KR102002396B1 - 신규한 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 유기 전자 소자 - Google Patents

신규한 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 유기 전자 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신규한 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 유기 전자 소자를 제공하는 것으로, 본 발명의 신규한 유기 반도체 화합물은 헤테로방향족고리에 티아졸리딘 작용기를 도입하여 이를 포함하는 유기 전자 소자의 광특성을 현저하게 향상시킨다.

Description

신규한 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 유기 전자 소자{Novel organic semiconductor compound, its production method and organic electronic device using them}
본 발명은 신규한 유기 반도체 화합물 및 이를 이용하는 유기 전자 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중심골격인 헤테로방향족고리화합물에 티아졸리딘 작용기가 도입된 유기 반도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 유기 전자 소자에 관한 것이다.
유기박막 태양전지는 광활성층으로 도너 소재와 억셉터 소재를 함께 사용하는 소자로, 종래의 무기 반도체 소자에 비하여 성막 조건이 까다롭지 않고, 수백 nm이내의 얇은 두께와 상대적으로 저렴한 광활성층의 재료, 특히 마음대로 구부릴 수 있는 플렉서블한 소자를 제작할 수 있다는 장점으로 인하여 최근 많은 연구가 진행되고 있다.
유기박막 태양전지는 전자공여체와 전자수용체의 접합 구조로 이루어져 있고, 상기 전자공여체와 전자수용체간의 소위 “광여기 전하 이동현상(photoinduced charge transfer, PICT)”이라 불리는 매우 빠른 전하 이동현상으로서, 상기 광기전력 효과를 발현한다.
상기 전자공여체로 사용되는 유기 반도체 화합물은 반도체 고분자의 경우, 폴리파라페닐렌비닐렌(poly para-phenylenevinylene, 이하, “PPV”라 한다) 계열의 물질과 폴리싸이오펜(polythiophene, 이하, “PT”라 한다)의 다양한 유도체들이 사용되고 있다. 또한, 전자수용체로는 C60 플러렌 자체 또는 C60 플러렌이 유기 용매에 잘 녹도록 설계된 C60 플러렌 유도체가 사용되고 있으며, 그 외 단분자로는 페릴렌(perylene), 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 다이이미드, 프탈로시아닌, 펜타센(pentacene) 등이 사용되고 있다.
태양전지의 효용성을 높이기 위해서는, 전자공여체와 전자수용체 사이의 접촉 면적이 커야 하고, 또한 분리된 두 전하가 전하의 손실 없이 전극으로 이동할 수 있어야 한다.
따라서 다양한 전자공여체에 대한 연구가 진행되고 있으며, 일례로 미국공개특허 제2006-0011233호에서는 전자공여체로서 폴리 (3-헥실티오펜)(P3HT)과, 전자수용체로서 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르(C60-PCMB)를 사용하고 스핀코팅의 방법으로 광전변환층이 도입된 유기 광기전력 장치를 제시하고 있다.
그러나 현재까지 전자공여체에 대한 연구는 다양하게 진행된 반면 전자수용체로 사용되는 플러렌 유도체를 대체할 화합물에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다.
다수의 플러렌 유도체는 유기 용매에 대한 용해도가 낮으므로, 고분자와 섞었을 때 상 분리 현상이 일어나, 외형상 전반적으로 효율성이 낮은 문제가 있고, 태양 스펙트럼의 강한 영역의 범위에 대해 광흡수가 약하고 에너지 레별 조작이 어려우며, 상기와 같은 전자공여체와의 혼화성이 낮아 플러렌을 대체할 화합물에 대한 연구가 절실히 필요한 실정이다.
구체적으로 플러렌 유도체의 대체할 수 있는 화합물로 플러렌과 유사한 높은 전자 친화력을 가지는 동시에 전자공여체와 혼화성이 우수하며 흡수계수가 높고 광전환효율이 우수한 화합물에 대한 연구가 필요하다.
미국공개특허 제2006-0011233호
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 신규한 유기 반도체 화합물 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 본 발명의 유기 반도체 화합물을 이용하는 유기 전자 소자를 제공한다.
본 발명은 광흡수계수 및 전하이동도가 높으며, 전자공여체와의 혼화성이 우수한 유기 반도체 화합물을 제공하는 것으로, 본 발명의 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]
Figure 112017075052775-pat00001
(상기 화학식 1에서
Z1 및 Z2는 서로 독립적으로 O, S, 또는 Se이며;
Y1 내지 Y4는 서로 독립적으로 O, S, Se 또는 CRaRb이며, Ra Rb는 서로 독립적으로 시아노, 카르복실기, (C1-C20)알킬, (C1-C20)알콕시 또는 (C1-C20)알콕시카보닐이며;
R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기, (C1-C20)알콕시기, (C1-C20)알킬티오기, (C1-C20)알콕시카보닐기 또는 (C6-C20)아르(C1-C20)알킬기이며;
p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이할 수 있으며;
R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 (C1-C20) 알킬기이다.)
