KR102063272B1 - Photoelectrode for water splitting - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 복수의 돌기들을 제1 면 상에 포함하는 전도성 기재, 상기 제1 면 상에 형성되어 상기 복수의 돌기들을 덮는 광촉매층, 및 상기 광촉매층 상에 위치하는 복수의 플라즈몬 나노 입자들을 포함하고, 상기 복수의 돌기들 각각은, 상기 복수의 돌기들 각각의 둘레에서 서로 반대측에 위치한 제1 지점과 제2 지점을 포함하고, 상기 광촉매층은, 상기 제1 지점에서 제1 두께를 가지며 상기 제2 지점에서 상기 제1 두께와 상이한 제2 두께를 가지는 물 분해용 광전극을 개시한다.According to an embodiment of the present invention, a conductive substrate including a plurality of protrusions on a first surface, a photocatalyst layer formed on the first surface to cover the plurality of protrusions, and a plurality of plasmons positioned on the photocatalyst layer Nanoparticles, each of the plurality of protrusions including a first point and a second point located opposite to each other around a respective one of the plurality of protrusions, wherein the photocatalyst layer comprises: a first at the first point Disclosed is a photoelectrode for water decomposition having a thickness and having a second thickness different from the first thickness at the second point.

Description

물 분해용 광전극{Photoelectrode for water splitting}Photoelectrode for water splitting

본 발명의 실시예들은 물 분해용 광전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광촉매 전극에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a photoelectrode for water decomposition, and more particularly to a photocatalyst electrode.

석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 여러 가지 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이 중, 수소는 지구 상에 존재하는 풍부한 물을 분해하여 얻을 수 있고, 연소할 때 오염물을 발생시키지 않으므로, 미래의 청정 에너지원으로 주목 받고 있다. As the depletion of existing energy sources such as oil and coal is anticipated, there is a growing interest in various alternative energy sources to replace them. Among them, hydrogen can be obtained by decomposing abundant water present on the earth, and does not generate pollutants when burned, and thus has attracted attention as a future clean energy source.

한편, 물을 분해하여 수소를 생산하는 방법 중 하나로써, TiO2를 광촉매로 사용한 방법이 연구되고 있다. 그러나, TiO2는 넓은 밴드갭 에너지로 인해 주로 자외선 영역의 파장을 흡수하고, 물의 산화반응속도가 느리므로, TiO2를 광촉매로 사용하여 물을 분해하는 방법은 에너지 변환 효율이 낮은 문제가 있다.On the other hand, as one of methods for producing hydrogen by decomposing water, a method using TiO 2 as a photocatalyst has been studied. However, since TiO 2 mainly absorbs wavelengths in the ultraviolet region due to the wide bandgap energy and the oxidation reaction rate of water is slow, the method of decomposing water using TiO 2 as a photocatalyst has a low energy conversion efficiency.

본 발명의 실시예들은, 광의 넓은 스펙트럼을 흡수하여 광 변환 효율을 향상시킬 수 있는 물 분해용 광전극을 제공한다.Embodiments of the present invention provide a photoelectrode for water decomposition that can absorb a broad spectrum of light to improve light conversion efficiency.

본 발명의 일 실시예는, 복수의 돌기들을 제1 면 상에 포함하는 전도성 기재; 상기 제1 면 상에 형성되어, 상기 복수의 돌기들을 덮는 광촉매층; 및 상기 광촉매층 상에 위치하는 복수의 플라즈몬 나노 입자들;을 포함하고, 상기 복수의 돌기들 각각은, 상기 복수의 돌기들 각각의 둘레에서 서로 반대측에 위치한 제1 지점과 제2 지점을 포함하고, 상기 광촉매층은, 상기 제1 지점에서 제1 두께를 가지며 상기 제2 지점에서 상기 제1 두께와 상이한 제2 두께를 가지는 물 분해용 광전극을 개시한다.One embodiment of the present invention, a conductive substrate comprising a plurality of protrusions on the first surface; A photocatalyst layer formed on the first surface and covering the plurality of protrusions; And a plurality of plasmon nanoparticles positioned on the photocatalyst layer, wherein each of the plurality of protrusions includes a first point and a second point located on opposite sides of each of the plurality of protrusions. The photocatalyst layer discloses a photoelectrode for water decomposition having a first thickness at the first point and having a second thickness different from the first thickness at the second point.

