KR101743252B1 - Diketopyrrolopyrrole-based terpolymer for active layer of polymer solar cell or transistor and manufacturing method of the same - Google Patents

Diketopyrrolopyrrole-based terpolymer for active layer of polymer solar cell or transistor and manufacturing method of the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 디케토피롤로피롤계 화합물, 셀레노펜 및 티오펜으로 구성된 삼원공중합체 및 이의 합성방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 디케토피롤로피롤계 화합물과 셀레노펜(Se) 및 티오펜(Th)의 2개의 상이한 전자 풍부단위를 포함하는 신규한 삼원공중합체 및 이의 합성방법이 확인되었다. 셀레노펜과 티오펜의 함유 비유을 적절히 하여 중합체의 결정성을 조절함으로써 BHJ블렌드 형태를 최적화하고 높은 전화 이동도를 나타내어 태양전지 및 트랜지스터와 같은 유기 전자 소재의 성능을 향상시킬 수 있다.
The present invention relates to a ternary copolymer comprising a diketopyrrolopyrrole compound, selenophene and thiophene and a process for their synthesis.
According to the present invention, novel tertiary copolymers containing two different electron-rich units of diketopyrrolopyrrole-based compounds and selenophene (Se) and thiophene (Th) and a method of synthesizing them have been confirmed. By adjusting the crystallinity of the polymer by appropriately adjusting the content of selenophene and thiophene, it is possible to optimize the BHJ blend shape and exhibit high telephone mobility, thereby improving the performance of organic electronic materials such as solar cells and transistors.

Description

고분자 태양전지 또는 트랜지스터의 활성층용 디케토피롤로피롤계 삼원공중합체 및 이의 제조방법 {Diketopyrrolopyrrole-based terpolymer for active layer of polymer solar cell or transistor and manufacturing method of the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a diketopyrrolopyrrole-based terpolymer for an active layer of a polymer solar cell or a transistor and a method for manufacturing the same.

본 발명은 태양전지 또는 트랜지스터의 활성층용 저 밴드갭 중합체에 관한 것으로, 구체적으로 결정성과 용해성 사이의 균형을 이룰 수 있도록 구성성분 비율을 조절하여 중합체 특성을 최적화 시킨 활성층용 삼원공중합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a low-band-gap polymer for an active layer of a solar cell or a transistor, and more specifically, to a ternary copolymer for an active layer in which polymer properties are optimized by adjusting the proportion of constituent components so as to achieve balance between crystallinity and solubility, .

전자 풍부 단위(electron rich unit)(D)-전자 결핍 단위(electron-deficient unit)(A) 교대 저 밴드갭 중합체(alternating low bandgap polymer)의 발전이 단일 접합 고분자 태양전지(polymer solar cells; PSCs) 내에서 PSCs의 전력 변환 효율(power conversion efficiency; PCE)을 8 - 9%까지 개선시키는 주요 원동력이 되어왔다. 그러나, 상용화를 위한 10% 초과의 이론 PCEs를 갖는 PSCs를 달성하기 위해, 공액 중합체(conjugated polymer)의 추가적인 발전이 필수적이다. 고효율 전자 도너(electron donor)를 설계하기 위하여, 광흡수능, 에너지 수준, 전하 이동도(charge mobility), 및 용해성을 포함하는, 중합체의 몇몇의 중요한 특성들이 동시에 고려되고 최적화되어야 한다(Zhou, H. et al., Macromolecules 2012, 45, 607; Lee, W. et al., Macromolecules 2014, 47, 1604; Ye, L. et al., Acc. Chem. Res. 2014, 47, 1595; Xu, T. et al., Mater. Today 2014, 17, 11; Facchetti, A. Chem. Mater. 2011, 23, 733; Cheng, Y.-J. et al., Chem. Rev. 2009, 109, 5868; Li, Y. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 723; Bundgaard, E. et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2007, 91, 954). 최근, 공액 주쇄(conjugated backbone) 내의 3 개의 상이한 단위로 구성된 랜덤 삼원공중합체(terpolymer)가 효율적인 전자 도너로서 유망한 후보이다. 왜냐하면, D-A 교대 중합체에 제3성분을 첨가하는 것이 상기 언급된 다양한 중요한 특성들에 시너지 효과를 가져올 수 있기 때문이다(Kang, T. E. et al., Macromolecules 2013, 46, 6806; Chao, Y. I. H. et al., Adv. Mater. 2014, 26, 5205; Kang, T. E. et al., J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15252; Chang, W.-H. et al., Adv. Energy Mater. 2014, 4, DOI:10.1002/aenm.201300864; Jiang, J.-M. et al., Polym. Chem. 2013, 4, 5321; Jung, J. W. et al., Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3301; Fang, L. et al. Chem. Mater. 2013, 25, 4874).Electron rich units (D) - Electron-deficient units (A) Alternating low bandgap polymers have been developed for single polymer solar cells (PSCs) The power conversion efficiency (PSE) power conversion efficiency (PCE) of PSCs has been enhanced to 8 - 9%. However, in order to achieve PSCs with a theoretical PCEs of more than 10% for commercialization, further development of conjugated polymers is essential. In order to design a high-efficiency electron donor, several important properties of the polymer, including light absorption capacity, energy level, charge mobility, and solubility, must be simultaneously considered and optimized (Zhou, H. et al. et al ., Macromolecules 2012, 45, 607; Lee, W. et al ., Macromolecules 2014, 47, 1604; Ye, L. et al ., Acc. Chem. Res 2014, 47, 1595; Li et al ., Chem. Rev. 2009, 109, 5868, Li, Y.-J. et al ., Mater. Today 2014, 17, 11; Facchetti, A. Chem. Y. Acc. Chem. Res., 2012, 45, 723, Bundgaard, E. et al ., Sol . Recently, random terpolymers composed of three different units in a conjugated backbone are promising candidates as efficient electron donors. This is because adding the third component to the DA alternating polymer can bring synergy effects to the various important properties mentioned above (Kang, TE et al ., Macromolecules 2013, 46, 6806; Chao, YIH et al . , Adv. Mater . 2014, 26, 5205; Kang, TE et al ., J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15252; Chang, W.-H. et al ., Adv. Energy Mater. , DOI: 10.1002 / aenm.201300864; Jiang, J.-M. et al ., Polym. Chem., 2013, 4, 5321; Jung, JW et al ., Energy Environ. L. et al. Chem. Mater. 2013, 25, 4874).

저 밴드갭 중합체의 다양한 특성들 중, 활성층의 결정성과 용해성이 PSCs의 전기적 특성 및 가공성을 결정하기 때문에, PSCs의 효율에 중대하게 영향을 끼치는 매우 중요한 변수이다. 디케토피롤로피롤(diketopyrrolopyrrole; DPP) 계 교대 중합체는, 유기 전계 효과 트랜지스터(organic field-effect transistors; OFETs) 및 PSCs에서 높은 전하 이송 능력 및 고성능을 초래하는 우수한 결정 특성으로 인해 큰 이목을 끌어왔다(Kim, J.-H. et al., J. Mater. Chem. A 2014, 2, 6348; Ye, L. et al., Adv. Mater. 2012, 24, 6335; Meager, I. et al., J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11537; Yiu, A. T. et al., J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2180; Liu, F. et al., J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 19248; Li, W. et al., J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18942; Li, W. et al., Adv. Mater. 2014, 26, 1565; Hendriks, K. H. et al., J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 11128; Lee, J. et al., J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9540; Kang, I. et al., J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14896; Gao, J. et al., Adv. Mater. 2014, 26, 3142). 중합체의 공액 주쇄 간의 고도로 정렬된 분자 패킹(molecular packing)의 형성으로 인해, 저 밴드갭 중합체의 높은 결정 특성이 전하 캐리어 이동도를 현저히 개선시킨다고 하더라도, 상기 특성은 전형적으로 다양한 유기 용매 내에서의 용해성을 감소시키고 또한 풀러렌 억셉터(fullerene acceptor)와의 좋지 못한 혼화성을 야기한다(Xiao, S. et al., Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 635; Cho, H.-H. et al., Macromolecules 2012, 45, 6415; Beaujuge, P. M. et al., J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 20009; Liu, J. et al., Adv. Mater. 2012, 24, 538). 최근, Janssen et al. 은 DPP 계 중합체의 피브릴(fibril) 너비와 이의 광전지 성능 사이의 상관관계를 보고하였다(Li, W. et al., J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18942; Li, W. et al., Adv. Mater. 2014, 26, 1565). DPP 계 중합체의 고정된 공액 주쇄 및 이의 π-π 적층(π-π stacking)을 통한 응집 특성이 전하 이송 능력에 매우 유리한 피브릴성 구조의 형성을 초래하였다. 그러나, 동시에, 이러한 응집은 풀러렌 억셉터를 갖는 BHJ(Bulk Heterojunction; 벌크 이종접합) 막 내의 강한 상분리를 일으키는 경향이 있다(Chen, W. et al., Energy Environ. Sci. 2012, 5, 8045; Li, Y. et al., Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1684). 예를 들어,너무 높은 결정성을 갖는 DPP 계 중합체가 ~ 10 nm 보다 현저히 넓은 피브릴을 생성한 경우, 유리 전하 내로의 엑시톤(exciton) 해리는 더욱 나빠지게 되며, PSCs의 성능을 제한한다(Li, W. et al., Adv. Mater. 2014, 26, 1565). 따라서, 공액 중합체의 최적의 결정성을 결정하는 것은 BHJ 블렌드 형태를 최적하기 위해서 및 고효율 PSCs를 생산하기 위해서 매우 중요하다.Of the various properties of the low bandgap polymers, crystallinity and solubility of the active layer determine the electrical properties and processability of the PSCs, which is a very important parameter that greatly affects the efficiency of the PSCs. Diketopyrrolopyrrole (DPP) -based alternating polymers have attracted considerable attention due to their high charge transport ability in organic field-effect transistors (OFETs) and PSCs, and their excellent crystalline properties resulting in high performance Kim, J.-H. et al, J. Mater Chem A 2014, 2, 6348;... Ye, L. et al, Adv Mater 2012, 24, 6335;... Meager, I. et al,. J. Am. Chem. Soc . 2013, 135, 11537; Yiu, AT et al ., J. Am. Chem. Soc . 2012,134, 2180; Liu, F. et al ., J. Am. Li, W. et al ., Adv. Mater . 2014, 26, 1565, Hendriks, K.H. et al ., J. Am. Chem. Soc ., 2013, 135, et al, J. Am Chem Soc 2014 , 136, 11128;.... Lee, J. et al, J. Am Chem Soc 2013, 135, 9540;..... Kang, I. et al, J. Am. Chem. Soc ., 2013, 135, 14896; Gao, J. et al ., Adv . Even though the high crystalline properties of the low band gap polymer significantly improve the charge carrier mobility due to the formation of highly aligned molecular packing between the conjugated backbones of the polymer, the properties are typically characterized by solubility in various organic solvents (Xiao, S. et al ., Adv. Funct. Mater . 2010, 20, 635; Cho, H.-H. et al . , Macromolecules 2012, 45, 6415; Beaujuge, PM et al ., J. Am. Chem. Soc . 2011, 133, 2000; Liu, J. et al ., Adv . Recently, Janssen et al. Reported a correlation between a fibril (fibril) width and its photovoltaic performance of the DPP based polymer (Li, W. et al, J. Am Chem Soc 2013, 135, 18942;.... Li, W. et al ., Adv. Materials 2014, 26, 1565). The aggregation properties through the fixed conjugated backbone of the DPP-based polymer and its π-π stacking resulted in the formation of a fibrillar structure which is highly favorable for charge transport capability. However, at the same time, such aggregation tends to cause strong phase separation in BHJ (Bulk Heterojunction) films with fullerene acceptors (Chen, W. et al ., Energy Environ. Li, Y. et al ., Energy Environ. Sci ., 2013, 6, 1684). For example, if a DPP polymer with too high crystallinity produces a fibril that is significantly larger than ~ 10 nm, the exciton dissociation into the free charge becomes worse and limits the performance of the PSCs (Li , W. et al ., Adv. Mater . 2014, 26, 1565). Thus, determining the optimum crystallinity of the conjugated polymer is very important to optimize the BHJ blend form and to produce high efficiency PSCs.

