KR101804176B1 - 실란-게르만 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자 - Google Patents
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Abstract
실란-게르만 화합물 밀 이를 포함하는 유기발광소자가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 실란-게르만 화합물은, 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]
(B1)3-M1-A-M2-(B2)3
M1 및 M2는 각각 독립적으로 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 중 어느 하나이며, M1 및 M2는 서로 상이하다. 이에 따른, 실란-게르만 화합물은 높은 삼중항 에너지(T1)를 나타내고 에너지 밴드갭이 넓으며, HOMO 값이 낮은 값을 가져 상기 실란-게르만 화합물이 유기발광소자의 유기층에 적용시 정공이 쉽게 이동할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
[화학식 1]
(B1)3-M1-A-M2-(B2)3
M1 및 M2는 각각 독립적으로 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 중 어느 하나이며, M1 및 M2는 서로 상이하다. 이에 따른, 실란-게르만 화합물은 높은 삼중항 에너지(T1)를 나타내고 에너지 밴드갭이 넓으며, HOMO 값이 낮은 값을 가져 상기 실란-게르만 화합물이 유기발광소자의 유기층에 적용시 정공이 쉽게 이동할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 실란-게르만 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인광 유기발광소자의 재료에 관한 것으로 에너지 밴드갭이 넓고, 삼중항 에너지(triple energy)가 크며, HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 낮은 실란-게르만 화합물 및 이를 포함하는 유기발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 유기발광소자(organic light emitting diode, OLED)는 정공 수송층(hole transport layer, HTL); 상기 정공 수송층(HTL) 상에 형성된 발광층(emittinglayer, EML); 및 상기 발광층(EML) 상에 형성된 전자 수송층(electron transport layer, ETL)을 포함한다. 위와 같은 구조의 OLED에 전기장이 가해지면 양극으로부터 정공이 주입되고 음극으로부터 전자가 주입되며, 주입된 정공과 전자는 각각 정공 수송층(HTL)과 전자 수송층(ETL)을 거쳐 발광층(EML)에서 재조합(recombination)하여 발광 여기자(exitons)를 형성한다. 그리고 형성된 발광 여기자는 바닥상태(ground states)로 전이하면서 빛을 방출한다.
이러한 인광 발광은 바닥상태에서 여기 상태로 전자가 전이한 후, 계간 전이(intersystem crossing)를 통해 단일항 여기자가 삼중항 여기자로 비발광 전이된 다음, 삼중항 여기자가 바닥상태로 전이하면서 발광하는 메카니즘(mechanism)으로 이루어진다. 이러한 인광 발광은 삼중항 여기자의 전이 시, 직접 바닥상태로 전이할 수 없어(spin forbidden) 전자스핀의 뒤바뀜(flipping)이 진행된 이후에 바닥상태로 전이되는 과정을 거치기 때문에 형광보다 수명(발광 시간)이 길어지는 특성을 갖는다. 즉, 형광 발광의 발광 지속기간(emission duration)은 수 나노 초(several nano seconds)에 불과하지만, 인광 발광의 경우는 상대적으로 긴 시간인 수 마이크로 초(several micro seconds)에 해당한다.
위와 같은 인광 유기 발광 소자(PHOLEDs; Phosphorescent Organic Light Emitting Diode)의 경우, 인광 발광층 [도판트(dopant)+호스트(host)] 및 유기층을 구성하는 물질의 선정이 발광효율에 직접적인 영향을 미친다. 인광물질의 발광은 삼중항으로부터 일어나므로, 호스트의 삼중항 에너지(T1)가 도판트(dopant)의 삼중항 에너지(T1)보다 클수록 호스트 물질로부터 도판트 물질로의 삼중항 에너지(T1) 전이가 효과적으로 일어날 수 있다.
최근 호스트 물질뿐 아니라 전자 정공 수송층 물질을 비롯한 OLED를 구성하는 모든 유기층에서 HOMO(highest occupied molecular orbital)-LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 간의 간격인 밴드 갭, 삼중항 에너지(T1)가 큰 물질을 요구하고 있다.
기존에 잘 알려진 정공 수송층 물질로는 NPB와 TAPC가 있다. 이는 삼중항 에너지가(T1) 각각 2.32 eV, 2.98 eV를 가진다. 예를 들어, Jeonghun Kwak ECS Solid State Letters, 2015,4(2), R5-R9(비특허문헌)에서는 NPB, TAPC 각각을 정공 수송층 물질으로 사용하며 전자 방지 층의 역할도 하게하였다. 발광층으로는 ADN:DPAVBi 사용하고 청색인광소자를 구성하여 발광효율을 NBP는 5.0, TAPC는 4.6으로 이에 따라, 종래의 청색 인광 유기 발광 소자(PHOLEDs)는 진한 청색의 구현과 높은 발광 효율을 보이기에는 다소 부족함이 있다.
인광 유기 발광 소자가 진한 청색을 구현하고 높은 발광효율을 나타내기 위해서는 모든 유기층 물질의 삼중항 에너지(T1)가 높아야 우수한 효율을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 낮은 HOMO 에너지 준위를 가져야 상대적으로 넓은 에너지 밴드갭을 가지는 유기물질로 정공이 쉽게 이동할 수 있다. 본 발명은 특징은 종래 기술보다 낮은 HOMO 에너지 준위를 가지면서 동시에 에너지 밴드갭이 넓고 삼중항 에너지(T1)가 높다.
