KR102649494B1 - 렌즈모듈, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광전기화학 셀 모듈 - Google Patents

렌즈모듈, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광전기화학 셀 모듈 Download PDF

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Abstract

렌즈모듈, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광전기화학 셀 모듈에서, 상기 렌즈모듈의 제조방법은, 베이스 기판 상에 렌즈 어레이를 형성하는 단계, 입사광의 입사각 정보를 제공받는 단계, 상기 입사광의 입사각 정보를 바탕으로, 상기 렌즈 어레이가 형성된 상기 베이스 기판을 소정 각도로 기울여, 증착 유닛의 상부에 위치시키는 단계, 및 상기 증착 유닛의 증발증착을 통해, 상기 렌즈 어레이의 패턴부 중 일부의 패턴들의 상면에만 반사층을 증착하는 단계를 포함한다.

Description

렌즈모듈, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광전기화학 셀 모듈{LENS MODULE, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND PHOTO-ELECTRO CHEMICAL CELL MODULE HAVING THE SAME}
본 발명은 렌즈모듈, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광전기화학 셀 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입사되는 태양광의 반사를 최소화하고 셀 내부로의 투과율을 높여 광 효율을 향상시킬 수 있는 렌즈모듈, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광전기화학 셀 모듈에 관한 것이다.
광전기화학 셀(photo-electro chemical cell)이란 입사되는 태양광을 이용하여 물을 수소와 산소로 분해함과 동시에, 전기를 생산하는 것으로, 상기 물 분해를 통해 생산되는 수소는 연료전지 차량 등에 사용될 수 있다.
즉, 이러한 광전기화학 셀의 경우, 입사되는 태양광을 통해 태양전지를 구동하면서도 광수전해가 가능하도록 광입사 및 광투과 효율이 우수한 윈도우의 탑재가 필수적이다.
종래에는 이러한 광입사 및 광투과 효율을 향상시키기 위해, 광투과 효율이 우수한 재료인 석영 등의 소재로 제작한 윈도우를 적용하기도 하였다. 또한, 대한민국 등록특허 제10-2264503호에서와 같이, 광전극으로 GaN계 합금을 적용하거나 형광체 구조층으로 PDMS(poly dimethyl siloxane)을 사용하는 등과 같이 광전기화학 셀의 재료의 최적화를 위한 기술들이 개시되고 있다.
그러나, 이상과 같이 단순히 광전기화학 셀의 구조체에 적용되는 재료들을 변경하거나 최적화하는 것만으로는 광입사 및 광투과의 효율을 향상시키는 것에는 제한적인 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-2264503호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 입사되는 태양광의 반사를 최소화하고 셀 내부로의 투과율을 높여 광 효율을 향상시킬 수 있는 렌즈모듈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기 렌즈모듈의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기 렌즈모듈을 포함하는 광전기화학 셀 모듈을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 렌즈모듈은 베이스 기판, 렌즈 어레이 및 반사층을 포함한다. 상기 렌즈 어레이는 상기 베이스 기판 상에 형성되며, 외주면에는 일정한 간격으로 돌출되거나 또는 함입되는 패턴부가 형성된다. 상기 반사층은 입사광의 입사각 정보 또는 형성되어야 하는 면적 정보를 바탕으로, 상기 입사광을 모두 반사시키도록 상기 패턴부 중 일부의 패턴들의 상면에만 형성된다.
