초록 ▼

3. 개발결과 요약
※ 최종목표
○ 주관기관 (한국생산기술연구원)
- ILs 특성 분석을 통한 합성공정 최적화 및 잔류 불순물 최소화 기술 확립
- 참여기관에서 개발된 ILs를 적용하여, 하이브리드 정제공정을 통한 OLED 유기발광소재 정제 공정 추진
- OLED 발광소재의 정제 특성 및 소자 성능 비교를 통한 선진사 대비 개발된 ILs의 유효성 테스트
- 국내외 ILs 활용처에 대한 공동 마케팅을 통한 판매처 확보
○ 참여기업 (㈜유라마)
- 순도(Purity) 99.9% 이상 : 이온성

3. 개발결과 요약
※ 최종목표
○ 주관기관 (한국생산기술연구원)
- ILs 특성 분석을 통한 합성공정 최적화 및 잔류 불순물 최소화 기술 확립
- 참여기관에서 개발된 ILs를 적용하여, 하이브리드 정제공정을 통한 OLED 유기발광소재 정제 공정 추진
- OLED 발광소재의 정제 특성 및 소자 성능 비교를 통한 선진사 대비 개발된 ILs의 유효성 테스트
- 국내외 ILs 활용처에 대한 공동 마케팅을 통한 판매처 확보
○ 참여기업 (㈜유라마)
- 순도(Purity) 99.9% 이상 : 이온성 액체 제조공정 시 반응 전환율을 실시간 모니터링
- 수분(Water) 함유량 100ppm 이하 : 물 세척 공정에 따른 정확한 추출·분리를 통하여 미량의 수분을 제거
- Chloride(Cl) 함유량 100ppm 이하 : 알킬화 반응 시 생성되는 할로겐 물질을 억제할 수 있는 Halogen-free 공정 개발 (클로라이드 함유량 최소화)
- 열분해 온도(TGA) 300℃이상 : 이온성 액체 반응 공정 시 99% 이상의 전환률 확보를 통한 열분해 온도를 표준 시료와 비교 분석
- 금속이온(Na, Mg, K, Fe, Cu, P) 함유량 : 금속이온 발생 최소화를 위한 정제수 및 전용용기를 적용하여 금속 원소(Na, Mg, K, Fe, Cu, P) 정량 분석. (Na, Mg, K, Fe : 20ppm이하, Cu, P : 10ppm 이하)
- 정제 공정 기술 : 음이온 치환반응 후 물로 세척하여 추출공정으로 무기물과 염(salt)불순물 등을 대부분 제거
○ 기술개발 정량적 평가항목 대비 달성도