Jeonghun Kwak ECS Solid State Letters, 2015,4(2), R5-R9
본 발명은 에너지 밴드갭이 넓고, 삼중항 에너지(triple energy)가 크며, HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 낮은 실란-게르만 화합물을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 실란-게르만 화합물을 포함하는 인광 유기 발광 소자(Phosphorescent Organic Light Emitting Diode, PHOLED)를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실란-게르만 화합물은, 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]
(B1)3-M1-A-M2-(B2)3
여기서, M1 및 M2는 각각 독립적으로 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 중 어느 하나이며, M1 및 M2는 서로 상이하다.
A는 C5-C6 시클로알킬(cycloalkyl), 페닐(phenyl), 비페닐(biphenyl), 나프탈렌(naphthalene), 페난트렌(phenanthrene) 및 피리딘(pyridine)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함한다.
B1은 -B11-B12의 화학식으로 표시되고 B2는 -B21-B22의 화학식으로 표시되며, B11은 M1에 직접 결합하고 B21은 M2에 직접 결합한다.
B11 및 B21은 각각 독립적으로 C1-C5 알킬, 시클로헥산(cyclohexane), 페닐(phenyl), 비페닐(biphenyl), 나프탈렌(naphthalene), 페난트렌(phenanthrene), 피렌(pyrene), 크리센(chrysene), 트리페닐렌(triphenylene), 플루오란텐(fluoranthen) 및 피리딘(pyridine)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함한다.
B12 및 B22는 수소이며, B12 및 B22의 수소 중 어느 하나 이상은 플루오렌(fluorene), 카바졸(carbazole), 카볼린(carboline), 디벤조푸란(dibenzofuran), 디벤조티오펜(dibenzothiophene), 디벤조셀레노펜(dibenzoselenophene)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함하는 R로 치환된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, A의 수소 중 하나 이상은 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 아자이드(azide), 나이트릴(nitrile), C1-C6 알킬(alkyl), C5-C6 시클로알킬(cycloalkyl), C1-C6 헤테로알킬(heteroalkyl), C6-C18 아릴알킬(arylalkyl), C6-C18 아릴(aryl), C6-C18 아릴옥시(aryloxy)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상으로 치환될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, R의 수소 중 하나 이상은 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), C1-C6 알킬(alkyl), C5-C6 시클로알킬(cycloalkyl), C1-C6 헤테로알킬(heteroalkyl), C6-C18 아릴알킬(arylalkyl), C1-C6 알콕시, C6-C18 아릴옥시(aryloxy), 아미노(amino, NH2), C1-C6 알케닐(alkenyl), C5-C6 시클로알케닐(cycloalkenyl), C1-C6 헤테로알케닐(heteroalkenyl), C1-C6 알키닐(alkynyl), C6-C18 아릴(aryl), C6-C18 헤테로아릴(heteroaryl), 카르복실(carboxyl), C2-C6 아실(acyl), C2-C6 에스테르(ester), 나이트릴(nitrile), C1-C6 이소나이트릴(isonitrile), 술파닐(sulfanyl), 술피닐(sulfinyl), 술포닐(sulfonyl), 포스피노(phosphino)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상으로 치환될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실란-게르만 화합물은 하기 화합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실란-게르만 화합물의 HOMO 값은 -6.85 eV 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실란-게르만 화합물의 LUMO 값은 -3.20 eV 이하일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광소자는 기판 상에 애노드(anode), 유기층 및 캐소드(cathode)가 배치되고, 상기 유기층이 상기 실란-게르만 화합물을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기층은 정공주입층, 정공수송층, 전자저지층, 발광층, 정공저지층, 전자수송층 및 전자주입층이 상기 애노드 상에 순차적으로 적층될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 정공수송층은 상기 실란-게르만 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전자저지층은 상기 실란-게르만 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 발광층은 상기 실란-게르만 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실란-게르만 화합물은 높은 삼중항 에너지(T1)를 나타내고 에너지 밴드갭이 넓으며, HOMO 값이 낮은 값을 가져 상기 실란-게르만 화합물이 유기발광소자의 유기층에 적용시 정공이 쉽게 이동할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 합성예 1에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다.
도 4는 본 발명의 합성예 2에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다.
도 5는 본 발명의 합성예 3에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다.
도 6은 본 발명의 합성예 4에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다.
도 7은 본 발명의 합성예 5에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 화합물의 순환전압-전류법(Cyclic Voltammetry, CV) 분석 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다.
도 10은 본 발명의 비교예 1에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다.
도 11은 본 발명의 비교예 2에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다.
도 12는 본 발명의 비교예 3에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 합성예 1에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다.
도 4는 본 발명의 합성예 2에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다.
도 5는 본 발명의 합성예 3에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다.
도 6은 본 발명의 합성예 4에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다.
도 7은 본 발명의 합성예 5에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 화합물의 순환전압-전류법(Cyclic Voltammetry, CV) 분석 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다.
