KR102009153B1 - Preparation Method for Solar-Steam Generation Absorber by Light - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광열변환 효율이 높고, 간단한 방법에 의해 대면적으로 제작이 가능한 플라즈모닉 흡수체의 제조방법과 이를 이용한 태양열-수증기 생성 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (A) 친수성 고분자로 이루어진 다공성 기재를 준비하는 단계; (B) 상기 기재에 금 나노입자 전구체 용액을 흡수시키는 단계; 및 (C) 금 나노입자가 전구체 용액이 흡수된 기재를 광조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 흡수체의 제조방법과 이를 이용한 태양열-수증기 생성 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a plasmonic absorber having high photothermal conversion efficiency and that can be manufactured in a large area by a simple method, and a solar-water vapor generating apparatus using the same. More specifically, (A) a porous substrate made of a hydrophilic polymer Preparing a; (B) absorbing the gold nanoparticle precursor solution into the substrate; And (C) light irradiating the substrate on which the gold nanoparticles are absorbed by the precursor solution. The present invention relates to a method of manufacturing a plasmonic absorber, and a solar-water vapor generating apparatus using the same.
Description
본 발명은 광열변환 효율이 높고, 간단한 방법에 의해 대면적으로 제작이 가능한 플라즈모닉 흡수체의 제조방법과 이를 이용한 태양열-수증기 생성 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a plasmonic absorber having high photothermal conversion efficiency and that can be manufactured in a large area by a simple method, and a solar-water vapor generating apparatus using the same.
환경문제에 대한 관심이 고조되면서, 자연상태에서 변형 또는 소멸되는 에너지를 획득하여 가용의 에너지로 변환시키는 무공해 재생 에너지의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 재생에너지의 예로는 풍력에너지, 태양에너지, 조력에너지, 파력에너지, 지열에너지를 들 수 있으며, 석탄이나 오일과 같은 화석에너지를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 태양에너지는 이 중에서도 보편적이고, 깨끗하며, 친환경적이고, 지속가능한 특성으로 인하여 가장 많은 관심을 받고 있으며, 수소의 생산이나, 발전, 광촉매, 정수, 담수화 등에 폭넓게 사용되어 왔다.With the growing interest in environmental issues, the development of pollution-free renewable energy, which acquires energy transformed or extinguished in the natural state and converts it into usable energy, is actively progressing. Examples of renewable energy include wind energy, solar energy, tidal energy, wave energy, and geothermal energy, and are expected to replace fossil energy such as coal and oil. Solar energy has received the most attention because of its universal, clean, environmentally friendly, and sustainable characteristics, and has been widely used in the production of hydrogen, power generation, photocatalysts, water purification, and desalination.
상 전이과정인 물의 증발에 의한 수증기의 생산은 산업적으로는 두 가지 방법으로 이루어진다. 하나는 수증기의 생산을 위하여 석탄과 같은 화석 연료를 사용하여 수증기 엔진에서 대량의 물을 가열하는 것이나, 이는 환경 공해를 야기한다. 두 번째 방법은 태양열-수증기 생산으로 알려진 것이다. 전통적인 태양열-수증기 생산 시스템은 전력생산에 사용되는 것으로, 태양광을 각종 광학기기를 사용하여 수집기에 의해 태양광을 반사/집광하여 물을 끓는 점까지 가열하는 것이다. 발생된 수증기는 터빈을 회전시켜 전력을 생산하게 된다. 이에 대해서는 수십년간 많은 연구가 이루어져 왔으나, 아직까지는 비용이 많이 들고 효율이 낮은 문제가 있다. The production of water vapor by evaporation of water, a phase transition process, is industrially carried out in two ways. One is the use of fossil fuels such as coal to heat large amounts of water in a steam engine for the production of steam, but this causes environmental pollution. The second method is known as solar-vapor production. Conventional solar-water steam production systems are used for power generation, where sunlight is reflected and collected by a collector using various optics to heat water to a boiling point. The generated steam will rotate the turbine to produce power. Many researches have been conducted for several decades, but there are still problems with high cost and low efficiency.
최근들어 태양광을 열로 변환하는 효율이 높은 플라즈모닉 광열 물질(plasmonic photothermal materials)을 이용한 플라즈몬에 의한 태양열-수증기 생산(plasmonic solar-driven steam generation, PSSG) 시스템이라고 하는 새로운 태양열-수증기 생산 방법이 개발되었다. 플라즈모닉 광열 물질은 전자 이완(relaxation)을 통한 빠른 에너지 방출에 의해 빛을 열로 변환시키는 변환기로 작용하여, 종래의 전통적인 태양열-수증기 생산 시스템과는 다른 환경에서 수초간의 광조사만으로도 빠르게 물을 증발시킨다. Recently, a new solar-vapor production method called plasmonic solar-driven steam generation (PSSG) system using plasmonic photothermal materials, which convert sunlight into heat, has been developed. It became. The plasmonic photothermal material acts as a transducer that converts light into heat by rapid energy release through electron relaxation, rapidly evaporating water in a few seconds of light irradiation in a different environment from conventional solar-vapor production systems. .
액상에서 광열 변환 물질의 위치에 따라, PSSG 시스템은 두 가지로 분류될 수 있다. 첫 번째 분류는 작업 액체 내에 작은 입자들이 분산되어 있는 현탁 시스템이고, 두 번째 분류는 입자의 집합체들이 작업 액체의 표면에 떠있는 플로팅 시스템이다. 현탁 시스템에서는 대용량의 작업 액체가 끓는 점까지 가열되어야 하므로, 대용량의 물로부터 열 방사에 의해 열손실이 일어나기 때문에 수증기 생성 효율이 낮아진다. 플로팅 시스템은 광 흡수 물질을 물 표면층에 띄우는 것에 의해 물 표면에 열이 집중되므로, 아래쪽 물에 의한 열의 손실을 피할 수 있다. Depending on the location of the photothermal conversion material in the liquid phase, the PSSG system can be classified into two types. The first classification is a suspension system in which small particles are dispersed in the working liquid, and the second classification is a floating system in which aggregates of particles float on the surface of the working liquid. Suspension systems require large volumes of working liquid to be heated to the boiling point, resulting in low steam generation efficiency due to heat loss from thermal radiation from large volumes of water. The floating system concentrates heat on the water surface by floating the light absorbing material on the water surface layer, thereby avoiding the loss of heat by the water below.
