극성 용매 분산형 DPP 기반 고분자의 설계 및 합성과 광학적 용매 판별 응용 = Design and Synthesis of Polar Solvent Dispersible DPP-Based Polymers and Their Optical Applications in Solvent Discrimination

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we designed and synthesized a diketopyrrolopyrrole (DPP)-based donor–acceptor conjugated polymer that exhibits stable dispersibility in various polar solvents and distinctive optical responses depending on the surrounding solvent environment. The polymer was engineered with glycol-containing side chains to enhance solubility and processability in polar media, and its successful polymerization was confirmed through conjugation-induced red-shift in UV–vis absorption.
Systematic solvent–response experiments revealed that the polymer shows markedly different photodegradation behaviors under visible-light irradiation. While ACN, PC, and MeOH displayed negligible absorbance changes, DMF, NMP, and DMSO induced a gradual decrease in UV–vis absorbance with clear differences in slope values. Moreover, by introducing controlled amounts of these solvents into ACN, we quantitatively determined the onset concentration and sensitivity for each solvent, demonstrating the polymer’s ability to detect subtle changes in solvent composition.
However, UV–vis analysis alone was insufficient to differentiate solvents with similar behaviors, such as NMP and DMSO. To address this limitation, photoluminescence (PL) measurements were employed as an additional indicator, revealing that NMP uniquely exhibits time-dependent PL enhancement. This dual-indicator strategy—combining UV–vis decay and PL evolution—enables reliable discrimination among polar solvents and highlights the potential of DPP-based polymers as optical solvent-sensing materials.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 다양한 극성 용매에서 안정적으로 분산되며, 용매 환경에 따라 서로 다른 광학적 응답을 나타내는 DPP 기반 Donor–Acceptor 공액 고분자를 설계 및 합성하였다. 합성된 고분자는 측쇄 말단에 이온 그룹과, glycol 계열 측쇄의 도입을 통해 극성 용매에서의 용해도와 가공성을 향상시켰으며, 중합 후 UV–vis 흡수의 장파장 이동을 통해 공액 길이 증가와 성공적인 중합을 확인하였다.
가시광선 조사 실험을 통해 고분자의 광분해(photodegradation) 거동을 용매별로 비교한 결과, Acetonitrile (ACN), Propylene Carbonate (PC), MeOH에서는 UV 흡수 변화가 거의 나타나지 않은 반면, Dimethylformamide (DMF), N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP), Dimethylsulfoxide (DMSO)에서는 흡광도가 시간에 따라 감소하는 명확한 차이를 보였다. 또한 이러한 용매를 ACN에 소량 첨가하여 농도 변화에 따른 흡광도 변화를 분석한 결과, 각 용매의 감도와 반응 개시 농도(onset)를 정량적으로 도출할 수 있었다.
그러나 UV–vis 기반 분석만으로는 NMP와 DMSO처럼 유사한 거동을 보이는 용매를 구별하기 어려웠기 때문에, 보조 지표로 PL 분석을 도입하였다. PL 측정 결과에서는 NMP에서만 가시광선 조사 시간에 따라 발광 강도가 증가하는 독특한 거동이 관찰되었으며, 이를 통해 UV–vis 및 PL을 결합한 이중 지표 기반의 용매 판별 전략을 제시하였다. 본 연구는 DPP 기반 고분자가 극성 용매 조성 변화를 감지하는 광학적 센싱 소재로 활용될 수 있음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 iii
• 도식목차 v
• 국문초록 vi
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경. 1
• 제2절 연구목표. 2
• 제2장 실험 3
• 제1절 합성 및 중합 3
• 1. 재료 3
• 2. Compound 1 합성 3
• 3. Compound 2 합성 4
• 4. Compound 3 합성 4
• 5. Compound 4 합성 4
• 6. Compound 5 합성 5
• 7. PDPPTNBrO4 중합 5
• 제2절 고분자 용액 제조 15
• 1. PDPPTNBrO4 제조 15
• 제3절 재료 특성 분석 16
• 1. 질량 분석 16
• 2. 분광 분석 16
• 3. 양자역학적 분석 16
• 제3장 결과 및 고찰 17
• 제1절 재료 설계 및 특성 17
• 제2절 PDPPTNBrO4의 광학 용매 판별 응용 26
• 1. 극성 용매별 가시광선 조사에 따른 UV-vis 흡수 변화 26
• 2. 용매 조성 변화에 따른 광감응도 분석 26
• 3. PL을 통한 보조 분별 분석 27
• 제3절 광학적 변화의 메커니즘 분석 및 가설 제시 35
• 1. Photo-Induced Electron Transfer 가능성 검토 35
• 2. Dark-State 실험을 통한 빛 이외 요인의 검증 36
• 3. NMP의 산소 보조적 분해 및 PL 활성 분해종의 형성 36
• 제4장 결론 41
• 참고문헌 42
• ABSTRACT 49