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KR101072477B1 - Organic semiconductor compounds substituted alkylthiophen group in side-chain of polymer and organic thin film transistor utilizing same - Google Patents

Organic semiconductor compounds substituted alkylthiophen group in side-chain of polymer and organic thin film transistor utilizing same Download PDF

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KR101072477B1
KR101072477B1 KR1020100017760A KR20100017760A KR101072477B1 KR 101072477 B1 KR101072477 B1 KR 101072477B1 KR 1020100017760 A KR1020100017760 A KR 1020100017760A KR 20100017760 A KR20100017760 A KR 20100017760A KR 101072477 B1 KR101072477 B1 KR 101072477B1
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Abstract

본 발명은 유기 박막 트랜지스터(OTFT)용 유기 반도체 화합물 및 그의 용도에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유기 박막 트랜지스터의 반도체층 재료로 사용되는 고분자 유기 반도체 화합물의 곁사슬에 알킬기가 치환된 티오펜 기를 도입함으로써 주사슬과 곁사슬이 반발(repulsion)에 의해 고분자 재료의 용해도를 향상시키면서 곁사슬과의 컨쥬게이션은 그대로 유지되는 새로운 구조의 유기 반도체 화합물과 그의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to an organic semiconductor compound for organic thin film transistor (OTFT) and its use. More specifically, the present invention improves the solubility of a polymer material by introducing a thiophene group substituted with an alkyl group into the side chain of the polymer organic semiconductor compound used as the semiconductor layer material of the organic thin film transistor by repulsion of the main chain and the side chain. While conjugation with the side chain is maintained, the present invention relates to an organic semiconductor compound having a new structure and its use.

Description

고분자 곁사슬에 알킬티오펜 기가 치환된 유기 반도체 화합물 및 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터{Organic semiconductor compounds substituted alkylthiophen group in side-chain of polymer and organic thin film transistor utilizing same}Organic semiconductor compounds substituted alkylthiophen group in side-chain of polymer and organic thin film transistor utilizing same}

본 발명은 유기 박막 트랜지스터(OTFT)용 유기 반도체 화합물 및 그의 용도에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유기 박막 트랜지스터의 반도체층 재료로 사용되는 고분자 유기 반도체 화합물의 곁사슬에 알킬기가 치환된 티오펜 기를 도입함으로써 주사슬과 곁사슬이 반발(repulsion)에 의해 고분자 재료의 용해도를 향상시키면서 곁사슬과의 컨쥬게이션은 그대로 유지되는 새로운 구조의 유기 반도체 화합물과 그의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to an organic semiconductor compound for organic thin film transistor (OTFT) and its use. More specifically, the present invention improves the solubility of a polymer material by introducing a thiophene group substituted with an alkyl group into the side chain of the polymer organic semiconductor compound used as the semiconductor layer material of the organic thin film transistor by repulsion of the main chain and the side chain. While conjugation with the side chain is maintained, the present invention relates to an organic semiconductor compound having a new structure and its use.

21세기 정보통신의 발달과 개인 휴대용 통신기기에 대한 욕구는 크기가 작고, 중량이 가볍고, 두께가 얇고, 사용하기 편리한 정보통신기기를 가능하게 하는 초미세 가공, 초고집적회로를 제작할 수 있는 고성능 전기전자재료, 신개념의 디스플레이를 가능케 하는 새로운 정보통신재료를 필요로 하고 있다. 그 중에서도 유기 박막 트랜지스터(OTFT)는 휴대용 컴퓨터, 유기 EL소자, 스마트 카드(smart card), 전자 태그(electric tag), 호출기, 휴대전화 등의 디스플레이 구동기 및 현금 거래기, 인식표 등의 메모리 소자 등의 플라스틱 회로부의 중요한 구성요소로 사용될 수 있는 가능성으로 인하여 많은 연구의 대상이 되고 있다.The development of telecommunications in the 21st century and the desire for personal handheld communication devices are high performance electricity that can produce ultra-fine processing and ultra-high integrated circuits that enable small and light, thin and easy-to-use information and communication devices. There is a need for new information and communication materials that enable the display of electronic materials and new concepts. Among them, organic thin film transistors (OTFTs) are used for display drivers such as portable computers, organic EL devices, smart cards, electric tags, pagers, mobile phones, and memory devices such as cash machines and identification tags. The possibility of being used as an important component of plastic circuitry has been the subject of much research.

유기 반도체를 이용한 유기 박막 트랜지스터는 지금까지의 비정질 실리콘 및 폴리실리콘을 이용한 유기 박막 트랜지스터에 비해 제조공정이 간단하고, 저비용으로 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 플렉서블 디스플레이의 구현을 위한 플라스틱 기판들과 호환성이 뛰어나다는 장점 등으로 인해 최근 많은 연구가 이루어지고 있는 실정이다. 특히, 고분자 유기 반도체를 이용할 경우 용액공정으로 쉽게 박막을 형성할 수 있다는 장점 때문에 저분자 유기 반도체 화합물에 비해 제조 원가가 절감 될 수 있다는 장점을 가지고 있다.The organic thin film transistor using the organic semiconductor has the advantages of simpler manufacturing process and lower cost production compared to the organic thin film transistor using amorphous silicon and polysilicon, and is compatible with the plastic substrates for implementing the flexible display. Due to this superior advantage, many researches are being made recently. In particular, when the polymer organic semiconductor is used, the manufacturing cost can be reduced compared to the low molecular organic semiconductor compound because of the advantage that the thin film can be easily formed by the solution process.

현재까지 개발된 대표적인 고분자계 유기 박막 트랜지스터용 반도체 화합물로는 P3HT[폴리(3-헥실티오펜)]과 F8T2[폴리(9,9-디옥틸플루오렌-코-비티오펜)]이 있다. OTFT의 성능은 여러 가지가 있으나, 그 중 중요한 평가척도는 전하이동도와 점멸비(on/off ratio)이며, 가장 중요한 평가 척도는 전하이동도이다. 전하이동도는 반도체 재료의 종류, 박막형성방법(구조 및 형태학), 구동전압 등에 따라 다르게 나타난다.Representative semiconductor compounds for polymer-based organic thin film transistors developed to date include P3HT [poly (3-hexylthiophene)] and F8T2 [poly (9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene)]. There are many performances of OTFT, but the most important evaluation scale is charge mobility and on / off ratio, and the most important evaluation scale is charge mobility. The charge mobility varies depending on the type of semiconductor material, thin film formation method (structure and morphology), driving voltage, and the like.

