KR20160051379A - 이온성 액체를 이용한 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온성 액체를 이용한 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일예와 관련된 전지는, 상부 구조체; 하부 구조체; 상기 상부 구조체와 하부 구조체 사이에 형성되는 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)층;을 구비하고, 상기 상부 구조체는 상부 기판, 상기 상부 기판상에 형성되는 상부 전극층 및 상기 상부 전극층상에 구비되는 다공질층을 구비하여 구성되며, 상기 다공질층은 전기석을 포함하여 구성됨과 더불어 염료가 흡착될 수 있다.

Description

이온성 액체를 이용한 전지 및 그 제조방법{Battery using Ionic liquids(ILs) and manufacture method of the battery}
본 발명은 이온성 액체를 이용한 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전지는 물질의 화학적 또는 물리적 반응을 이용하여, 이들의 변화로 방출되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치를 말한다.
화학반응을 이용한 전지를 화학전지, 물리반응을 이용한 전지를 물리전지라 하며, 일반적으로 화학전지가 더 보편적이다.
화학전지는 1차 전지와 2차 전지로 나눌 수 있다. 1차 전지는 작용물질을 전극 가까이에 미리 넣어 두고, 이 물질의 화학변화에 의해 생기는 전기에너지를 이용한다.
작용물질의 화학변화가 끝나면 수명이 다하여 재생할 수 없고, 건전지로 널리 사용된다.
2차 전지는 전기에너지를 방출하여 작용물질이 변화한 후에도 다시 전지에 전기에너지를 공급, 즉 충전하면 작용물질이 재생되어 이를 되풀이할 수 있어, 축전지로 많이 사용된다.
물리전지에는 태양전지, 열 전지 등이 있으며, 태양전지는 태양빛을 직접 전기에너지로 바꾸는 반도체 접합으로 이루어져 있다.
특히, 최근에는 청정 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는데 대한 관심도 크게 증가되고 있다.
태양 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 소자를 통상 솔라셀 또는 태양전지로서 칭하고 있다. 태양전지는 그 동작 방식에 따라 크게 실리콘 태양전지와 염료감응형 태양전지로 구분할 수 있다.
이 중 염료감응형 태양전지는 저 비용으로 제조가 가능하고, 태양전지의 제조에 사용되는 재료가 환경친화적이며, 태양전지의 제조시에 CO2의 배출량이 적기 때문에 차세대 태양전지로서 주목을 받고 있다.
그러나, 염료감응형 태양전지의 경우에는 염료 분자가 흡수하는 파장의 광만이 광전변환에 이용되게 되는데, 염료 분자는 일반적인 실리콘의 흡수 스펙트럼에 비하여 적생 파장에서 현저히 낮은 흡수율을 보이기 때문에 실리콘을 사용하는 태양전지에 비하여 광전변환 효율이 낮아진다는 단점이 있으므로, 이에 대한 해결방안이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 특허청 등록번호 제10-0584680호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이온성 액체를 이용한 전지 및 그 제조방법을 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 전지는, 상부 구조체; 하부 구조체; 상기 상부 구조체와 하부 구조체 사이에 형성되는 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)층;을 구비하고, 상기 상부 구조체는 상부 기판, 상기 상부 기판상에 형성되는 상부 전극층 및 상기 상부 전극층상에 구비되는 다공질층을 구비하여 구성되며, 상기 다공질층은 전기석을 포함하여 구성됨과 더불어 염료가 흡착될 수 있다.
또한, 상기 다공질층에 철, 자철석 또는 영구자석 분말이 추가적으로 혼합될 수 있다.
또한, 상기 상부 기판이 투명 종이 또는 유기물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 상부 전극층이 도전성 유기물 또는 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 하부 구조체는 하부 기판과, 상기 하부 기판상에 형성되는 하부 전극층을 구비하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 이온성 액체층은, 유기소재 원료를 수용하는 도가니를 유기소재 원료의 승화점까지 가열하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 발생한 유기소재 원료의 승화기체가 상기 이온성 액체에 증착되는 제 2 단계; 및 상기 승화기체가 상기 이온성 액체에서 재결정화되는 제 3 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 3 단계 이후에 상기 재결정화된 유기소재를 상기 이온성 액체로부터 분리하는 제 4 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 3 단계에서는 상기 이온성 액체의 용해도를 조절하기 위해 상기 이온성 액체의 온도를 조절할 수 있다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일예와 관련된 전지는, 상부 구조체; 하부 구조체; 및 상기 상부 구조체와 하부 구조체 사이에 형성되는 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)층을 구비하고, 상기 상부 구조체는 상부 기판, 상기 상부 기판상에 형성되는 다공질층을 구비하여 구성되며, 상기 다공질층은 도전성 유기물과 전기석 분말의 혼합물을 포함하여 구성됨과 더불어 염료가 흡착될 수 있다.
또한, 상기 다공질층에 철, 자철석 또는 영구자석 분말이 추가적으로 혼합될 수 있다.
또한, 상기 상부 기판이 투명 종이 또는 유기물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 하부 구조체는 하부 기판과, 상기 하부 기판상에 형성되는 하부 전극층을 구비하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 하부 기판이 종이 또는 유기물로 구성될 수 있다.
또한, 상기 이온성 액체층은, 유기소재 원료를 수용하는 도가니를 유기소재 원료의 승화점까지 가열하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 발생한 유기소재 원료의 승화기체가 상기 이온성 액체에 증착되는 제 2 단계; 및 상기 승화기체가 상기 이온성 액체에서 재결정화되는 제 3 단계;를 포함하는 방법을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 3 단계 이후에 상기 재결정화된 유기소재를 상기 이온성 액체로부터 분리하는 제 4 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 3 단계에서는 상기 이온성 액체의 용해도를 조절하기 위해 상기 이온성 액체의 온도를 조절할 수 있다.
한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 또 다른 일예와 관련된 전지는, 하부 구조와 상부 구조를 구비하고, 상기 하부 구조와 상부 구조 사이에 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)층을 구비하며, 상기 이온성 액체층은 격리판을 구비하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 하부 구조는 제1 기판, 상기 기판상에 형성되는 하부 전극을 구비하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 기판은 종이 또는 유기물 기판일 수 있다.
또한, 상기 하부 전극은 도전성 유기물일 수 있다.
또한, 상기 하부 전극은 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 하부 구조는 전도성 종이로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전도성 종이는 종이에 도전성 유기물 또는 도전성 유기물과 도전성 유기물의 혼합물을 흡착시켜 구성될 수 있다.
또한, 상기 격리판은 종이로 구성될 수 있다.
또한, 상기 격리판은 직물 또는 부직포로 구성될 수 있다.
또한, 상기 격리판에 염료가 흡착될 수 있다.
또한, 상기 격리판에 1개 이상의 관통공이 형성될 수 있다.
또한, 상기 격리판이 다수의 층으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 상부 구조가 제2 기판, 상기 제2 기판상에 형성되는 상부 전극 및 상기 상부 전극상에 형성되는 다공질층을 구비하여 구성되고, 상기 다공질층에는 염료가 흡착되어 구성될 수 있다.
또한, 상기 상부 전극은 도전성 유기물 또는 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 상부 구조가 종이로 구성되는 제2 기판, 제2 기판상에 형성되는 다공질층을 구비하고, 상기 제2 기판에는 도전성 유기물 또는 도전성 유기물과 무기물의 혼합물이 흡착되며, 상기 다공질층에는 염료가 흡착될 수 있다.
또한, 상기 이온성 액체층은, 유기소재 원료를 수용하는 도가니를 유기소재 원료의 승화점까지 가열하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 발생한 유기소재 원료의 승화기체가 상기 이온성 액체에 증착되는 제 2 단계; 및 상기 승화기체가 상기 이온성 액체에서 재결정화되는 제 3 단계;를 포함하는 방법을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 3 단계 이후에 상기 재결정화된 유기소재를 상기 이온성 액체로부터 분리하는 제 4 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 3 단계에서는 상기 이온성 액체의 용해도를 조절하기 위해 상기 이온성 액체의 온도를 조절할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 이온성 액체를 이용한 전지 및 그 제조방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명과 관련하여, 이온성 액체를 이용한 유기소재 정제장치의 구성관계를 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이온성 액체를 이용한 유기소재 정제장치를 이용한 정제방법에 대한 흐름도의 일례를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명과 관련하여, 이온성 액체를 이용한 유기소재 정제장치의 구성관계를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명과 관련된 일반적인 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기석을 이용한 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기석을 이용한 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기석을 이용한 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기석을 이용한 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기석을 이용한 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 기본 개념을 설명하기 위한 도면으로서, 이는 일반적인 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.
이온성 액체(Ionic liquids, ILs)는 유기 및 무기 화합물에 훌륭한 용해도를 나타내는 낮은 융해점, 무증기압, 높은 열 안전성을 지닌 유기성 염이다.
상기 특성으로 인해 이온성 액체(ILs)는 바이오텍 산업, 의약 및 화학 산업, 신소재 나노융합 분야 등에서 폭넓게 사용되고 있다.
특히, 이온성 액체는 필터로 활용되어 유기소재를 정제하는 방법에 이용될 수도 있다.
이를 OLED(Organic Light Emitting Diodes) 표시장치를 통해 설명한다.