도 10은 본 발명의 비교예 1에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다.
도 11은 본 발명의 비교예 2에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다.
도 12는 본 발명의 비교예 3에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광소자의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광소자의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 다른 유기발광소자는 기판(1), 상기 기판(1) 상에 배치된 애노드(anode), 상기 애노드 상에 배치된 유기층(OL), 그리고 상기 유기층(OL) 상에 배치된 캐소드(cathode)를 포함한다.
상기 유기층(OL)은 실란-게르만 화합물을 포함한다.
상기 실란-게르만 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]
(B1)3-M1-A-M2-(B2)3
여기서, M1 및 M2는 각각 독립적으로 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 중 어느 하나이며, M1 및 M2는 서로 상이하다.
예를 들어, A는 C5-C6 시클로알킬(cycloalkyl), 페닐(phenyl), 비페닐(biphenyl), 나프탈렌(naphthalene), 페난트렌(phenanthrene) 및 피리딘(pyridine)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함한다.
예를 들어, A의 수소 중 하나 이상은 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 아자이드(azide), 나이트릴(nitrile), C1-C6 알킬(alkyl), C5-C6 시클로알킬(cycloalkyl), C1-C6 헤테로알킬(heteroalkyl), C6-C18 아릴알킬(arylalkyl), C6-C18 아릴(aryl), C6-C18 아릴옥시(aryloxy)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상으로 치환될 수 있다.
B1은 -B11-B12의 화학식으로 표시되고 B2는 -B21-B22의 화학식으로 표시된다. B11은 M1에 직접 결합하고 B21은 M2에 직접 결합한다.
예를 들어, B11 및 B21은 각각 독립적으로 C1-C5 알킬, 시클로헥산(cyclohexane), 페닐(phenyl), 비페닐(biphenyl), 나프탈렌(naphthalene), 페난트렌(phenanthrene), 피렌(pyrene), 크리센(chrysene), 트리페닐렌(triphenylene), 플루오란텐(fluoranthen) 및 피리딘(pyridine)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함한다.
B12 및 B22는 수소이며, B12 및 B22의 수소 중 어느 하나 이상은 R로 치환될 수 있다.
예를 들어, R은 플루오렌(fluorene), 카바졸(carbazole), 카볼린(carboline), 디벤조푸란(dibenzofuran), 디벤조티오펜(dibenzothiophene), 디벤조셀레노펜(dibenzoselenophene)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함한다.
예를 들어, R의 수소 중 하나 이상은 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), C1-C6 알킬(alkyl), C5-C6 시클로알킬(cycloalkyl), C1-C6 헤테로알킬(heteroalkyl), C6-C18 아릴알킬(arylalkyl), C1-C6 알콕시, C6-C18 아릴옥시(aryloxy), 아미노(amino, NH2), C1-C6 알케닐(alkenyl), C5-C6 시클로알케닐(cycloalkenyl), C1-C6 헤테로알케닐(heteroalkenyl), C1-C6 알키닐(alkynyl), C6-C18 아릴(aryl), C6-C18 헤테로아릴(heteroaryl), 카르복실(carboxyl), C2-C6 아실(acyl), C2-C6 에스테르(ester), 나이트릴(nitrile), C1-C6 이소나이트릴(isonitrile), 술파닐(sulfanyl), 술피닐(sulfinyl), 술포닐(sulfonyl), 포스피노(phosphino)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상으로 치환될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 실란-게르만 화합물은 하기 화합물로 표시될 수 있으며, 하기 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실란-게르만 화합물의 HOMO(highest occupied molecular orbital) 값은 -6.85eV 이하일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 실란-게르만 화합물의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 값은 -3.20eV 이하일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 유기층(OL)은 상기 애노드(anode) 및 상기 캐소드(cathode) 사이에 배치되며, 상기 유기층(OL)은 정공주입층(10), 정공수송층(20), 전자저지층(30), 발광층(40), 정공저지층(50), 전자수송층(60) 및 전자주입층(70)을 포함한다.
상기 정공주입층(10), 상기 정공수송층(20), 상기 전자저지층(30), 상기 발광층(40), 상기 정공저지층(50), 상기 전자수송층(60) 및 상기 전자주입층(70)은 상기 애노드(anode) 상에 순차적으로 적층된다.
상기 유기층(OL)은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 실란-게르만 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 정공수송층(20)은 상기 실란-게르만 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 전자저지층(30)은 상기 실란-게르만 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 발광층(40)은 상기 실란-게르만 화합물을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 정공주입층(10)에 상기 애노드(anode)가 연결되며, 상기 전자주입층(70)에 캐소드(cathode)가 연결되는데, 전원이 인가되면, 상기 애노드(anode)에서 상기 정공주입층(10)에 정공이 제공되며, 상기 캐소드(cathode)에서 상기 전자주입층(70)에 전자가 제공된다.