도 1은 기판/게이트/절연층/전극층(소스, 드레인)/유기 반도체층으로 이루어지는 일반적인 유기 박막 트랜지스터의 구조를 나타내는 단면도이다. 상기 도면에서, 기판 상부에 게이트 전극이 형성되어 있다. 이 게이트 전극의 상부에는 절연층이 형성되어 있으며, 그 상부에 유기 반도체층 및 소스와 드레인 전극이 차례로 형성되어 있다. 상기 구조의 유기 박막 트랜지스터의 구동원리를 p-형 반도체의 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 먼저, 소스와 드레인 사이에 전압을 인가하여 전류를 흘리면 낮은 전압하에서는 전압에 비례하는 전류가 흐르게 된다. 여기에 게이트에 양의 전압을 인가하면 이 인가된 전압에 의한 전기장에 의하여 양의 전하인 정공들은 모두 반도체층의 상부로 밀려 올라가게 된다. 따라서, 절연층에 가까운 부분은 전도 전하가 없는 공핍층(depletion layer)이 생기게 되고, 이런 상황에서는 소스와 드레인 사이에 전압을 인가해도 전도 가능한 전하 운반자가 줄어들었기 때문에 낮은 전류의 양이 흐르게 될 것이다. 반대로 게이트에 음의 전압을 인가하면, 이 인가된 전압에 의한 전기장의 효과로 절연층의 가까운 부분에 양의 전하가 유도된 축적층(accumulation layer)이 형성 된다. 이 때, 소스와 드레인 사이에는 전도 가능한 전하 운반자가 많이 존재하기 때문에, 더 많은 전류를 흘릴 수가 있다. 따라서, 소스와 드레인 사이에 전압을 인가한 상태에서 게이트에 양의 전압과 음의 전압을 교대로 인가하여 줌으로써 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류를 제어할 수 가 있다.1 is a cross-sectional view showing the structure of a general organic thin film transistor composed of a substrate / gate / insulation layer / electrode layer (source, drain) / organic semiconductor layer. In the figure, a gate electrode is formed on the substrate. An insulating layer is formed on the gate electrode, and an organic semiconductor layer, and a source and a drain electrode are sequentially formed on the gate electrode. The driving principle of the organic thin film transistor having the above structure will be described below with an example of a p-type semiconductor. First, when a current is applied by applying a voltage between the source and the drain, a current proportional to the voltage flows under a low voltage. When a positive voltage is applied to the gate, holes that are positive charges are all pushed up to the top of the semiconductor layer by the electric field by the applied voltage. Thus, the portion close to the insulating layer will have a depletion layer without conduction charge, and in such a situation, a low amount of current will flow due to the reduced number of conducting charge carriers even when a voltage is applied between the source and the drain. . On the contrary, when a negative voltage is applied to the gate, an accumulation layer in which positive charges are induced near the insulating layer is formed by the effect of the electric field caused by the applied voltage. At this time, since there are many conducting charge carriers between the source and the drain, more current can flow. Therefore, the current flowing between the source and the drain can be controlled by alternately applying a positive voltage and a negative voltage to the gate while a voltage is applied between the source and the drain.

상기와 같은 원리로 구성되는 유기 박막 트랜지스터에 사용되는 것으로서는 전극(소스, 드레인), 높은 열안정성이 요구되는 기판 및 게이트전극, 높은 절연성과 유전상수를 가져야 하는 절연체, 그리고 전하를 잘 이동시키는 반도체 등이 있으나, 이 중에서 가장 극복해야 할 문제점이 많으며, 핵심적인 재료는 유기 반도체이다. 유기 반도체는 분자량에 따라 저분자 유기 반도체 및 고분자 유기 반도체로 나눌 수 있으며, 전자 또는 정공전달 여부에 따라 n-형 유기 반도체 또는 p-형 유기 반도체로 분류한다. 일반적으로, 유기 반도체층 형성시 저분자 유기 반도체를 이용하는 경우, 저분자 유기 반도체는 정제하기가 용이하여 불순물을 거의 제거할 수 있으므로 전하이동특성이 우수하다, 그러나, 이러한 유기 반도체는 스핀코팅 및 프린팅이 불가능하여 진공증착을 통해 박막을 제조해야 하므로, 고분자 유기 반도체에 비해 제조공정이 복잡하고, 비용이 많이 드는 단점이 있다. 고분자 유기 반도체의 경우, 고순도의 정제가 어려우나, 내열성이 우수하고, 스핀코팅 및 프린팅이 가능하여 제조공정 및 비용, 대량생산에 있어서 유리한 장점이 있다.The organic thin film transistors, which are constructed on the principle described above, include electrodes (source and drain), substrates and gate electrodes requiring high thermal stability, insulators having high dielectric properties and dielectric constants, and semiconductors that transfer charges well. There are many problems to overcome, and the core material is an organic semiconductor. Organic semiconductors may be classified into low molecular organic semiconductors and high molecular organic semiconductors according to molecular weight, and classified into n-type organic semiconductors or p-type organic semiconductors depending on whether electrons or holes are transferred. In general, when a low molecular weight organic semiconductor is used to form an organic semiconductor layer, the low molecular weight organic semiconductor is easy to purify and almost removes impurities, and thus has excellent charge transfer characteristics. However, such an organic semiconductor cannot be spin coated and printed. Therefore, since the thin film must be manufactured by vacuum deposition, the manufacturing process is complicated and expensive compared with the polymer organic semiconductor. In the case of the polymer organic semiconductor, it is difficult to purify the high purity, but excellent heat resistance, spin coating and printing is possible, there is an advantage in the manufacturing process, cost, mass production.

유기 반도체 재료의 개발을 위해서 많은 연구가 현재까지 이루어지고 있지만, 아직까지 고분자계 반도체 재료의 개발은 저분자계 반도체 재료의 개발에 못 미치고 있는 실정이다. 따라서, 유연하고, 제조원가가 낮은 유기 박막 트랜지스터를 이용한 전자장치의 개발을 위해서는 고분자계 반도체 재료의 개발이 시급한 실정이다. 일반적으로, 고분자의 전하이동도는 저분자에 비해 떨어진다고 알려져 있지만, 제조공정이나 비용면에서 충분히 이를 극복할 수 있는 재료라고 할 수 있으며, 장차 유연한 디스플레이의 구현을 위해서는 반드시 고분자 반도체 재료의 개발이 먼저 이루어져야만 한다.Although many studies have been made to date for the development of organic semiconductor materials, the development of polymer semiconductor materials is still far from the development of low molecular weight semiconductor materials. Therefore, in order to develop an electronic device using a flexible, low-cost organic thin film transistor, it is urgent to develop a polymer semiconductor material. Generally, charge mobility of polymer is known to be inferior to low molecule, but it can be said to be a material that can sufficiently overcome this in manufacturing process and cost. In order to realize flexible display in the future, polymer semiconductor material must be developed first Should be.

본 발명의 목적은 높은 용해도와 열안정성을 가지며, 고분자의 액정성으로 인해 고분자 사슬간 우수한 배열성을 가지는 새로운 유기 박막 트랜지스터용 유기 반도체 재료를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a novel organic semiconductor material for organic thin film transistors having high solubility and thermal stability, and having excellent alignment between polymer chains due to the liquid crystallinity of the polymer.

또한, 본 발명은 고분자의 곁사슬에 알킬기가 치환된 티오펜 기를 도입함으로써 현재까지 개발된 유기 박막 트랜지스터용 유기 반도체 화합물들이 가지고 있는 특성을 개선하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to improve the characteristics of the organic semiconductor compounds for organic thin film transistors developed to date by introducing a thiophene group substituted with an alkyl group in the side chain of the polymer.

또한, 본 발명은 지금까지 개발되지 않은 새로운 형태의 유기 박막 트랜지스터용 유기 반도체 화합물 및 그 합성법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a new type of organic semiconductor compound for organic thin film transistor and a synthesis method thereof which have not been developed so far.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 유기 반도체 화합물을 유기 반도체층으로 사용하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터를 제공하는 것을 목적으로 한다.Moreover, an object of this invention is to provide the organic thin film transistor which uses the organic semiconductor compound which concerns on this invention as an organic semiconductor layer.

