광활성 화합물의 합성과 물성에 관한 연구 : 염료감응 태양전지, 유기전기발광물질, 전자주개-받개 물질
Synthesis and Properties of Photoactive Materials : Dye-Sensitized Solar Cell, OLED and Electron Donor-Acceptor Materials
초록/요약
Part I. 염료감응 태양전지용 고효율 염료의 합성과 특성에 관한 연구 염료감응 태양전지는 최근 약 11% 의 효율을 달성함에 따라 실리콘 태양전지를 대체 할 차세대 태양전지로 각광 받고 있다. 염료감응 태양전지의 실용화를 위해서는 광전 변환효율 및 화학적, 열적 안정성이 높은 고효율의 유기염료를 개발할 필요가 있다. 이 를 위해 광학적 성질이 우수한 쿠마린 (Coumarin) 구조체를 트리페닐아민 (triphenylamine) 구조체, 카바졸 (carbazole) 및 벤젠 (benzene) 구조체에 결합 시킨 목표 화합물 Dye 1~5 를 합성하였다. 더불어 합성한 화합물을 염료감응 태양전지 소자에 적 용하여 그 특성을 규명한 결과, 비교적 높은 변환효율을 기록하였다. 또한 페노티아진 (Phenotiazine) 구조체를 트리페닐아민 구조체에 결합 시킨 Dye 6, 7 및 쿠마린, 페노티아 진 구조체를 포함하는 루테늄계 화합물 Dye 8, 9 를 합성하였고, 소자에 적용한 결과, 비교적 높은 효율을 보였다. 그 밖에 나프탈렌 (Naphthalene) 함유 화합물 Dye 10~12, 프 탈로시아닌 (phthalocyanine), 서브프탈로시아닌 (subphthalocyanine) 을 포함하는 화합물 Dye 13~15 및 댄실 (dansyl) 기 함유 화합물 Dye 16 을 합성하였으며, 그 특성을 규명한 결과, 우수한 광학적 성질을 가졌다. 결과적으로 이러한 구조의 목표화합물은 염료감응 태양전지에 적용 시 우수한 광학적 성질을 가진 고효율 염료가 될 것으로 기대된다. Part Ⅱ. 헥사페닐벤젠, Troger base 를 기본으로 한 OLED 용 청색 발광 물질 및 정공수송 물질의 합성과 특성에 관한 연구 헥사페닐벤젠 (Hexaphenylbenzene) 계 화합물은 광학적 성질이 우수하며 높은 열안정 성을 가지는 동시에 필름을 잘 형성하는 것으로 알려져 있다. 이에 광학적 성질이 우수 한 카바졸, 안트라센 (Anthracene) 및 파이렌 (pyrene) 구조체를 각각 헥사페닐벤젠 구조 체에 이중결합을 통해 연결한 목표화합물 EL 1~5 를 합성하였다. 목표화합물의 광학적 특성을 측정한 결과, 청색 영역에서 강한 발광을 기록하였다. 이러한 구조를 가진 목표 화합물은 높은 열적 안정성을 가지며 광학적 성질이 우수한 청색 발광 물질로의 사용 이 예상된다. 또한 적색 발광 물질로 사용키 위해 광학적 성질이 우수한 쿠마린 구조체 를 벤젠의 3방향으로 결합시킨 목표화합물 EL 6 을 합성하였고, 그 특성을 규명하였다. 한편 여러 개의 아민 (Amine) 을 가진 Troger base 구조체에 벤젠, 안트라센, 트리페닐아 민 등의 다양한 구조체를 결합시킨 목표화합물 EL 7~11 을 합성하였다. 각각의 목표화 합물의 광학적 특성을 조사한 결과, 청색 발광물질 또는 정공수송 물질로의 사용이 기 대된다. Part Ⅲ. 플러렌 및 서브프탈로시아닌 (전자받개) 에 다양한 형태의 전자주개를 결합시킨 새로운 광활성 화합물의 합성과 분자 내 전하이동 현상에 관한 연구 분자 내 전하이동 현상에 관한 연구를 수행하기 위해, 트리페닐아민을 전자주개로 플 러렌 (Fullerene) 을 전자받개로 한 목표화합물 1, 2 를 합성하였고, 광 물리적 특성 (Photopysical properties) 을 규명한 결과, 화합물 1 은 600 ns 의 매우 긴 전하분리 단계 를 가졌다. 한편, 서브프탈로시아닌 (Subphthalocyanine) 을 전자주개로 플러렌을 전자받 개로 하여 디아조벤젠 (diazobenzene) 을 통해 서로 연결시킨 목표화합물 3 의 광 물리 적 특성을 규명한 결과, 에너지이동 현상을 보였다. 프탈로시아닌 (Phtalocyanine) 을 전 자주개로 플러렌을 전자받개로 하여 디아조벤젠을 통해 서로 연결시킨 화합물 4 의 특 성을 측정한 결과, 프탈로시아닌에서 플러렌으로 전자이동 또는 에너지이동 현상이 있 을 것으로 기대된다. 서브프탈로시아닌을 전자받개로 덴드리머 (Dendrimer) 형태의 트리 페닐아민 및 카바졸을 전자주개로 한 목표화합물 5~9 를 합성하였으며, 광 물리적 특 성을 측정한 결과, 상당한 형광감소 (Fluorescence quenching) 를 보였다. 페로세노판 (Ferrocenophane) 을 전자주개로 플러렌 및 서브프탈로시아닌을 전자받개로 한 새로운 형태의 디아드 (Dyad) 화합물 10, 11 을 합성하였고 광 물리적 특성을 측정하였다.
