KR20140058417A - 유기 화합물 및 이를 포함하는 광기전 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일반 구조식 I의 유기 화합물과, 이 일반 구조식 I의 화합물을 포함하는 광기전 소자 및 광기전 층을 제공한다. 상기 유기 화합물은 막대 모양의 초거대 분자를 형성하고, 하나 이상의 소정 스펙트럼 종속 범위 내에서 파장 범위가 400㎚ 내지 3000㎚인 전자기 복사선을 흡수하며, 이때 전자-정공 쌍이 여기된다. 다환 코어 Cor1, 가교기 B 및 다환 코어 Cor2는 공여체-가교-수용체-가교-공여체 및 수용체-가교-공여체-가교-수용체를 포함하는 목록으로부터 선택되는 분자 시스템을 형성하며, 여기서 여기된 전자-정공 쌍의 해리가 수행된다. 유기 화합물 또는 이의 염 형태의 용액은 기재 상에 고체 광기전 층을 형성한다.

Description

유기 화합물 및 이를 포함하는 광기전 소자{ORGANIC COMPOUND AND PHOTOVOLTAIC DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 일반적으로 유기 화학 분야, 특히 빛 에너지를 전환하기 위한, 구체적으로 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 광기전 소자 및 유기 화합물에 관한 것이다.
유기 재료를 주성분으로 하는 태양 전지 또는 광기전(PV) 소자의 개발은 실질적인 응용 가능성을 가지는 중요한 연구 분야가 되었다. 이러한 소자들의 특징들, 예를 들어 저 비용 및 광역 생산성과 함께 가요성 기재와의 양립 가능성 및 다능성은, 종래의 무기 실리콘계 태양 전지와 비교하여 상기 소자들에 이점을 제공한다. 다양한 유기 반도체들 중 2D 컬럼형 구조물을 형성하는 액정(LC)(문헌[C. Destrade, P. Foucher, H. Gasparroux, N. H. Tinh, A. M. Levelut, J. Malthete, Mol. Cryst . Liq . Cryst. 1984, 106, 121] 참조)은 PV 용도로서 전도 유망한 재료이다(문헌[L. Schmidt-Mende, A. FechtenkOtter, K. Mullen, E. Moons, R. H. Friend, J. D. MacKenzie, Science 2001, 293, 1119] 참조). 많은 노력에도 불구하고, 효율적인 유기 태양 전지를 현실화하는 것은 과학적 주요 난제로 남아 있다. 폴리(2-메톡시-5-(2' -에틸-헥시옥시)-p-페닐렌비닐렌)(MEH-PPV) 공중합체 및 페릴렌-페닐-에틸-이미드 유도체(PPEI)를 주성분으로 하는 광기전 변환 물질이 알려져 있다(문헌 [J. J. Dittmer et al., Synthetic Metals, Vol. 102, 879-880 (1999)] 참조). 이러한 시스템에서, MEH-PPV는 정공 수용체(hole acceptor)로서 작용하며, PPEI는 전자 수용체(정공 공여체(hole donor))로서 작용한다. 유기 반도체에서 빛을 발생시키는 여기자는 추후 공여체와 수용체 요소들 사이의 계면에서 유리 전하 캐리어(전자 및 정공)로 붕괴한다. PPEI의 도입은 이러한 시스템을 이용하는 광기전 소자의 외부 양자 효율을 상당히 증가시킨다. PPEI 입자는 여기자 확산 거리(약 9㎚)에 상당하는 거리에 걸쳐 존재하는 MEH-PPV 매트릭스 공간 내에 분포한다. 그러므로, 전하 분리는 PPEI의 존재 하에 박막 MEH-PPV 구조물 내에서 촉진된다.
또 다른 공지된 광전지는 유기 전자 수용체 재료로 제조된 제2 층과 접촉하는, 유기 전자 공여체 재료로 이루어진 제1 층을 포함한다(Klaus Petritsch, PhD Thesis, "Organic Solar Cell Architectures", Cambridge and Graz, July 2000, Chapter 4, Double Layer Devices, p.67). 이러한 전자 공여체 재료 및 전자 수용체 재료는 350㎚ 내지 1000㎚ 파장 범위에서 빛을 흡수할 수 있으며, 이러한 재료들은 서로 접촉될 때 정류 접합을 형성할 수 있다. 전지에는 적어도 유기 층들의 표면의 일부와 저항 접촉을 형성하는 전극들이 제공된다. 상기 광전지의 뚜렷한 특징은, 사용된 유기 재료가 일반적으로 2차원적 다환 핵을 포함하는 유기 화합물을 함유한다는 점이다. 이러한 화합물은 전체 두께가 0.5마이크론을 넘지 않는 층상 구조물을 형성할 수 있다.
상기 언급된 재료들의 유기 층들은 광기전 소자의 단점인 결정 구조를 가지지 않는다. 이러한 이유로, 이들 층에서 전자 및 정공의 이동도는 동일한 다량의 결정질 재료에서의 전자 및 정공의 이동도에 비하여 훨씬 느리다. 결과적으로, 전자와 정공은 여기자 수명 동안 반도체 구조의 활동 영역을 떠나지 않고 다시 결합하게 된다. 이와 같은 전자-정공 쌍들은 광전류에 기여하지 않으며, 광기전 변환 효율은 감소한다. 뿐만 아니라, 전자와 정공의 이동도의 감소는 재료의 비저항을 증가시키게 되므로, 이에 따라 광기전 소자의 직렬 저항을 증가시키게 된다. 이는 저항손의 증가 및 광기전 변환 효율의 추가적인 감소를 의미한다. 상기 언급된 광기전 소자의 또 다른 단점은, 비 결정질 재료는 광 발생 여기자의 확산 거리가 매우 짧다는 점이다. 이로 인하여 두께가 여기자 확산 거리와 거의 동일한 초박층 광기전 구조물을 사용하는 것이 필요하며, 또한 이는 광기전 소자의 외부 및 내부 양자 효율을 둘 다 감소시킨다.
개시된 유기 화합물과 이 유기 화합물을 기반으로 하는 광기전 소자는 선행 기술의 광기전 소자와 유기 화합물의 단점들을 극복하고자 한다.
본 발명의 명세서와 특허청구범위에서 사용된 다양한 용어들의 정의는 이하에 나열되어 있다.
"공간군 C 2v "는 도 1에 나타내어져 있으며, 이는 분자 또는 분자 부가 하나의 2 회전축 AA' 회전축에 평행인 대칭면 M1을 가진다는 것을 나타낸다. 상기 2회전축과 대칭면이 합하여지면 대칭면(M2)이 하나 더 생기는데, 이 M2는 회전축에 평행이며 제1 대칭면 M1에는 수직이다.
"공간군 D 2h "는 도 2에 나타내어져 있으며, 이는 분자 또는 분자 부가 서로 수직인 2개의 2 회전축 AA' 및 BB' 상기 회전축들 중 하나에 수직인 대칭면 M1을 가진다는 것을 나타낸다. 대칭 요소가 합하여지면 서로 수직이면서, 초기 대칭면에도 수직인 2개의 추가적인 대칭면(M2 및 M3)이 생긴다. 또한, 초기 2-축에 수직인 1개의 추가적인 2-축(CC')이 제공된다. 반전 중심(inversion center)(O)은 분자 구조의 중심에 있다.
본 발명은 하기 일반 구조식 I의 유기 화합물을 제공하며,
[구조식 I]
Figure pct00001
상기 식 중, Cor1은 제1형 다환 코어이고; Cor2는 제2형 다환 코어이며; B는 공유 화학 결합을 통하여 다환 코어 Cor1과 다환 코어 Cor2 간 결합을 제공하는 가교기이고; R1 및 R2는 적당한 용매 중 유기 화합물의 용해성을 제공하는 분자기이며; m은 1, 2, 3 또는 4이고; n은 0, 1, 2, 3 또는 4이며; 따라서 X1 및 X2는 다환 코어 Cor1 및 Core2의 에너지 준위 HOMO 및 LUMO를 변환시키는 변환기이고; p는 0, 1, 2이며; q는 0, 1, 2이다. 상기 유기 화합물은 π-π 상호 작용으로 인하여 막대 모양의 초거대 분자를 형성하고, 하나 이상의 소정 스펙트럼 종속 범위 내에서 파장 범위가 400㎚ 내지 3000㎚인 전자기 복사선을 흡수하며, 이때 전자-정공 쌍이 여기된다. 다환 코어 Cor1, 가교기 B 및 다환 코어 Cor2는 공여체-가교-수용체-가교-공여체 및 수용체-가교-공여체-가교-수용체를 포함하는 목록으로부터 선택되는 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1을 형성하며, 여기서 여기된 전자-정공 쌍의 해리가 수행된다.
