KR101523743B1 - 하이브리드형 디바이스 - Google Patents
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Abstract
광전기화학셀과 열전소자를 결합하여 수소와 전력을 함께 생성할 수 있는 하이브리드형 디바이스를 제공한다. 하이브리드형 디바이스는, i) 열원, ii) 열원과 연결되고, 열원에 의해 구동되어 제1 기전력을 생성하도록 적용된 열전소자, 및 iii) 열전소자와 연결되어 제1 기전력을 공급받고, 광을 입사받아 광에 의해 생성된 제2 기전력과 제1 기전력에 의해 수소를 생성하면서 열전소자에 의해 냉각되도록 적용된 광전기화학셀을 포함한다.
Description
본 발명은 하이브리드형 디바이스에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 광전기화학셀과 열전소자를 결합하여 수소와 전력을 함께 생성할 수 있는 하이브리드형 디바이스에 관한 것이다.
일반적으로 광전기화학셀에서는 반도체 물질인 MoSe2, CdSe, GaAs, InP, WSe2, CuInSe2, Si 등을 음극 및 양극의 소재로 사용할 수 있다. 반도체 물질을 음극의 소재로 사용하는 경우, 전해질로서 pH가 낮은 H2SO4, HF 수용액 등을 사용한다. 또한, 반도체 물질을 음극으로 사용하는 경우 전해질로서 pH가 높은 NaOH 수용액 등을 사용한다. 광전기화학에 의한 물분해는 전기화학에 의한 물분해에 비해 비교적 낮은 전압을 외부에서 인가하여 이루어질 수 있다.
한편, 광전기화학셀에서는 광을 효율적으로 흡수하여 물의 전기분해시 사용하기 위해 백금 등의 귀금속 입자를 실리콘 등에 증착하여 사용한다. 그러나 귀금속의 사용에 따른 높은 제조 비용으로 인하여 가격 경쟁력이 저하되고 광이 원활하게 흡수되지 않아 광전류가 감소한다.
광전기화학셀과 열전소자를 결합하여 수소와 전력을 함께 생성할 수 있는 하이브리드형 디바이스를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 디바이스는, i) 열원, ii) 열원과 연결되고, 열원에 의해 구동되어 제1 기전력을 생성하도록 적용된 열전소자, 및 iii) 열전소자와 연결되어 제1 기전력을 공급받고, 광을 입사받아 광에 의해 생성된 제2 기전력과 제1 기전력에 의해 수소를 생성하면서 열전소자에 의해 냉각되도록 적용된 광전기화학셀을 포함한다.
광전기화학셀은, i) 광을 입사받아 제2 기전력을 생성하는 제1 전극, ii) 제1 전극과 접촉하는 전해질, 및 iii) 전해질과 접촉하는 제2 전극을 포함할수 있다. 열전소자는, i) 열원과 연결된 고온부, ii) 고온부와 이격되어 고온부와 마주하고 제1 전극과 연결된 저온부, iii) 고온부 및 저온부 사이에 위치하면서, 상호 이격된 하나 이상의 p형 반도체 소자 및 하나 이상의 n형 반도체 소자를 포함할 수 있다. 제1 전극은 p형 반도체 소자에 전기적으로 연결되고, 제2 전극은 n형 반도체 소자에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 디바이스는 제1 전극과 저온부를 연결하는 냉각선을 더 포함할 수 있다. 열원은 자동차에 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드형 디바이스는, i) 제1 기전력을 생성하도록 적용된 열전소자, 및 ii) 열전소자와 연결되어 제1 기전력을 공급받고, 광을 입사받아 광에 의해 생성된 제2 기전력과 제1 기전력에 의해 수소를 생성하는 광전기화학셀을 포함한다. 광전기화학셀에 대한 열전소자의 저항비는 0.010 내지 0.105일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 광전기화학셀에 대한 열전소자의 저항비는 0.010 내지 0.056일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 광전기화학셀에 대한 열전소자의 저항비는 0.010 내지 0.021일 수 있다.
