KR20200055066A - 유기 전자 재료를 위한 신규의 치환된 벤조나프타싸이오펜 화합물 - Google Patents

유기 전자 재료를 위한 신규의 치환된 벤조나프타싸이오펜 화합물 Download PDF

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Abstract

Figure pct00093

본 발명은 화학식 1 및 2의 화합물에 관한 것으로,
상기 R1 및 R2는 C1-30 알킬, C2-30-알케닐, C2-30-알카이닐, C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 또는 5 내지 14 원자 헤테로아릴기로서,
여기서 상기 C1-30-알킬, C2-30-알케닐 및 C2-30-알카이닐기는 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
상기 C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자 헤테로아릴기는 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있으며,
Ra, Rb, Rc 및 Rd는 각각 독립적으로 C1-30 알킬, C2-30-알케닐, C2-30-알카이닐, C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자 헤테로아릴기로 이루어진 군에서 선택되며,
여기서 상기 C1-30-알킬, C2-30-알케닐 및 C2-30-알카이닐기는 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
상기 C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자 헤테로아릴기는 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
n 및 o는 각각 독립적으로 0, 1, 2, 3, 4 또는 5이고, m 및 p는 각각 독립적으로 0, 1, 2 또는 3이다.
또한, 본 발명은 상기 화학식 1 또는 2의 화합물을 포함하는 전자 소자에 관한 것이다.

Description

유기 전자 재료를 위한 신규의 치환된 벤조나프타싸이오펜 화합물
본 발명은 화학식 1 및 2의 화합물, 상기 화합물을 포함하는 전자 소자 및 상기 화합물을 반도체 물질로 사용하는 용도에 관한 것이다.
Figure pct00001
유기 반도체 물질은 유기 태양광발전 장치(organic photovoltaic devices, OPVs), 유기 전계효과 트랜지스터(organic field-effect transistors, OFETs), 유기 발광 다이오드(organic light emitting diodes, OLEDs), 유기 포토다이오드(organic photodiodes, OPDs), 및 유기 전기채색 소자(organic electrochromic devices, ECDs)와 같은 전자 소자(electronic device)에 사용될 수 있다.
액상 처리 기술(liquid processing techniques)은 가공성의 관점에서 편리하고, 따라서 낮은 비용의 유기 반도체 물질 기반 전자 소자 생산을 가능하게 하므로, 유기 반도체 물질이 스핀 코팅과 같은 액상 처리 기술에 호환된다는 점은 바람직하다.
또한, 액상 처리 기술은 플라스틱 기재와도 호환되고, 따라서 경량 및 기계적으로 유연학 유기 반도체 물질 기반 전자 소자의 생산을 가능하게 한다.
유기 전계효과 트랜지스터에 적용함에 있어, 유기 반도체 물질이 높은 전하 운반자 이동도(charge carrier mobility) 및 높은 on/off 비를 나타내며, 온도, 산소 및 습도에 관한 주변 조건(ambient condition)에서 안정적이라는 점은 더욱 바람직하다.
JP 2010-087408는 하기 화학식
Figure pct00002
의 화합물을 포함하는 유기 반도체층을 갖는 유기 트랜지스터를 기술하고 있다.
여기서, A는 하기 화학식 a 또는 b로 표시되는 구조를 나타낸다.
[화학식 a]
Figure pct00003
[화학식 b]
Figure pct00004
JP 2012-169550은 황 함유 축환(condensed ring) 화합물을 갖는 유기 반도체 물질을 기술하고 있다. 상기 황 함유 축환 화합물은 4 내지 10개의 축환을 갖는 다중환 골격을 갖는다. 상기 황 함유 축환 화합물은 하기 화학식:
Figure pct00005
(*은 축환 자리)
으로 표시되는 A 유닛을 m회, 및 하기 화학식:
Figure pct00006
(*는 축환 자리)
으로 표시되는 B유닛을 n회 결합하여 4≤3m+n≤10, m≥1, n≥0을 만족할 수 있다.
축환 골격을 구성하는 각 벤젠 고리에 구체적인 작용기가 결합되어 상기 축환 골격에 비대칭적으로 되도록 결합된다.
JP 2012-169550은 하기 화합물
Figure pct00007
및
Figure pct00008
을 예시한다.
KR 2013-075982은 하기 화학식
Figure pct00009
으로 표시되는 안트라센계(anthracene-based) 화합물을 기술하고 있다.
여기서 A는 하기 화학식
Figure pct00010
으로 표시되는 작용기이다.
JP 2010-087408 (2010.04.15. 공개) JP 2012-169550 (2012.09.06. 공개) KR 10-2013-075982 (2013.12.05 공개)
본 발명의 목적은 향상된 유기 반도체 물질을 제공하는 것이었다. 이 목적은 청구항 1의 화합물 및 청구항 7의 소자에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명의 화합물은 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 화합물이다.
[화학식 1]
Figure pct00011
[화학식 2]
Figure pct00012
상기 화학식 1 및 2에서, R1 및 R2는 C1-30 알킬, C2-30-알케닐, C2-30-알카이닐, C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 또는 5 내지 14 원자 헤테로아릴기로서,
이 중 C1-30-알킬, C2-30-알케닐 및 C2-30-알카이닐기는 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
이 중 C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자 헤테로아릴기는 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어지는 군에서 선택된 한 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
Ra, Rb, Rc 및 Rd는 각각 독립적으로 C1-30 알킬, C2-30-알케닐, C2-30-알카이닐, C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자 헤테로아릴기로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
여기서, C1-30-알킬, C2-30-알케닐 및 C2-30-알카이닐은 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자 헤테로아릴기는 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
n 및 o는 각각 독립적으로 0, 1, 2, 3, 4 또는 5이고,
m 및 p는 각각 독립적으로 0, 1, 2 또는 3이다.
바람직하게는, R1 및 R2는 C1-30 알킬기, C6-14-아릴 또는 5 내지 14 원자 헤테로알킬기이며,
여기서 C1-30-알킬기는 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
C6-14-아릴기 및 5 내지 14 원자 헤테로아릴기는 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
더욱 바람직하게는, R1 및 R2는 C1-30 알킬 또는 5 내지 14 원자 헤테로아릴이고,
여기서 5 내지 14 원자 헤테로아릴기는 하나 이상의 C1-20 알킬 치환기로 치환될 수 있다.
더욱 바람직하게는 R1 및 R2는 C6-14 알킬기 또는
Figure pct00013
이며,
여기서 R3는 H 또는 C1-20 알킬기이다.
더욱 바람직하게는, R1 및 R2는 C6-14 알킬기이다.
가장 바람직하게는 R1 및 R2는 C6-14 알킬기이며, 특히 n-헥실, n-옥틸 또는 2-헥실싸이오펜이다.
