Conjugated polymers refer to organic materials whose main backbone is composed of saturated and unsaturated bonds in an alternating arrangement, which enable electrical conductivity. Those conjugated polymers have attracted huge attention as promising materials for organic electronics such as organic solar cells (OSCs) and organic thin-film transistors (OTFTs) due to their solution-processability, flexibility, and low-cost preparation.
Structural modification of conjugated polymers can easily induce the change in their optical and electrical properties and thus, is required to improve their performance in the OSCs and OTFTs. Recently, in case of all-polymer solar cells (all-PSCs) which have photoactive layer consisting of both p-type and n-type polymers, the effect of the structural modification on the performance is more critical than that of OSCs based on fullerene derivatives as electron acceptor. Thus, variety of synthetic method for modifying chemical structure of conjugated polymers and corresponding effects on power conversion efficiency (PCE) in OSCs have been carefully investigated.
The control of electrical properties can be easily achieved by the structural modification to enhance the planarity of conjugated polymers because the polymer-packing structure and intermolecular interactions between the polymer chains in thin films are strongly dependent on their planarity. However, there is still lack of understanding for synthetic approach to control the planarity of the conjugated polymers. In this paper, (1) the synthetic method to control the planarity of conjugated polymers with the incorporation of single atom in polymer backbone and (2) the calculative ways based on the molecular simulation to expect the polymer-packing structure depending on the planarity of monomers are proposed.
A method of lowering the planarity, however, should be also proposed since low solubility can be led by the high level of planarity and thereby the PCE of OSCs may be reduced. There should be optimization between the planarity and the solubility of conjugated polymers to improve the electrical properties in thin film state. Therefore, the synthetic method of adjusting carefully the planarity while increasing the solubility has been developed in this paper. Finally, it is intended that this paper can contribute to improve our understanding on the controlling planarity and the structure-properties relationships.
전도성 고분자는 전기 전도도를 나타내는 유기 물질을 말하며, 구조 상의 특징은 이중 결합과 단일 결합의 교대 반복이다. 이러한 전도성 고분자는 용액 공정이 가능하고 유연하며 제조단가가 낮기 때문에 유기태양전지나 유기트랜지스터와 같은 유기 소자의 핵심 물질로써 각광을 받고 있다.
전도성 고분자의 화학적 구조 조절은 고분자의 광학적, 전기적 특성 변화를 유도하기 때문에 전도성 고분자가 사용되는 유기태양전지나 유기트랜지스터의 성능을 향상시키기 위해서는 이러한 조절이 필수적이다. 최근에는 광활성층이 p타입 고분자와 n타입 고분자로 이루어진 전고분자 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이러한 전지의 경우 광활성층에 고분자만 사용되기 때문에 풀러렌 유도체를 전자 받개로 사용하는 기존의 유기태양전지에 비해서 고분자의 화학적 구조 조절이 성능에 미치는 영향이 크다. 따라서, 전도성 고분자의 화학적 구조를 조절할 수 있는 합성적인 방법과 그에 따른 유기태양전지의 광전변환효율 변화에 관한 연구가 매우 중요하다.
박막 상태에서 전지적 특성은 고분자의 적층 구조나 사슬 간 상호작용의 영향을 받는데 이는 고분자 평면도에 의해 결정되기 때문에 전도성 고분자의 평면도를 높일 수 있는 화학적 구조 개선이 이루어지면 전기적 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 그러나 이러한 전도성 고분자의 평면도를 제어할 수 있는 합성적인 방법에 대해서는 아직 많은 연구가 필요한 상황이다. 따라서 본 학위논문에서는 (1) 단일 원자의 도입을 통해서 간단하게 전도성 고분자의 평면도를 조절할 수 있는 합성적인 방법과 이에 더하여, (2) 분자 시뮬레이션을 통해 측정된 단량체의 평면도를 이용하여 고분자의 평면도 변화를 예측하는 계산적인 방법에 대해서 제시하였다.
하지만, 일반적으로 전도성 고분자의 평면도가 증가되면 용해도가 크게 감소하기 때문에 평면도를 증가시키는 방법뿐만 아니라 반대로 낮추는 방법에 대한 연구도 필요하다. 즉, 균일한 박막 상태의 전기적인 특성을 조절하기 위해서는 평면도와 용해도 사이에 최적화가 필요하다. 따라서 전도성 고분자의 평면도를 미세하게 조절하면서 용해도를 높이는 합성적인 방법에 대해서도 본 학위논문에 제시되어 있다. 마지막으로, 본 학위논문에서 다루어진 방법들이 전도성 고분자의 평면도 조절과 구조-물성 관계에 대한 이해도를 높이는 데에 크게 기여할 것이라 예상한다.
