KR102468244B1 - 산업 바이오필름 공정에서 수확된 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산업 바이오필름 공정에서 저서성 펜네이트 규조류(benthic pennate diatoms)를 배양하는 단계로서, 상기 산업 바이오필름 공정에서 상기 저서성 펜네이트 규조류는 물 포함 구획(water-comprising compartment) 내의 적어도 하나의 표면 위에 성장하고, 상기 저서성 펜네이트 규조류가 상기 적어도 하나의 표면 위에 바이오필름을 형성하는 단계; 상기 적어도 하나의 표면으로부터 상기 저서성 펜네이트 규조류를 수확하는 단계; 및 규조 껍질(frustules)을 상기 저서성 펜네이트 규조류에 포함된 유기 바이오매스로부터 분리함으로써 상기 규조 껍질을 추출하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.

Description

산업 바이오필름 공정에서 수확된 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질
본 발명은 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질 및 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 그러한 규조 껍질의 사용에 관한 것으로서, 저서성 펜네이트 규조류는 산업 바이오필름 공정으로부터 수확된 것이다.
규조류(diatoms)는 담수와 해양 환경 모두에 존재하는 조류(algae)의 한 유형으로서 이산화규소 함량이 높은 규조 껍질(frustules)을 포함한다. 이 껍질은 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있는 나노 다공성 이산화규소 물질의 원천이다. 규조류는 규소에 대한 저장소(reserve)일 뿐만 아니라, 화석 형태로 석유, 석탄 및 인(phosphorus)을 위한 저장소로서 이바지한다. 또한 규조류는 우리가 매일 숨 쉬고 있는 많은 양의 산소를 생성한다.
많은 다양한 유형의 규조류가 있으며, 규조류는 보통 그들의 크기 및/또는 형태, 물 속의 생활 환경에 따라 분류된다.
다양한 응용 분야에서 규조류 껍질이 사용되어 온 사례가 많다. 예를 들어 Chen 등(Scientific Reports 2015, DOI:10.1038/srep11977)은 규조류 껍질의 광 트랩 효과(light trapping effect)가 태양 전지에서 전력 변환 효율을 향상시키는데 어떻게 사용될 수 있는지 보여준다. 또한, 미국 특허 제2015/0338403 A1호는 규조류 껍질의 조성 및 금속 코팅을 보여준다. 미국 특허 제2015/0367322 A1호는 규조류 기반의 나노 복합체를 형성하는 방법을 기술한다. 또한, Lim 등(J.Appl.Phys.2015, 27, 763, DOI:10.1007/s10811-014-0356-9)은 규조류로부터의 규조 껍질이 단백질 흡수에 어떻게 사용될 수 있는지를 기술한다.
많은 다양한 응용 분야, 예를 들어 태양전지, 바이오센서, 복합 재료 및/또는 소음 차단에 규조류로부터 추출된 규조 껍질을 사용할 수 있도록 다량의 고품질의 규조류 껍질을 제공하기 위해 종래 기술을 개선할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 현재의 종래 기술을 향상시키고, 전술한 문제를 적어도 경감시키는 것이다. 이 목적 및 다른 목적들은 산업 바이오필름 공정에서 수확된 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질 및 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 그러한 규조 껍질의 사용에 의해 달성된다.
본 발명자들은 산업 바이오필름 공정을 통해 배양된(cultured) 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 예를 들어 광 트랩핑 특성에 의하여 예를 들어 에너지, 화학 물질 및/또는 기계적 파동(mechanical waves)의 흡수(uptake)와 같은 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있음을 깨달았다. 예를 들어, 규조 껍질은 규조 껍질의 광 트랩핑 특성으로 인해 태양 전지의 효율을 향상시기 위해 사용될 수 있다. 산업 바이오필름 공정에서, 저서성 펜네이트 규조는 물 구획(water compartment)의 표면상에 성장되고, 상기 저서성 펜네이트 규조류는 상기 표면으로부터 수확된다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 추출하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다.
- 산업 바이오필름 공정에서 저서성 펜네이트 규조류를 배양(culturing)하는 단계로서, 상기 산업 바이오필름 공정에서 상기 저서성 펜네이트 규조류는 물을 함유하는 구획 내에서 적어도 하나의 표면 위에 성장하고, 상기 저서성 펜네이트 규조류가 상기 적어도 하나의 표면 위에 바이오필름을 형성하는 단계;
- 상기 적어도 하나의 표면으로부터 상기 저서성 펜네이트 규조류를 수확(harvesting)하는 단계;
- 상기 규조 껍질을 상기 저서성 펜네이트 규조류에 포함된 유기 바이오매스로부터 분리함으로써 상기 규조 껍질을 추출하는 단계.
본 발명은 산업 바이오필름 공정이 특정 성질의 규조 껍질을 제공할 원하는 종의 저서성 펜네이트 규조류를 성장시키고 수확하는 제어된 방법을 제공한다는 깨달음에 기초한다. 산업 바이오필름 공정에서 저서성 펜네이트 규조류를 배양하는 것은 해양 환경 및/또는 담수호로부터 저서성 펜네이트 규조류를 수확하는 것과 비교하여 그러한 저서성 펜네이트 규조류의 수확을 용이하게 한다. 또한, 산업 바이오필름 공정에서 배양된 저서성 펜네이트 규조류의 순도는 해양 환경 및/또는 담수호로부터의 저서성 펜네이트 규조류 순도보다 더 높다. 저서성 펜네이트 규조류를 배양하기 위한 산업 바이오필름 공정은 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질의 높고 균일한 품질을 보장할 것이다.
