KR20060060777A - 공액계 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체 및 그 제조방법,그리고 그의 용도 - Google Patents

공액계 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체 및 그 제조방법,그리고 그의 용도 Download PDF

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KR20060060777A
KR20060060777A KR1020040099277A KR20040099277A KR20060060777A KR 20060060777 A KR20060060777 A KR 20060060777A KR 1020040099277 A KR1020040099277 A KR 1020040099277A KR 20040099277 A KR20040099277 A KR 20040099277A KR 20060060777 A KR20060060777 A KR 20060060777A
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Abstract

본 발명은 공액계 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체 및 그 제조방법, 그리고 그의 용도에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 하기 일반식(Ⅰ)으로 표시되는 3,4-디알콕시티오펜-2,5-비스벤즈이미다졸 유도체와 하기 일반식(II)로 표시되는 3,4-에틸렌디옥시티오펜-2,5-비스벤즈이미다졸 유도체 및 그 제조방법과 용도에 관한 것이다.
Figure 112004056306637-PAT00001
(상기식에서 R1은 아릴기로서 페닐, 나프틸 및 안트라센 유도체 계열의 방향족 치환기이며, R2 는 H 또는 -OAr 또는 -NAr 및 벤젠, 나프틸 및 안트라센 유도체 계열의 방향족 치환기이며, R3 는 H 또는 부틸, 헥실 등의 알킬기를 나타낸다.)
본 발명의 티오펜-비스벤즈이미다졸유도체는 전자파 차폐막, 카패시터, 유기 EL 디스플레이, 전계 효과 트랜지스터 (Field Effect Transister, FET)등의 유기 박막 트렌지스터, 태양전지 및 다광자 흡수 현상을 이용한 메모리 소자등에 유기 단분자로서 유용하다.
티오펜-비스벤즈이미다졸유도체, 전계효과 트랜지스터, 유기 박막 트렌지스터, 공액계, 항산화제, 전하이동도, 점멸비, 문턱전압, 응답 속도, 열반응

Description

공액계 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체 및 그 제조방법, 그리고 그의 용도{CONJUGATED THIOPHENE-BISBENZIMIDAZOLE DERIVATIVES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND APPLICATION THEREOF}
도 1은 본 발명의 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체를 사용한 전계효과 트랜지스터의 단면 구성도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체에 대한 저항/전압(I-V) 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 기판 2 : 게이트
3 : 게이트 절연막 4 : 유기 반도체 박막
5 : 소스-드레인 전극
본 발명은 공액계 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체 및 그 제조방법, 그리고 그의 용도에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 3,4-디알콕시티오펜-2,5-비스벤즈이미다졸 유도체 또는 3,4-에틸렌디옥시티오펜-2,5-비스벤즈이미다졸 유도체 및 이들의 합성방법과 용도에 관한 것이다. 본 발명의 티오펜-비스벤즈이미다졸유도체는 전자파 차폐막, 카패시터, 유기 EL 디스플레이, 전계 효과 트랜지스터 (Field Effect Transister, FET)등의 유기 박막 트렌지스터, 태양전지 및 다광자 흡수 현상을 이용한 메모리 소자등에 유기 단분자로서 유용하다.
유기 단분자 및 고분자 소재는 기본적으로 탄소와 수소로 구성된 분자 재료로서, 그 구성 분자의 화학 구조를 합성화학을 통해 변환시킴으로써 다양한 물성을 손쉽게 얻을 수 있다는 장점을 갖고 있다. 더욱이 고분자 재료는 타재료에 비해 저가이면서도 가볍고 강인하며 가공성이 우수하여, 섬유, 플라스틱, 필름, 코팅, 접착제, 페인트, 포장재 등 인류의 생활 소재로서 중요한 위치를 차지하고 있다. 또한 우수한 투명성에 의해 렌즈, 플라스틱 광섬유(plastic optical fiber, POF), 칼라 필터, 반도체 미세 가공용 감광성 분자 (photoresist) 등의 광학소재로서 널리 이용되고 있다.
최근 파이(π)-공액 구조를 갖는 유기 단분자 또는 고분자 재료는 그 분자 단위의 반도체적 성질이 밝혀지면서 유기 반도체 소재로서 더욱 주목 받고 있다.
유기 단분자 또는 고분자 재료를 사용한 경우 전통적 고체 반도체에 비해 낮은 구동전압 (~10V), 휘어짐, 편광, 고해상도, 빛의 삼원색을 모두 나오게 하여 천연색을 구현하기에 용이하나, 열적 불안정등에 기인된 짧은 수명과 과전압에 의한 재배열의 위험성이 단점으로 지적되고 있다.
유기 반도체에 관한 연구는 1980년 이후부터 시작되었으나, 근래에 들어 전 세계적으로 본격적인 연구가 진행되고 있다. 제작 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 충격에 의해 깨지지 않고 구부리거나 접을 수 있는 전자 회로 기판이 미래의 산업에 필수적인 요소가 될 것으로 예상되고 있으며, 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 유기 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor:TFT)의 개발은 아주 중요한 연구 분야로 대두되고 있다. 유기 TFT는 유기 반도체의 특성상 전하 이동도가 낮아 규소(Si)나 게르마늄(Ge) 등이 쓰이는 빠른 속도를 필요로 하는 소자에는 사용될 수 없다. 하지만 넓은 면적 위에 소자를 제작할 필요가 있을 때나, 낮은 공정 온도를 필요로 하는 경우, 또는 구부림이 가능해야 하는 경우, 특히 저가 공정이 필요한 경우 유용하게 사용될 수 있다. 유기 TFT에 사용되는 유기물 반도체는 증착, 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅과 같은 방법으로 성막할 수 있고, 상온 및 저온(100℃ 이하) 공정이 가능하므로 유기 TFT를 이용한 플라스틱 기반의 유기 전자 회로의 제작이 가능하다. 플라스틱을 기판으로 하여 구부림이 가능한 표시 소자를 구현하는 곳에 사용이 가능하다. 또한 최근 큰 관심을 불러일으키고 있는 전자종이의 구동에도 유기 TFT가 가장 최적이라 할 수 있겠다. 전자종이는 전류 구동이 아니라 전압 구동이고, 높은 전하 이동도나 빠른 스위칭 속도를 필요로 하는 표시 소자가 아니며, 구부림이 가능한 대 면적에 적용되어야 하는 기술이기 때문이다. 또한 현재 반도체 공정을 통한 실리콘 기반으로 사용되고 있는 스마트 카드용 마이크로 프로세서에도 유기 TFT를 적용할 수 있을 것으로 예상되고 있으며, 더 나아가서 입는(Wearable) 컴퓨터의 다양한 부분에 응용이 가능할 것으로 전망된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 유기 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor : TFT)에 적용할 수 있는 신규한 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체를 제공하려는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체를 이용한 전계효과 트랜지스터를 제공하려는 것이다.
