KR101468164B1 - 모세관 현상을 이용한 광전극 제조방법 - Google Patents
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Abstract
모세관 현상을 이용한 광전극 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극 제조방법은 투명전극인 제1 기재 상부에 제1 크기를 갖는 금속 산화물 입자와, 제1 크기보다 작은 나노급의 제2 크기를 갖는 나노 입자를 어레이하되, 금속 산화물 입자 사이의 공극에 나노 입자가 충전된 형태의 구조체를 형성하는 1단계; 구조체 상부에 제2 기재를 배치하여 구조체가 상기 제1,2 기재 사이에 위치되도록 하는 2단계; 및 제1,2 기재 및 구조체를 금속 산화물 전구체가 분산되어 있는 용액에 침지하여, 금속 산화물 전구체 용액이 제1,2 기재의 간격 및 표면장력에 따른 모세관 현상으로 인하여 구조체에 존재하는 공극에 충전되도록 하는 3단계를 포함한다.
Description
본 발명은 광전극 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양 전극 사이의 표면장력에 따른 모세관 현상을 이용하여 광전극 제조시에 크랙(crack) 발생을 방지하여 광전극 특성을 향상시킬 수 있는 광전극 제조방법에 관한 것이다.
염료감응 태양전지, 유기태양전지, 수소생산 전지 등의 전기화학적 전극에 이용되는 광전극 모듈은 광전극(photo eletrode), 상대전극(counter electrode), 전해질 등으로 구성된다.
도 1은 염료감응 태양전지에 이용되는 광전극 모듈(10)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광전극 모듈(10)은 광전극으로 투명전극(1) 위에 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 금속산화물 나노입자(2)와, 금속산화물 나노입자(2)의 표면에 흡착되는 감광성 염료(3)를 사용하고, 상대전극(4)을 투명전극(1)과 대향하도록 배치한 후 내부에는 전해질을 채운다. 그리고 양 기판 사이에 광전극 및 상대전극(4)을 배치한 후, 측부를 실링 및 패키징 함으로써 제조된다.
이와 같은 광전극 모듈(10)을 제조함에 있어서 광전극 제조가 가장 중요한데, 종래의 광전극 제조방법에서는 균일한 기공 구조를 가지기 힘들고 광전극의 두께가 너무 두꺼울 경우에는 전자 또는 정공이 이동하는데 불리하다는 단점이 있었다. 반면 두께가 너무 얇을 경우에는 투명전극(1)의 표면에서 직접 산화-환원 반응이 일어나게 되는 바, 효율이 떨어지는 단점이 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 최근에는 광전극 표면에 페이스트를 인쇄하거나 이종물질을 코팅하는 등의 보호층을 형성하는 방법이 제안된 바 있는데, 이 경우에는 다공성 나노 구조체(광전극에 이용되는 금속산화물 나노입자 어레이 구조)의 특성(표면적, 입자 크기 등)이 저하되는 문제가 추가적으로 발생하였다.
본 발명의 실시예들은 광전극에 이용되는 금속 산화물 입자의 다공성 구조를 손상시키지 않고 보호층 코팅시 발생 가능한 두께 저하 및 특성 저하를 최소화시킬 수 있는 광전극 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 투명전극인 제1 기재 상부에 제1 크기를 갖는 금속 산화물 입자와, 상기 제1 크기보다 작은 나노급의 제2 크기를 갖는 나노 입자를 어레이하되, 상기 금속 산화물 입자 사이의 공극에 상기 나노 입자가 충전된 형태의 구조체를 형성하는 1단계; 상기 구조체 상부에 제2 기재를 배치하여 상기 구조체가 상기 제1,2 기재 사이에 위치되도록 하는 2단계; 및 상기 제1,2 기재 및 구조체를 금속 산화물 전구체가 분산되어 있는 용액에 침지하여, 상기 금속 산화물 전구체 용액이 상기 제1,2 기재의 간격 및 표면장력에 따른 모세관 현상으로 인하여 상기 구조체에 존재하는 공극에 충전되도록 하는 3단계를 포함하는 광전극 제조방법이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 금속 산화물 입자는 티타늄 산화물, 지르코늄 산화물, 스트론튬 산화물, 아연 산화물, 인듐 산화물, 란타넘 산화물, 바나듐 산화물, 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 주석 산화물, 니오븀 산화물, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 이트늄 산화물, 스칸듐 산화물, 사마륨 산화물, 갈륨 산화물 및 스트론튬티타늄 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 나노 입자는 상기 금속 산화물 입자와 동종 또는 이종일 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물 전구체 용액은 상기 금속 산화물 입자와 동종 또는 이종의 전구체 물질이 분산된 용액일 수 있다.