공액 중합체 도너 및 풀러렌 억셉터 블렌드의 상분리 거동은, 공액 물질의 구조적 변형, 예컨대 공액 중합체 상의 측쇄 길이의 변화 및 치환기의 변화와 관련하여 집중적으로 연구되어 왔다(Cho, C.-H. et al., Chem. Commun. 2011, 47, 3577; Kim, K.-H. et al., Chem. Mater. 2012, 24, 2373; Lei, T. et al., Chem. Mater. 2014, 26, 594; Mei, J. et al., Chem. Mater. 2014, 26, 604; Son, H. J. et al., J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1885; Ren, G. et al., Chem. Mater. 2010, 22, 2020). 심지어 D-A 교대 중합체의 화학 구조의 미세한 변형이라도 그의 표면 에너지 및 사슬간 상호작용을 현저하게 변경할 수 있으며, 이는 BHJ 블렌드의 형태 및 PSC 성능에 현저한 영향을 유도한다(Cho, H.-H. et al., Macromolecules 2012, 45, 6415; Kim, K.-H. et al., Chem. Mater. 2012, 24, 2373; Son, H. J. et al., J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1885; Stuart, A. C. et al., J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1806; Cho, C.-H. et al., J. Mater. Chem. 2012, 22, 14236). D-A 교대 공중합체 방법과 비교하여, 삼원공중합체 방법은 경쟁적인 효과들, 즉 중합체의 결정성과 용해성 사이의 정교한 균형을 달성시킴으로써 중합체 특성을 최적화하기 위한 기회를 제공할 수 있다(Kang, T. E. et al., J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15252; Chang, W.-H. et al., Adv. Energy Mater. 2014, 4, DOI:10.1002/aenm.201300864; Fang, L. et al., Chem. Mater. 2013, 25, 4874). 예를 들어, 삼원공중합체 방법에서, 조절된 비율을 갖는 상대적으로 평면인 제3성분의 신중한 선택의 부가는, 여전히 우수한 용해성을 보유하면서, 중합체의 π-π 상호작용을 향상시킬 수 있다(Kim, J.-H. et al., Macromolecules 2012, 45, 8628). 이러한 랜덤 삼원공중합체는, 개선된 정공(hole) 이동도 및 최적화된 BHJ 형태로 인해, 이들의 모 교대 공중합체(parent alternating copolymer) 보다 높은 PCEs를 갖는다. 그러나, OTFTs 및 PSCs를 위한 고효율을 갖는 랜덤 삼원공중합체의 성공적인 예는 제한적이다(Kang, T. E. et al., J. Mater. Chem. A 2014, 2, 15252). 또한, 상이한 조성을 갖는 랜덤 삼원공중합체와 이의 모 중합체의 비교는 매우 제한적이었다(Kang, T. E. et al., Macromolecules 2013, 46, 6806; Nielsen, C. B. et al., Chem. Commun. 2012, 48, 5832); 이러한 연구는, 구조적, 전기적, 및 형태학적 특성과 관련하여, 장치 성능에 대한 랜덤 삼원공중합체의 조성적인 효과를 이해하는 데에 있어서 중요하다.The phase separation behavior of the conjugated polymer donor and fullerene acceptor blend has been intensively studied with regard to structural modifications of conjugated materials, such as changes in side chain length and conjugation length on the conjugated polymer (Cho, C.-H. et al . , Chem Commun 2011, 47, 3577 ;.. Kim, K.-H. et al, Chem Mater 2012, 24, 2373;...... Lei, T. et al, Chem Mater 2014, 26, 594; Mei, J. et al, Chem Mater 2014, 26, 604;... Son, HJ et al, J. Am Chem Soc 2011, 133, 1885;...... Ren, G. et al, Chem Mater , 2010, 22, 2020). Even minor variations in the chemical structure of the DA alternating polymer can significantly alter its surface energy and interchain interactions, leading to a significant impact on the shape of the BHJ blend and the PSC performance (Cho, H.-H. et al ., Macromolecules 2012, 45, 6415 ; Kim, K.-H. et al, Chem Mater 2012, 24, 2373;....... Son, HJ et al, J. Am Chem Soc 2011, 133, 1885 ; Stuart, AC et al, J. Am Chem Soc 2013, 135, 1806;....... Cho, C.-H. et al, J. Mater Chem 2012, 22, 14236). Compared with the DA alternating copolymer process, the ternary copolymer process can provide an opportunity to optimize polymer properties by achieving a sophisticated balance between competitive effects, i.e., the crystallinity and solubility of the polymer (Kang, TE et al ., J. Mater Chem A 2014, 2, 15252; Chang, W.-H. et al, Adv Energy Mater 2014, 4, DOI:..... 10.1002 / aenm.201300864; Fang, L. et al. , Chem. Mater . 2013, 25, 4874). For example, in a ternary copolymer process, the careful selection of a relatively planar third component with controlled ratios can improve the pi-pi interaction of the polymer, while still retaining excellent solubility , J.-H. et al ., Macromolecules 2012, 45, 8628). These random terpolymers have higher PCEs than their parent alternating copolymers due to their improved hole mobility and optimized BHJ morphology. However, successful examples of highly efficient random terpolymers for OTFTs and PSCs are limited (Kang, TE et al ., J. Mater. Chem . A 2014, 2, 15252). Also, the comparison of random terpolymers having different compositions with their parent polymers was very limited (Kang, TE et al ., Macromolecules 2013, 46, 6806; Nielsen, CB et al ., Chem. Commun . ); These studies are important in understanding the compositional effects of random terpolymers on device performance, with regard to their structural, electrical, and morphological properties.

이에 본 발명자들은 상이한 결정성 거동을 나타내는 일련의 신규한 저 밴드갭 랜덤 삼원공중합체(PDPP2T-Se-Th)의 합성을 기술한다. 본 발명자들은 또한 이들의 구조적, 광학적, 및 전기적 특성의 체계적인 연구를 수행하였고, PSCs 및 OFETs 내에서의 이들의 특성을 조사하였다. 티오펜으로 캡핑된(capped), 강한 전자 흡인성(electron-withdrawing) DPP 단위로 이루어진 모노머(DPP2T)가 두 개의 상이한 전자 풍부 모노머인 셀레노펜(Se) 및 티오펜(Th)과 공중합되어, 주쇄에 다양한 Se/Th 비율을 갖는 일련의 신규한 랜덤 삼원공중합체를 생산하였다(Se/Th = 0/100 (PDPP2T-Th100, P1), 10/90 (PDPP2T-Se10-Th90, P2), 30/70 (PDPP2T-Se30-Th70, P3), 50/50 (PDPP2T-Se50-Th50, P4), and 100/0 몰% (PDPP2T-Se100, P5)). 셀레늄 원자의 고립 전자쌍이 용이하게 이동하기 때문에, 방향족 구조보다는 주로 퀴논형(quinoidal) 구조가 생산된다(Patra, A. et al., J. Mater. Chem. 2010, 20, 422; Wijsboom, Y. H. et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 5443). 따라서, 셀레노펜의 삼원공중합체로의 혼입은 삼원공중합체의 분자간 상호작용 및 분자 정렬 구조를 개선시킬 수 있으며, 이는 시차주사 열량측정법(differential scanning calorimetry; DSC) 및 스침각 입사 X-선 산란(grazing incidence X-ray scattering; GIXS) 측정에 의해 분명하게 관찰된다. 본 발명자들은, 모 중합체의 티오펜 단위와 오직 하나의 원자가 상이하였던 셀레노펜의 제3성분을 이용하여, 랜던 삼원공중합체 방법을 통해 DPP 계 공중합체의 결정성을 조절하는 것을 달성함으로써, 중합체의 다른 특성에 오직 최소의 영향만을 초래하였다.Accordingly, the present inventors describe the synthesis of a series of novel low band gap random terpolymers (PDPP2T-Se-Th) exhibiting different crystalline behaviors. The present inventors have also conducted a systematic study of their structural, optical and electrical properties and have investigated their properties in PSCs and OFETs. A monomer (DPP2T) consisting of strong electron-withdrawing DPP units capped with thiophene is copolymerized with two different electron rich monomers, selenophene (Se) and thiophene (Th) (Se / Th = 0/100 (PDPP2T-Th100, P1 ), 10/90 (PDPP2T-Se10-Th90, P2 ), 30 / 70 (PDPP2T-Se30-Th70, P3 ), 50/50 (PDPP2T-Se50-Th50, P4 ), and 100/0 mol% (PDPP2T-Se100, P5 ). Since the isolated electron pair of selenium atoms migrates easily, a quinoidal structure is produced predominantly from the aromatic structure (Patra, A. et al ., J. Mater. Chem . 2010, 20, 422; Wijsboom, YH et al . al ., Angew. Chem . Int. Ed., 2009, 48, 5443). Thus, the incorporation of selenophene into the terpolymer can improve the intermolecular interactions and molecular alignment of the terpolymer, which can be achieved by differential scanning calorimetry (DSC) and grazing angle incidence X- incidence X-ray scattering (GIXS) measurements. The present inventors have found that by using a third component of selenophene in which only one atom is different from the thiophene unit of the parent polymer, it is possible to control the crystallinity of the DPP-based copolymer through the randomen terpolymer process, But only minimal impact on other characteristics.

따라서, 본 랜덤 삼원공중합체 시스템은, 유기 전자 소자의 성능에 대한 랜덤 삼원공중합체의 결정성의 효과를 연구하기에 이상적이다.
Thus, the present random terpolymer system is ideal for studying the effect of crystallinity of random terpolymers on the performance of organic electronic devices.

따라서 본 발명은 셀레노펜(Se) 및 티오펜(Th)의 2개의 상이한 전자 풍부단위를 적절한 비율로 포함함으로써 최적화된 결정성을 갖는 신규한 디케토피롤로피롤계 삼원공중합체 및 이의 합성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Accordingly, the present invention provides a novel diketopyrrolopyrrole-based terpolymer having optimized crystallinity by including two different electron-rich units of selenophene (Se) and thiophene (Th) in an appropriate ratio and a method for synthesizing the same .

또한 본 발명은 상기 삼원공중합체를 활성층으로 포함한 고분자 태양 전지 또는 트랜지스터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
Another object of the present invention is to provide a polymer solar cell or a transistor including the above-mentioned terpolymer as an active layer.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 디케토피롤로피롤(diketopyrrolopyrrole; DPP)계 화합물 및 방향족 고리 화합물로 구성된 삼원공중합체를 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a terpolymer composed of a diketopyrrolopyrrole (DPP) -based compound and an aromatic ring compound.

본 발명에 있어서, 상기 디케토피롤로피롤계 화합물은 일반적으로 하기 화학식 1의 구조를 포함하는 화합물을 나타내는 것으로 안료, 태양전지, 유기 박막 트랜지스터 등에 많이 사용된다.In the present invention, the diketopyrrolopyrrole compound generally represents a compound having a structure represented by the following general formula (1), and is widely used in pigments, solar cells, organic thin film transistors and the like.

Figure 112015057521550-pat00001
Figure 112015057521550-pat00001

본 발명에 있어서, 상기 방향족 고리 화합물은 분자 내에 고리모양의 원자배열을 가진 화합물을 의미하는 것으로, 고리를 구성하는 원자가 탄소로만 이루어진 탄소고리화합물과, 탄소 이외의 원자도 고리를 구성하는 헤테로 고리화합물을 모두 포함한다. 1개의 고리로만 이루어진 단일 고리 화합물과 2개 이상의 고리들이 접합되어(fused) 고리를 형성한 헤테로 고리 화합물이 있다.In the present invention, the aromatic ring compound means a compound having a ring-shaped atomic arrangement in the molecule, and the carbon ring compound in which the atom constituting the ring is composed only of carbon and the heterocyclic compound . There is a heterocyclic compound in which a single ring compound consisting of only one ring and two or more rings are fused to form a ring.

본 발명의 일실시예에 있어서 상기 방향족 고리 화합물은 셀레노펜(selenophene), 티오펜(thiophene), 퓨란(furan), 페닐(phenyl), 나프탈렌(naphthalene), 안트라센(anthracene), 싸이아노티오펜(thienothiophene) 및 피렌(pyrene)으로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 셀레노펜 및 티오펜일 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 셀레노펜과 티오펜은 0.1-1.0의 몰비로 포함될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the aromatic ring compound is selected from the group consisting of selenophene, thiophene, furan, phenyl, naphthalene, anthracene, thianothiophene thienothiophene, and pyrene, preferably, selenophene and thiophene. In the present invention, the selenophene and thiophene may be contained in a molar ratio of 0.1-1.0.

본 발명에 있어서, 상기 셀레노펜은 에테르, 아세톤, 벤젠 등에 쉽게 녹으나 에탄올에 잘 녹지 않고 물에 녹지 않는 무색 액체이고, 상기 티오펜은 물에는 녹지 않으나 벤젠, 에테르, 에탄올 등의 용매와 일정 비율로 섞이는 무색의 벤젠과 비슷한 향을 가진 액체로, 셀레노펜, 티오펜 모두 태양전지, 트랜지스터 등에 사용되기 위한 고분자 합성에 많이 사용된다. 본 발명에서는 티오펜으로 캡핑된(capped) 강한 전자 흡인성(electron-withdrawing) DPP 단위로 이루어진 모노머(DPP2T)가 두 개의 상이한 전자 풍부 모노머인 셀레노펜(Se) 및 티오펜(Th)과 공중합되어, 주쇄에 다양한 Se/Th 비율을 갖는 일련의 신규한 랜덤 삼원공중합체를 생산하였다.In the present invention, the selenophene is a colorless liquid which is easily dissolved in ether, acetone, benzene, etc., but is not soluble in ethanol and does not dissolve in water. Thiophene is not soluble in water but is mixed with a solvent such as benzene, ether, It is a liquid with incense similar to that of colorless benzene mixed with selenophene and thiophene. It is widely used for synthesis of polymers for use in solar cells and transistors. In the present invention, a monomer (DPP2T) consisting of a strong electron-withdrawing DPP unit capped with thiophene is copolymerized with two different electron rich monomers, selenophene (Se) and thiophene (Th) To produce a series of novel random terpolymers with various Se / Th ratios in the backbone.

본 발명에 있어서, 상기 삼원공중합체는 3종류의 단량체로 합성된 중합체를 의미하는 것으로, 터폴리머, 삼원 중합체라고도 한다. 태양전지 또는 트랜지스터에 적용되는 중합체중 전자풍부단위(D)-전자결핍단위(A) 교대 중합체와 비교하여 삼원공중합체는 중합체의 결정성과 용해성 사이의 균형을 이룸으로써 중합체 특성을 최적화시킬 수 있다(실시예 3 내지 5 참조).In the present invention, the terpolymer refers to a polymer synthesized from three kinds of monomers, and may be referred to as a terpolymer or a terpolymer. Compared to alternating polymers of electron-rich units (D) -electronic deficiency units (A) in polymers applied to solar cells or transistors, ternary copolymers can optimize polymer properties by balancing the crystallinity and solubility of the polymer ( Examples 3 to 5).

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 디케토피롤로피롤계 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diketopyrrolopyrrole compound may be represented by the following general formula (2).

Figure 112015057521550-pat00002
Figure 112015057521550-pat00002

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 삼원공중합체는 태양전지 또는 트랜지스터의 활성층(active layer)용도일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the terpolymer may be used as an active layer of a solar cell or a transistor.

본 발명에 있어서, 상기 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서 무기 태양 전지, 유기 단분자 태양 전지 및 고분자 태양 전지(polymer solar cells; PSCs) 등이 있는데 무기 태양 전지의 비싼 제조 공정, 유기 단분자 태양 전지의 낮은 전력 효율 등의 단점으로 인하여 고분자 태양 전지가 주목 받아 오고 있다. 고분자 태양 전지의 전력 변환 효율(power conversion efficiency; PCE)을 개선시키고자 전지 내의 새로운 중합체의 개발이 요구되었고, 이에 따라 본 발명에서는 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 중합체를 합성하였다.In the present invention, the solar cell is a semiconductor device that converts solar energy into electric energy, and includes inorganic solar cells, organic monomolecular solar cells, and polymer solar cells (PSCs) Polymer solar cells have attracted attention due to disadvantages of process, low power efficiency of organic monomolecular solar cell, and the like. In order to improve the power conversion efficiency (PCE) of a polymer solar cell, a new polymer in a battery has been required to be developed. Accordingly, a novel polymer capable of improving the performance of the battery has been synthesized.