바람직하게는, Ra, Rb, Rc 및 Rd는 각각 독립적으로 C1-30 알킬, C6-14-아릴 또는 5 내지 14 원자 헤테로아릴기이며,
여기서, C1-30-알킬은 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
C6-14-아릴기 및 5 내지 14 원자 헤테로아릴기는 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
더욱 바람직하게는, Ra, Rb, Rc 및 Rd는 각각 독립적으로 C1-30 알킬 또는 5 내지 14 원자 헤테로아릴기이고,
여기서 5 내지 14 원자 헤테로아릴기는 하나 이상의 C1-20 알킬 치환기로 치환될 수 있다.
더욱 바람직하게는, Ra, Rb, Rc 및 Rd는 각각 독립적으로 C6-14 또는
Figure pct00014
이다.
여기서 R3은 H 또는 C1-20 알킬기이다.
더욱 바람직하게는, Ra, Rb, Rc 및 Rd는 각각 독립적으로 C6-14 알킬기이다.
가장 바람직하게는, Ra, Rb, Rc 및 Rd는 각각 독립적으로 C6-14 알킬기이다.
바람직하게는, n 및 o는 독립적으로 0, 1 또는 2이다.
더욱 바람직하게는, n 및 o는 독립적으로 0 또는 1이다.
가장 바람직하게는, n 및 o는 0이다.
바람직하게는 m 및 p는 독립적으로 0 또는 1이다.
가장 바람직하게는, m 및 p는 0이다.
본 발명의 바람직한 화합물은 하기의 화학식 1' 또는 2'의 화합물이다.
[화학식 1']
Figure pct00015
[화학식 2']
Figure pct00016
여기서, R1 및 R2는 C1-30 알킬, C6-14-아릴 또는 5 내지 14 원자 헤테로아릴기로서,
여기서 C1-30-알킬은 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자 헤테로아릴은 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
본 발명의 더욱 바람직한 화합물은 하기 화합물 1' 또는 2'의 화합물이다.
[화학식 1']
Figure pct00017
[화학식 2']
Figure pct00018
상기 화학식 1' 및 2'에서, R1 및 R2는 C1-30 알킬 또는 5 내지 14 원자 헤테로알킬기로서,
여기서 5 내지 14 원자 헤테로아릴기는 C1-20 알킬기를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
본 발명의 더욱 바람직한 화합물은 하기 화학식 1' 또는 2'의 화합물이다.
[화학식 1']
Figure pct00019
[화학식 2']
Figure pct00020
상기 화학식 1' 및 2'에서 R1 및 R2는 C6-14 알킬기 또는
Figure pct00021
이다.
여기서 R3은 수소 또는 C1-20 알킬기이다.
본 발명의 가장 바람직한 화합물은 하기 화학식 1' 또는 2'의 화합물이다.
[화학식 1']
Figure pct00022
[화학식 2']
Figure pct00023
여기서 R1 및 R2는 C6-14 알킬기이다.
본 발명의 특히 바람직한 화합물은 하기 화학식 1a 및 2a의 화합물이다.
[화학식 1a]
Figure pct00024
[화학식 2a]
Figure pct00025
C1-6-알킬, C1-20-알킬, C6-14-알킬 및 C1-30-알킬기는 분지형(branched) 또는 비분지형(unbranched)일 수 있다. C1-6-알킬기의 예는 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, sec-부틸, 이소부틸, tert-부틸, n-펜틸, 네오펜틸, 이소펜틸, n-(2,2-디메틸)프로필, n-(1-에틸)프로필 및 n-헥실기가 있다. C1-20-알킬기의 예는 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, sec-부틸, 이소부틸, tert-부틸, n-펜틸, 네오펜틸, 이소펜틸, n-(2,2-디메틸)프로필, n-(1-에틸)프로필, n-헥실, n-헵틸, 2-헵틸, n-옥틸, 2-옥틸, n-(3-메틸)헵틸, n-(1,1,3,3-테트라메틸)부틸, n-(2-에틸)헥실, n-노닐, n-(1,1,3,3-테트라메틸)펜틸, n-데실(n-decyl), n-운데실(n-undecyl), n-도데실(n-dodecyl), n-운데실, n-도데실, n-트리데실(n-tridecyl), n-테트라데실(n-tetradecyl), n-펜타데실(n-pentadecyl), n-헥사데실(n-hexadecyl), n-헵타데실(n-heptadecyl), n-옥타데실(n-octadecyl), n-노나데실(n-nonadecyl) 및 n-이코실(n-icosyl)(C20)이 있다. C1-30-알킬기의 예는 C1-20-알킬 및 n-도코실(n-docosyl, C22), n-테트라코실(n-tetracosyl, C24), n-헥사코실(n-hexacosyl, C26), n-옥타코실(n-octacosyl, C28) 및 n-트리아콘틸(n-triacontyl, C30). C6-14-알킬기의 예는 n-헥실, n-헵틸, 2-헵틸, n-옥틸, 2-옥틸, n-(3-메틸)헵틸, n-(1,1,3,3-테트라메틸)부틸, n-(2-에틸)헥실, n-노닐, n-(1,1,3,3-테트라메틸)펜틸, n-데실, n-운데실, n-도데실, n-운데실, n-도데실, n-트리데실 및 n-테트라데실이 있다. C2-20-알케닐 및 C2-30-알케닐기는 분지형 또는 비분지형일 수 있다. C2-20-알케닐기의 예는 비닐(vinyl), 프로페닐(propenyl), cis-2-부테닐, trans-2-부테닐, 3-부테닐, cis-2-펜테닐, trans-2-펜테닐, cis-3-펜테닐, trans-3-펜테닐, 4-펜테닐, 2-메틸-3-부테닐, 헥세닐, 헵테닐, 옥테닐, 노네닐, 데세닐(decenyl), 리놀레일(linoleyl, cis), 리놀레닐(linolenyl, cis), 올레일(oleyl, cis) 및 아라키도닐(arachidonyl, C20)이 있다. C2-30-알케닐기의 예는 C2-20-알케닐 및 이루실(erucyl, C22)이 있다. C2-20-알카이닐 및 C2-30-알카이닐기는 분지형 또는 비분지형일 수 있다. C2-20-알카이닐 및 C2-30-알카이닐기는 에타이닐(ethynyl), 2-프로파이닐(2-propynyl), 2-부타이닐(2-butynyl), 3-부타이닐(3-butynyl), 펜타이닐(pentynyl), 헥사이닐(hexynyl), 헵타이닐(heptynyl), 옥타이닐(octynyl), 노나이닐(nonynyl), 데사이닐(decynyl), 운데사이닐(undecynyl), 도데사이닐(dodecynyl), 운데사이닐, 도데사이닐, 트리데사이닐(tridecynyl), 테트라데사이닐(tetradecynyl), 펜타데사이닐(pentadecynyl), 헥사데사이닐(hexadecynyl), 헵타데사이닐(heptadecynyl), 옥타데사이닐(octadecynyl), 노나데사이닐(nonadecynyl) 및 이코사이닐(icosynyl, C20)기가 있다.
