KR101838232B1 - 유기반도체 화합물 및 그를 포함하는 유기전자소자 - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유기반도체 화합물 및 그를 포함하는 유기전자소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자주개 단위체가 도입된 유기반도체 화합물 및 그를 포함하는 유기전자소자에 관한 것이다.
1970년대 후반부터 특정한 유기물에 적절한 도핑을 통해 전기 전도도가 거의 구리에 가깝게 도달될 수 있다는 것이 알려진 후, 현재 유기물은 전도도 측면에서, 최고의 절연체(폴리스티렌 등)로부터 반도체, 전도체(도핑된 폴리아세틸렌 등)뿐만 아니라 최고의 전도체인 초전도체((TMTSF)2PF6, 퍼클로레이트, 펜타센 등)까지 모든 종류의 전자재료를 얻을 수 있게 되었다. 반도체의 예로서는 p-형의 펜타센, n-형의 C60, Alq3 등이 있고, 유전체로는 강유전체인 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)와 이를 근간으로 하는 공중합체들이 있다.
최근 10여 년간 반도체 성질을 띠는 유기 소재의 개발과 이를 이용한 다양한 응용 연구 또한 어느 때보다 활발히 진행되어 왔다. 전자파 차폐막, 캐패시터, 유기 EL(electroluminescence) 디스플레이, 유기박막 트랜지스터, 태양전지, 다광자 흡수 현상을 이용한 메모리 소자 등 유기반도체를 이용한 응용 연구의 영역은 계속해서 확장되고 있다.
유기물질을 이용한 유기박막 트랜지스터는 유기 EL용 능동 구동 소자의 사용을 필두로 차세대 스마트 카드 등에도 연구되고 있다. 또한, 유기물 반도체를 활성층으로 하여 전기적 발진 특성에 관한 연구 결과가 발표된 후 레이저 다이오드로서의 응용성에 대해서도 많은 관심을 불러일으키고 있다. 또한, 도핑된 펜타센으로 제작된 태양전지의 효율이 2.4 %에 달하는 등 비약적인 발전을 보이고 있으며, 비유기물에 비해 소자 제작 단가가 현저히 낮다.
또한, 플랙시블한 전자 회로 기판이 미래 산업에 중요한 요소 기술이 될 것으로 예상되므로, 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 유기박막 트랜지스터의 개발은 중요한 연구 분야로 대두되고 있다. 유기박막 트랜지스터는 유기반도체의 특성상 전하 이동도가 낮아 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 등이 쓰이는 고속 소자에는 쓰일 수 없지만, 넓은 면적 위에 소자를 제작하거나 저온 공정이 필요하거나, 구부림이 필요한 경우 사용 가능하고, 특히 저가 공정이 가능하므로 유기박막 트랜지스터는 유용하게 쓰일 수 있다. 최근에 필립스의 연구진들은 기판과 전극, 유기유전체(절연체), 유기반도체를 모두 고분자를 이용하여 326개의 트랜지스터로 구성된 프로그래머블 코드 제너레이터(programmable code generator)를 제작 발표한 바 있다.
플라스틱 기판 상에 구현된 유기박막 트랜지스터는 구부림이 가능한 액정 표시 소자나 최근 큰 관심을 불러일으키고 있는 전자 종이(electronic paper) 및 유기 발광 소자의 구동에도 응용이 가능하다. 특히, 최근에 개발된 전자 종이는 전압 구동으로 높은 전하 이동도와 고속 스위칭 속도가 필요치 않은 표시 소자이고, 구부림이 가능한 대면적에 적용하기 유리한 기술이므로, 유기박막 트랜지스터의 응용 가능성이 매우 높다.
유기박막 트랜지스터에 관한 연구는 1980년대 초반부터 시작하여 최근에 전 세계적으로 본격적인 연구가 진행되고 있다. 트랜지스터 소자는 기판, 게이트 전극, 절연막, 채널층, 소스/드레인 전극, 그리고 외부 습기 및 산소 투과를 막아주는 보호층으로 이루어진다. 유기박막 트랜지스터는 소자특성에 가장 크게 영향을 미치고 전하 이동이 일어나는 핵심부분인 채널층에 기존의 실리콘 계의 무기 재료를 대체하여 반도체 특성을 나타내는 유기 화합물 혹은 고분자 물질로 대체하여 제작한다. 유기반도체 재료로는 폴리페닐렌비닐렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 올리고티오펜과 함께, 안트라센, 테트라센, 펜타센 등의 폴리아센 화합물이 연구되고 있으며, 특히, 폴리아센 화합물은 분자 간 응집력이 강하기 때문에, 높은 결정성을 갖고 있어, 이에 의해 높은 캐리어 이동도를 갖는다. 유기반도체 재료들은 전자를 이동하는 n형 재료와 정공을 수송하는 p-형 재료로 구분된다.
