KR20140125303A - 플러렌 유도체, 이를 이용한 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

플러렌 유도체, 이를 이용한 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 플러렌 유도체, 이를 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

플러렌 유도체, 이를 이용한 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법{FULLERENE DERIVATIVES, ORGANIC SOLAR CELL USING THE SAME AND FABRICATING METHOD THEREOF}
본 명세서는 플러렌 유도체, 이를 이용한 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 명세서는 2013년 4월 17일에 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2013-0042114호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용은 전부 본 명세서에 포함된다.
유기물을 이용한 태양전지는 손쉬운 가공성과 다양성, 값싼 제조단가와 높은 유연성을 갖고 있는 장점으로 주목을 받아오고 있으며 새로운 물질의 개발과 함께 빠르게 성장하고 있다.
유기 반도체는 유기물의 가장 큰 장점인 저렴한 비용과 제조공정 상의 용이성을 바탕으로, 박막형 소자, 대면적 소자, 롤투롤(roll-to-roll) 방법이 가능한 플렉서블 소자 등 저가의 태양전지 제작에 핵심적인 재료로 등장할 것으로 전망되고 있다.
유기태양전지의 가능성이 처음 제시되었던 것은 1970년대이지만 효율이 너무 낮아 실용성이 없었다.
그러나 1986년 이스트만 코닥(Eastman Kodak)의 탕(C.W.Tang)이 프탈로시아닌 구리(copper phthalocyanine, CuPc)와 페릴렌 테트라카르복실산(Perylene tetracarboxylic acid) 유도체를 이용한 이중층 구조로 다양한 태양전지로서의 실용화 가능성을 보이자, 유기태양전지에 대한 관심과 연구가 급속도로 증가하며 많은 발전을 가져왔다.
이후 1995년에는 유(Yu) 등에 의해 벌크헤테로정션(BHJ) 개념이 도입되었고, PCBM과 같이 용해도가 향상된 플러렌(fullerene) 유도체가 n형 반도체 물질로 개발되면서 유기태양전지의 효율 면에서 획기적인 발전이 있었다.
그러나 출발 물질인 플러렌은 용해성이 좋지 않아, 반응성이 낮으며, 결국 합성시 낮은 수율로 플러렌 유도체의 가격 상승이라는 문제점을 갖고 있다.
한편, 기존의 물질을 대체하기 위해 낮은 밴드갭(bandgap)을 갖는 전자주개(e-donor) 물질과 전하 이동도가 좋은 새로운 전자받개(e-acceptor) 물질들의 개발이 지속적으로 연구되고 있다.
Two-layer organic photovoltaic cell (C.W.Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183.(1996)) Efficiencies via Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions(G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl, A. J. Heeger, Science, 270, 1789. (1995))
본 명세서의 목적은 높은 용해도 및 높은 전자 이동도를 갖는 플러렌 유도체, 이를 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 플러렌 유도체를 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
화학식 1에 있어서,
m은 0 또는 1의 정수이고,
p는 1 내지 3의 정수이고,
p가 2 이상인 경우, 괄호 내의 구조는 동일하거나 상이하며,
Cn은 C60 내지 C84의 플러렌이고,
R1 내지 R10은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 에스터기; 카보닐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이거나,
인접하는 치환기는 서로 결합하여 치환 또는 비치환된 탄화수소고리; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리를 형성하거나, 동일 탄소내의 치환기는 스피로 결합; 카보닐기; 치환 또는 비치환된 이민기; 또는 치환 또는 비치환된 알케닐기를 형성하며,
m이 0인 경우, R1 내지 R8; 및 R1 내지 R8 중 인접하는 치환기가 고리를 형성하는 경우에는 상기 고리의 치환기 중 적어도 하나는 -(L)a-(M)b이고,
m이 1 인 경우, R1 내지 R10; 및 R1 내지 R10 중 인접하는 치환기가 고리를 형성하는 경우에는 상기 고리의 치환기 중 적어도 하나는 -(L)a-(M)b 이며,
a는 0 또는 1의 정수이고,
b는 1 또는 2의 정수이며,
L은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬렌기; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 2가의 에테르기; 탄소수 5 내지 30의 치환 또는 비치환된 2가의 방향족 탄화수소고리; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 2가의 방향족 헤테로고리이고,
M은
Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
또는
Figure pat00005
이며,
R은 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 에스터기; 카보닐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 시클로알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴알킬옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 실릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로아릴옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 상기 플러렌 유도체를 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 상부에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극의 상부에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 1층 이상의 유기물층은 상기 화학식 1로 표시되는 플러렌 유도체를 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 플러렌 유도체를 포함하는 유기 태양 전지는 효율 상승 및/또는 안전성 상승을 나타낸다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 플러렌 유도체는 유기 태양 전지에서 순수하게 사용하거나, 불순물을 섞어서 사용가능하며, 진공 증착이나 용액 도포법 등으로 적용 가능하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 플러렌 유도체는 광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 도시한 것이다.
도 2는 화학식 1-2-2로 표시되는 플러렌 유도체의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 3은 화학식 1-1-1로 표시되는 플러렌 유도체의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 4는 화학식 1-1-1로 표시되는 플러렌 유도체에서 p=1을 정제한 후의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 5는 화학식 1-1-1로 표시되는 플러렌 유도체에서 p=1을 정제한 후의 액체크로마토그래피(HPLC)를 나타낸 도이다.
도 6은 화학식 1-1-36으로 표시되는 플러렌 유도체의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 7은 화학식 1-1-36으로 표시되는 플러렌 유도체의 액체크로마토그래피(HPLC)를 나타낸 도이다.
도 8은 화학식 1-1-36으로 표시되는 플러렌 유도체의 NMR 그래프를 나타낸 도이다.
도 9는 화학식 1-1-2으로 표시되는 플러렌 유도체의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 10은 화학식 1-1-12로 표시되는 플러렌 유도체의 p=1을 정제한 후의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 11은 화학식 1-1-12로 표시되는 플러렌 유도체의 p=2를 정제한 후의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 12는 화학식 1-1-15로 표시되는 플러렌 유도체의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 13은 화학식 1-1-44로 표시되는 플러렌 유도체의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 14는 화학식 1-1-21로 표시되는 플러렌 유도체의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 플러렌 유도체를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 플러렌 유도체는 m이 0인 경우, R1 내지 R8; 및 R1 내지 R8 중 인접하는 치환기가 서로 결합하여 고리를 형성하는 경우에는 상기 고리의 치환기 중 적어도 하나는 -(L)a-(M)b이고, m이 1 인 경우, R1 내지 R10; 및 R1 내지 R10 중 인접하는 치환기가 서로 결합하여 고리를 형성하는 경우에는 상기 고리의 치환기 중 적어도 하나는 -(L)a-(M)b 이다.
L은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬렌기; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 2가의 에테르기; 탄소수 5 내지 30의 치환 또는 비치환된 2가의 방향족 탄화수소고리; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 방향족 헤테로고리이고,
M은
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
또는
Figure pat00009
이며, R은 상기에서 정의한 바와 동일하다.
상기 -(L)a-(M)b 으로 표시되는 치환기들을 포함하는 플러렌 유도체는 용해성이 증가되어 용액 공정이 용이한 이점이 있다. 또한, 우수한 모폴로지(morphology)를 형성하여, 전자 이동성(electron mobility)를 향상시켜 소자의 효율이 높아지는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알콕시기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알콕시기; 탄소수 7 내지 50의 치환 또는 비치환된 아릴알콕시기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 불소(F)로 치환된 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 불소(F)로 치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 시클로에테르기로 치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 치환 또는 비치환된 알킬아민기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 30의 치환 또는 비치환된 아릴아민기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 30의 치환 또는 비치환된 아릴기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 탄소수 5 내지 30의 치환 또는 비치환된 아릴옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로아릴기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로아릴옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 히드록시기이다.
상기 R이 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 치환 또는 비치환된 알킬기인 플러렌 유도체는 용해도가 높은 효과가 있다.
상기 R이 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 치환 또는 비치환된 알콕시기인 플러렌 유도체는 용해도가 높은 효과가 있다.
상기 R이 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 불소(F)로 치환 된 알킬기인 플러렌 유도체는 용해도가 높은 효과가 있다.
상기 R이 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 불소(F)로 치환된 알콕시기인 플러렌 유도체는 용해도가 높은 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R10 중 적어도 2개의 인접하는 치환기는 서로 결합하여 치환 또는 비치환된 탄화수소고리; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리를 형성한다.
인접하는 치환기가 서로 결합하여, 방향족 고리 또는 방향족 헤테로고리를 형성하는 경우 전자 주개 물질 내의 방향족 고리 또는 방향족 헤테로고리들과 분자 간의 파이-파이 상호 작용으로 인하여 전하의 이동도가 증가하는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R1 또는 R2와 R3 또는 R4가 5원 또는 6원의 방향족 고리를 형성한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R1 또는 R2와 R3 또는 R4가 5원 또는 6원의 방향족 헤테로고리를 형성한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R3 또는 R4와 R5 또는 R6가 5원 또는 6원의 방향족 고리를 형성한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R3 또는 R4와 R5 또는 R6가 5원 또는 6원의 방향족 헤테로고리를 형성한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 플러렌 유도체는 하기 화학식 2 내지 하기 화학식 5 중 어느 하나로 표시되는 것인 플러렌 유도체를 제공한다.
[화학식 2]
Figure pat00010
[화학식 3]
Figure pat00011
[화학식 4]
Figure pat00012
[화학식 5]
Figure pat00013
화학식 2 내지 5에 있어서,
Cn, m, p 및 R1 내지 R10의 정의는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 동일하고,
X1 내지 X4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRx; 또는 N이고,
Y1 내지 Y4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRy; 또는 N이며,
X5 내지 X7은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRx'; S; 또는 NRx'이고,
Y5 내지 Y7은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 CRy'; S; 또는 NRy' 이며,
Rx, Ry, Rx' 및 Ry'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 에스터기; 카보닐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 시클로알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이거나, 인접하는 치환기는 서로 결합하여, 치환 또는 비치환된 탄화수소고리; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로고리를 형성하거나, 스피로 결합을 형성한다.
본 명세서에서 상기 화학식 5의
Figure pat00014
와 상기 화학식 6의
Figure pat00015
는 컨쥬게이션을 이루는 상태를 의미한다.
본 명세서에서 상기 화학식 5의
Figure pat00016
는 구체적으로
Figure pat00017
;
Figure pat00018
또는
Figure pat00019
일 수 있다.
상기 화학식 6의
Figure pat00020
는 구체적으로
Figure pat00021
;
Figure pat00022
또는
Figure pat00023
일 수 있다.
상기 치환기들의 예시들은 아래에서 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 "치환 또는 비치환된" 이라는 용어는 중수소; 할로겐기; 알킬기; 알케닐기; 알콕시기; 에스터기; 카보닐기; 카복실기; 히드록시기; 시클로알킬기; 실릴기; 아릴알케닐기; 아릴옥시기; 알킬티옥시기; 알킬술폭시기; 아릴술폭시기; 붕소기; 알킬아민기; 아랄킬아민기; 아릴아민기; 헤테로아릴기; 카바졸기; 아릴아민기; 아릴기; 플루오레닐기; 니트릴기; 니트로기; 히드록시기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 헤테로 고리기로 이루어진 군에서 선택된 1개 이상의 치환기로 치환되었거나 또는 어떠한 치환기도 갖지 않는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 할로겐기는 불소, 염소, 브롬 또는 요오드가 될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 이미드기는
Figure pat00024
,
Figure pat00025
또는
Figure pat00026
로 표시될 수 있다. Z1 내지 Z3는 서로 동일하거나 상이하고, 수소; 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 탄소수 6 내지 25의 치환 또는 비치환된 아릴기이다. 구체적으로 Z1 내지 Z3는 서로 동일하거나 상이하고, 탄소수 6 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 탄소수 6 내지 25의 치환 또는 비치환된 아릴기이다.
본 명세서에 있어서, 아미드기는
Figure pat00027
또는
Figure pat00028
로 표시될 수 있다. 상기 Z4 및 Z5는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 탄소수 7 내지 50의 치환 또는 비치환된 아릴알킬기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서에 있어서, 에스터기의 일반식은
Figure pat00029
또는
Figure pat00030
로 표시될 수 있다. 상기 Z6은 수소; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 탄소수 7 내지 50의 치환 또는 비치환된 아릴알킬기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이다.
본 명세서에 있어서, 상기 에테르기는
Figure pat00031
로 표시될 수 있다. Z11은 탄소수 1 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 탄소수 6 내지 25의 치환 또는 비치환된 아릴기이다. 구체적으로 Z1 내지 Z3는 서로 동일하거나 상이하고, 탄소수 6 내지 25의 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄의 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 탄소수 6 내지 25의 치환 또는 비치환된 아릴기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 에테르기는 알킬에테르기이다.
