KR20100130669A - Photovoltaic fiber, apparatus and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 일상의 생활환경에 다양하게 적용할 수 있는 광전사 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 슬릿사(slit yarn) 또는 모노필라멘트사(monofilament fiber) 또는 복합 섬유(conjugate fiber)를 활용하여 광전지(photovoltaic) 기능과 신축성을 갖는 광전사를 제조하고 그 광전사를 이용하여 다양한 광전 직물을 제조할 수 있는 광전사 및 그 제조장치와 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric yarn and a method of manufacturing the same which can be variously applied to everyday living environments, and more particularly, to utilize slit yarn or monofilament fiber or conjugate fiber. The present invention relates to a photovoltaic cell having a photovoltaic function and elasticity, and to a photovoltaic cell capable of manufacturing various photoelectric fabrics using the photovoltaic cell, and a manufacturing apparatus and a method thereof.
특히 본 발명은 태양전지가 가지고 있는 유연성의 한계를 극복할 수 있도록 함으로써, 태양전지의 적용 범위를 확대시킬 수 있도록 하고, 광전 텍스타일의 산업화를 촉진시킬 수 있도록 한 광전사 및 그 제조장치와 방법에 관한 것이다. In particular, the present invention relates to a photoelectric company, and an apparatus and method for manufacturing the same, which can overcome the limitations of the flexibility of the solar cell, thereby expanding the application range of the solar cell and promoting the industrialization of the photovoltaic textile. will be.
최근 전 세계적으로 청정에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전변환기술이 한창 개발되고 있어, 향후 미래의 일상생활에서는 태양에너지로부터 변환된 전기에너지가 노트북, 휴대폰, PDA, 의복, 핸드백, 텐트, 차양 등 다양한 기기의 에너지원으로 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.Recently, with the increasing interest in clean energy around the world, photoelectric conversion technology for converting solar energy into electrical energy is being developed in full swing.In the future daily life, electrical energy converted from solar energy will be used in notebooks, mobile phones, PDAs, It is expected to be used as an energy source for various devices such as clothes, handbags, tents, and awnings.
이러한 태양에너지를 일상생활에서 자유자재로 활용할 수 있기 위해서는 현재와 같은 딱딱한 형태의 태양전지로는 불가능하다. 딱딱한 형태의 태양전지는 입지나 환경에 구애를 받기 때문이다. 그럼에도 불구하고 현재 태양전지에 대한 연구는 대부분 효율성 증대를 목표로 하고 있어서 광전(photovoltaic) 재료와 태양전지의 물리적인 구조 개선에 집중되어 있을 뿐 유연성 증진을 위한 연구는 매우 드문 형편이다. 때문에, 현재의 기술로는 이러한 환경적인 한계를 극복하는 데 어려움이 있다.In order to use such solar energy freely in daily life, it is impossible with the current rigid form of solar cell. The hard form of solar cells is dependent on location and environment. Nevertheless, the current research on solar cells is mostly aimed at increasing efficiency, and the research on improving the physical structure of photovoltaic materials and solar cells is very rare. As a result, current technologies have difficulty overcoming these environmental limitations.
태양에너지의 활용도는 공간과 환경에 구애를 받지 않는 구조의 태양전지에 의해 개선될 수 있으며, 따라서 태양전지가 설치산업의 형태에서 진보하여 생활용품 산업 속으로 들어와야 한다. 그러기 위해서는 먼저 생활 속에서 겪는 기계적 충격 및 화학약품에 대한 안정성이 확보되어야 하고, 굽힘(bending), 인장(tensility)과 같은 외력에 대한 복원력, 및 생활용품에 쉽게 접목시킬 수 있는 산업 친화성 및 생산기반과 같은 기본적인 요건을 갖추어야 한다.The utilization of solar energy can be improved by solar cells of structures that are independent of space and environment, and thus, solar cells must be advanced into the household goods industry in the form of installation industry. To do this, it is necessary to secure the stability of mechanical shocks and chemicals experienced in daily life, and to restore external forces such as bending and tension, and the industrial friendliness and production that can be easily incorporated into household goods. It must have the same basic requirements as the foundation.
최근에는 염료 감응형 태양전지나 고분자형 태양전지와 같은 연성 태양전지를 만들기 위한 많은 노력들이 이루어지고 있다. 이러한 연성 태양전지는 2차원의 필름형태이며 무기 전극을 사용하기 때문에 어느 정도의 굽힘성은 있으나 비틀림 강성(torsional rigidity)이나 인장성이 취약하다.Recently, many efforts have been made to make flexible solar cells such as dye-sensitized solar cells and polymer solar cells. Such flexible solar cells are in the form of two-dimensional film and use inorganic electrodes, but have some degree of bending, but are poor in torsional rigidity or tensile property.
또한 태양전지의 산업 친화성 역시 문제가 되는데, 생활용품의 생산 기반과 동떨어진 환경은 태양전지의 이식과정에서 많은 어려움을 줄 수 있다. 이 과정에서 오는 부분적 이식은 받을 수 있는 빛의 양을 줄여 비효율적 결과를 가져올 수 있 다.In addition, the industry-friendliness of solar cells is also a problem, the environment far from the production base of household goods can give a lot of difficulties during the transplant process of solar cells. Partial transplantation from this process can reduce the amount of light that can be received, resulting in inefficient results.
