KR101514819B1 - organic semiconductor compound, manufacturing method thereof, and organic electronic device that contains it - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우수한 전기특성을 가지는 유기반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 함유하는 유기전자소자에 관한 것으로, 본 발명의 유기반도체 화합물은 열적안정성, 용해도 및 전하이동도가 높아 이를 함유하는 유기전자소자는 높은 효율을 가진다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to an organic semiconductor compound having excellent electrical properties, a method for producing the same, and an organic electronic device containing the same. The organic semiconductor compound of the present invention has high thermal stability, solubility and charge mobility, High efficiency.

Description

유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 유기전자소자{organic semiconductor compound, manufacturing method thereof, and organic electronic device that contains it}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an organic semiconductor compound, a method of manufacturing the same, and an organic electronic device including the organic semiconductor compound,

본 발명은 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 유기전자소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페릴렌을 포함하는 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 유기전자소자에 관한 것이다.The present invention relates to an organic semiconductor compound, a method for producing the organic semiconductor compound, and an organic electronic device including the organic semiconductor compound. More particularly, the present invention relates to an organic semiconductor compound including perylene, a method for producing the organic semiconductor compound, and an organic electronic device including the same.

태양광 산업은 2009년에 세계적으로 6GW 이상의 설치량을 보이면서 300억 불 시장의 독립적인 산업국을 형성하였으며 21세기 중반까지도 지속적인 급성장세가 예상되고 있다. In 2009, the photovoltaic industry has installed more than 6GW in the world, forming an independent industrial country of $ 30 billion market, and it is expected to continue to grow rapidly until mid-21st century.

현재의 주종 품목은 태양광 발전시장에서 압도적인 용도를 갖는 결정질 실리콘 태양전지이지만 최근 들어 a-Si, CdTe, CIGS 등 무기계 박막 태양전지들의 시장 점유율이 꾸준히 증가 하고 있고 실제로 2009년에는 20% 수준 까지 상승하였다. Current major products are crystalline silicon solar cells, which have overwhelming use in the solar power market. In recent years, however, market share of inorganic thin film solar cells such as a-Si, CdTe and CIGS has been steadily increasing. Respectively.

또한 염료감응형 및 유기 박막형으로 대변되는 유기 태양전지들은 아직 본격적으로 시장에 진입하고 있지는 못하지만 값싼 재료비와 공정비, 그리고 가볍고 유연하며 투명한 특성들을 내세워 앞으로 예상되는 'ubiquitous solar' 시대를 선도할 수 있는 또 다른 가능성을 제시 하고 있다. In addition, organic solar cells represented by dye-sensitized and organic thin-film type are not yet entering the market in earnest, but they can lead the ubiquitous solar era, which is expected in the future by promoting cheap material cost, process cost, and light, Another possibility is presented.

현재는 성능이 낮아 활용에 다소 제한이 있기는 하지만 앞으로 10%이상의 고효율이 확보 되면 본격적으로 건물의 창이나 발코니 등에 설치하여 수려한 외관을 창출하며 동시에 전기를 생산해내는 소위 BIPV (building integrated photovoltaic system) 용도에 크게 쓰여질 것으로 예상된다. 또한 장래에는 다양한 유연성 디스플레이와 군수용, 실내용 그리고 일회용 태양전지 등 21세기 solar 시대를 뒷받침하는 다양한 에너지원 역할을 할 것으로 기대된다. However, if the efficiency is higher than 10% in the future, it will be used for building integrated photovoltaic system (BIPV), which creates a beautiful appearance by installing it on a window or a balcony of a building It is expected to be largely written on. In the future, it is expected to serve as a diverse energy source supporting various flexible displays, military, indoor, and disposable solar cells.

그러나 유기 태양전지의 가능성이 처음 제시되었던 1970년대에는 효율이 너무 낮아 실용성이 없었으며, 1986년 이스트만 코닥(Eastman Kodak)의 탕(C.W. Tang)이 프탈로시아닌 구리(copper phthalocyanine, CuPc) 와 페릴렌 테트라카복실산(perylene tetracarboxylic acid) 유도체를 이용한 이중층 구조로 다양한 태양전지로서의 실용화 가능성을 보이자, 유기 태양전지에 대한 관심과 연구가 급속도로 증가하며 많은 발전을 가져왔다. 이후 1995년에는 유(Yu) 등에 의해 BHJ(bulk-heterojunction) 개념이 도입되었고, PCBM과 같이 용해도가 향상된 플러렌(fullerene) 유도체가 n 형 반도체 물질로 개발되면서 유기 태양전지는 효율 면에서 획기적인 발전이 있었다. In 1986, Eastman Kodak's CW Tang produced copper phthalocyanine (CuPc) and perylenetetracarboxylic acid (CuPc) in 1986. However, in the 1970s when the possibility of organic solar cells was first suggested, efficiency was too low to be practical. (perylene tetracarboxylic acid) derivatives, the interest and research on organic solar cell have been rapidly increasing and the development has been made. In 1995, Yu and Yu introduced the concept of bulk-heterojunction (BHJ). Fullerene derivatives such as PCBM, which have improved solubility, have been developed as n-type semiconductor materials. there was.

특히, 유기 태양전지는 2000년 이후 연구가 급격히 증가 하였고, 용액공정으로 광활성을 도입할 수 있는 고분자 태양전지는 2000년 초 PPV계 고분자를 PCBM과의 bulk-hetero junction 개념을 도입함으로서 의미있는 수준의 효율을 얻기 시작하여, P3HT를 광활성층으로 사용함으로써 4~6% 의 효율을 일반적으로 얻을 수 있게 되었고, 이러한 결과로 학계와 산업계의 관심을 끌어 새로운 소재와 소자 구조를 개발하려는 시도들이 2005년 이후 본격적으로 시작되었다. In particular, the research of organic solar cells has rapidly increased since 2000, and polymer solar cells capable of introducing photoactive by a solution process have introduced a bulk-hetero junction concept with PCBM in the early 2000s, By using P3HT as a photoactive layer, efficiency of 4 ~ 6% has been generally obtained. As a result, attempts to develop new materials and device structures by attracting attention from academia and industry have been made since 2005 It started in earnest.

고분자 태양전지의 경우 새로운 소자 구성 및 공정 조건의 변화 등으로 효율의 향상이 두드러지고 있어, 여전히 기존의 물질을 대체하기 위해 낮은 밴드갭(bandgap)을 지니는 주개(donor)물질과 전하 이동도가 좋은 새로운 받개(acceptor)물질들의 개발이 지속적으로 연구개발이 요구되고 있다.In the case of polymer solar cells, improvement of efficiency is prominent due to new device configuration and process conditions change. In order to replace existing materials, donor materials with low bandgap and high charge mobility The development of new acceptor materials continues to require research and development.

한국등록특허 1142207호(2012.04.25)Korean Registered Patent No. 1142207 (Apr. 25, 2012)

본 발명은 우수한 전기 특성을 가지는 유기반도체 화합물을 제공한다.The present invention provides an organic semiconductor compound having excellent electrical properties.

또한 본 발명은 본 발명의 유기반도체 화합물을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing the organic semiconductor compound of the present invention.

또한 본 발명은 본 발명의 유기반도체 화합물을 함유하는 유기전자소자를 제공한다.The present invention also provides an organic electronic device containing the organic semiconductor compound of the present invention.

본 발명은 넓은 영역의 에너지를 흡수하여 우수한 전기특성을 가지는 유기반도체 화합물을 제공하는 것으로, 보다 상세하게는 전자 주개로 페릴렌을 포함하는 유기 반도체 화합물을 제공한다.The present invention provides an organic semiconductor compound that absorbs a wide range of energy and has excellent electrical characteristics, and more particularly, to an organic semiconductor compound including an electron-hole perylene.

본 발명의 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.The organic semiconductor compound of the present invention is represented by the following general formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112013012856055-pat00001
Figure 112013012856055-pat00001

[상기 화학식 1에서,[In the above formula (1)

A는 C6-C30아릴렌 또는 C3-C30헤테로아릴렌이며;A is C 6 -C 30 arylene or C 3 -C 30 heteroarylene;

R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, C1-C30알킬기, C1-C30알콕시기, C1-C30알킬티오기, C6-C30아르C1-C30알킬기이며, 상기 알킬, 아르알킬은 C1-C30알킬, C2-C30알케닐, C2-C30알키닐, C1-C30알콕시, 아미노기, 하이드록시기, 할로겐기, 사이아노기, 나이트로기, 트리플루오로메틸기 및 실릴기로 선택되는 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있으며;R 1 and R 2 are independently a hydrogen, C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy group, C 1 -C 30 alkylthio, C 6 -C 30 ahreu C 1 -C 30 alkyl groups to each other, wherein Alkyl, aralkyl is C 1 -C 30 alkyl, C 2 -C 30 alkenyl, C 2 -C 30 alkynyl, C 1 -C 30 alkoxy, an amino group, a hydroxyl group, a halogen group, a cyano group, Which may be further substituted with one or more substituents selected from halogen, trifluoromethyl, and silyl groups;

n는 1 내지 2000의 정수이다.]and n is an integer of 1 to 2000.]

본 발명의 유기반도체 화합물은 평평한 구조를 가지는 페릴렌을 전자주개로 도입하여, 다양한 전자 받개와의 공중합을 통하여 태양으로부터 방출되는 가시광선 영역의 빛을 효과적으로 흡수하고 흡수한 에너지로 생성되는 전자의 전달을 보다 효율적으로 이룰 수 있어, 본 발명의 유기반도체 화합물을 채용한 유기전자소자는 높은 효율을 나타낸다.The organic semiconducting compound of the present invention is an organic semiconducting compound that introduces perylene having a flat structure into an electron hole and efficiently absorbs light in the visible light region emitted from the sun through copolymerization with various electron acceptors and transmits electrons generated by the absorbed energy And the organic electronic device employing the organic semiconductor compound of the present invention exhibits high efficiency.

또한 본 발명의 유기반도체 화합물은 페릴렌을 도입하여 열적으로 안정하고 페릴렌과 공중합하는 전자받개의 치환기를 조절하여 유기용매에 대한 용해도가 우수하며, 전자이동도가 높아 우수한 전기특성을 나타내어, 본 발명의 유기반도체 화합물을 포함하는 유기전자소자는 단락전류(Jsc)와 Fill factor(FF) 특성이 우수하다.In addition, the organic semiconductor compound of the present invention is excellent in solubility in an organic solvent by controlling substituents of an electron acceptor that is thermally stable and copolymerized with perylene by introducing perylene, exhibits excellent electric characteristics because of high electron mobility, The organic electronic device including the organic semiconductor compound of the present invention has excellent short circuit current (Jsc) and fill factor (FF) characteristics.