플로팅 PSSG 시스템 중 대표적인 것은 금속의 플라즈모닉 특성을 활용한 것이다. 배 등(Nat. Commun., 2015, 6, 10103)은 양극산화, 습식 에칭 및 스퍼터링 방법을 조합하여 블랙 골드 박막으로 이루어진 흡수체를 제시하였으며, 1 kW/㎡의 광조사에 대한 광열 변환 효율은 26~45%였다. Deng 등(Small, 2014, 10, 3234-3239)은 금 나노입자의 자기 조립 공정을 이용하여 금 나노입자 박막을 제조하여, 10.18 W/㎡의 광조사에 대한 광열 변환 효율이 금 나노입자의 현탁 시스템에서의 두배 이상인 44%에 달함을 보고하였다. 더 나아가 동일 그룹은 작업 액체 중 증발이 일어나지 않는 부분으로의 열전도에 의한 에너지 손실과 자기 조립된 금 나노입자 박막의 불안전성을 보완하기 위하여, 지지체와 단열층으로서 종이와 광열 변환체로서의 금 박막의 이중층으로 이루어진 흡수체를 개발하였다(Adv. Mater., 2015, 27, 2768-2774). 즉, 비이커의 중간에 종이를 지지체로 고정시키고, 금 나노입자의 용액을 넣어 용액의 표면에서 금 나노입자의 자기 조립에 의한 박막이 형성되도록 한 후, 주사기를 사용해 용액을 제거하여 종이 위에 금 나노입자 박막층을 형성하는 것에 의해 흡수체를 제조하였다. 종이는 난반사를 통하여 입사광의 흡수를 증가시키며, 모세관력에 의해 증발될 물을 제공하는 한편, 물의 증발 면적을 증가시키는 역할을 한다. 이러한 구성에 의해 광열 변환 효율은 4.5 kW/㎡의 광조사에 대해 77.8%로 증가하였다. One example of floating PSSG systems is the exploitation of the plasmonic properties of metals. Nat. Commun., 2015, 6, 10103 proposed a black gold thin film absorber using a combination of anodization, wet etching, and sputtering methods, and the photothermal conversion efficiency for light irradiation of 1 kW /
전술한 바와 같이 활발한 연구에도 불구하고 아직까지 태양열-수증기 생성용 흡수체의 광열 변환 효율은 아직도 더욱 향상될 여지가 많으며, 이를 재생에너지로써 활용하기 위해서는 보다 저비용으로 간단한 공정에 의해 대면적의 흡수체를 제조할 수 있는 기술이 요구된다. As mentioned above, despite the active research, the photothermal conversion efficiency of the solar-water vapor generating absorber still has a lot of improvement, and in order to utilize it as a renewable energy, a large-area absorber is manufactured by a simple process at a lower cost. Skills that can be done are required.
본 발명은 광열 변환 효율이 우수한 플라즈모닉 흡수체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a method for producing a plasmonic absorbent body having excellent photothermal conversion efficiency.
또한 본 발명은 특수한 장비 없이도 저가의 재료를 사용하여, 간단한 방법에 의해 대면적으로 플라즈모닉 흡수체를 제조할 수 있는 경제적인 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide an economical method for producing a plasmonic absorber in a large area by a simple method using inexpensive materials without special equipment.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 플라즈모닉 흡수체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a plasmonic absorber produced by the above method.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 (A) 친수성 고분자로 이루어진 다공성 기재를 준비하는 단계; (B) 상기 기재에 금 나노입자 전구체 용액을 흡수시키는 단계; 및 (C) 금 나노입자가 전구체 용액이 흡수된 기재를 광조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 흡수체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention for achieving the above object comprises the steps of (A) preparing a porous substrate made of a hydrophilic polymer; (B) absorbing the gold nanoparticle precursor solution into the substrate; And (C) irradiating the substrate on which the gold nanoparticles are absorbed with the precursor solution; and the method of manufacturing a plasmonic absorber comprising a.
플라즈모닉 흡수체는 플라즈모닉 물질에 의한 열을 빠르게 전달받아 물을 증발시켜야 하므로 흡수체 자체가 친수성 고분자로 이루어져 있어야 하며, 플라즈모닉 물질의 흡착 및 이에 의한 물의 증발을 위한 유효면적이 극대화될 수 있도록 다공성 구조를 갖는 것이 필요하다. 상기 친수성 고분자는 천연 고분자 또는 합성 고분자일 수 있으며, 종이나 면, 셀룰로오스계 수지, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알콜, 폴리아미드, 폴리에테르설폰, 폴리에틸렌글리콜 및 친수성 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. Since the plasmonic absorber must evaporate water by rapidly receiving heat from the plasmonic material, the absorber itself must be made of a hydrophilic polymer, and the porous structure to maximize the effective area for adsorption of the plasmonic material and the evaporation of water thereby. It is necessary to have The hydrophilic polymer may be a natural polymer or a synthetic polymer, at least one selected from the group consisting of paper or cotton, cellulose-based resin, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, polyamide, polyethersulfone, polyethylene glycol and hydrophilic polyurethane It may be made of, but is not limited thereto.
이하, 각 단계를 상세히 설명한다.Hereinafter, each step will be described in detail.
상기 (A) 단계는 플라즈모닉 흡수체의 기재를 준비하는 단계로, 기재의 준비는 세척과 같은 전처리 과정을 포함한다. Step (A) is to prepare a substrate of the plasmonic absorber, the preparation of the substrate includes a pretreatment process such as washing.
기재의 두께는 1 ㎛ ~ 5 ㎜ 인 것이 바람직하다. 기재의 두께가 너무 얇으면 흡착되는 플라즈모닉 물질의 양이 너무 적을 수 있으며, 기재의 두께가 너무 두꺼우면 열손실로 인하여 효율이 낮아질 수 있다. 최적의 기재의 두께는 재질에 따라 공극율이나 공극의 크기, 공극간 간격을 고려하여 설정될 수 있을 것이며, 이는 당업자에게는 용이할 것이다. 공극의 크기나, 공극간 간격, 공극율 역시 재질 및 기재의 세부 구조에 따라 용이하게 최적의 조건을 설정할 수 있을 것이다. It is preferable that the thickness of a base material is 1 micrometer-5 mm. If the thickness of the substrate is too thin, the amount of plasmonic material adsorbed may be too small, and if the thickness of the substrate is too thick, the efficiency may be lowered due to heat loss. The optimum thickness of the substrate may be set in consideration of the porosity, the size of the pore, and the gap between the pores according to the material, which will be easy for those skilled in the art. The size of the pores, the spacing between the pores, and the porosity may also be easily set to the optimum conditions according to the detailed structure of the material and the substrate.