이러한 과학기술적, 사회경제적 문제를 극복해야만 청정 에너지원으로써 태양에너지를 공간과 환경의 제약을 받지 않고 산업 친화적이며 효율적인 에너지원으로 활용할 수 있을 것이다. 이러한 청정 에너지원의 활용도 향상을 위해 최근에는 직물 기반의 태양전지가 대안으로 대두되고 있다. Only by overcoming these technological and socio-economic problems will the solar energy be used as an industry-friendly and efficient energy source without being constrained by space and environment as a clean energy source. Recently, fabric-based solar cells have emerged as an alternative to improve utilization of such clean energy sources.
앞서 제기된 태양전지의 과학기술적, 사회경제적 문제점 해결을 위해서는 다음과 같은 과제가 학문적, 산업적으로 규명되어야 한다.In order to solve the scientific, technological and socioeconomic problems of solar cells, the following issues must be identified academically and industrially.
첫째, 직물화에 필요한 광전사를 개발하여야 하는 것이고, 둘째, 인접학문 분야와의 학제적 접근으로 전자-직물간 인터페이스(electro-textile interface) 수단을 개발하여 광전변환 효율이 높은 광전 직물이 제안되어야만 하는 것이다.First, the photoelectric fabrics required for weaving should be developed. Second, photoelectric fabrics with high photoelectric conversion efficiency should be proposed by developing an electro-textile interface means through an interdisciplinary approach with adjacent academic fields. will be.
한편, 일상 속에서 많이 사용되면서 고도의 탄성력을 갖는 소재로는 직물(텍스타일)이 대표적이며, 이러한 직물은 생활용품의 외장에 사용될 수 있기 때문에 태양에너지를 받아들이는데 최적의 소재가 될 것이다. 따라서 직물에 광전 기능을 부가함으로써 태양에너지를 자원화하는 것은 매우 의미 있는 일이다. 직물의 용도는 의류용 뿐 만 아니라 건축 및 인테리어, 자동차와 항공기의 내외장재 등 매우 다양하므로, 직물에 광전기능을 부여한 광전 직물이 개발된다면 공간과 환경의 제약을 넘어 넓게 사용가능하게 되어 그 파급 효과는 상상을 초월할 것이다. 왜냐하면 의복, 모자, 가방 뿐만 아니라 커튼과 같은 건축물 내외장재에서 태양에너지를 받아들여 에너지원으로 활용할 수 있기 때문이다. 이렇게 적용 가능한 환경이 늘어난다는 것은 산술적으로 많은 재생 에너지를 활용할 수 있음을 나타내고, 에너지의 위치 종속성 역시 극복할 수 있음을 의미하므로 광전 직물의 개발이 필요하다.On the other hand, fabrics (textiles) are a typical material having a high elasticity while being used a lot in everyday life, and since such fabrics can be used for exterior of household goods, it will be an optimal material for receiving solar energy. Therefore, it is very meaningful to make solar energy by adding photoelectric function to the fabric. The use of fabrics is not only for clothing but also for construction and interior, interior and exterior materials of automobiles and aircrafts. Therefore, if photoelectric fabrics with photoelectric function are developed, they can be widely used beyond space and environment. It will be beyond imagination. This is because solar energy can be used as energy sources in interior and exterior materials such as curtains as well as clothes, hats and bags. The increase in the applicable environment indicates that arithmetically a large amount of renewable energy can be utilized, and the positional dependence of energy can be overcome, so the development of the optoelectronic fabric is required.
광전 직물은 섬유산업의 기존 제직, 제편 기술에서부터 부직포, 라미네이팅 기법 등을 활용하여 태양전지의 효율을 높일 수 있는 다양한 전극 구성을 시도할 수 있는 장점이 있다.Optoelectronic fabric has the advantage of trying various electrode configurations that can increase the efficiency of solar cells by utilizing the conventional weaving, knitting technology, non-woven fabric, laminating techniques of the textile industry.
직물은 경사와 위사가 직교하는 구조를 가진 전통적인 평직물로부터 비정형적이고 복잡한 형태의 나노웹(nanoweb)에 이르기까지 매우 다양한 형태를 가지고 있다. 이러한 기술들을 태양전지 제조에 활용한다면 효율적이고 획기적인 전극 구성이 용이할 것이다.Fabrics come in a wide variety of forms, from traditional plain weaves with orthogonal weft to weft to nanowebs, which are atypical and complex. If these technologies are used in solar cell manufacturing, efficient and breakthrough electrode construction will be easy.
