KR101712240B1 - 광 전기화학 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

광 전기화학 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

광 전기화학 장치가 제공된다. 상기 광 전기화학 장치는, 용액이 수용되는 반응조, 상기 반응조 내에 배치되고, 황(S) 및 주석(Sn)의 화합물을 포함하는 제1 전극, 및 상기 반응조 내에 상기 제1 전극과 이격되어 배치되고 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극을 포함한다.

Description

광 전기화학 장치 및 그 제조 방법{Photo electro-chemical apparatus and method of fabricating the same}
본 발명은 광 전기화학 장치 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 황(S) 및 주석(Sn)의 화합물을 포함하는 전극을 이용하여 전해질 용액을 분해하는 광 전기화학 장치 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
수소 에너지는 화석 연료 고갈로 인한 에너지 위기 시대에 각광받는 대체 에너지이다. 수소는 연소하더라도 오염물을 발생시키지 않고 수소는 물로부터 얻을 수 있어 미래의 무공해 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 세계의 수소 소비량의 대부분은 석유 탈황, 암모니아 제조 등 화학 공업 process의 원료로 쓰여지며, 물로부터 수소를 대량으로 생산하는 것이 용이하지 않아, 상용화가 이뤄지지 않고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 대한민국 등록 특허 공보 10-0414880(출원번호 10-2001-0001871)에는, 적은 전위차에서도 효율적으로 수소 가스를 생성하기 위해, 바이폴라 이온교환수지막을 포함하는 전기분해를 이용한 산소 및 수소 발생장치가 개시되어 있다.
수소 에너지 사용의 상용화를 위해, 효율적인 방법을 수소를 생성할 수 있는 광 전기화학 장치 및 그 제조 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 향상된 효율을 갖는 광 전기화학 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 광에 의해 여기된 전자들의 재결합이 최소화된 광 전기화학 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 장수명의 광 전기화학 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 광-수소 전환 효율이 최대화된 광 전기화학 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 광 전기화학 장치를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 전기화학 장치는, 용액이 수용되는 반응조, 상기 반응조 내에 배치되고, 황(S) 및 주석(Sn)의 화합물을 포함하는 제1 전극, 및 상기 반응조 내에 상기 제1 전극과 이격되어 배치되고 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극은, 베이스 기판(base substrate), 상기 베이스 기판 상의 베이스 전극(base electrode), 및 상기 베이스 전극 상에 배치되고, 황(S) 및 주석(Sn)의 화합물을 포함하는 활성 전극층(active electrode layer)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 활성 전극층은 SnS2로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 활성 전극층은 산소(O)를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극은, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 포함하는 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 상기 제1 면 상의 제1 베이스 전극, 상기 베이스 기판의 상기 제2 면 상의 제2 베이스 전극, 상기 제1 베이스 전극 상에 배치되고, 황(S) 및 주석(Sn)의 화합물을 포함하는 제1 활성 전극층, 및 상기 제2 베이스 전극 상에 배치되고, 황(S) 및 주석(Sn)의 화합물을 포함하는 제2 활성 전극층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 황(S) 및 주석(Sn)의 화합물은 비정질 또는 육방정계(hexagonal) 결정 구조를 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극의 밴드 갭 에너지는 2.1~2.8[eV]인 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 광 전기화학 장치의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 전기화학 장치의 제조 방법은, 챔버 내에 기판을 준비하는 단계, 상기 챔버 내에 주석(Sn) 및 황(S)을 포함하는 소스를 제공하여, 상기 기판 상에 활성 전극층을 형성하는 단계, 및 상기 활성 전극층이 형성된 상기 기판 및 상대전극이 서로 이격되도록 반응조 내에 배치시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 활성 전극층을 형성하는 단계는, 60~150℃에서 수행되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 활성 전극층을 형성하는 단계는, 상기 챔버 내에 밴드 갭 에너지 조절제(band-gap energy control agent)를 포함하는 소스를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 밴드 갭 에너지 조절제는 산소(O)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 활성 전극층은 원자층 증착법으로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치는, 반응조 내에 배치되고 황(S) 및 주석(Sn)을 포함하는 제1 전극, 및 상기 제1 전극과 이격되어 배치된 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 전극(100)에 포함된 주석(Sn) 및 황(S)의 화합물이, 가시광선 영역의 광을 흡수하여 물을 분해하기 위한 광 전기화학 장치의 양극으로 사용되기 적합한 밴드 갭 에너지를 가짐과 동시에, 전해질/물에 대한 강한 내부식성을 가질 수 있다. 이로 인해, 광-수소 변환 효율이 향상되고 가용기간이 증가된 광 전기화학 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 주석(Sn) 및 황(S)의 화합물은 박막 형태 또는 2차원 구조(2-dimensional structure)로 제공되어, 여기된 전자 및 정공의 재결합이 최소화될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치의 광-수소 변환 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치를 설명하기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치에 포함된 제1 전극의 일 실시 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치에 포함된 제1 전극의 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치에 포함된 활성 전극층의 특성을 설명하기 위한 XRD 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치에 포함된 활성 전극층의 특성을 설명하기 위한 TEM 회절 패턴이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치의 제조 방법에 따라 제조된 활성 전극층의 밴드 갭 에너지를 설명하기 위한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 활성 전극층의 밴드 갭의 적절성을 설명하기 위한 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치를 설명하기 위한 것이다.