본 발명은 하기 일반식(Ⅰ) 또는 일반식(II)로 표기되는 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체를 제공한다.
Figure 112004056306637-PAT00002
(상기식에서 R1은 아릴기로서 페닐, 나프틸 및 안트라센 유도체 계열의 방향족 치환기이며, R2 는 H 또는 -OAr 또는 -NAr 및 벤젠, 나프틸 및 안트라센 유도체 계열의 방향족 치환기이며, R3는 H 또는 부틸, 헥실 등의 알킬기를 나타낸다.)
본 발명의 티오펜-비스벤즈이미다졸유도체는 전자파 차폐막, 카패시터, 유기 EL 디스플레이, 전계 효과 트랜지스터 (Field Effect Transister, FET)등의 유기 박막 트렌지스터, 태양전지 및 다광자 흡수 현상을 이용한 메모리 소자등에 유기 단분자로서 유용하다.
본 발명의 상기 일반식(Ⅰ)로 표기되는 3,4-디알콕시티오펜-2,5-비스벤즈이미다졸 유도체 또는 일반식 (II)로 표기되는 3,4-에틸렌디옥시티오펜-2,5-비스벤즈이미다졸 유도체는 하기 일반식(III) 또는 (IV)로 표기되는 카르복실산 유도체 화합물을 합성한 다음, 이것과 하기 일반식(V)로 표기되는 1,2-페닐렌디아민 또는 그 유사체와의 열반응에 의하여 합성할 수 있다.
Figure 112004056306637-PAT00003
(상기식에서 R1 은 아릴기로서 페닐, 나프틸 및 안트라센 유도체 계열의 방향족 치환기와 고리로 연결된 화합물을 나타낸다.)
본 발명에 따른 상기 일반식(Ⅰ) 또는 일반식(Ⅱ)로 표기되는 다중 공액계 비스벤즈이미다졸 유도체는 상기 일반식(III) 또는 (IV)로 표기되는 디카르복실산 유도체와 1,2-페닐렌디아민을 비롯한 상기 일반식(V)로 표기되는 인접한 디아민 공액계 화합물과의 열반응에 의해 합성할 수 있다.
예를 들면, 일반식(III) 또는 (IV)로 표기되는 디카르복실산 유도체와 일반식(V)로 표기되는 디아민 공액계 화합물을 물을 잡아 줄 수 있으면서 고온 반응이 가능한 용매로서 폴리인산 (Polyphosphoric acid, PPA)을 사용하여 160-230℃의 조건에서 반응시켜 이민 (imine, Schiff base) 형성과 동시에 탈수되면서 고리를 형성하여 일반식(Ⅰ) 또는 일반식(Ⅱ)로 표기되는 다중 공액계 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체를 제조할 수 있는데 이는 탈수고리화반응 (Cyclodehydration)의 일종이다.
본 발명의 상기 일반식(Ⅰ) 또는 일반식(Ⅱ)로 표기되는 다중 공액계 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체들은 그 녹는점이 대부분 300℃ 이상으로 열적 안정성이 있으며, 물과 일반 유기용매에는 거의 녹지 않고 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸셀폭사이드(DMSO) 및 디메틸아세트아마이드(DMAc) 등의 극성 용매에 소량 녹는 성질을 가지고 있어 유기반도체를 사용한 전계효과트랜지스터의 소자 제작 시 어려움이 없으며, 외부요인(빛, 공기, 수분 및 열 등)에 높은 안정성을 보이는 유기 단 분자이다. 특히 벤즈이미다졸 구조는 자체적으로 수소이온을 잡을 수 있어 산화방지제로서의 기능도 내포되어 있다.
또한, 본 발명에 따른 공액계 비스벤즈이미다졸(Benzimidazole) 유도체들은 전계효과트랜지스터의 소자 성능을 나타내기 위해 충분히 높은 전하이동도(1~10 ㎠/Vs)와 높은 점멸비 (Ion/Ioff ≒ 102-8)를 가지며, 낮은 문턱전압 (<10 V) 및 빠른 응답 속도를 나타내므로 전계 효과 트랜지스터 (Field Effect Transister, FET)에 안정적으로 사용할 수 있는 공액계 유기 단 분자로서 특히 유용하다.
벤즈이미다졸 유도체들은 전통적으로 항암제등의 의약품으로서 널리 알려져 있으며 또한 산에 대한 저항능력 [A. Popova 등 Corrosion Science, 46(6), 1333-1350, 2004]을 가지고 있다. 유기계고분자 (Organic Polymer) 물질은 외부의 물리적 또는 화학적인 영향을 받아 물성변화를 일으킴으로써 고유의 성질을 상실하게 한다. 화학적으로 고분자분해 (Polymer degradation)의 가장 큰 영향은 산화반응으로부터 비롯된다. 일반적으로 고분자물질은 산소와의 반응성이 약해 산화반응에 대하여 매우 안정하지만 가공시의 열을 받아 산화반응 (thermooxidation)을 일으키거나 장기간 외부 노출 시 빛 에너지에 의한 광산화반응 (photooxidation)이 개시됨으로써 분해과정으로 이어지게 되는데 벤즈이미다졸유도체들은 이러한 산화반응을 억제하는 역할을 한다. 또한 최근에는 고분자형태로 하여 고분자 전극 연료셀의 양성자 전도 멘브레인으로 사용된 예 [P. Morales-Gil 등 Electrochimica Acta 49, 4733-4741, 2004]가 소개되었고, 발광소자(LED)에 사용할 수 있는 내열기능성 물질 등의 실용화를 위한 기초 기반 기술에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 의미에서 공액계 단분자 벤지미다졸 유도체들의 고기능성 유기반도체 신물질은 향 후 초박막형 TV나 건식 에칭성 포토레지스트 및 특수 분야에 이용된 내열 및 산 저항성 기능재료 등 산업계에서 가장 필요로 하는 핵심기술로서 그 수요가 크다고 할 수 있다.
본 발명의 제조방법에서 사용된 일반식(III)으로 표기되는 화합물인 3,4-디히드록시티오펜-2,5-디카르복실산은 아래의 합성반응식에서와 같이 출발물질로 티오디글리콜산을 사용하여 1959년 Sahasrabudhe 등이 합성한 방법 [Sahasrabudhe et al, Nature, Lond. 184 (1959) 202]에 의해 제조할 수 있으며, 그 유도체들은 1967년 Gogte 등이 합성한 방법 [Gogte et al, Tetrahedron 23 (1967) 2437]에 의해 제조할 수 있다.
