KR20160050632A - Hot electron energy device using metal-insulator-metal structure - Google Patents

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Abstract

The purpose of the present invention is to provide an energy device having a novel structure, which has excellent energy conversion efficiency, can be manufactured through a simple, low-cost process, and can be stably used for a long time. The energy device comprises: a first metal layer in which a hot electron is generated and amplified by a surface plasmon resonance (SPR); a second metal layer which has a work function less than a work function of the first metal layer; and an inorganic layer which has an electron affinity less than the work function of the first metal layer and the work function of the second metal layer, wherein the first metal layer and the second metal layer are stacked with the inorganic layer being interposed therebetween, so that the hot electron of the first metal layer tunnels through the inorganic layer and moves to the second metal layer.

Description

터널링 금속­금속산화물­금속 핫전자 에너지 소자{Hot Electron Energy Device using Metal­Insulator­Metal structure}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a hot-electron energy device using a metal-

본 발명은 극히 단순한 구조를 가지면서도 우수한 에너지 변환 효율을 갖는 신규한 구조의 에너지 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to a novel structure of an energy device having an extremely simple structure and an excellent energy conversion efficiency.

화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Research on renewable and clean alternative energy sources such as solar energy, wind power, and hydro power is actively being conducted to solve the global environmental problems caused by depletion of fossil energy and its use.

이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다. Among these, there is a great interest in solar cells that change electric energy directly from sunlight. Here, a solar cell refers to a cell that generates a current-voltage by utilizing a photovoltaic effect that absorbs light energy from sunlight to generate electrons and holes.

n-p형 다이오드 기반 반도체 태양전지가 실제 상용화되고 있으나, 도체 기반의 태양전지는 고효율화를 위하여 매우 고순도로 정제한 소재가 필요하므로 원소재의 정제에 많은 에너지가 소비된다. 또한 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화 하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어왔다. Although an n-p type diode-based semiconductor solar cell is actually commercialized, a conductor-based solar cell requires a highly refined material for high efficiency and thus consumes a lot of energy for purification of a raw material. In addition, expensive process equipment is required in the process of forming a single crystal or a thin film by using a raw material, so that it is difficult to lower the manufacturing cost of the solar cell, which has been a hindrance to the large-scale utilization.

이에 대한 대안으로, 염료감응형 태양전지, 유기태양전지, 무기양자점 기반 태양전지등 다양한 전지가 연구 개발되고 있으나, 그 효율, 원료 및 제조 공정상의 비용 절감, 및 안정성 측면에서 반도체 기반 태양전지를 대체하기 어려운 실정이다.As an alternative to this, various batteries such as a dye-sensitized solar cell, an organic solar cell, and an inorganic quantum dot-based solar cell have been researched and developed. However, in view of their efficiency, cost reduction in raw material and manufacturing process, This is a difficult situation.

본 출원인은 대한민국 공개특허 제2014-0003682호와 같이, 핫 전자 기반 신소자에 대한 연구를 지속적으로 수행한 결과, 극히 저 비용의 간단한 구조로, 우수한 광에너지 전환효율을 가져, 반도체 기반 태양전지의 대안이 될 수 있는 새로운 구조의 에너지 소자를 개발하여 본 발명을 출원하기에 이르렀다.The applicant of the present invention has continued research on a hot electron-based new device as disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2014-0003682. As a result, it has an extremely low cost simple structure and excellent optical energy conversion efficiency, The present inventors have filed the present invention by developing an energy element of a new structure which can be an alternative.

대한민국 공개특허 제2014-0003682호Korean Patent Publication No. 2014-0003682

본 발명의 목적은 우수한 에너지 변환 효율을 가지며, 저비용의 간단한 공정으로 생산 가능하고, 장기간 안정적으로 사용 가능한 신규한 구조의 에너지 소자를 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to provide an energy device having a novel structure which has excellent energy conversion efficiency, can be produced by a simple process at a low cost, and can be stably used for a long period of time.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 핫 전자의 생성 및 표면 플라즈몬 공명(SPR; surface plasmon resonance)에 의한 핫 전자의 증폭이 발생하는 제1금속층; 상기 제1금속층의 일함수보다 작은 일함수를 갖는 제2금속층; 및 상기 제1금속층의 일함수 및 제2금속층의 일함수보다 작은 전자친화도를 갖는 무기층;을 포함하며, 상기 무기층을 사이에 두고, 상기 제1금속층과 상기 제2금속층이 적층되어, 상기 제1금속층의 핫 전자가 상기 무기층을 터널링하여 상기 제2금속층으로 이동할 수 있다.An energy device according to an embodiment of the present invention includes a first metal layer generating hot electrons and amplifying hot electrons by surface plasmon resonance (SPR); A second metal layer having a work function less than the work function of the first metal layer; And an inorganic layer having an electron affinity smaller than a work function of the first metal layer and a work function of the second metal layer, wherein the first metal layer and the second metal layer are laminated via the inorganic layer, Hot electrons of the first metal layer can tunnel to the second metal layer by tunneling the inorganic layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자에 있어, 핫 전자의 터널링이 발생하는 무기층 영역인 터널링 영역은 제2금속층의 일 단부, 무기층의 일 단부 및 제1금속층의 일 단부가 순차적으로 적층된 영역일 수 있다.In the energy device according to the embodiment of the present invention, the tunneling region, which is an inorganic layer region where the tunneling of hot electrons occurs, is formed by sequentially stacking one end of the second metal layer, one end of the inorganic layer, Lt; / RTI >

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자에 있어, 에너지 소자는 서로 이격된 제1전극 및 제2전극을 더 포함하며, 제1금속층의 다른 일 단부는 제1전극과 연결되며, 제2금속층의 다른 일 단부는 제2전극과 연결될 수 있다.In an energy device according to an embodiment of the present invention, the energy devices further include a first electrode and a second electrode spaced apart from each other, the other end of the first metal layer is connected to the first electrode, And the other end may be connected to the second electrode.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자에 있어, 핫 전자의 터널링이 발생하는 무기층 영역인 터널링 영역의 두께는 1nm 내지 10nm일 수 있다.In the energy device according to an embodiment of the present invention, the thickness of the tunneling region, which is an inorganic layer region where tunneling of hot electrons occurs, may be 1 nm to 10 nm.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자에 있어, 제1금속층은 국부 표면 플라즈몬 공명을 야기하는 나노구조를 포함할 수 있다.In an energy device according to an embodiment of the present invention, the first metal layer may include nanostructures that cause local surface plasmon resonance.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자에 있어, 제1금속층은 다공망 형태일 수 있다.In the energy device according to an embodiment of the present invention, the first metal layer may be in the form of a multi-network.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 태양광 발전용일 수 있다.The energy device according to an embodiment of the present invention may be for solar power generation.

