KR20230045642A - 광에너지의 수집 및 재활용을 위한 조명용 확산판 및 이를 포함하는 조명 장치 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 전도성 기판 또는 플렉시블 기판 상에 형성되고, 광민감성 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자 다공질막을 포함하는 광전극; (b) 상기 광전극과 이격하여 대면하며, 전도성 기판 또는 플렉시블 기판 상에 형성되고 나노입자 금속필름층을 포함하는 상대전극; 및 (c) 상기 광전극과 상대전극 사이에 충진되는 액상의 전해질 조성물을 포함하며, 인공 광원으로부터 광에너지를 수집할 수 있는 조명용 확산판과, 상기 조명용 확산판을 포함하는 조명 장치 시스템에 관한 것이다.

Description

광에너지의 수집 및 재활용을 위한 조명용 확산판 및 이를 포함하는 조명 장치 시스템{A Light Diffuser Plate and A Lighting Device System Comprising the Same for Light Energy Harvesting and Recycling}
본 발명은 광에너지의 수집 및 재활용을 위한 조명용 확산판 및 이를 포함하는 차세대 조명 장치 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 실내 조명과 같이 인공광을 발생시키는 광원으로부터 광에너지를 수집할 수 있는 조명용 확산판 및 이를 포함하는 조명 장치 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 LED 조명과 같은 광원의 하부에 설치된 고효율/고투과성 조명용 확산판 및 그와 일체형으로 구성되어 광에너지의 수집 및 재활용이 가능한 조명 장치 시스템에 관한 것이다.
2018년 기준 대한민국의 총 전력 사용량은 534 TWh이며, 이 중 약 20%에 해당하는 106.8 TWh가 조명 장치에 사용된다. 조명 장치에서 발생하는 광에너지는 일단 실내를 밝힐 목적으로 사용되고 나면 더 이상 재활용하기 어려운 것으로 여겨지고 있다. 만일 조명 장치에서 발생하는 광에너지를 수집할 수 있다면 막대한 에너지를 재활용하는 것이 가능할 것이며, 예컨대 연간 조명장치에 사용되는 전력의 1%만 재활용할 수 있다 하더라도 연간 약 1 TWh의 전력을 재사용하는 것이 가능할 것이다.
다만 이를 위해서는 광에너지를 전기로 변환시킬 수 있는 광전변환전지를 조명 장치와 근접한 장소에 설치하여야 하는데, 실내 조명이 조명 본연의 기능을 함과 동시에 그로부터 발생하는 광에너지를 수집하려면 상당한 고효율의 광전변환전지가 필요할 것이다. 또한, 광에너지의 수집 중에도 조명장치의 본래 목적인 조명 용도로 사용할 수 있기 위해서는 광원에서 발생하는 빛이 차단되지 않도록 투과성 있는 광전변환전지가 필요할 것이다.
광전변환전지로 가장 잘 알려진 것 중 하나로 염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)가 있다. 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의해 개발된 DSSC는 이산화티타늄(TiO2)을 주성분으로 하는 반도체 나노입자, 태양광 흡수용 염료, 전해질, 백금 상대전극으로 구성되는 광전변환전지이다.
DSSC는 환경적으로 무해한 재료들을 사용하여 재료 측면에서의 제약이 없고, 제조 단가도 종전의 실리콘 태양전지의 1/5 수준으로 상대적으로 저렴하며, 약한 광이나 산란광에서도 성능이 우수하고 복잡한 제조 공정이 필요하지 않다는 점에서 새로운 형태의 태양전지로서 주목받고 있다. 특히 DSSC는 반투명하고 풍부한 색채를 사용할 수 있고, 가벼우며, 유리에 적용 가능하여 건물의 외장, 자동차 유리, 창문 등의 장소에 설치할 수 있는 등, 기존에 알려진 다른 유형의 태양전지에 비해 활용범위가 넓다는 장점을 갖는다. 그러나 종래의 DSSC는 광전변환효율이 다른 태양전지에 비해 비교적 낮은 편이고, 유기물질로 이루어진 염료 및 전해질이 자외선에 장시간 노출될 경우 안정성을 기대하기 어려워 상용화에 어려움이 있었다.
한편 LED 램프를 비롯한 인공 광원을 사용한 조명장치에는 통상 광원으로부터 직진하여 나오는 빛을 확산시키기 위해 확산판이 설치되어 있다. 특히 LED 조명은 직진성이 강해 조명 장치 하단의 직접 조명 공간에는 강하게 발광하고 그 외의 공간에서는 빛이 고르게 분산되지 못하는 문제가 있어, 일반적인 LED 조명 장치는 확산판을 광원 하단부 가까이에 배치하여 LED 광원에서 발하는 빛이 확산을 통해 조명 장치 하단의 전체 공간으로 분산되도록 하고 있다. 그러나 확산판은 빛을 확산시켜 조명 하부의 전방위로 균일한 광량이 제공되도록 한다는 장점은 있지만, 이 과정에서 상당량의 광원이 재활용하기 어려운 형태로 소실되고, 다양한 색상의 빛을 구현하는 것 또한 용이하지 않다는 문제가 있다.
따라서, 만일 실내 조명의 광에너지 수집용으로 활용할 만큼 효율이 높으면서 동시에 고투과성이어서 광에너지 수집 중에도 조명 장치 고유의 기능이 유지되는 DSSC를 조명용 확산판 형태로 탑재한 조명 장치 시스템을 제공할 수 있다면, 조명장치에 사용되는 막대한 전력을 재활용하는 것이 가능해질 것이다. 나아가 이러한 조명이 차세대 표준 조명 형태 중 하나로 자리 잡게 될 가능성도 상당할 것이다.
관련분야의 특허 기술로서, 공개특허번호 제10-2012-0012689호(특허문헌 1)는 창문을 통하여 실내로 유입되는 광을 DSSC 모듈을 이용하여 수집하고 이를 재활용하여, 생성된 전원으로 구동할 수 있는 창문용 액정 패널을 제안하고 있다. 또한 미국 공개특허번호 US 2020/0395492 A1(특허문헌 2)은 1 sun 조건 및 실내 조사 조건 하에서 개선된 성능을 나타내는 DSSC를 제안하고 있다.
그러나 특허문헌 1 및 2는 실내로 유입되는 태양광을 재활용하는 DSSC를 개시하기는 하지만, 실내 조명과 같은 인공광 자체로부터 전기를 수집하고 재활용하는 조명용 확산판을 시사하지는 못한다.
