KR100419572B1 - 비선형 광학특성을 나타내는 유기화합물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비선형 광학특성을 나타내는 신규한 유기화합물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 화합물은 분자내에 쌍극자가 "X"자 형태로 배향되어 있다는 데에 그 특징이 있다. 본 발명에 따른 화합물들은 단분자내에 전자주개와 받개가 쌍으로 존재하기 때문에, 비선형성이 크게 향상되어 이에 따른 광학적 성능이 향상되며, 고분자내 크로모포 밀도를 증가시킬 수 있는 장점을 가진다. 또한 상기 형태의 유기물을 합성할 수 있게됨에 따라 낮은 흡수 파장을 가지면서도 광학 특성이 우수한 화합물을 제공할 수 있으며, 일반적인 유기용매에서의 용해도가 우수하고 또한 말단기의 치환을 통한 고분자의 도입이 유리하게 된다.

Description

비선형 광학특성을 나타내는 유기화합물{Nonlinear Optical Organic Compound}
본 발명은 비선형 광학특성을 나타내는 신규한 유기화합물에 관한 것으로, 특히 광소자의 제조에 적합한 비선형 광학적 특성이 매우 우수한 신규 유기화합물에 관한 것이다.
비선형 광학특성을 나타내는 소재는 최근 고속 및 대용량 데이터 전송과 관련한 소자의 개발이 활발해짐에 따라 이 분야에 적용하기에 적합한 소재의 필요성 또한 급격히 증가하게 되었으며, 이에 따른 연구도 활발히 진행되고 있다. 이러한 소재들은 크게 기존에 널리 사용하고 있는 무기물재료(예를 들면, LiNbO3, 석영 등)와 반도체 소재와 더불어 최근 들어 연구가 집중되고 있는 유기물 재료로 크게 대별될 수 있다. 이 중 유기물재료는 기존의 무기물재료에 비해 합성이나 공정 과정이 유리할 뿐 아니라 요구 조건에 따른 물성 변화 즉 가공 온도, 굴절률, 광학 계수, 흡수 파장의 변환 등의 조절이 가능하다는 장점이 있어 최근에 특히 관심이 집중되고 있는 분야이다.
이러한 유기물재료 중 비선형 광학특성을 나타내는 것으로는 가장 간단한 2-메칠 니트로아닐린에서부터 잘 알려진 스틸벤계, 아조 스틸벤계 등의 벤젠고리의 결합이 이중결합에 연결되고 분자의 말단에 강력한 전자 주개(donor)와 받개(acceptor)가 치환된 구조 등의 비교적 복잡한 분자 구조를 갖는 다양한 물질이 지금까지 알려져 왔으며, 이들 중에는 효과가 뛰어나 광학소자에 응용이 되어 좋은 결과를 나타내는 것으로 발표된 것도 있다.
예를 들면, 미국의 Lockheed사에서는 DCM(4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyryl)-4H-pyran)를 이용하여 약 3.5V의 구동 전압을 갖는 고분자 광변조기를 발표한 바 있으며, 최근에는 매우 우수한 성질을 갖는 물질이 USC(University of South California)의 L.R. Dalton 등에 의해 개발되어 다양한 소자에 응용이 되고 있다.
이러한 비선형 광학 효과는 외부 전장에 의한 물질의 분극으로 설명이 되는데 분극에 미치는 효과는 따라 1차, 2차, 3차 비선형성으로 나뉘어 분류된다. 이런 분극은 결국 분자내 전자의 움직임에 의한 것으로 유기물질 내의 전자의 움직임은 무기물이나 기타 결정성 물질에 비해 훨씬 자유롭게 움직일 수 있어 이런 광학 효과가 크게 나타날 수 있다.