일 실시예에서, 상기 렌즈 어레이는 외주면이 라운드된 형상을 가지며, 상기 패턴부는 상기 렌즈 어레이의 외주면으로부터 소정 높이 돌출되는 필러(pillar) 또는 상기 렌즈 어레이의 외주면으로부터 소정 깊이 함입되는 홀(hole)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판 및 상기 렌즈 어레이는 투명 소재를 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 렌즈모듈의 제조방법은, 베이스 기판 상에 렌즈 어레이를 형성하는 단계, 입사광의 입사각 정보 또는 형성되어야 하는 면적 정보를 제공받는 단계, 상기 입사광의 입사각 정보 또는 형성되어야 하는 면적 정보를 바탕으로, 상기 렌즈 어레이가 형성된 상기 베이스 기판을 소정 각도로 기울여, 증착 유닛의 상부에 위치시키는 단계, 및 상기 증착 유닛의 증발증착을 통해, 상기 렌즈 어레이의 패턴부 중 일부의 패턴들의 상면에만 반사층을 증착하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판 상에 렌즈 어레이를 형성하는 단계에서, 상기 렌즈 어레이의 외주면에 일정한 간격으로 돌출되거나 또는 함입되는 상기 패턴부를 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부는, 라운드된 형상의 상기 렌즈 어레이의 표면을 템플릿으로 열압착하여 각인하여 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판을 상기 증착 유닛의 상부에 위치시키는 단계에서, 상기 입사광의 입사각이 증가함에 따라, 수직 방향을 기준으로 상기 베이스 기판의 기울어지는 각도는 감소할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기판을 상기 증착 유닛의 상부에 위치시키는 단계에서, 상기 형성되어야 하는 면적이 증가함에 따라, 수직 방향을 기준으로 상기 베이스 기판의 기울어지는 각도는 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반사층을 증착하는 단계에서, 상기 패턴부의 패턴들은 증착 물질이 상부로 증발하는 것을 차단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반사층을 증착하는 단계에서, 수직 방향을 기준으로 상기 베이스 기판의 기울어지는 각도가 증가함에 따라, 상기 반사층이 형성되는 패턴들의 개수가 증가할 수 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 광전기화학 셀 모듈은 프레임 유닛, 렌즈모듈, 전극패널, 윈도우 패널 및 태양광 패널을 포함한다. 상기 프레임 유닛은 내부에 광투과부를 형성하며 서로 결합되는 한 쌍의 전면 프레임 및 후면 프레임을 포함한다. 상기 렌즈모듈은 상기 전면 프레임 상에 고정되며, 입사광이 입사된다. 상기 전극패널은 상기 렌즈모듈의 후방에 위치한다. 상기 윈도우 패널은 상기 후면 프레임 상에 고정된다. 상기 태양광 패널은 상기 윈도우 패널의 외측에 위치한다. 상기 렌즈모듈은, 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 형성되며, 외주면에는 일정한 간격으로 돌출되거나 또는 함입되는 패턴부가 형성되는 렌즈 어레이, 및 입사광의 입사각 정보 또는 형성되어야 하는 면적 정보를 바탕으로, 상기 입사광을 모두 반사시키도록 상기 패턴부 중 일부의 패턴들의 상면에만 형성되는 반사층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 렌즈모듈을 향하여 소정의 입사각으로 입사된 입사광은, 상기 렌즈모듈을 통과한 후, 상기 광투과부를 평행하게 투과할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광투과부에 저장된 물은 투과광에 의해 수소와 산소로 분해되고, 상기 태양광 패널은 상기 투과광에 의해 전기를 생산할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 렌즈모듈에 형성되는 반사층이 입사광의 입사각 정보를 바탕으로 패턴부의 일부에만 형성되므로, 입사광의 투과율을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
즉, 태양광의 경우, 계절이나 시간은 물론, 렌즈모듈 또는 상기 렌즈모듈을 포함하는 광전기화학 셀 모듈의 배치에 따라 다양한 입사각을 갖게 되는데, 이러한 다양한 태양광의 입사각을 고려하여 반사율을 최소화하면서도 투과율을 향상시킬 수 있도록 상기 반사층을 형성할 수 있다.
이와 달리, 렌즈모듈에 형성되는 반사층이 형성되어야 하는 면적 정보를 바탕으로 패턴부의 일부에만 필요한 면적으로 형성되므로, 특정 파장대의 에너지만을 흡수 또는 투과시킬 수 있다.
즉, 상기 반사층의 증착 면적에 따라 공진(resonance) 파장 대역이 변화(plasmonic resonance coupling 효과)하게 되므로, 입사되는 태양광에 대하여, 특정 파장대의 에너지만을 흡수 또는 투과시킬 수 있게 된다.
특히, 상기 반사층은 증발 증착을 통해 형성되는 것으로, 증발 증착이 수행되는 증착 챔버의 내부에서, 상기 렌즈모듈의 기울어지는 각도를 다양하게 변경시키는 것만으로도, 상기 반사층의 형성 정도를 다양하게 제어할 수 있으므로, 상기 반사층 형성 정도의 제어를 상대적으로 간단하게 수행할 수 있다.
이 경우, 상기 렌즈모듈이 포함하는 패턴부는 돌출되거나 함입되는 형상을 가지는 것으로, 어느 경우에라도 증발 증착에서 상부로 증발하는 증착 물질의 증발을 방해하는 역할을 수행하게 된다.
특히, 상기 패턴부는 반구형 형상의 렌즈 어레이 상에 형성되는 것으로, 상기 렌즈모듈의 기울어지는 각에 따라 상부에 위치하는 패턴부로는 증착 물질이 증발되지 못하므로, 자연스럽게 소정 각도 이내에서의 반사층 형성을 유도할 수 있다.
이상과 같이, 상기 렌즈모듈에 의해 다양한 입사각을 가지는 태양광이 상기 렌즈모듈을 통과하면서 수평 방향으로의 투과광을 형성하므로, 광전기화학 셀 모듈에서의 수소 생산 및 전기 생산의 효율성을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 렌즈모듈의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 렌즈모듈의 제조방법을 도시한 공정도들이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 렌즈모듈의 제조방법에서, 입사각 정보를 바탕으로 베이스 기판을 위치시키는 예들을 도시한 모식도들이다.