이렇듯 실내 조명과 같은 인공 광원으로부터 발생하는 광에너지를 효율적으로 수집하여 재활용할 수 있으면서도, 조명 장치 고유의 기능이 유지되고 다양한 색구현이 가능한 고효율/고투과성 조명용 확산판 및 이를 채용하는 조명 장치 시스템이 요구되는 실정이다.
공개특허번호 제10-2012-0012689호 미국 공개특허번호 US 2020/0395492 A1
본 발명은 광원으로 실내 조명과 같은 인공광원을 사용함에도 불구하고 높은 광전변환효율을 나타내는 조명용 확산판 및 이를 포함하는 조명 장치 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 고투과성 소재로 제조되어 실내 조명 본연의 기능이 유지되면서도 광에너지를 수집할 수 있는 조명용 확산판 및 이를 포함하는 조명 장치 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 광에너지 수집 후 최종 발광되는 빛의 색상을 다양하게 조절할 수 있는 조명용 확산판 및 이를 포함하는 조명 장치 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상기한 과제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 광원으로 실내 조명과 같은 인공 광원 하에서 광에너지의 수집이 가능한 조명용 확산판 및 이를 포함하는 전혀 새로운 개념의 차세대 조명 장치 시스템을 발명하였다.
구체적으로, 본 발명은 (a) 전도성 기판 또는 플렉시블 기판 상에 형성되고, 광민감성 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자 다공질막을 포함하는 광전극; (b) 상기 광전극과 이격하여 대면하며, 전도성 기판 또는 플렉시블 기판 상에 형성되고 나노입자 금속필름층을 포함하는 상대전극; 및 (c) 상기 광전극과 상대전극 사이에 충진되는 액상의 전해질 조성물을 포함하며, 인공 광원으로부터 광에너지를 수집할 수 있는 조명용 확산판 및 이를 포함하는 조명 장치 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인공 광원은 LED 램프, RGB (Red, Green, Blue) 램프 및 형광등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인공 광원의 색온도는 2500K 내지 9000K, 바람직하게는 3000K 내지 7600K이며, 구체적으로는 약 3200K, 약 5000K, 약 5500K, 또는 약 7600K의 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인공 광원은 LED 램프이고, 상기 조명용 확산판은 LED 램프의 하단부에 위치한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광전극 및 상대전극은 전도성 기판 상에 형성되고, 여기서 상기 전도성 기판은 전도성 필름이 코팅된 투명 유리 기판이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전도성 필름은 SnO2:F, ITO, 평균 두께가 1 내지 1000 nm인 금속 전극, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물, 또는 전도성 고분자를 포함하며, 바람직하게는 불소가 도핑된 산화주석층(FTO) 또는 인듐산화주석층(ITO) 중 어느 하나이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광민감성 염료는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 셀레늄(Se), 텔레라이드(Te), 황(S) 및 이들의 복합체로 이루어지는 군에서 선택된 원소를 포함하는 유-무기 복합염료이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조명용 확산판을 투과하여 나온 투과광의 색온도는 2700K 내지 7600K이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광민감성 염료는 루테늄(Ru) 계열 광민감성 염료인 N719 (bis(tetrabutylammonium)-cis-(dithiocyanato-N,N'-bis(4-carboxylato-4'-carboxylic acid-2,2'-bipyridine)ruthenium(II)), D35 ((E)-3-(5-(4-(bis(2',4'-dibutoxy-[1,1'-biphenyl]-4-yl)amino)phenyl)thiophen-2-yl)-2-cyanoacrylic acid), HSQ4 ((3Z,4Z)-4-((5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octyl-3H-indol-1-ium-2-yl)methylene)-2-(((E)-5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octylindolin-2-ylidene)methyl)-3-(1-cyano-2-ethoxy-2-oxoethylidene)cyclobut-1-en-1-olate), 또는 bTPA-DPP-DMP ((3Z,4Z)-4-((5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octyl-3H-indol-1-ium-2-yl)methylene)-2-(((E)-5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octylindolin-2-ylidene)methyl)-3-(1-cyano-2-ethoxy-2-oxoethylidene)cyclobut-1-en-1-olate)로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노입자 금속필름층의 형성에 사용되는 나노입자 금속은 백금(Pt), 활성탄(activated carbon), 흑연(graphite), 카본 나노튜브, 카본블랙, p-형 반도체, PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))-PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린-CSA, 펜타센, 폴리아세틸렌, P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 폴리피롤, 폴리설퍼나이트라이드 및 이들의 유도체 및 이들의 공중합체 또는 이들의 복합체 및 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조명용 확산판의 액상의 전해질 조성물은 산화·환원 유도체 및 유기용매를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화·환원 유도체는 요오드화리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 또는 브롬화칼륨 등의 할로겐화 금속염 혹은, 4급 암모늄염, 이미다졸륨염, 피리디늄염, 피롤리디늄염, 피라졸리듐염, 이소티아졸리디늄염, 이소옥사졸리디늄염, 코발트계 함질소 복소환 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액상의 전해질 조성물에 포함되는 유기용매는 아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴, 발레로니트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 테트라하이드로퓨란 등과 이미다졸리윰, 피롤리디늄 등을 포함하는 상온 용융염 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 1종 이상이다.
본 발명의 조명 장치 시스템은, 인공 광원, 및 인공 광원의 하단부에 위치하며 인공 광원으로부터 광에너지를 수집할 수 있는 본 발명의 조명용 확산판을 포함한다.
본 발명은 광에너지 재활용을 위해 인공 광원으로부터 광에너지를 수집할 수 있는 조명용 확산판 및 이를 포함하는 차세대 조명 장치 시스템에 관한 것으로, 수요자 및 조명 환경에 최적화된 설계가 가능하고, 다채로운 색구현이 가능하여 감성 조명으로의 활용도가 높으며, 자가 충전 및 구동형 일체형 시스템으로 제작할 수 있어 고 위험 환경(화재, 지진, 정전)에서도 지속적으로 사용이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 일단 설치 후에는 무전원으로 작동 가능하므로 설치 장소에 제약을 받지 않으며, 기존의 실내 조명을 그대로 이용할 수 있어 설치가 매우 쉽고, 저비용으로 교체가 가능하며 IoT 형 센서에 의한 전원 공급이 가능하도록 설계할 수도 있어, 스마트 환경에 매우 유용한 장점을 가지고 있다.
