[論文レビュー] Radiative cooling by tailoring surfaces with microstructures

Armande Hervé, Jérémie Drevillon+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2018

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、1次元のラメラグレーティングと多層膜ディエレクトリック/金属積層構造を組み合わせたハイブリッド放射冷却器を提案し、太陽光帯域（0.3–2.5 μm）で高い反射率（80–90%）と大気透過窓（8–13 μm）内で強い中赤外放射（ピーク波長9–10 μm）を実現する。この構造により、フランスポワチエの平均昼間条件下でピーク放射冷却出力密度が80 W·m⁻²に達し、簡素化されたバージョンでは約75 W·m⁻²を達成する。グレーティングと多層膜効果の相乗効果による放射強化により、顕著な冷却性能を示す。

ABSTRACT

We propose in this article a method to generate radiative coolers which are reflective in the solar spectrum and emissive in the transparency window of the atmosphere (8-13 $μ$m). We choose an approach combining thermal control capacity of gratings and multi-layers. We use optimized BN, SiC and SiO 2 gratings, which have emissivity peak in the transparency window. We place under these gratings a metal/dielectric multi-layer structure to obtain a near perfect reflectivity in the solar spectrum and to enhance the emissivity in the transparency window. The optimized structures produce a good radiative cooling power density up to 80 W.m --2 .

研究の動機と目的

• 太陽スペクトル（0.3–2.5 μm）で高い反射率かつ大気透過窓（8–13 μm）で高い放射率を示す放射冷却器の設計。
• 最適化された幾何パラメータを有するBN、SiC、またはSiO₂で作られたサブ波長グレーティングを用いて、8–13 μm窓域における放射率の向上。
• グレーティングの上にAg/誘電体多層膜構造を統合し、太陽光帯域でほぼ完全な反射率（>95%）を達成するとともに、中赤外放射をさらに強化。
• 実験的実装可能性を高めるために設計を簡素化し、複雑な多層膜の代わりにTiO₂/SiO₂ファブリ・ペロー共振器を用いることで、高い冷却性能を維持。
• 2次元グレーティングを用いることで、実用的展開に向けた角度依存性および偏光依存性の低減を検討。

提案手法

• 1次元ラメラグレーティング（SiC、BN、またはSiO₂）と多層膜スタック（Ag/SiO₂ または Ag/TiO₂/SiO₂）を組み合わせ、スペクトル的放射率を調整。
• グレーティングの最適化パラメータ（周期d、高さh、ドーティー・サイクルF）を設定し、大気透過窓に一致する9–10 μm付近に強い放射ピークを生成。
• 多層膜スタックが干渉効果により太陽スペクトル（0.3–2.5 μm）で95%以上の高い反射率を実現。
• 理論的放射率および冷却出力を、実際の太陽放射および大気条件を想定した、法線入射スペクトル的放射率と放射移動モデルを用いて計算。
• グレーティングが多層膜に表面フォノン極化波（SPP）を励起するか、または多層膜の放射率を向上させる上部放射層として機能するかを分析。
• 多層膜の代わりにTiO₂/SiO₂キャビティを用いた簡素化構造を提案し、製造の複雑さを低減しながらも高い性能を維持。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドグレーティング・マルチレイヤー構造は、大気透過窓域で強い選択的中赤外放射と、太陽スペクトルで高い反射率を同時に達成できるか？
• RQ2 グレーティングとマルチレイヤー・スタックの結合が、それぞれの個別効果を上回る放射率の向上をどのように実現するか？
• RQ3 ファブリ・ペロー共振器を用いた簡素化構造（例：TiO₂/SiO₂）は、製造の複雑さを低減しつつも、高い放射冷却性能を維持できるか？
• RQ4 グレーティングが下部マルチレイヤーの放射率を向上させるメカニズムは、SPP励起か、または高放射率上部層としての機能か、それぞれの役割は何か？
• RQ5 偏光および入射角依存性が冷却性能に与える影響は何か？2次元グレーティングは、角度および偏光依存性の低減に寄与できるか？

主な発見

• 最適化されたハイブリッド構造は、フランスポワチエの平均昼間条件下でピーク放射冷却出力密度80 W·m⁻²を達成。
• TiO₂/SiO₂キャビティを用いた簡素化構造は、19時時点で約75 W·m⁻²の冷却出力を示し、複雑さを低減しながらも顕著な性能を発揮。
• グレーティングの放射ピークとマルチレイヤーの共鳴キャビティ応答の相乗効果により、8–13 μmの大気透過窓域における放射率が顕著に向上。
• グレーティングは9 μm付近の放射ピークを生成し、8–11 μm範囲の放射率を向上させる一方、マルチレイヤー構造は10および12 μm付近の放射を強化。
• 太陽スペクトル全域で80%以上の高い反射率を維持し、太陽加熱を最小限に抑える。
• 理論的分析から、グレーティングがSPP励起または高放射率上部層としての機能により放射率を向上させる可能性があると示唆されるが、正確なメカニズムはさらなる実験的検証を要する。