p-형 유기 유기반도체에 비해 n-형 유기반도체의 연구 및 개발이 뒤쳐져 있다. 정공이 아닌 전자가 전하 수송자가 되는 n-형 유기 반도체는 공기 중의 산소, 수분, 오존에 의해 쉽게 산화되기 때문에 공기 중에서 성능이 급격히 저하되는 현상을 보여주어 n-형 유기박막 트랜지스터의 개발에 어려움이 있었다. 또한, 종래의 n-형 유기반도체 화합물은 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위가 비교적 높고, 평면성이 낮아 p-n 접합 트랜지스터, 유기 태양전지, 상보적 회로(complementary circuit) 등의 소자에 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전자주개 단위체가 도입됨으로써 LUMO 에너지 준위가 낮고, 분자간 또는 분자내 비공유 상호작용으로 인해 상호연결성(interconnectivity)이 향상된 화합물을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 이와 같은 화합물을 적용하여, 안정성 및 전자 이동도가 향상된 유기전자소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구조식 1로 표시되는 화합물이 제공된다.
[구조식 1]
구조식 1에서,
R1 및 R2는 같거나 서로 다르고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 C3 내지 C30 직쇄형 또는 분쇄형 알킬기이고,
X1 및 X2는 서로 같거나 다르고, X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 할로겐 원자이고,
n은 반복단위의 반복수이고,
수평균분자량은 3,000 내지 500,000이다.
상기 화합물은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
[구조식 2]
구조식 2에서,
R3 내지 R6는 같거나 서로 다르고, R3 내지 R6는 각각 독립적으로 C1 내지 C20 직쇄형 또는 분쇄형 알킬기이고,
X1 및 X2는 서로 같거나 다르고, X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 할로겐 원자이고,
n은 반복단위의 반복수이고,
수평균분자량은 3,000 내지 500,000이다.
상기 구조식 2로 표시되는 화합물이 하기 구조식 3으로 표시될 수 있다.
[구조식 3]
구조식 3에서,
R3 내지 R6는 같거나 서로 다르고, R3 내지 R6는 각각 독립적으로 C1 내지 C20 직쇄형 또는 분쇄형 알킬기이고,
X1 및 X2는 서로 같거나 다르고, X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 할로겐 원자이고,
n은 반복단위의 반복수이고,
수평균분자량은 3,000 내지 500,000이다.
상기 구조식 2로 표시되는 화합물이 하기 구조식 4로 표시될 수 있다.
[구조식 4]
구조식 4에서,
R3 내지 R6는 같거나 서로 다르고, R3 내지 R6는 각각 독립적으로 C1 내지 C20 직쇄형 또는 분쇄형 알킬기이고,
X1 및 X2는 서로 같거나 다르고, X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 할로겐 원자이고,
n은 반복단위의 반복수이고,
수평균분자량은 3,000 내지 500,000이다.
R3 내지 R6는 같거나 서로 다르고, R3 내지 R6는 각각 독립적으로 C1 내지 C20 직쇄형 알킬기일 수 있다.
X1 및 X2는 플루오르 원자일 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 특징에 따르면, 상기 화합물을 포함하는 유기전자소자가 제공된다.
상기 유기전자소자가 유기트랜지스터일 수 있다.
상기 유기트랜지스터가, 기판상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극을 절연시키는 게이트 절연막; 및 상기 절연막 상에 형성되는 반도체층 및 소스 전극과 드레인 전극;을 포함하고, 상기 반도체층이 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 위치하거나 또는 상기 소스 전극과 드레인 전극이 상기 반도체층 상에 위치하고, 상기 반도체층은 상기 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 특징에 따르면, 하기 구조식 5로 표시되는 화합물과 하기 구조식 6으로 표시되는 화합물을 반응시켜 하기 구조식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 화합물의 제조방법이 제공된다.
[구조식 1]
[구조식 5]
[구조식 6]
구조식 1, 5 및 6에서,
R1 및 R2는 같거나 서로 다르고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 C3 내지 C30 직쇄형 또는 분쇄형 알킬기이고,
X1 및 X2는 서로 같거나 다르고, X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 할로겐 원자이고,
n은 반복단위의 반복수이고,
수평균분자량은 3,000 내지 500,000이다.
상기 화합물의 제조방법은, (a) 상기 구조식 5로 표시되는 화합물 및 상기 구조식 6으로 표시되는 화합물을 용매에 용해시켜 혼합용액을 제조하는 단계; (b) 상기 혼합용액에 촉매를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 혼합물을 가열하여 반응시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 용매가 클로로벤젠, 톨루엔, 벤젠, 헥산, 나프탈렌, 에틸벤젠, 디클로로벤젠, 디클로로메탄, 트리클로로메탄, 테트라클로로메탄, 사이클로헥산 및 사염화탄소 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 촉매가 Pd2(dba)3(Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium), P(o-tolyl)3(tri(o-tolyl)phosphine), Pd(PPh3)4(Tetrakis(triphenylphosphine)palladium) 및 Pd(OAc)2(Palladium(II) acetate) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
단계 c가 80 내지 170℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 상기 화합물의 제조방법을 포함하는 유기전자소자의 제조방법이 제공된다.