이 때, 상기 금속 산화물 전구체 용액은 금속 및 염료 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물 전구체 용액은 아세틸아세톤(acetyl acetone)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 3단계에서 상기 제1,2 기재는 소수성 표면 또는 친수성 표면으로 처리되고, 상기 제1,2 기재의 간격을 제어함으로써 상기 모세관 현상을 일으킬 수 있다.
본 발명의 실시예들은 금속 산화물 입자 사이의 공극에 나노 입자가 충전된 형태의 구조체를 두 기재 사이에 배치시키고, 상기 기재들의 표면장력에 따른 모세관 현상을 이용하여 금속 산화물 전구체 용액을 상기 구조체에 존재하는 공극에 충전시켜 광전극을 제조함으로써, 금속 산화물 입자의 다공성 구조를 손상시키지 않고 보호층 코팅시 발생 가능한 두께 저하 및 특성 저하를 최소화시킬 수 있다.
따라서, 종래 광전극 제조시 발생하기 쉬운 누설전류 또는 다공성 나노구조체의 특성 저하를 최소화 할 수 있는 바, 광전극의 특성을 최대한 보존하는 것이 가능하다.
도 1은 염료감응 태양전지에 이용되는 광전극 모듈(10)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극 제조방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극 제조방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광전극 제조방법은 투명전극인 제1 기재 상부에 제1 크기를 갖는 금속 산화물 입자와, 상기 제1 크기보다 작은 나노급의 제2 크기를 갖는 나노 입자를 어레이하되, 상기 금속 산화물 입자 사이의 공극에 상기 나노 입자가 충전된 형태의 구조체를 형성하는 1단계; 상기 구조체 상부에 제2 기재를 배치하여 상기 구조체가 상기 제1,2 기재 사이에 위치되도록 하는 2단계; 및 상기 제1,2 기재 및 구조체를 금속 산화물 전구체가 분산되어 있는 용액에 침지하여, 상기 금속 산화물 전구체 용액이 상기 제1,2 기재의 표면장력에 따른 모세관 현상으로 인하여 상기 구조체에 존재하는 공극에 충전되도록 하는 3단계를 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 상기 각 단계에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극 제조방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
우선 도 2를 참조하면, 광전극을 제조하기 위하여 제1 기재(110) 상부에 금속 산화물 입자(121)와, 나노 입자(122)를 어레이하여 금속 산화물 입자(121) 사이의 공극에 나노 입자(122)가 충전된 형태의 구조체(120)를 형성한다.
제1 기재(110)는 구조체(120)를 하부에서 지지하는 역할을 하며, 구조체(120)를 이루는 금속 산화물 입자(121)와 나노 입자(122)가 어레이 될 수 있는 공간을 제공한다.
또한, 제1 기재(110)는 투명전극으로 기능한다. 투명전극은 투명전도성 기재를 의미하는 것으로, 전도성 유리 기판 또는 전도성 및 유연성(flexible)을 갖는 고분자 기판으로 형성될 수 있다. 투명전극의 예로는 ITO(Indium Tin Oxide), 플루오르가 도핑된 산화주석(FTO, F-doped SnO2), ATO(Antimony Tin Oxide), 산화아연(ZnO), AZO(Aluminum Zinc Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 기재(110)는 상술한 투명전극이 코팅된 기재도 포함한다(예컨대, 투명전극이 코팅된 유리기판).
제1 기재(110)의 표면은 친수성 또는 소수성 성질을 가지도록 표면처리 될 수 있다. 여기에서 표면처리 방법은 특정되지 않는다.