도 1은 일반적인 LED 조명과 본 발명의 신규한 조명용 확산판을 포함하는 조명 장치 시스템의 비교 구조도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 조명용 확산판을 포함하는 조명 장치 시스템의 상세 구조도이다.
도 3은 다양한 염료감응형 태양전지용 염료 소재의 흡광 대역을 나타낸 그래프이다.
도 4는 제조 실시예 1에서 본 발명의 조명용 확산판을 이용하여 제작한 조명 장치 시스템의 1 sun(도 4a) 및 LED 조명(5000K)(도 4b) 하에서 측정된 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 5000K의 LED 조명 및 제조 실시예 1에서 제작한 본 발명의 조명용 확산판을 포함하는 조명 장치 시스템으로부터 최종 발광하는 빛의 색좌표이고, 도 5b는 도 5a의 조명 장치 시스템으로부터 최종 발광하는 빛의 스펙트럼 측정치를 3200K의 LED 램프의 발광 스펙트럼과 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 6a는 7600K의 LED 램프의 색좌표 및 발광 스펙트럼 그래프, 및 광원을 촬영한 사진이고, 도 6b는 각각 5500K의 LED 램프의 색좌표, 7600K의 LED 램프와 본 발명의 조명용 확산판을 포함하는 조명 장치 시스템을 통과하여 나온 투과광의 발광 스펙트럼 그래프, 및 투과광을 촬영한 사진이며, 도 6c는 도 6b의 투과광의 발광 스펙트럼을 5500K의 LED 램프의 발광 스펙트럼과 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제조 실시예 1에서 제조한 조명용 확산판과 LED 램프와의 거리를 5cm로 놓고 시간에 따른 조명용 확산판의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 조명용 확산판은 인공 광원으로부터 광에너지를 수집할 수 있고, (a) 전도성 기판 또는 플렉시블 기판 상에 형성되고, 광민감성 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자 다공질막을 포함하는 광전극; (b) 상기 광전극과 이격하여 대면하며, 전도성 기판 또는 플렉시블 기판 상에 형성되고 나노입자 금속필름층을 포함하는 상대전극; 및 (c) 상기 광전극과 상대전극 사이에 충진되는 액상의 전해질 조성물을 포함한다.
상기 인공 광원은 실내 조명으로 사용 가능한 모든 광원을 포함하며, 구체적으로는 LED 램프, OLED 램프, RGB (Red, Green, Blue) 램프, 형광등, 백열등을 포함한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 인공 광원은 LED 램프, RGB (Red, Green, Blue) 램프 및 형광등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이다. 본 발명의 더욱 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 인공 광원은 LED 램프이다.
본 발명의 조명용 확산판이 조명 장치 시스템 내에 배치되는 위치는 인공 광원으로부터 광에너지를 수집할 수 있는 인접한 곳이라면 크게 제한되지 않는다. 도 1은 일반적인 LED 조명 장치와 본 발명의 신규한 조명용 확산판을 포함하는 조명 장치 시스템을 비교한 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 신규한 조명용 확산판은 LED 조명 장치의 기존 확산판 대신 또는 기존 확산판의 상부에 배치될 수 있다. 본 발명의 조명용 확산판이 기존 확산판 대신 배치되는 경우, 본 발명의 조명용 확산판은 광에너지의 수집과 확산판의 역할을 동시에 수행할 수 있다. 본 발명의 조명용 확산판이 기존 확산판의 상부에 배치되는 경우, 본 발명의 조명용 확산판을 통과한 빛은 기존 확산판에서 확산을 통해 조명 장치 하단의 공간으로 분산된다.
본 발명의 조명용 확산판의 광전극 및 상대전극에 적용되는 기판은 DSSC에 사용되는 기판이면 모두 사용 가능하고, 전도성 기판 또는 플렉서블 기판을 모두 사용할 수 있는 특징이 있다. 바람직하게, 본 발명에서 상기 전도성 기판은 전도성 필름이 코팅된 투명 유리 기판, 플렉서블 플라스틱 기판, 또는 금속 기판을 포함할 수 있다.
본 발명의 조명용 확산판의 광전극 및 상대전극에 사용되는 전도성 필름이 코팅된 투명 유리 기판은 투명 전도성 물질(transparent conducting oxide: TCO)이 코팅된 기판일 수 있고, 바람직하게는 불소가 도핑된 산화주석층(FTO)이 형성된 투명 유리 기판 또는 인듐산화주석층(ITO)이 형성된 투명 유리 기판, 더욱 바람직하게는 불소가 도핑된 산화주석층(FTO)이 형성된 투명 유리 기판일 수 있다.
본 발명의 조명용 확산판의 광전극 및 상대전극에 사용되는 플렉서블 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트; 폴리에틸렌나프탈레이트; 폴리카보네이트; 폴리프로필렌; 폴리이미드; 트리아세틸셀룰로오스; 폴리에테르술폰; 메틸트리에톡시실란, 에틸트리에톡시실란 및 프로필트리에톡시실란으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 유기금속 알콕사이드의 가수분해 및 축합반응으로 형성된 3차원 망상 구조의 유기변형 실리케이트; 이들의 공중합체; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 조명용 확산판의 광전극 및 상대전극에 사용되는 금속 기판은 철, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 티타늄, 니켈, 구리 및 주석으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용하여 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 조명용 확산판의 예시적인 상세 구조도이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 조명용 확산판은 (a) 투명 유리 기판 또는 플렉서블 기판(101a), 그 위에 형성된 전도성 투명 필름(102a), 및 그 위에 형성된 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막(103)을 포함하는 광전극(100); (b) 상기 광전극과 이격하여 대면하며, 투명 유리 기판 또는 플렉서블 기판(101b), 그 위에 형성된 전도성 투명 필름(102b) 및 나노입자 금속필름층(111)을 포함하는 상대전극(110); 및 (c) 상기 광전극과 상대전극 사이에 충진되는 전해질(120)을 포함한다.
본 발명의 조명용 확산판에 사용되는 전도성 투명 필름은 SnO2:F, ITO, 평균 두께가 1 내지 1000nm인 금속 전극, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물, 또는 전도성 고분자를 포함할 수 있지만, 상기 물질에 한정되지는 않으며, 이 분야에 잘 알려진 통상의 전도성 필름을 사용할 수 있다.