하기 실시예에서는 기재로 종이를 사용한 흡수체만을 예시하였으나, 면직물이나 다공성 구조를 갖는 합성 또는 천연 친수성 고분자 역시 동일한 방법에 의해 플라즈몬 효과를 나타내는 블랙골드 나노입자가 형성되는 것을 확인하여 흡수체의 기재로 사용할 수 있음을 확인하였다.In the following examples, only the absorber using paper as a substrate is illustrated, but synthetic or natural hydrophilic polymers having a cotton fabric or a porous structure can be used as the absorber substrate by confirming that black gold nanoparticles having a plasmon effect are formed by the same method. It was confirmed that there is.
상기 (B) 단계는 상기 기재에 금 나노입자 전구체 용액을 흡수시키는 것에 의해 기재 내에 금 나노입자 전구체를 담지시키는 단계이다. 상기 금 나노입자 전구체는 플라즈마 처리에 의해 금 나노입자로 환원될 수 있는 것이라면 어떤 것이든 사용가능하며, 종래 기술에서 금 나노입자의 제조 시 사용되는 통상의 전구체를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 사염화금산, 삼염화금, 사염화금칼륨, 수산화금, 산화금 또는 황화금을 예로 들 수 있다. 금 나노입자 전구체의 농도는 10 ~ 1000 mM인 것이 바람직하며, 10 ~ 200 mM인 것이 더욱 바람직하다. Step (B) is a step of supporting the gold nanoparticle precursor in the substrate by absorbing the gold nanoparticle precursor solution on the substrate. The gold nanoparticle precursor may be used as long as it can be reduced to gold nanoparticles by plasma treatment, and conventional precursors used in the preparation of gold nanoparticles in the prior art may be used. More specifically, examples thereof include gold tetrachloride, gold trichloride, potassium tetrachloride, gold hydroxide, gold oxide or gold sulfide. The concentration of the gold nanoparticle precursor is preferably 10 to 1000 mM, more preferably 10 to 200 mM.
기재에 상기 금 나노입자 전구체의 용액을 흡수시키기 위해서는 기재를 금 나노입자 전구체 용액에 침지하였다가 꺼내거나, 드랍코팅하거나, 스프레이로 뿌려주거나, 면적이 넓은 경우 붓 등을 사용하여 발라주는 등 여러 가지 방법을 사용할 수 있으며, 기판에 용액을 고르게 흡수시킬 수 있다면 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다.In order to absorb the solution of the gold nanoparticle precursor to the substrate, the substrate is immersed in the gold nanoparticle precursor solution and then taken out, drop coated, sprayed, or applied in a large area using a brush or the like. Any method can be used, as long as it can absorb the solution evenly on the substrate.
일단 흡수된 금 나노입자 전구체 용액은 (B)' 별도의 건조과정을 거친 후 다음 단계를 진행하거나, 혹은 하기 (C) 단계의 광조사와 건조가 동시에 진행되도록 할 수 있다. 건조 방법은 가열건조, 진공건조, 자연건조 등 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다. The gold nanoparticle precursor solution once absorbed may be subjected to a separate drying process after (B) ', or the light irradiation and drying of the following (C) step may be simultaneously performed. The drying method may be any method such as heat drying, vacuum drying, or natural drying.
금 나노입자 전구체 용액의 농도는 추후 흡수체 중 함유될 플라즈모닉 물질의 양에 영향을 미친다. 그러나 금 나노입자 전구체의 농도가 1000 mM을 초과하는 경우에는 금 나노입자의 응집이 일어날 수 있으며, 한 번에 높은 농도의 전구체 용액을 처리하는 것보다는 낮은 농도의 전구체 용액을 사용하여 본 단계를 반복하여 처리하는 것이 더욱 효과적이었다. 즉, 200 mM 농도의 금 나노입자 전구체로 한번 처리하고 건조하는 것에 비해, 100 mM 농도의 금 나노입자 전구체 용액을 처리하고 건조하는 과정을 2회 반복하는 것이 더욱 효과적이었다. 그러나 전구체 용액의 농도가 낮아질수록 플라즈모닉 흡수체의 흡광도를 높이기 위해서는 반복 처리 횟수가 증가하므로 공정 상의 경제성을 고려하여 2~5회 반복처리하는 정도에서 적절한 조건을 선정하여 사용할 수 있다. The concentration of the gold nanoparticle precursor solution affects the amount of plasmonic material that will later be contained in the absorber. However, when the concentration of gold nanoparticle precursors exceeds 1000 mM, aggregation of gold nanoparticles may occur, and this step may be repeated using a low concentration of precursor solution rather than treating a high concentration of precursor solution at one time. Treatment was more effective. That is, it was more effective to repeat the process of treating and drying the gold nanoparticle precursor solution at 100 mM concentration and drying twice compared to treating and drying the gold nanoparticle precursor at 200 mM concentration once. However, as the concentration of the precursor solution decreases, in order to increase the absorbance of the plasmonic absorber, the number of repeated treatments increases, so that appropriate conditions can be selected and used in a degree of 2 to 5 repeated treatments in consideration of economical process.
본 단계의 처리에 의하면, 기재 내에 금 나노입자 전구체 용액이 흡수됨에 따라 기재가 연노랑색을 나타내었다.According to the treatment of this step, the substrate became pale yellow as the gold nanoparticle precursor solution was absorbed into the substrate.