more목차
Part Ⅰ. 염료감응 태양전지용 고효율 염료의 합성과 특성에 관한 연구 = 1
Ⅰ. 서론 = 2
Ⅱ. 결과 및 고찰 = 13
1. 트리페닐아민을 기본으로 한 쿠마린계 유기염료 = 13
1.1. Dye 1~3 의 합성 = 13
1.2. Dye 1~3 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 16
1.3. Dye 1~3 의 광학적 특성 = 19
1.4. Dye 1~3 의 소자특성 = 21
2. 카바졸을 기본으로 한 쿠마린계 유기염료 = 23
2.1. Dye 4 의 합성 = 23
2.2. Dye 4 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 24
2.3. Dye 4 의 광학적 특성 = 25
2.4. Dye 4 의 소자특성 = 26
3. 벤젠을 기본으로 한 쿠마린계 유기염료 = 27
3.1. Dye 5 의 합성 = 27
3.2. Dye 5 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 28
3.3. Dye 5 의 광학적 특성 = 29
3.4. Dye 5 의 소자특성 = 30
4. 트리페닐아민을 기본으로 한 페노티아진계 유기염료 = 30
4.1. Dye 6, 7 의 합성 = 31
4.2. Dye 6, 7 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 34
4.3. Dye 6, 7 의 광학적 특성 = 37
4.4. Dye 6 의 소자특성 = 38
5. 쿠마린, 페노티아진 함유 루테늄계 염료 = 39
5.1. Dye 8, 9 의 합성 = 39
5.2. Dye 8, 9 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 42
5.3. Dye 8, 9 의 광학적 특성 = 44
5.4. Dye 8, 9 의 소자특성 = 46
6. 나프탈렌 함유 유기염료 = 47
6.1. Dye 10~12 의 합성 = 48
6.2. Dye 10~12 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 50
6.3. Dye 10~12 의 광학적 특성 = 52
6.4. Dye 10~12 의 소자특성 = 54
7. 프탈로시아닌 함유 유기염료 = 55
7.1. Dye 13 의 합성 = 55
7.2. Dye 13 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 57
7.3. Dye 13 의 광학적 특성 = 59
7.4. Dye 13 의 소자특성 = 60
8. 서브프탈로시아닌 함유 유기염료 = 60
8.1. Dye 14, 15 의 합성 = 61
8.2. Dye 14, 15 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 63
8.3. Dye 14, 15 의 광학적 특성 = 64
8.4. Dye 14, 15 의 소자특성 = 66
9. 댄실기 함유 유기염료 = 66
9.1. Dye 16 의 합성 = 67
9.2. Dye 16 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 68
9.3. Dye 16 의 광학적 특성 = 70
Part Ⅱ. 헥사페닐벤젠, Troger base 를 기본으로 한 OLED 용 청색 발광 물질 및 정공수송 물질의 합성과 특성에 관한 연구 = 71
Ⅰ. 서론 = 72
Ⅱ. 결과 및 고찰 = 81
1. 헥사페닐벤젠계 청색 발광물질 = 81
1.2. EL 1~5 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 84
1.3. EL 1~5 의 광학적 특성 = 87
2. 쿠마린계 적색 발광물질 = 91
2.1. EL 6 의 합성 = 92
2.2. EL 6 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 93
2.3. EL 6 의 광학적 특성 = 94
3. Troger base 계 정공수송 물질 = 95
3.1. EL 7~11 의 합성 = 96
3.2. EL 7~11 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 97
3.3. EL 7~11 의 광학적 특성 = 101
Part Ⅲ. 플러렌 및 서브프탈로시아닌 (전자받개) 에 다양한 형태의 전자주게를 결합시킨 새로운 광활성 화합물의 합성과 분자 내 전하이동 현상에 관한 연구 = 105