열전소자의 저항값은 1.9Ω 내지 4.2Ω일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 열전소자의 저항값은 1.9Ω 내지 2.1Ω일 수 있다. 광전기화학셀의 저항값은 80Ω 내지 200Ω일 수 있다.
광전기화학셀은, i) 광을 입사받아 제2 기전력을 생성하는 제1 전극, ii) 제1 전극과 접촉하는 전해질, 및 iii) 전해질과 접촉하는 제2 전극을 포함할 수 있다. 열전소자는, i) 고온부, ii) 고온부와 이격되어 고온부와 마주하는 저온부, 및 iii) 고온부 및 저온부 사이에 위치하면서, 상호 이격된 하나 이상의 p형 반도체 소자 및 하나 이상의 n형 반도체 소자를 포함할 수 있다. 제1 전극은 p형 반도체 소자에 전기적으로 연결되고, 제2 전극은 n형 반도체 소자에 전기적으로 연결될 수 있다.
고온부는 외부 노출되어 광이 고온부에 입사되도록 적용될 수 있다. 고온부는 제1 전극과 연결되어 제1 전극으로부터 발생된 열을 전달받을 수 있다. 광이 전해질로 입사되어 전해질을 가열하고, 고온부는 전해질과 이웃하여 전해질로부터 발생된 열을 전달받을 수 있다. 제1 전극은 실리콘을 포함하고, 실리콘은 비코팅 상태로 그 외부와 직접 접할 수 있다. 실리콘의 표면은 텍스쳐링(texturing)되거나 실리콘의 표면에 나노 구조체가 형성될 수 있다.
광전기화학셀과 열전소자를 결합하여 수소와 전력을 함께 생성할 수 있다. 따라서 하이브리드형 디바이스의 에너지 이용 효율을 극대화할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 각각 본 발명의 제1 실시예 내지 제4 실시예에 따른 하이브리드형 디바이스의 개략적인 도면이다.
도 5는 실험예 1의 하이브리드형 디바이스와 비교예 1의 광전기화학셀의 전류전압 그래프이다.
도 6은 실험예 1의 하이브리드형 디바이스에 포함된 열전소자의 온도차 변화에 따른 하이브리드형 디바이스의 전류전압 그래프이다.
도 7은 실험예 2의 하이브리드형 디바이스에 포함된 열전소자의 온도차 변화에 따른 하이브리드형 디바이스의 전류전압 그래프이다.
도 8은 실험예 1 및 실험예 2의 하이브리드형 디바이스에 포함된 열전소자의 온도차 변화에 따른 광전기화학셀의 효율 변화 그래프이다.
도 5는 실험예 1의 하이브리드형 디바이스와 비교예 1의 광전기화학셀의 전류전압 그래프이다.
도 6은 실험예 1의 하이브리드형 디바이스에 포함된 열전소자의 온도차 변화에 따른 하이브리드형 디바이스의 전류전압 그래프이다.
도 7은 실험예 2의 하이브리드형 디바이스에 포함된 열전소자의 온도차 변화에 따른 하이브리드형 디바이스의 전류전압 그래프이다.
도 8은 실험예 1 및 실험예 2의 하이브리드형 디바이스에 포함된 열전소자의 온도차 변화에 따른 광전기화학셀의 효율 변화 그래프이다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드형 디바이스(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 하이브리드형 디바이스(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리드형 디바이스(100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 하이브리드형 디바이스(100)는 열전소자(10), 광전기화학셀(20) 및 열원(30)을 포함한다. 이외에, 필요에 따라 하이브리드형 디바이스(100)는 다른 부품들을 더 포함할 수 있다.
