KR20230077312A

KR20230077312A - Hydroelectric apparatus having improved hydrogen productivity

Info

Publication number: KR20230077312A
Application number: KR1020210164459A
Authority: KR
Inventors: 정주연; 최대근; 이지혜; 최준혁; 정준호; 임한이; 이호영
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-06-01

Abstract

수소 생산효율이 향상된 광전기화학적 수전해 장치에서, 상기 광전기화학적 수전해 장치는, 광전극과, 상기 광전극의 제1 측에서 상기 광전극의 지지 기반을 제공하는 절연기판과, 상기 광전극의 제2 측에서 광전극과 접하는 전해액을 수용하는 제1 전해액 용기를 포함하는 광전극 모듈과, 상기 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 멤브레인을 포함한다. In a photoelectrochemical water electrolysis device with improved hydrogen production efficiency, the photoelectrochemical water electrolysis device includes a photoelectrode, an insulating substrate providing a support base for the photoelectrode at a first side of the photoelectrode, and a first side of the photoelectrode. A photoelectrode module including a first electrolyte container containing an electrolyte in contact with the photoelectrode on two sides, a counter electrode disposed facing the photoelectrode, and a counter electrode on first and second sides of the counter electrode; It includes a counter electrode module including a second electrolyte container accommodating a contacting electrolyte solution, and a membrane interposed between the photoelectrode module and the counter electrode module.

Description

수소 생산효율이 향상된 광전기화학적 수전해 장치{HYDROELECTRIC APPARATUS HAVING IMPROVED HYDROGEN PRODUCTIVITY}Photoelectrochemical water electrolysis device with improved hydrogen production efficiency {HYDROELECTRIC APPARATUS HAVING IMPROVED HYDROGEN PRODUCTIVITY}

본 발명은 광전기화학적 수전해 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광 반응층을 여기시키는 가시광의 광 흡수도가 향상되도록 구조가 개선된 광 전극을 통해 수소의 생산 효율이 향상된 광전기화학적 수전해 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a photoelectrochemical water electrolysis device, and more particularly, to a photoelectrochemical water electrolysis device with improved hydrogen production efficiency through a photoelectrode whose structure is improved to improve the light absorption of visible light that excites a photoreaction layer. it's about

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. With the development of industry, environmental pollution and energy problems are seriously emerging, and accordingly, research on the development of alternative energy capable of producing energy without generating pollutants is being actively conducted.

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.The photoelectrochemical water electrolysis device produces hydrogen from the decomposition reaction of an electrolyte solution by irradiation of light energy. It is not only the most environmentally friendly in that the final product is hydrogen and oxygen, but also the most easily available sunlight and water from nature. Since it is used as an energy source and a reactant, respectively, it can be said to be a renewable and environmentally friendly hydrogen production method.

이러한 광전기화학적 수전해 장치는 대한민국 공개특허 제10-2021-0122260호에서와 같이, 다양하게 개발되고 있는 상황이다. Such a photoelectrochemical water electrolysis device is being developed in various ways, as in Korean Patent Publication No. 10-2021-0122260.

나아가, 이러한 광전기화학적 수전해 장치에 관한 기술들이 개발됨에 따라, 특히 수전해 장치에서의 수소의 생산 효율을 보다 향상시킬 수 있는 기술에 대한 요구가 증가하는 상황이다. Furthermore, as technologies related to such a photoelectrochemical water electrolysis device are developed, there is an increasing demand for a technology capable of further improving hydrogen production efficiency in the water electrolysis device.

대한민국 공개특허 제10-2021-0122260호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2021-0122260

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 광 반응층을 여기시키는 가시광의 광 흡수도가 향상되도록 구조가 개선된 광 전극을 통해 수소의 생산 효율이 향상된 광전기화학적 수전해 장치를 제공하는 것이다. Therefore, the technical problem of the present invention is focused on this point, and the object of the present invention is a photoelectrochemical power supply with improved hydrogen production efficiency through a photoelectrode whose structure is improved to improve the light absorption of visible light that excites the photoreactive layer. to provide a solution.

상기와 같은 목적을 위한 일 실시예에 의한 수전해 장치는, 광전극 모듈, 상대전극 모듈 및 멤브레인을 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. A water electrolysis device according to an embodiment for the above purpose includes a photoelectrode module, a counterelectrode module, and a membrane. The photoelectrode module includes a photoelectrode, an insulating substrate providing a support base for the photoelectrode at a first side of the photoelectrode, and a first electrolyte containing an electrolyte solution in contact with the photoelectrode at a second side of the photoelectrode. contains courage. The counter electrode module includes a counter electrode disposed to face the photoelectrode and a second electrolyte container accommodating an electrolyte solution in contact with the counter electrode at first and second sides of the counter electrode. The membrane is interposed between the photoelectrode module and the counterelectrode module.

일 실시예에서, 상기 광전극은, 제1 절연기판 상에 형성된 메쉬 전극, 상기 메쉬 전극을 덮도록 형성되는 투명 도전막, 및 상기 투명 도전막 상에 형성되어 광 여기에 의한 반송자를 발생시키는 광 반응층을 포함할 수 있다. In one embodiment, the photoelectrode includes a mesh electrode formed on a first insulating substrate, a transparent conductive film formed to cover the mesh electrode, and light formed on the transparent conductive film to generate carriers by light excitation. A reaction layer may be included.

일 실시예에서, 상기 메쉬 전극은 상기 광전극의 수광면 측을 형성하며, 상기 광 반응층은 전해액과 접하는 고액 계면 측을 형성할 수 있다. In one embodiment, the mesh electrode may form a light-receiving surface side of the photoelectrode, and the photoreactive layer may form a solid-liquid interface side in contact with the electrolyte solution.

일 실시예에서, 상기 메쉬 전극은 서로 다른 방향으로 연장되는 다수의 그리드 라인들을 포함하며, 서로 평행하게 이웃한 그리드 라인들 간의 피치 간격은 100nm 내지 1,000nm로 형성될 수 있다. In one embodiment, the mesh electrode includes a plurality of grid lines extending in different directions, and a pitch interval between grid lines adjacent to each other in parallel may be formed to be 100 nm to 1,000 nm.

일 실시예에서, 상기 그리드 라인들 간의 피치 간격은, 입사 방향을 따라 후방의 광 반응층을 여기시키는 가시광의 파장대역 보다 좁게 형성될 수 있다. In one embodiment, a pitch interval between the grid lines may be narrower than a wavelength band of visible light that excites a rear light responsive layer along an incident direction.

일 실시예에서, 상기 그리드 라인들 간의 피치 간격은, 100nm 내지 400nm로 형성될 수 있다. In one embodiment, the pitch interval between the grid lines may be formed to be 100 nm to 400 nm.

일 실시예에서, 상기 광 반응층은, 나노패턴층이 혼입된 제1 광 반응층과, 상기 나노패턴층이 혼입되지 않은 제2 광 반응층을 포함할 수 있다. In one embodiment, the photoreactive layer may include a first photoreactive layer in which the nanopattern layer is incorporated, and a second photoreactive layer in which the nanopattern layer is not incorporated.

일 실시예에서, 상기 그리드 라인들 간의 피치 간격은, 나노패턴층을 형성하는 서로 이웃한 나노 입자 사이의 피치 간격 보다 넓게 형성될 수 있다. In one embodiment, a pitch interval between the grid lines may be wider than a pitch interval between adjacent nanoparticles forming the nanopattern layer.

일 실시예에서, 상기 그리드 라인들 간의 피치 간격은, 500nm 내지 1,000nm로 형성될 수 있다. In one embodiment, the pitch interval between the grid lines may be formed to be 500 nm to 1,000 nm.

일 실시예에서, 상기 광 반응층은, 서로 이웃한 나노 입자들 사이의 피치 간격으로 배열된 나노패턴층, 상기 나노패턴층이 혼입된 제1 광 반응층, 및 상기 제1 광 반응층 상에서 상기 나노패턴층이 혼입되지 않은 제2 광 반응층을 포함할 수 있다. In one embodiment, the photoreactive layer includes a nanopattern layer arranged at a pitch interval between adjacent nanoparticles, a first photoreactive layer in which the nanopattern layer is incorporated, and the first photoreactive layer on the first photoreactive layer. It may include a second photoreactive layer in which the nanopattern layer is not incorporated.

일 실시예에서, 상기 제1 광 반응층은, 금(Au) 나노 입자가 소정의 패턴을 따라 배열된 상기 나노패턴층이 혼입된 텅스텐 산화물층(WO3)을 포함하고, 상기 제2 광 반응층은, 상기 나노패턴층이 혼입되지 않은 비스무스-바나듐 산화물층(BiVO4)을 포함할 수 있다. In one embodiment, the first photoreactive layer includes a tungsten oxide layer (WO3) incorporating the nanopattern layer in which gold (Au) nanoparticles are arranged in a predetermined pattern, and the second photoreactive layer Silver may include a bismuth-vanadium oxide layer (BiVO4) in which the nanopattern layer is not incorporated.

일 실시예에서, 상기 제1 광 반응층과 상기 제2 광 반응층은, 각각 30nm의 두께로 형성될 수 있다. In one embodiment, each of the first photoreactive layer and the second photoreactive layer may be formed to a thickness of 30 nm.

일 실시예에서, 상기 나노패턴층에 구비된 다수의 나노 입자들은 일정한 피치 간격으로 배열된 단일층(mono-layer)을 형성할 수 있다. In one embodiment, a plurality of nanoparticles provided in the nanopattern layer may form a mono-layer arranged at regular pitch intervals.

일 실시예에서, 상기 나노패턴층에 구비된 다수의 나노 입자들 각각은 원기둥 형태의 도트 형상으로 형성될 수 있다. In one embodiment, each of the plurality of nanoparticles provided in the nanopattern layer may be formed in a cylindrical dot shape.

일 실시예에서, 상기 나노패턴층에 구비된 다수의 나노 입자들 각각은 20nm 높이로 형성될 수 있다. In one embodiment, each of the plurality of nanoparticles provided in the nanopattern layer may be formed to a height of 20nm.

일 실시예에서, 상기 나노패턴층에 구비된 다수의 나노 입자들 각각은 180nm~220nm 직경을 가질 수 있다. In one embodiment, each of the plurality of nanoparticles provided in the nanopattern layer may have a diameter of 180 nm to 220 nm.

일 실시예에서, 상기 나노패턴층에 구비된 다수의 나노 입자들은 피치 간격 350nm~500nm로 서로 인접하도록 배열될 수 있다.In one embodiment, a plurality of nanoparticles provided in the nanopattern layer may be arranged to be adjacent to each other at a pitch interval of 350 nm to 500 nm.

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. According to embodiments of the present invention, it is possible to provide a water electrolysis device in which the photoelectrode mounting structure and the electrical connection structure are improved so that the position fixing and electrical connection of the insulating substrate on which the photoelectrode is formed can be simultaneously performed.

또한, 광전극의 점검, 수리, 교체와 같은 관리의 편이성을 고려하여, 탈부착 가능한 광전극의 장착 구조를 지원하는 수전해 장치를 제공할 수 있다. In addition, considering the convenience of management such as inspection, repair, and replacement of the photoelectrode, it is possible to provide a water electrolysis device supporting a mounting structure of a detachable photoelectrode.

또한, 광 반응층을 여기시키는 가시광의 광 흡수도가 향상되도록 구조가 개선된 광 전극을 통하여 수소의 생산 효율이 향상된 수전해 장치를 제공할 수 있다. In addition, it is possible to provide a water electrolysis device with improved hydrogen production efficiency through a photoelectrode whose structure is improved so as to improve the light absorption of visible light that excites the photoreactive layer.

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.In addition, it is possible to provide a water electrolysis device with improved hydrogen production efficiency through a photoelectrode whose structure is improved to reduce sheet resistance directly related to the lifespan of a carrier generated by excitation of a photoreactive layer.

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.In addition, a transparent conductive film with excellent high-temperature safety is formed on the mesh electrode so as to cover the mesh electrode of the photoreactive layer to protect the mesh electrode from the high-temperature process of the photoreactive layer, thereby preventing the heat of the mesh electrode from the high-temperature process of the photoreactive layer. It is possible to provide a water electrolysis device capable of preventing deformation and deterioration of electrical properties and preventing deterioration in carrier collection efficiency due to electron-hole recombination due to an increase in planar resistance.

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. In addition, by forming a two-divided structure around the membrane for allowing ion movement between the photoelectrode and the counter electrode where the oxidation-reduction reaction of water molecules as an electrolyte occurs, the assemblability of the entire water electrolysis device is improved, and the membrane It is possible to provide a water electrolysis device that can be easily installed, repaired, replaced, and the like.

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. In addition, by improving the sealing structure formed along the periphery of the opening to allow ion movement between the photoelectrode and the counter electrode where the oxidation-reduction reaction of water molecules as the electrolyte is performed, airtightness for blocking leakage of the electrolyte solution is provided, and at the same time, the membrane It is possible to provide a water electrolysis device capable of firmly fixing the position of.