Figure 112004056306637-PAT00004
예를 들어, 일반식(III)으로 표기되는 디카르복실산 유도체는 출발물질로서 티오디글리콜산(Thiodiglycolic acid, VI)을 사용하여 황산 촉매하에서 에틸 에스터를 합성한 후, 에탄올 용매, 에톡시나트륨(NaOEt) 염기 하에서 디에틸옥살산(Diethyloxalate)를 반응시켜 3,4-디히드록시티오펜 디카르복실 에스터 나트륨 염(VIII)를 합성하여 바로 알킬 또는 방향족 할로겐화물(R1-X)과 반응시키거나, 산성화하여 디올 화합물(IX)를 만들어 화합물(VIII)과 탄산칼륨이나 탄산나트륨의 염조건에서 반응시켜 3,4-디알콕시 또는 디아릴옥시티오펜-2,5-디에틸에스터 화합물(X)을 합성한 후, 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH) 수용액 또는 알코올용액에서 가수분해하여 3,4-디히드록시티오펜-2,5-디카르복실산(III)를 합성할 수 있다.
또한 일반식(IV)으로 표기되는 티에노[3,4-b]-1,4-디옥신-5,7- 디카르복실산 유도체는 상기 기술한 일반식(IX)으로 표기된 디올화합물과 1,2-디할로겐화합물과 염조건에서 반응시켜 합성할 수 있다.
본 발명에 따른 유기 전계효과 트랜지스터(Organic Field Effect Transisiter: OFET)는 도 1에 도시된 바와 같이 기판(Substrate) 위에 단결정이 아닌 반도체 박막을 본 발명의 상기 비스벤즈이미다졸 유도체를 이용하여 구성한 유기 박막 트랜지스터(Organic Thin Film Transisiter: OTFT)로 정의 할 수 있다.
물론 SRAM (Synchronous Random Access Memory)이나 ROM (Read Only Memory) 등에 응용될 경우에는 실리콘 웨이퍼 기판 위에 제작된다. 다른 종류의 트랜지스터 와 마찬가지로 유기 전계효과 트랜지스터(OFET)도 게이트(Gate) 전극, 드레인(Drain) 및 소오스(Source)의 세 단자를 가진 소자이며, 가장 주된 기능은 스위칭과 증폭이다. 유기 전계효과 트랜지스터(OFET)의 동작 원리는 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)과 매우 유사하다. 다만, MOSFET은 게이트 전극에 인가된 전압에 의해 반도체 층과 게이트 절연막 계면에 소수 캐리어 채널이 반전(Inversion)되어 형성된 상태에서 동작하지만, 박막 트랜지스터(TFT)는 계면에 다수 캐리어 채널이 축적(Accumulation) 형성된 상태에서 동작한다는 것이다. 박막 트랜지스터(TFT)는 SRAM이나 ROM에도 응용되지만, 주된 사용 분야는 능동 행렬형 평판 디스플레이(Active Matrix Flat Panel Display)의 화소 스위칭 소자이다. 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display: LCD)나 유기 전계발광 디스플레이(Organic Electro-luminescence Display: OELD) 화소의 스위칭 소자나 전류 구동 소자로 TFT가 사용되고 있다. 스위칭 소자로 사용되는 TFT는 주위 화소들의 전기적 영향으로부터 각 화소를 독립시켜 주고 화소에 전기적 신호를 전달해 주는 역할을 하게 된다. 현재 TFT에 사용되는 반도체로는 비정질 실리콘 (Amorphous Si, 이하 a-Si)과 다결정 실리콘 (Polycrystalline Si, 이하 Poly-Si)이 주로 사용되고 있으며, 최근에는 펜타센, 티오펜 올리고머 등 유기 반도체들도 사용되고 있다.
본 발명의 전계효과 트랜지스터는 다중 공액계 비스벤즈이미다졸 유도체를 이 활성층에 유기 반도체로 사용한 것이다. 유기 전계효과 트랜지스터 (OFET)는 기본적으로 드레인과 소오스 두 단자 사이의 On/Off 상태를 제3의 전극인 게이트에 공급하는 전압 유무에 따라서 제어하는 트랜지스터이다. Off 동작 시에는 드레인과 소오스 두 단자 사이의 전류흐름이 전혀 없고, On 동작 시에는 전류흐름이 원활하게 된다. 게이트 전압이 특정전압(문턱전압) 이상 되면 트랜지스터는 On 상태로 변화된다.
TFT의 동작영역은 기존에 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 기억소자로 사용되는 MOSFET과 마찬가지로 크게 선형 영역(Linear Region)과 포화 영역 (Saturation Region)의 두 영역으로 구분된다. 드레인 전압이 작을 때는 드레인과 소오스 사이의 특성이 기본적으로 오믹(Ohmic) 특성을 나타내므로 드레인 전류는 드레인 전압에 비례하게 된다. 드레인 전압이 커져서 게이트 전압이 중성화되게 되면 채널이 드레인 쪽으로부터 사라지게 되고(Pinch Off), 드레인 전류가 더 이상 증가하지 않고 드레인 전압의 증가에 관계없이 일정한 값을 가지는 특성을 나타낸다.
전계효과 트랜지스터(FET)의 소자특성을 평가하는 성능지수로는 전계효과이동도[field effect mobility :μFET (㎠/Vs)], 문턱전압[threshold voltage : VT (V)] 전류점멸비(I on /I off ratio) 등이 있다. 먼저 전계효과이동도는 트랜지스터의 성능 중 가장 중요한 요소로 단위 전계 1V/cm에 의하여 이동하는 거리를 나타내며, 각종 산란요소(불순물산란, 입자산란 등)들에 의해 결정된다.
전계효과이동도는 드레인 전류 대 소스-드레인 전압(ID vs. VDS) 곡선으로부터 계산이 가능하다. 드레인 전류는, 드레인 전류 대 소스-드레인 전압 곡선의 선형영역과 포화영역에 대하여, 각각 아래의 식(1)과 (2)로 표현되며, 이때 μ는 전 계효과이동도, W는 채널의 폭, L은 채널의 길이, C i 는 게이트 절연체의 단위 면적당 커패시턴스(capacitance)를 나타낸다. VG와 VT는 각각 게이트 전압과 문턱전압을 의미한다. 이때 드레인 전류 대 소스-드레인 전압곡선으로부터 드레인 전류 대 게이트 전압 (ID-VG)의 관계 그래프를 각각 플롯하여 그 기울기를 나타내는 식(3)과 (4)에 적용하여 선형영역과 포화영역에서의 전계효과 이동도를 각각 구할 수 있다. 
무기물 (비정질 실리콘) 트랜지스터의 경우 일반적으로 요구되는 이동도는 1~10 ㎠/Vs 이다. 현재까지 보고된 공액고분자를 이용한 트랜지스터는 poly(3-hexylthiophene)을 활성층으로 하여 제작된 경우이며, 0.1 ㎠/Vs으로 가장 높은 값을 나타내었다. 문턱전압은 게이트와 유기반도체의 일함수 차이 그리고 게이트 절연막의 내부전하 및 계면전하 등에 의하여 결정된다. 드레인 전류 대 게이트 전압 (ID-VG)을 그래프화 하였을 때 x축의 절편이 문턱전압이 된다.
