KR20230077311A - 광전극 장착 및 연결구조가 개선된 광전기화학적 수전해 장치 - Google Patents

광전극 장착 및 연결구조가 개선된 광전기화학적 수전해 장치 Download PDF

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이지혜
최대근
정주연
이호영
임한이
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한국기계연구원
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Abstract

광전극 장착 및 연결구조가 개선된 광전기화학적 수전해 장치에서, 상기 광전기화학적 수전해 장치는, 광전극과, 광전극의 제1 측에서 광전극의 지지 기반을 제공하는 절연기판과, 광전극의 제2 측에서 광전극과 접하는 전해액을 수용하는 제1 전해액 용기를 포함하는 광전극 모듈과, 광전극과 마주하게 배치되는 상대전극과, 상기 상대전극의 제1 및 제2 측들에서 상기 상대전극과 접하는 전해액을 수용하는 제2 전해액 용기를 포함하는 상대전극 모듈과, 상기 광전극 모듈과 상기 상대전극 모듈 사이에 개재된 멤브레인과, 상기 광전극 모듈의 제1 측을 따라 최외측에서 상기 광전극과 전기적으로 연결되는 제1 전도성 스트립을 포함한다.

Description

광전극 장착 및 연결구조가 개선된 광전기화학적 수전해 장치{HYDROELECTRIC APPARATUS HAVING IMPROVED CONNECTING STRUCTURE}
본 발명은 광전기화학적 수전해 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광전극이 형성된 절연기판의 위치 고정 및 전기적인 연결이 동시에 이루어질 수 있도록, 광전극의 장착 구조 및 전기적인 연결 구조가 개선된 광전기화학적 수전해 장치에 관한 것이다.
산업의 발전에 따라 환경오염 및 에너지 문제가 심각하게 대두되고 있으며, 이에 따라, 오염물질을 생성하지 않고 에너지를 생산할 수 있는 대체 에너지의 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
광전기화학적 수전해 장치는 광 에너지의 조사에 의한 전해액의 분해 반응으로부터 수소를 생산하는 것으로, 최종 생성물이 수소와 산소라는 점에서 가장 친환경적일 뿐만 아니라, 자연으로부터 가장 쉽게 이용할 수 있는 태양광과 물을 각각 에너지 자원과 반응물로 이용하기 때문에, 재생 가능하고, 환경 친화적인 수소 생산 방법이라고 할 수 있다.
이러한 광전기화학적 수전해 장치는 대한민국 공개특허 제10-2021-0122260호에서와 같이, 다양하게 개발되고 있는 상황이다.
나아가, 광전기화학적 수전해 장치의 구조가 복잡하게 설계됨에 따라, 보다 안정적으로 광전극을 연결하거나 장착하기 위한 기술에 대한 필요성이 증가하고 있는 상황이다.
대한민국 공개특허 제10-2021-0122260호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 광전극이 형성된 절연기판의 위치 고정 및 전기적인 연결이 동시에 이루어질 수 있도록, 광전극의 장착 구조 및 전기적인 연결 구조가 개선된 광전기화학적 수전해 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 위한 일 실시예에 의한 수전해 장치는, 광전극 모듈, 상대전극 모듈, 멤브레인 및 제1 전도성 스트립을 포함한다. 상기 광전극 모듈은 광전극과, 상기 광전극의 제1 측에서 상기 광전극의 지지 기반을 제공하는 절연기판과, 상기 광전극의 제2 측에서 상기 광전극과 접하는 전해액을 수용하는 제1 전해액 용기를 포함한다. 상기 상대전극 모듈은, 상기 광전극과 마주하게 배치되는 상대전극과, 상기 상대전극의 제1 및 제2 측들에서 상기 상대전극과 접하는 전해액을 수용하는 제2 전해액 용기를 포함한다. 상기 멤브레인은 상기 광전극 모듈과 상기 상대전극 모듈 사이에 개재된다. 상기 제1 전도성 스트립은 상기 광전극 모듈의 제1 측을 따라 최외측에서 상기 광전극과 전기적으로 연결된다.
일 실시예에서, 상기 제1 전도성 스트립은 상기 광전극에 대한 제1 입사 영역을 폐루프 형태로 둘러싸도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 상대전극 모듈의 제2 측을 따라 최외측으로는 구동용 광전극에 대한 제2 입사 영역을 폐루프 형태로 둘러싸도록 제2 전도성 스트립이 형성되며, 상기 구동용 광전극은 상기 제2 전도성 스트립과 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전해액 용기는 광 투명한 광학 수지로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전도성 스트립들은, 각각 상기 광전기화학적 수전해 장치의 제1 측 및 제2 측을 따라 최외측을 형성하면서, 상기 제1 및 제2 전해액 용기들의 외부에서 전기적인 접점을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수전해 장치는, 상기 광전극과 상기 상대전극을 전기적으로 연결하되, 바이어스 전원을 제공하는 구동용 광전극을 경유하여, 상기 광전극과 상기 상대전극을 연결하는 접속 도선을 더 포함하고, 상기 접속 도선은, 상기 광전극과 전기적으로 연결된 제1 전도성 스트립 상에 형성된 접점과, 상기 구동용 광전극과 전기적으로 연결된 제2 전도성 스트립 상에 형성된 접점을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전도성 스트립들은, 상기 제1 및 제2 입사 영역들을 제공하도록 광 투명한 소재로 형성되는 제1 및 제2 절연기판들의 테두리를 따라 각각 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전도성 스트립들은, 상기 광전극 및 상기 구동용 광전극이 각각 형성된 상기 제1 및 제2 절연기판들을 탈부착 가능하게 위치 고정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수전해 장치는, 상기 광전극이 지지된 제1 절연기판과 상기 제1 전해액 용기 사이에서 상기 광전극과 전기적으로 연결되는 내측 단부와, 상기 제1 절연기판의 테두리를 따라 배치된 제1 전도성 스트립과 상기 제1 전해액 용기 사이의 외부 위치로 인출되는 외측 단부를 구비하는 제3 전도성 스트립을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 전도성 스트립의 상기 내측 단부는, 상기 제1 전해액 용기의 장착 홈 내에서, 상기 장착 홈에 끼워지는 제1 절연기판 상에 형성된 상기 광전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 전도성 스트립의 상기 외측 단부는, 상기 외부 위치에서 상기 제1 전도성 스트립과 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 전도성 스트립은, 상기 내측 단부와 상기 외측 단부 사이에서 단차지게 형성된 연결부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 전도성 스트립은, 상기 제1 절연기판 상에 형성된 상기 광전극에 대한 제1 입사 영역을 향하는 내측과, 상기 제1 입사 영역과 반대되는 외측 사이에서 연장되며, 상기 제1 절연기판의 테두리를 따라 다수개가 배열되고, 상기 다수의 제3 전도성 스트립들은 외측에서 상기 다수의 제3 전도성 스트립을 가로질러 연장되는 테두리 부재에 의해 서로 지지될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 테두리 부재는 제1 전도성 스트립을 폐루프 형태로 둘러싸도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전도성 스트립 및 상기 테두리 부재는, 각각 제1 입사 영역을 내측 위치 및 외측 위치에서 폐루프 형태로 둘러싸면서, 상기 제1 전도성 스트립 및 상기 테두리 부재 사이를 가로질러 연장되는 제3 전도성 스트립에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수전해 장치는, 상기 광전극과 상기 상대전극을 전기적으로 연결하는 접속 도선을 더 포함하고, 상기 광전극과 상기 접속 도선 사이의 전기적인 연결은 전해액으로부터의 전기적인 절연을 포함하고, 상기 상대전극과 상기 접속 도선 사이의 전기적인 연결은 전해액으로 노출될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광전극과 상기 접속 도선 사이의 전기적인 연결은, 상기 광전극과 상기 접속 도선 사이에 개재되며 서로 연결되는 제1 및 제3 전도성 스트립들에 의해 전해액으로부터 절연될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제3 전도성 스트립들은, 전해액을 수용하는 상기 제1 전해액 용기의 외부에서 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제3 전도성 스트립은 제1 절연기판과 상기 제1 전해액 용기 사이의 체결 압력에 따라, 상기 제1 절연기판 상에 형성된 상기 광전극을 향하여 압박될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 광전극이 형성된 절연기판의 위치 고정 및 전기적인 연결이 동시에 이루어질 수 있도록, 광전극의 장착 구조 및 전기적인 연결 구조가 개선된 수전해 장치를 제공할 수 있다.
또한, 광전극의 점검, 수리, 교체와 같은 관리의 편이성을 고려하여, 탈부착 가능한 광전극의 장착 구조를 지원하는 수전해 장치를 제공할 수 있다.
또한, 광 반응층을 여기시키는 가시광의 광 흡수도가 향상되도록 구조가 개선된 광 전극을 통하여 수소의 생산 효율이 향상된 수전해 장치를 제공할 수 있다.
또한, 광 반응층의 여기에 의해 생성된 반송자의 수명과 직결되는 면 저항을 줄일 수 있도록 구조가 개선된 광 전극을 통하여 수소의 생산 효율이 향상된 수전해 장치를 제공할 수 있다.
또한, 광 전극의 메쉬 전극 상을 덮어 광 반응층의 고온 공정으로부터 메쉬 전극을 보호할 수 있도록, 메쉬 전극 상에 고온 안전성이 우수한 투명 도전막을 형성하여, 광 반응층의 고온 공정으로부터 메쉬 전극의 열 변형 및 전기적 특성 저하를 차단하고, 평면 저항의 증가에 따른 전자-정공의 재결합으로 인한 반송자의 수집 효율의 저하를 차단할 수 있는 수전해 장치를 제공할 수 있다.
또한, 전해액으로서의 수분자의 산화-환원 반응이 이루어지는 광전극 및 상대전극 사이에서 이온 이동을 허용하기 위한 멤브레인을 중심으로 2분할된 구조로 형성됨으로써, 전체 수전해 장치의 조립성이 향상되며, 멤브레인의 장착, 수리, 교체 등이 용이하게 이루어질 수 있는 수전해 장치를 제공할 수 있다.
또한, 전해액으로서의 수분자의 산화-환원 반응이 이루어지는 광전극 및 상대전극 사이에서 이온 이동을 허용하기 위한 오프닝 주변을 따라 형성된 실링 구조를 개선하여, 전해액의 누수를 차단하기 위한 기밀성을 제공함과 동시에, 멤브레인의 위치를 견고하게 고정할 수 있는 수전해 장치를 제공할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d에는, 본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 장치의 광전극 모듈 측을 형성하는 제1 전해액 용기의 전면, 도 1a의 A-A´를 따라 절단한 단면, 상면 및 하면을 도시한 도면들이 도시되어 있다.
도 2a 내지 도 2c에는, 도 1a 및 도 1b의 제1 전해액 용기에, 배관 접속부가 연결된 전면, 도 2a의 B-B´을 따라 절단한 단면 및 상면을 도시한 도면들이 도시되어 있다.
도 3a 내지 도 3C에는, 도 1a의 수전해 장치의 상대전극 모듈 측을 형성하는 제2 전해액 용기의 전면, 도 3a의 C-C´을 따라 절단한 단면 및 상면을 도시한 도면들이 도시되어 있다.
도 4a 내지 도 4c에는, 도 3a 및 도 3b의 제2 전해액 용기에, 배관 접속부가 연결된 전면, 도 4a의 D-D´을 따라 절단한 단면 및 상면을 도시한 도면들이 도시되어 있다.
도 5에는, 도 1a에 도시된 제1 전해액 용기와 도 1b에 도시된 제2 전해액 용기의 결합을 보여주는 도면으로, 결합된 제1 및 제2 전해액 용기들의 상면을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 6에는, 도 1a에 도시된 제1 전해액 용기와 도 1b에 도시된 제2 전해액 용기의 결합을 보여주는 도면으로, 결합된 제1 및 제2 전해액 용기들의 측 단면을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 7에는, 도 1a에 도시된 제1 전해액 용기의 전면과, 도 1b에 도시된 제2 전해액 용기의 배면에 결합되는 제1 및 제2 전도성 스트립들의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 8에는, 도 7에 도시된 제1 전도성 스트립과 연결되는 제3 전도성 스트립의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 9에는, 도 7 및 도 8에 각각 도시된 제1 및 제3 전도성 스트립들의 조립을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 10에는, 도 1a의 수전해 장치의 측 단면도로서, 광전극 및 멤브레인을 포함하는 수전해 장치의 내부 구성을 보여주는 단면도가 도시되어 있다.
도 11a에는, 도 10에 도시된 광전극을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 11b에는, 도 11a에 도시된 광전극을 보다 구체적으로 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 11c에는, 도 11b에 도시된 광전극의 메쉬 전극을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 11d에는, 도 11b에 도시된 광전극의 나노패턴층을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 12에는, 나노패턴층을 형성하는 나노 입자의 사이즈를 180nm~220nm까지 다양하게 변화시키면서, 가시광의 파장에 따른 광 흡수도를 산출한 시뮬레이션 결과와, 나노패턴층이 형성되지 않은 비교예에서 가시광의 파장에 따른 광 흡수도를 산출한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다.
도 13에는 본 발명의 실시예들에서, 서로 이웃한 나노 입자 사이의 피치 간격을 300nm~700nm까지 다양하게 변화시키면서 가시광의 파장에 따른 광 흡수도를 산출한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다.
도 14에는 가시광의 파장대역(380nm 내지는 400nm~800nm) 중에서 가시광의 이용 효율이 우수한 비교적 장파장의 650nm 파장에서 피치 간격의 변화에 따른 광 흡수도를 추출하여 도시한 도면이 도시되어 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태에 관한 수전해 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1d에는, 본 발명의 일 실시예에 의한 수전해 장치의 광전극 모듈 측을 형성하는 제1 전해액 용기의 전면, 도 1a의 A-A´를 따라 절단한 단면, 상면 및 하면을 도시한 도면들이 도시되어 있다.
도 2a 내지 도 2c에는, 도 1a 및 도 1b의 제1 전해액 용기에, 배관 접속부가 연결된 전면, 도 2a의 B-B´을 따라 절단한 단면 및 상면을 도시한 도면들이 도시되어 있다.
도 3a 내지 도 3C에는, 도 1a의 수전해 장치의 상대전극 모듈 측을 형성하는 제2 전해액 용기의 전면, 도 3a의 C-C´을 따라 절단한 단면 및 상면을 도시한 도면들이 도시되어 있다.
도 4a 내지 도 4c에는, 도 3a 및 도 3b의 제2 전해액 용기에, 배관 접속부가 연결된 전면, 도 4a의 D-D´을 따라 절단한 단면 및 상면을 도시한 도면들이 도시되어 있다.
도 5에는, 도 1a에 도시된 제1 전해액 용기와 도 1b에 도시된 제2 전해액 용기의 결합을 보여주는 도면으로, 결합된 제1 및 제2 전해액 용기들의 상면을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 6에는, 도 1a에 도시된 제1 전해액 용기와 도 1b에 도시된 제2 전해액 용기의 결합을 보여주는 도면으로, 결합된 제1 및 제2 전해액 용기들의 측 단면을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 7에는, 도 1a에 도시된 제1 전해액 용기의 전면과, 도 1b에 도시된 제2 전해액 용기의 배면에 결합되는 제1 및 제2 전도성 스트립들의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 8에는, 도 7에 도시된 제1 전도성 스트립과 연결되는 제3 전도성 스트립의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 9에는, 도 7 및 도 8에 각각 도시된 제1 및 제3 전도성 스트립들의 조립을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 10에는, 도 1a의 수전해 장치의 측 단면도로서, 광전극 및 멤브레인을 포함하는 수전해 장치의 내부 구성을 보여주는 단면도가 도시되어 있다.
도 11a에는, 도 10에 도시된 광전극을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 11b에는, 도 11a에 도시된 광전극을 보다 구체적으로 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 11c에는, 도 11b에 도시된 광전극의 메쉬 전극을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 11d에는, 도 11b에 도시된 광전극의 나노패턴층을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 12에는, 나노패턴층을 형성하는 나노 입자의 사이즈를 180nm~220nm까지 다양하게 변화시키면서, 가시광의 파장에 따른 광 흡수도를 산출한 시뮬레이션 결과와, 나노패턴층이 형성되지 않은 비교예에서 가시광의 파장에 따른 광 흡수도를 산출한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다.