상기 유기전자소자가 유기트랜지스터일 수 있다.
본 발명의 화합물은 전자주개 단위체가 도입됨으로써 LUMO 에너지 준위가 낮고, 분자간 또는 분자내 비공유 상호작용으로 인해 상호연결성(interconnectivity)이 향상될 수 있다.
또한, 이와 같은 화합물을 적용한 유기전자소자는 안정성 및 전자 이동도가 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기트랜지스터의 개략도이다.
도 2는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물의 열중량분석(TGA) 측정 결과이다.
도 3은 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물 용액(a)과 필름(b)의 UV-Vis 흡수 스펙트럼 측정 결과이다.
도 4는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물 필름의 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry) 측정 결과이다.
도 5는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물의 2D-GIXS(Two dimensional grazing incidence X-ray scattering) 측정 결과이다.
도 6은 소자 실시예 1 및 2에 따라 제조된 유기트랜지스터의 전달곡선(transfer curve)이다.
도 2는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물의 열중량분석(TGA) 측정 결과이다.
도 3은 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물 용액(a)과 필름(b)의 UV-Vis 흡수 스펙트럼 측정 결과이다.
도 4는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물 필름의 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry) 측정 결과이다.
도 5는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물의 2D-GIXS(Two dimensional grazing incidence X-ray scattering) 측정 결과이다.
도 6은 소자 실시예 1 및 2에 따라 제조된 유기트랜지스터의 전달곡선(transfer curve)이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 "알킬(alkyl)기"란 별도의 정의가 없는 한, 지방족 탄화수소기를 의미한다.
알킬기는 어떠한 이중결합이나 삼중결합을 포함하고 있지 않은 "포화 알킬(saturated alkyl)기" 일 수 있다.
알킬기는 적어도 하나의 이중결합 또는 삼중결합을 포함하고 있는 "불포화 알킬(unsaturated alkyl)기"일 수도 있다.
포화이든 불포화이든 간에 알킬기는 분지형, 직쇄형 또는 환형일 수 있다.
알킬기는 C1 내지 C30 알킬기일 수 있다. 보다 구체적으로 C1 내지 C20 알킬기, C1 내지 C10 알킬기 또는 C1 내지 C6 알킬기일 수도 있다.
예를 들어, C1 내지 C4 알킬기는 알킬쇄에 1 내지 4 개의 탄소원자, 즉, 알킬쇄는 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, sec-부틸 및 t-부틸로 이루어진 군에서 선택됨을 나타낸다.
구체적인 예를 들어 상기 알킬기는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 에테닐기, 프로페닐기, 부테닐기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등을 의미한다.
이하, 본 발명의 화합물에 대해서 설명하도록 한다. 그러나, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 화합물은 하기 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[구조식 1]
구조식 1에서,
R1 및 R2는 같거나 서로 다르고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 C3 내지 C30 직쇄형 또는 분쇄형 알킬기이고,
X1 및 X2는 서로 같거나 다르고, X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 할로겐 원자이고,
n은 반복단위의 반복수이고,
수평균분자량은 3,000 내지 500,000이다.
상기 할로겐 원자는 플루오르 원자, 염소 원자, 브롬 원자, 요오드 원자, 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 부톡시, 펜톡시, 헥실록시, 헵틸록시, 옥틸록시, 노닐록시, 데실록시, 운데실록시, 도데실록시 등이 가능하다.
상기 구조식 1로 표시되는 화합물은 바람직하게는 하기 구조식 2로 표시될 수 있다.
[구조식 2]
구조식 2에서,
R3 내지 R6는 같거나 서로 다르고, R3 내지 R6는 각각 독립적으로 C1 내지 C20 직쇄형 또는 분쇄형 알킬기이고,
X1 및 X2는 서로 같거나 다르고, X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 할로겐 원자이고,
n은 반복단위의 반복수이고,
수평균분자량은 3,000 내지 500,000이다.
상기 구조식 2로 표시되는 화합물은 더욱 바람직하게는 하기 구조식 3으로 표시될 수 있다.
[구조식 3]
구조식 3에서,
R3 내지 R6는 같거나 서로 다르고, R3 내지 R6는 각각 독립적으로 C1 내지 C20 직쇄형 또는 분쇄형 알킬기이고,
X1 및 X2는 서로 같거나 다르고, X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 할로겐 원자이고,
n은 반복단위의 반복수이고,
수평균분자량은 3,000 내지 500,000이다.
상기 구조식 2로 표시되는 화합물은 더욱 바람직하게는 하기 구조식 4로 표시될 수 있다.
[구조식 4]
구조식 4에서,
R3 내지 R6는 같거나 서로 다르고, R3 내지 R6는 각각 독립적으로 C1 내지 C20 직쇄형 또는 분쇄형 알킬기이고,
X1 및 X2는 서로 같거나 다르고, X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 할로겐 원자이고,
n은 반복단위의 반복수이고,
수평균분자량은 3,000 내지 500,000이다.