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 화학식 1에서 Z1 및 Z2는 서로 동일하게 O, S, 또는 Se이며; Y1 내지 Y4는 서로 독립적으로 O, S 또는 Se이며; R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기 또는 (C1-C20)알콕시카보닐기이며; p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있으며; R3 및 R4는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬기일 수 있다.
우수한 광흡수계수, 전자공여체와의 혼화성 및 광전변환효율을 가지기 위한 측면에서 바람직하게 상기 Y1과 Y2는 서로 상이할 수 있고, Y3과 Y4는 서로 상이할 수 있으며, 보다 바람직하게 본 발명의 상기 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112017075052775-pat00002
(상기 화학식 2에서,
Z1 및 Z2는 서로 독립적으로 O, S, 또는 Se이며;
R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기 또는 (C1-C20)알콕시카보닐기이며;
p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있으며;
R3 및 R4는 서로 독립적으로 (C1-C20) 알킬기이다.)
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 반도체 화합물에서 Z1 및 Z2는 서로 동일하게 O, S, 또는 Se일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유기 반도체 화합물은 구체적으로 하기 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정이 있는 것은 아니다.
Figure 112017075052775-pat00003
Figure 112017075052775-pat00004
Figure 112017075052775-pat00005
Figure 112017075052775-pat00006
Figure 112017075052775-pat00007
또한 본 발명은 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 유기 반도체 화합물의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 3의 다이카브알데하이드 화합물, 하기 화학식 4의 티아졸리딘 화합물 및 하기 화학식 5의 티아졸리딘 화합물을 반응시켜 상기 화학식 1의 유기 반도체 화합물을 제조하는 단계를 포함하여 제조된다.
[화학식 3]
Figure 112017075052775-pat00008
[화학식 4]
Figure 112017075052775-pat00009
[화학식 5]
Figure 112017075052775-pat00010
(화학식 3 내지 5에서,
Z1 및 Z2는 서로 독립적으로 O, S, 또는 Se이며;
Y1 내지 Y4는 서로 독립적으로 O, S, Se 또는 CRaRb이며, Ra Rb는 서로 독립적으로 시아노, 카르복실기, (C1-C20)알킬, (C1-C20)알콕시 또는 (C1-C20)알콕시카보닐이며;
R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기, (C1-C20)알콕시기, (C1-C20)알킬티오기, (C1-C20)알콕시카보닐기 또는 (C6-C20)아르(C1-C20)알킬기이며;
p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있으며;
R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 (C1-C20) 알킬기이다.)
또한 본 발명은 본 발명의 유기 반도체 화합물을 포함하는 유기 전자 소자를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 유기 전자 소자에서, 바람직하게 본 발명의 유기 전자 소자는 유기태양전지일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유기 전자 소자에서, 상기 유기 반도체 화합물은 유기 태양 전지의 광활성층에 포함될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유기 전자 소자에서, 상기 유기 반도체 화합물은 전자수용체로 유기 태양 전지의 광활성층에 포함될 수 있다.
본 발명의 유기 반도체 화합물은 광흡수가 높고 가시광선 영역의 거의 모든 파장(전정색) 영역의 흡수 스펙트럼을 가져 다양한 유기 반도체 화합물로 사용가능하며, 광전변환재료로 매우 유용하다.
나아가 본 발명의 신규한 유기 반도체 화합물은 최저분위 비점유 분자 궤도 에너지 준위(LUMO)가 낮아 전자 수용체로 사용가능함으로 광전변환 재료로 매우 유용하다.
또한 본 발명의 신규한 유기 반도체 화합물은 높은 결정성을 가져 전하이동도가 높아 이를 포함하는 유기 전자 소자는 높은 효율을 가진다.
또한 본 발명의 신규한 유기 반도체 화합물은 단분자로 간단한 공정으로 고순도 및 고수율로 제조가 가능하여 산업적으로 적용 가능성이 매우 높으며, 특히 기존의 플러렌(fullerene)을 전자수용체로 사용하는 유기태양전지 소자에서 플러렌 유도체의 대체 화합물로 사용하여 유기태양전지의 안정성 및 효율이 현저하게 향상시켜 비플러렌(non-fullerene)계 전자수용체로서 활용가능성이 매우 높다.
본 발명은 다양한 광전변환재료로 유용한 신규한 유기 반도체 화합물을 제공하는 것으로, 본 발명의 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]
Figure 112017075052775-pat00011
(상기 화학식 1에서
Z1 및 Z2는 서로 독립적으로 O, S, 또는 Se이며;
Y1 내지 Y4는 서로 독립적으로 O, S, Se 또는 CRaRb이며, Ra Rb는 서로 독립적으로 시아노, 카르복실기, (C1-C20)알킬, (C1-C20)알콕시 또는 (C1-C20)알콕시카보닐이며;
R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기, (C1-C20)알콕시기, (C1-C20)알킬티오기, (C1-C20)알콕시카보닐기 또는 (C6-C20)아르(C1-C20)알킬기이며;
p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 서로 동일하거나 상이할 수 있으며;
R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 (C1-C20) 알킬기이다.)