도 13에는 본 발명의 실시예들에서, 서로 이웃한 나노 입자 사이의 피치 간격을 300nm~700nm까지 다양하게 변화시키면서 가시광의 파장에 따른 광 흡수도를 산출한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다.
도 14에는 가시광의 파장대역(380nm 내지는 400nm~800nm) 중에서 가시광의 이용 효율이 우수한 비교적 장파장의 650nm 파장에서 피치 간격의 변화에 따른 광 흡수도를 추출하여 도시한 도면이 도시되어 있다.
먼저, 첨부된 도면들 중에서, 도 10에 도시된 수전해 장치의 전체 구성과, 도 11a 내지 도 11d에 도시된 광전극의 구조를 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 상기 수전해 장치는,
광전극(E1)과, 광전극(E1)의 제1 측(X1)에서 광전극(E1)의 지지 기반을 제공하는 제1 절연기판(10)과, 광전극(E1)의 제2 측(X2)에서 광전극(E1)과 접하는 전해액(E3)을 수용하는 제1 전해액 용기(M1a)를 포함하는 광전극 모듈(M1);
상기 광전극(E1)과 마주하게 배치되는 상대전극(E2)과, 상기 상대전극(E2)의 제1 및 제2 측들(X1,X2)에서 상대전극(E2)과 접하는 전해액(E3)을 수용하는 제2 전해액 용기(M2a)를 포함하는 상대전극 모듈(M2); 및
상기 광전극 모듈(M1)과 상대전극 모듈(M2) 사이에 개재된 멤브레인(M3);을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 수전해 장치는, 전해액(E3)으로서의 수분자의 분해 반응을 이용하여 수소를 생성하는 수소 생성 디바이스를 제공할 수 있다. 또한, 상기 광전극 모듈(M1)은 수전해 장치의 음극 측을 형성할 수 있으며, 상기 상대전극 모듈(M2)은 수전해 장치의 양극 측을 형성할 수 있다. 또한, 수전해 장치의 음극 측을 형성하는 광전극 모듈(M1)에서는 제1 가스로서 산소가 발생될 수 있으며, 수전해 장치의 양극 측을 형성하는 상대전극 모듈(M2)에서는 제2 가스로서 수소가 발생될 수 있다. 다만, 본 실시예에서, 상기 광전극(E1)에 구비되는 광 반응층(16,18)의 종류에 따라, 예를 들어, 광 여기에 의해 발생되는 반송자(캐리어)의 종류에 따라, 상기 광전극 모듈(M1)은 수전해 장치의 양극 측을 구성하여 제1 가스로서 수소를 발생할 수도 있으며, 상기 상대전극 모듈(M2)은 수전해 장치의 음극 측을 구성하여 제2 가스로서 산소를 발생할 수도 있다.
또한, 수전해 장치의 제1 측(X1)을 형성하는 광전극 모듈(M1)은, 가시광에 의해 여기될 수 있는 광 반응층들(16,18)을 포함할 수 있다. 본 명세서를 통하여 제1 측(X1)이란 가시광이 입사되는 측을 의미할 수 있고, 제2 측(X2)이란 제1 측(X1)과 반대되는 측을 의미할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 의한 수전해 장치는, 서로 반대되는 제1 및 제2 측들(X1,X2)로 수전해 장치를 2분할하는 것으로, 제1 측(X1)을 형성하는 광전극 모듈(M1)과 제2 측(X2)을 형성하는 상대전극 모듈(M2)을 포함할 수 있으며, 상기 광전극 모듈(M1)과 상대전극 모듈(M2) 사이에 개재되는 멤브레인(M3)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광전극 모듈(M1)은 제1 측(X1)에 배치되는 광전극(E1)과 제2 측(X2)에 배치되어 광전극(E1)과 접하는 전해액(E3)을 수용하는 제1 전해액 용기(M1a)를 포함할 수 있는데, 이때, 제1 측(X1)이란 광전극 모듈(M1) 중에서 가시광이 입사되는 측을 의미할 수 있으며, 제2 측(X2)이란 광전극 모듈(M1) 중에서 제1 측(X1)과 반대되는 측, 즉, 멤브레인(M3)과 마주하는 측을 의미할 수 있다. 또한, 상기 상대전극 모듈(M2)은 제1 측(X1)에 배치되는 제2 전해액 용기(M2a)와, 제2 측(X2)에 배치되어 제2 전해액 용기(M2a)에 수용된 전해액(E3)과 접하는 상대전극(E2)을 포함할 수 있는데, 이때, 제1 측(X1)이란 상대전극 모듈(M2) 중에서 가시광이 입사되는 측, 즉, 멤브레인(M3)과 마주하는 측을 의미할 수 있으며, 제2 측(X2)이란 상대전극 모듈(M2) 중에서 제1 측(X1)과 반대되는 측을 의미할 수 있다.
본 실시예에 의한 수전해 장치에서는, 서로 마주하게 결합되면서 제1 측(X1)을 형성하는 광전극 모듈(M1)과 제2 측(X2)을 형성하는 상대전극 모듈(M2)을 포함할 수 있으며, 광전극 모듈(M1)의 제1 측(X1)을 따라 최외측으로는 제1 입사 영역(I1)을 둘러싸는 띠 형상으로 형성된 제1 전도성 스트립(R1)과, 상기 제1 전도성 스트립(R1)과 전기적으로 연결되는 광전극(E1)이 배치될 수 있으며, 상대전극 모듈(M2)의 제2 측(X2)을 따라 최외측으로는 제2 입사 영역(I2)을 둘러싸는 제2 전도성 스트립(R2)과, 상기 제2 전도성 스트립(R2)과 전기적으로 연결되는 구동용 광전극(E4)이 배치될 수 있다. 즉, 본 실시예에 의한 수전해 장치에서는 서로 반대되는 제1 및 제2 측들(X1,X2)의 양편으로, 제1 및 제2 입사 영역들(I1,I2)이 형성되어, 각각 광전극(E1) 및 구동용 광전극(E4)을 여기시킬 수 있는 가시광이 입사될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 입사 영역들(I1,I2)이란, 제1 및 제2 절연기판들(10,20)이 장착되는 장착 홈들(10a,20a)의 내측에서 제1 및 제2 절연기판들(10,20) 상에 형성된 광전극(E1) 또는 구동용 광전극(E4)을 여기시킬 수 있는 가시광이 입사되는 영역을 의미할 수 있다.
본 실시예에서, 제1 및 제2 입사 영역들(I1,I2)로 가시광이 입사된다고 하더라도, 제1 및 제2 입사 영역들(I1,I2)에서는 서로 다른 광 강도의 가시광을 수용할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 입사 영역(I1)은 수전해 장치의 제1 측(X1)을 형성하며 상대적으로 높은 광 강도의 가시광을 수용할 수 있는 반면에, 제2 입사 영역(I2)은 수전해 장치의 제2 측(X2)을 형성하며 상대적으로 낮은, 즉, 수전해 장치를 투과하면서 발생된 광 손실에 의해 상대적으로 낮은 광 강도의 가시광을 수용할 수 있다. 본 실시예에서는, 수전해 장치에서 상대적으로 큰 부피를 차지하는 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)을 광 투명한 광학 수지로 형성할 수 있으며, 예를 들어, 본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)은 아크릴 수지로 형성함으로써, 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)을 투과하면서 경험하는 광 손실을 가급적 줄이고, 제2 입사 영역(I2)을 통하여 구동용 광전극(E4)을 충분히 여기시킬 수 있는 충분한 광량의 가시광이 확보될 수 있도록 할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)은 각각 수전해 장치의 제1 및 제2 측들(X1,X2)을 형성하면서, 제1 및 제2 측들(X1,X2)을 따라 수전해 장치의 최외측을 형성할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)은, 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)과 인접하게 형성되는 광전극(E1) 및 구동용 광전극(E4)과의 전기적인 접점을 형성할 수 있으며, 본 실시예에서, 수전해 장치의 최외측에 형성된 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)을 통하여, 전해액(E3)이 수용되어 있는 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 외부에서 전기적인 접점을 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)은, 전기적인 전도성을 갖는 박판의 금속 스트립 형태로 형성될 수 있으며, 각각 제1 및 제2 입사 영역들(I1,I2)을 정의하도록, 제1 및 제2 입사 영역들(I1,I2)을 둘러싸는 사각형 프레임 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)은, 상기 제1 및 제2 입사 영역들(I1,I2)을 제공하도록 광 투명한 소재로 형성된 제1 및 제2 절연기판들(10,20)의 테두리를 따라 결합될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 절연기판들(10,20) 상에 형성된 광전극(E1) 및 구동용 광전극(E4)과 전기적으로 연결될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 수전해 장치는, 전해액(E3)으로서의 수분자의 분해 반응을 이용하여 제1 가스 또는 제2 가스를 생성하는 가스 생성 디바이스를 제공할 수 있으며, 상기 광전극(E1) 및 구동용 광전극(E4)은 모두 가스 생성 과정에 관여할 수 있으나, 예를 들어, 상대적으로 높은 광 강도의 가시광을 수용할 수 있는 제1 측(X1)에 형성된 광전극(E1)은 제1 가스로서의 수소 생성을 위한 산화-환원 반응에 직접적으로 관여할 수 있으며, 제2 측(X2)에 형성된 구동용 광전극(E4)은 수소 생성을 위한 산화-환원 반응에 직접적으로 관여하기 보다는, 산화-환원 반응을 촉진하기 위한 소정의 바이어스 전압을 형성하기 위한 구성일 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 광전극(E1)은 제1 입사 영역(I1)을 통하여 수용된 가시광에 의해 여기되어 전자와 정공과 같은 반송자를 생성할 수 있으며, 생성된 정공은 전해액(E3)으로서의 수분자를 산화시켜서 제1 가스를 생성하고, 생성된 전자는 멤브레인(M3)을 통하여 상대전극(E2)을 이동한 양이온(ex. 프로톤)을 환원시켜서 제2 가스를 생성할 수 있다. 이와 같이, 상기 광전극(E1)은 전해액(E3)의 산화-환원 반응에 직접 참여하는데 반하여, 상기 구동용 광전극(E4)은 제2 입사 영역(I2)을 통하여 수용된 가시광에 의해 여기되어, 광전극(E1)에서의 전자-정공의 분리가 용이하게 이루어지도록 적정의 전위 차이(전압)를 형성할 수 있다. 상기 광전극(E1) 및 구동용 광전극(E4)은, 각각 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)과 마주하게 결합되는 제1 및 제2 절연기판들(10,20) 상에 형성될 수 있으나, 상기 광전극(E1)은 제1 절연기판(10)의 제2 측(X2), 즉, 제1 절연기판(10)의 멤브레인(M3, 또는 멤브레인 M3이 침지되어 있는 전해액 E3)과 마주하는 측에 배치되면서, 전해액(E3)과 접하도록 배치될 수 있으며, 상기 구동용 광전극(E4)은 제2 절연기판(20)의 제2 측(X2), 즉, 제2 절연기판(20)의 멤브레인(M3, 또는 멤브레인 M3이 침지되어 있는 전해액 E3)의 반대 측에 배치되면서, 전해액(E3)과 접하지 않도록 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 광전극(E1)은, 제1 및 제2 측들(X1,X2) 중에서 적어도 일 측, 즉, 제2 측(X2)은 전해액(E3)과 접하면서 전자 또는 정공과 같은 반송자를 공급하여 전해액(E3)으로서의 수분자를 산화시키거나 또는 환원시킬 수 있으며, 상기 광전극(E1)의 제1 측(X1)은 제1 절연기판(10)과 접하도록 배치될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 광전극(E1)은 제1 절연기판(10)을 지지기반으로 하여, 제1 절연기판(10) 상에 형성될 수 있다.
상기 광전극(E1)과 달리, 구동용 광전극(E4)은 전해액(E3)과 접하지 않도록 배치될 수 있으며, 예를 들어, 구동용 광전극(E4)의 제1 측(X1)은 제2 절연기판(20)과 접하고, 제2 측(X2)은 수전해 장치의 외부를 향하여 노출된 상태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 구동용 광전극(E4)은, 제2 입사 영역(I2)을 통하여 수용된 가시광에 의해 여기되어, 전기적인 에너지를 생성할 수 있도록 광전 변환이 가능한 태양전지로 구현될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 광전극(E1)은 수소 생성을 위한 전해액(E3)의 산화-환원 반응에 직접적으로 관여하는데 반하여, 상기 구동용 광전극(E4)은 전해액(E3)의 산화-환원 반응에 직접적으로 관여하기 보다는 전해액(E3)의 산화-환원 반응을 촉진하기 위한 전위 차이(전압)를 형성하기 위한 구성이므로, 본 명세서를 통하여 전도성 스트립들(R1,R2), 입사 영역들(I1,I2), 절연기판들(10,20), 광전극들(E1,E4)은, 모두 수전해 장치의 제1 측(X1)에 형성된 구성을 의미할 수 있으며, 별도의 언급이 없는 한, 수전해 장치의 제2 측(X2)에 형성된 제2 전도성 스트립(R2), 제2 입사 영역(I2), 제2 절연기판(20) 및 구동용 광전극(E4)을 의미하기 보다는, 수전해 장치의 제1 측(X1)에 형성된 제1 전도성 스트립(R1), 제1 입사 영역(I1), 제1 절연기판(10), 광전극(E1)을 의미할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)에는, 분해 반응의 소재로서의 전해액(E3)이 수용될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)에는, 전해액(E3)의 공급 및 배출을 위한 배관 접속부(P1,P2)가 형성될 수 있으며, 전기적으로 이온화된 전해액(E3)을 새로운 전해액(E3)으로 교체하기 위하여, 외부와의 유체적인 연결을 위한 배관 접속부(P1,P2)가 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 배관 접속부(P1,P2)는 제1 및 제2 전해액 용기(M1a,M2a)의 하부에 형성된 인렛배관 접속부(P1)와, 제1 및 제2 전해액 용기(M1a,M2a)의 상부에 형성된 아웃렛배관 접속부(P2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서는, 광전극(E1)의 여기에 의해 전자와 정공의 분리가 이루어지고, 분리된 정공은 광전극(E1)의 주변에서 전해액(E3)으로서의 수분자를 산화시켜서 제1 가스와 양이온(ex. 프로톤)을 생성하고, 광전극(E1)의 여기에 의해 분리된 정공은 접속 도선(L)을 통하여 상대전극(E2)으로 이동하고, 광전극(E1)의 주변으로부터 멤브레인(M3)을 통하여 상대전극(E2)으로 확산한 양이온(ex. 프로톤)과 반응하여 상대전극(E2)의 주변에서 제2 가스를 생성할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는, 광전극(E1)의 주변에서 이루어지는 산화 반응과 상대전극(E2)의 주변에서 이루어지는 환원 반응이 제1 및 제2 가스의 생성에도 불구하고 지속적으로 유지되도록, 광전극(E1) 주변에서 생성된 양이온(ex. 프로톤)을 멤브레인(M3)을 통하여 상대전극(E2)으로 확산시킴과 동시에, 제1 및 제2 가스의 생성에 따른 전해액(E3)의 부족을 보충하면서 멤브레인(M3)의 투과성에도 불구하고 광전극(E1)의 주변에서 상대적으로 높은 농도를 형성하는 양이온의 제거 및 이에 따른 광전극(E1)의 주변에서의 산화 반응을 촉진하기 위하여, 전기적으로 이온화된 전해액(E3)을 새로운 전해액(E3)으로 교체해줄 수 있다. 즉, 본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전해액 용기(M1a,M2a)에 형성된 배관 접속부들(P1,P2)은, 전해액(E3)의 보충 및 교체의 용도를 위하여 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 배관 접속부들(P1,P2)은, 전해액(E3)의 공급을 위한 인렛배관 접속부(P1)와, 전해액(E3)의 배출을 위한 아웃렛배관 접속부(P2)를 포함할 수 있으며, 인렛배관 접속부(P1)와 아웃렛배관 접속부(P2)는, 각각 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 하부 및 상부에 형성될 수 있다.
