KR20120121358A - Planar low bandgap copolymer and organic polymer thin film solar cell using the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A donor-acceptor type planar copolymer is provided to obtain narrow band gap, solubility and planarity through a simple synthesis, thereby capable of effectively arranging by effective π-π stacking in a film state and to improve hole mobility and photocurrent density of a solar cell device. CONSTITUTION: A donor-acceptor type planar copolymer which has structure of narrow band gap of a donor-acceptor type is represented by chemical formula 1: (D-A)n. In chemical formula 1 D is an electron donating monomer of a bicyclic structure, A is an electron-accepting monomer of bi-cycle comprising an alkoxy group for improving solubility and providing planarity, n is an integer from 10-200, and the number average molecular weight of the alternation polymerization copolymer is 10,00-80,000 g/mol. The organic polymer thin-film solar battery comprises the alternation polymerization copolymer in a solar energy-absorbing photoactive layer.

Description

좁은 밴드갭을 갖는 평면성 공중합물 및 이를 이용한 유기 고분자 박막 태양 전지 소자{Planar low bandgap copolymer and organic polymer thin film solar cell using the same}Planar copolymer with narrow band gap and organic polymer thin film solar cell device using the same {Planar low bandgap copolymer and organic polymer thin film solar cell using the same}

본 발명은 좁은 밴드갭을 갖는 평면성 공중합물 및 이를 이용한 유기 고분자 박막 태양 전지 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 주쇄가 좁은 밴드갭과 평면성을 갖는 전자주게-전자받게 (donor-acceptor, D-A) 타입의 교대 공중합물을 이용한 유기태양전지, 유기트랜지스터 등 유기 반도체 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to a planar copolymer having a narrow bandgap and an organic polymer thin film solar cell device using the same. More specifically, the polymer backbone has an electron donor-electron acceptor having a narrow bandgap and planarity (donor-acceptor, DA) The present invention relates to an organic semiconductor device such as an organic solar cell and an organic transistor using an alternating copolymer of the type.

태양 전지는 무한하고 재생 가능하며 환경친화적인 전기 에너지원으로서 주목받고 있다. 현재 태양전지는 무기물을 이용한 (가장 대표적인 주원료인 실리콘 결정형 태양전지) 1세대 결정형 태양전지가 태양광 발전 시장의 90%를 차지하고 있다. 그러나 석탄이나 석유, 가스에 비해 발전 단가가 5?20배나 높아 수지가 맞지 않다. 이로 인해 2세대 기술이 대안으로 급부상하였다. 2세대 박막 태양전지 시장 점유율은 실리콘(5.2%), CdTe(4.7%), CIGS(0.5%)등이 전체 시장의 10%를 차지하고 있으나 아직은 미미한 상태이다. 그러나 2세대 태양전지 기술 또한 소자의 제작 공정이 까다롭고 고가의 장비가 필요하여 단가가 높다는 문제점이 있다. 비용 상승의 주요 요인은 주로 진공 및 고온 하에서 반도체 박막을 제공하는 공정에 기인한다. 따라서, 저온 용액 공정에 의해 생산 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 유기 고분자 태양 전지가 새로운 가능성으로 검토되고 있다. 현재 유기고분자를 이용한 에너지 소재의 경우 무기소재에 비해 광전 변환 효율은 낮지만 소자 제작의 용이성, 기계적 유연성, 분자 디자인의 용이성, 가격 등 유기재료가 갖는 다양한 장점으로 인해 그 중요성이 점차 부각되고 있다. Solar cells are drawing attention as an infinite, renewable and environmentally friendly source of electrical energy. Currently, the first generation crystalline solar cell using inorganic material (most representative silicon crystalline solar cell) using inorganic material accounts for 90% of the photovoltaic power generation market. However, the cost of power generation is 5-20 times higher than that of coal, oil, and gas. As a result, second generation technology has emerged as an alternative. Second-generation thin-film solar cell market share of silicon (5.2%), CdTe (4.7%), CIGS (0.5%), etc. accounted for 10% of the total market, but it is still insignificant. However, second-generation solar cell technology also has a problem in that the manufacturing cost of the device is difficult and expensive equipment is required, resulting in high unit cost. The main reason for the increase in cost is mainly due to the process of providing a semiconductor thin film under vacuum and high temperature. Therefore, the organic polymer solar cell which can drastically lower production cost by the low temperature solution process is examined with a new possibility. At present, energy materials using organic polymers have lower photoelectric conversion efficiency than inorganic materials, but their importance is gradually increasing due to various advantages of organic materials such as device fabrication, mechanical flexibility, ease of molecular design, and price.

그러나 공액계 중합체 등의 유기 반도체를 이용한 유기 태양 전지는 종래의 무기 반도체를 이용한 태양 전지에 비해 광전 변환 효율이 낮다는 것이 최대의 과제이며, 아직 실용화에는 이르지 못하고 있다. 종래의 공액계 중합체를 이용한 유기 태양 전지의 광전 변환 효율이 낮은 이유로서, 주로 다음 3가지 점을 들 수 있다. 제1로서, 태양광의 흡수 효율이 낮다는 것이다. 제2로서, 유기 반도체의 경우 태양광에 의해서 생성된 엑시톤의 결합에너지가 커서 전자와 정공으로 분리되기 어렵다는 것이다. 제3으로, 캐리어(전자, 정공)을 포획하는 트랩이 형성되기 쉽기 때문에 생성된 캐리어가 트랩에 포획되기 쉬워, 캐리어의 이동도가 낮다는 것이다. 즉, 반도체 소재에는 일반적으로 그 소재가 갖는 캐리어의 높은 이동도가 요구되는데, 공액계 중합체로서는 종래의 무기 결정 반도체나 비정질 실리콘과 비교하여 전하 캐리어의 이동도가 낮다는 문제가 있다.However, the biggest problem is that the organic solar cell using an organic semiconductor such as a conjugated polymer is lower in photoelectric conversion efficiency than the solar cell using a conventional inorganic semiconductor, and has not yet been put to practical use. As a reason for the low photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell using the conventional conjugated polymer, the following three points are mainly mentioned. First, the absorption efficiency of sunlight is low. Secondly, in the case of an organic semiconductor, the binding energy of excitons generated by sunlight is large, so that it is difficult to separate electrons and holes. Thirdly, since traps easily trapping carriers (electrons, holes) are easily formed, the generated carriers are more likely to be trapped in the traps, and carrier mobility is low. That is, a semiconductor material generally requires high mobility of the carrier of the material, but the conjugated polymer has a problem that the mobility of charge carriers is lower than that of conventional inorganic crystalline semiconductors and amorphous silicon.

이 때문에, 많은 태양빛을 흡수하고 생성된 전자와 정공을 엑시톤으로부터 잘 분리하는 수단과 공액계 중합체의 비정 영역이나 공액계 중합체 쇄 사이에서의 캐리어의 산란이나 트랩에 의한 캐리어 포획을 억제하여 이동도를 향상시킬 수 있는 수단을 개발하는 것이 유기 반도체 태양 전지를 실용화하기 위한 매우 중요한 열쇠가 된다.Therefore, it absorbs a lot of sunlight and separates the generated electrons and holes from excitons well and suppresses carrier trapping by trapping or trapping of carriers between the amorphous region of the conjugated polymer or the conjugated polymer chain. Developing a means to improve the temperature is a very important key for the practical application of organic semiconductor solar cells.

지금까지 알려져 있는 유기 반도체에 의한 광전 변환 소자는 일반적으로 다음과 같은 소자 구성으로 분류할 수 있다. 전자 공여성 유기 재료(p형 유기 반도체)와 일함수가 작은 금속을 접합시키는 쇼트키 접합, 전자 수용성 유기 재료(n형 유기 반도체)와 전자 공여성 유기 재료(p형 유기 반도체)를 접합시키는 헤테로 접합형 등이다. 이들 소자는 접합부의 부근의 유기층(수분자층 정도)만이 광전류 생성에 기여하기 때문에 광전 변환 효율이 낮아서 그 향상이 과제로 되어있다.Photoelectric conversion elements by organic semiconductors known so far can be generally classified into the following element configurations. Schottky junctions that bond electron-donating organic materials (p-type organic semiconductors) with metals with small work functions, hetero bonds that bond electron-accepting organic materials (n-type organic semiconductors) with electron-donating organic materials (p-type organic semiconductors) Junction type etc. These devices have a low photoelectric conversion efficiency because the organic layer (about a molecular layer) in the vicinity of the junction portion contributes to photocurrent generation, and the improvement is a problem.

광전 변환 효율 향상의 하나의 방법으로서, 전자 수용성 유기 재료(n형 유기 반도체)와 전자 공여성 유기 재료(p형 유기 반도체)를 혼합하고, 광전 변환에 기여하는 접합면을 증가시킨 벌크 헤테로 접합형이 있다. 그 중에서도 전자 공여성 유기 재료(p형 유기 반도체)로서 공액계 중합체를 이용하고 전자 수용성 유기 재료로서 n형의 반도체 특성을 갖는 반도체 고분자, C60 등의 플러렌 유도체 등을 이용한 광전 변환 소자가 보고되고 있다.As a method of improving the photoelectric conversion efficiency, a bulk heterojunction type in which an electron accepting organic material (n-type organic semiconductor) and an electron donating organic material (p-type organic semiconductor) are mixed and an bonding surface contributing to photoelectric conversion is increased. There is this. Among them, photoelectric conversion devices using conjugated polymers as electron donating organic materials (p-type organic semiconductors) and semiconductor polymers having n-type semiconductor properties as electron-accepting organic materials and fullerene derivatives such as C60 have been reported. .

현재 고분자 태양전지의 가장 큰 문제점은 실리콘, CIGS 등 무기물 구조 (20% 내외)에 비하여 현저히 낮은 광전 변환 효율이다. 그리하여, 10% 이상의 높은 광전 변환 효율을 갖는 유기 반도체에 의한 광전 변환 소자에 대한 개발이 절실히 요구되는 현실이다. 이를 극복하기 위해서는 태양광을 효과적으로 흡수할 수 있는 넓은 흡수 영역대와 높은 몰흡광계수를 갖는 low bandgap 고분자의 개발, 높은 광전류 특성을 위한 홀 및 전자 이동도의 향상, 높은 개방 전압을 위한 고분자의 전자구조 제어, 고분자 다층 태양전지 기술 개발이 필수적이라 할 수 있다.
Currently, the biggest problem of the polymer solar cell is the photoelectric conversion efficiency is significantly lower than the inorganic structure (about 20%) such as silicon, CIGS. Therefore, the development of a photoelectric conversion element by an organic semiconductor having a high photoelectric conversion efficiency of 10% or more is urgently required. To overcome this problem, we have developed a low bandgap polymer with a broad absorption range and high molar extinction coefficient to effectively absorb sunlight, improved hole and electron mobility for high photocurrent characteristics, and polymer electrons for high open voltage. Structural control and development of polymer multilayer solar cell technology are essential.

본 발명의 목적은 간단한 합성을 통해 고분자 주쇄의 평면성을 유지하면서 좁은 밴드갭을 갖는 교대중합 공중합물을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide alternating copolymers having a narrow bandgap while maintaining the planarity of the polymer backbone through simple synthesis.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 교대중합 공중합물을 태양광 흡수 물질로 이용하는 유기 고분자 박막 태양전지 소자를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention to provide an organic polymer thin film solar cell device using the alternating polymerization copolymer as a solar absorbing material.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 교대중합 공중합물을 활성 물질로 이용하는 유기 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide an organic thin film transistor using the alternating copolymer as an active material.

상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 전자주게-전자받게 (donor-Acceptor, D-A) 타입의 좁은 밴드갭을 갖는 간단한 구조의 교대중합 공중합물을 제공한다:In order to solve the above object, the present invention provides an alternating polymerization copolymer of a simple structure having a narrow band gap of the donor-Acceptor (D-A) type represented by the formula (1):

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 식에서, D는 이종 고리 구조의 전자 공여 단량체이고, A는 용해도 향상과 평면성을 주기 위해 알콕시 그룹을 포함하는 이종고리의 전자 수용 단량체이고 n은 10 내지 200의 정수이다.Wherein D is a heterocyclic electron donating monomer, A is a heterocyclic electron accepting monomer containing an alkoxy group for solubility enhancement and planarity and n is an integer from 10 to 200.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 본 발명에 따른 간단한 구조의 평면성과 좁은 밴드갭을 갖는 D-A 타입의 교대중합 공중합물을 태양광 흡수 물질로서 포함하는 유기 고분자 박막 태양전지를 제공한다.In order to achieve the above another object, the present invention provides an organic polymer thin film solar cell comprising a D-A type of an alternating polymerization copolymer having a flat structure and a narrow band gap of a simple structure according to the present invention.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 본 발명에 따른 간단한 구조의 평면성과 좁은 밴드갭을 갖는 D-A 타입의 교대중합 공중합물을 반도체층으로 이용하여 p-type, n-type 혹은 ambipolar 형태의 유기 박막 트랜지스터 소자를 제공한다.
In order to achieve the above another object, the present invention uses a DA-type alternating copolymer having a simple structure of planarity and narrow bandgap according to the present invention as a semiconductor layer of the organic p-type, n-type or ambipolar form Provided is a thin film transistor device.

본 발명에 따른 간단한 구조의 평면성과 좁은 밴드갭을 갖는 D-A 타입의 교대중합 공중합물은 간단한 합성을 통해 좁은 밴드갭을 달성하고 용해도와 평면성을 동시에 확보할 수 있다. 따라서 필름 상태에서 분자간 효과적인 π-π 스택킹에 의한 분자정렬이 가능하고 전하 캐리어 (정공)의 높은 이동도와 태양전지 소자 제작시 높은 광전류밀도(Jsc, Short Circuit Current, 단락전류밀도)가 기대된다. 따라서 본 발명에서 합성된 고분자는 유기 고분자 박막 태양전지 소자의 광활성층의 물질로 이용될 수 있고, 상기 소자는 높은 광전 변환 효율(PCE)을 가질 수 있다.
The alternating polymerization copolymer of DA type having a flatness and a narrow bandgap of a simple structure according to the present invention can achieve a narrow bandgap through simple synthesis and ensure solubility and planarity simultaneously. Therefore, molecular alignment is possible by effective π-π stacking between films in the film state, and high mobility of charge carriers (holes) and high photocurrent density (Jsc, short circuit current, short circuit current density) are expected in solar cell device fabrication. Therefore, the polymer synthesized in the present invention may be used as a material of the photoactive layer of the organic polymer thin film solar cell device, the device may have a high photoelectric conversion efficiency (PCE).

도 1은 본 발명에 의한 고분자를 이용한 일반적인 유형 (conventional-type) (a) 과 반전된 유형 (inverted-type)(b) 유기 고분자 박막 태양전지 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 고분자 구조 유도체의 Density Functional Theory에 따른 컴퓨터 계산 결과를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 고분자에 대한 열적 특성 결과를 도시하고 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 6에서 제조한 고분자를 이용한 여러 상태에서의 UV 흡수 스펙트럼을 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 각각 PTBT14, PTTBT14 고분자 필름의 Cyclic voltammogram(CV)의 특성을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예 2에서 제조한 태양전지 소자의 광전 효율 및 외부양자효율을 각각 도시한 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예 2 ~ 4에 따라 제조한 유기 고분자 박막 트랜지스터를 도시한 것으로 소자의 정공 이동도, 문턱 전압, 및 점멸비를 나타내고 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예 1, 5, 6에 따라 제조한 유기 고분자 박막 트랜지스터를 도시한 것으로 소자의 정공 이동도, 문턱 전압, 및 점멸비를 나타내고 있다.
1 is a cross-sectional view of a conventional-type (a) and inverted-type (b) organic polymer thin film solar cell device using the polymer according to the present invention.
Figure 2 shows the computer calculation results according to the Density Functional Theory of the polymer structure derivative prepared in Example 1 of the present invention.
Figure 3 shows the thermal properties results for the polymer prepared in Example 1 of the present invention.
4A and 4B show UV absorption spectra under various conditions using the polymers prepared in Examples 1 to 6 of the present invention.
5A and 5B illustrate the characteristics of Cyclic voltammogram (CV) of PTBT 14 and PTTBT 14 polymer films, respectively, according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B are graphs showing photoelectric efficiency and external quantum efficiency of the solar cell device manufactured in Example 2 of the present invention, respectively.
7A and 7B illustrate organic polymer thin film transistors manufactured according to Examples 2 to 4 of the present invention, and show hole mobility, threshold voltage, and blink rate of the device.
8A and 8B illustrate organic polymer thin film transistors manufactured according to Examples 1, 5, and 6 of the present invention, and show hole mobility, threshold voltage, and blink rate of the device.

