KR101350376B1 - 3 차원 다공성 구조체, 그의 제조 방법, 및 그의 용도 - Google Patents
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Abstract
본원은 슬라이드 코팅(Slide coating) 방법에 의해 형성되는 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법, 상기 방법에 의해 제조되는 3 차원 다공성 구조체 및 이를 포함하는 광전 소자를 제공한다.
Description
본원은 슬라이드 코팅(slide coating) 방법을 이용하는 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법, 상기 방법에 의해 제조되는 상기 3 차원 다공성 구조체, 및 상기 3 차원 다공성 구조체의 용도에 관한 것이다.
일반적으로 광결정(photonic crystal)이란 빛의 일정한 진동수(frequency) 범위의 전달을 억제하는 밴드갭(band gap)을 가지는 주기적 유전체 구조를 말한다. 광결정에 관한 연구는 1987년 미국의 물리학자들이 빛의 파장 크기 수준의 주기로 굴절률이 반복되는 결정구조를 만들면, 특정 파장의 빛을 완전히 배제 또는 반사시킬 수 있음을 주장하면서 시작되었다.
이상적인 광결정 구조는 이론적으로 광 증폭 및 제어, 선택적 반사 등의 매우 매력적인 특성을 갖고 있어 여러 영역의 응용 분야의 관심을 받고 있으나, 실제로 이러한 구조를 제작하는 데에 많은 어려움을 안고 있으며, 이에 관한 연구가 현재 활발히 진행 중이다. 종래 광결정을 형성하는 방법으로는 주로 리소그래피(lithography)나 자기조립(self-assembly) 등을 이용하여 1, 2, 3 차원 광결정 구조를 만들 수 있으며, 광결정 구조(예를 들어, 역 오팔 구조)를 제조하는 대표적인 방법으로는 희생입자 주형(template)을 다양한 방식으로 제작하여 그 주형 사이사이의 틈으로 기능성 물질 전구체(precursor)를 주입한 후 반응시키고 희생입자를 제거하는 방법이 있다. 이러한 방식은 전구체 주입의 어려움과 전구체의 반응 시 발생하는 부산물 등으로 인해 광결정 구조제작이 쉽지 않다. 또한 기능성 입자를 수 나노 크기로 합성한 후 희생입자 주형에 주입하는 방법이 있는데, 이러한 방법에 의해 만들어진 광결정 구조는 비교적 완벽하지만, 희생입자 사이로의 주입이 더욱 어려워져, 제작 시간이 매우 오래 걸린다.
광결정 구조의 다양한 활용에 거는 큰 기대와는 달리 원초적인 광결정 구조의 제작 방법에 대한 많은 지적들이 아직 해결되지 않았으며, 보다 완벽하고 비교적 간단한 광결정 제작 방법이 필요하다.
본원은 결함(defect)이나 크랙(crack)이 최소화된, 규칙적으로 정렬된 대면적의 3 차원의 다공성 구조체를 제공하고자 한다. 또한 슬라이드 코팅 방법을 사용하여 상기 3 차원의 다공성 구조체의 제조 공정을 단순화하고 제조 시간을 단축하고자 한다. 이에, 본원은 슬라이드 코팅(slide coating) 방법을 이용하는 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법, 상기 방법에 의해 제조되는 상기 3 차원 다공성 구조체, 및 상기 3 차원 다공성 구조체의 용도를 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본원의 일 측면은, 하부 기판 상에 스페이서(spacer)를 형성하는 단계; 상기 스페이서 상에 홀을 가지는 상부 기판을 배치하는 단계; 나노입자 및 상기 나노입자보다 큰 크기를 가지는 희생입자가 용매 중에 분산된 혼합 입자 분산액을 상기 상부 기판의 홀을 통하여 주입함으로써 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 상기 혼합 입자 분산액 층을 형성하는 단계; 상기 상부 기판을 상기 하부 기판에 대하여 평행한 방향으로 이동시키면서 상기 상부 기판의 이동에 의해 공기 중으로 노출되는 상기 혼합 입자 분산액 층을 건조시켜 나노입자-희생입자 복합층을 형성하는 단계; 및 상기 나노입자-희생입자 복합층으로부터 상기 희생입자를 제거하는 단계: 를 포함하는, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법을 제공한다.
본원의 다른 측면은, 상기 본원의 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법에 의해 제조되는 3 차원 다공성 구조체를 제공한다.
본원의 또 다른 측면은, 상기 본원의 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법에 의해 제조되는 3 차원 다공성 구조체를 포함하는 광전 소자를 제공한다.
본원의 또 다른 측면은, 상기 본원의 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법에 의해 제조되는 3 차원 다공성 구조체를 포함하는 광센서를 제공한다.
본원의 또 다른 측면은, 상기 본원에 따른 3 차원 다공성 구조체 및 상기 3 차원 다공성 구조체에 흡착된 감광성 염료를 포함하는 광전극을 제공한다.
본원의 또 다른 측면은, 상기 본원에 따른 3 차원 다공성 구조체 및 상기 3 차원 다공성 구조체에 흡착된 감광성 염료를 포함하는 광전극을 포함하는, 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본원의 또 다른 측면은, 상기 본원에 따른 광전극을 포함하는 광촉매 코팅제를 제공한다.
본원은 결함(Defect)이나 크랙(Crack)이 최소한으로 억제된, 규칙적으로 정렬된 대면적의 3 차원의 다공성 구조체를 제공한다. 또한 슬라이드 코팅이라는 간단한 공정에 의해 상기 대면적의 3 차원 다공성 구조체를 단시간에 제조할 수 있으며, 상기 슬리이드 코팅의 공정 조건을 달리하여 3 차원 다공성 구조체의 두께를 용이하게 조절할 수 있다.
본원의 제조 방법에 의해 형성된 3 차원 다공성 구조체는 광반사 및 광제어, 증폭을 가능하게 하는 광결정 구조로서 사용이 가능하므로, 다양한 화합물 또는 바이오 물질 검출을 위한 광센서, 기체 센서, 광촉매 코팅제, 및, 광 가이드, 태양전지, 레이저 등의 광전 소자로 널리 응용될 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 3 차원 다공성 구조체를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 슬라이드 코팅(slide coating) 방법을 설명하는 그림이다.