C5-7-시클로알킬기의 예는 시클로펜틸, 시클로헥실 및 시클로헵틸기가 있다.
C6-14-아릴기의 예는 페닐, 나프틸, 안트라세닐, 페난트레닐, 테트라세닐 및 크리세닐(chrysenyl)기가 있다.
5 내지 14 원자 헤테로아릴기의 예는
Figure pct00026
,
Figure pct00027
,
Figure pct00028
,
Figure pct00029
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Figure pct00030
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Figure pct00031
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Figure pct00032
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Figure pct00033
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Figure pct00034
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Figure pct00035
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Figure pct00036
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Figure pct00037
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Figure pct00038
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Figure pct00039
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Figure pct00040
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Figure pct00041
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Figure pct00042
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Figure pct00043
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Figure pct00044
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Figure pct00045
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Figure pct00046
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Figure pct00047
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Figure pct00048
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Figure pct00049
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Figure pct00050
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Figure pct00051
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Figure pct00052
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Figure pct00053
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Figure pct00054
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Figure pct00055
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Figure pct00056
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Figure pct00057
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Figure pct00058
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Figure pct00059
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Figure pct00060
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Figure pct00061
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Figure pct00062
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Figure pct00063
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Figure pct00064
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Figure pct00065
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Figure pct00066
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Figure pct00067
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Figure pct00068
,
Figure pct00069
,
Figure pct00070
,
Figure pct00071
,
Figure pct00072
및
Figure pct00073
가 있다.
여기서 R100은 각각 C1-6-알킬 또는 페닐기이다.
할로겐은 F, Cl, Br 및 I일 수 있다.
화학식 1의 화합물은 당업계에 알려진 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어,
[화학식 1']
Figure pct00074
상기 화학식 1'에서, R1은 C1-30 알킬, C2-30-알케닐, C2-30-알카이닐, C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 또는 5 내지 14 원자 헤테로아릴기이되,
여기서 C1-30-알킬, C2-30-알케닐 및 C2-30-알카이닐기는 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자 헤테로아릴기는 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다;
상기 화학식 1'의 화합물은 하기 화학식 3의 화합물로부터, 화학식 3의 화합물을 Ni(dppp)Cl2와 같은 적합한 촉매의 존재 하에서 R1MgBr과 함께 처리하여 제조될 수 있다.
[화학식 3]
Figure pct00075
여기서, R, Ra, Rb, m 및 n은 화학식 1의 화합물에 대해서 정의된 것과 같다.
상기 화학식 3의 화합물은 하기 그림 1에 도시된 것과 같이 제조될 수 있다.
Figure pct00076
화합물 10은 화합물 9를 얻기 위하여 AcOH/CHC 내에서 NBS와 함께 처리될 수 있다. 화학식 9의 화합물은 -78℃에서 Et2O내의 n-BuLi와 함께 처리될 수 있고, 이어서 화합물 8을 얻기 위하여 p-아니살데히드(p-anisaldehyde)와 처리될 수 있다. 화합물 8은 화합물 7을 얻기 위하여 40℃에서 Et2O 내의 LiAlH4 및 AlCl3와 처리될 수 있다. 화합물 7은 화합물 6을 얻기 위하여 -78℃에서 THF 내 n-BuLi와 함께 처리되고, 이어서 DMF와 처리될 수 있다. 화합물 6은 화합물 5를 얻기 위하여 50℃에서 폴리인산(polyphosphoric acid)와 함께 처리될 수 있다. 화합물 5는 화합물 4를 얻기 위하여 DCM 내의 BBR3, 이어서 물과 함께 처리될 수 있다. 화합물 4는 화합물 3을 얻기 위하여 0℃에서 DCM 내의 피리딘(pyridine), 이어서 트리플루오로메탄설폰산 무수물(trifluoromethanesulfonic anhydride, 축약형: triflic anhydride)과 함께 처리될 수 있다.
화학식 2의 화합물은 당업계에 알려진 방법에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들어:
[화학식 2']
Figure pct00077
상기 화학식 2'에서 R2는 C1-30 알킬, C2-30-알케닐, C2-30-알카이닐, C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 또는 5 내지 14 원자 헤테로아릴기이되,
여기서 C1-30-알킬, C2-30-알케닐 및 C2-30-알카이닐기는 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자 헤테로아릴기는 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
상기 화학식 2'의 화합물은 하기 화학식 11의 화합물로부터 상기 화합물 11을 Ni(dppp)Cl2와 같은 적합한 촉매의 존재 하에 R2MgBr와 함께 처리하여 제조할 수 있다.
[화학식 11]
Figure pct00078
화합물 11은 하기 그림 2에 도시된 것과 같이 제조될 수 있다.
Figure pct00079
화합물 14는 화합물 13을 얻기 위하여 상온에서 DCM 내의 AlCl3의 존재 하에 프탈산 무수물(phthalic anhydride)과 함께 처리될 수 있다. 화합물 13은 화합물 12를 얻기 위하여 140℃에서 디클로로벤젠 내의 PCl5 및 AlCl3와 함께 처리될 수 있다. 화합물 12는 화합물 11을 얻기 위하여 150℃에서 AcOH 내의 HI 및 H3PO2와 함께 처리될 수 있다.
본 발명의 또다른 측면은 화학식 1 또는 2의 화합물을 포함하는 전자 소자(electronic device)이다. 바람직하게, 상기 전자 소자는 유기 전계효과 트랜지스터(Organic Field Effect Transistor, OFET)이다.
통상적으로, 유기 전계효과 트랜지스터는 유전층(dielectric layer), 반도체층(semiconducting layer) 및 기재를 포함한다. 또한, 유기 전계효과 트랜지스터는 통상적으로 게이트 전극 및 소스/드레인 전극을 포함한다.
바람직하게, 상기 반도체층은 화학식 1 또는 2의 화합물을 포함한다. 상기 반도체층은 5 내지 500nm의 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는 10 내지 100nm, 더욱 바람직하게는 20 내지 50nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 유전층은 유전체(dielectric material)를 포함한다. 상기 유전체는 이산화 규소(silicon dioxide) 또는 알루미늄 산화물(alumi9nium oxide), 또는 폴리스티렌(PS), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리(4-비닐페놀)(PVP), 폴리비닐알코올(PVA), 벤조시클로부텐(BCB) 또는 폴리이미드(PI)와 같은 유기 고분자일 수 있다. 상기 유전층은 10 내지 2000nm, 바람직하게는 50 내지 1000nm, 더욱 바람직하게는 100 내지 800nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 유전층은 상기 유전체에 더하여 유기 실란(organic silane) 또는 유기 인산(organic phosphoric acid)의 유도체의 자가조립 단층(self-assembled monolayer)을 포함할 수 있다. 유기 실란 유도체의 예에는 옥틸트리클로로실란(octyltrichlorosilane)이 있다. 유기 인산 유도체의 예에는 옥틸데실인산(octyldecylphosphoric acid)이 있다. 상기 유전층에 포함된 자가조립 단층은 통상적으로 상기 반도체층에 접해(in contact with) 있다.