도 2를 참조하면, 상기 정공주입층(10)은 제1 HOMO 값(H1) 및 제1 LUMO 값(L1)을 가지며,
상기 정공수송층(20)은 제2 HOMO 값(H2) 및 제2 LUMO 값(L2)을 가지며, 상기 전자저지층(30)은 제3 HOMO 값(H3) 및 제3 LUMO 값(L3)을 가지며, 상기 발광층(40)은 제4 HOMO 값(H4) 및 제4 LUMO 값(L4)을 가지며, 상기 정공저지층(50)은 제5 HOMO 값(H5) 및 제5 LUMO 값(L5)을 가지며, 상기 전자수송층(60)은 제6 HOMO 값(H6) 및 제6 LUMO 값(L6)을 가지며, 상기 전자주입층(70)은 제7 HOMO 값(H7) 및 제7 LUMO 값(L7)을 가진다.
특히, 정공은 상기 정공주입층(10), 상기 정공수송층(20), 상기 전자저지층(30)을 거쳐 상기 발광층(40)에 제공되는데, 상기 정공이 잘 전달되기 위하여는 상기 정공주입층(10) 보다 상기 정공수송층(20)의 HOMO 값이 더 낮고, 상기 정공수송층(20) 보다 상기 전자저지층(30)의 HOMO 값이 더 낮고, 상기 전자저지층(30) 보다 상기 발광층(40)의 HOMO 값이 더 큰 것이 유리하다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 실란-게르만 화합물은 유기발광소자의 유기층(OL)에 적용될 수 있으며, 따라서, 정공수송층(20), 전자저지층(30) 또는 발광층(40)에 적용되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 낮은 HOMO 값을 요구하는 정공수송층(20), 전자저지층(30)에 적용될 수 있다.
또한, 일반적으로 인광 물질의 발광은 삼중항으로부터 일어나므로, 호스트의 삼중항 에너지(T1)가 도판트(dopant)의 삼중항 에너지(T1)보다 클수록 호스트 물질로부터 도판트 물질로의 삼중항 에너지(T1) 전이가 효과적으로 일어날 수 있다. 따라서, 상기 유기발광소자가 인광 유기발광소자(Phosphorescent Organic Light Emitting Diode, PHOLED)이고, 상기 실란-게르만 화합물이 상기 유기층(OL) 중 상기 발광층(40)에 적용시 상기 인광 유기발광소자(PHOLED)가 우수한 발광 효율을 가질 수 있다.
이하에서, 합성예를 통하여 본 발명의 효과를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 합성예 1에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다. 도 4는 본 발명의 합성예 2에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다. 도 5는 본 발명의 합성예 3에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다. 도 6은 본 발명의 합성예 4에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다. 도 7은 본 발명의 합성예 5에 따라 합성된 화합물의 수소 핵자기공명분광 결과이다. 도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 화합물의 순환전압-전류법 (Cyclic Voltammetry, CV) 분석 결과이다. 도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다. 도 10은 본 발명의 비교예 1에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다. 도 11은 본 발명의 비교예 2에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다. 도 12는 본 발명의 비교예 3에 따른 화합물의 순환전압-전류법 분석 결과이다.
합성예
합성예 1
9-(4-(디페닐(4-(트리페닐게르밀)페닐)실릴)페닐)-9H-카바졸(9-(4-(diphenyl(4-(triphenylgermyl)phenyl)silyl)phenyl)-9H-carbazole)의 합성.
반응식1
상기 반응식 1과 같이, 반응용기에 비스(4-브로모페닐)디페닐실란(bis(4-bromophenyl)diphenylsilane)(5.0g, 10.1mmol), 카바졸(carbazole)(1.7g, 10.1mmol), 요오드화구리(copper iodide)(1.9g, 10.1mmol), 탄산칼륨(potassium carbonate)(2.8g, 20.2mmol), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene)을 210℃로 12시간 동안 가열한다. 반응을 종결하고 디클로로메탄으로 추출 후 감압회전증발기로 유기용매를 증발시킨다. 이 결과물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 흰색 고체를 62.0%(3.6g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δ(ppm) = 8.28(d, 2H), 7.82(d, 2H), 7.63(m, 4H), 7.51(m, 6H), 7.47(d, 8H), 7.32(d, 4H).
반응식 2
상기 반응식 2과 같이, 테트라히드로퓨란 150mL에 반응식1에 따라 제조된 화합물(3.0g, 5.1mmol)을 용해한 후 -78℃를 유지하며 2.5M n-부틸리륨 (2.2mL, 5.6mmol)을 30분 동안 천천히 적가한 다음 1시간 동안 교반한다. 이후 -78?를 유지하며 클로로트리페닐게르만(chlorotriphenylgermane)(1.9g, 5.6mmol)를 적가한 다음 30분 교반 후 상온으로 천천히 올려주고 12시간 동안 추가로 교반한다. 반응을 종결하고 디클로로메탄으로 추출 후 감압회전증발기로 유기용매를 증발 시킨다. 이 결과물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 흰색의 고체를 53%(2.2g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같고 이를 도 3에 도시하였다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δ(ppm) = 8.25(d, 2H), 7.79(d, 2H), 7.63(m, 4H), 7.59(m, 8H), 7.52(d, 5H), 7.46(t, 8H), 7.37(d, 4H), 7.27(d, 4H), 7.17(d, 4H).