전류점멸비는 소자 구동시 중요한 성능지수이며, 차단상태 (off-state)에서의 흐르는 전류가 적을수록 증가한다. 차단상태의 전류는 식(4)로 나타내어진다. 이때 σ는 전기전도도, t는 활성층의 두께, NA는 도핑동도이다. 따라서 차단상태의 전류는 전기전도도가 낮고, 활성층의 두께가 얇으며, 도핑농도가 작아야 낮아진다. 무기물 트랜지스터의 경우 요구되는 전류점멸비는 107이상이다. 공액고분자를 활성층에 사용한 경우는 아직 그 수준에는 못 미치나 poly(3-hexylthiophene)을 사용한 경우 >106에 이르는 전류점멸비가 보고 되었다.
Figure 112004056306637-PAT00005
유기 단분자 전계효과 트랜지스터의 제작은 도 1에서와 같이 기판 (Substrate, 1)과, 상기 기판(1) 상에 구성되는 게이트(Gate, 2)와, 상기 게이트(2) 전극에 접하여 구성되는 게이트 절연막(Insulator, 3)과, 상기 게이트 절연막(3)에 접하여 구성되는 유기 반도체 박막(Semiconducting materials, 4)과, 상기 유기 반도체 박막(4)에 접하여 구성되는 적어도 한 쌍의 소스-드레인 전극(5)으로 구성되어 있다. 이를 좀 더 자세히 설명하면 그 전체 구조는 실리콘을 기반으로 한 트랜지스터와 크게 차이가 없다. 게이트에 전압을 가하게 되면 절연막 때문에 전류가 흐르지 않고 반도체에 전기장(전계)이 걸리므로 전계 효과 트랜지스터라는 이름이 붙여졌다. 소자에 흐르는 전류는 소스와 드레인 사이에 전압을 인가하여 얻게 되며, 이때 소스는 접지되어 있어 전자나 홀의 공급처 역할을 하게 된다. 그 위에 표시된 층이 유기 반도체 층이다.
소자의 동작원리를 p-형 반도체를 중심으로 살펴보면, 우선 소스와 드레인, 게이트에 전압을 인가하지 않으면 유기물 반도체 내의 전하들은 모두 반도체 내에 고루 퍼져 있게 된다. 이때 소스와 드레인 사이에 전압을 인가하여 전류를 흘리면 낮은 전압 하에서는 전압에 비례하는 전류가 흐르게 된다. 여기에 만약 게이트에 양의 전압을 인가하면 이 인가된 전압에 의한 전기장에 의하여 양의 전하인 정공들은 모두 위로 밀려 올라가게 된다. 따라서 절연체에 가까운 부분에는 전도 전하가 없는 층이 생기게 되고, 이 층을 공핍층(depletion layer)이라 부른다. 이런 상황에서 소스와 드레인에 전압을 인가하면 전도 가능한 전하 운반자가 줄어들어 있기 때문에 게이트에 전압을 인가하지 않았을 때 보다 더 낮은 전류의 양이 흐르게 될 것이다. 반대로 게이트에 음의 전압을 인가하면 이 인가된 전압에 의한 전기장의 효과로 유기물과 절연체 사이에 양의 전하가 유도되고, 따라서 절연체와 가까운 부분에 전하의 양이 많은 층이 형성된다. 이 층을 축적층(accumulation layer)이라 부른다. 이 때 소스와 드레인에 전압을 인가하여 전류를 측정하면 더 많은 전류를 흘릴 수 있게 되는 것이다. 따라서 소스와 드레인 사이에 전압을 인가한 상태에서 게이트에 양의 전압과 음의 전압을 교대로 인가하여 줌으로써 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 양을 제어할 수 있는 것이다. 이 전류량의 비를 점멸비 (on/off ratio)라 한다. 우수한 성능의 트랜지스터 소자가 되기 위해서는 이 점멸비가 커야 한다.
기판 재료로는 박판상의 유리소재와 플라스틱소재가 사용되고 있으며 LCD용으로 사용되는 유리는 통상의 창유리로도 사용되고 있는 소다라임 타입과 무알카라 타입 등이 사용되고 있다. 최근의 LCD 용도는, 경량·박형이라고 하는 특징을 살려 주로 소형 어플리케이션에 채용되고 있어 손목시계, 카드형 계산기, 휴대용 초소형 무선 호출기, PDA, 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등에 사용되고 이 용도에서는 경박단소화의 방향으로 개발이 진행되고 있으므로 최근 전세계적으로 이 요구를 실현 가능한 플라스틱 기판을 이용한 유기 TFT 및 OLED 등 디스플레이에 대한 연구가 활발히 이루어지면서, 이들 소자의 안정성에 대한 연구 역시 활기를 띠고 있다. 특히 유기 TFT의 경우 대기 중에 존재하는 수분 및 산소에 의해 그 특성이 크게 변화되어 안정적인 소자 특성을 얻기 위해서는 고기능성의 보호막이 필수적이다. 또한 유기물의 경우 온도에도 매우 민감한 반응을 하는 것으로 알려져 있어 이에 대한 연구도 진행되고 있다.
상기 기판 상에 구성되는 게이트 (Gate)로는 인디늄-주석산화물 (Indium-Tin Oxide)를 주로 사용한다. ITO의 표면일함수는 기판 표면의 오염, 수분의 부착 등의 영향으로 0.5eV에서 1.0eV 로 다소 증가하게 된다. ITO기판의 전처리 기술은 ITO의 표면전위를 HTL의 표면전위에 가능한한 최대한 근접한 값을 갖게 함으로써 양극으로 사용되는 ITO로부터 정공이 보다 원활하게 발광층까지 이동할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다고 하겠다. ITO기판의 전 처리에는 다음의 세가지 방법이 주로 사용된다. 첫째 Glow discharge를 이용한 표면산화법, 둘째 UV 광원에 의해 생성된 오존에 의한 ITO 표면산화법 및 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용한 ITO 표면산화법등의 세가지 방법의 기판의 상태에 따라 선택적으로 적용될 수 있다. 어떤 방법을 사용하든 중요한 것은 ITO 박막으로부터 산소의 이탈을 방지하고, 그 표면으로부터 수분이나 유기물 형성을 제거하고 표면을 산화시켜, ITO층과 HIL층과의 접촉 계면에 적절한 일함수를 얻도록 하는 것이다.