상기 금속 질화물은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf)을 포함하는 IVB족 금속원소의 질화물; 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta) 및 바나듐(V)을 포함하는 VB족 금속원소의 질화물; 크로뮴(Cr), 몰리브데늄(Mo) 및 텅스텐(W)를 포함하는 VIB족 금속원소의 질화물, 질화알루미늄, 질화갈륨, 질화인듐, 질화실리콘, 질화게르마늄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
상기 금속 산화물은 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 니오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZNSNO), 이산화티타늄(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
상기 탄소화합물은 활성탄, 흑연, 카본 나노튜브, 카본블랙, 그래핀 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
상기 전도성 고분자는 PEDOT (폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))- PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린-CSA, 펜타센, 폴리아세틸렌, P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 폴리피롤, 폴리설퍼나이트라이드 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
상기 광전극에 사용되는 금속산화물 나노입자 다공질막은 금속산화물 나노입자, 바인더용 고분자 및 용매를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 상기 전도성을 가지는 유리 기판 위에 도포한 후 기판을 열처리하는 것에 의해 형성될 수 있다.
상기 광전극에 사용되는 금속산화물 나노입자는 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 니오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 이산화티타늄(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 니오븀(Nb)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 스트론튬티타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 산화물의 나노입자일 수 있고, 더욱 바람직하게는 이산화티타늄(TiO2) 나노입자일 수 있다.
통상의 기술자는 상기 인공 광원의 색온도와, 상기 광전극에 사용되는 광민감성 염료를 적절히 선택하는 것에 의해, 목적하는 색상의 발광을 나타내는 본 발명의 조명용 확산판을 포함하는 조명 장치 시스템을 구현할 수 있다. 구체적으로, 상기 인공 광원의 색온도는 2500K 내지 9000K, 바람직하게는 3000K 내지 7600K이며, 구체적으로는 약 3200K, 약 5000K, 약 5500K, 또는 약 7600K의 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 광민감성 염료는 밴드갭(Band Gap)이 1.55 eV 내지 3.1 eV을 가져 가시광선을 흡수할 수 있는 염료를 사용할 수 있으며, 예를 들면 금속 또는 금속 복합체를 포함하는 유-무기 복합염료, 유기 염료 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 유-무기 복합염료의 예로는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 셀레늄(Se), 텔레라이드(Te), 황(S) 및 이들의 복합체로 이루어지는 군에서 선택된 원소를 포함하는 유-무기 복합염료일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 광민감성 염료는 DYENAMO사의 상용 감광성 염료인 DN-F01 (Dyenamo Yellow), DN-F13 (Dyenamo Cloudberery Orange), DN-F21 (SC-4), DN-FP01 (P1), DN-F04M (D45), DN-F03 (D5), DN-F02 (L1), DN-F04 (Dyenamo Orange), DN-F05M (D51), DN-F05Y (Y123), DN-FP02, DN-F05 (Dyenamo Red), DN-F18 (WS-72), DN-F16 (XY1), DN-F16B (XY1b), DN-F08 (JF419), DN-F09 (MKA253), DN-F19 (C218), DN-F20 (C268), DN-F10 (Dyenamo Blue), DN-F10M (Dyenamo Blue 2016), DN-F11 (DPP13), DN-F17 (R6), DN-F14 (Dyenamo Mareel Blue), DN-F12 (YD2), DN-F15 (Dyenamo Transparent Green) 및 DN-FI07 (MK245) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
이들 광민감성 염료의 흡광 대역 및 최대 흡광 대역에 관한 정보가 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 DSSC에 사용 가능한 다양한 상용 감광성 염료들과 이들 각각의 흡광 대역을 가로바 형태로 표시한 것이다. 각 염료의 색상은 가로바의 색상과 동일하며, 최대 흡광 대역의 위치는 가로바 상에 둥근 도트로 표시되어 있다.
본 발명의 더욱 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 광민감성 염료는 루테늄(Ru) 계열 감광성 염료인 N719 (bis(tetrabutylammonium)-cis-(dithiocyanato-N,N'-bis(4-carboxylato-4'-carboxylic acid-2,2'-bipyridine)ruthenium(II)), D35 ((E)-3-(5-(4-(bis(2',4'-dibutoxy-[1,1'-biphenyl]-4-yl)amino)phenyl)thiophen-2-yl)-2-cyanoacrylic acid), HSQ4 ((3Z,4Z)-4-((5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octyl-3H-indol-1-ium-2-yl)methylene)-2-(((E)-5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octylindolin-2-ylidene)methyl)-3-(1-cyano-2-ethoxy-2-oxoethylidene)cyclobut-1-en-1-olate), 또는 bTPA-DPP-DMP ((3Z,4Z)-4-((5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octyl-3H-indol-1-ium-2-yl)methylene)-2-(((E)-5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octylindolin-2-ylidene)methyl)-3-(1-cyano-2-ethoxy-2-oxoethylidene)cyclobut-1-en-1-olate)로부터 선택될 수 있다. 이들 중 N719와 D35는 적색 발광용 감광성 염료로, HSQ4는 녹색 발광용 감광성 염료로, b-TPA-DPP-DMP는 청색 발광용 감광성 염료로 각각 알려져 있다.
상기 광전극에 사용되는 광민감성 염료는 상기 금속산화물 나노입자 다공질막의 표면에 흡착되어 형성될 수 있고, 구체적으로는 광민감성 염료를 포함하는 용액에 상기 금속산화물 나노입자 다공질막을 포함하는 광전극을 침지시키는 방법으로 상기 금속산화물 나노입자 다공질막의 표면에 흡착 형성될 수 있다.
상기 광민감성 염료 함유 용액의 제조방법은 특별히 한정되지 않고, 이 분야에 잘 알려진 방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 조명용 확산판에 사용되는 상기 광민감성 염료를 변경하는 것에 의해 다양한 색구현이 가능한 조명 장치 시스템을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 조명용 확산판을 투과하여 나온 투과광의 색온도는 2700K 내지 7600K 범위 내에서 조절 가능하다.
상기 상대전극에 사용되는 나노입자 금속필름층의 형성에 사용되는 나노입자 금속은 백금(Pt), 활성탄(activated carbon), 흑연(graphite), 카본 나노튜브, 카본블랙, p-형 반도체, PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))-PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린-CSA, 펜타센, 폴리아세틸렌, P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 폴리피롤, 폴리설퍼나이트라이드 및 이들의 유도체 및 이들의 공중합체 또는 이들의 복합체 및 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있고, 바람직하게는 백금(Pt)일 수 있다.