본 발명의 전술한 목적뿐만 아니라 추가적인 목적, 특징 및 이점이 첨부한 도면과 함께 본 발명의 바람직한 구현예에 대한 다음의 예시적이고 비제한적인 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1a는 본 발명의 적어도 하나의 구현예에 따른 저서성 펜네이트 규조류의 현미경 사진이다.
도 1b는 본 발명의 적어도 하나의 구현예에 따라 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질의 SEM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 적어도 하나의 구현예에 따라 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질로 코팅된 표면의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 적어도 하나의 구현예에 따라 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질을 함유하는 복합체의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 적어도 하나의 구현예에 따른 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질의 개략적인 단면도이다.
규조류 예를 들어 저서성 펜네이트 규조류가 자라는 속도는 세 단계로 나뉘어질 수 있는데, 규조류가 천천히 성장하는 제1 단계, 규조류가 기하 급수적으로 성장하는 제2 단계 및 성장이 정체되거나 거의 멈춘 제3 단계이다. 규조류가 어느 단계에 있는가는 특정 개체군(population) 내의 규조류의 크기나 농도에 의존한다. 산업 바이오필름 공정의 규모는 제2 단계에 있는 규조류를 제공할 수 있으며, 따라서 저서성 펜네이트 규조류를 가장 빨리 성장시킬 수 있다. 한 이론에 따르면, 더 작은 물 구획 내의 규조류의 배양은 단지 또는 주로 제1 단계에 있는 규조류를 제공할 수 있으며, 따라서 규조류의 성장이 더 느릴 수 있다.
저서성 펜네이트 규조류는 다른 규조류보다 더 두꺼운 규조 껍질을 가질 수 있는데, 이는 다른 규조류로부터의 규조 껍질보다 더 내구성 있게 만든다. 다르게 말하면, 저서성 펜네이트 규조류는 다른 규조류보다 더 많이 규화되어(silicified) 있다. 중심형 규조류(central diatom)와 비교하여, 펜네이트 규조류는 유성 생식(sexual reproduction)의 필요성이 없다는 사실에 주로 기인하여 대규모로 산업적으로 배양하기가 또한 더 쉽다. 중심형 규조류와 비교하여, 펜네이트 규조류가 더 빠르게 자라는데, 이것은 펜네이트 규조류를 규모가 큰 생산에 더 적합하게 한다. 저서성 펜네이트 규조류의 규조 껍질은 규조류의 약 15% 내지 30%를 구성하는데, 이는 원양(pelagic)(부유 생활(suspension living)) 펜네이트 규조류 및 중심형 규조류보다 훨씬 많고, 저서성 펜네이트 규조류로부터의 규조 껍질을 추출 공정 하에서 더욱 내구성 있게 만든다. 다르게 말하면, 저서성 펜네이트 규조류의 규조 껍질이 규조 껍질의 두께 때문에 다른 유형의 규조류들로부터의 규조 껍질보다 추출 공정 중 균열이나 부서짐이 덜 생길 수 있다. 따라서 규조 껍질의 구조가 취급이나 사용 중 유지될 수 있다.
저서성(benthic)은 청구된 규조류가 수중의(aquatic) 부드러운 그리고 단단한 바닥 기질(substrate)(얼음을 포함) 상에 및/또는 그 안에 살고 있는 것을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 저서성 펜네이트 규조류는 물로 덮여 있는 돌 위, 바닥 퇴적물 내 또는 다른 표면 위에서 자랄 수 있다. 저서성 펜네이트 규조류는 부유 생활 규조류가 아니다. 또한, 펜네이트(pennate)는 청구된 규조류가 좌우 대칭(bilateral symmetric)임을 의미하는 것으로 이해될 것이다.
적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 산업 바이오필름 공정은 수평 바이오필름 공정인데, 즉 저서성 펜네이트 규조류가 성장하는 표면이 수평 표면이다.
"수평 표면(horizontal surface)"이라는 용어는 수평선에 실질적으로 평행한 평면을 포함하는 표면을 지칭하는 것으로, 즉 표면이 수평 방식으로 주요 연장부를 갖는 것으로 이해될 것이다. 수평 표면은 수직 표면에 실질적으로 직각일 수 있다.
적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류는 물 구획(water-compartment) 내의 표면 상의 바이오필름의 배양(cultivation) 중에 형성된다. 바이오필름은 예를 들어 정지(still) 바이오필름일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 저서성 펜네이트 규조류에 의해 형성된 바이오필름은 순환하는(circulating) 수평 표면의 상부에 배양될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류는 정사각형 또는 직사각형 표면 상에 배양된다. 표면은 예를 들어 1×1 m (즉, 1m×1m 또는 1 m2), 또는 적어도 1 m2일 수 있다.
적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류가 배양되는 표면의 너비는 적어도 0.5 m 또는 0.75 m 또는 1 m 또는 1.5 m일 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류가 배양되는 표면의 너비는 3 m 또는 2 m 또는 1.5 m 이하일 수 있다. 다르게 말하면, 저서성 펜네이트 규조류가 배양되는 표면의 너비는 0.5-3 m 또는 0.75-2 m 또는 1-2 m의 간격 내에 있다.