최근에는 OLED(Organic Light Emitting Diodes) 표시장치가 차세대 표시장치로 각광받고 있다. 그 이유는 무기 LED가 요구하는 높은 구동전압이 필요 없을 뿐만 아니라, 자기발광, 박막, 빠른 응답속도, 넓은 시야각 등의 장점과 다양한 유기화합물로 인해 다색성이 용이한 장점이 있기 때문이다.
이러한 OLED는 정공과 전자가 발광층에서 재결합하여 들뜬 상태로 있는 여기자(exciton)를 생성하고, 생성된 여기자로부터의 에너지에 의해 특정한 파장을 갖는 빛을 발광하는 소자를 일컫는다.
OLED는 유리 등의 투명기판(Glass)상에 양극(Anode), 정공 주입층(Hole injection layer: HIL), 정공 수송층(Hole transport layer: HTL), 유기 발광층(Emission layer: EML), 전자 수송층(Electron transport layer: ETL), 전자 주입층(Electron injection layer: EIL) 및 음극(Cathode) 이 순차적으로 형성된 적층구조로 구성된다.
OLED을 제작함에 있어서는 발광 및 전하수송을 위한 유기물이 필요하다. 그런데, 이러한 유기물은 전자와 정공의 주입뿐만 아니라 주입된 정공과 전자의 재결합에 직접 관여하기 때문에, 유기물의 순도는 OLED의 칼라, 발광효율 및 수명을 좌우하는 아주 중요한 요소로 작용하고 있다.
즉, 유기물 내의 소량의 불순물은 주입된 전하의 소멸 확률을 증대시켜, 정공과 전자의 재결합 확률을 낮추어 발광효율의 저하를 가져올 뿐만 아니라, 불순물 첨가로 인한 새로운 에너지 레벨이 형성되어 발광색의 순도 저하의 요인이 된다.
따라서, 고휘도, 고효율, 장수명의 전계발광소자를 달성하기 위해서는, 전계발광소자 구조의 최적화와, 정공(혹은 전자) 주입 및 수송특성이 우수한 신재료의 개발, 및 유기 발광층용 새로운 재료개발과 더불어 OLED용 유기물의 순도 향상이 요구되고 있다.
한편, OLED용 유기물을 정제함에 있어서는 일반적으로 용매를 사용한 재결정 또는 승화에 의한 재결정 방법이 사용되고 있다. 승화에 의한 재결정 방법은 진공하에서 유기재료가 승화되어 재결정되므로, 불순물이 들어가지 않는 특성을 갖는다. 따라서, 통상적인 유기전계발광소자용 유기재료의 정제 방법으로는 승화 정제법이 일반적으로 사용되고 있다.
여기서, 승화(sublimate)는 상평형도에서 3중점 이하의 온도와 압력에서 발생하는 기체-고체상의 전이현상을 지칭한다. 상압에서 가열하면 열분해되는 물질이라 할지라도 1중점 이하의 낮은 압력에서는 비교적 높은 온도에서도 분해되지 않는 상태가 유지된다. 이러한 성질을 이용하여 온도 기울기의 제어가 가능한 승화 장치 내에서, 혼합된 물질을 가열하여 물질이 분해되지 않은 상태로 승화점이 다른 불순물과 분리하는 조작을 진공 승화법(vacuum sublimation method)이라 한다. 이러한 진공 승화법은 순수한 물리적인 방법으로 보조 시약의 사용이나 그 이외의 화학적 방법에 의하지 않기 때문에, 시료의 오염이 없고 분리율이 큰 장점을 가지고 있어서 OLED용 유기소재의 정제에 유용한 방법이다.
현재 통상적으로 사용되고 있는 OLED용 유기소재의 정제 방법은 연속 승화 (train sublimation)정제법이다. 이 방법은 중공형인 긴 관의 끝부분에 정제 대상 소재를 위치시키고, 진공펌프를 이용해 관 내부를 진공시킨 상태에서 히터로 관을 가열해 관 전체에 걸쳐 온도 기울기를 만드는 것이다. 이렇게 함으로써 분리하고자 하는 소재와 불순물의 승화점 차이에 기인한 재결정 위치의 차이를 이용해 소재를 분리할 수 있다. 경우에 따라서는 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 진공도가 크게 떨어지지 않는 범위 내에서 정제장치를 구성하는 소재와 반응하지 않는 질소 또는 불활성기체를 유동시켜 유기소재의 기체를 운반하는 운송기체로 사용하고 있다. 이러한 운송기체는 유기소재의 기체를 원활하게 유동시키는 역할을 한다.
유기소재 원료는 도가니 내에 담기고, 도가니는 제2 석영 유리관 내의 일측에 배치된다. 한편, 제2 석영 유리관의 외측은 제1 석영 유리관이 감싸고 있는 구조를 갖는다. 여기서, 도가니는 도시하지 않았으나 양 단부가 개방된 중공의 원통 석영관의 양 단부에 끼워 맞추어지며, 스테인리스 스틸 재료로 구성되며 구멍을 갖는 한 쌍의 뚜껑을 갖도록 구성된다.
히터는 제1 석영 유리관의 일측을 둘러싸듯이 설치된다. 이때, 히터는 도가니가 위치하는 대응 위치에 설치된다. 진공펌프는 제2 석영 유리관의 타측에 배치되어 제2 석영 유리관의 내부를 진공상태로 유지시키는 역할을 한다.
승화 정제장치는, 우선 진공펌프를 이용해 제2 석영 유리관의 내부를 진공상태로 만들고, 소량의 운송기체를 진공펌프가 설치된 제2 석영 유리관의 전체에 흘려주어 미세한 압력 기울기를 형성한다. 그리고, 히터(250)를 이용해 온도를 서서히 올리면 제2 석영 유리관의 전체에 걸쳐서 온도 기울기가 형성되는데, 이때 형성되는 온도 분포는 정규 분포 곡선의 모양을 나타낸다.
한편, 도가니의 온도가 그 안에 담긴 정제 대상인 유기소재 원료의 승화점보다 높아지면 소재는 승화되기 시작하며, 이때 형성된 기체 분자는 도가니의 외부로 나온 뒤에 압력 기울기에 의해 진공펌프가 설치된 방향으로 이동하기 시작한다. 이때, 유기소재 원료보다 승화점이 높은 불순물은 도가니의 내부에 잔류한다.
진공펌프가 설치된 방향으로 이동하는 기체 분자는, 승화점 이하의 온도를 가진 제2 석영 유리관의 구간에서 다시 고체상으로 전이되어, 제2 석영 유리관의 내측 표면에 결정 상태로 맺힌다.
한편, 일정시간이 경과하고 나면 가열을 멈추고 서서히 냉각시켜서 상온과 같아지면 제2 석영 유리관을 해체해 결정 상태의 정제소재를 긁어내서 회수한다.
그런데, OLED에 사용되는 유기소재(정제소재)는 불순물 함유량이 극히 적은 고순도 상태여야 하므로 단 한번의 정제로는 필요한 순도의 소재를 얻기 어렵다.
다시 말해서, 승화 정제법의 경우 유기소재의 승화점 차이를 이용해 원료물질을 순도가 높은 유기물질로 정제할 수 있는 장점이 있는 반면, 정제과정이 승화-응축을 반복하는 과정 중에 유기물질의 상당량이 불활성기체와 함께 배기로 소실되므로, 출발물질 대비 최종 정제물질의 수율이 매우 낮다는 문제점이 있다.
이 때문에 정제공정에서 소비되는 에너지가 많고, 이는 최종적으로 유기물질의 원가가 상승하는 문제점으로 작용하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 진공 중에서도 안정된 이온성 액체를 필터로 활용하여 OLED용 유기소재를 간편하게 대량으로 정제 생산할 수 있는 이온성 액체를 이용한 유기소재 정제방법 및 정제장치가 이용될 수 있다.
하기에서는, 이 발명에 따른 이온성 액체를 이용한 유기소재 정제방법 및 정제장치의 양호한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련하여, 이온성 액체를 이용한 유기소재 정제장치의 구성관계를 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 유기소재 정제장치(300)는 불순물이 함유된 OLED용 유기소재 원료를 가열하여 승화시키는 진공분위기의 승화수단과, 승화된 유기소재의 승화기체를 이온성 액체 안으로 혼입시켜 이온성 액체 안에서 재결정화시키는 진공분위기의 재결정화수단, 및 승화수단과 재결정화수단의 작동을 제어하는 제어수단을 포함하여 구성된다.
여기서, 승화수단은 유기소재 원료(311)를 수용하는 도가니(310)와, 도가니(310)가 설치되며 일정 내부 용적을 갖는 가열챔버(320)와, 가열챔버(320)의 내부를 진공상태로 만드는 진공펌프(350)와, 도가니(310)를 가열하는 제1 히터(312), 및 가열챔버(320)의 일측에 연결되어 불활성 기체를 공급하는 불활성 기체공급원(360)을 포함하여 구성된다.
그리고, 재결정화수단은 이온성 액체(341)를 수용한 저장조(340)와, 일측이 가열챔버(320)의 내부와 연통하고 타측이 저장조(340) 내의 이온성 액체(341)에 침지되는 연결도관(330)과, 저장조(340)의 내부를 진공상태로 만드는 상기 진공펌프(350), 및 저장조(340)의 이온성 액체(341) 위에 수집된 기체를 저장조(340) 밖으로 배출하는 배출펌프(353)를 포함하여 구성된다.