추가의 양태에서, 본 발명은 제1 전극과 제2 전극, 그리고 전면 및 후면을 가지는 1개 이상의 광기전 층을 포함하는 광기전 소자를 제공한다. 상기 광기전 층은 하기 일반 구조식 I을 가지는 1개 이상의 유기 화합물을 포함하며,
[구조식 I]
Figure pct00002
상기 식 중, Cor1은 제1형 다환 코어이고; Cor2는 제2형 다환 코어이며; B는 공유 화학 결합을 통하여 다환 코어 Cor1과 다환 코어 Cor2 간 결합을 제공하는 가교기이고; R1 및 R2는 적당한 용매 중 유기 화합물의 용해성을 제공하는 분자기이며; m은 1, 2, 3 또는 4이고; n은 0, 1, 2, 3 또는 4이며; 따라서 X1 및 X2는 다환 코어 Cor1 및 Cor2의 에너지 준위 HOMO 및 LUMO를 변환시키는 변환기이고; p는 0, 1, 2이며; q는 0, 1, 2이다. 상기 유기 화합물은 π-π 상호 작용으로 인하여 막대 모양의 초거대 분자를 형성하고, 하나 이상의 소정 스펙트럼 종속 범위 내에서 파장 범위가 400㎚ 내지 3000㎚인 전자기 복사선을 흡수하며, 이때 전자-정공 쌍이 여기된다. 다환 코어 Cor1, 가교기 B 및 다환 코어 Cor2는 공여체-가교-수용체-가교-공여체 및 수용체-가교-공여체-가교-수용체를 포함하는 목록으로부터 선택되는 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1을 형성하며, 여기서 여기된 전자-정공 쌍의 해리가 수행된다. 유기 화합물은 광기전 층 표면에 대해서 수직 배향되고, 다환 코어 Cor1 및 Cor2는 제1형의 π-π 스택 및 제2형의 π-π 스택으로 각각 조립된다. 하나의 유형의 스택은 전자 운반을 실현하고, 다른 유형의 스택은 정공 운반을 실현하며, 상기 스택들은 분자기 R1 및 R2에 의해 서로 전기적으로 절연된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 하기 일반 구조식 I을 가지는 1개 이상의 유기 화합물을 포함하는 광기전 층을 제공하며,
[구조식 I]
Figure pct00003
상기 식 중, Cor1은 제1형 다환 코어이고; Cor2는 제2형 다환 코어이며; B는 공유 화학 결합을 통하여 다환 코어 Cor1과 다환 코어 Cor2 간 결합을 제공하는 가교기이고; R1 및 R2는 적당한 용매 중 유기 화합물의 용해성을 제공하는 분자기이며; m은 1, 2, 3 또는 4이고; n은 0, 1, 2, 3 또는 4이며; 따라서 X1 및 X2는 다환 코어 Cor1 및 Cor2의 에너지 준위 HOMO 및 LUMO를 변환시키는 변환기이고; p는 0, 1, 2이며; q는 0, 1, 2이다. 상기 유기 화합물은 π-π 상호 작용으로 인하여 막대 모양의 초거대 분자를 형성하고, 하나 이상의 소정 스펙트럼 종속 범위 내에서 파장 범위가 400㎚ 내지 3000㎚인 전자기 복사선을 흡수하며, 이때 전자-정공 쌍이 여기된다. 다환 코어 Cor1, 가교기 B 및 다환 코어 Cor2는 공여체-가교-수용체-가교-공여체 및 수용체-가교-공여체-가교-수용체를 포함하는 목록으로부터 선택되는 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1을 형성하며, 여기서 여기된 전자-정공 쌍의 해리가 수행된다. 유기 화합물은 광기전 층 표면에 대해서 수직 배향되고, 다환 코어 Cor1 및 Cor2는 제1형의 π-π 스택 및 제2형의 π-π 스택으로 각각 조립된다. 하나의 유형의 스택은 전자 운반을 실현하고, 다른 유형의 스택은 정공 운반을 실현하며, 상기 스택들은 분자기 R1 및 R2에 의해 서로 전기적으로 절연된다.
본 발명의 이러한 특징들 및 이점들과 다양한 기타 다른 특징들 및 이점들은 다음과 같은 첨부 도면과 하기에 제공된 첨부된 특허청구범위와 함께 하기 상세한 설명을 참고로 하여 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 공간군 C 2v 를 나타낸다.
도 2는 공간군 D 2h 를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 의한 광기전 소자의 횡단면도를 나타낸다.
본 발명의 개괄적인 설명이 제공되었는데, 특정 구체예를 참고로 하여 더욱 잘 이해될 수 있으며, 상기 구체예는 본원에 단지 예시의 목적으로 제공되는 것이고, 첨부된 특허청구범위의 범주를 한정하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 상기 개시된 바와 같은 유기 화합물을 제공한다. 유기 화합물 또는 이의 염 형태의 용액은 기재 상에 고체 광기전 층을 형성한다. 개시된 유기 화합물에 관한 하나의 구체예에서, 다환 코어들 중 1개 이상은 복소환 코어이다. 개시된 화합물에 관한 하나의 구체예에서, 용해성 제공기 R1 및 R2는 -COOH, -SO3H 및 -H2PO3(물 또는 수혼화성 용매용); 및 선형 및 분지형 (C1-C35)알킬, (C2-C35)알케닐 및 (C2-C35)알키닐, 치환된 알킬, 치환된 아릴 및 이것들의 임의의 조합(유기 용매용)을 포함하는 목록으로부터 독립적으로 선택되며, 여기서 이들 기는 코어 Cor1 및 Cor2와 직접 연결되어 있거나, 또는 아릴, -C(O)-, -C(O)O-, -C(O)-NH-, -(SO2)NH-, -O-, -CH2O-, -NH-, >N- 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 스페이서를 통해 연결되어 있다. 본 화합물에 관한 또 다른 구체예에서, 가교기 B들 중 1개 이상은 p-페닐렌(PhP) 올리고머(식 중, p는 1, 2, 3, 4 또는 5임); 2,7-올리고플루오렌(Fls) 올리고머(식 중, s는 1, 2, 3 또는 4임); 및 알킬렌기-(CH2)j-(식 중, j는 1, 2, 3 또는 4임)를 포함하는 목록으로부터 선택된다. 본 화합물에 관한 또 다른 구체예에서, 변환기 X1 및 X2는 H, Cl, Br, F, OH, NO2, NO 및 NH2를 포함하는 목록으로부터 독립적으로 선택된다. 본 화합물에 관한 또 다른 구체예에서, 다환 코어 Cor1 및 Cor2 중 1개 이상은 질소, 산소, 황 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 이종 원자를 포함한다.
본 화합물에 관한 또 다른 구체예에서, 다환 코어 Cor2는 표 1에 나타낸 1 내지 5의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택된다.
[표 1]
Figure pct00004
본 화합물에 관한 또 다른 구체예에서, 다환 코어 Cor1은 표 2에 나타낸 6 내지 20의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택된다.
[표 2]
Figure pct00005