본 발명은 유기 박막 트랜지스터(OTFT)용 유기 반도체 화합물 및 그의 용도에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유기 박막 트랜지스터의 반도체층 재료로 사용되는 고분자 유기 반도체 화합물의 곁사슬에 알킬기가 치환된 티오펜 기를 도입된 새로운 구조의 유기 반도체 화합물과 그의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to an organic semiconductor compound for organic thin film transistor (OTFT) and its use. More specifically, the present invention relates to an organic semiconductor compound having a novel structure in which a thiophene group substituted with an alkyl group is introduced into a side chain of a polymer organic semiconductor compound used as a semiconductor layer material of an organic thin film transistor and its use.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 A 및 화학식 B에서 선택되는 티오펜 유도체가 곁사슬로 하나 이상 치환된 컨쥬게이션 구조를 갖는 중합체로, 주사슬과 곁사슬이 반발(repulsion)에 의해 고분자 재료의 용해도를 향상시키면서 곁사슬과의 컨쥬게이션은 그대로 유지되는 새로운 구조의 유기 반도체 화합물이다.
[화학식 A]

Figure 112011037574417-pat00026

[화학식 B]The organic semiconductor compound according to the present invention is a polymer having a conjugation structure in which one or more thiophene derivatives selected from Formulas (A) and (B) are substituted with side chains, and the solubility of the polymer material by repulsion of the main chain and the side chains. The organic semiconductor compound of the novel structure is maintained while conjugation with the side chain is maintained.
[Formula A]
Figure 112011037574417-pat00026

[Formula B]

Figure 112011037574417-pat00027
Figure 112011037574417-pat00027

[상기 R은 (C1-C30)알킬이고, a는 0 내지 10의 정수이고, b는 1 내지 10의 정수이다.]
[Wherein R is (C1-C30) alkyl, a is an integer of 0 to 10, and b is an integer of 1 to 10.]

상기 컨쥬게이션 구조를 갖는 중합체는 폴리페닐렌; 폴리페닐렌비닐렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리(1,4-페닐렌비닐렌), 폴리(티에닐렌-비닐렌), 폴리(3-알킬-티오펜), 폴리페닐렌설피드, 폴리아줄렌, 폴리퓨란 및 폴리이소티오나프텐로 이루어진 군으로부터 선택되며, 폴리티오펜인 것이 바람직하다.The polymer having the conjugation structure may be polyphenylene; Polyphenylenevinylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, poly (1,4-phenylenevinylene), poly (thienylene-vinylene), poly (3-alkyl-thiophene), polyphenyl It is selected from the group consisting of rensulfide, polyazulene, polyfuran and polyisothionaphthene, preferably polythiophene.

본 발명에 따른 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 것이 가장 바람직하다.The organic semiconductor compound according to the present invention is most preferably represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112010012768234-pat00002
Figure 112010012768234-pat00002

[Ar3는 화학결합 또는 (C3-C30)헤테로아릴렌이고; R1 및 R2는 서로 독립적으로 (C1-C30)알킬이고; n은 1 내지 100,000의 정수이다.][Ar 3 is a chemical bond or (C3-C30) heteroarylene; R 1 and R 2 are independently of each other (C1-C30) alkyl; n is an integer from 1 to 100,000.]

본 발명에 따른 유기 반도체 화합물은 구체적으로 하기 화학식 2 및 화학식 3으로 표시되는 화합물로부터 선택된다.
[화학식 2]
The organic semiconductor compound according to the present invention is specifically selected from the compounds represented by the following formulas (2) and (3).
(2)

Figure 112010012768234-pat00003
Figure 112010012768234-pat00003

[화학식 3]

Figure 112011037574417-pat00004
(3)
Figure 112011037574417-pat00004

[n은 1 내지 100,000의 정수이다.][n is an integer from 1 to 100,000].

본 발명에 따른 유기반도체 화합물을 제조하기 위한 방법으로, 알킬화 반응, 그린냐드 커플링반응, 스즈키커플링반응 등을 통하여 최종 화합물을 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 유기반도체 화합물은 상기의 제조방법으로 한정하는 것은 아니며, 상기의 제조방법 이외에도 통상의 유기화학 반응에 의하여 제조될 수 있다.As a method for preparing an organic semiconductor compound according to the present invention, the final compound may be prepared through an alkylation reaction, a green nyd coupling reaction, a Suzuki coupling reaction, or the like. The organic semiconductor compound according to the present invention is not limited to the above production method, and may be prepared by a conventional organic chemical reaction in addition to the above production method.

본 발명에 따른 유기반도체 화합물은 유기 박막 트랜지스터의 유기반도체층 형성용 물질로 사용될 수 있으며, 이를 적용한 유기 박막 트랜지스터의 제조방법의 구체적인 예는 하기와 같다.The organic semiconductor compound according to the present invention may be used as a material for forming an organic semiconductor layer of an organic thin film transistor, and specific examples of the method of manufacturing the organic thin film transistor using the same are as follows.

기판(11)으로는 통상적인 유기박막트랜지스터에 사용하는 n-형 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 이 기판에는 게이트 전극의 기능이 포함되어 있다. 기판으로 n-형 실리콘외에 표면 평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리기판 또는 투명한 플라스틱 기판을 사용할 수도 있다. 이 경우에는 게이트 전극이 기판위에 더해져야 한다. 기판으로서 채용가능한 물질로는 유리, 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylenenaphthalate:PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylterephthalate:PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate:PC), 폴리비닐알콜(Polyvinylalcohol:PVP), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리이미드(Polyimide), 폴리노르보넨(Polynorbornene) 및 폴리에테르설폰(Polyethersulfone: PES)로 예시될 수 있다.As the substrate 11, it is preferable to use n-type silicon used in a conventional organic thin film transistor. This substrate contains the function of the gate electrode. In addition to n-type silicon, a glass substrate or a transparent plastic substrate having excellent surface smoothness, ease of handling, and waterproofness may be used as the substrate. In this case, a gate electrode must be added on the substrate. Substances which can be employed as the substrate include glass, polyethylenenaphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), polyvinyl alcohol (PVP), polyacrylate (Polyacrylate). , Polyimide, polynorbornene and polyethersulfone (PES).

상기 OTFT 소자를 구성하는 게이트 절연층(12)으로서는 통상적으로 사용되는 유전율이 큰 절연체를 사용할 수 있으며, 구체적으로 Ba0 .33Sr0 .66TiO3(BST), Al2O3, Ta2O5, La2O5, Y2O3 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 강유전성 절연체, PdZr0 .33Ti0 .66O3(PZT), Bi4Ti3O12, BaMgF4, SrBi2(TaNb)2O9, Ba(ZrTi)O3(BZT), BaTiO3, SrTiO3, Bi4Ti3O12, SiO2, SiNx 및 AlON로 이루어진 군으로부터 선택된 무기 절연체, 또는 폴리이미드(polyimide), BCB(benzocyclobutene), 파릴렌(parylene), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol) 및 폴리비닐페놀(polyvinylphenol) 등의 유기 전연체를 사용할 수 있다.An insulated gate constituting the OTFT device layer 12, as can be used with a large dielectric constant insulators conventionally used, specifically Ba 0 .33 Sr 0 .66 TiO 3 (BST), Al 2 O 3, Ta 2 O 5, La 2 O 5, Y 2 O 3 and a ferroelectric insulator, PdZr 0 .33 selected from the group consisting of TiO 2 Ti 0 .66 O 3 ( PZT), Bi 4 Ti 3 O 12, BaMgF 4, SrBi 2 (TaNb ) 2 O 9 , Ba (ZrTi) O 3 (BZT), BaTiO 3 , SrTiO 3 , Bi 4 Ti 3 O 12 , SiO 2 , SiN x and AlON, an inorganic insulator selected from the group consisting of polyimide, Organic precursors such as benzocyclobutene (BCB), parylene, polyacrylate, polyvinylalcohol, and polyvinylphenol may be used.