바람직하게는 R3 내지 R6는 같거나 서로 다르고, R3 내지 R6는 각각 독립적으로 C1 내지 C20 직쇄형 알킬기일 수 있다.
바람직하게는 X1 및 X2는 플루오르 원자일 수 있다. 상기 플루오르 원자는 화합물 내에서 전자주개(donor)로 작용하며, 이로 인해 화합물 간에 상호연결성(interconnectivity)이 향상되어 상기 화합물의 LUMO 에너지 준위가 낮아지고, 수평 및 수직적 전자 이동을 모두 수반하여 3차원 배향의 전자 이동이 향상 될 수 있다.
이하, 본 발명의 유기전자소자에 대해 설명하도록 한다.
상기 유기전자소자는 바람직하게는 유기트랜지스터일 수 있으며, 이하 도 1을 참조하여 본 발명의 유기트랜지스터에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기트랜지스터의 개략도이다. 여기서, 기판은 유리로, 게이트 전극은 Al로, 게이트 절연막은 PMMA(Poly(methyl methacrylate))로, 소스 전극과 드레인 전극은 Au로 한정하였으나, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않는다.
상기 유기트랜지스터는 기판상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극을 절연시키는 게이트 절연막; 및 상기 절연막 상에 형성되는 반도체층 및 소스 전극과 드레인 전극;을 포함하고, 상기 반도체층이 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 위치하거나 또는 상기 소스 전극과 드레인 전극이 상기 반도체층 상에 위치하고, 상기 반도체층은 상기 화합물을 포함할 수 있다.
상기 반도체층이 LUMO 에너지 준위가 낮고, 평면성이 높은 상기 화합물을 포함함으로써, 상기 유기트랜지스터의 안정성 및 전자 이동도가 향상될 수 있다.
상기 기판은 유리, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드, 폴리노르보넨, 폴리에테르설폰 등이 가능할 수 있다.
상기 게이트 전극은 금, 은, 알루미늄, 니켈, 크롬, 인듐주석산화물 등이 가능하다.
상기 소스/드레인 전극은 각각 독립적으로 금, 은, 알루미늄, 니켈, 크롬, 인듐주석산화물 등이 가능하다.
상기 게이트 절연막은 PMMA, Ba0 . 33Sr0 . 66TiO3(BST), Al2O3, Ta2O5, La2O5, Y2O3 및 TiO2 중에서 선택된 강유전성 절연체, PdZr0 . 33Ti0 . 66O3(PZT), Bi4Ti3O12, BaMgF4, SrBi2(TaNb)2O9, Ba(ZrTi)O3(BZT), BaTiO3, SrTiO3, Bi4Ti3O12, SiO2, SiNx 및 AlON 중에서 무기 절연체, 또는 폴리이미드, BCB(Benzocyclobutene), 파릴렌, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐알콜 및 폴리비닐페놀로 등이 가능하다.
이하, 본 발명의 화합물의 제조방법에 대해서 설명하도록 한다.
본 발명의 화합물의 제조방법은 하기 구조식 5로 표시되는 화합물과 하기 구조식 6으로 표시되는 화합물을 반응시켜 하기 구조식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 것이다.
[구조식 1]
[구조식 5]
[구조식 6]
구조식 1, 5 및 6에서,
R1 및 R2는 같거나 서로 다르고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 C3 내지 C30 직쇄형 또는 분쇄형 알킬기이고,
X1 및 X2는 서로 같거나 다르고, X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 원자 또는 할로겐 원자이고,
n은 반복단위의 반복수이고,
수평균분자량은 3,000 내지 500,000이다.
구체적으로, 상기 화합물의 제조방법은 아래와 같이 수행될 수 있다.
먼저, 상기 구조식 5로 표시되는 화합물 및 상기 구조식 6으로 표시되는 화합물을 용매에
용해시켜
혼합용액을 제조한다(단계 a).
상기 용매는 클로로벤젠, 톨루엔, 벤젠, 헥산, 나프탈렌, 에틸벤젠, 디클로로벤젠, 디클로로메탄, 트리클로로메탄, 테트라클로로메탄, 사이클로헥산, 사염화탄소 등일 수 있고, 바람직하게는 클로로벤젠 또는 톨루엔을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 혼합용액에 촉매를 첨가하여 혼합물을 제조한다(단계 b).
상기 촉매는 Pd2(dba)3(Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium), P(o-tolyl)3(tri(o-tolyl)phosphine), Pd(PPh3)4(Tetrakis(triphenylphosphine)palladium), Pd(OAc)2(Palladium(II) acetate) 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 Pd2(dba)3와 P(o-tolyl)3을 동시에 사용할 수 있다.
마지막으로, 상기 혼합물을 가열하여 반응시켜 화합물을 제조한다(단계 c).