도 4는 도 1의 렌즈모듈의 제조방법을 통해 제작된 렌즈모듈에서의 태양광의 입사광 및 투과광을 도시한 모식도이다.
도 5는 도 4의 렌즈모듈을 포함하는 광전기화학 셀 모듈을 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 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.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예들 중에서, 우선 렌즈모듈의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 렌즈모듈의 제조방법을 도시한 흐름도이다. 도 2a 내지 도 2c는 도 1의 렌즈모듈의 제조방법을 도시한 공정도들이다.
도 1 및 도 2a를 참조하면, 본 실시예에 의한 렌즈모듈의 제조방법에서는, 우선, 베이스 기판(10) 상에 렌즈 어레이(20)를 형성한다(단계 S10).
상기 베이스 기판(10)은 물론 상기 렌즈 어레이(20) 모두 투명한 재질을 포함하는 것으로, 예를 들어, 유리(glass)나 석영(quartz)일 수 있다.
상기 베이스 기판(10)은 소정의 면적을 가지면서 일정한 두께로 형성되는 플레이트 형상을 가질 수 있으며, 상기 렌즈 어레이(20)는 상기 베이스 기판(10) 상에 형성된다.
이 경우, 상기 렌즈 어레이(20)는 반구형 형상의 렌즈들이 복수개가 상기 베이스 기판(10) 상에 형성될 수 있으며, 이와 달리, 단면이 반원 형상을 가지며 일 방향으로 연장되는 렌즈들이 복수개가 상기 베이스 기판(10) 상에 형성될 수도 있다.
다만, 상기 렌즈 어레이(20)를 구성하는 하나의 렌즈들이 반구형 형상이나 반원 형상의 단면을 가지며 일 방향으로 연장되는 형상인 어느 경우에도, 상기 렌즈들 각각의 외주면은 라운드 된 형상을 가지게 된다.
또한, 상기 렌즈 어레이(20)를 구성하는 각각의 렌즈들의 크기는 예를 들어, 3~50μm일 수 있다.
나아가, 상기 렌즈 어레이(20)를 구성하는 각각의 렌즈의 상기 라운드 된 외주면 상에는 패턴부(30)가 형성된다.
이 때, 상기 패턴부(30)는 상기 렌즈 어레이(20)의 외주면에 일정한 간격으로 돌출되는 돌출 패턴일 수 있으며, 이와 달리 상기 렌즈 어레이(20)의 외주면으로부터 일정한 간격으로 함입되는 함입 패턴일 수도 있다.
즉, 상기 패턴부(30)는, 예를 들어 소정 높이 돌출되는 필러(pillar) 또는 소정 깊이 함입되는 홀(hole)일 수 있다.
이상과 같이, 상기 패턴부(30)는 소정 길이를 가지면서 돌출되는 돌출패턴이 복수개가 서로 일정한 간격으로 형성되어 구성될 수 있으며, 이와 달리, 소정 길이를 가지면서 함입되는 함입패턴이 복수개가 서로 일정한 간격으로 형성되어 구성될 수도 있다.
다만, 상기 어느 경우라 하더라도, 상기 렌즈 어레이(20)를 구성하는 각각의 렌즈들의 외주면을 따라서는 일정한 높이(도 3a, h)를 가지는 패턴들이 형성된다.
이 경우, 상기 패턴부(30)를 구성하는 필러의 직경 또는 상기 홀의 직경은 예를 들어 500nm 이내로 형성되어, 상대적으로 매우 작은 나노 필러 또는 나노 홀 구조를 가질 수 있다.
한편, 상기 패턴부(30)는 다양한 공정을 통해 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 베이스 기판이 상기 패턴부(30)가 형성될 수 있을 정도로 상대적으로 두껍게 형성된 상태에서, 템플릿(template)을 이용하여 열압착하여 상기 베이스 기판(10) 상에 상기 패턴부(30)가 포함되는 상기 렌즈 어레이(20)를 직접 각인하여 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 직접 각인하는 공정 대신, 상기 베이스 기판이 유리(glass)인 경우 SOG(spin-on glass) 솔겔에서 상기 템플릿으로 성형한 후 경화시키는 방법이 적용될 수도 있다.
이와 달리, 상기 베이스 기판(10) 상에 상기 렌즈 어레이(20)를 실장시켜 형성한 이후, 상기 렌즈 어레이(20)에 상기 템플릿을 이용한 열압착을 통해 직접 각인하거나 상기 경화공정을 통해 상기 패턴부(30)를 형성할 수도 있다.
이 경우, 상기 베이스 기판(10) 상에 상기 렌즈 어레이(20)를 실장하는 공정은, 상기 렌즈 어레이(20)의 재료인 액상유리소재를 상기 베이스 기판(10) 상에 도포하는 공정이 적용될 수 있다.