먼저, 열전소자(10)는 고온부(101), 저온부(103) 및 반도체 소자(105)를포함한다. 여기서, 고온부(101)는 열원(30)과 연결되어 열을 공급받는다. 따라서 저온부(103)와의 온도차에 따른 제벡(Seebeck) 효과에 의해 기전력이 발생한다. 즉, 열에 의해 자유전자가 에너지를 얻고 이 에너지를 이용하여 기전력을 발생시킨다. 이를 위해 반도체 소자(105)가 고온부(101)와 저온부(103)를 상호 연결한다. 반도체 소자(105)는 p형 반도체 소자(1051) 및 n형 반도체 소자(1053)를 포함한다. 하나 이상의 p형 반도체 소자(1051)와 n형 반도체 소자(1053)를 상호 이격된 상태로 배치한다. 한편, 열전소자(10)의 발생 전압을 증가시키기 위하여 복수의 p형 반도체 소자들(1051)과 n형 반도체 소자들(1053)을 사용할 수도 있다. 예를 들면, 복수의 p형 반도체 소자들(1051)과 n형 반도체 소자들(1053)의 총개수를 142개 내지 254개로 할 수 있다. 즉, 복수의 p형 반도체 소자들(1051)와 n형 반도체 소자들(1053)을 직렬로 연결하여 고온부(101)와 저온부(103)의 온도차가 동일하더라도 높은 전압을 생성하여 광전기화학셀(20)에 공급할 수 있다. 이외의 열전 소자(10)에 대한 상세한 내용은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
열원(30)은 열전소자(10), 즉 열전소자(10)의 고온부(101)와 연결되어 고온부(101)에 열을 제공한다. 도 1에는 도시하지 않았지만, 열원(30)은 자동차에 포함될 수 있다. 즉, 열원(30)은 자동차의 외부에 부착되거나 자동차의 내부에 포함되어 사용될 수 있다. 예를 들면, 열원(30)으로서 자동차의 엔진 또는 배기부 등을 그 예로 들 수 있다. 이러한 부분의 온도는 400℃ 정도를 초과하므로, 열전소자(10)의 작동에 필요한 열을 충분히 공급할 수 있다. 한편, 자동차 이외에 발전소의 폐열 또는 지열 등을 열원으로도 사용할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 광전기화학셀(20)은 제1 전극(201), 전해질(203) 및 제2 전극(205)을 포함한다. 이외에, 필요에 따라 광전기화학셀(20)은 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있다. 광전기화학셀(20)은 열전소자(10)와 연결된다. 즉, n형 반도체 소자(1053)는 제2 전극(205)에 전기적으로 연결되고, p형 반도체 소자(1051)는 제1 전극(201)에 전기적으로 연결된다. 한편, 제1 전극(201)이 음극인 경우, 제2 전극(205)은 양극일 수 있다. 또한, 제1 전극(201)이 양극인 경우, 제2 전극(205)은 음극일 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 열원(30)에 의해 고온부(101)와 저온부(103)의 온도차에 의해 열전소자(10)에서 발생한 기전력을 p형 반도체 소자(1051) 및 n형 반도체 소자(1053)를 통해 광전기화학셀(20)에 공급하여 수소를 제조할 수 있다. 한편, 제1 전극(201)은 실리콘을 포함할 수 있다. 제1 전극(201)을 백금 등의 귀금속으로 코팅하지 않은 비코팅 상태로 형성하여도 광전기화학셀(20)이 열전소자(10)로부터 기전력을 공급받으므로, 전해질(203)을 전기분해하기 위한 전력을 충분히 확보할 수 있다. 제1 전극(201)의 광전변환효율을 향상시키기 위하여 실리콘의 표면을 텍스쳐링하거나 실리콘의 표면에 나노 구조체를 형성할 수 있다. 그 결과, 실리콘의 표면 면적을 넓혀서 광흡수율을 극대화할 수 있으므로, 제1 전극(201)의 광전변환효율을 높일 수 있다.
그리고 제1 전극(201)과 제2 전극(205)을 통해 광전변환에 따라 생성된 또다른 기전력과 열전소자(10)로부터 공급받은 기전력으로 전해질을 전기분해하면 전기화학반응에 따라 제2 전극(205) 표면에는 산소가 생성되고, 제1 전극(201) 표면에는 수소가 생성되고, 이를 포집하여 연료로서 사용할 수 있다. 예를 들면, 연료전지 자동차의 경우 수소를 연료로서 사용하므로, 연료전지 자동차에 수소를 공급할 수 있다.
