초록 ▼

'퀴녹살린 구조를 함유한 고효율 유기 태양 전지용 공액 단분자 개발'이란 주제로 총 3년간 (2013년 6월 1일 ~ 2016년 5월 31일) 수행된 본 연구는 분자 구조 변환이 용이하고 강한 전자 당김 효과를 갖는 등의 여러 장점을 보유하여 최근 많은 각광을 받고 있는 퀴녹살린 (Quinoxaline) 구조를 활용하여, 유기 태양 전지에 적합한 고효율 유기 공액 물질의 개발을 그 주요 목표로 삼고 있다. 또한, 퀴녹살린과 밀접한 관련을 맺고 있으며 전자 당김 효과가 우수한 벤조티아다이졸계 유기 공액 단분자, 퀴녹살린을 함유한 유기

'퀴녹살린 구조를 함유한 고효율 유기 태양 전지용 공액 단분자 개발'이란 주제로 총 3년간 (2013년 6월 1일 ~ 2016년 5월 31일) 수행된 본 연구는 분자 구조 변환이 용이하고 강한 전자 당김 효과를 갖는 등의 여러 장점을 보유하여 최근 많은 각광을 받고 있는 퀴녹살린 (Quinoxaline) 구조를 활용하여, 유기 태양 전지에 적합한 고효율 유기 공액 물질의 개발을 그 주요 목표로 삼고 있다. 또한, 퀴녹살린과 밀접한 관련을 맺고 있으며 전자 당김 효과가 우수한 벤조티아다이졸계 유기 공액 단분자, 퀴녹살린을 함유한 유기 공액 고분자 및 퀴녹살린 결합을 이용한 기능성 그래핀 소재 등 다양한 연관 분야에 대한 연구를 폭넓게 진행하였다. 이와 관련된 연구 결과들을 아래에 요약정리 하였다.

첫 번째로 유기 박막형 태양전지 및 염료감응형 태양전지의 활성층에 적용이 가능한 낮은 밴드갭을 갖고 보다 우수한 성능의 구현이 가능한 다양한 구조의 유기 공액 단분자의 개발을 추진하였다. 1) 우선 전자 받개로 사용된 퀴녹살린 그룹의 다양한 구조 변환을 통하여, 트리페닐아민 전자 주개 및 티오펜 브릿지가 적용된 D-A-D 구조를 갖는 유기 박막형 태양전지 용 유기 공액 단분자들의 구조 및 성능의 최적화를 도모하였다. 2) 또한, 퀴녹살린 그룹의 합성 과정 중에 부가적으로 도출되는 벤조티아다이아졸 (Benzothiadiazole) 전자 받게들이 활용된 여러 종류의 D-A-D 구조의 유기 공액 단분자들에 대한 합성 및 박막형 태양전지로의 적용에 대한 연구를 실시하였으며, 3) 추가적으로 퀴녹살린이 전자 받게로 사용 된 염료감응형 태양전지용 D-A 형태의 유기 염료들을 합성하고 그 특성 분석을 수행하였다. 이와 같이 다양한 방향으로 진행된 접근 방식을 통하여, 여러 형태의 태양전지에 적합한 유기 공액 단분자들의 구조-물성-성능 간의 상호 연관 관계에 대한 보다 심도 있는 연구를 수행하였다.