본 발명에 있어서, 상기 트랜지스터는 증폭 작용과 스위칭 역할을 하는 반도체 소자를 의미하는 것으로, 최근에는 트랜지스터의 채널에 유기 반도체 기술을 사용한 유기 전계 효과 트랜지스터(Organic field-effect transistor; OFET)가 주로 활용된다. 활성층으로 다양한 방향성과 결합성 물질을 사용하고, 루브렌, 테트라센, 펜타센, 전화이동 착체(TCNQ)나 다양한 중합체 같은 소형 분자를 포함하며, 효율을 향상시키기 위한 새로운 물질이 활발하게 개발되어 오고 있다.In the present invention, the transistor means a semiconductor device that performs amplification and switching. In recent years, an organic field-effect transistor (OFET) using an organic semiconductor technology is mainly used for a channel of a transistor . New materials have been actively developed to improve the efficiency, including various molecules with various directions and bonding materials as the active layer and small molecules such as rubrene, tetracene, pentacene, TCMQ and various polymers. have.

본 발명에 있어서, 상기 활성층은 태양전지 등에서 음극과 양극 사이에 위치하여 빛을 흡수해 전자와 정공(Hole)을 형성하는 유기물층을 나타내는 것으로 빛을 받아 전자를 내놓는 전자 도너 물질(D)과 전자를 받아서 전극으로 전달해 주는 전자 억셉터 물질(A)로 구성된다. 전자 도너와 전자 억셉터 두 층으로 형성된 두층 구조(D/A bi-layer), 벌크 헤테로접합 구조(bulk heterojunction; BHJ, D+A 블렌드), 혼합구조(D/(D+A)/A)등이 있다.In the present invention, the active layer is an organic layer positioned between a cathode and an anode in a solar cell and absorbing light to form electrons and holes. The active layer includes an electron donor material (D) And an electron acceptor material (A) which receives the electrons and transfers them to the electrodes. (D / A bi-layer), bulk heterojunction (BHJ, D + A blend), mixed structure (D / (D + A) / A) formed by two electron donors and electron acceptors, .

또한, 본 발명은 디케토피롤로피롤계 화합물, 셀레노펜 및 티오펜으로 구성된 삼원공중합체를 활성층으로 포함하고 있는 고분자 태양전지를 제공한다.The present invention also provides a polymer solar cell comprising a ternary copolymer composed of a diketopyrrolopyrrole compound, selenophene and thiophene as an active layer.

또한, 본 발명은 디케토피롤로피롤계 화합물, 셀레노펜 및 티오펜으로 구성된 삼원공중합체를 활성층으로 포함하고 있는 유기 전계효과 트랜지스터를 제공한다.
The present invention also provides an organic field effect transistor comprising a ternary copolymer composed of a diketopyrrolopyrrole compound, selenophene and thiophene as an active layer.

또한, 본 발명은 a) 디케토피롤로피롤계 화합물, 티오펜 및 셀레노펜의 혼합물을 탈가스(degas) 시키는 단계; b) 상기 a) 단계의 탈가스 시킨 혼합물을 마이크로파 반응기에서 반응시킨 후 상온으로 냉각시켜 겔을 제조하는 단계; c) 상기 b) 단계의 겔을 희석하고 환류시키는 단계; 및 d) 상기 c) 단계의 환류시킨 겔을 추출 및 정제하는 단계를 포함하는 삼원공중합체의 합성방법을 제공한다.The present invention also relates to a process for the preparation of a compound of formula (I), which comprises a) degassing a mixture of diketopyrrolopyrrole compounds, thiophene and selenophene; b) reacting the degassed mixture of step a) in a microwave reactor and cooling the mixture to room temperature to prepare a gel; c) diluting and refluxing the gel of step b); And d) extracting and refining the refluxed gel of step c).

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 a) 단계의 탈가스는 아르곤을 첨가하여 1차 탈가스 시킨 후, 트리페닐포스핀 및 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐을 첨가하여 2차 탈가스를 수행하는 것일 수 있다. 구체적으로, 3가지의 모노머에 건조 톨루엔 및 건조 DMF를 첨가한 용액을 아르곤으로 탈가스 시키고, 트리페닐포스핀 및 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐을 첨가한 후 밀봉시키고 추가적으로 탈가스 시킬 수 있다. In one embodiment of the present invention, the degassing in the step a) is performed by firstly degassing by adding argon, then adding triphenylphosphine and tris (dibenzylideneacetone) It can be done. Specifically, a solution of dry toluene and dry DMF added to the three monomers is degassed with argon, and triphenylphosphine and tris (dibenzylideneacetone) dipalladium are added and then sealed and further degassed .

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 d) 단계의 추출은 메탄올, 아세톤, 헥산, 디클로로메탄, 클로로포름 및 클로로벤젠으로 속슬렛 추출(soxhlet extract)되는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the extraction in step d) may be a soxhlet extraction with methanol, acetone, hexane, dichloromethane, chloroform and chlorobenzene.

본 발명에 있어서, 상기 속슬렛 추출은 생체성분 분석이나 식품분석, 사료분석 등을 할 때 사용하는 정량법으로, 휘발성 용매를 사용하여 고체 속의 비휘발성 성분을 추출할 때 사용되는 속슬렛 추출기를 이용하여 이루어 질 수 있다.
In the present invention, the Soxhlet extraction is a quantitative method used for biocomponent analysis, food analysis, and feed analysis, using a Soxhlet extractor used for extracting non-volatile components in a solid using a volatile solvent Lt; / RTI >

본 발명에 따르면 디케토피롤로피롤계 화합물과 셀레노펜(Se) 및 티오펜(Th)의 2개의 상이한 전자 풍부단위를 포함하는 신규한 삼원공중합체 및 이의 합성방법이 확인되었다. 셀레노펜과 티오펜의 함유 비유을 적절히 하여 중합체의 결정성을 조절함으로써 BHJ블렌드 형태를 최적화하고 높은 전화 이동도를 나타내어 태양전지 및 트랜지스터와 같은 유기 전자 소재의 성능을 향상시킬 수 있다.
According to the present invention, novel tertiary copolymers containing two different electron-rich units of diketopyrrolopyrrole-based compounds and selenophene (Se) and thiophene (Th) and a method of synthesizing them have been confirmed. By adjusting the crystallinity of the polymer by appropriately adjusting the content of selenophene and thiophene, it is possible to optimize the BHJ blend shape and exhibit high telephone mobility, thereby improving the performance of organic electronic materials such as solar cells and transistors.

도 1은 상이한 조성의 Se 및 Th 단위를 갖는 본 발명의 DPP 계 랜덤 삼원공중합체의 합성 설계도 및 화학 구조에 대한 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 PDPP2T-Se-Th 삼원공중합체의 (a) 희석된 클로로벤젠 및 (b) 박막의 UV-가시광 흡수 스펙트럼; DSC (c) 가열 및 (d) 냉각 서모그램(thermogram)이다.
도 3은 본 발명에 따른 PDPP2T-Se-Th 삼원공중합체의 순환전위도(cyclic voltammogram)이다.
도 4는 Se 함량에 따른 본 발명의 PDPP2T-Se-Th 계 PSCs 및 OFETs의 소자 성능에 관한 것으로, PSCs의 PCE 값(좌측, 청색선) 및 OFETs의 전자 이동도(우측, 적색선)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 용액 전단에 의해 제조되고 200 ℃에서 어닐링된 P1-P5 막을 갖는 OFETs의 전달 특성에 관한 그래프이다. 각각 VDS = -100 V 및 +100 V를 갖는 정공-향상 작동(도 5 위) 및 전자-향상 작동(도 5 아래)에 관한 것이다.
도 6은 200 ℃에서 어닐링된 P1-P5 막을 갖는 OFETs의 출력 특성을 나타내는 것으로, 각각 정공-향상 작동(도 6 위) 및 전자-향상 작동(도 6 아래)에 관한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 PDPP2T-Se-Th 삼원공중합체계 BHJ 역구조형의 PSCs의 최적화된 J-V 특성(도 7 a) 및 EQE 스펙트럼(도 7 b)을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 최적화된 PSC 소자 조건에서 PDPP2T-Se-Th:PC71BM 막의 UV-가시광 흡수 스펙트럼을 나타내는 것이다.
도 9는 본 발명에 따라 PC71BM과 블렌딩 된 PDPP2T-Se-Th 삼원공중합체 기반의 최적화된 활성층의 GIXS 패턴에 관한 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 최적화된 PSC 소자 조건에서의 PDPP2T-Se-Th:PC71BM 막의 면 외(도 10 a) 및 면내(도 10 b)의 GIXS 패턴에 관한 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 중합체(P1-P5) 막의 GIXS 패턴에 관한 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 중합체(P1-P5) 막의 면 외(도 12 a) 및 면내(도 12 b)의 GIXS 패턴에 관한 것이다.
도 13은 본 발명에 따른 PSC 소자에 대한 최적화된 조건 하에서의 P1-P5와 PC71BM의 블렌딩된 막의 TEM 이미지(기준 막대 200 nm)에 관한 것이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing the synthesis scheme and chemical structure of a DPP random terpolymer of the present invention having Se and Th units of different compositions. FIG.
Fig. 2 shows UV-visible absorption spectra of (a) diluted chlorobenzene and (b) thin film of the PDPP2T-Se-Th terpolymer of the present invention; DSC (c) heating and (d) cooling thermogram.
3 is a cyclic voltammogram of the PDPP2T-Se-Th terpolymer according to the present invention.
Fig. 4 is a graph showing the device performance of PDPP2T-Se-Th PSCs and OFETs according to the present invention depending on the Se content and showing the PCE values (left side, blue line) and electron mobility (right side, red line) of PSCs to be.
5 is a graph of transfer characteristics of OFETs with a P1 - P5 membrane prepared by solution shear and annealed at 200 < 0 > C. (FIG. 5) and an electron-enhanced operation (below FIG. 5) with V DS = -100 V and +100 V, respectively.
FIG. 6 shows the output characteristics of OFETs with P1 - P5 films annealed at 200 DEG C, which are graphs for the hole-enhancing operation (FIG. 6) and the electron-enhancing operation (FIG. 6 below), respectively.
7 is a graph showing optimized JV characteristics (FIG. 7 a) and EQE spectrum (FIG. 7 b) of PSCs of the BHJ inverse structure PDPP2T-Se-Th ternary copolymer system according to the present invention.
8 shows the UV-visible absorption spectrum of a PDPP2T-Se-Th: PC 71 BM film under optimized PSC device conditions according to the present invention.
Figure 9 relates to a GIXS pattern of an optimized active layer based on PDPP2T-Se-Th terpolymer blended with PC 71 BM in accordance with the present invention.
Figure 10 relates to the GIXS pattern of the out-of-plane (Figure 10a) and in-plane (Figure 10b) PDPP2T-Se-Th: PC 71 BM films under optimized PSC devices according to the present invention.
11 relates to a GIXS pattern of a polymer ( P1 - P5 ) film according to the present invention.
Figure 12 relates to the GIXS pattern out of plane (Figure 12a) and in plane (Figure 12b) of a polymer ( P1 - P5 ) film according to the present invention.
Figure 13 relates to a TEM image (reference bar 200 nm) of a blended film of P1 - P5 and PC 71 BM under optimized conditions for a PSC device according to the present invention.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, these examples are intended to further illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<실시예 1> 중합체의 합성Example 1 Synthesis of Polymer

본 발명에서는 Pd2(dba)3(2 몰%) 및 PPh3(8 몰%)를 사용하여 스틸 커플링(Stille coupling)을 통해, 두 개의 모 교대 공중합체인 PDPP2TTh100(P1) 및 PDPP2T-Se100(P5)와, PDPP2T-Se-Th의 3 개의 랜덤 삼원공중합체를 합성하였다(도 1 참조). 모든 반응은 아르곤 분위기 하에서 수행되었고, 합성에 사용된 2,5-비스(2-헥실데실)-3,6-비스(5-브로모티오펜-2-일)피롤로[3,4-c]-피롤-1,4-디온 및 PC71BM는 SunaTch 및 Nano-C Inc. 로부터 각각 구입하였고, 정제 없이 그대로 사용되었다. 이외의 달리 언급되지 않는 한, 모든 화학물질들은 Aldrich 로부터 구입되었고, 그대로 사용되었다.
In the present invention, two parental alternating copolymers PDPP2TT100 ( P1 ) and PDPP2T-Se100 (Pd 2 ) were obtained through steel coupling using Pd 2 (dba) 3 (2 mol%) and PPh 3 P5 ), and PDPP2T-Se-Th (see Fig. 1). All reactions were carried out under an argon atmosphere and the 2,5-bis (2-hexyldecyl) -3,6-bis (5-bromothiophen-2-yl) pyrrolo [ Pyrrol-l, 4-dione and PC 71 BM were purchased from SunaTch and Nano-C Inc. Respectively, and used as such without purification. Unless otherwise stated, all chemicals were purchased from Aldrich and used as such.

1.1 2,5-비스(트리메틸스탄닐)셀레노펜의 준비1.1 Preparation of 2,5-bis (trimethylstannyl) selenophene

n-BuLi(헥산 중의 10.5 mL의 2.5 M 용액, 26.3 mmol)이 -78 ℃에서 교반 하에, THF(40 mL) 중의 셀레노펜(1.5 g, 11.5 mmol)의 용액으로 적가되었다. -78 ℃에서 30 분 동안 교반시킨 후, 상기 반응 혼합물은 점차 상온으로 승온되었고, 추가적으로 2 시간 동안 교반되었다. 트리메틸틴클로라이드(THF 중의 26.9 mL의 1M 용액)가 서서히 첨가되었고, 이후 상온에서 밤새 교반되었다. 상기 혼합물이 얼음/물에 부어졌고, 상기 생성물은 에테르로 추출되었다. 유기층이 물로 수 회 세척되었고, MgSO4 로 건조되었고, 상기 용매는 회전 증발에 의해 제거되었다. 에탄올로부터의 재결정화는 백색 결정으로서의 바람직한 생성물을 제공하였다(3.9 g, 8.63 mmol, 수율 75%).n-BuLi (10.5 mL of a 2.5 M solution in hexane, 26.3 mmol) was added dropwise to a solution of celenophene (1.5 g, 11.5 mmol) in THF (40 mL) at -78 <0> C. After stirring at -78 ° C for 30 minutes, the reaction mixture was gradually warmed to room temperature and stirred for an additional 2 hours. Trimethyltin chloride (26.9 mL of a 1 M solution in THF) was added slowly and then stirred overnight at room temperature. The mixture was poured into ice / water and the product was extracted with ether. The organic layer was washed several times with water, dried with MgSO 4, the solvent was removed by rotary evaporation. Recrystallization from ethanol provided the desired product as white crystals (3.9 g, 8.63 mmol, yield 75%).