본 명세서에 있어서, 상기 알킬기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나 1 내지 20인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기 및 헵틸기 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 시클로알킬기는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 3 내지 60인 것이 바람직하며, 구체적으로 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 3-메틸시클로펜틸, 2,3-디메틸시클로펜틸, 시클로헥실, 3-메틸시클로헥실, 4-메틸시클로헥실, 2,3-디메틸시클로헥실, 3,4,5-트리메틸시클로헥실, 4-tert-부틸시클로헥실, 시클로헵틸, 시클로옥틸 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 상기 시클로알콕시기 중의 시클로는 전술한 시클로알킬기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다. 알콕시기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 1 내지 20인 것이 바람직하다. 구체적으로, 메톡시, 에톡시, n-프로폭시, 이소프로폭시, i-프로필옥시, n-부톡시, 이소부톡시, tert-부톡시, sec-부톡시, n-펜틸옥시, 네오펜틸옥시, 이소펜틸옥시, n-헥실옥시, 3,3-디메틸부틸옥시, 2-에틸부틸옥시, n-옥틸옥시, n-노닐옥시, n-데실옥시, 벤질옥시, p-메틸벤질옥시 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 아릴알킬기는 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 아릴알킬기의 탄소수는 7 내지 50이다. 구체적으로 아릴부분은 탄소수 6 내지 49이고, 알킬 부분은 탄소수 1 내지 44이다. 구체적인 예로는 벤질기기, p-메틸벤질기, m-메틸벤질기, p-에틸벤질기, m-에틸벤질기, 3,5-디메틸벤질기, α-메틸벤질기, α,α-디메틸벤질기, α,α-메틸페닐벤질기, 1-나프틸벤질기, 2-나프틸벤질기, p-플루오르벤질기, 3,5-디플루오르벤질기, α,α-디트리플루오로메틸벤질기, p-메톡시벤질기, m-메톡시벤질기, α-페녹시벤질기, α-벤질기옥시벤질기, 나프틸메틸기, 나프틸에틸기, 나프틸이소프로필기, 피롤릴메틸기, 피롤렐에틸기, 아미노벤질기, 니트로벤질기, 시아노벤질기, 1-히드록시-2-페닐이소프로필기, 1-클로로-2-페닐이소프로필기 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 상기 아릴알킬옥시기 중의 아릴알킬은 전술한 아릴알킬기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 알케닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 내지 40인 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 비닐, 1-프로페닐, 이소프로페닐, 1-부테닐, 2-부테닐, 3-부테닐, 1-펜테닐, 2-펜테닐, 3-펜테닐, 3-메틸-1-부테닐, 1,3-부타디에닐, 알릴, 1-페닐비닐-1-일, 2-페닐비닐-1-일, 2,2-디페닐비닐-1-일, 2-페닐-2-(나프틸-1-일)비닐-1-일, 2,2-비스(디페닐-1-일)비닐-1-일, 스틸베닐기, 스티레닐기 등이 있으나 이들에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 실릴기는 구체적으로 트리메틸실릴기, 트리에틸실릴기, t-부틸디메틸실릴기, 비닐디메틸실릴기, 프로필디메틸실릴기, 트리페닐실릴기, 디페닐실릴기, 페닐실릴기 등이 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 아릴기는 단환식일 수 있고, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 6 내지 60인 것이 바람직하다. 아릴기의 구체적인 예로는 페닐기, 비페닐기, 트라이페닐기, 터페닐기, 스틸벤기 등의 단환식 방향족 및 나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 파이레닐기, 페릴레닐기, 테트라세닐기, 크라이세닐기, 플루오레닐기, 아세나프타센닐기, 트리페닐렌기, 플루오란텐(fluoranthene)기 등의 다환식 방향족등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 방향족 고리기는 상기 아릴기의 예시 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
본 명세서에 있어서, 상기 아릴옥시기 중의 아릴은 전술한 아릴기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 헤테로 고리기 또는 헤테로 아릴기는 이종원자로 O, N 또는 S를 포함하는 헤테로 고리기로서, 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수 2 내지 60인 것이 바람직하다. 헤테로 고리기의 예로는 티오펜기, 퓨란기, 피롤기, 이미다졸기, 티아졸기, 옥사졸기, 옥사디아졸기, 트리아졸기, 피리딜기, 비피리딜기, 트리아진기, 아크리딜기, 피리다진기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀린기, 인돌기, 카바졸기, 벤조옥사졸기, 벤조이미다졸기, 벤조티아졸기, 벤조카바졸기, 벤조티오펜기, 디벤조티오펜기, 벤조퓨라닐기, 페난쓰롤린기(phenanthroline) 및 디벤조퓨라닐기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 헤테로아릴옥시기 중의 헤테로아릴은 전술한 헤테로아릴기의 예시 중에서 선택될 수 있다. 본 명세서에 있어서, 아릴옥시기, 아릴티옥시기, 아릴술폭시기 및 아랄킬아민기중의 아릴기는 전술한 아릴기의 예시와 같다. 구체적으로 아릴옥시기로는 페녹시, p-토릴옥시, m-토릴옥시, 3,5-디메틸-페녹시, 2,4,6-트리메틸페녹시, p-tert-부틸페녹시, 3-비페닐옥시, 4-비페닐옥시, 1-나프틸옥시, 2-나프틸옥시, 4-메틸-1-나프틸옥시, 5-메틸-2-나프틸옥시, 1-안트릴옥시, 2-안트릴옥시, 9-안트릴옥시, 1-페난트릴옥시, 3-페난트릴옥시, 9-페난트릴옥시 등이 있고, 아릴티옥시기로는 페닐티옥시기, 2－메틸페닐티옥시기, 4－tert－부틸페닐티옥시기 등이 있으며, 아릴술폭시기로는 벤젠술폭시기, p－톨루엔술폭시기 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 알킬티옥시기, 알킬술폭시기, 알킬아민기 및 아랄킬아민기 중의 알킬기는 전술한 알킬기의 예시와 같다. 구체적으로 알킬티옥시기로는 메틸티옥시기, 에틸티옥시기, tert－부틸티옥시기, 헥실티옥시기, 옥틸티옥시기 등이 있고, 알킬술폭시기로는 메틸술폭시기, 에틸술폭시기, 프로필술폭시기, 부틸술폭시기 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 상기 플루오레닐기는 열린 플루오레닐기의 구조를 포함하며, 여기서 열린 플루오레닐기는 2개의 고리 유기화합물이 1개의 원자를 통하여 연결된 구조에서 한쪽 고리 화합물의 연결이 끊어진 상태의 구조이다.
상기 플루오레닐기가 치환되는 경우,
Figure pat00032
,
Figure pat00033
,
Figure pat00034
및
Figure pat00035
등이 될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아민기는 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 1 내지 30인 것이 바람직하다. 아민기의 구체적인 예로는 메틸아민기, 디메틸아민기, 에틸아민기, 디에틸아민기, 페닐아민기, 나프틸아민기, 비페닐아민기, 안트라세닐아민기, 9-메틸-안트라세닐아민기, 디페닐아민기, 페닐나프틸아민기, 디톨릴아민기, 페닐톨릴아민기, 트리페닐아민기 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 아릴아민기의 예로는 치환 또는 비치환된 모노아릴아민기, 치환 또는 비치환된 디아릴아민기, 또는 치환 또는 비치환된 트리아릴아민기가 있다. 상기 아릴아민기 중의 아릴기는 단환식 아릴기일 수 있고, 다환식 아릴기일 수 있다. 상기 아릴기가 2 이상을 포함하는 아릴아민기는 단환식 아릴기, 다환식 아릴기, 또는 단환식아릴기와 다환식 아릴기를 동시에 포함할 수 있다.
아릴 아민기의 구체적인 예로는 페닐아민, 나프틸아민, 비페닐아민, 안트라세닐아민, 3-메틸-페닐아민, 4-메틸-나프틸아민, 2-메틸-비페닐아민, 9-메틸-안트라세닐아민, 디페닐 아민기, 페닐 나프틸 아민기, 디톨릴 아민기, 페닐 톨릴 아민기, 카바졸 및 트리페닐 아민기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 헤테로아릴아민기 중의 헤테로 아릴기는 전술한 헤테로고리기의 예시 중에서 선택될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 알킬렌기는 알킬기에 결합위치가 두 개 있는 것 즉, 2가기를 의미한다. 2가기인 것을 제외하고는 전술한 알킬기의 설명이 적용될 수 있다.
본 명세서에 있어서,
Figure pat00036
는 다른 치환기 또는 결합부에 결합되는 부위를 의미한다.
본 명세서에서 인접하는 기는 R1 또는 R2와 R3 또는 R4; R3 또는 R4와 R5 또는 R6; R5 또는 R6와 R7 또는 R8; R7 또는 R8과 R9 또는 R10과 같이, 이웃하여 있는 탄소에 치환된 치환기를 의미한다.
본 명세서에서 인접하는 기가 탄화수소고리 또는 헤테로고리를 형성하는 것은 인접하는 치환기가 결합을 형성하여, 5원 내지 7원의 탄화수소고리 또는 헤테로고리를 형성하는 것을 의미하고, 상기 헤테로고리는 N, O, 및 S 중 1 개 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 탄화수소고리는 시클로알킬기; 시클로알케닐기; 방향족고리기; 또는 지방족고리기를 모두 포함하며, 단환 또는 다환일 수 있으며, 이들이 1 또는 2 이상이 결합하여 축합된 고리를 모두 포함한다.
본 명세서에서 형성된 헤테로고리는 상기 탄화수소고리 중 적어도 하나의 탄소원자가 N, O, 또는 S 원자로 치환된 것을 의미하며, 지방족고리 또는 방향족고리일 수 있으며, 단환 또는 다환일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R1 내지 R10 중 적어도 2 개의 인접하는 치환기는 서로 결합하여 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소고리; 또는 N, O 및 S 원자 중 1 개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 방향족 헤테로고리를 형성한다.
상기 시클로알킬, 시클로알케닐, 방향족고리, 지방족 헤테로고리, 방향족 헤테로고리는 단환 또는 다환일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 동일 탄소내의 치환기는 R1과 R2; R3와 R4; R5와 R6; R7과 R8; 또는 R9와 R10과 같이 하나의 탄소를 공유하는 치환기를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 동일 탄소내의 치환기는 이중 결합을 형성한다. 예컨대, 카보닐기; 치환 또는 비치환된 이민기를 들 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 있어서, 동일 탄소내의 치환기는 스피로 결합을 형성한다. 상기 스피로 결합은 2개의 고리 유기 화합물이 1개의 원자와 연결된 구조를 의미하고, 2개의 고리 유기화합물이 1개의 원자를 통하여 연결된 구조에서 한쪽 고리 화합물의 연결이 끊어진 상태의 구조를 포함할 수 있다.
예컨대, 스피로 결합은 하나의 탄소를 공유하는 R1과 R2; R3와 R4; R5와 R6; R7과 R8; 또는 R9와 R10의 치환기가 결합을 형성하여 5원 내지 7원의 지방족의 탄화수소고리, 5원 내지 7원의 방향족 탄화수소고리, 이종원자로 O, N 및 S중 1개 이상을 포함하는 5원 내지 7원의 지방족 헤테로고리, 이종원자로 O, N 및 S중 1개 이상을 포함하는 5원 내지 7원의 방향족 헤테로고리를 형성하는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 m은 0이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 m은 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 Cn은 C60이다.
상기 Cn의 크기는 당업자의 필요에 따라 선택할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R5 내지 R8; 및 R1 내지 R10 중 서로 인접하는 치환기가 서로 결합하여 형성된 탄화수소고리의 치환기 중 적어도 하나는 -(L)a-(M)b이고, L, a, M 및 b는 전술한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 p는 1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 p는 2이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 p가 2 이상인 경우, 괄호 내의 구조는 동일하거나 상이하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R1은 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R2는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R3는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R4는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R5는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R5는 -(L)a-(M)b 이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R5는 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00037
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R5는 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00038
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R5는 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00039
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R5는 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00040
이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, R5는 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00041
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R5는 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00042
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R5는 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00043
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R6는 -(L)a-(M)b 이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R6는 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00044
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R6는 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00045
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R6는 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00046
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R6는 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00047
이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, R6는 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00048
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R6는 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00049
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R6는 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00050
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R6는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R7는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R7은 -(L)a-(M)b 이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R7은 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00051
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R7은 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00052
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R7은 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00053
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R7은 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00054
이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, R7은 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00055
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R7은 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00056
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R7은 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00057
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R8은 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R8은 -(L)a-(M)b 이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R8은 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00058
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R8은 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00059
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R8은 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00060
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R8은 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00061
이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, R8은 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00062
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R8은 -(L)a-(M)b 이고, a는 0이고, b는 1이며, M은
Figure pat00063
이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R8은 -(L)a-(M)b 이고, a는 1이고, b는 1이며, M은
Figure pat00064
이다.
명세서의 일 실시상태에 있어서, R1 또는 R2와 R3 또는 R4가 5원 또는 6원의 방향족 고리를 형성한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R1 또는 R2와 R3 또는 R4가 5원 또는 6원의 방향족 고리를 형성하고, 형성된 방향족 고리의 치환기는 수소이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R1 또는 R2와 R3 또는 R4가 5원 또는 6원의 방향족 고리를 형성하고, 형성된 방향족의 치환기는 -(L)a-(M)b 이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬렌기; 또는 탄소수 5 내지 30의 치환 또는 비치환된 2가의 방향족 탄화수소고리이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L은 치환 또는 비치환된 알킬렌기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L은 메틸렌기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 L은 에틸렌기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 L은 치환 또는 비치환된 프로필렌기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L은 메틸아세테이트로 치환된 프로필렌기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L은 치환 또는 비치환된 탄소수 5 내지 30의 치환 또는 비치환된 2가의 방향족 탄화수소고리이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 L은 페닐렌기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, a는 0 또는 1의 정수이고, L은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기; 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알콕시기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알콕시기; 탄소수 7 내지 50의 치환 또는 비치환된 아릴알콕시기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴옥시기이다.
다른 실시상태에 있어서, R은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알콕시기; 탄소수 7 내지 50의 치환 또는 비치환된 아릴알콕시기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알콕시기; 탄소수 7 내지 50의 치환 또는 비치환된 아릴알콕시기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 알콕시기, 아릴알콕시기 및 헤테로아릴옥시기는 할로겐기; 시아노기; 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 또는 탄소수 2 내지 30의 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 치환 또는 비치환된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, m은 0 또는 1의 정수이고,