본 발명에 기재된 「알킬」, 「알콕시」 및 그 외 「알킬」부분을 포함하는 치환체는 직쇄 또는 분쇄 형태를 모두 포함한다. 또한 본 발명에 기재된 「아릴」은 하나의 수소 제거에 의해서 방향족 탄화수소로부터 유도된 유기 라디칼로, 각 고리에 적절하게는 4 내지 7개, 바람직하게는 5 또는 6개의 고리원자를 포함하는 단일 또는 융합고리계를 포함하며, 다수개의 아릴이 단일결합으로 연결되어 있는 형태까지 포함한다. 구체적인 예로 페닐, 나프틸, 비페닐, 안트릴, 인데닐(indenyl), 플루오레닐 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 본 발명에 기재된 「헤테로아릴」은 방향족 고리 골격 원자로서 B, N, O, S, P(=O), Si 및 P로부터 선택되는 1 내지 4개의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 방향족 고리 골격 원자가 탄소인 아릴 그룹을 의미하는 것으로, 5 내지 6원 단환 헤테로아릴, 및 하나 이상의 벤젠환과 축합된 다환식 헤테로아릴이며, 부분적으로 포화될 수도 있다. 또한, 본 발명에서의 헤테로아릴은 하나 이상의 헤테로아릴이 단일결합으로 연결된 형태도 포함하며, 5 내지 6원의 단환 헤테로아릴이 융합되어 부분적으로 포화될 수도 있다. 구체적인 예로, 피로릴, 티오닐, 2,5-디메틸피롤로피롤-1,4-디오닐등을 포함하지만 이에 한정이 있는 것은 아니다.The substituents comprising " alkyl ", " alkoxy " and other " alkyl " moieties described in this invention encompass both linear and branched forms. The term " aryl " in the present invention means an organic radical derived from an aromatic hydrocarbon by the removal of one hydrogen, and may be a single or fused ring containing 4 to 7, preferably 5 or 6 ring atoms, A ring system, and a form in which a plurality of aryls are connected by a single bond. Specific examples include, but are not limited to, phenyl, naphthyl, biphenyl, anthryl, indenyl, fluorenyl, and the like. "Heteroaryl" in the present invention includes 1 to 4 heteroatoms selected from B, N, O, S, P (= O), Si and P as aromatic ring skeletal atoms and the remaining aromatic ring skeletal atoms are carbon Means a 5 to 6 membered monocyclic heteroaryl and a polycyclic heteroaryl condensed with at least one benzene ring and may be partially saturated. The heteroaryl in the present invention may also include a form in which at least one heteroaryl is connected to a single bond, and a 5- to 6-membered monocyclic heteroaryl may be fused and partially saturated. Specific examples include, but are not limited to, pyrrolyl, thionyl, 2,5-dimethylpyrrolopyrrole-1,4-diyonyl, and the like.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 1에서 상기 A는 하기 구조에서 선택되는 하나이상일 수 있다.In Formula 1 according to an embodiment of the present invention, A may be one or more selected from the following structures.

Figure 112013012856055-pat00002
Figure 112013012856055-pat00002

Figure 112013012856055-pat00003
Figure 112013012856055-pat00003

Figure 112013012856055-pat00004
Figure 112013012856055-pat00004

Figure 112013012856055-pat00005
Figure 112013012856055-pat00005

[상기 구조식에서,[In the above formula,

Z는 S, O 또는 Se이며,Z is S, O or Se,

R′과 R″는 서로 독립적으로, 수소, C1-C30알킬기, C6-C30아릴, C3-C30헤테로아릴 또는 C6-C30아르C1-C30알킬이며,R 'and R " are, independently of each other, hydrogen, a C 1 -C 30 alkyl group, a C 6 -C 30 aryl, a C 3 -C 30 heteroaryl or C 6 -C 30 aryl C 1 -C 30 alkyl,

R11 내지 R13은 서로 독립적으로, 수소, 할로겐, C1-C30알킬기, C1-C30알콕시, C6-C30아르C1-C30알킬이며,R 11 to R 13 independently from each other are hydrogen, halogen, C 1 -C 30 alkyl group, C 1 -C 30 alkoxy, C 6 -C 30 aralkyl C 1 -C 30 alkyl,

R′과 R″의 알킬기, 아릴, 헤테로아릴 및 아르알킬과 R11 내지 R14의 알킬기, 알콕시 및 아르알킬은 C1-C30알킬, C2-C30알케닐, C2-C30알키닐, C1-C30알콕시, 아미노기, 하이드록시기, 할로겐기, 사이아노기, 나이트로기, 트리플루오로메틸기 및 실릴기로 선택되는 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있으며,The alkyl, aryl, heteroaryl and aralkyl of R 'and R "and the alkyl, alkoxy and aralkyl of R 11 to R 14 are selected from C 1 -C 30 alkyl, C 2 -C 30 alkenyl, C 2 -C 30 alky Which may further be substituted with at least one substituent selected from the group consisting of halogen, C 1 -C 30 alkoxy, amino, hydroxyl, halogen, cyano, nitro, trifluoromethyl and silyl,

o, p 및 q는 1 내지 2의 정수이다.]o, p and q are integers of 1 to 2.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 1은 하기 화학식 2 또는 하기 화학식 3으로 표시될 수 있으나, 이에 한정이 있는 것은 아니다.The formula 1 according to an embodiment of the present invention may be represented by the following formula 2 or 3, but is not limited thereto.

[화학식 2](2)

Figure 112013012856055-pat00006
Figure 112013012856055-pat00006

[화학식 3](3)

Figure 112013012856055-pat00007
Figure 112013012856055-pat00007

[상기 화학식 2 또는 3에서,[In the above formula (2) or (3)

Z는 S 또는 Se이며;Z is S or Se;

R′또는 R"는 수소 또는 C1-C30알킬기이며;R 'or R "is hydrogen or a C 1 -C 30 alkyl group;

R11 또는 R12는 서로 독립적으로, 수소, 할로겐, C1-C30알킬기, C1-C30알콕시, C6-C30아르C1-C30알킬이며;R 11 or R 12 are independently, hydrogen, halogen, C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy, C 6 -C 30 ahreu C 1 -C 30 alkyl, and each other;

R′과 R"의 알킬과 R11 내지 R12의 알킬기, 알콕시 및 아르알킬은 C1-C30알킬, C2-C30알케닐, C2-C30알키닐, C1-C30알콕시, 아미노기, 하이드록시기, 할로겐기, 사이아노기, 나이트로기, 트리플루오로메틸기 및 실릴기로 선택되는 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있으며;The alkyl of R 'and R "and the alkyl, alkoxy and aralkyl of R 11 to R 12 are selected from C 1 -C 30 alkyl, C 2 -C 30 alkenyl, C 2 -C 30 alkynyl, C 1 -C 30 alkoxy , An amino group, a hydroxyl group, a halogen group, a cyano group, a nitro group, a trifluoromethyl group and a silyl group;

n는 1 내지 2000의 정수이며;n is an integer from 1 to 2000;

o와 p는 1 내지 2의 정수이다.]o and p are integers of 1 to 2.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 2와 3에서 높은 전하이동도를 가지면서도 유기용매에 대한 높은 용해도를 가지기 위한 측면에서 R′또는 R"는 C10-C30알킬기이고, R11 또는 R12는 서로 독립적으로, 수소, 또는 C1-C30알킬기일 수 있으며, 보다 바람직하게는 R′또는 R"는 C16-C30알킬기이며; R11 또는 R12는 수소일 수 있다.In the formulas 2 and 3 according to an embodiment of the present invention, R 'or R "is a C 10 -C 30 alkyl group and R 11 or R 12 may be, independently of each other, hydrogen, or a C 1 -C 30 alkyl group, more preferably R 'or R "is a C 16 -C 30 alkyl group; R 11 or R 12 may be hydrogen.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 1은 하기 구조에서 선택되는 것일 수 있으나, 이 또한 한정이 있는 것은 아니다.The formula 1 according to an embodiment of the present invention may be selected from the following structures, but is not limited thereto.

Figure 112013012856055-pat00008
Figure 112013012856055-pat00008

Figure 112013012856055-pat00009
Figure 112013012856055-pat00009

Figure 112013012856055-pat00010
Figure 112013012856055-pat00010

Figure 112013012856055-pat00011
Figure 112013012856055-pat00011

(상기 구조식에서, n은 1 내지 2000이다.)(In the above formula, n is 1 to 2000.)

또한 본 발명은 하기 화학식 11과 하기 화학식 12를 반응시켜 상기 화학식 1로 표시되는 유기반도체 화합물을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for preparing the organic semiconductor compound represented by Formula 1 by reacting the following Formula 11 with the following Formula 12.

[화학식 11](11)

Figure 112013012856055-pat00012
Figure 112013012856055-pat00012

[화학식 12][Chemical Formula 12]

P-A-PP-A-P

[상기 화학식 11 및 12에 있어서,[In the above formulas (11) and (12)

A는 C6-C30아릴렌 또는 C3-C30헤테로아릴렌이며;A is C 6 -C 30 arylene or C 3 -C 30 heteroarylene;

R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, C1-C30알킬기, C1-C30알콕시기, C1-C30알킬티오기, C6-C30아르C1-C30알킬기이며, 상기 알킬, 아르알킬은 C1-C30알킬, C2-C30알케닐, C2-C30알키닐, C1-C30알콕시, 아미노기, 하이드록시기, 할로겐기, 사이아노기, 나이트로기, 트리플루오로메틸기 및 실릴기로 선택되는 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있으며;R 1 and R 2 are independently a hydrogen, C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy group, C 1 -C 30 alkylthio, C 6 -C 30 ahreu C 1 -C 30 alkyl groups to each other, wherein Alkyl, aralkyl is C 1 -C 30 alkyl, C 2 -C 30 alkenyl, C 2 -C 30 alkynyl, C 1 -C 30 alkoxy, an amino group, a hydroxyl group, a halogen group, a cyano group, Which may be further substituted with one or more substituents selected from halogen, trifluoromethyl, and silyl groups;

X는 할로겐이며;X is halogen;

P는

Figure 112013012856055-pat00013
, B(OR21)2, B(OH)2 또는 Sn(R22)(R23)(R24)이며, R21 내지 R24는 C1-C30알킬이며;P is
Figure 112013012856055-pat00013
, B (OR 21 ) 2 , B (OH) 2 or Sn (R 22 ) (R 23 ) (R 24 ); R 21 to R 24 are C 1 -C 30 alkyl;

n는 1 내지 2000의 정수이다.]and n is an integer of 1 to 2000.]

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 11은 하기 화학식 13에 할로겐을 반응시켜 제조되는 것일 수 있다.The formula (11) according to an embodiment of the present invention may be prepared by reacting the compound of formula (13) with a halogen.

