KR101443295B1 - Novel ambipolar organic semiconductor compounds possible to change dominant polarity and organic thin-film transistor device comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 p형 및 n형 반도체를 동시에 구현할 수 있는 양극성(ambipolar) 반도체 화합물에 관한 것으로서, 하기 [화학식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하고, 후속의 열처리에 의해서 열적 제거 가능한 작용기가 제거되어 인접 분자간 수소 결합이 망구조를 형성되어 주극성이 변환되는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 양극성 반도체 화합물을 이용하여 p형 및 n형 반도체 특성을 동시에 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 비교적 간단한 용액 공정으로 전자회로를 제조할 수 있다. 또한, 종래 유기물질로 만든 박막 트랜지스터 등에서 발생하는 전자, 정공 이동도를 해결하여 보다 저비용으로 내충격성 및 플렉서블 특성이 우수한 디스플레이를 구현할 수 있다.
[화학식 1]
The present invention relates to an ambipolar semiconductor compound capable of simultaneously forming p-type and n-type semiconductors, and is characterized by being represented by the following Chemical Formula 1, wherein the thermally removable functional group is removed by a subsequent heat treatment, The p-type and n-type semiconductor characteristics can be realized at the same time using the bipolar semiconductor compound according to the present invention, Can be produced. In addition, a display excellent in impact resistance and flexible characteristics can be realized at lower cost by solving electron and hole mobility generated in a thin film transistor or the like made of an organic material in the related art.
[Chemical Formula 1]
Description
본 발명은 주극성 변환이 가능한 신규한 고분자 반도체 화합물 및 이를 포함하는 유기 반도체 박막 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 p형 및 n형 반도체를 동시에 구현할 수 있고, 주극성을 간단한 방법으로 제어할 수 있는 양극성(ambipolar) 반도체 화합물 및 이를 포함하는 유기 반도체 박막 트랜지스터에 관한 것이다.[0001] The present invention relates to a novel polymer semiconductor compound capable of converting a polarity and an organic semiconductor thin film device including the same, and more particularly, to an organic semiconductor thin film device capable of simultaneously converting p-type and n-type semiconductors, 0001] The present invention relates to an ambipolar semiconductor compound and an organic semiconductor thin film transistor including the same.
유기 전계 효과 트랜지스터(OFET)는 무선 주파수 식별(RFID) 태그, 스마트 카드 및 유기 능동 매트릭스 디스플레이와 같은 초저비용의 대형 플렉시블 전자장치와 관련하여 중요한 요소로서, 이에 관한 연구는 1980년 이후부터 시작되어 전 세계적으로 본격적인 연구가 진행되고 있다. 유기 전자 산업은 무기 전자산업에 비해 제작 공정이 간단하고 비용이 저렴할 뿐만 아니라, 충격에 의해 쉽게 깨지지 않고 구부리거나 접을 수 있는 전자 회로 기판을 만들 수 있다는 장점이 있어 미래의 산업에 필수적인 요소가 될 것으로 예상되고 있으며, 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 유기 트랜지스터의 개발은 아주 중요한 연구 분야로 대두되고 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION Organic field effect transistors (OFETs) are an important element in relation to large flexible electronic devices at very low cost such as radio frequency identification (RFID) tags, smart cards and organic active matrix displays, Research is being conducted in earnest all over the world. Organic electronics industry is not only simple and cost-effective to manufacture compared to inorganic electronics industry, but also has the advantage of being able to make an electronic circuit board that can be folded or folded without being broken easily by impact. And the development of organic transistors capable of meeting these needs is emerging as an important research area.
유기 박막 트랜지스터의 특성을 좌우하는 유기 반도체 재료는 크게 단극성 반도체와 양극성 반도체로 나뉜다. 단극성 반도체로 만든 전자회로는 전력손실이 높고, 구동속도와 안정성이 떨어지는 단점이 있고, 이러한 단점은 단극성 반도체인 p형과 n형 반도체를 상보회로에 함께 넣어 해결할 수 있으나, 복잡한 제조과정과 비용이 문제점으로 제기되었다.Organic semiconductor materials that determine the characteristics of an organic thin film transistor are largely divided into a unipolar semiconductor and a bipolar semiconductor. An electronic circuit made of a unipolar semiconductor has a disadvantage in that it has high power loss, low driving speed and stability. Such drawbacks can be solved by putting a p-type and n-type semiconductors, which are unipolar semiconductors, into a complementary circuit, Cost was raised as a problem.
반면에 양극성 반도체는 전자와 정공을 모두 구동전하로 활용하고, 단극성 반도체에 비해 제조공정이 간편하여 하나의 패턴 공정으로 전자회로를 제조할 수 있으나, 양극성 반도체에서는 전자와 정공의 이동도에서 심각한 불균형이 생기는 문제점이 존재한다.On the other hand, bipolar semiconductors utilize both electrons and holes as driving charges, and the manufacturing process is simpler than that of unipolar semiconductors, so that electronic circuits can be fabricated by a single pattern process. However, in bipolar semiconductors, There is a problem that imbalance occurs.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 양극성(ambipolar) 고분자 반도체에서 전자와 정공의 이동도의 불균형을 해소하고, 추가 공정을 거치지 않고 간단한 열처리만으로 주반송자의 극성을 조절할 수 있는 양극성 고분자 반도체 화합물을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a bipolar polymer semiconductor compound capable of eliminating an imbalance in the mobility of electrons and holes in an ambipolar polymer semiconductor and adjusting the polarity of the main carrier by a simple heat treatment without further processing will be.
또한, 상기 고분자 반도체 화합물을 포함하는 유기 반도체 박막 및 유기 전계효과 트랜지스터(OFET), 유기 발광 다이오드(OLED), 유기 태양 전지 등의 소자를 제공하는 것이다.The present invention also provides an organic semiconductor thin film including the polymer semiconductor compound and an element such as an organic field effect transistor (OFET), an organic light emitting diode (OLED), and an organic solar cell.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 하기 [화학식 1]로 표시되는 고분자 유기 반도체 화합물을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a polymeric organic semiconductor compound represented by the following formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
상기 [화학식 1]에서,In the above formula (1)
상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알콕시카르보닐기이고, 상기 R2는 탄소수 1 내지 40의 알킬기이며, 상기 Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴기이다.Wherein R 1 is an alkoxycarbonyl group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 40 carbon atoms, and Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.
상기 [화학식 1]로 표시되는 고분자 화합물에서, 상기 R1은 열처리에 의해서 열적으로 제거되는 작용기인 것을 특징으로 한다.In the polymer compound represented by Formula 1, R 1 is a functional group that is thermally removed by heat treatment.
본 발명에서 구체적으로 확인한 일 실시예에 의하면, 상기 [화학식 1]은 하기 [화학식 2]로 표시되는 것을 특징으로 하는 고분자 유기 반도체 화합물일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the compound represented by Formula 1 may be a polymeric organic semiconductor compound represented by Formula 2 below.
[화학식 2](2)
또한, 본 발명은 상기 [화학식 1]로 표시되는 고분자 유기 반도체 화합물을 복수 개로 포함하는 양극성(ambipolar) 유기 반도체 박막을 제공한다.The present invention also provides an ambipolar organic semiconductor thin film comprising a plurality of polymeric organic semiconductor compounds represented by the above formula (1).
상기 유기 반도체 박막은 인접한 고분자간의 배열이 하기 [구조식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하고, 상온에서 주극성이 p형 반도체인 것을 특징으로 한다.The organic semiconductor thin film is characterized in that the arrangement of adjacent polymers is represented by the following
[구조식 1][Structural formula 1]
상기 [구조식 1]에서,In the
상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알콕시카르보닐기이고, 상기 R2는 탄소수 1 내지 40의 알킬기이며, 상기 Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴기이다.Wherein R 1 is an alkoxycarbonyl group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 40 carbon atoms, and Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 유기 반도체 박막은 기판 상에서 드롭-캐스팅 방식이나 용액 전단 방식으로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 용액 전단 방식에 의해서 제조될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the organic semiconductor thin film may be manufactured by a drop-casting method or a solution shearing method on a substrate, preferably by a solution shearing method.
또한, 상기 양극성 유기 반도체 박막은 열처리에 의해서 주극성이 n형 반도체가 될 수 있다.In addition, the bipolar organic semiconductor thin film may be an n-type semiconductor with a main electrode by heat treatment.
후술하는 실시예에서 상술하는 바와 같이, 용액 전단 공정을 이용하여 트랜지스터에 상기 [화학식 1]로 표시되는 양극성 유기 반도체 박막(BOC-PTDPP)를 편입시킬 경우에 p형 우위 특성을 나타내며, 그 결과 정공 및 전자 이동도가 1.32 × 10-2 cm2V-1s-1 및 2.63 × 10-3 cm2V-1s-1 정도로 높아지고, 이는 드롭 캐스팅으로 제조된 박막의 이동도보다 약 1 차수 높은 크기이다.As described in the later-described embodiments, when a bipolar organic semiconductor thin film (BOC-PTDPP) represented by the above formula (1) is incorporated into a transistor using a solution front-end process, it exhibits a p-type superiority property, And electron mobility of about 1.32 × 10 -2 cm 2 V -1 s -1 and 2.63 × 10 -3 cm 2 V -1 s -1 , which is about one order higher than the mobility of the thin film produced by drop casting Size.
또한, 전하 운반체의 우위 극성이 150-250 ℃에서 t-BOC 기들의 열 분해 후 양에서 음으로 변해서, 후속 열처리 시 용액 전단 공정으로 제조된 박막은 뛰어난 전자 이동도(μ e = 4.60 × 10-2 cm2V-1s-1)를 나타낸 반면, 정공 이동도는 1 차수 크기만큼 감소한다(μ e = 4.30 × 10-3 cm2V-1s-1). 2개의 동일한 양극성 유기 반도체 박막의 조합으로 구성된 인버터는 약 10의 게인을 나타낸다.In addition, the lead polarity of the charge carriers are negative in turn into the amount after thermal decomposition of the t-BOC group from 150-250 ℃, the film is excellent electromigration prepared by subsequent heat treatment solution shear Process (μ e = 4.60 × 10 - 2 cm 2 V -1 s -1 ), whereas the hole mobility decreases by a first order magnitude ( μ e = 4.30 × 10 -3 cm 2 V -1 s -1 ). An inverter configured with a combination of two identical bipolar organic semiconductor thin films exhibits a gain of about 10.
이러한 용액 공정에서 양극성 OFET 중의 전하 운반체의 우위 극성을 선택적으로 조절하는 방법이 본 발명에서 최초로 규명되었다.
In this solution process, a method of selectively controlling the dominant polarity of charge carriers in bipolar OFETs was first identified in the present invention.