R5 내지 R8; 및 R1 내지 R10 중 서로 인접하는 치환기가 서로 결합하여 형성된 탄화수소고리의 치환기 중 적어도 하나는 -(L)a-(M)b이며,
a는 0 또는 1이고,
L은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬렌기; 또는 탄소수 5 내지 30의 치환 또는 비치환된 2가의 방향족 탄화수소고리이며,
b는 1 내지 2의 정수이고,
M은
Figure pat00065
,
Figure pat00066
,
Figure pat00067
또는
Figure pat00068
이며,
상기 R은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알콕시기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알콕시기; 탄소수 7 내지 50의 치환 또는 비치환된 아릴알콕시기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 에틸옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 메틸옥시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 옥톡시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 분지쇄의 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 1-메틸헥실옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 1-에틸펜틸옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 2-에틸헥실옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 1-메틸헵틸옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 1-에틸헥실옥시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 2-에틸헵틸옥시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 1-부틸도데카닐옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 1-에틸도데카닐옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 2-부틸헵틸옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 1-펜틸헥실옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 2-에틸헵틸옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 할로겐기로 치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 불소기로 치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 헵타플루오로프로폭시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 아릴기로 치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 페닐기로 치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기로 치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기로 치환된 메틸옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기로 치환된 프로필옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 3-페닐프로필옥시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 3,3-다이페닐프로필옥시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 할로겐기로 치환된 페닐기로 치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 브롬으로 치환된 페닐기로 치환된 알콕시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 브롬으로 치환된 페닐기로 치환된 에틸옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 아릴아민기로 치환된 페닐기로 치환된 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기로 치환된 아민기로 치환된 페닐기로 치환된 에틸옥시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 알킬기로 치환된 아릴아민기로 치환된 페닐기로 치환된 알콕시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 헥실기로 치환된 페닐기로 치환된 아민기로 치환된 페닐기로 치환된 에틸옥시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 치환된 페닐기로 치환된 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 벤즈이미다졸기로 치환된 페닐기로 치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기로 치환 또는 비치환된 벤즈이미다졸기로 치환된 페닐기로 치환된 에틸옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 티오펜기로 치환된 페닐기로 치환된 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 바이티오펜기로 치환된 페닐기로 치환된 알콕시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 로다닌기로 치환된 바이티오펜기로 치환된 페닐기로 치환된 알콕시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 로다닌기로 치환된 바이티오펜기로 치환된 페닐기로 치환된 에틸옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 바이페닐기로 치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 바이페닐기로 치환된 알콕시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 바이페닐기로 치환된 에틸옥시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 시아노기로 치환된 바이페닐기로 치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 시아노기로 치환된 바이페닐기로 치환된 에틸옥시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 알킬기로 치환된 바이페닐기로 치환된 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 헥실기로 치환된 바이페닐기로 치환된 알콕시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 헥실기로 치환된 바이페닐기로 치환된 에틸옥시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 치환된 바이페닐기로 치환된 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 벤즈이미다졸기로 치환된 바이페닐기로 치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기로 치환 또는 비치환된 벤즈이미다졸기로 치환된 바이페닐기로 치환된 에틸옥시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 나프틸기로 치환된 알콕시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 나프틸기로 치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 나프틸기로 치환된 에틸옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 파이렌기로 치환된 알콕시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 파이렌기로 치환된 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 파이렌기로 치환된 에틸옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 플루오레닐기로 치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 알킬기로 치환된 플루오레닐기로 치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 헥실기로 치환된 플루오레닐기로 치환된 에틸옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 N, O, 및 S 원자 중 1 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 S 원자를 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 치환된 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, R은 치환 또는 비치환된 티오펜기로 치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 아릴기로 치환된 티오펜기로 치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기로 치환된 티오펜기로 치환된 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기로 치환된 티오펜기로 치환된 에틸옥시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 헤테로고리기로 치환된 티오펜기로 치환된 알콕시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 벤조티아다이아졸기로 치환된 티오펜기로 치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 2-헥실티오펜기로 치환된 벤조티아다이아졸기로 치환된 티오펜기로 치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 2-헥실티오펜기로 치환된 벤조티아다이아졸기로 치환된 티오펜기로 치환된 에틸옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 바이티오펜기로 치환된 알콕시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 로다닌기로 치환된 바이티오펜기로 치환된 알콕시기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 로다닌기로 치환된 바이티오펜기로 치환된 에틸옥시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 바이티오펜기로 치환된 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 알킬기로 치환된 바이티오펜기로 치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, R은 헥실기로 치환된 바이티오펜기로 치환된 알콕시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 헥실기로 치환된 바이티오펜기로 치환된 에틸옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R5 또는 R6과 R7 또는 R8은 서로 결합하여 5원 또는 6원의 지방족고리를 형성한다. 상기 형성된 고리의 치환기는 -(L)a-(M)b로 치환된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 아릴알킬옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 벤질옥시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 아릴기로 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기로 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 아릴기로 치환된 에틸기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기로 치환된 에틸기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 아릴기로 치환된 프로필기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기로 치환된 프로필기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R 은 알킬기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 R은 헥실기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 2-에틸헥실기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R은 치환 또는 비치환된 아릴기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 아릴기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R은 페닐기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 플러렌 유도체는 하기 화학식 1-1-1 내지 1-1-54 중 어느 하나이다.
Figure pat00069
Figure pat00070
Figure pat00071
Figure pat00072
Figure pat00073
Figure pat00074
Figure pat00075
Figure pat00076
Figure pat00077
Figure pat00078
Figure pat00079
Figure pat00080
Figure pat00081
Figure pat00082
Figure pat00083
Figure pat00084
Figure pat00085
Figure pat00086
Figure pat00087
Figure pat00088
Figure pat00089
Figure pat00090
Figure pat00091
Figure pat00092
Figure pat00093
Figure pat00094
Figure pat00095
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 플러렌 유도체는 LUMO 에너지 준위가 -3.4 eV 내지 -5 eV이다.
상기의 범위의 LUMO 에너지 준위를 갖는 플러렌 유도체는 전기장이 인가되었을 때, 정공과 전자의 주입이 쉽게 일어나는 분자 오비탈 즉 HOMO 및 LUMO 에너지 준위이므로 전하의 주입 및/또는 전류의 이동성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 플러렌 유도체는 이웃한 분자들 사이의 효과적인 전하 이동이 일어날 수 있는 프론티어 오비탈의 충분한 겹침을 갖을 수 있다. 따라서, 상기 플러렌 유도체를 이용하는 유기 태양 전지는 고 효율을 갖을 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 플러렌 유도체는 용해도가 우수하여, 유기 태양 전지를 제작하는 경우, 저온의 용액 공정이 가능하므로, 플라스틱 기판에도 쉽게 박막을 형성할 수 있어, 비용적으로 경제적이다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 플러렌 유도체는 단결정 같은 박막 형태를 가진 필름 형태가 가능하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 플러렌 유도체는 용해성 증가로 유기박막층을 형성 했을 때, 모폴로지 향상효과가 우수하여 효과적인 전하이동이 일어날 수 있다.
상기 화학식 1과 화학식 2의 플러렌 유도체는 하기 반응조건 A와 같이 에탄올이나 메탄올과 같은 알킬알코올 또는 테트라하이드로퓨란(THF)과 같은 유기 용매에서 카보닐기(케톤 C=O)에 아릴하이드라자이드를 반응시켜 C=N 이중결합인 이민기를 형성시킨 후 반응조건 B에서와 같이 Cn의 탄소 뭉치 화합물에 탄소-탄소 결합이 형성되어 얻어질 수 있다.
문헌 Kinetic resolution of 3-hydroxymethylbenzocycloalkanols by selective asymmetric hydrogen-transfer oxidation, Yolanda Caro, Marı´a Torrado, Christian F. Masaguer* and Enrique Ravina, Tetrahedron: Asymmetry 14 (2003) 3689-3696에 기재된 방법을 기초로 본 명세서의 일 실시상태에 따른
Figure pat00096
가 치환된 화학식 2-A를 얻을 수 있으며, Photochemistry of diethynyl sulfides: A cycloaromatization for the formation of five-membered rings Lewis, Kevin D.; Matzger, Adam J.; Wenzler, David L. Organic Letters, 2003 , vol. 5, ＃ 13 p. 2195 - 2197 및 Microwave-Accelerated Solvent-Free Synthesis of Thioketones, Thiolactones, Thioamides, Thionoesters, and Thioflavonoids. Org. Lett., 1999, 1(5), pp 697 -700에 기재된 로손 시약 (Lawesson reagent)을 사용하여,
Figure pat00097
로 치환된 화학식 2-A를 얻을 수 있다.
<반응식 1>
[화학식 2-A] [화학식 2-B] [화학식 2-1]
Figure pat00098
반응조건 A
1) 방향족히드라진(ArNHNH2), 적은 양의 황산 또는 염산(small amount of H2SO4 or HCl), 알킬알코올(alkylalcohol) 또는 테트라하이드로퓨란(THF), 환류(reflux)
2) 생성된 고체화합물 여과(Filtration) 또는 유기 혼합용액층 분리 후 정제(purification)
상기 반응은 에스터를 제조하는 일반적인 합성법으로 오각형 또는 육각형 고리 화합물에 연결된 카르복실산으로부터 알킬에스터를 제조한 후, 알킬 에스터의 환원 반응을 통하여, 알킬 알코올로 변형이 가능하다. 이를 응용하여, 다양한 알킬에스터 또는 아릴에스터가 치환된 플러렌 유도체를 제조하는 것은 당업자에게 용이하다.
또한, 카르복실산을 티오닐클로라이드(SOCl3)나 옥살릴클로라이드(C2O2Cl2), 카보닐클로라이드로 변형시킨 후, 알킬아민 또는 아릴아민 화합물로 변형시켜 카르복실아미드기로 치환된 플러렌 유도체를 제조할 수 있다.
치환 또는 비치환된 방향족 고리, 치환 또는 비치환된 방향족 헤테로고리로 축합되거나 축합되지 않은 시클릭케톤계 화학식 2-A를 치환 또는 비치환된 방향족 히드라진을 메탄올 또는 에탄올에서 3시간 내지 24시간 동안 가열교반하였다. 형성된 고체를 여과 후 건조하거나 형성된 액체를 컬럼크로마토그래피로 정제하여, 얻었다.
반응조건 B
1) C60, 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene) 또는 클로로벤젠 (chlorobenzene), 피리딘(pyridine)
2) 메톡사이드나트륨(NaOCH3) 첨가
3) 교반(Stirring) 120 oC ~ 170 oC
상기 반응 조건 A에서 제조한 화학식 2-B, C60, 오르토 디클로로벤젠 (o-dichlorobenzene), 피리딘(pyridine) 및 메톡사이드나트륨을 넣고 120 ℃ 내지 170℃에서 가열 교반 후 화학식 2-1 로 표시되는 플러렌 유도체를 제조하였다.
상기 반응 조건 B에서 얻어진 플러렌 유도체 중 카보닐에스터기를 포함하는 플러렌 유도체는 로손시약 (Lawesson reagent) 등을 통해서 쉽게 티오에스터기를 포함하는 플러렌 유도체로 변형 가능하다.
상기 반응 조건 B에서 얻어진 플러렌 유도체 중 에스터기를 포함하는 플러렌 유도체는 가수분해 방법 등을 통해서 쉽게 카르복실산기를 포함하는 플러렌 유도체로 변형가능하고, 환원 반응에 의하여, 알데히드기를 포함하는 플러렌 유도체로 변형가능하다.
상기 화학식 3 내지 5도 상기와 같은 반응 조건 및 순서에 따라 제조될 수 있다.
상기 R5 내지 R10, m, p 및 Cn은 상기에서 정의한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 1층 이상의 유기물층을 포함하고, 상기 유기물층 중 1층 이상은 상기 플러렌 유도체를 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지를 예시한 도이다. 상기 도 1에서는 기판(101), 제1 전극(102), 정공수송층(103), 광활성층(104) 및 제2 전극(105)를 포함한다.