도 3은 본원의 일 구현예에 따른 나노입자-희생입자 복합층을 형성하는 방법을 설명하는 그림이다.
도 4는 본원의 일 구현예에 따른 상부 기판의 이동속도와 나노입자-희생입자 복합층의 두께의 상관관계를 보여주는 그림이다.
도 5는 본원의 일 구현예에 따라 제조된 3 차원 다공성 구조체의 단면도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 다양한 크기의 산화티탄(TiO2) 나노입자를 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 다양한 크기의 산화티탄 나노입자에 대한 XRD 회절분석 그래프이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 다양한 크기의 폴리스타이렌 희생입자를 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 다양한 크기의 폴리스타이렌 희생입자의 반사율을 측정한 그래프이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 3 차원 다공성 구조체의 윗면을 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 3 차원 다공성 구조체의 단면을 전자현며경으로 관찰한 사진이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 희생입자의 크기에 따른 반사율과 반사파장을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본원의 일 구현예에 따라 제조된 3 차원 다공성 구조체를 포함하는 염료감응형 태양전지의 단면도이다.
도 14는 서로 다른 두께의 3 차원 다공성 구조체를 가지는 염료감응형 태양전지의 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 슬라이드 코팅(slide coating) 방법을 설명하는 그림이다.
도 3은 본원의 일 구현예에 따른 나노입자-희생입자 복합층을 형성하는 방법을 설명하는 그림이다.
도 4는 본원의 일 구현예에 따른 상부 기판의 이동속도와 나노입자-희생입자 복합층의 두께의 상관관계를 보여주는 그림이다.
도 5는 본원의 일 구현예에 따라 제조된 3 차원 다공성 구조체의 단면도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 다양한 크기의 산화티탄(TiO2) 나노입자를 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 다양한 크기의 산화티탄 나노입자에 대한 XRD 회절분석 그래프이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 다양한 크기의 폴리스타이렌 희생입자를 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 다양한 크기의 폴리스타이렌 희생입자의 반사율을 측정한 그래프이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 3 차원 다공성 구조체의 윗면을 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 3 차원 다공성 구조체의 단면을 전자현며경으로 관찰한 사진이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 희생입자의 크기에 따른 반사율과 반사파장을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본원의 일 구현예에 따라 제조된 3 차원 다공성 구조체를 포함하는 염료감응형 태양전지의 단면도이다.
도 14는 서로 다른 두께의 3 차원 다공성 구조체를 가지는 염료감응형 태양전지의 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 명세서에서 사용되는 용어 “스페이서(spacer)” 는 두 개 또는 그 이상의 물체 사이에 공간(space)을 제공하기 위하여 사용되는 것을 의미한다. 예를 들어, 두 개의 기판 사이에 위치하여, 상기 두 개의 기판 사이에 공간을 형성하기 위해 사용되는 것을 의미하며, 상기 스페이서의 형상 및/또는 구조로서 당업계에 공지된 것을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다.
본원의 일 측면에 따른 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법은, 하부 기판 상에 스페이서(spacer)를 형성하는 단계; 상기 스페이서 상에 홀을 가지는 상부 기판을 배치하는 단계; 나노입자 및 상기 나노입자보다 큰 크기를 가지는 희생입자가 용매 중에 분산된 혼합 입자 분산액을 상기 상부 기판의 홀을 통하여 주입함으로써 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 상기 혼합 입자 분산액 층을 형성하는 단계; 상기 상부 기판을 상기 하부 기판에 대하여 평행한 방향으로 이동시키면서 상기 상부 기판의 이동에 의해 공기 중으로 노출되는 상기 혼합 입자 분산액 층을 건조시켜 나노입자-희생입자 복합층을 형성하는 단계; 및 상기 나노입자-희생입자 복합층으로부터 상기 희생입자를 제거하는 단계: 를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노입자는 솔-젤(sol-gel) 반응에 의해 입자를 형성하고, 상기 입자를 탑-다운(top-down) 방식에 의하여 상기 나노입자를 형성하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예시적 구현예에 있어서, 상기 탑-다운 방식은 펩티제이션(peptization) 방법을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노입자를 형성하는 방법은 수열 합성(hydrothermal synthesis)하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예시적 구현예에 있어서, 상기 수열합성은 1 시간 내지 10 시간 동안 실시되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노입자는 Mn, Ni, Gd, Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, 상기 금속 각각의 산화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노입자의 평균 입경은 약 1 nm 내지 약 30 nm 인 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 나노입자의 크기가 작을수록 보다 균일한 3 차원 다공성 구조체가 형성될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 희생입자는 무기 입자, 유기 입자 또는 이들의 혼합 입자를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 희생입자는 실리카(SiO2), 폴리부틸메타크릴레이트(PBMA), 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌/폴리디비닐벤젠(PS/PDVB = polystyrene/polydivinylbenzene), 폴리아미드, 폴리(부틸메타크릴레이트-디비닐벤젠)(PBMA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 희생입자의 평균 입경은 약 0.1 ㎛ 내지 약 2 ㎛ 인 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 희생입자의 크기가 클수록, 슬라이드 코팅에 의해 나노입자-희생입자 복합층을 형성하는 과정에서 상기 복합층의 탈리를 줄일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 희생입자의 제거는 산 용액에 의한 용해 처리, 유기 용매에 의한 용해 처리 또는 소성(calcination) 처리에 의하여 수행되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 희생입자는 실리카(SiO2) 입자인 경우, HF 수용액을 이용하여 실리카(SiO2) 입자를 용해하여 제거할 수 있다. 상기 희생입자가 상기한 바와 같은 고분자를 포함하는 유기 입자인 경우, 상기 유기 입자는 상기 유기 입자를 용해할 수 있는 적절한 유기 용매에 의한 용해 처리 또는 소성(calcination) 처리에 의하여 제거될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합 입자 분산액 층의 건조는, 상기 혼합 입자 분산액 층으로부터 용매의 제거 정도를 조절하여 상기 3 차원 다공성 구조의 두께를 조절하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상부 기판의 홀 상에 속이 빈 형태의 구조체를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상부 기판 상의 홀의 크기는 약 1 mm 내지 약 5 mm 이내일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상부 기판의 이동 속도는 약 0.1 cm/h 내지 약 10 cm/h 로 조절할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예시적 구현예에 있어서, 상기 상부 기판은 상기 상부 기판의 이동 속도를 일정하게 조절할 수 있는 모터와 연결되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상부 기판의 표면은 소수성 물질이 코팅되어 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 용매는 물, 유기 용매, 물-유기 혼합 용매 또는 고분자 매질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 유기 용매는, 예를 들어, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아마이드(DMAc) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 고분자 매질은, 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 등의 수용성 고분자 또는 그의 수용액을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하부 기판은 유리, 금속, 금속 산화물, 반도체, 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하부 기판은 상기 하부 기판의 표면이 친수성 물질로 코팅되어 있는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 스페이서의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 스페이서의 두께에 따라, 이후 제조되는 3 차원 다공성 구조체의 두께가 결정된다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3차원 다공성 구조체는 단순입방구조(simple cubic, SC), 면심입방구조(face-centered cubic, FCC), 또는 체심입방구조(body-centered cubic, BCC)로 배열되어 있는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3차원 다공성 구조체의 기공은 규칙적으로 정렬된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본워의 다른 측면은 본원의 제조 방법에 의해 형성되는 3 차원 다공성 구조체를 제공한다. 일 구현예에서, 상기 3 차원 다공성 구조체의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 인 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 또 다른 측면은 상기 본원의 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법에 의해 제조되는 3 차원 다공성 구조체를 포함하는 광전 소자를 제공한다.