Figure pct00006
Figure pct00007
개시된 화합물에 관한 하나의 구체예에서, 코어 Cor1은 C2v 또는 D2h 공간군의 대칭성을 보유하며, 코어 Cor2는 D2h 공간군의 대칭성을 보유한다. 개시된 화합물에 관한 또 다른 구체예에서, 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1은 D2h 공간군의 대칭성을 보유한다. 본 화합물에 관한 하나의 구체예에서, 공여체의 에너지 준위는 HOMOA < HOMOD ≤ LUMOA - 1eV 및 LUMOA < LUMOD의 등식에 따라서 수용체의 에너지 준위와 상관되어 있다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 페릴렌 디이미드는 수용체 코어 Cor2의 역할을 하고, 가교기 B는 페닐 및 비페닐을 포함하는 목록으로부터 선택되며, 공여체 코어 Cor1의 에너지 준위 HOMOD 및 LUMOD는 -6.0eV < HOMOD < -5.5eV 및 -4.0eV < LUMOD의 조건을 만족시킨다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 유기 화합물은 표 3에 나타낸 21 내지 26의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택된다.
[표 3]
Figure pct00008
Figure pct00009
Figure pct00010
상기 표의 식 중, R, R1 및 R2는 선형 및 분지형 (C1-C35)알킬, (C2-C35)알케닐 및 (C2-C35)알키닐, 치환된 알킬, 치환된 아릴 및 이것들의 임의의 조합이고; X는 Cl 또는 Br이다.
개시된 화합물에 관한 또 다른 구체예에서, 적당한 용매는 물, 수혼화성 용매, 케톤, 카복실산, 탄화수소, 환형 탄화수소, 염화 탄화수소, 알코올, 에테르, 에스테르 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택된다.
본 발명은 또한 상기 개시된 바와 같은 광기전 소자를 제공하기도 한다. 개시된 광기전 소자에 관한 하나의 구체예에서, 다환 코어 Cor1 및 Cor2 중 1개 이상은 복소환 코어이다. 개시된 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 용해성 제공기 R1 및 R2는 -COOH, -SO3H 및 -H2PO3(물 또는 수혼화성 용매용); 및 선형 및 분지형 (C1-C35)알킬, (C2-C35)알케닐 및 (C2-C35)알키닐, 치환된 알킬, 치환된 아릴 및 이것들의 임의의 조합(유기 용매용)을 포함하는 목록으로부터 독립적으로 선택되며, 여기서 이들 기는 코어 Cor1 및 Cor2와 직접 연결되어 있거나, 또는 아릴, -C(O)-, -C(O)O-, -C(O)-NH-, -(SO2)NH-, -O-, -CH2O-, -NH-, >N- 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 스페이서를 통해 연결되어 있다. 개시된 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 가교기 B들 중 1개 이상은 p-페닐렌(PhP) 올리고머(식 중, p는 1, 2, 3, 4 또는 5임); 2,7-올리고플루오렌(Fls) 올리고머(식 중, s는 1, 2, 3 또는 4임); 및 알킬렌기-(CH2)j-(식 중, j는 1, 2, 3 또는 4임)를 포함하는 목록으로부터 선택된다. 개시된 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 변환기 X1 및 X2는 H, Cl, Br, F, OH, NO2, NO 및 NH2를 포함하는 목록으로부터 선택된다. 개시된 광기전 소자에 관한 하나의 구체예에서, 다환 코어 Cor1 및 Cor2 중 1개 이상은 질소, 산소, 황 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 이종 원자를 포함한다. 개시된 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 다환 코어 Cor2는 표 1에 나타낸 1 내지 5의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택된다. 개시된 광기전 소자에 관한 하나의 구체예에서, 다환 코어 Cor1은 표 2에 나타낸 6 내지 20의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택된다. 개시된 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 다환 코어 Cor1은 C2v 또는 D2h 공간군의 대칭성을 보유하며, 코어 Cor2는 D2h 공간군의 대칭성을 보유한다. 개시된 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1은 D2h 공간군의 대칭성을 보유한다. 개시된 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 공여체의 에너지 준위는 HOMOA < HOMOD ≤ LUMOA - 1eV 및 LUMOA < LUMOD의 등식에 따라서 수용체의 에너지 준위와 상관되어 있다. 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 페릴렌 디이미드는 수용체 코어 Cor2의 역할을 하고, 가교기 B는 페닐 및 비페닐을 포함하는 목록으로부터 선택되며, 공여체 코어 Cor1의 에너지 준위 HOMOD 및 LUMOD는 -6.0eV < HOMOD < -5.5eV 및 -4.0eV < LUMOD의 조건을 만족시킨다. 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 본 화합물은 표 3에 나타낸 21 내지 26의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택된다.
본 발명의 하나의 구체예에서, 개시된 광기전 소자는 광기전 층, 상기 광기전 층 전면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 그리고 상기 광기전 층 후면의 적어도 일부에 형성된 제2 전극을 포함한다. 개시된 광기전 소자에 관한 하나의 구체예에서, 제2 전극은 소자에 입사되는 전자기 복사선에 대한 반사 전극이다. 개시된 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 하나의 상기 전극은 전자에 장벽 접촉(barrier contact)과 정공 수확 접촉(hole-harvesting contact)을 제공하는 일 함수를 가지는 재료로 이루어져 있으며, 또 다른 상기 전극은 정공에 장벽 접촉과 전자 수확 접촉을 제공하는 일 함수를 가지는 재료로 이루어져 있다. 개시된 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 전극 재료는 금속, ITO(인듐 주석 산화물), 탄소 나노튜브 도전성 코팅재, PEDOT:PSS 층, 프탈로시아닌, LiF 및 알루미늄 도핑된 아연 산화물을 포함하는 목록으로부터 선택된다. 개시된 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 하나의 상기 전극은 광기전 층과 접촉하는 전자-수용체 층을 포함하고, 또 다른 상기 전극은 광기전 층과 접촉하는 전자-공여체 층을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 개시된 광기전 소자는 상기 전극과 상기 광기전 층을 보유하는 기재를 추가로 포함한다. 개시된 광기전 소자에 관한 하나의 구체예에서, 기재는 중합체 및 유리를 포함하는 목록으로부터 선택되는 재료로 이루어져 있다. 개시된 광기전 소자에 관한 또 다른 구체예에서, 기재는 상기 소자가 감수성인 입사 전자기 복사선에 대하여 투과성이다.
도 3은 제1 전극(1)과 제2 전극(2) 사이에 위치하는 광기전 층(4)을 기반으로 하는, 개시된 광기전 소자의 모식도를 제시한 것이다. 제1 전극은 전자에 장벽 접촉과 정공 수확 접촉을 제공하는 일 함수를 가지는 재료로 이루어져 있으며, 제2 전극은 정공에 장벽 접촉과 전자 수확 접촉을 제공하는 일 함수를 가지는 재료로 이루어져 있다. 전극 재료는 금속, ITO(인듐 주석 산화물), 탄소 나노튜브 도전성 코팅재, PEDOT:PSS 층, 프탈로시아닌, LiF 및 알루미늄 도핑된 아연 산화물을 포함하는 목록으로부터 선택될 수 있다. 상기 전극들 중 1개 이상은 상기 광기전 층이 감수성인 입사 전자기 복사선에 대하여 투과성이므로, 도 3에 나타낸 제1 전극은 투과성이다. 상기 광기전 층(4)은 광기전 층의 표면에 대하여 수직으로 배향된 유기 화합물(이 화합물은 막대 모양의 초거대 분자를 형성함)을 포함한다. 상기 막대 모양의 초거대 분자는, 상이한 전류 도전 경로에 전자 및 정공 도전성을 각각 제공하는 단일 유형의 다환 코어의 π-π 상호 작용에 의해 형성된다. 이러한 전류 도전 경로는 유기 화합물의 용해성을 제공하는 기들로 인하여 상기 경로들 간 전기적으로 절연되어 있다. 전체 구조는 기재(5) 상에 형성되며, 전극은 저항성 부하(3)에 연결된다. 기재는 중합체 및 유리를 포함하는 목록으로부터 선택되는 재료로 이루어져 있다.
본 발명의 하나의 구체예에서, 광기전 소자는 2개 이상의 상기 광기전 층들을 추가로 포함하는데, 상기 광기전 층들은 일반 구조식 I을 가지고, 동일하거나 상이한 스펙트럼 종속 범위 내에서 파장 범위가 400㎚ 내지 3000㎚인 전자기 복사선의 흡수를 보장하는, 상이한 유기 화합물들을 포함한다.