상기 (C) 단계는 (B) 단계에서 금 나노입자 전구체를 담지시킨 기재에 광조사하는 것에 의해 금 나노입자 전구체를 플라즈모닉 물질인 블랙골드 나노입자로 환원시키는 단계이다. 본 단계의 처리에 생성되는 블랙골드 나노입자는 다공성 기재에 고르게 분산되어 존재하게 된다. 종래 기술에서 PVD에 의해 금 박막이 형성된 흡수체는 다공성 기판 내에도 코팅이 되어 있긴 하지만 박막의 형태로 존재하기 때문에 표면적이 작고, 기공 내에 존재하는 물만을 증발시킬 수 있을 뿐 기재에 흡수되어 있는 물의 증발은 효과적이지 못하였다. 그러나 본 발명의 플라즈모닉 흡수체는 도 3 및 도 4에서 확인할 수 있듯이 기재에 나노입자가 분산되어 흡착되어 있는 형태이기 때문에 기재에 의해 형성된 공극에 존재하는 물은 물론, 기재 내에 흡수되어 있는 물 역시 효과적으로 증발시켜 수증기를 생성할 수 있다. 이로 인하여 Zhu 등이 다공성 알루미늄 기재를 사용하여, PVD에 의해 금 박막을 형성시키는 것에 의해 제조한 플라즈모닉 흡수체의 광열변환 효율이 4 sun 광도에서는 90% 정도에 달하지만 1 sun 광도에서는 ~65%에 불과한 것에 반하여, 다공성 기재에 블랙 골드 나노입자를 분산시킨 본 발명의 플라즈모닉 흡수체는 1 sun 광도에서의 광열변환 효율이 89.3%로 매우 우수하였다. 특히, 태양열-수증기 발전을 위한 광원으로는 태양광을 사용하여야 하므로 1 sun 광도에서 높은 효율을 나타내는 본 발명의 흡수체는 실질적으로 태양열-수증기 생성용 흡수체로서의 유용성이 더욱 현저하다.Step (C) is a step of reducing the gold nanoparticle precursor to black gold nanoparticles, which are plasmonic materials, by irradiating the substrate on which the gold nanoparticle precursor is supported in step (B). The black gold nanoparticles produced in the treatment of this step are present evenly dispersed in the porous substrate. In the prior art, the absorber in which the gold thin film is formed by PVD is coated in the porous substrate, but because it exists in the form of a thin film, the surface area is small, and only the water present in the pores can be evaporated. Was not effective. However, since the plasmonic absorber of the present invention has a form in which nanoparticles are dispersed and adsorbed on the substrate as shown in FIGS. 3 and 4, the water present in the pores formed by the substrate as well as the water absorbed in the substrate are effectively Evaporation can produce water vapor. Therefore, the photothermal conversion efficiency of the plasmonic absorber produced by Zhu et al. Using a porous aluminum substrate to form a gold thin film by PVD is about 90% at 4 sun luminosity, but it is ˜65% at 1 sun luminosity. On the contrary, the plasmonic absorber of the present invention, in which black gold nanoparticles were dispersed in a porous substrate, had an excellent photothermal conversion efficiency of 89.3% at 1 sun light intensity. In particular, since the solar light should be used as a light source for solar-water steam generation, the absorber of the present invention exhibiting high efficiency at 1 sun brightness is more remarkably useful as an absorber for generating solar-vapor steam.
본 발명에서의 광조사 시 광원으로는 자외선, 가시광선, 태양광 또는 모의태양광을 사용할 수 있으며, 경제성을 고려할 때 별도의 인위적인 광원보다는 태양광을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 적외선 역시 금 나노입자 전구체를 블랙골드 나노입자로 환원시킬 수 있음을 확인하였으나, 다른 광원에 비해 효율적이지는 못하였다. 본 단계의 광조사는 상온, 상압에서 이루어질 수 있다. 그러나 진공 또는 압력이 가해진 상태나 승온 또는 냉각된 상태에서 광조사를 가하는 것을 배제하는 것은 아니므로, 상기 조건에서 처리할 필요가 발생한다면, 해당 조건에서 광조사를 하여도 무방하다. 예를 들어, 상기 (B) 단계가 별도의 건조 단계를 거치지 않았다면, 빠른 건조를 위하여 승온된 상태나 진공상태에서 광조사를 할 수 있다. When irradiating light in the present invention, the light source may be ultraviolet light, visible light, sunlight or simulated sunlight, and in consideration of economical efficiency, it is more preferable to use sunlight rather than a separate artificial light source. Infrared also confirmed that gold nanoparticle precursors could be reduced to black gold nanoparticles, but they were not as efficient as other light sources. Light irradiation in this step can be performed at room temperature and atmospheric pressure. However, the application of light irradiation in a vacuum or pressure-applied state or at an elevated or cooled state is not excluded. If the treatment needs to be performed under the above conditions, the light irradiation may be performed under such conditions. For example, if the step (B) does not go through a separate drying step, light irradiation may be performed in a heated state or in a vacuum state for rapid drying.
상기 광조사 시간은 금 나노입자 전구체 용액의 농도, 처리량, 광원의 종류나 강도, 광조사 각도 등을 고려하여 적절하게 조절할 수 있다. 또한 금 나노입자 전구체 용액의 농도 뿐 아니라 광조사 시간을 조절하는 것에 의해 블랙골드 나노입자의 수와 크기, 입자간 간격을 제어할 수 있다.The light irradiation time can be appropriately adjusted in consideration of the concentration of the gold nanoparticle precursor solution, the throughput, the type or intensity of the light source, the light irradiation angle, and the like. In addition, the number and size of the black gold nanoparticles can be controlled by controlling the concentration of the gold nanoparticle precursor solution as well as the light irradiation time, and the interparticle spacing.
상기 (B)와 (B)'단계의 금 나노입자 전구체 용액의 처리 및 건조과정이 2~5회로 반복되는 경우, 본 단계의 광조사 과정 역시 (B) 및 (B)'단계와 함께 반복될 수 있다. 즉, (B) 및 (B)'단계의 금 나노입자 전구체 용액의 처리 및 건조 과정의 반복이 최종적으로 완료된 후 광조사를 할 수도 있으나, 금 나노입자 전구체 용액의 처리, 건조 후 광조사하는 단계를 합하여 반복하여 이루어질 수도 있다. 또한 본 (C) 단계가 반복되는 경우에는 광조사 과정에서 용액의 건조가 함께 이루어지므로 (B)'의 건조단계를 생략하여도 무방하다.When the treatment and drying process of the gold nanoparticle precursor solution of step (B) and (B) is repeated 2 to 5 times, the light irradiation process of this step may also be repeated with steps (B) and (B) '. Can be. That is, the light irradiation may be performed after the repetition of the treatment and drying of the gold nanoparticle precursor solution of (B) and (B) 'steps is finally completed, but the light irradiation after the treatment and drying of the gold nanoparticle precursor solution is performed. It may be achieved by adding up. In addition, when the step (C) is repeated, the drying of the solution is performed in the light irradiation process, so that the drying step of (B) 'may be omitted.