무기물이 주로 결정성 형태로 이용되고 있는데 비해, 비선형성 재료로 사용되는 유기 물질은 그 물리적 성질 때문에 다양한 형태의 변형된 물질로써 이용이 되어진다. Langmuir-Blodgett필름 (LB film)이나 고체 결정 자체로의 이용은 가공의 어려움이나 이용 가능한 형태(필름, 섬유, 복잡한 광도파로 등)의 물질을 얻기가 매우 힘들어 대부분 고분자 물질에 함유 시켜 이용되고 있다. 이러한 고분자물질의 도입은 물성적 측면과 물질 가공 및 소자 제작에서 필요한 기타 요구사항을 충분히 만족시킬 수 있어 매우 많은 이들이 이 방법을 통해 구현하고자 노력하고 있다. 단분자인 비선형성을 나타내는 유기물질(크로모포 혹은 발색단)이 큰 비선형성을 나타내기 위해서는 분자내에서 부분적인 전자 분극이 일어날 수 있는 형태가 되어야 하며 그 분자는 큰 쌍극자 모멘트를 가져야 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 강력한 전자 주개와 전자 받개가 분자의 양 말단에 존재하는 것이 유리하고 그 사이를 전자가 쉽게 움직일 수 있는 형태 즉, 가장 전이가 쉬운 파이 전자가 자유롭게 움직일 수 있게 이중 삼중결합으로 완전히 연결된 상태라야 한다.
아울러 이러한 연결이 한 평면상태에서 안정하게 존재할 때 더욱 그 효과가 크고, 이러한 연결이 길어질수록 그 열적 안정성이 떨어지기 때문에 최근의 연구들은 대부분 이런 약점을 보완하기 위해 고리형 형태나 안정한 방향족 화합물 또한 구조적으로 고정된 물질을 합성하기 위해 노력하고 있다. 이렇게 합성된 크로모포들은 고분자 형태로 얻기 위해서 가장 단순하게 고분자 매트릭스를 이용한다. 즉 단순히 잘 알려진 고분자를 이용하여 이곳에 침투시킴으로써 고분자가 갖는 성질과 크로모포가 갖는 성질을 동시에 이용하는 방법으로서, 이 방법은 매우 간단하고 얻기가 쉬워 단순히 크로모포개발에 많이 이용이 되고 있다.
하지만 크로모포와 고분자의 물성 차이로 완전히 균일한 성질의 고분자를 얻기가 어렵고 크로모포의 양에 따라 매질 내에서 분자간 반응이 일어나는 경우가 있으며 형성된 최종물질의 필름상에서 광학적 안정성이 떨어진다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 주사슬 형태의 폴리머에 크로모포를 공유결합 시키거나 삼차원적으로 고분자를 결합시킴(cross-linking)으로써 열적, 광학적으로 안정화시키는 과정을 이용하고 있다. 그러나 이런 방법은 크로모포 합성이나 최종 고분자를 얻기가 비교적 힘들다는 단점이 있다.
아울러 단분자 결정과는 다르게 이렇게 얻어진 비선형 고분자가 비선형성을 얻기 위해서는 크로모포를 고분자 매트릭스 내에 일정한 방향으로 배향 시키는 폴링(polling) 작업이 필요하다. 폴링이란 고분자의 유리 전이온도에서 고분자에 전극을 걸어 주거나 코로나를 발생 시켜는 등 강제적으로 배향을 시킨 다음 온도를 낮춰 이러한 비평형 상태를 유지하도록 하는 과정을 말한다. 현재 알려진 고분자 물질에서 측정된 광학계수는 이론적으로 계산된 값의 수 퍼센트 밖에 나타내지 않는 것으로 알려지고 있기 때문에 효율적인 폴링 과정을 실행하기 위해 새로운 폴링 기술방법과 함께 물질 설계로 이를 해결하고자 많은 노력을 하고 있다.
최근까지 알려진 크로모포의 형태는 앞서 언급했듯이 대부분 전자 주개-받개 및 파이전자 공유 시스템으로 결합된 분자로 최고의 흡수 파장이 350nm에서 약 700nm로 나타난다.
큰 비선형성 광학 계수를 갖는 크로모포의 설계에 있어 나타나는 경향은 이 파이 공유 시스템이 길게 될수록 큰 광학 계수 값을 나타내고, 더불어 크로모포의 흡수 파장 영역이 매우 장파장 쪽으로 이동한다는 것인데, 이는 광학소재로서 사용에 매우 치명적인 문제를 발생시킨다. 이 소재가 사용되는 광학소자가 사용되는영역에서의 흡수는 광학소자의 특성을 저하시키기 때문에 이런 흡수가 전혀 일어나지 않는 이상적인 크로모포를 설계하고 광학계수도 아울러 증가된 물질을 합성하기 위해선 이 두 가지가 상반되는 특징을 해결하는 것은 매우 중요한 문제이다.