한편, 가열챔버(320)와 저장조(340)는 상측에서 서로 연결되며, 그 연결부위에 진공펌프(350)가 설치된다.
그리고, 진공펌프(350)의 연결라인에는 가열챔버(320) 및 저장조(340)와 선택적으로 연통시키는 밸브(351, 352)가 각각 설치된다.
그리고, 저장조(340)의 상부 쪽에는 유기소재의 정제에 사용된 이온성 액체(341)를 정제 공정을 거쳐 재활용할 수 있도록 수집하는 이온성 액체 수집부(370)를 더 갖도록 구성할 수 있다.
이 실시예에 따른 이온성 액체(341)로는 화학식 1의 1-부틸-3-메틸리미다조리움 비스(트리플루오르메틸 술포닐)이미드(1-Butyl-3-methylimidazorium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide)(BMIM TFSI)를 이용하거나, 화학식 2의 1-옥틸-3-메틸리미다조리움 비스(트리플루오르메틸 술포닐)이미드(1-Octyl-3-methylimidazorium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide)(OMIM TFSI)를 이용할 수 있다. 또는, 1-에틸-3-메틸리미다조리움 비스(트리플루오르메틸 술포닐)이미드(1-Etyl-3-methylimidazorium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide)(EMIMTFSI)를 이용할 수도 있다.
화학식 1
Figure pat00001
화학식 2
Figure pat00002
상기와 같은 이온성 액체(BMIM TFSI, OMIM TFSI, EMIM TFSI)는 비휘발성 유기용매로서 이온성 액체 내에서 유기(organic)물질과 불순물이 용해-재결정화를 수 없이 반복하는 과정에서 과포화도에 더 빨리 도달하는 유기소재가 우선 재결정화되는 메커니즘으로 인해 다양한 유기소재를 정제 및 재결정화 하는데 사용이 가능하다.
한편, BMIM TFSI, OMIM TFSI, EMIM TFSI는 저융점(low melting point), 저증기압(low vapor pressure), 불연성(nonflammable), 유기분자이온의 구성(consist of organic molecular ions), 음-양이온간 조합비율의 조절성질(controllable properties by combinations of anions and cations) 등의 특성을 가지고 있다.
이 실시예에 따른 이온성 액체는 유기소재를 정제 및 재결정화를 하는데 사용되는 것으로서, 100~120℃, 107 Torr에서도 액체상으로 안정하여 진공 공정에서도 용매로 이용이 가능하다.
한편, 이 실시예에 따른 유기소재 원료(311)로는 정공 수송층(HTL) 재료로 쓰이는 NPB(N,N'-bis(naphthalen-1-yl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidine) 소재를 이용할 수 있다.
여기서, NPB는 승화점이 180℃ 이상이다. 따라서, 가열챔버(320) 내의 도가니(310)를 200℃ 이상으로 가열시키면 승화된다.
한편, OLED 소자 제작을 위해 사용되는 증착물질(유기소재 원료)은 상기와 같은 물질 이외에도 여러 가지가 존재한다. 따라서, 이 발명은 이러한 여러 종류의 유기소재를 원료로 이용할 수가 있다.
도가니(310)는 가열챔버(320)의 바닥 쪽에 설치되는 것으로서, 하부 쪽에 제1 히터(312)를 갖도록 구성된다.
또한, 도가니(310)는 그 내부에 정제대상의 유기소재 원료(311)를 담을 수 있는 형태를 갖도록 구성된다.
한편, 연결도관(330)은 그 일측이 가열챔버(320)의 상부에 연결되고, 타측이 저장조(340)의 상부를 통해 연장하여 이온성 액체(341)의 내부에 침지되는 형태로 배치된다. 이러한 연결도관(330)의 주위에는 연결도관(330)을 가열하는 제2 히터(331)가 더 설치될 수 있다. 여기서, 제2 히터(331)는 후술할 혼합기체가 연결도관(330)을 통해 이온성 액체(341) 안으로 혼입되는 과정에서, 혼합 승화기체(313)가 승화점을 유지할 수 있도록 연결도관(330) 주위를 가열하는 역할을 한다.
그리고, 저장조(340)의 하부에는 제3 히터(342)가 추가로 더 설치될 수 있다. 여기서, 제3 히터(342)는 이온성 액체(341)를 가열하여 혼합 승화기체(313)가 이온성 액체(341)에 용해되는 용해도를 조절하는 역할을 한다. 또한, 저장조(340)의 상부 쪽에는 배출펌프(353)가 더 설치될 수 있다. 이때, 배출펌프(353)의 설치라인에는 밸브(354)가 더 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 저장조(340)의 상부 쪽에는 이온성 액체 수집부(370)가 더 설치될 수 있다. 여기서, 이온성 액체 수집부(370)는 유기소재의 정제에 사용된 이온성 액체(341)를 증발시켜 불순물과 용해된 유기소재와 분리정제 공정을 거쳐 재활용할 수 있도록 수집하는 역할을 하는 것으로서, 저장조(340)의 내측면에 고정되며 곡면 형태를 갖는 수집판(371)과, 저장조(340)의 내측면에 고정되어 수집판(371)에 의해 수집되는 이온성 액체를 모으는 수집통(372)을 갖도록 구성된다.
아래에서는 상기와 같이 구성된 이 실시예의 유기소재 정제장치를 이용해 유기소재를 정제하는 방법에 대해 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 이온성 액체를 이용한 유기소재 정제장치를 이용한 정제방법에 대한 흐름도의 일례를 도시한 것이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 가열챔버(320)의 내부에 유기소재 원료(311)가 담긴 도가니(310)를 설치하고, 저장조(340)에 이온성 액체(341)를 적당량 주입한 후, 진공펌프(350)를 이용해 가열챔버(320)와 저장조(340)를 진공화시킨다. 그런 다음, 제1 히터(312)를 이용해 도가니(310)를 유기소재의 승화점까지 가열시킨다.
그러면, 유기소재와 일부 불순물이 혼합된 유기소재의 혼합 승화기체(313)가 된다(S410).
이 상태에서 불활성 기체공급원(360)에서 가열챔버(320)의 내부로 불활성 기체를 공급한다. 이때, 불활성 기체로는 진공도가 크게 떨어지지 않는 범위 내에서 유기소재 정제장치(300)를 구성하는 소재와 반응하지 않는 질소 또는 아르곤 가스 등을 사용한다. 이러한 불활성 기체는 혼합 승화기체(313)를 저장조(340) 내의 이온성 액체(341) 안으로 유동시키는 역할을 하는 것으로서, 혼합 승화기체(313)와 혼합되어 혼합기체가 된다(S420).
이렇게 형성된 혼합기체는 가열챔버(320) 내부에서의 압력이 상승함에 따라 연결도관(330)을 통해 이온성 액체(341) 안으로 혼입되어 기포를 형성한다(S430). 한편, 혼합기체가 연결도관(330)을 통해 이온성 액체(341) 안으로 혼입되는 과정에서, 연결도관(330)의 주위에 설치된 제2 히터(331)가 연결도관(330)의 주위를 가열함에 따라 혼합 승화기체(313)가 승화점을 유지한 상태로 이온성 액체(341) 안으로 혼입될 수 있다.
한편, 이온성 액체(341)에 혼입된 혼합기체는 기포를 형성하면서 기포 안의 혼합 승화기체(313)가 이온성 액체(341)에 용해되고, 불활성 기체는 이온성 액체(341)에 용해되지 않은 채 이온성 액체(341)의 밖으로 떠올라 저장조(340)의 상부에 수집된다. 이렇게 저장조(340)의 상부에 수집된 불활성 기체는 배출펌프(353)에 의해 저장조(340) 밖으로 배출되어 회수된다(S440). 한편, 저장조(340) 밖으로 배출되어 회수된 불활성 기체는 불활성 기체 리턴수단을 통해 불활성 기체공급원(360)으로 리턴되어 재활용할 수도 있다. 여기서, 불활성 기체 리턴수단은 일반적인 펌프 등을 이용해 구성하면 된다.
이온성 액체(341)에 혼합 승화기체(313)가 용해될 때 불순물 대비 정제대상의 유기소재의 함량이 절대적으로 높기 때문에, 유기소재가 우선 과포화상태에 이르러 재결정화가 먼저 시작되어 고순도의 정제소재(343)로 석출된다(S450). 이때, 저장조(340)의 하부에 설치되는 제3 히터(342)를 이용해 혼합 승화기체(313)가 이온성 액체(341)에 용해되는 용해도를 조절할 수가 있다. 그로 인해, 혼합 승화기체(313)에 대한 이온성 액체(341)의 용해도를 조절하여 이온성 액체(341) 내에서 유기소재의 과포화도 및 유기소재의 재결정화 속도 등의 제어가 가능하다. 이로 인해 재결정화되는 과정에서 불순물의 혼입을 최소화할 수 있으며, 이렇게 이온성 액체(341) 내에 석출되는 고순도의 정제소재(343)는 가열챔버(320)로부터 적절히 회수하면 된다. 예를 들어, 저장조(340)의 일측에 개폐구를 형성해 그 곳을 통해 정제소재(343)를 회수하면 된다.