지금까지 소자에 가장 많이 쓰여진 유전체 (또는 절연체)는 SiO2이다. 이는 절연율이 높고 기판으로 가장 많이 쓰여진 Si 위에 쉽게 형성할 수 있기 때문으로 생각된다. 그러나 비정질 구조이고, 유전율이 3.9 정도로 높지 않기 때문에 최적의 유전체라고 보기는 어렵다. 연구의 추세로 볼 때 플라스틱 기판의 사용이 예상되는데 이를 고려한다면 다음의 몇 가지 조건을 갖추어야 한다고 생각된다. 우선 낮은 온도에서 박막 형성이 가능해야 한다. 플라스틱 기판의 특성상 유리전이 온도가 낮아 (PET의 경우 80℃ 부근) 온도를 높이기가 힘들기 때문이다. 그리고 유전율이 커야 한다. 전계효과 트렌지스터의 동작 원리를 보면 게이트에 전압을 인가하여 이 인가된 전압으로 인해 유전체 양단에 전하들이 모이고, 이 전하들로 인한 전기장(전계)이 축적층과 공핍층을 만드는 것이다. 따라서 유전율이 크다는 것은 낮은 전압에서도 많은 전하를 유전체 양단에 모을 수 있다는 뜻이고, 다른 말로는 낮은 전압에서 소자를 구동할 수 있다는 뜻이다. 유전율과 더불어 절연 특성이 좋아야 한다. 누설 전류는 유전체 양단에 모인 전하를 중화시키는 작용을 하므로 장시간 전하를 유지하지 못하고 자주 refresh 해 주어야 하는 구동상 문제를 야기하게 된다. 또한 열팽창율이 기판과 같거나 비슷해야 한다. 소자의 특성상 전류를 흘리기 때문 에 필연적으로 열이 발생한다. 이러한 열에 잘 견디기 위해서는 열 팽창율이 비슷한 소재가 가장 이상적일 것이다. 또한 구부림이 가능한 플라스틱 기판 위에 시용하기 위해서는 일정 정도의 구부림에 균열 발생이 없어야 한다. 최근 국내에서는 열이나 자외선으로 경화되는 아크릴계 고분자가 많이 사용되고 있다. 회전 도포방식으로 증착되어 온도를 높이거나 자외선을 조사하면 cross-link가 일어나 불용설 고분자 막을 형성하는 원리를 이용한 것이다. 그러나 열을 이용할 경우 플라스틱 기판과의 열팽창율 차이 등으로 인해 기판이 휘는 문제가 발생할 수 있고, 패터닝이 어렵다는 문제도 발생한다.
유기 단분자의 박막 형성은 10-5torr 수준의 고진공 상태에서 진공증착 방식을 이용하여 기판의 표면에 순차적으로 형성된다. 이 박막들이 증착되는 진공 챔버의 구성은 재료의 증발원, 막두께 제어 센서, 유리 기판과 금속새도마스크를 고정세로 정렬할 수 있는 기구 및 재료를 증발시키기 위한 전원 공급원(power supply) 등으로 이뤄져 있다. 사용되는 대부분의 유기재료는 무기재료에 비해 증기압이 높고, 증발 온도범위가 광범위하고(100~500℃) 증발온도가 제각기 달라서 물질마다의 정교한 온도제어가 필수적이다. 유기물의 증발원은 일반적으로 높은 열전도도를 가진 세라믹 도가니(crucible)가 사용되며 단계적이고 지속적인 증발제어가 가능하여 유기물이 튀는 현상(spitting)이 없도록 설계 제작되어야 한다. 증발원의 온도상승이 적절히 이루어지지 않아 지나치게 짧은 시간에 증발온도까지 도달한 유기물은 튀는 현상이 발생되어 유기물 증발원의 입구가 막히게 되고 이로 인해 유기물의 증 착속도가 변하여 원하는 박막특성을 얻지 못하며, 아울러 유기물질이 증착 도중에 변색 또는 탈색되어 다시 사용할 수가 없다.
또한, 각각의 유기물은 그 물질에 따라 증발을 위해 기화(sublimation)되는 것과 용해(melt)되는 것이 있으며 이들은 각각 다른 증발 특성을 가지게 되므로 재료별로 최적의 증발조건을 제어할 수 있는 기능이 매우 중요하다. 유기박막층은 오픈마스크를 이용한 기계적 어라인먼트(±200미크론)가 가능한 수준의 장치가 필요하다. 유기물을 증착할 수 있는 별도의 독립 챔버로 구성하여 상호 오염을 최소화하고 높은 생산성을 확보해야 한다.
상기 유기 반도체 박막에 접하여 구성되는 적어도 한 쌍의 소스-드레인 전극은 일반적으로 금을 쓰고 있다. 진공 열증착으로 쉽게 증착할 수 있으면서도 일함수 (work function)가 높아 p-형인 유기물 반도체에 쉽게 홀을 주입할 수 있기 때문이다. 그러나 금 박막 위에 고분자 박막을 스핀코팅으로 박막을 형성하는 경우 고분자 막과 금 박막 사이의 접착력이 좋지 못하여 부가적 저항으로 작용하여 소자의 특성을 나쁘게 할 수 있다. 따라서 전도 특성이 좋고, 일함수가 높고, 유기물과 접착력이 우수한 재료와 공정의 개발이 필요하다. 최근 유기 반도체인 pentacene과 금사이의 계면 특성을 XPS와 UPS를 이용하여 조사한 논문이 발표되었다. 이 논문의 실험 결과에 의하면 pentacene과 금의 증착 순서와 관계없이 금과 pentacene 사이에는 화학적 결합은 없고 물리적인 힘에 의해서만 결합되어 있다고 한다. 이는 어떤 방법으로 두 물질을 결합하더라도 ohmic contact은 되지 않는다는 것을 말해준다. 이는 트랜지스터 특성 곡선에서 낮은 드레인 전압에서 전류가 선형적으로 증 가하지 않는 현상으로 나타나게 된다. 또한 전극에서 유기 반도체로 전하가 효과적으로 주입이 되지 못하여 전류의 양도 감소하게 되고, 따라서 전하 이동도도 낮게 나타난다. 그리고, p-type의 경우 금과 유기 반도체의 일함수가 거의 비슷하여 contact 문제만 해결하면 되지만 n-type의 경우에는 일함수의 차이가 너무 커 금속의 일함수를 shift 시켜줄 수 있는 기술이 필요하다. 이러한 현상을 해결하기 위하여 금속 표면에 유기 단분자 막을 자기 조립법에 의해 제작한 후 그 위에 유기 반도체를 증착하는 방법이 시도되었다. 이 단분자 막은 금 금속과는 화학적 결합을 통하여 공유 결합을 형성하고, 상부의 유기 반도체와는 유기물끼리의 접합으로 쉽게 ohmic contact을 형성하여 전체적으로 전하를 쉽게 금속 전극으로부터 유기 반도체로 주입할 수 있게 한다.