본 발명은 상술한 에너지 소자를 포함하는 태양전지를 포함한다.The present invention includes a solar cell including the above-described energy element.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 외부 에너지를 인가받아 제1금속층에서 핫 전자가 생성 및 증폭되고, 제2금속층, 무기층 및 제1금속층이 순차적으로 적층된 터널링 영역을 통해, 제1금속층의 핫 전자가 제2금속층에 수집되는 동작 원리를 가짐에 따라, 금속층, 무기층 및 금속층이라는 극히 간단한 구조를 통해 외부 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있으며, 매우 저가 원료 및 극히 간단한 공정으로 제조 가능하여 우수한 상업성을 가질 수 있다.
The energy device according to an embodiment of the present invention generates and amplifies hot electrons in the first metal layer by receiving external energy, and through the tunneling region in which the second metal layer, the inorganic layer, and the first metal layer are sequentially stacked, Since the hot electrons of the metal layer have an operation principle of collecting in the second metal layer, external energy can be converted into electrical energy through the extremely simple structure of a metal layer, an inorganic layer and a metal layer, It is possible to have excellent commercial properties.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자에 있어, 터널링 영역의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자의 일 사시도 및 일 단면도이며,
도 3은 실시예에서 제조된 제1금속층의 표면을 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 4는 실시예에서 제조된 에너지 소자의 열처리 온도 별 광전류를 측정 도시한 도면이며,
도 5는 실시예에서 제조된 에너지 소자의 전압-전류 곡선을 측정 도시한 도면이며,
도 6은 실시예에서 제조된 에너지 소자의 열처리 온도 및 무기층 두께에 따른 광전류 측정 결과를 도시한 도면 및 실시예에서 제조된 에너지 소자의 열처리 유무와 무기층 두께에 따른 광의 포톤 에너지 별 IPCE를 측정 도시한 도면이다. FIG. 1 is a diagram showing an energy band diagram of a tunneling region in an energy device according to an embodiment of the present invention,
2 is a perspective view and a cross-sectional view of an energy device according to an embodiment of the present invention,
3 is a scanning electron microscope (SEM) image of the surface of the first metal layer produced in Example,
FIG. 4 is a view showing a photocurrent measurement according to a heat treatment temperature of the energy device manufactured in the embodiment,
5 is a diagram showing a voltage-current curve of the energy device manufactured in the embodiment,
6 is a graph showing photocurrent measurement results according to the heat treatment temperature and the inorganic layer thickness of the energy device manufactured in the embodiment, and IPCE according to the photon energy of the light according to the heat treatment and the inorganic layer thickness of the energy device manufactured in the embodiment Fig.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 에너지 소자를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the energy device of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms, and the following drawings may be exaggerated in order to clarify the spirit of the present invention. Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.

본 출원인은 핫 전자를 이용한 에너지 소자에 대해 심도깊은 연구를 수행한 결과, 외부 에너지 및 플라즈몬 공명에 의해 생성 및 증폭되는 핫 전자만으로도 극히 우수한 에너지 변환(외부 에너지가 전기 에너지로 변환) 효율을 가질 수 있음을 발견하고, 이러한 핫 전자의 수집 방법이 에너지 변환 효율에 현저한 영향을 미침을 발견하였다. The present applicant has conducted in-depth research on energy devices using hot electrons, and as a result, it has been found that only hot electrons generated and amplified by external energy and plasmon resonance can achieve extremely excellent energy conversion (conversion of external energy into electrical energy) And found that such hot electron collection methods have a significant effect on the energy conversion efficiency.

이러한 발견을 근간으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 핫 전자가 생성되며 표면 플라즈몬 공명(SPR; surface plasmon resonance)에 의한 핫 전자의 증폭이 발생하는 제1금속층; 제1금속층의 일함수보다 작은 일함수를 갖는 제2금속층; 및 상기 제1금속층의 일함수 및 제2금속층의 일함수보다 작은 전자친화도를 갖는 무기층;을 포함하며, 무기층을 사이에 두고, 제1금속층과 제2금속층이 적층되어, 제1금속층의 핫 전자가 무기층을 터널링하여 제2금속층으로 이동할 수 있다.Based on such findings, an energy device according to an embodiment of the present invention includes a first metal layer generating hot electrons and amplifying hot electrons by surface plasmon resonance (SPR); A second metal layer having a work function less than the work function of the first metal layer; And an inorganic layer having an electron affinity smaller than a work function of the first metal layer and a work function of the second metal layer, wherein a first metal layer and a second metal layer are stacked with an inorganic layer therebetween, The hot electrons of the first metal layer can be tunneled to the second metal layer.

제1금속층, 무기층 및 제2금속층이 서로 접합되어 각 층의 페르미에너지 레벨이 동일하도록 정렬되나, 접합 전, 각 층의 물질을 기준으로 상술한 에너지 소자를 다시 상술하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 핫 전자의 생성 및 표면 플라즈몬 공명(SPR; surface plasmon resonance)에 의한 핫 전자의 증폭이 발생하는 제1금속층; 제1금속층의 페르미 에너지 레벨보다 높은 페르미 에너지 레벨을 갖는 제2금속층; 및 제1금속층의 페르미 에너지 레벨과 상기 제2금속층의 페르미 에너지 레벨보다 높은 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(energy level)을 갖는 무기층;을 포함하며, 무기층을 사이에 두고, 제1금속층과 제2금속층이 적층되어, 제1금속층의 핫 전자가 무기층을 터널링하여 제2금속층으로 이동하는 터널링 영역을 포함할 수 있다. 이때, 터널링 영역은 제1금속층과 제2금속층 사이에 위치하는 무기층 영역을 의미한다. 다시 상술하면, 터널링 영역은 제1금속층의 핫 전자의 터널링이 발생하는 무기층 영역을 의미한다.The first metal layer, the inorganic layer and the second metal layer are bonded to each other so that the Fermi energy levels of the respective layers are the same. However, when the energy elements described above are again described based on the materials of the respective layers before bonding, The energy device according to an example includes: a first metal layer generating hot electrons and amplifying hot electrons by surface plasmon resonance (SPR); A second metal layer having a Fermi energy level higher than the Fermi energy level of the first metal layer; And an inorganic layer having a Fermi energy level of the first metal layer and a conduction band minimum energy level higher than the Fermi energy level of the second metal layer, And a tunneling region in which hot electrons of the first metal layer tunnel to the inorganic layer to move to the second metal layer. In this case, the tunneling region means an inorganic layer region located between the first metal layer and the second metal layer. Again, the tunneling region means an inorganic layer region where tunneling of hot electrons of the first metal layer occurs.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 외부 자극(에너지)에 의해 제1금속층에서 핫 전자를 생성시키되, 제1금속층의 표면 플라즈몬에 의해 핫 전자를 증폭시키고, 무기층을 사이에 두고 제1금속층과 제2금속층이 적층된 터널링 영역에 의해 이루어지는 터널링을 통해 제2전극에서 핫 전자를 수집하여, 외부 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. An energy device according to an embodiment of the present invention generates hot electrons in a first metal layer by an external stimulus (energy), amplifies hot electrons by a surface plasmon of a first metal layer, Hot electrons may be collected at the second electrode through tunneling formed by the tunneling region in which the metal layer and the second metal layer are stacked to convert external energy into electric energy.

핫 전자를 이용하는 구성, 표면 플라즈몬에 의해 핫전자를 증폭시키는 구성 및 터널링을 이용한 수집 구성에 의해, 별도의 외부 에너지 감응 부재가 구비되지 않고도, 외부 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있으며, 매우 우수한 에너지 변환효율을 가질 수 있다. 구체적인 일 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 염료, 반도체 양자점, 유기 또는 무기 P-N 정션등의 광감응 부재가 구비되지 않을 수 있으며, 제1전극 자체에서 발생 및 증폭된 핫 전자만으로 외부 에너지를 전기 에너지로 효과적으로 변환시킬 수 있다. By using a structure using hot electrons, a structure of amplifying hot electrons by surface plasmons, and a structure of collecting using tunneling, it is possible to convert external energy into electric energy without providing a separate external energy sensitive member, Conversion efficiency can be obtained. For example, the energy device according to an embodiment of the present invention may not include a light-sensitive member such as a dye, a semiconductor quantum dot, an organic or inorganic PN junction, and the like. Energy can be effectively converted into electric energy.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 단지 두 금속층과 두 금속층 사이에 위치하는 무기층이라는 극히 간단한 구조로, 우수한 효율의 태양광 발전이 가능하다. That is, the energy device according to an embodiment of the present invention has an extremely simple structure of an inorganic layer located between only two metal layers and two metal layers, and solar power generation with excellent efficiency is possible.

도 1은 핫 전자의 터널링이 발생하는 제2금속층(20), 무기층(30) 및 제1금속층(10)이 순차적으로 적층된 영역의 진공 상 전자의 에너지(Vacuum level)를 기준으로 도시한 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)이다. 이때, 에너지 밴드 다이어그램과 함께, 광전류 측정시의 제1금속층(10)과 제2금속층(20)간의 연결을 그 하부에 같이 도시하였으며, 원 안의 A는 암페어 미터를 의미한다. 1 is a graph showing the energy level (vacuum level) of vacuum phase electrons in a region where the second metal layer 20, the inorganic layer 30 and the first metal layer 10 in which hot electrons tunneling are sequentially stacked It is an energy band diagram. At this time, the connection between the first metal layer 10 and the second metal layer 20 at the photocurrent measurement is shown at the lower part together with the energy band diagram, and A in the circle means ampere meter.

