KR102539447B1 - 광학필터 제조방법, 이를 통해 제조된 광학필터 및 이를 포함하는 온실용 광투과 태양광 모듈 - Google Patents

광학필터 제조방법, 이를 통해 제조된 광학필터 및 이를 포함하는 온실용 광투과 태양광 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학필터 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 용액공정 기반의 광학필터 제조방법, 이를 통해 제조된 광학필터 및 이를 포함하는 온실용 광투과 태양광 모듈에 관한 것이다. 이에 의하면, 용액 공정 기반의 코팅 방법으로 간단하고 단축된 제조시간으로 광학필터를 대량으로 생산할 수 있음에도 불구하고 광학필터 내 층들을 이루는 박막을 매우 얇으면서 균일한 두께를 가지며, 상기 층들이 목적하는 소정의 두께를 가지도록 구현할 수 있다.

Description

광학필터 제조방법, 이를 통해 제조된 광학필터 및 이를 포함하는 온실용 광투과 태양광 모듈{Method for manufacturing optical filter, optical filter manufactured therefrom and light transmission solar cell module for greenhouse}
본 발명은 광학필터 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 용액공정 기반의 광학필터 제조방법, 이를 통해 제조된 광학필터 및 이를 포함하는 온실용 광투과 태양광 모듈에 관한 것이다.
광학필터는 여러가지 응용에서 중요한 역할을 한다. 예컨대, 자외선 등의 일부 광파를 필터링하는데 사용되는 윈도우(window), 선글라스 및 그 외 광학소자에 널리 사용되고 있다. 광학필터는 또한 광섬유 통신소자에 널리 사용된다. 예컨대, 이러한 필터는 노이즈를 차단하거나 신호를 펌핑(pumping)하기 위한 대역투과 필터(band-transmitting filter)로서 사용된다. 대역투과 필터는 또한 멀티플렉서에서의 채널선택을 위해 사용된다. 일부 광섬유 소자는 복조를 수행하거나 광신호를 다수의 이산신호로 분해하기 위해, 특별한 광학필터를 사용한다. 또한, 광학필터는 광전자 응용에서의 광학 논리 방식에 사용된다. 광학필터는 동작 파장대역에서 광학신호를 투과하기 위해서뿐만 아니라, 소망하는 파장대역에서 광학신호를 반사하기 위해서도 사용된다. 예컨대, 광학필터는 가시 영역에서와 같은 특정 파장의 광을 반사하도록 형성될 수도 있다. 반사형 광학필터는 광학 증폭기 또는 광학 레이저와 연계하여 광섬유 통신소자에 있어서 노이즈를 차단하고 신호를 펌핑하는 차단 필터로서 사용된다. 광학필터는 거울을 생성하기 위해 사용될 수도 있다. 게다가 표시장치에 이용될 수도 있다.
공지된 광학필터는 일 예로 상이한 굴절률 값을 가진 물질의 다수의 얇은 층을 이용해 구현되어 왔으며, 구체적으로 이들 층의 두께나 굴절률을 제어함으로써 광학 신호의 투과율 및/또는 반사율을 변화시킬 수 있다.
한편, 광학필터를 구성함에 있어서 목적하는 광학적 특성을 가지도록 층의 두께와 굴절률이 설계된 경우에도 현실적인 제조방법 목적하는 설계대로 광학필터를 구현하는 것은 쉽지 않다. 특히 한 층의 두께를 수 나노미터 레벨로 구현하는 것은 쉽지 않거나 가능하더라도 복잡하고 제조에 오랜 시간이 소요되는 문제가 있다. 일 예로 분자 레벨에서 층 두께를 정밀 제어하는 방법은 진공증착법인데, 서로 다른 굴절률을 가지는 각각의 층이 증착 결과로 높은 에너지 상태에 있기 때문에 진공증착 공정은 기계적으로 불안정하고, 광학적으로 원하지 않은 부작용을 초래할 우려도 있다. 또한, 대면적의 광학필터를 구현하거나 대량생산하기에는 적합하지 않고, 경제적이지 못하다.
이에 양산성 및 경제성을 고려 시 용액 기반의 코팅을 통한 박막 형성을 고려할 수 있는데, 종래의 코팅방법으로는 형성된 박막의 두께가 균일하지 못하거나 여러 번 코팅을 수행해도 목적하는 두께의 층을 구현하기 어려운 문제가 있었다. 더불어 소정의 굴절률 값을 갖는 물질이 입자 상의 무기물일 경우 코팅용액 입자 분산성 제어가 용이하지 않고, 입자 크기가 수 나노크기로 미세해질 경우 응집특성이 강해져 분산성을 높이기 어려워서 코팅이라는 방법으로 막 두께 최소값이 되는 단입자막의 형태로 두께 제어를 하는 것이 쉽지 않은 실정이다.
대한민국 특허공개공보 제1996-0018624호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 용액 공정 기반의 코팅 방법을 통해서 간단하고 단축된 제조시간으로 광학필터를 대량으로 생산할 수 있는 광학필터 제조방법 및 이를 통해 구현된 광학필터를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 용액 공정 기반의 코팅 방법을 통해 층을 구현함에도 불구하고, 매우 얇으면서 균일하게 두께 제어되며, 목적하는 소정의 두께를 가지는 층으로 구현이 가능한 광학필터 제조방법 및 이를 통해 구현된 광학필터를 제공하는데 다른 목적이 있다.
나아가, 본 발명은 스마트팜 등 각종 온실에 소용되는 에너지 충당을 위해서 태양전지를 온실에 적용 시에 온실로 입사하는 한정된 태양광을 이용해 태양전지의 전력생산과 온실 내 작물 생장을 최적화 및 극대화할 수 있는 광학필터와 이를 포함하는 온실용 광투과 태양광모듈을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 저굴절률층과 고굴절률층을 두께방향으로 번갈아 형성시켜서 적어도 1개의 저굴절률층과 적어도 1개의 고굴절률층이 포함되도록 제조하되, 상기 저굴절률층은 양전하성 폴리머를 포함하는 제1폴리머막 코팅용액 및 음전하를 띠는 제1금속산화물 입자를 함유한 제1금속산화물막 코팅용액을 교대로 스프레이 코팅하여 제조하며, 상기 고굴절률층은 양전하성 폴리머를 포함하는 제2폴리머막 코팅용액 및 음전하를 띠는 제2금속산화물 입자를 함유한 제2금속산화물막 코팅용액을 교대로 스프레이 코팅하여 제조하는 광학필터 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1폴리머막 코팅용액 및 제2폴리머막 코팅용액에 함유된 양전하성 폴리머는 각각 독립적으로 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(poly(diallyl dimethylammonium chloride), 폴리알릴아민 하이드로클로라이드(PAH) 및 PAMPDDA(Poly(acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1금속산화물 입자는 평균입경이 1 ~ 20㎚인 SiO2이며, 제2금속산화물 입자는 평균입경이 1 ~ 20㎚인 TiO2일 수 있다.
또한, 상기 제1금속산화물막 코팅용액 및 제2금속산화물막 코팅용액은 pH가 9.8 ~ 10.2일 수 있다.
또한, 상기 제1폴리머막 코팅용액 및 제2폴리머막 코팅용액은 양전하성 폴리머로써 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)를 포함하고, 금속산화물막 형성 개선제로써 염화나트륨을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1금속산화물막 코팅용액은 제1금속산화물 입자로써 SiO2를 포함하고, 염화나트륨인 음전하 제어성분을 더 포함하며, 상기 제2금속산화물막 코팅용액은 제2금속산화물 입자로써 TiO2를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2금속산화물막 코팅용액은 염화나트륨인 음전하 제어성분을 포함하지 않을 수 있다.
또한, 상기 제1폴리머막 코팅용액 및 제2폴리머막 코팅용액은 각각 독립적으로 0.003 ~ 0.03중량%의 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)인 양전하성 폴리머 및 0.08 ~ 0.12M의 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제를 포함하고, 상기 제1금속산화물막 코팅용액은 0.02 ~ 0.04 중량%의 SiO2인 제1금속산화물 입자 및 0.08 ~ 0.12M의 염화나트륨인 음전하 제어성분을 포함하며, 상기 제2금속산화물막 코팅용액은 0.02 ~ 0.04 중량%의 TiO2인 제2금속산화물 입자를 포함할 수 있고, 이때 상기 제2금속산화물막 코팅용액은 염화나트륨인 음전하 제어성분을 포함하지 않을 수 있다.