유기태양전지의 원리는 광 여기에 의하여 p형 반도체가 전자와 정공이 쌍을 이룬 엑시톤(exciton)을 형성하고, 상기 엑시톤이 p-n 접합부에서 전자와 정공으로 분리된다. 분리된 전자와 정공은 n형 반도체 박막 및 p형 반도체 박막으로 각각 이동하고 이들이 각각 제1 전극과 제2 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 광활성층 및 상기 광활성층과 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 사이에 구비된 유기물층을 포함하고, 상기 광활성층과 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 사이에 구비된 유기물층은 상기 플러렌 유도체를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 정공수송층, 정공주입층 또는 정공수송과 정공주입을 동시에 하는 층을 포함하고, 상기 정공수송층, 정공주입층 또는 정공수송과 정공주입을 동시에 하는 층은 상기 플러렌 유도체를 포함한다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 전자주입층, 전자수송층 또는 전자주입과 전자수송을 동시에 하는 층을 포함하고, 상기 전자주입층, 전자수송층 또는 전자주입과 전자수송을 동시에 하는 층은 상기 플러렌 유도체를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 광활성층을 포함하고, 상기 광활성층은 상기 플러렌 유도체를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 광활성층을 포함하고, 상기 광활성층은 n형 유기물층 및 p형 유기물층을 포함하는 이층 박막(bilayer)구조이며, 상기 n형 유기물층은 상기 플러렌 유도체를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기물층은 광활성층을 포함하고, 상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하며, 상기 전자 받개 물질은 상기 플러렌 유도체를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 상기 전자 주개 물질과 상기 전자 받개 물질이 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성한다.
벌크 헤테로 정션이란 광활성층에서 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 서로 섞여 있는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 플러렌 유도체는 간단한 제조 방법을 통하여, 유기 용매에 대한 용해성이 우수한 전자 받개 물질을 효율적으로 제조할 수 있다. 또한, 광반응성, 광안정성 및 전도성을 가질 수 있는 물질을 출발 물질로 사용할 수 있어, 반응 시 용해도가 높은 전자 받개 물질을 제조할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 n형 유기물층 및/또는 상기 전자 주개 물질은 광흡수 파장 범위나 태양광 스펙트럼과 잘 맞으며, 강한 광흡수도를 가지고, 전하의 이동도 등의 전기적 물성이 뛰어난 것이 바람직하며, 용액 공정이 가능한 단분자 또는 고분자를 사용할 수 있다.
대표적인 전자 주개 물질은 PPV(poly (phenylene vinylene))계 고분자 또는 P3HT(poly(3-hexylthiophene))계 고분자를 비롯하여 하기와 같은 구조들이 있다.
Figure pat00099
n은 1 내지 1,000의 정수이고,
Rm은 수소, 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 방향족 또는 지방족의 헤테로 고리기, 또는 치환 또는 비치환된 아릴기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 물질은 P3HT 또는 하기 화학식 2-1로 표시되는 것이다.
[화학식 2-1]
Figure pat00100
화학식 2-1에 있어서,
R11 내지 R13은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R11은 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R11은 치환 또는 비치환된 옥톡시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R11은 옥톡시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R12는 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 R12는 치환 또는 비치환된 옥톡시기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R12는 옥톡시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R13은 치환 또는 비치환된 알킬기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 R13은 도데카닐기이다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 화학식 2-1로 표시되는 전자 주개 물질은 하기 화학식 2-1-1로 표시된다.
[화학식 2-1-1]
Figure pat00101
상기 전자 주개 물질들은 태양광의 가시광선 전 영역을 흡수할 수 있도록 밴드갭이 작은 물질들이 바람직하며, 고분자 화합물이 일반적이나, 이들에만 한정하는 것은 아니다.
상기 전자 주개 물질 및 상기 전자 받개 물질은 1:10 내지 10:1의 비율(w/w)로 혼합된다. 상기 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질이 혼합된 후에 특성을 최대화 시키기 위해서 30 내지 300 ℃에서 1초 내지 24시간 어닐링할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층의 두께는 10 nm 내지 1,000 nm이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극은 애노드 전극일 수도 있고, 캐소드 전극일 수 있다. 또한, 제 2 전극은 캐소드 전극일 수 있고, 애노드 전극일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 유기 태양 전지는 애노드 전극, 광활성층 및 캐소드 전극 순으로 배열될 수도 있다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 캐소드 전극, 광활성층 및 애노드 전극 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 애노드 전극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층 및 캐소드 전극 순으로 배열될 수도 있고, 캐소드 전극, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 애노드 전극 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 유기 태양 전지는 애노드 전극, 버퍼층, 광활성층, 캐소드 전극 순으로 배열될 수도 있다.
본 명세서의 유기 태양 전지는 상기 화학식 1로 표시되는 플러렌 유도체를 유기 태양 전지의 유기물층 중 1층 이상에 포함하는 것을 제외하고는 당 기술 분야에 알려져 있는 재료와 방법으로 제조될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 상부에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극의 상부에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 1층이상의 유기물층은 상기 플러렌 유도체를 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 상부에 애노드를 형성하는 단계, 상기 애노드 위에 정공수송층을 형성하는 단계, 상기 정공수송층 위에 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 위에 전자수송층을 형성하는 단계 및 상기 전자수송층 위에 캐소드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 상부에 캐소드를 형성하는 단계, 상기 캐소드 위에 전자수송층을 형성하는 단계, 상기 전자수송층 위에 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 위에 정공수송층을 형성하는 단계 및 상기 정공수송층 위에 애노드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서의 유기 태양 전지는 예컨대 기판 상에 애노드, 광활성층 및 캐소드를 순차적으로 적층시킴으로써 제조할 수 있다.
상기 플러렌 유도체는 상기 정공수송층; 광활성층; 및/또는 전자수송층에 포함될 수 있다.
예컨대, 본 발명에 따른 유기 태양 전지는 스퍼터링(sputtering)이나 전자빔 증발(e-beam evaporation)과 같은 PVD(physical vapor deposition) 방법을 이용하여, 기판 상에 금속 또는 전도성을 가지는 금속 산화물 또는 이들의 합금을 증착시켜 애노드을 형성하고, 그 위에 유기물층을 진공증착 내지는 용액 도포법으로 유기물층을 형성한 후, 그 위에 캐소드으로 사용할 수 있는 물질을 증착시킴으로써 제조될 수 있다.
상기 각 층의 유기물층은 다양한 단분자 내지는 고분자 소재를 사용하여 증착법이 아닌 용매 공정(solvent process), 예컨대 롤투롤(roll to roll), 스핀 코팅, 딥 코팅, 캐스팅, 롤코트(roll court), 플로우 코팅(flow coating), 닥터 블레이딩, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 인쇄, 오프셋 인쇄, 스프레이 코팅 또는 열 전사법 등의 방법에 의하여 제조할 수 있다.
상기 각 층의 유기물층, 진공증착, 스퍼터링, 플라즈마, 이온도금 등의 건식 성막법 등의 방법에 의하여 제조할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 애노드 증착 단계, 광활성층 적층 단계, 광활성층 정렬 단계, 광활성층 열처리 단계, 캐소드 증착 단계를 포함할 수 있다.
상기 광활성층 적층 단계는 양극의 상측에 전자 주개 물질, 전자 받개 물질을 혼합한 용액을 분사하여 증착하는 복합 박막 구조 즉, 벌크 헤테로 정션으로 배치할 수 있다.
상기 전자 받개 물질은 유기 용매에 복합 고분자 물질을 녹은 혼합액을 사용할 수 있으며, 상기 플러렌 유도체를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 플러렌 유도체에 P3HT를 유기용매에 녹여 사용한다.
본 명세서에서 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유기 태양 전지에 통상적으로 사용되는 기판이면 제한되지 않는다. 구체적으로 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PP(polypropylene), PI(polyimide), TAC(triacetyl cellulose) 등이 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 애노드 전극은 투명하고 전도성이 우수한 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 인듐아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO:Al 또는 SNO2 : Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; 폴리(3-메틸티오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜](PEDOT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 애노드 전극의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 스퍼터링, E-빔, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 기판의 일면에 도포되거나 필름형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
상기 애노드 전극을 기판 상에 형성하는 경우, 이는 세정, 수분제거 및 친수성 개질 과정을 거칠 수 있다.
예컨대, 패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로필 알코올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음, 수분 제거를 위해 가열판에서 100~150℃에서 1~30분간, 바람직하게는 120℃에서 10분간 건조하고, 기판이 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성으로 개질한다.
상기와 같은 표면 개질을 통해 접합 표면 전위를 광활성층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 개질 시 애노드 전극 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상될 수도 있다.
애노드 전극의 위한 전 처리 기술로는 a) 평행 평판형 방전을 이용한 표면 산화법, b) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 c) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법 등이 있다.
애노드 전극 또는 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택할 수 있다. 다만, 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 애노드 전극 또는 기판 표면의 산소이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이 때, 전 처리의 실질적인 효과를 극대화할 수 있다.
구체적인 예로서, UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용할 수 있다. 이 때, 초음파 세정 후 패터닝된 ITO 기판을 가열판(hot plate)에서 베이킹(baking)하여 잘 건조시킨 다음, 챔버에 투입하고, UV 램프를 작용시켜 산소 가스가 UV 광과 반응하여 발생하는 오존에 의하여 패터닝된 ITO 기판을 세정할 수 있다.
그러나, 본 명세서에 있어서의 패터닝된 ITO 기판의 표면 개질 방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.
상기 캐소드 전극은 일함수가 작은 금속이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금; LiF/Al, LiO2/Al, LiF/Fe, Al:Li, Al:BaF2, Al:BaF2:Ba와 같은 다층 구조의 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 캐소드 전극은 5x10-7torr 이하의 진공도를 보이는 열증착기 내부에서 증착되어 형성될 수 있으나, 이 방법에만 한정되는 것은 아니다.
상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 광활성층에서 분리된 전자와 정공을 전극으로 효율적으로 전달시키는 역할을 담당하며, 물질을 특별히 제한하지는 않는다.
상기 정공수송층 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly(styrenesulfonic acid)), 몰리브데늄 산화물(MoOx); 바나듐 산화물(V2O5); 니켈 산화물(NiO); 및 텅스텐 산화물(WOx) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전자수송층 물질은 전자추출금속 산화물(electron-extracting metal oxides)이 될 수 있으며, 구체적으로 8-히드록시퀴놀린의 금속착물; Alq3를 포함한 착물; Liq를 포함한 금속착물; LiF; Ca; 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
광활성층은 전자공여체 및/또는 전자수용체와 같은 광활성 물질을 유기용매에 용해시킨 후 용액을 스핀 코팅, 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 브러쉬 페인팅 등의 방법으로 형성할 수 있으나, 이들 방법에만 한정되는 것은 아니다.
상기 플러렌 유도체의 제조 방법 및 이를 이용한 유기 태양 전지의 제조는 이하 제조예 및 실시예에서 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것이며, 본 명세서의 범위가 이들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. 화학식 1-1-1의 제조
[화학식 1-B-1] [ 화학식1 -C-1]
Figure pat00102
[화학식 1-1-1]
Figure pat00103
3-옥소-1-인단카복실산(3-Oxo-1-indancarboxylic acid) (10.0 g, 56.8 mmol), 에탄올 180mL, 황산(H2SO4)(1mL)를 넣고 24시간 동안 가열 교반하였다. 상온으로 반응온도를 내리고, 에탄올을 진공증류하여 실리카겔 층을 통과시켜 액상의 에틸-3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-카르복실레이트(Ethyl-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-1-carboxylate) 화학식1-B-1(11.4g, 98%)을 얻었다.
상기 제조예 화학식 1-B-1로 표시되는 화합물(11.4g, 55.86 mmol)을 메탄올 220mL에 가열하면서 완전히 녹인다. 상기 혼합용액에 p-톨루엔설포닐히드라지드 (p-toluenesulfonylhydrazide) (10.41g, 55.86mol)을 가한 후, 6 시간 동안 가열 교반하였다. 상온으로 반응 온도를 내린 후, 메탄올 용매를 진공 감압으로 증류한 후, 형성된 액체를 컬럼크로마토그래피(EA:HEX=1:4)로 정제하여 액체 화학식 1-C-1(15.8g, 수율 76%)를 제조하였다.
C60(5.0 g, 5 eq. 6.94 mmol), 오르토-디클로로벤젠(ODCB: o-dichloro benzene 100 mL), 피리딘(pyridine) 20 mL, 메톡사이드나트륨(NaOCH3)(1.28 eq. 4.62 mmol, 0.24 g) 을 넣고 120도에서 가열교반 하였다. 이 혼합물에 화학식 1-C-1(1.43 g, 3.85 mmol)을 넣고 170도로 승온한 후 2시간 동안 교반하였다. 반응 용액을 상온으로 내린 후, 녹지 않는 고체를 거름종이를 통해 걸러낸 후, 유기용매를 진공증류로 제거하였다. 얻어진 혼합물을 소량의 오르토-디클로로벤젠으로 묽힌 후 실리카겔 컬럼에 로딩한 후, n-헥산(n-Hexane)으로 전개하여 오르토-디클로로벤젠 및 일부 녹은 C60을 제거 하였다. 이어서 톨루엔으로 전개하여 정제하였다. 용매를 진공증류로 제거 한 후, 메탄올로 침전을 형성시켜 고체를 얻은 후 건조하여 혼합물 상태에서 질량분석을 하였다. 상기 화합물의 질량 분석 결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 908, 909, n=2; 1096, n=3; 1285
이를 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 n=1인 화학식 1-1-1을 420mg(수율 12%) 제조하였다.
제조예 2. 화학식 1-1-2의 제조
문헌 Journal of the American Chemical Society, 1992, vol. 114, No. 6 p. 2181 - 2187을 참고로 하여 3-Phenylalutaric acid로부터 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)를 합성하였다.
[화학식 1-B-2] [ 화학식1 -C-2]
Figure pat00104
[화학식 1-1-2]
Figure pat00105
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-B-1의 제조 방법에 있어서,
3-옥소-1-인단카복실산(3-Oxo-1-indancarboxylic acid) 대신 화합물 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)을 에탄올 대신 메탄올을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-B-2를 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화학식 1-B-2를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C-2를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-C-1 대신 화학식 1-C-2를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-1-2을 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 908, 909
제조예 3. 화학식 1-1-3의 제조
[화학식 1-B-3] [화학식 1-C-3]
Figure pat00106
[화학식 1-1-3]
Figure pat00107
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-B-1의 제조 방법에 있어서,
화합물 3-옥소-1-인단카복실산(3-Oxo-1-indancarboxylic acid) 대신 화합물 3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-5-카복실산 (3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-5-carboxylic acid)을 에탄올 대신 메탄올을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-B-3을 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화학식 1-B-3을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C-3을 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-C-1 대신 화학식 1-C-3을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-1-3을 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1;894, 895
제조예 4. 화학식 1-1-4의 제조
[화학식 1-B-4] [화학식 1-C-4]
Figure pat00108
[화학식 1-1-4]
Figure pat00109
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-B-1의 제조 방법에 있어서,
화합물 3-옥소-1-인단카복실산(3-Oxo-1-indancarboxylic acid) 대신 화합물 4-옥소-1,2,3,4-테트라하이드로나프탈렌-2-카복실산 (4-oxo-1,2,3,4-tetrahydronaphthalene-2-carboxylic acid)을 에탄올 대신 메탄올을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-B-4를 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화학식 1-B-4를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C-4를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-C-1 대신 화학식 1-C-4를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-1-4를 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 908, 909