최근 섬유와 의류분야에서는 IT, NT, BT 등과 융합한 스마트 직물과 의복에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 직물 속에 전자장치의 기능을 구현함으로써 MP3 플레이어 의류, 바이오 모니터링 셔츠와 같은 스마트 의류가 상품화되었고, 포토닉 의류, 허그 셔츠와 같은 감성 스마트 의류의 프로토타입이 제시된 바 있다. 이처럼 섬유는 IT, NT, BT 등의 기술과의 융합을 통해서 새로운 차원의 성과를 얻을 수 있게 된다.Recently, research on smart fabrics and garments fused with IT, NT, BT, etc. has been actively conducted in the textile and clothing field. By implementing the functions of electronic devices in the fabric, smart clothing such as MP3 player clothing and bio monitoring shirts have been commercialized, and prototypes of emotional smart clothing such as photonic clothing and hug shirts have been proposed. As such, textiles can achieve new levels of achievement through convergence with technologies such as IT, NT, and BT.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 슬릿사 또는 모노필라멘트사 또는 복합 섬유 기술을 활용하여 광전 기능과 신축성을 갖는 광전사를 제조하고 그 광전사를 이용하여 다양한 광전직물을 제조할 수 있도록 함으로써, 일상 생활환경에 다양하게 적용할 수 있는 광전사 및 그 제조장치와 방법을 제공하고자 하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention, by using a slit yarn or monofilament yarn or a composite fiber technology to produce a photoelectric function having a photoelectric function and elasticity, and to produce a variety of photoelectric fabrics using the photoelectric yarn, It is an object of the present invention to provide a photoelectrically applicable device and a method for manufacturing the same.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 태양전지가 가지고 있는 유연성의 한계를 극복할 수 있도록 함으로써, 태양전지의 적용 범위를 확대시킬 수 있도록 하고, 광전 직물의 산업화를 촉진시킬 수 있도록 한 광전사 및 그 제조장치와 방법을 제공하고자 하는 것이다. Another technical problem to be solved by the present invention is to allow photovoltaic and its use to expand the scope of solar cells and to promote the industrialization of photovoltaic fabrics, by overcoming the limitations of the flexibility of solar cells. It is to provide a manufacturing apparatus and method.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 광전사는, 광전 재료가 양면에 코팅된 유연성 재질의 박막형 광전필름으로부터 그 길이방향을 따라 다수 가닥으로 절개되어 형성되는, 광전사이다.The photoelectric yarn according to the first embodiment of the present invention for achieving the above object is a photoelectric yarn, formed by cutting a plurality of strands along the longitudinal direction from a thin film photoelectric film of a flexible material coated on both sides.
본 발명의 제1 실시예에 의한 광전사 제조장치는, 필름 이송 라인의 전단부에 설치되며, 상기 필름 이송 라인의 베이스 상에 나란하게 이격 설치되어 필름을 적어도 2개소 이상에서 지지하는 다수 개의 지지롤러와, 상기 각 지지롤러의 상부에 설치되어 필름을 누르면서 인입 및 인출하는 인입롤러와 인출롤러, 및 필름의 주행을 안내하는 필름 가이드로 구성되어, 박막형 광전필름을 필름 이송라인의 후단부로 자동 공급하는 자동 이송부; 필름 이송 라인의 후단부에 설치되며, 상기 필름 이송 라인의 베이스 상에 설치되어 슬리터로 공급되는 필름을 지지하는 슬리터 지지롤러와, 상기 슬리터 지지롤러의 상부에 설치되어 상기 자동 이송부에서 공급되는 필름을 누르면서 다수 가닥으로 절개하는 슬리터로 구성되어, 상기 박막형 광전필름을 다수 개의 광전 슬릿사로 세분화하는 자동 절개부;로 구성되는 특징을 갖는다.The photoelectric manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention is installed on the front end of the film transfer line, a plurality of support rollers are installed side by side on the base of the film transfer line to support the film at least two places or more. And an inlet roller, an inlet roller, an outlet roller, and a film guide for guiding the running of the film, while being installed on the upper side of each support roller while pressing the film, thereby automatically supplying the thin film type photoelectric film to the rear end of the film transfer line. Automatic transfer unit; It is installed at the rear end of the film feed line, the slitter support roller is installed on the base of the film feed line to support the film supplied to the slitter, and is installed on the upper part of the slitter support roller and supplied from the automatic feeder. It consists of a slitter that is cut into a plurality of strands while pressing the film, an automatic incision for subdividing the thin-film photoelectric film into a plurality of photoelectric slit yarns.
본 발명의 제1 실시예에 의한 광전사 제조방법은, 외부에서 필름 이송 라인 으로 공급되는 박막형 광전필름을 다수 개의 지지롤러와 인입롤러 및 인출롤러를 통해 필름 이송 라인의 후단부로 이송하는 자동 이송공정; 상기 자동 이송공정을 통해 이송된 박막형 광전필름을 슬리터를 통해 다수 가닥으로 절개하여 유연성을 갖는 슬릿사로 세분화하는 자동 세분화공정;을 포함하여 이루어지는 특징을 갖는다.Optoelectronic manufacturing method according to the first embodiment of the present invention, the automatic transfer process for transferring the thin film-type photoelectric film supplied to the film transfer line from the outside to the rear end of the film transfer line through a plurality of support rollers, the introduction roller and the take-out roller; And an automatic subdividing process of cutting the thin film type photoelectric film transferred through the automatic transfer process into a plurality of strands through a slitter and subdividing into a slit yarn having flexibility.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 광전사는, 외력에 의해 원래의 섬유 길이보다 길이가 확장된 코어섬유; 확장된 코어섬유의 외주면에 전극 소재로 형성되는 하부 전극; 하부 전극의 외주면에 광전 소재로 형성되는 광활성층; 광활성층의 외주면에 전극 소재로 형성되는 상부 전극; 상부 전극의 외주면에 절연 소재로 형성되는 보호막; 을 포함하여 이루어지는, 광전사이다.The photoelectric according to the second embodiment of the present invention for achieving the above object, the core fiber is extended in length than the original fiber length by the external force; A lower electrode formed of an electrode material on an outer circumferential surface of the expanded core fiber; A photoactive layer formed of a photoelectric material on an outer circumferential surface of the lower electrode; An upper electrode formed of an electrode material on an outer circumferential surface of the photoactive layer; A protective film formed of an insulating material on an outer circumferential surface of the upper electrode; It consists of, photoelectric radiation.
