본 연구는 OLED (organic light emitting diodes)와 OSCs (organic solar cells)용 유기 반도체 재료의 합성과 그 특성에 관한 내용을 소개하였다.
Part 1의 첫번째 연구에서는 높은 삼중항 에너지를 갖는 p-형 및 n-형 청색 인광 호스트에 관한 연구이다. 호스트의 요구 조건으로 도펀트로의 원활한 엑시톤 전달 및 역 에너지 전달 방지를 위해 도펀트보다 큰 일중항 및 삼중항 에너지를 가져야한다. 신규p-형 호스트의 경우에는 카바졸 단위를 기반으로 다양한 위치에 bulky한 치환기인 트리페닐 실란을 도입하여 높은 삼중항 에너지를 갖는 p-형 청색 인광 호스트를 개발하였다. 개발된 p-형 호스트 재료는 카바졸을 기반으로 삼중항 에너지를 높이면서 큰 입체 장애를 가져 분자간 상호작용을 억제하고, blocking을 유발하는 뒤틀린 구조를 갖도록 설계 및 합성하였다. n-형 호스트의 경우에는 포스핀 옥사이드와 카보린을 도입하여 전자 이동도를 높이는 구조로 설계하였다. 적합한 안정성 및 높은 삼중항 에너지를 갖는 신규 p-형 및 n-형 청색 인광 호스트 재료를 개발하여 효율, 구동전압 및 수명에 미치는 효과에 대한 연구를 진행하였다.
Part 1 의 두번째 연구에서는 대표적인TADF 도펀트 재료인 4CzBN에 도너 유닛을 도입하여 locally excited triplet (3LE) 낮춤으로써 역계간전이 (RISC) 를 촉진하여 효율 및 수명이 개선된 TADF 도펀트 재료를 개발하고자 하였다. 기존의 4CzBN 경우에는 D-A의 Charge Transfer triplet (3CT) 에너지와 3LE 에너지 차이가 크기 때문에 RISC속도가 느린 문제점을 가졌다. 따라서 메틸치환된 카바졸, 바이페닐 및 인돌로카바졸의 도너 유닛을 도입하여 ΔE (3CT-3LE) 최소화함으로써 역계간전이를 촉진시켜 효율을 증가시키려는 연구를 진행하여, 3종의 새로운 TADF 도펀트 재료를 설계 및 합성하였다. 새로운 TADF 재료로 바이페닐이 치환된 4MCzBN-BP 는 491nm 에서 청록색 방출과 95% 의 매우 높은 PLQY 나타내었으며, 색좌표 (0.196, 0.452) 및 23.7%의 높은 외부양자 효율과 750 시간의 긴 작동 수명(LT50)을 달성하였다.
Part 2 의 첫번째 연구에서는 위치에 따른 할로겐의 경향 및 깊은 HOMO 에너지 레벨을 유도하기 위하여 할로겐을 위치선택적으로 도입한 도너형 고분자 물질에 관한 연구이다. 개발된 공액 고분자는 전자주개-전자받개형 구조로 전자 주개인 BDTP 기반에 ortho, meta, para 위치에 선택적으로 fluorine및 chlorine을 도입하고 전자 받개인 BDD기반의 연결된 bridge에 chlorine을 도입한 신규 고분자를 설계 및 합성하였다. 신규 공액 고분자는 모두 깊은 HOMO 레벨을 갖추고 있으며, 광학적 특성 및 에너지 측면에서 서로 다른 특성을 보여주었다. 할로겐을 ortho, meta, para 순으로 도입할수록 장파장 흡수 및 분자간 상호작용이 증가하였으며, BDDCl 을 도입하였을 때 더 깊은 HOMO 에너지 레벨 및 강한 분자간 상호작용을 나타내었다. 합성된 신규 공액 고분자는 할로겐의 위치에 따른 서로 다른 특성을 나타내고 향상된 Voc 를 유도하여 OSCs의 도너 유닛으로 소자 제작 시 우수한 성능을 나타낼 것으로 예측된다.
Part 2 의 두번째 연구에서는 차세대 미래 장치의 유연하고 신축성있는 OSCs 적용하기 위한 실록산 체인을 포함하는 새로운 신축성 고분자 개발에 관한 연구이다. 실리콘 고무의 주요 성분인 실록산은 Si-O-Si 결합을 갖으며, 우수한 신축성 성질으로 유연한 장치에 도입하기 적합하다. 개발된 신축성 고분자는 OSCs소자에서 높은 효율을 나타내는 전자주개 BDT-T-Cl 과 전자받개 Y5 를 도입하였고 유연한 실록산 체인의 함유량 (5%, 10%, 20%)을 조절하여 새로운 신축성 고분자 3 종을 설계 및 합성하였다. 신축성 고분자는 유사한 광학적 및 전기적 특성을 나타내고 열 안정성이 우수하여 신축성 OSCs 에 적합하여 우수한 소자 성능을 가능할 수 있도록 하였다.