제조예 5. 화학식 1-1-5의 제조
[화학식 1-B-5] [화학식 1-C-5]
Figure pat00110
[화학식 1-1-5]
Figure pat00111
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-B-1의 제조 방법에 있어서,
화합물 3-옥소-1-인단카복실산(3-Oxo-1-indancarboxylic acid) (10.0g, 56.8 mmol), 벤질알코올 30mL, 황산(H2SO4)(1mL)를 넣고 24시간 동안 가열 교반하였다. 상온으로 반응온도를 내리고, 용매를 진공증류하여 실리카겔 층을 통과시켜 액상의 벤질-3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-카르복실레이트(benzyl-3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-1-carboxylate) 화학식1-B-5(13.0g, 86%)을 얻었다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화학식 1-B-5를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C-5를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-C-1 대신 화학식 1-C-5를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-1-5를 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1;970, 971
제조예 6. 화학식 1-1-6의 제조
문헌 Journal of the American Chemical Society, 1992, vol. 114, No. 6, p. 2181 - 2187 을 참고로 하여, 3-페닐부티르산(3-Phenylbutaric acid)로 부터 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-1-yl)acetic acid)를 합성하였다.
[화학식 1-B-6] [ 화학식1 -C-6]
Figure pat00112
[화학식 1-1-6]
Figure pat00113
상기 제조예 1-1-2의 화학식 1-B-2의 제조 방법에 있어서,
화합물 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)에 메탄올 대신 에틸헥실알코올을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-B-6을 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-B-1 대신 화학식 1-B-6을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C-6을 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-C-1 대신 화학식 1-C-6을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-1-6을 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 978, 979
제조예 7. 화학식 1-1-7의 제조
[화학식 1-B-7] [화학식 1-C-7]
Figure pat00114
[화학식 1-1-7]
Figure pat00115
상기 제조예 1-1-3의 화학식 1-B-3의 제조 방법에 있어서,
3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-5-카복실산 (3-oxo-2,3-dihydro-1H-indene-5-carboxylic acid)에 에탄올 대신 3-헵탄올(3-heptanol)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-B-7을 제조하였다.
상기 제조예 1-1-3의 화학식 1-C-3의 제조 방법에 있어서, 1-B-3 대신 화학식 1-B-7을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C-7을 합성하였다.
상기 제조예 1-1-3의 화학식 1-1-3의 제조방법에 있어서, 화학식 1-C-3 대신 화학식 1-C-7을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-1-7을 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1;978, 979
제조예 8. 화학식 1-1-8의 제조
[화학식 1-B-8] [화학식 1-C-8]
Figure pat00116
[화학식 1-1-8]
Figure pat00117
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-B-1의 제조 방법에 있어서,
화합물 3-옥소-1-인단카복실산(3-Oxo-1-indancarboxylic acid) 대신 화합물 4-옥소-1,2,3,4,-테트라하이드로-1-나프탈렌카복실산 (4-oxo-1,2,34,-tetrahydro-1-naphthalenecarboxylic acid) 을 에탄올 대신 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로-1-부탄올(2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-1-butanol)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-B-8을 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-B-1 대신 화학식 1-B-8을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C-8을 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서,화학식 1-C-1 대신 화학식 1-C-8을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-1-8을 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 1062, 1063
제조예 9. 화학식 1-1-9의 제조
[화학식 1-C-9] [화학식 1-1-9]
Figure pat00118
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서,
화학식 1-B-1 대신 화합물 에틸-4-옥소시클로헥산카복실레이트(ethyl-4-oxocyclohexanecarboxylate)를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C-9를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-C-1 대신 화학식 1-C-9를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-1-9를 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 874
제조예 10. 화학식 1-1-10의 제조
[화학식 1-B-10] [화학식 1-C-10]
Figure pat00119
[화학식 1-1-10]
Figure pat00120
5-브로모인다논(5-bromoindanone) 화합물(2.11g, 10.0mmol)과 4-에톡시카보닐페닐보론산피나콜에스터 화합물(4-ethoxycarbonylphenylboronicacid pinacol ester)(3.03g, 11.0mmol)을 테트라하이드로퓨란(60mL)에 녹인 후, 2M 탄산칼륨수용액(40mL)을 첨가하고, 테트라키스트리페닐포스피노팔라듐(231mg, 2mol%)을 넣은 후, 8시간 동안 교반 환류하였다. 상온으로 온도를 낮추고 반응 혼합물에 n-헥산(n-hexane)을 가해 고체를 형성시키고, 생성된 고체를 여과 후 건조하였다. 이와 같이 얻은 고체를 메틸렌 클로라이드와 에탄올로 재결정하고 여과한 뒤 건조하여 화학식 1-B-10(1.84g, 66%)을 제조하였다.
MS:[M+H]+=281
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-B-1 대신 화학식 1-B-10을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C-10을 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-C-1 대신 화학식 1-C-10을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-1-10을 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 984
제조예 11. 화학식 1-1-12의 제조
[화학식 1-B-12] [ 화학식1 -C-12]
Figure pat00121
[화학식 1-1-12]
Figure pat00122
상기 제조예 1-1-6의 화학식 1-B-6의 제조 방법에 있어서,
화합물 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)에 메탄올 대신 2-옥탄올(2-octanol)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-B-12를 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화합물 1-B-12를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-C-12를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화합물 1-C-1대신 화합물 1-C-12를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-1-12를 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 1006
제조예 12. 화학식 1-1-13의 제조
[화학식 1-B-13] [ 화학식1 -C-13]
Figure pat00123
[화학식 1-1-13]
Figure pat00124
상기 제조예 1-1-6의 화학식 1-B-6의 제조 방법에 있어서,
화합물 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)에 메탄올 대신 3-옥탄올(3-octanol)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-B-13을 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화합물 1-B-13을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-C-13을 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화합물 1-C-1대신 화합물 1-C-13을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-1-13을 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 1006
제조예 13. 화학식 1-1-14의 제조
[화학식 1-B-14] [ 화학식1 -C-14]
Figure pat00125
[화학식 1-1-14]
Figure pat00126
상기 제조예 1-1-6의 화학식 1-B-6의 제조 방법에 있어서,
화합물 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)에 메탄올 대신 2-에틸-1-헵탄올(2-ethyl-1-heptanol)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-B-14를 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화합물 1-B-14를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-C-14를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화합물 1-C-1대신 화합물 1-C-14를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-1-14를 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 1020
제조예 14. 화학식 1-1-15의 제조
[화학식 1-B-15] [ 화학식1 -C-15]
Figure pat00127
[화학식 1-1-15]
Figure pat00128
상기 제조예 1-1-6의 화학식 1-B-6의 제조 방법에 있어서,
화합물 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)에 메탄올 대신 3-페닐-1-프로판올 (3-phenyl-1-propanol)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-B-15를 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화합물 1-B-15를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-C-15를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화합물 1-C-1대신 화합물 1-C-15를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-1-15를 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 1012
제조예 15. 화학식 1-1-16의 제조
[화학식 1-B-16] [ 화학식1 -C-16]
Figure pat00129
[화학식 1-1-16]
Figure pat00130
상기 제조예 1-1-6의 화학식 1-B-6의 제조 방법에 있어서,
화합물 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)에 메탄올 대신 5'-헥실-[2,2'-바이티오펜]-5-일)메탄올(5'-hexyl-[2,2'-bithiophen]-5-yl)methanol)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-B-16을 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화합물 1-B-16을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-C-16을 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화합물 1-C-1대신 화합물 1-C-16을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-1-16을 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 1170
제조예 16. 화학식 1-1-17의 제조
[화학식 1-B-17] [ 화학식1 -C-17]
Figure pat00131
[화학식 1-1-17]
Figure pat00132
상기 제조예 1-1-6의 화학식 1-B-6의 제조 방법에 있어서,
화합물 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)에 메탄올 대신 2-(4-다이페닐아미노)페닐)에탄-1-올(2-(4-(diphenylamino)phenyl)ethan-1-ol)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-B-17을 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화합물 1-B-17을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-C-17을 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화합물 1-C-1대신 화합물 1-C-17을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-1-17을 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 1165
제조예 17. 화학식 1-1-18의 제조
[화학식 1-B-18] [ 화학식1 -C-18]
Figure pat00133
[화학식 1-1-18]
Figure pat00134
상기 제조예 1-1-6의 화학식 1-B-6의 제조 방법에 있어서,
화합물 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)에 메탄올 대신 2-(나프날렌-1-일)에탄-1-올(2-(naphthalen-1-yl)ethan-1-ol)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-B-18을 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화합물 1-B-18을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-C-18을 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화합물 1-C-1대신 화합물 1-C-18을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-1-18을 제조하였다.
MS: m/z n=1; 1048
제조예 18. 화학식 1-1-19의 제조
[화학식 1-B-19] [ 화학식1 -C-19]
Figure pat00135
[ 화학식1 -1-19]
Figure pat00136
상기 제조예 1-1-6의 화학식 1-B-6의 제조 방법에 있어서,
화합물 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)에 메탄올 대신 2-(4-(1-페닐-1H-벤조[d]이미다졸-2-일)에탄-1-올 (2-(4-(1-phenyl-1H-benzo[d]imidazol-2-yl)phenyl)ethan-1-ol)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-B-19를 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화합물 1-B-19를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-C-19를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화합물 1-C-1대신 화합물 1-C-19를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-1-19를 제조하였다.
MS: m/z n=1; 1190
제조예 19. 화학식 1-1-21의 제조
[화학식 1-B-21] [화학식 1-C-21]
Figure pat00137
[화학식 1-1-21]
Figure pat00138
상기 제조예 1-1-6 의 화학식 1-B-6 의 제조 방법에 있어서,
화합물 2-(3-옥소-2,3-디하이드로-1H-인덴-1-일)아세트산 (2-(3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden-1-yl)acetic acid)에 메탄올 대신 2-에틸헥산-1-올(2-ethylhexan-1-ol)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-B-21을 제조하였다.
상기 제조예 1-1-1 의 화학식 1-C-1 의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화합물 1-B-21을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-C-21 을 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1 의 화학식 1-1-1 의 제조 방법에 있어서, 화합물 1-C-1 대신 화합물 1-C-21을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물1-1-21 을 제조하였다.
MS: m/z n=1; 1037
제조예 20. 화학식 1-1-36의 제조
[화학식 1-B-36] [화학식 1-C-36]
Figure pat00139
[화학식 1-1-36]
Figure pat00140
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-B-1의 제조 방법에 있어서,
화합물 3-옥소-1-인단카복실산(3-Oxo-1-indancarboxylic acid)에 에탄올 대신 메틸-2-헵탄올을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-B-36를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화학식 1-B-36를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C-36를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-C-1 대신 화학식 1-C-36를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-1-36를 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 1029
도 6은 화학식 1-1-36으로 표시되는 플러렌 유도체의 MS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 7은 화학식 1-1-36으로 표시되는 플러렌 유도체의 액체크로마토그래피(HPLC)를 나타낸 도이다.
도 8은 화학식 1-1-36으로 표시되는 플러렌 유도체의 NMR 그래프를 나타낸 도이다.
제조예 21. 화학식 1-1-44의 제조
[화학식 1-B-44] [화학식 1-C-44]
Figure pat00141
[화학식 1-1-44]
Figure pat00142
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-B-1의 제조 방법에 있어서,
화합물 3-옥소-1-인단카복실산(3-Oxo-1-indancarboxylic acid)에 에탄올 대신 프로판올을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화합물 1-B-44를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-C-1의 제조 방법에 있어서, 1-B-1 대신 화학식 1-B-44를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C-44를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-C-1 대신 화학식 1-C-44를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-1-44를 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 1029