또한, 본 발명은 양극성 유기 반도체 박막을 열처리하여 인접한 고분자 간에 수소 결합이 망구조로 형성되어 인접한 고분자와 배열이 하기 [구조식 2]로 표시되는 것을 특징으로 하는 양극성 유기 반도체 박막을 제공한다.In addition, the present invention provides a bipolar organic semiconductor thin film characterized in that a bipolar organic semiconductor thin film is thermally treated to form hydrogen bonds between neighboring polymers in a network structure, and the arrangement of adjacent polymers is represented by the following
[구조식 2][Structural formula 2]
상기 [구조식 2]에서,In the
상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알콕시카르보닐기이고, 상기 R2는 탄소수 1 내지 40의 알킬기이며, 상기 Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴기이다.Wherein R 1 is an alkoxycarbonyl group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 40 carbon atoms, and Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.
상기 양극성 유기 반도체 박막의 주극성이 n형 반도체인 것을 특징으로 한다.
Wherein the positive electrode of the bipolar organic semiconductor thin film is an n-type semiconductor.
또한, 본 발명은 상기 유기 반도체 박막의 제조방법과, 이러한 유기 반도체 박막을 포함하는 트랜지스터(OFET), 유기 발광 다이오드(OLED), 유기 태양 전지 등을 제공한다.
The present invention also provides a method of manufacturing the organic semiconductor thin film and a transistor (OFET) including the organic semiconductor thin film, an organic light emitting diode (OLED), an organic solar cell, and the like.
본 발명의 명세서에 기재된 "단극성 반도체"라 함은 전자(electron)와 정공(hole)의 2개의 반송자(carrier) 중 하나만 통해서 전류가 흐르는 반도체로서, p형 반도체와 n형 반도체로 분류되고, "양극성 반도체"라 함은 전류의 흐름에 기여하는 반송자(carrier)로서 전자(electron)와 정공(hole) 모두를 사용하는 반도체를 말한다.The "unipolar semiconductor" described in the specification of the present invention is a semiconductor in which a current flows through only one of two carriers such as an electron and a hole and is classified into a p-type semiconductor and an n-type semiconductor , "Bipolar semiconductor" refers to a semiconductor that uses both electrons and holes as a carrier to contribute to the flow of current.
또한, "p형 반도체"라 함은 전하를 옮기는 반송자(carrier)로 정공 (hole)이 사용되는 반도체, 즉 양의 전하를 가지는 정공이 이동해서 전류가 생겨 정공이 다수 반송자가 되는 반도체를 말하고, "n형 반도체"라 함은 전하를 옮기는 반송자(carrier)로 전자 (electron)가 사용되는 반도체, 즉 음의 전하를 가지는 전자가 이동해서 전류가 생겨 다수 반송자가 전자가 되는 반도체를 말한다.The term "p-type semiconductor" refers to a semiconductor in which a semiconductor in which a hole is used as a carrier for transferring charges, that is, a hole in which a positive charge moves, , "n-type semiconductor" refers to a semiconductor in which electrons having a negative charge are moved by a carrier in which electrons having a negative charge are transferred, and carriers are electrons.
또한, "주극성"이라 함은 양극성 반도체에서 주된 전하 반송자(charge carrier)의 극성으로서, 양극성 반도체 내부의 반송자 중에서 정공(hole)이 전자 (electron)보다 우세하다면 다수 전하 반송자가 정공(hole)이 되어 주극성이 p형이 되고, 그 반대는 주극성이 n형이 된다.The term "bipolar" refers to a polarity of a charge carrier in a bipolar semiconductor. When a hole in a carrier inside a bipolar semiconductor is more dominant than an electron, And the polarity becomes the p-type, and the opposite polarity becomes the n-type.
본 발명에 따른 양극성 반도체 화합물을 이용하여 p형 및 n형 반도체 특성을 동시에 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 비교적 간단한 용액 공정으로 전자회로를 제조할 수 있다.By using the bipolar semiconductor compound according to the present invention, p-type and n-type semiconductor characteristics can be realized at the same time, and an electronic circuit can be manufactured by a relatively simple solution process.
또한, 종래 유기물질로 만든 박막 트랜지스터 등에서 발생하는 전자, 정공 이동도의 불균형 문제를 해결하여, 보다 저비용으로 내충격성 및 플렉시블 특성이 우수한 디스플레이를 구현할 수 있다.In addition, the problem of unevenness of electron and hole mobility generated in a thin film transistor or the like made of an organic material in the past can be solved, and a display excellent in impact resistance and flexibility can be realized at a lower cost.
도 1a는 본 발명에 따라 열적 제거 가능한 작용기(t-BOC)를 포함하는 양극성 고분자 화합물 및 열처리를 통한 주극성 제어 모식도이다. 열처리를 통해 분자간 수소결합을 유도하여 분자간 거리 및 전하 이동 특성을 변화시켜 주극성이 p형인 양극성 고분자 반도체에서 n형인 양극성 고분자 반도체로 변환된다.
도 1b는 용액 전단 공정에 대한 기술을 나타낸 개념도이다.
도 1c는 용액 공정을 통해서 제조된 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터의 주극성 변환을 나타낸 모식도로서, 열적 제거 가능 작용기가 열처리에 의해서 제거됨에 따라 에너지 준위가 변화하면서 유기박막 트랜지스터의 주극성 변환이 나타난다.
도 2a는 N2, 10 ℃/min의 가열 속도에서 t-BOC-보호된 DPP 전구체의 TGA 결과이고, 도 2b는 t-BOC-보호된 DPP 전구체 박막의 200 ℃에서 열분해 후의 UV-vis-NIR 흡수 스펙트럼이다.
도 3a는 N2, 10 ℃/min의 가열 속도에서 BOC-PTDPP의 TGA이고, 도 3b는 200 ℃ 열분해 전후 박막에서 BOC-PTDPP의 UV-vis-NIR 흡수 스펙트럼이다.
도 4는 200 ℃ 열분해 전(위)과 후(아래)에 BOC-PTDPP의 (4a) 드롭 캐스트 박막과 (4b) 용액-전단 박막의 FT-IR 스펙트럼으로서, 점선은 C=O 신축 밴드에 대한 가이드 라인이다.
도 5는 200 ℃ 열분해 전(a)과 후(b)에 유리상 탄소(GC) 전극 상에서 BOC-PTDPP 박막의 순환 전압전류 그래프이다(실온, 0.1 M n-Bu4NPF6 아세토니트릴 용액).
도 6은 200 ℃ 열분해 전(위)과 후(아래)에 드롭 캐스트 BOC-PTDPP 박막으로부터 얻어진 XRD 결과이다.
도 7은 DFT 계산을 통한 HOMO 및 LUMO 레벨에서의 최적화된 기하구조 및 전하 밀도 등위면과 PTDPP 고분자의 상면도이다((a) t-BOC 기 존재, (b) t-BOC 기 부재).
도 8은 BOC-PTDPP의 (a), (b) 드롭 캐스트 필름, (c), (d) 용액-전단 필름의 태핑 모드 AFM 이미지로서, (a) 및 (c)는 200 ℃ 열분해 전, (b) 및 (d)는 열분해 후이다.
도 9는 용액-전단된 BOC-PTDPP 박막에 기초한 OFET 장치의 수송 및 출력 특성으로서, 열분해 전 (a) 정공-증대 및 (b) 전자-증대 모드로 작동하는 BOC-PTDPP 양극성 트랜지스터이고, 200 ℃에서 열분해 후 PTDPP 양극성 트랜지스터의 특성은 (c) 정공-증대 및 (d) 전자-증대 모드에서 얻어진 박막의 결과(|VDS| = 100 V)이다.
도 10은 공기 중에서 양극성 BOC-PTDPP의 인버터 특성으로서, 공급 편향이 일정할 때 인버터의 게인은 약 10이다(VDD=100 V)BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1A is a schematic diagram of a bipolar polymeric compound comprising a thermally removable functional group (t-BOC) according to the present invention and a control scheme of the polarity through heat treatment. The intermolecular distance and the charge transfer characteristics are changed by inducing intermolecular hydrogen bonding through heat treatment, so that the bipolar polymer semiconductor having a pore type is converted into an n type bipolar polymer semiconductor.
1B is a conceptual diagram showing a technique for solution shearing.
FIG. 1C is a schematic diagram showing the main polarity transformation of the organic thin film transistor according to the present invention manufactured through a solution process. As the thermally removable functional group is removed by the heat treatment, the energy level changes and the polarity conversion of the organic thin film transistor appears.
FIG. 2A shows the TGA results of the t-BOC-protected DPP precursor at a heating rate of N 2 , 10 ° C / min and FIG. 2b shows the TGA results of the UV-vis-NIR after pyrolysis at 200 ° C. of the t- Absorption spectrum.
FIG. 3A shows TGA of BOC-PTDPP at a heating rate of N 2 , 10 ° C./min. FIG. 3B shows UV-vis-NIR absorption spectrum of BOC-PTDPP in a thin film before and after pyrolysis at 200 ° C.
Figure 4 shows the FT-IR spectrum of the (4a) drop-cast film of (4a) solution-shear thin film of BOC-PTDPP before and after pyrolysis at 200 ° C It is a guideline.
5 is a cyclic voltammogram of BOC-PTDPP thin film on a glassy carbon (GC) electrode at (a) and (b) before and after pyrolysis at 200 ° C (room temperature, 0.1 M n-Bu 4 NPF 6 Acetonitrile solution).
FIG. 6 shows the XRD results obtained from the drop cast BOC-PTDPP films before (above) and after (below) pyrolysis at 200.degree.
FIG. 7 is a top view of the geometry and charge density isomorphism and the PTDPP polymer at the HOMO and LUMO levels through DFT calculation ((a) t-BOC group presence, (b) t-BOC group member).
FIG. 8 is a tapping mode AFM image of a drop-cast film, (c) and (d) solution-shear film of BOC-PTDPP, (a) and (c) b) and (d) are after pyrolysis.
9 is a BOC-PTDPP bipolar transistor operating in (a) hole-enhancement and (b) electron-enhancement modes prior to pyrolysis, which is a transport and output characteristic of an OFET device based on a solution-sheared BOC- PTDPP thin film, The characteristics of the PTDPP bipolar transistor after pyrolysis are (c) the hole-enhancement and (d) the result of the thin film obtained in electron-enhanced mode (| V DS | = 100 V).