※ 개발내용 및 결과
□ 주관기관 (한국생산기술연구원)
○ 저비용/고순도 이온성 액체 제조를 위한 자료 수집 및 제공
- 이온성 액체는 난휘발성 특성으로 증류에 의한 정제가 까다롭기 때문에 기존에는 할로겐화 알킬 치환 합성법을 통해 제조됨.
- 하지만 이온성 액체 내 잔류하는 할로겐 이온은 이온성 액체 응용분야 (전기화학 셀 전해질, 정제 용매 및 분산제 등)에 부반응을 발생시키는 요인이 될 수 있어, 할로겐 원소가 없는 고순도 특성이 요구됨.
- 이온성 액체 합성 후 별도의 할로겐 이온을 제거하는 추가 공정이 생략 가능하고, 합성 반응에 사용된 알칼리 금속 원소의 함량을 최소화 할 수 있는 문헌 자료를 수집하여 참여기업인 ㈜유라마에 제공함. (특허출원 번호 : KR100770925B1, JP2005096423A, JPJP-P-2005-00096423)
○ 이온성 액체 종류(기존/신규)에 따른 TPBi 유기소재 재결정화도 분석
- 정제 전 TPBi 원료물질은 불규칙한 미세결정 형상을 보였지만, 이온성 액체(OMIM TFSI)로 재결정화된 유기소재는 rod 형태로 크게 성장된 결정 형상을 보임.
- 기존 이온성 액체 합성에 필수적인 할로겐 물질의 치환 공정이 생략되었음에도 불구하고, 동일한 or 우수한 수준의 TPBi 유기소재 정제가 가능함을 확인함.
○ 이온성 액체 종류(기존/신규)에 따른 TPBi 유기소재 순도 변화 검증
- 초기 출발물질인 TPBi 유기소재의 순도는 98%이며, 기존 ILs 합성공정의 OMIM TFSI를 이용하여 재결정화된 유기소재의 순도는 99.87%를 보임
- 신규 합성공정의 OMIM TFSI 이온성 액체로 재결정화된 TPBi 유기소재의 순도는 99.96%를 보임으로써, 기존 합성공정보다 크게 향상된 순도 특성을 보임
○ 기존/신규 합성 이온성 액체를 이용한 TPBi 유기소재 적용 OLED 소자 성능 평가
- 기존/신규 합성 이온성 액체(OMIM TFSI)로 재결정화된 TPBi 유기소재에 대한 신뢰성 평가를 위해 OLED 소자를 제작하여, 전기적/광학적 특성 변화를 관찰함.
- 신규 합성 ILs(OMIM TFSI)로 재결정화된 TPBi 유기소재의 turn-on voltage (기존 공정 ILs 적용 : 4.6V, 신규 공정 ILs 적용 : 4.4V)가 기존 합성공정으로 재결정화된 소재 대비 감소하였으며, 이는 신규 합성 ILs로 정제된 유기소재에 불순물 함량이 감소하였음을 의미함.
- OLED 소자의 최대효율은 TPBi-A와 TPBi-B에서 각각 6.0 Cd/A, 6.9 Cd/A 값을 보임으로써, 신규 합성 ILs로 재결정화된 TPBi 유기소재 샘플이 기존 공정 ILs로 재결정화된 샘플에 비해 약 15% 정도 효율 향상에 기여함을 확인함.
- 최대 휘도는 TPBi-A & TPBi-B에서 각각 7,469 Cd/m², 7,456 Cd/m²의 값을 보였으며, TPBi 유기소재 순도에 따른 휘도 변화는 미미한 수준임을 확인함.

□ 참여기업 (㈜유라마)
○ 순도(Purity) 99.9% 이상 : 이온성 액체 제조공정 시 반응 전환율을 실시간 모니터링 하여 최종화합물의 순도를 HPLC로 분석한 결과 OMIM-TFSI 100.00%, BMIM-TFSI 100.00%, EMIM-TFSI 100.00%, OMIM-BF₄ 100.00%, BMIM-BF₄ 100.00%로 목표치 99.9% 이상을 확인함.
○ 수분(Water) 함유량 100ppm 이하 : 물 세척 공정에 따른 정확한 추출·분리를 통하여 미량의 수분을 제거하여 OMIM-TFSI 48.03ppm, BMIM-TFSI 53.25ppm, EMIM-TFSI 51.16ppm, OMIM-BF₄ 46.98ppm, BMIM-BF₄ 45.94ppm으로 목표치 100ppm 이하를 확인함.
○ Chloride(Cl) 함유량 100ppm 이하 : 알킬화 반응 시 생성되는 할로겐 물질을 억제할 수 있는 Halogen-free 공정 개발하여 OMIM-TFSI N.D(not-detectable(검출되지 않음), 이하 적용), BMIM-TFSI N.D, EMIM-TFSI N.D, OMIM-BF₄ N.D, BMIM-BF₄ N.D로 목표치 100ppm 이하를 확인함.
○ 열분해 온도(TGA) 300℃이상 : 이온성 액체 반응 공정 시 99% 이상의 전환율 확보를 통해 열분해 온도를 표준 시료와 비교 분석하여 측정한 결과 OMIM-TFSI 437.8℃, BMIM-TFSI 466.3℃, EMIM-TFSI 464.6℃, OMIM-BF₄ 438.2℃, BMIM-BF₄ 447.8℃로 목표치 300℃이상을 확인함.
○ 금속이온(Na, Mg, K, Fe, Cu, P) 함유량 : 금속이온 발생 최소화를 위한 정제수 및 전용용기를 적용하여 금속 원소(Na, Mg, K, Fe, Cu, P) 정량 분석 (Na, Mg, K, Fe : 20ppm이하, Cu, P : 10ppm 이하)하여 OMIM-TFSI N.D, BMIM-TFSI N.D, EMIM-TFSI N.D, OMIM-BF₄ N.D, BMIM-BF₄ N.D 즉, 검출되지 않음으로 목표치 Na, Mg, K, Fe : 20ppm이하, Cu, P : 10ppm 이하를 확인함.
○ 정제 공정 기술 : 음이온 치환반응 후 물로 세척하여 추출공정으로 무기물과 염(salt) 불순물 등을 거의 제거하였으며 저가의 이온교환수지를 활용한 정제 공정기술(특허출원번호: 10-2020-0061745)을 확보함.

