KR20120084968A - 싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함하는 공중합체 및 이를 이용한 유기 전자소자 - Google Patents

싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함하는 공중합체 및 이를 이용한 유기 전자소자 Download PDF

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Abstract

싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함하는 공중합체 및 이를 이용한 유기 전자소자를 제공한다. 본 발명에 따른 공중합체는 용액 공정을 유기 전자소자에 적용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 공중합체를 포함하는 필름은 우수한 열적 안정성 및 산화 안정성을 나타내며, 높은 결정성을 가지므로 개선된 전하 이동도를 나타낼 수 있다. 또한, 하나의 공중합체에서 p형 특성과 n형 특성을 모두 나타내는 양극성(ambipolar)을 가지므로 양극성 유기 트랜지스터의 제작이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 공중합체는 로우 밴드갭(low band gap) 고분자로서 유기 태양전지의 활성층으로도 사용할 수 있다.

Description

싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함하는 공중합체 및 이를 이용한 유기 전자소자 {Copolymer containing thienylenevinylene unit and organic electronic devices using the copolymer}
본 발명은 유기화합물 및 이를 이용한 유기전자소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함하는 공중합체 이를 이용한 유기 전자소자에 관한 것이다.
유기 반도체 재료 및 이를 이용한 유기 전자소자의 개발은 종래의 무기 전자소자에 비해 공정 및 비용면에서 유리하며, 플렉서블(flexible) 전자소자의 구현을 위한 가요성 기판들에 적용성이 뛰어나다는 장점 등으로 인해 최근 많은 연구가 이루어지고 있다.
예를 들어, 공지된 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 회로의 장점을 바탕으로 이와 유사한 회로에 관한 연구가 유기 반도체 분야에서도 진행 중이다. 그러나, 유기물로 집적 회로를 구현하는 경우, p형 유기물과 n형 유기물을 각각 구분하여 회로를 형성해야 하며, 각각의 물질을 원하는 패턴 위에 별도로 형성시키는 공정이 요구되므로, 대면적 연속 공정의 적용을 어렵게 한다. 또한, 유기 태양전지의 유기 활성층과 관련하여서는, 넓은 영역에서의 광 흡수를 통해 광전변환효율 향상을 도모할 수 있는 밴드갭(band gap)이 낮은 고분자에 대한 개발이 진행되고 있다.
따라서, 다양한 전자소자에 효과적으로 적용 가능하도록 용액 공정이 가능하고, 다양한 기능성을 갖는 한편, 열적 안정성, 산화 안정성 및 전하 이동도 등이 개선된 우수한 물성의 고분자에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 해결하고자 하는 기술적 과제는 용액 공정이 가능하며, 양극성 및 개선된 안정성을 갖는 공중합체를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 공중합체를 이용한 유기 전자소자를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함하는 공중합체를 제공한다.
상기 공중합체는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다:
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 식에서,
R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 서로에 관계없이 수소, 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
A는
Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
,
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,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
,
Figure pat00014
,
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,
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,
Figure pat00017
,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
,
Figure pat00020
,
Figure pat00021
,
Figure pat00022
,
Figure pat00023
,
Figure pat00024
, 또는
Figure pat00025
이고, 여기서, X1 및 X2는 서로에 관계없이 S, O, 또는 Se이고, R7, R8, R9, R10 , R11, R12는 서로에 관계없이 수소, 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
ℓ은 1 내지 1,000의 정수이고, m은 1 내지 1,000의 정수이고, n은 1 내지 100,000의 정수이다.
또한, 상기 화학식 1에서, R1 및 R4가 서로 동일하고, R2 및 R3가 서로 동일하고, R5 및 R6가 서로 동일할 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 1에서, R1 및 R4는 모두 수소일 수 있다. 그리고/또는 상기 화학식 1에서, R2 및 R3는 모두 탄소수 1 내지 25의 선형 알킬기이거나 모두 탄소수 2 내지 30의 선형 알켄일기일 수 있다. 그리고/또는 상기 화학식 1에서, R5 및 R6는 모두 수소일 수 있다.
상기 화학식 1에서, ℓ 및 m은 동일한 중합도를 가질 수 있다. 일 예로, 상기 화학식 1에서, ℓ 및 m은 모두 1일 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 공중합체는 하기 화학식 2로 표시되는 공중합체일 수 있다:
[화학식 2]
Figure pat00026
상기 식에서,
R2 및 R3는 서로에 관계없이 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
A는 화학식 1의 A와 동일하고,
n은 1 내지 100,000의 정수이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 공중합체를 함유하는 필름을 제공한다. 상기 공중합체는 상기 화학식 1 또는 2로 표시되는 공중합체일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 유기 전계효과 트랜지스터를 제공한다. 상기 유기 전계효과 트랜지스터는 상기 화학식 1 또는 2로 표시되는 싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함하는 공중합체를 함유하는 유기 반도체층을 포함한다. 상기 유기 반도체층의 상부 또는 하부에서 상기 유기 반도체층과 중첩된 게이트 전극이 위치한다. 상기 유기 반도체층의 양측 단부들에 소스 전극과 드레인 전극이 각각 접속한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 유기 태양전지를 제공한다. 상기 유기 태양전지는 상기 화학식 1 또는 2로 표시되는 싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함하는 공중합체를 함유하는 유기 활성층을 포함한다. 상기 유기 활성층은 기판 상에 위치한 제1 전극 상에 위치한다. 상기 유기 활성층 상에 제2 전극이 위치한다.
본 발명에 따른 공중합체는 용액 공정을 통해 기판 상에 코팅함으로써 필름을 형성할 수 있다. 따라서, 공중합체 필름을 형성함에 있어서 공정 단가를 낮출 수 있으며, 대면적 소자에 적합한 이점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 공중합체를 포함하는 필름은 우수한 열적 안정성 및 산화 안정성을 나타내며, 상대적인 전자 주개 특성과 받개 특성을 갖는 각각의 부분을 통해 고분자 사슬과 사슬 상의 유기적 배열을 유도해 개선된 전하 이동도를 나타낼 수 있다. 또한, 하나의 공중합체에서 p형 특성과 n형 특성을 모두 나타내는 양극성(ambipolar)을 가지므로 양극성 유기 트랜지스터의 제작이 가능하며, 간단한 방법으로 디지털 회로를 구현할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 공중합체는 로우 밴드갭(low band gap) 고분자로서 유기 태양전지의 활성층으로도 사용할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 전계효과 트랜지스터를 나타낸 단면도이다.
도 2은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 전계효과 트랜지스터를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 전계효과 트랜지스터를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지를 나타낸 개략도이다.
도 5는 합성예 1에 따라 제조된 공중합체 (Ⅰ)에 대한 열중량분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 합성예 2에 따라 제조된 공중합체 (Ⅱ)에 대한 열중량분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 합성예 3에 따라 제조된 공중합체 (Ⅲ)에 대한 열중량분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 합성예 4에 따라 제조된 공중합체 (Ⅳ)에 대한 열중량분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 합성예 1에 따라 제조된 공중합체 (Ⅰ)에 대한 시차주사열량분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 합성예 2에 따라 제조된 공중합체 (Ⅱ)에 대한 시차주사열량분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 합성예 4에 따라 제조된 공중합체 (Ⅳ)에 대한 시차주사열량분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 합성예 1에서 제조된 공중합체 (Ⅰ)의 순환전압전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13은 합성예 2에서 제조된 공중합체 (Ⅱ)의 순환전압전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 합성예 1에서 제조된 공중합체 (Ⅰ)의 광흡수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15는 합성예 2에서 제조된 공중합체 (Ⅱ)의 광흡수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 16은 합성예 4에서 제조된 공중합체 (Ⅳ)의 광흡수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17은 합성예 1에 따라 제조된 공중합체 (Ⅰ)을 함유하는 필름에 대한 AFM이미지들을 나타낸 것이다.
도 18은 합성예 2에 따라 제조된 공중합체 (Ⅱ)를 함유하는 필름에 대한 AFM이미지들을 나타낸 것이다.
도 19는 제조예 1에 따라 제조된 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅰ)의 Vg-Id 커브를 나타낸 그래프이다.
