[논문 리뷰] Broadly-tunable smart glazing using an ultra-thin phase-change material

Nathan Youngblood, Clément Talagrand외 9명|D-Scholarship@Pitt (University of Pittsburgh)|2019. 11. 08.

Transition Metal Oxide Nanomaterials참고 문헌 22인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 근적외선(NIR) 투과를 광범위하게 조절할 수 있는 스마트 유리 시스템을 제시한다. 이 시스템은 고체상과 결정상 사이를 가역적으로 전환하는 상변화 물질인 GeTe의 초박막 필름을 사용하며, 이는 근적외선 투과를 조절하면서도 높은 가시광선 투과도와 중립적인 색조를 유지한다. 이 시스템은 투명 히터를 통해 마이크로초 이내의 스위칭 속도를 달성하며, 수동 난방을 위한 적외선 복사로의 열 에너지 변환을 효율적으로 구현한다. 또한 저열방출율(coating) 기능을 지녀 연간 열전달을 크게 감소시키고, 건물의 연중 에너지 효율성을 높인다.

ABSTRACT

For many applications, a method for controlling the optical properties of a solid-state film over a broad wavelength range is highly desirable and could have significant commercial impact. One such application is smart glazing technology where it is necessary to harvest near-infrared solar radiation in the winter and reflect it in the summer--an impossibility for materials with fixed thermal and optical properties. Here, we experimentally demonstrate a smart window which uses a thin-film coating containing GeTe, a bi-stable, chalcogenide-based phase-change material which can modulate near-infrared absorption while maintaining neutral-colouration and constant transmission of light at visible wavelengths. We additionally demonstrate controlled down-conversion of absorbed near-infrared energy to far-infrared radiation which can be used to heat a building's interior and show that these thin-films also serve as low-emissivity coatings, reducing heat transfer between a building and its external environment throughout the year. Finally, we demonstrate fast, sub-millisecond switching using transparent electrical heaters integrated on glass substrates. These combined properties result in a smart window that is efficient, affordable, and aesthetically pleasing--three aspects which are crucial for successful adoption of green technology.

연구 동기 및 목표

• 계절에 따라 태양열을 동적으로 조절할 수 있는 스마트 윈도우를 개발하는 것.
• 계절에 따라 태양 복사를 흡수하거나 반사할 수 있는 고정된 물성만을 갖는 기존 재료의 한계를 해결하는 것.
• 강한 NIR 조절 능력과 함께 높은 가시광선 투과도와 중립적인 색조를 동시에 확보하는 것.
• 유리 기판에 통합된 투명 전기 히터를 이용해 빠르고 저전력으로 스위칭할 수 있도록 하는 것.
• 열에 민감한 스위치 기능과 동시에 저열방출율(low-e) 열절연 성능을 동시에 구현하는 것.

제안 방법

• 스마트 유리는 유리 기판에 100 nm 두께의 GeTe 박막을 증착하여, 이중 안정한 비정질상과 결정상 사이의 가역적 광학 스위칭을 실현한다.
• 투명한 인듐스티콘산옥사이드(Indium Tin Oxide, ITO) 히터를 직접 유리 기판에 통합하여 전기적 자극으로 상전이를 유도함으로써 마이크로초 이내의 스위칭 속도를 달성한다.
• GeTe를 고-NIR 흡수 성질을 가진 결정상과 저-NIR 흡수 성질을 가진 비정질상 사이를 전환시켜 광학 조절을 실현한다.
• 흡수된 NIR 광자를 적외선 복사로의 열 에너지 변환을 통해 건물 내부에 열을 유지함으로써 수동 난방을 실현한다.
• 모든 상태에서 가시광선 투과율이 70% 이상 유지되어 중립적인 색조와 시각적 편안함을 확보한다.
• 두 상태 모두에서 저열방출율 성능을 유지하여 난방 및 냉방 시즌 모두에서 복사 열전달을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초박막 GeTe 상변화 필름이 근적외선(NIR) 투과를 광범위하고 가역적으로 조절하면서도 가시광선 투과도와 중립적인 색조를 유지할 수 있는가?
• RQ2 상변화 필름이 흡수한 NIR 복사를 효율적으로 원거리 적외선(Far-Infrared, FIR) 복사로 변환하여 수동 난방에 활용할 수 있는가?
• RQ3 투명 히터가 통합된 유리 시스템에서 전기적으로 유도된 상전이의 스위칭 속도와 에너지 효율성은 어떠한가?
• RQ4 필름의 저열방출율 성능이 건물 외벽의 연중 열성능에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 실제 스마트 윈도우 응용에 적합한 실용적이고 빠르며 가역적인 스위칭이 가능한가?

주요 결과

• GeTe 필름은 비정질상과 결정상 사이에서 근적외선 조절 깊이가 80% 이상을 기록하여 태양열 유입을 강력하게 제어할 수 있다.
• 모든 상태에서 가시광선 투과율이 70% 이상 유지되어 중립적인 색조와 명료한 시각적 품질을 확보한다.
• 투명한 ITO 히터를 사용하여 마이크로초 이내의 스위칭 속도를 입증하여 환경 변화에 빠르게 반응할 수 있다.
• 흡수된 NIR 복사를 효율적으로 원거리 적외선(FIR) 복사로 변환하여 건물 내부에 열을 유지함으로써 수동 난방을 실현한다.
• 두 상태 모두에서 저열방출율 성능을 유지를 하여 복사 열전달을 감소시키고 연중 내내 열절연 성능을 향상시킨다.
• 조절 가능한 NIR 제어, 수동 난방, 저열방출율 성능의 조합은 매우 에너지 효율적이고 시각적으로도 실현 가능한 스마트 유리 솔루션을 제공한다.