두 번째로는, 유기 박막형 태양전지의 활성층에 적용이 가능한 유기 공액 고분자들에 대한 연구를 진행하였다. 1) 이를 위하여 우수한 전자 주게 성능 및 평면화된 구조를 갖고 있는 벤조다이티오펜 (Benzodithiophene, BDT) 계열의 전자 도너 물질과 퀴녹살린계 전자 받개 물질들 사이의 Stille 커플링 중합 반응을 통하여 유기 고분자들을 합성하였다. 특히, 퀴녹살린 전자 받개의 다양한 구조 변환을 통하여, 보다 우수한 태양 전지 성능의 구현이 가능한 유기 공액 고분자의 개발을 도모하고자 하였다. 여기서 주목할 점은 첫 번째로 실시된 태양전지용 유기 공액 단분자의 개발에서 도출된 결과를 신규 고분자의 합성에 적용하였다는 것이다. D-A-D 구조를 갖는 퀴녹살린계 유기 공액 단분자들의 경우 퀴녹살린이 위치한 A 부분에 전자를 끌어당기는 전자 받게 치환체들이 존재할수록 우수한 태양전지 특성의 구현이 가 능하였으며, 이에 착안하여 유기 공액 고분자에 사용된 퀴녹살린 전자 받게 구조에 여러 개의 전자 받게 치환체들을 도입하였다. 2) 또한, 기본적인 퀴녹살린 구조와 더불어 이의 유도체인 트리아졸로퀴녹살린 (triazoloquinoxaline) 전자 받게가 단량체가 사용된 유기 공액 고분자 또한 합성하였다. 전자 도너로는 퀴 녹살린계 고분자와 유사한 벤조다이티오펜을 사용하였다. 트리아졸로퀴녹살린은 벤조티아다이졸과 퀴녹살린 구조를 함께 보유하고 있는 물질로써, 매우 강한 전자 받게 성능을 갖고 있어 보다 효율적인 분자 내 전하 절달 과정을 (intramolecular charge transfer, ICT) 통한 보다 낮은 밴드갭의 구현이 가능한 장점을 나타낸다.

세 번째로는, 퀴녹살린 결합이 도입된 기능성 그래핀 소재의 개발에 대한 연구를 수행하였다. 위에 언급 된 첫 번째 및 두 번째 주제인 유기 공액 단분자 또는 고분자에 도입된 퀴녹살린 구조의 합성에는 o-diamine과 α-diketone 사이의 산 촉매하 탈수 반응이 주로 사용되었다. 이에 착안하여, o-diamine을 함유한 유기 공액 단분자 물질들과 다량의 α-diketone 그룹을 함유한 그래핀 옥사이드 (graphene oxide, GO) 간의 반응을 통하여 다양한 유기 공액 물질들이 화학적으로 도입된 기능성 그래핀 소재들의 합성에 대한 연구를 실시하였다. 최근, 그래핀이 나타내는 우수한 물성 및 특성에 기인하여 다양한 에너지 저장 변환 소자들의 전극 물질로 활용될 수 있는 기능성 그래핀 소재들의 개발이 많은 주목을 받고 있는 상황을 고려하여, 본 연구 에서는 2,3-diaminopyridine과 3,4-diamopyridine 등의 o-diamine 화합물들을 활용하였다. 우수한 전기화학적 특성을 나타내는 피리딘 그룹 도입을 성공적인 도입 통하여, 슈퍼캐패시터 및 연료 전지의 전극에 적용 시 향상된 성능의 구현이 가능한 다양한 기능성 그래핀 소재를 합성하고 그 특성을 분석하였다.

이와 같이 본 연구에서는 퀴녹살린 구조를 함유한 유기 공액 단분자, 유기 공액 고분자 및 그래핀 유도체 등과 같은 다양한 종류의 기능성 소재들의 개발에 관한 심도 있는 연구들이 수행되었다. 합성된 퀴녹살린 구조를 갖는 여러 기능성 물질들을 박막형 유기태양전지, 염료감응형 태양전지, 슈퍼캐패시터 및 연료전지 등과 같은 각각의 차별화된 응용 분야에 적용할 경우 이와 관련된 우수한 소자 성능의 구현 또한 가능 하였다. 본 연구에서 수행된 여러 연구 주제들은 각각 개별적인 것이 아니라, 서로 긴밀한 상호 연관 관계를 바탕으로 진행되었다. 본 연구를 통하여 얻어진 다방면의 우수한 결과들은 향후 퀴녹살린 구조를 함유한 다양한 기능성 유기 공액 물질의 개발에 널리 사용될 수 있을 것으로 예상되며, 특히 구조-물성-성능 간의 이해를 바탕으로 한 보다 차별화된 신물질 개발에 매우 유용할 것으로 사료된다.
(출처:요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 8