상기 전해질에 포함되는 산화·환원 유도체는 요오드화리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 또는 브롬화칼륨 등의 할로겐화 금속염 혹은, 4급 암모늄염, 이미다졸륨염, 피리디늄염, 피롤리디늄염, 피라졸리듐염, 이소티아졸리디늄염, 이소옥사졸리디늄염, 코발트계 등의 함질소 복소환 화합물일 수 있다.
상기 산화·환원 유도체로는 I-와 I3 -로 이루어진 산화환원쌍을 제공할 수 있는 것이 보다 바람직하며, 일례로 상기 I-/I3 -의 산화환원쌍은 이미다졸륨 요오드염과 같은 요오드화물의 용융염에 요오드(iodine, I2)를 용해시키거나 또는 요오드화물 이외의 화합물의 용융염에 요오드 또는 요오드 활물을 용해시킴으로써 제조할 수 있다. 여기서 상기 이미다졸륨 요오드염으로는 1,2-디메틸-3-프로필이미다졸륨아이오다이드(DMPII), 1-메틸-3-프로필이미다졸륨아이오다이드(PMII), 1,3-디메틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸-3-에틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸-3-부틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸-3-펜틸-이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸- 3-헥실이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸-3-헵틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸-3-옥틸이미다졸륨 아이오다이드, 1,3-디에틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-에틸-3-프로필이미다졸륨 아이오다이드, 1-에틸-3-부틸이미다졸륨 아이오다이드, 1,3-프로필이미다졸륨 아이오다이드, 1-프로필-3-부틸이미다졸륨 아이오다이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있고, 바람직하게는 1-메틸-3-프로필이미다졸륨아이오다이드(PMII)일 수 있다.
또한 상기 요오드(iodine, I2)는 용매에 의해 용해되어, 요오드계 산화환원쌍(redox couple), 즉, I-/I3 -의 공급원으로 작용한다. 상기 요오드는 부식성이 상대적으로 크다는 단점에도 불구하고, 재결합 반응이 느리고, 안정성과 가역성이 좋으며, 가시광선 영역에서의 흡수가 적고, 확산계수가 커서 산화 환원반응의 효과가 크다는 장점을 갖는다.
상기 액상의 전해질 조성물에 사용되는 유기용매는 전해질 조성물에 베이스가 되는 용매로서, 당업계에서 염료감응형 태양전지의 전해질 조성물로서 통상적으로 사용되는 유기용매를 사용할 수 있으며, 예컨대, 아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴, 발레로니트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 테트라하이드로퓨란 등과 이미다졸리윰, 피롤리디늄 등을 포함하는 상온 용융염 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 액상의 전해질 조성물은 상기 광전극과 상대전극 사이에 주입 및 봉합하는 것에 의해 충진될 수 있다.
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다. 본 발명이 개시한 기술적 사상을 기초로 하여 통상의 기술자가 일부 구성요소를 임의로 변경 내지 치환하는 것이 가능하며 이러한 범위도 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
[제조 실시예 1] 본 발명에 따른 조명용 확산판(염료: N719)의 제조
<제조 실시예 1-1>
(1) 광전극의 제조
광전극용 기판으로서 불소가 도핑된 산화주석 투명 전도성산화물층이 형성된 투명 유리 기판(Philkington 회사, 재질: FTO, 두께 2.2cm, 8Ω/sq)을 준비하였다.
이후 산화티타늄 나노입자(평균입경: 20 nm) 18.5 중량%, 바인더용 고분자(에틸셀룰로오스) 0.05 중량%, 및 잔량의 용매(Terpineol)를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 상기 유리 기판 위에 도포(닥터블레이드[doctor blade]법 이용)한 후, 기판을 500℃에서 30분간 열처리하여 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막(두께: 2㎛)을 형성시켰다. 이어서 루테늄(Ru) 계열 광민감성 염료인 N719 (bis(tetrabutylammonium)-cis-(dithiocyanato-N,N'-bis(4-carboxylato-4'-carboxylic acid-2,2'-bipyridine)ruthenium(II)) 0.5 mM을 포함하는 에탄올 용액에 4시간 동안 40℃ 조건에서 상기 복합 전극을 침지하여 다공질 금속산화물층의 나노입자 표면에 감광성 염료를 흡착시켰다.
(2) 상대전극의 제조
불소가 도핑된 산화주석 투명 전도성산화물층이 형성된 투명 유리 기판(Philkington 회사, 재질: FTO, 두께 2.2cm, 8Ω/sq)을 준비하였다. 상기 기판의 투명 전도성산화물층 상부에 육염화백금산(H2PtCl6)이 녹아있는 2-프로판올 용액을 떨어뜨린 후, 400 ℃에서 20분 동안 열처리하여 백금층을 형성시켜 상대전극을 제조하였다.
(3) 전해질 주입 및 봉합
앞서 제조한 광전극과 상대전극 사이의 공간에 PMII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide, 0.7M) 및 I2(0.03M), Br2(0.003M)를 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 용액의 전해질을 주입하고 봉합하여 조명용 확산판을 제조하였다.
<제조 실시예 1-2, 1-3, 1-4>
광전극의 제조에 있어, 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막의 두께를 각각 2.5㎛ (제조 실시예 1-2), 3.5㎛ (제조 실시예 1-3), 5㎛ (제조 실시예 1-4)로 변경한 것을 제외하고는 제조 실시예 1-1과 동일한 방법으로 조명용 확산판을 제조하였다.
[제조 실시예 2] 본 발명에 따른 조명용 확산판(염료: D35)의 제조
광전극의 제조에 있어, 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막의 두께를 각각 2.5㎛ (제조 실시예 2-1), 3.5㎛ (제조 실시예 2-2), 5㎛ (제조 실시예 2-3)로 변경하고, 감광성 염료로서 D35 ((E)-3-(5-(4-(bis(2',4'-dibutoxy-[1,1'-biphenyl]-4-yl)amino)phenyl)thiophen-2-yl)-2-cyanoacrylic acid) 0.2mM을 포함하는 에탄올 용액에 상기 복합 전극을 침지한 것을 제외하고는 제조 실시예 1-1과 동일한 방법으로 조명용 확산판을 제조하였다.