한편, 제1 전극(201)과 저온부(103)를 연결하여 저온부(103)에 의해 제1 전극(201)의 열화를 방지할 수 있다. 즉, 저온부(103)의 온도가 낮으므로, 제1 전극(201)과 저온부(103)를 연결하는 냉각선(40)을 이용하여 제1 전극(201)을 냉각시킬 수 있다. 냉각선(40)은 길게 형성될 수도 있다. 이와는 달리, 저온부(103)를 제1 전극(201)과 직접 접촉시켜서 제1 전극(201)을 냉각시킬 수도 있다. 제1 전극(201)이 냉각되므로, 광에 의해 생성되는 기전력을 최대화할 수 있어서 광전기화학셀(20)에서 발생하는 기전력을 증대시킬 수 있다. 전술한 내용 이외의 광전기화학셀(20)의 상세한 구조는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드형 디바이스(200)를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 하이브리드형 디바이스(200)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리드형 디바이스(200)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다. 한편, 도 2의 하이브리드형 디바이스(200)의 구조는 도 1의 하이브리드형 디바이스(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 고온부(101)을 외부 노출시켜서 광이 고온부(101)로 입사될 수 있다. 따라서 고온부(101)와 저온부(103)의 온도차를 크게 하여 열전소자(10)가 기전력을 생성할 수 있고, 생성된 기전력을 광전기화학셀(20)에 공급하여 광전기화학셀(20)에서 수소를 생성할 수 있다. 이 경우, 높은 저항값을 가지는 열전소자(10)를 이용하여 하이브리형 디바이스(200)의 효율을 극대화할 수 있다. 열전소자(10)의 저항값은 광전기화학셀(20)의 저항값에 비해 매우 낮으므로, 광전기화학셀(20)에 미치는 열전소자(10)의 나쁜 영향을 최소화할 수 있다. 즉, 광전기화학셀(20)과 열전소자(10)를 상호 연결하는 경우, 광전기화학셀(20)에 전류가 흐르고, 열전소자(10)에서는 광전기화학셀(20)의 전류 발생에 필요한 과전압이 발생된다. 따라서 저전류로 인해 낮은 효율을 가지는 열전소자(10)을 효율적으로 이용할 수 있다.
열전소자(10)의 기전력을 높이기 위해 복수의 p형 반도체 소자(1051)와 복수의 n형 반도체 소자(1051)를 직렬로 연결한다. 그러나 직렬 연결되는 p형 반도체 소자(1051)와 복수의 n형 반도체 소자(1051)의 수가 많아질수록 열전소자(10)의 저항도 증가한다. 따라서 열전소자(10)에서 아무리 높은 전압이 발생되어도 저항으로 인한 전력 손실이 크면 열전소자(10)에는 낮은 전력이 발생한다. 그러나 광전기화학셀(20) 등의 고저항 소자를 열전소자(10)와 결합하여 하이브리드형 디바이스(200)를 구동하는 경우, 열전소자(10)의 저항으로 인한 손실이 커지지 않는다. 특히, 태양전지를 열전소자(10)와 결합하여 사용하는 것보다 광전기화학셀(20)을 열전소자(10)와 결합하는 경우에 열전소자(10)의 저항으로 인한 손실을 좀더 줄일 수 있다. 즉, 일반적인 태양전지는 1Ω 이하의 저항값을 가지지만, 열전소자는 1~2Ω 정도로 이보다 높은 저항값을 가진다. 이 경우, 열전소자에 의해 상승된 저항은 태양전지 구동시 큰 손실을 야기한다.
이와는 대조적으로, 광전기화학셀(20)의 저항값은 약 50Ω 내지 200Ω 정도로서 열전소자(10)에 비해 거의 100배 정도 높은 저항값을 가진다. 따라서 광전기화학셀(20)과 열전소자(10)를 직렬 연결한 후에도 연결전에 비해 저항차가 거의 없어서 열전소자(10)의 저항으로 인한 전력 소모가 크지 않다. 따라서 광전기화학셀(20)과 열전소자(10)를 결합한 하이브리드 소자(200)에서는 열전소자(10)의 저항에 의한 손실이 없이 온도차에 따라 발생된 전압을 이용할 수 있다.