적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류가 배양되는 표면의 길이는 적어도 0.5 m 또는 1 m 또는 2 m 또는 3 m 또는 5 m 이다. 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류가 배양되는 표면의 길이는 10 m 또는 8 m 또는 7 m 또는 6 m 또는 5 m 이하이다. 다르게 말하면, 저서성 펜네이트 규조류가 배양되는 표면의 길이는 0.5-10 m 또는 1-7 m 또는 1-6 m의 간격 내에 있을 수 있다. 이로써 표면의 바람직한 크기가 제공된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류가 배양되는 여러 개의 표면이 서로 적층되어 저서성 펜네이트 규조류가 물 구획 내에서 상이한 레벨에서 배양될 수 있다. 이와 같은 방법으로, 저서성 펜네이트 규조류를 배양할 수 있는 표면적이 동일한 물 구획 내에서 증가한다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 산업 바이오필름 공정은 각각의 상부 위에 쌓이거나 나란히 배치될 수 있는 몇 개의 물 포함 구획을 포함한다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 몇 개의 표면이 서로 연결되어 더 큰 표면이 얻어질 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류가 배양되는 표면은 정사각형 또는 직사각형 이외의 임의의 다른 기하학적 형태일 수 있다. 그것은 예를 들어 삼각형 또는 원형일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로 저서성 펜네이트 규조류가 배양되는 표면은 별 형태일 수 있다.
적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 물 포함 구획은 풀(pool)이다. 다르게 말하면, 상기 방법은 펜네이트 규조류를 풀 또는 수반(basin)에서 배양하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 풀은 수심이 적어도 0.2 m, 또는 적어도 0.3 m, 또는 적어도 0.5 m 또는 적어도 1 m 인 얕은 풀이다. 부가적으로 또는 대안으로, 상기 풀 내의 수심은 2 m 이하 또는 1 m 이하 또는 0.5 m 이하이다. 예를 들어, 수심은 0.2-2 m 또는 0.3-1 m 일 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류의 배양을 위한 표면이 배열되는 물 구획은 적어도 2 L의 물 또는 5 L의 물 또는 10 L의 물 또는 적어도 20 L의 물 또는 적어도 30L의 물을 포함할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류가 산업 바이오필름 공정으로부터 수확된 후, 규조 껍질은 저서성 펜네이트 규조류의 유기 바이오매스로부터 추출된다. 다르게 말하면, 저서성 펜네이트 규조류가 그들이 배양된 표면으로부터 수확되고, 다음으로 이어서 유기체 바이오매스가 규조 껍질에서 제거된다. 다르게 말하자면, 저서성 펜네이트 규조류가 그들이 배양된 표면에서 수확된 후에 저서성 펜네이트 규조류의 규조 껍질과 유기질 바이오매스가 분리된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 규조 껍질은 소성(calcinations) 공정을 통해 추출될 수 있다. 이러한 공정에서 규조류의 유기질 바이오매스가 소각되어 규조 껍질을 남길 때까지 저서성 펜네이트 규조류가 가열된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 유기 바이오매스는 과산화수소의 사용에 의해 제거될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 소성 공정의 온도는 450℃ 이하이다. 상기 온도를 이 온도 밑으로 유지하면 규조 껍질의 에칭을 막을 수 있다. 즉, 온도를 450℃ 이하로 유지하면 규조 껍질의 두께 및/또는 구조를 유지할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 산업 바이오필름 공정은 저서성 펜네이트 규조류를 물 구획에 제공하는 단계를 포함한다. 물 구획은 이후에 영양수(nutritious water)를 제공받을 수 있다. 다르게 말해서, 상기 방법은 영양수를 포함하는 물 포함 구획에서 저서성 펜네이트 규조류를 배양하는 단계를 포함할 수 있다. 영양수는 저서성 펜네이트 규조류가 물 구획 내에 제공된 표면에서 자라는 것을 가능하게 한다. 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류는 미리 결정된 시간 후에 수확된다. 상기 시간이 얼마나 길 것인지는 광의 강도와 같은 여러 변수에 달려 있다. 용어 영양수는 예를 들어 NO3 의 형태로 첨가되는 질소(N) 및 예를 들어 P04의 형태로 첨가되는 인(P)을 주로 포함하는 물로 이해될 것이다.
영양수 중의 질소(N)의 농도는 0.01-500 g/m3, 또는 바람직하게는 25-250 g/m3 이다. 인(P)의 농도는 0.01-100g/m3 또는 2-20g/m3 이다. 질소 및/또는 인은 생체 이용 가능한 형태로 물에 용해된다. 질소와 인의 양은 규조류의 생산성 및 그에 따른 산업 바이오필름 공정의 효율성에 영향을 끼칠 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 영양수는 양어장으로부터 받아들일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 영양수는 예를 들어, 식품 산업, 바이오매스 관련 산업 또는 가정으로부터의 폐수로부터 얻어질 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 영양수는 해수 또는 담수에 질소 및 인 및 조류 성장에 필요한 다른 영양소를 첨가함으로써 얻어질 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 방법은 상기 물 포함 구획 내의 물 중의 규소(Si)의 농도가 0.01-100 g/m3 범위가 되도록, 상기 물 포함 구획 내의 물에 규소 화합물, 예를 들어 Na2Si03-5H20 또는 Na2SiO3-9H20 를 첨가하는 단계를 더 포함한다. 더욱 바람직하게는 물 포함 구획 내의 물 속 규소(Si)의 농도는 1.5-15 g/m3 이다. 이들 화합물이 물에 용해되면, 규산 Si(OH)4 가 생성된다. 첨가된 규소의 양은 규조 껍질의 두께에 영향을 준다. 너무 많은 규소 화합물은 규소 산화물을 침전시킬 수 있다. 규소 산화물 침전은 추출된 규조 껍질의 순도를 낮출 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 구현예에 따르면, 질소, 인 및 규소 사이의 비율은 16:1:15 이다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 사용된 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 신선한 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된다. 이것은 규조 껍질이 화석 규조 껍질이 아니라는 것을 의미한다. 신선한 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 화석 규조 껍질보다 더 높은 다공성을 갖는다. 