제조예 2-1. 화학식 1-2-1의 제조
[화학식 1- C2 -1] [화학식 1-2-1]
Figure pat00143
1-인다논(1-indanone) (5.0 g, 37.83 mmol)을 메탄올 120 mL 에 가열하면서 완전히 녹인다. 상기 혼합용액에 p-톨루엔설포닐히드라지드 (p-toluenesulfonylhydrazide) (7.05 g, 37.83 mmol)을 가한 후 4시간 동안 가열 교반 하였다. 상온으로 반응 온도를 내린 후, 형성된 흰색고체를 여과 및 건조하여 화학식 1-C2-1 (9.89 g, 수율 87% )하였다.
C60(5.0 g, 5 eq. 6.94 mmol), 오르토-디클로로벤젠(ODCB: o-dichloro benzene 100 mL), 피리딘(pyridine) 20 mL, 메톡사이드나트륨(NaOCH3)(1.28 eq. 4.62 mmol, 0.24 g) 을 넣고 120도에서 가열교반 하였다. 이 혼합물에 화학식 1-C2-1(0.96 g, 3.85 mmol)을 넣고 170도로 승온한 후 2시간동안 교반하였다. 반응 용액을 상온으로 내린 후, 녹지 않는 고체를 거름종이를 통해 걸러낸 후, 유기용매를 진공증류로 제거하였다. 얻어진 혼랍물을 소량의 오르토-디클로로벤젠 으로 묽힌 후 실리카겔 컬럼에 로딩한 후, n-헥산(n-Hexane)으로 전개하여 오르토-디클로로벤젠 및 일부 녹은 C60을 제거 하였다. 이어서 톨루엔으로 전개하여 정제하였다. 용매를 진공증류로 제거 한 후, 메탄올로 침전을 형성시켜 고체를 얻은 후 건조하여 화학식 1-2-1을 150 mg( 수율 4.5%) 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 836, 837
제조예 2-2. 화학식 1-2-2의 제조
[화학식 1- C2 -2] [화학식 1-2-2]
Figure pat00144
상기 제조예 1-2-1의 화학식 1-C2-1의 제조 방법에 있어서, 1-인다논(1-indanone) 대신 화합물 1,3-인단디온(1,3-indandione)을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-C2-2를 합성하였다.
상기 제조예 1-1-1의 화학식 1-1-1의 제조 방법에 있어서, 화학식 1-C2-1 대신 화학식 1-C2-2를 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 반응하여 화학식 1-2-2을 제조하였다.
이 화합물의 질량분석결과는 다음과 같다.
MS: m/z n=1; 850, 851 n=2; 981, 981
상기 제조예에서 제조한 화합물의 전기화학적 특성을 관찰하기 위하여 사이클릭 볼타메트리(Cyclic VoltammetRy, CV)를 이용하여 산화/환원 특성을 관찰하였다.
CV 장비는 AUTOLAB을 사용하였고, 전해질로는 아세토니트릴에 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(Bu4NBF4)를 0.1M 용액을 만들어 사용하였으며, 시료는 10-3M의 농도로 녹일 수 있는 용매를 선택하여 녹였다.
유리탄소 전극을 작업(working )전극으로 사용하였으며 Pt와 Ag/AgCl 전극을 카운터 전극과 기준 전극으로 사용하여 결과를 한 결과 화학식 1 내지 화학식 5의 구조를 만족시키는 제조예 1 내지 제조예 21화합물들의 LUMO에너지 준위는 -3.6 eV 내지 -4.0 eV 내에서 관측되었다. 따라서 바람직한 LUMO 에너지 준위를 갖고 있으며, 유기태양전지에 활용할 수 있는 특성을 갖고 있다.
반면, 충분히 전자를 잡아당기기는 치환기가 도입된다면 LUMO 에너지 준위값은 -4.0 eV보다 깊은 값을 갖을 것이다. 반면에 충분히 전자를 밀어주는 치환기가 도입된다면 LUMO 에너지 준위는 3.6 eV보다 높은 에너지 준위를 갖도록 이 또한 제조가 가능하다.
유기 태양 전지의 제조 및 특성 측정
상기 제조예 1 내지 제조예 21, 제조예 2-1 및 2-2 에서 제조된 유기 태양 전지의 광전변환특성을 100mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 1에 그 결과를 나타내었다.
또한, 전자주개 물질로 P3HT 또는 하기 화학식 2-1-1를 사용하여 유기 태양 전지 소자를 제작하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
[화학식 2-1-1]
Figure pat00145
< 실시예 1> 유기 태양 전지의 제조
상기 제조예 1에서 제조한 화합물과 P3HT를 4:1로 클로로벤젠(Chlorobenzene, CB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양 전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45 nm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120 ℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 화합물-PCBM 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 200 nm 두께로 Al을 증착하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 2> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 2에서 제조한 화학식 1-1-2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 3> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 3에서 제조한 화학식 1-1-3을 사용하고, P3HT 와 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:1로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 4> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 4에서 제조한 화학식 1-1-4를 사용하고, P3HT 와 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:3으로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 5> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 5에서 제조한 화학식 1-1-5를 사용하고, P3HT 와 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:2로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 6> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 6에서 제조한 화학식 1-1-6을 사용하고, P3HT 와 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:1로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 7> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 7에서 제조한 화학식 1-1-7을 사용하고, P3HT 와 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:2로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 8> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 8에서 제조한 화학식 1-1-8을 사용하고, P3HT 와 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:2로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 9> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 9에서 제조한 화학식 1-1-9를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 10> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 10에서 제조한 화학식 1-1-10을 사용하고, P3HT 와 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:1로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 11> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 11에서 제조한 화학식 1-1-12을 사용하고, P3HT 대신 화학식 2-1-1과 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:0.7로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 12> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 12에서 제조한 화학식 1-1-13을 사용하고, P3HT 대신 화학식 2-1-1과 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:2로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 13> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 13에서 제조한 화학식 1-1-14를 사용하고, P3HT 대신 화학식 2-1-1과 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:2로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 14> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 14에서 제조한 화학식 1-1-15를 사용하고, P3HT 대신 화학식 2-1-1과 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:1로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 15> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 15에서 제조한 화학식 1-1-16을 사용하고, P3HT 대신 화학식 2-1-1과 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:2로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 16> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 16에서 제조한 화학식 1-1-17을 사용하고, P3HT 대신 화학식 2-1-1과 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:1로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 17> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 17에서 제조한 화학식 1-1-18을 사용하고, P3HT 대신 화학식 2-1-1과 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:2로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 18> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 18에서 제조한 화학식 1-1-19를 사용하고, P3HT 대신 화학식 2-1-1과 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:1로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 19> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신 제조예 19에서 제조한 화학식 1-1-21을 사용하고, P3HT 와 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:2로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 20> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신에 제조예 19에서 제조한 화학식 1-1-21을 사용하고, P3HT 대신 화학식 2-1-1과 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:1로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 21> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신에 제조예 20에서 제조한 화학식 1-1-36을 사용하고, P3HT 대신에 화학식 2-1-1과 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:2로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 22> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신에 제조예 21에서 제조한 화학식 1-1-44를 사용하고, P3HT와 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:2로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 23> 유기 태양 전지의 제조
실시예 1에서 화학식 1-1-1 대신에 제조예 21에서 제조한 화학식 1-1-44를 사용하고, P3HT 대신 화학식 2-1-1과 상기 플러렌 유도체의 비율을 1:2로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 비교예 1> 유기 태양 전지의 제조
P3HT와 PCBM을 1:1로 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene, DCB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 1.0 ~ 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양 전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/LiF/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45 cm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120 ℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 화합물-PCBM 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여 120 ℃에서 5분간 열처리하고, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 LiF를 7 Å 증착한 후 200 nm 두께로 Al을 증착하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 비교예 2> 유기 태양 전지의 제조
P3HT와 화합물 1-2-1을 1:1로 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene, DCB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 1.0 ~ 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양 전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/LiF/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45 cm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120 ℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 P3HT-플러렌 유도체 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여 120 ℃에서 5분간 열처리하고, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 LiF를 7 Å 증착한 후 200 nm 두께로 Al을 증착하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 비교예 3> 유기 태양 전지의 제조
P3HT와 화합물 1-2-2를 1:2로 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene, DCB)에 녹여 복합 용액(composit solution)을 제조하였다. 이때, 농도는 1.0 ~ 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양 전지는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/LiF/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판은 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존 처리한 후 45 cm 두께로 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120 ℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 P3HT-플러렌 유도체 복합용액을 0.45 μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여 120 ℃에서 5분간 열처리하고, 3x10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 LiF를 7 Å 증착한 후 200 nm 두께로 Al을 증착하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
활성층
(P3HT : 화합물)		 VOC
(V)		 JSC
(mA/cm2)		 FF PCE
(%)
실시예 1 P3HT : 화학식1-1-1 = 1:4 0.63 8.90 0.54 3.03
실시예 2 P3HT : 화학식1-1-2 = 1:4 0.50 10.51 0.62 3.26
실시예 3 P3HT : 화학식1-1-3 = 1:1 0.43 4.46 0.37 0.71
실시예 4 P3HT : 화학식1-1-4= 1:3 0.69 11.67 0.30 2.42
실시예 5 P3HT : 화학식1-1-5 = 1:2 0.64 6.37 0.52 2.12
실시예 6 P3HT : 화학식1-1-6 = 1:1 0.62 6.26 0.54 2.10
실시예 7 P3HT : 화학식1-1-7 = 1:2 0.53 10.78 0.50 2.86
실시예 8 P3HT : 화학식1-1-8 = 1:2 0.63 4.10 0.66 1.70
실시예 9 P3HT : 화학식1-1-9 = 1:4 0.42 8.30 0.81 2.81
실시예 10 P3HT : 화학식1-1-10 = 1:1 0.61 3.97 0.601 1.46
실시예 11 화학식2-1-1 : 화학식1-1-12 = 1:0.7 0.91 9.66 0.52 4.57
실시예 12 화학식2-1-1 : 화학식1-1-13 = 1:2 0.99 9.01 0.49 4.37
실시예 13 화학식2-1-1 : 화학식1-1-14 = 1:2 0.91 9.74 0.51 4.52
실시예 14 화학식2-1-1 : 화학식1-1-15 = 1:1 1.03 9.67 0.42 4.18
실시예 15 화학식2-1-1 : 화학식1-1-16 = 1:2 0.88 9.86 0.48 4.16
실시예 16 화학식2-1-1 : 화학식1-1-17 = 1:1 0.93 8.30 0.43 3.32
실시예 17 화학식2-1-1 : 화학식1-1-18 = 1:2 0.82 8.86 0.54 3.92
실시예 18 화학식2-1-1 : 화학식1-1-19 = 1:1 0.99 9.30 0.47 4.33
실시예 19 P3HT: 화학식 1-1-21 = 1:2 0.63 8.56 0.56 3.02
실시예 20 화학식 2-1-1 : 화학식 1-1-21= 1:1 1.01 7.48 0.62 4.68
실시예 21 화학식 2-1-1 : 화학식 1-1-36= 1:1 1.09 6.98 0.65 4.94
실시예 22 P3HT: 화학식 1-1-44 = 1:2 0.53 7.91 0.59 2.47
실시예 23 화학식 2-1-1 : 화학식 1-1-44= 1:2 0.98 9.86 0.54 5.21
비교예 1 P3HT : PC61BM = 1:1 0.46 10.04 0.47 2.17
비교예 2 P3HT : 화학식 1-2-1 = 1:2 0.42 0.12 0.21 0.58
비교예 3 P3HT : 화학식 1-2-2 = 1:0.7 0.38 0.34 0.28 0.04
상기 표 1에 있어서, 비교예 2에서 사용된 화합물 1-2-1은 오각형 또는 벤젠고리에 용해성을 높이거나 모폴로지를 향상시키는 치환기를 포함하지 않고, 비교예 3에서 사용된 화합물 1-2-2는 오각형 구조 내의 카보닐기에 의해 화합물의 용해성이 낮아져 P3HT와 잘 섞이지 않게된다. 결국 좋은 모폴로지를 형성하지 않게 되어 효율 저하가 나타날 수 있다.
본 명세서는 전자 주개 물질로 P3HT 또는 화학식 2-1-1만을 사용하였으나, 이에 한정하지 않고, 용액 공정이 가능한 화합물이라면 고분자 또는 단분자 화합물에 한정하지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 실시예는 노멀(normal)구조의 소자에 한하여 실시예를 제공하였으나, 인버티드(inverted) 구조의 소자에서도 가능하다.
이상 본 발명의 실시예들을 기술하였지만 본 발명이 속하는 분야의 지식을 가진자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 발명의 범주를 알려주기 위해 제공되는 것이므로 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
101: 기판
102: 제1 전극
103: 정공수송층
104: 광활성층
105: 제2 전극