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.1A to 1D show the front surface of the first electrolyte container forming the photoelectrode module side of the water electrolysis device according to an embodiment of the present invention, a cross-section taken along AA′ in FIG. 1A, and top and bottom views. Drawings are shown.
FIGS. 2A to 2C show views showing a front surface to which a pipe connection is connected to the first electrolyte container of FIGS. 1A and 1B , a cross section and a top view taken along line BB′ of FIG. 2A .
3A to 3C show views showing a front surface of the second electrolyte container forming the counter electrode module side of the water electrolysis device of FIG. 1A, a cross section taken along line CC′ of FIG. 3A, and a top view.
FIGS. 4A to 4C show views showing a front surface to which a pipe connection is connected to the second electrolyte container of FIGS. 3A and 3B , a cross section and a top view taken along DD′ of FIG. 4A .
FIG. 5 is a view showing the coupling of the first electrolyte container shown in FIG. 1A and the second electrolyte container shown in FIG. 1B, and a view showing upper surfaces of the coupled first and second electrolyte containers.
6 is a view showing the coupling of the first electrolyte container shown in FIG. 1A and the second electrolyte container shown in FIG. 1B, and a side cross-sectional view of the coupled first and second electrolyte containers is shown. .
FIG. 7 is a view showing configurations of first and second conductive strips coupled to the front surface of the first electrolyte container shown in FIG. 1A and the rear surface of the second electrolyte container shown in FIG. 1B.
FIG. 8 shows a configuration of a third conductive strip connected to the first conductive strip shown in FIG. 7 .
9 shows a view showing assembly of the first and third conductive strips shown in FIGS. 7 and 8 , respectively.
FIG. 10 is a side cross-sectional view of the water electrolysis device of FIG. 1A, showing an internal configuration of the water electrolysis device including a photoelectrode and a membrane.
FIG. 11A shows a diagram showing the photoelectrode shown in FIG. 10 .
FIG. 11B shows a more detailed view of the photoelectrode shown in FIG. 11A.
FIG. 11c shows a view showing the mesh electrode of the photoelectrode shown in FIG. 11b.
In FIG. 11D, a diagram showing the nanopattern layer of the photoelectrode shown in FIG. 11B is shown.
12 shows simulation results of calculating light absorbance according to the wavelength of visible light while varying the size of nanoparticles forming the nanopattern layer from 180 nm to 220 nm, and visible light in a comparative example in which the nanopattern layer is not formed. The simulation result of calculating the light absorbance according to the wavelength of is shown.
13 shows simulation results obtained by calculating light absorbance according to the wavelength of visible light while varying the pitch interval between adjacent nanoparticles from 300 nm to 700 nm in embodiments of the present invention.
14 shows the extraction of light absorbance according to the change in pitch interval at a relatively long wavelength of 650 nm, which has excellent visible light utilization efficiency, among the visible light wavelength band (380 nm to 400 nm to 800 nm). There is shown.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태에 관한 수전해 장치에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a water electrolysis device according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

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.1A to 1D show the front surface of the first electrolyte container forming the photoelectrode module side of the water electrolysis device according to an embodiment of the present invention, a cross-section taken along A-A′ in FIG. 1A, and top and bottom views. Drawings are shown.

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.FIGS. 2A to 2C show views showing a front surface to which a pipe connection is connected to the first electrolyte container of FIGS. 1A and 1B , a cross section taken along line BB′ of FIG. 2A , and a top view.

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.3A to 3C show views showing a front surface of the second electrolyte container forming the counter electrode module side of the water electrolysis device of FIG. 1A, a cross section taken along line C-C′ of FIG. 3A, and a top view.

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.FIGS. 4A to 4C show views showing a front surface to which a pipe connection is connected to the second electrolyte container of FIGS. 3A and 3B , a cross section taken along line D-D′ of FIG. 4A and a top view.

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.FIG. 5 is a view showing the coupling of the first electrolyte container shown in FIG. 1A and the second electrolyte container shown in FIG. 1B, and a view showing upper surfaces of the coupled first and second electrolyte containers.

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.6 is a view showing the coupling of the first electrolyte container shown in FIG. 1A and the second electrolyte container shown in FIG. 1B, and a side cross-sectional view of the coupled first and second electrolyte containers is shown. .

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.FIG. 7 is a view showing configurations of first and second conductive strips coupled to the front surface of the first electrolyte container shown in FIG. 1A and the rear surface of the second electrolyte container shown in FIG. 1B.

도 8에는, 도 7에 도시된 제1 전도성 스트립과 연결되는 제3 전도성 스트립의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다. FIG. 8 shows a configuration of a third conductive strip connected to the first conductive strip shown in FIG. 7 .

도 9에는, 도 7 및 도 8에 각각 도시된 제1 및 제3 전도성 스트립들의 조립을 보여주는 도면이 도시되어 있다. 9 shows a view showing assembly of the first and third conductive strips shown in FIGS. 7 and 8 , respectively.

도 10에는, 도 1a의 수전해 장치의 측 단면도로서, 광전극 및 멤브레인을 포함하는 수전해 장치의 내부 구성을 보여주는 단면도가 도시되어 있다. FIG. 10 is a side cross-sectional view of the water electrolysis device of FIG. 1A, showing an internal configuration of the water electrolysis device including a photoelectrode and a membrane.

도 11a에는, 도 10에 도시된 광전극을 도시한 도면이 도시되어 있다.FIG. 11A shows a diagram showing the photoelectrode shown in FIG. 10 .

도 11b에는, 도 11a에 도시된 광전극을 보다 구체적으로 도시한 도면이 도시되어 있다.FIG. 11B shows a more detailed view of the photoelectrode shown in FIG. 11A.

도 11c에는, 도 11b에 도시된 광전극의 메쉬 전극을 도시한 도면이 도시되어 있다. FIG. 11c shows a view showing the mesh electrode of the photoelectrode shown in FIG. 11b.

도 11d에는, 도 11b에 도시된 광전극의 나노패턴층을 도시한 도면이 도시되어 있다.In FIG. 11D, a diagram showing the nanopattern layer of the photoelectrode shown in FIG. 11B is shown.

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.12 shows simulation results of calculating light absorbance according to the wavelength of visible light while varying the size of nanoparticles forming the nanopattern layer from 180 nm to 220 nm, and visible light in a comparative example in which the nanopattern layer is not formed. The simulation result of calculating the light absorbance according to the wavelength of is shown.

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.13 shows simulation results obtained by calculating light absorbance according to the wavelength of visible light while varying the pitch interval between adjacent nanoparticles from 300 nm to 700 nm in embodiments of the present invention.

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.14 shows the extraction of light absorbance according to the change in pitch interval at a relatively long wavelength of 650 nm, which has excellent visible light utilization efficiency, among the visible light wavelength band (380 nm to 400 nm to 800 nm). There is shown.

먼저, 첨부된 도면들 중에서, 도 10에 도시된 수전해 장치의 전체 구성과, 도 11a 내지 도 11d에 도시된 광전극의 구조를 참조하여 설명하기로 한다. First, the overall configuration of the water electrolysis device shown in FIG. 10 and the structure of the photoelectrode shown in FIGS. 11A to 11D will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에 의한 상기 수전해 장치는,The water electrolysis device according to an embodiment of the present invention,

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);A photoelectrode E1, a first insulating substrate 10 providing a support base for the photoelectrode E1 on the first side X1 of the photoelectrode E1, and a second side of the photoelectrode E1 ( a photoelectrode module (M1) including a first electrolyte container (M1a) accommodating an electrolyte (E3) in contact with the photoelectrode (E1) in X2);

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); 및A counter electrode E2 disposed to face the photoelectrode E1 and an electrolyte solution E3 in contact with the counter electrode E2 are accommodated at first and second sides X1 and X2 of the counter electrode E2. a counter electrode module (M2) including a second electrolyte container (M2a) to; and

상기 광전극 모듈(M1)과 상대전극 모듈(M2) 사이에 개재된 멤브레인(M3);을 포함할 수 있다.It may include a membrane (M3) interposed between the photoelectrode module (M1) and the counter electrode module (M2).

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.In this case, the water electrolysis device can provide a hydrogen generating device that generates hydrogen using a decomposition reaction of water molecules as the electrolyte E3. In addition, the photoelectrode module M1 may form the cathode side of the water electrolysis device, and the counter electrode module M2 may form the anode side of the water electrolysis device. In addition, oxygen may be generated as a first gas in the photoelectrode module M1 forming the cathode side of the water electrolysis device, and hydrogen as the second gas in the counter electrode module M2 forming the anode side of the water electrolysis device. may occur. However, in this embodiment, according to the type of photoreactive layers 16 and 18 provided in the photoelectrode E1, for example, the type of carrier generated by photoexcitation, The photoelectrode module M1 constitutes the anode side of the water electrolysis device and may generate hydrogen as a first gas, and the counter electrode module M2 constitutes the cathode side of the water electrolysis device and generates oxygen as the second gas. may be

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.In addition, the photoelectrode module M1 forming the first side X1 of the water electrolysis device may include photoreactive layers 16 and 18 that can be excited by visible light. Throughout the present specification, the first side X1 may mean a side on which visible light is incident, and the second side X2 may mean a side opposite to the first side X1. For example, in the water electrolysis device according to the present embodiment, the water electrolysis device is divided into two with first and second sides X1 and X2 opposite to each other, and a photoelectrode module forming the first side X1. (M1) and a counter electrode module (M2) forming the second side (X2), and may include a membrane (M3) interposed between the photoelectrode module (M1) and the counter electrode module (M2). can For example, the photoelectrode module M1 accommodates a photoelectrode E1 disposed on a first side X1 and an electrolyte solution E3 disposed on a second side X2 in contact with the photoelectrode E1. It may include a first electrolyte container M1a. In this case, the first side X1 may mean a side of the photoelectrode module M1 to which visible light is incident, and the second side X2 may mean the photoelectrode module M1. Among (M1), a side opposite to the first side (X1), that is, may mean a side facing the membrane (M3). In addition, the counter electrode module M2 includes a second electrolyte container M2a disposed on the first side X1 and an electrolyte E3 disposed on the second side X2 and accommodated in the second electrolyte container M2a. In this case, the first side X1 may mean a side of the counter electrode module M2 to which visible light is incident, that is, a side facing the membrane M3, , The second side X2 may mean a side opposite to the first side X1 of the counter electrode module M2.

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. The water electrolysis device according to the present embodiment may include a photoelectrode module M1 forming the first side X1 and a counter electrode module M2 forming the second side X2 while being coupled to face each other. A first conductive strip R1 formed in a band shape surrounding the first incident region I1 to the outermost side along the first side X1 of the photoelectrode module M1, and the first conductive strip ( A photoelectrode E1 electrically connected to R1) may be disposed, and a second conductive outermost side along the second side X2 of the counter electrode module M2 surrounds the second incident region I2. A driving photoelectrode E4 electrically connected to the strip R2 and the second conductive strip R2 may be disposed. That is, in the water electrolysis device according to the present embodiment, the first and second incident regions I1 and I2 are formed on both sides of the first and second sides X1 and X2 opposite to each other, so that the photoelectrodes ( E1) and visible light capable of exciting the driving photoelectrode E4 may be incident. In this embodiment, the first and second incident regions I1 and I2 mean first and second incident regions inside the mounting grooves 10a and 20a in which the first and second insulating substrates 10 and 20 are mounted. It may refer to a region into which visible light capable of exciting the photoelectrode E1 or the driving photoelectrode E4 formed on the second insulating substrates 10 and 20 is incident.

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. In this embodiment, even though visible light is incident to the first and second incident regions I1 and I2, the first and second incident regions I1 and I2 may accept visible light having different light intensities. . For example, the first incident region I1 forms the first side X1 of the water electrolysis device and can receive visible light with a relatively high light intensity, whereas the second incident region I2 forms the first side X1 of the water electrolysis device. It forms the second side X2 of the electrolysis device and can receive visible light having a relatively low light intensity due to light loss generated while passing through the water electrolysis device. In this embodiment, the first and second electrolyte containers M1a and M2a, which occupy a relatively large volume in the water electrolysis device, may be formed of a transparent optical resin. For example, in this embodiment, the first and second electrolyte containers M1a and M2a The first and second electrolyte containers M1a and M2a are formed of acrylic resin, thereby reducing light loss experienced while passing through the first and second electrolyte containers M1a and M2a as much as possible, and forming a second incident region I2. Through this, it is possible to secure a sufficient amount of visible light to sufficiently excite the driving photoelectrode E4.

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.In this embodiment, the first and second conductive strips R1 and R2 respectively form the first and second sides X1 and X2 of the water electrolysis device, and the first and second sides X1 and X2 respectively. ) to form the outermost side of the water electrolysis device. In this embodiment, the first and second conductive strips R1 and R2 include a photoelectrode E1 formed adjacent to the first and second conductive strips R1 and R2 and a driving photoelectrode ( E4), and in this embodiment, the electrolyte solution E3 is accommodated through the first and second conductive strips R1 and R2 formed on the outermost side of the water electrolysis device. Electrical contact may be formed outside the first and second electrolyte containers M1a and M2a.

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. The first and second conductive strips R1 and R2 may be formed in the form of a thin metal strip having electrical conductivity, and define first and second incident regions I1 and I2, respectively. It may be formed in a rectangular frame shape surrounding the first and second incident regions I1 and I2. For example, the first and second conductive strips R1 and R2 may be formed of first and second insulating substrates formed of an optically transparent material to provide the first and second incident regions I1 and I2 ( 10 and 20) and electrically connected to the photoelectrode E1 and the driving photoelectrode E4 formed on the first and second insulating substrates 10 and 20. In this embodiment, the water electrolysis device may provide a gas generating device that generates a first gas or a second gas by using a decomposition reaction of water molecules as the electrolyte E3, and the photoelectrode E1 and the drive All of the photoelectrodes E4 may be involved in the gas generation process, but, for example, the photoelectrode E1 formed on the first side X1 capable of receiving visible light with a relatively high light intensity is not suitable for generating the first gas. can be directly involved in the oxidation-reduction reaction for generating hydrogen as , and the photoelectrode E4 for driving formed on the second side (X2) is not directly involved in the oxidation-reduction reaction for generating hydrogen, rather than directly participating in the oxidation-reduction reaction for generating hydrogen. It may be configured to form a predetermined bias voltage for promoting a reduction reaction. As will be described later, the photoelectrode E1 can be excited by visible light received through the first incident region I1 to generate carriers such as electrons and holes, and the generated holes can form water molecules as the electrolyte solution E3. Oxidation may generate a first gas, and generated electrons may generate a second gas by reducing cations (eg, protons) that have moved to the counter electrode E2 through the membrane M3. In this way, while the photoelectrode E1 directly participates in the oxidation-reduction reaction of the electrolyte solution E3, the driving photoelectrode E4 is excited by visible light received through the second incident region I2, An appropriate potential difference (voltage) may be formed so that electron-hole separation in the photoelectrode E1 is easily achieved. The photoelectrode E1 and the driving photoelectrode E4 are formed on the first and second insulating substrates 10 and 20 coupled to face the first and second conductive strips R1 and R2, respectively. However, the photoelectrode E1 may be formed on the second side X2 of the first insulating substrate 10, that is, the membrane M3 of the first insulating substrate 10 or the electrolyte E3 in which the membrane M3 is immersed. ) and may be disposed to be in contact with the electrolyte solution E3, and the driving photoelectrode E4 is disposed on the second side X2 of the second insulating substrate 20, that is, the second insulation While being disposed on the opposite side of the membrane M3 of the substrate 20 or the electrolyte solution E3 in which the membrane M3 is immersed, it may be disposed so as not to come into contact with the electrolyte solution E3.