도 20은 제조예 2에 따라 제조된 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅱ)의 Vg-Id 커브를 나타낸 그래프이다.
도 21은 제조예 3에 따라 제조된 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅲ)의 Vg-Id 커브를 나타낸 그래프이다.
도 22는 제조예 3에 따라 제조된 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅳ)의 Vg-Id 커브를 나타낸 그래프이다.
도 23은 상기 제조예 5에서 제조된 유기 태양전지들의 활성층 형성 조건에 따른 전압-전류 밀도 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 축소된 것이며, 본 발명의 설명을 위한 부분 이외의 부분은 생략된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
공중합체
본 발명의 일 실시예에 따른 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 싸이오펜 단위를 포함하는 공중합체일 수 있다.
Figure pat00027
상기 화학식 1에서, R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 서로에 관계없이 수소, 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기일 수 있다. 이때, 상기 R1 및 R4가 서로 동일하고, R2 및 R3가 서로 동일하고, R5 및 R6가 서로 동일할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 R1 및 R4는 모두 수소일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 R2 및 R3는 모두 탄소수 1 내지 25의 선형 알킬기이거나 모두 탄소수 2 내지 30의 선형 알켄일기일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 R5 및 R6는 모두 수소일 수 있다.
이처럼, 상기 화학식 1의 공중합체는 싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함한다. 이러한 싸이에닐렌비닐렌 단위는 전자가 풍부하고, 두 개의 싸이에닐기가 비닐렌기에 연결되어 동일 평면 상의 확장된 π-공액 구조를 가지며, 우수한 정공 이동도를 나타낼 수 있다. 더불어, 상기 R1, R2, R3, R4, R5, 및 R6의 존재 여부와 종류에 따라서 상기 화학식 1로 표시되는 공중합체가 용매에 용해되는 정도가 달라질 수 있으며, 공중합체 사슬들 사이의 간격이 달라질 수 있다.
상기 화학식 1에서, A는
Figure pat00028
,
Figure pat00029
,
Figure pat00030
,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
,
Figure pat00033
,
Figure pat00034
,
Figure pat00035
,
Figure pat00036
,
Figure pat00037
,
Figure pat00038
,
Figure pat00039
,
Figure pat00040
,
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,
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,
Figure pat00043
,
Figure pat00044
,
Figure pat00045
,
Figure pat00046
,
Figure pat00047
,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
,
Figure pat00050
, 또는
Figure pat00051
일 수 있다. 여기서, X1 및 X2는 서로에 관계없이 S, O, 또는 Se이고, R7, R8, R9, R10 , R11, R12는 서로에 관계없이 수소, 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기일 수 있다.
상기 화학식 1에서, A는 전자받개(억셉터) 특성을 나타낼 수 있는 단위로서, 전자가 부족하고, 높은 전자 친화도를 가지며, 상기 싸이에닐렌비닐렌 단위와 결합되어 본 실시예에 따른 공중합체가 보다 낮은 광학 밴드갭(optical band gap)을 갖도록 할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 공중합체의 흡광 파장 영역을 보다 장파장 영역으로 확장시킬 수 있다.
상기 화학식 1에서, ℓ, m 및 n은 각각의 괄호들로 묶인 각 단위의 중합도를 의미하는 것으로서, ℓ은 1 내지 1,000의 정수이고, m은 1 내지 1,000의 정수이고, n은 1 내지 100,000의 정수일 수 있다. 이때, 상기 ℓ 및 m은 동일한 중합도를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 ℓ 및 m은 모두 1일 수 있다.
또한, 상기 화학식 1로 표시되는 공중합체의 일 예는 하기 화학식 2로 표시되는 공중합체일 수 있다.
Figure pat00052
상기 화학식 2에서, R2 및 R3는 서로에 관계없이 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기일 수 있다.
또한, 상기 화학식 2의 A 및 n은 화학식 1의 A 및 n과 각각 동일하다.
상기 화학식 2로 표시되는 공중합체에서, R2 및 R3는 공중합체의 유기 용매에 대한 용해성을 향상시키는 작용을 하는 동시에, 싸이에닐렌비닐렌 단위의 중심을 향해 서로 마주보도록 위치함으로써 인접하는 고분자 사슬과의 맞물림(interdigitation)을 유발시킬 수 있을 것으로 예상된다. 그 결과, 본 실시예에 따른 공중합체를 사용하여 공중합체 필름을 형성하는 경우, 공중합체 사슬들이 더욱 규칙적으로 잘 배열되도록 할 수 있다. 또한, 나머지 R1, R4, R5 및 R6는 수소로 한정함으로써, 공중합체 내의 치환기 사이의 입체 장애를 최소화하여 π-공액성의 파괴를 최소화시키고 분자의 평면성을 향상시킬 수 있다.
더불어, 본 발명의 실시예들에 따른 공중합체들은 이온화 에너지가 높아 산화안정성이 우수하고, 하나의 공중합체에서 p형 특성과 n형 특성이 모두 나타나는 양극성(ambipolar)을 가질 수 있다.
공중합체 필름
본 발명의 일 실시예에 따른 공중합체 필름은 상술한 공중합체를 함유하는 필름일 수 있다. 상기 필름은 상술한 공중합체를 용액 공정을 이용하여 기판 상에 코팅함으로써 형성할 수 있다. 상기 용액 공정은, 예를 들어, 스핀 코팅법, 딥 코팅법, 스크린 프린팅법, 잉크젯 프린팅법, 스프레이 코팅법 등일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 통상의 공지된 모든 용액 공정을 이용할 수 있다. 따라서, 필름을 형성함에 있어서 고가의 진공장비가 필요하지 않으므로 공정 단가를 낮출 수 있으며, 대면적 소자의 제작에 적합하다.
또한, 상술한 공중합체는 평면성이 우수하므로, 분자들 간의 배열특성(ordering property)이 향상되어 높은 결정성을 가질 수 있다. 따라서, 유기전자소자의 유기 반도체층으로 이용하는 경우 개선된 전하 이동도를 나타낼 수 있다. 또한, 결정성을 향상시키기 위해 기판 상에 코팅된 필름을 열처리하는 과정에서도 열적 안정성이 우수하므로 열 손상 없이 안정적으로 소자에 적용 가능한 이점이 있다. 이와 더불어, 상술한 공중합체는 이온화 에너지가 높아 우수한 산화 안정성을 가질 수 있다.
상술한 공중합체 및 공중합체 필름이 갖는 여러 장점을 바탕으로 본 발명의 공중합체는 유기 전자소자의 유기 반도체층, 예를 들어, 유기 전계효과 트랜지스터의 반도체층 또는 유기 태양전지의 활성층으로 사용될 수 있다.
유기 전계효과 트랜지스터
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 전계효과 트랜지스터를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 버퍼층(11)을 형성할 수 있다. 다만, 상기 버퍼층(11)은 경우에 따라 생략될 수 있다. 상기 기판(10)은 실리콘 기판, 유리 기판 또는 고분자 기판일 수 있다. 상기 버퍼층(11)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.
상기 기판(10) 상에 게이트 전극(G)을 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극(G)은 니켈, 금, 구리, 은, 백금, 크롬, 알루미늄, 알루미늄 합금, 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금으로 형성할 수 있다.
상기 게이트 전극(G) 상에 게이트 절연막(GI)을 형성할 수 있다. 상기 게이트 절연막(GI)은 유기 절연막 또는 무기 절연막의 단일막 또는 다층막으로 구성되거나 유-무기 하이브리드 막일 수 있다. 상기 무기 절연막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, Al2O3, Ta2O5, TiO2, BST, 또는 PZT일 수 있으며, 상기 유기 절연막은 가교되었거나 가교되지 않은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate), 폴리스타이렌(PS, polystyrene), 파릴렌(parylene), PVP(poly-4-vinylphenol), PVA(poly vinylalcohol), BCB(divinyltetramethyldisiloxane-bis(benzocyclobutene)), PαMS(poly-alpha-methylstyrene), 또는 PET(poly ethylene terephthalate)일 수 있다.