본 명세서를 통하여, 상하 방향(Z3)이란 중력 방향을 의미할 수 있으며, 예를 들어, 전해액(E3)의 액면(50)을 기준으로 전해액(E3)이 채워진 방향이 하부에 해당될 수 있고, 전해액(E3)의 액면(50)을 기준으로 전해액(E3)이 비워진 방향이 상부에 해당될 수 있으며, 중력 방향을 따라 반대되는 상하 방향(Z3)으로 부력에 의해 전해액(E3)의 액면(50)을 향하여 이동하는 제1 및 제2 가스들의 배기 방향을 추종하여, 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 하부에 형성된 인렛배관 접속부(P1)로부터 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 상부에 형성된 아웃렛배관 접속부(P2)를 향하는 전해액(E3)의 흐름을 형성할 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 내부에서 제1 및 제2 가스들의 배기 방향을 추종하는 전해액(E3)의 흐름을 형성함으로써, 제1 및 제2 가스들의 배기를 촉진할 수 있고 제1 및 제2 가스들의 수집 효율을 향상시킬 수 있다.
참고로, 본 명세서를 통하여 상하 방향(Z3)이란 멤브레인(M3)의 연장 방향 내지는 수전해 장치 내지는 수전해 장치를 형성하는 광전극 모듈(M1) 또는 상대전극 모듈(M2)의 길이 방향을 의미할 수 있고, 후술하는 바와 같이, 가시광의 입사 방향(X)이란 광전극 모듈(M1)과 상대전극 모듈(M2)이 서로에 대해 결합되는 방향을 의미할 수 있다. 또한, 좌우 방향(Y)이란 상하 방향(Z3) 및 입사 방향(X)과 수직으로 교차하는 방향을 의미할 수 있다. 상기 상하 방향(Z) 및 좌우 방향(Y)은, 광전극 모듈(M1) 및 상대전극 모듈(M2)이 서로 마주하는 방향 내지는 서로에 대해 결합되는 방향 또는 가시광의 입사 방향(X)과 교차하는 방향을 의미할 수 있으며, 예를 들어, 수직으로 교차하는 방향을 의미할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 각각에는, 전해액(E3)의 보충 내지는 교체를 위한 인렛배관 접속부(P1)와 아웃렛배관 접속부(P2)가 형성될 수 있으며, 상기 인렛배관 접속부(P1) 및 아웃렛배관 접속부(P2)는 각각의 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)에 쌍으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)에 쌍으로 형성된 인렛배관 접속부(P1) 및 아웃렛배관 접속부(P2)는, 각각의 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 좌우 방향(Y)을 따라 서로로부터 이격된 한 쌍으로 형성될 수 있으며, 전해액(E3) 용기의 좌우에서 균형적인 전해액(E3)의 공급 내지는 교체가 이루어지도록, 상기 인렛배관 접속부(P1) 및 아웃렛배관 접속부(P2)는 좌우에서 쌍으로 형성될 수 있다.
상하 방향(Z3)을 따라 인렛배관 접속부(P1) 및 아웃렛배관 접속부(P2)의 위치에 대해, 상기 인렛배관 접속부(P1)와 아웃렛배관 접속부(P2)는 모두 전해액(E3)의 액면(50) 보다 낮은 높이에 형성될 수 있으며, 특히 상대적으로 상부 위치에 형성되는 아웃렛배관 접속부(P2)는 전해액(E3)의 액면(50) 보다 낮은 높이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 인렛배관 접속부(P1)와 아웃렛배관 접속부(P2) 사이의 높이는 전체 전해액(E3)의 높이 보다는 낮을 수 있으며, 제1 및 제2 가스들의 배출을 촉진하면서 제1 및 제2 가스들이 포집되는 제1 가스 배출구(D1) 및 제2 가스 배출구(D2)를 가로막지 않도록 전해액(E3)의 액면(50) 보다는 낮은 위치에, 상기 인렛배관 접속부(P1) 및 아웃렛배관 접속부(P2)가 형성될 수 있다.
이하에서는, 도 10에 도시된 전체 수전해 장치의 구조와, 도 5 및 도 6에 도시된 제1 및 제2 전해액 용기들의 결합된 상태를 보여주는 도면들을 참조하여, 수전해 장치의 실링 구조에 대해 설명하기로 한다.
상기 도면들을 참조하면, 상기 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 둘레에는 전해액(E3)의 누수를 방지하기 위한 실링들(S1,S2)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서 상기 실링들(S1,S2)은, 제1 전해액 용기(M1a)의 제1 및 제2 측들(X1,X2)에 형성되는 제1 실링(S1)과 제2 전해액 용기(M2a)의 제1 및 제2 측들(X1,X2)에 형성되는 제2 실링(S2)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 실링(S1)은, 제1 전해액 용기(M1a)의 제1 측(X1)에서 제1 절연기판(10)과의 사이를 밀봉하기 위한 제1-1 실링(S1-1)과, 제1 전해액 용기(M1a)의 제2 측(X2)에서 멤브레인(M3)과의 사이를 밀봉하기 위한 제1-2 실링(S1-2)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제2 실링(S2)은, 제2 전해액 용기(M2a)의 제1 측(X1)에서 멤브레인(M3)과의 사이를 밀봉하기 위한 제2-1 실링(S2-1)과 제2 전해액 용기(M2a)의 제2 측(X2)에서 제2 절연기판(20)과의 사이를 밀봉하기 위한 제2-2 실링(S2-2)을 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는, 제1 가스(수소)의 생성을 위한 분해 반응의 소재로서의 전해액(E3)을 수용하는 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)에 수용된 전해액(E3)의 누수를 방지하기 위하여, 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 제1 및 제2 측들(X1,X2)에서 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 오프닝을 덮는 제1 및 제2 절연기판들(10,20) 및 멤브레인(M3)과의 사이에 제1 및 제2 실링들(S1,S2)을 형성할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 실링들(S1,S2)은, 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 소정의 개소에서 인입된 형태로 형성된 홈 내부에 끼워진 원형 단면의 O-링(ring)을 통하여 구현될 수 있으며, 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)을 서로에 대해 결합시키는 체결부재를 통하여 압박된 실링(S1,S2)에 의해 적정의 밀봉이 제공될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1 전해액 용기(M1a)의 제1 측(X1)에는 제1 절연기판(10)에 의해 커버되는 제1-1 오프닝(O1-1)이 형성될 수 있으며, 제1 전해액 용기(M1a)의 제2 측(X2)에는 멤브레인(M3)에 의해 커버되는 제1-2 오프닝(O1-2)이 형성될 수 있고, 각각의 제1-1 오프닝(O1-1)과 제1-2 오프닝(O1-2)을 커버하는 제1 절연기판(10) 및 멤브레인(M3)과의 사이에 형성되어, 전해액(E3)의 누수를 방지하기 위한 제1-1 실링(S1-1) 및 제1-2 실링(S1-2)이 형성될 수 있다.
유사하게, 제2 전해액 용기(M2a)의 제1 측(X1)에는 멤브레인(M3)에 의해 커버되는 제2-1 오프닝(O2-1)이 형성될 수 있으며, 제2 전해액 용기(M2a)의 제2 측(X2)에는 제2 절연기판(20)에 의해 커버되는 제2-2 오프닝(O2-2)이 형성될 수 있고, 각각의 제2-1 오프닝(O2-1)과 제2-2 오프닝(O2-2)을 커버하는 멤브레인(M3) 및 제2 절연기판(20)과의 사이에 형성되어, 전해액(E3)의 누수를 방지하기 위한 제2-1 실링(S2-1) 및 제2-2 실링(S2-2)이 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)에 형성된 오프닝들(O1-1,O1-2,02-1,O2-2)은, 멤브레인(M3)을 통하는 전해액(E3)의 흐름을 허용하기 위하여 형성되거나(제1-2 오프닝 O1-2, 제2-1 오프닝 O2-1) 또는 제1 절연기판(10) 상에 형성된 광전극(E1)의 제1 입사 영역(I1)을 제공하기 위하여 형성되거나(제1-1 오프닝 O1-1) 또는 제2 절연기판(20) 상에 형성된 구동용 광전극(E4)의 제2 입사 영역(I2)을 제공하기 위하여 형성(제2-2 오프닝 O2-2)될 수 있다. 참고로, 상기 제1 절연기판(10)은 제1 측(X1)을 따라 상기 제1-1 오프닝(O1-1)의 외측에서 상기 제1-1 오프닝(O1-1)과 단차를 형성하는 장착 홈(10a) 내에 끼워질 수 있으며, 상기 제2 절연기판(20)은 제2 측(X2)을 따라 상기 제2-2 오프닝(O2-2)의 외측에서 상기 제2-2 오프닝(O2-2)과 단차를 형성하는 장착 홈(20a) 내에 끼워질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 실링(S1,S2)은, 각각의 오프닝들(O1-1,O1-2,02-1,O2-2)을 둘러싸는 폐루프 형태로 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1-1 실링(S1-1) 내지 제2-2 실링(S2-2)은, 각각의 제1-1 오프닝(O1-1) 내지 제2-2 오프닝(O2-2)을 둘러싸는 폐루프 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1-1 실링(S1-1) 내지 제2-2 실링(S2-2)은, 상기 제1-1 오프닝(O1-1) 내지 제2-2 오프닝(O2-2)을 각각 둘러싸면서 각각의 오프닝들(O1-1,O1-2,02-1,O2-2)을 통한 전해액(E3)의 누수를 방지하도록, 각각의 오프닝들(O1-1,O1-2,02-1,O2-2)을 폐루프 형태로 둘러쌀 수 있다. 본 실시예에서 상기 제1-1 실링(S1-1) 내지 제2-2 실링(S2-2)은 연속적인 폐루프 형태를 형성하는 O-링으로 구현될 수 있으며, 이음새 없이 연속적으로 연결되는 O-링으로 구현되는 실링들(S1,S2)을 통하여 각각의 오프닝들(O1-1,O1-2,02-1,O2-2)을 폐루프 형태로 연속적으로 둘러싸는 빈틈 없는 밀봉을 제공할 수 있다.
상기 멤브레인(M3) 측에 형성되는 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)은, 각각 광전극 모듈(M1)과 상대전극 모듈(M2)에서 상기 멤브레인(M3)을 향하여 개방된 제1-2 오프닝(O1-2)과 제2-1 오프닝(O2-1)을 폐루프 형태로 둘러싸도록 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)은, 멤브레인(M3)에 대한 위치 고정력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 상기 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)은 각각 제1 전해액 용기(M1a) 및 멤브레인(M3) 사이와, 제2 전해액 용기(M2a) 및 멤브레인(M3) 사이에 형성될 수 있으며, 서로 마주하게 결합되는 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)과 멤브레인(M3) 사이에서 멤브레인(M3)에 대한 위치 고정력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)은 이들 중에서 어느 일 측을 관통하여 타 측에 대해 결합되는 체결부재를 통하여 서로 마주하게 결합될 수 있으며, 체결부재의 체결력에 의해 멤브레인(M3)을 사이에 개재하여, 멤브레인(M3)에 대한 압력을 제공할 수 있으며, 멤브레인(M3)과 함께, 멤브레인(M3) 측에 형성되는 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)을 멤브레인(M3)을 향하여 압박함으로써, 이들 사이에서 전해액(E3)의 누수를 차단하기 위한 밀폐를 제공함과 동시에, 멤브레인(M3)에 대한 위치 고정을 제공할 수 있다.
도 5 및 도 6의 확대 도면을 참조하면, 본 실시예에서, 상기 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)은 서로 인접한 위치에 형성되어 서로를 향하는 방향을 따라 상기 멤브레인(M3)을 압박할 수 있으나, 서로에 대해 인접하되, 서로에 대해 일부에서만 겹쳐지는 위치에 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1-2 실링(S1-2)의 중심을 관통하는 중심선과 상기 제2-1 실링(S2-1)의 중심을 관통하는 중심선은 서로 일치하지 않을 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)을 포함하는 실링들(S1,S2)은, 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 소정의 개소에서 인입된 형태로 형성된 홈 내부에 끼워진 O-링으로 구현될 수 있으며, 상기 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)에서 원형의 단면을 갖는 O-링의 만곡점끼리 서로 맞닿으면서, 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)의 만곡점과 접촉되는 멤브레인(M3)의 접촉 면적의 부족에 의해 야기되는 밀봉력의 저하 내지는 멤브레인(M3)에 대한 위치 고정력의 저하를 방지하기 위하여, 본 실시예에서, 상기 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)은 서로 인접하되, 서로에 대해 완전히 중첩되지는 않는 위치에, 즉 중심선이 서로 일치하지 않도록 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)이 서로 맞닿는다거나 또는 서로에 대해 접촉한다는 것은, 상기 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)이 서로 직접적으로 맞닿거나 또는 접촉한다는 것을 의미하기 보다는, 상기 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1) 사이에 멤브레인(M3)을 개재한 상태에서 서로 맞닿거나 또는 서로 접촉한다는 것을 의미할 수 있다. 이러한 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)과 관련하여 접촉 면적이란, 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)과 접촉하는 멤브레인(M3)의 접촉 면적을 의미할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)은 서로 일부에서만 겹쳐지도록 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)은 서로 엇갈리는 위치에 배치될 수 있으며, 예를 들어, 상기 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)은 상하 방향(Z)을 따라 중심선이 서로 일치하지 않는, 즉 서로 엇갈리는 위치에 배치될 수 있다. 본 실시예에서 상하 방향(Z)이란, 수전해 장치 중에서 가스 배출구들(D1,D2)이 형성된 측을 상부로 하는 상하 방향(Z3)을 의미할 수 있으며, 상기 멤브레인(M3)이 연장되는 연장 방향을 의미할 수 있다. 예를 들어, 가시광의 입사 방향(X)을 따르는 수전해 장치의 단면에서 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)은 상하 방향(Z)을 따라 서로 일부에서만 겹쳐지는 오프셋(offset)된 위치에 형성됨으로써, 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)은, 각각의 실링들(S1,S2)을 구현하는 O-링에서 만곡점 외에 다른 위치, 즉, 만곡점을 벗어난 오프셋된 위치에서 서로에 대한 접촉을 형성할 수 있으며, 만곡점을 벗어난 위치에 배치된 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)과 접촉하는 멤브레인(M3)의 접촉 면적을 증대함에 따라 전해액(E3)의 누수를 방지하기 위한 밀봉력의 저하 내지는 멤브레인(M3)에 대한 위치 고정력의 저하를 방지할 수 있다. 예를 들어, 서로에 대해 완전히 겹쳐지는 위치에 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)이 형성된 구조에서, 상기 멤브레인(M3)은 상하 방향(Z)을 따라 서로 같은 위치에 형성된 만곡점 사이에서, 점 형태 또는 점 형태에 가까운 접촉을 형성할 수 있는데 반하여, 본 실시예에서는, 서로에 대해 일부에서만 겹쳐지는 오프셋된 위치에 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1)이 형성되면서, 상기 멤브레인(M3)은 상하 방향(Z)을 따라 만곡점을 벗어난 서로에 대해 오프셋된 위치에서 멤브레인(M3)과의 접촉을 형성하므로, 적어도 제1-2 실링(S1-2)과의 접촉으로부터 제2-1 실링(S2-1)과의 접촉에 이르기까지의 휘어진 형태로 연장되면서 이들 제2-1 실링(S2-1) 및 제2-1 실링(S2-1)과의 선 접촉을 형성하면서, 멤브레인(M3)의 양편으로 배치된 제2-1 실링(S2-1) 및 제2-1 실링(S2-1)과의 접촉 면적이 증대될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서 상기 멤브레인(M3)은 유연성을 갖는 다공질막의 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 다공질막의 형태로 형성된 멤브레인(M3)은 제1-2 실링(S1-2)과의 접촉 및 제2-1 실링(S2-1)과의 접촉 사이에서 서로 반대되는 곡률을 따라 유연하게 휘어진 형태로 변형되면서, 이들과의 선 접촉을 형성할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 상기 멤브레인(M3)은 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 사이에서 가운데 위치하면서 연장되다가 제1-2 실링(S1-2)의 외주면을 둘러싸면서 연장되고, 제1-2 실링(S1-2)과 제2-1 실링(S2-1) 사이를 통과하여 제2-1 실링(S2-1)의 외주면을 둘러싸면서 선 접촉을 형성할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)을 포함하는 실링(S1,S2)은 각각의 제1-2 오프닝(O1-2) 및 제2-1 오프닝(O2-1)을 연속적으로 둘러싸는 폐루프 형태로 형성될 수 있으며, 이때, 각각의 제1-2 오프닝(O1-2) 및 제2-1 오프닝(O2-1)은, 입사 방향(X)을 따라 멤브레인(M3)을 관통하는 전해액(E3)의 흐름을 허용하기 위한 것으로, 동일한 개구 면적으로 형성될 수 있으나, 이러한 제1-2 오프닝(O1-2) 및 제2-1 오프닝(O2-1)을 둘러싸는 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)은 각각의 제1-2 오프닝(O1-2) 및 제2-1 오프닝(O2-1)을 둘러싸면서 서로 다른 외측 위치 및 내측 위치에서 상하 방향(Z)을 따라 서로 엇갈리는 위치에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)은 각각 폐루프 형태로 서로 동일한 개구 면적으로 형성된 제1-2 오프닝(O1-2) 및 제2-1 오프닝(O2-1)을 둘러싸되, 서로에 대해 상대적으로 외측 위치 및 내측 위치에서 각각의 오프닝을 둘러싸면서 서로에 대해 엇갈리는 오프셋된 위치에 배치될 수 있고, 이와 같이, 폐루프 형태로 각각 외측 위치 및 내측 위치에 형성되는 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)은 상하 방향(Z) 및 좌우 방향(Y)을 따라 서로 엇갈리는 오프셋된 위치에 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 상기 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)이 좌우 방향(Y)을 따라 직선적으로 연장되는 구간에서, 각각의 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)은 상하 방향(Z)을 따라 서로 엇갈리는 오프셋된 위치에 배치될 수 있고, 상기 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)이 상하 방향(Z)을 따라 직선적으로 연장되는 구간에서, 각각의 제1-2 실링(S1-2) 및 제2-1 실링(S2-1)은 좌우 방향(Y)을 따라 서로 엇갈리는 오프셋된 위치에 배치될 수 있다.