상기와 같이 이온성 액체(341) 내에 석출되는 고순도의 정제소재(343)가 회수되고 나면, 이온성 액체(341) 내에서는 혼합기체 내에 포함되어 있던 과포화도에 이르기까지 용해된 유기소재와 소량의 불순물이 일부 잔류하게 된다. 또한, 정제공정이 진행됨에 따라 이온성 액체(341) 내의 불순물 함량이 증가하게 되고, 일정 시점에서는 불순물 성분 또한 과포화도에 다다르게 되어 재결정화된 유기소재 내에 불순물의 혼입이 발생하게 된다. 이 시점에서 정제공정을 위한 이온성 액체를 고순도의 이온성 액체로 교환해 주는 것이 바람직하다.
한편, 용해된 유기소재 및 불순물은 이온성 액체와 비교하여 그 증발온도가 서로 다르다. 즉, 이온성 액체의 증발온도가 유기소재 및 불순물에 비해 낮다. 이러한 특성을 이용하면 이온성 액체 성분을 따로 분리 정제하는 것이 가능하다. 이를 위해, 제3 히터(342)를 이온성 액체의 증발온도로 설정해 가열시키면, 이온성 액체는 증발해 이온성 액체 수집부(370)의 수집판(371)을 거쳐 수집통(372)에 회수되고 고농축된 유기소재 및 불순물만 잔류하게 된다. 이렇게 잔류하는 고농축된 유기소재 및 불순물은 별도로 수거 후 일반적인 용매를 이용한 재처리를 통해 유기소재와 불순물의 분리공정을 거친 후, 일정수준의 순도를 갖는 유기소재는 다시 재결정화를 위한 원료로 이용할 수 있다. 또한, 수집통(372)에 회수된 이온성 액체는 이온성 액체 리턴수단을 통해 저장조(340) 내부로 리턴되어 재활용할 수 있다. 여기서, 이온성 액체 리턴수단은 일반적인 펌프 등을 이용해 구성하면 된다.
한편, 이 실시예의 유기소재 정제장치(300)는 혼합기체가 저장조(340)의 이온성 액체(341) 내에 혼입되고 나서, 기포 내의 혼합 승화기체(313)가 이온성 액체(341)와 접촉하여 용해되기 쉽도록 기포의 용적을 더 작게 만드는 기포 미세화수단을 포함할 수도 있다.
또한, 이 실시예의 유기소재 정제장치(300)는 혼합 승화기체(313)가 이온성 액체(341)에 접촉하기 쉽도록 접촉 확대수단을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 혼합 승화기체(313)가 불활성 기체와 혼합된 상태에서 이온성 액체(341) 안을 일정 시간 통과하도록 유도함으로써 승화기체의 용해를 촉진할 수도 있다.
도 3은 본 발명과 관련하여, 이온성 액체를 이용한 유기소재 정제장치의 구성관계를 도시한 개념도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 유기소재 정제장치(300A)는 정제소재(343A)의 원활한 회수가 가능하도록 저장조(340A)의 형태와 제3 히터(342A)의 배치를 일부 변형한 것을 제외하고는 전술한 유기소재 정제장치(300)와 동일하게 구성된다. 따라서, 이 실시예에서는 동일한 구성요소들에 대서는 동일 도면부호를 부여하고 그에 대한 설명을 생략하기로 한다.
이 실시예의 저장조(340A)는 그 하부 쪽이 깔때기 형태로 구성되고, 하부 쪽에 정제소재(343A)의 회수통(344)을 별도로 갖도록 구성된다. 이때, 회수통(344)는 저장조(340A)의 하단에 분리 및 결합이 가능하게 구성된다. 따라서, 회수통(344)에는 상술한 바와 같은 공정을 거쳐 석출된 정제소재(343A)가 점점 쌓이게 된다.
한편, 저장조(340A)의 하부에는 회수통(344)으로 이온성 액체가 이동하지 못하도록 제어하는 밸브(345)가 더 설치된다.
따라서, 회수통(344) 내에 정제소재(343A)가 일정량 쌓이면 밸브(345)를 폐쇄하고, 회수통(344)을 저장조(340A)에서 분리해 정제소재(343A)를 회수하면 된다.
한편, 이 실시예의 제3 히터(342A)는 저장조(340A)의 하부에 회수통(344)을 갖도록 구성함에 따라, 저장조(340A)의 측면에 설치해 간접 가열방식으로 정제소재(343A)가 원활하게 석출될 수 있도록 가열하면 된다.
전술한 이온성 액체는 전지에도 이용될 수 있다.
특히, 이온성 액체는 태양 전지에 이용될 수 있다.
본 발명의 구체적인 내용을 설명하기에 앞서 일반적인 염료감응형 태양전지의 구조에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명과 관련된 일반적인 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
염료감응형 태양전지는 전해질층(3)을 사이에 두고 하부 구조체 및 상부 구조체가 형성된다.
상기 하부 구조체는 예컨대 유리 등의 하부 기판(1)과, 이 하부 기판(1)상에 형성되는 하부 전극층(2)을 구비한다. 하부 전극층(2)은 도전성 금속으로 구성된다. 또한 바람직하게는 상기 하부 전극층(2)의 상측에는 촉매금속층으로서 백금(Pt)층이 형성될 수 있다.
상부 구조체는 예컨대 강화 유리 등으로 이루어진 상부 기판(6)과, 이 상부 기판(6)상에 형성되는 상부 전극층(5) 및 다공질층(4)을 구비한다. 상기 상부 전극층(5)은 예컨대 SnO2 등의 투명전극으로 이루어지고, 다공질층(4)은 예컨대 TiO2층으로 구성된다. 그리고 다공질층(4)에는 예컨대 루테늄(Ru)계 염료가 흡착된다.
또한, 상기 상부 전극(15)으로서는 예컨대 ITO, TCO, FTO, ZnO 등의 투명한 전도성 물질이 사용된다.
상기한 염료감응형 태양전지는 상부 기판(6)을 통해 외부 광이 입사되면, 입사되는 광은 상부 기판(6)과 상부 전극층(5)을 통해 다공질층(4)으로 전달된다. 입사광은 다공질층(4)에 흡착되어 있는 염료 분자들을 여기시키게 된다. 이러한 여기 상태에서 염료들로부터 다공질층(4)으로 전자들이 주입되고, 이와 같이 주입된 전자들은 다공질층(4)으로부터 상부 전극층(5)으로 확산된다.
한편, 전자를 잃어버린 염료 분자에 대해서는 전해질로부터 전자가 제공된다. 전해질은 예컨대 요오드로 구성되는데, 요오드는 염료에 전자를 제공하면서 트리요오드화물(triiodide)로 산화된다. 전자를 잃어버린 트리요오드화물은 양극, 즉 하부 전극층(2)의 표면으로 확산 이동되어 외부 회로를 통해서 유입되는 전자를 받아서 다시 요오드로 환원되고, 이와 같이 환원된 요오드는 다시 음극, 즉 상부 전극(5)측으로 확산 이동하게 된다.
그런데 상기 구조에서 다공질층(4)으로 사용되는 TiO2층은 이를 형성할 때 고온이 요구된다. 이는 상부 기판(6)과 상부 전극층(5)의 재질에 대한 큰 제약을 초래한다.
본 발명에 있어서는 상기 다공질층(4) 대신에 전기석층을 형성한다. 이 전기석층은 전기석 분말로 형성된다.
전기석은 토루말린(tourmaline)이라 칭하는 붕규산염계 다공질성 광물로서, 적색, 황색, 녹색, 검정색 등 각종 색깔을 이루는 것에서부터 투명한 것에 이르기까지 다양한 색상의 것이 존재한다.
전기석은 미세한 분말, 예컨대 0,3㎛ 크기의 입자로 분쇄하여도 양극과 음극을 구비하고, 여기에 열이나 압력을 가하면 전기를 발생시키는 것으로 알려져 있다. 또한 이러한 외부적인 열이나 압력을 가하지 않는 경우에도 음극을 통하여 0.06㎃의 미세전류를 영구적으로 방출한다. 그리고 이러한 전기석 또는 전기석 분말에 물 등의 액체가 접촉되면 음극을 통하여 방출되는 미세전류에 의하여 물이 순간적으로 전기 분해되면서 주변을 음이온 상태로 만드는 특징을 갖는다.
따라서 전기석을 이용하여 다공질층을 형성하게 되면, 기본적으로 전기석은 다공성 광물이기 때문에 염료가 용이하게 흡착됨은 물론 그 흡착량이 매우 많게 되고, 특히 다공질층을 전기석으로 형성하게 되면 외부에서 태양광이 입사될 때, 태양광의 에너지에 의해 전기석으로부터 다량의 전자가 방출되어 태양전지의 광전변환 효율이 높아지게 된다.
또한, 전기석은 전해질도 용이하게 흡착되므로 염료와 전해질간의 접촉 면적이 넓어지게 됨으로써 염료에 대한 전자 공급이 원활해지게 된다.
또한, 전기석층은 저온에서도 용이하게 형성할 수 있게 되므로 태양전지의 기판에 대한 제약이 제거되게 된다.
