KR101504864B1 - Conjugated side-chain incorporated conjugated polymers and organic optoelectronic devices - Google Patents

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강인남
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가톨릭대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a polymer material having a conjugated side chain introduced thereto, which can improve efficiency of an organic photoelectronic device. Provided is a polymer introducing a benzodithiophen conjugated dithienylene (DTE) side chain group. According to the present invention, the polymer material shows absorption wavelength in wide UV-visible ray region and low band. The photoelectronic device including a photoactivated layer containing the materials has excellent energy conversion efficiency. Accordingly, the polymer provided in the present invention can be utilized for manufacturing various types of organic photoelectornic devices.

Description

공액성 곁사슬이 도입된 고분자 및 이를 이용한 광전자소자{Conjugated side-chain incorporated conjugated polymers and organic optoelectronic devices}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a polymer having conjugated side chains and conjugated side-chain incorporated conjugated polymers and organic optoelectronic devices,

본 발명은 공액성 곁사슬이 도입된 고분자 및 이를 이용한 에너지 전환 효율이 증가된 광전자소자에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer having conjugated side chains introduced therein and an optoelectronic device having increased energy conversion efficiency using the conjugated side chain.

화석에너지의 고갈 우려와 이의 남용에 따른 온난화, 기후 변화 및 원자력 에너지에 상존하는 안전 우려 등은 지속가능한 에너지인 태양광 발전의 필요성을 그 어느 때보다 높이 요구하고 있다. 태양이 지구에 평균적으로 전달해 주고 있는 단위 시간당 에너지는 총 105 TW로서 극히 일부만으로도 2020년 지구 전체가 필요로 할 것으로 예상되는 20 TW를 훨씬 상회할 정도로 풍부하다. Concerns about depletion of fossil fuels, warming due to their abuse, safety concerns with climate change and nuclear energy have raised the need for photovoltaic power generation, which is sustainable energy, higher than ever. The average energy delivered by the sun to the Earth on average is 105 TW, a fraction of which is well above the 20 TW expected to be required by the entire 2020 region.

물론, 태양으로부터의 모든 에너지가 활용될 수 있는 것은 아니지만, 상대적으로 지역편중이 덜한 특성이나 고유의 친환경적 측면 때문에, 태양광 발전은 항상 가장 매력적인 신재생 에너지의 하나로 손꼽혀 왔다. Of course, not all energy from the sun can be exploited, but because of its relatively sub-regional characteristics and inherent eco-friendliness, photovoltaics has always been regarded as one of the most attractive renewable energy sources.

유기 태양전지를 구성하는 유기 반도체는 여타 반도체 기술에 비해 상대적으로 저온, 공정으로 구현될 수 있어 고온처리시 문제가 될 수 있는 저가형 글래스나 다양한 플라스틱 기판 등과 호환될 수 있는 장점이 있다. 특히, 플라스틱 기판이 쓰일 경우, 롤투롤, 인쇄 공정등의 적용도 가능하며, 이 경우 높은 단위시간당 생산량 구현을 통한 초저가형 태양전지 기술의 실현이 기대될 수 있다. 유기 태양전지의 효율은 1980년대 중만 Kodak 의 Tang 이 진공증착을 이용한 저분자 반도체 층의 다층박막을 이용해 약 1%대를 구현한 이래 꾸준히 발전을 거듭해 왔다. 특히 2000년 이후 유기 태양전지에 관련된 연구가 급격히 증가했고, 용액공정으로 광활성층을 도입할 수 있는 고분자 태양전지는 2000년 초 PPV계 고분자를 PCBM과의 bulk heterojunction 개념을 도입함으로서 의미있는 수준의 효율을 얻기 시작하여, P3HT를 광활성층으로 사용함으로써 4-6%의 효율을 일반적으로 얻을 수 있게 되었고, 이러한 결과는 학계와 산업계의 관심을 끌어 새로운 소재와 소자 구조를 개발하려는 시도들이 2005년 이후 본격적으로 시작되었다고 할 수 있다. Organic semiconductors constituting organic solar cells can be implemented at a relatively low temperature and process relative to other semiconductor technologies, which is advantageous in that they can be compatible with low-cost glass or various plastic substrates, which can be a problem in high temperature processing. In particular, when a plastic substrate is used, roll-to-roll and printing processes can be applied. In this case, it is expected to realize an ultra-low-cost solar cell technology by realizing high production per unit time. The efficiency of the organic solar cell has been steadily developed since Kodak's Tang realized about 1% of the efficiency using the multilayer thin film of the low-molecular semiconductor layer using the vacuum deposition in the middle of 1980's. In particular, researches related to organic solar cells have increased rapidly since 2000, and polymer solar cells capable of introducing a photoactive layer by a solution process introduced a bulk heterojunction concept with PCBM in the early stage of PPV polymer in 2000, And the use of P3HT as a photoactive layer has generally resulted in an efficiency of 4-6%. These results indicate that attempts to develop new materials and device structures by attracting attention from academia and industry have been in full swing since 2005 .

고분자 태양전지의 효율 또한 2005년까지 1-2%의 범위를 벋어나지 못했던, PPV와 P3HT 이외의 신규 고분자를 이용한 태양전지의 효율이 급격히 증가하여 2012년 초에는 Polyera에서 9.1% 효율을 언론에 발표하였다. 또한, 유기 반도체의 에너지 준위와 광전기적 물성을 잘 조절하면 단층구조기준 10% 이상의 에너지 전환 효율도 가능하다는 최근의 이론적인 예측은 유기박막 태양전지에 대한 실용화 가능성을 밝게 하고 있어, 이와 관련된 연구가 증가하고 있는 추세이다.Polymer Solar Cell Efficiency The efficiency of solar cells using new polymers other than PPV and P3HT, which could not reach the range of 1-2% until 2005, will increase dramatically in Polyera in early 2012 Respectively. In addition, recent theoretical predictions that the energy conversion efficiency of 10% or more based on the single layer structure is possible by well controlling the energy level and the photoelectric property of the organic semiconductor brightens the practical use of the organic thin film solar cell, .

한편, 공액계 중합체 등의 유기 반도체를 이용한 유기 태양전지는 종래의 무기 반도체를 이용한 태양 전지에 비해 광전 변환 효율이 낮다는 문제점이 있으며, 따라서 아직 실용화에는 이르지 못하고 있다. 종래의 공액계 중합체를 이용한 유기 태양 전지의 광전 변환 효율이 낮은 이유로서, 주로 다음 3가지 점을 들 수 있다. 첫번째로 태양광의 흡수 효율이 낮다는 것이고, 둘째로 유기 반도체의 경우 태양광에 의해서 생성된 엑시톤의 결합에너지가 커서 전자와 정공으로 분리되기 어렵다는 것이다. 셋째로, 캐리어(전자, 정공)을 포획하는 트랩이 형성되기 쉽기 때문에 생성된 캐리어가 트랩에 포획되기 쉬워, 캐리어의 이동도가 낮다는 것이다. 즉, 반도체 소재에는 일반적으로 그 소재가 갖는 캐리어의 높은 이동도가 요구되는데, 공액계 중합체로서는 종래의 무기 결정 반도체나 비정질 실리콘과 비교하여 전하 캐리어의 이동도가 낮다는 문제가 있다. 이 때문에, 많은 태양빛을 흡수하고 생성된 전자와 정공을 엑시톤으로부터 잘 분리하는 수단과 공액계 중합체의 비정 영역이나 공액계 중합체 쇄 사이에서의 캐리어의 산란이나 트랩에 의한 캐리어 포획을 억제하여 이동도를 향상시킬 수 있는 수단을 개발하는 것이 유기 반도체 태양 전지를 실용화하기 위한 매우 중요한 요소이기도 하다.On the other hand, an organic solar cell using an organic semiconductor such as a conjugated polymer has a problem that its photoelectric conversion efficiency is lower than that of a conventional solar cell using an inorganic semiconductor, and thus has not yet been put to practical use. There are three main reasons for the low photoelectric conversion efficiency of an organic solar cell using a conventional conjugated polymer. The first is that the absorption efficiency of solar light is low. Second, in the case of organic semiconductors, the binding energy of excitons generated by sunlight is large, so that it is difficult to separate electrons and holes. Third, traps for capturing carriers (electrons and holes) are likely to be formed, so that the generated carriers are easily trapped by the traps and the carrier mobility is low. That is, the semiconductor material generally requires high mobility of the carrier of the material. The conjugated polymer has a problem that the mobility of the charge carrier is lower than that of the conventional inorganic crystal semiconductor or amorphous silicon. For this reason, it is necessary to use a means of absorbing a lot of sunlight and separating generated electrons and holes from the excitons well, and a carrier trapping due to carrier scattering or trapping between the non-crystalline region of the conjugated polymer or the conjugated polymer chain, Is a very important factor for practical use of the organic semiconductor solar cell.

나아가 광전 변환 효율 향상의 방법으로서, 전자 수용성 유기 재료(n형 유기 반도체)와 전자 공여성 유기 재료(p형 유기 반도체)를 혼합하고, 광전 변환에 기여하는 접합면을 증가시킨 벌크 헤테로 접합형이 개발된 바 있다. 그 중에서도 전자 공여성 유기 재료(p형 유기 반도체)로서 공액계 중합체를 이용하고 전자 수용성 유기 재료로서 n형의 반도체 특성을 갖는 반도체 고분자, C60 등의 플러렌 유도체 등을 이용한 광전 변환 소자가 보고되고 있다.Furthermore, as a method of improving the photoelectric conversion efficiency, a bulk heterojunction type in which an electron-accepting organic material (n-type organic semiconductor) and an electron-donating organic material (p-type organic semiconductor) are mixed and the junction surface contributing to photoelectric conversion is increased It has been developed. Among them, a photoelectric conversion device using a conjugated polymer as an electron donating organic material (p-type organic semiconductor) and a semiconductor polymer having an n-type semiconductor property and a fullerene derivative such as C60 as an electron-accepting organic material has been reported .

현재 고분자 태양전지의 가장 큰 문제점은 실리콘, CIGS 등 무기물 구조에 비하여 현저히 낮은 광전변환 효율이다. 따라서 높은 광전 변환 효율을 갖는 유기 반도체에 의한 광전 변환 소자에 대한 개발이 필요한 실정이다. Currently, the biggest problem of polymer solar cells is the photoelectric conversion efficiency, which is significantly lower than that of inorganic structures such as silicon and CIGS. Therefore, it is necessary to develop a photoelectric conversion device using an organic semiconductor having a high photoelectric conversion efficiency.

대한민국 공개특허 2013-0092162Korea Patent Publication No. 2013-0092162

이에 본 발명의 목적은 광전변환 효율을 증진시킬 수 있는 공액성 곁사슬이 도입된 고분자(고분자 중합체)를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a polymer (polymer) into which a conjugated side chain is introduced to improve photoelectric conversion efficiency.

또한 본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 공액성 곁사슬이 도입된 고분자를 포함하는 유기광소자를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide an organic photonic device including a polymer having a conjugated side chain introduced therein according to the present invention.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 공액성 곁사슬이 도입된 고분자를 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a polymer having a conjugated side chain introduced therein.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 고분자는 40,000~140,000의 수평균 분자량을 갖는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the polymer may have a number average molecular weight of 40,000 to 140,000.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 고분자는 자외선 및 가시광선 영역인 300~750nm의 흡수 파장을 가질 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the polymer may have an absorption wavelength of 300 to 750 nm in the ultraviolet and visible light regions.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 고분자는 1.80~1.90eV의 에너지 밴드갭을 갖는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the polymer may have an energy band gap of 1.80 to 1.90 eV.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 고분자를 포함하는 유기광소자를 제공한다. The present invention also provides an organic photonic device comprising the polymer according to the present invention.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 본 발명의 유기광소자는 유기 태양전지, 유기 메모리, 유기 발광다이오드, 유기센서, 유기박막 트랜지스터, 유기발광소자(OLED), 중합체성 광방사다이오드(PLED), 유기집적회로(O-IC), 유기전계효과트랜지스터(OFET) 또는 유기 전계발광디스플레이일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the organic photonic device of the present invention may be an organic photovoltaic cell, an organic memory, an organic light emitting diode, an organic sensor, an organic thin film transistor, an organic light emitting diode (OLED), a polymeric light emitting diode (PLED) An organic integrated circuit (O-IC), an organic field effect transistor (OFET), or an organic electroluminescent display.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 유기광소자는 ITO(indium tin oxide)/PEDOT:PSS/광활성층/LiF/Al의 적층구조를 포함하고, 상기 광활성층은 본 발명에 따른 상기 고분자를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the organic optical device includes a laminate structure of indium tin oxide (ITO) / PEDOT: PSS / photoactive layer / LiF / Al, and the photoactive layer includes the polymer according to the present invention .

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 유기광소자는 5.0~6.0%의 에너지 변환효율(PCE)를 가질 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the organic optical device may have an energy conversion efficiency (PCE) of 5.0 to 6.0%.