본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 유기 반도체 화합물은 헤테로아릴 중심골격, 구체적으로 5원헤테로방향족고리에 티아졸리딘 작용기를 도입함으로써 전정색 영역의 넓은 흡수 스펙트럼을 가지며, 광흡수가 우수하고, 최저분위 비점유 분자 궤도 에너지 준위가 낮아 전자수용체로 매우 유용하게 사용될 수 있다.
나아가 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 유기 반도체 화합물은 높은 결정성을 가져 전하이동도가 높으며, 특히 종래의 플러렌 유도체의 대체 화합물로 사용하여 높은 전자 친화력을 가지는 동시에 전자공여체와 혼화성도 우수하여 높은 광전변환효율을 가진다.
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 1에서 Z1 및 Z2는 서로 동일하게 O, S, 또는 Se이며; Y1 내지 Y4는 서로 독립적으로 O, S 또는 Se이며, R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기 또는 (C1-C20)알콕시카보닐기이며; p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있으며; R3 및 R4는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬기일 수 있다.
보다 향상된 효과를 가지기위한 측면에서 상기 Y1과 Y2는 서로 상이할 수 있고, Y3과 Y4는 서로 상이할 수 있으며, 보다 바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112017075052775-pat00012
(상기 화학식 2에서,
Z1 및 Z2는 서로 독립적으로 O, S, 또는 Se이며;
R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기 또는 (C1-C20)알콕시카보닐기이며;
p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있으며;
R3 및 R4는 서로 독립적으로 (C1-C20) 알킬기이다.)
상기 화학식 2의 유기 반도체 화합물은 두 개의 5원헤테로방향족 고리의 중심골격에 로오다닌 작용기를 도입함으로써 보다 넓은 영역에서의 흡수 스펙트럼을 가지며, 우수한 광흡수계수를 가짐으로써 이를 채용한 유기 전자 소자는 극히 향상된 광전변환효율을 가진다.
바람직하게 본 발명의 상기 화학식 2에서 Z1 및 Z2는 서로 동일하게 O, S, 또는 Se일 수 있다.
본 발명의 유기 반도체 화합물은 구체적으로 하기 화합물에서 선택될 수 있으나, 이에 한정이 있는 것은 아니다.
Figure 112017075052775-pat00013
Figure 112017075052775-pat00014
Figure 112017075052775-pat00015
Figure 112017075052775-pat00016
Figure 112017075052775-pat00017
본 발명에 기재된 「알킬」, 「알콕시」 및 그 외 「알킬」부분을 포함하는 치환체는 직쇄 또는 분쇄 형태를 모두 포함한다.
본 발명에 기재된 「아릴」은 하나의 수소 제거에 의해서 방향족 탄화수소로부터 유도된 유기 라디칼로, 각 고리에 적절하게는 4 내지 7개, 바람직하게는 5 또는 6개의 고리원자를 포함하는 단일 또는 융합고리계를 포함하며, 다수개의 아릴이 단일결합으로 연결되어 있는 형태까지 포함한다.
본 발명에 기재된 아릴알킬은 알킬에 존재하는 하나이상의 수소가 아릴로 치환된 것을 의미하며,
할로알킬은 알킬에 존재하는 하나이상의 수소가 할로겐으로 치환된 것을 의미한다.
또한, 본 발명에 기재되어 있는 ‘(C1-C20)알킬’기는 바람직하게는 (C1-C15)알킬이고, 더 바람직하게는 (C1-C10)알킬이다. ‘(C6-C20)아릴’기는 바람직하게는 (C6-C18)아릴이며, 더 바람직하게는 (C6-C12)아릴이다. ‘(C1-C20)알콕시’기는 바람직하게는 (C1-C15)알콕시이고, 더 바람직하게는 (C1-C10)알콕시이다. ‘(C6-C20)아릴(C1-C20)알킬’기는 바람직하게는 (C6-C18)아릴(C1-C15)알킬이고, 더 바람직하게는 (C6-C12)아릴(C1-C10)알킬이다.
본 발명에 따른 상기 화학식 1로 표시되는 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 3의 다이카브알데하이드 화합물, 하기 화학식 4의 티아졸리딘 화합물 및 하기 화학식 5의 티아졸리딘 화합물를 반응시켜 상기 화학식 1의 유기 반도체 화합물을 제조하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
[화학식 3]
Figure 112017075052775-pat00018
[화학식 4]
Figure 112017075052775-pat00019
[화학식 5]
Figure 112017075052775-pat00020
(화학식 3 내지 5에서,
Z1 및 Z2는 서로 독립적으로 O, S, 또는 Se이며;
Y1 내지 Y4는 서로 독립적으로 O, S, Se 또는 CRaRb이며, Ra Rb는 서로 독립적으로 시아노, 카르복실기, (C1-C20)알킬, (C1-C20)알콕시 또는 (C1-C20)알콕시카보닐이며;
R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기, (C1-C20)알콕시기, (C1-C20)알킬티오기, (C1-C20)알콕시카보닐기 또는 (C6-C20)아르(C1-C20)알킬기이며;
p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있으며;
R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 (C1-C20) 알킬기이다.)