본 발명의 전계효과 트랜지스터는 기판(Substrate)으로 유리에 게이트로 인디늄-주석산화물(Indium-Tin Oxide)이 입혀진 박판을 사용하여, 상기 게이트 전극에 접하여 구성되는 게이트 절연막(Insulator)과, 상기 게이트 절연막에 접하여 구성되는 유기 반도체 박막(Semiconducting materials)과, 상기 유기 반도체 박막에 접하여 구성되는 적어도 한 쌍의 소스-드레인 전극을 구비하는 유기 전계효과 트랜지스터에 있어서, 상기 유기 반도체 박막이 본 발명에 따른 상기 일반식 (Ⅰ) 또는 (II)로 표기되는 화합물로 형성된 것을 특징으로 한다.
이하 실시예에 의해 본 발명을 더욱 자세히 설명할 것이나 본 발명이 이에 국한하지는 않는다.
[실시예 1] : 디에틸 3,4-디히드록시티오펜-2,5-디카르복실에스터(IX)의 합성
위 화합물의 합성은 아래와 같이 3단계에 걸쳐 합성하였다.
< 1 단계 > 디에틸 티오디글리코테이트(VII)의 합성
둥근바닥 이구 플라스크 (1 L)에 티오디글리콜산 50g (V, 333 mmol)을 무수 에탄올 (250 mL)에 녹여 넣고 농황산 (20 mL)을 천천히 부가한 후, 환류 교반하였다. 출발물질이 모두 반응할 때 까지 24시간을 환류교반한 후, 얼음물 (300 mL)에 부어 반응을 종결하고 디에틸에테르 (200 mL)로 세 번 추출하여 모은 유기층을 포화 탄산나트륨 수용액, 물로 세척하고 무수 황산마그네슘으로 건조한 후 감압하 용매을 제거하여 조생성물 (VI, 59.8g, 87%)을 얻었다. 기체크로마토그래피/메스선택적검출기 (GC/MSD)로 순도 측정 후 다음 반응에 바로 사용하였다.
GC/MSD retention time (min) 7.79, (m/z) 60, 70, 77, 88, 105, 115, 121, 133, 149, 160 (100), 177, 206 (M+), 순도 >99%
< 2 단계 > 디에틸 3,4-디히드록시티오펜-2,5-디카르복실에스터 디나트륨 염(VIII)의 합성
둥근바닥 이구 플라스크 (1 L)에 NaOC2H5 37.9g (558 mmol)을 무수 에탄올 (300 mL)에 녹여 넣고, 0℃에서 [실시예 1]에서 합성한 에스터 25.3g (VI, 123 mmol)과 디에틸 옥살산 45.1 mL (332 mmol)을 섞은 용액을 서서히 적가 하였다. 온도가 천천히 오르도록 한 후, 출발물질이 모두 반응할 때까지 2시간 환류교반하였 다. 용액을 상온이 될 때까지 방치하여 생성된 노란색의 침전물을 여과하여 얻고, 무수 에탄올로 세척하고 건조하여 조생성물을 얻어 다음 반응에 바로 사용하였다.
< 3 단계 > 디에틸 3,4-디히드록시티오펜-2,5-디카르복실에스터(IX)의 합성
삼각 플라스크 (500mL)에 나트륨염 화합물 37.4g (VII, 123 mmol)을 물 200 mL에 부유시키고 0℃에서 농염산 (20mL)으로 산성화시킨다. 1시간 가량 교반하여 완전히 염해리하여 생성된 디올 침전물 20.8g (VIII, 2-3단계 총 65%)을 얻었다.
mp
GC/MSD retention time (min) 15.18(m/z) 60, 70, 77, 88, 105, 115, 121, 133, 149, 160 (100), 177, 260 (M+)
1H NMR (300MHz, CDCl3, TMS) δ1.36 (t, J=7.14Hz, 6H, CH3 x 2), 4.33 (2H x 2, q, J=7.14Hz), 4.39 (4H, m)
13C NMR (75MHz, CDCl3, TMS) δ64.3, 65.2, 110.7, 141.7, 180.1 (좌우대칭)
Figure 112004056306637-PAT00006
[실시예 2] : 3,4-디도데실옥시티오펜-2,5-디카르복실산[III에서 R1이 -(CH2) 11CH3]의 합성
위 화합물의 합성은 아래와 같이 2단계에 걸쳐 합성하였다.
< 1 단계 > 디에틸 3,4-디도데실옥시티오펜-2,5-디카르복실에스터(X에서 R1이 -(CH2)11CH3]의 합성
둥근바닥 이구 플라스크 (250 mL)에 디올 화합물 7.0g (IX, 27 mmol)과 1-브로모도데칸 29.7g (14.3 mL, 59.5 mmol, 2.2eq) 을 디메틸포름아미드 (DMF, 100 mL)에 녹이고 탄산칼륨 8.2g (59.5 mmol, 2.2eq)을 부가하여 출발물질이 모두 반응할 때까지 48시간 동안 환류 교반하였다. 용액을 상온으로 하여 얼음물 (200 mL)에 부어 반응을 종결하고 에틸아세테이트 (100 mL, 2회)로 추출한 후 소금물과 물로 세척하고 무수 황산마그네슘으로 건조한 후 감압하 용매을 제거하여 조생성물 (15g)을 얻었다. 무수 에탄올로 재결정하여 순수한 화합물 11.89g (X, 70%)을 얻었다.
1H NMR (300MHz, CDCl3, TMS) δ0.88 (t, J=6.69Hz, 6H, CH3 x 2), 1.21-1.30 (m, 32H, CH2 x 16), 1.37 (t, J=7.05Hz, 6H, CH3 x 2), 1.40-1.49 (m, 4H, CH 2 x 2), 1.70-1.79 (m, 4H, CH2 x 2), 4.14 (t, J=6.68Hz, 4H, CH2 x 2), 4.34 (q, J=7.14Hz, -OCH2 x 2)
< 2 단계 > 3,4-디도데실옥시티오펜-2,5-디카르복실산[III에서 R1이 -(CH2)11CH3]의 합성
삼각 플라스크 (250 mL)에 디에틸 3,4-디도데실옥시티오펜-2,5-디카르복실에스터 [X에서 R1이 -(CH2)11CH3] 13.1g (20 mmol)와 10% KOH 수용액 (50 mL)을 넣고 1시간 환류하며 교반하였다. 용액을 상온으로 하여 부유물을 여과하여 제거하고, 여액을 0℃에서 2몰 염산수용액으로 산성화시킨다. 1시간 가량 교반하여 완전히 염해리하여 생성된 디카르복실산 침전물 (12g)을 얻었다. 이 침전물을 무수 메탄올로 재결정하여 흰색의 침상 생성물 9.16g (III, 80%)을 얻었다.