[화학식 13][Chemical Formula 13]

Figure 112013012856055-pat00014
Figure 112013012856055-pat00014

[상기 화학식 13에 있어서,[In the formula (13)

R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, C1-C30알킬기, C1-C30알콕시기, C1-C30알킬티오기, C6-C30아르C1-C30알킬기이며, 상기 알킬, 아르알킬은 C1-C30알킬, C2-C30알케닐, C2-C30알키닐, C1-C30알콕시, 아미노기, 하이드록시기, 할로겐기, 사이아노기, 나이트로기, 트리플루오로메틸기 및 실릴기로 선택되는 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있다.]R 1 and R 2 are independently a hydrogen, C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy group, C 1 -C 30 alkylthio, C 6 -C 30 ahreu C 1 -C 30 alkyl groups to each other, wherein Alkyl, aralkyl is C 1 -C 30 alkyl, C 2 -C 30 alkenyl, C 2 -C 30 alkynyl, C 1 -C 30 alkoxy, an amino group, a hydroxyl group, a halogen group, a cyano group, A trifluoromethyl group, and a silyl group.]

본 발명의 일 실시예에 따른 반응은 90 ~ 120℃에서 4 ~ 20시간동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 100 ~ 120℃에서 10 ~ 15시간동안 수행될 수 있다.The reaction according to one embodiment of the present invention may be performed at 90 to 120 ° C for 4 to 20 hours, preferably at 100 to 120 ° C for 10 to 15 hours.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 12는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 통상적으로 인정되는 방법으로 제조될 수 있다.Formula 12 according to an embodiment of the present invention may be prepared by a method commonly known to those skilled in the art.

또한 본 발명은 본 발명의 유기반도체 화합물을 포함하는 유기전자소자, 특히 유기박막트랜지스터 또는 유기태양전지를 제공한다.The present invention also provides an organic electronic device comprising the organic semiconductor compound of the present invention, particularly an organic thin film transistor or an organic solar cell.

보다 구체적으로 본 발명의 유기반도체 화합물을 광활성층에 함유하는 유기전자소자를 제공한다.More specifically, the present invention provides an organic electronic device containing the organic semiconductor compound of the present invention in a photoactive layer.

본 발명의 유기전자소자는 당업자가 인지할 수 있는 통상적인 유기전자소자라면 모두 가능하나, 일반적으로 유기태양전지는 금속/유기반도체(광활성층)/금속(Metal-Semiconductor or Insulator-Metal, MSM, MIM) 구조로, 높은 일함수를 가지며 투명전극인 ITO(Indium tin oxide)를 양극으로, 낮은 일함수를 가진 Al이나 Ca등을 음극으로 사용한다. The organic electronic device of the present invention can be any conventional organic electronic device that a person skilled in the art can recognize. Generally, an organic solar cell is a metal-organic semiconductor (a photoactive layer) / metal (MSM, MIM) structure. ITO (Indium Tin Oxide), which has a high work function and is a transparent electrode, is used as an anode, and Al or Ca having a low work function is used as a cathode.

특히 유기 반도체로 유기반도체 화합물/C60 또는 유기반도체 화합물/C70 복합재를 각각 전자 주게(Donor)와 전자 받게(acceptor)로 사용하는 BHJ (Bulk Hetero Junction)구조를 예를 들어 설명하면, 먼저 광활성층인 유기반도체 화합물/C60 복합재 용액을 스핀코팅, 잉크젯 프린팅 등의 방법으로 100nm 정도의 두께로 ITO층 위에 코팅한다. 이 위에 다시 Al 이나 Ca 금속을 진공 증착하여 음극으로 사용하게 되는데, 필요에 따라 이 전극과 광활성층 사이에 전하의 수명을 증진시키는 EBL(exciton blocking layer)층을 삽입하기도 한다. 상기 EBL층으로는 PEDOT(Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene)) 및 PSS(poly(styrenesulfonate))의 혼합물이 사용될 수 있다.In particular, a BHJ (Bulk Hetero Junction) structure in which an organic semiconductor compound / C60 or an organic semiconductor compound / C70 composite is used as an electron donor and an electron acceptor, respectively, The organic semiconductor compound / C60 composite solution is coated on the ITO layer to a thickness of about 100 nm by spin coating, inkjet printing or the like. An Al or Ca metal is vacuum deposited thereon to be used as a cathode. If necessary, an EBL (exciton blocking layer) may be inserted between the electrode and the photoactive layer to improve the lifetime of the charge. As the EBL layer, a mixture of PEDOT (poly (3,4-ethylenedioxythiophene)) and PSS (poly (styrenesulfonate)) can be used.

일반적으로 유기 전자 주게(donor)물질 안에서 엑시톤(exciton)의 확산거리는 10-30nm정도이기 때문에 태양광 흡수를 위한 전자 주게(donor)물질의 적절한 두께(100nm이상)보다 훨씬 짧다. 이것은 유기 태양전지의 효율을 제한하는 근본적인 원인 중의 하나인데 기존의 BL(bi-layer)구조로는 이러한 문제점을 해결하기 어렵다. 또한 BL(bi-layer)구조를 이루는 두 가지 물질이 모두 유기물 단분자이기 때문에 증착을 시켜야 하고, 고분자의 경우에는 스핀코팅과 같은 간단한 공정에 의한 제작이 어려웠다. 반면에 고분자 BHJ 구조는 전자 주게(donor, D)와 전자 받게 (acceptor, A) 물질을 섞어 사용하기 때문에 제작공정이 간편하고 D/A 계면의 표면적이 크게 증가하기 때문에 전하 분리의 가능성이 커질 뿐만 아니라 전극으로서의 전하 수집 효율도 증가하게 된다.In general, the diffusion distance of excitons in organic donor materials is about 10-30 nm, which is much shorter than the appropriate thickness (over 100 nm) of electron donor materials for solar absorption. This is one of the fundamental reasons for limiting the efficiency of organic solar cells. However, it is difficult to solve such a problem with the conventional bi-layer structure. In addition, since the two materials forming the BL (bi-layer) structure are organic monomolecules, it is necessary to deposit them. In the case of the polymer, it is difficult to manufacture by a simple process such as spin coating. On the other hand, since the polymer BHJ structure uses a mixture of electron donor (D) and electron acceptor (A) materials, the manufacturing process is simple and the surface area of the D / A interface is greatly increased. But the charge collection efficiency as an electrode also increases.

이러한 측면에서 본 발명에 따른 유기 태양전지는 BHJ 구조인 것이 바람직하며, 본 발명에 따른 유기반도체 화합물을 전자 주게 물질로서 사용하고 하기의 전자 받게 물질로부터 선택되는 1종 이상을 혼합하여 활성층을 형성하는 것이 바람직하다.In this respect, the organic solar cell according to the present invention is preferably a BHJ structure, and an organic semiconductor compound according to the present invention is used as an electron-donating material and at least one selected from the following electron- .

Figure 112013012856055-pat00015
Figure 112013012856055-pat00015

상기 전자 받게 물질 중에서도 유기 용매에 잘 녹도록 설계된 PCBM, PCBCR 등의 물질을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. Among the above-mentioned electron-accepting materials, it is more preferable to use a material such as PCBM or PCBCR which is designed to be easily dissolved in an organic solvent.

본 발명의 유기반도체 화합물은 방향족고리이면서 그래핀과 같은 평평한 구조를 가진 헤테로방향족 고리인 페릴렌을 전자주개로 도입하여 전공과 전자 이동도가 매우 높다.The organic semiconductor compound of the present invention has an electron mobility of perylene which is an aromatic ring and a heteroaromatic ring having a flat structure such as graphene, and has a very high electron mobility.

또한 본 발명의 유기반도체 화합물은 페릴렌과 다양한 전자받개와 공중합하여 확장된 파이-파이 스태킹 (π-π stacking)을 통하여 낮은 밴드갭을 나타낸다.In addition, the organic semiconductor compound of the present invention exhibits a low band gap through extended pi-p stacking by copolymerization with perylene and various electron acceptors.

또한 본 발명의 유기반도체 화합물은 높은 열적 안정성과 유기용매에 대한 높은 용해도를 가진다.Further, the organic semiconductor compound of the present invention has high thermal stability and high solubility in an organic solvent.

따라서 본 발명의 유기반도체 화합물은 페릴렌을 전자주개로 도입하여 다양한 전자받개와 공중합하여 낮은 밴드갭을 나타내므로, 이를 포함하는 유기전자소자는 본 발명의 유기반도체 화합물과 광활성층인 풀러렌 유도체와의 획기적인 조합으로 높은 효율을 가진다.Therefore, since the organic semiconductor compound of the present invention exhibits a low band gap by introducing perylene into the electron emitter and copolymerizing with various electron acceptors, the organic electronic device including the organic semiconductor compound can be produced by a process comprising the step of mixing the organic semiconductor compound of the present invention with the fullerene derivative It has a high efficiency with a breakthrough combination.

또한 본 발명의 유기반도체 화합물은 높은 열적안정성과 높은 용해도로 인해 이를 포함하는 유기전자소자는 우수한 전기특성을 가져 유기전자소자 특히, 유기태양전지 또는 유기박막트랜지스터의 p-type 재료로서 매우 유용하게 사용될 수 있다.Further, the organic semiconductor compound of the present invention has high thermal stability and high solubility, so that the organic electronic device having the organic electronic compound has excellent electric characteristics and is very useful as a p-type material of an organic electronic device, particularly an organic solar cell or an organic thin film transistor .

또한 본 발명은 높은 전기특성을 가지는 유기반도체 화합물을 제조하는 방법을 제공한다. The present invention also provides a method for producing an organic semiconductor compound having high electrical properties.