본 발명은 유기 태양소자의 효율을 증진시킬 수 있는 공액성 곁사슬이 도입된 고분자 물질에 관한 것으로, 벤조다이티오펜에 공액형 다이티에닐렌(DTE) 곁사슬 그룹을 도입한 고분자 중합체를 제공한다. 본 발명에 따른 고분자 물질은 넓은 자외선-가시광선 영역에서 흡수 파장을 보였고, 낮은 밴드갭을 나타내었으며, 이들 물질을 함유한 광활성층을 포함하는 유기광소자는 우수한 에너지 변환 효율을 갖는 것으로 나타났다. 따라서 본 발명에서 제공하는 고분자는 다양한 종류의 유기광소자 제조에 활용될 수 있는 효과가 있다. The present invention relates to a polymer material into which a conjugated side chain is introduced to improve the efficiency of an organic solar device, and a polymer polymer having a conjugated dithienylene (DTE) side chain group introduced into benzodiothiophene is provided. The polymer material according to the present invention exhibited absorption wavelengths in a wide range of ultraviolet-visible light, exhibited a low band gap, and organic light-emitting devices including a photoactive layer containing these materials showed excellent energy conversion efficiency. Therefore, the polymer provided by the present invention has an effect that it can be utilized for manufacturing various kinds of organic optical devices.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자들의 열적특성을 TGA를 통해 특정한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고분자들을 대상으로 용액상태와 필름상태에서 각각의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자들의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 광 흡광계수로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 제조한 고분자인 P1 및 P2 각각에 대해 이들 고분자와 PCBM의 Blend 비율에 따른 태양전지소자의 전류-전압 특성을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에서 제조한 고분자인 P1 및 P2를 각각 이용하여 제조한 태양전지 소자를 100℃에서 preannealing한 고분자 소자의 AFM height 이미지를 나타낸 것이다. 도 5에서 (a)는 P1/PCBM(1:1)이고, (b)는 P1/PCBM(1:1)+DIO이고, (c)는 P2/PCBM(1:1)이고, (d)는 P2/PCBM(1:1)+DIO를 나타낸 것이다.
FIG. 1 shows a specific result of thermal characteristics of polymers according to an embodiment of the present invention through TGA.
FIG. 2 shows the results of analyzing ultraviolet-visible light absorption spectra of the polymers according to an embodiment of the present invention in a solution state and a film state, respectively.
FIG. 3 is a graph showing the ultraviolet-visible light absorption spectra of the polymers according to an embodiment of the present invention in terms of optical absorption coefficient.
FIG. 4 shows the results of analyzing the current-voltage characteristics of the solar cell device according to the blend ratios of these polymers and PCBM for each of the polymers P1 and P2 produced in one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the AFM height images of a polymer device preannealing a solar cell device manufactured using the polymers P1 and P2 produced in an embodiment of the present invention at 100.degree. PCBM (1: 1), (d) P2 / PCBM (1: 1) Shows P2 / PCBM (1: 1) + DIO.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다. Unless defined otherwise, all technical terms used in the present invention have the following definitions and are consistent with the meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention pertains. Also, preferred methods or samples are described in this specification, but similar or equivalent ones are also included in the scope of the present invention. The contents of all publications referred to herein are incorporated herein by reference.

용어 "알킬"은 분지형 및 직쇄형 포화 지방족 탄화수소기를 모두 포함한다. 다르게 표시되지 않은 한, 이 용어는 환형 기도 포함한다. 알킬기의 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 이소부틸, sec-부틸, tert-부틸, 펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, 시클로펜틸, 헥실, 시클로헥실, 이소헥실 등이 포함된다. "알킬"이라는 용어는 또한 치환 및 비치환 탄화수소기를 모두 포함한다. 일부 실시양태에서, 알킬기는 일치환, 이치환 및 삼치환될 수 있다. 다른 포화 알킬기는 본원에 기재된 치환기 중 하나 이상으로부터 형성된다. 이 용어는 헤테로알킬기를 포함한다. 헤테로 알킬기는 1 내지 20개의 탄소 원자를 가질 수 있다. The term "alkyl" includes both branched and straight-chain saturated aliphatic hydrocarbon groups. Unless otherwise indicated, the term includes annular airways. Examples of the alkyl group include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, pentyl, isopentyl, neopentyl, cyclopentyl, hexyl, cyclohexyl, isohexyl and the like. The term "alkyl" also includes both substituted and unsubstituted hydrocarbon groups. In some embodiments, the alkyl group may be monosubstituted, disubstituted and trisubstituted. Other saturated alkyl groups are formed from one or more of the substituents described herein. The term includes heteroalkyl groups. The heteroalkyl group may have from 1 to 20 carbon atoms.

용어 "중합체"는 올리고머, 단독중합체, 및 2종 이상의 상이한 반복 단위를 갖는 공중합체를 의미한다. The term "polymer" means an oligomer, a homopolymer, and a copolymer having two or more different repeating units.

용어 "약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.The term "about" is used herein to refer to a reference quantity, a level, a value, a number, a frequency, a percent, a dimension, a size, a quantity, a weight, or a length of 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, Level, value, number, frequency, percent, dimension, size, quantity, weight or length of a variable, such as 4, 3, 2 or 1%.

본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.Throughout this specification, the words "comprises" and "comprising ", unless the context requires otherwise, include the steps or components, or groups of steps or elements, Steps, or groups of elements are not excluded.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 공액계 중합체 등의 유기 반도체를 이용한 유기 태양전지가 종래 무기 반도체를 이용한 태양 전지에 비해 광전 변환 효율이 낮다는 문제점을 해결하여 광전 변화 효율이 우수한 유기 태양전지를 제조할 수 있는 물질로서 공액성 곁사슬이 도입된 고분자를 제공함에 그 특징이 있다.The present invention solves the problem that an organic solar cell using an organic semiconductor such as a conjugated polymer is low in photoelectric conversion efficiency compared with a solar cell using a conventional inorganic semiconductor, and is a material capable of producing an organic solar cell having excellent photoelectric conversion efficiency The present invention provides a polymer having a conjugated side chain introduced therein.

본원발명에서 제공하는 공액성 곁사슬이 도입된 고분자는 하기 구조식을 갖는 고분자로서, The conjugate side chain introduced polymer of the present invention is a polymer having the following structural formula,

Figure 112014000790061-pat00001
Figure 112014000790061-pat00001

상기 식에서, R은 C1~C30의 알킬기이고, m은 1~5의 정수이고, l은 0~5의 정수이며, Y는 S, O, Se 또는 Te이다. R is an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, m is an integer of 1 to 5, 1 is an integer of 0 to 5, and Y is S, O, Se or Te.

또한 상기 구조식에서 A는 다음의 구조식을 갖는 화합물 중 어느 하나일 수 있으며, 하기 식에서 Z는 S, O 또는 Se이고; R21 내지 R37은 서로 독립적으로, 수소, 할로겐, (C1-C30)알킬기, (C1-C30)알콕시, (C1-C30)알콕시카보닐 또는 (C6-C30)아르(C1-C30)알킬이며; R21 내지 R37의 알킬기, 알콕시, 알콕시카보닐 및 아르알킬은 (C1-C30)알킬, (C2-C30)알케닐, (C2-C30)알키닐, (C1-C30)알콕시, 아미노기, 하이드록시기, 할로겐기, 사이아노기, 나이트로기, 트리플루오로메틸기 및 실릴기로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있으며; R41 내지 R46는 수소 또는 (C1-C30)알킬기이고; k는 1 내지 2의 정수일 수 있다.In the above formulas, A may be any of compounds having the following structural formulas, wherein Z is S, O, or Se; R 21 to R 37 independently of one another are hydrogen, halogen, (C 1 -C 30) alkyl, (C 1 -C 30) alkoxy, (C 1 -C 30) alkoxycarbonyl or (C 6 -C 30) ; The alkyl group, alkoxy, alkoxycarbonyl, and aralkyl of R 21 to R 37 are independently selected from the group consisting of (C 1 -C 30) alkyl, (C 2 -C 30) alkenyl, (C 2 -C 30) alkynyl, A halogen atom, a cyano group, a nitro group, a trifluoromethyl group, and a silyl group; R 41 to R 46 are hydrogen or a (C 1 -C 30) alkyl group; and k may be an integer of 1 to 2.

Figure 112014000790061-pat00002

Figure 112014000790061-pat00002

즉, 본원발명에서는 유기 태양 전지의 효율 향상을 위해 알킬 다이티에닐렌 (alkyl dithienylethylene) 곁사슬 그룹을 포함한 새로운 벤조다이티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene) 기반의 다이티에닐 티오펜 피롤 다이티오펜 (dithienyl thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione dithiophene) 공중합체를 합성하였고 그 특성을 분석하였다.That is, in order to improve the efficiency of the organic solar cell, the present invention provides a novel benzodiaphthoene (benzo [1,2-b: 4,5-b '] dithiophene) -based alkyldithienylethylene group Dithienyl thieno [3,4-c] pyrrole-4,6-dione dithiophene) copolymers were synthesized and their characteristics were analyzed.

본 발명에서 합성한 상기 공중합체, 즉 공액성 곁사슬이 도입된 고분자의 제조방법은 하기 실시예에서 상세히 기술되어 있다.The method for producing the copolymer synthesized in the present invention, that is, the polymer into which the conjugated side chain is introduced, is described in detail in the following examples.

본 발명자들은 공액성 곁사슬이 도입된 고분자들을 대상으로 물리적 특성 및 열적 특성을 분석하였는데, 열적 특성 분석은 TGA분석을 통해 수행하였는데 분석 결과, 본 발명의 고분자들의 분해온도는 300℃ 이상으로 열적으로 매우 안정한 것으로 나타났다(도 1 참조). 또한, 본 발명에서 합성한 고분자들은 클로로포름, 톨루엔, 클로로벤젠과 같은 유기용매에 높은 용해도를 보이고 있었다.The present inventors have analyzed the physical properties and thermal properties of polymers having a conjugated side chain introduced thereto. The thermal characteristics of the polymers were analyzed by TGA analysis. As a result, the decomposition temperatures of the polymers of the present invention were thermally (See Fig. 1). In addition, the polymers synthesized in the present invention show high solubility in organic solvents such as chloroform, toluene, and chlorobenzene.

또한, 본 발명에 따른 고분자의 수평균 분자량은 40,000~140,000인 것이 바람직한데, 이는 수평균 분자량이 40,000 미만인 경우에는 박막형성 및 소자 구동시 결정화 등의 원인이 될 수 있고, 반면 140,000을 초과하는 경우에는 용해성 및 가공성이 어려워지는 문제점이 있을 수 있다. The number average molecular weight of the polymer according to the present invention is preferably 40,000 to 140,000. If the number average molecular weight is less than 40,000, the polymer may cause thin film formation and crystallization during device operation, There is a problem that solubility and processability become difficult.

또한, 본 발명에 따른 고분자의 광학적 특성과 전기적 특성을 분석하였는데, 본 발명의 고분자는 자외선 및 가시광선 영역인 300~750nm의 흡수 파장을 보이는 것으로 나타났고 1.80~1.90eV의 낮은 에너지 밴드갭을 갖는 특징이 있어 에너지 효율이 우수하다.In addition, the optical characteristics and electrical characteristics of the polymer according to the present invention were analyzed. The polymer of the present invention exhibited absorption wavelengths of 300 to 750 nm in the ultraviolet and visible regions, and had a low energy band gap of 1.80 to 1.90 eV It is characterized by excellent energy efficiency.

일반적으로 단락전류라는 것은 유기 태양전지의 메커니즘을 고려할 때 결국 태양으로부터 들어오는 광자(photon)를 얼마나 많이 흡수하는가 하는 점이 일차적인 요건이라 할 수 있다. 태양스펙트럼은 장파장 쪽으로 갈수록 광자가 많이 분포하기 때문에 유기 태양전지에서의 빛을 흡수하는 역할을 하는 고분자도 이론적으로 낮은 밴드갭을 가질수록 효율면에서 좋다고 할 수 있다. In general, the short-circuit current is the primary requirement when considering the mechanism of the organic solar cell, how much it absorbs the photons coming from the sun. Since the solar spectrum has more photons distributed toward the longer wavelength side, the polymer having a role of absorbing the light in the organic solar cell also has a theoretically lower band gap, which is more efficient in terms of efficiency.

나아가 본 발명은 본 발명에 따른 상기 고분자를 포함하는 유기광소자를 제공할 수 있다. Furthermore, the present invention can provide an organic photonic device including the polymer according to the present invention.

본 발명의 유기광소자는 이에 제한되지는 않으나, 유기 태양전지, 유기 메모리, 유기 발광다이오드, 유기센서, 유기박막 트랜지스터, 유기발광소자(OLED), 고분자 발광다이오드(PLED), 유기집적회로(O-IC), 유기전계효과트랜지스터(OFET) 또는 유기 전계발광디스플레이일 수 있다.The organic light-emitting device of the present invention may include, but not limited to, an organic solar cell, an organic memory, an organic light emitting diode, an organic sensor, an organic thin film transistor, an organic light emitting diode (OLED), a polymer light emitting diode (PLED) IC), an organic field effect transistor (OFET), or an organic electroluminescent display.

상기 유기광소자는 ITO(indium tin oxide)/PEDOT:PSS[poly(3,4-The organic photonic device may be formed of ITO (indium tin oxide) / PEDOT: PSS [poly (3,4-

ethylenedioxythiophene): polystyrenesulfonate]/광활성층/LiF/Al의 적층구조를 포함하고, 상기 광활성층은 본 발명에 따른 고분자를 포함할 수 있다. ethylenedioxythiophene: polystyrenesulfonate] / photoactive layer / LiF / Al, and the photoactive layer may include the polymer according to the present invention.

보다 구체적으로 유기광소자 중, 유기 태양전지(유기 박막태양전지)는 기본적으로 금속/유기반도체(광활성층)/금속 구조를 포함하고 있으며, 높은 일함수를 가진 투명 전극인 ITO(indium tin oxide)를 양극으로, 낮은 일함수를 가진 Al이나 Ca등을 음극물질로 사용한다. 그리고 광 활성층은 100nm정도의 두께를 가진, 전자주게 물질(electron donor : D)과 전자받게 물질(electron acceptor : A)의 이층구조(D/A bi-layer 구조) 혹은 벌크-이중접합(D+A bulk- heterojunction blend, BHJ)구조를 이용할 수 있다. 광활성층으로 사용되는 유기 반도체에는 유기계 단분자와 고분자가 있는데, 유기 단분자의 경우에는 진공에서 가열하여 전자주게(donor) 층과 전자받게(acceptor) 층을 연속으로 형성시키는 방법을 사용하고, 유기 고분자의 경우에는 전자주게와 전자받게가 용해되어 있는 용액을 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 혹은 스크린 프린팅 등과 같은 습식 공정을 이용하여 막을 형성시켜 제조할 수 있다.More specifically, among organic photonic devices, an organic solar cell (organic thin film solar cell) basically includes a metal / organic semiconductor (photoactive layer) / metal structure, and a transparent electrode having a high work function such as ITO (indium tin oxide) Is used as the anode, and Al or Ca having a low work function is used as the cathode material. The photoactive layer is a two-layer structure (D / A bi-layer structure) of electron donor (D) and electron acceptor (A) or a bulk-double junction (D + A bulk-heterojunction blend, BHJ) structure can be used. The organic semiconductors used as the photoactive layer include organic monomers and polymers. In the case of the organic monomers, the donor layer and the acceptor layer are successively formed by heating in vacuum, In the case of a polymer, a solution in which an electron donor and an electron acceptor are dissolved can be prepared by forming a film using a wet process such as spin coating, inkjet printing, or screen printing.