본원의 또 다른 측면은 상기 본원의 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법에 의해 제조되는 3 차원 다공성 구조체를 포함하는 광전극을 제공한다.
본원의 또 다른 측면은 상기 본원에 따른 광전극을 포함하는, 염료감응형 태양전지를 제공한다.
상기 3 차원 다공성 구조체, 상기 광전 소자, 상기 광전극 및 상기 염료감응형 태양전지는 상기 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법에 대하여 기술된 내용을 모두 포함할 수 있으며, 편의상 중복기재를 생략한다.
이하, 도 1 내지 도 14를 참조하여, 본원의 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법 및 이에 의해 제조되는 3 차원 다공성 구조체의 일 구현예에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본원의 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법은 하부 기판 상에 스페이서를 형성하는 단계(S1); 상기 스페이서 상에 홀을 가지는 상부 기판을 배치하는 단계(S2); 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 혼합 입자 분산액을 형성하는 단계(S3): 슬라이드 코팅에 의해 나노입자-희생입자 복합층을 형성하는 단계(S4); 및 상기 나노입자-희생입자 복합층에서 희생입자를 제거하는 단계(S5)를 포함한다.
하부 기판과 상부 기판은 서로 평행하게 배치되어 있을 수 있으며, 상기 스페이서는 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 위치하여 상기 두 개의 기판 사이에 공간을 형성한다. 상기 스페이서는 두 개 또는 그 이상의 막대형 또는 판형 플레이트로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 스페이서가 두 개의 막대형 또는 판형 플레이트로 형성되는 경우, 상기 두 개의 플레이트 각각은 상기 하부 기판 양 말단부에 각각 평행하게 배치되어 있을 수 있다.
본원의 3 차원 다공성 구조체를 형성하기 위해서는 우선 나노입자와 희생입자를 합성한다.
상기 나노입자는, 예를 들어, Mn, Ni, Gd, Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, 상기 금속 각각의 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있다. 상기 나노입자는 솔-젤(sol-gel) 반응에 의해 입자를 형성하고, 이후 탑-다운(top-down) 방식, 예를 들어 펩티제이션(peptization)에 의하여 제조될 수 있다. 상기 탑-다운(top-down) 방식은 당업계에서 나노입자를 제조 하기 위해 통상적으로 사용하는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 언급한 펩티제이션 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 펩티제이션 공정은 당업계에 공지된 방법 및 펩티제이션제를 특별히 제한없이 사용하여 수행될 수 있다. 상기 펩티제이션제는 일반적인 산 또는 염기, 예를 들어, HNO3, H2SO4, HCl, NaOH, 또는 NH4OH 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 펩티제이션의 반응 시간은 상기 입자의 양이 증가함에 따라 길어질 수 있으며, 상기 펩티제이션의 반응 온도는 약 0℃ 내지 약 200℃ 에서, 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 펩티제이션 과정에 의해 형성되는 나노입자는 투명할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 나노입자를 형성하는 방법은, 필요한 경우, 상기와 같이 형성된 나노입자에 수열 합성(Hydrothermal Synthesis) 과정을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 경우, 상기 수열합성은 약 1 시간 내지 약 10 시간 동안, 약 70 ℃ 내지 약 300 ℃ 에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 수열 합성에 의해 상기 나노입자는 결정성과 굴절률이 향상될 수 있으며, 이를 이용하여, 상기 수열 합성의 반응 시간, 온도, 압력 등을 조절하여 필요에 따라 나노입자의 결정성과 굴절률을 조절할 수 있다.
희생입자는 고분자, 예를 들어, 실리카(SiO2), 폴리부틸메타크릴레이트(PBMA), 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌/폴리디비닐벤젠(PS/PDVB = polystyrene/polydivinylbenzene), 폴리아미드, 폴리(부틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) (PBMA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것에 의해 형성 될 수 있다. 상기 희생입자는 중합 반응, 예를 들어, 에멀션 중합(Emulsion polymerization) 반응에 의해 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 에멀션 중합은 당업계에 공지된 방법 및 물질들을 사용하여 수행될 수 있으며, 예를 들어, 상기 에멀션 중합 시 개시제, 계면활성제는 당업계에서 에멀션 중합을 위해 통상적으로 사용하는 것이라면, 제한없이 사용할 수 있다. 상기와 같은 방법에 의해 합성된 희생입자는 거의 일정한 입자 크기를 가지며, 개시제, 계면활성제 또는 단량체의 양을 조절함으로써 만들어지는 희생 입자의 크기를 조절할 수 있다. 도 8은 상기 언급한 방법에 따라 형성된 폴리스타이렌 희생입자를 전자현미경으로 분석한 사진으로, 상기 폴리스타이렌 희생입자는 거의 일정한 입자 크기를 가지는 것을 볼 수 있다.