단계 c는 80 내지 170℃, 바람직하게는 90 내지 150℃, 더욱 바람직하게는 100 내지 130℃에서 수행될 수 있다.
단계 c 이후, 침전물을 생성시키는 과정을 추가로 수행할 수 있고, 추출 및 컬럼 크로마토그래피 등의 정제 과정을 추가로 수행할 수 있다.
본 발명은 상기 화합물의 제조방법을 포함하는 유기전자소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 유기전자소자가 유기트랜지스터일 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
제조예 1: 중간체(1)의 제조
500 mL 둥근 플라스크에 3-브로모티오펜-2-카바알데히드(14g, 73.2mmol)를 넣고 진공상태를 만들어 주었다. 그리고 테트라히드로푸란(THF, 100mL)을 주입한 후, -18℃에서 TiCl4(12.07mL, 109.8mmol)를 천천히 주입하였다. 30분 후, Zn 분말(15g, 219.6mmol)를 천천히 주입하고 30분동안 상온에서 교반한 후, 50℃에서 4시간동안 환류하였다. 반응이 완료되면 증류수(100mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 중간체(1)(45%)을 얻었다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3, ppm): δ 7.20 (d, 2H), 7.12 (s, 2H), 6.98 (d, 2H).
13C NMR (150 MHz, CDCl3, ppm): δ 136.5, 130.96, 124.52, 121.39, 111.52.
제조예 2: 중간체(2)의 제조
500 mL 둥근 플라스크에 중간체(1)(10.0g, 28.56mmol)을 넣고 진공상태를 만들어 주었다. 그리고 디에틸에테르(200mL)를 주입한 후, -78℃에서 LDA(Lithium Diisopropyl Amide, 28.6 ml, 57.12 mmol)를 천천히 주입하였다. 그 후, 같은 온도에서 트리메틸실란 클로라이드(trimethylsilanechloride)(7.6mL, 59.97mmol)를 주입한 후, 12시간동안 상온에서 교반하였다. 반응이 완료되면 증류수(100mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 에틸아세테이트와 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 중간체(2) (85%)를 얻었다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3, ppm): δ 7.13 (s, 2H), 7.06 (s, 2H), 0.32 (s, 18H).
13C NMR (150 MHz, CDCl3, δ): 141.2.5, 140.2, 137.1, 121.5, 121.5, 0.44.
제조예 3: 중간체(3)의 제조
500 mL 둥근 플라스크에 중간체(2)(5.0g, 10.11mmol)를 넣고 진공상태를 만들어 주었다. 그리고 디에틸에테르(200mL)를 주입한 후, -78℃에서 t-BuLi(Tert-Butyllithium, 12.0 ml, 20.22 mmol)를 천천히 주입하였다. 그 후, 같은 온도에서 N-플루로오벤젠설폰이미드((PhSO2)2NF)(9.6g, 30.33mmol)를 주입한 후, 1시간동안 상온에서 교반하였다. 반응이 완료되면 증류수 100mL를 통해 켄칭(quenching)하고, 에틸아세테이트와 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 중간체(3)(85%)을 얻었다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3, δ): δ 6.92 (s, 2H), 6.88 (s, 2H), 0.31 (s, 18H).
13C NMR (150 MHz, CDCl3, δ): 143.92, 140.9, 138.9, 128.8, 125.4, 0.47.
제조예 4: 중간체(4)의 제조
250 mL 둥근 플라스크에 중간체(3)(3.0g, 8.05mmol), 트리플루오로아세트산(30mL) 및 클로로포름(30mL)를 주입한 후, 5시간동안 상온에서 교반시켰다. 반응이 완료되면 증류수(50mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 중간체(4)(82%)를 얻었다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3, δ): δ 7.05 (d, 2H), 6.91 (s, 2H), 6.78 (d, 2H).
13C NMR (150 MHz, CDCl3, δ): 155.38, 122.20, 120.53, 117.98, 116.16.
제조예 5: 중간체(5)의 제조
100mL 둥근 플라스크에 THF 100mL 와 LDA(4.38 ml, 8.76 mmol)를 각각 주입한 후, -78℃에서 중간체(4)(1.0g, 4.38 mmol)를 천천히 주입하였다. 그 후, 트리메틸틴 클로라이드(trimethyltin chloride)(1 M in hexanes) 13.14mL를 천천히 주입한 후, 상온에서 2시간동안 교반하였다. 반응이 완료되면 증류수 (50mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 재결정을 통해 순수한 중간체(5)(55%)를 얻었다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3, δ): δ 6.88 (s, 2H), 6.83 (s, 2H), 0.37 (s, 18H).
13C NMR (150 MHz, CDCl3, δ): δ 156.8, 136.02, 126.04, 125.07, 115.99, -0.35.