본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 구성은 도 1에 나타낸 바와 같이 기판(11)/게이트전극(16)/절연층(12)/유기 반도체층(13)/소스(14), 드레인 전극(15)의 탑-컨택트(top-contact) 뿐만 아니라 기판/게이트전극/절연층/소스, 드레인 전극/유기 반도체층의 바텀-컨택트(bottom-contact)의 형태를 모두 포함한다. 또한 소스(14) 및 드레인 전극(15)과 유기 반도체층(13) 사이에 표면처리로서 HMDS(1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane), OTS(octadecyltrichlorosilane) 또는 OTDS(octadecyltrichlorosilane)를 코팅하거나 하지 않을 수도 있다.As shown in FIG. 1, the organic thin film transistor of the present invention is composed of the substrate 11, the gate electrode 16, the insulating layer 12, the organic semiconductor layer 13, the source 14, and the drain electrode 15. As shown in FIG. It includes both top-contact as well as bottom-contact types of substrate / gate electrode / insulation layer / source and drain electrode / organic semiconductor layer. In addition, HMDS (1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane), OTS (octadecyltrichlorosilane) or OTDS (octadecyltrichlorosilane) may be used as a surface treatment between the source 14 and the drain electrode 15 and the organic semiconductor layer 13. It may or may not be coated.

본 발명에 따른 유기반도체 화합물을 채용하는 유기 반도체층은 진공 증착법, 스크린 인쇄법, 프린팅법, 스핀캐스팅법, 스핀코팅법, 딥핑법 또는 잉크분사법을 통하여 박막으로 형성될 수 있으며, 이 때, 상기 유기 반도체층의 증착은 40℃ 이상에서 고온 용액을 이용하여 형성될 수 있고, 그 두께는 500 Å내외가 바람직하다.The organic semiconductor layer employing the organic semiconductor compound according to the present invention may be formed into a thin film by vacuum deposition, screen printing, printing, spin casting, spin coating, dipping or ink spraying, Deposition of the organic semiconductor layer may be formed using a high temperature solution at 40 ℃ or more, the thickness is preferably about 500 kPa.

상기 게이트 전극(16) 및 소스 및 드레인 전극(14 및 15)은 전도성 물질이면 가능하나, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 인듐틴산화물(ITO)로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 형성되는 것이 바람직하다.The gate electrode 16 and the source and drain electrodes 14 and 15 may be conductive materials, but gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), and indium tin may be used. It is preferably formed of a material selected from the group consisting of oxides (ITOs).

본 발명에 따른 유기 반도체 화합물, 즉 유기 박막 트랜지스터의 반도체층 재료로 사용되는 고분자 유기 반도체 화합물의 곁사슬에 알킬기가 치환된 티오펜 기를 도입된 컨쥬게이션 구조를 갖는 중합체는 컨쥬게이션 구조를 갖는 중합체의 곁사슬에 알킬기가 치환된 티오펜 기가 도입됨으로써 주사슬과 곁사슬이 반발(repulsion)에 의해 고분자 재료의 용해도를 향상시키면서 곁사슬과의 컨쥬게이션은 그대로 유지되는 성질을 가지고 있다. 또한, HOMO값이 낮아지는 특성, 즉 반복단위체 내에서 전자 밀도가 증가하여 우수한 전하이동도와 산화안정성을 가지게 되어 유기 박막 트랜지스터의 유기 반도체층으로 활용할 수 있다. 따라서 이들을 채용한 유기 박막 트랜지스터를 사용할 경우 우수한 효율 및 성능을 갖는 전자장치를 만드는 것이 가능하다. 이러한 유기박막트랜지스터는 진공증착이나 스핀코팅이나 프린팅 같은 용액 공정으로도 제조할 수 있어, 유기박막트랜지스터를 이용한 전자장치의 제조 비용을 절감할 수 있다.A polymer having a conjugation structure in which a thiophene group substituted with an alkyl group is introduced into a side chain of an organic semiconductor compound according to the present invention, ie, a polymer organic semiconductor compound used as a semiconductor layer material of an organic thin film transistor, has a side chain of a polymer having a conjugation structure. The introduction of a thiophene group substituted with an alkyl group to the main chain and side chains has the property of maintaining the conjugation with the side chains while improving the solubility of the polymer material by repulsion. In addition, the HOMO value decreases, that is, the electron density increases in the repeating unit, thereby having excellent charge mobility and oxidation stability, and thus may be used as an organic semiconductor layer of the organic thin film transistor. Therefore, when using organic thin film transistors employing these, it is possible to make electronic devices having excellent efficiency and performance. The organic thin film transistor can also be manufactured by a solution process such as vacuum deposition, spin coating, or printing, thereby reducing the manufacturing cost of an electronic device using the organic thin film transistor.

도 1 - 기판/게이트/절연층(소스,드레인)/반도체 층으로 제조되는 일반적인 유기박막트랜지스터의 구조를 보여주는 단면도
도 2 - 실시예 1과 실시예 2에 따른 유기반도체 화합물(PDTQT 및 PDTST)의 열적 특성을 나타내는 곡선
도 3 - 실시예 1에 따른 유기반도체 화합물(PDTQT)의 용액상 및 필름상의 UV-vis 흡수 및 PL 스펙트라
도 4 - 실시예 2에 따른 유기반도체 화합물(PDTST)의 용액상 및 필름상의 UV-vis 흡수 및 PL 스펙트라
도 5 - 실시예 1과 실시예 2에 따른 유기반도체 화합물(PDTQT 및 PDTST)를 이용하여 실시예 3의 방법으로 제작된 소자의 out-of-plane GIXD image를 나타내는 도면
도 6 - 실시예 1과 실시예 2에 따른 유기반도체 화합물(PDTQT 및 PDTST)를 이용하여 실시예 3의 방법으로 제작된 소자의 AFM images (a: PDTST의 필름상태, b: PDTQT의 필름상태, c: 100°C에서 어닐링한 PDTST의 필름상태, d) 100°C에서 어닐링한 PDTST의 필름상태)를 나타내는 도면
도 7 - 실시예 1과 실시예 2에 따른 유기반도체 화합물(PDTQT 및 PDTST)를 이용하여 실시예 3의 방법으로 제작된 소자의 유기반도체 특성(a: PDTST의 transfer curve, b: PDTQT의 transfer curve, c : PDTST의 output curve, d: PDTST의 TOF)을 나타내는 도면
도 8 - 실시예 1과 실시예 2에 따른 유기반도체 화합물(PDTQT 및 PDTST)를 이용하여 실시예 3의 방법으로 제작된 반도체 소자의 안정성(a: PDTST 대기안정성, b: PDTQT의 대기안정성, c: P3HT의 대기안정성, d: 시간에 따른 PDTST의 전하이동도와 점멸비)을 나타내는 도면
Fig. 1-A cross-sectional view showing the structure of a general organic thin film transistor made of a substrate / gate / insulating layer (source, drain) / semiconductor layer.
2-Curves showing the thermal properties of the organic semiconductor compounds (PDTQT and PDTST) according to Examples 1 and 2
3-UV-vis absorption and PL spectra of the solution phase and the film phase of the organic semiconductor compound (PDTQT) according to Example 1
4-UV-vis absorption and PL spectra of the solution phase and the film phase of the organic semiconductor compound (PDTST) according to Example 2
5 shows an out-of-plane GIXD image of a device fabricated by the method of Example 3 using the organic semiconductor compounds PDTQT and PDTST according to Examples 1 and 2.
6-AFM images (a: film state of PDTST, b: film state of PDTQT) of the device manufactured by the method of Example 3 using the organic semiconductor compounds (PDTQT and PDTST) according to Example 1 and Example 2, c: film state of PDTST annealed at 100 ° C., d) film state of PDTST annealed at 100 ° C.)
7-Organic semiconductor characteristics (a: PDTST transfer curve, b: PDTQT transfer curve) of the organic semiconductor compound (PDTQT and PDTST) according to Example 3 using the organic semiconductor compounds according to Example 1 and Example 2 , c: output curve of PDTST, d: TOF of PDTST)
8-Stability of a semiconductor device fabricated by the method of Example 3 using the organic semiconductor compounds (PDTQT and PDTST) according to Examples 1 and 2 (a: PDTST atmospheric stability, b: atmospheric stability of PDTQT, c : P3HT atmospheric stability, d: charge mobility and flashing ratio of PDTST over time)