본 발명의 유기 반도체 화합물은 간단한 공정으로 높은 수율 및 높은 순도로 제조가 용이하여 산업적으로 이용가능성이 매우 높다.
본 발명의 제조방법에서 사용되는 용매는 통상의 유기용매이면 모두 가능하나, 다이클로로메탄(DCM), 다이클로로에탄(DCE), 톨루엔(Toluene), 아세토나이트릴(MeCN), 나이트로메탄(Nitromethan), 테트라하이드로퓨란(THF), N,N-다이메틸 포름아마이드 (DMF) 및 N,N-다이메틸아세트아마이드(DMA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
반응온도는 통상의 유기합성에서 사용되는 온도에서 사용가능하나, 반응시간 반응물질 및 출발물질의 양에 따라 달라질 수 있으며, TLC 등을 통하여 출발물질이 완전히 소모됨을 확인한 후 반응을 완결시키도록 한다. 반응이 완결되면 추출과정 후 감압 하에서 용매를 증류시킨 후 관 크로마토그래피 등의 통상적인 방법을 통하여 목적물을 분리 정제할 수도 있다.
또한 본 발명은 본 발명의 유기 반도체 화합물을 이용하는 유기 전자 소자를 제공한다.
본 발명의 유기 전자 소자는 본 발명의 유기 반도체 화합물이 사용될 수 있는 소자라면 모두 가능하며, 일례로 유기태양전지, 유기발광소자, 유기박막트랜지스터일 수 있으며, 바람직하게는 유기태양전지일 수 있고, 본 발명의 유기 반도체 화합물은 유기태양전지의 광활성층에 포함되는 것일 수 있다.
바람직하게는 본 발명의 유기 반도체 화합물은 전자수용체로, 유기태양전지에서 종래에 사용되던 플러렌 유도체의 대체화합물로 사용되어 이를 채용한 유기태양전지는 향상된 광전변환효율을 가진다.
이하에서, 본 발명의 상세한 이해를 위하여 본 발명의 대표 화합물을 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하겠는바, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석 되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다.
[실시예 1] 단분자 유기반도체 화합물 1의 제조
Figure 112017075052775-pat00021
(2,2'-바이티오펜)-5,5'-다이카브알데하이드((2,2'-bithiophene)-5,5'-dicarbaldehyde) (0.011 g, 0.05 mmol)과 3-옥틸로오다닌(3-hexylrhodanine) (0.061 g, 0.25 mmol)을 녹인 클로로벤젠 (5 mL) 용액에 피페리딘 (0.1 mL)을 첨가한 후 아르곤 분위기 하에서 13시간동안 환류시키고 상온으로 냉각시켰다. 반응 용액을 메탄올 (20 mL)에 떨어뜨리면 침전이 생성되고 생성된 침전을 여과하여 다시 최소량의 클로로포름으로 녹인 후 메탄올로 다시 침전을 생성시켰다. 칼럼크로마토그래피로 분리하여 유기반도체 화합물 1을 얻었다.
1H-NMR (300 MHz, CDCl3): δ 7.82 (s, 2H), 7.38 (d, 2H), 7.35 (d, 2H) 4.11 (t, 4H) 1.71 (m, 4H) 1.30 (m, 20H), 0.88(t, 6H).
[실시예 2] 단분자 유기반도체 화합물 2의 제조
Figure 112017075052775-pat00022
3-플루오로-(2,2'-바이티오펜)-5,5'-다이카브알데하이드 (0.012 g, 0.05 mmol)과 3-옥틸로오다닌 (0.061 g, 0.25 mmol)을 녹인 클로로벤젠 (5 mL) 용액에 피페리딘 (0.1 mL)을 첨가한 후 아르곤 분위기 하에서 13시간동안 환류시키고 상온으로 냉각시켰다. 반응 용액을 메탄올 (20 mL)에 떨어뜨리면 침전이 생성되고 생성된 침전을 여과하여 다시 최소량의 클로로포름으로 녹인 후 메탄올로 다시 침전을 생성시켰다. 칼럼크로마토그래피로 분리하여 유기반도체 화합물 2를 얻었다.
1H-NMR (300 MHz, CDCl3): δ 7.84 (s, 1H), 7.69 (s, 1H), 7.42 (s, 1H), 7.39 (s, 1H), 7.38 (s, 1H), 7.26 (s, 1H), 4.11 (t, 4H) 1.71 (m, 4H) 1.34 (m, 20H), 0.88(t, 6H).