도 8는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기석을 이용한 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 실시예에서는 상부 기판(6)상에 상부 전극층(5)이 형성되고, 이 상부 전극층(5)의 상측에 전기석 분말로 구성되는 다공질층(20)이 형성된다. 다공질층(20)의 형성은 전기석 분말을 예컨대 유기 용매 등에 혼합하고, 이 혼합 용액을 잉크젯 또는 스크린 인쇄법 등을 통해 상부 전극층(5)상에 도포한 후, 일정 온도 이하로 열을 가하여 유기 용매를 증발시키는 방법을 통해 용이하게 형성할 수 있다. 그리고, 상기 다공질층(20)에는 염료가 흡착된다. 염료의 흡착은 염료 용액에 다공질층(20)이 형성된 상부 기판(6)을 일정 시간 이상 침지하는 방법을 통해 실행한다.
또한 본 실시예의 다른 변형예에서는 염료 용액에 전기석 분말을 혼합하여 혼합용액을 형성한다. 이때 전기석 분말에는 다량의 염료가 흡착된다. 그리고 상기 혼합 용액을 상부 전극층(5)상에 도포하여 다공질층(20)을 형성하게 된다.
또한, 다른 변형 예에서 도전성 풀이나 도전성 유기물이 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 변형 예에서는 전기석 분말 또는 염료가 흡착된 전기석 분말을 도전성 풀이나 도전성 유기물 용액에 혼합한 후, 이를 상부 전극층(5)상에 도포하여 다공질층(20)을 형성하게 된다.
도전성 유기물과 전기석 분말의 혼합물 등을 이용하여 다공질층(20)을 형성하는 경우에는 상부 전극층(5)을 제거하고, 다공질층(20)으로 상부 전극층을 대신하도록 구현하는 것도 고려할 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 전기석으로서는 광투과도를 고려하여 투명한 특성을 갖는 전기석을 바람직하게 이용할 수 있다. 그러나 염료가 흡수하는 광파장 대역을 고려하여 적절한 색상을 갖는 전기석을 이용할 수 있다.
또한 상기 전기석 분말에 철, 바람직하게는 자철석 또는 영구자석 분말이 혼합될 수 있다.
한편, 상기 전기석의 역할을 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)이 대체할 수 있다.
그리고 그 밖의 부분은 상술한 도 7과 동일하므로 실질적으로 동일한 부분에는 동일한 참조번호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
상기 구조에서는 외부로부터 태양광이 입사되면, 다공질층(20)에 흡착되어 있는 염료 분자가 여기되어 전자를 방출하고, 이와 같이 방출된 전자가 상부 전극층(5)에 전달되어 외부로 전류를 공급하는 과정은 종래의 구조와 동일하다.
한편, 도 8의 구조에 있어서는 외부로부터 태양광이 입사되고, 또한 이에 따라 다공질층(5)의 온도가 상승하면 다공질층(4)을 구성하는 전기석 분말로부터 다량의 전자가 방출된다.
도 8의 구조에서 전해질층(3)에 전해질이 주입되면, 다공질층(20)을 구성하는 전기석 분말에 다량의 전해질이 흡수되고, 이에 따라 염료와 전해질 간의 접촉 면적이 대폭 증가된다.
이때, 전해질층(3) 및/또는 다공질층(20)에 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)가 이용될 수 있다.
태양광에 의해 전기석 분말로부터 방출되는 전자는 전해질의 트리요오드화물을 환원시키거나 염료에 직접적으로 제공된다. 또한 상당량의 전자는 상부 전극층(5)으로 전달된다. 따라서 염료에 대한 전자의 공급이 활발해짐과 더불어 다공질층(4)으로부터 상부 전극층(5)으로 전달되는 전자의 양이 대폭 증가하게 된다. 즉 태양전지의 광전변환 효율이 대폭적으로 향상된다.
또한, 본 실시예에서는 다공질층(30)을 저온에서 형성할 수 있게 되므로, 상부 기판(6)으로서는 투명 종이, 바람직하게는 유기물 기판을 사용할 수 있다. 또한 이 경우 상부 전극층(5)으로서 도전성 유기물이나 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다. 그리고 이 경우에는 상부 기판(6)으로서 고가의 강화유리를 사용하지 않아도 되므로 제조가격을 더욱 낮출 수 있게 되고, 또한 태양전지의 무게 또한 대폭 저하되게 된다.
도 9은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기석을 이용한 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 9에 있어서는 전기석 분말을 흡착하기 위한 전기석 흡착층(10)이 구비된다. 이 전기석 흡착층(30)은 전해질을 용이하게 흡수 또는 통과시키는 재질이 사용된다. 전기석 흡착층(30)으로서는 종이나 부직포 등의 섬유, 보다 바람직하게는 투명 종이가 사용될 수 있다.
전술한 것과 같이, 이때에는 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)가 이용될 수도 있다.
여기서 종이라 함은 펄프를 주원료로 하여 제조된 일체의 종이를 포함한다. 또한 종이로서 종이를 포함하는 재질, 예컨대 종이에 세라믹이나 실리콘 등의 내열성 재료를 침투시킨 것을 사용할 수 있다.
상기 전기석 흡착층(30)에는 전기석 분말과 염료가 흡착된다. 전기석 분말의 흡착과 염료의 흡착은 순차적으로 또는 동시적으로 실행하는 것이 가능하다. 동시적인 방법에 있어서는 전기석 분말과 염료의 혼합물이 이용된다.
상기한 바와 같이 염료 용액에 전기석 분말을 혼합시키게 되면 전기석 분말에 다량의 염료가 흡착된다. 그리고 이러한 혼합 용액에 전기석 흡착층(30)을 침지시키면 흡착층(30)에 전기석 분말이 흡착된다.
또한, 상기 전기석 분말과 함께 철, 자철석 또는 영구자석 분말이 사용될 수 있다.
전기석 흡착층(30)은 상부 전극층(5)에 예컨대 도전성 풀을 이용해 부착할 수 있다. 이 경우 전기석 분말과 염료는 상부 전극층(5)에 전기석 흡착층(30)을 부착한 후에 전기석 흡착층(30)에 흡착될 수 있다. 물론, 전기석 흡착층(30)에 전기석 분말과 염료를 흡착한 후 이를 상부 전극층(5)에 부착하는 것도 가능하다.
또한, 다른 바람직한 구현예에서 전기석 흡착층(30)의 상측에 상부 전극층(5)[0109] 을 형성할 수 있다. 이 경우에는 상부 기판(6)이 바람직하게 제거될 수 있다. 또한 상부 기판(6) 대신에 전기석 흡착층(30)의 상측에 보호층이 구비될 수 있다. 보호층은 광투과도가 좋은 재질이 바람직하게 이용될 수 있다. 보호층으로서는 예컨대 실리콘 수
지나 에폭시 수지가 사용될 수 있다.
전기석 흡착층(30)으로서 종이를 이용하는 경우에는 상부 전극층(5)으로서 투명한 특성을 갖는 도전성 물질, 예컨대 ITO, TCO, FTO, ZnO, CNT(Carbon Nano Tube), 그라핀 등이 사용될 수 있다. 이들 산화금속을 이용하여 상부 전극층(5)을 형성하는 경우에는 바람직하게는 진공증착법이 이용될 수 있다. 이때 진공증착을 실행하기에 앞서서 종이를 진공상태 또는 예컨대 아르곤(Ar), 네온(Ne) 등의 비활성 가스 분위기내에서 열처리함으로써 종이에 흡착되어 있는 수분이나 공기를 제거하는 것도 바람직하다. 또한 그라핀 등을 이용하여 상부 전극층(5)을 형성하는 경우에는 잉크젯법이나 스크린 인쇄법을 이용할 수 있다.
또한, 상기 상부 전극층(5)으로서는 도전성 유기물이나 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물이 사용될 수 있다. 이러한 유기물 또는 혼합물은 잉크젯법이나 스크린 인쇄법 등을 이용하는 것이 가능하다.
그리고 그 밖의 부분은 상술한 도 8의 실시예와 동일하므로 실질적으로 동일한 부분에는 동일한 참조번호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예에서는 전기석 흡착층(30)을 이용하여 다공질층을 구성하게 되므로 전기석 분말층을 보다 용이하면서도 안정적으로 형성할 수 있게 된다.
이때, 전기설 흡착층(30)에는 전술한 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)가 이용될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 상부 기판(6)으로서 사용되는 유리 기판을 제거할 수 있으므로 태양전지의 무게가 가벼워지고, 제조비용을 절감할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기석을 이용한 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 실시예는 하부 기판(1)과 하부 전극층(2)으로 구성되는 하부 구조체의 상측에 전해질 흡수층(40)이 구비된다. 이때 전해질 흡수층(40)으로서는 전해질이 용이하게 흡수되거나 통과되는 재질이 사용된다. 전해질 흡수층(40)으로서는 예컨대 종이나 부직포 등의 섬유가 이용될 수 있다.
상기 전해질 흡수층(40)의 상측에는 염료가 흡착된 전기석 분말층(41)이 구비된다. 물론 이 경우에도 전기석 분말층(41)에는 철, 자철석 또는 영구자석 분말이 혼합될 수 있다. 그리고 전기석 분말층(41)의 상측에는 상부 기판(6)과 상부 전극층(5)을 구비하는 상부 구조체가 구비된다.