1H-NMR 스펙트럼이 CDCl3을 용매로하여 Liquid 400 NB NMR 장치 상에서 측정되었다. 피크는 CDCl3(7.26 ppm)에 대하여, ppm으로 제공되었다. 측정 결과는 다음과 같다. 1H-NMR (400 MHz, CDCl3, TMS): δ (ppm) 7.65 (s, 2H, -Th), 0.34 (s, 18H, -CH3).
The 1 H-NMR spectrum was measured on a Liquid 400 NB NMR instrument with CDCl 3 as the solvent. The peak was provided in ppm against CDCl 3 (7.26 ppm). The measurement results are as follows. 1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 , TMS):? (Ppm) 7.65 (s, 2H, -Th), 0.34 (s, 18H, -CH 3 ).

1.2 스틸 커플링 반응에 의한 일반적인 중합 절차1.2 General Polymerization Procedure by Steel Coupling Reaction

모든 중합체는 마이크로파-지원된 스틸 커플링(Stille coupling) 반응에 의해 합성되었다. 3 가지 모노머들이 칭량되었고, 자석 교반기가 장착된 마이크로파 바이알에 첨가되었다. 건조 톨루엔 및 건조 DMF 가 첨가되었고, 상기 용액은 20 분 동안 아르곤으로 탈가스되었다(degassed). 트리페닐포스핀(PPh3, 8 몰%) 및 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐(Pd2(dba)3, 2 몰%)이 첨가된 후, 뚜껑(cap)으로 밀봉되었다. 상기 혼합물은 추가적으로 20 분 동안 탈가스되었고, 이후 상기 바이알은 마이크로파 반응기 내에 위치되었고 3 시간 동안 150 ℃에서 교반되었다. 이후, 중합체의 트리메틸스탄닐- 및 브로모-말단기가 1 시간 동안 150 ℃에서 마이크로파 반응기 내에서 각각 2-브로모티오펜(0.2 mL) 및 2-(트리부틸스탄닐)티오펜(0.25 mL)로 캡핑되었다(capped). 상온으로의 냉각 후, 상기 수득된 겔은 클로로포름으로 희석되었고, 수중 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA, 300 mg)으로 1 시간 동안 110 ℃에서 환류되었다. 유기층은 물로 세척되었고, MgSO4 로 건조되었다. 상기 용매는 진공으로 제거되고 메탄올로 침전된 후, 수득된 고체는 연속적으로 메탄올, 아세톤, 헥산, 디클로로메탄, 클로로포름 및 클로로벤젠(필요한 경우)으로 속슬렛(Soxhlet) 추출을 통해 정제되었다. 각각의 분획에서의 여과액은 감압 하에서 농축되었고, 냉 메탄올로 침전되었다. 상기 중합체는 24 시간 동안 진공 하에서 건조되었다.
All polymers were synthesized by microwave-assisted Stille coupling reaction. Three monomers were weighed and added to a microwave vial equipped with a magnetic stirrer. Dry toluene and dry DMF were added and the solution was degassed with argon for 20 minutes. Triphenylphosphine (PPh 3 , 8 mol%) and tris (dibenzylideneacetone) dipalladium (Pd 2 (dba) 3 , 2 mol%) were added and then sealed with a cap. The mixture was degassed for an additional 20 minutes, after which the vial was placed in a microwave reactor and stirred at 150 &lt; 0 &gt; C for 3 hours. The trimethylstannyl- and bromo-terminal groups of the polymer were then reacted with 2-bromothiophene (0.2 mL) and 2- (tributylstannyl) thiophene (0.25 mL) in a microwave reactor at 150 & Capped. After cooling to room temperature, the obtained gel was diluted with chloroform and refluxed with ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA, 300 mg) in water at 110 ° C for 1 hour. The organic layer was washed with water, and dried with MgSO 4. The solvent was removed in vacuo and precipitated with methanol, and the resulting solid was subsequently purified via Soxhlet extraction with methanol, acetone, hexane, dichloromethane, chloroform and chlorobenzene (if necessary). The filtrate from each fraction was concentrated under reduced pressure and precipitated with cold methanol. The polymer was dried under vacuum for 24 hours.

1.3 PDPP2T-Th100(1.3 PDPP2T-Th100 ( P1P1 )의 중합) Polymerization

2,5-비스(2-헥실데실)-3,6-비스(5-브로모티오펜-2-일)피롤로[3,4-c]-피롤-1,4-디온(200.0 mg, 1.0 eq), 2,5-비스(트리메틸스탄닐)티오펜(90.35 mg, 1.0 eq), PPh3(4.6 mg)의 혼합물 및 Pd2(dba)3(4.0 mg)이 톨루엔(3.0 mL) 및 DMF(0.3 mL)에 첨가됨으로써, 상기 기재된 절차에 따라 P1을 합성하였다.(클로로포름 분획: 147 mg, 수율 80%). 분자량이 80℃(유속: 1 mL/min)에서 Waters 1515 등용매 HPLC 펌프, 온도 조절 모듈 및 Waters 2414 굴절률 측정기가 장착된 GPC로 측정되었다. GPC 결과, Mn은 78.4K, Mw는 270K이고 PDI는 3.45이다. 원소 분석 계산(Elem. Anal. Calcd.)은 다음과 같다: C, 72.41; H, 8.78; N, 3.38; S, 11.58; O, 3.86. 결과: C, 72.43; H, 8.85; N, 3.38; S, 11.07.
3,4-c] pyrrole-1,4-dione (200.0 mg, 1.0 (2-hexyldecyl) -3,6-bis A mixture of Pd 2 (dba) 3 (4.0 mg) and a mixture of 2,5-bis (trimethylstannyl) thiophene (90.35 mg, 1.0 eq), PPh 3 (4.6 mg) (0.3 mL), thus synthesizing P1 according to the procedure described above (chloroform fraction: 147 mg, yield 80%). Was measured with a GPC equipped with a Waters 1515 isocratic HPLC pump, a temperature control module and a Waters 2414 refractometer at a molecular weight of 80 캜 (flow rate: 1 mL / min). As a result of GPC, M n is 78.4 K, M w is 270 K, and PDI is 3.45. The elemental analysis (Elem. Anal. Calcd.) Is as follows: C, 72.41; H, 8.78; N, 3.38; S, 11.58; O, 3.86. Results: C, 72.43; H, 8.85; N, 3.38; S, 11.07.

1.4 PDPP2T-Se10-Th90(1.4 PDPP2T-Se10-Th90 ( P2P2 )의 중합) Polymerization

2,5-비스(2-헥실데실)-3,6-비스(5-브로모티오펜-2-일)피롤로[3,4-c]-피롤-1,4-디온(300.0 mg, 1.0 eq), 2,5-비스(트리메틸스탄닐)티오펜(122.1 mg, 0.9 eq), 2,5-비스(트리메틸스탄닐)셀레노펜(15.12 mg, 0.1 eq), PPh3(7.0 mg)의 혼합물 및 Pd2(dba)3(6.1 mg)이 톨루엔(2.5 mL) 및 DMF(0.3 mL)에 첨가됨으로써, 상기 기재된 절차에 따라 P2를 합성하였다.(클로로포름 분획: 162 mg, 수율 60%). GPC결과, Mn은 164K, Mw는 698K이고 PDI는 4.25이다. 원소 분석 계산은 다음과 같다: C, 71.99; H, 8.73; N, 3.36; S, 11.13; O, 3.84; Se, 0.96. 결과: C, 71.62; H, 8.81; N, 3.30; S, 10.84.
3,4-c] pyrrol-l, 4-dione (300.0 mg, 1.0 (2-hexyldecyl) -3,6-bis eq), 2,5-bis (trimethylstannyl) thiophene (122.1 mg, 0.9 eq), 2,5-bis (trimethylstannyl) selenophene (15.12 mg, 0.1 eq), PPh 3 The mixture and Pd 2 (dba) 3 (6.1 mg) were added to toluene (2.5 mL) and DMF (0.3 mL) to synthesize P2 according to the procedure described above (chloroform fraction: 162 mg, yield 60%). As a result of GPC, M n is 164K, M w is 698K and PDI is 4.25. The elemental analysis calculations are as follows: C, 71.99; H, 8.73; N, 3.36; S, 11.13; O, 3.84; Se, 0.96. Results: C, 71.62; H, 8.81; N, 3.30; S, 10.84.

1.5 PDPP2T-Se30-Th70(1.5 PDPP2T-Se30-Th70 ( P3P3 )의 중합) Polymerization

2,5-비스(2-헥실데실)-3,6-비스(5-브로모티오펜-2-일)피롤로[3,4-c]-피롤-1,4-디온(400.0 mg, 1.0 eq), 2,5-비스(트리메틸스탄닐)티오펜(126.5 mg, 0.7 eq), 2,5-비스(트리메틸스탄닐)셀레노펜(60.4 mg, 0.3 eq), PPh3(9.3 mg)의 혼합물 및 Pd2(dba)3(8.1 mg)이 톨루엔(3.0 mL) 및 DMF(0.3 mL)에 첨가됨으로써, 상기 기재된 절차에 따라 P3을 합성하였다.(클로로포름 분획: 307 mg, 수율 83%). GPC결과, Mn은 119K, Mw는 531K이고 PDI는 4.45이다. 원소 분석 계산은 다음과 같다: C, 71.18; H, 8.63; N, 3.32; S, 10.24; O, 3.79; Se, 2.84. 결과: C, 71.40; H, 8.68; N, 3.33; S, 10.26.
3,4-c] pyrrole-1,4-dione (400.0 mg, 1.0 (2-hexyldecyl) -3,6-bis eq), 2,5-bis (trimethylstannyl) thiophene (126.5 mg, 0.7 eq), 2,5-bis (trimethylstannyl) selenophene (60.4 mg, 0.3 eq), PPh 3 And Pd 2 (dba) 3 (8.1 mg) were added to toluene (3.0 mL) and DMF (0.3 mL) to synthesize P3 according to the procedure described above (chloroform fraction: 307 mg, yield 83%). As a result of GPC, M n is 119K, M w is 531K and PDI is 4.45. The elemental analysis calculations are as follows: C, 71.18; H, 8.63; N, 3.32; S, 10.24; O, 3.79; Se, 2.84. Results: C, 71.40; H, 8.68; N, 3.33; S, 10.26.

1.6 PDPP2T-Se50-Th50(1.6 PDPP2T-Se50-Th50 ( P4P4 )의 중합) Polymerization

2,5-비스(2-헥실데실)-3,6-비스(5-브로모티오펜-2-일)피롤로[3,4-c]-피롤-1,4-디온(400.0 mg, 1.0 eq), 2,5-비스(트리메틸스탄닐)티오펜(90.35 mg, 0.5 eq), 2,5-비스(트리메틸스탄닐)셀레노펜(100.7 mg, 0.5 eq), PPh3(9.3 mg)의 혼합물 및 Pd2(dba)3(8.1 mg)이 톨루엔(3.0 mL) 및 DMF(0.3 mL)에 첨가됨으로써, 상기 기재된 절차에 따라 P4를 합성하였다.(클로로포름 분획: 252 mg, 수율 67%). GPC결과, Mn은 86.3K, Mw는 387K이고 PDI는 4.48이다. 원소 분석 계산은 다음과 같다: C, 70.37; H, 8.53; N, 3.28; S, 9.37; O, 3.75; Se, 4.69. 결과: C, 70.55; H, 8.56; N, 3.30; S, 9.32.
3,4-c] pyrrole-1,4-dione (400.0 mg, 1.0 (2-hexyldecyl) -3,6-bis eq), 2,5-bis (trimethylstannyl) thiophene (90.35 mg, 0.5 eq), 2,5-bis (trimethylstannyl) selenophene (100.7 mg, 0.5 eq), PPh 3 P4 was synthesized according to the procedure described above by adding the mixture and Pd 2 (dba) 3 (8.1 mg) to toluene (3.0 mL) and DMF (0.3 mL) (chloroform fraction 252 mg, yield 67%). As a result of GPC, M n is 86.3K, M w is 387K and PDI is 4.48. The elemental analysis calculations are as follows: C, 70.37; H, 8.53; N, 3.28; S, 9.37; O, 3.75; Se, 4.69. Results: C, 70.55; H, 8.56; N, 3.30; S, 9.32.

1.7 PDPP2T-Se100(1.7 PDPP2T-Se100 ( P5P5 )의 중합) Polymerization

2,5-비스(2-헥실데실)-3,6-비스(5-브로모티오펜-2-일)피롤로[3,4-c]-피롤-1,4-디온(400.0 mg, 1.0 eq), 2,5-비스(트리메틸스탄닐)셀레노펜(201.4 mg, 1.0 eq), PPh3(9.3 mg)의 혼합물 및 Pd2(dba)3(8.1 mg)이 톨루엔(3.0 mL) 및 DMF(0.3 mL)에 첨가됨으로써, 상기 기재된 절차에 따라 P5를 합성하였다.(클로로포름 분획: 200 mg, 수율 52%). GPC결과, Mn은 22.7K, Mw는 93.4K이고 PDI는 4.12이다. 원소 분석 계산은 다음과 같다: C, 68.45; H, 8.30; N, 3.19; S, 7.30; O, 3.65; Se, 9.12. 결과: C, 67.82; H, 8.25; N,3.16; S, 7.32.
3,4-c] pyrrole-1,4-dione (400.0 mg, 1.0 (2-hexyldecyl) -3,6-bis eq), 2,5-bis (trimethylstannyl) selenophene (201.4 mg, 1.0 eq), PPh 3 (9.3 mg) and Pd 2 (dba) 3 (8.1 mg) were dissolved in toluene (0.3 mL) to synthesize P5 according to the procedure described above (chloroform fraction: 200 mg, yield 52%). As a result of GPC, M n is 22.7 K, M w is 93.4 K and PDI is 4.12. The elemental analysis calculations are as follows: C, 68.45; H, 8.30; N, 3.19; S, 7.30; O, 3.65; Se, 9.12. Results: C, 67.82; H, 8.25; N, 3.16; S, 7.32.