본 발명에서는 하기 화학식 1로 표시되는 전자주게-전자받게 (donor-Acceptor, D-A) 타입의 좁은 밴드갭을 갖는 구조의 교대중합 공중합물을 제공한다: The present invention provides an alternating polymerization copolymer of a structure having a narrow bandgap of a donor-acceptor (D-A) type represented by the following formula (1):

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 식에서, D 는 이종 고리 구조의 전자 공여 단량체이고, A는 용해도 향상과 평면성을 주기 위해 알콕시 그룹을 포함하는 이종고리의 전자 수용 단량체이고, n은 10 내지 200의 정수이다. In the above formula, D is a heterocyclic electron donating monomer, A is a heterocyclic electron accepting monomer containing an alkoxy group for improving solubility and planarity, and n is an integer of 10 to 200.

상기 화학식 1에서 표시되는 전자 공여체는 하기 화학식 2 또는 3으로 표시될 수 있다:The electron donor represented by Chemical Formula 1 may be represented by the following Chemical Formula 2 or 3:

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

[화학식 3](3)

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 식에서, Z는 N, O, S, Se, 또는 Te 이다.Wherein Z is N, O, S, Se, or Te.

한편, 상기 화학식 1에서 A로 표시되는 전자 수용 단량체는 보다 구체적으로 하기 화학식 4로 표시될 수 있다:On the other hand, the electron accepting monomer represented by A in Formula 1 may be represented by Formula 4 more specifically:

[화학식 4][Formula 4]

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, R은 C1 -20의 선형 또는 가지형 알킬기이고, Q는 O, S, Se, Te, N, C, 또는 Si 이다.Here, R is a linear or branched alkyl group of C 1 -20, Q is O, S, Se, Te, N, C, or Si.

보다 구체적으로 상기 이종고리 전자 공여 단량체 및 전자 수용 단량체를 동시에 갖는 화합물로서는 하기 화학식 5 내지 46으로 표시되는 고분자를 예를 들 수 있다. n은 10 내지 200의 정수이다.
More specifically, examples of the compound having the heterocyclic electron donating monomer and the electron accepting monomer at the same time include polymers represented by the following formulas (5) to (46). n is an integer from 10 to 200.

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure pat00006
Figure pat00006

[화학식 6][Formula 6]

Figure pat00007
Figure pat00007

[화학식 7][Formula 7]

Figure pat00008
Figure pat00008

[화학식 8][Formula 8]

Figure pat00009
Figure pat00009

[화학식 9][Chemical Formula 9]

Figure pat00010
Figure pat00010

[화학식 10][Formula 10]

Figure pat00011
Figure pat00011

[화학식 11][Formula 11]

Figure pat00012
Figure pat00012

[화학식 12][Chemical Formula 12]

Figure pat00013
Figure pat00013

[화학식 13][Chemical Formula 13]

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Figure pat00014

[화학식 14][Formula 14]

Figure pat00015
Figure pat00015

[화학식 15][Formula 15]

Figure pat00016
Figure pat00016

[화학식 16][Chemical Formula 16]

Figure pat00017
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[화학식 17][Chemical Formula 17]

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Figure pat00018

[화학식 18][Chemical Formula 18]

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Figure pat00019

[화학식 19][Formula 19]

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[화학식 20][Chemical Formula 20]

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[화학식 21][Chemical Formula 21]

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[화학식 22][Formula 22]

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[화학식 23](23)

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[화학식 24]≪ EMI ID =

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[화학식 25](25)

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[화학식 26](26)

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[화학식 27](27)

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[화학식 28](28)

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[화학식 29][Formula 29]

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[화학식 30](30)

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[화학식 31](31)

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[화학식 32](32)

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[화학식 33](33)

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[화학식 34][Formula 34]

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[화학식 35](35)

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[화학식 36](36)

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[화학식 37][Formula 37]

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[화학식 38](38)

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[화학식 39][Chemical Formula 39]

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[화학식 40][Formula 40]

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[화학식 41](41)

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[화학식 42](42)

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[화학식 43](43)

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[화학식 44](44)

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[화학식 45][Chemical Formula 45]

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[화학식 46](46)

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[화학식 47][Formula 47]

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[화학식 48](48)

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[화학식 49](49)

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[화학식 50](50)

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[화학식 51](51)

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[화학식 52](52)

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[화학식 53](53)

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[화학식 54][Formula 54]

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[화학식 55](55)

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[화학식 56](56)

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[화학식 57](57)

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[화학식 58](58)

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[화학식 59][Chemical Formula 59]

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[화학식 60](60)

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[화학식 61](61)

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[화학식 62][Formula 62]

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[화학식 63](63)

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[화학식 64]≪ EMI ID =

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[화학식 65](65)

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[화학식 66][Formula 66]

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[화학식 67](67)

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상기 식에서, R은 C1 -20의 선형 또는 가지형 알킬기이고, 바람직하게는 C6 -14의 선형 또는 가지형 알킬기이다.Wherein, R is a linear or branched alkyl group of C 1 -20, preferably a linear or branched alkyl group of C 6 -14.

본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 고분자는 구조에 따른 적절한 수평균분자량을 가지는 것이 바람직하다. 수평균 분자량이 10,000 g/mol 내지 80,000 g/mol인 것이 바람직하다. 수평균 분자량이 10,000 g/mol 미만이면 물성이 저하되고 균일한 박막 형성이 어렵기 때문에 바람직하지 못하고, 수평균 분자량이 80,000 g/mol를 초과하면 유기용매에 대한 용해도가 낮아져 용액 공정이 어려워지기 때문에 바람직하지 못하다. The polymer represented by Formula 1 according to the present invention preferably has an appropriate number average molecular weight depending on the structure. It is preferable that the number average molecular weight is 10,000 g / mol to 80,000 g / mol. If the number average molecular weight is less than 10,000 g / mol is not preferable because the physical properties are lowered and it is difficult to form a uniform thin film, if the number average molecular weight exceeds 80,000 g / mol, solubility in the organic solvent is lowered, which makes the solution process difficult Not desirable

본 발명에 의하면, 좁은 밴드갭을 갖는 교대중합 공중합물을 얻을 수 있고, 여기서 '좁은'이라는 용어는 넓은 영역의 태양광을 효과적으로 흡수하기 위하여 P3HT 보다 작은 밴드갭(약 1.9 eV 이하)을 갖는 고분자를 의미한다.According to the present invention, it is possible to obtain alternating copolymers having a narrow bandgap, where the term 'narrow' is used to produce a bandgap smaller than P 3 HT (about 1.9 eV or less) in order to effectively absorb a wide range of sunlight. It means having a polymer.

본 발명에 따른 고분자들은 티오펜(thiophene), 퓨란(furan), 셀레노펜(selenophene), 텔룰로펜(tellurophene), 싸이에노싸이에펜(thieno[3,2,-b]thiophene) 등의 간단한 이종 방향족 고리(heteroaromatic ring) 구조의 전자가 풍부한 단량체 및 알콕시가 치환되어 있는 벤조티아다이아졸(benzothiadiazloe), 벤조옥사다이아졸(benzooxadiazole), 벤조셀레나다이아졸(benzoselenadiazole), 벤조텔룰라다이아졸(benzotelluradiazole), 벤조트리아졸(benzotraizole) 등의 전자가 부족한 단량체를 공중합하여 합성할 수 있다. The polymers according to the present invention are thiophene, furan, selenophene, telurophene, thieno [3,2, -b] thiophene, and the like. Electron-rich monomers with simple heteroaromatic ring structures and benzothiadiazloe, benzooxadiazole, benzoselenadiazole, benzotelluladiazole substituted with alkoxy It can be synthesized by copolymerizing electron-deficient monomers such as benzotelluradiazole) and benzotriizole.

상기와 같이 합성된 본 발명의 고분자들은 입체장애의 최소화 및 상기 A에 치환된 알콕시 그룹의 전자효과(electronic effect)에 의해 평면성이 유지되어 결정성과 높은 전하이동도 및 전류밀도(Jsc)를 얻을 수 있다. 이들 구조의 경우 용해도를 주기 위한 알콕시 치환기를 전자수용 단량체에 도입함으로써 최종 교대 공중합물의 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)에 영향을 주지 않고 깊은 HOMO 레벨을 유지할 수 있어 최종 태양전지 소자 제작 시 높은 개방전압 (Voc, Open Circuit Voltage)을 기대할 수 있다. 또한 알콕시 그룹의 산소원자와 전자 공여 단량체의 이종 원자 사이의 전자적 상호작용 (electronic interaction)에 의해 고분자 주쇄의 평면성이 유도되어 분자간 효과적인 π-π 스택킹에 의한 분자정렬이 가능하고 전하 캐리어 (정공)의 높은 이동도와 태양전지 소자 제작시 높은 광전류밀도가 기대된다. 따라서 본 발명의 D-A 타입의 교대 공중합물은 간단한 분자 구조와 함께 좁은 밴드갭, 평면성, 깊은 HOMO 등 장점을 보유하고 있어 고분자 태양전지의 광활성층으로 응용시 높은 광전류밀도 (단락전류, Jsc), 개방전압 (Voc) 및 에너지 변환 효율 (PCE)을 달성할 수 있으며 높은 효율과 산화 안정성을 갖는 유기 고분자 박막 태양전지를 제작할 수 있다. The polymers of the present invention synthesized as described above can maintain the planarity by minimizing steric hindrance and the electronic effect of the alkoxy group substituted in A to obtain crystallinity and high charge mobility and current density (Jsc). have. In the case of these structures, by introducing an alkoxy substituent to give the solubility to the electron accepting monomer, it is possible to maintain a deep HOMO level without affecting the HOOC (Highest Occupied Molecular Orbital) of the final alternating copolymer. Voc, Open Circuit Voltage) can be expected. In addition, the planarity of the polymer backbone is induced by the electronic interaction between the oxygen atom of the alkoxy group and the hetero atom of the electron donor monomer, which enables molecular alignment by effective π-π stacking between molecules and charge carriers (holes). High mobility and high photocurrent density is expected in solar cell device fabrication. Therefore, the DA-type alternating copolymer of the present invention has advantages such as narrow bandgap, planarity and deep HOMO along with simple molecular structure, so that high photocurrent density (short-circuit current, Jsc), open when applied as a photoactive layer of a polymer solar cell Voltage (Voc) and energy conversion efficiency (PCE) can be achieved and an organic polymer thin film solar cell having high efficiency and oxidation stability can be fabricated.

본 발명의 다른 일 형태에 따르면, 평면성과 좁은 밴드갭을 갖는 D-A 타입의 교대 중합 공중합물은 일반적인 스핀코팅 공정에 의해 유기 고분자 트랜지스터 소자 등을 제작할 수 있다. According to another aspect of the present invention, an alternating polymerization copolymer of D-A type having a planarity and a narrow band gap can produce an organic polymer transistor device or the like by a general spin coating process.

유기 고분자 트랜지스터 소자는 게이트 전극 기판 위에 게이트 절연층이 형성되고, 게이트 절연층 위에 본 발명에 따른 교대중합 공중합체를 이용한 유기 반도체층을 형성한 후 드레인과 소스 전극인 금속 전극이 형성될 수 있고, 다른 한편으로는 기판 위에 드레인과 소스 전극이 형성되고, 본 발명에 따른 교대중합 공중합체를 이용한 유기 반도체층을 형성한 후 절연층을 형성하고 게이트 전극을 형성할 수 있다. 따라서 바텀 게이트 또는 탑게이트 방식 등 다양한 형태의 박막 트랜지스터에도 적용할 수 있는 것이다. In the organic polymer transistor device, a gate insulating layer is formed on the gate electrode substrate, an organic semiconductor layer using the alternating polymerization copolymer according to the present invention is formed on the gate insulating layer, and a metal electrode, which is a drain and a source electrode, may be formed. On the other hand, a drain and a source electrode are formed on the substrate, and after forming the organic semiconductor layer using the alternating polymerization copolymer according to the present invention, an insulating layer and a gate electrode can be formed. Therefore, the present invention can be applied to various types of thin film transistors such as a bottom gate or top gate type.

본 발명의 유기 고분자 박막 태양전지 소자의 광활성층은 상기 고분자 및 fullerene 유도체를 블렌딩하고 프로세싱 첨가제로서 소량의 알칸다이타이올 혹은 다이아이오도헥산을 포함하여 상기 소자는 높은 광전 변환 효율 (PCE)을 가질 수 있다.The photoactive layer of the organic polymer thin film solar cell device of the present invention blends the polymer and the fullerene derivative and includes a small amount of alkanediolol or diiodohexane as a processing additive and the device has high photoelectric conversion efficiency (PCE). Can be.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화합물 중 상기 화학식 1로 표시되는 고분자 화합물로는, 예를 들어 폴리{5,6-비스(옥틸옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸}이 있다.Among the compounds according to one embodiment of the present invention, as the polymer compound represented by Chemical Formula 1, for example, poly {5,6-bis (octyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c ] [1,2,5] thiadiazole}.

상기 화합물의 합성 방법은, 2,5-비스(트리메틸스테닐)티오펜 (2,5-Bis(trimethylstannyl)thiophene) 및 4,7-다이브로모-5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이졸을 단량체로 한 고분자를 수득하는 것을 특징으로 한다.The synthesis method of the compound is 2,5-bis (trimethylstenyl) thiophene (2,5-Bis (trimethylstannyl) thiophene) and 4,7-dibromo-5,6-bis (octyloxy) benzo [c ] The polymer is obtained by using [1,2,5] thiadiazole as a monomer.

상기 유기 고분자 박막 태양전지 소자의 광활성층 재료로 이용될 수 있는 폴리{5,6-비스(옥틸옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸}의 합성 방법을 나타내면 반응식 1과 같다. Poly {5,6-bis (octyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thia which can be used as a photoactive layer material of the organic polymer thin film solar cell device The synthesis method of diazol} is shown in Scheme 1.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

폴리{5,6-비스(옥틸옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸}(PTBT)의 합성 Synthesis of Poly {5,6-bis (octyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole} (PTBT)

Figure pat00069
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Figure pat00071
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상기 반응식 1에서 보는 바와 같이, PTBT는 2,5-비스(트리메틸스테닐)티오펜 (2,5-Bis(trimethylstannyl)thiophene(1b) 및 4,7-다이브로모-5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이졸(2d)을 반응시켜 수득할 수 있다.As shown in Scheme 1, PTBT is 2,5-bis (trimethylstannyl) thiophene (2,5-Bis (trimethylstannyl) thiophene (1b) and 4,7-dibromo-5,6-bis (octyl) It can be obtained by reacting oxy) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole (2d).

2,5-비스(트리메틸스테닐)티오펜(1b)은 2,5-다이브로모티오펜 (2,5-bromothiophene)(1a)을 리튬화(lithiation)한 후, 염화트리메틸주석(trimethyltin chloride)을 이용하여 스태닐화(stannylation) 반응을 통하여 수득할 수 있다.2,5-bis (trimethylstenyl) thiophene (1b) is lithiated 2,5-bromothiophene (1a) and then trimethyltin chloride It can be obtained through a stannylation reaction using.