10 shows the inverter characteristics of the bipolar BOC-PTDPP in air. When the supply bias is constant, the gain of the inverter is about 10 (V DD = 100 V)
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
유기반도체 물질 중 고분자 반도체가 갖는 가장 큰 의의는 용액공정이 가능하여 유기전자소자의 제조공정 단가를 크게 줄일 수 있다는 점이다. 용액공정을 가능하게 하기 위해서, 일반적으로 고분자 주골격(backbone)에 긴 알킬 사슬(alkyl chain)을 용해를 유도하는 작용기(solubilizing group)로 도입하는 것이 일반적이다. 하지만, 이 경우에 도입된 알킬 사슬이 공액구조 고분자 반도체의 밀집된 분자 정렬 및 패킹에 저해가 되는 요소로 작용하여 전하 이동 특성에 악영향을 미치게 된다는 단점이 발생한다.Among the organic semiconductor materials, the polymer semiconductor has the greatest significance because the solution process can be performed, and the manufacturing cost of the organic electronic device can be greatly reduced. In order to enable a solution process, it is common to introduce a long alkyl chain into the polymer backbone as a solubilizing group. However, the alkyl chain introduced in this case acts as an element that hinders dense molecular alignment and packing of the conjugated structure polymer semiconductor, which adversely affects the charge transfer characteristics.
따라서, 본 발명의 일 측면은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 알킬 사슬과 열적 제거 가능한 작용기를 일정 비율로 혼합하여 용해를 유도하고 분자패킹에 영향을 최소화하는 작용기로 도입하여 하기 [화학식 1]로 표시되는 고분자 유기 반도체 화합물을 제공하는 것이다.Accordingly, one aspect of the present invention is to solve the above-mentioned problems by introducing a functional group that minimizes the influence on the molecular packing by mixing the alkyl chain and the thermally removable functional groups at a certain ratio, And a polymer organic semiconductor compound represented by the following formula
[화학식 1][Chemical Formula 1]
상기 [화학식 1]에서,In the above formula (1)
상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알콕시카르보닐기이고, 상기 R2는 탄소수 1 내지 40의 알킬기이며, 상기 Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴기이다.Wherein R 1 is an alkoxycarbonyl group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 40 carbon atoms, and Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.
또한, 간단한 열처리로 제거되는 작용기(R1)가 있는 자리에는 분자 간 수소결합을 유도 가능한 새로운 작용기가 생성되어 분자 간 상호작용을 증가시켜 고분자 사슬간 거리를 줄임으로써 전하 이동 특성의 향상을 기대할 수 있다.In addition, a new functional group capable of inducing intermolecular hydrogen bonding is generated in the place where the functional group (R 1 ) is removed by a simple heat treatment, thereby increasing the intermolecular interaction and reducing the distance between the polymer chains, have.
열처리를 통해 유도된 수소결합은 후술하는 실시예에서 푸리에 변환 적외선 분광계를 통해 확인하였으며, 열처리 후에 적외선 분광 스펙트럼에서 열적 제거 가능 작용기 내의 에스테르기로 인한 C=O 결합 피크가 사라지고 고분자 backbone에 N-H 결합 피크가 생성됨을 알 수 있었다.The hydrogen bonds induced through the heat treatment were confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy in the following Examples. In the infrared spectroscopy spectrum after the heat treatment, the C = O bond peak due to the ester group in the thermally removable functional group disappeared and the NH bond peak in the polymer backbone .
또한, 열적 제거 가능 작용기로 인한 고분자 내부의 전자의 분포와 에너지의 변화를 추정하기 위해 밀도 범함수 이론 계산을 이용하여 분자 시뮬레이션을 하였다. 열적 제거 가능 작용기의 제거 결과, 더욱 평면화된 분자 구조가 유도되었고, 전자들이 보다 비편재화되면서 에너지 준위의 변화가 생기는 것을 확인하였다.In order to estimate the distribution of electrons in the polymer due to the thermally removable functional group and the change of the energy, numerical simulation was performed using the density function function theory calculation. As a result of the removal of the thermally removable functional group, a more planarized molecular structure was induced, and it was confirmed that the energy levels were changed as electrons became more delocalized.
특히, 양극성 고분자의 이동도가 열처리에 따라 손쉽게 변환됨을 확인하였다. 즉, 하기 도 1a에서 보는 바와 같이, 열처리 전에는 정공(hole) 이동도가 우세하여 p형이 주극성이었지만, 열처리 후에는 전자(electron) 이동도가 우세해져 n형이 주극성이 되었다. 열처리 후 양극성 전하 이동 특성이 열적 제거 가능 작용기의 화학적 구조와 비율에 따라서 주극성을 제어할 수도 있다.
Especially, it was confirmed that the mobility of the bipolar polymer was easily changed according to the heat treatment. That is, as shown in FIG. 1A, the hole mobility prevailed before the heat treatment, and the p-type was the polarity. However, after the heat treatment, the electron mobility prevailed and the n-type became the polarity. After the heat treatment, the bipolar charge transfer characteristics may be controlled depending on the chemical structure and ratio of the thermally removable functional groups.
본 발명의 다른 일 측면은 상기 [화학식 1]로 표시되는 고분자 유기 반도체 화합물을 복수 개로 포함하는 양극성(ambipolar) 유기 반도체 박막에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a thin film of an ambipolar organic semiconductor comprising a plurality of polymeric organic semiconductor compounds represented by the formula (1).
상온에서는 인접한 고분자간의 패킹 배열이 하기 [구조식 1]로 표시되어 주극성이 p형 반도체인 것을 특징으로 한다.At room temperature, packing arrangements between adjacent polymers are represented by the following
이에 대해서 후속의 열처리 공정을 거치게 되면 열적 제거 가능한 작용기 R1이 제거되면서 인접한 고분자 간에 수소 결합이 망구조로 형성되어 인접한 고분자와 배열이 하기 [구조식 2]로 표시되어 주극성이 n형 반도체인 것을 특징으로 한다.When the subsequent heat treatment process is performed, the thermally removable functional group R 1 is removed, and hydrogen bonds are formed between the adjacent polymers to form a network structure, and the arrangement with the adjacent polymer is represented by the following formula (2) .
[구조식 1][Structural formula 1]
[구조식 2][Structural formula 2]
상기 [구조식 1] 및 [구조식 2]에서,In the above-mentioned
상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알콕시카르보닐기이고, 상기 R2는 탄소수 1 내지 40의 알킬기이며, 상기 Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴기이고, 상기 은 수소결합(hydrogen-bonding)을 나타낸다.
Wherein R 1 is an alkoxycarbonyl group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 40 carbon atoms, Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, Represents hydrogen bonding.
본 발명에 따른 보다 구체적인 내용은 이하의 실시예를 통해서 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
More specific details of the present invention will be described in detail in the following examples. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be clear to those who have knowledge.
<실시예><Examples>
<본 발명에 따라 이하에서 상술하는 실시예에서 사용한 재료 및 기기는 다음과 같다.>≪ Materials and devices used in the above-mentioned embodiments according to the present invention are as follows:
(1) 재료는 Aldrich나 Acros로부터 구입하여 별도의 정제없이 사용하였으며, 용매는 특별한 언급이 없는 한 ACS 등급이다. 무수 THF는 사용하기 전에 나트륨/벤조페논으로부터 증류하여 얻었으며, 무수 톨루엔은 그대로 사용하였다.(1) Materials were purchased from Aldrich or Acros and used without further purification. Solvents are ACS grade unless otherwise noted. Anhydrous THF was obtained by distillation from sodium / benzophenone prior to use, and anhydrous toluene was used as is.
3,6-디티엔-2-일-2,5-디하이드로피롤로[3,4-c]피롤-1,4-디온(DTDPP), 2-데실테트라데실브로마이드, 1,4-디옥소-3,6-디티오펜-2-일-피롤로[3,4-c]피롤-2,5-디카복실산 디-tert-부틸에스테르 및 3,6-비스-(5-브로모티오펜-2-일)-1,4-디옥소피롤로[3,4-c]피롤-2,5-디카복실산 디-tert-부틸에스테르는 공지된 방법에 의해서 제조하였다.Dihydropyrrolo [3,4-c] pyrrole-1,4-dione (DTDPP), 2-decyltetradecylbromide, 1,4-dioxole 3,4-c] pyrrole-2,5-dicarboxylic acid di-tert-butyl ester and 3,6-bis- (5-bromothiophen-2-yl) -Yl) -1,4-dioxopyrrolo [3,4-c] pyrrole-2,5-dicarboxylic acid di-tert-butyl ester was prepared by a known method.
(2) 1H NMR 및 13C NMR 스펙트럼은 용매 CDCl3와 내부 표준 테트라메틸실란(TMS)을 사용해서 VNMRS 600(Varian, USA) 분광계에서 기록했고, MALDI MS 스펙트럼은 Ultraflex III(Bruker, 독일)를 사용하여 얻었다. 열중량 분석(TGA)은 Q200(TA Instrument, USA)에서 10 ℃/min의 가열 속도로 50 ℃에서 800 ℃까지 가열하면서 수행했다.(2) 1 H NMR and 13 C NMR spectra were recorded on a VNMRS 600 (Varian, USA) spectrometer using solvent CDCl 3 and internal standard tetramethylsilane (TMS) and MALDI MS spectra were recorded on an Ultraflex III (Bruker, Germany) ≪ / RTI > Thermogravimetric analysis (TGA) was performed on a Q200 (TA Instrument, USA) while heating from 50 ° C to 800 ° C at a heating rate of 10 ° C / min.
또한, FT-IR 스펙트럼은 670-IR/620-IR Imaging(Varian, USA)에서 기록하였고, UV-vis-NIR 스펙트럼은 Cary 5000(Varian, USA) 분광계에서 얻었다. 원자력 현미경(AFM) 이미지는 Agilent 5500(Agilent, USA)을 사용하여 얻었다. 엑스선 회절(XRD) 분석은 D/MAZX 2500V/PC(Rigaku, 일본)에서 수행했다. 고분자 생성물의 수 평균(Mn) 분자량과 중량 평균(Mw) 분자량 그리고 다분산성 지수(PDI)는 Agilent 1200 HPLC Chemstation을 구비한 겔 투과 크로마토그래피(GPC)에서 THF(HPLC 등급)와 표준물질로서 일련의 단분산 폴리스트렌을 사용하여 308 K에서 결정했다.FT-IR spectra were also recorded on 670-IR / 620-IR Imaging (Varian, USA) and UV-vis-NIR spectra were obtained on a Cary 5000 (Varian, USA) spectrometer. Atomic Force Microscopy (AFM) images were obtained using an Agilent 5500 (Agilent, USA). X-ray diffraction (XRD) analysis was performed on a D / MAZX 2500V / PC (Rigaku, Japan). The number average (Mn) molecular weight and weight average (Mw) molecular weight and polydispersity index (PDI) of the polymer product were determined by gel permeation chromatography (GPC) with an
또한, 순환 전압전류(CV) 측정은 Solartron SI 1287에서 아르곤 하에 100 mV/s의 스캔 속도로 0.1 M 테트라-n-부틸암모늄 헥사플루오로포스페이트(n-Bu4NPF6)아세토니트릴 용액 중에서 3-전극 전지를 사용해서 실온에서 측정했다. 은 와이어, 백금 와이어 및 유리 탄소 디스크가 기준 전극, 카운터 전극, 작동 전극으로 각각 사용되었다. Ag/Ag+ 기준 전극은 외부 표준으로 페로센/페로세늄 레독스 커플을 사용했고, 캘리브레이션은 산화 전위를 제로 진공 레벨에 대해 - 4.8 eV로 설정하여 행했다. HOMO 에너지 레벨은 식 HOMO(eV) = -(Eox onset - Eferrocene onset + 4.8)으로 구했다. 고분자의 LUMO 레벨은 식 LUMO(eV) = -(Ered onset - Eferrocene onset + 4.8)으로 구했다.