본 실시예에 있어서, 상기 복수의 돌기들과 상기 전도성 기재는 일체적으로 형성되고, 상기 전도성 기재와 상기 복수의 플라즈몬 나노 입자들은 동일한 재질을 포함할 수 있다.In the present embodiment, the plurality of protrusions and the conductive substrate may be integrally formed, and the conductive substrate and the plurality of plasmon nanoparticles may include the same material.

본 실시예에 있어서, 상기 복수의 돌기들 각각은, 하부 수평 단면적이 상부 수평 단면적보다 클 수 있다.In the present embodiment, each of the plurality of protrusions may have a lower horizontal cross-sectional area than an upper horizontal cross-sectional area.

본 실시예에 있어서, 상기 복수의 돌기들 각각은, 원뿔 또는 다각뿔 형상을 가질 수 있다.In the present embodiment, each of the plurality of protrusions may have a cone or polygonal shape.

본 실시예에 있어서, 상기 광촉매층의 두께는, 상기 복수의 돌기들 각각의 둘레를 따라 연속적으로 변할 수 있다.In the present embodiment, the thickness of the photocatalyst layer may vary continuously along the circumference of each of the plurality of protrusions.

본 실시예에 있어서, 상기 제1 두께는 150㎚ 내지 200㎚이고, 상기 제2 두께는 20㎚ 내지 40㎚일 수 있다.In the present embodiment, the first thickness may be 150 nm to 200 nm, and the second thickness may be 20 nm to 40 nm.

본 실시예에 있어서, 상기 복수의 플라즈몬 나노 입자들 중, 상기 제1 지점 상에 위치하는 플라즈몬 나노 입자와 상기 제2 지점 상에 위치하는 플라즈몬 나노 입자에 의해 흡수되는 광의 파장들이 서로 상이할 수 있다.In the present exemplary embodiment, wavelengths of light absorbed by the plasmon nanoparticles positioned on the first point and the plasmon nanoparticles positioned on the second point among the plurality of plasmon nanoparticles may be different from each other. .

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features, and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 실시예들에 의하면, 물 분해용 광전극이 자외선뿐만 아니라 가시광선 영역의 파장을 흡수하여 에너지 변환 효율이 향상될 수 있다. According to the present embodiments, the energy decomposition photoelectrode absorbs not only ultraviolet rays but also wavelengths in the visible light region, thereby improving energy conversion efficiency.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 분해용 광전극을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 I-I'단면의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 도 1의 물 분해용 광전극의 광흡수도를 도시한 도이다.
도 5는 도 1의 물 분해용 광전극에 의해 발생하는 광전류를 도시한 도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a photoelectrode for water decomposition according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of portion A of FIG. 1.
3 is a plan view schematically illustrating an example of a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 2.
FIG. 4 is a diagram illustrating light absorption of the photoelectrode for water decomposition of FIG. 1.
FIG. 5 is a diagram illustrating a photocurrent generated by the photoelectrode for water decomposition of FIG. 1.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only used to distinguish one component from another.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 각 도면에서, 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In addition, in each drawing, components are exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description, and the size of each component does not entirely reflect the actual size.