또한 본 단계의 광조사는 상기 기재의 양면이 모두 처리되는 것이 더욱 바람직하다. 일면 만을 처리하는 경우에는 특히 기재가 두꺼운 경우 처리되지 않은 쪽의 블랙골드 나노입자로의 환원이 충분하지 않을 수 있다. In addition, it is more preferable that both sides of the substrate are treated with light irradiation in this step. When only one surface is treated, especially when the substrate is thick, the reduction to the untreated black gold nanoparticles may not be sufficient.
본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제조된 플라즈모닉 흡수체에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈모닉 흡수체는 저가의 재료를 사용하여, 특별한 장비 없이도 용이하게 제조할 수 있을 뿐 아니라 대면적 생산이 용이하여 저가의 플라즈모닉 흡수체를 산업적으로 대량생산하는 데 적합하다.The invention also relates to a plasmonic absorber produced by the above method. The plasmonic absorbents of the present invention can be easily manufactured without special equipment by using inexpensive materials, and are easy to produce large areas, which is suitable for industrial mass production of low cost plasmonic absorbers.
이상과 같이 본 발명의 방법에 의해 제조된 플라즈모닉 흡수체는 1 sun 입사광도에서도 90%의 수준의 광열 변환 효율을 나타내어 종래 보고된 플라즈모닉 흡수체에 비해 현저하게 우수하여 태양열-수증기 생성용 장치 등에서 흡수체로 유용하게 사용될 수 있다. As described above, the plasmonic absorber manufactured by the method of the present invention exhibits a photothermal conversion efficiency of 90% even at 1 sun incident light, which is remarkably superior to that of the conventionally reported plasmonic absorber, and thus, the absorber in the apparatus for generating solar thermal steam. It can be usefully used.
또한 본 발명의 방법에 의하면 간단한 공정에 의해 특수한 장비를 사용하지 않고도 종이나 면, 합성수지 등 저렴한 기판을 사용하여 상온, 상압에서 태양광을 조사하는 것만으로 대면적으로 플라즈모닉 흡수체의 제조가 가능하여, 저가로 공급이 가능하므로 산업적 이용에 적합하다. In addition, according to the method of the present invention, it is possible to manufacture a plasmonic absorber in a large area by simply irradiating sunlight at room temperature and atmospheric pressure using an inexpensive substrate such as paper, cotton, or synthetic resin without using special equipment by a simple process. It can be supplied at low cost, so it is suitable for industrial use.
또한 기재의 다공성이나, 두께, 사용되는 금 나노입자 전구체 용액의 농도, 광 조사 시간 등에 의해 금 나노입자의 크기나 입자 간격 등을 간편하게 조절할 수 있어 태양광 흡수율 및 열방사율을 간편하게 제어할 수 있다. In addition, the size, particle spacing, and the like of the gold nanoparticles can be easily controlled by the porosity, the thickness of the substrate, the concentration of the gold nanoparticle precursor solution used, the light irradiation time, and the like, and thus the solar absorption rate and the thermal radiation rate can be easily controlled.
도 1은 플라즈몬 흡수체의 제조과정 및 사용된 금 나노입자 전구체 농도에 따른 흡수체의 사진.
도 2는 광조사 시간에 따른 흡수체의 사진.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 플라즈모닉 흡수체의 SEM 이미지.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 플라즈모닉 흡수체의 고해상도 TEM 이미지.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 플라즈모닉 흡수체의 XRD 회절 분석 스펙트럼.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 플라즈모닉 흡수체의 FT-IR 스펙트럼.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 광열 변환 효율의 측정을 위해 사용된 장비의 모식도 및 실사 사진.
도 8은 도 7의 장비를 사용하여 측정한 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 플라즈모닉 흡수체의 물의 누적 증발량 및 광열 변환 효율.1 is a photograph of the absorber according to the manufacturing process of the plasmon absorber and the concentration of the gold nanoparticle precursor used.
Figure 2 is a photograph of the absorber according to the light irradiation time.
Figure 3 is an SEM image of the plasmonic absorber produced by one embodiment of the present invention.
Figure 4 is a high resolution TEM image of the plasmonic absorber produced by one embodiment of the present invention.
Figure 5 is an XRD diffraction analysis spectrum of the plasmonic absorber prepared by one embodiment of the present invention.
6 is an FT-IR spectrum of the plasmonic absorber produced by one embodiment of the present invention.
Figure 7 is a schematic diagram and a photo of the equipment used for the measurement of photothermal conversion efficiency in one embodiment of the present invention.
8 is a cumulative evaporation amount of water and photothermal conversion efficiency of the plasmonic absorber manufactured by the embodiment of the present invention measured using the equipment of FIG.
이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying examples. However, such an embodiment is only an example for easily describing the content and scope of the technical idea of the present invention, whereby the technical scope of the present invention is not limited or changed. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the scope of the present invention based on these examples.
실시예 1 : 태양열-수증기 생성용 플라즈모닉 흡수체의 제조Example 1 Preparation of Plasmonic Absorber for Solar-Water Steam Generation
흡수체 제조를 위한 지지체(기재)로는 Whatman #42 여과지를 사용하였다. Whatman # 42 filter paper was used as a support (substrate) for preparing the absorber.
