리빙 중합을 이용한 Poly(3-hexylthiophene) 및 Poly(3-hexylthiophene-co-thiophene) 다이올의 정밀 합성과 신축성 폴리우레탄 기반 유기전자소재로의 확장
Living Polymerization of Telechelic Diol-Terminated Poly(3-hexylthiophene) and Poly(3-hexylthiophene-co- thiophene) for Stretchable Polyurethane-Based Organic Electronics
- 주제(키워드) 리빙중합 , 폴리우레탄
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이인환
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035079
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
유연성을 요구하는 전자기기의 다양화와 기술의 발전에 따라, 외부의 물리적 자극에도 견딜 수 있는 유연하고 신축성 있는 전자 소재에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 이에 따라 전기적 특성을 유지하면서도 신축성을 갖는 소재의 중요성이 커지고 있다. 그러나 높은 전하이동도를 갖는 전자 소재는 규칙적인 결정구조를 기반으로 하므로, 이로 인해 기계적 변형에 취약하다는 한계를 가 진다. 하지만 신축성을 부여하기 위해 고분자의 비정질 영역을 증가시키면 전 기적 특성이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서 전기적 전도성과 신축성을 동 시에 만족하는 전자 소재의 개발은 중요한 연구과제로 떠오르고 있다. 본 연구에서는 전도성 고분자인 poly(3-hextylthiophene) (P3HT)과 hexamethylene diisocyanate(HDI)을 flexible spacer unit으로 사용하여 urethane bond를 기반으로 한 블록 공중합체를 중합하였다. 이번 실험에서는 Pd 촉매를 이용한 Suzuki-Miyaura catalyst-transfer polymerization(SCTP) 방법을 이용하여 중합을 진행했다. SCTP는 functional group tolerance가 높으며 중합 조건이 까 다롭지 않다는 장점이 있다. 따라서 SCTP를 이용하여 말단기 제어 및 분자량 조절하여 중합을 진행하였다. 비교 실험을 통해 step-growth 방식으로 합성한 P3HT-diol과 다양한 중합도 를 가진 chain-growth를 섞어 mixture로 만들어 전기적 특성과 신축성을 비교 해보았다. 비교해 본 결과 living chain-growth로 합성한 물질이 전기적 특성과 기계적 성능 모든 면에서 우수함을 확인하였다. 추가적으로 3-hexylthiophene에 thiophene을 섞어서 random copolymer diol을 합성한 후에 polyurethane(PU) 중합도 진행했다. Thiophene을 섞음으로써 chain 간의 planarity를 향상시키고 interchain charge transport가 높아짐을 통해 mobility를 향상시킬 수 있다. Thiophene이 들어간 copolymer를 중합하여 비교 해 본 결과 Thiophene이 들어간 고분자가 mobility에서 전구간에 걸쳐 더 향상 된 전하이동도 값을 보이는 것을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 전도성과 신축성을 동시에 확보할 수 있는 유연한 전자 소재 개발의 가능성을 제시하며, 향후 다양한 분야에 적용될 수 있는 기술로 확장될 수 있다.
more초록/요약
With the diversification of flexible electronic devices and advances in technology, there is a growing demand for electronic materials that are both stretchable and mechanically robust under external physical stress. Maintaining electrical performance while achieving mechanical flexibility has become a key challenge. High charge carrier mobility in semiconducting polymers typically relies on an ordered crystalline structure, which often compromises mechanical deformability. Conversely, enhancing stretchability by increasing the amorphous regions in polymers tends to reduce their electrical performance. Therefore, the development of electronic materials that simultaneously exhibit high charge mobility and stretchability remains a critical research objective. In this study, we synthesized a block copolymer incorporating the conductive polymer poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and hexamethylene diisocyanate(HDI) as a flexible spacer unit via urethane bonding. The polymerization was carried out using Suzuki-Miyaura catalyst-transfer polymerization(SCTP) with a palladium catalyst. SCTP offers high functional group tolerance and relatively simple reaction conditions, enabling precise control over molecular weight and endgroup fidelity. For comparison, we also prepared P3HT-diol via a step-growth method and blended it with chain-growth polymers of various degrees of polymerization to evaluate electrical and mechanical performance. The results showed that the material synthesized via living chain-growth exhibited superior charge transport and mechanical properties. Additionally, we synthesized a random copolymer diol by incorporating thiophene units into 3-hexylthiophene. The inclusion of thiophene enhanced chain planarity and interchain charge transport, thereby improving charge mobility. The resulting copolymer-based polyurethane (PU) demonstrated higher mobility across all tested regions compared to the homopolymer. These findings highlight a promising strategy for the development of stretchable electronic materials with balanced electrical and mechanical properties, potentially expanding their applicability across various flexible electronics platforms.
more목차
1. Introduction 1
2. Result and Discussion 5
Part 1. Poly(3-hexylthiophene)-PU 5
2.1) P3HT-diol (living chain-growth) 5
2.2) P3HT-PU 9
2.3) P3HT-PU (mixture) 13
2.4) P3HT-PU (step-growth) 17
2.5) Mechanical & Electrical property 21
Part 2. Poly(3-hexylthiophene-co-thiophene)-PU 23
2.6) P(3HT-co-T)-diol 23
2.7) P(3HT-co-T)-PU 25
2.8) Mechanical & Electrical property 27
3. Conclusion 29
4. Supporting Information 32
4.1) Procedure for the preparation of 2-(5-bromo-4-hexylthiophen-2-yl)-6-methyl-1,3,6,2-dioxazaborocane-4,8-dione (M1) 32
4.2) Procedure for the preparation of 2-(5-bromothiophen-2-yl)-6-methyl-1,3,6,2-dioxazaborocane-4,8-dione (M2) 33
4.3) Procedure for the preparation of (4-(1,3,2-dioxaborolan-2-yl)phenyl)methanol (T1) 34
4.4) Procedure for the preparation of of P3HT-diol (living) using I and T1 35
4.5) Procedure for the preparation of P3HT-diol (Mix) 36
4.6) Procedure for the preparation of P3HT-diol (Step) 36
4.7) A general procedure for the preparation of P3HT-PU 37
5. Reference 44
Abstract 48