1H NMR (300MHz, DMSO-d6, ppm) δ0.83 (t, J=6.69Hz, 6H, CH3 x 2), 1.18-1.28 (m, 32H, CH2 x 18), 1.30-1.43 (m, 4H, CH2 x 2), 1.59-1.69 (m, 4H, CH 2 x 2), 4.06 (q, J=6.32Hz, -OCH2 x 2)
Figure 112004056306637-PAT00007
[실시예 3] : 3,4-에틸렌디옥시티오펜-2,5-디카르복실산 [IV에서 R1이 H]의 합성
위 화합물의 합성은 아래와 같이 2단계에 걸쳐 합성하였다.
< 1 단계 > 디에틸 3,4-에틸렌디옥시티오펜-2,5-디카르복실에스터 [XI에서 R1이 H]의 합성
둥근바닥 이구 플라스크 (250 mL)에 디올 화합물 14.0g (IX, 54 mmol)과 디브로모에탄 11.16g (5.12 mL, 59.4mmol, 1.1eq) 을 디메틸포름아미드 (DMF, 100 mL)에 녹이고 탄산칼륨 16.4g (119 mmol, 2.2eq)을 부가하여 출발물질이 모두 반응할 때까지 48시간 동안 환류 교반하였다. 용액을 상온으로 하여 얼음물 (200 mL)에 부어 반응을 종결하고 에틸아세테이트 (100 mL, 2회)로 추출한 후 소금물과 물로 세척하고 무수 황산마그네슘으로 건조한 후 감압하 용매을 제거하여 조생성물을 얻었다. 무수 에탄올로 재결정하여 순수한 화합물 10.8g (70%)을 얻었다.
GC/MSD retention time (min) 15.3, (m/z) 59, 69, 84, 100, 126, 142, 154, 169, 186, 197, 213, 230, 241(100), 258, 271, 286 (M+)
1H NMR (300MHz, CDCl3, TMS) δ1.36 (t, J=7.14Hz, 6H), 4.33 (q, J=7.14Hz, 4H), 4.39 (s, 4H)
< 2 단계 > 3,4-에틸렌디옥시티오펜-2,5-디카르복실산 [IV에서 R1이 H]의 합성
삼각 플라스크 (250 mL)에 디에틸 3,4-에틸렌디옥시티오펜-2,5-디카르복실에스터 [XI에서 R1이 H] 14.3g (50 mmol)와 10% KOH 수용액 (50 mL)을 넣고 1시간 환류하며 교반하였다. 용액을 상온으로 하여 부유물을 여과하여 제거하고, 여액을 0℃에서 2몰 염산수용액으로 산성화시킨다. 1시간 가량 교반하여 완전히 염해리하여 생성된 디카르복실산 침전물을 얻었다. 이 침전물을 무수 메탄올로 재결정하여 흰색의 침상 생성물 11.2g (90%)을 얻었다.
Figure 112004056306637-PAT00008
[실시예 4] : Tricyclo[8.2.2.2~ 4,7~]hexadeca-1(12),4,6,10,13,15-hexaene비스[3,4-에틸렌디옥시티오펜-2,5-디카르복실산]의 합성
상기 [실시예 3]과 같은 방법으로 디올 화합물(IX)과 2,3,8,9- Tetrabromotricyclo[8.2.2.2~ 4,7~]hexadeca-1(12),4,6,10,13,15-hexaene을 사용하여 에스터 화합물을 합성한 후, 가수분해하여 테트라카르복실산 화합물을 합성하였다.
Figure 112004056306637-PAT00009
[실시예 5] : 의 합성[I에서 R1이 -(CH2)11CH3, R2 =R3=H]
둥근바닥 이구 플라스크 (100 mL)에 3,4-디도데실옥시티오펜-2,5-디카르복실산[III에서 R1이 -(CH2)11CH3] 2.86g (5.0 mmol)과 1,2-펜닐렌디아민 1.19g (11.0mmol)을 폴리인산 (PPA, 30 mL) 에 넣고 온도를 서서히 올려 200℃에서 4시간 가열 교반하였다. 출발물질이 모두 반응한 후 반응혼합액을 얼음물 (300 mL)에 부어 생성된 갈색의 조생성물을 여과하여 얻고, 다시 10% 탄산나트륨 수용액 (200 mL)에서 뜨겁게 가열한 후 남아 있는 생성물을 여과하여 얻고 메탄올로 재결정하여 노란색의 순수한 고체생성물 (2.74g, 80%)을 얻었다.
[실시예 6] : 의 합성[II에서 R1= R2=R3=H]
둥근바닥 이구 플라스크 (100 mL)에 3,4-에틸렌디옥시티오펜-2,5-디카르복실 산 [IV에서 R1이 H] 1.15 g (5.0 mmol)과 1,2-펜닐렌디아민 1.19g (11.0mmol)을 폴리인산 (PPA, 25 mL) 에 넣고 온도를 서서히 올려 220℃에서 4시간 가열 교반하였다. 출발물질이 모두 반응한 후 반응혼합액을 얼음물 (300 mL)에 부어 생성된 갈색의 조생성물을 여과하여 얻고, 다시 10% 탄산나트륨 수용액 (200 mL)에서 뜨겁게 가열한 후 남아 있는 생성물을 여과하여 얻고 메탄올로 재결정하여 순수한 생성물 (1.22g, 65%)을 얻었다.
Figure 112004056306637-PAT00010
[실시예 7] : 의 합성 [II에서 R1= H, R2=-(CH2)5CH3 , R3=H]
상온에서 둥근바닥 이구 플라스크 (100 mL)에 [실시예 6]에서 합성한 940mg (2.51 mmol)를 디메틸셀폭시드 (DMSO, 15 mL)에 녹여 넣고 고체 수산화나트륨 221mg (5.52 mmol, 2.2당량)를 부가하여 4시간 교반한 후, 1-브로모헥산 911mg (5.52 mmol, 2.2당량)를 부가하여 24시간 잘 교반하여 생성된 노란색의 조생성물을 여과하여 얻고, 물과 헥산으로 여러 번 세척하여 순수한 생성물 (1.20g, 88%)을 얻었다.
[실시예 8] : 전계효과 트랜지스터 재료로서의 전자소자특성 결과
상기 [실시예 5-7]에서와 같은 방법으로 유기반도체 물질들을 유기 반도체 물질로 하여 저항/전압 (I-V) 특성을 조사하였다.
Gate 전압을 0V에서 -5V로 변환시킬때 Source와 Drain사이의 전압을 Gate 각 전압당 0V에서 -50V까지 변환시켜 아래의 도 2a 및 도 2b와 같은 그래프 (I/V curve)를 얻었다.