상기 게이트 절연막(GI) 상에 상기 게이트 전극(G)과 중첩하는 유기 반도체층(A)을 형성할 수 있다. 상기 유기 반도체층(A)은 상술한 공중합체를 사용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 화학식 1 또는 2의 공중합체를 용매에 용해시킨 용액을, 용액 공정을 통해 기판 상에 코팅함으로써 상기 유기 반도체층(A)을 형성할 수 있다. 상기 용매는, 예를 들어, 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 클로로포름(chloroform), 클로로벤젠(chrolobenzene) 또는 다이클로로벤젠(dichrolobenzene)일 수 있다. 상기 용액 공정은 스핀 코팅법, 딥 코팅법, 스크린프린팅, 또는 잉크젯 프린팅법일 수 있다.
상기 유기 반도체층(A) 상에 서로 이격된 소스 전극(S) 및 드레인 전극(D)을 형성한다. 상기 소스 및 드레인 전극들(S, D)은 상기 유기 반도체층(A)의 양측 단부들에 각각 접속한다. 상기 소스 및 드레인 전극들(S, D)은 Au, Cu, Pt, Ni, Cr, Pd, Al, Ag, Mg, Ca, Yb, Cs-ITO 또는 이들의 합금, 또는 PEDOT:PSS나 PNAI와 같은 고분자 전도체 중에서 선택되는 단일층으로 형성될 수 있으며, Ti, Ni, Cr 또는 Al과 같은 접착 금속층을 더 포함하는 다중층으로 형성될 수 있다.
이러한 유기 전계효과 트랜지스터에서 게이트 전극(G)은 유기 반도체층(A)의 하부에 위치하고, 소스 및 드레인 전극들(S, D)은 상기 유기 반도체층(A) 상부면에 접속하므로, 본 실시예의 유기 전계효과 트랜지스터는 바텀 게이트-탑 컨택형 박막트랜지스터일 수 있다.
도 2은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 전계효과 트랜지스터를 나타낸 단면도이다. 본 실시예에 따른 유기 전계효과 트랜지스터는 후술한 것을 제외하고는 도 1을 참조하여 설명한 유기 전계효과 트랜지스터와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 버퍼층(11)을 형성할 수 있다. 다만, 상기 버퍼층(11)은 경우에 따라 생략될 수 있다. 상기 기판(10) 상에 게이트 전극(G)을 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극(G) 상에 게이트 절연막(GI)을 형성할 수 있다.
상기 게이트 절연막(GI) 상에 서로 이격된 소스 전극(S) 및 드레인 전극(D)을 형성한다. 상기 소스 및 드레인 전극들(S, D) 사이에는 상기 게이트 절연막(GI)이 노출될 수 있다.
상기 소스 및 드레인 전극들(S, D), 및 이들 사이에 노출된 상기 게이트 절연막(GI) 상에 유기 반도체층(A)을 형성할 수 있다. 상기 유기 반도체층(A)은 상술한 공중합체를 사용하여 형성할 수 있다.
이러한 유기 전계효과 트랜지스터에서 게이트 전극(G)은 유기 반도체층(A)의 하부에 위치하고, 소스 및 드레인 전극들(S, D)은 상기 유기 반도체층(A)의 하부면에 접속하므로, 본 실시예의 유기 전계효과 트랜지스터는 바텀 게이트-바텀 컨택형 박막트랜지스터일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 전계효과 트랜지스터를 나타낸 단면도이다. 본 실시예에 따른 유기 전계효과 트랜지스터는 후술하는 것을 제외하고는 도 1을 참조하여 설명한 유기 전계효과 트랜지스터와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 3을 참조하면, 기판(10) 상에 버퍼층(11)을 형성할 수 있다. 다만, 상기 버퍼층(11)은 경우에 따라 생략될 수 있다. 상기 버퍼층(11) 상에 서로 이격된 소스 전극(S) 및 드레인 전극(D)을 형성할 수 있다. 상기 소스 및 드레인 전극들(S, D) 사이에는 상기 버퍼층(11)이 노출될 수 있다.
상기 소스 및 드레인 전극들(S, D), 및 이들 사이에 노출된 상기 버퍼층(11) 상에 유기 반도체층(A)을 형성할 수 있다. 상기 유기 반도체층(A)은 상술한 공중합체를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 유기 반도체층(A) 상에 게이트 절연막(GI)을 형성할 수 있다. 상기 게이트 절연막(GI) 상에 게이트 전극(G)을 형성할 수 있다.
이러한 유기 전계효과 트랜지스터에서 게이트 전극(G)은 유기 반도체층(A)의 상부에 위치하고, 소스 및 드레인 전극들(S, D)은 상기 유기 반도체층(A)의 하부면에 접속하므로, 본 실시예의 유기 전계효과 트랜지스터는 탑 게이트-바텀 컨택형 박막트랜지스터일 수 있다.
이에 따르면, 상술한 공중합체를 용액 공정을 통해 유기 전계효과 트랜지스터의 유기 반도체층(A)의 물질로 사용하므로, 공정 비용을 낮출 수 있으며, 대면적 소자 제작에 적합하다. 또한, 상술한 공중합체는 평면성이 우수하므로, 분자들 간의 배열특성이 향상되어 높은 결정성을 가질 수 있다. 이러한 결정성으로 인해, 상기 유기 반도체층(A) 내의 전하 이동도가 향상될 수 있다. 더불어, 상술한 공중합체들은 높은 산화안정성을 가지므로 소자의 내구성을 개선할 수 있다. 특히, 상술한 공중합체는 하나의 공중합체에서 p형 특성 및 n형의 특성을 모두 나타내므로 양극성 유기 트랜지스터의 제조가 가능하다. 따라서, 원하는 패턴 상에 p형 물질 및 n형 물질을 각각 별개로 형성할 필요 없이, p형 및 n형 특성을 동시에 갖는 본 발명의 공중합체 필름의 형성만으로 디지털 회로를 손쉽게 구현할 수 있다.
유기 태양전지
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지를 나타낸 개략도이다.
도 4를 참조하면, 기판(20) 상에 제1 전극(21), 제1 전하수송층(23), 활성층(25), 제2 전하수송층(27) 및 제2 전극(29)을 차례로 형성할 수 있다. 다만, 상기 제1 전하수송층(23) 및 상기 제2 전하수송층(27)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
상기 기판(20)은 투명기판일 수 있다. 상기 투명기판은 유리기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 제1 전극(21)은 투명전극일 수 있으며, 또한 애노드(양극)수 있다. 이러한 제1 전극(21)은 ITO(Indium Tin Oxide)막, IO(Indium Oxide)막, TO(Tin Oxide)막, FTO(Fluorinated Tin Oxide)막, IZO(Indium Zinc Oxide)막, 또는 ZnO(Znic Oxide)막일 수 있다.
상기 제1 전하수송층(23)은 정공수송층일 수 있다. 이러한 제1 전하수송층(23)의 일 예는 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate)층일 수 있다.
상기 유기 활성층(25)은 광을 흡수하여 여기자(exciton)를 생성하는 층으로, 전자주개(도너) 물질과 전자받개(억셉터) 물질을 구비할 수 있다. 상기 유기 활성층(25)은 도너 물질과 억셉터 물질이 서로 섞여 있는 벌크-헤테로정션(bulk heterojunction; BHJ)층일 수 있다. 이와는 달리, 상기 유기 활성층(25)은 차례로 적층된 도너 물질층과 억셉터 물질층을 구비할 수 있다.
상기 도너 물질은 광을 흡수하여 HOMO의 전자를 LUMO로 여기시키는 물질로서, 상기 화학식 1 또는 2의 공중합체를 포함하는 유기 화합물일 수 있다. 상기 억셉터 물질은 도너 물질로부터 여기된 전자를 받는 물질로서, C60 내지 C84, 예를 들어, C60, C70, C76, 및 C84의 플러렌(fullerene) 또는 그 유도체, 또는 페릴렌(perylene)일 수 있다. 상기 플러렌 유도체는 PCBM, 예를 들어, PCBM(C60)([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 또는 PCBM(C70)([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester)일 수 있다.
상기 유기 활성층(25)은 상기 도너 물질과 상기 억셉터 물질을 용매에 녹인 후, 용액 공정을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 용매는 예를 들어, 클로로벤젠(chrolobenzene) 또는 다이클로로벤젠(dichrolobenzene)일 수 있다. 상기 유기 활성층(25)이 벌크-헤테로정션층인 경우에, 상기 도너 물질과 상기 억셉터 물질의 혼합비율은 1:0.5 ~ 1:5의 중량비를 가질 수 있다.