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.The present invention can be more clearly understood by the following examples, which are only intended to illustrate the present invention and are not intended to limit the scope of the invention.

[제조예 1] 5-데실-2,3'-바이티오펜 (5-decyl-2,3'-bithiophene) 의 합성 Preparation Example 1 Synthesis of 5-decyl-2,3'-bithiophene (5-decyl-2,3'-bithiophene)

Figure 112010012768234-pat00005
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2-브로모-5-데실티오펜 (20.5 g, 67.47 mmol)을 마그네슘 (1.6 g, 67.47 mmol)과 다이에틸이써 (100 mL)에 천천히 넣어서 그린냐드 시약을 만든 후 3-브로모티오펜 (10.0 g, 61.33 mmol), Pd(dppf)Cl2 (0.5g, 0.61 mmol)와 다이에틸이써 (160 mL)의 혼합용액에 천천히 첨가한다. 상온에서 24시간 반응 후 다이에틸이써로 추출한 후 MgSO4로 수분을 제거한 후 여과한다. 용매를 제거한 후 헥산을 이용하여 컬럼크로마토그래피로 정제하여 목적화합물인 5-데실-2,3'-바이티오펜을 수득하였다. 수율 : (13.0 g, 72 %). 1HNMR (CDCl3, 300 MHz) [ppm] : δ 7.38-7.33 (m, 3H), 7.07 (d, J=3.5Hz, 1H), 6.77 (d, J=3.5 Hz, 1H), 2.88 (t, J=7.5Hz, 2H), 1.83-1.73 (m, 2H), 1.42-1.38 (m, 14H), 1.00 (t, J=6.3Hz, 3H).
Slowly add 2-bromo-5-decylthiophene (20.5 g, 67.47 mmol) to magnesium (1.6 g, 67.47 mmol) and diethylether (100 mL) to make a Grignard reagent, followed by 3-bromothiophene ( 10.0 g, 61.33 mmol) and Pd (dppf) Cl 2 (0.5g, 0.61 mmol) and diethyl ether (160 mL) are added slowly to the mixture. After reacting at room temperature for 24 hours, the mixture was extracted with diethyl ether and then filtered with MgSO 4 . After the solvent was removed, the residue was purified by column chromatography using hexane to obtain 5-decyl-2,3'-bithiophene as a target compound. Yield: (13.0 g, 72%). 1 HNMR (CDCl 3, 300 MHz ) [ppm]: δ 7.38-7.33 (m, 3H), 7.07 (d, J = 3.5Hz, 1H), 6.77 (d, J = 3.5 Hz, 1H), 2.88 (t , J = 7.5 Hz, 2H), 1.83-1.73 (m, 2H), 1.42-1.38 (m, 14H), 1.00 (t, J = 6.3 Hz, 3H).

[제조예 2] 2'-브로모-5-데실-2,3'-바이티오펜 (2'-bromo-5-decyl-2,3'-bithiophene) 의 합성Preparation Example 2 Synthesis of 2'-bromo-5-decyl-2,3'-bithiophene (2'-bromo-5-decyl-2,3'-bithiophene)

Figure 112010012768234-pat00006
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5-데실-2,3'-바이티오펜 (제조예 1, 5.0 g, 16.31 mmol)을 CHCl3/CH3COOH (1/1, 100 mL)의 혼합용액에 녹인 후 0 ℃에서 NBS (2.9 g, 16.31 mmol)를 천천히 넣는다. 그 후 천천히 상온으로 올린 후 6시간 동안 교반한다. 다이에틸이써를 이용하여 추출한 후 NaOH (0.1 M, 3 x 200 mL) 와 물 (3 x 200 mL)로 씻어준다. 용매를 제거하여 목적화합물인 2'-브로모-5-데실-2,3'-바이티오펜을 수득하였다. 수율 : (5.9 g, 94 %) 1H-NMR (CDCl3, 300 MHz) [ppm] :δ 7.32 (d, J= 3.6 Hz, 1H), 7.26 (d, J=5.7 Hz, 1H), 7.13 (d, J=5.7 Hz, 1H), 6.8 (d, J=3.6Hz, 1H), 2.86 (t, J=7.5Hz, 2H), 1.77-1.72 (m, 2H), 1.42-1.32 (m, 14H), 0.94 (t, J=6.3 Hz, 3H).
5-decyl-2,3'-bithiophene (Preparation Example 1, 5.0 g, 16.31 mmol) was dissolved in a mixed solution of CHCl 3 / CH 3 COOH (1/1, 100 mL), followed by NBS (2.9 at 0 ° C). g, 16.31 mmol) was added slowly. After slowly raising to room temperature and stirred for 6 hours. Extract with diethyl ether and wash with NaOH (0.1 M, 3 x 200 mL) and water (3 x 200 mL). The solvent was removed to obtain 2'-bromo-5-decyl-2,3'-bithiophene as the target compound. Yield: (5.9 g, 94%) 1 H-NMR (CDCl 3 , 300 MHz) [ppm]: δ 7.32 (d, J = 3.6 Hz, 1H), 7.26 (d, J = 5.7 Hz, 1H), 7.13 (d, J = 5.7 Hz, 1H), 6.8 (d, J = 3.6Hz, 1H), 2.86 (t, J = 7.5Hz, 2H), 1.77-1.72 (m, 2H), 1.42-1.32 (m, 14H), 0.94 (t, J = 6.3 Hz, 3H).