도 1은 유기 태양 전지의 BHJ(Bulk Hetero Junction)모드(a)와 유기 태양전지 구조(b)를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 고분자 1, 2의 열적안정성 (TGA) 결과이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 고분자 1,2 의 용액상태의 UV 스펙트럼이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 고분자 1,2 의 필름상태의 UV 스펙트럼이다.
도 5은 실시예 1에서 제조된 고분자 1 의 Cyclic voltamogram (oxidation)이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 고분자 1 의 Cyclic voltamogram (reduction)이다.
도 7은 실시예 1에서 제조된 고분자 1 의 유기박막트랜지스터의 transfer curve를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 고분자 2 의 유기박막트랜지스터의 transfer curve를 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 1에서 제조된 고분자 1, 2 의 유기태양전지의 J-V 특성 곡선이다.
도 10은 실시예 1에서 제조된 고분자 1,2 의 유기태양전지의 IPCE (Incident Photon to Current Efficiency)를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 1에서 제조된 고분자 1 의 유기태양전지의 TEM (Transmission electron microscopy) 이미지를 나타낸 것이다.
도 12는 실시예 1에서 제조된 고분자 2 의 유기태양전지의 TEM (Transmission electron microscopy) 이미지를 나타낸 것이다.
도 13은 실시예 4에서 합성된 고분자 1의 2D-GIXS (Two-dimensional grazing incidence X-ray scattering) 결과이다.
도 14는 실시예 4에서 합성된 고분자 1의 2D-GIXS (Two-dimensional grazing incidence X-ray scattering) 결과에 따라 계산된 값을 나타낸 모식도이다.
FIG. 1 shows a BHJ (Bulk Hetero Junction) mode (a) and an organic solar cell structure (b) of an organic solar cell.
Fig. 2 shows the thermal stability (TGA) results of the polymers 1 and 2 prepared in Example 1. Fig.
3 is a UV spectrum of a solution state of Polymers 1 and 2 prepared in Example 1. Fig.
4 is a UV spectrum of the film state of Polymers 1 and 2 prepared in Example 1. Fig.
5 is a cyclic voltamogram (oxidation) of the polymer 1 prepared in Example 1. Fig.
6 is a cyclic voltamogram (reduction) of the polymer 1 prepared in Example 1. Fig.
7 is a transfer curve of the organic thin film transistor of the polymer 1 prepared in Example 1. FIG.
8 is a transfer curve of the organic thin film transistor of Polymer 2 prepared in Example 1. FIG.
9 is a JV characteristic curve of the organic solar cell of Polymers 1 and 2 prepared in Example 1. Fig.
10 shows the IPCE (Incident Photon to Current Efficiency) of the organic solar cells of the polymers 1 and 2 prepared in Example 1. Fig.
11 is a TEM (transmission electron microscopy) image of the organic solar cell of Polymer 1 prepared in Example 1. Fig.
12 is a TEM (transmission electron microscopy) image of an organic solar cell of Polymer 2 prepared in Example 1. Fig.
13 is a result of 2D-GIXS (Two-dimensional grazing incidence X-ray scattering) of Polymer 1 synthesized in Example 4. Fig.
14 is a schematic diagram showing values calculated according to the result of 2D-GIXS (Two-dimensional grazing incidence X-ray scattering) of Polymer 1 synthesized in Example 4. FIG.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 제조예 및 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the following Preparation Examples and Examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다. 또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.Here, unless otherwise defined in the technical terms and the scientific terms used, those having ordinary skill in the art to which the present invention belongs have the same meaning as commonly understood by those skilled in the art. Repeated descriptions of the same technical constitution and operation as those of the conventional art will be omitted.

페릴렌 (peryelene), 브로마인 (bromine), 티오펜-2-카보나이트릴 (thiophene-2-carbonitrile), 다이메틸석시네이트 (dimethyl succinate), t-아밀알콜 (t-amylalcohol), 포타슘 t-부틸레이트 (potassium tert-butylate), 테트라클로로카본 (CCl4), 트리페닐포스핀 (Triphenylphosphine), 프탈이미드 (phthalimide) 2-옥틸-1-데칸올 (2-ocyl-1-decanol), 3-브로모티오펜 (3-bromothiophene) ,copper(I) iodide, grinded potassium phosphate tribasic, 디메틸아미노에탄올 (dimethylaminoethanol), 옥살릴클로라이드 (oxalyl chloride) Lawesson' reagent, n-뷰틸리튬 (n-butyllithium 2.0M in hexane), 다이아이소프로필아민 (diisopropylamine), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(tetrakis(triphenylphosphine)palladium), 2-이소프로폭시-4,4,5,5,-테트라메틸-1,3,2-다이사보레인(2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane), 톨루엔(toluene), 무수황산마그네슘(anhydrous magnesium sulfate, MgSO4), 탄산칼슘(K2CO3), 수산화나트륨 (sodium hydroxide, NaOH)은 준세이, 알드리치, 알파, 티시아이에서 구입하였다. 실리카겔(silicagel)은 머크(Merck)에서 구입하였으며, 물질의 정제과정에 쓰인 HPLC용 클로로포름(Chloroform)과 헥산(Hexane), 메탄올(Methanol), 아세톤(Acetone)은 제이 티 베이커(J.T.Baker)에서 구입하였다. 필름(Film)상태의 UV는 측정 전 0.45ㅅm 실린지 필터를 사용하여 여과한 후, 스핀코팅하여 측정하였다. 태양전지소자의 전자 받게(acceptor) 물질로는 PCBM([6,6]-phenyl C71-butyric acid methyl ester)를 사용하였다. 1H NMR 스펙트럼은 Varian Mercury Plus 300MHzspectrometer 을 사용하였고, 자외선 흡수 스펙트럼은 JASCO JP/V-570 으로 측정하였다. 물질의 HOMO Level을 구하기 위하여 순환 전류-전압 분석(Cyclic Voltammetry)은 CH Instruments Electrochemical Analyzer를 이용하여 측정하였고, 태양전지의 J-V 곡선(curve)은 1Kw 솔라 시뮬레이터(Solar simulator, Newport 91192). IPCE특성은 Solar cell response/Quantum efficiency/IPCE Measurement system (PV Measurements. Inc.)으로 측정하였다.
Perylene, bromine, thiophene-2-carbonitrile, dimethyl succinate, t-amylalcohol, potassium t- But are not limited to, potassium tert-butylate, tetrachlorocarbon (CCl 4 ), triphenylphosphine, phthalimide 2-octyl-1-decanol, - 3-bromothiophene, copper (I) iodide, grinded potassium phosphate tribasic, dimethylaminoethanol, oxalyl chloride Lawesson's reagent, n-butyllithium 2.0M in hexane, diisopropylamine, tetrakis (triphenylphosphine) palladium, 2-isopropoxy-4,4,5,5, -tetramethyl- (2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane), toluene, anhydrous magnesium sulfate (MgSO 4 ) Calcium carbonate (K 2 CO 3 ) and sodium hydroxide (NaOH) were purchased from Junsei, Aldrich, Alpha and Tixia. Silicagel was purchased from Merck and Chloroform, Hexane, Methanol and Acetone for HPLC used in the purification process of the material were purchased from JT Baker . The UV in the film state was measured by filtration using a 0.45 mm syringe filter before measurement and spin coating. PCBM ([6,6] -phenyl C71-butyric acid methyl ester) was used as an acceptor material of the solar cell element. The 1 H NMR spectrum was measured with a Varian Mercury Plus 300 MHz spectrometer and the ultraviolet absorption spectrum was measured with JASCO JP / V-570. Cyclic voltammetry was measured using a CH Instruments Electrochemical Analyzer to determine the HOMO level of the material. The JV curve of the solar cell was 1 Kw Solar simulator (Newport 91192). The IPCE characteristics were measured by Solar cell response / Quantum efficiency / IPCE measurement system (PV Measurements, Inc.).

[실시예 1] 화합물 A의 제조

Figure 112013012856055-pat00016
[Example 1] Preparation of Compound A
Figure 112013012856055-pat00016

3,9-dibromoperylene (화합물 A) 의 제조Preparation of 3,9-dibromoperylene (Compound A)

카본 테트라클로라이드 (200 mL)에 페릴렌(5 g, 19.81 mmol)을 첨가하고 여기에 암흑 속에서 Br2 (8.81 g, 7.92 mmol)를 첨가하였다. 이 반응혼합물을 110℃에서 12시간 동안 교반하고 2 M HCl을 첨가하였다. 얻어진 생성물을 클로로포름으로 추출하고 유기층을 10 % 소듐 바이설페이트, 2 M HCl 및 물로 세척하고, MgSO4로 건조시켰다. 용매를 제거하여 검붉은색 결정을 얻고 이를 뜨거운 헥산으로 재결정하여 표제의 화합물 2.81 g (63 %)을 얻었다. Perylene (5 g, 19.81 mmol) was added to carbon tetrachloride (200 mL) and thereto was added Br 2 (8.81 g, 7.92 mmol) in the dark. The reaction mixture was stirred at 110 < 0 > C for 12 hours and 2 M HCl was added. Extracting the resulting product with chloroform and the organic layer was washed 10% sodium bisulfate, 2 M HCl and water, dried over MgSO 4. The solvent was removed to give a dark red crystal which was recrystallized with hot hexane to give 2.81 g (63%) of the title compound.

1H NMR (300 MHz, CDCl3): δ 8.21 (dd, 2H), 7.83 (dd, 2H), 7.80(dd, 2H), 7.40~7.37(m, 4H) 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3): δ 8.21 (dd, 2H), 7.83 (dd, 2H), 7.80 (dd, 2H), 7.40 ~ 7.37 (m, 4H)

13C NMR (75 MHz, CDCl3): δ118.0, 121.3, 124.1, 125.9, 126.9, 127.1, 128.2, 128.9, 130.1, 135.8 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 ):? 118.0, 121.3, 124.1, 125.9, 126.9, 127.1, 128.2, 128.9, 130.1, 135.8

Calcd for C20H10: C,58.55; H,2.42 Found: C, 58.30; H, 2.30. Calcd for C 20 H 10: C , 58.55; H, 2.42 Found: C, 58.30; H, 2.30.

[실시예 2] 화합물 B의 제조[Example 2] Preparation of compound B

Figure 112013012856055-pat00017
Figure 112013012856055-pat00017

9-(Bromomethyl)nonadecane (화합물 1) 의 제조Preparation of 9- (Bromomethyl) nonadecane (Compound 1)

테트라하이드로퓨란 (THF) (200 mL)에 2-octyldodecan-1-ol (10 g, 19.81 mmol)과 트리페닐 포스핀 (PPh3) (8.78 g, 19.81 mmol) 를 각각 첨가하여 녹인 후, bromine (5.96 g, 19.81 mmol)을 주입한 후 3시간동안 교반 시킨다. 이 반응혼합물을 메탄올을 통하여 퀀칭(quenching)후, 용매를 제거한다. 헥산을 통하여 필터하여 얻은 노란색 액체를 컬럼크로마토그래피(EA:Hex = 1:9)로 잔량의 트리페닐 포스핀을 제거하여 연두색 액상인 표제 화합물 11g (73 %)을 수득하였다. 2-Octyldodecan-1-ol (10 g, 19.81 mmol) and triphenylphosphine (PPh 3 ) (8.78 g, 19.81 mmol) were added to and dissolved in tetrahydrofuran (THF) 5.96 g, 19.81 mmol) and stirred for 3 hours. The reaction mixture is quenched through methanol, and then the solvent is removed. The yellow liquid obtained by filtering through hexane was subjected to column chromatography (EA: Hex = 1: 9) to remove remaining amount of triphenylphosphine to obtain 11 g (73%) of the title compound as a greenish liquid.