상기 용액 공정은, 예를 들어, 스핀 코팅법, 잉크젯 프린팅법, 닥터블레이드, 또는 스크린 프린팅법일 수 있다. 상기 용액 공정을 사용하여 상기 유기 활성층(25)을 형성함으로써, 공정 단가를 낮출 수 있으며, 대면적 태양전지 제작이 실현될 수 있다.
상술한 화학식 1 또는 2의 공중합체는 평면성이 매우 우수하므로 분자들 간의 배열특성이 향상되어 높은 결정성을 가질 수 있다. 이러한 결정성으로 인해, 상기 유기 활성층(25) 내의 전하 이동도가 향상될 수 있다. 이에 따라, 유기 태양전지의 효율이 증가할 수 있다. 또한, 상기 유기 활성층(25)은 열처리에 의해 상기 공중합체 즉, 도너 물질을 재배열시켜 결정성을 더 향상시킬 수 있다.
이와 더불어서, 상기 화학식 1 또는 2의 공중합체는 이온화 에너지가 높아 우수한 산화안정성을 가질 수 있다. 한편, 상기 화학식 1 또는 2의 공중합체는 확장된 공액 구조에 의해 낮은 밴드갭을 가지므로 광 흡수 영역이 장파장 영역으로 확장될 수 있고, 이에 따라 유기 태양전지의 광흡수 효율이 향상될 수 있다.
상기 제2 전하수송층(27)은 분리되지 않은 여기자의 확산을 방지하는 여기자 저지층(exciton blocking layer)일 수 있다. 상기 여기자 저지층은 BPhen(bathophen-anthroline)층일 수 있다.
상기 제2 전극(29)은 광반사 전극일 수 있으며, 또한 캐소드(음극)일 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 전극(29)은 상기 제1 전극(21)에 비해 일함수가 낮은 금속전극이다. 일 예로서, 상기 제2 전극(29)은 Al막, Ca막, 또는 Mg막일 수 있다. 바람직하게는 상기 제2 전극(29)은 일함수가 낮은 금속인 Ca막과 전도도가 우수한 금속인 Al막의 이중층일 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<공중합체들의 합성>
합성예 1: 공중합체 (Ⅰ)의 합성
[반응식 1]
Figure pat00053
12.28g (75mmol)의 화합물 (a) 즉, 3-브로모티오펜(3-bromothiophene)(알드리치 사)과 1.5mmol(화합물 (a)의 2 mol%)의 Ni(dppp)Cl2를 60ml의 에테르에 녹이고, 온도를 0℃로 냉각하였다. 그 다음, 그리나드 시약(grignard reagent)인 도데실마그네슘브로마이드(dodecylmagnesium bromide) 84mmol을 서서히 넣어준 후, 12 시간 동안 환류하였다. 반응 후, 온도를 0℃로 냉각시키고 염산(HCl)으로 중화한 다음, 에테르로 추출하고(work up) 실리카 컬럼을 사용하여 정제된 화합물 (b)를 얻었다(수율: 91.37 %).
7.57g (30mmol)의 화합물 (b)를 2구 플라스크(2-neck flask)에 넣은 후, 아세트산(acetic acid, AcOH)과 CHCl3를 각각 60ml씩(부피비 1:1) 넣어주었다. NBS(N-Bromosuccinimide) 30 mmol을 DMF 80ml에 용해시킨 후, 온도 0 ℃에서 적하 깔대기(dropping funnel)를 이용하여 상기 플라스크 내에 천천히 넣어주었다. 그 후, 0℃에서 3시간 동안 반응시키고, 물을 넣어 반응을 종료시킨(quench) 후, MC(methylene chloride)로 추출하고 실리카 컬럼을 사용하여 정제된 화합물 (c)를 얻었다(수율: 90 %).
[반응식 2]
Figure pat00054
질소 분위기에서 무수 THF 60ml에 마그네슘 0.681g (28.01mmol)을 넣고 교반하였다. 여기에 반응식 1을 통해 얻은 화합물 (c) 5.301g (16.06mmol)을 넣고 2시간 동안 환류하였다. 그 후, 상온으로 온도를 낮추고, 여기에 3.28ml (40mmol)의 DMF를 서서히 넣어주고 24 시간 동안 환류하였다. 그 후, 상온으로 온도를 낮추고, 1M 농도의 HCl 20ml를 넣어 반응을 중지시켰다. 이동상을 헥산과 에틸렌아세테이트로 하는 실리카 컬럼을 사용하여 정제하여 화합물 (j)를 얻었다(수율: 85%).
질소 분위기에서 100 ml의 무수 THF를 0℃로 만들었다. 그 후, 1.772ml (16.11mmol)의 TiCl4를 주입하고 30분 동안 교반하였다. 그 후, 2.107g (32.22mmol)의 아연(Zn)을 넣고 1시간 동안 환류한 후, 다시 0℃로 만들었다. 여기에, 3.009g (10.74mmol)의 화합물 (j)와 1.303ml (16.11mmol)의 피리딘(pyridine)을 넣고, 24 시간 동안 환류하였다. 그 후, 얼음물 30ml를 넣어 반응을 종료시키고, 이소프로필 알코올(IPA)을 이용하여 재결정화하여 화합물 (k)를 얻었다(수율: 70%).
질소 분위기에서 1.575g (2.98mmol)의 화합물 (k)를 무수 THF 40ml에 녹인 후 -78℃로 만들었다. 여기에 2M의 부틸리튬 2.624ml를 넣어 준 후, 30분간 교반하였다. 그 후, 상온으로 온도를 올리고 상온에서 한 시간 동안 교반한 후, 다시 -78℃로 만들고, 1M 염화 트라이메틸주석 7.45ml (7.45mmol)을 넣었다. 10분간 교반 한 후, 다시 상온으로 온도를 올려서, 이소프로필 알코올(IPA)로 재결정화하여 화합물 (l)을 얻었다(수율: 90%).
1H NMR(400 MHz, CDCl3, [ppm]): δ 6.99(s,2H), 6.92(s,2H), 2.65(t,4H), 1.61(m,4H), 1.33(br, 36H), 0.88(t,6H), 0.36(s,18H).
[반응식 3]
Figure pat00055
플라스크 내에 80 g (540.47 mmol)의 화합물 (A)와 2 g (7.88 mmol)의 요오드, 125ml의 황산을 넣고 스터링을 하였다. 여기에 33.306 ml (650 mmol)의 브롬을 천천히 넣었다. 브롬의 주입이 완료된 후 60 ℃로 24시간 동안 반응시켰다. 반응 종료 후 실온으로 온도를 낮춘 다음 얻어진 물질을 필터를 이용하여 분리하였다. 그 후 분리해낸 물질을 아세트산을 이용하여 재결정하고 건조시켜 화합물 (B)를 얻었다(수율: 22 %).
[반응식 4]
Figure pat00056
플라스크 내에 3.999 g (13.16 mmol)의 화합물(B)과 2-에틸헥실 아민(2-ethylhexyl amine) 3.234 ml, 아세트산 80 ml를 넣고 2시간 환류 반응한다. 반응 후 감압을 통해 아세트산을 제거한다. 아세트산 제거 후 남은 물질을 메틸렌클로라이드(MC)와 헥세인(hexane)을 1:3(부피비)으로 한 전개 용매에 녹이고 컬럼을 하여 물질을 정제한 후 얻어진 물질을 헥세인으로 재결정하여 화합물 (C)를 얻었다(수율: 90 %).
1H NMR(400 MHz, CDCl3, [ppm]): δ 7.63(s,2H), 3.56(d,2H), 1.80(m,1H), 1.29(m,8H), 0.88(m,6H).