본 발명의 제3 실시예에 의한 광전사 제조방법은, 코어로 사용할 섬유를 준비하여, 원래의 섬유 길이보다 길이가 확장된 코어섬유를 형성하는 코어섬유 확장단계; 상기 확장된 코어섬유의 외주면에 전극 소재를 코팅하여 하부 전극을 형성하는 하부 전극 형성단계; 상기 하부 전극의 외주면에 광전 소재를 코팅하여 광활성층을 형성하는 광활성층 형성단계; 상기 광활성층의 외주면에 전극 소재를 코팅하여 상기 하부 전극에 대응하는 상부 전극을 형성하는 상부 전극 형성단계; 상기 상부 전극의 외주면에 절연 소재를 코팅하여 보호막을 형성하는 보호막 형성단계;를 포함하여 이루어지는 특징을 갖는다.The photovoltaic manufacturing method according to the third embodiment of the present invention includes preparing a fiber to be used as a core, and expanding the core fiber to form a core fiber having a length longer than the original fiber length; A lower electrode forming step of forming a lower electrode by coating an electrode material on an outer circumferential surface of the expanded core fiber; A photoactive layer forming step of forming a photoactive layer by coating a photoelectric material on an outer circumferential surface of the lower electrode; An upper electrode forming step of forming an upper electrode corresponding to the lower electrode by coating an electrode material on an outer circumferential surface of the photoactive layer; It includes a protective film forming step of forming a protective film by coating an insulating material on the outer peripheral surface of the upper electrode.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3 실시예에 따른 광전사는, 하부 전극 및 코어로 사용되는 금속 극세사(또는 전도성 고분자 섬유); 상기 금속 극세 사의 외주면에 광전 소재로 형성되는 광활성층; 상기 광활성층의 외주면에 전극 소재로 형성되는 상부 전극; 상기 상부 전극의 외주면에 절연 소재로 형성되는 피복층;을 포함하는 광전사이다.The photoelectric yarn according to the third embodiment of the present invention for achieving the above object, the metal microfiber (or conductive polymer fibers) used as the lower electrode and the core; A photoactive layer formed of a photoelectric material on an outer circumferential surface of the micro fine yarn; An upper electrode formed of an electrode material on an outer circumferential surface of the photoactive layer; And a coating layer formed of an insulating material on an outer circumferential surface of the upper electrode.
본 발명의 제3 실시예에 의한 광전사 제조방법의 일 실시예는, 하부 전극으로 사용할 금속 극세사(또는 전도성 고분자 섬유)에 광전 소재를 코팅하여 하부 전극과 광활성층을 형성하는 전극/광활성층 형성단계; 상기 광활성층의 외주면에 전극 소재를 코팅하여 상부 전극을 형성하는 상부 전극 형성단계; 상기 상부 전극의 외주면에 절연 소재를 코팅하여 피복층을 형성하는 피복층 형성단계;를 포함하여 이루어지는 특징을 갖는다.In one embodiment of the photoelectric fabrication method according to a third embodiment of the present invention, the electrode / photoactive layer forming step of forming a lower electrode and a photoactive layer by coating a photoelectric material on a metal microfiber (or conductive polymer fiber) to be used as the lower electrode ; An upper electrode forming step of forming an upper electrode by coating an electrode material on an outer circumferential surface of the photoactive layer; It includes a coating layer forming step of forming a coating layer by coating an insulating material on the outer peripheral surface of the upper electrode.
본 발명의 제4 실시예에 의한 광전사 제조방법은, 하부 전극 및 코어를 형성하기 위한 전도성 고분자 소재와, 광활성층을 형성하기 위한 유기반도체 소재와 광학적 스페이서 소재를 3중 공축 전기방사노즐에서 토출시켜, 하부전극층, 유기반도체층, 스페이서층을 형성하는 3중 공축 전기방사단계; 상기 스페이서층의 외주면에 전극 소재의 전도성 코팅을 하여 상부 전극을 형성하는 상부전극 형성단계;를 포함하여 이루어지는 특징을 갖는다.In the photoelectric fabrication method according to the fourth embodiment of the present invention, a conductive polymer material for forming a lower electrode and a core, an organic semiconductor material for forming a photoactive layer, and an optical spacer material are discharged from a triple coaxial electrospinning nozzle. A triple coaxial electrospinning step of forming a lower electrode layer, an organic semiconductor layer, and a spacer layer; And an upper electrode forming step of forming an upper electrode by conducting a conductive coating of an electrode material on an outer circumferential surface of the spacer layer.