도 1을 참조하면, 용액이 수용되는 반응조(10)가 제공된다. 일 실시 예에 따르면, 상기 반응조(10) 내에 물이 채워질 수 있다.
상기 반응조(10) 내에 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)이 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(100) 및 상기 제2 전극(200)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(100)의 사이즈(size)와 상기 제2 전극(200)의 사이즈는 서로 동일할 수 있다. 또는, 이와는 달리, 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(100)의 사이즈와 상기 제2 전극(200)이 사이즈는 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 전극(100)은 황(S) 및 주석(Sn)의 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 황(S) 및 주석(Sn)의 화합물은 SnS2일 수 있다. 상기 제1 전극(100)은 황(S) 및 주석(Sn) 외에 산소(O)를 더 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(100)은 SnOxSy(x 및 y는 양의 유리수)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 전극(200)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 철(Fe), 은(Ag), 니켈(Ni), 그래파이트(graphite), 또는 납(Pb) 중에서 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극(100) 및 상기 제2 전극(200)은 서로 전기적으로 연결(electrically connected)될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 전원(20) 및 저항(30)이 상기 제1 전극(100) 및 상기 제2 전극(200) 사이에 연결될 수 있다.
상기 제1 전극(100)에 광이 조사되는 경우, 상기 제1 전극(100)은 상기 광을 흡수하여 전자(2e-) 및 정공(2h+)을 발생시키고, 상기 반응조(10) 내의 물이 전기 분해되어, 아래의 [화학식 1]과 같이, 상기 제1 전극(100)에서 산소 이온과 정공이 결합되어 산소 가스가 발생될 수 있다.
Figure 112014056639840-pat00001
상기 제1 전극(100)에서 발생된 전자(2e-)는, 상기 제2 전극(200)으로 이동되어, 상기 제2 전극(200)에서 아래의 [화학식 2]와 같이 수소 가스가 발생될 수 있다.
Figure 112014056639840-pat00002
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(100)에 포함된 주석(Sn) 및 황(S)에 의해, 상기 반응조(10) 내의 물/전해질에 의한 상기 제1 전극(100)의 부식이 방지되어 장수명의 광 전기화학 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극(100)에 포함된 주석(Sn) 및 황(S)의 화합물이, 가시광선 영역의 광을 흡수하여 물을 분해하기 위한 광 전기화학 장치의 양극으로 사용되기 적합한 밴드 갭 에너지(2.1~2.8 [eV])를 가질 수 있다. 이로 인해, 광을 이용한 물 분해 및 수소 발생의 효율성이 향상될 수 있다.