도 2a 및 도 2b와 같은 저항/전압 (I-V) 특성곡선으로부터 음의 전압을 걸었을 때 I/V곡선이 음의 영역에서 나오는 것으로 보아 유기반도체물질의 Charge carrier는 +전하 즉, 정공(hole)으로 보이며. 따라서 이 소자재료에서 사용한 물질은 p-type 물질임을 확인할 수 있으며, 반대로 음의 전압을 걸었을 때 I/V곡선이 양의 영역에서 나오는 것은 유기반도체물질은 n-type 물질임을 확인할 수 있다.
본 발명의 상기 일반식(Ⅰ) 또는 일반식( II )로 표기되는 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체는 전계 효과 트랜지스터 외에도 전자파 차폐막, 카패시터, 유기 EL 디스플레이 등의 유기 박막 트렌지스터, 태양전지 및 다광자 흡수 현상을 이용한 메모리 소자등에 유기 단분자로서 유용하다.

Claims (8)

  1. 하기 일반식(Ⅰ) 또는 일반식( II )로 표기되는 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체.
    Figure 112004056306637-PAT00011
    (상기식에서 R1은 아릴기로서 페닐, 나프틸 및 안트라센 유도체 계열의 방향족 치환기이며, R2 는 H 또는 -OAr 또는 -NAr 및 벤젠, 나프틸 및 안트라센 유도체 계열의 방향족 치환기이며, R3는 H 또는 부틸, 헥실 등의 알킬기를 나타낸다.)
    상기식에서 R1은 탄소수 6개에서 20개사이의 쇄사슬 또는 곁사슬 지방족 탄화수소 및 산소가 중간에 있는 에테르계 긴사슬 치환기이며, R2 및 R3는 일반식(Ⅰ)로 표시되는 벤즈이미다졸 유도체에 치환된 알킬기 및 방향족화합물이다.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체가 3,4-디알콕시티오펜-2,5-비스벤즈이미다졸 유도체 또는 3,4-에틸렌디옥시티오펜-2,5-비스벤즈이미다 졸인 것을 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체는 하기 일반식 (III) 또는 (IV)로 표기되는 카르복실산 유도체 화합물과 하기 일반식(V)로 표기되는 1,2-페닐렌디아민 또는 그 유사체와의 열반응에 의하여 합성된 것임을 특징으로 하는 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체.
    Figure 112004056306637-PAT00012
    (상기식에서 R1 은 아릴기로서 페닐, 나프틸 및 안트라센 유도체 계열의 방향족 치환기와 고리로 연결된 화합물을 나타내고, 낸다.)
    다음 일반식(II)으로 표시되는 3,4-에틸렌디옥시티오펜-벤즈이미다졸 유도체의 전계효과 트랜지스터 재료로서의 응용 방법과 그의 합성법:
    상기식에서 R1은 탄소수 6개에서 20개사이의 지방족 탄화수소 및 산소가 중간에 있는 에테르계 긴사슬치환기이며, R2 및 R3는 일반식(Ⅰ)으로 표시되는 벤즈이미다졸 유도체에 치환된 알킬기 및 방향족화합물이다.
  4. 하기 일반식(III) 또는 (IV)로 표기되는 카르복실산 유도체 화합물과 하기 일반식(V)로 표기되는 1,2-페닐렌디아민 또는 그 유사체와의 열반응에 의하여 하기 일반식(Ⅰ) 또는 일반식(II)로 표기되는 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체를 제조하는 방법.
    Figure 112004056306637-PAT00013
    (상기식에서 R1 은 아릴기로서 페닐, 나프틸 및 안트라센 유도체 계열의 방향족 치환기와 고리로 연결된 화합물을 나타낸다.)
  5. 기판(Substrate)과, 상기 기판 상에 구성되는 게이트(Gate, ITO)와, 상기 게이트 전극에 접하여 구성되는 게이트 절연막(Insulator)과, 상기 게이트 절연막에 접하여 구성되는 유기 반도체 박막(Semiconducting materials)과, 상기 유기 반도체 박막에 접하여 구성되는 적어도 한 쌍의 소스-드레인 전극을 구비하는 유기 전계효과 트랜지스터에 있어서,
    상기 유기 반도체 박막이 상기 청구항1 또는 청구항2에 기재된 일반식 (Ⅰ) 또는 일반식 (II)로 표기되는 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체나, 청구항3에 기재된 제조방법에 의해 제조된 일반식 (Ⅰ) 또는 일반식 (II)로 표기되는 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체로 형성된 것을 특징으로 하는 유기 전계효과 트랜지스터.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 일반식(III)으로 표시되는 3,4-디알콕시티오펜-2,5-디카르복실산 유도체에서 R1이 1-Haloalkanes 유도체로서 : 1-Bromohexane, 1-Bromooctane, 1-Bromodecane, 1-Bromododecane, 1-Bromotetradecane, 1-Bromohexadecane, 1-Bromooctadecane, 1-Bromodocosane2-Bromoethyl ether 유도체 및 Amino acid-2-(2-bromoethoxy)ethyl ester 유도체로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체.
    Figure 112004056306637-PAT00014
  7. 제 3항에 있어서, 상기 일반식( IV )으로 표시되는 3,4-에틸렌디옥시티오펜-2,5-디카르복실산 유도체에서 R1이 1,2-Dihaloalkanes 유도체로서, 1,2-Bromohexane, 1,2-Bromooctane, 1,2-Bromodecane, 1,2-Bromododecane, 1,2-Bromotetradecane, 1,2-Bromohexadecane, 1,2-Bromooctadecane, 1,2-Bromodocosane로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나이거나,
    또는 대칭성 Dihaloalkanes 유도체로서, 3,4-Dibromohexane, 2,5-Dibromo-3,4-hexanedione, 2,3-Dibromo-1,3-diphenyl-1-propanone, 7,8-Dibromobicyclo[4.2.0]octa-1,3,5-triene, 1-[1,2-Dibromo-2-(3,5-dimethylphenyl)ethyl]-3,5-dimethylbenzene 및 1-Cyclodecene, 1-Cyclododecene, (5E)-5-Decene, (7E)-7-Tetradecene으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나 인것을 특징으로 하는 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체.
  8. 제 3항에 있어서, 상기 일반식(V)으로 표시되는 디아민 및 테트라아민 방향 족 유도체는 Diamino aromatic 유도체로서 1,2-Phenylenediamine, 2,3-Diaminonaphthalene, 1,2-Diaminoanthraquinone, 9,10-Diaminophenanthrene, 3,4-Diaminobenzonitrile , 3,4-Diaminobenzoic acid, 3,4-Diaminobenzophenone로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나이거나,
    또는 Tetraamino aromatic 유도체로서 1,2,4,5-Benzenetetraamine, 3,3-Diaminobenzidine으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 티오펜-비스벤즈이미다졸 유도체.
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