301)은 컨테이너 내부의 적당한 지그를 통해 형성된 경사면을 따라 직경 반대측에 있는 순환부(400)의 원통 케이스(460) 하단부로 흘러간다. 이 용액은 스크류축(430)의 회전에 의해 원통케이스(410) 하단부에 형성된 개구부를 통해 상승되어 분배포트(420)를 통해 분배풀(210)에 공급된다.

(6) 과포화단계(S500)

상기와 같이 순환하는 용액(301)에 승화기체를 반복하여 포집하면 용액(301)의 순환온도에 해당하는 포화 용해도를 넘어서 유기소재가 과포화된다. 공정상으로는 상기 용액이 순환하는 상태에서 승화, 포집 및 수집이 반복적으로 진행되면서 용액의 과포화가 일어난다. 과포화 시점은 보통 승화부의 승화가 완료되는 시점과 일치하도록 사전에 조정된다. 과포화 여부는 순환용액의 용해도를 측정하는 비접촉식 광학측정법을 활용하여 판정될 수 있다.

(7) 재결정화 단계(S600)

과포화가 완료된 용액의 재결정화를 촉진하기 위해서, 바람직하게는 과포화로 인한 1차 핵형성이 시작되어 결정석출이 관찰되는 시점까지 순환부(400)를 가동시킨다. 회전하는 스크류축(430)의 외측면과 원통 케이스(410)의 내측면 사이에서 용액에 전단력을 가함으로써 결정성장을 촉진시키는 효과가 있다. 이어서, 순환부(400)의 스크류축(430)을 정지시키면 용액(301)의 순환이 중단되고, 포집부(200)의 분배풀(210)에 남은 과포화 용액은 분배풀(210)의 저면에 형성된 다수의 배출공(212)을 통해 수렴경사부(220)를 거쳐 컨테이너(310)에 수집된다. 과포화 용액이 담긴 컨테이너(310)는 도 5에 도시된 바와 같이 리프트(350)에 의해 진공챔버(500)의 바닥으로 하강되고, 컨테이너(310)는 유기소재의 결정성장을 위한 숙성모드로 들어간다.

이와 같은 숙성 모드는 진공 상태에서는 물론, 챔버내의 분위기를 아르곤이나 질소가스 등의 불활성 가스로 진공 챔버를 상압화시킨 후 진행될 수도 있다. 숙성모드에서는 히팅자켓(330)을 통해 적절한 써모그램을 그리도록 온도를 조절함으로써 결정의 형상이나 입도 분포를 조절할 수 있다.

(8) 분리단계(S700)

재결정화가 완료된 용액(301) 내에서 성장한 유기소재 결정들을 용액(301)으로부터 추출하기 위해 상압화 후에 진공챔버(500)에서 컨테이너(310)를 꺼내 원심분리 등의 방법을 이용하여 용액(301)에서 유기소재 결정을 분리시킨다. 대안으로는 수렴경사부(220)에 필터지를 안치한 다음, 수집부(300)를 다시 상승시켜 순환부(400)의 스크류축(430)을 정회전시켜 재결정화가 완료된 용액(301)을 수렴경사부(220)에 공급하여 결정을 필터링할 수도 있다. 이때, 결정이 여과된 용액은 다시 수집부의 컨테이너(310)에 회수되어 후속 정제공정에 모액으로 재사용된다(S800).

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 흐르는 이온성 액체를 이용한 유기재료 정제장치는 포집부(200)의 수렴경사부를 따라 흐르는 용액으로 승화기체를 반복적으로 포집함으로써 순환중인 용액(301) 내에 순차적으로 승화기체가 확산되기 때문에 이온성 액체에 분말상으로 혼합하는 경우 잘 녹지 않는 난용성 유기소재라도 용이하게 용해시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 유기재료 정제장치는 포집부(200)와 수집부(300)를 공간적으로 분리함으로써 포집부(200)에서 승화기체를 포집한 용액이 곧바로 수집부(300)로 배출되므로 포집부(200)에서 과도한 증착으로 불순물과 유기소재 입자의 원치 않는 재결합을 피할 수 있다.