종래에 물을 분해하기 위한 광 전기화학 장치의 양극으로 사용되는 ZrO2, KTAO3, SrTiO3, TiO2, ZnS, 및 SiC는 밴드 정렬도는 높은 반면, 높은 밴드 갭으로 인해 가시광선 영역에서 광 흡수가 되지 않고, 주로 자외선 영역의 광을 흡수하여 전자 및 정공을 발생시켜 광-수소 변환 효율이 낮은 문제가 있었다. 또한, CdS 및 CdSe는 각각 2.8 [eV] 및 1.7 [eV]의 적절한 밴드 갭을 가지고 밴드 정렬도가 높으나 전해질에 대한 내부식성이 낮아 가용기간이 짧은 단점이 있으며, GaP, Si, WO3, Fe2O3, 및 MoS2는 가시광선 영역의 광을 흡수하기에 적절한 밴드 갭을 갖지만 밴드 정렬도가 낮은 문제가 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 제1 전극(100)에 포함된 주석(Sn) 및 황(S)의 화합물은 물/전해질에 대한 강한 내부식성을 가짐과 동시에, 높은 밴드 정렬도, 및 가시광선 영역의 광을 용이하게 흡수할 수 있는 밴드 갭 에너지를 가진다. 이에 따라, 광-수소 변환 효율이 향상되고 가용기간이 증가된 광 전기화학 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극(100)에 포함된 주석(Sn) 및 황(S)의 화합물은 박막 형태 또는 2차원 구조(2-dimensional structure)로 제공되어, 광에 의해 여기된 전자 및 정공의 재결합이 최소화될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 상기 주석(Sn) 및 황(S)의 화합물의 두께가 두꺼운 경우, 전자의 평균자유행로의 증가에 따라 재결합되는 전자 및 정공의 수가 증가되어 광-수소 변환 효율이 감소될 수 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 상기 제1 전극(100)에 포함된 주석(Sn) 및 황(S)의 화합물은 박막 형태 또는 2차원 구조(2-dimensional structure)로 제공되어, 광-수소 변환 효율이 향상된 광 전기화학 장치가 제공될 수 있다.
이하, 상기 제1 전극(100)의 구체적인 구조에 대한 실시 예들이 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치에 포함된 제1 전극의 일 실시 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명된 상기 제1 전극(100)은, 베이스 기판(110, base substrate), 상기 베이스 기판(110) 상의 베이스 전극(120, base electrode), 및 상기 베이스 전극(120) 상의 활성 전극층(130, active electrode layer)을 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판(110)은 투명한 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 기판(110)은 유리 기판, 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 베이스 기판(110)은 플렉시블(flexible)한 기판일 수 있다.
상기 베이스 전극(120)은 전도성 물질로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 전극(120)은 투명한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 전극(120)은, ITO, 은 나노 와이어, IZO 등으로 형성될 수 있다. 상기 베이스 전극(120)은 상기 활성 전극층(130)보다 높은 전도성을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 활성 전극층(130)은 주석(S) 및 황(S)을 포함하는 화합물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성 전극층(130)은 SnS2로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 활성 전극층(130)은 비정질 또는 육박정계 결정 구조(hexagonal crystal structure)를 가질 수 있다.
또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 활성 전극층(130)의 밴드 갭 에너지를 조절하기 위해, 상기 활성 전극층(130)은 SnS2에 산소(O)가 도핑된 SnOxSy(x 및 y는 양의 유리수)로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 베이스 전극 및 활성 전극층은 베이스 기판의 양면에 형성될 수 있다. 이를, 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치에 포함된 제1 전극의 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 도 1을 참조하여 설명된 상기 제1 전극(100)은, 베이스 기판(110), 제1 베이스 전극(120a), 제2 베이스 전극(120b), 제1 활성 전극층(130a), 및 제2 활성 전극층(130b)을 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판(110)은 제1 면(110a) 및 제2 면(110b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 면(110a) 및 상기 제2 면(110b)은 서로 대향할 수 있다.