4,7-다이브로모-5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이졸(2d)는 종래에 알려진 통상의 방법을 이용하여 합성될 수 있으며, 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 반응식에서 보는 바와 같이, 1,2-비스(옥틸옥시)(2a)벤젠의 친전자성 방향족 치환반응인 나이트로화(nitration) 반응을 통해 1,2-다이나이트로-4,5-비스(옥틸옥시)벤젠(1,2-dinitro-4,5-bis(octyloxy)benzene)(2b)을 수득할 수 있다. 주석(II) 염화물(tin(II) chloride)과 촉매 반응 후, 염화 티오닐(thionyl chloride)과 반응시켜 5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸 (5,6-bis(octyloxy)benzo[c][1,2,5]thiadiazole)(2c)을 수득할 수 있다. Br2를 이용하여 브롬화 반응을 통해 4,7-다이브로모-5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이졸(2d)를 수득할 수 있다.4,7-Dibromo-5,6-bis (octyloxy) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole (2d) can be synthesized using conventional methods known in the art, and are particularly limited. It doesn't happen. As shown in the above scheme, 1,2-dynitro-4,5-bis through a nitrification reaction, which is an electrophilic aromatic substitution of 1,2-bis (octyloxy) (2a) benzene. (Octyloxy) benzene (1,2-dinitro-4,5-bis (octyloxy) benzene) (2b) can be obtained. After catalytic reaction with tin (II) chloride, it is reacted with thionyl chloride to give 5,6-bis (octyloxy) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole. (5,6-bis (octyloxy) benzo [ c ] [1,2,5] thiadiazole) (2c) can be obtained. The bromination reaction with Br 2 can yield 4,7-dibromo-5,6-bis (octyloxy) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole (2d).

따라서, 교대 공중합체(alternating copolymer)인 PTBT는 상기에서 수득된 2,5-비스(트리메틸스테닐)티오펜(1b)과 4,7-다이브로모-5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이졸(2d)를 반응시켜 수득할 수 있다.Thus, PTBT, which is an alternating copolymer, is obtained from 2,5-bis (trimethylstenyl) thiophene (1b) and 4,7-dibromo-5,6-bis (octyloxy) benzo [ c] can be obtained by reacting [1,2,5] thiadiazole (2d).

본 발명에 따른 평면성과 좁은 밴드갭을 갖는 D-A 타입의 교대중합 공중합물은 일반적인 스핀코팅 공정에 의해 유기 고분자 박막 태양전지 소자(organic polymer thin film solar cell) 등을 제작할 수 있다.The alternating polymerization copolymer of the D-A type having the planarity and narrow band gap according to the present invention can produce an organic polymer thin film solar cell or the like by a general spin coating process.

도 1은 본 발명에 따른 교대중합 공중합물을 이용한 유기 태양 전지 소자로서 일반적인 유형 (conventional-type) (a) 과 반전된 유형 (inverted-type)(b)의 유기 고분자 박막 태양전지 소자의 단면도를 도시한 것이다. 도 1(a)을 참조하면, 일반적인 유형의 유기 고분자 박막 태양전지 소자는 기판(10) 상에 반투명 전극(20)이 형성되고, 반투명 전극(20)의 상부에 정공 수송층(30) 및 태양광 흡수 유기 반도체층(40)이 형성되고, 유기 반도체층(40)의 상부에 금속 전극(50)이 형성된다.1 is a cross-sectional view of an organic polymer thin film solar cell device of a conventional type (a) and an inverted-type (b) as an organic solar cell device using an alternating copolymer according to the present invention. It is shown. Referring to FIG. 1 (a), in the organic polymer thin film solar cell device of the general type, a translucent electrode 20 is formed on a substrate 10, and the hole transport layer 30 and solar light are formed on the translucent electrode 20. The absorption organic semiconductor layer 40 is formed, and the metal electrode 50 is formed on the organic semiconductor layer 40.

도 1(b)를 참조하면, 반전된 유형의 유기 고분자 박막 태양전지 소자는 기판(60) 상에 반투명 전극(70)이 형성되고, 반투명 전극(70)의 상부에 전자 수송층(80)과 태양광 흡수 유기 반도체층(90)이 순차로 형성되고, 유기 반도체층(90)의 상부에 정공 수송층(100)이 형성되고, 정공 수송층(100)의 상부에 금속 전극(110)이 형성된다. 반전된 유형의 유기 고분자 박막 태양전지 소자에서는 반투명 전극(70)이 음극이 되고, 금속 전극(110)이 양극 역할을 하게 되고, 이러한 유형의 반전된 유형의 태양전지 소자는 소위 '인버티드 유기 태양전지'라고도 하며, 일반적 유형의 태양전지에서 반투명 전극이 양극으로 작용하고, 금속 전극이 음극으로 작용되던 것에서 반전된(inverted) 구조라고 할 수 있다. Referring to FIG. 1 (b), in the inverted type organic polymer thin film solar cell device, a translucent electrode 70 is formed on a substrate 60, and the electron transport layer 80 and the sun are formed on the translucent electrode 70. The light absorbing organic semiconductor layer 90 is sequentially formed, the hole transport layer 100 is formed on the organic semiconductor layer 90, and the metal electrode 110 is formed on the hole transport layer 100. In the inverted type organic polymer thin film solar cell device, the translucent electrode 70 becomes a cathode, and the metal electrode 110 serves as an anode, and this type of inverted solar cell device is a so-called 'inverted organic solar cell'. In the solar cell of the general type, the translucent electrode acts as an anode, and the metal electrode acts as a cathode inverted (inverted) structure.

반투명 전극(70)은 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide) 중에서 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다. 여기서, ITO는 일반적으로 양극을 형성하는 물질로 사용되지만, 본 발명에 따른 반전된 유기 태양전지 구조에서는 ITO를 음극 형성의 재료로 사용할 수 있다.The translucent electrode 70 may be any one selected from indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony tin oxide (ATO), and aluminum doped zinc oxide (AZO). Here, ITO is generally used as a material for forming an anode, but in the inverted organic solar cell structure according to the present invention, ITO may be used as a material for forming a cathode.

반전된 유형의 태양전지에서는 전자 수송층 및 정공 수송층의 재료가 일반적인 유형의 전자 수송층 및 정공 수송층과 달리 사용될 수 있다. 전자 수송층으로는 TiOx, ZnO, TiO2, ZrO2, MgO, HfO2 등이 이용될 수 있고, 정공 수송층은 NiO, Ta2O3, MoO3, Ru2O3 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속산화물이 이용될 수 있다. 또한, 금속산화물과 더불어 양이온 혹은 음이온을 지니는 유기 공액고분자 전해질을 전자 수송층 혹은 정공 수송층에 이용할 수 있다. In the inverted type solar cell, the materials of the electron transporting layer and the hole transporting layer may be used differently from the general types of the electron transporting layer and the hole transporting layer. As the electron transport layer, TiO x , ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , MgO, HfO 2 Or the like, and a metal oxide selected from the group consisting of NiO, Ta 2 O 3 , MoO 3 , Ru 2 O 3 , and the like may be used as the hole transport layer. In addition, an organic conjugated polymer electrolyte having a cation or an anion together with a metal oxide can be used for the electron transporting layer or the hole transporting layer.

일반적 유형의 태양전지뿐만 아니라 반전된 유형의 태양전지에서도 태양광 흡수 유기 반도체층(90)은 본 발명에서 따른 화학식 1로 표시되는 전자주게-전자받게 (donor-Acceptor, D-A) 타입의 좁은 밴드갭을 갖는 구조의 교대중합 공중합물이 이용된다.
In addition to the general type of solar cell as well as the inverted type of solar cell, the photovoltaic organic semiconductor layer 90 is a narrow bandgap of a donor-acceptor (DA) type represented by Formula 1 according to the present invention. An alternating polymerization copolymer having a structure is used.

이하, 실시예를 참고로 하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 구체적으로 설명하려는 것이며, 하기의 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되지는 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. The following examples are intended to illustrate the present invention in detail, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

실시예
Example

<실시예 1> &Lt; Example 1 >

폴리{5,6-비스(옥틸옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸}(PTBT)의 제조
Preparation of Poly {5,6-bis (octyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole} (PTBT)

(1) 2,5-비스(트리메틸스테닐)티오펜(1b)의 합성 (1) Synthesis of 2,5-bis (trimethylstenyl) thiophene (1b)

2,5-다이브로모티오펜 (1 g, 4.1 mmol)을 무수 테트라하이드로퓨란 (20 ml)에 용해시키고 교반 하면서 온도를 -78 ℃로 냉각 시킨 후 뷰틸리튬 (1.6 M, 5.6 ml, 9 mmol)을 천천히 첨가하였다. 상기 혼합물을 1시간 동안 교반 후 염화트리메틸주석 (1M, 9 ml, 9 mmol)을 첨가하고 5시간동안 교반 후에 온도를 상온으로 올려주고 물 (20 ml)을 넣어 반응을 종료시켰다. 유기층을 분리 후 무수마그네슘 설페이트로 건조하였고, 마지막으로 용매를 증발시키고 잔유물을 에탄올로 재결정화 함으로써 정제하여 백색결정을 수득하였다 (1.34 g, 80.0%).2,5-Dibromothiophene (1 g, 4.1 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (20 ml) and the temperature was cooled to -78 ° C with stirring, followed by butyllithium (1.6 M, 5.6 ml, 9 mmol) Was added slowly. After stirring the mixture for 1 hour, trimethyltin chloride (1M, 9 ml, 9 mmol) was added, and after stirring for 5 hours, the temperature was raised to room temperature and water (20 ml) was added to terminate the reaction. The organic layer was separated and dried over anhydrous magnesium sulfate, and finally, the solvent was evaporated and the residue was purified by recrystallization with ethanol to give white crystals (1.34 g, 80.0%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 7.4 (s, 2H), 0.36 (s, 18H).
1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 7.4 (s, 2H), 0.36 (s, 18H).

(2) 5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸(2c)의 합성 (2) Synthesis of 5,6-bis (octyloxy) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole (2c)

1,2-다이나이트로-4,5-비스(옥틸옥시)벤젠 (2 g, 4.71 mmol)과 주석(II) 염화물(tin(II) chloride) (7.13 g, 37.56 mmol)을 에탄올 (70 ml)/ 염산 (30 ml)에 용해 후 85 ℃에서 12시간 동안 환류하였다. 상온으로 온도를 낮추면 백색 고체가 석출되고 감압여과 하여 물과 메탄올로 씻어주었다. 여과된 백색 고체를 질소 분위기에서 건조시킨 후 질량을 측정하여 (1.65 g, 3.77 mmol) 곧 바로 다음 과정으로 반응을 진행한다. 상기의 고체를 디클로로메탄 (50 ml)에 녹여 교반하면서 트리에틸아민 (5.4 ml, 38.5 mmol)을 첨가하고 디클로로메탄 (10 ml)에 희석시킨 염화 티오닐 (0.52 ml, 7.4 mmol)을 천천히 첨가하였다. 상기 혼합물을 50 ℃에서 6시간동안 환류 후에 상온으로 온도를 낮추고 물 (100 ml)을 첨가하여 반응을 종료시켰다. 디클로로메탄을 증발시킨 후 생성된 고체를 감압여과 후 에탄올로 재결정화 함으로써 백색 고체를 수득하였다 (0.9 g, 48.7 %).1,2-Dynetro-4,5-bis (octyloxy) benzene (2 g, 4.71 mmol) and tin (II) chloride (7.13 g, 37.56 mmol) were added to ethanol (70 ml). ) / HCl (30 ml) and refluxed at 85 ° C. for 12 h. When the temperature was lowered to room temperature, a white solid was precipitated and filtered under reduced pressure and washed with water and methanol. The filtered white solid was dried in a nitrogen atmosphere and then weighed (1.65 g, 3.77 mmol) to proceed to the next step. The solid was dissolved in dichloromethane (50 ml) and triethylamine (5.4 ml, 38.5 mmol) was added with stirring, and thionyl chloride (0.52 ml, 7.4 mmol) diluted in dichloromethane (10 ml) was added slowly. . After refluxing the mixture at 50 ° C. for 6 hours, the temperature was lowered to room temperature and water (100 ml) was added to terminate the reaction. After evaporation of dichloromethane, the resulting solid was recrystallized with ethanol after filtration under reduced pressure to give a white solid (0.9 g, 48.7%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 7.13 (s, 2H), 4.09 (t, 4H), 2.04 - 1.79 (m, 4H), 1.58 - 1.16 (m, 20H), 0.95 - 0.81 (m, 6H).
1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 7.13 (s, 2H), 4.09 (t, 4H), 2.04-1.79 (m, 4H), 1.58-1.16 (m, 20H ), 0.95-0.81 (m, 6H).

(3) 4,7-다이브로모-5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸(2d)의 합성(3) Synthesis of 4,7-Dibromo-5,6-bis (octyloxy) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole (2d)

5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]티아디아졸 (1.36 g, 3.50 mmol)을 디클로로메탄 (100ml)/ 빙초산 (40 ml)에 용해 후 브롬 (1.20 mL, 23.6 mmol)을 천천히 첨가하였다. 상기 혼합물을 실온에서 24시간 동안 교반하였고, 포화수용액 NaHSO3을 첨가하여 반응을 종료시켰다. 생성 용액을 디클로로메탄으로 추출하고, NaHSO3 용액, Na2CO3 용액 및 소금물로 순차적으로 세척하였다. 유기상 추출물을 무수마그네슘 설페이트로 건조하였고, 마지막으로 용매를 증발시키고 잔유물을 에탄올로 재결정화함으로써 정제하여 백색결정을 수득하였다 (1.55 g, 80.4%).5,6-bis (octyloxy) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole (1.36 g, 3.50 mmol) was dissolved in dichloromethane (100 ml) / glacial acetic acid (40 ml) and then bromine (1.20 mL, 23.6 mmol) was added slowly. The mixture was stirred at rt for 24 h and the reaction was terminated by addition of saturated aqueous NaHSO 3 . The resulting solution was extracted with dichloromethane and washed sequentially with NaHSO 3 solution, Na 2 CO 3 solution and brine. The organic phase extract was dried over anhydrous magnesium sulfate, and finally purified by evaporation of the solvent and recrystallization of the residue with ethanol to give white crystals (1.55 g, 80.4%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3; Me4Si): δ (ppm) 4.16 (t, 4H), 1.97-1.81 (m, 4H), 1.62-1.46 (m, 4H), 1.46-1.19 (m, 16H), 0.88 (t, 6H). 1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 4.16 (t, 4H), 1.97-1.81 (m, 4H), 1.62-1.46 (m, 4H), 1.46-1.19 (m , 16H), 0.88 (t, 6H).