Claims (19)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 것인 플러렌 유도체:
    [화학식 1]
    Figure pat00146

    화학식 1에 있어서,
    m은 0 또는 1의 정수이고,
    p는 1 내지 3의 정수이고,
    p가 2 이상인 경우, 괄호 내의 구조는 동일하거나 상이하며,
    Cn은 C60 내지 C84의 플러렌이고,
    R1 내지 R10은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 에스터기; 카보닐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이거나,
    인접하는 치환기는 서로 결합하여 치환 또는 비치환된 탄화수소고리; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리를 형성하거나, 동일 탄소내의 치환기는 스피로 결합; 카보닐기; 치환 또는 비치환된 이민기; 또는 치환 또는 비치환된 알케닐기를 형성하며,
    m이 0인 경우, R1 내지 R8; 및 R1 내지 R8 중 인접하는 치환기가 고리를 형성하는 경우에는 상기 고리의 치환기 중 적어도 하나는 -(L)a-(M)b이고,
    m이 1 인 경우, R1 내지 R10; 및 R1 내지 R10 중 인접하는 치환기가 고리를 형성하는 경우에는 상기 고리의 치환기 중 적어도 하나는 -(L)a-(M)b 이며,
    a는 0 또는 1의 정수이고,
    b는 1 또는 2의 정수이며,
    L은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬렌기; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 2가의 에테르기; 탄소수 5 내지 30의 치환 또는 비치환된 2가의 방향족 탄화수소고리; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 2가의 방향족 헤테로고리이고,
    M은
    Figure pat00147
    ,
    Figure pat00148
    ,
    Figure pat00149
    또는
    Figure pat00150
    이며,
    R은 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 에스터기; 카보닐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 시클로알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴알킬옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 실릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로아릴옥시기이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 플러렌 유도체는 하기 화학식 2 내지 하기 화학식 5 중 어느 하나로 표시되는 것인 플러렌 유도체:
    [화학식 2]
    Figure pat00151