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.In this embodiment, the photoelectrode E1 has at least one side of the first and second sides X1 and X2, that is, the second side X2 contacts the electrolyte solution E3, such as electrons or holes. A carrier may be supplied to oxidize or reduce water molecules as the electrolyte E3, and the first side X1 of the photoelectrode E1 may be disposed to contact the first insulating substrate 10. As will be described later, the photoelectrode E1 may be formed on the first insulating substrate 10 using the first insulating substrate 10 as a support base.

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. Unlike the photoelectrode E1, the photoelectrode E4 for driving may be disposed so as not to come into contact with the electrolyte solution E3. For example, the first side X1 of the photoelectrode E4 for driving is In contact with the second insulating substrate 20, the second side X2 may be disposed in a state of being exposed toward the outside of the water electrolysis device. For example, the driving photoelectrode E4 may be implemented as a solar cell capable of photoelectric conversion to generate electrical energy by being excited by visible light received through the second incident region I2 .

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. In this embodiment, the photoelectrode E1 is directly involved in the oxidation-reduction reaction of the electrolyte solution E3 for hydrogen generation, whereas the driving photoelectrode E4 is involved in the oxidation-reduction reaction of the electrolyte solution E3. Since it is a configuration for forming a potential difference (voltage) to promote the oxidation-reduction reaction of the electrolyte E3 rather than being directly involved in, the conductive strips R1 and R2, the incident regions I1, I2), the insulating substrates 10 and 20, and the photoelectrodes E1 and E4 may all mean a configuration formed on the first side X1 of the water electrolysis device, and unless otherwise specified, the power supply The water electrolysis device rather than the second conductive strip R2 formed on the second side X2 of the device, the second incident region I2, the second insulating substrate 20, and the driving photoelectrode E4. It may refer to a first conductive strip R1 formed on the first side X1 of the first conductive strip R1, a first incident region I1, a first insulating substrate 10, and a photoelectrode E1.

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.Electrolyte E3 as a material for a decomposition reaction may be accommodated in the first and second electrolyte containers M1a and M2a. In this embodiment, the first and second electrolyte containers M1a and M2a may have pipe connection portions P1 and P2 for supplying and discharging the electrolyte E3, and the electrically ionized electrolyte E3 ) to a new electrolyte E3, pipe connection parts P1 and P2 for fluidic connection with the outside may be formed. In this embodiment, the pipe connection parts (P1, P2) are the inlet pipe connection part (P1) formed on the lower part of the first and second electrolyte containers (M1a, M2a) and the first and second electrolyte container (M1a, M2a) It may include an outlet pipe connection portion (P2) formed on the top of. For example, in the present embodiment, electrons and holes are separated by excitation of the photoelectrode E1, and the separated holes oxidize water molecules as the electrolyte E3 in the vicinity of the photoelectrode E1. Gas and positive ions (ex. protons) are generated, and holes separated by excitation of the photoelectrode E1 move to the counter electrode E2 through the connecting wire L, and move from the periphery of the photoelectrode E1 to the membrane. A second gas may be generated in the vicinity of the counter electrode E2 by reacting with positive ions (ex. protons) diffused to the counter electrode E2 through (M3).

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.As described above, in the present embodiment, the photoelectrode E1 is continuously maintained despite the generation of the first and second gases so that the oxidation reaction performed around the photoelectrode E1 and the reduction reaction performed around the counter electrode E2 are continuously maintained. E1) Positive ions (ex. protons) generated in the surroundings are diffused through the membrane M3 to the counter electrode E2, and at the same time, while supplementing the lack of electrolyte E3 due to the generation of the first and second gases, the membrane In order to remove cations that form a relatively high concentration in the vicinity of the photoelectrode E1 despite the permeability of (M3) and thereby promote an oxidation reaction in the vicinity of the photoelectrode E1, the electrolyte is electrically ionized. (E3) may be replaced with a new electrolyte solution (E3). That is, in this embodiment, the pipe connection parts P1 and P2 formed in the first and second electrolyte containers M1a and M2a may be formed for replenishment and replacement of the electrolyte E3. In this embodiment, the pipe connection parts (P1, P2) may include an inlet pipe connection part (P1) for supplying the electrolyte solution (E3) and an outlet pipe connection part (P2) for discharging the electrolyte solution (E3). In addition, the inlet pipe connection portion P1 and the outlet pipe connection portion P2 may be formed on the lower and upper portions of the first and second electrolyte containers M1a and M2a, respectively.

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. Throughout the present specification, the vertical direction (Z3) may mean the direction of gravity, and for example, the direction filled with the electrolyte (E3) based on the liquid surface (50) of the electrolyte (E3) may correspond to the bottom, The direction in which the electrolyte E3 is emptied based on the liquid surface 50 of the electrolyte E3 may correspond to the upper part, and the liquid surface 50 of the electrolyte E3 by buoyancy in the opposite vertical direction Z3 along the direction of gravity. ) to follow the exhaust direction of the first and second gases moving toward the first and second electrolyte containers from the inlet pipe connection portion P1 formed below the first and second electrolyte containers M1a and M2a. It is possible to form a flow of the electrolyte (E3) toward the outlet pipe connection portion (P2) formed on the top of (M1a, M2a). As such, by forming a flow of the electrolyte E3 following the exhaust direction of the first and second gases inside the first and second electrolyte containers M1a and M2a, the first and second gases are exhausted. and improve the collection efficiency of the first and second gases.

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. For reference, throughout the present specification, the vertical direction (Z3) means the extension direction of the membrane (M3) or the length direction of the photoelectrode module (M1) or the counter electrode module (M2) forming the water electrolysis device or the water electrolysis device. As will be described later, the incident direction X of visible light may mean a direction in which the photoelectrode module M1 and the counter electrode module M2 are coupled to each other. In addition, the left-right direction (Y) may mean a direction perpendicular to the vertical direction (Z3) and the incident direction (X). The vertical direction (Z) and the left-right direction (Y) are the direction in which the photoelectrode module (M1) and the counter electrode module (M2) face each other or are coupled to each other or intersect with the incident direction (X) of visible light. It may mean a direction, and may mean, for example, a direction that crosses vertically.

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.In this embodiment, in each of the first and second electrolyte containers M1a and M2a, an inlet pipe connection portion P1 and an outlet pipe connection portion P2 for supplementing or replacing the electrolyte E3 may be formed. In addition, the inlet pipe connection part P1 and the outlet pipe connection part P2 may be formed in pairs in the first and second electrolyte containers M1a and M2a, respectively. In this embodiment, the inlet pipe connection portion P1 and the outlet pipe connection portion P2 formed in pairs in the first and second electrolyte containers M1a and M2a are respectively first and second electrolyte containers M1a. , It can be formed as a pair spaced apart from each other along the left and right direction (Y) of M2a), and the inlet pipe connection ( P1) and the outlet pipe connection (P2) may be formed in pairs on the left and right.

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. Regarding the position of the inlet pipe connection part (P1) and the outlet pipe connection part (P2) along the vertical direction (Z3), both the inlet pipe connection part (P1) and the outlet pipe connection part (P2) are at the liquid level (50) of the electrolyte (E3). It may be formed at a lower height, and in particular, the outlet pipe connection portion P2 formed at a relatively upper position may be formed at a height lower than the liquid level 50 of the electrolyte solution E3. For example, the height between the inlet pipe connection part P1 and the outlet pipe connection part P2 may be lower than the height of the entire electrolyte solution E3, while promoting the discharge of the first and second gases. The inlet pipe connection part (P1) and the outlet pipe connection part (P2) at a position lower than the liquid level (50) of the electrolyte (E3) so as not to block the first gas outlet (D1) and the second gas outlet (D2) where they are collected can be formed.

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. Hereinafter, referring to the structure of the entire water electrolysis device shown in FIG. 10 and the drawings showing the combined state of the first and second electrolyte containers shown in FIGS. 5 and 6, the sealing structure of the water electrolysis device will be described. Let's explain.

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. Referring to the drawings, seals S1 and S2 for preventing leakage of the electrolyte E3 may be formed around the first and second electrolyte containers M1a and M2a. For example, in this embodiment, the seals S1 and S2 are formed on the first and second sides X1 and X2 of the first electrolyte container M1a and the second electrolyte solution. A second seal S2 formed on the first and second sides X1 and X2 of the container M2a may be included.

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. For example, the first sealing S1 is a 1-1 sealing S1-1 for sealing between the first side X1 of the first electrolyte container M1a and the first insulating substrate 10. ), and a first-second sealing S1-2 for sealing a gap between the second side X2 of the first electrolyte container M1a and the membrane M3. And, the second sealing (S2), the 2-1 sealing (S2-1) for sealing between the membrane (M3) on the first side (X1) of the second electrolyte container (M2a) and the second A 2-2 seal S2-2 for sealing a gap between the second side X2 of the electrolyte container M2a and the second insulating substrate 20 may be included.

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. As such, in this embodiment, the electrolyte E3 contained in the first and second electrolyte containers M1a and M2a containing the electrolyte E3 as a material for the decomposition reaction for generating the first gas (hydrogen) In order to prevent leakage, a first and second side surfaces X1 and X2 of the first and second electrolyte containers M1a and M2a cover the openings of the first and second electrolyte containers M1a and M2a. First and second seals S1 and S2 may be formed between the first and second insulating substrates 10 and 20 and the membrane M3. In this embodiment, the first and second seals S1 and S2 have a circular cross-section fitted into a groove formed in a retracted form at a predetermined location of the first and second electrolyte containers M1a and M2a. It can be implemented through an O-ring, and proper sealing is achieved by the sealing rings S1 and S2 pressed through a fastening member that couples the first and second electrolyte containers M1a and M2a to each other. can be provided.

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. More specifically, a 1-1 opening O1-1 covered by the first insulating substrate 10 may be formed on the first side X1 of the first electrolyte container M1a. A 1-2 opening (O1-2) covered by the membrane (M3) may be formed on the second side (X2) of the container (M1a), each of the 1-1 opening (O1-1) and the second opening (O1-1). The 1-1 sealing (S1-1) formed between the membrane (M3) and the first insulating substrate (10) covering the 1-2 opening (O1-2) to prevent leakage of the electrolyte solution (E3). ) and the first-second sealing (S1-2) may be formed.

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. Similarly, a 2-1st opening O2-1 covered by the membrane M3 may be formed on the first side X1 of the second electrolyte container M2a. A 2-2 opening (O2-2) covered by the second insulating substrate 20 may be formed on the second side (X2), and each of the 2-1 opening (O2-1) and the second-second opening (O2-1) may be formed. 2 A 2-1 sealing (S2-1) formed between the membrane (M3) covering the opening (O2-2) and the second insulating substrate (20) to prevent leakage of the electrolyte solution (E3), and A 2-2 seal (S2-2) may be formed.

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.In this embodiment, the openings O1-1, O1-2, 02-1, and O2-2 formed in the first and second electrolyte containers M1a and M2a allow the electrolyte ( E3) is formed to allow the flow (1-2 opening O1-2, 2-1 opening O2-1) or the first incident area of the photoelectrode E1 formed on the first insulating substrate 10 (I1) (1-1 opening O1-1) or formed to provide the second incident region I2 of the driving photoelectrode E4 formed on the second insulating substrate 20 (2-2 opening O2-2). For reference, the first insulating substrate 10 forms a step with the 1-1 opening O1-1 outside the 1-1 opening O1-1 along the first side X1. The second insulating substrate 20 may be inserted into the mounting groove 10a, and the second insulating substrate 20 may extend from the outside of the 2-2 opening O2-2 along the second side X2 to the 2-2 opening O2. -2) and can be fitted into the mounting groove 20a forming a step.

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. In this embodiment, the seals S1 and S2 may be formed in a closed loop shape surrounding each of the openings O1-1, O1-2, 02-1, and O2-2. That is, the 1-1 seal S1-1 to 2-2 seal S2-2 cover the 1-1 opening O1-1 to 2-2 opening O2-2, respectively. It may be formed in the form of a closed loop that surrounds it. At this time, the 1-1 sealing (S1-1) to the 2-2 sealing (S2-2) respectively cover the 1-1 opening (O1-1) to the 2-2 opening (O2-2). The openings O1-1, O1-2, 02-1, O1-2, 02-1, and O2-2 prevent leakage of the electrolyte solution E3 through the respective openings O1-1, O1-2, 02-1, and O2-2. 1, O2-2) in a closed loop form. In this embodiment, the 1-1 seal (S1-1) to the 2-2 seal (S2-2) may be implemented as an O-ring forming a continuous closed loop, and are continuously connected without a seam. Through the seal rings S1 and S2 implemented as O-rings, a tight seal is provided that continuously surrounds each of the openings O1-1, O1-2, 02-1, and O2-2 in a closed loop form. can do.