제조예 6: 중간체(6)의 제조
500 mL 둥근 플라스크에 4-브로모티오펜-2-카바알데히드(14g, 73.2mmol)를 넣고 진공상태를 만들어 주었다. 그리고 테트라히드로푸란(THF, 100mL)을 주입한 후, -18℃에서 TiCl4(12.07mL, 109.8mmol)를 천천히 주입하였다. 30분 후, Zn 분말(15g, 219.6mmol)을 천천히 주입하고 30분동안 상온에서 교반한 후, 50℃에서 4시간동안 환류하였다. 반응이 완료되면 증류수(100mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 중간체(6)(55%)을 얻었다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3, ppm): δ 7.10 (s, 2H), 6.97 (s, 2H), 6.93 (s, 2H).
13C NMR (150 MHz, CDCl3, ppm): δ 142.5, 128.5, 121.8, 121.2, 110.5.
제조예 7: 중간체(7)의 제조
500 mL 둥근 플라스크에 중간체(6)(10.0g, 28.56mmol)을 넣고 진공상태를 만들어 주었다. 그리고 디에틸에테르(200mL)를 주입한 후, -78℃에서 LDA(Lithium Diisopropyl Amide를 (28.6 ml, 57.12 mmol) 천천히 주입하였다. 그 후, 같은 온도에서 트리메틸실란 클로라이드(trimethylsilanechloride)(7.6mL, 59.97mmol)를 주입한 후, 12시간동안 상온에서 교반하였다. 반응이 완료되면 증류수(100mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 에틸아세테이트와 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 중간체(7) (82%)를 얻었다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3, ppm): δ 7.03 (s, 2H), 6.95 (s, 2H), 0.40 (s, 18H).
13C NMR (150MHz, CDCl3, δ): 147.0, 135.1, 131.8, 121.9, 118.3. 0.0.
제조예 8: 중간체(8)의 제조
500 mL 둥근 플라스크에 중간체(7)(5.0g, 10.11mmol)를 넣고 진공상태를 만들어 주었다. 그리고 디에틸에테르(200mL)를 주입한 후, -78℃에서 t-BuLi를(Tert-Butyllithium, 12.0 ml, 20.22 mmol) 천천히 주입하였다. 그 후, 같은 온도에서 N-플루로오벤젠설폰이미드((PhSO2)2NF)(9.6g, 30.33mmol)를 주입한 후, 1시간동안 상온에서 교반하였다. 반응이 완료되면 증류수 100mL를 통해 켄칭(quenching)하고, 에틸아세테이트와 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 중간체(8)(80%)을 얻었다.
1H NMR (600MHz, CDCl3, δ): δ 6.91 (s, 2H), 6.80 (s, 2H), 0.33 (s, 18H).
13C NMR (150MHz, CDCl3, δ): 162.7 (d, 2C), 144.6, 121.2, 116.4, 115.0, -0.52.
제조예 9: 중간체(9)의 제조
250 mL 둥근 플라스크에 중간체(8)(3.0g, 8.05mmol), 트리플루오로아세트산(30mL) 및 클로로포름(30mL)를 주입한 후, 5시간동안 상온에서 교반시켰다. 반응이 완료되면 증류수(50mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 컬럼크로마토그래피에 의해 순수한 중간체(9)(83%)를 얻었다.
1H NMR (600MHz, CDCl3, δ): δ 6.90 (d, 2H), 6.82 (s, 2H), 6.58 (d, 2H).
13C NMR (150MHz, CDCl3, δ): 141.2, 139.8, 137.6, 135.8, 121.1.
제조예 10: 중간체(10)의 제조
100mL 둥근 플라스크에 THF 100mL 와 LDA를 (4.38 ml, 8.76 mmol) 각각 주입한 후, -78℃에서 중간체(9)(1.0g, 4.38 mmol)를 천천히 주입하였다. 그 후, 트리메틸틴 클로라이드(trimethyltin chloride)(1 M in hexanes) 13.14mL를 천천히 주입한 후, 상온에서 2시간동안 교반하였다. 반응이 완료되면 증류수 (50mL)를 통해 켄칭(quenching)하고, 클로로포름과 소금물로 유기층을 추출한 후 무수황산 마그네슘으로 남은 수분을 제거하고, 재결정을 통해 순수한 중간체(10)(60%)를 얻었다.
1H NMR (600 MHz, CDCl3, δ): δ 6.73 (s, 2H), 6.74 (s, 2H), 0.37 (s, 18H).
13C NMR (150 MHz, CDCl3, δ): δ 153.6, 142.6, 143.1, 141.4, 128.2, -0.33.