각 구성요소의 설명에 있어서, 상(on)에 또는 하(under)에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(on)과 하(under)는 직접 또는 다른 구성요소를 개재하여 형성되는 것을 모두 포함하며, 상(on) 및 하(under)에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.In the description of each component, when described as being formed on or under, both on and under are formed either directly or through other components. And on and under criteria will be described with reference to the drawings.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and in the following description with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding components will be given the same reference numerals and redundant description thereof will be omitted. do.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 분해용 광전극을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분을 도시한 단면도이며, 도 3은 도 2의 I-I'단면의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a photoelectrode for water decomposition according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view showing a portion A of Figure 1, Figure 3 is a cross-sectional view A plan view schematically showing an example.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 물 분해용 광전극(100)은 복수의 돌기(112)들을 제1 면 상에 포함하는 전도성 기재(110), 제1 면 상에 형성되어 복수의 돌기(112)들을 덮는 광촉매층(120) 및 광촉매층(120) 상에 위치하는 복수의 플라즈몬 나노 입자(130)들을 포함할 수 있다.1 to 3, a water decomposition photoelectrode 100 according to an embodiment of the present invention includes a conductive substrate 110 including a plurality of protrusions 112 on a first surface, and on a first surface. The photocatalyst layer 120 may be formed on the plurality of protrusions 112 to cover the plurality of protrusions 112, and the plurality of plasmon nanoparticles 130 may be disposed on the photocatalytic layer 120.

전도성 기재(110)는 전도성을 가지는 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 전도성 기재(100)는 금, 은, 구리, 알루미늄 등으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The conductive substrate 110 may be made of a material having conductivity. For example, the conductive substrate 100 may be formed of gold, silver, copper, aluminum, or the like, but is not limited thereto.

전도성 기재(110)의 제1 면 상에는 복수의 돌기(112)들이 형성될 수 있다. 복수의 돌기(112)들은 전도성 기재(110)와 일체적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 돌기(112)들은 평탄한 형상의 전도성 기재(110)의 제1 면에 나노 임프린팅 방식에 의하여 형성될 수 있다. A plurality of protrusions 112 may be formed on the first surface of the conductive substrate 110. The plurality of protrusions 112 may be integrally formed with the conductive substrate 110. For example, the plurality of protrusions 112 may be formed by nano imprinting on the first surface of the conductive substrate 110 having a flat shape.

복수의 돌기(112)들 각각은 하부 수평 단면적이 상부 수평 단면적보다 클 수 있다. 즉, 전도성 기재(110)로부터 돌기(112)의 상부로 갈수록 돌기(112)의 수평 단면적이 감소할 수 있다. 예를 들어, 돌기(112)는 원뿔, 또는 다각뿔의 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 복수의 돌기(112)들은 서로 이격되거나 또는 하단부가 서로 인접하도록 배치될 수 있다.Each of the plurality of protrusions 112 may have a lower horizontal cross-sectional area than an upper horizontal cross-sectional area. That is, the horizontal cross-sectional area of the protrusion 112 may decrease toward the upper portion of the protrusion 112 from the conductive substrate 110. For example, the protrusion 112 may have a shape of a cone or a polygonal pyramid, but is not limited thereto. The plurality of protrusions 112 may be spaced apart from each other or disposed so that the lower ends thereof are adjacent to each other.

광촉매층(120)은 전도성 기재(110)의 제1 면 상에 형성된다. 광촉매층(120)은 일 예로, TiO2, Nb2O5, Al2O3, ZrO2, Ga2O3, In2O3 및 Ta2O5 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 광촉매층(120)이 전도성 기재(110)의 제1 면 상에 형성되면, 전도성 기재(110)가 공기 중에 노출되는 것과 비교할 때, 전도성 기재(110)와 광촉매층(120)의 계면에서의 굴절율 차이가 감소하여 입사광의 반사를 감소시킬 수 있다. 일 예로, 전도성 기재(110)가 금으로 형성되고, 광촉매층(120)이 TiO2로 형성될 때, 650㎚ 이하의 파장의 광의 흡수도가 향상될 수 있다. 한편, TiO2로 형성된 광촉매층(120)은 자외선 영역의 광을 주로 흡수하여 물을 분해시킬 수 있다.The photocatalyst layer 120 is formed on the first surface of the conductive substrate 110. The photocatalyst layer 120 may include, for example, at least one of TiO 2 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3, and Ta 2 O 5 . When the photocatalyst layer 120 is formed on the first side of the conductive substrate 110, the refractive index at the interface between the conductive substrate 110 and the photocatalytic layer 120 when compared with the exposure of the conductive substrate 110 to air The difference can be reduced to reduce the reflection of incident light. For example, when the conductive substrate 110 is formed of gold and the photocatalytic layer 120 is formed of TiO 2 , absorbance of light having a wavelength of 650 nm or less may be improved. On the other hand, the photocatalyst layer 120 formed of TiO 2 may mainly absorb light in the ultraviolet region to decompose water.