더욱이, 신선한 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 화석 규조 껍질보다 순도가 더 높다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질의 사용에서 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 상기 규조 껍질이 액체 매질 중에 및/또는 건조 생성물로서 제공된다. 다르게 말하면, 상기 방법은 상기 규조 껍질을 액체 매질 중에 및/또는 건조 생성물로서 제공하는 단계를 포함한다. 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 액체 매질 중에 제공된다. 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 예를 들어 용액으로서, 현탁액(suspension)으로서, 분산액(dispersion)으로서 및/또는 겔로서 제공될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 액체 매질은 다양한 유형의 용매, 예를 들어 물일 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 하나 이상의 부가적인 물질이 저서성 펜네이트 규조류가 제공되는 액체 매질에 첨가될 수 있다. 이러한 물질은 예를 들어 중합체일 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 건조 생성물로서 제공된다. 이러한 건조 생성물의 예는 분말 및/또는 에어로겔이다. 에어로겔은 유동 매질이 액체에서 가스로 바뀐 겔이다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 건조 생성물로서 제공되는 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 다른 재료와 혼합된 복합체(composite)에 사용될 수 있다. 이러한 다른 재료의 예는 예를 들어 중합체 및/또는 금속일 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 복합체는 태양 전지(solar cell) 또는 태양 전지판(solar panel)의 상부에 제공될 수 있다. 본 명세서에서 "복합체(composite)"라는 용어는 복합된 재료, 즉 조합되고 나면 개개의 성분과 상이한 특성을 갖는 재료를 생성하는, 상이한 물리적 또는 화학적 성질을 갖는 둘 이상의 구성 재료로부터 제조된 재료를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 액체 매질에 제공된 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 코팅 방법을 사용하여 표면 상에 침적(deposit)된다. 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 액체 매질은 상기 규조 껍질을 포함하는 중합체 용액이다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 사용된 코팅 방법은 닥터 블레이딩(doctor blading), 스핀 코팅, 롤러 코팅, 스크린 인쇄, 스프레이 코팅 및 딥 코팅을 포함하나 이에 한정되지 않는 목록으로부터 선택된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 액체 매질에 제공된 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 위에서 언급한 방법 및 다른 코팅 방법을 사용하여 단층 또는 서로의 상부에 수 개의 층으로서 제공될 수 있다. 층수는 응용 분야에 따라 다를 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 액체 매질에 제공되는 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 1 ㎛ 내지 1000 ㎛, 더욱 바람직하게는 1 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위의 두께를 갖는 층에 제공될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 에너지, 화학 물질 및/또는 기계적 파동의 흡수에 사용된다. 다르게 말하면, 이 방법은 저서성 펜네이트 규조류에서 추출한 규조 껍질을 에너지, 화학 물질 및/또는 기계적 파동을 흡수하는데 사용하는 단계를 포함한다.
"에너지, 화학 물질 및/또는 기계적 파동의 흡수(uptake)"는 규조 껍질이 에너지, 화학 물질 및/또는 기계적 파동을 트랩(trap) 또는 포획(capture) 또는 흡수(absorb)하는 것을 의미한다. 예를 들어, 에너지 흡수는 광의 트랩핑, 즉, 예를 들어 이러한 규조 껍질을 사용하지 않는 것에 비하여 광흡수를 향상시키는 것일 수 있다. 더욱이, 에너지, 화학 물질 및/또는 기계적 파동이 규조 껍질을 통해 전송되거나 유도될 수 있음이 이해될 것이다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 에너지, 화학 물질 및/또는 기계적 파동의 흡수는 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질을 많은 응용 분야에서 유용하게 만든다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 에너지의 흡수는 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질로부터 방출될 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 에너지 흡수 및 방출 능력으로 인하여 에너지 저장 분야에 사용될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 에너지는 방사선(radiation)이다. 방사선은 열 및/또는 광일 수 있다. 상기 광은 적외선 범위, 가시광 범위 및/또는 자외선 범위 내의 파장을 포함할 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 화학 물질은 예를 들어, 물 및/또는 단백질이다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 기계적 파동은 음파이다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 적외선 범위, 가시광 범위 및/또는 자외선 범위 내의 파장에 상응하는 에너지를 트랩하고, 상기 에너지의 흡수는 태양 전지의 효율을 향상시키는데 사용된다. 바꿔 말하면, 상기 방법은 적외선 범외, 가시광 범위 및/또는 자외선 범위 내의 에너지의 흡수를 위하여 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 상기 규조 껍질을 사용하는 단계를 포함하며, 이때 상기 에너지의 흡수는 태양 전지의 효율을 향상시키는데 사용된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 규조 껍질은 흡수된 광을 조작하여 광의 스펙트럼 특성이 변하도록 할 수 있다. 다시 말해서, 규조 껍질은 포획되거나 트랩된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 규조 껍질의 깔대기형(funnel-like) 구조는 광의 스펙트럼 특성을 조작할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 나노 다공성(nanoporous)의 이산화규소, 즉 실리카의 수 개 층으로 구축된다. 