Design of Functional Polymers and Their Applications in Organic Photodetectors and Lithium-Ion Batteries = 기능성 고분자의 설계 및 이를 활용한 유기 광검출기와 리튬 이온 배터리 응용 연구

국문 초록 (Abstract)

본 학위논문은 유기 광검출기와 리튬 이온 배터리의 핵심 문제를 해결하기 위한 기능성 고분자의 설계 및 응용에 대해 다룬다. 첫 번째 파트에서는 기존 공액 고분자의 구조적 한계를 극복하고 근적외선 영역까지의 광 검출 성능을 향상시키기 위해, 다이라디칼 특성을 갖는 오픈형 공액 고분자 PDPPTBBT를 설계 및 합성하였다. 해당 고분자는 DPP, BBT, thiophene으로 구성된 삼중 공액 구조를 기반으로 하며, 약 0.75 eV의 좁은 밴드갭과 1000 nm 파장 이상의 강한 흡수 특성을 보였다. PDPPTBBT 기반 OPD 소자는 1100 nm 까지의 측정이 가능하며, 1011 Jones 이상의 Detectivity, 120%를 초과하는 외부양자효율을 달성하였다. 전하 수송 분석을 통해 비대칭적인 캐리어 이동이 확인되었으며, 이는 역바이어스 조건에서의 광전류 증폭 특성과 연관되었다.
두 번째 파트에서는 고니켈 양극재(NCM811)에서 용출되는 전이금속 이온(Ni2+, Co2+, Mn2+)에 의한 음극 계면 열화를 억제하기 위해, 말로나마이드 작용기를 도입한 말로나마이드 폴리에터이미드 (MPEI)를 설계하였다. 이를 세라믹 나노입자와 복합화하여 세라믹 코팅 분리막 (MPEI–CCS) 형태로 제작하였으며, 금속 이온을 선택적으로 포착함으로써 고르게 형성된 고체 전해질 계면을 유도하였다. ICP-MS 및 depth XPS 분석 결과, 전이금속 이온의 음극 축적이 현저히 감소하였고, 안정적인 무기 고체 전해질 계면 성분의 비율이 증가함이 확인되었다. MPEI–CCS를 적용한 전지는 우수한 사이클 수명과 계면 안정성을 나타내었다.
본 연구는 기능성 고분자의 분자 구조 설계를 통해 유기 전자소자 및 전기화학 에너지 저장 소자의 성능을 근본적으로 향상시킬 수 있는 전략을 제시하며, 차세대 고분자 기반 소재 개발에 중요한 기여를 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation presents the rational design and application of functional polymers to address two major challenges in organic photodetectors (OPDs) and lithium-ion batteries (LIBs). In the first part, an open-shell conjugated polymer, PDPPTBBT, was developed using diketopyrrolopyrrole (DPP), benzobisthiadiazole (BBT), and thiophene units to overcome the structural limitations of conventional closed-shell polymers in near-infrared (NIR) detection. The polymer exhibited a stabilized diradical character, narrow optical bandgap (~0.75 eV), and strong absorption beyond 1000 nm. OPD devices fabricated using PDPPTBBT blends achieved detectivity over 1011 Jones and external quantum efficiencies (EQE) exceeding 120%, with a photoresponse over 1100 nm. Charge mobility analysis revealed asymmetric carrier transport, contributing to photomultiplication behavior under reverse bias.
In the second part, a malonamide polyetherimide (MPEI) containing malonamide groups was synthesized to mitigate transition metal ion (TM ion) dissolution from high-Ni cathodes in LIBs. The MPEI was hybridized with ceramic nanoparticles to fabricate a ceramic coated separator (MPEI-CCS). This separator selectively captured dissolved Ni2+, Co2+, and Mn2+ ions, thereby preventing their diffusion to the anode and promoting the formation of a uniform and stable solid electrolyte interphase (SEI). ICP-MS and depth XPS analyses confirmed reduced TM ion accumulation and an increased proportion of stable inorganic SEI species. Cells incorporating MPEI-CCS demonstrated improved cycling stability and interfacial integrity.
Together, this work establishes new material strategies for performance enhancement in organic optoelectronic and electrochemical energy storage devices by leveraging the tailored molecular functionalities of novel polymeric systems.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents ⅲ
• List of Figures and Tables ⅴ
• Chapter 1. Introduction and Motivation
• 1.1. Study Background 2
• 1.2. Research Objectives 9
• 1.3. References 12
• Chapter 2. Synthesis and Application of an Open-Shell Conjugated Polymer for Near-infrared Organic Photodetectors
• 2.1. Introduction 16
• 2.2. Experimental Section 19
• 2.3. Results and Discussion 27
• 2.4. Conclusion 41
• 2.5. References 42
• 2.6. Figures and Tables 48
• Chapter 3. Functional Polymer-Based Ceramic Coated Separator for Transition Metal Ion Trapping in NCM811 Lithium-Ion Batteries
• 3.1. Introduction 89
• 3.2. Experimental Section 92
• 3.3. Results and Discussion 97
• 3.4. Conclusion 109
• 3.5. References 110
• 3.6. Figures and Tables 112
• Abstract in Korea 142