합성예
2
9-(4-디페닐(4-(트리페닐실릴)페닐)게르밀)페닐)-9H-카바졸(9-(4-(diphenyl(4-(triphenylsilyl)phenyl)germyl)phenyl)-9H-carbazole)의 합성
반응식 3
상기 반응식 3와 같이, 반응용기에 비스(4-브로모페닐)디페닐게르만 (bis(4-bromophenyl)diphenylgermane)(5.0g, 9.28mmol), 카바졸(carbazole)(1.55g, 9.28mmol), 요오드화구리(copper iodide)(1.76g, 9.28mol), 탄산칼륨(potassium carbonate)(2.56g, 18.56mmol), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene)을 210℃로 12시간 동안 가열한다. 반응을 종결하고 디클로로메탄으로 추출 후 감압회전증발기로 유기용매를 증발시킨다. 이 결과물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 흰색 고체를 50.0%(2.9g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δppm) = 8.19(d, 2H), 7.90(d, 2H), 7.75(m, 4H), 7.57(m, 6H), 7.49(d, 8H), 7.35(d, 4H).
반응식 4
상기 반응식 4와 같이, 테트라히드로퓨란 150mL에 반응식 3에 따라 제조된 화합물(3.0g, 4.80mmol)을 용해한 후 -78℃를 유지하며 2.5M n-부틸리륨 (2.11mL, 5.28mmol)을 30분 동안 천천히 적가한 다음 1시간 동안 교반한다. 이후 -78℃를 유지하며 클로로트리페닐실란(chlorotriphenylsilane)(1.56g, 5.28mmol)를 적가한 다음 30분 교반 후 상온으로 천천히 올려주고 12시간 동안 추가로 교반한다. 반응을 종결하고 디클로로메탄으로 추출 후 감압회전증발기로 유기용매를 증발 시킨다. 이 결과물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 희색의 고체를 26%(1.01g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같고 이를 도 4에 도시하였다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δ(ppm) = 8.19(d, 2H), 7.70(d, 2H), 7.63(m, 4H), 7.58(m, 8H), 7.51(d, 5H), 7.46(t, 8H), 7.35(d, 4H), 7.25(d, 4H), 7.15(d, 4H).
합성예
3
9-(4-디페닐(4-(트리페닐실릴)페닐)실릴)페닐)-9H-카바졸(9-(4-(diphenyl(4-(triphenylsilyl)phenyl)silyl)phenyl)-9H-carbazole)의 합성
반응식 5
상기 반응식 5와 같이, 테트라히드로퓨란 150mL에 비스(4-브로모페닐)디페닐실란 (bis(4-bromophenyl)diphenylsilane)(7.0g, 14.16mmol)을 용해한 후 -78℃를 유지하며 2.5M n-부틸리륨 (5.66mL, 14.16mmol)을 30분 동안 천천히 적가한 다음 1시간 동안 교반한다. 이후 -78℃를 유지하며 클로로트리페닐실란(chlorotriphenylsilane)(4.17g, 14.16mmol)를 적가한 다음 30분 교반 후 상온으로 천천히 올려주고 12시간 동안 추가로 교반한다. 반응을 종결하고 디클로로메탄으로 추출 후 감압회전증발기로 유기용매를 증발 시킨다. 이 결과물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 희색의 고체를 54.5%(5.2g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δ(ppm) = 7.90(t, 4H), 7.63(t, 5H), 7.49(m, 12H), 7.37(m, 6H), 7.28(d, 2H), 7.20(d, 2H).
반응식 6
상기 반응식 6와 같이, 반응용기에 반응식 5에 따라 제조된 화합물(5.0g, 7.42mmol), 카바졸(carbazole)(1.36g, 8.16mmol), 요오드화구리(copper iodide)(1.55g, 8.16mol), 탄산칼륨(potassium carbonate)(2.05g, 14.84mmol), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene)을 210℃로 12시간 동안 가열한다. 반응을 종결하고 디클로로메탄으로 추출 후 감압증발기로 유기용매를 증발시킨다. 이 결과물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 흰색 고체를 54.9%(3.1g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같고 이를 도 5에 도시하였다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δppm) = 8.17(d, 2H), 7.82(d, 2H), 7.71(m, 12H), 7.59(m, 9H), 7.44(d, 12H), 7.28(d, 4H).
합성예
4
9-(4-(디페닐(4'-(트리페닐실릴)비페닐-4-일)실릴)페닐)-9H-카바졸(9-(4-(diphenyl(4'-(triphenylsilyl)biphenyl-4-yl)silyl)phenyl)-9H-carbazole)의 합성.
반응식 7
상기 반응식 7과 같이, 반응용기에 (4-브로모페닐)트리페닐실란 ((4-bromophenyl)triphenylsilane)(5.0g, 12.0mmol)을 넣고 테트라히드로퓨란 250mL에 용해한 후 -78℃를 유지하며 2.5M n-부틸리튬(n-Butyllithium)(5.2mL, 13.2mmol)을 천천히 적가한 다음 1시간 동안 교반한다. 이후에 -78℃를 유지하며 트리메틸보레이트(trimethyl borate)(1.4mL, 13.2mmol)를 적가한 다음 30분 동안 교반한 후 상온으로 천천히 올려준다. 이후 5% 수산화나트륨(NaOH) 수용액(60mL)를 첨가하여 반응을 종결하고 10분 후 3 노르말 염산(HCl) 수용액을 적가하여 산성화한다. 디에틸에테르(diethyl ether)로 추출한 후 회전식 감압증류기로 유기용매를 증발시킨다.