또한, 스프레이 코팅 시 스프레이 압력은 340kPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명은 제1폴리머막 및 음전하를 띠는 제1금속산화물 입자를 함유한 제1금속산화물막으로 구성된 이중막이 다수 회 적층된 적어도 1개의 저굴절률층 및 제2폴리머막 및 음전하를 띠는 제2금속산화물 입자를 함유한 제2금속산화물막으로 구성된 이중막이 다수 회 적층된 적어도 1개의 고굴절률층이 두께방향으로 번갈아 적층된 광학필터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1금속산화물막은 SiO2인 제1금속산화물 입자가 2차원 배열되어 형성된 단입자막(mono particle layer)이며, 상기 저굴절률층은 염소 원소를 함유할 수 있다.
또한, 상기 염소 원소는 음전하 제어성분인 염화나트륨 유래일 수 있다.
또한, 상기 광학필터는 제1금속산화물 입자가 SiO2인 저굴절률층, 제2금속산화물 입자가 TiO2인 고굴절률층 및 제1금속산화물 입자가 SiO2인 저굴절률층으로 구성된 단위체로 이루어진 아래의 구조 (1) 또는 구조 (3)으로써 구조 (1)과 구조 (2)가 적층된 구조를 가질 수 있다.
구조 (1)로써, [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]m, 여기서 m은 5 ~ 7이며, 저굴절률층 두께는 각각 독립적으로 250㎚±75㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 79㎚±23.7㎚이다.
구조 (2)로써, [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]n, 여기서 n은 9 ~ 11이며, 저굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 144㎚±43.2㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 72㎚±26.4㎚이다.
또한, 본 발명은 태양전지 및 상기 태양전지 하방에 배치되며, 입사되는 태양광 중 식물의 광합성에 소요되는 파장대의 광을 온실 내부로 투과시키고, 나머지 파장대의 광 전부 또는 일부를 상기 태양전지를 향해 반사시키는 광학필터를 포함하는 온실용 광투과 태양광 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광학필터는 적어도 400 ~ 500㎚ 사이에서 형성된 투과 중심파장과 500 ~ 600㎚에서 형성된 반사 중심파장을 가지도록 SiO2인 저굴절률층, TiO2인 고굴절률층 및 SiO2인 저굴절률층으로 구성된 단위체로 이루어진 아래의 구조 (1) 또는 구조 (3)으로써 구조 (1)과 구조 (2)가 적층된 구조를 가질 수 있다.
구조 (1)로써, [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]m, 여기서 m은 3 ~ 7이며, 저굴절률층 두께는 각각 독립적으로 250㎚±75㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 79㎚±23.7㎚이다.
구조 (2)로써, [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]n, 여기서 n은 6 ~ 11이며, 저굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 144㎚±43.2㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 72㎚±26.4㎚이다.
본 발명에 따른 광학필터 제조방법은 용액 공정 기반의 코팅 방법으로 간단하고 단축된 제조시간으로 광학필터를 대량으로 생산할 수 있음에도 불구하고 광학필터 내 층들을 이루는 박막을 매우 얇으면서 균일한 두께를 가지며, 상기 층들이 목적하는 소정의 두께를 가지도록 구현할 수 있다. 또한, 양산성 및 경제성이 우수하면서 목적하는 광학적 특성을 발휘하도록 디자인 설계된 광학필터를 구현해내기에 적합하다. 이에 따라서 본 발명에 따라 구현된 광학필터는 일 예로 스마트팜 등의 각종 온실에 적용되는 광학필터로 응용될 수 있고, 이를 통해 온실로 입사하는 한정된 태양광을 최대한 활용해서 태양전지의 전력생산과 온실 내 작물 생장을 최적화 및 극대화할 수 있으며, 태양전지와 함께 구성되어 온실용 광투과 태양광모듈로써 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광투과 태양광모듈이 적용된 온실의 모식도와 광투과 태양광모듈의 부분확대도이다.
도 2는 도 1의 X-X' 경계선에 따른 단면확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광투과 태양광모듈을 이용한 태양광의 활용을 나타낸 모식도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 의거해 제1금속산화물막 코팅용액의 조성을 달리해 구현된 저굴절률층에 대한 표면 및 단면 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의거해 구현된 저굴절률층의 두께-코팅 횟수 별 곡선 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의거해 제2폴리머막 코팅용액의 조성을 달리해 구현된 고굴절률층에 대한 면 내 일방향으로의 거리별 두께를 측정한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터의 파장대별 광투과도 그래프이다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 여러 실시예에 따라서 제조된 광학필터에 대한 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 실시예7 및 실시예 11에 따라 제조된 광학필터에 대해 두께가 측정된 지점을 도시한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터는 저굴절률층과 고굴절률층을 두께방향으로 번갈아 형성시켜서 적어도 1개의 저굴절률층과 적어도 1개의 고굴절률층이 포함되도록 제조된다. 구체적으로 상기 광학필터는 상기 저굴절률층과 고굴절률층이 소정의 조합으로 이루는 단위체가 다수 적층된 형태가 되도록 저굴절층과 고굴절률층이 두께방향으로 번갈아 형성될 수 있다.
이때, 1개의 저굴절률층 및 1개의 고굴절률층 각각은 [폴리머막/금속산화물막]으로 구성된 이중막이 반복유닛으로써 다수 적층되도록 폴리머막을 형성시키는 스프레이 코팅공정과 금속산화물막을 형성시키는 스프레이 코팅공정이 교대로 수행되어 제조된다.
먼저, 상기 저굴절률층 형성 공정에 대해서 설명한다.
상기 저굴절률층은 제1폴리머막 코팅용액 및 음전하를 띠는 제1금속산화물 입자를 함유한 제1금속산화물막 코팅용액을 교대로 스프레이 코팅하여 정전기적 인력을 이용해서 구현된 제1폴리머막 상에 제1금속산화물 입자를 2차원으로 배열하거나, 3차원으로 쌓아서 원하는 두께의 제1금속산화물막을 구현하고, 두께 제어된 제1폴리머막/제1금속산화물막의 이중막이 다수 적층되도록 구현함을 통해서 정밀하게 두께 제어된 저굴절률층을 제조할 수 있다.
상기 제1폴리머막 코팅용액은 양전하성 폴리머를 포함하며, 상기 양전하성 폴리머는 스프레이 코팅이 가능하며 양전하를 띠는 공지의 양전하성 폴리머는 제한 없이 사용할 수 있고, 일 예로 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(poly(diallyl dimethylammonium chloride), 폴리알릴아민 하이드로클로라이드(PAH) 및 PAMPDDA(Poly(acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 상기 양전하성 폴리머를 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 양전하성 폴리머는 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)를 사용할 수 있고, 이를 통해서 제1폴리머막 상에 구현되는 제1금속산화물막의 두께를 제어하기에 보다 용이할 수 있다.
또한, 상기 양전하성 폴리머는 제1폴리머막 코팅용액 내 0.003 ~ 0.03중량%의 농도로 함유될 수 있고, 이를 통해서 제1금속산화물막 형성성 및 광학필터의 광학적 특성을 향상시키는데 유리하다. 만일 양전하성 폴리머의 농도가 0.003 중량% 미만으로 함유 시 제1금속산화물막 형성성 및 형성된 제1금속산화물막의 두께 균일성이 저하될 수 있다. 또한, 양전하성 폴리머의 농도가 0.03 중량%를 초과 시 제1금속산화물막 형성성의 개선정도가 미미하고, 광투과성을 저해해 광학필터의 광학적 특성이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제1폴리머막 코팅용액은 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해서 제1폴리머막 상에 형성되는 제1금속산화물막이 보다 균일하게 형성되며, 목적하는 두께를 충분히 달성하도록 형성시키기에 유리하다. 달리 말하면, 금속산화물막 형성 개선제가 포함된 경우 제1금속산화물 입자, 특히 SiO2인 제1금속산화물 입자가 양전하를 띠는 제1폴리머막 상에 정전기적 인력을 통해서 2차원 배열되되, 보다 단위면적당 제1금속산화물 입자의 밀도를 높여서 목적하는 두께를 충분하게 달성하는데 도움을 줄 수 있다. 특히, 제1폴리머막을 형성하는 양전하성 폴리머로써 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)가 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제와 함께 사용되는 경우 다른 종류의 양전하성 폴리머와 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제가 함께 사용되는 경우에 대비해 목적하는 효과를 달성하기에 보다 유리할 수 있다. 또한, 상기 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제는 제1폴리머막 코팅용액 내 0.08 ~ 0.12M의 농도로 함유될 수 있고, 만일 0.08M 농도 미만으로 함유 시 목적하는 효과의 발현이 미미할 수 있고, 0.12M을 초과 시 제1금속산화물막 형성 개선의 정도가 미미하거나 오히려 균일하고 충분한 두께의 제1금속산화물막 형성이 저해될 우려가 있다.