예를 들어, 층의 수는 2 또는 3 또는 4일 수 있다. 나노 다공성은 이산화규소 층이 10-500 nm 범위 또는 20-300 nm 범위 또는 30-200 nm의 범위의 직경을 갖는 기공(pore)을 포함하는 것을 의미한다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 규조 껍질의 상이한 층의 기공은 상이한 크기를 가질 수 있다. 전형적으로, 상부층은 가장 큰 기공을 포함하는 반면, 최하층은 가장 작은 기공을 포함한다. 상이한 층의 기공의 크기는 상부층으로부터 시작하여 층들을 통해 최하층까지 이동하는 각각의 층에 대해 전형적으로 감소할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 규조 껍질 또는 규조 껍질의 층이 두꺼울수록, 규조 껍질 내에 더 긴 기공이 제공된다. 기공이 더 길수록, 예를 들어, 광의 흡수가 더 양호하다. 저서성 펜네이트 규조류의 두꺼운 규조 껍질은 그들을 태양 전지 응용 분야에 유망하게 만든다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 규조 껍질의 상이한 층의 기공은 광의 효율적인 흡수를 허용하고 광의 강도를 향상시키는 깔때기형 구조를 형성한다. 이 깔때기형 구조는 소성 온도를 450℃ 아래로 유지함으로써 유지되는 구조 중 하나일 수 있음이 이해될 것이다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질의 기공으로 반사되어 들어오는 광을 흡수한다. 다르게 말하면, 규조 껍질은 자신에 의하여 이전에 반사된 광의 흡수에 사용될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류의 규조 껍질은 원양의(pelagic) 펜네이트 규조류의 규조 껍질보다 더 두껍다. 이것은 광의 흡수가 저서성 펜네이트 펜네이트 규조류의 규조 껍질에 의해 수행된다면 부유 생활 규조류로부터의 규조 껍질에 의한 것보다 더 클 수 있음을 의미한다. 덧붙여, 저서성 펜네이트 규조류의 규조 껍질은 중심성 규조류의 규조 껍질보다 더 두껍다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 태양 전지판의 상부의 층으로서 제공된다. 태양 전지는 규소 태양 전지, 염료 감응형 태양 전지, 박막 태양 전지, 중합체 기반 태양 전지를 포함 하나 이에 한정되지 않는 목록으로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 태양 전지 내부에서 활성층에서 제공될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 입사광이 상기 태양 전지 및/또는 태양 전지판에 도달하기 전에 상기 규조 껍질 층을 통과하도록 및/또는 입사광이 상기 규조 껍질 층에 의해 상기 태양 전지 및/또는 태양 전지판 쪽으로 안내되도록, 상기 규조 껍질이 상기 태양 전지 또는 상기 태양 전지판의 상부의 층으로서 제공된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 태양 전지 및/또는 태양 전지판은 규소 기반의 태양 전지 및/또는 태양 전지판이다. 규소 기반의 태양 전지는 활성층이 규소를 포함하는 태양 전지(즉, 규소가 광흡수 물질인 태양전지)인 것으로 이해될 것이다. 마찬가지로, 규소 기반의 태양 전지판은 활성층이 규소를 포함하는 태양 전지판이다. 다르게 말하면, 상기 방법은 규소 기반의 태양 전지 및/또는 태양 전지판의 상부에 상기 규조 껍질을 침적하는 단계를 포함한다.
바꾸어 말하면, 상기 방법은 규소 기반의 태양 전지의 상부에 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질을 침적시키는 단계를 포함하며, 이때 상기 규조 껍질은 입사광이 상기 태양 전지 및/또는 상기 태양 전지판에 도달하기 전에 상기 규조 껍질층을 통과하여 지나가도록 침적된다.
적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 규소 기반의 태양 전지 및/또는 태양 전지판은 결정질 규소, 예를 들어 단결정 규소 또는 다결정 규소를 포함한다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 태양 전지는 단일 접합(single junction) 태양 전지 또는 다중 접합(multi-junction) 태양 전지일 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 규조 껍질은 태양 전지 또는 태양 전지판의 상부에 단일층 또는 몇 개의 층으로서 제공된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 단일층은 표면을 부분적으로 또는 완전히 덮는다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 상기 규소 기반의 태양 전지 또는 태양 전지판의 표면의 20 % 이하 또는 15 % 이하 또는 10 % 이하를 덮는다. 추가적으로 또는 대안적으로, 규조 껍질은 상기 규소 기반의 태양 전지 또는 태양 전지판의 표면의 적어도 2 % 또는 적어도 3 % 또는 적어도 5 % 를 덮는다. 예를 들어, 규조 껍질은 태양 전지 또는 태양 전지판 표면의 2-20 % 또는 3-10 %를 덮을 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 규조 껍질은 상기 규소 기반의 태양 전지 또는 태양 전지판의 표면의 100 %까지 덮을 수 있다. 예를 들어 이들은 규소 기반의 태양 전지의 표면의 적어도 50 % 또는 적어도 60 % 또는 적어도 70 % 또는 적어도 80 % 또는 적어도 90 %를 덮을 수 있다. 예를 들어, 규조 껍질은 더 높은 표면 커버리지에서도 서로를 덮지 않는 방식으로 규조 껍질을 제공할 수 있는 인쇄 기술, 예를 들어, 잉크젯 인쇄, 3D 인쇄 및/또는 바이오프린팅에 의하여 제공될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 규조 껍질의 기공의 깔대기형 구조는 효과적으로 광을 포획하고 태양 전지 또는 태양 전지판의 표면을 향하여 광을 유도하여 그에 의하여 태양 전지 또는 태양 전지판의 효율을 증가시킨다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 규조 껍질은 제2 재료와 혼합된다. 제2 재료는 예를 들어 이산화티탄(titanium dioxide)일 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 태양 전지 또는 태양 전지판은 염료 감응형 태양 전지 또는 태양 전지판이다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 규조 껍질은 상기 염료 감응형 태양 전지 또는 태양 전지판의 활성층의 일부로서, 예를 들어 이산화티탄과 예를 들어 혼합되어 제공된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 태양 전지의 상부에 제공된 층은 반사 방지층(anti-reflection)으로서 작용하고, 따라서 저서성 펜네이트 규조류의 층이 없는 태양 전지에 비해 더 많은 광이 태양 전지에 의해 전기로 변환될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 태양 전지의 활성층에 제공된다. 