[반응식 5]
Figure pat00057
질소 분위기에서 0.428g (0.5mmol)의 화합물 (l)과 0.207g (0.5mmol)의 화합물 (C)를 클로로벤젠에 녹였다. 여기에 Pd2(dba)3 0.009g (0.01mmol)과 P(o-톨릴)3 0.024g (0.08mmol)을 넣고, 120℃를 유지하며 48시간 동안 환류시켰다. 그 후, 브로모벤젠 1ml를 넣고 1시간이 지난 후 2-(트라이부틸 스태닐)-티오펜(2-(tributyl stannyl)-thiophene) 1ml를 넣고 1시간 동안 환류시켰다. 그 후 상온으로 만들고, MeOH 150ml와 HCl 30ml가 혼합된 용액을 사용하여 반응물을 침전시켰다. 침전물을 거름막으로 걸러내어 목적하는 공중합체 (Ⅰ)을 얻었다(수율: 50 %). 얻어진 공중합체 (Ⅰ)의 분자량(Mn)은 18,616이었으며, 다분산 지수는 1.93이었다.
1H NMR(400 MHz, CDCl3, [ppm]): δ 7.79(s,2H), 7.71(s,2H), 7.12(s,2H), 3.62(br,2H), 2.75(br,4H), 1.89(br,1H), 1.69(br,4H), 1.25(m,44H), 0.86(m,12H).
합성예 2: 공중합체 (Ⅱ)의 합성
[반응식 6]
Figure pat00058
상기 합성예 1의 반응식 3에 기술한 방법과 동일한 방법을 사용하여 화합물 (B)를 얻었다. 플라스크 내에 3.999 g (13.16 mmol)의 화합물 (B)와 n-도데실 아민(n-dodecyl amine) 3.659 ml, 아세트산 80 ml를 넣고 2시간 동안 환류 반응시켰다. 반응 후 감압을 통해 아세트산을 제거하였다. 아세트산 제거 후 남은 물질을 메틸렌클로라이드(MC)와 헥세인(hexane)을 1:3(부피비)으로 한 전개 용매에 녹이고 컬럼을 하여 물질을 정제한 후 얻어진 물질을 헥세인으로 재결정하여 화합물 (D)를 얻었다(수율 : 94 %).
1H NMR(400 MHz, CDCl3, [ppm]): δ 7.62(s,2H), 3.66(t,2H), 1.65(m,2H), 1.27(m,18H), 0.85(t,3H)
[반응식 7]
Figure pat00059
상기 합성예 1의 반응식 2에 기술된 방법과 동일한 방법을 사용하여 화합물 (l)을 얻었다. 질소 분위기에서 0.428g (0.5mmol)의 화합물 (l)과 0.236g (0.5mmol)의 화합물 (D)를 클로로벤젠에 녹였다. 여기에 Pd2(dba)3 0.009g (0.01mmol)과 P(o-톨릴)3 0.024g (0.08mmol)을 넣고, 120℃를 유지하며 48시간 동안 환류시켰다. 그 후, 브로모벤젠 1ml를 넣고 1시간이 지난 후 2-(트라이부틸 스태닐)-티오펜(2-(tributyl stannyl)-thiophene) 1ml를 넣고 1시간 동안 환류시켰다. 그 후 상온으로 만들고, MeOH 150ml와 HCl 30ml가 혼합된 용액을 사용하여 반응물을 침전시켰다. 침전물을 거름막으로 걸러내어 목적하는 공중합체 (Ⅱ)를 얻었다(수율: 55 %). 얻어진 공중합체 (Ⅱ)의 분자량(Mn)은 17,825이었으며, 다분산 지수는 2.01이었다.
1H NMR(400 MHz, CDCl3, [ppm]): δ 7.79(br,2H), 7.73(s,2H), 7.12(s,2H), 3.70(br,2H), 2.75(br,4H), 1.70-1.25(br,60H), 0.86(m,9H).
합성예 3: 공중합체 (Ⅲ)의 합성
[반응식 8]
Figure pat00060
t-아밀 알코올(t-amyl alcohol, 2-메틸-2-부탄올) 50ml를 질소로 채워진 플라스크에 넣고, 115mmol의 Na를 넣었다. 10분 후에, 9.8235g (90mmol)의 화합물 (o)을 넣고 온도를 110℃로 올렸다. 여기에, t-아밀 알코올 20ml에 녹인 8.09g (40mmol)의 화합물 (p)를 1 시간 동안 적하(dropping)하고 110℃에서 반응시켰다. 24시간 동안 반응시킨 후 65℃로 낮추고, 100ml의 MeOH를 넣은 후, 아세트산 10ml를 넣고, 20분 동안 환류하여 중화시켰다. 현탁액을 거른 후, 뜨거운 MeOH와 물로 두 번 세척하고, MeOH로 한 번 더 세척하고, 진공에서 70℃로 건조하여 화합물 (q)를 얻었다(수율: 67 %).
2구 플라스크를 질소로 채우고, 5.9g (19.64mmol)의 화합물 (q)와 11.0564g (80mmol)의 무수 K2CO3를 DMF 110ml에 녹이고 120℃로 끓였다. 그 후, 여기에 52g (70mmol)의 2-에틸헥실 브로마이드(2-ethylhexyl bromide)를 방울방울 떨어뜨리고(dropwise), 130℃ 내지 140℃로 24시간 동안 반응시켰다. 상온으로 낮춘 후, 얼음 냉수(ice water)에 붓고 걸렀다. 침전물을 물로 여러 번 세척하고, MeOH로 세척한 후, 진공 건조하였다. 그 후, 이동상을 클로로포름으로 하는 실리카 컬럼을 사용하여 화합물 (r)를 얻었다(수율 : 40 %).
1.821g (3.47 mmol)의 화합물 (r)을 클로로포름 70ml에 녹이고, 질소로 채워진 플라스크에 넣은 후, 여기에 NBS(N-Bromosuccinimide)를 7.1135mmol 넣어주고, 빛을 차단한 상태에서 상온에서 교반하였다. 40분 후 반응물을 150ml의 메탄올에 붓고 걸렀다. 침전물을 뜨거운 메탄올로 세척한 후, 진공 건조하여 화합물 (s)를 얻었다(수율: 87%).
1H NMR(400 MHz, CDCl3, [ppm]): δ 8.64(d,2H), 7.18(d,2H), 3.91(m,4H), 1.82(m,2H), 1.36-1.24(m, 16H), 0.86(m,12H).
[반응식 9]
Figure pat00061
상기 합성예 1의 반응식 2에 기술된 방법과 동일한 방법을 사용하여 화합물 (l)을 얻었다. 질소 분위기에서 0.428g (0.5mmol)의 화합물 (l)과 0.34g (0.5mmol)의 화합물 (s)를 클로로벤젠에 녹였다. 여기에 Pd2(dba)3 0.009g (0.01mmol)과 P(o-톨릴)3 0.024g (0.08mmol)을 넣고, 120℃를 유지하며 48시간 동안 환류시켰다. 그 후, 브로모벤젠 1ml를 넣고 1시간이 지난 후 2-(트라이부틸 스태닐)-티오펜(2-(tributyl stannyl)-thiophene) 1ml를 넣고 1시간 동안 환류시켰다. 그 후 상온으로 만들고, MeOH 150ml와 HCl 30ml가 혼합된 용액을 사용하여 반응물을 침전시켰다. 침전물을 거름막으로 걸러내어 목적하는 공중합체 (Ⅲ)을 얻었다(수율: 55 %). 얻어진 공중합체 (Ⅲ)의 분자량(Mn)은 9,600이었으며, 다분산 지수는 2.5이었다.
합성예 4: 공중합체 (Ⅳ)의 합성
[반응식 10]
Figure pat00062
t-아밀 알코올(t-amyl alcohol, 2-메틸-2-부탄올) 50ml를 질소로 채워진 플라스크에 넣고, 115mmol의 Na를 넣었다. 10분 후에, 9.8235g (90mmol)의 화합물 (o)를 넣고 온도를 110℃로 올렸다. 여기에, t-아밀 알코올 20ml에 녹인 8.09g (40mmol)의 화합물 (p)를 1 시간 동안 적하(dropping)하고 110℃에서 반응시켰다. 24시간 동안 반응시킨 후 65℃로 낮추고, 100ml의 MeOH를 넣은 후, 아세트산 10ml를 넣고, 20분 동안 환류하여 중화시켰다. 현탁액을 거른 후, 뜨거운 MeOH와 물로 두 번 세척하고, MeOH로 한 번 더 세척하고, 진공에서 70℃로 건조하여 화합물 (q)을 얻었다(수율 :67 %).