또한, 본 발명의 유기재료 정제장치는 순환부(400)의 스크류축(430)을 통해 용액(301)이 전단력을 받으면서 포집부(200)의 분배풀(210)에 공급되므로 용액(301) 내의 유기소재 분자들끼리 충돌하여 자가조립(self-assembly)할 확률이 높아져 결정화가 촉진되는 효과가 있으며, 더 나아가 증류수에 비해 점도가 수십배 이상 높은 이온성 액체라도 순환부(400)를 통과하면서 순환용액의 벌크 전체가 강제적으로 순환되므로 유기소재 분자가 이온성 액체 벌크 전체에 균일하게 과포화되는 효과가 있다. 이는 정제장비의 스케일업에 의해 순환되는 벌크의 부피가 커져도 공정의 재현성을 확보하는 효과가 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관해서 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 모방이 가능함을 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져선 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 승화부 110: 소스
200: 포집부 210: 분배풀
212: 배출구 220: 수렴경사부
300: 수집부 301: 용액
310: 컨테이너 320: 커버
330: 히팅자켓 350: 리프트
400: 순환부 410: 원통 케이스
420: 분배포트 430: 스크류축
440: 구동모터 460: 엘리베이터 본체
500: 진공 챔버 510: 진공펌프

Claims (10)

1. 진공 챔버 내부 천정에 부착되어 유기재료를 승화시키는 승화부;
   상기 승화부의 하부에 배치되어 상기 승화부에서 분사되는 승화기체를 흐르는 용액으로 포집하는 포집부;
   상기 포집부의 하부에 승하강 가능하게 배치되어 상기 포집부에서 흘러나온 용액을 수집하는 수집부; 및
   상기 포집부와 수집부 사이에 배치되고, 상기 수집부 안의 용액을 상기 포집부로 퍼올려서 순환시키는 순환부를 포함하고,
   상기 순환부는, 상기 진공 챔버 외부에 설치된 구동모터로 구동되는 스크류축과, 상기 진공 챔버의 천정에 매달려 내부에 상기 스크류축을 수용하는 원통 케이스와, 상기 원통 케이스의 상단부와 연통하여 상기 스크류축으로 상승된 용액을 상기 포집부의 분배풀에 공급하는 분배포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐르는 용액을 이용한 유기재료 정제장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 승화부는, 고체상태의 펠릿 또는 파우더 형태의 정제원료가 저장되는 도가니,상기 도가니의 외측에 설치되어 상기 도가니를 가열시키는 도가니 히터, 및 상기 도가니에서 승화된 승화기체를 하방으로 분사하는 노즐을 포함하는 소스로 구성된 것을 특징으로 하는 흐르는 용액을 이용한 유기재료 정제장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 포집부는, 상기 승화부 아래에 설치되고 하부에 배출포트를 구비한 깔때기 형상의 수렴경사부와, 상기 수렴경사부의 상부 가장자리 내측에 결합되고 상기 순환된 용액을 일시 저장하였다가 상기 수렴경사부 전체에 분배시키는 환형 분배풀을 포함하고, 상기 포집부에서 상기 승화기체를 포집한 순환 용액은 상기 수렴경사부의 배출포트를 통해 상기 수집부로 낙하하는 것을 특징으로 하는 흐르는 용액을 이용한 유기재료 정제장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 수집부는, 상기 포집부의 배출포트에서 낙하하는 용액을 수집하는 컨테이너와, 상기 컨테이너를 수용하도록 형성되어 상기 컨테이너를 일정온도로 가열시키는 히팅자켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 흐르는 용액을 이용한 유기재료 정제장치.
5. 삭제
6. 진공 챔버 내부 천정에 부착되어 유기재료를 승화시키는 승화부;
   상기 승화부의 하부에 배치되어 상기 승화부에서 분사되는 승화기체를 흐르는 용액으로 포집하는 포집부;
   상기 포집부의 하부에 승하강 가능하게 배치되어 상기 포집부에서 흘러나온 용액을 수집하는 수집부; 및
   상기 포집부와 수집부 사이에 배치되고, 상기 수집부 안의 용액을 상기 포집부로 퍼올려서 순환시키는 순환부를 포함하고,
   상기 순환부는, 하단부 일부가 상기 수집부 내에 잠기고 내부에는 주회 운동하는 체인 버킷이 설치된 엘리베이터 본체, 상기 엘리베이터 본체의 상부와 연통하게 설치되어 상기 체인 버킷으로 상승된 용액을 상기 포집부의 분배풀에 공급하는 분배포트, 및 상기 진공 챔버 외부에 설치되어 상기 체인 버킷을 구동시키는 구동모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐르는 용액을 이용한 유기재료 정제장치.
   
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