[제조 실시예 3] 본 발명에 따른 조명용 확산판(염료: HSQ4)의 제조
광전극의 제조에 있어, 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막의 두께를 각각 2.5㎛ (제조 실시예 3-1), 3.5㎛ (제조 실시예 3-2), 5㎛ (제조 실시예 3-3)로 변경하고, 감광성 염료로서 HSQ4 ((3Z,4Z)-4-((5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octyl-3H-indol-1-ium-2-yl)methylene)-2-(((E)-5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octylindolin-2-ylidene)methyl)-3-(1-cyano-2-ethoxy-2-oxoethylidene)cyclobut-1-en-1-olate) 0.1mM을 포함하는 에탄올 용액에 상기 복합 전극을 침지한 것을 제외하고는 제조 실시예 1과 동일한 방법으로 조명용 확산판을 제조하였다.
[제조 실시예 4] 본 발명에 따른 조명용 확산판(염료: bTPA-DPP-DMP)의 제조
광전극의 제조에 있어, 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막의 두께를 각각 1.5㎛ (제조 실시예 4-1), 5㎛ (제조 실시예 4-2)로 변경하고, 감광성 염료로서 bTPA-DPP-DMP ((3Z,4Z)-4-((5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octyl-3H-indol-1-ium-2-yl)methylene)-2-(((E)-5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octylindolin-2-ylidene)methyl)-3-(1-cyano-2-ethoxy-2-oxoethylidene) cyclobut-1-en-1-olate) 0.025mM을 포함하는 아세토니트릴/T-아밀 알코올/톨루엔(1/1/0.4) 용액에 상기 복합 전극을 침지한 것을 제외하고는 제조 실시예 1-1과 동일한 방법으로 조명용 확산판을 제조하였다.
[ 실시예 1]
제조 실시예 1-1에서 제조한 조명용 확산판에 대하여 하기와 같은 방법으로 개방전압(Voc), 광전류밀도(mA/cm2), 에너지 변환효율(PCE), 충진계수(fill factor) 및 1cm2 당 입사한 광 에너지값을 측정하였다.
(1) 개방전압(Voc) 및 광전류밀도(㎃/㎠)
: 개방전압과 광전류 밀도는 Keithley 사의 SMU2400 기기를 이용하여 측정하였다.
(2) 에너지 변환효율(%) 및 충진계수(%) (1 sun 실험)
: 에너지 변환효율의 측정은 1.5AM 100mW/cm2의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[1600W, YAMASHITA DENSO], AM 1.5 filter, 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하여 수행하였고, 충진계수는 앞서 얻은 에너지 변환효율 및 하기 수학식 1을 이용하여 계산하였다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상기 수학식 1에서, J는 변환효율 곡선의 Y축 값이고, V는 변환효율 곡선의 X축 값이며, Jsc및 Voc는 각 축의 절편 값이다.
(3) 에너지 변환효율(%) 및 충진계수(%) (LED 5000K 실험)
: 에너지 변환효율의 측정은 LED 램프(램프(Input power:0.4sun, 40mW/cm2) 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하여 수행하였고, 충진계수는 앞서 얻은 에너지 변환효율 및 상기 수학식 1을 이용하여 계산하였다.
제조 실시예 1-1에서 제작한 조명용 확산판을 이용하여 1 sun에서와 LED 조명을 이용하여 광전 특성을 측정하였고, 그 결과를 아래 표 1 및 도 4a 및 도 4b에 나타내었다.
(4) 1cm2당 입사한 광 에너지(mW/cm2)
광 스펙트로미터(제조사: Avantes 모델명: AvaSpec -ULS2048XL-EVO-RS-UA)를 이용하여 1cm2당 입사한 광 에너지(mW/cm2)를 측정하였다.
(5) 출력전력밀도는 하기 수학식 2와 같이, 1cm2 당 입사한 광 에너지값에 앞서 얻은 에너지 변환효율(%)을 곱하여 계산하였다.
[수학식 2]
출력전력밀도(mW/cm2) = 에너지 변환효율(%) Х 1cm2당 입사한 광 에너지(mW/cm2)
활성영역
( cm 2 ) 		　 Voc
(V) 		　 Isc ( Jsc )
(mA (mA/ cm 2 )) 		　 충진계수
( % ) 		PCE
(%) 		　P out
(mW/ cm 2 )
Under 1sun
(100mW/ cm 2 ) 		0.28 0.82 2.3 (8.3) 73.57 5.0 2.18
100.8 6.0 110.87 52.35 3.5 348.24
Under LED 5000K
(40mW/ cm 2 ) 		0.28 0.84 3.08 (10.92) 73.89 17.1 2.5
100.8 6.2 134.64 54.15 11.2 452.32
도 4a, 도 4b 및 표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 조명용 확산판은 5000K의 LED 조명 조건에서 1 sun 조건에 비해 큰 폭으로 향상된 에너지 변환효율 및 출력전력밀도를 나타냄이 확인되었다. 구체적으로, 활성영역 0.28 cm2의 실험에서(도 4a), 5000K의 LED 조명 조건에서 에너지 변환효율은 1 sun 조건에 비해 242% 더 증가하였고(5.0% -> 17.1%), 출력전력은 약 14.7% (2.18 mW -> 2.5 mW) 더 증가하였다. 활성영역 100.8 cm2의 실험에서는(도 4b), 5000K의 LED 조명 조건에서 에너지 변환효율은 1 sun 조건에 비해 220%(3.5% -> 11.2%) 더 증가하였고, 출력전력밀도는 약 30% (348.24 mW/cm2 -> 452.32 mW/cm2)더 증가하였다.
[ 실시예 2]
5000K의 LED 조명과 제조 실시예 1-1에서 제작한 조명용 확산판을 포함하는 본 발명의 조명 장치 시스템으로부터 최종 발광하는 빛의 색상 정보를 구하기 위해, 광 스펙트로미터(제조사: Avantes 모델명: AvaSpec -ULS2048XL-EVO-RS-UA)를 이용하여 색좌표 및 발광 스펙트럼을 측정하였다.
그 결과, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 조명 장치 시스템으로부터 최종 발광하는 빛은 3200K의 LED 조명과 색좌표 및 발광 스펙트럼이 거의 일치하였다. 따라서 본 발명의 조명 장치 시스템은 광에너지의 수집 후에도 소비자들이 자주 사용하는 3200K의 색온도를 갖는 빛을 구현할 수 있음이 확인되었다.