상기 소스/드레인 전극은 임의의 적합한 소스/드레인 재료, 예를 들어 금(Au) 또는 탄탈럼(Ta)으로부터 제조될 수 있다. 상기 소스/드레인 전극은 1 내지 100 nm, 바람직하게는 20 내지 70 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 게이트 전극은 임의의 적합한 게이트 물질, 예를 들어 다량 도핑된(highly doped) 실리콘, 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 인듐 주석산화물(indium tin oxide), 금(Au) 및/또는 탄탈럼(Ta)로부터 제조될 수 있다. 상기 게이트 전극은 1 내지 200 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 기재는 유리 또는 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리카보네이트, 폴리술폰, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)과 같은 플라스틱 기재와 같은 임의의 적합한 기재가 될 수 있다.
상기 유기 전계효과 트랜지스터는 당업계에서 알려진 방법에 의하여 제조될 수 있다.
예를 들어, 하부게이트-상부접촉(bottom-gate top-contact) 유기 전계효과 트랜지스터 하기와 같이 제조될 수 있다:
상기 유전체, 예를 들어 Al2O3 또는 이산화규소는, 원자층증착(atom layer deposition, ALD) 또는 열증착법(thermal evaporation)과 같은 적합한 증착법에 의하여 기재의 역할을 하는 다량 도핑된 실리콘 웨이퍼와 같은 게이트 전극 상에 층상으로 도포(applied)될 수 있다. 유기 인산 유도체 또는 유기 실란 유도체의 자가 조립 단층은 상기 유전체 층에 도포될 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 인산 유도체 또는 상기 유기 실란 유도체는 상기 유전체 층 상에 도포될 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 인산 유도체 또는 상기 유기 실란 유도체는 용액 증착 기술을 사용하여 용액상으로 도포될 수 있다. 상기 반도체층은 화학식 1 또는 2의 화합물을 상기 유기 인산 유도체 또는 유기 실란 유도체의 자가 조립 단층 상에 용액 증착 또는 진공 중에서 열증착 방식으로 증착하여 형성될 수 있다. 소스/드레인 전극은 예를 들어 탄탈러(Ta) 및/또는 금(Au)과 같은 적합한 소스/드레인 재료를 상기 반도체층 상에 섀도 마스크를 통하여 증착함으로써 형성될 수 있다. 채널 폭(W)은 전형적으로 500㎛이고, 채널 길이(L)은 전형적으로 1000㎛이다.
본 발명의 또다른 측면은 상기 화학식 1 또는 2를 반도체 물질로 사용하는 용도이다.
화학식 1 및 2의 화합물은 온도, 습도 및 산소에 대한 주변 환경 하에서 특히 산화에 대하여 높은 전하 운반자 이동도 및 고안정성을 나타낸다. 또한, 상기 화학식 1 및 2의 화합물은 액상 처리 기술과 호환된다.
도 1은 화합물 1a를 반도체 물질로 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터에서 게이트-소스 전압 VGS가 -1.1V(가장 위 첫번째 곡선), -10.5V(두번째 곡선), -10V(세번째 곡선) 및 -9.5V(가장 아래 네번째 곡선)일 때 드레인-소스 전압 VDS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A]의 관계(출력 곡선)를 나타낸다.
도 2는 화합물 1a를 반도체 물질로 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터의 드레인-소스 전압 VDS가 -5V일 때 게이트-소스 전압 VGS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A](전이 곡선, transfer curve)를 나타낸다.
도 3은 화합물 2a를 반도체 물질로 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터의 게이트-소스 전압 VGS가 -10V일 때(가장 위 첫번째 곡선) 드레인-소스 전압 VDS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A](출력 곡선)을 나타낸다.
도 4는 화합물 2a를 반도체 물질롤 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터의 드레인-소스 전압 VDS가 -5V일 때의 게이트-소스 전압 VGS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A](전이 곡선)를 나타낸다.
도 5는 화합물 2b를 반도체 물질로 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터의 게이트-소스 전압 VGS -1V(가장 위 첫번째 곡선), -9.5V(두번째 곡선) 및 -9V(가장 아래 세번째 곡선)일 때의 드레인-소스 전압 VDS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A](출력 곡선)를 나타낸다.
도 6은 화합물 2b를 반도체 물질로 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터의 드레인-소스 전압 VDS가 -5V일 때의 게이트-소스 전압 VGS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A](전이 곡선)를 나타낸다.
<실시예>
실시예 1
화합물 3의 제조
Figure pct00080
화합물 9의 제조
NBS(16.6g, 93mmol)을 0℃에서 CHCl3(75mL) 내의 벤조티오펜(10)(10g, 75mmol) 및 AcOH(75 mL) 용액에 15분 이상의 시간에 걸쳐 조금씩 첨가하였다. 반응 혼합물을 밤새 상온에서 교반되도록 하였다. 15.5 시간 후에, 상기 반응 혼합물을 CHC로 희석하였다. 상기 유기물층(organic layer)을 Na2S2O3(x1), Na2CO3(x1), 물(x1)로 세척하고 이어서 Na2SO4로 건조시켰다. 상기 원료(crude material)을 플래쉬 컬럼 크로마토그래피(100% 헥산)을 통해 정제하여 용매 제거 후 옅은 황색 오일로서 화합물 9를 수득하였다.
1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.85 (m, 2H), 7.45 (m, 3H).
화합물 8의 제조
-78℃에서 무수 Et2O(150 mL) 내의 화합물 9(9.6g, 45 mmol) 용액에 n-BuLi(21.6 mL, 54 mmol)을 적가(drop-wise)하였다. 상기 반응 혼합물을 2시간 동안 -78℃에서 교반되도록 하였다. 2시간 후에, p-아니살데히드 (5.5mL, 45mmol)을 상기 반응 혼합물에 -78℃에서 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 상온까지 점차 온도 상승하게 두고(to warm) 밤새 교반하였다. 밤새 상온에서 교반한 후, 상기 반응 혼합물을 NH4Cl과 함께 담금질(quenched)하였다. 상기 유기물층을 Et2O(x3)으로 추출하였다. 상기 유기 추출물을 물(x2), 소금물(brine)(x1)로 세척하고, Na2SO4로 건조하였다. 상기 원료 화합물 8이 옅은 황색 오일로 얻어져 별도의 정제 과정 없이 다음 단계에 제공된다.