또한, 상기 제1폴리머막 코팅용액은 용매를 더 포함하며, 상기 용매는 상술한 양전하성 폴리머 및 금속산화물막 형성 개선제에 대한 용해성이 우수하고, 통상적인 코팅용액에 사용하는 용매인 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 용매는 일 예로 물일 수 있다.
다음으로 상기 제1금속산화물막 코팅용액은 음전하를 띠는 제1금속산화물 입자를 함유하며, 상기 제1금속산화물 입자를 분산시키는 분산매를 더 포함할 수 있다. 상기 제1금속산화물 입자는 광학필터에 사용되는 공지된 금속산화물의 경우 제한없이 사용할 수 있으며, 일 예로 저굴절률을 갖는 것으로써 SiO2(n=1.46) 및 Al2O3(n=1.56) 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있고, 바람직하게는 SiO2일 수 있다. 또한, 상기 제1금속산화물 입자는 평균입경이 1 ~ 20㎚일 수 있으며, 평균입경이 1㎚ 미만일 경우 제1금속산화물 입자의 입경이 너무 작아서 제조가 어렵거나 제조단가가 상승할 우려가 있고, 평균입경이 20㎚를 초과 시 보다 정밀하게 저굴절률층의 두께를 제어하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 분산매는 금속산화물 입자를 침해하지 않고, 형성된 제1폴리머막을 용해시키거나 침해하지 않는 공지된 용매의 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 이에 대한 비제한적인 예로써 상기 분산매는 물일 수 있다.
또한, 상기 제1금속산화물막 코팅용액은 제1금속산화물 입자를 0.02 ~ 0.04 중량%로 함유할 수 있으며, 이를 통해서 코팅용액 내 제1금속산화물 입자, 특히 SiO2인 제1금속산화물 입자의 분산성을 확보하기에 유리할 수 있다. 만일 제1금속산화물 입자의 함량이 0.02 중량% 미만일 경우 제1폴리머막 상에 단위면적 당 배치되는 제1금속산화물 입자의 밀도가 낮아질 수 있고, 이로 인해서 충분한 두께의 저굴절률층을 구현하기 어렵거나 두께 균일도가 저하될 우려가 있다. 또한, 만일 제1금속산화물 입자의 함량이 0.04중량%를 초과 시 코팅용액 내 제1금속산화물 입자의 분산성을 제어하기 어려울 수 있고, 이로 인해 저굴절률층의 두께 균일도가 저하될 수 있으며, 스프레이 시 노즐 막힘 등의 우려가 있다.
또한, 상기 제1금속산화물 입자는 상술한 제1폴리머막과 정전기적 인력을 가지도록 음전하를 띠는데, 이를 위해 상기 제1금속산화물막 코팅용액은 pH 8 이상의 큰 pH를 가질 수 있고, 보다 바람직하게는 pH가 9.8 ~ 10.2일 수 있으며, 이를 통해 제1금속산화물 입자가 상당량의 음전하를 띠도록 하기에 유리할 수 있다. 만일 pH가 9.8 미만일 경우 제1금속산화물 입자의 분산성이 저하되어 제1금속산화물의 형성 자체가 제대로 이루어지지 않거나, 제1금속산화물막이 형성되는 경우에도 단입자막 형태의 제1금속산화물막을 구현하기 어렵고, 구현되는 저굴절률층의 두께 균일도가 저하되는 등 두께제어가 용이하지 않을 수 있다. 또한, 만일 pH가 10.2를 초과 시 음전하의 크기가 너무 커져서 코팅용액 내 분산은 잘 이루어지나 제1폴리머막 상에 코팅증착이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 이를 위해 상기 제1금속산화물막 코팅용액은 pH를 위와 같은 범위로 적정하기 위한 pH 조절제를 더 포함할 수 있고, 상기 pH 조절제는 목적한 pH를 구현할 수 있도록 사용되는 산성 또는 알칼리성 화합물일 수 있으며, 일 예로 수산화나트륨일 수 있다.
한편, 제1금속산화물 입자가 띠는 음전하는 코팅용액 내에서 음전하를 띠는 입자 간 정전기적 상호작용을 통한 분산효과와 함께 제1폴리머막과의 정전기적 상호작용을 통한 코팅효과에 큰 영향을 미침에 따라서 공정 상 매우 중요한 인자이다. 이에 코팅용액의 pH 조절을 통해서 단순히 음전하를 띠는 것에 나아가 적정한 수준으로 음전하량이 조절되는 것이 중요하며, 이를 위해서 상기 제1금속산화물막 코팅용액은 염화나트륨인 음전하 제어성분을 더 포함할 수 있다. 상기 염화나트륨인 음전하 제어성분을 함유하는 제1음전하 코팅용액은 코팅용액 내 제1금속산화물 입자의 분산성을 높이는 동시에 제1폴리머막 상에 코팅증착 특성을 높일 수 있다. 특히 제1금속산화물 입자가 이산화규소인 경우에 제1금속산화물막 코팅용액이 적정한 수준의 pH를 만족하는 경우에도 제1금속산화물 입자의 코팅증착이 원활하지 않아서 제1폴리머막 상에 제1금속산화물막의 형성이 미미할 수 있음에 따라서(도 4a 및 도 4b 참조), 제1금속산화물막 코팅용액의 pH가 9.8 ~ 10.2인 경우에 코팅용액 내 제1금속산화물 입자의 분산성 및 코팅증착성에 상승된 효과를 발휘하도록 염화나트륨인 음전하량 제어성분이 함유되는 것이 매우 바람직하다.
상기 염화나트륨인 음전하 제어성분은 바람직하게는 제1금속산화물막 코팅용액 내 0.08 ~ 0.12M의 농도로 함유될 수 있으며, 만일 염화나트륨의 농도가 0.08M 미만일 경우 음전하 제어성분을 통한 효과달성이 미미할 수 있고, 염화나트륨의 농도가 0.12M 을 초과할 경우 제1금속산화물 입자들의 분산성을 오히려 저해하고 제1금속산화물 입자들이 형성한 응집물의 침강으로 제1금속산화물막이 형성되더라도 충분한 두께의 저굴절률층을 구현하기 어렵거나 균일하지 않을 수 있고, 또는 제1금속산화물 자체의 형성이 제대로 이루어지지 않을 우려가 있다.
상술한 제1폴리머막 코팅용액과 제1금속산화물막 코팅용액을 이용한 저굴절률층 형성과정을 구체적으로 살펴보면, 피코팅면, 예를 들어서 기판 등에 제1폴리머막을 스프레이코팅 시켜서 제1폴리머막을 형성시킨 뒤, 상기 제1폴리머막 상에 제1금속산화물막 코팅용액을 스프레이 코팅하여 제1금속산화물막을 형성시켜서 제1폴리머막 및 제1금속산화물막 구조의 2중막을 형성시킬 수 있고, 이러한 이중막을 다수 회 반복해 형성시켜서 목적하는 두께를 가지는 단일의 저굴절률층을 제조할 수 있다. 이때, 제1폴리머막을 형성한 뒤 제1금속산화물막 코팅용액의 스프레이 코팅 전 및/또는 제1금속산화물막을 형성한 뒤 다시 제1폴리머막 코팅용액의 스프레이 코팅 전에 각각 탈이온수 등을 이용해 세척하는 과정을 더 거칠 수 있고, 이를 통해 과량으로 분사된 코팅용액을 제거시킴으로써 형성된 각각의 막 두께를 더욱 정밀하게 제어하기 유리할 수 있다.