    [화학식 3]
    Figure pat00152

    [화학식 4]
    Figure pat00153

    [화학식 5]
    Figure pat00154

    화학식 2 내지 5에 있어서,
    Cn, m, p 및 R1 내지 R10의 정의는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 동일하고,
    X1 내지 X4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRx; 또는 N이고,
    Y1 내지 Y4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRy; 또는 N이며,
    X5 내지 X7은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CRx'; S; 또는 NRx'이고,
    Y5 내지 Y7은 서로 동일하거나 상이하고 각각 독립적으로 CRy'; S; 또는 NRy' 이며,
    Rx, Ry, Rx' 및 Ry'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 에스터기; 카보닐기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기이거나, 인접하는 치환기는 서로 결합하여 치환 또는 비치환된 탄화수소고리; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리를 형성하거나, 스피로 결합을 형성한다.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 m은 0인 것인 플러렌 유도체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 m은 1인 것인 플러렌 유도체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    R5 내지 R8; 및 R1 내지 R10 중 서로 인접하는 치환기가 서로 결합하여 형성된 탄화수소고리의 치환기 중 적어도 하나는 -(L)a-(M)b인 것인 플러렌 유도체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    a는 0 또는 1의 정수이고,
    L은 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기; 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기인 것인 플러렌 유도체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    R은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알콕시기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알콕시기; 탄소수 7 내지 50의 치환 또는 비치환된 아릴알콕시기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴옥시기인 것인 플러렌 유도체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    R은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알콕시기; 탄소수 7 내지 50의 치환 또는 비치환된 아릴알콕시기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴옥시기인 것인 플러렌 유도체.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 알킬기, 알콕시기, 아릴알콕시기, 아릴기 및 헤테로아릴옥시기는 할로겐기; 시아노기; 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 또는 탄소수 2 내지 30의 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 치환 또는 비치환되는 것인 플러렌 유도체.
  10. 청구항 1에 있어서,
    m은 0 또는 1의 정수이고,
    R5 내지 R8; 및 R1 내지 R10 중 서로 인접하는 치환기가 서로 결합하여 형성된 탄화수소고리의 치환기 중 적어도 하나는 -(L)a-(M)b이며,
    a는 0 또는 1이고,
    L은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬렌기; 또는 탄소수 5 내지 30의 치환 또는 비치환된 2가의 방향족 탄화수소고리이며,
    b는 1 내지 2의 정수이고,
    M은
    Figure pat00155
    ,
    Figure pat00156
    ,
    Figure pat00157
    또는
    Figure pat00158
    이며,
    상기 R은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알콕시기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 탄소수 3 내지 60의 치환 또는 비치환된 시클로알콕시기; 탄소수 7 내지 50의 치환 또는 비치환된 아릴알콕시기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴기; 탄소수 6 내지 60의 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴기; 또는 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 탄소수 2 내지 60의 치환 또는 비치환된 헤테로아릴옥시기인 것인 플러렌 유도체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 플러렌 유도체는 하기 화학식 1-1-1 내지 1-1-54 중 어느 하나인 것인 플러렌 유도체.
    Figure pat00159

    Figure pat00160

    Figure pat00161

    Figure pat00162

    Figure pat00163

    Figure pat00164

    Figure pat00165

    Figure pat00166

    Figure pat00167

    Figure pat00168

    Figure pat00169

    Figure pat00170

    Figure pat00171

    Figure pat00172

    Figure pat00173

    Figure pat00174

    Figure pat00175

    Figure pat00176

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    Figure pat00178

    Figure pat00179

    Figure pat00180

    Figure pat00181

    Figure pat00182

    Figure pat00183

    Figure pat00184

    Figure pat00185
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 플러렌 유도체는 LUMO 에너지 준위가 -3.4 eV 내지 -5 eV 인 것인 플러렌 유도체.
  13. 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 1층 이상의 유기물층을 포함하고,
    상기 유기물층 중 1층 이상은 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따른 플러렌 유도체를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 유기물층은 광활성층; 및 상기 광활성층과 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 사이에 구비된 유기물층을 포함하고,
    상기 광활성층과 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 사이에 구비된 유기물층은 상기 플러렌 유도체를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 유기물층은 광활성층을 포함하고,
    상기 광활성층은 n형 유기물층 및 p형 유기물층을 포함하는 이층 박막(bilayer)구조이며,
    상기 n형 유기물층은 상기 플러렌 유도체를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 유기물층은 광활성층을 포함하고,
    상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하며,
    상기 전자 받개 물질은 상기 플러렌 유도체를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 유기 태양 전지는 상기 전자 주개 물질과 상기 전자 받개 물질이 벌크 헤테로 정션(BHJ)을 구성하는 것인 유기 태양 전지.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 전자 주개 물질은 P3HT 또는 하기 화학식 2-1로 표시되는 것인 유기 태양 전지:
    [화학식 2-1]
    Figure pat00186

    화학식 2-1에 있어서,
    R11 내지 R13은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알킬기; 또는 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
  19. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판의 상부에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극의 상부에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및
    상기 유기물층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 1층이상의 유기물층은 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항의 플러렌 유도체를 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법.
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