활성층은 태양 전지의 광흡수층일 수 있다. 활성층은 예를 들어 반도체성 중합체, 반도체성 저분자 및/또는 염료 분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 음파인 기계적 파동을 흡수하고, 음파의 흡수는 음향 절연(sound insulation)을 위하여 사용된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 예를 들어 건물에서, 예를 들어 벽, 천장 또는 바닥에서 음향 절연을 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 화학 물질을 흡수하며, 이때 상기 화학 물질의 흡수는 바이오센서에서 사용될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 화학 물질은 예를 들어 물 및/또는 단백질일 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 흡수된 화학 물질은 상기 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 껍질에 의해 제어된 방식으로 방출된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 제어된 방출은 저서성 펜네이트 규조류에 의해 흡수되었던 화학 물질, 예를 들어, 물 및/또는 단백질이 방출되는 것을 의미한다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 단열에 사용된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 에어로겔로서 제공된다. 에어로겔은 저서성 펜네이트 규조류의 다공성 층을 형성한다. 이 층은 층 내의 공기로 인해 열을 전도하지 않으므로 이 층을 단열재로 사용할 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 에어로겔에 의해 형성된 절연은 다른 단열층의 일반적인 두께보다 더 얇다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 건조 분말로서 제공되고, 상기 건조 분말은 복합 재료를 형성하는 제2 재료와 혼합된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 복합 재료는 경량의 제품에 사용된다. 경량 제품은 높은 강도 대 중량 비율에 기인하여 달성될 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 태양 전지 및/또는 태양 전지판에서 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질의 사용이 제공된다.
본 발명의 이 제2 측면의 효과 및 특징은 본 발명 개념의 제1 측면과 관련하여 전술한 것과 대체로 유사하다. 본 발명의 제1 측면과 관련하여 언급된 구현 예는 본 발명의 제2 측면과 대체로 호환 가능하다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 규조 껍질은 본 발명의 첫 번째 측면에 따라 기술된 방법에 따라 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출될 수 있으며, 상기 저서성 펜네이트 규조류는 전술한 바와 같은 방법에 따라 배양된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 태양 전지 및/또는 태양 전지판은 규소 기반의 태양 전지 및/또는 태양 전지판이다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 규조 껍질은 입사광이 상기 태양 전지 및 태양 전지판에 도달하기 전에 상기 규조 껍질층을 통과하도록 상기 태양 전지 및/또는 상기 태양 전지판의 상부의 층으로서 제공된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 태양 전지 또는 태양 전지판은 염료 감응형 태양 전지 또는 태양 전지판이다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 규조 껍질은 이산화티탄과 혼합되고, 상기 염료 감응형 태양 전지 또는 태양 전지판의 활성층의 일부로서 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 제공된다. 저서성 펜네이트 규조류는 산업 바이오필름 공정을 통해 배양되었으며, 여기서 상기 저서성 펜네이트 규조류는 물 구획 내의 표면에서 자라며, 상기 저서성 펜네이트 규조류는 상기 표면으로부터 수확된다.
본 발명의 이러한 대안적인 측면의 효과 및 특징은 본 발명 개념의 제1 및 제2 측면과 관련하여 전술한 것과 대체로 유사하다. 본 발명의 제1 및 제2 측면과 관련하여 언급된 구현예는 본 발명의 이러한 대안적인 측면과 대체로 호환 가능하다.
적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 다양한 응용 분야에 사용된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 액체 매질 내에/또는 건조 생성물로서 제공된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 액체 매질에 제공된 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 코팅 방법을 사용하여 표면 상에 침적된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 에너지, 화학 물질 및/또는 기계적 파동을 흡수하는데 사용된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 적외선 범위, 가시광 범위 및/또는 자외선 범위 내의 파장에 상응하는 에너지를 흡수하며, 상기 에너지 흡수는 태양 전지의 효율을 향상시키는데 사용된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 음파인 기계적 파동을 흡수하고, 음파의 흡수는 음향 절연을 위하여 사용된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 화학 물질을 흡수하고, 상기 화학 물질의 흡수는 바이오센서에 사용될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 흡수된 화학 물질은 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 상기 규조 껍질에 의해 제어된 방식으로 방출된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질이 단열에 사용된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질들이 건조 분말로서 제공되고, 상기 건조 분말은 제2 재료와 혼합되어 복합 재료를 형성한다. 일반적으로 청구 범위에서 사용된 모든 용어는 본 명세서에서 명시적으로 다르게 정의되지 않는 한, 기술 분야에서 그들의 통상적인 의미에 따라 해석될 것이다. "한/상기 요소, 장치, 구성 요소, 수단, 단계 등"에 대한 모든 언급은 달리 명시되지 않는 한, 상기 요소, 장치, 구성 요소, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 경우를 언급하는 것으로 개방적으로 해석될 것이다.