이어서, 슬라이드 코팅을 위해 슬라이드 코팅 장치를 제작한다. 구체적으로 도 2를 참조하면, 하부 기판(10) 상에 스페이서(20; spacer)를 형성(S1)하고, 상기 스페이서 상에 홀을 가지는 상부 기판(30)을 배치하는 단계(S2)를 포함할 수 있다. 상기 스페이서는 복수개 일 수 있으며, 바람직하게는 두 개일 수 있다. 상기 스페이서는 상기 하부 기판 상의 어느 위치에라도 형성될 수 있으며, 예를 들어, 두 개의 상기 스페이서를 사용하는 경우 각각의 스페이서는 상기 하부 기판의 양 말단 부에 형성될 수 있다. 상기 복수개의 스페이서의 간격을 조절하여, 이후 형성될 3 차원 다공성 구조체의 폭을 조절할 수 있다.
상기 상부 기판(30)은 홀을 가진 것이라면, 그 모양 및/또는 형태에 있어서 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 상부 기판의 홀 상에 속이 빈 형태의 구조체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 도 2를 참조하면, 상기 속이 빈 형태의 구조체는, 예를 들어, 속이 빈 형태의 원기둥 또는 튜브 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 속이 빈 형태의 구조체의 직경은 상기 상부 기판의 홀의 직경과 동일하거나, 더 큰 것일 수 있다. 본원은 슬라이드 코팅(slide coating)이라는 간단한 방법에 의해 나노입자-희생입자 복합층을 형성하고자 한다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본원의 슬라이드 코팅 방법이란, 나노입자 및 상기 나노입자보다 큰 크기를 가지는 희생입자가 용매 중에 분산된 혼합 입자 분산액을 상기 상부 기판의 홀을 통하여 주입함으로써 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 상기 혼합 입자 분산액 층을 형성(S3)하고, 상기 상부 기판을 상기 하부 기판에 대하여 평행한 방향으로 이동시키면서 상기 상부 기판의 이동에 의해 공기 중으로 노출되는 상기 혼합 입자 분산액 층을 공기를 이용하여 건조시켜 나노입자-희생입자 복합층(40)을 형성하는 단계(S5)를 포함하는 코팅 방법을 말한다. 상기 혼합 입자 분산액을 건조시켜 상기 분산액 상의 용매만을 제거함으로써 상기 나노입자와 상기 희생입자는 자기조립(self-assembly)에 의해, 상대적으로 크기가 큰 상기 희생입자는 단순입방구조(simple cubic, SC), 면심입방구조(face-centered cubic, FCC), 또는 체심입방구조(body-centered cubic, BCC) 구조로 쌓이고 상기 구조의 틈 사이(상기 희생 입자 사이의 공간)에 상기 나노입자가 들어가 있는 구조를 만들게 된다. 본원은 상기 언급한 슬리이드 코팅이라는 간단한 공정에 의하여 대면적의 나노입자-희생입자 복합층을 단시간에 제조할 수 있으며, 이후 상기 희생입자를 제거하는 공정에 의해 대면적 3 차원 다공성 구조체를 단시간에 용이하게 제조할 수 있다.
상기 나노입자-희생입자 분산액의 주입 방법으로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법으로서, 분산액을 일정량만큼 주입하고, 주입 정도를 조절할 수 있는 방법이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 연속적인 코팅 공정을 위해 상기 분산액을 채우는 비율은 상기 분산액의 소모 비율을 고려하여 조절할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 분산액의 소모 비율은 상기 상부 기판과 상기 하부 기판, 그리고 상기 스페이서에 의해 둘러 싸인 공간과 상기 상부 기판의 이동 속도를 고려할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 지름 약 4 mm 의 실린지 펌프는, 상기 상부 기판을 약 20 ㎛/s 속도로 당길 때, 일반적으로 약 20 ㎕ /min 의 소모율(discharge rate)을 나타냈고, 그것은 유리 기판 상에 약 1 cm 폭과 약 10 ㎛ 두께의 콜로이드 결정 막을 코팅하는데 적당하다는 것을 알 수 있다.
상기 슬라이드 코팅 시, 스페이서의 두께, 상부 기판의 이동 속도, 용매의 건조 정도를 조절하여, 및/또는 나노입자-희생입자 복합층의 두께를 조절할 수 있으며, 이후 상기 희생입자를 제거하는 공정에 의해 형성되는 3 차원 다공성 구조체의 두께를 조절할 수 있다.
상기 나노입자-희생입자 분산액을 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 상기 스페이서로 둘러싸인 공간 상에 주입 시, 상기 스페이서의 두께에 따라 슬라이드 코팅에 의해 형성되는 나노입자-희생입자 복합층 또는 3 차원 다공성 구조체의 두께가 결정된다. 상기 스페이서의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 의 두께일 수 있으며, 필요에 의해, 상기 범위 내에서 선택이 가능하다.
상기 상부 기판의 이동 속도는 약 0.1 cm/h 내지 약 10 cm/h 일 수 있으며, 상기 상부 기판은 당기는 속도를 일정하게 조절할 수 있는 수단, 예를 들어, 펌프에 의해 일정 속도로 이동될 수 있다. 도 4는 상기 상부 기판의 이동속도와 상기 나노입자-희생입자 복합층의 두께와의 관계를 보여주는 그림이다. 도 4를 참조하면, 상기 상부 기판의 이동 속도가 빠를 경우, 상기 나노입자-희생입자 복합층의 두께는 얇아지고, 상기 상부 기판이 느리게 이동할 경우, 상기 나노입자-희생입자 복합층의 두께 역시 두꺼워 진다.
