알킬 체인 유도체 기반 키랄 유기반도체의 광전자적 특성에 관한 연구

Abstract

키랄성은 자연의 본질적인 특성이며 그 중요성은 생물학, 물리학 및 화학 과학과 같은 중요한 연구 분야에서 널리 인식되고 있다. 초분자 키랄성은 생물학적 응용, 촉매 및 감지 장치와 같은 다양한 분야에서 키랄성 증폭의 효과로 인해 많은 주목을 받았다. 특히, 키랄 광전자 공학은 원편광 광센서, 3D 이미지 처리 및 광통신과 같은 다양한 잠재 응용 분야에서 점점 주목 받고있다. 성능 향상을 위한 새로운 물질 및 방법들이 보고되고 있다. 평면 π-공액 페릴렌 디이미드 (PDIs)는 광 안정성이 뛰어나고 열 안정성이 뛰어난 형광 염료로 유기 태양 전지, 광전자 장치 및 전계 효과 트랜지스터(OFET)와 같은 다양한 장치에서 자체 조립 및 응용을 기반으로 한 공정에 적합하다. 곁 사슬기 공학 기술은 전기 특성을 향상시키고 용해도를 높이기 위한 효과적인 전략으로 집중되어 왔다. 많은 연구에도 불구하고, 전기적 특성 및 자기 조립 나노 결정의 형태에 대한 곁 사슬기 공학 기술의 효과는 아직 완벽하게 밝혀지지 않았다. 제 1장에서는 다른 곁 사슬기가 구조 및 전기적 특성에 미치는 영향에 대해 소개하였다. 우리는 2 개의 거울상 이성질체 페릴렌 디이미드 유도체, CPDI-Cy와 CPDI-Naph물질을 합성했고 자기 조립 후 두 물질의 결정구조와 두 결정을 이용한 유기 소자의 성능을 비교하였다. 두 물질 모두1 차원의 나노 구조를 형성했지만 다른 구조와 전기적 특성을 보여주었다. 사이클로헥세인으로 치환된 CPDI-Cy의 경우 자가 조립시 우수한 전자 이동도와 빛 반응성을 보였다. 부피가 다른 곁 사슬기에 따른 키랄성과 전기적 특성에 대한 변화는 키랄성을 기반으로 하는 유기 반도체 연구에서의 성능 향상과 응용에 대한 전략으로 제시될 수 있을 것이다. 제 2장에서는 같은 곁 사슬기로 치환된 페릴렌 디이미드에서의 “Majority rule”를 통한 키랄성 변화와 전기적 특성을 비교하였다. 우리는 ClCPDI-Ph물질을 합성했고 다른 거울상 이성질체과잉율을 가진 상태에서의 자가 조립이 지니는 영향을 조사하였다. 라세미체와 거울상 이성질체는 1차원 나노와이어와 2차원 결정으로 다른 구조를 보였으며 1차원 나노와이어에서 더 우수한 전기적 특성을 보였다. 이 연구는 Majority rule이 키랄성과 전기적 특성 조율에 있어 새로운 설계 방법으로서의 가능성을 보였다. 본 연구의 결과는 차세대 키랄성 유기 반도체 연구에 있어 핵심 기술이 될 것으로 기대된다.

Chirality is intrinsic feature of nature and its significance has been widely recognized in various research areas, such as biology, physics and chemistry science. Supramolecular chirality has received plenty of attention due to their effect of chirality amplification in supramolecular system for various fields, such as biological applications, catalysts and sensing devices. In particular, chiral optoelectronics is recently emerging field, with a growing attention in the various potential applications, such as circularly polarized light (CPL) photo sensors, 3D image processing and optical communication. Recently, new materials and methods for improving performance have been reported, and interest in chiral organic semiconductors continues. Planar π-conjugated perylene diimides (PDIs) are fluorescent dyes with high photo-stability and great thermal stability that make PDIs suitable for processing based on self-assembly and applications in various devices, such as organic photovoltaic cells, optoelectronic devices and organic field-effect transistors (OFETs). The side chain engineering has been focused as an effective strategy for enhancing electrical properties and increasing solubility. In spite of various many studies, the effect of the side chain engineering on the electrical properties and the morphology of self-assembled nanocrystals has not been fully understood. In the first chapter, we synthesized two enantiomeric PDI derivatives, 2,9-bis(1-cyclohexylethyl)anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f']diisoquinoline-1,3,8,10(2H,9H) tetraone (CPDI-Cy) and 2,9-bis(1-(naphthalen-1-yl)ethyl)anthra[2,1,9-def:6,5,10-d'e'f']diisoquinoline-1,3,8,10(2H,9H)-tetraone (CPDI-Naph). These two CPDI-Cy and CPDI-Naph, which were self-assembled one-dimensional (1D) nanostructures, were demonstrated different structure and electrical properties. PDI nanowires (NWs) with better stacking alkyl chain (CDPI-Cy) were found to show better optoelectronic performance. These results provide the significant role of substituted alkyl side chains in the relationships among supramolecular chirality, structure and performance of device. In the second chapter, we synthesized chiral tetrachloro-substituted perylene diimides (ClCPDI-Ph). Self-assembled crystals with different enantiomeric excess (ee) exhibited different structure that 1D NWs were gradually transformed to 2D crystals during transferring the ee from 0% to 100%. Moreover, racemic 1D NWs exhibited better optoelectronic performance than enantiomeric 2D crystals. These findings suggest guidelines that tuning the supramolecular chirality and optoelectronic performance based on self-assembly via “majority-rules”