[제조예 3] 3-(5-데실티오펜-2-일)-2-(5-(5-(3-(5-데실티오펜-2-일)티오펜-2-일)티오펜-2-일)티오펜-2-일)티오펜 (3-(5-Decylthiophene-2-yl)-2-(5-(5-(3-(5-decylthiophene-2-yl)thiophene-2-yl) thiophene-2-yl)thiophene-2-yl)thiophene ; DDT) 의 합성Preparation Example 3 3- (5-decylthiophen-2-yl) -2- (5- (5- (3- (5-decylthiophen-2-yl) thiophen-2-yl) thiophene -2-yl) thiophen-2-yl) thiophene (3- (5-Decylthiophene-2-yl) -2- (5- (5- (3- (5-decylthiophene-2-yl) thiophene-2 -yl) thiophene-2-yl) thiophene-2-yl) thiophene (DDT)

Figure 112010012768234-pat00007
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2’-브로모-5-데실-2,3’-바이티오펜 (제조예 2, 6.5 g, 16.86 mmol)과 5,5’-비스(트라이부틸스탠닐)-2,2’-바이티오펜 (3.32 mL, 6.75 mmol)을 톨루엔에 녹인다. Pd(PPh3)4 (0.23 g, 0.2 mmol)를 첨가한 후 100℃에서 24 시간동안 교반한다. 메틸렌 다이클로라이드를 이용하여 추출한 후 헥산을 이용하여 컬럼크로마토그래피로 정제하여 목적화합물인 3-(5-데실티오펜-2-일)-2-(5-(5-(3-(5-데실티오펜-2-일)티오펜-2-일)티오펜-2-일)티오펜-2-일)티오펜(DDT)을 수득하였다. 수율: 2.3 g, 49 % 1H-NMR (300 MHz, CDCl3) δ (ppm): aromatic (C-H), 7.287.25 (m, 2H), 7.157.13 (d, 2H), 7.057.02 (m, 4H), 6.926.91 (d, 2H), 6.706.69 (d, 2H), aliphatic (C-H) 2.832.78 (t, 4H), 1.721.63 (m, 4H), 1.371.27 (m, 28H), 0.910.87 (t, 6H).
2'-bromo-5-decyl-2,3'-bithiophene (Preparation Example 2, 6.5 g, 16.86 mmol) and 5,5'-bis (tributylstannyl) -2,2'-biti Offen (3.32 mL, 6.75 mmol) is dissolved in toluene. Pd (PPh 3 ) 4 (0.23 g, 0.2 mmol) is added and stirred at 100 ° C. for 24 h. Extracted with methylene dichloride and purified by column chromatography using hexane to obtain the target compound 3- (5-decylthiophen-2-yl) -2- (5- (5- (3- (5-de) Silthiophen-2-yl) thiophen-2-yl) thiophen-2-yl) thiophen-2-yl) thiophene (DDT) was obtained. Yield: 2.3 g, 49% 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 ) δ (ppm): aromatic (CH), 7.287.25 (m, 2H), 7.157.13 (d, 2H), 7.057.02 ( m, 4H), 6.926.91 (d, 2H), 6.706.69 (d, 2H), aliphatic (CH) 2.832.78 (t, 4H), 1.721.63 (m, 4H), 1.371.27 (m , 28H), 0.910.87 (t, 6H).

[제조예 4] 5-브로모-2-(5-(5-(5-브로모-3-(5-데실티오펜-2-일)티오펜-2-일)티오펜-2-일)티오펜-2-일)-3-(5-데실티오펜-2-일)티오펜 (5-Bromo-2-(5-(5-(5-bromo-3-(5-decylthiophene-2-yl)thiophene-2-yl) thiophene -2-yl)thiophene-2-yl)-3-(5-decylthiophene-2-yl)thiophene; BDDT)의 합성Preparation Example 4 5-Bromo-2- (5- (5- (5-bromo-3- (5-decylthiophen-2-yl) thiophen-2-yl) thiophen-2-yl ) Thiophen-2-yl) -3- (5-decylthiophen-2-yl) thiophene (5-Bromo-2- (5- (5- (5-bromo-3- (5-decylthiophene-2-2) Synthesis of -yl) thiophene-2-yl) thiophene-2-yl) thiophene-2-yl) -3- (5-decylthiophene-2-yl) thiophene; BDDT

Figure 112010012768234-pat00008
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DDT (제조예 3, 0.5 g, 0.64 mmol)을 DMF (5 mL)에 녹인 후 0℃에서 NBS (0.25 g, 1.42 mmol)를 천천히 적하시킨다. 5시간이 지난 후 2 M HCl을 첨가한 후 다이에틸이써를 이용하여 추출한다. MgSO4로 수분을 제거한 후 헥산을 이용하여 컬럼한 후 아세톤으로 재결정하여 목적화합물인 5-브로모-2-(5-(5-(5-브로모-3-(5-데실티오펜-2-일)티오펜-2-일)티오펜-2-일)티오펜-2-일)-3-(5-데실티오펜-2-일)티오펜(BDDT)를 수득하였다. 수율 :0.4 g, 68 %. 1H-NMR (300 MHz, CDCl3) δ (ppm): aromatic (C-H), 7.287.25 (m, 2H), 7.28 (2, 2H), 7.16.98 (m, 4H), 6.896.88 (d, 2H), 6.696.67 (d, 2H), aliphatic (C-H) 2.812.76 (t, 4H), 1.721.62 (m, 4H), 1.361.27 (m, 28H), 0.920.87 (t, 6H).
DDT (Preparation Example 3, 0.5 g, 0.64 mmol) was dissolved in DMF (5 mL), and NBS (0.25 g, 1.42 mmol) was slowly added dropwise at 0 ° C. After 5 hours, 2 M HCl is added and extracted with diethyl ether. After removing water with MgSO 4 and columning with hexane and recrystallization with acetone, the target compound 5-bromo-2- (5- (5- (5-bromo-3- (5-decylthiophen-2) -Yl) thiophen-2-yl) thiophen-2-yl) thiophen-2-yl) -3- (5-decylthiophen-2-yl) thiophene (BDDT) was obtained. Yield: 0.4 g, 68%. 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 ) δ (ppm): aromatic (CH), 7.287.25 (m, 2H), 7.28 (2, 2H), 7.16.98 (m, 4H), 6.896.88 ( d, 2H), 6.696.67 (d, 2H), aliphatic (CH) 2.812.76 (t, 4H), 1.721.62 (m, 4H), 1.361.27 (m, 28H), 0.920.87 (t , 6H).

[실시예 1] 폴리(3,4‘’‘-다이(데실티오페닐)쿼터티오펜) (Poly(3,4’‘’-di(decylthiophenyl) quaterthiophene; [Example 1] Poly (3,4 ''-di (decylthiophenyl) quaterthiophene) (Poly (3,4 '' '-di (decylthiophenyl) quaterthiophene; PDTQTPDTQT ) 의 합성Synthesis of

Figure 112010012768234-pat00009
Figure 112010012768234-pat00009

100 mL의 3-구 둥근 플라스크 내부의 수분을 완전히 제거한 다음 DMF (5 mL), toluene (3 mL), Ni(COD) (0.44 g, 1.61 mmol), COD (0.17 g, 1.61 mmol), 와 BPY (0.25 g, 1.61 mmol)를 넣고 60℃에서 1시간 동안 교반한다. BDDT (제조예 4, 0.5 g, 0.54 mmol)를 toluene (20mL)에 녹인 후 천천히 첨가한다. 80℃에서 48시간동안 교반 후 2-브로모나프탈렌을 가하고 6시간동안 교반한다. 그런 다음, 클로로폼/메탄올(1:1, 200 mL)에 상기 반응물을 넣고, 고형분을 여과한 후 톨루엔을 이용하여 soxhlet하여 목적화합물인 폴리(3,4‘’‘-다이(데실티오페닐)쿼터티오펜) (PDTQT)를 수득하였다. 수율 : 50 %. Mn = 12,700, 다분산도 1.68, 1H-NMR (300 MHz, CDCl3) δ (ppm): aromatic (C-H), 7.56.5 (br, 10H), aliphatic (C-H), 3.02.5 (br, 4H), 1.50.5 (br, 38H).
The water inside the 100 mL three-necked round flask was completely removed, followed by DMF (5 mL), toluene (3 mL), Ni (COD) (0.44 g, 1.61 mmol), COD (0.17 g, 1.61 mmol), and BPY (0.25 g, 1.61 mmol) was added and stirred at 60 ° C for 1 hour. BDDT (Preparation 4, 0.5 g, 0.54 mmol) is dissolved in toluene (20 mL) and slowly added. After stirring at 80 ° C. for 48 hours, 2-bromonaphthalene is added and stirred for 6 hours. Then, add the reactant to chloroform / methanol (1: 1, 200 mL), filter the solids, and soxhlet with toluene to give poly (3,4 '''-di (decylthiophenyl) as a target compound. Quarterthiophene) (PDTQT) was obtained. Yield: 50%. Mn = 12,700, polydispersity 1.68, 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 ) δ (ppm): aromatic (CH), 7.56.5 (br, 10H), aliphatic (CH), 3.02.5 (br, 4H), 1.50.5 (br, 38H).