나아가, 상기 패턴부(30)가 형성되는 상기 렌즈 어레이(20)를 별도로 제작한 이후, 상기 패턴부(30)가 포함되는 상기 렌즈 어레이(20)를 상기 베이스 기판(10) 상에 실장하는 공정이 적용될 수도 있다.
이 경우, 상기 패턴부(30)를 상기 렌즈 어레이(20) 상에 형성하는 공정은, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 템플릿을 이용한 열압착을 통해 직접 각인하거나 상기 경화공정이 적용될 수 있다.
이상과 같이, 상기 베이스 기판(20) 상에 상기 패턴부(30)가 형성된 상기 렌즈 어레이(20)가 형성된다.
이 후, 도 1을 참조하면, 도시하지는 않았으나, 별도의 제어부를 통해 상기 렌즈모듈(10)이 장착되는 위치에서의 입사광의 입사각 정보 또는 반사층이 형성되어야 하는 면적 정보를 제공받는다(단계 S20).
즉, 상기 제어부를 통해서는 입사광의 입사각 정보를 제공받거나, 또는 후술되는 반사층이 형성되어야 하는 면적 정보를 제공받게 된다.
우선, 입사각 정보를 제공받는 경우에 대하여 설명한다.
상기 렌즈모듈(10)은 상세하게는 후술하겠으나, 입사되는 입사광을 반사시켜 원하는 방향으로의 투과를 유도하는 것으로, 상기 렌즈모듈(10)로 입사되는 입사광(61, 도 4 참조)의 입사각 정보를 우선적으로 입력받을 필요가 있다.
이 경우, 상기 입사각은, 상기 렌즈모듈(10)의 배치, 즉 상기 렌즈모듈(10)이 배치되는 위치나 방향에 따라 가변될 수 있으므로, 상기 제어부에서는 상기 렌즈모듈(10)의 배치상태에 대한 정보를 우선 제공받은 상태에서, 이를 고려하여 상기 입사각 정보를 제공받게 된다.
상기 입사광은, 예를 들어 태양광(60, 도 4 참조)일 수 있으며, 이에 상기 렌즈모듈(10)은 후술되는 광전기화학 셀 모듈에 장착되어 상기 태양광을 입사 받아 투과광으로 변환시키는 모듈일 수 있다.
이와 달리, 상기 제어부를 통해서는 상기 반사층(50, 도 2c 참조)이 형성되어야 하는 면적에 대한 정보를 제공받을 수도 있다.
일반적으로 광을 흡수하는 경우, 플라즈몬 공진 커플링(plasmonic resonance coupling) 효과에 의해, 흡수되는 면적이 변화함에 따라 특정 파장을 가지는 에너지만을 흡수 또는 투과시키게 된다.
따라서, 상기 반사층이 형성되는 면적에 따라 입사되는 입사광에 대하여 특정 파장대의 에너지만 흡수하게 되므로, 상기 반사층의 형성 면적이 가변됨에 따라, 상기 반사층에 의해 반사되어 제공되는 광의 파장을 다양하게 가변시킬 수 있다.
이에, 상기 제어부에서는 특정파장을 가지는 광을 제공하기 위해 필요한 반사층의 면적에 관한 정보를 획득하여, 이를 바탕으로 소정의 면적을 가지는 반사층을 형성함으로써 상기 렌즈모듈(10)을 제작할 수 있다.
이상과 같이, 상기 제어부에서는 입사광의 입사각 정보 또는 형성되어야 하는 반사층의 면적 정보를 선택적으로 또는 모두 제공할 수 있다.
이 후, 도 1 및 도 2b를 참조하면, 상기 제어부에서 제공되는 입사광의 입사각 정보 또는 형성되어야 하는 반사층의 면적 정보를 바탕으로, 상기 렌즈 어레이(20)가 형성된 상기 베이스 기판(10)을 소정 각도로 기울여, 증착 유닛(40)의 상부에 위치시킨다(단계 S30).
즉, 상기 렌즈 어레이(20) 상에 후술되는 증발 증착 공정을 통해 반사층(50, 도 2c 참조)을 형성하기 위해, 상기 베이스 기판(10)을 증착 챔버의 내부에 위치시켜야 하는데, 이 경우, 상기 반사층(50)의 형성 위치를 제어하기 위해 상기 베이스 기판(10)을 상기 증착 챔버의 내부에 소정 각도를 기울여 위치시킨다.
이 경우, 상기 베이스 기판(10)의 기울어진 각도는 상기 입사광의 입사각 또는 형성되어야 하는 반사층의 면적에 따라 다양하게 변경될 수 있는데, 일반적으로 상기 베이스 기판(10)이 상기 증착 챔버 상에 수직(제2 방향, Y)으로 기립된 상태로부터 소정 각도(θ) 기울어지도록 위치할 수 있다.