도 1에 도시한 에너지 밴드 다이어그램과 같이, 제2금속층(20)이 제1금속층(10)의 일함수(qΦ1, eV단위)보다 작은 일함수(qΦ2, eV단위)를 가지며, 무기층이 제1금속층(10) 및 제2금속층(20)의 일함수보다 작은 전자친화도(qχ, eV단위)를 가짐에 따라, 평형(접합) 상태 에너지 밴드 다이어그램은 도 1과 같은 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조를 가질 때, 터널링 영역에서 FN 터널링(Fowler-Nordheim tunneling) 또는 FN 터널링과 다이렉트 터널링(direct tunneling)에 의해 제1금속층(10)의 핫 전자가 제2금속층(20)으로 이동할 수 있다.As the energy band diagram shown in Figure 1, second metal layer 20 is has a work function a work function smaller than (qΦ 1 eV unit) (qΦ 2, eV) of the first metal layer 10, the inorganic layer Having a smaller electron affinity (qχ, eV unit) than the work function of the first metal layer 10 and the second metal layer 20, the balanced state energy band diagram may have the structure as shown in FIG. 1 have. With this structure, hot electrons of the first metal layer 10 can be moved to the second metal layer 20 by Fowler-Nordheim tunneling or FN tunneling and direct tunneling in the tunneling region.

이때, 상술한 바와 같이, 제2금속층(20)이 제1금속층(10) 보다 작은 일함수를 가진다는 의미는 제2금속층(20)이 제1금속층(10) 보다 높은 페르미 에너지 레벨을 가지는 것으로도 해석될 수 있다. 또한, 무기층이 제1금속층(10) 및 제2금속층(20)의 일함수보다 작은 전자친화도를 가진다는 의미는 무기층(30)이 제1금속층(10)의 페르미 에너지 레벨과 제2금속층(20)의 페르미 에너지 레벨보다 높은 전도대(conduction band) 최소 에너지 레벨(이하, Ec)을 가지는 것으로도 해석될 수 있다. Here, as described above, the second metal layer 20 has a work function smaller than that of the first metal layer 10, which means that the second metal layer 20 has a higher Fermi energy level than the first metal layer 10 Can also be interpreted. The inorganic layer 30 has an electron affinity lower than the work function of the first metal layer 10 and the second metal layer 20 so that the inorganic layer 30 has a lower Fermi energy level than the first metal layer 10, (Hereinafter, Ec) of the conduction band which is higher than the Fermi energy level of the metal layer 20.

상세하게, 무기층(30)의 전자친화도와 밴드 갭 에너지를 합한 값이, 제1금속층(10) 및 제2금속층(20)의 일함수보다 클 수 있다. 이는, 무기층(30)이 제2금속층(20)의 페르미 에너지 레벨보다 높은 Ec를 가지며, 제1금속층(10)의 페르미 에너지 레벨 및 제2금속층(20)의 페르미 에너지 레벨 보다 낮은 가전자대(valance band) 최대 에너지 레벨(이하, Ev)을 갖는 것으로도 해석될 수 있다.In detail, the sum of the electron affinity and the band gap energy of the inorganic layer 30 may be larger than the work function of the first metal layer 10 and the second metal layer 20. [ This is because the inorganic layer 30 has a higher Ec than the Fermi energy level of the second metal layer 20 and has a Fermi energy level of the first metal layer 10 and a lower valence energy level of the second metal layer 20 valence band) maximum energy level (hereinafter, Ev).

도 1에 도시한 에너지 밴드 다이어그램과 같이, 터널링 영역에서, 제1금속층(10)에 형성된 핫 전자는 무기층(30)을 터널링하여 제2금속층(20)으로 주입될 수 있다. 이러한 터널링에 의한 핫 전자의 이동에 의해, 별도의 외부 에너지 감응 부재 없이, 제1금속층(10) 자체에 의한 발전 전류가 제2금속층(20)으로 수집됨으로써, 외부 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있으며, 소자의 에너지 변환 효율이 현저하게 향상될 수 있다.Hot electrons formed in the first metal layer 10 in the tunneling region can be injected into the second metal layer 20 by tunneling the inorganic layer 30, as shown in the energy band diagram shown in FIG. Due to the movement of the hot electrons by the tunneling, the generated current generated by the first metal layer 10 itself is collected into the second metal layer 20 without a separate external energy-sensitive member, so that external energy can be converted into electric energy And the energy conversion efficiency of the device can be remarkably improved.

제1금속층(10)의 금속은 외부 에너지에 의해 핫 전자가 용이하게 생성되며, 가시광 내지 적외선 영역에서 표면 플라즈몬이 나타나는 금속이면 족하다. 구체적으로, 제1금속층(10)은 구체적인 일 예로, 금, 은, 구리, 리튬, 알루미늄, 또는 이들의 합금을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The metal of the first metal layer 10 can easily generate hot electrons by external energy, and can be a metal in which surface plasmons appear in visible light or infrared rays. Specifically, the first metal layer 10 may include, but is not limited to, gold, silver, copper, lithium, aluminum, or an alloy thereof.

제2금속층(20)은 제1금속층(10)의 일함수보다 작은 일함수를 갖는 금속이면 사용 가능한데, 일정한 두께의 무기층(30)을 가정할 때, 제2금속층(20)과 제1금속층(10)간의 일함수 차가 클수록 FN 터널링에 유리하다. 이에 따라, 제2금속층(20)은 제1금속층(10)과의 일함수 차가 0.5 eV 이상인 금속, 구체적으로는 0.5 내지 1 eV인 금속일 수 있다. 구체적인 일 예로, 제2금속층(20)은 타이타늄(Ti)을 들 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. The second metal layer 20 may be a metal having a work function smaller than the work function of the first metal layer 10. Assuming the inorganic layer 30 having a constant thickness, the second metal layer 20, The larger the work function difference between the first and second substrates 10 is, the more advantageous it is for FN tunneling. Accordingly, the second metal layer 20 may be a metal having a work function difference with the first metal layer 10 of 0.5 eV or more, specifically 0.5 to 1 eV. As a specific example, the second metal layer 20 may be made of titanium (Ti), but the present invention is not limited thereto.

무기층(30)은 제1금속층(10)과 제2금속층(20)간을 물리적 접촉을 방지하는 동시에, 제1금속층(10)과 제2금속층(20) 사이에 위치하여 터널링 장벽을 제공하는 역할을 수행한다. 제1금속층(10)에서 생성된 핫 전자가 무기층(30)을 터널링하여, 제2금속층(20)으로 수집됨에 따라, 무기층(30)은 제1금속층(10)에서 생성된 핫 전자가 가능한 높은 확률로 터널링되어 제2전극으로 수집될 수 있는 물질 및 두께인 것이 좋다.The inorganic layer 30 prevents physical contact between the first metal layer 10 and the second metal layer 20 and also provides a tunneling barrier located between the first metal layer 10 and the second metal layer 20 Role. As the hot electrons generated in the first metal layer 10 tunnel through the inorganic layer 30 and are collected in the second metal layer 20, the inorganic layer 30 is formed by the hot electrons generated in the first metal layer 10 It is preferable that the material and the thickness can be tunneled to the second electrode as high as possible.

터널링 장벽 제공 측면에서, 무기층(30)은 제1금속층(10)의 일함수 및 제2금속층(20)의 일함수보다 작은 전자친화도를 가질 수 있다. 핫 전자의 수집률을 향상시기 위해서는 FN 터널링이 주 이동 메카니즘으로 작용하는 것이 좋다. 이에 따라, 무기층(30)의 전자친화도와 제2금속층의 일함수 간의 차가 작은 것이 유리하다. 구체적인 일 예로, 무기층(30)의 전자친화도와 제2금속층의 일함수 간의 차는 0.5eV 이하, 구체적으로 0.1 내지 0.5eV일 수 있다. In terms of providing a tunneling barrier, the inorganic layer 30 may have an electron affinity that is less than the work function of the first metal layer 10 and the work function of the second metal layer 20. In order to improve the collection rate of hot electrons, it is preferable that FN tunneling acts as a main transport mechanism. Accordingly, it is advantageous that the difference between the electron affinity of the inorganic layer 30 and the work function of the second metal layer is small. As a specific example, the difference between the electron affinity of the inorganic layer 30 and the work function of the second metal layer may be 0.5 eV or less, specifically 0.1 to 0.5 eV.