화합물 7의 제조
무수 Et2O(140mL) 내의 LiAlH4 (1.9g, 50mmol) 및 AlCl3 (6.7g, 50mmol) 현탁액(suspension)에 에테르 (20mL) 내의 화합물 8 (12.9g, 48mmol)을 상온에서 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 40℃에서 가열하였다. 1.5시간 뒤에, 상기 반응 혼합물을 상온까지 식혔다. 상기 반응을 얼음 욕조 내에서 0℃까지 식히고 물을 적가하여 담금질하였다. 상기 반응 혼합물을 이어서 50% H2SO4 용액에 부었다. 상기 유기물층을 Et2O(x3)으로 추출하였다. 상기 유기 추출물을 물(x2), 소금물(x1)로 세척하고 Na2SO4로 건조하였다. 상기 원료 물질을 컬럼 크로마토그래피(50:50 DCM/헥산)으로 정제하여 백색 고체(7.77g, 64%)로서 화합물 7을 수득하였다.
1H NMR(400MHz, CD2Cl2) δ7.87(m, 1 H), 7.70(m, 2H), 7.33(m, 2H), 7.19(m, 2H), 6.82(m, 2H), 4.14(s, 2H), 3.77(s, 3H).
화합물 6의 제조
-78℃의 THF(31mL) 내의 화합물 7(5.8g, 23mmol) 용액에 n-BuLi(11.0 mL, 27mmol)을 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 -78℃에서 1시간 동안 교반되도록 하였다. 1시간 후에, DMF(3.5 mL, 46mmol)를 상기 반응 혼합물에 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 상온까지 점차 온도 상승하게 두고 밤새 교반하였다. 18시간 후에, 상기 반응 혼합물을 NH4Cl로 담금질하였다. 상기 유기물층을 Et2O(x3)으로 추출하였다. 상기 유기 추출물을 물(x3), 소금물(x1)로 세척하고 Na2SO4로 건조하였다. 상기 원료 고체(crude solid)를 여과하고 헥산, 이어서 MeOH로 세척하였다. 상기 원료 물질을 컬럼 크로마토그래피(10:90 EA 헥산)으로 정제하여 황색 고체(6.44g, 61%)로서 화합물 6을 수득하였다.
1H NMR(400MHz, d4-TCE) δ 10.31 (s, 1 H), 7.88 (m, 2H), 7.52 (m, 1 H), 7.41 (m, 1 H), 7.13 (m, 2H), 6.82 (m, 2H), 4.57 (s, 2H), 3.77 (s, 3H).
화합물 5의 제조
폴리인산(50g)을 일구 둥근바닥 플라스크에 시린지를 사용하여 계량하여 투입하였다. 상기 플라스크의 일부에 화합물 6 (4.0g, 14mmol)을 투입하였다. 상기 반응 혼합물을 50℃까지 가열하였다. 2시간 후에, 상기 가열은 중단되었다. 얼음물을 상기 반응 혼합물에 부었다. 상기 유기물층을 EA(x3)으로 추출하였다. 상기 유기 추출물을 물(x2), NaHCO3(x1)로 세척하고 Na2SO4로 건조하였다. 상기 원료 물질을 플래시 컬럼 크로마토그래피(50:50 DCM/헥산)으로 정제하여 옅은 황색 고체(0.67g, 18%)로서 화합물 5를 수득하였다.
1H NMR (400 MHz, d4-TCE) δ 8.55 (s, 1 H), 8.25 (m, 2H), 7.95 (m, 1 H), 7.85 (m, 1 H), 7.50 (m, 2H), 7.20 (m, 2H), 3.97 (s, 3H).
화합물 4의 제조
상온의 무수 DCM(12mL) 내의 4-메톡시-나프타[2,3-b]벤조[d]티오펜(0.6g, 2mmol)에 BBr3 (3.7mL, 4mmol)를 천천히 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 밤새 상온에서 교반하였다. 24시간 후에, 상기 반응 혼합물을 물과 NaHCO3로 희석하였다. 상기 유기물층을 EA(x3)으로 추출하였다. 상기 유기 추출물을 물(x2), 소금물(x1)로 세척하고 Na2SO4로 건조하였다. 상기 옅은 황색 고체의 원료 물질 (0.57g, 95%)을 추가적인 정제 과정 없이 다음 단계에 사용하였다.
1H NMR (400 MHz, d4- TCE) δ 8.56 (s, 1 H), 8.23 (m, 1 H), 8.14 (m, 1 H), 7.98 (m, 1 H), 7.83 (m, 1 H), 7.50 (m, 2H), 7.20 (s, 1 H), 7.17 (s, 1 H).
화합물 3의 제조
무수 DCM (23 mL) 내의 화합물 4 (0.57g, 2mmol)에 피리딘(0.38mL, 5mmol)을 서서히 첨가하였다. 상기 반응 혼합물을 0℃까지 식히고 트리플루오로메탄설폰산 무수물 (0.47mL, 3mmol)을 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 상온까지 온도를 상승시켰다. 1시간 후에, 상기 반응 혼합물을 10% HCl로 담금질하였따. 상기 유기물층을 EA(x3)으로 추출하였다. 상기 유기 추출물을 10% HCl(x1), 물(x2), 소금물(x1)로 세척하고 Na2SO4로 건조하였다. 원료 화합물 3을 플래시 컬럼 크로마토그래피 (20:80 EA/헥산)으로 정제하여 옅은 황색 고체(0.79g, 96%)로서 화합물 3을 수득하였다.
1H NMR (400 MHz, d4- TCE) 8 8.69 (s, 1 H), 8.37 (s, 1 H), 8.31 (d, 1 H, J = 1.6 Hz), 8.15 (d, 1 H, J = 9.2 Hz), 7.89 (d, 1 H, J = 2.0 Hz), 7.83 (s, 1 H), 7.56 (m, 2H), 7.42 (d, 1 H, J = 9.2 Hz).
실시예 2
화합물 1a의 제조
Figure pct00081
상온의 무수 THF(4mL) 내의 화합물 3(0.8g, 2mmol) 및 Ni(dppp)C (55mg, 0.10 mmol)에 C8H17MgBr(2.4mL, 2mmol)을 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 80℃로 가열하였다. 5.5시간 후에, 상기 반응 혼합물을 물로 담금질하였다. 상기 유기물층을 DCM(x3)으로 추출하고 Na2SO4로 건조하였다. 상기 원료 물질을 플래시 컬럼 크로마토그래피 (10:90 DCM/헥산)로 정제하여 백색 고체(0.35g, 49%)로서 화합물 1a를 수득하였다.
녹는점120℃; 1H NMR (400 MHz, d4-TCE) δ 8.59 (s, 1 H), 8.26 (m, 2H), 7.98 (m, 1 H), 7.84 (m, 1 H), 7.69 (s, 1 H), 7.50 (m, 2H), 7.40 (m, 1 H), 2.81 (m, 2H), 1 .76-1 .67 (m, 6H), 1 .41 - 1 .1 .30 (m, 6H), 0.90 (m, 3H).