[실시예 3] 단분자 유기반도체 화합물 3의 제조
Figure 112017075052775-pat00023
(2,2'-바이셀레노펜)-5,5'-다이카브알데하이드((2,2'-biselenophene)-5,5'-dicarbaldehyde) (0.015 g, 0.05 mmol)과 3-옥틸로오다닌 (0.061 g, 0.25 mmol)을 녹인 클로로벤젠 (5 mL) 용액에 피페리딘 (0.1 mL)을 첨가한 후 아르곤 분위기 하에서 13시간동안 환류시키고 상온으로 냉각시켰다. 반응 용액을 메탄올 (20 mL)에 떨어뜨리면 침전이 생성되고 생성된 침전을 여과하여 다시 최소량의 클로로포름으로 녹인 후 메탄올로 다시 침전을 생성시켰다. 칼럼크로마토그래피로 분리하여 유기반도체 화합물 3을 얻었다.
1H-NMR (300 MHz, CDCl3): δ 7.82 (s, 2H), 7.35 (d, 2H), 7.32 (d, 2H) 4.11 (t, 4H) 1.71 (m, 4H) 1.30 (m, 20H), 0.88(t, 6H)
[실시예 4 내지 44]
상기 실시예 1 내지 3의 제조방법을 이용하여 유기 반도체 화합물 4 내지 44를 제조하였으며, 제조된 유기 반도체 화합물들의 구조 및 1H NMR를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 유기 반도체 화합물의 구조 1H NMR
[300 MHz, CDCl3]
4
Figure 112017075052775-pat00024
δ 7.89 (d, 2H), 7.86 (d, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.11 (d, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.55 (m, 4H), 1.31-1.25(m, 8H), 1.19(m, 4H), 0.88(t, 12H)
5
Figure 112017075052775-pat00025
δ 7.89 (d, 2H), 7.86 (d, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.11 (d, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.31-1.25(m, 32H), 0.88(t, 12H)
6
Figure 112017075052775-pat00026
δ 7.89 (d, 1H), 7.86 (d, 1H), 7.43 (d, 1H), 7.42 (s, 2H), 4.11 (d, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.55 (m, 4H), 1.31-1.19(m, 12H), 0.88(t, 12H)
7
Figure 112017075052775-pat00027
δ 7.89 (d, 1H), 7.86 (d, 1H), 7.43 (d, 1H), 7.42 (s, 2H), 4.11 (d, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.31-1.19(m, 32H), 0.88(t, 12H)
8
Figure 112017075052775-pat00028
δ 7.43 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.03 (d, 4H), 1.63 (m, 2H), 1.28-1.26 (m, 20H), 0.88(t, 6H)
9
Figure 112017075052775-pat00029
δ 7.43 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.03 (d, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.55 (m, 2H), 1.31-1.19(m, 12H), 0.88(t, 12H)
10
Figure 112017075052775-pat00030
δ 7.43 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.03 (d, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.31-1.19 (m, 28H), 0.88(t, 12H)
11
Figure 112017075052775-pat00031
δ 7.28 (s, 2H), 7.14 (s, 3H), 4.03 (d, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.28-1.26 (m, 20H), 0.88(t, 6H)
12
Figure 112017075052775-pat00032
δ 7.28 (s, 2H), 7.14 (s, 2H), 4.03 (d, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.28-1.26 (m, 20H), 0.88(t, 6H)
13
Figure 112017075052775-pat00033
δ 7.52 (d, 2H), 7.42 (d, 2H), 7.37 (s, 2H), 4.03 (d, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.28-1.26 (m, 20H), 0.88(t, 6H)
14
Figure 112017075052775-pat00034
δ 7.52 (d, 2H), 7.42 (d, 2H), 7.37 (s, 2H), 4.11 (d, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.55 (m, 4H), 1.31-1.19(m, 12H), 0.88(t, 12H)
15
Figure 112017075052775-pat00035
δ 7.52 (d, 2H), 7.42 (d, 2H), 7.37 (s, 2H), 4.11 (d, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.31-1.19 (m, 32H), 0.88(t, 12H)
16
Figure 112017075052775-pat00036
δ 7.28 (s, 2H), 7.14 (s, 4H), 4.11 (d, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.55 (m, 4H), 1.31-1.19 (m, 12H), 0.88(t, 12H)
17
Figure 112017075052775-pat00037