또한, 상기 제1폴리머막 코팅용액과 제1금속산화물막 코팅용액의 스프레이 코팅 방법은 일반적인 스프레이 코팅 장치, 조건 등을 적절히 이용해 수행할 수 있으므로 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다. 다만, 스프레이 코팅 시 코팅용액이 분사되는 압력은 340kPa 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 340 ~ 2000kPa일 수 있고, 이를 통해 노즐을 통해 1회 분사로 형성되는 막 면적을 넓히면서 구현된 막의 위치 별 두께가 균일하게 구현되기에 유리할 수 있다.
다음으로 고굴절률층 형성 공정에 대해서 설명한다.
상기 고굴절률층은 제2폴리머막 코팅용액 및 음전하를 띠는 제2금속산화물 입자를 함유한 제2금속산화물막 코팅용액을 교대로 스프레이 코팅하여 정전기적 인력을 이용해서 구현된 제2폴리머막 상에 제2금속산화물 입자를 2차원으로 배열하거나, 3차원으로 층층이 쌓아서 원하는 두께의 제2금속산화물막을 구현하고 이를 통해서 정밀하게 두께 제어된 고굴절률층을 제조할 수 있다.
상기 제2폴리머막 코팅용액은 양전하성 폴리머를 포함하고, 용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 양전하성 폴리머는 스프레이 코팅이 가능하며 양전하를 띠는 공지의 양전하성 폴리머는 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 제2폴리머막 코팅용액은 상술한 제1폴리머막 코팅용액에서 설명된 양전하성 폴리머과 용매를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)인 양전하성 폴리머를 사용할 수 있고, 이를 통해서 제2폴리머막 상에 구현되는 제2금속산화물막의 두께를 제어하기에 보다 용이할 수 있다.
또한, 상기 양전하성 폴리머는 제2폴리머막 코팅용액 내 0.003 ~ 0.03중량%의 농도로 함유될 수 있고, 이를 통해서 제2금속산화물막 형성성 및 광학필터의 광학적 특성을 향상시키는데 유리하다. 만일 양전하성 폴리머의 농도가 0.003 중량% 미만으로 함유 시 제2금속산화물막 형성성 및 형성된 제2금속산화물막의 두께 균일성이 저하될 수 있다. 또한, 양전하성 폴리머의 농도가 0.03 중량%를 초과 시 제2금속산화물막 형성성의 개선정도가 미미하고, 광투과성을 저해해 광학필터의 광학적 특성이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제2폴리머막 코팅용액은 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해서 제2폴리머막 상에 형성되는 제2금속산화물막이 보다 균일하게 형성되며, 목적하는 두께로 구현되도록 형성시키기에 유리하다. 특히, 상술한 제1금속산화물막 코팅용액은 염화나트륨인 음전하 제어성분을 통해 제1금속산화물막의 두께균일성이나 스프레이 코팅 횟수 당 형성되는 두께 곡선이 선형성을 띠는 막형성성을 달성하기에 유리한데, 후술하는 것과 같이 제2금속산화물막 코팅용액이 이산화티타늄인 제2금속산화물 입자를 함유할 경우 염화나트륨인 음전하 제어성분은 오히려 이산화티타늄인 제2금속산화물 입자의 침전반응을 유도하고, 이로 인해 제2금속산화물막의 균일도를 저하시키는 결과를 초래할 수 있다. 이에 따라서 제2폴리머막 코팅용액은 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제를 함유하는 것이 중요하며, 이를 통해 제2금속산화물막의 두께 균일성과 스프레이 코팅 횟수 당 형성되는 두께 곡선이 선형성을 나타내는 막형성성을 달성하기에 유리하다. 구체적으로 도 6a 및 도 6b를 통해 확인할 수 있듯이, 제2폴리머막 코팅용액에 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제를 함유해 제2폴리머막을 구현한 경우 직경이 약 5㎚인 이산화티타늄 입자인 제2금속산화물 입자를 함유한 제2금속산화물막 코팅용액으로 20회 반복해서 코팅된 제2금속산화물막의 총 두께가 약 100㎚로 구현되었고, 스프레이 횟수 별 형성된 제2금속산화물막의 두께가 제2금속산화물 입자의 직경 수준임을 고려했을 때 우수한 막형성성을 달성한 것을 알 수 있다. 이에 반하여 제2폴리머막 코팅용액에 금속산화물막 형성 개선제를 함유하지 않은 경우 동일한 제2금속산화물막 코팅용액을 20회 코팅함에도 형성된 제2금속산화물막의 두께가 약 50㎚ 밖에 되지 않고, 막형성성이 좋지 못한 것을 알 수 있다.
한편, 제2폴리머막 코팅용액에 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제를 함유할 경우 SEM-EDS 분석을 통해서 구현된 고굴절률층에서 염소 원소가 0.1 중량% 이상으로 검출되며, 이를 통해 제조공정 중 제2폴리머막 코팅용액에 염화나트륨인 금속산화물막 제어성분이 사용됐음을 알 수 있다.
또한, 상기 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제는 제2폴리머막 코팅용액 내 0.08 ~ 0.12M의 농도로 함유될 수 있고, 만일 0.08M 농도 미만으로 함유 시 목적하는 효과의 발현이 미미할 수 있고, 0.12M을 초과 시 제2금속산화물막 형성 개선의 정도가 미미하거나 오히려 금속산화물막 형성이 저해될 우려가 있다.
다음으로 상기 제2금속산화물막 코팅용액은 음전하를 띠는 제2금속산화물 입자를 함유하며, 상기 제2금속산화물 입자를 분산시키는 분산매를 더 포함할 수 있다. 상기 제2금속산화물 입자는 광학필터에 사용되는 공지된 금속산화물의 경우 제한없이 사용할 수 있으며, 일 예로 고굴절률을 갖는 것으로써 ZrO2(n=2.06), TiO2(n=2.2), Y2O3(n=1.82), La2O3(n=1.95), Ta2O5(n=2.16) 및 HfO2(n=1.91)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 TiO2를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2금속산화물 입자는 평균입경이 1 ~ 20㎚일 수 있으며, 만일 평균입경이 1㎚ 미만일 경우 제2금속산화물 입자의 입경이 너무 작아서 제조가 어렵거나 제조단가가 상승할 우려가 있고, 평균입경이 20㎚를 초과 시 보다 정밀하게 고굴절률층의 두께를 제어하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 제2금속산화물막 코팅용액에 함유된 분산매는 상술한 제1금속산화물막 코팅용액에 함유되는 예시의 분산매를 사용할 수 있다. 또한, 상기 제2금속산화물막 코팅용액의 pH 조건 역시 상술한 제1금속산화물막 코팅용액에서 설명된 것과 같은 pH 9.8 ~ 10.2인 조건을 만족할 수 있고, 이를 통해서 제2금속산화물 입자가 상당량의 음전하를 띠도록 하기에 유리할 수 있고, 이에 pH에 따른 효과나 pH 조절을 위한 조절제에 대한 설명은 상술한 제1금속산화물막 코팅용액과 동일하여 이하 생략한다.
한편, 상술한 것과 같이 제2금속산화물막 코팅용액은 제1금속산화물막 코팅용액과 다르게 염화나트륨인 음전하 제어성분을 함유하지 않으며, 이를 통해 제2금속산화물막 형성성을 확보할 수 있다.
상술한 제2폴리머막 코팅용액과 제2금속산화물막 코팅용액을 이용한 고귤절률층 형성과정은 상술한 저굴절률층 형성과정과 마찬가지로 피코팅면, 예를 들어서 기판 등에 제2폴리머막을 스프레이코팅 시켜서 제2폴리머막을 형성시킨 뒤, 상기 제2폴리머막 상에 제2금속산화물막 코팅용액을 스프레이 코팅시켜서 제2금속산화물막을 형성시켜서 제2폴리머막 및 제2금속산화물막 구조의 2중막을 형성시킬 수 있고, 이러한 이중막을 형성하는 것을 1싸이클로 다수 회 반복 수행함을 통해서 목적하는 두께를 가지는 단일의 고굴절률층을 제조할 수 있다. 또한, 고귤절률층 형성공정에서도 제2폴리머막을 형성한 뒤 제2금속산화물막 코팅용액의 스프레이 코팅 전 및/또는 제2금속산화물막을 형성한 뒤 다시 제2폴리머막 코팅용액의 스프레이 코팅 전에 각각 탈이온수 등을 이용해 세척하는 과정을 더 거칠 수 있음을 밝혀둔다.