본 발명에서는 본 발명의 고분자를 사용하여 일실시예에서 유기박막 태양전지를 제조하였는데, ITO/PEDOT:PSS/광활성층/LiF/Al의 샌드위치 구조로 제작하였다. 구체적으로 ITO가 코팅된 유리 기판은 세정제 내에서 소니케이션 시킨 후 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 사용하여 닦아주었고, PEDOT:PSS(Baytron P)층은 ITO 표면을 10분 정도 오존에 노출시킨 후 이 위에 스핀 코팅하여 40 nm의 두께로 만들어 주었다. 그리고 가열기 위에서 110℃에서 10분 정도로 가열하였고, 광활성층은 0.45 ㎛ PP주사기 필터로 거른 혼합 용액을 스핀 코팅 하였다. 마지막으로 10-6 torr 진공 하에서 광활성층 위에 150 nm의 음극을 증착함으로써 소자 제작을 완성하였다. 본 발명의 고분자는 클로로포름을 사용하여 PC71BM와 혼합하여 광활성층에 포함시켰다.In the present invention, an organic thin film solar cell was manufactured using the polymer of the present invention in one embodiment, and it was fabricated with a sandwich structure of ITO / PEDOT: PSS / photoactive layer / LiF / Al. Specifically, ITO-coated glass substrates were sonicated in a detergent and wiped with distilled water, acetone, and 2-propanol. PEDOT: PSS (Baytron P) To a thickness of 40 nm. The mixture was heated on a heater at 110 ° C for about 10 minutes, and the photoactive layer was spin-coated with a mixed solution filtered with a 0.45 μm PP syringe filter. Finally, fabrication of the device was completed by depositing a 150 nm cathode on the photoactive layer under a vacuum of 10 -6 torr. The polymer of the present invention was mixed with PC 71 BM using chloroform and included in the photoactive layer.

또한, 본 발명의 유기광소자는 우수한 에너지 변환효율을 갖는 특징이 있는데, 본 발명의 일실시예에 따르면 5.0~6.0%의 에너지 변환효율(PCE)를 갖는다는 것을 확인할 수 있었다. In addition, the organic optical device of the present invention has an excellent energy conversion efficiency. According to an embodiment of the present invention, it is confirmed that the organic optical device has an energy conversion efficiency (PCE) of 5.0 to 6.0%.

결론적으로 본 발명은 유기 태양 전지 효율을 향상시키기 위하여 새로운 p-type 물질인 다이티에틸렌 (alkyl dithienylethylene (DTE)) 곁사슬을 포함하는 벤조다이티오펜(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene(BDT))기반의 전자 주게 물질과 다이티에닐 티오펜 피롤 다이티오펜 (dithienyl thieno[3,4-c]pyrrole- 4,6-dione(DTTPD))기반의 전자 받게 물질로 새로운 고분자들을 합성하였다. p-type 물질로 사용된 벤조다이티오펜(BDT)은 일반적으로 알려진 평면 구조로서 분자간의 π-π 쌓임(stacking)이 잘 이루어져서 전자의 흐름이 원활하게 이루어져서 높은 전하 이동도를 가지게 한다. 이런 p-type 물질의 단위체인 BDT에 공액형 다이티에틸렌(DTE) 곁사슬 구조를 도입함으로써 유효공액길이가 길어지고 분자간 π-π 쌓임(stacking)을 향상시킬 수 있었다. 또한 공액형 다이티에틸렌(DTE) 곁사슬 구조의 도입을 통해 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼의 최대 파장이 장파장영역으로 이동하였고, 보다 넓은 영역의 흡수밴드를 보였으며 따라서 더 낮은 HOMO 에너지 레벨을 나타내었다. 이는 유기태양전지의 광활성층으로 낮은 밴드 갭 물질을 가짐으로써 큰 VOC 와 Jsc를 기대할 수 있음을 알 수 있었다. In conclusion, the present invention relates to benzo [1,2-b: 4,5-biphenyl-4,4'-dicarboxylic anhydride] containing a new p-type material alkyl dithienylethylene (DTE) b] dithiophene (BDT) -based electron acceptor substance and dithienyl thieno [3,4-c] pyrrole-4,6-dione (DTTPD) The new polymers were synthesized. Benzodiothiophene (BDT), which is used as a p-type material, is a well-known planar structure. It has a well-stacked π-π between molecules, allowing electrons to flow smoothly and have high charge mobility. By introducing a conjugated diethylenethene (DTE) side chain structure into BDT, a unit of such p-type material, the effective conjugation length can be increased and the inter-molecule pi-pi stacking can be improved. Through the introduction of the conjugated diethylethylene (DTE) side chain structure, the maximum wavelength of the ultraviolet-visible light absorption spectrum shifted to the long wavelength region, and the absorption band of the broader region was observed, thus exhibiting a lower HOMO energy level. It can be seen that large V OC and J sc can be expected by having a low band gap material as a photoactive layer of an organic solar cell.

또한 n-type 단량체로는 널리 알려진 다이티에닐 티오펜 피롤 다이티오펜 (dithienyl thieno[3,4-c]pyrrole- 4,6-dione(DTTPD))그룹을 사용하였으며, BDT 단량체에 도입한 곁사슬의 구조에 따른 p-type 특성을 비교하기 위하여 P1 고분자를 합성하여 광학적, 전기적 특성과 유기 박막 태양전지 특성을 하기 실시예 및 실험예를 통해 분석하였다.
Also, dithienyl thieno [3,4-c] pyrrole-4,6-dione (DTTPD)), a well-known n-type monomer, was used. The characteristics of the optical and electrical characteristics and the characteristics of the organic thin film solar cell were analyzed through the following examples and experimental examples.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It will be apparent to those skilled in the art that these embodiments are merely illustrative of the present invention and that the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

<시약 및 기기 준비><Preparation of Reagents and Devices>

하기 본 발명의 실시예에서 고분자 합성에 사용한 시약들은 Aldrich사에서 구입한 것을 사용하였고, 반응에 사용한 용매는 Aldrich사와 대정화금사 제품을 사용하였고, 추출 시 사용한 용매는 대정화금사 제품을 사용하였다. 촉매는 STREAM 제품을 사용하였다. 1H와 13C NMR spectra는 BRUCKER ULTRASHIELD 300 을 이용하여 측정하였으며, 원소분석은 CE instrument의 EA 1110, EA 1112로 측정하였다. 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼은 HP 8435 UV-VIS-NIR spectrometer를 사용하였다. 순환 전압-전류곡선은(cyclic voltammetry; CV) AUTOLAB/PG -STAT12 model system을 사용하여 스캔속도 50 mV/s로 측정하였으며, 0.1 M tetrabytylammonium tetrafluoroborate(n-Bu4NBF4)을 전해질로 사용하였다. GPC(gel permeation chromatography)는 polystyrene을 기준물질로 하여 Viscotek T60A Instrument를 이용하여 측정하였고, TGA(thermal gravimetric analysis)는 질소 하에서 TA Q100으로 측정하였다. Photovoltaic의 J-V 특성은 Newport(USA) 300 W solar simulator로 100 mW/cm2 (AM 1.5 G)하에서 측정하였다. Standard PV reference cell은 22 monocrystalline silicon solar cell(calibrated at NREL, Colorado, USA)을 사용하였다. 필름의 두께는 1 nm의 정확성을 갖는 KLA Tencor Alpha-step 500 surface profilometer를 사용하여 측정하였다.
In the examples of the present invention, the reagents used in the synthesis of the polymer were those purchased from Aldrich. The solvents used in the reaction were Aldrich and purified gold products, and the solvents used in the extraction were purified purified gold products. The catalyst was a STREAM product. 1 H and 13 C NMR spectra were measured with BRUCKER ULTRASHIELD 300 and elemental analysis was measured with CE instrument EA 1110 and EA 1112. Ultraviolet-visible light absorption spectra were obtained using HP 8435 UV-VIS-NIR spectrometer. The cyclic voltammetry (CV) was measured at a scan rate of 50 mV / s using an AUTOLAB / PG-STAT12 model system and 0.1 M tetrabytylammonium tetrafluoroborate (n-Bu 4 NBF 4 ) was used as the electrolyte. GPC (gel permeation chromatography) was measured with Viscotek T60A Instrument using polystyrene as a reference and TGA (thermal gravimetric analysis) with TA Q100 under nitrogen. The JV characteristics of Photovoltaic were measured at 100 mW / cm 2 (AM 1.5 G) with a Newport (USA) 300 W solar simulator. Standard PV reference cells were 22 monocrystalline silicon solar cells (calibrated at NREL, Colorado, USA). The film thickness was measured using a KLA Tencor Alpha-step 500 surface profilometer with an accuracy of 1 nm.

<< 실시예Example 1> 1>

S계열 단량체의 합성Synthesis of S-series monomers

본 발명자들은 하기와 같은 반응식을 통해 S계열 단량체를 제조하였다.The present inventors prepared S-based monomers through the following reaction formula.

Figure 112014000790061-pat00003

Figure 112014000790061-pat00003

<1-1> 화합물 1 단량체 합성&Lt; 1-1 > Synthesis of Compound 1 Monomer

수분을 제거시키고 질소로 충전된 500mL 반응 플라스크에 티오펜(thiophene) (5.0g, 0.059mol)과 THF 60mL를 넣은 후 -78℃를 유지한 상태에서 n-BuLi (n-buthyllithium)을 (40.0mL, 0.071mol) 30분 동안 서서히 적가했다. 저온 상태에서 10분 동안 교반 후 2-ethylhexyl bromide (9.3mL, 0.049mol)를 첨가하였고, 이후 온도를 천천히 80℃를 유지한 후 24h 동안 교반시켰다. 용매를 제거한 후 물과 헥세인을 사용하여 추출하고 무수 MgSO4를 이용하여 물을 제거하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거한 후, 감압증류를 통해 순수한 무색 액체를 5.5 g (49%)를 얻었으며, 제조하여 수득한 화합물의 NMR 분석결과는 하기와 같다. (5.0 g, 0.059 mol) of thiophene and 60 mL of THF were placed in a 500 mL reaction flask which had been dehydrated and filled with nitrogen, and n-BuLi (n-buthyllithium) , 0.071 mol) dropwise over 30 minutes. After stirring for 10 minutes at low temperature, 2-ethylhexyl bromide (9.3 mL, 0.049 mol) was added, and then the temperature was slowly maintained at 80 ° C and then stirred for 24 hours. After removal of the solvent, the reaction mixture was extracted with water and hexane, and water was removed using anhydrous MgSO 4 . After removing the solvent by using a rotary evaporator, 5.5 g (49%) of a pure colorless liquid was obtained by distillation under reduced pressure. NMR analysis results of the compound obtained by the production were as follows.

1H NMR (CDCl3, 300 MHz, ppm) : δ 7.06 (s, 1H), 7.04 (d, 1H), 6.80 (d, 1H), 2.74 (d, 2H), 1.56 (m, 1H), 1.28-1.27 (m, 8H), 0.88 (t. 6H). 13C NMR (CDCl3, 75 MHz, ppm) : δ 111.00, 14.32, 23.22, 25.71, 29.07, 32.56, 34.02, 41.67, 76.80, 77.22, 77.65, 123.07, 125.11, 126.67, 144.41.
1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 7.06 (s, 1H), 7.04 (d, 1H), 6.80 (d, 1H), 2.74 (d, 2H), 1.56 (m, 1H), 1.28 -1.27 (m, 8H), 0.88 (t, 6H). 13 C NMR (CDCl 3 , 75 MHz, ppm):? 111.00, 14.32, 23.22, 25.71, 29.07, 32.56, 34.02, 41.67, 76.80, 77.22, 77.65, 123.07, 125.11, 126.67, 144.41.

<1-2> 화합물 2 단량체 합성&Lt; 1-2 > Synthesis of Compound 2 Monomer

수분을 제거시키고 질소로 충전된 500 mL 반응 플라스크에 dimethylformamide (11.0mL, 0.140mol)를 넣고 0℃를 유지한 후 phosphoryl chloride (8.5mL, 0.089mol)를 천천히 넣어주었다. 위의 용기에 화합물 1(4.0g, 0.018mol)을 넣어주고, 온도를 85℃ 로 유지한 상태에서 2h 반응시켰고, 이후 반응이 끝난 후 상온으로 완전히 온도를 식혀주고 sodium bicarbonate를 넣으면서 pH=5가 되도록 맞췄다. 이후 용매를 제거하고 물과 클로로포름을 사용하여 추출하고 무수 MgSO4를 이용하여 물을 제거하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거한 후 감압증류를 이용하여 투명한 액체 4.0g (89%)을 얻었으며 수득한 화합물의 NMR 분석 결과는 다음과 같다. 1H NMR (CDCl3, 300 MHz, ppm) : δ 9.81 (s, 1H), 7.60 (d, 1H), 6.89 (d, 1H), 2.79 (d, 2H), 1.32 (m, 1H), 1.29-1.27 (m, 8H), 0.89 (t. 6H). 13C NMR (CDCl3, 75 MHz, ppm) : δ 10.88, 14.20, 23.04, 25.65, 28.89, 32.46, 34.93, 41.57, 76.81, 77.23, 77.65, 126.95, 137.09, 141.92, 156.64, 182.70. Mass (FAB); (m/z): 225 (M+). Anal. Calcd. for C13H20OS : C, 69.59; H, 8.98; O, 7.13; S, 14.29. Found:C, 69.97 H, 8.83 S, 13.94.
Dimethylformamide (11.0 mL, 0.140 mol) was added to a 500-mL reaction flask which had been dehydrated and charged with nitrogen, and phosphoryl chloride (8.5 mL, 0.089 mol) was added slowly at 0 ° C. Compound 1 (4.0 g, 0.018 mol) was added to the above container, and the mixture was reacted for 2 hours while maintaining the temperature at 85 ° C. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled to room temperature and sodium bicarbonate was added thereto to adjust the pH to 5 It was adjusted accordingly. The solvent was then removed, extracted with water and chloroform, and water was removed using anhydrous MgSO 4 . After removing the solvent using a rotary evaporator, 4.0 g (89%) of a transparent liquid was obtained by distillation under reduced pressure. NMR analysis results of the obtained compound are as follows. 1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 9.81 (s, 1H), 7.60 (d, 1H), 6.89 (d, 1H), 2.79 (d, 2H), 1.32 (m, 1H), 1.29 -1.27 (m, 8H), 0.89 (t, 6H). 13 C NMR (CDCl 3 , 75 MHz, ppm):? 10.88, 14.20, 23.04, 25.65, 28.89, 32.46, 34.93, 41.57, 76.81, 77.23, 77.65, 126.95, 137.09, 141.92, 156.64, 182.70. Mass (FAB); (m / z): 225 (M &lt; + & gt ; ). Anal. Calcd. for C 13 H 20 OS: C , 69.59; H, 8.98; O, 7.13; S, 14.29. Found: C, 69.97H, 8.83S, 13.94.