δ 7.28 (d, 2H), 7.14 (s, 4H), 4.11 (d, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.31-1.19 (m, 32H), 0.88(t, 12H)
18
Figure 112017075052775-pat00038
δ 7.56 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.07 (q, 4H), 2.68 (t, 4H), 1.50 (m, 4H), 1.30-1.20(m, 18H), 0.88(t, 6H)
19
Figure 112017075052775-pat00039
δ 7.56 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.11 (d, 4H), 2.68 (t, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.55-1.50 (m, 8H), 1.31-1.19(m, 24H), 0.88(t, 18H)
20
Figure 112017075052775-pat00040
δ 7.56 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.11 (d, 4H), 2.68 (t, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.50 (m, 4H), 1.31-1.19 (m, 44H), 0.88(t, 18H)
21
Figure 112017075052775-pat00041
δ 7.52 (d, 2H), 7.42 (d, 2H), 7.37 (s, 2H), 4.03 (t, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.28-1.26 (m, 28H), 0.88(t, 6H)
22
Figure 112017075052775-pat00042
[300 MHz, CHCl3]: δ 7.52 (d, 2H), 7.42 (d, 2H), 7.37 (s, 2H), 4.03 (t, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.28-1.26 (m, 36H), 0.88(t, 6H)
23
Figure 112017075052775-pat00043
δ 7.89-7.86 (m, 4H), 7.42 (s, 2H), 4.03 (t, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.28-1.26 (m, 28H), 0.88(t, 6H)
24
Figure 112017075052775-pat00044
δ 7.89-7.86 (m, 4H), 7.42 (s, 2H), 4.03 (t, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.28-1.26 (m, 36H), 0.88(t, 6H)
25
Figure 112017075052775-pat00045
δ 7.89-7.86 (m, 2H), 7.43 (d, 1H), 7.42 (s, 2H), 4.03 (t, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.28-1.26 (m, 28H), 0.88(t, 6H)
26
Figure 112017075052775-pat00046
δ 7.89-7.86 (m, 2H), 7.43 (d, 1H), 7.42 (s, 2H), 4.03 (t, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.28-1.26 (m, 36H), 0.88(t, 6H)
27
Figure 112017075052775-pat00047
δ 7.43 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.03 (t, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.28-1.26 (m, 28H), 0.88(t, 6H)
28
Figure 112017075052775-pat00048
δ 7.43 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.03 (t, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.28-1.26 (m, 36H), 0.88(t, 6H)
29
Figure 112017075052775-pat00049
δ 8.10 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.33 (t, 4H), 4.03 (t, 4H), 1.78 (m, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.39-1.37 (m, 12H), 1.28-1.26 (m, 28H), 0.88(t, 12H)
30
Figure 112017075052775-pat00050
δ 8.10 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.33 (t, 4H), 4.03 (t, 4H), 1.78 (m, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.39-1.37 (m, 12H), 1.28-1.26 (m, 36H), 0.88(t, 12H)
31
Figure 112017075052775-pat00051
δ 8.10 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.33 (t, 4H), 4.11 (t, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.78 (m, 4H), 1.55 (m, 4H), 1.39-1.37 (m, 12H), 1.31-1.25 (m, 12H), 0.88(t, 18H)
32
Figure 112017075052775-pat00052
δ 8.10 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.33 (t, 4H), 4.11 (t, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.78 (m, 4H), 1.55 (m, 4H), 1.39-1.37 (m, 12H), 1.31-1.25 (m, 12H), 0.88(t, 18H)
33
Figure 112017075052775-pat00053