The cyclic voltammetry (CV) measurement was also carried out in a 0.1 M tetra-n-butylammonium hexafluorophosphate (n-Bu 4 NPF 6 ) acetonitrile solution at a scan rate of 100 mV / s under argon in Solartron SI 1287 The measurement was carried out at room temperature using an electrode cell. A silver wire, a platinum wire, and a glass carbon disk were used as the reference electrode, the counter electrode, and the working electrode, respectively. The Ag / Ag + reference electrode used a ferrocene / ferrocenium redox couple as an external standard, and calibration was performed with the oxidation potential set to 4.8 eV for the zero vacuum level. The HOMO energy level is given by the equation HOMO (eV) = - (E ox onset - E ferrocene onset + 4.8). The LUMO level of the polymer is given by the equation LUMO (eV) = - (E red onset - E ferrocene onset + 4.8).
<합성예 1> [화학식 2](이하, 'BOC-PTDPP' 또는 'BOC 보호 PTDPP'라 칭하기도 한다.)의 합성Synthesis Example 1 Synthesis of [Formula 2] (hereinafter, also referred to as 'BOC-PTDPP' or 'BOC protected PTDPP')
하기 [합성경로]에 따라 Poly[3,6-dithien-2-yl-2,5-di(t-butoxycarbonyl)- pyrrolo[3,4-c]-pyrrole-1,4-dione-5',5"-diyl-alt-3,6-dithien-2-yl-2,5-di(2-decyltetradecanyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-5',5"-diyl]을 합성하였다.4-dione-5 ', 5'-dideoxy-5'-dicyclohexylcarbodiimide according to the following [synthesis route] 5'-dicyclene-3,6-dithien-2-yl-2,5-di (2-decyltetradecanyl) -pyrrolo [3,4-c] pyrrole-1,4- diyl] was synthesized.
[합성경로][Synthetic route]
[화학식 2](2)
(ⅰ) di-tert-부틸 디카보네이트, 디메틸아미노피리딘(DAMP), THF, Ar 분위기, 24 h, 85%(I) di-tert-butyl dicarbonate, dimethylaminopyridine (DAMP), THF, Ar atmosphere, 24 h, 85%
(ⅱ) 2-데실테트라데실브로마이드, K2CO3, DMF, 120 ℃, Ar 분위기, 24 h, 55%(Ii) 2-decyltetradecyl bromide, K 2 CO 3 , DMF, 120 ° C., Ar atmosphere, 24 h, 55%
(ⅲ) NBS, 클로로포름, dark, Ar 분위기, 48h, 75%(Iii) NBS, chloroform, dark, Ar atmosphere, 48h, 75%
(ⅳ) LDA, 2-이소프로폭시-4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤란, THF, - 40 ℃, Ar 분위기, 24 h, 79%(Iv) LDA, 2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane, THF,
(ⅴ) Pd2(dba)3/P-(o-Tol)3, K3PO4,톨루엔/H2O, 95 ℃, 48 h, 75%.
(V) Pd 2 (dba) 3 / P- (o-Tol) 3 , K 3 PO 4 , toluene / H 2 O, 95 ° C, 48 h, 75%.
(1) (3,6-Di(2-(4,4,5,5-tetramethyl-[1,3,2]dioxaborolan-2-yl)thien-5-yl)-2,5-di(2-decyltetradecyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione(3,6-디(2-(4,4,5,5-테트라메틸-[1,3,2]디옥사보롤란-2-일)티엔-5-일)-2,5-디(2-데실테트라데실)피롤로[3,4-c]피롤-1,4-디온)[4]의 합성(1) (3,6-Di (2- (4,4,5,5-tetramethyl- [1,3,2] dioxaborolan-2-yl) thien-5-yl) -decyltetradecyl) -pyrrolo [3,4-c] pyrrole-1,4-dione (3,6-di (2- (4,4,5,5-tetramethyl- [ Pyran-2-yl) thien-5-yl) -2,5-di
- 40 ℃에서 아르곤 하에 THF(30 mL)에 용해한 3,6-디티엔-2-일-2,5-디(2-데실테트라데실)피롤로[3,4-c]피롤-1,4-디온(1 g, 1.0 mmol)과 2-이소프로필-4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥소보란(0.42 g, 0.46 mL, 2.5 mmol)의 용액에 리튬 디이소프로필아미드(LDA) 용액(1.28 mL, 2.5 mmol)을 서서히(5분에 걸쳐) 가했다.3,4-c] pyrrole-l, 4,4-d] pyrimidin-2-yl) -2,5-di (2-decyltetradecyl) pyrrole dissolved in THF -Dione (1 g, 1.0 mmol) and 2-isopropyl-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxoborane (0.42 g, 0.46 mL, 2.5 mmol) Isopropylamide (LDA) solution (1.28 mL, 2.5 mmol) was added slowly (over 5 min).
결과의 혼합물을 0 ℃에서 1 시간 동안 교반한 다음, 물(200 mL)로 ?칭했다. CHCl3에서 화합물을 추출하고 세척해서 MgSO4로 건조시킨 후, 감압 하에 용매를 증발시키고, 메탄올(200 mL)로 3번 세척했다.The resulting mixture was stirred at 0 < 0 > C for 1 h and then quenched with water (200 mL). The compound was extracted in CHCl 3 , washed and dried over MgSO 4 , then the solvent was evaporated under reduced pressure and washed three times with methanol (200 mL).
분리 수율 = 1.0 g(79 %)Separation yield = 1.0 g (79%)
끈적한 점성 암자색 오일Viscous viscous oil
1HNMR(CDCl3, 600 MHz) : δ ppm 8.91(d, J=3.17, 2H), 7.71(d, J=3.17, 2H), 4.05(m, 4H), 1.91(m, 2H), 1.36(s, 24H), 1.27-1.20(m, 80H), 0.87-0.86(m, 12H). 1 H NMR (CDCl 3 , 600 MHz):? Ppm 8.91 (d, J = 3.17,2H), 7.71 (d, J = 3.17,2H), 4.05 (m, 4H) s, 24H), 1.27-1.20 (m, 80H), 0.87-0.86 (m, 12H).
13CNMR(CDCl3, 150 MHz) : δ ppm 161.71, 140.48, 137.62, 136.11, 135.63, 108.70, 84.55, 46.24, 37.77, 31.91, 31.27, 30.01, 29.80, 29.68, 29.66, 29.64, 29.62, 29.57, 29.35, 29.33, 26.32, 24.75, 22.67, 14.10. 13 C NMR (CDCl 3 , 150 MHz):? Ppm 161.71, 140.48, 137.62, 136.11, 135.63, 108.70, 84.55, 46.24, 37.77, 31.91, 31.27, 30.01, 29.80, 29.68, 29.66, 29.64, 29.62, 29.57, 29.35, 29.33, 26.32, 24.75, 22.67, 14.10.
MALDI-TOFMS(m/z)1225.68(M+)MALDI-TOFMS (m / z) 1225.68 (M < + >).
C74H126B2N2O6S2의 분석 이론량 : C, 72.52; H, 10.36, N, 2.29 실측량: C, 72.40; H, 10.59, N, 2.57.
Analytical theoretical amount of C 74 H 126 B 2 N 2 O 6 S 2 : C, 72.52; H, 10.36, N, 2.29 ydslnal: C, 72.40; H, 10.59, N, 2.57.
(2) Poly[3,6-dithien-2-yl-2,5-di(t-butoxycarbonyl)-pyrrolo[3,4-c]-pyrrole-1,4-dione-5',5"-diyl-alt-3,6-dithien-2-yl-2,5-di(2-decyltetradecanyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-5',5"-diyl](폴리[3,6-디티엔-2-일-2,5-디(t-부톡시카보닐)피롤로[3,4-c]-피롤-1,4-디온-5',5"-디일-alt-3,6-디티엔-2-일-2,5-디(2-데실테트라데칸일)피롤로[3,4-c]피롤-1,4-디온-5',5"-디일])(BOC-PTDPP)의 합성(2) Poly [3,6-dithien-2-yl-2,5-di (t-butoxycarbonyl) -pyrrolo [3,4-c] pyrrole-1,4-
상기 [합성경로]에 표시된 3 화합물(104 mg, 0.16 mmol), 상기 4 화합물(200 mg, 0.16 mmol), 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐(0)(10 mg, 0.011 mmol)의 혼합물을 Schlenk 플라스크에 함께 넣었다. 탈미네랄수(1 mL)를 첨가한 톨루엔(5 mL)에 용해한 트리(o-톨릴)포스핀(5 mg, 0.016 mmol)과 K3PO4(220 mg)를 이 용액에 가하고, 반응 혼합물을 세게 교반하면서 95 ℃에서 48 시간 동안 가열한 후에, 메탄올(300 mL)과 물(100 mL)의 혼합물에 부었다. 결과의 고체를 여과해내고, 메탄올(1 d)과 아세톤(1 d)과 헥산(1 d)으로 순차적으로 속슬렛 추출해서 이 물질에서 저분자량 부분을 제거했다. 잔류물을 클로로포름으로 추출하고, 다시 메탄올에서 침전시켜 진공에서 건조시킨 후에 암자색 생성물을 얻었다.A mixture of the above-mentioned three compounds (104 mg, 0.16 mmol), the above 4 compounds (200 mg, 0.16 mmol) and tris (dibenzylideneacetone) dipalladium (0) (10 mg, 0.011 mmol) Were placed together in a Schlenk flask. To this solution was added tri (o-tolyl) phosphine (5 mg, 0.016 mmol) and K 3 PO 4 (220 mg) dissolved in toluene (5 mL) with demineralized water (1 mL) Heated at 95 < 0 > C for 48 h with vigorous stirring and then poured into a mixture of methanol (300 mL) and water (100 mL). The resulting solids were filtered off and the lower molecular weight fraction was removed from this material by sequestering with methanol (1 d), acetone (1 d) and hexane (1 d). The residue was extracted with chloroform, precipitated again in methanol and dried in vacuo to give a dark purple product.