이 결과물을 헥산/디클로로메탄 재결정 방법을 이용하여 침전시키고 여과하여 흰색 고체를 72.0%(3.2g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δ(ppm) = 7.60(d, 2H), 7.54(t, 3H), 7.40(d, 8H), 7.35(m, 6H).
반응식 8
상기 반응식 8와 같이, 반응용기에 비스(4-브로모페닐)디페닐실란(bis(4-bromophenyl)diphenylsilane)(5.0g, 10.1mmol), 카바졸(carbazole)(1.7g, 10.1mmol), 요오드화구리(copper iodide)(1.9g, 10.1mmol), 탄산칼륨(potassium carbonate)(2.8g, 20.2mmol), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene)을 210℃로 12시간 동안 가열한다. 반응을 종결하고 디클로로메탄으로 추출 후 감압회전증발기로 유기용매를 증발시킨다. 이 결과물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 흰색 고체를 62.0%(3.6g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δ(ppm) = 8.28(d, 2H), 7.82(d, 2H), 7.63(m, 4H), 7.51(m, 6H), 7.47(d, 8H), 7.32(d, 4H).
반응식 9
상기 반응식 9과 같이, 반응용기에 반응식 7에 따라 제조된 화합물 1.5g(3.9mmol) 반응식 8에 따라 제조된 화합물 2.7g(4.7mmol)테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(Tetrakis(triphenylphosphine)palladium, Pd(PPh3)4)(5%, 0.2mmol)을 넣고 테트라히드로퓨란(THF) 100mL에 녹인다. 5 % 탄산칼륨(K2CO3) 수용액(80mL)을 첨가한 후 질소분위기에서 30시간 동안 환류한다. 상온에서 물을 첨가하고 디에틸에테르(diethyl ether)로 추출하고 무수 황산나트륨(Na2SO4)을 이용하여 유기층을 건조시키고 회전식 감압증류기로 유기용매를 제거한다. 이 결과물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 정제하여 백색 고체를 85.0%(2.8g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같고 이를 도 6에 도시하였다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δ(ppm) = 8.31(d, 2H), 7.91(t, 4H), 7.66(t, 5H), 7.53(m, 16H), 7.40(m, 14H), 7.30(d, 2H), 7.28(d, 2H).
합성예
5
9-(4-((2,2'-디메틸-4'-(트리페닐실릴)비페닐-4-일)디페닐실릴)-2-메틸페닐)-9H-카바졸(9-(4-((2,2'-dimethyl-4'-(triphenylsilyl)biphenyl-4-yl)diphenylsilyl)-2-methylphenyl)-9H-carbazole)의 합성
반응식 10
상기 반응식 10과 같이, 반응용기에 (4-브로모-3-메틸페닐)트리페닐실란 (4-bromo-3-methylphenyl)triphenylsilane (5.0g, 11.6mmol)을 넣고 테트라히드로퓨란 250mL에 용해한 후 -78℃를 유지하며 2.5M n-부틸리튬(n-Butyllithium)(5.1mL, 12.8mmol)을 천천히 적가한 다음 1시간 동안 교반한다. 이후에 -78℃를 유지하며 트리메틸보레이트(trimethyl borate)(1.3mL, 12.8mmol)를 적가한 다음 30분 동안 교반한 후 상온으로 천천히 올려준다. 이후 5% 수산화나트륨(NaOH) 수용액(60mL)를 첨가하여 반응을 종결하고 10분 후 3 노르말 염산(HCl) 수용액을 적가하여 산성화한다. 디에틸에테르(diethyl ether)로 추출한 후 회전식 감압증류기로 유기용매를 증발시킨다.
이 결과물을 헥산/디클로로메탄 재결정 방법을 이용하여 침전시키고 여과하여 흰색 고체를 66.0%(3.0g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δ(ppm) = 7.70(d, 1H), 7.51(t, 3H), 7.45(m, 6H), 7.40(d, 6H), 7.36(s, 1H), 7.32(d, 1H), 2.34(s, 3H).
반응식 11
상기 반응식 11와 같이, 반응용기에 비스(4-브로모-3-메틸페닐)디페닐실란 bis(4-bromo-3-methylphenyl)diphenylsilane (5.0g, 9.5mmol), 카바졸(carbazole)(1.6g, 9.5mmol), 요오드화구리(copper iodide)(1.8g, 9.5mmol), 탄산칼륨(potassium carbonate)(2.6g, 19.1mmol), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene)을 210℃로 12시간 동안 가열한다. 반응을 종결하고 디클로로메탄으로 추출 후 감압회전증발기로 유기용매를 증발시킨다. 이 결과물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 흰색 고체를 58.0%(3.3g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δ(ppm) = 7.67(s, 2H), 7.58(d, 4H), 7.50(d, 6H), 7.46(m, 4H), 7.40(d, 4H), 7.31(d, 4H), 2.34(s, 6H).