13C-NMR(75MHz; CDCl3; Me4Si): δ (ppm) 154.58, 150.23, 106.32, 75.13, 31.82, 30.24, 29.38, 29.26, 25.97, 22.66, 14.13. Elemental Analysis, Found: C, 48.09; H, 6.17; N, 5.07; S, 5.87. for C22H34Br2N2O2S requires C, 48.01; H, 6.23; N, 5.09; S, 5.83%
13 C-NMR (75 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 154.58, 150.23, 106.32, 75.13, 31.82, 30.24, 29.38, 29.26, 25.97, 22.66, 14.13. Elemental Analysis, Found: C, 48.09; H, 6.17; N, 5.07; S, 5.87. for C 22 H 34 Br 2 N 2 O 2 S requires C, 48.01; H, 6.23; N, 5.09; S, 5.83%

(4) 폴리{5,6-비스(옥틸옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸}(PTBT)의 합성(4) Synthesis of poly {5,6-bis (octyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole} (PTBT)

2,5-비스(트리메틸스테닐)티오펜 (200 mg, 0.489 mmol), 4,7-디브로모-5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸 (269mg, 0.489mmol), Pd2(dba)3 (9.00 mg, 9.82 μmol) 및 트리(o-톨일)포스핀 (20.0 mg, 65.7 μmol)을 무수 클로로벤젠(2.50mL)에 용해시켰다. 상기 혼합물을 120 ℃에서 5분, 140 ℃에서 5분, 그리고 170 ℃에서 40분 동안 마이크로웨이브 반응기에서 반응시켰다. 반응혼합물을 실온으로 냉각시키고 메탄올에 침지하였다. 고분자를 여과 후 아세톤 (12시간), 헥산 (12시간), 및 클로로포름 (6시간) 순으로 속실렛 추출하여 정제하였다. 클로로포름 분획은 메탄올에 침지되었고, 여과에 의해 회수되었다. 최종 결과물은 진공오븐에서 건조 후 수득하였다 (205 mg, 87.0%).2,5-bis (trimethylstenyl) thiophene (200 mg, 0.489 mmol), 4,7-dibromo-5,6-bis (octyloxy) benzo [c] [1,2,5] thiadiaza Sol (269 mg, 0.489 mmol), Pd 2 (dba) 3 (9.00 mg, 9.82 μmol) and tri (o-tolyl) phosphine (20.0 mg, 65.7 μmol) were dissolved in anhydrous chlorobenzene (2.50 mL). The mixture was reacted in a microwave reactor for 5 minutes at 120 ° C., 5 minutes at 140 ° C., and 40 minutes at 170 ° C. The reaction mixture was cooled to room temperature and immersed in methanol. After filtration, the polymer was purified by Soxhlet extraction in the order of acetone (12 hours), hexane (12 hours), and chloroform (6 hours). The chloroform fraction was immersed in methanol and recovered by filtration. The final result was obtained after drying in a vacuum oven (205 mg, 87.0%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 8.77-8.61 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.51-1.20 (m, 16H), 1.14-0.85 (m, 10H) 1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 8.77-8.61 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.51-1.20 (m, 16H), 1.14-0.85 (m, 10H)

수평균분자량 Mn = 30,600 g/mol(PDI = 1.7)
Number average molecular weight Mn = 30,600 g / mol (PDI = 1.7)

<실시예 2><Example 2>

폴리{5,6-비스(테트라데실옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸}(PTBT14) 의 제조 Preparation of Poly {5,6-bis (tetradecyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole} (PTBT 14 )

Figure pat00072

Figure pat00072

(1) 2,5-비스(트리메틸스테닐)티오펜의 합성(1) Synthesis of 2,5-bis (trimethylstenyl) thiophene

실시예 1과 동일하게 제조된다.
It is manufactured in the same manner as in Example 1.

(2) 5,6-비스(테트라데실옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸의 합성 (2) Synthesis of 5,6-bis (tetradecyloxy) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole

1,2-다이나이트로-4,5-비스(테트라데실)벤젠 (2 g, 3.37 mmol)과 주석(II) 염화물(tin(II) chloride) (5.1 g, 26.9 mmol)을 에탄올 (150 ml)/ 염산 (20 ml)에 용해 후 85 ℃에서 12시간 동안 환류하였다. 상온으로 온도를 낮추면 백색 고체가 석출되고 감압여과 하여 물과 메탄올로 씻어주었다. 여과된 백색 고체를 질소 분위기에서 건조시킨 후 질량을 측정하여(1.5 g, 2.54 mmol) 곧 바로 다음 과정으로 반응을 진행한다. 상기의 고체를 디클로로메탄 (40 ml)에 녹여 교반하면서 트리에틸아민 (3.5 ml, 25.1 mmol)을 첨가하고 디클로로메탄 (10 ml)에 희석시킨 염화티오닐 (0.35 ml, 4.83 mmol)을 천천히 첨가하였다. 상기 혼합물을 50℃에서 6시간 동안 환류 후에 상온으로 온도를 낮추고 물 (100 ml)을 첨가하여 반응을 종료시켰다. 디클로로메탄을 증발시킨 후 생성된 고체를 감압여과 후 에탄올로 재결정화 함으로써 백색 고체를 수득하였다 (1.2 g, 63 %).1,2-Dynetro-4,5-bis (tetradecyl) benzene (2 g, 3.37 mmol) and tin (II) chloride (5.1 g, 26.9 mmol) were added to ethanol (150 ml). ) / HCl (20 ml) and refluxed at 85 ° C. for 12 h. When the temperature was lowered to room temperature, a white solid was precipitated and filtered under reduced pressure and washed with water and methanol. The filtered white solid was dried in a nitrogen atmosphere and then weighed (1.5 g, 2.54 mmol) to proceed directly to the next step. The solid was dissolved in dichloromethane (40 ml) and triethylamine (3.5 ml, 25.1 mmol) was added with stirring, and thionyl chloride (0.35 ml, 4.83 mmol) diluted in dichloromethane (10 ml) was added slowly. . After refluxing the mixture at 50 ° C. for 6 hours, the temperature was lowered to room temperature and water (100 ml) was added to terminate the reaction. After evaporation of dichloromethane, the resulting solid was recrystallized with ethanol after filtration under reduced pressure to give a white solid (1.2 g, 63%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 7.13 (s, 2H), 4.09 (t, 4H), 2.04 - 1.79 (m, 4H), 1.58 - 1.16 (m, 44H), 0.95 - 0.81 (m, 6H).
1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 7.13 (s, 2H), 4.09 (t, 4H), 2.04-1.79 (m, 4H), 1.58-1.16 (m, 44H ), 0.95-0.81 (m, 6H).

(3) 4,7-다이브로모-5,6-비스(테트라데실옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸의 합성(3) Synthesis of 4,7-Dibromo-5,6-bis (tetradecyloxy) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole

5,6-비스(테트라데실옥시)벤조[c][1,2,5]티아디아졸 (1.12 g, 2.10 mmol)을 디클로로메탄 (60 ml)/ 빙초산 (30 ml)에 용해 후 브롬 (0.74 mL, 14.4 mmol)을 천천히 첨가하였다. 상기 혼합물을 실온에서 24시간 동안 교반하였고, 포화수용액 NaHSO3을 첨가하여 반응을 종료시켰다. 생성 용액을 디클로로메탄으로 추출하고, NaHSO3 용액, Na2CO3 용액 및 소금물로 순차적으로 세척하였다. 유기상 추출물을 무수마그네슘 설페이트로 건조하였고, 마지막으로 용매를 증발시키고 잔유물을 에탄올로 재결정화함으로써 정제하여 백색결정을 수득하였다 (1.37 g, 90.0%).5,6-bis (tetradecyloxy) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole (1.12 g, 2.10 mmol) was dissolved in dichloromethane (60 ml) / glacial acetic acid (30 ml) and then bromine ( 0.74 mL, 14.4 mmol) was added slowly. The mixture was stirred at rt for 24 h and the reaction was terminated by addition of saturated aqueous NaHSO 3 . The resulting solution was extracted with dichloromethane and washed sequentially with NaHSO 3 solution, Na 2 CO 3 solution and brine. The organic phase extract was dried over anhydrous magnesium sulfate, and finally purified by evaporation of the solvent and recrystallization of the residue with ethanol to give white crystals (1.37 g, 90.0%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ(ppm) 4.16 (t, 4H), 1.97-1.81 (m, 4H), 1.62-1.46 (m, 4H), 1.46-1.19 (m, 40H), 0.88 (t, 6H).
1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 4.16 (t, 4H), 1.97-1.81 (m, 4H), 1.62-1.46 (m, 4H), 1.46-1.19 (m , 40H), 0.88 (t, 6H).

(4) 폴리5,6-비스(테트라데실옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸(PTBT14)의 합성(4) Synthesis of poly5,6-bis (tetradecyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole (PTBT 14 )

2,5-비스(트리메틸스테닐)티오펜 (153 mg, 0.374 mmol), 4,7-디브로모-5,6-비스(테트라데실옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸 (269 mg, 0.374 mmol), Pd2(dba)3 (9.00 mg, 9.82 μmol) 및 트리(o-톨일)포스핀 (20.0 mg, 65.7 μmol)을 무수 클로로벤젠(2.50mL)에 용해시켰다. 상기 혼합물을 120 ℃에서 5분, 140 ℃에서 5분, 그리고 170 ℃에서 40분 동안 마이크로웨이브 반응기에서 반응시켰다. 반응혼합물을 실온으로 냉각시키고 메탄올에 침지하였다. 고분자를 여과 후 아세톤 (12시간), 헥산 (12시간), 및 클로로포름 (6시간) 순으로 속실렛 추출하여 정제하였다. 클로로포름 분획은 메탄올에 침지되었고, 여과에 의해 회수되었다. 최종 결과물은 진공오븐에서 건조 후 수득하였다 (205 mg, 87.0%).2,5-bis (trimethylstenyl) thiophene (153 mg, 0.374 mmol), 4,7-dibromo-5,6-bis (tetradecyloxy) benzo [c] [1,2,5] Thiadiazole (269 mg, 0.374 mmol), Pd 2 (dba) 3 (9.00 mg, 9.82 μmol) and tri (o-tolyl) phosphine (20.0 mg, 65.7 μmol) were dissolved in dry chlorobenzene (2.50 mL). I was. The mixture was reacted in a microwave reactor for 5 minutes at 120 ° C., 5 minutes at 140 ° C., and 40 minutes at 170 ° C. The reaction mixture was cooled to room temperature and immersed in methanol. After filtration, the polymer was purified by Soxhlet extraction in the order of acetone (12 hours), hexane (12 hours), and chloroform (6 hours). The chloroform fraction was immersed in methanol and recovered by filtration. The final result was obtained after drying in a vacuum oven (205 mg, 87.0%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 8.77-8.61 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.60-1.20 (m, 40H), 1.14-0.85 (m, 10H) 1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 8.77-8.61 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.60-1.20 (m, 40H), 1.14-0.85 (m, 10H)

수평균분자량 Mn = 26,000 g/mol(PDI = 1.5)
Number average molecular weight Mn = 26,000 g / mol (PDI = 1.5)

<실시예 3><Example 3>

폴리{5,6-비스(테트라데실옥시)-4-(티오노[3,2-b]티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸}(PTTBT14)의 제조 Poly {5,6-bis (tetradecyloxy) -4- (thioo [3,2-b] thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole} (PTTBT 14 )

Figure pat00073

Figure pat00073

(1) 2,5-bis(trimethylstannyl)thieno[3,2-b]thiophene의 제조(1) Preparation of 2,5-bis (trimethylstannyl) thieno [3,2-b] thiophene

Thieno[3,2-b]thiophene (0.3 g, 2.1 mmol)을 무수 테트라하이드로퓨란 (10 ml)에 용해시키고 교반하면서 온도를 -78 ℃로 냉각시킨 후 뷰틸리튬 (2.5 M, 1.8 ml, 4.41 mmol)을 천천히 첨가하였다. 상기 혼합물을 상온에서 3시간 동안 교반하고 다시 온도를 78 ℃로 냉각 후에 염화트리메틸주석 (1M, 4.5 ml, 4.5 mmol)을 첨가하고 5시간 동안 교반 후에 온도를 상온으로 올려주고 물 (20 ml)을 넣어 반응을 종료시켰다. 유기층을 분리 후 무수마그네슘 설페이트로 건조하였고, 마지막으로 용매를 증발시키고 잔유물을 에탄올로 재결정화 함으로써 정제하여 백색결정을 수득하였다 (600 g, 62.0%).Thieno [3,2-b] thiophene (0.3 g, 2.1 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (10 ml) and the temperature was cooled to -78 ° C with stirring followed by butyllithium (2.5 M, 1.8 ml, 4.41 mmol). ) Was added slowly. The mixture was stirred at room temperature for 3 hours, and after cooling to 78 ° C., trimethyltin chloride (1M, 4.5 ml, 4.5 mmol) was added. After stirring for 5 hours, the temperature was raised to room temperature and water (20 ml) was added. The reaction was terminated. The organic layer was separated and dried over anhydrous magnesium sulfate, and finally, the solvent was evaporated and the residue was purified by recrystallization with ethanol to give white crystals (600 g, 62.0%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ(ppm) 7.26 (s, 2H), 0.36 (s, 18H).
1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 7.26 (s, 2H), 0.36 (s, 18H).

(2) 폴리5,6-비스(테트라데실옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸(PTTBT14)의 합성(2) Synthesis of poly5,6-bis (tetradecyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole (PTTBT 14 )

2,5-bis(trimethylstannyl)thieno[3,2-b]thiophene (152 mg, 0.327 mmol), 4,7-디브로모-5,6-비스(테트라데실옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸 (235 mg, 0.327 mmol), Pd2(dba)3 (9.00 mg, 9.82 μmol) 및 트리(o-톨일)포스핀 (20.0 mg, 65.7 μmol)을 무수 클로로벤젠(4.00 mL)에 용해시켰다. 상기 혼합물을 120 ℃에서 5분, 140 ℃에서 5분, 그리고 170 ℃에서 40분 동안 마이크로웨이브 반응기에서 반응시켰다. 반응혼합물을 실온으로 냉각시키고 메탄올에 침지하였다. 고분자를 여과 후 아세톤 (12시간), 헥산 (12시간), 및 클로로포름 (6시간) 순으로 속실렛 추출하여 정제하였다. 클로로포름 분획은 메탄올에 침지되었고, 여과에 의해 회수되었다. 최종 결과물은 진공오븐에서 건조 후 수득하였다(220 mg, 96.0%).2,5-bis (trimethylstannyl) thieno [3,2-b] thiophene (152 mg, 0.327 mmol), 4,7-dibromo-5,6-bis (tetradecyloxy) benzo [c] [1 , 2,5] thiadiazole (235 mg, 0.327 mmol), Pd 2 (dba) 3 (9.00 mg, 9.82 μmol) and tri (o-tolyl) phosphine (20.0 mg, 65.7 μmol) were dissolved in anhydrous chlorobenzene ( 4.00 mL). The mixture was reacted in a microwave reactor for 5 minutes at 120 ° C., 5 minutes at 140 ° C., and 40 minutes at 170 ° C. The reaction mixture was cooled to room temperature and immersed in methanol. After filtration, the polymer was purified by Soxhlet extraction in the order of acetone (12 hours), hexane (12 hours), and chloroform (6 hours). The chloroform fraction was immersed in methanol and recovered by filtration. The final result was obtained after drying in a vacuum oven (220 mg, 96.0%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 8.97-8.85 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.65-1.20 (m, 40H), 1.14-0.85 (m, 10H) 1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 8.97-8.85 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.65-1.20 (m, 40H), 1.14-0.85 (m, 10H)

수평균분자량 Mn = 23,000 g/mol(PDI = 3.1)
Number average molecular weight Mn = 23,000 g / mol (PDI = 3.1)

<실시예 4><Example 4>

폴리{5,6-비스(테트라데실옥시)-4-(셀레노펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸}(PSBT14) 의 제조Preparation of poly {5,6-bis (tetradecyloxy) -4- (selenophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole} (PSBT 14 )

Figure pat00074

Figure pat00074

(1) 2,5-비스(트리메틸스테닐)셀레노펜의 합성(1) Synthesis of 2,5-bis (trimethylstenyl) selenophene

셀레노펜 (0.63 g, 4.8 mmol)을 무수 테트라하이드로퓨란 (10 ml)에 용해시키고 교반 하면서 온도를 -78 ℃로 냉각시킨 후 뷰틸리튬 (2.5 M, 4.0 ml, 10 mmol)을 천천히 첨가하였다. 상기 혼합물을 1시간 동안 교반 후 염화트리메틸주석 (1M, 10 ml, 10 mmol)을 첨가하고 5시간 동안 교반 후에 온도를 상온으로 올려주고 물 (20 ml)을 넣어 반응을 종료시켰다. 유기층을 분리 후 무수마그네슘 설페이트로 건조하였고, 마지막으로 용매를 증발시키고 잔유물을 에탄올로 재결정화 함으로써 정제하여 백색결정을 수득하였다(0.42 g, 20.0%).Selenophene (0.63 g, 4.8 mmol) was dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (10 ml) and the temperature was cooled to -78 ° C with stirring, followed by the slow addition of butyllithium (2.5 M, 4.0 ml, 10 mmol). After stirring the mixture for 1 hour, trimethyltin chloride (1M, 10 ml, 10 mmol) was added, and after stirring for 5 hours, the temperature was raised to room temperature and water (20 ml) was added to terminate the reaction. The organic layer was separated and dried over anhydrous magnesium sulfate, and finally, the solvent was evaporated and the residue was purified by recrystallization with ethanol to give white crystals (0.42 g, 20.0%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 7.64 (s, 2H), 0.36 (s, 18H).
1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 7.64 (s, 2H), 0.36 (s, 18H).