고분자 BOC-PTDPP의 분리 수율 = 150 mg(75%)Separation yield of polymer BOC-PTDPP = 150 mg (75%)
GPC 분석 Mn = 13,520 kg/mol, Mw = 48,360 kg/mol 및 PDI = 3.58(PS 표준물질에 대해)GPC analysis Mn = 13,520 kg / mol, Mw = 48,360 kg / mol and PDI = 3.58 (for PS standard materials)
1HNMR(CDCl3, 600 MHz) : δ ppm 8.96-8.91(br, 2H), 8.37-8.33(br, 2H), 7.63-7.07(br, 4H), 4.03-3.93(br, 4H), 2.94-1.20(t, 94H), 0.85-0.84(br, 12H) 1 HNMR (CDCl 3, 600 MHz ): δ ppm 8.96-8.91 (br, 2H), 8.37-8.33 (br, 2H), 7.63-7.07 (br, 4H), 4.03-3.93 (br, 4H), 2.94- 1.20 (t, 94H), 0.85-0.84 (br, 12H)
C88H130N4O8S4의 분석 이론량: C, 70.45; H, 8.73 N, 3.73 실측량: C, 70.61; H, 9.00, N, 3.51
Analytical theoretical amount of C 88 H 130 N 4 O 8 S 4 : C, 70.45; H, 8.73 N, 3.73; H, 9.00, N, 3.51
본 발명의 일 실시예에 따른 [화학식 2]로 표시되는 고분자 화합물은 상기 [합성경로]에 의해서 합성된다.The polymer compound represented by formula (2) according to an embodiment of the present invention is synthesized by the above-described [synthesis route].
상기 [합성경로]에서 보는 바와 같이, 금속(Ni 또는 Pd) 촉매 교차결합 중합의 모노머로써, t-BOC(tert-butoxycarbonyl)로 보호된 DPP(diketopyrrolopyrrole) 전구 물질[1]은 디-tert-부틸 디카보네이트를 사용하여 티오펜일 DPP로부터 제조하였으며, 이후 이것을 이브롬화 DPP[3](수율 75%)로 전환하였다.As shown in the above synthetic route, DPP (diketopyrrolopyrrole) precursor [1] protected with t-BOC (tert-butoxycarbonyl) as a monomer for metal (Ni or Pd) catalytic cross-linking polymerization is di- Dicarbonate, which was then converted to the brominated DPP [3] (yield 75%).
다음으로, DPP-기반 고분자의 용액 가공성을 확보하고자 긴 분지형 알킬 측쇄로서 2-데실-1-테트라데실을 DPP 분자 구조 내의 질소 원자에 치환하여 얻었다. 이것은 리튬치환반응(LDA)과 이어서 2-이소프로폭시-4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤란과의 반응을 통해 상응하는 이붕소 에스테르 코모노머[4]로 변형되었다(79%).Next, to ensure solution processability of the DPP-based polymer, 2-decyl-1-tetradecyl was substituted for a long branched alkyl side chain with nitrogen atoms in the DPP molecular structure. This is accomplished by the reaction of a lithium substitution reaction (LDA) followed by 2-isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane to give the corresponding diboride ester comonomer [4 ] (79%).
이후, 본 발명에 따른 열적으로 제거될 수 있는 가용화 기를 지닌 가용성 DPP 함유 고분자[BOC-PTDPP]를 비스-보롤릴화 모노머와 비스-브롬화 모노머 사이의 스즈키 결합 중합을 통해서 합성하였다.Then, a soluble DPP-containing polymer [BOC-PTDPP] having a thermally removable solubilizer according to the present invention was synthesized by Suzuki coupling polymerization between a bis-borylated monomer and a bis-brominated monomer.
메탄올과 아세톤을 순차적으로 사용하여 속슬렛 추출해서 불순물과 원치 않는 저분자량 올리고머를 제거한 후 암자색 고체를 높은 수율로 얻었으며(75%), 크기 배제 크로마토그래피(PS 표준물질)에 따르면 결과의 고분자는 수 평균 분자량(Mn)이 13,520 g/mol이고, 다분산성 지수(PDI)가 3.56이었다. 또한, BOC-PTDPP는 긴 분지형 측쇄 치환 때문에 상온에서 일반적인 유기 용매(THF, 클로로포름, 톨루엔 등)에 쉽게 용해될 수 있는 것을 특징으로 한다.
The methanol and acetone were successively used to remove the impurities and undesired low molecular weight oligomers by the Soxhlet extraction method. The dark colored solid was obtained in high yield (75%) and according to size exclusion chromatography (PS standard) The number average molecular weight (Mn) was 13,520 g / mol and the polydispersity index (PDI) was 3.56. In addition, BOC-PTDPP is characterized in that it can be easily dissolved in a common organic solvent (THF, chloroform, toluene, etc.) at room temperature due to long branching side chain substitution.
실험예 1. 열중량 분석(TGA)과 UV-vis 스펙트럼 변화에 따른 조사Experimental Example 1. Investigation according to thermogravimetric analysis (TGA) and UV-vis spectral change
하기 도 2a에서 보는 바와 같이, t-BOC(tert-butoxycarbonyl)로 보호된 DPP(diketopyrrolopyrrole) 전구 물질[1]은 TGA에 의하면 약 180 ℃에서 열분해 반응의 발생이 확인되는데, 질량 손실은 약 45%이며, 이것은 t-BOC 기의 손실에 꼭 상응한다(도 2a).As shown in FIG. 2A, the DPP (diketopyrrolopyrrole) precursor t-BOC (tert-butoxycarbonyl) protected [1] has a pyrolysis reaction at about 180 ° C., , Which corresponds exactly to the loss of the t-BOC group (Fig. 2a).
[화학식 2]로 표시되는 고분자 화합물을 포함하는 클로로포름 용액을 스핀 캐스팅하여 오랜지색으로 착색된 균일한 박막을 제조하였고, 200 ℃에서 5분간 이 필름을 열처리하자 뚜렷한 적색 이동의 결과로서 다결정질 적색 필름이 원위치 재생되었다(하기 도 2b). 광물리적 특성의 변화는 DPP의 NH-O 수소 결합 효과에 기인한다.The chloroform solution containing the polymer compound represented by the
또한, 하기 도 3에서 보는 바와 같이, [화학식 2] BOC-PTDPP에서 t-BOC 기들의 열분해는 또한 약 180 ℃에서 일어나기 시작하지만, 열처리 전후 박막의 UV-vis 스펙트럼은 모양과 흡광도가 거의 동일했으며, 800 nm를 중심으로 브로드 밴드를 나타낸다. 이런 결과는 고분자 백본 내의 t-BOC기 외에 한쪽 코모노머 상의 긴 분지형 알킬 측쇄의 존재 때문이다. 그러나, 후 가공 단계 후에는 최종 필름이 완전히 불용성으로 되어 가깝게 밀집된 평면 DPP 시스템에서 강한 분자간 π-π 상호작용이 이루어진다는 것을 알 수 있다.3, the pyrolysis of t-BOC groups in BOC-PTDPP also started to occur at about 180 ° C., but the UV-vis spectrum of the film before and after the heat treatment was almost the same in shape and absorbance , And broadband around 800 nm. This result is due to the presence of a long branched alkyl side chain on one comonomer besides the t-BOC group in the polymer backbone. However, it can be seen that after the post-processing step, the final film becomes completely insoluble and strong intramolecular π-π interactions occur in a closely packed planar DPP system.
또한, 분자간 상호작용이 성공적으로 수소-결합 망구조를 만들었는지 확인하기 위해서 드롭 캐스팅 방식과 용액 전단 방식의 BOC-PTDPP 필름을 200 ℃에서 30분간 열처리하기 전후에 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분광법에 의해서 특성화했다(하기 도 4). 열처리 후에 얻어진 FT-IR 스펙트럼은 카바메이트 보호기의 상실이 1749 cm-1에서 C=O 신축 진동 밴드의 소실뿐만 아니라, 3436 cm- 1근처에 N-H 밴드의 출현을 유도한다는 것을 드러낸다(도 4a). υc=o(아미드)는 열처리 후에 더 낮은 에너지 쪽으로 이동한 것으로 나타나며(약 23 cm-1만큼), 이것은 고분자 백본을 따른 수소 결합(C=O-H-N) 형성의 표지가 된다(도 4b). 또한, 열처리된 용액 전단 고분자 필름은 드롭 캐스팅 방식 필름에 비해 υc=o(아미드)가 더 많이 이동하는데, 이는 전단력에 의해 더욱 분자간 상호작용이 강해졌음을 의미한다.
In order to confirm whether the intermolecular interaction successfully formed the hydrogen-bonded network structure, the BOC-PTDPP film of the drop casting method and the solution shear method was subjected to heat treatment at 200 ° C. for 30 minutes before and after Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy (Figure 4 below). FT-IR spectrum obtained after the heat treatment as well as the disappearance of the carbamate loss of C = O stretching vibration band at 1749 cm -1 of the protecting group, 3436 cm - reveals that lead to the appearance of the NH band close to 1 (FIG. 4a). υ c = o (amide) appears to have moved towards lower energy after heat treatment (about 23 cm -1 as), which is a sign of a hydrogen bond (C = OHN) formed along the polymer backbone (Fig. 4b). In addition, heat treated solution shear polymer films have more migration of υ c = o (amide) than drop cast films, which means stronger intermolecular interaction by shear force.
실험예 2. 전기화학적 특성Experimental Example 2: Electrochemical Properties
순환 전압전류법(CV)을 수행하여 열처리 전후에 BOC-PTDPP의 최고 점유 분자 궤도(HOMO)와 최저 비점유 분자 궤도(LUMO) 에너지 레벨을 확인하였다.The highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energy levels of BOC-PTDPP were confirmed before and after the heat treatment by cyclic voltammetry (CV).
테트라-n-부틸암모늄 헥사플루오로포스페이트(n-Bu4NPF6) (0.1 M) 지지 전해질, 고분자 필름 코팅된 유리상 탄소 (GC) 작동 전극, 카운터 전극으로 백금 와이어 보조 전극, Ag 와이어 기준 전극, 외부 기준으로 Fc/Fc+를 사용하여 100 mV/s의 스캔 속도에서 수행하였다.Tetra -n- butylammonium hexafluorophosphate (n-Bu 4 NPF 6) (0.1 M) supporting electrolyte, a polymer film coated with glassy carbon (GC) working electrode, a counter electrode, a platinum wire auxiliary electrode, Ag wire reference electrode, Was performed at a scan rate of 100 mV / s using Fc / Fc + as an external reference.