[[ 실시예Example 2]  2] 폴리Poly (3,4‘’‘-(3,4 ’’ ’- 다이(데실티오페닐)섹시티오펜Di (decylthiophenyl) sexy thiophene ) (Poly(3,4’‘’-di() (Poly (3,4 ’’ ’-di ( decylthiophenyldecylthiophenyl ) ) sexithiophenesexithiophene ); ); PDTSTPDTST )의 합성) Synthesis

Figure 112010012768234-pat00010
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100 mL의 3-구 둥근 플라스크 내부의 수분을 완전히 제거한 다음, 무수 톨루엔 (30 mL)에 BDDT (제조예 4, 1 g, 1.07 mmol)와 5,5’-비스(트라이부틸스탠닐)-2,2’-바이티오펜 (0.53 g, 1.07 mmol)을 넣고 녹인 후, Pd(PPh3)4 (0.03g)을 첨가하고 80℃, 질소기류 하에서 24시간 반응시킨 후 2-브로모나프탈렌 (0.05 g)을 넣고 6시간 반응시킨다. 클로로폼/메탄올(1:1, 200 mL)에 상기 반응물을 넣은 후 고형분을 여과한 후 톨루엔을 이용하여 soxhlet하여 목적화합물인 폴리(3,4‘’‘-다이(데실티오페닐)섹시티오펜) (PDTST)을 수득하였다. 수율 : 60 %. Mn = 7,500, 다분산도 1.48, 1H-NMR (300 MHz, CDCl3) δ (ppm): aromatic (C-H), 7.16.8 (br, 14H), aliphatic (C-H), 2.7 (br, 4H), 1.60.9 (br, 38H).
The water inside the 100 mL three-necked round flask was completely removed, and then BDDT (Preparation 4, 1 g, 1.07 mmol) and 5,5'-bis (tributylstannyl) -2 in anhydrous toluene (30 mL) -2 , 2'-bithiophene (0.53 g, 1.07 mmol) was added to dissolve it, and then Pd (PPh 3 ) 4 (0.03 g) was added thereto and reacted at 80 ° C. under a nitrogen stream for 24 hours, followed by 2-bromonaphthalene (0.05 add g) and react for 6 hours. The reaction product was added to chloroform / methanol (1: 1, 200 mL), and then the solid was filtered and soxhleted using toluene to give poly (3,4 '''-di (decylthiophenyl) Sexythiophene as a target compound. ) (PDTST) was obtained. Yield: 60%. Mn = 7,500, polydispersity 1.48, 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 ) δ (ppm): aromatic (CH), 7.16.8 (br, 14H), aliphatic (CH), 2.7 (br, 4H) , 1.60.9 (br, 38H).

[실시예 3] 유기반도체 소자제작Example 3 Fabrication of Organic Semiconductor Device

OTFT 소자는 탑-컨택 방식으로 제작하였으며, 300 nm의 n-doped silicon 을 게이트로 사용하였으며 SiO2를 절연체로 사용하였다. 표면처리는 piranha cleaning solution(H2SO4:2H2O2)을 사용하여 표면세척을 한 다음, Adrich사의 OTS(octadecyltrichlorosilane)을 이용해 표면을 SAM(Self Assemble Monolayer)처리 한 후 사용하였다. 유기반도체층은 0.7 wt% chloroform solution을 spin-coater를 사용하여 2000 rpm의 속도로 1분간 코팅하였다. 유기 반도체 물질로는 상기 실시예 1 및 2에서 합성된 PDTQT 및 PDTST를 각각 사용하였다. 유기반도체층의 두께는 surface profiler (Alpha Step 500, Tencor)를 사용하여 45 nm 로 확인하였다. 소스와 드레인으로 사용된 gold는 1 A/s로 50 nm의 두께로 증착하였다. 채널의 길이는 1000 μm 이며 폭은 2000 μm이다. OTFT의 특성의 측정은 Keithley 2400과 236 source/measure units 를 사용하였다. The OTFT device was fabricated in a top-contact manner, using 300 nm n-doped silicon as a gate and SiO 2 as an insulator. Surface treatment was performed using a piranha cleaning solution (H 2 SO 4 : 2H 2 O 2 ) and then the surface using Adrich's OTS (octadecyltrichlorosilane) to SAM (Self Assemble Monolayer) was used. The organic semiconductor layer was coated with 0.7 wt% chloroform solution using a spin-coater for 1 minute at 2000 rpm. As the organic semiconductor material, PDTQT and PDTST synthesized in Examples 1 and 2 were used, respectively. The thickness of the organic semiconductor layer was 45 nm using a surface profiler (Alpha Step 500, Tencor). Gold used as the source and drain was deposited to a thickness of 50 nm at 1 A / s. The channel is 1000 μm long and 2000 μm wide. The measurement of OTFT characteristics was done using Keithley 2400 and 236 source / measure units.

전하이동도는 하기 포화영역(saturation region) 전류식으로부터 (ISD)1/2 과 VG를 변수로 한 그래프를 얻고 그 기울기로부터 구하였다. The charge mobility was obtained from (S SD ) 1/2 and V G as variables from the saturation region current equation and obtained from the slope.

Figure 112010012768234-pat00011
Figure 112010012768234-pat00011

상기 식에서, ISD는 소스-드레인 전류이고, μ 또는 μFET는 전하 이동이이며, C0는 산화막 정전용략이고, W는 채널 폭이며, L은 채널 길이이고, VG는 게이트 전압이며, VT는 문턱전압이다. 또한 차단 누설전류(Ioff)는 오프 상태일 때 흐르는 전류로서, 전류비에서 오프 상태에서 최소전류로 구하였다.
Where I SD is the source-drain current, μ or μ FET is the charge transfer, C 0 is the oxide capacitance, W is the channel width, L is the channel length, V G is the gate voltage, and V is T is the threshold voltage. In addition, the cutoff leakage current I off is a current flowing in the off state, and is determined as the minimum current in the off state in the current ratio.