이렇게 얻어진 비선형 고분자의 광학적 특성 중 비선형성의 세기 성질인 광학계수는 크로모포가 그 특징을 좌우한다. 따라서 큰 비선형성을 갖는 크로모포의 합성은 매우 중요하다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 분자내에 쌍극자가 "X"자 형태로 배향되어 비선형성이 크게 향상된 신규한 유기화합물을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1, 2, 3 및 4 의 구조를 갖는 화합물을 제공한다.
(상기 화학식 1, 2 및 3에서, E 및 E'는 각각 알콕시기(-OR1) 또는 알킬아미노기(-NR2R3)이며, W 및 W'는 각각 시아노기(-CN), 알킬술폰기(-SO2R4), 니트로기(-NO2) 또는 불소화알킬기(-R5F)를 나타내며, 여기서, R1-R3은 각각 C1-C8의 알킬기 또는 말단에 히드록시기를 갖는 C2-C6의 알킬기를, R4및 R5는 각각 C1-C6의 알킬기 또는 페닐기를 나타낸다. 또한 상기 화학식 4에서, G는 상기 화학식 1 내지 화학식 3 중 하나를 나타내며, n, m 은 각각 정수이며, n:m 은 1:10 내지 10:1의 범위에 있다.)
또한 본 발명은 상기 화학식 1 내지 화학식 3의 화합물 중 어느 하나와 고분자 매질로서 폴리메틸아크릴레이트 또는 폴리메틸메타아크릴레이트를 함께 포함하여 이루어진 혼합물을 제공한다. 상기 혼합물에서 폴리메틸아크릴레이트 또는 폴리메틸메타아크릴레이트의 수평균분자량은 1,000 내지 30,000인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 화학식 1, 2, 3의 구조를 갖는 화합물들은 단분자내에 전자주개와 받개가 쌍으로 존재하고, 단분자내 쌍극자가 "X"로 배향이 된 형태의 유기물이라는 점에 그 특징이 있다. 또한 상기 화학식 1 및 2의 화합물은 두개의 전자 주개 및 두 개의 전자 받개가 각각 오르토 또는 메타의 위치에 치환되어 있는 구조상의 차이를 가질 뿐, 그 성질에 있어 거의 유사한 이성질체의 관계에 있다. 즉, 중심이 되는 벤젠 링을 기준으로 전자 주개와 전자 받개가 각각 쌍으로 치환되어 있는 구조에서, 화학식 1은 1,2-의 위치에 전자 주개가, 4,5-의 위치에 전자 받개가 치환되어 있는 구조이고, 화학식 2는 1,3-의 위치에 전자 주개가, 4,6-의 위치에 전자 받개가 치환되어 있는 구조를 나타낸다.
또한 본 발명에 따른 화합물들은 고분자 매질에 분산시키거나 고분자 곁사슬로 연결시켰을 때 매우 우수한 광학적 특성을 보인다는 데에 또 다른 특징이 있다.
상기한 바와 같이 비선형성 광학 계수가 큰 크로모포에 있어서의 흡수 파장 영역이 매우 장파장쪽으로 이동한다는 문제가 있는데, 본 발명에 따른 화합물을 사용한 경우는 이런 상반되는 두 가지 특징 즉, 낮은 흡수 파장을 가지면서도 비교적 큰 값의 광학계수를 나타내는 성질을 갖는다.
상기 화학식 1 및 2 는 기존의 분자구조와는 다른 이중적인 크로모포 구조를 갖는다. 즉, 기존의 크로모포 중 크로모포의 구조 내 파이 결합 주위에 전자 주개나 받개 치환기를 도입한 경우나 또 다른 예로 ROITech에서 개발된 "L"형태의 "옵티마"(Optimer)로 명명된 (J. Am. Chem. Soc. 117, 7295) 크로모포 등이 가끔 문헌에 발견되지만 이러한 형태는 흔치 않으며, 본 발명에서와 같이 크로모포 분자내의 구조가 완전히 "X"자 형태로 구성된 물질은 그 실례를 발견하기 어렵다.