실시예 3
화합물 11의 제조
Figure pct00082
화합물 13의 제조
상온의 무수 DCM(213mL) 내의 AlCl3(9.4g, 70mmol) 현탁액에 프탈산 무수물(3.5g, 24mmol)을 일부 첨가하였다. 상기 현탁액을 15분간 상온에서 교반되게 하였다. 상기 현탁액을 이어서 0℃까지 식히고 DCM(10mL) 내의 화합물 14(5.0g, 24mmol)을 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 상온에서 밤새 교반하였다. 15.5시간 후에, 상기 반응 혼합물을 얼음 욕조에 붓고 10% HCl로 산성화(acidified)하였다. 상기 현탁액을 셀라이트(celite)로 여과하고 DCM으로 세척하였다. 상기 여과물을 농축하여(concentrated) 침전물(precipitate)을 얻었다. 상기 원료 고체(crude solid)를 이어서 톨루엔으로 재결정(recrystallized)하여 옅은 황색 고체(4.2g, 50%)로서 화합물 13을 얻었다.
1H NMR (400 MHz, DMSO) δ 8.39 (s, 1 H), 7.99 (m, 1 H), 7.89 (m, 1 H), 7.75 (m, 2H), 7.57 (m, 1 H), 7.23 (m, 1 H), 7.15 (m, 1 H).
화합물 12의 제조
상온의 무수 1,2-디클로로벤젠(117mL) 내의 화합물 13(4.2g, 12mmol) 및 PCl5(4.9g, 23mmol)에 AlCl3(3.1g, 23mmol)을 부분적으로(protion-wise) 첨가하였다. 상기 반응 혼합물을 140℃로 가열하였다. 4.5 시간 후에, 상기 가열은 중단되었다. 상기 반응 혼합물을 DCM으로 희석하고 얼음 위에 부었다. 상기 혼합물을 셀라이트(celite)를 통해 여과하고, DCM으로 세척하였다. 상기 여과된 혼합물을 DCM(x3)으로 추출하고 Na2SO4로 건조하였다. 상기 원료 혼합물(crude mixture)을 증류(distilled)하여 과량의 1,2-디클로로벤젠을 제거하고, 이어서 플래시 컬럼 크로마토그래피(80:20 DCM/헥산)으로 정제하여 암녹색 고체(3.11g, 78%)로서 화합물 12를 얻었다.
1H NMR (400 MHz, CDC) δ 8.78 (m, 1 H), 8.26 (m, 2H), 8.12 (s, 1 H), 7.77 (m, 2H), 7.72 (m, 1 H).
화합물 11의 제조
상온의 AcOH(72mL) 내의 화합물 12(2.5g, 7mmol)에 HI(7.1mL, 54mmol) 및 H3PO2(1.6mL, 14mmol)을 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 150℃로 밤새 가열하였다. 26시간 후에, 가열을 중단하고 상기 반응 혼합물을 1% NaHSO3 용액(500mL)에 부었다. 진공 여과에 의하여 침전물을 수집하였다. 상기 원료 고체(crude solid)를 컬럼 크로마토그래피(40:60 DCM/헥산)으로 정제하여 옅은 황색 고체(0.62g, 27%)로 화합물 11을 수득하였다.
1H NMR (400 MHz, d4-TCE) δ 8.62 (s, 1 H), 8.31 (s, 1 H), 8.15 (d, 1 H, J = 8.4 Hz), 8.06 (d, 1 H, J = 7.6 Hz), 8.00 (s, 1 H), 7.93 (d, 1 H, J = 7.6 Hz), 7.64 (d, 1 H, J = 8.4 Hz), 7.57 (m, 2H).
실시예 4
화합물 2a의 제조
Figure pct00083
상온의 무수 THF(2.4mL) 내의 화합물 11(375mg, 1.2mmol) 및 Ni(dppp)Cl2(32.4mg, 0.1mmol)에 C6H13MgBr(1.8mL, 1.8mmol)을 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 밤새 80℃로 가열하였다. 18시간 후에, 상기 반응 혼합물을 물로 담금질하였다. 상기 유기물층을 DCM(x3)으로 추출하였다. 상기 유기 추출물을 소금물(x1)로 세척하고 Na2SO4로 건조하였다. 상기 원료 물질(crude material)을 컬럼 크로마토그래피(10:90 DCM/헥산)로 정제하여 백색 고체(0.28g, 73%)로서 화합물 2a를 얻었다.
녹는점 100℃; 1H NMR (400 MHz, d4-TCE) δ 8.58 (s, 1 H), 8.29 (s, 1 H), 8.18 (s, 1 H), 8.05 (m, 1 H), 7.91 (m, 1 H), 7.66 (s, 1 H), 7.53 (m, 2H), 7.33 (m, 1 H), 2.77 (m, 2H), 1 .73-1 .60 (m, 4H), 1 .41 -1.1 .27 (m, 4H), 0.90 (m, 3H).
실시예 5
화합물 2b의 제조
Figure pct00084
화합물 20의 제조
-78℃의 무수 THF(14mL) 내의 2-헥실티오펜(1.00g, 6.0mmol)에 n-BuLi(4.1mL, 헥센 내 1.l6M)를 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 점차 상온까지 1.5시간 동안 가열하였다. 1.5시간 후에, 상기 반응 혼합물을 -78℃까지 냉각하고 THF(2mL) 내의 Me3SnCl(1.53g, 7.7mmol)을 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 상온까지 온도 상승시킨 후 밤새 교반하였다. 22시간 후에, 상기 반응 혼합물을 NH4Cl로 담금질하였다. 상기 유기물층을 Et2O로 3회 추출하였다. 상기 유기 추출물을 물로 2회, 소금물로 1회 세척하고 Na2SO4로 건조하였다. 상기 원료 물질(crude material)을 쿠겔로(kugelrohr) 증류(150℃, 3mmHg)로 정제하여 옅은 황색 오일(0.67g, 34%)로서 화합물 20을 수득하였다.
1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.01 (s, 1 H), 6.90 (s, 1 H), 2.86 (m, 2H), 1.68 (m, 2H), 1 .36-1 .30 (m, 6H), 0.90 (m, 3H), 0.34 (m, 9H).
화합물 2b의 제조
반응 플라스크 내의 화합물 11(0.53g, 1.7mmol) 및 화합물 20(0.67g, 2mmol)에 무수 DMF(28mL)을 상온에서 첨가하였다. 상기 반응 혼합물에 Pd(PPh3)4(195mg, 0.17 mmol)을 N2 분위기에서 일부 첨가하였다. 상기 반응 혼합물을 90℃까지 18시간 동안 가열하였다. 상기 반응 혼합물을 물로 담금질하였다. 상기 유기물층을 DCM(x2)로 추출하였다. 상기 유기 추출물을 소금물로 세척하고 Na2SO4로 건조하였다. 상기 원료 물질(crude material)을 컬럼 크로마토그래피(5:95 DCM/헥산)으로 정제하여 백색 고체(0.23g, 33%)로 화합물 2b를 얻었다.