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.The 1-2 seal (S1-2) and the 2-1 seal (S2-1) formed on the side of the membrane (M3) are the membrane ( M3) may be formed to surround the 1-2nd opening O1-2 and the 2-1st opening O2-1 open toward the closed loop. In this embodiment, the 1-2 seal (S1-2) and the 2-1 seal (S2-1) may provide a position fixing force for the membrane (M3). For example, in this embodiment, the 1-2 seal (S1-2) and the 2-1 seal (S2-1) are respectively between the first electrolyte container (M1a) and the membrane (M3), the second It may be formed between the electrolyte container M2a and the membrane M3, and between the membrane M3 and the first and second electrolyte containers M1a and M2a coupled to face each other, the position fixing force for the membrane M3 can provide. For example, the first and second electrolyte containers M1a and M2a may be coupled to face each other through a fastening member passing through one side of them and coupled to the other side, and depending on the fastening force of the fastening member It is possible to provide pressure to the membrane M3 by interposing the membrane M3 therebetween, and together with the membrane M3, the first and second seals S1-2 formed on the side of the membrane M3 and By pressing the 2-1 seal (S2-1) toward the membrane (M3), it is possible to provide a seal between them to block leakage of the electrolyte solution (E3) and at the same time to provide a position fixation with respect to the membrane (M3). can

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. Referring to the enlarged drawings of FIGS. 5 and 6, in this embodiment, the 1-2 seal S1-2 and the 2-1 seal S2-1 are formed adjacent to each other and are directed toward each other. It is possible to press the membrane (M3) along, but adjacent to each other, but may be formed in a position that overlaps only part of each other. That is, the center line passing through the center of the 1-2 ceiling S1-2 and the center line passing through the center of the 2-1 ceiling S2-1 may not coincide with each other. In this embodiment, the seals S1 and S2 including the 1-2 seal S1-2 and the 2-1 seal S2-1 are the first and second electrolyte containers M1a, M2a) may be implemented as an O-ring inserted into a groove formed in a retracted shape at a predetermined location, and the circular shape is formed in the 1-2 sealing ring (S1-2) and the 2-1 sealing ring (S2-1). The contact area of the membrane (M3) in contact with the curved points of the 1-2 seal ring (S1-2) and the 2-1 seal ring (S2-1) while the curved points of the O-rings having a cross section come into contact with each other In order to prevent a decrease in the sealing force or a decrease in the position fixing force for the membrane M3 caused by the shortage, in this embodiment, the 1-2 seal S1-2 and the 2-1 seal S2- 1) are adjacent to each other, but may be formed at positions that do not completely overlap with each other, that is, such that the center lines do not coincide with each other. In this embodiment, the 1-2 seal (S1-2) and the 2-1 seal (S2-1) abut or contact each other means that the 1-2 seal (S1-2) And rather than meaning that the 2-1 ceiling (S2-1) directly abut or contact each other, the membrane between the 1-2 ceiling (S1-2) and the 2-1 ceiling (S2-1) It may mean that they are in contact with each other or in contact with each other in a state through (M3). In relation to the 1-2 ceiling (S1-2) and the 2-1 ceiling (S2-1), the contact area is the 1-2 ceiling (S1-2) and the 2-1 ceiling (S2-1) It may refer to a contact area of the membrane M3 that is in contact with

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. In this embodiment, the 1-2 seal (S1-2) and the 2-1 seal (S2-1) overlap each other only in part so that the 1-2 seal (S1-2) and the 2-1 seal ( S2-1) may be disposed at positions staggered from each other, for example, the 1-2 ceiling (S1-2) and the 2-1 ceiling (S2-1) have a center line along the vertical direction (Z) They may be arranged at positions that do not match each other, that is, stagger each other. In this embodiment, the vertical direction (Z) may mean a vertical direction (Z3) in which the side where the gas outlets (D1, D2) are formed is an upper part of the water electrolysis device, and the membrane (M3) extends. can mean direction. For example, in the cross section of the water electrolysis device along the incident direction (X) of visible light, the 1-2 ceiling (S1-2) and the 2-1 ceiling (S2-1) are part of each other along the vertical direction (Z). By being formed at an offset position overlapping only in , the 1-2 ceiling (S1-2) and the 2-1 ceiling (S2-1) are O-, which implements the respective seals (S1, S2). It is possible to form contact with each other at a position other than the bending point in the ring, that is, at an offset position outside the bending point, and the first and second seals (S1-2) disposed at a position outside the bending point and the second- 1 As the contact area of the membrane (M3) in contact with the sealing (S2-1) is increased, it is possible to prevent a decrease in sealing force for preventing leakage of the electrolyte (E3) or a decrease in position fixing force for the membrane (M3). there is. For example, in a structure in which the 1-2 seal (S1-2) and the 2-1 seal (S2-1) are formed at positions that completely overlap each other, the membrane (M3) moves in the vertical direction (Z). On the other hand, in the present embodiment, in the present embodiment, the 1-2 seals (S1- 2) and the 2-1 sealing (S2-1) are formed, the membrane (M3) is in contact with the membrane (M3) at a position offset from each other out of the curve point along the vertical direction (Z) Therefore, while extending in a curved form from at least the contact with the 1-2 seal (S1-2) to the contact with the 2-1 seal (S2-1), these 2-1 seal (S2-1) and the 2-1 seal (S2-1) and the 2-1 seal (S2-1) disposed on both sides of the membrane (M3) while forming line contact with the 2-1 seal (S2-1) The contact area of the can be increased. For example, in this embodiment, the membrane M3 may be formed in the form of a flexible porous membrane, and the membrane M3 formed in the form of such a porous membrane is in contact with the first-second sealing S1-2. And between the contact with the 2-1 sealing (S2-1) while being flexibly deformed in a curved form along the opposite curvature, it is possible to form a line contact with them. For example, in this embodiment, the membrane M3 extends while being positioned in the middle between the first and second electrolyte containers M1a and M2a and then surrounds the outer circumferential surface of the 1-2 seal S1-2. and extends while passing between the 1-2 ceiling (S1-2) and the 2-1 ceiling (S2-1) to form line contact while surrounding the outer circumferential surface of the 2-1 ceiling (S2-1) there is.

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. In this embodiment, the seals S1 and S2 including the 1-2 seal S1-2 and the 2-1 seal S2-1 have respective 1-2 openings O1-2 and It may be formed in the form of a closed loop continuously surrounding the 2-1st opening O2-1. At this time, each of the 1-2nd opening O1-2 and the 2-1st opening O2-1 are , This is to allow the flow of the electrolyte solution E3 penetrating the membrane M3 along the incident direction X, and may be formed with the same opening area, but these 1-2 openings O1-2 and the second The 1-2 sealing ring S1-2 and the 2-1 sealing ring S2-1 surrounding the -1 opening O2-1 are respectively the 1-2 opening O1-2 and the 2-1 sealing ring S2-1. Surrounding the opening O2-1, it may be formed at alternate positions along the vertical direction Z at different outer and inner positions. For example, the 1-2 sealing (S1-2) and the 2-1 sealing (S2-1) are formed in the form of a closed loop and have the same opening area as the 1-2 opening (O1-2) and the second sealing ring (S2-1). 2-1 surround the opening O2-1, but may be arranged at staggered offset positions relative to each other while enclosing each opening at an outer position and an inner position relative to each other, thus, in a closed loop form The 1-2 seal (S1-2) and the 2-1 seal (S2-1) formed at the outer and inner positions, respectively, are offset from each other along the vertical direction (Z) and the left-right direction (Y). can be formed For example, in this embodiment, in a section in which the 1-2 ceiling (S1-2) and the 2-1 ceiling (S2-1) extend linearly along the left-right direction (Y), each of the first The -2 ceiling (S1-2) and the 2-1 ceiling (S2-1) may be disposed at offset positions crossing each other along the vertical direction (Z), and the 1-2 ceiling (S1-2) and In the section where the 2-1 ceiling S2-1 extends linearly along the vertical direction Z, each of the 1-2 ceiling S1-2 and the 2-1 ceiling S2-1 are left and right. They may be arranged at offset positions that stagger each other along direction Y.

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. Referring to the overall structure of the water electrolysis device shown in FIG. 10 and the structure of the photoelectrode shown in FIGS. 11A to 11D, the water electrolysis device according to the present embodiment will be described as follows.

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. The photoelectrode E1 and the counter electrode E2 come into contact with the electrolyte E3 accommodated in the first and second electrolyte containers M1a and M2a at least on either side, and react to decomposition of the electrolyte E3. can participate directly in In this embodiment, the photoelectrode E1 may include first and second sides X1 and X2 opposite to each other along the incident direction X of visible light, and the first side of the photoelectrode E1 (X1) may be in contact with the first insulating substrate 10 and may not directly contact the electrolyte solution E3, and the second side X2 of the photoelectrode E1 may directly contact the electrolyte solution E3. can In this embodiment, the side surface connecting the first and second sides X1 and X2 of the photoelectrode E1 is in direct contact with the electrolyte E3 through a large contact area with the electrolyte E3. The area where the decomposition reaction of the electrolyte solution E3 takes place can be increased. In this embodiment, the photoelectrode E1 directly participates in the decomposition reaction of the electrolyte solution E3, but at least the first side X1 of the photoelectrode E1 comes into contact with the first insulating substrate 10. , may not be immersed in the electrolyte solution E3. Through this specification, any electrode of the water electrolysis device, such as the photoelectrode E1, the counter electrode E2, and the driving photoelectrode E4, is immersed in the electrolyte E3, meaning that the electrode as a whole is For example, in the present embodiment, the photoelectrode E1 and the driving photoelectrode E4 may not be immersed in the electrolyte solution E3. Alternatively, the counter electrode E2 may be immersed in the electrolyte solution E3.

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. In the present embodiment, in the photoelectrode E1, charge separation between electrons and holes having different polarities may be electrically performed, and the separated electrons may be supplied to the counter electrode E2 through the connecting wire L, , the separated holes can be supplied to the electrolyte solution E3 to oxidize water molecules as the electrolyte solution E3. At this time, the photoelectrode E1 and the counter electrode E2 are electrically connected to prevent the disappearance of electrons generated through charge separation of the photoelectrode E1 excited by visible light and to increase the electron collection efficiency. It may be desirable to keep the third conductive strip (R3) electrically insulated from the electrolyte solution (E3), which mediates the electrical connection between the connection wires (L) connected to . In this embodiment, the third conductive strip R3 has an inner end R31 electrically connected to the photoelectrode E1 and the first conductive strip R1 from the inner end R31 and the first electrolyte container M1a. ), and the outer end R32 of the third conductive strip R3 may form an electrical contact with the connection wire L. More specifically, the third conductive strip R3 is electrically connected to the photoelectrode E1 between the first insulating substrate 10 on which the photoelectrode E1 is supported and the first electrolyte container M1a. Including an inner end R31 and an outer end R32 drawn to an external position between the first conductive strip R1 disposed along the rim of the first insulating substrate 10 and the first electrolyte container M1a and the third conductive strip R3 may be disposed to face the first conductive strip R1. In this embodiment, the third conductive strip R3 has an inner end R31 disposed between the first insulating substrate 10 and the first electrolyte container M1a, and the first conductive strip R1 and the first electrolyte solution. It includes an outer end R32 disposed between the containers M1a, and there is a step difference between the inner end R31 and the outer end R32 so as to connect the inner end R31 and the outer end R32 to each other with a step. A connection part R33 may be included. The first and third conductive strips R1 and R3 are disposed to face each other, and overall, the first conductive strip R1 may be disposed at an outer position, and the third conductive strip R3 may be disposed at an inner position. can be placed.

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. In this embodiment, the inner end R31 of the third conductive strip R3 may block contact with the electrolyte E3 while being in close contact with the first insulating substrate 10 and the first electrolyte container M1a. And, the outer end R32 of the third conductive strip R3 is drawn out to an external position through a gap between the first conductive strip R1 and the first electrolyte container M1a, and blocks contact with the electrolyte E3. can As such, the third conductive strip R3 electrically connected to the photoelectrode E1 may be disposed in a state electrically blocked from the electrolyte solution E3, and at least electrically contact the connection wire L. The outer end R32 of the third conductive strip R3 may be formed outside the first electrolyte container M1a containing the electrolyte E3.

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. As such, the third conductive strip R3, which mediates the electrical connection between the photoelectrode E1 and the connection wire L connected to the counter electrode E2, is a first electrolyte solution containing at least the electrolyte solution E3. An electrical contact is formed on the outside of the container M1a. For example, in this embodiment, the electrical connection between the photoelectrode E1 and the connecting wire L provides electrical insulation from the electrolyte solution E3. can include Unlike the photoelectrode E1, the electrical connection between the counter electrode E2 and the connection wire L may be exposed to the electrolyte solution E3. The connection of the photoelectrode E1 may be electrically insulated for the purpose of preventing disappearance of electrons harvested through separation between electron holes, but the counter electrode E2 may be connected to the electrolyte E3 ), electrons separated from the photoelectrode E1 are supplied to the electrolyte E3 to reduce cations (ex. protons) diffused around the counter electrode E2 through the membrane M3. It may not be necessary to electrically insulate the side of the counter electrode E2.

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.In this embodiment, the first to third conductive strips R1, R2, and R3 may all be formed of a metal material having excellent electrical conductivity. In this embodiment, the first to third conductive strips R1, R2, and R3 may be formed of a metal material such as SUS 304. It can be. The first to third conductive strips R1, R2, and R3 have a function of forming an electrical connection, and through the first to third conductive strips R1, R2, and R3 formed of a metal material, the first to third conductive strips R1, R2, and R3 The photoelectrode E1 and the photoelectrode E4 for driving are formed on the first and second insulating substrates 10 and 20 covering the first and second-2 openings O1-1 and O2-2. The position can be fixed, and a detachable position can be provided for replacement and inspection of the photoelectrode E1 and the driving photoelectrode E4. For example, the first and second insulating substrates 10 and 20 are inserted into the outermost portions of the first and second electrolyte containers M1a and M2a so that the 1-1 openings O1-1 on the inside are inserted. ) and the 2-2 openings O2-2 and the mounting grooves 10a and 20a forming a step, and the first and second insulating substrates 10 inserted into the mounting grooves 10a and 20a. , 20), while the first and second conductive strips R1 and R2 are disposed outside, the first and second insulating substrates 10 and 20 may be fixed in position.

도 7 내지 도 10을 참조하여, 제1 내지 제3 전도성 스트립들의 구조 및 이들 간의 전기적인 연결에 대해 설명하면, 이하와 같다.Referring to FIGS. 7 to 10 , structures and electrical connections between the first to third conductive strips will be described below.

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.The first conductive strip R1 may be formed to surround the first incident region I1 for the photoelectrode E1 formed on the first insulating substrate 10 in a closed loop form, and the third conductive strip R1 may be formed in a closed loop shape. Each of the strips R3 extends between an inner side facing the first incident region I1 and an outer side opposite to the first incident region I1, and arranged along the edge of the first insulating substrate 10. It may include 3 conductive strips R3, and in this case, the plurality of third conductive strips R3 arranged along the edge of the first insulating substrate 10 may include a plurality of third conductive strips R3 on the outside. ) can be supported against each other by rim members R35 extending across them all together. In this embodiment, an edge extending across the plurality of third conductive strips R3 and the outside of the plurality of third conductive strips R3 and connecting the plurality of third conductive strips R3 to each other. The members R35 may be integrally formed of the same metal material, or may be formed of the same metal material but formed of different members and then coupled to each other.

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.For example, the rim member R35 connecting the plurality of third conductive strips R3 from the outside may surround the first conductive strip R1 in a closed loop shape, and the rim member R35 and the first conductive strip (R1) surround the first incident region (I1) in a closed loop form at outer and inner positions, respectively, and extend across between the frame member (R35) and the first conductive strip (R1). They may be electrically connected to each other by the third conductive strips R3.