광촉매층(120)은 복수의 돌기(112)들을 덮도록 형성된다. 복수의 돌기(112)들 각각은, 복수의 돌기(112)들 각각의 둘레에서 서로 반대측에 위치한 제1 지점과 제2 지점을 포함할 수 있는데, 이때 광촉매층(120)은, 제1 지점에서 제1 두께(T1)를 가지며 제2 지점에서 제1 두께(T1)와 상이한 제2 두께(T2)를 가질 수 있다. 여기서, 제1 두께(T1)와 제2 두께(T2)는 돌기(112)의 측면과 수직한 방향으로 측정된 광촉매층(120)의 두께를 의미한다. 즉, 광촉매층(120)은 돌기(112)의 수직 중심선을 기준으로 비대칭적으로 형성될 수 있다. The photocatalyst layer 120 is formed to cover the plurality of protrusions 112. Each of the plurality of protrusions 112 may include a first point and a second point positioned opposite to each other around the plurality of protrusions 112, wherein the photocatalyst layer 120 may be formed at the first point. It may have a first thickness T1 and a second thickness T2 different from the first thickness T1 at the second point. Here, the first thickness T1 and the second thickness T2 mean the thickness of the photocatalyst layer 120 measured in a direction perpendicular to the side surface of the protrusion 112. That is, the photocatalyst layer 120 may be formed asymmetrically with respect to the vertical center line of the protrusion 112.

한편, 제1 두께(T1)는 광촉매층(120)의 가장 두꺼운 두께일 수 있으며, 제2 두께(T2)는 광촉매층(120)의 가장 얇은 두께일 수 있다. 또한, 광촉매층(120)은 제1 지점과 제2 지점 사이에서 제1 두께(T1)와 제2 두께(T2) 사이의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 돌기(120)가 원뿔 형상인 경우, 광촉매층(120)의 두께는, 돌기(120) 의 둘레를 따라 연속적으로 변할 수 있다. 이와 같이 광촉매층(120)의 두께가 위치에 따라 다르게 형성되면, 후술하는 복수의 플라즈몬 나노 입자(130)에 의하여 흡수되는 가시광의 스펙트럼을 확대할 수 있다.Meanwhile, the first thickness T1 may be the thickest thickness of the photocatalyst layer 120, and the second thickness T2 may be the thinnest thickness of the photocatalyst layer 120. In addition, the photocatalyst layer 120 may have a thickness between the first thickness T1 and the second thickness T2 between the first point and the second point. For example, when the protrusion 120 has a conical shape, the thickness of the photocatalyst layer 120 may continuously vary along the circumference of the protrusion 120. As such, when the thickness of the photocatalyst layer 120 is formed differently according to the position, the spectrum of visible light absorbed by the plurality of plasmon nanoparticles 130 described later may be enlarged.

복수의 플라즈몬 나노 입자(130)는 소정 파장의 빛에 의해 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance)을 일으킬 수 있다. 표면 플라즈몬 공명이라 함은 플라즈몬 나노 입자(130)의 표면과 유전체(예를 들면, 공기 등) 사이에 빛이 입사되며, 빛이 가지는 특정 에너지의 전자기장과의 공명으로 인해 플라즈몬 나노 입자(130)의 표면에 있는 자유전자들이 집단적으로 진동하는 현상을 말한다. 이러한 플라즈몬 나노 입자(130)는 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전 상수를 가지는 물질을 포함할 수 있다. The plurality of plasmon nanoparticles 130 may cause surface plasmon resonance by light of a predetermined wavelength. Surface plasmon resonance means that light is incident between the surface of the plasmon nanoparticles 130 and a dielectric (for example, air, etc.), and due to resonance of the specific energy of the plasmon nanoparticles 130, Free electrons on the surface vibrate collectively. The plasmon nanoparticles 130 may include a material that is easy to emit electrons by an external stimulus and has a negative dielectric constant.