[ 실시예 3]
각기 다른 염료 및 다공질막의 두께를 사용하여 제조된 제조 실시예 1 내지 4의 조명용 확산판을 포함하는 본 발명의 조명 장치 시스템에 다양한 색온도의 입사광을 투과시켰을 때 최종 발광하는 투과광의 색온도 변화를 측정하였다. 투과광의 색온도 정보를 구하기 위해, 광 스펙트로미터(제조사: Avantes 모델명: AvaSpec -ULS2048XL-EVO-RS-UA)를 사용하였다.
그 결과, 표 2 내지 표 5에 도시된 바와 같이, 제조 실시예 1 내지 4로부터 각각 제조된 조명 장치 시스템으로부터 최종 발광하는 빛의 색좌표는 최소 1622K에서 최대 8724K까지 변화하였다. 구체적으로, 표 2는 2700K 내지 7200K의 색온도를 갖는 인공 광원을 사용하였을 때, 제조 실시예 1 내지 3에서 제조된 서로 다른 염료와 다공질막 두께를 갖는 조명용 확산판을 통과한 투과광의 색온도를 측정한 결과를 나타낸다.
Figure pat00002
표 2 내지 표 4에서, 가로축은 감광성 염료의 종류를, 세로축(Thick.)은 다공질막의 두께(㎛)와 조명용 확산판에 사용되는 입사광("Incident Light")의 색온도(K)를 각각 나타내며, 이들의 조합으로부터 얻어진 실험데이터는 조명용 확산판을 통과한 투과광의 색온도(K)를 나타낸다. 예컨대 표 2에서 감광성 염료가 N719이고 다공질막의 두께가 2.5㎛인 조명용 확산판(제조 실시예 1-2)에 2700K의 입사광을 투과시켰을 때, 확산판을 통과하여 나온 투과광의 색온도는 1961K이다.
표 3은 5500K의 LED 광원에 다양한 색온도의 녹색 LED광을 조합하여 녹색 파장대가 강조된 6347K 내지 7100K 범위의 입사광을 사용하였을 때, 제조 실시예 1 내지 3에서 제조된 조명용 확산판을 통과한 투과광의 색온도를 측정한 결과를 나타낸다.
Figure pat00003
표 4는 5500K의 LED 광원에 다양한 색온도의 청색 및 녹색 LED광을 조합하여 청색 및 녹색 파장대가 강조된 7954K 내지 27366K 범위의 입사광을 사용하였을 때, 제조 실시예 1 내지 3에서 제조된 조명용 확산판을 통과한 투과광의 색온도를 측정한 결과를 나타낸다.
Figure pat00004
표 5는 입사광의 색온도를 조절하여, 제조 실시예 4에서 제조된 조명용 확산판을 통과한 투과광이 2700K 내지 7500K의 색온도를 가지도록 하는 입사광의 색온도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 예컨대 다공질막의 두께가 1.5㎛인 조명용 확산판(제조 실시예 4-1)을 통과하여 나온 투과광이 2700K의 색온도를 가지도록 하는 입사광의 색온도는 3396K이다.
Figure pat00005
이로부터, 상이한 입사광, 염료 및 다공질막의 두께를 본 발명의 조명용 확산판에 채용하는 것에 의해 다양한 색구현이 가능하며, 특히 일반적인 상용 조명의 색온도 범위로 알려진 2700K 내지 7600K 범위에서의 색조절이 충분히 가능하다는 사실이 확인되었다. 구체적으로, 투과광의 색조절은 (1) 적색, 녹색, 청색 계열의 감광성 염료 사용, (2) 단일 입사광의 색온도 변화, (3) 2종 이상의 광을 조합하여 특정 파장대가 강조된 입사광의 사용, 및 (4) 위 (1)~(3)을 적절히 조합하는 것에 의해 수행될 수 있다.
[ 실시예 4]
인공 광원으로 LED 조명을 사용하는 본 발명의 조명 장치 시스템을 통해 최종 구현되는 빛의 유용성을 평가하기 위해, 7600K의 LED 광을 제조 실시예 1-1에서 제작한 조명용 확산판에 조사하여 최종 발생한 빛의 색좌표 및 광의 스펙트럼을 측정하였다.
도 6a는 7600K의 LED 램프의 색좌표 및 발광 스펙트럼 그래프, 및 광원을 촬영한 사진을 나타낸 것이고, 도 6b는 각각 5500K의 LED 램프의 색좌표, 7600K의 LED 램프와 본 발명의 조명용 확산판을 포함하는 조명 장치 시스템을 통과하여 나온 투과광의 발광 스펙트럼 그래프, 및 투과광을 촬영한 사진을 나타낸 것이며, 도 6c는 도 6b의 투과광의 발광 스펙트럼을 5500K의 LED 램프의 발광 스펙트럼과 비교하여 나타낸 그래프이다.
측정 결과, 도 6b 및 도 6c로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명의 조명 장치 시스템은 광에너지의 수집 후에도 소비자들이 자주 사용하는 5500K의 백색광의 빛을 구현할 수 있음이 확인되었다.
[ 실시예 5]
인공 광원으로 LED 램프를 사용하였을 때 본 발명의 조명용 확산판에 대한 온도의 영향을 확인하기 위해, 제조 실시예 1-1에서 제조한 조명용 확산판과 LED 램프와의 거리를 5cm로 놓고 시간에 따른 온도의 변화를 측정하였다. 그 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이 LED 램프와의 거리가 5cm 임에도 불구하고 본 발명의 조명용 확산판의 온도가 52℃ 이상으로 승온되지 않는 것이 확인되었다. 이로부터 본 발명의 조명용 확산판을 위한 인공 광원으로 LED 램프를 사용하더라도, 온도에 의한 조명용 확산판의 안정성 문제는 발생하지 않을 것으로 예상된다.