상기 제1 베이스 전극(120a) 및 상기 제1 활성 전극층(130a)은 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면(110a) 상에 차례로 적층될 수 있다. 상기 제2 베이스 전극(120b) 및 상기 제2 활성 전극층(130b)은 상기 베이스 기판(110)의 상기 제2 면(110b) 상에 차례로 적층될 수 있다. 이로써, 상기 베이스 기판(110)의 양면에 활성 전극층들(130a, 130b)이 형성된 제1 전극이 제공될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치의 제조 방법이 설명된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치의 제조 방법은, 챔버 내에 기판을 준비하는 단계(S110), 상기 챔버 내에 주석(Sn) 및 황(S)을 포함하는 소스를 제공하여, 상기 기판 상에 활성 전극층을 형성하는 단계(S120), 및 상기 활성 전극층이 형성된 상기 기판 및 상대전극이 서로 이격되도록 반응조 내에 배치시키는 단계(S130)를 포함할 수 있다. 상기 활성 전극층이 형성된 상기 기판은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 제1 전극에 대응될 수 있고, 상기 기판은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된 베이스 기판 및 베이스 전극에 대응될 수 있다. 상기 상대 전극은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 제2 전극에 대응될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판 상에 활성 전극층을 형성하는 단계(S120)는, 상기 챔버 내에 주석(Sn)을 포함하는 전구체, 및 황(S) 포함하는 반응 가스를 이용하여, 원자층 증착법으로 상기 활성 전극층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 주석을 포함하는 전구체는 TDMASn(Tetrakis(dimethylamino)tin), SnCl (Tin(IV) chloride), Sn(acac)2) (tin 2,4-pentanedionate), 또는 Sn(amd)2 (bis(N,-N’-didisopropylacetamidinato)tin(II)) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 황을 포함하는 반응 가스는 H2S일 수 있다. 이 경우, 상기 활성 전극층은 SnS2일 수 있다.
상기 활성 전극층은, 60~150℃ 공정 온도에서 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 활성 전극층은, 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치에서 가시광선 영역의 광을 용이하게 흡수하기 위한 밴드 갭 에너지(예를 들어, 2.1~2.8 eV)를 가질 수 있다.
만약, 상기 활성 전극층을 형성하기 위한 공정 온도가 150℃를 초과하는 경우, 상기 활성 전극층은, 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치에서 가시광선 영역의 광을 용이하게 흡수하기 위한 밴드 갭 에너지(예를 들어, 2.1~2.8 eV)보다 낮은 밴드 갭 에너지를 가질 수 있다. 예를 들어, 상술된 바와 같이, TMDASn 전구체와 H2S 가스를 이용하여, 150℃를 초과하는 온도에서 원자층 증착 공정이 수행되는 경우, 1.6~1.7 eV의 밴드 갭 에너지를 갖는 SnS가 형성될 수 있다. 이 경우, 표준 수소 전극 기준 2.07 eV의 밴드갭 보다 작아 광-수소 변환 효율이 낮은 문제가 있다. 또한, 상기 활성 전극층을 형성하기 위한 공정 온도가 60℃ 미만인 경우, 반응이 원활하게 일어나지 않는 문제가 있다.
반면, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 활성 전극층은 60~150℃ 공정 온도에서 형성됨으로써, 가시광선 영역의 광을 용이하게 흡수할 수 있는 밴드 갭 에너지를 가질 수 있고, 이에 따라, 광-수소 변환 효율이 향상된 광 전기화학 장치가 제공될 수 있다.
상기 기판 상에 활성 전극층을 형성하는 단계(S120)는, 상기 챔버 내에 상기 주석 및 황을 포함하는 소스 외에, 밴드 갭 에너지 조절제(band-gap energy control agent)를 포함하는 소스를 제공하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 밴드 갭 에너지 조절제는, 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치의 상대전극(제2 전극)의 물질에 따라 상기 활성 전극층의 밴드 갭 에너지를 적절하게 조절하기 위한 것일 수 있다.
상기 밴드 갭 에너지 조절제를 포함하는 소스의 제공에 의해, 상기 활성 전극층에 상기 밴드 갭 에너지 조절제가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 밴드 갭 에너지 조절제는 산소(O)일 수 있다. 이 경우, 상기 밴드 갭 에너지 조절제를 포함하는 소스는 H2O일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치의 제조 방법에 따라 제조된 활성 전극층의 특성이 설명된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치에 포함된 활성 전극층의 특성을 설명하기 위한 XRD 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치에 포함된 활성 전극층의 특성을 설명하기 위한 TEM 회절 패턴이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 60℃~180℃의 공정 온도에서 TDMASn 전구체와 H2S 반응 가스를 챔버 내에 공급하여, 원자층 증착법으로 50nm 두께의 SnSx(X는 양의 정수)막을 증착하였다. 150℃ 이하의 공정 온도에서는 SnS2 막이 형성되며, 150℃를 넘는 공정 온도에서는 SnS 막이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 6의 (a) 내지 (c)는 각각, 100℃, 140℃, 및 180℃에서 증착된 SnSx막들의 TEM 회절 패턴들이다. 공정 온도 100℃에서 비정질 상태의 SnS2 막이 증착되었고, 공정 온도 140℃에서 육방정계 결정 구조를 갖는 SnS2 막이 증착되었고, 공정 온도 180℃에서 사방정계 결정 구조를 갖는 SnS 막이 증착되었다.