금속 산화물 입자(121)는 광전극에 사용되는 일반적인 금속 산화물 입자이며, 예를 들면 티타늄 산화물, 지르코늄 산화물, 스트론튬 산화물, 아연 산화물, 인듐 산화물, 란타넘 산화물, 바나듐 산화물, 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 주석 산화물, 니오븀 산화물, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 이트늄 산화물, 스칸듐 산화물, 사마륨 산화물, 갈륨 산화물 및 스트론튬티타늄 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 광전극에 사용되는 공지의 금속 산화물 입자는 모두 포함될 수 있다.
나노 입자(122)는 금속 산화물 입자(121) 사이의 공극을 충전하는 기능을 하는 것으로, 광전극 구동시 전자 또는 정공의 이동 경로를 추가적으로 제공하는 기능을 한다. 나노 입자(122)는 금속 산화물 입자(121)와 동종 또는 이종일 수 있다. 즉, 나노 입자(122) 역시 금속 산화물 입자의 한 종류에 해당할 수 있다. 다만, 본 실시예에 있어 나노 입자(122)는 금속 산화물 입자(121)와 사이즈 측면에서 구분될 수 있다. 구체적으로, 금속 산화물 입자(121)는 제1 크기를 가지며, 나노 입자(122)는 상기 제1 크기보다 작은 나노급의 제2 크기를 갖는다. 금속 산화물 입자(121)는 마이크로미터급 또는 나노미터급의 크기를 가질 수 있으나, 이 경우에도 나노 입자(122)의 크기보다는 큰 크기를 갖는다. 따라서, 나노 입자(122)가 금속 산화물 입자(121) 사이의 공극에 충전된 형태로 어레이 될 수 있다.
제1 기재(110) 상부에 금속 산화물 입자(121) 및 나노 입자(122)를 어레이하는 방법으로는 증발법(evaporation method) 또는 스핀코팅법(spin coating method)이 사용될 수 있다. 예컨대, 금속 산화물 입자(121) 및 나노 입자(122)가 분산되어 있는 용액에 제1 기재(110)를 침지시킨 후에 용매를 증발시킴으로써 제1 기(110) 상부에 금속 산화물 입자(121) 및 나노 입자(122)가 어레이된 구조체(120)가 형성될 수 있으며(증발법), 제1 기재(110)에 금속 산화물 입자(121) 및 나노 입자(122)가 분산되어 있는 용액을 스핀코터를 이용하여 어레이시킴으로써 구조체(120)를 형성할 수 있다(스핀코팅법).
구조체(120)의 어레이 형태는 도 2에 도시된 것과 같이 상대적으로 큰 크기를 갖는 금속 산화물 입자(121) 사이의 공극에 나노 입자(122)가 충전된 형태이며, 이 때, 상기 공극이 나노 입자(122)로 완전히 채워지는 것은 아니다. 금속 산화물 입자(121) 및 나노 입자(122)가 모두 구형으로 존재하기 때문이다(이상 1단계).
다음으로 도 3을 참조하면, 구조체(120) 상부에 제2 기재(130)를 배치하여 구조체(120)가 제1,2 기재(110, 130) 사이에 위치되도록 한다. 즉, 구조체(120)는 소위 샌드위치 구조(sandwitch structure)를 갖는다.
제2 기재(130)는 제1 기재(110)와 동종 또는 이종의 기판을 사용할 수 있다. 즉, 제2 기재(130)는 투명전극일 필요는 없다. 예컨대 제2 기재(130)는 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate, PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene napthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterepthalate, PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 셀룰로오스 트리 아세테이트(cellulose triacetate, TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(celluloise acetate propinonate, CAP), Liquid Crystal Polymer(LCP Film) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 제2 기재(130)는 제1 기재(110)와 마찬가지로 표면이 친수성 또는 소수성 성질을 가지도록 표면처리 될 수 있다. 이 때, 제2 기재(130)의 표면 특성은 제1 기재(110)와 동일한 특성을 갖는다. 즉, 제1 기재(110) 및 제2 기재(130)의 기재 종류가 서로 상이하더라도 동일한 표면 특성을 갖게 된다. 이는 제1,2 기재(110, 130) 사이의 표면 장력에 따른 모세관 현상을 일으키기 위함이다.