고체인 태양전지 또는 열전소자에서는 전자 및 홀의 이동도에 의해 전기전도도가 결정되는 반면에, 액체인 전해질내에서는 이온에 의해 전기전도도가 결정된다. 따라서 광전기화학셀은 액체인 전해질에서의 전도가 이루어지므로, 고체인 태양전지 또는 열전소자에 비해 높은 저항값을 가진다.
이를 위하여 광전기화학셀(20)에 대한 열전소자(10)의 저항비는 0.010 내지 0.105일 수 있다. 열전소자(10)와 광전기화학셀(20)의 저항비가 너무 큰 경우, 열전소자(10)의 저항으로 인하여 광전기화학셀(20)의 특성이 저하될 수 있다. 따라서 열전소자(10)와 광전기화학셀(20)의 저항차를 전술한 범위로 조절한다. 한편, 바람직하게는 광전기화학셀(20)에 대한 열전소자(10)의 저항비는 0.010 내지 0.056일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 광전기화학셀(20)에 대한 열전소자(10)의 저항비는 0.010 내지 0.021일 수 있다.
한편, 열전소자(10)의 저항값은 1.9Ω 내지 4.2Ω 일 수 있다. 좀더 바람직하게는 열전소자(10)의 저항값은 1.9Ω 내지 2.1Ω 일 수 있다. 열전소자(10)의 저항값이 너무 큰 경우, 열전소자(10)의 구동 효율이 저하될 수 있다. 한편, 열전소자(10)의 소재의 특성상 그 저항값을 낮추는 것은 한계가 있다. 따라서 열전소자(10)의 저항값을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
그리고 광전기화학셀(20)의 저항값은 80Ω 내지 200Ω일 수 있다. 이 경우, 광전기화학셀(20)의 소재로서 실리콘을 사용할 수 있다. 광전기화학셀(20)의 저항값이 너무 높은 경우, 광전기화학셀(20) 자체의 구동 효율이 저하되고, 광전기화학셀(20)의 저항값이 너무 낮은 경우, 하이브리드형 디바이스(200)에서 열전소자(10)의 내부 저항으로 인해 그 특성이 저하된다. 따라서 광전기화학셀(20)의 저항값을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 열전소자(10)의 저항값과 광전기화학셀(20)의 저항값을 조절하여 하이브리드형 디바이스(200)의 에너지 변환 효율을 최대화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드형 디바이스(300)를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 하이브리드형 디바이스(300)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리드형 디바이스(300)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다. 한편, 도 3의 하이브리드형 디바이스(300)의 구조는 도 2의 하이브리드형 디바이스(200)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 열전소자(10)의 고온부(101)는 광전기화학셀(20)의 제1 전극(201)과 접촉하여 광에 의해 제1 전극(201)으로부터 발생된 열을 전달받는다. 제1 전극(201)은 전해질(203)을 통과한 광에 의해 기전력을 생성하므로 이 기전력을 이용하여 광전기화학셀(20)에서 수소를 제조할 수 있다. 한편, 제1 전극(201)에 의해 가열된 고온부(101)와 저온부(103)와의 온도차에 의해 열전소자(10)에서도 기전력이 생성되어 이를 광전기화학셀(20)에 공급한다. 한편, 이를 위해 제1 전극(201)은 p형 반도체 소자(1051)와 전기적으로 연결되고, 제2 전극(205)은 n형 반도체 소자(1053)와 전기적으로 연결된다. 그 결과, 광전기화학셀(20)에서 수소를 생성하기에 충분한 기전력을 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 하이브리드형 디바이스(400)를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 하이브리드형 디바이스(400)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리드형 디바이스(400)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다. 한편, 도 4의 하이브리드형 디바이스(400)의 구조는 도 2의 하이브리드형 디바이스(200)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 고온부(101)는 전해질(203)과 이웃하여 전해질(203)로부터 발생된 열을 전달받을 수 있다. 즉, 광이 전해질(203)로 입사되어 전해질(203)을 가열하므로, 이를 고온부(101)가 전달받아 저온부(103)와의 온도차가 커질 수 있다. 이 경우, 열전소자(10)에 기전력이 생성되어 이를 광전기화학셀(20)에 공급함으로써 광전기화학셀(20)에서 충분한 양의 수소를 지속적으로 생성할 수 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
1.2Ω의 내부저항을 가지고 레그수가 142개이며 제벡(Seebeck) 계수가 0.019V/K인 열전소자를 사용하여 실험하였다. 여기서, 레그는 비쓰무스 텔룰라이드(BiTe)를 사용하여 제조하였다. 한편, 광전기화학셀의 광음극은 p형 실리콘 웨이퍼로 제조하였고, 실리콘 웨이퍼의 두께는 500㎛ 이었으며, 그 비저항은 1-10Ωcm 이었다. 광전기화학셀의 전해질로서 0.5M의 황산을 사용하였고, 양극으로서 Pt 또는 Ag/AgCl을 사용하였다.