(2) 폴리5,6-비스(테트라데실옥시)-4-(셀레노펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸(PSBT14)의 합성(2) Synthesis of poly5,6-bis (tetradecyloxy) -4- (selenophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole (PSBT 14 )

2,5-비스(트리메틸스테닐)셀레노펜 (171 mg, 0.374 mmol), 4,7-디브로모-5,6-비스(테트라데실옥시)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸 (269 mg, 0.374 mmol), Pd2(dba)3 (9.00 mg, 9.82 μmol) 및 트리(o-톨일)포스핀 (20.0 mg, 65.7 μmol)을 무수 클로로벤젠(2.50mL)에 용해시켰다. 상기 혼합물을 120 ℃에서 5분, 140 ℃에서 5분, 그리고 170 ℃에서 40분 동안 마이크로웨이브 반응기에서 반응시켰다. 반응혼합물을 실온으로 냉각시키고 메탄올에 침지하였다. 고분자를 여과 후 아세톤 (12시간), 헥산 (12시간), 및 클로로포름 (6시간) 순으로 속실렛 추출하여 정제하였다. 클로로포름 분획은 메탄올에 침지되었고, 여과에 의해 회수되었다. 최종 결과물은 진공오븐에서 건조 후 수득하였다(211 mg, 81.7%).2,5-bis (trimethylstenyl) selenophene (171 mg, 0.374 mmol), 4,7-dibromo-5,6-bis (tetradecyloxy) benzo [c] [1,2,5] Thiadiazole (269 mg, 0.374 mmol), Pd 2 (dba) 3 (9.00 mg, 9.82 μmol) and tri (o-tolyl) phosphine (20.0 mg, 65.7 μmol) were dissolved in dry chlorobenzene (2.50 mL). I was. The mixture was reacted in a microwave reactor for 5 minutes at 120 ° C., 5 minutes at 140 ° C., and 40 minutes at 170 ° C. The reaction mixture was cooled to room temperature and immersed in methanol. After filtration, the polymer was purified by Soxhlet extraction in the order of acetone (12 hours), hexane (12 hours), and chloroform (6 hours). The chloroform fraction was immersed in methanol and recovered by filtration. The final result was obtained after drying in a vacuum oven (211 mg, 81.7%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 8.77-8.61 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.60-1.20 (m, 40H), 1.14-0.85 (m, 10H) 1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 8.77-8.61 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.60-1.20 (m, 40H), 1.14-0.85 (m, 10H)

수평균분자량 Mn = 16,000 g/mol(PDI = 2.1)
Number average molecular weight Mn = 16,000 g / mol (PDI = 2.1)

<실시예 5><Example 5>

폴리5,6-비스(옥틸옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]옥사다이아졸(PTBX) 의 제조Preparation of poly5,6-bis (octyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] oxadiazole (PTBX)

Figure pat00075

Figure pat00075

(1) 5,6-비스(옥틸옥시)벤조-2,1,3-옥사디아졸의 합성(1) Synthesis of 5,6-bis (octyloxy) benzo-2,1,3-oxadiazole

1,2-다이나이트로-4,5-비스(옥틸옥시)벤젠 (1.5 g, 3.5 mmol), 소듐 아지드(Sodium azide)(1.14 g, 17.5 mmol), TBAB (0.226 g, 0.7 mmol)을 톨루엔 (15 mL)에 용해시킨 후 5시간 동안 환류하였다. 트리페닐포스핀(1.l g, 4.2 mmol)을 반응물에 넣은 후 2시간 후에 상온으로 온도를 낮췄다. 용매를 증발시키고 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 생성물을 수득하였다(0.78 g, 60.0%).1,2-dytrotro-4,5-bis (octyloxy) benzene (1.5 g, 3.5 mmol), sodium azide (1.14 g, 17.5 mmol), TBAB (0.226 g, 0.7 mmol) It was dissolved in toluene (15 mL) and then refluxed for 5 hours. After triphenylphosphine (1.l g, 4.2 mmol) was added to the reaction, the temperature was lowered to room temperature after 2 hours. The solvent was evaporated and purified by column chromatography to give the product (0.78 g, 60.0%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ(ppm) 6.78 (s, 2H), 4.09 (t, 4H), 2.04 - 1.79 (m, 4H), 1.58 - 1.16 (m, 20H), 0.95 - 0.81 (m, 6H).
1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 6.78 (s, 2H), 4.09 (t, 4H), 2.04-1.79 (m, 4H), 1.58-1.16 (m, 20H ), 0.95-0.81 (m, 6H).

(2) 4,7-디브로모-5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]옥사디아졸의 합성(2) Synthesis of 4,7-dibromo-5,6-bis (octyloxy) benzo [c] [1,2,5] oxadiazole

5,6-비스(옥틸옥시)벤조-2,1,3-옥사디아졸(0.56 g, 1.50 mmol)을 디클로로메탄 (30 ml)/ 빙초산 (10 ml)에 용해 후 브롬 (0.32 mL, 6.23 mmol)을 천천히 첨가하였다. 상기 혼합물을 실온에서 24시간 동안 교반하였고, 포화수용액 NaHSO3을 첨가하여 반응을 종료시켰다. 생성 용액을 디클로로메탄으로 추출하고, NaHSO3 용액, Na2CO3 용액 및 소금물로 순차적으로 세척하였다. 유기상 추출물을 무수마그네슘 설페이트로 건조하였고, 마지막으로 용매를 증발시키고 잔유물을 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 백색 고체를 수득하였다 (0.60 g, 75.0%).5,6-bis (octyloxy) benzo-2,1,3-oxadiazole (0.56 g, 1.50 mmol) is dissolved in dichloromethane (30 ml) / glacial acetic acid (10 ml) and then bromine (0.32 mL, 6.23 mmol) ) Was added slowly. The mixture was stirred at rt for 24 h and the reaction was terminated by addition of saturated aqueous NaHSO 3 . The resulting solution was extracted with dichloromethane and washed sequentially with NaHSO 3 solution, Na 2 CO 3 solution and brine. The organic phase extract was dried over anhydrous magnesium sulfate, and finally the solvent was evaporated and the residue was purified by column chromatography to give a white solid (0.60 g, 75.0%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 4.16 (t, 4H), 1.97-1.81 (m, 4H), 1.62-1.46 (m, 4H), 1.46-1.19 (m, 16H), 0.88 (t, 6H).
1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 4.16 (t, 4H), 1.97-1.81 (m, 4H), 1.62-1.46 (m, 4H), 1.46-1.19 (m , 16H), 0.88 (t, 6H).

(3) 폴리5,6-비스(옥틸옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]옥사디아졸(PTBX)(3) poly5,6-bis (octyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] oxadiazole (PTBX)

2,5-비스(트리메틸스테닐)티오펜 (200 mg, 0.488 mmol), 4,7-디브로모-5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]옥사디아졸(261 mg, 0.488 mmol), Pd2(dba)3 (9.00 mg, 9.82 μmol) 및 트리(o-톨일)포스핀 (20.0 mg, 65.7 μmol)을 무수 클로로벤젠(2.50mL)에 용해시켰다. 상기 혼합물을 120 ℃에서 5분, 140 ℃에서 5분, 그리고 170 ℃에서 40분 동안 마이크로웨이브 반응기에서 반응시켰다. 반응혼합물을 실온으로 냉각시키고 메탄올에 침지하였다. 고분자를 여과 후 아세톤 (12시간), 헥산 (12시간), 및 클로로포름 (6시간) 순으로 속실렛 추출하여 정제하였다. 클로로포름 분획은 메탄올에 침지되었고, 여과에 의해 회수되었다. 최종 결과물은 진공오븐에서 건조 후 수득하였다 (150 mg, 67.0%).2,5-bis (trimethylstenyl) thiophene (200 mg, 0.488 mmol), 4,7-dibromo-5,6-bis (octyloxy) benzo [c] [1,2,5] oxadia Sol (261 mg, 0.488 mmol), Pd 2 (dba) 3 (9.00 mg, 9.82 μmol) and tri (o-tolyl) phosphine (20.0 mg, 65.7 μmol) were dissolved in anhydrous chlorobenzene (2.50 mL). The mixture was reacted in a microwave reactor for 5 minutes at 120 ° C., 5 minutes at 140 ° C., and 40 minutes at 170 ° C. The reaction mixture was cooled to room temperature and immersed in methanol. After filtration, the polymer was purified by Soxhlet extraction in the order of acetone (12 hours), hexane (12 hours), and chloroform (6 hours). The chloroform fraction was immersed in methanol and recovered by filtration. The final result was obtained after drying in a vacuum oven (150 mg, 67.0%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 8.77-8.61 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.60-1.20 (m, 16H), 1.14-0.85 (m, 10H) 1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 8.77-8.61 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.60-1.20 (m, 16H), 1.14-0.85 (m, 10H)

수평균분자량 Mn = 16,000 g/mol(PDI = 2.2)
Number average molecular weight Mn = 16,000 g / mol (PDI = 2.2)

<실시예 6><Example 6>

폴리5,6-비스(옥틸옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]셀레나다이아졸(PTBS)의 제조Preparation of poly5,6-bis (octyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] selenadiazole (PTBS)

Figure pat00076

Figure pat00076

(1) 5,6-비스(옥틸옥시)벤조-2,1,3-셀리나다이아졸의 합성(1) Synthesis of 5,6-bis (octyloxy) benzo-2,1,3-celinadiazole

1,2-다이나이트로-4,5-비스(옥틸옥시)벤젠 (1.57 g, 3.37 mmol)과 주석(II) 염화물(tin(II) chloride) (5.1 g, 26.9 mmol)을 에탄올 (70 ml)/ 염산 (20 ml)에 용해 후 85 ℃에서 12시간 동안 환류하였다. 상온으로 온도를 낮추면 백색 고체가 석출되고 감압여과하여 물과 에탄올로 씻어주었다. 여과된 백색 고체를 에탄올 (70 mL)에 녹인 후 트리에텔아민(5.3 mL, 38 mmol)를 주입 후 85 ℃까지 온도를 올려주었다. SeO2 (0.4 g in 10 mL H2O, 3.6 mmol)를 반응물에 주입 후에 2시간 동안 환류하였다. 온도를 상온으로 낮추고 에탄올을 증발시킨 후 클로로포름과 물을 이용하여 잔여 무기물을 제거하였다. 컬럼 크로마토그래피(디클로로메탄)으로 정제 후에 에탄올을 이용하여 재결정하여 밝은 노란색 고체를 수득하였다(0.97 g, 60 %).1,2-Dynetro-4,5-bis (octyloxy) benzene (1.57 g, 3.37 mmol) and tin (II) chloride (5.1 g, 26.9 mmol) were added to ethanol (70 ml). ) / HCl (20 ml) and refluxed at 85 ° C. for 12 h. When the temperature was lowered to room temperature, a white solid precipitated and filtered under reduced pressure and washed with water and ethanol. The filtered white solid was dissolved in ethanol (70 mL), triethylamine (5.3 mL, 38 mmol) was injected, and the temperature was increased to 85 ° C. SeO 2 (0.4 g in 10 mL H 2 O, 3.6 mmol) was refluxed for 2 hours after injection into the reaction. After the temperature was lowered to room temperature and ethanol was evaporated, residual inorganics were removed using chloroform and water. Purification by column chromatography (dichloromethane) and recrystallization with ethanol gave a light yellow solid (0.97 g, 60%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): (ppm) 6.92 (s, 2H), 4.05 (t, 4H), 2.04 - 1.79 (m, 4H), 1.58 - 1.16 (m, 20H), 0.95 - 0.81 (m, 6H).
1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): (ppm) 6.92 (s, 2H), 4.05 (t, 4H), 2.04-1.79 (m, 4H), 1.58-1.16 (m, 20H) , 0.95-0.81 (m, 6H).

(2) 4,7-디브로모-5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]셀레나다이아졸의 합성(2) Synthesis of 4,7-dibromo-5,6-bis (octyloxy) benzo [c] [1,2,5] selenadiazole

5,6-비스(옥틸옥시)벤조-2,1,3-셀레나다이아졸(0.44 g, 1.00 mmol)을 디클로로메탄(100 ml)/ 빙초산(15 ml)에 용해 후 브롬 (0.34 mL, 6.70 mmol)을 천천히 첨가하였다. 상기 혼합물을 실온에서 24시간 동안 교반하였고, 포화수용액 NaHSO3을 첨가하여 반응을 종료시켰다. 생성 용액을 디클로로메탄으로 추출하고, NaHSO3 용액, Na2CO3 용액 및 소금물로 순차적으로 세척하였다. 유기상 추출물을 무수마그네슘 설페이트로 건조하였고, 마지막으로 용매를 증발시키고 잔유물을 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 고체를 수득하였다 (360 mg, 60.0%).5,6-bis (octyloxy) benzo-2,1,3-selenadiazole (0.44 g, 1.00 mmol) is dissolved in dichloromethane (100 ml) / glacial acetic acid (15 ml) and then bromine (0.34 mL, 6.70 mmol) ) Was added slowly. The mixture was stirred at rt for 24 h and the reaction was terminated by addition of saturated aqueous NaHSO 3 . The resulting solution was extracted with dichloromethane and washed sequentially with NaHSO 3 solution, Na 2 CO 3 solution and brine. The organic phase extract was dried over anhydrous magnesium sulfate, and finally the solvent was evaporated and the residue was purified by column chromatography to give a solid (360 mg, 60.0%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 4.15 (t, 4H), 1.97-1.81 (m, 4H), 1.62-1.46 (m, 4H), 1.46-1.19 (m, 16H), 0.88 (t, 6H).
1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 4.15 (t, 4H), 1.97-1.81 (m, 4H), 1.62-1.46 (m, 4H), 1.46-1.19 (m , 16H), 0.88 (t, 6H).