본 실시예에 따른 태양전지를 구성하는 경우에는 우선 통상적인 방법을 통해 하부 구조체와 상부 구조체를 형성한다. 이어 하부 구조체의 상측에 전해질 흡수층(40)을 올려 놓고, 전해질 흡수층(40)의 상측에 염료가 흡착된 전기석 분말을 도포하여 전기석 분말층(41)을 형성한다. 그리고 전기석 분말층(41)의 상측에 상부 구조체를 올려 놓고, 전해질 흡수층(40)에 전해질을 주입 및 밀봉하여 태양전지를 완성하게 된다. 또한 상기 전해질 흡수층(40)에 전해질을 주입할 때에는 전기석 분말층(41)에도 전해질이 충분히 흡착될 수 있도록 충분히 주입하는 것이 바람직하다.
본 실시예에 있어서는 태양전지를 제조할 때, 하부 구조체상에 전해질 흡수층(40), 전기석 분말층(41) 및 상부 구조체를 순차적으로 적층하여 형성할 수 있게 되므로 태양전지를 매우 용이하게 제조할 수 있게 된다.
또한, 전해질 흡수층(40)에 의해 전해질이 안정적으로 유지되므로 태양전지에 대한 기밀처리가 매우 간단하게 된다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도면에서 참조번호 50은 전해질층(3)의 상측에 구성되는 상부 구조체이다. 이 상부 구조체(50)는 도 8 내지 도 5의 실시예에서 설명한 구성이 채용된다.
한편, 본 실시예에서는 하부 기판(51)으로서 종이가 채용된다. 이때 종이로서는 상술한 바와 같이 펄프를 주원료로 하여 제조된 일체의 종이와, 이러한 종이에 세라믹이나 실리콘 등의 내열성 재료를 침투시킨 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 하부 기판(51)으로서는 유기물이 채용될 수 있다. 이때 사용가능한 유기물로서는 예컨대 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리부틸렌테레프탈레이트 (PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌(PP), 프로필렌 공중합체, 폴리(4-메틸-1-펜텐)(TPX), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리아세탈(POM), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리설폰(PSF), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리초산비닐(PVAC), 폴리비닐알콜(PVAL), 폴리비닐아세탈, 폴리스티렌(PS), AS수지, ABS수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 불소수지, 페놀수지(PF), 멜라민수지(MF), 우레아수지(UF), 불포화폴리에스테르(UP), 에폭시수지(EP), 디알릴프탈레이트수지(DAP), 폴리우레탄(PUR), 폴리아미드(PA), 실리콘수지(SI) 또는 이것들의 혼합물 및 화합물을 이용할 수 있다.
상기 하부 기판(51)상에는 하부 전극층(52)이 형성된다. 하부 전극층(52) 으로서는 도전성 무기물, 예컨대 금, 은, 알루미늄, 플라티늄 등이나 금속 산화물, 전도성 중합체를 기재로 하는 예컨대 폴리아닐린, 폴리(3, 4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리스티렌술포네이트(PEDOT: PSS) 등의 도전성 유기물, 또는 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물을 이용할 수 있다.
또한, 상기 하부 전극층(52)으로서는 백금(Pt)층을 포함하는 다층 구조가 이용될 수 있다.
만일, 상기 하부 기판(51)으로서 종이나 유기물을 이용하는 경우에는 제1 전극층(52)으로서 바람직하게는 도전성 유기물이나 전도성 무기물(금속)과 전도성 유기물의 혼합물이 이용될 수 있다. 이러한 전극층은 예컨대 잉크젯법이나 스크린 인쇄법 등을 이용하여 형성된다.
또한, 전도성 금속과 전도성 유기물의 혼합용액은 예컨대 전도성 유기물 용액에 전도성 금속 또는 전도성 금속 산화물의 분말을 혼합하는 방법을 통해 생성하게 된다.
또한, 종이로 구성되는 하부 기판(51)상에 금속 재질로 구성되는 하부 전극층(52)을 형성하는 경우에는 예컨대 진공증착법이 이용된다. 그리고, 이때 필요에 따라 하부 전극층(52)을 형성하기 전에 하부 기판(51)을 진공상태 또는 예컨대 아르곤(Ar), 네온(Ne) 등의 비활성 가스 분위기내에서 열처리함으로써 종이에 흡착되어 있는 수분이나 공기를 제거하는 것도 바람직하다.
그리고 그 밖의 부분은 상술한 실시예와 실질적으로 동일하다.
본 실시에에서는 하부 기판(51)으로서 종이나 유기물을 이용하게 되므로 유연성 있는 태양전지가 제공된다. 또한, 본 실시예에 따른 종이 또는 유기물 기판은 그 크기에 구애받지 않으므로 대면적의 태양전지를 구현할 수 있게 된다.
도 9은 본 발명의 제5 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 실시예에서는 하부 기판(51)으로서 종이를 사용하고, 이 하부 기판(51)의 하측에 하부 전극층(52)을 형성한 것이다. 그리고 그 밖의 부분은 도 8의 실시예와 실질적으로 동일하므로, 동일한 부분에 동일한 참조번호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예에서는 전해질층(3)과 인접하는 부분에 종이로 구성되는 하부 기판(51)이 형성된다. 따라서 전해질층(3)에 전해질을 주입할 때 하부 기판(51)에 전해질이 흡착된다.
하부 기판(51)을 구성하는 종이에 전해질이 흡착되면, 종이와 하부 전극층(52)이 전기적으로 결합되므로 종이, 즉 하부 기판(51)이 하부 전극(52)과 동일한 전위상태로 설정된다. 또한 종이는 섬유질로 구성되므로 대량의 전해질이 종이와 전기적으로 접촉되게 된다.
이때, 전술한 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)가 대신 적용될 수도 있다.
이에 따라 하부 기판(51)을 통해 대량의 트리요오드화물이 환원되고, 이와 같이 환원된 요오드에 의해 염료에 대량의 전자가 공급되게 되므로 태양전지의 광전변환 효율이 대폭적으로 향상되게 된다.
또한 본 실시예에서는 하부 구조체와 상부 구조체 모두 대면적화가 용이하고, 유연성 있는 재질로 구성되므로 유연하면서도 대면적을 갖는 태양전지를 구현할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다. 예를 들어, 도 8 및 도 9의 실시예에서 하부 전극층(52)을 하부 기판(51)에 흡착시켜 구성하는 것도 가능하고, 또한 하부 기판(51)에 도전성 금속 분말 등을 흡착시켜 구성하는 것도 가능하다.
도 10은 일반적인 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
염료감응형 태양전지는 전해질층(3)을 사이에 두고 하부 구조 및 상부 구조가 형성된다.
여기서 하부 구조는 예컨대 유리 등으로 이루어진 하부 기판(1)과, 이 하부 기판(1)상에 형성되는 하부 전극(2)을 구비한다. 하부 전극(2)은 예컨대 백금(Pt)으로 구성된다.
상부 구조는 예컨대 유리 등으로 이루어진 상부 기판(6)과, 이 상부 기판(6)상에 형성되는 상부 전극(5) 및 다공질층, 즉 TiO2층(4)을 구비한다. 상기 상부 전극(5)은 예컨대 SnO2 등의 투명전극으로 이루어지고, TiO2층(4)에는 예컨대 루테늄(Ru)계 염료가 흡착된다.
상기한 구조의 태양전지는 상부 전극(5)을 통해 외부 광이 입사되면, 입사되는 광은 상부 기판(6)과 상부 전 극(5)을 통해 TiO2층(4)으로 전달된다. 이와 같이 외부 광이 전달되면 TiO2층(4)에 흡착되어 있는 염료 분자들이 여기된다. 이러한 여기 상태에서 염료들로부터 TiO2층(4)으로 전자들이 주입되고, 이와 같이 주입된 전자들은 TiO2층(4)으로부터 상부 전극(5)으로 확산된다.
한편 전자를 잃어버린 염료 분자에 대해서는 전해질로부터 전자가 제공된다. 전해질은 예컨대 요오드로 구성되는데, 요오드는 염료에 전자를 제공하면서 트리요오드화물(triiodide)로 산화된다. 전자를 잃어버린 트리요오드화물은 양극, 즉 하부 전극(2)의 표면으로 확산 이동되어 외부 회로를 통해서 유입되는 전자를 받아서 다시 요오드로 환원되고, 이와 같이 환원된 요오드는 다시 음극, 즉 상부 전극(5)측으로 확산 이동하게 된다.
상기한 염료감응형 태양전지에 있어서는 염료로 충분한 전자를 공급하기 위해서는 일정량 이상의 전해질이 요구된다. 그런데 전해질의 양이 많아지게 되면 상부 전극(5)과 하부 전극(3)간의 거리가 멀어지게 됨으로써 요오드의 산화, 환원 반응이 원활하게 이루어지지 않게 된다. 그리고 상부 전극(5) 주변에 산화된 트리요오드화물이 누적되게 되면 염료에서 생성된 전자와 트리요오드화물이 재결합함으로써 태양전지의 광전변환 효율이 저하되게 된다.
도 11는 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 10에 있어서는 전해질이 주입되는 전해질층(3)에 격리판(31)이 구비된다. 이 격리판(31)은 예컨대 종이로 구성된다. 또한 이 격리판(31)은 직물이나 부직포 등의 섬유층으로 구성된다. 여기서 종이라 함은 펄프를 주원료로 하여 제조된 일체의 종이와 더불어, 이러한 종이를 포함하는 재질, 예컨대 종이에 세라믹이나 실리콘 등의 내열성 재료를 침투시킨 것을 포함한다.
이때, 전술한 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)가 이용될 수도 있다.