본 발명에 의하면, 직물을 기반으로 하는 능동형 전자직물 소자(active electro-textile devices)의 기반을 마련할 수 있게 될 것이며, 또한 능동/수동형 전자적 기능을 가진 섬유 개발을 위한 원천기술을 확보할 수 있게 되는 이점이 있게 될 것이다.According to the present invention, it will be able to lay the foundation for fabric-based active electro-textile devices, and also to secure the source technology for developing fibers with active / passive electronic functions. There will be advantages.
또한 본 발명에 의하면, 섬유는 의류 외에 국방용 기능성 의류 및 건축 자재, 자동차/선박/항공 분야, 가구와 같은 산업용 섬유 등에 활용 가능하게 되므로,본 발명을 통해 개발된 광전직물은 위에서 언급한 모든 환경에 다양하게 적용이 가능하게 될 것이다.In addition, according to the present invention, since the fiber can be applied to industrial clothing such as defense functional clothing and building materials, automotive / ship / aviation, furniture, etc., in addition to clothing, the photovoltaic fabric developed through the present invention has all the above-mentioned environment Various applications will be possible.
또한 본 발명에 의하면, 광전직물을 태양전지로 사용함으로써 많은 재생 에너지를 활용할 수 있을 것이며, 에너지의 위치 종속성 역시 극복할 수 있게 될 것이다.In addition, according to the present invention, by using a photovoltaic fabric as a solar cell it will be able to utilize a lot of renewable energy, it will also be able to overcome the positional dependence of energy.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 광전사, 광전직물 및 그 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the photoelectric yarn, the optoelectronic fabric and a manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 광전사 제조공정 개념도로서, 본 발명에 의한 제 1실시예의 광전사(101)는 박막형 광전필름(100)으로부터 슬릿사 제조공정을 통해 제조될 수 있으며, 자동 이송부(10)와 자동 절개부(20)로 이루어진다.1 is a conceptual diagram of a photoelectric manufacturing process according to a first embodiment of the present invention, the
도 1에 도시된 바와 같이 자동 이송부(10)는 필름 이송 라인의 전단부에 설치되며, 상기 필름 이송 라인의 베이스(16) 상에 나란하게 이격 설치되어 필름을 적어도 2개소 이상에서 지지하는 다수 개의 지지롤러(11,13)와, 상기 각 지지롤러(11,13)의 상부에 설치되어 롤러로 인입되는 필름을 상부에서 누르면서 필름을 인입 및 인출하는 인입롤러(12)와 인출롤러(14), 및 필름의 주행을 양측에서 안내하는 필름 가이드(15)로 구성되어, 박막형 광전필름(100)을 필름 이송라인의 후단부로 자동 공급한다.As shown in FIG. 1, the
자동 절개부(20)는 필름 이송 라인의 후단부에 설치되며, 상기 필름 이송 라인의 베이스(16) 상에 설치되어 슬리터(22)로 공급되는 필름을 지지하는 슬리터 지지롤러(21)와, 상기 슬리터 지지롤러의 상부에 설치되어 슬리터를 지지하는 슬리터 지지대(23), 상기 슬리터 지지대에 고정되며 상기 자동 이송부에서 공급되는 필름을 상부에서 누르면서 다수 가닥으로 절개하는 슬리터(22)로 구성되어, 상기 박막형 광전필름(100)을 그 필름의 길이방향을 따라 다수 개로 슬릿화된 광전사(101), 즉, 광전 슬릿사로 세분화한다.The
박막형 광전필름(100)은 광전 재료가 양면에 코팅된 유연성 재질의 고분자 및 CIGS(CuInxGe1-xSe2), CdTe, CdMnTe를 포함하는 무기반도체 광전 소자로 이루어진다.The thin film type
상기와 같은 제조장치에 의한 광전사 제조공정은, 자동 이송공정과 세분화 공정을 통해 박막형 광전필름(100)으로부터 광전사(101)를 제조할 수 있다.In the photoelectric manufacturing process by the manufacturing apparatus as described above, the
자동 이송공정에서는 외부에서 필름 이송 라인으로 공급되는 박막형 광전필름(100)을 다수 개의 지지롤러(11,13)와 인입롤러(12) 및 인출롤러(14)를 통해 필름 이송 라인의 후단부로 이송한다. 이때 측면에 형성된 필름 가이드(15)는 박막형 광전 필름(100)이 주행방향을 따라 올바르게 진행될 수 있도록 안내한다.In the automatic transfer process, the thin film
세분화 공정에서는 상기 자동 이송공정을 통해 이송된 박막형 광전필름(100)을 슬리터 지지롤러(21)와 슬리터(22)를 통해 다수 가닥으로 절개하여 슬릿화된 광전사(101)로 자동 세분화한다.In the segmentation process, the thin film
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 광전사 제조공정을 예시한 개념도로서, 본 발명에 의한 제2 실시예의 광전사(200)는 코어섬유(201)와 하부전극(202)과 광활성층(203)과 상부전극(204) 및 보호막(205)을 포함하여 이루어지며, 신축성을 가진 코어섬유로부터 도 2와 같은 제조공정, 즉 코어섬유 확장단계, 하부 전극 형성단계, 광활성층 형성단계, 상부 전극 형성단계, 보호막 형성단계, 버클링 형성단계를 통해 제조될 수 있다.2 is a conceptual diagram illustrating a photoelectric fabrication process according to a second embodiment of the present invention. The
코어섬유(201)는 코어로 사용할 수 있도록 신축 가능한 섬유를 준비하여, 코어섬유 확장단계를 통해 외력을 가하여, 그 외력에 의해 길이가 늘어나 원래의 코어섬유(201a) 길이보다 확장된 길이를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
하부 전극(202)은 하부 전극 형성단계를 통해 형성되며, 상기 확장된 코어섬유의 외주면에 전극 소재를 코팅하여 형성된다.The
광활성층(203)은 광활성층 형성단계를 통해 상기 하부 전극의 외주면에 형성되며, 고분자 복합체 또는 용액기반 무기물로 구성되는 광전 소재를 코팅하여 형성된다.The
상부전극(204)은 상부 전극 형성단계를 통해 상기 광활성층의 외주면에 전극 소재를 투명 재질로 코팅하여 형성된다.The upper electrode 204 is formed by coating an electrode material with a transparent material on the outer circumferential surface of the photoactive layer through the upper electrode forming step.