상술한 바와 같이, 표면 플라즈몬 발생을 고려하여 제1금속층의 물질이 설계될 수 있고, 제1금속층과의 일함수차를 고려하여 제2금속층의 물질이 설계될 수 있으며, 제1금속층의 일함수, 제2금속층의 일함수 및 제2금속층의 일함수와의 차를 고려하여 무기층의 물질이 설계될 수 있다. 당업자가 상술한 에너지 레벨 관계에 따라 표면 플라즈몬 발생 금속 물질을 고려하여, 제1금속층-무기층-제2금속층의 다양한 물질 세트를 도출할 수 있음은 물론이다. 또한, 상술한 에너지 레벨 관계를 만족하는 무기층은 순수한 무기물(인위적인 도핑이 이루어지지 않은 무기물)이 아닌, 그 페르미 에너지 레벨이 불순물 주입등의 방법으로 인위적으로 조절된 무기물일 수 있음은 물론이다.As described above, the material of the first metal layer can be designed in consideration of surface plasmon generation, the material of the second metal layer can be designed in consideration of the work function difference with the first metal layer, and the work function The material of the inorganic layer can be designed in consideration of the difference between the work function of the second metal layer and the work function of the second metal layer. Of course, those skilled in the art can derive various sets of materials for the first metal layer-inorganic layer-second metal layer, taking into consideration the surface plasmon generating metal material according to the energy level relationship described above. It should be noted that the inorganic layer satisfying the above-described energy level relationship may not be a pure inorganic material (an inorganic material not artificially doped), but may be an inorganic material whose fermi energy level is artificially controlled by impurity injection or the like.

제1금속층(10)은 적어도 표면 플라즈몬이 발생하는 금속이어야 함에 따라, 제1금속층(10)은 금, 은, 구리, 리튬, 알루미늄, 또는 이들의 합금인 것이 좋다. 이에 따라, 제1금속층(10)의 물질을 기준으로, 도 1을 기반으로 상술한 제1금속층(10)과의 에너지 레벨 관계를 만족하는 제2금속층(20) 및 제1금속층(10)과 제2금속층(20)과의 에너지 레벨 관계를 만족하는 무기층(30)이 사용될 수 는데, 구체적인 일 예로, 제1금속층-무기층-제2금속층의 물질 세트는 금-타이타늄 산화물-타이타늄을 들 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 도 1을 기반으로 상술한 에너지 레벨 관계를 만족하는 제1금속층-무기층-제2금속층이면 사용 가능함은 물론이며, 본 발명이 제시된 물질 세트에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.  The first metal layer 10 should be at least a metal from which surface plasmons are generated. Therefore, the first metal layer 10 may be gold, silver, copper, lithium, aluminum, or an alloy thereof. Accordingly, the second metal layer 20 and the first metal layer 10, which satisfy the energy level relationship with the first metal layer 10 described above with reference to FIG. 1 on the basis of the material of the first metal layer 10, An inorganic layer 30 that satisfies the energy level relationship with the second metal layer 20 can be used. In a specific example, the set of materials of the first metal layer-inorganic layer-second metal layer includes gold-titanium oxide- . However, as described above, it is of course possible to use the first metal layer-inorganic layer-second metal layer which satisfies the above-described energy level relationship based on Fig. 1, and the present invention can not be limited by the set of materials Of course.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자의 단면을 도시한 일 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 제1금속층(10), 제2금속층(20) 및 무기층(30)을 포함하며, 제2금속층(20)의 일 단부, 무기층(30)의 일 단부 및 제1금속층(10)의 일 단부가 순차적으로 적층되어, 이러한 적층 영역에서 도 1에 도시한 바와 같은 에너지 밴드 다이어그램을 가질 수 있다.2 is a cross-sectional view illustrating an energy device according to an embodiment of the present invention. 2, the energy device according to an embodiment of the present invention includes a first metal layer 10, a second metal layer 20, and an inorganic layer 30, One end of the inorganic layer 30 and one end of the first metal layer 10 may be sequentially stacked to have an energy band diagram as shown in Fig.

제1금속층(10)에서는 외부 자극에 의해 핫 전자(hot electron)가 생성됨과 동시에, 표면 플라즈몬 공명에 의해 핫 전자가 증폭이 될 수 있다. 이때, 외부 자극은 광(태양광을 포함함)을 포함할 수 있으며, 외부 자극에 의해 제1금속층(10)에는 광에너지와 같은 외부 에너지가 가해질 수 있다.In the first metal layer 10, hot electrons are generated by an external stimulus and hot electrons can be amplified by surface plasmon resonance. At this time, the external stimulus may include light (including sunlight), and external energy such as light energy may be applied to the first metal layer 10 by an external stimulus.

상세하게, 제1금속층(10)에 외부 자극이 가해지는 경우, 제1금속층(10)에서는 핫 전자가 생성될 수 있는데, 이러한 핫 전자는 금속에서 1-3 eV의 운동에너지를 가지는 여기된 전자를 의미할 수 있으며, 이러한 핫 전자는 평균자유행로가 10nm 이내고, 수 피코초(picosecond) 이하의 짧은 시간동안 존재할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이를 고려하여, 제1금속층(10)의 두께는 1 내지 10 nm인 것이 좋다. 이에 의해 보다 원활한 핫 전자의 이동을 담보할 수 있다. In detail, when an external stimulus is applied to the first metal layer 10, hot electrons may be generated in the first metal layer 10, which may be excited electrons having a kinetic energy of 1-3 eV , And it is known that such hot electrons can exist for a short time of less than 10 nm and an average free path of less than several picoseconds. In consideration of this, the thickness of the first metal layer 10 is preferably 1 to 10 nm. As a result, movement of hot electrons can be secured more smoothly.

표면 플라즈몬이 발생하는 금속인 제1금속층(10)에서는 외부 자극에 의해 생성된 표면 플라즈몬이 발생하는 것으로 알려진 금속이면 사용 가능한데, 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해서는 국부 표면 플라즈몬에 의해 핫 전자의 증폭을 보다 향상시키는 것이 좋다. 이에 따라, 제1금속층(10)은 국부 표면 플라즈몬 공명(LSPR; localized Surface Plasmon Resonance)을 야기하는 나노구조가 형성된 것일 수 있다. 나노구조는 0차원 나노 구조체, 1차원 나노 구조체 및 2차원 나노구조체에서 하나 이상 선택되는 구조체를 포함할 수 있다. 0차원 나노 구조체는 양자점을 포함하는 나노 입자상일 수 있으며, 0차원 나노 구조체는 나노 입자들의 콜로이드, 나노입자들의 분산상, 일 평면 또는 다 평면에 걸쳐 규칙적이거나 불규칙적으로 배열된 나노입자를 포함할 수 있다. 1차원 나노 구조체는 나노 와이어, 나노 로드, 나노 벨트 및 나노 튜브에서 하나 이상 선택되는 1차원 나노 구조의 분산상 또는 이러한 1차원 나노 구조가 일 평면 또는 다 평면에 걸쳐 규칙적이거나 불규칙적으로 배열된 구조를 포함할 수 있다. 2차원 나노구조체는 나노 플레이트가 분산된 분산상, 나노 플레이트가 일 평면 또는 다 평면에 걸쳐 규칙적이거나 불규칙적으로 배열된 구조 또는 다공성 금속 구조체를 포함할 수 있다. 이러한 0차원 나노 구조체, 1차원 나노 구조체 및 2차원 나노구조체에서 하나 이상 선택되는 나노구조에 의해 제1금속층이 이루어질 수 있으며, 이와 독립적으로 제1금속층 표면에 나노구조가 위치할 수 있다. In the first metal layer 10, which is a metal from which surface plasmons are generated, a metal known to generate surface plasmons generated by external stimuli can be used. In order to improve the energy conversion efficiency, It is good to improve. Accordingly, the first metal layer 10 may be formed with a nanostructure that causes localized surface plasmon resonance (LSPR). The nanostructure may include one or more structures selected from a 0-dimensional nanostructure, a 1-dimensional nanostructure, and a 2-dimensional nanostructure. The 0-dimensional nanostructure may be a nanoparticle containing a quantum dot, and the 0-dimensional nanostructure may include colloids of nanoparticles, a dispersed phase of nanoparticles, regular or irregularly arranged nanoparticles over one plane or multiple planes . One-dimensional nanostructures include one-dimensional nanostructured dispersed phases selected from one or more of nanowires, nanorods, nano-belts, and nanotubes, or structures in which such one-dimensional nanostructures are regularly or irregularly arranged can do. The two-dimensional nanostructure may include a dispersed phase in which nanoplates are dispersed, a structure in which the nanoplates are regularly or irregularly arranged in one plane or multiple planes, or a porous metal structure. The first metal layer can be formed by one or more nanostructures selected from the zero-dimensional nanostructure, the one-dimensional nanostructure, and the two-dimensional nanostructure, and the nanostructure can be independently positioned on the surface of the first metal layer.