도 10에 도시된 수전해 장치의 전체적인 구성과, 도 11a 내지 도 11d에 도시된 광전극의 구성을 참조하여, 본 실시예에 의한 수전해 장치에 대해 설명하면, 이하와 같다.
상기 광전극(E1) 및 상대전극(E2)은 상기 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)에 수용된 전해액(E3)과 적어도 어느 일 측에서 서로 접하면서, 전해액(E3)의 분해 반응에 직접 참여할 수 있다. 본 실시예에서 상기 광전극(E1)은 가시광의 입사 방향(X)을 따라 서로 반대되는 제1 및 제2 측들(X1,X2)을 포함할 수 있으며, 상기 광전극(E1)의 제1 측(X1)은, 제1 절연기판(10)과 접하여 전해액(E3)과 직접적으로 접촉하지 않을 수 있고, 상기 광전극(E1)의 제2 측(X2)은 전해액(E3)과 직접적으로 접촉할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 광전극(E1)의 제1 및 제2 측들(X1,X2)을 연결하는 측면은, 전해액(E3)과 직접적으로 접촉하며, 전해액(E3)과의 넓은 접촉 면적을 통하여 전해액(E3)의 분해 반응이 이루어지는 면적을 늘려줄 수 있다. 본 실시예에서, 상기 광전극(E1)은, 전해액(E3)의 분해 반응에 직접 참여하는 것이나, 적어도 광전극(E1)의 제1 측(X1)은 제1 절연기판(10)에 접촉됨으로써, 전해액(E3) 내에 침지되는지 않을 수 있다. 본 명세서를 통하여 광전극(E1), 상대전극(E2), 구동용 광전극(E4)과 같이, 수전해 장치의 어느 전극이 전해액(E3)에 침지된다는 것은, 해당 전극이 전체적으로 전해액(E3)의 내부에 잠겨 있는 상태를 의미할 수 있으며, 예를 들어, 본 실시예에서 상기 광전극(E1) 및 구동용 광전극(E4)은 전해액(E3)의 내부에 침지되어 있지 않을 수 있고, 이와 달리, 상대전극(E2)은 전해액(E3)의 내부에 침지되어 있을 수 있다.
본 실시예에서 상기 광전극(E1)에서는, 전기적으로 서로 극성이 다른 전자와 정공 간의 전하 분리가 이루어질 수 있으며, 분리된 전자는 접속 도선(L)을 통하여 상대전극(E2)으로 공급될 수 있고, 분리된 정공은 전해액(E3)으로 공급되어 전해액(E3)으로서의 수분자를 산화시킬 수 있다. 이때, 가시광에 의해 여기되는 광전극(E1)의 전하 분리를 통하여 생성된 전자의 소멸을 방지하고, 전자의 수집효율을 높이도록, 상기 광전극(E1)과, 상기 상대전극(E2)과 전기적으로 연결되는 접속 도선(L) 사이의 전기적인 연결을 매개하는 제3 전도성 스트립(R3)은, 전해액(E3)으로부터 전기적으로 절연된 상태를 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제3 전도성 스트립(R3)은 광전극(E1)과 전기적으로 연결된 내측 단부(R31)와 상기 내측 단부(R31)로부터 제1 전도성 스트립(R1)과 제1 전해액 용기(M1a) 사이의 외부 위치로 연장되는 외측 단부(R32)를 포함할 수 있으며, 상기 제3 전도성 스트립(R3)의 외측 단부(R32)는 접속 도선(L)과의 전기적인 접점을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제3 전도성 스트립(R3)은, 상기 광전극(E1)이 지지된 제1 절연기판(10)과 제1 전해액 용기(M1a) 사이에서 광전극(E1)과 전기적으로 연결되는 내측 단부(R31)와, 상기 제1 절연기판(10)의 테두리를 따라 배치된 제1 전도성 스트립(R1)과 제1 전해액 용기(M1a) 사이의 외부 위치로 인출되는 외측 단부(R32)를 포함할 수 있으며, 제3 전도성 스트립(R3)은 제1 전도성 스트립(R1)과 마주하게 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제3 전도성 스트립(R3)은 제1 절연기판(10)과 제1 전해액 용기(M1a) 사이에 배치된 내측 단부(R31)와 제1 전도성 스트립(R1)과 제1 전해액 용기(M1a) 사이에 배치된 외측 단부(R32)를 포함하며, 이들 내측 단부(R31)와 외측 단부(R32)를 서로 단차지게 연결하도록 내측 단부(R31)와 외측 단부(R32) 사이의 단차진 연결부(R33)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제3 전도성 스트립들(R1,R3)은 서로 마주하게 배치되며, 전체적으로 제1 전도성 스트립(R1)은 외측 위치에 배치될 수 있고, 상기 제3 전도성 스트립(R3)은 내측 위치에 배치될 수 있다.
본 실시예에서 상기 제3 전도성 스트립(R3)의 내측 단부(R31)는, 제1 절연기판(10)과 제1 전해액 용기(M1a) 사이에서 밀착되면서, 전해액(E3)과의 접촉을 차단할 수 있으며, 제3 전도성 스트립(R3)의 외측 단부(R32)는, 제1 전도성 스트립(R1)과 제1 전해액 용기(M1a) 사이를 통하여 외부 위치로 인출되면서, 전해액(E3)과의 접촉을 차단할 수 있다. 이와 같이 상기 광전극(E1)과 전기적으로 연결되는 제3 전도성 스트립(R3)은, 전해액(E3)으로부터 전기적으로 차단된 상태로 배치될 수 있으며, 적어도 상기 접속 도선(L)과 전기적인 접점을 형성하는 제3 전도성 스트립(R3)의 외측 단부(R32)는 전해액(E3)이 수용된 제1 전해액 용기(M1a)의 외부에 형성될 수 있다.
이와 같이, 상기 광전극(E1)과, 상대전극(E2)과 연결된 접속 도선(L) 간의 전기적인 연결을 매개하는 제3 전도성 스트립(R3)은, 적어도 전해액(E3)을 수용하는 제1 전해액 용기(M1a)의 외부에서 전기적인 접점을 형성하며, 예를 들어, 본 실시예에서, 광전극(E1)과 접속 도선(L) 사이의 전기적인 연결은 전해액(E3)으로부터의 전기적인 절연을 포함할 수 있다. 상기 광전극(E1)과 달리, 상대전극(E2)과 접속 도선(L) 사이의 전기적인 연결은 전해액(E3)에 대해 노출될 수 있다. 상기 광전극(E1)은, 전자 정공 간의 분리를 통하여 수확된 전자의 소멸을 방지하기 위한 목적으로, 광전극(E1)의 연결은 전기적으로 절연될 수 있으나, 상대전극(E2)은 전해액(E3)에 대해 광전극(E1) 측에서 분리된 전자를 전해액(E3)으로 공급하여, 멤브레인(M3)을 통하여 상대전극(E2) 주변으로 확산된 양이온(ex. proton)을 환원시키기 위한 것이므로, 굳이 상대전극(E2) 측을 전기적으로 절연할 필요는 없을 수 있다.
본 실시예에서 상기 제1 내지 제3 전도성 스트립들(R1,R2,R3)은, 모두 전기적으로 우수한 전도성을 갖는 금속 소재로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서, SUS 304와 같은 금속 소재로 형성될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 전도성 스트립들(R1,R2,R3)은 전기적인 연결을 형성하는 기능 외에, 금속 소재로 형성된 제1 내지 제3 전도성 스트립들(R1,R2,R3)을 통하여 제1-1 및 제2-2 오프닝들(O1-1,O2-2)을 커버하는 제1 및 제2 절연기판들(10,20) 상에 형성된 광전극(E1) 및 구동용 광전극(E4)을 위치 고정할 수 있으며, 광전극(E1) 및 구동용 광전극(E4)의 교체 및 점검 등을 위한 탈부착 위치를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 전해액 용기들(M1a,M2a)의 최외측에는 상기 제1 및 제2 절연기판들(10,20)이 끼워지도록 내측의 제1-1 오프닝(O1-1) 및 제2-2 오프닝(O2-2)과 단차를 형성하는 장착 홈(10a,20a)에 형성될 수 있으며, 상기 장착 홈(10a,20a)에 끼워진 제1 및 제2 절연기판들(10,20)의 외측으로 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)이 배치되면서, 제1 및 제2 절연기판들(10,20)이 위치 고정될 수 있다.
도 7 내지 도 10을 참조하여, 제1 내지 제3 전도성 스트립들의 구조 및 이들 간의 전기적인 연결에 대해 설명하면, 이하와 같다.
상기 제1 전도성 스트립(R1)은, 제1 절연기판(10) 상에 형성된 광전극(E1)에 대한 제1 입사 영역(I1)을 폐루프 형태로 둘러싸도록 형성될 수 있으며, 상기 제3 전도성 스트립(R3)은 각각 제1 입사 영역(I1)을 향하는 내측과 상기 제1 입사 영역(I1)과 반대되는 외측 사이에서 연장되며, 제1 절연기판(10)의 테두리를 따라 배열된 다수의 제3 전도성 스트립들(R3)을 포함할 수 있고, 이때, 제1 절연기판(10)의 테두리를 따라 배열된 다수의 제3 전도성 스트립들(R3)은 외측에서 다수의 제3 전도성 스트립들(R3)을 다 함께 가로질러 연장되는 테두리 부재(R35)에 의해 서로에 대해 지지될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 다수의 제3 전도성 스트립들(R3)과 상기 다수의 제3 전도성 스트립들(R3)의 외측을 가로질러 연장되면서 다수의 제3 전도성 스트립들(R3)을 서로 연결해주는 테두리 부재(R35)는, 동일한 금속 소재로 서로 일체로 형성될 수 있으며, 또는 동일한 금속 소재로 형성되되 서로 다른 부재로 형성된 이후에 서로에 대해 결합될 수도 있다.
예를 들어, 상기 다수의 제3 전도성 스트립들(R3)을 외측에서 연결해주는 테두리 부재(R35)는, 제1 전도성 스트립(R1)을 폐루프 형태로 둘러쌀 수 있으며, 상기 테두리 부재(R35)와 제1 전도성 스트립(R1)은 각각 제1 입사 영역(I1)을 외측 위치와 내측 위치에서 폐루프 형태로 둘러싸면서, 테두리 부재(R35) 및 제1 전도성 스트립(R1) 사이를 가로질러 연장되는 제3 전도성 스트립들(R3)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)은, 각각 제1 절연기판(10) 상에 형성된 광전극(E1)에 대한 제1 입사 영역(I1) 및 제2 절연기판(20) 상에 형성된 구동용 광전극(E2)에 대한 제2 입사 영역(I2)을 각각 폐루프 형태로 둘러싸면서, 광전극(E1) 및 구동용 광전극(E2)과 각각 전기적으로 연결될 수 있으며, 서로 동일한 형상과 동일한 금속 소재로 형성될 수 있다. 다만, 제1 입사 영역(I1)을 둘러싸는 제1 전도성 스트립(R1) 주변으로는, 제1 입사 영역(I1)을 따라 배열되는 다수의 제3 전도성 스트립들(R3) 내지는 다수의 제3 전도성 스트립들(R3)의 외측에 배치되는 테두리 부재(R35)가 배치되어, 제1 전도성 스트립(R1)과 전기적인 연결을 형성할 수 있으나, 이와 달리, 제2 입사 영역(I2)을 둘러싸는 제2 전도성 스트립(R2) 주변으로는, 다수의 제3 전도성 스트립들(R3)이나 테두리 부재(R35)와 같은 별도의 전기적인 연결 부재가 배치되지 않을 수 있다. 이와 같이, 각각 제1 및 제2 입사 영역들(I1,I2)을 각각 둘러싸는 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)의 주변 구성이 서로 상이한 이유는, 제2 전도성 스트립(R2)이 둘러싸는 제2 입사 영역(I2)을 통하여 입사된 가시광에 의해 여기되는 구동용 광전극(E4)은, 제2 절연기판(20)의 외측, 즉, 전해액(E3)과 맞닿지 않는 제2 절연기판(20)의 제2 측에 배치되므로, 제1 전도성 스트립(R1)과 달리, 전해액(E3)으로부터의 절연되는 전기적인 연결을 형성할 필요가 없으며, 이에 따라, 제3 전도성 스트립(R3)과 같은 구성이 요구되지 않기 때문이다.
상기 멤브레인(M3)은 전해액(E3)의 이온은 통과 가능하도록 충분히 크면서, 산소 및 수소는 통과하지 못할 정도로 충분히 작은 다수의 기공을 포함하는 다공질막으로 형성될 수 있다. 상기 멤브레인(M3)은 광전극 모듈(M1)에 수용된 전해액(E3)과 상대전극 모듈(M2)에 수용된 전해액(E3) 사이에서 이온 교환을 허용하도록 광전극 모듈(M1)에 수용된 전해액(E3) 및 상대전극 모듈(M2)에 수용된 전해액(E3)과 접하며, 광전극 모듈(M1) 및 상대전극 모듈(M2) 사이에서 이온 교환이 가능하도록 이들과 적어도 일부에서 접할 수 있으며, 예를 들어, 상기 멤브레인(M3)은 적어도 광전극 모듈(M1)의 제1-2 오프닝(O1-2) 및 상대전극 모듈(M2)의 제2-1 오프닝(O2-1)과 마주하도록 충분히 넓은 면적으로 형성될 수 있다.
상기 멤브레인(M3)은 광전극 모듈(M1)에서 발생된 제1 가스와 상대전극 모듈(M2)에서 발생된 제2 가스를 서로로부터 확실하게 분리하기 위한 것으로, 광전극 모듈(M1)과 상대전극 모듈(M2) 사이에 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 멤브레인(M3)은 제1 및 제2 가스들로서 산소와 수소는 분리시키면서 전해액(E3)의 이온에 대한 투과성을 가질 수 있으며, 전해액(E3)의 이온(ex. proton)에 대한 투과성을 제공함으로써, 전해액(E3)에 대한 높은 효율의 광 수분해가 지속적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서는 전해액(E3)의 이온에 대한 투과성을 갖는 멤브레인(M3)을 적용함으로써, 광전극(E1) 및 상대전극(E2) 측에 전해액(E3)의 이온을 지속적으로 공급할 수 있으며, 이에 따라 높은 전해 효율이 유지될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 광전극 모듈(M1) 및 상대전극 모듈(M2)은 멤브레인(M3)을 사이에 개재하여 서로 마주하도록 조립될 수 있으며, 상기 수전해 장치는 멤브레인(M3)을 사이에 개재하여 서로 마주하게 조립되는 광전극 모듈(M1) 및 상대전극 모듈(M2)을 포함함으로써, 상기 수전해 장치는 멤브레인(M3)을 개재하여 서로 다른 두 개의 모듈로 분할 가능하게 조립되며, 멤브레인(M3)의 교체가 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 멤브레인(M3)은 제1 가스를 발생시키는 광전극 모듈(M1)이나 제2 가스를 발생시키는 상대전극 모듈(M2)의 어느 하나의 모듈에 속하지 않고, 전체 수전해 장치를 2분할하는 상기 광전극 모듈(M1) 및 상대전극 모듈(M2)의 사이에 개재되며, 상기 광전극 모듈(M1) 및 상대전극 모듈(M2)은 멤브레인(M3)을 사이에 개재하여 서로 마주하게 결합될 수 있다.