또한, 제2폴리머막 코팅용액과 제2금속산화물막 코팅용액의 스프레이 시 코팅용액이 분사되는 압력은 340kPa 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 340 ~ A kPa일 수 있고, 이를 통해 노즐을 통해 1회 분사로 형성되는 막 면적을 넓히면서 구현된 막의 위치 별 두께가 균일하게 구현되기에 유리할 수 있다.
상술한 방법으로 각각 형성되는 저굴절률층 및 고굴절률층은 두께방향으로 번갈아 형성될 수 있고, 이를 통해서 두께 방향으로 적어도 하나의 저굴절률층 및 적어도 하나의 고굴절률을 포함할 수 있다. 이때, 구현되는 광학필터는 저굴절률층과 고굴절률층이 서로 인접하게 배치되되 최상부와 최하부에 배치되는 층은 각각 독립적으로 저굴절률층이나 고굴절률층이 될 수 있고, 이는 목적하는 광학필터의 광학적 특성을 고려해 적절히 설계될 수 있다.
구체적으로 상기 저굴절률층은 제1폴리머막 및 음전하를 띠는 제1금속산화물 입자를 함유한 제1금속산화물막으로 구성된 이중막이 다수 회 적층된 것이며, 상기 고굴절률층은 제2폴리머막 및 음전하를 띠는 제2금속산화물 입자를 함유한 제2금속산화물막으로 구성된 이중막이 다수 회 적층된 것이다.
또한, 바람직하게는 상기 제1금속산화물막은 SiO2인 제1금속산화물 입자가 2차원 배열되어 형성된 단입자막(mono particle layer)일 수 있다. 이는 도 5에 도시된 것과 같이 SiO2인 제1금속산화물 입자의 입경과 스프레이 코팅 횟수에 따른 두께 형성 곡선이 높은 선형성을 가지는 것을 통해 확인할 수 있다. 한편, 제조방법에서 상술한 것과 같이 이러한 높은 선형성의 스프레이 코팅 횟수에 따른 두께 형성 곡선은 제1금속산화물막 코팅용액 내 음전하 제어성분, 보다 바람직하게는 제1금속산화물막 코팅용액 내 음전하 제어성분 및 제1폴리머막 코팅용액 내 금속산화물막 형성 개선제에 기인할 수 있고, 이에 따라서 이러한 코팅용액으로 구현된 저굴절률층에는 염화나트륨인 음전하 제어성분 유래, 보다 바람직하게는 염화나트륨인 음전하 제어성분 및 금속산화물막 형성 개선제 유래의 염소 원소를 함유할 수 있으며, 이때 염소 원소는 일 예로 0.1 중량% 이상, 0.2 중량% 이상, 또는 0.3 중량% 이상 함유할 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 제2금속산화물막은 TiO2인 제2금속산화물 입자로 형성된 막일 수 있다. 또한, 이러한 제2금속산화물막으로 형성된 고굴절률층은 우수한 두께 균일성을 갖도록 구현될 수 있다(도 6a 참조). 또한, 이와 같이 우수한 두께 균일성을 갖도록 구현된 경우 상술한 것과 같이 제2폴리머막 코팅조성물에 함유된 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제에 기인할 수 있고, 이로 인해서 구현된 고굴절률층에는 염소원소가 검출되고, 상기 염소 원소의 함량은 0.1 중량% 이상일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구현된 광학필터는 스마트 팜 등이 구현된 온실에 적용되는 태양전지와 함께 조합되어 온실 내 생육되는 식물의 광합성에 소요되는 파장대의 광, 예를 들어 400 ~ 500㎚ 파장대의 청색광 및/또는 600 ~ 700㎚ 파장대의 적색광을 온실 내부로 투과시키고, 나머지 파장대의 광을 반사시켜서 반사된 광을 태양전지가 수광하도록 구성시킬 수 있다. 이를 위하여 상기 광학필터는 제1금속산화물 입자가 SiO2인 저굴절률층, 제2금속산화물 입자가 TiO2인 고굴절률층 및 제1금속산화물 입자가 SiO2인 저굴절률층으로 구성된 단위체가 다수 회 반복 적층된 구조를 가질 수 있고, 구체적으로 아래의 구조 (1) 또는 구조 (3)으로써 구조 (1)과 구조 (2)가 적층된 구조를 가질 수 있다.
먼저, 구조 (1) 로써 광학필터는 [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]m의 구조로 설계될 수 있다. 여기서 m은 단위체의 반복횟수로 3 ~ 7, 보다 바람직하게는 5 ~ 7일 수 있고, 다수의 단위체 내 저굴절률층 두께는 각각 독립적으로 250㎚±75㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 79㎚±23.7㎚이며, 이에 단위체 내 0.5SiO2에 해당하는 저굴절률층의 두께는 125㎚±37.5㎚일 수 있고, 이를 통해 구현된 구조 (1)에 따른 광학필터는 도 7a에 도시된 것과 같은 광학적 특성을 가질 수 있다. 이때, 보다 바람직하게는 모든 단위체 내 저굴절률층들의 두께들은 서로 동일하고, 고굴절률층들의 두께들 역시 서로 동일하게 디자인될 수 있다.
다음으로 구조 (3) 으로써, 상술한 구조 (1)과 같이 단위체가 반복된 적층체와 아래와 같은 구조 (2)와 같은 단위체가 반복된 적층체가 적층된 구조로 설계될 수 있다. 구체적으로 구조 (2)는 [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]n의 구조를 가지며 여기서 n은 단위체의 반복횟수로 6 ~ 11, 보다 바람직하게는 9 ~ 11일 수 있고, 다수의 단위체 내 저굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 144㎚±43.2㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 72㎚±26.4㎚이며, 이에 단위체 내 0.5SiO2에 해당하는 저굴절률층의 두께는 72㎚±21.6㎚일 수 있고, 이를 통해 구현된 구조 (3)에 따른 광학필터는 도 7c에 도시된 것과 같은 광학적 특성을 가질 수 있다. 이때, 보다 바람직하게는 모든 단위체 내 저굴절률층들의 두께들은 서로 동일하고, 고굴절률층들의 두께들 역시 서로 동일하게 디자인될 수 있다.
한편, 구조 (3)에 따른 광학필터는 구조 (1)에 따른 광학필터에 대비해 파장 600 ~ 700㎚의 적색광에 대한 높은 투과성 및 상기 파장대에 인접하는 파장대에 대한 높은 반사성을 나타냄에 따라서 태양전지에 활용되는 파장대의 광이 구조 (1) 에 따른 광학필터보다 증가할 수 있어서 온실용 태양광모듈에 더욱 유용하게 활용될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명은 태양전지(300) 및 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학필터(200)를 구비하는 온실용 광투과 태양광 모듈(1000)을 포함하며, 상기 온실용 광투과 태양광 모듈(1000)은 기판(100), 광학필터(200) 상에 배치된 태양전지(300)를 덮는 커버부재(400) 및 상기 광학필터(200)와 커버부재(400) 사이에 배치되어 태양전지(300)를 봉지하는 봉지부재(500)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 태양전지(300)는 구비되는 광학필터(200)의 광학적 특성에 맞춰서 반사되는 광을 전기에너지로 바꿀 수 있도록 구현된 공지된 태양전지의 경우 제한 없이 채용될 수 있고 일 예로 페로브스카이트 태양전지, CIGS 태양전지, CIGSSe 태양전지 및 실리콘 태양전지로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 태양전지일 수 있다.
일 예로 상기 태양전지(300)는 제1전극(310), 광흡수층(320), 버퍼층(330) 및 제2전극(340)이 순차적으로 적층되어 구현된 것일 수 있으며, 상기 제1전극(310)의 하부 또는 제2전극(340)의 상부에는 기판(미도시)이 더 포함될 수 있다.
상기 기판은 당업계에서 통상적으로 박막 태양전지에 적용할 수 있는 재질이라면 제한 없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 소다-라임 유리(soda-lime glass, SLG)를 포함하는 유리 기판, 세라믹 기판, 스테인리스강 기판을 포함하는 금속 기판, 폴리머 기판 등을 사용할 수 있다.