1H NMR (300 MHz, CDCl3): δ 3.49 (d, 2H), 1.54 (m, 1H), 1.45-1.26 (m, 32H), 0.87(t, 3H), 0.83 (t, 3H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ):? 3.49 (d, 2H), 1.54 (m, 1H), 1.45-1.26 (m, 32H), 0.87 (t, 3H), 0.83 (t,

3,6-Dithien-2-yl-2,5-di(2-ocyl-1-decanyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione (화합물 2) 의 제조Preparation of 3,6-Dithien-2-yl-2,5-di (2-ocyl-1-decanyl) -pyrrolo [3,4-c] pyrrole-1,4-

콘덴서가 장착된 250 mL 둥근플라스크에 2,5-dihydro-1,4-dioxo-3,6-dithienylpyrrolo[3,4-c]-pyrrole (7.0g, 23.3 mmol) 과 K2CO3 (9.0g, 69.9mmol)를 각각 첨가하고 DMF 250mL 주입 후, 130℃에서 1시간동안 교반시켰다. 9-(Bromomethyl)nonadecane (화합물 1) (25.3g. 69.9mmol)을 천천히 첨가한 후 130℃에서 12시간 교반신켰다. 반응이 완료되면 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 용매를 증발시킨 후 MC(메틸렌클로라이드)와 메탄올로 재결정시켜 보라색 고체인 3,6-Dithien-2-yl-2,5-di(2-ocyl-1-decanyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione (화합물 2)를 얻었다(수율 : 50 %). 2,5-dihydro-1,4-dioxo- 3,6-dithienylpyrrolo [3,4-c] -pyrrole in 250 mL round bottom flask equipped with a condenser (7.0g, 23.3 mmol) and K 2 CO 3 (9.0g , 69.9 mmol) were added, respectively. After 250 mL of DMF was added, the mixture was stirred at 130 DEG C for 1 hour. 9- (Bromomethyl) nonadecane (Compound 1) (25.3 g, 69.9 mmol) was added slowly and stirred at 130 ° C for 12 hours. After the reaction was completed, the organic layer was extracted with chloroform and brine, and the remaining water was removed with anhydrous magnesium sulfate. The solvent was evaporated and recrystallized from MC (methylene chloride) and methanol to obtain a purple solid 3,4-c] pyrrole-1,4-dione (Compound 2) (yield: 50%). %).

1H NMR (300 MHz, CDCl3): δ 8.91 (d, 2H), 7.71 (d, 2H), 7.26 (t, 2H), 4.05 (d, 4H), 1.89 (s, 2H), 1.31-1.16 (m, 64H), 0.86 (m, 12H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3): δ 8.91 (d, 2H), 7.71 (d, 2H), 7.26 (t, 2H), 4.05 (d, 4H), 1.89 (s, 2H), 1.31-1.16 (m, 64H), 0.86 (m, 12H).

2,5-Bis(2-ocyldodecyl)3,6-bis[5-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxoborolan-2-yl)thiophene-2-yl]-2,5-dihydropyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione (화합물 B) 의 제조 2 , 5-Bis (2-ocyldodecyl) 3,6-bis [5- (4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2- Preparation of 5-dihydropyrrolo [3,4-c] pyrrole-1,4-dione (Compound B)

250 mL 둥근플라스크에 Diisopropylamin (700mg, 6.94 mmol)을 THF 15mL 와 함께 주입하고, -78℃에서 n-butyllithium (2.55mL, 6.38mmol)을 천천히 주입하여 LDA를 생성시켰다. 30분 교반 후, 화합물 2가 들어있는 진공상태의 둥근 플라스크에 THF 30mL를 주입하여 녹인 후, 앞서 제조한 LDA 와 2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane (1.64g, 8.79mmol)을 천천히 같이 첨가하였다. 0℃에서 2시간 교반 후, 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 용매를 증발시킨 후 MC와 메탄올로 재결정시켜 보라색 고체인 2,5-Bis(2-ocyldodecyl)3,6-bis[5-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxoborolan-2-yl)thiophene-2-yl]-2,5-dihydropyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione (화합물 B)를 1.74 g 수득하였다(수율 : 78 %). Diisopropylamine (700 mg, 6.94 mmol) was added to a 250 mL round flask with 15 mL of THF and slowly injected with n-butyllithium (2.55 mL, 6.38 mmol) at -78 ° C to generate LDA. After stirring for 30 minutes, 30 mL of THF was poured into a vacuum flask containing Compound 2, and the LDA and 2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane (1.64 g, 8.79 mmol) was slowly added together. After stirring at 0 ° C for 2 hours, the organic layer was extracted with chloroform and brine, and the remaining water was removed with anhydrous magnesium sulfate. The solvent was evaporated and recrystallized from MC and methanol to obtain a purple solid 2,5-Bis (2-ocyldodecyl) 3,6-bis [5- (4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxoborolan-2- yl) thiophene- (Yield: 78%) of 5-dihydropyrrolo [3,4-c] pyrrole-1,4-dione (compound B).

1H NMR (300 MHz, CDCl3): δ 8.91 (d, 2H), 7.71 (d, 2H), 4.05 (d, 4H), 1.89 (s, 2H), 1.36 (s, 24H), 1.31-1.16 (m, 64H), 0.86 (m, 12H). 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3): δ 8.91 (d, 2H), 7.71 (d, 2H), 4.05 (d, 4H), 1.89 (s, 2H), 1.36 (s, 24H), 1.31-1.16 (m, 64H), 0.86 (m, 12H).

13C NMR (75 MHz, CDCl3): δ162.17, 140.94, 138.08, 136.58, 136.08, 109.14, 85.01, 46.67, 38.19, 32.35, 32.31, 31.68, 30.45, 30.06, 30.02, 29.95, 29.79, 29.72, 29.35, 29.27, 26.32, 26.30, 24.78, 22.69, 22.57, 14.12.
13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 ): δ 162.17, 140.94, 138.08, 136.58, 136.08, 109.14, 85.01, 46.67, 38.19, 32.35, 32.31, 31.68, 30.45, 30.06, 30.02, 29.95, 29.79, 29.72, 29.35 , 29.27, 26.32, 26.30, 24.78, 22.69, 22.57, 14.12.

[실시예 3] 화합물 C의 제조

Figure 112013012856055-pat00018
[Example 3] Preparation of compound C
Figure 112013012856055-pat00018

N-(2-octyldecyl)thiophen-3-amine (화합물 3) 의 제조Preparation of N- (2-octyldecyl) thiophen-3-amine (Compound 3)

콘덴서가 장착된 둥근 플라스크에 3-bromothiophene(11.023 g, 67.6 mmol), 2-hexyldecan-1-amine (16.3 g, 67.6 mmol), copper(I) iodide (1.3 g, 6.8 mmol)를 각각 첨가한 후, grinded potassium phosphate tribasic (43.0 g, 200 mmol) 를 dimethylaminoethanol (30 ml) 녹여서 첨가하였다. 아르곤 분위기에서 90℃에서 48시간 교반시켰다. 반응이 완료된 후, 남은 고체를 필터 하고 여액을 컬럼크로마토그래피를 통하여 정제 하면 N-(2-hexyldecyl)thiophen-3-amine (화합물 3) 7.7g을 얻었다(수율 : 35.5 %). 3-bromothiophene (11.023 g, 67.6 mmol), 2-hexyldecan-1-amine (16.3 g, 67.6 mmol) and copper (I) iodide (1.3 g, 6.8 mmol) were added to a round flask equipped with a condenser , and grinded potassium phosphate tribasic (43.0 g, 200 mmol) were dissolved in dimethylaminoethanol (30 ml). And the mixture was stirred in an argon atmosphere at 90 DEG C for 48 hours. After the reaction was completed, the remaining solid was filtered and the filtrate was purified by column chromatography to obtain 7.7 g of N- (2-hexyldecyl) thiophen-3-amine (Compound 3) (yield: 35.5%).

1H NMR (300 MHz, CDCl3, ppm): δ 7.13 (dd, 1H), 6.61 (dd, 1H), 5.91 (dd, 2H), 4.05 (d, 2H), 1.89 (s, 1H), 1.31-1.16 (m, 32H), 0.86 (m, 6H).
1 H NMR (300 MHz, CDCl 3, ppm): δ 7.13 (dd, 1H), 6.61 (dd, 1H), 5.91 (dd, 2H), 4.05 (d, 2H), 1.89 (s, 1H), 1.31 -1.16 (m, 32H), 0.86 (m, 6H).

4-(2-octyldecyl)-4H-thieno[3,2-b]pyrrole-5,6-dione (화합물 4) 의 제조Preparation of 4- (2-octyldecyl) -4H-thieno [3,2-b] pyrrole-5,6-dione (Compound 4)

둥근 플라스크에 20 mL 의 dichloromethane 과 oxalyl chloride (2.6 mL, 30 mmol)을 각각 첨가한 후, N-(2-octyldecyl)thiophen-3-amine (화합물 3) (7.7 g, 24 mmol)을 40mL 의 dichloromethane에 희석시켜 0℃에서 천천히 첨가하였다. 30분 교반한 후, triethylamine (6 ml)를 40mL의 dichloromethane에 희석시켜 천천히 첨가한 후, 12 시간 교반시켰다. 반응완료 후, 액체를 컬럼크로마토그래피를 통하여 정제 하면 4-(2-octyldecyl)-4H-thieno[3,2-b]pyrrole-5,6-dione (화합물 4) 5.9 g을 얻었다(수율 : 70 %). (2-octyldecyl) thiophen-3-amine (Compound 3) (7.7 g, 24 mmol) was added to a round-bottomed flask under a nitrogen atmosphere, followed by the addition of 20 mL of dichloromethane and 2.6 mL of oxalyl chloride 0.0 > 0 C. < / RTI > After stirring for 30 minutes, triethylamine (6 ml) was diluted in 40 ml of dichloromethane, slowly added, and stirred for 12 hours. After completion of the reaction, the liquid was purified by column chromatography to obtain 5.9 g of 4- (2-octyldecyl) -4H-thieno [3,2-b] pyrrole-5,6-dione (Compound 4) %).

1H NMR (300 MHz, CDCl3, ppm): δ 8.00 (d, 1H), 6.76 (d, 1H), 4.15 (d, 2H), 1.92 (s, 1H), 1.33-1.12 (m, 32H), 0.91 (t, 3H), 0.86 (t, 3H).
1 H NMR (300 MHz, CDCl 3, ppm): δ 8.00 (d, 1H), 6.76 (d, 1H), 4.15 (d, 2H), 1.92 (s, 1H), 1.33-1.12 (m, 32H) , 0.91 (t, 3H), 0.86 (t, 3H).

(E)-4,4'-bis(2-octyldecyl)-[6,6'-bithieno[3,2-b]pyrrolylidene]- 5,5'(4H,4'H)-dione (화합물 5)의 제조(5) (4H, 4 ' H) -dione (Compound 5) Manufacturing

Lawesson'reagent (1.9 g, 4.72 mmol)을 콘덴서가 장착된 둥근 플라스크에 첨가한 후 4-(2-octyldecyl)-4H-thieno[3,2-b]pyrrole-5,6-dione(화합물 4)와 toluene 20mL를 천천히 첨가하였다. 65℃에서 3시간 교반시시킨 후 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 용매를 증발시킨 후 MC와 메탄올로 재결정시켜 보라색 고체인 (E)-4,4'-bis(2-octyldecyl)-[6,6'-bithieno[3,2-b]pyrrolylidene]- 5,5'(4H,4'H)-dione (화합물 5) 1.238g을 얻었다(수율 : 36.3%).(2-octyldecyl) -4H-thieno [3,2-b] pyrrole-5,6-dione (Compound 4) was added to a round- And 20 mL of toluene were added slowly. After stirring at 65 ° C for 3 hours, the organic layer was extracted with chloroform and brine, and the remaining water was removed with anhydrous magnesium sulfate. The solvent was evaporated and recrystallized from MC and methanol to obtain (E) -4,4'- 1.238 g (yield: 36.3%) of bis (2-octyldecyl) - [6,6'-bithieno [3,2-b] pyrrolylidene] ).