플라즈몬 나노 입자(130)는 금, 은, 구리, 알루미늄 등으로 형성될 수 있다. 일 예로, 플라즈몬 나노 입자(130)는 금으로 형성되어 가시광선을 흡수하여 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.The plasmon nanoparticles 130 may be formed of gold, silver, copper, aluminum, or the like. For example, the plasmon nanoparticles 130 may be formed of gold to absorb visible light, thereby causing surface plasmon resonance.

플라즈몬 나노 입자(130)가 플라즈몬 공명을 일으키면, 플라즈몬 나노 입자(130) 내에서 전자와 정공이 분리되고, 전자는 광촉매층(120)으로 이동하게 되며, 남아있는 정공이 물과 반응함으로써, 물이 분해되어 산소를 발생시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 광촉매층(120)이 자외선을 흡수하여 물을 분해시키는 것 외에, 플라즈몬 나노 입자(130)에 의한 가시광선 흡수에 의한 물의 분해를 수행할 수 있다. 따라서, 분의 분해시 광의 넓은 스펙스럼을 활용할 수 있어 물 분해용 광전극(100)의 에너지 변환 효율이 향상될 수 있다. When the plasmon nanoparticles 130 cause plasmon resonance, electrons and holes are separated in the plasmon nanoparticles 130, and the electrons move to the photocatalytic layer 120, and the remaining holes react with water, whereby water May decompose to generate oxygen. That is, according to the present invention, the photocatalyst layer 120 absorbs ultraviolet rays and decomposes water to decompose water by absorbing visible light by the plasmon nanoparticles 130. Therefore, a wide spectrum of light may be utilized when dissolving the powder, so that the energy conversion efficiency of the water electrode 100 for water decomposition may be improved.

한편, 전도성 기재(110)와 복수의 플라즈몬 나노 입자(130)들은 동일한 재질을 포함할 수 있고, 플라즈몬 나노 입자(130)들의 표면 플라즈몬 공명은 전도성 기재(110)와의 간격에 의하여 영향을 받을 수 있다. 즉, 복수의 플라즈몬 나노 입자(130)들 중, 제1 지점 상에 위치하는 플라즈몬 나노 입자(130)와 제2 지점 상에 위치하는 플라즈몬 나노 입자(130)에 의해 흡수되는 광의 파장들이 서로 상이할 수 있다. 보다 구체적으로, 광촉매층(120)의 두께가 증가할수록 플라즈몬 나노 입자(130)가 흡수하는 광의 파장이 증가할 수 있다. 따라서, 광촉매층(120)의 두께가 돌기(112)의 둘레를 따라서 변하면, 복수의 플라즈몬 나노 입자(130)들에 의하여 흡수되는 가시 광선의 스펙트럼이 확대될 수 있다.Meanwhile, the conductive substrate 110 and the plurality of plasmon nanoparticles 130 may include the same material, and the surface plasmon resonance of the plasmon nanoparticles 130 may be affected by the distance from the conductive substrate 110. . That is, among the plurality of plasmon nanoparticles 130, wavelengths of light absorbed by the plasmon nanoparticles 130 positioned on the first point and the plasmon nanoparticles 130 positioned on the second point may be different from each other. Can be. More specifically, as the thickness of the photocatalyst layer 120 increases, the wavelength of light absorbed by the plasmon nanoparticles 130 may increase. Therefore, when the thickness of the photocatalyst layer 120 changes along the circumference of the protrusion 112, the spectrum of visible light absorbed by the plurality of plasmon nanoparticles 130 may be enlarged.