상기 제1전극(310)은 광전효과로 생성된 전자와 정공을 받아들이며 외부로 전달시키기 위한 전극으로, 도전성이 있는 투명한 물질로 당해 기술분야에서 널리 사용되는 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 몰리브덴(molybdenum, Mo) 및 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있고, 보다 바람직하게는 태양전지의 옴 접촉(ohmic contact)을 형성하기 위해 몰리브덴을 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1전극(310)은 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기 (dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등을 통해 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 광흡수층(320)은 태양광이 흡수되는 층으로, 박막 태양전지에 구비되는 광흡수층의 특성을 구현할 수 있는 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 구리(Cu) 및 은(Ag) 중 적어도 하나 이상, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중 적어도 하나 이상, 셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 더욱 구체적인 일 예로 Cu(In,Ga)S2 (CIGS) 또는 Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe) 등 Se, S계일 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(330)은 당업계에서 통상적으로 태양전지에 사용할 수 있는 버퍼층의 재질이라면 제한 없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 CdS 박막을 사용할 수 있다.
또한, 상기 제2전극(340)은 광전효과로 생성된 전자와 정공을 받아들이며 외부로 전달시키기 위한 전극이며, 도전성이 있는 투명한 물질로 형성된 투명전극으로 형성되어 전면전극의 특성을 구현할 수 있는 것을 사용할 수 있다. 바람직하게는 ITO, FTO, ZnO, ATO, PTO, AZO, IZO와 같은 투명 전도성 산화물이나 칼코지나이드와 같은 물질이 사용될 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(330) 및 제2전극(340)은 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기 (dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 및 스핀 코팅 등에 의해 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 상기 태양전지(300)는 광학필터(200)에서 반사된 광(b)을 보다 원활하게 수광하기 위해서 수광면이 광학필터(200)의 입사면(또는 반사면)에 수직이 되도록 광학필터(200) 상에 배치될 수 있다. 또한, 태양으로부터 입사된 광의 일부(a)가 온실 내부로 원활히 투과하도록 태양전지(300)는 광학필터(200)의 일부 영역 상에만 형성될 수 있고, 이러한 구조의 일 예로 상기 태양전지(300)는 도 1에 도시된 것과 같이 격자형 구조를 가질 수 있다.
또한, 온실용 광투과형 태양광 모듈(1000)에 더 구비될 수 있는 기판(100)은 태양광 모듈(1000)을 지지할 수 있으며, 입사된 태양광의 일부를 투과시키기에 적합하도록 우수한 투명성을 가지는 공지된 기판의 경우 제한없이 사용될 수 있다. 또한, 상기 기판은 일 예로 유연성을 가질 수 있다.
또한, 상기 커버부재(400)는 태양광 모듈(1000)로 입사되는 태양광의 반사를 최소화하고, 투과량을 극대화하도록 투명성이 우수한 재질이면서 외부 환경으로부터 태양전지를 보호하도록 기계적 물성 및 내후성이 담보된 공지된 커버부재의 경우 제한 없이 사용될 수 있고, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
또한, 봉지부재(500)는 태양전지(300)를 밀봉해 공기 및 수분으로부터 보호하는 역할을 하며, 태양전지의 봉지재료로 사용되는 공지된 봉지부재를 제한 없이 구비할 수 있고, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<준비예 1>
폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)인 양전하성 폴리머를 0.003중량%, 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제를 0.1M 농도로 물에 용해시킨 폴리머막 코팅용액을 준비했다.
<준비예 2>
준비예 1과 동일하게 실시하여 제조하되 금속산화물막 형성 개선제를 포함시키지 않고 폴리머막 코팅용액을 제조했다.
<준비예 3>
평균입경이 약 7㎚인 SiO2 제1금속산화물 입자를 0.03 중량% 물에 분산시킨 뒤 염화나트륨인 음전하 제어성분을 0.1M 농도로 용해시킨, 0.1M의 NaOH 수용액을 통해 적정해 pH 10인 제1금속산화물막 코팅용액을 제조했다.
<준비예 4>
준비예 3과 동일하게 실시하여 제조하되, 음전하 제어성분을 포함시키지 않고 제1금속산화물막 코팅용액을 제조했다.
<준비예 5>
입경이 약 5㎚인 TiO2 제2금속산화물 입자를 0.03 중량% 물에 분산시킨 뒤 염화나트륨인 음전하 제어성분을 0.1M 농도로 용해시킨, 0.1M의 NaOH 수용액을 통해 적정해 pH 10인 제2금속산화물막 코팅용액을 제조했다.
<준비예 6>
준비예 5와 동일하게 실시하여 제조하되, 음전하 제어성분을 포함시키지 않고 제2금속산화물막 코팅용액을 제조했다.
<실시예 1> -
준비예 2에 따른 폴리머막 코팅용액을 제1폴리머막 코팅용액으로 하여 기판 상에 노즐과 기판 간의 거리를 15㎝로 조정해 350kPa의 압력, 13㎖/분의 분출량으로 코팅용액을 분사해 2.6㎝×2.6㎝ 면적으로 제1폴리머막을 코팅하였다.
이후 탈이온수를 이용해 동일한 압력 및 13㎖/분의 분출량으로 분무해 코팅된 제1폴리머막을 세척한 뒤 구현된 제1폴리머막 상에 준비예 3에 따른 제1금속산화물막 코팅용액을 동일한 압력 및 분출량으로 분무해 제1금속산화물막을 코팅했다. 이후 탈이온수로 동일한 조건으로 분무해 코팅된 제1금속산화물막을 세척하여 제1금속산화물막을 구현하는 스프레이 코팅 사이클을 20회 반복 수행해 저굴절률층을 제조했다.
<실시예 2>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 준비예 3에 따른 제1금속산화물막 코팅용액 대신에 준비예 4에 따른 제1금속산화물막 코팅용액을 사용해 저굴절률층을 제조했다.
<실시예 3>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 준비예 2에 따른 폴리머막 코팅용액 대신에 준비예 1에 따른 폴리머막 코팅용액을 사용해 저굴절률층을 제조했다.
<실험예 1>
실시예1 내지 실시예3에서 구현된 저굴절률층에 대해서 아래와 같은 물성을 평가했다.
1. 주사전자현미경(SEM) 사진촬영 및 저굴절률층 형성성 평가
실시예1 및 실시예2에 따른 저굴절률층에 대하여 표면 및 단면에 대한 SEM 사진을 촬영해 그 결과를 각각 도 4a와 도 4b에 나타내었다.
도 4a를 통해 확인할 수 있듯이 실시예 1에 따른 저굴절률층은 위치 별로 두께가 128 ~ 130nm 수준으로 균일하게 코팅된 것을 알 수 있다.
이에 반하여 도 4b와 같이 실시예 2에 따른 저굴절률층은 형성된 저굴절률층의 두께가 거의 0nm로 코팅증착이 원활히 이루어지지 않았으며, 이는 제1금속산화물막 코팅용액에 염화나트륨인 음전하 제어성분이 불포함 된 것에 기인하며, pH 10으로 제1음전하 코팅용액이 조절되어서 이산화규소가 음전하를 양호하게 띠는 경우에도 막형성이 제대로 되지 않을 수 있음을 보여준다.
2. SEM-EDS 분석
실시예1 및 실시예2에 따른 저굴절률층에 대하여 SEM-EDS 분석을 통해서 구현된 저굴절률층 표면의 원소를 분석했고, 그 결과를 각각 표 1 및 표 2에 나타내었다.
Figure 112022063389366-pat00001
Figure 112022063389366-pat00002
표 1을 통해 확인할 수 있듯이, 제1금속산화물막 코팅용액에 염화나트륨인 음전하 제어성분이 함유되어 제조된 실시예1에 따른 저굴절률층의 경우 염화나트륨 유래의 염소 원소가 검출된 것을 알 수 있다. 이에 반하여 표 2와 같이 음전하 제어성분이 불포함되어 제조된 실시예2에 따른 저굴절률층의 경우 염소 원소가 검출되지 않는 것을 알 수 있다.