구체적이며 비 한정적인 일 예로, 제1금속층이 0차원 나노구조체를 포함하는 경우, 제1금속층은 안정적인 전류 이동 경로를 제공하는 치밀막 또는 연속체의 다공막인 금속박막 및 금속박막 표면에 위치하는 금속 나노입자를 포함할 수 있다. 이때, 표면 요철 또한 나노구조로 해석될 수 있음은 물론이며, 제1금속층은 불규칙적 또는 규칙적인 나노 디멘젼의 표면 요철이 형성된 금속박막일 수 있다.In a specific, non-limiting example, when the first metal layer comprises a zero-dimensional nanostructure, the first metal layer may be a metal thin film that is a porous film of a dense film or a continuous film and a metal Nanoparticles. At this time, the surface irregularities can be interpreted as a nanostructure, and the first metal layer may be a metal thin film having irregular or regular nano-sized surface irregularities.

구체적이며 비 한정적인 일 예로, 제1금속층이 1차원 나노구조체를 포함하는 경우, 제1금속층은 안정적인 전류 이동 경로를 제공하는 치밀막 또는 연속체의 다공막인 금속박막 및 금속박막 표면에 위치하는 금속 나노와이어를 포함할 수 있다. 또는 제1금속층은 금속 나노와이어들이 서로 불규칙적으로 엉키거나 접촉하여 이루어지는 금속 나노와이어 메쉬 자체일 수 있다.  In a specific, non-limiting example, when the first metal layer comprises a one-dimensional nanostructure, the first metal layer may be a metal thin film that is a porous film of a dense film or a continuous film providing a stable current path, Nanowires. ≪ / RTI > Or the first metal layer may be a metal nanowire mesh itself formed by irregularly tangling or contacting metal nanowires with each other.

구체적이며 비 한정적인 일 예로, 제1금속층이 2차원 나노구조체를 포함하는 경우, 제1금속층은 안정적인 전류 이동 경로를 제공하는 치밀막 또는 연속체의 다공막인 금속박막 및 금속박막 표면에 위치하는 나노판, 나노벨트등을 포함할 수 있다. In a specific, non-limiting example, when the first metal layer comprises a two-dimensional nanostructure, the first metal layer may be a metal thin film that is a porous film of a dense film or a continuous film providing a stable current path, Plates, nano belts, and the like.

연속적이며 안정적인 전류 이동 경로의 제공, 나노 디멘젼의 금속 구조에 의한 국부 표면 플라즈몬 공명의 효과적인 발생, 및 핫 전자의 원활한 이동이 보장되는 두께를 갖는 제1금속층의 구현 측면에서, 제1금속층은 다공망 형태일 수 있다.In view of the provision of a continuous and stable current path, effective generation of local surface plasmon resonance by the nano-dimensional metal structure, and implementation of a first metal layer having a thickness ensuring smooth movement of hot electrons, Lt; / RTI >

다공망 형태는 일 금속 섬(island)을 기준으로, 일 금속 섬이 일 금속 섬과 이웃하는 금속 섬들 중 적어도 하나 이상의 금속 섬과 접하며, 금속 섬들이 연속적으로 이어져 있는 망 형태를 의미할 수 있으며, 연속적으로 연결되는 금속 섬은 수십 내지 수백 나노미터의 크기를 가질 수 있는데, 구체적으로, 50 내지 200nm의 크기를 가질 수 있다. 이때, 다공망 형태의 제1금속층은 단위 면적당 금속 섬이 차지하는 면적이 55 내지 70%에 이르는 다공성을 가질 수 있다.The multi-network type may refer to a network type in which one metal island is in contact with at least one metal island among one metal island and neighboring metal islands, and metal islands are continuously connected, The continuously connected metal island may have a size of tens to hundreds of nanometers, and in particular may have a size of 50 to 200 nm. At this time, the first metal layer of the porous network type may have porosity ranging from 55 to 70% in area occupied by the metal island per unit area.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 외부 에너지에 의해 제1금속층에서 핫 전자가 생성 및 증폭되고, 제1금속층의 핫 전자가 터널링에 의해 제2금속층에 수집되는 동작 원리를 가짐에 따라, 터널링에 의한 핫 전자 수집률이 에너지 변환 효율에 매우 큰 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 무기층(30)은 도 1을 기반으로 한 에너지 밴드 다이어그램 조건을 만족하는 물질일 수 있으며, 이와 독립적으로, 좋게는 이와 함께, 적어도 터널링 영역에 위치하는 무기층의 두께는 10nm 이하인 것이 좋으며, 구체적으로 1 내지 10nm일 수 있다. 보다 좋게는 터널링 영역에 위치하는 무기층의 두께는 1nm 내지 6nm일 수 있다. 이러한 무기층 두께는 터널링 영역에서 제1금속층과 제2금속층간의 물리적 접촉이 안정적으로 방지될 수 있으며, 효과적인 핫 전자의 터널링이 이루어질 수 있는 두께이다. 구체적인 일 예로, 무기층이 10nm이하, 좋게는 1nm 내지 6nm의 두께는, 2.3 eV의 포톤 에너지 하, 2.5% 이상의 IPCE(incident photon to current conversion efficiency)를 가질 수 있는 두께이다.The energy device according to an embodiment of the present invention has an operation principle in which hot electrons are generated and amplified in the first metal layer by external energy and hot electrons of the first metal layer are collected in the second metal layer by tunneling, The hot electron collection rate due to tunneling can have a great influence on the energy conversion efficiency. Accordingly, the inorganic layer 30 may be a material that satisfies the energy band diagram conditions based on Fig. 1, and independently, preferably together with the thickness of the inorganic layer located at least in the tunneling region is 10 nm or less And may be specifically from 1 to 10 nm. More preferably, the thickness of the inorganic layer located in the tunneling region may be between 1 nm and 6 nm. The thickness of the inorganic layer is a thickness at which physical contact between the first metal layer and the second metal layer in the tunneling region can be stably prevented and effective hot electron tunneling can be achieved. As a specific example, the thickness of the inorganic layer of 10 nm or less, preferably 1 nm to 6 nm, is a thickness capable of having an incident photon to current conversion efficiency (IPCE) of 2.5% or more under a photon energy of 2.3 eV.