1H NMR (300 MHz, CDCl3, ppm): δ 7.52 (d, J = 5.1 Hz, 2H), 6.78 (d, J = 5.1 Hz, 2H), 4.05 (d, 4H), 1.89 (s, 2H), 1.31-1.16 (m, 64H), 0.91 (t, 6H), 0.86 (t, 6H).
1 H NMR (300 MHz, CDCl 3, ppm): δ 7.52 (d, J = 5.1 Hz, 2H), 6.78 (d, J = 5.1 Hz, 2H), 4.05 (d, 4H), 1.89 (s, 2H ), 1.31-1.16 (m, 64H), 0.91 (t, 6H), 0.86 (t, 6H).

(E)-2,2'-bis[5-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxoborolan-2-yl)-4,4'-bis(2-octyldecyl)-[6,6'-bithieno[3,2-b]pyrrolylidene]-5,5'(4H,4'H)-dione (화합물 C) 의 제조(E) -2,2'-bis [5- (4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxoborolan-2-yl) -4,4'-bis (2-octyldecyl) - [ Preparation of 6,6'-bithieno [3,2-b] pyrrolylidene] -5,5 '(4H, 4'H) -dione (Compound C)

250 mL 둥근플라스크에 Diisopropylamin (700mg, 6.94 mmol)을 THF 15mL 와 함께 첨가한 후 -78℃에서 n-butyllithium (2.55mL, 6.38mmol)을 천천히 첨가하여 LDA를 생성시키기위해 30분 교반시켰다. 화합물 C가 들어있는 진공상태의 둥근 플라스크에 THF 30mL를 주입하여 녹인 후, 앞서 제조한 LDA 와 2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane (1.64g, 8.79mmol)을 천천히 같이 첨가하였다. 0℃에서 2시간 교반한 후, 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 용매를 증발시킨 후 MC와 메탄올로 재결정시켜 보라색 고체인(E)-2,2'-bis[5-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxoborolan-2-yl)-4,4'-bis(2-octyldecyl)-[6,6'-bithieno[3,2-b]pyrrolylidene]-5,5'(4H,4'H)-dione (화합물 C) 1.74g을 얻었다(수율 : 78 %). Diisopropylamine (700 mg, 6.94 mmol) was added along with 15 mL of THF to a 250 mL round flask, and n-butyllithium (2.55 mL, 6.38 mmol) was added slowly at -78 ° C to stir the mixture for 30 minutes to produce LDA. In a vacuum round flask containing Compound C, 30 mL of THF was injected and dissolved. The LDA thus prepared and 2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane (1.64 g, 8.79 mmol) were slowly added together. After stirring at 0 ° C for 2 hours, the organic layer was extracted with chloroform and brine, and the remaining water was removed with anhydrous magnesium sulfate. The solvent was evaporated and recrystallized from MC and methanol to obtain (E) -2,2'- bis [5- (4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxoborolan-2-yl) -4,4'-bis (2-octyldecyl) - [6,6'-bithieno [ 2-b] pyrrolylidene] -5,5 '(4H, 4'H) -dione (Compound C) (yield: 78%).

1H NMR (300 MHz, CDCl3): δ 6.81 (s, 2H), 4.05 (d, 4H), 1.89 (s, 2H), 1.36 (s, 24H), 1.31-1.16 (m, 64H), 0.91 (t, 6H), 0.86 (t, 6H).
1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ):? 6.81 (s, 2H), 4.05 (d, 4H), 1.89 (s, 2H), 1.36 (t, 6H), 0.86 (t, 6H).

[실시예 4] 유기반도체 화합물(고분자 1)의 제조 [Example 4] Production of organic semiconductor compound (polymer 1)

Figure 112013012856055-pat00019
Figure 112013012856055-pat00019

콘덴서가 장착된 둥근 플라스크에 진공 처리하여 수분 및 산소를 제거한 후실시예 1에서 제조된 화합물 A (300 mg)과 실시예 2 와 3 에서 제조된 화합물 B (300 mg)를 첨가하고 여기에 무수 톨루엔 (10 mL)을 가하여 녹였다. Pd2(dba)3와 P(o-tolyl)3촉매 (10mg, 0.03eq)를 무수 톨루엔 각각 1 mL 에 녹여 첨가하였다. K2CO3를 2M 농도로 녹인 수용액 (1mL)을 첨가한 후, aliquit 336 2방울을 주입하였다. 150℃에서 48시간 교반시킨 후, 반응이 완료되면 생성된 고체를 클로로포름에 녹여 플로리실(Florisil)로 컬럼하여 촉매를 제거하고 메탄올에 재결정하여 보라색 고체를 얻은 후, 얻어진 고체를 메탄올과 아세톤을 사용하여 추출기(Soxhlet)로 정제하여 고분자 화합물 1을 얻었다. (300 mg) prepared in Example 1 and the compound B (300 mg) prepared in Examples 2 and 3 were added to a round-bottomed flask equipped with a condenser to remove moisture and oxygen. Then, toluene anhydride (10 mL). Pd 2 (dba) 3 and P (o-tolyl) 3 catalyst (10 mg, 0.03 eq) were dissolved in 1 mL each of anhydrous toluene. An aqueous solution (1 mL) in which K 2 CO 3 was dissolved at a concentration of 2 M was added and 2 drops of aliquit 336 were injected. After completion of the reaction, the resulting solid was dissolved in chloroform, and the solid was collected by filtration to remove the catalyst. The precipitate was recrystallized in methanol to obtain a purple solid. The resulting solid was dissolved in methanol and acetone And purified by an extractor (Soxhlet) to obtain Polymer Compound 1.

Mw:19,000 Mn:22,000 PDI=2.2 Td(oC)=395Mw: 19,000 Mn: 22,000 PDI = 2.2 T d (o C) = 395

제조된 고분자는 상온에서 일반적인 유기용매인 클로로포름과 THF 및 톨루엔에 잘 용해되었으며, 얻어진 고분자의
The prepared polymer was well dissolved in chloroform, THF and toluene, which are common organic solvents at room temperature.

[실시예 5] 유기반도체 화합물 (고분자 2)의 제조[Example 5] Production of organic semiconductor compound (polymer 2)

실시예 4에서 화합물 B대신 C를 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 실시하여 고분자 2를 얻었다. 제조된 고분자 2 또한 상온에서 일반적인 유기용매인 클로로포름과 THF 및 톨루엔에 잘 용해되었다.Polymer 2 was obtained in the same manner as in Example 4, except that C was used in place of the compound B in Example 4. The prepared polymer 2 was also dissolved well in chloroform, THF and toluene, which are general organic solvents, at room temperature.

Mw:12,000 Mn:28,000 PDI=2.3 Td(oC)=435
Mw: 12,000 Mn: 28,000 PDI = 2.3 T d (o C) = 435

실시예 4와 5에서 제조된 고분자 1과 2의 열중량분석(TGA)곡선을 도 2에 나타내었으며, 도 2에서 보이는 바와같이 본 발명의 유기반도체 화합물인 고분자 1과 2는 열적으로 매우 안정한 것을 알 수 있다.The thermogravimetric analysis (TGA) curves of the polymers 1 and 2 prepared in Examples 4 and 5 are shown in FIG. 2. As shown in FIG. 2, the polymers 1 and 2, which are the organic semiconductor compounds of the present invention, Able to know.

또한 실시예 4와 5에서 제조된 고분자 1과 2를 클로로포름 또는 클로로벤젠과 같은 유기용매에 용해시켜, 용액상태와 고체 필름상태의 UV 흡수 스펙트럼를 측정하여 도 4와 도 5에 나타내었다.In addition, the polymers 1 and 2 prepared in Examples 4 and 5 were dissolved in an organic solvent such as chloroform or chlorobenzene, and UV absorption spectra in a solution state and a solid film state were measured and shown in FIG. 4 and FIG.

도 4에서 보이는 바와 같이 실시예 4와 5에서 제조된 고분자 1과 2를 용액상태의 UV 흡수 스펙트럼에서 고분자 1이 462, 616; 고분자 2가 386, 598nm의 두 개의 큰 흡수 스펙트럼을 나타내었는데, 첫 번째 흡수 스펙트럼은 π-π transition 의 흡수 스펙트럼이고 두 번째 흡수 스펙트럼은 전자 주게 단량체와 전자 받게 단량체 사이의 internal molecule charge transfer(ICT) 스펙트럼을 의미한다. As shown in FIG. 4, in the UV absorption spectra of the polymers 1 and 2 prepared in Examples 4 and 5 in a solution state, the polymer 1 was found to be 462, 616; Polymer 2 exhibited two large absorption spectra of 386 and 598 nm. The first absorption spectrum is the absorption spectrum of the π-π transition and the second absorption spectrum is the internal molecule charge transfer (ICT) between the electron- Spectrum.

또한 도 5에 나타낸 바와 같이 실시예 4와 5에서 제조된 고분자의 필름상태의 UV 흡수 스펙트럼에서 고분자 1이 403, 614; 고분자 2가 462, 639 nm에서 최대 흡수를 보였다. 이 스펙트럼결과 약 30nm정도 적색-편이현상(red-shift)을 보였다. 용액상태일 때 분자들이 넓은 범위에 걸쳐 분포 되어있고 비교적 자유롭게 움직일 수 있지만, 고체 필름상태일 경우에는 각각의 그룹들의 응집(aggregation)경향 현상으로부터 나타난 결과라고 추정된다. 이와같이 필름상태에서의 흡수 스펙트럼을 이용하여 밴드갭을 계산해 본 결과 (bandgap = 1240/λedge) 고분자 1,2가 각각 1.4, 1.55 eV 의 밴드갭을 나타내었다. 5, in the UV absorption spectra of the films of the polymers prepared in Examples 4 and 5, Polymer 1 was observed at 403, 614; Polymer 2 showed maximum absorption at 462 and 639 nm. This spectral result showed a red-shift of about 30 nm. It is presumed that the molecules are distributed over a wide range in the solution state and move comparatively freely, but in the case of the solid film state, the aggregation tendency phenomenon of the respective groups. The band gaps were calculated using the absorption spectrum in the film state (bandgap = 1240 / λ edge ) and the polymer 1 and 2 showed band gaps of 1.4 and 1.55 eV, respectively.

