[논문 리뷰] A simple radiative thermal diode

Elyes Nefzaoui, Jérémie Drevillon외 2명|2013. 06. 26.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 2인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 다층 선택적 복사체—금과 고도로 도핑된 실리콘—를 사용한 원거리 복사 열 다이오드를 제안한다. 여기서 한 복사체의 발열도는 온도에 따라 변하는 반면, 다른 복사체의 발열도는 온도에 독립적이다. 이로 인해 비대칭 열 전달이 가능해지며, 200 K의 온도차에서 최대 70%의 열 정류율을 달성한다. 이는 복사 기반 열 정류기 중 기록이다.

ABSTRACT

We present a thermal rectification device concept based on far-field radiative exchange between two selective emitters. Rectification is achieved due to the fact that one of the selective emitters radiative properties are independent on temperature whereas the other emitter properties are strongly temperature dependent. A simple device constituted by two multilayer samples made of metallic (Au) and semiconductor (Si and HDSi) thin films is proposed. This device shows a rectification up to 70% with a temperature difference ΔT = 200 K, a rectification ratio that has never been achieved so far with radiation-based rectifiers. Further optimization would allow larger rectification values. Presented results might be useful for energy conversion devices, smart radiative coolers / insulators engineering and thermal modulators development.

연구 동기 및 목표

• 기존의 도핑 기반 또는 근거리 정류기의 한계를 극복하고 실용적이며 실험적으로 구현 가능한 복사 열 다이오드를 설계하는 것.
• 근거리 또는 나노스케일 장치보다 실제 응용에 더 적합한 원거리 복사에 기반한 높은 열 정류 비율을 달성하는 것.
• 스펙트럼 조절이 가능한 온도에 따라 변화하는 선택적 복사체를 활용해 다양한 작동 온도 및 스펙트럼 범위에서 높은 정류 비율을 달성하는 것.
• 중간 정도의 온도차에서 단순한 다층 금속 및 반도체 구조를 사용해 70%를 초과하는 열 정류가 가능하다는 것을 입증하는 것.
• 열 관리, 에너지 변환 및 스마트 열 조절 장치를 위한 확장 가능한 재료 기반 솔루션을 제공하는 것.

제안 방법

• 장치는 원거리 복사가 支배하는 진공 갭을 가진 두 개의 평행한 다층 선택적 복사체로 구성된다.
• 한 복사체(금)는 온도에 따라 변화하는 드루드 모델을 사용해 유전율 함수를 모델링하며, 플라즈마 주파수와 감쇠 계수는 온도에 따라 변한다.
• 두 번째 복사체(고도로 도핑된 실리콘)는 실리콘의 운반자 이동도와 감쇠 계수가 온도에 따라 변화하지만 플라즈마 주파수는 일정한 온도에 따라 변화하는 드루드 모델을 사용한다.
• 복사 열역학은 원거리 복사 전달 방정식을 사용해 계산되며, 투과 계수는 키르히호프의 법칙에 기반한 발열도와 반사도에서 유도된다.
• 정류 계수는 대칭적인 온도 반전 조건(500 K 및 300 K)에서 정방향과 역방향 열역학의 상대적 차이로 계산된다.
• 금, 고도로 도핑된 실리콘, 순수 실리콘의 온도에 따른 광학적 특성은 기존의 물리적 관계와 문헌 데이터를 기반으로 모델링된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온도에 따라 변화하는 선택적 복사체와 온도에 독립적인 선택적 복사체만을 사용해 원거리 복사 열 다이오드가 높은 정류 비율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 중간 정도의 온도차에서 금과 도핑된 실리콘으로 구성된 단순한 다층 구조에서 얻을 수 있는 최대 열 정류 비율은 얼마인가?
• RQ3 도핑된 실리콘의 운반자 이동도와 감쇠의 온도 의존성이 복사 열역학 비대칭성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 제안된 장치는 기존의 복사 기반 열 정류기보다 정류 효율 측면에서 뛰어나게 성능을 발휘할 수 있는가?
• RQ5 선택적 복사체의 재료를 설계함으로써 스펙트럼 범위에 따라 정류 성능을 얼마나 잘 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 복사 열 다이오드는 온도차 200 K에서 최대 70%의 열 정류 비율을 달성하며, 복사 기반 정류기에서 이전에 보고된 값보다 크게 뛰어나다.
• 높은 정류는 고도로 도핑된 실리콘의 발열도가 강하게 온도에 따라 변화하기 때문이며, 금의 발열도는 온도 범위 내에서 거의 일정하다.
• 장치는 원거리 영역에서 작동하므로, 근거리 또는 나노스케일 장치보다 실험적으로 실현 가능하고 확장성이 뛰어나다.
• 적절한 선택적 복사체를 선택해 온도에 따라 변화하는 광학적 특성을 조절함으로써 다양한 스펙트럼 영역에서 정류 성능을 조절할 수 있다.
• 이론적 분석은 정류가 도핑된 실리콘 층의 발열도가 비대칭적으로 온도에 따라 변화함으로써 금 층과의 복사 결합을 조절하기 때문에 발생한다는 것을 확인한다.
• 다층 구조의 추가 최적화로 정류 비율을 70% 이상으로 끌올릴 수 있으며, 이는 실용적인 열 관리 및 에너지 변환 응용 분야에서 큰 잠재력을 지닌다.