<1-3> 화합물 4 단량체 합성<1-3> Synthesis of Compound 4 Monomer

250mL 반응 플라스크에 상기 화합물 2 (3.0g, 0.011mol) 와 화합물 3 (diethyl (thiophen-2-yl)methylphosphonate) (3.3g, 0.014mol) 및 THF 30.0mL 를 넣고 상온에서 교반시켰고, 이를 0℃에서 약 30분간 유지시켰다. 이후 potassium-tert-butoxide (14.2ml, 0.014mol)를 첨가하고 1시간 정도 교반 후 반응을 종료시켰다. 이후 아세트산을 한 방울 넣어주고 에틸아세테이트와 물을 이용하여 추출하고 무수 MgSO4를 이용하여 물을 제거하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거한 후 헥산 전개용매를 이용하여 실리카 겔 크로마토그래피로 통해 옅은 노랑색 액체 3.5g (91%) 룰 얻었으며, 수득한 화합물을 NMR 분석한 결과는 다음과 같다.(3.0 g, 0.011 mol), Compound 3 (diethyl (thiophen-2-yl) methylphosphonate) (3.3 g, 0.014 mol) and THF (30.0 mL) were placed in a 250 mL reaction flask and stirred at room temperature. And maintained for about 30 minutes. After that, potassium-tert-butoxide (14.2 ml, 0.014 mol) was added, and the reaction was terminated after stirring for about 1 hour. After that, acetic acid was added dropwise, extracted with ethyl acetate and water, and water was removed using anhydrous MgSO 4 . The solvent was removed using a rotary evaporator, and 3.5 g (91%) of a pale yellow liquid was obtained by silica gel chromatography using a developing solvent of hexane. The NMR analysis of the obtained compound was as follows.

1H NMR (CDCl3, 300 MHz, ppm) : δ 7.13 (d, 1H), 7.00-6.88 (m, 4H), 6.82 (d, 1H), 6.62 (d, 1H), 2.71 (d, 2H), 1.59-1.50 (m, 1H), 1.29-1.28 (m. 8H), 0.88 (t, 6H). 13C NMR (CDCl3, 75 MHz, ppm) : δ 11.04, 14.35, 23.20, 25.71, 29.07, 32.57, 34.54, 41.56, 76.81, 77.23, 77.65, 120.34, 122.17, 124.02, 125.67, 125.90, 126.28, 127.76, 140.33, 142.90, 144.26. Mass (FAB); (m/z): 304 (M+). Anal. Calcd. for C18H24S2 : C, 71.00; H, 7.94; S, 21.06. Found:C, 70.15 H, 8.14 S, 20.84.
1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 7.13 (d, 1H), 7.00-6.88 (m, 4H), 6.82 (d, 1H), 6.62 (d, 1H), 2.71 (d, 2H) , 1.59-1.50 (m, 1H), 1.29-1.28 (m, 8H), 0.88 (t, 6H). 13 C NMR (CDCl 3, 75 MHz, ppm): δ 11.04, 14.35, 23.20, 25.71, 29.07, 32.57, 34.54, 41.56, 76.81, 77.23, 77.65, 120.34, 122.17, 124.02, 125.67, 125.90, 126.28, 127.76, 140.33, 142.90, 144.26. Mass (FAB); (m / z): 304 (M &lt; + & gt ; ). Anal. Calcd. for C 18 H 24 S 2: C, 71.00; H, 7.94; S, 21.06. Found: C, 70.15H, 8.14S, 20.84.

<1-4> 화합물 5 단량체 합성<1-4> Synthesis of Compound 5 Monomer

수분을 제거하고 질소로 충전된 100mL 반응 플라스크에 화합물 4 (3.0g, 9.00 mmol)와 용매 THF 25mL를 넣고 온도를 -40℃를 유지시켰다. 약 30분 후 Lithium diisopropylamide (4.8mL, 9.62mmol)를 천천히 적가하고 저온에서 30분을 유지시켰고, 이후 천천히 0℃까지 승온시키고 BDT (0.66g, 3.00mmol)를 첨가하였다. 온도를 50℃까지 상승시켜 2h 동안 교반시킨 후 다시 0℃까지 온도를 내려주었다. 충분히 식은 다음에 SnCl2/HCl (4.5g/10.0mL)를 적가하고 상온에서 10분 동안 교반시켰다. 물과 클로로포름을 사용하여 추출하고 무수 MgSO4를 이용하여 물을 제거하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거한 후 헥산 : 클로로포름 = 4 : 1 전개용매를 이용하여 실리카 겔 크로마토그래피로 통해 순수한 노란색 고체 0.76g (30%)를 얻었으며 NMR 분석 결과는 다음과 같다. 1H NMR (CDCl3, 300 MHz, ppm) : δ 7.70 (d, 2H), 7.58 (d, 2H), 7.35 (d, 2H), 7.14 (d, 2H), 7.04 (d, 2H), 6.95 (d, 2H), 6.88 (d. 2H), 6.65 (d, 2H), 2.75 (d, 4H), 1.54 (m, 2H), 1.34 (m, 18H), 0.89 (t,12H). 13C NMR (CDCl3, 75 MHz, ppm) : δ 8.04, 0.22, 11.09, 14.37, 23.22, 25.78, 29.12, 32.63, 34.64, 41.63, 120.30, 122.61, 126.04, 126.55, 128.97, 131.15, 137.57, 140.42, 143.14, 143.69, 144.64. Mass (FAB); (m/z): 794 (M+). Anal. Calcd. for C46H50S6 : C, 69.47; H, 6.34; S, 24.19. Found:C, 69.78 H, 6.25 S, 23.74.
Compound (4) (3.0 g, 9.00 mmol) and 25 mL of solvent THF were added to a 100 mL reaction flask which had been dehydrated and charged with nitrogen, and the temperature was maintained at -40 ° C. After about 30 minutes, Lithium diisopropylamide (4.8 mL, 9.62 mmol) was slowly added dropwise and maintained at low temperature for 30 minutes, then slowly warmed to 0 ° C and BDT (0.66 g, 3.00 mmol) was added. The temperature was raised to 50 캜, stirred for 2 h, and then cooled to 0 캜. After sufficient cooling, SnCl 2 / HCl (4.5 g / 10.0 mL) was added dropwise and stirred at ambient temperature for 10 minutes. The reaction mixture was extracted with water and chloroform, and water was removed using anhydrous MgSO 4 . The solvent was removed using a rotary evaporator, and 0.76 g (30%) of pure yellow solid was obtained through silica gel chromatography using a developing solvent of hexane: chloroform = 4: 1. NMR analysis results are as follows. 1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 7.70 (d, 2H), 7.58 (d, 2H), 7.35 (d, 2H), 7.14 (d, 2H), 7.04 (d, 2H), 6.95 2H), 6.88 (d, 2H), 2.75 (d, 4H), 1.54 (m, 2H), 1.34 (m, 18H), 0.89 (t, 12H). 13 C NMR (CDCl 3 , 75 MHz, ppm):? 8.04, 0.22, 11.09, 14.37, 23.22, 25.78, 29.12, 32.63, 34.64, 41.63, 120.30, 122.61, 126.04, 126.55, 128.97, 131.15, 137.57, 140.42, 143.14, 143.69, 144.64. Mass (FAB); (m / z): 794 (M &lt; + & gt ; ). Anal. Calcd. for C 46 H 50 S 6 : C, 69.47; H, 6.34; S, 24.19. Found: C, 69.78H, 6.25S, 23.74.

<1-5> 화합물 6 단량체 합성&Lt; 1-5 > Synthesis of Compound 6 Monomer

수분을 제거시키고 질소롤 충전 된 100 mL 반응 플라스크에 화합물 5 (0.7g, 0.820mmol)와 THF 20mL를 넣고 온도 -60℃를 30분 동안 유지시켰다. 여기에 Lithium diisopropylamide (0.94mL, 1.89mmol)를 천천히 적가하고 30분 동안 교반시켰고 다시 -78℃까지 온도를 더 내린 후 Me3SnCl (2.05mL, 2.05mmol)를 넣어주고 천천히 승온시켰다. 상온까지 온도를 올린 후 4시간 동안 교반시킨 후 물과 클로로포름을 사용하여 추출하고 무수 MgSO4를 이용하여 물을 제거하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거한 후 메탄올과 클로로포름을 사용하여 재침전하여 노란색 고체 0.82g (85 %)를 얻었다. 1H NMR (CDCl3, 300 MHz, ppm) : δ 7.70 (s, 2H), 7.39 (d, 2H), 7.14 (d, 2H), 7.02 (d, 2H), 6.97 (d, 2H), 6.88 (d, 2H), 6.65 (d, 2H), 2.76 (d, 4H), 1.31 (m, 16H), 0.90 (t, 12H), 0.41(t, 18H). 13C NMR (CDCl3, 75 MHz, ppm) : δ 11.08, 14.37, 23.22, 25.78, 29.12, 32.63, 34.64, 41.63, 76.81, 77.23, 77.65, 120.29, 122.35, 122.60, 126.04, 126.21, 126.55, 128.97, 131.14, 137.56, 138.98, 140.42, 143.13, 143.54, 143.69, 144.63. Mass (FAB); (m/z): 1120 (M+). Anal. Calcd. for C52H66S6Sn2 : C, 55.72; H, 5.93; S, 17.16; Sn, 21.18. Found:C, 57.14 H, 6.07 S, 16.31.
Compound 5 (0.7 g, 0.820 mmol) and 20 mL of THF were added to a 100 mL reaction flask which had been dehydrated and charged with nitrogen and kept at -60 캜 for 30 minutes. Lithium diisopropylamide (0.94 mL, 1.89 mmol) was slowly added dropwise thereto, stirred for 30 minutes, further cooled to -78 ° C, and Me 3 SnCl (2.05 mL, 2.05 mmol) was added thereto and slowly warmed. After the temperature was raised to room temperature, the mixture was stirred for 4 hours, then extracted with water and chloroform, and water was removed using anhydrous MgSO 4 . The solvent was removed using a rotary evaporator, followed by reprecipitation with methanol and chloroform to obtain 0.82 g (85%) of yellow solid. 1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 7.70 (s, 2H), 7.39 (d, 2H), 7.14 (d, 2H), 7.02 (d, 2H), 6.97 (d, 2H), 6.88 (d, 2H), 6.65 (d, 2H), 2.76 (d, 4H), 1.31 (m, 16H), 0.90 (t, 12H), 0.41 (t, 18H). 13 C NMR (CDCl 3 , 75 MHz, ppm):? 11.08, 14.37, 23.22, 25.78, 29.12, 32.63, 34.64, 41.63, 76.81, 77.23, 77.65, 120.29, 122.35, 122.60, 126.04, 126.21, 126.55, 128.97, 131.14, 137.56, 138.98, 140.42, 143.13, 143.54, 143.69, 144.63. Mass (FAB); (m / z): 1120 (M &lt; + & gt ; ). Anal. Calcd. for C 52 H 66 S 6 Sn 2 : C, 55.72; H, 5.93; S, 17.16; Sn, 21.18. Found: C, 57.14H, 6.07S, 16.31.

<1-6> 화합물 7 단량체 합성<1-6> Synthesis of Compound 7 Monomer

상기 반응식에서 나타난 화합물 7은 하기 제조예의 고분자를 합성하기 위한 단량체로 사용한 것으로, 상기 화합물 6을 제조하기 위해 사용한 방법 중에서 화합물 5 대신 상기 반응식에 기재된 화합물을 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 화합물 7을 합성하였다.
Compound 7 shown in the above reaction formula was used as a monomer for synthesizing the polymer of the following preparation example and compound 7 was obtained by the same method as the compound described in the above reaction formula, Were synthesized.

<< 실시예Example 2 내지 3> 2 to 3>

S계열 단량체를 이용한 고분자 합성Synthesis of polymers using S-series monomers

상기 실시예 1에서 제조한 S계열 단량체를 이용하여 하기와 같은 반응을 통해 고분자를 합성하였다.The polymer was synthesized through the following reaction using the S-series monomer prepared in Example 1.