3. 코팅 반복횟수에 따른 막형성성
실시예3에 따른 저굴절률층에 대해서 20회 싸이클의 코팅공정 동안에 4회, 8회, 12회, 16회 및 20회 코팅 직후 두께를 표면 형상 측정기(profilometer)를 이용해 측정했고, 그 결과를 하기 도 5에 나타내었다.
도 5를 통해 확인할 수 있듯이, 두께-싸이클 횟수 곡선은 높은 선형성을 보여주며 그 기울기는 약 7nm/cycle 로 한 싸이클당 약 7 nm의 제1금속산화물막이 코팅되었다는 것을 알 수 있다. 이때 제1금속산화물 입자 입경이 약 7nm 라는 것을 고려 시, 1회의 코팅 싸이클을 통해서 제1금속산화물 입자가 단입자막(mono particle layer)으로 코팅증착이 이루어지고 있음을 알 수 있고, 입자 직경 수준으로 두께 제어가 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 4a 및 도 5의 결과를 통해서 제1폴리머막 코팅용액에 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제를 함유시켜 제조한 실시예 3에 따른 저굴절률층이 실시예 1에 따른 저굴절률층에 대비해 두께-싸이클 횟수 곡선에서 더욱 우수한 선형성을 달성하게 함을 알 수 있다.
<실시예 4>
준비예 1에 따른 폴리머막 코팅용액을 제2폴리머막 코팅용액으로 하여 기판 상에 노즐과 기판 간의 거리를 15㎝로 조정해 350kPa의 압력, 13㎖/분의 분출량으로 코팅용액을 분사해 2.6㎝×2.6㎝ 면적으로 제2폴리머막을 코팅하였다.
이후 탈이온수를 이용해 동일한 압력 및 13㎖/분의 분출량으로 분무해 코팅된 제2폴리머막을 세척한 뒤 구현된 제2폴리머막 상에 준비예 6에 따른 제2금속산화물막 코팅용액을 동일한 압력의 스프레잉 조건으로 분무해 제2금속산화물막을 코팅했다. 이후 탈이온수로 코팅된 제2금속산화물막을 세척하여 제2금속산화물막을 구현하는 스프레이 코팅 사이클을 20회 반복 수행해 고굴절률층을 제조했다.
<실시예 5>
실시예 4와 동일하게 실시하여 제조하되, 준비예 1에 따른 폴리머막 코팅용액 대신에 준비예 2에 따른 폴리머막 코팅용액을 이용해 고굴절률층을 제조했다.
<실시예 6>
실시예 4와 동일하게 실시하여 제조하되, 준비예 6에 따른 제2금속산화물막 코팅용액 대신에 준비예 5에 따른 제2금속산화물막 코팅용액을 이용해 고굴절률층을 제조했다. 다만, 제2금속산화물막 코팅용액에서 발생한 이산화티타늄인 제2금속산화물 입자의 응집과 침전으로 인한 노즐막힘으로 스프레이 코팅을 12회 수행하고 중단하였다.
<실험예 2>
실시예 4 및 실시예 5에 따른 고굴절률층에 대해서 하기의 물성을 평가했다.
1. 두께 균일성 평가
표면 형상 측정기(profilometer)를 통해서 고굴절률층 두께를 측정해 그 결과 하기 도 6a 및 도 6b에 각각 나타내었다.
도 6a를 통해 확인할 수 있듯이 실시예 4에 따른 고굴절률층은 면 내 일방향으로 0.25 ~ 1.0㎜에 이르는 거리에서 일정한 두께로 구현된 것을 확인할 수 있고, 이를 통해서 ㎜ 스케일에서 두께 균일성을 달성하고 있음을 알 수 있다. 또한, 20회 반복코팅으로 형성된 고굴절률층의 두께가 약 100㎚에 달하는데 회당 형성된 제2금속산화물막의 두께는 5㎚ 수준이고, 사용된 제2금속산화물 입자의 직경이 약 5㎚인 것을 고려했을 때 1회의 코팅 싸이클을 통해서 제2금속산화물 입자가 단입자막(mono particle layer)으로 코팅증착이 이루어지고 있음을 알 수 있고, 입자 직경 수준으로 두께 제어가 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
이에 반하여 도 6b를 통해 확인할 수 있듯이 실시예 5에 따른 고굴절률층은 20회의 반복코팅에도 불구하고 형성된 고굴절률층의 두께가 약 50㎚임을 알 수 있고, 이를 통해서 반복코팅 횟수 대비 형성된 고굴절률층 두께가 실시예 4에 대비해 절반 수준으로 두께 형성성이 좋지 못한 것을 알 수 있다. 이는 실시예 5에 따른 고굴절률층의 경우 제2폴리머막 코팅용액에 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제가 불포함된 것에 기인한 결과로 예상된다.
2. SEM-EDS 분석
실시예4 및 실시예5에 따른 고굴절률층에 대하여 SEM-EDS 분석을 통해서 구현된 고굴절률층 표면의 원소를 분석했고, 그 결과를 각각 표 3 및 표 4에 나타내었다.
Figure 112022063389366-pat00003
Figure 112022063389366-pat00004
표 3을 통해 확인할 수 있듯이, 제2폴리머막 코팅용액에 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제가 함유되어 제조된 실시예4에 따른 고굴절률층의 경우 염화나트륨 유래의 염소 원소가 검출된 것을 알 수 있다. 이에 반하여 표 4와 같이 금속산화물막 형성 개선제가 불포함되어 제조된 실시예5에 따른 고굴절률층의 경우 염소 원소가 검출되지 않는 것을 알 수 있다.
<실시예 7> - 구조 (1)에 따른 광학필터
실시예3과 동일하게 실시하여 제조하되 반복코팅 횟수를 18회로 변경해 두께가 약 125㎚인 SiO2 저굴절률층을 제조하고, 상기 저굴절률층 상에 실시예 4와 동일하게 실시하여 제조하되 반복코팅 횟수를 16회로 변경해 두께가 약 79㎚인 TiO2 고굴절률층을 형성한 후 동일하게 두께가 약 125nm인 SiO2 저굴절률층으로 구성된 단위체가 6회 반복되도록 반복 코팅해 [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]6 구조를 가지는 광학필터를 제조했다.
<실시예 8> - 구조 (2)에 따른 광학필터
실시예3과 동일하게 실시하여 제조하되 반복코팅 횟수를 10회로 변경해 두께가 약 72㎚인 SiO2 저굴절률층을 제조하고, 상기 저굴절률층 상에 실시예 4와 동일하게 실시하여 제조하되 반복코팅 횟수를 17회로 변경해 두께가 약 88㎚인 TiO2 고굴절률층을 형성한 후 동일하게 두께가 약 72nm인 SiO2 저굴절률층으로 구성된 단위체가 10회 반복되도록 반복 코팅해 [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]6 구조를 가지는 광학필터를 제조했다.
<실시예 9> - 구조 (3)에 따른 광학필터
실시예 7과 동일하게 실시하여 제조한 뒤 실시예 8과 동일하게 실시하여 제조해 실시예 7에 따른 [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]6 구조 상에 실시예 8에 따른 [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]6 구조가 적층된 광학필터를 제조했다.
<실험예 3>
실시예 7 내지 9에 따른 구조의 광학필터에 대해서 파장별 광투과도를 측정하여 그 결과를 하기 도 7a 내지 도 7c에 나타내었다.
실시에 7에 따른 광학필터의 경우 도 7a에 도시된 것과 같이 타겟한 400 ~ 500nm 파장대 청색광에 대한 선택적 광투과도가 매우 우수한 것을 알 수 있다. 다만, 타겟한 400 ~ 500nm 파장대 청색광 및 600 ~ 700nm 파장대 적색광에 대한 선택적 광투과 특성과 나머지 파장대에 대한 선택적 반사 특성은 실시예 9에 따른 광학필터에서 우수하게 달성됨을 확인할 수 있다. 이에 대비해 실시예 8에 따른 광학필터의 경우 타겟한 청색광 및 적색광의 파장대를 모두 포함하는 400 ~ 700nm 파장영역에서 투과특성을 보이는데, 실시예 9에 따른 광학필터에 대비해 500 ~ 600nm 파장대의 선택적 반사특성이 좋지 못하고 이로 인해서 온실용 광투과 태양광 모듈로 구현 시 녹색광을 흡수해 전기에너지로 변환하는 태양전지의 사용이 제한될 수 있음을 알 수 있다.