δ 8.10 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.66 (d, 4H), 4.03 (t, 4H), 1.89 (m, 2H), 1.63 (m, 4H), 1.55 (m, 4H), 1.31-1.25 (m, 44H), 0.88(t, 18H)
34
Figure 112017075052775-pat00054
δ 8.10 (s, 2H), 7.42 (s, 2H), 4.66 (d, 4H), 4.11 (t, 4H), 1.92-1.89 (m, 4H), 1.55 (m, 8H), 1.31-1.19 (m, 24H), 0.88(t, 24H)
35
Figure 112017075052775-pat00055
δ 7.37 (s, 2H), 6.94 (s, 2H), 4.07 (q, 4H), 2.63 (t, 4H), 1.59 (m, 4H), 1.30-1.29 (m, 12H), 1.20 (t, 6H), 0.88(t, 6H)
36
Figure 112017075052775-pat00056
δ 7.37 (s, 2H), 6.94 (s, 2H), 4.03 (t, 4H), 2.63 (t, 4H), 1.63-1.59 (m, 8H), 1.30-1.26 (m, 32H), 0.88(t, 12H)
37
Figure 112017075052775-pat00057
δ 7.37 (s, 2H), 6.94 (s, 2H), 4.03 (t, 4H), 2.63 (t, 4H), 1.63-1.59 (m, 8H), 1.30-1.26 (m, 40H), 0.88(t, 12H)
38
Figure 112017075052775-pat00058
δ 7.37 (s, 2H), 6.94 (s, 2H), 4.03 (t, 4H), 2.63 (t, 4H), 1.63-1.59 (m, 8H), 1.30-1.26 (m, 48H), 0.88(t, 12H)
39
Figure 112017075052775-pat00059
δ 7.59 (s, 2H), 7.37 (s, 2H), 4.33 (t, 4H), 4.03 (t, 4H), 1.78 (m, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.39-1.26 (m, 40H), 0.88(t, 12H)
40
Figure 112017075052775-pat00060
δ 7.59 (s, 2H), 7.37 (s, 2H), 4.33 (t, 4H), 4.03 (t, 4H), 1.78 (m, 4H), 1.63 (m, 4H), 1.39-1.26 (m, 48H), 0.88(t, 12H)
41
Figure 112017075052775-pat00061
δ 7.59 (s, 2H), 7.37 (s, 2H), 4.33 (t, 4H), 4.11 (t, 4H), 1.92 (m, 2H), 1.78 (m, 4H), 1.55 (m, 4H), 1.39-1.19 (m, 24H), 0.88(t, 18H)
42
Figure 112017075052775-pat00062
δ 7.59 (s, 2H), 7.37 (s, 2H), 4.66 (t, 4H), 4.03 (t, 4H), 1.89 (m, 2H), 1.63 (m, 4H), 1.55 (m, 4H), 1.39-1.19 (m, 40H), 0.88(t, 18H)
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Figure 112017075052775-pat00063
δ 7.59 (s, 2H), 7.37 (s, 2H), 4.66 (t, 4H), 4.03 (t, 4H), 1.89 (m, 2H), 1.63 (m, 4H), 1.55 (m, 4H), 1.31-1.19 (m, 48H), 0.88(t, 18H)
44
Figure 112017075052775-pat00064
δ 7.59 (s, 2H), 7.37 (s, 2H), 4.66 (d, 4H), 4.11 (t, 4H), 1.92-1.89 (m, 4H), 1.55 (m, 8H), 1.31-1.19 (m, 24H), 0.88(t, 24H)
[실시예 45 내지 64] 단분자 유기 반도체 화합물을 포함하는 유기 태양 전지의 제작
양극 투명전극(제 1전극)인 ITO (Indium Tin Oxide)가 코팅된 유기 기판을 세척용액이 포함된 탈이온수에 담궈, 초음파 세척기에 15분간 세척하고, 다시 탈이온수, 아세톤, IPA로 각각 3번씩 세정한 뒤, 130℃의 오븐에서 5시간 건조시켰다. 상기와 같이 세척된 ITO 유리 기판은 15분 자외선/오존 처리를 한 뒤, 30 nm 두께를 갖는 ZnO·NPs를 ITO 기판 상에 스핀 코팅하였다. 그리고 ZnO·NPs이 도포된 기판은 핫플레이트 상에서 100℃로 10분간 열처리하였다. 그리고 광활성층을 도포하기 위하여 아르곤으로 충진된 글로브 박스로 소자를 옮겼다. 광활성층은 하기 표 2에 기재된 본 발명의 유기 반도체 화합물과 PTB7-TH(Poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2-6-diyl)]) 도너 고분자를 무게비 1:1의 비율로 클로로포름 용매에 녹여 제조하여 0.45 ㎛ (PTFE) 실린지 필터(syringe filter)를 통해 필터링한 유기 반도체 용액으로 스핀코팅 방법을 통하여 100 nm 두께로 ZnO층 위에 도포하여 제조하였다. 얻어진 소자 구조체를 열증착기 내 3 X 10-6 torr 진공 하에서 광활성층 상에 10 nm 두께의 MoO3, 최상부 전극으로써 100 nm 두께의 Ag 전극을 증착하여 유기 태양 전지를 완성하였다.
제작된 유기 태양 전지의 전기 특성인 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), FF(Fill Factor) 및 PCE(Power Conversion Efficiency)을 하기 표 2에 나타내었다.
[비교예 1 내지 2] 유기 태양 전지의 제작
Figure 112017075052775-pat00065
본 발명의 유기 반도체 화합물 대신 상기 구조의 플러렌 화합물 A (비교예 1)와 기존의 알려진 비플러렌계 화합물 ITIC (비교예2)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 45와 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제작하였으며, 이의 전기 특성을 하기 표 2에 나타내었다.