<실시예 2> PSC 소자의 제조&Lt; Example 2 > Production of PSC device

유기 전자 장치의 성능에 대한 랜덤 삼원공중합체의 구조적 변화의 효과를 평가하기 위하여, 본 발명자들은 하단 게이트(bottom-gate), 상부 접촉(top-contact) OFET 및 역구조형(inverted-type)의 PSC 소자를 제조하였다.
In order to evaluate the effect of the structural change of the random terpolymer on the performance of the organic electronic device, the present inventors have used bottom-gate, top-contact OFET and inverted-type PSC Device.

2.1 OFET 소자 제조 및 측정2.1 Manufacture and measurement of OFET device

PDPP2T-Se-Th 삼원공중합체계 OFETs가 300 nm 두께의 SiO2 유전체(Ci = 10 nF cm-2)로 덮인, 대량으로 n-도핑된 Si 웨이퍼(< 0.004 Ω cm)로 제조되었다. 상기 SiO2/Si 웨이퍼는 용액 상(phase)의 n-옥타데실트리메톡시실란(OTS)으로 처리되었다. 트리클로로에틸렌(TCE) 중의 3 mM OTS 용액이, 피라나 용액(7:3 부피비의 H2SO4 및 H2O2 혼합물)으로 세척된 후의 UV/오존 처리된 SiO2/Si 웨이퍼 상에 스핀 코팅되었다. 이후, 상기 웨이퍼는 상온에서 12 시간 동안 진공 데시케이터 내에서 암모니아 증기에 노출되었다. 이후, 상기 기판은 톨루엔, 아세톤, 이소프로필 알코올로 세정되었고, 이어서 N2 흐름(N2 blowing)으로 건조되었다. 삼원공중합체의 용액 전단 박막(solution-shearing thin film)이 OTS-처리된 SiO2/Si 기판 상에 클로로벤젠 용액(2 mg mL-1)을 이용하여 증착되었다. 용액 전단 단계에서, 전단 속도는 0.12 mm s-1로 최적화되었다. 이후, 삼원공중합체 막은 N2 분위기 하에서 10 분 동안 200 ℃의 핫플레이트 상에서 어닐링되었다(annealed). 40 nm 금 전극이 섀도우 마스크(shadow mask)를 통하여 반도체층으로 증발되었다. 소자의 전류-전압(I-V) 특성이 N2로 채워진 글로브박스 내에서 Keithley 4200 반도체 파라미터 분석기(semiconductor parametric analyzer)를 이용하여 측정되었다. 전계 효과 이동도가 하기 방정식을 이용하여 포화 상황으로 계산되었다.PDPP2T-Se-Th ternary copolymer system OFETs were fabricated into a massively n-doped Si wafer (<0.004 Ω cm) covered with a 300 nm thick SiO 2 dielectric (C i = 10 nF cm -2 ). The SiO 2 / Si wafer was treated with n-octadecyltrimethoxysilane (OTS) in solution phase. A 3 mM OTS solution in trichlorethylene (TCE) was spun onto a UV / ozone treated SiO 2 / Si wafer after being washed with a pyran solution (7: 3 volume ratio of H 2 SO 4 and H 2 O 2 mixture) Coated. The wafer was then exposed to ammonia vapor in a vacuum desiccator at room temperature for 12 hours. Thereafter, the substrate was washed with toluene, acetone, isopropyl alcohol, then was dried with N 2 flow (N 2 blowing). A solution-shearing thin film of the terpolymer was deposited on an OTS-treated SiO 2 / Si substrate using a chlorobenzene solution (2 mg mL -1 ). In the solution shear stage, the shear rate was optimized to 0.12 mm s -1 . Then, it was annealed on a hot plate at 200 ℃ for 10 minutes under N 2 atmosphere terpolymer film (annealed). A 40 nm gold electrode was evaporated to the semiconductor layer through a shadow mask. The current-voltage (IV) characteristics of the device were measured using a Keithley 4200 semiconductor parametric analyzer in a N 2 filled glove box. The field effect mobility was calculated as saturation using the following equation.

Figure 112015057521550-pat00003
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상기 수학식 1에서, ID는 드레인 전류이고, W 및 L은 각각 반도체 채널의 너비 및 길이이고, μ는 이동도이고, Ci는 게이트 유전체의 단위 면적당 정전 용량(capacitance)이고, VG 및 VT는 각각 게이트 전압 및 임계 전압이다.
In Equation 1, I D is a drain current, and, W and L are the width and length of each of the semiconductor channel, μ is the mobility, and, C i is a power failure per unit area of the gate dielectric capacity (capacitance), V G, and V T are the gate voltage and the threshold voltage, respectively.

2.2 역구조형 PSCs의 제조2.2 Manufacture of inverse structured PSCs

역구조형 고분자 태양전지의 PDPP2T-Se-Th 삼원공중합체의 광전지 특성을 조사하기 위하여, 벌크 헤테로접합(bulk heterojunction; BHJ) 광전지가 ITO/ZnO/삼원공중합체:PC71BM/MoO3/Ag 를 이용하여 제조되었다. ZnO 졸-겔이 졸-겔 절차를 이용하여, 가수분해 반응 및 숙성을 위해 24 시간 초과 동안 격렬한 교반 하에서 아연 아세테이트 이수화물(Zn(O2CCH3)2·(H2O)2, 99.9%, 1 g) 및 에탄올아민(HOCH2CH2NH2, 99.5%, 0.28 g)을 무수 2-메톡시 에탄올(CH3OCH2CH2OH, > 99.8%, 10 mL)에 용해시킴으로써 제조되었다. 약 40 nm의 두께를 갖는 ZnO 박막이 졸-겔 전구체 용액을 4000 rpm 에서 ITO 기판의 상부에 스핀 코팅함으로써 제조되었다. 상기 막은 공기 중에서 1 시간 동안 200 ℃에서 가열되었다. ZnO 층의 적용 후, 모든 후속 절차가 N2 분위기 하에서 글로브박스 내에서 수행되었다. 이후, 각각의 활성 블렌딩 용액(삼원공중합체:PC71BM = 1:2 w/w, 중합체 농도 = 5 mg/mL)이 1200 rpm 에서 90 초 동안 ITO/ZnO 기판 상에 스핀 캐스트되었다. 최적화된 활성층의 두께는 130 nm(P1), 135 nm(P2), 130 nm(P3), 150 nm(P4) 및 120 nm(P5) 였다. 최종적으로, 소자를 완성하기 위해, 7 nm MoO3/100 nm Ag 막의 전극 상부가 고 진공(10-6 Torr 미만) 하에서 열적으로 증발되었다. 제조된 소자의 활성 면적은 0.09 cm2 였다. 역구조형 PSC 소자가 솔라 시뮬레이터(Newport Oriel Solar Simulators)를 이용하여 대기 질량(air mass; AM) 1.5G 필터로 특성화되었다. 솔라 시뮬레이터의 세기는 AIST-인증된 실리콘 광다이오드를 이용하여 주의 깊게 조정되었다. 전류-전압 거동은 Keithley 2400 SMU를 이용하여 측정되었다.
In order to investigate the photovoltaic properties of the PDPP2T-Se-Th terpolymer of the inverse-structured polymer solar cell, a bulk heterojunction (BHJ) photovoltaic cell was fabricated using ITO / ZnO / terpolymer: PC 71 BM / MoO 3 / Ag . (Zn (O 2 CCH 3 ) 2. (H 2 O) 2 , 99.9%) was added under vigorous stirring for more than 24 hours for the hydrolysis reaction and aging, using the sol-gel procedure of the ZnO sol- , 1 g) and ethanolamine (HOCH 2 CH 2 NH 2 , 99.5%, 0.28 g) in anhydrous 2-methoxyethanol (CH 3 OCH 2 CH 2 OH,> 99.8%, 10 mL). A ZnO thin film having a thickness of about 40 nm was prepared by spin-coating a sol-gel precursor solution at 4000 rpm on top of the ITO substrate. The membrane was heated at 200 &lt; 0 &gt; C for 1 hour in air. After application of the ZnO layer, all subsequent procedures were performed in a glove box under an N 2 atmosphere. Each active blending solution (terpolymer: PC 71 BM = 1: 2 w / w, polymer concentration = 5 mg / mL) was then spin cast on the ITO / ZnO substrate at 1200 rpm for 90 seconds. The thickness of the optimized active layer was 130 nm ( P1 ), 135 nm ( P2 ), 130 nm ( P3 ), 150 nm ( P4 ) and 120 nm ( P5 ). Finally, to complete the device, 7 nm MoO 3/100 nm Ag film electrode and the top was thermally evaporated under vacuum (less than 10 -6 Torr). The active area of the fabricated device was 0.09 cm &lt; 2 & gt ;. The retrostructured PSC devices were characterized by an air mass (AM) 1.5G filter using a solar simulator (Newport Oriel Solar Simulators). The intensity of the solar simulator was carefully tuned using an AIST-certified silicon photodiode. The current-voltage behavior was measured using a Keithley 2400 SMU.

<실시예 3> 합성된 중합체의 성질 측정&Lt; Example 3 > Properties of synthesized polymer

본 발명에서는 대조 중합체로서 PSCs 및 OFETs 에서 탁월한 성능을 제공하였던 대표적인 DPP계 저 밴드갭 중합체(P1)를 선택하였다(Ye, L. et al., Adv. Mater. 2012, 24, 6335; Bijleveld, J. C. et al., J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 16616). 또한 상기 실시예 1에서와 같이 Th 모노머에 대한 Se의 상이한 몰 공급 비율(10, 30 및 50 몰% Se)이 공중합 동안 사용되어, PDPP2T-Se10-Th90(P2), PDPP2T-Se30-Th70(P3) 및 PDPP2T-Se50-Th50(P4)를 합성하였다. 이후 합성한 중합체의 성질을 확인하기 위하여 아래와 같은 실험을 수행하였다.
In the present invention, a representative DPP low bandgap polymer ( P1 ), which provided superior performance in PSCs and OFETs, was selected as the control polymer (Ye, L. et al ., Adv. Mater . 2012, 24, 6335; Bijleveld, JC et al ., J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 16616). In addition, the embodiment different molar feed ratio of Se to the Th monomer as in the first (10, 30, and 50 mol% Se) is a used during the copolymerization, PDPP2T-Se10-Th90 (P2 ), PDPP2T-Se30-Th70 (P3 ) And PDPP2T-Se50-Th50 ( P4 ) were synthesized. The following experiment was conducted to confirm the properties of the synthesized polymer.

3.1 삼원공중합체의 Se/Th 비율 측정3.1 Measurement of Se / Th ratio of terpolymer

삼원공중합체 내의 실제 Se/Th 비율은 원소 분석에 의하여 측정되었다(아래 표 1 참조). 원소 분석이 Thermo Scientific Flash 2000 시리즈로 수행되었다. The actual Se / Th ratio in the terpolymer was determined by elemental analysis (see Table 1 below). Elemental analysis was performed with the Thermo Scientific Flash 2000 series.

Figure 112015057521550-pat00004
Figure 112015057521550-pat00004

그 결과는 상기 Se/Th 몰 공급 비율과 우수한 일치를 나타내었다. P1-P5의 중량 평균 분자량(Mw), 수 평균 분자량(Mn), 및 다분산 지수(polydispersity index; PDI)가 o-디클로로벤젠을 용리액으로 이용하여 80℃에서 젤 투과 크로마토그래피(gel permeation chromatography; GPC))에 의해 측정되었다. 모든 중합체들이 100 kg/mol 을 초과하는 높은 Mw 값을 가졌다. 그러나, 본 발명자들은 P5의 Mw 값이 GPC 측정 조건에서 낮은 용해성 및 강한 응집으로 인해 적게 측정되었다는 것을 주목하였다. 중합체들의 특성은 아래 표 2에 요약되어 있다.The results showed excellent agreement with the Se / Th mol feed ratio. P1 - P5 weight average molecular weight (M w), number average molecular weight (M n), and the polydispersity (polydispersity index; PDI) is o - gel permeation at 80 ℃ using dichlorobenzene as the eluent chromatography (gel permeation chromatography (GPC)). All polymers had high M w values in excess of 100 kg / mol. However, the inventors have noted that the M w value of P5 was measured to a small extent due to low solubility and strong aggregation under GPC measurement conditions. The properties of the polymers are summarized in Table 2 below.

Figure 112015057521550-pat00005
Figure 112015057521550-pat00005

3.2 광학적 특성 확인3.2 Optical characterization

공액 중합체의 광학 및 전기화학적 특성은 OFETs 및 PSCs와 같은 유기 전자 소자 내에서의 성능을 결정하는 데 있어서 중요하다. 도 2는 희석된 클로로벤젠 용액 내의 및 박막 형태의 모든 중합체들의 흡수 스펙트럼을 나타내며, UV-가시광(UV-vis) 흡수 스펙트럼은 상온에서 UV-1800 분광 광도계(Shimadzu Scientific Instruments)를 이용하여 측정하였다. 중합체의 흡수 특성은 상기 표 2에 요약되어 있다. 모든 랜덤 삼원공중합체는 400 내지 1000 nm 사이에서 유사한 흡수 특성을 나타냈다. 모든 P1-P5 중합체의 광학 밴드갭(Eg opt)은 광 흡수의 개시를 기준으로 1.32-1.35 eV의 유사한 값을 가졌다. 최대 흡수 피크(λmax)는 Se 함량이 증가됨에 따라 P1에서 P5로 약간 적색이동 되었다(red-shifted). 또한, 모든 중합체들이 용액에 비해 박막에서 적색이동된 최대 흡수 피크를 나타내었으나, 적색이동도(degree of red-shifting)은 P1에서 P5로 갈수록 점점 작아졌다.The optical and electrochemical properties of conjugated polymers are important in determining performance in organic electronic devices such as OFETs and PSCs. Figure 2 shows the absorption spectra of all polymers in the form of thin films in dilute chlorobenzene solution and UV-vis absorption spectra were measured at room temperature using a UV-1800 spectrophotometer (Shimadzu Scientific Instruments). The absorption properties of the polymer are summarized in Table 2 above. All random terpolymers exhibited similar absorption characteristics between 400 and 1000 nm. The optical bandgap (E g opt ) of all P1 - P5 polymers had a similar value of 1.32-1.35 eV based on the onset of light absorption. The maximum absorption peak (λ max ) was slightly red shifted from P1 to P5 as the Se content was increased. In addition, all the polymers exhibited the maximum absorption peak shifted red in the thin film compared to the solution, but the degree of red-shifting decreased gradually from P1 to P5 .