그리고 그 밖의 부분은 도 10과 실질적으로 동일하므로, 동일한 부분에는 동일한 참조번호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 있어서는 전해질층(3)의 중간 부분에 설치되어 있는 격리판(31)을 중심으로서 요오드와 트리요오드화물이 인접하게 배치되면서 격리판(31)이 하나의 가상적인 전극으로서 작용하게 된다. 즉, 상기 격리판(31)은 상부 전극(5)에 대해서는 양극, 하부 전극(2)에 대해서는 음극으로 작용하게 된다.
그리고 격리판(31)을 중심으로 대치되는 요오드 및 트리요오드화물간에 산화, 환원 반응이 일어나게 된다. 즉, 상부 전극(5)으로부터 하측으로 확산 이동되는 트리요오드화물은 격리판(31)에서 그 하측의 요오드로부터 전자를 취하여 요오드로 환원되고, 하부 전극(2)으로부터 상측으로 확산 이동되는 요오드는 격리판(31)에서 상측의 요오드화물에 전자를 잃은 후 트리요오드화물로 산화된다.
그리고 이와 같이 환원 및 산화된 요오드 및 트리요오드화물은 다시 상부 전극(5) 및 하부 전극(2)측으로 확산 이동되게 된다.
즉, 상술한 실시예에 있어서는 전해질층(3)에 충분한 양의 전해질을 공급하면서도 가상적으로 상부 전극(5)과 하부 전극(2)간의 거리를 최대한도로 좁힘으로써 양 전극간의 전류 흐름이 원활해지도록 하게 된다.
본 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 경우에는 우선 통상적인 방법과 마찬가지로 하부 기판(1) 및 하부 전극(2)으로 구성되는 하부 구조체를 형성한다. 그리고 통상적인 방법과 마찬가지로 상부 기판(6), 상부 전극(5) 및 TiO2층(4)으로 구성되는 상부 구조체를 형성한 후 TiO2층(4)에 염료를 흡착시킨다.
그리고 격리판(31)을 사이에 두고 상부 및 하부 구조체를 결합시킴과 더불어 전해질층(3)에 전해질을 주입 및 밀봉하여 태양전지를 완성하게 된다.
또한 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 있어서는 상기 격리판(31)에 염료가 흡착된다.
격리판(31)에 염료가 흡착되면, 상층의 TiO2층(4)에 흡착되어 있는 염료에서 흡수되지 않은 외부 광은 격리판(31)에 흡착되어 있는 염료에 흡수된다. 그리고 상술한 바와 같이 광을 흡수한 염료는 여기상태로 되면서 전자를 생성하게 되고, 이와 같이 생성된 전자는 상부 전극(5)측으로부터 하측으로 확산 이동되는 트리요오드화물에 전달되어 이를 요오드로 환원시키게 된다,
그리고 이와 같이 전자를 잃은 염료는 하부 전극(2)측으로부터 상측으로 확산 이동되는 요오드로부터 전자를 흡수하게 된다.
즉, 본 실시예에 있어서는 격리판(31)에 흡착되어 있는 염료에 의해 격리판(31) 하측의 요오드와 격리판(31) 상측의 트리요오드 간의 전자 전달이 매우 원활하게 이루어지게 된다. 즉, 태양전지에 있어서 하부 전극(2)으 로부터 상부 전극(5)으로 전자 흐름이 원활해지게 됨으로써 태양전지의 효율이 높아지게 된다.
또한 본 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 경우에는 격리판(31)을 설치하기에 [0084] 앞서서 격리판(31)을 구성하는 예컨대 종이 등의 소재를 염료 용액에 일정 시간 동안 침지하여 격리판(31)에 염료를 흡착시키는 공정을 실행하게 된다. 그리고 그 밖의 공정은 도 11에 나타낸 실시예와 실질적으로 동일하다.
도 12은 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다. 본 실시예에 있어서는 전해질층(3)의 중간 부분에 격리판(40)이 구비되고, 격리판(40)은 2개층의 적층 구조(41, 42)로 되어 있다.
본 실시예에 있어서 상기 격리판(40)의 제1 층(41)은 상술한 실시예와 마찬가지로 종이, 직물 또는 부직포 등으로 구성되고, 제2 층(42)은 금속 등의 도전층, 바람직하게는 백금(Pt)으로 구성된다. 물론, 제2 층(42)을 구성하는 물질로서는 특정한 것에 한정되지 않고, 금(Au), 은(Ag), 동(Cu) 등의 도전성 무기질을 이용할 수 있다. 또한 상기 제2 층(2)을 구성하는 물질로서는 도전성 유기물이 사용될 수 있고, 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물도 바람직하게 사용될 수 있다.
이때, 사용가능한 도전성 유기물로서는 예컨대 전도성 중합체를 기재로 하는 예컨대 폴리아닐린, 폴리(3, 4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리스티렌술포네이트(PEDOT:PSS) 등의 혼합물이나 화합물이 사용된다.
제1 층(41)으로서 종이를 사용하고, 제2 층(42)으로서 도전성 금속을 사용하는 경우에는 제1 층(41)상에 진공증착을 이용하여 제2 층(42)을 구성할 수 있다.
또한 제2 층(42)으로서 도전성 유기물 등을 이용하는 경우에는 잉크젯법이나 스크린 인쇄법 등을 이용할 수 있다.
또한 도 12의 바람직한 실시예에 있어서 상기 제1 층(41)에는 염료가 흡착된다. 또한 도 12의 다른 바람직한 실시예에 있어서는 격리판(40)을 통해 전해질이 용이하게 이동할 수 있도록 제2 층(42)이 메시 구조로 형성된다.
본 실시예에 있어서는 제1 층(41)에서 요오드로부터 흡수된 전자가 제2 층(42)으로 신속하게 전달됨으로써 제1 층(41)에 전자를 잃은 트리요오드화물이 다시 제1 층(41)의 전자와 재결합하여 환원되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
또한 본 실시예에 있어서, 상기 격리판(40)으로서 제1 층(41)을 구성하는 종이 기판에 도전성 유기물 또는 도전성 유기물과 도전성 무기물을 흡착시켜 단일층으로 구성하는 것도 바람직하다. 또한 이 경우에 상기 도전성 유기물 용액이나 그 혼합 용액에 염료를 혼합함으로써 격리판(40)에 염료를 흡착시키는 것도 바람직하다.
또한 이와 같이 제1 층(41)에 도전성 물질을 흡착시키는 경우에는 격리판(40)의 상측 및 하측에 위치하는 전해질이 원활하게 이동할 수 있도록 적어도 10개 이상의 관통공을 형성하는 것도 바람직하다.
또한, 이러한 각각의 구성에 전술한 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)가 이용될 수도 있다.
도 13는 본 발명의 제4 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 실시예에 있어서는 전해질층(3)의 중간 부분에 격리판(50)이 구비되고, 격리판(50)은 3개층의 적층 구조(51~53)로 되어 있다.
제1 층(51)은 기판이다. 이 기판으로서는 예컨대 종이나 직물 또는 부직포 등이 이용된다. 또한 바람직한 실시예에 있어서는 상기 제1 층(41)에는 염료가 흡착된다. 또한 제1 층(51)으로서는 유기물 기판이 이용될 수 있다.
상기 제1 층(51)의 상측에는 PN 접합 구조가 형성된다. 이때 PN 접합 구조는 하측으로부터 상측으로 전자가 전달되도록 제2 층(52)이 N형층, 제3 층(53)이 P형층으로 형성된다. PN 접합 구조는 반도체 물질로 구성된다.
여기서 이용가능한 반도체 물질로서는 무기물 반도체 물질과 유기물 반도체 물질, 또는 무기물 반도체 물질과 유기물 반도체 물질의 혼합물이 있다. 또한 바람직한 실시예에서 상기 반도체 물질로서는 상부 구조를 통해 인입된 외부 광이 제1 층(51)에 흡착되는 염료에 도달될 수 있도록 투명한 재질의 산화물 반도체가 이용될 수 있다. 이 산화물 반도체는 가시광선은 통과시키고 자외선을 흡수하게 되므로 상부 구조로부터 인입된 외부광의 가시광선은 그대로 하측으로 통과된다.
산화물 반도체 물질로서는 ZnO, InO, GaO, SnO 등과 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 사용할 수 있다. 이들 반도체 재질은 다른 금속 등과 혼합되어 P형 또는 N형 반도체 물질로서 기능한다.
또한, 본 실시예의 하나의 바람직한 실시예에서 격리판(50)에는 다수의 관통공이 형성되어 그 상측의 전해질 과 하측의 전해질이 원활하게 이동할 수 있도록 구성된다.
본 실시예에 있어서는 격리판(50)을 중심으로 하측에 존재하는 전해질과 [0100] 상측에 존재하는 전해질 간에 전압차가 발생하게 되고, 이러한 전압차를 근거로 하여 PN 접합 구조를 통해 전자가 상측으로 전달된다. 그리고 이와 같이 전달된 전자는 상측의 트리요오드화물을 환원시키는데 사용된다.
또한 격리판(50)을 구성하는 PN 접합 구조는 외부 광을 흡수하여 전자를 발생시키게 되고, 이러한 전자는 마찬가지로 상측의 트리요오드화물을 환원시키는데 사용된다.