(3) 폴리5,6-비스(옥틸옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5] 셀레나다이아졸(PTBS)(3) poly5,6-bis (octyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] selenadiazole (PTBS)

2,5-비스(트리메틸스테닐)티오펜 (200 mg, 0.488 mmol), 4,7-디브로모-5,6-비스(옥틸옥시)벤조[c][1,2,5]셀레나다이아졸(287 mg, 0.488 mmol), Pd2(dba)3 (9.00 mg, 9.82 μmol) 및 트리(o-톨일)포스핀 (20.0 mg, 65.7 μmol)을 무수 클로로벤젠(3.00 mL)에 용해시켰다. 상기 혼합물을 120 ℃에서 5분, 140 ℃에서 5분, 그리고 170 ℃에서 40분 동안 마이크로웨이브 반응기에서 반응시켰다. 반응혼합물을 실온으로 냉각시키고 메탄올에 침지하였다. 고분자를 여과 후 아세톤 (12시간), 헥산 (12시간), 및 클로로포름 (6시간) 순으로 속실렛 추출하여 정제하였다. 클로로포름 분획은 메탄올에 침지되었고, 여과에 의해 회수되었다. 최종 결과물은 진공오븐에서 건조 후 수득하였다 (180 mg, 70.8%).2,5-bis (trimethylstenyl) thiophene (200 mg, 0.488 mmol), 4,7-dibromo-5,6-bis (octyloxy) benzo [c] [1,2,5] selenadia Sol (287 mg, 0.488 mmol), Pd 2 (dba) 3 (9.00 mg, 9.82 μmol) and tri (o-tolyl) phosphine (20.0 mg, 65.7 μmol) were dissolved in anhydrous chlorobenzene (3.00 mL). The mixture was reacted in a microwave reactor for 5 minutes at 120 ° C., 5 minutes at 140 ° C., and 40 minutes at 170 ° C. The reaction mixture was cooled to room temperature and immersed in methanol. After filtration, the polymer was purified by Soxhlet extraction in the order of acetone (12 hours), hexane (12 hours), and chloroform (6 hours). The chloroform fraction was immersed in methanol and recovered by filtration. The final result was obtained after drying in a vacuum oven (180 mg, 70.8%).

1H-NMR (300 MHz; CDCl3;Me4Si): δ (ppm) 8.77-8.61 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.60-1.20 (m, 16H), 1.14-0.85 (m, 10H) 1 H-NMR (300 MHz; CDCl 3 ; Me 4 Si): δ (ppm) 8.77-8.61 (m, 2H), 4.39-4.18 (m, 4H), 2.19-2.04 (m, 4H), 1.60-1.20 (m, 16H), 1.14-0.85 (m, 10H)

수평균분자량 Mn = 20,000 g/mol(PDI = 1.7)
Number average molecular weight Mn = 20,000 g / mol (PDI = 1.7)

유기 고분자 박막 트랜지스터 소자의 제조Fabrication of Organic Polymer Thin Film Transistor Devices

게이트 전극으로 사용하는 안티모니가 도핑된 Si 웨이퍼 (저항 : 0.008 - 0.02 ohm/cm) 위에 e-빔 증착기를 이용하여 게이트 절연체막인 SiO2 200nm 증착한 후 아세톤, 이소프로필알콜을 이용하여 소자를 세척한 후 톨루엔에 1 중량%의 옥테인트라이클로로실렌 (OTS) (99:1 부피%) 혼합 용액에 10분간 담근 후 깨끗한 톨루엔 용액으로 씻는다. 상기 실시예 1~6에서 제조한 PTBT, PTBT14, PTTBT14, PSBT14, PTBX, 및 PTBS 1중량%를 클로로벤젠(chlorobenzene)에 녹인 용액을 OTS를 처리한 기판 상부에 2000 rpm, 60초간 스핀코팅하여 약 60 nm 두께의 고분자 반도체층을 형성하였다. 그리고 상기 소자를 열 진공 증착기 (thermal evaporator)에 넣고, 10-6 Torr 미만 진공상태에서, 고분자 반도체층 상부에 드레인, 소스 전극으로 금 (Au) 금속을 두께 약 60 nm로 증착함으로써 유기 고분자 박막 트랜지스터 소자를 제작하였다.200 nm of SiO 2 , a gate insulator film, was deposited on an antimony doped Si wafer (resistance: 0.008-0.02 ohm / cm) using an e-beam evaporator and then acetone and isopropyl alcohol. After washing, soak in toluene for 1 minute in a mixed solution of 1% by weight of octanetrichlorosilane (OTS) (99: 1 volume%), and then wash with a clean toluene solution. Spin the solution of PTBT, PTBT 14 , PTTBT 14 , PSBT 14 , PTBX, and PTBS prepared in Examples 1 to 6 in chlorobenzene at 2000 rpm for 60 seconds on the substrate treated with OTS. The coating formed a polymer semiconductor layer about 60 nm thick. The device was placed in a thermal evaporator, and the organic polymer thin film transistor was deposited by depositing a gold (Au) metal with a thickness of about 60 nm as a drain and a source electrode on the polymer semiconductor layer under a vacuum of less than 10 −6 Torr. The device was produced.

본 발명에 따른 평면성과 좁은 밴드갭을 갖는 D-A 타입의 교대 중합 공중합물은 일반적인 스핀코팅 공정에 의해 유기 고분자 트랜지스터 소자 등을 제작할 수 있다.
The alternating polymerization copolymer of DA type having planarity and narrow band gap according to the present invention can manufacture organic polymer transistor devices and the like by a general spin coating process.

전형적 유형 (Typical type ( ConventionalConventional -- typetype ) 유기 고분자 박막 태양전지 소자의 제조) Fabrication of Organic Polymer Thin Film Solar Cell Devices

세척된 ITO 투명전극 (transparent electrode)을 10분간 UV ozone 처리한 후 폴리{3,4-에틸렌다이옥시티오펜}/폴리스티렌술폰산(PEDOT:PSS) (Heraeus사 제조, 상품명: CLEVIOS)를 5000rpm, 40초간 스핀코팅하고 140℃에서 10분간 건조하여 약 40nm 두께의 PEDOT:PSS층을 형성하였다. 상기 실시예 1~6에서 제조한 PTBT, PTBT14, PTTBT14, PSBT14, PTBX 및 PTBS 각각 1 중량%와 PC61BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methylester) 2 중량%를 클로로벤젠(chlorobenzene) 및 1,8-옥탄다이타이올(1,8-octanedithiol)(ODT) (98:2 부피%) 혼합용매에 녹인 혼합용액을 PEDOT:PSS층 상부에 1700rpm, 60초간 스핀코팅하여 약 100nm 두께의 태양광 흡수 유기반도체 층을 형성하였다. 그리고 상기 소자를 열진공 증착기(thermal evaporator)에 넣고 10-6 Torr 미만의 진공상태에서, 태양광 흡수층 상부에 금속 전극으로 알루미늄 (Al)을 두께 약 100 nm로 증착함으로써 유기 고분자 박막 태양전지 소자를 제작하였다.
After UV ozone treatment of the washed ITO transparent electrode for 10 minutes, poly {3,4-ethylenedioxythiophene} / polystyrene sulfonic acid (PEDOT: PSS) (manufactured by Heraeus, trade name: CLEVIOS) was used for 5000 rpm for 40 seconds. Spin coating and drying for 10 minutes at 140 ℃ to form a PEDOT: PSS layer of about 40nm thickness. 1 wt% of PTBT, PTBT 14 , PTTBT 14 , PSBT 14 , PTBX and PTBS prepared in Examples 1 to 6 and 2 wt% of PC61BM ([6,6] -phenyl-C61-butyric acid methylester), respectively (chlorobenzene) and 1,8-octanedithiol (1,8-octanedithiol) (ODT) (98: 2% by volume) mixed solution dissolved in a mixed solvent by spin coating on the PEDOT: PSS layer for 1700rpm, 60 seconds A 100 nm thick solar absorption organic semiconductor layer was formed. The organic polymer thin film solar cell device was formed by depositing aluminum (Al) to a thickness of about 100 nm with a metal electrode on the solar absorption layer in a vacuum state of less than 10 -6 Torr in a thermal evaporator. Produced.

반전된 유형 (Inverted-type) 유기 고분자 박막 태양전지 소자의 제조Fabrication of Inverted-type Organic Polymer Thin Film Solar Cell Devices

세척된 ITO 전극을 10분간 UV ozone 처리한 후 타이타늄옥사이드(TiOX) 전구체 용액을 5000rpm, 40초간 스핀코팅하고 80에서 10분간 열처리하여 약 20nm 두께의 TiOX층을 형성하였다. 일반적 유형의 태양전지와 같은 조건으로 태양광 흡수 유기반도체 층을 형성한 후 열진공 증착기를 이용하여 홀 이송층으로 몰리브덴옥사이드 (MoO3)를 약 5nm 두께로 증착하고 연속적으로 금 (Au) 금속 전극을 약 100nm 두께로 증착하여 태양전지 소자를 제작하였다.
After UV ozone treatment of the washed ITO electrode for 10 minutes, the titanium oxide (TiO X ) precursor solution was spin-coated at 5000 rpm for 40 seconds and heat-treated at 80 minutes for 10 minutes to form a TiO X layer having a thickness of about 20 nm. After forming a solar-absorbing organic semiconductor layer under the same conditions as a general type of solar cell, a molybdenum oxide (MoO 3 ) of about 5 nm thickness was deposited with a hole transport layer using a thermal vacuum evaporator, and a gold (Au) metal electrode was continuously formed. Was deposited to a thickness of about 100nm to produce a solar cell device.

평가결과Evaluation results

컴퓨터 계산Computer calculation

도 2는 실시예 1에서 제조한 고분자 유도체의 Density Functional Theory에 따른 컴퓨터 계산 결과를 (B3LYP/6-31G**) 도시하고 있다. 계산의 편의를 위해 알킬기를 메틸기로 고정하였다. 알킬기가 없는 TB의 경우 이면각이 180°로 평면성을 가지고 있으나, MeTB와 TMeB처럼 알킬기가 티오펜 혹은 벤조티아다이아졸에 치환된 경우 입체장애에 의해 평면성이 깨어지는 것을 알 수 있다. 실시예 1의 고분자 PTBT 유도체 구조인 TMeOB의 경우 이면각이 190°로 TB와 유사한 이면각을 가지는데 이는 알콕시 그룹의 산소원자와 전자 공여 단량체의 이종 원자 사이의 전자적 상호작용(electronic interaction)에 의해 평면성이 유도된 결과를 보여준다.
FIG. 2 shows (B3LYP / 6-31G ** ) the results of computer calculations according to Density Functional Theory of the polymer derivative prepared in Example 1. Alkyl groups were fixed with methyl groups for ease of calculation. In the case of TB without an alkyl group, the back face has a flatness of 180 °, but when the alkyl group is substituted with thiophene or benzothiadiazole like MeTB and TMeB, the planarity is broken due to steric hindrance. In the case of TMeOB, which is the polymer PTBT derivative structure of Example 1, the back angle is 190 °, and the back angle is similar to that of TB, which is caused by electronic interaction between the oxygen atom of the alkoxy group and the hetero atom of the electron donating monomer. The results show that planarity is derived.

열적 특성Thermal properties

도 3은 실시예 1에서 제조한 고분자에 대한 열적특성 결과를 도시하고 있다. 도 3은 10℃/분 가열율로 질소 분위기 하에서 TGA 및 DSC의 의한 측정결과를 도시하고 있으며, 본 발명의 고분자는 최고 343℃까지 5% 미만의 중량감소를 나타내어 열적으로 안정하였다. DSC측정에서 PTBT는 각각 236℃ 및 220℃에서 융점 및 재결정피크를 나타내었다. 이러한 특성은 평면화된 분자구조에 의한 결정화도 향상에 기인한 것으로 보인다. 이러한 평면화된 분자구조는 사슬간의 상호작용이 향상되어 고분자의 결정화도에 영향을 끼친다고 볼 수 있다.
Figure 3 shows the thermal properties of the polymer prepared in Example 1. Figure 3 shows the results of measurement by TGA and DSC in a nitrogen atmosphere at 10 ℃ / min heating rate, the polymer of the present invention was thermally stable showing a weight loss of less than 5% up to 343 ℃. PTBT showed melting point and recrystallization peak at 236 ° C and 220 ° C, respectively. This property appears to be due to the improved crystallinity due to the planarized molecular structure. The planarized molecular structure can be said to affect the degree of crystallinity of the polymer by improving the interaction between the chains.

광학 특성Optical properties

도 4a는 PTBT, PTBX, PTBS의 클로로벤젠 용액 및 필름 상태에서의 UV 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 상기 세 종류의 고분자는 PTBT를 기준으로 하여 전자 받게 벤조티아다이아졸 그룹의 S 원자를 각각 O, Se 원자로 치환한 구조이다.4A shows UV absorption spectra in the chlorobenzene solution and film state of PTBT, PTBX, PTBS. The three kinds of polymers have a structure in which the S atoms of the benzothiadiazole groups are electron-substituted with O and Se atoms, respectively, based on PTBT.

도 4a를 참조하면, 400 nm 내지 750 nm의 가시광선 영역에서의 넒은 범위의 광흡수 대역을 확인할 수 있다. 세 종류 고분자의 광학 밴드갭(Eg)은 필름에서 흡수스펙트럼의 시작점(onset point)을 기준으로 각각 1.72 eV, 1.72 eV, 1.68 eV로 추산되었다. S원자를 O 원자로 치환할 경우에는 밴드갭에 큰 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다. PTBT와 PTBX의 경우 용액 상에서도 분자 사슬간 - 스택킹에 의한 피크가 관찰되었고, 필름 제작 시에는 적색이동(red-shift)과 동시에 상호작용 피크가 더욱 더 증가되었다. 그러나 PTBS의 경우 적색이동만 관찰되었다. 분자간 상호작용이 큰 PTBT와 PTBX의 경우 높은 결정성과 좁은 밴드갭으로 태양전지 및 트랜지스터 모두 우수한 성능을 보일 것으로 예측된다.Referring to FIG. 4A, the light absorption band of a wide range in the visible light region of 400 nm to 750 nm can be confirmed. The optical bandgaps (Eg) of the three polymers were estimated to be 1.72 eV, 1.72 eV, and 1.68 eV, respectively, based on the onset point of the absorption spectrum in the film. It can be seen that the substitution of S atoms with O atoms does not significantly affect the band gap. In the case of PTBT and PTBX, peaks by molecular chain-stacking were also observed in solution, and the interaction peak was increased at the same time as red-shift during film production. However, only red shift was observed for PTBS. PTBT and PTBX, which have high intermolecular interactions, are expected to perform well in both solar cells and transistors due to their high crystallinity and narrow bandgap.

도 4b는 PTBT14, PSBT14, PTTBT14의 클로로벤젠 용액 및 필름 상태에서의 UV 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 상기 세 종류의 고분자는 PTBT14를 기준으로 하여 전자 주게 물질을 셀레노펜과 티에노[3,2-b]티오펜으로 치환한 구조이다.Figure 4b shows the UV absorption spectrum in the chlorobenzene solution and film state of PTBT 14 , PSBT 14 , PTTBT 14 . The three types of polymers have a structure in which an electron donor material is substituted with selenophene and thieno [3,2-b] thiophene based on PTBT 14 .

도 4b를 참조하면, 모든 고분자가 400 nm 내지 750 nm의 가시광선 영역에서의 넒은 범위의 광흡수 대역을 확인할 수 있다. 특히, PSBT14와 PTTBT14의 경우 PTBT14에 비하여 전자주게 능력의 향상 (PSBT14) 및 티오펜의 확장된 구조로 인한 pi-pi 상호작용의 증가로(PTTBT14) 더욱 좁은 밴드갭을 나타내는 것을 알 수 있다. 특히, PSBT14와 PTTBT14는 필름뿐만 아니라 용액 상에서도 분자간 상호작용에 의한 vibronic shoulder peak이 뚜렷하게 관찰되었으며, PTBT14는 필름으로 제조되었을 때 vibronic shoulder peak이 증가하는 모습을 보였다. 이는 PSBT14와 PTTBT14가 PTBT14에 비하여 더욱 우수한 결정성을 보인다는 것을 예측할 수 있다. 고분자의 광학 밴드갭(Eg)은 필름에서 흡수스펙트럼의 시작점(onset point)을 기준으로 각각 1.74, 1.62, 1.70 eV로 추산되었다. 티오펜(thiophene)을 전자주게 능력이 우수한 셀레노펜(selenophene)으로 치환할 경우 밴드갭 감소에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다. UV 흡수 결과는 세 종류의 고분자 모두가 넓은 흡광 스펙트럼을 제공하고, 결과적으로 전류밀도를 증가시킬 것으로 예상된다.
Referring to FIG. 4B, it can be seen that all polymers have a wide range of light absorption bands in the visible light region of 400 nm to 750 nm. In particular, it represents an electron donor improving the ability (PSBT 14) and thiophene to increased due to the expanded structure of pi-pi interaction (PTTBT 14) narrower band gap than the PTBT 14 for PSBT 14 and PTTBT 14 Able to know. In particular, PSBT 14 and PTTBT 14 showed distinct vibronic shoulder peaks due to intermolecular interactions not only in film but also in solution, and PTBT 14 showed an increase in vibronic shoulder peaks when made into film. It can be predicted that PSBT 14 and PTTBT 14 show better crystallinity than PTBT 14 . The optical bandgap (E g ) of the polymer was estimated to be 1.74, 1.62 and 1.70 eV, respectively, based on the onset point of the absorption spectrum in the film. Substituting thiophene with selenophene, which has excellent electron donating ability, has a great effect on reducing the band gap. UV absorption results are expected that all three polymers will give a broad absorption spectrum, resulting in increased current density.