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.In this embodiment, the first and second conductive strips R1 and R2 respectively form a first incident region I1 and a second insulation for the photoelectrode E1 formed on the first insulating substrate 10. The second incident region I2 for the driving photoelectrode E2 formed on the substrate 20 is electrically connected to the photoelectrode E1 and the driving photoelectrode E2, respectively, in a closed loop form. It may be formed of the same shape and the same metal material as each other. However, around the first conductive strip R1 surrounding the first incident region I1, a plurality of third conductive strips R3 or a plurality of third conductive strips arranged along the first incident region I1 An rim member R35 disposed outside the strips R3 may be disposed to form an electrical connection with the first conductive strip R1, but otherwise, a second incident region I2 may be surrounded by a rim member R35. A separate electrical connection member such as a plurality of third conductive strips R3 or an edge member R35 may not be disposed around the second conductive strip R2 . As such, the reason why the first and second conductive strips R1 and R2 surrounding the first and second incident regions I1 and I2 are different from each other is that the second conductive strip R2 The driving photoelectrode E4 excited by the visible light incident through the second incident region I2 surrounding the second incident region I2 is the outer side of the second insulating substrate 20, that is, the second portion that does not come into contact with the electrolyte solution E3. Since it is disposed on the second side of the insulating substrate 20, unlike the first conductive strip R1, there is no need to form an electrical connection that is insulated from the electrolyte solution E3. Accordingly, the third conductive strip R3 ) is not required.

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.The membrane M3 may be formed of a porous film including a plurality of pores large enough to allow ions of the electrolyte solution E3 to pass through but small enough to not pass oxygen and hydrogen. The membrane M3 includes an electrolyte E3 contained in the photoelectrode module M1 to allow ion exchange between the electrolyte E3 contained in the photoelectrode module M1 and the electrolyte E3 contained in the counter electrode module M2. and the electrolyte E3 accommodated in the counter electrode module M2, and may come into contact with them at least in part to enable ion exchange between the photoelectrode module M1 and the counter electrode module M2. For example, the The membrane M3 may be formed with a sufficiently large area to face at least the 1-2 opening O1-2 of the photoelectrode module M1 and the 2-1 opening O2-1 of the counter electrode module M2. can

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.The membrane M3 is for surely separating the first gas generated from the photoelectrode module M1 and the second gas generated from the counter electrode module M2 from each other, and the photoelectrode module M1 and the counter electrode It can be arranged between the modules M2. In this embodiment, the membrane M3 may have permeability to ions of the electrolyte solution E3 while separating oxygen and hydrogen as the first and second gases, and to ions (ex. proton) of the electrolyte solution E3. By providing permeability to the electrolytic solution E3, high-efficiency photolysis can be continuously achieved. For example, in the present embodiment, ions of the electrolyte E3 can be continuously supplied to the photoelectrode E1 and the counter electrode E2 by applying the membrane M3 having permeability to ions of the electrolyte E3. Therefore, high electrolysis efficiency can be maintained.

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.In this embodiment, the photoelectrode module M1 and the counter electrode module M2 may be assembled to face each other with a membrane M3 interposed therebetween, and the water electrolysis device may have a membrane M3 interposed therebetween. By including a photoelectrode module (M1) and a counterelectrode module (M2) assembled to face each other, the water electrolysis device is assembled to be divided into two different modules via a membrane (M3), and the membrane (M3 ) can be easily replaced.

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.The membrane M3 does not belong to either the photoelectrode module M1 generating the first gas or the counter electrode module M2 generating the second gas, and divides the entire water electrolysis device into two. It is interposed between the electrode module M1 and the counter electrode module M2, and the photoelectrode module M1 and the counter electrode module M2 may face each other with the membrane M3 interposed therebetween.

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.The second side (X2) of the photoelectrode module (M1) facing the membrane (M3) has a first coupling part for coupling with the membrane (M3) and the electrolyte (E3) penetrating the membrane (M3). For fluidic connection, a first-second opening O1-2 through which the electrolyte E3 can flow may be included. Similarly, the first side (X1) of the counter electrode module (M2) facing the membrane (M3) has a second coupling part for coupling with the membrane (M3) and the electrolyte solution (E3) penetrating the membrane (M3). ) may include a 2-1 opening (O2-1) through which the electrolyte solution (E3) can be communicated for fluidic connection.

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.In this embodiment, the first electrolyte container M1a has a 1-1st opening O1-1 and a 1-2nd opening O1-2 respectively formed on the first and second sides X1 and X2. and a 1-2 opening for allowing the movement of the electrolyte E3 toward the counter electrode module M2 rather than the 1-1 opening O1-1 defining the first incident region I1 ( O1-2) can be formed with a relatively larger opening area. The photoelectrode module (M1) and the counterelectrode module (M2) are fluidly coupled to diffuse or remove cations formed in a relatively high concentration around the photoelectrode (E1) and continuously increase the photoreceptor efficiency. The 1st-2nd openings O1-2 connecting them may be formed relatively large.

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.Similarly, in this embodiment, the second electrolyte container M2a has a 2-1st opening O2-1 and a 2-2nd opening O2-1 respectively formed on the first and second sides X1 and X2. 2), and may include a 2-2 opening (O2-2) defining the second incident region (I2) to allow movement of the electrolyte solution (E3) toward the photoelectrode module (M1). 1 opening O2-1 may be formed with a relatively larger opening area. The photoelectrode module (M1) and the counterelectrode module (M2) are fluidly coupled to diffuse or remove cations formed in a relatively high concentration around the photoelectrode (E1) and continuously increase the photoreceptor efficiency. A 2-1 opening (O2-1) for connection may be formed relatively large.

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.In this embodiment, the photoelectrode E1 may include first and second sides X1 and X2 opposite to each other, and the first side X1 of the photoelectrode E1 is the photoelectrode E1. An incident side of light excitation may be formed, and a second side X2 of the photoelectrode E1 may form a side opposite to the first side X1 and in contact with the electrolyte solution E3.

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.The photoelectrode module M1 may include a first gas outlet D1 for discharging a first gas generated near an interface of the photoelectrode E1, and the counter electrode module M2 may include a counter electrode ( E2) may include a second gas outlet (D2) for discharging the second gas generated in the vicinity of the interface. Also, the first and second gases discharged through the first and second gas outlets D1 and D2 are first and second gas collection pipes connected to the first and second gas outlets D1 and D2. It may be collected to the outside of the water electrolysis device through fields (not shown).

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.Hereinafter, the photoelectrode according to the present embodiment will be described in detail with reference to the overall configuration of the water electrolysis device shown in FIG. 10 and the configuration of the photoelectrode shown in FIGS. 11A to 11D.

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.The photoelectrode E1 is formed to entirely cover the mesh electrode 11 directly formed on the first insulating substrate 10 and the mesh electrode 11 to prevent high-temperature deformation of the mesh electrode 11 It may include a transparent conductive layer 12 and photoreactive layers 16 and 18 formed on the transparent conductive layer 12 to generate carriers by light excitation.

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.The photoreactive layers 16 and 18 may include a material capable of generating carriers such as electrons and holes by being excited by light irradiation. For example, the band energy level of the conduction band is the standard reduction potential of hydrogen ions. It may include a semiconductor having a valence band band energy level of 1.23 eV or higher, which is a standard oxidation potential of water, while being 0 eV or less. In this embodiment, the semiconductor may include an n-type semiconductor or a p-type semiconductor containing electrons and holes, respectively, as a majority carrier, and an embodiment including an n-type semiconductor as the photoreaction layers 16 and 18 , oxygen and hydrogen may be generated from the respective photoelectrode E1 and counter electrode E2 side, and in the embodiment including p-type semiconductor as the photoreactive layers 16 and 18, each photoelectrode Hydrogen and oxygen can be generated from the (E1) and counter electrode (E2) sides.

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. In this embodiment, when the photoreactive layers 16 and 18 come into contact with the electrolyte E3, electron movement occurs from the photoreactive layers 16 and 18, and the photoreactive layers 16 and 18 and the electrolyte ( A space static charge layer may be formed near the interface of the photoreactive layers 16 and 18 in contact with the electrolyte solution E3 as the carrier density is lowered near the interface of E3), and the conductive strip and the valence band Band bending, in which the band energy level is bent, can occur.

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. In this state, when light having energy higher than the band gap is irradiated, electrons are excited from the valence band to the conduction band, and electrons move to the first side X1 of the photoelectrode E1 by band bending, and holes As they move to the second side X2 of the photoelectrode E1, separation of electrons and holes occurs. At this time, the holes moving to the second side X2 of the photoelectrode E1 generate a first gas while oxidizing water molecules at the second side X2 of the photoelectrode E1. Meanwhile, the electrons moved to the first side (X1) of the photoelectrode (E1) move to the counter electrode (E2) through the connection wire (L) and generate positive ions (ex. protons) diffused toward the counter electrode (E2). It is reduced to generate a second gas.

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. Water decomposition of water according to light excitation may include a first reaction (oxidation reaction) occurring on the side of the photoelectrode E1 and a second reaction occurring on the side of the counter electrode E2, respectively. The reaction formula of (reduction reaction) can be expressed as follows.

[반응식 1][Scheme 1]

4h⁺ + 2H₂O O₂ ↑+ 4H⁺ 4h ⁺ + 2H ₂ OO ₂ ↑+ 4H ⁺

[반응식 2][Scheme 2]

4e^- + 4H⁺ 2H₂ ↑4e ^- + 4H ⁺ 2H ₂ ↑

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.In this embodiment, the photoelectrode E1 is not entirely immersed in the electrolyte E3 so that both the first and second sides X1 and X2 are in contact with the electrolyte E3. Only the second side (X2) is in contact with the electrolyte solution (E3), and the first side (X1) of the photoelectrode (E1) is covered by the first insulating substrate (10) and can be insulated from the outside by the first insulating substrate (10). . In other words, the first side X1 of the photoelectrode E1 faces the outside of the water electrolysis device, and the second side X2 of the photoelectrode E1 faces the membrane M3. Module M1 may be coupled to membrane M3. As described above, in this embodiment, the photoelectrode E1 is not entirely immersed in the electrolyte E3, and only the second side X2 of the photoelectrode E1 is disposed to contact the electrolyte E3, so that the photoelectrode ( E1) can be easily replaced, and the transmission efficiency of the light that excites the photoelectrode E1 can be increased (at least to the first side X1 of the photoelectrode E1), and the light intensity such as light absorption and scattering by the electrolyte E3 is not caused), and a decrease in light-generated current due to blocking of light along the light-receiving path of the photoelectrode E1 can be suppressed. For example, in the present embodiment, the first insulating substrate 10 on which the photoelectrode E1 is formed surrounds the 1-1 opening O1-1 covered by the first insulating substrate 10. 1 A detachable fastening position may be provided through the conductive strip R1, and convenience of maintenance such as replacement or inspection of the photoelectrode E1 may be provided. Similarly, in this embodiment, the second insulating substrate 20 on which the driving photoelectrode E4 is formed surrounds the 2-2 opening O2-2 covered by the second insulating substrate 20. A detachable fastening position may be provided through the second conductive strip R2, and maintenance convenience such as replacement or inspection of the driving photoelectrode E4 may be provided.

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.A bias power source may be connected to the connection wire L connecting the photoelectrode E1 and the counter electrode E2. The water electrolysis device according to the present embodiment can provide a hydrogen generating device that generates hydrogen using a decomposition reaction of water molecules as the electrolyte E3, and the bias power supply is the band of the photoreactive layers 16 and 18. By making the gap larger than the electrolysis voltage of the water molecule, the production of hydrogen can be promoted. In this embodiment, the positive terminals of the bias power supply and the negative terminals of the bias power supply are connected to the photoelectrode E1 formed on the cathode side of the water electrolysis device and the counter electrode E2 formed on the anode side, respectively. A reverse bias can be provided. In this embodiment, the bias power may be provided by the photovoltaic power of the photoelectrode E4 for driving. For example, the bias power may be provided by the photoelectrode E4 for driving. For example, one end of the connecting wire L extending from the photoelectrode E1 and the other end of the connecting wire L extending from the counter electrode E2 each include a photoelectrode E4 for driving. By connecting the different polarities of the cells, a bias power supply can be provided.

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. The photoelectrode E1 includes a mesh electrode 11 directly formed on an insulating substrate and a transparent conductive film 12 formed to entirely cover the mesh electrode 11 to prevent the mesh electrode 11 from being deformed at a high temperature. ), and photoreactive layers 16 and 18 formed on the transparent conductive layer 12 to generate carriers by photoexcitation. In this embodiment, the mesh electrode 11 may form the light-receiving surface side of the photoelectrode E1, and the photoreactive layers 16 and 18 are solid liquid of the photoelectrode E1 in contact with the electrolyte solution E3. interface side can be formed.

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. In this embodiment, the mesh electrode 11 is formed of a metal material having good electrical conductivity so that electrons generated in the photoreactive layers 16 and 18 can easily move, and electrons generated during the movement possible recombination losses. The mesh electrodes 11 are arranged at regular pitch intervals Q1 in consideration of light transmission loss of the photoelectrode E1, and in order to reduce the two-dimensional planar resistance received by electrons while moving to the mesh electrode 11, at least two It may include a plurality of grid lines 11a extending along different directions. In this embodiment, the mesh electrode 11 may include grid lines 11a extending along vertical directions (Z) and left and right directions (Y) that cross each other perpendicularly. The electrode 11 is effective in light reflection or light blocking by the grid line 11a by narrowing the pitch interval Q1 between the grid lines 11a forming the mesh electrode 11 while reducing the total electrode area. It is possible to reduce the electrical resistance on the movement path of electrons while suppressing the decrease in the incident area and the corresponding decrease in light-generated current.

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.In this embodiment, the pitch interval Q1 between the grid lines 11a forming the mesh electrode 11 may be formed between 100 nm and 1,000 nm. Throughout the present specification, the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 may mean a pitch interval Q1 between adjacent grid lines 11a extending parallel to each other along the vertical direction Z, In this case, the pitch interval (Q1) may be measured along the left-right direction (Y) perpendicular to the vertical direction (Z). In addition, the pitch interval (Q1) of the mesh electrode 11 may mean a pitch interval (Q1) between adjacent grid lines (11a) extending parallel to each other along the left-right direction (Y). At this time, the The pitch interval Q1 may be measured along an up-down direction Z that perpendicularly intersects the left-right direction Y. In this embodiment, the pitch interval Q1 measured along the vertical direction Z and the left-right direction Y may be set equal to each other, and may be set to a pitch interval Q1 of 100 nm to 1,000 nm. For example, in this embodiment, the line width W of the mesh electrode 11 or the line width W of the grid line 11a forming the mesh electrode 11 may be formed to be 100 nm to 1,0000 nm, , The thickness T1 may be formed to be 100 nm to 1,000 nm. In this embodiment, the line width W of the mesh electrode 11 may be formed wider than the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11, and the line width W of the mesh electrode 11 is formed relatively wide. By doing so, the two-dimensional sheet resistance measured on the first insulating substrate 10 can be reduced. Furthermore, the line width W of the mesh electrode 11 may be formed narrower than the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11, and by forming the line width W of the mesh electrode 11 relatively narrow, 1. Transmittance of light passing through the insulating substrate 10 can be increased. In this embodiment, the mesh electrode 11 may be formed by various processes including lift-off, dry etching, and screen printing. In addition, the mesh electrode 11 may be formed of a metal material having excellent electrical conductivity, such as Au, Ag, Al, Cr, Ti, Mo, Ni, or Cu.