<실시예 10 내지 실시예 15>
실시예 7과 동일하게 실시하여 제조하되, 저굴절률층 및 고굴절률층 코팅 시 코팅압력을 각각 150kPa, 170kPa, 190kPa, 300kPa, 350kPa, 400kPa로 각각 변경하고, 단위체를 2회 형성시켜서 [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]2 구조를 가지는 광학필터를 구현했다.
<실험예 4>
실시예 11 내지 실시예 15에 따른 광학필터에 대해서 사진을 촬영해 그 결과를 각각 도 8a 내지 8f에 나타내었다.
코팅압력이 340kPa 이상인 도 8e(실시예 14) 및 도 8f(실시예 15)에 따른 광학필터는 스프레이코팅을 통해서 구현된 광학필터가 모서리 부분까지 넓게 코팅된 것을 확인할 수 있고, 대면적의 광학필터 구현에 적합한 것을 확인할 수 있다. 이에 반하여 코팅압력이 340kPa 미만의 조건으로 구현된 도 8d(실시예 13, 300kPa), 도 8c(실시예 12, 190kPa), 도 8b(실시예 11, 170kPa), 도 8a(실시예 10, 150kPa)에 따른 광학필터는 코팅성이 매우 좋지 않고, 모서리나 엣지부분에는 코팅막이 제대로 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다. 또한, 코팅압력이 낮을수록 코팅막의 형성이 제대로 되지 않은 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 14에 따른 광학필터에 대해서 도 9a에 도시된 B, C 위치에서의 두께를 측정하고, 실시예 11에 따른 광학필터에 대해서 도 9b에 도시된 A, B, C 위치에서의 두께를 각각 측정해 그 결과를 표 5에 나타내었다.
실시예14 실시예11
코팅압력(kPa) 350 170
위치별 두께(㎚) A(상단) - 623
B(상단) 796 593
C(중단) 798 805
표 5를 통해 확인할 수 있듯이, 실시예 14에 따른 광학필터가 위치별 두께 균일성이 우수한데 반하여 실시예 11에 따른 광학필터는 위치별 두께가 매우 불균일한 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 저굴절률층, 고굴절률층 및 저굴절률층으로 구성된 단위체로 이루어진 하기의 구조 (1), 또는 구조 (3)으로써 구조 (1)과 구조 (2)가 적층된 구조를 가지도록 저굴절률층과 고굴절률층을 두께방향으로 번갈아 형성시켜서 제조하되,
    상기 저굴절률층은 양전하성 폴리머를 포함하는 제1폴리머막 코팅용액 및 음전하를 띠는 SiO2인 제1금속산화물 입자를 함유한 제1금속산화물막 코팅용액을 교대로 스프레이 코팅하여 제조하며,
    상기 고굴절률층은 양전하성 폴리머를 포함하는 제2폴리머막 코팅용액 및 음전하를 띠는 TiO2인 제2금속산화물 입자를 함유한 제2금속산화물막 코팅용액을 교대로 스프레이 코팅하여 제조하는 광학필터 제조방법:
    (1) [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]m, 여기서 m은 3 ~ 7이며, 저굴절률층 두께는 각각 독립적으로 250㎚±75㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 79㎚±23.7㎚임
    (2) [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]n, 여기서 n은 6 ~ 11이며, 저굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 144㎚±43.2㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 72㎚±26.4㎚임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1폴리머막 코팅용액 및 제2폴리머막 코팅용액에 함유된 양전하성 폴리머는 각각 독립적으로 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(poly(diallyl dimethylammonium chloride), 폴리알릴아민 하이드로클로라이드(PAH) 및 PAMPDDA(Poly(acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 광학필터 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속산화물 입자는 평균입경이 1 ~ 20㎚인 SiO2이며, 제2금속산화물 입자는 평균입경이 1 ~ 20㎚인 TiO2인 광학필터 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속산화물막 코팅용액 및 제2금속산화물막 코팅용액은 pH가 9.8 ~ 10.2인 광학필터 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1폴리머막 코팅용액 및 제2폴리머막 코팅용액은 양전하성 폴리머로써 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)를 포함하고, 금속산화물막 형성 개선제로써 염화나트륨을 더 포함하는 광학필터 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속산화물막 코팅용액은 염화나트륨인 음전하 제어성분을 더 포함하는 광학필터 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1폴리머막 코팅용액 및 제2폴리머막 코팅용액은 각각 독립적으로 0.003 ~ 0.03중량%의 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)인 양전하성 폴리머 및 0.08 ~ 0.12M의 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제를 포함하고,
    상기 제1금속산화물막 코팅용액은 0.02 ~ 0.04 중량%의 SiO2인 제1금속산화물 입자 및 0.08 ~ 0.12M의 염화나트륨인 음전하 제어성분을 포함하며,
    상기 제2금속산화물막 코팅용액은 0.02 ~ 0.04 중량%의 TiO2인 제2금속산화물 입자를 포함하는 광학필터 제조방법.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2금속산화물막 코팅용액은 염화나트륨인 음전하 제어성분을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광학필터 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    스프레이 코팅 시 스프레이 압력은 340kPa 이상인 광학필터 제조방법.
  10. 저굴절률층, 고굴절률층 및 저굴절률층으로 구성된 단위체로 이루어진 아래의 구조 (1), 또는 구조 (3)으로써 구조 (1)과 구조 (2)가 적층된 구조를 가지며,
    상기 저굴절률층은 제1폴리머막 및 SiO2인 제1금속산화물 입자를 함유한 제1금속산화물막으로 구성된 이중막이 다수 회 적층된 것이며, 상기 고굴절률층은 제2폴리머막 및 TiO2인 제2금속산화물 입자를 함유한 제2금속산화물막으로 구성된 이중막이 다수 회 적층된 것인, 광학필터:
    (1) [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]m, 여기서 m은 3 ~ 7이며, 저굴절률층 두께는 각각 독립적으로 250㎚±75㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 79㎚±23.7㎚임
    (2) [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]n, 여기서 n은 6 ~ 11이며, 저굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 144㎚±43.2㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 72㎚±26.4㎚임.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1금속산화물막은 SiO2인 제1금속산화물 입자가 2차원 배열되어 형성된 단입자막(mono particle layer)이며, 상기 저굴절률층은 염소 원소를 함유하는 광학필터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 저굴절률층은 양전하성 폴리머 및 염화나트륨인 금속산화물막 형성 개선제를 포함하는 제1폴리머막 코팅용액과 SiO2인 제1금속산화물 입자 및 음전하 제어성분인 염화나트륨을 함유한 제1금속산화물막 코팅용액을 통해서 형성되며,
    상기 저굴절률층에 함유된 염소 원소는 상기 제1폴리머막 코팅용액과 제1금속산화물막 코팅용액 내 함유된 염화나트륨에 유래하여 저굴절률층에 포함되는 것인, 광학필터.
  13. 삭제
  14. 태양전지; 및
    상기 태양전지 하방에 배치되며, 입사되는 태양광 중 식물의 광합성에 소요되는 파장대의 광을 온실 내부로 투과시키고, 나머지 파장대의 광 전부 또는 일부를 상기 태양전지를 향해 반사시키는 광학필터;를 포함하며,
    상기 광학필터는 적어도 400 ~ 500㎚ 사이에서 형성된 투과 중심파장과 500 ~ 600㎚에서 형성된 반사 중심파장을 가지도록 SiO2인 저굴절률층, TiO2인 고굴절률층 및 SiO2인 저굴절률층으로 구성된 단위체로 이루어진 아래의 구조 (1), 또는 구조 (3)으로써 구조 (1)과 구조 (2)가 적층된 구조를 가지는 온실용 광투과 태양광 모듈:
    (1) [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]m, 여기서 m은 3 ~ 7이며, 저굴절률층 두께는 각각 독립적으로 250㎚±75㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 79㎚±23.7㎚임
    (2) [0.5SiO2/TiO2/0.5SiO2]n, 여기서 n은 6 ~ 11이며, 저굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 144㎚±43.2㎚이고, 고굴절률층의 두께는 각각 독립적으로 72㎚±26.4㎚임.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 구조 (1)에서 m은 5 ~ 7이며, 구조 (2)에서 n은 9 ~ 11인 온실용 광투과 태양광 모듈.
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