보호막(205)은 보호막 형성단계를 통해 상기 상부 전극의 외주면에 절연 소재를 코팅하여 형성되며, 상기 절연 소재는 투명하고 확장 또는 수축이 자유로운 연성 재질을 사용하는 것이 바람직하다.The
이와 같이 제조되는 제2 실시예에 의한 광전사는 상기 보호막이 형성되어 있 는 확장된 길이의 광전사(200)를 원래의 길이로 복귀시키는 단계를 거치게 됨으로써 도 2에 도시된 바와 같이 그 표면에 주름(wrinkle)이 발생한 광전사(200a)가 형성될 수 있게 되며, 이와 같이 표면에 주름이 형성된 광전사(200a)는 필요에 의해 자유 자재로 잡아 늘리거나, 압축하거나, 또는 밴딩이 가능하게 될 것이다. 특히 표면에 주름이 형성된 광전사의 경우 그 위에 코팅된 광전 소자 물질들은 압축응력(compressive stress)을 받게 되고 이를 완화하기 위하여 표면에 주름 (wrinkle)을 형성하는 버클링 현상이 일어난다. 이와 같이 주름진 형태의 광전 섬유는, 만약 외부에서 잡아 늘이면 편평한 상태로, 외부에서 길이 방향의 압축력이 작용하면 더 주름진 형태로 변화함으로써 외력에 반응하게 된다. 섬유의 횡 방향 굽힘이 가해질 경우에는 바깥 면은 펴지고 안쪽 면은 더 주름진 형태의 변형을 일으켜 외력에 반응한다. 결과적으로, 유연성과 신축성을 모두 겸비한 섬유 형태의 광전 소자의 구현이 가능하게 된다.The photovoltaic cell according to the second embodiment manufactured as described above is subjected to the step of returning the extended length
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 의한 광전사 제조공정을 예시한 개념도로서, 본 발명에 의한 제3 실시예의 광전사(300)는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 몰리브데늄을 포함하는 금속 극세사(또는 전도성 고분자 섬유)(301)와 광활성층(302,303)과 상부전극(304) 및 보호막(도면에서는 생략됨)을 포함하여 이루어지며, 신축성을 가진 금속 극세사(또는 전도성 고분자 섬유)로부터 도 3과 같은 제조공정, 즉 전극/광활성층 형성단계, 상부전극 형성단계, 피복층 형성단계를 통해 제조될 수 있다.3 is a conceptual diagram illustrating a photoelectric fabrication process according to a third embodiment of the present invention, the photoelectric yarn 300 of the third embodiment according to the present invention is a metal microfiber including stainless steel, aluminum, copper, molybdenum ( Or a conductive polymer fiber) 301, a
금속 극세사(또는 전도성 고분자 섬유)(301)는 하부 전극 및 코어로 사용될 수 있도록 신축성이 있는 소재로서, 스프링 형태로 이루어질 수 있으며, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 몰리브데늄을 포함하는 다양한 금속 극세사가 사용될 수 있으며, 코팅될 반도체의 종류에 따라 달라질 수 있다. 또 다른 하부 전극 및 코어로 사용될 수 있는 전도성 고분자는 PEDOT/PSS 혼합물, 폴리아닐린, 폴리피롤을 포함하는 다양한 고분자가 사용가능하며, 역시 코팅될 유기 반도체의 밴드갭에 따라 사용될 물질이 결정될 수 있다.Metal microfiber (or conductive polymer fiber) 301 is a flexible material that can be used as the lower electrode and the core, it may be made in the form of a spring, a variety of metal microfiber including stainless steel, aluminum, copper, molybdenum It may be used and may vary depending on the type of semiconductor to be coated. As the conductive polymer that can be used as another lower electrode and core, various polymers including PEDOT / PSS mixture, polyaniline, polypyrrole can be used, and the material to be used may also be determined depending on the band gap of the organic semiconductor to be coated.