무기층(30)을 사이에 두고, 제1금속층(10)과 제2금속층(20)이 적층된 구조를 가지며, 제1금속층(10)이 외부 에너지를 인가받아 핫 전자를 생성함에 따라, 제2금속층(20)은 무기층(30) 하부에 위치할 수 있다. 제2금속층(20)은 도 1을 기반으로 상술한 에너지 밴드 다이어그램을 만족하는 금속 물질이면 무방하며, 핫 전자의 터널링 전류를 수집하는 역할을 수행함에 따라, 그 두께 또한 특별히 제한되지 않는다.The first metal layer 10 and the second metal layer 20 are stacked with the inorganic layer 30 interposed therebetween. As the first metal layer 10 receives external energy to generate hot electrons, 2 metal layer 20 may be located underneath the inorganic layer 30. The second metal layer 20 may be a metal material satisfying the above-described energy band diagram on the basis of FIG. 1, and collects the tunneling current of hot electrons, so that its thickness is also not particularly limited.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 서로 이격된 제1전극(40) 및 제2전극(50)을 더 포함할 수 있다. 제1전극(40) 및 제2전극(50)은 외부와의 전기적 접속을 가능하게 하는 연결 단자의 역할을 수행할 수 있다. 제1금속층(10)의 다른 일 단부는 제1전극(40)과 연결되며, 제2금속층(20)의 다른 일 단부는 제2전극(50)과 연결될 수 있다. 제1전극(40) 및 제2전극(50) 물질은 각각, 서로 접하는 금속층의 물질과 오믹 접합을 하는 물질이면 무방하다. As shown in FIG. 2, the energy device according to an embodiment of the present invention may further include a first electrode 40 and a second electrode 50 spaced from each other. The first electrode 40 and the second electrode 50 may serve as connection terminals for enabling electrical connection to the outside. The other end of the first metal layer 10 may be connected to the first electrode 40 and the other end of the second metal layer 20 may be connected to the second electrode 50. The first electrode 40 and the second electrode 50 may each be formed of a material that provides an ohmic contact with a material of the metal layer that is in contact with each other.

무기층(30)은 제1금속층(10)과 제2금속층(20)간의 접촉을 방지하며 터널링 장벽을 제공하는 역할을 수행함에 따라, 제1금속층(10)과 제2금속층(20)이 서로 대향하는 영역에만 위치할 수 있으나, 선택적으로, 제2금속층(20)을 덮으며 제2전극(50)까지 연장된 형태를 가질 수 있다. 이러한 경우, 무기층(30)은 제2금속층(20)을 보호하는 패시베이션(passivation)층의 역할을 동시에 수행할 수 있다.The inorganic layer 30 prevents contact between the first metal layer 10 and the second metal layer 20 and provides a tunneling barrier so that the first and second metal layers 10 and 20 But may have a shape extending to the second electrode 50 so as to cover the second metal layer 20. In this case, the inorganic layer 30 can simultaneously perform the role of a passivation layer for protecting the second metal layer 20.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 절연성 기판(60)을 더 포함할 수 있으며, 절연성 기판은 제1금속층(10), 제2금속층(20), 무기층(30), 제1전극(40) 및 제2전극(50)을 물리적으로 지지하는 역할을 수행할 수 있다.2, the energy device according to an embodiment of the present invention may further include an insulating substrate 60. The insulating substrate may include a first metal layer 10, a second metal layer 20, The second electrode 30, the first electrode 40, and the second electrode 50, as shown in FIG.

절연성 기판(60)의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에텔에텔케톤, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르술폰, 폴리이미드등의 유연성 유기 기판 또는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 유리등의 무기 기판일 수 있다.The insulating substrate 60 is not particularly limited and may be a flexible organic substrate such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyetherketone, polycarbonate, polyarylate, polyether sulfone, or polyimide, or silicon oxide, silicon nitride , Glass, or the like.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 제1금속층(10), 무기층(30), 제2금속층(20), 제1금속층(10) 및 제2금속층(20) 각각에 연결되는 전극(40, 50)이라는 놀랍도록 간단하고 초박형의 구조에 의해 제1금속층에 가해지는 외부 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있음에 따라, 플렉시블 에너지 변환 소자에 특히 적합하다.  As described above, the energy device according to one embodiment of the present invention includes a first metal layer 10, an inorganic layer 30, a second metal layer 20, a first metal layer 10, and a second metal layer 20 The external energy applied to the first metal layer can be converted into electric energy by the surprisingly simple and ultra-thin structure of the electrodes 40 and 50 connected to the first metal layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소자는 제1금속층(10), 무기층(30), 제2금속층(20), 제1금속층(10) 및 제2금속층(20) 각각에 연결되는 전극(40, 50)의 극히 간단한 구조를 가짐에 따라, 종래에 알려진 금속 박막 제조 공정, 무기 박막 제조 공정을 사용하여 제조될 수 있음은 물론이며, 이는 증착이나 물질을 도포하여 막을 형성하는 모든 관련 분야의 종사자에게 주지의 사실이다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 제1전극(40) 및 제2전극(50)은 공지의 증착 또는 인쇄에 의해 형성될 수 있고, 증착은 스퍼터링법(Sputtering), 열 증착법(thermal evaporation), 유기금속화학기상증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapour Deposition) 또는 분자빔에피택시법(MBE; molecular beam epitaxy), 원자층 증착법(ALD; Atomic layer deposition)등의 물리적 증착(physical vapor deposition) 또는 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition)을 이용하여 형성될 수 있으며, 인쇄는 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 바-코팅, 그라비아-코팅, 블레이드 코팅, 롤-코팅등을 이용하여 수행될 수 있다. The energy device according to an embodiment of the present invention includes an electrode connected to each of the first metal layer 10, the inorganic layer 30, the second metal layer 20, the first metal layer 10 and the second metal layer 20 40, and 50), it can be manufactured using a conventionally known metal thin film manufacturing process or an inorganic thin film manufacturing process. It is a well-known fact to the workers. The first electrode 40 and the second electrode 50 may be formed by a known deposition or printing process. The deposition may be performed by a sputtering method, a thermal evaporation method, Physical vapor deposition or chemical vapor deposition such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or atomic layer deposition (ALD) (chemical vapor deposition), and the printing may be performed using screen printing, inkjet printing, bar-coating, gravure coating, blade coating, roll-coating or the like.

절연성 기판상 제1전극과 제2전극이 형성된 후, 제2전극의 일부를 덮으며, 터널링이 가능하도록 기 설계된 영역까지 연장되도록 제2금속층(20)이 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제2금속층(20)의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 초박형 에너지 소자의 구현 측면 및 유연성 에너지 소자의 구현 측면에서 수십 nm, 구체적으로 10 내지 80nm일 수 있으며, 이러한 두께의 금속 박막을 형성할 수 있는 공지의 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 제2금속층(20)은 진공 증착법(vacuum evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation) 또는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)을 이용하여 제조될 수 있다.After the first and second electrodes are formed on the insulating substrate, the second metal layer 20 may be formed to cover a part of the second electrode and extend to a region designed for tunneling. As described above, although the thickness of the second metal layer 20 is not particularly limited, it may be several tens of nanometers, specifically, 10 to 80 nm in terms of the implementation of the ultra-thin energy device and the implementation of the flexible energy device. ≪ / RTI > can be prepared using known methods capable of forming a < RTI ID = 0.0 > As a specific, non-limiting example, the second metal layer 20 may be fabricated using vacuum evaporation, electron beam evaporation, or chemical vapor deposition.