전기화학적 특성Electrochemical properties

도 5a는 대표적 고분자인 PTBT14 및 PTTBT14 고분자 필름의 Cyclic voltammogram(CV)의 특성을 도시하며, 모든 고분자의 HOMO/ LUMO 값을 표 1 및 표 2에 표시하였다.Figure 5a shows the characteristics of the cyclic voltammogram (CV) of the typical polymer PTBT 14 and PTTBT 14 polymer film, the HOMO / LUMO values of all the polymers are shown in Table 1 and Table 2.

HOMO (eV)HOMO (eV) LUMO (eV)LUMO (eV) Eg (eV)E g (eV) PTBTPTBT -5.41-5.41 -3.54-3.54 1.871.87 PTBXPTBX -5.46-5.46 -3.61-3.61 1.851.85 PTBSPTBS -5.26-5.26 -3.59-3.59 1.671.67

HOMO (eV)HOMO (eV) LUMO (eV)LUMO (eV) Eg (eV)E g (eV) PTBT14 PTBT 14 -5.49-5.49 -3.55-3.55 1.941.94 PSBT14 PSBT 14 -5.33-5.33 -3.56-3.56 1.771.77 PTTBT14 PTTBT 14 -5.32-5.32 -3.57-3.57 1.751.75

구체적으로는 아세토니트릴 중의 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(Bu4NBF4) 용액 0.1M 중에서 50 mV/s의 주사속도로 CV를 측정하였다. 백금(Pt)전극은 딥 코팅에 의하여 고분자 필름으로 코팅되어 작업전극(working electrode)으로 이용되었고, Ag/AgNO3 전극은 기준전극으로 이용되었다.Specifically, CV was measured at a scanning rate of 50 mV / s in 0.1 M of a solution of tetrabutylammonium tetrafluoroborate (Bu 4 NBF 4 ) in acetonitrile. Platinum (Pt) electrode was coated with a polymer film by dip coating and used as a working electrode. Ag / AgNO 3 The electrode was used as a reference electrode.

본 발명의 고분자들 HOMO 및 LUMO 레벨은 내부 기준으로서 페로센에 대한 산화 및 환원 시작점 포텐셜로부터 계산되었다.The polymers HOMO and LUMO levels of the present invention were calculated from the oxidation and reduction starting point potential for ferrocene as an internal reference.

표 1을 참조하면, S 원자가 O원자로 치환될 경우 향상된 전기음성도로 인해 HOMO 및 LUMO 준위가 약간 낮아지며 이는 태양전지의 높은 개방전압에 이득을 준다. PTBS의 경우 Se 원자에 의해 HOMO 준위가 향상되는 결과를 보였으며 좁은 밴드갭으로 인해 전류밀도는 상승될 수 있지만, 개방전압은 낮아지는 효과를 보일 것으로 예상된다. 세 종류의 고분자 모두 LUMO 레벨은 -3.5 ~ -3.6 eV로 비슷한 값을 보였으며 PCBM과의 엑시톤 분리에 충분한 에너지 offset을 가지므로 태양전지에 적합한 구조임을 알 수 있다.Referring to Table 1, when the S atom is substituted with an O atom, HOMO and LUMO levels are slightly lowered due to improved electronegativity, which benefits the high open voltage of the solar cell. In the case of PTBS, the HOMO level is improved by Se atoms, and the narrow band gap may increase the current density, but the open voltage is expected to decrease. The LUMO levels of all three polymers showed similar values, ranging from -3.5 to -3.6 eV, and have a sufficient energy offset for exciton separation from PCBM.

표 2는 PTBT14, PSBT14, PTTBT14의 HOMO/ LUMO 에너지 레벨을 나타낸다. PTBT14의 경우 PTBT에 비하여 약간 낮은 HOMO 레벨을 보이는데 이는 비전도 알킬 그룹의 증가로 인한 결과로 보여진다. PSBT14의 경우 PTBS와 마찬가지로 Se 원자에 의해 HOMO 준위가 향상되었으며, PTTBT14의 경우 확장된 구조 및 높은 결정성으로 인해 PSBT14와 비슷한 HOMO 레벨을 보인다. 세 종류의 고분자 모두 -3.56 eV 근처의 비슷한 LUMO 레벨을 보이는데 이는 똑같은 전자받게 물질을 사용하였기 때문인 것으로 보여지며 exciton 분리를 위한 충분한 offset을 보이는 값이다. 이러한 결과는 총 6종의 고분자들 모두 태양전지 및 p-type 트랜지스터 응용에 적합한 에너지 레벨을 가지고 있는 것으로 판단된다.
Table 2 shows HOMO / LUMO energy levels of PTBT 14 , PSBT 14 , PTTBT 14 . PTBT 14 shows slightly lower HOMO levels compared to PTBT, which may be the result of the increase in non-conductive alkyl groups. For PSBT 14 improved the HOMO level by Se atoms as in the PTBS, due to the case of PTTBT 14 extended structure and high crystallinity appears similar HOMO level and PSBT 14. All three polymers show similar LUMO levels around -3.56 eV, probably due to the use of the same electron acceptor material, showing a sufficient offset for exciton separation. These results indicate that all six polymers have energy levels suitable for solar cell and p-type transistor applications.

광전Photoelectric 특성 characteristic

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예 2에서 제조한 conventional-type 태양전지의 대표적 구조의 광전 효율 및 외부양자효율을 나타낸 것이며, 모든 소자들의 데이터를 정리하여 표 3에 나타내었다.6A and 6B show photoelectric efficiency and external quantum efficiency of a typical structure of a conventional-type solar cell manufactured in Example 2 of the present invention, and the data of all devices are shown in Table 3 below.

광활성 층Photoactive layer Jsc
(mA/cm2)
Jsc
(mA / cm 2 )
Voc
(V)
Voc
(V)
FFFF PCE
(%)
PCE
(%)
PTBT14:PC61BM+2%ODTPTBT 14 : PC 61 BM + 2% ODT 9.349.34 0.880.88 0.680.68 5.565.56 PSBT14:PC61BMPSBT 14 : PC 61 BM 9.809.80 0.710.71 0.480.48 3.373.37 PTTBT14PC61BM+2%DIHODTPTTBT 14 PC 61 BM + 2% DIHODT 9.569.56 0.730.73 0.490.49 3.433.43 PTBT:PC61BM+2%ODTPTBT: PC 61 BM + 2% ODT 10.5010.50 0.870.87 0.650.65 5.875.87 PTBS:PC61BMPTBS: PC 61 BM 2.662.66 0.830.83 0.320.32 0.710.71 PTBX:PC61BM+2%ODTPTBX: PC 61 BM + 2% ODT 6.786.78 0.890.89 0.460.46 2.762.76

표 3을 참조하면, 제조된 conventional 태양전지 소자에서 V OC, J SC, FF 값이 각각 PTTBT14 0.73 V, 9.56 mA/cm2, 0.49, PSBT14는 0.71 V, 9.80 mA/cm2, 0.48, 그리고 PTBT14는 0.88 V, 9.34 mA/cm2, 0.68로 측정되었으며, 최종 광전효율은 100 mW/cm2의 빛에서 각각 3.43, 3.37, 및 5.56 %로 측정되었다.Referring to Table 3, the values of V OC , J SC , and FF are PTTBT 14 in the conventional solar cell devices. 0.73 V, 9.56 mA / cm 2 , 0.49, PSBT 14 measured 0.71 V, 9.80 mA / cm 2 , 0.48, and PTBT 14 measured 0.88 V, 9.34 mA / cm 2 , 0.68, and the final photoelectric efficiency was 100 mW / in light of 2 cm it was measured, respectively 3.43, 3.37, and 5.56%.

측정된 PTBT14의 경우 V OC는 티오펜계 공중합체를 태양광 흡수 광활성층으로 사용한 태양전지 소자 중에서 가장 높은 수준의 수치를 나타내고 있다. 또한 상기 소자가 300nm 내지 800nm의 넓은 파장 영역에 걸쳐서 높은 외부양자효율을 보이고 있는데, 이를 통해 상기 소자가 전 가시광 영역에서 빛을 흡수하여 효율적인 광전효과를 보임을 확인하였다. 특히, 400 ~ 700nm의 스펙트럼 범위에서는 약 50% 이상의 외부양자효율을 보였다.In the case of the measured PTBT 14 , V OC represents the highest level among solar cell devices using a thiophene copolymer as the solar absorption photoactive layer. In addition, the device shows a high external quantum efficiency over a wide wavelength range of 300nm to 800nm, it was confirmed that the device absorbs light in the entire visible light region to show an efficient photoelectric effect. In particular, the external quantum efficiency was about 50% or more in the spectral range of 400 to 700 nm.

PTBT, PTBS, PTBX 의 conventional 태양전지 소자에서는 100 mW/cm2의 빛에서 각각 5.87, 0.71, 2.76%의 광전효율이 관찰되었다. VOC, J SC, FF 값이 PTBT의 경우 0.87 V, 10.05 mA/cm2, 0.65, PTBS의 경우, 0.83 V, 2.66 mA/cm2, 0.32, PTBX는 0.89 V, 6.78 mA/cm2, 0.46으로 측정되었다. 또한, PTBT를 광활성층으로 이용하여 반전된 유형의 (inverted-type) 태양전지 소자를 제작하였는데 그 결과 VOC, J SC, FF 값이 각각 0.85 V, 9.64 mA/cm2, 0.64 로 측정되었고 5.3%의 광전효율을 나타내었다.
PTBT, PTBS, PTBX The photovoltaic efficiencies of 5.87, 0.71, and 2.76% were observed in 100 mW / cm 2 light of conventional solar cell devices. V OC , J SC , FF values 0.87 V, 10.05 mA / cm 2 , 0.65 for PTBT, 0.83 V, 2.66 mA / cm 2 , 0.32 for PTBS, 0.89 V, 6.78 mA / cm 2 , 0.46 Was measured. In addition, an inverted-type solar cell device was fabricated using PTBT as a photoactive layer. As a result, V OC , J SC , and FF values were 0.85 V, 9.64 mA / cm 2 , and 0.64, respectively. Photoelectric efficiency of% was shown.

유기 박막 트랜지스터 특성Organic Thin Film Transistor Characteristics

도 7a 및 도 7b는 본 발명에서 PTBT14, PSBT14, PTTBT14 고분자 공중합물을 이용한 유기 고분자 박막 트랜지스터를 도시한 것으로 소자의 정공 이동도, 문턱 전압, 및 점멸비를 나타내고 있다.7A and 7B illustrate organic polymer thin film transistors using PTBT 14 , PSBT 14 , and PTTBT 14 polymer copolymers, and show hole mobility, threshold voltage, and blink rate of the device.

정공의 이동도 (m)는 포화상태의 드레인 전류 (Ids) 대비 게이트 전압 (Vgs)을 이용하여 아래의 수학식 1을 통하여 구할 수 있다.The mobility (m) of the hole can be obtained through Equation 1 below using the gate voltage V gs compared to the drain current I ds in saturation.

<수학식 1>&Quot; (1) &quot;

II dsds =(= ( WCWC ii /2L)×μ×(/ 2L) × μ × ( VV gsgs -- VV TT )) 22

W 는 소자의 폭, L 은 소자의 길이, C i 는 SiO2의 축전 용량, V T 는 문턱 전압 이다. W is the device width, L is the device length, C i is the capacitance of SiO 2 , and V T is the threshold voltage.

도 7a는 V gs 대비 I ds 를 나타낸 그래프로써 점멸비를 구할 수 있고, PTBT14, PSBT14, PTTBT14는 각각 4.00 x 104, 8.14 x 104, 1.15 x 105 값을 나타낸다. 도 7b는 I ds 를 역거듭제곱근 하여 나타낸 그래프로써 이의 선형함수를 통하여 문턱 전압과 이동도를 구할 수 있다. PTBT14, PSBT14, PTTBT14의 문턱전압은 각각 -6.72 V, 16.74 V, -2.83 V이며, 이동도는 0.24 cm2/Vs, 0.044 cm2/Vs, 0.42 cm2/Vs이다. 이 값들은 표 4에 정리하여 나타내었다.FIG. 7A is a graph showing I ds versus V gs, and a flashing ratio can be obtained, and PTBT 14 , PSBT 14 , and PTTBT 14 represent 4.00 × 10 4 , 8.14 × 10 4 , and 1.15 × 10 5 , respectively. FIG. 7B is a graph showing the inverse square root of I ds , and the threshold voltage and mobility can be obtained through its linear function. The threshold voltages of PTBT 14 , PSBT 14 and PTTBT 14 are -6.72 V, 16.74 V and -2.83 V, respectively, and the mobility is 0.24 cm 2 / Vs, 0.044 cm 2 / Vs and 0.42 cm 2 / Vs. These values are summarized in Table 4.

고분자 물질Polymer 점멸비Flashing rain 문턱 전압
(V)
Threshold voltage
(V)
이동도
(cm2 V-1s-1)
Mobility
(cm 2 V -1 s -1 )
PTBT14 PTBT 14 4.00 x 104 4.00 x 10 4 -6.72-6.72 0.240.24 PSBT14 PSBT 14 8.14 x 104 8.14 x 10 4 16.7416.74 0.0440.044 PTTBT14 PTTBT 14 1.15 x 105 1.15 x 10 5 -2.83-2.83 0.420.42

표 4를 참조하면, 이동도 결과에서 상대적으로 크기가 작은 S기가 전자주게에 치환된 PTBT14가 상대적으로 크기가 큰 Se가 치환된 고분자 중합물 PSBT14 보다 높은 정공 이동도를 보이고 있다. PTBT14는 전자 주게와 받게 사이에 결합각에 기인하여 굽은 체인 구조를 나타내는데 이를 개선하기 위해서 이종고리 구조를 도입하여 PTTBT14를 합성, 선형성을 증대시킨 고분자 체인구조를 합성할 수 있다.Referring to Table 4, in the mobility results, PTBT 14 having a relatively small S group substituted in the electron donor showed higher hole mobility than the polymer polymer PSBT 14 having a large Se substitution. PTBT 14 is due to the coupling angle between the electron donor and the receiver The curved chain structure is shown. In order to improve this, a heterocyclic structure can be introduced to synthesize PTTBT 14 , and a polymer chain structure having increased linearity can be synthesized.

이는 유기 고분자 박막 트랜지스터 소자에서 고분자 사슬간 - 스택킹을 잘 이루게 만들어서 정공의 이동도를 2배 가까이 증가시키는 효과를 보이고 있다.This makes the polymer chain-to-stacking well in the organic polymer thin film transistor device to increase the mobility of the hole nearly double.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에서 PTBT, PTBS, PTBX 고분자 공중합물을 이용한 유기 고분자 박막 트랜지스터를 도시한 것으로 소자의 정공 이동도, 문턱 전압, 및 점멸비를 나타내고 있다. 8A and 8B illustrate an organic polymer thin film transistor using PTBT, PTBS, and PTBX polymer copolymers in the present invention, showing hole mobility, threshold voltage, and blink ratio of the device.