상기 결과들은, 중합체 주쇄 내의 Se 단위 사이의 π-오비탈 겹침을 통한 촉진된 분자간 상호작용에 의해 초래되었고(Nguyen, T.-Q. et al., J. Chem. Phys. 1999, 110, 4068), 이로부터 중합체 주쇄 내의 Se 함량이 증가됨에 따라 5 개의 상이한 중합체들의 광학 흡수 계수가 향상됨을 확인하였다.
These results were caused by the promoted intermolecular interactions through the pi-orbital overlap between Se units in the polymer backbone (Nguyen, T.-Q. et al ., J. Chem. Phys . 1999, 110, 4068) , From which it was confirmed that the optical absorption coefficient of five different polymers was improved as the Se content in the polymer main chain was increased.

3.3 전기화학적 특성 확인3.3 Electrochemical Characterization

삼원공중합체의 이온화 전위 및 전자 친화도는 순환전위법(cyclic voltammetry; CV)을 이용하여 측정되었다(Bredas, J.-L. Mater. Horiz. 2014, 1, 17.). 전기화학적 순환전위법(CV)(CHI 600C electrochemical analyzer)은 0.1 M 테트라부틸암모늄 헥사플루오로포스페이트(Bu4NPF6)를 함유하는 무수 아세토니트릴 내에서 Pt 디스트 작용 전극, Pt 상대 전극 및 Ag 와이어 준-기준 전극(quasi-reference electrode)으로 50 mV/s 의 전위 스캔 속도로 수행되었다. 전기화학적 측정을 위해, 중합체 막이 대략 1 mg/mL의 농도로 클로로포름 용액으로부터 코팅되었다.The ionization potential and electron affinity of the terpolymer were measured using cyclic voltammetry (CV) (Bredas, J.-L. Mater. Horiz. 2014, 1, 17). The electrochemical cyclic voltammetry (CV) (CHI 600C electrochemical analyzer) was carried out in anhydrous acetonitrile containing 0.1 M tetrabutylammonium hexafluorophosphate (Bu 4 NPF 6 ) using a Pt disturbing electrode, Pt counter electrode and Ag wire - a quasi-reference electrode at a potential scan rate of 50 mV / s. For electrochemical measurements, the polymer membrane was coated from a chloroform solution at a concentration of approximately 1 mg / mL.

그 결과는 상기 표 2에 요약되어 있으며, 이의 CV 곡선은 도 3에 개시되어 있다. 이온화 전위 및 전자 친화도는 각각 페로센(ferrocene) 표준에 대한 산화 개시 전위(Eox on) 및 환원 개시 전위(Ered on)로부터 측정되었다. The results are summarized in Table 2 above and its CV curves are shown in FIG. The ionization potential and electron affinity were measured from the oxidation initiation potential (E ox on ) and the reduction initiating potential (E red on ) for the ferrocene standard, respectively.

그 결과 Se 함량이 증가함에 따라, 이온화 전위가 -5.23(P1)에서 -5.15 eV(P5)로 점진적으로 증가되었고, 이는 Th 단위에 비해 Se 단위의 전자가 더 풍부한 특성 및 증가된 분자 간 상호작용으로부터 기인하였다(Chen, H.-Y. et al. J. Mater. Chem. 2012, 22, 21549). 그러나, 5 개의 중합체의 상기 광학 및 전기화학적 특성은 현저하게 상이하지는 않았다. Th 단위 대신에 Se 단위를 사용하는 것은 황 원자가 셀레늄 원자로 대체되었다는 것 뿐, 중합체의 광학 및 전기화학적 특성의 변화를 최소화하였다.
As a result, as the Se content increased, the ionization potential gradually increased from -5.23 ( P1 ) to -5.15 eV ( P5 ), indicating that the electrons in Se units were more abundant and increased molecular interactions (Chen, H.-Y. et al. J. Mater. Chem. 2012, 22, 21549). However, the optical and electrochemical properties of the five polymers were not significantly different. The use of Se units instead of Th units minimized changes in the optical and electrochemical properties of the polymer merely that the sulfur atom was replaced by a selenium atom.

3.4 열적 거동성 확인3.4 Identification of thermal mobility

다음으로, 중합체 내의 Se 함량의 열적 거동에 대한 효과가 시차주사 열량측정법을 이용하여 조사되었다. 시차주사 열량측정법(DSC) 분석은 TA Instruments DSC Q200 상에서 수행되었다. 샘플(~ 5 mg)이 N2 분위기 하에서 10 ℃ min-1 의 스캔 속도로 25에서 350 ℃로 가열되었다. PDPP2T-Se-Th 삼원공중합체의 가열 및 냉각 서모그램(thermogram)이 도 2 (c), (d) 각각에 개시되어 있으며, 이의 열적 특성은 상기 표 2에 요약되어 있다. 가열 공정 동안, P1 공중합체는 295.9℃에서 용융 흡열 피크(Tm)를 나타냈고, P2, P3, P4P5의 Tm 값은 각각 302.0℃, 306.9℃, 310.8℃ 및 322.1℃로 점진적으로 증가하였다. 냉각 사이클에서는, 랜덤 삼원공중합체의 결정화 온도(Tc)에서 동일한 경향이 관찰되었으며, 이는 235.9(P1), 268.9(P2), 273.5(P3), 274.8(P4), 및 281.1℃(P5)였다. 이러한 Tm 및 Tc 값의 강한 증가 경향은, Se 단위의 삼원공중합체로의 혼입이 강한 사슬간 상호작용을 유도할 수 있고 감소된 사슬 이동도를 갖는 고도로 정렬된 구조의 삼원공중합체의 형성을 야기할 수 있다는 것을 나타내었다. Next, the effect on the thermal behavior of the Se content in the polymer was investigated using differential scanning calorimetry. Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis was performed on a TA Instruments DSC Q200. The sample (~5 mg) was heated from 25 to 350 ° C at a scan rate of 10 ° C min -1 under N 2 atmosphere. A heating and cooling thermogram of the PDPP2T-Se-Th terpolymer is shown in Figures 2 (c) and 2 (d), respectively, and its thermal properties are summarized in Table 2 above. During the heating process, the P1 copolymer exhibited a melting endothermic peak (T m ) at 295.9 ° C and the T m values of P2 , P3 , P4 and P5 gradually increased to 302.0 ° C, 306.9 ° C, 310.8 ° C and 322.1 ° C, respectively Respectively. In the cooling cycle, the same tendency was observed in the crystallization temperature (T c) of a random terpolymer, which was 235.9 (P1), 268.9 (P2 ), 273.5 (P3), 274.8 (P4), and 281.1 ℃ (P5) . This strong trend of increasing T m and T c values indicates that incorporation into the terpolymer of Se can induce strong interchain interactions and lead to the formation of highly ordered structures of ternary copolymers with reduced chain mobility It is possible to cause it.

이러한 결과와 관련하여, 삼원공중합체의 상대적 결정성이 결정화열(heat of crystallization)(ΔHc)을 측정함으로써 정량적으로 비교되었다(Causin, V. et al., Macromolecules 2005, 38, 409; Kim, H. J. et al., Macromolecules 2013, 46, 8472; Woo, C. H. et al., J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1632). 삼원공중합체의 ΔHc 값은, Se 함량이 증가함에 따라, 5.8(P1)에서 16.2 J/g(P5)로 현저하게 증가하였으며, 이는 결정성의 현저한 증가를 나타내었는데, 이러한 삼원공중합체의 결정성 거동의 현저한 차이는, 전기적 특성(즉, 전하 이동도) 뿐만 아니라, 용매 내의 용해성 및 풀러렌 억셉터와의 혼화성에 영향을 끼칠 수 있다(Xiao, S. et al., Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 635; Cho, H.-H. et al., Macromolecules 2012, 45, 6415; Beaujuge, P. M. et al., J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 20009; Liu, J. et al., Adv. Mater. 2012, 24, 538).
With respect to these results, the relative crystallinity of the terpolymer was quantitatively compared by measuring the heat of crystallization (ΔH c ) (Causin, V. et al ., Macromolecules 2005, 38, 409; Kim, HJ et al ., Macromolecules 2013, 46, 8472; Woo, CH et al ., J. Am. Chem. Soc . 2008, 130, 1632). The ΔH c value of the terpolymer increased markedly from 5.8 ( P1 ) to 16.2 J / g ( P5 ) as the Se content increased, indicating a significant increase in crystallinity. The crystallinity of the terpolymer Significant differences in behavior can affect not only electrical properties (i.e., charge mobility) but also solubility in solvents and miscibility with fullerene acceptors (Xiao, S. et al ., Adv. Funct. Mater . 2010, 20, 635; Cho, H.-H. et al, Macromolecules 2012, 45, 6415;. Beaujuge, PM et al, J. Am Chem Soc 2011, 133, 20009;.... Liu, J. et al ., Adv. Materials , 2012, 24, 538).

<실시예 4> PCS 소자의 성능 측정<Example 4> Performance measurement of PCS device

유기 전자 장치의 성능에 대한 랜덤 삼원공중합체의 구조적 변화의 효과를 평가하기 위하여, 본 발명에서는 상기 실시예 2에서와 같이 하단 게이트(bottom-gate), 상부 접촉(top-contact) OFET 및 역구조형(inverted-type)의 PSC 소자를 제조하였다. 이후 제조된 소자의 성질을 확인하기 위하여 아래와 같은 실험을 수행하였다.In order to evaluate the effect of the structural change of the random terpolymer on the performance of the organic electronic device, in the present invention, a bottom-gate, top-contact OFET, and inverse- an inverted-type PSC device was fabricated. The following experiment was carried out to confirm the properties of the fabricated device.

도 4는 PDPP2T-Se-Th 계 PSCs 및 OFETs의 성능을 Se 함량의 함수로서 나타내고; PCs에 대한 PCE 값(좌측, 청색선) 및 OFETs에서의 전자 이동도(우측, 적색선)을 나타낸다. 흥미롭게도, OFETs 및 PSCs의 성능은, Se 함량의 함수로서, 따라서 PDPP2T-Se-Th 삼원공중합체의 결정성의 함수로서 상이한 경향을 나타내었다. OFETs의 μe 값은, Se 함량이 P1에서 P5로 증가함에 따라, 점진적으로 증가하였다. 반면, PSCs의 PCE 값의 상이한 경향이 확인되었으며, 가장 높은 PCE 값(7.2%)이 P2 계 PSCs에서 수득되었다는 것을 나타내었다. OFETs 및 PSCs에서의 이러한 상이한 경향의 원인은 하기에서 논의될 것이다.
Figure 4 shows the performance of PDPP2T-Se-Th PSCs and OFETs as a function of Se content; PCE values (left, blue lines) for PCs and electron mobility (right, red lines) at OFETs. Interestingly, the performance of OFETs and PSCs exhibited different trends as a function of Se content and therefore as a function of the crystallinity of the PDPP2T-Se-Th terpolymer. The μ e value of OFETs increased gradually as Se content increased from P1 to P5 . On the other hand, different trends of PCE values of PSCs were confirmed and it was shown that the highest PCE value (7.2%) was obtained in P2 system PSCs. The causes of these different trends in OFETs and PSCs will be discussed below.

4.1 OFET와 PDPP2T-Se-Th 계 PSCs의 전기적 특성4.1 Electrical Characteristics of OFET and PDPP2T-Se-Th PSCs

OFETs의 전기적 성능이 아래 표 3에 요약되어 있으며, 이의 전달 출력 특성이 도 5 및 6에 각각 개시되어 있다.The electrical performance of the OFETs is summarized in Table 3 below and its transmission power characteristics are disclosed in Figures 5 and 6, respectively.

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도 5의 전달 곡선은 오히려 비선형 거동을 나타내었으며, 상기 기재된 이동도는 잠재적으로 몇몇의 문제, 즉 고 게이트 전압에서 유도된 전하 산란 효과, 접촉 저항, 게이트 누설(gate leakage), 바이어스 스트레스(bias stress)로 인해 전 범위의 게이트 전압 스윕(gate voltage sweep)에 걸쳐 과측정 될 수 있다. 오로지 DPP2T 및 Th 기로만 이루어진 P1은 2.11 cm2V-1s-1 의 최대 μe 값을 나타내었다. μe 값은, 더 높은 Se 함량과 함께, 2.11(P1)에서 2.48(P4)cm2V-1s-1로 점진적으로 증가하였다(P2 : 2.12 및 P3 : 2.39 cm2V-1s-1). 최종적으로, 오로지 DPP2T 및 Se 단위로만 구성된 P5는 5 개의 중합체들 중에서, 5.54 cm2V-1s-1의 가장 높은 μe 값을 나타내었다. 본 연구에서 사용된 모든 중합체가 양극성의 특성을 나타냈다고 하더라도, 주로 더 향상된 전자 이동도로 인해, Se 함량이 증가함에 따라 정공과 전자 이동도 사이의 균형이 향상되었다. Se 원자의 π-공액 주쇄로의 삽입은 하기의 다수의 장점을 제공하는 것으로 알려져 있다: (i) 사슬간-전하 이송이 분자간 Se:Se 접촉에 의해 촉진될 수 있다, (ii) 올리고- 및 폴리셀레노펜은 보다 퀴논형인 특성으로 인해 주쇄를 따라 비틀리는 것에 대한 저항성을 향상시킨다(Lee, J. et al., J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2071). 이러한 특성들로 인해, P5 계 OFETs는 잘 균형을 이룬 양극성과 함께 매우 높은 정공 및 전자 이동도(각각 4.72 및 5.54 cm2V-1s-1)을 나타내었다. The transfer curves of FIG. 5 exhibited rather nonlinear behavior, and the mobility described above may potentially lead to some problems, such as charge scattering induced at high gate voltages, contact resistance, gate leakage, bias stress ) Can be measured over a full range of gate voltage sweeps. P1 consisting solely of DPP2T and Th groups exhibited a maximum μ e value of 2.11 cm 2 V -1 s -1 . The μ e value gradually increased from 2.11 ( P1 ) to 2.48 ( P4 ) cm 2 V -1 s -1 with higher Se content ( P2 : 2.12 and P3 : 2.39 cm 2 V -1 s -1 ). Finally, P5 consisting solely of DPP2T and Se showed the highest μ e value of 5.54 cm 2 V -1 s -1 among the five polymers. Although all of the polymers used in this study exhibited bipolar properties, the balance between hole and electron mobility was improved as Se content increased, mainly due to the improved electron mobility. Insertion of Se atoms into the π-conjugated backbone is known to provide a number of advantages: (i) interchain-charge transport can be facilitated by intermolecular Se: Se contact, (ii) oligo- and Polyselenophene improves resistance to twisting along the main chain due to its quinone type nature (Lee, J. et al ., J. Am. Chem. Soc ., 2012, 134, 2071). Due to these properties, P5 system OFETs exhibited very high hole and electron mobility (4.72 and 5.54 cm 2 V -1 s -1 , respectively) with well-balanced bipolarity.