한편, 상기 모세관 현상은 제1,2 기재(110,130) 사이의 표면 장력뿐만 아니라 제1,2 기재(110,130) 사이의 간격에도 영향을 받기 때문에 제2 기재(130)를 배치할 때에는 제1 기재(110)와의 간격을 조절할 수 있다. 상기 간격은 모세관 현상이 발현될 수 있도록 미리 계산된 수치에 근거할 수 있으며, 두 기재 간의 간격 조절 방법으로는 제1 기재(110)의 모퉁이에 간격 조절을 위한 스페이서(spacer, 미도시)를 배치함으로써 이루어질 수 있다. 한편, 제2 기재(130)는 광전극 제조 후에는 제거될 수 있다. 이 경우 제2 기재(130)는 상대전극(counter electrode, 미도시)으로 대체될 수 있다(이상 2단계).
다음으로 도 4를 참조하면, 제1,2 기재(110,130)와 제1,2 기재(110,130) 사이에 위치한 구조체(120)를 금속 산화물 전구체가 분산되어 있는 용액(140, 이하에서는 금속 산화물 전구체 용액이라고 칭함)에 침지하여, 금속 산화물 전구체 용액(140)이 제1,2 기재(110,130)의 표면장력에 따른 모세관 현상(내지 모세관력, Capillary force)으로 인하여 구조체(120)에 존재하는 공극에 충전되도록 한다.
여기에서 모세관 현상은 제1,2 기재(110,130) 사이의 간극(모세관에 해당됨)과, 제1,2 기재(110,130) 사이의 표면장력에 의하여 금속 산화물 전구체 용액(140)이 제1,2 기재(110,130) 사이의 간극으로 침투하는 것을 의미한다.
금속 산화물 전구체 용액(140)은 금속 산화물 전구체가 분산되어 있는 용액으로, 상기 금속 산화물 전구체는 가수 분해(hydrolysis) 반응을 통하여 금속 산화물 생성이 가능한 물질들을 의미한다. 상기 금속 산화물 전구체는 금속 산화물 입자(121)와 동종 또는 이종의 전구체 물질일 수 있으며, 예로는 실리카 전구체의 경우는 tetraethyl orthosilicate(TEOS) 등을 들 수 있고, 타이타니아 전구체의 경우에는 titanium (IV) isopropoxide (TTIP) 등을 들 수 있다. 이러한 금속 산화물 전구체는 금속 산화물 입자(121)의 간격보다 작은 간격을 가질 수 있는 크기를 가질 수 있다.
한편, 금속 산화물 전구체 용액(140)에는 상기 금속 산화물 전구체(내지 이로 인해 생성되는 금속 산화물)의 성장 및 응집을 방지하기 위한 첨가제가 추가적으로 혼합될 수 있다. 상기 첨가제의 예로는 아세틸아세톤(acetyl acetone)이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 금속 전구체의 성장 및 응집을 방지하는 데에 이용되는 공지의 첨가제들이 모두 사용될 수 있다.
또한, 금속 산화물 전구체 용액(140)은 추가적으로 금속 및 염료 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 금속의 예로는 티타늄(Ti), 인듐(In), 아연(Zn), 주석(Sn) 및 텅스텐(W) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 염료는 감광성 염료로 금속산화물 입자에 전달한 전자수만큼 전해질 용액으로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가는 기능을 하는 것으로, 일반적으로 염료감응 태양전지에 적용되는 광전극에서 사용되는 염료를 이용할 수 있다.
구체적으로는 금속 산화물 전구체 용액(140) 또는 금속 산화물 전구체 용액(140)과 첨가제 등이 담긴 용기에 상기 제1,2 기재(110,130) 및 구조체(120)를 침지하면, 제1,2 기재(110,130) 사이의 간격 및 표면장력에 따른 모세관 현상으로 인하여 구조체(120)에 존재하는 공극에 금속 산화물 전구체 용액(140)이 충전된다. 상술하였듯이 구형의 금속 산화물 입자(121) 및 나노 입자(122)로 형성되는 어레이 형태에서는 공극이 완전히 배제될 수 없으므로, 존재하는 공극들이 본 단계에서 금속 산화물 전구체 용액(140)으로 충전되는 것이다. 물론 상술한 방법 이외에도 증발법이나 금속 산화물 전구체 용액(140) 등을 구조체(120)로 흐르게하는(소위 flowing) 방법을 이용하는 것도 가능하다(이상 3단계).