도 8a는 V gs 대비 I ds 를 나타낸 그래프로써 점멸비를 구할 수 있고, PTBT, PTBS, PTBX의 점별비는 각각 3.99 x 104, 4.86 x 103, 5.53 x 102 값을 나타낸다. 도 8b는 I ds 를 제곱근하여 나타낸 그래프로써 이의 선형함수를 통하여 문턱 전압과 이동도를 구할 수 있다. PTBT, PTBS, PTBX의 문턱전압은 각각 6.54 V, -29.18 V, -17.62 V이며, 이동도는 각각 0.0368 cm2/Vs, 0.0119 cm2/Vs, 0.0045 cm2/Vs이다. 이 값들은 표 5에 정리하였다.8A is a graph showing I ds vs. V gs, and the blinking ratio can be obtained, and the point-by-point ratios of PTBT, PTBS, and PTBX represent 3.99 x 10 4 , 4.86 x 10 3 , and 5.53 x 10 2 , respectively. FIG. 8B is a graph showing square root of I ds , and the threshold voltage and mobility can be obtained through its linear function. The threshold voltages of PTBT, PTBS, and PTBX are 6.54 V, -29.18 V, and -17.62 V, respectively, and the mobility is 0.0368 cm 2 / Vs, 0.0119 cm 2 / Vs, and 0.0045 cm 2 / Vs, respectively. These values are summarized in Table 5.

고분자 물질Polymer 점멸비Flashing rain 문턱 전압
(V)
Threshold voltage
(V)
이동도
(cm2 V-1s-1)
Mobility
(cm 2 V -1 s -1 )
PTBTPTBT 3.99 x 105 3.99 x 10 5 6.72 6.72 0.03680.0368 PTBSPTBS 4.86 x 103 4.86 x 10 3 -29.18-29.18 0.01190.0119 PTBXPTBX 5.53 x 102 5.53 x 10 2 -17.62-17.62 0.00450.0045

표 5를 참조하면, 이동도 및 점멸비 결과에서 상대적으로 크기가 작은 S가 전자받게에 치환된 PTBT가 상대적으로 크기가 큰 Se가 치환된 고분자 중합물 PTBS 보다 높은 정공 이동도를 보이고 있다. 이는 유기 고분자 박막 트랜지스터 소자에서 고분자 사슬간 - 스택킹을 잘 이루게 만들어서 정공의 이동도를 3배 가까이 증가시키는 효과를 보이고 있다. 또한 O가 전자받게에 치환된 PTBX는 O원자가 전자를 가두는 역할을 하므로 점멸비와 이동도가 PTBT 와 PTBS 보다 좋지 않은 결과를 보여 준다.Referring to Table 5, in the result of mobility and flashing ratio, the PTBT substituted with a relatively small S accepts electrons, and shows higher hole mobility than the polymer polymer PTBS substituted with a larger Se. This makes the interchain stacking well in the organic polymer thin film transistor device to increase the mobility of the hole nearly three times. In addition, PTBX with O-substituted electrons traps electrons, which shows that the flashing ratio and mobility are worse than that of PTBT and PTBS.

상기 평가결과의 열적, 광학적, 전기화학적, 광전 및 유기 박막 트랜지스터 특성은 본 발명에 따른 고분자 물질이 매우 우수한 특성을 나타내고 있으며, 유기 박막 태양전지 소자에서 효과적인 태양광 흡수 광활성층 물질로 이용될 수 있음을 확인할 수 있다.The thermal, optical, electrochemical, photoelectric and organic thin film transistor characteristics of the evaluation results show that the polymer material according to the present invention exhibits excellent characteristics and can be used as an effective solar absorption photoactive layer material in organic thin film solar cell devices. can confirm.

Claims (15)

하기 화학식 1로 표시되는 전자주게-전자받게 (donor-Acceptor, D-A) 타입의 좁은 밴드갭을 갖는 구조의 교대중합 공중합물:
[화학식 1]
Figure pat00077

상기 식에서, D는 이종 고리 구조의 전자 공여 단량체이고, A는 용해도 향상과 평면성을 주기 위해 알콕시 그룹을 포함하는 이종 고리의 전자 수용 단량체이고 n은 10 내지 200의 정수이다.
An alternating polymerization copolymer of a structure having a narrow bandgap of a donor-acceptor (DA) type represented by Formula 1 below:
[Formula 1]
Figure pat00077

Wherein D is an electron donating monomer of a heterocyclic structure, A is an electron accepting monomer of a heterocyclic ring containing an alkoxy group for improving solubility and planarity, and n is an integer of 10 to 200.
제1항에 있어서, 상기 화학식 1에서 D는 하기 화학식 2 또는 3으로 표시되는 이종 고리 구조의 전자 공여 단량체인 것을 특징으로 하는 교대중합 공중합물:
[화학식 2]
Figure pat00078

[화학식 3]
Figure pat00079

상기 식에서, Z는 N, O, S, Se, 또는 Te 이다.
The alternating copolymer of claim 1, wherein in Formula 1, D is an electron donating monomer having a heterocyclic structure represented by Formula 2 or 3 below:
(2)
Figure pat00078

(3)
Figure pat00079

Wherein Z is N, O, S, Se, or Te.
제1항에 있어서, 상기 화학식 1에서 A는 화학식 4로 표시되는 이종 고리 구조의 전자 공여 단량체인 것을 특징으로 하는 교대중합 공중합물:
[화학식 4]
Figure pat00080

여기서, R은 C1 -20의 선형 또는 가지형 알킬기이고, Q는 O, S, Se, Te, N, C, 또는 Si 이다.
The alternating copolymer of claim 1, wherein A in Formula 1 is an electron donating monomer having a heterocyclic structure represented by Formula 4.
[Chemical Formula 4]
Figure pat00080

Here, R is a linear or branched alkyl group of C 1 -20, Q is O, S, Se, Te, N, C, or Si.
제1항에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 화학식 5 내지 67 중에서 선택된 이종 고리 전자 단량체 및 전자 수용 단량체를 동시에 갖는 것을 특징으로 하는 교대중합 공중합물:

[화학식 5]
Figure pat00081

[화학식 6]
Figure pat00082

[화학식 7]
Figure pat00083

[화학식 8]
Figure pat00084

[화학식 9]
Figure pat00085

[화학식 10]
Figure pat00086

[화학식 11]
Figure pat00087

[화학식 12]
Figure pat00088

[화학식 13]
Figure pat00089

[화학식 14]
Figure pat00090

[화학식 15]
Figure pat00091

[화학식 16]
Figure pat00092

[화학식 17]
Figure pat00093

[화학식 18]
Figure pat00094

[화학식 19]
Figure pat00095

[화학식 20]
Figure pat00096

[화학식 21]
Figure pat00097

[화학식 22]
Figure pat00098

[화학식 23]
Figure pat00099

[화학식 24]
Figure pat00100

[화학식 25]
Figure pat00101

[화학식 26]
Figure pat00102

[화학식 27]
Figure pat00103

[화학식 28]
Figure pat00104

[화학식 29]
Figure pat00105

[화학식 30]
Figure pat00106

[화학식 31]
Figure pat00107

[화학식 32]
Figure pat00108

[화학식 33]
Figure pat00109

[화학식 34]
Figure pat00110

[화학식 35]
Figure pat00111

[화학식 36]
Figure pat00112

[화학식 37]
Figure pat00113

[화학식 38]
Figure pat00114

[화학식 39]
Figure pat00115

[화학식 40]
Figure pat00116

[화학식 41]
Figure pat00117

[화학식 42]
Figure pat00118

[화학식 43]
Figure pat00119

[화학식 44]
Figure pat00120

[화학식 45]
Figure pat00121

[화학식 46]
Figure pat00122

[화학식 47]
Figure pat00123

[화학식 48]
Figure pat00124

[화학식 49]
Figure pat00125

[화학식 50]
Figure pat00126

[화학식 51]
Figure pat00127

[화학식 52]
Figure pat00128

[화학식 53]
Figure pat00129

[화학식 54]
Figure pat00130

[화학식 55]
Figure pat00131

[화학식 56]
Figure pat00132

[화학식 57]
Figure pat00133

[화학식 58]
Figure pat00134

[화학식 59]
Figure pat00135

[화학식 60]
Figure pat00136

[화학식 61]
Figure pat00137

[화학식 62]
Figure pat00138

[화학식 63]
Figure pat00139

[화학식 64]
Figure pat00140

[화학식 65]
Figure pat00141

[화학식 66]
Figure pat00142

[화학식 67]
Figure pat00143

상기 식에서, R은 C1 -20의 선형 또는 가지형 알킬기이다.
The alternating copolymer according to claim 1, wherein Formula 1 has a heterocyclic electron monomer and an electron accepting monomer selected from Formulas 5 to 67 at the same time:

[Chemical Formula 5]
Figure pat00081

[Chemical Formula 6]
Figure pat00082

(7)
Figure pat00083

[Chemical Formula 8]
Figure pat00084

[Chemical Formula 9]
Figure pat00085

[Formula 10]
Figure pat00086

(11)
Figure pat00087

[Chemical Formula 12]
Figure pat00088

[Chemical Formula 13]
Figure pat00089

[Chemical Formula 14]
Figure pat00090

[Chemical Formula 15]
Figure pat00091

[Chemical Formula 16]
Figure pat00092

[Chemical Formula 17]
Figure pat00093

[Chemical Formula 18]
Figure pat00094

[Chemical Formula 19]
Figure pat00095

[Chemical Formula 20]
Figure pat00096

[Chemical Formula 21]
Figure pat00097

[Chemical Formula 22]
Figure pat00098

(23)
Figure pat00099

[Formula 24]
Figure pat00100

[Formula 25]
Figure pat00101

[Formula 26]
Figure pat00102

[Formula 27]
Figure pat00103

[Formula 28]
Figure pat00104

[Formula 29]
Figure pat00105

[Formula 30]
Figure pat00106

(31)
Figure pat00107

(32)
Figure pat00108

[Formula 33]
Figure pat00109

(34)
Figure pat00110

(35)
Figure pat00111

(36)
Figure pat00112

(37)
Figure pat00113

(38)
Figure pat00114

[Chemical Formula 39]
Figure pat00115

(40)
Figure pat00116

(41)
Figure pat00117

(42)
Figure pat00118

(43)
Figure pat00119

(44)
Figure pat00120

[Formula 45]
Figure pat00121

(46)
Figure pat00122

(47)
Figure pat00123

[Formula 48]
Figure pat00124

(49)
Figure pat00125

(50)
Figure pat00126

[Formula 51]
Figure pat00127

[Formula 52]
Figure pat00128

[Formula 53]
Figure pat00129

(54)
Figure pat00130

(55)
Figure pat00131

(56)
Figure pat00132

[Formula 57]
Figure pat00133

(58)
Figure pat00134

[Chemical Formula 59]
Figure pat00135

[Formula 60]
Figure pat00136

(61)
Figure pat00137

(62)
Figure pat00138

(63)
Figure pat00139

&Lt; EMI ID =
Figure pat00140

(65)
Figure pat00141

(66)
Figure pat00142

(67)
Figure pat00143

Wherein, R is a linear or branched alkyl group of C 1 -20.
제4항에 있어서, 상기 R은 C6 -14인 것을 특징으로 하는 교대중합 공중합물.
5. The method of claim 4, wherein R is an alternating copolymer the polymerization, characterized in that C 6 -14.
제1항에 있어서, 상기 화학식 1이 폴리{5,6-비스(옥틸옥시)-4-(티오펜-2-일)벤조[c][1,2,5]티아다이아졸}(PTBT)인 것을 특징으로 하는 교대중합 공중합물.
The compound of claim 1, wherein Formula 1 is poly {5,6-bis (octyloxy) -4- (thiophen-2-yl) benzo [c] [1,2,5] thiadiazole} (PTBT) An alternating polymerization copolymer, characterized in that
제1항에 있어서, 수평균 분자량이 10,000 g/mol 내지 80,000 g/mol인 것을 특징으로 하는 교대중합 공중합물.
The alternating copolymer of claim 1, wherein the number average molecular weight is 10,000 g / mol to 80,000 g / mol.
제7항에 있어서, 수평균 분자량이 30,000 g/mol 내지 40,000 g/mol인 것을 특징으로 하는 교대중합 공중합물.
8. The alternating copolymer of claim 7 wherein the number average molecular weight is 30,000 g / mol to 40,000 g / mol.
태양광 흡수 광활성층이 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 교대중합 공중합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 고분자 박막 태양전지.
An organic polymer thin film solar cell, wherein the solar absorption photoactive layer comprises an alternating polymerization copolymer according to any one of claims 1 to 8.
태양광 흡수 광활성층이 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 교대중합 공중합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반전된 유형의 유기 고분자 박막 태양전지.
An inverted type organic polymer thin film solar cell, wherein the solar absorbing photoactive layer comprises an alternating polymerization copolymer according to any one of claims 1 to 8.
제10항에 있어서, 상기 태양전지에서 정공 수송층은 NiO, Ta2O3, MoO3, Ru2O3, 유기계 양이온 및 음이온 공액고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속산화물인 것을 특징으로 하는 반전된 유형의 유기 고분자 박막 태양전지.
The method of claim 10, wherein the hole transport layer in the solar cell is inverted, characterized in that at least one metal oxide selected from the group consisting of NiO, Ta 2 O 3 , MoO 3 , Ru 2 O 3 , an organic cation and an anionic conjugated polymer electrolyte Type organic polymer thin film solar cell.
제10항에 있어서, 상기 태양전지에서 전자 수송층은 TiOx, ZnO, TiO2, ZrO2, MgO, HfO2, 유기계 양이온 및 음이온 공액고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 반전된 유형의 유기 고분자 박막 태양전지.
The method of claim 10, wherein the electron transport layer in the solar cell is TiO x , ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , MgO, HfO 2 , An inverted type organic polymer thin film solar cell, characterized in that one selected from the group consisting of an organic cation and an anionic conjugated polymer electrolyte.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 태양광 흡수 광활성층은 첨가제로서 알칸다이타이올(alkanedithiol)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 고분자 박막 태양전지.
The organic polymer thin film solar cell according to claim 9 or 10, wherein the photoabsorption photoactive layer comprises alkanedithiol as an additive.
제13항에 있어서, 상기 태양광 흡수 광활성층은 첨가제로서 1,8-옥탄다이타이올(ODT)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 고분자 박막 태양전지.
The organic polymer thin film solar cell of claim 13, wherein the solar absorption photoactive layer comprises 1,8-octanedithiol (ODT) as an additive.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 교대중합 공중합물을 활성 물질로서 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.An organic thin film transistor comprising the alternating polymerization copolymer according to any one of claims 1 to 8 as an active material.
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WO2016163624A1 (en) * 2015-04-07 2016-10-13 한국화학연구원 Conjugated polymer having mid band gap, method for preparing same, and organic electronic device having applied same
WO2023054016A1 (en) * 2021-09-30 2023-04-06 住友化学株式会社 Photoelectric conversion element

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8558108B2 (en) * 2008-04-11 2013-10-15 Toray Industries, Inc. Electron donating material, material for photovoltaic devices and photovoltaic device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016163624A1 (en) * 2015-04-07 2016-10-13 한국화학연구원 Conjugated polymer having mid band gap, method for preparing same, and organic electronic device having applied same
KR101666353B1 (en) * 2015-04-07 2016-10-17 한국화학연구원 Mid Band-gap conjugated polymers and method for manufacturing thereof and organo-electronic devices using the same
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