일 구현예에서, 상기 상부 기판의 표면은 소수성 물질이 코팅되어 있는 것을 사용할 수 있다. 상기 상부 기판의 표면에 소수성 물질이 코팅되어 있는 경우, 슬라이드 코팅 시 발생할 수 있는 나노입자-희생입자 복합층의 균등성(evenness)을 악화시키는 기포(bubble) 발생을 막을 수 있다. 또한, 상기 소수성 물질이 코팅된 상부 기판은 코팅 시, 나노입자-희생입자 분산액이 의도치 않게 상기 상부 기판으로 흡수되는 것을 막을 수 있다.
일 구현예에서, 상기 하부 기판은 그의 표면이 친수성 물질로 코팅되어 있을 수 있다. 상기 친수성 물질이 코팅된 하부 기판은 친수성 나노입자와의 접착력이 강해짐으로써, 상기 상부 기판의 이동 시에 형성되는 상기 나노입자-희생입자 복합층의 탈리를 방지할 수 있다.
마지막으로, 상기 나노입자-희생입자 복합층에서 상기 희생입자를 제거함으로써 3 차원 다공성 구조체를 수득할 수 있다(S5). 상기 희생입자는 산 용액에 의한 용해 처리, 유기 용매에 의한 용해 처리 또는 소성(calcination) 처리에 의하여 제거될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 희생입자가 실리카(SiO2) 입자인 경우는 산 용액에 의해, 상기 희생입자가 고분자인 경우는 용액에 의한 용해 처리 또는 소성 처리에 의해 상기 희생입자를 제거하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 도 5는 상기 나노입자-희생입자 복합층에서 상기 희생입자를 제거함으로써 형성되는 3 차원 다공성 구조체(50)의 단면을 나타낸 그림이다. 상기 3 차원 다공성 구조체의 공극은 상기 희생입자가 제거되면서 형성되는 바, 상기 희생입자의 크기를 달리하여, 상기 희생입자가 제거된 후 형성되는 3 차원 다공성 구조체의 공극의 크기를 조절할 수 있으며, 이에 의해 상기 3 차원 다공성 구조체에 의해 제어할 수 있는 빛의 파장을 조절할 수 있다. 상기 희생입자의 평균 입경은 약 0.1 ㎛ 내지 약 2 ㎛ 일 수 있으며, 이에 의해 상기 3 차원 다공성 구조체의 공극의 평균 입경도 약 0.1 ㎛ 내지 약 2 ㎛ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 도 10은 상기 언급한 본원의 제조 방법에 의해 형성된, 3 차원 다공성 구조체의 윗면을, 도 11은 상기 3 차원 다공성 구조체의 단면을 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
본원의 제조 방법에 의해 형성된 3 차원 다공성 구조체는 광반사 및 광 제어, 증폭이 가능한 광결정 구조로서 사용이 가능하므로, 광 센서, 광 가이드, 태양전지, 레이저 등의 광전 소자로 널리 응용될 수 있다.
본원의 제조 방법에 의해 형성된 3 차원 다공성 구조체는 상기 3 차원 다공성 구조체에 감광성 염료를 흡착시켜 광전극을 제조할 수 있으며, 상기 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제조할 수 있다. 이 경우, 상기 3 차원 다공성 구조체의 구조적 특징인 특정 광 제어 및 증폭을 통하여 염료감응형 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. 이하, 도 13을 참조하여, 본원의 일 구현예에 따른 제조 방법에 의해 형성되는 3 차원 다공성 구조체를 사용하여 제조된 염료감응형 태양전지에 대해 보다 구체적으로 언급한다.
상기 광전극(170)의 제조 방법은 당업계에 통상적으로 광전극의 제조에 사용되는 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 광전극의 제조 방법은, 투명 기판 상에 투명 전극(투명 전도성 필름)을 증착하여 전도성 투명 기판(110)을 형성하는 단계, 상기 전도성 투명 기판 상에 전극 물질로서 본원의 제조 방법에 의해 제조된 3 차원 다공성 구조체를 형성하는 단계, 및 상기 전도성 투명 기판 상의 3 차원 다공성 구조체에 감광성 연료를 흡착시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전도성 투명 기판 상에 본원의 제조 방법에 의해 제조된 3 차원 다공성 구조체를 형성하는 단계 전에 상기 전도성 투명 기판 상에 차단층(120)을 형성할 수 있다.
상기 투명 기판으로는 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 갖는 물질이라면 특별히 한정됨 없이 사용할 수 있다. 상기 전도성 투명 기판(110)은 당업계에서 사용되는 통상적인 것에서 선택하여 사용할 수 있으며, 투명 기판 상에, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 및 SnO2-Sb2O3 중 어느 하나를 포함하는 투명 전극이 코팅된 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 투명 기판은 유리 기판 또는 투명 고분자 기판일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 투명 고분자 기판의 구체적인 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리이미드(polyimide, PI), 트리아세틸 셀룰로오스(triacetylcellulose, TAC), 또는 이들의 공중합체 등의 고분자를 포함하는 기판을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음, 전도성 투명 기판(110) 상에 필요한 경우 차단층(120)이 형성될 수도 있다. 상기 차단층은 전도성 투명 기판(110) 상에 산화물을 일정한 두께로 코팅하여 형성한다. 상기 차단층은 산화물로 이루어져 있으며, 전도성 투명 기판(110)과 다공성 상기 3 차원 다공성 구조체 사이의 접착력을 강화하는 역할을 한다. 상기 차단층(120)은 Mn, Ni, Gd, Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전이금속의 산화물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 전도성 투명 기판(110) 상에 0.1 M 사염화티타늄과 같은 TiO2 전구체 수용액을 스핀코팅 방법으로 균일하게 도포한 후 약 450℃에서 열처리하여 차단층(120)을 완성할 수 있다. 그러나, 상기 차단층(120)의 재료는 상술한 것에 한정되지 않으며, 열처리 횟수나 조건 등도 상술한 조건에 한정되지 않고 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 다양하게 변형 가능하다.