이를 위해, 광촉매층(120)의 제1 두께(T1)는 150㎚ 내지 200㎚일 수 있으며, 제2 두께(T2)는 20㎚ 내지 40㎚일 수 있다. To this end, the first thickness T1 of the photocatalyst layer 120 may be 150 nm to 200 nm, and the second thickness T2 may be 20 nm to 40 nm.

제1 두께(T1)가 150㎚ 보다 작거나, 제2 두께(T2)가 40㎚ 보다 크면, 제1 두께(T1)와 제2 두께(T2) 간의 두께 차이가 감소하고, 이에 의해 플라즈몬 나노 입자(130)에 의하여 흡수되는 가시광선 영역의 파장 범위가 확대되는 효과가 감소할 수 있다.When the first thickness T1 is smaller than 150 nm or the second thickness T2 is larger than 40 nm, the thickness difference between the first thickness T1 and the second thickness T2 is decreased, thereby decreasing the plasmon nanoparticles. The effect of expanding the wavelength range of the visible light region absorbed by 130 may be reduced.

반면에, 제1 두께(T1)가 200㎚ 보다 크면, 플라즈몬 나노 입자(130)의 표면 플라즈몬 효과가 발현되기 어려우며, 가시광선 범위를 벗어난 파장의 광을 흡수할 수 있다. 또한, 제2 두께(T2)가 20㎚ 보다 작으면, 광촉매층(120)에 의한 충분한 광전하 생성이 저하되어 광촉매층(120)의 저항이 증가할 수 있다.On the other hand, when the first thickness T1 is greater than 200 nm, the surface plasmon effect of the plasmon nanoparticles 130 may not be easily expressed and may absorb light having a wavelength outside the visible range. In addition, when the second thickness T2 is smaller than 20 nm, sufficient photocharge generation by the photocatalytic layer 120 may be deteriorated, thereby increasing the resistance of the photocatalyst layer 120.

따라서, 광촉매층(120)의 제1 두께(T1)가 150㎚ 내지 200㎚으로 형성되고, 제2 두께(T2)가 20㎚ 내지 40㎚로 형성됨으로써, 복수의 플라즈몬 나노 입자(130)들에 의하여 흡수되는 가시광선 영역의 파장 범위가 확대되어 물 분해용 광전극(100)의 에너지 변환 효율이 향상될 수 있다. Therefore, the first thickness T1 of the photocatalytic layer 120 is formed to be 150 nm to 200 nm, and the second thickness T2 is formed to be 20 nm to 40 nm, thereby providing a plurality of plasmon nanoparticles 130. The wavelength range of the visible light region absorbed by the light may be increased, and thus the energy conversion efficiency of the water decomposition photoelectrode 100 may be improved.

도 4는 도 1의 물 분해용 광전극의 광흡수도를 도시한 도이고, 도 5는 도 1의 물 분해용 광전극에 의해 발생하는 광전류를 도시한 도이다. 이하에서는 도 1을 함께 참조하여 설명하기로 한다.FIG. 4 is a diagram illustrating the light absorption of the water decomposition photoelectrode of FIG. 1, and FIG. 5 is a diagram illustrating the photocurrent generated by the water decomposition photoelectrode of FIG. 1. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG. 1.

도 4 및 도 5에서 (1)은 본 발명의 실시예에 따라, 복수의 돌기(112)들 상의 광촉매층(120)의 두께가 돌기(112)의 둘레를 따라 연속적으로 변하게 형성되고, 광촉매층(120) 상에 복수의 플라즈몬 나노 입자(130)들이 형성된 경우이고, (2)는 (1)의 상태에서 플라즈몬 나노 입자(130)들을 생략한 경우이다.4 and 5 (1) is formed according to an embodiment of the present invention, the thickness of the photocatalyst layer 120 on the plurality of protrusions 112 is continuously changed along the periphery of the protrusion 112, the photocatalyst layer A plurality of plasmon nanoparticles 130 are formed on the 120, and (2) is a case where the plasmon nanoparticles 130 are omitted in the state of (1).