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. In this embodiment, the pitch interval Q1 between the grid lines 11a forming the mesh electrode 11 is at least a wavelength band of visible light that excites the rear photoreactive layers 16 and 18 along the light incident direction. (380nm to 400nm ~ 800nm) can be formed narrower than. For example, in this embodiment, the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 may be formed between 100 nm and 400 nm. In this way, by making the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 narrower than the wavelength band of visible light, constructive interference of visible light incident toward the mesh electrode 11 may be induced, and visible light may be generated through the constructive interference of visible light. of light absorption can be increased. For example, in the present embodiment, the mesh electrodes 11 arranged at pitch intervals Q1 narrower than the wavelength band of visible light transmit visible light incident through the pitch interval Q1 at a relatively large angle with respect to the incident optical axis. can be diffracted, thereby causing constructive interference between visible light diffracted through neighboring different pitch intervals Q1 to the rear light response layers 16 and 18 along the incident direction X of light. Incident light intensity can be increased, and the light response layers 16 and 18 can be excited with high efficiency.

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. In this embodiment, the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 can diffract visible light having a relatively long wavelength (550 nm to 800 nm) having a wider wavelength than the pitch interval Q1, and the mesh electrode 11 As the wavelength of visible light incident toward the light increases, it is diffracted at an increased angle with respect to the incident optical axis, thereby providing an environment favorable for generating constructive interference. For example, in this embodiment, the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 is narrower than the wavelength band of visible light that excites the photoreactive layers 16 and 18, for example, a pitch interval of 100 nm to 400 nm. By forming (Q1), constructive interference for visible light in a wider wavelength band can be induced. At this time, in this embodiment, the line width (W) of the mesh electrode 11 may be formed wider than the pitch interval (Q1), for example, may be formed with a line width (W) of 500 nm to 10,000 nm. there is.

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.For example, in the present embodiment, compared to the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11, short-wavelength visible light (380 nm to 400 nm to 550 nm) having a wavelength substantially equal to or similar to the pitch interval Q1, It can be diffracted at a relatively small angle with respect to the incident optical axis while passing through a pitch interval Q1 that is almost equal to or not significantly different from its own wavelength, and accordingly, even light diffracted through different neighboring pitch intervals Q1 The degree of interference (spatial interference) in which constructive interference occurs may be relatively small while traveling in the form of parallel light along an angle substantially parallel to the incident optical axis.

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.In this embodiment, for the visible light incident on the mesh electrode 11, the visible light incident through any one pitch interval Q1 may form a single wave source in the form of a point light source. Radially spreading waves using the pitch interval Q1 as a wave source may cause optical interference with each other with radially spreading waves using another adjacent pitch interval Q1 as a wave source. Waves of the same phase may cause constructive interference in which light intensity is enhanced, or waves of opposite phases may cause destructive interference in which light intensity is canceled.

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. In this way, diffraction of visible light can be performed along the propagation direction of the wave spreading radially through the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11, and different wavelengths belonging to the wavelength band of visible light with respect to the incident optical axis can It can be diffracted at different angles. For example, in the present embodiment, by designing the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 to be narrower than the wavelength band of visible light, constructive interference for visible light having a relatively long wavelength among the wavelength band of visible light can be induced.

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. For example, in this embodiment, visible light passing through the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 may be diffracted at different angles with respect to the incident optical axis according to the wavelength of visible light, and as the wavelength of visible light increases, As it is diffracted at a large angle from the incident optical axis along the pitch distance Q1, the coherence area in which visible light diffracted through neighboring different pitch spacings Q1 can cause constructive interference may increase, while on the other hand, equal to or Visible light with a short wavelength, which does not have a large difference, can proceed in the form of parallel light without causing diffraction while passing through the pitch interval Q1, and cause constructive interference between visible light passing through different adjacent pitch intervals Q1. A potential coherent area may be reduced.

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. As such, in the present embodiment, the visible light incident toward the mesh electrode 11 is formed by forming the mesh electrode 11 with a pitch interval Q1 narrower than the wavelength band of visible light that excites the photoreactive layers 16 and 18. It is possible to increase the coherence area of , and it is possible to improve the light intensity by inducing diffraction or constructive interference of visible light incident through the pitch interval (Q1) adjacent to each other, and the light response layers (16, 18) with high efficiency can be excited by

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.In this embodiment, the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 is 100 nm to 400 nm in consideration of the wavelength band (380 nm to 400 nm to 800 nm) of visible light that excites the light response layers 16 and 18. can be formed

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. In this embodiment, the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 is set to be wider than the pitch interval Q1 of the nanopattern layer 15 formed at a rear position than the mesh electrode 11 along the light traveling direction. can For example, in this embodiment, the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 is 500 nm to 1,000 nm, which is wider than 350 nm to 500 nm corresponding to the optimum range of the pitch interval Q5 of the nanopattern layer 15. It can be set to nm. As will be described later, in the nanopattern layer 15, a plurality of nanoparticles 15a inducing localized surface plasmon resonance (LSPR) are formed at regular pitch intervals Q5 ( 15a), and the pitch interval Q5 may be set to 350 nm to 500 nm with reference to the light absorption shown in FIG. 12 . At this time, the plurality of nanoparticles 15a forming the nanopattern layer 15 may be formed on the transparent conductive film 12 covering the mesh electrode 11 and exposed on the transparent conductive film 12. The convex-concave pattern of the mesh electrode 11 may be disposed along the image. At this time, while a convex-concave pattern repeated at a relatively narrow period is exposed on the transparent conductive film 12 covering the mesh electrode 11 formed at a relatively narrow pitch interval Q1, the number of nanoparticles 15a It may not be easy to provide a stable base of support. In this embodiment, in terms of providing a stable support base for the plurality of nanoparticles 15a forming the nanopattern layer 15, at least a pitch wider than the pitch interval Q5 between neighboring nanoparticles 15a. By forming the mesh electrode 11 at the interval Q1, a plurality of nanoparticles are formed along the convex-concave pattern exposed on the transparent conductive film 12 on which the nanoparticles 15a are supported through the mesh electrode 11. It can provide a stable support base for (15a).

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.In this embodiment, the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 may be formed in a range of 100 nm to 1,000 nm, and in this embodiment, the pitch interval Q1 of the mesh electrode 11 is , It may be set narrower than the wavelength band (380 nm to 400 nm to 800 nm) of visible light in consideration of constructive interference of visible light incident through the pitch interval Q1, for example, the pitch of the mesh electrode 11 in this embodiment. The interval Q1 may be set to 100 nm to 400 nm. On the other hand, unlike this, the pitch interval (Q1) of the mesh electrode 11 is set to 500 nm to 1,000 nm wider than 350 nm to 500 nm corresponding to the optimal range of the pitch interval (Q5) of the nanopattern layer 15 , It is possible to provide a stable support base for a plurality of nanoparticles (15a) arranged in the pitch interval (Q5) of the nanopattern layer (15).

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.In this embodiment, the photoreactive layers 16 and 18 may include a nanopattern layer 15 incorporated in at least a portion of the photoreactive layers 16 and 18, and the photoreactive layers 16 and 18 The nanopattern layer 15 provided in the ) may be formed in a form in which nano-sized nanoparticles 15a inducing local surface plasmon resonance are arranged at a pitch interval Q5 between adjacent nanoparticles 15a. there is.

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. In this embodiment, the nanopattern layer 15 may be incorporated into the photoreactive layers 16 and 18 and may be mixed with materials forming the photoreactive layers 16 and 18 . As will be described later, the photoreactive layers 16 and 18 include the first photoreactive layer 16 in which the nanopattern layer 15 is incorporated and the nanopattern layer 15 on the first photoreactive layer 16. In this embodiment, the first photoreactive layer 16 may include a second photoreactive layer 18 in which gold nanoparticles 15a are regularly arranged in a predetermined pattern. The pattern layer 15 may include a tungsten oxide layer (WO3) incorporated therein, and the second photoreactive layer 18 may include a bismuth-vanadium oxide layer (BiVO4) in which the nanopattern layer 15 is not incorporated. can

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.In this embodiment, the plurality of nanoparticles 15a provided in the nanopattern layer 15 may be arranged with a diameter (DIA) of 180 nm to 220 nm and a pitch interval (Q5) of 400 nm, and the plurality of nanoparticles 15a ) may be formed as one mono-layer on the transparent conductive film 12 formed to cover the mesh electrode 11, and the nano-pattern layer 15 is optically formed on the transparent conductive film 12. It can be formed as one single layer on the transparent conductive film 12 so that interference with each other does not occur.

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.For example, if a plurality of nanoparticles 15a forming the nanopattern layer 15 are arranged in vertical positions overlapping each other along the light receiving direction, the front nanoparticles 15a and the rear nanoparticles 15a are formed along the light receiving direction. Since optical interference may occur between the particles 15a and light scattered or diffracted by the nanoparticles 15a, the plurality of nanoparticles 15a forming the nanopattern layer 15 follow the light-receiving direction. It may be formed as a single layer that does not overlap with respect to each other. The nanopattern layer 15 will be described in more detail later.

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. In this embodiment, the photoreactive layers 16 and 18 include a nanopattern layer 15 including a plurality of nanoparticles 15a arranged in a single layer, and nanoparticles surrounding the nanopattern layer 15. Light response layers 16 and 18 formed on the pattern layer 15 may be included.

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. In this embodiment, the nano-pattern layer 15 allows visible light incident to the photoreactive layers 16 and 18 to be relatively high in refractive index from the photoreactive layers 16 and 18 (refractive index of about 2) of a dense medium. A form of horizontal polarization (Transverse Magnetic Field, TM polarization) that proceeds almost in parallel with the light response layers (16, 18) while being totally reflected near the solid-liquid boundary with the electrolyte (water, refractive index of about 1.5) of a medium with a low refractive index. Photoreactive layers that form an electric field that travels to and function as an electrical dielectric along the wave of an electric field that travels almost in parallel with the photoreactive layers 16 and 18 in the vicinity of the photoreactive layers 16 and 18 ( 16,18), the plasmon of the nanoparticles (15a) separated into a negatively charged electron cloud and a positively charged central ion follows the wave of the electric field and oscillates collectively along the resonant frequency under the influence of the electric field induced by being surrounded by So-called localized surface plasmon resonance (LSPR) may be induced, and the absorption of visible light may be improved by the localized surface plasmon resonance induced by the nanoparticles 15a. For example, the nanoparticles 15a including nano-sized metal particles may have electrical and optical properties that vary depending on the material properties of the medium in which the nanoparticles 15a are incorporated, and specific nanoparticles 15a Depending on the constituting metal material, the size of the nanoparticles 15a, and the type of medium in which the nanoparticles 15a are mixed, localized surface plasmon resonance can be generated at a resonance frequency corresponding to any one wavelength among visible light wavelengths, Accordingly, in a water electrolysis device that uses visible light as incident light, the light absorption rate for a specific wavelength of visible light can be increased.

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.In this embodiment, the resonance frequency exhibiting the highest light absorption in the local surface plasmon resonance induced by the nanoparticles 15a may vary according to the pitch interval Q5 between neighboring nanoparticles 15a, , For example, the wavelength of the highest light absorption corresponding to the resonance frequency tends to increase as the pitch interval (Q5) between adjacent nanoparticles (15a) increases in the wavelength range of visible light (380 nm to 400 nm to 800 nm). can show In this embodiment, by applying the nanoparticles 15a that induce localized surface plasmon resonance, light absorption of long-wavelength visible light can be improved and effective use of visible light can be increased. For example, with the first photoreactive layer 16 of the tungsten oxide layer (WO3) showing excellent light absorption at a relatively short wavelength (380 nm to 400 nm to 450 nm) among the wavelength range of visible light, the tungsten oxide layer The second photoreactive layer 18 of the bismuth-vanadium oxide layer (BiVO4), which has better light absorption for long-wavelength visible light than the first photoreactive layer 16 of (WO3), is applied together, and localized surface plasmon By applying the nanoparticles 15a that induce resonance, light absorption of long-wavelength visible light can be improved, and effective use of visible light by the entire light response layers 16 and 18 can be increased.

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.In this embodiment, the nanoparticles 15a may include gold nanoparticles 15a, and the transparent conductive material covers the first insulating substrate 10 or the mesh electrode 11 formed on the first insulating substrate 10. On the layer 12 (same as below), a nanopattern layer 15 including a plurality of nanoparticles 15a regularly arranged in a predetermined pattern may be formed. In this embodiment, the nanopattern layer 15 may include a plurality of nanoparticles 15a formed in a cylindrical dot shape, and rather than having a spherical shape, it has an appropriate adhesion to the first insulating substrate 10. It may be formed in a cylindrical dot shape including a flat surface facing the first insulating substrate 10 so as to have a dot shape. In this embodiment, the nanoparticles 15a may be formed in a dot shape having a diameter (DIA) of 180 nm to 220 nm, and may be formed in a cylindrical dot shape with a height (H) of 20 nm.

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. In various embodiments of the present invention, a predetermined pattern formed by the plurality of nanoparticles 15a may be variously modified, and as a factor that mainly affects the light absorption of the light response layers 16 and 18, nano As long as the metal material forming the particles 15a, the size of the nanoparticles 15a, and the pitch interval Q5 between neighboring nanoparticles 15a are maintained at an appropriate level, the predetermined pattern can be variously modified. For patterns of various shapes and forms that can be deformed, the light absorption characteristics depend on the metal material forming the nanoparticles 15a, the size of the nanoparticles 15a, and the pitch interval Q5 between adjacent nanoparticles 15a. this can be determined. For example, in the present embodiment, the nanoparticles 15a are arranged in a zigzag form between the nanoparticles 15a of a neighboring row, and the nanoparticles 15a of the neighboring three nanoparticles 15a ) may be arranged in a pattern forming an equilateral triangle in which the pitch intervals (Q5) are arranged, and in addition, the pitch interval (Q5) between neighboring nanoparticles (15a) affecting the light absorbance is kept constant. It can be arranged in various patterns that can be. For example, in the present embodiment, in the array of nanoparticles 15a that induce local surface plasmon resonance, the pitch interval Q5 between adjacent nanoparticles 15a is a major design variable in the design of light absorbance. , and the designed pitch interval Q5 is kept constant throughout the nanopattern layer 15, so that the required light absorption can be obtained. For example, the predetermined pattern forming the nanoparticles 15a may be repeatedly arranged in various polygonal shapes such as triangles, quadrangles, and hexagons (honeycomb) formed with equilateral equilateral distances, , For various variations of these patterns, light absorption can be determined according to the pitch interval (Q5) between neighboring nanoparticles (15a).