따라서 본 실시예에 있어서는 외부 광에 대한 광전변환 효율이 더욱 제고되고, 또한 하부 전극(2)으로부터 상부 전극(5)으로의 전자의 흐름이 원활해지게 되므로 태양전지의 효율이 대폭 향상된다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 14에 있어서는 하부 기판(61)으로서 종이가 이용된다. 그리고 이 하부 기판(61)의 상측에는 하부 전극(62)이 형성된다. 이 하부 전극(62)으로서는 도전성 금속 이외에 도전성 유기물이나 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물이 이용된다.
종이 기판(61)에 도전성 금속으로 이루어지는 하부 전극(62)을 형성하는 경우에는 예컨대 진공증착법이 이용된다. 그리고 종이 기판(61)상에 도전성 유기물이나 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물을 이용하는 경우에는 잉크젯법이나 스크린 인쇄법 또는 스핀코팅법이 이용된다.
또한 상기 하부 기판(61)으로서는 유기물 기판이 이용될 수 있다. 이때 이용가능한 유기물로서는 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌(PP), 프로필렌 공중합체, 폴리(4-메틸-1-펜텐)(TPX), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리아세탈(POM), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리설폰(PSF), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리초산비닐(PVAC), 폴리비닐알콜(PVAL), 폴리비닐아세탈, 폴리스티렌(PS), AS수지, ABS수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 불소수지, 페놀수지(PF), 멜라민수지(MF), 우레아수지(UF), 불포화폴리에스테르(UP), 에폭시수지(EP), 디알릴프탈레이트수지(DAP), 폴리우레탄(PUR), 폴리아미드(PA), 실리콘수지(SI) 또는 이것들의 혼합물 및 화합물을 이용할 수 있다.
하부 기판(61)으로서 유기물을 이용하는 경우에는 하부 전극(62)으로 바람직하게는 도전성 유기물이나 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물이 이용된다.
전해질층(3)에는 격리판(60)이 구비된다. 이 격리판(50)은 상술한 실시예에서 언급한 어떠한 구조의 것도 사용가능하다.
그리고 그 밖의 부분은 상술한 실시예와 실질적으로 동일하므로, 동일한 부분에는 동일한 참조번호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
도 15은 본 발명의 제5 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 실시예에 있어서는 하부 기판(70)으로서 전도성 종이를 사용하면서 하부 전극은 제거된다. 이때 전도성 종이는 종이에 도전성 유기물, 보다 바람직하게는 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물을 흡착시켜 구성한 것이다. 일반적으로 유기물과 무기물을 혼합하여 혼합물층을 형성하게 되면 유기물과 무기물의 결합 부위에 크랙이 발생될 우려가 있게 된다. 그러나 이러한 혼합물질을 흡착시키게 되면 종이의 섬유질이 유기물과 무기물을 강하게 결합시키게 됨으로써 크랙 등이 발생될 위험이 현저하게 낮아지게 된다.
또한 본 실시예에 있어서는 상부 기판(80)으로서 종이를 사용하면서 여기에 전도성 유기물, 바람직하게는 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물을 흡착시킨다. 그리고 종래의 상부 전극은 제거된다. 이때 상부 기판(80)을 제조하는 경우에는 우선 종이에 TiO2층(4)을 형성한 후, 종이에 도전성 도전성 유기물 또는 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물을 흡착시키게 된다.
종이에 유기물을 흡착시키게 되면 종이에 결합되는 유기물의 외부 광의 전달 통로로서 기능하게 되므로 종이의 광투과율이 크게 높아지게 된다.
그리고 그 밖의 부분은 상술한 실시예와 동일하므로, 상기 실시예와 실질적으로 동일한 부분에는 동일한 참조번호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 있어서는 하부 기판(70)과 상부 기판(80)으로서 전도성 기판을 사용한다. 종래의 실리콘 또는 유리 기판의 경우에는 대면적화가 어렵고 유연성이 없다는 단점이 있다. 이에 대하여 본 발명에 따른 기판(70, 80)은 종이를 기본 재질로서 이용하게 되므로 대면적화가 용이하고 유연성이 탁월하므로 유연성이 있는 태양전지를 제공할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명에 따른 실시예를 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.
한편, 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (34)

  1. 상부 구조체;
    하부 구조체;
    상기 상부 구조체와 하부 구조체 사이에 형성되는 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)층;을 구비하고,
    상기 상부 구조체는 상부 기판, 상기 상부 기판상에 형성되는 상부 전극층 및 상기 상부 전극층상에 구비되는 다공질층을 구비하여 구성되며,
    상기 다공질층은 전기석을 포함하여 구성됨과 더불어 염료가 흡착되는 것을 특징으로 하는 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공질층에 철, 자철석 또는 영구자석 분말이 추가적으로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 기판이 투명 종이 또는 유기물로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극층이 도전성 유기물 또는 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 구조체는 하부 기판과, 상기 하부 기판상에 형성되는 하부 전극층을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 이온성 액체층은,
    유기소재 원료를 수용하는 도가니를 유기소재 원료의 승화점까지 가열하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계에서 발생한 유기소재 원료의 승화기체가 상기 이온성 액체에 증착되는 제 2 단계; 및
    상기 승화기체가 상기 이온성 액체에서 재결정화되는 제 3 단계;를 포함하는 방법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 3 단계 이후에 상기 재결정화된 유기소재를 상기 이온성 액체로부터 분리하는 제 4 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전지.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서는 상기 이온성 액체의 용해도를 조절하기 위해 상기 이온성 액체의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는, 전지.
  9. 상부 구조체;
    하부 구조체; 및
    상기 상부 구조체와 하부 구조체 사이에 형성되는 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)층을 구비하고,
    상기 상부 구조체는 상부 기판, 상기 상부 기판상에 형성되는 다공질층을 구비하여 구성되며,
    상기 다공질층은 도전성 유기물과 전기석 분말의 혼합물을 포함하여 구성됨과 더불어 염료가 흡착되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 다공질층에 철, 자철석 또는 영구자석 분말이 추가적으로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 상부 기판이 투명 종이 또는 유기물로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 하부 구조체는 하부 기판과, 상기 하부 기판상에 형성되는 하부 전극층을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 하부 기판이 종이 또는 유기물로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 이온성 액체층은,
    유기소재 원료를 수용하는 도가니를 유기소재 원료의 승화점까지 가열하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계에서 발생한 유기소재 원료의 승화기체가 상기 이온성 액체에 증착되는 제 2 단계; 및
    상기 승화기체가 상기 이온성 액체에서 재결정화되는 제 3 단계;를 포함하는 방법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 3 단계 이후에 상기 재결정화된 유기소재를 상기 이온성 액체로부터 분리하는 제 4 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전지.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서는 상기 이온성 액체의 용해도를 조절하기 위해 상기 이온성 액체의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는, 전지.
  17. 하부 구조와 상부 구조를 구비하고,
    상기 하부 구조와 상부 구조 사이에 이온성 액체(Ionic liquids, ILs)층을 구비하며,
    상기 이온성 액체층은 격리판을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 하부 구조는 제1 기판, 상기 기판상에 형성되는 하부 전극을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제1 기판은 종이 또는 유기물 기판인 것을 특징으로 하는, 전지.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 하부 전극은 도전성 유기물인 것을 특징으로 하는, 전지.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 하부 전극은 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 전지.
  22. 제 17항에 있어서,
    상기 하부 구조는 전도성 종이로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 전도성 종이는 종이에 도전성 유기물 또는 도전성 유기물과 도전성 유기물의 혼합물을 흡착시켜 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  24. 제 17항에 있어서,
    상기 격리판은 종이로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  25. 제 17항에 있어서,
    상기 격리판은 직물 또는 부직포로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  26. 제 17항에 있어서,
    상기 격리판에 염료가 흡착되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  27. 제 17항에 있어서,
    상기 격리판에 1개 이상의 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  28. 제 17항에 있어서,
    상기 격리판이 다수의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  29. 제17항에 있어서,
    상기 상부 구조가 제2 기판, 상기 제2 기판상에 형성되는 상부 전극 및 상기 상부 전극상에 형성되는 다공질층을 구비하여 구성되고, 상기 다공질층에는 염료가 흡착되어 구성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 상부 전극은 도전성 유기물 또는 도전성 유기물과 도전성 무기물의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 전지.
  31. 제 17항에 있어서,
    상기 상부 구조가 종이로 구성되는 제2 기판, 제2 기판상에 형성되는 다공질층을 구비하고, 상기 제2 기판에는 도전성 유기물 또는 도전성 유기물과 무기물의 혼합물이 흡착되며, 상기 다공질층에는 염료가 흡착되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  32. 제 1항에 있어서,
    상기 이온성 액체층은,
    유기소재 원료를 수용하는 도가니를 유기소재 원료의 승화점까지 가열하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계에서 발생한 유기소재 원료의 승화기체가 상기 이온성 액체에 증착되는 제 2 단계; 및
    상기 승화기체가 상기 이온성 액체에서 재결정화되는 제 3 단계;를 포함하는 방법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는, 전지.
  33. 제 32항에 있어서,
    상기 제 3 단계 이후에 상기 재결정화된 유기소재를 상기 이온성 액체로부터 분리하는 제 4 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전지.
  34. 제 32항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서는 상기 이온성 액체의 용해도를 조절하기 위해 상기 이온성 액체의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는, 전지.
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