본 발명은 상기 개시된 바와 같은 광기전 층을 제공한다. 개시된 광기전 층에 관한 하나의 구체예에서, 다환 코어 Cor1 및 Cor2 중 1개 이상은 복소환 코어이다. 개시된 광기전 층에 관한 또 다른 구체예에서, 용해성 제공기 R1 및 R2는 -COOH, -SO3H 및 -H2PO3(물 또는 수혼화성 용매용); 및 선형 및 분지형 (C1-C35)알킬, (C2-C35)알케닐 및 (C2-C35)알키닐, 치환된 알킬, 치환된 아릴 및 이것들의 임의의 조합(유기 용매용)을 포함하는 목록으로부터 독립적으로 선택되며, 여기서 이들 기는 코어 Cor1 및 Cor2와 직접 연결되어 있거나, 또는 아릴, -C(O)-, -C(O)O-, -C(O)-NH-, -(SO2)NH-, -O-, -CH2O-, -NH-, >N- 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 스페이서를 통해 연결되어 있다. 개시된 광기전 층에 관한 또 다른 구체예에서, 가교기 B들 중 1개 이상은 p-페닐렌(PhP) 올리고머(식 중, p는 1, 2, 3, 4 또는 5임); 2,7-올리고플루오렌(Fls) 올리고머(식 중, s는 1, 2, 3 또는 4임); 및 알킬렌기-(CH2)j-(식 중, j는 1, 2, 3 또는 4임)를 포함하는 목록으로부터 선택된다. 개시된 광기전 층에 관한 또 다른 구체예에서, 변환기 X1 및 X2는 H, Cl, Br, F, OH, NO2, NO 및 NH2를 포함하는 목록으로부터 선택된다. 개시된 광기전 층에 관한 하나의 구체예에서, 다환 코어 Cor1 및 Cor2 중 1개 이상은 질소, 산소, 황 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 이종 원자를 포함한다. 개시된 광기전 층에 관한 또 다른 구체예에서, 다환 코어 Cor2는 표 1에 나타낸 1 내지 5의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택된다. 개시된 광기전 층에 관한 하나의 구체예에서, 다환 코어 Cor1은 표 2에 나타낸 6 내지 20의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택된다. 개시된 광기전 층에 관한 또 다른 구체예에서, 다환 코어 Cor1은 C2v 또는 D2h 공간군의 대칭성을 보유하며, Cor2는 D2h 공간군의 대칭성을 보유한다. 개시된 광기전 층에 관한 또 다른 구체예에서, 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1은 D2h 공간군의 대칭성을 보유한다. 개시된 광기전 층에 관한 또 다른 구체예에서, 공여체의 에너지 준위는 HOMOA < HOMOD ≤ LUMOA - 1eV 및 LUMOA < LUMOD의 등식에 따라서 수용체의 에너지 준위와 상관되어 있다. 광기전 층에 관한 또 다른 구체예에서, 페릴렌 디이미드는 수용체 코어 Cor2의 역할을 하고, 가교기 B는 페닐 및 비페닐을 포함하는 목록으로부터 선택되며, 공여체 코어 Cor1의 에너지 준위 HOMOD 및 LUMOD는 -6.0eV < HOMOD < -5.5eV 및 -4.0eV < LUMOD의 조건을 만족시킨다. 광기전 층에 관한 또 다른 구체예에서, 본 화합물은 표 3에 나타낸 21 내지 26의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택된다.
본 발명이 더 용이하게 이해될 수 있도록 하기 위해서, 하기 실시예를 참고하며, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것으로 의도되지만 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
본 실시예는 본 발명에 의한 유기 화합물의 합성법을 기술하는데, 여기서 페릴렌 유도체(구조식 1)는 다환 코어 Cor2의 역할을 하고, 카바졸(구조식 19)은 다환 코어 Cor1의 역할을 하며, 페닐은 가교기 B의 역할을 한다(반응식 1).
[반응식 1]
Figure pct00011
유기 화합물을 소노가시라 반응(Sonogashira reaction)에 의해 합성하였는데, 이때 N,N-비스[3,4-디(헥사데실옥시)벤질]-1,7-디브로모페릴렌 디이미드는 9-(4-에티닐페닐)카바졸과 커플링된다.
1. 9-(4- 에티닐페닐 ) 카바졸의 합성(반응식 2)
[반응식 2]
Figure pct00012
절차:
단계 1: 트리에틸아민 60㎖ 중 9-(4-브로모페닐)카바졸(4.9g, 15.3mmol), 트리메틸실릴아세틸렌(2.17㎖), 트리페닐포스핀(0.19g) 및 Pd(PPh3)2Cl2(0.12g)의 혼합물을 15분 동안 탈기시켰다. 반응 혼합물을 5분 동안 끓인 다음, CuI(0.12g)를 첨가하였다. 생성된 혼합물을 12시간 더 끓였다. 혼합물을 완전히 냉각될 때까지 실온에서 방치시키고, 침전물을 여과로 분리하였다. 여과액을 회전식 증발기 상에서 증발시켰으며, 잔류물은 헥산을 용리액으로 사용하는 컬럼 크로마토그래피로 정제하고 나서, 헵탄으로부터 재결정화하였다. 수율은 76%였다.
단계 2: 무수 THF 50㎖ 중 카바졸(3)(2.0g) 및 플루오르화 테트라부틸암모늄의 혼합물을 실온에서 12시간 동안 교반하였는데, 이 경우 플루오르화 테트라부틸암모늄의 양은 카바졸 1몰에 대하여 플루오르화 테트라부틸암모늄 3몰로 선택하였다. 생성된 혼합물을 1N HCl(50㎖)로 처리하였으며, 이를 에테르로 추출하였다(2×50㎖). 유기층이 분리되었는데, 이를 황산마그네슘 상에서 건조시키고 나서, 용매를 감압 하에서 제거한 후, 잔류물을 헥산으로부터 재결정화한 결과, 카바졸(4)을 생성하였다. 카바졸(4)의 수율은 65%였다.
2. N,N-비스[3,4-디( 헥사데실옥시 )벤질]-1,7-비스[4-( 카바졸 -9-일) 페닐 -4- 에티닐 ] 페릴렌 디이미드의 합성
유기 화합물(8)의 합성은, 소노가시라 반응 조건 하에서 앞서 수득한 디이미드(9)와 에티닐카바졸(4)의 직접 커플링 단계를 포함하였다(반응식 3). 디이미드(9)의 순도는 TLC에 의해 제어되었으며, 이를 CHCl3-MeOH 시스템으로부터 2회 재침전시키고 나서, NMR 1H 스펙트럼을 측정하였다.
[반응식 3]
Figure pct00013
디이미드(9)(1.8g), Pd(PPh3)2Cl2(0.23g), 트리페닐포스핀(0.10g) 및 CuI(0.06g)를, NEt3(40㎖) 및 THF(60㎖)의 혼합물 중에 용해하였다. 생성된 용액을 수회 탈기시키고 나서, 이를 60℃에서 20분 동안 가열하였다. 9-(4-에티닐페닐)카바졸(0.8g)을 아르곤 대기 하에서 상기 용액에 1부 첨가하였다. 반응 혼합물을 2시간 동안 가열하고 나서, 완전히 냉각될 때까지 실온에서 방치시켰다. 형성된 침전물을 여과로 분리한 다음, 중량이 일정해질 때까지 건조시킨 후, CHCl3-MeOH 시스템으로부터 재침전시키고 나서, CHCl3로부터 재결정화하였다. 유기 화합물(8)의 수득량은 1.1g이었다.
실시예 2
본 실시예는 본 발명에 의한 유기 화합물의 합성법을 기술하는데, 여기서 페릴렌 유도체(구조식 1)는 다환 코어 Cor2의 역할을 하고, 구조식 20은 다환 코어 Cor1의 역할을 하며, 페닐은 가교기 B의 역할을 한다(반응식 4).
[반응식 4]
Figure pct00014
상기 언급된 유기 화합물의 합성법은 다음의 단계들을 포함한다:
1. 3-아미노-N- 알킬 - 카바졸의 합성:
수소화 나트륨의 존재 하에 디메틸포름아미드 중 카바졸을 브롬화알킬로 처리하여 9-알킬-9H-카바졸을 합성하였다(반응식 5).
[반응식 5]
Figure pct00015
아세트산 중 9-알킬-9H-카바졸을 발연 질산으로 처리하여 9-알킬-3-니트로-9H-카바졸을 제조하였다(반응식 6).
[반응식 6]
Figure pct00016
활성탄 분말 상 10% 팔라듐의 존재 하에 수소화에 의하여 3-아미노-N-알킬-카바졸을 제조하였다(반응식 7).
[반응식 7]
Figure pct00017
2. 디옥사진 염료의 합성:
벤젠설포클로라이드의 존재 하에 o-디클로로벤젠 중 테트라브로모벤조퀴논으로 3-아미노-N-알킬-카바졸을 축합 및 고리화함으로써 8,18-디브로모-5,15-디알킬-5,15-디하이드로카바졸로[3', 2' :5,6][1,4]옥사지노[2,3-b]인돌로[2,3-i]페녹사진(디옥사진 단편)을 제조하였다(반응식 8).
[반응식 8]
Figure pct00018
3. 스즈키 커플링:
테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(O)의 존재 하에 1-메틸-2-피롤리디논 중 (4-니트로페닐)보론산과 8,18-디브로모-5,15-디알킬-5,15-디하이드로카바졸로[3', 2' :5,6][1,4]옥사지노[2,3-b]인돌로[2,3-i]페녹사진의 스즈키 반응에 의하여, 8-브로모-5,15-디알킬-18-(4-니트로페닐)-5,15-디하이드로카바졸로[3',2' :5,6][1,4]옥사지노[2,3-b]인돌로[2,3-i]페녹사진을 합성하였다(반응식 9).
[반응식 9]
Figure pct00019
4. 니트로기의 환원:
활성탄 분말 상 10% 팔라듐의 존재 하에 수소화에 의하여 4-(18-브로모-5,15-디알킬일-5,15-디하이드로카바졸로[3' ,2' :5,6][1,4]옥사지노[2,3-b]인돌로[2,3-i]페녹사진-8-일)아닐린을 제조하였다(반응식 10).
[반응식 10]
Figure pct00020
5. 유기 화합물의 조립:
3-클로로페놀 중 4-(18-브로모-5,15-디알킬일-5,15-디하이드로카바졸로[3', 2' :5,6][1,4]옥사지노[2,3-b]인돌로[2,3-i]페녹사진-8-일)아닐린과 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실산 디안하이드라이드의 혼합물을 가열함으로써 유기 화합물의 조립을 수행하였다(반응식 11).
[반응식 11]
Figure pct00021
실시예 3
본 실시예는 본 발명에 의한 유기 화합물의 합성법을 기술하는데, 여기서 페릴렌 유도체(구조식 1)는 다환 코어 Cor2의 역할을 하고, 카바졸(구조식 19)은 다환 코어 Cor1의 역할을 하며, 비페닐은 가교기 B의 역할을 한다.