실험예 2
2.1Ω의 내부저항을 가지고 레그수가 254개인 제벡(Seebeck) 계수가 0.025V/K인 열전소자를 사용하여 실험하였다. 여기서, 레그는 비쓰무스 텔룰라이드(BiTe)를 사용하여 제조하였다. 나머지 실험과정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예 1
실험예 1에서 사용한 광전기화학셀만 이용하였다.
전류전압측정실험 및 그 결과
실험예 1에서의 열전소자와 광전기화학셀을 도 2의 하이브리드형 디바이스와 같이 연결한 후 전압 발생에 따른 전류 밀도를 측정하였다. 또한, 광전기화학셀의 전압 발생에 따른 전류 밀도를 전술한 실험예 1과 동일한 방법을 사용하여 측정하였다.
도 5는 실험예 1의 하이브리드형 디바이스와 비교예 1의 광전기화학셀의 전류전압 그래프를 나타낸다. 도 5에서 녹색선은 실험예 1을 나타내고, 흑색선은 비교예 1을 나타낸다.
도 5에 도시한 바와 같이, 실험예 1에서는 비교예 1보다 전압을 좀더 올려야 전압 상승에 따른 전류 밀도를 상승시킬 수 있었다. 그러나 그 차는 거의 미미하므로, 하이브리드형 디바이스가 광전기화학셀만 사용한 경우에 비해 효율 저하가 거의 없다는 것을 알 수 있었다.
열전소자의 내부 온도차에 따른 전류전압측정실험 및 그 결과
실험예 1에 대한 실험 및 그 결과
실험예 1의 열전소자의 고온부 및 저온부의 온도차를 조절하여 하이브리드형 디바이스의 전압전류변화를 측정하였다.
도 6은 실험예 1의 하이브리드형 디바이스에 포함된 열전소자의 온도차 변화에 따른 하이브리드형 디바이스의 전류전압 그래프를 나타낸다. 도 6에서는 각각 온도차를 0, 2.3 내지 2.6, 8.9 내지 9.2, 14.2 내지 14.3으로 조절하여 실험하였다.
도 6에서 전류값은 전해질의 전기분해에 사용된 것을 나타내고, 온도차가 커질수록 0V에서의 전류값이 커지는 것을 알 수 있었다. 즉, 전류값이 커질수록 외부에서 전압을 인가하지 않아도 물의 전기분해가 활성되었다.
실험예 2에 대한 실험 및 그 결과
실험예 2의 열전소자의 고온부 및 저온부의 온도차를 조절하여 하이브리드형 디바이스의 전압전류변화를 측정하였다.
도 7은 실험예 2의 하이브리드형 디바이스에 포함된 열전소자의 온도차 변화에 따른 하이브리드형 디바이스의 전류전압 그래프를 나타낸다. 도 7에서는 각각 온도차를 0, 3 내지 3.5, 6.4 내지 6.7, 16.2 내지 16.4로 조절하여 실험하였다.
도 7에 도시한 바와 같이, 온도차가 커질수록 0V에서의 전류값이 커지는 것을 알 수 있었다. 즉, 전류값이 커질수록 외부에서 전압을 인가하지 않아도 물의 전기분해가 활성되었다. 그러나 온도차에 따라 그래프의 이동폭이 적어졌고, 이는 실험예 2에서 사용된 열전소자의 수가 실험예 1에서 사용된 열전소자의 수에 비해 적어서 동일한 온도차에서의 전압 발생량이 작기 때문인 것으로 관찰되었다.