상기 멤브레인(M3)과 마주하는 광전극 모듈(M1)의 제2 측(X2)은, 멤브레인(M3)과의 결합을 위한 제1 결합부와 멤브레인(M3)을 관통하는 전해액(E3)과의 유체적인 연결을 위하여 전해액(E3)의 소통이 가능한 제1-2 오프닝(O1-2)을 포함할 수 있다. 유사하게, 상기 멤브레인(M3)과 마주하는 상대전극 모듈(M2)의 제1 측(X1)은, 멤브레인(M3)과의 결합을 위한 제2 결합부와 멤브레인(M3)을 관통하는 전해액(E3)과의 유체적인 연결을 위하여 전해액(E3)의 소통이 가능한 제2-1 오프닝(O2-1)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 전해액 용기(M1a)는 제1 및 제2 측들(X1,X2)에 각각 형성된 제1-1 오프닝(O1-1) 및 제1-2 오프닝(O1-2)을 포함할 수 있으며, 제1 입사 영역(I1)을 정의하는 제1-1 오프닝(O1-1) 보다는 상대전극 모듈(M2)을 향하는 전해액(E3)의 이동을 허용하기 위한 제1-2 오프닝(O1-2)이 상대적으로 더 큰 개구 면적으로 형성될 수 있다. 광전극(E1)의 주변에서 상대적으로 높은 농도로 형성되는 양이온을 확산 내지는 제거하고, 지속적으로 높은 광 수전해 효율을 높이도록, 광전극 모듈(M1)과 상대전극 모듈(M2)을 유체적으로 연결해주는 제1-2 오프닝(O1-2)을 상대적으로 크게 형성할 수 있다.
유사하게, 본 실시예에서, 상기 제2 전해액 용기(M2a)는 제1 및 제2 측들(X1,X2)에 각각 형성된 제2-1 오프닝(O2-1) 및 제2-2 오프닝(O2-2)을 포함할 수 있으며, 제2 입사 영역(I2)을 정의하는 제2-2 오프닝(O2-2) 보다는 광전극 모듈(M1)을 향하는 전해액(E3)의 이동을 허용하기 위한 제2-1 오프닝(O2-1)이 상대적으로 더 큰 개구 면적으로 형성될 수 있다. 광전극(E1)의 주변에서 상대적으로 높은 농도로 형성되는 양이온을 확산 내지는 제거하고, 지속적으로 높은 광 수전해 효율을 높이도록, 광전극 모듈(M1)과 상대전극 모듈(M2)을 유체적으로 연결해주는 제2-1 오프닝(O2-1)을 상대적으로 크게 형성할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 광전극(E1)은 서로 반대되는 제1 및 제2 측들(X1,X2)을 포함할 수 있으며, 광전극(E1)의 제1 측(X1)은 광전극(E1)을 여기시키는 광의 입사 측을 형성할 수 있고, 광전극(E1)의 제2 측(X2)은 제1 측(X1)과 반대되며, 전해액(E3)과 접하는 측을 형성할 수 있다.
상기 광전극 모듈(M1)은 광전극(E1)의 계면 부근에서 발생된 제1 가스를 배출하기 위한 제1 가스 배출구(D1)를 포함할 수 있으며, 상기 상대전극 모듈(M2)은 상대전극(E2)의 계면 부근에서 발생된 제2 가스를 배출하기 위한 제2 가스 배출구(D2)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 가스 배출구들(D1,D2)을 통하여 배출된 제1 및 제2 가스들은 제1 및 제2 가스 배출구들(D1,D2)과 연결된 제1 및 제2 가스 수집관들(미도시)을 통하여 수전해 장치의 외부로 수집될 수 있다.
이하, 도 10에 도시된 수전해 장치의 전체적인 구성과, 도 11a 내지 도 11d에 도시된 광전극의 구성을 참조하여, 본 실시예에 의한 광전극에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 광전극(E1)은 제1 절연기판(10) 상에 직접 형성된 메쉬 전극(11)과, 상기 메쉬 전극(11)의 고온 변형을 방지하기 위하여 상기 메쉬 전극(11)을 전체적으로 덮도록 형성되는 투명 도전막(12)과, 상기 투명 도전막(12) 상에 형성되어 광 여기에 의한 반송자(캐리어)를 발생시키는 광 반응층들(16,18)을 포함할 수 있다.
상기 광 반응층(16,18)은 광 조사에 의해 여기되어 전자와 정공과 같은 반송자를 생성할 수 있는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 전도대의 밴드 에너지 준위가 수소 이온의 표준 환원 전위인 0eV 이하이면서 가전자대의 밴드 에너지 준위가 물의 표준 산화 전위인 1.23eV 이상인 반도체를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 반도체는 다수 반송자로서 전자 및 정공을 각각 포함하는 n형 반도체 또는 p형 반도체를 포함할 수 있으며, 광 반응층들(16,18)로서 n형 반도체를 포함하는 실시예에서는, 각각의 광전극(E1) 및 상대전극(E2) 측으로부터 산소 및 수소가 생성될 수 있으며, 광 반응층들(16,18)로서 p형 반도체를 포함하는 실시예에서는, 각각의 광전극(E1) 및 상대전극(E2) 측으로부터 수소 및 산소가 생성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 광 반응층들(16,18)이 전해액(E3)과 접하면 광 반응층들(16,18)로부터 전자 이동이 발생하여 광 반응층들(16,18)과 전해액(E3)의 계면 부근에는 반송자(캐리어)의 밀도가 낮아지면서 전해액(E3)과 접하는 광 반응층들(16,18)의 계면 부근에는 공간 정전하층이 형성될 수 있고, 전도성 스트립 및 가전자대의 밴드 에너지 준위가 구부러지는 밴드 벤딩이 발생할 수 있다.
이와 같은 상태에서, 밴드 갭 이상의 에너지를 갖는 광을 조사하면, 가전자대로부터 전도대로 전자가 여기되며, 밴드 벤딩에 의해 전자는 광전극(E1)의 제1 측(X1)으로 이동하고, 정공은 광전극(E1)의 제2 측(X2)으로 이동하게 되면서 전자-정공의 분리가 이루어지게 된다. 이때, 광전극(E1)의 제2 측(X2)으로 이동한 정공은 광전극(E1)의 제2 측(X2)에서 수분자를 산화시키면서 제1 가스를 발생시키게 된다. 한편, 상기 광전극(E1)의 제1 측(X1)으로 이동한 전자는 접속 도선(L)을 통하여 상대전극(E2)으로 이동하여 상대전극(E2) 측으로 확산된 양이온(ex. 프로톤)을 환원시켜서 제2 가스를 발생시키게 된다.
광 여기에 따른 물의 수분해는 광전극(E1) 측에서 일어나는 제1 반응(산화 반응)과 상대전극(E2) 측에서 일어나는 제2 반응을 포함할 수 있으며, 각각의 제1 및 제2 반응들(환원 반응)의 반응식은 이하와 같이 표시될 수 있다.
[반응식 1]
4h+ + 2H2O O2 ↑+ 4H+
[반응식 2]
4e- + 4H+ 2H2 ↑
본 실시예에서, 상기 광전극(E1)은 제1 및 제2 측들(X1,X2)이 모두 전해액(E3)과 접하도록 광전극(E1)이 전체적으로 전해액(E3) 속에 침지된다기 보다는, 제2 측(X2)만이 전해액(E3)과 접하며 광전극(E1)의 제1 측(X1)은 제1 절연기판(10)에 의해 덮이고 제1 절연기판(10)에 의해 외부로부터 절연될 수 있다. 다시 말하면, 상기 광전극(E1)의 제1 측(X1)은 수전해 장치의 외부를 향하도록 배치되고, 광전극(E1)의 제2 측(X2)은 멤브레인(M3)을 향하도록 광전극 모듈(M1)이 멤브레인(M3)에 대해 결합될 수 있다. 이와 같이 본 실시예에서, 상기 광전극(E1)이 전체적으로 전해액(E3) 속에 침지되지 않고, 광전극(E1)의 제2 측(X2)만이 전해액(E3)과 접하도록 배치됨으로써, 광전극(E1)의 교체가 용이하게 이루어질 수 있으며, 광전극(E1)을 여기시키는 광의 투과 효율을 높일 수 있고(적어도 광전극 E1의 제1 측 X1으로는 전해액 E3에 의한 광 흡수, 산란과 같은 광 강도의 저하가 야기되지 않음), 광전극(E1)의 수광 경로를 따라 광의 차단에 따른 광 생성 전류의 감소를 억제할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서 상기 광전극(E1)이 형성된 제1 절연기판(10)은, 제1 절연기판(10)이 커버하는 제1-1 오프닝(O1-1) 주변을 둘러싸는 제1 전도성 스트립(R1)을 통하여 탈부착 가능한 체결 위치를 제공할 수 있으며, 광전극(E1)의 교체 또는 점검과 같은 유지 보수의 편이성을 제공할 수 있다. 유사하게, 본 실시예에서 상기 구동용 광전극(E4)이 형성된 제2 절연기판(20)은, 제2 절연기판(20)이 커버하는 제2-2 오프닝(O2-2) 주변을 둘러싸는 제2 전도성 스트립(R2)을 통하여 탈부착 가능한 체결 위치를 제공할 수 있으며, 상기 구동용 광전극(E4)의 교체 또는 점검과 같은 유지 보수의 편이성을 제공할 수 있다.
상기 광전극(E1)과 상대전극(E2) 사이를 연결해주는 접속 도선(L)에는 바이어스 전원이 연결될 수 있다. 본 실시예에 의한 수전해 장치는, 전해액(E3)으로서의 수분자의 분해 반응을 이용하여 수소를 생성하는 수소 생성 디바이스를 제공할 수 있으며, 상기 바이어스 전원은 광 반응층들(16,18)의 밴드 갭이 수분자의 전해 전압 보다 커지도록 하여, 수소의 생성을 촉진할 수 있다. 본 실시예에서, 수전해 장치의 음극 측에 형성된 광전극(E1)과 양극 측에 형성된 상대전극(E2)에 대해, 각각 바이어스 전원의 양의 단자를 연결하고 바이어스 전원의 음의 단자를 연결하여 역 방향 바이어스를 제공할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 바이어스 전원은 구동용 광전극(E4)의 광기전력에 의해 제공될 수 있으며, 예를 들어, 상기 바이어스 전원은 구동용 광전극(E4)에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 광전극(E1)으로부터 연장되는 접속 도선(L)의 일단과 상대전극(E2)으로부터 연장되는 접속 도선(L)의 타단을, 각각 구동용 광전극(E4)을 포함하는 태양 전지의 서로 다른 극성에 연결하는 방식으로, 바이어스 전원이 제공될 수 있다.
상기 광전극(E1)은 절연기판 상에 직접 형성된 메쉬 전극(11)과, 상기 메쉬 전극(11)의 고온 변형을 방지하기 위하여 상기 메쉬 전극(11)을 전체적으로 덮도록 형성되는 투명 도전막(12)과, 상기 투명 도전막(12) 상에 형성되어 광 여기에 의한 반송자(캐리어)를 발생시키는 광 반응층들(16,18)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)은 광전극(E1)의 수광면 측을 형성할 수 있으며, 광 반응층들(16,18)은 전해액(E3)과 접하는 광전극(E1)의 고액 계면 측을 형성할 수 있다.
본 실시예에서 상기 메쉬 전극(11)은 양호한 전기 전도도를 갖는 금속 소재로 형성되어 광 반응층들(16,18)에서 발생된 전자의 이동이 용이하게 이루어지도록 할 수 있으며, 전자의 이동 중에 발생될 수 있는 재결합 손실을 줄일 수 있다. 상기 메쉬 전극(11)은 광전극(E1)의 투광 손실을 고려하여 일정한 피치 간격(Q1)으로 배열되며, 메쉬 전극(11)까지 이동하면서 전자가 받는 2차원의 평면 저항을 줄이기 위하여, 적어도 둘 이상 서로 다른 방향을 따라 연장되는 다수의 그리드 라인(11a)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 상기 메쉬 전극(11)은, 서로 수직으로 교차하는 상하 방향(Z) 및 좌우 방향(Y)을 따라 연장되는 그리드 라인(11a)을 포함할 수 있으며, 본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)은 전체 전극 면적은 줄이면서 메쉬 전극(11)을 형성하는 그리드 라인(11a) 간의 피치 간격(Q1)을 좁게 형성함으로써, 그리드 라인(11a)에 의한 광 반사 내지는 광 차단에 따른 유효 입사면적의 감소 및 그에 따른 광 생성 전류의 감소는 억제하면서 전자의 이동 경로 상의 전기 저항은 줄여줄 수 있다.
본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)을 형성하는 그리드 라인(11a) 간의 피치 간격(Q1)은 100nm~1,000nm 사이로 형성될 수 있다. 본 명세서를 통하여, 상기 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)이란, 상하 방향(Z)을 따라 서로 나란하게 연장되는 이웃한 그리드 라인(11a) 간의 피치 간격(Q1)을 의미할 수 있고, 이때, 상기 피치 간격(Q1)은 상하 방향(Z)과 수직으로 교차하는 좌우 방향(Y)을 따라 측정될 수 있다. 또한, 상기 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)이란, 좌우 방향(Y)을 따라 서로 나란하게 연장되는 이웃한 그리드 라인(11a) 간의 피치 간격(Q1)을 의미할 수도 있으며, 이때, 상기 피치 간격(Q1)은 좌우 방향(Y)과 수직으로 교차하는 상하 방향(Z)을 따라 측정될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 상하 방향(Z) 및 좌우 방향(Y)을 따라 측정되는 피치 간격(Q1)은 서로 동일하게 설정될 수 있으며, 100nm~1,000nm 피치 간격(Q1)으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)의 선폭(W) 내지는 메쉬 전극(11)을 형성하는 그리드 라인(11a)의 선폭(W)은 100nm~1,0000nm로 형성될 수 있으며, 두께(T1)는 100nm~1,000nm로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)의 선폭(W)은 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1) 보다 넓게 형성될 수 있으며, 메쉬 전극(11)의 선폭(W)을 상대적으로 넓게 형성함으로써, 제1 절연기판(10) 상에서 측정되는 2차원의 면 저항을 줄일 수 있다. 나아가, 상기 메쉬 전극(11)의 선폭(W)은 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1) 보다 좁게 형성될 수 있으며, 메쉬 전극(11)의 선폭(W)을 상대적으로 좁게 형성함으로써, 제1 절연기판(10)을 투과하는 광의 투과율을 높일 수 있다. 본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)은, lift-off, dry etching, screen printing을 포함하는 다양한 공정으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 메쉬 전극(11)은, Au, Ag, Al, Cr, Ti, Mo, Ni, Cu 등과 같이 전기 전도성이 우수한 금속 소재로 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)을 형성하는 그리드 라인(11a) 간의 피치 간격(Q1)은, 적어도 광 입사방향을 따라 후방의 광 반응층(16,18)을 여기시키는 가시광의 파장대역(380nm 내지는 400nm~800nm) 보다는 좁게 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)은 100nm~400nm 사이로 형성될 수 있다. 이와 같이, 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)을 가시광의 파장대역 보다 좁게 형성함으로써, 메쉬 전극(11)을 향하여 입사되는 가시광의 보강 간섭을 유도할 수 있으며, 가시광의 보강 간섭을 통하여 가시광의 광 흡수도를 높일 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 가시광의 파장대역 보다 좁은 피치 간격(Q1)으로 배치된 메쉬 전극(11)은, 피치 간격(Q1)을 통하여 입사되는 가시광을, 입사 광축에 대해 상대적으로 큰 각도의 회절시킬 수 있으며, 이에 따라, 이웃하는 서로 다른 피치 간격(Q1)을 통하여 회절된 가시광 사이에서 보강 간섭을 일으키면서 광의 입사 방향(X)을 따라 후방의 광 반응층들(16,18)로 입사되는 광 강도를 높일 수 있으며, 광 반응층들(16,18)을 높은 효율로 여기시킬 수 있다.