2구 플라스크를 질소로 채우고, 5.9g (19.64mmol)의 화합물 (q)와 11.0564g (80mmol)의 무수 K2CO3를 DMF 110ml에 녹이고 120℃로 끓였다. 그 후, 여기에 25.217g (70mmol)의 2-옥틸도데실 브로마이드(2-octyldodecyl(ODD) bromide)를 방울방울 떨어드리고(dropwise), 130℃ 내지 140℃로 24시간 동안 반응시켰다. 상온으로 낮춘 후, 얼음 냉수(ice water)에 붓고 걸렀다. 침전물을 물로 여러번 세척하고, MeOH로 세척한 후, 진공 건조하였다. 그 후, 이동상을 클로로포름으로 하는 실리카 컬럼을 사용하여 화합물 (t)를 얻었다(수율: 40 %).
2.986g (3.47 mmol)의 화합물 (t)을 클로로포름 70ml에 녹이고, 질소로 채워진 플라스크에 넣은 후, 여기에 NBS(N-Bromosuccinimide)를 7.1135mmol 넣어주고, 빛을 차단한 상태에서 상온에서 교반하였다. 40분 후 반응물을 150ml의 메탄올에 붓고 걸렀다. 침전물을 뜨거운 메탄올로 세척한 후, 진공 건조하여 화합물 (u)를 얻었다(수율 : 87%).
1H NMR(400 MHz, CDCl3, [ppm]): δ 8.63(d,2H), 7.22(d,2H), 3.91(m,4H), 1.88(m,2H), 1.26(m, 64H), 0.88(m,12H)
[반응식 11]
Figure pat00063
상기 합성예 1의 반응식 2에 기술된 방법과 동일한 방법을 사용하여 화합물 (l)을 얻었다. 질소 분위기에서 0.437g (0.51mmol)의 화합물 (l)과 0.518g (0.51mmol)의 화합물 (u)를 클로로벤젠에 녹였다. 여기에 Pd2(dba)3 0.009g (0.01mmol)과 P(o-톨릴)3 0.024g (0.08mmol)을 넣고, 120℃를 유지하며 48시간 동안 환류시켰다. 그 후, 브로모벤젠 1ml를 넣고 1시간이 지난 후 2-(트라이부틸 스태닐)-티오펜(2-(tributyl stannyl)-thiophene) 1ml를 넣고 1시간 동안 환류시켰다. 그 후 상온으로 만들고, MeOH 150ml와 HCl 30ml가 혼합된 용액을 사용하여 반응물을 침전시켰다. 침전물을 거름막으로 걸러내어 목적하는 공중합체 (Ⅳ)를 얻었다(수율: 65 %). 얻어진 공중합체 (Ⅳ)의 분자량(Mn)은 33,582이었으며, 다분산 지수는 3.64이었다.
<공중합체들의 특성 분석>
분석예 1: 열 특성 분석
상기 합성예들에서 제조된 공중합체들을 열중량분석기(Thermogravimetic Analyzer, TGA) 및 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC)를 사용하여 분석하였다.
도 5는 합성예 1에 따라 제조된 공중합체 (Ⅰ)에 대한 열중량분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 공중합체 (Ⅰ)의 중량감소(5 중량%)는 414℃에서 측정되었다.
도 6은 합성예 2에 따라 제조된 공중합체 (Ⅱ)에 대한 열중량분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 공중합체 (Ⅱ)의 중량감소(5 중량%)는 399℃에서 측정되었다.
도 7은 합성예 3에 따라 제조된 공중합체 (Ⅲ)에 대한 열중량분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 공중합체 (Ⅲ)의 중량감소(5 중량%)는 399℃에서 측정되었다.
도 8은 합성예 4에 따라 제조된 공중합체 (Ⅳ)에 대한 열중량분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 공중합체 (Ⅳ)의 중량감소(5 중량%)는 369℃에서 측정되었다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 공중합체들은 중량감소가 일어나는 분해온도가 300℃ 이상이므로 열적 안정성이 우수함을 알 수 있다. 이는 일반적으로 유기화합물을 사용하는 소자의 제조공정의 온도범위가 300℃ 이하임을 고려할 때, 본 발명의 실시예들에 따른 공중합체들은 열 손상 없이 안정적으로 소자에 적용 가능함을 보여주는 것이다.
도 9는 합성예 1에 따라 제조된 공중합체 (Ⅰ)에 대한 시차주사열량분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상전이 온도는 260℃에서 측정되었다.
도 10은 합성예 2에 따라 제조된 공중합체 (Ⅱ)에 대한 시차주사열량분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 상전이 온도는 295℃에서 측정되었다.
도 11은 합성예 4에 따라 제조된 공중합체 (Ⅳ)에 대한 시차주사열량분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 상전이 온도는 264℃에서 측정되었다.
분석예 2: 전기화학적 특성 분석
상기 합성예 1에서 제조된 공중합체 (Ⅰ) 및 상기 합성예 2에서 제조된 공중합체 (Ⅱ)를 각각 클로로벤젠 용매에 녹여 0.5 중량% 농도의 용액을 만들고 작업 전극인 ITO 기판 상에 스핀코팅하였다. Bu4NClO4(tetrabutylammonium perchlorate)를 아세토니트릴(aceronitrile)에 0.1 M의 농도로 녹여 전해질로 사용하였으며, 상대전극과 기준전극으로 각각 백금전극과 은전극을 사용하여, 3전극 전지를 구성하였다. 상기 3전극 전지를 사용하여 순환전압전류 특성을 측정하였다.
도 12는 합성예 1에서 제조된 공중합체 (Ⅰ)의 순환전압전류 특성을 나타낸 그래프이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 공중합체 (Ⅰ)의 산화가 시작되는 온셋(on-set) 전위는 0.89 V임을 알 수 있다.
도 13은 합성예 2에서 제조된 공중합체 (Ⅱ)의 순환전압전류 특성을 나타낸 그래프이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 공중합체 (Ⅱ)의 산화가 시작되는 온셋 전위는 0.83 V임을 알 수 있다.
유기 전자소자에 사용되는 대표적인 공액 고분자 중 하나인 P3HT의 온셋 전위가 약 0.5V~0.6V임을 감안하면, 본 발명의 공중합체가 더 낮은 HOMO 에너지 준위를 가지며, 더 높은 산화 안정성을 가짐을 확인할 수 있다.
분석예 3: 광학적 특성 분석
상기 합성예 1, 2 및 4에서 제조된 공중합체들을 각각 클로로벤젠(CB) 용매에 녹여 0.5 중량% 농도의 용액을 만들고, 유리 기판 상에 스핀코팅하여 코팅 필름을 형성하였다. 용액 상태 및 필름 상태의 광흡수 특성을 자외선-가시광 분광기(UV-visible spectrophotometer)를 사용하여 측정하였다.
도 14는 합성예 1에서 제조된 공중합체 (Ⅰ)의 광흡수 특성을 나타낸 그래프이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 용액의 최대 흡수는 521 nm에서 나타났으며, 필름의 첫 번째 최대 흡수 및 두 번째 최대 흡수는 각각 570 nm 및 622 nm에서 나타났다. 측정된 광학 밴드갭은 1.82 eV이었다.
도 15는 합성예 2에서 제조된 공중합체 (Ⅱ)의 광흡수 특성을 나타낸 그래프이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 용액의 최대 흡수는 528 nm에서 나타났으며, 필름의 첫 번째 최대 흡수 및 두 번째 최대 흡수는 각각 568 nm 및 622 nm에서 나타났다. 측정된 광학 밴드갭은 1.81 eV이었다.
도 16은 합성예 4에서 제조된 공중합체 (Ⅳ)의 광흡수 특성을 나타낸 그래프이다. 도 16을 참조하면, 용액의 첫 번째 최대 흡수 및 두 번째 최대 흡수는 각각 450 nm 및 735 nm에서 나타났으며, 필름의 첫 번째 최대 흡수 및 두 번째 최대 흡수는 각각 472 nm 및 766 nm에서 나타났다. 측정된 광학 밴드갭은 1.3 eV이었다.