광전기화학셀의 효율 실험 및 그 결과
실험예 1과 실험예 2의 열전소자의 온도차 변화에 따라 하이브리드형 디바이스에 포함된 광전기화학셀의 효율 변화를 측정하였다.
도 8은 실험예 1 및 실험예 2의 하이브리드형 디바이스에 포함된 열전소자의 온도차 변화에 따른 광전기화학셀의 효율 변화에 대한 그래프를 나타낸다. 도 8에서는 실험예 1 및 실험예 2의 열전소자의 온도차를 전술한 전류전압측정실험시와 동일하게 조절하였다. 도 8에서 원모양은 실험예 1에 따라 제조한 하이브리드형 디바이스에 포함된 열전소자를 의미하고, 사각형 모양은 실험예 2에 따라 제조한 하이브리드형 디바이스에 포함된 열전소자를 의미한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 온도차가 커질수록 이에 비례하여 광전기화학셀의 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 대체적으로 레그수가 많은 실험예 2의 열전소자를 사용하는 경우, 실험예 1의 열전소자를 사용하는 경우에 비해 광전기화학셀의 효율이 크게 증가한다는 것을 알 수 있었다.
열전소자와 광전기화학셀의 저항차 측정 실험
열전소자의 저항값과 광전기화학셀의 저항값을 변화시키면서 저항값 변화에 따른 하이브리드형 디바이스의 전류전압변화를 측정하였다. 하기의 표 1은 실험예 3 내지 실험예 14에 따라 제조한 하이브리드형 디바이스와 그 특성치를 나타낸다.
실험예 3 내지 실험예 14에서는 열전소자의 레그수를 변경하거나 직렬 연결 등에 의해 그 저항값(A)을 변화시켰고, 광전기화학셀은 전극간의 거리를 조절하여 그 저항값(B)을 변화시켰다. 열전소자 자체 또는 광전기화학셀 자체의 저항 변화 방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
표 1에 기재한 바와 같이, 실험예 4 내지 실험예 12에서 비교적 양호한 값의 전류밀도가 얻어졌다. 따라서 광전기화학셀에 대한 열전소자의 저항비를 실험예 4 내지 실험예 12와 같이 조절하는 경우, 하이브리드형 디바이스의 효율을 최적으로 할 수 있었다. 더욱 바람직하게는, 광전기화학셀에 대한 열전소자의 저항비를 실험예 5 내지 실험예 10과 같이 조절하는 경우, 하이브리드형 디바이스의 효율을 좀더 최적화할 수 있었다. 그리고 가장 바람직하게는, 광전기화학셀에 대한 열전소자의 저항비를 실험예 7 내지 실험예 9와 같이 조절하는 경우, 하이브리드형 디바이스의 효율을 가장 최적화할 수 있었다. 즉, 전술한 실험예 3 내지 실험예 14를 통하여 하이브리드형 디바이스의 전류밀도를 최적화할 수 있는 조건을 도출할 수 있었다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
100, 200, 300, 400. 하이브리드형 디바이스
10. 열전소자
20. 광전기화학셀
30. 열원
40. 냉각선
101. 고온부
103. 저온부
105. 반도체 소자
1051. p형 반도체 소자
1053. n형 반도체 소자
201. 제1 전극
203. 전해질
205. 제2 전극
10. 열전소자
20. 광전기화학셀
30. 열원
40. 냉각선
101. 고온부
103. 저온부
105. 반도체 소자
1051. p형 반도체 소자
1053. n형 반도체 소자
201. 제1 전극
203. 전해질
205. 제2 전극
Claims (16)
- 열원,
상기 열원과 연결되고, 상기 열원에 의해 구동되어 제1 기전력을 생성하도록 적용된 열전소자, 및
상기 열전소자와 연결되어 상기 제1 기전력을 공급받고, 광을 입사받아 상기 광에 의해 생성된 제2 기전력과 상기 제1 기전력에 의해 수소를 생성하면서 상기 열전소자에 의해 냉각되도록 적용된 광전기화학셀