화학식 1의 화합물은 파이 전자 연결단인 벤젠링을 중심으로 엑스자 형태로 두개의 기존 크로모포가 한 분자내에 위치하고 있다. 이를 통해 두개의 크로모포가 벡터 합으로 나타날 수 있기 때문에 한 개의 크로모포보다 큰 광학 값을 갖는다. 이는 단순히 쌍극자 모멘트의 계산으로도 이해될 수 있다. 화학식 1 및 화학식 2는 두개의 구조가 벤젠링을 중심으로 오르토와 메타 위치에 구조가 고정되어 있다. 크로모포에 치환된 전자 주개는 알콕시 형태와 치환된 아미노기로 되어 있고, 전자 받개는 시아노기, 니트로기, 알킬술폰기, 불소화 알킬기로 되어 있다. 또한 전자 주개로 치환된 알콕시와 아미노기에는 단순히 손님/주인계(host-guest) 고분자로 사용될 경우 탄화수소로 된 단순한 알킬그룹이 치환되고 겹사슬 고분자로 크로모포가 도입되는 경우는 2-히드록시에틸, 3-히드록시프로필기가 알콕시 아미노기에 도입이 된다.
화학식 1 및 화학식 2의 대표적인 합성 경로는 쉽게 얻을 수 있는 1,2-와 1,3-알콕시/아미노 벤젠으로부터 두 번에 걸친 포밀기 도입과 연속적인 전자 받개 그룹을 도입함으로써 합성하는 것이다.
또한 합성된 화학식 1 내지 화학식 3의 구조를 갖는 화합물에서 전자 주개로 알콕시, 아미노 그룹에 치환된 알킬기 R1내지 R3이 단순한 탄화수소가 아닌 경우즉 말단에 -OH 가 치환된 경우에는 이 작용기에 아크릴레이트를 도입하여 메타메틸아크릴레이트와 공중합으로 곁사슬 고분자 중합체인 화학식 4의 구조를 갖는 화합물을 얻을 수 있다. 이 경우 중합 조건에 따라 적어도 수평균 분자량이 5,000에서 30,000정도의 중합체를 다양하게 얻을 수 있다.
상기한 바와 같은 화학식 1 및 화학식 4의 구조를 갖는 화합물을 얻을 수 있는 대표적인 경로를 하기 반응식을 통하여 좀 더 상세히 설명하고자 한다.
상기 반응식에서 얻은 중간체 화합물(B)를 이용하여 하기와 같이 화학식 1 내지 화학식 4의 구조를 갖는 화합물을 제조할 수 있다.
상기 반응식 2에서는 상기한 바와 같이 1,2-알콕시 벤젠에 두 번에 걸친 포름기의 도입에 의하여 화합물(B)를 얻고 이에 전자받개 그룹의 도입을 위하여 4-니트로페닐아세트산을 반응시켜 화학식 1 의 구조를 갖는 화합물 중 하나를 제조하였다.
상기 반응식 3에서는 반응식 1에서 얻은 화합물(B)에 전자받개 그룹으로서 알킬 술폰기를 도입하여 화학식 1의 구조를 갖는 화합물 중 하나를 제조하였다.상기 반응식 2 및 3을 응용하여 개시물 및 전자받개 그룹을 다양하게 변화시켜 화학식 1, 2 및 3의 구조를 갖는 다른 화합물도 물론 제조할 수 있다.
단, 상기식에서, E 및 E'는 각각 알콕시기(-OR1) 또는 알킬아미노기(-NR2R3)이며, W 및 W'는 각각 시아노기(-CN), 알킬술폰기(-SO2R4), 니트로기(-NO2) 또는 불소화알킬기(-R5F)를 나타내며, 여기서, R1-R3은 각각 C1-C8의 알킬기 또는 말단에 히드록시기를 갖는 C2-C6의 알킬기를, R4및 R5는 각각 C1-C6의 알킬기 또는 페닐기를 나타낸다.