1. 3,6- 디도데카노일카바졸의 합성
본 방법은, 프리델-크래프츠 조건(Friedel-Crafts conditions)(반응식 12) 하에서 카바졸과 염화 도데카노일을 아실화한 후, 2개의 카보닐기를 환원하는 것을 바탕으로 한다.
[반응식 12]
Figure pct00022
절차: 무수 CS2 84㎖ 중 카바졸(10g, 60mmol) 및 AlCl3(16.7g, 127mmol)의 혼합물을 환류 온도에서 교반 하에서 가열하고, 염화 라우로일(25.2㎖, 122mmol)을 적가하였다. HCl 발생이 멈춰질 때까지(3시간) 반응 혼합물을 환류 하에 가열한 후, 용매를 증류에 의해 제거하였다. 다음과 같은 절차 단계들은, 얻어진 잔류물을 진한 HCl로 처리하는 단계, 물로 희석하는 단계, 고체 생성물을 여과하는 단계, 그리고 고체 생성물을 필터 상에서 물로 세정하는 단계를 포함하였다. 공기 중에서 건조시킨 후, 미정제 물질을 에탄올/디옥산으로부터 결정화하여 무색의 순수한 생성물(2) 13.1g을 수득하였다(수율: 41.1%, m.p. = 179℃ 내지 180℃).
2. 3,6- 디도데실카바졸의 합성
트리플루오로아세트산 중 트리에틸실란을 두개의 카보닐의 환원을 위해 사용하였다. 반응은 용이하게도 실온에서 밤새 진행되었다(반응식 13).
[반응식 13]
Figure pct00023
절차 : 트리에틸실란을 10℃에서 트리플루오로아세트산 100㎖ 중 3,6-디도데실카바졸(3)(10g) 용액에 적가하였다. 생성된 혼합물을 실온에서 밤새 교반한 다음, 여기에 물 500㎖를 첨가하였다. 형성된 침전물을 여과로 분리한 후, 이를 물로 세정하고 나서(3×100㎖), 에탄올로부터 재결정화하여, 생성물 8.0g을 생성하였다.
3. N-(4-니트로)비페닐-3,6- 디도데실카바졸의 합성
p-니트로비페닐기를 카바졸의 9번 위치에 삽입하기 위해서, 인산 칼륨 및 trans-1,2-디아미노시클로헥산(구리(I) 안정화용)의 존재 하에 Cu(I) 촉매화 커플링을 사용하였다(반응식 14).
[반응식 14]
Figure pct00024
절차: 4-요오도-4' -니트로비페닐(7.5mmole), 3,6-디도데실카바졸(9.0mmol), K3PO4(15.8mmol), CuI(0.16mmol) 및 trans-1,2-시클로헥산-디아민(0.90mmol)을 실온에서 1,4-디옥산(100㎖)에 첨가하였다. 반응 혼합물을 24시간 동안 환류시켰다. 상기 혼합물을 실온으로 냉각시킨 후, 용해된 물질들을 여과하였다. 1,4-디옥산을 증발시키고 나서, 아세트산 에틸을 첨가하였다. 이 혼합물을 증류수로 세정한 다음, MgSO4로 건조시켰다. 컬럼 크로마토그래피(헥산:아세트산에틸(9:1))를 통해 최종 생성물을 얻었다. 백색 고체 생성물을 수득하였다(수율: 90%).
4. N-(4-아미노)비페닐-3,6- 디도데실카바졸의 합성
수소 대기 하에 테트라하이드로푸란 중 팔라듐/탄소 촉매를 사용하여 니트로기의 수소화를 수행하였다(반응식 15).
[반응식 15]
Figure pct00025
절차: 아르곤을 사용하여 무수 THF 80㎖ 중 N-(4-아미노)비페닐-3,6-디도데실카바졸(3.1g) 용액을 3회 탈기시킨 다음, 이 용액에 Pd/C(10%) 0.5g을 첨가하였다. 생성된 현탁액을 다시 탈기시키고 나서, 수소 장치에 연결시켰다. 반응이 종결되는 데에는 8시간이 소요되었다. 촉매 Pd/C를 여과로 분리하고 나서, 여과액을 증발시켜, 미정제 생성물을 수득하였다. 실리카 겔 상 컬럼 크로마토그래피(아세트산에틸:석유 에테르 = 1:3)를 이용하여 생성물의 정제를 수행하였다. 수득량은 2.4g이었다.
5. 정점 위치에 있는 카바졸을 이용하는 페릴렌계 유기 화합물의 합성
m-클로로페놀 중에서 유기 화합물의 조립을 수행하였다(반응식 16).
[반응식 16]
Figure pct00026
절차: 아민(5)(1.8g)을, 아르곤 하에서 m-클로로페놀 10㎖ 중 페릴렌(6)(0.8g)의 고온(80℃) 용액에 첨가한 다음, 생성된 용액에 벤조산 10㎎을 첨가하였다. 혼합물을 18시간 동안 144℃에서 교반하였다(TLC-제어). 고온(50℃) 혼합물을 메탄올(150㎖)에 부은 후, 2시간 동안 교반하고 나서, 여과로 분리하였다. 침전물을 용리액으로서 클로로포름/석유 에테르의 혼합물(2.5:1의 비율)을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하여, 순수한 생성물을 수득하였다. 메탄올-클로로포름 혼합물로부터 생성물을 추가로 재침전시켰다. 유기 화합물(7)의 수득량은 0.85g이었다.
실시예 4
본 실시예는 본 발명에 의한 유기 화합물의 합성법을 기술하는데, 여기서 페릴렌 유도체(구조식 1)는 다환 코어 Cor2의 역할을 하고, 카바졸(구조식 19)은 다환 코어 Cor1의 역할을 하며, 페닐은 가교기 B의 역할을 한다(반응식 1). 본 유기 화합물의 합성법은 다음과 같은 단계들을 포함한다:
1. 9-(4- 브로모페닐 ) 카바졸의 합성(반응식 17)
[반응식 17]
Figure pct00027
절차:
질소 대기 하에서 CuI(1.14g, 6mmol), 18-크라운-6(0.53g, 2mmol), K2CO3(16.6g, 120mmol), 1,3-디메틸-3,4,5,6-테트라하이드로-2(1H)-피리미디논(DMPU)(2㎖), 디브로모벤젠(14.2g, 60mmol) 및 카바졸(10g, 60mmol)의 혼합물을 170℃에서 11시간 동안 가열하였다. 실온으로 냉각한 후, 이 혼합물을 1N HCl로 급랭시킨 다음, 침전물을 여과하여, NH4OH 및 물로 세정하였다. 회색의 고체 물질을 용리액으로서 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하였다. 수율은 62%였다.
2. 9-(4- 에티닐페닐 ) 카바졸의 합성(반응식 18)
[반응식 18]
Figure pct00028
절차:
단계 1: 트리에틸아민 60㎖ 중 9-(4-브로모페닐)카바졸(4.9g, 15.3mmol), 트리메틸실릴아세틸렌(2.17㎖), 트리페닐포스핀(0.19g), Pd(PPh3)2Cl2(0.12g)의 혼합물을 15분 동안 탈기시켰다. 반응 혼합물을 5분 동안 끓인 후, CuI(0.12g)를 첨가하고 나서, 생성된 혼합물을 추가로 12시간 동안 끓였다. 혼합물이 실온에 도달한 후, 침전물을 여과로 분리하였다. 여과액을 회전 증발기 상에서 증발시킨 다음, 잔류물을 용리액으로서 헥산을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제한 후, 헵탄으로부터 재결정화하였다. 수율은 76%였다.
단계 2: 무수 THF 50㎖ 중 플루오르화 테트라부틸암모늄 3 당량 및 카바졸(3)(2.0g)의 혼합물을 실온에서 12시간 동안 교반하였다. 생성된 혼합물을 1N HCl(50㎖)로 처리하고 나서, 에테르로 추출하였다(2×50㎖). 에테르 층을 분리하고, 황산 마그네슘 상에서 건조시킨 다음, 감압 하에서 용매를 제거하고 나서, 잔류물을 헥산으로부터 재결정화하여, 수율 65%로 카바졸(4)을 생성하였다.
3. 1,7- 비스[4-(카바졸-9-일)페닐-4-에티닐]페릴렌 디안하이드라이드의 합성(반응식 19)
[반응식 19]
Figure pct00029
절차:
5 에 대한 절차: 3-메틸페놀(30㎖) 중 2-(에틸헥실)-아민(5.0g), N-에틸헥실-1,7-디브로모페릴렌 모노이미드(5.0g) 및 아세트산 아연(0.5g)의 혼합물을 140℃에서 10시간 동안 가열하였다. 생성된 혼합물을 20℃로 만든 다음, 2N HCl 250㎖에 부었다. 침전물을 여과로 분리한 다음, 에탄올(100㎖) 및 물(100㎖)로 세정하고 나서, 진공 하에 100℃에서 건조시켰다. 건조된 미정제 생성물을 고온의 이소프로판올(2500㎖)로 추가로 세정한 다음, 상기 기술된 바와 같이 다시 건조시켰다. 순수한 유기 화합물(1)의 수득량은 4.8g이었다.
6 에 대한 절차: THF 80㎖ 중 디이미드(5)(1.0g), 9-(4-에티닐페닐)카바졸(1.4g), 트리페닐포스핀(0.15g), Pd(PPh3)2Cl2(0.2g), NEt3(20㎖)의 혼합물을 15분 동안 탈기시켰다. 반응 혼합물을 5분 동안 가열한 다음, CuI(0.03g)를 첨가하고 나서; 생성된 혼합물을 추가로 12시간 동안 가열하였다. 혼합물이 실온에 도달한 후, 침전물을 여과로 분리하였다. 여과액을 회전 증발기 상에서 50㎖로 농축하고 나서, 에탄올-물의 혼합물(1:1)에 부은 다음, 생성된 침전물을 여과로 분리한 후, 고온의 에탄올(100㎖)로 세정하였다. 이러한 2개의 침전물들의 조합물을 고온의 에탄올(100㎖)로 추가로 세정하고 나서, 진공 하에서 10시간 동안 80℃에서 건조시켜, 수득량 0.7g으로 생성물(6)을 생성하였다.
7 에 대한 절차: TLC 분석 결과가 출발 물질이 완전히 전환되었음을 나타낼 때까지, t-BuOH 70㎖ 중 6 0.65g 및 KOH 0.2g의 용액을 3일 동안 환류하였다. 그 다음, 혼합물을 고온의 메탄올(100㎖)에 부은 다음, 침전물을 여과로 분리하여, 중량이 일정해질 때까지 100℃에서 건조시켰다. 생성물(7)의 수득량은 0.4g이었다.
8 에 대한 절차: m-Cl-페놀 5㎖ 중 디안하이드라이드(7)(0.4g), 3,4-디(헥사데실옥시)벤질아민 4 당량, 및 벤조산 10㎎의 혼합물을 145℃에서 3일 동안 가열하였다. TLC 분석은 어떠한 반응도 기록하지 않았다.
비록 본 발명은 바람직한 특정 구체예에 관하여 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 업계의 통상의 기술을 가지는 사람은, 하기 특허청구범위의 범주 및 사상을 벗어나지 않고 다양한 변형 및 향상이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (49)