광활성층(302,303)은 하부 전극으로 사용할 상기 금속 극세사(또는 전도성 고분자 섬유)의 외주면에 광전 소재를 코팅하여 형성되며, 전극/광활성층 형성단계를 통해 반도체층(302), 전구체층(303)이 형성된다. 이 전극/광활성층 형성단계에서는 특히 금속 극세사(또는 전도성 고분자 섬유)(301)에 CIGS(CuInxGe1-xSe2), CdTe, CdMnTe를 포함하는 무기반도체 광전 나노입자를 증착하여 제1반도체층을 형성하고, 제1반도체층의 외주면에 CdS, ZnS 중에서 선택되는 어느 하나의 소재를 코팅하여 제2반도체층을 형성하여 하나의 반도체층(302)을 형성할 수도 있다. 여기서 유기물질을 기반으로 하는 소재에서는 가장 안쪽 층에 PDOT/PSS 등의 유기 전도성 고분자를 사용하여 내부 전극을 구성하고, 두번째 층에는 P3HT를 포함하는 유기 고분자 반도체가 층을 이루며, 3번째 층에는 졸-겔 기법이 가능한 TiO2를 포함하는 금속 산화물이 층을 이룬다. 이러한 작업 후에 최외각에 금속을 코팅하여 외부 전극을 구성한다. 여기서 TiO2를 포함하는 금속 산화물은 실린더 구조의 섬유 형태를 만들어 줄 뿐만 아니라 금속과 유기반도체 간에 스페이서 역할을 하게 된다. 이러한 구조에 사용될 수 있는 내부 전극용 유기 전도성 고분자로는 순수한 PDOT, PDOT/PSS의 혼합물, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리페닐린을 포함한 공액 고분자가 가능할 수 있다. 유기 반도체층으로는 P3HT, P3OT로 대표되는 폴리싸이오펜(polythiophene)계열의 반도체 및 그 혼합물을 사용할 수 있다. 스페이서로는 TiO2, SiO2, SnO2를 포함하는 다양한 종류의 졸-겔 산화물이 가능하다. 외부 전극으로는 알루미늄, 금, 구리, 은, 몰리브데늄, 텅스텐 등을 포함한 다양한 종류의 금속 물질이 가능하다. The
상부 전극(304)은 상부 전극 형성단계를 통해 상기 광활성층의 전구체층(303)의 외주면에, 무전해 도금(electroless plating)을 통해 나노미터 수준의 금속막을 코팅하여 형성되며, 금속이 도핑된 ZnO, SnO2 중에서 선택되는 어느 하나의 소재를 용액 공정으로 코팅하여 투명 전극으로 형성된다.The
피복층은 피복층 형성단계를 통해 상기 상부 전극의 외주면에 절연 소재를 코팅하여 형성되며, 결정성이 약화된 폴리프로필렌(Polypropylene), PET(polyethylene terephthalate) 고분자 중에서 선택되는 어느 하나의 재료로 이루어진다.The coating layer is formed by coating an insulating material on the outer circumferential surface of the upper electrode through a coating layer forming step, and is made of any one material selected from polypropylene (Polypropylene) and PET (polyethylene terephthalate) polymers with weak crystallinity.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 의한 광전사 제조공정을 예시한 개념도로서,본 발명에 의한 제4 실시예의 광전사(400)는 하부전극층(401)과, 유기반도체층(402)과, 스페이서층(403)과, 상부전극(404) 및 보호막을 포함하여 이루어지며, 전도성을 가진 신축 가능한 고분자 소재, 유기 반도체 소재, 광학적 스페이서 소재 를 3중 공축 전기방사장비를 이용하여 도 4와 같은 제조공정, 즉 3중 공축 전기방사단계, 상부전극 형성단계, 피복층 형성단계를 통해 제조될 수 있다.4 is a conceptual diagram illustrating a photoelectric fabrication process according to a fourth embodiment of the present invention. The
3중 공축 전기방사단계에서는 하부 전극층을 형성하는 PEDOT/PSS, 폴리피롤, 폴리아닐린을 포함하는 전극용 고분자는 3중 공축 전기방사장치의 안쪽 노즐에서, 유기 반도체층을 형성하는 P3HT/PCBM을 포함하는 활성층 혼합물은 3중 공축 전기방사장치의 가운데 노즐에서, 광학적 스페이서로 사용될 TiOx를 포함하는 산화물 전구체는 3중 공축 전기방사장치의 바깥쪽 노즐에서 각각 토출시켜 하부전극층(401), 유기반도체층(402), 스페이서층(403)을 형성한다.In the triple coaxial electrospinning step, the electrode polymer including PEDOT / PSS, polypyrrole, and polyaniline forming the lower electrode layer has an active layer including P3HT / PCBM forming an organic semiconductor layer at an inner nozzle of the triple coaxial electrospinning apparatus. The mixture is discharged from the center nozzle of the triple coaxial electrospinning apparatus, and the oxide precursor containing TiOx to be used as the optical spacer is discharged from the outer nozzle of the triple coaxial electrospinning apparatus, respectively, so that the
하부 전극층(401)은 코어를 형성할 수 있도록 PEDOT/PSS, 폴리피롤, 폴리아닐린을 포함하는 전극용 고분자 소재로 이루어지며, 이 전도성 고분자 소재에 의한 하부 전극층은 3중 공축 전기방사장비의 안쪽 노즐에서 토출시켜 형성한다.The
유기 반도체층(402)은 광활성층을 형성할 수 있도록 P3HT/PCBM을 포함하는 혼합광전소재로 이루어지며, 이 광전소재에 의한 유기 반도체층은 3중 공축 전기방사장치의 가운데 노즐에서 토출시켜 형성한다.The
스페이서층(403)의 광학적 스페이서는 TiOx를 포함하는 산화물로 이루어지며, 3중 공축 전기방사장치의 바깥쪽 노즐에서 토출시켜 형성한다.The optical spacer of the
상부 전극(404)은 상부 전극 형성단계를 통해 상기 광활성층의 전구체층(403)의 외주면에 전극 소재를 코팅하여 형성되며, 금속이 도핑된 ZnO, SnO2를 포함하는 투명 전극소재를 용액 공정으로 코팅하여 투명 전극으로 형성된다.The
피복층은 피복층 형성단계를 통해 상기 상부 전극의 외주면에 절연 소재를 코팅하여 형성되며, 결정성이 약화된 폴리프로필렌(Polypropylene), PET(polyethylene terephthalate), PEN 등의 엔지니어링 플라스틱 소재를 재료로 사용한다.The coating layer is formed by coating an insulating material on the outer circumferential surface of the upper electrode through a coating layer forming step, and uses an engineering plastic material such as polypropylene (Polypropylene), PET (polyethylene terephthalate), or PEN with weak crystallinity as a material.