본 실시예에서, 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)은, 피치 간격(Q1) 보다 넓은 파장을 갖는, 비교적 장파장(550nm~800nm)의 가시광을 회절시킬 수 있으며, 메쉬 전극(11)을 향하여 입사되는 가시광의 파장이 증가함에 따라 입사 광축에 대해 증가된 각도로 회절되면서 보강 간섭을 일으키기에 유리한 환경이 제공될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)을 광 반응층들(16,18)을 여기시키는 가시광의 파장대역 보다 좁은, 예를 들어, 100nm~400nm의 피치 간격(Q1)으로 형성함으로써, 보다 넓은 파장대역의 가시광에 대한 보강 간섭을 유도할 수 있다. 이때, 본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)의 선폭(W)은, 상기 피치 간격(Q1) 보다는 넓게 형성될 수 있으며, 예를 들어, 500nm~10,000nm의 선폭(W)으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에서, 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)과 비교하여, 피치 간격(Q1)과 거의 동등하거나 유사한, 파장이 짧은 단파장의 가시광(380nm 내지는 400nm~550nm)은, 자신의 파장과 거의 동등하거나 큰 차이가 없는 피치 간격(Q1)을 통과하면서 입사 광축에 대해 상대적으로 작은 각도로 회절될 수 있으며, 이에 따라 이웃하는 서로 다른 피치 간격(Q1)을 통하여 회절된 광이라도 입사 광축과 거의 나란한 각도를 따라 평행광 형태로 진행하면서, 보강 간섭이 일어나는 간섭(공간적 간섭)의 정도가 상대적으로 작을 수 있다.
본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)으로 입사되는 가시광에 대해, 어느 하나의 피치 간격(Q1)을 통하여 입사된 가시광은 점 광원 형태의 하나의 파원(wave source)을 형성할 수 있으며, 하나의 피치 간격(Q1)을 파원(wave source)으로 하여 방사상으로 퍼져나가는 파동은 이웃한 다른 피치 간격(Q1)을 파원으로 하여 방사상으로 퍼져나가는 파동과 서로에 대해 광학적인 간섭을 일으킬 수 있는데, 서로 같은 위상의 파동끼리 광 강도가 보강되는 보강 간섭을 일으키거나 또는 서로 반대되는 위상의 파동끼리 광 강도가 상쇄되는 상쇄 간섭을 일으킬 수 있다.
이와 같이, 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)을 통하여 방사상으로 퍼져나가는 파동의 진행 방향을 따라 가시광의 회절이 이루어질 수 있고, 입사 광축에 대해 가시광의 파장대역에 속하는 서로 다른 파장에 따라 서로 다른 각도로 회절될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서는, 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)을 가시광의 파장대역 보다 좁게 설계함으로써, 가시광의 파장대역 중에서 상대적으로 장파장의 가시광에 대한 보강 간섭을 유도할 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에서, 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)을 통과하는 가시광은, 가시광의 파장에 따라 입사 광축에 대해 서로 다른 각도로 회절될 수 있으며, 가시광의 파장이 증가함에 따라 입사 광축으로부터 큰 각도로 회절되면서 이웃하는 서로 다른 피치 간격(Q1)을 통하여 회절된 가시광이 보강 간섭을 일으킬 수 있는 가간섭 영역이 증가할 수 있고, 반면에, 피치 간격(Q1)과 동등하거나 큰 차이가 없는, 파장이 짧은 가시광은 피치 간격(Q1)을 통과하면서 거의 회절을 일으키지 않고 평행광 형태로 진행할 수 있으며, 이웃한 서로 다른 피치 간격(Q1)을 통과하는 가시광 사이에서 보강 간섭을 일으킬 수 있는 가간섭 영역이 감소할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는, 광 반응층(16,18)을 여기시키는 가시광의 파장대역 보다 좁은 피치 간격(Q1)으로 메쉬 전극(11)을 형성함으로써, 메쉬 전극(11)을 향하여 입사되는 가시광의 가간섭 영역을 증가시킬 수 있고, 서로 이웃한 피치 간격(Q1)을 통하여 입사되는 가시광의 회절 내지는 보강 간섭을 유도하여 광 강도를 향상시킬 수 있고, 광 반응층(16,18)을 높은 효율로 여기시킬 수 있다.
본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)은, 광 반응층들(16,18)을 여기시키는 가시광의 파장대역(380nm 내지는 400nm~800nm)을 고려하여, 100nm~400nm로 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)은, 광 진행방향을 따라 메쉬 전극(11) 보다 후방 위치에 형성된 나노패턴층(15)의 피치 간격(Q1) 보다 넓게 설정될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)은, 나노패턴층(15)의 피치 간격(Q5)으로 최적의 범위에 해당되는 350nm~500nm 보다 넓은 500nm~1,000nm로 설정될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 나노패턴층(15)은, 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance)을 유도하는 다수의 나노 입자(15a)가 일정한 피치 간격(Q5)으로 형성된 다수의 나노 입자(15a)의 배열을 포함할 수 있으며, 상기 피치 간격(Q5)은 도 12에 도시된 광 흡수도를 참조하여, 350nm~500nm로 설정될 수 있다. 이때, 상기 나노패턴층(15)을 형성하는 다수의 나노 입자(15a)는, 메쉬 전극(11)을 덮는 투명 도전막(12) 상에 형성될 수 있으며, 투명 도전막(12) 상으로 노출된 메쉬 전극(11)의 볼록-오목한 패턴 상을 따라 배치될 수 있다. 이때, 상대적으로 좁은 피치 간격(Q1)으로 형성된 메쉬 전극(11) 상을 덮는 투명 도전막(12) 상으로는 상대적으로 좁은 주기로 반복되는 볼록-오목한 패턴이 노출되면서, 다수의 나노 입자(15a)에 대한 안정적인 지지 기반을 제공하기 쉽지 않을 수 있다. 본 실시예에서는 나노패턴층(15)을 형성하는 다수의 나노 입자(15a)에 대한 안정적인 지지 기반을 제공한다는 측면에서, 적어도 서로 이웃한 나노 입자(15a) 사이의 피치 간격(Q5) 보다는 넓은 피치 간격(Q1)으로 메쉬 전극(11)을 형성함으로써, 메쉬 전극(11)을 통하여 나노 입자(15a)가 지지되는 투명 도전막(12) 상으로 노출되는 볼록-오목한 패턴 상을 따라 다수의 나노 입자(15a)에 대한 안정적인 지지 기반을 제공할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)은, 100nm~1,000nm 사이의 범위로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서, 상기 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)은, 피치 간격(Q1)을 통하여 입사되는 가시광의 보강 간섭을 고려하여 가시광의 파장대역(380nm 내지는 400nm~800nm) 보다 좁게 설정될 수 있고, 예를 들어, 본 실시예에서 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)은 100nm~400nm로 설정될 수 있다. 한편, 이와 달리, 상기 메쉬 전극(11)의 피치 간격(Q1)은, 나노패턴층(15)의 피치 간격(Q5)으로 최적의 범위에 해당되는 350nm~500nm 보다 넓은 500nm~1,000nm로 설정되어, 상기 나노패턴층(15)의 피치 간격(Q5)으로 배열되는 다수의 나노 입자(15a)에 대한 안정적인 지지 기반을 제공할 수 있다.
본 실시예에서 상기 광 반응층들(16,18)은 광 반응층들(16,18)의 적어도 일부에 혼입된 나노패턴층(15)을 포함할 수 있으며, 광 반응층들(16,18)에 구비된 나노패턴층(15)은 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노 사이즈의 나노 입자(15a)가 서로 이웃한 나노 입자(15a) 사이의 피치 간격(Q5)으로 배열된 형태로 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 나노패턴층(15)은 광 반응층들(16,18) 내에 혼입될 수 있으며, 광 반응층들(16,18)을 형성하는 물질과 혼재되어 존재할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 광 반응층들(16,18)은 나노패턴층(15)이 혼입된 제1 광 반응층(16)과 상기 제1 광 반응층(16) 상에서 나노패턴층(15)이 혼입되지 않은 제2 광 반응층(18)을 포함할 수 있으며, 본 실시예에서, 상기 제1 광 반응층(16)은 금 나노 입자(15a)가 소정의 패턴을 따라 규칙적으로 배열된 나노패턴층(15)이 혼입된 텅스텐 산화물층(WO3)을 포함할 수 있으며, 제2 광 반응층(18)은 나노패턴층(15)이 혼입되지 않은 비스무스-바나듐 산화물층(BiVO4)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 나노패턴층(15)에 구비된 다수의 나노 입자(15a)는 180nm~220nm 직경(DIA)과 400nm의 피치 간격(Q5)으로 배치될 수 있으며, 다수의 나노 입자(15a)는 상기 메쉬 전극(11)을 덮도록 형성된 투명 도전막(12) 상에서 하나의 단일층(mono-layer)으로 형성될 수 있으며, 상기 나노패턴층(15)은 투명 도전막(12) 상에서 광학적으로 서로에 대한 간섭이 발생되지 않도록 투명 도전막(12) 상에서 하나의 단일층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 나노패턴층(15)을 형성하는 다수의 나노 입자(15a)들이 수광 방향을 따라 서로 겹쳐지는 상하 위치로 배치되면, 수광 방향을 따라 전방의 나노 입자(15a)와 후방의 나노 입자(15a) 사이에서 나노 입자(15a)에 의해 산란되거나 회절되는 광 사이에서 광 간섭이 발생될 수 있으므로, 상기 나노패턴층(15)을 형성하는 다수의 나노 입자(15a)들은 수광 방향을 따라 서로에 대해 겹쳐지지 않는 단일층으로 형성될 수 있다. 상기 나노패턴층(15)에 대해서는 후에 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 실시예에서, 상기 광 반응층들(16,18)은 단일층으로 배열된 다수의 나노 입자(15a)를 포함하는 나노패턴층(15)과, 상기 나노패턴층(15)을 둘러싸면서 나노패턴층(15) 상에 형성된 광 반응층들(16,18)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 나노패턴층(15)은 광 반응층들(16,18)로 입사된 가시광이 상대적으로 굴절율이 높은 밀한 매질의 광 반응층들(16,18, 굴절율 대략 2)로부터 상대적으로 굴절율이 낮은 소한 매질의 전해질(물, 굴절율 대략 1.5)과의 고액 경계 부근에서 전반사 되면서, 광 반응층(16,18)과 거의 나란하게 진행하는 수평 편광(Transverse Magnetic Field, TM 편광)의 형태로 진행하는 전기장을 형성하고, 광 반응층들(16,18) 부근에서 광 반응층(들16,18)과 거의 나란하게 진행하는 전기장의 파동을 따라 전기적인 유전체로 기능하는 광 반응층들(16,18)에 의해 둘러싸여 유도되는 전기장의 영향으로, 음극성을 띤 전자 구름과 양극성을 띤 중심 이온으로 분리된 나노 입자(15a)의 플라즈몬이 전기장의 파동을 추종하여 공명 주파수를 따라 집단적으로 진동을 일으키는 이른바, 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance)을 유도할 수 있으며, 이러한 나노 입자(15a)에 의하여 유도되는 국소 표면 플라즈몬 공명에 의해 가시광의 흡수율이 향상될 수 있다. 예를 들어, 나노 사이즈의 금속 입자를 포함하는 나노 입자(15a)는, 나노 입자(15a)가 혼입된 매질의 재료 특성에 따라 달라지는 전기적 및 광학적 특성을 가질 수 있으며, 구체적인 나노 입자(15a)를 구성하는 금속 소재, 나노 입자(15a)의 사이즈 그리고, 나노 입자(15a)가 혼입된 매질의 종류 등에 따라, 가시광의 파장대 중에서 어느 하나의 파장에 해당되는 공명 주파수로 국소 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있고, 이에 따라, 가시광을 입사광으로 하는 수전해 장치에서 가시광의 특정 파장에 대한 광 흡수율을 높일 수 있다.
본 실시예에서, 나노 입자(15a)가 유도하는 국소 표면 플라즈몬 공명에서 가장 높은 최고 광 흡수율을 보이는 공명 주파수는, 서로 이웃한 나노 입자(15a) 사이의 피치 간격(Q5)에 따라 변화될 수 있으며, 예를 들어, 가시광의 파장대역(380nm 내지는 400nm~800nm) 중에서 서로 이웃한 나노 입자(15a) 사이의 피치 간격(Q5)의 증가에 따라 공명 주파수에 해당되는 최고 광 흡수율의 파장은 증가하는 경향을 보일 수 있다. 본 실시예에서는 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노 입자(15a)를 적용함으로써, 장파장의 가시광에 대한 광 흡수도를 개선할 수 있으며, 가시광의 유효 이용을 높일 수 있다. 예를 들어, 가시광의 파장대역 중에서 상대적으로 파장이 짧은 단파장(380nm 내지는 400nm~450nm)에서 우수한 광 흡수도를 보이는 텅스텐 산화물층(WO3)의 제1 광 반응층(16)과 함께, 텅스텐 산화물층(WO3)의 제1 광 반응층(16) 보다 장파장의 가시광에 대한 광 흡수도가 우수한 비스무스-바나듐 산화물층(BiVO4)의 제2 광 반응층(18)을 함께 적용함과 동시에, 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노 입자(15a)를 적용함으로써, 장파장의 가시광에 대한 광 흡수도를 개선하고 나아가 전체 광 반응층들(16,18)에 의한 가시광의 유효 이용을 높일 수 있다.
본 실시예에서 상기 나노 입자(15a)는, 금 나노 입자(15a, gold nanoparticles)를 포함할 수 있으며, 제1 절연기판(10, 또는 제1 절연기판 10 상에 형성된 메쉬 전극 11을 덮는 투명 도전막 12, 이하 같음) 상에, 소정의 패턴을 따라 규칙적으로 배열된 다수의 나노 입자(15a)를 포함하는 나노패턴층(15)을 형성할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 나노패턴층(15)은 원기둥 형태의 도트 형상으로 형성된 다수의 나노 입자(15a)들을 포함할 수 있으며, 구형 형태라기 보다는 제1 절연기판(10) 상에 적정의 부착력을 가질 수 있도록, 제1 절연기판(10)을 향하는 평평한 면을 포함하는 원기둥 형태의 도트 형상으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 나노 입자(15a)는 180nm~220nm의 직경(DIA)을 갖는 도트 형상으로 형성될 수 있으며, 높이(H) 20nm의 원기둥 형태의 도트(dot) 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에서, 다수의 나노 입자(15a)들이 형성하는 소정의 패턴은 다양하게 변형될 수 있으며, 광 반응층(16,18)의 광 흡수도에 주된 영향을 주는 인자로서, 나노 입자(15a)를 형성하는 금속 소재, 나노 입자(15a)의 사이즈, 이웃한 나노 입자(15a) 사이의 피치 간격(Q5)이 적정 수준으로 유지되는 한도에서, 상기 소정의 패턴은 다양하게 변형될 수 있으며, 변형 가능한 다양한 형태의 패턴에 대해서도, 나노 입자(15a)를 형성하는 금속 소재, 나노 입자(15a)의 사이즈, 이웃한 나노 입자(15a) 사이의 피치 간격(Q5)에 따라 광 흡수 특성이 결정될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 상기 나노 입자(15a)는 일 열의 나노 입자(15a) 사이에 이웃한 열의 나노 입자(15a)가 지그 재그 형태로 엇갈리게 배치되면서, 이웃한 3개의 나노 입자(15a)가 동일한 피치 간격(Q5)으로 배열되는 정삼각형 형태를 형성하는 패턴으로 배열될 수 있으며, 이외에도, 광 흡수도에 영향을 주는 이웃한 나노 입자(15a) 사이의 피치 간격(Q5)이 일정하게 유지될 수 있는 다양한 패턴으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노 입자(15a)의 배열에서, 이웃한 나노 입자(15a) 사이의 피치 간격(Q5)은, 광 흡수도의 설계에서 주된 설계 변수로 설정될 수 있으며, 나노패턴층(15) 전체 걸쳐서 설계된 피치 간격(Q5)이 일정하게 유지되도록 함으로써, 요구되는 광 흡수도를 얻을 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 입자(15a)를 형성하는 소정의 패턴은, 거리가 동일한 등변으로 형성되는 삼각형, 사각형, 육각형(허니 콤)과 같은 다양한 다각형 형태로 반복적으로 배열되는 형태로 형성될 수 있으며, 이들 패턴의 다양한 변형에 대해서도, 이웃한 나노 입자(15a) 사이의 피치 간격(Q5)에 따라 광 흡수도가 결정될 수 있다.