  1. 하기 일반 구조식 I의 유기 화합물.
    [구조식 I]
    Figure pct00030

    (상기 식 중, Cor1은 제1형 다환 코어이고,
    Cor2는 제2형 다환 코어이며,
    B는 공유 화학 결합을 통하여 다환 코어 Cor1과 다환 코어 Cor2 간 결합을 제공하는 가교기이고,
    R1 및 R2는 적당한 용매 중 유기 화합물의 용해성을 제공하는 분자기이며,
    m은 1, 2, 3 또는 4이고,
    n은 0, 1, 2, 3 또는 4이며,
    따라서 X1 및 X2는 다환 코어 Cor1 및 Core2의 에너지 준위 HOMO 및 LUMO를 변환시키는 변환기이고,
    p는 0, 1, 2이며,
    q는 0, 1, 2이고;
    상기 유기 화합물은 막대 모양의 초거대 분자를 형성하고, 하나 이상의 소정 스펙트럼 종속 범위 내에서 파장 범위가 400㎚ 내지 3000㎚인 전자기 복사선을 흡수하며, 이때 전자-정공 쌍이 여기되고,
    다환 코어 Cor1, 가교기 B 및 다환 코어 Cor2는 공여체-가교-수용체-가교-공여체 시스템 및 수용체-가교-공여체-가교-수용체 시스템을 포함하는 목록으로부터 선택되는 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1을 형성하며, 여기서 여기된 전자-정공 쌍의 해리가 수행됨)
  2. 제1항에 있어서, 다환 코어 Cor1 및 Cor2 중 1개 이상은 복소환 코어인 유기 화합물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 용해성 제공기 R1 및 R2는 -COOH, -SO3H 및 -H2PO3(물 또는 수혼화성 용매용); 및 선형 및 분지형 (C1-C35)알킬, (C2-C35)알케닐 및 (C2-C35)알키닐, 치환된 알킬, 치환된 아릴 및 이것들의 임의의 조합(유기 용매용)을 포함하는 목록으로부터 독립적으로 선택되며, 여기서 이들 기는 코어 Cor1 및 Cor2와 직접 연결되어 있거나, 또는 아릴, -C(O)-, -C(O)O-, -C(O)-NH-, -(SO2)NH-, -O-, -CH2O-, -NH-, >N- 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 스페이서를 통해 연결되어 있는 유기 화합물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가교기 B들 중 1개 이상은 p-페닐렌(PhP) 올리고머(식 중, p는 1, 2, 3, 4 또는 5임), 2,7-올리고플루오렌(Fls) 올리고머(식 중, s는 1, 2, 3 또는 4임), 및 알킬렌기-(CH2)j-(식 중, j는 1, 2, 3 또는 4임)를 포함하는 목록으로부터 선택되는 유기 화합물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 변환기 X1 및 X2는 H, Cl, Br, F, OH, NO2, NO 및 NH2를 포함하는 목록으로부터 독립적으로 선택되는 유기 화합물.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 다환 코어 Cor1 및 Cor2 중 1개 이상은 질소, 산소, 황 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 이종 원자를 포함하는 유기 화합물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 다환 코어 Cor2는 하기 1 내지 5의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택되는 유기 화합물.
    Figure pct00031