상기 실시예 1 및 2에서 합성된 유기반도체 화합물(PDTQT 및 PDTST)의 열적성질을 질소 분위기 하에서 40 ℃부터 700 ℃까지 분(min)당 10 ℃로 가열하여 열중량분석(TGA)에 의해 조사하였으며, 상기 실시예 1 및 2에서 합성된 유기반도체 화합물(PDTQT 및 PDTST)의 그 결과를 도 2에 도시하였다. 실시예 1 및 2에서 합성된 유기반도체 화합물(PDTQT 및 PDTST)은300 ℃이상의 고온에서 분해가 관찰되지 않아 매우 우수한 열안정성을 가지고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 3과 도 4로부터 실시예 1 및 2에 따른 유기반도체 화합물(PDTQT 및 PDTST)은 용액상태와 필름상에서 장파장 영역으로 이동하는 것으로 분자간 파이 결합이 증가하는 것을 알 수 있다. 하기 표 1에 PDTST 및 PDTQT의 광학적 및 전기화학적 성질을 나타내었다.The thermal properties of the organic semiconductor compounds (PDTQT and PDTST) synthesized in Examples 1 and 2 were investigated by thermogravimetric analysis (TGA) by heating at 40 캜 to 700 캜 at 10 캜 per minute under a nitrogen atmosphere. The results of the organic semiconductor compounds (PDTQT and PDTST) synthesized in Examples 1 and 2 are shown in FIG. 2. The organic semiconductor compounds (PDTQT and PDTST) synthesized in Examples 1 and 2 can be seen that the decomposition is not observed at a high temperature of more than 300 ℃ has a very excellent thermal stability. In addition, it can be seen from FIG. 3 and FIG. 4 that the organic semiconductor compounds (PDTQT and PDTST) according to Examples 1 and 2 move to the long wavelength region in the solution state and the film to increase the intermolecular pi bonds. Table 1 shows the optical and electrochemical properties of PDTST and PDTQT.

[표 1]TABLE 1

Figure 112010012768234-pat00012
Figure 112010012768234-pat00012

도 5는 실시예1과 실시예2에 따른 유기반도체 화합물(PDTQT, PDTST)를 이용하여 실시예 3로 제작된 소자의 out-of-plane GIXD image를 나타내는 도면으로 interlayer d spacings이 26.34 Å(PDTST)와 24.51 Å(PDTQT)를 나타내고 있다. FIG. 5 is a diagram illustrating an out-of-plane GIXD image of the device fabricated in Example 3 using the organic semiconductor compounds PDTQT and PDTST according to Examples 1 and 2. The interlayer d spacings were 26.34 Å (PDTST). ) And 24.51 dB (PDTQT).

도 6는 실시예1과 실시예2에 따른 유기반도체 화합물(PDTQT, PDTST)를 이용하여 실시예 3로 제작된 소자의 AFM images (a: PDTST의 필름상태, b: PDTQT의 필름상태, c: 100°C에서 어닐링한 PDTST의 필름상태, d) 100°C에서 어닐링한 PDTST의 필름상태)를 나타내는 도면으로 어닐링한 후 분자의 결정성이 증가하는 그림을 나타내고 있다. 6 shows AFM images (a: film state of PDTST, b: film state of PDTQT) of the device fabricated in Example 3 using the organic semiconductor compounds (PDTQT, PDTST) according to Example 1 and Example 2. The film state of PDTST annealed at 100 ° C., d) the film state of PDTST annealed at 100 ° C.) shows an illustration of increasing crystallinity of the molecule after annealing.

또한, 도 7은 실시예1과 실시예2에 따른 유기반도체 화합물(PDTQT, PDTST)를 이용하여 실시예 3로 제작된 소자에서 유기반도체 특성(a: PDTST의 transfer curve, b: PDTQT의 transfer curve, c : PDTST의 output curve, d: PDTST의 TOF)을 나타내는 도면으로 고분자 재료의 유기반도체 특성을 나타내는 그림이다. In addition, Figure 7 shows the organic semiconductor characteristics (a: PDTST transfer curve, b: PDTQT transfer curve in the organic semiconductor compound (PDTQT, PDTST) according to Example 3 using the organic semiconductor compounds according to Examples 1 and 2 , c: output curve of PDTST, d: TOF of PDTST).

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 합성된 유기반도체 재료는 산화안정성이 우수하며 재현성이 우수한 재료임을 알 수 있다. As shown in Figure 8, it can be seen that the organic semiconductor material synthesized in the present invention is a material excellent in oxidation stability and excellent reproducibility.

하기 표 2에 유기반도체 화합물(PDTQT 및 PDTST)을 이용하여 제작된 OFET 소자의 특성을 기재하였다.Table 2 below describes the characteristics of the OFET device fabricated using the organic semiconductor compounds (PDTQT and PDTST).

[표 2]TABLE 2

Figure 112010012768234-pat00013

Figure 112010012768234-pat00013

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 기판 12 : 절연층(insulator)
13 : 유기반도체층(channel material) 14 : 소스(source)
15 : 드레인(drain) 16 : 게이트(gate)
<Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
11 substrate 12 insulator
13: organic semiconductor layer (channel material) 14: source
15: drain 16: gate

Claims (5)

하기 화학식 A 및 화학식 B에서 선택되는 티오펜 유도체가 곁사슬로 하나 이상 치환된 컨쥬게이션 구조를 갖는 중합체인 유기 반도체 화합물.
[화학식 A]
Figure 112011037574417-pat00028

[화학식 B]
Figure 112011037574417-pat00029

[상기 R은 (C1-C30)알킬이고, a는 0 내지 10의 정수이고, b는 1 내지 10의 정수이다.]
An organic semiconductor compound, wherein the thiophene derivative selected from formulas (A) and (B) is a polymer having a conjugation structure in which at least one side chain is substituted.
[Formula A]
Figure 112011037574417-pat00028

[Formula B]
Figure 112011037574417-pat00029

[Wherein R is (C1-C30) alkyl, a is an integer of 0 to 10, and b is an integer of 1 to 10.]
제 1항에 있어서,
상기 유기 반도체 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 유기 반도체 화합물.
[화학식 1]
Figure 112010012768234-pat00015

[Ar3는 화학결합 또는 (C3-C30)헤테로아릴렌이고; R1 및 R2는 서로 독립적으로 (C1-C30)알킬이고; n은 1 내지 100,000의 정수이다.]
The method of claim 1,
The organic semiconductor compound is an organic semiconductor compound represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Figure 112010012768234-pat00015

[Ar 3 is a chemical bond or (C3-C30) heteroarylene; R 1 and R 2 are independently of each other (C1-C30) alkyl; n is an integer from 1 to 100,000.]
제 2항에 있어서,
하기 화학식 2 및 화학식 3으로 표시되는 화합물로부터 선택되는 유기 반도체 화합물.
[화학식 2]
Figure 112011037574417-pat00016

[화학식 3]
Figure 112011037574417-pat00017

[n은 1 내지 100,000의 정수이다.]
The method of claim 2,
An organic semiconductor compound selected from compounds represented by the following formulas (2) and (3).
(2)
Figure 112011037574417-pat00016

(3)
Figure 112011037574417-pat00017

[n is an integer from 1 to 100,000].
제 1항 내지 제 3항에서 선택되는 어느 한 항에 따른 유기반도체 화합물을 유기 반도체층으로 사용하는 유기 박막 트랜지스터.
An organic thin film transistor using the organic semiconductor compound according to any one of claims 1 to 3 as an organic semiconductor layer.
제 4항에 있어서,
상기 유기 박막 트랜지스터의 구조가 기판/게이트전극/절연층/유기 반도체층/소스, 드레인 전극, 또는 기판/게이트전극/절연층/소스, 드레인 전극/유기 반도체층인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
The method of claim 4, wherein
The organic thin film transistor has a structure of a substrate / gate electrode / insulation layer / organic semiconductor layer / source, drain electrode, or a substrate / gate electrode / insulation layer / source, drain electrode / organic semiconductor layer.
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