1H NMR (400 MHz, d4-TCE) δ 8.48 (s, 1 H), 8.26 (s, 1 H), 8.15 (s, 1 H), 8.05 (m, 1 H), 7.96 (m, 1 H), 7.66 (s, 1 H), 7.55 (m, 2H), 7.36 (m, 1 H), 7.22 (m, 1 H), 6.78 (m, 1 H), 2.88 (m, 2H), 1 .72-1 .69 (m, 2H), 1 .44-1 .30 (m, 6H), 0.90 (m, 3H).
실시예 5
화합물 1a, 2a, 2b를 각각 반도체 물질로 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터(OFETs)
30nm Al2O3가 코팅되고 다량 도핑된(highly doped) 실리콘 웨이퍼를 2-프로판올로 완전히 닦고(cleaned) 짧은 산소 플라즈마 처리 후 2-프로판올 내의 용액으로부터 데실포스폰산(decylphosphonic acid)(화합물 1a가 반도체 물질로 사용되었을 때)으로, 옥타데실포스폰산으로(화합물 2a 또는 2b가 반도체 물질로 사용되었을 때 각각) 관능화(functionalized)되었다. 상기 다량 도핑된 실리콘은 기재 및 게이트 전극으로 사용되었고, 각각 Al2O3 처리된 데실포스폰산, 옥타데실포스폰산은 게이트 유전체(gate dielectric)로 작용한다. 상기 유기 반도체 물질 1a, 2a, 2b는 각각 고진공(<10-5 mbar)에서 열증착되었다. 이 때 상기 기재는 40℃(화합물 1a가 반도체 물질로 사용될 때), 30℃(화합물 2a 또는 2b가 반도체 물질로 사용되었을 때 )로 각각 유지되었다. 소스 및 드레인 전극으로 50nm 두께의 금(Au)층이 섀도 마스크를 통하여 증착되어 상부접촉(top contact) OFET 소자를 얻었다. 상기 채널 폭(W)은 500㎛이고 채널 길이(L)은 100㎛이었다.
상기 유기 전계효과 트랜지스터의 출력 곡선(output curves) 및 전이 곡선(transfer curves)은 주변 공기 및 암흑 속에서 B1500 애질런트(Agilent) 변수 분석기(parameter analyzer)로 결정되었다.
도 1은 화합물 1a를 반도체 물질로 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터에서 게이트-소스 전압 VGS가 -1.1V(가장 위 첫번째 곡선), -10.5V(두번째 곡선), -10V(세번째 곡선) 및 -9.5V(가장 아래 네번째 곡선)일 때 드레인-소스 전압 VDS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A]의 관계(출력 곡선)를 나타낸다.
도 2는 화합물 1a를 반도체 물질로 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터의 드레인-소스 전압 VDS가 -5V일 때 게이트-소스 전압 VGS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A](전이 곡선, transfer curve)를 나타낸다.
도 3은 화합물 2a를 반도체 물질로 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터의 게이트-소스 전압 VGS가 -10V일 때(가장 위 첫번째 곡선) 드레인-소스 전압 VDS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A](출력 곡선)을 나타낸다.
도 4는 화합물 2a를 반도체 물질롤 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터의 드레인-소스 전압 VDS가 -5V일 때의 게이트-소스 전압 VGS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A](전이 곡선)를 나타낸다.
도 5는 화합물 2b를 반도체 물질로 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터의 게이트-소스 전압 VGS -1V(가장 위 첫번째 곡선), -9.5V(두번째 곡선) 및 -9V(가장 아래 세번째 곡선)일 때의 드레인-소스 전압 VDS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A](출력 곡선)를 나타낸다.
도 6은 화합물 2b를 반도체 물질로 포함하는 하부게이트-상부접촉 유기 전계효과 트랜지스터의 드레인-소스 전압 VDS가 -5V일 때의 게이트-소스 전압 VGS[V]에 대한 드레인 전류 ID[A](전이 곡선)를 나타낸다.
화합물 1a, 2a 및 2b는 p형 반도체 물질의 전형적인 거동을 나타낸다.
상기 전하 운반자 이동도(charge-carrier mobility, μ)는 하기 식을 사용하여 (ID)1/2 대 VGS의 기울기로부터 포화 체제(saturation regime)으로부터 추출되었다.
μ={2L/(W x Ci)} x (dID 1/2/dVGS 1/2)2
여기서 L은 상기 채널 길이를 나타내고; W는 채널 폭; C는 상기 게이트 유전체의 단위면적당 커패시턴스(capacitance)를 나타내고; ID는 드레인 소스 전류를 나타내고, VGS는 게이트-소스 전압을 나타낸다.
상기 문턱 전압(Vth)은 ID 1/2 대 VGS 그래프를 VGS 축에 따라 외삽(extrapolation)한 교차점으로부터 얻어진다.
상기 문턱 전압 Vth, 전하 운반자 이동도 μ 및 ION/IOFF 비의 평균값은 표 1에 주어져 있다.
화합물 Vth[V] μ[㎠/Vs] Ion/off
1a -8.5 0.39 8x105
2a -8.6 0.01 6x104
2b -8.7 0.22 2x105
비교예 1
화합물 15의 제조
Figure pct00085
화합물 18의 제조
상온에서 무수 DCM(108mL) 내의 AlCl3(3.75g, 28mmol)의 현탁액에 프탈산 무수물(2.09g, 14mmol)을 일부 첨가하였다. 상기 현탁액을 15분간 상온에서 교반되도록 하였다. 상기 현탁액을 이어서 0℃까지 냉각하고 DCM(10mL) 내의 5-브로모-벤조[b]티오펜 (3.0g, 14mmol)을 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 밤새 상온에서 4시간 동안 교반하였다. 상기 반응 혼합물을 얼음물에 붓고 10% 탄산나트륨(sodium carbonate)으로 담금질하였다. 상기 유기상(organic phase)를 물로 2회 세척하고 10% 염산으로 처리한 후 물, 소금물로 2회 세척하고 황산 마그네슘(magnesium sulfate)으로 건조하였다. 용매를 증발시킨 후 얻어진 주황색 고체를 톨루엔으로부터 재결정화하여 황색 고체(1.83g, 36%)로서 화합물 18을 얻었다.
1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.92 (s, 2H), 7.67 (d, 2H), 7.45 (m, 4H).
