Conjugated polymer are researched and applied to various organic electronics due to their distinct characteristics such as color tunability, solution processability, flexibility/stretchability. In particular, the accessible molecular structure modification, which is a unique feature of organic material, has been led rapid performance improvement of organic electronic devices for a short period. In general, strong aggregation behavior and following superior charge carrier mobility of conjugated polymers in organic solar cells are preferred. However, severe aggregation could reduce the solubility and induce excessive crystalline domains, thereby deteriorate mechanical properties. Therefore, in this dissertation, the disadvantages of highly efficient alternating copolymer polymers with low solubility and mechanical properties were solved by rationalized aggregation control. In the first study, a novel terpolymer containing ester thiophene was developed to solve the problems of low solubility of D18 and the use of toxic solvents. As the ester thiophene ratio was increased, the solubility of the polymer was improved, but the charge transfer property was decreased showing trade-off relationship. However, by optimizing the monomer ratio, we were able to develop non-toxic solvents processable high performance solar cell material. In the second study, in order to improve the mechanical properties of the PM6, a terpolymer, capable of distorting main chain was developed. Appropriate reduction of the planarity and rigidity of the main chain according to the monomer ratio not only improved the mechanical properties of the terpolymer itself, but also increased the compatibility with the electron acceptor material, enabling the development of high-performance solar cells with excellent mechanical properties. In the last study, we developed two novel dithienopyran-based conjugated polymers enclosing different hetero-atoms with distinct electronic characteristics to unveil the effect on electrochromic performance, especially for response speed. We found out electron donating alkoxy group in conjugated polymer accelerate bleaching speed of electrochromic device, whereas withdrawing alkylthio group promote coloration transition speed. We hope that these studies would serve as guidelines for the development of novel high-performance conjugated polymers.
공액 고분자는 다양한 색상, 용액 가공성, 유연성/신축성 등 기존의 무기 반도체와 차별화된 특성을 기반으로 전계 발광 소자, 박막 트랜지스터, 태양전지, 전기변색 소자, 열전소자 등 다양한 유기 전자 분야에 연구 및 응용되고 있다. 특히, 유기물 고유의 특징인 분자 구조 변경과 이에 따른 특성 개선의 용이성은 짧은 시기 동안 유기 전자 소자의 급격한 성능 및 내구성 향상을 가능하게 하였다. 본 학위 논문은 분자 구조 디자인을 통하여 용액 응집 거동이 조절된 고성능 유기 태양전지 및 전기변색 소자용 신규 공액 고분자 개발에 대하여 기술한다.일반적으로, 유기 태양전지에서 공액 고분자의 강한 응집 거동에 따른 뛰어난 전하 이동 특성은 바람직하다. 하지만 지나치게 강한 응집 거동성은 고분자의 용해도를 낮출뿐더러, 필름에서 지나친 결정성을 유도하여 기계적 특성을 저해할 수 있다. 이에 본 학위 논문에서는, 용해도 및 기계적 특성이 낮은 고효율 교대공중합체 고분자들의 단점을 용액 응집 거동 제어로 해결하고자 하였다. 첫 연구에서는, D18의 낮은 용해도 및 독성 용매 사용의 문제를 해결하기 위하여 에스터 싸이오펜을 도입한 신규 삼원공중합체를 개발하였다. 에스터 싸이오펜의 도입 비율을 증가시킴에 따라 고분자의 용해도는 향상되었지만, 전하 이동 특성은 저하되는 상반 관계를 나타내었다. 이에 도입 비율을 최적화시켜 비독성 용매에 대한 공정성 및 태양전지 특성이 모두 뛰어난 삼원공중합체를 개발하였다. 두 번째 연구에서는, 기존 PM6의 기계적 특성을 향상시키기 위하여 새롭게 디자인한 단량체를 도입한 삼원공중합체를 개발하였다. 단량체 비율에 따른 주쇄의 응집 특성의 적절한 감소는 삼원공중합체의 기계적 특성을 향상시켰을 뿐만 아니라, 전자 받게 물질과의 혼화성을 증가시켜, 삼원공중합체가 도입된 블렌드 필름은 태양전지 특성과 기계적 특성이 모두 뛰어났다.마지막 연구에서는 dithienopyran의 융합고리 원소(산소 그리고 황)를 변경하여 공액 고분자의 에너지 준위를 조절함으로써 전기변색 소자에서의 특성 변화를 관찰하였다. 산소 원자를 도입함에 따라 공액 고분자의 에너지 준위는 높아져 산화가 쉬어졌고, 산소 원자의 전자 공명은 산화 상태를 안정화시켜 결과적으로 전기변색 소자에서 탈색 속도를 빠르게 하였다. 반면, 황 원자를 도입한 dithienopyran기반 공액 고분자는 전자 결핍 특성으로 인하여 산화 전위가 높아졌고, 산화 상태에서의 불안정성으로 인하여 중성 상태로 빨리 복귀하고자 하는 특성을 나타내어, 이에 기반한 전기변색 소자의 착색 속도가 빨라졌다. 본 연구들이 신규 고성능 공액 고분자 개발에 있어 가이드라인이 될 수 있기를 기대한다.