※ 기술개발 배경
○ 다양한 응용분야에 사용되는 소재로써 향후 기술적, 가격적 경쟁이 심화 될 것으로 예측됨.
○ 또한, 선진사가 독점적으로 제조 생산하는 소재로써 국산화가 시급히 요구됨.
○ OLED 패널에 사용되는 다양한 유기발광소재는 패널 제조공정에 적용되기 위해서 반드시 99.95% 이상의 고순도 정제가 요구되나, 선진사 및 국내 OLED 유기발광소재 생산업체는 정제기술에 있어서 기존 방식인 승화정제법을 이용하고 있음 실정임.
○ 그러나, OLED 패널의 대량생산 및 본격적인 보급 확산을 위해서는 유기발광소재의 단가가 현재보다 현저히 낮아져야 하며, 이는 저비용의 새로운 정제공정을 필요로 함.
○ 따라서, 향후 전개될 OLED 발광소재의 치열한 시장경쟁에서 새로운 정제법에 적용될 이온성 액체는 그 의미가 매우 중요하다고 판단됨.

※ 핵심개발 기술의 의의
○ In-situ reaction : 단계별 분리하지 않고 반응을 연속공정으로 진행하는 경제적 제조방법으로 기존 제조단가의 20~30% 저비용화.
○ Halogen free : 이온성 액체 합성시부터 Halogen 물질을 Sulfuric acid로 비할로겐화 시킴으로 Chloride의 제거로 인한 품질 향상됨.
○ 정제로 인한 긴 시간 소요 및 다량의 세척용매를 절감하기 위해 저가의 resin 처리로 고순도 이온성 액체의 제조가 가능함.

※ 적용 분야
○ 이온성 액체를 사용한 여러가지 OLED 유기전자소재의 정제 및 재결정화 기술개발
○ 이온성 액체를 응용한 난용성 유기/무기 재료의 용액상 결정성장을 위한 용매 분자 기술개발
○ 전고체전지용 상온 이온전도도 10mS/cm 이상 고체전해질 소재 및 유무기 고체전해질 기술개발 등
○ 고순도 이온성 액체를 이용한 금속 나노촉매물질(이차전지, 수전해, 연료전지 등) 합성

(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 12
• 목차 ... 15
• 제 1 장 서론 ... 16
• 제 1 절 과제의 개요 ... 16
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 21
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 21
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 22
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 23
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 24
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 25
• 제 3 장 결과 ... 26
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 26
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 26
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 27
• 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 전체를 기재 ... 43
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 44
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 45
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 45
• 제 5 절 안전관리 이행 현황 ... 47
• 1. 연구실 안전조치 ... 47
• 2. 과제관련 안전관리 ... 48
• 제 4 장 사업화 계획 ... 49
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 49
• 제 2 절 사업화 계획 ... 49
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획 (개발기술 응용 등) ... 50
• 부록. 시험성적서 외 관련 증빙자료 ... 51
• 끝페이지 ... 90