Figure 112014000790061-pat00004

Figure 112014000790061-pat00004

<< 실시예Example 2의  2 of P2P2 고분자 합성> Polymer synthesis>

질소로 충전된 100 mL 반응 플라스크에 화합물 6(0.3g, 0.255 mmol)와 1,3-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(2-octyldodecyl)-5H-thieno To a 100 mL reaction flask filled with nitrogen was added Compound 6 (0.3 g, 0.255 mmol) and 1,3-bis (5-bromothiophen-2-yl) -5- (2-

[3,4-c]pyrrole-4,6-dione(0.183g, 0.242mmol)을 넣고 Pd(pph3)4 (8.8mg, 7.6410-3 mmol)와 toluene/DMF 10:1 비율의 용매 11mL를 넣었다. 그 다음 60℃로 가열한 채 8시간 동안 교반 한 후 10% HCl 수용액에 부어 30분 교반시켰다. 이후 이를 감압 여과하여 클로로포름와 메탄올을 이용하여 감압 필터하여 메탄올, 아세톤, 클로로포름 순으로 soxhlet정제를 하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매 제거 후 메탄올을 사용하여 재침전하여 짙은 남색의 고체 0.32g (98%)을 얻었다. Anal. Calcd. for (C78H91NO2S9)n : C, 68.73; H, 6.73; N, 1.03; O, 2.35; S, 21.17. Found:C, 68.60 H, 6.75; N, 1.01 ; S, 20.91.
(Pph 3 ) 4 (8.8 mg, 7.6410 -3 mmol) and 11 mL of a 10: 1 toluene / DMF solvent were added to a solution of [3,4-c] pyrrole-4,6- . Then, the mixture was heated at 60 DEG C while stirring for 8 hours, then poured into 10% aqueous HCl solution and stirred for 30 minutes. Then, it was filtered under reduced pressure, and then subjected to vacuum filtration using chloroform and methanol, followed by soxhlet purification in the order of methanol, acetone, and chloroform. The solvent was removed using a rotary evaporator, and then redeposited using methanol to obtain 0.32 g (98%) of a dark blue solid. Anal. Calcd. for (C 78 H 91 NO 2 S 9 ) n : C, 68.73; H, 6.73; N, 1.03; O, 2.35; S, 21.17. Found: C, 68.60H, 6.75; N, 1.01; S, 20.91.

<< 실시예Example 3의  3 of P3P3 고분자 합성> Polymer synthesis>

질소로 충전된 100 mL 반응 플라스크에 화합물 6(0.25g, 0.223 mmol)와 1-(4,6-Dibromo-3-fluorothieno[3,4-b]thiophen-2-yl)-2-ethylhexan-(0.25 g, 0.223 mmol) and 1- (4,6-Dibromo-3-fluorothieno [3,4-b] thiophen-2-yl) -2-ethylhexan-

1-one (0.098g, 0.223mmol)을 넣고 Pd(pph3)4 (15mg, 13.3810-3 mmol)와 toluene/DMF 10:1 비율의 용매 7ml를 넣었다. 그 다음 110℃로 가열한 채 24시간동안 교반 한 후 10 % HCl 수용액에 부어 10분 교반시켰고 이후 이를 감압 여과하여 클로로포름와 메탄올을 이용하여 감압 필터하여 메탄올, 아세톤, 클로로포름 순으로 soxhlet 정제를 하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매 제거 후 메탄올을 사용하여 재침전하여 짙은 남색의 고체 0.21g (88%)을 얻었다.
1-one (0.098 g, 0.223 mmol), Pd (pph 3 ) 4 (15 mg, 13.3810 -3 mmol) and toluene / DMF in a ratio of 10: 1. Then, the mixture was stirred for 24 hours while being heated to 110 ° C., and the mixture was poured into a 10% aqueous solution of HCl for 10 minutes. The mixture was then subjected to filtration under reduced pressure, followed by vacuum filtration using methanol and chloroform. The solvent was removed using a rotary evaporator, and then reprecipitated with methanol to obtain 0.21 g (88%) of a dark blue solid.

<< 비교예Comparative Example 1> 1>

P1P1 고분자 합성 Polymer synthesis

질소로 충전된 100mL 반응 플라스크에 화합물 7(0.2g, 0.264 mmol)과 1,3-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(2-octyldodecyl)-5H-thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione(0.215g,0.277mmol)을 첨가하고tetrakistriphynylphosphine)palladium(0) Pd(PPh3)4(9.0mg, 7.9410-3mmol)와 toluene/DMF 10:1 비율의 용매 11mL를 넣었다. 그 다음 60℃로 가열한 채 5시간동안 교반 한 후 10% HCl 수용액에 부어 30분 교반시켰다. 이를 감압 여과하여 클로로포름과 메탄올을 이용하여 감압필터하여 메탄올, 아세톤, 클로로포름 순으로 soxhlet 정제를 하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매 제거 후 메탄올을 사용하여 재침전하여 짙은 남색의 고체 0.18g (62%)을 얻었으며 수득한 고체의 분석 결과는 다음과 같다.(0.2 g, 0.264 mmol) and 1,3-bis (5-bromothiophen-2-yl) -5- (2-octyldodecyl) -5H-thieno [3,4-c ] pyrrole-4,6-dione (0.215 g, 0.277 mmol) was added to a solution of tetrakistriphynylphosphine palladium (0) Pd (PPh 3 ) 4 (9.0 mg, 7.9410 -3 mmol) in toluene / DMF Respectively. Then, the mixture was heated to 60 DEG C while stirring for 5 hours, then poured into 10% aqueous HCl solution and stirred for 30 minutes. The mixture was filtered under reduced pressure, filtered through chloroform and methanol under reduced pressure, and subjected to soxhlet purification in the order of methanol, acetone, and chloroform. The solvent was removed by using a rotary evaporator, and then reprecipitated with methanol to obtain 0.18 g (62%) of a dark blue solid. Analytical results of the obtained solid are as follows.

Anal. Calcd. for (C63H89NO4S5)n : C, 69.76; H, 8.27; N, 1.29; O, 5.90; S, 14.78. Found:C, 68.79 H, 7.96 N, 1.33 ; S, 15.32.,Anal. Calcd. for (C 63 H 89 NO 4 S 5 ) n : C, 69.76; H, 8.27; N, 1.29; O, 5.90; S, 14.78. Found: C, 68.79; H, 7.96; N, 1.33; S, 15.32.,

<< 실시예Example 4> 4>

SeSe 계열 단량체의 합성Synthesis of monomers

본 발명자들은 하기와 같은 반응식을 통해 Se계열 단량체를 제조하였다.The present inventors prepared Se-based monomers through the following reaction formula.

Figure 112014000790061-pat00005

Figure 112014000790061-pat00005

<4-1> 화합물 8 단량체 합성&Lt; 4-1 > Synthesis of Compound 8 Monomer

수분을 제거시키고 질소로 충전된 500mL반응 플라스크에 dimethylformamide (DMF) (22.91mL, 0.296mol)을 넣고 0℃로 온도를 내려주었고, 30분 동안 교반 후 POCl3 (99%, 0.148mol) 13.9mL를 넣은 후 30분 동안 유지시켰다. 여기에 selenophene (10.0g, 0.074mol)을 천천히 적가 시키고, 상온으로 올려주었다. 이후 상온에서 24시간 동안 반응시켰다. 수용액 NaHCO3 와 물을 클로로포름에 번갈아서 추출하고 무수 MgSO4를 이용하여 물을 제거하였다. Reducing 감압증류를 이용하여 용매를 제거해 주고 무색의 액체 10.70g (88%)을 얻었다. 1H NMR(CDCl3,300 MHz,ppm):δ 9.70(s, 1H), 7.83(s, 1H), 7.28(s, 1H), 2.86(d, 2H), 1.60(m, 1H), 1.29(m, 8H), 0.89(t, 6H) Dimethylformamide (DMF) (22.91 mL, 0.296 mol) was added to a 500 mL reaction flask filled with nitrogen and the temperature was reduced to 0 ° C. After stirring for 30 minutes, 13.9 mL of POCl 3 (99%, 0.148 mol) And kept for 30 minutes. Selenophene (10.0 g, 0.074 mol) was slowly added dropwise thereto, and the temperature was raised to room temperature. The reaction was then allowed to proceed at room temperature for 24 hours. Aqueous NaHCO 3 And water were alternately extracted with chloroform and water was removed using anhydrous MgSO 4 . The solvent was removed using Reducing vacuum distillation and 10.70 g (88%) of a colorless liquid was obtained. 1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 9.70 (s, 1H), 7.83 (s, 1H), 7.28 (s, 1H), 2.86 (d, 2H), 1.60 (m, 1H), 1.29 (m, 8 H), 0.89 (t, 6 H)

<4-2> 화합물 9 단량체 합성<4-2> Synthesis of Compound 9 Monomer

수분을 제거시키고 질소로 충전된 500mL 반응 플라스크에 selenophene (95%, 0.073mol) 10g과 THF 100mL를 넣고 온도를 -78℃로 내려준다. 저온상태가 충분히 유지된 후에 n-BuLi (1M in THF) 67.9mL를 천천히 적가 한다. 10분 동안 교반 시킨 후 2-ethylhexylbromide (95%, 0.110mol) 20.4mL를 넣어주고 온도를 50℃로 올려준다. 24시간 동안 교반 후 에틸 아세테이트와 물을 이용하여 추출하고 무수MgSO4를 이용하여 물을 제거하였다. 감압증류하여 무색의 액체 7.75g (44%)를 얻었다. 1H NMR(CDCl3,300 MHz,ppm):δ 7.72 (d, 1H), 7.04 (t, 1H), 6.84 (d, 1H), 2.75 (d, 2H), 1.45 (m, 1H), 1.25 (m, 8H), 0.82 (t, 6H). 13C NMR(CDCl3, 75 MHz,ppm):δ 152.00, 129.07, 128.36, 127.41, 42.44, 36.68, 32.53, 29.07, 25.67, 23.21, 14.33, 11.01. Mass (FAB); (m/z): 244 (M+). Anal. Calcd. for C12H20Se : C, 59.25; H, 8.29; Se, 32.46. Found:C, 54.69; H, 7.80.
Add 10 g of selenophene (95%, 0.073 mol) and 100 mL of THF to a 500 mL reaction flask with water removed and nitrogen purged to -78 ° C. After the low-temperature condition is maintained sufficiently, 67.9 mL of n-BuLi (1M in THF) is slowly added dropwise. After stirring for 10 minutes, add 20.4 mL of 2-ethylhexylbromide (95%, 0.110 mol) and raise the temperature to 50 ° C. After stirring for 24 hours, the mixture was extracted with ethyl acetate and water, and water was removed using anhydrous MgSO 4 . And distilled under reduced pressure to obtain 7.75 g (44%) of a colorless liquid. 1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 7.72 (d, 1H), 7.04 (t, 1H), 6.84 (d, 1H), 2.75 (d, 2H), 1.45 (m, 1H), 1.25 (m, 8 H), 0.82 (t, 6 H). 13 C NMR (CDCl 3 , 75 MHz, ppm):? 152.00, 129.07, 128.36, 127.41, 42.44, 36.68, 32.53, 29.07, 25.67, 23.21, 14.33, 11.01. Mass (FAB); (m / z): 244 (M &lt; + & gt ; ). Anal. Calcd. for C 12 H 20 Se: C, 59.25; H, 8.29; Se, 32.46. Found: C, 54.69; H, 7.80.

<4-3> 화합물 10 단량체 합성<4-3> Synthesis of Compound 10 Monomer

수분을 제거시키고 질소로 충전된 250mL 반응 플라스크에 화합물 9 (8.0g, 0.033mol) 와 1.4-dioxane 20mL를 넣고 온도 10℃를 유지해준다. HCl (37%, 0.079mol) 6.5mL를 넣고, 온도를 0℃까지 내려준다. paraformaldehyde (95%, 0.043mol) 1.35g을 넣어주고 온도를 상온으로 올려준다. 1시간동안 교반 후 상온에서 paraformaldehyde (95%, 0.043mol) 1.35g 와 HCl (37%, 0.079mol) 6.5mL를 한번 더 넣어준다. 온도를 40℃까지 승온시킨 후 4시간동안 교반시키고, paraformaldehyde (95%, 0.043mol) 1.35g 와 HCl (37%, 0.079mol) 6.5mL를 한번 더 넣어준다. 1시간동안 교반 시킨 후, NaHCO3 와 물을 이용하여 에틸 아세테이트에 추출하고 무수 MgSO4를 사용하여 물을 제거해준다. 회전 증발기로 용매를 제거시키고 in situ 로 다음반응을 보낸다. 1H NMR(CDCl3,300 MHz,ppm):δ 7.01 (d, 1H), 6.72 (d, 1H), 4.79 (s, 2H), 2.78 (d, 2H), 1.54 (m, 1H), 1.29 (m, 8H), 0.88 (t, 6H).
Add a solution of compound 9 (8.0 g, 0.033 mol) and 20 mL of 1.4-dioxane in a 250 mL reaction flask which has been freed from moisture and charged with nitrogen and maintain the temperature at 10 ° C. Add 6.5 mL of HCl (37%, 0.079 mol) and drop the temperature to 0 ° C. Add 1.35 g of paraformaldehyde (95%, 0.043 mol) and let the temperature rise to room temperature. After stirring for 1 hour, add 1.35g of paraformaldehyde (95%, 0.043mol) and 6.5mL of HCl (37%, 0.079mol) once more at room temperature. The temperature was raised to 40 ° C and stirred for 4 hours. Add 1.35 g of paraformaldehyde (95%, 0.043 mol) and 6.5 mL of HCl (37%, 0.079 mol) once more. After stirring for 1 hour, the mixture is extracted with ethyl acetate using NaHCO 3 and water, and water is removed using anhydrous MgSO 4 . The solvent is removed with a rotary evaporator and the following reaction is sent in situ. 1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 7.01 (d, 1H), 6.72 (d, 1H), 4.79 (s, 2H), 2.78 (d, 2H), 1.54 (m, 1H), 1.29 (m, 8 H), 0.88 (t, 6 H).