도 5 및 도 6에서 알 수 있듯이, 동일한 소스 가스를 이용하더라도 공정 온도를 다르게 하는 경우, 조성비가 다르고, 서로 다른 결정 구조를 갖는 SnS 막 및 SnS2 막이 증착되는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 광 전기화학 장치의 제조 방법에 따라 제조된 활성 전극층의 밴드 갭 에너지를 설명하기 위한 것이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 활성 전극층의 밴드 갭의 적절성을 설명하기 위한 것이다.
도 7을 참조하면, 공정 온도를 60℃, 80℃, 100℃, 120℃, 140℃, 150℃, 160℃, 및 180℃로 달리하여, TDMASn 전구체와 H2S 반응 가스를 이용하여, 원자층 증착법으로, SnSx막들을 증착하였다. 증착된 SnSx막들에 대해서 UV-vis 장비를 이용하여 흡광도를 측정한 후, Tauc식을 이용하여 광 밴드 갭을 계산하였다.
도 7에서 알 수 있듯이, 60℃, 80℃, 100℃, 120℃, 140℃, 및 150℃ 등 150℃ 이하의 공정 온도에서 증착된 SnS2 막의 광 밴드 갭은 약 2.4~2.8eV로 측정되었고, 150℃보다 높은 160℃ 및 180℃의 공정 온도에서 증착된 SnS 막의 광 밴드 갭은 1.6~1.7eV 갖는 것으로 측정되었다.
도 8에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따라 60~150℃ 공정 온도에서 증착된 SnS2 막이, 다양한 양극들과 비교하여, 최적의 밴드 갭을 갖는 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10: 반응조
20: 전원
30: 저항
100: 제1 전극
110: 베이스 기판
120, 120a, 120b: 베이스 전극
130, 130a, 130b: 활성 전극층

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  8. 챔버 내에 기판을 준비하는 단계;
    상기 챔버 내에, 주석(Sn) 및 황(S)을 포함하는 소스, 산소(O)를 포함하는 밴드 갭 에너지 조절제를 제공하여, 상기 기판 상에, 주석, 황, 및 산소를 포함하고, 밴드갭 에너지가 조절된 활성 전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성 전극층이 형성된 상기 기판 및 상대전극이 서로 이격되도록 반응조 내에 배치시키는 단계를 포함하되,
    상기 반응조에는 물이 수용되고,
    상기 활성 전극층으로 광이 조사되는 경우, 상기 활성 전극층은 광을 흡수하여 전자 및 정공을 생성하고, 생성된 정공은 산소 이온과 결합하여, 상기 활성 전극층에서 산소 가스를 발생시키고,
    상기 활성 전극층에서 생성된 전자는 상기 상대전극으로 이동하여, 수소 이온과 결합하여 상기 상대전극에서 수소 가스를 발생시키는 것을 포함하는 광 전기화학 장치의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 활성 전극층은 원자층 증착법으로 형성되고,
    상기 활성 전극층을 형성하는 단계는, 60~150℃에서 수행되는 것을 포함하는 광 전기화학 장치의 제조 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 활성 전극층은, 박막 형태로 제공되는 것을 포함하는 광 전기화학 장치의 제조 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 활성 전극층은, 2차원 구조로 제공되는 것을 포함하는 광 전기화학 장치의 제조 방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 활성 전극층의 밴드 갭 에너지는 2.1~2.8[eV]인 것을 포함하는 광 전기화학 장치의 제조 방법.
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