제2금속층(20)이 형성된 후, 제2금속층(20) 상부로, 제2금속층을 덮도록 무기층(30)이 형성될 수 있다. 무기층은 1nm 내지 10nm의 두께의 무기 박막을 제조할 수 있는 공지의 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 멀티타겟 스퍼터링법(multitarget sputtering), 플라즈마 도움 화학기상증착법(plasma-enhanced CVD), 진공 증착법(vacuum evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation) 또는 원자층 증착법(ALD)를 이용하여 제조될 수 있다.After the second metal layer 20 is formed, the inorganic layer 30 may be formed on the second metal layer 20 to cover the second metal layer. The inorganic layer can be produced by a known method capable of producing an inorganic thin film having a thickness of 1 nm to 10 nm. Specific examples include, but are not limited to, multitarget sputtering, plasma-enhanced CVD, vacuum evaporation, electron beam evaporation or atomic layer deposition (ALD ). ≪ / RTI >

무기층(30)이 형성된 후, 터널링이 가능하도록 기 설계된 위치에 일 단부가 위치하며, 다른 일 단부가 제1전극(40)의 일부를 덮도록 제1금속층(10)이 형성될 수 있다. 제1금속층(10)은 핫 전자의 평균자유행로를 고려하여, 1 내지 10nm의 두께를 가질 수 있는데, 제1금속층(10)은 1 내지 10nm의 두께의 금속 박막을 제조할 수 있는 공지의 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 제1금속층은 진공 증착법(vacuum evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation), 화학기상증착법 또는 원자층 증착법(ALD)를 이용하여 제조될 수 있다.After the inorganic layer 30 is formed, the first metal layer 10 may be formed so that one end is located at a position designed to enable tunneling and the other end covers a portion of the first electrode 40. The first metal layer 10 may have a thickness of 1 to 10 nm in consideration of an average free path of hot electrons. The first metal layer 10 may be formed by a known method capable of producing a thin metal film having a thickness of 1 to 10 nm . ≪ / RTI > As a specific, non-limiting example, the first metal layer may be fabricated using vacuum evaporation, electron beam evaporation, chemical vapor deposition, or atomic layer deposition (ALD).

이때, 상술한 전극, 제1금속층, 무기층, 제2금속층의 형성시 기 설계된 영역에만 물질의 증착 또는 도포가 이루어지도록 적절한 마스크를 이용할 수 있음은 물론이다. At this time, it is needless to say that a suitable mask can be used to deposit or apply the material only to the area designed for the electrode, the first metal layer, the inorganic layer, and the second metal layer.

제1금속층(10)이 나노구조를 포함하는 경우, 제조된 제1금속층(10) 상부로 상술한 0차원, 1차원 또는 2차원 나노구조를 형성하거나 도포하는 단계가 더 수행될 수 있으며, 이러한 나노구조는 물리적 흡착 또는 적절한 링커를 통해 제1금속층 표면에 화학적으로 결합된 상태일 수 있다. 이와 독립적으로, 제1금속층(10)에 표면에, 물리적 스크래치의 형성, 부분 식각등의 종래 금속 표면에 요철을 형성하기 위해 사용되는 다양한 방법을 이용하여 제1금속층(10)에 인위적인 요철을 형성할 수 있다. 이와 독립적으로, 제1금속층의 증착 후, 제1금속층에 에너지를 인가하여, 제1금속층의 표면 및 계면 에너지 최소화를 구동력으로, 다공망 형상을 제조할 수 있다. 인가되는 에너지는 열 에너지일 수 있으며, 제1금속의 물질에 따라 물질 이동이 발생하며 금속 섬들이 서로 연결된 연속체(continuum)가 제조되도록 열처리 온도가 적절히 조절될 수 있으며, 구체적으로, 120℃~200℃의 온도에서 열처리가 수행될 수 있다.When the first metal layer 10 includes a nanostructure, a step of forming or applying the above-described zero-dimensional, one-dimensional or two-dimensional nanostructure on the first metal layer 10 may be further performed. The nanostructure may be chemically bonded to the surface of the first metal layer through physical adsorption or an appropriate linker. Independent thereto, artificial irregularities are formed on the first metal layer 10 by various methods used for forming concavities and convexities on the surface of the conventional metal such as formation of physical scratches and partial etching on the surface of the first metal layer 10 can do. Independently, after deposition of the first metal layer, energization is applied to the first metal layer to form a polycrystalline network shape using the surface and interface energy minimization of the first metal layer as a driving force. The applied energy may be thermal energy, and the heat treatment temperature may be appropriately controlled so that mass transfer occurs depending on the material of the first metal and a continuum in which the metal islands are connected to each other. Specifically, Lt; RTI ID = 0.0 > C, < / RTI >

도 2와 유사한 구조의 에너지 소자를 제조하였다. 상세하게, 500nm 두께의 SiO2가 형성된 웨이퍼를 절연성 기판으로 하고, 서로 이격 대향하는 100nm 두께의 Au 전극을 증착한 후, 한 쪽 Au 전극 상부에 일 단이 위치하도록 50nm의 두께로 Ti 층(제2금속층)을 증착한 후, Ti 층 상부로 6nm의 두께를 갖는 TiO2 층을 증착하였다. 이후, 일 단이 TiO2층을 상에 위치하고 다른 일 단이 제2금속층과 연결되지 않은 Au 전극을 덮도록 10nm의 두께를 갖는 Au 층을 증착하였다.An energy element having a structure similar to that of Fig. 2 was produced. Specifically, a wafer on which a 500 nm thick SiO 2 was formed was used as an insulating substrate, and Au electrodes of 100 nm in thickness opposed to each other were deposited. Then, a 50 nm thick Ti layer 2 metal layer) was deposited, and then a TiO 2 layer having a thickness of 6 nm was deposited on the Ti layer. Thereafter, an Au layer having a thickness of 10 nm was deposited to cover the Au electrode having one end on the TiO 2 layer and the other end not connected to the second metal layer.

이후, 공기중 80℃, 120℃, 160℃, 200℃ 또는 240℃의 온도로 60분 동안 열처리를 수행하여, 제1금속층을 다공망 구조로 변화시켜 에너지 소자를 제조하였다.Then, heat treatment was performed in air at 80 ° C., 120 ° C., 160 ° C., 200 ° C., or 240 ° C. for 60 minutes to change the first metal layer to a multi-network structure to produce an energy device.

도 3은 실 제조된 에너지 소자의 열처리 온도에 따른 제1금속층의 구조를 관찰한 주사전자현미경 사진으로, 도 3(a)는 열처리가 수행되지 않은 상태 제1금속층을 관찰한 것이며, 도 3(b)는 80℃, 도 3(c)는 120℃, 도 3(d)는 160℃, 도 3(e)는 200℃, 도 3(f)는 240℃로 열처리된 제1금속층을 관찰한 사진이다. 도 3에서 알 수 있듯이, 80℃ 이하의 온도에서는 거의 다공망화가 이루어지지 않음을 알 수 있으며, 120℃ 내지 200℃의 온도에서는 연속체의 다공망 구조가 제조됨을 알 수 있고, 240℃의 온도에서는 서로 접촉하지 않는 금속 섬들의 형상을 가져 전기적 절연이 발생함을 알 수 있다. FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the structure of the first metal layer according to the annealing temperature of the fabricated energy device. FIG. 3A is a view of the first metal layer without heat treatment, The first metal layer heat-treated at 80 ° C in FIG. 3 (b), 120 ° C in FIG. 3 (d), 160 ° C in FIG. 3 (e) It is a photograph. As can be seen from FIG. 3, it can be seen that the polycrystalline network is not formed at a temperature of 80 ° C. or lower, and that the continuous network structure of the continuous body is produced at a temperature of 120 ° C. to 200 ° C., It can be seen that electrical insulation occurs due to the shape of the metal islands which do not contact each other.

실 제조된 소자의 광특성을 측정하기 위해, 9 mW/cm2의 텅스텐-할로겐 램프를 이용하였으며, 소스-미터(source-meter, Kethley, model 2400)를 이용하여 전류-전압를 측정하였으며, IPCE를 이용하여 각 포톤(photon) 에너지에 해당되는 전자의 전류 변환 효율을 측정하였다. In order to measure the optical characteristics of the fabricated device, a tungsten-halogen lamp of 9 mW / cm 2 was used and the current-voltage was measured using a source-meter (Kethley, model 2400) The current conversion efficiencies of the electrons corresponding to the respective photon energies were measured.