(3)은 복수의 돌기(112)들 상의 광촉매층(120)의 두께가 일정하게 형성되고, 광촉매층(120) 상에 복수의 플라즈몬 나노 입자(130)들이 형성된 경우이며, (4)는 (3)의 상태에서 플라즈몬 나노 입자(130)들을 생략한 경우이다.(3) is a case where the thickness of the photocatalytic layer 120 on the plurality of protrusions 112 is uniformly formed, and the plurality of plasmon nanoparticles 130 are formed on the photocatalytic layer 120, (4) ( In the state of 3), the plasmon nanoparticles 130 are omitted.

먼저, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 플라즈몬 나노 입자(130)들이 생략된 (2)와 (4)의 경우는 주로 500㎚ 이하의 파장의 광의 흡수가 이루어지는 것을 알 수 있다. 이는 광촉매층(120)에 의한 광의 흡수가 주도적으로 이루어진 것을 의미한다.First, as can be seen in Figure 4, in the case of (2) and (4) in which the plasmon nanoparticles 130 are omitted, it can be seen that the absorption of light having a wavelength of 500 nm or less. This means that absorption of light by the photocatalytic layer 120 is dominant.

이에 반해, 복수의 플라즈몬 나노 입자(130)들을 추가적으로 형성한 (1)과 (3)의 경우는 500㎚ 이상의 파장의 광의 흡수가 증가한 것을 알 수 있는데, 이는 플라즈몬 나노 입자(130)들의 표면 플라즈몬 공명에 의하여 가시광선 영역의 광이 흡수된 것을 의미한다.In contrast, in the case of (1) and (3) in which the plurality of plasmon nanoparticles 130 are additionally formed, it can be seen that the absorption of light having a wavelength of 500 nm or more is increased, which is the surface plasmon resonance of the plasmon nanoparticles 130. This means that the light in the visible light region is absorbed.

특히, 돌기(112)의 둘레를 따라 광촉매층(120)의 두께를 연속적으로 변화시킨 (1)의 경우는 광촉매층(120)의 두께가 일정한 (3)의 경우보다 가시광선의 장파장 측의 흡수율이 향상된 것을 알 수 있다.In particular, in the case of (1) in which the thickness of the photocatalytic layer 120 is continuously changed along the circumference of the protrusion 112, the absorption rate at the longer wavelength side of the visible light is higher than in the case of (3) in which the thickness of the photocatalytic layer 120 is constant. It can be seen that the improvement.

도 5를 참조하면, (1)과 (2), 그리고 (3)과 (4)를 각각 비교하면, 복수의 플라즈몬 나노 입자(130)들을 추가적으로 형성함에 따라, 가시광선 영역의 광을 추가적으로 흡수함으로써 광전류의 발생이 증가함을 알 수 있다. 한편, 도 5에서는 (2)가 (3) 보다 광전류가 크게 발생한 것을 알 수 있는데, 이는 광촉매층(120)의 두께를 변화시킴에 따라 광촉매층(120)에 의한 자외선 흡수효율이 향상된 것으로 파악될 수 있다. Referring to FIG. 5, comparing (1) and (2), and (3) and (4), respectively, by additionally forming a plurality of plasmon nanoparticles 130, by additionally absorbing light in the visible region It can be seen that the generation of photocurrent increases. On the other hand, in Figure 5 (2) it can be seen that the photocurrent is larger than the (3), which can be seen that the UV absorption efficiency by the photocatalytic layer 120 is improved by changing the thickness of the photocatalyst layer 120. Can be.