  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 다환 코어 Cor1은 하기 6 내지 20의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택되는 유기 화합물.
    Figure pct00033

    Figure pct00034

    Figure pct00035
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 코어 Cor1은 C2v 또는 D2h 공간군의 대칭성을 보유하며, 코어 Cor2는 D2h 공간군의 대칭성을 보유하는 유기 화합물.
  10. 제1항에 있어서, 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1은 D2h 공간군의 대칭성을 보유하는 유기 화합물.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 공여체의 에너지 준위는 HOMOA < HOMOD ≤ LUMOA - 1eV 및 LUMOA < LUMOD의 등식에 따라서 수용체의 에너지 준위와 상관되어 있는 유기 화합물.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 페릴렌 디이미드는 수용체 코어 Cor2의 역할을 하고, 가교기 B는 페닐 및 비페닐을 포함하는 목록으로부터 선택되며, 공여체 코어 Cor1의 에너지 준위 HOMOD 및 LUMOD는 -6.0eV < HOMOD < -5.5eV 및 -4.0eV < LUMOD의 조건을 만족시키는 유기 화합물.
  13. 제12항에 있어서, 하기 21 내지 26의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택되는 유기 화합물.
    Figure pct00036

    Figure pct00037

    (상기 식 중, R, R1 및 R2는 선형 및 분지형 (C1-C35)알킬, (C2-C35)알케닐 및 (C2-C35)알키닐, 치환된 알킬, 치환된 아릴 및 이것들의 임의의 조합이고; X는 Cl 또는 Br임)
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 용매는 물, 수혼화성 용매, 케톤, 카복실산, 탄화수소, 환형 탄화수소, 염화 탄화수소, 알코올, 에테르, 에스테르 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 유기 화합물.
  15. 제1 전극과 제2 전극, 그리고 전면 및 후면을 가지는 1개 이상의 광기전 층을 포함하는 광기전 소자로서,
    상기 광기전 층은 하기 일반 구조식 I을 가지는 1개 이상의 유기 화합물을 포함하는 광기전 소자.
    [구조식 I]
    Figure pct00038

    (상기 식 중, Cor1은 제1형 다환 코어이고;
    Cor2는 제2형 다환 코어이며;
    B는 공유 화학 결합을 통하여 다환 코어 Cor1과 다환 코어 Cor2 간 결합을 제공하는 가교기이고;
    R1 및 R2는 적당한 용매 중 유기 화합물의 용해성을 제공하는 분자기이며;
    m은 1, 2, 3 또는 4이고;
    n은 0, 1, 2, 3 또는 4이며;
    따라서 X1 및 X2는 다환 코어 Cor1 및 Cor2의 에너지 준위 HOMO 및 LUMO를 변환시키는 변환기이고;
    p는 0, 1, 2이며;
    q는 0, 1, 2이고;
    상기 유기 화합물은 막대 모양의 초거대 분자를 형성하고, 하나 이상의 소정 스펙트럼 종속 범위 내에서 파장 범위가 400㎚ 내지 3000㎚인 전자기 복사선을 흡수하며, 이때 전자-정공 쌍이 여기되고;
    다환 코어 Cor1, 가교기 B 및 다환 코어 Cor2는 공여체-가교-수용체-가교-공여체 시스템 및 수용체-가교-공여체-가교-수용체 시스템을 포함하는 목록으로부터 선택되는 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1을 형성하며, 여기서 여기된 전자-정공 쌍의 해리가 수행되고;
    상기 유기 화합물은 광기전 층 표면에 대해서 수직 배향되고, 다환 코어 Cor1 및 Cor2는 제1형의 π-π 스택 및 제2형의 π-π 스택으로 각각 조립되며;
    하나의 유형의 스택은 전자 운반을 제공하고, 다른 유형의 스택은 정공 운반을 제공하며, 상기 스택들은 분자기 R1 및 R2에 의해 서로 전기적으로 절연됨)
  16. 제15항에 있어서, 다환 코어 Cor1 및 Cor2 중 1개 이상은 복소환 코어인 광기전 소자.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 용해성 제공기 R1 및 R2는 -COOH, -SO3H 및 -H2PO3(물 또는 수혼화성 용매용); 및 선형 및 분지형 (C1-C35)알킬, (C2-C35)알케닐 및 (C2-C35)알키닐, 치환된 알킬, 치환된 아릴 및 이것들의 임의의 조합(유기 용매용)을 포함하는 목록으로부터 독립적으로 선택되며, 여기서 이들 기는 코어 Cor1 및 Cor2와 직접 연결되어 있거나, 또는 아릴, -C(O)-, -C(O)O-, -C(O)-NH-, -(SO2)NH-, -O-, -CH2O-, -NH-, >N- 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 스페이서를 통해 연결되어 있는 광기전 소자.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가교기 B들 중 1개 이상은 p-페닐렌(PhP) 올리고머(식 중, p는 1, 2, 3, 4 또는 5임), 2,7-올리고플루오렌(Fls) 올리고머(식 중, s는 1, 2, 3 또는 4임), 및 알킬렌기-(CH2)j-(식 중, j는 1, 2, 3 또는 4임)를 포함하는 목록으로부터 선택되는 광기전 소자.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 하나의 항에 있어서, 변환기 X1 및 X2는 H, Cl, Br, F, OH, NO2, NO 및 NH2를 포함하는 목록으로부터 선택되는 광기전 소자.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 하나의 항에 있어서, 다환 코어 Cor1 및 Cor2 중 1개 이상은 질소, 산소, 황 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 이종 원자를 포함하는 광기전 소자.
  21. 제15항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 있어서, Cor2는 하기 1 내지 5의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택되는 광기전 소자.
    Figure pct00039

    Figure pct00040
  22. 제15항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서, Cor1은 하기 6 내지 20의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택되는 광기전 소자.
    Figure pct00041

    Figure pct00042

    Figure pct00043
  23. 제15항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서, 다환 코어 Cor1은 C2v 또는 D2h 공간군의 대칭성을 보유하며, 코어 Cor2는 D2h 공간군의 대칭성을 보유하는 광기전 소자.
  24. 제15항에 있어서, 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1은 D2h 공간군의 대칭성을 보유하는 광기전 소자.
  25. 제15항 내지 제24항 중 어느 하나의 항에 있어서, 공여체의 에너지 준위는 HOMOA < HOMOD ≤ LUMOA - 1eV 및 LUMOA < LUMOD의 등식에 따라서 수용체의 에너지 준위와 상관되어 있는 광기전 소자.
  26. 제15항 내지 제25항 중 어느 하나의 항에 있어서, 페릴렌 디이미드는 수용체 코어 Cor2의 역할을 하고, 가교기 B는 페닐 및 비페닐을 포함하는 목록으로부터 선택되며, 공여체 코어 Cor1의 에너지 준위 HOMOD 및 LUMOD는 -6.0eV < HOMOD < -5.5eV 및 -4.0eV < LUMOD의 조건을 만족시키는 광기전 소자.
  27. 제26항에 있어서, 하기 21 내지 26의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택되는 광기전 소자.
    Figure pct00044