본 발명의 조명용 확산판 및 이를 포함하는 조명 장치 시스템은 실내등, 비상등, 무드등, 이동수단용 조명, 스마트 조명 등 다양한 조명에 직접 적용될 수 있고, 절전 광량 분석기술, 절전 상황 인지기술, 절전 LED 조명제어 기술, 절전 효과 측정기술을 기반으로 하는 IT 정보 네트워크에 접목될 수 있고, 다양한 조명환경의 조명기구 제어에 사용됨으로써 불필요한 에너지 소비를 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 온도센서, 습도센서, 조도센서의 복합적인 센서와 연결되어 주거환경의 변화에 따라 변화를 줄 수 있는 스마트 실내 조명 시스템으로서의 활용도 또한 매우 클 것으로 예상된다. 또한, LED 조명 설계의 유연성, 경박단소, Network 지원을 지원하는 표준 플랫폼 등 다양한 활용성이 기대되고, 연관분야의 기술과 쉽게 결합이 가능하며, 빠른 시장변화와 다양한 사용자의 욕구를 실현시킬 수 있으며, 다양한 제품 디자인을 구현할 수 있는 기술로써 제품 개발 및 시장개척에 파급효과가 클 것으로 예상된다.
또한, 수요자 및 조명 환경에 최적화된 설계가 가능하고, 다채로운 색구현이 가능하여 감성 조명으로의 활용도가 높으며, 자가 충전 및 구동형 일체형 시스템으로 제작할 수 있어 고 위험 환경(화재, 지진, 정전)에서도 지속적으로 사용이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 무전원으로 작동되면서 주변 전기 장치에 전원을 공급할 수 있으므로 설치 장소에 제약을 받지 않으며, 기존의 실내 조명을 그대로 이용할 수 있어 설치가 매우 쉽고, 저비용으로 교체가 가능하며 사물인터넷(IoT)형 센서에 의한 전원 공급이 가능하도록 설계할 수도 있어, 스마트 환경에 매우 유용한 장점을 가지고 있다.
100: 광전극
101a 및 101b: 투명 유리기판 또는 플렉서블 기판
102a 및 102b: 전도성 투명 필름
103: 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막
110: 상대전극
111: 나노입자 금속필름층
120: 전해질
130: 고분자 접착제층

Claims (15)

  1. (a) 전도성 기판 또는 플렉시블 기판 상에 형성되고, 광민감성 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자 다공질막을 포함하는 광전극; (b) 상기 광전극과 이격하여 대면하며, 전도성 기판 또는 플렉시블 기판 상에 형성되고 나노입자 금속필름층을 포함하는 상대전극; 및 (c) 상기 광전극과 상대전극 사이에 충진되는 액상의 전해질 조성물을 포함하며, 인공 광원으로부터 광에너지를 수집할 수 있는 조명용 확산판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광전극 및 상대전극은 전도성 기판 상에 형성되고, 여기서 상기 전도성 기판은 전도성 필름이 코팅된 투명 유리 기판인, 조명용 확산판.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전도성 필름은 SnO2:F, ITO, 평균 두께가 1 내지 1000 nm인 금속 전극, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물, 또는 전도성 고분자를 포함하는, 조명용 확산판.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전도성 필름은 불소가 도핑된 산화주석층(FTO) 또는 인듐산화주석층(ITO) 중 어느 하나인, 조명용 확산판.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광민감성 염료는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 셀레늄(Se), 텔레라이드(Te), 황(S) 및 이들의 복합체로 이루어지는 군에서 선택된 원소를 포함하는 유-무기 복합염료인, 조명용 확산판.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광민감성 염료는 N719 (bis(tetrabutylammonium)-cis-(dithiocyanato-N,N'-bis(4-carboxylato-4'-carboxylic acid-2,2'-bipyridine)ruthenium(II)), D35 ((E)-3-(5-(4-(bis(2',4'-dibutoxy-[1,1'-biphenyl]-4-yl)amino)phenyl)thiophen-2-yl)-2-cyanoacrylic acid), HSQ4 ((3Z,4Z)-4-((5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octyl-3H-indol-1-ium-2-yl)methylene)-2-(((E)-5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octylindolin-2-ylidene)methyl)-3-(1-cyano-2-ethoxy-2-oxoethylidene)cyclobut-1-en-1-olate), 또는 bTPA-DPP-DMP ((3Z,4Z)-4-((5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octyl-3H-indol-1-ium-2-yl)methylene)-2-(((E)-5-carboxy-3,3-dimethyl-1-octylindolin-2-ylidene)methyl)-3-(1-cyano-2-ethoxy-2-oxoethylidene)cyclobut-1-en-1-olate)로부터 선택되는 것인, 조명용 확산판.
  7. 제1항에 있어서, 상기 조명용 확산판을 투과하여 나온 투과광의 색온도는 2700K 내지 7600K인, 조명용 확산판.
  8. 제1항에 있어서, 상기 나노입자 금속필름층의 형성에 사용되는 나노입자 금속은 백금(Pt), 활성탄(activated carbon), 흑연(graphite), 카본 나노튜브, 카본블랙, p-형 반도체, PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))-PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린-CSA, 펜타센, 폴리아세틸렌, P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 폴리피롤, 폴리설퍼나이트라이드 및 이들의 유도체 및 이들의 공중합체 또는 이들의 복합체 및 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것인, 조명용 확산판.
  9. 제1항에 있어서, 상기 액상의 전해질 조성물은 산화·환원 유도체 및 유기용매를 포함하는 것인, 조명용 확산판.
  10. 제9항에 있어서, 상기 산화·환원 유도체는 요오드화리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 및 브롬화칼륨을 포함하는 할로겐화 금속염, 4급 암모늄염, 이미다졸륨염, 피리디늄염, 피롤리디늄염, 피라졸리듐염, 이소티아졸리디늄염, 이소옥사졸리디늄염, 및 코발트계 함질소 복소환 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상인, 조명용 확산판.
  11. 제9항에 있어서, 상기 액상의 전해질 조성물에 포함되는 유기용매는 아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴, 발레로니트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 및 테트라하이드로퓨란 중에서 선택되는 1종 이상이거나, 여기에 이미다졸리윰, 피롤리디늄을 포함하는 상온 용융염을 첨가한 것인, 조명용 확산판.
  12. 인공 광원; 및 인공 광원의 하단부에 위치하며 인공 광원으로부터 광에너지를 수집할 수 있는 제1항 내지 제11항의 조명용 확산판을 포함하는, 조명 장치 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 인공 광원은 LED 램프, RGB (Red, Green, Blue) 램프 및 형광등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인, 조명 장치 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 인공 광원의 색온도는 2500K 내지 9000K, 또는 3000K 내지 7600K인, 조명 장치 시스템.
  15. 실내등, 비상등, 무드등, 이동수단용 조명 및 스마트 조명을 포함하는, 제12항의 조명 장치 시스템을 포함하는 조명.
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