상기 여과지를 1.5 × 1.5 ㎝ 크기로 자른 후 10%(v/v) HNO3 용액에 12시간 침지하고, DI 수를 사용하여 세척액의 pH가 DI 수와 같아질 때까지 반복하여 세척하였다. 이후, 다시 10 g/L 농도의 NaHCO3 수용액에 1시간 동안 침지시킨 후 DI 수를 사용하여 세척액의 pH가 DI 수와 같아질 때까지 반복하여 세척하고 40℃, N2 환경에서 2시간 동안 건조하였다.The filter paper was cut to a size of 1.5 × 1.5 cm and then immersed in a 10% (v / v) HNO 3 solution for 12 hours, and washed repeatedly with DI water until the pH of the washing solution was equal to DI water. Subsequently, it was immersed in an aqueous solution of NaHCO 3 at a concentration of 10 g / L for 1 hour, and then washed repeatedly using DI water until the pH of the washing solution was equal to DI water, and dried for 2 hours at 40 ° C. and N 2 It was.
사염화금산(HAuCl4.xH2O)을 10~100 mM의 농도로 에탄올에 녹인 후, 150 ㎕를 세척하여 건조한 종이 위에 떨어뜨리고 공기 중에서 2시간동안 건조하였다.Gold tetrachloride (HAuCl 4 .xH 2 O) was dissolved in ethanol at a concentration of 10-100 mM, 150 μl was washed, dropped on a dry paper, and dried in air for 2 hours.
건조된 종이는 2시간동안 태양광을 조사하였다. 도 1의 상단은 세척 전-태양광 조사 전-태양광 조사 후의 흡수체를 왼쪽으로부터 순서대로 보여주는 사진이며, 도 1의 하단은 사염화금산 농도에 따른 2시간 태양광 조사 후 흡수체의 사진이다.The dried paper was irradiated with sunlight for 2 hours. The upper part of FIG. 1 is a photograph showing the absorber after washing before photo-irradiation before the solar irradiation in order from the left, and the lower part of FIG. 1 is a photograph of the absorber after 2 hours solar irradiation according to the concentration of gold tetrachloride.
태양광 대신 자외선, 가시광선 또는 모의 태양광(solar simulator)을 조사하는 경우에도, 흡수체의 색이 검게 변하여 광조사에 의해 블랙골드 나노입자가 형성되었음을 확인할 수 있었다. 적외선 역시 블랙골드 나노입자를 생성시켰으나, 그 속도는 자외선이나 태양광에 비해 느렸다. 도 2는 모의 태양광을 사용하여 1 sun 광도의 빛을 조사한 경우 시간의 경과에 따른 흡수체의 변화를 보여주는 사진이다. 흡수체에 태양광을 조사한 경우 초기에는 색의 변화가 느리게 진행되었으나, 일단 검은색으로 변하기 시작하면서 그 속도가 가속되었다. Even when irradiated with ultraviolet light, visible light or simulated solar light (solar simulator) instead of the sunlight, the color of the absorber was confirmed that the black gold nanoparticles were formed by light irradiation. Infrared also produced black gold nanoparticles, but their speed was slower than ultraviolet or sunlight. Figure 2 is a photograph showing the change of the absorber over time when irradiated with light of 1 sun intensity using simulated sunlight. When the absorber was irradiated with sunlight, the color change progressed slowly in the early stage, but the speed was accelerated when it started to turn black.
실시예 2 : 태양열-수증기 생성용 플라즈모닉 흡수체의 구조적 특성 분석Example 2 Structural Characterization of Plasmonic Absorber for Solar-Water Steam Generation
실시예 1에서 제조한 태양열-수증기 생성용 플라즈몬 흡수체의 구조적 특성 분석을 위하여 주사전자현미경(SEM; JSM-7000F, JEOL, Japan)과 투과전자현미경(TEM; JEM-2100F, JEOL, Japan)을 사용하여 태양열-수증기 생성용 플라즈몬 흡수체의 표면을 관측하였다. 도 3은 왼쪽 상단부터 시계방향으로 10 mM, 20 mM, 50 mM 및 100 mM의 사염화금산을 사용하여 제조한 흡수체의 SEM 이미지로, 하얀색 점으로 표시되는 금 나노입자가 셀룰로오스의 표면에 흡착되어 있으며 사염화금산의 농도가 증가할수록 금 나노입자의 농도 역시 증가됨을 보여준다. Scanning electron microscope (SEM; JSM-7000F, JEOL, Japan) and transmission electron microscope (TEM; JEM-2100F, JEOL, Japan) were used for structural characterization of the plasmon absorber for solar-water vapor production prepared in Example 1 The surface of the plasmon absorber for solar-vapor generation was observed. FIG. 3 is an SEM image of an absorber prepared using 10 mM, 20 mM, 50 mM, and 100 mM gold tetrachloride clockwise from the upper left corner, in which gold nanoparticles represented by white dots are adsorbed onto the surface of cellulose. As the concentration of gold tetrachloride increases, the concentration of gold nanoparticles also increases.
도 4는 광조사 시간의 경과에 따른 흡수체의 고해상도 TEM 이미지로, 반응 초기 금 나노입자가 셀룰로오스 표면에 흡착되며, 시간의 경과에 따라 결정이 성장하며 결정의 농도 또한 증가하는 것을 확인할 수 있다.Figure 4 is a high-resolution TEM image of the absorber over the light irradiation time, the initial reaction gold nanoparticles are adsorbed on the cellulose surface, it can be seen that the crystal growth and the concentration of the crystal also increases over time.
도 5는 흡수체의 제조를 위해 사용한 여과지의 세척 전 후, 및 흡수체에 대해 측정한 X선 회절 분석 스펙트럼이다. 광원으로 태양광과 모의 태양광(1 Sun)을 사용여 제조한 흡수체의 XRD 스펙트럼을 각각 도시하였으며, 비교를 위하여 본 발명자들이 출원한 특허출원 10-2017-0127303호에 기재된 플라즈마 처리에 의해 제조한 흡수체의 XRD 스펙트럼을 함께 도시하였다. 도 5에서 *로 표시된 피크는 모놀리식(monolithic) 셀룰로오스의 피크에 해당하며, 흡수체에서는 금 나노입자의 (111), (200), (220) 및 (311) 면에 해당하는 피크가 추가로 관측되었다. 또한 태양광 또는 모의 태양광의 조사에 의해 제조한 흡수체의 XRD 스펙트럼은 플라즈마 처리에 의해 제조한 흡수체의 XRD 스펙트럼과 거의 동일하였다.5 is X-ray diffraction analysis spectra measured before and after washing of filter paper used for the preparation of absorbers. The XRD spectra of absorbers prepared using sunlight and simulated sunlight (1 Sun) as light sources, respectively, are shown and prepared by the plasma treatment described in patent application 10-2017-0127303 filed by the present inventors for comparison. The XRD spectra of the absorbers are shown together. The peaks marked with * in FIG. 5 correspond to the peaks of monolithic cellulose, and in the absorber, the peaks corresponding to the (111), (200), (220) and (311) planes of the gold nanoparticles are further added. Observed. In addition, the XRD spectrum of the absorber manufactured by irradiation of sunlight or simulated sunlight was almost the same as the XRD spectrum of the absorber prepared by plasma treatment.