200 ℃에서 5분간 열처리 전후에 BOC-PTDPP 필름의 순환 전압전류 그래프가 하기 도 5에 도시되어 있고, CV 데이터(Eox onset/Ered onset, HOMO 및 LUMO 에너지 레벨, Eg ec)를 하기 [표 1]에 나타내었다.The cyclic voltammetry graph of the BOC-PTDPP film before and after the heat treatment at 200 ° C for 5 minutes is shown in FIG. 5 and the CV data (E ox onset / E red onset , HOMO and LUMO energy levels, E g ec ) Table 1].
t-BOC-보호된 고분자와 탈보호된 고분자는 모두 양 전위에서 가역적인 p-도핑/디도핑(산화/재환원) 과정을 나타내며, 음 전위에서의 n-도핑/디도핑(환원/재산화) 과정도 역시 분명히 가역적이다.Both the t-BOC-protected polymer and the deprotected polymer exhibit reversible p-doping / dedoping (oxidation / re-circulation) processes at both positivities, and n-doping / ) Process is also clearly reversible.
실험식 EHOMO / LUMO = -[Ered onset-Eferrocene onset + 4.8 eV]에 따르면, HOMO 및 LUMO 에너지 레벨은 BOC-PTDPP의 경우 - 5.31 및 -3.79 eV로 추정되며, 열처리 후에 이 고분자는 거의 동일한 밴드갭(Eg ec)으로 약간 하향 이동된 HOMO(-5.41 eV)와 LUMO(-3.83 eV)를 지닌다. 분자 에너지 수준, 특히 LUMO 수준은 금 전극을 사용하였을 경우 OFET의 양극성 거동이 실험적으로 관찰되는 에너지 범주(-3.1 ~ -3.8 eV)에 상응한다.Experimental E HOMO / LUMO = - [E red onset -E ferrocene onset + 4.8 eV], the HOMO and LUMO energy levels are estimated to be 5.31 and -3.79 eV for BOC-PTDPP, and after heat treatment, the polymer has a slightly lower bandgap (E g ec ) 5.41 eV) and LUMO (-3.83 eV). The molecular energy level, especially the LUMO level, corresponds to the energy category (-3.1 to -3.8 eV) in which the bipolar behavior of the OFET is experimentally observed when gold electrodes are used.
[표 1][Table 1]
실험예 3. 엑스선 회절(XRD) 분석EXPERIMENTAL EXAMPLE 3 X-ray Diffraction (XRD) Analysis
열분해에 따른 고분자 박막의 분자 밀집 구조를 더 확인하기 위해 BOC-PTDPP 박막을 대상으로 엑스선 회절(XRD) 분석을 수행했다.X-ray diffraction (XRD) analysis was performed on the BOC-PTDPP thin films to further confirm the molecular dense structure of the polymer thin films due to pyrolysis.
하기 도 6a에 도시된 열처리 전의 박막은 2θ=3.96°에서 샤프한 1차 회절 피크를 나타내며, 이것은 고분자의 질서 정연한 층간 적층으로부터 생긴 것으로서 22.29 Å의 d(001)-간격에 상응한다. 또한, 작은 2차 피크(002)가 2θ=7.80°에서 관찰되는데, 이는 열처리 전의 박막이 비교적 장거리 질서를 가진 적층구조임을 시사한다.The thin film prior to the heat treatment shown in FIG. 6A shows a sharp first order diffraction peak at 2? = 3.96 °, which corresponds to a d (001) -interval of 22.29 Å resulting from the orderly interlayer deposition of the polymer. In addition, a small secondary peak (002) is observed at 2? = 7.80 °, suggesting that the thin film before heat treatment is a laminate structure having a relatively long order.
200 ℃에서 30분간 열처리하여 열분해했을 때 탈보호된 고분자는 2θ=4.26°에서 1차 회절 피크를 나타내며, 이것은 20.72 Å의 d(001)-간격에 상응한다. 약간 감소된 d(001)-간격은 π-평면 거리가 단축되었음을 의미하며, 이것은 열처리 전의 박막의 분자 패킹에 비해 전하 수송에 유리하다는 것을 의미한다. 또한, 약 2θ=21.30°에서 추가의 브로드 피크가 관찰되는데, 이것은 약 4.20 Å의 d-간격에 상응한다(도 6b). 이런 작은 d-간격 값의 존재는 융합 고리 부분(DPP)과 탈보호된 PTDPP 백본을 포함하는 티오펜 부분 사이의 강한 분자간 상호작용 힘이 존재함을 나타내는 것이다.
When thermally decomposed by heat treatment at 200 ° C for 30 minutes, the deprotected polymer exhibits a first order diffraction peak at 2θ = 4.26 °, corresponding to a d (001) - interval of 20.72 Å. A slightly reduced d (001) - spacing means that the π-plane distance is shortened, which means that it is advantageous for charge transport compared to the molecular packing of the thin film before annealing. In addition, an additional broad peak is observed at about 2 &thetas; = 21.30 DEG, which corresponds to a d-spacing of about 4.20 ANGSTROM (Fig. 6B). The presence of such a small d-spacing value indicates that there is a strong intermolecular interaction force between the fused ring moiety (DPP) and the thiophene moiety including the deprotected PTDPP backbone.
실험예 4. DFT 계산Experimental Example 4. DFT Calculation
Gaussian 03 패키지를 사용해서 넌로칼 하이브리드 Becke 3-변수 Lee-Yang-Parr(B3LYP) 함수와 6-31G* 기본 설정에 따라서 DFT 계산을 수행하고, 동일한 방법을 사용하여 BOC-PTDPP의 기하구조를 최적화한 후의 HOMO 및 LUMO 레벨을 확인하였다.By using the Gaussian 03 package, you can perform DFT calculations according to the nonlinear Hybrid Becke 3-variable Lee-Yang-Parr (B3LYP) function and 6-31G * basic settings, and optimize the geometry of BOC-PTDPP using the same method The HOMO and LUMO levels were confirmed.
고분자들의 상이한 분자 구조를 확인하기 위하여 BOC-PTDPP와 탈보호된 PTDPP에 대해 Gaussian 03 패키지를 사용하여 B3LYP/6-31G*에서 밀도범함수이론(DFT)에 따라 사슬 길이 n=1로 하여 분자 시뮬레이션을 수행하였다(도 7).In order to identify the different molecular structures of the polymers, we used a Gaussian 03 package for BOC-PTDPP and deprotected PTDPP and used molecular simulations with chain length n = 1 according to Density Functional Theory (DFT) in B3LYP / 6-31G * (Fig. 7).
DPP와 티오펜 사이의 이면각은 DPP 단위의 N-원자 상의 치환체들에 민감하다. 따라서, BOC-PTDPP의 이면각은 18°이지만, 탈보호된 PTDPP의 경우에는 완전히 평면인 입체구조가 관찰된다. 이것은 탈보호된 PTDPP가 분자 층들의 π-π 상호작용을 통해서 쉽게 적층될 수 있음을 의미한다. 계산 결과는 XRD 분석 결과와 상당히 일치하였다. 탈보호된 PTDPP의 HOMO 및 LUMO 궤도는 DPP 단위에 치환체가 없기 때문에 더 잘 비편재화된다. 특히, 탈보호된 PTDPP의 LUMO 궤도가 BOC-PTDPP에 비해 훨씬 더 비편재화된다는 것인데, 이는 열분해 후 n-채널 거동이 촉진될 수 있음을 의미한다. 따라서, DPP 상의 t-BOC 기들은 비틀림 각도를 제어하고, 이로써 고분자의 전자 및 광학 특성을 제어하기 위한 조율 수단으로 사용될 수 있음을 분명히 알 수 있다.
The back angle between DPP and thiophene is sensitive to the substituents on the N-atom in DPP units. Therefore, the back angle of BOC-PTDPP is 18 °, but in the case of deprotected PTDPP, a fully planar three-dimensional structure is observed. This means that the deprotected PTDPP can be easily deposited through the pi-pi interactions of the molecular layers. The calculated results were in good agreement with the XRD analysis results. The HOMO and LUMO trajectories of the deprotected PTDPP are better delocalized because there is no substituent in the DPP unit. In particular, the LUMO trajectory of the deprotected PTDPP is much more delocalized than BOC-PTDPP, which means that n-channel behavior can be promoted after pyrolysis. It can therefore be clearly seen that the t-BOC groups on the DPP can be used as tuning means to control the twist angle and thereby control the electronic and optical properties of the polymer.
실험예 5. 박막 모폴로지 분석Experimental Example 5. Thin Film Morphology Analysis
열적제거 가능한 t-BOC 그룹이 열처리 전후로 용액공정으로 제조된 고분자 반도체 박막에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 태핑 모드 원자력 현미경(AFM)으로 BOC-PTDPP 필름 형태를 확인하였다.BOC-PTDPP film morphology was confirmed by tapping mode atomic force microscope (AFM) in order to confirm the effect of thermally removable t-BOC group on the polymer semiconductor thin film prepared by solution process before and after heat treatment.
하기 도 8에 도시된 바와 같이, 열처리 전의 드롭 캐스트 박막은 매우 미세한 그레인 (grain) 들이 존재하는 균일한 표면을 나타낸다.As shown in FIG. 8, the drop-cast thin film before heat treatment shows a uniform surface with very fine grains.
200 ℃에서 열처리된 고분자 박막은 여전히 작은 클러스터형의 비-소섬유성 구조의 그레인들로 이루어지지만, 열처리동안 표면에서 t-BOC 기들의 증발로 인한 핀홀형 보이드가 작은 밀도로 생성됨을 관찰할 수 있다. 반면, 용액 전단 기술이 적용된 경우, BOC-PTDPP 박막은 단방향 밸리들의 어레이가 관찰되는 완전히 상이한 형태를 드러낸다. 이것은 용액 전단이 고분자 사슬의 분자 밀집과 배향에도 영향을 미칠 수 있음을 의미한다. 위 박막형태는 용액 전단 기술과 탈보호된 PTDPP에서 수소 결합의 효과가 조화된 결과이며, 고분자 필름에서 길쭉하게 한 방향성을 지닌 정렬된 그레인들이 전하 운반체 수송에 매우 효과적인 경로가 될 것이다.
It can be observed that the polymer thin film heat-treated at 200 ° C still consists of grains of a small clustered non-fibrillar structure, but pinhole-type voids due to evaporation of the t-BOC groups on the surface during heat treatment are produced with a small density . On the other hand, when solution shear technology is applied, the BOC-PTDPP film reveals a completely different shape in which arrays of unidirectional valleys are observed. This means that solution shear may also affect the molecular densification and orientation of the polymer chains. The thin film morphology is the result of a combination of solution shear technique and hydrogen bonding effect on the deprotected PTDPP, and aligned grains with elongated orientation in the polymer film will be a very effective pathway for charge carrier transport.