<4-4> 화합물 11 단량체 합성<4-4> Synthesis of Compound 11 Monomer

50mL 둥근 바닥 플라스크에 화합물 10 (0.030mol) 8.8g 에 triethyl phosphite (98%, 0.033mol) 5.8mL를 넣어준다. 온도를 160℃로 승온시키고 6시간 후에 triethyl phosphite (98%, 0.033mol) 5.8mL를 넣어준다. 그리고 6시간 동안 교반 시킨 후 triethyl phosphite (98%, 0.033mol) 5.8mL를 더 넣어주고, 24h 동안 교반시킨다. 증류하여 무색의 액체 6.5g (55%)를 얻었다. 1H NMR(CDCl3,300 MHz,ppm):δ 6.88(d, 1H), 6.73(d, 1H), 4.10 (m, 4H), 3.41 (d, 2H), 2.75 (d, 2H), 1.50 (m, 1H), 1.34-1.25 (m, 14H), 0.89 (t, 6H) 3.08 (s, 6H).13C NMR(CDCl3, 75 MHz,ppm):δ 144.05, 129.85, 127.08, 125.07, 62.53, 41.46, 34.11, 32.43, 28.95, 27.31, 25.59, 23.10, 16.52, 14.22, 10.93. Anal. Calcd. for C17H31O3PSe : C, 51.91; H, 7.94; O, 12.20; P, 7.87; Se, 20.07. Found:C, 57.87; H, 8.80; O, 4.35.
Add 5.8 mL of triethyl phosphite (98%, 0.033 mol) to 8.8 g of compound 10 (0.030 mol) in a 50 mL round bottom flask. The temperature is raised to 160 ° C and after 6 hours, 5.8 mL of triethyl phosphite (98%, 0.033 mol) is added. After stirring for 6 hours, add 5.8 mL of triethyl phosphite (98%, 0.033 mol) and stir for 24 h. And distilled to obtain 6.5 g (55%) of a colorless liquid. 1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 6.88 (d, 1H), 6.73 (d, 1H), 4.10 (m, 4H), 3.41 (d, 2H), 2.75 (d, 2H), 1.50 (m, 1H), 1.34-1.25 (m, 14H), 0.89 (t, 6H) 3.08 (s, 6H). 13 C NMR (CDCl 3 , 75 MHz, ppm):? 144.05, 129.85, 127.08, 125.07, 62.53, 41.46, 34.11, 32.43, 28.95, 27.31, 25.59, 23.10, 16.52, 14.22, 10.93. Anal. Calcd. for C 17 H 31 O 3 PSe : C, 51.91; H, 7.94; O, 12.20; P, 7.87; Se, 20.07. Found: C, 57.87; H, 8.80; O, 4.35.

<4-5> 화합물 12 단량체 합성<4-5> Synthesis of Compound 12 Monomer

수분을 제거시키고 질소로 충전된 100mL 반응 플라스크에 화합물 8(0.013mol) 2.1g과 화합물 11 (0.016mol) 6.2g를 넣는다. THF 30mL를 넣어 주고 0℃로 온도를 낮춰준다. t-BuOK (1M in solution) 15.8mL를 천천히 적가시키고, 온도를 상온까지 올려준다. 2시간 동안 교반 시킨 후 헥세인과 물을 이용하여 추출하고 무수 MgSO4를 이용하여 물을 제거하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거한 후 헥세인 : 에틸 아세테이트 = 10 : 1 전개용매를 이용하여 실리카 겔 크로마토그래피로 통해 순수한 무색 액체 4.6g (88%)를 얻었다. 1H NMR (CDCl3, 300 MHz, ppm) : δ 7.80 (d, 1H), 7.18 (m, 1H), 7.13 (m, 1H), 6.95 (m, 1H), 6.89 (s, 1H), 6.87 (s, 1H), 6.76 (d, 1H), 2.78 (d, 2H), 1.31 (m, 1H), 1.31-1.26 (m, 8H), 0.91 (t, 6H). 13C NMR (CDCl3, 75 MHz, ppm) : δ 151.13, 148.83, 146.25, 130.26, 128.91, 128.58, 128.47, 128.16, 125.80, 124.03, 42.21, 37.16, 32.49, 29.02, 25.66, 23.16, 14.33, 11.02. Mass (FAB); (m/z): 399 (M+). Anal. Calcd. for C18H24Se2: C, 54.28; H, 6.07; Se, 39.65. Found:C, 55.30; H, 6.13.
Add 2.1 g of compound 8 (0.013 mol) and 6.2 g of compound 11 (0.016 mol) into a 100 mL reaction flask which is freed from moisture and charged with nitrogen. Add 30 mL of THF and lower the temperature to 0 ° C. Add 15.8 mL of t-BuOK (1M in solution) slowly and raise the temperature to room temperature. After stirring for 2 hours, the mixture was extracted with hexane and water, and water was removed using anhydrous MgSO 4 . The solvent was removed using a rotary evaporator, and 4.6 g (88%) of a pure colorless liquid was obtained by silica gel chromatography using a developing solvent of hexane: ethyl acetate = 10: 1. 1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 7.80 (d, 1H), 7.18 (m, 1H), 7.13 (m, 1H), 6.95 (m, 1H), 6.89 (s, 1H), 6.87 (s, 1H), 6.76 (d, 1H), 2.78 (d, 2H), 1.31 (m, 1H), 1.31-1.26 (m, 8H), 0.91 (t, 6H). 13 C NMR (CDCl 3 , 75 MHz, ppm):? 151.13, 148.83, 146.25, 130.26, 128.91, 128.58, 128.47, 128.16, 125.80, 124.03, 42.21, 37.16, 32.49, 29.02, 25.66, 23.16, 14.33, 11.02. Mass (FAB); (m / z): 399 (M &lt; + & gt ; ). Anal. Calcd. for C 18 H 24 Se 2 : C, 54.28; H, 6.07; Se, 39.65. Found: C, 55.30; H, 6.13.

<4-6> 화합물 13 단량체 합성<4-6> Synthesis of Compound 13 Monomer

수분을 제거시키고 질소로 충전된 100mL 반응 플라스크에 화합물 12 (2.3g, 6.91mmol)와 THF 20mL를 넣고, 0℃로 온도를 낮춰준다. Lithium diisopropylamide (2M in THF, 9.66mmol) 4.8mL를 천천히 적가 시킨후, 1 시간 동안 교반시킨다. 4.8-dihydrobenzo[1,2-b:4,5-b']dithiophen-4,8-dione, BDT (2.76mmol, 0.62g)를 넣어주고 50℃로 승온시킨다. 2시간 동안 교반시킨 후 0℃로 온도를 낮춰주고 SnCl2 ·2H2O/HCl (6.24g/20mL)를 넣어준다. 10분 동안 교반 시킨 후 클로로포름과 물을 사용하여 추출하고 무수 MgSO4를 이용하여 물을 제거하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거한 후 헥산 : 클로로포름 = 4 : 1 전개용매를 이용하여 실리카 겔 크로마토그래피로 통해 노란색 고체 1.78g (80%)를 얻었다. 1H NMR (CDCl3, 300 MHz, ppm) : δ 7.69 (d, 2H), 7.49 (s, 2H), 7.48 (s, 2H), 7.26 (d, 2H), 7.01 (d, 2H), 6.97 (d, 2H), 6.94 (d, 2H), 6.81 (d, 2H), 2.80 (d, 4H), 1.54 (m, 2H), 1.31 (m, 16H), 0.90 (t, 12H). 13C NMR (CDCl3, 75 MHz, ppm) : δ 151.77, 150.46, 146.27, 142.79, 136.49, 131.54, 129.38, 128.91, 128.36, 128.01, 126.42, 124.18, 123.95, 123.62, 42.36, 37.32, 32.61, 19.13, 25.77, 23.23, 14.37, 11.09. Mass (FAB); (m/z): 984 (M+). Anal. Calcd. for C46H50S2Se4: C, 56.21; H, 5.13; S, 6.52; Se, 32.13 Found: C, 56.49; H, 5.16; S, 5.06.
Add a solution of compound 12 (2.3 g, 6.91 mmol) and 20 mL of THF into a 100 mL reaction flask that is free of water and charged with nitrogen and lower the temperature to 0 ° C. 4.8 mL of lithium diisopropylamide (2M in THF, 9.66 mmol) is slowly added dropwise, and the mixture is stirred for 1 hour. 4.8-dihydrobenzo [1,2-b: 4,5-b '] dithiophen-4,8-dione, BDT (2.76 mmol, 0.62 g) was added and the temperature was raised to 50 ° C. After stirring for 2 hours and lowering the temperature to 0 ℃ SnCl 2 · 2H 2 gives into the O / HCl (6.24g / 20mL) . After stirring for 10 minutes, the mixture was extracted with chloroform and water, and water was removed using anhydrous MgSO 4 . The solvent was removed using a rotary evaporator, and 1.78 g (80%) of a yellow solid was obtained by silica gel chromatography using a developing solvent of hexane: chloroform = 4: 1. 1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 7.69 (d, 2H), 7.49 (s, 2H), 7.48 (s, 2H), 7.26 (d, 2H), 7.01 (d, 2H), 6.97 (d, 2H), 6.94 (d, 2H), 6.81 (d, 2H), 2.80 (d, 4H), 1.54 (m, 2H), 1.31 (m, 16H), 0.90 13 C NMR (CDCl 3 , 75 MHz, ppm):? 151.77, 150.46,146.27,142.79,136.49,131.54,129.38,128.91,128.36,128.01,126.42,124.18,123.95,123.62,42.36,37.32,32.61,19.13, 25.77, 23.23, 14.37, 11.09. Mass (FAB); (m / z): 984 (M &lt; + & gt ; ). Anal. Calcd. for C 46 H 50 S 2 Se 4 : C, 56.21; H, 5.13; S, 6.52; Se, 32.13 Found: C, 56.49; H, 5.16; S, 5.06.

<4-7> 화합물 14 단량체 합성<4-7> Synthesis of Compound 14 Monomer

수분을 제거하고 질소로 충전된 100mL 반응 플라스크에 화합물 13 (1.5g, 1.88 mmol)을 넣어주고 질소로 충전시키고 수분을 제거한 THF 30mL를 넣어 -40℃에서 30분 동안 교반시킨다. 저온상태가 충분히 유지된 후에 LDA (2M in THF) (3.01mL, 4.71mmol)을 천천히 넣어준다. trimethyltin chloride (6.51mL, 5.09mmol)을 넣고 10분 동안 교반 시킨 후. 상온으로 올린다. 2시간 동안 교반 후 물과 클로로포름을 사용하여 추출하고 무수 MgSO4를 이용하여 물을 제거하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거한 후 클로로포름와 메탄올을 사용하여 재침전하여 노란색 고체 1.66g (80%)을 얻었고 수득한 화합물의 NMR 분석 결과는 다음과 같다. 1H NMR (CDCl3, 300 MHz, ppm) : δ 7.72 (s, 2H), 7.50 (d, 2H), 7.28 (d, 2H), 7.01 (d, 2H), 6.98 (d, 2H), 6.95 (d, 2H), 6.80 (d, 2H), 2.80 (d, 4H), 1.32 (m, 16H), 0.90 (t, 12H), 0.41 (s, 18H). 13C NMR (CDCl3, 75 MHz, ppm) : δ 151.42, 149.90, 146.20, 143.61, 137.09, 131.19, 129.03, 128.82, 128.16, 126.02, 123.92, 42.16, 37.13, 32.41, 28.93, 25.59, 23.03, 14.18, 10.90. Mass (FAB); (m/z): 1308 (M+). Anal. Calcd. for C52H66S2Se4Sn2: C, 48.22; H, 5.08; S, 4.90; Se, 24.14; Sn, 18.14. Found:C, 48.22; H, 5.14; S, 5.00.
Compound (13) (1.5 g, 1.88 mmol) is added to a 100 mL reaction flask which is freed from moisture and charged with nitrogen, charged with nitrogen, 30 mL of THF in which moisture is removed, and the mixture is stirred at -40 ° C for 30 minutes. Allow the LDA (2M in THF) (3.01mL, 4.71mmol) slowly after the low temperature condition is maintained. trimethyltin chloride (6.51 mL, 5.09 mmol) was added, and the mixture was stirred for 10 minutes. The temperature is raised to room temperature. After stirring for 2 hours, the mixture was extracted with water and chloroform, and water was removed using anhydrous MgSO 4 . The solvent was removed using a rotary evaporator, and the residue was reprecipitated with chloroform and methanol to obtain 1.66 g (80%) of a yellow solid. The NMR analysis results of the obtained compound are as follows. 1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz, ppm): δ 7.72 (s, 2H), 7.50 (d, 2H), 7.28 (d, 2H), 7.01 (d, 2H), 6.98 (d, 2H), 6.95 (d, 2H), 6.80 (d, 2H), 2.80 (d, 4H), 1.32 (m, 16H), 0.90 (t, 12H), 0.41 (s, 18H). 13 C NMR (CDCl 3 , 75 MHz, ppm):? 151.42, 149.90, 146.20, 143.61, 137.09, 131.19,129.03,128.82,128.16,122.02,123.92,42.16,37.13,32.41,28.93,25.59,23.03,14.18, 10.90. Mass (FAB); (m / z): 1308 (M &lt; + & gt ; ). Anal. Calcd. for C 52 H 66 S 2 Se 4 Sn 2 : C, 48.22; H, 5.08; S, 4.90; Se, 24.14; Sn, 18.14. Found: C, 48.22; H, 5.14; S, 5.00.

<< 실시예Example 5 내지 6> 5 to 6>

SeSe 계열 단량체를 이용한 고분자 합성Synthesis of Polymers Using Monomers

상기 실시예 4에서 제조한 Se계열 단량체를 이용하여 하기와 같은 반응식을 통해 P4 및 P5의 고분자를 각각 합성하였다.Polymers of P4 and P5 were synthesized by the following reaction formula using the Se system monomers prepared in Example 4, respectively.