실시예 1
4,9-dibromo-2,7-bis(2-decyltetradecyl)benzo[lmn][3,8]phenanthroline-1,3,6,8(2H,7H)-tetraone(151mg, 0.152 mmol)와 중간체(4)(80mg, 0.152mmol), tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(Pd2(dba)3) (7mg, 7.6μmol)와 tri(o-tolyl)phosphine(P(o-tolyl)3) (9.3mg, 30 μmol)를 콘덴서가 장착된 둥근 플라스크에 넣고, 1시간 이상 진공 처리하여 수분 및 산소를 제거하였다. 5mL의 무수 chlorobenzene(CB)을 가하여 녹인 후, 110℃에서 48시간동안 반응시키고 2-tributylstannyl thiophene(0.1mL)과 2-bromothiophene(0.1mL)로 end-capping하였다. 실온으로 식힌 후 methanol에 침전시키고, 생성된 고분자는 methanol, acetone, hexane, dichloromethane, chloroform 순으로 추출기(soxhlet)로 정제하여 고분자 화합물 P1을 제조하였다. 고분자 화합물 P1은 상온에서 일반적인 유기용매인 chloroform, toluene, chlorobenzene에 잘 용해되었다.
Mn: 69000 g/mol Mw: 236000 g/mol PDI: 3.41 Td(℃) = 434
실시예 2
중간체(4) 대신에 중간체(5)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 화합물 P2를 제조하였다.
Mn: 39000 g/mol Mw: 144000 g/mol PDI: 3.68 Td(℃) = 426
소자 실시예 1
패턴화된 유리 기판 상에 소스 및 드레인 전극을 증착하고, 그 위에 실시예 1에 따라 제조된 고분자 화합물 P1을 1,2,4-trichlorobenzene에 녹여 1,400 rpm으로 60초 동안 스핀코팅하여 반도체층을 형성하였다. 이후, 200 ℃의 온도로 어닐링 처리하고, 상기 반도체층 상에 PMMA를 2,000 rpm으로 60초 동안 스핀코팅하고, 2시간동안 80 ℃의 온도로 건조시켰다. 마지막으로 알루미늄을 진공증착하여 유기트랜지스터를 제조하였다.
소자 실시예 2
실시예 1에 따라 제조된 고분자 화합물 P1 대신에 실시예 2에 따라 제조된 고분자 화합물 P2를 사용한 것을 제와하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기트랜지스터를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: 열적 안정성 측정
도 2는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물의 열중량분석(TGA) 측정 결과이다.
도 2를 참조하면, 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물은 열적으로 매우 안정한 것을 알 수 있다.
시험예 2: UV-vis 흡수 스펙트럼 측정
도 3은 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물을 클로로벤젠에 용해시킨 화합물 용액(a)과 상기 용액을 스핀코팅하여 제조한 화합물 필름(b)의 UV-Vis 흡수 스펙트럼 측정 결과이다.
도 3에 따르면, 실시예 1에 따라 제조된 고분자 화합물 P1 용액은 399, 726 nm에서 피크가 나타났으며 실시예 2에 따라 제조된 고분자 화합물 P2 용액은 399, 678, 735 nm에서 피크가 나타났다. P2는 P1과 달리 600에서 800 nm 부근에서 shoulder 피크가 나타났으므로, P1보다 P2가 고분자간(전자주개 간)의 상호작용이 더 크다는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1에 따라 제조된 고분자 화합물 P1 필름은 404, 721 nm에서 피크가 나타났으며, 실시예 2에 따라 제조된 고분자 화합물 P2 필름은 404, 685, 735 nm에서 피크가 나타났다. 필름 상태에서의 흡수 스펙트럼을 이용하여 밴드갭을 계산해 본 결과 (bandgap = 1240 / λedge) 실시예 1에 따라 제조된 고분자 화합물 P1은 1.45 eV, 실시예 2에 따라 제조된 고분자 화합물 P2는 1.46으로 밴드갭이 계산되었다.
따라서, 실시예 1에 따라 제조된 고분자 화합물 P1의 고분자간 상호작용이 더 작고, 밴드갭도 더 작은 것을 알 수 있었다.
시험예 3: LUMO 에너지 레벨 측정
도 4는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물을 클로로벤젠에 용해시키고 스핀코팅하여 제조한 화합물 필름을 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry)으로 측정하여 도출한 HOMO, LUMO 레벨 이다. Ferrocene/Ferrocenium redox system(―4.8 eV)을 기준 (Reference)으로 측정하였다.
도 4를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 고분자 화합물 P1의 HOMO 레벨은 ―5.68 eV 이었으며, 실시예 2에 따라 제조된 고분자 화합물 P2의 HOMO 레벨은 측정되지 않았다. P1의 LUMO 레벨은 ―3.82 eV로 나타났고, P2의 LUMO 레벨은 ―3.95로 계산되었다. 플루오린의 도입으로 인해 P2는 P1 보다 낮은 LUMO 레벨을 나타냈다.
따라서, 실시예 2에 따라 제조된 고분자 화합물 P2가 더 우수한 특성을 갖는 것을 알 수 있었다.
시험예 4: 2D-GIXS 측정 결과
도 5는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 고분자 화합물의 2D-GIXS(Two dimensional grazing incidence X-ray scattering) 측정 결과이다. 상기 고분자 화합물은 각각 클로로벤젠에 용해시키고 실리콘 웨이퍼 상에 스핀코팅한 후 측정되었다.