<실시예 1> 유기 전계 효과 트랜지스터(OFET)≪ Example 1 > Organic field effect transistor (OFET)
300 nm 두께의 SiO2층(Ci=10 nFcm-2)을 열 성장시킨 고도로 n-도핑된 실리콘 웨이퍼(< 0.004 Ωcm)를 OFET 기판으로 이용했다. SiO2 표면을 용액 상에서 n-옥타데실트리메톡시실란(OTS)으로 처리하였고, SiO2/Si 웨이퍼를 피라나 용액(부피비로 H2SO4와 H2O2의 7:3 혼합물)과 UV-오존 플라즈마 처리로 세정한 후, 트리클로로에틸렌에 용해한 OTS 3 mM 용액을 3000 rpm에서 30초간 세정된 웨이퍼 위에 스핀 코팅했다. 다음에, 웨이퍼를 데시케이터에 넣어 암모니아 증기에 약 12 시간 노출시켰다. 웨이퍼를 톨루엔, 아세톤 및 이소프로필알콜로 순차적으로 세척한 다음, 질소 스트림 하에서 건조시켰다. OTS 처리된 웨이퍼에 대한 DI water의 접촉각은 104° 이상이었다.A highly n-doped silicon wafer (< 0.004 ohm cm) thermally grown a 300 nm thick SiO 2 layer (C i = 10 nF cm -2 ) was used as the OFET substrate. SiO 2 The surface was treated with n-octadecyltrimethoxysilane (OTS) in solution and the SiO 2 / Si wafer was irradiated with a Piranha solution (7: 3 mixture of H 2 SO 4 and H 2 O 2 in volume ratio) After the plasma treatment, 3 mM OTS dissolved in trichlorethylene was spin-coated on the cleaned wafer for 30 seconds at 3000 rpm. Next, the wafer was placed in a desiccator and exposed to ammonia vapor for about 12 hours. The wafers were sequentially washed with toluene, acetone and isopropyl alcohol and then dried under a stream of nitrogen. The contact angle of DI water to OTS-treated wafers was 104 ° or more.
드롭 캐스팅의 경우 BOC-PTDPP를 클로로벤젠(2 mg/mL)에 용해해서 이 용액(약 80 ㎕)을 OTS 처리된 SiO2/Si기판 위에 드롭 캐스트했다.For drop casting, BOC-PTDPP was dissolved in chlorobenzene (2 mg / mL) and the solution (about 80 μL) was drop cast onto an OTS-treated SiO 2 / Si substrate.
또한, 용액 전단 방법에서는 BOC-PTDPP 용액(약 50 ㎕)을 80 ℃로 예열된 핫플레이트 위에 놓인 OTS 처리된 SiO2/Si기판 위에 놓았다.In addition, in the solution shear method, a BOC-PTDPP solution (about 50 ㎕) was placed on an OTS-treated SiO 2 / Si substrate placed on a preheated hot plate at 80 캜.
다음에, 또 다른 OTS 처리된 기판을 전단 도구로서 용액이 놓인 기판에 내려놓고, 디지털 주사기 펌프를 이용하여 0.12 mms-1의 전단 속도로 이동시켰다. 잔류 용매 분자를 완전히 제거하기 위해 용액 가공된 고분자 박막(약 50 nm)을 100 ℃로 설정한 진공 오븐에 12 시간 넣어 둔 다음, 질소 분위기 하에 200 ℃로 설정한 핫플레이트 위에서 30 분간 열처리하여 탈보호된 PTDPP 필름을 얻었다.Next, another OTS-treated substrate was placed as a shear tool on the substrate on which the solution was placed and moved at a shear rate of 0.12 mms < -1 > using a digital syringe pump. To completely remove residual solvent molecules, a solution-processed polymer thin film (about 50 nm) was placed in a vacuum oven set at 100 ° C for 12 hours, and then heat-treated for 30 minutes on a hot plate set at 200 ° C under a nitrogen atmosphere to remove To obtain a PTDPP film.
다음에, 금 전극(약 40 nm)을 고분자 박막 위에서 쉐도우 마스크 (shadow mask)를 사용해서 열적으로 증발시켜서 채널 길이(L) 50 ?, 채널 너비(W) 1000 의 소스 전극과 드레인 전극을 형성했다.
Next, a gold electrode (about 40 nm) was thermally evaporated on a polymer thin film using a shadow mask to form a source electrode and a drain electrode having a channel length L of 50 占 and a channel width W of 1000 .
실험예 6. 유기 전계효과 트랜지스터 특성분석Experimental Example 6 Characterization of Organic Field Effect Transistor
Keithley 4200 반도체 변수 분석기를 사용하여 OFET의 수송 및 출력 특성을 N2로 충전한 글러브 박스에서 기록했다. 다음 식(1)로 포화 영역에서의 전계 효과 이동도를 계산했다.Using the Keithley 4200 semiconductor variable analyzer, the transport and output characteristics of the OFET were recorded in a glove box filled with N 2 . The field effect mobility in the saturation region was calculated by the following equation (1).
IDS=1/2 (W/L)μCi(VG-VT)2 식(1) I DS = 1/2 (W / L) μC i (V G -V T) 2 Formula (1)
상기 식(1)에서 IDS는 드레인 전류, W와 L은 각각 반도체 채널 너비와 길이, μ 이동도, Ci는 게이트 유전체의 단위 면적당 커패시턴스, VG와 VT는 각각 게이트 전압과 문턱 전압이다.
In the equation (1), I DS is the drain current, W and L are the semiconductor channel width and length, μ mobility, C i is the capacitance per unit area of the gate dielectric, and V G and V T are the gate voltage and threshold voltage, respectively .
BOC-PTDPP 박막에 기초한 OFET 장치를 드롭 캐스트 방식 또는 용액 전단 방식으로 n-옥타데실트리메톡시실란(OTS) 처리된 SiO2/Si기판 위에 상부-접촉 하부-게이트 기하구조로 제조했다. BOC-PTDPP 박막의 OFET 특성이 하기 [표 2]에 요약하였다. 하기 도 9는 금 전극을 지닌 용액 전단된 BOC-PTDPP 박막에 기초한 OFET의 전형적인 양극성 특징들을 나타낸다.An OFET device based on BOC-PTDPP thin films was fabricated in a top-contact bottom-gate geometry on a nioctadecyltrimethoxysilane (OTS) treated SiO 2 / Si substrate in a drop cast or solution shear mode. The OFET characteristics of the BOC-PTDPP thin films are summarized in Table 2 below. Figure 9 illustrates typical bipolar characteristics of OFET based on solution sheared BOC-PTDPP films with gold electrodes.
[표 2][Table 2]
양극성 BOC-PTDPP OFET의 p-타입 및 n-타입 특성을 각각 VDS = -100 V와 +100 V에서 측정하였다.The p-type and n-type characteristics of bipolar BOC-PTDPP OFET were measured at V DS = -100 V and +100 V, respectively.
정공-증대(VDS = -100 V) 및 전자-증대(VDS = 100 V) 모드 작동에서 V-형 수송 특징이 분명히 관찰된다. 이것은 금 접촉 양극성 유기 반도체에 대한 실험적 LUMO 창(-3.1 ~ -3.8 eV)으로부터 예측된 것과 일치한다. BOC-PTDPP는 각각 1.32 × 10-2 및 2.63 × 10-3 cm2V-1s-1의 최대 정공 및 전자 이동도를 나타낸다. BOC-PTDPP에서 정공 이동도는 전자 이동도보다 1차수 정도 더 큰데, 이것은 금 접촉과 관련하여 전자들의 주입 장벽이 정공에 비해 큰 결과이다.V-type transport characteristics are clearly observed in the hole-increasing (V DS = -100 V) and electron-increasing (V DS = 100 V) mode operation. This is consistent with what was predicted from the experimental LUMO window (-3.1 to -3.8 eV) for gold-contact bipolar organic semiconductors. BOC-PTDPP exhibits a maximum hole and electron mobility of 1.32 × 10 -2 and 2.63 × 10 -3 cm 2 V -1 s -1 , respectively. The hole mobility in BOC-PTDPP is about one order of magnitude higher than the electron mobility.
일반적으로, 열처리 후에 더 치밀하게 밀집된 고분자 p-평면 백본은 정공과 전자의 전하 수송을 모두 촉진하는 데 비하여, 200 ℃에서 t-BOC 기의 열분해 후에는 정공 및 전자 이동도의 크기가 전환되어, 정공 이동도가 4.30 × 10-3 cm2V-1s-1이 되고, 전자 이동도가 4.60 × 10-2 cm2V-1s-1가 된다는 점이다. 즉, t-BOC 기의 열분해 후, 약 1 차수 크기만큼 정공 이동도가 감소한 반면 전자 이동도는 증가한다.In general, the densely packed polymer p-plane backbone after heat treatment promotes the charge transport of both holes and electrons, whereas the hole and electron mobility is changed after pyrolysis of the t-BOC group at 200 ° C, The hole mobility is 4.30 × 10 -3 cm 2 V -1 s -1 and the electron mobility is 4.60 × 10 -2 cm 2 V -1 s -1 . That is, after thermal decomposition of the t-BOC group, the electron mobility increases while the hole mobility decreases by about one order of magnitude.
양극성 PTDPP OFET에서 우위 극성의 역전은 몇 가지 요인들로부터 생길 수 있다. 먼저, DFT 계산으로부터 볼 수 있는 대로, 탈보호된 PTDPP의 LUMO 궤도는 BOC-PTDPP에 비해 훨씬 더 비편재화되며, 이것은 n-채널 전도에 유리하다. 한편, HOMO 궤도의 비편재화의 증대는 LUMO 궤도만큼 높지는 않다. 둘째, 열처리 후 BOC-PTDPP에서 HOMO-LUMO 에너지 레벨의 하향 이동은 전자들의 주입 장벽을 감소시킬 수 있으며, 동시에 정공들의 주입 장벽은 상대적으로 증가시킨다. 셋째, 전자 트랩으로 작용할 수 있는 공액화되지 않은 t-BOC 기들의 제거로 인해 전자 수송을 촉진시킨다는 점이다.The reversal of the dominant polarity in bipolar PTDPP OFET can result from several factors. First, as can be seen from the DFT calculation, the LUMO trajectory of the deprotected PTDPP is much more delocalized than BOC-PTDPP, which is advantageous for n-channel conduction. On the other hand, the increase of delimitation of the HOMO orbit is not as high as the LUMO orbit. Second, the downward movement of HOMO-LUMO energy level in BOC-PTDPP after annealing can reduce the injection barrier of electrons and increase the injection barrier of holes relatively. Third, the elimination of unconjugated t-BOC groups, which can act as an electron trap, promotes electron transport.