도 14 내지 16을 참조하면, 용액 상태보다 필름 상태에서의 최대 흡수 파장이 더 장파장인 것을 알 수 있다. 이는 필름 상태에서 존재하는 공중합체 사슬들이 서로 가까이 접근하여 분자배열이 향상되면서 사슬간 상호작용(interchain interaction)에 의해 새로운 에너지 준위를 형성하며, 그 결과 에너지 준위들 사이의 갭이 감소되기 때문인 것으로 추측된다.
분석예 4: 모폴로지 분석
상기 합성예 1 및 2에서 제조된 공중합체들을 각각 클로로벤젠 용매에 녹여 0.5 중량% 농도의 용액을 만들고, 실리콘 웨이퍼 상에 스핀코팅하여 코팅 필름을 얻었다. 상기 필름을 열처리한 후, 원자력 현미경(atomic force microscopy, AFM)을 사용하여 필름의 표면을 분석하였다.
도 17은 합성예 1에 따라 제조된 공중합체 (Ⅰ)을 함유하는 필름에 대한 AFM이미지들을 나타낸 것이다.
도 18은 합성예 2에 따라 제조된 공중합체 (Ⅱ)를 함유하는 필름에 대한 AFM이미지들을 나타낸 것이다.
도 17 및 18에서 (a)는 열처리하지 않은 필름의 이미지들이고, (b), (c) 및 (d)는 각각 110℃, 150℃ 및 200℃에서 10분간 열처리한 필름의 이미지들이다. 또한, (a), (b), (c) 및 (d) 각각의 이미지에서 왼편의 이미지는 토폴로지 이미지(topology image)이고, 오른편 이미지는 위상차 이미지(phase contrast image)이다. 도 17 및 18을 참조하면, 열처리 온도가 증가할수록 표면에서 보이는 결들이 굵어지는 것을 확인할 수 있다.
제조예 1: 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅰ)의 제조
기판(10)으로는 유리 기판을 사용하였으며, 상기 기판(10) 상에 포토리소그래피 및 습식식각법을 사용하여 소스 전극(S)와 드레인 전극(D)를 형성하였다. 구체적으로, 포토레지스트 패턴들을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴들 상에 Ni층과 Au층을 열 증발법을 사용하여 차례로 형성한 후, 포토레지스트 스트립퍼를 사용하여 상기 포토레지스트 패턴들을 제거하였다. 이에 따라, 상기 유리 기판 상에 소스 전극(S) 및 드레인 전극(D)인 Ni/Au(3 nm/12 nm) 전극들을 20 ㎛의 채널길이 및 1㎜의 채널폭이 되도록 형성하였다. PFDT(perfluorinated alkanethiols) 용액에 상기 소스/드레인 전극들(S, D)이 형성된 기판(10)을 약 10분간 담갔다 꺼낸 후, IPA(isopropyl alchol)로 세척하고, N2로 건조하였다.
합성예 1에서 제조된 공중합체 (Ⅰ)을 클로로벤젠 용매에 녹여 10㎎/㎖ 농도의 용액을 만들고, 80℃로 가열한 후 실온으로 냉각하였다. 용액을 0.20㎛ PTFE 시린지 필터(syringe filter)로 여과하였다. 여과된 용액을 상기 소스/드레인 전극들(S, D)과 상기 소스/드레인 전극들(S, D) 사이에 노출된 기판(10) 상에 스핀 코팅(2000rpm, 60초)하여 유기 반도체층(A)을 형성하였다. 상기 유기 반도체층(A)을 150℃에서 약 20분간 열처리(annealing)하였다.
상기 유기 반도체층(A) 상에 불소계 고분자 절연체인 CYTOP(아사히 글라스 사)를 스핀 코팅(2000rpm, 60초)하여, 게이트 절연막(GI)을 형성하였다. 상기 게이트 절연막(GI) 상에 섀도우 마스크를 이용하여 Al막(50 nm)을 증착함으로써 게이트 전극을 형성하였다.
제조예 2: 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅱ)의 제조
상기 합성예 2에서 제조된 공중합체 (Ⅱ)를 사용하여 유기 반도체층(A)을 형성한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 유기 전계효과 트랜지스터를 제조하였다.
제조예 3: 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅲ)의 제조
상기 합성예 3에서 제조된 공중합체 (Ⅲ)를 사용하여 유기 반도체층(A)을 형성한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 유기 전계효과 트랜지스터를 제조하였다.
제조예 4: 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅳ)의 제조
상기 합성예 4에서 제조된 공중합체 (Ⅳ)를 사용하여 유기 반도체층(A)을 형성한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 유기 전계효과 트랜지스터를 제조하였다.
분석예 5: 유기 전계효과 트랜지스터 의 특성 분석
도 19는 제조예 1에 따라 제조된 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅰ)의 Vg-Id 커브를 나타낸 그래프이다. 여기서, (a)는 p형 특성을 나타내고, (b)는 n형 특성을 나타낸다. 도 19를 참조하면, 유기 반도체층(A) 내의 정공 이동도(p-type mobility)는 0.65 cm2/Vs (Vd=-80V), 전자 이동도(n-type mobility)는 0.01 cm2/Vs (Vd=80V)를 나타냄을 확인할 수 있다.
도 20은 제조예 2에 따라 제조된 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅱ)의 Vg-Id 커브를 나타낸 그래프이다. 여기서, (a)는 p형 특성을 나타내고, (b)는 n형 특성을 나타낸다. 도 20을 참조하면, 유기 반도체층(A) 내의 정공 이동도(p-type mobility)는 0.035 cm2/Vs (Vd=-80V), 전자 이동도(n-type mobility)는 0.0044 cm2/Vs (Vd=80V)를 나타냄을 확인할 수 있다.
도 21은 제조예 3에 따라 제조된 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅲ)의 Vg-Id 커브를 나타낸 그래프이다. 여기서, (a)는 p형 특성을 나타내고, (b)는 n형 특성을 나타낸다. 도 21을 참조하면, 유기 반도체층(A) 내의 정공 이동도(p-type mobility)는 0.026 cm2/Vs (Vd=-80V), 전자 이동도(n-type mobility)는 0.001 cm2/Vs (Vd=80V)를 나타냄을 확인할 수 있다.
도 22는 제조예 3에 따라 제조된 유기 전계효과 트랜지스터 (Ⅳ)의 Vg-Id 커브를 나타낸 그래프이다. 여기서, (a)는 p형 특성을 나타내고, (b)는 n형 특성을 나타낸다. 도 22를 참조하면, 유기 반도체층(A) 내의 정공 이동도(p-type mobility)는 0.012 cm2/Vs (Vd=-80V), 전자 이동도(n-type mobility)는 0.0012 cm2/Vs (Vd=80V)를 나타냄을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 공중합체를 유기 전계효과 트랜지스터의 유기 반도체층으로 사용하여 양극성 트랜지스터를 제조할 수 있다.
제조예 5: 유기 태양전지의 제조
제1 전극인 ITO(Indium Tin Oxide)막이 코팅된 유리 기판을 준비하고, 상기 ITO막 상에 정공수송층인 PEDOT:PSS(VPAI 4083)를 500rpm으로 3초 동안, 그리고 5000rpm으로 40초 동안 스핀 코팅한 후, 150℃에서 10분 동안 열처리하였다.
전자주개 물질로서 합성예 4에서 제조된 공중합체 (Ⅳ)를 클로로벤젠 용매에 녹여 16㎎/㎖ 농도의 용액을 만들고, 전자받개 물질로서 PC70BM을 클로로벤젠 용매에 녹여 16㎎/㎖의 용액을 만든 후, 위 두 용액을 혼합하여 전자주개/전자받개(도너/억셉터) 혼합물 용액을 제조하였다(도너:억셉터 = 1:1 중량비). 제조된 용액을 PEDOT:PSS층 상에 1500rpm으로 40초 동안 스핀 코팅하여 유기 활성층을 형성하였다.
마지막으로, 상기 유기 활성층 상에 Ca(20 nm)과 Al(100 nm)를 진공 증착하여 제2 전극을 형성하여, 유기 태양전지를 제조하였다.