유기 태양 전지 전자수용체 Voc
[V]
Jsc
[mA/cm2]
FF
[%]
PCE
[%]
실시예 45 실시예 1 1.05 14.70 59 9.02
실시예 46 실시예 2 1.07 13.20 59 8.33
실시예 47 실시예 3 1.01 15.10 57 8.69
실시예 48 실시예 4 1.00 14.50 58 8.41
실시예 49 실시예 5 1.00 14.30 57 8.15
실시예 50 실시예 6 1.02 14.54 58 8.60
실시예 51 실시예 7 1.01 14.21 57 8.18
실시예 52 실시예 9 1.01 14.20 57 8.17
실시예 53 실시예 11 1.02 14.80 58 8.76
실시예 54 실시예 12 1.03 14.60 57 8.57
실시예 55 실시예 13 1.04 14.20 56 8.27
실시예 56 실시예 14 1.02 14.00 56 8.00
실시예 57 실시예 16 0.99 14.80 58 8.50
실시예 58 실시예 17 1.00 14.70 57 8.38
실시예 59 실시예 18 1.03 14.10 57 8.28
실시예 60 실시예 21 1.04 14.07 55 8.05
실시예 61 실시예 23 1.02 14.10 57 8.03
실시예 62 실시예 24 1.02 14.07 56 8.04
실시예 63 실시예 25 1.05 14.23 57 8.52
실시예 64 실시예 26 1.04 14.19 56 8.26
비교예 1 플러렌 화합물 A 0.80 16.13 57 7.35
비교예 2 ITIC 0.82 14.08 65 7.46
상기 표 2에서 보이는 바와 같이, 두개의 5원헤테로방향족 고리의 중심골격에 로오다닌 작용기가 도입된 본 발명의 유기 반도체 화합물은 종래의 플러렌 유도체의 대체 화합물로 사용되어 높은 전자 친화력을 가지는 동시에 전자공여체와 혼화성도 우수하여 높은 광전변환효율을 가짐을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 유기 반도체 화합물은 기존의 알려진 비플러렌계 화합물 ITIC에 비해 높은 전자 친화력을 가지는 동시에 전자공여체와 혼화성도 우수하여 높은 광전변환효율을 가짐을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 유기 반도체 화합물:
    [화학식 1]
    Figure 112018126028192-pat00066

    (상기 화학식 1에서
    Z1 및 Z2는 서로 독립적으로 O, S, 또는 Se이며;
    Y1 내지 Y4는 서로 독립적으로 O, S, 또는 Se이며;
    R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기, (C1-C20)알콕시기, (C1-C20)알킬티오기, (C1-C20)알콕시카보닐기 또는 (C6-C20)아르(C1-C20)알킬기이며;
    p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있으며;
    R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 (C1-C20) 알킬기이다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    Z1 및 Z2는 서로 동일하게 O, S, 또는 Se이며;
    Y1 내지 Y4는 서로 독립적으로 O, S 또는 Se이며;
    R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기 또는 (C1-C20)알콕시카보닐기이며;
    p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있으며;
    R3 및 R4는 서로 독립적으로 (C1-C20)알킬기인 유기 반도체 화합물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 유기 반도체 화합물.
    [화학식 2]
    Figure 112017075052775-pat00067

    (상기 화학식 2에서,
    Z1 및 Z2는 서로 독립적으로 O, S, 또는 Se이며;
    R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기 또는 (C1-C20)알콕시카보닐기이며;
    p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있으며;
    R3 및 R4는 서로 독립적으로 (C1-C20) 알킬기이다.)
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 Z1 및 Z2는 서로 동일하며, O, S, 또는 Se인 유기 반도체 화합물.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 유기 반도체 화합물은 하기 화합물에서 선택되는 유기 반도체 화합물.
    Figure 112017075052775-pat00068

    Figure 112017075052775-pat00069

    Figure 112017075052775-pat00070

    Figure 112017075052775-pat00071

    Figure 112017075052775-pat00072
  6. 하기 화학식 3의 다이카브알데하이드 화합물, 하기 화학식 4의 티아졸리딘 화합물 및 하기 화학식 5의 티아졸리딘 화합물을 반응시켜 하기 화학식 1의 유기 반도체 화합물을 제조하는 단계를 포함하는 유기 반도체 화합물의 제조방법.
    [화학식 1]
    Figure 112018126028192-pat00073

    [화학식 3]
    Figure 112018126028192-pat00074

    [화학식 4]
    Figure 112018126028192-pat00075

    [화학식 5]
    Figure 112018126028192-pat00076

    (화학식 1, 3 내지 5에서,
    Z1 및 Z2는 서로 독립적으로 O, S, 또는 Se이며;
    Y1 내지 Y4는 서로 독립적으로 O, S, 또는 Se이며;
    R1 및 R2는 서로 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬기, 할로(C1-C20)알킬기, (C1-C20)알콕시기, (C1-C20)알킬티오기, (C1-C20)알콕시카보닐기 또는 (C6-C20)아르(C1-C20)알킬기이며;
    p 및 q는 서로 독립적으로 0 또는 1 내지 2의 정수이며, p 및 q가 2인 경우 각 R1 및 R2는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있으며;
    R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 (C1-C20) 알킬기이다.)
  7. 제 1항 내지 제 5항에서 선택되는 어느 한 항의 유기 반도체 화합물을 포함하는 유기 전자 소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 유기 전자 소자는 유기태양전지인, 유기 전자 소자.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 유기 반도체 화합물은 유기 태양 전지의 광활성층에 포함되는 것인, 유기 전자 소자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 유기 반도체 화합물은 전자수용체로 사용되는 것인, 유기 전자 소자.
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