즉, 상기 베이스 기판(10)은, 상기 제2 방향으로부터 예각인 상기 소정 각도(θ)만큼 기울어진 상태로 연장된다.
이 때, 상기 베이스 기판(10)의 기울어지는 각을 제어하는 별도의 제어유닛(미도시), 앞서 설명한 상기 제어부로부터 정보를 제공받은 후, 이를 바탕으로 상기 베이스 기판(10)의 기울어지는 각을 제어할 수 있다.
이상과 같이, 상기 베이스 기판(10)이 증착 챔버의 내부에 소정 각도가 기울여진 상태로 위치하게 되면, 하부에는 상기 증착 유닛(40)이 위치하게 된다.
상기 증착 유닛(40) 상에는 증착 물질이 저장되는 것으로, 상기 증발 증착 공정에 의해, 상기 증착 유닛(40)에 저장된 상기 증착 물질은 상부로 증발하게 된다.
이 후, 도 1 및 도 2c를 참조하면, 상기 증착 유닛(40)의 증발증착을 통해, 상기 렌즈 어레이(20)의 패턴부(30) 중 일부의 패턴들의 상면에만 반사층(50)을 증착한다(단계 S40).
앞서 설명한 바와 같이, 상기 증착 유닛(40)에 저장된 증착물질(41)은 증발 증착을 통해 상부 방향, 즉 양의 제2 방향을 향해 증발하게 되며, 이렇게 증발되는 상기 증착물질(41)은 상기 패턴부(30)에 증착된다.
이 경우, 상기 증착물질(41)은 수직으로 상부방향으로 증발하게 되며, 이에 따라 상기 패턴부(30) 중 하부, 즉 음의 제2 방향을 향하는 면에만 상기 증착물질(41)이 증착된다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 렌즈모듈의 제조방법에서, 입사각 정보 또는 형성되어야 하는 반사층의 면적 정보를 바탕으로 베이스 기판을 위치시키는 예들을 도시한 모식도들이다.
우선, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 렌즈 어레이(20)를 구성하는 각각의 렌즈(21)의 외주면 상에는 복수의 패턴들(31, 32, ...)이 패턴부(30)를 형성하고 있으며, 상기 패턴들 각각은 필러 또는 홀일 수 있다. 또한, 상기 패턴들 각각은 서로 일정한 거리만큼 이격되도록 형성된다.
이에, 상기 패턴들 각각은, 소정의 높이(h)를 가지면서 상기 렌즈(21)의 외주면으로부터 돌출되어 형성된다.
이 경우, 상기 증착 유닛(40)으로부터 수직 방향으로 상부로 증발되는 증착 물질(41)은 하부를 향하는 상기 패턴들 및 상기 패턴들 사이에만 증착되는 것으로, 상기 패턴들에 의해 가려지는 상부의 패턴들에는 상기 증착 물질은 증착되지 않는다.
즉, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 베이스 기판(10)의 연장 방향(l), 상기 제2 방향(Y)으로부터 경사지는 상기 경사 각(θ)이 증가함에 따라, 하부(즉, 음의 제2 방향)를 향하여 위치하게 되는 상기 패턴들의 개수는 증가하게 된다.
도 3a의 경우, 상대적으로 상기 경사각(θ1)이 작은 경우, 하부를 향하여 위치하는 상기 패턴들(31, 32, 33, 34)은, 예를 들어 4개에 불과하지만, 도 3b의 경우, 상대적으로 상기 경사각(θ2)이 증가함에 따라, 하부를 향하여 위치하는 상기 패턴들(31, 32, 33, 34, 35)은, 예를 들어 5개로 증가하게 된다.
나아가, 상기 패턴들은 소정 높이(h)만큼 상기 렌즈(21)의 외주면으로부터 돌출되어 형성되며, 각각의 패턴들이 소정 간격 이격되어 배열되므로, 하부를 향하여 노출되는 상기 패턴들에 의해, 상부에 위치하는 패턴들은 상기 증발 증착이 차단된다.
즉, 도 3a에서는, 제5 패턴(35) 및 그 상부에 위치하는 패턴들은, 상기 제4 패턴(34)에 의해 수직 방향이 가려지며, 이에 상기 증발물질(41)의 증착이 차단된다. 또한, 도 3b의 경우, 제6 패턴(36) 및 그 상부에 위치하는 패턴들은, 상기 제5 패턴(35)에 의해 수직 방향이 가려지며, 이에 상기 증발물질(41)의 증착이 차단된다.
이상과 같이, 상기 경사각이 증가함에 따라(θ1->θ2), 상대적으로 하부로 노출되는 패턴들의 개수는 증가하게 되며, 결국, 상기 반사층(50)이 형성되는 패턴들의 개수도 증가하게 된다. 이와 달리, 상기 경사각이 감소하면(θ2->θ1), 상기 반사층(50)이 형성되는 패턴들의 개수는 감소하게 된다.