플라즈마 처리가 금 나노입자의 형성 뿐 아니라 셀룰로오스 여과지의 조성에도 영향을 미치는 지, FTIR(Nicolet 6700 spectrometer)에 의해 확인하였다. 수분에 의한 오염을 방지하기 위아여 시료는 분석 전 50℃ 진공상태에서 2시간 건조하였으며, 건조된 N2 분위기 하에서 시료를 다루었다. 도 6은 세척 전 후의 여과지와 제조 방법에 따른 흡수체의 FT-IR 스펙트럼을 보여준다. 태양광 조사 자체는 여과지에서 C=O 결합의 생성을 유발하지 않았으나, 금 나노입자 용액을 처리하고 광조사를 한 경우 광원의 종류와 무관하게 C=O 결합이 생성된 것을 확인할 수 있는데, 이는 셀룰로오스 표면의 -OH 기가 산화된 것에 기인한다. It was confirmed by FTIR (Nicolet 6700 spectrometer) whether plasma treatment affects not only the formation of gold nanoparticles but also the composition of cellulose filter paper. In order to prevent contamination by moisture, the samples were dried for 2 hours in a vacuum at 50 ° C. before analysis, and the samples were handled under a dried N 2 atmosphere. Figure 6 shows the FT-IR spectrum of the filter paper before and after washing and the absorber according to the preparation method. Although the solar irradiation itself did not cause the formation of C = O bonds in the filter paper, when the gold nanoparticle solution was treated and irradiated with light, it was confirmed that C = O bonds were generated regardless of the type of light source. This is due to the oxidation of the -OH group on the surface.
실시예 3 : 태양열-수증기 플라즈모닉 흡수체로서의 효율 평가Example 3 Evaluation of Efficiency as Solar-Water Vapor Plasma Absorber
100 mM 농도의 사염화금산 용액으로 1.5 × 1.5 ㎝ 크기로 제조한 흡수체를 사용하여 태양열-수증기 흡수체로서의 효율을 평가하였다. 흡수체는 실시예 1의 방법에 기재된 방법에 의해 세척하여 건조한 종이 위에 100 mM 사염화금산(HAuCl4.xH2O) 에탄올 용액 50 ㎕를 위에서 떨어뜨리고 공기 중에서 30분간 건조하였다. 사염화금산 용액의 처리를 총 3회 반복한 후 50℃ 진공 오븐에서 10분간 건조하고, 태양광을 2시간 동안 조사하여 흡수체를 제조하여 태양열-수증기 흡수체로서의 효율을 평가하였다. The efficiency as a solar-water vapor absorber was evaluated using an absorber prepared in a 1.5 × 1.5 cm size with 100 mM concentration of tetrachloride. The absorber was washed by the method described in the method of Example 1, and 50 µl of 100 mM gold tetrachloride (HAuCl 4 .xH 2 O) ethanol solution was dropped on the dried paper and dried in air for 30 minutes. The treatment of the gold tetrachloride solution was repeated three times, and then dried in a 50 ° C. vacuum oven for 10 minutes, and irradiated with sunlight for 2 hours to prepare an absorber to evaluate the efficiency as a solar-water vapor absorber.
흡수체의 물 증발 속도를 측정하기 위하여, 50 mL 컵의 내벽을 폴리스티렌 폼으로 코팅하였다. 폴리스티렌 폼으로 코팅된 컵을 컴퓨터에 연결된 저울 위에 올려놓고 상부에 모의 태양광(solar simulator)을 위치시켰다. 2 × 2 ㎝ 크기로 확장시킨 폴리스티렌 폼(EPS) 접시를 내벽이 폴리스티렌 폼으로 코팅된 컵에 넣고, 2 × 4 ㎝의 하얀 셀룰로오스 종이를 EPS 접시의 가운데에 올려놓고 양 말단을 안으로 접어 추후 물에 잠길 수 있도록 하였다. 종이 위에 흡수체를 올리고, 수위가 EPS 접시보다 아래에 있으면서 종이의 양 말단이 물에 잠길만큼 컵 안에 물을 넣었다. 흡수체가 완전히 젖으면 모의 태양광을 켜고 30초마다 무게를 측정하여 증발량을 계산하였다. 도 7의 a는 실험 장치의 모식도이며, b는 실사 사진이다. 도 7의 a에서 ①은 증발에 의해 생성된 수증기, ②는 본 발명의 흡수체, ③은 셀룰로오스 종이, ④는 EPS 접시, ⑤는 물을 나타낸다. To measure the rate of water evaporation of the absorber, the inner wall of the 50 mL cup was coated with polystyrene foam. The cup coated with polystyrene foam was placed on a scale connected to a computer and a simulated solar simulator was placed on top. Place a polystyrene foam (EPS) dish expanded to 2 × 2 cm in a cup coated with polystyrene foam on the inner wall, place a 2 × 4 cm white cellulose paper in the center of the EPS dish, and fold both ends in It can be locked. The absorber was placed on the paper and water was placed in the cup so that both ends of the paper were submerged while the water level was below the EPS dish. When the absorber was completely wet, the simulated sunlight was turned on and weighed every 30 seconds to calculate the amount of evaporation. 7A is a schematic diagram of the experimental apparatus, and b is a live-action photograph. In Fig. 7A, ① denotes water vapor generated by evaporation, ② denotes an absorber of the present invention, ③ denotes a cellulose paper, ④ denotes an EPS dish, and ⑤ denotes water.
도 8은 상기 장비를 사용하여 1~2 sun 광도에서 3분 동안 시간의 경과에 따라 측정한 물의 누적 증발량과, 이로부터 하기 식에 의해 계산된 광열 변환 효율(η)을 나타낸다.FIG. 8 shows the cumulative amount of evaporation of water measured over time for 1 minute at 1 to 2 sun luminosity, and the photothermal conversion efficiency η calculated from the following equation.