도면의 상세한 설명
본 발명의 상세한 설명에서, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질의 구현예 및 이의 사용(use)을 논의한다. 이는 본 발명의 범위를 결코 제한하지 않으며, 다른 상황에서, 예를 들어 첨부된 도면에 도시된 구현예와 다른 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질의 다른 유형 또는 변형에도 적용 가능하다는 점에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 일 구현예와 관련하여 언급된 특정 구성 요소들은 이들 구성 요소들이 본 발명의 다른 구현예와 함께 유리하게 사용될 수 없다는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명에 따른 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 여러 가지 응용 분야에 유리하게 사용될 수 있다. 산업 바이오필름 공정은 그로부터 규조 껍질이 추출될 수 있는, 원하는 종의 저서성 펜네이트 규조류를 성장시키고 수확할 수 있는 제어된 방법을 제공한다.
도 1a는 산업 바이오필름 공정을 통해 배양된 저서성 펜네이트 규조류를 보여준다. 저서성 펜네이트 규조류는 물 구획의 표면에서 자라며, 저서성 펜네이트 규조류는 상기 표면으로부터 수확된다. 상기 저서성 펜네이트 규조류는 액체 매질 내에 및/또는 건조 제품으로서 제공된다.
도 1b는 상기 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질을 보여준다. 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질들은 에너지, 화학 물질 및/또는 기계적 파동의 흡수를 위해 사용된다.
도 2는 액체 매질에 제공되고 코팅 방법을 사용하여 표면(220) 상에 침적된 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질(210)의 단면을 도시한다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질(210)이 액체 매질 내에 제공된다. 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질은 닥터 블레이딩, 스핀 코팅, 롤러 코팅, 스크린 인쇄, 스프레이 코팅 및 딥 코팅을 포함하나 이에 한정되지 않는 목록으로부터 선택된 코팅 방법으로 표면(220) 상에 침적된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 표면(220) 상에 침적되는 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 그러한 규조 껍질(210)은 적외선 범위, 가시광 범위 및/또는 자외선 범위 내의 파장에 상응하는 에너지의 흡수를 위해 사용될 수 있다. 이것은 예를 들어 태양 전지의 효율을 높이기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 표면(220) 상에 침적되는 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 이러한 규조 껍질(210)은 음파인 기계적 파동의 흡수에 사용되고, 음파의 흡수는 음향 절연에 사용된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 이러한 규조 껍질(210)은 화학 물질(220)의 흡수에 사용되며, 상기 화학 물질의 흡수는 바이오센서에 사용될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 흡수된 화학 물질은 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 상기 껍질에 의해 제어된 방식으로 방출된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 표면(220) 상에 침적되는 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 그러한 규조 껍질(210)이 단열에 사용된다.
도 3은 건조 분말로서 제공되는 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질(310)이 복합 재료를 형성하는 제2 재료(320)와 혼합된 복합 재료(300)를 보여준다.
당업자는 첨부된 청구 범위에서 한정되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 본 명세서에서 기술된 구현예의 많은 변형이 가능하다는 것을 알 수 있다.
도 4는 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출된 규조 껍질(400)의 단면을 도시한다. 규조 껍질은 몇 개의 층을 포함하며, 도 4에서는 3 개이다. 상이한 층은 상이한 크기의 기공(410, 420, 430)을 포함한다. 여기서, 최하층은 가장 작은 기공(430)을 포함하는 반면, 상부층은 가장 큰 기공(410)을 포함한다. 중간층은 최하층 및 상부층의 기공(410, 430) 사이에 있는 크기의 기공(420)을 포함한다. 기공(410, 420, 430)은 에너지(예를 들어, 광), 기계적 파동 및/또는 화학 물질의 흡수에 사용될 수 있는 깔대기형 구조를 형성한다. 규조 껍질(400) 또는 상이한 층의 두께는 기공의 크기를 한정한다.
실시예 1 태양 전지 응용
방법:
* TEC15 유리를 모든 작업 전극(working electrode)에 사용하였다. 모든 전극을 동일한 조건과 세팅에서 스크린 인쇄하고 소결하였다.
* 저서성 펜네이트 규조류로부터의 규조 껍질을 함유하는 것과 화석 규조류로부터의 규조 껍질을 함유하는 것 양쪽의 모든 혼합된 전지(cell)에서 1:50 의 비율(규조 껍질:이산화티탄)을 사용하였다.
* D35를 염료로 사용하였고, 이온성 액체를 함유하는 표준 요오드화물 전해질을 모든 전지의 전해질로 사용하였다(용매로서 MPN).
* 입사 포톤 대 전류 효율(incident photon-to-current efficiency, IPCE)을 350-800 nm 사이에서 측정하였고, 각 시리즈에 대해 세 개의 전지를 측정하였다.
결과 :
입사 포톤 대 전류 효율(IPCE) 측정에 따르면, 이산화티탄과 혼합된 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출한 규조 껍질을 갖는 염료 감응형 태양 전지가 이산화티탄만 갖는 기준 염료 감응형 태양 전지보다 더 우수한 성능을 보인다. 이산화티탄과 혼합된 화석 규조류로부터의 규조 껍질을 갖는 태양 전지는 참조(reference) 염료 감응형 태양 전지와 유사한 성능을 보인다.
평균적으로 저서성 펜네이트 규조류로부터 추출한 규조 껍질을 갖는 태양 전지는 참조 염료 감응형 태양 전지에 비해 약 60 %의 성능 향상을 보이고, 화석 규조류로부터의 규조 껍질을 갖는 태양 전지는 참조 색소 감응형 태양 전지보다 9 % 더 우수한 성능을 보인다.