반응식 12
상기 반응식 12과 같이, 반응용기에 반응식 10에 따라 제조된 화합물 1.5g(3.8mmol), 반응식 11에 따라 제조된 화합물 2.7g(4.5mmol), 테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(Tetrakis(triphenylphosphine)palladium, Pd(PPh3)4)(5%, 0.2mmol)을 넣고 테트라히드로퓨란(THF) 100mL에 녹인다. 5 % 탄산칼륨(K2CO3) 수용액(80mL)을 첨가한 후 질소분위기에서 30시간 동안 환류한다. 상온에서 물을 첨가하고 디에틸에테르(diethyl ether)로 추출하고 무수 황산나트륨(Na2SO4)을 이용하여 유기층을 건조시키고 회전식 감압증류기로 유기용매를 제거한다. 이 결과물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 정제하여 백색 고체를 76.0%(2.5g) 수율로 얻었다. 결과값은 하기와 같고 이를 도 7에 도시하였다.
1H-NMR(CDCl3, 400MHz) δ(ppm) = 8.18(d, 2H), 7.82(d, 4H), 7.65(t, 4H), 7.49(m, 8H), 7.41(m, 12H), 7.34(d, 4H), 7.27(m, 4H), 7.16(d, 4H), 2.27(s, 6H), 1.98(s, 3H).
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명의 효과를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
실시예
1
상기 합성예 1에 따라 합성된 하기의 화학식으로 표시되는 실란-게르만 화합물의 물성을 측정하였으며, 이는 하기의 표 1에 나타내었다.
그 중 대표적인 물성인 HOMO, LUMO를 순환전압-전류법(cyclic voltammetry) 분석을 통하여 확인 하였다. 순환전압-전류법 분석은 화합물의 산화-환원 특성을 설명하는 전기화학적 분석 방법 이다. 순환전압-전류법 측정 장비는 Princeton Appied Research社의 VerSATA3 모델을 사용하였다.
우선 측정에 필요한 시료는 다음과 같다. 표준시료는 페로센(ferrocene)을 이용하여 검사시료의 산화값을 보정하고 검사시료는 측정 대상 화합물에 대한 시료이다. 표준시료와 검사시료에 사용할 전해질액을 만들기 위하여 전해질로 테트라부틸아모늄 퍼크로레이트(tetrabutylanmmoniun perchlorate) 사용하였고 용매는 N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide)를 사용하여 10-3M의 농도로 전해질액을 만들었다.
그리고 표준시료를 만들기 위하여 페로센을 전해질액을 혼합하여 10-3M의 농도로 표준액을 만든다.
또한 합성예 1의 검사시료를 만들기 위하여 합성예 1의 화합물을 전해질액에 혼합하여 10-3M의 농도로 검사액을 만든다.
그리고 페로센으로 만든 표준시료에 전극에 설치한다. 전극은 작업전극, 기준전극, 보조 전극으로 구성되어 있다. 설치가 완료되면 약 30 초 정도 질소 버블링을 시행한 후 측정을 시작하였다. 측정이 끝나면 아세톤(acetone)을 이용하여 깨끗하게 씻은 후, 검사시료에 전극들을 설치하여 측정을 진행한다.
측정결과 분석은 다음과 같은 계산식을 통하여 HOMO, LUMO를 계산한다.
계산식1. HOMO= 측정 대상 화합물의 Eox + (4.84 - Eox of ferrocene)
계산식2. Band gap(HOMO-LUMO)=1240/UV edge
표준시료의 측정결과에서 페로센의 Eox를 0.04로 확인되었고 검사시료를 통해 확인된 Eox로 HOMO값은 -6.87eV로 계산되었다. 그리고 UV edge로 확인된 밴드갭(band gap) 3.65eV를 통해 LUMO값 -3.22eV를 계산하였다. 검사시료의 순환전압-전류법 그래프는 도 8에 도시 하였다.
실시예
2
상기 합성예 2에 따라 합성된 하기의 화학식으로 표시되는 실란-게르만 화합물의 물성을 측정하였으며, 이는 하기의 표 1에 나타내었다.
그 중 대표적인 물성인 HOMO, LUMO를 순환전압-전류법 분석을 통하여 확인 하였다. 측정방법은 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 측정결과는 다음과 같다.
표준시료의 측정결과에서 페로센의 Eox를 0.04로 확인되었고 검사시료를 통해 확인된 Eox로 HOMO값은 -6.84eV로 계산되었다. 그리고 UV edge로 확인된 밴드갭(band gap) 3.64eV를 통해 LUMO값 -3.20eV를 계산하였다. 검사시료의 순환전압-전류법 그래프는 도 9에 도시 하였다.
비교예
1
상기 합성예 3에 따라 합성된 하기의 화학식으로 표시되는 실란 화합물의 물성을 측정하였으며, 이는 하기의 표 1에 나타내었다.
그 중 대표적인 물성인 HOMO, LUMO를 순환전압-전류법 분석을 통하여 확인 하였다. 측정방법은 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 측정결과는 다음과 같다.