상기 반응식 4에서는 반응식 1에서의 화학식(A)를 이용하여 화학식 3의 구조를 갖는 화합물을 제조하는 과정을 보여주고 있다.
상기와 같은 반응을 하기 실시예를 통하여 좀 더 상세히 설명한다.
[실시예 1]
톨루엔 120mL를 포함하는 250mL 2구 플라스크에 일반적인 경로를 통해 쉽게 합성된 1,2-디포밀 벤젠유도체(B) 3.9g(20mmol)을 넣고 녹인 다음 4-니트로페닐 아세트산 8g(44mmol)을 넣고 녹였다. 이 용액에 피페리딘 4.3g을 첨가한 후 상온에서 12시간 교반하고 나서 아세트산 6g을 첨가한 후 12시간 동안 가열하여 환류시켰다. 그 후 톨루엔을 1/2정도 제거하고 150mL의 헥산을 첨가하여 고체 생성물을 얻고 이를 메타클로로벤젠으로 재결정하여 상기 반응식 2의 화합물(C)을 얻었다.수득한 화합물(C)의 NMR 및 IR 데이터를 하기에 나타내었다.1H NMR(300MHz; DMSOd6+CDCl3, ppm): δ= 3.73(s; 6H), 6.82(s; 2H), 6.96(d; 2H, J=13.1Hz), 7.55(d; 2H, J=13.1Hz), 7.68(d; 4H), 8.19(d; 4H).IR(cm-1, NaCl): 1570, 1511.
[실시예 2]
말로노니트릴(6.6g, 0.1mol)을 디메틸포름아마이드(200mL)에 녹인 다음 이소포론(15.2g, 0.11mol)을 상온에서 첨가하여 교반하였다. 이 용액에 촉매량의 아세트산(0.4g)과 무수아세트산(acetic anhydride, 0.2g) 및 피페리딘(1.5g)을 첨가하여 상온에서 1시간 교반하고 80℃에서 4시간 가열하였다. 용매를 제거하고 얻어진 오일물질을 에틸에세테이트에 녹인후 물로 씻었다. 헥산을 사용하여 재결정하여 순수한 반응 중간체 물질(16g, 85%)을 얻었다.
얻어진 고체물(8.2g, 44mmol)을 디메칠포름아마이드(60mL)에 녹아 있는 화합물(A)(20mmol)를 넣은 다음 촉매량의 아세트산(0.2g)과 무수아세트산(acetic anhydride, 0.1g) 및 피페리딘(0.75g)을 첨가하여 상온에서 4시간 교반한 다음 60℃에서 12시간 가열하여 반응시켰다. 얻어진 화합물(화학식 3의 구조를 갖는 화합물로서 식에서 W, W'는 각각 -CN, E, E'는 각각 -OCH3)을 메탄올에서 재결정한 후 정제하였다. 수득한 화합물의 NMR 및 IR 데이터를 하기에 나타내었다.1H NMR(300MHz; CDCl3, ppm): δ= 1.05(s; 12H), 1.58(s; 4H), 2.43(s; 4H), 3.63(s; 6H), 6.78(s; 2H), 6.84(d; 2H, J=12Hz), 6.99(d; 2H, J=12Hz), 7.20(s; 2H).IR(cm-1, NaCl): 2215, 1596, 1548, 1509.
[실시예 3]
실시예 2와 비슷한 경로를 통하여 화학식 3의 구조를 갖는 화합물 3.1g(5mmol)을 수득하여 NMR 및 IR 데이터를 하기에 나타내었다.1H NMR(300MHz; DMSOd6+CDCl3, ppm): δ= 1.05(s; 12H), 1.78(br; 2H), 2.43(s; 4H), 2.55(s; 4H), 3.05(s; 6H), 3.54(t; 4H), 3.76(t; 4H), 6.70(d; 2H, , J=11.9Hz), 6.73(s; 2H), 6.81(s; 2H), 6.99(d; 2H, J=11.9Hz).IR(cm-1, NaCl): 3400(br), 2215(CN), 1596, 1548, 1509.수득한 화합물을 무수메틸메타아크릴레이트(methylmethacrylic anhydride, 97 %, 1.8mL, 11mol)과 트리에틸아민(2mL, 15mmol) 및 디메틸아미노피리딘(20mg)과 함께 디클로로메탄 25mL에 첨가한 다음 상온에서 30분 반응시켰다. 이로부터 아크릴레이트 단량체(95% 수율)를 얻었다.