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.In this embodiment, the nanopattern layer 15 including a plurality of nanoparticles 15a is used to increase light absorption efficiency for relatively long wavelengths (550nm to 800nm) in the visible light wavelength band (380nm to 400nm to 800nm). The nanoparticles 15a forming the nanopattern layer 15 may be formed with a pitch interval Q5 of 350nm to 400nm or more, at which the wavelength band of visible light begins. In this embodiment, the nanoparticles 15a may include gold nanoparticles 15a and may be formed in a dot shape having a diameter (DIA) of 180 nm to 220 nm.

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.12 shows the simulation result of calculating the light absorbance according to the wavelength of visible light while varying the size of the nanoparticles forming the nanopattern layer from 180 nm to 220 nm as in this embodiment, and the formation of the nanopattern layer. Simulation results (solid lines) of calculating the light absorbance according to the wavelength of visible light in the comparative example are shown.

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.Referring to the drawings, in the present embodiment and the comparative example, there is no significant difference in light absorbance for visible light having a relatively short wavelength (400 nm to 550 nm) among the visible light wavelength bands, and there is no significant difference in the visible light of short wavelengths (400 nm to 550 nm). As for the light absorbance in this Example and the comparative example, it shows almost the same level. On the other hand, for visible light of a relatively long wavelength (550 nm to 800 nm), there is a significant difference in light absorption between the present embodiment and the comparative example in which localized surface plasmon resonance is induced. This will be described below.

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.In the simulation shown in FIG. 12, a nanopattern layer 15 in which a plurality of nanoparticles 15a are formed is formed on the first insulating substrate 10, and a tungsten oxide layer (WO3) surrounding the nanoparticles 15a The thickness T6 of the first photoreactive layer 16 of 30 nm and the thickness T8 of the second photoreactive layer 18 of the bismuth-vanadium oxide layer (BiVO4) on the first photoreactive layer 16 of 30 nm Formed, and for the model in which the solid-liquid boundary with water as the electrolyte E3 is formed on the second photoreactive layer 18, a finite-difference time-domain (FDTD) simulation is applied, The nanoparticles 15a formed in a cylindrical dot shape having a diameter (DIA) of 180 nm to 220 nm and a height (H) of 20 nm as different sizes of various nanoparticles 15a are pitched between adjacent nanoparticles 15a. (Q5) For the nanopattern layer 15 arranged at 400 nm, light absorbance was calculated while changing the wavelength of visible light. In addition, in the comparative example contrasted with this embodiment, the same Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulation was applied to the model of the same shape except for the nanoparticles 15a, so that the wavelength of visible light Light absorbance was calculated while changing.

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. Referring to FIG. 12, in the comparative example, the light absorbance increases as the wavelength of incident light increases from 400 nm, which corresponds to the lower limit of the visible light wavelength band, reaches a maximum at about 450 nm, and then increases as the wavelength of visible light increases. will decrease continuously. It is understood that this trend of light absorbance is generally similar to the profile of light absorbance of the tungsten oxide layer (WO3), which shows relatively high light absorbance for visible light with a relatively short wavelength among the wavelength range of visible light. It can be.

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. Similar to the Comparative Example, in this Example, the light absorbance increases as the wavelength of the incident light increases from 400 nm, which corresponds to the lower limit of the wavelength range of visible light, and then shows a local maximum at about 450 nm and shows a local maximum at about 450 nm. It shows a decrease between 500 nm, but as the wavelength of the incident light increases from about 550 nm, the light absorbance starts to increase rapidly again, reaching a global maximum between 600 nm and 700 nm, and the wavelength of the incident light from 700 nm As this increases, the light absorbance decreases. At this time, in the optical absorption profile according to the present embodiment, the local maximum at approximately 450 nm is lower than the global maximum between 600 nm and 700 nm showing the highest absorption in the entire optical absorption profile. , a difference of about 0.3 or more may be shown in the light absorbance normalized to the global maximum of light absorbance by 1. That is, according to the present embodiment, unlike the comparative example showing relatively excellent light absorption for visible light with a relatively short wavelength among the wavelength band of visible light, excellent light absorption for visible light with a relatively long wavelength and long wavelength. It can be understood that this difference in light absorbance is due to the fact that, in this embodiment, the light absorbance for relatively long-wavelength visible light is improved while the nanoparticles 15a that induce localized surface plasmon resonance are applied. At this time, the maximum light absorption in the comparative example is approximately similar to the local maximum in short-wavelength visible light in this embodiment, but the global maximum in this embodiment is a local maximum In a more normalized light absorbance, an improvement effect of about 0.3 or more is shown.

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.As such, in the comparative example and the present example, the wavelength of the incident light increases as the wavelength increases from 400 nm, but in the comparative example, it reaches a maximum at approximately 450 nm, and the light absorption efficiency decreases as the wavelength increases thereafter, while the present embodiment The example reaches a local maximum at 450 nm and shows a tendency to increase rapidly again from about 550 nm, so in the comparative example and the present example, the difference in light absorption efficiency is greater than that in short wavelength (400 nm to 550 nm) visible light. It shows a tendency to expand in visible light of a long wavelength (550 nm to 800 nm). In this embodiment, referring to the light absorbance of FIG. 12, the size of the nanoparticles 15a showing relatively high light absorbance, that is, the nanoparticles 15a having a diameter of 180 nm to 200 nm (DIA) can be applied. , and the nanopattern layer 15 in which the nanoparticles 15a of 180 nm to 200 nm in diameter (DIA) are arranged is relatively higher than the nanopattern layer 15 in which the nanoparticles 15a of 220 nm in diameter (DIA) are arranged. It can show high light absorbance, and referring to the light absorbance of FIG. 12, the nanopattern layer 15 in which nanoparticles 15a having a diameter of 180 nm to 200 nm (DIA) are arranged is about visible light of a wavelength of about 640 nm. , while the global maximum light absorbance is close to 1 in the normalized light absorbance, the nanopattern layer 15 in which the nanoparticles 15a with a diameter of 220 nm (DIA) are arranged has approximately 620 nm and approximately 180 nm to 680 nm, showing a global maximum light absorbance close to 0.9 at 680 nm, showing a global maximum light absorbance close to 1 at about 640 nm, and exhibiting light absorbances of 0.9 or more at 620 nm and 680 nm. Since the nanoparticles 15a having a diameter of 200 nm (DIA) show lower light absorption than the arrayed nanopattern layer 15, the nanopattern layer 15 according to the present embodiment has a diameter (DIA) between 180 nm and 220 nm. ) may include nanoparticles 15a having.

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.13 shows simulation results obtained by calculating light absorbance according to the wavelength of visible light while varying the pitch interval between adjacent nanoparticles from 300 nm to 700 nm in this embodiment.

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. In the simulation of FIG. 13, the nanopattern layer 15 in which a plurality of nanoparticles 15a are formed is formed on the first insulating substrate 10, and the tungsten oxide layer WO3 surrounding the nanoparticles 15a is formed. 1 photoreactive layer 16 having a thickness of 30 nm (T6) and a second photoreactive layer 18 of a bismuth-vanadium oxide layer (BiVO4) having a thickness of 30 nm (T8) are formed on the first photoreactive layer 16, 2 On the light response layer 18, a finite-difference time-domain (FDTD) simulation is applied to the model in which a solid-liquid boundary with water as the electrolyte E3 is formed, and the nanoparticles 15a ) in the nanopattern layer 15 in which nanoparticles 15a formed in a cylindrical dot shape having a diameter (DIA) of 200 nm and a height (H) of 20 nm are arranged at different pitch intervals (Q5) of 300 nm to 700 nm. The light absorbance according to the wavelength of visible light was calculated.

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.Referring to FIG. 13, for the nanopattern layers 15 having different pitch intervals Q1, light absorption in visible light having a relatively short wavelength (400 nm to 550 nm) among visible light wavelength bands tends to be similar. , and shows a local maximum at around 450 nm, and the light absorbance rapidly increases with the increase of the wavelength from around 550 nm, and varies from 550 nm to 800 nm according to the pitch interval (Q5) of the nanopattern layer 15. The light absorbance reaches a global maximum at visible light of different wavelengths between the two, and then the light absorbance decreases as the wavelength increases. More specifically, the highest light absorbance for visible light of approximately 580 nm is exhibited at a pitch interval (Q5) of 300 nm, and the highest light absorbance is exhibited for visible light of approximately 640 nm at a pitch interval (Q5) of 400 nm. shows the highest light absorption for visible light of approximately 670 nm. In addition, the highest light absorbance for visible light of 720 nm is exhibited at the pitch interval Q5 of 600 nm, and the highest light absorbance for visible light of 770 nm is exhibited at the pitch interval Q5 of 800 nm.

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. As such, in the present embodiment, as the pitch interval (Q5) between the neighboring nanoparticles 15a increases, the maximum light absorbance can be shown in the relatively increased long-wavelength visible light. The highest light absorbance for the pitch interval Q5 may appear as different light absorbances at different wavelengths of visible light.

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. As described above, in the present embodiment, light absorbance for long-wavelength visible light may be improved by applying the nanopattern layer 15 in which a plurality of nanoparticles 15a inducing local surface plasmon resonance are arranged.

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. 14 shows a diagram in which light absorption according to a change in pitch interval Q5 is extracted at a wavelength of 650 nm, a relatively long wavelength having excellent visible light utilization efficiency, among visible light wavelength bands (380 nm to 400 nm to 800 nm).

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. Referring to FIG. 14, the light absorbance is 87% at a pitch interval (Q5) of 300 nm, the light absorbance is 98% at a pitch interval (Q5) of 400 nm, and the light absorbance is 90% at a pitch interval (Q5) of 500 nm. there is. In addition, the light absorption is 73.5% at a pitch interval (Q5) of 600 nm, and the light absorption is 74.8% at a pitch interval (Q5) of 800 nm.

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. In this embodiment, a plurality of nanoparticles 15a arranged at pitch intervals Q5 of 350 nm to 500 nm having relatively high light absorbance, for example, 90% or more, in the light absorbance of FIG. It is possible to form a nanopattern layer 15 including Summarizing the light absorbance of FIGS. 12 to 14, the nanopattern layer 15 according to the present embodiment has nanoparticles 15a having a diameter (DIA) of 180 nm to 200 nm with a pitch interval (Q5) of 350 nm to 500 nm. It can be formed in an arrayed form.

도 11a 내지 도 11d에 도시된 광전극의 구조를 참조하여, 본 실시예에 의한 광전극에 대해 설명하기로 한다. The photoelectrode according to this embodiment will be described with reference to the structure of the photoelectrode shown in FIGS. 11A to 11D .

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.Referring to the drawings, in this embodiment, on the first insulating substrate 10, a mesh electrode 11 covering the first insulating substrate 10 and a transparent conductive film 12 covering the mesh electrode 11 are provided. can be formed sequentially. In this embodiment, the transparent conductive film 12 covering the mesh electrode 11 is applied for the purpose of protecting the mesh electrode 11 in a high-temperature forming process for forming the photoreactive layers 16 and 18. can

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. In this embodiment, the transparent conductive film 12 may be formed of a light-transparent conductive material including indium tin oxide (ITO) or fluorine-doped transparent oxide (FTO), and the mesh electrode 11 formed of gold material The mesh electrode 11 can be protected from the high-temperature formation process of the photoreactive layers 16 and 18 formed on the mesh electrode 11 by covering it. For example, in the present embodiment, the photoreactive layers 16 and 18 include a first photoreactive layer 16 including a tungsten oxide layer (WO3) and a second photoreactive layer including a bismuth-vanadium oxide layer (BiVO4). It may include a reaction layer 18, and these first and second light reaction layers 16 and 18 form a precursor solution, and after passing through a layering process such as spin coating, the sol- It may be formed through a high-temperature process of crystallization through a gel reaction and/or through a high-temperature reaction such as calcination. At this time, the first and second photoreactive layers 16 and 18 may be formed on a transparent conductive film 12 having relatively excellent high temperature stability, and a mesh electrode 11 having a lower high temperature stability than the transparent conductive film 12. ) can be covered and protected. If only the mesh electrode 11 having excellent plane resistance is applied, the mesh electrode 11 is formed on the first insulating substrate 10, and the transparent conductive film 12 having excellent high-temperature stability is formed as in the present embodiment. In the comparative example not separately formed, since the high-temperature process for forming the photoreactive layers 16 and 18 is directly performed on the mesh electrode 11, the mesh electrode 11 is thermally deformed by the high-temperature process of over 400 degrees Celsius. As the planar resistance of the mesh electrode 11 increases, the electron collection efficiency in the photoreactive layers 16 and 18 formed on the mesh electrode 11 decreases, and the separation efficiency increases due to electron-hole recombination. It may cause problems such as falling. In addition, due to the thermal deformation of the mesh electrode 11 formed on the first insulating substrate 10, the mesh electrode 11 is twisted or raised on the first insulating substrate 10, such as by the mesh electrode 11. Difficulties may arise in the collection of electrons.

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.In this embodiment, in order to increase the electron collection efficiency, the mesh electrode 11 having a relatively low planar resistance is applied, and at the same time, for the purpose of preventing thermal deformation of the mesh electrode 11, on the mesh electrode 11 By forming the transparent conductive film 12 thereon, thermal deformation of the mesh electrode 11 can be prevented, and electron collection efficiency in the photoreactive layers 16 and 18 can be prevented from deteriorating.

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. Referring to the overall structure of the water electrolysis device shown in FIG. 10, the physical binding and electrical connection of the first insulating substrate on which the photoelectrode is formed and the second insulating substrate on which the driving photoelectrode is formed will be described below. .