용액 전단된 BOC-PTDPP 고분자 박막은 드롭 캐스트 방식 필름에 비해 약 1차수 더 큰 이동도를 나타낸다. 이것은 용액 전단의 정렬기법과 격자변형 결과에 더하여, 탈보호된 PTDPP 고분자 박막이 고분자 백본을 따라 수소 결합 망구조를 형성하여 효과적인 전하 수송을 이룬 시너지 결과이다. 열분해에 의한 우위 극성의 역전 특성은 알루미늄 전극이 도입된 BOC-PTDPP OFET에서 관찰된다.The polymer shear BOC-PTDPP thin film exhibits about one order of magnitude greater mobility than drop-cast films. This is a synergistic result of the effect of the alignment of the solution shear and the result of lattice deformation, and the effect of efficient charge transport by forming a hydrogen-bonded network structure along the polymer backbone with the deprotected PTDPP polymer thin film. The reversal characteristics of the dominant polarity by pyrolysis are observed in the BOC-PTDPP OFET with aluminum electrode.
2개의 동일한 양극성 트랜지스터를 CMOS형 인버터에 적용하고, 입력 전압(VIN)으로 공통 게이트를 사용했다. 최적화되지 않은 조건에서 인버터 특성을 확인했지만 약 10의 최대 게인을 보이며 잘 작동했으며(도 10), 이는 2성분 유기 반도체에 기초한 최신 CMOS형 인버터에 필적할 수 있다. 열적으로 탈보호되는 재료에 기초한 장치는 장기간 동안 더 좋은 작동 안정성을 구현할 수 있을 것이므로 BOC-PTDPP를 사용한 인버터의 성공적인 수행은 CMOS형에서도 본 발명에 따른 고분자 화합물이 용이하다는 것을 의미한다.
Two identical bipolar transistors were applied to the CMOS inverter and a common gate was used as the input voltage (V IN ). The inverter characteristics were verified under unoptimized conditions, but showed a maximum gain of about 10 (Fig. 10), which is comparable to the newer CMOS-type inverters based on two-component organic semiconductors. A device based on a thermally deprotected material will be able to achieve better operational stability over a longer period of time, thus successful implementation of the inverter using BOC-PTDPP means that the polymeric compound according to the present invention is also easy in the CMOS form.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 반도체 화합물은 t-부톡시카보닐(t-BOC)과 알킬기를 지닌 디케토피롤로피롤(DPP)에 기초한 밴드갭이 좁은 열 분해성 고분자[BOC-PTDPP]이다.As described above, the polymer semiconductor compound according to the present invention is a thermally decomposable polymer (BOC-PTDPP) having a narrow bandgap based on t-butoxycarbonyl (t-BOC) and diketopyrrolopyrrole (DPP) to be.
또한, BOC-PTDPP는 유기 용매에서 가용성이며, 필름으로 편리하게 제작될 수 있고, 약 200 ℃에서 t-BOC 열분해를 이용하여 BOC-PTDPP 필름은 탈보호된 PTDPP 필름으로 직접 전환된다. 탈보호된 PTDPP 필름은 FT-IR 스펙트럼 변화 및 XRD 분석에 의해서 알 수 있듯이, 수소 결합 망구조를 지닌다.In addition, BOC-PTDPP is soluble in organic solvents and can be conveniently prepared as a film, and the BOC-PTDPP film is converted directly into the deprotected PTDPP film using t-BOC pyrolysis at about 200 ° C. The deprotected PTDPP film has a hydrogen-bonded network structure, as evidenced by FT-IR spectrum change and XRD analysis.
또한, 용액 전단 기술을 이용하여 분자배열이 매우 잘 정렬된 상호 작용이 증대된 BOC-PTDPP 필름을 형성한다. p형 전도가 우세한 양극성 성능이 용액 전단된 BOC-PTDPP로부터 확인된다(μ e =1.32 × 10-2 cm2V-1s-1; μ e =2.63 × 10-3 cm2V-1s-1). 그리고, 200 ℃에서 열분해 후 양극성 OFET의 우위 극성이 n형으로 전환된다(μ e = 4.30 × 10-3 cm2V-1s-1; μ e = 4.60 × 10-2 cm2V-1s-1). 이는 훨씬 더 비편재화된 LUMO 궤도, 더 낮은 전자 주입 장벽 및 전자 트랩으로 작용할 수 있는 t-BOC 기들의 제거로 인해 일어난 것이다. 2개의 동일한 BOC-PTDPP OFET를 조합하여 구성된 인버터는 약 10의 게인을 나타낸다. 열 분해성 DPP-함유 양극성 고분자는 용액 전단 방법과 병용되었을 때 광범한 실제 전자 용도에 적합한 고 처리량, 롤투롤 기법을 이용한 저비용 OFET 회로 및 어레이의 제조에서 잠재적 유용성을 갖게 될 것이다.In addition, solution shear techniques are used to form highly ordered BOC-PTDPP films with well aligned interactions. The p-type conduction-dominant bipolar performance is confirmed by solution shear BOC-PTDPP ( μ e = 1.32 × 10 -2 cm 2 V -1 s -1 ; μ e = 2.63 × 10 -3 cm 2 V -1 s - 1 ). After pyrolysis at 200 ° C, the dominant polarity of bipolar OFET is converted to n-type ( μ e = 4.30 × 10 -3 cm 2 V -1 s -1 ; μ e = 4.60 × 10 -2 cm 2 V -1 s -1 ). This is due to the much more deliberate LUMO trajectory, lower electron injection barrier and removal of the t-BOC groups which can act as electron traps. An inverter configured by combining two identical BOC-PTDPP OFETs exhibits a gain of about 10. The thermally decomposable DPP-containing bipolar polymer will have potential utility in the manufacture of low-cost OFET circuits and arrays using high throughput, roll-to-roll techniques suitable for a wide range of practical electronic applications when used in conjunction with solution shear methods.
Claims (13)
[화학식 1]
상기 [화학식 1]에서,
상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알콕시카르보닐기이고, 상기 R2는 탄소수 1 내지 40의 알킬기이며, 상기 Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴기이다.A polymeric organic semiconductor compound represented by the following Chemical Formula 1:
[Chemical Formula 1]
In the above formula (1)
Wherein R 1 is an alkoxycarbonyl group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 40 carbon atoms, and Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.
상기 R1은 열처리에 의해서 열적으로 제거되는 작용기인 것을 특징으로 하는 고분자 유기 반도체 화합물.The method according to claim 1,
Wherein R < 1 > is a functional group thermally removed by heat treatment.
상기 고분자 유기 반도체 화합물의 수평균분자량은 12,000-15,00 kg/mol이고, 중량평균분자량은 40,000-55,000 kg/mol인 것을 특징으로 하는 고분자 유기 반도체 화합물.The method according to claim 1,
Wherein the polymer organic semiconductor compound has a number average molecular weight of 12,000-15,000 kg / mol and a weight average molecular weight of 40,000-55,000 kg / mol.
상기 [화학식 1]은 하기 [화학식 2]로 표시되는 것을 특징으로 하는 고분자 유기 반도체 화합물:
[화학식 2]
The method according to claim 1,
The polymer organic semiconductor compound represented by the formula (1) is represented by the following formula (2): < EMI ID =
(2)
인접한 고분자간의 배열이 하기 [구조식 1]로 표시되는 것을 특징으로 하는 양극성 유기 반도체 박막:
[화학식 1]
상기 [화학식 1]에서,
상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알콕시카르보닐기이고, 상기 R2는 탄소수 1 내지 40의 알킬기이며, 상기 Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴기이다.
[구조식 1]
상기 [구조식 1]에서,
상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알콕시카르보닐기이고, 상기 R2는 탄소수 1 내지 40의 알킬기이며, 상기 Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴기이다.1. An ambipolar organic semiconductor thin film comprising a plurality of polymeric organic semiconductor compounds represented by the following Chemical Formula 1,
Wherein the arrangement of the adjacent polymers is represented by the following structural formula 1:
[Chemical Formula 1]
In the above formula (1)
Wherein R 1 is an alkoxycarbonyl group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 40 carbon atoms, and Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.
[Structural formula 1]
In the above formula 1,
Wherein R 1 is an alkoxycarbonyl group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 40 carbon atoms, and Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.
상기 양극성(ambipolar) 유기 반도체 박막의 주극성이 p형 반도체인 것을 특징으로 하는 양극성 유기 반도체 박막.6. The method of claim 5,
Wherein the amorphous organic semiconductor thin film is a p-type semiconductor.
상기 양극성 유기 반도체 박막은 열처리에 의해서 주극성이 n형 반도체가 되는 것을 특징으로 하는 양극성 유기 반도체 박막.6. The method of claim 5,
Wherein the bipolar organic semiconductor thin film is made of an n-type semiconductor by a heat treatment.
[구조식 2]
상기 [구조식 2]에서,
상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알콕시카르보닐기이고, 상기 R2는 탄소수 1 내지 40의 알킬기이며, 상기 Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴기이다.The bipolar organic semiconductor thin film according to claim 5, wherein the bipolar organic semiconductor thin film is formed by hydrogen bonding between the adjacent polymers by the heat treatment and the arrangement of adjacent polymers is represented by the following formula 2:
[Structural formula 2]
In the above formula 2,
Wherein R 1 is an alkoxycarbonyl group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 40 carbon atoms, and Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.
상기 양극성 유기 반도체 박막의 주극성이 n형 반도체인 것을 특징으로 하는 양극성 유기 반도체 박막.9. The method of claim 8,
Wherein the positive electrode of the bipolar organic semiconductor thin film is an n-type semiconductor.
(b) n-옥타데실트리메톡시실란(OTS)으로 처리된 SiO2/Si 기판 상에 하기 [화학식 1]로 표시되는 고분자 유기 반도체 화합물이 용매 중에 용해 또는 분산된 유기 반도체 조성물을 이용하여 반도체 박막을 형성 후, 150-250 ℃에서 열처리하여 n형 반도체 박막을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 p형 반도체 박막과 n형 반도체 박막 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 유기전계효과 트랜지스터의 제조방법:
[화학식 1]
상기 [화학식 1]에서,
상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알콕시카르보닐기이고, 상기 R2는 탄소수 1 내지 40의 알킬기이며, 상기 Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴기이다.(a) an organic semiconductor composition in which a polymeric organic semiconductor compound represented by the following formula (1) is dissolved or dispersed in a solvent on an SiO 2 / Si substrate treated with n-octadecyltrimethoxysilane (OTS) Type semiconductor thin film;
(b) an organic semiconducting compound represented by the following formula (1) is dissolved or dispersed in a solvent on an SiO 2 / Si substrate treated with n-octadecyltrimethoxysilane (OTS) Forming a thin film, and then performing heat treatment at 150-250 占 폚 to form an n-type semiconductor thin film; And
(c) forming a source electrode and a drain electrode on the p-type semiconductor thin film and the n-type semiconductor thin film,
[Chemical Formula 1]
In the above formula (1)
Wherein R 1 is an alkoxycarbonyl group having 1 to 10 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 40 carbon atoms, and Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms.
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