Ⅰ. 서론 = 106
Ⅱ. 결과 및 고찰 = 110
1. 트리페닐아민-플러렌 디아드, 트리아드 (Triphenylamine-Fullerene Dyad , Triad) = 110
1.1. 목표화합물 1, 2 의 합성 = 110
1.2. 목표화합물 1, 2 의 (1)^H-NMR, (13)^C-NMR 스펙트럼 = 111
1.3. 목표화합물 1, 2 의 광 물리적 특성 및 전기화학적 특성 = 113
1.3.1. 목표화합물 1, 2 의 흡수 스펙트럼 = 113
1.3.2. 목표화합물 1, 2 의 발광 스펙트럼 = 114
1.3.3. 목표화합물 1, 2 의 Fluorescence lifetime = 115
1.3.4. 목표화합물 1, 2 의 전기화학적 연구 = 116
1.3.5. 목표화합물 1 의 Molecular Orbital Calculations = 118
1.3.6. 목표화합물 1, 2 의 Transient Absorption Studies = 119
1.4. 목표화합물 1, 2 의 Energy Diagram = 121
2. 서브프탈로시아닌·디아조벤젠·플러렌 트리아드 (SubPc·Diazobenzene·Fullerene Triad) = 122
2.1. 목표화합물 3 의 합성 = 123
2.2. 목표화합물 3 의 (1)^H-NMR, (13)^C-NMR 스펙트럼 = 124
2.3. 목표화합물 3 의 흡수 스펙트럼 = 126
2.4. 목표화합물 3 의 발광 스펙트럼 = 127
2.5. 목표화합물 3 의 Transient absorption spectra = 129
3. 실리콘 프탈로시아닌·디아조벤젠·플러렌 펜타드 (SiPc-Diazobenzene-Fullerene Pentad) = 130
3.1. 목표화합물 4 의 합성 = 131
3.2. 목표화합물 4 의 (1)^H-NMR, (13)^C-NMR 스펙트럼 = 132
3.3. 목표화합물 4 의 광학적 특성 = 133
4. 서브프탈로시아닌·트리페닐아민 덴드리머 (SubPc-TPA Dendrimers) = 134
4.1. 목표화합물 5, 6 의 합성 = 135
4.2. 목표화합물 6 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 136
4.3. 목표화합물 5, 6 의 광학적 특성 = 137
5. 서브프탈로시아닌·카바졸 덴드리머 (SubPc-Cz Dendrimers) = 138
5.1. 목표화합물 7~9 의 합성 = 139
5.2. 목표화합물 7~9 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 141
5.3. 목표화합물 7~9 의 광학적 특성 = 143
6. 서브프탈로시아닌·페로세노판 디아드 (SubPc-Ferrocenophane Dyad) = 145
6.1. 목표화합물 10 의 합성 = 145
6.2. 목표화합물 10 의 (1)^H-NMR 스펙트럼 = 146
6.3. 목표화합물 10 의 흡수 및 발광 스펙트럼 = 147
6.4. Fluorescence lifetime = 149
7. 페로세노판·플러렌 디아드 (Ferrocenophane·Fullerene dyad) = 150
7.1. 목표화합물 11 의 합성 = 150
7.2. 목표화합물 11 의 (1)^H-NMR, (13)^C-NMR 스펙트럼 = 151
7.3. 목표화합물 11 의 광학적 특성 = 153
실험방법 = 155
Part Ι 염료감응 태양전지 제작 = 156
1. Dye 1~3 의 합성 = 158
2. Dye 4 의 합성 = 166
3. Dye 5 의 합성 = 168
4. Dye 6, 7 의 합성 = 169
5. Dye 8, 9 의 합성 = 174
6. Dye 10~12 의 합성 = 178
7. Dye 13 의 합성 = 184
8. Dye 14, 15 의 합성 = 187
9. Dye 16 의 합성 = 192
Part Ⅱ = 195
1. EL 1~5 의 합성 = 195
2. EL 6 의 합성 = 201
3. EL 7~11 의 합성 = 202
Part Ⅲ = 207
1. 목표화합물 1, 2 의 합성 = 207
2. 목표화합물 3 의 합성 = 210
3. 목표화합물 4 의 합성 = 213
4. 목표화합물 5, 6 의 합성 = 214
5. 목표화합물 7~9 의 합성 = 217
6. 목표화합물 10 의 합성 = 223
7. 목표화합물 11 의 합성 = 224
참고문헌 = 227
