Growth mechanism of Alq3 via solution growth method with [C12mim][TFSI] ionic liquid

Abstract

유기반도체는 분자 단위의 합성을 통해 다양한 응용분야의 요구에 적합하도록 제작할 수 있고 높은 유연성, 낮은 제작 단가, 용액공정을 통한 대면적 소자 제작 용이 등 차세대 전자소자 적용에 필요한 요소를 갖추고 있는 매력적인 재료이다. 그러나, 공유결합을 갖는 무기 반도체와 달리 van der waals 결합을 이루고 있는 유기 반도체는 전하 이동층이 불안정하고 주입된 전하가 주변 전자층과 반응하여 전하 이동에 제약을 받고 유기반도체 재료의 경우 분자구조가 amorphous 혹은 polycrystalline으로 되어 있어 전하가 hopping mechanism에 의해 이동하므로 전도도가 낮아 실제 소자 적용이 어렵다는 문제를 갖고 있다. 따라서 유기반도체 성능 향상을 위해서는 높은 전도도를 갖는 유기재료가 필요하므로 고순도 단결정 유기재료 제작이 필수적이다. 고순도 단결정 유기재료는 분자 구조 설계, 분자 배향 및 결정성을 제어하여 얻을 수 있다. 유기발광재료의 고순도화를 위해 현재 승화정제법이 사용되고 있다. 그러나 이 방법은 3 ～ 5회 이상 동일 공정의 반복을 통해 99.9% 이상 요구되는 순도를 얻을 수 있으므로 정제 수율이 낮고, 각 재료마다 공정 최적화 작업이 필요하고, 재료 수득 공정의 자동화가 어려워 인력이 투입되어야하는 등의 이유로 고순도 재료 제작을 위한 제조단가가 높은 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 [C12mim][TFSI] 이온성 액체를 용매로 사용한 용액법을 통해 OLED 대표 재료인 Alq3 결정성장에 대해 연구하였다. [C12mim][TFSI] 이온성 액체와 Alq3의 혼합용액을 열처리 온도와 조성에 따른 결정성장을 통해 얻은 Alq3 결정을 분석한 결과 열처리 온도가 100℃에서 180℃로 증가할수록 성장모양에서 평형모양으로 바뀌며 XRD 측정 결과는 열처리 온도가 증가할수록 γ-phase에서 δ-phase로 상전이 되는 것을 확인하였다. 특히 16 mol% Alq3를 180℃ 온도에서 결정성장 시킨 Alq3의 경우 순수한 δ-phase을 얻을 수 있었다. [C12mim][TFSI] 이온성 액체 내에서의 Alq3 결정 성장 메커니즘은 열처리 공정 중 이온성 액체 내의 H+ 이온 농도의 변화에 따라 hexagonal-rod의 단면이 우선 성장되는 결과로 hollow structure에서 hexagonal-rod로 결정이 성장되었다. 용액법으로 성장된 Alq3 결정의 순도는 결정의 크기가 클수록 높아지므로 입자 조대화 조건을 탐색하였고 200℃ 열처리 온도에서 100℃까지 0.05℃/min의 냉각속도로 결정을 성장시킨 결과 176 ㎛ 크기의 Alq3 결정을 얻었다. 이온성 액체를 용매로 사용한 용액법을 통해 단결정, 고순도 Alq3의 대량생산 제작이 가능할 것이라 생각되며 이온성 액체 내에서의 Alq3 결정성장 메커니즘 규명 연구를 통해 향후 관련 분야 학문 발전에도 기여할 수 있을 것이다.