25mL 2구 플라스크에 위에서 얻어진 아크릴레이트 단량체(3g, 분자량 754.9)와 바로 정제된 메틸메타아크릴레이트(0.4g)를 넣고 잘 정제된 감마부티로락톤(12g)을 첨가하여 완전히 녹였다. 이용액에 아조비스이소부티로니트릴(AIBN, 14mg)을 첨가한 다음 용액속으로 약 30분간 질소를 흘려주어 반응기내를 완전한 질소 분위기로 만들었다. 오일중탕을 이용하여 온도를 65℃로 고정하고 12시간 반응시킨 생성된 고분자를 메탄올을 이용하여 분리하여, 각 물성값을 측정하여 하기에 나타내었다.Tg(유리전이 온도) = 137℃Mn=29,300, Mw=85,100 (GPC (겔투과크로마토그래피))
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 반응식에 의하여 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환,변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 따른 화합물들은 단분자내에 전자주개와 받개가 쌍으로 존재하고, 단분자내 쌍극자가 "X"로 배향이 된 형태의 유기물로서, 비선형성이 크게 향상되어 이에 따른 광학적 성능이 향상되었으며, 분자내에 존재하는 쌍극자가 쌍으로 존재함에 따라 고분자내 크로모포 밀도를 증가시킬 수 있는 장점을 가진다. 또한 상기 형태의 유기물을 합성할 수 있게됨에 따라 낮은 흡수 파장을 가지면서도 비교적 큰 값의 광학계수를 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 일반적인 유기용매에서의 용해도가 우수하고 또한 말단기의 치환을 통한 고분자의 도입이 유리하다.

Claims (5)

  1. 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 구조를 갖는 화합물.
    (화학식 1)
    (화학식 2)
    (상기식에서, E 및 E'는 각각 알콕시기(-OR1) 또는 알킬아미노기(-NR2R3)이며, W 및 W'는 각각 시아노기(-CN), 알킬술폰기(-SO2R4), 니트로기(-NO2) 또는 불소화알킬기(-R5F)를 나타내며, 여기서, R1내지 R3은 각각 C1-C8의 알킬기 또는 말단에히드록시기를 갖는 C2-C6의 알킬기를, R4및 R5는 각각 C1-C6의 알킬기 또는 페닐기를 각각 나타낸다.)
  2. 하기 화학식 3의 구조를 갖는 화합물.
    (화학식 3)
    (상기식에서, E 및 E'는 각각 알콕시기(-OR1) 또는 알킬아미노기(-NR2R3)이며, W 및 W'는 각각 시아노기(-CN), 알킬술폰기(-SO2R4), 니트로기(-NO2) 또는 불소화알킬기(-R5F)를 나타내며, 여기서, R1-R3은 각각 C1-C8의 알킬기 또는 말단에 히드록시기를 갖는 C2-C6의 알킬기를, R4및 R5는 각각 C1-C6의 알킬기 또는 페닐기를 나타낸다.)
  3. 하기 화학식 4의 구조를 갖는 중합체.
    (화학식 4)
    (상기식에서, G는 상기 화학식 1 내지 화학식 3 중 하나를 나타내며 n, m은 각각 정수이며, n:m은 1:10 내지 10:1의 범위에 있다.)
  4. 상기 화학식 1 내지 화학식 3의 화합물 중 어느 하나와 고분자 매질로서 폴리메틸아크릴레이트 또는 폴리메틸메타아크릴레이트를 함께 포함하여 이루어진 광소자 제조용 혼합물.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 폴리메틸아크릴레이트 또는 폴리메틸메타아크릴레이트의 수평균분자량이 1,000-30,000 인 것을 특징으로 하는 광소자 제조용 혼합물.
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