Figure 112014000790061-pat00006
Figure 112014000790061-pat00006

<실시예 5의 P4 고분자 합성><Synthesis of P4 Polymer of Example 5>

질소로 충전된 100mL 반응플라스크에 화합물 14(0.25g, 0.191mmol)와 1,3-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(2-octyldodecyl)-5H-thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (0.13g, 0.181mmol)을 넣고 tetrakis(triphynylphosphine)palladium(0) Pd(PPh3)4 (6.62mg, 5.7310-3mmol)을 넣었다. 그 다음 질소 처리된 무수 톨루엔 : DMF = 10 : 1 로 혼합한 11mL을 넣고 100℃로 가열한 채 10시간 동안 교반 후 10 % HCl 수용액에 부어 30분 교반시킨다. 이를 감압 여과하여 클로로포름와 메탄올을 이용하여 감압 필터하여 메탄올, 아세톤, 헥세인, 클로로포름순으로 soxhlet정제를 하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매 제거 후 메탄올을 사용하여 재침전하여 짙은 검정색의 고체 P1 0.23 g (77%)을 얻었다. Anal. Calcd. for (C79H93NO2S5Se4)n: C, 60.64; H, 5.99; N, 0.90; O, 2.04; S, 10.25; Se, 20.18. Found:C, 60.17; H, 6.15; N, 0.83; S, 9.18.
(0.25 g, 0.191 mmol) and 1,3-bis (5-bromothiophen-2-yl) -5- (2-octyldodecyl) -5H-thieno [3,4-c ] pyrrole-4,6-dione (0.13 g, 0.181 mmol) was added and tetrakis (triphynylphosphine) palladium (0) Pd (PPh 3 ) 4 (6.62 mg, 5.7310 -3 mmol) was added. Then, 11 mL of nitrogen-treated anhydrous toluene: DMF = 10: 1 was added, and the mixture was stirred for 10 hours while being heated to 100 ° C., and then poured into 10% aqueous HCl solution and stirred for 30 minutes. The mixture was filtered under reduced pressure, filtered through chloroform and methanol, and purified by soxhlet in the order of methanol, acetone, hexane and chloroform. The solvent was removed using a rotary evaporator, and then reprecipitated with methanol to obtain 0.23 g (77%) of a dark black solid P1. Anal. Calcd. for (C 79 H 93 NO 2 S 5 Se 4 ) n : C, 60.64; H, 5.99; N, 0.90; O, 2.04; S, 10.25; Se, 20.18. Found: C, 60.17; H, 6.15; N, 0.83; S, 9.18.

<< 실시예Example 6의  6 of P5P5 고분자 합성> Polymer synthesis>

질소로 충전된 100mL 반응플라스크에 화합물 14(0.25g, 0.191mmol)와 3,6-bis(5-bromo-2-thienyl)-2,5-bis(2-hexyldecyl)-2,5-dihydropyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione (0.16 g, 0.181 mmol)을 넣고 tetrakis(triphynylphosphine)palladium(0) Pd(PPh3)4 (6.62mg, 5.7310-3mmol)을 넣었다. 그 다음 질소 처리된 무수 톨루엔 : DMF = 10 : 1 로 혼합한 11mL을 넣고 100℃로 가열한 채 7시간 동안 교반 후 10 % HCl 수용액에 부어 30분 교반시킨다. 이를 감압 여과하여 클로로포름와 메탄올을 이용하여 감압 필터하여 메탄올, 아세톤, 헥세인, 클로로포름순으로 soxhlet정제를 하였다. 회전 증발기를 이용하여 용매 제거 후 메탄올을 사용하여 재침전하여 짙은 검정색의 고체 P2 0.27g (83%)을 얻었다. Anal. Calcd. for (C92H120N2O2S4Se4)n : C, 63.87; H, 6.99; N, 1.62; O, 1.85; S, 7.41; Se, 18.26. Found:C, 63.42; H, 6.84; N, 1.52; S, 7.29.
To a 100 mL reaction flask filled with nitrogen was added compound 14 (0.25 g, 0.191 mmol) and 3,6-bis (5-bromo-2-thienyl) -2,5-bis (2- hexyldecyl) 3,4-c] pyrrole-1,4-dione (0.16 g, 0.181 mmol) was added and tetrakis (triphynylphosphine) palladium (0) Pd (PPh 3 ) 4 (6.62 mg, 5.7310 -3 mmol) was added. Then, 11 mL of nitrogen-treated anhydrous toluene: DMF = 10: 1 was added, and the mixture was heated to 100 ° C. and stirred for 7 hours. The mixture was then poured into 10% aqueous HCl solution and stirred for 30 minutes. The mixture was filtered under reduced pressure, filtered through chloroform and methanol, and purified by soxhlet in the order of methanol, acetone, hexane and chloroform. The solvent was removed using a rotary evaporator, and then reprecipitated with methanol to obtain 0.27 g (83%) of a dark black solid P2. Anal. Calcd. for (C 92 H 120 N 2 O 2 S 4 Se 4 ) n : C, 63.87; H, 6.99; N, 1.62; O, 1.85; S, 7.41; Se, 18.26. Found: C, 63.42; H, 6.84; N, 1.52; S, 7.29.

<< 실험예Experimental Example 1> 1>

본 발명에 따른 고분자의 분자량 및 열적 특성 분석Molecular weight and thermal characterization of polymers according to the present invention

본 발명자들은 상기 실시예에서 제조된 5가지 고분자(P1, P2, P3, P4, P5)의 분자량 및 열적 특성을 분석하였다. The present inventors analyzed the molecular weight and thermal properties of the five polymers (P1, P2, P3, P4, P5) prepared in the above examples.

먼저 고분자의 분자량과 분자량 분포(polydispersity indices, PDI)는 폴리스타이렌(polystyrene)을 표준물질로 사용하고 클로로포름을 용매로 이용한 GPC를 통해 측정하였고 그 결과는 하기 표 1(고분자의 분자량 및 자외선-가시광선 최대흡수 파장 결과)에 기재하였다. 또한, 합성한 고분자들은 클로로포름, 톨루엔, 클로로벤젠과 같은 일반 유기용매에 높은 용해도를 보였다. 또한, 고분자들의 열적 특성은 TGA를 이용하여 측정하였는데, 제조된 모든 고분자가 TGA를 통해 측정된 고분자는 분해온도(Td)가 300℃ 이상으로 열적으로 매우 안정함을 확인 할 수 있었다(도 1 참조).Polydispersity indices (PDI) were measured by GPC using polystyrene as a standard and chloroform as a solvent. The results are shown in Table 1 (molecular weight of the polymer and ultraviolet-visible light maximum Absorption wavelength results). In addition, the synthesized polymers showed high solubility in common organic solvents such as chloroform, toluene, and chlorobenzene. In addition, the thermal properties of the polymers were measured using TGA, and it was confirmed that the polymers measured by TGA were thermally stable at a decomposition temperature (T d ) of 300 ° C. or higher (see FIG. 1 Reference).

Figure 112014000790061-pat00007
Figure 112014000790061-pat00007

<< 실험예Experimental Example 2> 2>

본 발명에 따른 고분자의 가시광선 흡수파장 및 전기적 특성 분석Analysis of visible light absorption wavelength and electrical characteristics of polymer according to the present invention

상기 실시예에서 제조된 고분자들의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 분석하였는데, 이를 위해 모든 고분자는 클로로포름을 이용하여 0.5 wt% 용액을 제조하여 0.45㎛ 폴리프로필렌(polypropylene, PP)주사기필터로 거른 용액을 사용하였다. 1000rpm으로 스핀 코팅한 다음 용액 상태와 박막 상태로 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 통해 측정하였다. Ultraviolet-visible light absorption spectra of the polymers prepared in the above examples were analyzed. For this purpose, 0.5 wt% solution was prepared by using chloroform in all the polymers, and the solution was filtered with a 0.45 μm polypropylene (PP) syringe filter Respectively. Spin-coated at 1000 rpm, and then measured through ultraviolet-visible light absorption spectra in a solution state and a thin film state.

분석 결과는 도 2에 나타내었는데, 고분자 P1은 용액상태에서 430, 530, 591nm, 박막상태에서 428, 531, 591nm의 흡수 봉우리를 보였고, 고분자 P2는 용액상태에서 389, 570, 612nm, 박막상태에서 410, 569, 613nm의 흡수 봉우리를 보였다. 단파장인 400nm에서의 흡수 봉우리는 벤조다이티오펜 단위체에 기인하는 흡수 봉우리이며, 장파장인 530-590 nm 에서의 흡수 봉우리는 전자 받게 물질과 전자 주게 물질 사이에서의 분자 내 전하이동(ICT)효과로 인한 봉우리로 예상된다. 두 고분자 사이에서 용액과 박막상태 모두 단파장 영역의 최대흡수파장이 약 40nm정도 장파장 영역으로 이동하는 것을 관찰 할 수 있었는데 이는 다이티에닐렌 (DTE) 곁사슬에 의해 유효공액길이가 증가했기 때문으로 생각된다. 또한 단파장 영역 350-450nm영역에서의 흡수 그래프도 세기가 증가하는 것을 볼 수 있었는데 이 역시 벤조다이티오펜에 공액형 곁사슬이 도입되면서 분자간 π-π 상호작용(interaction) 이 증가하고 유효공액길이가 증가했기 때문이다(도 3 참조). 도 3에서 흡수 계수 그래프에서 보면 P2의 흡광계수 (7.5 x 104cm-1) 가 P1 의 흡광계수 (3.7 x 104cm-1) 에 비해 2배 정도 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 BDT에 도입된 DTE 곁사슬 그룹에 의한 발색단 밀도(chromophore density)가 증가했기 때문으로 생각된다. 또한 P1 및 P2는 모두 300-750nm의 영역에서 흡수를 보이는 것으로 나타났다.
The results of the analysis are shown in FIG. 2. Polymer P1 showed absorption peaks at 430, 530 and 591 nm in the solution state, 428, 531 and 591 nm in the thin film state, and polymer P2 at 389, 570 and 612 nm in the solution state 410, 569, and 613 nm, respectively. The absorption peak at 400 nm, which is short wavelength, is the absorption peak due to the benzodiethiophene unit, and the absorption peak at 530-590 nm, which is the long wavelength, is the effect of intramolecular charge transfer (ICT) between the electron acceptor substance and electron donor substance It is expected to be due to peaks. It was observed that the maximum absorption wavelength of the short wavelength region shifted to the long wavelength region of about 40 nm between the two polymers in the solution and the thin film state because of the increase of the effective conjugation length by the side chain of dithienylene (DTE). In addition, the intensity of absorption in the 350-450 nm region of the short wavelength region was also found to increase with increasing conjugation side chain to benzodiethiophene, resulting in an increase in inter-molecule π-π interaction and an increase in effective conjugation length (See FIG. 3). 3, it can be seen that the absorption coefficient of P2 (7.5 x 10 4 cm -1 ) is twice as large as that of P1 (3.7 x 10 4 cm -1 ) in the absorption coefficient graph. This is probably due to the increase in the chromophore density by the DTE side chain group introduced into BDT. Both P1 and P2 showed absorption in the region of 300-750 nm.

또한, 본 발명자들은 본 발명에서 제조한 고분자들이 낮은 에너지 밴드갭을 가지는지 확인하기 위해 cyclic voltammetric(CV) 분석을 수행하였는데, 그 결과, 본 발명의 고분자인 P2는 1.84Eg(eV)의 에너지 밴드갭을 보인 반면, 고분자 P1은 P2에 비해 더 높은 값인 1.91Eg(eV)의 에너지 밴드갭을 나타내었다.The inventors of the present invention performed a cyclic voltammetric (CV) analysis to confirm that the polymers prepared in the present invention have a low energy band gap. As a result, the polymer P2 of the present invention has an energy band of 1.84Eg (eV) While the polymer P1 exhibited a higher energy band gap of 1.91Eg (eV) than P2.

또한, P1 및 P2의 고분자들 각각의 HOMO값은 박막 형태로 만들어 cyclic voltammetry로 측정하였는데, 이 때 전해질 용액은 0.1 M tetrabutylammonium tetrafluoroborate (n-Bu4NBF4)를 아세토나이트릴에 용해한 것을 사용하였고 Pt를 카운터전극으로, Ag/Ag+ 기준전극으로 사용하였으며, 페로센(ferrocene)을 기준 물질로 사용하였다. HOMO 값은 다음 식을 통해 계산되었다.The HOMO value of each of the P1 and P2 polymers was measured by cyclic voltammetry. The electrolyte solution was a solution of 0.1 M tetrabutylammonium tetrafluoroborate (n-Bu 4 NBF 4 ) dissolved in acetonitrile, As a counter electrode, Ag / Ag + As a reference electrode, ferrocene was used as a reference material. The HOMO value was calculated using the following equation.

EHOMO(eV) = -(4.8 + Eonset) + (ferrocene의 Eonset) E HOMO (eV) = - (4.8 + E onset ) + (E onset of ferrocene)

분석 결과, 하기 표에 나타낸 바와 같이, 고분자의 HOMO값은 P1은 -5.55eV, P2는 -5.63eV 로 측정되었고, UV-visible의 광학적 밴드갭을 이용하여 계산된 고분자의 LUMO값은 P1은 -3.63 eV, P2는 -3.68 eV로 나타났다. 유기박막 태양전지에서 Voc는 고분자의 HOMO값과 전자 받게인 PCBM의 LUMO값 차이에 의해 결정되기 때문에 P2의 Voc P1 보다 더 크다는 것을 알 수 있었다.As a result of the analysis, the HOMO value of the polymer was -5.55 eV for the polymer and -5.63 eV for the P2, and the LUMO value of the polymer calculated using the optical bandgap of the UV-visible was P1 - 3.63 eV, and P2 was -3.68 eV. In the organic thin-film solar cell, V oc is determined by the difference between the HOMO value of the polymer and the LUMO value of the electron acceptor PCBM, so that the V oc of P2 is larger than P1.