본 실시예에서, 다수의 나노 입자(15a)들을 포함하는 나노패턴층(15)은 가시광의 파장대역(380nm 내지는 400nm~800nm) 중에서 상대적으로 장파장(550nm~800nm)에 대한 광 흡수 효율을 높이기 위한 목적에 기여할 수 있으며, 상기 나노패턴층(15)을 형성하는 나노 입자(15a)는 가시광의 파장대역이 시작되는 350nm~400nm 이상의 피치 간격(Q5)으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 나노 입자(15a)는 금 나노 입자(15a)(gold nanoparticles)를 포함할 수 있으며, 180nm~220nm의 직경(DIA)을 갖는 도트 형상으로 형성될 수 있다.
도 12에는, 본 실시예에서와 같이 나노패턴층을 형성하는 나노 입자의 사이즈를 180nm~220nm까지 다양하게 변화시키면서, 가시광의 파장에 따른 광 흡수도를 산출한 시뮬레이션 결과와, 나노패턴층이 형성되지 않은 비교예에서 가시광의 파장에 따른 광 흡수도를 산출한 시뮬레이션 결과(실선)가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 본 실시예와 비교예에서, 가시광의 파장대역 중에서 파장이 비교적 짧은 단파장(400nm~550nm)의 가시광에 대해서는 광 흡수도에 큰 차이를 보이지 않으며, 단파장(400nm~550nm)의 가시광에 대해서는 본 실시예와 비교예에서 광 흡수도가 거의 동등한 수준을 나타나게 된다. 반면에, 비교적 장파장(550nm~800nm)의 가시광에 대해서는 국소 표면 플라즈몬 공명이 유도되는 본 실시예와 비교예에서 광 흡수도가 현격한 차이를 보이는데, 이에 대해 설명하면, 이하와 같다.
도 12에 도시된 시뮬레이션에서는, 제1 절연기판(10) 상에 다수의 나노 입자(15a)가 형성된 나노패턴층(15)을 형성하고, 나노 입자(15a)를 둘러싸는 텅스텐 산화물층(WO3)의 제1 광 반응층(16) 30nm의 두께(T6)와, 제1 광 반응층(16) 상에서 비스무스-바나듐 산화물층(BiVO4)의 제2 광 반응층(18) 30nm의 두께(T8)를 형성하며, 제2 광 반응층(18) 상에 전해액(E3)으로서의 물과의 고액 경계를 형성한 모델에 대해서, 유한차분시간영역(FDTD, Finite-Difference Time-Domain)의 시뮬레이션을 적용하여, 서로 다른 다양한 나노 입자(15a)의 사이즈로서 직경(DIA) 180nm~220nm와 높이(H) 20nm를 갖는 원기둥 도트 형상으로 형성된 나노 입자(15a)를, 서로 이웃한 나노 입자(15a) 사이의 피치 간격(Q5) 400nm로 배열한 나노패턴층(15)에 대해, 가시광의 파장을 변화시키면서 광 흡수도를 산출하였다. 그리고, 본 실시예와 대비되는 비교예에서는 나노 입자(15a)를 제외하고 동일한 형상의 모델에 대해 동일한 유한차분시간영역(FDTD, Finite-Difference Time-Domain)의 시뮬레이션을 적용하여, 가시광의 파장을 변화시키면서 광 흡수도를 산출하였다.
도 12를 참조하면, 상기 비교예에서 광 흡수도는, 가시광의 파장대역의 하한에 해당되는 400nm로부터 입사광의 파장이 증가함에 따라 증가하다가 대략 450nm에서 최대에 이르고, 이후 가시광의 파장이 증가함에 따라 지속적으로 감소하게 된다. 이러한 광 흡수도의 경향은 가시광의 파장대역 중에서 상대적으로 파장이 짧은 단파장의 가시광에 대해 상대적으로 높은 광 흡수도를 보이는 텅스텐 산화물층(WO3)의 광 흡수도의 프로파일과 대체로 유사한 경향을 갖는 것으로 이해될 수 있다.
상기 비교예에서와 유사하게, 본 실시예에서 광 흡수도는, 가시광의 파장대역의 하한에 해당되는 400nm로부터 입사광의 파장이 증가함에 따라 증가하다가 대략 450nm에서 국지적 최고(local maximum)를 보이고 450nm에서 500nm 사이에서 감소를 보이지만, 대략 550nm로부터 입사광의 파장이 증가함에 따라 광 흡수도가 급격하게 다시 증가하기 시작하여 600nm~700nm 사이에서 광 흡수도가 최고(global maximum)에 이르고, 700nm로부터 입사광의 파장이 증가함에 따라 광 흡수도가 감소하게 된다. 이때, 본 실시예에 의한 광 흡수도 프로파일에서, 대략 450nm에서의 국지적 최고(local maximum)는, 전체 광 흡수도 프로파일에서 최고의 흡수도를 보이는 600nm~700nm 사이의 최고(global maximum) 보다 낮은 광 흡수도를 보이며, 광 흡수도의 최고(global maximum)를 1로 정규화시킨 광 흡수도에서 대략 0.3 이상의 차이를 보일 수 있다. 즉, 본 실시예에 의하면, 가시광의 파장대역 중에서 상대적으로 파장이 짧은 단파장의 가시광에 대해 상대적으로 우수한 광 흡수도를 보이는 비교예에서와 달리, 상대적으로 파장이 긴 장파장의 가시광에 대해 우수한 광 흡수도를 보이게 되는데, 이러한 광 흡수도의 차이는 본 실시예에서, 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노 입자(15a)가 적용되면서 상대적으로 장파장의 가시광에 대한 광 흡수도가 개선되었기 때문으로 이해될 수 있으며, 이때, 비교예에서의 최고 광 흡수도는 대략 본 실시예에서 단파장의 가시광에서의 국지적 최고(local maximum)와 유사하지만, 본 실시예에서 전체 최고(global maximum)는 국지적 최고(local maximum) 보다 정규화된 광 흡수도에서 대략 0.3 이상의 개선 효과를 보이고 있다.
이와 같이, 비교예와 본 실시예에서, 입사광의 파장이 400nm로부터 증가함에 따라 증가하지만, 비교예에서는 대략 450nm에서 최대에 이르고, 이후의 파장의 증가에 따라 광 흡수 효율이 떨어지는 반면에, 본 실시예에서는 450nm에서 국지적 최고(local maximum)에 이르고, 대략 550nm로부터 다시 급격하게 증가하는 경향을 보이므로, 비교예와 본 실시예에서, 광 흡수 효율의 차이는 단파장(400nm~550nm)의 가시광에서 보다는 장파장(550nm~800nm)의 가시광에서 확대되는 경향을 보이게 된다. 본 실시예에서는, 도 12의 광 흡수도를 참조하여, 상대적으로 높은 광 흡수도를 보이는 나노 입자(15a)의 사이즈, 즉, 180nm~200nm 직경(DIA)의 나노 입자(15a)를 적용할 수 있으며, 이들 180nm~200nm 직경(DIA)의 나노 입자(15a)가 배열된 나노패턴층(15)은, 220nm 직경(DIA)의 나노 입자(15a)가 배열된 나노패턴층(15) 보다 상대적으로 높은 광 흡수도를 보일 수 있으며, 도 12의 광 흡수도를 참조하면, 180nm~200nm 직경(DIA)의 나노 입자(15a)가 배열된 나노패턴층(15)은, 대략 640nm 파장의 가시광에 대해, 정규화된 광 흡수도에서 대략 1에 가까운 최고(global maximum)의 광 흡수도를 보이는데 반하여, 220nm 직경(DIA)의 나노 입자(15a)가 배열된 나노패턴층(15)은, 대략 620nm와 대략 680nm에서 대략 0.9에 가까운 최고(global maximum)의 광 흡수도를 보이면서, 대략 640nm에서 대략 1에 가까운 최고(global maximum)의 광 흡수도를 보이면서 620nm와 대략 680nm에서 0.9 이상의 광 흡수도를 보이는 180nm~200nm 직경(DIA)의 나노 입자(15a)가 배열된 나노패턴층(15) 보다 낮은 광 흡수도를 보이므로, 본 실시예에 의한 나노패턴층(15)은, 180nm~220nm 사이의 직경(DIA)을 갖는 나노 입자(15a)를 포함할 수 있다.
도 13에는 본 실시예에서, 서로 이웃한 나노 입자 사이의 피치 간격을 300nm~700nm까지 다양하게 변화시키면서 가시광의 파장에 따른 광 흡수도를 산출한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다.
도 13의 시뮬레이션에서는, 제1 절연기판(10) 상에 다수의 나노 입자(15a)가 형성된 나노패턴층(15)을 형성하고, 나노 입자(15a)를 둘러싸는 텅스텐 산화물층(WO3)의 제1 광 반응층(16) 30nm 두께(T6)와, 제1 광 반응층(16) 상에서 비스무스-바나듐 산화물층(BiVO4)의 제2 광 반응층(18) 30nm 두께(T8)를 형성하며, 제2 광 반응층(18) 상에 전해액(E3)으로서의 물과의 고액 경계를 형성한 모델에 대해서, 유한차분시간영역(FDTD, Finite-Difference Time-Domain)의 시뮬레이션을 적용하여, 나노 입자(15a)의 사이즈로서 직경(DIA) 200nm와 높이(H) 20nm를 갖는 원기둥 도트 형상으로 형성된 나노 입자(15a)를, 서로 다른 300nm~700nm의 피치 간격(Q5)으로 배열한 나노패턴층(15)에 대해 가시광의 파장에 따른 광 흡수도를 산출하였다.
도 13을 참조하면, 서로 다른 다양한 피치 간격(Q1)의 나노패턴층(15)에 대해, 가시광의 파장대역 중에서 상대적으로 파장이 짧은 단파장(400nm~550nm)의 가시광에서 광 흡수도는 대체로 유사한 경향을 보이며, 대략 450nm 부근에서 국지적 최고(local maximum)를 보이고, 대략 550nm 부근에서부터 파장의 증가에 따라 광 흡수도가 급격하게 증가하면서 나노패턴층(15)의 피치 간격(Q5)에 따라 550nm~800nm 사이의 서로 다른 파장의 가시광에서 광 흡수도가 최고(global maximum)에 이르고, 이후에는 파장의 증가에 따라 광 흡수도는 감소하게 된다. 보다 구체적으로, 피치 간격(Q5) 300nm에서는 대략 580nm의 가시광에 대해 최고의 광 흡수도를 보이고, 피치 간격(Q5) 400nm에서는 대략 640nm의 가시광에 대해 최고의 광 흡수도를 보이며, 피치 간격(Q5) 500nm에서는 대략 670nm의 가시광에 대해 최고의 광 흡수도를 보이고 있다. 그리고, 피치 간격(Q5) 600nm에서는 720nm의 가시광에 대해 최고의 광 흡수도를 보이며, 피치 간격(Q5) 800nm에서는 770nm의 가시광에 대해 최고의 광 흡수도를 보이고 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 서로 이웃한 나노 입자(15a) 사이의 피치 간격(Q5)이 증가함에 따라 상대적으로 증가된 장파장의 가시광에서 최고(global maximum)의 광 흡수도를 보일 수 있으며, 서로 다른 피치 간격(Q5)에 대한 최고의 광 흡수도는 서로 다른 파장의 가시광에서 서로 다른 광 흡수도로 나타날 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 국소 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 다수의 나노 입자(15a)가 배열된 나노패턴층(15)을 적용하여, 장파장의 가시광에 대한 광 흡수도를 개선할 수 있다.
도 14에는 가시광의 파장대역(380nm 내지는 400nm~800nm) 중에서 가시광의 이용 효율이 우수한 비교적 장파장의 650nm 파장에서 피치 간격(Q5)의 변화에 따른 광 흡수도를 추출한 도면이 도시되어 있다.
도 14를 참조하면, 피치 간격(Q5) 300nm에서는 광 흡수도 87%를 보이고, 피치 간격(Q5) 400nm에서는 광 흡수도 98%를 보이며, 피치 간격(Q5) 500nm에서는 광 흡수도 90%를 보이고 있다. 그리고, 피치 간격(Q5) 600nm에서는 광 흡수도 73.5%를 보이며, 피치 간격(Q5) 800nm에서는 광 흡수도 74.8%를 보이고 있다.
본 실시예에서는 도 14의 광 흡수도에서 상대적으로 높은 광 흡수도, 예를 들어, 90% 이상의 광 흡수도를 갖는 350nm~500nm의 피치 간격(Q5)으로 배열된 다수의 나노 입자(15a)를 포함하는 나노패턴층(15)을 형성할 수 있다. 도 12 내지 도 14의 광 흡수도를 종합하면, 본 실시예에 의한 나노패턴층(15)은, 180nm~200nm의 직경(DIA)을 갖는 나노 입자(15a)들이 피치 간격(Q5) 350nm~500nm으로 배열된 형태로 형성될 수 있다.
도 11a 내지 도 11d에 도시된 광전극의 구조를 참조하여, 본 실시예에 의한 광전극에 대해 설명하기로 한다.
도면들을 참조하면, 본 실시예에서, 상기 제1 절연기판(10) 상에는 제1 절연기판(10) 상을 덮는 메쉬 전극(11)과 상기 메쉬 전극(11)을 덮는 투명 도전막(12)이 순차적으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 상기 메쉬 전극(11)을 덮는 투명 도전막(12)은, 광 반응층들(16,18)을 형성하기 위한 고온의 형성 공정에서 메쉬 전극(11)을 보호하기 위한 목적으로 적용될 수 있다.
본 실시예에서 상기 투명 도전막(12)은 ITO(indium tin oxide) 또는 FTO(fluorine-doped transparent oxide)를 포함하는 광 투명한 도전 소재로 형성될 수 있으며, 금 소재로 형성된 메쉬 전극(11)을 덮어서 메쉬 전극(11) 상에서 이루어지는 광 반응층(16,18)의 고온의 형성 공정으로부터 메쉬 전극(11)을 보호할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서 광 반응층들(16,18)은 텅스텐 산화물층(WO3)을 포함하는 제1 광 반응층(16)과 비스무스-바나듐 산화물층(BiVO4)을 포함하는 제2 광 반응층(18)을 포함할 수 있으며, 이들 제1 및 제2 광 반응층들(16,18)은 전구체 용액을 형성하고, 조성된 전구체 용액을 스핀 코팅과 같은 성층 공정을 거친 후에, 졸-겔 반응을 거치거나 및/또는 칼시네이션(calcination)과 같은 고온의 반응을 통하여 결정화를 하는 고온의 공정을 통하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 광 반응층들(16,18)은 상대적으로 고온 안정성이 우수한 투명 도전막(12) 상에서 이루어질 수 있으며, 투명 도전막(12) 보다 고온 안정성이 떨어지는 메쉬 전극(11)을 덮어 보호할 수 있다. 만일, 평면 저항이 우수한 메쉬 전극(11)만을 적용하여, 제1 절연기판(10) 상에 메쉬 전극(11)을 형성하고, 본 실시예에서와 같이 고온 안정성이 우수한 투명 도전막(12)을 별도로 형성하지 않은 비교예에서는, 메쉬 전극(11) 상에서 광 반응층들(16,18)의 형성을 위한 고온 공정이 직접 이루어지므로, 섭씨 400도가 넘는 고온 공정에 의해 메쉬 전극(11)이 열 변형되면서 메쉬 전극(11)의 평면 저항이 증가하여, 메쉬 전극(11) 상에 형성되는 광 반응층들(16,18)에서 전자의 수집 효율이 떨어지고, 전자-정공의 재결합 등으로 인하여 분리 효율이 떨어지는 등의 문제가 야기될 수 있다. 또한, 제1 절연기판(10) 상에 형성된 메쉬 전극(11)의 열 변형으로 인하여, 메쉬 전극(11)이 제1 절연기판(10) 상에서 뒤틀리거나 융기되는 등으로 메쉬 전극(11)에 의한 전자의 수집에 어려움이 야기될 수 있다.