표준시료의 측정결과에서 페로센의 Eox를 0.04로 확인되었고 검사시료를 통해 확인된 Eox로 HOMO값은 -6.80eV로 계산되었다. 그리고 UV edge로 확인된 밴드갭(band gap) 3.64eV를 통해 LUMO값 -3.16eV를 계산하였다. 검사시료의 순환전압-전류법 그래프는 도 10에 도시 하였다.
비교예
2
상기 합성예 4에 따라 합성된 하기의 화학식으로 표시되는 실란 화합물의 물성을 측정하였으며, 이는 하기의 표 1에 나타내었다.
그 중 대표적인 물성인 HOMO, LUMO를 순환전압-전류법 분석을 통하여 확인 하였다. 측정방법은 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 측정결과는 다음과 같다.
표준시료의 측정결과에서 페로센의 Eox를 0.04로 확인되었고 검사시료를 통해 확인된 Eox로 HOMO값은 -6.60eV로 계산되었다. 그리고 UV edge로 확인된 밴드갭(band gap) 3.66eV를 통해 LUMO값 -2.94eV를 계산하였다. 검사시료의 순환전압-전류법 그래프는 도 11에 도시 하였다.
비교예
3
상기 합성예 5에 따라 합성된 하기의 화학식으로 표시되는 실란 화합물의 물성을 측정하였으며, 이는 하기의 표 1에 나타내었다.
그 중 대표적인 물성인 HOMO, LUMO를 순환전압-전류법 분석을 통하여 확인 하였다. 측정방법은 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 측정결과는 다음과 같다.
표준시료의 측정결과에서 페로센의 Eox를 0.04로 확인되었고 검사시료를 통해 확인된 Eox로 HOMO값은 -6.80eV로 계산되었다. 그리고 UV edge로 확인된 밴드갭(band gap) 3.62eV를 통해 LUMO값 -3.18eV를 계산하였다. 검사시료의 순환전압-전류법 그래프는 도 12에 도시 하였다.
HOMO(eV) | LUMO(eV) | Band Gap(eV) | T1(eV) | PL(nm) | UV(nm) | Tg(℃) | |
실시예 1 | -6.87 | -3.22 | 3.65 | 3.00 | 350, 363 | 246, 294 | 87 |
실시예 2 | -6.84 | -3.20 | 3.64 | 2.98 | 351, 363 | 243, 293 | - |
비교예 1 | -6.80 | -3.16 | 3.64 | 3.00 | 351, 363 | 243, 293 | 109 |
비교예 2 | -6.60 | -2.94 | 3.66 | 2.72 | 361 | 273 | 114 |
비교예 3 | -6.80 | -3.18 | 3.62 | 3.00 | 362 | 252, 293 | - |
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실란-게르만 화합물은 비교예들에 비하여 높은 삼중항 에너지(T1)를 나타내고 에너지 밴드갭이 넓으며, HOMO 값 역시 다른 비교예들에 비하여 낮은 값을 가져 상기 실란-게르만 화합물이 유기발광소자의 유기층에 적용시 정공이 쉽게 이동할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
1: 기판 OL: 유기층
10: 정공주입층 20: 정공수송층
30: 전자저지층 40: 발광층
50: 정공저지층 60: 전자수송층
70: 전자주입층
10: 정공주입층 20: 정공수송층
30: 전자저지층 40: 발광층
50: 정공저지층 60: 전자수송층
70: 전자주입층
Claims (11)
- 하기 화학식 1로 표시되며, HOMO 값은 -6.80 eV 미만인 실란-게르만 화합물.
[화학식 1]
(B1)3-M1-A-M2-(B2)3
(여기서, M1 및 M2는 각각 독립적으로 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 중 어느 하나이며, M1 및 M2는 서로 상이하며,
A는 C5-C6 시클로알킬(cycloalkyl), 페닐(phenyl), 비페닐(biphenyl), 나프탈렌(naphthalene), 페난트렌(phenanthrene) 및 피리딘(pyridine)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하며,
B1은 -B11-B12의 화학식으로 표시되고 B2는 -B21-B22의 화학식으로 표시되며, B11은 M1에 직접 결합하고 B21은 M2에 직접 결합하며,
B11 및 B21은 페닐(phenyl)이고,
B12 및 B22는 수소이며,
B12의 수소 중 어느 하나 이상은 카바졸(carbazole), 카볼린(carboline), 디벤조푸란(dibenzofuran), 디벤조셀레노펜(dibenzoselenophene)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 치환되거나, 전부 치환되지 않으며,
B22의 수소 중 어느 하나는 카바졸(carbazole)이고, 나머지는 수소 또는 C1-C6 알킬(alkyl)이다.) - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 실란-게르만 화합물의 HOMO 값은 -6.85 eV 이하인 것을 특징으로 하는 실란-게르만 화합물.
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Non-Patent Citations (3)
Title |
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ACS APPL. MATER.INTERFACES, 5(13), PP.6168-6175, 2013 |
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J. NANOSCI. NANOTECHNOL., 13(12), PP. 7988-7992, 2013 |
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