또한 도 5와 도 6에 나타낸 바와 같이 순환전압전류법(Cyclic Voltammertry)으로 측정하여 물질의 HOMO 레벨을 구하였다. Ferrocene/Ferrocenium redox system (-4.8V)을 기준(Reference)으로 고체 필름상태에서 측정하였고 HOMO 레벨은 고분자 1,2가 각각 -5.23, -5.26 eV로 계산되었고, 이를 UV 흡수 스펙트럼에서 계산된 밴드갭과의 차로 각 고분자의 LUMO 에너지 레벨을 계산해 본 결과, 각각 -3.83, -3.71 eV 로 계산되었다.
5 and 6, the HOMO level of the substance was measured by cyclic voltammetry. Ferrocene / Ferrocenium redox system (-4.8V) was measured in the solid film state as a reference. The HOMO levels of the polymers 1 and 2 were calculated to be -5.23 and -5.26 eV, respectively, and the bandgap calculated from the UV absorption spectrum The LUMO energy level of each polymer was calculated to be -3.83 and -3.71 eV, respectively.

[실시예 6] 유기태양전지 소자의 제작 [Example 6] Fabrication of organic solar cell device

실시예 4와 5에서 제조된 고분자 1, 2 을 새로운 전자 주게 재료로 사용하여 제작한 유기태양전지 소자의 광기전력 특성을 알아보고자 [ITO/PEDOT:PSS/유기반도체 화합물(고분자 1, 2)+PCBM(C70)/Ca/Al]구조의 유기태양전지소자를 제작하였다. 먼저 깨끗하게 세척한 ITO(Indium tin oxide) 글라스 위에 UV-O3를 처리 한 후, PEDOT:PSS층을 47nm두께로 스핀코팅하였다. 각 고분자 1, 2와 PCBM(C70)을 다이클로로벤젠(다이클로로벤젠에 대해 3 Vol% diiodooctane 포함)에 1 : 1 (중량비)으로 첨가한 후 두 물질의 충분한 혼합을 위하여 50℃로 24시간 동안 교반하여 유기반도체 화합물 혼합액을 제조하였다. 장갑상자(Glove box, Ar gas)안에서 PEDOT:PSS를 코팅한 유리 기판을 140℃로 10분간 베이킹(baking)하여 100nm의 EBL층을 형성하였다. 상기 유기반도체 화합물 혼합액을 상기 EBL층상에 스핀코팅하고 다시 120℃로 10분간의 열처리를 하여 100nm의 광활성층을 형성한 후, Ca(2.0nm)/Al(104nm)로 고온 증착하였다. 제작된 유기태양전지소자의 광전기력 특성을 조사하기 위하여 솔라 시뮬레이터(Solar simulator)와 복사풀력계(radiant power meter)를 사용하여 AM 1.5 조건의 100mW 태양광을 생성하였고, 1kW solar simulator (Newport 91192)을 사용하여 유기태양전지 소자의 전류밀도-전압(Current density-voltage)특성을 측정하였고 그 결과를 도 9에 도시하였다. (ITO / PEDOT: PSS / organic semiconductor compound (polymer 1, 2) + (organic compound)), which was prepared by using the polymers 1 and 2 prepared in Examples 4 and 5 as a new electron donor material, PCBM (C 70 ) / Ca / Al] structure was fabricated. First, the cleaned ITO (Indium Tin Oxide) glass was treated with UV-O 3 , and then the PEDOT: PSS layer was spin-coated to a thickness of 47 nm. Each polymer 1, 2 and PCBM (C70) were added to dichlorobenzene (3 Vol% diiodooctane with respect to dichlorobenzene) at a ratio of 1: 1 (weight ratio), followed by heating at 50 ° C for 24 hours Followed by stirring to prepare an organic semiconductor compound mixture. A glass substrate coated with PEDOT: PSS in a glove box (Ar gas) was baked at 140 ° C for 10 minutes to form a 100 nm EBL layer. The organic semiconductor compound mixture solution was spin-coated on the EBL layer, and further heat-treated at 120 ° C for 10 minutes to form a photoactive layer having a thickness of 100 nm, followed by high-temperature deposition with Ca (2.0 nm) / Al (104 nm). In order to investigate the photovoltaic characteristics of the fabricated organic solar cell device, a solar simulator and a radiant power meter were used to generate 100 mW photovoltaic cells under AM 1.5 conditions, and a 1 kW solar simulator (Newport 91192) The current density-voltage characteristics of the organic solar cell were measured using the photolithography method and the results are shown in FIG.

도 9에서 보이는 바와 같이 모든 소자가 단락전류의 값에 비하여 높은 개방전압 값을 보였는데, 이는 낮은 HOMO energy level을 나타내는 고분자 1과 고분자 2의 특성상 나타내는 결과라고 예측 할 수 있다. As shown in FIG. 9, all of the devices showed a higher open-circuit voltage value than the short-circuit current value, which can be predicted as a result of the characteristics of the polymer 1 and the polymer 2 exhibiting a low HOMO energy level.

또한 도 9에서 보이는 바와 같이 고분자 1과 2는 13mA/cm2 를 뛰어넘는 매우 우수한 단락전류를 나타내었는데, 이는 평평한 구조를 가지는 페릴렌 단위에 의한 파이-파이 stacking 에 의한 결과라고 할 수 있다. 높은 전자와 정공이동도가 우수한 단락전류 값을 나타내는 요인이라고 할 수 있다. Also, as shown in Figure 9, Polymers 1 and 2 exhibited very good short-circuit currents exceeding 13 mA / cm 2 , a result of pi-pile stacking with perylene units having a flat structure. High electron and hole mobility can be said to be factors representing the short circuit current value.

상기 실시예 4와 실시예 5에서 제조된 유기 반도체 화합물인 고분자 1과 고분자 2를 광활성층으로 함유한 실시예 6에서 제조한 유기태양전지소자의 전기적 특성을 하기 표 1에 나타내었다. 즉, Voc(open circuit voltage), JSC(short-circuit current density), FF(fill factor), 및 에너지 변환 효율(η, overall conversion efficiency)의 광전 파라미터(photovoltaic parameter)들을 표 1에 정리 도시하였다.
Table 1 shows the electrical characteristics of the organic solar cell device prepared in Example 6, which contains the polymer 1 and the polymer 2, which are the organic semiconductor compounds prepared in Examples 4 and 5, as the photoactive layer. That is, the photovoltaic parameters of V oc (open circuit voltage), short-circuit current density (J SC ), fill factor (FF), and overall conversion efficiency (η) Respectively.

유기반도체 화합물Organic semiconductor compound Voc(V)V oc (V) Jsc(mA/cm2)J sc (mA / cm 2 ) FFFF PCE(%)PCE (%) 고분자 1Polymer 1 0.780.78 13.3113.31 0.640.64 6.686.68 고분자 2Polymer 2 0.770.77 13.1513.15 0.610.61 6.236.23

상기 표 1에서 보이는 바와 같이 고분자 1, 2는 70% 에 근접한 fill factor를 나타내는데 이 또한 페릴렌에 의한 효과라고 설명 할 수 있으며, 일반적으로 유기 태양전지에서 많이 이용되고 있는 P3HT 의 경우 60% 가 넘는 뛰어난 fill factor 값을 나타내는데 이는 비결정질 고분자가 아닌 결정성을 나타내는 고분자에게 나타나는 현상이라고 설명할 수 있다. 본 발명의 유기반도체 화합물인 고분자 1 과 2를 광활성층의 전자주개로 사용할 시 높은 효율을 갖는 우수한 유기태양전지를 얻을 수 있다.
As shown in Table 1, polymers 1 and 2 exhibit a fill factor close to 70%, which is also an effect of perylene. In general, P3HT, which is widely used in organic solar cells, It shows excellent fill factor value, which can be explained as a phenomenon that occurs in polymers showing crystallinity rather than amorphous polymers. When the polymers 1 and 2, which are the organic semiconductor compounds of the present invention, are used as electron spots of the photoactive layer, excellent organic solar cells having high efficiency can be obtained.

[실시예 7] 유기박막트랜지스터 (OTFT) 소자의 제작 [Example 7] Fabrication of organic thin film transistor (OTFT) device

실시예 4와 5에서 합성된 고분자 1, 2 을 p형 활성층 고분자로 이용하여 소자를 제작하였다. 전하 수송체의 전계 이동도를 측정하기 위해, 유기박막트랜지스터(OTFT)를 하부전극법(bottom contact geometry; channel length L =12

Figure 112013012856055-pat00020
m, width W = 120
Figure 112013012856055-pat00021
m )을 이용하여 질소하에서 제작하였다. 300 nm의 n-도핑된 실리콘 웨이퍼를 기판/게이트 전극으로, 열적으로 성장된 SiO2 유전체 막(200 nm)과 함께 사용하였다. 반도체 활성층을 0.5 wt % 클로로벤젠 용액으로 스핀코팅하였다. 다음, 금 소스/드레인 전극 쌍을 쉐도우 마스크를 통해 진공 증발((at ~10-7 torr)에 의해 두께 50 nm로 열적으로 증착하였다. 채널의 길이는 12 μm 이며 폭은 120 μm이다. 고분자의 TFT 소자들은 전형적인 p-채널 트랜지스터 특징을 보였다. The devices 1 and 2 synthesized in Examples 4 and 5 were used as a p-type active layer polymer. In order to measure the electric field mobility of the charge transporting body, an organic thin film transistor (OTFT) was fabricated by bottom electrode geometry (channel length L = 12
Figure 112013012856055-pat00020
m, width W = 120
Figure 112013012856055-pat00021
m) under nitrogen. A 300 nm n-doped silicon wafer was used as a substrate / gate electrode with a thermally grown SiO 2 dielectric film (200 nm). The semiconductor active layer was spin-coated with 0.5 wt% chlorobenzene solution. Next, a pair of gold source / drain electrodes was thermally deposited to a thickness of 50 nm by vacuum evaporation (at ~ 10 -7 torr) through a shadow mask. The channel length was 12 μm and the width was 120 μm. TFT devices showed typical p -channel transistor characteristics.

하기 표 2에 TFT 특성들을 요약하였다 (output curves in ESI†). Table 2 below summarizes the TFT characteristics (output curves in ESI †).

전계이동도는 다음 식을 이용하여 포화영역 regime에서 산출하였다. 즉, 포화영역(saturation region) 전류식으로부터 (Ids)1/2 과 Vgs를 변수로 한 그래프를 얻고 그 기울기로부터 구하였다.The electric field mobility was calculated from the saturation regime using the following equation. That is, a graph was obtained from the saturation region current equation (I ds ) 1/2 and V gs as variables and the slope was obtained.

Ids = (W/2L)

Figure 112013012856055-pat00022
Ci (Vgs - Vth)2 I ds = (W / 2L)
Figure 112013012856055-pat00022
C i (V gs - V th ) 2

상기 식에서, In this formula,

Ids는 포화 영역에 있어서 드레인-소스 전류; I ds is the drain-source current in the saturation region;

W와 L은 각각 channel width와 length; W and L are the channel width and length, respectively;

Figure 112013012856055-pat00023
는 전계이동도;
Figure 112013012856055-pat00023
The electric field mobility;

Ci는 절연막의 단위 면적당 용량(capacitance per unit area of the insulating layer); C i is the capacitance per unit area of the insulating layer;

Vgs 와 Vth 는 각각 게이트 및 바닥 전압을 나타낸다. V gs and V th represent gate and bottom voltages, respectively.