화합물 17의 제조
상온에서 1,2-디클로로벤젠(37mL) 내의 2-(5-브로모벤조[b]티오펜-2-카보닐)벤조산(2-(5-bromobenzo[b]thiophene-2-carbonyl)benzoic acid)(1.33g, 3.7mmol) 및 PCl5(1.53g, 7.4 mmol)에 AlCl3(1.0g, 7.4mmol)을 일부 첨가하였다. 상기 반응 혼합물을 140℃로 가열하였다. 4.5시간 후에 상기 가열은 중단되었다. 상기 반응 혼합물을 DCM으로 희석하고 얼음에 부었다. 상기 혼합물을 셀라이트를 통하여 여과하고 DCM으로 세척하였다. 상기 여과된 혼합물을 DCM(x3)으로 추출하고 Na2SO4로 건조하였다. 상기 원료 혼합물(crude mixture)을 이어서 과량의 1,2-디클로로벤젠을 제거하기 위하여 증류하고, 플래시 컬럼 크로마토그래피(50:50 DCM/헥산)으로 정제하여 황색 고체(1.09g, 86%)로서 화합물 17을 얻었다.
1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 9.12 (d, 1 H), 8.30-8.24 (m, 2H), 7.85-7.69 (m, 3H), 7.67 (d, 1 H).
화합물 16의 제조
상온의 AcOH(14mL) 내의 2-브로모-6,11-디온-나프타[2,3-b]벤조[d]티오펜 (2-bromo-6,11-dione-naphtha[2,3-b]benzo[d]thiophene (0.47g, 1.4mmol)에 HI(1.4mL, 10mmol) 및 H3PO2(0.3mL, 2.7mmol)을 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 150℃에서 밤새 가열하였다. 24시간 후에, 가열은 중단되고 상기 반응 혼합물을 1% NaHSO3 용액(500mL)에 부었다. 진공 여과를 통하여 침전물을 수집하였다. 상기 원료 고체(crude solid)를 컬럼 크로마토그래피(17:83 DCM/헥산)으로 정제하여 백색 고체(0.17g, 37%)로서 화합물 16을 얻었다.
1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.60 (s, 1 H), 8.40 (d, 1 H), 8.29 (s, 1 H), 8.03 (d, 1 H), 7.92 (d, 1 H), 7.69 (d, 1 H), 7.60-7.51 (m, 3H).
화합물 15의 제조
상온의 무수 THF(3mL) 내의 2-브로모-나프타[2,3-b]벤조[d]티오펜 (2-bromo-naphtha[2,3-b]benzo[d]thiophene) (0.17g, 0.5mmol) 및 Ni(dppp)Cl2 (15mg, 0.03mmol)에 C6H13MgBr(1.0mL, 0.8mmol)을 적가하였다. 상기 반응 혼합물을 밤새 상온에서 교반하였다. 상기 반응 혼합물을 물로 담금질하였다. 에틸 아세테이트(x2)로 유기물층을 추출하였다. 상기 유기 추출물을 물(x1) 및 이어서 소금물(x1)로 세척하고 Na2SO4로 건조하였다. 상기 원료 물질(crude material)을 컬럼 크로마토그래피(10:90 DCM/헥산)으로 정제하여 황색 오일(0.04g, 23%)로서 화합물 15를 수득하였다.
8.61 (s, 1 H), 8.26 (s, 1 H), 8.08 (s, 1 H), 8.03 (d, 1 H), 7.81 (d, 1 H), 7.72 (d, 1 H), 7.50 (m, 2H), 7.32 (d, 1 H), 2.80 (m, 2H), 1.73 (m, 2H), 1 .35 (m, 6H), 0-.90 (m, 3H).
화합물 15를 반도체 물질로 사용하여 유기 전계효과 트랜지스터를 제조하는 것은 불가능했다. 화합물 15는 상온에서 액체이고 고체 필름을 얻을 수 없었기 때문이다.

Claims (9)

  1. 하기의 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 화합물:
    [화학식 1]
    Figure pct00086

    [화학식 2]
    Figure pct00087

    상기 화학식 1 및 2에서 R1 및 R2는 C1-30 알킬, C2-30-알케닐, C2-30-알카이닐, C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 또는 5 내지 14 원자의 헤테로아릴기이되,
    상기 C1-30-알킬, C2-30-알케닐 및 C2-30-알카이닐기는 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기(substituents)로 치환될 수 있고,
    상기 C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자의 헤테로아릴기는 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있으며,
    상기 화학식 1 및 2에서 Ra, Rb, Rc 및 Rd는 각각 독립적으로 C1-30 알킬, C2-30-알케닐, C2-30-알카이닐, C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자의 헤테로아릴기로 이루어진 군에서 선택된 것이되,
    상기 C1-30-알킬, C2-30-알케닐 및 C2-30-알카이닐기는 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
    상기 C5-7-시클로알킬, C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자의 헤테로아릴기는 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있으며,
    n 및 o는 독립적으로 0, 1, 2, 3, 4 또는 5이며,
    m 및 p는 독립적으로 0, 1, 2 또는 3이다.
  2. 제1항에 있어서,
    하기의 화학식 1' 또는 2'로 표시되는 것을 특징으로 하는 화합물:
    [화학식 1']
    Figure pct00088

    [화학식 2']
    Figure pct00089

    상기 화학식 1' 및 2'에서 R1 및 R2는 C1-30알킬, C6-14 아릴 또는 5 내지 14 원자의 헤테로아릴기이되,
    상기 C1-30-알킬기는 할로겐, 페닐, O-C1-20-알킬, O-C2-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있고,
    상기 C6-14-아릴 및 5 내지 14 원자의 헤테로아릴기는 할로겐, C1-20 알킬, C2-20-알케닐, C2-20-알카이닐, O-C1-20-알케닐 및 O-C2-20-알카이닐로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 치환기로 치환될 수 있다.
  3. 제2항에 있어서,
    R1 및 R2는 C1-30 알킬 또는 5 내지 14 원자의 헤테로아릴기이되,
    여기서 5 내지 14 원자의 헤테로아릴기는 하나 이상의 C1-20 알킬 치환기로 치환될 수 있다.
  4. 제3항에 있어서,
    R1 및 R2는 C6-14 알킬기 또는
    Figure pct00090
    인 화합물:
    여기서, R3는 H 또는 C1-20 알킬기이다.
  5. 제4항에 있어서,
    R1 및 R2는 C6-14 알킬기인 화합물.
  6. 제5항에 있어서,
    하기 화학식 1a 및 2a로 표시되는 화합물:
    [화학식 1a]
    Figure pct00091

    [화학식 2a]
    Figure pct00092
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 화합물을 포함하는 전자 소자(electronic device).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전자 소자는 유기 전계효과 트랜지스터(OFET, Organic Field Effect Transistror)인 것을 특징으로 하는 전자 소자.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 화합물의 반도체 물질로 사용하는 용도.
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