따라서, 전하 이송 능력의 향상은 더 높은 Se 함량과 함께, 중합체의 더욱 고정된 특성 및 더욱 강한 결정성 거동에 밀접히 연관되어 있었음을 확인할 수 있었다.Thus, it was confirmed that the improvement in the charge transport capability, together with the higher Se content, was closely related to the more fixed characteristics of the polymer and the stronger crystalline behavior.

반면, PDPP2T-Se-Th 삼원공중합체 기반의 PSC 소자는 Se 함량의 함수로서의 OFET 결과와 매우 상이한 경향을 나타냈다. PSC 소자는 역구조로 제조되었고(ITO/ZnO/삼원공중합체:페닐-C71-부티르산 메틸 에스테르(PC71BM)/MoO3/Ag), 최적의 도너:억셉터 중량비는 1:2 였고, 용매 첨가제로서 3 부피%의 1,8-디아이오도옥탄(DIO)를 사용하였다. 역구조형의 PSC 소자의 전류-전압(I-V) 특성이 도 7(a)에 나타나있으며, 그 결과는 아래 표 4에 요약되어 있다. On the other hand, PSC devices based on PDPP2T-Se-Th terpolymer showed very different tendencies from those of OFET as a function of Se content. The PSC device was prepared in a reverse configuration (ITO / ZnO / terpolymer: phenyl-C 71 -butyric acid methyl ester (PC 71 BM) / MoO 3 / Ag), optimal donor: acceptor weight ratio 1: 2, 3 volume% 1,8-diiodooctane (DIO) was used as a solvent additive. The current-voltage (IV) characteristics of the inverse-structured PSC device are shown in FIG. 7 (a) and the results are summarized in Table 4 below.

Figure 112015057521550-pat00007
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상기 표 4는 P1-P5a 기반의 최적화된 역구조 PSCs의 가장 우수한 소자 성능에 관한 것으로, a괄호 안의 값은 0.09 cm2의 활성 면적을 갖는 12 개 초과의 소자의 평균이다. 상세한 평균 값 및 표준 편차는 아래 표 5에 개시되어 있다. b블렌드 비율(w/w)=1:2이고, 1,8-디아이오도옥탄(3 부피%)을 첨가제로서 가지고, c용매 o-DCB/CF(v/v)의 혼합 비율은 4:1이며, d용매 o-DCB/CF(v/v)의 혼합 비율 = 3:1이다.Table 4 relates to the best performance of the element P1-P5 a base station optimized structure of the PSCs, a value in parentheses is the average of the elements of more than 12 with an active area of 0.09 cm 2. Detailed mean values and standard deviations are shown in Table 5 below. ( b / b ) = 1: 2, 1,8-diiodooctane (3 vol%) as an additive, and the mixing ratio of c solvent o- DCB / CF , And the mixing ratio of the d solvent o- DCB / CF (v / v) = 3: 1.

Figure 112015057521550-pat00008
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그 결과, 랜덤 삼원공중합체의 개방 회로 전압(open-circuit voltage)(Voc)은 P1(0.68 V) > P2(0.67 V) ≒ P3(0.67 V) > P4(0.66 V) > P5(0.65 V) 의 순서로 약간 감소하였다. PSCs의 Voc의 변화는 삼원공중합체의 이온화 전위의 경향과 일치하였다. 왜냐하면, Voc가 전형적으로 중합체의 이온화 전위와 억셉터의 전자 친화도 사이의 차이에 비례하기 때문이다(Kim, K.-H. et al., Chem . Mater. 2011, 23, 5090; Chen, H.-Y. et al., Nat. Photonics 2009, 3, 649; Price, S. C. et al., J. Am. Chem . Soc. 2011, 133, 4625). 그러나, 랜덤 삼원공중합체의 PCE 값은 P2(7.20%) > P3(6.91%) > P1(6.79%) ≥ P4(6.76%) > P5(5.59%)의 순서로 5 내지 7%의 비선형적인 경향을 명백히 나타내었다. 모든 삼원공중합체 중, P2:PC71BM 가 7.20%의 가장 높은 PCE 값을 나타내었다(VOC = 0.67 V; JSC = 16.22 mA cm-2; 및 FF = 0.66). 그러나, 가장 우수한 OTFT 소자를 생산한 P5 중합체는 5.59%의 가장 낮은 PCE 값을 가졌다(VOC = 0.65 V; JSC = 13.44 mA cm-2; 및 FF = 0.64). Se 함량의 함수로서의 이러한 PCE 경향은 주로 Jsc 및 FF 값의 변화에 기인함을 확인하였다.
As a result, the open-circuit voltage (V oc ) of the random terpolymer is P1 (0.68 V)> P2 (0.67 V) P3 (0.67 V)> P4 (0.66 V)> P5 ), Respectively. The change in V oc of PSCs was consistent with the tendency of the ionization potential of the terpolymer. Because, V oc is typically because it is proportional to the difference between the electron affinity of the ionization potential and the acceptor of the polymer also (Kim, K.-H. et al, Chem Mater 2011, 23, 5090;... Chen, H.-Y. et al, Nat Photonics 2009, 3, 649;...... Price, SC et al, J. Am Chem Soc 2011, 133, 4625). However, the PCE values of the random terpolymers are 5 to 7% nonlinear in order of P2 (7.20%)> P3 (6.91%)> P1 (6.79%)> P4 (6.76%)> P5 . Among all the terpolymers, P2 : PC 71 BM showed the highest PCE value (V OC = 0.67 V; J SC = 16.22 mA cm -2 ; and FF = 0.66) of 7.20%. However, the P5 polymer that produced the best OTFT device had the lowest PCE value of 5.59% (V OC = 0.65 V; J SC = 13.44 mA cm -2 ; and FF = 0.64). This PCE trend as a function of Se content was mainly due to the change in J sc and FF values.

4.2 외부 양자 효율 스펙트럼 측정4.2 Measurement of external quantum efficiency spectrum

외부 양자 효율(External quantum efficiency; EQEs)이 최적화된 소자 조건 하에서 랜덤 삼원공중합체계 PSC 소자에 대해 측정되었다(도 7b). PSC 소자의 EQE 스펙트럼의 파장 범위는 삼원공중합체/PC71BM 블렌드 막의 UV-가시광 흡수 범위와 잘 일치하였다(도 8 참조). P5(~ 39%)의 경우를 제외한, PSC 소자의 최대 EQEs는 560 nm에서 50%를 초과하였다. 특히, P2:PC71BM 소자의 EQE 값은 400 내지 900 nm 의 전 범위에서 P1:PC71BM 보다 컸다. PSC 소자에 대한 측정된 Jsc 값은 EQE 스펙트럼으로부터 수득된 통합 Jsc 값과 (2% 오차 내에서) 잘 매치되었다.
External quantum efficiencies (EQEs) were measured for random tri-co-polymer PSC devices under optimized device conditions (Figure 7b). The wavelength range of the EQE spectrum of the PSC device was in good agreement with the UV-visible absorption range of the terpolymer / PC 71 BM blend film (see FIG. 8). Except for P5 (~ 39%), the maximum EQEs of PSC devices exceeded 50% at 560 nm. In particular, the EQE value of the P2 : PC 71 BM device was greater than P1 : PC 71 BM over the entire range of 400 to 900 nm. The measured J sc value for the PSC element was well matched (within 2% error) with the integrated J sc value obtained from the EQE spectrum.

<실시예 5> 삼원공중합체의 GIXS 분석Example 5 GIXS Analysis of Ternary Copolymer

5.1 GIXS 분석5.1 GIXS Analysis

PSC 성능의 변화와 관련하여 Se 함량의 함수로서의 삼원공중합체의 결정성 거동의 변화에 대하여 더 알아보기 위해 스침각 입사 X-선 산란(GIXS)을 이용하여 블렌드 막의 중합체의 결정성 거동 및 미세 구조를 조사하였다. 스침각 입사 X-선 산란(GIXS) 측정은 포항 가속기 연구소(대한민국)의 빔라인 3C에서 수행되었고, 최적화된 활성층 조건으로 PEDOT:PSS/Si 기판 상에 스핀 코팅함으로써 GIXS 샘플이 제조되었다. 이때, 1.1179 Å의 파장의 X-선이 사용되었다. 막으로의 X-선의 완전한 투과를 위해 입사각(~ 0.12°)이 선택되었다.In order to further investigate the change in the crystalline behavior of the ternary copolymer as a function of the Se content in relation to the change in PSC performance, the crystallographic behavior and microstructure of the polymer of the blend membrane Respectively. (GIXS) measurements were performed at Beamline 3C of the Pohang Accelerator Laboratory (Korea) and GIXS samples were prepared by spin coating on PEDOT: PSS / Si substrates with optimized active layer conditions. At this time, an X-ray having a wavelength of 1.1179 A was used. The incident angle (~ 0.12 °) was chosen for complete transmission of the X-ray into the film.

그 결과, 최적화된 활성층의 GIXS 이미지는 도 9에 개시되어 있으며, 이의 면외(out-of-plane)(qz) 및 면내(in-plane)(qxy) 방향의 선 프로파일은 도 10에 개시되어 있다. 모든 삼원공중합체는 면내 방향에서 뚜렷한 (100) 반사 피크(reflection peak)를 나타내었으며, 이는 대략 2.0 nm(qxy ≒ 0.314 Å-1)의 거의 동일한 라멜라 간격(d100)을 나타내었다(아래 표 6 참조). As a result, the GIXS image of the optimized active layer is shown in FIG. 9, and its line profile in the out-of-plane (q z ) and in-plane (q xy ) . All the terpolymers exhibited a distinct (100) reflection peak in the in-plane direction, which represented a nearly identical lamella spacing (d 100 ) of approximately 2.0 nm (q xy ? 0.314 A -1 ) 6).

Figure 112015057521550-pat00009
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또한, 모든 중합체의 π-π 적층으로부터의 (010) 반사 피크는 대략 0.36 nm(qz ≒ 1.728 Å-1)의 도메인 간격(d010)을 갖는 면외 방향에서 나타났으며, 이는 "페이스온(face-on)" 분자 배열에 대한 더 큰 선호도를 나타낸다(Guo, X. et al., Nat. Photonics 2013, 7, 825; Tumbleston, J. R. et al., Nat. Photonics 2014, 8, 385; Piliego, C. et al., J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 7595). 흥미롭게도, π-π 적층으로부터의 (010) 반사 피크는 Se 함량이 증가함에 따라 P1에서 P5로 더욱 두드러졌다. 또한, 최적화된 활성층 내의 중합체의 상관 길이(Lc)가 Scherrer 방정식을 이용하여 GIXS 반사로부터 계산되었다(Erb, T. et al., Adv . Funct . Mater. 2005, 15, 1193; Chen, M. S. et al., Chem. Mater. 2013, 25, 4088; Rivnay, J. et al., Chem. Rev. 2012, 112, 5488). Lc 값은 결정성 배열이 보전되는 거리의 측정을 제공한다. 중합체 막에서, 사슬 위치 및 회전의 가변성의 감소는 좁은 피크 너비 및 더 큰 Lc 값에 상응한다(hen, M. S. et al., Chem. Mater. 2013, 25, 4088; Rivnay, J. et al., Chem. Rev. 2012, 112, 5488). 상기 표 6은 최적화된 활성층 내의 5 개의 상이한 중합체의 라멜라(Lc 100) 및 π-π 적층(Lc 010) 상관 길이를 나타내며, 아래 표 7은 상응하는 반치전폭(full-width at half-maximum; fwhm) 값을 나열하고 있다. Also, the (010) reflection peaks from the pi-pi stack of all the polymers appeared in the out-of-plane direction with a domain spacing (d 010 ) of about 0.36 nm (q z ? 1.728 A -1 ) quot; face-on "molecular alignment (Guo, X. et al ., Nat. Photonics 2013, 7, 825; Tumbleston, JR et al ., Nat. Photonics 2014, 8, C. et al ., J. Am. Chem. Soc . 2010, 132, 7595). Interestingly, (010) reflection peaks from the pi-pi stack were more prominent from P1 to P5 as Se content increased. Further, the correlation of the polymer within the optimized active length (L c) by using the Scherrer equation was calculated from the reflection GIXS (Erb, T. et al, Adv Funct Mater 2005, 15, 1193;.... Chen, MS et al ., Chem. Mater . 2013, 25, 4088, Rivnay, J. et al ., Chem Rev. 2012, 112, 5488). The L c value provides a measure of the distance over which the crystalline array is held. In polymer membranes, the reduction in chain position and rotation variability corresponds to a narrow peak width and larger L c value (hen, MS et al ., Chem. Mater . 2013, 25, 4088; Rivnay, J. et al . , Chem. Rev. 2012, 112, 5488). Table 6 above shows the lamellar (L c 100 ) and pi-pi stack (L c 010 ) correlation lengths of five different polymers in the optimized active layer and Table 7 below shows the corresponding full-width at half-maximum ; fwhm) values.