이상의 단계들의 종료 후에는 열처리 등의 과정을 거쳐 결정화시킴으로써 광전극이 제조될 수 있다. 또한, 제조된 광전극에서 제2 기재(130)를 제거하고 상대전극을 배치한 후에 전해질에 침지한 후 패키징 할 경우에는 광전극 모듈이 제조될 수 있다. 이와 관련된 내용은 일반적인 것이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 실시예들에 따른 광전극 제조방법에서는 금속 산화물 입자(121) 사이에 존재하는 공극에 나노 입자(122)를 1차적으로 충전하고, 모세관 현상을 이용하여 금속 산화물 전구체 용액을 2차적으로 충전함으로써 열처리 과정중에 부피 감소로 발생하는 크랙을 최소화 할 수 있다. 따라서, 금속 산화물 입자의 다공성 구조를 손상시키지 않고 보호층 코팅시 발생 가능한 두께 저하 및 특성 저하를 최소화시킬 수 있으며, 종래 광전극 제조시 발생하기 쉬운 누설전류 또는 다공성 나노구조체의 특성 저하를 최소화 할 수 있다.
본 발명은 상기에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극 제조방법에 따라 제조되는 광전극을 추가적으로 제공한다. 상기 광전극은 염료감응 태양전지, 유기태양전지, 수소생산 전지 등의 전기화학적 전극에 응용될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
110: 제1 기재 120: 구조체
121: 금속 산화물 입자 122: 나노 입자
130: 제2 기재 140: 금속 산화물 전구체 용액
121: 금속 산화물 입자 122: 나노 입자
130: 제2 기재 140: 금속 산화물 전구체 용액
Claims (8)
- 투명전극인 제1 기재 상부에 제1 크기를 갖는 금속 산화물 입자와, 상기 제1 크기보다 작은 나노급의 제2 크기를 갖는 나노 입자를 어레이하되, 상기 금속 산화물 입자 사이의 공극에 상기 나노 입자가 충전된 형태의 구조체를 형성하는 1단계;
상기 구조체 상부에 제2 기재를 배치하여 상기 구조체가 상기 제1,2 기재 사이에 위치되도록 하는 2단계; 및
상기 제1,2 기재 및 구조체를 금속 산화물 전구체가 분산되어 있는 용액에 침지하여, 상기 금속 산화물 전구체 용액이 상기 제1,2 기재의 간격 및 표면장력에 따른 모세관 현상으로 인하여 상기 구조체에 존재하는 공극에 충전되도록 하는 3단계를 포함하는 광전극 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속 산화물 입자는 티타늄 산화물, 지르코늄 산화물, 스트론튬 산화물, 아연 산화물, 인듐 산화물, 란타넘 산화물, 바나듐 산화물, 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 주석 산화물, 니오븀 산화물, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 이트늄 산화물, 스칸듐 산화물, 사마륨 산화물, 갈륨 산화물 및 스트론튬티타늄 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 광전극 제조방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 나노 입자는 상기 금속 산화물 입자와 동종 또는 이종인 광전극 제조방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체 용액은 상기 금속 산화물 입자와 동종 또는 이종의 전구체 물질이 분산된 용액인 광전극 제조방법. - 청구항 4에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체 용액은 금속 및 염료 중 적어도 하나를 더 포함하는 광전극 제조방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체 용액은 아세틸아세톤(acetyl acetone)을 더 포함하는 광전극 제조방법. - 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 3단계에서 상기 제1,2 기재는 소수성 표면 또는 친수성 표면으로 처리되고, 상기 제1,2 기재의 간격을 제어함으로써 상기 모세관 현상을 일으키는 광전극 제조방법. - 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 광전극 제조방법에 따라 제조되는 광전극.
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