도 6과 도 7은 본 발명의 고분자1과 2의 transfer curve를 나타내었다. 6 and 7 show transfer curves of the polymers 1 and 2 of the present invention.

도 6, 도 7 및 상기 표 2에서 나타낸 바와 고분자 1의 경우 10 -2 cm2/Vs 의 이동도를 나타내었는데, 이는 유기 태양전지에서 높은 단락전류 값을 나타내는 결정적인 요인을 한다는 것을 알 수 있다. 이러한 높은 정공이동도를 나타내는 결과는 평평한 구조의 페릴렌 단위의 도입을 통하여 분자와 분자사이이의 π-π stacking 이 잘됨에 따라 전자와 정공이 원활하게 이동한다는 것을 확인 할 수 있는 결과이다.6 and 7 and the polymer 1 shown in Table 2 exhibited mobility of 10 -2 cm 2 / Vs, which is a decisive factor for the high short-circuit current in organic solar cells. The results of this high hole mobility show that electrons and holes move smoothly due to the π-π stacking between molecules and molecules through the introduction of perylene units of flat structure.

도 13은 실시예 4에서 합성된 고분자 1의 2D-GIXS (Two-dimensional grazing incidence X-ray scattering) 결과이다. 필름상태에서 상온, 100℃, 150℃에서 각각 1시간씩 열처리를 한 후, 측정 해 본 결과 도 13의 (a) 와 같은 이미지를 얻을 수 있었다. 상온에서는 qz = 0.28 A-1 의 (100) reflection을 관찰 할 수 있었고, 이에 해당하는 interlayer domain spacing (d1) 은 2.24 nm 였다. 13 is a result of 2D-GIXS (Two-dimensional grazing incidence X-ray scattering) of Polymer 1 synthesized in Example 4. Fig. The films were subjected to heat treatment at room temperature, 100 ° C, and 150 ° C for 1 hour, respectively, and then the images as shown in FIG. 13 (a) were obtained. At room temperature, (100) reflection of qz = 0.28 A -1 was observed, and the corresponding interlayer domain spacing (d1) was 2.24 nm.

특히 100℃에서는 (100) 의 reflection intensity 가 더 증가 하였고, (200) reflection 까지 관찰할 수 있었으며, 150℃에서는 (100), (200) 의 reflection intensity 는 보다 증가 하고 작은 intensity지만 (300 의 reflection peak 까지 관찰 할 수 있었다. 이는 열처리에 따라 고분자 1의 결정성이 보다 좋아진다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 유기반도체 화합물이 함유하는 유기전자소자는 매우 높은 효율을 가질 수 있다.Especially, at 100 ℃, (100) reflection intensity was increased and (200) reflection was observed. At 150 ℃, the reflection intensity of (100) It can be seen that the crystallinity of the polymer 1 is improved by the heat treatment. Therefore, the organic electronic device containing the organic semiconductor compound according to the present invention can have a very high efficiency.

또한 qxy = 1.37 A-1에서 (010) (d010=0.46nm) reflection을 관찰 할 수 있는데, 이와 같은 결과는 도 14에 나타낸 바와 같이 고분자 1가 굉장히 뛰어난 라멜라 결정 구조를 형성하고, domain 과 domain 간의 pi-pi interaction 이 우수하여 (010) reflection까지 관측 할 수 있었다. 또한 도 14와 같은 edge-on 상태의 고분자의 경우 기판과 수직방향으로 배열되어 있어, OTFT에서도 뛰어난 이동도를 나타낼 수 있다.There could also be observed (010) (d 010 = 0.46nm ) reflection in qxy = 1.37 A -1, and this result is to form a high molecular lamella crystal structure 1 extremely excellent as shown in Fig. 14, domain and domain (010) reflections were observed due to the excellent pi-pi interaction between them. Also, in the case of the edge-on state polymer as shown in FIG. 14, it is arranged in the direction perpendicular to the substrate, and it can exhibit excellent mobility even in the OTFT.

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 하기 화학식 2 또는 하기 화학식 3로 표시되는 유기반도체 화합물.
[화학식 2]
Figure 112014096882619-pat00029

[화학식 3]
Figure 112014096882619-pat00030

[상기 화학식 2 또는 3에서,
Z는 S, O 또는 Se이며;
R′ 또는 R"는 수소 또는 C1-C30알킬기이며;
R11 또는 R12는 서로 독립적으로, 수소, 할로겐, C1-C30알킬기, C1-C30알콕시 또는 C6-C30아르C1-C30알킬이며;
R′과 R"의 알킬과 R11 내지 R12의 알킬기, 알콕시 및 아르알킬은 C1-C30알킬, C2-C30알케닐, C2-C30알키닐, C1-C30알콕시, 아미노기, 하이드록시기, 할로겐기, 사이아노기, 나이트로기, 트리플루오로메틸기 및 실릴기로 선택되는 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있으며;
n는 1 내지 2000의 정수이며;
o와 p는 1 내지 2의 정수이다.]
An organic semiconductor compound represented by the following general formula (2) or (3)
(2)
Figure 112014096882619-pat00029

(3)
Figure 112014096882619-pat00030

[In the above formula (2) or (3)
Z is S, O or Se;
R 'or R "is hydrogen or a C 1 -C 30 alkyl group;
R 11 or R 12 are independently, hydrogen, halogen, C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy or C 6 -C 30 ahreu C 1 -C 30 alkyl, and each other;
The alkyl of R 'and R "and the alkyl, alkoxy and aralkyl of R 11 to R 12 are selected from C 1 -C 30 alkyl, C 2 -C 30 alkenyl, C 2 -C 30 alkynyl, C 1 -C 30 alkoxy , An amino group, a hydroxyl group, a halogen group, a cyano group, a nitro group, a trifluoromethyl group and a silyl group;
n is an integer from 1 to 2000;
o and p are integers of 1 to 2.]
제 3항에 있어서,
R′ 또는 R"는 C10-C30알킬기이며;
R11 또는 R12는 서로 독립적으로, 수소, 또는 C1-C30알킬기인 유기반도체 화합물.
The method of claim 3,
R 'or R "is C 10 -C 30 alkyl group;
R 11 or R 12 are independently of each other hydrogen, or a C 1 -C 30 alkyl group.
제 3항에 있어서,
상기 화학식 1은 하기 구조식에서 선택되는 것인 유기반도체 화합물.
Figure 112014096882619-pat00031

Figure 112014096882619-pat00053

Figure 112014096882619-pat00033

Figure 112014096882619-pat00054
The method of claim 3,
(1) is selected from the following structural formulas.
Figure 112014096882619-pat00031

Figure 112014096882619-pat00053

Figure 112014096882619-pat00033

Figure 112014096882619-pat00054
하기 화학식 11과 하기 화학식 12를 반응시켜 하기 화학식 1로 표시되는 유기반도체 화합물의 제조방법.
[화학식 1]
Figure 112014096882619-pat00035

[화학식 11]
Figure 112014096882619-pat00036

[화학식 12]
P-A-P
[상기 화학식 1, 11 및 12에 있어서,
A는 C6-C30아릴렌 또는 C3-C30헤테로아릴렌이며;
R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, C1-C30알킬기, C1-C30알콕시기, C1-C30알킬티오기 또는 C6-C30아르C1-C30알킬기이며, 상기 알킬, 아르알킬은 C1-C30알킬, C2-C30알케닐, C2-C30알키닐, C1-C30알콕시, 아미노기, 하이드록시기, 할로겐기, 사이아노기, 나이트로기, 트리플루오로메틸기 및 실릴기로 선택되는 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있으며;
X는 할로겐이며;
P는
Figure 112014096882619-pat00037
, B(OR21)2, B(OH)2 또는 Sn(R22)(R23)(R24)이며, R21 내지 R24는 C1-C30알킬이며;
n는 1 내지 2000의 정수이다.]
A process for preparing an organic semiconductor compound represented by the following formula (1):
[Chemical Formula 1]
Figure 112014096882619-pat00035

(11)
Figure 112014096882619-pat00036

[Chemical Formula 12]
PAP
[In the formulas (1), (11) and (12)
A is C 6 -C 30 arylene or C 3 -C 30 heteroarylene;
R 1 and R 2 are independently a hydrogen, C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy group, C 1 -C 30 alkylthio import or C 6 -C 30 ahreu C 1 -C 30 alkyl groups to each other, wherein Alkyl, aralkyl is C 1 -C 30 alkyl, C 2 -C 30 alkenyl, C 2 -C 30 alkynyl, C 1 -C 30 alkoxy, an amino group, a hydroxyl group, a halogen group, a cyano group, Which may be further substituted with one or more substituents selected from halogen, trifluoromethyl, and silyl groups;
X is halogen;
P is
Figure 112014096882619-pat00037
, B (OR 21 ) 2 , B (OH) 2 or Sn (R 22 ) (R 23 ) (R 24 ); R 21 to R 24 are C 1 -C 30 alkyl;
and n is an integer of 1 to 2000.]
제 6항에 있어서,
상기 화학식 11은 하기 화학식 13에 할로겐을 반응시켜 제조되는 것인 제조방법.
[화학식 13]
Figure 112014096882619-pat00038

[상기 화학식 13에 있어서,
R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, C1-C30알킬기, C1-C30알콕시기, C1-C30알킬티오기 또는 C6-C30아르C1-C30알킬기이며, 상기 알킬, 아르알킬은 C1-C30알킬, C2-C30알케닐, C2-C30알키닐, C1-C30알콕시, 아미노기, 하이드록시기, 할로겐기, 사이아노기, 나이트로기, 트리플루오로메틸기 및 실릴기로 선택되는 하나 이상의 치환기로 더 치환될 수 있다.]
The method according to claim 6,
Wherein the formula (11) is prepared by reacting a halogen represented by the following formula (13).
[Chemical Formula 13]
Figure 112014096882619-pat00038

[In the formula (13)
R 1 and R 2 are independently a hydrogen, C 1 -C 30 alkyl, C 1 -C 30 alkoxy group, C 1 -C 30 alkylthio import or C 6 -C 30 ahreu C 1 -C 30 alkyl groups to each other, wherein Alkyl, aralkyl is C 1 -C 30 alkyl, C 2 -C 30 alkenyl, C 2 -C 30 alkynyl, C 1 -C 30 alkoxy, an amino group, a hydroxyl group, a halogen group, a cyano group, A trifluoromethyl group, and a silyl group.]
제 7항에 있어서,
반응은 90 ~ 120℃에서 4 ~ 20시간동안 수행되는 것인 제조방법.
8. The method of claim 7,
And the reaction is carried out at 90 to 120 DEG C for 4 to 20 hours.
제 3항 내지 제 5항에서 선택되는 어느 한항에 따른 유기반도체 화합물을 포함하는 유기전자소자.An organic electronic device comprising an organic semiconductor compound according to any one of claims 3 to 5.
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