또한, P1 및 P2의 전하이동도도 측정하였는데, 이를 위해 glass 기판위에 게이트 전극으로 알루미늄(1500Å), 절연체로써 SiO2(3000Å), 그리고 금(1200Å)전극이 패턴된 bottom contact 형식으로 유기 박막 트랜지스터(OTFT)를 제조하였고, 채널의 길이(L)는 12㎛, 채널 너비(W) 는 120㎛인 소자를 사용하였다. 기판은 접촉저항을 줄이기 위해 OTS-8(octyltrichlorosilane)용액과 MNB(2-mercapto-5-nitrogenzinidazole)용액으로 처리하였다. 유기 반도체 박막은 클로로포름(chloroform)을 사용하여 질소 하에서 1 wt% 고분자 용액을 제조하였고, 1000 rpm 속도로 30초 동안 스핀 코팅(spin coating)하였다. 이렇게 코팅된 기판을 질소 하에서 100℃온도에서 5분간 열처리를 한 후 P-형의 TFT 성능을 측정하였다. 각 고분자들의 유기 박막 트랜지스터로서의 성능을 측정하기 위해 드레인 전압을 -60 V로 고정하고, 게이트 전압을 변화시켜 transfer curve를 그렸고, 이를 통해 전하 이동도(charge carrier mobility)와 전류 점멸비(on/off ratio)를 구하였다. Also, the charge mobility of P1 and P2 was measured. In order to achieve this, the gate electrode of aluminum (1500 Å), insulator SiO 2 (3000 Å) and gold (1200 Å) (OTFT) was fabricated, and a device having a channel length (L) of 12 μm and a channel width (W) of 120 μm was used. The substrate was treated with OTS-8 (octyltrichlorosilane) solution and MNB (2-mercapto-5-nitrogenzinidazole) solution to reduce contact resistance. The organic semiconductor thin film was prepared with 1 wt% polymer solution under nitrogen using chloroform and spin coated at 1000 rpm for 30 seconds. The coated substrate was heat-treated at 100 ° C for 5 minutes under nitrogen, and the P-type TFT performance was measured. In order to measure the performance of each polymer as an organic thin film transistor, the drain voltage was fixed at -60 V and the transfer curve was drawn by varying the gate voltage. Through this, the charge carrier mobility and on / off ratio ratio.

이렇게 수행한 전하이동도 분석결과, P1은 전하 이동도가 7.7 x 10-5인 것으로 나타난 반면, P2는 전하 이동도가 1.8 x 10-3 cm2V-1s-1로 나타났다. 따라서 P1에 비해 P2가 더 많은 전하 이동도를 보임을 알 수 있었다.As a result of this charge mobility analysis, P1 has a charge mobility of 7.7 x 10 -5 , while P2 has a charge mobility of 1.8 x 10 -3 cm 2 V -1 s -1 . Therefore, P2 shows more charge mobility than P1.

고분자의 광학 및 전기적 특성분석결과Optical and electrical properties of polymer PolymerPolymer Solution
max,nm)
Solution
(? max , nm)
Film
max, nm)
Film
(? max , nm)
Eg
(eV)
Eg
(eV)
EHOMO
(eV)
E HOMO
(eV)
ELUMO
(eV)
E LUMO
(eV)
Mobility
(cm2/Vs)
Mobility
(cm 2 / Vs)
P1P1 430, 530, 591430, 530, 591 428, 531, 591428, 531, 591 1.911.91 5.555.55 3.643.64 7.7 x 10-5 7.7 x 10 -5 P2P2 389, 570, 612389, 570, 612 410, 569, 613410, 569, 613 1.841.84 5.635.63 3.683.68 1.8 x 10-3 1.8 x 10 -3

<< 실험예Experimental Example 3> 3>

태양전지 특성분석Analysis of solar cell characteristics

본 발명자들은 상기 실시예에서 제조한 고분자들 중 P1 및 P2를 대상 유기박막 태양전지 소자를 제작하고 제작된 태양전지의 특성을 분석하였다. 먼저 태양전지 소자를 제조하기 위해, 고분자(P1 및 P2) 각각과 PC71BM을 클로로포름을 사용하여 혼합하였다. 농도는 2.0 wt%로 조절하였다. 고분자 태양전지 소자는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/LiF/Al의 전형적인 샌드위치 구조로 제작되었다. ITO가 코팅된 유리 기판은 세정제 내에서 소니케이션 시킨 후 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 사용하여 닦아 주었다. PEDOT:PSS(Baytron P)층은 ITO 표면을 10분정도 오존에 노출시킨 후 이 위에 스핀 코팅하여 40 nm의 두께로 만들어 주었다. 그리고 가열기 위에서 110℃에서 10분 정도 가열해 주었다. 광활성층은 0.45 ㎛ PP주사기 필터로 거른 혼합 용액을 스핀 코팅하였다. 마지막으로 10-6 torr 진공 하에서 광활성층 위에 150 nm의 음극을 증착함으로써 소자 제작을 완성하였다. 이 모든 과정은 질소 분위기 하에서 이루어졌다. The present inventors analyzed the characteristics of a solar cell fabricated and fabricated with organic thin film solar cell elements P1 and P2 among the polymers prepared in the above examples. First, in order to manufacture a solar cell device, each of the polymers (P1 and P2) and PC 71 BM were mixed using chloroform. The concentration was adjusted to 2.0 wt%. Polymer solar cell devices were fabricated with a typical sandwich structure of ITO / PEDOT: PSS / photoactive layer / LiF / Al. The ITO coated glass substrate was sonicated in a detergent and wiped with distilled water, acetone, and 2-propanol. PEDOT: The PSS (Baytron P) layer was exposed to ozone for 10 minutes and then spin-coated to a thickness of 40 nm. And then heated on a heater at 110 ° C for 10 minutes. The photoactive layer was spin-coated with a mixed solution filtered with a 0.45 μm PP syringe filter. Finally, fabrication of the device was completed by depositing a 150 nm cathode on the photoactive layer under a vacuum of 10 -6 torr. All of this was done under a nitrogen atmosphere.

고분자에 대한 유기박막태양전지 특성은 하기 표 2에 나타내었고, I-V 곡선은 도 4에 나타내었다. 고분자와 PCBM의 혼합비율이 1:1 이면서 3% 1,8-diiodooctane(DIO) 첨가제를 넣은 경우의 P2 고분자가 최대 PCE 값을 얻을 수 있었다. 이때의 P1 소자의 Voc는 0.84V, Jsc는 5.96mA/cm2, FF는 0.60 그리고 에너지변환효율은 3.03%이고, P2 소자의 경우는 Voc가 0.87V, Jsc는 10.90mA/cm2, FF는 0.63 그리고 에너지변환효율은 6.04%이었다. Voc의 경우 P2가 더 큰 Voc 값을 보이는 것으로 나타났는데 이는 알콕시 고분자에 비해 낮은 HOMO값을 갖기 때문인 것으로 판단된다. 또한 Jsc 값에서 P2가 P1에 비해 2배 정도 큰 값을 가지는데, 이는 P2 가 큰 전하 이동도 값을 가지며 고분자의 광학적 특성에서 보였던 결과들이 미친 영향이라고 예상한다. DTE 곁사슬을 BDT에 도입함으로써 단파장 영역에서의 흡수 정도가 증가하는 것을 볼 수 있고, 이는 P2 고분자의 유기태양전지 특성에서 Jsc 와 PCE 값을 향상시키는데 기여했을 것이다.The characteristics of the organic thin film solar cell for the polymer are shown in Table 2 below, and the IV curve is shown in FIG. The maximum PCE value of P2 polymer was obtained when 3% 1,8-diiodooctane (DIO) additive was added at 1: 1 mixing ratio of polymer and PCBM. In this case, the P1 element has a V oc of 0.84 V, a J sc of 5.96 mA / cm 2 , a FF of 0.60 and an energy conversion efficiency of 3.03%. In the case of the P2 element, V oc is 0.87 V and J sc is 10.90 mA / cm 2 , FF was 0.63, and the energy conversion efficiency was 6.04%. In the case of V oc , P2 has a larger V oc value, which is considered to be due to its lower HOMO value than alkoxy polymer. In J sc value, the value of P2 is about twice as large as that of P1, which is expected to have a large value of the charge mobility of P2 and the effect of the optical properties of the polymer. By introducing DTE side chains into BDT, the degree of absorption in the short wavelength region was increased, which would have contributed to the improvement of J sc and PCE values in organic solar cell characteristics of P2 polymer.

또한, 광활성층의 몰폴로지는 유기태양전지의 효율에 있어서 매우 중요하며, 어떤 경우 소자의 특성은 몰폴로지에 의해 크게 의존한다. 소자 제작 후 광활성층의 표면 몰폴로지를 관찰하기 위해서 AFM(atomic force microscopy) 을 측정하였고, 도 5에 100℃ preannealing 한 고분자들의 소자의 AFM height 이미지를 나타내었다. 두 고분자 모두에서 DIO 첨가제를 넣은 경우와 넣지 않은 경우의 AFM 이미지 차이를 두드러지게 나타내었다. 두 고분자에서 첨가제를 넣은 경우의 이미지를 보면 고분자와 PCBM이 고르게 분산된 것을 볼 수 있는데, 이는 고분자와 PCBM이 만날 수 있는 계면의 면적이 증가하여 전하분리와 전하이동이 효과적으로 일어날 수 있게 한다. 따라서 DIO 첨가제를 넣은 경우의 Jsc 가 크게 나오는 것을 알 수 있었다.
In addition, the morphology of the photoactive layer is very important for the efficiency of the organic solar cell, and in some cases, the characteristics of the device depend greatly on the morphology. AFM (atomic force microscopy) was measured to observe the surface morphology of the photoactive layer after the fabrication of the device. FIG. 5 shows the AFM height image of the device of the polymer pre-annealed at 100 ° C. The difference in AFM image between the case with and without DIO additive was remarkable in both polymers. In the case of the additive in the two polymers, it can be seen that the polymer and PCBM are evenly dispersed, which increases the area of the interface where the polymer and PCBM can meet, thereby allowing the charge separation and charge transfer to take place effectively. Therefore, it was found that the J sc of the DIO additive was significantly increased.

이상과 같은 결과를 통해 본 발명자들은 곁사슬 공액치환체의 도입이자외선-가시광선영역에서의 광학적 특성, HOMO 에너지 레벨의 조절 및 전하이동도에 영향을 미치는 것을 알 수 있었고 따라서 공액곁사슬의 변화가 BDT 특성에 큰 영향을 줄 수 있음을 알 수 있었으며, 이를 활용한 benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene(BDT)계열의 새로운 곁사슬 그룹(side chain group)을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
From the above results, the present inventors have found that the introduction of the side chain conjugate substituent influences the optical characteristics, the control of the HOMO energy level, and the charge mobility in the ultraviolet-visible light region, (BDT) family of benzo [1,2-b: 4,5-b '] dithiophene (BDT) Could know.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (8)

공액성 곁사슬이 도입된 하기 구조식을 갖는 고분자;
Figure 112014000790061-pat00008

상기 식에서, R은 C1~C30의 알킬기이고, m은 1~5의 정수이고, l은 0~5의 정수이며, Y는 S, O, Se 또는 Te이다.
A polymer having the following structural formula introduced with a conjugated side chain;
Figure 112014000790061-pat00008

R is an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, m is an integer of 1 to 5, 1 is an integer of 0 to 5, and Y is S, O, Se or Te.
제1항에 있어서,
상기 A는 하기 구조식을 갖는 화합물 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고분자;
Figure 112014000790061-pat00009

상기 식에서, Z는 S, O 또는 Se이고;
R21 내지 R37은 서로 독립적으로, 수소, 할로겐, (C1-C30)알킬기, (C1-C30)알콕시, (C1-C30)알콕시카보닐 또는 (C6-C30)아르(C1-C30)알킬이며;
R21 내지 R37의 알킬기, 알콕시, 알콕시카보닐 및 아르알킬은 (C1-C30)알킬, (C2-C30)알케닐, (C2-C30)알키닐, (C1-C30)알콕시, 아미노기, 하이드록시기, 할로겐기, 사이아노기, 나이트로기, 트리플루오로메틸기 및 실릴기로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있으며;
R41 내지 R46는 수소 또는 (C1-C30)알킬기이고; k는 1 내지 2의 정수이다.
The method according to claim 1,
A is a polymer selected from the group consisting of compounds having the following structural formulas;
Figure 112014000790061-pat00009

Wherein Z is S, O or Se;
R 21 to R 37 independently of one another are hydrogen, halogen, (C 1 -C 30) alkyl, (C 1 -C 30) alkoxy, (C 1 -C 30) alkoxycarbonyl or (C 6 -C 30) ;
The alkyl group, alkoxy, alkoxycarbonyl, and aralkyl of R 21 to R 37 are independently selected from the group consisting of (C 1 -C 30) alkyl, (C 2 -C 30) alkenyl, (C 2 -C 30) alkynyl, A halogen atom, a cyano group, a nitro group, a trifluoromethyl group, and a silyl group;
R 41 to R 46 are hydrogen or a (C 1 -C 30) alkyl group; k is an integer of 1 to 2;
제1항에 있어서,
상기 고분자는 40,000~140,000의 수평균 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 고분자.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer has a number average molecular weight of 40,000 to 140,000.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 자외선 및 가시광선 영역인 300~750nm의 흡수 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 고분자.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer has an absorption wavelength of 300 to 750 nm in the ultraviolet and visible light regions.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 1.80~1.90eV의 에너지 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 고분자.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer has an energy band gap of 1.80 to 1.90 eV.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 고분자를 포함하는 유기광소자. An organic photonic device comprising the polymer according to any one of claims 1 to 5. 제6항에 있어서,
상기 유기광소자는 유기 태양전지, 유기 메모리, 유기 발광다이오드, 유기센서, 유기박막 트랜지스터, 유기발광소자(OLED), 중합체성 광방사다이오드(PLED), 유기집적회로(O-IC), 유기전계효과트랜지스터(OFET) 또는 유기 전계발광디스플레이인 것을 특징으로 하는 유기광소자.
The method according to claim 6,
The organic photonic device may be an organic solar cell, an organic memory, an organic light emitting diode, an organic sensor, an organic thin film transistor, an organic light emitting diode (OLED), a polymeric light emitting diode (PLED), an organic integrated circuit (O- A transistor (OFET) or an organic electroluminescent display.
제6항에 있어서,
상기 유기광소자는 ITO(indium tin oxide)/PEDOT:PSS/광활성층/LiF/Al의 적층구조를 포함하고, 상기 광활성층은 제1항의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기광소자.
The method according to claim 6,
Wherein the organic photonic device comprises a layered structure of indium tin oxide (ITO) / PEDOT: PSS / photoactive layer / LiF / Al, and the photoactive layer comprises the polymer of claim 1.
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