또한, 상기 도너와 억셉터의 중량비를 1:2, 1:3 및 1:4로 변화시켜 유기 활성층을 형성하는 한편, 도너/억셉터 혼합물 용액에 첨가제(additive)로서 클로로나프탈렌(chloronaphthalene, CN)이 5 부피% 비율로 첨가된 용액을 이용하여 유기 활성층을 형성하였다.
분석예 6: 유기 태양전지의 특성 분석
도 23은 상기 제조예 5에서 제조된 유기 태양전지들의 활성층 형성 조건에 따른 전압-전류 밀도 그래프이다.
하기 표 1은 상기 제조예 5에서 제조된 유기 태양전지들의 활성층 형성 조건에 따른 특성들을 정리한 것이다.
도너:억셉터
(중량비)		 FF
(%)		 Jsc
(mA/cm2)		 Voc
(V)		 PCE
(%, AM1.5G)
1 1:1 0.55 3.753 0.526 1.090
2 1:2 0.50 3.536 0.513 0.904
3 1:3 0.41 2.812 0.501 0.571
4 1:4 0.40 2.800 0.480 0.542
5 1:1 CN5% 0.51 4.575 0.527 1.231
6 1:2 CN5% 0.45 3.970 0.514 0.915
7 1:3 CN5% 0.44 3.027 0.509 0.675
8 1:4 CN5% 0.40 2.864 0.485 0.556
도 23 및 표 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공중합체는 유기 태양전지의 활성층에서 전자주개(도너) 물질로서 작용할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 도너(공중합체 (Ⅳ))와 억셉터(PC70BM)가 동량으로 혼합된 용액으로 활성층을 형성하는 경우가 가장 높은 전력변환효율(power conversion efficiency, PCE)을 나타내며, 첨가제가 혼합된 경우가 첨가제가 혼합되지 않은 경우보다 높은 전력변환효율을 나타냄을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
10, 20: 기판 11: 버퍼층
G: 게이트 전극 GI: 게이트 절연막
A: 유기 반도체층 S: 소스 전극
D: 드레인 전극 21: 제1 전극
23: 제1 전하수송층 25: 유기 활성층
27: 제2 전하수송층 29: 제2 전극

Claims (13)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함하는 공중합체:
    [화학식 1]
    Figure pat00064

    상기 식에서,
    R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 서로에 관계없이 수소, 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
    A는
    Figure pat00065
    ,
    Figure pat00066
    ,
    Figure pat00067
    ,
    Figure pat00068
    ,
    Figure pat00069
    ,
    Figure pat00070
    ,
    Figure pat00071
    ,
    Figure pat00072
    ,
    Figure pat00073
    ,
    Figure pat00074
    ,
    Figure pat00075
    ,
    Figure pat00076
    ,
    Figure pat00077
    ,
    Figure pat00078
    ,
    Figure pat00079
    ,
    Figure pat00080
    ,
    Figure pat00081
    ,
    Figure pat00082
    ,
    Figure pat00083
    ,
    Figure pat00084
    ,
    Figure pat00085
    ,
    Figure pat00086
    ,
    Figure pat00087
    , 또는
    Figure pat00088
    이고, 여기서, X1 및 X2는 서로에 관계없이 S, O, 또는 Se이고, R7, R8, R9, R10 , R11, R12는 서로에 관계없이 수소, 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
    ℓ은 1 내지 1,000의 정수이고, m은 1 내지 1,000의 정수이고, n은 1 내지 100,000의 정수이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서, R1 및 R4가 서로 동일하고, R2 및 R3가 서로 동일하고, R5 및 R6가 서로 동일한 공중합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서, R1 및 R4는 모두 수소인 공중합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서, R2 및 R3는 모두 탄소수 1 내지 25의 선형 알킬기이거나 모두 탄소수 2 내지 30의 선형 알켄일기인 공중합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서, R5 및 R6는 모두 수소인 공중합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서, ℓ 및 m은 동일한 중합도를 갖는 공중합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서, ℓ 및 m은 모두 1인 공중합체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공중합체는 하기 화학식 2로 표시되는 공중합체:
    [화학식 2]
    Figure pat00089

    상기 식에서,
    R2 및 R3는 서로에 관계없이 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
    A는 화학식 1의 A와 동일하고,
    n은 1 내지 100,000의 정수이다.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 공중합체를 함유하는 필름.
  10. 기판 상에 위치하고, 하기 화학식 1로 표시되는 싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함하는 공중합체를 함유하는 유기 반도체층;
    상기 유기 반도체층의 상부 또는 하부에서 상기 유기 반도체층과 중첩된 게이트 전극; 및
    상기 유기 반도체층의 양측 단부들에 각각 접속하는 소스 전극과 드레인 전극을 포함하는 유기 전계효과 트랜지스터:
    [화학식 1]
    Figure pat00090

    상기 식에서,
    R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 서로에 관계없이 수소, 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
    A는
    Figure pat00091
    ,
    Figure pat00092
    ,
    Figure pat00093
    ,
    Figure pat00094
    ,
    Figure pat00095
    ,
    Figure pat00096
    ,
    Figure pat00097
    ,
    Figure pat00098
    ,
    Figure pat00099
    ,
    Figure pat00100
    ,
    Figure pat00101
    ,
    Figure pat00102
    ,
    Figure pat00103
    ,
    Figure pat00104
    ,
    Figure pat00105
    ,
    Figure pat00106
    ,
    Figure pat00107
    ,
    Figure pat00108
    ,
    Figure pat00109
    ,
    Figure pat00110
    ,
    Figure pat00111
    ,
    Figure pat00112
    ,
    Figure pat00113
    , 또는
    Figure pat00114
    이고, 여기서, X1 및 X2는 서로에 관계없이 S, O, 또는 Se이고, R7, R8, R9, R10 , R11, R12는 서로에 관계없이 수소, 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
    ℓ은 1 내지 1,000의 정수이고, m은 1 내지 1,000의 정수이고, n은 1 내지 100,000의 정수이다.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 공중합체는 하기 화학식 2로 표시되는 공중합체인 유기 전계효과 트랜지스터:
    [화학식 2]
    Figure pat00115

    상기 식에서,
    R2 및 R3는 서로에 관계없이 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
    A는 화학식 1의 A와 동일하고,
    n은 1 내지 100,000의 정수이다.
  12. 기판 상에 위치하는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 위치하고, 하기 화학식 1로 표시되는 싸이에닐렌비닐렌 단위를 포함하는 공중합체를 함유하는 유기 활성층; 및
    상기 유기 활성층 상에 위치하는 제2 전극을 포함하는 유기 태양전지:
    [화학식 1]
    Figure pat00116

    상기 식에서,
    R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 서로에 관계없이 수소, 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
    A는
    Figure pat00117
    ,
    Figure pat00118
    ,
    Figure pat00119
    ,
    Figure pat00120
    ,
    Figure pat00121
    ,
    Figure pat00122
    ,
    Figure pat00123
    ,
    Figure pat00124
    ,
    Figure pat00125
    ,
    Figure pat00126
    ,
    Figure pat00127
    ,
    Figure pat00128
    ,
    Figure pat00129
    ,
    Figure pat00130
    ,
    Figure pat00131
    ,
    Figure pat00132
    ,
    Figure pat00133
    ,
    Figure pat00134
    ,
    Figure pat00135
    ,
    Figure pat00136
    ,
    Figure pat00137
    ,
    Figure pat00138
    ,
    Figure pat00139
    , 또는
    Figure pat00140
    이고, 여기서, X1 및 X2는 서로에 관계없이 S, O, 또는 Se이고, R7, R8, R9, R10 , R11, R12는 서로에 관계없이 수소, 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
    ℓ은 1 내지 1,000의 정수이고, m은 1 내지 1,000의 정수이고, n은 1 내지 100,000의 정수이다.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 공중합체는 하기 화학식 2로 표시되는 공중합체인 유기 태양전지:
    [화학식 2]
    Figure pat00141

    상기 식에서,
    R2 및 R3는 서로에 관계없이 탄소수 1 내지 25의 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 선형 또는 분지형 알켄일기, 탄소수 1 내지 25의 알콕시기, 탄소수 1 내지 25의 할로알킬기, 또는 탄소수 5 내지 30의 아릴기이고,
    A는 화학식 1의 A와 동일하고,
    n은 1 내지 100,000의 정수이다.
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