즉, 본 발명에 의하면 광촉매층(120)의 두께를 돌기(112)의 둘레를 따라 다르게 형성함으로써, 광촉매층(120)에 의한 자외선 흡수효율을 향상시킴과 동시에, 플라즈몬 나노 입자(130)들의 표면 플라즈몬 공명 효과를 조절하여, 플라즈몬 나노 입자(130)들에 의해 흡수되는 가시광선 영역의 스펙트럼을 확장함으로써, 물 분해용 광전극(100)의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.That is, according to the present invention, the thickness of the photocatalyst layer 120 is formed differently along the circumference of the protrusion 112, thereby improving the ultraviolet absorption efficiency by the photocatalyst layer 120 and at the same time, the surface of the plasmon nanoparticles 130. By adjusting the plasmon resonance effect, by extending the spectrum of the visible light region absorbed by the plasmon nanoparticles 130, it is possible to improve the energy conversion efficiency of the photoelectrode 100 for water decomposition.

이상에서는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the above description has been made with reference to the exemplary embodiments illustrated in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

100: 물 분해용 광전극
110: 전도성 기재
112: 돌기
120: 광촉매층
130: 플라즈몬 나노 입자100: photoelectrode for water decomposition
110: conductive substrate
112: turning
120: photocatalyst layer
130: plasmon nanoparticles

Claims (7)

복수의 돌기들을 제1 면 상에 포함하는 전도성 기재;
상기 제1 면 상에 형성되어, 상기 복수의 돌기들을 덮는 광촉매층; 및
상기 광촉매층 상에 위치하는 복수의 플라즈몬 나노 입자들;을 포함하고,
상기 복수의 돌기들 각각은, 상기 복수의 돌기들 각각의 둘레에서 서로 반대측에 위치한 제1 지점과 제2 지점을 포함하고,
상기 제1 지점에서 상기 광촉매층의 두께는 150㎚ 내지 200㎚이고, 상기 제2 지점에서 상기 광촉매층의 두께는 20㎚ 내지 40㎚이며, 상기 제1 지점과 상기 제2 지점 사이에서 상기 광촉매층의 두께가 연속적으로 변하는 물 분해용 광전극.A conductive substrate including a plurality of protrusions on the first surface;
A photocatalyst layer formed on the first surface and covering the plurality of protrusions; And
It includes; a plurality of plasmon nanoparticles located on the photocatalyst layer,
Each of the plurality of protrusions includes a first point and a second point located opposite to each other around the plurality of protrusions,
The photocatalyst layer has a thickness of 150 nm to 200 nm at the first point, and the photocatalyst layer has a thickness of 20 nm to 40 nm at the second point, between the first point and the second point. Photoelectrode for water decomposition whose thickness is continuously changed. 제1항에 있어서,
상기 복수의 돌기들과 상기 전도성 기재는 일체적으로 형성되고,
상기 전도성 기재와 상기 복수의 플라즈몬 나노 입자들은 동일한 재질을 포함하는 물 분해용 광전극.The method of claim 1,
The plurality of protrusions and the conductive substrate are integrally formed,
The conductive substrate and the plurality of plasmon nanoparticles are optical electrodes for water decomposition comprising the same material. 제1항에 있어서,
상기 복수의 돌기들 각각은, 하부 수평 단면적이 상부 수평 단면적보다 큰 물 분해용 광전극.The method of claim 1,
Each of the plurality of protrusions has a lower horizontal cross-sectional area greater than the upper horizontal cross-sectional area for water decomposition. 제1항에 있어서,
상기 복수의 돌기들 각각은, 원뿔 또는 다각뿔 형상을 가지는 물 분해용 광전극.The method of claim 1,
Each of the plurality of protrusions has a conical or polygonal pyramidal shape. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 복수의 플라즈몬 나노 입자들 중, 상기 제1 지점 상에 위치하는 플라즈몬 나노 입자와 상기 제2 지점 상에 위치하는 플라즈몬 나노 입자에 의해 흡수되는 광의 파장들이 서로 상이한 물 분해용 광전극.The method of claim 1,
The photoelectrode for water decomposition of the plurality of plasmon nanoparticles, the wavelengths of light absorbed by the plasmon nanoparticles located on the first point and the plasmon nanoparticles located on the second point are different from each other.
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