본 실시예에서는 전자의 수집 효율을 높이기 위하여, 평면 저항이 상대적으로 낮은 메쉬 전극(11)을 적용함과 동시에, 메쉬 전극(11)의 열 변형을 방지하기 위한 목적으로, 메쉬 전극(11) 상에 투명 도전막(12)을 형성함으로써, 메쉬 전극(11)의 열 변형을 방지하고, 광 반응층들(16,18)에서 전자의 수집 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 10에 도시된 수전해 장치의 전체적인 구조를 참조하여, 광전극이 형성된 제1 절연기판 및 구동용 광전극이 형성된 제2 절연기판의 물리적인 결속 및 전기적인 연결에 대해 설명하면, 이하와 같다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에서, 상기 상대전극 모듈(M2)의 최외측에는 제2-2 오프닝(O2-2)을 커버하는 제2 절연기판(20)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 절연기판(20)에는, 광전극(E1)과 상대전극(E2) 사이에 연결되어 광전극(E1) 및 상대전극(E2) 사이에 소정의 바이어스 전압을 인가하기 위한 구동용 광전극(E4)이 형성될 수 있다. 상기 구동용 광전극(E4)은, 광전극(E1) 및 상대전극(E2) 사이에 소정의 바이어스 전압을 인가함으로써, 광전극(E1) 및 상대전극(E2)에서 일어나는 산화-환원 반응을 촉진할 수 있도록 광기전력을 생성하는 것으로, 직접 산화-환원 반응에 참여하는 광전극(E1) 및 상대전극(E2)과 달리, 전해액(E3)과의 접촉을 형성하지 않으며, 예를 들어, 제2 절연기판(20) 상에 형성된 구동용 광전극(E4)은 제2 절연기판(20)을 투과하여 입사되는 가시광의 광전변환으로 발생되는 광기전력을, 광전극(E1) 및 상대전극(E2) 사이를 연결해주는 접속 도선(L) 상에 연결하여, 광기전력을 광전극(E1) 및 상대전극(E2) 사이에 인가되는 바이어스 전압으로 제공할 수 있다. 이때, 상기 제2 절연기판(20) 상에 형성된 구동용 광전극(E4)은 제2 절연기판(20)의 테두리를 덮는 제2 전도성 스트립(R2)과 전기적인 연결을 형성할 수 있으며, 이때, 상기 구동용 광전극(E4)은 상기 제2 전도성 스트립(R2)을 통하여 외부로 극성을 표출할 수 있고, 제2 전도성 스트립(R2)은 접속 도선(L)과 연결되어 접속 도선(L)의 양단에 연결된 광전극(E1) 및 상대전극(E2) 사이에서 소정의 전압 차이, 즉, 바이어스 전압을 형성할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 상기 광전극(E1)으로부터 연장되는 접속 도선(L)의 일단과 상대전극(E2)으로부터 연장되는 접속 도선(L)의 타단을, 각각 구동용 광전극(E4)을 포함하는 태양 전지의 서로 다른 극성에 연결하는 방식으로, 바이어스 전원이 제공될 수 있다.
다시 말하면, 본 실시예에서, 상기 접속 도선(L)은, 광전극(E1)과 상대전극(E2)을 전기적으로 연결하되, 바이어스 전원을 제공하는 구동용 광전극(E4)을 경유하여, 상기 광전극(E1) 및 상대전극(E2)을 연결할 수 있으며, 이때 상기 접속 도선(L)은 상기 광전극(E1)과 전기적으로 연결된 제1 전도성 스트립(R1) 상에 형성된 접점과 상기 구동용 광전극(E4)과 전기적으로 연결된 제2 전도성 스트립(R2) 상에 형성된 접점을 포함하여, 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)을 서로 연결해줄 수 있다.
본 실시예에서 상기 구동용 광전극(E4)은, 수전해 장치의 최외측을 형성할 수 있으며, 이에 따라 상기 구동용 광전극(E4)의 전기적인 연결은, 전해액(E3)으로부터의 절연이 필요하지 않을 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에서, 상기 광전극(E1)과 접속 도선(L) 사이의 전기적인 연결은 전해액(E3)으로부터의 전기적인 절연을 포함할 수 있고, 상기 상대전극(E2)과 접속 도선(L) 사이의 전기적인 연결은 전해액(E3)으로 노출될 수 있다. 이때, 상기 광전극(E1)과 접속 도선(L) 사이의 전기적인 연결이 절연된다는 것은, 광전극(E1)과 접속 도선(L) 사이에 개재되며 수전해 장치의 외부에서 서로 전기적으로 연결되는 제1 및 제3 전도성 스트립들(R1,R3)을 통하여, 광전극(E1) 및 접속 도선(L) 사이의 전기적인 연결이 전해액(E3)으로부터 절연될 수 있으며, 또한, 상기 제3 전도성 스트립(R3)은 제1 절연기판(10)과 제1 전해액 용기(M1a) 사이의 체결 압력에 따라, 제1 절연기판(10) 상에 형성된 광전극(E1)을 향하여 압박되면서, 이들 제3 전도성 스트립(R3)과 광전극(E1) 사이에 전해액(E3)이 침투하지 못할 수 있다는 것을 의미할 수 있다.
상기 광전극(E1) 및 상대전극(E2)이 형성된 제1 및 제2 절연기판들(10,20)은, 본 실시예에 의한 수전해 장치에서, 제1 측(X1)으로 최외측과 제2 측(X2)으로 최외측을 형성하는 구성으로, 각각 제1 전해액 용기(M1a)의 제1-1 오프닝(O1-1)과 연결된 장착 홈(10a)과 제2 전해액 용기(M2a)의 제2-2 오프닝(O2-2)과 연결된 장착 홈(20a) 내에 끼워지면서, 제1-1 오프닝(O1-1)을 둘러싸는 제1 전도성 스트립(R1) 및 제2-2 오프닝(O2-2)을 둘러싸는 제2 전도성 스트립(R2)에 의해 물리적인 결속 및 전기적인 결속을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 광전극(E1)이 형성된 제1 절연기판(10)은, 제1 전해액 용기(M1a)의 장착 홈(10a)과 제1 전도성 스트립(R1)의 사이에서 물리적으로 위치 고정됨과 동시에, 장착 홈(10a)에 형성된 제3 전도성 스트립(R3)과 제1 전도성 스트립(R1) 사이에서 광전극(E1)의 전기적인 연결이 동시에 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 광전극(E1)이 형성된 제1 절연기판(10)의 테두리가 제1 및 제3 전도성 스트립들(R1,R3) 사이에서 압박되면서 위치 고정될 수 있으며, 또한, 제1 절연기판(10)의 테두리로 인출된 메쉬 전극(11)이 제1 및 제3 전도성 스트립들(R1,R3) 사이에서 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 의하면, 제1 전해액 용기(M1a) 상에서 광전극(E1)이 배치된 제1 절연기판(10)을 사이에 두고 서로 겹쳐지게 배치되는 제1 및 제3 전도성 스트립들(R1,R3)을 이용하여, 광전극(E1)이 형성된 제1 절연기판(10)의 물리적인 결속 및 전기적인 결속이 동시에 이루어질 수 있다. 본 발명에 일 실시형태에서, 제1 절연기판(10) 상에 형성된 광전극(E1)이 제1 및 제3 전도성 스트립들(R1,R3)과 전기적으로 연결된다는 것은, 제1 절연기판(10) 상에 형성된 광전극(E1)과 제1 및 제3 전도성 스트립들(R1,R3)이 전기적으로 연결되면서, 예를 들어, 제1 전도성 스트립(R1)이 광전극(E1)의 극성을 외부로 표출하는 외부 전극의 기능을 할 수 있다는 것을 의미할 수 있다.
유사하게, 상기 상대전극(E2)이 형성된 제2 절연기판(20)은, 제2 전해액 용기(M2a)의 장착 홈(20a) 내에 끼워지면서, 제2-2 오프닝(O2-2)을 둘러싸는 제2 전도성 스트립(R2)에 의해 물리적인 결속 및 전기적인 결속을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 상대전극(E2)이 형성된 제2 절연기판(20)의 테두리가 제2 전해액 용기(M2a)의 장착 홈(20a)과 제2 전도성 스트립(R2) 사이에서 압박되면서 위치 고정될 수 있으며, 또한, 제2 절연기판(20)의 테두리로 인출된 구동용 광전극(E4)이 제2 전도성 스트립(R2)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 의하면, 제2 전해액 용기(M2a) 상에서 상대전극(E2)이 형성된 제2 절연기판(20)을 사이에 두고 제2 전해액 용기(M2a, 장착 홈 20a)와 마주하게 결합되는 제2 전도성 스트립(R2)을 이용하여, 상대전극(E2)이 형성된 제2 절연기판(20)의 물리적인 결속 및 전기적인 결속이 동시에 이루어질 수 있다. 본 실시예에서, 제2 절연기판(20) 상에 형성된 상대전극(E2)이, 제2 전도성 스트립(R2)과 전기적으로 연결된다는 것은, 상기 제2 전도성 스트립(R2)이 상대전극(E2)과 전기적으로 연결되면서 상대전극(E2)의 극성을 외부로 표출할 수 있는 외부 전극으로 기능할 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 광전극(E1)과 상대전극(E2) 사이에 소정의 바이어스 전압을 인가하는 방식으로, 상기 광전극(E1)과 전기적으로 연결된 제1 전도성 스트립(R1)과 상대전극(E2)과 전기적으로 연결된 제2 전도성 스트립(R2)을 서로 전기적으로 연결할 수 있으며, 이때, 상기 제1 및 제2 전도성 스트립들(R1,R2)은, 각각 광전극(E1) 및 상대전극(E2)의 외부 전극으로 기능할 수 있다.
도 10에서 설명되지 않은 도면번호 ER은 기준 전극을 의미할 수 있으며, 본 실시예에 의한 수전해 장치의 음극 측을 형성하는 광전극(E1) 및 양극 측을 형성하는 상대전극(E2)과 함께, 3개의 서로 다른 전극을 형성할 수 있으며, 광전극(E1) 및 상대전극(E2)의 전압을 기준 전극(ER)을 기준으로 측정할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
M1: 광전극 모듈 M2: 상대전극 모듈
M1a: 제1 전해액 용기 M2a: 제2 전해액 용기
E1: 광전극 E2: 상대전극
E3: 전해액 E4: 구동용 광전극
01-1,O1-2,02-1,02-2: 오프닝 I1: 제1 입사 영역
S1-1,S1-2,S2-1,S2-2: 실링 I2: 제2 입사 영역
10: 제1 절연기판 11: 메쉬 전극
12: 투명 도전막 15: 나노패턴층(나노 입자)
16: 제1 광 반응층 18: 제2 광 반응층

Claims (18)

  1. 광전극과, 상기 광전극의 제1 측에서 상기 광전극의 지지 기반을 제공하는 절연기판과, 상기 광전극의 제2 측에서 상기 광전극과 접하는 전해액을 수용하는 제1 전해액 용기를 포함하는 광전극 모듈;
    상기 광전극과 마주하게 배치되는 상대전극과, 상기 상대전극의 제1 및 제2 측들에서 상기 상대전극과 접하는 전해액을 수용하는 제2 전해액 용기를 포함하는 상대전극 모듈;
    상기 광전극 모듈과 상기 상대전극 모듈 사이에 개재된 멤브레인; 및
    상기 광전극 모듈의 제1 측을 따라 최외측에서 상기 광전극과 전기적으로 연결되는 제1 전도성 스트립을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도성 스트립은 상기 광전극에 대한 제1 입사 영역을 폐루프 형태로 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상대전극 모듈의 제2 측을 따라 최외측으로는 구동용 광전극에 대한 제2 입사 영역을 폐루프 형태로 둘러싸도록 제2 전도성 스트립이 형성되며,
    상기 구동용 광전극은 상기 제2 전도성 스트립과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전해액 용기는 광 투명한 광학 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전도성 스트립들은, 각각 상기 광전기화학적 수전해 장치의 제1 측 및 제2 측을 따라 최외측을 형성하면서, 상기 제1 및 제2 전해액 용기들의 외부에서 전기적인 접점을 형성하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광전극과 상기 상대전극을 전기적으로 연결하되, 바이어스 전원을 제공하는 구동용 광전극을 경유하여, 상기 광전극과 상기 상대전극을 연결하는 접속 도선을 더 포함하고,
    상기 접속 도선은,
    상기 광전극과 전기적으로 연결된 제1 전도성 스트립 상에 형성된 접점과, 상기 구동용 광전극과 전기적으로 연결된 제2 전도성 스트립 상에 형성된 접점을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전도성 스트립들은, 상기 제1 및 제2 입사 영역들을 제공하도록 광 투명한 소재로 형성되는 제1 및 제2 절연기판들의 테두리를 따라 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전도성 스트립들은, 상기 광전극 및 상기 구동용 광전극이 각각 형성된 상기 제1 및 제2 절연기판들을 탈부착 가능하게 위치 고정하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광전극이 지지된 제1 절연기판과 상기 제1 전해액 용기 사이에서 상기 광전극과 전기적으로 연결되는 내측 단부와, 상기 제1 절연기판의 테두리를 따라 배치된 제1 전도성 스트립과 상기 제1 전해액 용기 사이의 외부 위치로 인출되는 외측 단부를 구비하는 제3 전도성 스트립을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 전도성 스트립의 상기 내측 단부는, 상기 제1 전해액 용기의 장착 홈 내에서, 상기 장착 홈에 끼워지는 제1 절연기판 상에 형성된 상기 광전극과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제3 전도성 스트립의 상기 외측 단부는, 상기 외부 위치에서 상기 제1 전도성 스트립과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제3 전도성 스트립은, 상기 내측 단부와 상기 외측 단부 사이에서 단차지게 형성된 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제3 전도성 스트립은, 상기 제1 절연기판 상에 형성된 상기 광전극에 대한 제1 입사 영역을 향하는 내측과, 상기 제1 입사 영역과 반대되는 외측 사이에서 연장되며, 상기 제1 절연기판의 테두리를 따라 다수개가 배열되고,
    상기 다수의 제3 전도성 스트립들은 외측에서 상기 다수의 제3 전도성 스트립을 가로질러 연장되는 테두리 부재에 의해 서로 지지되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 테두리 부재는 제1 전도성 스트립을 폐루프 형태로 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 전도성 스트립 및 상기 테두리 부재는, 각각 제1 입사 영역을 내측 위치 및 외측 위치에서 폐루프 형태로 둘러싸면서, 상기 제1 전도성 스트립 및 상기 테두리 부재 사이를 가로질러 연장되는 제3 전도성 스트립에 의해 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 광전극과 상기 상대전극을 전기적으로 연결하는 접속 도선을 더 포함하고,
    상기 광전극과 상기 접속 도선 사이의 전기적인 연결은 전해액으로부터의 전기적인 절연을 포함하고,
    상기 상대전극과 상기 접속 도선 사이의 전기적인 연결은 전해액으로 노출되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광전극과 상기 접속 도선 사이의 전기적인 연결은, 상기 광전극과 상기 접속 도선 사이에 개재되며 서로 연결되는 제1 및 제3 전도성 스트립들에 의해 전해액으로부터 절연되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 전도성 스트립들은, 전해액을 수용하는 상기 제1 전해액 용기의 외부에서 서로 전기적으로 연결되며,
    상기 제3 전도성 스트립은 제1 절연기판과 상기 제1 전해액 용기 사이의 체결 압력에 따라, 상기 제1 절연기판 상에 형성된 상기 광전극을 향하여 압박되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
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