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. Referring to FIG. 10 , in this embodiment, a second insulating substrate 20 covering the 2-2 opening O2-2 may be disposed on the outermost side of the counter electrode module M2. For example, the second insulating substrate 20 is connected between the photoelectrode E1 and the counter electrode E2 to apply a predetermined bias voltage between the photoelectrode E1 and the counter electrode E2. A driving photoelectrode E4 may be formed. The driving photoelectrode E4 promotes the oxidation-reduction reaction occurring at the photoelectrode E1 and the counter electrode E2 by applying a predetermined bias voltage between the photoelectrode E1 and the counter electrode E2. Unlike the photoelectrode E1 and the counter electrode E2, which directly participate in the oxidation-reduction reaction, it does not form contact with the electrolyte solution E3, and, for example, the second The driving photoelectrode E4 formed on the insulating substrate 20 transmits photovoltaic power generated by photoelectric conversion of visible light incident through the second insulating substrate 20 to the photoelectrode E1 and the counter electrode E2. Photovoltaic power may be provided as a bias voltage applied between the photoelectrode E1 and the counter electrode E2 by connecting the photovoltaic power to the connecting wire L connecting the two electrodes. At this time, the driving photoelectrode E4 formed on the second insulating substrate 20 may form an electrical connection with the second conductive strip R2 covering the edge of the second insulating substrate 20. At this time, , The driving photoelectrode E4 may express a polarity to the outside through the second conductive strip R2, and the second conductive strip R2 is connected to the connection wire L to form a connection wire L A predetermined voltage difference, ie, a bias voltage, may be formed between the photoelectrode E1 and the counter electrode E2 connected to both ends of . For example, in this embodiment, one end of the connecting wire L extending from the photoelectrode E1 and the other end of the connecting wire L extending from the counter electrode E2 are connected to the photoelectrode E4 for driving. ), a bias power source may be provided by connecting to different polarities of a solar cell including a.

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. In other words, in this embodiment, the connecting wire L electrically connects the photoelectrode E1 and the counter electrode E2, via a driving photoelectrode E4 providing a bias power, The photoelectrode E1 and the counter electrode E2 may be connected. At this time, the connection wire L is connected to a contact formed on the first conductive strip R1 electrically connected to the photoelectrode E1 and the driving light. The first and second conductive strips R1 and R2 may be connected to each other by including a contact formed on the second conductive strip R2 electrically connected to the electrode E4.

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. In this embodiment, the driving photoelectrode E4 may form the outermost side of the water electrolysis device, and thus the electrical connection of the driving photoelectrode E4 is insulated from the electrolyte solution E3. may not be needed

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. For example, in this embodiment, the electrical connection between the photoelectrode E1 and the connecting wire L may include electrical insulation from the electrolyte solution E3 and is connected to the counter electrode E2. Electrical connection between the leads (L) may be exposed to the electrolyte solution (E3). At this time, the electrical connection between the photoelectrode E1 and the connecting wire L is insulated, which is interposed between the photoelectrode E1 and the connecting wire L and electrically connected to each other outside the water electrolysis device. Through the first and third conductive strips R1 and R3, the electrical connection between the photoelectrode E1 and the connection wire L may be insulated from the electrolyte solution E3, and the third conductive strip (R3) is pressed toward the photoelectrode E1 formed on the first insulating substrate 10 according to the fastening pressure between the first insulating substrate 10 and the first electrolyte container M1a, and these third conductivity This may mean that the electrolyte solution E3 may not penetrate between the strip R3 and the photoelectrode E1.

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. In the water electrolysis device according to the present embodiment, the first and second insulating substrates 10 and 20 on which the photoelectrode E1 and the counter electrode E2 are formed are outermost and second to the first side X1. In the configuration of forming the outermost side with two sides (X2), the mounting groove 10a connected to the 1-1 opening (O1-1) of the first electrolyte container (M1a) and the second electrolyte container (M2a), respectively. The first conductive strip R1 surrounding the 1-1 opening O1-1 and the 2-2 opening O2-2 while being inserted into the mounting groove 20a connected to the 2-2 opening O2-2. ), physical and electrical bonds may be formed by the second conductive strip R2 surrounding the . More specifically, the first insulating substrate 10 on which the photoelectrode E1 is formed is physically positioned between the mounting groove 10a of the first electrolyte container M1a and the first conductive strip R1, and At the same time, the photoelectrode E1 may be electrically connected between the third conductive strip R3 and the first conductive strip R1 formed in the mounting groove 10a. That is, according to the present invention, the edge of the first insulating substrate 10 on which the photoelectrode E1 is formed can be fixed while being pressed between the first and third conductive strips R1 and R3. 1 The mesh electrode 11 drawn out to the edge of the insulating substrate 10 may be electrically connected between the first and third conductive strips R1 and R3. As described above, according to the present embodiment, the first and third conductive strips disposed overlapping each other with the first insulating substrate 10 having the photoelectrode E1 disposed therebetween on the first electrolyte container M1a ( By using R1 and R3, physical binding and electrical binding of the first insulating substrate 10 on which the photoelectrode E1 is formed can be simultaneously performed. In one embodiment of the present invention, the fact that the photoelectrode E1 formed on the first insulating substrate 10 is electrically connected to the first and third conductive strips R1 and R3 means that the first insulating substrate 10 ), while the photoelectrode E1 formed on the photoelectrode E1 and the first and third conductive strips R1 and R3 are electrically connected, for example, the first conductive strip R1 connects the polarity of the photoelectrode E1 to the outside. It can mean that it can function as an external electrode expressed as

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. Similarly, the second insulating substrate 20 on which the counter electrode E2 is formed surrounds the 2-2 opening O2-2 while being inserted into the mounting groove 20a of the second electrolyte container M2a. Physical and electrical bonding may be formed by the second conductive strip R2 . More specifically, the edge of the second insulating substrate 20 on which the counter electrode E2 is formed may be fixed in position while being pressed between the mounting groove 20a of the second electrolyte container M2a and the second conductive strip R2. In addition, the driving photoelectrode E4 drawn out to the edge of the second insulating substrate 20 may be electrically connected to the second conductive strip R2. In this way, according to the present embodiment, the second insulating substrate 20 on which the counter electrode E2 is formed on the second electrolyte container M2a is coupled to face the second electrolyte container M2a and the mounting groove 20a. Physical binding and electrical binding of the second insulating substrate 20 on which the counter electrode E2 is formed may be simultaneously performed by using the second conductive strip R2. In this embodiment, the fact that the counter electrode E2 formed on the second insulating substrate 20 is electrically connected to the second conductive strip R2 means that the second conductive strip R2 is the counter electrode E2. It may mean that it can function as an external electrode capable of expressing the polarity of the counter electrode E2 to the outside while being electrically connected to In this embodiment, by applying a predetermined bias voltage between the photoelectrode E1 and the counter electrode E2, the first conductive strip R1 electrically connected to the photoelectrode E1 and the counter electrode ( E2) and electrically connected to the second conductive strip (R2) may be electrically connected to each other. ) can function as an external electrode for

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. Reference number ER not described in FIG. 10 may mean a reference electrode, together with the photoelectrode E1 forming the cathode side and the counter electrode E2 forming the anode side of the water electrolysis device according to the present embodiment. , Three different electrodes can be formed, and the voltages of the photoelectrode E1 and the counter electrode E2 can be measured based on the reference electrode ER.

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.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings, this is only exemplary, and those skilled in the art to which the present invention belongs can make various modifications and equivalent other embodiments. you will understand the point.

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
M1: Photoelectrode module M2: Counter electrode module
M1a: first electrolyte container M2a: second electrolyte container
E1: Photoelectrode E2: Counter electrode
E3: Electrolyte E4: Photoelectrode for drive
01-1, O1-2, 02-1, 02-2: opening I1: first incident area
S1-1, S1-2, S2-1, S2-2: Sealing I2: Second incident area
10: first insulating substrate 11: mesh electrode
12: transparent conductive film 15: nanopattern layer (nanoparticles)
16: first light reaction layer 18: second light reaction layer

Claims

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; 및
상기 광전극 모듈과 상기 상대전극 모듈 사이에 개재된 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치. A photoelectrode comprising a photoelectrode, an insulating substrate providing a support base for the photoelectrode at a first side of the photoelectrode, and a first electrolyte container accommodating an electrolyte solution in contact with the photoelectrode at a second side of the photoelectrode. electrode module;
a counter electrode module including a counter electrode disposed to face the photoelectrode and a second electrolyte container accommodating an electrolyte solution in contact with the counter electrode at first and second sides of the counter electrode; and
A photoelectrochemical water electrolysis device comprising a membrane interposed between the photoelectrode module and the counterelectrode module.

제1항에 있어서,
상기 광전극은,
제1 절연기판 상에 형성된 메쉬 전극;
상기 메쉬 전극을 덮도록 형성되는 투명 도전막; 및
상기 투명 도전막 상에 형성되어 광 여기에 의한 반송자를 발생시키는 광 반응층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치. According to claim 1,
The photoelectrode,
a mesh electrode formed on the first insulating substrate;
a transparent conductive film formed to cover the mesh electrode; and
A photoelectrochemical water electrolysis device comprising a photoreactive layer formed on the transparent conductive film to generate carriers by photoexcitation.

제2항에 있어서,
상기 메쉬 전극은 상기 광전극의 수광면 측을 형성하며,
상기 광 반응층은 전해액과 접하는 고액 계면 측을 형성하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치. According to claim 2,
The mesh electrode forms a light-receiving surface side of the photoelectrode,
The photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that the photoreactive layer forms a solid-liquid interface side in contact with the electrolyte solution.

제2항에 있어서,
상기 메쉬 전극은 서로 다른 방향으로 연장되는 다수의 그리드 라인들을 포함하며,
서로 평행하게 이웃한 그리드 라인들 간의 피치 간격은 100nm 내지 1,000nm로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.According to claim 2,
The mesh electrode includes a plurality of grid lines extending in different directions,
A photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that the pitch interval between grid lines adjacent to each other parallel to each other is formed to be 100 nm to 1,000 nm.

제4항에 있어서,
상기 그리드 라인들 간의 피치 간격은, 입사 방향을 따라 후방의 광 반응층을 여기시키는 가시광의 파장대역 보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치. According to claim 4,
The photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that the pitch interval between the grid lines is formed narrower than the wavelength band of visible light that excites the rear photoreactive layer along the incident direction.

제5항에 있어서,
상기 그리드 라인들 간의 피치 간격은, 100nm 내지 400nm로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치. According to claim 5,
The photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that the pitch interval between the grid lines is formed from 100 nm to 400 nm.

제4항에 있어서,
상기 광 반응층은, 나노패턴층이 혼입된 제1 광 반응층과, 상기 나노패턴층이 혼입되지 않은 제2 광 반응층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치. According to claim 4,
The photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that the photoreactive layer comprises a first photoreactive layer in which the nanopattern layer is incorporated, and a second photoreactive layer in which the nanopattern layer is not incorporated.

제7항에 있어서,
상기 그리드 라인들 간의 피치 간격은, 나노패턴층을 형성하는 서로 이웃한 나노 입자 사이의 피치 간격 보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.According to claim 7,
The photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that the pitch interval between the grid lines is wider than the pitch interval between adjacent nanoparticles forming the nanopattern layer.

제8항에 있어서,
상기 그리드 라인들 간의 피치 간격은, 500nm 내지 1,000nm로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.According to claim 8,
The photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that the pitch interval between the grid lines is formed from 500 nm to 1,000 nm.

제2항에 있어서,
상기 광 반응층은,
서로 이웃한 나노 입자들 사이의 피치 간격으로 배열된 나노패턴층;
상기 나노패턴층이 혼입된 제1 광 반응층; 및
상기 제1 광 반응층 상에서 상기 나노패턴층이 혼입되지 않은 제2 광 반응층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.According to claim 2,
The photoreactive layer,
nanopattern layers arranged at pitch intervals between neighboring nanoparticles;
a first photoreactive layer in which the nanopattern layer is incorporated; and
A photoelectrochemical water electrolysis device comprising a second photoreactive layer in which the nanopattern layer is not incorporated on the first photoreactive layer.

제10항에 있어서,
상기 제1 광 반응층은, 금(Au) 나노 입자가 소정의 패턴을 따라 배열된 상기 나노패턴층이 혼입된 텅스텐 산화물층(WO3)을 포함하고,
상기 제2 광 반응층은, 상기 나노패턴층이 혼입되지 않은 비스무스-바나듐 산화물층(BiVO4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.According to claim 10,
The first photoreactive layer includes a tungsten oxide layer (WO3) incorporating the nanopattern layer in which gold (Au) nanoparticles are arranged in a predetermined pattern,
The second photoreactive layer comprises a bismuth-vanadium oxide layer (BiVO4) in which the nanopattern layer is not incorporated.

제11항에 있어서,
상기 제1 광 반응층과 상기 제2 광 반응층은, 각각 30nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.According to claim 11,
The photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that the first photoreactive layer and the second photoreactive layer are each formed to a thickness of 30 nm.

제10항에 있어서,
상기 나노패턴층에 구비된 다수의 나노 입자들은 일정한 피치 간격으로 배열된 단일층(mono-layer)을 형성하는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.According to claim 10,
A photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that the plurality of nanoparticles provided in the nanopattern layer form a mono-layer arranged at regular pitch intervals.

제10항에 있어서,
상기 나노패턴층에 구비된 다수의 나노 입자들 각각은 원기둥 형태의 도트 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.According to claim 10,
The photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that each of the plurality of nanoparticles provided in the nanopattern layer is formed in a cylindrical dot shape.

제14항에 있어서,
상기 나노패턴층에 구비된 다수의 나노 입자들 각각은 20nm 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치. According to claim 14,
The photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that each of the plurality of nanoparticles provided in the nanopattern layer is formed to a height of 20nm.

제10항에 있어서,
상기 나노패턴층에 구비된 다수의 나노 입자들 각각은 180nm~220nm 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.According to claim 10,
A photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that each of the plurality of nanoparticles provided in the nanopattern layer has a diameter of 180 nm to 220 nm.

제10항에 있어서,
상기 나노패턴층에 구비된 다수의 나노 입자들은 피치 간격 350nm~500nm로 서로 인접하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 광전기화학적 수전해 장치.
According to claim 10,
A photoelectrochemical water electrolysis device, characterized in that the plurality of nanoparticles provided in the nanopattern layer are arranged adjacent to each other at a pitch interval of 350 nm to 500 nm.