또한, 상기 반사층(50)이 형성되는 패턴들의 개수가 감소한다는 의미는, 결국 상기 반사층(50)이 형성되는 영역의 면적이 감소한다는 의미임은 자명하다.
이상과 같이, 상기 입사광의 입사각 또는 반사층의 형성 면적을 고려하여, 상기 베이스 기판(10)의 경사진 정도를 제어하게 되면, 상기 패턴부(30) 상에 형성되는 상기 반사층(50)의 형성 영역의 면적도 제어할 수 있게 된다.
따라서, 상기 입사각에 대한 고려 또는 형성되어야 하는 반사층 면적의 고려없이 불필요하게 넓은 영역으로 상기 반사층(50)을 형성하거나, 상대적으로 좁은 면적의 반사층(50)이 형성됨에 따라 상기 입사되는 입사광이 투과광으로 변환되지 않고 외부로 반사되는 등의 문제를 최소화할 수 있다.
도 4는 도 1의 렌즈모듈의 제조방법을 통해 제작된 렌즈모듈에서의 태양광의 입사광 및 투과광을 도시한 모식도이다.
도 4를 참조하면, 앞서 설명한 상기 렌즈모듈의 제조방법을 통해 제조된 상기 렌즈모듈(1)은 수직 방향으로 위치하여, 태양(60)으로부터 입사되는 입사광(61)을 수평 방향(제1 방향, X)으로 변환시켜 제공한다.
즉, 상기 입사광(61)은 소정의 입사각(α)을 가지며 상기 렌즈모듈(1)로 입사되는데, 상기 입사광(61)은 상기 렌즈모듈(1)의 내부에서 굴절 및 반사되며 상기 제1 방향에 평행한 방향으로 변환되어 투과광(62)으로 제공된다.
특히, 상기 렌즈 어레이(20)의 패턴부(30)의 일부에만 형성되는 상기 반사층(50)을 통해, 상기 렌즈 어레이(20)로 입사된 상기 입사광이 외부로 반사되어 나가지 않고, 내부에서 재반사되도록 유도하게 되며, 이렇게 내부에서 재반사되어 유도된 입사광은 최종적으로 수평방향으로 진행하는 투과광(62)으로 변환된다.
이 경우, 상기 입사광(61)의 입사각(α)이 증가함에 따라, 상기 렌즈 어레이(20)로 입사된 후 반사되는 입사광(61)의 반사각도 증가하게 되며, 이러한 입사광을 내부로 재반사시키는 상기 반사층(50)은 역시 상기 패턴부(30)의 하면측에만 상대적으로 좁은 면적으로 형성되어도 충분하다.
즉, 앞선 도 3a 및 도 3b와 이의 설명 부분을 동시에 참조하건대, 상기 입사광(61)의 입사각(α)이 증가함에 따라, 상기 수직 방향을 기준으로 상기 베이스 기판(10)의 기울어지는 각도(θ)는 감소하도록 설정될 수 있다.
이상과 같이, 상기 입사각에 대한 정보를 바탕으로 상기 베이스 기판(10)의 기울어지는 각도를 제어하는 것은, 상기 반사층(50)의 최적화한 증착을 위해 필요하다 할 수 있다.
나아가, 상기 베이스 기판(10)의 기울어지는 각도(θ)가 증가할수록 상기 반사층(50)이 형성되는 면적은 증가하고, 상기 기울어지는 각도(θ)가 감소할수록 상기 반사층(50)이 형성되는 면적은 감소하게 된다.
따라서, 상기 반사층(50)에 의해 반사되어 최종적으로 수평방향으로 진행하는 투과광(62)이 필요로하는 파장을 고려하여, 상기 베이스 기판(10)의 기울어지는 각도(θ)를 최적화할 수 있다.
도 5는 도 4의 렌즈모듈을 포함하는 광전기화학 셀 모듈을 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 광전기화학 셀 모듈(2)은 태양광(60)을 입사광(61)으로 제공받아, 내부에 저장되는 물을 수소와 산소로 전기분해하여 수소를 생산함과 동시에, 내부에 구비되는 태양광 패널을 통해 전기를 생산하는 모듈이다.
구체적으로, 상기 광전기화학 셀 모듈(2)은 프레임 유닛(100), 전극 패널(200), 앞서 설명한 상기 렌즈 패널(1), 윈도우 패널(300) 및 태양광 패널(400)을 포함한다.
상기 프레임 유닛(100)은 한 쌍의 전면 및 후면 프레임들(110, 120)을 포함하는 것으로, 상기 전면 프레임(110) 및 상기 후면 프레임(120)은 외측이 서로 결합되어 내부에는 소정의 공간인 광투과부(101)를 형성한다.