을 포함하고,
상기 광전기화학셀은,
상기 광을 입사받아 상기 제2 기전력을 생성하는 제1 전극,
상기 제1 전극과 접촉하는 전해질, 및
상기 전해질과 접촉하는 제2 전극
을 포함하고,
상기 열전소자는,
상기 열원과 연결된 고온부,
상기 고온부와 이격되어 상기 고온부와 마주하고 상기 제1 전극과 연결되어 상기 제1 전극을 냉각시키는 저온부, 및
상기 고온부 및 상기 저온부 사이에 위치하면서, 상호 이격된 하나 이상의 p형 반도체 소자 및 하나 이상의 n형 반도체 소자
를 포함하며,
상기 제1 전극은 상기 p형 반도체 소자에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극은 상기 n형 반도체 소자에 전기적으로 연결된 하이브리드형 디바이스. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 저온부를 연결하는 냉각선을 더 포함하는 하이브리드형 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 열원은 자동차에 포함된 하이브리드형 디바이스. - 제1 기전력을 생성하도록 적용된 열전소자, 및
상기 열전소자와 연결되어 상기 제1 기전력을 공급받고, 광을 입사받아 상기 광에 의해 생성된 제2 기전력과 상기 제1 기전력에 의해 수소를 생성하는 광전기화학셀
을 포함하고,
상기 광전기화학셀에 대한 상기 열전소자의 저항비는 0.010 내지 0.105인 하이브리드형 디바이스. - 제5항에 있어서,
상기 광전기화학셀에 대한 상기 열전소자의 저항비는 0.010 내지 0.056인 하이브리드형 디바이스. - 제6항에 있어서,
상기 광전기화학셀에 대한 상기 열전소자의 저항비는 0.010 내지 0.021인 하이브리드형 디바이스. - 제5항에 있어서,
상기 열전소자의 저항값은 1.9Ω 내지 4.2Ω인 하이브리드형 디바이스. - 제5항에 있어서,
상기 열전소자의 저항값은 1.9Ω 내지 2.1Ω인 하이브리드형 디바이스. - 제8항에 있어서,
상기 광전기화학셀의 저항값은 80Ω 내지 200Ω인 하이브리드형 디바이스. - 제5항에 있어서,
상기 광전기화학셀은,
상기 광을 입사받아 상기 제2 기전력을 생성하는 제1 전극,
상기 제1 전극과 접촉하는 전해질, 및
상기 전해질과 접촉하는 제2 전극
을 포함하고,
상기 열전소자는,
고온부,
상기 고온부와 이격되어 상기 고온부와 마주하는 저온부, 및
상기 고온부 및 상기 저온부 사이에 위치하면서, 상호 이격된 하나 이상의 p형 반도체 소자 및 하나 이상의 n형 반도체 소자
를 포함하며,
상기 제1 전극은 상기 p형 반도체 소자에 전기적으로 연결되고, 상기 상기 제2 전극은 상기 n형 반도체 소자에 전기적으로 연결된 하이브리드형 디바이스. - 제11항에 있어서,
상기 고온부는 외부 노출되어 상기 광이 고온부에 입사되도록 적용된 하이브리드형 디바이스. - 제11항에 있어서,
상기 고온부는 상기 제1 전극과 연결되어 상기 제1 전극으로부터 발생된 열을 전달받는 하이브리드형 디바이스. - 제11항에 있어서,
상기 광이 상기 전해질로 입사되어 상기 전해질을 가열하고, 상기 고온부는 상기 전해질과 이웃하여 상기 전해질로부터 발생된 열을 전달받는 하이브리드형 디바이스. - 제1항 또는 제11항에 있어서,
상기 제1 전극은 실리콘을 포함하고, 상기 실리콘은 비코팅 상태로 그 외부와 직접 접하는 하이브리드형 디바이스. - 제15항에 있어서,
상기 실리콘의 표면은 텍스쳐링(texturing)되거나 상기 실리콘의 표면에 나노 구조체가 형성된 하이브리드형 디바이스.
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