도 5는 도 1의 광전사 제조공정에 의하 제조된 광전사를 이용하여 광전 직물을 제조하는 편직 방법들을 예시한 참고사진으로서, 슬릿화된 광전사(101) 뿐만 아니라 제2 내지 제4실시예에 의해 형성된 각각의 광전사(200,300,400)들도 도 5의 (a) 내지 (f)에 예시된 바와 같이, 제직(a), 제편(b), 엠브로이더리(c), 퀼팅(d), 프린팅(e), 브레이딩(f) 등 다양한 직물(텍스타일)화 방법을 이용하여 광전 직물을 제작할 수 있게 될 것이다.FIG. 5 is a reference photograph illustrating a knitting method of fabricating an optoelectronic fabric using the photoelectric fabric manufactured by the photoelectric fabrication process of FIG. 1, and is formed by the slitted
이상의 본 발명에 의한 광전사 등을 이용하는 경우 휴대폰과 같은 디지털 디바이스를 제조할 때, PCB를 플라스틱 하우징에 넣어 제조하는 것이 아니라 자카드 직기 (Jacquard loom)로 스마트 텍스타일을 직조하여 제조할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 기술들을 최대한 활용하여 신재생 에너지 분야에 적용한다면 학문적, 산업적 시너지 창출과 더불어 녹색성장의 새로운 분야를 개척할 수 있을 것으로 확신한다.In the case of using the photoelectric device according to the present invention, when manufacturing a digital device such as a mobile phone, it is expected that the smart textile can be manufactured by weaving a Jacquard loom rather than manufacturing a PCB in a plastic housing. If we make the most of these technologies and apply them to the field of renewable energy, we are confident that we will be able to create new fields of green growth with academic and industrial synergy.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 광전사 제조공정을 예시한 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a photoelectric manufacturing process according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 광전사 제조공정을 예시한 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating a photoelectric manufacturing process according to a second embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 의한 광전사 제조공정을 예시한 개념도이다.3 is a conceptual diagram illustrating a photoelectric manufacturing process according to a third embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 의한 광전사 제조공정을 예시한 개념도이다.4 is a conceptual diagram illustrating a photoelectric manufacturing process according to a fourth embodiment of the present invention.
도 5는 도 1 내지 도 4의 광전사 제조공정에 의해 제조된 어느 하나의 광전사를 이용하여 광전 직물을 제조하는 방법들을 예시한 참고사진이다.5 is a reference photograph illustrating a method of manufacturing an optoelectronic fabric using any one photoelectric fabric produced by the photoelectric fabrication process of FIGS. 1 to 4.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 자동 이송부 11,13 : 지지롤러10:
12 : 인입롤러 14 : 인출롤러12: drawing roller 14: drawing roller
15 : 필름 가이드 16 : 베이스15: film guide 16: base
20 : 자동 절개부 21 : 슬리터 지지롤러20: automatic incision 21: slitter support roller
22 : 슬리터 23 : 슬리터 지지대22: slitter 23: slitter support
100 : 박막형 광전필름 101,200,300,400 : 광전사100: thin film type photoelectric film 101,200,300,400: photoelectric
201,201a : 코어섬유 202 : 하부전극201,201a: core fiber 202: lower electrode
203 : 광활성층 204 : 상부전극203: photoactive layer 204: upper electrode
205 : 보호막 301 : 금속 극세사205: protective film 301: metal microfiber
302,303 : 광활성층 304 : 상부전극302,303 photoactive layer 304: upper electrode
401 : 하부전극층 402 : 유기반도체층401: lower electrode layer 402: organic semiconductor layer
403 : 스페이서층 404 : 상부전극403: spacer layer 404: upper electrode
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