상기 전면 프레임(110)은 입사광(61)을 향하여 위치하며, 상기 후면 프레임(120)은 상기 입사광(61)의 반대측을 향하여 위치한다.
또한, 상기 전면 및 후면 프레임들(110, 120)은 서로 결합된 상태에서, 수직 방향으로 기립하여 위치하며, 이에 따라 상기 프레임 유닛(100)은 수직 방향으로 길게 연장되며 위치한다.
상기 전면 프레임(110)은 상기 입사광(61)을 향하는 방향으로 개방되도록 형성되며, 상기 개방되는 부분에 상기 렌즈패널(1) 및 상기 전극패널(200)이 위치한다.
즉, 상기 전면 프레임(110)은, 상기 개방되는 부분 측으로 전면 고정부(111)가 돌출되어 형성되며, 상기 전면 고정부(111) 상에 상기 렌즈패널(1)의 모서리가 고정되어 결합된다.
또한, 상기 렌즈패널(1)의 후단에는 상기 전극패널(200)이 위치한다.
우선, 상기 렌즈패널(1)은 앞서 설명한 바와 같이, 소정의 입사각을 가지며 입사되는 상기 입사광(61)을 굴절 및 반사시키며 수평하게 진행하는 투과광(62)을 제공한다.
그리하여, 상기 수평한 방향으로 진행하는 투과광(62)은 상기 광투과부(101)를 따라 평행하게 제공된다.
이 경우, 상기 광투과부(101)에는 물이 저장되거나 외부로부터 물이 제공되며, 이에 따라 상기 광투과부(101)를 통과하는 상기 투과광(62)에 의해 상기 물은 수소와 산소로 분해된다.
이 과정에서 상기 렌즈패널의 후단에서 상기 광투과부(101)를 향하여 위치하는 상기 전극패널(200)은 상기 광분해용 전극으로 사용된다.
이와 달리, 상기 후면 프레임(120)은 상기 입사광(61)의 반대측을 향하는 방향으로 개방되도록 형성되며, 상기 개방되는 부분에 상기 윈도우 패널(300) 및 상기 태양광 패널(400)이 위치한다.
즉, 상기 후면 프레임(120)은, 상기 개방되는 부분 측으로 후면 고정부(121)가 돌출되어 형성되며, 상기 후면 고정부(121) 상에 상기 윈도우 패널(300)의 모서리가 고정된다.
또한, 상기 윈도우 패널(300) 상에는, 상기 후면 프레임(120)의 외측을 향하여 상기 태양광 패널(400)이 위치한다.
상기 윈도우 패널(300)은 투명 패널로서, 상기 전기분해가 발생하는 상기 광투과부(101)와 상기 태양광 패널(400)을 분리시킨다.
또한, 상기 태양광 패널(400)은, 상기 윈도우 패널(300)을 투과하는 상기 투과광(62)에 의해 전기를 생산한다.
이상과 같이, 상기 광전기화학 셀 모듈(2)을 통해서는, 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하며 이와 동시에 태양광을 이용한 전기의 생산도 수행된다. 나아가, 상기 생산된 수소는 수소 차량 등과 같은 차량의 연료로서 사용될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 렌즈모듈에 형성되는 반사층이 입사광의 입사각 정보를 바탕으로 패턴부의 일부에만 형성되므로, 입사광의 투과율을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
즉, 태양광의 경우, 계절이나 시간은 물론, 렌즈모듈 또는 상기 렌즈모듈을 포함하는 광전기화학 셀 모듈의 배치에 따라 다양한 입사각을 갖게 되는데, 이러한 다양한 태양광의 입사각을 고려하여 반사율을 최소화하면서도 투과율을 향상시킬 수 있도록 상기 반사층을 형성할 수 있다.
이와 달리, 렌즈모듈에 형성되는 반사층이 형성되어야 하는 면적 정보를 바탕으로 패턴부의 일부에만 필요한 면적으로 형성되므로, 특정 파장대의 에너지만을 흡수 또는 투과시킬 수 있다.
즉, 상기 반사층의 증착 면적에 따라 공진(resonance) 파장 대역이 변화(plasmonic resonance coupling 효과)하게 되므로, 입사되는 태양광에 대하여, 특정 파장대의 에너지만을 흡수 또는 투과시킬 수 있게 된다.
특히, 상기 반사층은 증발 증착을 통해 형성되는 것으로, 증발 증착이 수행되는 증착 챔버의 내부에서, 상기 렌즈모듈의 기울어지는 각도를 다양하게 변경시키는 것만으로도, 상기 반사층의 형성 정도를 다양하게 제어할 수 있으므로, 상기 반사층 형성 정도의 제어를 상대적으로 간단하게 수행할 수 있다.