도 5를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 고분자 화합물 P1은 qz 축에서 (100)의 reflection이 관찰되었으며 qxy 축에서 (010) reflection이 관찰되었다. 실시예 2에 따라 제조된 고분자 화합물 P2는 qz 축에서 (100), (200)의 reflection이 관찰되었으며 qxy 축에서 (010) reflection이 관찰되었다. 즉, P1이 P2보다 결정성이 큰 것으로 나타났다. P1의 (100) reflection 피크로 계산한 Lamella packing 거리는 26.48 Å, (010) reflection 피크로 계산한 π-π stacking 거리는 3.87 Å 으로 나타났다. P2의 (100) reflection 피크로 계산한 Lamella packing 거리는 22.77 Å, (010) reflection 피크로 계산한 π-π stacking 거리는 3.67 Å으로 계산되었다.
따라서, P1이 P2보다 결정성은 크게 나타났지만 P2의 준결정의 고분자들이 더 조밀하게 packing 되어 있음을 알 수 있었다.
시험예 5: 전달곡선 측정 결과
도 6은 소자 실시예 1 및 2에 따라 제조된 유기트랜지스터의 전달곡선(transfer curve)이다.
도 6을 참조하면, 소자 실시예 1에 따라 제조된 유기트랜지스터(P1)와 소자 실시예 2에 따라 제조된 유기트랜지스터(P2)의 전자 이동도는 각각 0.58, 1 cm2/Vs 로 나타났다.
따라서, 실시예 2에 따라 제조된 유기트랜지스터(P2)가 더 높은 전자이동도를 갖는 것을 알 수 있었으며, 이는 플루오린(전자주개)을 도입함으로써 고분자 간의 상호연결성(Interconnectivity)의 향상된 결과로 판단된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
Claims (16)
- 제3항 또는 제4항에 있어서,
R3 내지 R6는 같거나 서로 다르고, R3 내지 R6는 각각 독립적으로 C1 내지 C20 직쇄형 알킬기인 것을 특징으로 하는 화합물. - 삭제
- 제1항의 화합물을 포함하는 유기전자소자.
- 제7항에 있어서,
상기 유기전자소자가 유기트랜지스터인 것을 특징으로 하는 유기전자소자. - 제8항에 있어서,
상기 유기트랜지스터가,
기판상에 형성된 게이트 전극;
상기 게이트 전극을 절연시키는 게이트 절연막; 및
상기 절연막 상에 형성되는 반도체층 및 소스 전극과 드레인 전극;을 포함하고,
상기 반도체층이 상기 소스 전극과 드레인 전극 사이에 위치하거나 또는 상기 소스 전극과 드레인 전극이 상기 반도체층 상에 위치하고,
상기 반도체층은 상기 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기전자소자. - 제10항에 있어서,
상기 화합물의 제조방법은,
(a) 상기 구조식 5로 표시되는 화합물 및 상기 구조식 6으로 표시되는 화합물을 용매에 용해시켜 혼합용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 혼합용액에 촉매를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 혼합물을 가열하여 반응시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 용매가 클로로벤젠, 톨루엔, 벤젠, 헥산, 나프탈렌, 에틸벤젠, 디클로로벤젠, 디클로로메탄, 트리클로로메탄, 테트라클로로메탄, 사이클로헥산 및 사염화탄소 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 촉매가 Pd2(dba)3(Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium), P(o-tolyl)3(tri(o-tolyl)phosphine), Pd(PPh3)4(Tetrakis(triphenylphosphine)palladium) 및 Pd(OAc)2(Palladium(II) acetate) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법. - 제13항에 있어서,
단계 c가 80 내지 170℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법. - 제10항의 화합물의 제조방법을 포함하는 유기전자소자의 제조방법.
- 제15항에 있어서,
상기 유기전자소자가 유기트랜지스터인 것을 특징으로 하는 유기전자소자의 제조방법.
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KR1020170006145A KR101838232B1 (ko) | 2017-01-13 | 2017-01-13 | 유기반도체 화합물 및 그를 포함하는 유기전자소자 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN111285842A (zh) * | 2020-02-18 | 2020-06-16 | 中国科学院化学研究所 | 三氟甲基噻吩乙烯噻吩给体及其聚合物与应用 |
CN113136024A (zh) * | 2020-01-19 | 2021-07-20 | 中国科学院化学研究所 | 一种聚合物及其制备方法和应用以及有机场效应晶体管 |
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2017
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CN113136024A (zh) * | 2020-01-19 | 2021-07-20 | 中国科学院化学研究所 | 一种聚合物及其制备方法和应用以及有机场效应晶体管 |
CN113136024B (zh) * | 2020-01-19 | 2022-05-06 | 中国科学院化学研究所 | 一种聚合物及其制备方法和应用以及有机场效应晶体管 |
CN111285842A (zh) * | 2020-02-18 | 2020-06-16 | 中国科学院化学研究所 | 三氟甲基噻吩乙烯噻吩给体及其聚合物与应用 |
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