도 4는 제1금속층의 다공망화를 위한 열처리 온도별로, 제조된 에너지 소자(TiO2 두께=6 nm)에 광을 조사하였을 때 검출된 광전류 및 단위 면적당 다공망화된 제1금속층이 차지하는 면적(related active area)을 측정 도시한 것이다. 도 4를 통해 알 수 있듯이, 다공망화가 이루어지며, 나노크기의 금속 섬들에 의한 국부 표면 플라즈몬 공명에 의해 핫 전자의 증폭이 이루어짐을 알 수 있다. 200℃의 온도로 다공망화를 수행한 경우, 국부 표면 플라즈몬 공명에 의한 핫 전자의 증폭에 의해, 치밀막 구조의 제1금속층을 갖는 에너지 소자(미열처리 샘플)보다 매우 높은 광전류 증폭이 발생함을 알 수 있다.4 is a graph showing the photocurrent detected when light is irradiated to the manufactured energy device (TiO 2 thickness = 6 nm) and the area occupied by the perforated first metal layer per unit area (related active area). As can be seen from FIG. 4, it can be seen that the multi-networking is performed, and the hot electrons are amplified by the local surface plasmon resonance due to the nano-sized metal islands. When the porous network is performed at a temperature of 200 ° C, the amplification of the hot electrons by the local surface plasmon resonance generates a much higher photocurrent amplification than the energy element (the non-heat treated sample) having the first metal layer of the dense film structure Able to know.

도 5는 제1금속층의 다공망화를 위한 열처리 온도별로, 제조된 에너지 소자(TiO2 두께=6 nm)의 전극에 전압을 인가하여 측정된 전류-전압(I-V) 곡선으로, (전압 sweep 조건에 의해 전류 특성이 변화하는 경우, sweep 조건을 명시하여 주시길 부탁드립니다.) 도 5를 통해, 제조된 에너지 소자에 무기층에 의해 두 에너지 배리어를 가짐을 확인 할 수 있었다.FIG. 5 is a graph showing current-voltage (IV) curves measured by applying a voltage to an electrode of a manufactured energy device (TiO 2 thickness = 6 nm) according to the heat treatment temperature for the first metal layer, If the current characteristics are changed by the current, please specify the sweep condition.) Figure 5 shows that the produced energy device has two energy barriers by the inorganic layer.

도 6(a)는 120℃, 160℃ 또는 200℃로 제1금속층의 열처리가 수행되고 6nm 두께의 무기층이 구비된 에너지 소자의 광전류 측정 결과를 도시한 도면이며, 도 6(b)는 120℃, 160℃ 또는 200℃로 제1금속층의 열처리가 수행되고 10 nm 두께의 무기층이 구비된 에너지 소자의 광전류 측정 결과를 도시한 도면이다. 도 6에서 알 수 있듯이, LSPR을 야기하는 제1금속층의 구조 변화와 무관하게, 터널링 장벽을 제공하는 무기층의 두께가 감소함에 따라 광전류가 현저하게 증가함을 알 수 있다. 6 (a) is a graph showing a photocurrent measurement result of an energy device in which a first metal layer is heat-treated at 120 ° C., 160 ° C., or 200 ° C. and an inorganic layer having a thickness of 6 nm is provided, 10 C, 160 C, or 200 C, and an inorganic layer having a thickness of 10 nm is provided on the first metal layer. As can be seen from FIG. 6, regardless of the change in the structure of the first metal layer that causes LSPR, it can be seen that the photocurrent greatly increases as the thickness of the inorganic layer providing the tunneling barrier decreases.

도 6(c)는 6nm 두께의 무기층이 구비되되, 제1금속층의 다공망화를 위한 열처리가 수행되지 않은 에너지 소자와 200℃로 열처리가 수행된 에너지 소자의 조사되는 광의 포톤 에너지 별 IPCE를 측정 도시한 도면이다. 도 6(c)를 통해 열처리가 수행되지 않은 소자 대비 금속섬의 다공망 구조를 갖도록 열처리가 수행됨으로써, 특정 파장영역에서 전자의 전류 전화 효율, 즉 IPCE 가 증가한 것을 알 수 있다.FIG. 6 (c) is a graph showing the IPCE of an energy element having an inorganic layer of 6 nm in thickness but not subjected to heat treatment for the porous metalization of the first metal layer and an energy element irradiated by the heat treatment at 200 ° C. Fig. 6C, heat treatment is performed so as to have a multi-network structure of a metal island compared with the device which is not subjected to the heat treatment, so that the current current efficiency of electrons in the specific wavelength region, that is, the IPCE is increased.

도 6(d)는 제1금속층의 다공망화를 위해 200℃로 열처리가 수행되되, 6nm 두께의 무기층이 구비된 에너지 소자와 10nm의 무기층이 구비된 에너지소자의 조사되는 광의 포톤 에너지 별 IPCE를 측정 도시한 도면이다. 도 6(d)를 통해, 무기층의 두께가 10nm에서 6nm로 감소함에 따라, 조사되는 광의 에너지와 무관하게 약 0.5%의 IPCE(%)가 증가됨을 알 수 있다. 6 (d) is a cross-sectional view of the first metal layer. FIG. 6 (d) is a graph illustrating the relationship between the energy of an energy element having an inorganic layer of 6 nm thickness and the inorganic layer having an inorganic layer of 10 nm Fig. 6 (d), it can be seen that as the thickness of the inorganic layer decreases from 10 nm to 6 nm, the IPCE (%) increases by about 0.5% regardless of the energy of the light to be irradiated.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

Claims (7)

핫 전자의 생성 및 표면 플라즈몬 공명(SPR; surface plasmon resonance)에 의한 핫 전자의 증폭이 발생하는 제1금속층;
상기 제1금속층의 일함수보다 작은 일함수를 갖는 제2금속층; 및
상기 제1금속층의 일함수 및 제2금속층의 일함수보다 작은 전자친화도를 갖는 무기층;을 포함하며,
상기 무기층을 사이에 두고, 상기 제1금속층과 상기 제2금속층이 적층되어, 상기 제1금속층의 핫 전자가 상기 무기층을 터널링하여 상기 제2금속층으로 이동하는 에너지 소자.A first metal layer generating hot electrons and amplifying hot electrons by surface plasmon resonance (SPR);
A second metal layer having a work function less than the work function of the first metal layer; And
An inorganic layer having a work function of the first metal layer and an electron affinity less than a work function of the second metal layer,
Wherein the first metal layer and the second metal layer are laminated with the inorganic layer interposed therebetween, and hot electrons of the first metal layer tunnel to the inorganic layer to move to the second metal layer. 제 1항에 있어서,
핫 전자의 터널링이 발생하는 무기층 영역인 터널링 영역은 상기 제2금속층의 일 단부, 상기 무기층의 일 단부 및 상기 제1금속층의 일 단부가 순차적으로 적층된 에너지 소자.The method according to claim 1,
Wherein the tunneling region, which is an inorganic layer region where tunneling of hot electrons occurs, is sequentially laminated on one end of the second metal layer, one end of the inorganic layer, and one end of the first metal layer. 제 2항에 있어서,
상기 에너지 소자는 서로 이격된 제1전극 및 제2전극을 더 포함하며,
상기 제1금속층의 다른 일 단부는 제1전극과 연결되며, 상기 제2금속층의 다른 일 단부는 제2전극과 연결되는 에너지 소자.3. The method of claim 2,
The energy device further comprises a first electrode and a second electrode spaced from each other,
Wherein the other end of the first metal layer is connected to the first electrode and the other end of the second metal layer is connected to the second electrode. 제 1항에 있어서,
핫 전자의 터널링이 발생하는 무기층 영역인 터널링 영역의 두께는 1nm 내지 10nm인 에너지 소자.The method according to claim 1,
The thickness of the tunneling region which is the inorganic layer region where the tunneling of hot electrons occurs is 1 nm to 10 nm. 제 1항에 있어서,
상기 제1금속층은 국부 표면 플라즈몬 공명을 야기하는 나노구조를 포함하는 에너지 소자.The method according to claim 1,
Wherein the first metal layer comprises a nanostructure that causes local surface plasmon resonance. 제 1항에 있어서,
상기 제1금속층은 다공망 형태인 에너지 소자. The method according to claim 1,
Wherein the first metal layer is a porous network. 제 1항에 있어서,
상기 에너지 소자는 태양광 발전용인 에너지 소자.The method according to claim 1,
Wherein the energy element is a solar energy generator.
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