상기 감광성 염료의 종류 및 흡착 방법은 당업자가 당업계에서 통상 사용되는 염료 및 흡착 방법을 적의 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들서, 상기 감광성 염료는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등을 포함하는 금속 복합체를 포함할 수 있다. 여기서, 루테늄은 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기 금속 복합체를 형성할 수 있어, 루테늄을 포함하는 염료가 많이 사용된다. 일례로, Ru(etc bpy)2(NCS)2CH3CN 타입이 많이 사용되고 있다. 여기서 etc는 (COOEt)2 또는 (COOH)2로서 상기 후처리된 전이금속 산화물 구조체 표면과 결합 가능한 반응기이다. 또한, 유기 색소 등을 포함하는 염료가 사용될 수도 있는데, 이러한 유기 색소로는 쿠마린(coumarin), 포르피린(porphyrin), 크산틴(xanthene), 리보플라빈(riboflavin), 트리페닐메탄(triphenylmethane) 등이 있다. 이들은 단독 또는 Ru 복합체와 혼합 사용하여 장파장의 가시광 흡수를 개선함으로써 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 13을 참조하면, 상기 상대전극(180)은 전도성 투명 기판 상(110)에 형성된 백금층(140)을 포함할 수 있으며, 상기 백금층(140)이 광전극(170)이 대향하도록 배치된다.
상대전극(180)에 있어서 전도성 투명 기판(110)은, 상기 광전극(170)에서와 동일하게, 유리 기판 또는 투명 고분자 기판 등의 투명 기판 상, 예를 들어, 유리 기판 또는 투명 고분자 기판 상에, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 및 SnO2-Sb2O3 중 어느 하나를 포함하는 투명 전극이 코팅된 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상대전극(180)에 있어서, 전도성 투명 기판(110) 상에 백금층(140)이 형성된다. 상기 백금층(140)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2 및 전도성 고분자 등의 전도성 물질을 포함할 수 있다.
본원을 설명하는 명세서에서 투명이라는 단어의 의미는 소재의 광투과율이 100%인 경우뿐만 아니라 광투과율이 높은 경우를 모두 포함한다.
상기 광전극과 상대전극 사이에는 전해질(150)이 주입되어 있다. 전해질(150)은 예를 들어, 요오드화물(iodide)을 포함하며, 산화, 환원에 의해 상대 전극으로부터 전자를 받아 전자를 잃었던 염료분자에 받은 전자를 전달하는 역할을 수행한다. 전해질(150)은 실제로는 광전극의 기공 내부로 균일하게 분산되어 있을 수 있다. 예를 들어, 전해질의 제조 방법은 다음과 같다. 상기 전해질(150)은 전해액으로 이루어지며, 상기 전해액은 아이오다이드(iodide)/트리오다이드(triodide) 쌍으로서 산화, 환원에 의해 상대 전극으로부터 전자를 받아 염료 분자에 전달하는 역할을 수행한다. 예를 들어, 상기 전해질로서는 요오드를 아세토니트릴에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다. 또는, 상기 전해질로서는 0.7 M 1-butyl-3-methylimidazolium iodide(BMⅡ). 0.03 M Iodine(I2), 0.1 M Guanidiumthiocyanate(GSCN), 0.5 M 4-tert-buthlpyridine(TBP), 위 4 개의 시약을 아세토나이트릴(CAN)과 발레노나이트릴(VN) 혼합액(부피비 85:15)에 용해하여 제조하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광전극(170)과 상기 상대전극(180)의 가장 자리에는 밀봉부(160)가 형성될 수 있다. 상기 밀봉부(160)는 열가소성 고분자물질을 포함하며, 열 또는 자외선에 의하여 경화된다. 구체적인 예로, 밀봉부(160)는 에폭시 수지를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같이 형성된 염료감응 태양전지에 있어서, 광전극은 전도성 투명 기판과 염료가 흡착된 상기 3 차원 다공성 구조체를 포함하며, 상기 3 차원 다공성 구조체는 일정한 규칙을 갖는 다공성의 3차원 구조로 되어 있어 효과적인 전자 전달 통로가 형성되어 염료감응 태양전지의 광전 변환 효율이 향상된다. 또한, 상기 3 차원 다공성 구조체의 3차원 면심입방 구조의 정렬된 벌크-공극(ordered bulk-pore)을 통하여 점성이 높은 고분자 또는 고체 전해질의 침투에 효율적인 통로를 제공해줌으로써 염료감응 태양전지의 장기 안정성이 향상된다.
본원에 따른 상기 방법에 의해 제조되는 상기 3 차원 다공성 구조체는 광반사 및 광 제어, 증폭을 가능하게 하는 광결정 구조로서 사용이 가능하므로, 다양한 화합물 또는 바이오 물질 검출을 위한 광센서, 기체 센서, 광촉매 코팅제, 및, 광 가이드, 태양전지, 레이저 등의 광전 소자로 널리 응용될 수 있다. 즉, 이산화티탄과 같이 광촉매로서 다양한 용도가 알려진 물질들에 대하여 상기 본원에 따른 상기 방법에 의해 3 차원 다공성 구조체를 제조하여, 이러한 이산화티탄과 같이 광촉매를 포함하는 3 차원 다공성 구조체를 광센서, 기체 센서, 광촉매 코팅제, 및, 광 가이드, 태양전지, 레이저 등의 광전 소자로 다양하게 응용할 수 있다.
이하, 비제한적이고 예시적인 실시예를 통하여 예시적인 구현예 중 하나를 더욱 상세히 설명하나, 본원이 이에 한정되는 것은 아니다.
나노입자 합성 단계
솔-젤(sol-gel)법에 의해 기본적으로 산화티탄 입자를 만들고, 펩티제이션(peptization)에 의해 산화티탄 나노입자를 완성된 후 수열합성(hydrothermal treatment)에 의해 상기 나노입자의 결정성과 굴절률을 증가시키는 방법으로 산화티탄 나노입자를 합성하였다.