실시예 2 태양 전지 응용
방법:
상용 태양 전지(BP Solar 0.446W 다결정 광전지 태양전지판)을 모든 테스트에 사용하였다. 태양 전지 성능이 기준으로서 '받은 대로' 측정되었다. 안정된 단층의 코팅을 얻기 위하여, 전지 표면을 플라즈마(산소 플라즈마) 세정하였고, 70℃에서 기상 증착((3-아미노프로필)트리에톡시실란, APTES)을 통해 아미노실란(amino-silane) 단일층으로 처리하였다. 태양 전지판 위의 모든 증착 시험은 동일한 배치의 NSFD 분말(Batch 3C)을 사용하여 수행하였다. 0.06g의 소성된 분말을 칭량하고 그것을 milliQ 물 중의 Triton X-100의 1 중량 % 용액 30㎖에 분산시킴으로써 0.2 중량 %의 NSFD 분산액(dispersion)을 제조하였다. 이것을 밤새 자기 교반 하에 두었다. 그 후, 분산액을 2.5 krpm (1467 g)에서 2 분간 원심분리하였고, 상층액을 새로운 milliQ 물로 교체하였다. 이 과정을 반복하였고, 최종 milliQ 분산액을 Disp. A라고 표시하였다. Disp. A의 일부를 0.01 중량 %로 희석하였다(Disp. B). NSFD 분말의 또 다른 분산액을 0.1 중량 % 농도로 에탄올에서 제조하였다(Disp. C). 태양 전지 표면을 5 mL의 분산액을 첨가하여 전체 표면을 덮도록 코팅하고 2 시간 동안 안정시켰다. 그 후 분산액을 배수시키고 표면을 용매로 세정하였다. 태양 전지를 50℃에서 건조시켰다. 건조한 파우더의 모든 잔여 패치를 압축된 N2 흐름의 제트로 제거하였다. 이것은 코팅에 사용된 분산액에 의존하는 입자 밀도로 분산액의 단일층의 결과를 낳았다. 대조 샘플로서, 태양 전지를 플라즈마 세정하고, APTES 단일층으로 처리한 다음, NSFD 분산액 대신 순수 용매를 사용하고, 오븐 건조시켰다. 전지 4, 전지 6 및 전지 8의 현미경 이미지의 이미지 분석으로부터, 분산된 코팅은 7.8 %의 커버리지를 갖고, 중간 코팅은 31.1 %의 커버리지를 갖고, 조밀한 코팅은 79.4 %의 커버리지를 갖는 것을 알았다.
요약하면, 최소 분산 코팅으로 코팅된 전지의 I-V 데이터는, 동일한 입력 광 전력 아래 측정한 경우 코팅 전 출력 전력 대비 코팅 후 3.7 %의 출력 전력 향상을 보였다. NSFD 입자는 표면적의 약 7.8 %를 커버하였다. 더 조밀한 코팅은 코팅 전후 성능을 비교할 때 출력 전력에서 무시할 수 있는 개선을 보였다(중간의 경우 0.3 % 및 조밀한 경우 -0.7 %). 램프 발광(irradiance)인 입력 전력이 동일하도록 조정되었기 때문에, 이 출력 전력의 차이는 전지의 성능 효율의 차이에 해당한다.
210, 310, 400: 규조 껍질
220: 표면
300: 복합 재료
320: 제2 재료
410, 420, 430: 기공

Claims (15)

  1. 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법으로서,
    바이오필름 공정에서 저서성 펜네이트 규조류(benthic pennate diatoms)를 배양하는 단계로서, 상기 바이오필름 공정에서 상기 저서성 펜네이트 규조류는 물 포함 구획(water-comprising compartment) 내의 적어도 하나의 표면 위에 성장하고, 상기 저서성 펜네이트 규조류가 상기 적어도 하나의 표면 위에 바이오필름을 형성하는 단계;
    상기 적어도 하나의 표면으로부터 상기 저서성 펜네이트 규조류를 수확하는 단계이되, 상기 저서성 펜네이트 규조류가 기하급수적 성장(exponential growth) 단계에 있는, 단계; 및
    규조 껍질(frustules)을 수확된 상기 저서성 펜네이트 규조류에 포함된 유기 바이오매스로부터 분리함으로써, 수확된 상기 저서성 펜네이트 규조류로부터 상기 규조 껍질을 추출하는 단계를 포함하는, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 물 포함 구획은 풀(pool)인, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 물 포함 구획은 0.01 내지 500 g/m3의 질소 농도의 영양수(nutritious water)를 포함하는, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 물 포함 구획은 0.01 내지 100 g/m3의 인(phosphorous) 농도의 영양수(nutritious water)를 포함하는, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 물 포함 구획 내의 물 속의 규소(silicon)의 농도가 0.01-100 g/m3의 범위 내에 있도록, 상기 물 포함 구획 내의 물에 규소 화합물을 첨가하는 단계를 더 포함하는, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배양은 폐수 내에서 수행되는, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 물은 양어장, 식품 산업, 바이오매스 산업 또는 가정 폐수로부터 얻어지는, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 물 포함 구획은 0.5 m 이하의 깊이의 물을 포함하는 얕은 풀인, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 몇 개의 물 포함 구획이 서로의 상부에 쌓이도록 배열된, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 표면은 수평 표면인, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 규조 껍질을 태양 전지의 활성층에서 제공하는 단계를 포함하는, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 규조 껍질을 태양 전지판의 상부의 층으로서 제공하는 단계를 포함하는, 저서성 펜네이트 규조류로부터 규조 껍질을 얻는 방법.
  13. 제 1 항에 따른 방법에 의하여 얻어진 규조 껍질을 포함하는, 자외선 또는 가시광 흡수를 위한 현탁액(suspension).
  14. 제 1 항에 따른 방법에 의하여 얻어진 규조 껍질을 포함하는, 자외선 또는 가시광 흡수를 위한 겔.
  15. 삭제
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