    Figure pct00045

    (상기 식 중, R, R1 및 R2는 선형 및 분지형 (C1-C35)알킬, (C2-C35)알케닐 및 (C2-C35)알키닐, 치환된 알킬, 치환된 아릴 및 이것들의 임의의 조합이고; X는 Cl 또는 Br임)
  28. 제15항 내지 제27항 중 어느 하나의 항에 있어서, 하나의 상기 광기전 층, 상기 광기전 층 전면의 적어도 일부에 형성된 제1 전극, 그리고 상기 광기전 층 후면의 적어도 일부에 형성된 제2 전극을 포함하는 광기전 소자.
  29. 제28항에 있어서, 제2 전극은 소자에 입사되는 전자기 복사선에 대한 반사 전극인 광기전 소자.
  30. 제28항 또는 제29항에 있어서, 하나의 상기 전극은 전자에 장벽 접촉(barrier contact)과 정공 수확 접촉(hole-harvesting contact)을 제공하는 일 함수를 가지는 재료로 이루어져 있으며, 또 다른 상기 전극은 정공에 장벽 접촉과 전자 수확 접촉을 제공하는 일 함수를 가지는 재료로 이루어져 있는 광기전 소자.
  31. 제30항에 있어서,
    전극 재료는 알루미늄, ITO(인듐 주석 산화물), 탄소 나노튜브 도전성 코팅재, PEDOT:PSS 층, 프탈로시아닌, LiF 및 알루미늄 도핑된 아연 산화물을 포함하는 목록으로부터 선택되는 광기전 소자.
  32. 제28항 내지 제31항 중 어느 하나의 항에 있어서, 하나의 상기 전극은 광기전 층과 접촉하는 전자-수용체 층을 포함하고, 또 다른 상기 전극은 광기전 층과 접촉하는 전자-공여체 층을 포함하는 광기전 소자.
  33. 제15항 내지 제32항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전극과 상기 광기전 층을 보유하는 기재를 추가로 포함하는 광기전 소자.
  34. 제33항에 있어서, 기재는 중합체 및 유리를 포함하는 목록으로부터 선택되는 재료로 이루어져 있는 광기전 소자.
  35. 제33항 또는 제34항에 있어서, 기재는 상기 소자가 감수성인 입사 전자기 복사선에 대하여 투과성인 광기전 소자.
  36. 제15항에 있어서, 2개 이상의 상기 광기전 층들을 포함하며, 상기 광기전 층들은 일반 구조식 I을 가지고, 동일하거나 상이한 스펙트럼 종속 범위 내에서 파장 범위가 400㎚ 내지 3000㎚인 전자기 복사선의 흡수를 보장하는, 상이한 유기 화합물들을 포함하는 광기전 소자.
  37. 하기 일반 구조식 I을 가지는 1개 이상의 유기 화합물을 포함하는 광기전 층.
    [구조식 I]
    Figure pct00046

    (상기 식 중, Cor1은 제1형 다환 코어이고;
    Cor2는 제2형 다환 코어이며;
    B는 공유 화학 결합을 통하여 다환 코어 Cor1과 다환 코어 Cor2 간 결합을 제공하는 가교기이고;
    R1 및 R2는 적당한 용매 중 유기 화합물의 용해성을 제공하는 분자기이며;
    m은 1, 2, 3 또는 4이고;
    n은 0, 1, 2, 3 또는 4이며;
    따라서 X1 및 X2는 다환 코어 Cor1 및 Cor2의 에너지 준위 HOMO 및 LUMO를 변환시키는 변환기이고;
    p는 0, 1, 2이며;
    q는 0, 1, 2이고;
    상기 유기 화합물은 막대 모양의 초거대 분자를 형성하고, 하나 이상의 소정 스펙트럼 종속 범위 내에서 파장 범위가 400㎚ 내지 3000㎚인 전자기 복사선을 흡수하며, 이때 전자-정공 쌍이 여기되고,
    다환 코어 Cor1, 가교기 B 및 다환 코어 Cor2는 공여체-가교-수용체-가교-공여체 시스템 및 수용체-가교-공여체-가교-수용체 시스템을 포함하는 목록으로부터 선택되는 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1을 형성하며, 여기서 여기된 전자-정공 쌍의 해리가 수행되고;
    상기 유기 화합물은 광기전 층 표면에 대해서 수직 배향되고, 다환 코어 Cor1 및 Cor2는 제1형의 π-π 스택 및 제2형의 π-π 스택으로 각각 조립되며;
    하나의 유형의 스택은 전자 운반을 실현하고, 다른 유형의 스택은 정공 운반을 실현하며, 상기 스택들은 분자기 R1 및 R2에 의해 서로 전기적으로 절연됨)
  38. 제37항에 있어서, 다환 코어 Cor1 및 Cor2 중 1개 이상은 복소환 코어인 광기전 층.
  39. 제37항 또는 제38항에 있어서, 용해성 제공기 R1 및 R2는 -COOH, -SO3H 및 -H2PO3(물 또는 수혼화성 용매용); 및 선형 및 분지형 (C1-C35)알킬, (C2-C35)알케닐 및 (C2-C35)알키닐, 치환된 알킬, 치환된 아릴 및 이것들의 임의의 조합(유기 용매용)을 포함하는 목록으로부터 독립적으로 선택되며, 여기서 이들 기는 코어 Cor1 및 Cor2와 직접 연결되어 있거나, 또는 아릴, -C(O)-, -C(O)O-, -C(O)-NH-, -(SO2)NH-, -O-, -CH2O-, -NH-, >N- 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 스페이서를 통해 연결되어 있는 광기전 층.
  40. 제37항 내지 제39항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가교기 B들 중 1개 이상은 p-페닐렌(PhP) 올리고머(식 중, p는 1, 2, 3, 4 또는 5임), 2,7-올리고플루오렌(Fls) 올리고머(식 중, s는 1, 2, 3 또는 4임), 및 알킬렌기-(CH2)j-(식 중, j는 1, 2, 3 또는 4임)를 포함하는 목록으로부터 선택되는 광기전 층.
  41. 제37항 내지 제40항 중 어느 하나의 항에 있어서, 변환기 X1 및 X2는 H, Cl, Br, F, OH, NO2, NO 및 NH2를 포함하는 목록으로부터 선택되는 광기전 층.
  42. 제37항 내지 제41항 중 어느 하나의 항에 있어서, 다환 코어 Cor1 및 Cor2 중 1개 이상은 질소, 산소, 황 및 이것들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 선택되는 이종 원자를 포함하는 광기전 층.
  43. 제37항 내지 제42항 중 어느 하나의 항에 있어서, Cor2는 하기 1 내지 5의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택되는 광기전 층.
    Figure pct00047

    Figure pct00048
  44. 제37항 내지 제43항 중 어느 하나의 항에 있어서, Cor1은 하기 6 내지 20의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택되는 광기전 층.
    Figure pct00049

    Figure pct00050

    Figure pct00051
  45. 제37항 내지 제43항 중 어느 하나의 항에 있어서, 다환 코어 Cor1은 C2v 또는 D2h 공간군의 대칭성을 보유하며, 코어 Cor2는 D2h 공간군의 대칭성을 보유하는 광기전 층.
  46. 제37항에 있어서, 분자 시스템 Cor1-B-Cor2-B-Cor1은 D2h 공간군의 대칭성을 보유하는 광기전 층.
  47. 제37항 내지 제46항 중 어느 하나의 항에 있어서, 공여체의 에너지 준위는 HOMOA < HOMOD ≤ (LUMOA - 1eV) 및 LUMOA < LUMOD의 등식에 따라서 수용체의 에너지 준위와 상관되어 있는 광기전 층.
  48. 제37항 내지 제47항 중 어느 하나의 항에 있어서, 페릴렌 디이미드는 수용체 코어 Cor2의 역할을 하고, 가교기 B는 페닐 및 비페닐을 포함하는 목록으로부터 선택되며, 공여체 코어 Cor1의 에너지 준위 HOMOD 및 LUMOD는 -6.0eV < HOMOD < -5.5eV 및 -4.0eV < LUMOD의 조건을 만족시키는 광기전 층.
  49. 제48항에 있어서, 유기 화합물은 하기 21 내지 26의 구조를 포함하는 목록으로부터 선택되는 광기전 층.
    Figure pct00052

    Figure pct00053

    (상기 식 중, R, R1 및 R2는 선형 및 분지형 (C1-C35)알킬, (C2-C35)알케닐 및 (C2-C35)알키닐, 치환된 알킬, 치환된 아릴 및 이것들의 임의의 조합이고; X는 Cl 또는 Br임)
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