구체적인 합성방법으로는, 우선 타이타늄 아이소프로폭사이드(titanium isopropoxide)를 물(D.I Water)에 첨가하여 벌크(bulk)한 산화티탄 입자를 만들었다. 상기 벌크(bulk)한 산화티탄 입자를 원심분리방법으로 몇 차례 세척해준 후 펩티제이션제로서 테트라메틸암모늄하이드록사이드(tetramethylammonium hydroxide)를 첨가한 후 80℃ 조건에서, 밀폐된 용기 안에서 강한 교반에 의한 펩티제이션 반응을 일어나게 하였다. 상기 반응에 의해 만들어진 산화티탄 나노입자는 투명성을 유지할 수 있었다. 그리고 나서 상기 산화티탄 나노입자의 결정성과 굴절률을 증가시키기 위해 봄브-반응기(bomb-reactor)에 상기 산화티탄 나노입자 분산액을 넣고 1 시간 내지 4 시간 동안 수열합성을 하였다. 상기와 같은 방법에 의해 합성된 산화티탄 나노입자는 약 8 nm 내지 약 30 nm 크기로 나노입자의 크기가 상당히 균일하며 수용액 내에서 상당히 잘 분산되어 있는 것을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy)에 의해 도 6과 같이 확인되었다. 또한 수열합성 시간이 증가할수록 나노입자의 결정성과 나노입자의 크기가 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 합성된 산화티탄 나노입자를 X선 회절(X-ray diffraction)실험에 의해 도 7과 같이 아나타제(anatase) 결정상으로 합성되었음을 알 수 있었다.
희생입자 합성 단계
희생입자로서 폴리스타이렌(polystyrene, PS)이 합성되었으며, 계면활성제에 의한 유화중합으로 합성되었다.
구체적인 합성방법으로는, 물에 질소를 약 1 시간 불어주어 물 안에 있는 산소를 최대한 없앴다. 이후 개시제로서 포타슘 퍼설페이트(potassium persulfate)와 계면활성제로써 소듐 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate; SDS)를 0.3 mg 내지 4 mg 으로 달리하여 상기 준비된 물에 녹였다. 상기 물과 상기 개시제, 상기 계면활성제가 교반되고 있는 반응용기에 스타이렌(styrene) 단량체를 첨가했다. 약 14 시간의 반응이 지난 후 상기 혼합용액을 탈지면으로 여과하여 불순물을 제거하고, 이후 원심분리를 이용해 몇 차례 세척하였다. 상기와 같은 방법에 의해 합성된 서로 다른 크기(180 nm 내지 500 nm)의 폴리스타이렌 입자는 주사전자현미경에 의해 도 8과 같이 확인되었으며, 상당히 균일한 입자 크기를 갖는 구형입자로 합성되었음을 보여준다. 상기 계면활성제의 투입량이 증가할수록, 생성되는 희생입자의 크기가 증가함을 알 수 있었다. 또한, 도 9를 참조하면, 계면활성제로 사용된 소듐 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate; SDS)을 달리한 경우, 흡수 파장과 반사율이 달라짐을 알 수 있었다.
슬라이드 코팅 장치의 제작
슬라이드 코팅 장치는 상부 기판, 하부 기판, 상부 기판을 천천히 잡아 당길 수 있고, 속도의 조절이 가능한 실린지(syringe) 펌프로 구성되었다. 상기 상부 기판은 고속의 벤치 드릴(mini bench drill; Seogwang T&M)을 사용하여 상기 상부 기판의 중심 상에 홀(지름 3 mm)을 만들었다. 상기 언급한 모든 기재는 피라냐 세정액(H2SO4: H2O2 = 3: 1, 부피비)에 의해 처리되었고, 순수한 물에 의해 몇차례 세척되었다. 1 mM 트리클로로옥타데실실라인(Trichlorooctadecylsilane)이 용해된 2,2,4-트리메틸펜탄(2,2,4-Trimethylpentane)에 30분간 홀을 가지는 상부 기판을 담궈 소수성(hydrophobic) 처리하였다. 그 후, 상기 상부 기판의 홀 상에 에폭시 수지를 사용하여 유리 튜브(길이 30 mm, 지름 5 mm)를 결합시켰다. 상기 하부 기판은 소수성 처리 없이 사용하였다.
3 차원 다공성 구조체를 제조하는 단계
우선 하부 기판 상에 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 두께의 스페이서를 올린 후 상기 스페이서 상에 홀을 가지는 상부 기판을 올려 슬리이드 코팅 장치를 제작하였다. 이후, 상기 언급한 합성방법에 의해 제조된 상기 나노입자와 상기 희생입자를 섞어준 분산액을 상기 상부 기판의 홀을 통하여 상기 각 기재 사이의 공간에 주입하고, 상기 상부 기판을 일정한 속도(0.5 mm/min 내지 3.0 mm/min)로 당겨주면서 히팅 기구(heating gun)의 슬릿형 노즐을 통해 상기 당겨주는 반대편의 분산액 상에 뜨거운 공기를(hot air)를 불어주어 용매를 서서히 증발시켜 각각의 두 입자가 자기조립(self-assembly)에 의해 나노입자-희생입자 복합층을 형성하였다. 상기 나노입자-희생입자 복합층은 비교적 입자 크기가 큰 희생입자가 면심 입방(face-centered cubic, fcc)구조로 쌓이고, 상기 구조의 틈 사이사이에 상기 나노입자가 들어가 있는 구조를 형성하였다. 이후, 상기 나노입자-희생입자 복합층을 450℃에서 가열소성하여 상기 나노입자-희생입자 복합층의 희생입자를 제거하여 기능성 입자들만이 남아 도 5와 같은 역 오팔 구조의 3 차원 다공성 구조체를 제조하였다. 도 10은 300 nm 내지 500 nm 의 크기를 가지는 희생입자를 사용하여, 상기 언급한 방법에 의해 형성되는 각각의 3 차원 다공성 구조체를 전자현미경으로 관찰한 사진이다. 도 11은 280 nm 의 크기를 가지는 희생입자를 사용하여 형성된 3 차원 다공성 구조체의 단면을 전자현미경으로 관찰한 사진으로, 상기 3 차원 다공성 구조체는 17 ㎛ 로 관찰되었다. 또한 도 12를 참조하면, 희생입자의 크기가 240 nm 에서 500 nm 로 증가할수록, 반사파장은 증가하는 것을 알 수 있었다.