Figure 112015057521550-pat00010
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Se 함량이 증가함에 따라, Lc 100 값이 8.97(P1)에서 12.82 nm(P5)로 점진적으로 증가하였다. π-π 적층에 대한 Lc 010 값의 동일하게 증가하는 경향이, 보다 높은 Se 함량에 대해 관찰되었다. 특히, P5 계 막은 시리즈의 π-π 적층에 대해 가장 긴 Lc 010 값(2.02 nm)을 나타내었으며, 이는 P1 계 막에 대해 수득된 Lc 010 값(1.18 nm)의 2 배였다. 본 발명자들은 또한 막에서의 원(pristine) P1-P5 중합체의 미세 구조 및 결정성 거동을 조사하기 위하여 GIXS 측정을 수행하였고, 그 결과는 Se 함량이 증가함에 따라 삼원공중합체의 결정성 거동이 증가한다는 것을 확인시켜 주었다(상세한 데이터는 도 11 및 12 및 아래 표 8에 개시되어 있다).As Se content increased, the L c 100 value gradually increased from 8.97 ( P1 ) to 12.82 nm ( P5 ). An equally increasing tendency of L c 010 values for the pi-pi stack was observed for higher Se content. In particular, P5 based showed the longest L c value of 010 (2.02 nm) for the π-π stacking of the film series, which is two times the value of L c 010 (1.18 nm) obtained for the P1-based film. We also performed GIXS measurements to investigate the microstructure and crystalline behavior of the pristine P1 - P5 polymer in the membrane, and the results show that the crystalline behavior of the terpolymer increases as the Se content increases (Detailed data are shown in Figures 11 and 12 and Table 8 below).

Figure 112015057521550-pat00011
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상기 결과로부터, 보다 높은 Se 함량은 중합체 주쇄가 더 우수한 정렬을 가지는 결정성 구조를 형성하도록 함으로써, 전하 이송에 대한 우수한 능력을 초래한다는 것을 분명히 알 수 있었다. 그러나 DSC 및 GIXS 측정의 결합된 결과로부터, Se 단위의 혼입에 의한 개선된 중합체 패킹 구조의 미세 양상의 차이는 광전지 성능의 경향에 직접적으로 연관되지는 않았다. 따라서, PC71BM 와 블렌딩된 활성층의 BHJ 형태는 또 다른 중요한 문제이다.
From the above results it can be clearly seen that higher Se content leads to excellent ability to charge transfer by allowing the polymer backbone to form a crystalline structure with better alignment. However, from the combined results of the DSC and GIXS measurements, the differences in the fine pattern of the improved polymer packing structure due to incorporation of Se units were not directly related to the trend of photovoltaic performance. Therefore, the BHJ form of the active layer blended with PC 71 BM is another important problem.

5.2 TEM 측정5.2 TEM measurement

TEM 측정에 의해 최적화된 활성층의 블렌드 형태(삼원공중합체:PC71BM)의 거시적 문제를 판단함으로써, 광전지 성능의 비선형적인 경향에 대한 랜덤 삼원공중합체의 효과를 확인할 수 있었다(도 13 참조). TEM 측정은 JEM-3011 JEOL Ltd 로 수행되었다. 최적화된 활성층이 PEDOT:PSS/Si 기판 상에 스핀 캐스트되었고, 이후 상기 박막은 공기/물 계면 상에 띄워졌고 TEM 그리드로 이동되었다.The effect of the random terpolymer on the non-linear trend of photovoltaic performance was confirmed by determining the macroscopic problem of the blend form of the active layer optimized by TEM measurement (tertiary copolymer: PC 71 BM) (see FIG. 13). TEM measurements were performed with JEM-3011 JEOL Ltd. The optimized active layer was spin cast onto the PEDOT: PSS / Si substrate, after which the thin film was floated on the air / water interface and transferred to the TEM grid.

그 결과 TEM 이미지는, 중합체 내의 Se 함량도가 활성층 내의 중합체의 피브릴 형성에 상당히 영향을 준다는 것을 명확히 나타내었다. 예를 들어, 보다 높은 Se 함량을 갖는 P5는 활성층 내에서 가장 분명한 피브릴성 구조를 가졌고, 이는 중합체 사슬이 응집하는 경향으로부터 기인한다. Se 함량을 낮추는 것은 활성층 내의 중합체의 피브릴성 구조의 형성을 억제하였으며, 이는 덜 뚜렷한 피브릴성 구조를 나타내었다. 또한, 본 발명자들은 중합체의 피브릴 형성의 정도의 경향이 GIXS 데이터로부터 수득된 Lc 값과 매우 일치한다는 것을 주목하였다. 활성층 내의 중합체의 매우 발전된 피브릴성 구조가 피브릴을 통과하는 전하 이송을 향상시키기에 매우 유리하다고 하더라도, 이는 중합체/PC71BM 계면에서 엑시톤 해리의 효율을 억제할 수 있는, 활성층 내의 PC71BM 도메인으로부터의 심각한 상분리를 유도하였다. 최근, Janssen et al. 은 일련의 DPP 계 D-A 교대 공중합체를 연구하였으며, 중합체 피브릴의 너비와 광자의 전자로의 전환의 EQE 사이의 강한 상관관계를 발견하였다(Li, W. et al., J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18942). 전형적으로, 공액 중합체에 대한 엑시톤 확산 거리(exciton diffusion length)는 수 나노미터이고, 따라서 보다 넓은 피브릴을 갖는 중합체는 풀러렌 억셉터를 갖는 계면으로의 엑시톤 확산의 효율에 대한 부정적인 효과를 발휘할 수 있다. 따라서, 상대적으로 낮은 Se 함량을 갖는 P2P3 중합체는 PC71BM 계면으로의 효율적인 엑시톤 확산을 위해 적절히 피브릴성 구조를 발전시켰고, 그 결과 다른 중합체에서보다 우수한 엑시톤 해리를 야기하였다. 결과적으로, DPP 계 삼원공중합체로의 Se 단위의 혼입은 (1) 전하 이동도를 향상시키고 (2) BHJ 형태를 최적화시키는 효율적인 수단을 제공하여, PSCs의 최적의 성능을 야기할 수 있었다.
As a result, the TEM image clearly indicated that the Se content in the polymer significantly affected the fibril formation of the polymer in the active layer. For example, P5 with a higher Se content has the most pronounced fibrillar structure in the active layer, which is due to the tendency of the polymer chains to aggregate. Lowering the Se content inhibited the formation of the fibril structure of the polymer in the active layer, which showed a less pronounced fibril structure. In addition, the inventors have noted that the tendency of the degree of fibril formation of the polymer is very consistent with the L c value obtained from the GIXS data. Even if it is very advanced fibril castle structure of the polymer in the active layer is very advantageous to improve the charge transport through the fibrils, which PC 71 BM in the active layer, which can prevent the efficiency of exciton dissociation in the polymer / PC 71 BM interface Leading to severe phase separation from the domain. Recently, Janssen et al. Studied a series of DPP-based alternating copolymers and found a strong correlation between the width of the polymer fibrils and the EQE of the conversion of photons to electrons (Li, W. et al ., J. Am. Chem. Soc ., 2013, 135, 18942). Typically, the exciton diffusion length for the conjugated polymer is a few nanometers, and thus polymers with broader fibrils can exert a negative effect on the efficiency of the exciton diffusion to the interface with the fullerene acceptor . Thus, P2 and P3 polymers with relatively low Se content developed an appropriate fibril structure for efficient exciton diffusion to the PC 71 BM interface, resulting in better exciton dissociation in other polymers. As a result, the incorporation of Se units into the DPP-based terpolymer resulted in (1) improved charge mobility and (2) an efficient means of optimizing the BHJ form, resulting in optimal performance of the PSCs.

즉, Se 및 Th의 2 개의 상이한 전자 풍부 단위를 함유하는 신규한 PDPP2T-Se-Th 랜덤 삼원공중합체가 저 밴드갭 중합체의 결정성 거동을 조절하기 위해 합성되었다(실시예 1 참조). 중합체 내의 Se 및 Th의 상대적 조성의 변화를 통해, 본 발명자들은 결정성 및 전화 이송 능력을 성공적으로 미세조정할 수 있었고, OFETs 및 PSCs의 성능과 관련하여, 상기 랜덤 삼원공중합체 방법의 이점을 나타내었다.That is, a novel PDPP2T-Se-Th random terpolymer containing two different electron rich units of Se and Th was synthesized to control the crystalline behavior of the low band gap polymer (see Example 1). Through a change in the relative composition of Se and Th in the polymer, we were able to successfully fine-tune the crystallinity and telephone transport capability and demonstrate the advantages of the random terpolymer process with respect to the performance of OFETs and PSCs .

구체적으로, Se 함량을 증가시키는 것은 결정성뿐만 아니라 Tc 및 Tm 값의 현저한 증가를 유도하였다(실시예 3 참조). 중합체의 결정성의 이러한 변화는, 에너지 수준 및 광흡수능이 서로 약간 상이하긴 했지만, OFET 및 PSC 성능을 결정하는 주요한 인자였다(실시예 4 참조). 랜덤 삼원공중합체의 향상된 결정성은 OFET 소자 내의 정공 및 전자 이동도를 P1, P2, P3, P4P5의 순서로 개선하였고, P5 계 OFETs는 매우 높은 정공 및 전자 이동도를 가졌다(각각 4.72 및 5.54 cm2V-1s-1). 반면, PSCs의 PCE 값에서는 상이한 경향이 관찰되었다. 이는, PSCs 내의 중합체:PCBM BHJ 막의 형태가 Se 함량에 강하게 의존하고, Se 함량이 증가함에 따라 중합체가 증가된 크기 범위 및 상분리도를 갖기 때문이었다. 따라서, PSC 소자의 가장 우수한 성능은 최적의 Se 함량을 갖는 P2 중합체(PCE : 7.2%)에 대하여 수득되었으며, 최적화된 BHJ 형태 및 높은 전하 이동도의 시너지 효과를 나타내었다. 이러한 발견은, 중합체의 결정성의 최적화는 유기 전자 소자(예를 들어, OFETs 또는 PSCs)에 대한 고효율 물질을 설계하기 위한 필수적인 고려사항이라는 것을 제시하였다. 또한, 랜덤 삼원공중합체 방법은 중합체의 특성을 최적화하고 유기 전자 소자의 성능을 최대화시키는 데에 특히 효과적임을 확인할 수 있었다.
Specifically, increasing the Se content led to a significant increase in T c and T m values as well as crystallinity (see Example 3). This change in crystallinity of the polymer was a major factor in determining OFET and PSC performance (see Example 4), although the energy level and light absorption capacity were slightly different from each other. The improved crystallinity of the random terpolymer improved hole and electron mobility in the OFET device in the order of P1 , P2 , P3 , P4 and P5 , and P5 system OFETs had very high hole and electron mobility (4.72 and 5.54 cm 2 V -1 s -1 ). On the other hand, PCE values of PSCs were observed to be different. This is because the shape of the polymer: PCBM BHJ film in the PSCs strongly depends on the Se content, and as the Se content increases, the polymer has an increased size range and phase separation. Thus, the best performance of the PSC device was obtained for P2 polymer (PCE: 7.2%) with optimum Se content and showed synergistic effects of optimized BHJ morphology and high charge mobility. This discovery suggests that optimization of the crystallinity of the polymer is an essential consideration for designing high-efficiency materials for organic electronic devices (e.g., OFETs or PSCs). In addition, it has been confirmed that the random terpolymer method is particularly effective in optimizing the characteristics of the polymer and maximizing the performance of the organic electronic device.

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 (10)

디케토피롤로피롤(diketopyrrolopyrrole; DPP)계 화합물과, 셀레노펜(selenophene) 및 티오펜(thiophene)으로 이루어진 방향족 고리 화합물을 포함하고,
상기 셀레노펜(selenophene)과 티오펜(thiophene)은 0.1-0.5 몰비로 포함되며,
하기 화학식으로 표시되는 삼원공중합체.
[화학식]
Figure 112016122724942-pat00026
(DPP) -based compound and an aromatic cyclic compound comprising selenophene and thiophene, wherein the cyclic compound is a cyclopentadienyl compound,
The selenophene and the thiophene are contained at a molar ratio of 0.1-0.5,
A ternary copolymer represented by the following formula:
[Chemical Formula]
Figure 112016122724942-pat00026
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 삼원공중합체는 태양전지 또는 트랜지스터의 활성층(active layer)용도인 것을 특징으로 하는 삼원공중합체.The terpolymer of claim 1, wherein the terpolymer is an active layer of a solar cell or a transistor. 제1항의 삼원공중합체를 활성층으로 포함하는 고분자 태양전지(polymer solar cells; PSCs).A polymer solar cell (PSCs) comprising the terpolymer of claim 1 as an active layer. 제1항의 삼원공중합체를 활성층으로 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터(Organic field-effect transistor; OFET).An organic field-effect transistor (OFET) comprising the ternary copolymer of claim 1 as an active layer. 하기 단계를 포함하는 삼원공중합체의 합성방법:
a) 디케토피롤로피롤계 화합물, 티오펜 및 셀레노펜의 혼합물을 탈가스(degas) 시키는 단계;
b) 상기 a) 단계의 탈가스 시킨 혼합물을 마이크로파 반응기에서 반응시킨 후 상온으로 냉각시켜 겔을 제조하는 단계;
c) 상기 b) 단계의 겔을 희석하고 환류시키는 단계; 및
d) 상기 c) 단계의 환류시킨 겔을 추출 및 정제하는 단계.
A method for synthesizing a terpolymer comprising the steps of:
a) degassing a mixture of diketopyrrolopyrrole compounds, thiophene and selenophene;
b) reacting the degassed mixture of step a) in a microwave reactor and cooling the mixture to room temperature to prepare a gel;
c) diluting and refluxing the gel of step b); And
d) extracting and purifying the refluxed gel of step c).
제8항에 있어서, 상기 a) 단계의 탈가스는 아르곤을 첨가하여 1차 탈가스 시킨 후, 트리페닐포스핀 및 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐을 첨가하여 2차 탈가스 시키는 것을 특징으로 하는 합성방법.The method according to claim 8, wherein the degassing in step a) is performed by firstly degassing with addition of argon, followed by second degassing by adding triphenylphosphine and tris (dibenzylideneacetone) dipalladium Lt; / RTI &gt; 제8항에 있어서, 상기 d) 단계의 추출은 메탄올, 아세톤, 헥산, 디클로로메탄, 클로로포름 및 클로로벤젠으로 속슬렛 추출(soxhlet extract)되는 것을 특징으로 하는 합성방법.9. A method according to claim 8, wherein the extraction in step d) is soxhletextracted with methanol, acetone, hexane, dichloromethane, chloroform and chlorobenzene.
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