이 경우, 상기 렌즈모듈이 포함하는 패턴부는 돌출되거나 함입되는 형상을 가지는 것으로, 어느 경우에라도 증발 증착에서 상부로 증발하는 증착 물질의 증발을 방해하는 역할을 수행하게 된다.
특히, 상기 패턴부는 반구형 형상의 렌즈 어레이 상에 형성되는 것으로, 상기 렌즈모듈의 기울어지는 각에 따라 상부에 위치하는 패턴부로는 증착 물질이 증발되지 못하므로, 자연스럽게 소정 각도 이내에서의 반사층 형성을 유도할 수 있다.
이상과 같이, 상기 렌즈모듈에 의해 다양한 입사각을 가지는 태양광이 상기 렌즈모듈을 통과하면서 수평 방향으로의 투과광을 형성하므로, 광전기화학 셀 모듈에서의 수소 생산 및 전기 생산의 효율성을 보다 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 렌즈모듈 2 : 광전기화학 셀 모듈
10 : 베이스 기판 20 : 렌즈 어레이
30 : 패턴부 40 : 증착유닛
41 : 증착물질 50 : 반사층
61 : 입사광 62 : 투과광
100 : 프레임 유닛 200 : 전극 패널
300 : 윈도우 패널 400 : 태양광 패널

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 베이스 기판 상에 렌즈 어레이를 형성하는 단계;
    입사광의 입사각 정보 또는 형성되어야 하는 면적 정보를 제공받는 단계;
    상기 입사광의 입사각 정보 또는 형성되어야 하는 면적 정보를 바탕으로, 상기 렌즈 어레이가 형성된 상기 베이스 기판을 소정 각도로 기울여, 증착 유닛의 상부에 위치시키는 단계; 및
    상기 증착 유닛의 증발증착을 통해, 상기 렌즈 어레이의 패턴부 중 일부의 패턴들의 상면에만 반사층을 증착하는 단계를 포함하는 렌즈모듈의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 베이스 기판 상에 렌즈 어레이를 형성하는 단계에서,
    상기 렌즈 어레이의 외주면에 일정한 간격으로 돌출되거나 또는 함입되는 상기 패턴부를 형성하는 것을 특징으로 하는 렌즈모듈의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 패턴부는,
    라운드된 형상의 상기 렌즈 어레이의 표면을 템플릿으로 열압착하여 각인하여 형성하는 것을 특징으로 하는 렌즈모듈의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 베이스 기판을 상기 증착 유닛의 상부에 위치시키는 단계에서,
    상기 입사광의 입사각이 증가함에 따라, 수직 방향을 기준으로 상기 베이스 기판의 기울어지는 각도는 감소하는 것을 특징으로 하는 렌즈모듈의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 베이스 기판을 상기 증착 유닛의 상부에 위치시키는 단계에서,
    상기 형성되어야 하는 면적이 증가함에 따라, 수직 방향을 기준으로 상기 베이스 기판의 기울어지는 각도는 증가하는 것을 특징으로 하는 렌즈모듈의 제조방법.
  9. 제4항에 있어서, 상기 반사층을 증착하는 단계에서,
    상기 패턴부의 패턴들은 증착 물질이 상부로 증발하는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 렌즈모듈의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반사층을 증착하는 단계에서,
    수직 방향을 기준으로 상기 베이스 기판의 기울어지는 각도가 증가함에 따라, 상기 반사층이 형성되는 패턴들의 개수가 증가하는 것을 특징으로 하는 렌즈모듈의 제조방법.
  11. 내부에 광투과부를 형성하며 서로 결합되는 한 쌍의 전면 프레임 및 후면 프레임을 포함하는 프레임 유닛;
    상기 전면 프레임 상에 고정되며, 입사광이 입사되는 렌즈모듈;
    상기 렌즈모듈의 후방에 위치하는 전극패널;
    상기 후면 프레임 상에 고정되는 윈도우 패널; 및
    상기 윈도우 패널의 외측에 위치하는 태양광 패널을 포함하며,
    상기 렌즈모듈은,
    베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상에 형성되며, 외주면에는 일정한 간격으로 돌출되거나 또는 함입되는 패턴부가 형성되는 렌즈 어레이; 및
    입사광의 입사각 정보 또는 형성되어야 하는 면적 정보를 바탕으로, 상기 입사광을 모두 반사시키도록 상기 패턴부 중 일부의 패턴들의 상면에만 형성되는 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 렌즈모듈을 향하여 소정의 입사각으로 입사된 입사광은, 상기 렌즈모듈을 통과한 후, 상기 광투과부를 평행하게 투과하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀 모듈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광투과부에 저장된 물은 투과광에 의해 수소와 산소로 분해되고,
    상기 태양광 패널은 상기 투과광에 의해 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀 모듈.
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