3 차원 다공성 구조체를 이용한 염료감응형 태양전지 제조
실시예 1의 방법에 의해 제조된 3 차원의 산화티탄 다공성 구조체를 포함하는 염료감응형 태양전지를 제조하여 효율을 측정하였다.
보다 구체적으로, FTO 유리 기재 상에 산화티탄 전구체를 스핀코팅 방법에 의하여 코팅하여 차단층을 만들고 상기 차단층 상에 실시예 1의 방법에 의해 제조된 3 차원의 산화티탄 다공성 구조체를 제조한 후, 상기 3 차원의 산화티탄 다공성 구조체의 공극에 루테늄 계열의 염료를 코팅하여 광전극을 제조하였다. 상대전극으로서 백금 코팅한 FTO 유리 기재를 사용하였고, 상기 대전극을 상기 3 차원의 산화티탄 다공성 구조체 상부에 결합한 후, 전해질을 주입하여 염료감응형 태양전지를 완성하였다.
상기 3 차원의 산화티탄 다공성 구조체의 두께를 달리하여 염료감응형 태양전지 제작에 사용하였으며, 이에 의해 제조되는 염료감응형 태양전지의 변환효율을 측정하여, 하기 표 1 및 도 14에 나타내었다. 측정 결과, 하기 표 1에서 알 수 있듯이, 두께가 2 ㎛ 인 3 차원의 산화티탄 다공성 구조체를 사용한 염료감응형 태양전지는 2.23%, 10 ㎛ 의 두께를 가지는 3 차원의 산화티탄 다공성 구조체로 만든 염료감응형 태양전지는 4.16% 의 변환효율을 나타내었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 하부 기판
20: 스페이서(spacer)
30: 상부 기판
40: 나노입자-희생입자 복합층
50: 3 차원 다공성 구조체
110: 전도성 투명 기판
120: 차단층
130: 염료가 흡착된 3 차원 다공성 구조체
140: 백금층
150: 전해질
160: 밀봉부
170: 광전극
180: 상대전극
20: 스페이서(spacer)
30: 상부 기판
40: 나노입자-희생입자 복합층
50: 3 차원 다공성 구조체
110: 전도성 투명 기판
120: 차단층
130: 염료가 흡착된 3 차원 다공성 구조체
140: 백금층
150: 전해질
160: 밀봉부
170: 광전극
180: 상대전극
Claims (25)
- 하부 기판 상에 스페이서(spacer)를 형성하는 단계;
상기 스페이서 상에 홀을 가지는 상부 기판을 배치하는 단계;
나노입자 및 상기 나노입자보다 큰 크기를 가지는 희생입자가 용매 중에 분산된 혼합 입자 분산액을 상기 상부 기판의 홀을 통하여 주입함으로써 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 상기 혼합 입자 분산액 층을 형성하는 단계;
상기 상부 기판을 상기 하부 기판에 대하여 평행한 방향으로 이동시키면서 상기 상부 기판의 이동에 의해 공기 중으로 노출되는 상기 혼합 입자 분산액 층을 건조시켜 나노입자-희생입자 복합층을 형성하는 단계; 및
상기 나노입자-희생입자 복합층으로부터 상기 희생입자를 제거하는 단계:
를 포함하는, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 나노입자는 Mn, Ni, Gd, Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, 상기 금속 각각의 산화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 나노입자의 평균 입경은 1 nm 내지 30 nm 인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 희생입자의 평균 입경은 0.1 ㎛ 내지 2 ㎛ 인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 희생입자는 실리카(SiO2), 폴리부틸메타크릴레이트(PBMA), 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌/폴리디비닐벤젠 (PS/PDVB = polystyrene/polydivinylbenzene), 폴리아미드, 폴리(부틸메타크릴레이트-디비닐벤젠) (PBMA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 용매는 물, 유기 용매, 물-유기 혼합 용매 또는 고분자 매질을 포함하는 것인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하부 기판은 유리, 금속, 금속 산화물, 반도체, 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하부 기판의 표면은 친수성 물질로 코팅되어 있는 것인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 스페이서의 두께는 1 ㎛ 내지 200 ㎛ 인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 희생 입자의 제거는 산 용액에 의한 용해 처리, 유기 용매에 의한 용해 처리 또는 소성(calcination) 처리에 의하여 수행되는 것인, 3차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 혼합 입자 분산액 층의 건조는, 상기 혼합 입자 분산액 층으로부터 용매의 제거 정도를 조절하여 상기 3 차원 다공성 구조의 두께를 조절하는 것인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 기판의 표면은 소수성 물질이 코팅되어 있는 것인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 기판의 이동 속도는 0.1 cm/h 내지 10 cm/h 인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 기판은 상기 상부 기판의 이동 속도를 일정하게 조절할 수 있는 모터와 연결되어 있는 것인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 기판의 홀의 크기는 1 mm 내지 5 mm 인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 기판의 홀 상에 속이 빈 형태의 구조체를 추가 포함하는 것인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 3차원 다공성 구조체는 단순입방구조(Simple Cubic, SC), 면심입방구조(Face-Centered Cubic, FCC), 또는 체심입방구조(Body-Centered Cubic, BCC)로 배열되어 있는 것인, 3 차원 다공성 구조체의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 3차원 다공성 구조체의 기공은 규칙적으로 정렬된 것인, 3차원 다공성 구조체의 제조 방법.
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| KR1020100094337A KR101350376B1 (ko) | 2010-09-29 | 2010-09-29 | 3 차원 다공성 구조체, 그의 제조 방법, 및 그의 용도 |
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- 2010-09-29 KR KR1020100094337A patent/KR101350376B1/ko not_active IP Right Cessation
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| 대한화학회 제105회 춘계학술발표회, 발표코드 IV39P245포 (2010.04.30.) * |
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| 석사학위논문, 곽은식, 연세대학교 화학공학과 (2007.12) * |
| 석사학위논문, 곽은식, 연세대학교 화학공학과 (2007.12)* |
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