이때, 
도 8에서 확인할 수 있듯이, 광열 변환 효율은 광도가 증가함에 따라 감소하였는데, 이는 광도가 높을 경우 블랙골드 나노입자의 응집이 일어나기 때문으로 예측된다. 1 sun 광도에서의 흡수체의 광열 변환 효율은 89.3%로 종래 보고된 어느 흡수체보다도 광열 변환 요율이 우수함을 확인할 수 있었다. As can be seen in FIG. 8, the photothermal conversion efficiency decreased as the light intensity increased, which is expected because the aggregation of the black gold nanoparticles occurs when the light intensity is high. The light-to-heat conversion efficiency of the absorber at 1 sun light intensity was 89.3%, and it was confirmed that the light-to-heat conversion rate was higher than that of any of the previously reported absorbers.
Claims (7)
(B) 상기 기재에 금 나노입자 전구체 용액을 흡수시키는 단계; 및
(C) 금 나노입자가 전구체 용액이 흡수된 기재를 광조사하여 금 나노입자 전구체를 블랙골드 나노입자로 환원시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열-수증기 생성용 플라즈모닉 흡수체의 제조방법.
(A) preparing a porous substrate made of a hydrophilic polymer;
(B) absorbing the gold nanoparticle precursor solution into the substrate; And
(C) reducing the gold nanoparticle precursor to the black gold nanoparticle by irradiating the substrate on which the gold nanoparticle is absorbed with the precursor solution;
Method for producing a plasmonic absorber for solar-water vapor generation comprising a.
상기 친수성 고분자는 종이, 면, 셀룰로오스계 수지, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알콜, 폴리아미드, 폴리에테르설폰, 폴리에틸렌글리콜 및 친수성 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양열-수증기 생성용 플라즈모닉 흡수체의 제조방법.
The method of claim 1,
The hydrophilic polymer is made of at least one selected from the group consisting of paper, cotton, cellulose resin, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, polyamide, polyethersulfone, polyethylene glycol, and hydrophilic polyurethane. Method for producing a plasmonic absorber for production.
상기 금 나노입자 전구체 용액의 농도는 10~1000 mM인 것을 특징으로 하는 태양열-수증기 생성용 플라즈모닉 흡수체의 제조방법.
The method according to claim 1 or 2,
The concentration of the gold nanoparticle precursor solution is 10 ~ 1000 mM method for producing a solar-water vapor plasmonic absorber, characterized in that.
상기 (B) 단계와 (C) 단계 사이에,
(B)' 기재에 흡수된 금 나노입자 전구체 용액을 건조하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열-수증기 생성용 플라즈모닉 흡수체의 제조방법.
The method of claim 3, wherein
Between the steps (B) and (C),
(B) 'The method of producing a solar-vapor vapor plasmonic absorber further comprising the step of drying the gold nanoparticle precursor solution absorbed in the substrate.
상기 (B) 및 (B)' 단계 또는,
(B) 단계 및 (C) 단계 또는,
(B) 단계, (B)' 단계 및 (C) 단계를 2~5회 반복하는 것을 특징으로 하는 태양열-수증기 생성용 플라즈모닉 흡수체의 제조방법.
The method of claim 4, wherein
(B) and (B) 'step or,
(B) and (C) or
Method for producing a solar-vapor plasmonic absorber, characterized in that the steps (B), (B) 'and (C) are repeated 2 to 5 times.
상기 광조사는 자외선, 가시광선, 태양광 또는 모의 태양광인 것을 특징으로 하는 태양열-수증기 생성용 플라즈모닉 흡수체의 제조방법.
The method according to claim 1 or 2,
The light irradiation is ultraviolet, visible light, sunlight or simulated sunlight, the method of producing a solar-vapor vapor plasmonic absorber characterized in that the.
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014196556A (en) | 2013-03-07 | 2014-10-16 | Dic株式会社 | Method for manufacturing conductive material, and conductive material |
| JP2014205905A (en) | 2013-03-19 | 2014-10-30 | Dic株式会社 | Conductive material production method, and conductive material |
| KR101688949B1 (en) * | 2014-10-22 | 2016-12-22 | 한국원자력연구원 | Nanocellulose-based composite comprising metallic nanoparticles and its fabrication method |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100099857A (en) * | 2009-03-04 | 2010-09-15 | 광운대학교 산학협력단 | Method for preparing porous gold particle and electrode for heavy metal detection using the same |
| KR20110100007A (en) * | 2010-03-03 | 2011-09-09 | 서강대학교산학협력단 | Method and apparatus for increasing sensitivity of plasmonic based optical sensing, plasmonic based optical sensing method and sensor |
| KR102059130B1 (en) * | 2013-02-14 | 2019-12-24 | 삼성전자주식회사 | Nanostructure, optical device including nanostructure and methods of manufacturing the same |
| KR20160038209A (en) | 2014-09-29 | 2016-04-07 | 한국기계연구원 | plasmonic absorber and fabricating method for the same |
| KR102426899B1 (en) | 2015-08-24 | 2022-07-28 | 한국전기연구원 | High-efficiency solar cell absorber film and a method of manufacturing the same using a wet process |
| KR101795866B1 (en) | 2015-11-20 | 2017-11-09 | 연세대학교 산학협력단 | Nanowire bundle array, membrane comprising the same and method for manufacturing of the membrane and steam generator using the membrane |
| KR20170066089A (en) * | 2015-12-04 | 2017-06-14 | 부산대학교 산학협력단 | method for manufacturing of metal nanostructure and substrate for surface enhanced raman scattering including the metal nanostructure by manufacturing the same method |
-
2017
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014196556A (en) | 2013-03-07 | 2014-10-16 | Dic株式会社 | Method for manufacturing conductive material, and conductive material |
| JP2014205905A (en) | 2013-03-19 | 2014-10-30 | Dic株式会社 | Conductive material production method, and conductive material |
| KR101688949B1 (en) * | 2014-10-22 | 2016-12-22 | 한국원자력연구원 | Nanocellulose-based composite comprising metallic nanoparticles and its fabrication method |
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